JP5514690B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、排熱回収ボイラなどの排熱回収装置に係り、特に煙道を形成するケーシングと伝熱管パネルとの隙間を排ガスがバイパスするのを抑制する構造を備えた排熱回収装置に関するものである。

図５は、自然循環型排熱回収ボイラの概略構成図である。
この排熱回収ボイラは、高温の排ガスＧが流通する煙道５１内に、その排ガスＧの流れ方向上流側から下流側に向けて過熱器５２、蒸発器５３ならびに節炭器５４などの熱交換器が設置されている。

給水ポンプ５５により供給された水は節炭器５４を通り、蒸気ドラム５６を経て蒸発器５３に送られる。その後、供給されたドラム水は蒸気ドラム５６と蒸発器５３内で自然循環し、蒸気ドラム５６で分離された蒸気は過熱器５２に送られ、そこで過熱された蒸気は蒸気タービン５７に送られて、発電に寄与する。

また、ガスタービン５８から排出された高温の排ガスＧは、この排熱回収ボイラの前記煙道５１内に供給される。そして、過熱器５２で蒸気を過熱し、蒸発器５３でボイラ水を蒸発し、さらに節炭器５４で水を加熱する構成になっている。前記給水ポンプ５５と節炭器５４の間には、給水流量調節弁５９が設置されている。

排熱回収ボイラのガス流路(煙道)内に設置するガスパス防止部材（バッフルプレート）は、前記熱交換器を構成する伝熱管群からなる伝熱管パネル側に排ガスが適切に流れることを目的に設置されており、ケーシング側壁と伝熱管パネルの隙間を調整している。しかしながら、排熱回収ボイラの大型化に伴い、伝熱管パネルが長くなると、伝熱管パネルのたわみ量が増大し、ケーシング側壁とバッフルプレートの干渉(接触)が発生して、バッフルプレートが損傷したり脱落するという問題がある。

このケーシング側壁とバッフルプレートの隙間を広くとれば前記干渉の問題は回避されるが、図６に示すように、バッフルプレートとケーシング側壁の隙間が広がると、それに略比例してガスのショートパス率が大きくなる。その結果、熱の回収効率が悪くなり、排熱回収ボイラの性能が低下する。

図７は従来のガスパス防止部材を設置した排熱回収ボイラの構成を示す模式図、図８は図７のＡ−Ａ線上から視た矢視図である。

図７に示すように従来の構造は、伝熱管パネル１からシールプレート２をケーシング側壁３側に張り出し、そのシールプレート２とケーシング側壁３との隙間４を調整することにより、ガスパス防止構造としていた。

また、図８に示すようにケーシング側壁３の歪量（たわみ量）を考慮して、シールプレート２を排ガスＧの流れ方向に対して直交する方向に沿って複数のグループに分割して、高さの異なるシールプレート２を用いることにより、各シールプレート２とケーシング側壁３との隙間寸法を変えて、隙間の調整を行なっていた。

しかし、このようにケーシング側壁３の歪量（たわみ量）を考慮して隙間調整するのは、実際にはかなり難しく、ボイラの据付作業においても高い精度が要求されて、作業が非常に煩雑である。

また、伝熱管パネル１の歪量（たわみ量）が配慮されていなかったので、特に排熱回収ボイラの左右方向に沿って伝熱管パネル１がたわむ場合は、図８のシールプレート２とケーシング側壁３との隙間４が確保できず、シールプレート２のケーシング側壁３への干渉（接触）が認められた。

図９は、従来の他のガスパス防止部材を設置した排熱回収ボイラの構成を示す模式図である。
この構造では、ケーシング側壁３側にバッフルプレート５を設置し、伝熱管パネル１側にシールプレート２を設置して、前記バッフルプレート５とシールプレート２で隙間４の調整を行なっていた。

しかしながら、前述の図７と同様に、排熱回収ボイラの左右方向の伝熱管パネル１のたわみが考慮されていないため、バッフルプレート５とシールプレート２に干渉が認められた。また、現地での隙間調整が難しいという問題点もあった。
この種排熱回収ボイラの先行技術として、例えば下記特許文献１〜３を挙げることができる。

特開昭６２−３３２０２号公報 特開平９−２５７２０２号公報 特開２００４−３０１４９号公報

ところが前述した従来のガスパス防止構造は、排ガスの動圧による伝熱管パネルのたわみが考慮されておらず、ケーシング側壁とガスパス防止部材（シールプレート）との適切な隙間を確保できていなかった。そのためケーシング側壁とガスパス防止部材（シールプレート）との干渉、ガスパス防止部材（シールプレート）の脱落などが問題となる。

また、長尺の伝熱管パネルを天井部から吊り下げることから、パネルの熱伸び、ケーシング側壁のたわみを考慮してガスパス防止部材の隙間を各レベルで調整しなければならず、建設時においてガスパス防止部材（バッフルプレート）の取り付けに高い据付精度が要求され、作業が難しかった。

本発明の目的は、ガスパス防止部材の隙間調整を容易に行い、適切な隙間を確保して設置することにより、ガスパス防止部材の干渉を回避し、且つ、排ガスのショートパス率を低く抑えることが可能となる隙間設定とすることにより、性能低下をきたすことのない排熱回収装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、排ガスが流通する煙道を形成したケーシングと、そのケーシングの内側に排ガスの熱を回収するために配置された伝熱管パネルを備えた排熱回収装置を対象とするものである。

そして本発明の第１の手段は、前記伝熱管パネルの排ガス流れ方向の上流側と下流側の両端部に、例えば後述する上流側シールプレートなどの上流側第１ガスパス防止部材と、例えば後述する下流側シールプレートなどの下流側第１ガスパス防止部材をそれぞれ設け、
前記ケーシングの内側に排ガス流れ方向に沿って所定の間隔をおいて２つの例えば後述する上流側バックプレートなどの上流側第２ガスパス防止部材と例えば後述する下流側バックプレートなどの下流側第２ガスパス防止部材をそれぞれ設ける。

排ガス流れ方向の前後に、前記上流側第１ガスパス防止部材と上流側第２ガスパス防止部材を、上流側隙間を介して対向するように配置し、
排ガス流れ方向の前後に、前記下流側第１ガスパス防止部材と下流側第２ガスパス防止部材を、下流側隙間を介して対向するように配置する。

さらに、当該排熱回収装置の運転時に前記伝熱管パネルが最大量たわんでも、前記第１ガスパス防止部材と第２ガスパス防止部材が接触することなく、
かつ、前記上流側隙間ならびに下流側隙間を通過する排ガスのショートパス率が、予め設定されている許容ショートパス率になるように、前記上流側隙間ならびに下流側隙間が設定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、前記上流側第１ガスパス防止部材ならびに下流側第１ガスパス防止部材と前記ケーシングの間にも隙間が設けられている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または第２の手段において、前記伝熱管パネルの排ガス流れ方向下流側に、伝熱管パネルの過度のたわみ量を規制するためのたわみ量規制部材を設置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、排ガスの動圧などによって伝熱管パネルがたわんでも、例えばシールプレートやバッフルプレートなどのガスパス防止部材の干渉・損傷がなく、しかも排ガスのショートパス率を大きく変化させることなく、排熱回収ボイラの安定運転が可能となる。
また、現地でのバッフルプレートの隙間調整が不要となり、据付期間の短縮が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る排熱回収ボイラの構成を示す模式図であり、排熱回収ボイラが運転していないときの状態を示す図である。 この第１実施形態に係る排熱回収ボイラのバッフルプレートに対するシールプレートの位置関係を示す図であり、同図（ａ）は排熱回収ボイラが運転していないときの状態を示す図、同図（ｂ）は排熱回収ボイラが運転しているときの状態を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る排熱回収ボイラの構成を示す模式図であり、同図（ａ）は排熱回収ボイラが運転していないときの状態を示す図、同図（ｂ）は排熱回収ボイラが運転しているときの状態を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る排熱回収ボイラのバッフルプレートに対するシールプレートの位置関係を示す図であり、同図（ａ）は排熱回収ボイラが運転していないときの状態を示す図、同図（ｂ）は排熱回収ボイラが運転しているときの状態を示す図である。 自然循環型排熱回収ボイラの概略構成図である。 バッフルプレートとケーシング側壁の隙間と排ガスのショートパス率との関係を示す特性図である。 従来のガスパス防止部材を設置した排熱回収ボイラの構成を示す模式図である。 図７のＡ−Ａ線上から視た矢視図である。 従来の他のガスパス防止部材を設置した排熱回収ボイラの構成を示す模式図である。

次に本発明の実施形態について図とともに説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る排熱回収ボイラの構成を示す模式図であり、排熱回収ボイラが運転していないときの状態を示す図、図２は本実施形態に係る排熱回収ボイラのバッフルプレートに対するシールプレートの位置関係を示す図であり、同図（ａ）は排熱回収ボイラが運転していないときの状態を示す図、同図（ｂ）は排熱回収ボイラが運転しているときの状態を示す図である。

図１に示すように、ケーシング側壁３の内側にバッフルプレート５を設置し、伝熱管パネル１の外側にシールプレート２を設置している。前記バッフルプレート５は、排ガスＧの流れ方向の上流側に配置された上流側バッフルプレート５ａと、下流側に配置された下流側バッフルプレート５ｂから構成されている。また、前記シールプレート２は、排ガスＧの流れ方向の上流側に配置された上流側シールプレート２ａと、下流側に配置された下流側シールプレート２ｂから構成されている。

上流側シールプレート２ａは前記上流側バッフルプレート５ａの排ガスＧの流れ方向の下流側に上流側隙間６を介して対向するように配置されている。一方、下流側シールプレート２ｂは前記下流側バッフルプレート５ｂの排ガスＧの流れ方向の上流側に下流側隙間７を介して対向するように配置されている。

従って本実施形態の場合、前記上流側シールプレート２ａと下流側シールプレート２ｂは、上流側バッフルプレート５ａと下流側バッフルプレート５ｂの内側に、それぞれ隙間６，７を介して収容された形になっている。

図２（ａ）に示すように、上流側シールプレート２ａと上流側バッフルプレート５ａ、ならびに下流側シールプレート２ｂと下流側バッフルプレート５ｂは互いに重なるように（ラップするように）、シールプレート２の外側張り出し寸法Ｌ１ならびにバッフルプレート５の内側張り出し寸法Ｌ２が設定されており、本実施形態では、Ｌ１ならびにＬ２がともに約２００ｍｍに設定されている。

前記シールプレート２とバッフルプレート５の隙間６，７は、伝熱管パネル１の缶前後方向Ｘ（図１参照）のたわみ量を考慮して設定されている。もう少し具体的に説明すると、当該伝熱管パネル１の最大たわみが発生するレベル（排熱回収ボイラの最大負荷時）を基準として決定し、レベル調整を行わず、全て同じ位置に設定する。

図２（ｂ）に示すように、排熱回収ボイラの運転時（最大負荷時）にも一定の隙間６ｈ，７ｈ(ホット状態での隙間寸法)を確保することにより、シールプレート２とバッフルプレート５の干渉（接触）を回避することができる。

また、この隙間６ｈ，７ｈを適切な値Ｚに確保することにより、排ガスのショートパス率を、予め設定されている許容ショートパス率内に抑えることが可能となり、排熱回収ボイラの性能低下をきたすことがない。この排熱回収ボイラの運転時（最大負荷時）における隙間６ｈ，７ｈの適正値Ｚは、諸種の実験結果から具体的には１００ｍｍ以下に規制する必要があることが分った。

従って、排熱回収ボイラの運転時における排ガスのショートパス率を許容ショートパス率内に抑え、なおかつ、シールプレート２とバッフルプレート５の干渉を回避するためには、運転時における隙間６ｈ，７ｈの寸法を５０〜１００ｍｍの範囲に規制するとよい。

前記上流側隙間６は、図２（ｂ）に示すように排熱回収ボイラの運転時に伝熱管パネル１が排ガスＧの動圧により、排ガス流れ方向下流側にたわみ、隙間６ｈが広がるように作用するために、伝熱管パネル１のたわみ量８（図２（ｂ）参照）を考慮して予め隙間６ｃを図２（ａ）に示すように狭めておく必要がある。

例えば、伝熱管パネル１が５０ｍｍ程度たわんでも、排熱回収ボイラの運転時の隙間６ｈを適正値Ｚ（１００ｍｍ以下）とする為には、５０ｍｍ(伝熱管パネル１のたわみ量８)＋α(コールド状態での隙間寸法６ｃ)≦適正値Ｚ（１００ｍｍ）となるように、前記α(コールド状態での隙間寸法６ｃ)を例えば５０ｍｍ程度に設定する必要がある。

一方、下流側隙間７については、排熱回収ボイラの運転時に伝熱管パネル１がガス流れに対して後ろ側にたわみ、隙間７が狭くなるように作用するため、伝熱管パネル１のたわみ量８を考慮して隙間７を決定する必要がある。

例えば、伝熱管パネル１が５０ｍｍたわむ場合は、−５０ｍｍ(伝熱管パネル１のたわみ量８)＋β(コールド状態の隙間寸法７ｃ)≦適正値Ｚ（１００ｍｍ）となるように、前記β(コールド状態の隙間寸法７ｃ)を例えば１５０ｍｍ程度に設定する。

また、シールプレート２（２ａ，２ｂ）とケーシング側壁３の隙間４は、伝熱管パネル１の左右方向の熱伸び及び横揺れを考慮して、約５０ｍｍ程度を確保している。この隙間４は、排熱回収ボイラの運転性能に影響しないので、運転時にシールプレート２（２ａ，２ｂ）とケーシング側壁３の干渉が発生しない隙間寸法とする。

図３は本発明の第２実施形態に係る排熱回収ボイラの構成を示す模式図であり、同図（ａ）は排熱回収ボイラが運転していないときの状態を示す図、同図（ｂ）は排熱回収ボイラが運転しているときの状態を示す図である。

この実施形態は、運転時の伝熱管パネル１のたわみ量が大きすぎて、前述の必要な隙間６，７を適正に確保することが困難な場合に適した実施形態である。前述の伝熱管パネル１のたわみ量が大きくなる要因として、伝熱管パネル１の大型化（長尺化）が挙げられる。

本実施形態は同図に示すように、伝熱管パネル１と下流側シールプレート２ｂあるいは伝熱管パネル１の排ガス流れ方向下流側にたわみ量規制部材９を設置して、伝熱管パネル１の過剰なたわみを抑止している。このたわみ量規制部材９は例えば型鋼などで構成されており、ケーシング側壁３から吊り下げられている。

排熱回収ボイラが運転していないときは同図（ａ）に示すように、伝熱管パネル１と下流側シールプレート２ｂあるいは伝熱管パネル１はたわみ量規制部材９とは接触しておらず、上流側シールプレート２ａと上流側バッフルプレート５ａの間には隙間６ｃが形成され、下流側シールプレート２ｂと下流側バッフルプレート５ｂの間には隙間７ｃが形成されている。コールド状態の隙間寸法６ｃ，７ｃは、前記第１実施形態と同じようにして設定される。

排熱回収ボイラの運転時に伝熱管パネル１が排ガスＧの動圧により同図（ｂ）に示すように、排ガス流れ方向下流側にたわみ、伝熱管パネル１ならびに下流側シールプレート２ｂがたわみ量規制部材９と接触して、伝熱管パネル１のそれ以上のたわみは規制される。

このたわみ量規制部材９の存在により、上流側シールプレート２ａと上流側バッフルプレート５ａの間には適正な隙間６ｈが形成され、また、下流側シールプレート２ｂと下流側バッフルプレート５ｂの間には適正な隙間７ｈが形成されている。この実施形態においても前記隙間６ｈ，７ｈの寸法は、５０〜１００ｍｍの範囲に規制されている。

このように排熱回収ボイラの運転時に隙間６ｈ，７ｈを適正に確保することにより、排ガスのショートパス率を、予め設定されている許容ショートパス率内に抑えることができ、必要な排ガスが伝熱管パネル１側に流れて、熱交換が計画通り行なわれ、運転性能を低下させることがない。また、現地での隙間調整作業が不要となり、現地作業が大幅に低減することが可能となる。

図４は本発明の第３実施形態に係る排熱回収ボイラのバッフルプレートに対するシールプレートの位置関係を示す図であり、同図（ａ）は排熱回収ボイラが運転していないときの状態を示す図、同図（ｂ）は排熱回収ボイラが運転しているときの状態を示す図である。

本実施形態において前記図２に示す第１実施形態と相違する点は、上流側シールプレート２ａが上流側バッフルプレート５ａの排ガスＧの流れ方向の上流側に上流側隙間６を介して対向するように配置され、下流側シールプレート２ｂが下流側バッフルプレート５ｂの排ガスＧの流れ方向の下流側に下流側隙間７を介して対向するように配置されている点である。

本実施形態においても前記第１実施形態と同様に、シールプレート２とバッフルプレート５の隙間６，７は、伝熱管パネル１の缶前後方向Ｘの最大たわみが発生するレベル（排熱回収ボイラの最大負荷時）を基準として決定している。

より具体的には本実施形態の場合、前記上流側隙間６は、図４（ｂ）に示すように排熱回収ボイラの運転時に伝熱管パネル１が排ガスＧの動圧により、排ガス流れ方向下流側にたわみ、隙間６ｈが狭くなるように作用するために、伝熱管パネル１のたわみ量８（図４（ｂ）参照）を考慮して予め隙間６ｃを図４（ａ）に示すように広めておく必要がある。

例えば、伝熱管パネル１が５０ｍｍ程度たわんでも、排熱回収ボイラの運転時の隙間６ｈを適正値Ｚ（１００ｍｍ以下）とする為には、−５０ｍｍ(伝熱管パネル１のたわみ量８)＋α(コールド状態での隙間寸法６ｃ)≦適正値Ｚ（１００ｍｍ）となるように、前記α(コールド状態での隙間寸法６ｃ)を例えば５０ｍｍ程度に設定する必要がある。

一方、下流側隙間７については、排熱回収ボイラの運転時に伝熱管パネル１がガス流れに対して後ろ側にたわみ、隙間７が広くなるように作用するため、伝熱管パネル１のたわみ量８を考慮して隙間７を決定する必要がある。

例えば、伝熱管パネル１が５０ｍｍたわむ場合は、５０ｍｍ(伝熱管パネル１のたわみ量８)＋β(コールド状態の隙間寸法７ｃ)≦適正値Ｚ（１００ｍｍ）となるように、前記β(コールド状態の隙間寸法７ｃ)を例えば５０ｍｍ程度に設定する。

なお、図５に示す排熱回収ボイラにおいて、過熱器５２、蒸発器５３ならびに節炭器５４においては、排熱回収ボイラの運転時に生じる伝熱管パネル１のたわみ量は当然異なるから、各熱交換器毎に前述の隙間寸法を設定する必要がある。

１・・・伝熱管パネル、２ａ・・・上流側シールプレート、２ｂ・・・下流側シールプレート、３・・・ケーシング側壁、４・・・シールプレートとケーシング側壁の隙間、５ａ・・・上流側バッフルプレート、５ｂ・・・下流側バッフルプレート、６・・・上流側隙間、７・・・下流側隙間、６ｃ，７ｃ・・・コールド状態での隙間寸法、６ｈ，７ｈ・・・ホット状態での隙間寸法、８・・・たわみ量、９・・・たわみ量規制部材、５１・・・煙道、５２・・・過熱器、５３・・・蒸発器、５４・・・節炭器、５５・・・給水ポンプ、５６・・・蒸気ドラム、５７・・・蒸気タービン、５８・・・ガスタービン、９・・・給水量調節、Ｇ・・・排ガス、Ｌ１・・・シールプレートの外側張り出し寸法、Ｌ２・・・バッフルプレートの内側張り出し寸法、Ｘ・・・ボイラの缶前後方向。

Claims (3)

1. 排ガスが流通する煙道を形成したケーシングと、そのケーシングの内側に排ガスの熱を回収するために配置された伝熱管パネルを備えた排熱回収装置において、
   前記伝熱管パネルの排ガス流れ方向の上流側と下流側の両端部に上流側第１ガスパス防止部材と下流側第１ガスパス防止部材をそれぞれ設け、
   前記ケーシングの内側に排ガス流れ方向に沿って所定の間隔をおいて２つの上流側第２ガスパス防止部材と下流側第２ガスパス防止部材をそれぞれ設けて、
   排ガス流れ方向の前後に、前記上流側第１ガスパス防止部材と上流側第２ガスパス防止部材を、上流側隙間を介して対向するように配置し、
   排ガス流れ方向の前後に、前記下流側第１ガスパス防止部材と下流側第２ガスパス防止部材を、下流側隙間を介して対向するように配置して、
   当該排熱回収装置の運転時に前記伝熱管パネルが最大量たわんでも、前記第１ガスパス防止部材と第２ガスパス防止部材が接触することなく、
   かつ、前記上流側隙間ならびに下流側隙間を通過する排ガスのショートパス率が、予め設定されている許容ショートパス率になるように、前記上流側隙間ならびに下流側隙間が設定されていることを特徴とする排熱回収装置。
2. 請求項１に記載の排熱回収装置において、
   前記上流側第１ガスパス防止部材ならびに下流側第１ガスパス防止部材と前記ケーシングの間にも隙間が設けられていることを特徴とする排熱回収装置。
3. 請求項１または２に記載の排熱回収装置において、
   前記伝熱管パネルの排ガス流れ方向下流側に、伝熱管パネルの過度のたわみ量を規制するためのたわみ量規制部材を設置したことを特徴とする排熱回収装置。

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