JP2015098984A - ボイラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】初期給水時に缶水が沸騰して缶体に振動が発生することを抑制できるクローズドタイプのボイラシステムを提供すること。
【解決手段】クローズドタイプのボイラシステム１であって、缶体１１及び給水加熱器１９を有するボイラ１０と、ドレンタンク２１と、ボイラ１０にドレンを給水として供給するドレン供給ラインＬ３と、ドレン供給ラインＬ３に設けられ、ボイラに供給されるドレンの流量を調整する給水バルブ６５と、ボイラ１０の初期給水ステージにおいて、給水バルブ６５を第１の開度で開放させて缶体１１に給水を行う制御部９０と、を備え、制御部９０は、初期給水ステージにおいて、缶体１１の入口の給水温度が第１温度以上、かつ、ボイラ１０の入口の給水温度が第１温度よりも高い第２温度以上であった場合に、給水バルブ６５の開度を、第１の開度よりも小さい第２の開度に変更する。
【選択図】図１

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

ところで、ボイラシステムにおいて、燃焼を停止していたボイラに燃焼指示が出された場合、まず、蒸気を生成する缶体に所定の水位まで給水を行った後、ボイラの燃焼が開始される（以下、燃焼開始前に行われる給水を初期給水ともいう）。ここで、クローズドタイプのボイラシステムにおいては、給水として高温高圧のドレンが用いられる。そのため、燃焼指示が出されたボイラの缶体に低温の水（缶水）が残っていた場合、この残っていた缶水が、供給される高温高圧のドレンにより加温されて激しく沸騰し、缶体に振動が発生してしまう。そして、缶体に振動が発生すると、ボイラを構成する部品や配管に破損が生じるおそれがあり、また、ボイラの使用者に不安感を与えてしまう。

従って、本発明は、初期給水時に缶水が沸騰して缶体に振動が発生することを抑制でき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、生成した蒸気から生じるドレンを再び給水として用いるクローズドタイプのボイラシステムであって、蒸気を生成する缶体、及び該缶体に供給される給水を加熱する給水加熱器を有するボイラと、前記ボイラで生成され負荷機器において使用された蒸気が凝縮して生じたドレンを貯留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該ボイラにドレンを給水として供給するドレン供給ラインと、前記ドレン供給ラインに設けられ、前記ボイラに供給されるドレンの流量を調整する給水バルブと、前記ボイラの初期給水ステージにおいて、前記給水バルブを第１の開度で開放させて前記缶体に給水を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記初期給水ステージにおいて、前記缶体の入口の給水温度が第１温度以上、かつ、前記ボイラの入口の給水温度が前記第１温度よりも高い第２温度以上であった場合に、前記給水バルブの開度を、前記第１の開度よりも小さい第２の開度に変更するボイラシステムに関する。

また、前記制御部は、前記給水バルブの開度を前記第１の開度から前記第２の開度に変更する場合、前記給水バルブを一度閉止した後、前記第２の開度とすることが好ましい。

また、前記制御部は、前記缶体の温度が第３温度を上回った場合、前記給水バルブの開度を第１の開度に戻すことが好ましい。

また、前記制御部は、前記ボイラに燃焼指示があった場合に前記缶体の水位が第１水位以下であると、前記初期給水ステージであると判定することが好ましい。

本発明のボイラシステムによれば、初期給水時に缶水が沸騰して缶体に振動が発生することを抑制できる。

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ボイラを模式的に示した図である。 本発明のボイラシステムの制御部の構成を示す機能ブロック図である。

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。
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、クローズド方式のドレン回収装置２０と、を備える。

ボイラ装置７０は、図１に示すように、複数のボイラ１０と、複数のボイラ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。

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、ボイラ１０には、後述のドレン回収装置２０により回収されたドレンが給水として供給される。
ボイラ１０の詳細については、後述する。

図１に示すように、複数のボイラ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、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、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集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、ドレン回収ラインＬ２と、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集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、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、ボイラ１０で生成された蒸気を負荷機器５０に供給する。
ドレン回収ライン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に回収する。このドレン回収ライン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、逆止弁６２及びモータバルブ６３が配置される。

ドレン供給ラインＬ３は、ドレンタンク２１とボイラ１０とを接続し、ドレンタンク２１に収容されたドレンをボイラ１０に供給する。本実施形態では、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、ドレン供給ラインＬ３の下流側は、複数のボイラ１０のそれぞれに接続されるように分岐している。

以上のドレン供給ラインＬ３には、ドレンポンプ６４及び給水バルブ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ボイラ１０に供給する。給水バルブ６５は、モータバルブにより構成され、ドレンタンク２１からボイラ１０に供給されるドレンの流量を調節する。また、ドレン供給ラインＬ３におけるボイラ１０の入口（後述の給水加熱器１９の入口）及び後述の缶体１１の入口には、それぞれドレン供給ラインＬ３を流れるドレンの温度を測定する温度センサ３１，３２が配置される（図２参照）。

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、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、ボイラ１０の構成について説明する。図２は、ボイラ１０の構成を模式的に示した図である。
ボイラ１０は、図２に示すように、缶体１１と、この缶体１１に設けられる水位測定部１１１及び缶体温度測定部１１２と、給気ダクト１６と、排気ダクト１８と、給水加熱器１９と、制御部９０と、を備える。
缶体１１は、下部ヘッダ、複数の水管、上部ヘッダ（いずれも図示せず）を含んで構成される。この缶体１１では、下部ヘッダから複数の水管に供給された給水（ドレン）が加熱されて蒸気が生成され、生成された蒸気が上部ヘッダに集められる。缶体１１で生成された蒸気は、上部ヘッダから連結管７２を通って蒸気ヘッダ７１に供給される。
水位測定部１１１は、缶体１１（複数の水管）の水位を測定する。缶体温度測定部１１２は、缶体１１の温度（より詳細には、缶体１１の内部に配置される水管の温度）を測定する。

給気ダクト１６は、缶体１１に燃焼用空気及び燃料ガスを供給する。より具体的には、給気ダクト１６の上流側には、燃料ガスが供給される燃料供給ライン１６１及び燃焼用空気を供給される送風機１６２が接続される。そして、給気ダクト１６は、燃料供給ライン１６１から供給される燃料ガスと送風機１６２から供給される燃焼用空気とを混合して缶体１１に供給する。

排気ダクト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。
給水加熱器１９は、排気ダクト１８に配置され、缶体１１から排出される燃焼ガスと、缶体１１に供給されるドレンとの間で熱交換を行う。即ち、本実施形態においては、ドレン供給ラインＬ３は、排気ダクト１８に配置された給水加熱器１９を経由してから缶体１１に接続される。

制御部９０は、ボイラ１０の燃焼状態の制御及びボイラ１０への給水制御を行う。制御部９０による給水制御の詳細については、後述する。

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、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給気ダクト１６において混合され、この燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスが缶体１１の内部に噴出されて燃焼される。次いで、混合ガスの燃焼により発生した燃焼ガスにより、缶体１１に供給されたドレンが加熱されて蒸気が生成される。缶体１１で生成された蒸気は、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、ドレン供給ラインＬ３を通ってボイラ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は、排気ダクト１８を通って外部に排出される。ここで、本実施形態では、排気ダクト１８に給水加熱器１９を配置し、ドレン供給ラインＬ３を、給水加熱器１９を経由してからボイラ１０（下部ヘッダ１４）に接続させた。これにより、ドレン供給ラインＬ３を流通するドレンは、給水加熱器１９において加熱されてからボイラ１０に供給される。

ここで、本実施形態のボイラシステム１においては、制御部９０は、水位測定部１１１により測定されるボイラ１０の水位が、燃焼状態に応じて予め設定された目標水位となるように給水バルブ６５の開度を調整して、ボイラ１０に供給されるドレンの流量を制御する。
また、制御部９０は、燃焼を停止していたボイラ１０を燃焼させる場合には、燃焼状態の給水制御とは異なる初期給水制御を行う。

具体的には、制御部９０は、図３に示すように、初期給水制御を実行するための構成として、初期給水ステージ判定部９１と、給水バルブ制御部９２と、缶体入口温度判定部９３と、ボイラ入口温度判定部９４と、缶体温度判定部９５と、を備える。

初期給水ステージ判定部９１は、燃焼を停止していたボイラ１０を燃焼させる場合に、当該ボイラ１０が初期給水ステージにあるか否かを判定する。本実施形態では、初期給水ステージ判定部９１は、ボイラ１０の水位が予め設定された第１水位以下であるか否かを判定し、ボイラ１０の水位が第１水位以下であった場合に、当該ボイラ１０が初期給水ステージにあると判定する。
尚、第１水位は、例えば、燃焼状態における目標水位の上限値よりも高い水位として設定される。

給水バルブ制御部９２は、初期給水ステージ判定部９１により、ボイラ１０が初期給水ステージにあると判定された場合に、給水バルブ６５を第１の開度で開放させて缶体１１に初期給水を行わせる。ここで、第１の開度は、例えば、燃焼状態における給水バルブ６５の最大開度よりも大きく設定される。これにより、初期給水ステージにおいて、ボイラ１０に短時間で給水を行えるので、燃焼を停止していたボイラ１０の燃焼開始までの時間を短縮できる。

ここで、クローズドタイプのボイラシステムにおいては、給水として高温高圧のドレンが用いられる。そのため、燃焼を停止していたボイラ１０の缶体１１に低温の水（缶水）が残っていた場合、この残っていた缶水が供給される高温高圧のドレンにより加温されて激しく沸騰し、缶体１１に振動が発生してしまう。そして、缶体１１に振動が発生すると、ボイラ１０を構成する部品や配管に破損が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態では、初期給水ステージにおいて、ドレン供給ラインＬ３を流れるドレンの温度が所定の条件を満たした場合に給水バルブ６５の開度を絞ることで、缶体１１に供給されるドレンの流量を減少させ、缶体１１に振動が発生することを抑制している。具体的には、給水バルブ制御部９２、缶体入口温度判定部９３、ボイラ入口温度判定部９４、及び缶体温度判定部９５は、以下のような制御を行う。

缶体入口温度判定部９３は、温度センサ３２により測定される缶体１１の入口のドレンの温度（給水温度）が第１温度以上であるか否かを判定する。
ボイラ入口温度判定部９４は、温度センサ３１により測定されるボイラ１０の入口のドレンの温度が第１温度よりも高い第２温度以上であるか否かを判定する。
ここで、第１温度は、大気圧における水の飽和温度である１００℃よりも所定温度低い温度（例えば、６０℃〜８０℃）に設定できる。また、第２温度は、例えば、大気圧における水の飽和温度である１００℃に設定できる。

そして、給水バルブ制御部９２は、缶体入口温度判定部９３により缶体１１の入口のドレンの温度が第１温度（例えば、６０℃〜８０℃）以上であると判定され、かつ、ボイラ入口温度判定部９４によりボイラ１０の入口のドレンの温度が第２温度以上（例えば、１００℃）であると判定された場合に、給水バルブ６５の開度を、第１の開度よりも小さい第２の開度に変更する。
これにより、初期給水ステージにおいて、缶体１１に供給される給水（ドレン）の温度が高い場合には、缶体１１に供給される給水量を少なくできるので、缶体１１に残っていた缶水が激しく沸騰することを防げる。

即ち、初期給水を開始したときに缶体１１の入口の給水温度が比較的低い場合（即ち、第１温度以上第２温度以下）であっても、ボイラ１０の入口の給水温度が高温（即ち、第２温度以上）であった場合には、その後急激に給水温度が上昇することとなる。
一方、缶体１１の入口の給水温度が第１温度に達していても、ボイラ１０の入口の給水温度が第２温度以下であれば、缶体１１の入口の温度は第２温度を超えることがなく、缶体１１に残っていた缶水が激しく沸騰することもない。

そのため、缶体１１の入口のドレンの温度が第１温度以上で、かつ、ボイラ１０の入口のドレンの温度が第２温度以上である場合に、缶体１１に供給する給水量を少なくすることで、不必要に給水量を絞ることなく、缶体１１に残っていた缶水が激しく沸騰することを効果的に防げる。

また、給水バルブ制御部９２は、給水バルブ６５の開度を第１の開度から第２の開度に変更する場合、給水バルブを一度閉止した後、第２の開度としてもよい。これにより、給水バルブ６５を一度閉止（全閉）状態とすることで、給水バルブ６５の開度変更によって発生する誤差を解消できる。

缶体温度判定部９５は、缶体温度測定部１１２により測定される缶体１１の温度が第３温度を上回ったか否かを判定する。ここで、第３温度は、例えば、大気圧における水の飽和温度である１００℃に設定できる。

そして、給水バルブ制御部９２は、缶体温度判定部９５により缶体１１の温度が第３温度を上回ったと判定された場合、給水バルブ６５の開度を第１の開度に戻す。即ち、缶体１１の温度（つまり、缶水の温度）が所定の温度（例えば、１００度）に達した場合には、缶体１１に高温のドレンを供給しても、缶水は激しく沸騰することはない。そのため、缶体１１の温度が第３温度を上回った場合、給水バルブ６５の開度を第１の開度に戻すことで、缶体１１が温まり、缶水の沸騰のおそれがなくなった場合には、速やかに給水量を増加させられる。

以上説明した本実施形態のボイラシステム１によれば、以下のような効果を奏する。

（１）初期給水を開始したときに缶体１１の入口の給水温度が比較的低い場合（即ち、第１温度以上第２温度以下）であっても、ボイラ１０の入口の給水温度が高温（即ち、第２温度以上）であった場合には、その後急激に給水温度が上昇することとなる。一方、缶体１１の入口の給水温度が第１温度に達していても、ボイラ１０の入口の給水温度が第２温度以下であれば、缶体１１の入口の温度は第２温度を超えることがなく、缶体１１に残っていた缶水が激しく沸騰することもない。
そこで、制御部９０に、初期給水ステージにおいて、缶体１１の入口の給水温度が第１温度以上、かつ、ボイラ１０の入口の給水温度が第２温度以上であった場合に、給水バルブ６５の開度を、第１の開度から第２の開度に変更させた。これにより、初期給水ステージにおいて、適切なタイミングで缶体１１に供給される給水量を少なくできるので、缶体１１に残っていた缶水が激しく沸騰することを効果的に防げる。よって、初期給水時に缶体１１に振動が発生することを抑制できる。

（２）給水バルブ６５をモータバルブにより構成する場合、バルブの開度変更を行う場合に誤差が生じる。そこで、給水バルブ６５の開度を第１の開度から第２の開度に変更する場合、給水バルブ６５を一度閉止させた後第２の開度で開放させた。これにより、給水バルブ６５を一度閉止（全閉）状態とすることで、給水バルブ６５の開度変更によって発生する誤差を解消できる。よって、初期給水ステージにおける給水の流量制御をより正確に行える。

（３）缶体１１の温度（即ち、缶水の温度）が所定の温度（例えば、缶体１１の内部圧力における水の飽和温度）に達した場合には、缶体１１に高温のドレンを供給しても、缶水は激しく沸騰することはない。そこで、給水バルブ制御部９２に、缶体１１の温度が第３温度を上回った場合、給水バルブ６５の開度を第１の開度に戻させた。これにより、缶体１１が温まり、缶水の沸騰のおそれがなくなった場合には、速やかに給水量を増加させられる。よって、缶体１１の振動の発生を防ぎつつ、初期給水ステージにかかる時間を短縮できる。

（４）初期給水ステージ判定部９１に、燃焼を停止していたボイラ１０を燃焼させる場合に、缶体１１の水位が第１水位以下であると初期給水ステージにあると判定させた。これにより、ボイラ１０が初期給水ステージにあることの判定を正確に行える。

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き説明したが、本発明は、上述の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。
例えば、本実施形態では、ボイラシステム１を複数のボイラ１０を含んで構成したが、これに限らない。即ち、ボイラシステムを一台のボイラにより構成してもよい。

１ ボイラシステム
１０ ボイラ
１１ 缶体
１９ 給水加熱器
２１ ドレンタンク
６５ 給水バルブ
９０ 制御部
Ｌ３ ドレン供給ライン

Claims (4)

1. 生成した蒸気から生じるドレンを再び給水として用いるクローズドタイプのボイラシステムであって、
   蒸気を生成する缶体、及び該缶体に供給される給水を加熱する給水加熱器を有するボイラと、
   前記ボイラで生成され負荷機器において使用された蒸気が凝縮して生じたドレンを貯留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該ボイラにドレンを給水として供給するドレン供給ラインと、
   前記ドレン供給ラインに設けられ、前記ボイラに供給されるドレンの流量を調整する給水バルブと、
   前記ボイラの初期給水ステージにおいて、前記給水バルブを第１の開度で開放させて前記缶体に給水を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記初期給水ステージにおいて、前記缶体の入口の給水温度が第１温度以上、かつ、前記ボイラの入口の給水温度が前記第１温度よりも高い第２温度以上であった場合に、前記給水バルブの開度を、前記第１の開度よりも小さい第２の開度に変更するボイラシステム。
2. 前記制御部は、前記給水バルブの開度を前記第１の開度から前記第２の開度に変更する場合、前記給水バルブを一度閉止した後、前記第２の開度とする請求項１に記載のボイラシステム。
3. 前記制御部は、前記缶体の温度が第３温度を上回った場合、前記給水バルブの開度を第１の開度に戻す請求項１又は２に記載のボイラシステム。
4. 前記制御部は、前記ボイラに燃焼指示があった場合に前記缶体の水位が第１水位以下であると、前記初期給水ステージであると判定する請求項１〜３のいずれかに記載のボイラシステム。

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