JP2019027668A - 伝熱管、ボイラ及び蒸気タービン設備 - Google Patents

Abstract

【課題】超臨界圧時における伝熱劣化現象の発生を抑制しつつ、伝熱性能の向上を図ることで、管温度の上昇を抑制することができる伝熱管等を提供する。【解決手段】ボイラに設けられ、内部が超臨界圧となり、内部に熱媒が流通する火炉壁管３５であって、内周面に形成され、管軸方向へ向かうらせん形状の溝部と、らせん形状の溝部によって、径方向の内側に突出して形成されるリブ部３７とを備え、リブ部３７は、管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、熱媒の流通方向の上流側に形成される上流側傾斜面と、下流側に形成される下流側傾斜面と、を有し、リブ高さをＨｒ［ｍｍ］とし、リブ部３７の数をＮ［個］とし、リブ部３７のリード角をθ［°］とし、管内径をＤｉ［ｍｍ］とすると、リブ部３７の数Ｎ［個］は、（１）式を満たす。【選択図】図２

Description

本発明は、内部に水等の熱媒が流通する伝熱管、ボイラ及び蒸気タービン設備に関するものである。

従来、水等の熱媒が流通する伝熱管として、伝熱管の内周面に形成されるらせん形状の溝部と、らせん形状の溝部によって径方向の内側に突出して形成されるリブ部とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この伝熱管は、内部が超臨界圧となる状態において発生する伝熱劣化現象を抑制するために、溝部及びリブ部の形状を所定の形状としている。

また、伝熱管として、内部で蒸気を発生させる蒸気発生管が知られている（例えば、特許文献２参照）。この蒸気発生管は、内部に螺旋ばね形状の内部流れ形状形成要素が設けられており、内部流れ形状形成要素は、内面リブの形で形成されている。

特開２０１６−９０１８２号公報 特表２０１２−５２９６１３号公報

ところで、特許文献１の伝熱管において、リブ部が矩形状である場合、熱媒は、リブ部を乗り越えて流れる。このため、熱媒の流通方向において、リブ部の下流側は、いわゆるバックステップ流となり、熱媒の淀みが形成される場合がある。熱媒の淀みが形成されると、伝熱性能の向上を図ることが難しく、また、伝熱管の溝部内への熱媒の再付着を促すために、リブ部の間隔を空ける必要がある。ここで、熱媒の淀みを解消すべく、リブ部を三角形状にすることが考えられるが、この場合、熱媒へ与える旋回力が低減し、伝熱性能が低下する可能性がある。

そこで、本発明は、超臨界圧時における伝熱劣化現象の発生を抑制しつつ、伝熱性能の向上を図ることで、管温度の上昇を抑制することができる伝熱管、ボイラ及び蒸気タービン設備を提供することを課題とする。

本発明の伝熱管は、ボイラに設けられ、内部が超臨界圧となり、内部に熱媒が流通する伝熱管であって、内周面に形成され、管軸方向へ向かうらせん形状の溝部と、らせん形状の前記溝部によって、径方向の内側に突出して形成されるリブ部と、を備え、前記リブ部は、前記管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、前記熱媒の流通方向の上流側に形成される上流側面と、前記熱媒の前記流通方向の下流側に形成され、前記流通方向の下流側に向かって前記径方向の外側に傾斜する下流側傾斜面と、を有し、前記径方向における前記リブ部の高さをＨｒ［ｍｍ］とし、前記管軸方向を中心として前記伝熱管を一回転させたときに前記リブ部の前記管軸方向に進む距離の中に含まれる前記リブ部の数をＮ［個］とし、前記管軸方向と前記リブ部とが為すリード角をθ［°］とし、管内径をＤｉ［ｍｍ］とすると、前記リブ部の数Ｎ［個］は、（１）式を満たすことを特徴とする。

この構成によれば、リブ部に下流側傾斜面が形成されることで、熱媒を下流側傾斜面に沿わせて流通させることができるため、リブ部の下流側において熱媒の淀みが形成されることを抑制することができる。このため、熱媒の淀みの形成による伝熱性能の低下を抑制することができ、伝熱性能の向上を図ることができる。また、熱媒の淀みの形成を抑制できることから、管軸方向におけるリブ部同士の間を大きくする必要がなくなるため、（１）式に基づいて、リブ部の数Ｎを適切な数とすることにより、リブ部によって熱媒に与えられる旋回力の低減を抑制することができる。このため、旋回力の低下による伝熱性能の低下を抑制することができ、伝熱性能の向上を図ることができる。なお、上流側面は、流通方向の下流側に向かって径方向の内側に傾斜する上流側傾斜面であってもよい。また、上流側面及び下流側傾斜面は、管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、直線であってもよいし、曲線であってもよく、特に限定されない。

また、前記管軸方向に沿って切った断面の前記管軸方向における前記溝部の幅［ｍｍ］をＷｇとし、管外径［ｍｍ］をＤｏとすると、前記溝部の幅Ｗｇ［ｍｍ］、前記リブ部の高さＨｒ［ｍｍ］及び前記管外径Ｄｏ［ｍｍ］は、「０≦Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄｏ）≦１．００」を満たすことが、好ましい。

この構成によれば、溝部の幅Ｗｇを狭くできる分、内周面にリブ部を多く配置することができるため、リブ部によって熱媒に与える旋回力を向上させることができる。

また、前記溝部の幅Ｗｇ［ｍｍ］は、０［ｍｍ］であることが、好ましい。

この構成によれば、溝部を設けることなく、内周面をリブ部によって形成することができるため、リブ部によって熱媒に与える旋回力をさらに向上させることができる。

また、前記管外径Ｄｏ［ｍｍ］は、「２０ｍｍ≦Ｄｏ≦４０ｍｍ」であることが、好ましい。

この構成によれば、管外径が２０ｍｍから４０ｍｍであれば、熱媒の質量流速を適切な質量流速とすることができる。ここで、伝熱管をボイラに適用する場合、内部を流通する熱媒の質量流速は、予め決められた質量流速となる。この場合、決められた質量流速に対して、管外径が小さくなると質量流速が大きくなる一方で、管外径が大きくなると質量流速が小さくなる。このため、上記の式を満たす伝熱管の形状に適した質量流速とするには、管外径を２０ｍｍから４０ｍｍの範囲とすることで、決められた質量流速とすることができ、熱伝達率の性能を最適なものにすることができる。

また、定格出力でボイラを運転した際に、火炉壁を構成する伝熱管の内部を流通する前記熱媒の平均質量速度が１０００［ｋｇ／ｍ^２ｓ］以上２０００［ｋｇ／ｍ^２ｓ］以下となっていることが、好ましい。

この構成によれば、伝熱管の内部を流通する水等の熱媒が、低質量速度であったり、高熱流束が与えられたりする場合であっても、伝熱劣化現象の発生を抑制しつつ、熱伝達率を向上させることができる。

また、前記管軸方向に沿って切ったときの前記リブ部の断面形状において、前記内周面と前記上流側面とが為す角度を上流側リブ角度θｕ［°］とし、前記内周面と前記下流側傾斜面とが為す角度を下流側リブ角度θｄ［°］とすると、前記リブ部は、「θｄ＜θｕ」となっていることが、好ましい。

この構成によれば、上流側リブ角度θｕが大きいため、上流側面によって熱媒に旋回力を好適に与えることができる。また、下流側リブ角度θｄが小さいため、リブ部の下流側において熱媒の淀みが形成されることを好適に抑制することができる。

また、前記リブ部は、前記管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、前記上流側面及び前記下流側傾斜面の少なくとも一方が、直線となっていることが、好ましい。

この構成によれば、リブ部の形状を簡易なものとすることができるため、リブ部を容易に形成することができる。

また、前記リブ部は、前記管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、前記上流側面と前記下流側傾斜面とが交差する点が頂点となる三角形状に形成されていることが、好ましい。

この構成によれば、リブ部の形状を簡易なものとすることができるため、リブ部を容易に形成することができる。

また、前記リブ部は、前記管軸方向を中心として周方向の一方側にねじれるらせん形状の第１リブ部と、前記管軸方向を中心として周方向の他方側にねじれるらせん形状の第２リブ部と、を有することが、好ましい。

この構成によれば、第１リブ部と第２リブ部とを交差させて形成することで、伝熱性能の向上を図ることができる。

また、前記リブ部は、前記管軸方向を中心として周方向の一方側にねじれるらせん形状の第１リブ部であり、前記管軸方向に沿うと共に、前記径方向の内側に突出して形成される平行リブ部を、さらに備えることが、好ましい。

この構成によれば、第１リブ部と平行リブ部とを交差させて形成することで、伝熱性能の向上を図ることができる。

本発明のボイラは、定格出力で運転した際に、超臨界圧で運転される前記ボイラの火炉壁を構成する火炉壁管として用いられる上記の伝熱管を備えることを特徴とする。

この構成によれば、上記の伝熱管を、ボイラの火炉壁を構成する火炉壁管として適用することができる。なお、このような火炉壁管は、ライフル管とも呼ばれる。

本発明の他のボイラは、上記の伝熱管を、火炎のふく射または高温ガスにより加熱することで、前記伝熱管の内部を流通する前記熱媒を加熱することを特徴とする。

この構成によれば、超臨界圧時において、伝熱管の伝熱劣化現象の発生を抑制しつつ、熱伝達率を向上させることができるため、伝熱管から熱媒である水への熱伝達を好適に維持することができ、水から蒸気を安定して生成することができる。なお、高温ガスとしては、例えば、燃料を燃焼させることにより発生する燃焼ガスであってもよいし、ガスタービン等の設備から排出される排ガスであってもよい。つまり、内部が超臨界圧となる伝熱管を用いたボイラとしては、例えば、火炎のふく射または燃焼ガスにより伝熱管を加熱する超臨界圧変圧運転ボイラ、または超臨界圧定圧運転ボイラ等を適用してもよい。この場合、伝熱管は、径方向に複数並べることで、ボイラに設けられる火炉の火炉壁として構成される。また、内部が超臨界圧となる伝熱管を用いた他のボイラとしては、例えば、排ガスにより伝熱管を加熱する排熱回収ボイラ等を適用してもよい。この場合、伝熱管は、径方向に複数並べられる伝熱管群として構成され、排ガスが流通する容器の内部に収容される。このように、伝熱管は、内部が超臨界圧となるボイラであれば、いずれのボイラに適用してもよい。

本発明の蒸気タービン設備は、上記のボイラと、前記ボイラに設けられる前記伝熱管の内部を流通する前記熱媒としての水が加熱されることで生成される蒸気により作動する蒸気タービンと、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、超臨界圧時において、伝熱管の伝熱劣化現象の発生を抑制することができるため、伝熱管から水への熱伝達を好適に維持することができ、蒸気を安定して生成することができる。このため、蒸気タービンへ向けて蒸気を安定して供給できることから、蒸気タービンの作動も安定したものにすることができる。

図１は、実施形態１に係る火力発電設備を示す概略構成図である。 図２は、管軸方向に沿って切ったときの火炉壁管の部分的な断面図である。 図３は、溝部の幅が０［ｍｍ］である場合の火炉壁管の断面図である。 図４は、溝部の幅が０［ｍｍ］より大きい場合の火炉壁管の断面図である。 図５は、管軸方向に直交する面で切ったときの火炉壁管の断面図である。 図６は、実施形態２に係る管軸方向に沿って切ったときの火炉壁管の断面図である。 図７は、実施形態３に係る管軸方向に沿って切ったときの火炉壁管の断面図である。 図８は、実施形態４に係る管軸方向に沿って切ったときの火炉壁管の断面図である。 図９は、（１）式の範囲を選定するために用いられる旋回力のグラフである。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る火力発電設備を示す概略構成図である。図２は、管軸方向に沿って切ったときの火炉壁管の部分的な断面図である。図３は、溝部の幅が０［ｍｍ］である場合の火炉壁管の断面図である。図４は、溝部の幅が０［ｍｍ］より大きい場合の火炉壁管の断面図である。図５は、管軸方向に直交する面で切ったときの火炉壁管の断面図である。

実施形態１の火力発電設備は、石炭（瀝青炭、亜瀝青炭など）を粉砕した微粉炭を微粉燃料（固体燃料）として用いている。この火力発電設備は、微粉炭を燃焼させ、燃焼により発生した熱で蒸気を生成し、生成した蒸気により蒸気タービンを回転させることで、蒸気タービンに接続される発電機を駆動して電力を発生させている。

図１に示すように、火力発電設備１は、ボイラ１０と、蒸気タービン１１と、復水器１２と、高圧給水加熱器１３及び低圧給水加熱器１４と、脱気器１５と、給水ポンプ１６と、発電機１７とを備えている。この火力発電設備１は、蒸気タービン１１を備える蒸気タービン設備の一形態となっている。

ボイラ１０は、コンベンショナルボイラとして用いられており、微粉炭を燃焼バーナ４１により燃焼させ、この燃焼により発生した熱を、伝熱管として機能する火炉壁管３５を用いて回収することが可能な微粉炭焚きボイラとなっている。また、このボイラ１０は、火炉壁管３５の内部を超臨界圧または亜臨界圧とする超臨界圧変圧運転ボイラとなっている。ボイラ１０は、火炉２１と、燃焼装置２２と、汽水分離器２３と、過熱器２４と、再熱器２５とを備えている。

火炉２１は、四方を囲む火炉壁３１を有しており、四方の火炉壁３１によって四角筒形状に形成されている。そして、四角筒形状の火炉２１は、その延在する長手方向が、鉛直方向となっており、ボイラ１０の設置面に対して垂直となっている。火炉壁３１は、複数の火炉壁管３５を用いて構成されており、複数の火炉壁管３５は、火炉壁３１の壁面を形成するように、径方向に並べて配置されている。

各火炉壁管３５は、円筒形状に形成され、その管軸方向が、鉛直方向となっており、ボイラ１０の設置面に対して垂直となっている。また、この火炉壁管３５は、内部にらせん状の溝が形成される、いわゆるライフル管となっている。火炉壁管３５の内部には、熱媒としての水Ｗが流通している。この火炉壁管３５は、その内圧が、ボイラ１０の運転に応じて、超臨界圧となったり、亜臨界圧となったりする。火炉壁管３５は、鉛直方向の下方側が流入側となっており、鉛直方向の上方側が流出側となっている。このように、実施形態１のボイラ１０の火炉２１は、火炉壁管３５が垂直となる垂直管形火炉方式となっている。なお、火炉壁管３５の詳細については、後述する。

燃焼装置２２は、火炉壁３１に装着された複数の燃焼バーナ４１を有している。なお、図１では、１の燃焼バーナ４１のみ図示している。複数の燃焼バーナ４１は、燃料としての微粉炭を燃焼させて火炉２１内に火炎を形成する。このとき、複数の燃焼バーナ４１は、形成した火炎が旋回流となるように、微粉炭を燃焼させている。そして、複数の燃焼バーナ４１は、燃料を燃焼させることで発生した高温の燃焼ガス（高温ガス）によって、火炉壁管３５を加熱している。複数の燃焼バーナ４１は、例えば、火炉２１の周囲に沿って所定の間隔を空けて複数配設されたものを１セットとし、１セットの燃焼バーナ４１を鉛直方向（火炉２１の長手方向）に所定の間隔を空けて複数段配置されている。

過熱器（スーパーヒータ）２４は、火炉２１内に設けられ、火炉２１の火炉壁管３５から汽水分離器２３を介して供給される蒸気を過熱している。過熱器２４で過熱された蒸気は、主蒸気配管４６を介して蒸気タービン１１に供給される。

再熱器２５は、火炉２１内に設けられ、蒸気タービン１１（の高圧タービン５１）で利用された蒸気を加熱している。蒸気タービン１１（の高圧タービン５１）から低温再熱蒸気配管４７を介して再熱器２５に流入する蒸気は、再熱器２５によって加熱され、加熱後の蒸気は、再熱器２５から高温再熱蒸気配管４８を介して再び蒸気タービン１１（の中圧タービン５２）に流入する。

蒸気タービン１１は、高圧タービン５１と、中圧タービン５２と、低圧タービン５３とを有し、これらタービン５１，５２，５３は、回転軸となるロータ５４によって一体回転可能に連結されている。高圧タービン５１は、その流入側に主蒸気配管４６が接続され、その流出側に低温再熱蒸気配管４７が接続されている。高圧タービン５１は、主蒸気配管４６から供給される蒸気によって回転し、使用後の蒸気を低温再熱蒸気配管４７から排出する。中圧タービン５２は、その流入側に高温再熱蒸気配管４８が接続され、その流出側に低圧タービン５３が接続されている。中圧タービン５２は、高温再熱蒸気配管４８から供給される再熱された蒸気によって回転し、使用後の蒸気を低圧タービン５３へ向けて排出する。低圧タービン５３は、その流入側に中圧タービン５２が接続され、その流出側に復水器１２が接続されている。低圧タービン５３は、中圧タービン５２から供給される蒸気によって回転し、使用後の蒸気を復水器１２へ向けて排出する。ロータ５４は、発電機１７に接続され、高圧タービン５１、中圧タービン５２及び低圧タービン５３の回転により、発電機１７を回転駆動させる。

復水器１２は、低圧タービン５３から排出される蒸気を、内部に設けられる冷却ライン５６によって凝集して水Ｗに戻す（復水する）。凝集した水Ｗは、復水器１２から低圧給水加熱器１４へ向けて供給される。低圧給水加熱器１４は、復水器１２により凝集した水Ｗを、低圧の状態で加熱する。加熱された水Ｗは、低圧給水加熱器１４から脱気器１５へ向けて供給される。脱気器１５は、低圧給水加熱器１４から供給された水Ｗを脱気する。脱気された水Ｗは、脱気器１５から高圧給水加熱器１３へ向けて供給される。高圧給水加熱器１３は、脱気器１５により脱気された水Ｗを、高圧の状態で加熱する。加熱された水Ｗは、高圧給水加熱器１３からボイラ１０の火炉壁管３５へ向けて供給される。なお、脱気器１５と高圧給水加熱器１３との間には、給水ポンプ１６が設けられ、脱気器１５から高圧給水加熱器１３へ向けて水Ｗを供給する。

発電機１７は、蒸気タービン１１のロータ５４に接続され、ロータ５４によって回転駆動されることで電力を発生させている。

なお、火力発電設備１は、図示しないが、脱硝装置、電気集塵機、誘引送風機、脱硫装置が設けられ、下流端部に煙突が設けられている。

このように構成された火力発電設備１において、ボイラ１０の火炉壁管３５内を流通する水Ｗは、ボイラ１０の燃焼装置２２により加熱される。燃焼装置２２により加熱された水は、汽水分離器２３を通って過熱器２４に流入するまでの間に蒸気となり、蒸気は、過熱器２４及び主蒸気配管４６を順に通って、蒸気タービン１１に供給される。蒸気タービン１１に供給された蒸気は、高圧タービン５１、低温再熱蒸気配管４７、再熱器２５、高温再熱蒸気配管４８、中圧タービン５２、及び低圧タービン５３を順に通って、復水器１２に流入する。このとき、蒸気タービン１１は、流通した蒸気により回転することで、ロータ５４を介して発電機１７を回転駆動させ、発電機１７において電力を発生させる。復水器１２に流入した蒸気は、冷却ライン５６によって凝集されることで水に戻される。復水器１２で凝集された水は、低圧給水加熱器１４、脱気器１５、給水ポンプ１６、及び高圧給水加熱器１３を順に通って、再び火炉壁管３５内へ供給される。このように、実施形態１のボイラ１０は、貫流ボイラとなっている。

次に、図２から図５を参照して、火炉壁管３５について説明する。図２から図５に示すように、火炉壁管３５は、中心線Ｉを中心とする円筒形状に形成されている。火炉壁管３５は、上記したように、その管軸方向が鉛直方向となるように設けられており、内部において、鉛直方向の下方側から上方側へ向かって水Ｗが流通する。また、ライフル管として構成される火炉壁管３５は、その内周面Ｐ１に、管軸方向へ向かってらせん形状となる溝部３６が形成されているもの（図４参照）と、溝部３６が形成されていないもの（図３参照）とがある。また、火炉壁管３５は、径方向の内側に突出するリブ部３７が、管軸方向へ向かうらせん形状となるように形成される。

ここで、火炉壁管３５の管外径、つまり、外周面Ｐ３において、中心線Ｉを通る直径を管外径Ｄｏとする。なお、管外径Ｄｏは、数十ミリオーダーの長さとなっている。そのため、管外径Ｄｏの単位は、［ｍｍ］となる。具体的に、管外径Ｄｏは、「２０ｍｍ≦Ｄｏ≦４０ｍｍ」となっている。また、火炉壁管３５の管内径、つまり、内周面Ｐ１において、中心線Ｉを通る直径を管内径Ｄｉとする。火炉壁管３５の内周面Ｐ１は、図３から図５に示す断面において、最外側に位置する内面である。なお、管内径Ｄｉは、管外径Ｄｏと同様に、数十ミリオーダーの長さとなっている。そのため、管内径Ｄｉの単位も、［ｍｍ］となる。

リブ部３７は、管軸方向に直交する面で切った図５に示す断面において、周方向に並べて内周面Ｐ１に複数形成されている。なお、火炉壁管３５に形成するリブ部３７の数は複数形成されればよく、特に限定されない。また、各リブ部３７は、内周面Ｐ１から径方向内側に突出して形成される。図２に示すように、各リブ部３７は、管軸方向へ向かってらせん形状に形成されていることから、管軸方向に沿って切った図３及び図４に示す断面において、管軸方向に並べて内周面Ｐ１に複数形成されている。

ここで、図３及び図４に示すリブ部３７の形状について説明する。なお、上記したように、図３に示す火炉壁管３５は、溝部３６が形成されていないものであり、図４に示す火炉壁管３５は、溝部３６が形成されたものである。このとき、リブ部３７の断面形状は、図３及び図４に示す火炉壁管３５であっても、ほぼ同じ形状となっていることから、図３及び図４に適用可能なリブ部３７として説明する。

リブ部３７は、図３及び図４に示すように、管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、三角形状となっている。具体的に、リブ部３７は、水Ｗの流通方向の上流側に形成される上流側傾斜面（上流側面）３７ａと、下流側に形成される下流側傾斜面３７ｂとを有している。上流側傾斜面３７ａは、流通方向の下流側に向かって、火炉壁管３５の径方向の内側に傾斜する面となっている。上流側傾斜面３７ａは、図３及び図４に示すように、管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、直線となる面に形成される。一方で、上流側傾斜面３７ａは、図５に示すように、管軸方向に直交する面で切ったときの断面形状において、径方向外側に向かって湾曲する曲線となる面に形成される。下流側傾斜面３７ｂは、流通方向の下流側に向かって、火炉壁管３５の径方向の外側に傾斜する面となっている。下流側傾斜面３７ｂは、図３及び図４に示すように、管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、直線となる面に形成される。一方で、下流側傾斜面３７ｂは、図５に示すように、管軸方向に直交する面で切ったときの断面形状において、径方向外側に向かって湾曲する曲線となる面に形成される。そして、リブ部３７は、上流側傾斜面３７ａと下流側傾斜面３７ｂとが交差する点が頂点となる三角形状に形成されている。

図３及び図４に示すように、管軸方向に沿って切ったときのリブ部３７の断面形状において、内周面Ｐ１と上流側傾斜面３７ａとが為す角度を上流側リブ角度θｕ［°］とし、内周面Ｐ１と下流側傾斜面３７ｂとが為す角度を下流側リブ角度θｄ［°］とする。このとき、リブ部３７は、「θｄ＜θｕ」となるように形成されている。具体的に、上流側リブ角度θｕは、「４５°＜θｕ≦９０°」となる角度範囲である。また、下流側リブ角度θｄは、「０°＜θｄ≦４５°」となる角度範囲である。このため、例えば、上流側傾斜面３７ａは、上流側リブ角度θｕが９０°である場合、内周面Ｐ１に対して垂直となる上流側面であってもよい。

次に、リブ部３７の個数について説明する。図３及び図４に示すように、リブ部３７の径方向における高さを、リブ高さＨｒとする。具体的に、リブ高さＨｒは、内周面Ｐ１から、リブ部３７が径方向の最も内側に位置する部位（すなわち頂部）までの高さとなっている。このリブ高さＨｒは、ミリオーダーの高さとなり、その単位が、［ｍｍ］となる。また、図２に示すように、火炉壁管３５の管軸方向とリブ部３７とが為す角度を、リード角θとする。リード角θは、管軸方向に対する角度であり、リブ部３７のリード角が０°であれば、管軸方向に沿った方向となり、リブ部３７のリード角が９０°であれば、周方向に沿った方向となる。このとき、図５に示すように、管軸方向を中心として火炉壁管３５を一回転させたときにリブ部３７の管軸方向に進む距離の中に含まれるリブ部の数をＮ［個］とすると、リブ部３７の数Ｎ［個］は、（１）式を満たすように形成される。

ここで、図３に示す図は、リブ部３７のＮが偶数である場合であり、この場合、中心軸Ｉに沿って切った断面において、一方側（図３の左側）のリブ部３７の形状と他方側（図３の右側）のリブ部３７の形状とは、左右対称となっている。一方で、図示は省略するが、リブ部３７のＮが奇数である場合、中心軸Ｉに沿って切った断面において、一方側のリブ部３７の形状と他方側のリブ部３７の形状とは、左右対称とはならず、一方側のリブ部３７と他方側のリブ部３７とは、管軸方向において、位置ズレして形成される。

ここで、（１）式は、図９に示すグラフに基づいて、その範囲が選定されている。図９は、（１）式の範囲を選定するために用いられる旋回力のグラフである。なお、（１）式における左項の式の分母における係数（５０の値）をＣ_１に置き換え、また、（１）式における右項の式の分母における係数（５の値）をＣ_２に置き換えた式を（２）式とする。

図９に示すグラフは、その縦軸が旋回力となっており、その横軸が係数の値となっている。ここで、リブ部３７によって水Ｗに与えられる旋回力は、その下限値Ｌが予め設定されており、この下限値Ｌよりも大きくなるように、係数Ｃ_１及び係数Ｃ_２が設定される。図９に示すように、旋回力は、旋回力が大きくなる側に凸となるグラフとなっている。このため、係数Ｃ_１及び係数Ｃ_２は、小さすぎても大きすぎても、旋回力が下限値Ｌ以下となる場合があるため、係数Ｃ_１及び係数Ｃ_２は、下限値Ｌよりも大きくなる範囲となるように値が選定される。

次に、図４を参照し、溝部３６が形成される火炉壁管３５について説明する。溝部３６は、複数形成されており、リブ部３７の数に応じて形成されている。各溝部３６は、径方向の外側に没入して形成されており、内周面Ｐ１を底面としている。この溝部３６は、図４に示すとおり、管軸方向に沿って切った断面において、内周面Ｐ１の管軸方向に所定の間隔を空けて複数形成されている。また、各溝部３６は、管軸方向へ向かってらせん形状に形成されていることから、管軸方向に直交する面で切った断面においても、内周面Ｐ１の周方向に所定の間隔を空けて複数形成されている。

図４に示す断面において、溝部３６の管軸方向における幅を、溝幅Ｗｇとする。具体的に、溝幅Ｗｇは、溝部３６の管軸方向の一方側における内周面Ｐ１とリブ部３７との境界と、溝部３６の管軸方向の他方側における内周面Ｐ１とリブ部３７との境界との間の幅である。より具体的に、溝幅Ｗｇは、管軸方向において、内周面Ｐ１とリブ部３７の上流側傾斜面３７ａとの境界と、内周面Ｐ１とリブ部３７の下流側傾斜面３７ｂとの境界との間の幅である。この溝幅Ｗｇは、ミリオーダーの高さとなり、その単位が、［ｍｍ］となる。

そして、火炉壁管３５において、溝幅Ｗｇ、リブ高さＨｒ及び管外径Ｄｏは、下記する（３）式を満たしている。
０≦Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄｏ）≦１．０ ・・・（３）

この（２）式において、溝幅Ｗｇが「Ｗｇ＝０」となる場合が、図３に示す火炉壁管３５である。また、溝幅Ｗｇが「Ｗｇ＜０」となり、（３）式を満たす場合が、図４に示す火炉壁管３５である。

上記の火炉壁管３５の内部を流通する水Ｗの質量速度は、火炉壁管３５の内部の水Ｗの流動安定性が確保可能な低質量速度となっており、火炉壁管３５の内部は超臨界圧となっている。低質量速度とは、例えば、定格出力でボイラ１０を運転した際に、火炉壁管３５内の水Ｗの平均質量速度が１０００（ｋｇ／ｍ^２ｓ）以上２０００（ｋｇ／ｍ^２ｓ）以下の範囲となっている。なお、火炉壁管３５の内部の水Ｗの流動安定性が確保可能な質量速度であれば、上記の範囲に限定されない。また、実施形態１において、定格出力は、火力発電設備１の発電機１７における定格電気出力となっている。

以上のように、実施形態１によれば、リブ部３７に下流側傾斜面３７ｂが形成されることで、水Ｗ等の熱媒を下流側傾斜面３７ｂに沿わせて流通させることができるため、リブ部３７の下流側において熱媒の淀みが形成されることを抑制することができる。このため、熱媒の淀みの形成による伝熱性能の低下を抑制することができ、伝熱性能の向上を図ることができる。また、熱媒の淀みの形成を抑制できることから、管軸方向におけるリブ部３７同士の間を大きくする必要がなくなるため、（１）式に基づいて、リブ部３７の数Ｎを適切な数とすることにより、リブ部３７によって熱媒に与えられる旋回力の低減を抑制することができる。このため、旋回力の低下による伝熱性能の低下を抑制することができ、伝熱性能の向上を図ることができる。

なお、実施形態１では、上流側傾斜面３７ａ及び下流側傾斜面３７ｂを、管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、直線としたが、曲線であってもよく、特に限定されない。

また、実施形態１によれば、（３）式を満たす火炉壁管３５とすることで、溝部３６の溝幅Ｗｇを狭くできる分、内周面Ｐ１にリブ部３７を多く配置することができ、リブ部３７によって熱媒に与える旋回力を向上させることができる。

また、実施形態１によれば、（３）式における溝幅Ｗｇを０とすることで、溝部３６を設けることなく、内周面Ｐ１をリブ部３７によって形成することができるため、リブ部３７によって熱媒に与える旋回力をさらに向上させることができる。

また、実施形態１によれば、管外径Ｄｏが２０ｍｍから４０ｍｍであれば、熱媒の質量流速を適切な質量流速とすることができ、熱伝達率の性能を最適なものにすることができる。

また、実施形態１によれば、火炉壁管３５の内部を流通する水Ｗが、低質量速度（平均質量速度が１０００〜２０００ｋｇ／ｍ^２ｓ）であったり、高熱流束が与えられたりする場合であっても、超臨界圧時において、伝熱劣化現象の発生を抑制しつつ、熱伝達率を向上させることができる。

また、実施形態１によれば、上流側リブ角度θｕを下流側リブ角度θｄよりも大きくできるため、上流側傾斜面３７ａによって熱媒に旋回力を好適に与えることができる。また、下流側リブ角度θｄを上流側リブ角度θｕよりも小さくできるため、リブ部３７の下流側において熱媒の淀みが形成されることを好適に抑制することができる。

また、実施形態１によれば、管軸方向に沿って切ったときのリブ部３７の上流側傾斜面３７ａ及び下流側傾斜面３７ｂを直線の面にでき、また、リブ部３７の断面形状を三角形状にできるため、リブ部３７の形成を容易なものとすることができる。

［実施形態２］
次に、図６を参照して、実施形態２に係る火炉壁管３５について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図６は、実施形態２に係る管軸方向に沿って切ったときの火炉壁管の断面図である。

実施形態２に係る火炉壁管３５は、実施形態１に係る火炉壁管３５のリブ部３７の頂点を、管軸方向に沿って切ったときの断面において、湾曲させたものとなっている。具体的に、リブ部３７は、管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、上流側傾斜面３７ａと下流側傾斜面３７ｂとが交差する部位が径方向の内側に凸となる湾曲する湾曲形状に形成されている。なお、実施形態２の火炉壁管３５においても、実施形態１の（１）式及び（３）式は満たすものとする。

以上のように、実施形態２によれば、火炉壁管３５のリブ部３７の断面形状が、図６に示す形状であっても、熱媒の淀みの形成による伝熱性能の低下を抑制することができ、また、旋回力の低下による伝熱性能の低下を抑制することができるため、伝熱性能の向上を図ることができる。

［実施形態３］
次に、図７を参照して、実施形態３に係る火炉壁管３５について説明する。なお、実施形態３でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び２と異なる部分について説明し、実施形態１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図７は、実施形態３に係る管軸方向に沿って切ったときの火炉壁管の断面図である。

実施形態３に係る火炉壁管３５は、管軸方向に沿って切ったときの断面において、実施形態１に係る火炉壁管３５のリブ部３７の断面形状を、台形形状としたものとなっている。具体的に、リブ部３７は、管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、上流側傾斜面３７ａと、下流側傾斜面３７ｂと、上流側傾斜面３７ａから下流側傾斜面３７ｂに向かって連なる中流側面３７ｃと、を有する。そして、リブ部３７は、上流側傾斜面３７ａと中流側面３７ｃとが交差する点と、中流側面３７ｃと下流側傾斜面３７ｂとが交差する点と、が頂点となる四角形状に形成されている。このとき、中流側面３７ｃは、内周面Ｐ１と平行な面となっており、これにより、リブ部３７は、その断面形状が台形形状となる。なお、実施形態３の火炉壁管３５においても、実施形態１の（１）式及び（３）式は満たすものとする。

以上のように、実施形態３によれば、火炉壁管３５のリブ部３７の断面形状が、図７に示す形状であっても、熱媒の淀みの形成による伝熱性能の低下を抑制することができ、また、旋回力の低下による伝熱性能の低下を抑制することができるため、伝熱性能の向上を図ることができる。

［実施形態４］
次に、図８を参照して、実施形態４に係る火炉壁管７０について説明する。なお、実施形態４でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１から３と異なる部分について説明し、実施形態１から３と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図８は、実施形態４に係る管軸方向に沿って切ったときの火炉壁管の断面図である。

実施形態４の火炉壁管７０は、実施形態１に係る火炉壁管３５のリブ部３７を、第１リブ部３７と第２リブ部７１とし、第１リブ部３７と第２リブ部７１とを交差して配置したものとなっている。具体的に、火炉壁管７０は、管軸方向を中心として周方向の一方側にねじれるらせん形状の第１リブ部３７と、管軸方向を中心として周方向の他方側にねじれるらせん形状の第２リブ部７１と、を有している。第１リブ部３７と第２リブ部７１とは、火炉壁管７０の中心線Ｉを挟んで、互いに逆向きのらせん状となるように配置されている。

実施形態４によれば、第１リブ部３７と第２リブ部７１とを交差させて形成することで、伝熱性能の向上を図ることができる。

なお、実施形態４では、第１リブ部３７と第２リブ部７１とを逆向きのらせん状に配置したが、第２リブ部７１に代えて、管軸方向に沿うと共に、内周面Ｐ１から径方向内側に突出して形成される平行リブ部を適用してもよい。

１ 火力発電設備
１０ ボイラ
１１ 蒸気タービン
２１ 火炉
２２ 燃焼装置
３１ 火炉壁
３５ 火炉壁管
３６ 溝部
３７ リブ部
３７ａ 上流側傾斜面
３７ｂ 下流側傾斜面
３７ｃ 中流側面
Ｎ リブ部の数
Ｄｉ 管内径
Ｄｏ 管外径
Ｗｇ 溝幅
Ｈｒ リブ高さ
Ｐ１ 内周面
Ｐ３ 外周面
θ リード角
θｕ 上流側リブ角度
θｄ 下流側リブ角度
Ｗ 水

Claims (15)

1. ボイラに設けられ、内部が超臨界圧となり、内部に熱媒が流通する伝熱管であって、
   内周面に形成され、管軸方向へ向かうらせん形状の溝部と、
   らせん形状の前記溝部によって、径方向の内側に突出して形成されるリブ部と、を備え、
   前記リブ部は、前記管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、
   前記熱媒の流通方向の上流側に形成される上流側面と、
   前記熱媒の前記流通方向の下流側に形成され、前記流通方向の下流側に向かって前記径方向の外側に傾斜する下流側傾斜面と、を有し、
   前記径方向における前記リブ部の高さをＨｒ［ｍｍ］とし、前記管軸方向を中心として前記伝熱管を一回転させたときに前記リブ部の前記管軸方向に進む距離の中に含まれる前記リブ部の数をＮ［個］とし、前記管軸方向と前記リブ部とが為すリード角をθ［°］とし、管内径をＤｉ［ｍｍ］とすると、
   前記リブ部の数Ｎ［個］は、（１）式を満たすことを特徴とする伝熱管。
   

   
2. 前記管軸方向に沿って切った断面の前記管軸方向における前記溝部の幅［ｍｍ］をＷｇとし、管外径［ｍｍ］をＤｏとすると、
   前記溝部の幅Ｗｇ［ｍｍ］、前記リブ部の高さＨｒ［ｍｍ］及び前記管外径Ｄｏ［ｍｍ］は、「０≦Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄｏ）≦１．０」を満たすことを特徴とする請求項１に記載の伝熱管。
3. ボイラに設けられ、内部が超臨界圧となり、内部に熱媒が流通する伝熱管であって、
   内周面に形成され、管軸方向へ向かうらせん形状の溝部と、
   らせん形状の前記溝部によって、径方向の内側に突出して形成されるリブ部と、を備え、
   前記リブ部は、前記管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、
   前記熱媒の流通方向の上流側に形成される上流側面と、
   前記熱媒の前記流通方向の下流側に形成され、前記流通方向の下流側に向かって前記径方向の外側に傾斜する下流側傾斜面と、を有し、
   前記径方向における前記リブ部の高さをＨｒ［ｍｍ］とし、前記管軸方向に沿って切った断面の前記管軸方向における前記溝部の幅［ｍｍ］をＷｇとし、管外径［ｍｍ］をＤｏとすると、
   前記溝部の幅Ｗｇ［ｍｍ］、前記リブ部の高さＨｒ［ｍｍ］及び前記管外径Ｄｏ［ｍｍ］は、「０≦Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄｏ）≦１．０」を満たすことを特徴とする伝熱管。
4. 前記管軸方向を中心として前記伝熱管を一回転させたときに前記リブ部の前記管軸方向に進む距離の中に含まれる前記リブ部の数をＮ［個］とし、前記管軸方向と前記リブ部とが為すリード角をθ［°］とし、管内径をＤｉ［ｍｍ］とすると、
   前記リブ部の数Ｎ［個］は、（２）式を満たすことを特徴とする請求項３に記載の伝熱管。
   

   
5. 前記溝部の幅Ｗｇ［ｍｍ］は、０［ｍｍ］であることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の伝熱管。
6. 前記管外径Ｄｏ［ｍｍ］は、「２０ｍｍ≦Ｄｏ≦４０ｍｍ」であることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の伝熱管。
7. 定格出力でボイラを運転した際に、火炉壁を構成する伝熱管の内部を流通する前記熱媒の平均質量速度が１０００［ｋｇ／ｍ^２ｓ］以上２０００［ｋｇ／ｍ^２ｓ］以下となっていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の伝熱管。
8. 前記管軸方向に沿って切ったときの前記リブ部の断面形状において、前記内周面と前記上流側面とが為す角度を上流側リブ角度θｕ［°］とし、前記内周面と前記下流側傾斜面とが為す角度を下流側リブ角度θｄ［°］とすると、
   前記リブ部は、「θｄ＜θｕ」となっていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の伝熱管。
9. 前記リブ部は、前記管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、前記上流側面及び前記下流側傾斜面の少なくとも一方が、直線となっていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の伝熱管。
10. 前記リブ部は、前記管軸方向に沿って切ったときの断面形状において、前記上流側面と前記下流側傾斜面とが交差する点が頂点となる三角形状に形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の伝熱管。
11. 前記リブ部は、前記管軸方向を中心として周方向の一方側にねじれるらせん形状の第１リブ部と、前記管軸方向を中心として周方向の他方側にねじれるらせん形状の第２リブ部と、を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の伝熱管。
12. 前記リブ部は、前記管軸方向を中心として周方向の一方側にねじれるらせん形状の第１リブ部であり、
    前記管軸方向に沿うと共に、前記径方向の内側に突出して形成される平行リブ部を、さらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の伝熱管。
13. 定格出力で運転した際に、超臨界圧で運転される前記ボイラの火炉壁を構成する火炉壁管として用いられる請求項１から１２のいずれか１項に記載の伝熱管を備えることを特徴とするボイラ。
14. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の伝熱管を、火炎のふく射または高温ガスにより加熱することで、前記伝熱管の内部を流通する前記熱媒を加熱することを特徴とするボイラ。
15. 請求項１３または１４に記載のボイラと、
    前記ボイラに設けられる前記伝熱管の内部を流通する前記熱媒としての水が加熱されることで生成される蒸気により作動する蒸気タービンと、を備えることを特徴とする蒸気タービン設備。

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