JP2010203729A

JP2010203729A - ボイラおよび濃縮ブロー方法

Info

Publication number: JP2010203729A
Application number: JP2009052033A
Authority: JP
Inventors: Masao Kurano; 雅夫蔵野; Kazuhiro Hanefuji; 和洋羽藤
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】濃縮ブローによるブロー水と給水との間で効率的に熱交換が可能なボイラを提供する。
【解決手段】本実施形態に係るボイラ１は、缶体３、気水分離器５、蒸気取出ライン６、降水管７、缶体３に給水するための給水ライン１１、濃縮ブローを行うための濃縮ブローライン１５、給水ライン１１の給水と濃縮ブローライン１５のブロー水との間で熱交換を行うための熱交換器２０及び制御器３０を備えている。濃縮ブローライン１５には、濃縮ブロー弁１６及びストレーナ１７が設置されており、濃縮ブロー弁１６は、高速に切り替え可能な電磁弁である。制御器３０は、濃縮ブロー弁を高速間欠制御することで、熱交換器２０において給水とブロー水との間で連続的に熱交換を行わせるように給水ポンプ１２及び濃縮ブロー弁１６を制御する
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料を燃焼させて得た熱を水に伝え、水蒸気や温水に換える熱源機器であるボイラに関し、特に、ボイラの濃縮ブローに関する。

一般に、ボイラにおいては、ボイラ内の缶水を長時間に亘り高温で加熱し続けると、発生する蒸気量に比例して缶水の濃縮が進行し、蒸気の乾き度が低下してしまう。蒸気の乾き度が低下してくると、蒸気中にボイラ水が同伴してきてしまい、ボイラ水には種々の成分が含まれているため、蒸気に直接触れる機器にしみ等が付着したり、蒸気配管において振動や異音が発生したりする。

このため、従来のボイラでは、濃縮ブロー弁を備えた濃縮ブローラインをボイラ缶体に接続して設置し、濃縮ブロー弁を開状態としてボイラ水の一部を排出する濃縮ブローにより、ボイラ水の濃縮を防止しており、例えば、このようなボイラが下記特許文献１に開示されている。

また、下記特許文献２には、濃縮ブローを行うボイラにおいて、濃縮ブローによる無駄な廃熱を少なくするために、ボイラ缶体へ供給する給水と、ボイラ缶体から排出されたブロー水との間で熱交換を行うための熱交換器を設置した構成が開示されている。

特開２００８−２７３９号公報特開２００２−２２１０６号公報

ところで、従来のボイラにおいては、濃縮ブロー弁として電磁弁が用いられている。電磁弁は、構造上、全開又は全閉の状態しか取り得ないため、電磁弁の開時間を調整する間欠ブロー制御を行うことで、濃縮ブローにより排出されるブロー水の量（濃縮ブロー量）を調節していた。

しかし、間欠的に濃縮ブローが行われる場合、開状態の濃縮ブロー弁を閉じてから次の開状態まで、濃縮ブロー弁が分単位で閉じられた状態となる。濃縮ブロー弁が閉じられている間は熱交換器にブロー水が排出されず、その間に給水が行われると、ブロー水との間で熱交換を行うことができず、濃縮ブローに伴う廃熱を有効に利用することができない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、濃縮ブローによるブロー水と給水との間で効率的に熱交換が可能なボイラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るボイラは、缶体と、前記缶体に給水するための給水ラインと、前記缶体からブロー水を排出するための濃縮ブローラインと、前記給水ラインを流れる給水と前記濃縮ブローラインを流れるブロー水との間で熱交換を行うための熱交換器と、を備えるボイラにおいて、前記給水ラインは、給水を行うための給水ポンプを有し、前記濃縮ブローラインは、ブロー水量を調節するための高速で切り替え可能な切替弁を有し、前記切替弁を高速間欠制御することで、給水中に前記熱交換器において前記給水と前記ブロー水との間で連続的に熱交換を行わせるように前記切替弁を制御する制御器を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る濃縮ブロー方法は、缶体と、前記缶体に給水するための給水ラインと、前記缶体からブロー水を排出するための濃縮ブローラインと、前記給水ラインを流れる給水と前記濃縮ブローラインを流れるブロー水との間で熱交換を行うための熱交換器と、を備えるボイラにおける濃縮ブロー方法において、前記濃縮ブローラインにおいて濃縮ブロー弁を高速で切り替える高速間欠制御による濃縮ブローを行うことで、給水中に前記熱交換器において前記給水と前記ブロー水との間で連続的に熱交換を行わせることを特徴とする。

本発明によれば、濃縮ブローによるブロー水と給水との間で効率的に熱交換が可能となる。

図１は、本実施形態に係るボイラの構成を概略的に示す模式図である。図２は、本実施形態の実施例１に係る濃縮ブロー弁の開閉制御を示す図である。図３は、本実施形態の実施例２に係る濃縮ブロー弁の開閉制御を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るボイラについて説明する。図１は、本実施形態に係るボイラ１の構成を概略的に示す模式図である。同図に示すように、ボイラ１は、缶体３、気水分離器５、蒸気取出ライン６、降水管７、缶体３に給水するための給水ライン１１、濃縮ブローを行うための濃縮ブローライン１５、給水ライン１１の給水と濃縮ブローライン１５のブロー水との間で熱交換を行うための熱交換器２０及び制御器３０を備えている。

缶体３には、蒸気圧力を測定するための圧力センサ４が設置されており、その検出値は、制御器３０へと送られる。給水ライン１１には、給水ポンプ１２が設置されており、この給水ポンプ１２には、インバータ回路１３が接続されている。インバータ回路１３は、制御器３０と接続されており、インバータ制御のために給水ポンプ１２の回転数を制御器３０へと送信する。給水ポンプ１２は、インバータ回路１３を介して制御器３０によって制御され、インバータ制御による比例（連続）給水を行う。

濃縮ブローライン１５には、濃縮ブロー弁１６及びストレーナ１７が設置されており、濃縮ブロー弁１６は、制御器３０によって制御される。また、本実施形態に係る濃縮ブロー弁１６は、磁力によって弁の開閉を行う電磁弁であり、後述するように、高速間欠制御を行うため、低発熱性のＤＣ電磁弁を用いている。なお、好ましくは、急な弁閉時に水流の慣性で管内に衝撃・振動水圧が発生するウォータハンマ（水撃作用）による電磁弁の破損を防止するために、濃縮ブローライン１５の熱交換器２０とストレーナ１７との間に、さらにアキュムレータ（蓄圧器）を設けると良い。

本実施形態では、濃縮ブローライン１５における濃縮ブロー弁１６において、電磁弁の開閉（ON-OFF）を高速で切り換える高速間欠制御を行っている。これにより、制御上は間欠制御による濃縮ブローを行うが、長いインターバルを開けることなくブロー水を熱交換器２０に供給し、ブロー水と給水との間で、間欠ではなく連続して熱交換を行うことが可能となっている。

上述したように、本実施形態では、インバータ制御により連続給水が行われており、高速間欠制御による濃縮ブローと併せて、ブロー水と給水との間で連続的に熱交換を行うことができ、濃縮ブローに伴う無駄な廃熱を大きく抑えることができる。

続いて、本実施形態における制御器３０による濃縮ブロー弁１６の開閉制御の実施例１〜３について詳細に説明する。実施例１では、１サイクル（周期）の長さは固定で、電磁弁の１サイクルあたりの開時間を変化させるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御、実施例２では、電磁弁の開時間を固定し、１サイクルの長さを変化させる（電磁弁の閉時間を変化させる）ＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）制御、実施例３では、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御とを組み合わせた制御により濃縮ブロー量を調整している。

まず、実施例１では、１サイクルの周期Ｔ₁を固定したまま、電磁弁の開時間ｔ₁を変更するＰＷＭ制御により、濃縮ブロー量の制御を行う。本実施例１では、周期Ｔ₁＝2[s]とした。図２に、実施例１における電磁弁の開閉制御の仮想事例を示す。

図２に示すように、サイクル0〜2Ｔ₁の間は、１サイクルあたりの電磁弁の開時間ｔ₁₁＝1(s)であり（閉時間も1s）、サイクル2Ｔ₁〜4Ｔ₁の間は、電磁弁の開時間ｔ₁₂＝2(s)であり（閉時間は0s）、サイクル4Ｔ₁〜6Ｔ₁の間は、電磁弁の開時間ｔ₁₃＝1.5(s)となっている（閉時間0.5s）。このように、実施例１では、１サイクルの長さが固定であるので、電磁弁の開時間ｔ₁を調整することで、濃縮ブロー量を調整することができる。

実施例１に係る電磁弁の開時間ｔ₁は、例えば、下記式（１）によって求められ、機能設定による濃縮ブロー率Ａ(%)（ブロー量と給水量との比率）と、蒸気圧力Ｐ(MPa)による圧力補正係数とから決定される。

したがって、周期Ｔ₁＝2[s]とし、蒸気圧力Ｐ＝0.686MPa（7.0kgf/cm²）とすると、濃縮ブロー率が10%の場合は、電磁弁の開時間ｔ₁は1sとなり、濃縮ブロー率が20%の場合には、電磁弁の開時間ｔ₁は2sとなり、濃縮ブロー率が15%の場合には、電磁弁の開時間ｔ₁は1.5sとなる。

続いて、実施例２では、電磁弁の開時間ｔ₂を固定し、１サイクルの周期Ｔ₂を変化させるＰＦＭ制御により、濃縮ブロー量の制御を行う。本実施例では、電磁弁の開時間ｔ₂＝0.5(s)とした。図３に、実施例２における電磁弁の開閉制御の仮想事例を示す。

図３に示すように、サイクルＴ₂₁，Ｔ₂₂の間は、周期Ｔ₂₁＝Ｔ₂₂＝1(s)であり、１サイクル中における電磁弁の開時間と閉時間が半々の0.5sずつになっている。また、サイクルＴ₂₃，Ｔ₂₄の間は、周期Ｔ₂₃＝Ｔ₂₄＝0.667(s)であり、１サイクル中における電磁弁の開時間が0.5s、閉時間が0.167sとなっている。また、サイクルＴ₂₅，Ｔ₂₆の間は、周期Ｔ₂₅＝Ｔ₂₆＝0.5(s)であり、１サイクル中における電磁弁の開時間が0.5s、閉時間は0sとなっている。

このように、実施例２では、１サイクル中の電磁弁の開時間が0.5sで一定であるので、１サイクルの周期を調整（閉時間を調整）することで、濃縮ブロー量を調整することができる。

実施例２に係るサイクル周期Ｔ₂は、例えば、下記式（２）によって求められ、機能設定による濃縮ブロー率Ａ(%)（ブロー量と給水量との比率）と、蒸気圧力Ｐ(MPa)による圧力補正係数とから決定される。

したがって、電磁弁の開時間ｔ₂＝0.5(s)とし、蒸気圧力Ｐ＝0.686MPa（7.0kgf/cm²）とすると、濃縮ブロー率が10%の場合は、サイクル周期Ｔ₂は1sとなり、濃縮ブロー率が15%の場合には、サイクル周期Ｔ₂は0.667sとなり、濃縮ブロー率が20%の場合には、サイクル周期Ｔ₂は0.5sとなる。

次に、実施例３では、電磁弁の開時間ｔ₃を変化させる上記実施例１のＰＷＭ制御と、１サイクルの周期Ｔ₃を変化させる上記実施例２のＰＦＭ制御とが組み合わせられて濃縮ブロー量が制御される。具体的には、通常時は、上記実施例１と同様のＰＷＭ制御を行い、ＰＷＭ制御において濃縮ブロー率が低くなり、電磁弁の開時間ｔ₃が使用している電磁弁の応答時間との関係で決まる下限時間を下回る場合には、ＰＦＭ制御に移行して電磁弁の開閉制御を行うように構成されている。この下限時間は、電磁弁の応答性能に左右されるが、例えば、0.1sに設定される。

以上、本実施形態の実施例１〜３について詳細に説明したが、もちろん、ＰＷＭ制御やＰＦＭ制御における開時間やサイクル周期は、他の算出式を用いて算出しても良い。例えば、高燃焼換算時間や給水温度をパラメータとする式を用いても良い。なお、本実施形態では、制御器３０は、給水ライン１１における連続給水が停止した場合には、濃縮ブローによる無駄な廃熱を防ぐために、濃縮ブロー弁１６を閉じるように制御する。

なお、本実施形態における高速間欠制御とは、長いインターバルを空けずにブロー水を熱交換器へと供給し、熱交換器２０においてブロー水から給水へと連続的に熱量を与えられるような長さのサイクルで電磁弁の開閉制御を行うことを意味し、具体的には、電磁弁ON-OFFの１サイクルの周期が15秒以内であることを意味し、さらに望ましくは１サイクルの周期が最大でも10秒以内であることが望ましい。

以上、実施例１〜３を含めて本実施形態について説明したが、本実施形態によれば、濃縮ブロー弁として用いられている電磁弁を高速間欠制御により制御することで、ブロー水と給水との間で連続して熱交換を行うことができ、濃縮ブローに伴う無駄な廃熱を大きく抑えることができる。

また、本実施形態では、流量を比例制御できる電動弁等の高価な比例制御弁を用いることなく、安価な電磁弁を用いており、コストを抑えてボイラのブロー水と給水との間での効率的な熱交換を実現することができる。

また、本実施形態によれば、高速間欠制御による濃縮ブローを行うことで、従来のインターバルの長い間欠濃縮ブローの場合と比べて缶内ボイラ水の電気伝導度の変動を抑えて安定化させることができ、ボイラのメンテナンス性を向上させることもできる。

続いて、上記本実施形態の実施例１に係るＰＷＭ制御の高速間欠濃縮ブローと連続給水との組み合わせによる熱交換器における熱回収量と、従来の間欠濃縮ブローによる熱交換器における熱回収量とを比較した試験結果について説明する。

下記表１に、実施例１（連続給水／ＰＷＭ制御による高速間欠濃縮ブロー）、比較例１（連続給水／間欠濃縮ブロー）及び比較例２（間欠給水／間欠濃縮ブロー）の熱交換器における熱回収量の試験結果を示す。また、表１では、濃縮ブロー率が5%、10%、15%、20%の場合の熱回収量を示しており、また、比較例２の各濃縮ブロー率における熱回収量を1とした場合の熱回収量を示している。

なお、本試験における従来の間欠濃縮ブローは、濃縮ブロー率が20%の場合には、ブロー弁を常時開、15%の場合には、ブロー弁を7.5分開で2.5分閉、10%の場合には、ブロー弁を5分開で5分閉、5%の場合には、ブロー弁を2.5分開で7.5分閉のサイクルで間欠濃縮ブローを行うものである。

表１に示すように、実施例１は、比較例２と比較して、全ての濃縮ブロー率において、熱回収量を大きく向上させている。また、実施例１と比較例１とを比較すると、濃縮ブロー率が20%の場合には、比較例１の場合にも常時電磁弁が開いているため、熱回収量は同じであるが、その他の電磁弁が間欠的に開く濃縮ブロー率の場合には、高速間欠濃縮ブローを行う実施例１の熱回収量のほうが上回っており、熱回収率が大きく向上している。

よって、この試験結果により、電磁弁の開閉（ON-OFF）を高速で切り換える高速間欠制御を行って、高速間欠濃縮ブローを行う本発明の実施形態によれば、従来の間欠濃縮ブローを行う場合と比べて、熱交換器における熱回収率を大きく向上できることが裏付けられている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、ブロー水量を連続的に調整するための弁としては、電磁弁を用いているが、高速に開閉可能な切替弁であれば、適宜他の切替弁を用いることができる。但し、高速で開閉する必要があるため、発熱性の低い切替弁を用いることが望ましい。

また、上記実施形態では、熱交換器における熱回収率をより向上させるために、給水ラインにおいて連続給水を行っているが、給水ラインにおいて従来と同様に間欠給水を行うように構成しても良い。高速間欠制御による高速間欠濃縮ブローであれば、間欠給水と組み合わせた場合であっても、従来の間欠濃縮ブローと比較して、熱交換器における熱回収率を大きく向上させることが可能である。

１ボイラ
３缶体
４圧力センサ
５気水分離器
６蒸気取出ライン
７降水管
１１給水ライン
１２給水ポンプ
１３インバータ回路
１５濃縮ブローライン
１６濃縮ブロー弁
１７ストレーナ
２０熱交換器
３０制御器

Claims

缶体と、前記缶体に給水するための給水ラインと、前記缶体からブロー水を排出するための濃縮ブローラインと、前記給水ラインを流れる給水と前記濃縮ブローラインを流れるブロー水との間で熱交換を行うための熱交換器と、を備えるボイラにおいて、
前記給水ラインは、給水を行うための給水ポンプを有し、
前記濃縮ブローラインは、ブロー水量を調節するための高速で切り替え可能な切替弁を有し、
前記切替弁を高速間欠制御することで、給水中に前記熱交換器において前記給水と前記ブロー水との間で連続的に熱交換を行わせるように前記切替弁を制御する制御器を備えることを特徴とするボイラ。
缶体と、前記缶体に給水するための給水ラインと、前記缶体からブロー水を排出するための濃縮ブローラインと、前記給水ラインを流れる給水と前記濃縮ブローラインを流れるブロー水との間で熱交換を行うための熱交換器と、を備えるボイラにおける濃縮ブロー方法において、
前記濃縮ブローラインにおいて濃縮ブロー弁を高速で切り替える高速間欠制御による濃縮ブローを行うことで、給水中に前記熱交換器において前記給水と前記ブロー水との間で連続的に熱交換を行わせることを特徴とする濃縮ブロー方法。