JPH09229300A - 高温ガス配管系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】２つのボイラーから引き出された高温ガスが温
度差を持つ場合でも、タービンへ流入する前に均一な温
度に混合され、かつ配管系全体の大きな振動が発生しな
い経路を有する高温ガス配管系を提供する。 【解決手段】二つのボイラーからタービンへ高温ガスを
供給する高温ガス配管系において、前記２つのボイラー
Ａ，Ｂから引き出されたそれぞれの配管が、１本の配管
に合流し、かつタービンに流入する手前で再び２本の配
管に分岐され、タービンに２箇所から流入する経路を有
するように形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高温ガス配管系の改
良に係わり、特に加圧流動床プラントのボイラーからタ
ービンへ高温ガスを供給する配管系およびその配管に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】次世代の高効率火力プラントとして開発
が進められている加圧流動床（ＰＦＢＣ）プラントは、
バーナー炉にて微粉炭を燃焼させ、この燃焼により得ら
れた高温ガスを配管系を介してガスタービンへ送り込
み、ガスタービンに結合されている発電機にて発電する
ように形成されている。

【０００３】このＰＦＢＣプラントは、図２にその基本
構成が示されているように、二つのバーナー炉が設置さ
れ、一つは高圧蒸気タービンからの排出蒸気の高温加熱
に、もう一つは排熱回収熱交換器からの再循環水を再加
熱する機能を持つように形成されている。このような構
成をとることによりプラント全体の熱効率が既存のコン
バインドサイクルより高くなり、また１個のバーナー炉
のサイズが小さくなることにより建設コストを抑えるこ
とができ、非常に有効なプラント構成と評価されてい
る。

【０００４】しかし、このＰＦＢＣプラントはバーナー
炉からタービンへのガスの温度が非常に高く、このガス
配管系では、高温ガスによる配管全体の熱伸びを吸収す
るため、配管の支持は、例えばハンガースプリング等の
ルーズな支持構造となっている。このように高温ガスで
あること、また熱伸びを吸収する配管支持であることか
ら、内部流の変動が大きくなると配管全体の振動が生じ
やすくなるため、配管経路は、建屋や機器の配管関係も
含め、エルボー、分岐、合流、デフューザ、レデューサ
などの各種配管要素を組み合わせて用い、内部流の変動
が小さくなるようにしている。

【０００５】また、上述の高温ガス配管は、図５にも示
されているように外管の変形を防止するため、外管と内
管の２重管から構成され、かつ外管と内管の間に断熱材
が充填さた構成をなしている。この場合、高温の流体に
直接触れる内管はその熱伸びを吸収するため、流れ方向
の一定間隔毎に、分割して外管と一体構造をなし、分割
された内管同士の間には、一定間隔のギャップ（熱伸び
時のスライドギャップ）が存在するように形成されてい
る。

【０００６】なお、この種の高温ガス配管に関連するも
のとしては、例えば特開昭５９−６４９４号公報あるい
は特開昭６１−６４９８号公報などが挙げられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように形成され、
またこのような配管系を有するＰＦＢＣプラントは、従
来から採用されてきたコンバインドサイクル，すなわち
燃焼器に隣接させてガスタービンが配置されているコン
バインドサイクルの火力プラントに比較し、燃焼ガスの
温度および蒸気の温度が大幅に上昇することから、各機
器はもとより特に配管系の熱応力による変形が生じ易
く、また、プラント起動時や運転状態の変化により２個
のバーナーから、それぞれ温度の異なる高温ガスが発生
する場合が生じるが、この場合温度差のある状態でター
ビンへ流入するとタービン翼の変形、回転効率の低下を
招く恐れがあった。

【０００８】また前述したように、配管が断熱材を有す
る外管と内管の２重管から構成され、かつ内外配管の熱
伸びを吸収するため内管が長手方向にギャップを有する
ように形成されていることから、このギャップを介して
図６に示されているように断熱材の部分に剥離渦により
高温の流体が流入する恐れがあった。すなわち、この図
は合流部の下流および分岐部の下流で、剥離渦が発生し
逆流領域が管壁の近傍に発生する状況を示したもので、
この剥離渦により断熱材充填部へ蒸気が吹き込まれる恐
れがあった。

【０００９】この内管分割構造における一定間隔のギャ
ップでは、エルボー部や合流部、分岐部において、上述
の剥離渦のほかに主流の向きが変更される過程で管周方
向に圧力分布が生じるため、内管主流部と断熱部充填領
域の間で、吹き込みや噴き出しの流れが発生する。内管
主流部から、ギャップを通して断熱部充填領域へ吹き込
み流れが発生すると、この流速が大きい場合は、断熱材
を圧縮し、同時に熱的な劣化を発生させる。また、この
断熱材の圧縮と劣化が著しくなると、内管主流部から断
熱部充填領域へ吹き込んだ流れが、外管の内表面まで到
達する可能性がある。この場合、外管は設定温度以上の
高温となるため、異常な膨張が発生し配管全体に大きな
熱応力が加わり、大きな構造変形を引き起こす恐れがあ
った。

【００１０】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、例えば加圧流動床プラントのボイ
ラーからタービンへ高温ガスを供給する配管系におい
て、２つのボイラーから引き出された高温ガスが温度差
を持つ場合でも、タービンへ流入する前に均一な温度に
混合され、かつ配管系全体の大きな振動が発生しない経
路を有するこの種の高温ガス配管系およびその高温ガス
配管を提供するにある。

【００１１】さらにまた、配管系の合流部あるいは分岐
部の下流で、主流から断熱材充填部へ高温流体の噴き出
しが発生することのないこの種の高温ガス配管系を提供
するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、二つ
のボイラーからタービンへ高温ガスを供給する高温ガス
配管系において、前記２つのボイラーから引き出された
それぞれの配管が、１本の配管に合流し、かつタービン
に流入する手前で再び２本の配管に分岐され、タービン
に２箇所から流入する経路を有するように形成し所期の
目的を達成するようにしたものである。

【００１３】また本発明は、前記２つのボイラーから引
き出された２本の配管が１本の配管に合流する部分にお
いて、主流の配管に対して合流する配管が、主流の配管
の側面から９０゜の角度で連結するように形成したもの
である。また前記２つのボイラーから引き出されたそれ
ぞれの配管が、１本の配管に合流するまでに、それぞれ
複数個のエルボー部を有するように形成したものであ
る。また前記タービンに流入する手前で２本の配管に分
岐する部分において、分岐した後流側に管中心軸は同一
で、直径が徐々に減少するレデューサをそれぞれ設ける
ようにしたものである。

【００１４】また前記合流部と分岐部との間で、かつ分
岐位置より管直径の５倍以上離れた上流側にエルボーを
設置するようにしたものである。またこの場合、前記配
管を、内管と外管の二重配管に形成され、かつ内外管の
間に断熱材が充填されている配管としたものである。さ
らに、前記２つのボイラーから引き出された２本の配管
が、１本の配管に合流する部分と、タービンに流入する
手前で再び２本の配管に分岐する部分においてのみ、二
重管構造の内管が、断熱材充填部に通じる間隙が存在し
ない形に形成したものである。

【００１５】さらに本発明は、複数の配管が一つの配管
に合流する合流部，若しくは一つの配管が複数の配管に
分岐する分岐部を有するとともに、これらの配管がそれ
ぞれ内管と外管の二重配管に形成され、かつその内外管
の間に断熱材が充填され、かつ内管がその長手方向に所
定の間隔毎に熱伸縮スライドギャップを備えている高温
ガス配管系において、前記合流部若しくは分岐部におけ
る内管のスライドギャップを、合流部若しくは分岐部で
生じる管内流体の逆流領域外に位置するように形成した
ものである。

【００１６】また複数の配管が一つの配管に合流する合
流部，若しくは一つの配管が複数の配管に分岐する分岐
部を有するとともに、この配管が内管と外管の二重配管
に形成され、かつ内外管の間に断熱材が充填され、かつ
内管がその長手方向に所定の間隔毎に熱伸縮スライドギ
ャップを備えている高温ガス配管系において、前記合流
部若しくは分岐部における内管のスライドギャップを、
合流部若しくは分岐部で生じる管内流体の逆流領域に対
応した内管の円周方向反対側位置にのみ形成するように
したものである。

【００１７】また配管系の途中に、配管の管直径が徐々
に増加する配管を備え、かつこの配管系が内管と外管の
二重配管にて形成され、かつ内外管の間に断熱材が充填
されている高温ガス配管系において、前記直径が徐々に
増加する配管の領域を、配管内を流通する流体の流れが
垂直方向となるように配置したものである。

【００１８】また三次元配管系統の配管系の途中に、配
管の管直径が徐々に増加する配管を備え、かつこの配管
系が内管と外管の二重配管にて形成され、かつ内外管の
間に断熱材が充填されている高温ガス配管系において、
前記配管の管直径が徐々に増加する領域を、常に内部流
体の主流が水平方向となる向きに配置するようにしたも
のである。またこの場合、前記管直径が徐々に増加する
領域の上流部に一定間隔の水平直管を設け、曲がり部が
この領域に直接連結させないように形成したものであ
る。

【００１９】すなわちこのように形成されている高温ガ
ス配管系であると、２つのボイラーから引き出された２
本の配管が、一度１本の配管に合流し、その後、タービ
ンに流入する手前で再び２本の配管に分岐し、タービン
に２箇所から流入する経路を構成することにより、２つ
のボイラーから引き出された高温ガスが温度差を持つ場
合でも、タービン流入前に均一温度に混合することがで
きる。

【００２０】また、合流部分においては、主流の配管に
対して合流する配管が、主流の配管の流れに対して側面
から９０゜の角度で連結し、分岐部分においては、分岐
した直後に管中心軸は同一で、直径が徐々に減少するレ
デューサをそれぞれ設けることにより、配管内の流れの
変動を抑制し、配管系全体の大きな振動発生を防止でき
る。

【００２１】さらに、ボイラ出口から、タービン入り口
までの高温ガス配管において、建屋や機器の配置関係か
らエルボー、分岐、合流、デフューザ、レデューサなど
の各種配管要素を用いた場合、特に、問題となる流れの
逆流領域は、流動解析結果から、（１）Ｔ字合流部の内
側下流部分、（２）分岐部下流、（３）曲率半径の小さ
いエルボー下流の部分で発生することが分かっている。
これらの領域においては、内管にはギャップが形成され
ていないことから、逆流により内管のギャップから断熱
材充填部への高温ガスが噴き出すことはなく、したがっ
て２つのボイラーから引き出された高温ガスが温度差を
持つ場合でも、タービンへ流入する前に均一な温度に混
合され、かつ配管系全体の大きな振動が発生しない経路
とすることができ、また配管系の合流部あるいは分岐部
の下流で、主流から断熱材充填部へ高温流体の噴き出し
が発生することがないこの種の高温ガス配管系とするこ
とができるのである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１にはその高温ガス配管系が
斜視図で示されている。一次サイクロンＡから出た配管
は、２個のエルボー部Ａ１，Ａ２を経て合流部９に達
し、二次サイクロンＢから出た配管は３個のエルボー部
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を経て合流部９に達する。これらのエ
ルボーは、高温ガスによる配管の熱伸びを吸収するため
に設置されているわけであるが、これらのエルボーを合
流部直前に設置すると、エルボー部で発生する剥離渦が
合流部の流れに大きく影響し、合流部における圧力変
動、圧力損失が大幅に増加する。そのため、この実施例
では、一次サイクロンＡから出た配管には最後のエルボ
ーを出た後、管径が徐々に増大するデフューザが設けら
れ、エルボー部で発生する剥離渦の影響を抑制するよう
にしている。

【００２３】なお、このデフューザを設ける場合、デフ
ューザ内での主流の流れ方向が水平な場合は、デフュー
ザ内の鉛直下部分の滞留領域に配管内流体の塵埃、すな
わちＰＦＢＣプラントの場合は灰が堆積する可能性があ
る。そのため、本実施例におけるデフューザは、主流の
流れ方向が鉛直方向となるよう設定されている。

【００２４】図３には、合流部の拡大形状が示されてい
る。二次サイクロンＡから出た配管は、二次サイクロン
Ｂから出た配管の流れに対して側面から９０゜の角度で
連結されている。この２本の配管の合流部形状の断面図
が図８に示されている。合流部の下流で剥離渦による逆
流領域が発生するため、この部分に内管のギャップが位
置しないように、合流部直後の内管のみギャップの無い
構成となっている。

【００２５】合流部の形状としては、本実施例の他に、
図１０に示したような１８０゜対抗型が考えられる。こ
の合流形状では、対抗の軸をずらすことにより、旋回流
を発生させ温度混合を促進させる効果がある。一方、流
れが対抗して合流するため、合流部での圧力変動幅が増
大する。３次元の非定常流動解析の結果、本実施例の合
流形状では、圧力変動の最大値が１８００（ｐａ）に対
して、図１０の対抗合流型では、圧力変動の最大値が６
３５０（ｐａ）と３．５倍となった。

【００２６】温度混合に関しては、対抗合流型の方が合
流から下流３Ｄ（配管径の３倍の長さ）程度で均一温度
に混合するが、本実施例の合流形状では、５Ｄから６Ｄ
で均一温度に混合する。しかし、タービン入り口では、
どちらの形状でも均一温度になっている。そのため、本
実施例の合流形状の方が、配管振動のポテンシャルが小
さくて、タービンへ均一温度の高温ガスを供給できる。

【００２７】合流部後は、図３に示したようにプラント
建屋、機器配置の都合上、２個のエルボーを経て分岐部
に達する。分岐部においても直前にエルボーを設置する
と同部分での剥離、偏流の影響が分岐部に影響し、圧力
変動、圧力損失の増加を招く。さらに、ＰＦＢＣプラン
トの配管では、分岐後の流量を左右均等に設定する必要
があり、分岐前のエルボーの影響は極力抑制する必要が
ある。そのため、分岐部の直前には一定長さの直管部が
設けられている。

【００２８】そして分岐直後には、左右に別れた両方向
ともに管直径が徐々に減少するレデューサが設けられて
いる。このレデューサにより、分岐部で発生した剥離渦
および変動が抑制される。レデューサで乱れを抑制した
後に、エルボーを設けガスタービンに流入させる。図４
にはその分岐部が拡大して示されている。レデューサ後
のエルボーが下方向に曲がっているのは、機器の配置の
都合である。図９には、分岐部の管断面形状を示した。
分岐部の下流で剥離渦による逆流領域が発生するため、
この部分に内管のギャップが位置しないように、分岐部
直後の内管のみギャップの無い構成としている。

【００２９】図１１には本発明の高温ガス配管系の第２
の実施例の合流部と分岐部の断面が示されている。本実
施例では、合流部と分岐部のみ内管の厚みを増加させて
いる。第１の実施例のように、合流部と分岐部のみ内管
ギャップの間隔を長くすると、支持間隔が長くなり圧力
変動による変形量が増加する。また、これらの部分で
は、流れの乱れによる圧力変動自体が直管部分より大き
くなる。そのため、同部分のみ、内管厚みを増加させ、
変形量を抑制し、構造的な健全性を保持する。

【００３０】図１２、図１３には本発明の高温ガス配管
系の３の実施例の合流部と分岐部の断面が示されてい
る。本実施例では、合流部と分岐部のみ内管ギャップの
間隔は、直管部分と同程度にし、逆流領域が生じる管周
方向のみ、内管ギャップを塞ぎ、同部分から断熱材充填
部への噴き出しを抑制する。合流部と分岐部では逆流の
発生領域が異なるため、内管ギャップを塞ぐ領域もこと
なってくる。

【００３１】以上説明してきたように、本発明の高温ガ
ス配管系であると、加圧流動床プラントのボイラーから
タービンへ高温ガスを供給する配管において、２つのボ
イラーから引き出された高温ガスが温度差を持つ場合で
も、タービン流入前に均一温度に混合し、同時に配管系
全体の大きな振動が発生しない経路を持つ高温ガス配管
系とすることができる。

【００３２】さらに、曲率半径の小さいエルボーの下流
領域、エルボーの直後にデフューザが連結される配管領
域およびＴ字合流部の合流位置より下流領域に、逆流が
発生する領域に内管ギャップを設置しないことにより、
断熱材充填部への高温ガスの噴き出しを防止でき、プラ
ント全体の健全性が向上する。

【００３３】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、ボイラーからタービンへ高温ガスを供給する配管系
において、２つのボイラーから引き出された高温ガスが
温度差を持つ場合でも、タービンへ流入する前に均一な
温度に混合され、かつ配管系全体の大きな振動が発生し
ない経路を有するこの種の高温ガス配管系を得ることが
でき、また、配管系の合流部あるいは分岐部の下流で、
主流から断熱材充填部へ高温ガスの噴き出しが発生する
ことのないこの種の高温ガス配管系を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高温ガス配管系の一実施例を示す縦断
側面図である。

【図２】従来の加圧流動層プラントの基本構成線図であ
る。

【図３】本発明の高温ガス配管系の合流部の一実施例を
示す拡大斜視図である。

【図４】図１の実施例の分岐部の拡大図である。

【図５】配管断面の基本構成概略図である。

【図６】高温ガス配管系の合流部、分岐部での流れの模
式図である。

【図７】合流部下流の流れと管内壁面の圧力分布の模式
図である。

【図８】本発明の高温ガス配管系の第１の実施例の合流
部の構成概略図である。

【図９】本発明の高温ガス配管系の第１の実施例の分岐
部の構成概略図である。

【図１０】本発明の高温ガス配管系の合流部形状の他の
実施例を示す斜視図である。

【図１１】本発明の高温ガス配管系の第２の実施例の合
流部の構成概略図である。

【図１２】本発明の高温ガス配管系の第２の実施例の分
岐部の構成概略図である。

【図１３】本発明の高温ガス配管系の第３の実施例の合
流部の構成概略図である。

【符号の説明】

１…高温ガス配管、２…ボイラー、３…一次サイクロ
ン、４…二次サイクロン、５…ガスタービン、６…コン
プレッサ、７…発電機、８…エルボ、９…合流部、１０
…分岐部、１１…レデューサ、１２…デフューザ、１３
…断熱材、１４…外管、１６…内管、１７…内管支持
板、１８…逆流領域、１９…内管ギャップ、２０…ギャ
ップ閉じリング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 雅記 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 石居 憲法 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 梅垣 菊男 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の配管が一つの配管に合流する合流
   部，若しくは一つの配管が複数の配管に分岐する分岐部
   を有するとともに、これらの配管がそれぞれ内管と外管
   の二重配管に形成され、かつその内外管の間に断熱材が
   充填され、かつ内管がその長手方向に所定の間隔毎に熱
   伸縮スライドギャップを備えている高温ガス配管系にお
   いて、 前記合流部若しくは分岐部における内管のスライドギャ
   ップを、合流部若しくは分岐部で生じる管内流体の逆流
   領域外に位置するように形成したことを特徴とする高温
   ガス配管系。
2. 【請求項２】 複数の配管が一つの配管に合流する合流
   部，若しくは一つの配管が複数の配管に分岐する分岐部
   を有するとともに、この配管が内管と外管の二重配管に
   形成され、かつ内外管の間に断熱材が充填され、かつ内
   管がその長手方向に所定の間隔毎に熱伸縮スライドギャ
   ップを備えている高温ガス配管系において、 前記合流部若しくは分岐部における内管のスライドギャ
   ップを、合流部若しくは分岐部で生じる管内流体の逆流
   領域に対応した内管の円周方向反対側位置にのみ形成す
   るようにしたことを特徴とする高温ガス配管系。
3. 【請求項３】 配管系の途中に、配管の管直径が徐々に
   増加する配管を備え、かつこの配管系が内管と外管の二
   重配管にて形成され、かつ内外管の間に断熱材が充填さ
   れている高温ガス配管系において、 前記直径が徐々に増加する配管の領域を、配管内を流通
   する流体の流れが垂直方向となるように配置したことを
   特徴とする高温ガス配管系。
4. 【請求項４】 三次元配管系統の配管系の途中に、配管
   の管直径が徐々に増加する配管を備え、かつこの配管系
   が内管と外管の二重配管にて形成され、かつ内外管の間
   に断熱材が充填されている高温ガス配管系において、 前記配管の管直径が徐々に増加する領域を、常に内部流
   体の主流が水平方向となる向きに配置したことを特徴と
   する高温ガス配管系。
5. 【請求項５】 前記管直径が徐々に増加する領域の上流
   部に一定間隔の水平直管を設け、曲がり部がこの領域に
   直接連結させないように形成してなる請求項５記載の高
   温ガス配管系。
6. 【請求項６】 二つのボイラーからタービンへ高温ガス
   を供給する高温ガス配管系において、 前記２つのボイラーから引き出されたそれぞれの配管
   が、１本の配管に合流し、かつタービンに流入する手前
   で再び２本の配管に分岐され、タービンに２箇所から流
   入する経路を有するように形成したことを特徴とする高
   温ガス配管系。
7. 【請求項７】 前記２つのボイラーから引き出された２
   本の配管が１本の配管に合流する部分において、主流の
   配管に対して合流する配管が、主流の配管の側面から９
   ０゜の角度で連結するように形成してなる請求項１記載
   の高温ガス配管系。
8. 【請求項８】 前記２つのボイラーから引き出されたそ
   れぞれの配管が、１本の配管に合流するまでに、それぞ
   れ複数個のエルボー部を有するように形成されてなる請
   求項６または７記載の高温ガス配管系。
9. 【請求項９】 前記タービンに流入する手前で２本の配
   管に分岐する部分において、分岐した後流側に管中心軸
   は同一で、直径が徐々に減少するレデューサをそれぞれ
   設けてなる請求項６，７または８記載の高温ガス配管
   系。
10. 【請求項１０】 前記合流部と分岐部との間で、かつ分
    岐位置より管直径の５倍以上離れた上流側にエルボーを
    設置してなる請求項６，７，８または９記載の高温ガス
    配管系。
11. 【請求項１１】 前記配管が、内管と外管の二重配管に
    形成され、かつ内外管の間に断熱材が充填されている請
    求項６，７，８，９または１０記載の高温ガス配管系。
12. 【請求項１２】 前記二重管構造の内管が、流れ方向の
    一定間隔毎に、断熱材充填部に通じる間隙が存在する形
    に外管に連結してなる請求項１１記載の高温ガス配管
    系。
13. 【請求項１３】 前記２つのボイラーから引き出された
    ２本の配管が、１本の配管に合流する部分と、タービン
    に流入する手前で再び２本の配管に分岐する部分におい
    てのみ、二重管構造の内管が、断熱材充填部に通じる間
    隙が存在しない形に形成してなる請求項１２記載の高温
    ガス配管系。