JP2016065684A - 排熱回収ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】高レベルの地震波に対しても十分に耐えることができる排熱回収ボイラを提供する。
【解決手段】排熱回収ボイラ５０はケーシング支持用のバックステイ１を備え、バックステイ１内に一対の主ブレース２、２が設けられている。各主ブレース２とバックステイ１の側部１ｄとの間に副ブレース３が設けられ、熱伸び時に副ブレース３により主ブレース２は中央部に向って押圧される。
【選択図】図１

Description

本実施の形態は、排熱回収ボイラに関する。

コンバインドサイクル発電においては、ガスタービンの燃焼ガスの熱を利用して蒸気を発生する排熱回収ボイラ（以下、ＨＲＳＧ）が使用される。ＨＲＳＧは、ケーシング板を４周に取付けて保温材を内張りした矩形のダクト構造を持つケーシングを有し、その中に多数の伝熱管群を内蔵している。

ケーシングにはバックステイと呼ばれる大型の梁材を接合したラーメン構造が採用されており、ガスタービンの排気圧力やケーシング、伝熱管群の荷重は主にバックステイにより保持されている。ＨＲＳＧは、断面の幅、高さの寸法が共に１０ｍ以上の大型のものが多く、矩形断面内の水平方向の荷重が作用するとせん断変形しやすい。そのため、ケーシングのバックステイ内にブレースを設置し、せん断変形を防止している。

近年の震災の経験からＨＲＳＧを含む発電設備に対し、より高レベルの地震波に対する強度が要求されるようになってきており、ＨＲＳＧの耐震性の向上は急務となっている。従来のＨＲＳＧでは矩形断面をもつバックステイ内を横断するようにブレースを設置しているため、より高レベルの地震波が作用した場合、座屈する可能性がある。また、ブレースを補強する場合でも、高温環境下での熱伸びを考慮しつつ、補強をしなければならないという問題がある。

特許第５０００２４９号公報

従来のＨＲＳＧの問題点として、上部と下部のバックステイを繋ぐようにブレースを設置しているためブレースの全長が長く、細長比が大きいことや、ＨＲＳＧ内は運転時６００℃級の高温環境となるため、ブレースの耐力が常温時に比べ大幅に低下することなどが挙げられる。そのため、今後更に高レベルの地震波に対しては、運転時にブレースが座屈してしまい要求される耐震性を確保できない可能性が高い。

ＨＲＳＧの耐震性を向上させる方法としてブレースの座屈強度を向上させる方法が考えられるが、耐力が低下する高温環境下でブレース単独で座屈強度を上げる方法ではブレースの形状、取付け工事共に大型のものになり非経済的である。補強材をブレースに設置する方法やブレースを短くして座屈強度を上げる方法も考えられるが、いずれの場合でも、高温環境下で熱伸びを拘束しない構造が必要となる。しかし、熱伸びを拘束しない構造には、部材と部材の接合部にクリアランスを設ける必要があり、クリアランスが大きいほど部材から部材へ力を有効に伝達できずＨＲＳＧの耐震性を確保しにくいという問題がある。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、高レベルの地震波に対しても十分に耐えることができる排熱回収ボイラを提供することを目的とする。

本実施の形態は、上部と下部と一対の側部とを有するとともに矩形断面をもつケーシング支持用のバックステイと、前記バックステイ内に配置されたブレース装置とを備え、前記ブレース装置は、前記バックステイの下部の両端とバックステイの上部中央部とを連結する一対の主ブレースと、各主ブレースの中央部とバックステイの側部とを連結する副ブレースとを有し、各副ブレースは下部ガセットを介して側部に連結され、副ブレースは熱伸び時に主ブレースを内側へ押圧することを特徴とする排熱回収ボイラである。

本実施の形態による排熱回収ボイラの停止時の状態を示す図。 本実施の形態による排熱回収ボイラの運転時の状態を示す図。 停止時における下部ガセットを示す図。 運転時における下部ガセットを示す図。 停止時における上部ガセットを示す図。 停止時における上部ガセット、下部ガセットおよびストッパを示す図。 運転時における上部ガセット、下部ガセットおよびストッパを示す図。 排熱回収ボイラを示す概略図。 比較例としての排熱回収ボイラを示す図。

以下、図面を参照して、排熱回収ボイラの実施の形態について説明する。図１乃至図９は排熱回収ボイラの実施の形態を示す図である。まず排熱回収ボイラ全体について述べる。排熱回収ボイラは内部に多数の伝熱管が配置された矩形ダクト内にガスタービンからの排ガスを導入して前記伝熱管で排ガスの熱を吸収して蒸気を発生した後、排ガスを下流側の煙道へ排出するものである。

排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）は、図８に示すようにガスタービンで仕事をした後の排ガスの持つ熱エネルギーを伝熱管で回収して蒸気を発生させ、外部の蒸気タービンに供給して発電する複合発電プラント（コンバインドサイクル発電プラント）に使用される。

すなわち、排熱回収ボイラ５０は矩形断面を有するケーシング５２と、ケーシング５２内に配置された多数の伝熱管５１とを備えている。

前記ガスタービンからの排ガスは、ＨＲＳＧのケーシング５２の入口では排ガス温度が６００〜７００℃程度に達する。排ガスはケーシング５２内で前記伝熱管５１と熱交換したのち、２００℃以下程度となりケーシング５２の出口に連接して設けられた下流側の図示しない煙突から又は煙道を介して煙突から大気中に放散される。

ところで、上述したＨＲＳＧのケーシング５２には、このケーシング５２を支持するバックステイ１が設けられている。ケーシング５２は矩形断面を有しており、このケーシング５２の形状に対応してバックステイ１も矩形断面を有する。

次に図１乃至図７により、ケーシング支持用のバックステイ１について説明する。バックステイ１は、上部１ａと、下部１ｂと、一対の側部１ｃ、１ｄとを有する矩形断面をもち、このバックステイ１内に、バックステイ１を補強するブレース装置２Ａを含む。

このうちブレース装置２Ａはバックステイ１の下部１ｂの両端と、バックステイ１の上部１ａの中央部とを連結する一対の主ブレース２、２と、各主ブレース２の中央部とバックステイ１の側部１ｃ、１ｄとを連結する副ブレース３、３とを有している。

また各副ブレース３、３は、バックステイ１の側部１ｃ、１ｄに、下部ガセット２０を介して連結されている。

次に下部ガセット２０とバックステイ１の側部１ｃ、１ｄとの連結構造について述べる。図３に示すように、下部ガセット２０は溶接により形成された溶接部５を介して側部１ｃ、１ｄに固着され、下部ガセット２０の側部１ｃ、１ｄ側には、複数のスリット２３ａ、２３ｂが設けられている。このように下部ガセット２０の側部１ｃ、１ｄ側に複数のスリット２３ａ、２３ｂを設けることにより、下部ガセット２０の溶接部５近傍に生じる熱応力を低減することができる。

下部ガセット２０の溶接部５に形成されたスリット２３ａ、２３ｂは、下部ガセット２０に加わる熱応力を低減するものであり、水平細長形状をもつスリット２３ａあるいは矩形をもつスリット２３ｂからなる。

なお、図３においてバックステイ１の側部１ｄ側に取付けられた下部ガセット２０を示しているが、バックステイ１の側部１ｃ側に取付けられた下部ガセット２０も、側部１ｄ側の下部ガセット２０と同一構造をもつ。

また各副ブレース３の一端には第１ガセットピン２１が取付けられており、この第１ガセットピン２１は下部ガセット２０に設けられた水平長穴２２に係合する。また各副ブレース３の他端にはブレースピン１１が取付けられており、このブレースピン１１は主ブレース２に固着されたブレースガセット１０の開口１０ａに回動自在に係合する。

さらに図４および図５に示すように、バックステイ１の側部１ｃ、１ｄであって、下部ガセット２０より上方に上部ガセット３０が固着され、下部ガセット２０と上部ガセット３０との間にストッパ４が介在されている。上部ガセット３０は側部１ｃ、１ｄに溶接により形成された溶接部５Ａを介して固着され、上部ガセット３０の側部１ｃ、１ｄ側には、複数のスリット３３ａ，３３ｂが設けられている。このように上部ガセット３０の側部１ｃ、１ｄ側に複数のスリット３３ａ，３３ｂを設けることにより、上部ガセット３０の溶接部５Ａ近傍に生じる熱応力を低減することができる。

上部ガセット３０に形成されたスリット３３ａは、上部ガセット３０に加わる熱応力を低減するものであり、水平細長形状をもつ。また、スリット３３ｂはスリット３３ａより大きな三角形形状をもつ。

なお、図５において、バックステイ１の側部１ｄ側に取付けられた上部ガセット３０を示しているが、バックステイ１の側部１ｃ側に取付けられた上部ガセット３０も側部１ｄ側の上部ガセット３０と同一構造をもつ。

次に下部ガセット２０と上部ガセット３０との間に介在するストッパ４について述べる。ストッパ４は垂直方向に延びる細長形状をもち、ストッパ４の上端には第２ガセットピン３１が取付けられており、この第２ガセットピン３１は上部ガセット３０に設けられた垂直長穴３２に係合している。

またストッパ４の下方部分は、下部ガセット２０に設けられたガイド２４により案内される。

このように、ストッパ４の上端に上部ガセット３０に設けられた垂直長穴３２に係合する第２ガセットピン３１が設けられているため、ストッパ４は下部ガセット２０および上部ガセット３０に対してガイド２４に案内されて上下方向に移動可能となっている。

ところで、バックステイ１、主ブレース２および副ブレース３等の構造部材はすべて鋼材からなっているが、本実施の形態においては副ブレース３の熱伸びを遅らせる目的で、副ブレース３を覆って、例えば、セラミックウール材またはロックウール材からなる保温材６が設けられている。この保温材６は鋼材に比べて高い断熱性をもち、バックステイ１、主ブレース２および副ブレース３が高温に晒された際、副ブレース３の熱伸びを遅らせる機能を果す。

次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

ここでは本実施の形態によるＨＲＳＧ５０が起動、停止する際の挙動について説明する。ＨＲＳＧ５０の停止時は、図１および図３に示すように主ブレース２は直線的な形状であり、第１ガセットピン２１は水平長穴２２のＨＲＳＧ５０の中心方向側に位置している。また、ストッパ４は第１ガセットピン２１の上方に位置している。

ＨＲＳＧ５０が起動する際、ＨＲＳＧ５０内の温度が上昇するにつれてＨＲＳＧ５０内の部材が熱伸びする。副ブレース３には、保温材６を施工しているため、ストッパ４は副ブレース３より先に加熱され熱伸びする。

熱伸びした分ストッパ４が下方に伸び、図６に示すように第１ガセットピン２１と接触する。この時、上部ガセット３０には第２ガセットピン３１が高さ方向に自由に移動できるよう垂直長穴３２が設けられているため、ストッパ４は上方向に自由に熱伸びする。次に副ブレース３も遅れて熱伸びし、第１ガセットピン２１は水平長穴２２のバックステイ１側に移動する。第１ガセットピン２１が移動することで、ストッパ４は落下し、図７に示すようになる。このときストッパ４が水平長穴２２のＨＲＳＧ中心側を塞ぎ、地震時に主ブレース２中央が下方向に弓形に座屈変位しようとして副ブレース３に引張り荷重が作用しても、第１ガセットピン２１がＨＲＳＧ５０の中心側に移動しないように固定する。この時、主ブレース２及び副ブレース３の熱膨張による第１ガセットピン２１の移動量より小さい水平長穴２２を形成する。このため第１ガセットピン２１の水平方向の移動量を制限し、運転時において図２に示すように副ブレース３が主ブレース２に撓みを与えられる。

ＨＲＳＧ５０が停止する際、ストッパ４が先に冷えて収縮するため第１ガセットピン２１の固定が解消された後、副ブレース３が収縮する。これにより、ＨＲＳＧ５０の停止時に第１ガセットピン２１がストッパ４に当たることはない。

この間、下部ガセット２０及び上部ガセット３０は加熱されて熱伸びし、バックステイ１は大気温度に近いため大きく熱伸びしないが、スリット２３ａ、２３ｂ、スリット３３ａ，３３ｂにより、下部ガセット２０及び上部ガセット３０とバックステイ１との間の熱伸び差を吸収する。

本実施の形態によれば、主ブレース２の座屈を防止し、ＨＲＳＧ５０の耐震性を向上することができる。また、水平長穴２２および垂直長穴３２やストッパ４により、過大な熱応力の発生を防ぐと同時に主ブレース２の補強を可能にしている。

また通常、主ブレース２の座屈方向は予想できないため、前後左右４方向に副ブレース３を設置する必要があるが、本発明では副ブレース３で主ブレース２に撓みを与えることにより、座屈方向をＨＲＳＧ５０の中心方向の１方向のみに限定し、主ブレース２を１本の副ブレース３で補強できる。これにより、多数の伝熱管５１が設置されており十分なスペースがないＨＲＳＧ５０内への副ブレース３の設置を可能にしている。さらに、下部ガセット２０及び上部ガセット３０に設けられたスリット２３ａ、２３ｂ、３３ａ，３３ｂにより熱伸びによる溶接部５、５Ａの破断を防止している。

さらに、施工上のメリットとして、ＨＲＳＧ５０に対しては主ブレース２単独で強度を担保するよりも、主ブレース２を支持する副ブレース３によって主ブレース２の小型化が図れる。また主ブレース２が設置されているＨＲＳＧ５０には、副ブレース３とストッパ４を追加し、適宜補強できる。

次に図９により本発明の比較例について説明する。一般のＨＲＳＧ５０は、ケーシング支持用のバックステイ１を有し、このバックステイ１内に補強用の一対の主ブレース２、２が配置されている。

図９に示す比較例においては、上述のように主ブレース２の座屈方向が予想できないため、主ブレース２を補強するために副ブレース３を前後左右４方向に配置する必要がある。これに対して本実施の形態によれば、副ブレース３により主ブレース２をＨＲＳＧ５０の中心方向へ向って押圧するため主ブレース２の座屈方向を１方向に限定することができ、不必要に多くの副ブレース３を設ける必要はない。
なお、上記実施の形態は例示であって、発明の範囲はそれらに限定されない。

１ バックステイ、１ａ 上部、１ｂ 下部、１ｃ、１ｄ 側部、２ 主ブレース、２Ａ ブレース装置、３ 副ブレース、４ ストッパ、５ 溶接部、５Ａ 溶接部、６ 保温材、１０ ブレースガセット、１０ａ 開口、１１ ブレースピン、２０ 下部ガセット、２１ 第１ガセットピン、２２ 水平長穴、２３ａ、２３ｂ スリット、２４ ガイド、３０ 上部ガセット、３１ 第２ガセットピン、３２ 垂直長穴、３３ａ，３３ｂ スリット、５０ 排熱回収ボイラ、５１ 伝熱管、５２ ケーシング

Claims (7)

1. 上部と下部と一対の側部とを有するとともに矩形断面をもつケーシング支持用のバックステイと、
   前記バックステイ内に配置されたブレース装置とを備え、
   前記ブレース装置は、前記バックステイの下部の両端とバックステイの上部中央部とを連結する一対の主ブレースと、各主ブレースの中央部とバックステイの側部とを連結する副ブレースとを有し、各副ブレースは下部ガセットを介して側部に連結され、副ブレースは熱伸び時に主ブレースを内側へ押圧することを特徴とする排熱回収ボイラ。
2. 各副ブレースには、下部ガセットに設けられた水平長穴に係合するガセットピンが設けられ、各下部ガセットは、対応するバックステイの側部であって、下部ガセットより上方に固定された上部ガセットに、ストッパを介して連結され、このストッパは熱伸び時に前記長穴まで伸びて水平長穴内でガセットピンを固定することを特徴とする請求項１記載の排熱回収ボイラ。
3. 各下部ガセットはバックステイの側部に溶接され、この下部ガセットの溶接部にスリットが形成されていることを特徴とする請求項２記載の排熱回収ボイラ。
4. 各上部ガセットはバックステイの側部に溶接され、この上部ガセットの溶接部にスリットが形成されていることを特徴とする請求項２記載の排熱回収ボイラ。
5. 各ストッパには、上部ガセットに設けられた垂直長穴に係合するガセットピンが設けられていることを特徴とする請求項２記載の排熱回収ボイラ。
6. 各副ブレースは、ブレースガセットを介して主ブレースに連結され、前記副ブレースに前記ブレースガセットの開口に係合するブレースピンが設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の排熱回収ボイラ。
7. 各副ブレースは、保温材により覆われていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の排熱回収ボイラ。

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