JP2015102271A - ボイラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】過熱器の伝熱管への負荷を低減しつつ、熱媒を効率よく過熱することができるボイラシステムを提供することにある。【解決手段】第１ボイラと、第１ボイラの第１方向に配置される第２ボイラと、第１ボイラと第２ボイラとの間から熱媒を供給する熱媒供給部と、を有する。第１過熱器は、第１方向でかつ熱媒供給部から離れる方向に熱媒を流通させる。第２過熱器は、第１方向でかつ熱媒供給部から離れる方向に熱媒を流通させる。第１バーナユニットは、複数の第１バーナのうち少なくとも１つの第１バーナによって形成される火炎の第１過熱器と対面する位置での移動方向が、第１過熱器の熱媒の流れ方向と逆方向である。第２バーナユニットは、全ての第２バーナによって形成される火炎の第２過熱器と対面する位置での移動方向が、第２過熱器の熱媒の流れ方向と逆方向である。【選択図】図２

Description

本発明は、２つ以上のボイラを有するボイラシステムに関するものである。

ボイラは、過熱器で蒸気を過熱することで高温の蒸気を生成することができる。過熱器は、上面から見た場合、複数の伝熱管を燃焼ガスの流れに直交する方向に複数のパスに分割し、各パスで燃焼ガスの流れに平行な方向に移動させ、かつ、各パス間で、燃焼ガスの流れに直交する方向に移動させることで、蒸気を過熱している。

ここで、バーナで形成される火炎で生じる燃焼ガスは、位置によって温度が変化するため、温度分布が生じる。これに対して、特許文献１には、火炉の炉底部から燃焼用空気の一部をボトム空気として供給するボトム空気ポートを設け、該ボトム空気ポートがバーナ中心線より過熱器側に位置するとともに、ボトム空気の吹出方向を鉛直上向きからバーナ方向へ傾斜する範囲に設定することが記載されている。

特開２００９−１４５０１３号公報

ここで、船舶や、発電システム、各種機器の動力源としてのボイラを２つ以上有するボイラシステムがある。ボイラシステムでは、２つのボイラを並列に配置し、２つのボイラに挟まれた位置から対称な方向に蒸気を供給する構成を用いる場合がある。このような構成の場合、２つのボイラの過熱器での蒸気の過熱状態が異なる挙動となり、一方の過熱器の伝熱管の負荷が他方の伝熱管の負荷に比べて、大きくなってしまう。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、過熱器の伝熱管への負荷を低減しつつ、熱媒を効率よく過熱することができるボイラシステムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明は、第１方向に列状に配置された複数の第１バーナを有する第１バーナユニットと、前記第１バーナの前記第１方向に直交する第２方向に配置された第１過熱器と、を有する第１ボイラと、前記第１ボイラの前記第１方向に配置され、第２方向に列状に配置された複数の第２バーナを有する第２バーナユニットと、前記第２バーナの前記第１方向に直交する第２方向に配置された第２過熱器と、を有する第２ボイラと、前記第１ボイラと前記第２ボイラとの間から、前記第１過熱器と前記第２過熱器とに熱媒を供給する熱媒供給部と、を有し、前記第１過熱器は、前記第１方向でかつ前記熱媒供給部から離れる方向に前記熱媒を流通させ、前記第２過熱器は、前記第１方向でかつ前記熱媒供給部から離れる方向に前記熱媒を流通させ、前記第１バーナユニットは、複数の前記第１バーナのうち少なくとも１つの前記第１バーナによって形成される火炎の前記第１過熱器と対面する位置での移動方向が、前記第１過熱器の熱媒の流れ方向と逆方向であり、前記第２バーナユニットは、全ての前記第２バーナによって形成される火炎の前記第２過熱器と対面する位置での移動方向が、前記第２過熱器の熱媒の流れ方向と逆方向であることを特徴とする。

また、前記第１バーナユニットは、複数の前記第１バーナのうち半分以上の前記第１バーナによって形成される火炎の前記第１過熱器と対面する位置での移動方向が、前記第１過熱器の熱媒の流れ方向と逆方向であることが好ましい。

また、前記第１バーナユニットは、全ての前記第１バーナによって形成される火炎の前記第１過熱器と対面する位置での移動方向が、前記第１過熱器の熱媒の流れ方向と逆方向であることが好ましい。

上記の目的を達成するための本発明は、第１方向に列状に配置された複数の第１バーナを有する第１バーナユニットと、前記第１バーナの前記第１方向に直交する第２方向に配置された第１過熱器と、を有する第１ボイラと、前記第１ボイラの前記第１方向に配置され、第２方向に列状に配置された複数の第２バーナを有する第２バーナユニットと、前記第２バーナの前記第１方向に直交する第２方向に配置された第２過熱器と、を有する第２ボイラと、前記第１ボイラと前記第２ボイラとの間から、前記第１過熱器と前記第２過熱器とに熱媒を供給する熱媒供給部と、を有し、前記第１過熱器は、前記第１方向でかつ前記熱媒供給部から離れる方向に前記熱媒を流通させ、前記第２過熱器は、前記第１方向でかつ前記熱媒供給部から離れる方向に前記熱媒を流通させ、前記第１バーナユニットは、前記第１バーナによって形成される火炎の前記第１過熱器と対面する位置での移動方向が、前記第１過熱器の熱媒の流れ方向と同じ方向であり、前記第２バーナユニットは、前記第２バーナによって形成される火炎の前記第２過熱器と対面する位置での移動方向が、前記第２過熱器の熱媒の流れ方向と逆方向であり、前記第１過熱器は、前記熱媒を第１の方向に流通させる複数のパスに分割され、前記パス間で前記熱媒を前記第２の方向に流通され、前記パスの境界位置が前記第１バーナの群の火炎で形成される温度分布に応じて、調整されていることを特徴とする。

また、前記第１加熱器の複数の前記パスのうち、途中の前記パスと前記パスとの間に接続され、過熱された熱媒を減温する緩熱器を有することが好ましい。

また、前記第１過熱器は、前記緩熱器よりも上流側の前記パスの伝熱管の平均本数が、前記緩熱器よりも下流側の前記パスの伝熱管の平均本数よりも少ないことが好ましい。

また、前記第１過熱器は、前記緩熱器の調整可能な温度範囲が大きくなるように、前記緩熱器よりも上流側の前記パスの伝熱管の平均本数が、前記緩熱器よりも下流側の前記パスの伝熱管の平均本数よりも多く配置されていることが好ましい。

本発明によれば、過熱器の伝熱管への負荷を低減しつつ、熱媒を効率よく過熱することができる。

図１は、本発明に係るボイラシステムの概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示すボイラシステムのボイラの一実施形態の概略構成を示す模式図である。 図３は、バーナユニットと過熱器との概略構成を示す模式図である。 図４は、過熱器の概略構成を示す模式図である。 図５Ａは、蒸気の流れ方向と火炎の旋回方向との関係の一例を示す模式図である。 図５Ｂは、蒸気の流れ方向と火炎の旋回方向との関係の基準例を示す模式図である。 図５Ｃは、蒸気の流れ方向と火炎の旋回方向との関係の一例を示す模式図である。 図５Ｄは、蒸気の流れ方向と火炎の旋回方向との関係の一例を示す模式図である。 図５Ｅは、蒸気の流れ方向と火炎の旋回方向との関係の一例を示す模式図である。 図６は、４番目のパスの出口の温度の計測結果の一例を示すグラフである。 図７は、各パスの出口での蒸気温度の計測結果の一例を示すグラフである。 図８は、各パスの伝熱管の本数の一例を示すグラフである。 図９は、基準例における各パスの吸熱量の一例を示すグラフである。 図１０は、実施例における各パスの吸熱量の一例を示すグラフである。 図１１は、各パスの出口での蒸気温度の計測結果の一例を示すグラフである。 図１２は、仕切り板の位置の調整機構の一例を示す模式図である。 図１３は、各パスの伝熱管の本数の設定方法の一例を示すフローチャートである。 図１４は、各パスの伝熱管の本数の設定方法の一例を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るボイラシステムの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本発明に係るボイラシステムの概略構成を示す模式図である。ボイラシステム１は、ボイラ１０Ａと、ボイラ１０Ｂと、蒸気供給装置４０と、を有する。ボイラ１０Ａとボイラ１０Ｂとは、配置位置が異なる点と、一部構成以外は、基本的に同様の構成である。ボイラ１０Ａとボイラ１０Ｂとは、それぞれバーナユニット１２と、フロントバンクチューブ１６と、過熱器（Ｓｕｐｅｒ Ｈｅａｔｅｒ：ＳＨ）１８と、蒸発管群（リアバンクチューブ）２０と、を有する、ボイラ１０Ａのバーナユニット１２は、バーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃを備えている。ボイラ１０Ｂのバーナユニット１２は、バーナ１３ｄ、１３ｅ、１３ｆを備えている。ボイラ１０Ａとボイラ１０Ｂとは、隣接し配置されている。ボイラ１０Ａとボイラ１０Ｂとは、バーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、バーナ１３ｄ、１３ｅ、１３ｆとが、ボイラ１０Ａとボイラ１０Ｂとが並んでいる方向に一列に配置されている。また、ボイラ１０Ａとボイラ１０Ｂとは、それぞれバーナユニット１２と、フロントバンクチューブ１６と、過熱器（Ｓｕｐｅｒ Ｈｅａｔｅｒ：ＳＨ）１８と、蒸発管群（リアバンクチューブ）２０と、が、ボイラ１０Ａとボイラ１０Ｂとが並んでいる方向と直交する方向にこの順で配置されている。また、ボイラ１０Ａとボイラ１０Ｂとは、バーナユニット１２から最も離れた位置にガス出口２４が設けられている。ボイラ１０Ａ、１０Ｂの構造については、後述する。

蒸気供給装置４０は、ドラム４１と、蒸気供給管４２、４３Ａ、４３Ｂと、過熱蒸気排出管４４Ａ、４４Ｂと、を有する。ドラム４１は、ボイラ１０Ａ及びボイラ１０Ｂの過熱器１８に供給する蒸気を貯留している。蒸気供給管４２は、一方の端部がドラム４１と接続され、他方の端部が蒸気供給管４３Ａ及び蒸気供給管４３Ｂに接続されている。蒸気供給管４３Ａは、ボイラ１０Ａの過熱器１８のボイラ１０Ｂと対面している側の端部に接続されている。蒸気供給管４３Ｂは、ボイラ１０Ｂの過熱器１８のボイラ１０Ａと対面している側の端部に接続されている。過熱蒸気排出管４４Ａは、ボイラ１０Ａの過熱器１８の蒸気供給管４３Ａの接続部とは反対側に接続されている。過熱蒸気排出管４４Ｂは、ボイラ１０Ｂの過熱器１８の蒸気供給管４３Ｂの接続部とは反対側に接続されている。蒸気供給装置４０は、以上のような構成であり、ボイラ１０Ａ、１０Ｂのそれぞれに、２つのボイラ１０Ａ、１０Ｂに挟まれた側の過熱器１８の端部に蒸気を供給し、２つのボイラ１０Ａ、１０Ｂに挟まれた側とは反対側の過熱器１８の端部から過熱された蒸気を回収する。

次に、図１に加え、図２から図４を用いてボイラ１０Ａ、１０Ｂについて説明する。図２は、図１に示すボイラシステムのボイラの一実施形態の概略構成を示す模式図である。図３は、バーナユニットと過熱器との概略構成を示す模式図である。図４は、過熱器の概略構成を示す模式図である。上述したようにボイラ１０Ａとボイラ１０Ｂは、基本的に同様の構造であるので、以下代表してボイラ１０Ａについて説明する。

ボイラ１０Ａは、火炉１１と、バーナユニット１２と、フロントバンクチューブ１６と、過熱器（Ｓｕｐｅｒ Ｈｅａｔｅｒ：ＳＨ）１８と、蒸発管群（リアバンクチューブ）２０と、水ドラム２８と、蒸気ドラム２９と、を有する。

火炉１１は、ボイラ１０Ａの各部が配置された容器である。火炉１１は、燃料が燃焼されることで生成される排ガスを排出するガス出口２４が設けられている。また、火炉１１となる壁面には、ウォールチューブ３４が配置されている。ウォールチューブは火炉１１の熱を回収する熱交換器である。

バーナユニット１２は、火炉１１のガス出口２４とは離れた位置、ガス出口２４が設けられている位置の反対側の面に配置されている。バーナ１２は、空気と燃料とを混合し、混合したガスを噴射口から火炉１１に噴射する。噴射口から噴射された混合ガスは、噴射された後、火炉１１の内部で燃焼され、火炎を形成する。

ボイラ１０Ａは、バーナ１２からガス出口２４に向けて、フロントバンクチューブ１６と、過熱器１８と、蒸発管群２０と、がこの順で配置されている。バーナ１２の噴射口で燃料を燃焼させることで生成される燃焼ガスは、バーナ１２からガス出口２４に向けて移動し、フロントバンクチューブ１６が配置された領域、過熱器１８が配置された領域、蒸発管群２０が配置された領域を順次通過する。フロントバンクチューブ１６と、過熱器１８と、蒸発管群２０とは、それぞれ熱交換器であり、燃焼ガスが通過する際に、燃焼ガスとの間で熱交換を行い、燃焼ガスの熱を回収し、内部に流通する熱媒の温度を上昇させる。

フロントバンクチューブ１６は、火炉１１のバーナ１２側、つまり火炉１１の温度が高い領域に配置されている。フロントバンクチューブ１６は、蒸気ドラム２９及びヘッダ３２と接続されており、内部に熱媒が流通している。フロントバンクチューブ１６は、燃焼ガスと熱媒との熱交換で燃焼ガスの熱を回収し、熱媒の温度を上昇させ、燃焼ガスの温度を低下させる。

過熱器１８は、燃焼ガスと熱媒との熱交換で燃焼ガスの熱を回収し、熱媒の温度を上昇させ、燃焼ガスの温度を低下させる。過熱器１８は、複数の伝熱管１９とヘッダユニット３０とを有する。ヘッダユニット３０は、ヘッダ３０ａとヘッダ３０ｂとを有する。過熱器１８の伝熱管１９は、火炉１１のフロントバンクチューブ１６よりもガス出口２４側に配置されている。過熱器１８の伝熱管１９は、フロントバンクチューブ１６が配置された領域を通過した燃焼ガスが通過する。伝熱管１９は、ガスの流れ方向Ｇに２つの線分が離れ、鉛直方向上側がつながっているＵ字形状である。伝熱管１９は、一方の端部がヘッダ３０ａと接続され、他方の端部がヘッダ３０ｂと接続されており、内部に熱媒（蒸気）が流通している。

ここで、複数の伝熱管１９は、図３及び図４に示すように、ガスの流れ方向Ｇ及びガスの流れ方向Ｇに直交する方向に列状に配置されている。過熱器１８は、複数の伝熱管１９が、ガスの流れ方向Ｇに直交する方向に複数のユニットに分割されており、蒸気供給管４３Ａとの接続部側から過熱蒸気排出管４４Ａとの接続部に向かって、伝熱管ユニット５０、５２、５４、５６、５８、６０の２つに分割されている。

また、ヘッダ３０ａ、３０ｂは、伝熱管ユニット５０、５２、５４、５６、５８、６０の分割位置に合わせて仕切り板７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ、７２Ｄ、７２Ｅ、７２Ｆ、７２Ｇ、７２Ｈが設けられている。具体的には、仕切り板７２Ａは、ヘッダ３０ｂの伝熱管ユニット５０の蒸気供給管４３Ａ側に配置されている。仕切り板７２Ｂは、ヘッダ３０ａの伝熱管ユニット５０と伝熱管ユニット５２との境界に配置されている。仕切り板７２Ｃは、ヘッダ３０ｂの伝熱管ユニット５２と伝熱管ユニット５４との境界に配置されている。仕切り板７２Ｄは、ヘッダ３０ａの伝熱管ユニット５４と伝熱管ユニット５６との境界に配置されている。仕切り板７２Ｅは、ヘッダ３０ｂの伝熱管ユニット５６と伝熱管ユニット５８との境界に配置されている。仕切り板７２Ｆは、ヘッダ３０ａの伝熱管ユニット５６と伝熱管ユニット５８との境界に配置されている。仕切り板７２Ｇは、ヘッダ３０ａの伝熱管ユニット５８と伝熱管ユニット６０との境界に配置されている。仕切り板７２Ｈは、ヘッダ３０ｂの伝熱管ユニット６０の過熱蒸気排出管４４Ａ側の端部に配置されている。

過熱器１８は、伝熱管ユニット５０、５２、５４、５６、５８、６０が接続されたヘッダ３０ａ、３０ｂが仕切り板７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ、７２Ｄ、７２Ｅ、７２Ｆ、７２Ｇ、７２Ｈによって分割されることで、伝熱管ユニット５０、５２、５４、５６、５８、６０がそれぞれパスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３、Ｐａ４、Ｐａ５、Ｐａ６となり、パスごとに蒸気の流れ方向が反転する。具体的にはパスＰａ１、Ｐａ３、Ｐａ５の伝熱管１９は、ガスの流れ方向Ｇと逆方向が蒸気の流れる蒸気の流れ方向Ｓｔとなり、パスＰａ２、Ｐａ４、Ｐａ６の伝熱管１９は、ガスの流れ方向Ｇと同じ方向が蒸気の流れる蒸気の流れ方向Ｓｔとなる。また、パスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３、Ｐａ４、Ｐａ５、Ｐａ６の間では、蒸気供給管４３Ａから過熱蒸気排出管４４Ａに向かう方向に流れている。

ここで、過熱器１８は、パスＰａ４とパスＰａ５との間は、ヘッダ３０ａに仕切り板７２Ｆが配置され、ヘッダ３０ｂに仕切り板７２Ｅが配置されている。ボイラ１０Ａは、過熱器１８のパスＰａ４とパスＰａ５との間に緩熱器６２が接続されている。 緩熱器６２は、ＣＤＳＨ(ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｓｕｐｅｒ ｈｅａｔｅｒ)に用いる装置であり、過熱器１８で生成された蒸気の蒸気温度をコントロールする。緩熱器６２は、過熱器１８の蒸気の一部を過熱器１８の途中で抜き出し、熱交換して蒸気を減温する。

過熱器１８は、以上のような構成であり、蒸気供給管４３Ａから供給された蒸気を、パスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３、Ｐａ４の順で通過させた後、緩熱器６２を通過させ、その後、パスＰａ５、Ｐａ６を通過させて、過熱蒸気排出管４４Ａに排出する。過熱器１８は、各パスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３、Ｐａ４、Ｐａ５、Ｐａ６を通過する蒸気を燃焼ガスとの間で熱交換を行い蒸気の温度を上昇させる。

蒸発管群２０は、複数の伝熱管を有し、火炉１１のバーナ１２とガス出口２４との間より、具体的には、過熱器１８よりもガス出口２４側に配置されている。蒸発管群２０は、過熱器１８が配置された領域を通過した燃焼ガスが通過する。水ドラム２８は、熱媒を貯留するドラムであり、蒸発管群２０の鉛直方向下側に接続されている。蒸気ドラム２９は、加熱された熱媒である蒸気を貯留するドラムであり、蒸発管群２０の鉛直方向上側に接続されている。このように、蒸発管群２０は、複数の伝熱管の鉛直方向下側の端部が水ドラム２８と接続され、鉛直方向上側の端部が蒸気ドラム２９に接続され、内部に熱媒が流通した状態となる。蒸発管群２０は、バーナ１２で生成され、フロントバンクチューブ１６が配置された領域及び過熱器１８が配置された領域を通過した燃焼ガスが通過する。蒸発管群２０は、燃焼ガスと熱媒との熱交換で燃焼ガスの熱を回収し、熱媒の温度を上昇させ、燃焼ガスの温度を低下させる。ボイラ１０Ａは、蒸発管群２０を通過した燃焼ガスが排ガスとしてガス出口２４から排出される。

ボイラ１０Ａは、バーナ１２で燃料を燃焼して燃焼ガスを発生させ、フロントバンクチューブ１６と過熱器１８と蒸発管群２０とで燃焼ガスと熱媒の熱交換を行い、熱媒の温度を上昇させ、熱媒を蒸気とし、当該蒸気を蒸気ドラム２９に貯留する。ボイラ１０Ａは、蒸気ドラム２９に貯留した蒸気を例えば、タービンに供給することで、タービンを回転させ、発電機で発電することができる。なお、ボイラ１０Ａが蒸気を供給する機器は、タービンに限定されず、蒸気を熱源や駆動源として利用する各種機器に供給することができる。

本実施形態に示すボイラシステム１は、図１に示すように、ボイラ１０Ａのバーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃが左旋回で火炎を形成し、ボイラ１０Ｂのバーナ１３ｄ、１３ｅ、１３ｆが右旋回で火炎を形成する。つまり、ボイラ１０Ａは、バーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと逆方向である。また、ボイラ１０Ｂは、バーナ１３ｄ、１３ｅ、１３ｆによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと逆方向である。なお、バーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆが火炎を旋回させる方向は、バーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆに設けるスワラの構造によって任意の方向とすることができる。

ボイラシステム１は、２つのボイラ１０Ａ及びボイラ１０Ｂを並列して設け、蒸気を対面している側から供給した構造としても、いずれのボイラ１０Ａ及び１０Ｂでもバーナが形成する火炎の旋回方向を、過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと逆方向となる方向とすることで、過熱器１８の蒸気の流れに対する火炉１１内の燃焼ガスの温度のアンバランスの関係を改善し、伝熱管のメタル温度が高温となり、腐食トラブルの原因となることを抑制することができる。これにより、過熱器の伝熱管への負荷を低減しつつ、熱媒を効率よく過熱することができる。また、本実施形態のように、緩熱器６２に接続する場合、緩熱器６２の上流側のパス、本実施形態では、パスＰａ４における蒸気の温度を低減することが可能となり、伝熱管のメタル温度が高温となることを抑制することができる。

次に、図５Ａは、蒸気の流れ方向と火炎の旋回方向との関係の一例を示す模式図である。図５Ｂは、蒸気の流れ方向と火炎の旋回方向との関係の基準例を示す模式図である。図５Ｃから図５Ｅは、それぞれ蒸気の流れ方向と火炎の旋回方向との関係の一例を示す模式図である。本実施形態では、図５Ａに示すボイラ１０Ａ（実施例１のボイラ１０Ａ）のように、バーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと逆方向となる構造としたが、これに限定されない。

図５Ｂに示す基準例のボイラ１０Ｃは、バーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと同じ方向となる。ボイラ１０Ｃは、バーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃのうち少なくとも１つのバーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと逆方向とすることで、基準例のボイラ１０Ｃよりも伝熱管の各パス間での過熱状態のアンバランスを低減することができ、過熱器の伝熱管への負荷を低減しつつ、熱媒を効率よく過熱することができる。また、ボイラは、バーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃのうち半分以上のバーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと逆方向とすることで、基準例のボイラ１０Ｃよりも伝熱管の各パス間での過熱状態のアンバランスをより低減することができ、過熱器の伝熱管への負荷をより低減しつつ、熱媒を効率よく過熱することができる。なお、実施例１のようにすべてのバーナによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと逆方向とすることで上記効果をより大きく得ることができる。

例えば、図５Ｃに示す実施例２のボイラ１０Ｄのように、バーナ１３ａ、１３ｂによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと逆方向となり、バーナ１３ｃによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと同じ方向となるようにしてもよい。

図５Ｄに示す実施例３のボイラ１０Ｅのように、バーナ１３ｂ、１３ｃによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと逆方向となり、バーナ１３ａによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと同じ方向となるようにしてもよい。図５Ｅに示す実施例４のボイラ１０Ｆのように、バーナ１３ｂによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと逆方向となり、バーナ１３ａ、１３ｃによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと同じ方向となるようにしてもよい。

図６は、４番目のパスの出口の温度の計測結果の一例を示すグラフである。図７は、各パスの出口での蒸気温度の計測結果の一例を示すグラフである。図６は、基準例、実施例１から実施例４としたそれぞれの場合について出口の蒸気温度（パスＰａ４の出口の蒸気温度）を計測した結果を示している。また、図７は、基準例のように火炎を右旋回とした場合と、実施例１のように火炎を左旋回とした場合とした場合の過熱器の各パスの出口における蒸気温度の計測結果である。

図６に示すように、実施例１から実施例４のように、バーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃのうち少なくとも１つのバーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと逆方向とすることで、基準例よりも温度が最も高くなるパスＰａ４の出口での蒸気温度を低くできることがわかる。また、実施例４よりも実施例１、２、３の方が大きく温度を低下でき、実施例２、３よりも実施例１の方が大きく温度を低下できることがわかる。また、図７に示すように、火炎の旋回方向を切り換えた場合も過熱器の出口での温度を同じ温度とすることができる。以上より、過熱器１８による過熱の性能を維持しつつ、伝熱管への負担を小さくできることがわかる。

次に、上記実施形態のボイラシステムは、バーナの火炎の旋回方向を適宜設定することで伝熱管への負荷を小さくしたがこれに限定されない。ボイラシステムは、各パス間の伝熱管ユニットの伝熱管の本数のバランスを調整することでも伝熱管への負担を小さくすることができる。

図８は、各パスの伝熱管の本数の一例を示すグラフである。図９は、基準例における各パスの吸熱量の一例を示すグラフである。図１０は、実施例における各パスの吸熱量の一例を示すグラフである。図１１は、各パスの出口での蒸気温度の計測結果の一例を示すグラフである。

図８は、基準例の伝熱管の各パスの本数と、実施例、つまり本数を調整した後の伝熱管の各パスの本数とを示している。ここで、基準例は、ボイラ１０Ｂの各パスと同じ本数で各パスの本数を設定している。ボイラシステムは、図８に示すように、各パスの伝熱管の本数を基準例に対して調整することで吸熱量を平滑化することができる。具体的には、図９に示す基準例のように、上流側のパスでの吸熱量が多く、下流側の吸熱量が少なく、かつ、その差が大きい状態から、図１０に示す実施例のように、各ポスでの吸熱量を平滑化することができる。これにより、図１１に示すように、緩熱器の上流側の、パスＰａ４の出口側での温度が高くなることを抑制することができ、伝熱管への負担を小さくすることができる。以上より、バーナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃによって形成される火炎の過熱器１８と対面する位置での移動方向が、過熱器１８の蒸気の流れ方向Ｓｔと同じ方向である場合でも、各パス間の伝熱管ユニットの伝熱管の本数のバランスを調整することでも伝熱管への負担を小さくすることができる。

ここで、過熱器は、中央よりも下流側のパスの伝熱管の本数を、中央よりも上流側のパスの伝熱管の本数よりも多くすることが好ましい。これにより、下流側での吸熱量の割合を、上流側での吸熱量の割合よりも多くすることができ、蒸気の温度が途中で高くなることを抑制できる。ここで、パスが複数ある場合、複数のパスの伝熱管の本数の平均値を用いればよい。また、過熱器は、緩熱器よりも下流側のパスの伝熱管の本数を、緩熱器よりも上流側のパスの伝熱管の本数よりも多くすることが好ましい。これにより、緩熱器よりも下流側での吸熱量の割合を、緩熱器よりも上流側での吸熱量の割合よりも多くすることができ、緩熱器に流入する蒸気の温度を高くすることができる。

図１２は、仕切り板の位置の調整機構の一例を示す模式図である。図１２に示す過熱器はヘッダ３０ａの仕切り板７２Ｂと仕切り板７２Ｄとの間に棒状の固定冶具８０が設置されている。また仕切り板７２Ｂと仕切り板７２Ｄには、固定冶具８０が挿入される固定部８２が設けられている。また、仕切り板７２Ｂ、７２Ｄには、メンテナンス時などにヘッダ３０ａ内を加工したり、視認したりするための穴（ハンドホール）８４が形成されている。

仕切り板７２Ｂと仕切り板７２Ｄは、固定冶具８０が固定部８２に挿入されることで、仕切り板７２Ｂと仕切り板７２Ｄとの相対位置が所定の位置に固定される。ヘッダ３０ａ、３０ｂに設けられた仕切り板と仕切り板との間には同様の固定冶具が設けられている。これにより、各パスの境界となる仕切り板の位置が所定位置に固定される。ここで、図１２に示す過熱器は、固定冶具８０の長さを変えることで、仕切り板間の相対位置を調整することができ、各パスに含まれる伝熱管の本数を調整することができる。なお、固定冶具８０は、棒と棒に挿入された摺動可能な筒と、棒に対して筒を締結する機構とを組み合わせた構造とし、伸縮可能な構造とすることが好ましい。なお、パスの伝熱管の本数を調整する機構はこれに限定されない。

次に、各パスの伝熱管の本数の設定方法について説明する。図１３は、各パスの伝熱管の本数の設定方法の一例を示すフローチャートである。設定方法は、火炎を形成することで生じる温度分布を算出する（ステップＳ２０）。具体的には、バーナで形成される火炎の位置や大きさに基づいて、各位置の伝熱管に付与される熱を算出する。設定方法は、温度分布に基づいて、各パスの伝熱管の本数を決定し（ステップＳ２２）、決定した本数に基づいて、決定した位置に仕切り板を配置し（ステップＳ２４）、本処理を終了する。

このように、計算で求めた温度分布に基づいて、各パスの伝熱管の本数を設定することで、つまり、事前にＣＦＤなどにより火炉内の燃焼ガス温度アンバランスを評価しておき、その火炉内のガス顕熱量アンバランスに応じて各パスの伝熱管本数を選定する事で各パスの吸熱量を平準化することができる。これにより、過熱器１８による過熱の性能を維持しつつ、伝熱管への負担を小さくできる。

図１３では数値計算を用いたがこれに限定されない。図１４は、各パスの伝熱管の本数の設定方法の一例を示すフローチャートである。設定方法は、まず仕切り板を仮設置する（ステップＳ３０）。仕切り板を仮設置した状態で、ボイラを稼働させて各パスでの蒸気の温度を計測し（ステップＳ３２）、温度バランスが適切であるかを判定する（ステップＳ３４）。具体的には、各パスの出口の蒸気温度を計測し、その温度が許容範囲であるかを判定する。

設定方法は、温度バランスが適切ではない（ステップＳ３４でＮｏ）と判定した場合、仕切り板の位置を調整する（ステップＳ３６）。具体的には、許容範囲より温度が高いパスの伝熱管の本数を減らし、許容範囲より温度が低いパスの伝熱管の本数を増加させる。設定方法は、仕切り板の位置を調整したら、ステップＳ３２に戻り、ボイラを稼働させて、温度のバランスを計測する。

設定方法は、温度バランスが適切である（ステップＳ３４でＹｅｓ）と判定したら、仕切り板を固定し（ステップＳ３８）、本処理を終了する。このように、実際の蒸気の温度を計測し、その結果に基づいて仕切り板の位置を調整することでも、各パスの吸熱量を平準化することができる。過熱器１８による過熱の性能を維持しつつ、伝熱管への負担を小さくできる。

なお、上記実施形態では、一部の伝熱管への負荷の集中を抑制できるように各パスの伝熱管の本数を調整したが、緩熱器での調整可能な温度範囲をより大きくするため、緩熱器よりも上流側での吸熱量の割合を、緩熱器よりも下流側での吸熱量の割合よりも多くしてもよい。これにより、広い負荷範囲での運転を可能とする。例えば、現状ではボイラの運転負荷が６５％以上の範囲で蒸気温度制御が可能であるものが、ボイラの運転負荷が５０％以上の範囲での蒸気温度制御が可能となり、より広い範囲での運転制御が可能となる。この場合は、緩熱器よりも上流側のパスの伝熱管の本数を、緩熱器よりも下流側のパスの伝熱管の本数よりも多くすることが好ましい。また、緩熱器の直前のパスの伝熱管の本数を他のパスよりも多くすることが好ましい。これにより、緩熱器よりも上流側での吸熱量の割合を、緩熱器よりも下流側での吸熱量の割合を多くすることができ、緩熱器に流入する蒸気の温度を高くすることができる。

１ ボイラシステム
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ ボイラ
１１ 火炉
１２ バーナユニット
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ バーナ
１６ フロントバンクチューブ
１８ 過熱器（ＳＨ）
１９ 伝熱管
２０ 蒸発管群（リアバンクチューブ）
２４ ガス出口
２８ 水ドラム
２９ 蒸気ドラム
３０ａ、３０ｂ、３２ ヘッダ
３４ ウォールチューブ
４０ 蒸気供給装置
４１ ドラム
４２、４３Ａ、４３Ｂ 蒸気供給管
４４Ａ、４４Ｂ 過熱蒸気排出管
５０、５２、５４、５６、５８、６０ 伝熱管ユニット
６２ 緩熱器
７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ、７２Ｄ、７２Ｅ、７２Ｆ、７２Ｇ、７２Ｈ 仕切り板
Ｇ ガスの流れ方向
Ｐａ１、Ｐａ２、Ｐａ３、Ｐａ４、Ｐａ５、Ｐａ６ パス
Ｓｔ 蒸気の流れ方向

Claims (7)

1. 第１方向に列状に配置された複数の第１バーナを有する第１バーナユニットと、前記第１バーナの前記第１方向に直交する第２方向に配置された第１過熱器と、を有する第１ボイラと、
   前記第１ボイラの前記第１方向に配置され、第２方向に列状に配置された複数の第２バーナを有する第２バーナユニットと、前記第２バーナの前記第１方向に直交する第２方向に配置された第２過熱器と、を有する第２ボイラと、
   前記第１ボイラと前記第２ボイラとの間から、前記第１過熱器と前記第２過熱器とに熱媒を供給する熱媒供給部と、を有し、
   前記第１過熱器は、前記第１方向でかつ前記熱媒供給部から離れる方向に前記熱媒を流通させ、
   前記第２過熱器は、前記第１方向でかつ前記熱媒供給部から離れる方向に前記熱媒を流通させ、
   前記第１バーナユニットは、複数の前記第１バーナのうち少なくとも１つの前記第１バーナによって形成される火炎の前記第１過熱器と対面する位置での移動方向が、前記第１過熱器の熱媒の流れ方向と逆方向であり、
   前記第２バーナユニットは、全ての前記第２バーナによって形成される火炎の前記第２過熱器と対面する位置での移動方向が、前記第２過熱器の熱媒の流れ方向と逆方向であることを特徴とするボイラシステム。
2. 前記第１バーナユニットは、複数の前記第１バーナのうち半分以上の前記第１バーナによって形成される火炎の前記第１過熱器と対面する位置での移動方向が、前記第１過熱器の熱媒の流れ方向と逆方向であることを特徴とする請求項１に記載のボイラシステム。
3. 前記第１バーナユニットは、全ての前記第１バーナによって形成される火炎の前記第１過熱器と対面する位置での移動方向が、前記第１過熱器の熱媒の流れ方向と逆方向であることを特徴とする請求項１または２に記載のボイラシステム。
4. 第１方向に列状に配置された複数の第１バーナを有する第１バーナユニットと、前記第１バーナの前記第１方向に直交する第２方向に配置された過熱器と、を有する第１ボイラと、
   前記第１ボイラの前記第１方向に配置され、第２方向に列状に配置された複数の第２バーナを有する第２バーナユニットと、前記第２バーナの前記第１方向に直交する第２方向に配置された第２過熱器と、を有する第２ボイラと、
   前記第１ボイラと前記第２ボイラとの間から、前記第１過熱器と前記第２過熱器とに熱媒を供給する熱媒供給部と、を有し、
   前記第１過熱器は、前記第１方向でかつ前記熱媒供給部から離れる方向に前記熱媒を流通させ、
   前記第２過熱器は、前記第１方向でかつ前記熱媒供給部から離れる方向に前記熱媒を流通させ、
   前記第１バーナユニットは、前記第１バーナによって形成される火炎の前記第１過熱器と対面する位置での移動方向が、前記第１過熱器の熱媒の流れ方向と同じ方向であり、
   前記第２バーナユニットは、前記第２バーナによって形成される火炎の前記第２過熱器と対面する位置での移動方向が、前記第２過熱器の熱媒の流れ方向と逆方向であり、
   前記第１過熱器は、前記熱媒を第１の方向に流通させる複数のパスに分割され、前記パス間で前記熱媒を前記第２の方向に流通され、前記パスの境界位置が前記第１バーナの群の火炎で形成される温度分布に応じて、調整されていることを特徴とするボイラシステム。
5. 前記第１加熱器の複数の前記パスのうち、途中の前記パスと前記パスとの間に接続され、過熱された熱媒を減温する緩熱器を有することを特徴とする請求項４に記載のボイラシステム。
6. 前記第１過熱器は、前記緩熱器よりも上流側の前記パスの伝熱管の平均本数が、前記緩熱器よりも下流側の前記パスの伝熱管の平均本数よりも少ないことを特徴とする請求項５に記載のボイラシステム。
7. 前記第１過熱器は、前記緩熱器の調整可能な温度範囲が大きくなるように、前記緩熱器よりも上流側の前記パスの伝熱管の平均本数が、前記緩熱器よりも下流側の前記パスの伝熱管の平均本数よりも多く配置されていることを特徴とする請求項５に記載のボイラシステム。

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