(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
層内に管群を有する流動層装置の中のある選ばれた層内管または該管を模擬したダミー管にひずみゲージを貼り付け、流動媒体の衝突によって管に発生する変動荷重を測定する方法において、
層内管またはダミー管を管軸方向に少なくとも二つ以上に分割し、分割した各管のひずみを測定することにより、流動媒体による変動荷重の時間的または空間的な分布やランダム性を測定することを特徴とする流動層装置層内管の変動荷重測定方法。
【請求項２】
管軸方向に少なくとも二つ以上に分割した各管の間での力の伝達が絶縁されるように、分割した各管を個々に支持することを特徴とする請求項１記載の流動層装置層内管の変動荷重測定方法。
【請求項３】
層内に管群を有する流動層装置の中のある選ばれた層内管または該管を模擬したダミー管にひずみゲージを貼り付け、流動媒体の衝突によって管に発生する変動荷重を測定する装置において、
層内管またはダミー管を管軸方向に少なくとも二つ以上に分割し、分割した各管に少なくとも一枚以上のひずみゲージを貼り付けて流動媒体による変動荷重を測定することを特徴とする流動層装置層内管の変動荷重測定装置。
【請求項４】
管軸方向に少なくとも二つ以上に分割した管の間での力の伝達が絶縁されるように、分割した管の周囲に配置される支持管によって、分割した管を個々に支持することを特徴とする請求項３記載の流動層装置層内管の変動荷重測定装置。
【請求項５】
菱形の支持板に両端を支持された流動層装置層内管の変動荷重測定装置を流動層装置のケーシングに設けた菱形の穴に着脱自在に装着することを特徴とする請求項３または４記載の流動層装置層内管の変動荷重測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換性能の向上や反応促進等のあらゆる目的で使用される流動層装置に係わり、特に層内の伝熱管、反応管等に衝突する流動媒体の変動荷重の分布やランダム性を定量的に測定可能にする方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流動層装置は、熱交換性能の向上や反応促進等のあらゆる目的で一般に広く使用されている。その一例として火力発電プラントの分野では、ＣＯ2排出量と燃料消費量の低減のために流動層ボイラが注目されている。この種のボイラは、燃料である石炭を粒状固体である流動媒体と混合して燃焼させるため、熱伝達の効率がよいという特徴がある。
【０００３】
図１１に流動層ボイラの模式図を示す。火炉６内には伝熱管１が設置されており、流動媒体５が充填されている。流動媒体５は、送風機（図示せず）、ウィンドボックス４、空気分散板３を介して吹き上げられた熱風で流動化されており、流動媒体５を含む気泡２が伝熱管１に衝突したときに伝熱管１に変動荷重が作用する。この変動荷重は時間的及び空間的にランダムであるが、この変動荷重が伝熱管１に繰り返し作用することにより、流動層ボイラの心臓部である伝熱管１及びその支持構造には繰り返し応力が発生する。したがって、伝熱管１及びその支持構造の疲労に対する安全性を評価し、この評価に基づいて信頼性の高い構造とするためには、変動荷重のランダム性を考慮し、伝熱管１の変形量を高精度に推定することが重要な課題である。
【０００４】
図１２に、流動媒体によるランダムな変動荷重（Ｑi、Ｑj等）が伝熱管１に作用した状態を示す。伝熱管１の変形量（ｕi、ｕj等）を厳密に評価するには、変動荷重（Ｑi、Ｑj等）の管軸方向の分布、変動荷重間の相関や位相等のランダム性を表すデータを高精度に測定する必要がある。具体的に必要なデータとしては、変動荷重の二乗値を周波数帯域成分ごとに示したパワースペクトル、変動荷重間の相関性を周波数帯域成分ごとに示したコヒーレンススペクトル、変動荷重間の位相を周波数帯域成分ごとに示した位相スペクトル等の周波数スペクトルがあり、これらのスペクトルを伝熱管の変形量評価に取り込む必要がある。この評価法について以下に具体的に説明する。
【０００５】
伝熱管の変形量を計算するには、図１３に示すような計算モデル（集中質点モデル）が必要となる。図１３では質点の個数を８個（ｍ1〜ｍ8）にしているが、この数は、後述する本発明による動荷重測定装置（図１）における、ひずみ測定対象管２０１〜２０８の数に対応している。
【０００６】
本モデルでは、質点に対応して剛性ｋ1〜ｋ8、減衰定数ｃ1〜ｃ8を設定し、各質点に外力としての動荷重Ｑ1（ｔ）〜Ｑ8（ｔ）が作用すると考える。このモデルでは質量マトリクスを［Ｍ］、剛性マトリクス［Ｋ］、減衰マトリクスを［Ｃ］とし、各質点に働く動荷重ベクトルを次の数式（１）で表す。
【数１】
0003650839.tif 000002
ここに、添字Ｔはベクトルあるいはマトリクスの転置を意味する。
【０００７】
［Ｍ］，［Ｃ］，［Ｋ］及び｛Ｑ（ｔ）｝を用いれば、動荷重が作用した場合の伝熱管の振動方程式は次の数式（２）
【数２】
0003650839.tif 000003
となる。｛Ｕ（ｔ）｝は図１３中の各質点の鉛直方向の変位ベクトルであり、ベクトル成分ｕ1（ｔ）〜ｕ8（ｔ）を用いて、次の数式（３）で表される。
【数３】
0003650839.tif 000004
数式（２）中の
0003650839.tif 000005
を表す。
【０００８】
確率論的振動解析手法に基づけば、伝熱管の変形量評価式は以下の数式（４）に導出される。
【数４】
0003650839.tif 000006
【０００９】
ここに、ｕi，rmsは図１３に示す伝熱管モデルの質点ｉの変位のroot mean square値（以下、実効値と称す）である。ＳQ，ev（ω）はｅ番目の質点（以下、質点ｅと言う）に働く変動荷重Ｑe（ｔ）のパワースペクトル、ＳQ，vv（ω）はｖ番目の質点（以下、質点ｖと言う）に働く変動荷重Ｑv（ｔ）のパワースペクトル、ＷQ，ev（ω）は質点ｅに働くＱe（ｔ）と質点ｖに働くＱv（ｔ）のコヒーレンススペクトル、θQ，ev（ω）はＱe（ｔ）とＱv（ｔ）の位相スペクトルである。ｎは質点の数（＝８）、ｍは固有モード数であり、φijは［Ｍ］で正規化したｊ次固有モードベクトルの節点ｉの成分である。
【００１０】
Ｈj（ω）はｊ次固有モードの周波数応答関数であり、図１３に示す管モデルと同じ管軸方向長さを持つ管のｊ次のモードの減衰比βi、固有円振動数ωj、変動荷重の周波数ω及び虚数γを用いて次の数式（５）に従って計算できる。
【数５】
0003650839.tif 000007
【００１１】
数式（５）により計算したＨj（ω）を数式（４）に入力し、さらに変動荷重のパワースペクトルＳQ，ee（ω）及びＳQ，vv（ω）、コヒーレンススペクトルＷQ，ev（ω）、位相スペクトルθQ，ev（ω）を式（４）に入力すればｕi，rmsが計算できる。
【００１２】
以上より、図１３に示す伝熱管の管軸方向に分布して作用する変動荷重のパワースペクトルＳQ，ev（ω）、コヒーレンススペクトルＷQ，ev（ω）、位相スペクトルθQ，ev（ω）等の変動荷重のランダム性を表す物理量が測定できれば、数式（４）により厳密な伝熱管変形量の評価が可能であることがわかる。
【００１３】
ところが、従来の変動荷重測定方法では、上記のような、管軸方向の動荷重のパワースペクトル、コヒーレンススペクトル及び位相スペクトルを測定できなかった。従来の測定方法を図１４及び図１５に示す。これら二つの図はElectric Power Research Instituteのプロジェクトの研究成果報告書（プロジェクト番号：７１８−２、報告期日：１９８０年９月、報告書タイトル：A Study of Forces on Immersed Tubes in Fluidized Beds、著者：T.C.Kennedy, Oregon State University）から抜粋したものである。
【００１４】
図１４と図１５について詳しく説明する。図１４は、ダミー管１１（固定端部のみ図示）全体に作用する変動荷重を測定する装置を示している。この装置は、中空のダミー管１１の内部に円板１３を固定し、この円板１３を支持管１４及び支持板１７を介して支持フレーム１２にリベット１８で接合したものであり、支持管１４にはひずみゲージ１５が貼付けられている。このような構造にすることにより、ダミー管１１に流動媒体が衝突してダミー管が振動した場合、この振動が支持管１４に伝播して、ひずみゲージ１５により、この振動が測定できる。測定したひずみは容易に荷重に換算でき、ダミー管１１の管軸方向全域に作用する変動荷重が測定できる仕組みになっている。
【００１５】
図１５は第２の従来例であり、ダミー管２１全体に作用する変動荷重を測定する装置を示している。この装置は、ダミー管２１をＵボルト２３で支持板２４に固定し、この支持板２４を支持具２５を介して支持フレーム２２に接合したものであり、支持板２４にはひずみゲージ１５が貼付られている。このような構造にすることにより、図１４と同様に、ダミー管２１の管軸方向全域に作用する変動荷重が測定される。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したように図１４または図１５に示した測定装置では、ダミー管１１、２１の管軸方向全域に作用する変動荷重はマクロ的に測定できるが、変動荷重の管軸方向の分布の他、相関性や位相等のランダム性は測定不可能であり、ひいては数式（４）による高精度な伝熱管変形量評価ができなかった。
【００１７】
また、このような理由により、従来においては、図１２に示すような変動荷重（Ｑi，Ｑj等）について、図１６に示すようなＱi，Ｑj間の相関や位相θij等のランダム性を全く考慮せず、変動荷重（Ｑi，Ｑj等）の値を単純加算して伝熱管に負荷するという方法を採っていた。この方法では明らかに伝熱管の変形量を過大評価することになり、伝熱管断面及び管群支持構造の設計は非常に不合理に行ならざるを得ないことが問題であった。
【００１８】
本発明の課題は上記従来技術における欠点を解消し、下記の技術的課題を解決することである。
（１）流動層装置層内管の変形量評価式に必要な、変動荷重の時間的及び空間的な分布やランダム性を高精度に測定できる方法並びに装置を提供する。
（２）前記（１）により測定した変動荷重のランダム性を用いて、高精度に流動層装置層内管の変形量を評価することを可能にする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、次の構成によって解決される。
すなわち、層内に管群を有する流動層装置の中のある選ばれた層内管または該管を模擬したダミー管にひずみゲージを貼り付け、流動媒体の衝突によって管に発生する変動荷重を測定する方法において、層内管またはダミー管を管軸方向に少なくとも二つ以上に分割し、分割した各管のひずみを測定することにより、流動媒体による変動荷重の時間的または空間的な分布やランダム性を測定する流動層装置層内管の変動荷重測定方法である。
【００２０】
本発明は上述したように流動媒体による変動荷重の測定を対象とする管を、管軸方向に複数に分割することにより、分割したある一つの管に流動媒体が衝突して荷重が生じても、この荷重が他の分割した管に伝播することがない。これにより、管軸方向における変動荷重の分布の他、変動荷重管間の相関性や位相等のランダム性が測定できる。
【００２１】
ここで、管軸方向に少なくとも二つ以上に分割した各管の間での力の伝達が絶縁されるように、分割した管の周囲に配置される支持管によって、分割した各管を個々に支持することにより、より正確に管軸方向における変動荷重を測定できる。
【００２２】
本発明には次の構成も含まれる。
すなわち、層内に管群を有する流動層装置の中のある選ばれた層内管または該管を模擬したダミー管にひずみゲージを貼り付け、流動媒体の衝突によって管に発生する変動荷重を測定する装置において、層内管またはダミー管を管軸方向に少なくとも二つ以上に分割し、分割した各管に少なくとも一枚以上のひずみゲージを貼り付けて流動媒体による変動荷重を測定する流動層装置層内管の変動荷重測定装置である。
【００２３】
上記流動層装置層内管の変動荷重測定装置は、管軸方向に少なくとも二つ以上に分割した管の間での力の伝達が絶縁されるように、分割した管の周囲に配置される支持管によって、分割した管を個々に支持する構成を採用しても良い。また、上記変動荷重測定装置は流動層装置のケーシングに菱形の穴を開け、該穴に挿入できて、取り外しが可能な構成とすることもできる。
【００２４】
菱形の支持板に両端を支持された変動荷重測定装置を前記ケーシングに菱形の穴に装着して、変動荷重測定装置を流動層装置の管群に挿入すると、変動荷重測定装置は管群の管の配置ピッチを乱すことがなく、流動層装置における流動層の流動状態を阻害することがない。
【００２５】
本発明の測定方法及び装置が適用される流動層装置の層内に配置される管は伝熱管、反応管等など、ガスまたは水などの加熱用、各種反応用の配管として用いられる熱回収用管、あるいは流動層内の冷却用などに用いられる層内温度制御用の配管などである。前記熱回収用流動層装置とは、流動層ボイラ、蒸気ボイラの蒸気を非腐食性ガスで過熱するスーパーヒータ、一般的なプロセスガスの加熱管、反応性ガスの反応管などである。また、前記層内温度制御用流動層装置とは、ごみ焼却炉など層内温度を調節する伝熱管などである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
図１に本発明の一実施例の概略側面図を示す。本実施例では、管軸方向に分割した測定対象管２０１〜２０８にひずみゲージ１５をそれぞれ貼り付けて、管２０１〜２０８が鉛直方向にたわんだ場合のひずみ２０１Ｚ〜２０８Ｚを測定するものであり、これによって、管軸方向の変動荷重の分布の他、相関性、位相等のランダム性が評価可能である。
【００２７】
図１に示す装置は、ひずみゲージ１５、測定対象管２０１〜２０８等の部品が焼損しない運転状態（例えば、コールド運転状態）においては、事業用、産業用等の目的で実際に使用される流動層装置及び試験に使用される装置のどちらにも支障なく使える。以下、両者を「流動層装置」と総称して、本実施例を説明する。
【００２８】
図１中のＡ−Ａ線断面、Ｂ−Ｂ線断面及びＣ−Ｃ線断面を、各々図２、図３及び図４に示す。これらの三つの図２〜図４の内、まず最初に図３を説明し、続いて図２、図４の順に説明する。
【００２９】
図３は、図１におけるひずみゲージ１５の貼り付けられた測定対象管２０１〜２０８のうち、管２０３の断面を示したものである。測定対象管２０３は、該管２０３の両端部をＴ型の支持板２１０を介して分割しない管２１２、２１３、２１４に支持されている。
【００３０】
図２は、図１及び図３に示した支持管２１２、２１３、２１４の端部の断面を示したものである。図２から支持管２１２、２１３、２１４の端部は支持板２１５に接合されていることがわかる。また、図１に示すように管２１２、２１３、２１４のもう一方の端部は、支持板２１６に支持されている。なお、支持板２１５、２１６には、管ピッチを変えない目的で管２１１も接合されている。
【００３１】
図４は、図１におけるひずみのゲージ１５の貼り付けられた測定対象管２０１〜２０８のうち、管２０３の右端部から管２０４の左端部までの距離の中央点での断面を示したものである。図４に示すように、図１のＣ−Ｃ線断面には、４つの支持管２１１〜２１４しか存在せず、測定対象管２０３と管２０４が連続していないことが分かる。
【００３２】
図１に示す測定対象管２０１〜２０８は、塩化ビニール樹脂等の変形しやすい低剛性な材料を用いて作製し、支持管２１１、２１２、２１３、２１４及び支持板２１０、２１５、２１６は、鉄等の変形しにくい高剛性な材料を用いて作製すればよい。
【００３３】
ひずみゲージ１５からひずみ測定計器（図示せず）の間はリード線（図示せず）で連結する必要があるが、このような配線は支持管２１１、２１２、２１３、２１４を這わせて図２中の支持板２１５に設けられた配線取り出し口２１７から取り出せるようになっている。
【００３４】
本実施例は上記のような構造であることから、測定対象管２０１〜２０８の間での力の伝達が絶縁され、個々の測定対象管２０１〜２０８に作用する変動荷重の管軸方向の分布の他、相関性や位相等を定量的に評価できる。以下、図１に示した装置のことを「管軸方向動荷重分布測定装置」と称す。
【００３５】
次に、前記管軸方向動荷重分布測定装置を流動層装置に設置する方法を説明する。図５に管軸方向から見た流動層装置を示す。管群９はケーシング１０６に固定され、装置の運転時には、管群９が流動媒体に埋没する状態になる。このような装置の任意の位置に、管軸方向動荷重分布測定装置を設置することができる。設置の方法は以下に述べる通りである。
【００３６】
図２（図１のＡ−Ａ線断面図）に示すように、管軸方向動荷重分布測定装置の支持板２１５は菱形になっている。支持板２１５を菱形にする理由は菱形の支持板２１５を有する管軸方向動荷重分布測定装置を図５の流動層装置の管群９に挿入すると、管群９の管の配置ピッチを乱すことがなく、ひいては図５の流動層装置における流動状態を阻害することがないためである。
【００３７】
支持板２１５の具体的な設置方法としては、図１中の菱形の支持板２１５に対応するように図５の装置のケージング１０６に穴２１５ａ〜２１５ｉを開け、その位置に管軸方向動荷重分布測定装置を挿入できる。このような構造にすることによって、装置における任意の場所（穴２１５ａ〜２１５ｉ等）の流動媒体変動荷重を測定することができる。
【００３８】
なお、本発明では、管軸方向動荷重分布測定装置を挿入する穴２１５ａ〜２１５ｉの個数の位置について特に限定はない。また、本発明では前述した測定対象管２０１〜２０８に貼り付けるひずみゲージ１５の枚数や位置の他、支持板２１５、２１６や支持管２１１、２１２、２１３、２１４等の部品の材質についても特に限定されるものではない。
【００３９】
図１に示す管軸方向動荷重分布測定装置を用いて、上記したひずみ２０１Ｚ〜２０８Ｚの時刻歴波形、周波数スペクトル等を測定した例を以下に示す。本測定例では、図１に示す測定装置を図５に示す流動層装置中の穴２１５ｈに設置した。装置の運転条件として、空気分散板３から吹き上げた空気により、ケーシング１０６内部に充填された流動媒体を管群９の上端まで上昇させた流動状態で、ひずみ測定を実施した。ひずみの時刻歴波形の測定時間は約１５分、測定対象としたひずみの周波数帯域は０〜１６Ｈｚ、スペクトルの平均回数は３２とした。
【００４０】
なお、以下では、分かり易くするため、図１に示す管軸方向動荷重分布測定装置を図６のように模式的に描いたものを説明に用いる。
図７に、管軸方向動荷重分布測定装置（図６）で測定したひずみ２０１Ｚ〜２０８Ｚのうち、ひずみ２０１Ｚ〜２０４Ｚの時刻歴波形を示す。これらの時刻歴波形に着目すると、ひずみ２０１Ｚ〜２０４Ｚの波形の高さがほぼ等しいこと、ひずみ２０１Ｚ〜２０４Ｚの波形の凹凸形状が時間軸に対してほぼ一致していることから、ひずみ２０１Ｚ〜２０４Ｚはほぼ同振幅、同位相で振動していることが窺える。
【００４１】
図８に、図７に示したひずみ２０１Ｚ〜２０４Ｚのパワースペクトルを示す。図８より、ひずみ２０１Ｚ〜２０４Ｚのパワースペクトルは約３Ｈｚを中心として２〜４Ｈｚの周波数帯域のひずみ成分が卓越している。装置における流動状態を観察した結果、流動媒体を含んだ気泡が伝熱管に衝突する頻度は１秒あたり約３回であったことから、本測定例で観測されたひずみは、図１１に示す流動媒体５を含んだ気泡２の衝突によるものであるといえる。
【００４２】
図９に本実施例での測定例によるコヒーレンススペクトルを示す。前述したように、図８に示すひずみのパワースペクトルでは２〜４Ｈｚの周波数帯域成分が卓越しているが、図９によるとコヒーレンススペクトルでも２〜４Ｈｚの周波数帯域成分が大きい。管２０１を基準点として管軸方向距離とコヒーレンスの関係を検討した結果、管２０１から距離が近い管２０２では管２０１に対する相関性が高いが、管２０１からの距離が長くなるにしたがって管２０３、２０４の順で相関性は徐々に低くなっている。
【００４３】
図１０に、ひずみ２０１Ｚ〜２０４Ｚの位相スペクトルを示す。ひずみのパワースペクトルは約３Ｈｚを中心として２〜４Ｈｚの周波数帯域成分が卓越しており、かつこの帯域においてコヒーレンススペクトルの値が大きいので、本実施例では位相スペクトルの周波数が３Ｈｚの点の位相値に着目した。これによると基準点である管２０１からの距離にかかわらず、ひずみ２０１Ｚに対する管２０１〜２０４のひずみ２０２Ｚ、２０３Ｚ及び２０４Ｚはほぼ同位相であり、管２０１〜２０４には同じ方向のひずみが発生していることが分かった。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の事項が実現される。
（１）流動層装置において、流動媒体の衝突によって管群に生じる変動荷重の時間的空間的な分布やランダム性の測定が可能となる。
（２）前記（１）によって測定されたランダム性を考慮することにより、高精度かつ合理的な伝熱管の変形量評価が可能となる。
【００４５】
（３）前記（２）で述べた高精度かつ合理的な伝熱管の変形量評価に基づき、流動層装置の層内伝熱管群及び管群支持構造の信頼性評価が可能となる。
（４）前記（３）による信頼性評価の結果に基づいて流動層装置の運転状態を制御することにより、装置自体に損傷を与えることがなく、安定した流動層装置の運用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による変動荷重測定装置の一実施例を示した図である。
【図２】  図１の変動荷重測定装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】  図１の変動荷重測定装置のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】  図１の変動荷重測定装置のＣ−Ｃ線断面図である。
【図５】  図１の変動荷重測定装置を流動層中に配置した流動層断面図である。
【図６】  図１に示す変動荷重測定装置の模式図である。
【図７】  本発明特有の効果の一例として、ひずみの時刻歴波形とパワースペクトルを示したものである。
【図８】  本発明特有の効果の一例として、ひずみの時刻歴波形とパワースペクトルを示したものである。
【図９】  本発明特有の効果の一例として、ひずみのコヒーレンススペクトル及び位相スペクトルを示したものである。
【図１０】  本発明特有の効果の一例として、ひずみのコヒーレンススペクトル及び位相スペクトルを示したものである。
【図１１】  本発明の変動荷重測定装置が適用される流動層ボイラの模式図である。
【図１２】  伝熱管の管軸方向に作用する変動荷重と伝熱管の変形量の関係を示した図である。
【図１３】  管の集中質点モデルを示したものである。
【図１４】  従来の変動荷重測定装置を示したものである。
【図１５】  従来の変動荷重測定装置を示したものである。
【図１６】  伝熱管の変形量評価手法の概要を示したものである。
【符号の説明】
３  空気分散板                      ９  管群
１５  ひずみゲージ                  １０６  ケーシング
２０１〜２０８  測定対象管          ２０１Ｚ〜２０８Ｚ  ひずみ
２１２〜２１４  非分割支持管        ２１０、２１５、２１６  支持板
２１１  支持管                      ２１７  配線取り出し口
【図１】
0003650839.tif 000008
【図２】
0003650839.tif 000009
【図３】
0003650839.tif 000010
【図４】
0003650839.tif 000011
【図５】
0003650839.tif 000012
【図６】
0003650839.tif 000013
【図７】
0003650839.tif 000014
【図８】
0003650839.tif 000015
【図９】
0003650839.tif 000016
【図１０】
0003650839.tif 000017
【図１１】
0003650839.tif 000018
【図１２】
0003650839.tif 000019
【図１３】
0003650839.tif 000020
【図１４】
0003650839.tif 000021
【図１５】
0003650839.tif 000022
【図１６】
0003650839.tif 000023