JP2007192537A - 蒸気発生器のボイラーチューブの劣化の監視 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、大型燃焼装置特に廃棄物焼却プラントの中の、ボイラーチューブ（１５ａ，１５ｂ）のオンラインの劣化監視に係る。
【解決手段】 チューブの劣化、特に腐食または付着物の堆積が、燃焼装置を運転したままの状態で、多かれ少なかれ連続的なやり方で決定される。従って、この方法は、休止期間の間の光学的な検査に限定されることがない。劣化の速度またはその蓄積は、設備の運転モードに関係している。適切な劣化センサ（４）が、ボイラーチューブが燃焼プロセスからの有害な煙道ガスに曝される煙道ガス域（１４）の外側に配置され、煙道ガス域（１４）の内部の空間または容積からの超音波信号を受信する。テスト・チューブ（４０）は、専ら劣化の進行を監視するために設けられ、煙道ガス域（１４）の中の特に腐食の影響を受ける位置に組み込まれる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、大型燃焼装置の運転、特に装置の蒸気発生器のボイラーチューブの劣化の監視に係る。

大型燃焼装置の中の蒸気発生器即ちボイラーは、苛酷な環境条件に曝されている。それは、それらが曝される煙道または排気ガスの温度及び化学的組成によりもたらされる。天然ガスを燃やす発電プラントの煙道ガスは、あまり問題にならないが、石炭または原油を燃やす発電プラントは、組成が変動する煙道ガスを発生させ、その煙道ガスは、特に、大量の有害な硫黄化合物を含んでいる。

いわゆる廃棄物のエネルギー化プラントは、廃棄物を燃やしてアッシュにする燃焼装置であって、例えば地域暖房、および／または発電のために、液体状態の水を蒸気に変えるために、燃焼熱を使用する。このため、廃棄物焼却プラントは、ボイラーチューブの劣化による損傷を受け易い。その理由は、それらの煙道ガスの組成が、燃やされる廃棄物の組成に大きく依存し、従って、その廃棄物と同様に予測不可能であるからである。

いずれの場合においても、大量の弗化物、塩化物、臭化物、沃化物が、通常の都市廃棄物中の幾つかのタイプのプラスチック電子部品の残滓に含まれており、それらが、高い燃焼温度とともに、蒸気発生器のボイラーチューブでの高い腐食速度をもたらす可能性がある。極端な場合においては、ボイラーチューブの壁厚の減少が、１年につき０．５ｍｍに達することもある。それに加えて、大量のダスト・パーティクルが、煙道ガスの中に存在することがあり、それが、時折、ケーキング（caking：付着物の堆積）またはファウリング（fouling：付着物の堆積）、並びにチューブ上へのススの堆積など引き起こす。

即ち、チューブの表面上への堆積物の形成が、熱伝達を妨げ、その結果として、ボイラーの効率の低下を招く。腐食及びケーキングのために、ボイラーの頻繁なメインテナンスが必要になる。メインテナンスを怠ると、プラント全体の寿命と経済的な効率の双方が損なわれることになる。

蒸気発生器の製造者は、有害な煙道ガスと直接接触する特定のボイラーチューブの設計に使用される材料を慎重に選択することにより、上記のような不都合を回避しようと試みている。しかしながら、都市廃棄物の組成の地域的及び季節的な変動ために、腐食性コンポーネントおよび／または影響の全ての範囲に対して耐性がある材料を選択することは、ほとんど不可能に近い。このことは、第一の廃棄物焼却プラントでうまく行ったチューブ材料が第二の廃棄物焼却プラントでは全く駄目であると言う現象を生じさせる。

セラミックによるバリア・コーティングの使用は、持続性のあるソリューションをもたらさない。その理由は、ボイラーチューブは、チューブ上へのケーキングを避けるために、定期的にハンマーで叩かれので、そのような機械的な手段が、セラミック・コーティングを破壊する恐れが大きいからである。

廃棄物焼却プラントでの運転または燃焼モードを規定する最も重要な制御パラメータは、一次及び二次燃焼空気のマスフロー、空気温度、循環される煙道ガスの量、廃棄物の量または供給される燃料の量、及び搬送速度または往復式の火格子のストーキング速度である。これらのパラメータの調整は、典型的には、数日あるいは数週間の時間スケジュールで行われ、その結果、火格子上の火炎の位置が変わり、それに伴い、炉または煙道内、即ち火格子の上方の空間の煙道ガスの流れの形態及び温度分布が変わる。

従来の測定技術を用いた場合、プラントを運転する会社は、周期的な休止期間を使用してボイラーチューブの実際の壁厚を測定し、その結果を先に行われた測定結果と比較することしかできない。それにもかかわらず、長期間に渡る測定の記録及び処理によっても、適切なメインテナンス作業を準備するために利用することができるような減少の傾向を、明確に示すことはできない。

そのような休止期間は、年にせいぜい２回程度計画されるので、検査は、通常せいぜい６月毎に行うのみである。そのため、腐食および／またはケーキングによる劣化と、プラントの上記の運転または燃焼モードとの間の直接の相関関係を求めることは、実際には不可能である。

従って、本発明の目的は、大型燃焼装置の中の蒸気発生器のボイラーチューブの劣化を、設備の運転モードに関係付けることにある。

この目的は、請求項１及び６にそれぞれ基づく劣化の監視のための方法及びシステムによって実現される。更に好ましい実施形態は、従属請求項から明らかである。

本発明によれば、ボイラーチューブのためのオンラインの劣化の監視方法が、導入される。この監視方法は、燃焼装置を運転状態のまま、多かれ少なかれ連続的なやり方で劣化を決定することを可能にする。従って、劣化の評価は、休止期間中の光学的検査に限定されず、そして、劣化の速度または蓄積が、設備の過去または現在の運転モードに関係付けられることが可能である。

適切なデバイス及び測定技術が、煙道ガス域の内部の空間または容積の中に測定信号を導入し、そしてそこから測定信号を受取るために設けられる。ここで、ボイラーチューブは、上記煙道ガス域に配置され、燃焼プロセスからの煙道ガスの有害な影響に曝される。それ故に、環境的な状態が、それらが正にボイラーチューブを与えている位置で、検査される。

本発明の有利な実施形態において、例えば超音波トランスデューサのような、適切な劣化センサは、有害な煙道ガスを導く煙道ガスのチャネルの外側に配置され、そしてそれ自身は、腐食性雰囲気に曝されることがない。

好ましい本発明の実施形態において、超音波測定の技術が、ボイラーチューブの劣化を検査するために使用される。これは、腐食及びケーキングの双方が、異なる組成の付加的なインターフェイスまたは層の形成に関係していて、双方とも入射する音波を反射すると言う事実を、考慮したものである。

超音波測定は、電気的な測定と比べて有利である。ここで、電気的な測定は、電気抵抗の変化を決定することにより評価されることが可能な形状の変化に、腐食が関係付けられると言う事実に依拠している。電気的な測定は、温度の影響を評価するために、測定された抵抗値の広範な修正を必要とし、また、非導電性の表面堆積物を検知することができない。

超音波測定は、そのような制約により妨げられることがない。超音波による欠陥検知は、標準的な非破壊的な検査技術であり、例えば溶接継手の欠陥、鋳造品の介在物、大型鋳造品の巣などの、欠陥の質の検査のために、様々な産業で使用されている。本発明によれば、この技術が、ボイラーチューブの腐食の状態の監視のために、適用される。

本発明の更に好ましい変形形態において、好ましくは、溶接継手の無い金属の単一部材で作られたテスト・チューブが使用され、それが、ボイラーチューブが配置された煙道ガス域の内部の空間または容積の中に伸びるように設けられる。このテスト・チューブは、プロセスには関与せず、劣化の進行の監視だけのために使用され、好ましくは、煙道ガス域の中の、ボイラーチューブと同一のあるいはそれよりも高い腐食の危険性に曝される位置に、即ちボイラーチューブの上流の燃焼ゾーンに近い位置に、取り付けられる。

本発明の内容を、以下のテクストにおいて、添付された図面に示された好ましい実施形態の例を参照しながら、より詳細に説明する。
図面で使用されている参照符号、及びそれらの意味は、参照符号のリストの中にまとめた形態で挙げられている。これらの図面において、原則として、同一の部分には同一の参照符号が付されている。

産業的な、超音波による欠陥の検知は、一般的に、５００ｋＨｚから１０ＭＨｚまで間の周波数を使用し、また、非常に一般的な非破壊的な材料検査方法である。固体材料の中での音波の伝播は、金属、プラスチック及びセラミックス、隠れたクラック、ボイド、気孔、及びその他の内部の不連続性を検知するために使用される。材料の中を伝わる指向性の高い音波のエネルギーが、他の材料との境界に遭遇したとき、そのエネルギーの一部が反射され、一部が透過する。換言すれば、高い周波数の音波は、予測可能なやり方で、粒界及び欠陥から反射され、特徴的なエコー・パターンを作り出し、そのエコー・パターンを表示し且つ記録することが可能である。超音波検査は、完全に非破壊的で安全であり、多くの製造及びプロセス産業で、十分に確立された検査方法である。

産業的な超音波の使用ための典型的なトランスデューサは、圧電性のセラミック、化合物またはポリマーで作られたアクティブな要素を使用する。この要素が高電圧の電気的パルスで励起されたとき、この要素は、周波数の特定のスペクトラムの中で振動し、音波を発射する。その逆に、入射する音波によって励起されたとき、この要素は、電気的なパルスを発生する。超音波の周波数では、気体の中を音波のエネルギーが効率良く伝わらないので、カップリング液またはゲルの薄い層が、通常、トランスデューサとテスト・ピースの間に使用される。

接触式のトランスデューサは、テスト・ピースに直接接触する状態で、使用される。それらは、表面に対して垂直に音波のエネルギーを入射させ、典型的には、ボイド、気孔及びクラックの位置を求めるために使用される。デュアル要素トランスデューサは、単一のアセンプリの中で、別個の発信機要素及び受信機要素を使用して、連続パルス−エコー・モードで検査を実施する。もう一つの技術は、透過法と名付けられ、この方法では、試料の両サイドに配置された二つのトランスデューサ要素の間を、音波エネルギーが伝わる。パルスの強度、形状、及び減衰が、トランスデューサの性能を最適化するために、コントロールされることが可能であり、受信機のゲイン及びバンド幅が、信号−ノイズ比（ＳＮ比）を最適化するために、調整されることが可能である。

図１は、廃棄物焼却プラントを概略的に示し、このプラントは、以下の基礎的なコンポーネントを有している。インプットの供給機構即ちアクチュエイター１０は、都市または産業廃棄物、ゴミ、または他の廃材を、炉１１の中に導入し、それらを、支持された可動火格子１２の上に置き、それによって、廃棄物のベッドを形成する。火格子１２は、一般的に、反対方向に動く幾つかの火格子プレートを有しており、廃棄物を分散させ且つ混合し、火格子１２に沿って前進させる。補助バーナ１３が、燃焼プロセスを開始させまたは維持するために設けられることもある。燃焼された煙道ガスは、炉１１の上流の煙道ガス域即ち煙道ガス・チャネル１４の中に集められ、ボイラー即ち蒸気発生器１５に向けて導かれる。

廃棄物焼却プラントは、ボイラー１５の劣化の進行を検知するための劣化センサ４の適切なセットを、更に備えている。測定されたデータは、プラント制御システム５の一部としてのプラント最適化ソフトウエアで、オンラインで処理される。

一般性を失うことなく、焼却プロセスは、廃棄物によって順に横切られる四つのゾーンに分けられる：それらは、乾燥ゾーン２０、熱分解及びガス化／揮発のための第一燃焼ゾーン２１、チャーの酸化即ち固体燃焼のための残滓ゾーン２２、及びアッシュ処置／焼結ゾーン２３である。これらのゾーンは、実際には、炉の中で明確に分離されておらず、ある程度重複することが可能である。第二燃焼ゾーン即ち火炎ゾーン２４は、熱分解ガスからなる一様なガス相の燃焼が起こるゾーンであり、そのゾーンは、廃棄物のベッドの上方にある。

一次空気３０は、火格子から、一般的には異なる量で、上記の四つのゾーン２０，２１，２２，２３に供給される。二次空気３１は、火格子の上方に供給され、第二燃焼ゾーン２４の中でのガス化生成物及び熱分解生成物の完全な燃焼を確保する。第二燃焼ゾーン２４の中及びその上方の極端な環境条件のために、センサ４を、炉自体の中ではなく、煙道ガス域１４の外側に配置することが、好ましい。

図２は、テスト・チューブ４０の長手方向断面を示す。このテスト・チューブは、煙道ガス域１４の中に配置され、テスト・チューブに対して垂直方向に向いたボイラーチューブ１５ａ，１５ｂにより取り囲まれている。テスト・チューブは、プロセスには関与せず、専ら劣化の進行の監視のためのみに使用される。この目的のために、テスト・チューブは、ボイラーチューブと同一の材料と同じ材料で作られていなければならないが、その形状、例えば断面（円形、楕円形、正方形）は、ボイラーチューブの形状とは異なっていても良い。

ボイラーチューブの中と同等の温度を維持するために、テスト・チューブの中を通る供給水の流れが維持される。この供給水は、好ましくは、独立した水サイクルから取られ、その独立した水サイクルは、ボイラーの中を通る水／蒸気サイクルとは別個に運転されることが可能である。テスト・チューブは、煙道ガス域内の、ボイラーチューブと同一あるいはそれよりも厳しい腐食性の条件に曝される位置に、取り付けられる。このことは、テスト・チューブの腐食が、ボイラーチューブの腐食と常に同等であることを確保し、そして最悪の場合には、テスト・チューブが最初に壊れることになる。

超音波トランスデューサ要素即ち測定ヘッド４１ａ，４１ｂ，４１ｃ及び４１ｄは、テスト・チューブ４０の環状の端面に取り付けられる。電子的装置の熱的な損傷を回避し、運転の信頼性を確保するために、それらの要素は、ボイラー及び煙道ガス域１４からある距離、離れた位置に、配置される。

図２の実施形態の例において、別個の発信機要素４１ａ，４１ｂと受信機要素４１ｃ，４１ｄが、透過モードで運転される二組のデュアル要素トランスデューサを構成しており、それらは、超音波コントローラ４２により制御される。その超音波コントローラは、波／パルス発生器、増幅器及びオッシロスコープ、または超音波の検知及び処理に適した他のデバイスを有している。この構成において、受信機要素での信号強度が処理されて、腐食による損傷の増大を検知することが可能である。信号の強度の減少は、様々な要因に依存している。その中でも、テスト・チューブの幾何学的形状が、本発明が識別しようとしている劣化の影響を、直接的に受ける。

図３は、代替となる実施形態を示し、この実施形態は、パルス／エコー・モードで運転される二つの接触式トランスデューサ４１ａ，４１ｂを有している。超音波による検査は、基本的には、比較に基づく技術であり、適切なキャリブレイションに依拠している。最大の情報は、二つの特徴的な超音波の伝播時間ｔ_ａ，ｔ_ｂの比較から、引き出されることが可能である。

もし、図３に示されているように、これら二つのトランスデューサによる測定される時間が、 ｔ_ｂ＞ｔ_ａ である場合には、更なる音波反射境界が存在しており、それに、トランスデューサ４１ａから発射され且つ検知される波が遭遇することを示唆している。図３の第一の図面に描かれているように、そのような境界は、ローカルな、即ち長手方向の不均一性に起因する可能性があり、且つ、チューブの外壁面の穴またはへこみの形態による円筒状に対称的な腐食の影響ではない可能性がある。

本発明の目的のために、超音波の伝播は、図３の第二の図に描かれているように、テスト・チューブの中での多重反射を有することが可能であり、それは、この方法の有用性を損なうことが無いが、更なる信号処理が必要になる可能性がある。この場合には、ボイラーチューブの表面上の堆積物の形態によるケーキングの効果が、超音波の伝播時間 ｔ_ａ に明確に影響し、あるいは、更なる反射を生じさせる。

明らかに、二つのトランスデューサ４１ａ，４１ｂは、二つの別個のチューブに取り付けられることも可能であろう。他方、単一のトランスデューサ要素は、音波の単一の発射から生ずる二つの異なるエコーの発生に対して応答しなければならないであろう。即ち、音響学的に有意なエコーが、チューブの反対側の端面からのエコーに先行する。

図４は、超音波測定デバイス４１ａの、代替となる取り付け方を示し、ここでは、超音波測定デバイス４１ａは、高温領域から離れた煙道ガス域１４の外側に、導波管４３により取り付けられる。このソリューションは、もし、腐食の最も可能性の高い位置が、例えば、コンピュータによる流体力学シミュレイションにより、前もって特定されるのであれば、有利である。そのとき、導波管のリモート側の端は、パルス／エコーの原理を用いて、対応する腐食の危険に曝された部分のローカルな壁厚を専ら監視するために、この位置の正しく隣りに置かれる。

また、図４の中で、矢印で示されているように、超音波測定デバイス及び導波管のために、可動式の取付け台を使用することも可能である。そのような構成を用いることによって、有効な測定領域が、チューブ内のより広い範囲の位置または複数の腐食の危険に曝された部分をモニターするように、拡大されることが可能である。

超音波による腐食の検知のためのもう一つの手段は、非接触の始動（initiation）／受信デバイスの使用である。広帯域の超音波の波が、表面へのレーザ・パルスにより始動され、材料の中に機械的な（即ち音響学的な）波を励起する。この波は、境界に遭遇するまで材料の中を伝播する。その反射された波は、微小な表面の運動（“リップル”）を生じさせ、それが、今や受信モードで運転中のレーザにより検出される。変更の無い試料は、特徴的な波パターンを呈し、それが、最新の測定結果との間の干渉によって、比較される。

最適化ソフトウエアは、腐食監視の信号変調を、プラントの異なる運転モードのパラメータと相関付ける。この最適化ソフトウエアは、ボイラーの腐食並びにケーキング及びススの堆積を最小にする運転モードを、作り出し且つ使用することを可能にする。このようにして、メインテナンスの間隔が、プラントの実際の状態に合わせて調整されることが可能になり、望ましくない休止期間を回避することが可能になり、プラントの経済的な効率が増大されることが可能になる。

図１は、廃棄物焼却プラントの主要なコンポーネントを概略的に示す。 図２は、透過モードで運転される二組のデュアル要素の超音波トランスデューサを備えたテスト・チューブを概略的に示す。 図３は、パルス／エコー・モード構成で運転される二つの接触式トランスデューサにより測定される異なるエコー時間を概略的に示す。 図４は、導波管を備えた単一の超音波トランスデューサを概略的に示す。

符号の説明

１０…アクチュエイター、１１…炉、１２…火格子、１３…補助バーナ、１４…煙道ガス域、１５…ボイラー、１５ａ…ボイラーチューブ、２０…乾燥ゾーン、２１…第一燃焼ゾーン、２２…残滓ゾーン、２３…アッシュ処理ゾーン、２４…第二燃焼ゾーン、３０…一次空気、３１…二次空気、４…劣化センサ、４０…テスト・チューブ、４１ａ，ｂ…トランスデューサ要素、４２…センサ・コントローラ、４３…導波管、５…制御システム。

Claims (10)

1. 大型燃焼装置の中の蒸気発生機のボイラーチューブ劣化の監視方法であって、ボイラーチューブ（１５ａ，１５ｂ）が、煙道ガス域（１４）の中に配置され、燃焼プロセスからの煙道ガスに曝される、監視方法において：
   当該方法は、蒸気が発生されている状態で、ボイラーチューブ（１５ａ，１５ｂ）の劣化を示す信号を煙道ガス域（１４）の内部から受取り、且つ評価することを、含むこと特徴とする方法。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
   当該方法は、前記煙道ガス域（１４）の外側に位置する劣化センサ（４）による信号を受取ることを、含んでいる。
3. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
   当該方法は、超音波トランスデューサ（４１ａ，４１ｂ）による超音波信号を受取ることを、含んでいる。
4. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
   当該方法は、煙道ガス域（１４）の中に配置され煙道ガスに曝されるテスト・チューブ（４０）からの信号を受取ることを、含んでいる。
5. 下記特徴を有する請求項１に記載の方法：
   当該方法は、モニターされた劣化をプラントの運転モードと関係付け、必要な場合には、運転モードを適合させることを、更に含んでいる。
6. 大型燃焼装置の中の蒸気発生器のボイラーチューブの劣化を監視するためのシステムであって：
   ボイラーチューブ（１５ａ，１５ｂ）が、煙道ガス域（１４）の中に配置され、燃焼プロセスからの煙道ガスに曝される、システムにおいて、
   蒸気が発生されている状態で、ボイラーチューブ（１５ａ，１５ｂ）の劣化を示す信号を煙道ガス域（１４）の内部から受取り、且つ評価するための劣化センサ（４）を、当該システムが有していること、を特徴とするシステム。
7. 下記特徴を有する請求項６に記載のシステム：
   前記劣化センサ（４）は、煙道ガス域（１４）の外側に配置される。
8. 下記特徴を有する請求項６に記載のシステム：
   前記劣化センサ（４）は、超音波トランスデューサ（４１ａ，４１ｂ）である。
9. 下記特徴を有する請求項６に記載のシステム：
   当該システムは、煙道ガス域（１４）の中に配置され煙道ガスに曝される別個のテスト・チューブ（４０）を有していて、前記劣化センサは、このテスト・チューブ（４０）から信号を受取る。
10. 下記特徴を有する請求項６に記載のシステム：
    前記燃焼装置は、廃棄物焼却プラントである。

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