JP2014163531A - ボイラ水の凍結防止装置及びその方法並びに舶用ボイラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラの運転を停止した場合でもボイラ水の凍結を防止することを目的とする。
【解決手段】ボイラ水の凍結防止装置６０は、飽和蒸気が流入する過熱器２０と、飽和蒸気を減温する水ドラム１４と、過熱器２０から飽和蒸気を水ドラム１４に導く第１管４１と、水ドラム１４を通過した飽和蒸気を過熱器２０に導く第２管４２とを備える舶用ボイラに適用される。ボイラ水の凍結防止装置６０は、水ドラム１４に設けられた凍結防止用伝熱管６１と、外部から供給される蒸気を凍結防止用伝熱管６１に導く第３管６２と、凍結防止用伝熱管６１を流通した蒸気を外部に導く第４管６３とを備え、凍結防止用伝熱管６１を流通するときの蒸気の潜熱により、ボイラ水の凍結を防止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、舶用ボイラに係り、特に、寒冷地で用いられる場合に、ボイラ水の凍結を防止するボイラ水の凍結防止装置及びその方法並びに舶用ボイラシステムに関するものである。

従来、船舶に搭載される舶用ボイラが知られている（例えば、特許文献１等）。舶用ボイラは、メンテナンス時に運転を停止する必要がある。
通常、舶用ボイラは、船舶機関室内に配置されるが、例えば、浮体式生産貯蔵積出設備（ＦＰＳＯ：Floating Production，Storage and Offloading）、浮体式海洋石油・ガス貯蔵積出設備（ＦＳＯ：Floating Storage and Offloading system）、浮体式ＬＮＧ設備（ＦＬＮＧ：Floating Liquefied Natural Gas）などの浮体式設備では、スペースの都合上、舶用ボイラは船舶のデッキ上、つまり、屋外に設置される場合もある。

特開平８−２３３２０９号公報

ところで、外気温が０℃以下の寒冷地で舶用ボイラが運用されている場合などに、舶用ボイラのメンテナンスが必要となった場合、ボイラの運転を停止することによってボイラ水が凍結してしまうおそれがある。
特に、舶用ボイラが屋外に設置されている場合には、ボイラ水凍結の問題が更に深刻となり、舶用ボイラが運転できない状況に陥るおそれもある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、寒冷地においてボイラの運転を停止した場合でも、ボイラ水の凍結を防止することのできるボイラ水の凍結防止装置及びその方法並びに舶用ボイラシステムを提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、飽和蒸気が流入する過熱器と、前記飽和蒸気を減温する緩熱器と、前記過熱器から飽和蒸気を前記緩熱器に導く第１管と、前記緩熱器を通過した飽和蒸気を前記過熱器に導く第２管とを備える舶用ボイラに適用されるボイラ水の凍結防止装置であって、前記緩熱器に設けられた凍結防止用伝熱管と、外部から供給される蒸気を前記凍結防止用伝熱管に導く第３管と、前記凍結防止用伝熱管を流通した蒸気を外部に導く第４管とを備えるボイラ水の凍結防止装置である。

上記構成によれば、外部からの蒸気が緩熱器内に設けられた凍結防止用伝熱管を流れ、緩熱器内において熱交換された後に、第４管を通じてドレンタンクに導かれる。このように、凍結防止用伝熱管に蒸気を流入させ、緩熱器内における熱交換によって吸収される蒸気潜熱により、ボイラ水や雰囲気温度を上昇させることができ、ボイラ水の凍結を防止することが可能となる。また、舶用ボイラのメンテナンス中において、ボイラ水が温められた状態を維持できるので、ホットスタンバイ状態とすることができ、舶用ボイラの再起動を円滑にかつ短時間に行わせることが可能となる。
上記「外部から供給される蒸気」とは、上記過熱器管を流通する蒸気以外の蒸気であって、例えば、ボイラが複数台設けられている場合に、他のボイラから供給される蒸気をいう。
上記「緩熱器」は、例えば、水ドラムである。

上記ボイラ水の凍結防止装置は、前記第１管に設けられた第１弁と、前記第２管に設けられた第２弁と、前記第３管に設けられた第３弁と、前記第４管に設けられた第４弁と、前記舶用ボイラの運転中において、前記第１弁及び前記第２弁を開き、前記第３弁及び前記第４弁を閉じ、前記舶用ボイラの凍結防止運転中において、前記第１弁及び前記第２弁を閉じ、前記第３弁及び前記第４弁を開く制御手段とを具備することとしてもよい。

上記構成によれば、舶用ボイラの運転中においては、第１弁及び第２弁が開かれ、第３弁及び第４弁が閉じられるので、過熱器管から緩熱器管への蒸気の流入が許可される一方で、凍結防止用伝熱管への蒸気の流入が遮断される。また、舶用ボイラの凍結防止運転中においては、第１弁及び第２弁が閉じられ、第３弁及び第４弁が開けられる。これにより、過熱器管から緩熱器管への蒸気の流入が遮断される一方で、凍結防止用伝熱管への蒸気の流入が許可される。これにより、相互の運転において、緩熱器内における蒸気の干渉を回避することができる。

上記ボイラ水の凍結防止装置において、前記第４管には、前記第４弁よりも蒸気流れの下流側にドレントラップが設けられていてもよい。

このように、ドレントラップを設けるので、蒸気をドレン化することができ、蒸気の潜熱を有効に回収することが可能となる。

上記ボイラ水の凍結防止装置において、前記緩熱器内に設けられた前記凍結防止用伝熱管は、前記舶用ボイラの圧力が外気圧未満とならないように、伝熱面積が選定されることが好ましい。

ボイラ水は、飽和温度に保たれている。従って、大気圧以上の圧力があれば、ボイラ水の温度は０℃以上で維持されている状態となる。よって、舶用ボイラの圧力を外気圧以上に維持することにより、温度管理を容易に行うことが可能となる。また、舶用ボイラの圧力を外気圧以上に維持することにより、外気がボイラ内部に吸い込まれることを防止することができる。これにより、外気による鋼材の腐食（酸化）を防止することが可能となる。

上記ボイラ水の凍結防止装置において、前記凍結防止用伝熱管として、前記緩熱器内に設置された緩熱器管を利用することとしてもよい。

このように、凍結防止用伝熱管として緩熱器管を用いることにより、舶用ボイラの運転時と凍結防止運転時とで、緩熱器内に設けられた伝熱管を共有化することができる。これにより、追加の構成装置・部品数を低減させることができ、装置の小型化、コストの低減を図ることが可能となる。

上記ボイラ水の凍結防止装置は、前記舶用ボイラのボイラ水圧力を計測する圧力計測手段と、前記圧力計測手段の計測値が外気圧以上に設定された所定の閾値以下である場合に、その旨を通知する報知手段とを更に備えていてもよい。

このように、舶用ボイラのボイラ水圧力が外気圧以上に設定された所定の閾値以下となった場合には、速やかにその旨が報知されるので、早期の対応が可能となる。舶用ボイラのボイラ水圧は、例えば、ボイラ蒸気ドラムに設置された圧力センサで監視可能である。所定の閾値は、例えば、外気圧に所定の余裕度（例えば、０．５barg）を加算した値に設定される。

本発明の第２態様は、上記のボイラ水の凍結防止装置を備える舶用ボイラシステムである。

本発明の第３態様は、舶用ボイラが運転を停止している場合において、緩熱器内に設けられている緩熱器管または前記緩熱器管とは異なるとともに、前記緩熱器内に設けられている凍結防止用伝熱管に対して、外部から蒸気を送り込むことにより、ボイラ水の凍結を防ぐボイラ水の凍結防止方法である。

本発明によれば、寒冷地において舶用ボイラの運転を停止した場合でも、ボイラ水の凍結を防止することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る舶用ボイラの全体概略構成を示した図である。 過熱器周りの蒸気系統を概略的に示した図である。

以下に、本発明の一実施形態に係るボイラ水の凍結防止装置及びその方法並びに舶用ボイラシステムについて、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る舶用ボイラシステムは、舶用ボイラに対して、ボイラ水の凍結防止装置が追加された構成とされる。
以下、舶用ボイラとして二胴水管式ボイラを例示し、二胴水管式ボイラにボイラ水の凍結防止装置が設けられた場合の実施形態について説明する。

まず、図１及び図２を用いて、二胴水管式ボイラの構成について簡単に説明する。図１は、本実施形態に係る舶用ボイラ１の全体概略構成を示した図、図２は、過熱器周りの蒸気系統を概略的に示した図である。
図１に示すように、舶用ボイラ１は、火炉１１を備えている。火炉１１の壁部には、水が通過する水冷壁１２が配置されている。火炉１１の上面には蒸気ドラム１３が、底面には水ドラム１４が配置されている。蒸気ドラム１３と水ドラム１４とは、水冷壁１２及び蒸気管群１５によって接続されている。
蒸気ドラム１３は、飽和蒸気管１６により、蒸気ドラム１３で発生する飽和蒸気を過熱するための過熱器２０と接続されている。

図１及び図２に示すように、過熱器２０は、第１過熱器ヘッダ２１と第２過熱器ヘッダ２２と、第１過熱器ヘッダ２１と第２過熱器ヘッダ２２との間に逆Ｕ字形に設置された過熱器管２３を備えている。蒸気ドラム１３からの飽和蒸気は、第１過熱器ヘッダ２１と第２過熱器ヘッダ２２との間を行き来することにより、火炉１１からの火炎ふく射熱と燃焼ガスによって過熱されて過熱蒸気となる。過熱蒸気は、例えば、蒸気タービン、蒸気を動力源とする機器、あるいは本船のプロセス蒸気として供給される。

図２に示すように、過熱器２０の出口付近には、過熱器２０から出力される過熱蒸気の温度を計測するための温度センサ４６が設けられている。
負荷に供給される過熱蒸気の温度は、負荷側から要求される所定の温度で一定に制御される必要がある。このため、過熱器管２３には、過熱器２０を流通する過熱蒸気の全部または一部を水ドラム（緩熱器）１４内に設けられた緩熱器管３０を経由させることにより減温して、再び過熱器２０に戻す緩熱ライン４０が設けられている。緩熱器管３０は、例えば、水ドラム１４内に設置された伝熱管群である。

緩熱ライン４０は、過熱器管２３に設けられた分岐点ａと緩熱器管３０の一端とを接続する第１管４１と、過熱器管２３において分岐点ａよりも蒸気流れの下流側に設けられた合流点ｂと緩熱器管３０の他端とを接続する第２管４２とを備えている。更に、第１管４１と第２管４２との間には、水ドラム１４をバイパスするバイパス管４３が接続されている。バイパス管４３には、バイパスさせる過熱蒸気流量を調整する機構として、例えば、オリフィス４４あるいは流量制御弁等が設置されている。更に、緩熱ライン４０において、合流点ｂより過熱蒸気流れの上流には、緩熱器管３０を流れる過熱蒸気量を制御するための制御弁４５が設置されている。
緩熱器管３０を流通する過熱蒸気量は、制御弁４５の開度とバイパス管４３に設けられたオリフィス４４による圧力損失とのバランスによって決定される。

制御部５０は、温度センサ４６からの計測値を取得し、この計測値が負荷側から要求される温度で一定となるような制御弁４５の弁開度を演算し、制御弁４５を制御する。

このような構成を有する舶用ボイラ１において、水ドラム１４内のボイラ水は、水冷壁１２および蒸気管群１５を流通することにより燃焼ガスによって加熱されて飽和蒸気となり、蒸気ドラム１３内で気水分離が行われる。飽和蒸気は、飽和蒸気管１６を介して過熱器２０の第１過熱器ヘッダ２１に導かれる。第１過熱器ヘッダ２１に導かれた飽和蒸気は、過熱器管２３を流通することにより過熱され、更に、その一部が緩熱ライン４０の第１管４１を通じて水ドラム１４内に設けられた緩熱器管３０に送られることにより、減温される。減温後の過熱蒸気は、緩熱ライン４０の第２管４２を流通した後に、合流点ｂにおいてバイパス管４３を流通した過熱蒸気と合流し、再び過熱器２０に戻される。
このとき、過熱器２０の出口蒸気温度が所定の温度で一定となるように、制御弁４５の開度が制御部５０によって制御されることにより、緩熱器管３０を通過する過熱蒸気量が調整される。過熱器２０から送出された、温度が調整された過熱蒸気は、後段に設けられているタービン蒸気を動力源とする機器、あるいは船内プロセス蒸気として利用される。

上記構成を備える舶用ボイラ１には、舶用ボイラ１の運転停止時におけるボイラ水の凍結を防止するためのボイラ水の凍結防止装置６０が設けられている。
ボイラ水の凍結防止装置６０は、水ドラム１４内に設けられた凍結防止用伝熱管６１と、外部から供給される蒸気を凍結防止用伝熱管６１に導く第３管６２と、凍結防止用伝熱管６１を流通した蒸気をドレンタンク（図示略）に導く第４管６３とを備えている。

ここで、本実施形態においては、凍結防止用伝熱管６１として、舶用ボイラ１が有している緩熱器管３０を利用する場合を例示しているが、これに代えて、水ドラム１４内に設置されている緩熱器管３０とは別に、凍結防止用伝熱管６１を設けることとしてもよい。凍結防止用伝熱管６１として緩熱器管３０を利用することにより、追加の構成装置及び部品数を減らすことができ、コストの低減や装置の小型化を図ることが可能となる。
ここで、凍結防止用伝熱管６１は、舶用ボイラ１の圧力が外気圧未満とならないように、伝熱面積が選定されている。

ボイラ水の凍結防止装置６０は、緩熱ライン４０における第１管４１に設けられた第１止弁７１、第２管４２に設けられた第２止弁７２、第３管６２に設けられた第３止弁７３、第４管６３に設けられた第４止弁７４、第４管６３において第４止弁７４よりも蒸気流れの下流側に設けられたドレントラップ７５とを備えている。また、バルブ開閉位置のインターロックを更に備える構成としてもよい。
これら第１止弁７１〜第４止弁７４は、例えば、凍結防止制御部７０によって制御される。
凍結防止制御部７０は、舶用ボイラ１の運転中において、第１弁７１及び第２弁７２を全開に、第３弁７３及び第４弁７４を全閉にするとともに、舶用ボイラ１の運転停止中、かつ、ボイラ水の凍結防止運転中において、第１弁７１及び第２弁７２を全閉に、第３弁７３及び第４弁７４を全開にする。

これにより、舶用ボイラ１の運転中には、第１弁７１及び第２弁７２が開かれ、第３弁７３及び第４弁７４が閉じられるので、過熱器管２３から緩熱器管３０への蒸気の流入が許可される一方で、凍結防止用伝熱管６１への外部からの蒸気の流入が遮断される。また、舶用ボイラ６１の凍結防止運転中においては、第１弁７１及び第２弁７２が閉じられ、第３弁７３及び第４弁７４が開けられる。これにより、過熱器管２３から緩熱器管３０への蒸気の流入が遮断される一方で、凍結防止用伝熱管６１への外部からの蒸気の流入が許可される。これにより、相互の運転において、水ドラム１４内における蒸気の干渉を回避することができる。

また、舶用ボイラ１には、ボイラの蒸気ドラム圧力を計測する圧力センサ（図示略）が設けられている。凍結防止制御部７０は、ボイラ水の凍結防止運転時において、ボイラの蒸気ドラム圧力が外気圧以上に設定された所定の閾値（例えば、外気圧＋0.5 barg）以下となることを防止するために、圧力センサの計測値が所定の閾値以下となった場合に、その旨をエラーとして報知する機能を有している（報知手段）。例えば、凍結防止制御部７０は、警報を鳴らしたり、エラーランプを点灯させたりする。

このような構成を備えるボイラ水の凍結防止装置６０において、ボイラ水の凍結防止の開始情報が入力された場合には、以下の処理が行われる。ここで、ボイラ水の凍結防止の開始情報は、舶用ボイラ１の運転停止中であり、かつ、外気温が低くボイラ水の凍結が心配される場合に、作業員によって起動スイッチが操作されることにより、または自動制御により、入力される情報である。
このような起動開始の情報が入力されると、凍結防止制御部７０は、第１止弁７１及び第２止弁７２を全閉とし、第３止弁７３及び第４止弁７４を全開とする。これにより、緩熱器管３０と過熱器管２３とを繋ぐ管路が遮断される。

この状態において、外部（例えば、ボイラが複数台設けられている場合における他のボイラ）から第３管６２に蒸気が導入され、この蒸気が水ドラム１４内に設けられた凍結防止用伝熱管６１を流れ、水ドラム１４内で熱交換された後に、第４管６３を通じてドレンタンクに導かれる。このように、凍結防止用伝熱管６１に蒸気を流入させ、水ドラム１４内における熱交換によって吸収される蒸気潜熱によりボイラ水の温度が上昇させられ、ボイラ水の凍結を防止する。また、第４管６３において、第４止弁７４よりも蒸気流れの下流側にドレントラップ７５が設置されているので、蒸気をドレン化することができ、蒸気の潜熱を有効に回収することが可能となる。

例えば、このときの蒸気条件の仕様の一例は以下の通りである。
ボイラ外気温度（雰囲気温度） -5 degree C
緩熱器管に供給される蒸気条件 8 barg × 180 degree C
ボイラ保持圧力 約5 barg、蒸気消費量 約0.5t/h

また、このようなボイラ水の凍結防止運転が実施されている場合において、ボイラ水の圧力が計測されて、凍結防止制御部７０に与えられる。凍結防止制御部７０は、ボイラ内圧力が外気圧未満であるか否かを逐次監視し、ボイラ内圧力が外気圧未満とならないようにする。また、何らかの原因でボイラ内圧力が外気圧以上に設定されている所定の閾値以下となった場合は、速やかにその旨を報知する。これにより、ボイラ内圧力が所定の閾値以下であることを作業員に速やかに伝えることができ、迅速な対応を促すことができる。

そして、舶用ボイラ１のメンテナンス等が終了し、舶用ボイラ１の運転再開の指示が入力されると、凍結防止制御部７０は、ボイラ水の温度が運転再開に必要とされる温度に達しているか否かを判定する。この結果、温度が達している場合には、第３止弁７３及び第４止弁７４を全閉とする。そして、凍結防止用伝熱管６１への蒸気流入が完全に遮断された後に、第１止弁７１及び第２止弁７２を全開とする。これにより、舶用ボイラ１の運転開始が可能な状態となる。

以上説明したように、本実施形態に係るボイラ水の凍結防止装置及びその方法並びに舶用ボイラシステムによれば、舶用ボイラ１の運転停止時においては、外部からの蒸気を水ドラム１４内に設けられた凍結防止用伝熱管６１に供給するので、この潜熱によりボイラ水の温度を上昇させることができ、ボイラ水の凍結を防止することができる。また、舶用ボイラ１の運転停止時においても、ボイラ水が温められている状態を維持することができるので、舶用ボイラ１をホットスタンバイ状態に維持できる。従って、舶用ボイラ１の再起動を速やかに行わせることが可能となる。
更に、凍結防止用伝熱管として緩熱器管を用いることにより、舶用ボイラの運転時と凍結防止運転時とで、緩熱器内に設けられた伝熱管を共有化することができる。これにより、追加の構成装置・部品数を低減させることができ、装置の小型化、コストの低減を図ることができる。

なお、本実施形態では、凍結防止制御部７０が第１止弁７１〜第４止弁７４の制御を行うこととしたが、凍結防止制御部７０の機能を、他のボイラ制御装置に設けることとしても良い。このように制御機能を統合することにより、制御部間の通信を不要とすることができるとともに、追加の構成を減らすことができ、コストの低減や装置の小型化を図ることが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施が可能である。

１ 舶用ボイラ
１１ 火炉
１３ 蒸気ドラム
１４ 水ドラム
２０ 過熱器
２１ 第１過熱器ヘッダ
２２ 第２過熱器ヘッダ
２３ 過熱器管
３０ 緩熱器管
４０ 緩熱ライン
４１ 第１管
４２ 第２管
４３ バイパス管
４４ オリフィス
４５ 制御弁
５０ 制御部
６０ ボイラ水の凍結防止装置
６１ 凍結防止用伝熱管
６２ 第３管
６３ 第４管
７０ 凍結防止制御部
７１ 第１止弁
７２ 第２止弁
７３ 第３止弁
７４ 第４止弁
ａ 分岐点
ｂ 合流点

Claims (8)

1. 飽和蒸気が流入する過熱器と、
   前記飽和蒸気を減温する緩熱器と、
   前記過熱器から飽和蒸気を前記緩熱器に導く第１管と、
   前記緩熱器を通過した飽和蒸気を前記過熱器に導く第２管と
   を備える舶用ボイラに適用されるボイラ水の凍結防止装置であって、
   前記緩熱器に設けられた凍結防止用伝熱管と、
   外部から供給される蒸気を前記凍結防止用伝熱管に導く第３管と、
   前記凍結防止用伝熱管を流通した蒸気を外部に導く第４管と
   を備えるボイラ水の凍結防止装置。
2. 前記第１管に設けられた第１弁と、
   前記第２管に設けられた第２弁と、
   前記第３管に設けられた第３弁と、
   前記第４管に設けられた第４弁と、
   前記舶用ボイラの運転中において、前記第１弁及び前記第２弁を開き、前記第３弁及び前記第４弁を閉じ、前記舶用ボイラの凍結防止運転中において、前記第１弁及び前記第２弁を閉じ、前記第３弁及び前記第４弁を開く制御手段と
   を具備する請求項１に記載のボイラ水の凍結防止装置。
3. 前記第４管には、前記第４弁よりも蒸気流れの下流側にドレントラップが設けられている請求項２に記載のボイラ水の凍結防止装置。
4. 前記緩熱器内に設けられた前記凍結防止用伝熱管は、前記舶用ボイラの圧力が外気圧未満とならないように、伝熱面積が選定されている請求項１から請求項３のいずれかに記載のボイラ水の凍結防止装置。
5. 前記凍結防止用伝熱管として、前記緩熱器内に設置された緩熱器管を利用する請求項１から請求項４のいずれかに記載のボイラ水の凍結防止装置。
6. 前記舶用ボイラのボイラ水圧力を計測する圧力計測手段と、
   前記圧力計測手段の計測値が外気圧以上に設定された所定の閾値以下である場合に、その旨を通知する報知手段とを備える請求項１から請求項５のいずれかに記載のボイラ水の凍結防止装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のボイラ水の凍結防止装置を備える舶用ボイラシステム。
8. 舶用ボイラが運転を停止している場合において、緩熱器内に設けられている緩熱器管または前記緩熱器管とは異なるとともに、前記緩熱器内に設けられている凍結防止用伝熱管に対して、外部から蒸気を送り込むことにより、ボイラ水の凍結を防ぐボイラ水の凍結防止方法。
   

Images