(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の伝熱管の配列からなり、燃焼ガスの流路中に設置された伝熱管群と、前記伝熱管群を取り囲み、かつ伝熱管周囲を流れる流体の流路を形成する箱型容器と、前記燃焼ガス中の石炭灰を集塵する複数の石炭灰回収容器とを備えたボイラにおいて、
前記石炭灰回収容器は四角錐型形状であり、
１つ以上の前記石炭灰回収容器の上部を覆うように四角錐型の板状構造物を設置したことを特徴としたボイラ。
【請求項２】
前記板状構造物は貫通孔を有する請求項１のボイラ。
【請求項３】
前記板状構造物の孔の下側に多孔質部材を配置した請求項２のボイラ。
【請求項４】
前記板状構造物の孔の下側に吸音部材を配置した請求項２のボイラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラに係り、特に、火力発電プラントに用いられるボイラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、従来の火力発電プラントにおけるボイラを構成している熱交換器内でのガス流れを示している。熱交換器は、伝熱管１の配列により構成される伝熱管群、及びガス流路を形成するために壁２により構成される箱型容器を備える。熱交換器に代表される管群構造物では、特定の条件を達した場合、気柱共鳴現象が発生し、騒音が発生する場合がある。気柱共鳴現象を以下に説明する。
【０００３】
箱型容器内では、流体が気体の場合、その寸法に対応して一般に定在波と呼ばれる固有気柱振動モードが離散的に複数存在する。固有気柱振動モードでの振動は減衰しにくく、強い振動が発生しやすい。固有気柱振動モードの振動数は固有気柱振動数と呼ばれる。
【０００４】
一方、伝熱管群においては、伝熱管１の周りに流体が流れるとき、図３に示された渦３が伝熱管１の後方へ一定の周期で放出される。渦３の放出周期(周波数)は渦放出周波数と呼ばれ、主に伝熱管１の直径，伝熱管１周りの流速，伝熱管１の配列形態などに依存する。渦３の放出により、伝熱管１に力が生じる。この力により、気体は振動する。この時、伝熱管１に生じる力の周期は渦放出周波数に比例する。ここで、伝熱管群を流れていくに従い、放出される渦は増強され、ある周波数成分が支配的になる。
【０００５】
そして、渦の支配的な周波数が伝熱管群を収納する容器の固有気柱振動数と一致すると、気体は共鳴を起こし、箱型容器内で大きな騒音が発生する。一般に、伝熱管に生じる力の影響を受けやすいガス流れ垂直方向で共鳴が発生することが多い。また、発生音圧が大きい場合には、伝熱管に激しい振動を誘発する。このような現象は気柱共鳴現象と呼ばれ、騒音防止，機器破損防止の観点から、気柱共鳴の発生防止が重要となる。
【０００６】
気柱共鳴現象を防止するための従来技術として、図２に示すような伝熱管群内あるいは伝熱管群部周辺に共鳴防止バッフル４に複数設け、固有気柱振動数を変化させ、渦放出周波数との一致を避ける方法が取られている。なお、この種のボイラ及び熱交換器に関連するものとしては、例えば特開平5−141891 号公報が挙げられる。
【０００７】
しかし、今回対象としているボイラでは、３次元的に複雑な箱型容器形状となっているため、固有気柱振動モードも３次元的かつ複雑になる。共鳴防止バッフル４は、バッフルと垂直な方向の振動に対して有効であるため、共鳴防止バッフル４を３次元的に配置しなくてはならない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、ボイラでガス流れ方向に発生する気柱共鳴の発生防止に有効な共鳴防止バッフルの管群部周辺への挿入を考えた場合、共鳴防止バッフルをガス流れ垂直方向に挿入しなければならない。しかし、この方向への共鳴防止バッフルの挿入は流れに対する抵抗となり、本来ボイラの役割である熱交換を妨げる。そのため、ガス流れ垂直方向に有効な共鳴防止バッフルの管群部周辺への挿入は行えない。
【０００９】
本発明の目的は、伝熱管群周辺に、燃焼ガス流れに対して垂直となる方向に共鳴防止バッフルを挿入せずに、気柱共鳴を防止し、騒音を低減できるボイラを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１本発明の特徴は、１つ以上の石炭灰回収容器の上部に、板状構造物を設置したことにある。板状構造物の設置は、石炭灰回収容器の固有気柱振動数と伝熱管群からの渦放出周波数とが一致しなくなる。このため、気柱共鳴発生を回避でき、騒音を低減できる。
【００１１】
上記目的を達成する第２発明の特徴は、１つ以上の石炭灰回収容器内に、共鳴防止バッフルを設置したことにある。また、上記目的を達成する第３発明の特徴は１つ以上の石炭灰回収容器内に板状構造物を設置したことにある。石炭灰回収容器内に、共鳴防止バッフルまたは板状構造物を設置することによって第１発明と同様な作用効果を生じる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１および図５から図１０を用いて説明する。
【００１３】
本発明の第１実施例である、火力発電プラントに用いられるボイラを、図１及び図５を用いて説明する。火炉５，バーナー６で石炭の燃焼により生成されたガスが、壁２より形成されるガスの流路中に設置された過熱器７，再熱器８，節炭器９を通過した後、ボイラ外部へと放出される。過熱器７，再熱器８及び節炭器９は伝熱管群をそれぞれ有する。過熱器７，再熱器８及び節炭器９は通過するガスから熱を吸収する。吸収された熱エネルギーは、伝熱管内を流れる媒体に伝えられる。その熱エネルギーは、加熱された媒体により連絡管１０を通り、ドラム１１に蓄えられる。ドラム１１に蓄えられた媒体は、過熱器７に送られ、そこで更に熱吸収し、高温化した後、蒸気タービンへ送られ、発電動力に用いられる。連絡管１０及びドラム１１は、壁２に取り付けられた支持体１２によって支えられる。燃焼ガス中の石炭灰は石炭灰回収容器１３にて集塵され、定期的に外部へ除去される。
【００１４】
ボイラに設けられた石炭灰回収容器１３の詳細構造を図１に示す。６つの四角錐型をした石炭灰回収容器１３のうち、２つの石炭灰回収容器１３Ａの上部が、四角錐型の薄板構造物１４で覆われている。薄板構造物１４の設置により、ボイラ内部空間が変化する。このため、固有気柱振動モードの形態が変化し、共鳴の発生しにくいモード形態を実現できる。
【００１５】
図４に、従来のボイラと本実施例との周波数応答曲線を示す。これらは、同一条件で運転した場合での石炭灰回収容器で生じる周波数応答の解析結果である。横軸は伝熱管群に生じる力の周波数を、縦軸は石炭灰回収容器で生じる音圧の応答倍率であり、各周波数に対する共鳴発生のしやすさを表している。黒丸付き実線Ａは本実施例におけるボイラで生じる音圧の周波数応答倍率の分布であり、白抜き四角付き破線Ｂは従来のボイラで生じる音圧の周波数応答倍率の分布である。気柱共鳴発生には、伝熱管群で生じる気体の励振エネルギーが音場の減衰エネルギーを上回る必要であるため、一点鎖線Ｃが示す共鳴発生に対する周波数応答倍率の限界値が存在する。従来のボイラでは、白抜き四角付き破線Ｂが一点鎖線Ｃを上回るため、気柱共鳴が発生し、騒音が発生した。しかし、本実施例のボイラでの応答倍率は、従来のボイラのそれの最大値より小さく、かつ一点鎖線Ｃを下回る。このため、本実施例は、気柱共鳴発生は回避でき、騒音が低減することができる。
【００１６】
また、石炭灰回収容器１３は、ボイラ構造上の設置場所及び形状から音圧が高くなりやすい。設置された薄板構造物１４は、音波の伝達を遮断することができ、音圧の高揚も抑制できる。これらの効果により、気柱共鳴は回避でき、騒音は抑制される。
【００１７】
本発明の第２実施例であるボイラを以下に説明する。ただし、石炭灰回収容器以外の構成は、第１実施例と同じであるので、ここでは、石炭灰回収容器のみを説明する。第２実施例に用いられる６つの四角錐型をした石炭灰回収容器１３のうち、少なくとも２つの石炭灰回収容器１３Ｂの上部を、図６のように、孔１５を有する薄板構造物１６で覆う。薄板構造物１６は、石炭灰回収容器１３Ｂに取り付けられる。実施例１では、石炭灰回収容器１３Ａは薄板構造物１４により石炭灰回収容器としての役割を果たさない。しかし、薄板構造物１６は孔１５を有しているので、石炭灰は石炭灰回収容器１３Ｂにて集塵できる。また、薄板構造物１６により、石炭灰回収容器１３Ｂには、ヘルムホルツ共鳴器としての効果が生じる。ヘルムホルツ共鳴器の概念は、容器が持つ固有振動数で共鳴した時、空気の振動エネルギーが孔部１５の摩擦によって熱エネルギーに変換されるため、音響エネルギーを減衰させる。この効果により、石炭灰回収容器１３Ｂには減音効果が生じ、騒音は抑制される。
【００１８】
本発明の第３実施例であるボイラを以下に説明する。ただし、石炭灰回収容器以外の構成は、第１実施例と同じであるので、ここでは、石炭灰回収容器のみを説明する。第３実施例に用いられる６つの四角錐型をした石炭灰回収容器１３のうち、少なくとも２つの石炭灰回収容器１３Ｃは、図７に示すように、孔１５を有する薄板構造物１６Ａで覆う。薄板構造物１６Ａは石炭灰回収容器１３Ｃに取り付けられる。孔１５の出口側には、間隔を置いて、多孔質性を持つ部材１７が配置される。薄板構造物１６Ａに孔１５が設けられているので、石炭灰は石炭灰回収容器１３Ｃにて集塵できる。また、薄板構造物１６により、石炭灰回収容器１３には、ヘルムホルツ共鳴器としての効果が生じる。また、多孔質性を持つ部材１７が配置されるのでより気道を形成することにより、孔１５の摩擦面積は増大するため、熱エネルギーへの変換率は高まり、高い減音効果を得ることができ、騒音は抑制される。
【００１９】
本発明の第４実施例であるボイラを以下に説明する。ただし、石炭灰回収容器以外の構成は、第１実施例と同じであるので、ここでは、石炭灰回収容器のみを説明する。第４実施例に用いられる６つの四角錐型をした石炭灰回収容器１３のうち、少なくとも２つの石炭灰回収容器１３Ｃは、図８に示すように、孔１５を有する薄板構造物１６Ｂで覆う。薄板構造物１６Ｂは石炭灰回収容器１３Ｃに取り付けられる。孔１５の出口側に、薄板構造物部材に比して吸音特性に優れた部材１８が設置される。薄板構造物１６Ｂが孔１５をゆうするので、石炭灰は石炭灰回収容器１３にて集塵できる。薄板構造物１６Ｂにより、石炭灰回収容器13Ｃには、ヘルムホルツ共鳴器としての効果が生じる。さらに、薄板構造物１６Ｂの表面には吸音効果を持つ部材１８を装着しているため、ボイラ内部で発生した騒音に対して、石炭灰回収容器１３Ｃで吸音される。これより、減音効果が生じ、騒音は抑制される。
【００２０】
本発明の第５実施例であるボイラを以下に説明する。ただし、石炭灰回収容器以外の構成は、第１実施例と同じであるので、ここでは、石炭灰回収容器のみを説明する。第５実施例に用いられる６つの四角錐型をした石炭灰回収容器１３のうち、少なくとも２つの石炭灰回収容器１３Ｅは、図９に示すように、内部に共鳴防止バッフル４を設置している。共鳴防止バッフル４は、石炭灰回収容器部１３Ｅの内部空間に変化を与える。これにより、ボイラ内部空間形状が変化するため、固有気柱振動モードの形態が変化し、共鳴の発生しにくいモード形態を実現でき、第５実施例も図４に示す実施例１と同様な効果を生じる。これより、気柱共鳴発生は回避でき、音圧の高揚を抑制できる。また、共鳴防止バッフルの石炭灰回収容器部への挿入を考えた場合、ボイラの役割である熱交換を妨げる抵抗にはならない。
【００２１】
本発明の第６実施例であるボイラを以下に説明する。ただし、石炭灰回収容器以外の構成は、第１実施例と同じであるので、ここでは、石炭灰回収容器のみを説明する。第６実施例に用いられる６つの四角錐型をした石炭灰回収容器１３のうち、少なくとも２つの石炭灰回収容器１３Ｆは、図１０に示すように、内部に薄板構造物１４を設置している。薄板構造物１４は、石炭灰回収容器部１３Ｅの内部空間に変化を与える。これにより、ボイラ内部空間形状が変化するため、固有気柱振動モードの形態が変化し、共鳴の発生しにくいモード形態を実現でき、第６実施例も図４に示す実施例１と同様な効果を生じる。これより、気柱共鳴発生は回避でき、音圧の高揚も抑制できる。
【００２２】
以上述べた第１実施例から第６実施例で用いられる各石炭灰回収容器部は、気柱共鳴が発生している既存のボイラに対しても有効であり、既存のボイラに対して後設的に設置することも可能である。これより、気柱共鳴が発生している既存のボイラに対して、本発明による構造物の追設により、気柱共鳴を回避させることができ、騒音を抑制できる。
【００２３】
以上説明してきたように、ボイラの構成要素である石炭灰回収容器部に対して、各実施例でのボイラは、意図的に固有気柱振動数を伝熱管群からの渦放出周波数との一致を避け、気柱共鳴の発生を回避できる。また、石炭灰回収容器部に吸音・減音効果を付加することも可能である。石炭灰回収容器部は伝熱管群とは近接されていないため、今回提供するような石炭灰回収容器部の形状により熱交換を妨げることはなく、騒音を充分抑制できる。各実施例で追設した構造物は、気柱共鳴が発生している既存のボイラに対しても、気柱共鳴の発生停止に有効である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、伝熱管群周辺に、燃焼ガス流れに対して垂直となる方向に共鳴防止バッフルを挿入せずに、気柱共鳴を防止し、騒音を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図５に示す石炭灰回収容器の詳細構造を示し、（ａ）は石炭灰回収容器付近の拡大図、（ｂ）は１つの石炭灰回収容器の斜視図である。
【図２】ボイラにおける熱交換器部と共鳴防止バッフルの概要図である。
【図３】熱交換器に設置された伝熱管群での渦放出形態を示す説明図である。
【図４】振動数と応答倍率との関係を、従来のボイラと図５のボイラについて示した特性図である。
【図５】本発明の好適な一実施例である、火力発電プラントにおけるボイラの構成図である。
【図６】本発明の他の実施例であるボイラに用いられる石炭灰回収容器の他の構成例を示し、（ａ）は石炭灰回収容器付近の拡大図、（ｂ）は１つの石炭灰回収容器の斜視図である。
【図７】本発明の他の実施例であるボイラに用いられる石炭灰回収容器の他の構成例を示し、（ａ）は石炭灰回収容器付近の拡大図、（ｂ）は１つの石炭灰回収容器の斜視図である。
【図８】本発明の他の実施例であるボイラに用いられる石炭灰回収容器の他の構成例を示し、（ａ）は石炭灰回収容器付近の拡大図、（ｂ）は１つの石炭灰回収容器の斜視図である。
【図９】本発明の他の実施例であるボイラに用いられる石炭灰回収容器の他の構成例を示し、（ａ）は石炭灰回収容器付近の拡大図、（ｂ）は１つの石炭灰回収容器の斜視図である。
【図１０】本発明の他の実施例であるボイラに用いられる石炭灰回収容器の他の構成例を示し、（ａ）は石炭灰回収容器付近の拡大図、（ｂ）は１つの石炭灰回収容器の斜視図である。
【符号の説明】
１…伝熱管、２…壁、３…渦、４…共鳴防止バッフル、５…火炉、６…バーナー、７…過熱器、８…再熱器、９…節炭器、１０…連絡管、１１…ドラム、１２…支持体、１３…石炭灰回収容器、１４…薄板構造物、１５…孔、１６…孔を持つ薄板構造物、１７…多孔質性を持つ部材、１８…吸音特性を持つ部材。
【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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【図１０】
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