JP2010071513A

JP2010071513A - 再熱ボイラ

Info

Publication number: JP2010071513A
Application number: JP2008237711A
Authority: JP
Inventors: Junji Imada; 潤司今田; Isao Uchida; 勲内田; Shuji Sato; 修二佐藤; Hideo Fukuda; 秀朗福田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2010-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-17
Also published as: EP2325560B1; KR101280130B1; KR20110043710A; EP2325560A4; EP2325560A1; US20110139092A1; JP5148426B2; CN102132095A; WO2010032593A1; CN102132095B

Abstract

【課題】再熱炉の出口側における燃焼ガスのガス温度について、再熱バーナのガス流動パターンを変化させて温度分布のアンバランスを低減した再熱ボイラを提供する。
【解決手段】バーナ１０１の燃焼で発生した主燃焼ガスが火炉１０２から過熱器１０４及び蒸発管群１０５を通過して流れるように構成した主ボイラ１０６と、蒸発管群１０５の後流側に配置され、再熱バーナ１０７の燃焼で再熱燃焼ガスを発生させる再熱炉１０８と、再熱炉１０８の上部側に配置された再熱器１０９とを備えている再熱ボイラ１０Ａであって、再熱炉１０８と再熱器１０９との間を連結して燃焼ガス及び再熱燃焼ガスの流路を形成する再熱炉出口部１２０に、燃焼ガスの流路断面積を絞る塞ぎ板１３０を設けて偏流防止部とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸発管群の後流側に再熱炉、再熱器を設け、再熱炉の出口付近での燃焼ガスのガス温度のアンバランスを低減する再熱ボイラに関する。

従来、舶用ボイラとして、過熱器を備えたものが採用されている（特許文献１参照）。
また、従来の舶用ボイラにおいては、燃焼ガス後流側に再熱炉と再熱器とを備えた再熱ボイラが使用されている。

従来の舶用再熱ボイラについて、構成の一例を図５に示す。
図５は、従来の再熱ボイラの構成を簡略に示す概略図である。図５に示すように、従来の再熱ボイラ１００は、バーナ１０１、火炉１０２、フロントバンクチューブ１０３、過熱器（Ｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｒ：ＳＨ）１０４及び蒸発管群（リアバンクチューブ）１０５からなる主ボイラ１０６と、蒸発管群１０５の後流側に再熱バーナ１０７を備えた再熱炉１０８と、排気ガス出口側に設けた再熱器１０９とからなる。
バーナ１０１の燃焼で発生した燃焼ガスは、火炉１０２からフロントバンクチューブ１０３、過熱器１０４及び蒸発管群１０５を流れ、再熱バーナ１０７の再熱燃焼ガスと再熱炉１０８にて混合した後、再熱器１０９と熱交換を行いながら流れ、ガス出口１１０から流出することで、効率的に運転を行うようにしていた。
なお、図５において、図中の符号１１１は水ドラム、１１２は蒸気ドラム、１１３，１１４はヘッダー、１１５はウォールチューブを示している。

特開２００２−２４３１０６号公報

ところで、従来の舶用再熱ボイラ１００では、再熱バーナ１０７が再熱炉１０８の前壁側のみに設置され、再熱炉１０８の後壁側には設置されていない。
このため、たとえば図６に示すように、再熱炉１０８の出口側（図５中の符号Ｂ部分）では、再熱炉１０８の前壁（図６中のＸ）側と後壁（図６中のＹ）側との間において、燃焼ガス温度に数百度の温度差が生じることがあるなど、燃焼ガス温度に生じる大きなアンバランスが問題となる。このような燃焼ガス温度のアンバランスは、主ボイラ１０６から流入する燃焼ガスと、再熱バーナ１０７の再熱燃焼ガスとの間に温度差があり、燃焼ガスと再熱燃焼ガスとが十分に混合されないためと考えられる。

再熱炉１０８の出口側（再熱器１０９の入口側）における燃焼ガス温度のアンバランスは、すなわち、燃焼ガスと再熱燃焼ガスとが混合された混合燃焼ガスの温度分布に生じるアンバランスは、再熱炉１０８や再熱器１０９の伝熱性能を低下させると共に、再熱器１０９の再熱チューブにおける高温腐食やサポート材の強度低下を招く虞もあって好ましくない。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、再熱炉の出口側における燃焼ガスのガス温度について、再熱バーナ内のガス流動パターンを変化させて温度分布のアンバランスを低減した再熱ボイラを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る再熱ボイラは、バーナの燃焼で発生した主燃焼ガスが火炉から過熱器及び蒸発管群を通過して流れるように構成した主ボイラと、前記蒸発管群の後流側に配置され、再熱バーナの燃焼で再熱燃焼ガスを発生させる再熱炉と、該再熱炉の上部側に配置された再熱器とを備えている再熱ボイラであって、前記再熱炉と前記再熱器との間を連結して前記燃焼ガス及び前記再熱燃焼ガスの流路を形成する再熱炉出口部に、燃焼ガスの流路断面積を絞る偏流防止部を設けたことを特徴とするものである。

このような本発明の再熱ボイラによれば、再熱炉と再熱器との間を連結して混合燃焼ガス（燃焼ガス及び再熱燃焼ガス）の流路を形成する再熱炉出口部に、燃焼ガスの流路断面積を絞る偏流防止部を設けたので、偏流防止部を通過する主燃焼ガス及び再熱燃焼ガスの流れに乱れを生じて混合が促進される。

上記の発明において、前記偏流防止部が前記再熱炉出口部に塞ぎ板を取り付けて形成されていることが好ましく、これにより、塞ぎ板の大きさを適宜変更して流路断面積の開口率を容易に調整できる。
この場合の塞ぎ板については、複数枚に分割して各々個別の着脱を可能にしたものが好ましく、これにより、現地における着脱枚数の変更により流路断面積の開口率を容易に調整できる。

上述した本発明によれば、混合燃焼ガス（燃焼ガス及び再熱燃焼ガス）の流路を形成する再熱炉出口部に流路断面積を絞る偏流防止部を設けたので、偏流防止部を通過する主燃焼ガス及び再熱燃焼ガスの流れに乱れを生じさせることができる。このような再熱燃焼ガスの乱れは、異なる温度を有する燃焼ガス及び再熱燃焼ガスの混合を促進するので、偏流防止部の下流側となる再熱炉の出口側（再熱器入口）において、混合燃焼ガスの温度分布が均一化するようにアンバランスを低減した再熱ボイラを提供することができる。
すなわち、燃焼ガス及び再熱燃焼ガスが偏流防止部を通過することにより、燃焼ガス及び再熱燃焼ガスの流動パターンを変化させることができるため、ガス温度の異なる二つの燃焼ガスは偏流防止部の下流側で混合され、温度分布が略均一化された状態で再熱器に流入する。

従って、再熱器入口側における燃焼ガス温度のアンバランスが解消されるので、再熱炉や再熱器においては全域を有効に利用した熱交換が可能となる。このため、再熱炉や再熱器伝熱の性能低下を防止または抑制し、効率のよい再熱ボイラを提供することができる。さらに、再熱器入口側における燃焼ガス温度のアンバランスが解消されると、再熱器の再熱チューブが高温腐食することや、高温によるサポート材の強度低下についても防止または抑制できるようになり、再熱ボイラの耐久性や信頼性を向上させることができる。

以下、本発明に係る再熱ボイラについて、一実施形態を図１から図３に基づいて詳細に説明する。
本実施形態の再熱ボイラ１０Ａは、図５に示す従来構造の再熱ボイラ１００と同様に、バーナ１０１の燃焼により発生した燃焼ガスが、火炉１０２から過熱器１０４、蒸発管群１０５を通過するように構成された主ボイラ１０６と、再熱バーナ１０７で燃焼ガスが再燃される再熱炉１０８と、再燃された燃焼ガスが、再熱器１０９を通過するように構成されている。

このように構成された再熱ボイラ１０Ａにおいて、バーナ１０１の燃焼で生成された燃焼ガスは、主ボイラ１０６内において、火炉１０２からフロントバンクチューブ１０３、過熱器１０４及び蒸発管群１０５を通って流れる。この後、主ボイラ１０６から再熱炉１０８に流入した燃焼ガスは、再熱バーナ１０７で生成された再熱燃焼ガスとともに再熱器１０９へ流出する。なお、以下の説明では、主ボイラ１０６から流入した燃焼ガスと、再熱炉１０８で生成された再熱燃焼ガスとが混合されたガスを総称して、すなわち、再熱炉１０８及びその後流側を流れるガスを「混合燃焼ガス」と呼ぶことにする。

主ボイラ１０６から流入した燃焼ガスと再熱炉１０８で生成された再熱燃焼ガスとが合流した混合燃焼ガスは、再熱炉１０８と再熱器１０９との間を連結して流路を形成する再熱炉出口部（再熱器１０９の入口部でもある）１２０を通過する。この再熱炉出口部１２０には、混合燃焼ガスの流路断面積を絞る偏流防止部を形成するため、塞ぎ板１３０が設けられている。
この塞ぎ板１３０は、主ボイラ１０６から流入して上向きに略９０度の方向転換をする燃焼ガスの流れと、再熱炉１０８の下方から上昇する再熱燃焼ガスの流れとが合流し、混合燃焼ガスの流れとして再熱炉１０８から再熱器１０９へ向かう再熱器出口部１２０の流路断面積を絞ることで急変させている。すなわち、高温の混合燃焼ガスが流れる高温領域に設置される塞ぎ板１３０は、混合燃焼ガスの流路断面積を再熱器出口１２０で絞り、流路断面積を一時的に急減させる機能を有している。

流路断面積を絞る塞ぎ板１３０の設置例としては、たとえば図２に示すものがある。
図２（ａ）に示す設置例では、再熱器出口部１２０の流路断面積について、前後（前壁側及び後壁側）または左右（左壁側及び右壁側）に塞ぎ板１３０を取り付け、流路を部分的に塞いで流路断面積を急激に減少させている。
図２（ｂ），（ｃ）に示す設置例では、再熱器出口部１２０の流路断面積について、前後（前壁側及び後壁側）または左右（左壁側及び右壁側）のいずれか一方に塞ぎ板１３０を取り付け、流路を部分的に塞いで流路断面積を急激に減少させている。

このような塞ぎ板１３０を設けることにより、再熱炉１０８と再熱器１０９との間を連結して混合燃焼ガス（燃焼ガス及び再熱燃焼ガス）の流路を形成する再熱炉出口部１２０では、流路断面積が急激に減少する変化により、塞ぎ板１３０を通過する主燃焼ガス及び再熱燃焼ガスの流れに渦等の乱れを生じて撹拌される。すなわち、上向きに略９０度の方向転換した燃焼ガスの流れ及び上向きに上昇する再熱燃焼ガスの流れは、塞ぎ板１３０への衝突、流路断面積の縮小による流れ方向の変化や流速の増加等により再熱炉１０８内の流動パターンが変化して複雑になるので、再熱炉１０８内における燃焼ガスの撹拌・混合が促進される。
この結果、異なる温度を有する混合燃焼ガスの二つの流れは、塞ぎ板１３０を通過することにより全体が略均一化した温度の流れとなって再熱器１０９へ流入する。

図３は、再熱器出口部１２０の流路断面積に塞ぎ板１３０を設置した場合の開口率と、ガス温度比との関係を示す図である。
この図において、横軸の開口率は、再熱器出口部１２０の流路断面積が塞ぎ板１３０により塞がれることなく残った開口面積の割合であり、数値が大きいほど混合燃焼ガスの流路となる開口面積は大きくなる。
一方、縦軸のガス温度比は、平均ガス温度を基準とした最高ガス温度の比であり、数値が１に近いほど均一化した温度となる。すなわち、ガス温度比が大きい値になればなるほど混合燃焼ガスの最高ガス温度と平均ガス温度との差は広がり、温度アンバランスが大きくなっている。

図３によれば、開口率が小さいほどガス温度比は１に近づいているので、大きな塞ぎ板１３０を設置して流路断面積を絞るほど撹拌・混合が促進され、混合燃焼ガスの温度は均一化する。しかし、再熱器出口部１２０の開口率が小さくなると、混合燃焼ガスの温度アンバランスは解消される反面、混合燃焼ガスが流路断面積の小さい再熱器出口部１２０を通過する際の圧力損失は大きくなる。従って、再熱器出口部１２０の開口率については、混合燃焼ガスの温度アンバランス及び圧力損失を考慮し、最も運転効率がよくなるように塞ぎ板１３０の大きさ（流路の封鎖面積）を変更して適宜調整すればよい。換言すれば、再熱出口開口部１２０に塞ぎ板１３０を取り付けて形成される偏流防止部を採用することにより、塞ぎ板１３０の大きさを変更して流路断面積の開口率を容易に調整することができる。

ところで、上述した塞ぎ板１３０は、たとえば上述した実施形態の変形例として図４に示す塞ぎ板１３０Ａのように、再熱炉出口１２０を通るスタック管群１４０に上乗せして設置する構造が好ましい。このスタック１４０は、再熱炉１０８の上部を横断する蒸発管（スタック）１４１の管群である。
このような塞ぎ板１３０Ａの設置構造を採用すると、混合燃焼ガスが流れる高温領域に新たなサポート部材（突起部材）を設ける必要がない。なお、高温領域に取り付けるサポート部材は、高温の環境に耐える高級な素材を使用する必要がある。

また、図４に示す塞ぎ板１３０Ａは、流路断面積の調整が可能となるように、複数に分割されている。図示の構成例では、左右一対の塞ぎ板１３０Ａが各々３分割されている。すなわち、１つの塞ぎ板１３０Ａは、３つの塞ぎ板部材１３１，１３２，１３３に分割されており、塞ぎ板部材１３１，１３２，１３３が各々個別に着脱可能となっている。
このような構成とすれば、現地における着脱枚数の変更により流路断面積の開口率を容易に調整できる。すなわち、塞ぎ板部材１３１，１３２，１３３の設置数については、再熱ボイラ１０Ａを設置した現地で燃焼試験をした結果（温度アンバランスレベル等）に基づいて、最適な開口率となるように容易に着脱して調整することができる。なお、塞ぎ板１３０Ａの分割数については、上述した３分割に限定されることはない。

また、図示の塞ぎ板１３０Ａは、出口側の開口面積が徐々に拡大するような傾斜面とされる。このため、温度分布が均一化された混合燃焼ガスは再熱器１０９内へスムーズに広がり、再熱器１０９の内部全域にわたって略均一に通過するので、再熱器１０９における熱交換の効率が向上する。なお、再熱器１０９の熱交換効率向上は、再熱ボイラ１０Ａの効率向上にも有効である。

このように、上述した本発明の再熱ボイラ１０Ａによれば、混合燃焼ガス（燃焼ガス及び再熱燃焼ガス）の流路を形成する再熱炉出口部１２０に流路断面積を絞る塞ぎ板１３０を取り付けて偏流防止部を設けたので、この偏流防止部を通過する混合燃焼ガスの流れに乱れを生じて混合が促進され、偏流防止部の下流側となる再熱炉１０８の出口側（再熱器１０９入口）で温度分布が均一化するよう温度アンバランスは低減される。すなわち、混合燃焼ガスが塞ぎ板１３０を取り付けて流路断面積を絞った偏流防止部を通過することにより、混合燃焼ガスとなる燃焼ガス及び再熱燃焼ガスの流動パターンを変化させることができるため、ガス温度の異なる二つの燃焼ガスは偏流防止部の下流側で混合され、温度分布が略均一化された状態で再熱器１０９に流入する。

従って、再熱器１０９の入口側における混合燃焼ガス温度のアンバランスが解消され、再熱炉１０８や再熱器１０９の伝熱性能低下を防止または抑制して効率のよい再熱ボイラ１０Ａを提供することができる。
さらに、再熱器１０９の入口側における燃焼ガス温度のアンバランスが解消されると、再熱器１０９の再熱チューブが高温腐食することを防止または抑制できる。また、再熱器１０９の入口側における燃焼ガス温度のアンバランスが解消されると、最高ガス温度も低下するので、高温によるサポート材の強度低下についても防止または抑制できる。この結果、再熱ボイラ１０Ａは、耐久性や信頼性が向上することとなる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る再熱ボイラの一実施形態を示す構成図である。図１の塞ぎ板に係る設置例を示す図であり、（ａ）は流路断面積の前後（左右）に一対設置した例、（ｂ）は流路断面積の前（左）側のみに設置した例、（ｃ）は流路断面積の後（右）側のみに設置した例である。流路断面積の開口率とガス温度比との関係を示す図である。図１に示す塞ぎ板の変形例を示す要部斜視図である。従来の再熱ボイラについて構成の一例を示す構成図である。再熱炉の出口付近における混合燃焼ガスの温度分布を示す説明図である。

符号の説明

１０Ａ再熱ボイラ
１０１バーナ
１０２火炉
１０３フロントバンクチューブ
１０４過熱器（ＳＨ）
１０５蒸発管群（リアバンクチューブ）
１０６主ボイラ
１０７再熱バーナ
１０８再熱炉
１０９再熱器
１１０ガス出口
１１１水ドラム
１１２蒸気ドラム
１２０再熱炉出口部
１３０，１３０Ａ塞ぎ板
１３１，１３２，１３３塞ぎ板部材
１４０スタック管群
１４１蒸発管（スタック）

Claims

バーナの燃焼で発生した主燃焼ガスが火炉から過熱器及び蒸発管群を通過して流れるように構成した主ボイラと、前記蒸発管群の後流側に配置され、再熱バーナの燃焼で再熱燃焼ガスを発生させる再熱炉と、該再熱炉の上部側に配置された再熱器とを備えている再熱ボイラであって、
前記再熱炉と前記再熱器との間を連結して前記燃焼ガス及び前記再熱燃焼ガスの流路を形成する再熱炉出口部に、燃焼ガスの流路断面積を絞る偏流防止部を設けたことを特徴とする再熱ボイラ。
前記偏流防止部が前記再熱炉出口部に塞ぎ板を取り付けて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の再熱ボイラ。
前記塞ぎ板を複数枚に分割して各々個別の着脱が可能であることを特徴とする請求項２に記載の再熱ボイラ。