JP4336231B2 - ボイラ装置 - Google Patents

Description

本発明は大容量火力発電用ボイラなどのボイラ装置に係り、特に炉壁の質量支持構造に関するものである。

最新の大容量火力発電用ボイラにおいては、ボイラ火炉壁（以下、単に炉壁と称することがある）での熱吸収を炉壁出口で均一化するため、螺旋状のスパイラルメンブレン壁を採用している。すなわち従来のボイラでは全高さ方向に垂直管からなる炉壁を設けていたが、炉壁の周方向に生じた熱吸収のアンバランスが炉壁の高さ方向で増大するため、炉壁の焼損、変形などの問題が生じることがある。

このため特にアンバランスが生じ易い下部の炉壁については、管方向が火炉の高さ方向に対して斜めに配置されるようにスパイラル状に配置することとして、下部炉壁にはスパイラル壁、上部炉壁には垂直壁を設けた構造が採用されるようになった。

なお炉壁は鋼管と平鋼とが交互に隅肉溶接によりパネル状に形成された、所謂、メンブレン壁となっている。また炉壁内では燃焼が行われるため、炉内圧による幅方向の変形防止対策に加えて、熱伸びによる炉の高さ方向の熱伸び吸収対策が必要であることから、炉壁の全高さ方向に渡って炉壁の水平方向にはホリゾンタルバックステと呼ばれるサポート部材を炉壁と離間して設けて、炉壁としての剛性を確保しつつ熱伸びに対応する構造としている。

図１０に本発明が適用されるボイラ装置の概略斜視図を示す。また図７に本発明が適用される上部炉壁による下部炉壁の支持構造を示す。

ボイラ本体は図示していない鉄骨柱及び梁からなるボイラ建屋と呼ばれる構造体内の天井大梁に吊り下げられて設置されているが、この場合、垂直管からなる炉壁に比べてスパイラル管からなる炉壁は管の横断方向に壁の質量を負担することになるため、その部分的に負担可能な質量が制限される。このためスパイラル管からなる下部炉壁２４に対してはバーチカルストラップ３と呼ばれる吊り部材を高さ方向に複数、炉壁の全周にわたって、一方の支点を垂直管からなる上部炉壁１５に設け、他方の支点を下部炉壁２４全体に分散して設けることにより、下部炉壁２４の部分的な質量負担を軽減している。

また、前記ホリゾンタルバックステ５が炉壁の水平方向に複数、炉壁を取り囲んで配置されているため、この質量も負担する必要があるが、この質量についてはメジャーリンク６と呼ばれるサポート部材を介し、ボイラ全周の高さ方向に複数配置された前記バーチカルストラップ３へ伝達され、さらに上部炉壁の垂直管に伝える構造になっている。すなわち前記バーチカルストラップ３により、下部炉壁２４、ホリゾンタルバックステ５およびホリゾンタルバックステ５と前記バーチカルストラップ３とを接続する部材などの質量が、上部炉壁１５に伝達される構造となっている。

図７において、図中の１は火炉壁のうちの垂直壁からなる上部炉壁１５を構成する垂直管、２はその垂直管１に接続されてスパイラルメンブレン壁からなる下部炉壁２４を構成するスパイラル管、３はスパイラルメンブレン壁からなる下部炉壁２４の全周にわたって垂直方向に配置され、前記垂直壁からなる上部炉壁１５に支点を設けた多数のバーチカルストラップ、４はバーチカルストラップ３と平行に配置されたバーチカルバックステ−、５はスパイラルメンブレン壁からなる下部炉壁２４の水平方向に配置された多数のホリゾンタルバックステ−、６はパーチカルストラップ３とホリゾンタルバックステ−５の間に配置されたメジャーリンク、７はパーチカルストラップ３とバーチカルバックステ−４の間に設けられたマイナーリンク、１２はサポートピン、１３はサポート、１４はコーナリンクである。

前述のように垂直管１に比べてスパイラル管２はその負担質量が制限されるため、バックステー４，５等の質量はメジャーリンク６を介して、バーチカルストラップ３へ伝達され、その質量はさらにバーチカルストラップ３を介して垂直管１に伝達される構造になっている。

図８は、従来のボイラ装置におけるスパイラルメンブレン壁支持構造でのメジャーリンク６の配置状態を示す図である。本図は火炉側壁２５における支持構造の配置状況を示しており、図中の一点鎖線８は火炉前壁、一点鎖線９は火炉後壁を示している。同図に示すように炉壁の垂直方向に多数配置されたバーチカルストラップ３と、炉壁の水平方向に多数配置されたホリゾンタルバックステ−５の各交差部またはその近傍にそれぞれメジャーリンク６を設け、各メジャーリンク６により、バーチカルストラップ３とホリゾンタルバックステ−５の全ての交差部を機械的に連結固定することにより、ホリゾンタルバックステ−５の剛性を確保して炉内圧などにより幅方向に変形するのを防止する。また熱伸びに対しては、高さ方向のホリゾンタルバックステ−５間にはメジャーリンク６により連結固定する代わりにマイナーリンク７を接続して、剛性を緩和し、熱伸びに追従する構造としていた。

図９はボイラ装置の概略構成図、図１０はボイラ装置の概略斜視図である。図中の１０はホッパー壁で、図１０に示すようにスパイラル管２で構成されている。１１ａ,１１ｂは火炉の上部、すなわちホッパー壁１０のはるか上方の火炉天井部に吊り下げられた過熱器である。

図１１は、ホッパー壁１０の支持構造を示す斜視図である。この図に示されているように、ホッパー壁１０の支持構造の場合には、ホッパー壁１０が火炉底部のクリンカ排出部となっているため、ホッパー壁１０に相当する火炉前壁及び火炉後壁が炉の内側に向かって傾いており、このためホッパー壁１０の上方に設けた炉壁とは熱伸びの方向が変わるため、バーチカルストラップ３は図７の場合のように上部の炉壁側とは連結せずにホッパー壁１０内に配置した構造としている。

また火炉側壁は傾いてはいないものの前記火炉前、後壁と合わせての全体調整が必要であるため、前記と同様にバーチカルストラップ３はホッパー壁１０の真上の炉壁とは切り離して設けている。また側壁では特に断面積が縮小していることで、炉底に向けて本数を減らした配置としている。

図９に示すようにホッパー壁１０は、それ自体の自重２０に加えて、ホッパー壁１０の上部の炉壁と同様にボイラ装置の運転時に炉圧１６を受ける。さらにホッパー壁１０は、過熱器１１ａ,１１ｂに付着したクリンカー１７が落下したときに衝撃力１８を受ける。また燃料の燃焼によって生じた灰１９がホッパー壁１０上に堆積すると、その重量がホッパー壁１０に掛かる。このようにホッパー壁１０は、それ自体の自重２０、炉圧１６、クリンカー１７の落下衝撃力１８ならびに堆積した灰１９の重量などによって膨らみや変形を生じる。

図１２は、炉圧１６などの荷重の掛かり方とボイラ運転中のホッパー壁１０の変形を模式的に示した図である。炉圧１６などの荷重はホッパー壁１０を介してパーチカルストラップ３、マイナーリンク７、バーチカルバックステ−４ならびにホリゾンタルバックステ−５に伝達される。

従来のボイラ装置は、ホッパー壁１０も図８と同様に各メジャーリンク６により、バーチカルストラップ３とホリゾンタルバックステ−５の全ての交差部を機械的に連結固定されていた。

この種のボイラ装置に関しては、例えば下記に示す特許文献などを挙げることができる。
特開昭54―103901号公報 特開昭60―82702号公報 特開昭62―66005号公報

ところが実際には下部にスパイラル壁、上部に垂直壁を配置した大容量火力発電用ボイラにおいても、主に温度差に起因する熱伸び差のため、バックステーの質量が均一にバーチカルストラップへ伝達されないことが判明した。この負担質量の不均一性のため、バーチカルストラップ等のサポート部材、質量を支える上部垂直管へ過大な応力が発生するから、過剰設計となりがちで、また負担質量の不均一性が解消されない場合にはチューブリークにつながるといった問題がある。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、バックステーの質量が均等にバーチカルストラップへ伝達できる、信頼性の高いボイラ装置を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の第1の手段は、ボイラ炉壁の高さ方向に配置された複数のバーチカルストラップと、
そのボイラ炉壁の水平手方向に配置された複数のホリゾンタルバックステーと、
そのホリゾンタルバックステーの上下面でボイラ炉壁の高さ方向に配置されたバーチカルバックステーと、
前記ボイラ炉壁の高さ方向の前記バーチカルバックステーとバーチカルバックステーの間で、かつバーチカルバックステーと前記バーチカルストラップの間に介在された熱伸びに追従するためのマイナーリンクとを備え、
前記バーチカルストラップとバックステーとの交差部またはその近傍の一部はサポート部材により連結固定され、前記交差部またはその近傍の他の部分は前記バーチカルストラップとバックステーが連結されていない非拘束部となっており、前記サポート部材による連結固定部と非拘束部は一部に偏らないでボイラ全体に配置されていることを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第1の手段において、前記炉壁が、垂直管からなる上部炉壁に接続されたスパイラル管からなる下部炉壁からなり、前記下部炉壁およびバックステーの質量が前記サポート部材ならびにバーチカルストラップを介して前記垂直管からなる上部炉壁に伝達される構造にしたことを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第1の手段において、前記炉壁が、前記垂直管からなる上部炉壁に接続されたスパイラル管からなる下部炉壁と、該下部炉壁に接続されてボイラの底部に設けられたホッパー壁からなり、前記下部炉壁、前記ホッパー壁およびその両方の炉壁の水平方向に配置されたバックステーの質量とが、前記サポート部材ならびにバーチカルストラップを介して前記垂直管からなる上部炉壁に伝達される構造にしたことを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、バーチカルストラップ負担質量の均等化が図れ、サポート部材の最適設計が可能であり、なおかつチューブリークの可能性を削減することで、ボイラ装置の信頼性を向上することができる。

次に本発明の実施形態を図面と共に説明する。図７に示すように、炉壁にスパイラルメンブレン壁を備えた大容量火力発電用ボイラにおいて、スパイラル管２は負担質量が制限されるため、バックステー４、５の質量はメジャーリンク６と呼ばれるサポート部材を介し、ボイラ全周に配置されたバーチカルストラップ３へ伝達され、最終的に上部炉壁の垂直管１に伝える構造としている。

しかし従来のボイラ装置では、炉壁の周方向に生じた熱吸収のためのアンバランスが炉壁の高さ方向で増大するため図９に示すように、下部炉壁をスパイラル壁として緩和することができたが、局部的なアンバランスは依然として存在する。特にボイラ起動時間の短縮が要求される近年においては、急速立ち上げのためアンバランスが増長する現象が発生した。

このため従来は図８に示すように、各レベルにおいて全ストラップへメジャーリンク６を設置していたため、温度アンバランスに起因する熱伸び差が増大し、水平方向に配置されたホリゾンタルバックステ−５に対して同レベルまたは近傍に配置されたメジャーリンク６にレベル差が生じる現象が発生した。これによりバックステー４，５の質量を負担しないバーチカルストラップ３が発生した場合には、相対的に一部のバーチカルストラップ３へ過度の応力が生じ、メジャーリンク６の損傷及び最終的に質量を負担する上部垂直管１の損傷へ繋がる可能性がある。

そこで本発明の第１実施形態では図１に示すように、スパイラルメンブレン壁を備えた大容量火力発電用ボイラにおいて、そのスパイラルメンブレン壁の垂直方向に配置されたバーチカルストラップ３と水平方向に配置されたホリゾンタルバックステ−５の各交差部の全てにメジャーリンク６を配置するのではなく、同図に示すようにメジャーリンク６を1つおきに千鳥に配置している。従って、交差部のメジャーリンク６が配置されていない所ではバーチカルストラップ３とホリゾンタルバックステ−５は機械的に連結されておらず、非拘束部となっている。よってこの第１実施形態ではメジャーリンク６と非拘束部が互いに１つおきに千鳥配列されていることになる。

このように前記交差部の一部に非拘束部を設けることにより、炉壁の周方向に複数配置されたバーチカルストラップ３ヘ熱伸び差が発生した場合、質量を負担しないバーチカルストラップ３が発生することなく、全体的にストラップは均等な質量を負担することとなり、サポート部材の最適設計、及びチューブリークの可能性の低減を図ることが可能となる。

図２は本発明の第２実施形態を示す図、図３は本発明の第３実施形態を示す図、図４は本発明の第４実施形態を示す図で、各図に示すようにメジャーリンク６と非拘束部の配置状態がそれぞれ異なった実施形態を示している。なお、各実施形態において、メジャーリンク６と非拘束部の配置は一部に偏らないで、ボイラ全体から見てバランスよく配置することが必要である。

このように非拘束部を設けるのは、火炉壁の一部を構成する垂直管からなる垂直壁１５だけではなく、ホッパー壁１０にも適用される。ホッパー壁１０に適用した場合、ホッパー壁１０においてもその外側に設置される支持構造は、図１１に示すようにバーチカルストラップ３、マイナーリンク７、バーチカルバックステー４、ホリゾンタルバックステ−５などを有している。

このバーチカルストラップ３は、ホッパー壁１０に溶接で固定したサポート１３とサポートピン１２でホッパー壁１０に取り付けられている。このバーチカルストラップ３は、前記下部炉壁に設けたものと同じ技術思想から設けているが、この他にホッパー壁１０においてはホッパー壁１０が受ける荷重、すなわち炉圧１６、クリンカー１７が落下した時に生じる衝撃力１８、灰１９の重量などに対応する必要もある。ホッパー壁１０においては特に、従来の剛構造では衝撃力１８を吸収できずに支持部材の変形、炉壁の損傷が起きる可能性が高いが、本発明のように一部に非拘束部を設けることにより、柔軟構造となり衝撃力に対応することが可能となる。

ホリゾンタルバックステ−５の上下面には、バーチカルバックステー４が設置されており、バーチカルバックステー４とバーチカルストラップ３の間にマイナーリンク７が介在されている。バーチカルストラップ３で受けた荷重は、マイナーリンク７を介してバーチカルバックステー４に伝達され、さらにその荷重はホリゾンタルバックステ−５、コーナリンク１４を介してホッパー壁１０によって支持される。

すなわちホッパー壁１０に設けられた一連の支持構造は下部炉壁側のバーチカルストラップ３に連結して設けても良いが、ホッパー壁１０が炉の内側に向かって形成されているため、連結部での熱伸び方向が異なることに起因して構造が複雑になること、火炉全体の炉壁の高さに対してホッパー壁１０の高さが、例えば１０％程度と少ないことから、ホッパー壁１０全体を図１１に示すようにコーナリンク１４で一旦側壁で受けて、ホッパー壁１０全体としては下部炉壁全体で質量負担することも可能である。

図５は、この荷重の伝達経路を模式的に示した図である。バーチカルストラップ３、マイナーリンク７、バーチカルバックステー４ならびにホリゾンタルバックステ−５は弾性体であり、それぞれのばね定数をＫ1，Ｋ２，Ｋ３ならびにＫ４とする。

バーチカルストラップ３とマイナーリンク７ならびにマイナーリンク７とバーチカルバックステー４の間はピンによって連結して、バーチカルストラップ３とマイナーリンク７ならびにマイナーリンク７とバーチカルバックステー４の間に、前記ピンの径とそのピンを挿入するピン孔の径の差によってギャップ２１，２２を設けている。図５中の符号２３は炉内面である。

前述のようにマイナーリンク７の両端部にギャップ２１，２２を設けることにより、実際のばね定数（ばね特性）は図６で示す実線となり、ギャップ２１，２２に対応してばね定数は減少する。

荷重の伝達経路上からはバーチカルストラップ３、マイナーリンク７、バーチカルバックステー４ならびにホリゾンタルバックステ−５は直列に配置されているから、これらの合成ばね定数Ｋは、
１／Ｋ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３＋１／Ｋ４
となる。

従って合成ばね定数は従来に比較して小さく設定でき、柔軟な構造となるから、これらが緩衝材として機能する。よってクリンカー１７が落下したときに生じるホッパー壁１０への衝撃力１８が減少し、そのためにホッパー壁１０の強度健全性を高めることができる。また、最終的には荷重を受けるホリゾンタルバックステ−５への衝撃力も低減でき、ボイラ装置の信頼性を向上することができる。

前記実施形態ではホッパー壁１０がスパイラル管２で構成される場合を説明したが、垂直管でホッパー壁を構成するボイラ装置にも本発明は適用可能である。

本発明の第1実施形態に係るスパイラルメンブレン壁支持構造でのメジャーリンクの配置状態を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るスパイラルメンブレン壁支持構造でのメジャーリンクの配置状態を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るスパイラルメンブレン壁支持構造でのメジャーリンクの配置状態を示す図である。 本発明の第４実施形態に係るスパイラルメンブレン壁支持構造でのメジャーリンクの配置状態を示す図である。 本発明の実施形態に係るホッパー壁の支持構造での荷重の伝達経路を模式的に示した図である。 その支持構造でのばね特性図である。 ボイラ装置における垂直壁の支持構造を示す斜視図である。 その支持構造でのメジャーリンクの配置状態を示す図である。 ボイラ装置の概略構成図である。 ボイラ装置の概略斜視図である。 ボイラ装置におけるホッパー壁の支持構造を示す斜視図である。 そのホッパー壁支持構造での荷重の掛かり方とボイラ運転中のホッパー壁の変形を模式的に示した図である。

符号の説明

１：垂直管、２：スパイラル管、３：バーチカルストラップ、４：バーチカルバックステー、５：ホリゾンタルバックステー、６：メジャーリンク、７：マイナーリンク、８：火炉前壁、９：火炉後壁、１０：ホッパー壁、１１：過熱器、１２：サポートピン、１３：サポート、１４：コーナリンク、１５：垂直壁、１６：炉圧、１７：クリンカー、１８：衝撃力、１９：灰、２０：ホッパー壁の自重、２１，２２：ギャップ、２３：炉内面。

Claims (3)

1. ボイラ炉壁の高さ方向に配置された複数のバーチカルストラップと、
   そのボイラ炉壁の水平手方向に配置された複数のホリゾンタルバックステーと、
   そのホリゾンタルバックステーの上下面でボイラ炉壁の高さ方向に配置されたバーチカルバックステーと、
   前記ボイラ炉壁の高さ方向の前記バーチカルバックステーとバーチカルバックステーの間で、かつバーチカルバックステーと前記バーチカルストラップの間に介在された熱伸びに追従するためのマイナーリンクとを備え、
   前記バーチカルストラップとバックステーとの交差部またはその近傍の一部はサポート部材により連結固定され、前記交差部またはその近傍の他の部分は前記バーチカルストラップとバックステーが連結されていない非拘束部となっており、前記サポート部材による連結固定部と非拘束部は一部に偏らないでボイラ全体に配置されていることを特徴とするボイラ装置。
2. 請求項１記載のボイラ装置において、前記炉壁が、垂直管からなる上部炉壁に接続されたスパイラル管からなる下部炉壁からなり、前記下部炉壁およびバックステーの質量が前記サポート部材ならびにバーチカルストラップを介して前記垂直管からなる上部炉壁に伝達される構造にしたことを特徴とするボイラ装置。
3. 請求項１記載のボイラ装置において、前記炉壁が、前記垂直管からなる上部炉壁に接続されたスパイラル管からなる下部炉壁と、該下部炉壁に接続されてボイラの底部に設けられたホッパー壁からなり、前記下部炉壁、前記ホッパー壁およびその両方の炉壁の水平方向に配置されたバックステーの質量とが、前記サポート部材ならびにバーチカルストラップを介して前記垂直管からなる上部炉壁に伝達される構造にしたことを特徴とするボイラ装置。
   
   

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