JP7220992B2 - 伝熱管支持構造および伝熱管支持方法 - Google Patents

Description

本発明は、排熱回収ボイラ等に備えられる伝熱管パネルに千鳥配列した伝熱管の支持構造、および、そのような伝熱管の支持方法に関する。

高効率発電の一環として注目されている複合発電プラントは、まず、ガスタービンによる発電を行うと共に、ガスタービンから排出される排ガス中の熱を排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）において回収し、この排熱回収ボイラで発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動させて発電するものである。この複合発電プラントは、ガスタービンによる発電と蒸気タービンによる発電を同時に行うことができるため、発電効率が高い上にガスタービンは負荷応答性に優れており、急激な電力需要の上昇にも十分対応し得るという利点もある。

この種の複合発電プラントにおいて、一般的に、排熱回収ボイラ内には、ガスタービンの排ガスの熱を回収する過熱器、蒸発器、節炭器などの熱交換器が配置されていると共に、排ガスの脱硝を行うために脱硝装置が配置されている。熱交換器は上下方向に直立した多数の伝熱管を千鳥状に配列した伝熱管パネルによって構成されており、排ガスからの熱を吸収し易くするために、フィンを螺旋状に巻き付けたフィン付き伝熱管が広く採用されている。

伝熱管パネルに対して排ガスが水平方向に流れるように構成された横型と呼ばれる排熱回収ボイラでは、ガスタービンの大型化に伴うボイラの大型化によって、ダクトの高さが２０ｍもしくはそれ以上に大型のものになっており、それに応じて内部のフィン付き伝熱管の長さも長尺なものとなっている。

フィン付き伝熱管は、排ガスの流体力やフィン付き伝熱管の後流に発生するカルマン渦流等によって振動することが知られており、特に、フィン付き伝熱管が長尺化してくると、隣接する伝熱管のフィン同士が振動によって損傷し易くなる。そこで従来より、千鳥配置したフィン付き伝熱管をサポート部材によって水平方向に束ね、このサポート部材を伝熱管パネルの垂直方向に所定間隔を存して複数段設けることにより、フィン付き伝熱管の振動を抑制するようにした技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、千鳥配置したフィン付き伝熱管をフィンとフィンの間に挿入した板状のサポート部材によって支持すると共に、フィン付き伝熱管の斜め方向への間隙に連結板を挿入し、この連結板の両端を排ガスの流れ方向に沿って前後方向に隣接する各伝熱管パネルのサポート部材にそれぞれ固定することにより、複数の伝熱管パネル全体の剛性を高めるようにした伝熱管支持構造が記載されている。

また、特許文献２には、千鳥配置したフィン付き伝熱管をハニカム形状のサポート部材で支持すると共に、水平方向の両端側に位置する数本分のフィン付き伝熱管を短尺の補強用サポート部材で支持し、フィン付き伝熱管の斜め方向の間隙に挿入した門型の開き防止板によってサポート部材と補強用サポート部材を連結することにより、伝熱管パネルの振動変位を低減するようにした伝熱管支持構造が記載されている。

特許第２８５７４４０号公報 特開２０１３－５７４６８号公報

ところで、近年のガスタービン仕様では、排熱回収ボイラに到達する排ガスが高温・高流速かつ旋回を伴うものとなっており、これにより伝熱管パネルの振動が激しくなってきているため、フィン付き伝熱管を水平方向に束ねているサポート部材の損傷、および伝熱管フィンの損傷を引き起こす可能性が高くなっている。

しかし、特許文献１に記載の伝熱管支持構造は、水平方向の両端側に位置するフィン付き伝熱管の斜め方向への間隙に連結板を挿入し、この連結板の両端を各伝熱管パネルのサポート部材に固定してパネルの剛性を高めるという技術であり、連結板によってサポート部材の両端側の剛性はある程度だけ高められるが、サポート部材全体の剛性が高められるわけではないため、サポート部材の損傷および伝熱管フィンの損傷を全範囲に亘って抑制することは困難であった。

また、特許文献２に記載の伝熱管支持構造は、補強用サポート部材を追加してサポート部材の両端側の幅を中央部よりも広くすることにより、三つの振動系（パネル左端部振動系、パネル中央部振動系、パネル右端部振動系）での位相差を利用して伝熱管パネルの振動変位を低減させるという技術であり、フィン付き伝熱管の斜め方向の間隙に挿入した開き防止板は補強用サポート部材とサポート部材が分離しないようにするためのものであって、開き防止板によってサポート部材全体の剛性が高められるわけではないため、サポート部材の損傷および伝熱管フィンの損傷を全範囲に亘って抑制することは困難であった。

本発明は、このような従来技術の実情からなされたもので、その目的は、伝熱管パネルの振動に起因するサポート部材の損傷および伝熱管フィンの損傷を全範囲に亘って抑制することができる伝熱管支持構造を提供することにあり、他の目的は、そのような伝熱管支持構造の支持方法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、垂直方向に延びる複数の伝熱管を千鳥状に配列した伝熱管パネルと、前記伝熱管を水平方向に束ねるサポート部材とを備え、前記サポート部材が前記伝熱管パネルの垂直方向に所定間隔を存して複数段設けられている伝熱管支持構造において、複数の前記伝熱管の間隙に斜め方向に配置された第１の補強板と、前記第１の補強板と交差するように前記間隙に斜め方向に配置された第２の補強板と、前記第１の補強板および前記第２の補強板のそれぞれの一端側を前記サポート部材に固定する連結部材とを備え、前記伝熱管が外周部にフィンを装着したフィン付き伝熱管からなり、前記フィン付き伝熱管を包囲する円筒状の保護部材を備えており、前記保護部材が前記サポート部材に固定され、前記保護部材は、前記サポート部材を挟んで上下に分割して設けられ、取付片により上下一対の構造となっていることを特徴とする。

本発明によれば、伝熱管パネルの振動に起因するサポート部材の損傷および伝熱管フィンの損傷を全範囲に亘って抑制することができる。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。

複合発電プラントの概略系統を示す説明図である。 排熱回収ボイラの外観斜視図である。 排熱回収ボイラの入口部分の内部構造を示す側面図である。 排熱回収ボイラに備えられる伝熱管パネルの斜視図である。 伝熱管パネルの横断面図である。 本発明の実施形態に係る伝熱管支持構造の斜視図である。 該伝熱管支持構造の正面図である。 該伝熱管支持構造の平面図である。 該伝熱管支持構造の要部説明図である。 該伝熱管支持構造の組立手順を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係る伝熱管支持構造の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る伝熱管支持構造の斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図１～図１２を参照しつつ説明する。

図１は、複合発電プラントの概略系統を示す説明図である。図１に示すように、ガスタービン１からの高温高速の排ガス１１は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）２のダクト１２内に設置された過熱器３、第１の蒸発器４、脱硝装置５、第２の蒸発器６、節炭器７の順に接触して熱交換される。また、第１の蒸発器４と第２の蒸発器６からの蒸気を含む水が管路９ａと管路９ｂから汽水分離ドラム８にそれぞれ送られ、該汽水分離ドラム８から分離された蒸気は、飽和蒸気管１０を経て過熱器３でさらに過熱された後、主蒸気管１３を経由して蒸気タービン１４を駆動する過熱蒸気として利用される。

蒸気タービン１４で用いられた蒸気は、復水器１５で水Ｗに戻され、給水管路１６に配置された給水ポンプ１７により節炭器７に循環され、節炭器７でガスタービン１からの排ガス１１より予熱されて汽水分離ドラム８内に供給される。汽水分離ドラム８内の水は、降水管１８を通って下降し、管路１９ａ、１９ｂを経て蒸発器４、６へ導入され、その後、管路９ａ、９ｂを経て汽水分離ドラム８内に戻る。主蒸気管１３に接続されたタービンバイパス管２０は、蒸気タービン１４をバイパスして蒸気を直接復水器１５に導いても良い。また、蒸気タービン１４への蒸気の流量を調節する蒸気タービン加減弁２１、蒸気タービン１４への蒸気の供給により蒸気のバイパス量を調節するタービンバイパス弁２２、およびダクト１２のダンパ２３が設けられている。

以上の説明は、複合発電プラントにおける高温高速の排ガス１１、給水及び蒸気の各流れの概要を説明したものであるが、一般に、排熱回収ボイラ２のダクト１２内には、過熱器３、蒸発器４、６及び節炭器７等の熱交換器が組み込まれて、排ガス１１の排熱を回収するとともに排ガス１１の脱硝を行うために脱硝装置５が配置されている。

図２は、排熱回収ボイラ２の外観斜視図であり、内部構造が見えるようにダクト１２の一部を破断して示してある。図３は、排熱回収ボイラ２の入口部分の内部構造を示す側面図である。

図２と図３に示すように、排熱回収ボイラ２のダクト１２は架構２４を介して地面２５に支持されており、このダクト１２の内部にガスタービン１からの高温高速の排ガス１１が流入する。ダクト１２内に流入した排ガス１１は伝熱管パネル３０で熱吸収され、比較的低温になったガスが煙突２６からダクト１２の外部に排出される。伝熱管パネル３０は、図１に示す過熱器３、第１の蒸発器４、第２の蒸発器６及び節炭器７等の伝熱面を構成する熱交換器であり、ヘッダ２７に吊り下げ支持されている。伝熱管パネル３０には高温高速の排ガス１１が作用するため、ガス流れに対して伝熱管パネル３０が前後方向および左右方向にも振動する。

図４は伝熱管パネル３０の斜視図、図５は伝熱管パネル３０の横断面図である。図４と図５に示すように、伝熱管パネル３０は、上下の各ヘッダ２７間に多数の伝熱管３１を接続したものであり、伝熱管３１の外周面には排ガス１１からの熱を吸収し易くするためのフィン３２が螺旋状に巻き付けられている。本実施形態では、パネル面をガス流れに直交する方向に向けて３つの伝熱管パネル３０を１ユニットとし、このようなユニットを複数並べて配置してある。

フィン３２付きの伝熱管３１（以下、フィン付き伝熱管と呼ぶ）は３列に千鳥配置されており、各フィン付き伝熱管３１はハニカムサポート３３と水平サポート３４を用いて水平方向に束ねられている。ハニカムサポート３３はフィン３２を挟持するように配置された波状板を付き合わせてハニカム形状に一体化したものであり、このハニカムサポート３３によって千鳥配置された各フィン付き伝熱管３１は水平方向に連結されている。水平サポート３４はハニカムサポート３３の周囲に溶接接続されたものであり、これらハニカムサポート３３と水平サポート３４によって１つのサポート部材３５が構成されている。サポート部材３５は伝熱管パネル３０の垂直方向に所定間隔を存して複数段（例えば９段）設けられており、これらサポート部材３５により例えば３３本×３列のフィン付き伝熱管３１における上下方向の複数箇所を水平方向に束ねている。

このようにサポート部材３５で束ねられた伝熱管パネル３０が排熱回収ボイラ２のダクト１２内に設置されているが、前述したように、伝熱管パネル３０には高温高速の排ガス１１が作用するため、ガス流れに対して伝熱管パネル３０が前後方向および左右方向にも激しく振動し、それによってサポート部材３５の損傷およびフィン３２の損傷を引き起こすおそれがある。その対策構造として、本発明は、以下に説明するような伝熱管支持構造を採用している。

図６は本発明の実施形態に係る伝熱管支持構造の斜視図、図７は該伝熱管支持構造の正面図、図８は該伝熱管支持構造の平面図、図９は該伝熱管支持構造の要部説明図である。なお、図６と図７において、フィン付き伝熱管３１はフィン３２を省略して模式的に示してある。

図６～図９に示すように、３列に千鳥配置されたフィン付き伝熱管３１のうち、ダクト１２の入口に対面する手前側（ガス流れの最も上流側）に配置されたフィン付き伝熱管３１には、サポート部材３５を挟んだ上下２箇所にそれぞれ円筒状の保護部材３６が装着されている。この保護部材３６は、複数の分割片をフィン３２の周囲に配置して円筒状に溶接接合したものであり、保護部材３６は、上下それぞれにハニカムサポート３３に接している部位を溶接接合し、取付片３７により上下一対の構造としている。このような保護部材３６を既設の伝熱管パネル３０に取付けることにより、仮にフィン３２がハニカムサポート３３の振動によって欠損していたとしても、伝熱管３１がハニカムサポート３３に接触しないように保護される。

千鳥配置されたフィン付き伝熱管３１の間隙には、第１の補強板３８が斜め左方向に挿入されると共に、第１の補強板３８と交差するように第２の補強板３９が斜め右方向に挿入されている。第１の補強板３８はハニカムサポート３３上に支持されており、第２の補強板３９は第１の補強板３８上に交差状態で支持されている。

図９に示すように、第１の補強板３８は一対の切欠き３８ａを有するＴ型に形成されており、一方の切欠き３８ａが保護部材３６との当接を避けた状態でハニカムサポート３３上に載置されるため、第１の補強板３８をハニカムサポート３３上に安定的に支持することができる。なお、第１の補強板３８は切欠き３８ａを１つだけ有する形状であっても良いが、２つの切欠き３８ａを有するＴ型形状であると、第１の補強板３８を前後いずれの向きから挿入した場合でも、必ず一方の切欠き３８ａ内に保護部材３６を収めることができるため、組立作業性を向上させることができる。

第２の補強板３９は均一幅のＩ型に形成されており、第２の補強板３９の長さは第１の補強板３８とほぼ同じである。本実施形態の場合、３列に千鳥配置されたフィン付き伝熱管３１の全ての間隙に第１の補強板３８と第２の補強板３９が交差状態で挿入されているため、１つの第１の補強板３８は３つの第２の補強板３９と交差し、１つの第２の補強板３９は３つの第１の補強板３８と交差している。

第１の補強板３８と第２の補強板３９の一端側は水平サポート３４の外方へ交差した状態で突出しており、これら第１の補強板３８と第２の補強板３９の間に平板状の連結部材４０が挿入されている。そして、第１の補強板３８と第２の補強板３９を連結部材４０の両側部に溶接接続すると共に、連結部材４０を水平サポート３４に溶接接合することにより、隣接する第１の補強板３８と第２の補強板３９の一端側が共通の連結部材４０を介してサポート部材３５（水平サポート３４）に固定されている。

以上説明したように、本実施形態に係る伝熱管支持構造では、第１の補強板３８と第２の補強板３９および連結部材４０を三角形状に結合した構造がサポート部材３５の全範囲に亘って形成されるため、各列全てのフィン付き伝熱管３１を剛体化することができ、伝熱管パネル３０が前後方向および左右方向に激しく振動した場合でも、サポート部材３５の損傷およびフィン３２の損傷を抑制することができる。なお、このような伝熱管支持構造は、伝熱管パネル３０の上下方向に複数段設けられた全てのサポート部材３５に対して施されていることが好ましいが、任意段のサポート部材３５、例えば上下両端側のサポート部材３５については省略しても良い。また、保護部材３６を省略することも可能であり、その場合、第１の補強板３８と第２の補強板３９は両方共にＩ型形状とすれば良い。

次に、上記のごとく構成された伝熱管支持構造の組立手順について、図１０を参照しつつ説明する。

ダクト１２内に配置された既設の伝熱管パネル３０においては、３列に千鳥配置されたフィン付き伝熱管３１がハニカムサポート３３と水平サポート３４からなるサポート部材３５によって水平方向へ束ねられており、このようなサポート部材３５が伝熱管パネル３０の上下方向に複数段設けられている。

本実施形態に係る伝熱管支持方法では、図１０（ａ）に示すように、まず、伝熱管パネル３０の前面側（ガス流れの最も上流側）に配置された一列目のフィン付き伝熱管３１に対し、サポート部材３５を挟んだ上下２箇所にそれぞれ保護部材３６を装着した後、これら保護部材３６がハニカムサポート３３に接している部位を溶接接合し、取付片３７により上下一対構造とする。

次に、図１０（ｂ）に示すように、伝熱管パネル３０の前面側からフィン付き伝熱管３１の間隙に第１の補強板３８を挿入し、この第１の補強板３８を千鳥配置されたフィン付き伝熱管３１の間隙に斜め左方向に配置する。第１の補強板３８には一対の切欠き３８ａが形成されているため、一方の切欠き３８ａ内に保護部材３６を収めることにより、第１の補強板３８をハニカムサポート３３上に安定的に載置することができる。また、切欠き３８ａと保護部材３６によって第１の補強板３８の挿入量が規定されるため、第１の補強板３８の一端側を水平サポート３４の外方から所定量だけ突出させることができる。

次に、図１０（ｃ）に示すように、第１の補強板３８と交差するようにフィン付き伝熱管３１の間隙に第２の補強板３９を挿入し、この第２の補強板３９を第１の補強板３８上に重ねてフィン付き伝熱管３１の間隙に斜め右方向に配置する。その際、第２の補強板３９の一端側を第１の補強板３８と同量だけ水平サポート３４の外方へ突出させておく。

次に、水平サポート３４から突出する第１の補強板３８と第２の補強板３９の間に連結部材４０を嵌め込み、この連結部材４０に第１の補強板３８と第２の補強板３９を溶接接続すると共に、連結部材４０を水平サポート３４に溶接接合することにより、図７に示すように、第１の補強板３８と第２の補強板３９の一端側を連結部材４０を介してサポート部材３５に固定する。

以上説明したように、本実施形態に係る伝熱管支持方法によれば、サポート部材３５で水平方向に束ねられた既設の伝熱管パネル３０に対して、作業空間が確保されたパネル前面側からフィン付き伝熱管３１の間隙に第１の補強板３８と第２の補強板３９を挿入することにより、第１の補強板３８と第２の補強板３９および連結部材４０を三角形状に結合した構造をサポート部材３５の全範囲に亘って容易に形成することができる。その結果、各列全てのフィン付き伝熱管３１を剛体化することができるため、伝熱管パネル３０が前後方向および左右方向に激しく振動した場合でも、サポート部材３５の損傷およびフィン３２の損傷を抑制することができる。

なお、上記の実施形態では、フィン付き伝熱管３１が３列に千鳥配置された伝熱管パネル３０について説明したが、フィン付き伝熱管３１の千鳥配置は２列または４列以上であって良い。また、第１の補強板３８と第２の補強板３９の形状や固定方法は、上記の実施形態に限定されず、フィン付き伝熱管３１の千鳥配列や保護部材３６の有無等に応じて適宜変更することが可能である。

図１１は本発明の他の実施形態に係る伝熱管支持構造の斜視図であり、フィン付き伝熱管３１が２列の千鳥配置であると共に、保護部材３６が装着されていない伝熱管パネルへの適用例を示している。

図１１に示すように、２列に千鳥配置されたフィン付き伝熱管３１におけるハニカムサポート３３の下方の間隙には、手前側を湾曲形状とした第１の補強板４１が斜め方向に挿入されており、この第１の補強板４１の手前側は連結部材４２を介してハニカムサポート３３に固定されている。また、フィン付き伝熱管３１におけるハニカムサポート３３の上方の間隙には、奥側を湾曲形状とした第２の補強板４３が第１の補強板４１と交差するように斜め方向に挿入されており、この第２の補強板４３の手前側は別の連結部材４４を介してハニカムサポート３３に固定されている。

図１２は本発明のさらに他の実施形態に係る伝熱管支持構造の斜視図であり、フィン付き伝熱管３１が２列の千鳥配置であると共に、保護部材３６が装着されている伝熱管パネルへの適用例を示している。

図１２に示すように、２列に千鳥配置されたフィン付き伝熱管３１には円筒状の保護部材３６が装着されており、この保護部材３６はハニカムサポート３３に溶接接続されている。そして、フィン付き伝熱管３１におけるハニカムサポート３３の下方の間隙には、手前側を湾曲形状とした第１の補強板４１が斜め方向に挿入されており、この第１の補強板４１の手前側は連結部材４２を介して保護部材３６の外周面に固定されている。また、フィン付き伝熱管３１におけるハニカムサポート３３の上方の間隙には、奥側を湾曲形状とした第２の補強板４３が第１の補強板４１と交差するように斜め方向に挿入されており、この第２の補強板４３の手前側は別の連結部材４４を介して保護部材３６の外周面に固定されている。

なお、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１ ガスタービン
２ 排熱回収ボイラ
１１ 排ガス
１２ ダクト
２７ ヘッダ
３０ 伝熱管パネル
３１ 伝熱管（フィン付き伝熱管）
３２ フィン
３３ ハニカムサポート（サポート部材）
３４ 水平サポート（サポート部材）
３５ サポート部材
３６ 保護部材
３７ 取付片
３８，４１ 第１の補強板
３８ａ 切欠き
３９，４３ 第２の補強板
４０，４２，４４ 連結部材

Claims (4)

1. 垂直方向に延びる複数の伝熱管を千鳥状に配列した伝熱管パネルと、前記伝熱管を水平方向に束ねるサポート部材とを備え、前記サポート部材が前記伝熱管パネルの垂直方向に所定間隔を存して複数段設けられている伝熱管支持構造において、 複数の前記伝熱管の間隙に斜め方向に配置された第１の補強板と、前記第１の補強板と交差するように前記間隙に斜め方向に配置された第２の補強板と、前記第１の補強板および前記第２の補強板のそれぞれの一端側を前記サポート部材に固定する連結部材とを備え、 前記伝熱管が外周部にフィンを装着したフィン付き伝熱管からなり、前記フィン付き伝熱管を包囲する円筒状の保護部材を備えており、前記保護部材が前記サポート部材に固定され、 前記保護部材は、前記サポート部材を挟んで上下に分割して設けられ、取付片により上下一対の構造となっていることを特徴とする伝熱管支持構造。
2. 請求項１に記載の伝熱管支持構造において、 前記第１の補強板と前記第２の補強板が共通の前記連結部材を介して前記サポート部材に固定されていることを特徴とする伝熱管支持構造。
3. 請求項１に記載の伝熱管支持構造において、 前記第１の補強板と前記第２の補強板のいずれか一方に、前記保護部材との当接を避ける切欠きが形成されていることを特徴とする伝熱管支持構造。
4. ガスタービンからの排ガスを流入させるダクト内に、垂直方向に延びる複数の伝熱管を千鳥状に配列した伝熱管パネルが配設されており、前記伝熱管がサポート部材で水平方向に束ねられていると共に、前記サポート部材が前記伝熱管パネルの垂直方向に所定間隔を存して複数段設けられている排熱回収ボイラに対して行われる伝熱管支持方法であって、 複数の前記伝熱管の間隙に第１の補強板を斜め方向に挿入する工程と、 前記第１の補強板と交差するように前記間隙に第２の補強板を斜め方向に挿入する工程と、 前記第１の補強板および前記第２の補強板のそれぞれの一端側を前記サポート部材に連結部材を介して固定する工程と、
   を含み、
   前記伝熱管が外周部にフィンを装着したフィン付き伝熱管からなり、前記フィン付き伝熱管を包囲する円筒状の保護部材を備えており、前記保護部材が前記サポート部材に固定され、
   前記保護部材は、前記サポート部材を挟んで上下に分割して設けられ、取付片により上下一対の構造となっていることを特徴とする伝熱管支持方法。
   

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