JP6551621B1 - 蒸気管の温度測定装置、蒸気管の温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 蒸気管の温度測定装置として、ボイラに供給される水を燃焼ガスと熱交換して得られる蒸気が内部を循環する蒸気管の表面温度を測定するための光ファイバと、前記光ファイバが前記蒸気管の長手方向に沿って前記蒸気管に密着するように、前記光ファイバを挟んで前記蒸気管を取り囲むように装着されるカバーと、を備える。

Description

本発明は、蒸気管の温度測定装置、蒸気管の温度測定方法に関する。

例えば、火力発電所における発電用のボイラ内には、復水器から供給される水を燃焼ガスと熱交換することによって得られる蒸気を循環させる蒸気管（例えば過熱器や再熱器）が設置されている。蒸気管は耐熱鋼（例えば低合金鋼）を成分とするボイラチューブで構成されているが、設計基準を超えた高温状態で使用され続けると、クリープ損傷の進行に伴って、蒸気管の外周面が膨張するか或いは蒸気管の肉厚が減肉する等の変形を生じる虞がある。そこで、蒸気管の表面温度の測定結果から、ボイラの燃焼状態や蒸気管の余寿命を把握することによって、蒸気管の劣化に起因する事故を未然に防止する点検が行われている（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１３−１９０２２９号公報

ボイラの燃焼状態や蒸気管の余寿命を把握する場合、蒸気管の表面温度を広範囲に亘って測定し、蒸気管の表面温度の温度分布を求める必要がある。

例えば、蒸気管の表面温度を測定する手段として熱電対を用いる場合がある。しかし、熱電対を用いた場合、蒸気管における狭い範囲の表面温度しか測定できないため、蒸気管の表面温度の温度分布を求めることは困難である。

そこで、本発明は、蒸気管の表面温度を広範囲に亘って確実に測定することが可能な温度測定装置を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本発明は、蒸気管の温度測定装置として、ボイラに供給される水を燃焼ガスと熱交換して得られる蒸気が内部を循環する蒸気管の表面温度を測定するための光ファイバと、前記光ファイバが前記蒸気管の長手方向に沿って前記蒸気管に密着するように、前記光ファイバを挟んで前記蒸気管を取り囲むように装着されるカバーと、を備え、前記カバーは、前記蒸気管の長手方向に沿う１本の隙間と、前記蒸気管に装着された際に前記光ファイバが収容されるように、前記蒸気管の長手方向に沿って窪む溝と、を有し、前記蒸気管を取り囲む円筒形状を呈するカバー本体と、前記カバー本体の両端に前記隙間を挟んで形成され、前記カバー本体が前記蒸気管に密着するようにボルトによって締め付けられるフランジと、を有し、前記溝は、前記カバー本体の前記フランジとは反対側に形成され、前記光ファイバ及び前記カバーは、前記フランジが燃焼ガスの下流側を向くように、前記ボイラ内に設置される。

本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、蒸気管の表面温度を広範囲に亘って確実に測定することが可能となる。

本実施形態に係る蒸気管の温度測定装置が用いられる火力発電所の全体構成の一例を示す図である。 本実施形態に係る温度測定装置を蒸気管の直管部分に装着する前の様子を示す斜視図である。 本実施形態に係る温度測定装置を蒸気管の直管部分に装着した後の様子を示す斜視図である。 本実施形態に係る温度測定装置を蒸気管の直管部分に装着した後の様子を示す断面図である。 本実施形態に係る他の温度測定装置を蒸気管の曲管部分に装着する前の様子を示す斜視図である。 本実施形態に係る他の温度測定装置を蒸気管の曲管部分に装着した後の様子を示す斜視図である。 本実施形態に係る他の温度測定装置を蒸気管の曲管部分に装着した後の様子を示す断面図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＝＝＝火力発電所の全体構成の一例＝＝＝
図１は、本実施形態に係る蒸気管の温度測定装置が用いられる火力発電所の全体構成の一例を示す図である。

火力発電所１は、ボイラ２、蒸気発生器３、水冷壁４、蒸気弁５、高圧タービン６、中圧タービン７、低圧タービン８、再熱器９、復水器１０、給水ポンプ１１、発電機１２を含んで構成されている。

ボイラ２は、外部から供給される燃料（例えば微粉炭の状態の石炭）と空気を混合して燃焼ガスを生成し、燃焼ガスの熱を用いて水を水蒸気に換える熱交換装置である。ボイラ２には、蒸気発生器３、水冷壁４、再熱器９が収容されている。蒸気発生器３は、復水器１０から供給される水を予熱する節炭器（不図示）と、水冷壁４から供給される飽和蒸気を更に加熱して過熱蒸気にする過熱器（不図示）と、を含んで構成されている。水冷壁４は、ボイラ２のハウジングを形成し、余熱された水を飽和蒸気にして過熱器に供給する。蒸気弁５は、蒸気発生器３で生成される過熱蒸気の流量を制御する調整弁である。

高圧タービン６、中圧タービン７、低圧タービン８の回転軸１３は同一であって、発電機１２の回転軸１４と結合されている。高圧タービン６には、蒸気発生器３で生成される過熱蒸気（第１蒸気）が蒸気弁５を介して供給される。高圧タービン６は、第１蒸気を膨張させ、膨張後の蒸気（第２蒸気）をボイラ２内の再熱器９に供給する。再熱器９は、第２蒸気を再熱し、再熱蒸気（第３蒸気）として中圧タービン７に供給する。中圧タービン７は、第３蒸気を膨張させ、膨張後の蒸気（第４蒸気）を低圧タービン８に供給する。低圧タービン８は、第４蒸気を膨張させる。

復水器１０は、低圧タービン８が第４蒸気を膨張させた後の排気を凝縮して復水に換える。給水ポンプ１１は、復水器１０で生成される復水を昇圧して給水としてボイラ２内の蒸気発生器３に戻している。

そして、発電機１２は、電力が発電されるように、第４蒸気が膨張した際に発生する動力で駆動される。

本実施形態に係る温度測定装置によって、蒸気発生器３に含まれる過熱器を構成する過熱器管（蒸気管）や再熱器９を構成する再熱器管（蒸気管）の表面温度を測定することとなるが、詳細については後述する。尚、説明の便宜上、以下の説明において、過熱器管や再熱器管を蒸気管１５と称することとする。

＝＝＝温度測定装置＝＝＝
図２は、本実施形態に係る温度測定装置を蒸気管の直管部分に装着する前の様子を示す斜視図である。図３は、本実施形態に係る温度測定装置を蒸気管の直管部分に装着した後の様子を示す斜視図である。図４は、本実施形態に係る温度測定装置を蒸気管の直管部分に装着した後の様子を示す断面図である。尚、温度測定装置は、光ファイバがボイラ内で露出することがないように蒸気管に装着されていることとする。

温度測定装置１００は、光ファイバ１１０が蒸気管１５の直管部分の表面に密着するように、光ファイバ１１０を介して蒸気管１５の直管部分に装着される金属製（例えばＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６）の装置である。温度測定装置１００は、光ファイバ１１０とカバー１２０を含んで構成されている。

光ファイバ１１０は、蒸気管１５の表面温度を測定するために、蒸気管１５の長手方向に沿って蒸気管１５の表面に密着するようにカバー１２０によって取り付けられる。光ファイバ１１０にパルス光を入射すると、パルス光は光ファイバ１１０の中で僅かに散乱を起こしながら進行する。その散乱光の１つであるラマン散乱光（ストークス光とアンチストークス光）は温度依存性を有するため、ラマン散乱光を検知することによって被測定物の温度を測定することが可能である。つまり、光ファイバ１１０を蒸気管１５の表面に密着させることによって、蒸気管１５の表面温度を測定することが可能である。光ファイバ１１０の径は、例えば０．２ｍｍ程度である。尚、ラマン散乱光の温度依存性を利用する温度測定方法は周知であるため、その説明を省略する。

カバー１２０は、カバー本体１２０１とフランジ１２０２Ａ，１２０２Ｂを含んで構成されている。カバー１２０の厚みは、例えば２〜３ｍｍ程度である。

カバー本体１２０１は、蒸気管１５の径よりも僅かに大きい径を有する円筒形状を呈している。カバー本体１２０１の内周面には、光ファイバ１１０を蒸気管１５の長手方向に沿って蒸気管１５の表面に密着させるために、蒸気管１５の長手方向に沿って光ファイバ１１０を収容するための溝１２０１Ｃが形成されている。溝１２０１Ｃは、例えばカバー本体１２０１におけるフランジ１２０２Ａ，１２０２Ｂの反対側に形成されている。温度測定装置１００をボイラ２内に設置する場合、燃焼ガスがフランジ１２０２Ａ，１２０２Ｂに当たると、燃焼ガスの流れが乱れてしまうため、フランジ１２０２Ａ，１２０２Ｂが燃焼ガスの下流側（燃焼ガスが当たる側とは反対側）を向くように、温度測定装置１００は設置される。溝１２０１Ｃは、光ファイバ１１０が蒸気管１５の表面に密着する程度の窪みを有している。カバー本体１２０１は、蒸気管１５の長手方向に沿って１本の隙間が形成されるように、蒸気管１５の長手方向に沿う端面１２０１Ａ，１２０１Ｂを有している。フランジ１２０２Ａ，１２０２Ｂは、それぞれ、蒸気管１５から遠ざかるように端面１２０１Ａ，１２０１Ｂから延在して形成されている。フランジ１２０２Ａ，１２０２Ｂは、それぞれ、蒸気管１５の長手方向に沿って複数の孔１２０３Ａ，１２０３Ｂを有している。複数の孔１２０３Ａ，１２０３Ｂは、それぞれ、ボルト１２０４がナット１２０５と螺合するように連通している。そして、温度測定装置１００の剛性に抗してフランジ１０２０Ａ，１２０２Ｂの間の隙間を広げながらカバー本体１２０１を蒸気管１５に被せた後、ボルト１２０４を複数の孔１２０３Ａ，１２０３Ｂに挿入してボルト１２０４とナット１２０５を締め付けると、フランジ１２０２Ａ，１２０２Ｂの間の隙間がなくなって、カバー本体１２０１は蒸気管１５に密着して装着される。

ボイラ２において、復水器１０から供給される水を燃焼ガスと熱交換するとき、燃焼ガスの温度は例えば１２００℃程度であり、蒸気管１５を循環する蒸気の温度は例えば６００℃程度である。光ファイバ１１０はカバー１２０によって燃焼ガスには直接触れないため、光ファイバ１１０の温度は蒸気管１５の表面温度の影響のみを受ける。従って、光ファイバ１１０の温度は７００℃未満に抑えられ、蒸気管１５の表面温度を確実に取得することが可能となる。蒸気管１５の表面温度の情報は、ネットワークを介して監視用の外部機器（不図示）に取り込まれて温度分布が求められる。更に、カバー１２０は蒸気管１５を取り囲むため、蒸気管１５のクリープ強度を向上させることが可能となる。

図５は、本実施形態に係る他の温度測定装置を蒸気管の曲管部分に装着する前の様子を示す斜視図である。図６は、本実施形態に係る他の温度測定装置を蒸気管の曲管部分に装着した後の様子を示す斜視図である。図７は、本実施形態に係る他の温度測定装置を蒸気管の曲管部分に装着した後の様子を示す断面図である。尚、温度測定装置は、光ファイバがボイラ内で露出することがないような長さを有して蒸気管に装着されることとする。

温度測定装置２００は、光ファイバ２１０が蒸気管１５の曲管部分の表面に密着するように、光ファイバ２１０を介して蒸気管１５の曲管部分に装着される金属製（例えばＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６）装置である。温度測定装置２００は、光ファイバ２１０とカバー２２０を含んで構成されている。

光ファイバ２１０は、蒸気管１５の表面温度を測定するために、蒸気管１５の長手方向（曲管部分の形状）に沿って蒸気管１５の表面に密着するようにカバー２２０によって取り付けられる。そして、光ファイバ１１０と同様に、光ファイバ２１０を蒸気管１５の表面に密着させ、ラマン散乱光の温度依存性を利用することによって、蒸気管１５の表面温度を測定することが可能となる。光ファイバ２１０の径は、例えば０．２ｍｍ程度である。

カバー２２０は、カバー本体２２０１とフランジ２２０２Ａ，２２０２Ｂを含んで構成されている。カバー２２０の厚みは、例えば２〜３ｍｍ程度である。

カバー本体２２０１は、蒸気管１５の径よりも僅かに大きい径を有し、蒸気管１５の曲率に応じた円筒形状を呈している。カバー本体２２０１の内周面には、光ファイバ２１０を蒸気管１５の長手方向に沿って蒸気管１５の表面に密着させるために、蒸気管１５の長手方向に沿って光ファイバ２１０を収容するための溝２２０１Ｃが形成されている。溝２２０１Ｃは、例えばカバー本体２２０１におけるフランジ２２０２Ａ，２２０２Ｂの反対側に形成されている。温度測定装置２００をボイラ２内に設置する場合、燃焼ガスがフランジ２２０２Ａ，２２０２Ｂに当たると、燃焼ガスの流れが乱れてしまうため、フランジ２２０２Ａ，２２０２Ｂが燃焼ガスの下流側（燃焼ガスが当たる側とは反対側）を向くように、温度測定装置２００は設置される。又、温度測定装置２００として、ボイラ２内に配置されている蒸気管１５の曲管部分に装着した際に、フランジ２２０２Ａ，２２０２Ｂが常に燃焼ガスの下流側を向くような様々な形状を呈するバリエーションが予め用意されていることとする。溝２２０１Ｃは、光ファイバ２１０が蒸気管１５の表面に密着する程度の窪みを有している。カバー本体２２０１は、蒸気管１５の長手方向に沿って１本の隙間が形成されるように、蒸気管１５の長手方向に沿う端面２２０１Ａ，２２０１Ｂを有している。フランジ２２０２Ａ，２２０２Ｂは、それぞれ、蒸気管１５から遠ざかるように端面２２０１Ａ，２２０１Ｂから延在して形成されている。フランジ２２０２Ａ，２２０２Ｂは、それぞれ、蒸気管１５の長手方向に沿って複数の孔２２０３Ａ，２２０３Ｂを有している。複数の孔２２０３Ａ，２２０３Ｂは、それぞれ、ボルト２２０４がナット２２０５と螺合するように連通している。そして、温度測定装置２００の剛性に抗してフランジ２０２０Ａ，２２０２Ｂの間の隙間を広げながらカバー本体２２０１を蒸気管１５の曲管部分に被せた後、ボルト２２０４を複数の孔２２０３Ａ，２２０３Ｂに挿入してボルト２２０４とナット２２０５を締め付けると、フランジ２２０２Ａ，２２０２Ｂの間の隙間がなくなって、カバー本体２２０１は蒸気管１５の曲管部分に密着して装着される。

光ファイバ２１０はカバー２２０によって燃焼ガスには直接触れないため、光ファイバ２１０の温度は蒸気管１５の表面温度の影響のみを受ける。従って、光ファイバ２１０の温度は７００℃未満に抑えられ、蒸気管１５の曲管部分の表面温度を確実に取得することが可能となる。蒸気管１５の表面温度の情報は、ネットワークを介して監視用の外部機器（不図示）に取り込まれて温度分布が求められる。更に、カバー２２０は蒸気管１５を取り囲むため、蒸気管１５のクリープ強度を向上させることが可能となる。

蒸気管１５は、直管部分と曲管部分が連続する形状を呈している。そこで、蒸気管１５における直管部分と曲管部分の表面温度を測定する場合、カバー１２０を蒸気管１５の直管部分に装着し、カバー２２０を蒸気管１５の曲管部分に装着すればよい。又、カバー２２０を蒸気管１５の曲管部分に二重に装着し、蒸気管１５の曲管部分を補強してもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る温度測定装置１００（２００）は、ボイラ２に供給される水を燃焼ガスと熱交換して得られる蒸気が内部を循環する蒸気管１５（過熱器管や再熱器管）の表面温度を測定するための光ファイバ１１０（２１０）と、光ファイバ１１０（２１０）が蒸気管１５の長手方向に沿って蒸気管１５に密着するように、光ファイバ１１０（２１０）を挟んで蒸気管１５を取り囲むように装着されるカバー１２０（２２０）と、を備える。本実施形態によれば、光ファイバ１１０（２１０）はカバー１２０（２２０）によって燃焼ガスには直接触れず、光ファイバ１１０（２１０）の温度は蒸気管１５の表面温度の影響のみを受けるため、光ファイバ１１０（２１０）の温度は７００℃未満に抑えられ、蒸気管１５の表面温度を確実に取得することが可能となる。更に、カバー１２０（２２０）は蒸気管１５を取り囲むため、蒸気管１５のクリープ強度を向上させることが可能となる。

又、本実施形態において、カバー１２０（２２０）は、蒸気管１５に装着された際に光ファイバ１１０（２１０）が収容されるように、蒸気管１５の長手方向に沿って窪む溝１２０１Ｃ（２２０１Ｃ）を有する。本実施形態によれば、光ファイバ１１０（２１０）を蒸気管１５に密着させたまま保護することが可能となる。

又、本実施形態において、カバー１２０（２２０）は、蒸気管１５の長手方向に沿う隙間を有し、蒸気管１５を取り囲む円筒形状を呈するカバー本体１２０１（２２０１）と、カバー本体１２０１（２２０１）の両端に形成され、カバー本体１２０１（２２０１）が蒸気管１５に密着するようにボルト１２０４（２２０４）及びナット１２０５（２２０５）によって締め付けられるフランジ１２０２Ａ（２２０２Ａ），１２０２Ｂ（２２０２Ｂ）と、を有する。

又、本実施形態において、カバー１２０（２２０）は、合金鋼から形成される。特に、カバー１２０（２２０）は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６）から形成されることが望ましい。

尚、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。例えば、カバー１２０（２２０）は、フランジ１２０２Ａ（２２０２Ａ），１２０２Ｂ（２２０２Ｂ）を設けずに蒸気管１５に対して溶接されてもよい。

１ 火力発電所
２ ボイラ
３ 蒸気発生器
６ 高圧タービン
７ 中圧タービン
８ 低圧タービン
９ 再熱器
１０ 復水器
１２ 発電機
１００，２００ 温度測定装置
１１０，２１０ 光ファイバ
１２０，２２０ カバー
１２０１，２２０１ カバー本体
１２０１Ａ，１２０１Ｂ，２２０１Ａ，２２０１Ｂ 端面
１２０１Ｃ，２２０１Ｃ 溝
１２０２Ａ，１２０２Ｂ，２２０２Ａ，２２０２Ｂ フランジ
１２０３Ａ，１２０３Ｂ，２２０３Ａ，２２０３Ｂ 孔
１２０４，２２０４ ボルト
１２０５，２２０５ ナット

Claims (8)

1. ボイラに供給される水を燃焼ガスと熱交換して得られる蒸気が内部を循環する蒸気管の表面温度を測定するための光ファイバと、
   前記光ファイバが前記蒸気管の長手方向に沿って前記蒸気管に密着するように、前記光ファイバを挟んで前記蒸気管を取り囲むように装着されるカバーと、を備え、
   前記カバーは、
   前記蒸気管の長手方向に沿う１本の隙間と、前記蒸気管に装着された際に前記光ファイバが収容されるように、前記蒸気管の長手方向に沿って窪む溝と、を有し、前記蒸気管を取り囲む円筒形状を呈するカバー本体と、
   前記カバー本体の両端に前記隙間を挟んで形成され、前記カバー本体が前記蒸気管に密着するようにボルトによって締め付けられるフランジと、を有し、
   前記溝は、前記カバー本体の前記フランジとは反対側に形成され、
   前記光ファイバ及び前記カバーは、前記フランジが燃焼ガスの下流側を向くように、前記ボイラ内に設置される
   ことを特徴とする蒸気管の温度測定装置。
2. 前記カバーは、合金鋼から形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気管の温度測定装置。
3. 前記カバーは、ステンレス鋼から形成される
   ことを特徴とする請求項２に記載の蒸気管の温度測定装置。
4. 前記蒸気管は、過熱器管である
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の蒸気管の温度測定装置。
5. 前記蒸気管は、再熱器菅である
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の蒸気管の温度測定装置。
6. ボイラに供給される水を燃焼ガスと熱交換して得られる蒸気が内部を循環する蒸気管の表面温度を測定するための光ファイバが、前記蒸気管の長手方向に沿って前記蒸気管に密着するように、前記光ファイバを挟んで前記蒸気管を取り囲むカバーを装着し、
   前記カバーは、
   前記蒸気管の長手方向に沿う１本の隙間と、前記蒸気管に装着された際に前記光ファイバが収容されるように、前記蒸気管の長手方向に沿って窪む溝と、を有し、前記蒸気管を取り囲む円筒形状を呈するカバー本体と、
   前記カバー本体の両端に前記隙間を挟んで形成され、前記カバー本体が前記蒸気管に密着するようにボルトによって締め付けられるフランジと、を有し、
   前記溝は、前記カバー本体の前記フランジとは反対側に形成され、
   前記光ファイバ及び前記カバーは、前記フランジが燃焼ガスの下流側を向くように、前記ボイラ内に設置される
   ことを特徴とする蒸気管の温度測定方法。
7. 前記カバーは、合金鋼から形成される
   ことを特徴とする請求項６に記載の蒸気管の温度測定方法。
8. 前記カバーは、ステンレス鋼から形成される
   ことを特徴とする請求項７に記載の蒸気管の温度測定方法。

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