JP2014052166A - ボイラ - Google Patents

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Abstract

【課題】ボイラを大型化させずに、上部ヘッダの内部における気液界面の揺動を抑制して蒸気の所望の乾き度を取得するボイラを提供する。
【解決手段】上下方向に延びて配置される複数の水管12と、複数の水管12の下方に配置され複数の水管12の下端部に接続される下部ヘッダ13と、複数の水管12の上方に配置され複数の水管12の上端部に接続される上部ヘッダ14と、複数の水管12を加熱するバーナ16と、を有する缶体10を備え、上部ヘッダ14に、水管12において生成された蒸気と該水管12から押し上げられた缶水とを分離する気液分離空間14Aが形成されたボイラ1であって、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEFよりも下方に配置されて水管12から押し上げられた缶水の揺動を抑制する揺動抑制板18を更に備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、ボイラに関する。詳細には、下部ヘッダと上部ヘッダとの間に連結した複数の水管をバーナで加熱する缶体を備えるボイラに関する。
従来、下部ヘッダと上部ヘッダとの間に連結した複数の水管をバーナで加熱する缶体を備える保有水量が比較的少ないボイラが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1のような保有水量が比較的少ないボイラは、蒸気を生成するまでの起蒸時間が短く、かつ、負荷変動に対する追従性も良好であるため、ボイラの運転効率が高まる。
特許文献1のようなボイラは、缶体内の水位を低下させた場合には、蒸気の乾き度を高めることができるが、ボイラが過熱するおそれが生じる。一方、缶体内の水位を上昇させた場合には、ボイラの過熱を防止することができるが、蒸気の乾き度を低下させるおそれが生じる。
このため、蒸気の所望の乾き度を取得することと、ボイラの過熱を防止することとのバランスをとって缶体内水位制御が実施されていた。
特開2010−78204号公報
ところで、特許文献1のようなボイラでは、水管内の缶水が沸騰して生成された蒸気によって缶水の一部が水管から上部ヘッダに押し上げられるため、上部ヘッダには、蒸気と水管から押し上げられた缶水とを分離する気液分離空間が形成されている。
気液分離空間が形成された上部ヘッダの内部では、気液界面下において水管から上昇する蒸気により気液界面が揺動して液滴が空中に放散され、蒸気の乾き度が低下する。このため、上記のような缶体内水位制御を実施しても、蒸気の所望の乾き度が取得できない場合があった。
これに対し、上部ヘッダに大きな気液分離空間を設けることで、蒸気の乾き度が低下する対策を図ることができるが、必要とされる上部ヘッダの大きな気液分離空間の分、ボイラが大型化する問題がある。
本発明は上記課題を解決するためのものであり、その目的は、ボイラを大型化させずに、上部ヘッダの内部における気液界面の揺動を抑制して蒸気の所望の乾き度を取得するボイラを提供することにある。
本発明は、上下方向に延びて配置される複数の水管と、複数の前記水管の下方に配置され複数の前記水管の下端部に接続される下部ヘッダと、複数の前記水管の上方に配置され複数の前記水管の上端部に接続される上部ヘッダと、複数の前記水管を加熱するバーナと、を有する缶体を備え、前記上部ヘッダに、前記水管において生成された蒸気と該水管から押し上げられた缶水とを分離する気液分離空間が形成されたボイラであって、前記上部ヘッダの内部における気液界面よりも下方に配置されて前記水管から押し上げられた缶水の揺動を抑制する揺動抑制板を更に備えるボイラに関する。
また、前記揺動抑制板は、複数の貫通孔が形成され、前記水管から上昇する蒸気を分散させる分散板部を備えることが好ましい。
また、前記揺動抑制板は、前記水管の前記上部ヘッダとの接続部分の直上に配置される遮蔽板部を備えることが好ましい。
また、前記複数の水管は、円環状に配置される内側水管群と、該内側水管群の外側に該内側水管群と同軸の円環状に配置される外側水管群と、を有し、前記遮蔽板部は、前記内側水管群と前記上部ヘッダとの接続部分の直上に配置されることが好ましい。
また、ボイラは、前記下部ヘッダと前記上部ヘッダとを接続し、前記上部ヘッダに押し上げられた缶水を前記下部ヘッダに降下させる降水管を更に備え、前記揺動抑制板は、前記降水管と前記上部ヘッダとの接続部分の中心よりも下方に配置されることが好ましい。
本発明によれば、ボイラを大型化させずに、上部ヘッダ内に缶水が存在するときの気液界面の揺動を抑制して蒸気の所望の乾き度を取得するボイラを提供することができる。
本発明の実施形態に係るボイラを示す概略構成図である。 上記実施形態に係るボイラの缶体を示す概略構成図である。 上記実施形態に係る揺動抑制板の周辺を示す概略構成図であり、(a)は主要部の縦断面図であり、(b)は平面図である。
以下に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
まず、本実施形態に係るボイラの構成について説明する。
図1は、本実施形態に係るボイラ1を示す概略構成図である。また、図2は、本実施形態に係るボイラ1の缶体10を示す概略構成図である。
図1に示すボイラ1は、缶体10と、降水管20と、外部水位検出部30と、制御部40と、を備える。
缶体10は、図1および図2に示すように、ボイラ筐体11と、複数の水管12と、下部ヘッダ13と、上部ヘッダ14と、バーナ16と、を有する。缶体10は、燃料を燃焼して水管12内の缶水(ボイラ用水)を加熱する。
ボイラ筐体11は、円筒形状であり、缶体10の外形の主要部を構成する。ボイラ筐体11は、円筒形状の軸線を鉛直方向に沿わせて配置される。
複数の水管12は、ボイラ筐体11の内部に、ボイラ筐体11の軸線に合せて上下方向に延びて配置される。水管12には、バーナ16の燃焼によって加熱される缶水が保持される。
複数の水管12は、円環状に配置される内側水管群12Aと、この内側水管群12Aの外側に内側水管群12Aと同軸の円環状に配置される外側水管群12Bと、を構成する。内側水管群12Aおよび外側水管群12Bの中心軸は、ボイラ筐体11の中心軸と一致している。
内側水管群12Aは、一部を除いて、隣り合う水管12同士が当接して配置される。
外側水管群12Bは、内側水管群12Aとの間に所定の空間を形成するように内側水管群12Aから離間して、ボイラ筐体11の内壁近傍に配置される。
下部ヘッダ13は、環状の容器によって構成され、ボイラ筐体11の内部において複数の水管12の下方に配置される。下部ヘッダ13には、複数の水管12の下端部が接続される。
下部ヘッダ13には、下部ヘッダ13の内部の缶水を排出させる主排水管50が接続される。主排水管50の途中には、主排水管50における排水量を調節する主排水弁51が設けられる。
上部ヘッダ14は、環状の容器によって構成され、ボイラ筐体11の内部において複数の水管12の上方に配置される。上部ヘッダ14には、複数の水管12の上端部が接続される。
上部ヘッダ14の上部には、上部ヘッダ14の内部の蒸気を流出させる蒸気流出管15が接続される。
上部ヘッダ14の詳細については、後述する。
バーナ16は、環状の上部ヘッダ14の内側の中央部に配置される。バーナ16は、図示しない燃料噴射ノズルおよび空気供給ノズルを有し、燃料管53から供給されて燃料供給弁54で燃料量が調整される燃料を燃料噴射ノズルからボイラ筐体11の内部に向けて噴射するとともに、空気供給ノズルから空気をボイラ筐体11の内部に供給し、火炎を下向きに放出して燃料を燃焼させて複数の水管12を加熱する。
火炎が放出されるバーナ16の下方の空間、すなわちボイラ筐体11の内部における環状に配置された内側水管群12Aに囲まれた空間が燃焼室60を構成する。燃焼室60では、燃料が燃焼され、排気が発生する。
燃焼室60の下方、すなわち下部ヘッダ13の上面および中央部は、耐火材70で覆われる。
外側水管群12Bの上部の外側とボイラ筐体11の外側に突出した内壁との間の空間は、排気通路80を構成する。排気通路80は、燃焼室60で発生した排気をボイラ筐体11から図示しない排気管を通じて排出させる。
降水管20は、図1および図2に示すように、缶体10の外側で下部ヘッダ13と上部ヘッダ14とを接続し、下部ヘッダ13と上部ヘッダ14とを連通する。降水管20は、上部ヘッダ14に押し上げられた缶水を下部ヘッダ13に降下させる。
降水管20の下部ヘッダ13との接続部分は、降水管20の内部の缶水が下部ヘッダ13に流入できればよく、下部ヘッダ13の中間部に設けられる。一方、降水管20の上部ヘッダ14との接続部分は、上部ヘッダ14の内部に滞留する缶水を可及的に降下できるよう、上部ヘッダ14の下部に設けられる。
降水管20の上部には、降水管20内に給水する給水管90が接続される。給水管90の途中には、給水管90における給水量を調節する給水ポンプ91が設けられる。
降水管20の下部には、降水管20を流通する缶水を排出させる副排水管55が接続される。副排水管55は、加熱され濃縮された缶水を排出できる。副排水管55の途中には、副排水管55における排水量を調節する副排水弁56が設けられる。
副排水弁56は、濃縮ブロー実施時に降水管20を流通する缶水の電気伝導度が所定の閾値を超えると、制御部40によって開弁され、濃縮された缶水を、副排水管55を介して外部へ排出する。なお、濃縮ブローを実施するにあたっては、後述の制御部40は、濃縮ブローを実施前の燃焼時間を記憶しておき、その燃焼時間に基づいて実施タイミングが決定される。
外部水位検出部30は、缶体10の外部に配置された水位制御筒31と、この水位制御筒31の上下にそれぞれ接続された連通管32a,32bと、を備える。外部水位検出部30は、連通管32aにより水位制御筒31と上部ヘッダ14との間が接続され、連通管32bにより水位制御筒31と下部ヘッダ13との間が接続される。外部水位検出部30は、連通管32a,32bに缶体10の内部の缶水を流通させて水位制御筒31内の缶水の水位を検出することで、缶体10の内部に保持される缶水の水位を測定する。
水位制御筒31には、内部に複数の棒状の電極33a,33b,33cが配置されている。複数の棒状の電極33a,33b,33cは、それぞれ下方への長さが異なり、水位制御筒31内の異なる水位を検出する。
制御部40は、缶体10の外部に設置される。制御部40には、外部水位検出部30の複数の棒状の電極33a,33b,33cなどの検出信号が入力される。また、制御部40は、これらの検出信号に応じてバーナ16の燃料供給弁54、給水ポンプ91、主排水弁51、副排水弁56などの駆動部位に駆動信号を送信して駆動部位を制御する。
例えば、缶体10内の水位が低下すると、蒸気の乾き度が高まるが、ボイラ1が過熱するおそれが生じる。一方、缶体10内の水位が上昇すると、ボイラ1の過熱を防止できるが、蒸気の乾き度が低下するおそれが生じる。このため、制御部40は、蒸気の所望の乾き度を取得することと、ボイラ1の過熱を防止することとのバランスをとり、加えて缶体10内の缶水の濃縮度を過度に高めないように、外部水位検出部30が検出する水位によってバーナ16の燃料供給弁54、給水ポンプ91、主排水弁51、副排水弁56などの駆動部位を制御する缶体内水位制御を実施する。
次に、上部ヘッダ14の詳細について説明する。
上部ヘッダ14は、図1および図2に示すように、下部ヘッダ13よりも高さが高く構成される。この上部ヘッダ14の内部には、気液分離空間14Aが形成される。また、上部ヘッダ14の内部には、バッフル板17および揺動抑制板18が配置される。
気液分離空間14Aは、水管12において生成された蒸気と水管12から押し上げられた缶水とを分離する空間である。すなわち、この気液分離空間14Aが形成された上部ヘッダ14の内部には、ボイラ運転時には、蒸気と水管12から押し上げられた缶水との界面である気液界面AEFが存在することになる。
バッフル板17は、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEFよりも上方、すなわち蒸気流出管15の近傍に配置される。バッフル板17は、気液界面AEFから上昇した蒸気中に含まれる微細な水滴を蒸気から分離する。
揺動抑制板18は、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEFよりも下方に配置される。揺動抑制板18は、上部ヘッダ14の内部に滞留する缶水に可及的に沈むよう配置されることが好ましく、本実施形態では、降水管20と上部ヘッダ14との接続部分の中心、すなわち図2に示す水平方向に延びる中心線C1よりも下方に配置される。揺動抑制板18を降水管20と上部ヘッダ14との接続部分の中心線C1よりも下方に配置することで、揺動抑制板18を、確実に気液界面AEF下に沈ませられる。揺動抑制板18は、水管12から押し上げられた缶水の揺動を抑制する。
図3は、本実施形態に係る揺動抑制板18の周辺を示す概略構成図であり、(a)は主要部の縦断面図であり、(b)は平面図である。
揺動抑制板18は、図3(b)に示すように、上部ヘッダ14の内部に、上部ヘッダ14の内側内壁から外側水管群12Bの直上(外側水管群12Bの開口の一部を覆う)まで外径方向に広がった環状板材である。
揺動抑制板18は、分散板部18aと、遮蔽板部18bと、を有する。
分散板部18aは、複数の貫通孔18a1が板材に形成された多孔板部であり、水管12から上昇する蒸気を分散させる。複数の貫通孔18a1の孔径は、蒸気を通過させて整流・細分化できるように水管12の開口径よりも十分小径となっている。分散板部18aの開孔率は、蒸気の整流、細分化を好適に行う観点から、好ましくは、50%〜60%である。
遮蔽板部18bは、貫通孔などの無い遮蔽された環状の板部であり、内側水管群12Aと上部ヘッダ14との接続部分の直上に配置される。
揺動抑制板18は、分散板部18aが基板となっており、遮蔽板部18bの設けられていない部分は全て分散板部18aに構成され、両者が一体化されている。具体的には、揺動抑制板18は、環状の遮蔽板部18bが環状の分散板部18aの一方の面に取り付けられて構成される。
次に、本実施形態に係るボイラ1の動作について説明する。
本実施形態に係るボイラ1は、缶水の保有水量が比較的少なく、バーナ16が燃焼を停止しているときには、水管12の水位が水管12の上端よりも低位となる。
バーナ16が燃焼を開始すると、複数の水管12内に保持された缶水が加熱されて沸騰する。水管12内の缶水が沸騰すると、沸騰して生成された蒸気によって缶水の一部が水管12から上部ヘッダ14に押し上げられる。これにより、上部ヘッダ14の内部では、上方に蒸気が存在するとともに下方に水管12から押し上げられた缶水が存在し、その両者を気液界面AEFが分離した状態となる。
本実施形態に係るボイラ1は、上記のような上部ヘッダ14によって気液分離を図るため、セパレータ(気液分離器または汽水分離器)が設けられておらず、上部ヘッダ14に気液分離空間14Aが形成されている。
このようなボイラ1の制御部40は、上記のように蒸気の所望の乾き度を取得することと、ボイラ1の過熱を防止することとのバランスをとって缶体内水位制御を実施する。
しかし、気液分離空間14Aが形成された上部ヘッダ14の内部では、気液界面AEF下において水管12から集中して放出される蒸気により気液界面AEFが揺動して液滴が空中に放散され、蒸気の乾き度が低下する。このため、上記のような缶体内水位制御を実施しても、蒸気の所望の乾き度が取得できない場合がある。
そのため、本実施形態に係るボイラ1では、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEFよりも下方に揺動抑制板18を配置し、水管12から押し上げられた缶水の揺動を抑制する。
具体的には、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEF下において水管12から放出される蒸気を揺動抑制板18によって分散させる。
第1の方法は、複数の貫通孔18a1が形成された分散板部18aによって、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEF下において水管12から放出される蒸気を、複数の貫通孔18a1を通過させて整流・細分化し、蒸気を分散させる。
第2の方法は、内側水管群12Aと上部ヘッダ14との接続部分の直上に配置された遮蔽板部18bによって、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEF下においてバーナ16近傍でより激しく沸騰が生じる内側水管群12Aにおける勢いの強い蒸気をこの遮蔽板部18bに衝突させて蒸気の上昇速度を低下させつつ、蒸気が遮蔽板部18bに衝突後に多方向にランダムに移動することを利用して蒸気の上昇範囲を拡大させ、蒸気を分散させる。
これらの第1および第2の方法によって、集中して蒸気が気液界面AEFに上昇することに起因する気液界面AEFの揺動が抑制される。そして、気液界面AEFの揺動による液滴の空中への放散を防止し、蒸気の乾き度の低下を抑制することができる。
なお、分散板部18aや遮蔽板部18bを外側水管群12Bと上部ヘッダ14との接続部分以上の外径方向まで配置しない理由は、外側水管群12Bがバーナ16から遠方に配置されており、外側水管群12Bでは激しく沸騰が生じないため、蒸気を分散させる必要がないからである。
以上の本実施形態に係るボイラ1によれば、以下のような効果を奏する。
(1)本実施形態では、上部ヘッダ14に気液分離空間14Aを形成し、ボイラ1を、揺動抑制板18を含んで構成し、この揺動抑制板18を上部ヘッダ14の内部における気液界面AEFよりも下方に配置した。これにより、気液界面AEF下において水管12から上昇する蒸気を、揺動抑制板18によって分散させられるため、集中して蒸気が気液界面AEFに上昇することに起因する気液界面AEFの揺動を抑制でき、気液界面AEFの揺動による液滴の空中への放散を防止し、蒸気の乾き度の低下を抑制できる。よって、蒸気の乾き度が低下する対策として上部ヘッダ14に大きな気液分離空間を設ける必要もない。したがって、ボイラ1を大型化させずに、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEFの揺動を抑制して蒸気の所望の乾き度を取得することができる。
(2)揺動抑制板18を、複数の貫通孔18a1が形成された分散板部18aを含んで構成した。これにより、気液界面AEF下において水管12から上昇する蒸気を、複数の貫通孔18a1を通過させて整流・細分化し、分散させられる。したがって、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEFの揺動をより抑制できる。
(3)揺動抑制板18を、遮蔽板部18bを含んで構成し、この遮蔽板部18bを、水管12と上部ヘッダ14との接続部分の直上に配置した。これにより、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEF下において水管12から放出される蒸気を遮蔽板部18bに衝突させるため、蒸気の上昇速度を低下させつつ蒸気の上昇範囲を拡大させ、蒸気を分散させられる。したがって、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEFの揺動をより抑制できる。
(4)複数の水管12を、内側水管群12Aと、外側水管群12Bと、を含んで構成し、遮蔽板部18bを、内側水管群12Aと上部ヘッダ14との接続部分の直上に配置した。これにより、バーナ16近傍に配置されることでより激しく沸騰が生じる内側水管群12Aにおける勢いの強い蒸気を、遮蔽板部18bに衝突させることで、蒸気の上昇速度を低下させつつ蒸気の上昇範囲を拡大させ、蒸気を分散させられる。したがって、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEFの揺動をより抑制できる。
(5)ボイラ1を、降水管20を含んで構成し、揺動抑制板18を、降水管20と上部ヘッダ14との接続部分の中心線C1よりも下方に配置した。これにより、揺動抑制板18を、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEFよりも下方に確実に配置できるため、水管12から押し上げられた缶水の揺動をより効果的に抑制できる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲で変形、改良などを行っても、本発明の範囲に包含される。
本実施形態に係る複数の水管12は、内側水管群12Aと外側水管群12Bとから構成される2重の水管群であったが、これに限られない。例えば、1重の水管群であってもよいし、3重以上の水管群であってもよい。
本実施形態に係る揺動抑制板18は、環状の遮蔽板部18bが環状の分散板部18aの一方の面に取り付けられて構成されていたが、これに限られない。例えば、遮蔽板部18bは、環状ではなく、各内側水管群12Aと上部ヘッダ14との接続部分の直上にそれぞれ点在する構成であってもよい。
本実施形態に係る揺動抑制板18は、バーナ16との隔壁から外側水管群12Bの直上まで外径方向に延びていたが、これに限られない。例えば、揺動抑制板18は、より蒸気を分散させるために上部ヘッダ14の内部の全面を覆うものであってもよい。また、遮蔽板部18bは、外側水管群12Bと上部ヘッダ14との接続部分の直上にも配置されるものであってもよい。
また、本実施形態に係る揺動抑制板18は、降水管20と上部ヘッダ14との接続部分の中心線C1よりも下方に配置されていたが、これに限られない。揺動抑制板18は、上部ヘッダ14の内部の気液界面AEFよりも下方に配置されればよく、例えば、降水管20と上部ヘッダ14との接続部分と同じ高さ以上に配置されるものであってもよい。
1…ボイラ
10…缶体
12…水管
12A…内側水管群
12B…外側水管群
13…下部ヘッダ
14…上部ヘッダ
14A…気液分離空間
16…バーナ
18…揺動抑制板
18a…分散板部
18a1…貫通孔
18b…遮蔽板部
20…降水管
AEF…気液界面
C1…中心線

Claims (5)

  1. 上下方向に延びて配置される複数の水管と、
    複数の前記水管の下方に配置され複数の前記水管の下端部に接続される下部ヘッダと、
    複数の前記水管の上方に配置され複数の前記水管の上端部に接続される上部ヘッダと、
    複数の前記水管を加熱するバーナと、を有する缶体を備え、前記上部ヘッダに、前記水管において生成された蒸気と該水管から押し上げられた缶水とを分離する気液分離空間が形成されたボイラであって、
    前記上部ヘッダの内部における気液界面よりも下方に配置されて前記水管から押し上げられた缶水の揺動を抑制する揺動抑制板を更に備えるボイラ。
  2. 前記揺動抑制板は、複数の貫通孔が形成され、前記水管から上昇する蒸気を分散させる分散板部を備える請求項1記載のボイラ。
  3. 前記揺動抑制板は、前記水管と前記上部ヘッダとの接続部分の直上に配置される遮蔽板部を備える請求項1または2記載のボイラ。
  4. 前記複数の水管は、円環状に配置される内側水管群と、該内側水管群の外側に該内側水管群と同軸の円環状に配置される外側水管群と、を有し、
    前記遮蔽板部は、前記内側水管群と前記上部ヘッダとの接続部分の直上に配置される請求項3記載のボイラ。
  5. 前記下部ヘッダと前記上部ヘッダとを接続し、前記上部ヘッダに押し上げられた缶水を前記下部ヘッダに降下させる降水管を更に備え、
    前記揺動抑制板は、前記降水管と前記上部ヘッダとの接続部分の中心線よりも下方に配置される請求項1から4のいずれか記載のボイラ。
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