JP6021786B2 - 過熱低減器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば陸用ボイラや排熱回収ボイラ等の各種ボイラ設備に適用される過熱低減器に関する。

従来、各種ボイラ装置においては、蒸気温度が所定値以上に高くなると、冷却水を噴霧して蒸気温度を一定に保つことが行われている。このような冷却水の噴霧を行う装置としては、例えば下記の特許文献１に開示された過熱低減器や特許文献２に開示された蒸気温度低減器が知られている。

特開２００４−８５１２４号公報 実開平１−９４７０９号公報

ところで、従来の過熱低減器は、蒸気の流れに冷却水を噴霧する低温流体噴霧ノズルを保護するため、低温流体噴霧ノズルの外側にウォーミング蒸気を流すことが必要である。このため、低温流体噴霧ノズルの外側には、ノズル全体を覆うようにしてノズル保護筒が設けられている。このようなノズル保護筒を備えた過熱低減器においては、冷却水などの低温流体の外筒への接触に伴う温度変化により、すなわち、冷却水噴霧の実施及び停止の繰り返しによる熱応力を受けて、ノズル保護筒の下面に熱疲労亀裂が発生するという問題が生じており、その対策が求められている。

上述した熱疲労亀裂は、冷却水が垂れ込んでノズル保護筒の内面に溜まることや、低温流体噴霧ノズルの外側に発生する水滴（凝縮水）の滴下に原因があると推測される。すなわち、垂れ込んだ冷却水や凝縮水が溜まる領域では、水の存在によりノズル保護筒の温度が低い状態となり、ウォーミング蒸気や主蒸気により加熱される周囲との間に生じる大きな温度差による熱応力を受ける。この結果、冷却水噴霧等が繰り返されることで同じ領域に繰り返しの熱応力を受けるため、最終的に熱疲労亀裂が発生することとなる。

このような背景から、過熱低減器においては、ノズル保護筒に熱疲労亀裂が生じることを防止または抑制し、その耐久性や信頼性を向上させることが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ノズル保護筒に熱疲労亀裂を生じにくくすることにより、ノズル保護筒の耐久性や信頼性を向上させた過熱低減器を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る過熱低減器は、低温流体を高温流体に注入する噴霧孔を有する低温流体噴霧ノズルと、前記低温流体噴霧ノズルの外周に配置されるとともに前記噴霧孔側に開口部を設けたノズル保護筒とによる二重管構造を有し、前記高温流体を流す流路内を横断して水平方向に設置される過熱低減器において、前記ノズル保護筒の水滞留領域に、１または複数の周方向スリットを設けたことを特徴とするものである。

このような本発明の過熱低減器によれば、ノズル保護筒の水滞留領域に、１または複数の周方向スリットを設けたので、特にノズル保護筒に作用する軸方向の熱応力を低減することができる。

上記の発明において、前記周方向スリットの両端部にストップホールを設けることが好ましく、これにより、スリット先端の応力集中を緩和することができる。

上述した本発明によれば、水滞留領域に設けた周方向スリットがノズル保護筒に作用する軸方向の熱応力を低減するので、ノズル保護筒に熱疲労亀裂が生じにくくなる。この結果、ノズル保護筒の耐久性や信頼性を向上するので、このノズル保護筒を備えた過熱低減器の耐久性や信頼性も向上する。

本発明に係る過熱低減器の一実施形態を示す図で、過熱低減器を構成するノズル保護筒の横断面図である。 本発明に係る過熱低減器が高温流体の主蒸気を流す蒸気配管に取り付けられた状態を示す横断面図である。 本発明の周方向スリットについて、スリット長さ及び本数を変更した２ケースの軸方向応力分布を示す図である。 周方向スリットの両端部に設けるストップホールについて、ストップホール半径と相当応力との関係を示す図である。

以下、本発明に係る過熱低減器の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２に示すように、本実施形態の過熱低減器１０は、蒸気配管１の内部を流れる主蒸気（高温流体）の蒸気温度が所定値以上に高くなると、スプレー用の冷却水（低温流体）を主蒸気中に噴霧して蒸気温度を一定に保つ装置である。この過熱冷却器１０は、低温流体噴霧ノズル２０と、この低温流体噴霧ノズル２０の外周に配置されるノズル保護筒３０とにより構成される二重管構造を有し、主蒸気を流す蒸気配管１の流路内を横断して水平方向に設置されている。すなわち、二重管構造の過熱低減器１０は、上下方向に設置されて主蒸気を上向きに流す蒸気配管１の管軸と直交するようにして、低温流体噴霧ノズル２０及びノズル保護管３０が蒸気配管１の内部に横向きに設置されており、低温流体噴霧ノズル２０から蒸気流れ方向へ向けて上向きに冷却水を噴霧する。

低温流体噴霧ノズル２０には、冷却水を蒸気に注入する噴霧孔２１が設けられている。この噴霧孔２１は、蒸気流れ方向の下流側となる上向きに開口している。また、低温流体噴霧ノズル２０は、その一端に冷却水供給管２２が接続されるとともに、他端が閉塞された構造となっている。
ノズル保護筒３０は、低温流体噴霧ノズル２０の外周を覆うように設置され、低温流体噴霧ノズル２０の外周面との間には所定の間隙を有する空間部３１が形成されている。また、ノズル保護筒３０は、低温流体噴霧ノズル２０の噴霧孔２１側に設けた開口部３２を備えている。この開口部３２及び噴霧孔２１は、互いの軸線が略一致している。

また、図中の符号２は冷却水管台であり、この冷却水管台２には、蒸気配管１の外部においてノズル保護筒３０の内部にウォーミング蒸気を流す補助蒸気供給配管４０が接続されている。なお、図中の符号３過熱低減器保護筒である。

このように構成された過熱低減器１０において、本実施形態では、例えば図１に示すように、ノズル保護筒３０の水滞留領域に周方向スリット３３を設けてある。この周方向スリット３３を設ける水滞留領域は、ノズル保護筒３０に熱疲労亀裂を生じさせる原因と考えられ水が空間部３１内の保護筒内表面３０ａに滞留する領域である。
上述した水滞留領域について具体的に説明すると、噴霧孔２１から噴霧される冷却水が垂れ込んで保護筒内表面３０ａに溜まるノズル保護筒３０の軸方向領域や、低温流体噴霧ノズル２０の外側に発生する凝縮水の水滴が滴下して保護筒内表面３０ａに溜まるノズル保護筒３０の軸方向領域となる。

上述した水滞留領域は、例えば試運転時や点検時等において見出される水の溜まった領域であり、こうして見出された水滞留領域については、さらに熱応力の応力解析を行い、応力の立つ領域に対して、１または複数本の周方向スリット３３を適宜配置して設けることが望ましい。この周方向スリット３３は、スリット幅Ｗで周面に沿ってスリット長さＬを有するものであり、ノズル保護筒３０の円筒を形成する壁面に対して、円周方向の一部を貫通するように設けたものである。

また、図示の周方向スリット３３は、蒸気流れ方向の上向きに開口する開口部３２に対して側壁部となる壁面に、軸方向に同じピッチＰで平行に３本設けられているが、例えば開口部３２と対向する下方の壁面（最も低く水の溜まり易い壁面）に１または複数本を設けるなど、その位置や数が限定されることはない。すなわち、周方向スリット３３は、応力解析で応力の立つ領域、あるいは、実際に熱疲労亀裂が発生した領域に設けることが好ましい。

上述した周方向スリット３３を設けることにより、ノズル保護筒においては、特に軸方向の熱応力を低減することができる。
図３は、上述した周方向スリット３３について、幅なしの亀裂欠陥とし、スリット長さＬ及び本数を変更した２つのケースに関する軸方向応力分布の解析結果を示す図である。なお、ケース１は、スリット長さＬを１２０ｍｍとした周方向スリット（亀裂）Ａ，Ｂを１００ｍｍピッチで水滞留領域ＣＷに２本設けた場合、ケース２は、スリット長さＬを８０ｍｍとした周方向スリット（亀裂）Ａ，Ｂ，Ｃを５０ｍｍピッチで水滞留領域ＣＷに３本設けた場合について解析したものである。

ケース１及びケース２の解析結果によれば、軸方向応力は、両ケースにおいてノズル保護筒３０の外面（破線表示）及び内面（実線表示）で図中に一点鎖線で示す亀裂なしの値Ｓよりも低下していることがわかる。そして、亀裂Ａ，Ｂ，Ｃによりノズル保護筒３０の肉厚が存在しない位置では、軸方向応力の値が上外面及び内面ともに０で一致している。
この場合、軸方向応力分布を示す横軸のＸ位置は、水滞留位置ＣＷの紙面右側端部を基準（０）に左側を負（−）としたものであり、ケース１では、−５５ｍｍの位置に亀裂Ａが存在し、−１５５ｍｍの位置に亀裂Ｂが存在している。同様に、ケース２では、−５５ｍｍの位置に亀裂Ａが存在し、−１０５ｍｍの位置に亀裂Ｂが存在し、−１５５ｍｍの位置に亀裂Ｃが存在している。なお、ケース１とケース２とを比較すると、ケース２の軸方向応力低下が顕著である。

ところで、上述した周方向スリット３３は、両端部にストップホール３３ａを設けることが好ましい。
すなわち、図４に示すように、ストップホール半径を大きくすれば相当応力が低下するので、周方向スリット３３の両端にスリット幅Ｗより大きな径を有するストップホール３３ａを設け、周方向スリット３３の先端に作用する応力集中を緩和して熱応力の相当応力を低減することが望ましい。具体的に説明すると、ストップホール半径ｒ１のストップホール３３ａを設けた場合の相当応力Ｓａは、ストップホール半径ｒ２（ｒ１＞ｒ２）のストップホール３３ａを設けた場合の相当応力Ｓｂから大幅に低下していることがわかる。

このように、水滞留領域ＣＷに周方向スリット３３を設けたノズル保護筒３０は、スリット３３がノズル保護筒３３に作用する軸方向の熱応力を低減するので、冷却水噴霧が繰り返されてもノズル保護筒３０に熱疲労亀裂が生じにくくなる。この結果、ノズル保護筒３３の耐久性や信頼性を向上するので、このノズル保護筒３０を備えた過熱低減器１０の耐久性や信頼性も向上する。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば周方向スリットの数や配置など、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 蒸気配管
１０ 過熱低減器
２０ 低温流体噴霧ノズル
２１ 噴霧孔
３０ ノズル保護筒
３１ 空間部
３２ 開口部
３３ 周方向スリット
３３ａ 噴霧孔

Claims (2)

1. 低温流体を高温流体に注入する噴霧孔を有する低温流体噴霧ノズルと、前記低温流体噴霧ノズルの外周に配置されるとともに前記噴霧孔側に開口部を設けたノズル保護筒とによる二重管構造を有し、前記高温流体を流す流路内を横断して水平方向に設置される過熱低減器において、
   前記ノズル保護筒の水滞留領域に、１または複数の周方向スリットを設けたことを特徴とする過熱低減器。
2. 前記周方向スリットの両端部にストップホールを設けたことを特徴とする請求項１に記載の過熱低減器。
   

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