(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水噴霧用のスプレー噴霧孔が設けられているノズルステム管を蒸気配管内に配置した蒸気過熱低減器において、前記ノズルステム管は先端部を塞いだ閉止部を有する内管と該内管を内部に配置した前記スプレー噴霧孔が設けられた外管とからなり、内管には該内管に流入した冷却水噴霧用のスプレー水を外管に向けて流出させる流出孔をスプレー水の流入側と該流入側とは反対側の閉止部側よりに設けたことを特徴とする蒸気過熱低減器。
【請求項２】
前記流出孔は内管の中心軸線を含む平面内で、該中心軸線に直交する直線に対して、前記スプレー噴霧孔の方向に０度から９０度の角度で傾斜させて穿孔して設けたことを特徴とする請求項１記載の蒸気過熱低減器。
【請求項３】
前記流出孔は内管の中心軸線に対して垂直方向の断面内で、前記内管の径方向に対して０度から９０度の角度で傾斜させて穿孔して設けたことを特徴とする請求項１記載の蒸気過熱低減器。
【請求項４】
前記内管外表面に螺旋状のスパイラルフィンを設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蒸気過熱低減器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラなどの蒸気発生装置における蒸気過熱低減技術に係り、特に蒸気配管内を流通する高温高圧の蒸気の過熱を低減する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラの給水、蒸気系統図を図１１に示す。図１１において、給水ポンプ２１からの給水は高圧給水過熱器２２、節炭器２３、火炉水壁２４及び過熱器２５を経て過熱蒸気となり、高圧タービン２６で使用される。該高圧タービン２６で仕事をした蒸気は再熱器２７で再加熱された後、中低圧タービン２８で使用される。該中低圧タービン２８で仕事をした蒸気は復水器２９に送られて復水された後、復水ポンプ３０で復水脱塩装置３１に供給されて脱塩処理された後、復水昇圧ポンプ３２で低圧給水過熱器３３に供給され、さらに脱気器３４で脱気され、その後再びボイラに供給される。
【０００３】
ここで、蒸気過熱低減器１０が過熱器２５または再熱器２７の蒸気温度制御に使用されている。図１１において過熱器２５側、再熱器２７側の蒸気過熱低減器１０への給水はそれぞれ給水ポンプ２１の後流側、中段から行っている。この位置から給水を行うのは、給水ポンプ２１に障害を与えることなく揚程を確保することができるようにするためである。
【０００４】
また、図１２にガスタービン４１からの排ガスの熱を回収して蒸気を発生させ、蒸気タービン５６、６５で仕事をさせる複合プラントに使用される排熱回収ボイラの給水、蒸気系統図を示す。図１２において、低圧給水ポンプ５１からの給水は給水管５２を経て低圧節炭器４３に供給されて加熱され、低圧ドラム給水管５３から低圧ドラム４５に供給される一方、高圧給水ポンプ５７から高圧給水管５８、高圧節炭器４６を経て高圧ドラム４８に供給される。該高圧ドラム４８で分離された蒸気はドラム蒸気出口管６１を経て過熱器４９に送られて過熱蒸気となり、高圧主蒸気管６２より高圧蒸気タービン５６で使用される。該高圧蒸気タービン５６で仕事をした蒸気は低温再熱器６３から再熱器５０に送られて再加熱された後、高温再熱管６４から低圧蒸気タービン６５に送られて使用される。
【０００５】
ここでも、蒸気過熱低減器１０が過熱器４９または再熱器５０の蒸気温度制御に使用されている。
また、図示していないが、タービン蒸気系統においても、蒸気過熱低減器が蒸気温度制御に使用される。
【０００６】
従来よりボイラにおいて使用されている蒸気過熱低減器を図８（ａ）〜（ｃ）に示す。このうち、図８（ａ）は片持ち型のノズルステム管１によるものを示し、図８（ｂ）は両端支持型のノズルステム管１によるものを示す。また、図８（ｃ）は、蒸気配管９と該蒸気配管９に配されたノズルステム管１を蒸気流の下流側から見た断面図を示し、スプレー噴霧孔２と蒸気配管９との位置関係を示す図である。ここで、片持ち型とは、ノズルステム管１を蒸気配管９内に配したときにノズルステム管１の一端を蒸気配管９で支持する構造のものをいい、これに対して両端支持型とは、ノズルステム管１の両端を蒸気配管９で支持する構造のものをいう。
【０００７】
図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、ノズルステム管１にはスプレー噴霧孔２が蒸気流に対して後流側で、かつ蒸気配管９の横断面の中心部またはその近傍に設けてあり、図示していない給水系統から給水の一部を抽水し、前記ノズルステム管１を経てスプレー噴霧孔２から、例えば５００℃以上の蒸気流内に噴霧した場合に、スプレー後の微粒化された液滴を蒸気流内にほぼ均一に噴霧することで、蒸気温度の偏差を抑制し、平均的に蒸気温度を低減している。
【０００８】
しかしながら、図８（ａ）〜（ｃ）に示す何れのノズルステム管１も高速で流通する蒸気流の中に突出して設けられるため、ノズルステム管１の背面（蒸気流の後流側）には負圧部が生じ、スプレー後の噴霧液滴の一部が前記負圧部に巻き戻され、液滴となってノズルステム管１外表面に付着する。
【０００９】
このとき、スプレー流量が多い場合には、ノズルステム管１内を流通する水による冷却が順次行われ、ノズルステム管１外表面の昇温が抑えられるため、ノズルステム管１外表面に液滴が付着しても温度差が小さく構造上強度面での支障は生じない。
【００１０】
ここで、ボイラ負荷（％）の変化によるスプレー水の流量（トン／時）の特性を概念的に図９（ｃ）に示す。図９（ｃ）に示すように、スプレー水の流量はプラント運用条件によって大幅に変化する。すなわち、スプレー水の流量はボイラ負荷が低負荷である時には、最低流量であり、ボイラ負荷が上昇し、例えば３０〜４０（％）以上になった場合には増加し、さらに８０〜９０（％）以上の高運転負荷帯では再び最低流量となる。
【００１１】
これらの特性は、例えば、図１１に示すボイラにおいては、図９（ａ）に示すようなボイラ負荷に対するＧＲ（排ガス再循環量）に基づき決まり、また図１２に示す排熱回収ボイラでは図９（ｂ）に示すようなガスタービンからの排ガス特性に基づき決まるものである。
【００１２】
このとき、図９（ｃ）に示すように高運転負荷帯においては、スプレー流量が少量となるが、従来の蒸気過熱低減器１０においてノズルステム管１の冷却が十分行えず、ノズルステム管１の外表面が過度に昇温することに起因する問題があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
過熱器または再熱器の蒸気過熱低減器は、蒸気温度が例えば、４００℃〜５００℃以上の温度にさらされる蒸気流内に配置され、約１００℃〜１５０℃前後の給水がスプレー水として供給される。
【００１４】
図９に示すように高運転負荷帯においては、スプレー水の流量が少量となるため、従来のノズルステム管１ではノズルステム管１内の流速が２ｃｍ／ｓｅｃまで低速になり管表面温度の冷却が不十分となる。
【００１５】
上記従来技術のうち、図８（ｂ）に示す両端支持型のノズルステム管１において、高負荷運転時にスプレー流量が少量の場合には、図１０（ｂ）に示すように、ノズルステム管１の内部の水の流通が低流速となることにより、流入側とは反対側のノズルステム管１の閉止端部に達する前に、スプレー噴霧孔２へのショートパスが生じ、このためノズルステム管１の閉止端部に水の停滞域が生じる。該停滞域では、ノズルステム管１の外部を流通する高温の蒸気流により沸騰し、気泡が生じる。このため図１０（ａ）のスプレー流量が少流量の場合でのノズルステム管１の外壁温度（℃）の特性図に示すように、前記気泡による伝熱阻害のためにノズルステム管１の閉止端部の外表面が異常に昇温することになり、前記ノズルステム管１の外表面への噴霧液滴の付着による温度差が大きい（３００℃以上）ことによる急冷による熱衝撃や、ノズルステム管１の外表面の長手方向での温度差によるハンピング現象など、ノズルステム管１に多大の熱応力が発生する。
【００１６】
また、従来技術のうち、図８（ａ）に示す片持ち型のノズルステム管１においては、ノズルステム管１の端部とスプレー噴霧孔２との位置関係からノズルステム管１の端部に水の停滞域が生じることは少ないが、図８（ａ）に示すように蒸気流の偏流により、噴霧液滴の巻き戻りが発生しやすく、高負荷運転気にスプレー水の流量が少量の場合には、ノズルステム管１内部の水の流通が低流速となることにより、ノズルステム管１の外表面が昇温したところに、集中的に噴霧液滴が付着することになり熱衝撃などの熱応力が発生する。
【００１７】
さらに、負荷変化、蒸気温度制御に伴うスプレー水の流量の変動により、噴霧液滴の付着量、付着範囲が変化するため、ノズルステム管１への熱応力が繰り返し作用することになり、最悪の場合には疲労破壊に至ることになる。試算では、数千時間、約半年、の運転でノズルステム管１の表面に亀裂が生じる。
【００１８】
前記に示すように、従来技術においてはスプレー流量が少なくなった場合に、蒸気過熱低減器におけるノズルステム管の外表面が異常昇温を防止することについての配慮が不足しており、熱応力に基づく疲労破壊に至る問題があった。
【００１９】
本発明の課題は、高運転負荷時にスプレー流量が少なくなった場合にも、ノズルステム管全体を冷却することで熱応力の発生を防止でき、全負荷帯において安全に使用できる蒸気過熱低減器、該蒸気過熱低減器を備えた蒸気発生器またはボイラを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は、冷却水噴霧用のスプレー噴霧孔が設けられているノズルステム管を蒸気配管内に配置した蒸気過熱低減器において、前記ノズルステム管は先端部を塞いだ閉止部を有する内管と該内管を内部に配置した前記スプレー噴霧孔が設けられた外管とからなり、内管には該内管に流入した冷却水噴霧用のスプレー水を外管に向けて流出させる流出孔をスプレー水の流入側と該流入側とは反対側の閉止部側よりに設けた蒸気過熱低減器により解決される。
【００２１】
ここで、前記流出孔は内管の中心軸線を含む平面内で、該中心軸線に直交する直線に対して前記スプレー噴霧孔の方向に０度から９０度の角度で傾斜させて穿孔して設けることで流出孔からのスプレー水は外管のスプレー噴霧孔に向けてスムーズに流れることができる。また前記流出孔は内管の中心軸線に対して垂直方向の断面内で、前記内管の径方向に対して０度から９０度の角度で傾斜させて穿孔して設けると流出孔からのスプレー水は旋回流となってスプレー噴霧孔に向けてスムーズに流れる。さらに、流出孔の周りの内管外表面には外管のスプレー噴霧孔の方向に、該流出孔からのスプレー水を誘導する螺旋状のスパイラルフィンを設けることで、流出孔からのスプレー水はスプレー噴霧孔に向けてスムーズに流すことができる。
【００２２】
さらに内管の先端の閉止部と内管のスプレー水入口部基部にも流出孔を設けておくと、外管と内管との間隙部でのスプレー水の停滞の発生を防止することができる。
また、特に前記内管がスプレー噴霧孔を挟んで伸延して設けられる場合には、前記流出孔を前記スプレー噴霧孔を挟んでそれぞれ少なくとも１個設ける。
【００２４】
また、本発明は前記蒸気過熱低減器を蒸気温度制御に使用する蒸気発生装置、または蒸気過熱器と再熱器を備えたボイラにおいて、前記蒸気過熱低減器を過熱器および／または再熱器の蒸気温度制御に使用するボイラも含まれる。
【００２５】
【作用】
本発明によれば、蒸気過熱低減器のノズルステム管を、先端部を塞いだ内管と、前記スプレー噴霧孔が設けられて前記内管の外側に配される外管からなる二重管構造とし、内管には該内管に流入したスプレー水を外管に対して流出させる流出孔をスプレー水の流入側と該流入側とは反対側の閉止部側よりに設けたので、スプレー水が少流量になった場合でも管内での流速を早めることができ、ノズルステム管の隅々を流れてスプレー噴霧孔へ至る流れを形成することができる。従って、本発明のノズルステム管は、その全体を冷却することができるので、蒸気流れに対してノズルステム管背面側にスプレー噴霧液滴が付着しても熱応力が生じることがない。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の蒸気過熱低減器を図面と共に説明する。
図１に本発明の実施の形態の蒸気過熱低減器に用いるノズルステム管１の一例を示すが、片持ち型、両端支持型でのいずれでも良い。図１において、ノズルステム管１は内管３と外管４からなる二重管構造であり、外管４の一側面にはスプレー噴霧孔２が設けられている。該スプレー噴霧孔２は、噴霧されたスプレー水の微細化された液滴が蒸気流内にほぼ均等に広がるように、蒸気配管（図示せず）内に配置された場合に前記スプレー噴霧孔２は、蒸気配管の中心軸線を含む平面内またはその近傍に一列状または二列以上の複数列状に設けられている。
【００２７】
内管２と外管３との間の間隙は、内管２の先端部と外管３の先端部との間隙も含めて、該間隙に停滞部が生じないようにするために、できるだけ小さくすることが望ましいが、給水中にスケールなどが含まれていた場合に、該スケールにより、前記間隔が閉塞されるのを防止する必要があるので、約３ｍｍ以上とすることが望ましい。
また、内管３には、図示していない給水系統からの一部の給水からなるスプレー水が外管４に対して流出する流出孔５、６を設けている。図２（図１のＡ−Ａ線断面図）と図３（図１の部分拡大図）に流出孔５、６部分の詳細を示す。
【００２８】
図１に示すように、流出孔５、６は外管４に設けられたスプレー噴霧孔２を挟む位置に設けられていて、図３に示すように、このうち流出孔６は内管３のスプレー水の流入側とは反対側の塞がれた閉止端部側よりに、流出孔５は内管３のスプレー水の流入側よりに設けられている。そして流出孔５、６共に内管３の中心軸線を含む平面内で該中心軸線に直交する垂線に対して、前記スプレー噴霧孔の方向に０度から９０度の角度（θ）に傾斜させて穿孔して設けられている。
【００２９】
また、図２に流出孔６の例で示すように、流出孔５、６はともに内管３の中心軸線に対して垂直方向（内管３の径方向）の断面内で、内管３の径方向に対しても０度〜９０度の傾斜角度（δ）を有するように設けられている。
このように流出孔５、６が前記所定の傾斜角度を有するように内管３に設けられているので、内管３から流出する流出水は内管３の外周方向に向けて螺旋状に流出すると同時に外管４ののスプレー噴霧孔２に向けて流出水が流れる。
【００３０】
ここで、流出孔５、６は孔加工が可能であれば、図１に示すようにできるだけ内管３の端部に近づけて設けることが望ましい。すなわち、流出孔６は内管３のスプレー水の流入側とは反対側の閉止した端部近傍、流出孔５はスプレー水が流入する内管３の基部近傍にそれぞれ設けることが望ましい。
【００３１】
しかしながら、前記孔加工が容易に行えない場合には、図４に示すように、図１と同様な流出孔５、６の他に流出孔７を前記閉止した先端部内の内管３の軸方向に設け、また、流出孔８を内管３の基部に内管の軸に対して垂直方向（径方向）に設けることが望ましい。
これらの流出孔５〜８は、給水中にスケールなどが含まれていた場合の閉塞防止を考慮して約３ｍｍ径以上とすることが望ましい。
【００３２】
前記構成とすることにより、内管３に流入したスプレー水はそれぞれの流出孔５〜８から流速を速めた噴流となって、内管３と外管４の間隙部に噴出される。このうち、流出孔５、６からの噴流はスプレー噴霧孔２に向かう内管円周方向の旋回流となり、内管３と外管４の間隙部に沿って流れるので、外管４との伝熱効率を向上させることができる。また、図４に示す流出孔７、８は内管３と外管４の間隙部において前記旋回流が及ばないデットスペースにスプレー水の一部を噴出させて、前記旋回流の流れに至る流れを形成することができるので、スプレー水の停滞部の発生を防止できる。
【００３３】
また、前記流出孔７、８からのスプレー水は内管３と外管４の間隙部に生じやすい停滞部の発生が防止でき、後流の流出孔５、６からのスプレー水の旋回流により撹拌されるに十分な流出量で供給されれば良く、単一の孔からなる流出孔７からの流出量は流出孔５または流出孔６の一つの流出孔からの流出量の半分程度で十分であり、また複数の流出孔群からなる流出孔８群からの流出量も流出孔５または流出孔６の一つの流出孔からの流出量の半分程度で十分であり、流出孔７、８の穿孔方向は内管３の中心軸線への垂線に対して所定の傾斜角度を設けてもよく、孔の形状、数を任意に設定しても構わない。
【００３４】
前記内管３と外管４の間隙部の大きさと流出孔５〜８の相互の間隔と配置位置は、内管３と外管４との間隙部を流れるスプレー水の流速が０．３ｍ／ｍｉｎ以上となるように設けることが望ましい。この流速以下では、停滞流や沸騰が発生しやすい。
【００３５】
また、流出孔５、６はそれぞれ内管３の中心軸線に対して垂直面にある円周方向にそれぞれ２個以上または３個以上設けることが望ましい。
また、流出孔５、６は内管３の中心軸線に直交する方向（径方向）に穿孔してもよく、図３に示すように内管３の中心軸線に直交する方向（径方向）に対してスプレー噴霧孔２側に０〜９０度の範囲で傾いた角度θを穿孔してもよい。要するに、流出孔５、６の配置、孔の傾斜角度はスプレー水の旋回効果を上げることと、スプレー水の流れが相互に干渉しない程度の流路幅を持たせることにより、澱みのない流れを形成し、内管３と外管４の間隙部内での流動抵抗を少なくするような配慮に基づいて設ける。
また、スプレー噴霧孔２を挟んで設けた流出孔５、６からの旋回方向は、同一方向でも相互に逆方向でもよい。
【００３６】
図１から図４に示すノズルステム管１においては、管内の流速を０．３〜３０ｍ／ｍｉｎに確保することができ、ノズルステム管１の管内への熱伝達も十分に行えて、ノズルステム管１の外表面と付着する噴霧液滴との温度差を２００度以下に抑えることができるので、過大な熱応力が発生することがない。
【００３７】
図５に示す実施の形態では、流出孔５、６は旋回流を生じやすくするように、スプレー噴霧孔を挟んで内管３の円周上に均等に分割してそれぞれ２段設けている。また図５（ｂ）の図５（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図５（ｃ）の図５（ａ）のＢ−Ｂ線断面図に示すように、前後２段に配置される流出孔５、６が互いに内管３の径方向に６０度位相をずらして設けられており、スプレー噴霧孔２から離れた位置に配置された流出孔５、６からのスプレー水の旋回流が減速した付近に、スプレー噴霧孔２から近い位置に配置された流出孔５、６からスプレー水を流出させることにより、前記旋回流を加速するようにしている。
【００３８】
また、前後２段に配置される流出孔５、６が互いに内管３の径方向に６０度位相をずらした例を図５に示しているが、前記位相差がない位置に配置しても良く、流出孔６からのスプレー水の旋回流が流出孔５からのスプレー水の旋回流を加速する位置に流出孔５、６が配置されていれば良い。
また、流出孔５、６はそれぞれ内管３の径方向の同一円周上に分割して配置しなくても内管３の長手方向（内管の軸方向）に順次ずらして螺旋状に配置してもよい。
【００３９】
また図５には示していないが、図４で説明した閉止部のある内管先端部の流出孔７及び内管基部の流出孔８を設けても良い。流出孔７、８からのスプレー水は内管３と外管４の間隙部に生じる可能性のあるスプレー水が停滞することを防止して、かつ後流の流出孔５、６からのスプレー水の旋回流により撹拌されるに十分な流出量で供給されれば良い。また、流出孔７、８の穿孔方向は内管３の中心軸線をに直交する平面に対して所定の傾斜角度を設けてもよく、孔の形状、数を任意に設定しても良い。
図５に示すノズルステム管１によれば流出孔５、６からのスプレー水の旋回流の流路を特定の位置に形成できるので、外管４の冷却をより確実に行うことができる。
【００４０】
また、図６に示すノズルステム管１は、内管３の外周にスパイラルフィン１１を設けている。該スパイラルフィン１１はスプレー噴霧孔２を挟んで、内管３の両端から外管４のスプレー噴霧孔２の近傍まで溶接などにより取り付け、スプレー噴霧孔２の位置近傍とその前後には取り付けない。また、流出孔５、６は内管３のスプレー水入口側基部と、内管３の先端側において、それぞれスパイラルフィン１１の根元に設ける。
【００４１】
前記スパイラルフィン１１は、内管３のスプレー水入口側基部と内管３の先端側とでその螺旋の回転方向を逆にしてもよく、あるいは同一にしてもよい。図６に示すノズルステム管１も図１、図４、図５に示すノズルステム管１と同様の効果が得られるが、さらに図６に示すノズルステム管１によればスパイラルフィン１１があるので、スプレー水の旋回流の流路位置を固定できるので、外管４の冷却をより確実に行うことができる。また図６には示していないが、図４で説明した閉止部のある内管先端部の流出孔７及び内管先端部の流出孔８を設けても良い。
【００４２】
また、図７に示すノズルステム管１は、片持ち型のものであるが、スプレー噴霧孔２を外管４の端部近傍に設け、ノズルステム管１を内管３と外管４の二重管とし、内管３には流出孔５、６を内管基部と中央部に設けることにより、スプレー水が少流量の場合でも、管内流速を高めると共に、内管３と外管４の間隙部を流出孔５、６からの旋回流と流出孔７、８からの補助流により停滞なく流れを形成することができるので、ノズルステム管１を十分に冷却することができる。この図７に示すノズルステム管１も図５に示すノズルステム管１のように前後２段の流出孔５、６を設けるかまたは図６に示すようにスパイラルフィン１１を設けても良い。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、蒸気過熱低減器のノズルステム部の全体を、運転状態に係わらず所定の温度に冷却するので、スプレー噴霧液滴が蒸気流による巻き戻りによりノズルステム管外表面に付着しても、過剰な熱応力が発生せず、疲労破壊を防止することができるので、設備の安全性を向上できると共に、従来は半年程度での交換が必要であったがこれを大幅に延長することができるので経済的効果も生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態の蒸気過熱低減器の断面図を示す。
【図２】  図１の蒸気過熱低減器の内管に設けたスプレー噴霧孔の内管の軸方向の断面図を示す。
【図３】  図１の蒸気過熱低減器の内管に設けたスプレー噴霧孔の内管の軸に対して垂直方向の断面図を示す。
【図４】  本発明の実施の形態の蒸気過熱低減器の断面図を示す。
【図５】  本発明の実施の形態の蒸気過熱低減器を示す。
【図６】  本発明の実施の形態の蒸気過熱低減器を示す。
【図７】  本発明の実施の形態の片持ち型のノズルステム管を有する蒸気過熱低減器を示す。
【図８】  従来の蒸気過熱低減器を示す。
【図９】  ボイラ負荷とスプレー流量の関係などの特性図を示す。
【図１０】  従来の蒸気過熱低減器の断面図およびノズルステム管外表面の温度分布特性図を示す。
【図１１】  本発明が適用されるボイラの給水、蒸気系統図を示す。
【図１２】  本発明が適用される排熱回収ボイラの給水、蒸気系統図を示す。
【符号の説明】
１  ノズルステム管                    ２  スプレー噴霧孔
３  内管                              ４  外管
５〜８  流出孔                        ９  蒸気管
１０  蒸気過熱低減器                  １１  スパイラルフィン
【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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【図１１】
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【図１２】
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