JP2013194950A - セパレータレスボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】所望の乾き度を得ることが可能であって、水管過熱を防止し、さらに缶体の腐食リスクを低減すること。
【解決手段】上部ヘッダ２４内下部と下部ヘッダ２２とを連通する降水管８４と、外部水位検出手段５０による検出水位が第一設定水位を超えると缶体内水位が低下するように給水手段６０を制御する第一制御と、検出水位が第一設定水位より低い第二設定水位以下となると缶体内水位が上昇するように給水手段６０のを制御する第二制御とを行う制御手段７０とを備え、第一設定水位が乾き度限界水位に設定されると共に、第一制御により上部ヘッダから流出する蒸気の乾き度が設定乾き度以上となるように上部ヘッダの高さが設定され、第二設定水位が過熱度限界水位以上であって、降水管８４による缶水の循環比を設定値以上とする水位に設定されるセパレータレスボイラ。
【選択図】図１

Description

本発明は、缶体の保有水量が少ないボイラに関する。

特許文献１のように、上部ヘッダと下部ヘッダとの間をバーナにより加熱される多数の水管で連結して構成され、バーナの燃焼停止時前記水管内の水位が水管の上端より低い状態となる缶体構造のボイラ（少保有水量ボイラ）においては、水管内の水位が高すぎると、水管内での沸騰が激しくなり、蒸気と共に多量の水滴が上部ヘッダから排出され、乾き度の高い蒸気が得られない、という問題がある。一方、水管内の水位を低くし過ぎると、缶体出口の乾き度は上昇するが、水管の上部が燃焼の熱によって過熱され変形する等の問題が発生する。さらに、ボイラの燃焼負荷が変わると、その水位も異なるため、乾き度が高く、過熱も発生しない水位を確保することは非常に難しい。

さらに、少保有水量ボイラにおける乾き度は、水管内の水（缶水）の濃縮も影響している。蒸発によって、缶水が濃縮してくると、缶水の泡立ち（フォーミング）によって、蒸気に同伴される水滴量が増すため、同じ水位では乾き度がさらに低下する。

このような問題に対応するため、従来のボイラは、セパレータを具備している。セパレータには、低い乾き度の蒸気が上部ヘッダより流入し、当該セパレータにおいて、低乾き度蒸気中の水分を除去する、いわゆる気水分離を行っている。そして、セパレータからは、乾き度の高い蒸気が負荷側に供給される。

特開２０１０−７８２０４号公報

ところで、特許文献１に開示の構成が具備するようなセパレータの作製は難しく、さらには作製後に検査する部位が多い等から、セパレータを具備する構成とする場合には、コストが高くなる、という問題が生じる。その一方で、セパレータを具備しない構成とする場合には、所望の乾き度の蒸気が得られないという問題がある。

本発明は上記の事情にもとづきなされたもので、その目的とするところは、セパレータを具備しないセパレータスボイラを提供することにあり、また所望の乾き度を得ることが可能であって、水管過熱を防止し、さらに缶体の腐食リスクを低減することが可能な保有水量の少ないセパレータレスボイラを提供することである。

本願発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、請求項１に記載の発明は、上部ヘッダと下部ヘッダとの間をバーナにより加熱される多数の水管で連結して構成され、前記バーナの燃焼停止時前記水管内の水位が前記水管の上端より低い状態となる缶体と、前記缶体内へボイラ用水を供給する給水手段と、前記缶体の外部に設置され、前記上部ヘッダの内部空間および前記下部ヘッダの内部空間のそれぞれと連通管を介して連通し、缶体内外部水位を検出する電極を有する外部水位検出手段を備え、前記外部水位検出手段による検出水位に応じて前記給水手段の作動を制御する制御手段とを備えるセパレータレスボイラであって、
前記上部ヘッダ内下部と前記下部ヘッダとを連通する降水管を備え、
前記制御手段は、前記外部水位検出手段による検出水位が第一設定水位を超えると缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御する第一制御と、前記検出水位が前記第一設定水位より低い第二設定水位以下となると缶体内水位が上昇するように前記給水手段の作動を制御する第二制御とを行い、
前記第一設定水位が乾き度限界水位に設定されると共に前記第一制御により前記上部ヘッダから流出する蒸気の乾き度が設定乾き度以上となるように前記上部ヘッダの高さが設定され、前記第二設定水位が過熱度限界水位以上であって、前記降水管による缶水の循環比を設定値以上とする水位に設定されることを特徴としている。なお、「超える」を「以上」に代えたとしても、また「以下」を「未満」に代えたとしてもこの発明に含まれる。

請求項１に記載の発明によれば、前記第一設定水位が乾き度限界水位に設定されると共に前記第一制御により前記上部ヘッダから流出する蒸気の乾き度が設定乾き度以上となるように前記上部ヘッダの高さが設定されているので、セパレータレスであっても所定の乾き度を維持することができる。また、前記第二設定水位が過熱度限界水位以上であって、前記降水管による缶水の循環比を設定値以上とする水位に設定されているので、水管過熱を防止しながら前記降水管を通した缶水の循環により所定の缶水の循環比を維持することができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記第一設定水位および／または第二設定水位を前記缶体内圧力，給水温度，缶水の濃縮度のいずれか一つまたは複数に応じて調整す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、前記缶体内圧力，給水温度，缶水の濃縮度のいずれか一つまたは複数が変化しても所定の乾き度を維持することができるという効果および／または水管過熱を防止しながら所定の循環比を維持することができるという効果を奏する。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１において、前記第一設定水位および前記第二設定水位の検出が共通の電極で行われ、前記制御手段による前記第一設定水位の判定が前記電極の水有り検出または水有り検出から第一設定時間により行われ、前記第二設定水位の判定が前記電極の水無し検出または水無し検出からの第二設定時間経過により行われることを特徴としている。

請求項３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、各設定時間を調整することにより、所定の乾き度を維持することができるという効果および／または水管過熱を防止しながら所定の循環比を維持することができるという効果を奏する。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記外部水位検出手段は、第一設定水位を検出する第一の電極と、第二設定水位を検出する第二の電極とを備え、前記制御手段による前記第一設定水位の判定が前記第一電極の水有り検出または水有り検出から第三設定時間後に行われ、前記第二設定水位の判定が、前記第二電極の水無し検出または水無し検出からの第四設定時間経過により行われることを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明よる効果に加えて、前記外部水位検出手段の第一の電極および第二の電極により、所定の乾き度を維持することができるという効果および／または水管過熱を防止しながら所定の循環比を維持することができるという効果を奏する。

本発明によれば、所望の乾き度を得ることが可能であって、水管過熱を防止し、さらに缶体の腐食リスクを低減することが可能な保有水量の少ないセパレータレスボイラを提供することができる。

本発明の実施例１に係るボイラの構成を示す縦断面の概略構成図である。 実施例１の制御手順を説明するフローチャート図である。 実施例１の他の制御手順を説明するフローチャート図である。 本発明の実施例２に係るボイラの構成を示す縦断面の概略構成図である。 本発明の実施例３に係るボイラの外部水位検出装置の模式図である。 本発明の実施例４に係るボイラの模式的な構成を示す縦断面の概略構成図である。

以下、本発明の実施例１に係る、セパレータを備えないボイラ（セパレータレスボイラと称し、以下単にボイラと称する。）１０について、図１に基づいて説明する。

＜実施例１の構成＞
図１に示すように、ボイラ１０は、缶体２０と、高燃焼と低燃焼とを切替可能なバーナ３０と、耐火材４０と、外部水位検出装置５０と、給水ポンプ６０と、制御部７０と、を備える。これらのうち、缶体２０は、缶体カバー２１と、下部ヘッダ２２と、水管２３と、上部ヘッダ２４と、を主要な構成要素としている。

これらのうち、缶体カバー２１は、板材を円筒状に形成したものであり、水管２３を覆って該水管２３を外部から隔離している。下部ヘッダ２２は、中空のリング状に形成されていて、この下部ヘッダ２２には給水管８０が接続されていて、この給水管８０を介して下部ヘッダ２２へボイラ用水を供給可能となっている。また、下部ヘッダ２２には主排水管８１も接続されているが、この主排水管８１には、主排水弁８２が設けられている。この主排水弁８２を開くことにより、下部ヘッダ２２の内部空間２２Ａに存在する缶水を、外部に排出することを可能としている。ここにおいて、缶水とは、缶体２０の内部（下部ヘッダ２２、水管２３等）へ導入されたボイラ用水のことを指す。

そして、下部ヘッダ２２には、水管２３の下端側が接続されている。この水管２３は、下部ヘッダ２２と上部ヘッダ２４とのそれぞれに連通して、缶水を貯留する管状部材である。また、バーナ３０の燃焼により水管２３を加熱することにより、この水管２３の内部の缶水が沸騰する。それぞれの水管２３は、図１において垂直方向に沿って延伸している。本実施例１では、水管２３は、多数配置される。かかる水管２３の配列には、缶体２０の径方向の中心から第１の半径だけ離間する第１円周上に沿って配置される外側水管列２３Ａと、第１の半径よりも小さな第２の半径だけ缶体２０の径方向の中心から離間する第２円周上に沿って配置される内側水管列２３Ｂとが存在する。ただし、水管２３は、外側水管列２３Ａと内側水管列２３Ｂの２列を有するものには限られず、１列のみ有するものであっても良く、３列以上有するものであっても良い。

さらに、それぞれの水管２３の上端側は、上部ヘッダ２４に接続されている。上部ヘッダ２４には、水管２３内で生じた沸騰現象によって生成された気泡が蒸気とともに流入する。上部ヘッダ２４は、上述の下部ヘッダ２２と同様に、中空のリング状に形成されている。ここにおいて、以下の説明では、上部ヘッダ２４の中空をなしている内部の空間を、内部空間２４Ａとする。この内部空間２４Ａは、水管２３の開口部分２３ｓと連通する一方、蒸気が流出する主蒸気管８３の開口部分８３ｓとも連通している。また、以下の説明においては、下部ヘッダ２２の中空をなしている内部の空間を、内部空間２２Ａとする。

以上のように、本実施例１における缶体２０の構造は、下部ヘッダ２２と上部ヘッダ２４との間を、多数の水管２３を垂直に連結することによって構成されている。

さて、本実施例１における上部ヘッダ２４は、後述する乾き度維持の水位制御（第一制御）との組合せにより、蒸気の乾き度を設定乾き度以上とするように、下部ヘッダ２２および従来の上部ヘッダ２４よりも垂直方向における寸法が大きく設けられている。すなわち、本実施例１におけるボイラ１０においては、セパレータは設けられていないが、かか
るセパレータが果たす気水分離の機能を、上部ヘッダ２４に行わせるようにしている。そこで、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａにおいては、気水分離の機能を果たすべく、下部ヘッダ２２の内部空間２２Ａよりも垂直方向における寸法が大きいものとなっている。

このように、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａの垂直方向における寸法を大きくしたことは、上部ヘッダ２４の底面に位置する水管２３の開口部分２３ｓから、上部ヘッダ２４の天面に接続されている主蒸気管８３の開口部分８３ｓまでの流路の距離を大きくしたことを意味する。そして、２つの開口部分の間（開口部分２３ｓと開口部分８３ｓの間）の流路の距離の拡大は、気水分離の機能を果たすことにつながっている。

ここで、従来の上部ヘッダ２４においては、その内部空間２４Ａの垂直方向の寸法が、下部ヘッダ２２の内部空間２２Ａの垂直方向の寸法と、同一程度となっている。これに対して、本実施例１における上部ヘッダ２４は、図１に示すように、下部ヘッダ２２よりも内部空間２４Ａの垂直方向における寸法が、大幅に大きいものとなっている。具体的には、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａの高さは、蒸気中に含まれる直径数十μｍの液滴が、上昇する蒸気に対抗して、重力によって沈降して、その結果蒸気から分離するために必要な距離（時間）を得るための高さとなっている。たとえば、蒸気の上昇速度が０．１〜０．５ｍ／ｓｅｃ程度の場合、所望の乾き度（設定乾き度）を得るために必要となる内部空間２４Ａの高さ寸法は、最低限２００ｍｍである。

ところで、一般的に、気水分離の性能は、上昇する蒸気の速度が遅いほど性能が向上し、また内部空間２４Ａの高さが高いほど性能が向上することが知られているが、この実施例１においては、内部空間２４Ａの高さが２００ｍｍ以下の場合、蒸気から水滴が分離するための時間が不足してしまい、缶体２０の出口（開口部分８３ｓ）において所望する蒸気の乾き度が得られない。一方、内部空間２４Ａの高さが７００ｍｍ以上の場合、濃縮度に関係なく所望の乾き度が得られる。しかしながら、缶水の濃縮度によっては、内部空間２４Ａの高さが２００ｍｍから７００ｍｍの間にある場合でも所望の乾き度が得られる。そのため、内部空間２４Ａの高さが７００ｍｍ以上とする場合には、余分に寸法を大きくすることになり、重量増大等でコンパクトな構成とならず、コスト的な面で不利なものとなる。

したがって、上述の上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａの垂直方向における寸法は、乾き度高さ閾値以上または乾き度高さ閾値よりも大きいものであることが必要である。ここで、乾き度高さ閾値とは、内部空間２４Ａから排出される蒸気（後述する気水混合流体）が所望する乾き度となるための、内部空間２４Ａの垂直方向における寸法の閾値を指す。この乾き度高さ閾値は、実験等により求められる。

そして、上部ヘッダ２４のうち、中空のリング状の内部空間２４Ａには、バッフル板２５が設けられている。バッフル板２５は、本実施例１では、板面方向が垂直方向とは垂直な方向と平行となるように、内部空間２４Ａに設けられている。

ここで、開口部分２３ｓから開口部分８３ｓまでの間に、蒸気および蒸気に含まれる水分（以下の説明では、蒸気および蒸気に含まれる水分を、気水混合流体と称呼する。）を遮るものが存在しない場合には、水分は、蒸気と共に主蒸気管８３の開口部分８３ｓに向けて、直線的に流入する可能性がある。しかしながら、バッフル板２５が、内部空間２４Ａに設けられる場合、開口部分２３ｓから開口部分８３ｓまでの間で、気水混合流体は、バッフル板２５によって流れが遮られる。それにより、気水混合流体に含まれる水分は、直線的には流れず、蒸気がバッフル板２５に衝突することによって蒸気中の水分が合体し、その後落下する。また、バッフル板２５が存在しない場合と比較して、蒸気が開口部分８３ｓに至るまでの時間が掛かる状態となる。そのため、蒸気に含まれる水分の多くは、
開口部分８３ｓに至るまでの時間が掛かるために重力落下させられたり、バッフル板２５または上部ヘッダ２４の内壁に付着する等により、主蒸気管８３の開口部分８３ｓに到達しない状態となる。すなわち、バッフル板２５は、気水混合流体が進行する流路を延長する流路延長手段を構成している。以上のように、バッフル板２５は、気水分離の性能を更に高める機能を有している。

そこで、バッフル板２５の形状の詳細について述べると、バッフル板２５を平面視すると、当該バッフル板２５は、リング状をなすように設けられている。すなわち、バッフル板２５は、内部空間２４Ａの環状領域のほぼ全領域に亘って設けられている。そして、バッフル板２５の外周側と、内壁２４ｃとの間には、隙間Ａが設けられている。他方、バッフル板２５の内周側においては、その周方向に沿って複数個所にて、内壁２４ｃに溶接等の手法により取り付けられている。そのため、バッフル板２５の内周側と内壁２４ｃとのうち、溶接等の手法にて取り付けられていない部位には、隙間Ｂが存在している。ただし、隙間Ｂの間隔は、隙間Ａの間隔よりも、小さいものとなっている。

ところで、図１に示す構成に代えて、たとえば内周側から外周側に向かうにつれて、下方に向かうように傾斜しているバッフル板２５を設けるようにしても良い。この場合も、バッフル板２５のうち最も下方に位置する外周側と、内壁２４ｃとの間に、上述の隙間Ａと同様の隙間を設けるようにすることが好ましく、上述の隙間Ｂと同様の隙間をバッフル板２５の内周側と内壁２４ｃとの間に設けるようにしても良い。また、外周側から内周側に向かうにつれて、下方に向かうように傾斜しているバッフル板２５を設けるようにしても良い。この場合も、バッフル板２５のうち最も下方に位置する内周側と、内壁２４ｃとの間に、上述の隙間Ａと同様の隙間を設けるようにすることが好ましく、上述の隙間Ｂと同様の隙間をバッフル板２５の外周側と内壁２４ｃとの間に設けるようにしても良い。

さらに上述の構成に代えて、バッフル板２５は、リング状をなすものとはせず、すなわち内部空間２４Ａの環状領域のほぼ全領域に亘って存在させることなく、円弧状をなすものとしても良い。この構成は、バッフル板２５を内部空間２４Ａの環状領域のうちの一部分に存在させる構成である。この場合には、円弧の端部のうち、外周側または内周側に切欠部を設けるようにしても良い。

さて、バッフル板２５は、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａにおいて、上方側に位置している。そのため、バッフル板２５に到達する際の気水混合流体中の水分は、当該バッフル板２５が下方側にある場合よりも、上方側にある場合の方が、重力落下や内壁２４ｃへの衝突によって低減された状態となる。また、このように水分が低減された気水混合流体がバッフル板２５に衝突すると、気水混合流体は開口部分８３ｓに向かっては直線的には流れず、その分だけ開口部分８３ｓに至る時間が掛かる状態となる。以上のように、バッフル板２５を内部空間２４Ａの上方側に設けることにより、バッフル板２５の気水分離の性能は、更に高められている。

ここで、バッフル板２５の取付位置について説明すると、上述の構成では、バッフル板２５は、内部空間２４Ａの上方側に設けるようにしているが、バッフル板２５は、上述の第一の実施の形態において説明した乾き度高さ閾値の位置、すなわち内部空間２４Ａの垂直方向における寸法の閾値の地点に設ける構成も実施に応じて好適である。

他方、バッフル板２５を設ける場合の上方側の限界位置は、バッフル板２５の上面に滞留する水分が、開口部分８３ｓから流出する蒸気に再び巻き込まれない（吸引されない）ような高さ寸法により決定される。すなわち、バッフル板２５の取付位置の上限位置は、内部空間２４Ａの天井面との間に所定の間隔を保持した位置に設定される。

さて、図１において、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａの下部には、降水管８４の上端側が連通している。この降水管８４は、内部空間２４Ａに存在する缶水（この缶水は濃縮されている場合が多い）を下部ヘッダ２２に戻すものである。そのため、降水管８４の下端側は、下部ヘッダ２２の内部空間２２Ａに連通している。そして、この降水管８４には、濃縮排水管８５が接続されていて、この濃縮排水管８５には、濃縮排水弁８６が設けられている。この濃縮排水弁８６を開くことにより、濃縮された缶水を外部に排出可能としている。ここにおいて、排出が必要な程度に濃縮された缶水であるか否かの判定は、電気伝導度を測定する電気伝導度測定センサ（図示省略）にて降水管８４に存在する缶水の電気伝導度を測定することにより行う。

そして、缶体２０の上部側には、バーナ３０が設けられている。バーナ３０は、上部ヘッダ２４のリング状をなすリング孔（符号省略）内に位置していて、缶体カバー２１の内部のうち水管２３で周囲を覆われる内側（以下、燃焼室２１Ａとする）に、火炎を形成する。その燃焼室２１Ａ内での燃焼のために、バーナ３０には、燃料および燃焼用の空気が供給される。また、缶体２０の下部側には、耐火材４０が設けられている。耐火材４０は、缶体２０の下部（水管２３の下部側が位置する部分（水管絞り部分）およびそれよりも内側）を閉塞することにより、内側水管列２３Ｂよりも径方向の中心側は燃焼室２１Ａとなる。そして、耐火材４０は、缶体カバー２１の内側における上方側のうち、水管２３の上部側が位置する部分（水管絞り部分）にも設けられている。

つぎに、外部水位検出装置５０は、缶体２０の内部（下部ヘッダ２２、水管２３等）に導入されている缶水の水位を検出するものである。この外部水位検出装置５０は、水位制御筒５１と、複数の電極，すなわち第一電極５２Ｓおよび第二電極５２Ｍとを備える。第一電極５２Ｓは、低燃焼時の水位を制御するためのものであり、第二電極５２Ｍは、高燃焼時の水位を制御するためのものである。水位制御筒５１は、導通可能な金属によって、両端が封止された略円筒形状に形成されている。この水位制御筒５１の上端部には、連通パイプ８７ａの下端が接続されており、連通パイプ８７ａの上端は、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａに接続されている。また、水位制御筒５１の下端部には、連通パイプ８７ｂの上端が接続されており、連通パイプ８７ｂの下端は、下部ヘッダ２２の内部空間２２Ａに接続されている。それにより、水位制御筒５１は、上端部及び下端部が上部ヘッダ２４及び下部ヘッダ２２を介して水管２３とそれぞれ連通し、したがって水管２３に導入された缶水と同様の缶内水位を水位制御筒５１の内部に実現させる。

そして、第一電極５２Ｍおよび第二電極５２Ｓと、水位制御筒５１の間には、電圧が印加される。そして、第一電極５２Ｍおよび第二電極５２Ｓの先端に缶水が接触する際の電圧の変化によって、水位制御筒５１内の水位を検出可能としている。

つぎに、給水ポンプ６０は、給水管８０を介して下部ヘッダ２２と接続されていて、制御部７０の制御により作動させられると、下部ヘッダ２２に給水を開始する。そして、下部ヘッダ２２と給水ポンプ６０との間の給水管８０には、逆止弁８９が設けられていて、供給された缶水が下部ヘッダ２２側から給水ポンプ６０側へ逆流するのを防止している。

制御部７０は、外部水位検出装置５０等の各種のセンサからの検出信号が入力されると共に、その検出信号に応じて、予め記憶した水位制御手順に基づき、バーナ３０、給水ポンプ６０等の駆動部位の作動を司る。この水位制御手順は、高燃焼水位制御手順および低燃焼水位制御手順とを含んでいる。

（高燃焼水位制御手順）
高燃焼水位制御手順（図２に一例を示す。）は、外部水位検出手段５０の第一電極５２Ｍによる検出水位が高燃第一設定水位Ｈ１を超えると缶体２０内水位が低下するように給
水ポンプ６０をＯＦＦ（停止）する第一制御と、検出水位が高燃第一設定水位Ｈ１より低い高燃第二設定水位Ｈ２以下となると缶体２０内水位が上昇するように給水ポンプ６０をＯＮ（駆動）する第二制御とを行うよう構成されている。

高燃第一設定水位Ｈ１は、高燃焼時、これ以上水位が上昇すると設定乾き度を維持できない水位（高燃焼乾き度限界水位）に設定される。また、上部ヘッダ２４の高さは、第一制御により上部ヘッダ２４から流出する蒸気の乾き度が設定乾き度以上となるように設定される。さらに、高燃第二設定水位Ｈ２は、高燃焼時、これ以下に水位が低下すると水管が過熱してしまう水位（高燃焼過熱度限界水位）以上であって、降水管８４による缶水の循環比を設定値（設定循環比）以上とする水位に設定される。なお、設定循環比は、高燃焼時と低燃焼時とで同じに設定しているが、異ならせることもできる。

そして、この実施例１では、制御器７０による高燃第一設定水位Ｈ１の判定が第一電極５２Ｍの水有り検出から高燃第一設定時間Ｔ１Ｈ後に行われ、高燃第二設定水位Ｈ２の判定が、第一電極５２Ｍの水無し検出からの高燃第二設定時間Ｔ２Ｈ経過後に行われるように構成されている。

（低燃焼水位制御手順）
低燃焼水位制御手順（図３に一例を示す。）は、高燃焼水位制御手順と同様に、外部水位検出手段５０の第二電極５２Ｓによる検出水位が高燃第一設定水位Ｈ１より高い低燃第一設定水位Ｌ１を超えると缶体２０内水位が低下するように給水ポンプ６０をＯＦＦＦする第一制御と、検出水位が低燃第一設定水位Ｌ１より低く、かつ高燃第二設定水位Ｈ２より高い低燃第二設定水位Ｌ２以下となると缶体２０内水位が上昇するように給水ポンプ６０をＯＮする第二制御とを行うよう構成されている。

低燃第一設定水位Ｌ１は、低燃焼時の乾き度限界水位に設定される。また、上部ヘッダ２４の高さは、第一制御により上部ヘッダ２４から流出する蒸気の乾き度が低燃焼時の設定乾き度以上となるように設定される。さらに、低燃第二設定水位Ｌ２は、前記過熱度限界水位以上であって、降水管８４による缶水の循環比を前記の設定値以上とする水位に設定される。

そして、この実施例１では、制御器７０による低燃第一設定水位Ｌ１の判定が第二電極５２Ｓの水有り検出から低燃第一設定時間Ｔ１Ｌ後に行われ、低燃第二設定水位Ｌ２の判定が、第二電極５２Ｓの水無し検出からの低燃第二設定時間Ｔ２Ｌ経過後に行われるように構成されている。

（循環比の設定）
ここで、第二制御の循環比の設定について説明する。循環比が低いと、下部ヘッダ２４においてｐＨの低い給水が供給された部分のｐＨが低くなり、腐食のリスクが高まる。これに対して、循環比を高くすると、ｐＨの低い給水と降水管８４を通して下部ヘッダ２４に供給されるｐＨの高い缶水とが混合して缶体２０内を適切なｐＨに保ち腐食リスクを低減することができる。さらに、温度の低い給水と温度の高い缶水との混合により缶水全体を高い温度分布とすることができ、溶存酸素による腐食リスクを低減できる。

循環比とは、（蒸発量＋降水量）／（給水量）で定義される。蒸発量は、上部ヘッダからの蒸気流出量であり、降水量は、降水管を通して流下する缶水（循環水）の量である。ここで、蒸発量＝給水量とすると、降水量が増加するにつれて循環比が大きくなる。

前記の第二制御は、缶水の循環比を高くすることを目的とする構成であって、缶体２０内水位が上昇するように給水ポンプ６０を制御するタイミング，すなわち第一制御後にお
いて缶体２０内水位の第二設定水位に低下と判定するタイミングを目標循環比設定水位に水位が低下したタイミングとするものである。目標循環比設定水位は、水管２３の過熱防止のための過熱限界水位より高い水位とする。

目標循環比設定水位は、上述のように、設定循環比を得るために設定される水位であるが、貫流ボイラでは、循環比は２以下とされる。これに対して、この実施例１のボイラ１０では、目標循環比はつぎのような範囲で適宜設定する。設定循環比の下限値は、缶体２０内のｐＨおよび溶存酸素濃度による腐食リスクに基づき設定される。また、設定循環比の上限値は、循環比を大きくし過ぎると、乾き度限界水位の制御困難となるので、乾き度限界により設定される。そして、この実施例１のボイラ１０では、たとえば、腐食性の高い水に対して循環比を貫流ボイラのように２以下とすると、腐食リスクが高くなるので、２を超える上限値以下の可能な限り大きい値とすることが望ましい。

＜実施例１の動作について＞
まず、以上のような構成を有するボイラ１０の気水分離の機能について説明し、ついで水位制御による乾き度および循環比の制御を説明する。以下の気水分離の機能の説明は、後述の設定乾き度維持の水位制御（第一制御）が行われている状態を前提としている。

（気水分離の機能）
給水ポンプ６０を作動させて、水管２３に缶水を所定の高さまで給水し、バーナ３０を燃焼させると、水管２３内の缶水は沸騰し、水滴（液滴）を含む蒸気が水管２３の開口部分２３ｓから上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａへ流入する。この流入量は、第一制御による水位に応じて変化する。そして、蒸気は、沸騰によって発生した気泡や突沸して巻き上がった水滴が蒸気に同伴された状態で、缶体２０の出口（開口部分８３ｓ）に向かって流れるようになる。

ここで、本実施例１においては、上部ヘッダ２４は、その垂直方向における寸法を、蒸気中に含まれる直径数十μｍの水滴（液滴）が、上昇する蒸気に対抗して、重力によって沈降して、その結果蒸気から分離するために必要な距離（時間）を得るための高さとしている。蒸気の上昇速度によって、必要な垂直方向の寸法は変える必要はあるが、本実施の形態においては、蒸気の上昇速度がたとえば０．１〜０．５ｍ／ｓｅｃ程度の場合、内部空間２４Ａの垂直方向の寸法は２００ｍｍ〜７００ｍｍとしている。それにより、水管２３の開口部分２３ｓから主蒸気管８３の開口部分８３ｓまでの間に、気水混合流体が上昇する過程で、重力の作用によって、蒸気中に含まれる水滴（液滴）が落下して、所望の蒸気乾き度が得られる。

また、上部ヘッダ２４は、従来の上部ヘッダ２４よりも、内部空間２４Ａの垂直方向における寸法が大きく設けられている。それにより、水管２３の開口部分２３ｓから主蒸気管８３の開口部分８３ｓまでの間に気水混合流体が進行する経路（流路長）を長くすることが可能となる。そのため、蒸気に含まれている水分のうちの多くは、上部ヘッダ２４の内壁に付着したり、重力の作用によって落下する等により、蒸気中から除去される。

そして、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａの垂直方向における寸法を大きくすることで蒸気中の水分がある程度除去された気水混合流体のうち、所定の割合のものは、バッフル板２５に衝突する。それにより、蒸気中の水分がバッフル板２５に付着して、それらが合体して重力落下することにより、蒸気中から水分が除去される。

加えて、バッフル板２５が上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａに存在することにより、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａにおいて、気水混合流体は開口部分８３ｓに向かっては直線的には流れず、その分だけ開口部分８３ｓに至る時間が掛かる状態となる。特に、水管
２３の開口部分２３ｓから主蒸気管８３の開口部分８３ｓに向かい、垂直方向に沿って直線的に進行しようとする気水混合流体、またはその直線的な進行に近い状態で進行しようとする気水混合流体は、バッフル板２５の存在によって、主蒸気管８３の開口部分８３ｓに向かうのに際してバッフル板２５を避けて回り込む状態となる。それにより、気水混合流体は、開口部分８３ｓに至るまで時間が掛かる状態となり、そのため、蒸気に含まれている水分は、内壁２４ｃに付着したり、重力の作用により落下する。このように、バッフル板２５を設けることにより、蒸気中の水分が良好に除去される。

以上のようにして、多くの水分が除去された気水混合流体は、バッフル板２５の上方に差し掛かった後に、またバッフル板２５の上方においても蒸気中から水分がある程度は除去された後に、主蒸気管８３の開口部分８３ｓに差し掛かる。そして、この開口部分８３ｓに差し掛かるときには、所望する乾き度の蒸気となり、この蒸気が、主蒸気管８３を介して、熱の供給を必要とする供給先へと送られる。

（高燃焼時の水位制御による乾き度の制御）
つぎに、高燃焼時の乾き度の制御を図２に基づき説明する。以下の説明では、バーナ３０は高燃焼を継続しているものとする。制御器７０は、ステップＳ１（以下、ステップＳＮを単にＳＮという。）にて、第一電極５２Ｍが水無し検出（水位を検出していない）から高燃第一設定時間Ｔ１Ｈが経過しているかどうか（第二制御条件）を判定する。Ｓ１でＹＥＳが判定されると、Ｓ２で給水ポンプ６０をＯＮする。すると、缶体２０内の水位が上昇する。

Ｓ３において、第一電極５２Ｍが水有り検出（水位を検出している）から高燃第二設定時間Ｔ２Ｈが経過しているかどうか（第一制御条件）を判定する。缶体２０内の水位上昇に伴い、Ｓ３でＹＥＳが判定されると、高燃第一設定水位Ｈ１に到達したと判断して、Ｓ４へ移行して給水ポンプ７０をＯＦＦする。その結果、缶体２０内水位が高燃第一設定水位Ｈ１を超えることが防止されるので、上部ヘッダ２４の気水分離機能により所定の乾き度（たとえば、０．９８以上）が維持される。

なお、給水ポンプ７０をＯＦＦするまでの高燃第二設定時間Ｔ２Ｈは、高燃焼の高濃縮時を想定して設定される。より具体的には、濃縮度が高くなると、乾き度が低下するので、水位を下げる必要がある。よって、缶水の濃縮度に応じて濃縮度が高くなるほど設定時間が短くなるように第二設定時間Ｔ２Ｈを調整することが望ましい。濃縮度は、燃焼時間または缶水の濃縮度を検出する濃縮度センサ（図示省略）により検出できる。

（高燃焼時の水位制御による循環比の制御）
つぎに、高燃焼時の循環比の制御を図２に基づき説明する。Ｓ４において給水ポンプ６０がＯＦＦされると、缶体２０内の水位が下降してゆく。Ｓ１にて、高燃用第一電極５２Ｍが水無し検出から高燃第一設定時間Ｔ１Ｈが経過すると、ＹＥＳが判定される，すなわち缶体２０内水位が高燃第二設定水位Ｈ２に到達したと判断して、Ｓ２へ移行して給水ポンプ７０をＯＮする。その結果、所定の循環比でボイラ１０の運転を行うことができる。

（低燃焼運転時の制御）
また、ボイラ１０の低燃焼運転時の水位制御は、図３の制御手順に基づき制御される。低燃焼運転時で、高燃焼時と異なるのは、缶水の沸騰が弱いので、低燃用の第二電極５２Ｓにより、全体的に水位を高くして、乾き度，水管過熱度，循環比を制御する点である。制御の流れは、図２の制御手順と同様であり、図４のＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がそれぞれ図３のＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４に対応するので、その説明を省略する。

（実施例１の効果）
以上のような構成の実施例１のボイラ１０によれば、セパレータが存在しない構成であっても、上部ヘッダ２４と前述の水位制御により、所望する乾き度（設定乾き度）の蒸気を供給先へと送ることが可能となる。そのため、ボイラ１０においては、セパレータおよびセパレータと上部ヘッダ２４とを接続する管路等の付属部材が存在しない分だけ、それらセパレータおよび付属部材に要する材料に関するコスト、およびセパレータおよび付属部材の製作に要するコストを低減することが可能となる。

また、本実施例１のボイラ１０においては、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａの垂直方向における寸法は、下部ヘッダ２２および従来の上部ヘッダ２４よりも、大きく設けられている。それにより、水管２３の開口部分２３ｓから主蒸気管８３の開口部分８３ｓまでの間に気水混合流体が進行する経路（流路長）を長くすることが可能となるため、蒸気に含まれている水分のうちの多くを、上部ヘッダ２４の内壁に付着したり、重力の作用によって落下する等により、除去することが可能となる。すなわち、上部ヘッダ２４の垂直方向における寸法は、下部ヘッダ２２および従来の上部ヘッダ２４よりも、大きくすることで、気水分離の機能を良好に発揮させることが可能となる。

また、本実施例１のボイラ１０においては、バッフル板２５が上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａに設けられている。そのため、気水混合流体は、バッフル板２５に衝突すると共に、バッフル板２５の存在により、気水混合流体の内部空間２４Ａにおける上昇速度が遅くなる。それにより、気水混合流体中の水滴（液滴）を除去することが可能となり、蒸気の乾き度を高めることが可能となる。すなわち、バッフル板２５の設置により、気水混合流体から水分を一層良好に除去することが可能となる。

さらに、この実施例１では、第二設定水位Ｈ２，Ｌ２を過熱防止のための過熱限界水位より高い水位である目標循環比設定水位に設定しているので、水管過熱を防止し、さらに所定の循環比で水位制御を行うことができる。その結果、ｐＨの低い給水と降水管８４を通して下部ヘッダ２２に供給されるｐＨの高い缶水とが適度に混合して缶体２０内を適切なｐＨに保ち腐食リスクを低減することができる。さらに、温度の低い給水と温度の高い缶水との混合により缶水全体を高い温度分布とすることができ、溶存酸素による腐食リスクを低減できる。

（実施例１の変形例）
実施例１では、第一設定水位および第二設定水位の検出が共通の電極５２Ｍ，５２Ｓで行われ、制御器７０による第一設定水位の判定を電極５２Ｍ，５２Ｓの有り検出から設定時間後に行われ、第二設定水位の判定を電極５２Ｍ，５２Ｓの水無し検出から設定時間経過後に行われるように構成している。しかしながら、第一設定水位の判定を電極５２Ｍ，５２Ｓの有り検出後直ちに行うか、または第二設定水位の判定を電極５２Ｍ，５２Ｓの水無し検出後直ちに行うように構成することができる。

つぎに、この発明の実施例２を図４に基づき説明する。この発明においては、目標循環比設定水位を缶体内圧力，給水温度，缶水（缶体内の水）の濃縮度のいずれか一つまたは複数（二または三）に応じて調整するように構成できる。缶体内圧力は、その値が高いほど乾き度の維持に有利であるが、所定の循環比の維持および過熱の防止に不利である。給水温度および缶水濃縮度は、逆にその値が高いほど乾き度の維持に不利であるが、所定の循環比の維持および過熱の防止に有利である。よって、目標循環比設定水位は、缶体内圧力が上昇すると高くし、缶体への給水温度または缶水の濃縮度が上昇すると低くする。すなわち、缶体内圧力が上昇するにつれて、また給水温度または缶水の濃縮度が下降（低下）するにつれて、第一設定水位および第二設定水位を高くする。

この実施例２においては、図４に示すように、缶体２０内圧力（蒸気圧力）を検出する圧力センサ９０により検出すると共に、給水管８０内の給水の温度を検出する温度センサ１００により検出するように構成している。そして、前記の第一設定時間および第二設定時間を検出圧力と検出温度に応じて調整するように構成している。具体的には、缶体２０内圧力が上昇するにつれて、また給水温度が下降するにつれて、給水ポンプ６０のＯＮするタイミングを早く（第一設定時間を短く）し、給水ポンプ６０のＯＦＦするタイミングを遅く（第二設定時間を長く）することで水位を上昇させるように構成している。

この構成を実現するには、たとえば、缶体内圧力および給水温度の変化に応じて変化する目標循環比設定水位が設定されたテーブルをメモリに記憶しておく。そして、このテーブルから、検出した缶体内圧力と給水温度とに対応する目標循環比設定水位を読み出して、この目標循環比設定水位による水位制御を行うことで実現できる。なお、缶水濃縮度は、たとえば降水管の下部にて検出できる。

この実施例２によれば、缶体内圧力および給水温度が変化しても所定の循環比を維持することができる。

つぎに、この発明の実施例３を図５に基づき説明する。実施例１は、第一設定水位および第二設定水位の検出を共通の電極で行っているが、実施例３は、第一設定水位および第二設定水位の検出を別の電極で行うように構成している。すなわち、外部水位検出装置５０の高燃第一電極５２Ｍとして、高燃第一設定水位Ｈ１を検出する第一の電極５２Ｍ１と、高燃第二設定水位Ｈ２を検出する第二の電極５２Ｍ２とを備え、制御器７０による第一設定水位Ｈ１の判定が第一の電極５２Ｍ１の水有り検出または水有り検出から高燃第三設定時間後に行われ、第二設定水位Ｈ２の判定が、第二の電極５２Ｍ２の水無し検出または水無し検出からの高燃第四設定時間経過後に行われるように構成している。また、外部水位検出装置５０の低燃第二電極５２Ｓとして、低燃第一設定水位Ｌ１を検出する第一の電極５２Ｓ１と、低燃第二設定水位Ｌ２２を検出する第二の電極５２Ｓ２とを備え、制御器７０による低燃第一設定水位Ｌ１の判定が第一の電極５２Ｓ１の水有り検出または水有り検出から低燃第三設定時間後に行われ、低燃第二設定水位Ｌ２の判定が、第二の電極５２Ｓ２の水無し検出または水無し検出からの低燃第四設定時間経過後に行われるように構成している。

この実施例３においても、各設定時間を缶体内圧力，給水温度，缶水の濃縮度のいずれか一つまたは複数に応じて調整するように構成することができる。このように構成することにより、缶体内圧力，給水温度，缶水の濃縮度のいずれか一つまたは複数が変化しても所定の循環比を維持することができる。

つぎに、この発明の実施例４のボイラ１０を図６に基づき説明する。この発明は、上述の実施例１〜実施例３のように、複数の水管２３を環状に配列した構造の缶体構造のボイラのみではなく、図６に示されるボイラ１０のように、複数の水管２３が直方体形状を呈するように配列した構造のボイラにも同様に適用することができる。以下の実施例４の説明で、実施例１と異なる構成を中心に説明し、実施例１に対応する構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。

図６に示すボイラ１０は、省スペース化等の観点から、直方体状の下部ヘッダ２２と、同じく直方体状の上部ヘッダ２４と、この両ヘッダ２２，２４間に立脚して垂直に配設された複数の水管２３からなる水管群とにより構成された缶体２０を備えている。この缶体２０を構成する水管群において、長手方向における両外側に配置された水管２３は、隣り
合う水管２３同士がそれぞれ連結部材（図示省略）を介して接続されて、一対の水管壁（図示省略）を形成している。したがって、缶体２０は、下部ヘッダ２２と上部ヘッダ２４および一対の水管壁とによって形成された直方体状の区画室を備えている。この区画室は、上述の各実施の形態における燃焼室２１Ａに相当しており、長手方向の一端側に設けたバーナ３０からの火炎が燃焼反応を行いつつ、排ガス出口１０３へ向かって流動するように構成されている。

この図６に示すボイラ１０においては、図示は省略しているが、上述の各実施例と同様の降水管８４を設けている。すなわち、濃縮された缶水が滞留する上部ヘッダ２４と、新たなボイラ用水が供給される下部ヘッダ２２とを降水管８４で接続し、上部ヘッダ２４内の缶水を自然循環させる構成としている。ここにおいて、この図６に示すボイラ１０の水位制御は、上述の実施例１と同様に行われ、その詳細な説明は省略する。

この発明は、上述の実施例１〜４に限定されるものではない。たとえば、上述の実施の形態では、流路延長手段として、バッフル板２５を用いる場合について述べている。しかしながら、流路延長手段は、バッフル板２５に限られるものではない。たとえば、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａに、ラビリンス機構を設けるようにしても良く、入口と出口とを離間させた小区分に、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａを細かく区切り、気水混合流体の進行における流路を延長するようにしても良い。また、気水分離のために、細かな網目状のフィルタを設置するようにしても良い。

また、外部水位検出装置５０の水位検出を電極によらないで設定水位を変更することができる水位センサ（たとえば、差圧センサ）により行うように構成し、目標循環比設定水位そのものを変更し、変更した目標循環比設定水位に水位が低下すると給水ポンプ６０をＯＮするように構成することができる。

１０…ボイラ
２０…缶体
２２…下部ヘッダ
２３…水管
２４…上部ヘッダ
２５…バッフル板
３０…バーナ
５０…外部水位検出装置
５２Ｍ…第一電極
５２Ｓ…第二電極
６０…給水ポンプ
７０…制御部（制御手段）
８０…給水管
８４…降水管

Claims (4)

1. 上部ヘッダと下部ヘッダとの間をバーナにより加熱される多数の水管で連結して構成され、前記バーナの燃焼停止時前記水管内の水位が前記水管の上端より低い状態となる缶体と、前記缶体内へボイラ用水を供給する給水手段と、前記缶体の外部に設置され、前記上部ヘッダの内部空間および前記下部ヘッダの内部空間のそれぞれと連通管を介して連通し、缶体内外部水位を検出する外部水位検出手段を備え、前記外部水位検出手段による検出水位に応じて前記給水手段の作動を制御する制御手段とを備えるセパレータレスボイラであって、
   前記上部ヘッダ内下部と前記下部ヘッダとを連通する降水管を備え、
   前記制御手段は、前記外部水位検出手段による検出水位が第一設定水位を超えると缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御する第一制御と、前記検出水位が前記第一設定水位より低い第二設定水位以下となると缶体内水位が上昇するように前記給水手段の作動を制御する第二制御とを行い、
   前記第一設定水位が乾き度限界水位に設定されると共に、前記第一制御により前記上部ヘッダから流出する蒸気の乾き度が設定乾き度以上となるように前記上部ヘッダの高さが設定され、
   前記第二設定水位が過熱度限界水位以上であって、前記降水管による缶水の循環比を設定値以上とする水位に設定されることを特徴とするセパレータレスボイラ。
2. 前記第一設定水位および／または第二設定水位を前記缶体内圧力，給水温度，缶水の濃縮度のいずれか一つまたは複数に応じて調整することを特徴とする請求項１に記載のセパレータレスボイラ。
3. 前記第一設定水位および前記第二設定水位の検出が共通の電極で行われ、
   前記制御手段による前記第一設定水位の判定が前記電極の水有り検出または水有り検出から第一設定時間により行われ、前記第二設定水位の判定が前記電極の水無し検出または水無し検出からの第二設定時間経過により行われることを特徴とする請求項１に記載のセパレータレスボイラ。
4. 前記外部水位検出手段は、第一設定水位を検出する第一の電極と、第二設定水位を検出する第二の電極とを備え、
   前記制御手段による前記第一設定水位の判定が前記第一電極の水有り検出または水有り検出から第三設定時間によりに行われ、前記第二設定水位の判定が、前記第二電極の水無し検出または水無し検出からの第四設定時間経過により行われることを特徴とする請求項１に記載のセパレータレスボイラ。

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