(57)【要約】【課題】  メンブレンバーの高温酸化腐食による局所的な損傷を抑える。【解決手段】  複数の伝熱管１の配列間隔が広がる部位のメンブレンバー２の炉内面側に位置させて、伝熱管に支持させて２枚の遮熱板３を設けることにより、メンブレンバー２の高温になる領域１０に輻射する熱線を遮ることにより、メンブレンバーの高温酸化腐食を抑制するとともに、メンブレンバーと遮熱板との熱延び差による応力が伝熱管に作用するのを防ぐ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の伝熱管が配列され、各伝熱管の間をメンブレンバーで連結してなる水壁を有するボイラにおいて、
前記複数の伝熱管の配列間隔が広がる部位の前記メンブレンバーの炉内面側に位置させて、前記伝熱管に支持させて遮熱板を設けたことを特徴とするボイラ。
【請求項２】
前記遮熱板は、両側の前記伝熱管から前記部位に向かって延在させ、互いの先端に隙間を有して支持された２枚の遮熱板を有してなることを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
【請求項３】
前記遮熱板は、前記伝熱管に支持された基端部から先端部に向かうにつれて厚さが漸次厚く形成されてなることを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラに係り、特に水壁構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電所用ボイラに用いられる火炉においては、複数の伝熱管を所定のピッチで配列し、それらの伝熱管の間に平板のメンブレンバーを連結して水壁を構成し、その水壁によって火炉の前壁、側壁、ケージ側壁、天井壁などを形成することにより、気密性の高い箱型の燃焼室及び火炉を構成している。また、特許文献１には、隣り合う伝熱管同士を接続したメンブレンバーに平行に第２のメンブレンバーを設け、気密性の信頼度を向上させる技術が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】実開平３−７１２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、水壁には、複数の伝熱管を流れる内部流体温度を均一化するために、水壁の上部と下部との結合部に内部流体の混合器を配置し、混合器に複数の伝熱管を連結して内部流体を混合させて再び水壁に戻すようにしている。このような結合部では、伝熱管が水壁に対して複雑に挿入されたり引き出されたりしているため、伝熱管のピッチが他の部分に比べて広がり、幅の広いメンブレンバーが存在することになる。メンブレンバーの幅広い部分は、冷却源である伝熱管からの距離が遠くなり、その幅広い部分の中央部付近に局所的に高温領域が形成されることがある。
【０００５】
一般に、メンブレンバーは、炭素鋼あるいは低合金鋼が使用されるため、メタル温度が上昇すると空気中における高温酸化が問題となる。特に、メンブレンバーの温度は、伝熱管からの距離が離れるに従って指数関数的に上昇するから、幅広い部分の中央部付近は極めて高温になり、材料の高温酸化が急速に加速される。例えば、炭素鋼において６００℃付近で５０℃温度が上昇した場合、高温酸化の速度は約２倍近く速いものとなる。このような水壁を構成するメンブレンバーが高温酸化によって減肉して穴などが生じると、ボイラ火炉壁から燃焼ガスが炉外に漏れ出したりしてボイラの停止を余儀なくされることになる。
【０００６】
このような高温酸化による腐食を抑えるため、メンブレンバーを高温酸化に強いオーステナイト鋼を用いて形成することが考えられる。しかし、この場合は炭素鋼（フェライト鋼）である伝熱管とメンブレンバーとの線膨張率の違いから、溶接部に大きな熱応力が発生するという問題がある。
【０００７】
本発明は、メンブレンバーの高温酸化腐食による局所的な損傷を抑えることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、複数の伝熱管の配列間隔が広がる部位のメンブレンバーの炉内面側に位置させて、前記伝熱管に支持させて遮熱板を設けたことを特徴とする。
【０００９】
このように構成することにより、遮熱板によって炉内からの輻射熱が遮られるから、メンブレンバーの局所的な温度上昇を抑えて、高温酸化による腐食を抑制することができる。なお、遮熱板は、高温になるが、遮熱板が高温酸化腐食によって減肉されても、水壁の気密性等には影響がない。その結果、本発明によれば、信頼性が高く、メンテナンスの必要性の少ないボイラ火炉壁構造を実現できる。
【００１０】
上記の場合において、遮熱板は、両側の伝熱管から配列間隔が広がる部位のメンブレンバーの炉内面側に向かって延在させ、互いの先端に隙間を有して支持された２枚の遮熱板で構成することが好ましい。すなわち、輻射を遮るための遮熱板を伝熱管に溶接して支持させると、メンブレンバーと遮熱板との温度差によって、大きな熱応力が伝熱管に作用するおそれがある。しかし、２枚の遮熱板の先端に隙間（スリット）を有して形成することにより、遮熱板が熱膨張しても、その隙間によって熱膨張が吸収されるから、メンブレンバーとの熱膨張差に起因して、伝熱管に応力が作用するのを妨ぐことができる。この場合は、遮熱板の酸化腐食を低減するために、高温酸化腐食に強いオーステナイト鋼などで形成することができる。
【００１１】
また、２枚の遮熱板は、伝熱管に支持された基端部から先端部に向かうにつれて厚さを漸次厚く形成することが好ましい。これによれば、遮熱板の先端部の熱の流れをよくして、伝熱抵抗を下げることができるから、冷却が悪い先端部の温度上昇を抑制できる。また、伝熱管に溶接される遮熱板の基端部の厚さを薄くすることにより、冶金学的に弱い溶接部の影響を少なくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施形態１）
本発明の一実施形態を、図１および図２を参照して説明する。図１は、本発明の特徴に係る遮熱板の一実施形態を示しており、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の線Ｉｂ−Ｉｂにおける断面図である。図２は、本発明の一実施形態のボイラ火炉の全体の外観を斜視図にして示した図である。
【００１３】
図２に示すように、本実施形態のボイラ火炉は、矩形縦長の箱型に形成され、火炉の前壁４、３方の側壁５、ケージ側壁６、および天井壁７は、それぞれ複数の伝熱管を所定のピッチで配列し、それらの伝熱管の間に平板のメンブレンバーを溶接してなる水壁により構成されている。また、この水壁の伝熱管にボイラ給水を流して冷却パネルとして機能させるとともに、気密性の高い箱型の火炉を構成している。このように構成される水壁の伝熱管に流れる内部流体の温度を均一化するため、火炉を構成する前壁４または側壁５などを上部と下部に分け、その上部と下部の結合部８から伝熱管を引き出して混合器に導き、内部流体を混合して再び水壁（メンブレンパネル）に戻すように構成されている。
【００１４】
結合部８における伝熱管の引き出し部および戻し部の水壁の構造を図１（ａ）を用いて説明する。同図は、２本の伝熱管１の間の伝熱管１が、引き出しまたは戻される部位を示している。図において、隣接する伝熱管１の間にメンブレンバー２を溶接し、これによってメンブレンバー２は水壁の気密性を保持するとともに、伝熱管１によって冷却されるようになっている。図において、符号１１は、溶接部を表している。
【００１５】
図１（ａ）において、中央下部に記載された引き出しまたは戻される伝熱管１と両側の伝熱管１は、通常の部位では所定のピッチで配列されているが、結合部８においてはメンブレンバー２の冷却を確保するために、図示のように曲折して配列される。そのため、図１（ａ）の線Ｉｂ−Ｉｂの部位における伝熱管１のピッチは、通常のピッチよりも広くなっており、その分だけ伝熱管１による冷却効果が低減する。その結果、図中に破線で囲った領域１０は、火炉内から受ける輻射熱が相対的に大きくなり、温度が上昇して高温領域が形成されるおそれがある。
【００１６】
そこで、本実施形態においては、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、領域１０の火炉内側に面する部位に、両側の伝熱管１に溶接により支持された２枚の遮熱板３を領域１０に向けて延在させ、遮熱板３により火炉内からの輻射熱を遮って領域１０の温度上昇を抑えるようにしたことを特徴とする。特に、２枚の遮熱板３を中央で分割し、互いの先端に間隙を設けている。これにより、メンブレンバー２と遮熱板３の熱延び差を逃し、熱延び差による応力が伝熱管１等に作用しないようにしている。
【００１７】
上述したように、本実施形態によれば、伝熱管１の配列間隔が広がる領域１０のメンブレンバー２の火炉内側に、両側の伝熱管１に溶接により支持された２枚の遮熱板３を延在させて設けていることから、火炉内からの輻射熱を遮ってメンブレンバー２の領域１０の温度上昇を抑えることができる。その結果、メンブレンバーの高温酸化腐食による局所的な損傷を抑えることができる。また、遮熱板３は間隙により中央で分割されていることから、メンブレンバー２と遮熱板３の熱延び差を逃して、伝熱管１等に応力が作用するのを防ぐことができる。
（実施形態２）
本発明の他の実施形態の遮熱板を図３を参照して説明する。図３（ａ）は正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の線IIIｂ−IIIｂにおける断面図であり、同図（c）は同図（ａ）の線IIIｃ−IIIｃにおける断面図である。
本実施形態が図１の実施形態と異なる点は、２枚の遮熱板１３の厚みを、伝熱管１に溶接した基端部と先端部とで異ならせたことにある。すなわち、同図（ｂ）、（c）に示すように、伝熱管１に支持された基端部から先端部に向かうにつれて、厚さが漸次厚く形成されていることを特徴とする。これにより、遮熱板１３の先端部の温度上昇を抑制することができる。
【００１８】
なお、遮熱板１３の断面は台形状であること、および、基端部の厚さは一定であることから、IIIｃ−IIIｃ断面の先端でIIIｂ−IIIｂ断面の厚さ１８ｍｍよりも薄く形成されている。
【００１９】
本実施形態によって遮熱板１３の先端部の温度上昇を抑制できる効果について、図１の実施形態と対比して説明する。図４に、図１実施形態の遮熱板３の先端から基端部に至る温度分布の実測値を示す。図４の横軸は、遮熱板３の先端からの距離Ｘｍｍを示し、縦軸は距離Ｘにおける温度Ｔ℃を示している。図からわかるように、遮熱板３の先端が最高温度となり、伝熱管１に近づくほど温度が低下している。ところで、その温度勾配に注目すると、先端から約１／３のところから急激に勾配が大きくなっている。このことは、先端から１／３の位置から伝熱管１までの間における遮熱板３の肉厚が不足していることを示唆している。すなわち、火炉内からの輻射熱が遮熱板３を伝わって伝熱管１に逃げる場合、遮熱板３内を流れる熱流束は伝熱管１に近いほど大きくなるのに対して、遮熱板３の厚さが一定であることから、流し得る熱流束の限界を超えた位置（先端から１／３の位置）から温度勾配が急速に増加していることが考えられる。
【００２０】
そこで、この急激な温度勾配の増大を防ぐために、遮熱板３の厚さを十分に確保すればよいことになる。すなわち、図３に示す本実施形態のように、遮熱板１３の厚さを先端に向かって厚く形成すれば解決される。図５に、図３実施形態の遮熱板１３の先端の肉厚ｔｍｍと、先端の最高温度Ｔ℃との関係を実測した結果を示す。図示から明らかなように、遮熱板１３の先端の肉厚ｔを厚くすることによって、先端の最高温度Ｔを下げることができる。これによって、幅広のメンブレンバー２の中央部に存在する高温の領域１０の温度も下げることができ、信頼性の高いボイラ火炉壁構造とすることができる。
【００２１】
ところで、熱流束の面から考えると、遮熱板１３の肉厚は先端から根元まで一定であることが望ましい。しかし、伝熱管１と遮熱板１３との溶接による問題がある。つまり、遮熱板１３の根元の肉厚が厚いと、溶接したときに伝熱管１への入熱が必要以上に大きくなり、伝熱管１の熱影響部の範囲を広げることになる。この熱影響部は、冶金学的に見て弱い部位となるため、できるだけ狭い方がよい。そこで、本実施形態では、遮熱板１３の肉厚を根元に向かうほど薄くしているのである。
【実施例】
【００２２】
ここで、実施形態１と実施形態２の遮熱板の効果について、有限要素法により水壁の温度分布を計算した結果を説明する。実施例１は実施形態１による遮熱板３に対応し、実施例２、３はそれぞれ実施形態２による遮熱板１３に対応する。各実施例の条件を下表に示す。
【００２３】
【表１】
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図６の水壁断面の温度分布に示すように、実施例１の遮熱板３の最高温度は先端部の一角に現れて７３９℃となるが、メンブレンバー２の領域１０に相当する部位の最高温度は５２４℃に低下されている。また、図７に示すように、実施例２の遮熱板１３の最高温度は先端部の一角に現れて７００℃となるが、メンブレンバー２の領域１０に相当する部位の最高温度は５２３℃に低下されている。さらに、図８に示すように、実施例３の遮熱板１３の最高温度は先端部の一角に現れて６８５℃となるが、メンブレンバー２の領域１０に相当する部位の最高温度は５２３℃に低下されている。すなわち、遮熱板３、１３を設けない場合は、メンブレンバー２の領域１０に相当する部位の最高温度は、実施例１から見て、少なくとも７３９℃以上（例えば、７６８℃以上）になることが理解できる。なお、それらの図中の破線は、約２０℃ごとの境界を示している。
【００２４】
また、図６〜図８を比較してわかるように、中央部で分割した遮熱板１３の先端部の厚みを厚くすることにより、遮熱板１３の伝熱が促進されて、先端部の温度を低くすることができる。
【００２５】
因みに、メンブレンバー２の高温酸化腐食の速度を検討すると、７６８℃で１万時間あたり約８．４ｍｍであるのに対し、５２３〜５２４℃に低下できるから減肉速度を大幅に低減できる。また、実施例２、３によれば、遮熱板１３の最高温度を７００℃以下に低下できるから、１万時間あたりの減肉を約４．３ｍｍ以下の半分に低減できる。
【００２６】
なお、上記実施形態では、遮熱板３、１３の形状を、メンブレンバー２の広幅形状に合わせて台形状にしたものを示したが、本発明はこれに限らず、メンブレンバー２の広幅形状に合わせて形成することができる。また、２枚の遮熱板を矩形に形成し、それらの遮熱板の先端部を隙間を離して重ねて配置するようにしてもよい。要するに、メンブレンバー２の先端に隙間を有して２枚の遮熱板３、１３を設けた構成であれば、メンブレンバー２の最高温度を低下できるとともに、伝熱管１に応力が作用するのを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の特徴に係る遮熱板を備えた水壁の一実施形態の要部拡大図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の線Ｉｂ−Ｉｂにおける断面図である。
【図２】本発明の一実施形態のボイラ火炉の全体の外観をしめす斜視図である。
【図３】本発明の特徴に係る遮熱板を備えた水壁の一実施形態の要部拡大図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の線IIIｂ−IIIｂにおける断面図であり、（ｃ）は（ａ）の線IIIｃ−IIIｃにおける断面図である。
【図４】図１実施形態の遮熱板の先端から基端部に至る温度分布の実測値を示す線図である。
【図５】図３実施形態の遮熱板の先端の肉厚ｔｍｍと、先端の最高温度Ｔ℃との関係を実測した結果を示す線図である。
【図６】有限要素法により求めた実施例１の温度分布を示す図である。
【図７】有限要素法により求めた実施例２の温度分布を示す図である。
【図８】有限要素法により求めた実施例３の温度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  伝熱管
２  メンブレンバー
３、１３  遮熱板
４  前壁
５  側壁
６  ケージ側壁
７  天井壁
８  結合部
【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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