JP4296460B2 - 伝熱管の洗浄方法及び洗浄装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排熱回収ボイラなどの伝熱管の洗浄に係り、特にスケールの除去に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ガスタービンの燃焼排ガスにより給水を加熱して水蒸気を発生する排熱回収ボイラが知られている。このようなボイラでは、フィン付き伝熱管（フィンチューブ）が群立する熱交換器が用いられるが、これら伝熱管には、排ガスに含まれる水蒸気により、硫黄が関与してスケールが付着成長する。特に、排ガスの流れ方向の最下段部位では、排ガス温度が低下し水分が結露するのでスケールの生成が著しい。この結露は、ガスタービンの起動とともに繰り返される。伝熱管にスケールが過剰に付着すると、熱交換効率が低下して、プラントの効率が低下するので、伝熱管に付着したスケールを除去する必要ある。
【０００３】
この伝熱管に付着したスケールを除去する方法として、ウォータージェットを利用する方法が提案されている。このウォータージェットによる伝熱管の洗浄は、ノズルから噴射圧力が１００ＭＰａを超える高圧水を吹き付けて行なわれる。高圧水は、ノズルの噴出孔から水芯状に噴出され、下流で水塊に分裂する。この水塊が、スケールに衝突する際に最も強い衝撃圧が発生し、そのときの衝撃圧により伝熱管表面のスケールが破壊され、水流によって洗い流されて除去される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ウォータージェットの衝撃圧は、ノズルの噴射圧力を超えることはないので、スケールの強度がウォータージェットの衝撃圧より大きい場合には、スケールを破壊できず、伝熱管に付着しているスケールは除去できない。そこで、ノズルの噴射圧力を上げ、ウォータージェットの衝撃圧を大きくすることが考えられる。しかし、ノズルの噴射圧を上げるには、ポンプの吐出圧力を上げなければならず、ポンプの動力が増大し、エネルギーコスト的に不利になる。また、ウォータージェットの衝撃圧により、伝熱管のフィンを折損する恐れがある。
【０００５】
本発明の課題は、ウォータージェットの噴射圧力を増大させることなく、伝熱管に付着したスケールの除去力を向上させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を次の手段により解決する。基本的に、本発明は、フィン付き伝熱管のフィン面に平行な方向からキャビテェーションを伴う水流を噴射して、伝熱管に付着するスケールを除去することを特徴とする。例えば、水流を噴出する貫通孔と、この貫通孔が噴出する水流と流速の異なる水流を噴出する他の貫通孔を設けて、一方の水流と他の水流を交叉させてキャビテェーションを発生させ、このキャビテェーションを伴う水流により伝熱管に付着するスケールを除去することを特徴とする。
【０００７】
すなわち、キャビテェーションの気泡が崩壊するときの衝撃圧と、水流がスケールに衝突するときの衝撃圧の相乗作用で、水流のスケールの除去力が向上する。
【０００８】
キャビテェーションを伴う水流は、伝熱管のフィン面に平行な方向から噴射することが好ましい。このようにすれば、フィンの面にかかる水流の衝撃圧が減少するので、フィンの折損を軽減することができる。
【０００９】
また、本発明の方法を実施するのに好適な洗浄装置は、先端が閉塞された断面が厚さの薄い扁平の外管に先端が閉塞された断面が円形の内管を同心となるように挿入し、前記外管の扁平部と前記内管の対向する管壁にそれぞれ貫通孔を穿設し、該それぞれの貫通孔は対で１組の二重開口構造をしており、前記外管の貫通孔は管壁を外側に隆起して該外管の半径方向外側に凸となるように形成され、前記内管の後端側に高圧水供給口を設け、前記外管の後端側に低圧水供給口を設けてなる洗浄ヘッドを備えていることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、外管の貫通孔から噴出した低速の水流の中に、内管の貫通孔から高速の水流を吹き出すようにして、高速のウォータージェットにキャビテェーションを発生させる。このキャビテェーションを伴うウォータージェットを伝熱管に噴射すれば、ウォータージェットの衝突と、キャビテェーションによって生じる衝撃圧の相乗作用で、スケールを除去できる。
【００１１】
また、洗浄ヘッドは次の構成とすることができる。すなわち、先端が閉塞された３本の管を、並列に近接して配列し、中央の管の後端側に高圧水供給口を設け、両側の管の後端側に低圧水供給口を設け、前記３本の管の管壁にそれぞれ貫通孔を穿設し、それぞれ貫通孔を、中央の管の貫通孔から噴出される水流に対して、両側の管の貫通孔から噴出される水流が交叉するように配置され、前記中央の管の貫通孔は管壁に埋設されたノズルチップに穿設されてなることを特徴とする。
【００１２】
また、前記内管または中央の管に穿設された貫通孔は、管壁外面から内面に向かうにつれて孔径が拡径され、孔側面と管壁内面との境界部が丸く形成されることが好ましい。これによれば、貫通孔から噴出される水流の圧力損失を軽減することができる。
【００１３】
ここで、伝熱管の林立するボイラの奥まで洗浄器を差し込むためには、伝熱管の延在方向の全長にわたって洗浄できるように洗浄ヘッドの軸方向長さを十分に長く、すなわち、いわゆるランス状に形成するのが好ましい。これによれば、ボイラの奥にある伝熱管まで洗浄できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る伝熱管の洗浄装置における洗浄ヘッド、いわゆるランスの一実施の形態を示している。図２は、伝熱管の間に挿入されている図１のランスの断面図である。図１に示すように、ランス１は、先端が閉塞された外管２に先端が閉塞された内管３が、外管２と同心となるように奥まで挿入され形成されている。また、図２に示すように、群立するフィン付き伝熱管３５の狭あい部に差し込めるように、ランス１は、厚さの薄い扁平な外管２に断面が円形の内管３が挿入されて形成されている。外管２と内管３は、それぞれ先端部の管壁に貫通孔を２個づつ（貫通孔５，７と貫通孔９，１１）と、それぞれ後端部に連結管１３，１５を備え、連結管１３，１５は、ジョイント１７によりそれぞれホース１９，２１と連通されている。また、外管２の後端の中心部には、内管３が挿入できるように開口部が設けられ、内管３の管壁と外管２の開口部との隙間は、シール２３により密閉されている。
【００１５】
これにより、低圧水が、ホース１９から連結管１３を通流して外管２内に供給されて、外管２の貫通孔５，７より低速の水流（低速ウォータージェット）として噴出され、高圧水が、ホース２１から連絡管１５を通流して内管３内に供給されて、内管３の貫通孔９，１１より高速の水流（高速ウォータージェット）として噴出される。
【００１６】
ここで、貫通孔５，７，９，１１について説明する。貫通孔５，７は、それぞれ外管２の管壁の扁平部に設けられている。貫通孔５と貫通孔７は、外管２の長手方向に位置をずらして、且つ、互いに外管２の反対側に穿設されている。貫通孔９，１１は、それぞれ貫通孔５，７と対向する内管３の管壁に、貫通孔５，７と同心になるように穿設されている。なお、貫通孔９，１１は、それぞれノズルチップ２５，２７に穿設され、貫通孔５，７とともにランス１のノズル部２９，３１を構成している。図３は、ノズル部２９の断面図である。図３に示すように、ノズル部２９は、貫通孔５と貫通孔９が対で１組の二重開口構造をしており、貫通孔５の周辺の外管２の管壁は、貫通孔５の開口部の外周から開口部に向かって外管２の外側に隆起し、貫通孔５の開口部の管壁が外管２の径方向外側に凸になるように形成されている。貫通孔９は、貫通孔５と同心となるようにノズルチップ２５に穿設されている。これによれば、貫通孔５は、貫通孔９から噴出される高速ウォータージェットを周囲から囲むように、低圧大流量の水流を噴出できる。また、この貫通孔９は、噴出側から吸入側に向かうにつれて孔径が拡径され、貫通孔９の孔壁面は内管３の内壁向かって丸く形成されている。ノズル部３１もノズル部２９と同様の構成をしている。これによれば、高速ウォータージェットの圧力損失を軽減できる。
【００１７】
このように、貫通孔５，７と貫通孔９，１１は、同心となるように配置されているので、貫通孔５，７より噴出される低速ウォータージェットと、貫通孔９，１１から噴出される高速ウォータージェットは、同軸流となる。高速ウォータージェットは、低速ウォータージェット内部を貫通するので、キャビテェーションが発生し、キャビテェーション・ジェットとなる。このキャビテーション・ジェットは、高速ウォータージェットの衝突とキャビテェーションによって生じる衝撃圧の相乗作用でスケールを除去する。
【００１８】
このスケールの除去作用を図に基づいて説明する。図４は、図１のランスがキャビテェーション・ジェットを噴出している様子を示した図である。図５は、図１のランスが伝熱管を洗浄している様子を示した図である。図４に示すように、ノズル部２９は、ランス１の軸の鉛直方向にキャビテェーション・ジェットを噴出し、ノズル部３１は、ノズル部２９と１８０°逆向きにキャビテェーション・ジェットを噴出するように配置されている。これにより、図５に示すように、群立している複数の伝熱管３５に直交する方向にランスを挿入して、伝熱管の洗浄ができる。この場合、伝熱管群の奥行きに合わせて、ランス１を軸方向に十分に長く形成する。
【００１９】
ここで、キャビテェーション・ジェットのスケールの除去作用を図６の模式図で説明する。貫通孔５から低速ウォータージェットが噴出され、貫通孔９から高速ウォータージェットが噴出される。この高速ウォータージェットは、低速ウォータージェット中を流れることから、界面のせん断渦に由来するキャビテェーションを伴うキャビテェーション・ジェットとなり、伝熱管３５のフィン３７や母管３９の表面に付着するスケールに衝突する。このキャビテェーション・ジェットの衝突とキャビテェーションによる衝撃圧の相乗作用により、スケールが破壊され破片となり、フィン３７や母管３９の金属面から剥離して、キャビテェーション・ジェットの水流により洗い流される。
【００２０】
ここで、有力なキャビテェーションの多くは、低速ウォータージェット中の高速ウォータージェット界面のせん断層に由来するので、両ジェットの速度差は、大きい方がよい。すなわち、低速ウォータージェットの流速は、より低速な方が好ましい。また、キャビテェーションの気泡核は、高速ウォータージェット及びこの周囲を流れる低速ウォータージェットによって運ばれ、気泡崩壊時に例えば２００ＭＰａを超える高圧の衝撃圧が発生する。このキャビテェーションの衝撃圧は、パルス状であり、おびただしい回数だけ繰り返し発生する。したがって、ポンプの吐出圧力あるいは、ノズルの噴射圧力が高くなくても、気相中ウォータージェットでは、除去が困難な、例えばＬＮＧ焚き排気再燃プラント（液化天然ガス焚き排気リパワリングプラント）等で使用される熱交換器の内部の千鳥（スタガード）配列されたフィン付き伝熱管に付着するハードスケールも容易に粉砕して除去することができる。
【００２１】
ここで、本発明のランスを使用した時の効果について説明する。図７は、同一の水洗施工時間での、従来のウォータージェット洗浄用ノズル（以下、従来のノズル）と、本発明の実施の形態におけるランス１とのスケール除去量Ｗを比較したものである。従来のノズルのスケール除去量をＷ１とし、ランス１のスケール除去量をＷ２とする。縦軸におけるスケール除去量Ｗは、それぞれのスケール除去量Ｗ１，Ｗ２をスケール除去量Ｗ１で割ることにより無次元化して表している。従来のノズルのスケール除去量を１とすると、ランス１のスケール除去量は、２．７７となり、スケール除去量が増加している。このように、同一水洗施工時間におけるスケール除去量が増加するので、水洗工程を短縮できる。
【００２２】
ここで、図８は、従来のノズルとランス１との使用水量Ｑｗを比較したものである。従来のノズルの使用水量をＱｗ１とし、ランス１の使用水量をＱｗ２とする。縦軸における使用水量Ｑｗは、それぞれの使用水量Ｑｗ１，Ｑｗ２を従来のノズルの使用水量Ｑｗ１で割ることにより無次元化して表している。図８に示すように、従来のノズルの使用水量を１とすると、ランス１の使用水量は０．７９となり、高速ウォータージェットの周囲流として、低圧水を用いているにもかかわらず、使用水量Ｑｗは、従来のノズルより２０％以上少なくなっている。このように、ランス１によれば、従来に比べ使用水量が減少するので、排水処理のコストを低減できる。
【００２３】
ここで、他の実施の形態について説明する。図９は、他の実施の形態のランスの断面図である。本発明の実施の形態のランスは、外管に内管を挿入して構成されているが、これに代えて、３本の管を並列に配列して構成することもできる。すなわち、先端が閉塞された管４１，４３，４５を、並列に近接して配列し、中央の管４１の後端側に図示しない高圧水供給口を設け、両側の管４３，４５の後端側に図示しない低圧水供給口を設け、管４１の管壁に、ノズルチップを埋設し、このノズルチップに貫通孔４７を穿設させて、管４３，４５のそれぞれの管壁に、貫通孔４９，５１を穿設させて形成してもよい。ここで、図９に示すように、貫通孔４７から噴出される高速ウォータージェットに対して、貫通孔４９，５１から噴出される低速ウォータージェットが囲むように貫通孔４７，４９，５１を配置する。
【００２４】
このような構成とすると、ランスが平易な構造となり、加工がしやすくなるので好ましい。また、高速ウォータージェットの周囲環境は低速ウォータージェットにより水となるので、キャビテェーションの気泡核が、高速ウォータージェットと低速ウォータージェットの両方から供給される。周囲の低速ウォータージェットの乱れが強いと、高速ウォータージェットも乱れ、気泡核の供給も活発となり、さらにキャビテェーションが発達するので好ましい。また、上記いずれのランスも、キャビテェーション・ジェットを噴出する貫通孔の組み合わせは、１組または、２組以上でもよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、ウォータージェットの噴射圧力を増大させることなく、伝熱管に付着したスケールの除去力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる伝熱管洗浄装置のランスの一実施の形態の構成図である。
【図２】フィン付き伝熱管の間に挿入された図１のランスの断面図である。
【図３】図１のランスのノズル部の断面図である。
【図４】図１のランスのから噴出されるキャビテェーション・ジェットを示す模式図である。
【図５】図１のランスが熱交換器の内部に群立する伝熱管を洗浄している模式図である。
【図６】図１のランスから噴出されるキャビテェーション・ジェットのスケールの除去作用を示す模式図である。
【図７】同一の水洗施工時間での、従来のウォータージェット洗浄用ノズルと、図１のランスとのスケール除去量を比較した図である。
【図８】従来のウォータージェット洗浄用ノズルと、図１のランスとの使用水量を比較した図である。
【図９】他の実施の形態のランスの断面図である。
【符号の説明】
１ ランス
２ 外管
３ 内管
５，７，９，１１、４７，４９，５１ 貫通孔
２５，２７，５３ ノズルチップ
２９，３１ ノズル部

Claims (4)

1. 先端が閉塞された断面が厚さの薄い扁平の外管に先端が閉塞された断面が円形の内管を同心となるように挿入し、前記外管の扁平部と前記内管の対向する管壁にそれぞれ貫通孔を穿設し、該それぞれの貫通孔は対で１組の二重開口構造をしており、前記外管の貫通孔は管壁を外側に隆起して該外管の半径方向外側に凸となるように形成され、前記内管の後端側に高圧水供給口を設け、前記外管の後端側に低圧水供給口を設けてなる洗浄ヘッドを有する伝熱管の洗浄装置。
2. 先端が閉塞された３本の管を並列に近接して配列し、中央の管の後端側に高圧水供給口を設け、両側の管体の後端側に低圧水供給口を設け、前記３本の管の管壁にそれぞれ貫通孔を穿設し、それぞれ貫通孔は、中央の管の貫通孔から噴出される水流に対して、両側の管の貫通孔から噴出される水流が交叉するように配置され、前記中央の管の貫通孔は管壁に埋設されたノズルチップに穿設されてなる洗浄ヘッドを有する伝熱管の洗浄装置。
3. 請求項１または２に記載の伝熱管の洗浄装置において、前記内管または中央の管に穿設された貫通孔は、管壁外面から内面に向かうにつれて孔径が拡径され、孔側面と管壁内面との境界部が丸く形成されてなることを特徴とする伝熱管の洗浄装置。
4. 請求項１乃至3のいずれか1項に記載の伝熱管の洗浄装置を用いて、フィン付き伝熱管のフィン面に平行な方向からキャビテェーションを伴う水流を噴射して、伝熱管に付着するスケールを除去する伝熱管の洗浄方法。

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