JP6809807B2

JP6809807B2 - 配管構造、及びボイラシステム

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Publication number: JP6809807B2
Application number: JP2016079791A
Authority: JP
Inventors: 邦宏森下; 基規加藤; 将樹下野
Original assignee: Mitsubishi Power Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2036-04-12
Also published as: JP2017190815A; TWI628374B; TW201736752A; WO2017179620A1

Description

本発明は、免震装置を有する支持構造体に固定されている配管を有する配管構造、及びボイラシステムに関する。

発電用石炭焚きボイラ、重油焚きボイラといった大型ボイラは、通常、脱硝装置、エアヒータをはじめとする附帯機器とともに支持構造体の支持鉄骨に支持されている。
ボイラの支持構造体としては、積層ゴム等によって形成されて、支持構造体を構成する支持鉄骨を支持する免震装置を有するものが知られている。特許文献１には、作用する地震力を低減するために、支持鉄骨を構成する柱に生じる水平反力の大きさに応じて免震特性が設定されている免震装置が記載されている。

特開２０１５−１２１０４５号公報

ところで、ボイラには、例えば、タービンのような設備へ供給する高温・高圧の蒸気が流れる配管が接続される。ボイラが免震装置を有する支持構造体によって支持されている場合、免震装置によって支持されている支持鉄骨の水平方向の変位が大きくなるため、ボイラ側の配管とタービン側の配管との間の配管に大きな変形が生じる。
このような変形を吸収するために、ユニバーサルジョイント等を用いて変形を許容する構造等が知られているが、配管を流れる流体が高圧であると、流体の漏れが生じる可能性があるという課題があった。

この発明は、免震装置によって支持されている第一の設備と、免震装置によって支持されていない第二の設備との間の相対位置が大きく変動した場合においても、配管にかかる変形を吸収することができる配管構造、及びボイラシステムを提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、配管構造は、第一の設備を支持する支持鉄骨と前記支持鉄骨を支持する免震装置を有する支持構造体に固定された配管であって、前記第一の設備と、前記免震装置によって支持されていない第二の設備とを接続する配管を有する配管構造であって、前記配管に設けられ、前記配管に生じる変形を吸収する変形吸収部を有し、前記配管は、前記第一の設備側の第一の配管と、前記第二の設備側の第二の配管と、を有し、前記変形吸収部は、前記第一の配管の端部から前記第一の配管と交差する方向に延在する第一交差配管と、前記第二の配管の端部から前記第二の配管と交差する方向に延在する第二交差配管と、前記第一交差配管の端部と前記第二交差配管の端部とを接続する接続配管と、を有し、前記配管と前記第一交差配管、前記第一交差配管と前記接続配管、前記接続配管と前記第二交差配管、及び第二交差配管と前記配管は、エルボによって接続されており、前記エルボのうち少なくとも一つは、前記第一交差配管、前記第二交差配管、及び前記接続配管よりも薄肉であることによって、前記第一交差配管、前記第二交差配管、及び前記接続配管よりも剛性が低い挙動を示すように形成されており、前記第一の配管と前記第一交差配管とのなす角、及び前記第二交差配管と前記第二の配管とのなす角は、鈍角であり、前記接続配管は、前記第一の配管及び前記第二の配管に沿う方向に延在している。

このような構成によれば、地震により第一の設備と第二の設備との間の相対位置が大きく変動した場合においても、変形吸収部によって配管構造にかかる変形を吸収することができる。
また、それぞれの配管の曲げ変形、ねじれ変形によって、配管に生じる変形を吸収することができる。
さらに、変形吸収部をよりコンパクトに形成することができる。
また、このような構成によれば、配管を流れる流体の圧力損失を低減することができる。

本発明の第二の態様によれば、ボイラシステムは、第一の設備を支持する支持鉄骨と、前記支持鉄骨を支持する免震装置を有する支持構造体と、前記免震装置によって支持されていない第二の設備と、上下方向に延在する上下配管と、水平方向に延在する水平配管と、を有する配管を有する上記配管構造と、を有し、前記変形吸収部は、前記上下配管と前記水平配管との接続部の近傍に設けられている。

上記ボイラシステムにおいて、前記支持鉄骨と前記配管との間のクリアランスが、解析に基づいて算定した前記配管の変形量の１．０−１．５倍程度に設定されてよい。

このような構成によれば、地震による変形を許容できるとともに、配管が最大限に変形した場合においても、確実に配管と支持鉄骨との接触を回避することができる。

上記ボイラシステムにおいて、解析に基づいて決定された前記配管の最大変形部と、前記支持鉄骨における前記最大変形部の対応箇所との少なくとも一方に、緩衝装置が設けられてよい。

このような構成によれば、想定外の地震が発生して配管と支持鉄骨とが接触する場合においても、配管の損傷を防止することができる。

本発明によれば、地震により第一の設備と第二の設備との間の相対位置が大きく変動した場合においても、変形吸収部によって配管構造にかかる変形を吸収することができる。

本発明の第一の実施形態のボイラシステムの概略構成図である。本発明の第一の実施形態のボイラの斜視図である。本発明の第一の実施形態の配管構造の斜視図である。本発明の第一の実施形態の配管構造の作用を説明する側面図であり、支持鉄骨がＸ方向に移動した様子を示す図である。本発明の第一の実施形態の配管構造の作用を説明する側面図であり、支持鉄骨がＹ方向に移動した様子を示す図である。本発明の第二の実施形態のボイラの斜視図である。本発明の第二の実施形態の配管構造の作用を説明する上面図であり、支持鉄骨がＸ方向に移動した様子を示す図である。本発明の第三の実施形態の配管構造の正面図である。本発明の第四の実施形態の配管構造の正面図である。本発明の第五の実施形態の配管構造の概略側面図である。本発明の第六の実施形態の配管構造の概略側面図である。本発明の第六の実施形態の第一の変形例の配管構造の概略側面図である。本発明の第六の実施形態の第二の変形例の配管構造の概略側面図である。

〔第一の実施形態〕
以下、本発明の第一の実施形態のボイラシステムについて図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態のボイラシステム１０は、ボイラ１１（第一の設備）と、タービン１２（第二の設備）と、ボイラ１１とタービン１２とを接続する配管２を有する配管構造１と、を備えている。ボイラ１１は、ボイラ本体１３と、ボイラ本体１３を支持するボイラ支持構造体１４と、を有している。

ボイラ支持構造体１４は、基礎１５の上に設けられるものであり、支持鉄骨１６と、支持鉄骨１６を支持する複数の免震装置１７と、を有している。
支持鉄骨１６は、鉛直方向に延びる複数本の柱１８と、水平方向に延びる複数本の梁１９と、複数本の鉛直ブレース２０と、を組み合わせて構成されている。ボイラ支持構造体１４は、支持鉄骨１６を構成する柱１８の末端部分である柱脚１８ａを介して基礎１５に立設されている。

ボイラ支持構造体１４は、運転中の熱膨張を拘束しないようにするために、最上層の梁１９に固定される複数本の吊棒２２を介して、ボイラ本体１３を支持鉄骨１６の頂部から吊り下げている。ボイラ支持構造体１４は、ボイラ本体１３を水平方向への変位を規制するために、ボイラ本体１３と支持鉄骨１６の最外周に位置する柱１８との間に水平方向に架け渡されるサポート２３を介在させている。

ボイラ支持構造体１４は、各々の柱脚１８ａの基部と基礎１５の間に免震装置１７を設置している。免震装置１７は、例えば、積層ゴムなどによって形成されており、基礎１５と支持鉄骨１６とを分離し、地震が発生した場合に、支持鉄骨１６の振動周期を長周期化することにより、地震による慣性力を低減させ、支持鉄骨１６への地震による入力エネルギーを低減する装置である。
免震装置１７としては、積層ゴムを利用した装置、すべり材を利用した装置、転がり支承を利用した装置等を採用することができる。免震装置１７は、オイルダンパー等のダンパーを有してよい。

配管構造１は、ボイラ１１と、免震装置１７によって支持されていないタービン１２とを接続する配管２を有している。配管２は、支持鉄骨１６の柱１８に沿って延在している。配管２は、配管固定具２４によって支持鉄骨１６の柱１８に固定されている。配管２には、例えば、高温（例えば、５５０℃程度を超える）かつ高圧（例えば、１５ＭＰａ程度を超える）の蒸気が流れている。

図２に示すように、配管構造１は、配管２と、配管２に設けられた変形吸収部３と、を有している。変形吸収部３は、地震が発生した場合に配管２に生じる変形を吸収する部位である。
なお、以下の説明において、上下方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する一の水平方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向に直交する水平方向をＹ方向とする。
配管２は、水平方向に延在する水平配管２５と、上下方向に延在する上下配管２６と、を有している。

水平配管２５は、上下方向において、免震装置１７に近い位置に配置されて、基礎１５（図１参照）又はタービン１２に固定されている。上下配管２６は、配管固定具２４を介して支持鉄骨１６に固定されている。上下配管２６と水平配管２５とは、配管固定具２４の下方にて互いに接続されている。上下配管２６は、配管固定具２４及び支持鉄骨１６を介して免震装置１７に支持されている。
地震が発生した場合、上下配管２６は、水平方向（Ｘ方向とＹ方向の少なくとも一方）に大きく移動するが、水平配管２５は、上下配管２６と比較するとほとんど水平方向に移動することはない。
本実施形態の変形吸収部３は、上下配管２６における配管固定具２４の下方に設けられている。

図３に示すように、配管構造１は、円筒形状の配管２と、配管２に設けられた変形吸収部３と、を有している。本実施形態において、配管２は、上下配管２６（図２参照）である。
配管２は、ボイラ１１側の第一の配管２ａと、タービン１２側の第二の配管２ｂと、を有している。第一の配管２ａ及び第二の配管２ｂは、同一線上に配置されて上下方向に延在している。第一の配管２ａは第二の配管２ｂの上方に配置されている。変形吸収部３は、第一の配管２ａと、第二の配管２ｂとの間に設けられている。

変形吸収部３は、第一の配管２ａの端部（下端）から第一の配管２ａと交差する方向に延在する第一交差配管５と、第二の配管２ｂの端部（上端）から第二の配管２ｂと交差する方向に延在する第二交差配管６と、第一交差配管５の端部と第二交差配管６の端部とを接続する接続配管７と、を有している。

配管２と配管２とは、エルボ８によって接続されている。エルボ８は、湾曲した円筒状の部材であり、本実施形態のエルボ８は、９０°の角度で交差する配管同士を接続可能に形成されている。
本実施形態の変形吸収部３において、第一の配管２ａと第一交差配管５とのなす角θ１、第一交差配管５と接続配管７とのなす角θ２、接続配管７と第二交差配管６とのなす角θ３、及び第二交差配管６と第二の配管２ｂとのなす角θ４は、それぞれ略直角（９０°）である。

配管２及びエルボ８は、例えば、５５０℃程度を超えるような温度で使用可能な材料によって形成されている。また、配管２及びエルボ８のサイズは、１５ＭＰａ程度を超えるような圧力に耐えうるサイズが選択されている。

次に、本実施形態の変形吸収部３の作用について説明する。
地震が発生すると、配管２が固定されている支持鉄骨１６は、Ｘ方向、及びＹ方向に移動する。
図４に示すように、支持鉄骨１６（図２参照）がＸ方向に移動すると、第一の配管２ａがＸ方向に移動する。一方、第二の配管２ｂは、ほとんど移動しない。
第一の配管２ａのＸ方向の変位は、変形吸収部３によって吸収される。第一の配管２ａのＸ方向の変位は、第一の配管２ａ、第二の配管２ｂ、及び接続配管７の曲げ変形と、第一交差配管５、及び第二交差配管６のねじり変形などによって吸収される。

図５に示すように、支持鉄骨１６（図２参照）がＹ方向に移動すると、第一の配管２ａがＹ方向に移動する。一方、第二の配管２ｂは、ほとんど移動しない。
第一の配管２ａのＹ方向の変位は、変形吸収部３によって吸収される。第一の配管２ａのＹ方向の変位は、第一の配管２ａ、第二の配管２ｂ、第一交差配管５、第二交差配管６、接続配管７、及びエルボ８の曲げ変形によって吸収される。

即ち、変形吸収部３は、配管２の曲げ変形及びねじれ変形、エルボ８の曲げ変形等によって、地震時の水平方向の二方向に変位を吸収する。

上記実施形態によれば、配管構造１に変形吸収部３を設けることによって、地震により免震装置１７によって支持されているボイラ１１と、免震装置１７によって支持されていないタービン１２との間の相対位置が大きく変動した場合においても、配管２にかかる変形を吸収して配管２の変形量を許容することが可能となる。

また、変形吸収部３として、第一の配管２ａの端部から第一の配管２ａと交差する方向に延在する第一交差配管５と、第二の配管２ｂの端部から第二の配管２ｂと交差する方向に延在する第二交差配管６と、第一交差配管５の端部と第二交差配管６の端部とを接続する接続配管７と、を有する構造としたことによって、それぞれの配管の曲げ変形、ねじれ変形によって、配管２に生じる変形を吸収することができる。

また、第一の配管２ａと第一交差配管５とのなす角θ１、第一交差配管５と接続配管７とのなす角θ２、接続配管７と第二交差配管６とのなす角θ３、及び第二交差配管６と第二の配管２ｂとのなす角θ４を、略直角としたことによって、変形吸収部３をコンパクトに形成することができる。

また、本実施形態の配管構造１は、配管２とエルボ８のみによって構成されている。これにより、ユニバーサルジョイント等を用いて変形を吸収する構造と比較して、蒸気の漏れを防ぐことができる。

〔第二の実施形態〕
以下、本発明の第二の実施形態の配管構造１について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図６に示すように、本実施形態の変形吸収部３は、水平配管２５における上下配管２６との接続部近傍に設けられている。本実施形態の第一の配管２ａ及び第二の配管２ｂは、水平方向に延在している。即ち、変形吸収部３は、上下配管２６のみならず、上下配管２６との接続部に近接していれば、水平配管２５に設けてもよい。

図７に示すように、支持鉄骨１６（図２参照）がＸ方向に移動すると、第一の配管２ａがＸ方向に移動する。一方、第二の配管２ｂは、ほとんど移動しない。
第一の配管２ａのＸ方向の変位は、変形吸収部３によって吸収される。第一の配管２ａのＸ方向の変位は、第一の配管２ａ、及び第二の配管２ｂの軸方向の変形と、第一交差配管５、第二交差配管６、接続配管７、及びエルボ８の曲げ変形によって吸収される。
支持鉄骨１６（図２参照）のＹ方向の移動は、図５に示す作用と同様の作用によって吸収される。

上記実施形態によれば、水平方向に延在する配管２に変形吸収部３を設けた場合においても、地震によりボイラ１１とタービン１２との間の相対位置が大きく変動した場合においても、配管２にかかる変形を吸収して配管２の変形量を許容することが可能となる。

〔第三の実施形態〕
以下、本発明の第三の実施形態の配管構造１について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図８に示すように、本実施形態の変形吸収部３Ｃは、第一の配管２ａと第一交差配管５とのなす角θ１、第一交差配管５と接続配管７とのなす角θ２、接続配管７と第二交差配管６とのなす角θ３、及び第二交差配管６と第二の配管２ｂとのなす角θ４は、それぞれ鈍角（例えば、約１２０°）である。エルボ８は、この角度に対応する形状を有している。
接続配管７は、第一の配管２ａ及び第二の配管２ｂに沿う方向に延在している。即ち、第一の配管２ａと第二の配管２ｂと接続配管７とは互いに平行である。

上記実施形態によれば、配管２を流れる蒸気の圧力損失を低減することができる。
なお、上記実施形態では、各々の配管２をエルボ８を介して接続する構成としたが、これに限ることはない。即ち、エルボ８を用いず、配管２及び変形吸収部３を継ぎ目のない構造としてもよい。これにより、各々の配管２をより滑らかに接続して、より蒸気の圧力損失を低減することができる。

〔第四の実施形態〕
以下、本発明の第四の実施形態の配管構造１について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図９に示すように、本実施形態の変形吸収部３Ｄの第一交差配管５、第二交差配管６、及び接続配管７の長さＬ２は、第一の実施形態の変形吸収部３の第一交差配管５、第二交差配管６、及び接続配管７の長さＬ１（図３参照）よりも短い。

本実施形態のエルボ８は、第一交差配管５、第二交差配管６、及び接続配管７よりも剛性が低い挙動を示すように形成されている。
本実施形態のエルボ８は、第一交差配管５、第二交差配管６、及び接続配管７よりも薄肉である。本実施形態のエルボ８は、第一の実施形態のエルボ８よりも低剛性である。
上記実施形態によれば、第一の実施形態の変形吸収部３と同じ変位量Ｄ（図５も参照）を確保しながら、変形吸収部３をよりコンパクトに形成することができる。

なお、エルボ８の剛性を下げる手法はこれに限ることはない。例えば、エルボ８の材質を、より、曲がり易い材質に変更してもよい。また、エルボ８の部分のみ、径を小さくしてもよい。さらに、弾塑性挙動も含めて、第一の実施形態のエルボ８よりも低剛性の挙動を示す状態としてもよい。

なお、変形吸収部３の大きさ、即ち、第一交差配管５、第二交差配管６、及び接続配管７の長さは、地震応答解析等に基づき算定した配管２の変形量や、ボイラシステム１０の規模等に応じて適宜変更することができる。即ち、変形吸収部３を構成する配管２の長さを長くする程、ねじれ変形、曲げ変形を大きくすることができるので、許容変形量を大きくすることができる。

また、配管構造１に複数の変形吸収部３を設けてもよい。
また、変形吸収部３の配管２に対する突出方向は、いずれの方向でもよい。図２に示す変形吸収部３は、支持鉄骨１６の面に沿う方向に突出しているが、例えば、変形吸収部３を、支持鉄骨１６の内側に突出させてもよい。

また、二つの変形吸収部３を設けて、各々の変形吸収部３の突出方向を逆にしてもよい。即ち、二つの変形吸収部３のうち一の変形吸収部３の交差配管５，６を配管２に略直交する一方向に突出させるとともに、二つの変形吸収部３のうち他の変形吸収部３の交差配管５，６を配管２に略直交する一方向とは異なる方向に突出させてもよい。

〔第五の実施形態〕
以下、本発明の第五の実施形態の配管構造１について図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態のボイラシステム１０の配管構造１は、支持鉄骨１６と配管２との間のクリアランスＣが、地震応答解析等に基づき算定した配管２の変形量Ｄ２の１．０−１．５倍程度に設定されている。

図１０に示すように、配管２の変形は、地震応答解析等によって、点線で示すように算定される。
本実施形態の配管固定具２４は、配管２と支持鉄骨１６（柱１８）との間のクリアランスＣが、地震応答解析等によって算定された配管２の変形量Ｄ２の１．０−１．５倍程度となるように形成されている。

上記実施形態によれば、地震による配管２の水平方向の変形を許容できるとともに、配管２が図１０のＸ方向に最大限に変形した場合においても、確実に配管２と支持鉄骨１６との接触を回避することができる。

〔第六の実施形態〕
以下、本発明の第六の実施形態の配管構造１について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第五の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図１１に示すように、本実施形態のボイラシステム１０は、支持鉄骨１６の柱１８に緩衝装置２８が設けられている。

緩衝装置２８は、例えば、ブロック形状のゴム等によって形成されている。緩衝装置２８は、地震応答解析等によって決定された配管２の最大変形部Ｍの対応箇所に設けられている。

上記実施形態によれば、想定外の地震が発生して配管２と支持鉄骨１６とが接触する場合においても、配管２の損傷を防止することができる。
なお、緩衝装置２８として、減衰機構を有する高減衰ゴムを使用することによって、より接触する際のエネルギーを吸収することができる。
また、緩衝装置２８は、配管２側（配管２の最大変形部Ｍ）に設けてもよい。

また、図１２の第一の例に示すように、緩衝装置２８として、オイルダンバー２９等の粘性減衰機構を並列して設けてもよい。図１２には、ゴム等によって形成されている緩衝装置２８も示されているが、配管２と支持鉄骨１６との間のクリアランスＣに余裕があれば、この緩衝装置２８は省略することもできる。

また、図１３の第二の例に示すように、緩衝装置２８として、鋼材系ダンパー３０等（ハニカムダンパなど）の履歴減衰機構を設けてもよい。この場合、配管２側には、鋼材系ダンパー３０に荷重を伝達する荷重伝達部材３１を設けることが好ましい。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、ボイラとタービンとの間に延在する配管２に変形吸収部３を設けたがこれに限ることはない。即ち、本発明の配管構造は、免震装置を有する支持構造体によって支持されている第一の設備と、免震装置によって支持されていない第二の設備との間を接続する配管に採用することができる。

１配管構造
２配管
２ａ第一の配管
２ｂ第二の配管
３変形吸収部
５第一交差配管
６第二交差配管
７接続配管
８エルボ
１０ボイラシステム
１１ボイラ（第一の設備）
１２タービン（第二の設備）
１３ボイラ本体
１４ボイラ支持構造体
１５基礎
１６支持鉄骨
１７免震装置
１８柱
１９梁
２０鉛直ブレース
２２吊下げバー
２３サポート
２４配管固定具
２５水平配管
２６上下配管
２８緩衝装置
２９オイルダンバー
３０鋼材系ダンパー
３１荷重伝達部材
Ｃクリアランス

Claims

第一の設備を支持する支持鉄骨と前記支持鉄骨を支持する免震装置を有する支持構造体に固定された配管であって、前記第一の設備と、前記免震装置によって支持されていない第二の設備とを接続する配管を有する配管構造であって、
前記配管に設けられ、前記配管に生じる変形を吸収する変形吸収部を有し、
前記配管は、前記第一の設備側の第一の配管と、前記第二の設備側の第二の配管と、を有し、
前記変形吸収部は、前記第一の配管の端部から前記第一の配管と交差する方向に延在する第一交差配管と、
前記第二の配管の端部から前記第二の配管と交差する方向に延在する第二交差配管と、
前記第一交差配管の端部と前記第二交差配管の端部とを接続する接続配管と、を有し、
前記配管と前記第一交差配管、前記第一交差配管と前記接続配管、前記接続配管と前記第二交差配管、及び第二交差配管と前記配管は、エルボによって接続されており、
前記エルボのうち少なくとも一つは、前記第一交差配管、前記第二交差配管、及び前記接続配管よりも薄肉であることによって、前記第一交差配管、前記第二交差配管、及び前記接続配管よりも剛性が低い挙動を示すように形成されており、
前記第一の配管と前記第一交差配管とのなす角、及び前記第二交差配管と前記第二の配管とのなす角は、鈍角であり、
前記接続配管は、前記第一の配管及び前記第二の配管に沿う方向に延在している配管構造。
第一の設備を支持する支持鉄骨と、
前記支持鉄骨を支持する免震装置を有する支持構造体と、
前記免震装置によって支持されていない第二の設備と、
上下方向に延在する上下配管と、水平方向に延在する水平配管と、を有する配管を有する請求項１に記載の配管構造と、を有し、
前記変形吸収部は、前記上下配管と前記水平配管との接続部の近傍に設けられているボイラシステム。
前記支持鉄骨と前記配管との間のクリアランスが、解析に基づいて算定した前記配管の変形量の１．０−１．５倍に設定されている請求項２に記載のボイラシステム。
解析に基づいて決定された前記配管の最大変形部と、前記支持鉄骨における前記最大変形部の対応箇所との少なくとも一方に、緩衝装置が設けられている請求項３に記載のボイラシステム。