(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラに設けられ、内部が超臨界圧となり、内部に熱媒が流通する伝熱管であって、
内周面に形成され、管軸方向へ向かうらせん形状の溝部と、
らせん形状の前記溝部によって、径方向の内側に突出して形成されるリブ部と、を備え、
前記管軸方向に沿って切った断面において、前記管軸方向における前記溝部の幅［ｍｍ］をＷｇとし、前記径方向における前記リブ部の高さ［ｍｍ］をＨｒとし、管外径［ｍｍ］をＤとすると、
前記溝部の幅Ｗｇ［ｍｍ］、前記リブ部の高さＨｒ［ｍｍ］及び前記管外径Ｄ［ｍｍ］は、「Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄ）＞０．４０」を満たすことを特徴とする伝熱管。
【請求項２】
定格出力でボイラを運転した際に、火炉壁を構成する伝熱管の内部を流通する前記熱媒の平均質量速度が１０００〜２０００ｋｇ／ｍ２ｓとなっていることを特徴とする請求項１に記載の伝熱管。
【請求項３】
前記管軸方向における前記リブ部の間隔［ｍｍ］をＰｒとし、前記管軸方向に垂直に切った断面内にある前記リブ部の数をＮｒとし、前記管軸方向に垂直に切った断面の濡れぶち長さ［ｍｍ］をＬとすると、
前記リブ部の高さＨｒ［ｍｍ］、前記リブ部の間隔Ｐｒ［ｍｍ］、前記リブ部の数Ｎｒ及び濡れぶち長さＬ［ｍｍ］は、「（Ｐｒ・Ｎｒ）／Ｈｒ＞１．２５Ｌ＋５５」を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の伝熱管。
【請求項４】
定格出力でボイラを運転した際に、火炉壁を構成する伝熱管の内部を流通する前記熱媒の平均質量速度が１５００ｋｇ／ｍ２ｓ以下となっていることを特徴とする請求項３に記載の伝熱管。
【請求項５】
前記管外径Ｄ［ｍｍ］は、「２５ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍ」であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の伝熱管。
【請求項６】
ボイラに設けられ、内部が超臨界圧となり、内部に熱媒が流通する伝熱管であって、
内周面に形成され、管軸方向へ向かうらせん形状の溝部と、
らせん形状の前記溝部によって、径方向の内側に突出して形成されるリブ部と、を備え、
前記径方向における前記リブ部の高さ［ｍｍ］をＨｒとし、前記管軸方向における前記リブ部の間隔［ｍｍ］をＰｒとし、前記管軸方向に垂直に切った断面内にある前記リブ部の数をＮｒとし、前記管軸方向に垂直に切った断面の濡れぶち長さ［ｍｍ］をＬとすると、
前記リブ部の高さＨｒ［ｍｍ］、前記リブ部の間隔Ｐｒ［ｍｍ］、前記リブ部の数Ｎｒ及び濡れぶち長さＬ［ｍｍ］は、「（Ｐｒ・Ｎｒ）／Ｈｒ＞１．２５Ｌ＋５５」を満たすことを特徴とする伝熱管。
【請求項７】
定格出力でボイラを運転した際に、火炉壁を構成する伝熱管の内部を流通する前記熱媒の平均質量速度が１５００ｋｇ／ｍ２ｓ以下となっていることを特徴とする請求項６に記載の伝熱管。
【請求項８】
前記管軸方向に沿って切った断面において、前記管軸方向における前記溝部の幅［ｍｍ］をＷｇとし、管外径［ｍｍ］をＤとすると、
前記溝部の幅Ｗｇ［ｍｍ］、前記リブ部の高さＨｒ［ｍｍ］及び前記管外径Ｄ［ｍｍ］は、「Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄ）＞０．４０」を満たすことを特徴とする請求項６または７に記載の伝熱管。
【請求項９】
定格出力でボイラを運転した際に、火炉壁を構成する伝熱管の内部を流通する前記熱媒の平均質量速度が１０００〜２０００ｋｇ／ｍ２ｓとなっていることを特徴とする請求項８に記載の伝熱管。
【請求項１０】
前記管外径Ｄ［ｍｍ］は、「２５ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍ」であることを特徴とする請求項８または９に記載の伝熱管。
【請求項１１】
定格出力で運転した際に、超臨界圧で運転される前記ボイラの火炉壁を構成する火炉壁管として用いられる請求項１から１０のいずれか１項に記載の伝熱管を備えることを特徴とするボイラ。
【請求項１２】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の伝熱管を、火炎のふく射または高温ガスにより加熱することで、前記伝熱管の内部を流通する前記熱媒を加熱することを特徴とするボイラ。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のボイラと、
前記ボイラに設けられる前記伝熱管の内部を流通する前記熱媒としての水が加熱されることで生成される蒸気により作動する蒸気タービンと、を備えることを特徴とする蒸気タービン設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に水等の熱媒が流通する伝熱管、ボイラ及び蒸気タービン設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水等の熱媒が流通する伝熱管として、内面上に多重ねじを形成するフィンを備えた内面フィン付き管が知られている（例えば、特許文献１参照）。この内面フィン付き管は、その内部が亜臨界圧となっている。亜臨界圧となる内面フィン付き管の内部を流通する水は、伝熱管が加熱されることで、膜沸騰する場合がある。膜沸騰が発生すると、管の内面に形成される蒸気膜により熱伝達が低下するため、管の温度が上昇する。このため、内面フィン付き管は、膜沸騰による管の温度上昇を抑制すべく、フィンの形状を所定の形状としている。具体的に、内面フィン付き管は、フィンのリードが最大で平均の管内径の平方根の０．９倍にしたり、フィンの半径方向高さが最小で平均の管内径の０．０４倍にしたりしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１１８５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、特許文献１に記載された内面フィン付き管等の伝熱管は、その内部が亜臨界圧の状態である場合、膜沸騰による管の温度上昇を抑制するために、フィンの形状を所定の形状としている。
【０００５】
一方で、伝熱管は、その内部が超臨界圧の状態で、熱媒としての水を流通させる場合がある。超臨界圧で流通する水は、加熱されても沸騰せず（気液二相状態とはならず）、単相の状態で伝熱管の内部を流通する。ここで、超臨界圧となる伝熱管の内部を流通する水は、伝熱管の加熱時において、低質量速度であったり（流速が低かったり）、高熱流束が与えられたりすると、熱伝達率が低下する伝熱劣化現象が発生する場合がある。伝熱劣化現象が発生すると、伝熱管から水への熱伝達が低下するため、伝熱管の温度が上昇し易くなる。
【０００６】
そこで、本発明は、超臨界圧時における伝熱劣化現象の発生を抑制することで、管温度の上昇を抑制することができる伝熱管、ボイラ及び蒸気タービン設備を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の伝熱管は、ボイラに設けられ、内部が超臨界圧となり、内部に熱媒が流通する伝熱管であって、内周面に形成され、管軸方向へ向かうらせん形状の溝部と、らせん形状の前記溝部によって、径方向の内側に突出して形成されるリブ部と、を備え、前記管軸方向に沿って切った断面において、前記管軸方向における前記溝部の幅［ｍｍ］をＷｇとし、前記径方向における前記リブ部の高さ［ｍｍ］をＨｒとし、管外径［ｍｍ］をＤとすると、前記溝部の幅Ｗｇ［ｍｍ］、前記リブ部の高さＨｒ［ｍｍ］及び前記管外径Ｄ［ｍｍ］は、「Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄ）＞０．４０」を満たすことを特徴とする。
【０００８】
また、定格出力でボイラを運転した際に、火炉壁を構成する伝熱管の内部を流通する前記熱媒の平均質量速度が１０００〜２０００ｋｇ／ｍ２ｓとなっていることが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、内部が超臨界圧となる伝熱管において、伝熱管の内部を流通する水等の熱媒が、低質量速度（例えば、熱媒の平均質量速度が１０００〜２０００ｋｇ／ｍ２ｓであったり）であったり、高熱流束が与えられたりする場合であっても、Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄ）＞０．４０を満たすことで、伝熱劣化現象の発生を抑制することができる。このため、超臨界圧時において、伝熱劣化現象の発生を抑制できるため、管温度の上昇を抑制することができる。
【００１０】
また、前記管軸方向における前記リブ部の間隔［ｍｍ］をＰｒとし、前記管軸方向に垂直に切った断面内にある前記リブ部の数をＮｒとし、前記管軸方向に垂直に切った断面の濡れぶち長さ［ｍｍ］をＬとすると、前記リブ部の高さＨｒ［ｍｍ］、前記リブ部の間隔Ｐｒ［ｍｍ］、前記リブ部の数Ｎｒ及び濡れぶち長さＬ［ｍｍ］は、「（Ｐｒ・Ｎｒ）／Ｈｒ＞１．２５Ｌ＋５５」を満たすことが好ましい。
【００１１】
また、定格出力でボイラを運転した際に、火炉壁を構成する伝熱管の内部を流通する前記熱媒の平均質量速度が１５００ｋｇ／ｍ２ｓ以下となっていることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、伝熱管の内部を流通する熱媒の質量速度を引き下げても（例えば、熱媒の平均質量速度が１５００ｋｇ／ｍ２ｓ以下であっても）、（Ｐｒ・Ｎｒ）／Ｈｒ＞１．２５Ｌ＋５５を満たすことで、伝熱劣化現象の発生を抑制することができる。このため、超臨界圧時において、伝熱管の内部流通する熱媒の質量速度を引き下げても、伝熱劣化現象の発生を抑制できるため、管温度の上昇を抑制することができる。
【００１３】
また、前記管外径Ｄ［ｍｍ］は、「２５ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍ」であることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、管外径が２５ｍｍから４０ｍｍであれば、より効果が顕著である。
【００１５】
本発明の他の伝熱管は、ボイラに設けられ、内部が超臨界圧となり、内部に熱媒が流通する伝熱管であって、内周面に形成され、管軸方向へ向かうらせん形状の溝部と、らせん形状の前記溝部によって、径方向の内側に突出して形成されるリブ部と、を備え、前記径方向における前記リブ部の高さ［ｍｍ］をＨｒとし、前記管軸方向における前記リブ部の間隔［ｍｍ］をＰｒとし、前記管軸方向に垂直に切った断面内にある前記リブ部の数をＮｒとし、前記管軸方向に垂直に切った断面の濡れぶち長さ［ｍｍ］をＬとすると、前記リブ部の高さＨｒ［ｍｍ］、前記リブ部の間隔Ｐｒ［ｍｍ］、前記リブ部の数Ｎｒ及び濡れぶち長さＬ［ｍｍ］は、「（Ｐｒ・Ｎｒ）／Ｈｒ＞１．２５Ｌ＋５５」を満たすことを特徴とする。
【００１６】
また、定格出力でボイラを運転した際に、火炉壁を構成する伝熱管の内部を流通する前記熱媒の平均質量速度が１５００ｋｇ／ｍ２ｓ以下となっていることが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、内部が超臨界圧となる伝熱管において、伝熱管の内部を流通する水等の熱媒の質量速度を引き下げても（例えば、熱媒の平均質量速度が１５００ｋｇ／ｍ２ｓ以下であっても）、（Ｐｒ・Ｎｒ）／Ｈｒ＞１．２５Ｌ＋５５を満たすことで、伝熱劣化現象の発生を抑制することができる。このため、超臨界圧時において、伝熱管の内部流通する熱媒の質量速度を引き下げても、伝熱劣化現象の発生を抑制できるため、管温度の上昇を抑制することができる。
【００１８】
また、前記管軸方向に沿って切った断面において、前記管軸方向における前記溝部の幅［ｍｍ］をＷｇとし、管外径［ｍｍ］をＤとすると、前記溝部の幅Ｗｇ［ｍｍ］、前記リブ部の高さＨｒ［ｍｍ］及び前記管外径Ｄ［ｍｍ］は、「Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄ）＞０．４０」を満たすことが好ましい。
【００１９】
また、定格出力でボイラを運転した際に、火炉壁を構成する伝熱管の内部を流通する前記熱媒の平均質量速度が１０００〜２０００ｋｇ／ｍ２ｓとなっていることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、内部が超臨界圧となる伝熱管において、伝熱管の内部を流通する水等の熱媒が、低質量速度（例えば、熱媒の平均質量速度が１０００〜２０００ｋｇ／ｍ２ｓであったり）であったり、高熱流束が与えられたりする場合であっても、Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄ）＞０．４０を満たすことで、伝熱劣化現象の発生を抑制することができる。このため、超臨界圧時において、伝熱劣化現象の発生を抑制できるため、管温度の上昇を抑制することができる。
【００２１】
また、前記管外径Ｄ［ｍｍ］は、「２５ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍ」であることが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、管外径が２５ｍｍから４０ｍｍであれば、より効果が顕著である。
【００２３】
本発明のボイラは、定格出力で運転した際に、超臨界圧で運転される前記ボイラの火炉壁を構成する火炉壁管として用いられる上記の伝熱管を備えることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、上記の伝熱管を、ボイラの火炉壁を構成する火炉壁管として適用することができる。なお、このような火炉壁管は、ライフル管とも呼ばれる。
【００２５】
本発明の他のボイラは、上記の伝熱管を、火炎のふく射または高温ガスにより加熱することで、前記伝熱管の内部を流通する前記熱媒を加熱することを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、超臨界圧時において、伝熱管の伝熱劣化現象の発生を抑制することができるため、伝熱管から熱媒である水への熱伝達を好適に維持することができ、水から蒸気を安定して生成することができる。なお、高温ガスとしては、例えば、燃料を燃焼させることにより発生する燃焼ガスであってもよいし、ガスタービン等の設備から排出される排ガスであってもよい。つまり、内部が超臨界圧となる伝熱管を用いたボイラとしては、例えば、火炎のふく射または燃焼ガスにより伝熱管を加熱する超臨界圧変圧運転ボイラ、または超臨界圧定圧運転ボイラ等を適用してもよい。この場合、伝熱管は、径方向に複数並べることで、ボイラに設けられる火炉の火炉壁として構成される。また、内部が超臨界圧となる伝熱管を用いた他のボイラとしては、例えば、排ガスにより伝熱管を加熱する排熱回収ボイラ等を適用してもよい。この場合、伝熱管は、径方向に複数並べられる伝熱管群として構成され、排ガスが流通する容器の内部に収容される。このように、伝熱管は、内部が超臨界圧となるボイラであれば、いずれのボイラに適用してもよい。
【００２７】
本発明の蒸気タービン設備は、上記のボイラと、前記ボイラに設けられる前記伝熱管の内部を流通する前記熱媒としての水が加熱されることで生成される蒸気により作動する蒸気タービンと、を備えることを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、超臨界圧時において、伝熱管の伝熱劣化現象の発生を抑制することができるため、伝熱管から水への熱伝達を好適に維持することができ、蒸気を安定して生成することができる。このため、蒸気タービンへ向けて蒸気を安定して供給できることから、蒸気タービンの作動も安定したものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本実施例に係る火力発電設備を示す概略構成図である。
【図２】図２は、火炉壁管の管軸方向に沿って切ったときの火炉壁管の断面図である。
【図３】図３は、火炉壁管の管軸方向に直交する面で切ったときの火炉壁管の断面図である。
【図４】図４は、エンタルピに応じて変化する火炉壁の管壁面温度の一例のグラフである。
【図５】図５は、エンタルピに応じて変化する火炉壁の管壁面温度の一例のグラフである。
【図６】図６は、火炉壁管のリブ部の形状の一例を示す管軸方向に沿って切ったときの部分断面図である。
【図７】図７は、火炉壁管のリブ部の形状の一例を示す管軸方向に沿って切ったときの部分断面図である。
【図８】図８は、火炉壁管のリブ部の形状の一例を示す管軸方向に沿って切ったときの部分断面図である。
【図９】図９は、火炉壁管のリブ部の形状の一例を示す管軸方向に直交する面で切ったときの部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例】
【００３１】
図１は、本実施例に係る火力発電設備を示す概略構成図である。図２は、火炉壁管の管軸方向に沿って切ったときの火炉壁管の断面図である。図３は、火炉壁管の管軸方向に直交する面で切ったときの火炉壁管の断面図である。
【００３２】
本実施例の火力発電設備は、石炭（瀝青炭、亜瀝青炭など）を粉砕した微粉炭を微粉燃料（固体燃料）として用いている。この火力発電設備は、微粉炭を燃焼させ、燃焼により発生した熱で蒸気を生成し、生成した蒸気により蒸気タービンを回転させることで、蒸気タービンに接続される発電機を駆動して電力を発生させている。
【００３３】
図１に示すように、火力発電設備１は、ボイラ１０と、蒸気タービン１１と、復水器１２と、高圧給水加熱器１３及び低圧給水加熱器１４と、脱気器１５と、給水ポンプ１６と、発電機１７とを備えている。この火力発電設備１は、蒸気タービン１１を備える蒸気タービン設備の一形態となっている。
【００３４】
ボイラ１０は、コンベンショナルボイラとして用いられており、微粉炭を燃焼バーナ４１により燃焼させ、この燃焼により発生した熱を、伝熱管として機能する火炉壁管３５を用いて回収することが可能な微粉炭焚きボイラとなっている。また、このボイラ１０は、火炉壁管３５の内部を超臨界圧または亜臨界圧とする超臨界圧変圧運転ボイラとなっている。ボイラ１０は、火炉２１と、燃焼装置２２と、汽水分離器２３と、過熱器２４と、再熱器２５とを備えている。
【００３５】
火炉２１は、四方を囲む火炉壁３１を有しており、四方の火炉壁３１によって四角筒形状に形成されている。そして、四角筒形状の火炉２１は、その延在する長手方向が、鉛直方向となっており、ボイラ１０の設置面に対して垂直となっている。火炉壁３１は、複数の火炉壁管３５を用いて構成されており、複数の火炉壁管３５は、火炉壁３１の壁面を形成するように、径方向に並べて配置されている。
【００３６】
各火炉壁管３５は、円筒形状に形成され、その管軸方向が、鉛直方向となっており、ボイラ１０の設置面に対して垂直となっている。また、この火炉壁管３５は、内部にらせん状の溝が形成される、いわゆるライフル管となっている。火炉壁管３５の内部には、熱媒としての水が流通している。この火炉壁管３５は、その内圧が、ボイラ１０の運転に応じて、超臨界圧となったり、亜臨界圧となったりする。火炉壁管３５は、鉛直方向の下方側が流入側となっており、鉛直方向の上方側が流出側となっている。このように、本実施例のボイラ１０の火炉２１は、火炉壁管３５が垂直となる垂直管形火炉方式となっている。なお、火炉壁管３５の詳細については、後述する。
【００３７】
燃焼装置２２は、火炉壁３１に装着された複数の燃焼バーナ４１を有している。なお、図１では、１の燃焼バーナ４１のみ図示している。複数の燃焼バーナ４１は、燃料としての微粉炭を燃焼させて火炉２１内に火炎を形成する。このとき、複数の燃焼バーナ４１は、形成した火炎が旋回流となるように、微粉炭を燃焼させている。そして、複数の燃焼バーナ４１は、燃料を燃焼させることで発生した高温の燃焼ガス（高温ガス）によって、火炉壁管３５を加熱している。複数の燃焼バーナ４１は、例えば、火炉２１の周囲に沿って所定の間隔を空けて複数配設されたものを１セットとし、１セットの燃焼バーナ４１を鉛直方向（火炉２１の長手方向）に所定の間隔を空けて複数段配置されている。
【００３８】
過熱器（スーパーヒータ）２４は、火炉２１内に設けられ、火炉２１の火炉壁管３５から汽水分離器２３を介して供給される蒸気を過熱している。過熱器２４で過熱された蒸気は、主蒸気配管４６を介して蒸気タービン１１に供給される。
【００３９】
再熱器２５は、火炉２１内に設けられ、蒸気タービン１１（の高圧タービン５１）で利用された蒸気を加熱している。蒸気タービン１１（の高圧タービン５１）から低温再熱蒸気配管４７を介して再熱器２５に流入する蒸気は、再熱器２５によって加熱され、加熱後の蒸気は、再熱器２５から高温再熱蒸気配管４８を介して再び蒸気タービン１１（の中圧タービン５２）に流入する。
【００４０】
蒸気タービン１１は、高圧タービン５１と、中圧タービン５２と、低圧タービン５３とを有し、これらタービン５１，５２，５３は、回転軸となるロータ５４によって一体回転可能に連結されている。高圧タービン５１は、その流入側に主蒸気配管４６が接続され、その流出側に低温再熱蒸気配管４７が接続されている。高圧タービン５１は、主蒸気配管４６から供給される蒸気によって回転し、使用後の蒸気を低温再熱蒸気配管４７から排出する。中圧タービン５２は、その流入側に高温再熱蒸気配管４８が接続され、その流出側に低圧タービン５３が接続されている。中圧タービン５２は、高温再熱蒸気配管４８から供給される再熱された蒸気によって回転し、使用後の蒸気を低圧タービン５３へ向けて排出する。低圧タービン５３は、その流入側に中圧タービン５２が接続され、その流出側に復水器１２が接続されている。低圧タービン５３は、中圧タービン５２から供給される蒸気によって回転し、使用後の蒸気を復水器１２へ向けて排出する。ロータ５４は、発電機１７に接続され、高圧タービン５１、中圧タービン５２及び低圧タービン５３の回転により、発電機１７を回転駆動させる。
【００４１】
復水器１２は、低圧タービン５３から排出される蒸気を、内部に設けられる冷却ライン５６によって凝集して水に戻す（復水する）。凝集した水は、復水器１２から低圧給水加熱器１４へ向けて供給される。低圧給水加熱器１４は、復水器１２により凝集した水を、低圧の状態で加熱する。加熱された水は、低圧給水加熱器１４から脱気器１５へ向けて供給される。脱気器１５は、低圧給水加熱器１４から供給された水を脱気する。脱気された水は、脱気器１５から高圧給水加熱器１３へ向けて供給される。高圧給水加熱器１３は、脱気器１５により脱気された水を、高圧の状態で加熱する。加熱された水は、高圧給水加熱器１３からボイラ１０の火炉壁管３５へ向けて供給される。なお、脱気器１５と高圧給水加熱器１３との間には、給水ポンプ１６が設けられ、脱気器１５から高圧給水加熱器１３へ向けて水を供給する。
【００４２】
発電機１７は、蒸気タービン１１のロータ５４に接続され、ロータ５４によって回転駆動されることで電力を発生させている。
【００４３】
なお、火力発電設備１は、図示しないが、脱硝装置、電気集塵機、誘引送風機、脱硫装置が設けられ、下流端部に煙突が設けられている。
【００４４】
このように構成された火力発電設備１において、ボイラ１０の火炉壁管３５内を流通する水は、ボイラ１０の燃焼装置２２により加熱される。燃焼装置２２により加熱された水は、汽水分離器２３を通って過熱器２４に流入するまでの間に蒸気となり、蒸気は、過熱器２４及び主蒸気配管４６を順に通って、蒸気タービン１１に供給される。蒸気タービン１１に供給された蒸気は、高圧タービン５１、低温再熱蒸気配管４７、再熱器２５、高温再熱蒸気配管４８、中圧タービン５２、及び低圧タービン５３を順に通って、復水器１２に流入する。このとき、蒸気タービン１１は、流通した蒸気により回転することで、ロータ５４を介して発電機１７を回転駆動させ、発電機１７において電力を発生させる。復水器１２に流入した蒸気は、冷却ライン５６によって凝集されることで水に戻される。復水器１２で凝集された水は、低圧給水加熱器１４、脱気器１５、給水ポンプ１６、及び高圧給水加熱器１３を順に通って、再び火炉壁管３５内へ供給される。このように、本実施例のボイラ１０は、貫流ボイラとなっている。
【００４５】
次に、図２及び図３を参照して、火炉壁管３５について説明する。図２及び図３に示すように、火炉壁管３５は、中心線Ｉを中心とする円筒形状に形成されている。火炉壁管３５は、上記したように、その管軸方向が鉛直方向となるように設けられており、内部において、鉛直方向の下方側から上方側へ向かって水が流通する。また、ライフル管として構成される火炉壁管３５は、その内周面Ｐ１に、管軸方向へ向かってらせん形状となる溝部３６が形成されている。また、火炉壁管３５は、らせん形状の溝部３６によって、径方向の内側に突出するリブ部３７が、管軸方向へ向かうらせん形状となるように形成される。ここで、火炉壁管３５の管外径、つまり、外周面Ｐ３において、中心線Ｉを通る直径を、管外径Ｄとする。なお、管外径Ｄは、数十ミリオーダーの長さとなっていることから、その単位は、［ｍｍ］となる。
【００４６】
溝部３６は、管軸方向に直交する面で切った図３に示す断面において、内周面Ｐ１の周方向に所定の間隔を空けて複数形成されている。本実施例では、溝部３６は、図３に示す断面において、６本形成されている。このため、リブ部３７も、図３に示す断面において、６本形成される。なお、本実施例では、火炉壁管３５に形成する溝部３６の数を６本としたが、溝部３６は複数形成されればよく、特に限定されない。
【００４７】
また、各溝部３６は、径方向の外側に没入して形成されることから、各溝部３６の底面（つまり、溝部３６の径方向外側における面）が内周面Ｐ１よりも径方向外側に位置する内周面Ｐ２となっている。この内周面Ｐ２は、図３に示す断面において、中心線Ｉを中心とする円形となっている。つまり、内周面Ｐ１と内周面Ｐ２とは、同心円上に形成されており、内周面Ｐ１が径方向内側に位置し、内周面Ｐ２が径方向外側に位置する。ここで、火炉壁管３５の内側の内周面Ｐ１における直径を小内径ｄ１とし、火炉壁管３５の外側の内周面Ｐ２における直径を大内径ｄ２とする。
【００４８】
また、各溝部３６は、管軸方向へ向かってらせん形状に形成されていることから、管軸方向に沿って切った図２に示す断面において、内周面Ｐ１の管軸方向に所定の間隔を空けて複数形成されている。
【００４９】
リブ部３７は、管軸方向に直交する面で切った図３に示す断面において、内周面Ｐ１の周方向に所定の間隔を空けて複数形成されている。本実施例では、溝部３６が６本形成されていることから、溝部３６の間に形成されるリブ部３７は、６本形成される。なお、本実施例では、火炉壁管３５に形成するリブ部３７の数を６本としたが、溝部３６と同様に、リブ部３７は複数形成されればよく、特に限定されない。
【００５０】
また、各リブ部３７は、各溝部３６の底面（つまり内周面Ｐ２）から径方向内側に突出して形成される。また、リブ部３７は、管軸方向へ向かってらせん形状に形成されていることから、管軸方向に沿って切った図２に示す断面において、管軸方向に所定の間隔を空けて内周面Ｐ２に複数形成されている。
【００５１】
ここで、図２に示すように、リブ部３７の径方向における高さを、リブ高さＨｒとする。具体的に、リブ高さＨｒは、内周面Ｐ２から、リブ部３７が径方向の最も内側に位置する部位（すなわち頂部）までの高さとなっている。また、図３に示す断面において、リブ部３７の周方向における幅を、リブ幅Ｗｒとする。具体的に、リブ幅Ｗｒは、リブ部３７の周方向の一方側における内周面Ｐ２との境界と、リブ部３７の周方向の他方側における内周面Ｐ２との境界との間の幅である。
【００５２】
また、図２に示す断面において、溝部３６の管軸方向における幅を、溝幅Ｗｇとし、管軸方向に隣り合うリブ部３７の間隔を、リブ間隔Ｐｒとする。具体的に、溝幅Ｗｇは、溝部３６の管軸方向の一方側における内周面Ｐ２とリブ部３７との境界と、溝部３６の管軸方向の他方側における内周面Ｐ２とリブ部３７との境界との間の幅である。また、間隔Ｐｒは、リブ部３７の管軸方向における中心同士の間の距離となっている。
【００５３】
さらに、図３に示す断面において、火炉壁管３５と内部を流通する水とが接触する長さを、濡れぶち長さＬとし、リブ部３７の数を、リブ数Ｎｒとする。このとき、管外径Ｄは、数十ミリオーダーの長さとなることから、リブ高さＨｒは、ミリオーダーの高さとなり、同様に、リブ幅Ｗｒ、溝幅Ｗｇ、リブ間隔Ｐｒ及び濡れぶち長さＬも、ミリオーダーの長さとなる。このため、リブ高さＨｒ、リブ幅Ｗｒ、溝幅Ｗｇ、リブ間隔Ｐｒ及び濡れぶち長さＬは、その単位が、［ｍｍ］となる。
【００５４】
次に、火炉壁管３５の形状について説明する。上記したように、火炉壁管３５は、その内部が超臨界圧となった状態で水が流通する。この場合、燃焼装置２２により加熱される火炉壁管３５では、熱伝達率が低下する伝熱劣化現象が発生する場合がある。このため、火炉壁管３５は、上記した小内径ｄ１、大内径ｄ２、管外径Ｄ、溝幅Ｗｇ、リブ幅Ｗｒ、間隔Ｐｒ、リブ数Ｎｒ及びリブ高さＨｒ、濡れぶち長さＬが、下記する関係式を満たすような形状に形成されている。
【００５５】
火炉壁管３５において、溝幅Ｗｇ、リブ高さＨｒ及び管外径Ｄは、「Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄ）＞０．４０」の関係式を満たしている。ここで、「Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄ）＝Ｆ」とすると、「Ｆ＞０．４０」となる。このとき、リブ高さＨｒは、「Ｈｒ＞０」であり、リブ部３７は、径方向の内側に突出する構成となっている。また、リブ高さＨｒ、リブ間隔Ｐｒ、リブ数Ｎｒ及び濡れぶち長さをＬは、「（Ｐｒ・Ｎｒ）／Ｈｒ＞１．２５Ｌ＋５５」の関係式を満たしている。詳細は後述するが、火炉壁管３５の形状を、上記の関係式を満たす形状とすることで、伝熱劣化現象の発生を抑制することができる。このとき、管外径Ｄが「２５ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍ」であれば、より効果が顕著である。
【００５６】
らせん形状となるリブ部３７のリード角は、上記した関係式を満たすような角度となっている。なお、リード角は、管軸方向に対する角度であり、リブ部３７のリード角が０°であれば、管軸方向に沿った方向となり、リブ部３７のリード角が９０°であれば、周方向に沿った方向となる。ここで、リブ部３７のリード角は、リブ部３７の数に応じても適宜変更される。つまり、リブ部３７の数が多ければ、リブ部３７のリード角は、緩やかな角度になる（０°に近づく）一方で、リブ部３７の数が少なければ、リブ部３７のリード角は、急な角度（９０°に近づく）になる。
【００５７】
次に、図４及び図５を参照して、エンタルピに応じて変化する火炉壁の管壁面温度の変化について説明する。図４及び図５は、エンタルピに応じて変化する火炉壁の管壁面温度の一例のグラフである。ここで、図４及び図５は、その横軸が火炉壁３１（火炉壁管３５）に与えられるエンタルピであり、その縦軸が管壁面温度（火炉壁管３５の温度）である。
【００５８】
図４及び図５に示すように、Ｆ１は、「Ｆ＝０．３５」のときの管壁面温度の変化を示すグラフであり、本実施例の関係式を満たさない従来の火炉壁管３５の形状となっている。また、Ｆ２は、「Ｆ＞０．４０」のときの管壁面温度の変化を示すグラフであり、本実施例の関係式を満たした火炉壁管３５の形状となっている。さらに、Ｆ３は、「（Ｐｒ・Ｎｒ）／Ｈｒ＞１．２５Ｌ＋５５」の関係式を満たすときの管壁面温度の変化を示すグラフであり、本実施例の関係式を満たした他の火炉壁管３５の形状となっている。なお、Ｔｗは、火炉壁管３５の内部を流通する水の温度（流体温度）の変化を示すグラフであり、Ｔｍａｘは、火炉壁管３５が許容可能な限界管温度である。
【００５９】
ここで、図４では、火炉壁管３５の内部を流通する水の質量速度は、火炉壁管３５の内部の水の流動安定性が確保可能な低質量速度となっており、火炉壁管３５の内部は超臨界圧となっている。具体的に、低質量速度とは、管外径Ｄ、小内径ｄ１及び大内径ｄ２の大きさにより異なるが、例えば、定格出力でボイラ１０を運転した際に、火炉壁管３５の平均質量速度が１０００（ｋｇ／ｍ２ｓ）以上２０００（ｋｇ／ｍ２ｓ）以下の範囲となっている。なお、火炉壁管３５の内部の水の流動安定性が確保可能な質量速度であれば、上記の範囲に限定されない。また、本実施例において、定格出力は、火力発電設備１の発電機における定格電気出力となっている。
【００６０】
図４に示すように、Ｆ１の場合、エンタルピが大きくなると、つまり、火炉壁管３５に与えられる熱量が多くなると、管壁面温度が過渡的に上昇することが認められる。つまり、Ｆ１の場合、火炉壁管３５に与えられる熱量が多くなると、超臨界圧時において熱伝達率が低下する伝熱劣化現象が発生することが確認された。
【００６１】
一方で、図４に示すように、Ｆ２及びＦ３の場合、エンタルピが大きくなると、つまり、火炉壁管３５に与えられる熱量が多くなると、Ｆ１の場合に比して、管壁面温度が緩やかに上昇することが認められる。つまり、Ｆ２及びＦ３の場合、火炉壁管３５に与えられる熱量が多くなっても、超臨界圧時における熱伝達率の低下が抑制され、火炉壁管３５における伝熱劣化現象の発生を抑制できることが確認された。
【００６２】
続いて、図５では、火炉壁管３５の内部を流通する水の質量速度は、図４に比して遅くなっており、ボイラ１０を運転可能な最低限（下限）の質量速度となっている。なお、火炉壁管３５の内部は、図４と同様に、超臨界圧となっている。具体的に、最低限の質量速度とは、管外径Ｄ、小内径ｄ１及び大内径ｄ２の大きさにより異なるが、例えば、定格出力でボイラ１０を運転した際に、火炉壁管３５の平均質量速度が１５００（ｋｇ／ｍ２ｓ）以下の範囲となっている。なお、ボイラ１０の運転が可能な最低限の質量速度であれば、上記の範囲に限定されないが、一般的に下限は７００ｋｇ／ｍ２ｓ程度である。
【００６３】
図５に示すように、Ｆ１の場合、エンタルピが大きくなると、つまり、火炉壁管３５に与えられる熱量が多くなると、管壁面温度が過渡的に上昇することが認められる。つまり、Ｆ１の場合、熱媒が火炉壁管３５の内部を最低限となる質量速度で流通し、火炉壁管３５に与えられる熱量が多くなると、超臨界圧時において熱伝達率が低下する伝熱劣化現象が発生することが確認された。
【００６４】
一方で、図５に示すように、Ｆ２の場合、エンタルピが大きくなると、つまり、火炉壁管３５に与えられる熱量が多くなると、Ｆ１の場合に比して、管壁面温度が緩やかに上昇するものの、限界管温度Ｔｍａｘを超えてしまうことが認められる。これに対し、Ｆ３の場合、エンタルピが大きくなると、つまり、火炉壁管３５に与えられる熱量が多くなると、Ｆ２の場合に比して、管壁面温度が緩やかに上昇する。つまり、Ｆ３の場合、換言すれば、火炉壁管３５の形状が、「（Ｐｒ・Ｎｒ）／Ｈｒ＞１．２５Ｌ＋５５」の関係式を満たす場合、熱媒が火炉壁管３５の内部を最低限となる質量速度で流通し、火炉壁管３５に与えられる熱量が多くなっても、超臨界圧時における熱伝達率の低下が抑制され、火炉壁管３５における伝熱劣化現象の発生を抑制できることが確認された。
【００６５】
以上のように、本実施例の構成によれば、内部が超臨界圧となる火炉壁管３５において、火炉壁管３５の内部を流通する水が、低質量速度であったり、高熱流束が与えられたりする場合であっても、Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄ）＞０．４０を満たすことで、図４に示すように、伝熱劣化現象の発生を抑制することができる。このため、超臨界圧時において、伝熱劣化現象の発生を抑制できるため、火炉壁管３５の管温度（火炉壁３１の管壁面温度）の上昇を抑制することができる。
【００６６】
また、本実施例の構成によれば、火炉壁管３５の内部を流通する水が、下限となる質量速度であっても、（Ｐｒ・Ｎｒ）／Ｈｒ＞１．２５Ｌ＋５５を満たすことで、図５に示すように、伝熱劣化現象の発生を抑制することができる。このため、超臨界圧時において、水が火炉壁管３５の内部を下限となる質量速度で流通しても、伝熱劣化現象の発生を抑制できるため、火炉壁管３５の管温度（火炉壁３１の管壁面温度）の上昇を抑制することができる。
【００６７】
また、本実施例の構成によれば、上記した関係式を満たす火炉壁管３５を、垂直管形火炉式の超臨界圧変圧運転ボイラに適用することができる。このため、超臨界圧時において、火炉壁管３５の伝熱劣化現象の発生を抑制することができるため、火炉壁管３５から水への熱伝達を好適に維持することができ、蒸気を安定して生成することができる。
【００６８】
また、本実施例の構成によれば、火炉壁管３５を有するボイラ１０を、蒸気タービン１１を用いる火力発電設備１に適用することができる。このため、ボイラ１０において、蒸気を安定して生成することができるため、蒸気タービン１１へ向けて蒸気を安定して供給できることから、蒸気タービン１１の作動も安定したものにすることができる。
【００６９】
なお、本実施例では、伝熱管として機能する火炉壁管３５を、コンベンショナルボイラに適用し、コンベンショナルボイラを火力発電設備１に適用したが、この構成に限定されない。例えば、上記した関係式を満たす伝熱管を、排熱回収ボイラに適用し、排熱回収ボイラを石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）設備に適用してもよい。つまり、伝熱管の内部が超臨界圧となる貫流ボイラであれば、いずれのボイラに適用してもよい。
【００７０】
また、本実施例では、Ｆ２において、「Ｆ＞０．４０」の関係式を満たす火炉壁管３５の形状とし、Ｆ３において、「（Ｐｒ・Ｎｒ）／Ｈｒ＞１．２５Ｌ＋５５」の関係式を満たす火炉壁管３５の形状としたが、火炉壁管３５の形状は、Ｆ２またはＦ３の形状に限定されない。すなわち、火炉壁管３５の形状は、Ｆ２の形状と、Ｆ３の形状とを組み合わせた形状としてもよい。
【００７１】
また、本実施例では、火炉壁管３５のリブ部３７の形状を特に限定しなかったが、例えば、図６に示す形状としてもよい。図６は、火炉壁管のリブ部の形状の一例を示す管軸方向に沿って切ったときの部分断面図である。
【００７２】
図６に示すように、火炉壁管３５のリブ部３７は、管軸方向に沿って切ったときの断面形状が、内周面Ｐ２を底面（下底）とし内周面Ｐ１を上面（上底）とする台形状に形成されている。なお、この場合、リブ部３７のリブ高さＨｒは、実施例１と同様に、内周面Ｐ２から、リブ部３７が径方向の最も内側に位置する部位（すなわち内周面Ｐ１）までの高さとなっている。また、溝幅Ｗｇは、溝部３６の管軸方向の一方側における内周面Ｐ２とリブ部３７との境界となる屈曲する部位と、溝部３６の管軸方向の他方側における内周面Ｐ２とリブ部３７との境界となる屈曲する部位との間の幅となっている。
【００７３】
以上、図６に示すように、火炉壁管３５のリブ部３７は、内周面Ｐ１及び内周面Ｐ２に対して所定の角度となる屈曲部を有する形状としてもよい。なお、図６において、リブ部３７は、台形状に形成したが、矩形状または三角形状であってもよく、特に限定されない。
【００７４】
また、火炉壁管３５のリブ部３７の形状は、図７に示す形状としてもよい。図７は、火炉壁管のリブ部の形状の一例を示す管軸方向に沿って切ったときの部分断面図である。
【００７５】
図７に示すように、火炉壁管３５のリブ部３７は、管軸方向に沿って切ったときの断面形状が、内周面Ｐ２と連続すると共に径方向内側に凸となる湾曲した形状に形成されている。なお、この場合、リブ部３７のリブ高さＨｒは、実施例１と同様に、内周面Ｐ２から、リブ部３７が径方向の最も内側に位置する部位（すなわち頂部）までの高さとなっている。また、溝幅Ｗｇは、溝部３６の管軸方向の一方側における平坦な内周面Ｐ２と湾曲するリブ部３７との境界と、溝部３６の管軸方向の他方側における平坦な内周面Ｐ２と湾曲するリブ部３７との境界との間の幅となっている。
【００７６】
以上、図７に示すように、火炉壁管３５のリブ部３７は、内周面Ｐ１及び内周面Ｐ２に対して所定の曲率半径となる連続する曲面を有する形状としてもよい。なお、図７において、リブ部３７は、径方向内側に凸となる湾曲形状としたが、リブ部３７の径方向内側の頂部が平坦面となっていてもよく、内周面Ｐ１及び内周面Ｐ２に対して連続する曲面であれば、特に限定されない。
【００７７】
また、火炉壁管３５のリブ部３７の形状は、図８及び図９に示す形状としてもよい。図８は、火炉壁管のリブ部の形状の一例を示す管軸方向に沿って切ったときの部分断面図であり、図９は、火炉壁管のリブ部の形状の一例を示す管軸方向に直交する面で切ったときの部分断面図である。
【００７８】
図８に示すように、火炉壁管３５のリブ部３７は、管軸方向に沿って切ったときの断面形状が、内周面Ｐ２を底面とする三角形状に形成されている。このとき、リブ部３７は、内周面Ｐ２と為す角度が、水の流通方向の上流側と下流側とで異なっている。つまり、リブ部３７は、流通方向の上流側において内周面Ｐ２と為す角度が、流通方向の下流側において内周面Ｐ２と為す角度に比して、小さい角度となっている。つまり、リブ部３７は、水の流通方向に対して、上流側の部位の勾配が急となる一方で、下流側の部位の勾配が緩やかとなっている。
【００７９】
また、図９に示すように、火炉壁管３５のリブ部３７は、管軸方向に直交する面で切ったときの断面形状が、内周面Ｐ２を底面とする三角形状に形成されている。このとき、リブ部３７は、内周面Ｐ２と為す角度が、水の旋回方向の上流側と下流側とで異なっている。つまり、リブ部３７は、旋回方向の上流側において内周面Ｐ２と為す角度が、旋回方向の下流側において内周面Ｐ２と為す角度に比して、小さい角度となっている。つまり、リブ部３７は、水の旋回方向に対して、上流側の部位の勾配が急となる一方で、下流側の部位の勾配が緩やかとなっている。
【００８０】
また、本実施例では、らせん形状の溝部３６及びリブ部３７の旋回方向を、特に限定しなかったが、旋回方向は、時計回りの方向であってもよいし、反時計回りの方向であってもよく、特に限定されない。
【符号の説明】
【００８１】
１  火力発電設備
１０  ボイラ
１１  蒸気タービン
２１  火炉
２２  燃焼装置
３１  火炉壁
３５  火炉壁管
３６  溝部
３７  リブ部
Ｄ  管外径
ｄ１  小内径
ｄ２  大内径
Ｗｇ  溝幅
Ｗｒ  リブ幅
Ｈｒ  リブ高さ
Ｐ１  内周面
Ｐ２  内周面
Ｐ３  外周面
Ｌ  濡れぶち長さ
【要約】
【課題】超臨界圧時における伝熱劣化現象の発生を抑制することで、管温度の上昇を抑制することができる伝熱管、ボイラ及び蒸気タービン設備を提供する。
【解決手段】ボイラに設けられ、内部が超臨界圧となり、内部に熱媒が流通する火炉壁管３５であって、内周面に形成され、管軸方向へ向かうらせん形状の溝部３６と、らせん形状の前記溝部３６によって、径方向の内側に突出して形成されるリブ部３７と、を備え、前記管軸方向に沿って切った断面において、前記管軸方向における前記溝部３６の幅［ｍｍ］をＷｇとし、前記径方向における前記リブ部３７の高さ［ｍｍ］をＨｒとし、管外径［ｍｍ］をＤとすると、前記溝部３６の幅Ｗｇ［ｍｍ］、前記リブ部３７の高さＨｒ［ｍｍ］及び前記管外径Ｄ［ｍｍ］は、Ｗｇ／（Ｈｒ・Ｄ）＞０．４０を満たす。
【選択図】図２【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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