JP2011252632A

JP2011252632A - 貫流ボイラ

Info

Publication number: JP2011252632A
Application number: JP2010125493A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Takahata; 重俊高畠; Hiroshi Takashima; 博史高島; Shigeru Kuroki; 茂黒木
Original assignee: SAMSON CO Ltd
Current assignee: SAMSON CO Ltd
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-15

Abstract

【課題】燃焼量変更時に燃焼量と伝熱管内水位のバランスが崩れ、伝熱管の過熱やキャリオーバといった不具合が発生してしまうことを防止することのできる貫流ボイラを提供する。
【解決手段】伝熱管の途中に水位を設定している貫流ボイラであって、ボイラの燃焼量を段階状に設定しており、燃焼量に応じて水位調節範囲を切り替えるようにしている貫流ボイラにおいて、燃焼を行っている状態で燃焼量を変更する場合、まず水位調節範囲の切り替えを行い、燃焼量の変更は水位調節範囲の切り替えから所定時間Ｔ遅らせて行うことで、燃焼量と伝熱管内水位のバランスが崩れて伝熱管過熱やキャリオーバの発生を防止することを防止する。
【選択図】図２

Description

本発明は水位を伝熱管の途中に設定しておき、伝熱管を加熱することで蒸気を発生している貫流ボイラに関するものである。

複数の垂直な伝熱管を設置しておき、伝熱管の下部から給水を行い、ボイラ水が伝熱管を上昇する間に伝熱管内のボイラ水を加熱して蒸気を発生し、伝熱管上部から蒸気を取り出す貫流ボイラが広く普及しており、近年では容量の大きな貫流ボイラも増えている。貫流ボイラは伝熱管の途中に水位を設定するために、他型式のボイラに比べてボイラ水量が少なくなる。そのため、ボイラが保有する熱量が少なくなることで、万一事故が発生したとしても被害は限定されることになり、また冷缶から起動する場合の起蒸時間が短くなるという利点もある。

しかし、伝熱管途中に水位を設定する貫流ボイラでは、シビアな水位制御が必要になる。伝熱管途中に設定した水位よりも上の部分では、伝熱管内で激しく沸騰することによって持ち上がっているボイラ水によって伝熱管の熱を奪い、伝熱管が過熱しないようにしている。そのため、伝熱管内水位が低い場合や、持ち上げられるボイラ水量が少なくなり、ボイラ水による冷却が足りなくなった場合には、伝熱管上部が過熱されることになる。また、伝熱管内水位が高すぎると、伝熱管上部に持ち上げられるボイラ水量が多くなり、気水分離器で分離しきれなかった多量のボイラ水が蒸気とともに取り出されるキャリオーバが発生して蒸気質の低下を招くことになる。そのため貫流ボイラでは水位制御が重要となる。

そして適正な水位は、ボイラの燃焼量によっても変化し、燃焼量を高燃焼と低燃焼や、高燃焼・中燃焼・低燃焼のように増減できるようにしている場合には、それぞれの燃焼量で適正水位が異なる。燃焼量が大きい高燃焼の場合は、伝熱管内でのボイラ水の沸き上がりが大きくなるため、水位を低くしておかないとキャリオーバが発生する可能性が高まる。逆に燃焼量が小さい低燃焼の場合は、伝熱管内でのボイラ水の沸き上がりが小さくなるため、水位を高くしておかないと伝熱管の過熱が発生する可能性が高まる。

特許２９４２０８０号公報には、１００％燃焼・６５％燃焼・３０％燃焼のそれぞれに対応させて水位を設定しておき、燃焼量に合わせて水位を変更することの記載がある。ここでは、１００％燃焼の際には水位検出用容器内の水位をＨｂとＨｃの間の低位、６５％燃焼の際には水位検出用容器内の水位をＨｃとＨｄの間の中位、３０％燃焼の際には水位検出用容器内の水位をＨｄとＨｅの間の高位とすることで、伝熱管内の水位を変化させるようにしている。このように、燃焼量が変化する場合には、燃焼量に応じて伝熱管内の水位を変更することで、燃焼量が変化した場合にも伝熱管過熱やキャリオーバが発生しないようにしている。ところが、容量が大きくて燃焼量の差が大きい貫流ボイラでは、燃焼量変更直後に伝熱管の過熱やキャリオーバが発生することがあり、これらの不具合を解決する必要があった。

特許２９４２０８０号公報

本発明が解決しようとする課題は、燃焼量変更時に燃焼量と伝熱管内水位のバランスが崩れ、伝熱管の過熱やキャリオーバといった不具合が発生してしまうことを防止することのできる貫流ボイラを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、伝熱管の途中に水位を設定している貫流ボイラであって、ボイラの燃焼量を段階状に設定しており、燃焼量に応じて水位調節範囲を切り替えるようにしている貫流ボイラにおいて、燃焼を行っている状態で燃焼量を変更する場合、まず水位調節範囲の切り替えを行い、燃焼量の変更は水位調節範囲の切り替えから遅らせて行うものであることを特徴とする。

燃焼を行っている状態で燃焼量を変更する場合、燃焼量の変更は燃料供給量と燃焼量空気供給量が変化した時点で完了するため比較的短い時間で行われる。しかし、水位の変更は水位調節範囲の切り替えを行った後に徐々に変化していくものであるため、水位が切り替わるまでには比較的長い時間が必要となる。燃焼量は変化しているのに水位は変化していない時間帯が存在することで、水管の過熱やキャリオーバが発生していたため、燃焼量を変更する際には、先に水位調節範囲の切り替えを行い、水位調節範囲の切り替えから遅らせて燃焼量の変更を行うようにする。このことで燃焼量と水位のずれを少なくすることができ、水管の過熱やキャリオーバの発生を抑えることができる。

本発明を実施するボイラの概要図本発明における燃焼状態と伝熱管内水位の変動状況を示した説明図

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施するボイラの概要図である。ボイラの上部には、下向きに火炎を発生させる燃焼量可変の燃焼装置２を設けており、ボイラ中央部の燃焼室３内で火炎の燃焼を行う。燃焼装置２で使用する燃焼用空気は、燃焼装置２との間を送風路で接続した送風機５によって供給する。送風機５から燃焼装置２へ供給する空気量を制御する送風量制御御装置８を設けておき、送風量制御御装置８によって燃焼用空気供給量を調節するようにしておく。燃焼装置２へ燃料を供給する燃料供給配管４にも燃料供給制御装置７を設け、燃焼装置２へ供給する燃料量も、燃料供給制御装置７によって調節することができるようにしておく。ボイラは下部の給水配管に設けている給水ポンプ１０を稼働することで下部から給水を行い、伝熱管内でボイラ水を加熱することで蒸気を発生し、上部の蒸気取り出し管１２を通して蒸気を取り出す。ボイラ燃焼中の伝熱管内では、ボイラ水が激しく沸騰しており、蒸気取り出し管１２を通して取り出す蒸気は沸き上がったボイラ水を含んでいるため、気水分離器１１で蒸気とボイラ水に分離して蒸気のみを取り出すようにしており、分離したボイラ水はボイラ下部へ還流させる。

ボイラの給水制御は、気水分離器に接続している水位検出装置９内の水位に基づいて行う。水位検出装置９は、異なる高さ位置に設置した複数の電極棒で水の有無を検出することによって水位を検出する。給水制御は、水位検出装置内の水位が給水開始水位まで低下すると、給水ポンプ１０の稼働を開始し、給水によって給水停止水位まで水位が上昇すると給水ポンプ１０の稼働を停止することで行う。ボイラの運転は、ボイラの蒸気圧力の値を検出する圧力検出装置１で検出している蒸気圧力値に基づいて行う。蒸気圧力値が低い場合には燃焼量を大きくし、蒸気圧力値が高い場合には燃焼量を小さくすることで蒸気圧力を所定の範囲に保つ。水位検出装置９で検出した水位情報と、圧力検出装置１で検出した蒸気圧力値は、ボイラの運転を制御する運転制御装置６へ送る。運転制御装置６は、送風機５、送風量制御御装置８、燃料供給制御装置７、給水ポンプ１０のそれぞれと接続しておき、運転制御装置６によってボイラの運転を制御する。

運転制御装置６は、蒸気圧力値に基づいて燃焼量を高燃焼・中燃焼・低燃焼・燃焼停止の４位置で制御する。高燃焼の燃焼量を１００％、低燃焼の燃焼量を２０％とした場合、中燃焼はその中間の値とし、５０％〜７０％程度が適当である。運転制御装置６は、燃料供給制御装置７、送風機５、送風量制御御装置８を操作することで燃焼装置２へ供給する燃料量と燃焼用空気量を制御し、燃焼装置２での燃焼量を調節する。

また運転制御装置６は、燃焼を行っている状態で燃焼量を変更する場合、まず水位調節範囲の切り替えを行い、燃焼量の変更は水位調節範囲の切り替えから遅らせて行うようにしておく。運転制御装置６では、水位調節範囲の切り替えを行った時からの経過時間を検出しておき、所定時間Ｔ経過後に燃焼量の変更（燃料供給量及び燃焼用空気供給量の変更）を行う。なお、本実施例では燃焼量変更の遅延は任意に設定する所定時間Ｔとしているが、水位が所定の範囲になったことを検出すると、燃焼量の変更を行うとしてもよい。

燃焼量を増加する圧力値と燃焼量を減少する圧力値を同じ値に設定していると、わずかな圧力変動で燃焼量増加と燃焼量減少を交互に繰り返すハンチングと呼ばれる現象が発生することがある。そのため、本実施例では燃焼量を増加する蒸気圧力値と燃焼量を減少する蒸気圧力値で差を持たせておくことで、ハンチングの発生を防止している。燃焼量を増加する圧力値よりも燃焼量を減少する圧力値を高くしておくと、その差分の圧力が変化するまでは燃焼量を変更しないため、ごく短時間で燃焼量の増減を繰り返し行うということがなくなる。

水位検出装置９での水位調節範囲は複数設定しておき、燃焼量に応じて水位調節範囲の切り替えを行うようにしている。燃焼量の小さな低燃焼の場合には、ボイラ水の沸き上がり量が少なくなるために水位は高くする。逆に燃焼量の大きな高燃焼の場合には、ボイラ水の沸き上がり量が多くなるために水位は低くする。中間の中燃焼であれば、水位も中間の値とする。

図２は本発明における燃焼状態と伝熱管内水位の変動状況を模式的に示した説明図である。給水制御は、水位検出装置９内の水位が給水開始水位まで低下すると給水ポンプ１０の稼働を開始し、給水停止水位まで上昇すると給水ポンプ１０の稼働を停止することを繰り返すものであるため、水位は上昇と低下を繰り返している。伝熱管内水位の適正量は燃焼量によって異なり、低燃焼・中燃焼・高燃焼の順に適正水位は低くなっていく。図２に記載しているａ〜ｅの水位は、図１の水位検出装置での高さ位置を示しており、高燃焼の適正水位がａ〜ｃ、中燃焼の適正水位がｂ〜ｄ、低燃焼の適正水位がｃ〜ｅであるとしている。高燃焼であれば、ａまで水位が低下すると給水ポンプの稼働を開始し、給水によってｃまで水位が上昇すると給水ポンプの稼働を停止する。同様に中燃焼であれば、ｂで給水を開始してｄで給水を停止、低燃焼であればｃで給水を開始してｅで給水を停止する。

図２では、蒸気圧力値から定まる燃焼量は高燃焼であって、ボイラは高燃焼を行っている状態から始まっている。この時の水位はａ〜ｃの間にあり、高燃焼での適正水位に保たれている。その後の蒸気圧力値の上昇により、時刻Ａで蒸気圧力値から定まる燃焼量が中燃焼に変化している。この場合、運転制御装置６では時刻Ａの時点で燃焼量をすぐに中燃焼に変更することはせず、まず水位調節範囲の切り替えを行う。高燃焼での水位調節範囲はａ〜ｃ間であり、位置ａまで水位が低下すると給水ポンプ１０を稼働することによって水位を上昇させ、位置ｃまで水位が上昇すると給水ポンプ１０の稼働は停止するものであるため、水位がａに低下するまでは給水ポンプの稼働はしない。しかし、中燃焼での水位調節範囲はｂ〜ｄ間であり、時刻Ａの時点での水位はｂよりも低くなっているため、中燃焼での水位調節範囲に切り替えると給水ポンプ１０の稼働を行って水位の上昇を開始することになる。その後、時刻Ａから所定時間Ｔが経過した時刻Ａ’になると、運転制御装置６は燃料供給量と燃焼量空気供給量を中燃焼用に変更し、燃焼量を中燃焼とする。

蒸気圧力値から定まる燃焼量が高燃焼から中燃焼に変化した時刻Ａの時点で燃焼量を中燃焼に変更した場合、時刻Ａの時点では中燃焼に適した水位ではないため、水位と燃焼量のバランスが崩れるおそれがある。水位の変化には時間が必要であるため、時刻Ａの時点では燃焼量を変更せずに水位調節範囲の切り替えだけを行っておき、燃焼量の変更は所定時間Ｔだけ遅らせた時刻Ａ’で行うと、燃焼量を変更するころには水位が中燃焼に適した水位になっているため、水位と燃焼量のバランスが崩れることはなくなる。

その後、時刻Ｂで蒸気圧力値から定まる燃焼量が中燃焼から低燃焼に変化している。この場合も、時刻Ｂで水位調節範囲を低燃焼用へ切り替え、時刻Ｂからの経過時間が所定時間Ｔに達した時刻Ｂ’の時点で燃焼量を低燃焼に変更することで、燃焼量変更時に水位と燃焼量のバランスが崩れることを防止する。同様に、時刻Ｃでの低燃焼から中燃焼への変更、時刻Ｄでの中燃焼から高燃焼への変更時にも所定時間Ｔ遅らせて燃焼量の変更を行うようにしている。

ボイラでの燃焼量は圧力検出装置１で検出している蒸気圧力値に基づいて決定する。燃焼量の変更は燃料供給量と燃焼用空気供給量を変更することで行えるため、燃焼量の移行は比較的短い時間で行われる。しかし、水位の変更は給水ポンプの稼働による水位の上昇か、蒸気の発生による水位の低下を待たなければならないため、水位が適正な水位に移行するまでには比較的長い時間がかかる。そのため、蒸気圧力値に基づいて燃焼量を変更した場合、例えば燃焼量は高燃焼になっているのに伝熱管内水位は中燃焼又は低燃焼時の水位のままであったり、燃焼量は低燃焼になっているのに伝熱管内水位は高燃焼又は中燃焼時の水位のままとなることがある。そのために燃焼量と伝熱管内水位のバランスが崩れ、伝熱管の過熱やキャリオーバが発生することがあった。

変更に時間のかかる水位の切り替えを先に開始し、水位の切り替えから遅らせて燃焼量の変更を行うことで、燃焼量は高燃焼になっているのに伝熱管内水位は低燃焼時の水位のままであったり、燃焼量は低燃焼になっているのに伝熱管内水位は高燃焼時の水位のままのように、燃焼量と伝熱管内水位が極端にずれることがなくなる。伝熱管内水位の適正水位からの乖離幅が大きくならないようにすることで、燃焼量と伝熱管内水位のバランスが崩れなくなるため、伝熱管過熱やキャリオーバの発生を防止することができる。

１圧力検出装置
２燃焼装置
３燃焼室
４燃料供給配管
５送風機
６運転制御装置
７燃料供給制御装置
８送風量制御御装置
９水位検出装置
１０給水ポンプ
１１気水分離器
１２蒸気取り出し管

Claims

伝熱管の途中に水位を設定している貫流ボイラであって、ボイラの燃焼量を段階状に設定しており、燃焼量に応じて水位調節範囲を切り替えるようにしている貫流ボイラにおいて、燃焼を行っている状態で燃焼量を変更する場合、まず水位調節範囲の切り替えを行い、燃焼量の変更は水位調節範囲の切り替えから遅らせて行うものであることを特徴とする貫流ボイラ。