JP2006170495A

JP2006170495A - 燃焼装置

Info

Publication number: JP2006170495A
Application number: JP2004361566A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Aida; 清相田; Yoshito Suzuki; 義人鈴木; Atsushi Furukawa; 淳古川; Tatsuo Kiriyama; 達夫桐山
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】音により構造物が共振しない燃焼装置を提供する。
【解決手段】ガスの流れ方向に沿って配置された複数枚のダンパ仕切板５３と、各ダンパ仕切板５３の間ならびにダンパ仕切板５３と後部伝熱部側壁２との間に回動可能に配置されたダンパ翼５３とを有するダンパ構造部５０が後部伝熱部の後流側に配置される燃焼装置において、ダンパ仕切板５３のガス流れ方向前流側または後流側に、ダンパ構造部５０の固有振動数を高めるための固有振動数増加部材５５を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、火力発電用石炭焚ボイラ装置などの燃焼装置に係り、特に共鳴に伴って生じる燃焼装置の振動を低減する技術に関するものである。

図１７は、石炭焚ボイラ装置の後部伝熱部の概略構成図である。同図に示すように石炭燃焼によって発生した高温ガス流Ｇが、管群４Ａ〜４Ｅに接触することにより熱交換が行われる。熱交換量を調整するために複数のダンパ翼５１がダンパ軸５２を中心に開閉操作５４が行われ、圧損調整される。同図に示す楕円で囲んだ部分をダンパ構造部５０と呼ぶ。図中の２は後部伝熱部側壁、３はホッパ、５３はダンパ仕切板である。

図１８は、前記ダンパ構造部５０の斜視図である。同図に示すように、ボイラ前後方向５７及び左右方向５８にわたって複数枚配置されたダンパ翼５１はダンパ軸５２に連結され、ダンパ軸５２の両端がダンパ軸支持板５９によって支持されている。ダンパ軸支持板５９はダンパ仕切板５３に連結され、仕切板５３は後部伝熱部前壁６Ａと後壁６Ｂに連結されている。

ガス流中にある伝熱管の後方にはカルマン渦（剥離渦）が発生することが知られている。この剥離渦の周波数、つまり、渦放出周波数が排ガスの通路を構成する後部伝熱部の内部空間で生じた共鳴振動の気柱共鳴周波数と一致したとき、後部伝熱部内の大振幅の気柱振動、即ち、圧力変動を引き起こし、大音響の騒音や伝熱壁や伝熱管等の流路構造物の損傷を招く「カルマン渦による気柱共鳴現象」と呼ばれる現象を起こすことがある。

１９は、この気柱共鳴現象の原理を示す説明図である。後部伝熱部側壁２等で囲まれた略閉空間で大振幅の共鳴現象を引き起こす原因は同図に示すように、伝熱管６の後方に放出される剥離渦が気柱共鳴モードを誘起し、その圧力変動がさらに剥離渦の発生、放出を促進するフィードバック現象が生じるからである。

このような気柱振動の発生を抑制するための技術として、ボイラや熱交換器におけるガス通路ダクトの後部伝熱部側壁２内部の伝熱管６群の間あるいは、それらの周辺にガス流Ｇと平行に共鳴防止用のバッフル板を複数設けて内部空間を複数の空間に仕切ることで気柱固有振動数を増大させ、通常運転の上限流速で発生する剥離渦の渦放出周波数を上回るようにすることにより、気柱共鳴の発生を回避するようにした熱交換器の発明が、例えば下記特許文献２などに開示されている。
特開昭６１−１２２４８８号公報特開平０５−１４１８９１号公報

しかしこのような方法では、共鳴に伴って生じるボイラ装置の振動を抑えることに着眼しておらず、依然として共鳴時の生じるボイラ構造物の振動を低減できない。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、音により構造物が共振しない燃焼装置を提供することにある。

目的を達成するため本発明の第１の手段は、ガスの流れ方向に沿って配置された複数枚のダンパ仕切板と、各ダンパ仕切板の間ならびにダンパ仕切板と後部伝熱部側壁との間に回動可能に配置されたダンパ翼とを有するダンパ構造部が後部伝熱部の後流側に配置される燃焼装置において、
前記ダンパ仕切板のガス流れ方向前流側または後流側に、前記ダンパ構造部の固有振動数を高めるための固有振動数増加部材を設けた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、前記固有振動数増加部材が前記ダンパ仕切板と連結され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または第２の手段において、前記固有振動数増加部材が前記ダンパ仕切板のガス流れ方向前流側に設置さ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ないし第３の手段のいずれかにおいて、前記固有振動数増加部材が前記ガスの流れ方向に沿って設置された板状部材であることを特徴とするものである。

図１４は、ボイラの共鳴音スペクトル５１を示す特性図である。図に示すｆａ１は共鳴周波数であり、子の図ではｆａ１点での音の大きさを「１」に基準化している。なお，実機プラントではｆａ１は２６〜３２Ｈｚ程度の低周波数が実測されている。

図１５は、図１７に示すダンパ構造部５０の振動スペクトル６１であり，打撃試験の結果から得られた固有振動数をｆｄ１で示す。実機プラントではｆｄ１は約２０Ｈｚが実測されており、このｆｄ１は前記共鳴周波数ｆａ１に比較的近く、その結果として共鳴音により構造的な共振が発生する。

このような共振が発生した状態における図１７中のボイラ側壁２における振動スペクトル７１を図１６に示す。音による構造的な共振が発生するため、ｆａ１，ｆｄ１の近傍で振動レベルが大きくなる。

このような共振を回避するためには、ダンパ構造部５０の固有振動数ｆｄ１を高め、共鳴周波数ｆａ１より大きくする方法が考えられる。固有振動数ｆｄ１を高める有効な手段として、ダンパ構造部５０への固有振動数増加部材の追設があることを解明した。

さらに灰を含むガス流により追設後の固有振動数増加部材が摩耗する問題に対し、
（１）ガス調整用ダンパの前流位置に、ガス流れ方向に平行な板状の固有振動数増加部材を設ける。このため後流側に設けた場合に問題となる灰による固有振動数増加部材の摩耗が軽減できる。

（２）このようにして連結した仕切板構造の固有振動数を、少なくとも共鳴周波数の２倍以上とすることにより、共振を回避して振動レベルを低減できる。

（３）前記（１），（２）を達成する固有振動数増加部材の部品を事前準備することにより、現場において短時間で容易かつ低コストに補強施工が実施できる。

次に本発明の実施形態を図と共に説明する。図１は本発明の実施形態に係る石炭焚ボイラ装置の後部伝熱部の概略構成図、図２はその後部伝熱部におけるダンパ構造部の斜視図である。

図１に示すように、高温ガス流Ｇの流れ方向に沿って多数段の管群４Ａ〜４Ｅが設置されている。それの後流側に高温ガス流Ｇの流れ方向に沿って複数枚のダンパ仕切板５３が設けられ、各ダンパ仕切板５３の間ならびにダンパ仕切板５３と後部伝熱部側壁２との間にはダンパ翼５１が回動可能に配置され、これらによりダンパ構造部５０が構成されている。またダンパ仕切板５３の高温ガス流Ｇの流れ方向前流側には、ダンパ構造部５０の固有振動数を高めるために複数の固有振動数増加部材５５が固定されている。

図２に示すように、固有振動数増加部材５５はボイラ左右方向５８に沿って、すなわち各ダンパ仕切板５３を横切るように連続して伸びており、各仕切板５３と例えばボルト−ナットなどの連結手段で連結して剛性が高められている。各固有振動数増加部材５５の連結により、ダンパ構造部５０の固有振動数は、共鳴周波数の２倍以上に高められている。このような構造により、ダンパ構造部５０の全体の剛性が高められ、共鳴周波数に対して非共振となる構造が構築される。

以上のようにしてダンパ構造部５０のガス流れ方向前流側を補強すれば、ダンパ構造部５０の固有振動数を可変にできるだけでなく、灰通過による摩耗の問題が無く、有効な構造である。

図２に示す固有振動数増加部材５５の断面寸法及び本数などのパラメータは、ボイラ装置の規模（大きさ）によって変わるため、以下の手順にて設計を行って決定する。

（手順１）固有振動数増加部材５５を設置しない状態で、有限要素解析法などを用いてダンパ構造部５０の固有振動数を計算する。

（手順２）（手順１）で計算したダンパ構造部５０の固有振動数が共鳴周波数の２倍以上で、非共振状態になるように固有振動数増加部材５５の断面寸法及び本数を決定する。なお、固有振動数増加部材５５の断面寸法は、後述するように摩耗を考慮して薄板形状とする。

図２に前記手順により求められた具体例を示す。実現可能でかつ合理的な構造として、固有振動数増加部材５５の配置間隔５５Ａ,５５Ｂ,５５Ｃは７００ＭＷ〜１０００ＭＷ級のボイラ装置で４００〜６００ｍｍ程度が適当である。固有振動数増加部材５５の高さ５５Ｄ（図３参照）は２００〜３００ｍｍ程度が、また固有振動数増加部材５５の厚さ５５Ｅ（図４参照）は６〜１２ｍｍ程度が適当である。

図３はダンパ構造部５０の一部拡大側面図、図４は図３Ａ−Ａ線上の断面図である。この構造は現場において短時間で容易かつ低コストで設置できるように部品及び設置手順を工夫したものであり、以下にその詳細を説明する。図５（ａ）〜（ｃ）は、固有振動数増加部材５５を設置するための部材取付用部品を示したものである。以下の手順により設置を行う。

（手順１）図５（ａ）に示すような形状に第１の部材取付用板６０を加工し、図５（ｂ）に示すように所定の位置にボルト穴５６Ａをあける。

（手順２）ボルト穴５６Ａをあけた第１の部材取付用板６０の端部を別の第２の部材取付用板板６１の平面に溶接し，図５（ｃ）に示すような断面形状がＬ字形またはＴ字形の部材取付用部品を作成する。第２の部材取付用板板６１は第１の部材取付用板６０よりも若干長くなっており、それの下端部が第１の部材取付用板６０の下端部よりも突出している。

（手順３）このようにして作成した部材取付用部品を用い、図３,図４に示すように第２の部材取付用板板６１の下端の突出部分にダンパ仕切板５３の上端部を溶接する。

（手順４）ダンパ仕切板５３付きの第１の部材取付用板６０を固有振動数増加部材５５にボルト５６で等間隔に取り付ける。

以上のような部品及び手順により、現場において単時間で容易かつ低コストに補強施工が実施できる。

図３，４に示す部材取付用板６０，６１を介することにより固有振動数増加部材５５の取付けは容易であり、ボイラ内に取付工事のための足場を組む必要もなく、安価に設置可能である。

図６に示すように補強材５５はガスＧの流れに対して平行に配置され、そのためガスＧの流れを阻害することはない。従って炉内のガス流れ分布ＧＤは固有振動数増加部材５５により乱されることがなく、ダンパ本来の機能であるガス流量の調整を阻害することがない。

図２に示しているように薄板状の固有振動数増加部材５５をダンパ構造部の前流側に設置すればガス流れを阻害しないことから、灰通過による摩耗の問題が無い。この摩耗量について以下に詳細に説明する。

図７は固有振動数増加部材５５をダンパ構造部５０のガス流れ方向後流側に設置した状態を示した図、図８は図７Ｂ−Ｂ線上の断面図である。

このように固有振動数増加部材５５をダンパ構造部５０のガス流れ方向後流側に設置した場合も、前記実施形態と同様にダンパ構造部５０の固有振動数を高めて共鳴を抑制することは可能である。

しかし、固有振動数増加部材５５をダンパ構造部５０のガス流れ方向後流側に設置した場合、図７に示すようにダンパ翼５１の絞り操作で前流側ガスＧ１に比べて後流側ガスＧ２の速度を約５〜１０倍にすると、ガスＧ中には燃焼灰が含まれているため、その作用で固有振動数増加部材５５に摩耗が生じる。

下記の式（１）に灰粒子を含むガス速度Ｖと固有振動数増加部材５５の摩耗量δの関係を示す。
δ∝Ｖ^３・・・・・・・（１）
このようにガス速度Ｖは固有振動数増加部材５５の摩耗量δに大きく影響していることが分かる。

図９は、本発明による固有振動数増加部材５５をダンパ構造部５０の前流側に設置した場合と、ダンパ構造部５０の後流側に設置した場合の摩耗量の状況を示す図である。

固有振動数増加部材５５をダンパ構造部５０の後流側に設置した場合は曲線１２８で示すように摩耗が進展し、許容値１３０を越えてしまう。これに対して本発明による固有振動数増加部材５５をダンパ構造部５０の前流側に設置した場合は、直線１２９で示すように実運用で摩耗の心配がないことが分かる。

次に本実施形態によりダンパ構造５０の固有振動数を高めた場合の、ダンパ構造５０の振動スペクトル６１ａを図１０に示す。固有振動数増加部材５５を設置しない補強前はｆｄ１(＝実測で約２０Ｈｚ)であった固有振動数が、固有振動数増加部材５５を設置した補強後はｆｄ１ａ(＝実測で約７０Ｈｚ)まで増加している。また、補強後の固有振動数ｆｄ１ａは、図１１に示す共鳴音スペクトル５１の卓越周波数ｆａ１(＝実測で２６〜３２Ｈｚ程度)の２倍以上(実測値からの計算で２．２〜２．７程度)になる。

こうすることにより、図１１の共鳴音に図１０の特性を有する補強後のダンパ構造部が共振することなく、その結果として図１２に示すようにボイラ壁の振動７１ａが低減される。

図１３に、実機プラントにおいて測定した本実施形態による防振構造適用前後のボイラ壁高さ方向の振動レベル分布を示す。本図の縦軸の高さ方向位置５０，４Ｅ〜４Ａは図１に示す位置に対応しており、５０はダンパ構造５０の設置高さ、４Ｅ〜４Ａは管群４Ｅ〜４Ａの設置高さをそれぞれ示している。本図の横軸の振動レベル比は、後部伝熱部の振動の加速度を「１」とした場合の各位置での振動レベルの比率を示すものである。図中の直線８１は防振構造適用前の振動レベル分布を、直線８２は防振構造適用後の振動レベル分布を、それぞれ示している。

この図から明らかなように、本実施例適用前の振動レベル８１に比べて適用後の振動レベル８２は約３０％も低減され、本実施形態による制振効果が大きいことが立証される。

本発明の実施形態に係る石炭焚ボイラ装置の後部伝熱部の概略構成図である。その後部伝熱部におけるダンパ構造部の斜視図である。ダンパ構造部の一部拡大側面図である。図３Ａ−Ａ線上の断面図である。部材取付用部品の説明図である。炉内のガス流れ分布を示す図である。固有振動数増加部材をダンパ構造部のガス流れ方向後流側に設置した状態を示す図である。図７Ｂ−Ｂ線上の断面図である。本発明による固有振動数増加部材をダンパ構造部の前流側に設置した場合と、ダンパ構造部の後流側に設置した場合の摩耗量の状況を示す図である。本実施形態によりダンパ構造の固有振動数を高めた場合のダンパ構造の振動スペクトル特性図である。共鳴音スペクトル特性図である。本実施形態によるボイラ壁の振動特性図である。実機プラントにおいて測定した本実施形態による防振構造適用前後のボイラ壁高さ方向の振動レベル分布を示す特性図である。ボイラの共鳴音スペクトルを示す特性図である。従来のダンパ構造部の振動スペクトル特性図である。共振が発生した状態におけるボイラ側壁の振動スペクトル特性図である。従来の石炭焚ボイラ装置の後部伝熱部の概略構成図である。その後部伝熱部におけるダンパ構造部の斜視図である。気柱共鳴現象の原理を示す説明図である。

符号の説明

２：後部伝熱部側壁、３：ホッパ、４Ａ〜４Ｅ：管群、６Ａ：後部伝熱部前壁、６Ｂ：後部伝熱部後壁、５０：ダンパ構造部、５１：ダンパ翼、５２：ダンパ軸、５３：ダンパ仕切板、５４：開閉操作、５５：固有振動数増加部材、５６：ボルト、５６Ａ：ボルト穴、５７：ボイラ前後方向、５８ボイラ左右方向、５９：ダンパ軸支持板、６０：第１の部材取付用板、６１：第２の部材取付用板、Ｇ：高温ガス流。

Claims

ガスの流れ方向に沿って配置された複数枚のダンパ仕切板と、各ダンパ仕切板の間ならびにダンパ仕切板と後部伝熱部側壁との間に回動可能に配置されたダンパ翼とを有するダンパ構造部が後部伝熱部の後流側に配置される燃焼装置において、
前記ダンパ仕切板のガス流れ方向前流側または後流側に、前記ダンパ構造部の固有振動数を高めるための固有振動数増加部材を設けたことを特徴とする燃焼装置。
請求項１記載の燃焼装置において、前記固有振動数増加部材が前記ダンパ仕切板と連結されていることを特徴とする燃焼装置。
請求項１または２記載の燃焼装置において、前記固有振動数増加部材が前記ダンパ仕切板のガス流れ方向前流側に設置されていることを特徴とする燃焼装置。
請求項１ないし３のいずれか１項記載の燃焼装置において、前記固有振動数増加部材が前記ガスの流れ方向に沿って設置された板状部材であることを特徴とする燃焼装置。