JP2003254505A - 減温装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱応力の発生を抑制して信頼性、耐久性に優
れた減温装置を提供する。 【解決手段】 スプレノズル５の噴霧孔１３から高温蒸
気の中に低温のスプレ水１を注入して蒸気の温度制御を
行なう減温装置において、前記スプレノズル５の噴霧孔
１３の近くに前記スプレ水とほぼ同温の流体１５を供給
する手段を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、事業用ボイラや産
業用ボイラ等の蒸気温制御を行うため高温の流体（水蒸
気）中に低温の流体（水）を注入する減温装置に係り、
特に信頼性、耐久性に優れた減温装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１は、排ガス再循環燃焼法を採用し
たボイラの概略系統図である。同図において３１はボイ
ラ火炉、３２はボイラ火炉３１を区間形成した水冷壁、
３３はバーナ、３４は対流伝熱部、３５，３６は対流伝
熱部３４に配置された過熱器及び再熱器、３７は煙道、
３８は節炭器、３９は排ガス再循環ファン、４０はボイ
ラ出口の煙道３７からボイラ火炉３１の炉底４１へ排ガ
スを再循環する排ガス循環系統、４２は排ガス再循環系
統４０の排ガス量を制御するダンパ、４３は過熱器３５
の入口に設けられた減温装置、４４は過熱器注水調整
弁、４５は冷却水配管、４６は蒸気配管で、図に示すよ
うな構造になっている。

【０００３】このボイラおいて、バーナ３３へ図示して
いない燃料系統、燃焼用空気系統から燃料と空気を投入
して燃焼させ、主にバーナ３３から高温火炎による輻射
熱によって水冷壁３２を流れる作動媒体を加熱して蒸発
させ、この作動媒体をさらに対流伝熱部３４の過熱器３
５，再熱器３６へ導き、ボイラ火炉３１からの高温燃焼
ガスによって所定の蒸気条件になるように加熱される。

【０００４】この種の発電用ボイラにおいては、その負
荷のできるだけ広い範囲にわたって、過熱器３５及び再
熱器３６出口の蒸気温度を一定に保つことが、発電プラ
ント効率を維持するために必要である。

【０００５】最近の電力需要の特徴として、火力発電は
ベースロードから負荷調整用へと移行し、高頻度な起動
・停止及び負荷変化を強いられている。このため負荷変
化により蒸気流量の調整で燃料投入量の変化に伴い、蒸
気温度は変動し蒸気温度を制御するため余儀なく減温装
置４３にスプレ水を注入することになる。

【０００６】そしてスプレ水注入用ノズルの熱応力低減
のためスプレノズルを二重管構造として、スプレノズル
自体の耐久性、信頼性の改善を図ってきた。再熱器系で
のスプレ水注入は、ボイラ効率を上げるため負荷変化時
に投入する間欠制御方式としている。

【０００７】図１２に再熱器系の一系統図例を示す。同
図において、高圧タービンから排出された蒸気は、一次
再熱蒸気管４７を通って一次再熱器管４８へ送られ、こ
こで過熱されて二次再熱器４９へ送られる。また、蒸気
が一次再熱器４８から二次再熱器４９へ送られる際に、
蒸気温度を一定に保つように、再熱器減温装置５０内の
スプレノズルから低温のスプレ水及びノズルの熱応力低
減用の蒸気を注入する。図中の５１は一次再熱器４８の
下部ヘッダ、５２は一次再熱器４８の上部ヘッダ、５３
は二次再熱器４９の下部ヘッダ、５４は二次再熱器４９
の上部ヘッダである。

【０００８】スプレ水の注入時には前記低温流体（低温
のスプレ水）が高温の蒸気が流れている再熱器減温装置
５０に流入し、スプレノズル等に大きな温度差による繰
り返し熱応力が発生し、寿命の低下、さらには破損の原
因になっていた。

【０００９】この熱応力の発生を防ぐために、図１３に
示すようなスプレノズルが用いられている。図中の６１
はスプレ水（低温流体）、６２は再熱器入口蒸気（高温
流体）、６３はスプレノズル冷却蒸気、６４はインレッ
トノズル、６５はスプレノズル、６６はスプレノズル保
護筒、６７はスプレ水噴霧用窓（スプレノズル開口
部）、６８はスプレノズル冷却蒸気管、６９は再熱器減
温装置、７０は連絡管保護筒、７１はダイヤフラム、７
２はスプレノズル本体である。

【００１０】同図に示すようにスプレノズル６５に直接
再熱器入口蒸気（高温流体）６２が触れないように、ス
プレノズル６５の周囲にスプレノズル保護筒６６を設け
た二重管構造としている。スプレノズル６５の外周に中
心軸が等しいスプレ水噴霧用窓（スプレノズル開口部）
６７を有するスプレノズル保護筒６６を配置して、スプ
レノズル６５とスプレノズル保護筒６６の間にスプレノ
ズル冷却蒸気６３（再熱器蒸気温度とスプレ水温度との
中間的な温度）を流している。

【００１１】スプレノズル冷却蒸気管６３を通じてスプ
レノズル冷却蒸気６８が再熱器減温装置６９に注入する
ことにより、スプレ水の間欠注入による熱応力の低減を
図っている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】電力需要が高頻度な負
荷変化運用に転じてきており、これに伴い主蒸気温度の
変化が余儀なくされることから、主蒸気温度を一定に保
つため高温の蒸気流中に低温のスプレ水を注入したりし
なかったりする頻度が高まっている。ノズルはこれに伴
い蒸気からの過熱とノズル内部に流れる低温のスプレ水
による冷却が、スプレ水を注入するたび毎に繰り返さ
れ、これによる熱応力がその都度発生しダメージを受
け、次第に熱疲労が蓄積され、スプレノズル自身に割れ
が生じるという問題がある。

【００１３】本発明の目的は、このよう従来技術の欠点
を解消し、熱応力の発生を抑制して信頼性、耐久性に優
れた減温装置を提供する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の第１の手段は、スプレノズルの噴霧孔から
高温蒸気の中に低温のスプレ水を注入して蒸気の温度制
御を行なう減温装置において、前記スプレノズルの噴霧
孔の近くに前記スプレ水とほぼ同温の流体を供給する手
段を設けたことを特徴とするものである。

【００１５】本発明の第２の手段は前記第１の手段にお
いて、前記噴霧孔の周囲を囲むように環状部が設けら
れ、その環状部を前記スプレ水とほぼ同温の流体が流通
するように構成されていることを特徴とするものであ
る。

【００１６】本発明の第３の手段は前記第２の手段にお
いて、前記環状部の前記噴霧孔と同じ側に透孔が形成さ
れ、前記スプレ水とほぼ同温の流体が水であって、その
水がスプレ水と同様に高温蒸気の中に注入されることを
特徴とするものである。

【００１７】

【発明の実施形態】次に本発明の実施形態を図を用いて
説明する。図１は第１の実施形態に係る再熱器の減温装
置の縦断面図、図２は図１Ａ−Ａ線上の横断面図、図３
は図１Ｂ−Ｂ線上の矢斜図である。

【００１８】図中の１はスプレ水（低温流体）、２は再
熱器入口蒸気（高温流体）、４はインレットノズル、５
はスプレノズル、９は減温装置、１０は連絡管保護筒、
１２はスプレノズル本体、１４は蒸気入口連絡管、１５
はスプレ水温度と同程度の温度を有する流体、１６は熱
伸び基準設定用金具、１７はスライド構造用金具であ
る。

【００１９】図１において、管状をした減温装置９の周
面には、再熱器入口蒸気２が流れ込む少なくとも１本の
蒸気入口連絡管１４が接続され、減温装置９の一端部に
スプレノズル本体１２が設けられている。図１に示すよ
うに蒸気入口連絡管１４は減温装置９の中心軸に対して
取付け角度θが９０°≦θ≦１５０°の範囲で、かつ図
２に示すように蒸気入口連絡管１４と減温装置９は中心
軸をずらし偏心させて接続する。このことにより再熱器
入口蒸気２に旋回流を与え、スプレノズル本体１２から
噴射したスプレ水１と、短時間、短距離で混じり合う。
図２では図面を簡略にするため連絡管保護筒１０は省略
している。

【００２０】減温装置９に対する蒸気入口連絡管１４の
取付け角度θは９０°〜１５０°の範囲が望ましい。減
温装置９を取り付ける場所に制約がある場合、減温装置
９の長さを極力短くしたい場合は直角に取り付け（角度
θ＝９０°）、設置場所に制約が無い場合には取付け角
度θは９０°を超えて１５０°の範囲が望ましい。

【００２１】再熱器入口蒸気２を旋回させることから、
連絡管保護筒１０の円周方向に温度分布は発生しない。
連絡管保護筒１０に温度分布があるとハンピング（反
り）が繰り返して発生し、連絡管保護筒１０の円周方向
に割れを生じるが、前述のように連絡管保護筒１０の円
周方向に温度分布がないから、結局、割れの発生が無く
なる。

【００２２】スプレノズル本体１２にはスプレノズル噴
霧孔１３と同心円状に環状部１９が設けられ、環状部１
９にスプレ水温度と同程度の温度を有する水、温水ある
いは液状の油などの流体１５が流されている。そのた
め、スプレノズル５（スプレノズル本体１２）にスプレ
水１を注入する度ごとに再熱器入口蒸気２による加熱と
スプレ水１による冷却の温度変化がなくなり、スプレノ
ズル５（スプレノズル本体１２）の耐久性（寿命）が飛
躍的に向上する。

【００２３】通常使用するスプレ水１の水温は抽水して
いる箇所の水温によるが、例えば約１００℃〜３００℃
であるから、前記流体１５としては流体温度が約１００
℃〜３００℃のものが使用される。この流体１５は、ス
プレ水１の注入の有無に関係なく常時循環あるいは供給
される。

【００２４】スプレ水１と蒸気２との温度差に伴う連絡
管保護筒１０に発生する熱応力を緩和させるため、スプ
レノズル５側（上流側）は、熱伸び基準側とし熱伸び基
準設定用金具１６を設けることで連絡管保護筒１０を支
持し、下流側はスライド構造用金具１７を連絡管保護筒
１０の下端部に形成した長孔２０あるいは切込みに挿入
してスライド可能に支持している。連絡管保護筒１０の
支持構造を逆にしても良く、連絡管保護筒１０が支持で
きかつ熱伸びを吸収できる構造であれば、如何なる構造
でも良い。

【００２５】図４と図５は本発明の第２の実施形態を示
す図で、図４は減温装置の縦断面図、図５は図４Ｃ−Ｃ
線上の矢視図である。前記第１の実施形態と相違する第
１の点は、スプレノズル噴霧孔１３から噴出するスプレ
水１をさらに早く蒸気２と混合させるため、図５に示す
ようにスプレノズル本体１２に対してインレットノズル
４を偏心して取付け、噴出するスプレ水１に旋回エネル
ギーを与えて、スプレ水１の噴霧粒径を小さくした点で
ある。

【００２６】スプレ水１の旋回方向は、蒸気２の旋回方
向と同じ方向と逆の方向があるが、蒸気量とスプレ水量
との兼ね合いで決めればよい。一例として、蒸気量が多
くスプレ水が少ない場合には蒸気２の旋回方向とスプレ
水１の噴霧水との旋回方向は逆の方が、蒸気２によりさ
らにスプレ水１の噴霧粒径が引き千切られるので短時
間、短距離で混ざるなど目的に応じて設定すればよい。

【００２７】第２の相違点は、スプレノズル噴霧孔１３
の下端形状をコーン形にして、噴霧水の飛跡の形状をコ
ーン状とすることで、連絡管保護筒１０の内面側に注入
するスプレ水量の大半を供給し蒸気との混合速度を速め
た点である。

【００２８】図６と図７は本発明の第３の実施形態を示
す図で、図６は減温装置の縦断面図、図７は図６Ｄ−Ｄ
線上の拡大断面図である。前記第１の実施形態と相違す
る点は、環状部１９の底部に減温装置９側に向けて貫通
した複数の透孔２１を複数設け、スプレノズル５を冷却
するスプレー水と同じ流体１５を回収せず減温装置９内
に注入し、回収用配管２３を省いた点である。透孔２１
の数、径、形状などは蒸気２とスプレ水１の条件（温
度、圧力、流量など）により冷却効果を確認して決めれ
ば良い。

【００２９】図８と図９は本発明の第４の実施形態を示
す図で、図８は減温装置の縦断面図、図９は図８Ｅ−Ｅ
線上の断面図である。前記第１の実施形態と相違する点
は、２本以上（本実施形態では２本）の蒸気入口連絡管
１４を減温装置９に対して偏心して接続して、蒸気２の
旋回を補強した点である。なお図９は図面を簡略するた
め連絡管保護管１０を省略している。

【００３０】図１０は本発明の第５の実施形態に係るス
プレノズル本体の平面図である。前記第１の実施形態と
相違する点は、スプレノズル５を冷却させる水１５の供
給管２２と回収管２３が同一側に設けられている点であ
る。

【００３１】前記各実施形態では再熱器用の減温装置に
ついて説明したが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、過熱器用の減温装置にも適用できる。

【００３２】

【発明の効果】本発明は前述のように、スプレノズルの
噴霧孔から高温蒸気の中に低温のスプレ水を注入して蒸
気の温度制御を行なう減温装置において、前記スプレノ
ズルの噴霧孔の近くに前記スプレ水とほぼ同温の流体を
供給する手段を設けたことを特徴とするものである。そ
のためスプレノズルの温度をスプレ水と同程度に保持す
ることができ、熱応力の発生を抑制して信頼性、耐久性
に優れた減温装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る減温装置の縦断
面図である。

【図２】図１Ａ−Ａ線上の横断面図である。

【図３】図１Ｂ−Ｂ線上の矢斜図である。

【図４】本発明の第２の実施形態に係る減温装置の縦断
面図である。

【図５】図４Ｃ−Ｃ線上の矢斜図である。

【図６】本発明の第３の実施形態に係る減温装置の縦断
面図である。

【図７】図６Ｄ−Ｄ線上の横断面図である。

【図８】本発明の第４の実施形態に係る減温装置の縦断
面図である。

【図９】図８Ｅ−Ｅ線上の横断面図である。

【図１０】本発明の第５の実施形態に係る減温装置のス
プレノズル本体の平面図である。

【図１１】排ガス再循環燃焼法を採用したボイラの概略
系統図である。

【図１２】再熱器系の系統図である。

【図１３】従来の減温装置の縦断面図である。

【符号の説明】

１ スプレ水（低温流体） ２ 再熱器入口蒸気（高温流体） ４ インレットノズル ５ スプレノズル ９ 減温装置 １０ 連絡管保護筒 １２ スプレノズル本体 １３ スプレノズル噴霧孔 １４ 蒸気入口連絡管 １５ スプレノズル注入水温度と同程度の流体 １６ 熱伸び基準設定用金具 １７ スライド構造用金具 １９ 環状部 ２０ 長孔 ２１ 透孔 ２２ 供給管 ２３ 回収管

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スプレノズルの噴霧孔から高温蒸気の中
   に低温のスプレ水を注入して蒸気の温度制御を行なう減
   温装置において、前記スプレノズルの噴霧孔の近くに前
   記スプレ水とほぼ同温の流体を供給する手段を設けたこ
   とを特徴とする減温装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の減温装置において、前記
   噴霧孔の周囲を囲むように環状部が設けられ、その環状
   部を前記スプレ水とほぼ同温の流体が流通するように構
   成されていることを特徴とする減温装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の減温装置において、前記
   環状部の前記噴霧孔と同じ側に透孔が形成され、前記ス
   プレ水とほぼ同温の流体が水であって、その水がスプレ
   水と同様に高温蒸気の中に注入されることを特徴とする
   減温装置。