(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気発生器（４）を備えた貫流ボイラ（２）の運転方法であって、流れ媒体（M）の供給質量流量（SM）が給水ポンプ（１２）により蒸気発生器（４）に送られ、そこで少なくとも部分的に蒸発し、流れ媒体の未蒸発成分（W）はこの蒸気発生器（４）に後置接続された気水分離器（１８）で分離され、分離された流れ媒体（W）の循環質量流量（UM）は循環ポンプ（２４）により前記蒸気発生器（４）に還流され、これによって、蒸発器質量流量（VM）と表現される蒸気発生器（４）を通流する流れ媒体（M）の質量流量が、供給質量流量（SM）と循環質量流量（UM）とを加えたものとなる運転方法において、
低負荷領域（I）では、供給質量流量（SM）は負荷（L）の上昇につれて増加し、循環質量流量（UM）は一定に保たれ、これにより、蒸発器質量流量（VM）は負荷（L）の上昇につれて増加し、
中負荷領域（II）では、供給質量流量（SM）は負荷（L）の上昇につれて引続き増加し、循環質量流量（UM）はゼロにまで減少され、これにより、蒸発器質量流量（VM）は一定値に保たれ、前記一定値は、全負荷時の蒸発器質量流量の最大設計値に対して予め定めた所定の比率（％）として定められ、前記低負荷領域（I）では、前記循環質量流量（UM）が前記一定値の半分の値に一定に保たれる
貫流ボイラ（２）の運転方法。
【請求項２】
低負荷領域（I）では、供給質量流量（SM）が負荷（L）の上昇につれて直線的に増加することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
中負荷領域（II）では、供給質量流量（SM）が負荷（L）の上昇につれて直線的に増加することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
中負荷領域（II）では、循環質量流量（UM）が負荷（L）の上昇につれて直線的に減少することを特徴とする請求項１〜３の１つに記載の方法。
【請求項５】
中負荷領域（II）では、供給質量流量（SM）が負荷（L）の上昇につれて直線的に増加し、循環質量流量（UM）が負荷（L）の上昇につれて同一量だけ直線的に減少することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
低負荷領域（I）が無負荷から始まることを特徴とする請求項１〜５の１つに記載の方法。
【請求項７】
低負荷領域（I）が複数の平滑管を使用する場合には設計全負荷の２０％で終り、複数の内部フィン付き管を使用する場合には設計全負荷の１２．５％で終わることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
中負荷領域（II）が低負荷領域（I）にすぐ続いて始まることを特徴とする請求項１〜７の１つに記載の方法。
【請求項９】
中負荷領域（II）が前記平滑管使用時には設計全負荷の４０％で終り、前記内部フィン付き管使用時には設計全負荷の２５％で終わることを特徴とする請求項８に記載の方法
【請求項１０】
低負荷領域（I）における循環質量流量（UM）が、前記平滑管使用時には設計全負荷の２０％に、前記内部フィン付き管使用時には設計全負荷の１２．５％に調整されることを特徴とする請求項１〜９の１つに記載の方法。
【請求項１１】
低負荷領域（I）における循環質量流量密度が、前記平滑管使用時には４００ｋｇ／（ｓｍ2）に、前記内部フィン付き管使用時には２５０ｋｇ／（ｓｍ2）に調整されることを特徴とする請求項１〜１０の１つに記載の方法。
【請求項１２】
高負荷領域では、供給質量流量（SM）は負荷（L）の上昇につれて引続き増加し、循環質量流量（UM）はゼロに維持されることを特徴とする請求項１〜１１の１つに記載の方法。
【請求項１３】
蒸気発生器（４）を備えた貫流ボイラ（２）の運転方法であって、流れ媒体（M）の供給質量流量（SM）が給水ポンプ（１２）により蒸気発生器（４）に送られ、そこで少なくとも部分的に蒸発し、流れ媒体の未蒸発成分（W）はこの蒸気発生器（４）に後置接続された気水分離器（１８）で分離され、分離された流れ媒体（W）の循環質量流量（UM）は循環ポンプ（２４）により前記蒸気発生器（４）に還流され、これによって、蒸発器質量流量（VM）と表現される蒸気発生器（４）を通流する流れ媒体（M）の質量流量が、供給質量流量（SM）と循環質量流量（UM）とを加えたものとなる運転方法において、
中負荷領域（II）では、負荷（L）の下降につれて供給質量流量（SM）が減少し、循環質量流量（UM）がゼロから出発して増加し、これにより、蒸発器質量流量（VM）は一定値に保たれ、
低負荷領域（I）では、負荷（L）の下降につれて供給質量流量（SM）は引続き減少し、循環質量流量（UM）は一定に保たれ、これにより、蒸発器質量流量（VM）は負荷（L）の下降につれて減少し、
さらに、前記中負荷領域（II）では、蒸発器質量流量（VM）について、前記一定値が、全負荷時の蒸発器質量流量の最大設計値に対して予め定めた所定の比率（％）として定められ、前記低負荷領域（I）では、前記循環質量流量（UM）が前記一定値の半分の値に一定に保たれる
貫流ボイラ（２）の運転方法。
【請求項１４】
流れ媒体（M）の蒸発のための蒸気発生器（４）を備えた貫流ボイラ（２）であって、この蒸気発生器には流れ媒体回路において給水ポンプ（１２）が前置接続され、流れ媒体の未蒸発成分（W）のための気水分離器（１８）が流れ媒体回路において後置接続されており、この分離器（１８）は循環ポンプ（２４）が接続された戻り配管（２２）を介して蒸気発生器入口（１４）に接続され、給水ポンプ（１２）と循環ポンプ（２４）とのための制御ユニットまたは調節ユニット（２８）が設けられ、この制御・調節ユニットが請求項１〜１３に記載の方法ステップを実行する貫流ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気発生器を備えた貫流ボイラの運転方法に関する。流れ媒体の供給質量流量は給水ポンプにより蒸発器に送られ、そこで少なくとも部分的に蒸発し、蒸発しなかった流れ媒体はこの蒸気発生器に後置接続された気水分離器で分離され、分離された流れ媒体の循環質量流量は循環ポンプにより前記蒸気発生器に戻される。これによって、蒸気発生器を貫流する流れ媒体の質量流量は、これを蒸発器質量流量と表現するが、供給質量流量と循環質量流量を加えたものとなる。本発明はさらに本方法を実施すべく構成されたボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
強制貫流ボイラでは、通常は供給水の形で供給される流れ媒体が、一般的に設置されている予熱器、蒸発器および過熱器を通って、相応の出力を有する供給水ポンプ、略称して給水ポンプ、により強制的に貫流される。これにより流れ媒体の飽和蒸気温度までの加熱、蒸発およびこれに続く過熱が１回の貫流で連続的に行なわれるので、ドラムは不要である。自然循環用に構成されたボイラとは異なり、強制貫流ボイラは２３０バール以上の超臨界圧力領域でも運転可能である。複数の強制貫流ボイラにより非常に大きな蒸気出力を比較的小さな場所で発生することができる。このシステムでは流れ媒体の量が比較的少ないので、このシステムは慣性が小さく、負荷変動に対して速い反応ができる。
【０００３】
燃焼室の周囲に螺旋状に巻きつけられた複数の蒸気発生管（いわゆる、螺旋配管）を有する燃焼式の強制貫流ボイラは通常は、１００％負荷（全負荷）時に蒸気発生管を流れる流れ媒体の質量流量密度約２０００ｋｇ／（ｓｍ2）に対して設計されている。これまでの一般的な設計基準によれば、複数の平滑管を有するボイラの部分負荷時の質量流量密度は、流れの層化による管壁の冷却上の問題を避けるために、約８００ｋｇ／（ｓｍ2）を下回ってはならない。この値は、上述した全負荷時質量流量密度が２０００ｋｇ／（ｓｍ2）の場合には、全負荷の４０％に相当する。これは蒸気発生管の最小質量流量が定義される負荷状態でもある。始動運転および低負荷運転時には、蒸気発生管に常にこの最小質量流量が供給されることが供給水調節制御により保証されている。
【０００４】
特に始動運転時および低負荷運転時に生じる未蒸発水は、通常は蒸気発生器に後置接続されている気水分離器（分離器と略記）で蒸気から分離され、集水容器（いわゆる集水ビン、あるいは、ビンと略称）に導かれ、他方、蒸気は通常は過熱器に供給される。この分離された水を再循環し、エコノマイザーとも呼ばれる給水予熱器の手前で供給水質量流量（供給質量流量と略記）に加えるべく、循環ポンプが何回も使用される。すなわち、分離された水は結局、再度、蒸気発生器の入口に戻ってくる。この場合、蒸気発生器の質量流量は供給質量流量と、再循環質量流量とも呼ばれる循環質量流量との和となる。このような構成は、例えば、独国特許出願公開第３２４３５７８号明細書、独国特許出願公開第４２３６８３５号明細書または米国特許第３４１２７１４号明細書によって知られている。
【０００５】
従来一般的に行なわれていた運転方法では、始動時に供給質量流量が継続的に上昇し、他方、循環質量流量は同量分だけ下方に調節される。したがって上記の例では、循環ポンプは蒸気発生管質量流量密度の全負荷値の４０％に相当する約８００ｋｇ／（ｓｍ2）という比較的高い循環質量流量密度に対して設計されねばならない。というのは、無負荷運転時またはそれよりも僅かに大きい負荷時には、蒸気発生管質量流量のほぼ全量が循環質量流量で形成されているからである。循環ポンプの質量流量設計値がこのようにかなり大きいので、循環ポンプの出力はかなり大きく、また寸法も大きく設計されなければならず、このために調達コストが高くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の課題は、上記方式の貫流ボイラの上述した欠点を避ける運転方法を提供することにある。すなわち、本方法は、低く抑えられた調達コストと運転コストで、蒸気発生管の十分な冷却を備えて高効率かつ安全な部分負荷運転のために構成された貫流ボイラの運転方法である。さらに、この方法に特に適した貫流ボイラを提供することも本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
方法に関する課題は本発明により、
低負荷領域では、供給質量流量は負荷の上昇につれて増加し、一方、循環質量流量はほぼ一定に保たれ、
中負荷領域では、供給質量流量は負荷の上昇につれて引続き増加し、循環質量流量はゼロにまで低減され、
場合によっては高負荷領域では、供給質量流量は負荷の上昇につれて引続き増加し、循環質量流量はゼロに維持される
ことによって解決される。
【０００８】
高負荷領域での運転は貫流運転と呼ばれる。というのは、分離器内にもはや水がないからである。
【０００９】
ここでは負荷が上昇する場合が述べられているが、これは定義を明確にする目的のためだけである。すなわち、この調節特性は下降する負荷の場合にも同様に適用できる。このことは例えば、低負荷領域では供給質量流量は負荷の下降につれて減少する、ことなどを意味する。
【００１０】
本発明は、循環ポンプを備えた再循環回路をなくすこと、すなわち始動時および低負荷時には分離器に生じた水を単に排出し、棄てること（いわゆる、排水操作）が原理的には可能かもしれないという考えに基づいている。しかしこれは、熱力学的および経済的な観点からは不利であり、さらに、エコノマイザーと蒸気発生器の入口流体温度がより低くなり、したがって伝熱表面を冷却する蒸気の生成がより少なくなるので、始動運転時に蒸気発生器に後置接続されている過熱器伝熱表面の望ましくない熱負荷上昇をもたらすことになろう。
【００１１】
本発明は、これまで通用しており、且つ、産業的に実証されたと見做されている循環質量流量の設計基準から離れるものである。すなわち驚くべきことに、循環ポンプの質量流量設計値を少なくとも低負荷領域において、何らの不利益をもたらすことなく、従来の知見によるレベルよりも大幅に低減することができる、ということが分かったのである。特に無負荷状態の近傍では（この場合には殆ど循環質量流量によってのみ行なわれる）蒸気発生器の最小質量流量が従来の固定値に対して半減される。ここで、蒸気発生管が平滑管として構成されている場合にも、これらの条件下で蒸気発生管の十分な冷却が保証される事が熱流体力学的な計算とシミュレーションにより証明された。より高い負荷領域に対しては、蒸気発生器の最小質量流量に対して従来用いられてきた値が再び予め定められ、供給質量流量と循環質量流量の相応の調節により実現される。この両方の調節シナリオの間の移行は連続的に、特に直線的に行なわれるのが好ましい。
【００１２】
低負荷領域では、供給質量流量を負荷の上昇に伴い直線的に大きくするのが有利である。このことは、循環質量流量が一定に保たれている場合には、蒸気発生器の全質量流量（これは前述したように供給質量流量と循環質量流量の合計である）が負荷と共に直線的に上昇する、ことを意味する。
【００１３】
中負荷領域でも、負荷の上昇に伴い供給質量流量を直線的に大きくするのが有利であり、一方、循環質量流量は負荷上昇に伴って直線的に減少するのが有利である。特に有利な形態では、循環質量流量は、供給質量流量が上昇するのと同じ量だけ減少する。このことは、両方の質量流量の合計、すなわち、蒸気発生器の質量流量が中負荷領域では一定に保たれることを意味する。
【００１４】
上記の低負荷領域は、無負荷から設計上あらかじめ決められた全負荷の約２０％までとするのが目的に適っている。この低負荷領域に中負荷領域がすぐ続くのが目的に適っており、この中負荷領域は設計全負荷の約４０％までとするのが有利である。
【００１５】
特に有利な構成では、循環質量流量は低負荷領域では蒸気発生器の質量流量の全負荷値の約２０％に設定される。この場合、低負荷領域における循環質量流量密度を、蒸気発生器の全負荷時の質量流量密度である約２０００ｋｇ／（ｓｍ2）に対応して、約４００ｋｇ／（ｓｍ2）とするのが特に有利である。
【００１６】
他の有利な実施例では、中負荷領域において循環質量流量と供給質量流量は、この領域における蒸気発生器の質量流量が常に全負荷値の少なくとも４０％に達するように調節される。特に有利なのは、この負荷領域における蒸気発生器の質量流量が、供給水と循環水の逆方向の変化により、一定に保たれることである（上述参照）。
【００１７】
冒頭に述べた貫流ボイラに関する課題は蒸気発生器を備えた貫流ボイラにより解決されるが、この蒸気発生器には流れ媒体回路において給水ポンプが前置接続され、流れ媒体の未蒸発成分のための分離器が流れ媒体回路において後置接続されており、この分離器は循環ポンプが接続された戻り配管を介して給水回路における蒸気発生器の流入口に接続され、給水ポンプと循環ポンプとのための制御・調節ユニットが設けられ、この制御・調節ユニットが上述した方法の手順ステップを実行する。
【００１８】
冒頭に明記したように、前記戻り配管は給水ポンプの下流側で、且つ、給水予熱器の上流側で給水管に合流するのが目的に適っている。すなわち、分離器は（間接的に）給水予熱器を介して蒸気発生器入口と接続されている。
【００１９】
制御ユニットまたは調節ユニットでは、上述した目的のために制御プログラムまたは調節プログラムがハードウエア及び／又はソフトウエアで実行されるのが有利である。適切な調節値設定器を介して制御ユニットまたは調節ユニットは事前の運転指示（例えば、始動、下降運転、部分負荷運転など）に基づき給水ポンプと循環ポンプに作用して、流れ媒体流量のようなそれぞれの搬送出力を制御する（供給水と、蒸気発生器から分離された水）。複数の適切な測定器すなわちセンサを介して制御ユニットまたは調節ユニットに重要な操作量の実際値を与えるのが望ましく、これによって、所望の目標値を変更した場合にこれに対応した再調節を行うことができる。
【００２０】
この貫流ボイラは若干のバーナにより直接に燃焼されるのが有利である。このボイラは好ましくは１つの燃焼室と１つの煙道を有し、その囲壁は互いにガス密に溶接された複数の蒸気発生管で形成され、この囲壁の少なくとも１つの部分領域が（場合によっては、給水予熱器または過熱器を形成する他の領域とともに）本来の蒸気発生器を形成している。煙道は垂直煙道として構成されているのが有利であり、少なくとも蒸気発生部に螺旋状の配管、すなわち、囲壁の内側で煙道の長手軸の周りを螺旋状または渦巻き状に巻いている複数の蒸気発生管を有している。これらの蒸気発生管は有利には平滑管であるが、内部フィン付き管も使用可能である。
【００２１】
螺旋状蒸気発生器に内部フィン付き管を使用する場合には、循環運転における最大負荷時の質量流量最小密度を、平滑管の典型的な数値である８００ｋｇ／（ｓｍ2）から約５００ｋｇ／（ｓｍ2）に下げることができる。したがって、この蒸気発生器の全負荷質量流量密度が２０００ｋｇ／（ｓｍ2）の場合には、内部フィン付き管を有する蒸気発生器は全負荷の２５％を越える負荷で貫流運転することができる。内部フィン付き管を螺旋状蒸気発生器に使用する場合には、本発明により、循環ポンプも特にコンパクトな寸法とすることができる。内部フィン付き管を備えた螺旋状蒸気発生器では循環運転から貫流運転への移行は４０％負荷ではなく、２５％負荷で行なわれる。ここまでに記載された、および、これ以降記載される明細書では、数値的には平滑管を備えた蒸気発生器を対象に設計されているが、上記の境界条件を考慮した上で内部フィン付き管を備えた蒸気発生器にも適用することができる。
【００２２】
本発明により得られる利点は特に以下の点にある。すなわち、これまで広く用いられてきた設計原理から意識的に離れることによって、蒸気発生器で、またはその下流で分離された液体の流れ媒体（水）の給水予熱器への還流により、強制貫流ボイラ運転が可能となり（いわゆる、強制貫流・混合システム）、無負荷近傍での循環質量流量を比較的小さく選んでも運転上の高い安全性と十分な管冷却を保証することができる。この場合、循環ポンプを特にコンパクトな寸法とすることができ、これに応じて低コストで調達できる。
【００２３】
本発明の実施例を図を基に詳細に説明する。これらの図はいずれも著しく単純化され、模式化されている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】貫流ボイラのブロック接続図
【図２】貫流ボイラの相応する要素による流れ媒体の通流に対する特性図で            あり、従来の運転制御にとって重要な特性図が負荷の関数としてプ            ロットされているダイヤグラム
【図３】本発明による新しい、改良された運転制御に対応する特性図を示す            ダイヤグラム。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１に示された貫流ボイラ２は流れ媒体Mを蒸発するための蒸気発生器４を含み、エコノマイザーとも呼ばれる給水予熱器６が流れ媒体回路においてこの蒸気発生器４に前置接続されている。蒸気発生器４は、流体的にみて並列接続され、互いにガス密に溶接され、平滑管として形成された複数の蒸気発生管を含み、これらの蒸気発生管は螺旋状配管の様式で燃焼室の囲壁の一部を形成し、この燃焼室は複数のバーナで加熱される（ここでは詳細には示されていない）。蒸気発生器４には複数の過熱伝熱面を備えた過熱器８が流れ媒体回路において後置接続されている。貫流ボイラ２の運転中には流れ媒体Mが供給水Sとして給水管１０を通り、給水ポンプ１２により、給水予熱器６に供給され、給水予熱器６で予熱され、次いで蒸気発生器入口１４を通って蒸気発生器４に導かれ、そこで蒸発する。蒸気発生器出口１６を通って蒸気発生器４から出て行く蒸気Dは次いで過熱器８で過熱され、その後、所定の利用先、例えば蒸気タービンに供給される。
【００２６】
貫流ボイラ２の部分負荷運転時、特に、始動時または下降運転時には、流れ媒体Mは蒸発器４で完全には蒸発されず、蒸発器出口１６には未蒸発の液体の流れ媒体、すなわち水Wが残る。この水成分は、流れ媒体回路で蒸気発生器４と過熱器８との間に接続された気水分離器１８で蒸気成分から分離され、この蒸気はさらに過熱器８に導かれる。分離された水Wは分離器１８に接続された集水容器２０に集められ、そこから、運転状態に応じて異なった量が戻り配管２２を通って給水予熱器６の入口に還流される。この目的のために戻り配管２２に循環ポンプ２４が接続され、戻り配管２２は給水ポンプ１２の下流で、かつ、給水予熱器６の上流で、給水管１０に接続されている。余剰の水Wは集水容器２０から排水管２６を通って排出される。
【００２７】
蒸気発生器４を通る流れ媒体Mの質量流量、すなわち蒸発器質量流量VMは供給される水Sの質量流量、すなわち供給質量流量SMと、それ以前に分離され循環ポンプ２４により還流される水W、すなわち循環質量流量UMとの和である。質量流量（Massenstrom）という用語に替えて、流量（Durchfluss）と通称されることもある。
【００２８】
給水ポンプおよび循環ポンプに、ならびに、場合によっては、流れ媒体Mの配管系のここには示されていない調整弁あるいは調節弁に作用する電子的な制御ユニットまたは調節ユニット２８が運転状態に応じた質量流量の制御または調節、特に始動運転または低負荷運転時の制御・調整を行なう。運転中の実際状態を検出する為に、複数のセンサが備えられており、制御・調節ユニット２８に接続されている（ここでは示されていない）。
【００２９】
図２は従来の調節方式による重要な特性曲線を示す。負荷Lの関数としてプロットされているのは、循環質量流量UM、供給質量流量SMおよび蒸発器質量流量VMである。ｘ座標の負荷値はそれぞれ最大負荷（全負荷）に対する比率として表示され、同様にｙ座標には流量値、すなわち質量流量値が全負荷時の蒸発器質量流量VMの最大設計値に対するパーセントとして示されている。この図から分かるように、循環質量流量UMは負荷の上昇につれて（無負荷時の）出発値４０％から連続的に、特に直線的に、０％へ向かって減少し、一方、供給質量流量SMはこれに相当した負荷領域で０％から４０％に直線的に増加している。したがって、供給質量流量SMと循環質量流量UMとの和で与えられる蒸発器質量流量VMはこの負荷領域では不変で４０％である。これよりも大きい負荷では循環質量流量UMはずっと０％であり、供給質量流量SM、したがってその結果、蒸発器質量流量VMは全負荷値１００％まで上昇する（このダイアグラムではこれ以上は示されていない）。故に、循環ポンプ２４は全負荷時蒸発器質量流量VMの４０％というかなり高い質量流量に対して設計されなければならない。
【００３０】
これに対して図３は循環ポンプ２４の負荷に関して改良された調節方式を、図２と同様なダイヤグラムで示したものである。図２に示した調節案と同様に、供給質量流量SMはこの０％から４０％の負荷領域で０％値から４０％値へ直線的に上昇する。しかし、従来案と異なって、循環質量流量UMは、低負荷領域Iと示されている０％から２０％負荷の第１の負荷領域において、図２よりも低い２０％値に一定に保たれる。これに次ぐ２０％負荷から４０％負荷までの中負荷領域IIにおいて初めて、循環質量流量UMは０％値へ向かって直線的に減少する。これに従って、低負荷領域Iでは蒸気発生器流量が２０％値から４０％値へ直線的に上昇し、中負荷領域IIでは４０％値に保たれる。（示されていない）この右側に続く４０％超の負荷領域では、先に議論した場合のように、供給質量流量SMおよび、これに伴い蒸発器質量流量VMは全負荷値１００％まで上昇する。
【００３１】
循環ポンプ２４の質量流量設計値を図２に対して半減し、蒸発器質量流量VMの最大値の２０％値に低減することによって、循環ポンプ２４に対する要求性能を、低負荷領域での蒸気発生器４の蒸気発生管の十分な冷却を危険にさらすことなしに、著しく低減することができる。
【符号の説明】
【００３２】
２      貫流ボイラ
４      蒸気発生器
６      給水予熱器
８      過熱器
１０      給水管
１２      給水ポンプ
１４      蒸気発生器入口
１６      蒸気発生器出口
１８      気水分離器
２０      集水容器
２２      戻り配管
２４      循環ポンプ
２８      制御・調節ユニット
S        供給水
M        流れ媒体
SM      供給質量流量
UM      循環質量流量
VM      蒸発器質量流量
L        負荷
【図１】
0005818963.tif 000002
【図２】
0005818963.tif 000003
【図３】
0005818963.tif 000004