专利名称：锅炉结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种例如超临界变压直流锅炉那样具备锅炉蒸发管(炉膛水冷壁)的 锅炉结构。
背景技术：
以往，在超临界变压直流锅炉中，在炉膛的壁面配设的多根锅炉蒸发管的内部有 水流动，该水通过炉膛内的热量被加热而生成蒸汽。这种锅炉蒸发管在炉膛内的上下方向 上配管，以使从锅炉蒸发管的一方压入的水在不循环的情况下朝一个方向流动而变化为蒸 汽，即，从炉膛的下方被压入的水在向上地朝炉膛壁的上部流动的过程中变化为蒸汽。对于上述的锅炉蒸发管，与炉膛内的热负载最严酷的区域适合地选定管内径。具 体而言，例如如图1所示，与锅炉ι的设有向炉膛2内投入燃料及空气的燃烧器3的区域的 热负载匹配地选定管内径。另外，对于锅炉蒸发管的内径，应当在确保导热特性的基础上减小内径而提高内 部流体的流速，且应当在降低炉膛的压力损失(以下，也称为“压损”)的基础上增大内径而 降低内部流体的流速。然而，对于现有的锅炉结构，无论炉膛2内产生的热负载的大小如何，为了在炉膛 内的热负载最严酷的(热负载大)区域也能充分承受热负载而确定流速及管壁厚，基于该 流速及管壁厚将锅炉蒸发管整体的管内径确定为相同属于一般性做法。因此，若仅关于在 炉膛2的锅炉蒸发管所产生的压力损失而言，难以适当地设定管内径，所以成为无法调整 为期望的值的倾向。另外，对于上述的锅炉蒸发管而言可知，若一律设定成增大管内径而将整体的流 速抑制得低，则压力损失的摩擦损失成分变小，对于提高流动稳定性、自然循环特性是有效 的(例如，参照非专利文献1)。[非专利文献 1 ] Evaporator Designs for Benson Boilers, State of theArt and Latest Development Trends, By J. Franke, W. Kohler and E. Wittchow (VGB Kraftwerkstechnik 73(1993), Number 4)不过，由于上述的现有技术在锅炉蒸发管的管内径最优化、压损管理方面存在困 难，所以由于锅炉蒸发管的压损增大导致给水泵动力等的辅助设备动力也增大。这种辅助 设备动力的增大成为导致锅炉装置大型化的原因，而且，由于也成为导致运营成本等上升 的原因，所以还有改善的余地。另外，由于锅炉蒸发管在管内径最优化、压损管理方面存在困难，所以当因升温致 使管内的水膨胀时，流速上升而使压力损失的摩擦损失成分增大。由于这种摩擦损失成分 的增大导致流动稳定性恶化，所以存在改善的余地。进而，在一律设定成增大管内径而较低抑制整体的流速的情况下，对于减小压力 损失的摩擦损失成分而提高流动稳定性、自然循环特性是有效的，但是，考虑到根据锅炉高 度方向距离而热负载不同的这种超临界压力直流锅炉等的实际情况，一律增大管内径自然会遇到极限。即，其需要如上述的现有技术那样与炉膛内的热负载最严酷的区域适合地选 定管内径。
发明内容
本发明鉴于上述的情况而提出，其目的在于提供一种锅炉结构，从而与根据锅炉 高度方向距离而不同的热负载对应地选定管壁厚，维持锅炉蒸发管的稳固性而降低锅炉蒸 发管(炉膛水冷壁)的压力损失，并且除降低给水泵等的辅助设备动力之外还能提高流动 稳定性、自然循环特性。本发明为解决上述的问题而采用如下的机构。在本发明的一个形态的锅炉结构中，在炉膛的壁面配设的多根锅炉蒸发管形成炉 膛水冷壁，且被压力输送到所述锅炉蒸发管中的水在管内部流动时在所述炉膛内被加热而 生成蒸汽，在所述锅炉蒸发管中，连接有基于炉膛热负载来调整管壁厚且在炉膛热负载越 大的区域管内径越小的多种锅炉蒸发管。根据这种锅炉结构，由于在形成炉膛水冷壁的锅炉蒸发管中连接有基于炉膛热负 载来调整管壁厚且在炉膛热负载越大的区域管内径越小的多种锅炉蒸发管，所以能够根据 热负载使管内径最优化。因此，能够在炉膛热负载小的区域使管内径增大，从而能够使锅炉 蒸发管的从入口到出口的压力损失降低。在上述的形态中，优选对所述锅炉蒸发管进行区分使用，即在炉膛热负载大的区 域使用螺旋管、而在炉膛热负载小的区域使用平滑管，由此，能够更有效地降低锅炉蒸发管 的压力损失。发明效果根据上述的本发明，与根据锅炉高度方向距离而不同的热负载对应地对形成炉膛 水冷壁的锅炉蒸发管的管壁厚进行调整以使管内径阶段性地变化，因此，能够通过在热负 载小的区域增大管内径而降低压力损失，而能够降低给水泵等辅助设备动力。另外，通过降 低上述的压力损失，可获得提高在炉膛水冷壁流动的水的流动稳定性、自然循环特性的显 著效果。
图1是表示本发明的锅炉结构的一个实施方式的说明图。图2是表示将内径不同而外径相同的管坯材连接的连接结构例的剖视图。图3是作为本发明的锅炉结构的变形例而示出螺旋管的图。
具体实施例方式以下，根据
本发明的锅炉结构的一个实施方式。在图1至图3所示的实施方式中，锅炉1构成为如下的超临界变压直流锅炉，即， 在炉膛2的壁面配设的多根锅炉蒸发管10形成炉膛水冷壁4，当被压力输送到锅炉蒸发管 10的水在管内部流动时，水在炉膛2的内部被加热而生成蒸汽。在图示的锅炉1中，炉膛2 的水平剖面形成为矩形形状，在前后左右的4个面上形成有炉膛水冷壁4。图1所示的中间集管5为在配设有燃烧器3的燃烧器部的上方使锅炉蒸发管10临时向非加热的炉膛外伸出并集中，然后使其朝向炉内上部的顶板壁侧再次分散的部分。因此，从炉膛2的外部向形成锅炉1的炉膛水冷壁4的锅炉蒸发管10供给的水在 锅炉蒸发管10的内部流动而从炉膛2的下方向上方朝上流动，在该上升过程中被加热而变 化为蒸汽。该蒸汽在燃烧器部的上方临时向炉膛2的外部流出，在其从各锅炉蒸发管10向 中间集管5集中后再次分散而向炉内上部的顶板壁流出。如此向顶板壁导入的蒸汽通过被 进一步加热而带有过热度。需要说明的是，上述的水由未图示的给水泵压力输送，从炉膛2 内的下方被压入到锅炉蒸发管10的内部。在上述的锅炉蒸发管10中，连接有根据炉膛热负载来调整管壁厚且在炉膛热负 载越大的区域管内径越小的多种锅炉蒸发管。S卩，在锅炉1的炉膛2内，例如如图1所示，由 于炉膛2内的热负载根据锅炉高度方向距离而变化，所以根据炉膛热负载的大小来调整锅 炉蒸发管10的管壁厚，使管内径多次阶段性变化。此时，当确定锅炉蒸发管10的内径时， 为了确保必要的导热特性，也需要考虑不使管内径过大以确保必要的流速。需要说明的是，对于这种情况下的锅炉蒸发管10而言，通过焊接而将多根内径 (壁厚)不同而外径相同的管坯材连接，从而成为具有必要长度的1根长条管。具体而言，在与炉膛热负载最高的锅炉部大致同等水平的区域，锅炉蒸发管10的 管壁厚设定为最大，其结果是，使用管内径最小的管坯材。这种情况下的管壁厚被确定成在 规定的运行时间内锅炉蒸发管10在不被炉膛热负载损坏情况下保持足够的承受力的值， 因此，其成为比耐压方面所需的最小的管壁厚t大的值。换言之，若关于锅炉1的各条件均 相同，则在管壁厚为最大的区域成为与现有的管壁厚tm同样的值。其次，在与炉膛热负载最高的区域的上下邻接的区域设定成比最大的管壁厚tm 稍小的管壁厚t2。该管壁厚t2为将壁厚降低与炉膛热负载的减少量相对应的量的值，但是 该值也比耐压方面所需的最小的管壁厚t大。同样，随着从炉膛热负载最高的区域上下分离，设定成按照tm、t2、tl的顺序阶段 性地减小管壁厚，最终形成耐压方面所需的最小的管壁厚t。即，在图示的结构例中，锅炉 蒸发管10的管壁厚按照从炉膛2的下方开始的顺序增大成t、tl、t2、tm后，按照t2、tl、t 的顺序缩小。换言之，锅炉蒸发管10的管内径在从炉膛2的下方到燃烧器部依次阶段性地 减小后，内径最小的燃烧器部阶段性地增大。另外，在上述的实施方式中，虽然将具有4阶的管壁厚t、tl、t2、tm的外径相同的 管坯材连接，但是也可以根据锅炉1的各条件而形成为5阶以上，或者也可以形成为3阶以 下。另外，在上述的实施方式中，虽然在承受炉膛热负载的炉膛2的内部使锅炉蒸发管10 的壁厚阶段性地变化，但是对非加热部分也可以使其同样地改变壁厚而减薄。图2是表示关于连接外径相等而管内径不同的管坯材的锅炉蒸发管10的连接结 构例的剖视图。图示的锅炉蒸发管10为将外径相等的2根管坯材搭接并通过焊接而连接的结构。 即，对于内径大(壁厚小)的管坯材11与内径小(壁厚大)的管坯材12而言，通过对内径 小(壁厚大)的管坯材12侧的端部内表面进行加工而成为与管坯材11相同的内径及壁厚， 此后，在焊接部13搭接并实施焊接。需要说明的是，这种情况下的管坯材是将平滑管彼此 连接的结构，但是该连接结构也可以适用于后述的与螺旋管20的连接。对于如此连接的锅炉蒸发管10，在管内径不同的管坯材11、12间的连接部几乎没有妨碍流动的台阶，并且，由于管坯材11、12间的内径差也小到数毫米左右，所以几乎不会 对炉膛水冷壁4的压力损失等带来不良影响。根据这种锅炉结构，对于形成炉膛水冷壁4的锅炉蒸发管10而言，由于连接有根 据炉膛热负载调整管壁厚且炉膛热负载越大的区域内径越阶段性地减小的多种管，所以能 够根据热负载使管内径最优化。因此，在炉膛热负载小的区域能够增大管内径，因此能够降 低锅炉蒸发管10的从入口到出口的压力损失，从而能够降低给水泵等的辅助设备动力。其结果是，锅炉蒸发管10与内径在整个长度上均勻的现有结构相比，由于增大了 内径大的区域(管的长度)，所以提高了在管内流动的水及蒸汽的流动稳定性。即，即使炉 膛热负载增大、温度上升导致流体膨胀，也因锅炉蒸发管10的管内径平均值大而减小流速 变化，因此，能够抑制在压力损失中所占的摩擦损失成分的变动幅度而形成稳定的流动。另外，在锅炉蒸发管10增大内径大的区域(管的长度)这一做法不但提高上述的 流动稳定性，还能够提高锅炉蒸发管10内的水、蒸汽的自然循环特性。S卩，由于锅炉蒸发管10的管内径的平均值大，所以压力损失中所占的摩擦损失成 分的比例减小，即使炉膛热负载增大，流速变化也小。因此，摩擦损失成分的变动幅度得到 抑制，而且，由于因流体膨胀导致压力损失的静态成分也被降低，所以作为这两成分的合计 值的整体的压力损失本身也减小。因此，由于根据压力损失的下降而在锅炉蒸发管10内流 动的流体的流量增加，所以使自然循环特性得到提高。另外，作为上述的锅炉蒸发管10的变形例，例如如图3所示，可以进行区分使用， 即，在炉膛热负载大的区域使用螺旋管20、而在炉膛热负载小的区域使用具有通常的内壁 面的平滑管。S卩，在炉膛热负载大的炉膛2内的燃烧器部附近区域使用在管内周面形成有螺旋 槽的螺旋管20。该螺旋管20具有在导热特性方面有利但其摩擦损失大这一特性。因此，该变形例的锅炉蒸发管IOA将螺旋管20与平滑管连接使用，在炉膛热负载 最高的区域配置的螺旋管20能够对在管内流动的流体高效吸热，在其他区域配置的摩擦 损失小的平滑管能够使整体的压力损失降低。这样，由于炉膛水冷壁4的压力损失变小，所 以不仅能够降低给水泵等的辅助设备动力，还能有效提高流动稳定性、自然循环特性。另外，对于这种螺旋管20来说不言而喻的是，可以在炉膛热负载最大的区域配置 加大管壁厚的螺旋管20等，也可以与上述的实施方式进行组合。如上述那样，根据本发明的锅炉结构，由于与根据锅炉高度方向距离而不同的热 负载对应地调整形成炉膛水冷壁4的锅炉蒸发管10的管壁厚而使管内径阶段性地变化， 所以在确保必要的导热特性的同时，还能在热负载小的区域通过扩大管内径而降低压力损 失，而且，能够使给水泵等辅助设备小型化而降低辅助设备运行所需的辅助设备动力。因 此，能够实现锅炉装置的小型化并降低运营成本。另外，通过降低上述的压力损失，能够提高在炉膛水冷壁流动的水的流动稳定性、 自然循环特性。另外，对于炉膛热负载高的区域，若局部地组合使用螺旋管20，则能够降低炉膛2 的压力损失而获得同样的作用效果。需要说明的是，本发明不限于上述的实施方式，可以在不脱离其的主旨的范围内 进行适当的变更。
[符号说明]
l锅炉
2炉膛
3燃烧器
4炉膛水冷壁
5中间集管
i0、IOA锅炉蒸发管
20螺旋管
权利要求
1.一种锅炉结构，在炉膛的壁面配设的多根锅炉蒸发管形成炉膛水冷壁，且被压力输 送到所述锅炉蒸发管中的水在管内部流动时在所述炉膛内被加热而生成蒸汽，其中，在所述锅炉蒸发管中，连接有基于炉膛热负载来调整管壁厚且在炉膛热负载越大的区 域管内径越小的多种锅炉蒸发管。
2.如权利要求1所述的锅炉结构，其中，对所述锅炉蒸发管进行区分使用，即在炉膛热负载大的区域使用螺旋管，而在炉膛热 负载小的区域使用平滑管。
全文摘要
本发明提供一种锅炉结构，以能够与根据锅炉高度方向距离而不同的热负载对应地降低锅炉蒸发管的压力损失，并且除了降低给水泵等的辅助设备动力外，还能够提高流动稳定性、自然循环特性。在炉膛(2)的壁面配设的多根锅炉蒸发管形成炉膛水冷壁(4)，且被压力输送到锅炉蒸发管中的水在管内部流动时在炉膛(2)内被加热而生成蒸汽，其中，在锅炉蒸发管中，连接有基于炉膛热负载来调整管壁厚且在炉膛热负载越大的区域管内径越小的多种锅炉蒸发管。
文档编号F22B37/12GK102132094SQ200980133580
公开日2011年7月20日 申请日期2009年6月4日 优先权日2008年12月3日
发明者堂本和宏, 菅沼博, 金卷裕一 申请人:三菱重工业株式会社