(57)【要約】  気密に溶接され垂直方向に貫流可能な蒸気発生管（２）から形成される囲壁（４）を有し、囲壁（４）内に通過管寄せ（１４）が配置され、これにより多数の並列接続された出口側の第１の蒸気発生管（２）を第１の蒸気発生管に直列接続される多数の並列接続された入口側の第２の蒸気発生管（２）に流動媒体側で接続される強制貫流蒸気発生器（１）は、運転状態に無関係に特に長い寿命と特に僅かな修理頻度を有するようにしなければならない。このため通過管寄せ（１４）に後置接続される蒸気発生管（２）の設定パラメータは次のように、すなわち囲壁（４）の並列接続された蒸気発生管（１６）における平均質量流密度が蒸気発生器（１）の全負荷時に１２００ｋｇ/ｍ2ｓを下回らないように選択される。【選択図】図１
2013532814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密に溶接され垂直方向に貫流可能な蒸気発生管（２）から形成される囲壁（４）を有し、囲壁（４）内に通過管寄せ（１４）を配置し、これにより多数の並列接続された出口側の第１の蒸気発生管（２）を第１の蒸気発生管に直列接続され多数の並列接続された入口側の第２の蒸気発生管（２）に流動媒体側で接続するようにし、通過管寄せ（１４）に後置接続された蒸気発生管（２）の設定パラメータを次のように、すなわち囲壁（４）の並列接続された蒸気発生管（２）の平均質量流密度が蒸気発生器の全負荷時に１２００ｋｇ/ｍ2ｓを下回らないように選択する強制貫流蒸気発生器（１）。
【請求項２】
並列接続された蒸気発生管（２）の数が設定パラメータの１つである請求項１記載の強制貫流式蒸気発生器（１）。
【請求項３】
蒸気発生管（２）の内径が設定パラメータの１つである請求項１または２記載の強制貫流蒸気発生器（１）。
【請求項４】
囲壁（４）がほぼ正方形の水平横断面（６）を有する請求項１から３の１つに記載の強制貫流蒸気発生器（１）。
【請求項５】
通過管寄せ（１４）が囲壁を水平方向に囲繞するように配置され、囲壁（４）の下側に全部が配置され並列接続された第１の多数の蒸気発生管（２）と囲壁（４）の上側に全部が配置され並列接続された第２の多数の蒸気発生管（２）とを有する請求項１から４の１つに記載の強制貫流蒸気発生器（１）。
【請求項６】
通過管寄せ（１４）に前置接続された蒸気発生管（２）が囲壁（４）内にスパイラル状に囲繞するように配置される請求項１から５の１つに記載の強制貫流蒸気発生器。
【請求項７】
化石燃料用の多数の燃焼器を有する燃焼室を備える請求項１から６の１つに記載の強制貫流蒸気発生器。
【請求項８】
流動媒体側に蒸気タービンを後置接続する請求項１から７の１つに記載の強制貫流蒸気発生器。
【請求項９】
請求項１から８の１つに記載の強制貫流蒸気発生器を備える発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気密に溶接され垂直方向に貫流可能な蒸気発生管から形成される囲壁を有し、この囲壁内に通過管寄せを配置し、この管寄せにより多数の並列接続された出口側の第１の蒸気発生管をこの第１の蒸気発生管に直列接続される多数の並列接続された入口側の第２の蒸気発生管に流動媒体側で接続する強制貫流蒸気発生器に関する。本発明はさらにこの種の蒸気発生器を備えた発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気発生器は流動媒体から蒸気を発生するための設備である。この種の設備では流動媒体、典型的には水が加熱されて蒸気に変換される。蒸気は次いで機械の駆動用にまたは電気エネルギーの発生用に使用される。蒸気発生器は一般的に蒸気発生用の蒸発器と蒸気を利用者にとって必要な温度に加熱する過熱器を有する。しばしば蒸発器には廃熱を利用する予熱器が前置接続され、全設備の効率をさらに高めている。
【０００３】
蒸気発生器は工業的には現在一般的に水管ボイラとして実施され、すなわち流動媒体が蒸気発生管内に導かれる。蒸気発生管はこの場合互いに気密に溶接されて１つの囲壁を形成し、この囲壁内に熱を供給する高温ガスが案内されるようにすることができる。蒸気発生器は縦置きまたは横置き構造に形成可能であり、すなわち高温ガスは垂直または水平方向に案内される。
【０００４】
蒸気発生器はさらに強制貫流蒸気発生器として設計することができ、この場合流動媒体の貫流は給水ポンプにより強制される。流動媒体はこの場合給水ポンプからボイラに供給され、予熱器、蒸発器および過熱器を順次通流する。飽和蒸気温度までの給水の加熱、蒸発および過熱は連続的に貫流中に行われるので、− 少なくとも全負荷時には − 水および蒸気の特別な分離装置は不要である。貫流蒸気発生器はまた過臨界圧力下でも運転できる。個々の加熱面、予熱器、蒸発器および過熱器の定義づけは厳密に言ってこの運転様式では連続的な位相経過が生じるのであまり重要ではない。
【０００５】
垂直に配管された貫流蒸気発生器の変形例では、囲壁の配管は下側と上側の部分に分けられ、下側部分は多数の並列接続された第１の蒸気発生管を有し、上側部分は第１の蒸気発生管に直列的に後置接続された多数の並列接続された第２の蒸気発生管を有する。下側および上側部分は通過管寄せにより互いに接続される。これにより一方では並列接続された蒸気発生管間の圧力平衡が達成され、他方では異なる蒸気発生管からの流動媒体の少なくとも部分的な混合も達成される。
【０００６】
垂直方向に貫流される蒸気発生管と通過管寄せを備えたこの種の貫流蒸気発生器では、囲壁の上側部分の個々の管が許容できないような高温になり、場合によっては管壁の破損を生じることが最近になって判明している。この場合このような過大温度の発生は一定の運転パラメータが関連している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
それゆえ本発明の課題は、上述の種類の強制貫流蒸気発生器において運転状態に関係なく特に長い寿命と特に僅かな修理頻度を有するものを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は本発明によれば、通過管寄せに後置接続された蒸気発生管の設定パラメータを次のように、すなわち囲壁の並列接続された蒸気発生管の平均質量流密度が蒸気発生器の全負荷時に１２００ｋｇ/ｍ2ｓを下回らないように選択することにより解決される。
【０００９】
この場合本発明は、個々の蒸気発生管の過熱が流動媒体により導入された熱の不十分な搬出に帰因するという考察から出発している。不十分な熱搬出は、当該蒸気発生管が過度に低い質量流を有するときに生じる。導入蒸気量が極めて少なく且つ熱供給が極めて少ない場合であって、明らかな自然循環特性の場合には、これらの管における流体静力学的な圧力降下は既にほぼ蒸気発生管の入口と出口間の全圧力差とほぼ同じか全く同じ大きさである。流れの駆動力としての残存圧力差は従って極めてわずかであるかまたは完全に消滅するので、最悪の場合には流れは停頓する。
【００１０】
勿論通過管寄せはこれに後置接続された管間のある程度の平衡を図るのでこのような作用を弱める働きをする。しかし通過管寄せは完全な圧力平衡を行うが、これに後置接続された蒸気発生管内の水と蒸気成分の平衡に導くような流入する流動媒体の完全な混合を生じさせるものではないことが判明している。下側部分の加熱の弱い蒸気発生管からの僅かな蒸気量並びに管寄せ内の付加的な局部的分離現象に基づき、それにもかかわらず上側垂直配管の個々の管への流入時に一定の運転状態では蒸気量がゼロになることがある。したがってこのような現象は自然循環特性の十分な弱体化によって回避しなければならない。
【００１１】
これは、通過管寄せに後置接続された蒸気発生管の設定パラメータを適切に選択することにより個々の管に付加的な構造的手段を講じることなく特に簡単に達成可能である。しかしこれらのパラメータは一定の運転状態に対し所期どおりに適合されるのではなく、蒸気発生器の全負荷範囲に亘って一定にされるので、簡単な設定のためには全負荷時における相応する基準が発見されなければならないであろう。本発明により認められたように、自然循環特性の十分な弱体化は、囲壁の並列接続された蒸気発生管の平均質量流密度が蒸気発生器の全負荷時に１２００ｋｇ/ｍ2ｓを下回らないように設定パラメータを選択することにより達成される。
【００１２】
それぞれ有利な実施態様では蒸気発生管の数および／または内径が囲壁の質量流密度の設定の際のパラメータとして考慮される。これらのパラメータはすなわち囲壁内の流動特性に著しい影響を与えると同時に、蒸気発生器の構成の際に特別な出費なしに設定可能である。
【００１３】
縦置き構造の蒸気発生器の囲壁は種々の水平横断面を有し得る。特に簡単な構造は、横断面がほぼ正方形であるときに可能となる。この種の蒸気発生器では特にエッジ範囲に配置された蒸気発生管が、高温ガスチャネルの中心から最も遠く離れており同時に特に僅かな熱搬入面を有するので、特に弱く加熱される。これにより垂直配管の下側部分の個々のエッジ管の蒸気量はゼロに向かうので、この場合は不均等に分布された水・蒸気混合物が中間管寄せに流入することになる。中間管寄せはここでも十分な混合作用を示さないので、後置接続されたエッジ管における質量流は途絶え、これにより熱搬出は不十分になる。それゆえこの種の蒸気発生器においてはまさに、囲壁の並列接続された蒸気発生管の平均質量流密度が蒸気発生器の全負荷時に１２００ｋｇ/ｍ2ｓを下回らないように、通過管寄せに後置接続された蒸気発生管の設定パラメータを選択することが特に有利である。
【００１４】
通過管寄せは水平方向に連続して囲繞的に配置し得る、すなわち通過管寄せは囲壁の下側もしくは上側に配置されたすべての蒸気発生管を互いに接続する。すべての管に亘る完全な圧力平衡にも拘わらず水および蒸気成分の分離が生じることがある。それゆえこの種の強制貫流蒸気発生器においても通過管寄せに後置接続された蒸気発生管は、囲壁の並列接続された蒸気発生管の平均質量流密度が蒸気発生器の全負荷時に１２００ｋｇ/ｍ2ｓを下回らないように設定されると有利である。
【００１５】
通過管寄せの下側の配管はスパイラル状に囲繞するように配置することができる。配管は囲壁全体を囲繞するように配置される。もちろんこれにより複雑な構造が生じ、下側範囲の蒸気発生管の数もわずかになり、特にこれにより囲壁の種々の範囲における加熱差が大幅に平衡される。それにも拘らず、この種の構造においても通過管寄せに偶発的な局部的分離が生じ、通過管寄せに後置接続された管における過度に少ない質量流という上述の問題を惹起し得る。それゆえこの種の構造においても通過管寄せに後置接続された蒸気発生管は、囲壁の並列接続された蒸気発生管の平均質量流密度が蒸気発生器の全負荷時に１２００ｋｇ/ｍ2ｓを下回らないように設定される。
【００１６】
化石燃料の燃焼による蒸気発生器では燃焼室の蒸気発生管への熱搬入はもっぱら対流により行われるのではなく、熱成分の大部分は蒸気発生管への熱放射によりもたらされる。特にこの種の蒸気発生器ではそれゆえ個々の蒸気発生管の加熱差が特に大きく成り得る。それゆえ化石燃料用の多数の燃焼器を有する燃焼室を備えた蒸気発生器は全負荷時における囲壁の蒸気発生管の質量流密度を上記のように設定すると有利である。
【００１７】
有利な実施態様では強制貫流蒸気発生器には蒸気タービンがたとえば電流発生のため流動媒体側に後置接続される。さらに発電設備がこの種の蒸気発生器を有すると有利である。
【００１８】
本発明により得られる利点は特に、囲壁の通過管寄せに後置接続された蒸気発生管の設定パラメータを適切に選択することにより各管における十分な熱搬出が保証され、それにより管壁の損傷をもたらすような許容できない高温が回避されることにある。その場合このような処置は、強制貫流蒸気発生器においても無視できない自然循環特性が存在し、全負荷時の所定の最小質量流密度を弱めるという認識に基づく。最終的にこれにより発電設備の運転時の制限は回避される。
【００１９】
以下に本発明を図面に基づき詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は通過管寄せを備えた垂直に配管した強制貫流蒸気発生器の概略図である。
【図２】図２は全負荷時に種々に質量流密度を設定した強制貫流蒸気発生器の比較的弱く加熱されたエッジ管の出口における質量流密度と流体温度のグラフ図である。
【００２１】
同一部分はすべての図において同一符号を付けられている。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は化石燃焼型の垂直に配管した本発明による強制貫流蒸気発生器１を示す。強制貫流蒸気発生器１は気密に溶接された蒸気発生管２から形成された囲壁４を有する。囲壁４はこの場合ほぼ正方形の水平横断面６を有する。強制貫流蒸気発生器１の下側範囲には燃焼室８が配置されており、化石燃料を燃焼するための詳細には示さない多数の燃焼器が蒸気発生管４への熱供給を準備する。
【００２３】
囲壁４は上側部分１０と下側部分１２に区分され、これらの部分１０、１２は通過管寄せ１４を介して互いに接続されている。下側部分１２の配管はここでは垂直に配置されているが、囲壁を囲繞するようにスパイラル状に配置することも可能である。通過管寄せ１４は下側部分１２の蒸気発生管２から流出するすべての流動媒体を集めて、並列接続された蒸気発生管２の間の圧力平衡を可能にする。続いて流動媒体は通過管寄せ１４から上側部分１０の蒸気発生管２に導かれ、そこでさらに加熱され場合によっては過熱される。過熱された蒸気は図示しない加熱面においてさらに過熱されて発電設備の図示しない蒸気タービンに供給される。
【００２４】
燃焼器により作られた熱のほとんどは熱放射により蒸気発生管２により吸収される。特に下側部分１２のエッジ管１６ではその位置が強制貫流蒸気発生器１の中心部から最も遠い距離にあり、特に少なく熱を受ける表面の幾何学的配置により熱搬入量はわずかなので、下側部分１２のエッジ管１６から通過管寄せ１４に入る流動媒体は比較的わずかな蒸気量を有する。
【００２５】
通過管寄せ１４は完全な圧力平衡を生じさせるが、入ってくる流動媒体の完全な混合は行わない。下側部分１２のエッジ管１６から出る蒸気量が上述のように少ないこと並びに通過管寄せ１４における付加的な局部的分離現象により上側部分１０の個々の蒸気発生管２に入る蒸気量は極めて少なくなることがある。強制貫流蒸気発生器１の運転状態に応じて上側部分１０の配管の設定が不都合な場合個々の蒸気発生管２の貫流が明らかに破綻し停頓に至ることがある。これは同様に不十分な熱搬出および許容できない高い流体温度を結果として生じ得るので、最終的には管壁は許容できない高温になり破壊される。
【００２６】
このような損傷を回避するために上側部分１０の通過管寄せ１４に後置接続された蒸気発生管２は平方メートル・秒あたり１２３０キログラム（ｋｇ/ｍ2ｓ）に設定される。これによりすべての並列管に対する全圧力損失が高められる。この結果各蒸気発生管２における、特にエッジ管１６における流体静力学的圧力降下は比較的に見て減少される。従って流れの駆動力としての十分な圧力差が常に存続する。この効果を図２により説明する。
【００２７】
図２は、全負荷時でしかも比較的わずかな熱供給時における上側部分１０の配管の平均質量流密度の種々の設定および蒸気発生器１の部分負荷運転に対する上側部分１０のエッジ管１６における流動媒体のパラメータをグラフで示したものである。左の目盛はエッジ管１６の質量流密度をｋｇ/ｍ2ｓで、右の目盛にはエッジ管１６の出口における流体温度を摂氏度（℃）で示し、それぞれ管入口における流動媒体の蒸気成分に対して示したものである。
【００２８】
曲線２０は全負荷時における平均質量流密度８７０ｋｇ/ｍ2ｓに配管を設定した場合のエッジ管１６の質量流密度を示す。グラフの左側の曲線２０の降下は蒸気成分が少なくなるにつれてエッジ管１６の質量流密度が減少することを明確に示す。蒸気成分が０の場合には質量流密度は４０ｋｇ/ｍ2ｓに低下し、これは実質的に管における流れの停頓に相当する。管内の十分な熱搬出はもはや保証されず、それに応じて流動媒体、したがってエッジ管１６の温度は約０．２の蒸気成分から曲線２２に示すように著しく上昇する。
【００２９】
しかし上側部分１０の蒸気発生管２の全負荷時の平均質量流密度を１２００ｋｇ/ｍ2ｓ、この実施例では１２３０ｋｇ/ｍ2ｓに設定した場合には上述のように自然循環特性が減少し、エッジ管１６における過度の相対流体静力学的圧力の降下が減少する。曲線２４は蒸気成分が少なくなるにつれてエッジ管１６の質量流密度が減少することを勿論示す。しかしこの場合質量流密度の値は、蒸気成分が０の場合でも全負荷時の平均質量密度を８７０ｋｇ/ｍ2ｓに設定した場合よりも著しく高い値（ここでは３３０ｋｇ/ｍ2ｓ）を示す。曲線２６が示すようにこの結果蒸気成分がどんな場合でもエッジ管１６における十分な熱搬出が保証される、すなわち温度はごくわずかだけ上昇するか一定に保たれる。これにより過度の温度による上側範囲１０における囲壁４の損傷が回避され、強制貫流蒸気発生器１の全体としてより長い寿命が達成される。
【符号の説明】
【００３０】
１      強制貫流蒸気発生器
２      蒸気発生管
４      囲壁
６      水平横断面
８      燃焼室
１０    上側部分
１２    下側部分
１４    通過管寄せ
１６    エッジ管
【図１】
2013532814.tif 000003
【図２】
2013532814.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成25年6月28日(2013.6.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密に溶接され垂直方向に貫流可能な蒸気発生管（２）から形成される囲壁（４）を有し、囲壁（４）内に通過管寄せ（１４）を配置し、これにより多数の並列接続された出口側の第１の蒸気発生管（２）を第１の蒸気発生管に直列接続され多数の並列接続された入口側の第２の蒸気発生管（２）に流動媒体側で接続するようにし、通過管寄せ（１４）に後置接続された蒸気発生管（２）の設定パラメータを次のように、すなわち囲壁（４）の並列接続された蒸気発生管（２）の平均質量流密度が蒸気発生器の全負荷時に１２００ｋｇ/ｍ2ｓを下回らないように選択する強制貫流蒸気発生器。
【請求項２】
並列接続された蒸気発生管（２）の数が設定パラメータの１つである請求項１記載の強制貫流式蒸気発生器。
【請求項３】
蒸気発生管（２）の内径が設定パラメータの１つである請求項１または２記載の強制貫流蒸気発生器器。
【請求項４】
囲壁（４）がほぼ正方形の水平横断面（６）を有する請求項１から３の１つに記載の強制貫流蒸気発生器。
【請求項５】
通過管寄せ（１４）が囲壁を水平方向に囲繞するように配置され、囲壁（４）の下側に全部が配置され並列接続された第１の複数の蒸気発生管（２）と囲壁（４）の上側に全部が配置され並列接続された第２の複数の蒸気発生管（２）とを有する請求項１から４の１つに記載の強制貫流蒸気発生器。
【請求項６】
通過管寄せ（１４）に前置接続された蒸気発生管（２）が囲壁（４）内にスパイラル状に囲繞するように配置される請求項１から５の１つに記載の強制貫流蒸気発生器。
【請求項７】
化石燃料用の複数の燃焼器を有する燃焼室を備える請求項１から６の１つに記載の強制貫流蒸気発生器。
【請求項８】
流動媒体側に蒸気タービンを後置接続する請求項１から７の１つに記載の強制貫流蒸気発生器。
【請求項９】
請求項１から８の１つに記載の強制貫流蒸気発生器を備える発電設備。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
図１は化石燃焼型の垂直に配管した本発明による強制貫流蒸気発生器１を示す。強制貫流蒸気発生器１は気密に溶接された蒸気発生管２から形成された囲壁４を有する。囲壁４はこの場合ほぼ正方形の水平横断面６を有する。強制貫流蒸気発生器１の下側範囲には燃焼室８が配置されており、化石燃料を燃焼するための詳細には示さない多数の燃焼器が蒸気発生管２への熱供給を準備する。
【国際調査報告】
2013532814.tif 000005
2013532814.tif 000006
2013532814.tif 000007
2013532814.tif 000008
2013532814.tif 000009
2013532814.tif 000010