JP4276739B2 - ボイラ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラに係り、特に、火力発電プラントに用いられるボイラに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図2は、従来の火力発電プラントにおけるボイラを構成している熱交換器内でのガス流れを示している。熱交換器は、伝熱管1の配列により構成される伝熱管群、及びガス流路を形成するために壁2により構成される箱型容器を備える。熱交換器に代表される管群構造物では、特定の条件を達した場合、気柱共鳴現象が発生し、騒音が発生する場合がある。気柱共鳴現象を以下に説明する。
【0003】
箱型容器内では、流体が気体の場合、その寸法に対応して一般に定在波と呼ばれる固有気柱振動モードが離散的に複数存在する。固有気柱振動モードでの振動は減衰しにくく、強い振動が発生しやすい。固有気柱振動モードの振動数は固有気柱振動数と呼ばれる。
【0004】
一方、伝熱管群においては、伝熱管1の周りに流体が流れるとき、図3に示された渦3が伝熱管1の後方へ一定の周期で放出される。渦3の放出周期(周波数)は渦放出周波数と呼ばれ、主に伝熱管1の直径,伝熱管1周りの流速,伝熱管1の配列形態などに依存する。渦3の放出により、伝熱管1に力が生じる。この力により、気体は振動する。この時、伝熱管1に生じる力の周期は渦放出周波数に比例する。ここで、伝熱管群を流れていくに従い、放出される渦は増強され、ある周波数成分が支配的になる。
【0005】
そして、渦の支配的な周波数が伝熱管群を収納する容器の固有気柱振動数と一致すると、気体は共鳴を起こし、箱型容器内で大きな騒音が発生する。一般に、伝熱管に生じる力の影響を受けやすいガス流れ垂直方向で共鳴が発生することが多い。また、発生音圧が大きい場合には、伝熱管に激しい振動を誘発する。このような現象は気柱共鳴現象と呼ばれ、騒音防止,機器破損防止の観点から、気柱共鳴の発生防止が重要となる。
【0006】
気柱共鳴現象を防止するための従来技術として、図2に示すような伝熱管群内あるいは伝熱管群部周辺に共鳴防止バッフル4に複数設け、固有気柱振動数を変化させ、渦放出周波数との一致を避ける方法が取られている。なお、この種のボイラ及び熱交換器に関連するものとしては、例えば特開平5−141891 号公報が挙げられる。
【0007】
しかし、今回対象としているボイラでは、3次元的に複雑な箱型容器形状となっているため、固有気柱振動モードも3次元的かつ複雑になる。共鳴防止バッフル4は、バッフルと垂直な方向の振動に対して有効であるため、共鳴防止バッフル4を3次元的に配置しなくてはならない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、ボイラでガス流れ方向に発生する気柱共鳴の発生防止に有効な共鳴防止バッフルの管群部周辺への挿入を考えた場合、共鳴防止バッフルをガス流れ垂直方向に挿入しなければならない。しかし、この方向への共鳴防止バッフルの挿入は流れに対する抵抗となり、本来ボイラの役割である熱交換を妨げる。そのため、ガス流れ垂直方向に有効な共鳴防止バッフルの管群部周辺への挿入は行えない。
【0009】
本発明の目的は、伝熱管群周辺に、燃焼ガス流れに対して垂直となる方向に共鳴防止バッフルを挿入せずに、気柱共鳴を防止し、騒音を低減できるボイラを提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第1本発明の特徴は、1つ以上の石炭灰回収容器の上部に、板状構造物を設置したことにある。板状構造物の設置は、石炭灰回収容器の固有気柱振動数と伝熱管群からの渦放出周波数とが一致しなくなる。このため、気柱共鳴発生を回避でき、騒音を低減できる。
【0011】
上記目的を達成する第2発明の特徴は、1つ以上の石炭灰回収容器内に、共鳴防止バッフルを設置したことにある。また、上記目的を達成する第3発明の特徴は1つ以上の石炭灰回収容器内に板状構造物を設置したことにある。石炭灰回収容器内に、共鳴防止バッフルまたは板状構造物を設置することによって第1発明と同様な作用効果を生じる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図1および図5から図10を用いて説明する。
【0013】
本発明の第1実施例である、火力発電プラントに用いられるボイラを、図1及び図5を用いて説明する。火炉5,バーナー6で石炭の燃焼により生成されたガスが、壁2より形成されるガスの流路中に設置された過熱器7,再熱器8,節炭器9を通過した後、ボイラ外部へと放出される。過熱器7,再熱器8及び節炭器9は伝熱管群をそれぞれ有する。過熱器7,再熱器8及び節炭器9は通過するガスから熱を吸収する。吸収された熱エネルギーは、伝熱管内を流れる媒体に伝えられる。その熱エネルギーは、加熱された媒体により連絡管10を通り、ドラム11に蓄えられる。ドラム11に蓄えられた媒体は、過熱器7に送られ、そこで更に熱吸収し、高温化した後、蒸気タービンへ送られ、発電動力に用いられる。連絡管10及びドラム11は、壁2に取り付けられた支持体12によって支えられる。燃焼ガス中の石炭灰は石炭灰回収容器13にて集塵され、定期的に外部へ除去される。
【0014】
ボイラに設けられた石炭灰回収容器13の詳細構造を図1に示す。6つの四角錐型をした石炭灰回収容器13のうち、2つの石炭灰回収容器13Aの上部が、四角錐型の薄板構造物14で覆われている。薄板構造物14の設置により、ボイラ内部空間が変化する。このため、固有気柱振動モードの形態が変化し、共鳴の発生しにくいモード形態を実現できる。
【0015】
図4に、従来のボイラと本実施例との周波数応答曲線を示す。これらは、同一条件で運転した場合での石炭灰回収容器で生じる周波数応答の解析結果である。横軸は伝熱管群に生じる力の周波数を、縦軸は石炭灰回収容器で生じる音圧の応答倍率であり、各周波数に対する共鳴発生のしやすさを表している。黒丸付き実線Aは本実施例におけるボイラで生じる音圧の周波数応答倍率の分布であり、白抜き四角付き破線Bは従来のボイラで生じる音圧の周波数応答倍率の分布である。気柱共鳴発生には、伝熱管群で生じる気体の励振エネルギーが音場の減衰エネルギーを上回る必要であるため、一点鎖線Cが示す共鳴発生に対する周波数応答倍率の限界値が存在する。従来のボイラでは、白抜き四角付き破線Bが一点鎖線Cを上回るため、気柱共鳴が発生し、騒音が発生した。しかし、本実施例のボイラでの応答倍率は、従来のボイラのそれの最大値より小さく、かつ一点鎖線Cを下回る。このため、本実施例は、気柱共鳴発生は回避でき、騒音が低減することができる。
【0016】
また、石炭灰回収容器13は、ボイラ構造上の設置場所及び形状から音圧が高くなりやすい。設置された薄板構造物14は、音波の伝達を遮断することができ、音圧の高揚も抑制できる。これらの効果により、気柱共鳴は回避でき、騒音は抑制される。
【0017】
本発明の第2実施例であるボイラを以下に説明する。ただし、石炭灰回収容器以外の構成は、第1実施例と同じであるので、ここでは、石炭灰回収容器のみを説明する。第2実施例に用いられる6つの四角錐型をした石炭灰回収容器13のうち、少なくとも2つの石炭灰回収容器13Bの上部を、図6のように、孔15を有する薄板構造物16で覆う。薄板構造物16は、石炭灰回収容器13Bに取り付けられる。実施例1では、石炭灰回収容器13Aは薄板構造物14により石炭灰回収容器としての役割を果たさない。しかし、薄板構造物16は孔15を有しているので、石炭灰は石炭灰回収容器13Bにて集塵できる。また、薄板構造物16により、石炭灰回収容器13Bには、ヘルムホルツ共鳴器としての効果が生じる。ヘルムホルツ共鳴器の概念は、容器が持つ固有振動数で共鳴した時、空気の振動エネルギーが孔部15の摩擦によって熱エネルギーに変換されるため、音響エネルギーを減衰させる。この効果により、石炭灰回収容器13Bには減音効果が生じ、騒音は抑制される。
【0018】
本発明の第3実施例であるボイラを以下に説明する。ただし、石炭灰回収容器以外の構成は、第1実施例と同じであるので、ここでは、石炭灰回収容器のみを説明する。第3実施例に用いられる6つの四角錐型をした石炭灰回収容器13のうち、少なくとも2つの石炭灰回収容器13Cは、図7に示すように、孔15を有する薄板構造物16Aで覆う。薄板構造物16Aは石炭灰回収容器13Cに取り付けられる。孔15の出口側には、間隔を置いて、多孔質性を持つ部材17が配置される。薄板構造物16Aに孔15が設けられているので、石炭灰は石炭灰回収容器13Cにて集塵できる。また、薄板構造物16により、石炭灰回収容器13には、ヘルムホルツ共鳴器としての効果が生じる。また、多孔質性を持つ部材17が配置されるのでより気道を形成することにより、孔15の摩擦面積は増大するため、熱エネルギーへの変換率は高まり、高い減音効果を得ることができ、騒音は抑制される。
【0019】
本発明の第4実施例であるボイラを以下に説明する。ただし、石炭灰回収容器以外の構成は、第1実施例と同じであるので、ここでは、石炭灰回収容器のみを説明する。第4実施例に用いられる6つの四角錐型をした石炭灰回収容器13のうち、少なくとも2つの石炭灰回収容器13Cは、図8に示すように、孔15を有する薄板構造物16Bで覆う。薄板構造物16Bは石炭灰回収容器13Cに取り付けられる。孔15の出口側に、薄板構造物部材に比して吸音特性に優れた部材18が設置される。薄板構造物16Bが孔15をゆうするので、石炭灰は石炭灰回収容器13にて集塵できる。薄板構造物16Bにより、石炭灰回収容器13Cには、ヘルムホルツ共鳴器としての効果が生じる。さらに、薄板構造物16Bの表面には吸音効果を持つ部材18を装着しているため、ボイラ内部で発生した騒音に対して、石炭灰回収容器13Cで吸音される。これより、減音効果が生じ、騒音は抑制される。
【0020】
本発明の第5実施例であるボイラを以下に説明する。ただし、石炭灰回収容器以外の構成は、第1実施例と同じであるので、ここでは、石炭灰回収容器のみを説明する。第5実施例に用いられる6つの四角錐型をした石炭灰回収容器13のうち、少なくとも2つの石炭灰回収容器13Eは、図9に示すように、内部に共鳴防止バッフル4を設置している。共鳴防止バッフル4は、石炭灰回収容器部13Eの内部空間に変化を与える。これにより、ボイラ内部空間形状が変化するため、固有気柱振動モードの形態が変化し、共鳴の発生しにくいモード形態を実現でき、第5実施例も図4に示す実施例1と同様な効果を生じる。これより、気柱共鳴発生は回避でき、音圧の高揚を抑制できる。また、共鳴防止バッフルの石炭灰回収容器部への挿入を考えた場合、ボイラの役割である熱交換を妨げる抵抗にはならない。
【0021】
本発明の第6実施例であるボイラを以下に説明する。ただし、石炭灰回収容器以外の構成は、第1実施例と同じであるので、ここでは、石炭灰回収容器のみを説明する。第6実施例に用いられる6つの四角錐型をした石炭灰回収容器13のうち、少なくとも2つの石炭灰回収容器13Fは、図10に示すように、内部に薄板構造物14を設置している。薄板構造物14は、石炭灰回収容器部13Eの内部空間に変化を与える。これにより、ボイラ内部空間形状が変化するため、固有気柱振動モードの形態が変化し、共鳴の発生しにくいモード形態を実現でき、第6実施例も図4に示す実施例1と同様な効果を生じる。これより、気柱共鳴発生は回避でき、音圧の高揚も抑制できる。
【0022】
以上述べた第1実施例から第6実施例で用いられる各石炭灰回収容器部は、気柱共鳴が発生している既存のボイラに対しても有効であり、既存のボイラに対して後設的に設置することも可能である。これより、気柱共鳴が発生している既存のボイラに対して、本発明による構造物の追設により、気柱共鳴を回避させることができ、騒音を抑制できる。
【0023】
以上説明してきたように、ボイラの構成要素である石炭灰回収容器部に対して、各実施例でのボイラは、意図的に固有気柱振動数を伝熱管群からの渦放出周波数との一致を避け、気柱共鳴の発生を回避できる。また、石炭灰回収容器部に吸音・減音効果を付加することも可能である。石炭灰回収容器部は伝熱管群とは近接されていないため、今回提供するような石炭灰回収容器部の形状により熱交換を妨げることはなく、騒音を充分抑制できる。各実施例で追設した構造物は、気柱共鳴が発生している既存のボイラに対しても、気柱共鳴の発生停止に有効である。
【0024】
【発明の効果】
本発明によれば、伝熱管群周辺に、燃焼ガス流れに対して垂直となる方向に共鳴防止バッフルを挿入せずに、気柱共鳴を防止し、騒音を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図5に示す石炭灰回収容器の詳細構造を示し、(a)は石炭灰回収容器付近の拡大図、(b)は1つの石炭灰回収容器の斜視図である。
【図2】ボイラにおける熱交換器部と共鳴防止バッフルの概要図である。
【図3】熱交換器に設置された伝熱管群での渦放出形態を示す説明図である。
【図4】振動数と応答倍率との関係を、従来のボイラと図5のボイラについて示した特性図である。
【図5】本発明の好適な一実施例である、火力発電プラントにおけるボイラの構成図である。
【図6】本発明の他の実施例であるボイラに用いられる石炭灰回収容器の他の構成例を示し、(a)は石炭灰回収容器付近の拡大図、(b)は1つの石炭灰回収容器の斜視図である。
【図7】本発明の他の実施例であるボイラに用いられる石炭灰回収容器の他の構成例を示し、(a)は石炭灰回収容器付近の拡大図、(b)は1つの石炭灰回収容器の斜視図である。
【図8】本発明の他の実施例であるボイラに用いられる石炭灰回収容器の他の構成例を示し、(a)は石炭灰回収容器付近の拡大図、(b)は1つの石炭灰回収容器の斜視図である。
【図9】本発明の他の実施例であるボイラに用いられる石炭灰回収容器の他の構成例を示し、(a)は石炭灰回収容器付近の拡大図、(b)は1つの石炭灰回収容器の斜視図である。
【図10】本発明の他の実施例であるボイラに用いられる石炭灰回収容器の他の構成例を示し、(a)は石炭灰回収容器付近の拡大図、(b)は1つの石炭灰回収容器の斜視図である。
【符号の説明】
1…伝熱管、2…壁、3…渦、4…共鳴防止バッフル、5…火炉、6…バーナー、7…過熱器、8…再熱器、9…節炭器、10…連絡管、11…ドラム、12…支持体、13…石炭灰回収容器、14…薄板構造物、15…孔、16…孔を持つ薄板構造物、17…多孔質性を持つ部材、18…吸音特性を持つ部材。
Claims (4)
- 複数の伝熱管の配列からなり、燃焼ガスの流路中に設置された伝熱管群と、前記伝熱管群を取り囲み、かつ伝熱管周囲を流れる流体の流路を形成する箱型容器と、前記燃焼ガス中の石炭灰を集塵する複数の石炭灰回収容器とを備えたボイラにおいて、
前記石炭灰回収容器は四角錐型形状であり、
1つ以上の前記石炭灰回収容器の上部を覆うように四角錐型の板状構造物を設置したことを特徴としたボイラ。 - 前記板状構造物は貫通孔を有する請求項1のボイラ。
- 前記板状構造物の孔の下側に多孔質部材を配置した請求項2のボイラ。
- 前記板状構造物の孔の下側に吸音部材を配置した請求項2のボイラ。
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- 1999-07-15 JP JP20129599A patent/JP4276739B2/ja not_active Expired - Fee Related
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