JP6876087B2

JP6876087B2 - プロテクタ及びボイラ装置

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Publication number: JP6876087B2
Application number: JP2019070112A
Authority: JP
Inventors: 東川　謙示; 謙示東川; 誠坂本; 久典重森
Original assignee: Mitsubishi Power Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2039-04-01
Also published as: JP2020169742A

Description

本発明は、伝熱管を保護するプロテクタ、及びプロテクタを備えたボイラ装置に関する。

石炭を燃料とするボイラ装置では、燃焼時に発生する灰が伝熱管に付着して、熱交換効率が低下すると言う課題がある。このような課題を解決するために、伝熱管に蒸気を噴射して灰を除去するスートブロワ装置を備えたボイラ装置が知られている。

但し、スートブロワ装置から噴射された蒸気によって、伝熱管がエロージョンを起こす可能性がある。そこで、特許文献１には、スートブロワ装置に対面する面にプロテクタを溶接することによって、エロージョンを回避する技術が開示されている。

特許第６３５３１８５号公報

しかしながら、火炉内の超高温の燃焼ガスに晒されるプロテクタが熱膨張すると、溶接部分が剥離したり、割れが発生する可能性がある。そのため、特許文献１に記載のプロテクタでは、長期間に亘って伝熱管を保護するのが難しいと言う課題がある。

また、プロテクタは、ボイラ装置の設置された現場で伝熱管に取り付けられるのが一般的である。そのため、取り付け方法として溶接を採用すると、高い技術と長い作業時間とが必要になると言う課題もある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、伝熱管に対して簡単に取付可能で、且つ長期間に亘って伝熱管を保護することが可能なプロテクタを提供することにある。

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、ボイラ装置の伝熱管に外挿されるプロテクタであって、内径寸法が前記伝熱管の外形寸法より大きい筒形状の管体と、前記伝熱管の外面に係止される係止部を有し、前記管体の一端に着脱可能な筒形状の第１エンド部材と、前記管体の他端に着脱可能な筒形状の第２エンド部材とを備え、前記管体は、前記第１エンド部材及び前記第２エンド部材に対して周方向に相対回転することによって着脱されることを特徴とする。

本発明によれば、伝熱管に対して簡単に取付可能で、且つ長期間に亘って伝熱管を保護することができる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１実施形態に係るボイラ装置の全体構成図。プロテクタを分解した状態の断面斜視図。プロテクタを組み立てた状態の断面斜視図。伝熱管にプロテクタを装着した状態の断面図。第２実施形態に係るプロテクタを分解した状態の斜視図。係合突起及び係合壁の係合が解除された状態を示す図。係合突起及び係合壁が係合された状態を示す図。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るボイラ装置１の全体構成図である。図１に示すように、ボイラ装置１は、燃料を燃焼させる火炉２と、火炉２内で発生した燃焼ガスの流路である燃焼ガス通路３と、スートブロワ装置４とを主に備える。火炉２及び燃焼ガス通路３は、ボイラ鉄骨の吊下げロッド及び吊下げビーム（図示省略）から吊り下げられている。なお、以下の説明においては、ボイラ装置１の火炉２側を缶前、燃焼ガス通路３の出口側を缶後という。

火炉２は、バーナ（図示省略）で燃料を燃焼させることによって、燃焼ガスを発生させる。火炉２で発生した燃焼ガスは、燃焼ガス通路３を通って缶前から缶後に移動し、ボイラ装置１の外部に排出される。火炉２で燃焼させる燃料は、少なくとも石炭を含む。但し、石炭に加えて、石油、ガス、バイオマス燃料などを含んでもよい。そして、石炭を含む燃料を燃焼させると、灰が発生する。

燃焼ガス通路３には、燃焼ガスの熱を回収するための熱交換器として、一次過熱器６、二次過熱器７、三次過熱器８が設けられている。一次過熱器６、二次過熱器７、三次過熱器８は、蒸気を通過させる配管群（複数の伝熱管の集合体）である。一次過熱器６、二次過熱器７、三次過熱器８を蒸気が通過する過程で燃焼ガスとの間で熱交換が行われ、所定の温度まで過熱された過熱蒸気がタービンに供給される。

第１実施形態では、一次過熱器６が所謂「横置き型」であり、二次過熱器７及び三次過熱器８が所謂「吊下げ型」である。そして、二次過熱器７及び三次過熱器８は、燃焼ガスとの接触面積を増加させるために、上下方向に延設された複数の伝熱管を左右方向（図１の奥行方向）に配列した構成となっている。

ここで、燃焼ガスに含まれる灰が伝熱管の表面に付着すると、熱交換効率が低下する。そこで、第１実施形態に係るボイラ装置１では、スートブロワ装置４を用いて、伝熱管の表面に付着した灰を除去する。スートブロワ装置４は、伝熱管に向けて蒸気を噴射する装置であって、例えば、スートブロワチューブと、ノズルと、蒸気供給源とを備える。

スートブロワチューブは、伝熱管の延設方向と交差する方向（例えば、左右方向）に延びる蒸気の通路である。スートブロワチューブは、回転（自転）しながら延設方向に進退可能に構成されている。ノズルは、スートブロワチューブの先端に設けられて蒸気を噴射する。蒸気供給源は、スートブロワチューブを通じて所定圧力の蒸気をノズルに供給するものである。なお、スートブロワ装置４の具体的な構成は既に周知なので、詳細な説明は省略する。

第１実施形態に係るボイラ装置１には、上記構成のスートブロワ装置４が所定の間隔で複数箇所に設けられている。そのため、スートブロワチューブの移動軌跡の近傍に位置する伝熱管は、ノズルから噴射された高圧の蒸気に晒されるので、エロージョンが発生する可能性がある。

そこで、第１実施形態では、図２〜図４で示されるプロテクタ１０を伝熱管９に外挿することによって、伝熱管９を保護する。図２はプロテクタ１０を分解した状態の断面斜視図、図３はプロテクタ１０を組み立てた状態の断面斜視図、図４は伝熱管９にプロテクタ１０を装着した状態の断面図である。プロテクタ１０は、管体１１と、第１エンド部材１２と、第２エンド部材１３とを主に備える。

管体１１は、直線的に延びる筒形状（より詳細には、円筒形状）の部材であって、例えば、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０ＳＴＰ等の配管用ステンレス鋼で形成される。図４に示すように、管体１１の内径寸法φ_１は、伝熱管９の外形寸法φ_０より大きく設定されている。管体１１の内径寸法φ_１と伝熱管９の外形寸法φ_０との差は、例えば、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。そして、管体１１の軸方向の両端には、雄ねじ１４、１５が形成されている。

第１エンド部材１２は、管体１１の一端に取り付けられる筒形状（より詳細には、円筒形状）の部材であって、例えば、鋳鉄で形成される。第１エンド部材１２は、例えば、大径筒部１６と、内径寸法が大径筒部１６より小さい小径筒部１７とを、軸方向に隣接させた形状である。

大径筒部１６の内径寸法は、管体１１の外形寸法と略同一である。そして、大径筒部１６の内面には、雄ねじ１４に螺合する雌ねじ１８が形成されている。すなわち、管体１１及び第１エンド部材１２は、雄ねじ１４及び雌ねじ１８を螺合させることによって締結され、逆向きに回転させることによって分離する。

図４に示すように、小径筒部１７の内径寸法φ_２は、伝熱管９の外形寸法φ_０より大きく設定され、管体１１の内径寸法φ_１と同等か僅かに小さく設定されるのが望ましい。また、小径筒部１７の外面は、大径筒部１６の外面から連続する厚肉部１９と、厚肉部１９より肉厚が薄い薄肉部２０とを含む。すなわち、また、薄肉部２０の外形寸法は、厚肉部１９より小さくなっている。

また、第１エンド部材１２の内面には、溝（係止部）２１が形成されている。溝２１は、伝熱管９の外面に突設されたストッパ９ａ、９ｂを受け入れるための凹部である。すなわち、溝２１は、周方向におけるストッパ９ａ、９ｂの間隔（例えば、１８０°）に合わせて、ストッパ９ａ、９ｂと同じ数だけ形成される。

溝２１は、第１エンド部材１２の内面から径方向に凹み、且つ軸方向に延設されている。溝２１の一端は、第１エンド部材１２の大径筒部１６側（すなわち、管体１１に接続される側）の端部において開放されている。一方、溝２１の他端は、小径筒部１７の厚肉部１９の位置において、当接壁２２によって閉塞されている。そして、図３に示すように、管体１１と第１エンド部材１２とを結合させたとき、管体１１の先端と当接壁２２との間には、ストッパ９ａ、９ｂを収容可能な空間が形成される。

第２エンド部材１３は、管体１１の他端に取り付けられる筒形状（より詳細には、円筒形状）の部材であって、例えば、鋳鉄で形成される。第２エンド部材１３は、大径筒部２３と、内径寸法が大径筒部２３より小さい小径筒部２４とを、軸方向に隣接させた形状である。

大径筒部２３の内径寸法は、管体１１の外形寸法と略同一である。そして、大径筒部２３の内面には、雄ねじ１５に螺合する雌ねじ２５が形成されている。すなわち、管体１１及び第２エンド部材１３は、雄ねじ１５及び雌ねじ２５を螺合させることによって締結され、逆向きに回転させることによって分離する。一方、図４に示すように、小径筒部２４の内径寸法φ_３は、伝熱管９の外形寸法φ_０より大きく設定され、管体１１の内径寸法φ_１と同等か僅かに小さく設定されるのが望ましい。

次に、伝熱管９にプロテクタ１０を装着する手順を説明する。まず、二次過熱器７及び三次過熱器８が納品される際に、伝熱管９の所定位置（すなわち、エロージョン発生の可能性が高い位置）には、予めストッパ９ａ、９ｂが取り付けられている。ストッパ９ａ、９ｂは、例えば、溶接によって伝熱管９に取り付けられる。なお、ストッパ９ａ、９ｂは、伝熱管９と同じ素材（例えば、ＳＵＳ、合金鋼）で形成されるのが望ましい。

また、伝熱管９のプロテクタ１０を装着する部分（以下、単に「伝熱管９」と表記する。）は、二次過熱器７及び三次過熱器８から取り外すことができる。一例として、伝熱管９は、二次過熱器７及び三次過熱器８から切断されて、プロテクタ１０を装着した後に溶接で再結合されてもよい。他の例として、伝熱管９は、二次過熱器７及び三次過熱器８に対して、着脱可能に構成されていてもよい。

まず、伝熱管９の上側（二次過熱器７及び三次過熱器８に取り付けられたときの上側）から、大径筒部１６を下にして第１エンド部材１２を挿入する。このとき、ストッパ９ａ、９ｂは、大径筒部１６側の開放された端部から溝２１に進入し、当接壁２２に当接する。これにより、第１エンド部材１２は、当接壁２２に当接したストッパ９ａ、９ｂによって伝熱管９に係止される。

次に、伝熱管９の下側から管体１１を挿入する。そして、雄ねじ１４及び雌ねじ１８を螺合させることによって、管体１１と第１エンド部材１２とを結合する。次に、伝熱管９の下側から、大径筒部２３を上にして第２エンド部材１３を挿入する。そして、雄ねじ１５及び雌ねじ２５を螺合させることによって、管体１１と第２エンド部材１３とを結合する。

第１実施形態によれば、第１エンド部材１２、管体１１、及び第２エンド部材１３を伝熱管９に順番に挿入して、ねじを螺合させるだけで、伝熱管９にプロテクタ１０を取り付けることができる。すなわち、特殊な工具や高い技術を必要とせず、短時間で簡単に取り付けることができる。

また、第１実施形態によれば、伝熱管９の外面と管体１１の内面との間に隙間（空気層）が設けられる。その結果、高温の燃焼ガスに晒される管体１１が熱膨張しても、その応力が伝熱管９に伝達されない。その結果、伝熱管９とプロテクタ１０との接合部分に剥離や割れが発生することなく、長期間に亘って伝熱管９を保護することができる。

なお、第１実施形態では、ストッパ９ａ、９ｂを伝熱管９に溶接する例を説明した。しかしながら、ストッパ９ａ、９ｂは、伝熱管９と同じ素材（すなわち、熱膨張率が同じ）であり、且つ第１エンド部材１２によって覆われているので、従来のように溶接部分の剥離や割れが発生する可能性は低い。

また、第１実施形態によれば、第１エンド部材１２の管体１１から遠い側を小径筒部１７としたので、伝熱管９とプロテクタ１０との間に、第１エンド部材１２の上方から灰が侵入することを抑制できる。また、第２エンド部材１３の管体１１から遠い側を小径筒部２４としたので、伝熱管９とプロテクタ１０との間に、第２エンド部材１３の下方から灰が侵入することを抑制できる。その結果、二次過熱器７及び三次過熱器８の熱交換効率の低下を抑制することができる。

なお、第１実施形態では、第１エンド部材１２に形成した溝２１にストッパ９ａ、９ｂを挿入することによって、プロテクタ１０を伝熱管９に吊り下げる例を説明した。しかしながら、プロテクタ１０を伝熱管９に係止する具体的な方法は、前述の例に限定されない。他の例として、第１エンド部材１２の先端（小径筒部１７側の端部）をストッパ９ａ、９ｂに上面に当接させることによって、プロテクタ１０を伝熱管９に係止してもよい。

この場合、第１実施形態の場合と上下の向きを逆転させた状態で、第１エンド部材１２、管体１１、第２エンド部材１３の順に、伝熱管９の上側から挿入すればよい。これにより、第１エンド部材１２の下端がストッパ９ａ、９ｂに載置された状態で、伝熱管９に対してプロテクタ１０が位置決めされる。この場合、第１エンド部材１２の小径筒部１７の先端面が係止部として機能する。また、この場合は、溝２１を省略することができる。

また、第１実施形態では、第１エンド部材１２及び第２エンド部材１３に管体１１を内挿する例を説明した。これにより、プロテクタ１０を全体として小径化することができるので、伝熱管９が密集した場所にも取り付けることが可能となる。

但し、管体１１、第１エンド部材１２、及び第２エンド部材１３の位置関係は、前述の例に限定されない。他の例として、第１エンド部材１２に管体１１が外挿されてもよい。より詳細には、管体１１の一端の内面に形成された雌ねじと、第１エンド部材１２の外面に形成された雄ねじとを螺合してもよい。管体１１及び第２エンド部材１３の関係についても同様である。

［第２実施形態］
管体１１、第１エンド部材１２、及び第２エンド部材１３を結合するための構成は、ねじの螺合に限定されず、周方向に相対回転させることによって着脱可能な構成であれば、どのような構成であってもよい。以下、図５〜図７を参照して、第２実施形態に係るプロテクタ１０Ａを説明する。図５はプロテクタ１０Ａを分解した状態の斜視図、図６は係合突起３１及び係合壁３３の係合が解除された状態を示す図、図７は係合突起３１及び係合壁３３が係合された状態を示す図である。

なお、第１実施形態との共通点の詳細な説明は省略し、相違点を中心に説明する。図１に示すボイラ装置１の構成は、第１実施形態と第２実施形態とで共通する。また、第２実施形態に係るプロテクタ１０Ａは、雄ねじ１４、１５及び雌ねじ１８、２５に代えて、係合突起３１、３２及び係合壁３３、３４を設けた点で第１実施形態と相違し、その他の点で第１実施形態と共通する。

複数の係合突起３１は、管体１１の一端の外面において、径方向の外向きに突出している。複数の係合突起３２は、管体１１の他端の外面において、径方向の外向きに突出している。第２実施形態に係る係合突起３１、３２は、周方向に間隔（１８０°）を隔てて２箇所に設けられているが、係合突起３１、３２の数はこれに限定されない。

複数の係合壁３３は、第１エンド部材１２の大径筒部１６の内面において、径方向の内向きに突出している。また、複数の係合壁３３は、周方向に離間した位置に設けられている。より詳細には、隣接する係合壁３３の間の隙間は、複数の係合突起３１と同じピッチ（すなわち、１８０°）で設けられている。また、隙間の周方向の長さは、係合突起３１の周方向の長さより長く設定される。

図６に示すように、隣接する係合壁３３の間の隙間と、係合突起３１との位相を合わせた状態で、第１エンド部材１２に対して管体１１を挿抜すると、係合突起３１は隣接する係合壁３３の間の隙間を通過する。すなわち、係合突起３１の突出高さは、隣接する係合壁３３の間の隙間に対面する位置において、大径筒部１６に挿抜可能な高さに設定される。換言すれば、複数の係合突起３１の先端を結ぶ仮想円の直径φ_４は、隣接する係合壁３３の間の隙間の位置における大径筒部１６の内径寸法φ_５より小さい。

一方、図７に示すように、隣接する係合壁３３の間の隙間を係合突起３１が通過した状態で、管体１１及び第１エンド部材１２を周方向に相対回転（図６及び図７の例では、９０°）させると、係合突起３１が係合壁３３に係止されて、第１エンド部材１２から管体１１を抜去することができなくなる。すなわち、係合突起３１の突出高さは、係合壁３３に対面する位置において、大径筒部１６に挿抜不能な高さに設定される。換言すれば、複数の係合突起３１の先端を結ぶ仮想円の直径φ_４は、複数の係合壁３３の先端を結ぶ仮想円の直径φ_６より大きい。

複数の係合壁３４は、第２エンド部材１３の大径筒部２３の内面において、径方向の内向きに突出している。係合壁３４は、管体１１の他端に設けられた係合突起３２と係合して、管体１１と第２エンド部材１３とを結合させる。なお、係合壁３４の位置、数、係合突起３２との関係は、前述した係合突起３１及び係合壁３３の説明と共通するので、再度の説明を省略する。

第２実施形態によれば、係合突起３１、３２と係合壁３３、３４との周方向の位相を変化させるだけで、管体１１、第１エンド部材１２、及び第２エンド部材１３を相互に着脱することができる。その結果、ねじを螺合させる場合と比較して、伝熱管９に対するプロテクタ１０の取付作業がさらに簡単になる。

１ボイラ装置
２火炉
３燃焼ガス通路
４スートブロワ装置
６一次過熱器
７二次過熱器
８三次過熱器
９伝熱管
９ａ，９ｂストッパ
１０プロテクタ
１１管体
１２第１エンド部材
１３第２エンド部材
１４，１５雄ねじ
１６，２３大径筒部
１７，２４小径筒部
１８，２５雌ねじ
１９厚肉部
２０薄肉部
２１溝
２２当接壁
３１，３２係合突起
３３，３４係合壁

Claims

ボイラ装置の伝熱管に外挿されるプロテクタであって、
内径寸法が前記伝熱管の外形寸法より大きい筒形状の管体と、
前記伝熱管の外面に係止される係止部を有し、前記管体の一端に着脱可能な筒形状の第１エンド部材と、
前記管体の他端に着脱可能な筒形状の第２エンド部材とを備え、
前記管体は、前記第１エンド部材及び前記第２エンド部材に対して周方向に相対回転することによって着脱されることを特徴とするプロテクタ。
請求項１に記載のプロテクタにおいて、
前記係止部は、前記第１エンド部材の内面を軸方向に延びて、前記伝熱管の外面に突設されたストッパを受け入れる溝であり、
前記溝の軸方向の一端は、前記第１エンド部材の前記管体に接続される側の端部において開放され、
前記溝の軸方向の他端は、前記ストッパに当接する当接壁によって閉塞されていることを特徴とするプロテクタ。
請求項２に記載のプロテクタにおいて、
前記第１エンド部材は、
前記管体の一端に着脱される大径筒部と、
前記大径筒部と軸方向に隣接して配置され、前記大径筒部より内径寸法が小さい小径筒部とを備え、
前記溝部は、前記大径筒部側の端部が開放されていることを特徴とするプロテクタ。
請求項３に記載のプロテクタにおいて、
前記管体は、軸方向の一端が前記大径筒部に内挿された状態で、周方向に相対回転することによって、前記第１エンド部材に装着されることを特徴とするプロテクタ。
請求項４に記載のプロテクタにおいて、
前記大径筒部の内面には、雌ねじが形成され、
前記管体の一端の外面には、前記雌ねじに螺合する雄ねじが形成されていることを特徴とするプロテクタ。
請求項４に記載のプロテクタにおいて、
前記大径筒部の内面には、周方向に離間した位置において、各々が径方向の内向きに突出する複数の係合壁が形成され、
前記管体の一端の外面には、隣接する前記係合壁の間に形成される複数の隙間のピッチで、各々が径方向の外向きに突出する複数の係合突起が形成され、
前記複数の係合突起は、前記複数の隙間に対面する位置で前記大径筒部に挿抜可能で、且つ前記複数の係合壁に対面する位置で前記大径筒部に挿抜不能な突出高さであることを特徴とするプロテクタ。
石炭を含む燃料を燃焼させる火炉と、
前記火炉内で発生した燃焼ガスの流路上に吊り下げられた伝熱管と、
前記伝熱管に向けて蒸気を噴射するスートブロワ装置と、
前記伝熱管に外装された請求項１から６のいずれか１項に記載のプロテクタとを備えることを特徴とするボイラ装置。