JP4991651B2 - 炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉 - Google Patents

Description

本発明は、炉頂圧回収タービンの定期点検時等に、動翼を加熱してロータから抜き取るときなどに使用されて好適な、炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉に関する。

高炉プラントの排ガス路にタービンを設置して発電等に利用する炉頂圧回収タービンは、製鉄所の高炉で発生する高炉ガスの持つ圧力エネルギを電力として回収すると共に、高炉の炉頂圧制御を行なうための設備である。

この炉頂圧回収タービン設備には乾式と湿式とがあり、特に乾式のものは、湿式の場合に水洗浄によってその大部分が除去される高炉ガス中の塩素イオンや硫酸イオンが、除去されずに下流側へ送られるため、下流側で結露が発生した場合には、その結露部分に塩素イオンや硫酸イオンが溶け込んで強酸性雰囲気を形成し、周囲の構造物等に激しい腐食を起こすことがある。

また、炉頂圧回収タービンの動翼は、図６に示すように、動翼１０２の翼植込み部１０３が凸クリスマスツリー状に形成され、凹クリスマスツリー状に形成されたロータ１００の翼取付部１０１に挿入噛合されて、ロータ１００に取り付けられる。このため、クリスマスツリー状の動翼１０２の翼植込み部１０３に極めて大きな応力が作用し、その応力集中部において亀裂が発生することが知られている。

これに加えて、乾式の炉頂圧回収タービン設備においては、動翼１０２の翼植込み部１０３とロータ１００の翼取付部１０１との間の隙間に高炉ガスが進入して強酸性雰囲気を形成し、動翼とロータの双方に激しい腐食を起こして、動翼１０２の翼植込み部１０３における亀裂の発生をさらに促進させるという問題がある。

このため、従来の乾式炉頂圧回収タービンにおいては、動翼１０２に対して高炉ガス雰囲気中でも耐腐食疲労強度に優れたＳＵＳ６３０ステンレス鋼（析出硬化型ステンレス鋼）が使用されると共に、翼部にはアルミニウムを主成分とするコーティングが行われ、また、翼形についても翼弦長を大きく取るようにしてその耐腐食性を高めている。

また、動翼１０２の翼植込み部１０３とロータ１００の翼取付部１０１との間の隙間に高炉ガスが進入することを防止するため、動翼１０２をロータ１００へ組み込むときに、動翼１０２の翼植込み部１０３とロータ１００の翼取付部１０１との間の隙間に、エポキシ樹脂系のワニスを充填している。

この一方、炉頂圧回収タービンにおいては、上述のように動翼１０２の翼植込み部１０３に亀裂が発生するという問題があるため、定期的に非破壊検査等を行なう必要があり、この検査は動翼１０２をロータ１００から抜き取って動翼単体の状態で行なわれる。

しかしながら、動翼１０２の翼植込み部１０３とロータ１００の翼取付部１０１との間の隙間に充填されているワニスの強い接着力により、動翼１０２をロータ１００から引き抜くことが容易ではなく、過大な力で無理に引き抜くと、動翼１０２の翼植込み部１０３にかじり等の損傷を与え、その後の疲労強度を著しく低下させるという問題がある。

このような問題に対して、本願発明者らは、分解時に、動翼１０２の翼植込み部１０３とロータ１００の翼取付部１０１とを、動翼１０２がロータ１００に組み込まれた状態で
高温電気炉に入れ、少なくとも２５０°Ｃ以上の温度で所定時間だけ加熱してワニスを炭化させ、その接着強度を低下させた後に、動翼１０２をロータ１００から引き抜く技術を開発した（例えば、特記文献１参照）。
特開２００７−１３８８５８

上述のように、炉頂圧タービンの分解時に動翼をロータから引き抜くとき、動翼がロータに組み込まれた状態で高温電気炉に入れ、少なくとも２５０°Ｃ以上（通常は３００°Ｃ程度）の温度で所定時間だけ加熱してワニスを炭化させ、その接着強度を低下させた後に動翼をロータから引き抜いている。このとき使用する従来の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉は、高温の発生が可能なセラミックヒータを、炉内にロータの軸方向に複数個を並べたものである。

しかしながら、図８に示すように、特に高温の発生が可能なセラミックヒータを使用しても、炉内温度は炉の中心部で高くなり、炉の両端部では低くなるため、ロータの両端部では最低温度の２５０°Ｃ以上（通常は３００°Ｃ程度）に上昇させることが極めて困難であるという問題がある。

また、セラミックヒータの能力を高めて、ロータの両端部が少なくとも２５０°Ｃ以上になるように加熱しようとすると、ロータの中心部の温度が高くなりすぎ、動翼及びロータ材の材質劣化が懸念される４００°Ｃを超えてしまうという問題がある。また、加熱は少なくとも１０時間以上、通常は２４時間程度と長時間にわたって行われるため、大出力のセラミックヒータを使用したのでは省電力上も大きな問題となる。

この問題を一部解決するものとして、ロータの軸方向に配設された複数個のセラミックヒータを個別に温度制御して、ロータの軸方向の温度分布を均一化しようとする試みもなされてきた。しかしながら、この場合にも炉の両端部の温度が低くなる現象を、根本的に改善することはできなかった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、炉内においてタービンロータの軸方向に均一な温度分布を少ない電力で形成することができる、炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉を提供することを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉は、動翼が植設された炉頂圧タービンロータを被加熱体とする電気加熱炉であって、動翼とロータの翼取付部とを一体に覆う炉本体と、炉本体内の下部に且つロータの軸方向に配設されたセラミックヒータと、多数の貫通孔を有すると共に炉本体内のセラミックヒータの内側に且つこのセラミックヒータに沿うようにセラミックヒータとの間に隙間を介在させて配設された金属製の多孔板と、炉本体外に配設されてロータを支持するロータ支持部とを備える。

本炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉によれば、セラミックヒータが発生する遠赤外線により、熱伝導率の高い金属製の多孔板が輻射加熱されて、ロータの軸方向に全長にわたり且つ周方向に、均一な温度分布を有するようになり、このロータの軸方向かつ周方向に均一な温度分布を有する多孔板が、炉内空気を対流伝熱によって加熱する。

また、セラミックヒータは炉内の下部に配設されているから、炉内に下から上へ向かう高温空気の対流渦流が発生し、被加熱体を軸方向に均一に加熱する。さらに、セラミックヒータからの遠赤外線は、セラミックヒータに沿うように配設された多孔板により、斜め
方向への照射が遮断され、多孔板の貫通孔を通過して炉の中心方向に向かう遠赤外線のみによって被加熱体を輻射加熱するから、被加熱体を軸方向に均一に且つ集中的に加熱することができる。そして、このような効率的な加熱により、省電力も図ることができる。

上記セラミックヒータによる加熱時に、ロータを回転させることができる回転機構を配設することが望ましい。セラミックヒータによる加熱時に、タービンロータを回転させることにより、動翼によって炉本体内に軸方向の空気流を形成することができ、これにより対流熱伝達が促進されて、被加熱体をロータの軸方向かつ周方向に、さらに均一に加熱することができる。

上記炉本体内に、ロータの翼取付部を上方から覆う内蓋を配設することが望ましい。ロータの翼取付部を上方から覆う内蓋を配設することにより、ロータや動翼が小径のタービンロータの場合に、炉内容積を実質的に小さくすることができ、これにより炉の温度上昇を促進することができると共に、加熱効率を格段に向上させることができる。

上記セラミックヒータは、炉本体内の略下側半分の部分に配設され、多孔板は、セラミックヒータの全面を覆うように配設されることが望ましい。セラミックヒータによって最大の加熱力と最大の熱効率とを得るためには、炉本体内の略下側半分の部分に配設されることが最も望ましく、また、多孔板による効果を最大限に引き出すためには、少なくともセラミックヒータの全面を覆うことが必要である。

上記多孔板は、鉄製であることが望ましい。鉄製の多孔板は熱伝導率が極めて高く、ロータの軸方向に全長にわたり且つ周方向に、より均一な温度分布を形成することができる。

上記多孔板は、孔の開口率を（５０±５）％とすることが望ましい。種々の試験結果から、多孔板の孔の開口率が（５０±５）％の範囲内にあるときに、被加熱体に対して最大の輻射及び対流加熱効果が得られることが判明している。

上記多孔板は、パンチングプレートからなることが望ましい。パンチングプレートは、多数の貫通孔がほぼ全面にわたり等間隔で開けられており、炉内温度を均一化する上で最も適した多孔板である。

上記炉本体内のセラミックヒータが配設されていない壁面に、断熱材を取り付けることが望ましい。セラミックヒータが配設されていない壁面部分について、炉本体から外部への放熱を防止するためである。

上記炉本体は、２つ以上の筒状の炉モジュールをロータの軸方向に連結して形成されていることが望ましい。このように、炉本体を２つ以上の筒状の同型炉の連結で形成することにより、ロータ長さや動翼段数の異なる各種の炉頂圧タービンの動翼抜き取り作業を、炉モジュールの数を変更することにより、１台の電気加熱炉で実施することができる。なお、炉モジュールが１つだけでもよいことは勿論である。

本発明の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉は、動翼が植設された炉頂圧タービンロータを被加熱体とする電気加熱炉であって、動翼とロータの翼取付部とを一体に覆う炉本体と、炉本体内の下部にロータの軸方向に配設されたセラミックヒータと、多数の貫通孔を有すると共に炉本体内のセラミックヒータの内側に且つこのセラミックヒータに沿うようにセラミックヒータとの間に隙間を介在させて配設された金属製の多孔板と、炉本体外に配設されてロータを支持するロータ支持部とを備えるから、炉内においてロータの軸方向に
均一な温度分布を少ない電力で形成することができる、という優れた効果を奏する。

本発明に係る炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉を実施するための最良の形態を、図１ないし図７を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉を、一部を端面図で示す正面図であり、図２は、図１の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉を示す側面断面図であり、図３は、図１の炉本体内を示す部分斜視図であり、図４は、図１とは別の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉を示す正面図であり、図５は、図４の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉を示す側面断面図であり、図６は、動翼の取付状態を示す側面図であり、図７は、試験結果を示すグラフである。

図１に示すように、電気加熱炉１は、動翼１０２が植設された炉頂圧タービンロータ１００を被加熱体とし、基台２と、炉本体１０と、炉本体１０の両外側においてロータ１００を回転可能に支持する２つのロータ支持部４０と、加熱時にロータ１００を低速で回転させることができる回転機構５０とが配設される。

炉本体１０は、３つの筒状の炉モジュール１１がロータ１００の軸方向に連結して形成され、動翼１０２とロータ１００の翼取付部１０１とを一体に外側から覆うことができる。炉本体１０の軸方向両側には側板１２がそれぞれ取り付けられ、側板１２の中央部には、円形の蓋板１３がそれぞれ取り付けられる。蓋板１３の中央部には、ロータ１００との間の隙間をシールするためのシール部材１４が取り付けられる。

図２に示すように、炉モジュール１１、側板１２、蓋板１３はいずれも上下に２分割に形成され、炉本体１０へのタービンロータの出し入れが容易になっている。

図１及び図２に示すように、炉本体１０の各炉モジュール１１の略下側半分の部分（下部）に、各炉モジュール１１の壁面１１ａに沿ってロータ１００の軸方向に、セラミックヒータ１５がそれぞれ配設される。このセラミックヒータ１５に、表面温度が少なくとも５００°Ｃ以上になる高性能ヒータを用いることが望ましい。

各炉モジュール１１のセラミックヒータ１５は、必ずしも１つのセラミックヒータから構成する必要はなく、複数のセラミックヒータによって構成することもできる。セラミックヒータ１５の表面温度は、各炉モジュール１１ごとに、あるいはセラミックヒータ単位ごとに、図示しないコントローラによって個別に、又は相互に連動させて制御することができる。

セラミックヒータ１５の内側には、セラミックヒータ１５に沿うように、且つセラミックヒータ１５との間に一定の隙間を介在させて略平行に、パンチングプレート（多孔板）２０がそれぞれ配設される。図１ないし図３に示すように、パンチングプレート２０はその効果を最大限に引き出すことができるように、少なくともセラミックヒータ１５の全面を覆うように配設される。なお、上述のセラミックヒータ１５とパンチングプレート２０との間の隙間幅は、セラミックヒータ１５の位置により適宜に変化させることもできる。

パンチングプレート２０は、特に熱伝導率に優れたＳＳ４００等からなる鉄製（金属製）の板材に、多数の均一径の貫通孔がほぼ全面にわたり等間隔に開けられたものを使用する。孔の開口率は（５０±５）％とし、板厚に対して２〜３倍の大きさの孔径を有していることが望ましい。種々の試験結果から、このような条件を備えたパンチングプレート２０を使用したときに、被加熱体に対する最大の輻射及び対流加熱効果が得られることが判
明している。

炉本体１０の内部では、セラミックヒータ１５が配設されていない炉モジュール１１の外周部壁面と、側板１２の壁面と、蓋板１３の壁面とに、断熱材１６がそれぞれ取り付けられる。これにより、セラミックヒータ１５が配設されていない壁面部分について、炉本体１から外部への放熱を防止することができる。

図１に示す回転機構５０は、ロータ支持部４０で回転可能に支持したロータ１００を、セラミックヒータ１５による加熱時に低速で回転させるためのものであり、例えば、電動モータとベルト機構や歯車機構などにより形成される。これらの機構は公知であるから、説明を省略する。ロータ１００の回転速度は、３０〜６０ｒｐｍ（低速）とすることが望ましい。３０ｒｐｍ未満では対流効果が少なく、６０ｒｐｍを超えると却って加熱効果が弱まることがある。

このように構成された炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉を用いて、加熱試験を実施した。セラミッヒータ１５は各炉モジュールについて７０ｋｗのものを１つずつ、３つの炉モジュールで計３つを使用し、炉内温度を（３００±２５）°Ｃの均一温度に２４時間保持する制御試験を行った。タービンロータは模擬ロータを使用し、これを電気加熱炉内に設置して低速で回転させ、所定温度への加熱、及び炉内温度分布の計測を行い、温度制御特性を計測した。

その結果、図７の実線で示すように、電気加熱炉内の炉内空気温度はほぼ３５０°Ｃ近辺に安定的に制御され、しかも軸方向に均一な温度分布になっていることを確認した。特に、従来の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉において見られたような、炉の中心部だけが高温となり、両端部においては低温となる現象（図８参照）は確認されなかった。

本発明の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉によれば、セラミックヒータ１５が発生する遠赤外線により金属製のパンチングプレート２０が輻射加熱されて、このパンチングプレート２０が、ロータ１００の軸方向に全長にわたり且つ周方向に均一な温度を有するようになる。そして、このロータ１００の軸方向及び周方向に均一な温度分布を有するパンチングプレート２０が、炉内空気を対流伝熱によって加熱する。

また、セラミックヒータ１５からの遠赤外線は、セラミックヒータ１５に沿うように配設されたパンチングプレート２０により、斜め方向への照射が遮断され、パンチングプレート２０の貫通孔を通過して炉の中心方向に向かう遠赤外線のみによってロータ１００の翼取付部１０１を輻射加熱するから、翼取付部１０１を軸方向に均一に、しかも集中的に加熱することができる。

このセラミックヒータ１５にパンチングプレート２０を併設するという画期的な加熱方法により、少ない電力で効率的に均一な温度分布を形成することができる。特に、パンチングプレート２０を熱伝導率が特に高い鉄製としたことにより、ロータ１００の軸方向に全長にわたり且つ周方向に、より均一な温度分布を形成することができる。

また、セラミックヒータ１５による加熱時に、ロータ１００を低速で回転させることができる回転機構５０を配設したから、動翼１０２によって炉本体１０内に軸方向の空気流を発生することができる。このため、炉本体１０内の対流熱伝達が促進されて、被加熱体であるロータ１００を軸方向かつ周方向に、さらに均一に効率的に加熱することができる。

セラミックヒータ１５は炉内の略下側半分の部分のほぼすべての部位に配設されている
から、炉内に下から上へ向かう高温空気の対流渦流が多量に発生し、これによってもロータ１００の翼取付部１０１を、軸方向及び周方向に均一に加熱することができる。

さらに、炉本体１０を、炉モジュール１１を軸方向に連結する構成とすることにより、ロータ長さや動翼段数の異なる各種の炉頂圧タービンの動翼抜き取り作業を、炉モジュール１１の数を変更することにより、１つの電気加熱炉で実施することができる。

図４に示すように、炉本体１０を上述の１つの炉モジュール１１によって形成することもできる。この電気加熱炉では、炉本体１０内に、タービンロータ１００を上方から覆う内蓋３０が配設されている。図４及び図５に示すように、内蓋３０は、動翼１０２の先端部よりもやや大きい半円形に形成される。この場合にも、回転機構５０によるロータ１００の回転は可能である。

このようにタービンロータ１００を上方から覆う内蓋３０を配設することにより、ロータ１００や動翼１０２が小径のタービンロータの場合に、炉内容積を実質的に小さくすることができ、これにより炉の温度上昇を促進することができると共に、加熱効率を格段に向上させることができる。

なお、上述の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉は一例にすぎず、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。例えば、上述の多孔板は、必ずしもパンチングプレートのような一枚板からなるものに限定されるものではなく、例えば金網のように、全体が板状であって多数の貫通孔を有するものすべてが含まれる。

本発明の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉を、一部を端面図で示す正面図である。 図１の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉を示す側面断面図である。 図１の炉本体内を示す部分斜視図である。 図１とは別の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉を示す正面図である。 図４の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉を示す側面断面図である。 動翼の取付状態を示す側面図である。 試験結果を示すグラフである。 従来の電気加熱炉の炉内温度を示すグラフである。

符号の説明

１ 電気加熱炉
２ 基台
１０ 炉本体
１１ 炉モジュール
１１ａ 壁面
１２ 側板
１３ 蓋板
１４ シール部材
１５ セラミックヒータ
１６ 断熱材
２０ パンチングプレート（多孔板）
３０ 内蓋
４０ ロータ支持部
５０ 回転機構
１００ ロータ
１０１ 翼取付部
１０２ 動翼
１０３ 翼植込み部

Claims (9)

1. 動翼（１０２）が植設された炉頂圧タービンロータ（１００）を被加熱体とする電気加熱炉であって、前記動翼と前記ロータの翼取付部（１０１）とを一体に覆う炉本体（１）と、前記炉本体内の下部に且つ前記ロータの軸方向に配設されたセラミックヒータ（１５）と、多数の貫通孔を有すると共に前記炉本体内の前記セラミックヒータの内側に且つ前記セラミックヒータに沿うように前記セラミックヒータとの間に隙間を介在させて配設された金属製の多孔板（２０）と、前記炉本体外に配設されて前記ロータを支持するロータ支持部（４０）とを備えたことを特徴とする炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉。
2. 前記セラミックヒータ（１５）による加熱時に前記ロータ（１００）を回転させることができる回転機構（５０）を配設したことを特徴とする請求項１に記載の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉。
3. 前記炉本体（１）内に前記ロータ（１００）の翼取付部（１０１）を上方から覆う内蓋（３０）を配設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉。
4. 前記セラミックヒータ（１５）は、前記炉本体（１）内の略下側半分の部分に配設され、前記多孔板（２０）は、前記セラミックヒータの全面を覆うように配設されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉。
5. 前記多孔板（２０）は、鉄製であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉。
6. 前記多孔板（２０）は、前記孔の開口率を（５０±５）％としたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉。
7. 前記多孔板は、パンチングプレート（２０）からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉。
8. 前記炉本体（１）内の前記セラミックヒータ（１５）が配設されていない壁面に断熱材（１６）を取り付けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉。
9. 前記炉本体（１）は、２つ以上の筒状の炉モジュール（１１）を前記ロータ（１００）の軸方向に連結して形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の炉頂圧タービン動翼用電気加熱炉。

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