JP2000220803A - ボイラの過熱器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価で、アルカリ腐食による損傷が少なく、
寿命が長いボイラの過熱器を提供する。 【解決手段】 材質が炭素鋼の過熱器管５ａの蒸気入口
側の内側に筒状管２０を配置する。筒状管２０の内面温
度は過熱器管５ａの内面温度よりも均一になるから、入
口管寄１３ａからキャリオーバされたボイラ水のミスト
は筒状管２０の内部で一様に蒸発する。この結果、ミス
ト中にアルカリ成分が含まれていても、析出するアルカ
リの分布は筒状管２０の内面で一様になり、特定の場所
に集中することがない。したがって、腐食の速度が相対
的に遅くなり、筒状管２０、すなわち過熱器５の寿命を
長くすることができる。この場合、筒状管２０を金網ま
たはラス板で形成し、あるいは材質をＣｒ量が９％以上
の鉄基合金又はＮｉ基合金にするとさらに寿命を長くす
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボイラの内部に配
置され、燃焼ガスの熱を蒸気に伝えて蒸気を加熱するボ
イラの過熱器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラの過熱器はボイラの内部に配置さ
れ、燃焼ガス等の熱を内部を通る蒸気に伝えて蒸気を加
熱する装置である。このようなボイラの過熱器を図５に
より説明する。

【０００３】図５はコンバインドサイクル発電プラント
の構成図であり、最近では高、中、低圧の三圧や高、低
圧の複圧のものが主流であるが、ここでは繁雑になるの
を避けるため単圧の図を用いて説明する。１はガスター
ビン、２はガスタービン１に接続されたガスタービン発
電機、３はガスタービン１からの排ガスが流通する排ガ
スダクト、４は排熱回収ボイラ、５は過熱器、６は脱硝
装置、７は蒸発器、８は節炭器、９は煙突である。ま
た、１０は給水装置、１１ａ、１２ａ、１３ａは入口管
寄、１１ｂ、１２ｂ、１３ｂは出口管寄、１３はドラ
ム、１４は主蒸気配管、１５は蒸気タービン、１６は蒸
気タービン１５に接続された発電機である。

【０００４】始めに、燃焼ガスの流れについて説明す
る。液化天然ガス（ＬＮＧ）プラント、液化石油ガス
（ＬＰＧ）プラント、製鉄所の高炉ガス、コークス炉ガ
スあるいは石油コンビナート等から回収された可燃性ガ
スは図示しない燃焼炉により燃焼され、生成した燃焼ガ
スはガスタービン１を駆動した後、排ガスダクト３によ
り排熱回収ボイラ４に導かれる。そして、過熱器５を加
熱してから脱硝装置６において脱硝され、蒸発器７、節
炭器８を加熱した後、煙突９から外部に排出される。

【０００５】次に、水・蒸気の流れについて説明する。
給水装置１０から排熱回収ボイラ４に供給された水は入
口管寄１１ａから節炭器８に入り、節炭器８で加熱され
た後、出口管寄１１ｂからドラム１３に入る。ドラム１
３に入った水は入口管寄１２ａから蒸発器７に送り出さ
れ、蒸発器７で加熱されて蒸気と水の混合流体になり、
出口管寄１２ｂからドラム１３に戻る。ドラム１３に戻
った蒸気は、入口管寄１３ａから過熱器５に送り出さ
れ、過熱器５で加熱されて出口管寄１３ｂおよび主蒸気
配管１４を通り、蒸気タービン１５を回転させてから外
部に排出される。

【０００６】上記コンバインドサイクル発電プラントの
うち、特に都市型小規模コンバインドサイクル発電プラ
ントとして、従来廃棄されていた製鉄所の高炉ガスや石
油コンビナートから排出される可燃性ガスなどの比較的
低カロリーのガスを利用してガスタービン発電を行い、
さらにその廃熱を利用して生成させた高温高圧の水蒸気
による蒸気発電を行う。したがって、エネルギを有効に
活用できると共に環境への影響を緩和することができ、
さらに時間単位で変化する電力需要にも対応することが
できる。なお、排熱回収ボイラ（以下、特にここでは低
カロリーのガスの排ガスを利用しており、低圧ボイラと
いう。）の過熱蒸気圧力は、一般的に１０Ｍｐａ（ｋｇ
／ｃｍ²）以下であり、過熱蒸気圧力が１５Ｍｐａ以上
である石炭や重油を燃焼する事業用の火力発電設備に比
べて低い。また、ボイラ内部の節炭器管、蒸発器管およ
び過熱器管の内面の腐食を抑制するとともに、Ｓｉ（シ
リカ）によるスケールの付着防止を目的として、給水
（以下ボイラ水と称する）をアルカリ処理あるいはりん
酸塩処理し、ｐＨおよびりん酸イオン（主としてナトリ
ウム塩）の濃度を管理する。

【０００７】図６は、日本工業規格ＪＩＳＢ８２２３−
１９８９に規定されたボイラ水に含まれるりん酸イオン
（ＰＯ₄ ^3-）濃度とｐＨの関係を示す図である。同図に
示したように、ボイラ水をりん酸塩処理する場合、りん
酸イオン濃度とｐＨは最高使用圧力に応じて定められて
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図７は、低圧ボイラに
おける過熱器５の入口付近を摸式的に示す断面図であ
る。低圧ボイラの場合、過熱器５に使用する材質は、蒸
気や排ガスの温度条件から、炭素鋼が使用できる。図
で、５ａは材質が炭素鋼の過熱器管で、外周部には螺旋
状に連続的に管に巻きつけられたフィン５ｂあるいは所
定の間隔を空けて多数のフィン５ｂが一体に配置され
て、過熱器５を構成している。最近、ボイラ水の水質を
標準値（上記ＪＩＳ規格で規定された範囲）に保った場
合でも、過熱器管５ａの入口部に局所的な腐食が発生す
ることが明らかになった。

【０００９】図８は、図７の入口部であるＡ部拡大図で
ある。５ｃは腐食による凹部で、過熱器管５ａの入り口
部に集中して発生しており、特にフィン５ｂ直下で発生
している。このような場合でも、ボイラ水に含まれるｐ
Ｈは１０〜１１、またりん酸イオン濃度は５〜１５ｐｐ
ｍで、最高使用圧力２〜３Ｍｐａのボイラ水としてはｐ
Ｈがやや高いが、過剰なアルカリ成分は溶存していない
腐食が生じない水質範囲である。しかし、腐食部５ｃの
スケールを分析すると、成分中には腐食生成物である鉄
酸化物の他に数％オーダのＮａ（ナトリウム）やＫ（カ
リウム）が検出されることが多い。

【００１０】以上から、腐食部５ｃの発生原因は、
（１）ドラム１３からキャリーオーバしたボイラ水のミ
ストが入口管寄１３ａを経由して過熱器管５ａに侵入・
付着し、（２）侵入・付着したミストの水分が加熱され
て蒸発することにより、溶融していたＮａ₃ＰＯ₄が濃縮
又は析出し、（３）濃縮又は析出したＮａ₃ＰＯ₄が加水
分解することによりＮａＯＨが生成し、（４）生成した
ＮａＯＨが過熱器管５ａをアルカリ腐食させた、と考え
られる。上記、腐食の速度は過熱器管５ａの径方向に１
〜３ｍｍ／年である。また、Ｋもボイラ水に混在してい
たＫＯＨが濃縮又は析出したものであると考えられる。

【００１１】なお、石油コンビナート地帯に設置された
都市型小規模コンバインドサイクル発電プラントの場
合、経済的および省資源的理由から、給水に各種化学装
置プラントからの復水を利用することが多く、油脂等を
含むことがある。ボイラ水中に油脂分がｐｐｍオーダ存
在すると、ドラム１３で泡立ち現象（フォーミング）が
生じ、ボイラ水のキャリーオーバ量が増加し、過熱器管
５ａ入口部のアルカリ腐食が加速される。さらに、何ら
かの理由でＫＯＨが混入した場合は、ＮａＯＨよりＫＯ
Ｈの方が腐食性が高いので、これもまた腐食の速度を加
速する要因になる。

【００１２】ところで、りん酸塩処理の場合、上記アル
カリ腐食は、（ａ）ボイラ水の純度を高める、（ｂ）キ
ャリーオーバの量をゼロにする、（ｃ）過熱器管を外面
にフィンがない素管にする、とすれば、局部的な濃縮に
よるアルカリ腐食の発生を低減できる。

【００１３】しかし、上記（ａ）の場合、Ｎａとりん酸
イオンとのモル比Ｎａ／ＰＯ₄ ^3-を２．８以下に、ｐＨ
の上限を８．５〜９．８に、りん酸イオン濃度を０．１
〜３ｐｐｍに制御しなければならないが、この水質は事
業用ボイラ並みの水質管理を必要とし、経済的な負担が
大きくなる。また、上記（ｂ）の場合、気水分離器を大
型にしたり、デミスタの追設が必要となり、これも経済
的負担が大きくなる。さらにこの場合には、現状のキャ
リーオーバ率が０．０５〜０．５％（水蒸気純度９９．
５〜９９．９５％）であることを考慮すると、経済的な
負担が大きくなる割には効果が少ない。また、上記
（ｃ）の場合、フィンを設けない素管であれば、管の温
度が均一になり、局部的な濃縮によるアルカリ腐食は低
減できる。しかし、伝熱効率が低下するため伝熱面積を
確保するためには過熱器管５ａの数を数倍にする必要が
あり経済上実用的でなく、省スペース化も難しい。

【００１４】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、安価で、アルカリ腐食による損傷が少な
く、寿命が長いボイラの過熱器を提供するにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第１の手段は、材質が炭素鋼の管を過熱器管として
使用するボイラの過熱器において、前記過熱器管の蒸気
入口側の端部の内側に筒状管を配置したことを特徴とす
る。

【００１６】第２の手段は、第１の手段において、前記
筒状管を金網またはラス板で形成することを特徴とす
る。

【００１７】第３の手段は、第１または第２の手段にお
いて、前記筒状管の材質をＣｒ量が９％以上の鉄基合金
又はＮｉ基合金にすることを特徴とする。

【００１８】第４の手段は、第１ないし第３の手段にお
いて、前記筒状管の長さを蒸気入口側の端面からキャリ
オーバされたボイラ水のミストが蒸発を完了するまでの
距離に１００〜３００ｍｍを加えた長さにすることを特
徴とする。

【００１９】第５の手段は、第１ないし第３の手段にお
いて、前記過熱器管の外周にフィンが設けられている場
合は、前記筒状管の長さを、蒸気入口側の端面から蒸気
入口側に最も近い前記フィンまでの距離に５０〜３００
ｍｍ加えた長さにすることを特徴とする。

【００２０】第６の手段は、材質が炭素鋼の管を過熱器
管として使用するボイラの過熱器において、前記過熱器
管の蒸気入口側の端部の内側表面に伝熱面積の増加部を
設けたことを特徴とする。

【００２１】第７の手段は、第６の手段において、前記
伝熱面積の増加部を設ける長さを、蒸気入口側の端面か
らキャリオーバされたボイラ水のミストが蒸発を完了す
るまでの距離に１００〜３００ｍｍを加えた長さにする
ことを特徴とする。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００２３】図１は本発明の実施の形態に係る過熱器管
５ａの蒸気入口側の断面図、図２は拡大詳細図で、図２
（ａ）は図１のＢ部を、図２（ｂ）は図１のＣ部をそれ
ぞれを示すものであり、図７と同等のものには同一の参
照符号を付して説明を省略する。図１及び図２におい
て、２０は外径が過熱器管５ａの内径よりも僅かに小さ
い筒状管で、入口管寄１３ａ側の端部を機械的に押し広
げたりあるいは直接、溶接等により入口管寄１３ａに固
定されている。筒状管２０の形状、寸法は過熱器管５ａ
のサイズ及び内部を流れる流体の圧力や速度により異な
るが、過熱器管５ａの内径がφ５０ｍｍの場合、板厚は
１〜２ｍｍ程度でよい。また、材質は、過熱器管５ａと
同材質もしくは、その環境条件に耐える鉄鋼材料であれ
ばよい。そして、筒状管２０の長さは、入口管寄１１ｃ
からキャリオーバされたボイラ水のミストの蒸発が完了
する距離よりも１００〜３００ｍｍ長くすることが望ま
しく、外周部にフィン５ｂが配置されている場合には、
フィン５ｂの巻き開始部からさらに５０〜３００ｍｍ奥
側の位置までの長さにする。

【００２４】この実施の形態の場合、加工が容易であ
る。また、筒状管２０の外周と過熱器管５ａの内周との
間に僅かな空間が形成されることにより温度分布が一様
になる結果、ミストの蒸発・濃縮個所を従来の３０倍以
上に広げることができる。したがって、アルカリ腐食速
度は、計算上０．０３〜０．１ｍｍ／年となり、筒状管
の肉厚を１ｍｍにしても、１０年以上の腐食寿命を有す
ることになる。なお、過熱器管５ａの内径の増加は最大
で２ｍｍ程度であり、過熱器５の寸法は従来の寸法とほ
ぼ同じにすることができる。

【００２５】図３は本発明の他の実施の形態を示す図
で、（ａ）は図１のＢ部、また（ｂ）は図１のＣ部にそ
れぞれ対応し、図１、２と同じものまたは同一機能のも
のは同一符号を付して説明を省略する。図で、３０は外
径が過熱器管５ａの内径よりも僅かに小さい金網状の筒
状管で、入口管寄１１ｃ側の端部は機械的に押し広げた
りあるいは直接、溶接等により入口管寄１１ｃに固定さ
れている。このようにすると、伝熱面積が大幅に増加
し、この結果キャリーオーバされたボイラ水のミストの
蒸発個所が上記管の場合に比べてさらに広くなるため、
過熱器管５ａの寿命はさらに長くなる。なお、筒状管３
０は金網状に限らず、ラス板状でももよい。

【００２６】なお、上記いずれの実施の形態において
も、ボイラ水のｐＨが高い場合、ＮａまたはＫ濃度が高
い場合、キャリーオーバされるミスト中に塩化物等の腐
食性物質を含む場合などのアルカリ腐食性が著しくなる
と予想される場合、あるいは、実用上の問題はないとし
ても、筒状管２０、３０の腐食をより低減しようとする
場合には、アルカリ液蒸発環境で耐食性を有することが
よく知られているＣｒ量が９％以上の鉄基材料（ＪＩＳ
Ｇ３４６２における、ＳＴＢＡ２６、２７、２８あるい
はＳＵＳ４１０、４３０、４４４等のフェライト系ステ
ンレス鋼）を用いればよい。また、オーステナイト系ス
テンレス鋼は、塩化物による応力腐食割れ（ＳＣＣ）感
受性があるので、ボイラ水中に塩化物が存在して応力腐
食割れを生じる恐れがある場合には、Ｎｉ基材料（イン
コネル６００、６２５及び６９０やハステロイ合金）を
使用すればよい。

【００２７】図４は本発明のさらに他の実施の形態を示
す図で、（ａ）は図１のＢ部、また（ｂ）は図１のＣ部
にそれぞれ対応し、図１、２と同じものまたは同一機能
のものは同一符号を付して説明を省略する。図で、４０
は溝で、過熱器管５ａの内面からの深さはｈ、幅はｗで
あり、間隔ｐを空けて等間隔に配置されている。そし
て、過熱器管５ａの内径をＤとするとき、上記ｈ、ｗ、
ｐは、過熱器管５ａの内面が平坦であるときの内側表面
積のＮ倍（ただし、Ｎ＝２〜３）にするように選定さ
れ、伝熱面積を増加するようにしている。

【００２８】この実施の形態では、過熱器管５ａ入口部
の単位長さ当りの伝熱面積が従来よりもＮ倍に増加して
いるから、キャリーオーバされたボイラ水のミストの蒸
発個所もＮ倍になる。したがって、腐食の進行を１／Ｎ
に緩和でき、過熱器管５ａの寿命は長くなる。

【００２９】なお、溝４０を設ける範囲は、上記筒状管
３０の場合と同様に、入口管寄１１ｃからキャリオーバ
されたボイラ水のミストの蒸発が完了する距離に１００
〜３００ｍｍ加えた長さにすることが望ましく、外周部
にフィン５ｂが配置されている場合には、フィン５ｂの
巻き開始部から５０〜３００ｍｍ奥側の位置までの長さ
にする。

【００３０】また、上記では溝４０を等間隔に配置した
が、過熱器管５ａ入口部の単位長さ当りの伝熱面積を増
加させればよく、例えば螺旋状あるいは長手方向の溝に
してもよい。さらに、ショットブラスト加工あるいはエ
ッチング等の化学的加工による凹凸であってもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
材質が炭素鋼の管を過熱器管として使用するボイラの過
熱器において、前記過熱器管の蒸気入口側の内側に筒状
管を配置するようにしたので、蒸気入口部の過熱器管の
内面温度を均一にすることができる。この結果、蒸気入
口側からキャリオーバされたボイラ水のミストは筒状管
の内部で一様に蒸発し、特定の場所に集中することがな
い。したがって、ミストが濃縮することにより析出する
アルカリは筒状管内面に一様に分布し、腐食の速度が相
対的に遅くなる結果、過熱器管の寿命を長くすることが
できる。この場合、筒状管を金網又はラス板で形成し、
あるいは材質をＣｒ量が９％以上の鉄基合金又はＮｉ基
合金にするとさらに寿命を長くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る過熱器管の蒸気入口
側の断面図である。

【図２】図１の拡大詳細図である。

【図３】本発明の他の実施の形態に係る過熱器管の蒸気
入口側の拡大詳細図である。

【図４】本発明のさらに他の実施の形態に過熱器管の蒸
気入口側の拡大詳細図である。

【図５】都市型小規模コンバインドサイクル発電プラン
トの構成図である。

【図６】ボイラ水に含まれるりん酸イオン濃度とｐＨの
関係を示す図である。

【図７】過熱器の入口付近を摸式的に示す断面図であ
る。

【図８】図７のＡ部拡大図である。

【符号の説明】

５ 過熱器 ５ａ 過熱器管 １１ａ、１２ａ、１３ａ 入口管寄 ２０ 筒状管

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素鋼からなる管を過熱器管として使用
   するボイラの過熱器において、前記過熱器管の蒸気入口
   側の端部の内側に筒状管を配置したことを特徴とするボ
   イラの過熱器。
2. 【請求項２】 前記筒状管を金網またはラス板で形成す
   ることを特徴とする請求項１記載のボイラの過熱器。
3. 【請求項３】 前記筒状管がＣｒ量９％以上の鉄基合金
   又はＮｉ基合金からなることを特徴とする請求項１また
   は２記載のボイラの過熱器。
4. 【請求項４】 前記筒状管の長さが、蒸気入口側の端面
   からキャリオーバされたボイラ水のミストが蒸発を完了
   するまでの距離に１００〜３００ｍｍを加えた長さに設
   定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいず
   れか１項に記載のボイラの過熱器。
5. 【請求項５】 前記筒状管の長さが、外周にフィンが付
   設された過熱器管の場合には、蒸気入口側の端面から蒸
   気入口側に最も近い前記フィンまでの距離に５０〜３０
   ０ｍｍ加えた長さに設定されていることを特徴とする請
   求項１ないし３のいずれか１項に記載のボイラの過熱
   器。
6. 【請求項６】 炭素鋼からなるの管を過熱器管として使
   用するボイラの過熱器において、前記過熱器管の蒸気入
   口側の端部の内側表面に伝熱面積の増加部を設けたこと
   を特徴とするボイラの過熱器。
7. 【請求項７】 前記伝熱面積の増加部を設けた長さが、
   蒸気入口側の端面からキャリオーバされたボイラ水のミ
   ストが蒸発を完了するまでの距離に１００〜３００ｍｍ
   を加えた長さに設定されていることを特徴とする請求項
   ６に記載のボイラの過熱器。