JP2008224185A - スートブロワ装置およびそれを備えたボイラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製作が容易で、アウターチューブを効果的に冷却することができ、動作信頼性に優れたスートブロワ装置を提供する。
【解決手段】インナーチューブ23と、アウターチューブ20を備え、インナーチューブ23の先端部付近に噴射媒体34の旋回流を形成する旋回流形成部材35を設け、旋回流形成部材35によって形成された噴射媒体34の旋回流45をアウターチューブ20に供給することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、石炭焚ボイラ装置などのボイラ装置に装備されるスートブロワ装置に係り、インナーチューブと、そのインナーチューブに対して伸縮可能に取り付けられたアウターチューブとを備えたスートブロワ装置に関する。

石炭焚ボイラ装置では燃焼ガス中に多量の石炭燃焼灰が含まれており、これらの燃焼灰が火炉壁や熱交換器に堆積して伝熱性を阻害するため、ボイラ装置には多数のスートブロワ装置が装備されている。

スートブロワ装置は図示していないが、固定設置されたインナーチューブと、そのインナーチューブに対して同心円上で伸縮可能に設けられて先端部に噴射孔が形成されたアウターチューブとを備えている。

このアウターチューブを炉内に挿入し、蒸気や空気などの噴射媒体を前記インナーチューブからアウターチューブに供給して、前記噴射孔から伝熱面に噴射し、付着物を剥離、除去する機構になっている。

ところがこのスートブロワ装置のアウターチューブは、炉内に挿入されて高温雰囲気に晒されるため、熱的損傷を受けて曲がり、抜き差しの動作に支障をきたす。

またアウターチューブの冷却のために蒸気などの噴射媒体の供給量を増加させる手法があり、具体的には噴射媒体の圧力を高めたり、噴射孔の径を大きくしたり噴射孔の数を増やす手法が採られている。しかし、噴射媒体の圧力を高めると、伝熱管に対する衝撃力が増加して、耐用寿命が短くなる。さらに噴射媒体の圧力を高めたり、噴射孔の径を大きくしたり噴射孔の数を増加すると、噴射媒体の使用量が増え、そのためにボイラ装置としての効率が低下するなどの欠点がある。

この欠点を解消するため下記特許文献１に記載されているように、アウターチューブの内面に軸線方向に延びる螺旋状のフィンまたは溝を形成し、アウターチューブ内面の伝熱面積を増加させ、境界層を乱して伝熱効率を高めてアウターチューブを冷却する構成のスートブロワ装置が提案されている。
特開２００５−３０００６４号公報

ところがアウターチューブの内側にはインナーチューブが挿入される構造であるため、インナーチューブの外径によりアウターチューブの内面に突設されるフィンの高さが制限されるから、フィンによるアウターチューブの冷却効果を十分に発揮することができない。

また、アウターチューブの全長は例えば１０ｍ程度であり、その長尺アウターチューブの内面全長にわたって螺旋状のフィンや溝を形成することは、加工上非常に困難であり、コストの増加をきたす。

アウターチューブを炉内に挿入した状態ではアウターチューブの根元部分が最も曲げ応力が高くなる訳であるが、前述のようにアウターチューブの内面に螺旋状の溝を形成して管の厚さが部分的にでも薄くなると、アウターチューブの根元部分が曲がり易くなり、インナーチューブに対するアウターチューブの伸縮動作に支障をきたすなどの問題がある。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、製作が容易で、アウターチューブを効果的に冷却することができ、動作信頼性に優れたスートブロワ装置およびそれを備えたボイラ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、固定されたインナーチューブと、そのインナーチューブに対して伸縮可能に取り付けられたアウターチューブとを備え、そのアウターチューブを伸ばして火炉内に挿入し、前記インナーチューブから噴射媒体を供給して前記アウターチューブの先端部に設けられた噴射孔から噴射して、伝熱管面に付着している付着物を除去するスートブロワ装置において、
前記インナーチューブの先端部付近に前記噴射媒体の旋回流を形成するための旋回流形成部材を設け、その旋回流形成部材によって形成された前記噴射媒体の旋回流を前記アウターチューブに供給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、前記旋回流形成部材が、前記噴射媒体の流れ方向に沿って配置された芯体と、その芯体の外周に螺旋状に取り付けられた旋回羽根と、前記噴射媒体の流れ方向に沿って配置されて前記芯体と旋回羽根とを収納する管体とを有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２の手段において、前記芯体は、前記噴射媒体の流れ方向上流側から下流側に沿って徐々に径大になった径大傾斜部を有し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２または第３の手段において、前記アウターチューブの前記噴射孔の噴射媒体流れ方向上流側に整流部材が設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２または第３の手段において、前記噴射孔が前記アウターチューブのほぼ接線方向に向けて形成さ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２ないし第５の手段において、前記アウターチューブが高温の燃焼ガスに晒される高温設置用スートブロワ装置と、前記高温の燃焼ガスよりも低温の燃焼ガスに晒される低温設置用スートブロワ装置に分かれており、前記高温設置用スートブロワ装置の芯体の軸線に対する傾斜角度が、前記低温設置用スートブロワ装置の芯体の軸線に対する傾斜角度よりも大きいことを特徴とするものである。

本発明の第７の手段は前記第１ないし第６の手段において、前記アウターチューブの根元側の厚さが先端部側の厚さよりも厚いことを特徴とするものである。

本発明の第８の手段は、所定の位置に設置された熱交換器に対応してスートブロワ装置を備えたボイラ装置において、前記スートブロワ装置が前記第１ないし７のいずれかの手段のスートブロワ装置であ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、製作が容易で、アウターチューブを効果的に冷却することができ、動作信頼性に優れたスートブロワ装置およびそれを備えたボイラ装置を提供することができる。

次に本発明の実施形態を図とともに説明する。先ず図９を用いて本実施形態の対象となる石炭焚ボイラ装置の概略構成について説明する。

ボイラ本体は、火炉1と、それに続く後部伝熱部２とから主に構成されている。前記火炉1の下部には複数段に亘ってバーナ３が設置され、火炉1の上部から後部伝熱部２にかけて過熱器４、再熱器５、節炭器６などの熱交換器が所定の位置に設置されている。微粉炭などの固体燃料が燃焼用空気とともにバーナ３から噴射されて火炉１内で燃焼され、生成された燃焼ガスは火炉1から後部伝熱部２に流通し、その間に過熱器４、再熱器５、節炭器６などで熱交換され、その後排ガスダクト７を通り、排ガス処理された後に大気に放出される。

燃料として使用される石炭９は石炭バンカ１０に蓄えられて、給炭機１１によりミル１２に供給される。ミル１２への給炭量は、給炭機インバータ１４により回転制御される給炭機モータ１３により調整され、ミル１２へ供給された石炭９は粉砕され、生成した微粉炭はバーナ３へ供給される。

石炭焚ボイラ装置では石炭の燃焼により生成した灰が火炉１の内面、過熱器４、再熱器５、節炭器６など伝熱管表面に付着・堆積することにより熱交換器の収熱量が下がるため火炉１の内面、過熱器４、再熱器５、節炭器６など伝熱管に対して多数のスートブロワ装置８（８ａ〜８ｃ）が火炉１に対して抜き差し可能に設置されている。スートブロワ装置８ａはガス温度が１５００℃前後の高温部設置用、スートブロワ装置８ｂはガス温度が１０００℃前後の中温部設置用、スートブロワ装置８ｃはガス温度が７８０℃前後の低温部設置用のものである。

次にこのスートブロワ装置８の概略構成を図１０とともに説明する。火炉１の外側において一端を蒸気供給部１５に固定し、他端を火炉１に固定したラック１６が設けられている。ラック１６には、それと係合してラック１６上を転動するピニオン（図とせず）を内蔵したブラケット１７が移動可能に取り付けられている。ブラケット１７には、回転伝達部材１８を介してスートブロワ電動機１９が懸架されている。

アウターチューブ２０は、その基端部が前記回転伝達部材１８に、先端部が火炉１に設けられたブロー用開口部２１から火炉１内に挿入されるようになっており、スートブロワ電動機１９により回転伝達部材１８を介して回転しながら前後進する。アウターチューブ２０の先端部には、周方向に沿って複数個（本実施形態では４個）の噴射孔２２が横向きに開口している。

アウターチューブ２０の内側には、それとほぼ同じ長さのインナーチューブ２３が抜き差し可能に挿入され、インナーチューブ２３の基端部は蒸気供給部１５に連結され、蒸気供給部１５は蒸気供給バルブ２４を有する蒸気供給系統２５に連結されている。

ラック１６の火炉１側近くには逆転位置検出スイッチ２６ａが、蒸気供給部１５側近くには停止位置検出スイッチ２６ｂがそれぞれ固定され、ブラケット１７には位置検出スイッチ２６ａ、２６ｂと接触する突起２７が設けられている。

位置検出スイッチ２６ａ、２６ｂは信号線２８ａ、２８ｂを介して駆動制御部２９に接続されている。駆動制御部２９はスートブロワ電動機１９の回転数を制御するスートブロワインバータ３０が内蔵され、駆動制御部２９とスートブロワ電動機１９は制御信号線３１ａ、３１ｂ、３１ｃで接続されている。また駆動制御部２９には、ボイラ出口蒸気温度測定器３２と商用電源３３が接続されている。

スートブロワ装置８を運転しないときは突起２７が停止位置検出スイッチ２６ｂと接触して、その位置で停止しており、アウターチューブ２０の先端部はブロー用開口部２１内にあって、インナーチューブ２３の殆ど全てがアウターチューブ２０内に納められている。

ボイラ出口蒸気温度測定器３２からの測定信号に基づいて駆動制御部２９でスートブロワ装置８の運転が必要であると判断されると、スートブロワインバータ３０からの回転数制御信号に基づいてスートブロワ電動機１９を送り方向に指定された回転数で回転させ、その駆動力は回転伝達部材１８を介してピニオン（図示せず）に伝達される。このピニオンの回転によりアウターチューブ２０はラック１６の案内により火炉１内に挿入されるとともに、蒸気バルブ２４を開いて蒸気供給系統２５から供給された蒸気３４は、蒸気供給部１５、インナーチューブ２３ならびにアウターチューブ２０を通して噴射孔２２から高速蒸気として噴射され、伝熱管表面に付着・堆積している燃焼灰などの付着物を順次飛散、除去する。

図１０は、アウターチューブ２０が火炉１内に挿入されるスートブロワ装置８の運転途中の状態を示している。突起２７が逆転位置検出スイッチ２６ａと接触すると、検出スイッチ２６ａからの検出信号が駆動制御部２９に送信される。駆動制御部２９ではこの信号を受けると、スートブロワ電動機１９の回転方向を反転させ、戻り方向に指定された回転数で回転し、アウターチューブ２０を後退させる。そして突起２７が停止位置検出スイッチ２６ｂと接触すると、検出スイッチ２６ｂからの検出信号が駆動制御部２９に送信され、それによってスートブロワ電動機１９の回転を停止するとともに蒸気バルブ２４を閉じて、スートブロワ装置８の運転を終了する。

図１は本発明の第１実施形態に係るアウターチューブ２０とインナーチューブ２３の横断面図、図２は図１Ａ−Ａ線上の縦断面図、図３はアウターチューブ２０に取り付けられる整流部材４６の平面図である。

アウターチューブ２０は通常のストレート管で構成され、その先端開口部は閉塞されて、それの若干手前に周方向に沿って等間隔に複数個（本実施形態では４個）の噴射孔２２がアウターチューブ２０の軸線方向に向かって形成されている。

インナーチューブ２３も通常のストレート管で構成され、それの先端部側内面に旋回流成形部材３５が挿入、固定されている。この旋回流成形部材３５は、インナーチューブ２３の軸線に沿って長い芯体３６と、その芯体３６の外周面に沿って平行に螺旋状に巻かれて固着された複数枚（本実施形態では４枚）の旋回羽根３７ａ〜３７ｄ（図２参照）と、旋回流成形部材３５をインナーチューブ２３内に固定するために芯体３６の前後に取り付けられた複数本（本実施形態では４本）の支持バー３８とから構成されている。

前記芯体３６の軸方向に沿った断面形状は図１に示すように、インナーチューブ２３内を流れる蒸気３４の流れ方向上流側から下流側に向けて、径寸法が徐々に大きくなった径大傾斜部３９と、径寸法が最も大きくなった最大径部４０と、径寸法が徐々に小さくなった径小傾斜部４１とが連続して形成されており、流線形に近い形となっている。図に示すように径大傾斜部３９と径小傾斜部４１はコーン形状をしており、径大傾斜部３９の長さが径小傾斜部４１の長さよりも十分に長くなっている。

複数枚の旋回羽根３７ａ〜３７ｄは芯体３６の周りを１周または複数周しているが、図１では芯体３６の断面形状を示すために旋回羽根３７を平面状に描いている。１枚の旋回羽根３７において、旋回羽根３７の蒸気流れ方向上流側には芯体３６からインナーチューブ２３の内面に向けて高さが徐々に高くなった立ち上がり部４２が設けられ、一方、旋回羽根３７の蒸気流れ方向下流側には前記径小傾斜部４１と接する部分が大きく切り欠かれたカット部４３が形成されている。立ち上がり部４２とカット部４３の間の中間部４４の外径は、インナーチューブ２３の内径とほぼ同寸に設計されている。

芯体３６の前後にそれぞれ４本の支持バー３８が４枚の旋回羽根３７ａ〜３７ｄに位置合わせして取り付けられて旋回流成形部材３５が構成され、これがインナーチューブ２３の先端部近くに挿入されてインナーチューブ２３に固定される。本実施形態では、インナーチューブ２３の先端部が芯体３６、旋回羽根３７ａ〜３７ｄならびに支持バー３８を収納する管体を兼ねている。

旋回流成形部材３５の挿入により、各旋回羽根３７の中間部外周端がインナーチューブ２３の内面に接し、インナーチューブ２３と芯体３６と４枚の旋回羽根３７ａ〜３７ｄにより、蒸気３４の流れ方向に沿った４つの螺旋状の旋回流形成通路が形成される。

インナーチューブ２３内に供給された蒸気３４がこの旋回流形成通路を通ることにより旋回流が形成されるが、図１に示すように径大傾斜部３９とインナーチューブ２３の間でその間隔が徐々に狭くなり（旋回流形成通路の深さが徐々に浅くなり）、最大径部４０の所で最も狭くなっているから、径大傾斜部３９の所を通過することにより管内流体の旋回エネルギーが徐々に高まり、最大径部４０の所を通過するときに旋回エネルギーが最大となる。

この状態でストレート管のアウターチューブ２０内に放出されるから、高速旋回流４５となってアウターチューブ２０内を高速で通過し、蒸気流の境界層を薄くできることで、アウターチューブ２０を有効に冷却することができる。

アウターチューブ２０の先端部付近には、旋回流４５の旋回力を弱めるために整流部材４６が設置されてる。本実施形態では図３に示すように、多数の孔４７を形成した多孔板が整流部材４６として用いられている。整流部材４６を通過した蒸気３４が噴射孔２２から噴射され、伝熱管に付着、堆積している付着物を伝熱管表面から剥離、除去する。

図４は、本発明の第２実施形態に係るアウターチューブ２０とインナーチューブ２３の横断面図である。本実施形態で前記第１実施形態と相違する点は、アウターチューブ２０の管の厚さが先端部から根元部に行くに従って段々と厚くなっている点である(ｔ１＜ｔ２＜ｔ３)。

アウターチューブ２０は根元部側のみが支持された片持ち式になっているため、アウターチューブ２０の先端部側よりも根元部側に曲げ応力が発生し易い。これに対応するため本実施形態では、アウターチューブ２０の根元部側の管の厚さｔ３を先端部側の管の厚さｔ１よりも厚くしている。

またこの場合、アウターチューブ２０の外径を一定とすれば、根元部から先端部に向かって内径が拡大していくことになる。これにより高速旋回流の管壁沿いの流速が維持され易く、先端部まで有効に冷却することができる。

本実施形態では管の厚さｔを段階的に変化させたが、管の厚さｔを連続して徐々に厚くすることもできる。

図５と図６は、本発明の第３実施形態に係るアウターチューブ２０とインナーチューブ２３の横断面図とアウターチューブ２０の噴射孔２２付近の縦断面図である。

本実施形態で前記第１実施形態と相違する点は、整流部材４６を用いないで、アウターチューブ２０のほぼ接線方向に沿って噴射孔２２を形成した点である。このようにすれば、高速旋回流４５の旋回力を殆ど落とすことなく噴射孔２２から噴出することができる。蒸気３４は旋回方向に噴射するが、アウターチューブ２０自体が回転しながら蒸気３４を噴射するため、伝熱管に堆積した灰の除去には殆ど影響なくスートブロワ装置の運用ができる。

図７は、本発明の第４実施形態に係るアウターチューブ２０とインナーチューブ２３の横断面図である。本実施形態で前記第１実施形態と相違する点は、旋回流形成部材３５が芯体３６と、その芯体３６の外周面に螺旋状に巻かれて固着された複数の旋回羽根３７と、芯体３６の前後に取り付けられた複数本の支持バー３８と、これら芯体３６と旋回羽根３７と支持バー３８とを収納した管体４８とから構成されている。前記管体４８はインナーチューブ２３とほぼ同径で、この旋回流形成部材３５をインナーチューブ２３の先端部に接続、固定した点である。

芯体３６の軸線４６に対する旋回羽根３７の傾斜角度（旋回角度）θ（図８参照）と、旋回流の効果について次の表に示す。

なおこの表に示されている流速は、アウターチューブ２０内の蒸気３４の流速を示している。

この表から明らかなように旋回羽根３７の傾斜角度（旋回角度）θが２８°であれば蒸気の流速は旋回羽根３７を設置しない場合の１．１倍、４６°では１．５倍、５７°では１．９倍、７２°では３．３倍に増加する。

本発明者らの実験によれば、高温部用スートブロワ装置８ａ（図９参照）では蒸気流速を７５ｍ／ｓｅｃ確保できればスートブロワ装置として安全な運用が可能であり、この蒸気流速を得るためには旋回羽根３７を設置しない場合は前記表に示すように８ｔ／ｈの蒸気流量が必要である。

ところで旋回羽根３７の傾斜角度θを７２°にすれば、前記と同じ蒸気流速を確保しながら使用する蒸気流量は２．４ｔ／ｈで済み、５．６ｔ／ｈの蒸気を節減することができる。また旋回羽根３７の傾斜角度θを６８°にすれば、使用する蒸気流量は３．０ｔ／ｈで済み、５．０ｔ／ｈの蒸気を節減することができ、傾斜角度θを５７°にすれば、使用する蒸気流量は４．２ｔ／ｈで済み、３．８ｔ／ｈの蒸気を節減することができる。

図９に示す高温部設置スートブロワ装置８ａ付近を通過するガス温度は約１５００℃、中温部設置スートブロワ装置８ｂ付近では約１０００℃、低温部設置スートブロワ装置８ｃ付近では約７８０℃であるから、高温部ほど管内蒸気流速を高め、蒸気流の境界層を薄くすることにより、アウターチューブ２０の冷却効果を高めることが必要である。従って、低温部から中温部、高温部に行くに従って旋回羽根３７の傾斜角度θを、例えば低温部設置スートブロワ装置８ｃでは旋回羽根３７の傾斜角度θを１５°〜４６°、中温部設置スートブロワ装置８ｂでは１９°〜５７°、高温部設置スートブロワ装置８ａでは２８°〜７２°のように段階的に大きくするとよい。

前記実施形態では噴射媒体として蒸気を使用したが、空気や燃焼ガスなど他の噴射媒体を使用することも可能である。

本発明の第１実施形態に係るアウターチューブとインナーチューブの横断面図である。 図１Ａ−Ａ線上の縦断面図である。 アウターチューブに取り付けられる整流部材の平面図である。 本発明の第２実施形態に係るアウターチューブとインナーチューブの横断面図である。 本発明の第３実施形態に係るアウターチューブとインナーチューブの横断面図である。 そのアウターチューブの噴射孔付近の縦断面図である。 本発明の第４実施形態に係るアウターチューブとインナーチューブの横断面図である。 旋回羽根の傾斜角を示す説明図である。 本発明の実施形態の対象となる石炭焚ボイラ装置の概略構成図である。 本発明の実施形態に係るスートブロワ装置の概略構成図である。

符号の説明

１:火炉、２:後部伝熱部、３:バーナ、４:過熱器、５:再熱器、６:節炭器、７:排ガスダクト、８:スートブロワ装置、９:石炭、１０:石炭バンカ、１１:給炭機、１２:ミル、１３:微粉炭モータ、１４:微粉炭インバータ、１５:蒸気供給部、１６:ラック、１７:ブラケット、１８:回転伝達部材、１９: スートブロワ電動機、２０:アウターチューブ、２１:ブロー用開口部、２２: 噴射孔、２３: インナーチューブバーナ、２４:蒸気供給バルブ、２５:蒸気供給系統、２６:逆転位置検出スイッチ、２７:突起、２８:信号線、２９:駆動制御部、３０: スートブロワインバータ、３１:制御信号線、３２:ボイラ出口蒸気温度測定器、３３:商用電源、３４:蒸気、３５:旋回流形成部材、３６:芯体、３７:旋回羽根、３８:支持バー、３９:径大傾斜部、４０:最大径部、４１: 径小傾斜部、４２:立ち上がり部、４３:カット部、４４:中間部、４５:高速旋回流、４６:整流部材、４７:孔、４８:管体、θ:旋回羽根傾斜角度、ｔ:アウターチューブの管の厚さ。

Claims (8)

1. 固定されたインナーチューブと、そのインナーチューブに対して伸縮可能に取り付けられたアウターチューブとを備え、そのアウターチューブを伸ばして火炉内に挿入し、前記インナーチューブから噴射媒体を供給して前記アウターチューブの先端部に設けられた噴射孔から噴射して、伝熱管面に付着している付着物を除去するスートブロワ装置において、
   前記インナーチューブの先端部付近に前記噴射媒体の旋回流を形成するための旋回流形成部材を設け、その旋回流形成部材によって形成された前記噴射媒体の旋回流を前記アウターチューブに供給することを特徴とするスートブロワ装置。
2. 請求項１記載のスートブロワ装置において、前記旋回流形成部材が、前記噴射媒体の流れ方向に沿って配置された芯体と、その芯体の外周に螺旋状に取り付けられた旋回羽根と、前記噴射媒体の流れ方向に沿って配置されて前記芯体と旋回羽根とを収納する管体とを有していることを特徴とするスートブロワ装置。
3. 請求項２記載のスートブロワ装置において、前記芯体は、前記噴射媒体の流れ方向上流側から下流側に沿って徐々に径大になった径大傾斜部を有していることを特徴とするスートブロワ装置。
4. 請求項２または３記載のスートブロワ装置において、前記アウターチューブの前記噴射孔の噴射媒体流れ方向上流側に整流部材が設けられていることを特徴とするスートブロワ装置。
5. 請求項２または３項記載のスートブロワ装置において、前記噴射孔が前記アウターチューブのほぼ接線方向に向けて形成されていることを特徴とするスートブロワ装置。
6. 請求項２ないし５のいずれか１項記載のスートブロワ装置において、前記アウターチューブが高温の燃焼ガスに晒される高温設置用スートブロワ装置と、前記高温の燃焼ガスよりも低温の燃焼ガスに晒される低温設置用スートブロワ装置に分かれており、前記高温設置用スートブロワ装置の芯体の軸線に対する傾斜角度が、前記低温設置用スートブロワ装置の芯体の軸線に対する傾斜角度よりも大きいことを特徴とするスートブロワ装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項記載のスートブロワ装置において、前記アウターチューブの根元側の厚さが先端部側の厚さよりも厚いことを特徴とするスートブロワ装置。
8. 所定の位置に設置された熱交換器に対応してスートブロワ装置を備えたボイラ装置において、前記スートブロワ装置が請求項１ないし７のいずれか１項記載のスートブロワ装置であることを特徴とするボイラ装置。

Images