| 【発明の名称】 |
排熱回収ボイラにおける伝熱管のサポート構造 |
| 【発明者】 |
【氏名】村上 英治
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| 【要約】 |
【課題】隣接する伝熱管パネルの熱伸び差を逃がし、かつ伝熱管サポートに発生する引張り力によって伝熱管に応力を発生させない伝熱管パネルのサポート構造。
【解決手段】排気ガス１の水平方向の流れに対向し且つ管寄せ２１，２２の管軸方向に複数の伝熱管を配置した自立式伝熱管パネル６０，６１を設けて熱交換を行う排熱回収ボイラにおいて、前記伝熱管パネル６０，６１を伝熱管サポートで支持固定し、隣接する伝熱管パネル６０，６１のそれぞれの伝熱管サポート１７をリンク式サポート６３で結合し、前記リンク式サポート６３の支持点は、それぞれの伝熱管サポートの排気ガス流れ方向における中央部に設けるとともに回動自在とする伝熱管のサポート構造。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 排気ガスの水平方向の流れに対向し且つ管寄せの管軸方向に複数の伝熱管を配置した自立式伝熱管パネルを設けて熱交換を行う排熱回収ボイラにおいて、前記伝熱管パネルを伝熱管サポートで支持固定し、隣接する伝熱管パネルのそれぞれの伝熱管サポートをリンク式サポートで結合し、前記リンク式サポートの支持点は、それぞれの伝熱管サポートの排気ガス流れ方向における中央部に設けるとともに回動自在とすることを特徴とする伝熱管のサポート構造。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は排熱回収ボイラに係わり、自立式伝熱管に発生する応力を低減可能な伝熱管サポート構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンで発電を行うと共に、ガスタービンから排出された排カズ中の熱を排熱回収ボイラで回収して蒸気を発生させ、蒸気タービンでも発電を行う。一般に、コンバインドサイクル発電プラントは、発電効率が高いことに加えて、負荷応答性が高く急激な電力需要の増加に対応出来るという特徴があり、近年多用される傾向にある。
【０００３】図７に排熱回収ボイラの装置構成の一例を示す。図７の排熱回収ボイラは、上部に蒸気ドラム１１，１２を配置し、伝熱管を鉛直方向に配置した横置き型の自然循環ボイラであり、ケーシング２内のガス流れ方向に沿って、過熱器３、高圧蒸発器４、脱硝装置５、高圧節炭器６、低圧蒸発器７及び低圧節炭器８が配置されている。
【０００４】ガスタービンからの排気ガス１はケーシング２内に流入し、まず過熱器３、高圧蒸発器４で熱交換された後、脱硝装置５に入り含有する窒素酸化物が除去される。更にこの排ガス１は高圧節炭器６、低圧蒸発器７、低圧節炭器８を順次通過し、伝熱管内の内部流体と熱交換を行い温度が低下し、図示していない煙突から排出される。
【０００５】図７における過熱器３、高圧蒸発器４、高圧節炭器６、低圧蒸発器７及び低圧節炭器８は、それぞれ鉛直方向に配置した伝熱管群で構成され、これら伝熱管群の支持方法には吊り下げ式と自立式の２種類がある。吊り下げ式支持方法は、伝熱管群に座屈破壊が発生する心配がないという長所がある反面、伝熱管パネル全ての重量を吊り下げるため、支持鉄骨及びこれを基礎から支える鉄骨に剛性の高い大型部材を用いなければならず、コスト高になるという欠点がある。そのため、伝熱管群の支持方式には自立式の採用が望ましい。
【０００６】図８に自立式伝熱管パネルの構成例を示す。この構成例は逆Ｕ字型の伝熱管を用いたものである。管寄せ１３ａと管寄せ１３ｂは逆Ｕ字型の多数の伝熱管で連結され、伝熱管パネルを構成している。管寄せ１３ａには伝熱管１４ａ，１５ａ，１６ａが取りつけられ、これらの伝熱管はそれぞれ伝熱管１４ｂ，１５ｂ，１６ｂとつながり逆Ｕ字を形成し、伝熱管１４ｂ，１５ｂ，１６ｂは管寄せ１３ｂにつながっている。管寄せ１３ａ及び１３ｂを上側から見た平面図を図９に示す。図９のように、伝熱管は管寄せに千鳥状に配置されており、多数の伝熱管から伝熱管パネルが構成されている。
【０００７】図８に示した伝熱管パネルを自立させるための従来のサポート構造として、例えば図１０に示す構造が提案されている。この構造は本願の発明者等が提案している先行技術であり、伝熱管に発生する熱応力を低減できるという特徴がある。図１０において、１次過熱器伝熱管パネル６０は支持鉄骨４７からリンク構造の自立サポート３０ａ，３０ｂで倒れないように指示されている。更にこの１次過熱器伝熱管パネル６０のガス流れ上流側にある２次過熱器伝熱管パネル６１は、１次過熱器伝熱管パネル６０からリンク構造の自立サポート２９ａ，２９ｂで支持されている。
【０００８】ガス流れ下流側の伝熱管パネルからガス流れ上流側の伝熱管パネルをリンク構造で支持することがこの構造の特徴であり、１次過熱器伝熱管パネル６０と２次過熱器伝熱管パネル６１のメタル温度の違いによる熱伸び差をリンク構造の自立サポート２９ａ，２９ｂで逃がすことが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記先行技術は、リンク構造の自立サポートにより伝熱管パネルを支持しているので、隣接する伝熱管パネル間のメタル温度差により生じる伝熱管軸方向の熱伸び差を逃がすことが可能である。しかし、この時リンク構造の自立サポートに引張り力が発生し、この引張り力が伝熱管パネルに作用して伝熱管に応力が発生するという問題点があった。
【００１０】図１１に、図８の伝熱管パネル２組を図７の過熱器３（内部流体；蒸気）に適用した場合に生じる温度分布及び熱伸び量を模式的に示す。ガスタービンから排出された排ガスは伝熱管によって熱交換されるため、伝熱管のメタル温度は図１１の上図に示す如く変化する。そのため、メタル温度が高いガス流れ上流側の伝熱管は熱伸び量が大きく、ガス流れ下流側のメタル温度の低い伝熱管は熱伸び量が小さくなるので、隣接する伝熱管パネルに温度差が生じる。この時の伝熱管パネルの上部領域の変形状態を図１２に模式的に示す。
【００１１】図１２のように隣接する伝熱管パネルの温度差により伝熱管パネルに熱伸び差が生じ、伝熱管サポート２９によって、伝熱管軸方向の熱伸び差を逃がすことが可能であるが、自立サポート２９ａには矢印で示すように引張り力が発生し、この引張り力により伝熱管に過大な応力が発生してしまう。
【００１２】本発明の目的は、隣接する伝熱管パネルの熱伸び差を逃がすことが可能で、かつ伝熱管サポートに発生する引張り力によって伝熱管に応力を発生させない伝熱管パネルのサポート構造を提案することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。
【００１４】排気ガスの水平方向の流れに対向し且つ管寄せの管軸方向に複数の伝熱管を配置した自立式伝熱管パネルを設けて熱交換を行う排熱回収ボイラにおいて、前記伝熱管パネルを伝熱管サポートで支持固定し、隣接する伝熱管パネルのそれぞれの伝熱管サポートをリンク式サポートで結合し、前記リンク式サポートの支持点は、それぞれの伝熱管サポートの排気ガス流れ方向における中央部に設けるとともに回動自在とする伝熱管のサポート構造。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係る伝熱管サポート構造について、図１〜図６を用いて以下説明する。図１は、本発明の実施形態に係る伝熱管サポート構造の側面図であり、図７に示す過熱器３に適用した場合の構成例を示す。
【００１６】基礎上に設置されている支持ばり４５及びケーシング４４上には伝熱管支持台４３が設置されている。この伝熱管支持台４３上には、管寄せ２１ａ及び２１ｂを伝熱管２３，２４，２５で連結して構成される１次過熱器伝熱管パネル６０と、管寄せ２２ａ及び２２ｂを伝熱管２６，２７，２８で連結して構成される２次過熱器伝熱管パネル６１の、２組の伝熱管パネルが設置されている。
【００１７】ここで、伝熱管パネルとは、図１において、管寄せ２１又は２２毎に管軸方向に亘って多数の伝熱管が直立して、排気ガスの流れ方向に対向して伝熱管群があたかも板状体（パネル）を形成している構造体を云うのであって、図１では伝熱管パネル６０，６１を側面から見ている。
【００１８】これらの伝熱管パネル６０，６１には、それぞれ伝熱管を束ねて固定するための伝熱管サポート１７が配置されている。１次過熱器伝熱管パネル６０の伝熱管サポート１７にはリンク式サポート６２が取り付けられている。このリンク式サポート６２のもう一方はフレーム４７に取りつけられており、１次過熱器伝熱管パネル６０は、フレーム４７からリンク式サポート６２を介して、倒れないように自立して支持されている。ここにおいて、リンク式サポート６２は、その一端が伝熱管サポート１７の中央部に支持されていて且つその中央部においてサポート６２は回動自在となっているものである。
【００１９】更に、２次過熱器伝熱管パネル６１と１次過熱器伝熱管パネル６０とはリンク式サポート６３で連結されており、リンク式サポート６３は、その一端を伝熱管パネル６０の伝熱管サポート１７の中央部に、その他端は伝熱管パネル６１の伝熱管サポート１７の中央部にそれぞれ回動支持されているものである。結局、２次過熱器伝熱管パネル６１は、フレーム４７からリンク式サポート６２、１次過熱器伝熱管パネル６０、リンク式サポート６３を介して自立支持されている。
【００２０】図１において、７３は過熱器伝熱管群を示し、７１は蒸発器伝熱管群であって、図７に示す過熱器３と蒸発器４に対応する構成例を示している。フレーム４７はケーシング４１，４４に固定されている枠体であるが、枠体に代えて例えば支持鉄骨であって良い。
【００２１】図２に、伝熱管サポート１７ａ，１７ｂの中央部に支持点を設けてその支持点廻りで回動する構成のリンク式サポート６２ａ，６３ａの取付け状態（図１のＡＡ’断面）を示す。図２に示すように、伝熱管２３ａ，２４ａ，２５ａ，２３ｂ，２４ｂ，２５ｂには板状のサポート１７ａが、伝熱管２６ａ，２７ａ，２８ａ，２８ｂ，２７ｂ，２６ｂには伝熱管サポート１７ｂが固定されている。伝熱管サポート１７ａと１７ｂにはそれぞれピン６４，６５が取付けられ、ピン６４とピン６５はリンク式サポート６３ａで結合してピンの廻りで回動するリンク構造になっている。また、リンク式サポート６２ａの他端は、図１のフレーム４７に回動支持されている。
【００２２】本実施形態ではリンク式サポート６２ａ，６３ａは、伝熱管パネル端部の他に、伝熱管パネルの中間部にも、同様構造のリンク式サポート６２ｂ，６３ｂを配置して、各伝熱管パネルがスムーズに管軸方向に可動できるようになっている。
【００２３】また、リンク式サポート６２ａ，６３ａの取付の詳細構造とその変形構成例について図３に示す。図３によると、リンク式サポートはその両端部で回動支持されて伝熱管サポート１７の中央部、即ち、伝熱管パネルにおける排ガス流れ方向の中央部で支持連結されている。そして、リンク式サポートは、回動支点間の構造が、直線状形状の外に、図３の（２）（３）に示すような、くの字形状、菱形形状であっても良く、これらの形状の方が伸縮特性が良いので支持点間の距離の調整がより可能であり、伝熱管の熱伸びに対してより容易に対応できる構造である。
【００２４】そして、本発明の実施形態に係る伝熱管パネルの自立サポート構造によれば、隣接する伝熱管パネルをつなぐリンク機構の支持点が図１、図２に示した如く、各伝熱管パネルの中央部（排気ガスの流れ方向における）にあるため、リンク機構に引張り力が生じても伝熱管には過大な応力が発生しない。図１において、運転中、ガスタービンからの排気ガス１は矢印で示した方向から流れてくるので、１次過熱器伝熱管パネル６０、２次過熱器伝熱管パネル６１の各伝熱管のメタル温度は、図１１に模式的に示したようになる。すなわちガス流れ上流側の伝熱管の温度がもっと高く、ガス流れ下流側にいくにつれて、メタル温度は徐々に低下する。
【００２５】前述のように、運転中はガス流れに対して上流側の伝熱管２６ｂのメタル温度が最も高く、下流側の伝熱管２３ａの温度が最も低くなる。したがって、伝熱管パネルの熱伸び量は、温度が高い伝熱管２６ｂが大きく、伝熱管２３ａが小さくなる。１次過熱器伝熱管パネル６０および２次過熱器伝熱管パネル６１は、図１に示したように伝熱管支持台４３上に設置されているので、伝熱管の熱伸びは上方に伸びることになる。
【００２６】本発明の実施形態に係る伝熱管サポート構造では、中央リンク式伝熱管サポート６３ａ，６２ａの支持点が伝熱管パネルの中央部にあるため、図３に矢印で示すように伝熱管パネルはこの支持点を中心に回転することが可能であり、中央リンク式伝熱管サポート６３ａ，６２ａに引張り力が生じても、伝熱管には過大な応力は発生しない。
【００２７】これに対して、図１２に示した従来構造では、自立サポート２９ａ，３０ａに生じた引張り力により伝熱管パネルが引張られ伝熱管に応力が発生する。
【００２８】本発明の応力低減効果を確認するために有限要素法（ＦＥＭ）を用いた応力解析を実施した。応力解析は図１の本実施形態に係るサポート構造と図１０の従来構造について実施し、変形状態及び発生応力を比較した。図５に本実施形態に係るリンク式伝熱管サポートを用いた場合の伝熱管パネル上部の変形状態、図４に従来の伝熱管サポートの場合の変形状態を拡大して示す。比較の結果、本発明は、従来構造に比べて伝熱管パネルの変形が小さくなることを確認できた。
【００２９】伝熱管に発生する最大応力は図５の本発明が約１３５ＭＰａ、図４の従来構造が約１７０ＭＰａとなり、約２０％の応力低減効果が確認できた。材料の疲労強度は鋼種によって異なるが、応力振幅と破断までの繰り返し数は両対数グラフ上で図６に示すような関係になる。応力がσ１からσ２に約２０％低下すると、疲労寿命はＮ１からＮ２の数倍になるので、本発明により、プラントに許容できる起動停止回数を数倍にすることが可能となる。
【００３０】以上説明したように、本発明の実施形態は、次のような構成と機能を奏するものを含むものである。水平方向に流れる排気ガス中に伝熱管パネルを配置して熱交換を行う排熱回収ボイラにおいて、隣接する伝熱管パネルをリンク機構で結合し、かつこのリンク機構の支持点をそれぞれの伝熱管パネルのガス流れ方向に対して中央部に設けて、ガス流れ上流側の伝熱管パネルをガス流れ下流側の伝熱管パネルから支持するものである。
【００３１】そして、隣接する伝熱管パネルを結合するリンク機構の支持点を伝熱管パネルのガス流れ方向中央部に設けることにより、それぞれの伝熱管パネルはこの支持点を中心に回動することが可能となる。そのため、隣接する伝熱管パネルの温度差によって熱伸び差が生じても、伝熱管パネルはリンク機構の支持部を中心に回動し、伝熱管がリンク機構から引張り力を受けても、伝熱管にはこの引張り力による応力が発生しないものである。
【００３２】
【発明の効果】本発明に係る排熱回収ボイラの伝熱管自立サポート構造によれば、熱伸び量が大きい大型排熱回収ボイラにおいても、伝熱管に過大な応力を発生させずに伝熱管パネルを自立させることが出来る。
【００３３】これにより、排熱回収ボイラのコストを低減できるという効果があり、引いては発電コストの低減にもつながる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５４４１
【氏名又は名称】バブコック日立株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年３月１日（２０００．３．１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７８１３４
【弁理士】
【氏名又は名称】武 顕次郎
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２４１６０６（Ｐ２００１−２４１６０６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年９月７日（２００１．９．７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−５６３３９（Ｐ２０００−５６３３９） |
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