JP2014092357A - ボイラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】排出される燃焼ガスによる熱損失を低減することにより、更なる熱効率の向上を図るクローズドタイプのボイラシステムを提供する。
【解決手段】蒸気を生成する缶体１１を有し、生成された蒸気を負荷機器５０に供給する貫流ボイラ１０と、負荷機器５０が蒸気を使用することによって凝縮して生じたドレンを大気に開放することなく回収するドレンタンク２１と、ドレンタンク２１と貫流ボイラ１０とを接続しドレンタンク２１に収容されたドレンを貫流ボイラ１０に給水する第２ドレン供給ラインＬ３と、を備えるクローズドタイプのボイラシステム１であって、第２ドレン供給ラインＬ３から缶体１１に供給されるドレンと缶体１１に供給される燃焼用空気との間で熱交換を行う空気加熱器４０と、缶体１１から排出される燃焼ガスと空気加熱器４０で熱交換されたドレンとの間で熱交換を行う給水加熱器３０と、を更に備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ボイラシステムに関する。より詳細には、負荷機器から排出されるドレンを、大気に開放することなく回収してボイラに給水するクローズドタイプのボイラシステムに関する。

従来、ボイラによって生成された蒸気を負荷機器に供給し、負荷機器において熱源として使用された蒸気が凝縮して発生するドレンを、耐圧性を有する密閉型のドレン回収タンクに高温・高圧の状態で回収して、再度ボイラに給水するクローズドタイプのボイラシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１０５４４２号公報

また、クローズドタイプのボイラシステムを、給水（ドレン）をボイラから排出される燃焼ガスによって予め加熱する給水加熱器を含んで構成し、更なる熱効率の向上を図ることが考えられている。
上記のように、更なる熱効率の向上を図る場合には、クローズドタイプのボイラシステムにおいてボイラに給水されるドレンが１００℃を超える高温となっている場合が生じる。そのため、給水加熱器では、ボイラから排出される燃焼ガスとボイラに供給されるドレンとの間で十分な熱交換を行うことができず、燃焼ガスの熱損失が大きくなる。
また、高温のドレンを給水加熱器によって更に加熱した場合には、ドレンが沸騰してフラッシュ蒸気が発生し、給水制御が不安定になってしまう場合がある。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、排出される燃焼ガスによる熱損失を低減することにより、更なる熱効率の向上を図るクローズドタイプのボイラシステムを提供することを目的とする。

本発明は、蒸気を生成する缶体を有し、生成された蒸気を負荷機器に供給するボイラと、前記負荷機器が蒸気を使用することによって凝縮して生じたドレンを大気に開放することなく回収するドレンタンクと、前記ドレンタンクと前記ボイラとを接続し前記ドレンタンクに収容されたドレンを前記ボイラに給水するドレン供給ラインと、を備えるクローズドタイプのボイラシステムであって、前記ドレン供給ラインから前記缶体に供給されるドレンと前記缶体に供給される燃焼用空気との間で熱交換を行う空気加熱器と、前記缶体から排出される燃焼ガスと前記空気加熱器で熱交換されたドレンとの間で熱交換を行う給水加熱器と、を更に備えるボイラシステムに関する。

また、前記ボイラは、直方体状の前記缶体と、前記缶体の内部に上下方向に延びて配置されると共に、該缶体の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される複数の水管と、前記缶体の長手方向の一端側に位置する第１側面に設けられ、略水平方向に燃料を噴出して燃焼させるバーナと、前記缶体の長手方向の他端側に位置する第２側面に設けられ前記缶体の内部で生じた燃焼ガスを排出する排気筒と、を備えることが好ましい。

本発明によれば、排出される燃焼ガスによる熱損失を低減でき、更なる熱効率の向上を図れる。

本発明の一実施形態に係るボイラシステムの構成を示す図である。 ボイラシステムを構成する貫流ボイラ、給水加熱器及び空気加熱器を模式的に示した図である。 貫流ボイラの缶体の鉛直方向断面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 空気加熱器及び給水加熱器において向流式の熱交換を行うドレンの温度分布を示す図であり、図５（ａ）は空気加熱器において向流式の熱交換を行うドレンの温度分布を示す図であり、図５（ｂ）は、給水加熱器において向流式の熱交換を行うドレンの温度分布を示す図である。

以下、本発明のボイラシステムの好ましい一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るボイラシステム１の構成を示す図である。図２は、貫流ボイラ１０、空気加熱器４０及び給水加熱器３０の構成を模式的に示した図である。
本実施形態のボイラシステム１は、図１に示すように、複数の貫流ボイラ１０を含んで構成されるボイラ装置７０と、クローズドタイプのドレン回収装置２０と、を備える。

ボイラ装置７０は、図１及び図２に示すように、複数の貫流ボイラ１０と、これら複数の貫流ボイラ１０それぞれに取り付けられる空気加熱器４０及び給水加熱器３０と、複数の貫流ボイラ１０で生成された蒸気が集合される蒸気ヘッダ７１と、複数の貫流ボイラ１０と蒸気ヘッダ７１とを連結する連結管７２と、を備える。

貫流ボイラ１０は、内部に供給された給水を燃焼ガスにより加熱して蒸気を生成する。本実施形態では、貫流ボイラ１０（複数の水管）には、ドレン回収装置２０により回収されたドレンが給水として供給される。
貫流ボイラ１０の詳細、並びに空気加熱器４０及び給水加熱器３０については、後述する。

図１に示すように、複数の貫流ボイラ１０で生成された蒸気は、連結管７２を通って蒸気ヘッダ７１に供給される。蒸気ヘッダ７１は、複数の貫流ボイラ１０で生成された蒸気を貯留し、負荷機器５０に供給する。
負荷機器５０は、貫流ボイラ１０で生成された蒸気を熱源として利用し、加熱対象物との間で熱交換を行う。

ドレン回収装置２０は、貫流ボイラ１０により生成された蒸気が負荷機器５０で利用されることで凝縮して生じたドレンを高温・高圧の状態で回収し、この回収したドレンを給水として再び貫流ボイラ１０に供給する。
ドレン回収装置２０は、ドレンタンク２１と、オープンタンク２２と、第１蒸気供給ラインＬ１と、第１ドレン供給ラインＬ２と、第２ドレン供給ラインＬ３と、第２蒸気供給ラインＬ４と、フラッシュ蒸気排出ラインＬ５と、補給水供給ラインＬ６と、を備える。

ドレンタンク２１は、負荷機器５０において熱交換に用いられた蒸気の一部が凝縮して生じるドレンを回収して収容する。このドレンタンク２１は、耐圧性を有し密閉可能な圧力容器により構成される。

オープンタンク２２は、大気に開放されている。このオープンタンク２２は、貫流ボイラ１０に供給される補給水を貯留する。また、オープンタンク２２には、ドレンタンク２１においてドレンから発生したフラッシュ蒸気が導入される。

第１蒸気供給ラインＬ１は、蒸気ヘッダ７１と負荷機器５０とを接続し、貫流ボイラ１０で生成された蒸気を負荷機器５０に供給する。
第１ドレン供給ラインＬ２は、負荷機器５０とドレンタンク２１とを接続し、負荷機器５０で発生したドレンをドレンタンク２１に供給する。この第１ドレン供給ラインＬ２には、負荷機器５０において発生したドレンを排出し、かつ、蒸気の排出を防ぐスチームトラップ６１と、逆止弁６２と、モータバルブ６３とが配置される。

第２ドレン供給ラインＬ３は、ドレンタンク２１と貫流ボイラ１０とを接続し、ドレンタンク２１に収容されたドレンを貫流ボイラ１０に供給する。本実施形態では、第２ドレン供給ラインＬ３の上流側の端部は、ドレンタンク２１の下部に接続される。また、第２ドレン供給ラインＬ３の下流側は、複数の缶体１１のそれぞれに接続されるように分岐している。

以上の第２ドレン供給ラインＬ３には、ドレンポンプ６４及びドレン供給弁６５が配置される。ドレンポンプ６４は、ドレンタンク２１から供給されたドレンを昇圧して貫流ボイラ１０に供給する。ドレン供給弁６５は、モータバルブにより構成され、ドレンタンク２１から貫流ボイラ１０に供給されるドレンの量を調節する。

第２蒸気供給ラインＬ４は、蒸気ヘッダ７１とドレンタンク２１とを接続する。この第２蒸気供給ラインＬ４は、貫流ボイラ１０で生成された蒸気をドレンタンク２１に供給し、ドレンタンク２１の内部の圧力を調節する。第２蒸気供給ラインＬ４には、圧力調整弁６６及びモータバルブ６７が配置される。

フラッシュ蒸気排出ラインＬ５は、ドレンタンク２１とオープンタンク２２とを接続し、ドレンタンク２１で発生したフラッシュ蒸気をオープンタンク２２に排出する。このフラッシュ蒸気排出ラインＬ５には、圧力調整弁６８が配置されている。圧力調整弁６８は、ドレンタンク２１の内部の圧力が所定の圧力を超えた場合に、フラッシュ蒸気をオープンタンク２２側に逃がして、ドレンタンク２１の内部の圧力を低下させる。

補給水供給ラインＬ６は、オープンタンク２２とドレンタンク２１とを接続し、オープンタンク２２に貯留された水をドレンタンク２１に供給する。補給水供給ラインＬ６には、ポンプ６９が配置されている。

次に、貫流ボイラ１０の詳細、並びに空気加熱器４０及び給水加熱器３０について説明する。図３は、貫流ボイラ１０の缶体１１の鉛直方向断面図である。図４は、図３のＡ−Ａ線断面図であり、缶体１１の水平方向断面図である。
貫流ボイラ１０は、図３及び図４に示すように、缶体１１と、複数の水管１２と、連結壁１３と、下部ヘッダ１４と、上部ヘッダ１５と、ダクト１６と、バーナ１７と、排気筒１８と、を備える。

缶体１１は、平面視矩形形状の直方体状に構成される。
複数の水管１２は、缶体１１の内部に上下方向に延びて配置されると共に、缶体１１の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される。
本実施形態では、複数の水管１２は、缶体１１の長手方向に延びる側部に沿って配置される外側水管群１２ａと、缶体１１の幅方向の中央部に、長手方向に沿って配置される中央水管群１２ｂと、外側水管群１２ａと中央水管群１２ｂとの間に配置される中間水管群１２ｃと、に分類される。
連結壁１３は、外側水管群１２ａにおいて隣り合って配置される水管１２同士を連結する。

下部ヘッダ１４は、平面視矩形形状の直方体状の容器によって構成され、缶体１１の下部に配置される。下部ヘッダ１４には、複数の水管１２の下端部が接続される。下部ヘッダ１４には、ドレン回収装置２０からドレンが供給され、この下部ヘッダ１４から複数の水管１２にドレンが供給される。

上部ヘッダ１５は、平面視矩形形状の直方体状の容器によって構成され、缶体１１の上部に配置される。上部ヘッダ１５には、複数の水管１２の上端部が接続される。上部ヘッダ１５には、複数の水管１２において生成された蒸気が集められる。上部ヘッダ１５には、連結管７２（図１参照）が連結されており、上部ヘッダ１５に集められた蒸気は、この連結管７２を介して蒸気ヘッダ７１に供給される。

ダクト１６は、缶体１１の長手方向の一端側に位置する第１側面１１ａの下部に接続される。ダクト１６の上流側には、燃料ガスが供給される燃料供給部１６１及び燃焼用空気を供給する送風機８０（図２参照）が接続される。ダクト１６は、燃料供給部１６１から供給される燃料ガスと送風機８０から供給される燃焼用空気とを混合して缶体１１の内部に向けて供給する。

本実施形態では、ダクト１６は、図２に示すように、上下方向に延び、燃焼用空気が下方に向けて流通する下向き給気路部１６２を備える。
以上のダクト１６によれば、送風機８０から送出された燃焼用空気は、下向き給気路部１６２を下方に向かって流通して缶体１１に供給される。

バーナ１７は、第１側面１１ａにおけるダクト１６と缶体１１との接続部分に配置される。バーナ１７は、燃焼用空気と燃料とが混合された混合ガスをダクト１６から缶体１１の内部に噴出し、この混合ガスを燃焼させる。

排気筒１８は、缶体１１の長手方向の他端側（ダクト１６が設けられた側と反対側）に位置する第２側面１１ｂに接続される。排気筒１８は、缶体１１の内部で混合ガスが燃焼して生じた燃焼ガスを排出する。

本実施形態では、排気筒１８は、図２に示すように、缶体１１との接続部分から上方に延びる上向き排気路部１８１を備える。
以上の排気筒１８によれば、缶体１１から排出された燃焼ガスは、上向き排気路部１８１を上方に向かって流通して外部に排出される。

空気加熱器４０は、ダクト１６に設けられる。
空気加熱器４０は、貫流ボイラ１０に供給されるドレンと、貫流ボイラ１０に供給される燃焼用空気との間で熱交換を行う。本実施形態では、空気加熱器４０は、下向き給気路部１６２に配置される。より具体的には、図２に示すように、空気加熱器４０は、貫流ボイラ１０にドレンを供給する第２ドレン供給ラインＬ３（図１参照）の一部を、下向き給気路部１６２に上向きに配置することで構成される。
即ち、空気加熱器４０においては、第２ドレン供給ラインＬ３は、燃焼用空気が下方に向かって流通する下向き給気路部１６２に、ドレンが下方から上方に向かって流通するように配置される。
これにより、本実施形態の空気加熱器４０では、ドレンと燃焼用空気とが互いに逆方向に流通して熱交換を行う向流式の熱交換が行われる。

給水加熱器３０は、排気筒１８に設けられる。
給水加熱器３０は、貫流ボイラ１０から排出される燃焼ガスと、空気加熱器４０で熱交換された後のドレンとの間で熱交換を行う。本実施形態では、給水加熱器３０は、上向き排気路部１８１に配置される。より具体的には、給水加熱器３０は、貫流ボイラ１０にドレンを供給する第２ドレン供給ラインＬ３（図１参照）の一部を、第１上向き排気路部１８１に下向きに配置することで構成される。
即ち、給水加熱器３０においては、燃焼ガスは、第１上向き排気路部１８１を下方から上方に向かって流通し、第２ドレン供給ラインＬ３は、ドレンが上方から下方に向かって流通するように配置される。
これにより、本実施形態の給水加熱器３０では、燃焼ガスとドレンとが互いに逆方向に流通して熱交換を行う向流式の熱交換が行われる。

次に、本実施形態のボイラシステム１の動作について説明する。
本実施形態では、まず、貫流ボイラ１０において蒸気が生成される。具体的には、まず、燃料ガスと燃焼用空気とがダクト１６において混合され、この燃焼ガスと燃焼用空気との混合ガスがバーナ１７から缶体１１の内部に噴出されて燃焼する。次いで、混合ガスの燃焼により発生した燃焼ガスにより、複数の水管１２が加熱され、これら複数の水管１２の内部に供給された給水（ドレン）から蒸気が生成される。複数の水管１２の内部で生成された蒸気は、上部ヘッダ１５に集められた後、連結管７２を介して蒸気ヘッダ７１に供給される。
蒸気ヘッダ７１に供給された蒸気は、負荷機器５０において利用された後ドレンとなり、高温高圧の状態でドレンタンク２１に貯留される。そして、ドレンタンク２１に貯留されたドレンは、第２ドレン供給ラインＬ３を通って貫流ボイラ１０に給水として供給される。

一方、缶体１１の内部において蒸気の生成に用いられた燃焼ガスＧ１は、上向き排気路部１８１を上方に向かって流通し（図２のＧ２、Ｇ３参照）、外部に排出される（図２のＧ４参照）。

ここで、本実施形態では、ドレンを用いて燃焼用空気を加熱する空気加熱器４０が下向き給気路部１６２に配置されると共に、燃焼ガスを用いて空気加熱器４０で熱交換された後のドレンを加熱する給水加熱器３０が上向き排気路部１８１に配置される。
これにより、缶体１１に供給されるドレン（例えば、１４０℃〜１７０℃）は、まず、下向き給気路部１６２に配置された空気加熱器４０において、燃焼用空気（例えば、−２０℃〜８０℃）との間で熱交換されて熱回収される。
そして、空気加熱器４０において加熱された燃焼用空気（例えば、８０℃〜１２０℃）は、缶体１１に供給される。
また、空気加熱器４０において熱回収されたドレン（例えば、１００℃〜１３０℃）は、上向き排気路部１８１に配置された給水加熱器３０において、燃焼ガス（例えば、１４０℃〜２００℃）との間で熱交換され、燃焼ガスから熱を回収する。
そして、給水加熱器３０において加熱されたドレン（例えば、１４０℃〜１７０℃）は、缶体１１に供給される。
一方、給水加熱器３０において熱回収された燃焼ガス（例えば、８０℃〜１２０℃）は、外部に排出される。

このように、本実施形態では、ボイラシステム１を、第２ドレン供給ラインＬから缶体１１に供給されるドレンと缶体１１に供給される燃焼用空気との間で熱交換を行う空気加熱器４０と、缶体１１から排出される燃焼ガスと空気加熱器４０で熱交換されたドレンとの間で熱交換を行う給水加熱器３０と、を含んで構成した。これにより、まず、空気加熱器４０によって高温のドレンを用いて燃焼用空気を温め、次に給水加熱器３０によって燃焼ガスを用いて燃焼用空気に熱量が持ち去られたドレンを温められる。よって、燃焼ガスに比して低温のドレンを用いて燃焼用空気を温めるため、燃焼用空気が燃焼時にＮＯｘを多量に発生させるような過剰な高温（例えば、２００℃以上）になることを防止できる。また、水温を一旦低下させたドレンにより燃焼ガスから熱回収を行うため、燃焼ガスからの熱回収量を多くでき、排出される燃焼ガスによる熱損失を低減できる。
更に、ドレンの水温を一旦低下させるため、給水加熱器３０による熱交換ではドレンが沸騰し難くなる。その結果、給水加熱器３０によって加熱されたドレンからフラッシュ蒸気が発生することを防止でき、給水制御を安定させられる。
したがって、更なるボイラシステム１の熱効率（ボイラ効率）の向上を図れる。

また、下向き給気路部１６２に配置した空気加熱器４０において、第２ドレン供給ラインＬ３の一部をドレンが下方から上方に向かって流通するように配置した。これにより、下向き給気路部１６２におけるドレンの流れと、空気加熱器４０における燃焼用空気の流れとを対向させられるため、空気加熱器４０において、ドレンと燃焼用空気とを互いに逆方向に流通させる向流式の熱交換を行わせられる。よって、ドレンと燃焼用空気とが同じ方向に流通する並流式の熱交換に比して、ドレンからの熱回収率を高められる。

また、上向き排気路部１８１に配置した給水加熱器３０において、第２ドレン供給ラインＬ３の一部をドレンが上方から下方に向かって流通するように配置した。これにより、上向き排気路部１８１におけるドレンの流れと、給水加熱器３０における燃焼ガスの流れとを対向させられるため、給水加熱器３０において、ドレンと燃焼ガスとを互いに逆方向に流通させる向流式の熱交換を行わせられる。よって、ドレンと燃焼ガスとが同じ方向に流通する並流式の熱交換に比して、燃焼ガスからの熱回収率を高められる。

図５は、空気加熱器４０及び給水加熱器３０において向流式の熱交換を行うドレンの温度分布を示す図であり、図５（ａ）は空気加熱器４０において向流式の熱交換を行うドレンの温度分布を示す図であり、図５（ｂ）は、給水加熱器３０において向流式の熱交換を行うドレンの温度分布を示す図である。

図５（ａ）に示すように、まず、空気加熱器４０において向流式の熱交換を行うと、燃焼用空気は、最も低温の部分Ｔ１において、ドレンの最も低温の部分Ｔ４と熱交換を行った後、燃焼用空気の最も高温の部分Ｔ２においてドレンの最も高温の部分Ｔ３と熱交換を行う。これにより、ドレンから並流式の熱交換よりも多くの熱回収を行える。また、熱交換後の燃焼用空気の温度（燃焼用空気の出口温度）Ｔ２を、熱交換後のドレンの温度（ドレンの出口温度）Ｔ４よりも高くすることも可能となる。

図５（ｂ）に示すように、給水加熱器３０において向流式の熱交換を行うと、ドレンは、最も低温の部分Ｔ５において、燃焼ガスの最も低温の部分Ｔ８と熱交換を行った後、ドレンの最も高温の部分Ｔ６において燃焼ガスの最も高温の部分Ｔ７と熱交換を行う。これにより、燃焼ガスから並流式の熱交換よりも多くの熱回収を行える。また、熱交換後のドレンの温度（ドレンの出口温度）Ｔ６を、熱交換後の燃焼ガスの温度（燃焼ガスの出口温度）Ｔ８よりも高くすることも可能となる。

また、貫流ボイラ１０を、直方体状の缶体１１と、この缶体１１の内部に長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される複数の水管１２と、缶体１１の側面から燃料ガスを噴出して燃焼させるバーナ１７と、を含んで構成した。これにより、缶体１１の中央部に燃焼室を有するボイラに比して、バーナ１７において混合ガスが燃焼してから複数の水管１２へ熱が伝わるまでの時間を短縮できる。よって、バーナ１７における混合ガスの燃焼温度（火炎の温度）の低温化が可能となるため、ボイラに供給される燃焼用空気の温度が高くなった場合であっても、混合ガスの燃焼温度を低温化してＮＯｘの発生量が増加することを抑制できる。

以上、本発明のボイラシステム１の好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

１ ボイラシステム
１０ 貫流ボイラ
１１ 缶体
１１ａ 第１側面
１１ｂ 第２側面
１２ 水管
１７ バーナ
１８ 排気筒
２０ ドレン回収装置
２１ ドレンタンク
３０ 給水加熱器
４０ 空気加熱器
１６２ 下向き給気路部
１８１ 上向き排出路部
Ｌ３ 第２ドレン供給ライン

Claims (2)

1. 蒸気を生成する缶体を有し、生成された蒸気を負荷機器に供給するボイラと、
   前記負荷機器が蒸気を使用することによって凝縮して生じたドレンを大気に開放することなく回収するドレンタンクと、
   前記ドレンタンクと前記ボイラとを接続し前記ドレンタンクに収容されたドレンを前記ボイラに給水するドレン供給ラインと、を備えるクローズドタイプのボイラシステムであって、
   前記ドレン供給ラインから前記缶体に供給されるドレンと前記缶体に供給される燃焼用空気との間で熱交換を行う空気加熱器と、
   前記缶体から排出される燃焼ガスと前記空気加熱器で熱交換されたドレンとの間で熱交換を行う給水加熱器と、を更に備えるボイラシステム。
2. 前記ボイラは、
   直方体状の前記缶体と、
   前記缶体の内部に上下方向に延びて配置されると共に、該缶体の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される複数の水管と、
   前記缶体の長手方向の一端側に位置する第１側面に設けられ、略水平方向に燃料を噴出して燃焼させるバーナと、
   前記缶体の長手方向の他端側に位置する第２側面に設けられ前記缶体の内部で生じた燃焼ガスを排出する排気筒と、を備える請求項１に記載のボイラシステム。

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