JP2014119136A - 伝熱管組立体およびこれを備えた熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡便な構造で伝熱管を支持することで、伝熱管の自励振動を防止する伝熱管組立体およびこれを備えた熱回収装置を提供することを目的とする。
【解決手段】所定間隔を有して略平行に配置され、それぞれが略鉛直方向に延在するとともに、内部に熱媒体が流通する複数の伝熱管４と、各伝熱管４の外周部に設けられた複数のフィン３と、フィン３を備えた伝熱管４を挿通させる貫通部６が形成されるとともに、鉛直方向に所定間隔を有して略水平方向に配置された複数の多孔板１と、を備え、室温状態にて、フィン３の外周と貫通部６との間には隙間が形成され、隙間２は、熱交換を行う加熱状態にて、熱膨張によって貫通部６とフィン３とが接触する寸法に設定されることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば排ガスボイラの排熱回収装置に用いられて好適な伝熱管組立体およびこれを備えた熱回収装置に関するものである。

従来から、ガスタービンやディーゼルエンジン等の原動機から排出される高温の排ガスの熱回収を目的として、原動機と排熱回収ボイラとを組み合わせた複合プラントが知られている。この種の複合プラントの中で、近年、数多く計画・建造されているのが、ＬＮＧ等を燃料とするガスタービン、排熱回収ボイラ、及び、蒸気タービンを組み合わせた排熱回収コンバインドサイクルプラントである。このような複合プラントでは、ガスタービン等から排出される高温の排ガスが排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に導かれる。

近年では、コンバインドサイクルプラントでのガスタービンの高効率化に伴う排ガス量の増大、排ガス温度の上昇は、排熱回収ボイラの大容量化が必要とされている。ガスタービンの大型化に伴い、ＨＲＳＧも大型となるため、従来の竪型ＨＲＳＧでは高さ方向に限界があるため、横型ＨＲＳＧが主流となってきている。

横型ＨＲＳＧは、横方向に排ガスが流れるダクトに対して伝熱管を上方から吊り下げる吊り下げ式となっているため、所定値よりも速いガス流速を受けた場合に伝熱管が振動するというおそれがあった。このような対策について開示された文献として、下記特許文献１がある。

特許文献１には、扁平状態のチューブ状の支持部材を熱交換器シェル内部に間隔を空けて配列された伝熱管の相互間隙に挿入し、該支持部材を膨張させることによって、支持部材の膨張表面を伝熱管に圧接させて、伝熱管の振動を拘束する熱交換器伝熱管の支持構造が示されている。

実開平５−０９６７７８号公報

しかし、特許文献１に開示された熱交換器伝熱管の支持構造では、支持構造と複数の伝熱管の間に弾性体を取り付けることで振動を抑制していることから、構造が複雑となるという問題があった。

また、竪型ＨＲＳＧでは伝熱管を側壁から片持ち梁のように横方向に挿入するので、伝熱管の自重によって下方へ変形することを利用して支持点に当接させて保持することが可能となっていた。しかし、横型ＨＲＳＧでは、伝熱管が上方から下方に向けて吊り下げられているため、伝熱管の自重による変形を支持点に当接させるように利用することができない。このため、横型ＨＲＳＧでは、伝熱管と伝熱管を支持する多孔板との接触が不安定となるという問題があった。

図６に示されるように、伝熱管１０１が多孔板１０４に支持されない場合、伝熱管１０１と、伝熱管１０１が挿通する多孔板１０４に設けられた貫通部１０３との間に隙間１０５が形成される。この隙間１０５が形成されている場合に、伝熱管１０１が多孔板１０４との接触不良により振動（自励振動）するという問題があった。また、伝熱管１０１が挿通する多孔板１０４の貫通部１０３と振動時に接触することで、伝熱管１０１に設けられたフィン１０２が摩耗箇所１０２ａのように摩耗するという問題があった。

伝熱管の自励振動を防止するためには、所定の間隔で伝熱管を支持する支持点を設ける必要があるが、支持点として機能させるには所定値よりも高い荷重でフィンと多孔板が接触し続けなければならないという問題があった。

多孔板が伝熱管の支持点として機能しない場合、伝熱管の固有振動が変化するおそれがあった。また、伝熱管の固有振動数を計算する際に振動数が変化することから、振動の周期が変化してしまう。これにより、固有振動数が小さくなるため、排気ガスの低い流速であっても伝熱管の自励振動が発生しやすくなるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、より簡便な構造で伝熱管を支持することで、伝熱管の自励振動を防止する伝熱管組立体およびこれを備えた熱回収装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の伝熱管組立体およびこれを備えた熱回収装置は以下の手段を採用する。
本発明の伝熱管組立体は、所定間隔を有して略平行に配置され、それぞれが略鉛直方向に延在するとともに、内部に熱媒体が流通する複数の伝熱管と、各前記伝熱管の外周部に設けられた複数のフィンと、前記フィンを備えた前記伝熱管を挿通させる貫通部が形成されるとともに、略水平方向に配置された複数の多孔板と、を備え、室温状態にて、前記フィンの外周と前記貫通部との間には隙間が形成され、前記隙間は、熱交換を行う加熱状態にて、熱膨張によって前記貫通部と前記フィンとが接触する寸法に設定されることを特徴とする。

所定間隔を有して略平行に配置され、それぞれが略鉛直方向に延在するとともに、内部に熱媒体（例えば蒸気）が流通する複数の伝熱管が設けられている。各伝熱管の外周部に伝熱管を支持するための複数のフィンが設けられている。各伝熱管の内部に蒸気が流され、ボイラ等の排気ガスからの熱影響を受けて多孔板が熱膨張することで、フィンの外周と貫通部との間に形成された隙間が埋められている。これにより、伝熱管の加熱時にフィンと多孔板の貫通部を接触させることで、伝熱管を支持することができる。したがって、伝熱管の自励振動の発生を防ぐことができる。

さらに、本発明にかかる伝熱管組立体は、前記フィンは、前記多孔板と異なる線膨張率とされることを特徴とする。

フィンは、多孔板と異なる線膨張率とされている。フィンの材料は、例えば、多孔板の材料よりも小さい線膨張率とされている。これにより、多孔板が熱膨張することで、多孔板に設けられた貫通部とフィンが接触する。したがって、多孔板の熱膨張を利用して伝熱管を支持することができる。

さらに、本発明にかかる伝熱管組立体は、前記多孔板の一端を固定する固定部を備えていることを特徴とする。

多孔板の一端を固定部により固定することで多孔板を固定することができる。これにより、多孔板の熱伸びを利用してフィン付伝熱管のフィンと多孔板を接触させることができる。また、支持点として機能させることができるので、伝熱管の自励振動の発生を抑制することができる。

さらに、本発明にかかる伝熱管支持構造物は、一の前記固定部は、一の前記多孔板の一端に固定され、他の前記固定部は、前記一の前記多孔板に隣り合う他の前記多孔板の他端に固定されていることを特徴とする。

一の固定部は、一の多孔板の一端に固定され、他の固定部は、一の前記多孔板に隣り合う他の多孔板の他端に固定されて設けられている。固定部が互い違いとなって多孔板の両端部に設けられているので、熱伸びする方向を異ならせることでフィンと多孔板を安定して接触させることができる。したがって、多孔板を支持点として機能させることで自励振動の発生を抑制することができる。

さらに、本発明にかかる熱回収装置は、上記のいずれかに記載の伝熱管組立体を備えていることを特徴とする。

伝熱管組立体を熱回収装置（例えばガスタービンの排熱を回収して蒸気を生成する排熱回収装置（ＨＲＳＧ））に設けることで、伝熱管と多孔板との接触不良を防ぐことができる。したがって、伝熱管の自励振動を防ぐことができる熱回収装置とすることができる。

ボイラ等の排気ガスからの熱影響を受けて多孔板が熱膨張することで、フィンの外周と貫通部との間に形成された隙間が埋められる。これにより、伝熱管の加熱時にフィンと多孔板の貫通部を接触させることで、伝熱管を支持することができる。したがって、伝熱管の自励振動の発生を防ぐことができる。

本発明の熱回収装置が適用される横型ＨＲＳＧの概略構成を示した斜視図である。 本発明の伝熱管組立体が適用される熱回収装置の第１実施形態を示した側面図である。 本発明に係る伝熱管組立体を示した正面図である。 本発明の伝熱管組立体を示した部分詳細図である。 本発明の伝熱管組立体が適用される熱回収装置の第２実施形態を示した側面図である。 本発明の伝熱管組立体の参考例を示した部分詳細図である。

以下に、本発明に係る伝熱管組立体およびこれを備えた熱回収装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の熱回収装置が適用される横型ＨＲＳＧ１００（以下、単に「ＨＲＳＧ」という。）の概略構成が示されている。図１に示すように、ＨＲＳＧ１００は、図示しないガスタービンから排出された排気ガスを矢印ａの方向に水平に流し、吊り下げて垂直に配置した伝熱管（図２参照）により蒸気を発生させる。コンバインドサイクル発電プラント（図示せず）を構成するＨＲＳＧ１００は、ガスタービンの排熱を利用して蒸気を発生し、蒸気タービン（図示せず）へ供給する設備である。

ＨＲＳＧ１００は、鉄鋼構造の支持体に支持されたケーシング１０の内部に複数の伝熱管４（図２参照）が金属バンド等で束ねた群とされて配置されている。伝熱管４の群をヘッダー５を介して図示しない蒸気ドラム又は蒸気タービン等の間で蒸気又は熱水を導通させている。また、ケーシング１０（図１参照）の内部に複数の伝熱管４が宙吊りとなって設けられている。

複数の伝熱管４は、ケーシング１０内で略鉛直方向に延在するとともに、所定間隔を有して略平行に配置されている。また、伝熱管４の内部には熱媒体（例えば蒸気）が流通され、伝熱管４の外周部には伝熱管４を支持するための複数のフィン３（図３参照）が溶接により接合されて設けられている。

また、同様にケーシング１０内には、ケーシング１０と水平方向に延在する複数の多孔板１が設けられる。多孔板１は、フィン３を備えた伝熱管４を挿通させる貫通部６（図３参照）が形成されるとともに、鉛直方向に所定間隔を有して略水平方向に配置される。また、多孔板１の材料は、伝熱管４に設けられたフィン３の材料よりも熱膨張率が大きい材料が用いられる。多孔板１と伝熱管４の材料を選定する場合は、線膨張率係数が導かれる、また、線膨張係数から伸び量を下記の式を用いて計算する。
伸び量ΔＬ＝材料長さ×線膨張係数×絶対温度差
線膨張率が小さくなると伸び量もそれに伴い小さくなる。したがって、例えば室温２０℃とした場合に、ステンレス鋼が１４．７×１０^−６／Ｋ、鉄が１１．８×１０^−６／Ｋとされる。
多孔板１の材料は、伝熱管４に設けられたフィン３よりも熱膨張率が大きい材料が用いられるので、例えば、多孔板１にステンレス鋼が用いられ、フィン３に鉄が用いられる。

図２に示されているように、多孔板１の一端に多孔板１を固定する固定部１ａが設けられている。固定部１ａは、例えばボイラ（図示せず）の壁などに固定される。

図３に示されているように、伝熱管４は、外周部にフィン３を設けている。フィン３は、多孔板１に設けられた貫通部６との間にボイラの定格運転時の温度による熱伸びを考慮した隙間２が設けられている。また、隙間２は、ボイラの運転停止時に形成され、ボイラの定格運転時は、フィン３と貫通部６の接触により隙間２が埋まる状態とされる。隙間２は、例えば、４ｍｍとされている。

次に上記構成の伝熱管組立体の動作について説明する。
図２に示すように、ボイラの定格運転時には、排気ガスの熱影響を受けて矢印ｃの方向（図において左）に多孔板１が熱伸びする。また、図３に示すように、排気ガスが伝熱管４の外周側に供給されている場合は、伝熱管４内には蒸気が矢印ｂの方向へと流れる。排気ガスから熱影響を受けた多孔板１と伝熱管４が熱膨張を起こす。また、図４に示されているように、温度の状況によって、多孔板１に設けられた貫通部６が矢印ａの方向に伸縮する。したがって、伝熱管４に設けられたフィン３よりも線膨張係数が大きくされた多孔板１の貫通部６が熱膨張することで、伝熱管４のフィン３と接触する。また、フィン３は伝熱管４内を流れる蒸気により冷やされるため、フィン３の熱膨張は、多孔板１の貫通部６よりも小さい。また、フィン３と多孔板１との温度差は例えば、３０℃とされる。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
排気ガスの熱影響を受けて多孔板１が熱膨張することで、多孔板１に設けられた貫通部６が内周側に向かって熱膨張する。これにより、伝熱管４に設けられたフィン３の外周と貫通部６との間に形成された隙間２を埋めることができる。これにより、多孔板１の加熱時にフィン３と多孔板１の貫通部６を接触させることで、伝熱管４を支持することができる。したがって、伝熱管４の自励振動の発生を防ぐことができる。

多孔板１は、フィン３と異なる線膨張率とされている。多孔板１の材料には、例えば、ステンレス鋼が用いられ、フィン３の材料よりも大きい線膨張率とされている。これにより、多孔板１に設けられた貫通部６が内周側に熱膨張することで、貫通部６の内周側に設けられた伝熱管４のフィン３と接触する。したがって、多孔板１の熱膨張を利用して伝熱管４を支持することができる。

多孔板１の一端を固定部１ａにより固定することで多孔板１を固定することができる。これにより、多孔板１の他端側への熱伸びを利用して伝熱管４のフィン３と多孔板１の貫通部６（図３参照）を接触させることができる。また、多孔板１を支持点として機能させることができるので、伝熱管４の自励振動の発生を抑制することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、図５を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に示した多孔板１の固定部１ａが互い違いとなって多孔板の両端部に設けられるようになっている。したがって、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付しその説明を省略する。
図５に示されているように、一の固定部１ａは、一の多孔板１の一端に固定され、他の固定部１ｂは、一の多孔板１に隣り合う他の多孔板１の他端に固定されて設けられている。すなわち、固定部１ａ，１ｂが互い違いとなって多孔板１の両端部に設けられている。

多孔板１が排気ガスからの熱影響を受けると、各多孔板１が熱伸びを起こす。熱影響を受けた多孔板１に設けられた固定部１ａは、矢印ｃの方向（図において左）へと熱膨張する。また、固定部１ｂは、矢印ｄの方向へと熱膨張する。

本実施形態によれば、熱伸びする方向を固定部１ａ，１ｂとの間で異ならせることでフィン３と多孔板１を安定して接触させることができる。したがって、多孔板１を支持点として機能させることで伝熱管４の自励振動の発生を抑制することができる。

１ 多孔板
１ａ 固定部
１ｂ 固定部
２ 隙間
３ フィン
４ 伝熱管
５ ヘッダー
６ 貫通部
１０ ケーシング
１００ 横型ＨＲＳＧ

Claims (5)

1. 所定間隔を有して略平行に配置され、それぞれが略鉛直方向に延在するとともに、内部に熱媒体が流通する複数の伝熱管と、
   各前記伝熱管の外周部に設けられた複数のフィンと、
   前記フィンを備えた前記伝熱管を挿通させる貫通部が形成されるとともに、略水平方向に配置された複数の多孔板と、を備え、
   室温状態にて、前記フィンの外周と前記貫通部との間には隙間が形成され、
   前記隙間は、熱交換を行う加熱状態にて、熱膨張によって前記貫通部と前記フィンとが接触する寸法に設定されることを特徴とする伝熱管組立体。
2. 前記フィンは、前記多孔板と異なる線膨張率とされることを特徴とする請求項１に記載の伝熱管組立体。
3. 前記多孔板の一端を固定する固定部を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の伝熱管組立体。
4. 一の前記固定部は、一の前記多孔板の一端に固定され、
   他の前記固定部は、前記一の前記多孔板に隣り合う他の前記多孔板の他端に固定されていることを特徴とする請求項３に記載の伝熱管組立体。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の伝熱管組立体を備えていることを特徴とする熱回収装置。

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