JP2009198072A - 蒸気供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸気使用設備へ供給する蒸気の質を維持するとともに、省エネルギーを実現することである。
【解決手段】 蒸気使用設備Ｔと、この蒸気使用設備Ｔへ蒸気を供給する蒸気ボイラＢとを含む蒸気供給システムにおいて、前記蒸気使用設備Ｂが前記蒸気ボイラＢにおけるキャリオーバを防止するために最低限必要な圧力である下限蒸気圧力以下の使用蒸気圧力を要求するものであって、前記蒸気ボイラＢには、前記下限蒸気圧力を越える運転蒸気圧力で運転制御する制御器２１を備えるとともに、前記蒸気使用設備Ｔと前記蒸気ボイラＢとの間に、前記運転蒸気圧力を前記使用蒸気圧力に低減する減圧器２３を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、蒸気使用設備と、この蒸気使用設備へ蒸気を供給する蒸気ボイラとを含む供給システムに関する。

一般に、この種蒸気供給システムにおいては、蒸気ボイラの圧力を蒸気使用設備が要求する使用蒸気圧に制御する（特許文献１参照）。

特開２０００−７４３０３号公報

こうした従来の蒸気供給システムにおいては、運転蒸気圧力が使用蒸気圧力以下にならないようにするという課題については、これを認識し、その対策を提案している。

この出願の発明者は、つぎの知見を得た。すなわち、蒸気使用設備が０．４MPa以下の低圧の使用蒸気を要求することがあるが、圧力低下は、キャリオーバを伴い、蒸気純度が低くなるばかりか、ボイラ水の濃度も大きく変動する。そして、このような低圧運転では、キャリオーバ防止の限界電気伝導率が通常圧力の運転の場合に比べて低くなることから、低電気伝導率での運転管理となる。その結果、ブロー量が増加して、ブローにより無駄に熱が捨てられるために、省エネルギーを実現できないという課題がある。

この発明が解決しようとする課題は、蒸気使用設備へ供給する蒸気の質を維持するとともに、省エネルギーを実現することである。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、蒸気使用設備と、この蒸気使用設備へ蒸気を供給する蒸気ボイラとを含む蒸気供給システムにおいて、前記蒸気使用設備が前記蒸気ボイラにおけるキャリオーバを防止するために最低限必要な圧力である下限蒸気圧力以下の使用蒸気圧力で使用されるものであって、前記蒸気ボイラには、前記下限蒸気圧力を越える運転蒸気圧力で運転制御する制御器を備えるとともに、前記蒸気使用設備と前記蒸気ボイラとの間に、前記運転蒸気圧力を前記使用蒸気圧力に低減する減圧器を備えたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、前記蒸気ボイラを前記下限蒸気圧力以上で運転することにより、キャリオーバを防止でき、供給蒸気の質を維持できるとともに、省エネルギーとなる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記下限蒸気圧力が、０．４〜０．６MPaであることを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加えて、キャリオーバを効果的に防止できるという効果を奏する。

この発明によれば、供給蒸気の質を維持できるとともに、省エネルギーを実現できると
いう効果を奏する。

つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この実施の形態は、比較的低圧の蒸気を用いる蒸気使用設備（蒸気使用機器と称することができる。）とこの蒸気使用設備へ蒸気を供給する蒸気ボイラとを含む蒸気供給システムに実施される。

（実施の形態１）
この発明の実施の形態１は、蒸気使用設備と、この蒸気使用設備へ蒸気を供給する蒸気ボイラとを含む蒸気供給システムにおいて、前記蒸気使用設備が前記蒸気ボイラにおけるキャリオーバを防止するために最低限必要な圧力である下限蒸気圧力以下の使用蒸気圧力を要求して、その使用蒸気圧力で使用されるものとされ、前記蒸気ボイラには、前記下限蒸気圧力を越える運転蒸気圧力で運転制御する制御器を備えるとともに、前記蒸気使用設備と前記蒸気ボイラとの間に、前記運転蒸気圧力を前記使用蒸気圧力に低減する減圧器を備えた蒸気使用システムを特徴とする。

この実施の形態１においては、前記蒸気ボイラは、前記下限蒸気圧力を越える蒸気圧で運転され、前記減圧器にて前記下限蒸気圧力以下の蒸気として前記蒸気使用設備へ供給する。前記蒸気ボイラが前記下限蒸気圧力を越える高い蒸気圧で運転されるため、キャリオーバを防止できる。その結果、キャリオーバによる問題を解決，すなわち、前記蒸気使用設備へ質の高い蒸気を供給できるとともに、省エネルギーを実現できるという効果を奏する。

ここで、キャリオーバの防止（抑制と称することができる）の機構とおよびキャリオーバによる問題を解決することについて説明する。まず、キャリオーバの防止の機構について説明する。蒸気ボイラの缶体内の蒸気圧力が低いとキャリオーバが起こりやすくなる。この機構は以下のように考えられる。蒸気ボイラでは圧力により沸騰の状況が異なり、圧力が低い場合は、蒸気の比容積が大きくなる。この場合、沸騰により発生した気泡は水管内を上昇する時、急激に拡大して流速も速くなるので、蒸気に水滴を同伴していく可能性が高くなる。一方、圧力の高い蒸気は、比容積が小さく、沸騰により発生した気泡は水管内を上昇する時の拡大の仕方がゆっくりで、上昇速度もゆるやかになる。従って、沸騰がおだやかになり、蒸気に水滴を同伴する可能性が小さくなる。こうして、蒸気ボイラの運転蒸気圧力を高くすることで、キャリオーバを防止することができる。この出願の発明者は、実験的に、前記下限蒸気圧力を０．４〜０．６MPaとすることで、キャリオーバ防止に効果的であるという知見を得た。

ここで、「キャリオーバが起きている」および「キャリオーバの防止」につき説明する。キャリオーバの程度は、乾き度で評価される。
乾き度＝（１−湿り度）＝（１−水の状態でいる質量／全蒸気質量）
乾き度＝１００％は、過熱蒸気（スーパーヒーターを使って、蒸気を飽和温度以上に加熱した蒸気）でないと無理である。一般産業用では過熱蒸気は普通使われないので、乾き度は通常１００％より小さく、小型ボイラ（セパレータ付き）の実力で９８％以上である。そして、簡易ボイラ（セパレータ無し）になるともっと乾き度は悪く、８０−９０％程度となる。従って、ボイラにより乾き度は異なるので、乾き度がいくら以下が、キャリオーバが起こっているか一律に定義することはできない。

この発明では、ボイラに固有の乾き度性能を出せないのが、「キャリオーバが起きている」と定義する。また、「キャリオーバの防止」とは、このキャリオーバが起きないようにすることを意味する。なお、JISB8223に記載されているように、キャリオーバ状態になっているかどうかは、ボイラ水の全蒸発残留物（電気伝導率と比例関係）により劇的に変
わるので、ボイラ固有の乾き度データがあれば、（あるいは普段の運転状態が分かっていれば）現在の状態を判定することは可能である。

つぎに、キャリオーバによる問題を解決することについて説明する。キャリオーバの問題点は、二点ある。第一は、製品の品質を損なうこと、第二は、熱効率が悪くなることである。第一の問題点は、蒸気を直接製品の加工のための蒸気使用設備に使う場合（たとえば豆腐製造に用いる豆を蒸気で蒸すなど）の場合、製品に強アルカリ性のボイラ水が混じるため、風味や味など、製品の品質を損なう恐れがあることである。キャリオーバを防止することにより、蒸気使用設備へ質（純度）の高い蒸気を供給でき、製品の品質を損なうことを防止できる。

第二の問題点につき説明するに、蒸気は水を１００℃まで温めるためのエネルギーに加え、１００℃の水が１００℃の蒸気に変わるエネルギー（蒸発潜熱という。）と、１００℃の蒸気を１８４℃（1.0MPaの場合）まで温めるためのエネルギーを持っている（１．０MPaの蒸気では、全熱で２７８０kJ/kg）。一方、ボイラ水では、１８４℃で７８１kJ/kgのエネルギーしか持っていない。蒸気にボイラ水が１０％も混じると、蒸気の持つエネルギーが２５８０kJ/kgで７．２％減少し、それだけ多くの蒸気を加えないと加熱ができないことになる。従って、キャリオーバ防止を行うことにより、省エネルギーを実現できる。

ここで、キャリオーバにより、キャリオーバがない時に比べ熱のロスが発生することにつき詳細に説明する。試算すると、蒸気の乾き度が７０％、８０％、９０％ではそれぞれ、熱エネルギーのロスが１１．１％、６．５％、２．９％に達する。これは、キャリオーバにより時間当たりの給水量が増え、蒸気使用機器での加熱に寄与しない水まで加熱しなければならないためと考えられる。すなわち、ボイラ水は給水に比べ熱量を持っているので、この熱量を加えるために燃料を必要とするが、蒸気使用機器では、蒸気の潜熱量しか利用しないため、ボイラ水がキャリオーバしても蒸気使用機器での加熱に寄与しない。キャリオーバにより給水量が増えると、余計な水を温めるエネルギーが無駄となる。

つぎに、前記実施の形態１の構成要素につき説明する。前記缶体は、どのような構成の缶体であってもよい。ここでは、貫流ボイラについて例示的に述べるが、炉筒煙管ボイラや水管ボイラにも好適に適用される。貫流ボイラの缶体は、上部ヘッダ（管寄せ）と下部ヘッダとの間に多数の水管を接続した缶体とすることができるが、所謂丸型（形）缶体のようにヘッダ形状をリング（ドーナツ）とする第一の形態と、所謂角型（形）缶体のようにヘッダ形状を蒲鉾（直方体）状とする形態とがある。

この缶体には、第一排水（ブロー）手段と第二排水（ブロー）手段とを備える。ボイラ水（缶水）のブローには、ボイラ水の排出位置により、表面ブローと缶底ブローとの２種類があり、排水の連続性によって、連続ブローと間欠ブローとの２種類があり、自動化するか否かにより、手動ブローと自動ブローとの２種類がある。以上より、理論的には、２×２×２で８通りのブローが考えられるが、この実施の形態１においては、表面ブロー＆連続ブロー＆自動ブローを前記第一排水手段により行い、缶底ブロー＆間欠ブロー＆手動ブローを前記第二排水手段により行うように構成する。前記缶底ブローは、主としてスラッジの排出を目的とするが、前記表面ブローを行う手段のないボイラでは、ボイラ水の電気伝導率を制御する目的に使うこともできる。また、表面ブローは、主としてボイラ水の電気伝導率を制御する目的に使う。スラッジの排出は缶底からに限られるが、スラッジを分散状態に保つ分散剤を用いると、表面ブローによっても排出することもできるようになる。

前記第一排水手段は、前記缶体の底部に接続した第一排水路と、この第一排水路に設け
た第一排水弁とを含んで構成される。また、前記第二排水手段は、前記缶体のボイラ水の上層部を排出可能な位置または前記缶体に接続した気液分離器の底部に接続した第二排水路と、この第二排水路に設けた第二排水弁とを含んで構成される。

前記第一排水弁および前記第二排水弁は、電気的に制御される電磁弁またはモータ弁で構成される。この排水弁の開閉は、開閉の二段階のものとするが、多段開閉式、連続的に開度が調整可能な弁とすることもできる。

前記制御器は、前記缶体のボイラ水を加熱する加熱器を制御して、前記缶体内の蒸気圧力を前記下限蒸気圧力を越える値に設定した運転蒸気圧力を保持する加熱制御を行うとともに、前記缶体内の水位を制御する水位制御，前記第一排水手段および前記第二排水手段を制御するブロー制御を行うように構成している。前記下限蒸気圧力は、好ましくは、０．４〜０．６MPaとする。前記加熱器は、燃焼器（バーナ）に限定されず、電気ヒータなどの加熱手段とすることができる。

前記蒸気ボイラと前記蒸気使用設備とは、減圧器を備える蒸気供給路にて接続される。前記蒸気使用設備は、前記下限蒸気圧以下の使用蒸気圧で使用される。前記減圧器は、前記蒸気ボイラの運転蒸気圧を使用蒸気圧に低減する機能を有するもので、減圧弁やオリフィスが用いられる。

この発明は、前記実施の形態１に限定されず、つぎの実施の形態２を含む。
（実施の形態２）
この実施の形態２は、前記実施の形態１において、ボイラ水の電気伝導率を設定値以下に保持する電気伝導率保持手段を備えたものである。この電気伝導率保持手段は、ボイラ水の電気伝導率を設定値以下に保持する手段であって、前記制御器によりボイラ水の電気伝導率を設定値に保持するように前記第二排水手段を制御して表面ブローを行うことにより実現される。

これを詳細に説明するに、蒸気ボイラではボイラ水の濃縮が起こり、ボイラ水の電気伝導率が上昇する。電気伝導率が上昇すると、キャリオーバが起こりやすくなる。この機構を説明すると、電気伝導率が高くなると、表面張力が大きくなり、蒸発により発生する蒸気泡が小さく、つぶれにくくなる。つぶれにくくなった蒸気泡は、缶内の上部（上部ヘッダなど）に溜まり、上部空間を埋め尽くす。こうなると、蒸気の中に気泡が混じるようになる。気泡の隔膜はボイラ水でできているので、気泡が蒸気に混じるとボイラ水が蒸気に混じることになる。この機構によるキャリオーバは、ボイラ水の電気伝導率を一定以下に保つために、ブローを行うことにより、防止することができる。

この実施の形態２においては、つぎの作用効果が考えられる。仮に、前記下限蒸気圧未満の圧力で蒸気ボイラを運転すると、キャリオーバを生ずるので、キャリオーバ防止のためにボイラ水の電気伝導率を低めに設定する必要がある。そうすると、前記第二排水手段によるブロー量が増加してしまい、エネルギーの無駄となる。これに対して、この実施の形態２によれば、前記電気伝導率保持手段を備えているので、ボイラが前記下限蒸気圧を越える高圧の運転蒸気圧力で運転制御されるので、キャリオーバが少なくなる。その結果、前記電気伝導率の設定値を高く設定でき、ブロー量を低減して、省エネルギーを実現できる。

さらに、この実施の形態２においては、キャリオーバを低減するために、前記ボイラの容量を最大負荷に応じたボイラに選定したり、前記蒸気供給管の途中にアキュームレータを備えて、前記下限値以下となるのを防止するように、圧力低下を吸収するクッションタンクとして機能させることが望ましい。

以下、この発明の実施例１を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明を実施した蒸気ボイラ（以下、単にボイラという。）Ｂの一実施例の概略構成図であり、図２は、同実施例１の燃焼制御の動作を説明するフローチャートであり、図３は、同実施例１のブロー制御の動作を説明するフローチャートである。

図１に示すように、前記実施例１のボイラＢは、ボイラ本体（以下、単に本体という。）１と、燃料制御の第一弁２を有し、バーナ（図示省略）へ燃料を供給するための燃料供給路３と、送風機４を有する燃焼用空気供給路５と、軟水器６および給水ポンプ７を有する給水路８と、缶底ブローを行う第一排水（ブロー）手段Ｗ１と、表面ブローを行う第二ブロー（排水）手段Ｗ２とを備えている。

前記缶体１０は、上部ヘッダ１２と下部ヘッダ１３との間に環状に配置される多数の水管１４，１４，…を接続した所謂丸形缶体として構成している。

前記第一排水手段Ｗ１は、前記缶体の底部に接続した第一排水路１１と、この第一排水路１１に設けた第一排水弁としての第二弁９とから構成している。

また、前記第二排水手段Ｗ２は、前記上部ヘッダ１２に気液分離器１５を接続し、この気液分離器１５に接続された降水管１６に、第二排水弁としての第三弁１７を備える第二排水路１８を接続した構成としている。

前記第二弁９および前記第三弁１７は、電気的に制御される電磁弁またはモータ弁で構成される。これらの排水弁９，１７の開閉は、この実施例１では開閉の二段階のものとしている。

そして、前記缶体１０内の電気伝導率を検出する電気伝導率センサ１９および前記缶体１０内の圧力を検出する圧力センサ２０などからの信号を入力して、前記第一弁２，前記第二弁９，前記送風機４，前記給水ポンプ７，前記第三弁１７などを制御する制御器２１を備えている。

前記制御器２１は、前記圧力センサ２０などの信号に基づき前記第一弁２，前記送風機４などを制御することにより前記バーナの燃焼を制御して、前記缶体１０内の蒸気圧力を前記下限蒸気圧Ｐ０を越えて高く設定された運転蒸気圧Ｐ１に制御する燃焼制御プログラムと、前記給水ポンプ７などを制御することにより前記缶体１０内の水位を制御する周知の水位制御プログラムと、前記電気伝導率センサ１９からの信号に基づき、ボイラ水の電気伝導率が設定値以下となるように前記第三弁１７の開閉を制御するブロー制御プログラムとを実行するように構成している。前記燃焼制御プログラムの概要は、図２に示し、前記ブロー制御プログラムの概要は、図３に示している。前記ブロー制御プログラムにおいて、前記制御器２１は、たとえば一日１回ボイラの運転停止時に、所定時間開く缶底ブローを行うように第二弁９を制御するが、手動により開閉制御を行うように構成できる。

図１において、前記缶体１０にて生成された蒸気は、給蒸を制御する第四弁２２と減圧器２３とを備える蒸気供給路２４を通して蒸気使用設備Ｔ供給される。前記減圧器２３は、前記ボイラＢの運転蒸気圧力Ｐ１を、前記下限蒸気圧力Ｐ０以下である前記蒸気使用設備Ｔの使用蒸気圧力Ｐ２に低減する機能を有する減圧弁を使用している。この減圧弁は、公知のものが用いられる。

前記構成の実施例１の動作を図面に従い説明する。まず、この実施例１の圧力制御を説
明する。図２を参照して、ステップＳ１（以下、ステップＳＮを単にＳＮという。）にて、ボイラの燃焼が開始され、前記燃焼制御プログラムに基づき、前記缶体１０内の圧力が前記下限蒸気圧力Ｐ０を越える前記運転蒸気圧力Ｐ１（＞Ｐ０）に制御される。すなわち、Ｓ２にて前記圧力センサ２０により検出の蒸気圧力が第一蒸気圧力（第一設定値）Ｐ１１以上かどうかが判定され、ＮＯの場合は燃焼を継続し、ＹＥＳの場合、Ｓ３へ移行して燃焼を停止する。Ｓ４において蒸気圧力が前記下限蒸気圧力Ｐ０を越え前記第一設定値Ｐ１１より所定値低い第二蒸気圧力Ｐ１２（第二設定値）以下かどうかが判定される。ＮＯの場合は燃焼停止を継続し、ＹＥＳの場合Ｓ１に戻って燃焼を再開する。こうして、前記缶体１０内の圧力は、前記下限蒸気圧力Ｐ０を越えるＰ１１〜Ｐ１２の間に保持される。そして、ボイラＢにて生成された蒸気は、前記減圧器２３にて前記使用蒸気圧Ｐ２に低減され、前記蒸気使用設備Ｔへ供給される。

こうして、前記ボイラＢが前記下限蒸気圧力Ｐ０を越える高い蒸気圧の運転蒸気圧力で運転されるため、キャリオーバを防止できる。その結果、前記蒸気使用設備Ｔへ質の高い蒸気を供給できるとともに、省エネルギーを実現できる。

つぎに、ブロー制御について説明する。図３を参照して、Ｓ５にて前記第三弁１７を閉じる。前記ボイラＢの運転により、前記缶体１０内のボイラ水が濃縮し、電気伝導率が上昇する。すると、Ｓ６にて前記電気伝導率センサ１９により検出の電気伝導率が設定値以上かどうかが判定され、ＮＯの場合は閉を継続し、ＹＥＳの場合、Ｓ７へ移行して前記第三弁１７を開く。これにより、前記気液分離器１５内のボイラ水が前記第二排水路１８を通して排出（ブロー）される。前記第三弁１７の開放から設定時間が経過すると、Ｓ８にてＹＥＳが判定され、Ｓ５へ移行して前記第三弁１７を閉じ、ブローを終了する。前記第三弁１７の閉の制御は、前記缶体１０内の水位により制御することができる。こうした、ブロー制御により、前記缶体１０内のボイラ水の電気伝導率が設定値以下に抑えられる。

この発明を実施したボイラの実施例１の概略構成図である。 同実施例１の燃焼制御の動作を説明するフローチャートである。 同実施例１のブロー制御の動作を説明するフローチャートである

符号の説明

Ｂ ボイラ
Ｔ 蒸気使用設備
２１ 制御器
２３ 減圧器

Claims (2)

1. 蒸気使用設備と、この蒸気使用設備へ蒸気を供給する蒸気ボイラとを含む蒸気供給システムにおいて、
   前記蒸気使用設備が前記蒸気ボイラにおけるキャリオーバを防止するために最低限必要な圧力である下限蒸気圧力以下の使用蒸気圧力で使用されるものであって、
   前記蒸気ボイラには、前記下限蒸気圧力を越える運転蒸気圧力で運転制御する制御器を備えるとともに、
   前記蒸気使用設備と前記蒸気ボイラとの間に、前記運転蒸気圧力を前記使用蒸気圧力に低減する減圧器を備えたことを特徴とする蒸気供給システム。
2. 前記下限蒸気圧力が、０．４〜０．６MPaであることを特徴とする請求項１に記載の蒸気供給システム。

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