JP2753176B2 - 伝熱管パネル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は排熱回収ボイラに係り、
特に複数列の伝熱管から構成されるパネルが外力によっ
て変形するとき、その荷重を支えて変形を最小に保つの
に好適な伝熱パネルに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、コンバインドサイクル発電プラ
ントにおいては、ガスタービン等の排ガスを熱源とし
て、蒸気タービン用の駆動蒸気を発生させる排熱回収ボ
イラが用いられる。

【０００３】図９は従来の排熱回収ボイラの一例を示し
ている。この排熱回収ボイラ１は後に詳しく説明される
ように機器の上部に蒸気ドラムを配置し、伝熱管を鉛直
方向に配置した横置き形の自然循環形ボイラであって、
ボイラダクト２内に過熱器３、高圧蒸発器４、脱硝装置
５、高圧節炭器６、低圧蒸発器７および低圧節炭器８が
配置されている。ガスタービン等からの排ガスはボイラ
ダクト２内に流入し、まず過熱器３、高圧蒸発器４を経
て脱硝装置５に至り、含有する窒素酸化物が除去された
後、高圧節炭器５、低圧蒸発器６、低圧節炭器７を順次
通過し、各伝熱管内の内部流体と熱交換を行ない、温度
が低下する。

【０００４】高圧蒸気ドラム９および低圧蒸気ドラム１
０では、各圧力の蒸発器内で発生した二相流が流入し、
蒸気と缶水とに分離される。発生した蒸気は図示しない
蒸気タービンに送られる。

【０００５】本図に示したような自然循環形排熱回収ボ
イラは、強制循環形の排熱回収ボイラと比較すると、循
環ポンプが不要であり、所内動力を軽減できるという利
点に加えて、地上からボイラ最上部までの高さを低く抑
えることができ、ボイラを自立構造とすることが可能
で、支持鉄骨が不要となるなどの長所を有しているた
め、多くのコンバインドサイクル発電プラントで採用さ
れる傾向にある。

【０００６】一方、図１０は上記排熱回収ボイラ１の伝
熱管群を示したものである。ケーシング１７は４辺で短
形のダクトを形成しており、内部に保温材１８が内張り
され、伝熱管群はケーシング１７の中央に配置される。
伝熱管１２の内部を流れる水あるいは蒸気は外部を流れ
る排ガスと熱交換して加熱される。この伝熱管１２は比
較的温度の低い排ガスから効率よく熱回収するため、フ
ィン付き管を使用することが多い。

【０００７】伝熱管１２の上端は上部管寄せ１１、下端
は下部管寄せ１４に接続され、支持板１３で複数の伝熱
管１２を連結して伝熱管パネルを形成している。伝熱管
パネルは下部管寄せ１４に取り付けられた支持脚１５で
その荷重を支持され、上部管寄せ１１に設けられた突起
１６はブラケット１９に挟み込まれる形になっており、
運転時における伝熱管パネルの鉛直上方向への熱膨張を
吸収できるようになっている。また、上下管寄せ１１の
支持部では地震時などで水平方向の力が伝熱管パネルに
作用した場合にこの力をケーシング１７へ伝達する役目
も負う。

【０００８】支持板１３は図１１に示すように平板に伝
熱管１２を通す孔を穿って構成したものであり、主とし
て伝熱管１２のボイラ幅方向の振動を防止するために設
けられる。

【０００９】一方、図１２は伝熱管パネルをガス流動方
向から、つまり前面で見た図である。１枚の伝熱管パネ
ルは通常２列または３列の伝熱管で構成され、これをガ
ス流動方向に１枚以上配置して伝熱管群を形成してい
る。ガス流動方向の同じ平面には処理するガス量によっ
て適宜複数の伝熱管パネルに分割されるが、現状では図
１２に示すように数メートル幅のケーシング１７に１枚
の伝熱管パネルを配置したものが多い。

【００１０】このように伝熱管群を複数の伝熱管パネル
に分割することは、製作、ハンドリング、保守点検等が
容易になるため、非常に好ましいやり方である。

【００１１】以上に述べた排熱回収ボイラ１は現状では
伝熱部分の間口が高さ１０ｍ×幅１０ｍ程度のものが稼
働しているが、近年発電用ガスタービンの大型化に伴
い、排熱回収ボイラも大型化する傾向にあり、伝熱部高
さ１６ｍ、幅１２ｍ、全長４０ｍを越えるような超大型
の排熱回収ボイラも計画されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述した排熱回収ボイ
ラにおいて、伝熱管１２に地震力が作用し、ガス流動方
向に平行に水平力が発生した場合、上部および下部管寄
せ１１、１４を支点として長い伝熱管１２が変位する。
この変位する様子は全長にわたってたわむような低次モ
ードの振動が発生する。これに伴って伝熱管１２と双方
の管寄せ１１、１４との接合部に曲げ応力が発生するこ
とになる。

【００１３】一方、排熱回収ボイラ１に使用される伝熱
管１２は５０．８mm程度の口径のものであり、フィンは
付加質量として作用するので、一本当たりの剛性が比較
的低い。また、上記の支持板１３による固定では、管孔
と伝熱管１２との間にわずかではあるが間隙があり、貫
通部において伝熱管１２と支持板１３とでモーメント伝
達が少ないので、伝熱管パネルの剛性を高くする効果が
殆ど期待できない。

【００１４】従来の排熱回収ボイラでは上記のような伝
熱管１２の変位が発生しても、全体が小型であり、伝熱
管長さが比較的短いため、伝熱管１２に発生する曲げ応
力はそれほど大きくなく、また、ボイラ幅方向の同一平
面内に伝熱管パネルが１枚しかない場合には、伝熱管パ
ネルの中間の変位をケーシングから拘束するのも容易で
あり、これによって伝熱管１２の変位を抑えることがで
きるので、ガス流動方向と平行な水平剛性が問題となる
ことはなかった。

【００１５】しかしながら、前述したような最近の超大
型の排熱回収ボイラでは伝熱管１２が非常に長くなるた
め、地震などの水平力を受けた場合に発生する曲げ応力
が極めて大きくなり、伝熱管１２の剛性を頼みに受け止
めるのが困難になる。このとき、伝熱管１２は内部圧力
により発生する引張り応力に加えて、過大な曲げモーメ
ントによる引張り応力を受けることになり、甚だ好まし
くない。

【００１６】さらに、伝熱管１２の自重を下部で支持す
る自立方式の場合、伝熱管１２が長くなると、限界座屈
荷重が著しく低下し、自立さえも不可能になってしまう
という問題がある。

【００１７】また、超大型の排熱回収ボイラ１では伝熱
管群はボイラ幅方向にも複数の伝熱管パネルから形成さ
れるので、同一平面内の伝熱管パネル全体にケーシング
１７から有効な振れ止めを設けることが難しい。

【００１８】そこで、本発明の目的は伝熱管パネルが過
大な水平方向の外力を受けたとき、これを安全に支えら
れるようにした伝熱管パネルを提供することにある。

【００１９】また、別の目的は自立方式伝熱管パネルを
構成する場合に座屈を起こす懸念のない伝熱管パネルを
提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は上下に配置される一対の管寄せ間を複数列の
伝熱管をもって連通し、かつこれらの伝熱管を複数列に
わたる支持板で双方の管寄せの中間部を連結してなる伝
熱管パネルにおいて、前記伝熱管パネルの側面に倣い該
上部管寄せ近傍から該下部管寄せ近傍まで延びるパネル
側板を設けたことを特徴とするものである。

【００２１】

【作用】たとえば、水平方向に地震力が作用して鉛直方
向に延びる伝熱管パネルに励振力が加えられる。図２に
示されるように、排ガス流動方向からみて伝熱管パネル
の正面と隣り合う側面に設けられたパネル側板Ｐは上部
管寄せ近傍から下部管寄せ近傍まで寸法Ｌにわたって設
けられ、水平方向の外力Ｆに抗して伝熱管パネル全体に
変位が起こるのを防止する。すなわち、外力を受けたと
き強度が弱いと目される中央部分の剛性を大きく高めて
これに抗する。こうした強度を高めるために断面２次モ
ーメントはパネル側板を使用しない伝熱管のみの場合と
比較して、数倍程度大きくする。

【００２２】このように断面２次モーメントを高くする
ならば、限界座屈荷重も増大し、伝熱管の支持の仕方が
自立方式とした場合に座屈が起こりにくくなる。

【００２３】さらに、伝熱管パネルの正面を避け、その
側面に設けられるパネル側板は、排ガスの流動域から外
れた位置にあり、伝熱管パネルを通る排ガスの流動を少
しも妨げない。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１、図３、図
４、および図５を参照して説明する。なお、従来技術に
よって述べられた構成と同じものには同一の符号を付し
て説明を省略する。

【００２５】図１において、伝熱管パネルは上部および
下部管寄せ１１、１４、双方の管寄せ１１、１４を連通
する多数の伝熱管１２およびこれらの伝熱管１２を複数
列にわたり連結する支持板１３から構成されている。

【００２６】この伝熱管パネルの両側面には上部管寄せ
１１近くから下部管寄せ１４近くに延びるパネル側板２
０ａ、２０ｂが設けられる。このパネル側板２０ａ、２
０ｂは、図３に示されるように、各々支持板１３の端部
に後に詳述される支持方法で固定される。また、パネル
側板２０ａ、２０ｂは、図４に示されるように、断面コ
字状のもので、３列の伝熱管１２にわたる支持板１３に
倣って同じパネル奥行き寸法を保って形成される。この
パネル側板２０ａ、２０ｂは開放側を外方向に向けて取
り付けられ、各支持板１３の前後を切り欠いて構成した
延長部１３ａとの係合が保たれる。

【００２７】このパネル側板２０ａ、２０ｂと各支持板
１３の延長部１３ａとの係合は伝熱管パネル全体の中心
となる真中の支持板１３と、その両側に配置される支持
板１３との間で異なる支持方法が採用される。すなわ
ち、図５において、（ａ）は真中にくる支持板１３の延
長部１３ａの支持方法を示しており、パネル側板２０ｂ
（ここでは、パネル側板２０ｂが代表として示される
が、パネル側板２０ａについても同様である）に穿たれ
た穴２１を貫いて延びる延長部１３ａはパネル側板２０
ｂに溶接で固定されている。

【００２８】これに対して、それ以外の支持板１３は、
（ｂ）に示されるように支持板１３の延長部１３ａがパ
ネル側板２０ｂの穴２１を貫いて延びるのは同様である
が、延長部１３ａはパネル側板２０ｂに固定されてな
く、延長部１３ａに溶接された位置決め片２２を備えて
いる。このパネル側板２０ｂの穴２１は綿密に計算され
た幅寸法を有する。つまり、この穴２１は伝熱管パネル
鉛直方向に生じるパネル側板２０ｂと伝熱管１２との間
の熱膨張差を吸収できる一方、水平方向の地震力が伝熱
管パネルに作用したときには延長部１３ａとパネル側板
２０ｂとが接触して水平方向の外力による荷重を受けら
れるように慎重に穴幅を計算して決める。上記実施例の
ように構成したものにおいては、ほぼ伝熱管１２の全長
にわたり設けたパネル側板により２０ａ、２０ｂにより
剛性が高まり水平方向に外力が作用しても伝熱管パネル
の中央部分に変位が起こらない。本実施例では断面２次
モーメントで５倍の強度の向上を見込むことができ、伝
熱管パネルの振動の防止に優れて有用であることが確認
された。

【００２９】また、このパネル側板２０ａ、２０ｂによ
り断面２次モーメントを増大させることができ、その分
限界座屈荷重が大きくなって座屈を起こしにくくするこ
とが可能である。

【００３０】さらに、伝熱管１２のほぼ全長にわたり配
置されるパネル側板２０ａ、２０ｂは、ボイラ幅方向に
対してダクトを仕切ることになり、ボイラ幅方向に発生
する気柱振動の振動数を高い周波数の方へシフトする働
きがある。

【００３１】次に、本発明の他の実施例を図６および図
７を参照して説明する。図６において、本実施例のパネ
ル側板２０ａ、２０ｂについては上記実施例のものと同
じである。本実施例ではこのパネル側板２０ａ、２０ｂ
の上端と下端とで係合する上部連結部材２３と下部連結
部材２４とが設けられる。この上部および下部連結部材
２３、２４は上部および下部管寄せ１１、１４に溶接に
よって固定されており、パネル側板２０ａ、２０ｂにも
たらされる荷重を双方の管寄せ１１、１４に伝えて伝熱
管パネル全体の剛性を高めるようにしたものである。図
７はパネル側板２０ｂの内側に若干の隙間を持たせて係
合させた上部連結部材２３の詳細断面形状を示してい
る。図示は省略しているが、下部連結部材２４も同様な
断面形状を有し、パネル側板２０ｂと嵌合している。

【００３２】本実施例の双方の連結部材２３、２４によ
ってパネル側板２０ａ、２０ｂによる高い剛性と相まっ
てさらに強度の増加を見込むことができ、伝熱管パネル
の振動の防止を確実に果すことが可能である。

【００３３】また、図８も他の実施例を示すもので、特
に自立式伝熱管パネルを構成する場合のものである。本
実施例のパネル側板２５ａ、２５ｂ（２５ａは図示省
略）の一端は下部管寄せ１４に溶接によって固定され
る。これに伴ない５枚すべての支持板１３はパネル側板
２５ａ、２５ｂとの間に固定部分のない、すなわち、図
５（ｂ）に示される延長部１３ａと穴２０ｂとの間に遊
びを持たせた滑り構造に構成される。

【００３４】また、連結部材２３を使って伝熱管パネル
の上部が上部ヘッダ１１に支持される。これは図７に示
されるものと同一の構成である。

【００３５】本実施例の構成においては、上記した図６
のものと同様な働きを得ることができる。ここで、伝熱
管１２およびパネル側板２５ａ、２５ｂは共に伝熱管パ
ネルの下部で固定され、熱膨張する際に互いに相手の変
位を拘束しない利点を有する。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明は
伝熱管パネルの上部管寄せから下部管寄せまで、あるい
は上部管寄せ近くから下部管寄せ近くに延びるパネル側
板を伝熱管パネルの側面に設けているので、過大な水平
方向の外力が作用しても伝熱管パネルに曲げ応力が発生
せず、排熱回収熱交換器の安全性を向上させることがで
きる。

【００３７】また、自立方式の伝熱管パネルを構成する
場合にパネル全体の限界座屈荷重を高めることができ、
座屈による伝熱管パネルの損傷をなくすことが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による伝熱管パネルの一実施例を示す斜
視図。

【図２】本発明の作用を説明するための図。

【図３】図１に示される伝熱管パネルを組込んだ排熱回
収熱交換器の断面図。

【図４】図１に示される伝熱管パネルの断面図。

【図５】図１に示されるパネル側板と支持板との結合部
を示す断面図。

【図６】本発明の他の実施例に係る伝熱管パネルの立面
図。

【図７】図６に示される伝熱管パネルの断面図。

【図８】本発明の他の実施例に係る伝熱管パネルの立面
図。

【図９】従来の排熱回収熱交換器を示す構成図。

【図１０】従来の伝熱管パネルの立面図。

【図１１】従来の伝熱管パネルに係る支持板の平面図。

【図１２】従来の伝熱管パネルを組込んだ排熱回収熱交
換の断面図。

【符号の説明】

１１…上部管寄せ、１２…伝熱管、１３…支持板、１４
…下部管寄せ、２０ａ，２０ｂ，２５ａ，２５ｂ…パネ
ル側板、２２…位置決め片、２３…上部連結部材、２４
…下部連結部材

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上下に配置される一対の管寄せ間を複数
   列の伝熱管をもって連通し、かつこれらの伝熱管を複数
   列にわたる支持板で双方の管寄せの中間部を連結してな
   る伝熱管パネルにおいて、前記伝熱管パネルの側面に倣
   い該上部管寄せ近傍から該下部管寄せ近傍まで延びるパ
   ネル側板を設けたことを特徴とする伝熱管パネル。