JP2008196754A

JP2008196754A - 多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法および蒸気温度制御装置

Info

Publication number: JP2008196754A
Application number: JP2007031092A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Nakayama; 武広中山; Masatoshi Shindo; 正俊進藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-08-28

Abstract

【課題】例えば、焼結機クーラ等で発生する排熱ガス温度の変化に伴ってボイラ入口の排熱ガス温度が変化しても、これに見合ってボイラ出口の蒸気流量と蒸気温度を目標値に制御させることができる多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法および蒸気温度制御装置を提供すること。
【解決手段】排熱ガスを導入して蒸気を発生する多管式貫流ボイラ１の蒸気温度制御方法であって、多管式貫流ボイラ１に導入するボイラ入口排熱ガス温度及び流量により演算された理論給水流量にボイラ入口排熱ガス温度に応じた給水流量補正係数を乗じた給水流量を供給することにより、多管式貫流ボイラ１から発生する蒸気温度を目標値に制御する多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多管式貫流ボイラに導入して蒸気を発生させる多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法および蒸気温度制御装置に関し、例えば定常運転時に温度が２６０℃〜３２０℃程度の範囲内で常に変動する排熱ガスを多管式貫流ボイラに導入する多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法および蒸気温度制御装置に関する。

より具体的には、例えば、焼結機クーラ等から発生する２６０℃〜３２０℃程度の比較的温度の低い排熱ガスを複数の排熱ガスダクトにより多管式貫流ボイラに導入して蒸気を発生させる際に、貫流ボイラ入口における排熱ガス温度が、定常運転中に常に上下に変動しても蒸気温度を目標値の温度に一定に制御するための蒸気温度制御方法およびその装置に関する。

従来、例えば、焼結機クーラ等から発生する排熱ガスの熱量を回収する排熱回収ボイラは、熱源温度が２６０℃〜３２０℃程度と低いこともあってボイラ水を強制循環させる多管式ボイラが広く採用され、伝熱管を多数併設して必要な伝熱面積を確保している。しかし、ボイラ水を強制循環させる多管式ボイラは大容量の気水分離ドラムが必要であり、設備費を増大させる要因となっていた。

そこで、この問題を解決するため特開平４−２４０３０１号公報に、多管式貫流ボイラの分岐伝熱管入口の給水流速を０．２ｍ／ｓｅｃ以下とし、分岐伝熱管入口に伝熱管の圧損抵抗の７５％以上に相当する圧損抵抗を有する絞り装置を設けた多管式貫流ボイラが開示されている。

これは、分岐伝熱管内の給水は排熱ガスから熱を受け、水・蒸気の二層流となり、分岐伝熱管内の流動状態は不安定となって圧損値も大きく変動する。一方、分岐伝熱管入口は、常に水の一層流で流動状態は安定しており、圧損値も一定となる。分岐伝熱管入口に大きな圧損抵抗を有する絞りを設ければ、分岐伝熱管全体に生ずる圧損値は、絞り装置によるものが大半となり、分岐伝熱管内の圧損値変動の影響は薄められてほぼ安定したものとなる。

また、絞り装置を設けると分岐伝熱管全体の圧損抵抗は大きなものとなるが、伝熱管入口の給水流速を小さくすることにより圧損値の増加を抑えることができるというものである。このように分岐伝熱管の入口に絞り装置を設けることにより、貫流ボイラの適用が可能となり、気水分離ドラム・循環配管・循環ポンプ等の装置の省略が可能となり、設備・運転費を節減できるというものである。また、ボイラ給水の給水量は、蒸気管に設置された温度計の測定値にしたがって給水調整され、蒸気温度を目標値に制御している。

また、特開２０００−３４６３０９号公報には、ボイラ伝熱管の出側の蒸気温度を検出する温度検出器を設けて蒸気温度を検出し、検出された蒸気温度に従って伝熱管内を流れる流体の流量を調節する流量調節弁を設け、伝熱管出側の蒸気温度を調節することが開示されている。

また、特開平６−２８０２号公報には、ボイラ内の煙道が２流路に分割され、各流路のガスダンパにより各流路の伝熱部内蒸気温度を制御する装置が開示されている。

また、特開２００４−１９９６２公報には、ガスタービン等の排ガスによる貫流型排熱ボイラにおいて、過熱蒸気の温度に基づく給水流制御、ガスタービン負荷指令に基づく給水先行設定や、ボイラ導入排ガスの入熱量に基づく蒸気温度設定等を行う装置が開示されている。

また、特開昭６０−６４１０１号公報には、エンジンやガスタービン等の急激な負荷変動による排ガス量の変動に対し、ボイラ通過ガス量・ボイラ入出口ガス温度差より受熱量に対する給水量設定・流動安定給水量調節、また種々の給水量計算結果の比較・高位給水量値選択を行う装置が開示されている。

特開平４−２４０３０１号公報特開２０００−３４６３０９号公報特開平６−２８０２号公報特開２００４−１９９６２号公報特開昭６０−６４１０１号公報

前述の特開平４−２４０３０１号公報や特開２０００−３４６３０９号公報に開示されている従来技術は、伝熱管の出側の蒸気温度を測定して、その蒸気温度に基づいて伝熱管入口の給水量を制御するものであり、ボイラに導入される排熱ガス温度の変化より蒸気温度が決定され、この蒸気温度を目標値にするために給水量を制御する。ボイラ入口の排熱ガス温度が低ければ、給水量を絞って蒸気温度を設定値に制御しようとする。また、ボイラ入口排熱ガス温度が高ければ給水量を増やして蒸気温度を制御する。

しかし、排熱ガス温度の変動（温度差）が大きい場合、このような方式制御では、制御が追いつかず、給水量制御で、蒸気温度を目標値に制御できない。低温、例えば３００℃以下の排熱ガスが導入された場合、給水量を絞っても、その制御が間に合わず、設定蒸気温度に到達しない温度の蒸気が生成されたり、水のままの状態で排出されたり、また逆に、制御が遅れ、給水量を絞りすぎると、伝熱管に必要量の水が給水されない状態になり、伝熱管に腐食や破損を生じるという問題が発生する。また、ボイラに導入される排熱ガス温度が設計値より高い場合、給水量を増大しても設定された蒸気温度には制御できないなど、排熱ガス温度の変化によって蒸気温度もバラバラな状態で生成され、飽和水のまま回収されることもあった。

特開平６−２８０２号公報に開示されている従来技術は、煙道が並列に２流路に分割されたボイラ内で、各流路のガスダンパにより各流路の伝熱部内蒸気温度を別個に制御するもので、２流路の煙道の合流後の蒸気温度制御に適用できない。

特開２００４−１９９６２公報に開示されている従来技術は、ガスタービン排熱ガス等による「蒸発器部材の焼損」が問題となるような約５００℃以上の比較的高温域を主体に蒸気過熱度を所定範囲に保つよう給水流量を制御するもので、本発明のように、定常運転時に温度が２６０℃〜３２０℃の比較的低い温度範囲内で常に変動する系には対応していない。また２系統の排熱ガス煙道の合流後の蒸気温度制御に適用できない。

特開昭６０−６４１０１号公報には、ボイラ通過ガス量・ボイラ入出口ガス温度差より受熱量に対する給水量設定・流動安定給水量調節を行うものであるが、エンジンやガスタービン等の約５００℃以上の比較的高温域を対象に負荷変動に対する制御を行うもので、本発明のように、定常運転時に温度が２６０℃〜３２０℃の比較的低い温度範囲内で常に変動する系には対応していない。また複数の排熱ガス煙道の合流後の蒸気温度制御に適用される技術ではない。

そこで、本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、定常運転時に温度が２６０℃〜３２０℃の比較的低い温度範囲内で常に変動する系、例えば、焼結機クーラ等で発生する排熱ガスを複数の排熱ガスダクトにより多管式貫流ボイラに導入して蒸気を発生させる際に、排熱ガス温度の変化に伴ってボイラ入口の排熱ガス温度が変化しても、これに迅速かつ適切に対応し、ボイラ出口の蒸気量と温度を目標値に安定的に制御することができる多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法および蒸気温度制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、前述の課題を解決するために成されたものであり、ボイラ入口排熱ガス温度により補正係数を乗じた給水量を設定することにより、焼結機クーラ等で発生する排熱ガス温度の変化に伴ってボイラ入口の排熱ガス温度が変化してもこれに見合って、ボイラ出口の蒸気量と温度を目標値に制御することができる多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法および蒸気温度制御装置を提供するものであり、その要旨とするところは、下記内容である。

（１）排熱ガスを多管式貫流ボイラに導入して蒸気を発生させる多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法であって、前記多管式貫流ボイラに導入する複数の排熱ガスダクトからの排熱ガス温度、排熱ガス流量及び前記多管式貫流ボイラの出口蒸気温度により演算された理論給水量に前記多管式貫流ボイラの入口排熱ガス温度に応じた補正係数を乗じて得られた補正給水量を前記多管式貫流ボイラに供給することにより、前記多管式貫流ボイラから発生させる蒸気の温度を目標値に制御することを特徴とする多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法。

（２）排熱ガスを多管式貫流ボイラに導入して蒸気を発生させる多管式貫流ボイラの蒸気温度制御装置であって、前記多管式貫流ボイラに導入する複数の排熱ガスダクトからの排熱ガス温度を測定する温度計と、前記複数の排熱ガスダクトからの排熱ガス流量を測定する排熱ガス流量計と、該排熱ガス温度、排熱ガス流量および前記多管式貫流ボイラの出口蒸気温度に基づいて理論給水流量を演算する理論給水流量演算器と、該理論給水流量に前記の複数の排熱ガスダクトからの排熱ガス温度に応じた補正係数を乗じて前記多管式貫流ボイラへの給水流量を設定する補正給水流量演算器と、前記多管式貫流ボイラへの給水流量を前記補正給水流量演算器により得られた給水流量に調節する給水流量調節弁とを、を備えることを特徴とする多管式貫流ボイラの蒸気温度制御装置。

本発明によれば、ボイラ合流前の各ダクトの排熱ガス温度による補正係数を乗じた補給水量を設定することにより、焼結機クーラ等で発生する排熱ガス温度の変化に伴ってボイラ入口の排熱ガス温度が変化してもこれに見合って、ボイラ出口の蒸気量と温度を目標値に制御することができる多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法および蒸気温度制御装置を提供することができ、給水流量調節弁の応答性は速く、設定された蒸気を発生させることができるうえ、２６０℃〜３２０℃程度の中低温の排熱ガスでも多管式貫流ボイラが採用できるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本発明を実施するための最良の形態について、図１および図２を用いて詳細に説明する。図１は、本発明に係る多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法を適用した多管式貫流ボイラへの給水流量を制御するシステムの構成を示す模式図である。

図１は、２基の焼結クーラより発生する排熱ガスを本発明の制御方法に適用したものであり、図示されていないＮｏ１焼結クーラおよびＮｏ２焼結クーラから排出される排熱ガスは、Ｎｏ１排熱ガスダクト７およびＮｏ２排熱ガスダクト１１を介して貫流ボイラ１に導入される。ここで、２基の焼結クーラの稼動停止状態や操業変動に応じて、同じく図示されていない各排熱ガスダクトに設けられた流量調整ダンパーの開度をそれぞれ適宜に設定・調整するが、ダンパー開度制御・調整の簡素化のため、基本的には変動の少ない方のダンパー開度を固定し、変動が大きく入熱量への影響が大きい方のダンパー開度を調整開とするのが望ましいが、両ダンパー開度とも調整開とし、操業変動に応じた排熱回収制御を行うことも可能である。

導入された排熱ガスは貫流ボイラ1内に配置した伝熱管と熱交換して排熱ガスは集塵器1９およびＩＤＦ２０を介して煙突２１より大気に放散される。

一方、貫流ボイラ１内に配置された伝熱管には水が給水され、蒸気に変換される。伝熱管へ給水する給水管２には給水量を測定する給水流量計３と給水流量調節弁４が設置されている。また、貫流ボイラ1の出口の蒸気管５には蒸気温度を測定する蒸気温度計６と蒸気圧力を測定する蒸気圧力計１８が設置されている。

図示されていないＮｏ１焼結クーラおよびＮｏ２焼結クーラより排出される排熱ガスは、それぞれＮｏ１排熱ガスダクト７およびＮｏ２排熱ガスダクト１１により、合流混合後に貫流ボイラ1へ導入される。Ｎｏ１排熱ガスダクト７およびＮｏ２排熱ガスダクト１１にはそれぞれ排熱ガス流量を測定する排熱ガス流量計８、１２が設置されている。この排熱ガス流量計８、１２により測定された排熱ガス流量は理論給水流量演算器１５にそのデータが送信される。

また、排熱ガスダクト７、１１には排熱ガス温度を検知する排熱ガス温度計９、１３が設置され、排熱ガス温度を測定して排熱ガス温度入出力装置１４にそのデータが送信される。

また、蒸気温度計６で測定された蒸気温度、及び蒸気圧力計１８で測定された蒸気圧力は、理論給水流量演算器１５に送られる。

Ｎｏ１焼結クーラより排出される排熱ガス温度とＮｏ２焼結クーラより排出される排熱ガス温度を排熱ガス温度入出力装置１４から理論給水流量演算器１５に送信し、排熱ガス温度と排熱ガス流量により理論給水流量を演算する。

理論給水流量は、ボイラ出口蒸気温度が予め設定された蒸気圧力での蒸気温度に対して一定範囲内になるように、排熱ガス温度、比熱、流量およびボイラ出口排熱ガス温度、比熱に基づいて下記（Ａ）式により演算される。
Ｗｏ＝{G1×(Cpi1×tgi1)+G2×(Cpi2×tgi2)−(G1+G2)×(Cpo×tgo)}／(i2−i1)
・・・(Ａ)

又、ボイラ入口排熱ガス温度は、下記（Ｂ）式により演算される。
tgib＝{G1×(Cpi1×tgi1)+G2×(Cpi2×tgi2)}／{(G1+G2)×Cpib} ・・・(Ｂ)

ここで、
Ｗｏ：理論給水流量（Ｔ／Ｈ）
G1：Ｎｏ１排熱ガスダクト側排熱ガス流量（Ｎｍ^３／Ｈ）
G2：Ｎｏ２排熱ガスダクト側排熱ガス流量（Ｎｍ^３／Ｈ）
Cpi1：Ｎｏ１排熱ガスダクト側排熱ガス比熱（ｋＪ／Ｎｍ^３℃）
Cpi2：Ｎｏ２排熱ガスダクト側排熱ガス比熱（ｋＪ／Ｎｍ^３℃）
Cpib：ボイラ入口排熱ガス比熱（ｋＪ／Ｎｍ^３℃）
Cpo：ボイラ出口排熱ガス比熱（ｋＪ／Ｎｍ^３℃）
tgi1：Ｎｏ１焼結クーラ排熱ガス温度（℃）
tgi2：Ｎｏ２焼結クーラ排熱ガス温度（℃）
tgib：ボイラ入口排熱ガス温度（℃）
tgo：ボイラ出口排熱ガス温度（℃）
i2：ボイラ出口蒸気エンタルピー（ｋＪ／Ｋｇ）
i1：ボイラ入口蒸気エンタルピー（ｋＪ／Ｋｇ）
である。

ボイラ入口の排熱ガス温度および排熱ガス流量が所定範囲内で導入された場合、ボイラ出口の蒸気温度は設定値と一致するが、ボイラ入口の排熱ガスの温度および排熱ガス流量が大幅に変動する場合、通常のフィードバック制御のみでは伝熱管の熱容量が大きいため応答性が悪く、ボイラ出側での蒸気温度および蒸気流量も変動し、飽和蒸気や飽和水の混在状態となることもある。

そこで本発明は、上記理論給水量を演算する際に、予め設定されたボイラ入口排熱ガス温度における給水流量補正係数を使用して給水流量の補正を応答よく行うものである。このため、図１に示すように、本実施形態に係るシステムは、補正給水量演算器１６、および給水流量制御器１７を備えている。

理論給水流量演算器15で演算された理論給水流量は、補正給水流量演算器１６へ送られる。また、補正給水流量演算器１６には、排熱ガス温度計９及び１３で測定された排熱ガス温度が送られる。補正給水量演算器１６では、入力された排熱ガス温度に基づいて補正係数Ｋを算出し、理論給水量に補正係数Ｋを乗算して補正給水量を演算する。演算された補正給水量は、給水流量制御器１７へ送られる。給水流量制御器１７は、補正給水量に基づいて給水流量調節弁４を制御する。

図２は、本発明に用いる給水量補正係数Ｋとボイラ入口排熱ガス温度との関係（図２の上段）、および、ボイラ出口蒸気温度とボイラ入口排熱ガス温度との関係（図２の下段）を示す図であり、横軸はボイラ入口排熱ガス温度（℃）、縦軸は補正係数Ｋおよびボイラ出口蒸気温度（℃）を示す。ボイラ入口排熱ガス温度は、上記（Ｂ）式から算出することができる。

図２の上段はボイラ入口排熱ガス温度に応じて理論給水流量に乗じる給水量補正係数Ｋを示している。この給水量補正係数Ｋは、ボイラ入口排熱ガス温度によりボイラ出口排熱ガス温度が変わるので、このボイラ入口排熱ガス温度変化に見合う給水量に調整するための補正係数であって、予め補正給水流量演算器１６に登録され、測定された各ダクトの排熱ガス温度に基づいて設定できるようにしている。

また、図２の下段に示すように、ボイラ出口蒸気温度の目標値を例えば２６０℃に設定したとすると、ボイラ入口の排熱ガス温度として２７０℃を回収できる貫流ボイラを適用した場合、排熱ガス温度が２７０℃より低い場合は、ボイラ出口の蒸気温度が下がり飽和水が排出されることが懸念される。この場合、本実施形態では、合流前の各ダクトの排熱ガス温度により演算された理論給水量に給水量補正係数Ｋを乗じた給水量で給水流量調節弁４に信号が送信されるので、補正係数Ｋにより給水量が減少し、応答よく給水流量調節弁４の制御を開始することができる。

このように発生する蒸気温度のみによって給水流量調節弁４を制御するのではなく、ボイラに導入される前の各ダクトの排熱ガス温度及び流量により給水量補正係数Ｋを設定して給水流量調節弁を制御するので、排熱ガス温度が変化しても、これに見合ってボイラで発生する蒸気の温度を目標値に制御でき、応答性も速く飽和水の排出も減少させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法を適用した貫流ボイラへの給水流量を制御するフロー図である。本発明に用いる給水流量補正係数およびボイラ入口の排熱ガス温度と蒸気温度との関係を示す図である。

符号の説明

１貫流ボイラ
２給水管
３給水流量計
４給水流量調節弁
５蒸気管
６蒸気温度計
７Ｎｏ１排熱ガスダクト
８Ｎｏ１排熱ガス流量計
９Ｎｏ１排熱ガス温度計
１０排熱ガスダクト合流部
１１Ｎｏ２排熱ガスダクト
１２Ｎｏ２排熱ガス流量計
１３Ｎｏ２排熱ガス温度計
１４排熱ガス温度入出力装置
１５理論給水流量演算器
１６補正給水流量演算器
１７給水流量制御器
１８蒸気圧力計
１９集塵器
２０ＩＤＦ
２１煙突

Claims

排熱ガスを多管式貫流ボイラに導入して蒸気を発生させる多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法であって、
前記多管式貫流ボイラに導入する複数の排熱ガスダクトからの排熱ガス温度、排熱ガス流量及び前記多管式貫流ボイラの出口蒸気温度により演算された理論給水量に前記多管式貫流ボイラの入口排熱ガス温度に応じた補正係数を乗じて得られた補正給水量を前記多管式貫流ボイラに供給することにより、前記多管式貫流ボイラから発生させる蒸気の温度を目標値に制御することを特徴とする、多管式貫流ボイラの蒸気温度制御方法。
排熱ガスを多管式貫流ボイラに導入して蒸気を発生させる多管式貫流ボイラの蒸気温度制御装置であって、
前記多管式貫流ボイラに導入する複数の排熱ガスダクトからの排熱ガス温度を測定する温度計と、
前記複数の排熱ガスダクトからの排熱ガス流量を測定する排熱ガス流量計と、
該排熱ガス温度、排熱ガス流量および前記多管式貫流ボイラの出口蒸気温度に基づいて理論給水流量を演算する理論給水流量演算器と、
該理論給水流量に前記の複数の排熱ガスダクトからの排熱ガス温度に応じた補正係数を乗じて前記多管式貫流ボイラへの給水流量を設定する補正給水流量演算器と、
前記多管式貫流ボイラへの給水流量を前記補正給水流量演算器により得られた給水流量に調節する給水流量調節弁と、
を備えることを特徴とする多管式貫流ボイラの蒸気温度制御装置。