JP2020148394A - ボイラ装置 - Google Patents

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。

Images