JP2018136263A - 温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラーチューブの温度を正確に測定することが可能な温度測定装置を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係る温度測定装置１００は、ボイラーチューブ１の外周面１ａ上に配置された熱電対１０と、熱電対１０のボイラーチューブ１側とは反対側に配置され、ボイラーチューブ１および熱電対１０の外周面に沿うように変形して熱電対１０をボイラーチューブ１の外周面１ａに密着させ、熱電対１０と重ならない位置でボイラーチューブ１にスポット溶接された固定板２０と、固定板２０の熱電対１０側とは反対側に配置され、ボイラーチューブ１と対向する面に溝３５を有し、溝３５内に熱電対１０および固定板２０を収容した状態で、固定板２０と重ならない位置でボイラーチューブ１にスポット溶接された保護板３０と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、温度測定装置に関する。

火力発電所に設置されている過熱器および再熱器などのボイラーチューブが、クリープ損傷により噴破する事例が発生している。運転中のボイラーチューブの温度を測定できれば、ボイラーチューブの余寿命を推定できると考えられるが、ボイラーチューブは高温の炉内に設置されているため、熱電対によって正確な温度測定を行うことは難しい（例えば、特許文献１〜５を参照）。

特開２００９−１７４８８９号公報 特開平０１−１４５５３７号公報 実開昭６０−１０４７３７号公報 実開昭５９−０２５４４１号公報 実開昭５９−０１７８３１号公報

例えば、特許文献１では、ボイラーチューブに溝を形成し、この溝に熱電対を埋め込む構造が提案されている。しかし、ボイラーチューブの肉厚および余肉は薄いため、熱電対を埋め込むことは困難である。特許文献２および５では、ボイラーチューブの外周面に金属の薄板で熱電対を固定することが提案されている。しかし、この構造では、熱電対が燃焼ガスの輻射熱の影響を受けるため、ボイラーチューブの温度を正確に測定することができない。

特許文献３および４では、熱電対の先端を金属ケースの内部に収容し、金属ケースをねじによってボイラーチューブの外周面上に固定する構造が提案されている。ねじは、金属ケースの上部に設置された治具に取り付けられている。金属ケースは、ねじによってボイラーチューブ側とは反対側から加圧される。これにより、金属ケースがボイラーチューブの外周面上に固定されている。

しかし、この構造では、炉内の熱によってねじが緩み、金属ケースとボイラーチューブとの間に隙間が生じる可能性がある。金属ケースとボイラーチューブとの間の密着力が低下すると、ボイラーチューブの温度を正確に測定することができない。また、この構造では、治具のサイズおよび重量が大きくなるため、治具が誤って落下した際に炉が損傷する可能性がある。

本発明の目的は、ボイラーチューブの温度を正確に測定することが可能な温度測定装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る温度測定装置は、ボイラーチューブの外周面上に配置された熱電対と、前記熱電対の前記ボイラーチューブ側とは反対側に配置され、前記ボイラーチューブおよび前記熱電対の外周面に沿うように変形して前記熱電対を前記ボイラーチューブの外周面に密着させ、前記熱電対と重ならない位置で前記ボイラーチューブにスポット溶接された固定板と、前記固定板の前記熱電対側とは反対側に配置され、前記ボイラーチューブと対向する面に溝を有し、前記溝内に前記熱電対および前記固定板を収容した状態で、前記固定板と重ならない位置で前記ボイラーチューブにスポット溶接された保護板と、を有する。

この構成によれば、熱電対の外側が固定板および保護板によって二重に覆われる。そのため、熱電対が燃焼ガスの輻射熱の影響を受けにくい。また、固定板が保護板によって輻射熱から保護されるため、固定板が輻射熱によって変形しにくい。仮に変形しても、狭い溝内での変形となるため、変形量は小さい。そのため、高温の炉内でも熱電対とボイラーチューブとの密着力は良好に維持される。よって、ボイラーチューブの温度が正確に測定される。

例えば、前記保護板と前記固定板との間には、第一の隙間が設けられており、前記第一の隙間は、少なくとも前記保護板と前記熱電対とが対向する対向領域の全域にわたって設けられている。

この構成によれば、保護板と固定板とが対向領域において直接接触しない。そのため、保護板の熱が固定板を介して熱電対に伝わりにくい。よって、高温の炉内でもボイラーチューブの温度測定に誤差が生じにくい。

例えば、前記第一の隙間には、前記保護板よりも熱伝導率が低い低熱伝導部材が設けられている。

この構成によれば、第一の隙間に燃焼ガスが侵入することが抑制される。そのため、熱電対が燃焼ガスの輻射熱の影響を受けにくい。よって、ボイラーチューブの温度が正確に測定される。

例えば、前記熱電対と前記ボイラーチューブとの接触部の近傍には、前記固定板と前記熱電対と前記ボイラーチューブとに囲まれた第二の隙間が設けられ、前記第二の隙間には、前記固定板と同程度の熱伝導率の熱伝導部材が設けられている。

この構成によれば、第二の隙間に燃焼ガスが侵入することが抑制される。そのため、熱電対が燃焼ガスの輻射熱の影響を受けにくい。よって、ボイラーチューブの温度が正確に測定される。

例えば、前記保護板の前記熱電対と対向する部分の厚みは、前記固定板の前記熱電対と対向する部分の厚みよりも大きい。

この構成によれば、熱電対の外側が厚い保護板によって覆われるため、熱電対が燃焼ガスの輻射熱の影響を受けにくい。よって、ボイラーチューブの温度が正確に測定される。

例えば、本発明の一態様に係る温度測定装置は、前記保護板の前記ボイラーチューブ側とは反対側の面および前記ボイラーチューブの外周面に沿って巻きつけられ、前記保護板と重ならない位置で前記ボイラーチューブにスポット溶接された帯板を有する。

この構成によれば、保護板がボイラーチューブから脱落しにくい。よって、ボイラーチューブの温度を安定的に測定することができる。

本発明によれば、ボイラーチューブの温度を正確に測定することが可能な温度測定装置を提供することができる。

図１は、第一の実施形態に係る温度測定装置の断面図である。 図２は、熱電対の概略図である。 図３は、温度測定装置の断面を拡大して示す図である。 図４は、温度測定装置をボイラーチューブの径方向から見た上面図である。 図５は、比較例１の温度測定装置を示す図である。 図６は、比較例２の温度測定装置を示す図である。 図７は、第二の実施形態に係る温度測定装置の断面図である。

［第一の実施形態］
図１は、第一の実施形態に係る温度測定装置１００の断面図である。

温度測定装置１００は、熱電対１０と、固定板２０と、保護板３０と、を有する。温度測定装置１００は、火力発電所に設置されている過熱器および再熱器などのボイラーチューブ１に取り付けられている。温度測定装置１００は、運転中のボイラーチューブ１の温度を測定する。

熱電対１０は、ボイラーチューブ１の外周面１ａ上に配置されている。ボイラーチューブ１は、水蒸気を循環させる直径５０ｍｍ〜６０ｍｍ程度、厚さ５ｍｍ程度の細いパイプである。ボイラーチューブ１は、燃焼ガス２が供給される高温の炉内に設置されている。ボイラーチューブ１としては、例えば、耐熱性および耐食性に優れたステンレス鋼管および炭素鋼管などが用いられる。

図２は、熱電対１０の概略図である。

熱電対１０は、例えば、第一の素線１１と、第二の素線１２と、シース１３と、絶縁体１４と、を有する。第一の素線１１と第二の素線１２は、互いに異なる材料で形成されている。第一の素線１１および第二の素線１２の一端部は、ボイラーチューブ１の外周面１ａと接触している。第一の素線１１および第二の素線１２の他端部は、炉外に引き出されて計器に接続されている。

ボイラーチューブ１と接触する第一の素線１１および第二の素線１２の一端部が測温接点１０ａ（図４参照）である。熱電対１０は、第一の素線１１と第二の素線１２との間に生じる熱起電力差に基づいてボイラーチューブ１の温度を検出する。絶縁体１４は、シース１３の内部に充填され、第一の素線１１と第二の素線１２との間を電気的に絶縁する。絶縁体１４としては、例えば、酸化マグネシウム、アルミナおよびシリカなどの粉末が用いられる。

図３は、温度測定装置１００の断面を拡大して示す図である。図４は、温度測定装置１００をボイラーチューブ１の径方向から見た上面図である。図３は、図４のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。

固定板２０は、例えば、塑性変形が容易な金属の薄板である。固定板２０としては、例えば、ステンレスの薄板が用いられる。固定板２０のサイズは、例えば、長さ１０ｍｍ程度、幅５ｍｍ〜８ｍｍ程度、厚さ０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度である。

固定板２０は、熱電対１０のボイラーチューブ１側とは反対側に配置されている。固定板２０は、ボイラーチューブ１および熱電対１０の外周面に沿うように変形して熱電対１０をボイラーチューブ１の外周面１ａに密着させる。固定板２０は、熱電対１０と重ならない位置でボイラーチューブ１にスポット溶接されている。スポット溶接部２９は、測温接点１０ａが設けられた熱電対１０の先端部の外縁に沿ってＵ字状に設けられている。これにより、熱電対１０の先端部がボイラーチューブ１の外周面１ａ上に固定されている。

保護板３０は、例えば、固定板２０よりも厚い金属の板である。保護板３０としては、例えば、ステンレスの板が用いられる。保護板３０のサイズは、例えば、長さ１５ｍｍ〜２０ｍｍ程度、幅１５ｍｍ〜２０ｍｍ程度、厚さ２ｍｍ〜３ｍｍ程度である。

保護板３０は、固定板２０の熱電対１０側とは反対側に配置されている。保護板３０は、ボイラーチューブ１と対向する面に溝３５を有する。保護板３０は、溝３５内に熱電対１０および固定板２０を収容した状態で、固定板２０と重ならない位置でボイラーチューブ１にスポット溶接されている。スポット溶接部３９は、固定板２０の外縁に沿ってＵ字状に設けられている。これにより、保護板３０が固定板２０の上方に固定されている。

溝３５の形状は、例えば、熱電対１０を覆う固定板２０の表面形状に沿った形状となっている。保護板３０は、深い溝３５が形成される第一の加工領域３１と、浅い溝３５が形成される第二の加工領域３２と、溝３５が形成されない非加工領域３３と、を有する。第一の加工領域３１は、固定板２０が熱電対１０の外周面に沿ってボイラーチューブ１の上方に盛り上がるように変形した部分と対向する。第二の加工領域３２は、固定板２０が変形せずにボイラーチューブ１の外周面１ａに沿って配置された部分と対向する。

熱電対１０および固定板２０が溝３５に確実に収容されるように、例えば、溝３５の深さは、熱電対１０および固定板２０によって構成される構造体の高さよりも大きく形成されている。例えば、第一の加工領域３１に設けられた溝３５の最深部の深さＤ１は、熱電対１０の厚み（シース１３の直径）および固定板２０の厚みＴ２の合計厚みＴ１よりも大きい。第二の加工領域３２における溝３５の深さＤ２は、固定板２０の厚みＴ２よりも大きい。これにより、保護板３０と固定板２０との間には、高さ１ｍｍ程度の第一の隙間ＳＰ１が設けられている。

第一の隙間ＳＰ１は、少なくとも熱電対１０と対向する対向領域の全域にわたって設けられている。保護板３０と固定板２０とが対向領域において直接接触しない。そのため、保護板３０の熱が固定板２０を介して熱電対１０に伝わりにくい。本実施形態では、第一の加工領域３１と第二の加工領域３２の全域にわたって第一の隙間ＳＰ１が設けられている。そのため、保護板３０側から伝わる熱の影響がより小さくなる。よって、高温の炉内でもボイラーチューブ１の温度測定に誤差が生じにくい。

第一の隙間ＳＰ１には、例えば、保護板３０よりも熱伝導率が低い低熱伝導部材４１が設けられている。低熱伝導部材４１としては、例えば、シリカなどの粉末が用いられる。低熱伝導部材４１は、第一の隙間ＳＰ１を埋めるように第一の隙間ＳＰ１全体に充填されている。これにより、第一の隙間ＳＰ１に燃焼ガス２が侵入することが抑制される。そのため、熱電対１０が燃焼ガス２の輻射熱の影響を受けにくい。よって、ボイラーチューブ１の温度が正確に測定される。

保護板３０の熱電対１０と対向する部分の厚みＴ３は、固定板２０の熱電対１０と対向する部分の厚みＴ２よりも大きい。これにより、熱電対１０の外側が厚い保護板３０によって覆われるため、熱電対１０が燃焼ガス２の輻射熱の影響を受けにくい。よって、ボイラーチューブ１の温度が正確に測定される。

固定板２０は、ボイラーチューブ１の外周面１ａから熱電対１０の上面に向けて緩やかに変形する。そのため、熱電対１０とボイラーチューブ１との接触部の近傍には、固定板２０と熱電対１０とボイラーチューブ１とに囲まれた第二の隙間ＳＰ２が設けられている。

第二の隙間ＳＰ２には、例えば、固定板２０と同程度の熱伝導率の熱伝導部材４２が設けられている。固定板２０の熱伝導率と熱伝導部材４２の熱伝導率との差は、例えば、２０％以上５０％以下である。熱伝導部材４２としては、例えば、モリブデンなどの粉末が用いられる。熱伝導部材４２は、第二の隙間ＳＰ２を埋めるように第二の隙間ＳＰ２全体に充填されている。これにより、第二の隙間ＳＰ２に燃焼ガス２が侵入することが抑制される。そのため、熱電対１０が燃焼ガス２の輻射熱の影響を受けにくい。よって、ボイラーチューブ１の温度が正確に測定される。

以下、図５および図６に示した比較例と比較しながら本実施形態の効果を説明する。図５は、比較例１の温度測定装置１０１を示す図である。図６は、比較例２の温度測定装置１０２を示す図である。図５および図６において、本実施形態と共通の構成要素については、同じ符号を付す。

比較例１の温度測定装置１０１は、固定板２０の外側に保護板３０を具備しない。熱電対１０は薄い固定板２０のみで保護される。そのため、熱電対１０が燃焼ガス２の輻射熱の影響を受けやすい。また、固定板２０が炉内に露出しているため、輻射熱によって固定板２０が変形しやすい。固定板２０が変形すると、熱電対１０とボイラーチューブ１との密着力が低下し、測定温度が不安定になる。また、比較例１の温度測定装置１０１は、第二の隙間ＳＰ２が空隙となっている。そのため、燃焼ガス２が第二の隙間ＳＰ２に侵入し、熱電対１０が加熱される可能性がある。

これに対して、本実施形態の温度測定装置１００では、熱電対１０の外側が固定板２０および保護板３０によって二重に覆われる。そのため、熱電対１０が燃焼ガス２の輻射熱の影響を受けにくい。また、固定板２０が保護板３０によって輻射熱から保護されるため、固定板２０が輻射熱によって変形しにくい。仮に変形しても、狭い溝３５内での変形となるため、変形量は小さい。そのため、高温の炉内でも熱電対１０とボイラーチューブ１との密着力は良好に維持される。

また、本実施形態では、第一の隙間ＳＰ１および第二の隙間ＳＰ２に低熱伝導部材４１および熱伝導部材４２が設けられている。そのため、第一の隙間ＳＰ１および第二の隙間ＳＰ２に燃焼ガス２が侵入することが抑制される。そのため、熱電対１０が燃焼ガス２の輻射熱の影響を受けにくい。

このように、本実施形態では、比較例１と比較した有意な効果が得られる。よって、高温の炉内でも、ボイラーチューブ１の温度が正確に測定される。

比較例２の温度測定装置１０２では、金属板５０の中心部に穴が開けられ、その中に熱電対１０の先端部が挿入されている。ボイラーチューブ１からの熱伝導を確保するために、金属板５０は、ボイラーチューブ１にろう付けされている。

この構成では、熱電対１０が厚い金属板５０で覆われるため、熱電対１０に燃焼ガス２の輻射熱が伝わりにくい。しかし、金属板５０をボイラーチューブ１にろう付けする際にろう材をガスバーナーで炙るため、ボイラーチューブ１に与えられる熱が大きくなる。これにより、ボイラーチューブ１が変質し、ボイラーチューブ１の強度が低下する可能性がある。

これに対して、本実施形態では、固定板２０および保護板３０がスポット溶接によってボイラーチューブ１に固定される。そのため、ボイラーチューブ１に与えられる熱が小さい。よって、ボイラーチューブ１の変質が抑制され、ボイラーチューブ１の強度が長期間維持される。

また、本実施形態では、熱電対１０の外側に固定板２０と保護板３０がこの順に配置され、固定板２０と保護板３０との間に第一の隙間ＳＰ１が形成されている。そのため、第一の隙間ＳＰ１が断熱部として機能し、燃焼ガス２の輻射熱が熱電対１０に伝わりにくい。よって、輻射熱が熱伝導率の高い金属板５０によって直接熱電対１０に伝えられる比較例２に比べて、ボイラーチューブ１の温度が正確に測定される。

［第二の実施形態］
図７は、第二の実施形態に係る温度測定装置２００の断面図である。本実施形態において第一の実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態において第一の実施形態と異なる点は、保護板３０の上から帯板６０が巻きつけられている点である。帯板６０は、例えば、厚みが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍのステンレスの薄板である。帯板６０は、保護板３０のボイラーチューブ１側とは反対側の面およびボイラーチューブ１の外周面１ａに沿って巻きつけられている。帯板６０は、保護板３０と重ならない位置でボイラーチューブ１にスポット溶接されている。

帯板６０は、例えば、ボイラーチューブ１の外周に二周以上巻きつけられる。一巻きごとに帯板６０がボイラーチューブ１にスポット溶接される。周方向のスポット溶接部６９の配置間隔は、例えば、保護板３０から遠い位置よりも保護板３０に近い位置で密になっている。

この構成では、保護板３０がボイラーチューブ１から脱落しにくい。よって、ボイラーチューブ１の温度を安定的に測定することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、前述した内容により本発明が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも１つを行うことができる。

１ ボイラーチューブ
１０ 熱電対
２０ 固定板
３０ 保護板
３５ 溝
４１ 低熱伝導部材
４２ 熱伝導部材
６０ 帯板
１００，２００ 温度測定装置
ＳＰ１ 第一の隙間
ＳＰ２ 第二の隙間

Claims (6)

1. ボイラーチューブの外周面上に配置された熱電対と、
   前記熱電対の前記ボイラーチューブ側とは反対側に配置され、前記ボイラーチューブおよび前記熱電対の外周面に沿うように変形して前記熱電対を前記ボイラーチューブの外周面に密着させ、前記熱電対と重ならない位置で前記ボイラーチューブにスポット溶接された固定板と、
   前記固定板の前記熱電対側とは反対側に配置され、前記ボイラーチューブと対向する面に溝を有し、前記溝内に前記熱電対および前記固定板を収容した状態で、前記固定板と重ならない位置で前記ボイラーチューブにスポット溶接された保護板と、
   を有する温度測定装置。
2. 前記保護板と前記固定板との間には、第一の隙間が設けられており、
   前記第一の隙間は、少なくとも前記保護板と前記熱電対とが対向する対向領域の全域にわたって設けられている
   請求項１に記載の温度測定装置。
3. 前記第一の隙間には、前記保護板よりも熱伝導率が低い低熱伝導部材が設けられている
   請求項２に記載の温度測定装置。
4. 前記熱電対と前記ボイラーチューブとの接触部の近傍には、前記固定板と前記熱電対と前記ボイラーチューブとに囲まれた第二の隙間が設けられ、
   前記第二の隙間には、前記固定板と同程度の熱伝導率の熱伝導部材が設けられている
   請求項３に記載の温度測定装置。
5. 前記保護板の前記熱電対と対向する部分の厚みは、前記固定板の前記熱電対と対向する部分の厚みよりも大きい
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の温度測定装置。
6. 前記保護板の前記ボイラーチューブ側とは反対側の面および前記ボイラーチューブの外周面に沿って巻きつけられ、前記保護板と重ならない位置で前記ボイラーチューブにスポット溶接された帯板を有する
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の温度測定装置。

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