JP2012007836A - 吊り下げ型熱交換器及びそれを備えたボイラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管と管寄せの接続が簡便に行なえる吊り下げ型熱交換器を提供する。
【解決手段】天井壁５の上側に設けられた内部流体の入口側管寄せ１ａと出口側管寄せ１ｂから天井壁５を貫通して火炉内に延びる伝熱管３を備えた吊下げ型熱交換器において、天井壁５を貫通する複数本の伝熱管３がその天井壁５の上側で１本に集合する一組の伝熱管３を複数組設け、その１本に集合した伝熱管３の端部が、入口側管寄せ１ａまたは前記出口側管寄せ１ｂの少なくとも一方に接続されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、火炉内部から天井壁を貫通して火炉外部に延びた伝熱管と、前記天井壁の火炉外部側に設置された管寄せを備えた吊り下げ型熱交換器及びそれを備えたボイラ装置に関するものである。

ボイラ装置は、水管を火炉の周囲および天井壁に配置した水冷炉壁で主に構成されている。燃料の燃焼によって生じる放射熱で水管は加熱され、水の蒸発作用が行われる。発生した蒸気は過熱器伝熱管により過熱されて、タービンに送られる。またタービンから出た排気の一部は再び再熱器伝熱管で過熱されて、タービンに送られる。

過熱器伝熱管や再熱器伝熱管はパネル状に配置された管群で構成され、火炉内に配置された管群の上端は天井壁を貫通して炉外の管寄せに接続される。

図６ないし図８は吊り下げ型過熱器伝熱管が火炉の天井壁５を貫通して管寄せ１と接続する部分を示す図であり、図６は火炉の側面から見た吊り下げ型過熱器伝熱管の天井壁貫通部の側面図、図７は図６のＢ−Ｂ線から見た図、図８は図６のＣ−Ｃ線から見た図である。また図９は、吊り下げ型過熱器伝熱管と管寄せを溶接するための開先合わせの様子を示した斜視図である。

パネル状の天井壁５は図７ならびに図８に示すように、ボイラ装置の前後方向（缶前・缶後方向）に設置された天井壁管１２と、天井壁管１２と天井壁管１２の間に配置されて接合部が溶接されたメンブレンバー１３で構成されている。吊り下げられた伝熱管３は、天井壁５を貫通して天井壁５の上部に配置されている管寄せ１に接続されている。

図６に示すように天井壁５の自重は、吊りボルト取り付け金具９を介して天井壁用の吊りボルト８ａで天井壁５上部のボイラ鉄骨７に支持されている。また、管寄せ１、マニホールド２ならびに伝熱管３の自重は、管寄せ用の吊りボルト８ｂで天井壁５上部のボイラ鉄骨７に支持されている。

伝熱管３と管寄せ１のスタブ管４を溶接する場合には、伝熱管３とスタブ管４の開先を合わせる必要があり、その様子を示したのが図９である。同図に示すように、伝熱管３の上部にチェーンブロック取付用金具１１を抜けないように取り付け、チェーンブロック１０を管寄せ１に掛けて、チェーンブロック１０の両端部を前述のチェーンブロック取付用金具１１に接続する。

この状態で伝熱管３を吊り上げて、伝熱管３とスタブ管４の開先を合わせて溶接を行ない、その後、チェーンブロック１０をチェーンブロック取付用金具１１から外し、さらにチェーンブロック取付用金具１１を溶接済みの伝熱管３から外して、次に溶接する伝熱管３に取り付けて、前述の作業を繰り返すという手順になっている。

特開平８−５００４号公報

図６ないし図９に示す従来の構造には、以下のような課題があった。
前述のように伝熱管３を管寄せ１のスタブ管４に溶接する際、伝熱管３へのチェーンブロック取付用金具１１の取り付け作業と取り外し作業を伝熱管３毎に繰り返して行なう必要があり、管寄せ１に接続する伝熱管３は多数であるから、作業工数が増えて煩雑であり、効率が悪い。

また、隣接する伝熱管３に温度差が生じると、管寄せ１の伝熱管接続部に温度差が生じる。管寄せ１の接続部の開口穴端部は応力が集中する部位であり、隣接する開口部間に温度差が生じることで熱応力が加わり、熱疲労によるクラックが発生する可能性がある。

図１０は、前記特開平８−５００４号公報（特許文献１）で提案された過熱器伝熱管の構造を示す図である。
同図に示すように、隣接する２本の過熱器伝熱管５１はＹピース５２に接続されて１本となり、Ｙピース５２はスタブ管５３に接続されている。スタブ管５３は天井壁５４に設けられた貫通部５５を貫通して、管寄せ５６の胴部に接続されている。

この構造においても、Ｙピース５２とスタブ管５３を溶接する場合には、Ｙピース５２とスタブ管５３の開先を合わせる必要がある。ところが、図１０に示すようにＹピース５２とスタブ管５３の溶接部５７は天井壁５４の下側、すなわち炉内であるから、Ｙピース５２で接続された２本の過熱器伝熱管５１を吊り下げて保持する手段を別に設ける必要があり、そのために溶接作業が煩雑となり、作業の能率が悪い。

なお、過熱器伝熱管５１を吊り下げる手段として、例えば管寄せ５６にチェーンブロックを掛けて、チェーンブロックの端部側を天井壁５４の貫通部５５から下げて、過熱器伝熱管５１を支持することも考えられる。

しかし、貫通部５５にはスタブ管５３なども配管されており、しかもＹピース５２とスタブ管５３の溶接部５７が貫通部５５のすぐ下となり、十分なスペースも無いことから、実際には管寄せ５６を利用した過熱器伝熱管５１の吊り下げは不可能である。

また、過熱器伝熱管５１とＹピース５２の溶接部５８ならびにＹピース５２とスタブ管５３の溶接部５７が炉内に配置された構造になっているから、前記溶接部５７,５８への熱的影響あるいは燃焼ガスによる化学的影響などがあり、前記溶接部５７,５８の劣化が問題となる。さらに前記溶接部５７,５８やＹピース５２ならびにスタブ管５３などの保守点検作業も、場所が貫通部５５のすぐ下であるため、行い難いという問題もある。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、伝熱管と管寄せの接続が簡便に行なえる吊り下げ型熱交換器及びそれを備えたボイラ装置を提供することにある。

問題点を解決するための手段

前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、
天井壁の上側に設けられた内部流体の入口側管寄せと出口側管寄せから前記天井壁を貫通して火炉内に延びる伝熱管を備えた吊下げ型熱交換器を対象とするものである。

そして前記天井壁を貫通する複数本の伝熱管がその天井壁の上側で１本に集合する一組の伝熱管を複数組設け、
その１本に集合した伝熱管の端部が、前記入口側管寄せまたは前記出口側管寄せの少なくとも一方に接続されてい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１本に集合する一組の伝熱管は、複数本の伝熱管を１本に集合する合流管または分岐管を１段あるいは複数段介して構成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、
天井壁と、その天井壁の上側に設けられた内部流体の入口側管寄せならびに出口側管寄せと、その入口側管寄せならびに出口側管寄せから前記天井壁を貫通して火炉内に延びる伝熱管を有する吊下げ型熱交換器とを備えたボイラ装置を対象とするものである。

そして前記吊下げ型熱交換器が、前記第１または第２の手段の吊下げ型熱交換器であることを特徴とするものである。

以上説明したように、本発明の構造によれば、合流管（分岐管）のベンド部に直接チェーンブロックを掛けて伝熱管の自重を支えることができ、従来のように取付用金具を伝熱管毎に装着したり外したりする作業が必要で無くなるため、開先合わせの作業工数が大幅に低減できる。

また、合流管は、天井壁より上側にあり、天井壁より下側の火炉内より温度は低い。合流管の蒸気合流部で圧力損失が生じるが、蒸気温度が低下することで粘性も低下するため、天井壁より下側で合流するよりも、圧力損失は低減できる効果がある。

さらに複数本の伝熱管を合流し、温度が平均化することで、管寄せの隣接する伝熱管の温度差は小さくなるとともに、管寄せに接続する間隔が広くなるため、隣接する開口部の温度勾配は小さくなり、熱疲労によるクラック発生の可能性を低減できる。

さらにまた、管寄せに対して、伝熱管の開口穴の間隔が広くなるということは、管寄せの板厚を算出する計算式では、穴効率が向上することを意味しており、管寄せ1の板厚をより薄くすることができ、質量を低減できる。また、複数の伝熱管を合流することで伝熱管の総長さが短くできるため、質量も低減できる。

さらに、伝熱管とスタブ管の溶接部が炉外であり、その溶接部が高温の燃焼ガスに晒されることがないから、図１０に示す従来提案されたものよりも溶接部の劣化が少なく、スペース的にも余裕があり保守・点検も容易である。

本発明の第１実施例に係る吊り下げ型過熱器伝熱管の天井壁貫通部の側面図である。 吊り下げ型過熱器伝熱管と管寄せを溶接するための開先合わせの様子を示した斜視図である。 本発明の第２実施例に係る吊り下げ型過熱器伝熱管の天井壁貫通部の側面図である。 本発明の第３実施例に係る吊り下げ型過熱器伝熱管の天井壁貫通部の側面図である。 図４Ａ−Ａ線上から見た図である。 従来のボイラ装置における吊り下げ型過熱器伝熱管の天井壁貫通部の側面図である。 図６Ｂ−Ｂ線上から見た図である。 図６Ｃ−Ｃ線上から見た図である。 従来のボイラ装置における伝熱管と管寄せを溶接するための開先合わせの様子を示した図である。 従来提案された過熱器伝熱管の構造を示す図である。 本発明が適用されるボイラ装置の概略構成図である。

本発明は前述のように、伝熱管３は天井壁５を貫通し、複数本の伝熱管３を合流管６を介して、管寄せ１に接続する。そのため合流管６のベンド部１５に直接チェーンブロック１０を掛けて伝熱管３の自重を支えることができ、図９に示すような取付用金具１１を伝熱管３毎に装着したり、溶接後にその取付用金具１１を取り外したりする作業が必要でなくなるため、開先合わせの作業工数を大幅に低減できる。

また、合流管６は、天井壁５より上側、すなわち炉外にあり、天井壁５より下側の火炉内より温度は低い。合流管６の蒸気合流部で圧力損失が生じるが、蒸気温度が低下することで粘性も低下するため、天井壁５より下側で合流するよりも、圧力損失が低減できる効果がある。

熱負荷の大きい火炉内に合流部、即ち溶接構造物を設けないので、それら溶接構造物が損傷する可能性を低減できる。

また、複数本の伝熱管３を合流し、温度が平均化することで、管寄せ１の隣接する伝熱管３の温度差は小さくなるとともに、管寄せ１に接続する間隔が広くなるため、隣接する開口部の温度勾配は小さくなり、熱疲労によるクラック発生の可能性を低減できる。

さらに、管寄せ１に対して、伝熱管３の開口穴の間隔が広くなるということは、管寄せ１の板厚を算出する計算式では、穴効率が向上することを意味しており、管寄せ１の板厚をより薄くすることができ、質量を低減できる。

さらにまた、複数の伝熱管３を合流することで伝熱管３の総長さが短くなるため、質量も低減できるなどの特長を有している。

次に本発明の実施例について図面とともに説明する。図１１は、本発明が適用されるボイラ装置の概略構成図である。

同図に示すように、最も高温の燃焼ガスに晒されるバーナ１４の直上の煙道には、天井壁５の上部に設置された内部流体（蒸気）の入口管寄せ１ａおよび出口管寄せ１ｂから多数本の吊り下げ型過熱器伝熱管３が煙道内（炉内）に向けて垂直方向に吊り下げられている。図中の符号２は各管寄せ１が接続されたマニホールド、図中の矢印は過熱器伝熱管３内の蒸気の流れを示している。
次に過熱器伝熱管３の天井壁貫通部の構造などについて、各実施例ごとに説明する。

（第１実施例）
図１は本発明の第１実施例に係る吊り下げ型過熱器伝熱管の天井壁貫通部の側面図、図２は吊り下げ型過熱器伝熱管と管寄せを溶接するための開先合わせの様子を示した斜視図である。

図１に示すように、天井壁５を貫通した多数本の吊り下げ型過熱器伝熱管３の両端部は、側面形状が逆Ｙ字型をした合流管６を介して２本を１本に纏めることで、天井壁５を貫通した半分の本数で管寄せ１（入口管寄せ１ａあるいは出口管寄せ１ｂ）と接続する。

スタブ管４を介して各伝熱管３を管寄せ１に接続する際には図２に示すように、合流管６の二股状のベンド部１５に直接仮吊り用チェーンブロック１０を掛け、そのチェーンブロック１０の他の部分を管寄せ１に掛けて、伝熱管３の自重を支える。この状態でスタブ管４の下端部と伝熱管３の上端部の開先合わせを行い、開先溶接することで、各伝熱管３を管寄せ１に接続することができる。

このように合流管６自体をそのまま従来のチェーンブロック取付用金具１１の代わりに利用できるから、図９に示すような取付用金具１１を伝熱管３毎に装着したり取り外したりする作業が省略でき、開先合わせの作業工数を大幅に低減することができ、また、チェーンブロック取付用金具１１を準備する必要もなくなる。

また、管寄せ１に温度差のある伝熱管３を接続する間隔が約倍に広くなるため、隣接する開口部の温度勾配は小さくなり、熱疲労によるクラック発生の可能性が低減できる。

（第２実施例）
図３は、本発明の第２実施例に係る吊り下げ型過熱器伝熱管の天井壁貫通部の側面図である。

本実施例の場合は図３に示すように、天井壁５より上側で第１の合流管６ａを介して伝熱管３の本数を半減した後、第２の合流管６ｂを介して前記第１の合流管６ａの本数を半減した構造である。すなわち、前記第１実施例では合流管６を１段設けただけであるが、この第２実施例では第１の合流管６ａによる段と、その上の第２の合流管６ｂによる段の２段形式になっている。

従って図１に示す第１実施例と比べて、伝熱管３のトータル長さ、質量が大幅に低減できる。また、管寄せ１に温度差のある伝熱管３を接続する間隔が更に広くなるため、隣接する開口部の温度勾配は小さくなり、熱疲労によるクラック発生の可能性が更に少なくなる。

図示していないが本実施例においても、合流管６を利用して仮吊り用チェーンブロック１０で伝熱管３を吊り下げて、伝熱管３とスタブ管４の開先溶接を行なうことができる。

（第３実施例）
図４は本発明の第３実施例に係る吊り下げ型過熱器伝熱管の天井壁貫通部の側面図、図５は図４Ａ−Ａ線上から見た図である。

本実施例は、前記第１、２実施例のように合流管６を用いて隣接する伝熱管３どうしを合流するのではなく、離れた位置すなわち管内の流体温度の差がより大きい伝熱管３どうしを合流した構造である。

図４に示すように、伝熱管３に例えば図面左側から右側にかけて３ａ，３ｂ・・・３ｍ，３ｎと符号を付けた場合、最も右側にある伝熱管３ｎの天井壁５より上側に出た端部を最も左側にある伝熱管３ａの天井壁５より上側に出た部分に接続し、左側から２番目にある伝熱管３ｂの天井壁５より上側に出た端部を右側から２番目にある伝熱管３ｍの天井壁５より上側に出た部分に接続するなどして、管内の流体温度の差が大きい伝熱管３どうしを合流した構造になっている。同図に付した矢印は、管内流体の合流方向を示している。

天井壁５の上部で伝熱管３が交差するため、接触回避するために、３次元で伝熱管３を曲げた構造となる。流体温度の差が大きい伝熱管３どうしを合流して温度を平均化するため、前記第１、２実施例の構造よりも管寄せ１に接続する隣接する伝熱管３の温度差をより小さくすることができる、熱疲労によるクラック発生の可能性が更に少なくなる。

本実施例の場合、伝熱管３どうしの接続部分（図４において水平方向に延びている伝熱管３の部分）に仮吊り用チェーンブロック１０を掛けて自重を支え、管寄せ１側に延びた伝熱管３とスタブ管４を開先溶接する。このように伝熱管３どうしの接続部分を従来の取付用金具１１として利用できるから、図９に示すような取付用金具１１を伝熱管３毎に装着したり取り外したりする作業が省略でき、開先合わせの作業工数を大幅に低減することができる。

前記第１、第２実施例では２本の伝熱管３を１本に纏める合流管６を使用した場合を説明したが、３本の伝熱管３を１本に纏める合流管６を使用することも可能である。

前記実施例では吊り下げ型過熱器の伝熱管の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、吊り下げ型再熱器の伝熱管など他の構成の吊り下げ型熱交換器にも適用可能である。

１・・・管寄せ、１ａ・・・入口管寄せ、１ｂ・・・出口管寄せ、２・・・マニホールド、３，３ａ〜３ｎ・・・伝熱管、４・・・スタブ管、５・・・天井壁、６・・・合流管、６ａ・・・第１の合流管、６ｂ・・・第２の合流管、７・・・ボイラ鉄骨、８・・・吊りボルト、１０・・・仮吊り用チェーンブロック、１２・・・天井壁管、１３・・・天井壁管メンブレンバー、１４・・・バーナ、１５・・・ベンド部。

Claims (3)

1. 天井壁の上側に設けられた内部流体の入口側管寄せと出口側管寄せから前記天井壁を貫通して火炉内に延びる伝熱管を備えた吊下げ型熱交換器において、
   前記天井壁を貫通する複数本の伝熱管がその天井壁の上側で１本に集合する一組の伝熱管を複数組設け、
   その１本に集合した伝熱管の端部が、前記入口側管寄せまたは前記出口側管寄せの少なくとも一方に接続されていること
   を特徴とする吊下げ型熱交換器。
2. 請求項１に記載の吊下げ型熱交換器において、
   前記１本に集合する一組の伝熱管は、複数本の伝熱管を１本に集合する合流管または分岐管を１段あるいは複数段介して構成されていること
   を特徴とする吊下げ型熱交換器。
3. 天井壁と、
   その天井壁の上側に設けられた内部流体の入口側管寄せならびに出口側管寄せと、
   その入口側管寄せならびに出口側管寄せから前記天井壁を貫通して火炉内に延びる伝熱管を有する吊下げ型熱交換器と
   を備えたボイラ装置において、
   前記吊下げ型熱交換器が、請求項１または２に記載の吊下げ型熱交換器であることを特徴とするボイラ装置。

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