JP2011094842A - 伝熱管の管寄せ装置及びボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管の幅方向の温度分布を低減し、熱応力により伝熱管に不具合が発生することを防止可能な伝熱管の管寄せ装置及びボイラを提供する。
【解決手段】複数の第１伝熱管から流入した流体を混合し、混合した流体を複数の第２伝熱管に分配する伝熱管の管寄せ装置において、前記複数の第１伝熱管が連結され、前記複数の第１伝熱管から流入した気液二相流体を気体と液体とに分離する気液分離器と、前記気液分離器に接続され、前記気液分離器で分離した前記気体と前記液体とを混合し、混合流体を分配して前記第２伝熱管に送り込む複数の分配管と、前記気体と前記液体との気液比を調節する気液比調節手段とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、伝熱管を流れる気液二相流体を、伝熱管の中間部で一端集合させ、混合した後に再度伝熱管に戻すようにした伝熱管の管寄せ装置、及びこの管寄せ装置を備えたボイラに関する。

従来、複数の伝熱管が配設されたボイラは、発電設備等のように蒸気を利用する様々な設備に広く用いられている。このようなボイラでは、火炉の幅方向に熱流束の分布が形成されている。例えば、火炉の炉壁に鉛直方向に複数の伝熱管を配設したボイラの場合、伝熱管の熱負荷は炉壁中央が高く、炉壁端側が低くなる。複数の伝熱管に大きな温度差が生じると、伝熱管の連結部材や管寄せ等にひずみが生じて伝熱管や他の構造物に応力が発生し、ボイラに不具合が生じてしまうという問題があった。

そこで、特許文献１（特開２００５−１８８７５９号公報）には、複数の伝熱管を流れる気液二相流体を、伝熱管の中間部で一端集合させ、混合した後に再度伝熱管に戻すようにした伝熱管の管寄せ装置が開示されている。図５に示すように、この管寄せ装置５０は、火炉の下部伝熱管５１を流れる気液二相流体を集合管寄せ５２に集めて、この気液二相流体をマニホールド５３に導入して混合した後、分配管５４に分配し、さらに分配器５５により上部伝熱管５６ごとに分配して上部伝熱管５６に戻すようになっている。

図６に示すように、マニホールド５３は、集合管寄せ５２に集めた気液二相流体を噴出管５３ａに導入し、噴出管５３ａに形成された複数の噴出孔５３ｂから気液二相流体を噴出させることにより流体を混合し、分配管５４に送り込む構成を備えている。
また、特許文献１には、圧力損失を調整するバルブ５６（図５参照）を分配管５４に設置した構成が開示されている。これにより火炉出口の蒸気温度を均一化することを可能としている。

特開２００５−１８８７５９号公報

特許文献１に開示されるように、マニホールド５３を備える管寄せ装置５０の採用により、下部伝熱管５１を出た流体は混合され、一様な温度及びクオリティの流体が上部伝熱管５６に分配される。
しかしながら、伝熱管の中間部で管寄せ装置５０により一端温度が均一化されても、上記したように火炉内の熱負荷分布は炉幅方向に完全に一様ではなく、上部伝熱管５６を通過する際に再び温度差が生じて、上部火炉出口では大きな温度差となってしまうおそれがある。

したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、伝熱管の幅方向の温度分布を低減し、熱応力により伝熱管に不具合が発生することを防止可能な伝熱管の管寄せ装置及びボイラを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の伝熱管の管寄せ装置は、複数の第１伝熱管から流入した流体を混合し、混合した流体を複数の第２伝熱管に分配する伝熱管の管寄せ装置において、前記複数の第１伝熱管が連結され、前記複数の第１伝熱管から流入した気液二相流体を気体と液体とに分離する気液分離器と、前記気液分離器に接続され、前記気液分離器で分離した前記気体と前記液体とを混合し、混合流体を分配して前記第２伝熱管に送り込む複数の分配管と、前記気体と前記液体との気液比を調節する気液比調節手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１伝熱管と第２伝熱管の間に管寄せ装置を設置し、管寄せ装置では、第１伝熱管から流入する気液二相流体を一端気液分離した後、気液比調節手段により気液比を調節して分配管により混合した混合流体を第２伝熱管に戻すことによって、混合流体のクオリティを調整可能となり、第２伝熱管の火炉出口における炉幅方向の温度差を緩和することができる。これにより、温度差によって生じる伝熱管の応力を低減することが可能となる。

また、前記分配管が、前記気液分離器で分離された前記気体が通流する気体通路と、前記液体が流れる液体通路と、前記気体通路と前記液体通路とが合流する合流部とを有し、前記気液比調節手段が、前記気体通路及び前記液体通路の少なくとも一方の通路に配置され、前記少なくとも一方の通路を流れる流体の流量を調節するバルブであることが好ましい。
このように、気体通路及び液体通路の少なくとも一方の通路に配置されたバルブによって気体流量または液体流量、あるいは気体流量と液体流量の両方を調整することによって、容易に気液比を調節することが可能となる。

さらに、前記気液比調節手段は、前記第２伝熱管の伝熱量に応じて、前記分配管から前記第２伝熱管に送り込まれる前記混合流体の気液比を調節することが好ましい。
火炉内の熱負荷分布は炉幅方向に完全に一様ではなく、上部火炉出口では第２伝熱管ごとに温度差が生じることが考えられる。したがって、複数の分配管に流入する混合流体の気液比を、第２伝熱管の伝熱量（熱負荷）に応じて気液比調節手段で調節することによって、第２伝熱管の火炉出口における炉幅方向の温度差を精度よく均一化することができる。

また、前記第２伝熱管の下流側に設けられ、伝熱管表面温度を測定する温度検出手段と、前記温度検出手段で測定された前記伝熱管表面温度に基づいて、前記気体と前記液体の気液比が調節されるように前記気液比調節手段を制御するコントローラとを備えることが好ましい。
このように、温度検出手段により第２伝熱管下流側の表面温度を検出し、この温度検出値に基づいてコントローラにより気液比調節手段を制御することにより、低負荷運転時から定格運転まで幅広い運転負荷において、火炉出口の流体温度差を低減することができ、温度差により生じる伝熱管の応力を低減することができる。

さらに、前記温度検出手段が、前記複数の分配管のそれぞれに対応するように前記第２伝熱管に設けられていることが好ましい。
分配管を共有する複数の第２伝熱管には同一の気液比の混合流体が流れる。逆に、異なる分配管に接続される第２伝熱管は、それぞれ異なる気液比に設定することができるため、複数の分配管のそれぞれに対応するように温度検出手段を設けることにより、火炉出口の流体温度差をより精度よく均一化することができる。

さらにまた、燃焼ガスを生成する火炉と、前記火炉の壁面のうち下方に配設された複数の第１伝熱管と、前記火炉の壁面のうち上方に配設された複数の第２伝熱管と、上記したいずれかに記載の管寄せ装置とを備えるボイラを提案する。
このように、上記した管寄せ装置を備えるボイラとすることで、火炉出口の炉幅方向の流体温度差を低減でき、この温度差により生じる伝熱管の応力を低減することが可能となる。

以上記載のように本発明によれば、第１伝熱管と第２伝熱管の間に管寄せ装置を設置し、管寄せ装置では、第１伝熱管から流入する気液二相流体を一端気液分離した後、気液比調節手段により気液比を調節して分配管により混合した混合流体を第２伝熱管に戻すことによって、混合流体のクオリティを調整可能となり、第２伝熱管の火炉出口における炉幅方向の温度差を緩和することができる。これにより、温度差によって生じる伝熱管の応力を低減することが可能となる。

本発明の実施形態に係るボイラの全体構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る管寄せ装置の斜視図である。 本発明の実施形態に係る管寄せ装置の概略側面図である。 図３の変形例を示す管寄せ装置の模式図である。 従来の管寄せ装置の斜視図である。 従来の管寄せ装置の部分構成図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係るボイラの全体構成を説明する。ボイラ１は、主に、燃焼ガスを生成する火炉２と、火炉２の壁部に設けられた複数のバーナ３と、火炉２の壁部を形成する第１伝熱管５及び第２伝熱管６と、第１伝熱管５と第２伝熱管６の間に設けられた管寄せ装置１０とを備える。

火炉２は、鉛直方向に配置された複数の第１伝熱管５及び第２伝熱管６によって、側面４面が囲まれて形成されている。第１伝熱管５は火炉２の下部に配設され、第２伝熱管６は火炉の上部に配設され、第１伝熱管５と第２伝熱管６とは管寄せ装置１０によって連通している。第１伝熱管５の下部は入口管寄せ７に接続されており、第２伝熱管６の上部は出口管寄せ８に接続されている。

これらの伝熱管５、６内には、下方から上方に向けて気液二相流体が通流しており、バーナ３から火炉２内に噴出した燃焼ガスを燃焼させることによって生成した燃焼ガスによりこの流体が加熱されるようになっている。

次に、上記したボイラ１が備える管寄せ装置１０につき、図２及び図３を参照して説明する。図２は本発明の実施形態に係る管寄せ装置１０の斜視図であり、図３は本発明の実施形態に係る管寄せ装置の概略側面図である。
管寄せ装置１０は、主に、第１伝熱管５の上部に接続された集合管寄せ２１と、集合管寄せ２１に接続された接続管２２と、接続管２２に連結された気液分離器１１と、気液分離器１１に接続された分配管１７と、気液分離器１１に設けられた気液比調節手段とを備える。

集合管寄せ２１は、軸線が水平に配置されて両端が閉じた円筒形状に形成され、複数の第１伝熱管５が複数の流入管５Ａを介して接続されている。流入管５Ａは、炉壁を形成する第１伝熱管５から火炉２外部へ向けて水平方向に延設されていてもよい。
接続管２２は、集合管寄せ２１の中央上部に鉛直方向上方に向けて配設されている。

気液分離器１１は、接続管２２から流入する気液二相流体を気体と液体とに分離するもので、噴出孔１３が設けられた噴出管１２と、気液分離室１４と、気体通路１５と、液体通路１６とを有する。噴出管１２は下部が接続管２２に連通し、鉛直方向上方に向けて配設されており、周面に多数の噴出孔１３が設けられている。気液分離室１４は噴出管１２を囲むように設けられ、気液分離室１４の上部は気体通路１５に連通し、下部は液体通路１６に連通している。気体通路１５及び液体通路１６は、主に水平方向に延設されており、その下流側で両者は分配管１７に連通している。
なお、気液分離器１１の気液分離方法は上記した構成に限定されるものではなく、例えば、気液二相流体を波板に衝突させて気液分離する方法、気液二相流体を遠心分離して気液分離する方法等、他の方法を用いてもよい。

分配管１７は、気液分離器１１で分離された気体と液体とを混合するとともに、複数の第２伝熱管６に混合流体を分配する。この分配管１７は、水平方向に延設されており、一端側に気体通路１５及び液体通路１６が接続され、他端側が複数の流出管６Ａを介して第２伝熱管６に接続されている。分配管１７の、気体通路１５と液体通路１６とが接続された部位を混合部とする。流出管６Ａは、気液分離器１１から第２伝熱管６へ向けて水平方向に延設されていてもよい。また、分配管１７と流出管６Ａとの間に分配器（マニホールド）２５を設けてもよい。分配器２５を設けることにより、分配管１７の本数を低減することができる。
上記した気液分離器１１の気体通路１５と液体通路１６、及び分配管１７は、気液分離室１４から円周方向に放射状に複数設けられている。

気液比調節手段は、気体通路１５に設けられ、分配管１７に流入する気体の流量を調節する気体流量バルブ１８と、液体通路１６に設けられ、分配管１７に流入する液体の流量を調節する液体流量バルブ１９との少なくとも一方を有する。この気液比調節手段は、気体流量バルブ１８及び液体流量バルブ１９の少なくとも一方の開度を調整することにより、分配管１７に流入する気体と液体の気液比を調節する。気液比調節手段は、気体流量バルブ１８及び液体流量バルブ１９の両方を有することが好ましく、これにより混合流体の気液比を調節可能であるとともに、混合流体自体の流量を精度よく調節できる。

上記した構成を備える管寄せ装置１０において、第１伝熱管５から集合管寄せ２１に集められた気液二相流体は、接続管２２を介して気液分離器１１の噴出管１２を通って噴出孔１３より気液分離室１４内に噴出される。
気液二相流体は、噴出孔１３から噴出されることにより、比重差によって気体と液体とに分離される。このとき、比重の小さい気体は、気液分離室１４の上方に接続された気体通路１５に送り込まれ、比重の大きい液体は、気液分離室１４の下方に接続された液体通路１６に送り込まれる。

気体通路１５に送り込まれた気体は、気体流量バルブ１８により流量を調節されて分配管１７に送り込まれる。同様に、液体通路１６に送り込まれた液体は、液体流量バルブ１９により流量を調節されて分配管１７に送り込まれる。なお、気体流量バルブ１８または液体流量バルブ１９のいずれか一方のみを設置する構成としてもよい。

ここで、気液比調節手段では、第２伝熱管６の伝熱量に応じて、分配管１７から第２伝熱管６に送り込まれる混合流体の気液比を調節することが好ましい。すなわち、火炉２内の熱負荷分布に応じて気液比調節手段により混合流体の気液比を調節することが好ましい。
火炉内の熱負荷分布は炉幅方向に完全に一様ではなく、上部火炉出口では第２伝熱管６ごとに温度差が生じることが考えられる。したがって、複数の分配管１７に流入する混合流体の気液比を、第２伝熱管６の伝熱量（熱負荷）に応じて気液比調節手段で調節する。具体的には、高熱負荷の第２伝熱管６に接続される分配管１７では低クオリティの混合流体が、低熱負荷の第２伝熱管６に接続される分配管１７では高クオリティの混合流体が生成されるように、気液比調節手段を制御する。

例えば、図１に示すボイラ構成を備える場合、火炉２内には燃焼ガスにより旋回流が発生している。この場合、火炉壁中央部の熱負荷が高く、炉壁端側に向けて熱負荷が低くなる熱負荷分布が生じる。そこで、炉壁端側の第２伝熱管６に接続される分配管１７には、気体比率の高い高クオリティの混合流体が流入するように気体流量バルブ１８と液体流量バルブ１９とを開度制御して、混合流体の気液比を調節する。一方、中央部の第２伝熱管６に接続される分配管１７には、液体比率の高い低クオリティの混合流体が流入するように気体流量バルブ１８と液体流量バルブ１９とを開度制御して、混合流体の気液比を調節する。これにより、熱負荷の高い部位で過熱蒸気となることを防ぎ、火炉出口における流体の温度差を低減することができる。
このようにして気液比が調節された混合流体は、分配管１７から分配器２５により複数の流出管６Ａにさらに分配された後、第２伝熱管６に送り込まれる。

本実施形態によれば、第１伝熱管５と第２伝熱管６の間に管寄せ装置１０を設置し、管寄せ装置１０では、第１伝熱管５から流入する気液二相流体を一端気液分離した後、気液比調節手段により気液比を調節して分配管１７により混合した混合流体を第２伝熱管６に戻すことによって、混合流体のクオリティを調整可能となり、第２伝熱管６の火炉出口における炉幅方向の温度差を緩和することができ、温度差により生じる伝熱管の応力を低減することが可能となる。

図４は、図３の変形例を示す管寄せ装置１０の模式図である。
この管寄せ装置１０は、第２伝熱管６（６ａ、６ｂ、６ｃ、・・・）の下流側に、第２伝熱管６の表面温度を検出する温度検出手段３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、・・・）を設置するとともに、温度検出手段３１で測定された伝熱管表面温度に基づいて、気体と液体の気液比が調節されるように気液比調節手段を制御するコントローラ３０を備えている。温度検出手段３１は、火炉２の幅方向に異なる位置に複数設置されていることが好ましい。この温度検出手段３１は、熱電対等の接触型温度計や放射温度計等の非接触型温度計のいずれを用いてもよい。温度検出手段３１で検出された温度はコントローラ３０に入力され、コントローラ３０は、この温度検出値に基づいて気体流量バルブ１８（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、・・・）または液体流量バルブ１９（１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、・・・）の開度を制御する。

気体流量バルブ１８または液体流量バルブ１９の開度制御は、温度検出値に基づき所定の伝熱計算を行って算出された開度に設定してもよいし、ボイラ運転前に予め実機試験を行なって温度検出値に対する開度を求めておき、この試験結果に基づき開度を設定してもよい。
例えば、温度検出手段３１による温度検出値が、予めコントローラ３０に設定された設定温度以上になったとき、対応する気体流量バルブ１８を閉側に制御して気体流量を減少させ、設定温度未満になったとき、対応する気体流量バルブ１８を開側に制御して気体流量を増加させる。このとき、この気体流量バルブ１８に連動させて液体流量バルブ１９も開度制御することが好ましい。

このように、上記構成を備える管寄せ装置１０によれば、温度検出手段３１により第２伝熱管６下流側の表面温度を検出し、この温度検出値に基づいてコントローラ３０により気液比調節手段を制御しているため、低負荷運転時から定格運転まで幅広い運転負荷において、火炉出口の流体温度差を低減することができ、温度差により生じる伝熱管の応力を低減することができる。

また、図２に示すように、分配管１７（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、・・・）と流出管６Ａとの間に分配器２５が設けられている場合、一つの分配器２５から分岐される複数の第２伝熱管６に対して一つの温度検出手段３１を設置することが好ましい。分配管１７を共有する複数の第２伝熱管６には同一の気液比の混合流体が流れる。逆に、異なる分配管１７に接続される第２伝熱管６は、それぞれ異なる気液比に設定することができるため、複数の分配管１７のそれぞれに対応するように温度検出手段３１を設けることにより、火炉出口の流体温度差をより精度よく均一化することができ、温度差により生じる伝熱管の応力を低減することが可能となる。

１ ボイラ
２ 火炉
５ 第１伝熱管
５Ａ 流入管
６、６ａ〜６ｃ 第２伝熱管
６Ａ 流出管
１０ 管寄せ装置
１１ 気液分離器
１２ 噴出管
１３ 噴出孔
１４ 気液分離室
１５、１５ａ〜１５ｃ 気体通路
１６、１６ａ〜１６ｃ 液体通路
１７、１７ａ〜１７ｃ 分配管
１８、１８ａ〜１８ｃ 気体流量バルブ
１９、１９ａ〜１９ｃ 液体流量バルブ
２１ 集合管寄せ
２２ 接続管
２５ 分配器
３０ コントローラ
３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、・・・） 温度検出手段

Claims (6)

1. 複数の第１伝熱管から流入した気液二相流体を混合し、混合した流体を複数の第２伝熱管に分配する伝熱管の管寄せ装置において、
   前記複数の第１伝熱管が連結され、前記複数の第１伝熱管から流入した気液二相流体を気体と液体とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器に接続され、前記気液分離器で分離した前記気体と前記液体とを混合し、混合流体を分配して前記第２伝熱管に送り込む複数の分配管と、
   前記気体と前記液体との気液比を調節する気液比調節手段とを備えることを特徴とする伝熱管の管寄せ装置。
2. 前記分配管が、前記気液分離器で分離された前記気体が通流する気体通路と、前記液体が流れる液体通路と、前記気体通路と前記液体通路とが合流する合流部とを有し、
   前記気液比調節手段が、前記気体通路及び前記液体通路の少なくとも一方の通路に配置され、前記少なくとも一方の通路を流れる流体の流量を調節するバルブであることを特徴とする請求項１記載の伝熱管の管寄せ装置。
3. 前記気液比調節手段は、前記第２伝熱管の伝熱量に応じて、前記分配管から前記第２伝熱管に送り込まれる前記混合流体の気液比を調節することを特徴とする請求項１又は２に記載の伝熱管の管寄せ装置。
4. 前記第２伝熱管の下流側に設けられ、伝熱管表面温度を測定する温度検出手段と、
   前記温度検出手段で測定された前記伝熱管表面温度に基づいて、前記気体と前記液体の気液比が調節されるように前記気液比調節手段を制御するコントローラとを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の伝熱管の管寄せ装置。
5. 前記温度検出手段が、前記複数の分配管のそれぞれに対応するように前記第２伝熱管に設けられていることを特徴とする請求項４記載の管寄せ装置。
6. 燃焼ガスを生成する火炉と、
   前記火炉の壁面のうち下方に配設された複数の第１伝熱管と、
   前記火炉の壁面のうち上方に配設された複数の第２伝熱管と、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の管寄せ装置とを備えることを特徴とするボイラ。

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