JP2016042005A - ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の熱交換チューブの温度計測を効率よく行うとともに、光ファイバの交換を容易とする。
【解決手段】互いに間隔をあけて並設された複数の熱交換チューブ６と、複数の熱交換チューブ６の並設方向に延びるように配置され、熱交換チューブ６に接触するように固定された保護管１２と、保護管１２に抜き差し可能に挿通された光ファイバ１１と、光ファイバ１１にレーザパルス光を入射する入射パルス発信装置１４と、レーザパルス光が後方散乱光として返ってくるまでの時間、波長、及び光強度を分析する分析装置１５と、を備えるボイラ。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、火力発電プラントに設けられ、複数の伝熱管を有するボイラに関する。

火力発電プラントの発電用ボイラにおいては、いくつかの過熱器にて蒸気が過熱される。過熱器は多数の伝熱管を有し、ボイラの高温排ガスにより伝熱管の外側より管内部を通る蒸気を過熱する。ボイラの高温排ガスで過熱され多数の伝熱管を通過した蒸気は、ボイラ上部に配置され、高温排ガスが流入しない天井ハウジング内の管寄せに集合する。管寄せは非加熱部であり、多数の管台を経由してボイラの伝熱管から過熱された蒸気を集めるものである。
ボイラの過熱器はその中に異物などの障害物が混入すると、蒸気流れが阻害される。蒸気の流れが阻害されると、高温のガスが伝熱管の外側から伝熱管表面を加熱する一方で、中の流体が少なくなったりするため好ましくない。

ボイラの過熱器の状態を監視する方法としては、非加熱部である管台の温度を熱電対により計測し、温度監視を行う方法が知られている。
また、例えば、特許文献１には、光ファイバを用いて高温下の物体の温度分布を測定する方法について記載されている。

特開平８−１４５８１０号公報

ところで熱電対は、その温度検知する原理から１本（１対）につき１点しか計測できず、多数に上る伝熱管の全数の温度を監視することは、コストや施工上現実的ではない。また、熱電対をボイラ外へ取り出す構造上、現実的ではない。
そのため、現状は熱電対を管台の非加熱部の代表点のみに配置し、その温度の傾向により温度監視や異常過熱部が無いかを監視している。しかしながら、異物が詰まる箇所が温度を監視している伝熱管と違えば異常過熱を検知できないという課題がある。

また、特許文献１に記載の方法では、測定対象が複数の伝熱管など離散している場合には、測定が難しくなるという課題がある。

この発明は、複数の熱交換チューブの温度計測を効率よく行うことができるとともに、光ファイバの交換を容易としたボイラを提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、ボイラは、互いに間隔をあけて並設された複数の熱交換チューブと、前記複数の熱交換チューブの並設方向に延びるように配置され、前記熱交換チューブに接触するように固定された保護管と、前記保護管に抜き差し可能に挿通された光ファイバと、前記光ファイバにレーザパルス光を入射する入射パルス発信装置と、前記レーザパルス光が後方散乱光として返ってくるまでの時間、波長、及び光強度を分析する分析装置と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、光ファイバが熱交換チューブの並設方向に延びるように配置されるため、分析装置による複数の熱交換チューブの温度計測を効率よく行うことができる。保護管を介して光ファイバを交換可能となるため、メンテナンスが容易となり、また、光ファイバの種類や計測方法の変更が容易となる。

上記ボイラにおいて、前記複数の熱交換チューブの少なくとも一つに取り付けられている熱電対を有し、前記分析装置は、前記熱電対にて計測された温度を用いて、前記時間、波長、及び光強度を分析することにより計測された温度を較正する構成としてもよい。
このような構成によれば、分析装置による複数の熱交換チューブの温度計測をより正確に行うことができる。

上記ボイラにおいて、前記保護管と前記光ファイバとの間に配置され、所定の熱伝達率を有する介在部材を有する構成としてもよい。
このような構成によれば、介在部材によって光ファイバを保護することができ、かつ、介在部材の熱伝達率を用いて計測される温度を補正することができる。

上記ボイラにおいて、前記保護管は、前記複数の熱交換チューブの前記間隔と同じピッチで蛇行している構成としてもよい。
このような構成によれば、保護管が熱収縮した場合においても、保護管の伸び縮みを吸収することができる。

本発明によれば、光ファイバが熱交換チューブの並設方向に延びるように配置されるため、分析装置による複数の熱交換チューブの温度計測を効率よく行うことができる。保護管を介して光ファイバを交換可能となるため、メンテナンスが容易となり、また、光ファイバの種類や計測方法の変更が容易となる。

本発明の第一実施形態のボイラの斜視図である。 本発明の第一実施形態の管寄せ近傍を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態の保護管及び光ファイバの構造を説明する斜視図である。 本発明の第一実施形態の光ファイバの保護管の固定方法を説明する断面図である。 本発明の第一実施形態の光ファイバの保護管の設置方法を説明する側面図である。 本発明の第一実施形態の光ファイバの保護管の設置方法の変形例を説明する平面図である。 本発明の第一実施形態の光ファイバの保護管の設置方法の変形例を説明する側面図である。 レイリー散乱光、ラマン散乱光、及びブリルアン散乱光の測定例を示すグラフである。 本発明の第二実施形態の光ファイバの保護管の固定方法を説明する断面図である。 本発明の第三実施形態の光ファイバの保護管の設置方法の変形例を説明する側面図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態のボイラ１について図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態のボイラ１は、例えば、火力発電プラントに設けられるボイラ１である。図１に示すように、ボイラ１の上部の煙道２には、複数の過熱器３や再熱器（図１には一つの過熱器３み示す）が設けられている。過熱器３は、入口管寄せ４ａ及び出口管寄せ４ｂと、これらに接続された複数の伝熱管６（熱交換チューブ）と、を有している。燃焼ガスＧは、旋回しながら上昇し、ボイラ１の壁管を加熱するとともに、煙道２に配置された複数の伝熱管６を加熱する。

図２に示すように、管寄せ４はボイラ１の天井壁７より上方に配置され、複数の伝熱管６は天井壁７の上方で管台８を構成している。複数の伝熱管６は、天井壁７を貫通して煙道２（図１参照）に配置されている。複数の伝熱管６は、管台８付根部位で管寄せに溶接されている。管台８を構成する伝熱管６は、管寄せ４の軸方向に互いに間隔をあけて数十列並設されている。換言すれば、複数の伝熱管６は、複数の伝熱管６が互いに平行となるように並べられて配置されている。
また、ボイラ１の天井壁７には、ボイラ天井ハウジング９が設けられている。ボイラ天井ハウジング９は、ボイラ１の内部空間とは隔離され、煙道２を通過する燃焼ガスが流入することがない空間である。

本実施形態の管台８を構成する複数の伝熱管６には、伝熱管６の温度を計測するための光ファイバ１１が配置されている。光ファイバ１１は、複数の伝熱管６の並設方向Ｓ（管寄せ４の軸方向）に延びるように配置され、伝熱管６に接触するように固定された金属製の保護管１２の内部に配置されている。光ファイバ１１は、保護管６に抜き差し可能に挿通されている。
ここで並設方向とは、複数の伝熱管６が並んでいる方向である。本実施形態の複数の伝熱管６は、互いに平行となるように配置されているため、並設方向は、伝熱管６の延在方向と直交する方向である。

光ファイバ１１は、ガイド管として機能する保護管１２によって複数の伝熱管６の近傍に配置されており、管状の部材である保護管１２によって保護されている。
保護管１２は、例えば、耐食性を向上させたステンレス鋼材であるＳＵＳ３１６のような金属によって形成されている。保護管１２の直径は、光ファイバ１１の直径に応じた寸法とされており、本実施形態の保護管１２の直径は約３．２ｍｍである。

保護管１２は、ボイラ天井ハウジング９に形成されている貫通穴１３を介してボイラ天井ハウジング９内に挿入されている。
光ファイバ１１は、終端である第一の端部１１ａから保護管１２に挿入され、第一の端部１１ａとは反対側の第二の端部１１ｂは、光ファイバ計測器１４と接続されている。
光ファイバ計測器１４は、光ファイバ１１にパルス状のレーザ光であるレーザパルス光を入射する入射パルス発信装置としての機能を有している。また、光ファイバ計測器１４は、レーザパルス光の後方散乱光を受信する後方散乱光受信装置としての機能を有している。
光ファイバ計測器１４は、分析装置であるデータ処理ＰＣ１５と接続されている。データ処理ＰＣ１５は、レーザパルス光が後方散乱光として返ってくるまでの時間、波長、及び光強度を分析するコンピュータである。

図３に示すように、光ファイバ１１は、光が伝搬する芯であるコア１７と、コア１７の周辺を覆う同心円状のクラッド１８と、クラッド１８を覆うポリイミド被覆１９と、ポリイミド被覆１９の外周側を覆う金属管２０と、を有している。コア１７とクラッド１８は、二種類の透明であって光に対して透過率が高い誘電体（石英ガラス又はプラスチック）によって形成されている。クラッド１８の屈折率はコア１７の屈折率よりも小さくされている。これにより、光の全反射現象を利用して光信号をコア１７の中に閉じ込めて伝送している。
ポリイミド被覆１９は、高い耐熱性（〜３００℃）・耐薬品性を有する被覆である。
金属管２０はポリイミド被覆１９の外周側から更に光ファイバ１１を保護するための管であり、例えば、ステンレスやインコロイ（登録商標）製のフレキシブル管を採用することができる。

次に、伝熱管６に保護管１２を固定する際の固定方法について説明する。
図４に示すように、保護管１２は、金属製の固定金具２１と、固定金具２１を伝熱管６の外周面に固定する結束バンド２２（ケーブルタイ）によって固定されている。固定金具２１は、結束バンド２２を管状の伝熱管６の周方向に巻くことによって固定されている。
固定金具２１は、複数の接触点を介して保護管１２に接触する断面Ｕ字状の固定金具本体部２３と、固定金具本体部２３の両端部に設けられたバンド挿通部２４と、から構成されている。バンド挿通部２４は、結束バンド２２を挿通することが可能な孔を有している。

結束バンド２２は、例えば、ステンレスのような金属によって形成されているベルト状の拘束部材である。結束バンド２２の第一の端部にはロック用部品がついている。結束バンド２２の使用の際は、結束バンド２２の第一の端部とは反対側の第二の端部をロック用部品に通す。なお、結束バンド２２は金属製に限ることはなく、要求される耐熱性などの使用を満たすことができれば、樹脂製でもよい。
なお、保護管１２の固定方法はこれに限らず、例えば、保護管１２を針金２６を用いて固縛する方法を採用してもよい。

また、固定した箇所における保護管１２には、グラスウールテープ２５が巻き付けられている。グラスウールテープ２５は、針金２６によって伝熱管６に固定されているとともに、耐熱性に優れ、高温下でも高い接着強度を示す接着剤（例えば、アロンセラミック）によって接着されている。

図５に示すように、保護管１２は蛇行するように形成されている。保護管１２は、伝熱管６の延在方向Ｌ（鉛直方向）の一方と、一方とは反対方向とに蛇行するように形成されている。換言すれば、保護管１２は、伝熱管６の並設方向Ｓ（伝熱管６の延在方向と直交する方向）に向かって直線的に形成されていない。
具体的には、保護管１２は、隣合う伝熱管６同士の間において上方（又は下方）に湾曲するように蛇行している。即ち、保護管１２は、隣り合う伝熱管６同士の間隔と同じピッチで蛇行している。

なお、保護管１２の蛇行する方向は鉛直方向に限ることはない。図６に示すように、水平方向Ｈに蛇行する構成としてもよい。具体的には、保護管１２を、隣合う伝熱管６同士の間において側方に湾曲するように蛇行させてもよい。

また、図７に示すように、保護管１２（光ファイバ１１）を所定の範囲において伝熱管６に沿わせて蛇行させてもよい。保護管１２の伝熱管６に沿う部分は、アロンセラミックなどの接着剤２７によって接着することが好ましい。このように接着することによって、保護管１２と伝熱管６とをより密着させることができる。後述する、ラマン散乱光式計測法では、このような配置方法が特に有効である。
以上示したような方法によって、保護管１２が天井ハウジングに敷設されている。

次に、上記したボイラ１における、管台温度測定方法について説明する。
まず、光ファイバ計測器１４の入射パルス発信装置によって光ファイバ１１にレーザパルス光を入射する。光ファイバ１１に入射されたレーザパルス光は、光ファイバ１１の各通過位置で散乱光を発生する。
この散乱光は、図８に示すように、入射光と同じ波長のレイリー散乱光と、入射光と異なるラマン散乱光、ブリルアン散乱光がある。ラマン散乱光は、入射光より長い波長のストークス光と、入射光より短い波長の反ストークス光とに分けられる。このストークス光と反ストークス光の光の強度比は、散乱光を発生した場所の光ファイバ１１の温度と一定の関係があることが確かめられている。
また、ブリルアン散乱光は、光ファイバ１１の変形（温度やひずみ）に応じて、周波数がシフトすることが知られており、光ファイバ１１の状態の変化を知ることができる。

一方、光ファイバ１１の各部で発生した散乱光の一部は、後方散乱光として再び入射位置に戻ってくる。従って入射パルス光を入射してから後方散乱光として戻ってくる時間を測定すれば、散乱光が発生した位置が分かる。次に、次々に入射位置に戻ってくる後方散乱光の波長と光強度を分析することにより各位置の温度がわかる。

分析装置であるデータ処理ＰＣ１５は、上述したような特性を用いて、光ファイバ１１の温度、光ファイバ１１のひずみを測定する。
例えば、ＲＯＴＤＲ（Raman Optical Time Domain Reflectmeter，ラマン散乱光式計測法）を用いて、伝熱管６の温度を計測することができる。
また、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectmeter，ブリルアン散乱光式計測法）を用いて、伝熱管６の歪、温度を計測することができる。

また、光ファイバ１１に予め回折格子を設けてＦＢＧ（Fiber Bragg Grating，Bragg波長計測法）を用いて、伝熱管６の歪、温度を計測することができる。
なお、光ファイバ１１と伝熱管６との間には、保護管１２が介在しているため、データ処理ＰＣ１５は、保護管１２による温度低下を考慮して温度を算出する。具体的には、保護管１２を構成するＳＵＳ３０４の熱伝達率、保護管１２の板厚を用いて、光ファイバ１１にて計測される温度を補正する。
その他、各種光ファイバ１１センシングの測定方法を採用可能である。

上記実施形態によれば、光ファイバ１１が伝熱管６の並設方向に延びるように配置されるため、分析装置であるデータ処理ＰＣ１５による複数の伝熱管６の温度計測を効率よく行うことができる。

また、保護管１２を介して光ファイバ１１を交換可能となるため、メンテナンスが容易となり、また、光ファイバ１１の種類や計測方法の変更が容易となる。
また、保護管１２が蛇行する形状となっているため、保護管１２が熱収縮した場合においても、保護管１２の伸び縮みを吸収することができる。

なお、上記実施形態のボイラ１では、保護管１２を一体に形成されたものとしたが、これに限ることはない。例えば、保護管１２を２ｍピッチで分割し、分割された保護管１２同士の間を継手を用いて接続してもよい。これにより、管台８のメンテナンス時に保護管１２を容易に取り外すことができる。
また、上記実施形態では、光ファイバ１１の構成としてポリイミド被覆１９や金属管２０を有する構成を示したが、これに限ることはない。例えば、金属管２０を有さない光ファイバ１１を採用してもよい。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態のボイラを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図９に示すように、本実施形態の光ファイバ１１と保護管１２との間には、セラミックによって形成された介在部材２８が配置されている。介在部材２８を形成する材料としては、例えば、保護管１２が６００℃まで熱せられた場合、光ファイバ１１に伝達される温度が３００℃程度まで下げられるような所定の熱伝達率を有する材料が好ましい。熱伝達率が高過ぎると、光ファイバ１１に十分に熱が伝わらないため好ましくない。

分析装置であるデータ処理ＰＣ１５（図２参照）は、介在部材２８による温度低下を衡量して温度を算出する。具体的には、介在部材２８を構成するセラミックの熱伝達率、介在部材２８の板厚を用いて、光ファイバ１１にて計測される温度を補正する。

上記実施形態によれば、介在部材２８によって光ファイバ１１を保護することができ、かつ、介在部材２８の熱伝達率を用いて計測される温度を補正することができる。

（第三実施形態）
以下、本発明の第三実施形態のボイラを図面に基づいて説明する。
図１０に示すように、本実施形態のボイラの伝熱管６には、シース熱電対２９や、パッド型熱電対３１が取り付けられている。具体的には、シース熱電対２９は、保護管１２の内部の所定の位置に配置されている。シース熱電対２９の測温接点３０は、例えば、伝熱管６から遠い位置（Ａ点）や、伝熱管６に最も近い位置（Ｂ点）に設置されている。また、シース熱電対２９は、データ処理ＰＣ１５（図２参照）に接続されている。
データ処理ＰＣ１５は、Ａ点、及びＢ点におけるシース熱電対２９による温度と、光ファイバ１１による温度とを比較し、補正量を決定する。そして、データ処理ＰＣ１５は、決定された補正量を用いて、光ファイバ１１によって測定された他の測定点における温度を補正する。

パッド型熱電対３１の測定面であるパッド面３２は、直接伝熱管６に貼り付けられている。また、パッド型熱電対３１は、データ処理ＰＣ１５に接続されている。即ち、パッド型熱電対３１は、保護管１２の内部に配置されていない。

上記実施形態によれば、熱電対２９，３１を用いてより正確な温度を把握することによって、光ファイバ１１によって測定された温度を補正することができる。また、シース熱電対２９を用いる場合には、保護管１２を介して、容易に熱電対２９，３１を配置することができる。
また、パッド型熱電対３１を用いる場合には、より正確な伝熱管６の温度を測定することができるので、より正確な補正を行うことができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。
例えば、上記各実施形態では、ボイラ１の管台８の伝熱管６の温度、歪を計測したが、これに限ることはない。例えば、ボイラ１の火炉壁の蒸発管の温度、歪を計測する構成としてもよい。

１ ボイラ
２ 煙道
３ 過熱器
４ 管寄せ
４ａ 入口管寄せ
４ｂ 出口管寄せ
６ 伝熱管（熱交換チューブ）
７ 天井壁
８ 管台
９ ボイラ天井ハウジング
１１ 光ファイバ
１１ａ 第一の端部
１１ｂ 第二の端部
１２ 保護管
１３ 貫通穴
１４ 光ファイバ計測器（入射パルス発信装置）
１５ データ処理ＰＣ（分析装置）
１７ コア
１８ クラッド
１９ ポリイミド被覆
２０ 金属管
２１ 固定金具
２２ 結束バンド
２３ 固定金具本体部
２４ バンド挿通部
２５ グラスウールテープ
２６ 針金
２８ 介在部材
２９ シース熱電対
３０ 測温接点
３１ パッド型熱電対
３２ パッド面
Ｓ 並設方向

Claims (4)

1. 互いに間隔をあけて並設された複数の熱交換チューブと、
   前記複数の熱交換チューブの並設方向に延びるように配置され、前記熱交換チューブに接触するように固定された保護管と、
   前記保護管に抜き差し可能に挿通された光ファイバと、
   前記光ファイバにレーザパルス光を入射する入射パルス発信装置と、
   前記レーザパルス光が後方散乱光として返ってくるまでの時間、波長、及び光強度を分析する分析装置と、を備えるボイラ。
2. 前記複数の熱交換チューブの少なくとも一つに取り付けられている熱電対を有し、
   前記分析装置は、前記熱電対にて計測された温度を用いて、前記時間、波長、及び光強度を分析することにより計測された温度を較正する請求項１に記載のボイラ。
3. 前記保護管と前記光ファイバとの間に配置され、所定の熱伝達率を有する介在部材を有する請求項１又は請求項２に記載のボイラ。
4. 前記保護管は、前記複数の熱交換チューブの前記間隔と同じピッチで蛇行している請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のボイラ。

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