JP2020148394A - ボイラ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】地震発生時にボイラ本体の損傷を低減できるボイラ装置を提供する。【解決手段】火炉(2)および火炉の後部にケージ部(3)を有するボイラ本体(1)と、ボイラ本体の周囲に設けられ、ボイラ本体を支持する複数の鉄骨柱(12)と、を備えたボイラ装置であって、火炉の左右の水壁(2a)とケージ部の左右のケージ壁(3a)とをそれぞれ繋いで、水平方向に延在する複数のバックステー(20)と、複数のバックステーのそれぞれとボイラ本体の左右に設けられた複数の鉄骨柱とを連結する複数の連結部材(13a、15a)と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図1

Description

本発明は、ボイラ装置に関し、特にボイラ本体の支持構造に関する。
一般に、ボイラ本体は、火炉とケージ部とを備えており、このボイラ本体は、鉄骨梁に吊ロッドを介して吊り下げ支持されている。地震発生時にボイラ本体が振れるのを防止するために、鉄骨柱とボイラ本体とがサイスミックタイを介して連結されている。
また、地震発生時の応答荷重の低減を図ったボイラの制震支持構造体として、例えば特許文献1には、ボイラ本体の火炉とケージ部とを連結装置で連結する構成が記載されている。この連結装置は、火炉とケージ部との熱によるゆっくりした相対変位に対しては弱い抵抗力を発生するか、または抵抗力を発生せず、地震発生時の急激な相対変位に対しては大きな抵抗力を発生するように構成されている。
特許第3181369号公報
火炉は、内部をボイラ水が流れる伝熱管同士をメンブレンバーで接続して構成される水壁で囲まれた中空の箱型構造物であるのに対して、ケージ部は、当該箱型構造物の中に対流伝熱を行なうための伝熱管群が設置されている。そのため、火炉の単位容積当たりの質量(質量密度)とケージ部の質量密度との間には大きな差がある。具体的には、火炉の質量密度はケージ部の質量密度に比べて非常に小さい。
ゆえに、地震発生時には、火炉とケージ部とが、それぞれの剛性および質量に応じて固有の周期で振動しようとするため、例えば、火炉とケージ部との間に設けられた副側壁やノーズに局部的な応力がかかり、損傷する虞がある。これを防止するには、火炉とケージ部とがなるべく同位相で振動し、火炉およびケージ部の挙動が一体となるのが好ましい。
特許文献1では、地震発生時の火炉とケージ部の位相差に対して連結装置が拘束力を生じることにより、火炉およびケージ部の挙動が一体となるように近づけることができるが、ボイラ本体の損傷をさらに低減するためには、まだ改良の余地がある。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、地震発生時にボイラ本体の損傷を低減できるボイラ装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、代表的な本発明は、火炉および前記火炉の後部にケージ部を有するボイラ本体と、前記ボイラ本体の周囲に設けられ、前記ボイラ本体を支持する複数の鉄骨柱と、を備えたボイラ装置であって、前記火炉の左右の水壁と前記ケージ部の左右のケージ壁とをそれぞれ繋いで、水平方向に延在する複数のバックステーと、前記複数のバックステーのそれぞれと前記ボイラ本体の左右に設けられた前記複数の鉄骨柱とを連結する複数の連結部材と、を備えたことを特徴とする。ここで、前記複数の連結部材は、全てサイスミックタイで構成されるか、全てダンパで構成されるか、あるいはサイスミックタイとダンパの組み合わせで構成されるかの何れかであることが好ましい。
本発明によれば、地震発生時にボイラ本体の損傷を低減できる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本実施形態に係るボイラ装置の全体構成を示す側面図。 図1に示すボイラ装置の平面図。 図1に示すボイラ本体の側面とバックステーの配置を示す図。 図3に示すバックステーの斜視図。 図3のV−V断面図。 バックステーの取付機構の要部を示す斜視図。 図6に示す取付機構の要部を示す縦断面図。 変形例1に係るボイラ装置の平面図。 変形例2に係るボイラ装置の平面図。 本発明をドラム型ボイラに適用した場合のボイラ装置の全体構成を示す側面図。 本発明をベンソン型ボイラに適用した場合のボイラ装置の全体構成を示す側面図。
以下、本発明の実施形態を図1〜図7を参照しつつ説明する。図1は本実施形態に係るボイラ装置の全体構成を示す側面図、図2は図1に示すボイラ装置の平面図、図3は図1に示すボイラ本体の側面とバックステーの配置を示す図、図4は図3に示すバックステーの斜視図、図5は図3のV−V断面図、図6はバックステーの取付機構の要部を示す斜視図、図7は図6に示す取付機構の要部を示す縦断面図である。なお、以下の説明において、前後、左右、上下の各方向は、図1、2に示す通り定義する。
図1、2に示すように、本実施形態に係るボイラ装置は、ボイラ本体1と、ボイラ本体1を囲うように設けられ、ボイラ本体1を支持する複数の鉄骨柱12と、を備える。ボイラ本体1は、複数の鉄骨柱12の上部に架け渡された複数の鉄骨梁11に複数の吊ロッド10を介して吊り下げられる。ボイラ本体1は、火炉2と、ケージ部3と、火炉2とケージ部3とを繋ぐ副側壁4と、を備える。なお、符号5はノーズである。火炉2は、内部にボイラ水が流れる伝熱管7同士をメンブレンバー8で溶接固定して形成された水壁2a(図6、7参照)で囲われている。ケージ部3も水壁2aと同様の構成のケージ壁3aで囲われている。火炉2は中空の箱型構造物から成るが、ケージ部3は中空の箱型構造物の中に、対流伝熱を行うための図示しない伝熱管群が設けられている。そのため、火炉2の単位容積当たりの質量(質量密度)はケージ部3の質量密度に比べてかなり小さい。
火炉2は、火炉2の前方に設けられた複数の鉄骨柱12に複数のサイスミックタイ13b(第2サイスミックタイ)を介して連結される。より詳細には、火炉2の水壁2aに設けられたバックステー20と鉄骨柱12とが、サイスミックタイ13bにより連結されている。また、ケージ部3は、ケージ部3の後方に設けられた複数の鉄骨柱12に複数のサイスミックタイ13c(第3のサイスミックタイ)を介して連結される。より詳細には、ケージ壁3aに設けられたバックステー20と鉄骨柱12とが、サイスミックタイ13cにより連結されている。
さらに、火炉2の左右の水壁2aとケージ部3の左右のケージ壁3aとが水平方向に延在する複数のバックステー20により繋がれており、これらのバックステー20とボイラ本体1の左右に設けられた複数の鉄骨柱12とが複数のサイスミックタイ13a(第1サイスミックタイ)を介して連結されている。サイスミックタイ13aは本発明の「連結部材」に相当する。なお、サイスミックタイ13a、13b、13cの数は適宜であって良い。
また、火炉2とケージ部3との間に複数のダンパ15(第2ダンパ)が前後方向に沿って設けられている。具体的には、ダンパ15は、上下方向に2つ(図1参照)、左右方向に2つ(図2参照)設けられているが、これらの数は問わない。なお、各ダンパ15も、その一端が水壁2aに取り付けられたバックステー20に、その他端がケージ壁3aに取り付けられたバックステー20にそれぞれ固定されている。ここで、ダンパ15としてオイルダンパや粘弾性ダンパを用いることができる。オイルダンパや粘弾性ダンパを用いることで、火炉2とケージ部3との熱変形による変位を許容しつつ、地震による大きな変位を規制できる。特に、粘弾性ダンパを用いると、地震時に迅速に作動して、火炉2とケージ部3との相対変位を規制できるので、より好ましい。
次に、ダンパ15の取付位置について詳しく説明すると、上側のダンパ15は副側壁4の底部で火炉2と接続する部分より下方の位置であって、ノーズ5の屈曲部近傍の高さ位置(L2)に設けられている。下側のダンパ15は上側のダンパ15より下方であって、火炉2の胴体部とケージ部3の胴体部とを接続可能な高さ位置(L1)に設けられている。このように、高さ位置L1と高さ位置L2とに2つのダンパ15を設けることで、地震時における火炉2とケージ部3との相対変形を効果的に抑制することができる。また、左右方向において、火炉2と鉄骨柱12との間のサイスミックタイ13bと、ダンパ15と、ケージ部3と鉄骨柱12との間のサイスミックタイ13cとは、平面視において前後方向に延びる略同一直線M1,M2上に配置されている(図2参照)。そのため、地震時におけるボイラ本体1の前後方向に対する振動を効果的に抑制できる。
次に、バックステー20について説明する。ボイラ本体1の運転時において水壁2aは、水壁2aの内部の燃焼用空気及び燃焼ガスで生じる炉内圧を受ける。この炉内圧は正負の形態で水壁2a、副側壁4およびケージ壁3aに作用し、水壁2a、副側壁4およびケージ壁3aは膨らみや変形挙動を呈することになる。そこで、水壁2a、副側壁4およびケージ壁3aの過度の変形を防止するために、図3、4に示すようにバックステー20を水壁2a、副側壁4およびケージ壁3aの外表面、即ちボイラ本体1の外表面に具備している。例えば、図5に示すように、火炉2の四方をバックステー20で囲うことで、火炉2の変形を防止している。
次に、バックステー20の取付機構30について図6、7を参照して説明する。バックステー20はH型鋼から成り、取付機構30を介して水壁2aまたはケージ壁3aに取り付けられている。水壁2aに適用される取付機構30とケージ壁3aに適用される取付機構30とは同じであるため、ここでは水壁2aに適用される取付機構30について説明する。
取付機構30は、伝熱管7の長手方向に沿って設けられる一対のラグ31と、一対のラグ31に挿通されるピン32と、伝熱管7上に取り付けられ、ピン32により固定される板状のタイバー33と、タイバー33に固定される縦板状のスタンドオフ34と、スタンドオフ34の上下端部に一対で設けられ、バックステー20を水平方向(図6中の矢印方向)にスライド自在に保持するサポートラグ35と、を備えている。バックステー20が水平方向にスライドする構造のため、地震時にもボイラ本体1に大きな衝撃が加わるのを防止できる。
このように構成されたボイラ装置は、図2に示すように、火炉2の左右の側壁である水壁2aとケージ部3の左右の側壁であるケージ壁3aとをバックステー20で連結し、そのバックステー20と鉄骨柱12とをサイスミックタイ13a(第1サイスミックタイ)により連結しているため、火炉2とケージ部3とがバックステー20により一体化され、火炉2とケージ部3とが左右方向に同じ挙動で振動する。別言すれば、火炉2とケージ部3とがそれぞれ固有の振動周期で振動しない。その結果、火炉2と副側壁4の接続部の下部(図1のA部)や、ケージ部3と副側壁4の接続部の下部(図1のB部)に応力が集中することを回避でき、当該部分の地震時の破損を未然に防ぐことができる。
また、火炉2とケージ部3との間にダンパ15を図1の高さ位置L1,L2に2段で配置していることで、両者の相対変位を抑制できる。しかも、サイスミックタイ13b,13c(第2サイスミックタイ、第3サイスミックタイ)とダンパ15(第2ダンパ)の上下方向の位置を同じ高さ位置L1,L2にし、左右方向の位置も平面視において同一直線(M1,M2)上にすることで、火炉2とケージ部3との相対変形を効果的に抑制できる。また、ダンパ15を粘弾性ダンパにすることで、地震時の応答性が高まるため、火炉2とケージ部3との相対変形をより効果的に抑制できる。
なお、地震によっては、左右方向よりも前後方向の地震力成分が大きいケースが生じることも推定されるが、このケースでは、図2中で前後方向に設置されたダンパ15の数を増やしたりダンパ15の容量を大きくしたりすれば良い。
(変形例1)
次に、上記した実施形態の変形例1について説明する。図8は変形例1に係るボイラ装置の平面図である。変形例1に係るボイラ装置では、左右のバックステー20と鉄骨柱12とを連結する複数の連結部材が、複数のサイスミックタイ13a(第1サイスミックタイ)と複数のダンパ15a(第1ダンパ)との組み合わせで構成されている点に特徴がある。なお、ダンパ15aは、ダンパ15と同様に、オイルダンパまたは粘弾性ダンパである。
地震によっては、前後方向よりも左右方向の地震力成分が大きいケースが生じることも推定される。ケージ部3側には重量物(横置きコイル)が内部に存在するのに対し、火炉2側は内部に重量物が存在していないため、地震が発生すると、ケージ部3側の地震力(慣性力)と火炉2側の地震力(慣性力)との関係は、ケージ部3側の地震力(慣性力)>火炉2側の地震力(慣性力)となる。地震力に対する反力として、ダンパ15a(粘弾性ダンパ)による反力に換算すると、ケージ部3側の反力>火炉2側の反力の関係になる。
このようなケースでは、図2に示す複数のサイスミックタイ13aの一部をダンパ15aに置き換えることで、左右方向の地震力成分を受けるのに適した構成となる。具体的には、図8に示すように、火炉2の前側の左右にはサイスミックタイ13aを1つずつ設け、火炉2の後ろ側の左右にはダンパ15aを1つずつ設け、ケージ部3には左右にダンパ15aを2つずつ設ける。このように構成すると、左右方向の地震力成分が大きい場合であっても、ボイラ本体1の損傷を低減できる。
ここで、全てのサイスミックタイ13aをダンパ15aに置き換えることもできる。即ち、バックステー20と鉄骨柱12とを連結する複数の連結部材が、全てダンパ15aで構成されていても良い。
(変形例2)
次に、上記した実施形態の変形例2について説明する。図9は変形例2に係るボイラ装置の平面図である。変形例2に係るボイラ装置では、火炉2の左右の水壁2aに設けられるバックステー20aとケージ部3の左右のケージ壁3aに設けられるバックステー20bとが別体で構成されている点が変形例1と相違する。このように構成されていても、地震が発生した際に、ボイラ本体1の損傷を低減できる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。
例えば、本発明を図10に示す自然循環型に属するドラム型(過熱器吊下げ型)のボイラや、図11に示す貫流型に属するベンソン型のボイラに適用しても良い。これらの場合においても、同様にダンパ15は高さ位置L1、L2に設けられる。なお、図10、11において、図1に示すバックステー20、サイスミックタイ13b、13c、鉄骨柱12の図示は省略している。
1 ボイラ本体
2 火炉
2a 水壁
3 ケージ部
3a ケージ壁
4 副側壁
5 ノーズ
7 伝熱管
8 メンブレンバー
10 吊ロッド
11 鉄骨梁
12 鉄骨柱
13a サイスミックタイ(第1サイスミックタイ)
13b サイスミックタイ(第2サイスミックタイ)
13c サイスミックタイ(第3サイスミックタイ)
15 ダンパ(第2ダンパ)
15a ダンパ(第1ダンパ)
20、20a、20b バックステー
30 取付機構
31 ラグ
32 ピン
33 タイバー
34 スタンドオフ
35 サポートラグ

Claims (7)

  1. 火炉および前記火炉の後部にケージ部を有するボイラ本体と、前記ボイラ本体の周囲に設けられ、前記ボイラ本体を支持する複数の鉄骨柱と、を備えたボイラ装置であって、
    前記火炉の左右の水壁と前記ケージ部の左右のケージ壁とをそれぞれ繋いで、水平方向に延在する複数のバックステーと、
    前記複数のバックステーのそれぞれと前記ボイラ本体の左右に設けられた前記複数の鉄骨柱とを連結する複数の連結部材と、
    を備えた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、
    前記複数の連結部材は、全て第1サイスミックタイで構成されるか、全て第1ダンパで構成されるか、あるいは前記第1サイスミックタイと前記第1ダンパの組み合わせで構成されるかの何れかであることを特徴とするボイラ装置。
  3. 請求項1または2に記載のボイラ装置において、
    前記火炉と前記ケージ部との間に設けられ、前記火炉と前記ケージ部とを連結する複数の第2ダンパをさらに備え、
    前記複数の第2ダンパは、前記火炉と前記ケージ部とを繋ぐ副側壁の底部より下方であって、異なる高さ位置に設けられ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、
    前記火炉と前記火炉の前方に設けられた前記複数の鉄骨柱とを連結する複数の第2サイスミックタイと、
    前記ケージ部と前記ケージ部の後方に設けられた前記複数の鉄骨柱とを連結する複数の第3サイスミックタイと、をさらに備え、
    前記複数の第2ダンパのうち1つと、前記複数の第2サイスミックタイのうち1つと、前記複数の第3サイスミックタイのうち1つとは同じ高さ位置に設けられることを特徴とするボイラ装置。
  5. 請求項3に記載のボイラ装置において、
    前記火炉と前記火炉の前方に設けられた前記複数の鉄骨柱とを連結する複数の第2サイスミックタイと、
    前記ケージ部と前記ケージ部の後方に設けられた前記複数の鉄骨柱とを連結する複数の第3サイスミックタイと、をさらに備え、
    前記複数の第2ダンパのうち1つと、前記複数の第2サイスミックタイのうち1つと、前記複数の第3サイスミックタイのうち1つとは平面視において同一直線上に設けられることを特徴とするボイラ装置。
  6. 請求項3に記載のボイラ装置において、
    前記各第1ダンパおよび前記各第2ダンパは、何れもオイルダンパまたは粘弾性ダンパであることを特徴とするボイラ装置。
  7. 請求項1〜6の何れか1項に記載のボイラ装置において、
    前記火炉の前記水壁および前記ケージ部の前記ケージ壁には、前記各バックステーを取り付けるための取付機構が複数設けられ、
    前記各取付機構は、
    前記水壁に保持されるタイバーと、前記タイバーに取り付けられるスタンドオフと、前記スタンドオフに固定され、前記バックステーを水平方向にスライド可能に支持するサポートラグと、を含むことを特徴とするボイラ装置。
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