JP7316388B2

JP7316388B2 - ボイラの伝熱パネル構造

Info

Publication number: JP7316388B2
Application number: JP2021572197A
Authority: JP
Inventors: 健吾室矢; 誠治菊原; 淳古川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2040-01-22
Also published as: JPWO2021149196A1; WO2021149196A1

Description

本発明は、ボイラの伝熱パネル構造に関し、特に伝熱管の熱伸び対策に関する。

ボイラの伝熱パネル構造の一例として、特許文献１には、「水平方向前後に延びる入口管寄と、入口管寄と平行に配置された入口管寄と長さが異なる出口管寄と、入口管寄に一端が接続され他端が出口管寄に接続されてＵ字状に吊り下げられた中間パネルと、入口管寄および出口管寄間に接続されて水平方向左右に張り出し部を形成した後、下方へ折り曲げられてＵ字状に吊り下げられた側部パネルと、入口管寄の長さ方向中間部に一端が接続されて立上がり部を形成した後、前後方向一側に曲げられた入口連絡管と、出口管寄の長さ方向中間部に一端が接続されて立上がり部を形成した後、前後方向一側に曲げられた出口連絡管（要約抜粋）」を備えた伝熱パネルが開示されている。

特開平９－６０８１０号公報

鉛直方向に立設する火炉の天井から伝熱パネルを吊り下げる、いわゆるＶ字形吊下げ熱交換器の伝熱管群では、入口側直管(下降管)に対し出口側直管(上昇管)の熱伸びが大きくなる。一般に、パネル外周側は、３段階でターンするように曲げられるので伸び差を吸収しやすいのに対し、パネル内周側の何本かは単一ベンドによるため、伸び差を吸収しにくい。伸び差の吸収が不十分な場合は、熱応力による損傷の懸念があり、その対策が求められているという実情がある。

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、ボイラの伝熱管に生じる入口側直管と出口側直管の熱伸び差を吸収することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、特許請求の範囲に記載の構成を有する。その一例を挙げるならば、本発明はボイラの火炉に備えられる伝熱パネル構造であって、前記火炉は、鉛直方向を軸方向とする筒状に形成され、前記筒状の内部に燃焼空間を形成し、前記燃焼空間には、前記火炉の天井壁から前記火炉の下部に向かって伝熱パネルが吊り下げられ、前記伝熱パネルは、一端が前記火炉外に設けられた入口管寄せに接続され他端が前記火炉外に設けられた出口管寄せに接続されている伝熱管を複数含む伝熱管群として形成され、前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記一端から前記火炉の下部に向かう入口直管部と、前記他端から前記火炉の下部に向かう出口直管部と、前記入口直管部の下端部および前記出口直管部の下端部を連結する湾曲部と、を含み、前記複数の伝熱管は、湾曲部の曲率が最も大きい最内周管と、前記最内周管の湾曲部の曲率よりも小さい曲率を有する湾曲部を含んで形成され、前記最内周管の外周に沿って配置される第１外周管と、を含み、前記最内周管の前記出口直管部に、前記最内周管の熱伸びを吸収するための冗長部が形成され、前記冗長部が形成された前記第１外周管と、当該第１外周管よりも外側に配置され、前記冗長部が形成されていない最外周管とを含む、ことを特徴とする。

本発明によれば、ボイラの伝熱管に生じる入口側直管と出口側直管の熱伸び差を吸収することができる。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。

ボイラの構成の一例を示す斜視図ボイラの構成の一例を示す側面図伝熱パネルの平面図伝熱パネルのヘッダ付近の拡大図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。全図を通じて同一の構成には同一の符号を付し、重複説明を省略する。

図１は、ボイラ１の構成の一例を示す斜視図である。図２は、ボイラ１の構成の一例を示す側面図である。

ボイラ１は、燃焼空間が内部に形成された鉛直方向を軸方向とする筒状の火炉２、火炉２で発生した燃焼ガスの流路を形成する副側壁部３、および過熱器や再熱器、節炭器等の熱交換器が内部に搭載されたケージ部４の主に３つの空間に分かれて構成されている。これら３つの空間は、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって、火炉２、副側壁部３、ケージ部４の順に並んで配置されている。

なお、以下の説明において、火炉２、副側壁部３、およびケージ部４の並び方向を「奥行方向」とし、奥行方向における火炉２側を「前側」または「上流側」、その反対側であるケージ部４側を「後側」または「下流側」とする。また、ボイラ１が設置された床面に対して直交する方向を「上下方向」とする。

火炉２は、前側に配置されて火炉２の前面となる火炉前壁２１と、火炉前壁２１に対向して配置されて火炉２の後面となる火炉後壁２２と、火炉前壁２１と火炉後壁２２との間に配置されて火炉２の側面となる一対の火炉側壁２３と、一対の火炉側壁２３の上部に配置されて火炉２の天井となる火炉天井壁２４と、を備える。

火炉前壁２１および火炉後壁２２にはそれぞれ、燃料となる微粉炭と空気とを火炉２内に供給する複数のバーナ２０が下部に設置されている。本実施形態では、火炉前壁２１および火炉後壁２２のそれぞれにおいて、８つのバーナ２０が、上下方向に二段に分かれて４つずつ配置されている。

各バーナ２０から供給された微粉炭は火炉２内の燃焼空間において燃焼され、これにより燃焼ガスが発生する。発生した燃焼ガスは、火炉２の下側から上側に向かって流れ、その後、副側壁部３を通ってケージ部４へと流下する。

副側壁部３は、火炉２とケージ部４とを上部で奥行方向に連結する流路であり、一対の火炉側壁２３に接続されて副側壁部３の側面となる一対の副側壁３３と、火炉天井壁２４に接続されて副側壁部３の天井となる天井壁３４と、一対の副側壁３３の下部に配置されて副側壁部３の底面となる底壁３５と、を備える。

火炉後壁２２の上端、底壁３５との接続部は、火炉後壁２２を火炉２の燃焼空間側に向かって突出させて形成した凹部からなるノーズ２２ａが形成される。

ケージ部４は、火炉２の火炉後壁２２に対向して配置されてケージ部４の前面となるケージ前壁４１と、ケージ前壁４１に対向して配置されてケージ部４の後面となるケージ後壁４２と、ケージ前壁４１とケージ後壁４２との間に配置されてケージ部４の側面となる一対のケージ側壁４３と、副側壁部３の天井壁３４に接続されてケージ部４の天井となるケージ天井壁４４と、を備える。

図２に示すように火炉２において高温の燃焼ガスにさらされるバーナ２０の直上の煙道には、多数の伝熱管群が上下方向に配置された伝熱パネル５０が吊り下げられている。本実施形態では、奥行き（火炉前後）方向に沿って２つの伝熱パネル５０ｆ、５０ｂが吊り下げられている。

図３、図４を参照して伝熱パネル５０ｆ、５０ｂの詳細について説明する。図３は、伝熱パネル５０ｆ、５０ｂの平面図である。図４は、伝熱パネル５０ｆのヘッダ付近の拡大図である。

火炉天井壁２４よりも上部の炉外には、前側に入口マニホールド７１ｆとこれに連結される入口管寄せ６１ｆ、および出口マニホールド７２ｂおよびこれに連結される出口管寄せ６２ｆが備えられる。

更に、火炉天井壁２４よりも上部の炉外には、後ろ側に入口マニホールド７１ｂとこれに連結される入口管寄せ６１ｂ、および出口マニホールド７２ｂおよびこれに連結される出口管寄せ６２ｆが配置される。

伝熱パネル５０ｆは多数（本実施形態ではｎ本）の伝熱管を含む伝熱管群として構成される。伝熱パネル５０ｆを構成する各伝熱管の一端は入口管寄せ６１ｆに連結し、他端が出口管寄せ６２ｆに連結される。

同様に、伝熱パネル５０ｂも多数（本実施形態ではｎ本）の伝熱管を含む伝熱管群として構成される。伝熱パネル５０ｂを構成する各伝熱管の一端は入口管寄せ６１ｂに連結し、他端が出口管寄せ６２ｂに連結される。伝熱パネル５０ｆと伝熱パネル５０ｂとは同じ構造であるため、以下では伝熱パネル５０ｆを例に説明し、重複説明を省略する。

伝熱パネル５０ｆに含まれる各伝熱管は、入口管寄せ６１ｆに連結される一端から火炉２の下部に向かって延伸する入口直管部５１と、出口管寄せ６２ｆに連結される他端から火炉２の下部に向かって延伸する出口直管部５３と、入口直管部５１の下端部及び出口直管部５３の下端部を連結する湾曲部５２とを含む。

ｎ本の伝熱管のうち、湾曲部５２の曲率が最も大きく、伝熱パネル５０ｆの最も内側に配置される伝熱管を最内周管５００と称する。また、最内周管５００の湾曲部５２の曲率よりも小さい曲率を有する湾曲部５２を含んで形成され、最内周管５００の外周に沿って配置される伝熱管を第１外周管５０１と称する。第１外周管５０１の外周に沿って第２外周管５０２が配置される。このように、伝熱パネル５０ｆは、最内周管５００の外周にｍ（ｍ＝ｎ－１）本の伝熱管を配置させて構成される。

入口マニホールド７１ｆから入口管寄せ６１ｆに流体（蒸気、水）が流入し、入口管寄せ６１ｆから各伝熱管５００、５０１、５０２、・・・、５０ｍのそれぞれに流体が流入する。

各伝熱管５００、５０１、５０２、・・・、５０ｍでは、入口直管部５１、湾曲部５２、出口直管部５３へと流体が流れる。その際、火炉２のバーナ２０で熱せられた燃焼ガスにより各伝熱管５００、５０１、５０２、・・・、５０ｍの流体が加熱される。したがって、各伝熱管５００、５０１、５０２、・・・、５０ｍでは入口直管部５１、湾曲部５２、出口直管部５３の順に流体の温度が上昇し、出口直管部５３の火炉天井壁２４付近で流体が最高温度に達する。燃焼ガスの熱により各伝熱管に熱伸びが発生するが、その際、伝熱管内を流れる流体温度の差により、出口直管部５３の熱伸び量は入口直管部５１の熱伸び量よりも大きい。

ここで、各湾曲部５２の曲率が小さければ出口直管部５３に生じる熱伸び量を湾曲部５２により吸収できるが、最内周管５００では湾曲部５２が入口直管と出口直管がほぼ密接するように折り曲げられて（ヘアピン状に）形成されるため熱伸び量の吸収が十分ではないことがある。

更に、第１外周管５０１のように、最外周管５０ｍよりも曲率が大きい外周管には、最内周管５００と同様に湾曲部５２が熱伸び量を吸収できる程度の曲率を有して形成することが難しい伝熱管もある。

そこで、本実施形態では、最内周管５００と、第１外周管５０１のそれぞれの出口直管部５３に、熱伸びを吸収するための冗長部５４を形成する。

冗長部５４は、出口直管部５３の上部、火炉天井壁２４よりも上側の炉外に形成される。

冗長部５４は、出口直管部５３の軸方向とは異なる軸方向を有する立ち上がり部５４１と、立ち上がり部５４１から連続し、出口直管部５３から離れる方向に延伸し、延伸端において出口直管部５３に向けて屈曲し、出口直管部５３に向かって延伸する冗長直管部５４２と、冗長直管部５４２から出口管寄せ６２ｆに連結する出口管寄せ連結部５４３と、を含んで構成される。

冗長直管部５４２は、ｎ本の各伝熱管５００、５０１、５０２、・・・、５０ｍの配列方向を含む配列面と平行に延伸する。これにより、伝熱パネル５０ｆにおける配列面と直行する方向の厚さが薄くなる。

また、冗長直管部５４２は、最外周管５０ｍよりも配列方向においてはみださないように形成すると好ましい。これにより、伝熱パネル５０ｆの配列方向の幅が冗長部５４の形成により広がることを防ぐ。

冗長部５４は、熱伸び差の吸収が不十分である伝熱管に選択的に設けてもよい。一例として、湾曲部５２の曲率が伝熱管の配管直径の１倍以上５倍以下に相当する伝熱管には冗長部５４を設ける。一方、湾曲部５２の曲率が配管直径の５倍を超える伝熱管、本実施形態では第２外周管５０２から最外周管５０ｍには冗長部５４を備えず、出口直管部５３の上端部を出口側管寄せ７２ｆに連結する。伝熱管の配管直径５倍を超える曲率であれば、熱伸び差を湾曲部５２でほぼ吸収でき、伝熱管の変形や破損を防ぐことができる。

伝熱管に流入、流出する流体の温度差に起因して、入口側直管６１ｆと出口側直管６２ｆとに熱伸び差が生じる。その際、各伝熱管の湾曲部５２の曲率が比較的大きければ熱伸び差を吸収できるが、最内周管や伝熱パネル５０ｆ、５０ｂの内側に配置される外周管は、湾曲部５２の曲率が大きいために熱伸び差の吸収が十分にできない。

本実施形態によれば、最内周管５００や伝熱パネル５０ｆ、５０ｂの内側に配置される外周管に冗長部５４を備えることにより、熱伸び差を吸収する。これにより、熱伸び差に起因する最内周管５００や外周管の変形や破損を防ぐことができる。

また全ての外周管ではなく、湾曲部５２の曲率が比較的大きい外周管にも選択的に冗長部５４を設けるので、全外周管に冗長部５４を備えることによる伝熱パネルの重量化を避けつつ、熱伸び差対策が行える。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。

例えば、第１外周管よりも外側にある外周管にも冗長部５４を備えてもよい。

１：ボイラ
２：火炉
３：副側壁部
４：ケージ部
２０：バーナ
２１：火炉前壁
２２：火炉後壁
２２ａ：ノーズ
２３：火炉側壁
２４：火炉天井壁
３３：副側壁
３４：天井壁
３５：底壁
４１：ケージ前壁
４２：ケージ後壁
４３：ケージ側壁
４４：ケージ天井壁
５０：伝熱パネル
５０ｂ：伝熱パネル
５０ｆ：伝熱パネル
５０ｍ：伝熱管（最外周管）
５１：入口直管部
５２：湾曲部
５３：出口直管部
５４：冗長部
７１ｂ：入口マニホールド
７１ｆ：入口マニホールド
７２ｂ：出口マニホールド
５００：伝熱管（最内周管）
５０１：伝熱管（第１外周管）
５０２：伝熱管（第２外周管）
５４１：立ち上がり部
５４２：冗長直管部
５４３：連結部

Claims

ボイラの火炉に備えられる伝熱パネル構造であって、
前記火炉は、鉛直方向を軸方向とする筒状に形成され、前記筒状の内部に燃焼空間を形成し、
前記燃焼空間には、前記火炉の天井壁から前記火炉の下部に向かって伝熱パネルが吊り下げられ、
前記伝熱パネルは、一端が前記火炉外に設けられた入口管寄せに接続され他端が前記火炉外に設けられた出口管寄せに接続されている伝熱管を複数含む伝熱管群として形成され、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、
前記一端から前記火炉の下部に向かう入口直管部と、
前記他端から前記火炉の下部に向かう出口直管部と、
前記入口直管部の下端部および前記出口直管部の下端部を連結する湾曲部と、を含み、
前記複数の伝熱管は、
湾曲部の曲率が最も大きい最内周管と、
前記最内周管の湾曲部の曲率よりも小さい曲率を有する湾曲部を含んで形成され、前記最内周管の外周に沿って配置される第１外周管と、を含み、
前記最内周管の前記出口直管部に、前記最内周管の熱伸びを吸収するための冗長部が形成され、
前記冗長部が形成された前記第１外周管と、当該第１外周管よりも外側に配置され、前記冗長部が形成されていない最外周管とを含む、
ことを特徴とするボイラの伝熱パネル構造。
請求項１に記載のボイラの伝熱パネル構造であって、
前記伝熱パネルは、前記第１外周管および前記第１外周管の湾曲部の曲率よりも小さい湾曲部を含んで形成され、前記第１外周管の外周に沿って配置される第２外周管を含む少なくとも２つ以上の外周管を含んで形成され、
複数の外周管のうち、前記湾曲部の曲率が前記外周管の配管直径の１倍以上５倍以下に相当する外周管には、前記冗長部が形成される、
ことを特徴とするボイラの伝熱パネル構造。
請求項１に記載のボイラの伝熱パネル構造であって、
前記第１外周管の出口直管部に前記冗長部が形成される、
ことを特徴とするボイラの伝熱パネル構造。
請求項１に記載のボイラの伝熱パネル構造において、
前記冗長部は、前記出口直管部の軸方向とは異なる軸方向を有する立ち上がり部と、当該立ち上がり部から連続し、前記最内周管および前記第１外周管の配列面と平行に延伸する冗長直管部と、当該冗長直管部から前記出口管寄せに連結する出口管寄せ連結部と、を含んで構成される、
ことを特徴とするボイラの伝熱パネル構造。
請求項１に記載のボイラの伝熱パネル構造において、
前記冗長部は、前記火炉の天井壁よりも上側であって、前記火炉の外部に形成される、
ことを特徴とするボイラの伝熱パネル構造。