(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ガス側を有する化石燃料（Ｂ）用の燃焼室（４）と、水平煙道（６）と、燃焼室（４）に高温ガス側において水平煙道（６）を介して接続された垂直煙道（８）とを備え、
燃焼室（４）が水平煙道（６）の高さに配置された多数のバーナ（５８）を有し、燃焼室（４）の囲壁（９）が、垂直に配置され互いに気密に溶接された多数の蒸発管（１０）で形成され、多数の蒸発管（１０）が第１グループ（１８）と第２グループ（２０）とに分けられ、第１グループ（１８）の蒸発管（１０）および第２グループ（２０）の蒸発管（１０）がそれぞれ並行に流れ媒体（Ｓ）を供給され、第２グループ（２０）の蒸発管（１０）が流れ媒体（Ｓ）の流れ方向に見て第１グループ（１８）の下流側で第１グループ（１８）の蒸発管（１０）に直列接続され、
燃焼室（４）の囲壁（９）が高温ガス（Ｇ）の主流れ方向（２６）に沿って第１範囲（２２）と第２範囲（２４）とに分けられ、第１範囲（２２）が第１グループ（１８）の蒸発管（１０）で形成され、第２範囲（２４）が第２グループ（２０）の蒸発管（１０）で形成され、第２範囲（２４）が高温ガス側において第１範囲（２２）と水平煙道（６）との間に配置されている
ことを特徴とする化石燃料ボイラ。
【請求項２】
第１グループ（１８）の蒸発管（１０）および第２グループ（２０）の蒸発管（１０）に流れ媒体側においてそれぞれ、流れ媒体（Ｓ）用の共通の入口管寄せ装置（２８、３０）が前置接続され、共通の出口管寄せ装置（３２、３４）が後置接続されていることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項３】
燃焼室（４）の囲壁（９）の１つが正面壁（１１）であり、この正面壁（１１）の蒸発管（１０）が並行に流れ媒体（Ｓ）を供給されることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項４】
燃焼室（４）の囲壁（９）の１つが正面壁（１１）であり、この正面壁（１１）の蒸発管（１０）が流れ媒体側において第１グループ（１８）の蒸発管（１０）に前置接続されていることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項５】
燃焼室（４）の多数の蒸発管（１０）の管内径（Ｄ）が、燃焼室（４）内での蒸発管（１０）のそれぞれの位置に関係して選定されていることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項６】
多数の蒸発管（１０）がそれぞれその内周面に多条ねじ山を形成するフィン（４０）を有している請求項１記載のボイラ。
【請求項７】
多数の蒸発管（１０）がそれぞれ管軸線を規定しかつその内周面にフランク（４４）を持つフィン（４０）を有し、このフィン（４０）が多条ねじ山を形成し、管軸線に対して垂直な平面（４２）とフィン（４０）のフランク（４４）との成す傾斜角（α）が６０°より小さいことを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項８】
傾斜角（α）が５５°より小さいことを特徴とする請求項７記載のボイラ。
【請求項９】
多数の蒸発管（１０）がそれぞれ絞り装置を有していることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項１０】
流れ媒体（Ｓ）を燃焼室（４）の蒸発管（１０）に供給する配管系（５４）が設けられ、その配管系（５４）が流れ媒体（Ｓ）の流量を減少させるために絞り装置を有していることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項１１】
絞り装置が絞り弁であることを特徴とする請求項１０記載のボイラ。
【請求項１２】
水平煙道（６）の側壁（１２）が、垂直に配置され互いに気密に溶接され且つ並行に流れ媒体（Ｓ）を供給される蒸気発生管（１６）で形成されていることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項１３】
垂直煙道（８）の側壁（１４）が、垂直に配置され互いに気密に溶接され且つ並行に流れ媒体（Ｓ）を供給される蒸気発生管（１７）で形成されていることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項１４】
隣接する蒸発管（１０）がひれを介して互いに気密に溶接され、そのひれのひれ幅が燃焼室（４）における蒸発管（１０）のそれぞれの位置に関係して選定されていることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項１５】
水平煙道（６）において隣接する蒸気発生管（１６）がひれを介して互いに気密に溶接され、そのひれのひれ幅が水平煙道（６）における蒸気発生管（１６）のそれぞれの位置に関係して選定されていることを特徴とする請求項１２記載のボイラ。
【請求項１６】
垂直煙道（８）において隣接する蒸気発生管（１７）がひれを介して互いに気密に溶接され、そのひれのひれ幅が垂直煙道（８）における蒸気発生管（１７）のそれぞれの位置に関係して選定されていることを特徴とする請求項１３記載のボイラ。
【請求項１７】
水平煙道（６）内に複数の過熱器（５０）が懸垂構造で配置されていることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項１８】
垂直煙道（８）内に複数の対流加熱器（５２）が配置されていることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項１９】
燃焼室（４）の囲壁（９）の１つが正面壁（１１）であり、この正面壁（１１）にバーナ（５８）が配置されていることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項２０】
燃焼室（４）の囲壁（９）の１つが正面壁（１１）であり、
水平煙道（６）が入口範囲（６０）を有し、燃焼室（４）の正面壁（１１）と水平煙道（６）の入口範囲（６０）との間の距離で規定される燃焼室（４）の長さ（Ｌ）が、ボイラ（２）の全負荷運転時における燃料（Ｂ）の燃焼長と少なくとも同じであることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【請求項２１】
燃焼室（４）の長さ（Ｌ）が、ＢＭＣＲ（ボイラ最大連続蒸発量）値（Ｗ）、バーナ（５８）の燃焼時間（ｔA）又は燃焼室（４）からの高温ガス（Ｇ）の出口温度（ＴBRK）の関数として、近似的に次式（１）、（２）で選定され、
Ｌ（Ｗ、ｔA）＝（Ｃ1＋Ｃ2・Ｗ）・ｔA            （１）
Ｌ（Ｗ、ＴBRK）＝（Ｃ3・ＴBRK＋Ｃ4）Ｗ＋Ｃ5（ＴBRK）2
＋Ｃ6・ＴBRK＋Ｃ7            （２）
ここで、Ｃ1＝８  ｍ／ｓ
Ｃ2＝０．００５７  ｍ／ｋｇ
Ｃ3＝−１．９０５・１０-4  （ｍ・ｓ）／（ｋｇ℃）
Ｃ4＝０．２８５７  （ｓ・ｍ）／ｋｇ
Ｃ5＝３・１０-4  ｍ／（℃）2
Ｃ6＝−０．８４２１  ｍ／℃
Ｃ7＝６０３．４１２５  ｍ
であり、そのボイラ最大連続蒸発量（ＢＭＣＲ）値（Ｗ）に対して、それぞれ燃焼室（４）の大きい方の長さ（Ｌ）が適用されることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、化石燃料用の燃焼室を備え、この燃焼室に高温ガス側において水平煙道を介して垂直煙道が後置接続されているボイラに関する。
【０００２】
ボイラを備えた発電所において、燃料の含有エネルギはボイラにおいて流れ媒体を蒸発させるために利用される。ボイラは流れ媒体を蒸発させるために蒸発管を有し、この蒸発管内を導かれる流れ媒体が蒸発管の加熱により蒸発される。ボイラから供給される蒸気は例えば密閉された外部プロセスに利用されるが、また蒸気タービンを駆動するために利用される。蒸気が蒸気タービンを駆動すると、その蒸気タービンのタービン軸を介して通常、発電機あるいは作業機械が駆動される。発電機の場合、これによって発生された電流は、複合電力系統及び／又は島状電力系統に供給される。
【０００３】
ボイラは貫流ボイラとして形成される。貫流ボイラは、ＶＧＢ  クラフトベルクステヒニーク(Kraftwerkstechnik)  ７３（１９９３年）、第４号、第３５２〜３６０頁に掲載のＪ．フランケ、Ｗ．ケーラー、Ｅ．ウィッチョー共著の論文「ベンソンボイラの蒸発器構想」で知られている。貫流ボイラの場合、蒸発管として設けられた蒸気発生管の加熱は、流れ媒体をその蒸気発生管の一回の通過で蒸発させる。
【０００４】
ボイラは通常、垂直構造の燃焼室が装備されている。これは、燃焼室がほぼ垂直方向における加熱媒体あるいは高温ガスの通過に対して設計されることを意味する。その燃焼室には高温ガス側において水平煙道が後置接続され、高温ガス流が燃焼室から水平煙道に移行する際、高温ガスのほぼ水平方向への転向が行われる。しかしそのような燃焼室は一般に、温度に起因する燃焼室長さが変化するために、燃焼室を懸垂支持する架台を必要とする。これは、ボイラを製造および組み立てる際にかなり高い技術的経費がかかることを意味し、その経費は、ボイラの構造高さが大きくなればなるほど高くなる。
【０００５】
特別な問題は、ボイラの煙道あるいは燃焼室の囲壁を、そこで生ずる管壁温度あるいは材料温度を考慮して設計することにある。約２００バールまでの未臨界圧力範囲において、燃焼室の囲壁温度は、蒸発管の内周面の湿りが保証されるとき、主に水の飽和温度の高さによって決定される。これは例えば、内周面に表面構造物を有する蒸発管を利用することによって達成される。そのために、特に内側フィン付き蒸発管が用いられ、貫流ボイラへのその採用は例えば上述の文献で知られている。このいわゆるフィン付き管、即ち内周面にフィンが付けられた管は、管内壁から流れ媒体への特に良好な熱伝達率を有する。
【０００６】
燃焼室の囲壁が種々に異なって加熱されることは、経験的に避けられない。従って一般に、蒸発管の異なった加熱に基づいて、ボイラにおける高加熱（強く加熱される）蒸発管からの流れ媒体の出口温度は、標準加熱あるいは低加熱（弱く加熱される）蒸発管の場合におけるよりも高くなる。これによって、隣接する蒸発管間に温度差が生じ、この温度差は、ボイラの寿命を短くするか管に亀裂をひき起こす熱応力を生じさせる。
【０００７】
本発明の課題は、特に安価な製造費および組立費しか必要とせず、運転中において燃焼室の隣接する蒸発管間の温度差が特に小さいような、冒頭に述べた形式の化石燃料ボイラを提供することにある。
【０００８】
この課題は、本発明により、高温ガス側を有する化石燃料用の燃焼室と、水平煙道と、燃焼室に高温ガス側において水平煙道を介して接続された垂直煙道とを備え、燃焼室が水平煙道の高さに配置された多数のバーナを有し、燃焼室が垂直に配置され互いに気密に溶接された多数の蒸発管で形成された囲壁を有し、多数の蒸発管が第１グループと第２グループとに分けられ、第１グループの蒸発管および第２グループの蒸発管がそれぞれ並行に流れ媒体を供給され、第２グループの蒸発管が流れ媒体の流れ方向に見て第１グループの下流側で第１グループの蒸発管に直列に接続され、燃焼室の囲壁が高温ガスの主流れ方向に沿って第１範囲と第２範囲とに分けられ、第１範囲が第１グループの蒸発管で形成され、第２範囲が第２グループの蒸発管で形成され、第２範囲が高温ガス側において第１範囲と水平煙道との間に配置されていることによって解決される。
【０００９】
本発明は、特に安価な製造費および組立費で作れるボイラは、単純に形成できる懸垂構造物を有していなければならない、という考えから出発している。技術的に比較的安価に作れる燃焼室懸垂支持用の架台は、ボイラの比較的低い構造高さを生ずる。ボイラの特に低い構造高さは、燃焼室が水平構造に形成されていることによって得られる。そのために、バーナは燃焼室壁に水平煙道の高さに配置される。これによって、ボイラの運転中、燃焼室は高温ガスでほぼ水平方向に貫流される。
【００１０】
更に水平燃焼室の運転中、材料の早過ぎる疲労を確実に防止するために、隣接する蒸発管間における温度差を特に小さくしなければならない。しかし水平燃焼室の場合、貫流ボイラの運転中、高温ガス側から見た燃焼室の後部範囲は、高温ガス側から見た燃焼室の前部範囲よりも比較的弱く加熱（低加熱）される。更に例えば、バーナ近くの蒸発管は、燃焼室の隅に配置された蒸発管よりも強く加熱（高加熱）される。燃焼室の前部範囲における加熱量は、後部範囲における加熱量のほぼ３倍の大きさとなることもある。
【００１１】
１００％蒸気出力（全負荷）時における従来２０００ｋｇ／ｍ2ｓの蒸発管の質量流量密度において、全管の質量流量の平均値に関して、高加熱蒸発管における質量流量は低下し、低加熱蒸発管における質量流量は増加する。この挙動は、蒸発管の全圧力降下における摩擦損失の比較的大きな割合によってひき起こされる。更に、水平燃焼室の特に低い構造高さに基づく蒸発管の相対伸長差は、垂直燃焼室の場合におけるより大きくなる。これは、個々の蒸発管の加熱量および摩擦損失における差を追加的に強める。それでも隣接する蒸発管間の温度を確実にほぼ同じにするために、燃焼室の多数の蒸発管は有利に第１グループと第２グループとに分けられている。第１グループの、流れ媒体側を並列接続された蒸発管は、第２グループの、流れ媒体側を並列接続された蒸発管に、流れ媒体側に関して直列接続されている。
【００１２】
第１グループの蒸発管が第２グループの蒸発管に直列接続される場合、燃焼室が高温ガスの主流れ方向に沿って第１範囲と第２範囲とに分けられ、第１範囲が第１グループの蒸発管で形成され、第２範囲が第２グループの蒸発管で形成されていると有利である。第２範囲は高温ガス側において第１範囲と水平煙道との間に配置されている。第１範囲の蒸発管の流れ媒体を供給された入口部分は、ボイラの運転中に、第２範囲の蒸発管の入口部分よりも比較的低い温度を有する。つまり第２範囲は、蒸発管の直列接続に基づいて、既に第１範囲を通過した流れ媒体を供給される。同様に、水平煙道の入口部分は、燃焼室の第２範囲の入口部分よりも比較的低い温度を有する。燃焼室が２つの範囲に分けられ、これらの両範囲の蒸発管が高温ガスの流れ方向に沿って並列接続されていることによって、ボイラの運転中、隣接する蒸発管の温度差は特に小さくなる。
【００１３】
第１グループの蒸発管および第２グループの蒸発管に流れ媒体側においてそれぞれ、流れ媒体用の共通の入口管寄せ装置が前置接続され、共通の出口管寄せ装置が後置接続されていると有利である。この実施態様で形成されたボイラは、並列接続された蒸発管間の確実な圧力バランスを可能にし、従って流れ媒体が貫流中に蒸発管に良好に分配される。
【００１４】
燃焼室の囲壁は正面壁であり、この正面壁の蒸発管が並行に流れ媒体を供給されると有利である。
【００１５】
燃焼室の正面壁の蒸発管が、流れ媒体側において、燃焼室の第１グループの蒸発管に前置接続されていると有利である。これによって、正面壁の特に良好な冷却が保証される。
【００１６】
本発明の他の有利な実施態様において、燃焼室の多数の蒸発管の管内径は、燃焼室内での蒸発管のそれぞれの位置に関係して選定されている。このようにして、蒸発管は燃焼室内において高温ガス側の予設定可能な加熱温度分布に合わされる。これによって、蒸発管の貫流に影響を及ぼすことによって、蒸発管の出口における温度差が特に確実に小さくされる。
【００１７】
蒸発管内を導かれる流れ媒体に燃焼室の熱を特に良好に伝達するために、好適には、多数の蒸発管はその内周面にそれぞれ多条ねじ山を形成するフィンを有している。その場合好適には、管軸線に対して垂直な平面と管内周面に設けられたフィンのフランクとの成す傾斜角αは、６０°より小さく、好適には５５°より小さい。
【００１８】
つまり内側フィンのない蒸発管（いわゆる平滑管）として形成された蒸発管の場合、所定の蒸気含有量からは、特に良好な熱伝達にとって必要な管壁の湿りがもはや維持されない。湿りが不足すると、所々に乾いた管壁が出現する。そのような乾いた管壁への移行は、熱伝達挙動が悪いいわゆる熱伝達危機を生じ、このために一般に、この個所において管壁温度が特に著しく上昇する。しかしこの熱伝達危機は、内側フィン付き蒸発管においては平滑管と異なり、蒸気含有量が０．９より大きい場合に、即ち蒸発の完了直前に初めて生ずる。その理由は、流れにスパイラル状フィンによって旋回が与えられることにある。水分は異なった遠心力に基づいて蒸気分から分離され、管壁に押し付けられる。これによって、管壁の湿りは高い蒸気含有量まで維持され、従って、熱伝達危機の場所に高い流速が出現する。これは、熱伝達危機にもかかわらず、比較的良好な熱伝達を生じさせ、その結果管壁温度が低くされる。
【００１９】
好適には、燃焼室の多数の蒸発管は、流れ媒体の流量を減少させる手段を有している。その手段が絞り装置として形成されていると特に有利である。その絞り装置は例えば、それぞれの蒸発管の内部の或る個所で管内径を狭める蒸発管内への組込み物でよい。
【００２０】
その場合、燃焼室の蒸発管に流れ媒体を供給する多数の並列配管を有する配管系の流量を減少させる手段も有利である。その配管系は、流れ媒体を並行に供給される蒸発管の入口管寄せ装置にも前置接続される。この配管系の１つあるいは複数の配管に例えば絞り弁が設けられる。蒸発管を通る流れ媒体の流量を減少させるためのそのような手段によって、個々の蒸発管を通る流れ媒体の流量が、燃焼室におけるその都度の加熱量に合わせられる。これによって、蒸発管の出口における流れ媒体の温度差が追加的に特に確実に小さくされる。
【００２１】
水平煙道の側壁及び／又は垂直煙道の側壁は、好適には、垂直に配置され互いに気密に溶接され且つ並行に流れ媒体を供給される蒸気発生管で形成されている。
【００２２】
隣接する蒸発管ないしは蒸気発生管は、好適には、帯金いわゆる“ひれ”を介して互いに気密に溶接されている。そのひれ幅は蒸発管ないしは蒸気発生管への入熱量に影響を与える。従ってひれ幅は、ボイラにおけるそれぞれの蒸発管ないしは蒸気発生管の位置に関係して、高温ガス側の予設定できる加熱温度分布に合わされている。その加熱温度分布として、経験値から求められた代表的な加熱温度分布あるいは例えば段階的な加熱温度分布のような大体の推定でもよい。適当に選定されたひれ幅によって、種々の蒸発管ないしは蒸気発生管が著しく異なって加熱される場合でも、すべての蒸発管ないしは蒸気発生管への入熱量は、蒸発管ないしは蒸気発生管の出口における温度差が特に小さくなるように得られる。このようにして、材料の早過ぎる疲労は確実に防止される。これによって、ボイラは特に長い寿命を有するようになる。
【００２３】
好適には、水平煙道内に複数の過熱器が配置され、これらの過熱器は高温ガスの主流れ方向に対してほぼ垂直に配置され、その管は流れ媒体の貫流に対して並列接続されている。懸垂構造で配置され且つ隔壁加熱器とも呼ばれるこれらの過熱器は、主に対流加熱され、流れ媒体側において燃焼室の蒸発管に後置接続されている。これによって、高温ガス熱の特に良好な利用が保証される。
【００２４】
好適には、垂直煙道は複数の対流加熱器を有し、これらの対流加熱器は高温ガスの主流れ方向に対してほぼ垂直に配置された管で形成されている。対流加熱器のこれらの管は、流れ媒体の貫流に対して並列接続されている。これらの対流加熱器も主に対流加熱される。
【００２５】
更に高温ガスの熱の特に完全な利用を保証するために、垂直煙道は好適にはエコノマイザを有している。
【００２６】
好適には、バーナが燃焼室の正面壁に配置され、即ち、燃焼室の水平煙道への流出開口と反対側に位置する囲壁に配置されている。そのように形成されたボイラは特に簡単に燃料の燃焼長に合わされる。その燃料の燃焼長とは、所定の平均高温ガス温度における水平方向の高温ガス速度と、燃料の燃焼時間ｔAとの積を意味する。その都度のボイラにおける最大燃焼長は、全負荷時のボイラの蒸気出力いわゆるボイラの全負荷運転時における蒸気出力の際に生ずる。燃焼時間ｔAは、平均粒度の微粉炭が所定の平均高温ガス温度で完全燃焼するために必要とする時間である。
【００２７】
例えば高温溶融灰の侵入に基づく水平煙道の材料損傷および望ましくない汚れを特に僅かにするために、燃焼室の正面壁から水平煙道の入口範囲までの距離で規定された燃焼室の長さＬは、好適には、ボイラの全負荷運転時における燃料の燃焼長と少なくとも同じである。燃焼室のこの水平長さＬは、一般に、灰出しホッパ上縁から燃焼室天井までの燃焼室高さより大きい。
【００２８】
化石燃料の燃焼熱を特に良好に利用するために、好適には、燃焼室の長さＬ（ｍ）は、ボイラのＢＭＣＲ（ボイラ最大連続蒸発量）値Ｗ（ｋｇ／ｓ）、燃料の燃焼時間ｔA（ｓ）および燃焼室からの高温ガスの出口温度ＴBRK（℃）の関数として選定される。ＢＭＣＲとは「Ｂｏｉｌｅｒ  ｍａｘｉｍｕｍ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｒａｔｉｎｇ（＝ボイラ最大連続蒸発量）」であり、ボイラの最大連続蒸発量に対して世界的に通常利用されている用語である。これは設計出力、即ちボイラの全負荷運転時における出力に相当している。ボイラの所定のＢＭＣＲ値Ｗにおいて、燃焼室の長さＬに対して近似的に、次の式（１），（２）の大きい方の値が適用される。
【００２９】
Ｌ（Ｗ、ｔA）＝（Ｃ1＋Ｃ2・Ｗ）・ｔA                        （１）
Ｌ（Ｗ、ＴBRK）＝（Ｃ3・ＴBRK＋Ｃ4）Ｗ＋Ｃ5（ＴBRK）2
＋Ｃ6・ＴBRK＋Ｃ7                        （２）
ここで、Ｃ1＝８ｍ／ｓ、
Ｃ2＝０．００５７ｍ／ｋｇ、
Ｃ3＝−１．９０５・１０-4（ｍ・ｓ）／（ｋｇ℃）、
Ｃ4＝０．２８６（ｓ・ｍ）／ｋｇ、
Ｃ5＝３・１０-4ｍ／（℃）2、
Ｃ6＝−０．８４２ｍ／℃、Ｃ7＝６０３．４１ｍ
である。
【００３０】
ここで近似的とは、それぞれの式で規定された値の＋２０／−１０％が許容偏差であることを意味する。
【００３１】
本発明によって得られる利点は特に、第１グループの蒸発管を第２グループの蒸発管に直列接続することによって、水平燃焼室においても、ボイラの運転中、隣接する蒸発管間の特に小さいな温度差が保証されることにある。その場合、燃焼室の長さは、化石燃料の燃焼熱の特に良好な利用が保証されるように設計されている。高温ガスのほぼ水平の主流れ方向用に燃焼室を設計することによって、ボイラの構造は特にコンパクトになる。これは、このボイラを蒸気タービンを備えた発電所に組み入れる際に、ボイラから蒸気タービンまでの接続管を特に短くすることを可能にする。
【００３２】
以下において図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は二煙道形化石ボイラの概略側面図、
図２は個々の蒸発管の概略縦断面図、
図３は曲線Ｋ1〜Ｋ6を有する座標系を示す。
なお、各図において同一部分には同一符号が付されている。
【００３３】
図１におけるボイラ２は、蒸気タービン設備も有する発電所（図示せず）に付設されている。そのボイラで発生された蒸気は蒸気タービンを駆動するために利用され、この蒸気タービンは発電機を駆動する。発電機で発生された電流は、複合電力系統あるいは島状電力系統に供給するために利用される。更に、蒸気タービン設備に接続された外部プロセスに供給するために、蒸気の一部を分岐することもできる。その外部プロセスは例えば加熱プロセスである。
【００３４】
化石燃料ボイラ２は好適には貫流ボイラとして形成されている。これは燃焼室４を有し、この燃焼室４には高温ガス側において、水平煙道６を介して垂直煙道８が後置接続されている。
【００３５】
燃焼室４の囲壁９は、垂直に配置され互いに気密に溶接された多数の蒸発管１０で形成されている。ボイラ２の燃焼室４の正面壁１１は囲壁９である。追加的に水平煙道６の側壁１２及び／又は垂直煙道８の側壁１４も、垂直に配置され互いに気密に溶接された多数の蒸気発生管１６、１７で形成される。この場合、その蒸気発生管１６、１７はそれぞれ並行に流れ媒体Ｓを供給される。
【００３６】
燃焼室４の囲壁９の多数の蒸発管１０は、第１グループ１８と第２グループ２０とに分けられている。この場合、第１、第２のグループ１８、２０の蒸発管１０はそれぞれ並行に流れ媒体Ｓを供給される。第１グループ１８の蒸発管１０は燃焼室４の第１範囲２２に配置され、第２グループ２０の蒸発管１０は燃焼室４の第２範囲２４に配置されている。この場合、燃焼室４の第２範囲２４は、高温ガスＧのほぼ水平方向の主流れ方向２６に関して、燃焼室４の第１範囲２２と水平煙道６との間に配置されている。
【００３７】
燃焼室４の第１グループ１８および第２グループ２０の蒸発管１０には、流れ媒体側において、流れ媒体Ｓ用の入口管寄せ装置２８、３０がそれぞれ前置接続され、出口管寄せ装置３２、３４がそれぞれ後置接続されている。第１グループ１８の蒸発管１０の出口管寄せ装置３２は、第２グループ２０の蒸発管１０の入口管寄せ装置３０に、配管系３６を介して接続されている。管寄せ装置２８、３０ないしは３２、３４によって、並列接続された蒸発管１０間において圧力をバランスさせることができ、この圧力バランスによって、流れ媒体Ｓが貫流中に蒸発管１０に良好に分配される。
【００３８】
燃焼室４の囲壁９を通る流れ媒体Ｓの特に良好な貫流特性を得るため、従って化石燃料Ｂの燃焼熱を特に良好に利用するために、燃焼室４の正面壁１１の並行に流れ媒体Ｓを供給される蒸発管１０は、流れ媒体側において、燃焼室４の第１グループ１８の蒸発管１０に前置接続されている。
【００３９】
蒸発管１０は（図２に示されているように）その内周面にフィン４０を有している。このフィン４０は多条ねじ山の形をし、フィン高さＲを有している。その管軸線に対して垂直な平面４２と管内周面に設けられたフィン４０のフランク４４との成す傾斜角αは５５°より小さくされている。これによって、蒸発管１０の内壁から蒸発管１０内を導かれる流れ媒体Ｓへの特に高い熱伝達が得られ、同時に低い管壁温度が得られる。
【００４０】
燃焼室４の蒸発管１０の管内径Ｄは、燃焼室４内での蒸発管１０のその都度の位置に関係して選定される。このようにして、ボイラ２は蒸発管１０の種々の強さの加熱量に合わされる。このような燃焼室４の蒸発管１０の設計は、蒸発管１０の出口における温度差が特に小さくされることを、特に確実に保証する。
【００４１】
互いに隣接する蒸発管１０ないしは蒸気発生管１６、１７は“ひれ”を介して互いに、詳述していないやり方で気密に溶接されている。つまり、そのひれ幅を適当に選定することによって、蒸発管１０ないしは蒸気発生管１６、１７の加熱量が制御される。従って、それぞれのひれ幅は、ボイラ２におけるそれぞれの蒸発管１０ないしは蒸気発生管１６、１７の位置に関係する予め設定できる高温ガス側の加熱温度分布に合わされている。その加熱温度分布は、経験値から求められた代表的な加熱温度分布であるか、あるいは大体の推定でもよい。これによって、蒸発管１０ないしは蒸気発生管１６、１７が著しく異なって加熱される場合でも、蒸発管１０ないしは蒸気発生管１６、１７の出口における温度差は特に小さくされる。このようにして材料の疲労が確実に防止され、これによってボイラ２の長い寿命が保証される。
【００４２】
流れ媒体Ｓの流量を減少させる手段として、蒸発管１０の一部に絞り装置（図示せず）が装備されている。この絞り装置は管内径Ｄを狭めている孔開き絞り板として形成され、ボイラ２の運転中に、低加熱蒸発管１０内の流れ媒体Ｓの流量を減少させ、これによって、流れ媒体Ｓの流量が加熱量に合わされる。更に、燃焼室４の第２グループ２０の蒸発管１０内の流れ媒体Ｓの流量を減少させる手段として、配管系３６の１つあるいは複数の配管に、絞り装置、特に絞り弁が装備されている（図示せず）。
【００４３】
燃焼室４を配管敷設して形成する際、互いに気密に溶接された個々の蒸発管１０の加熱量がボイラ２の運転中に非常に異なることを考慮しなければならない。そのために、第１グループ１８ないしは第２グループ２０の蒸発管１０の内側フィン、第１グループ１８ないしは第２グループ２０の隣接する蒸発管１０のひれ結合および管内径Ｄについての設計は、第１グループ１８ないしは第２グループ２０のすべての蒸発管１０が異なった加熱量にもかかわらずほぼ同じ出口温度を有し、ボイラ２のあらゆる運転状態において全蒸発管１０の十分な冷却が保証されるように行われる。これは特に、ボイラ２が蒸発管１０を貫流する流れ媒体Ｓの比較的小さな質量流量密度用として設計されていることによって保証される。ひれ結合および管内径Ｄを適当に選定することによって、総圧力損失における摩擦損失の割合を、自然循環挙動が生ずるほどに小さくできる。即ち、第１グループ１８ないしは第２グループ２０の強く加熱される（高加熱）蒸発管１０は、第１グループ１８ないしは第２グループ２０の弱く加熱される（低加熱）蒸発管１０よりも強く貫流される。これによって、第１グループ１８ないしは第２グループ２０のバーナ近くにおける比較的強く加熱される（高加熱）蒸発管１０が、それに比べて燃焼室終端近くに配置されている第１グループ１８ないしは第２グループ２０の比較的弱く加熱される（低加熱）蒸発管１０と（質量流量に関して）ほぼ同じ熱量を吸収することも達成される。燃焼室４の蒸発管１０の貫流を加熱量に合わせる別の処置は、蒸発管１０の一部に及び／又は配管系３６の配管の一部に、絞りを組み込むことにある。その場合、内側フィンは、第１および第２の両グループ１８、２０の蒸発管１０における蒸発管壁の十分な冷却が保証されるように設計される。従って上述の処置によって、第１グループ１８ないしは第２グループ２０のすべての蒸発管１０はほぼ同じ出口温度を有する。
【００４４】
水平煙道６は隔壁伝熱面として形成された多数の過熱器５０を有している。これらの過熱器５０は高温ガスＧの主流れ方向２６に対してほぼ垂直に懸垂構造で配置され、その管は流れ媒体Ｓの貫流に対してそれぞれ並列接続されている。過熱器５０は主に対流加熱され、流れ媒体側において燃焼室４の蒸発管１０に後置接続されている。
【００４５】
垂直煙道８は主に対流加熱される多数の対流加熱器５２を有している。これらの対流加熱器５２は高温ガスＧの主流れ方向２６に対してほぼ垂直に配置された管で構成されている。これらの管は流れ媒体Ｓの貫流に対してそれぞれ並列接続され、流れ媒体Ｓの経路に、詳述していないやり方で一体化されている。更に垂直煙道８内にエコノマイザ５６が配置されている。このエコノマイザ５６は出口側が、配管系５４を介して第１グループ１８の蒸発管１０に付設された入口管寄せ装置２８に接続されている。配管系５４の１つあるいは複数の配管は、流れ媒体Ｓの貫流を減少させる絞り弁（図示せず）を有する。垂直煙道８は出口側が空気予熱器に開口し、そこから集塵機を介して煙突に通じている。垂直煙道８に後置接続された構造部品は図１には示されていない。
【００４６】
ボイラ２は特に低い構造高さの水平燃焼室４で実行され、従って特に安価な製造費および組立費で建設できる。このために、ボイラ２の燃焼室４は化石燃料用の多数のバーナ５８を有している。これらのバーナ５８は燃焼室４の正面壁１１に水平煙道６の高さで配置されている。
【００４７】
特に高い効率を得るために化石燃料Ｂが特に完全燃焼され、高温ガス側から見て水平煙道６の最初の過熱器５０の材料損傷および例えば高温溶融灰の侵入によるその過熱器５０の汚染が特に確実に防止されるようにするために、燃焼室４の長さＬが、これがボイラ２の全負荷運転中に燃料Ｂの燃焼長を越えているように、選定されている。その長さＬは燃焼室４の正面壁１１から水平煙道６の入口範囲６０までの距離である。燃料Ｂの燃焼長は、所定の平均高温ガス温度時における水平方向の高温ガス速度と、燃料Ｂの燃焼時間ｔAとの積として定義される。その都度のボイラ２における最大燃焼長は、そのボイラ２の全負荷運転中に生ずる。燃料Ｂの燃焼時間ｔAは、例えば平均粒度の微粉炭が所定の平均高温ガス温度時に完全燃焼するために必要とする時間である。
【００４８】
化石燃料Ｂの燃焼熱の特に良好な利用を保証するために、燃焼室４の長さＬ（ｍ）は、燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度ＴBRK（℃）、化石燃料Ｂの燃焼時間ｔA（ｓ）、ボイラ２のＢＭＣＲ値Ｗ（ｋｇ／ｓ）に関係して適当に選定される。ＢＭＣＲとは「Ｂｏｉｌｅｒ  ｍａｘｉｍｕｍ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｒａｔｉｎｇ（＝ボイラ最大連続蒸発量）」である。ＢＭＣＲ値Ｗはボイラの最大連続蒸発量に対して国際的に通常使用されている用語である。これは設計出力、即ちボイラの全負荷運転時における出力に相当する。燃焼室４のこの水平長さＬは燃焼室４の高さＨより大きい。その高さＨは、図１において終点Ｘ、Ｙを含む線で示されている燃焼室４の灰出しホッパ上縁から燃焼室天井までの距離である。燃焼室４の長さＬは近似的に次の式（１）、（２）によって決定される。
【００４９】
Ｌ（Ｗ、ｔA）＝（Ｃ1＋Ｃ2・Ｗ）・ｔA            （１）
Ｌ（Ｗ、ＴBRK）＝（Ｃ3・ＴBRK＋Ｃ4）Ｗ＋Ｃ5（ＴBRK）2
＋Ｃ6・ＴBRK＋Ｃ7            （２）
ここで、Ｃ1＝８ｍ／ｓ、
Ｃ2＝０．００５７ｍ／ｋｇ、
Ｃ3＝−１．９０５・１０-4（ｍ・ｓ）／（ｋｇ℃）、
Ｃ4＝０．２８６（ｓ・ｍ）／ｋｇ、
Ｃ5＝３・１０-4ｍ／（℃）2、
Ｃ6＝−０．８４２ｍ／℃、
Ｃ7＝６０３．４１ｍ
である。
【００５０】
この場合の許容偏差は、近似的に、それぞれの式で規定される値の＋２０％／−１０％である。その場合、ボイラ２の任意の一定したＢＭＣＲ値Ｗにおいて常に、燃焼室４の長さＬに対して、式（１）、（２）の大きい方の値が適用される。
【００５１】
ボイラ２のＢＭＣＲ値Ｗに関係して燃焼室４の長さＬを計算する例として、図３の座標系に、６つの曲線Ｋ1〜Ｋ6が記されている。それらの曲線には、次のパラメータが対応している。即ち、Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3にそれぞれ式（１）におけるｔA＝３ｓ、ｔA＝２．５ｓ、ｔA＝２ｓが対応し、Ｋ4、Ｋ5、Ｋ6にそれぞれ式（２）におけるＴBRK＝１２００℃、ＴBRK＝１３００℃、ＴBRK＝１４００℃が対応している。
【００５２】
従って、燃焼室４の長さＬを決定するために、例えば燃焼時間ｔA＝３ｓおよび燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度ＴBRK＝１２００℃に対して、曲線Ｋ1、Ｋ4が関係する。これにより、ボイラ２の所定のＢＭＣＲ値Ｗにおいて、燃焼室４の長さＬは次のようになる。それぞれ曲線Ｋ4に基づいて、
Ｗ＝８０ｋｇ／ｓの場合、Ｌ＝２９ｍ、
Ｗ＝１６０ｋｇ／ｓの場合、Ｌ＝３４ｍ、
Ｗ＝５６０ｋｇ／ｓの場合、Ｌ＝５７ｍ
となる。
【００５３】
燃焼時間ｔA＝２．５ｓおよび燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度ＴBRK＝１３００℃に対して、例えば曲線Ｋ2、Ｋ5が関係する。これにより、ボイラ２の所定のＢＭＣＲ値Ｗにおいて、燃焼室４の長さＬは次のようになる。
Ｗ＝８０ｋｇ／ｓの場合、曲線Ｋ2に基づいてＬ＝２１ｍ
Ｗ＝１８０ｋｇ／ｓの場合、曲線Ｋ2、Ｋ5に基づいてＬ＝２３ｍ
Ｗ＝５６０ｋｇ／ｓの場合、曲線Ｋ5に基づいてＬ＝３７ｍ
【００５４】
燃焼時間ｔA＝２ｓおよび燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度ＴBRK＝１４００℃に対して、例えば曲線Ｋ3、Ｋ6が関係する。これにより、ボイラ２の所定のＢＭＣＲ値Ｗにおいて、燃焼室４の長さＬは次のようになる。
Ｗ＝８０ｋｇ／ｓの場合、曲線Ｋ3に基づいてＬ＝１８ｍ
Ｗ＝４６５ｋｇ／ｓの場合、曲線Ｋ3、Ｋ6に基づいてＬ＝２１ｍ
Ｗ＝５６０ｋｇ／ｓの場合、曲線Ｋ6に基づいてＬ＝２３ｍ
【００５５】
ボイラ２の運転中、バーナ５８に化石燃料Ｂが供給される。バーナ５８の火炎Ｆは水平に延びる。燃焼室４の構造によって、燃焼中に生ずる高温ガスＧの流れは、ほぼ水平の主流れ方向２６に発生する。この高温ガスは水平煙道６を通ってほぼ底に向かって延びる垂直煙道８に到達し、そこから煙突（図示せず）を通って出る。
【００５６】
エコノマイザ５６に流入する流れ媒体Ｓは配管系５４を通ってボイラ２の燃焼室４の第１グループ１８の蒸発管１０に到達する。ボイラ２の燃焼室４の第１グループ１８の垂直に配置され互いに気密に溶接された蒸発管１０内において、流れ媒体Ｓの蒸発および場合によっては部分的な過熱が行われる。その際に生じた蒸気ないしは水・蒸気混合物は、流れ媒体Ｓ用の出口管寄せ装置３２内に集められる。蒸気ないしは水・蒸気混合物はそこから、配管系３６を通って、第２グループ２０の蒸発管１０に付設された入口管寄せ装置３０に到達する。第２グループ２０の蒸発管１０内で生じた蒸気ないしは水・蒸気混合物は、出口管寄せ装置３４を通って、水平煙道６および垂直煙道８の壁に到達し、そこから更に、水平煙道６の過熱器５０に到達する。この過熱器５０において蒸気が一層過熱され、この蒸気は続いて使用に供され、例えば蒸気タービンの駆動に利用される。
【００５７】
燃焼室４の蒸発管１０をグループ分けすることによって、特に簡単に、ボイラ２のあらゆる負荷状態において隣接する蒸発管１０間の特に小さな温度差が保証される。これによって、正面壁１１、第１範囲２２ないしは第２範囲２４の互いに隣接する蒸発管１０間の流れ媒体Ｓの入口範囲における温度差が、正面壁１１が第２範囲２４に直接隣接している場合よりも比較的小さくなる。更に、第２範囲２４の間接にあるいは直接に隣接する蒸発管１０と水平煙道６の蒸気発生管１６との間の温度差も、第１グループ１８の蒸発管１０および第２グループ２０の蒸発管１０が直列接続されていない場合よりも比較的小さくなる。
【００５８】
燃焼室４の長さＬをボイラ２のＢＭＣＲ値Ｗに関係して選定することによって、化石燃料Ｂの燃焼熱が特に確実に利用されることが保証される。更に、ボイラ２はその特に低い構造高さおよびコンパクトな構造によって、特に安価な製造費および組立費で建設できる。その場合、非常に安い技術的費用で作れる架台を利用できる。そのような低い構造高さのボイラ２を備えた蒸気タービン設備の場合、ボイラ２から蒸気タービンまでの接続配管は特に短く設計できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  二煙道形の化石燃料ボイラの概略側面図。
【図２】  個々の蒸発管の概略縦断面図。
【図３】  燃焼室の長さＬとＢＭＣＲ値Ｗとの関係を示した曲線図。
【符号の説明】
２    ボイラ
４    燃焼室
６    水平煙道
８    垂直煙道
９    燃焼室の囲壁
１０    蒸発管
１２    水平煙道の側壁
１４    垂直煙道の側壁
１６    蒸気発生管
１７    蒸気発生管
１８    蒸発管第１グループ
２０    蒸発管第２グループ
２２    燃焼室第１範囲
２４    燃焼室第２範囲
２８    入口管寄せ装置
３０    入口管寄せ装置
３２    出口管寄せ装置
３４    出口管寄せ装置
３６    配管系
４０    フィン（ひれ）
５０    過熱器
５２    対流加熱器
５４    配管系
５８    バーナ
６０    水平煙道への入口範囲
Ｂ    燃料
【図１】
0003652988.tif 000002
【図２】
0003652988.tif 000003
【図３】
0003652988.tif 000004