JP5503767B1 - 高温ガスの保温ダクト - Google Patents

Abstract

【課題】現地にて断熱材の施工を回避しつつ、溶接割れ、高温割れ、剥がれ等を抑制できる高温ガスの保温ダクトを提供する。
【解決手段】保温ダクト１０は、高温ガス通路８を形成するケーシング１８を有する。ケーシング１８は、高温ガス通路８に露出した金属板製の内張り部材３２と、外気に露出する金属板製の外張り部材３４と、その間に介装された可撓性の断熱材３６とを有している。内張り部材３４は、断熱材３６に係止されて、断熱材３６を介して外張り部材３４に相対移動可能に連結されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば、ガスタービンと排熱ボイラとの間に配置される、高温ガス用の保温ダクトに関するものである。

ガスタービンの排気ガスは、５００℃以上の高温で、しかも回転流であるから、ガスタービンの排気ダクトは、ステンレス板またはモリブデン鋼鋼板（ＳＢ材）で構成され、板材の外側に断熱材を外張りした、いわゆる外部保温のものが用いられている。外部保温の場合、現地（設置場所）にて断熱材の施工を行う必要がある。具体的には、排気ダクトのフランジの増し締めを行うために、試運転時まで断熱材を施さない状態で放置し、試運転時に熱がかかって伸びた状態で増し締めを行ってから断熱材の施工を行う。そのため、現地での工期が長くなるとともに、試運転前の放置している間に、排気ダクト、ボルト孔等に錆が発生する恐れがあり、錆の発生を抑制するための対策を施す必要があり、手間がかかる。なお、サイレンサに関する技術であるが、繊維系の吸音材をサイレンサケーシングに取り付け、吸音材の表面を多孔板や金網でカバーしたものもある（例えば、特許文献１）。

特許第３０７３４２０号公報

また、例えば、コジェネレーション設備の場合、排気ガスは、排熱ボイラの圧力損失等により内圧も０．２５ＫｐａＧと高く、しかも、高温で回転流であるので、排熱ボイラの入口側の排気ダクトの溶接部に亀裂が入る可能性がある。さらに、運用上、「毎日起動停止を行う運転」や「一週間おきに起動停止を行う運転」などの場合、特に熱による伸縮荷重や残留応力の繰り返し荷重により、排気ダクトの材料そのものが劣化し、溶接部以外にも高温割れが発生することがある。そこで、排気ダクトの内部に、キャスタブル（耐火材）やセラミック断熱材を施すことで、このような溶接割れ、高温割れ等を回避していた。

しかしながら、キャスタブルは、振動に弱く、割れが発生し易いので、ガスタービンの排気ダクトに適用すると脱落することが懸念される。また、セラミック断熱材を用いた内部断熱構造は、整流された排気ガスが流れるダクト、内面積が十分あって低流速の排気ガスが流れるダクト等には適しているが、ガスタービンの出口のように、流速が１００ｍ／ｓ前後ある回転流の場合は、セラミック断熱材を押さえる重ね合わせた瓦状のプレート（熱伸びを考慮してスライドするように構成されたプレート）の隙間に排気ガスが入って、プレートが変形し、剥がれ落ちてしまったり、断熱材が吸い上げられて飛散したりすることが懸念される。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、現地にて断熱材の施工を回避しつつ、溶接割れ、高温割れ、剥がれ等を抑制できる高温ガスの保温ダクトを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の高温ガスの保温ダクトは、高温ガス通路を形成するケーシングが、前記高温ガス通路に露出した金属板製の内張り部材と、金属板製の外張り部材と、その間に介装された可撓性の断熱材とを有し、前記内張り部材が、前記断熱材に係止されて、前記断熱材を介して前記外張り部材に相対移動可能に連結されている。

この構成によれば、高温ガス通路を形成するケーシングが、高温ガス通路に露出した内張り部材と、外気に露出した外張り部材と、その間に介装された可撓性の断熱材とを有する、いわゆる内部保温で構成されているので、断熱材の施工を工場で行うことができ、現地での断熱材の施工および錆対策が不要となる。また、ケーシングの内部に耐火材や断熱材を施す必要がないので、これらの脱落や剥がれが起こることもない。さらに、保温ダクトの外郭を構成する外張り部材は高温ガスにさらされないので、外張り部材に設けられるフランジ部、シール部等の劣化や高温割れの発生を抑制することができる。しかも、外張り部材は高温ガスにさらされないので、ステンレス板、モリブデン鋼鋼板のような高価な耐熱性金属を用いる必要がなくなり、全体として保温ダクトを安価に製造できる。さらに、内張り部材が、断熱材に係止されて、断熱材を介して外張り部材に相対移動可能に連結されているので、内張り部材に発生する熱応力を抑制できるうえ、高温ガスに接する箇所に、溶接部を無くして溶接割れの発生を抑えることができる。

本発明において、前記内張り部材の端部に、外側へ突出して前記断熱材の端面に係止される係止片が設けられていることが好ましい。この構成によれば、簡単な構造で、溶接部を設けることなく、内張り部材を外張り部材に相対移動可能に連結できる。

係止片を備える場合、前記内張り部材の前記係止片の内側部分が、折り曲げられて重合した重合部を有し、前記係止片の外側部分が前記外張り部材に固定されていることが好ましい。この構成によれば、重合部の変形により、内張り部材の熱伸びを吸収できる。

本発明において、前記ケーシングは、平板状の上壁、下壁、および一対の側壁が連結されて横断面矩形の前記高温ガス通路を形成しており、前記各壁において前記内張り部材が、前記断熱材を介して前記外張り部材に相対移動可能に連結されていることが好ましい。この構成によれば、前記各壁が平板状であるから、製造が容易になる。

前記ケーシングが横断面矩形の高温ガス通路を形成する場合、前記内張り部材の前記係止片の内側部分が、折り曲げられて重合した重合部を有し、隣接する壁の間の隙間に、前記重合部と、その外側に位置する断熱緩衝材とが配置されていることが好ましい。この構成によれば、重合部により、内張り部材の変形が吸収されるとともに、断熱緩衝材により、壁間の熱伸びの吸収と熱伝達の遮断とがなされる。

断熱緩衝材を備える場合、前記断熱緩衝材の内側で前記隙間に弾性的に嵌め込まれて前記高温ガスの遮断と前記断熱緩衝材の位置規制とを行う押さえ部材を備えていることが好ましい。この構成によれば、押さえ部材により、高温ガスが断熱緩衝材に直接当たって損傷させるのを防止できるとともに、断熱緩衝材を適切な位置に保持できる。

本発明において、前記内張り部材が、対向する端部間の中間部で前記外張り部材に締結されていることが好ましい。この構成によれば、中間部で締結することで、熱膨張による内張り部材の内側への膨らみを効果的に抑制できる。また、締結箇所を中間部の１箇所とすることで、締結部材を介した外張り部材への熱伝達も最小限に抑えることができる。さらに、この締結により、天井となる上壁の断熱材の厚みで内張り部材が大きく内側へ変形することも、断熱材がずれて下方へ移動することも防止できる。

本発明の高温ガスの保温ダクトによれば、高温ガス通路を形成するケーシングが内部保温で構成されているので、断熱材の施工を工場で行うことができ、現地での断熱材の施工および錆対策が不要となる。また、外張り部材は高温ガスにさらされないので、外張り部材に設けられるフランジ部、シール部等の劣化や高温割れの発生を抑制することができるとともに、高価な耐熱性金属を用いる必要がなくなり、全体として保温ダクトを安価に製造できる。さらに、内張り部材が、断熱材を介して外張り部材に相対移動可能に連結されているので、内張り部材に発生する熱応力を抑制できるうえに、高温ガスに接する箇所に、溶接部を無くして溶接割れの発生を抑えることができる。

本発明の第１実施形態に係る高温ガスの保温ダクトを備えたガスタービンシステムを示す概略構成図である。 同保温ダクトの側面図である。 同保温ダクトの縦断面図である。 図２のIV−IV線断面図である。 図４のケーシングの上壁の端部近傍を拡大して示す断面図である。 図４のVI部を拡大して示す断面図である。 図２のVII−VII線面図である。 図３のVIII部を拡大して示す断面図である。 図３のIX部を拡大して示す断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に、ガスタービンを用いたコージェネレーションシステムの概略構成図を示す。このシステムは、ガスタービンＧＴの駆動力によって減速機Ｒ／Ｇを介して発電機Ｇのロータを回転させて発電電力を得るものである。ガスタービンＧＴは圧縮機２，燃焼器４およびタービン６を備え、このガスタービンＧＴから排出される排ガスＥは、排気通路である高温ガス通路８を通って外部に排出される。

詳細には、ガスタービンＧＴの排ガス出口に、高温ガス通路８の一部を構成する高温ガスの保温ダクト１０が接続され、保温ダクト１０の下流側に排熱ボイラ１２が、排熱ボイラ１２の下流側にエコノマイザ１４が連結されている。エコノマイザ１４に給水された水は排ガスＥにより予熱され、排熱ボイラ１２へ供給されて蒸気化される。排熱ボイラ１２からの蒸気は、例えば、吸収式冷凍機や温水発生用の熱源などに利用される。排熱ボイラ１２およびエコノマイザ１４を通過して熱回収された排ガスＧは、排気ダクト１６を通じて大気に放出される。

図２に示すように、高温用の保温ダクト１０は、高温ガス通路８の一部を形成するケーシング１８を有している。ケーシング１８は、図４に示すように、平板状の上壁２０、下壁２２、および一対の側壁２４，２４が連結されて横断面矩形の高温ガス通路８を形成している。

図３に示すように、ケーシング１８内の高温ガス通路８は、下流に向かって通路面積が増大している。ケーシング１８の上流端に円筒状の入口管２６が溶接により連結され、入口管２６の上流端部に鍔状の第１フランジ２８が溶接で固着されている。第１フランジ２８に、複数のボルト挿通孔（図示せず）が周方向に並んで形成されている。

ケーシング１８の下流端部に、鍔状の第２フランジ３０が溶接で固着されている。第２フランジ３０に、複数のボルト挿通孔（図示せず）が周方向に並んで形成されている。図示しないボルトを用いて、第１フランジ２８が、図２に示すガスタービンＧＴの排ガス出口に連結され、第２フランジ３０がボイラ１４の入口に連結されている。

図４に示すように、各壁２０，２２，２４においてケーシング１８は、高温ガス通路８に露出した金属板製の内張り部材３２と、外気に露出した金属板製の外張り部材３４と、その間に介装された可撓性の断熱材３６とを有している。

内張り部材３２は、ステンレス板、モリブデン鋼板等の耐熱性の高い金属からなり、この実施形態では、厚さ２ｍｍのＳＵＳ３０４製である。外張り部材３４は、安価な一般構造用の鋼材からなり、この実施形態では、厚さ６ｍｍのＳＳ４００製である。外張り部材３４の外表面には防錆塗料が塗布されている。

図５に示すように、断熱材３６は、最内側の第１断熱層３８と、その外側の第２断熱層４０と、その外側で最外側の第３断熱層４２とからなる。この実施形態では、第１断熱層３８には断熱性の高いセラミックウールが用いられ、第２断熱層４０および第３断熱層４２には安価なロックウールが用いられている。このように、断熱材３６を多層構造とすることで、高温となる内側に断熱性の高い断熱材を配置し、比較的低温の外側に安価な断熱材を配置でき、効果的に断熱ができるとともに、全体として断熱材の費用を抑えることができる。断熱材３６は、２層または４層以上であってもよく、また単層であってもよい。

内張り部材３２の四辺のそれぞれを形成する端部３２ａに、外側へ突出した係止片４４が形成され、この係止片４４を断熱材３６の端面３６ａに係止することで、内張り部材３２が、断熱材３６を介して外張り部材３４に対し、平行な方向に相対移動可能に連結されている。係止片４４の外側端部４４ａが外張り部材３４に溶接により固定されている。

係止片４４は、鋼板が折り曲げられて重合された重合部５０を有している。詳細には、内張り部材３２の端部３２ａが外側に折り曲げられたのち内側に折り返され、さらに外側に折り曲げられて三重の重合部５０が形成され、この重合部５０の先端が、外側に延出して係止片４４を形成している。これにより、二点鎖線で示すように、内張り部材３２が熱伸びした場合でも、重合部５０が開くように変形して熱伸びが吸収される。

図４に示すように、内張り部材３２は、対向する端部３２ａ，３２ａ間の中間部３２ｂで、締結部材５２により外張り部材３４に締結されている。詳細には、図６に示すように、内張り部材３２の中間部３２ｂに開口５４が形成されており、この開口５４に、外側端が外張り部材３４に溶接Wで固定された頭なしの全ねじボルト５８が挿通されている。全ねじボルト５８の内側端部を覆うように内張り部材３２の内側と外側に当て板５６，５６を当接させた状態で、全ねじボルト５８の内側端部を貫通させ、この内側端部に、内側と外側からナット６０，６０を螺合させ、ナット６０，６０の締結力によって当て板５６，５６で内張り部材３２を挟持する。

これにより、全ねじボルト５８、ナット６０，６０を介して内張り部材３２が外張り部材３４に締結されている。つまり、全ねじボルト５８および２つのナット６０，６０が前記締結部材５２を構成している。

図７は、下壁２２と側壁２４との連結部を示す。下壁２２の上面２２ａと側壁２４の下端面２４ａとは第１の隙間Ｓ１を介して対向している。また、側壁２４の外張り部材３４に、下方に延長された延長部６４が形成されている。延長部６４は、下壁２２の外側端面２２ｂの外側を下方に延び、下壁２２の外張り部材３４に溶接により連結されている。この連結部は、補強板６６の溶接により補強されている。延長部６４と下壁２２の外側端面２２ｂとの間には第２の隙間Ｓ２が形成されており、第２の隙間Ｓ２は第１の隙間Ｓ１に連通している。

第１の隙間Ｓ１に、側壁２４の重合部５０が配置され、第２の隙間Ｓ２に、下壁２２の重合部５０が配置されている。また、第２の隙間Ｓ２の全体、および第１の隙間Ｓ１における側壁２４の重合部５０の外側（図７の右側）に、断熱緩衝材６８が配置されている。断熱緩衝材６８は、例えば、セラミックブランケットである。

第１の隙間Ｓ１における側壁２４の重合部５０の外側で断熱緩衝材６８の内側に、押さえ部材７０が配置されている。押さえ部材７０は、ばね鋼板をＶ字形状に折り曲げて構成されている。押さえ部材７０は、第１の隙間Ｓ１における断熱緩衝材６８の内側に弾性的に嵌め込まれ、高温ガスが断熱緩衝材６８に直接当たるのを遮断するとともに、断熱緩衝材６８の位置規制を行っている。側壁２４の重合部５０により、押さえ部材７０が高温ガス通路８に抜け出すのを防止している。

図７は、下壁２２と側壁２４との連結部を示しているが、他の隣接する壁の間の連結部も同様の構造となっている。このように、ケーシング１８では、内張り部材３２と外張り部材３４とが広い面積で接触することのない構造となっている。その結果、高温ガス通路８内で排ガスＥの温度は５５０℃を超えるが、外気に露出する外張り部材３４の表面温度は７０℃未満に保たれている。

図８は、ケーシング１８の下壁２２と入口管２６との連結部を示す。入口管２６も、ケーシング１８と同様に、内張り部材７２と外張り部材７４と３層構造の断熱材７６とを有している。内張り部材７２の両端には、環状の係止部材６９，６９が連結されている。入口管２６の外張り部材７４の上流側端部７４ａに、前記第１フランジ２８が溶接で固着されている。第１フランジ２８と係止部材６９は非接触である。外張り部材７４の外周面における中間部よりもやや上流側に、鍔状の突部７８が溶接によって固定されている。

ケーシング１８の下壁２２の上流側端面２２ｃと入口管２６の下流側端面２６ａとは第３の隙間Ｓ３を介して対向している。また、下壁２２の外張り部材３４に、上流側に延長された延長部８０が形成され、この延長部８０が、入口管２６の外張り部材７４の突部７８に溶接により固定されている。

第３の隙間Ｓ３に、下壁２２の重合部５０が配置され、さらに、その外側に前述の断熱緩衝材６８が配置されている。また、第３の隙間Ｓ３における下壁２２の重合部５０の外側で断熱緩衝材６８の内側に、前述の押さえ部材７０が配置されている。下壁２２の外張り部材３４の外周面における第３の隙間Ｓ３に対応する位置に、補強部材８２が溶接により固着されている。図８は、下壁２２と入口管２６との連結部を示しているが、他の壁２０，２４と入口管２６との間の連結部も同様の構造となっている。

図９は、ケーシング１８の上壁２０と排熱ボイラ１２の入口との連結部を示す。上壁２０の外張り部材３４の下流側端部に、前記第２フランジ３０が溶接で固着され、その外方が補強部材８４により補強されている。第２フランジ３０と内張り部材３２は非接触である。

上壁２０の上流側端面２０ａと排熱ボイラ１２の入口の上流側端面１２ａとは第４の隙間Ｓ４を介して対向している。この第４の隙間Ｓ４に、上壁２０の重合部５０が配置され、さらに、その外側に前述の断熱緩衝材６８が配置されている。また、第４の隙間Ｓ４における上壁２０の重合部５０の外側で断熱緩衝材６８の内側に、前述の押さえ部材７０が配置されている。

図９は、上壁２０と排熱ボイラ１２の入口との連結部を示しているが、他の壁２２，２４と排熱ボイラ１２の入口との間の連結部も同様の構造となっている。このように、第１および第２フランジ２８，３０は、低温である外張り部材７４，３４に溶接されており、第１および第２フランジ２８，３０と、高温となる内張り部材７２，３２および高温ガス通路８との間には、断熱材７６，３６および断熱緩衝材６８が介在されている。また、高温となる内張り部材７２，３２には溶接部がない。つまり、内張り部材３２，７２は、高温ガスからの耐熱に特化した部材であり、外張り部材３４，７４は、ダクトの強度を確保するための部材である。

上記構成において、図４に示す高温ガス通路８を形成するケーシング１８が、内張り部材３２と、外張り部材３４と、その間に介装された断熱材３６とを有する、いわゆる内部保温で構成されているので、断熱材３６の施工を工場で行うことができ、現地での断熱材３２の施工が不要となる。その結果、現場作業員の技能の差による施工レベルのばらつきがなくなり、保温ダクト１０の品質が確保される。また、試運転前に現場で放置されることもなくなるので、ボルト孔等に錆が発生するのを抑制できる。さらに、ケーシング１８の内部に耐火材や断熱材を施す必要がないので、これらの脱落や剥がれが起こることもない。

さらに、外張り部材３４は高温ガスにさらされないので、第１および第２フランジ部２８，３０やシール部材の劣化を抑制することができる。しかも、外張り部材３４は高温ガスにさらされないので、外張り部材３４にステンレス板、モリブデン鋼鋼板のような高価な耐熱性金属を用いる必要がなくなり、全体として保温ダクト１０を安価に製造できる。また、内張り部材３２が、断熱材３６に係止されて、断熱材３６を介して外張り部材３４に相対移動可能に連結されているので、内張り部材３２に発生する熱応力を抑制できるうえ、高温ガスに接する箇所に、溶接部を無くして溶接割れの発生を抑えることができる。

図５に示す内張り部材３２の端部３２ａに係止片４４が設けられ、この係止片４４が折り曲げられて重合した重合部５０を有し、係止片４４の外側部分が外張り部材３４に固定されている。これにより、簡単な構造で、溶接部を設けることなく、断熱材３６を介して内張り部材３２を外張り部材３４に対して相対移動可能に連結できる。しかも、重合部５０を設けたことにより、内張り部材３２の熱伸びを吸収できる。また、ケーシング１８の各壁２０，２２，２４が平板状であるから、製造が容易になる。

図７に示すように、ケーシング１８における隣接する壁２０，２２，２４の間の第１の隙間Ｓ１に、重合部５０と、その外側に位置する断熱緩衝材６８とが配置されているので、
重合部５０により、内張り部材３２の変形が吸収されるとともに、断熱緩衝材６８により、壁間２０，２２，２４の熱伸びの吸収と熱伝達の遮断とがなされる。

さらに、第１の隙間Ｓ１における重合部５０の外側で断熱緩衝材６８の内側に、押さえ部材７０が嵌め込まれているので、高温ガスの遮断と断熱緩衝材６８の位置規制とを実現できる。

図４の内張り部材３２が、対向する端部３２ａ，３２ａ間の中間部３２ｂで外張り部材３４に締結されているので、熱膨張による内張り部材３２の内側への膨らみを効果的に抑制できる。また、締結箇所を中間部３２ｂの１箇所とすることで、締結部材５２を介した外張り部材３４への熱伝達も最小限に抑えることができる。さらに、この締結により、天井となる上壁２０の断熱材３６の厚みで内張り部材３２が大きく内側へ変形することも、断熱材３６がずれて斜め下方（図２の右側）へ移動することも防止できる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、上記実施形態では、各壁２０，２２，２４において、内張り部材３２が断熱材３６を介して外張り部材３４に相対移動可能に連結されているが、各壁２０，２２，２４の少なくとも一つにおいて、内張り部材３２が断熱材３６を介して外張り部材３４に相対移動可能に連結されていればよい。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

８ 高温ガス通路
１０ 保温ダクト
１８ ケーシング
２０ 上壁
２２ 下壁
２４ 側壁
３２ 内張り部材
３４ 外張り部材
３６ 断熱材
３６ａ 断熱材の端面
４４ 係止片
５０ 重合部
６８ 断熱緩衝材
７０ 押さえ部材
Ｓ１ 第１の隙間（隣接する壁の間の隙間）

Claims (5)

1. 高温ガス通路を形成するケーシングが、前記高温ガス通路に露出した金属板製の内張り部材と、金属板製の外張り部材と、その間に介装された可撓性の断熱材とを有し、
   前記内張り部材が、前記断熱材に係止されて、前記断熱材を介して前記外張り部材に相対移動可能に連結され、
   前記内張り部材の端部に、外側へ突出して前記断熱材の端面に係止される係止片が設けられ、
   前記内張り部材の前記係止片の内側部分が、折り曲げられて重合した重合部を有し、前記係止片の外側部分が前記外張り部材に固定され、
   前記重合部が開くように変形することで前記内張り部材の熱伸びが吸収される高温ガスの保温ダクト。
2. 請求項１に記載の高温ガスの保温ダクトにおいて、前記ケーシングは、平板状の上壁、下壁、および一対の側壁が連結されて横断面矩形の前記高温ガス通路を形成しており、
   前記各壁において前記内張り部材が、前記断熱材を介して前記外張り部材に相対移動可能に連結されている高温ガスの保温ダクト。
3. 請求項２に記載の高温ガスの保温ダクトにおいて、隣接する壁の間の隙間に、前記重合部と、その外側に位置する断熱緩衝材とが配置されている高温ガスの保温ダクト。
4. 請求項３に記載の高温ガスの保温ダクトにおいて、前記断熱緩衝材の内側で前記隙間に弾性的に嵌め込まれて前記高温ガスの遮断と前記断熱緩衝材の位置規制とを行う押さえ部材を備えた高温ガスの保温ダクト。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の高温ガスの保温ダクトにおいて、前記内張り部材が、対向する端部間の中間部で前記外張り部材に締結されている高温ガスの保温ダクト。

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