JP6911295B2 - ボイラ - Google Patents

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本発明は、熱交換器及びボイラに関するものである。
例えば、特許文献1には、入口ヘッダと出口ヘッダとの間に備えられた複数の伝熱管が板型伝熱部を構成する最終過熱器(熱交換器)が開示されている。特許文献1に係る最終過熱器は、1本の入口ヘッダ及び出口ヘッダに対して複数の板型伝熱部が接続されている。また、この最終過熱器は、板状伝熱部が火炉内部に配設されると共に、火炉の燃焼ガスによって伝熱管に流通する流体を加熱している。
特開平11−22914号公報
ところで、近年においては、タービンの効率を向上させること等のために、再熱器や過熱器に流通する流体の温度が高温化している。このため、出口ヘッダ管または入口ヘッダ管において、従来の管材よりも高い耐熱性を有する素材を採用することが求められる。このような高い耐熱性を有する素材は、従来のヘッダ管と同等の管径に加工することが工業的に難しく、管径を小さくすることが必要となる場合がある。
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ボイラに設置される再熱器や過熱器等の熱交換器において、従来の熱交換器と同等の流体の特性(圧力損失や流量など)を確保しつつ、ヘッダ管の管径を従来の熱交換器より小径化可能とすることを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
熱交換器に係る第1の発明は、流体が流通すると共に所定方向に配列する複数の伝熱管と、複数の前記伝熱管の配列方向に沿って延在し、前記伝熱管の入口端に接続される入口ヘッダ管と、複数の前記伝熱管の配列方向に沿って延在し、前記伝熱管の出口端に接続される出口ヘッダ管とを備え、複数の前記伝熱管が熱交換対象流体に晒される熱交換器であって、複数の前記伝熱管は、2以上のグループを構成しており、前記入口ヘッダ管及び/あるいは前記出口ヘッダ管は、前記グループ毎に2以上設けられているという構成を採用する。
熱交換器に係る第2の発明は、上記第1の発明において、前記グループ毎に2以上設けられた前記入口ヘッダ管及び/あるいは前記出口ヘッダ管は、同一管長を有すると共に両端を揃えて配置されるという構成を採用する。
熱交換器に係る第3の発明は、上記第1または第2の発明において、前記グループは、前記グループ毎に2以上設けられた前記出口ヘッダ管における流体の温度が均一となるように設定されているという構成を採用する。
熱交換器に係る第4の発明は、上記第1〜3いずれかの発明において、前記グループは、配列方向において互いに隣り合う前記伝熱管が互いに異なるグループに属するように設定されているという構成を採用する。
ボイラに係る第1の発明は、上記第1〜4のいずれかの発明に係る熱交換器を備えるという構成を採用する。
ボイラに係る第2の発明は、上記第1の発明において、直列に接続される2つの熱交換器を備え、後段に接続される前記熱交換器は、請求項1〜4のいずれか一項に記載される熱交換器であるという構成を採用する。
本発明によれば、熱交換器は、入口ヘッダ管及び出口ヘッダ管の少なくともいずれかを複数有している。これにより、1つのヘッダ管に流入する蒸気の流量を従来よりも減少させることができる。したがって、熱交換器全体において従来の熱交換器と同等の蒸気流れの特性を確保しつつ、ヘッダ管を小径化可能である。
本発明の一実施形態に係る過熱器の装置構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る過熱器の伝熱パネルを示す図であり(a)が奇数列グループに属する伝熱パネルの模式図であり、(b)が偶数列グループに属する伝熱パネルの模式図である。 本発明の一実施形態におけるボイラ装置の装置構成図である。 本実施形態における再熱システム150の構成図である。
以下、図面を参照して、本発明に係る熱交換器の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
[第1実施形態]
まず、本発明の第1実施形態として、再熱器1について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る再熱器1の装置構成を示す模式図である。再熱器1は、図1に示すように、入口ヘッダ管2と、伝熱部3と、出口ヘッダ部4とを備えている貫流式の熱交換器である。入口ヘッダ管2は、管状部材であり、両端から蒸気が供給される。入口ヘッダ管2は、両端において不図示の配管と接続されると共に、周面において伝熱部3の後述する伝熱パネル3Aと接続されている直管状の部材である。この入口ヘッダ管2において、両端から供給された蒸気は、管内で合流した後、伝熱部3に向けて供給される。
伝熱部3は、図1に示すように、入口ヘッダ管2に対して垂直に接続された複数の伝熱パネル3Aが平行に配列された構成とされている。伝熱パネル3Aは、複数回湾曲された複数の伝熱管を板状となるように配置することで形成されている。なお、図1における伝熱パネル3Aは、模式的に4枚のみを図示しているが、5本以上としてもよい。また、伝熱部3において、図1において左から奇数番目(1番目、3番目、・・・、n番目)に設けられた伝熱パネル3Aが奇数列グループ3aを構成し、左から偶数番目(2番目、4番目、・・・、n+1番目)に設けられた伝熱パネル3Aが偶数列グループ3bを構成している。すなわち、互いに隣り合う伝熱パネル3Aは、互いに異なるグループに属するように設定されている。
図2は、本実施形態に係る再熱器1の伝熱パネル3Aを示す図であり(a)が奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3Aの模式図であり、(b)が偶数列グループ3bに属する伝熱パネル3Aの模式図である。なお、図2においては、伝熱パネル3Aを構成する複数の伝熱管のうち1本のみを図示している。
奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3Aは、図1及び図2に示すように、入口ヘッダ管2に接続されると共に、出口ヘッダ部4の後述する第1ヘッダ管4aに接続されている。この奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3Aの伝熱管は、図2(a)に示すように、伝熱管の両端部が入口ヘッダ管2及び第1ヘッダ管4aの周面に沿って湾曲されており、両端部を除く中央部分が図2(a)における上下方向において複数回屈曲されている。この奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3Aは、複数回屈曲された伝熱管の中央部分がボイラ本体に対して露出する加熱部3a1となっている。この加熱部3a1は、ボイラ本体内の高温の燃焼ガス(熱交換対象流体)により加熱される領域である。
偶数列グループ3bに属する伝熱パネル3Aは、図1及び図2に示すように、入口ヘッダ管2に接続されると共に、出口ヘッダ部4の後述する第2ヘッダ管4bに接続されている。この偶数列グループ3bに属する伝熱パネル3Aの伝熱管は、図2(b)に示すように、伝熱管の一方の端部が入口ヘッダ管2の周面に沿って湾曲されており、他方の端部が出口ヘッダ部4の第2ヘッダ管4bに向けて屈曲されると共に第2ヘッダ管4bの周面に沿って湾曲されている。また、偶数列グループ3bに属する伝熱パネル3Aの伝熱管の両端部を除く中央部分は、奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3Aと同一の形状とされ、図2(b)における上下方向において複数回折曲されている。この偶数列グループ3bに属する伝熱パネル3Aの伝熱管の中央部分は、奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3Aと同様に、複数回折曲された中央部分が火炉に対して露出する加熱部3b1となっている。この加熱部3b1は、火炉内の高温の空気により加熱される領域である。すなわち、加熱部3a1と、加熱部3b1とは、表面積が等しくなるように設定されている。
出口ヘッダ部4は、第1ヘッダ管4a(出口ヘッダ管)と、第2ヘッダ管4b(出口ヘッダ管)とを有している。第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bは、同一管長であり、入口ヘッダ管2にそれぞれ平行であり、両端部を揃えて配置された直管状の部材である。この第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bは、伝熱パネル3Aの配列方向に沿って延在している。また、第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bは、入口ヘッダ管2と比較してそれぞれの管径が小さく形状設定されている。これらの第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bは、両端部が配管等と接続され、両端より蒸気(流体)がタービン等の外部装置に供給される。すなわち、第1ヘッダ管4aと、第2ヘッダ管4bとは、並列的に接続されている。
第1ヘッダ管4aは、第2ヘッダ管4bよりも入口ヘッダ管2に近い位置に配置された管部材である。この第1ヘッダ管4aは、奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3Aと接続されており、奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3Aより流入した蒸気を外部装置へと供給する。また、第2ヘッダ管4bは、偶数列グループ3bに属する伝熱パネル3Aと接続されており、偶数列グループ3bに属する伝熱パネル3Aより流入した蒸気を外部装置へと供給する。すなわち、隣り合う奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3A及び偶数列グループ3bに属する伝熱パネル3Aは、出口ヘッダ部4のそれぞれ異なるヘッダ管と接続されている。
このような本実施形態に係る再熱器1の動作を説明する。
入口ヘッダ管2の両端から流入した蒸気は、奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3A及び偶数列グループ3bに属する伝熱パネル3Aに流入する。また、ボイラ本体内の燃焼ガスは、伝熱パネル3Aと伝熱パネル3Aとの間を、伝熱パネル3Aに平行な方向に流れている。そして、奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3A及び偶数列グループ3bに属する伝熱パネル3Aに流入した蒸気は、伝熱管内部を移動する間に、ボイラ本体内の燃焼ガスに晒されることにより加熱され、高温状態で出口ヘッダ部4へと流入する。このとき、奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3Aの加熱部3a1と偶数列グループ3bに属する伝熱パネル3Aの加熱部3b1との表面積が等しいため、加熱量が等しく、奇数列グループ3aに属する伝熱パネル3Aと偶数列グループ3bに属する伝熱パネル3Aとの蒸気温度差が生じることがない。
また、ボイラ内を流れる燃焼ガスに流量分布が存在するため、伝熱パネル3Aは、ボイラ内における配置により、伝熱部の周囲に流れる燃焼ガスの流量が異なる。このため、伝熱パネル3Aごとに内部の蒸気の加熱量が異なり、伝熱パネル3Aの下流において蒸気の温度にバラツキが発生する場合がある。これに対して、伝熱部3の伝熱パネル3Aは、第1ヘッダ管4aと第2ヘッダ管4bとに交互に接続されるため、高温の蒸気と低温の蒸気とが混合され、第1ヘッダ管4aと第2ヘッダ管4bとにおける蒸気温度は均一化され、等しくなる。
第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bに流入した蒸気は、第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bの内部を移動し、それぞれ両端から外部装置へと流入する。なお、第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bに流入する蒸気のそれぞれの流量は、入口ヘッダ管2の約半分の蒸気流量となる。
本実施形態に係る再熱器1によれば、出口ヘッダ部4が第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bを有していることにより、伝熱部3において加熱された蒸気を、第1ヘッダ管4aと第2ヘッダ管4bとに等しく分配することができる。これにより、第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bのそれぞれに流通する蒸気の流量を抑制することができる。したがって、従来の熱交換器と等しい流量の熱交換器において、第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bを小径化することができる。
また、第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bの管径を小さくしても、出口ヘッダ部4が1本の管の場合と比較して、第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bにおけるそれぞれの蒸気流速を同等とすることが可能となり、蒸気流れの特性も同等とすることが可能となる。さらに、第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bに流通する蒸気の流量を抑制することで、管の肉厚を従来よりも薄くすることができる。
また、伝熱パネル3Aの下流側における蒸気温度は、伝熱パネル3Aのボイラ内の位置によってそれぞれ異なる場合がある。これに対して、本実施形態に係る再熱器1によれば、奇数列グループ3aが第1ヘッダ管4aに接続され、偶数列グループ3bが第2ヘッダ管4bと接続されている。これにより、伝熱パネル3A内の蒸気は、第1ヘッダ管4aと第2ヘッダ管4bとにおいて混合される。したがって、第1ヘッダ管4aと第2ヘッダ管4bとに流通する蒸気は、温度差が小さくなる。
また、本実施形態に係る再熱器1によれば、奇数列グループ3aの加熱部3a1と、偶数列グループ3bの加熱部3b1との表面積が等しくなるように形状設定されているため、奇数列グループ3aと偶数列グループ3bとにおける蒸気の加熱量が等しくなる。したがって、奇数列グループ3aに流通する蒸気と、偶数列グループ3bに流通する蒸気との間に温度差が生じることがない。
[第2実施形態]
続いて、第1実施形態に係る再熱器1が適用されたボイラ装置100について、第2実施形態として説明する。
図3は、本実施形態におけるボイラ装置の装置構成図である。この図に示すように、ボイラ装置100は、図3に示すように、ボイラ本体110と、過熱システム120と、高圧タービン130と、中低圧タービン140と、再熱システム150(熱交換システム)とを備えている。
ボイラ本体110は、燃料が燃焼される容器であり、不図示のバーナ等によって内部に火炎が形成される。過熱システム120は、ボイラ本体110に配設された過熱器等により構成され、ボイラ本体110内において、内部に流通する蒸気を、高圧タービン130の駆動に必要な温度まで過熱させる。高圧タービン130は、過熱システム120において加熱された高圧蒸気により回転されるタービンであり、不図示の発電装置と接続されている。この高圧タービン130において回転仕事をした蒸気は、再熱システム150へと供給される。中低圧タービン140は、再熱システム150から供給された再熱蒸気により回転されるタービンであり、不図示の発電装置と接続されている。
図4は、本実施形態における再熱システム150の構成図である。なお、以下の説明においては、図4における上側を右、下側を左として説明する。再熱システム150は、図4に示すように、1次再熱器20と、2次再熱器30とを備えている。また、再熱システムは、蒸気が流通する配管P1〜7を有している。このうち、配管P1は、高圧タービン130と接続されている。この配管P1から配管P2及び配管P3が分岐されている。
1次再熱器20は、入口ヘッダ管20aと、伝熱部20bと、出口ヘッダ管20cとを備えている。入口ヘッダ管20aは、配管P1から分岐した配管P2及び配管P3と、伝熱部20bとに接続され、高圧タービン130に接続された蒸気を伝熱部20bに分配している。伝熱部20bは、複数の伝熱パネルを有し、ボイラ本体110の内部に配置され、ボイラ本体110内の高温の燃焼ガスと熱交換されることで内部の蒸気を加熱する。出口ヘッダ管20cは、伝熱部20bと、配管P4及び配管P5とに接続されている。伝熱部20bにて加熱された蒸気は、この出口ヘッダ管20cにおいて合流され、再び配管P4及び配管P5に分配される。なお、この配管P4は、出口ヘッダ管20cの右側に接続され、入口ヘッダ管30aの左側に接続されている。また、配管P5は、出口ヘッダ管20cの左側に接続され、入口ヘッダ管30aの右側に接続されている。すなわち、配管P4と配管P5とは、左右方向において交差している。
2次再熱器30は、上記第1実施形態における再熱器1に相当する。この2次再熱器30は、1次再熱器20の下流側(後段)に直列的に接続されており、入口ヘッダ管30aと、伝熱部30bと、出口ヘッダ部30cとを有している。入口ヘッダ管30aは、配管P4及び配管P5と、伝熱部30bとに接続され、1次再熱器20を通過した蒸気を伝熱部30bに分配している。伝熱部30bは、複数の伝熱パネルを有し、ボイラ本体110の内部に配置され、ボイラ本体110内の高温の燃焼ガスと熱交換されることで内部の蒸気を加熱する。出口ヘッダ部30cは、第1ヘッダ管30c1及び第2ヘッダ管30c2を有している。この出口ヘッダ部30cは、伝熱部30bに接続されると共に、配管P6及び配管P7に接続されている。伝熱部30bにて加熱された蒸気は、この出口ヘッダ部30cにおいて合流され、再び配管P6及び配管P7に分配される。このような2次再熱器30は、熱交換により、1次再熱器20を通過した蒸気をさらに加熱する熱交換器である。
このようなボイラ装置100において、過熱システム120に供給された蒸気は、熱交換により加熱され、高温高圧状態で高圧タービン130に供給される。さらに、高圧タービン130に供給された蒸気は、高圧タービン130を回転駆動させることにより、内部エネルギが減少し、温度及び圧力が低下した低温蒸気となる。高圧タービン130から回収された低温蒸気は、再熱システム150において再び加熱され、中低圧タービン140へと供給され、中低圧タービン140を駆動させる。
このような本実施形態における再熱システム150の動作を説明する。
高圧タービン130より回収された低温蒸気は、配管P1から分岐した配管P2及び配管P3を介して、1次再熱器20へと供給される。低温蒸気は、伝熱部20bを通過される際に、ボイラ本体110の高温空気によって加熱される。伝熱部20bを通過した蒸気は、出口ヘッダ管20cにおいて合流し、配管P4と配管P5とに分配される。この配管P4と配管P5とを通過した蒸気は、2次再熱器30へと供給されることでさらに加熱される。伝熱部30bを通過した蒸気は、出口ヘッダ部30cの第1ヘッダ管30c1と第2ヘッダ管30c2とに分配され、第1ヘッダ管30c1と第2ヘッダ管30c2とから配管P6と配管P7とに流入する。
本実施形態に係る2次再熱器30は、1次再熱器20により加熱された蒸気をさらに加熱する装置である。このような2次再熱器30の出口ヘッダ部30cにおいては、蒸気温度が非常に高温となる。したがって、ボイラ装置100に本実施形態に係る2次再熱器30を適用することにより、出口ヘッダ部30cがより高温に適した構造となる。このため、2次再熱器30の耐熱性を向上させ、より高温の蒸気を中低圧タービン140に供給することができる。
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上記実施形態において、本発明の伝熱部3は、奇数列グループ3aが第1ヘッダ管4aに、偶数列グループ3bが第2ヘッダ管4bに接続される構成とした。しかしながら本発明はこれに限定されるものではなく、第1ヘッダ管4aと第2ヘッダ管4bとにおける蒸気の両端温度が均一となるように、伝熱パネル3Aを第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bに選択的に接続する構成を採用することができる。例えば、伝熱部3は、隣り合う複数の伝熱パネル3Aをまとめた管群とし、この管群を複数有する構成とし、この管群が、それぞれ第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bに接続される構成を採用することも可能である。
上記第1実施形態においては、第1ヘッダ管4aと、第2ヘッダ管4bとが平行に配置される構成を採用した。しかしながら本発明はこれに限定されるものではなく、例えば第1ヘッダ管4aと、第2ヘッダ管4bとが互いに垂直となるように配置される構成を採用してもよい。
また、上記第1実施形態においては、出口ヘッダ部4が第1ヘッダ管4aと、第2ヘッダ管4bとを有する構成とした。しかしながら本発明はこれに限定されるものではなく、入口ヘッダ管2に流入する蒸気の温度が、耐熱性の高い材質の管を採用する必要がある程度に高温である場合、入口ヘッダ管2が第1ヘッダ管4a及び第2ヘッダ管4bを有する構成を採用することも可能である。
また、伝熱パネル3Aは、1本の伝熱管のみで構成される形状に限定されず、例えば、複数の伝熱管の入口端と出口端とがそれぞれ1本の配管に接続されることにより、平板状の形状に設定されるものとしてもよい。
また、上記実施形態においては、再熱器1が本発明に係る熱交換器に相当する。しかしながら本発明はこれに限定されるものではなく、熱交換器として過熱器を採用することも可能である。
また、伝熱部3の奇数列グループ3a及び偶数列グループ3bの加熱部3a1及び加熱部3b1の形状は限定されず、様々な形状を採用することが可能である。
1 再熱器(熱交換器)
2 入口ヘッダ管
3 伝熱部
3A 伝熱パネル
3a 奇数列グループ
3a1 加熱部
3b 偶数列グループ
3b1 加熱部
4 出口ヘッダ部
4a 第1ヘッダ管(出口ヘッダ管)
4b 第2ヘッダ管(出口ヘッダ管)
20 1次再熱器
20a 入口ヘッダ管
20b 伝熱部
20c 出口ヘッダ管
30 2次再熱器(熱交換器)
30a 入口ヘッダ管
30b 伝熱部
30c 出口ヘッダ部
30c1 第1ヘッダ管(出口ヘッダ管)
30c2 第2ヘッダ管(出口ヘッダ管)
100 ボイラ装置
110 ボイラ本体
120 過熱システム
130 高圧タービン
140 中低圧タービン
150 再熱システム

Claims (3)

  1. 流体が流通すると共に所定方向に配列する複数の伝熱管と、複数の前記伝熱管の配列方向に沿って延在し、前記伝熱管の入口端に接続される入口ヘッダ管と、複数の前記伝熱管の配列方向に沿って延在し、前記伝熱管の出口端に接続される出口ヘッダ管とを備え、複数の前記伝熱管が熱交換対象流体に晒される熱交換器であって、複数の前記伝熱管は、2以上のグループを構成しており、前記入口ヘッダ管及び/あるいは前記出口ヘッダ管は、前記グループ毎に2以上設けられており、前記グループは、配列方向において互いに隣り合う前記伝熱管が互いに異なるグループに属するように設定されている熱交換器を備えることを特徴とするボイラ。
  2. 前記グループ毎に2以上設けられた前記入口ヘッダ管及び/あるいは前記出口ヘッダ管は、同一管長を有すると共に両端を揃えて配置されることを特徴とする請求項1記載のボイラ。
  3. 前記グループは、前記グループ毎に2以上設けられた前記出口ヘッダ管における流体の温度が均一となるように設定されていることを特徴とする請求項1または2記載のボイラ。
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