JP7394742B2

JP7394742B2 - プロテクタ、ボイラ装置、及びプロテクタの取付方法

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Publication number: JP7394742B2
Application number: JP2020210470A
Authority: JP
Inventors: 亮甫中川; 謙示東川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2023-12-08
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: JP2022097089A

Description

本発明は、伝熱管を保護するプロテクタ、プロテクタを備えたボイラ装置、及び伝熱管へのプロテクタの取付方法に関する。

石炭を燃料とするボイラ装置では、燃焼時に発生する灰が伝熱管に付着して、熱交換効率が低下すると言う課題がある。このような課題を解決するために、伝熱管に蒸気を噴射して灰を除去するスートブロワ装置を備えたボイラ装置が知られている。

但し、スートブロワ装置から噴射された蒸気によって、伝熱管がエロージョンを起こす可能性がある。そこで、特許文献１には、スートブロワ装置に対面する面にプロテクタを取り付けることによって、エロージョンを回避する技術が開示されている。より詳細には、特許文献１に記載のプロテクタは、伝熱管に係止されたエンド部材に管体を螺合することによって着脱される。

特開２０２０－１６９７４２号公報

上記構成のプロテクタは、スートブロワ装置から噴射された蒸気を受け続けて劣化するので、定期的に交換が必要な消耗品である。そして、特許文献１に記載のプロテクタを交換するには、既設の管体及びエンド部材の螺合を解除し、新たな管体及びエンド部材を螺合する必要がある。しかしながら、伝熱管に装着されるプロテクタは非常に大型なので、前述の交換作業には長い時間と熟練技術が必要になる。その結果、ボイラ装置のダウンタイムが長くなるという課題がある。

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、交換時におけるボイラ装置のダウンタイムを短縮することが可能なプロテクタ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、ボイラ装置の伝熱管を保護するプロテクタであって、前記伝熱管に外挿される円筒形状の下管体と、前記下管体より上方において前記伝熱管に外挿される円筒形状の上管体とを備え、前記下管体は、前記伝熱管の外面の一部から突出した係止片に係止される被係止部と、前記下管体に上方から外挿された前記上管体を支持する支持部とを有し、前記下管体は、前記係止片を受け入れる溝が内周面に形成された下本体部を有し、前記下本体部の軸方向に沿って延設された前記溝は、下端が開放されて前記係止片の進入を許容し、上端が閉塞されて前記被係止部として機能し、前記下本体部は、前記下管体の下端に位置し、内径寸法が前記上管体の上端の外径寸法より大きい下外挿部と、前記下外挿部より上方に位置し、前記溝が形成された中間部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、プロテクタの交換時におけるボイラ装置のダウンタイムを短縮することができる。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。

本実施形態に係るボイラ装置の全体構成図。伝熱管に取り付けられる係止片を示す図。プロテクタを分解した状態の断面斜視図。２セットのプロテクタを伝熱管に取り付けた状態を示す断面図。プロテクタの取付方法のフローチャート。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施形態に係るボイラ装置１の全体構成図である。図１に示すように、ボイラ装置１は、燃料を燃焼させる火炉２と、火炉２内で発生した燃焼ガスの流路である燃焼ガス通路３と、スートブロワ装置４とを主に備える。火炉２及び燃焼ガス通路３は、ボイラ鉄骨の吊下げロッド及び吊下げビーム（図示省略）から吊り下げられている。なお、以下の説明においては、ボイラ装置１の火炉２側を缶前、燃焼ガス通路３の出口側を缶後という。

火炉２は、バーナ（図示省略）で燃料を燃焼させることによって、燃焼ガスを発生させる。火炉２で発生した燃焼ガスは、燃焼ガス通路３を通って缶前から缶後に移動し、ボイラ装置１の外部に排出される。火炉２で燃焼させる燃料は、少なくとも石炭を含む。但し、石炭に加えて、石油、ガス、バイオマス燃料などを含んでもよい。そして、石炭を含む燃料を燃焼させると、灰が発生する。

燃焼ガス通路３には、燃焼ガスの熱を回収するための熱交換器として、一次過熱器６、二次過熱器７、三次過熱器８が設けられている。一次過熱器６、二次過熱器７、三次過熱器８は、蒸気を通過させる配管群（複数の伝熱管の集合体）である。一次過熱器６、二次過熱器７、三次過熱器８を蒸気が通過する過程で燃焼ガスとの間で熱交換が行われ、所定の温度まで過熱された過熱蒸気がタービンに供給される。

本実施形態では、一次過熱器６が所謂「横置き型」であり、二次過熱器７及び三次過熱器８が所謂「吊下げ型」である。そして、二次過熱器７及び三次過熱器８は、燃焼ガスとの接触面積を増加させるために、上下方向に延設された複数の伝熱管を左右方向（図１の奥行方向）に配列した構成となっている。

ここで、燃焼ガスに含まれる灰が伝熱管の表面に付着すると、熱交換効率が低下する。そこで、本実施形態に係るボイラ装置１では、スートブロワ装置４を用いて、伝熱管の表面に付着した灰を除去する。スートブロワ装置４は、伝熱管に向けて蒸気を噴射する装置であって、例えば、スートブロワチューブと、ノズルと、蒸気供給源とを備える。

スートブロワチューブは、伝熱管の延設方向と交差する方向（例えば、左右方向）に延びる蒸気の通路である。スートブロワチューブは、回転（自転）しながら延設方向に進退可能に構成されている。ノズルは、スートブロワチューブの先端に設けられて蒸気を噴射する。蒸気供給源は、スートブロワチューブを通じて所定圧力の蒸気をノズルに供給するものである。なお、スートブロワ装置４の具体的な構成は既に周知なので、詳細な説明は省略する。

本実施形態に係るボイラ装置１には、上記構成のスートブロワ装置４が所定の間隔で複数箇所に設けられている。そのため、スートブロワチューブの移動軌跡の近傍に位置する伝熱管は、ノズルから噴射された高圧の蒸気に晒されるので、エロージョンが発生する可能性がある。

そこで、本実施形態では、伝熱管９にプロテクタ２０を外挿することによって、伝熱管９を保護する。図２は、伝熱管９に取り付けられる係止片１０、１１を示す図である。図３は、プロテクタ２０を分解した状態の断面斜視図である。

図２に示すように、伝熱管９の外面には、係止片１０、１１が取り付けられる。係止片１０、１１は、伝熱管９の外面の一部から径方向外向きに突出している。また、係止片１０、１１は、同一の高さ位置に配置されている。さらに、係止片１０、１１は、伝熱管９の周方向に離間した位置に配置されている。本実施形態に係る係止片１０、１１は、伝熱管９の外周面の二箇所に１８０°間隔で設けられている。

すなわち、図２（Ａ）に破線で示すように、係止片１０、１１の突出端を通る仮想円の直径φ_１は、伝熱管９の外径寸法φ_０より大きい。なお、係止片の数は、前述の例に限定されず、１つでもよいし、複数でもよい。また、伝熱管９の周方向における係止片の取付間隔は、前述の例に限定されない。但し、係止片は、伝熱管９の周方向において、等間隔に設けられるのが望ましい。

係止片１０、１１は、伝熱管９の径方向から平面視すると、上辺（上端）、下辺（下端）、左辺（左端）、右辺（右端）を有する矩形の外形を呈する。また、係止片１０、１１の伝熱管９に対面する内面は、伝熱管９の外面に沿う円弧形状となっている。但し、係止片１０、１１の具体的な形状は、図２の例に限定されない。

そして、係止片１０、１１は、その内面を伝熱管９に沿わせた状態で、伝熱管９に溶接接合される。より詳細には、係止片１０、１１は、上辺、下辺、左辺、及び右辺のうち、左辺及び右辺のみが溶接材料１０ｌ、１０ｒ、１１ｌ、１１ｒによって溶接され、上辺及び下辺は溶接されない。但し、伝熱管９に対する係止片１０、１１の取付方法は、前述の例に限定されない。

図３に示すように、本実施形態に係るプロテクタ２０は、筒形状（より詳細には、円筒形状）の下管体３０及び上管体４０で構成される。下管体３０及び上管体４０は、例えば、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０ＳＴＰ等の配管用ステンレス鋼で形成される。また、下管体３０及び上管体４０は、例えば、管材または棒材を機械加工して形成される。

このように、下管体３０及び上管体４０をシームレスに構成することによって、プロテクタ２０の健全性が向上する。また、シンプルな構成でプロテクタ２０を実現できるので、製造コストを低減することができる。

下管体３０は、下本体部３１と、支持部３２とで構成される。下本体部３１は、プロテクタ２０が伝熱管９に装着されたときに、外部に露出する部分である。支持部３２は、プロテクタ２０が伝熱管９に装着されたときに、上管体４０（より詳細には、後述する上外挿部４２）によって覆われると共に、上管体４０を支持する部分である。

下本体部３１及び支持部３２は、下管体３０の軸方向に隣接している。支持部３２の外径寸法φ_２は、下本体部３１の外径寸法φ_３より小さく設定される。すなわち、下管体３０の外周面において、下本体部３１と支持部３２との間には、周方向に連続する段差が形成される。

下本体部３１は、軸方向に隣接する中間部３３及び下外挿部３４で構成される。中間部３３は、支持部３２及び下外挿部３４を接続する部分である。下外挿部３４は、プロテクタ２０が伝熱管９に装着されたときに、別セットのプロテクタ２０の上管体４０に外挿される部分である。

中間部３３の内径寸法φ_５は、支持部３２の内径寸法φ_４より大きく、下外挿部３４の内径寸法φ_６より小さい。すなわち、下管体３０の内周面において、支持部３２と中間部３３との間、中間部３３と下外挿部３４との間には、周方向に連続する段差が形成される。また、下管体３０の内径寸法φ_４、φ_５、φ_６は、伝熱管９の外径寸法φ_０より大きい。すなわち、下管体３０は、伝熱管９に外挿可能である。

より詳細には、図４に示すように、下管体３０は、支持部３２を上にして（換言すれば、下外挿部３４を下にして）、伝熱管９に外挿される。すなわち、下管体３０が伝熱管９に装着されたとき、支持部３２は下管体３０の上端に位置し、下外挿部３４は下管体３０の下端に位置する。

また、中間部３３の内周面には、溝３５が形成されている。溝３５は、係止片１０を受け入れ可能な形状及び大きさで、中間部３３の内周面から径方向外側に凹んでいる。また、溝３５は、下管体３０の軸方向に延設されている。そして、溝３５の下端（すなわち、下外挿部３４側）は、開放されて係止片１０、１１の進入を許容する。さらに、溝３５の上端（すなわち、支持部３２側）は、閉塞されて被係止部３６として機能する。

被係止部３６は、下管体３０が伝熱管９に外挿されたときに、係止片１０に係止されて、下管体３０を伝熱管９に固定する部分である。溝３５及び被係止部３６は、係止片１０、１１それぞれに対応付けて設けられる。すなわち、本実施形態に係る溝３５及び被係止部３６は、下管体３０の内周面の二箇所に１８０°間隔で設けられる。

ここで、係止片１０、１１の突出端を通る仮想円の直径φ_１は、支持部３２及び中間部３３の内径寸法φ_４、φ_５より大きく、下外挿部３４の内径寸法φ_６より小さい。すなわち、伝熱管９の上方から下管体３０を外挿したときに、係止片１０、１１は、下外挿部３４を通過し、溝３５に沿って被係止部３６の位置まで到達する。これにより、下管体３０が伝熱管９に装着される。

上管体４０は、下管体３０より上方において、伝熱管９に外挿される。上管体４０は、軸方向に隣接する上本体部４１及び上外挿部４２で構成される。上本体部４１は、プロテクタ２０が伝熱管９に装着されたときに、上端の一部が別セットのプロテクタ２０の下管体３０（より詳細には、下外挿部３４）によって覆われ、他の部分が外部に露出する部分である。上外挿部４２は、プロテクタ２０が伝熱管９に装着されたときに、支持部３２に外挿されると共に、支持部３２の先端に支持される部分である。

上管体４０の外径寸法φ_７、上本体部４１の内径寸法φ_８、及び上外挿部４２の内径寸法φ_９は、それぞれ上管体４０の軸方向において一定である。また、上管体４０の外径寸法φ_７は、支持部３２の外径寸法φ_２より大きく、下本体部３１の外径寸法φ_３より小さい。また、上外挿部４２の内径寸法φ_９は、上本体部４１の内径寸法φ_８より大きい。すなわち、上管体４０の内周面において、上本体部４１と上外挿部４２との間には、周方向に連続する段差４３が形成される。

さらに、支持部３２の外径寸法φ_２は、上本体部４１の内径寸法φ_８より大きく、上外挿部４２の内径寸法φ_９より小さい。これにより、上管体４０は、既に下管体３０が取り付けられた伝熱管９に上方から挿入されると、上外挿部４２が支持部３２に外挿され、段差４３が支持部３２の先端に支持される。一方、上外挿部４２の軸方向の長さは、支持部３２の軸方向の長さより短い。そのため、図４に示すように、上管体４０が支持部３２に支持されたとき、上外挿部４２の先端（下端）と、下本体部３１及び支持部３２の間の段差との間には、隙間が形成される。

次に、図４及び図５を参照して、本実施形態に係るプロテクタ２０を伝熱管９の軸方向に複数並べて取り付ける方法を説明する。図４は、２セットのプロテクタ２０ａ、２０ｂを伝熱管９に取り付けた状態を示す断面図である。図５は、プロテクタの取付方法のフローチャートである。なお、係止片１０ａ、１０ｂの構造は図２に示す係止片１０と同一であり、プロテクタ２０ａ、２０ｂの構造は図３に示すプロテクタ２０と同一である。

まず、作業者は、係止片１０ａ、１１ａ（図４では、係止片１１ａの図示を省略）の左辺及び右辺を、伝熱管９の外面に溶接接合する（Ｓ１）。次に、作業者は、係止片１０ａ、１１ａと溝３５ａ（図４では図示省略）とを対面させた状態で、伝熱管９の上方から下管体３０ａを外挿する（Ｓ２）。これにより、係止片１０ａ、１１ａによって被係止部３６ａが係止される。次に、作業者は、伝熱管９の上方から上管体４０ａを外挿する（Ｓ３）。これにより、上外挿部４２ａが支持部３２ａに外挿され、段差４３ａが支持部３２ａの先端で支持される。すなわち、下管体３０ａと上管体４０ａとは、所謂インロー構造で結合される。

次に、作業者は、全てのプロテクタ２０ａ、２０ｂを伝熱管９に取り付けたか否かを判断する（Ｓ４）。そして、未だプロテクタ２０ｂを取り付けていない場合に（Ｓ４：Ｎｏ）、作業者は、係止片１０ｂ、１１ｂ（図４では係止片１１ｂの図示を省略）及びプロテクタ２０ｂを、前述の手順で伝熱管９に取り付ける（Ｓ１～Ｓ３）。

このとき、作業者は、図４に示すように、下外挿部３４ｂの下端が上本体部４１ａの上端より下方で、且つ中間部３３ｂ及び下外挿部３４ｂの間の段差が上本体部４１ａの上端より上方に位置するように、係止片１０ａ、１１ａと係止片１０ｂ、１１ｂとの上下方向の距離を調整する。これにより、下外挿部３４ｂによって上本体部４１ａの上端の一部が覆われる。すなわち、上管体４０ａと下管体３０ｂとは、所謂インロー構造で結合される。また、中間部３３ｂ及び下外挿部３４ｂの間の段差と、上本体部４１ａの上端との間に隙間が形成される。

上記の実施形態によれば、下管体３０及び上管体４０を伝熱管９に対して順番に外挿するだけで、プロテクタ２０を伝熱管９に取り付けることができる。これにより、複数の管体を螺合して着脱する従来のプロテクタと比較して、短い時間で且つ簡単にプロテクタ２０の交換を行うことができる。その結果、プロテクタ２０の交換時におけるボイラ装置１のダウンタイムを短くすることができる。

また、上記の実施形態によれば、上管体４０を下管体３０に外挿することによって、上方から降ってくる石炭灰が下管体３０及び上管体４０の間に進入するのを防止できる。これにより、インロー構造で連結される下管体３０及び上管体４０の間の隙間をある程度大きくすることができるので、プロテクタ２０の交換作業がさらに簡単になる。また、複数のプロテクタ２０ａ、２０ｂを伝熱管９に取り付けたときに、上管体４０ａと下管体３０ｂとの間にも同様のことが言える。

また、上記の実施形態によれば、支持部３２で段差４３を支持したときに、上管体４０の下端と、下本体部３１及び支持部３２の間の段差との間に隙間が形成される。これにより、温度上昇による下管体３０及び上管体４０の伸びを許容することができる。また、複数のプロテクタ２０ａ、２０ｂを伝熱管９に取り付けたときに、上管体４０ａと下管体３０ｂとの間にも同様のことが言える。

また、上記の実施形態によれば、複数の係止片１０、１１を伝熱管９の周方向に等間隔に取り付けるので、下管体３０（プロテクタ２０）の傾きを防止することができる。また、上記の実施形態によれば、係止片１０、１１の左辺及び右辺のみを伝熱管９に溶接するので、係止片１０、１１の上辺で下管体３０をガタなく係止できる。但し、係止片１０、１１の左辺及び右辺に加えて、下辺を伝熱管９に溶接してもよい。

さらに、図５の手順を採用することによって、複数のプロテクタ２０ａ、２０ｂを伝熱管９に取り付けることができる。なお、図５の手順でプロテクタ２０ａ、２０ｂを交換する場合には、係止片１０ｂ、１１ｂを一旦取り外す必要がある。ここで、伝熱管９に対する係止片１０ｂ、１１ｂの溶接個所を削減することによって、係止片１０ｂ、１１ｂの取り外しが容易になる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、他の様々な変形例が含まれる。例えば、上記した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ボイラ装置
２火炉
３燃焼ガス通路
４スートブロワ装置
６一次過熱器
７二次過熱器
８三次過熱器
９伝熱管
９ａ，９ｂストッパ
１０，１０ａ，１０ｂ，１１，１１ａ，１１ｂ係止片
１０ｌ，１０ｒ，１１ｌ，１１ｒ溶接材料
２０，２０ａ，２０ｂプロテクタ
３０，３０ａ，３０ｂ下管体
３１，３１ａ，３１ｂ下本体部
３２，３２ａ，３２ｂ支持部
３３，３３ａ，３３ｂ中間部
３４，３４ａ，３４ｂ下外挿部
３５溝
３６被係止部
４０，４０ａ，４０ｂ上管体
４１，４１ａ，４１ｂ上本体部
４２，４２ａ，４２ｂ上外挿部
４３，４３ａ，４３ｂ段差

Claims

ボイラ装置の伝熱管を保護するプロテクタであって、
前記伝熱管に外挿される円筒形状の下管体と、
前記下管体より上方において前記伝熱管に外挿される円筒形状の上管体と
を備え、
前記下管体は、
前記伝熱管の外面の一部から突出した係止片に係止される被係止部と、
前記下管体に上方から外挿された前記上管体を支持する支持部と
を有し、
前記下管体は、前記係止片を受け入れる溝が内周面に形成された下本体部を有し、
前記下本体部の軸方向に沿って延設された前記溝は、下端が開放されて前記係止片の進入を許容し、上端が閉塞されて前記被係止部として機能し、
前記下本体部は、
前記下管体の下端に位置し、内径寸法が前記上管体の上端の外径寸法より大きい下外挿部と、
前記下外挿部より上方に位置し、前記溝が形成された中間部と
を有することを特徴とするプロテクタ。
請求項１に記載のプロテクタにおいて、
前記支持部は、前記下管体の上端に位置し、
前記上管体は、
前記上管体の下端に位置し、内径寸法が前記支持部の外径寸法より大きい上外挿部と、
前記上外挿部より上方に位置し、内径寸法が前記支持部の外径寸法より小さい上本体部と
を有し、
前記上外挿部が前記支持部に外挿されたときに、前記上外挿部及び前記上本体部の間の段差が前記支持部の先端に支持されることを特徴とするプロテクタ。
石炭を含む燃料を燃焼させる火炉と、
前記火炉内で発生した燃焼ガスの流路上に吊り下げられた伝熱管と、
前記伝熱管に向けて蒸気を噴射するスートブロワ装置と、
前記伝熱管に外挿された請求項１または２に記載のプロテクタと
を備えることを特徴とするボイラ装置。
請求項３に記載のボイラ装置において、
前記伝熱管の外面には、周方向に離間した複数の位置に前記係止片が形成されていることを特徴とするボイラ装置。
請求項３または４に記載のボイラ装置において、
前記係止片は、上端、下端、左端、及び右端のうち、左端及び右端のみが前記伝熱管の外面に溶接接合されていることを特徴とするボイラ装置。
請求項１または２に記載のプロテクタを、前記伝熱管の軸方向に複数並べて取り付けるプロテクタの取付方法であって、
前記伝熱管の外面に前記係止片を取り付ける工程と、
前記伝熱管の上方から前記下管体を外挿して、前記係止片に前記被係止部を係止させる工程と、
前記伝熱管の上方から前記上管体を外挿して、前記下管体に外挿された前記上管体を前記支持部に支持させる工程と
を繰り返すことを特徴とするプロテクタの取付方法。