JP2019203661A - ボイラ装置及び過熱器 - Google Patents

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直樹 竹内
Naoki Takeuchi
直樹 竹内
亨 藪木
Toru Yabuki
亨 藪木
裕昭 市川
Hiroaki Ichikawa
裕昭 市川
菊原誠治
Seiji Kikuhara
誠治 菊原
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    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/22Drums; Headers; Accessories therefor

Abstract

【課題】建屋高さの低減と建設コストの低減とを実現可能なボイラ装置を提供する。【解決手段】ボイラ装置1は、火炉2、後部伝熱部3、ペントハウス4、一次過熱器6、二次過熱器7、三次過熱器8を備える。二次過熱器7及び三次過熱器8は、吊下げ型の過熱器であり、伝熱管32の上部は、天井壁34を貫通してペントハウス4内に配置された入口マニホールド15a、15b又は出口マニホールド16に連結する。入口マニホールド15は、炉幅方向の中央部分で分割された2分割構造になっており、隙間27を介して炉幅方向に一直線状に配置する。【選択図】図2

Description

本発明は、ボイラ装置及び過熱器に関する。
吊下げ型の過熱器を備えたボイラ装置のペントハウス内には、吊下げ型の過熱器を構成する複数の伝熱管が接続される複数の管寄と、これら複数の管寄が接続されるマニホールドが配置されている。なお、マニホールドには、入口マニホールドと出口マニホールドとがあるが、ここではこれらを総称して「マニホールド」という。ボイラ装置の天井壁から吊下げビームまでのペントハウス高さは、マニホールドの設置レベルに依るところが大きく、マニホールドの設置レベルは、天井壁上に突出する伝熱管の長さによって決定される。更に、天井壁上に突出する伝熱管の長さは、マニホールドと天井壁の熱膨張差に起因する伝熱管の破損を防止可能な範囲に決定される。
即ち、吊下げ型の過熱器は、ボイラ装置の燃焼ガス流路中に配置されており、これを構成する伝熱管の上部は、天井壁を貫通してペントハウス内に配置されている。天井壁は管壁をもって構成されるが、炉幅方向の熱膨張量は天井壁よりもマニホールドの方が大きいので、火炉の側壁側に至るほど伝熱管と管寄の接続部には大きな熱応力が発生する。天井壁上に突出する伝熱管の長さは、このような事情を考慮し、炉幅方向の端部においても伝熱管と管寄の接続部に破損が生じない長さに決定される。なお、マニホールド、管寄及び伝熱管の接続構造については、特許文献1に開示されている。
特許第4792355号公報
ところで、前記構成のボイラ装置には、建屋高さの低減ひいては建設コストの低減が求められる。このような要求に対しては、ペントハウス内に突出する伝熱管の長さを短縮してペントハウス高さを低減することが有効であるが、前記のようにペントハウス内に突出する伝熱管の長さは、マニホールドと天井壁の熱膨張差に起因する伝熱管の破損を防止する観点から決定されるので、熱膨張差の問題を解決しなければ、ペントハウス内に突出する伝熱管の長さを短縮できず、建屋高さの低減及び建設コストの低減を実現することはできない。
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、建屋高さの低減と建設コストの低減とを実現可能なボイラ装置及び過熱器とを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、代表的な本発明は、燃料を燃焼する火炉と、前記火炉内で発生した燃焼ガスの流路に関して前記火炉の後側に配置される後部伝熱部と、前記燃焼ガスの流路上に配置された吊下げ型の過熱器を含む複数の過熱器と、前記複数の過熱器を相互に接続する連絡管と、前記火炉及び前記後部伝熱部の天井部に設けられたペントハウスと、を備え、前記吊下げ型の過熱器を構成する伝熱管の上部は、前記火炉及び前記後部伝熱部の天井壁を貫通して、前記ペントハウス内に配置された入口マニホールド又は出口マニホールドに連結され、前記入口マニホールドは、炉幅方向の中央部分から前記火炉の右側壁側に延びる右側入口マニホールドと、炉幅方向の中央部分から前記火炉の左側壁側に延びる左側入口マニホールドとから構成されており、前記右側入口マニホールド及び前記左側入口マニホールドは、隙間を介して炉幅方向に一直線状に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、ボイラ装置の建屋高さを低減でき、建設コストの低減をはかることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下に記載する実施形態の説明により明らかにされる。
実施形態に係るボイラ装置の全体構成図である。 実施形態に係るボイラ装置に備えられる一次過熱器、二次過熱器及び三次過熱器の連絡構造を模式的に示す図である。 実施形態に係る一次過熱器、二次過熱器及び三次過熱器を連絡する連絡管の具体的な構成を示す平面図である。 実施形態に係る三次過熱器の構成を示す斜視図である。 図4のA部拡大図である。 実施形態に係る三次過熱器の入口マニホールド設定高さを従来例に係る三次過熱器の入口マニホールド設定高さと比較して示す説明図である。 実施形態に係るボイラ装置の建屋高さを従来例に係るボイラ装置と比較して示す説明図である。
以下、実施形態に係るボイラ装置及び過熱器を図に基づいて説明する。なお、以下に記載の実施形態は、本発明を実施する際の具体的な一例を示すものであって、本発明の範囲が以下に記載の実施形態に制限されるものではない。
図1は、実施形態に係るボイラ装置の全体構成図である。図1に示すように、本例のボイラ装置1は、燃料を燃焼する火炉2と、火炉2内で発生した燃焼ガスの流路に関して火炉2の後側に配置された後部伝熱部3と、火炉2及び後部伝熱部3の天井部に設けられたペントハウス4と、を備えている。火炉2及び後部伝熱部3は、ボイラ鉄骨5の梁部5aから図示しない吊下げロッド及び吊下げビームを用いて吊り下げられている。ボイラ建屋は、ボイラ鉄骨5を覆うように建設される(図示省略)。なお、図1に示すように、本明細書においては、ボイラ装置1の火炉2側を缶前、後部伝熱部3側を缶後といい、炉幅方向の右側又は左側というときは、缶前側から見たときの右側又は左側を指している。
後部伝熱部3内には、一次過熱器6が設置されている。また、火炉2内で発生した燃焼ガスGが後部伝熱部3に向かう位置には、二次過熱器7及び三次過熱器8が設置されている。一次過熱器6は、横置き伝熱面を備えた所謂横置き型の熱交換器であり、二次過熱器7及び三次過熱器8は、吊下げ型の伝熱面を備えた所謂吊下げ型の熱交換器である。本例のボイラ装置1においては、三次過熱器8がボイラ装置1の蒸気配管系統上の最終段に設けられる最終過熱器となっている。なお、火炉2及び後部伝熱部3の所要の部分には、節炭器や再熱器等の他の熱交換器が設置されるが、これらについては公知の事項であり、かつ本発明の要旨でもないので説明を省略する。
図2は、実施形態に係るボイラ装置に備えられる一次過熱器、二次過熱器及び三次過熱器の連結構造を模式的に示す図である。図2に示すように、一次過熱器6は、火炉2の右壁側から左壁側まで貫通する入口マニホールド11及び出口マニホールド12を備えた一体構造になっている。これに対して、二次過熱器7は、炉幅方向の中央部からそれぞれ火炉2の右壁側又は左壁側に延びる右側入口マニホールド13a及び左側入口マニホールド13bと、炉幅方向の中央部からそれぞれ火炉2の右壁側又は左壁側に延びる右側出口マニホールド14a及び左側出口マニホールド14bと、を備えた2分割構造になっている。また、三次過熱器8は、炉幅方向の中央部からそれぞれ火炉2の右壁側又は左壁側に延びる右側入口マニホールド15a及び左側入口マニホールド15bと、火炉2の右壁側から左壁側まで貫通する出口マニホールド16と、を備えた2分割構造になっている。なお、本明細書においては、右側入口マニホールド15a及び左側入口マニホールド15bを総称して「入口マニホールド15」ということがある。
一次過熱器6、二次過熱器7及び三次過熱器8は、連絡管を用いて相互に連結される。即ち、図2に示すように、一次過熱器6の入口マニホールド11には、炉幅方向の左右両側端部において、ケージ壁管から延びる連絡管21a、21bが接続される。
一次過熱器6の出口マニホールド12の右側端部と二次過熱器7の左側入口マニホールド13bの右側端部とは、連絡管22aを用いて接続される。また、一次過熱器6の出口マニホールド12の左側端部と二次過熱器7の右側入口マニホールド13aの左側端部とは、連絡管22bを用いて接続される。連絡管22a、22bには、流体温度調整用のスプレ25が備えられる。
二次過熱器7の左側出口マニホールド14bの右側端部と三次過熱器8の右側入口マニホールド15aの右側端部とは、連絡管23aを用いて接続される。また、二次過熱器7の右側出口マニホールド14aの左側端部と三次過熱器8の左側入口マニホールド15bの左側端部とは、連絡管23bを用いて接続される。連絡管23a、23bには、流体温度調整用のスプレ26が備えられる。
三次過熱器8の出口マニホールド16の右側端部には連絡管24aの一端が接続され、三次過熱器8の出口マニホールド16の左側端部には連絡管24bの一端が接続される。連絡管24a、24bの他端は、高圧タービンに接続される。
図3は、実施形態に係る一次過熱器、二次過熱器及び三次過熱器を連絡する連絡管の具体的な構成を示す平面図である。図3に示すように、連絡管22aは、一端が一次過熱器6の出口マニホールド12の右側端部に接続された一次過熱器右側出口連絡管22a1と、一端が二次過熱器7の左側入口マニホールド13bの右側端部に接続され、他端が一次過熱器右側出口連絡管22a1の他端に接続された二次過熱器右側入口連絡管22a2とから構成される。同様に、連絡管22bは、一端が一次過熱器6の出口マニホールド12の左側端部に接続された一次過熱器左側出口連絡管22b1と、一端が二次過熱器7の右側入口マニホールド13aの左側端部に接続され、他端が一次過熱器左側出口連絡管22b1の他端に接続された二次過熱器左側入口連絡管22b2とから構成される。
連絡管23aは、一端が二次過熱器7の左側出口マニホールド14bの右側端部に接続された二次過熱器右側出口連絡管23a1と、一端が三次過熱器8の右側入口マニホールド15aの右側端部に接続され、他端が二次過熱器右側出口連絡管23a1の他端に接続された二次過熱器右側入口連絡管23a2とから構成される。同様に、連絡管23bは、一端が二次過熱器7の右側出口マニホールド14aの左側端部に接続された二次過熱器左側出口連絡管23b1と、一端が三次過熱器8の左側入口マニホールド15bの左側端部に接続され、他端が二次過熱器左側出口連絡管23b1の他端に接続された三次過熱器左側入口連絡管23b2とから構成される。なお、図3の矢印は、各連絡管の内部流体(過熱蒸気)の流れ方向を示している。
図4は、実施形態に係る三次過熱器の構成を示す斜視図、図5は、図4のA部拡大図である。図4及び図5に示すように、実施形態に係る三次過熱器8は、右側入口マニホールド15a、左側入口マニホールド15b、出口マニホールド16、前記各マニホールドに一端が溶接された複数の管寄31、対応する管寄31の組毎に両端が溶接された複数の伝熱管(レグチューブ)32と、から主に構成されている。
右側入口マニホールド15a、左側入口マニホールド15b及び出口マニホールド16は、ペントハウス4内において炉幅方向に設置される。右側入口マニホールド15a及び左側入口マニホールド15bは、右側入口マニホールド15aの左側端部と左側入口マニホールド15bの右側端部との間に所定寸法の隙間27を設けた状態で、一直線状に配置される。勿論、右側入口マニホールド15aの左側端部及び左側入口マニホールド15bの右側端部は、板材等を用いて閉止されている。隙間27は、炉幅方向の中心位置(ボイラ中心)に配置される。つまり、三次過熱器8の入口マニホールド15は、長さ方向の中央部で2分割された構成になっている。また、隙間27は、右側入口マニホールド15a内及び左側入口マニホールド15bの内部流体温度によらず、右側入口マニホールド15a及び左側入口マニホールド15bが接触しない大きさに設定される。
出口マニホールド16は、右側入口マニホールド15a及び左側入口マニホールド15bの上方において、右側入口マニホールド15a及び左側入口マニホールド15bと平行に配置される。
管寄31は、右側入口マニホールド15a、左側入口マニホールド15b及び出口マニホールド16の長さ方向に等間隔に溶接される。右側入口マニホールド15a及び左側入口マニホールド15bに溶接される管寄31は、缶前側に向けて水平に配列される。これに対して、出口マニホールド16に溶接される管寄31は、缶後側に向けて水平に配列される。缶前側及び缶後側に突出された1組の管寄31の長さ方向には、U字形に成形された複数の伝熱管32の両端部がそれぞれ溶接される。これにより、右側入口マニホールド15a、左側入口マニホールド15b及び出口マニホールド16の長さ方向には、複数の伝熱管32の組合せをもってU字形のパネル状に形成された伝熱パネル33が、等間隔に形成される。
燃焼ガスGは、隣接して配置される各伝熱パネル33の隙間を通って缶前側から缶後側に流れる。これにより、燃焼ガスGと三次過熱器8の内部流体との熱交換が行われる。
図4及び図5に示すように、伝熱パネル33を構成する伝熱管32の上部は、天井壁34を貫通してペントハウス4内に配置される。
以下、実施形態に係るボイラ装置1の効果について説明する。
図6は、実施形態に係る三次過熱器の入口マニホールド設定高さを従来例に係る三次過熱器の入口マニホールド設定高さと比較して示す説明図である。図6(a)の左図は、従来例に係る三次過熱器を缶前側から見た図、図6(a)の右図は、従来例に係る三次過熱器を右側壁側から見た図である。図6(b)の左図は、実施形態に係る三次過熱器を缶前側から見た図、図6(b)の右図は、実施形態に係る三次過熱器を右側壁側から見た図である。実施形態に係るボイラ装置1は、三次過熱器8の入口マニホールド15が、ボイラ中心において右側入口マニホールド15aと、左側入口マニホールド15bと、に分割された2分割構造になっている。これに対して、従来例に係るボイラ装置100は、三次過熱器8の入口マニホールド15が、一体構造になっている。
炉幅方向における三次過熱器8の入口マニホールド15と天井壁34との熱膨張差は、入口マニホールド15の長さ寸法に比例して大きくなる。従来例に係る三次過熱器8の入口マニホールド15は一体構造であり、実施形態に係る三次過熱器8の入口マニホールド15はボイラ中心で分割された二分割構造であるので、当然のことながら、従来例に係る三次過熱器8の方が、実施形態に係る三次過熱器8よりも、入口マニホールド15の左右両端部における管寄31と伝熱管32の接続部に作用する熱応力が大きくなる。
このため、従来例に係る三次過熱器8においては、伝熱管32を撓みやすくして管寄31と伝熱管32の接続部に作用する熱応力を緩和するため、図6(a)に示すように、天井壁34から三次過熱器8の入口マニホールド15までの高さ、即ち、入口マニホールド設定高さH1を大きくする必要がある。これに対して、実施形態に係る三次過熱器8の入口マニホールド15は、従来例に係る三次過熱器8に比べて管寄31と伝熱管32の接続部に作用する熱応力が小さいので、熱応力を緩和するための伝熱管32の撓み量を小さくできる。よって、実施形態に係る三次過熱器8は、図6(a)と図6(b)の比較から明らかなように、入口マニホールド設定高さH2を小さくできる。
図7は、実施形態に係るボイラ装置の建屋高さを従来例に係るボイラ装置と比較して示す説明図である。図7の左図は、従来例に係るボイラ装置の建屋高さを示す図、図7の右図は、実施形態に係るボイラ装置の建屋高さを示す図である。前記のように、実施形態に係る三次過熱器8の入口マニホールド設定高さH2は、従来例に係る三次過熱器8の入口マニホールド設定高さH1よりも小さくできるので、ペントハウス4の高さ寸法も各入口マニホールド設定高さの差(H1−H2)に応じて低くできる。また、ペントハウス4の高さ寸法を小さくできる結果、実施形態に係るボイラ装置1は、従来例に係るボイラ装置100に比べて、ボイラ鉄骨5の建設高さひいてはボイラ建屋の建設高さを低減できる。これにより、実施形態に係るボイラ装置1は、従来例に係るボイラ装置100に比べて、建設コストを低減できる。
また、実施形態に係るボイラ装置1は、二次過熱器7の左側出口マニホールド14bの右側端部と三次過熱器8の右側入口マニホールド15aの右側端部とを連絡管23aを用いて接続すると共に、二次過熱器7の右側出口マニホールド14aの左側端部と三次過熱器8の左側入口マニホールド15bの左側端部とを連絡管23bを用いて接続するので、三次過熱器8の左右における内部流体の温度偏差を抑制又は解消できる。
即ち、炉幅方向に燃焼ガスの温度分布が生じ、二次過熱器7の内部流体温度が火炉2の左右方向について温度差が生じた場合でも、前記のように連絡管23a、23bを接続した結果、三次過熱器8においては、燃焼ガス温度が高い側に二次過熱器7から出た低温の内部流体が導入され、燃焼ガス温度が低い側に二次過熱器7から出た高温の内部流体が導入されて熱交換されるので、三次過熱器8の出口における内部流体温度の温度差を火炉2の左右方向について緩和又は解消できる。従って、三次過熱器8の出口マニホールド16の左右から高圧タービンへ導かれる2本の主蒸気配管(連絡管24a、24b)を流れる内部流体の温度偏差を小さく又は無くすことができる。
更に、実施形態に係るボイラ装置1は、二次過熱器7及び三次過熱器8を2分割構造とし、一次過熱器6の出口マニホールド12の右側端部と二次過熱器7の左側入口マニホールド13bの右側端部とを連絡管22aを用いて接続し、一次過熱器6の出口マニホールド12の左側端部と二次過熱器7の右側入口マニホールド13aの左側端部とを連絡管22bを用いて接続すると共に、二次過熱器7の左側出口マニホールド14bの右側端部と三次過熱器8の右側入口マニホールド15aの右側端部とを連絡管23aを用いて接続し、二次過熱器7の右側出口マニホールド14aの左側端部と三次過熱器8の左側入口マニホールド15bの左側端部とを連絡管23bを用いて接続したので、二次過熱器7及び三次過熱器8を一体構造とした場合に比べて各種連絡管の総延長を短縮できる。
即ち、仮に二次過熱器7及び三次過熱器8を一次過熱器6と同様の一体構造とし、炉幅方向における温度偏差の影響を緩和又は解消するために、一次過熱器6と二次過熱器7とをたすき掛けに接続すると共に、二次過熱器7と三次過熱器8とをたすき掛けに接続すると、各過熱器6、7、8を接続する連絡管の総延長は、各過熱器6、7、8をたすき掛けに接続しない場合の連絡管の総延長の2倍となる。よって、実施形態に係るボイラ装置1によれば、連絡管の総延長を極力短いものにすることができ、ボイラ装置1の設計を容易化できると共に建設コストの低減を図ることができる。
なお、本発明の範囲は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で前記実施形態に適宜変更、追加、削除を施したものが含まれる。例えば、前記実施形態においては、二次過熱器7の入口マニホールド13a、13b及び出口マニホールド14a、14b並びに三次過熱器8の入口マニホールド15a、15bをそれぞれ2分割構造としたが、二次過熱器7の入口マニホールド13a、13b及び出口マニホールド14a、14bについては一体構造とすることもできる。この場合にも、他の吊下げ型の過熱器に比べて最も内部流体温度が高くなる三次過熱器8の入口マニホールド15a、15bを2分割構造とするので、建屋高さの低減効果を実現できる。
1 ボイラ装置
2 火炉
3 後部伝熱部
4 ペントハウス
5 ボイラ鉄骨
6 一次過熱器
7 二次過熱器
8 三次過熱器
11 一次過熱器の入口マニホールド
12 一次過熱器の出口マニホールド
13a、13b 二次過熱器の入口マニホールド
14a、14b 二次過熱器の出口マニホールド
15a、15b 三次過熱器の入口マニホールド
16 三次過熱器の出口マニホールド
21a、21b 連絡管
22a、22b 連絡管
23a、23b 連絡管
24a、24b 連絡管
27 隙間
31 管寄
32 伝熱管(レグチューブ)
33 伝熱パネル
34 天井壁

Claims (5)

  1. 燃料を燃焼する火炉と、前記火炉内で発生した燃焼ガスの流路に関して前記火炉の後側に配置される後部伝熱部と、前記燃焼ガスの流路上に配置された吊下げ型の過熱器を含む複数の過熱器と、前記複数の過熱器を相互に接続する連絡管と、前記火炉及び前記後部伝熱部の天井部に設けられたペントハウスと、を備え、
    前記吊下げ型の過熱器を構成する伝熱管の上部は、前記火炉及び前記後部伝熱部の天井壁を貫通して、前記ペントハウス内に配置された入口マニホールド又は出口マニホールドに連結され、
    前記入口マニホールドは、炉幅方向の中央部分から前記火炉の右側壁側に延びる右側入口マニホールドと、炉幅方向の中央部分から前記火炉の左側壁側に延びる左側入口マニホールドとから構成されており、前記右側入口マニホールド及び前記左側入口マニホールドは、隙間を介して炉幅方向に一直線状に配置されていることを特徴とするボイラ装置。
  2. 請求項1に記載のボイラ装置において、
    前記吊下げ型の過熱器は、蒸気配管系統の最終段に設けられる最終過熱器であることを特徴とするボイラ装置。
  3. 請求項2に記載のボイラ装置において、
    前記燃焼ガスの流路内に、前記燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向けて、二次過熱器と前記最終過熱器である三次過熱器とが配置され、前記二次過熱器の入口マニホールド及び出口マニホールド並びに前記三次過熱器の入口マニホールドは、炉幅方向の中央部で分割された2分割構造となっており、前記二次過熱器の左側出口マニホールドの右側端部と三次過熱器の右側入口マニホールドの右側端部とは連絡管を用いて接続され、前記二次過熱器の右側出口マニホールドの左側端部と三次過熱器の左側入口マニホールドの左側端部とは他の連絡管を用いて接続されていることを特徴とするボイラ装置。
  4. 請求項3に記載のボイラ装置において、
    前記後部伝熱部には一次過熱器が配置され、前記一次過熱器は、炉幅方向に向けて一連に構成された一体構造の出口マニホールドを有しており、前記一次過熱器の出口マニホールドの右側端部と前記二次過熱器の左側入口マニホールドの右側端部とは連絡管を用いて接続され、前記一次過熱器の出口マニホールドの左側端部と前記二次過熱器の右側入口マニホールドの左側端部とは他の連絡管を用いて接続されていることを特徴とするボイラ装置。
  5. 蒸気タービンに送給する過熱蒸気を生成するための複数の過熱器のうち、過熱蒸気系統の最終段に配される吊り下げ型の過熱器であって、
    前記過熱蒸気系統に関して前記吊り下げ型の過熱器の前段に配置された過熱器からの蒸気が流入する直管状の入口マニホールドと、
    前記蒸気タービンへと前記過熱蒸気が流れる主蒸気配管が接続される直管状の出口マニホールドとを備え、
    前記入口マニホールドは、炉幅方向の中央部分から火炉の右側壁側に延びる右側入口マニホールドと、炉幅方向の中央部分から前記火炉の左側壁側に延びる左側入口マニホールドとから構成されており、前記右側入口マニホールド及び前記左側入口マニホールドは、隙間を介して炉幅方向に一直線状に配置され、かつ複数の伝熱管が吊り下げられる複数の管寄せがボイラ前方側に向かって長手方向に複数分岐しており、
    前記出口マニホールドは、複数の伝熱管が吊り下げられる複数の管寄せがボイラ後方側に向かって長手方向に複数分岐しており、前記右側入口マニホールド及び前記左側入口マニホールドの上方に一直線状に配置されている
    ことを特徴とする過熱器。
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