JP2005265290A - 減温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性、耐久性に優れた減温装置を提供する。
【解決手段】減温装置母管９内を流通する高温流体２に低温流体１を噴霧するスプレノズル５と、減温装置母管９内でスプレノズル５の囲むように設けられた保護筒６の二重管構造を有し、高温流体２と低温流体１の間の温度を有する緩衝流体３をスプレノズル５と保護筒６の間に流入するものにおいて、保護筒６の周面に噴霧管挿入孔７を設け、スプレノズル５の周面に噴霧管１８を取り付け、噴霧管１８の先端部を噴霧管挿入孔７に挿入し、スプレノズル５に注入した低温流体１を噴霧管１８から保護筒６の外側に噴霧することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、事業用ボイラや産業用ボイラ等の蒸気温度制御を行うために高温の流体中に低温の流体を注入する減温装置に係り、信頼性、耐久性に優れた滅温装置に関するものである。

図９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、５１はボイラ火炉、５２はボイラ火炉５１を囲む水冷壁、５３はバーナ、５４はボイラの対流熱伝熱部、５５，５６は対流伝熟部５４に配置された過熱器及び再熟器、５７はボイラの煙道、５８は節炭器、５９は排ガス再循環ファン、６０はボイラ出口の煙道５７からボイラ火炉５１の炉底６１へ排ガスを再循環する排ガス循環系統、６２は排ガス再循環系統６０の排ガス量を制御するダンパ、６３は過熱器５５の入口に設けられた減温装置、６４は注水調整弁、６５は冷却水配管、６６は蒸気配管である。

このような構造において、水冷壁５２で構成されたボイラ火炉５１のバーナ５３へ図示しない燃料系統、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５３から高温火炎による輻射熱によって水冷壁５２を流れる作動媒体（水）を加熱して蒸発させ、この作動媒体をさらに対流伝熱部５４の過熱器５５，再熱器５６へ導き、ボイラ火炉５１から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。

この種の発電用ボイラでは、その負荷のできるだけ広い範囲にわたって、過熱器５５及び再熱器５６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。

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。このため負荷変化の変動に伴い蒸気流量、蒸気温度を調整しなければならなく、給水流量、燃料投入量を調整するため蒸気温度は変動し、蒸気温度を制御するため余儀なく減温装置によりスプレ水を注入することになる。

ところがこの減温装置において、スプレ水の注入回数が増えるとスプレノズルに熱応力が発生する。この熱応力を低減するためにスプレノズルを二重管構造として、スプレノズル自身の改善（耐久性、信頼性）を図ってきた。（下記特許文献１参照）
再熟器系でのスプレ水は、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。図１０に再熱器系の一系統図例を示す。

同図おいて、高圧タービンから排出された蒸気は、一次再熱蒸気管７１を通って一次再熟器管７２へ送られ、ここで過熱されて二次再熟器７３へ送られる。また、蒸気が一次再熟器７２から二次再熱器７３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７４内のスプレノズルから低温のスプレ水を注入する。

尚、絡管内へのスプレ水の注入は、再熱器減温装置７４内のほぼ中央にあたるスプレノズルの部分にスプレノズル噴霧孔を設けており、ここから高温流体中に低温流体（スプレ水）が噴霧される。

図中の７５は一次再熟器下部ヘッダ、７６は一次再熟器上部ヘッダ、７７は二次再熟器下部ヘッダ、７８は二次再熟器上部ヘッダである。

ところで、スプレ水の注入時にはこの低温流体（スプレ水）が高温の蒸気が流れている再熱器減温装置７４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。

この現象を防ぐため、従来の減温装置は図１１に示すような構造になっている。図中の８１はスプレ水、８２は再熱器入口蒸気、８３はスプレノズル冷却蒸気（緩衝媒体）、８４はインレットノズル、８５はスプレノズル、８６はスプレノズル保護筒、８７はスプレ水噴霧用窓（スプレノズル開口部）、８８はスプレノズル冷却蒸気管、８９は減温装置母管、９０は保護筒、９１はダイヤフラム、９２はスプレノズル本体、９３は筒体、９４は端板、９５,９６はノズル差込穴、９７は管台、９９はスプレノズル保護筒８６の先端部である。

同図に示すように、スプレノズル８５に直接再熱器入口蒸気（高温の流体）８２が触れないよう、スプレノズル８５の廻りにスプレノズル保護筒８６を設けた二重管構造としている。そしてスプレノズル８５と保護筒８６の間にスプレノズル冷却蒸気（再熱器蒸気温度とスプレ水温度との中間的な温度を有する緩衝媒体）８３を流して、スプレ水の間欠注入による熱応力の低減を図っている。
特開平１−１９３５０８号公報

ところで前記従来の二重管構造を有する減温装置において、冷却用スプレ水の噴霧圧力が十分なときには、保護筒８６の表面へ巻き返ることはないが、噴霧圧力が低下すると、スプレノズル８５から噴霧されるスプレ水８１が巻き返り、保護筒８６の内側へ入り込んだり外表面へ付着する。そしてこれが引き金となり、高低温の繰り返しによる熱疲労によって、保護筒８６の一部に割れなどの損傷が生じるという問題がある。

この損傷が生じる部分は、保護筒８６の周面に形成されたスプレ水噴霧用窓８７の開口縁や、再熱蒸気，噴霧されるスプレ水，中間温度蒸気流の流速等により多少異なるが、前記開口縁から５〜１０ｃｍの周辺内に見られており、このスプレ水８１の巻き返りの影響を軽減するための対策が求められていた。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、信頼性、耐久性に優れた減温装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、減温装置母管内を流通する高温流体に低温流体を噴霧するスプレノズルと、前記減温装置母管内でスプレノズルの囲むように設けられたスプレノズル保護筒との二重管構造を有し、前記高温流体と低温流体の間の温度を有する緩衝流体を前記スプレノズルとスプレノズル保護筒の間に流入する減温装置を対象とするものである。

そして前記スプレノズル保護筒の前記高温流体と接する周面に噴霧管挿入孔を設け、前記スプレノズルの周面に噴霧管を取り付けて、その噴霧管の先端部を前記噴霧管挿入孔に挿入して、前記スプレノズルに注入した前記低温流体を噴霧管からスプレノズル保護筒の外側に噴霧することを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記噴霧管が前記スプレノズル保護筒の周面より突出していることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１の手段において、前記噴霧管が前記スプレノズルに対して取り替え可能に取り付けられていることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第１の手段において、前記噴霧管の向きが異なるように複数の噴霧管が取り付けられていることを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は前記第１の手段において、前記噴霧管が前記スプレノズルの周面に対して垂直に取り付けられていることを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は前記第１の手段において、前記噴霧管と噴霧管挿入孔の外縁との間に隙間が形成され、前記スプレノズルとスプレノズル保護筒の間に流入した前記緩衝流体が、前記隙間を通って前記噴霧管の開口端付近から噴霧されることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、スプレノズルから噴霧したスプレ水の巻き返りによるスプレノズル保護筒などにおける熱応力の繰り返しによる熱疲労割れの防止ができ、耐久性、信頼性に優れた減温装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図と共に説明する。図１は、第１の実施形態に係る減温装置の断面図である。同図において１はスプレ水、２は再熱器入口蒸気、３はスプレノズル冷却蒸気（緩衝流体）、４はインレットノズル、５はスプレノズル、６はスプレノズル保護筒、7は噴霧管挿入孔、８はスプレノズル冷却蒸気管、９は減温装置母管、1０は保護筒、１１はダイヤフラム、１２はスプレノズル本体、１３は筒体、１４は端板、１５,１６はノズル差込穴、１７は管台、１８は噴霧管、１９はスプレノズル保護筒６の先端部である。

同図に示すようにスプレノズル本体１２は、インレットノズル４から減温装置母管９の下部にかけて、減温装置母管９を貫通するように設置されている。そしてスプレノズル５に再熱器入口蒸気（高温蒸気）２が直接触れないよう、スプレノズル５の廻りにスプレノズル保護筒６を設けた二重管構造になっている。

スプレノズル５の蒸気流れ方向下流側の周面でかつ減温装置母管９のほぼ中央部分に、複数本の細径パイプからなる噴霧管１８が突設されており、各噴霧管１８の先端部はスプレノズル保護筒６に形成された複数の噴霧管挿入孔７にそれぞれ挿入されて、スプレノズル保護筒６の外周面より若干突出している。

本実施形態の場合は図１に示すように、スプレノズル５の軸方向に沿って噴霧管１８が複数段設けられており、その噴霧管１８の向きが下向き、上向きなるように向きが交互に変っている。このように噴霧管１８の向きを変えることにより、再熱器入口蒸気（高温蒸気）２に対するスプレ水１の混合状態が良好で、減温が効率的に行われる。

本発明者の実験結果によれば、スプレノズル保護筒６の外周面から噴霧管１８を約１００ｍｍの範囲内で突出させることで、噴霧管挿入孔７ならびにスプレノズル保護筒６の寿命向上を有効に図ることができる。

図２は、噴霧管挿入孔７と噴霧管１８の位置関係を示す一部拡大側面図である。同図に示すように、噴霧管挿入孔７の径は噴霧管１８の外径より若干径大に設計されており、その結果噴霧管挿入孔７の外縁と噴霧管１８の間に環状の隙間２０が形成されている。

スプレ水１はインレットノズル４からスプレノズル５内に流入し、各噴霧管１８からスプレノズル保護筒６の外側に噴出されて、減温装置母管９内を流れる再熱器入口蒸気２と混合される。スプレ水１の噴霧圧力が低下した場合でも、それを噴射する噴霧管１８がスプレノズル保護筒６の外周面より突出しているから、噴射されたスプレ水１がスプレノズル保護筒６の内側に入り込んだり、スプレノズル保護筒６の外周面に付着することがなくなる。

またスプレノズル５とスプレノズル保護筒６の間にスプレノズル冷却蒸気（再熱器蒸気温度とスプレ水温度との中間的な温度を有する）３を流すことにより、スプレ水１の間欠注入による熱応力の低減を図っている。スプレノズル冷却蒸気３は、噴霧管挿入孔７と噴霧管１８の間に形成されている環状の隙間１９（図２参照）を通り、噴霧管１８の開口端付近からスプレノズル保護筒６の外側に向けて噴出される。このスプレノズル冷却蒸気３の噴出により、スプレ水１のスプレノズル保護筒６内への入り込みやスプレノズル保護筒６の外周面への付着がより確実に防止できる。

図３は、第２の実施形態に係る減温装置の断面図である。本実施形態で図１に示す第１の実施形態と相違する点は、各噴霧管１８がスプレノズル５の周面に対してほぼ垂直に設けられている点である。この実施形態によれば、スプレノズル５に対する各噴霧管１８の取付けが簡便である。

図４は、第３の実施形態に係る減温装置の断面図である。本実施形態で図１に示す第１の実施形態と相違する点は、スプレノズル５のほぼ下半分の部分がスプレノズル保護筒６の噴霧管挿入孔７側に近接するように偏心している点である。図４では噴霧管１８を斜め方向に設けたが、図３に示したように噴霧管１８をスプレノズル５の周面に対して垂直方向に設けることもできる。

スプレノズル５に対する噴霧管１８の取り付けは、条件により溶接、ろう付け、かしめ、ネジ等の手段の中から適宜選択することができる。図５はスプレノズル５に対して噴霧管１８が取り替えができるようにネジ部２１によって噴霧管１８を取り付けた例を示しており、同図（ａ）は噴霧管１８を垂直方向に取り付けた例、同図（ｂ）は噴霧管１８を斜めに取り付けた例を示している。

図６も取り替えが可能なようにネジ式とした例であるが、噴霧管１８の長さを調整し易いようにネジ部２１に段差を設けている。図７は噴霧管１８をスプレノズル５にろう付け２２した例を、図８は噴霧管１８をスプレノズル５に溶接２３した例を、それぞれ示している。

本発明の第１の実施形態に係る減温装置の断面図である。 その減温装置における噴霧管挿入孔内の噴霧管の配置状態を示す一部拡大側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る減温装置の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る減温装置の断面図である。 スプレノズルに対する噴霧管の取り付け例を示す拡大図である。 スプレノズルに対する噴霧管の取り付け例を示す拡大図である。 スプレノズルに対する噴霧管の取り付け例を示す拡大図である。 スプレノズルに対する噴霧管の取り付け例を示す拡大図である。 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。 そのボイラの再熱器系の一系統図である。 従来の減温装置の断面図である。

符号の説明

１：スプレ水、２：再熱器入口蒸気、３：スプレノズル冷却蒸気、４：インレットノズル、５：スプレノズル、６：スプレノズル保護筒、７：噴霧管挿入孔、８：スプレノズル冷却蒸気管、９：減温装置母管、1０：保護筒、１１：ダイヤフラム、１２：スプレノズル本体、１３：筒体、１４：端板、１５,１６：ノズル差込穴、１７：管台、１８：噴霧管、１９：先端部、２１：ネジ部、２２：ろう付け、２３：溶接。

Claims (6)

1. 減温装置母管内を流通する高温流体に低温流体を噴霧するスプレノズルと、前記減温装置母管内でスプレノズルの囲むように設けられたスプレノズル保護筒との二重管構造を有し、
   前記高温流体と低温流体の間の温度を有する緩衝流体を前記スプレノズルとスプレノズル保護筒の間に流入する減温装置において、
   前記スプレノズル保護筒の前記高温流体と接する周面に噴霧管挿入孔を設け、前記スプレノズルの周面に噴霧管を取り付けて、その噴霧管の先端部を前記噴霧管挿入孔に挿入して、
   前記スプレノズルに注入した前記低温流体を噴霧管からスプレノズル保護筒の外側に噴霧することを特徴とする減温装置。
2. 請求項１記載の減温装置において、前記噴霧管が前記スプレノズル保護筒の周面より突出していることを特徴とする減温装置。
3. 請求項１記載の減温装置において、前記噴霧管が前記スプレノズルに対して取り替え可能に取り付けられていることを特徴とする減温装置。
4. 請求項１記載の減温装置において、前記噴霧管の向きが異なるように複数の噴霧管が取り付けられていることを特徴とする減温装置。
5. 請求項１記載の減温装置において、前記噴霧管が前記スプレノズルの周面に対して垂直に取り付けられていることを特徴とする減温装置。
6. 請求項１記載の減温装置において、前記噴霧管と噴霧管挿入孔の外縁との間に隙間が形成され、前記スプレノズルとスプレノズル保護筒の間に流入した前記緩衝流体が、前記隙間を通って前記噴霧管の開口端付近から噴霧されることを特徴とする減温装置。

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