JP2006329046A - ピストンポンプ及びピストンポンプの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構成が簡単でかつ安価に、運転時間を延長することが可能なピストンポンプ、及び簡便な方法で運転時間を延長することが可能なピストンポンプの運転方法を提供する。
【解決手段】吐出ピストン１００、該吐出ピストン１００を内蔵するシリンダ９０を含み構成される吐出シリンダ４１と、該吐出シリンダ４１と連結し、該吐出ピストン１００を駆動するピストン、ピストンロッド１２０を含み構成される油圧シリンダ７１と、該油圧シリンダ７１のピストンロッド１２０と該吐出シリンダ４１の吐出ピストン１００とを連結する連結部に、着脱可能に取り付けられたスペーサ１１０と、を備え、該スペーサ１１０を着脱することで、該吐出ピストン１００の上死点の位置を変更することが可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、ピストンポンプ、及びピストンポンプの運転方法に関し、特に長時間の運転が可能なピストンポンプ、及びそのピストンポンプの運転方法に関する。

ピストンポンプは、プランジャポンプとも呼ばれ、流体を定量的に、また高圧で圧送することができる特徴を有する。このためピストンポンプは、加圧流動床ボイラへ燃料を供給する装置としても使用されている。

加圧流動床ボイラを用いた発電システムでは、石炭を燃焼させた燃焼熱により蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動するとともに、燃焼ガスでガスタービンを駆動させ発電する複合発電システムを採用する。加圧流動床ボイラは、流動媒体をボイラ内で流動化させ、供給される石炭を流動化させながら燃焼させるため、燃焼温度が約８６０℃と低い。その結果、窒素酸化物の発生が抑制される。さらに流動媒体に石灰石を使用することで、炉内脱硫も同時に行われるなどの長所を有している。

図５は、従来から使用されている加圧流動床ボイラを用いた発電システム１の概略的構成の一部を示す図である。加圧流動床ボイラ２は、圧力容器３内に設置されており、炉内は、約１ＭＰａの圧力に保持されている。加圧流動床ボイラ２は、火炉内に流動媒体４を保有し、炉底５から供給される空気で、流動化される。燃料となる石炭などは、石炭、石灰石、及び水が混合された状態で、燃料供給管路６を通じて、火炉の下部の流動媒体４中に供給される。また、加圧流動床ボイラ２は、流動層の層高を調整するために、流動媒体を貯留するＢＭ（ベッドマテリアル）タンク７を有する。

加圧流動床ボイラ２は、水管８及び汽水分離器９を有し、石炭を燃焼させた燃焼熱により蒸気を発生させ、図示を省略した蒸気タービン、発電機を駆動し発電を行う。燃焼ガスは、図示を省略した除塵装置を介してガスタービン（図示を省略）に送られ、発電機を駆動し発電を行う。

加圧流動床ボイラ２へ供給される燃料は、次の要領で調整される。原炭バンカ１０に貯留した石炭は、粗粉砕機１１で粉砕後、分級機１２で所定の粒径の石炭に分級され、中継ホッパ１３を経由して微粉砕機１４へ送られる。微粉砕機１４に送られた粗粉砕された石炭は、ここで水を加えられ湿式粉砕される。一方石灰石は、石灰石ホッパ１５を経由して混練機１６に送られ、微粉砕機１４から送られる微粉炭、及び水と混練される。調整された燃料は、燃料タンク１７を経由して燃料ポンプ１８で火炉へ供給される。

燃料は、石炭、石灰石、水を混合し、ペースト状であることからＣＷＰ（Ｃｏａｌ Ｗａｔｅｒ Ｐａｓｔｅ）とも呼ばれている。また燃料を火炉に供給するＣＷＰポンプ１８は、流動層内が加圧状態であるため、高圧供給が可能なポンプであることが必要なことから、ピストンポンプが採用されている。

以上のような加圧流動床ボイラを用いた発電システムにおいて、ＣＷＰ燃料を安定して連続的に供給することが技術上のポイントの一つとなっており、いくつかの工夫された技術が開示されている。加圧流動床ボイラの熱効率を向上させるには、ＣＷＰに含まれる水分を極力する少なくすることが必要である。一方で水分量の低下は、ＣＷＰ燃料の粘度上昇につながり、輸送を困難とする。このためＣＷＰ燃料の流動性を維持しつつ、水分量を最小にする方法として、石炭の粒径分布を最適化する方法を用いている。

さらにＣＷＰ燃料を安定的に供給する方法として、ＣＷＰ貯留タンク内において、ＣＷＰ燃料を貯留中に石炭、石灰石の粒径分布が偏ることを防止する方法が開示されている（特許文献１参照）。この方法は、従来の縦型の攪拌器に代わり、ＣＷＰ貯留タンクに横型の攪拌器を装着し、貯留中のＣＷＰを攪拌混合するものである。このほかにも、ＣＷＰを安定供給するために、効率的にＣＷＰの粘度を管理する技術なども開示されている（例えば特許文献２参照）。
特開平１１−２３７０３５号公報 特開２０００−２６６３３６号公報

加圧流動床ボイラでは、燃料であるＣＷＰを連続的、かつ安定的に供給する方法が、技術上のポイントの一つであるが、ＣＷＰ燃料の供給に使用するピストンポンプの摩耗対策も課題の一つとなっている。ＣＷＰポンプは、ピストンタイプのポンプであり、固形分を含む流体を圧送するため、シリンダが摩耗する。摩耗対策として、シリンダの内壁に硬質クロムメッキが施されているが、当発電所においては、約２年間の運転でシリンダの吐出部の一部に異常摩耗が発生している。

シリンダに異常摩耗が発生すると、シリンダを取り替えるか、異常摩耗部を再メッキする必要があり、修理、復旧に多くの労力と費用が必要となる。特に当発電所のように、２０台ものＣＷＰポンプを有するような大型加圧流動床ボイラを使用する場合は、補修費用は非常に大きなものとなる。

ＣＷＰポンプのシリンダの異常摩耗に対しては、摩耗を完全に押さえることが望ましいことは言うまでもないが、現在、これら技術は開発されていない。シリンダの摩耗を完全に抑えることができなくても、ＣＷＰポンプの運転時間を延ばすことができれば、補修間隔が広がり補修費用を大幅に低減することが可能となる。しかしながら、これについても解決する技術、方法は、現在のところ開示されておらず、開発が待たれているところである。ピストンポンプの摩耗の問題は、ＣＷＰポンプに限定されるものではなく、固形分を含むスラリー、又は固形分を含むペースト状の流体を、高圧で輸送する場合に生じる問題である。

本発明の目的は、構成が簡単でかつ安価に、運転時間を延長することが可能なピストンポンプ、及び簡便な方法で運転時間を延長することが可能なピストンポンプの運転方法を提供することにある。

本発明は、吐出ピストン、該吐出ピストンを内蔵するシリンダを含み構成される吐出シリンダと、
該吐出シリンダと連結し、該吐出ピストンを駆動するピストン、ピストンロッドを含み構成される油圧シリンダと、
該油圧シリンダのピストンロッドと該吐出シリンダの吐出ピストンとを連結する連結部に、着脱可能に取り付けられたスペーサと、を備え、
該スペーサを着脱することで、該吐出ピストンの上死点の位置を変更することが可能なことを特徴とするピストンポンプである。

また本発明で、前記ピストンポンプは、加圧流動床ボイラへ燃料であるＣＷＰを供給するＣＷＰポンプであることを特徴とする請求項１に記載のピストンポンプである。

また本発明は、請求項１に記載のピストンポンプの運転方法であって、
所定時間、前記連結部にスペーサを取付けた状態で、前記ピストンポンプを運転し、その後、前記連結部に取付けられたスペーサを取り外した状態で、前記ピストンポンプを運転することで、前記シリンダが摩耗しても、前記シリンダを補修又は交換することなく運転することが可能なことを特徴とするピストンポンプの運転方法である。

本発明のピストンポンプは、スペーサを着脱することで吐出ピストンの上死点の位置を変更することができる。ピストンポンプの稼動に伴い異常摩耗するシリンダの内壁の位置は、吐出ピストンの上死点近傍の内壁であるので、吐出ピストンの上死点の位置を変更することで、異常摩耗の位置をずらすことが可能となる。この結果、シリンダを補修又は交換することなく、長時間ピストンポンプを運転することが可能となる。

また本発明のピストンポンプは、加圧流動床ボイラへ燃料であるＣＷＰを供給するＣＷＰポンプであるので、シリンダを補修又は交換することなく、ＣＷＰポンプを長時間運転することができる。

本発明は、スペーサを着脱する操作のみで、従来の２倍以上の運転時間を確保することができるので、操作が簡単である。また、スペーサを取付けることで、既存のピストンポンプにも適用することができる。

図１は本発明の実施の一形態としてのＣＷＰポンプユニット３０の概略的な構成を示す図である。ＣＷＰポンプユニットはＣＷＰポンプ４０と、ＣＷＰポンプ４０を駆動するための油圧装置６０とに大別することができる。

ＣＷＰポンプ４０は、ピストンタイプのポンプであり、吐出シリンダ４１（４１ａ、４１ｂ）内に燃料であるＣＷＰを輸送するための吐出ピストンを有する。本ＣＷＰポンプ４０は、二筒式のピストンポンプであり、同一の仕様の二つの吐出シリンダ４１ａ、４１ｂを有する。吐出シリンダ４１ａ、４１ｂの先端には、ホッパー４２が備えられ、ホッパー４２は、上部に燃料であるＣＷＰを吸込む吸込口４３を有する。ホッパー内には、Ｓ管揺動管４４が設けられており、Ｓ管揺動管４４は、Ｓ管切替シリンダ４５により交互に二つの吐出シリンダ４１ａ、４１ｂと連結するように切替えられる。Ｓ管揺動管４４の吐出部には、吐出バルブ４６が取付けられている。

油圧装置６０は、油を貯留する油貯槽６１、油圧ポンプ６２、６３、６４、油圧ポンプ駆動用モータ６５、アキュムレータ６６を含み構成される。油貯槽６１は、油貯槽６１を管理するための油温計６７、及び液面計６８を備える。油貯槽６１内の油は、サクションフィルタ６９を介して油圧ポンプ６２、６３、６４に導かれる。油圧ポンプ６２、６３、６４は、油圧ポンプ駆動用モータ６５と連結し、油圧ポンプ駆動用モータ６５の駆動に伴い、油を加圧する。油圧は油圧計７３で検知することができる。加圧された油は、吐出管路７０を通じて油圧シリンダ７１ａ、７１ｂへ圧送される。アキュムレータ６６は、油圧の変動を抑制するために、油の吐出管路７０に接続される。

油圧シリンダ７１ａ、７１ｂは、二つ設けられており、一の吐出シリンダ４１に対して一の油圧シリンダ７１が連結されている。油圧シリンダ７１ａ、７１ｂは、内部にピストン、ピストンロッドを有し、このピストンロッドは、吐出シリンダ内のピストンに連結する。よって各々の油圧シリンダ７１ａ、７１ｂへ油を送ることで、各々の吐出シリンダ４１ａ、４１ｂ内の吐出ピストンを駆動させることができる。油圧シリンダ７１ａ、７１ｂ内のピストンと吐出シリンダ４１ａ、４１ｂ内の吐出ピストンとの連結部には、冷却用のウオーターボックス７２が設けられており、これにより連結部が冷却される構造となっている。ＣＷＰポンプ４０と油圧装置６０は、共通の架台８０に設置され、架台８０には、油圧装置６０の制御盤８１も取付けられている。

ＣＷＰポンプ４０は、次ぎの要領で、燃料であるＣＷＰを輸送する。油圧装置６０を駆動させ、油圧シリンダ７１ａ、７１ｂに油を送ることで油圧シリンダ７１ａ、７１ｂを駆動させる。油圧シリンダ７１ａ、７１ｂの駆動に伴い、油圧シリンダ７１ａ、７１ｂのピストンに連結した吐出シリンダ４１ａ、４１ｂ内の吐出ピストンは、二つの吐出ピストンが交互に、各々の吐出シリンダー内を前進、後退する。一方の吐出ピストンが吐出シリンダ内を後退する際に、ホッパー内のＣＷＰを吸入すると同時に、他方の吐出ピストンが吐出シリンダー内のＣＷＰを吐出バルブ４６を介して圧送ライン中に押出す。二筒式ピストンポンプを使用することで、単筒式ピストンポンプを用いる場合に生じる、ＣＷＰ吸入工程におけるＣＷＰの供給停止期間が無くなり、連続的にＣＷＰを吐出することができる。

図２は、図１に示したＣＷＰポンプの吐出シリンダ４１ａの部分断面図である。吐出シリンダ４１ａは、シリンダ９０内部に吐出ピストン１００を有する。シリンダ９０は、両端にリング部材９１、９２を有し、６本のタイロッド９３で、ウオーターボックス７２、油圧シリンダ７１ａ（図示を省略）と連結される。

吐出ピストン１００は、ピストンフレーム１０１、ガイドリング１０２、及びピストンシール１０３などを含み構成される。ピストンフレーム１０１は、円筒形の形状を有し、軸方向の中央部にガイドリング１０２を備える。ピストンフレーム１０１は、さらにガイドリング１０２に当接するように取付けられたピストンシール１０３を有する。

ガイドリング１０２、及びピストンシール１０３が取付けられたピストンフレーム１０１は、一端にピストンシール１０３がピストンフレーム１０１から外れることを防止するカバー１０４を有する。ピストンフレーム１０１は他端には、油圧シリンダのピストンと吐出ピストン１００とを連結するための接続フランジ１０５を有する。カバー１０４と接続フランジ１０５とは、各々中央部に貫通孔を有するので、カバー１０４、ピストンフレーム１０１、及び接続フランジ１０５を、ねじ１０６で一体的に連結することで、ガイドリング１０２、及びピストンシール１０３が、ピストンフレーム１０１に固定される。

吐出ピストン１００を構成する接続フランジ１０５は、スペーサ１１０を介して、両端にフランジを有するスペーサフランジ１１１の一端のフランジ１１２と、ねじ１１３で連結される。スペーサフランジ１１１の他端のフランジ１１４は、油圧シリンダ７１ａのピストンロッド１２０の先端に取付けられているピストンロッドフランジ１２１と連結される。フランジ１１４とピストンロッドフランジ１２１との接続は、着脱可能なようにねじ１２２で行われている。

以上の構成により、油圧シリンダ７１ａのピストンロッド１２０と吐出ピストン１００とが連結されるので、油圧シリンダ７１ａのピストンロッド１２０の往復動に伴い、吐出ピストン１００もシリンダ９０内を、往復する。吐出ピストン１００が上死点（図２中の２点鎖線で示す位置）から下死点（図２中の実線で示す位置）に移動する間に、ＣＷＰをシリンダ９０内に受入れ、吐出ピストン１００がシリンダ９０内を下死点から上死点に移動することで、シリンダ９０内のＣＷＰを圧送する。吐出ピストン１００は、吐出ピストン１００に取付けられたピストンシール１０３が、シリンダ９０の内壁９４を摺動するので、シリンダ９０内でＣＷＰを加圧することができる。

吐出シリンダ４１ａが圧送するＣＷＰは、石炭、石灰石、水を混合したペースト状の物質であり、ＣＷＰ中の石炭粒子は、数十ミクロンの微粒子から５ｍｍ程度の粗粒子まで幅広い粒径範囲で存在する。また、シリンダ９０内の圧力は、数メガパスカルにもなる。このためシリンダ９０の内壁に、対摩耗用硬質メッキを施しているにも関らず、ＣＷＰポンプを長時間運転していると、シリンダ９０の内壁９４が摩耗する。

従来、シリンダ９０の内壁９４に施されているメッキが摩耗した場合は、シリンダ９０を取外し、再度メッキを施し使用していた。しかしながらリンリダ９０の内壁９４の再メッキには、多大の労力と費用を必要とした。シリンダの摩耗個所を詳細に検討した結果、シリンダ９０の内壁９４のメッキは、軸方向一様に摩耗するのではなく、吐出ピストン１００の上死点近傍のみ、局所的に異常摩耗していることが分かった。

図４は従来のＣＷＰポンプであって、当発電所で使用中のＣＷＰポンプのシリンダ内壁のメッキ膜厚を実測した結果を示す図である。このＣＷＰポンプは、シリンダーストロークが１０００ｍｍ、シリンダ径１８０ｍｍである。図４に示すように１２０００時間運転後のシリンダ内壁９４のメッキ膜厚は、吐出ピストン１００の上死点である１０００ｍｍ近傍が、大きく減少していた。上死点から１００ｍｍも離れれば、メッキ膜厚は１００μｍ以上も異なっていた。吐出ピストン１００の上死点は、吐出ピストン１００の往復の切替えにより急激な圧力低下が発生する。そこで、吐出ピストン１００がシリンダ９０を押し付ける圧力が低下することにより、ＣＷＰ粒子の噛み込みが多くなり、摩耗が大きくなっているものと考えられる。

本発明は、吐出ピストン１００の上死点近傍のみ、局所的に異常摩耗していることに着目してなしたものであり、本実施形態で示したＣＷＰポンプ４０は、従来のＣＷＰポンプと異なり、接続フランジ１０５とスペーサフランジ１１１との間にスペーサ１１０を有する点に特徴がある。これにより本実施形態で示したＣＷＰポンプ４０は、従来のＣＷＰポンプに比較して２倍以上の運転時間を確保することができる。

ＣＷＰポンプ４０の運転は次の要領で行う。最初の運転は、接続フランジ１０５とスペーサフランジ１１１の一端のフランジ１１２との間にスペーサ１１０を取り付けた状態で行う。この運転は、スペーサが取付けられていることを除けば、従来のＣＷＰポンプの運転と何ら変るものではない。所定の時間、ＣＷＰポンプ４０の運転を行った後、接続フランジ１０５とスペーサフランジ１１１の一端フランジ１１２との間に取付けたスペーサ１１０を外す。スペーサ１１０を取外した後、再度接続フランジ１０５とスペーサフランジ１１１の一端のフランジ１１２とを接続し、従来と同様の運転を行う。スペーサ１１０は、接続フランジ１０５とスペーサフランジ１１１の一端のフランジ１１２との間、着脱可能にねじ１１３で取付けられているので、スペーサ１１０の着脱は容易に行うことができる。

図３は、吐出ピストン１００の上死点の位置を模擬的に示した図である。図３（ａ）は、スペーサ１１０を取付けた状態での吐出ピストン１００の上死点の位置、図３（ｂ）は、スペーサ１１０を外した状態での吐出ピストン１００の上死点の位置を示す図である。図３（ａ）、図３（ｂ）から分かるように、スペーサ１１０を外すことにより、上死点の位置が変る。スペーサ１１０を取付けた状態で運転行った後、スペーサ１１０を取外し運転を行うと、スペーサ１１０を取外し運転を行うときの吐出ピストン１００の上死点が、反吐出口側へ移動する。これに伴い、シリンダの異常摩耗の位置も反吐出口側へ移動する。このように、異常摩耗の位置を変えることで、ＣＷＰポンプ４０の運転時間を２倍以上とすることができる。

スペーサ１１０を取付けて運転した後、スペーサ１１０を取外し、ＣＷＰポンプを運転することで、運転時間を２倍以上とすることができることは上記の通りであるが、この手順を逆にして、スペーサ１１０を取外して運転した後、スペーサ１１０を取付け運転すると、スペーサ１１０を取付た状態の運転が、シリンダ９０の異常摩耗領域を通過することとなるので、好ましくない。

スペーサ１１０の大きさ（長さ）は、次ぎの要領で決定する。第一にスペーサを取付けたとき、吐出ピストン１１０のピストンシール１０３の先端が、シリンダ９０の一端に取付けられているリング９１に接触しないことが必要である。またスペーサ１１０を取付けた場合と、スペーサ１１０を外した場合とで、吐出ピストン１１０のストロークが同じであることが必要である。吐出ピストン１１０のストロークが異なると、ＣＷＰの吐出量、吐出圧が異なり、運転に支障をきたすおそれがある。

第二にスペーサ１１０の長さは、シリンダ９０の内壁の異常摩耗領域の長さから決定する。スペーサの長さ１１０を、シリンダ９０内壁の異常摩耗の領域以上の長さとすることで、スペーサの着脱により異常摩耗領域が重なることを回避することができる。異常摩耗領域の長さが短く、上記第一の条件を満足することが可能ならば、スペーサ１１０は一枚に限らず、何枚取付けてもよい。これにより、スペーサ１１０を順次取外すことで、従来のＣＷＰポンプの運転時間の数倍の運転時間を確保することも可能となる。

本実施形態で示したＣＷＰポンプ４０は、油圧シリンダのピストンロッド１２０と吐出シリンダ４１ａの吐出ピストン１００との連結部に、スペーサ１１０を着脱可能に取付けたものであるので、既存のＣＷＰポンプへも本発明を適用することができる。またスペーサ１１０は、着脱可能で、吐出ピストン１００の上死点の位置を変更する機能を果すものであれば、形状、取り付け位置は特に限定されない。なお本実施形態では、ピストンポンプにＣＷＰポンプを使用する例を示したけれども、本発明を適用可能なピストンポンプは、ＣＷＰポンプに限定されるものでなく、スラリーなどを高圧輸送するピストンポンプであってもよい。

本発明の実施の一形態としてのＣＷＰポンプユニット３０の概略的な構成を示す図である。 図１に示したＣＷＰポンプの吐出シリンダ４１ａの部分断面図である。 図３（ａ）は、本発明の実施の一形態としてのＣＷＰポンプ４０に、スペーサ１１０を取付けた状態での吐出ピストン１００の上死点の位置、図３（ｂ）は、スペーサ１１０を外した状態での吐出ピストン１００の上死点の位置を示す図である。 従来のＣＷＰポンプであって、当発電所で使用中のＣＷＰポンプのシリンダ内壁のメッキ膜厚を実測した結果を示す図である。 従来から使用されている加圧流動床ボイラを用いた発電システム１の概略的構成の一部を示す図である。

符号の説明

４０ ＣＷＰポンプ
４１ａ、４１ｂ 吐出シリンダ
７１ａ、７１ｂ 油圧シリンダ
９０ シリンダ
１００ 吐出ピストン
１０５ 接続フランジ
１１０ スペーサ
１１１ スペーサフランジ
１１２ スペーサフランジの一端のフランジ
１２０ ピストンロッド

Claims (3)

1. 吐出ピストン、該吐出ピストンを内蔵するシリンダを含み構成される吐出シリンダと、
   該吐出シリンダと連結し、該吐出ピストンを駆動するピストン、ピストンロッドを含み構成される油圧シリンダと、
   該油圧シリンダのピストンロッドと該吐出シリンダの吐出ピストンとを連結する連結部に、着脱可能に取り付けられたスペーサと、を備え、
   該スペーサを着脱することで、該吐出ピストンの上死点の位置を変更することが可能なことを特徴とするピストンポンプ。
2. 前記ピストンポンプは、加圧流動床ボイラへ燃料であるＣＷＰを供給するＣＷＰポンプであることを特徴とする請求項１に記載のピストンポンプ。
3. 請求項１に記載のピストンポンプの運転方法であって、
   所定時間、前記連結部にスペーサを取付けた状態で、前記ピストンポンプを運転し、その後、前記連結部に取付けられたスペーサを取り外した状態で、前記ピストンポンプを運転することで、前記シリンダが摩耗しても、前記シリンダを補修又は交換することなく運転することが可能なことを特徴とするピストンポンプの運転方法。

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