JP5773708B2

JP5773708B2 - 熱交換器及び熱交換器の余寿命推定方法

Info

Publication number: JP5773708B2
Application number: JP2011080429A
Authority: JP
Inventors: 直行神山; 剛之宮地; 岡本　卓也; 卓也岡本; 祐一郎里
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: WO2012132587A1; EP2693154A1; US20130340976A1; EP2693154A4; JP2012215335A

Description

本発明は、熱交換器及び熱交換器の余寿命推定方法に関する。

火力発電プラントや化学プラント用のボイラの排ガス処理装置は、システム構成の一般的な一例として、排ガス流路に脱硝装置、空気予熱器エアヒータ、再加熱用ガスガスヒータの熱回収器、乾式電気集塵機、湿式脱硫装置、上記ガスガスヒータの再加熱器及び煙突が順に配設されている。ここで水管式ガスガスヒータは、上記熱回収器と再加熱器とを冷温水循環ラインで接続して水を媒体として循環ポンプにより排ガスと熱交換を行なうものである。
この処理装置では、ボイラの排ガスをエアヒータに導き燃焼用空気と熱交換して排ガス温度を例えば１３０〜１５０℃程度まで冷却してガスガスヒータの熱回収器に導き更に排ガス温度を冷却した後、電気集塵装置に導きフライアツシユを除去した後、電気集塵装置の出口における高温排ガスを水との熱交換により更に低温にして湿式脱硫装置に導く。湿式脱硫装置では、排ガス中のＳＯ₂を例えば石灰石をスラリー状に溶かし込んだ吸収液で吸収除去し、更にこの気液接触過程で、排ガス中の残存フライアッシュも除去する。次いでＳＯ₂及びフライアッシュが除去された排ガスをガスガスヒータ再加熱器に導く。ここでは、湿式脱硫装置の処理過程においてＳＯ₂吸収液等で降温された排ガス温度をガスガスヒータ再加熱器に配された配管内部を通過する熱媒水との熱交換により高める。このことにより煙突から大気放出する際、水分凝縮量の低減による白煙発生防止と、温度上昇による拡散効率向上の機能を果たしている。
例えば石炭火力発電所における大型のガスガスヒータ熱回収器及び再加熱器の熱交換方式としてフィンチューブ式熱交換器が提案されている（特許文献１）。

特開平１１−３０４１３８号公報

ところで、熱交換器の伝熱バンドルのメンテナンスを行う際、以下の問題点が発生していた。
１）火力発電プラントにおけるフィンチューブ式熱交換器の伝熱管への燃焼飛灰のブラスト効果による経時摩耗、或いは同灰組成が付着性・腐食性を持つ場合、該灰が伝熱面に固着して腐食が進行し、チューブの肉厚が経年的に低下していく。
バンドルの大規模補修や更新で計画外停止をすると、商業運転阻害による売電損害が発生する。このため熱媒水漏洩は非常に重要な問題とされている。

２）熱媒漏洩を把握する為の監視方法として、熱媒タンクの水位を検知しこれが所定レベルまで低下した場合は制御装置から警報を発するようにしており、これが発報した場合、まず漏洩が熱回収側か再加熱側かを推定（熱媒入出弁を１個ずつ閉め熱媒タンク水位低下有無を確認）し、その後特定できた側の個別バンドルに対して気密リークチェックを行っていき、更に漏洩バンドルの漏洩チューブ箇所を気密試験で絞り込み補修を行う。
熱媒タンク水位による検知は排ガス・熱媒温度の安定時間律則で数時間／１バンドル要し、気密試験は１箇所あたり数分を要し、しかも、漏洩箇所が経時的に増加していく場合は、特定が非常に困難を極める。

本発明は、前記問題に鑑み、漏洩検査時間の手間を省くことができる熱交換器及び熱交換器の余寿命推定方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、熱回収又は熱交換用の複数の伝熱管を有する熱交換器であって、前記伝熱管に循環する熱媒体を供給する循環流路から、前記熱媒体の一部を分岐する分岐通路と、この分岐した熱媒体を導入すると共に、定期的に抜き出し可能なダミーチューブと、前記ダミーチューブからの熱媒体を循環流路へ返送するポンプと、を備えると共に、前記ダミーチューブが、熱交換器を貫通する貫通管又は熱交換器の途中で折り返すＵ字管であり、且つ前記ダミーチューブが、熱交換器のガス導入側又は排出側のガス温度が高温側に少なくとも設けられることを特徴とする熱交換器にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記ダミーチューブが、前記熱回収又は熱交換用の複数の伝熱管の配置方向と同一方向に挿入されていることを特徴とする熱交換器にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、熱回収又は熱交換用の複数の伝熱管を有する熱交換器が、熱回収の複数の伝熱管を有する熱回収器と、熱交換用の複数の伝熱管を有する再加熱器とからなり、前記熱回収器の伝熱管と、前記再加熱器の伝熱管とに、循環流路により循環する熱媒体を循環させると共に、前記熱回収器から再加熱器へ前記熱媒体を供給する循環通路に、前記熱回収器において降温した熱媒体を加熱する熱交換部を設けることを特徴とする熱交換器にある。

第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つにおいて、前記ダミーチューブが、ベアチューブであることを特徴とする熱交換器にある。

第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの熱交換器を用い、前記ダミーチューブの劣化状況から、伝熱管の減肉状態を判定し、伝熱管の交換時期を予測することを特徴とする熱交換器の余寿命推定方法にある。

本発明によれば、定期的にこのダミーチューブを抜き出して、その表面の減肉量を検査して、伝熱管の損傷状態等を把握することができる。

図１は、実施例１に係る排ガス処理設備の熱交換器の概略図である。図２は、実施例１に係る他の熱交換器の概略図である。図３は、伝熱管の肉厚と、運転時間との関係図である。図４は、実施例２に係るダミーチューブの概略図である。図５は、実施例２に係るダミーチューブの電導センサを設置した概略図である。図６は、本実施例に係る熱交換器が適用される排ガス処理システムの概略図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図６は、本実施例に係る熱交換器が適用される排ガス処理システムの概略図である。
図６に示すように、排ガス処理システム１００は、発電プラントや工場などのボイラ１０１から排出される排ガスＧ ₈が煙突１１１から放出される過程で、当該排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、煤塵、および硫黄酸化物（ＳＯｘ）を除去するものである。

先ず、ボイラ１０１から排出された排ガスＧ₀は、触媒が充填された脱硝装置１０２に導入される。脱硝装置１０２において、還元剤として注入されるアンモニア（ＮＨ_３）により、排ガスＧ₀に含まれる窒素酸化物が水と窒素とに還元され無害化される。

脱硝装置１０２から排出された排ガスＧ₁は、エアヒータ（ＡＨ）１０３を経由し、一般に１３０℃〜１５０℃の温度に冷却される。

エアヒータ１０３を経た排ガスＧ₂は、ガスガスヒータの熱交換器である熱回収器１０４に導入され、熱媒体（例えば水など）と熱交換を行うことにより、熱回収される。熱回収器１０４を経た排ガスＧ₃の温度は、概略８５〜１１０℃となり例えば電気集塵機（ＥＰ）１０５での集塵能力が向上される。

熱回収器１０４を経た排ガスＧ₃は、電気集塵機１０５に導入され煤塵が除去される。

電気集塵機１０５を経た排ガスＧ₄は、電動機により駆動される送風機１０６により昇圧される。なお、この送風機１０６は、設けない場合もあるし、ガスガスヒータ再加熱器１０８の後流Ｇ₇に配置される場合もある。

送風機１０６により昇圧された排ガスＧ₅は、脱硫装置１０７に導入される。脱硫装置１０７では、石灰石をスラリー状に溶かし込んだ吸収液により、排ガスＧ₅中の硫黄酸化物が吸収除去され、副生成物として石膏（図示せず）が生成される。そして、脱硫装置１０７を経た排ガスＧ₆の温度は、一般に約５０℃程に低下する。
熱回収器１０４と再加熱器１０８とは図示しない熱媒体が循環ポンプ１０９により一対の循環通路１１０を介して循環され、熱交換されている。

図１は、実施例１に係る排ガス処理設備の熱交換器の概略図である。図２は、実施例１に係る他の熱交換器の概略図である。
図１に示すように、脱硫装置１０７を経た排ガスＧ₆は、ガスガスヒータの熱交換器である再加熱器１０８に導入される。再加熱器１０８は、上記熱回収器１０４との間で熱媒体８３を循環ポンプ１０９により一対の循環通路Ｌ₁を往来して循環する過程で、熱回収器１０４により回収された回収熱により排ガスＧ₆を加熱する。ここで５０℃程度の脱硫装置１０７の出口排ガスＧ_６の温度は、再加熱器１０８で約８５〜１１０℃に再加熱され、煙突１１１から大気放出される。

図１においては、排ガスＧ₂が導入され、熱媒体８３と熱交換する熱交換器が設けられている。
熱交換器は、熱回収器１０４と再加熱器１０８とを熱媒体８３が循環するための熱媒体循環通路Ｌ₁を有する。熱媒体８３は、熱媒体循環通路Ｌ₁を介して熱回収器１０４と再加熱器１０８との間を循環している。熱回収器１０４と再加熱器１０８との各々の内部に設けられる熱媒体循環通路Ｌ₁の表面には、伝熱管である複数のフィンが伝熱管１１に設けられている。熱媒体循環通路Ｌ₁には熱交換部８６が設けられ、熱媒体８３が循環する際に放熱で奪われた降温相当のエネルギーをスチーム８７で加熱することで補い、熱媒体８３の媒体温度を維持調整することができる。

熱媒体８３は、熱媒体タンク８８から熱媒体循環通路Ｌ₁に供給される。熱媒体８３は、循環ポンプ１０９により熱媒体循環通路Ｌ₁内を循環させる。また、脱硫装置１０７からの排ガスＧ₆のガス温度に応じて調節弁Ｖ₁によりスチーム８７の供給量を調整し、熱回収器１０４から排出される排ガスＧ₃のガス温度に応じて調節弁Ｖ₂により再加熱器１０８に送給される熱媒体８３を熱回収器１０４に供給し、再加熱器１０８に送給される熱媒体８３の供給量を調整する。なお、再加熱器１０８から排出される浄化ガスＧ₇は煙突１１１から外部に排出される。

本実施例では、熱回収器１０４のガス入り口側及びガス出口側近傍、並びに再加熱器１０８のガス排出側近傍に、直列内部循環型ダミーチューブ３０が内挿管３１を介して各々設けられている。
直列内部循環型ダミーチューブ３０内には、熱媒体循環通路Ｌ₁から分岐した分岐配管Ｌ₂により熱媒体８３を循環させている。
直列内部循環型ダミーチューブ３０は、外部のフィンが付いていないベアチューブとするのが好ましい。

循環通路Ｌ₁から実熱媒体８３を小型ポンプ３２で抜出し、直列内部循環型ダミーチューブ３０に導入して循環させる事で、伝熱管の内面外面両方の減肉を管理し易くしている。
また、直列内部循環型ダミーチューブ３０の前後バルブＶ₁₁、Ｖ₁₂の開度を調整する事で、循環通路Ｌ₁の圧力計Ｐ_1Aより直列内部循環型ダミーチューブ３０側の圧力Ｐ_1Bを少し高くする事で、循環通路Ｌ₁に熱媒体８３を戻すことができる。

ダミーチューブ３０は、図１に示すような熱回収器１０４（再加熱器１０８）を貫通する貫通管であってもよい。
また、図２に示すように、貫通管が長すぎる場合は、片側から挿入されるような熱回収器１０４（再加熱器１０８）の途中で折り返すＵ字内部循環型ダミーチューブとしても良い。

ダミーチューブ３０の設置位置は、事前のガス流動シミュレーション等で摩耗速度の速い箇所を推定し、その近傍に設置するようにしている。

そして、循環通路Ｌ₁から一部抜き出した熱媒体８３をダミーチューブ３０内に通し、定期的にこのダミーチューブ３０を抜き出して、その表面の減肉量を検査するようにしている。
また、ダミーチューブ３０を複数個所に設置する事で、概略の損傷位置も把握でき、対策も容易となる。

定期抜出し検査結果から、伝熱管１１の交換時期を外挿推定し、交換必要時期を推測することができる。これにより、残存肉厚を最小限に出来、更新設備の手配も効率的に行える。

図３は、伝熱管の肉厚と、運転時間との関係図である。
図３において、計画減肉速度（実線）を基本とし、Ｘ年目に伝熱管の集合体であるバンドルを交換する計画を立案していたとする。

本実施例のダミーチューブにより、減肉速度推定頻度を上げる事が出来れば、余寿命予測精度が向上し、それに対応して保守計画が立て易くなる。
その結果、余寿命年数近くまで設備を稼働できる為不要な更新工事を行わなくても済むこととなる。

具体的には、定期検査により、実測減肉速度が計画より速い場合には、バンドル交換計画（Ｉ）を設定し、バンドル交換（Ｉ）をＸ−１年目で行う。
この場合には、Ｘ年目の計画立案より早く交換するので、メンテナンスコストがかかることとなるが、不意のプラント停止の事態を回避することが可能となる。

これに対し、定期検査により、実測減肉速度が計画より遅い場合には、バンドル交換計画（II）を設定し、バンドル交換（II）をＸ＋１年目で行う。
この場合には、Ｘ年目の計画立案より遅く交換するので、メンテナンスコストが小さくなり、立案された交換計画の時期において、不要な更新工事を行わなくて済むこととなる。
なお、図３中、ＴＳＲ（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｓｈｅｌｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ）とは、伝熱管が強度を保つために必要とされる最低厚さをいう。

本発明によれば、ダミーチューブを設置することにより、運転中に、減肉量を管理できるようになる。
また、伝熱管１１の内面における熱媒体８３による腐食減肉の監視、及び外面の摩耗，内部腐食の監視により、減肉管理の精度が向上する。
また、定期的な検査においても、交換必要時期を推測することで、残存肉厚を最小限に出来、更新設備の手配も効率的に行うことができる。

図４は、実施例２に係るセンサ付きダミーチューブの概略図である。図５は、実施例２に係るセンサ付きダミーチューブの電導センサを設置した概略図である。
図４及び図５に示すように、本実施例のセンサ付きダミーチューブ４０は、熱媒体ラインからの熱媒体に電気伝導媒質を含ませた充填液４３を内部に充填している。
そして、前記充填液４３内にその先端４１ａが浸漬される電導センサ４１をシール部４２でシールして設けている。

そして、事前シミュレーションで摩耗が生じやすい事が予測されている部位複数個所の内部に電導センサ４１を設置したセンサ付きダミーチューブ４０を設置する。
センサ付きダミーチューブ４０には電気伝導媒質を含ませた充填液４３を充満させておき、シール部４２によりシールしておく。
センサ付きダミーチューブ４０が減肉して電導センサ４１の先端４１ａより低くなると、電導センサ４１が不導状態を感知し、遠隔監視システムに発報して、ダミーチューブの異常を知らせる。

このように、本発明においては、ダミーチューブを設置することで、定期的にこのダミーチューブを抜き出して、その表面の減肉量を検査して、伝熱管の損傷状態等を把握することができる。
また、その劣化状況から、伝熱管の減肉状態を判定し、伝熱管の交換時期を予測することができる。

３０、４０ダミーチューブ
４１電導センサ
８３熱媒体

Claims

熱回収又は熱交換用の複数の伝熱管を有する熱交換器であって、
前記伝熱管に循環する熱媒体を供給する循環流路から、前記熱媒体の一部を分岐する分岐通路と、
この分岐した熱媒体を導入すると共に、定期的に抜き出し可能なダミーチューブと、
前記ダミーチューブからの熱媒体を循環流路へ返送するポンプと、を備えると共に、
前記ダミーチューブが、熱交換器を貫通する貫通管又は熱交換器の途中で折り返すＵ字管であり、且つ前記ダミーチューブが、熱交換器のガス導入側又は排出側のガス温度が高温側に少なくとも設けられることを特徴とする熱交換器。
請求項１において、
前記ダミーチューブが、前記熱回収又は熱交換用の複数の伝熱管の配置方向と同一方向に挿入されていることを特徴とする熱交換器。
請求項１又は２において、
熱回収又は熱交換用の複数の伝熱管を有する熱交換器が、
熱回収の複数の伝熱管を有する熱回収器と、熱交換用の複数の伝熱管を有する再加熱器とからなり、
前記熱回収器の伝熱管と、前記再加熱器の伝熱管とに、循環流路により循環する熱媒体を循環させると共に、
前記熱回収器から再加熱器へ前記熱媒体を供給する循環通路に、前記熱回収器において降温した熱媒体を加熱する熱交換部を設けることを特徴とする熱交換器。
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記ダミーチューブが、ベアチューブであることを特徴とする熱交換器。
請求項１乃至４のいずれか一つの熱交換器を用い、
前記ダミーチューブの劣化状況から、
伝熱管の減肉状態を判定し、伝熱管の交換時期を予測することを特徴とする熱交換器の余寿命推定方法。