JP2651351B2 - 燃焼式過熱器及びその設計方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蒸気流路内を流れる蒸
気が過熱される過熱部と、この蒸気流路を流れる蒸気に
噴霧給水可能な水噴霧部とを備え、蒸気流路に流入する
蒸気量が所定流量より不足した場合に、不足蒸気量を補
う水量の水を前記水噴霧部に噴霧するとともに、前記水
量に見合う熱量を過熱部に追加供給する蒸気富化制御機
構を備えた燃焼式過熱器及びこの燃焼式過熱器の設計方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような燃焼式過熱器は、例えば焼却
炉に設置されたボイラで生成される低温の蒸気を過熱に
より高温化し、蒸気タービンで発電するごみ発電技術の
分野等で利用される。この種の過熱器を備えたごみ発電
においては、発電に高温高圧蒸気が使用できるため高効
率発電が可能となる。さらに、蒸気富化制御機構を備え
ることにより、ごみ発電において、焼却炉からの蒸気量
が減少したときに、過熱器の蒸気管内に水噴霧し、蒸気
を追加生成する事で蒸気変動を抑えて小規模のごみ発電
炉でも安定した発電をおこなうことができる。さて、こ
の構成の燃焼式過熱器においては、蒸気量が不足した場
合に、蒸気富化制御機構を働かせて、水噴霧部より不足
水量を供給するとともに、この不足水量の蒸気化に必要
なだけの熱量を過熱部に追加供給するようにしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成においては、蒸気富化制御機構を働かせることによ
り、所定の蒸気量を確保できるものの、補給水量を蒸気
化するのに必要な熱量を過熱部に供給するにも係わら
ず、蒸気温度の変動が起こる場合があった。ここで、上
記のようなごみ発電等の発電装置においては、システム
を安定的に運転するためには、発電装置に供給される蒸
気量が安定していると同時に、その蒸気温度が安定して
いる必要がある。一方、従来構成の蒸気富化装置におい
ては、所定温度の蒸気を安定的に生成して、生成される
蒸気を下手側に備えられる機器に供給する構成が一般的
に取られており、このような構成のものでは、上述のご
み発電システムに採用する場合は、蒸気量の変動が起き
やすい。従って、本発明の目的は、過熱器から生成され
る蒸気の蒸気量が経時的に安定して確保されるととも
に、その蒸気温度の変動も低く抑えられ、例えば、ごみ
発電システムに好適に使用することが可能な燃焼式過熱
器と得るとともに、こういった燃焼式過熱器の設計方法
を得ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明による燃焼式過熱器の特徴構成は、過熱部の集中
熱容量系としての過熱部時定数と水噴霧部の集中熱容量
系としての水噴霧部時定数とが、概同一に設定されてい
ることにある。一方、本発明による燃焼式過熱器の設計
方法の特徴手段は、過熱部と水噴霧部とを夫々集中熱容
量系とみなし、夫々の部位の時定数である過熱部時定数
と水噴霧部時定数とを概一致させて、過熱部と水噴霧部
とを設計することにあり、その作用・効果は以下の通り
である。

【０００５】

【作用】過熱器の蒸気流路には、燃焼ガスにより内部を
流れる蒸気が過熱される過熱部と、過熱炉外部に備えら
れ、蒸気量の不足に伴って不足する水量が補給される水
噴霧部がある。ここで、蒸気の補給をおこなうために水
の補給をおこなうと、過熱部では蒸気温度を上昇させる
のに時間遅れを生じ、水噴霧部では蒸気温度を下降させ
るのに同じく時間遅れを伴う。これらの遅れの時定数
は、系をそれぞれ集中熱容量計とみなすことが可能であ
るため、以下のような式で評価できる。 時定数＝（密度×体積×比熱）／（熱貫流率×管内表面
積） さて、前記過熱部・水噴霧部での伝熱量変化を検討する
と、上記の時定数に関して両者部位で何ら操作がされて
いないと、これら各部位の構造に従って、例えば、過熱
部での吸熱の時間遅れと水噴霧部での放熱の時間遅れと
に差が生じる。この状況を図５に示した。図は、水噴霧
に伴う過熱部と水噴霧部での測定蒸気温度から求めた伝
熱量変化を示しており、実線が水噴霧部のもの、破線が
過熱部のもの、さらに、一点鎖線が両者を合わせたもの
を示している。同図に示す例では、水噴霧部の時間遅れ
τ_dが過熱部の時間遅れτ_sより大きいことを示してい
る。

【０００６】そして、この例のように水噴霧部での放熱
の時間遅れが大きく、過熱部での吸熱の時間遅れとに差
があると、この差が、蒸気温度を一時的に上昇させる。
ここで、本願の燃焼式過熱器においては、蒸気富化制御
機構を備えることにより、蒸気が不足した時、不足分を
水噴霧し、噴霧水量に見合った熱量を追加して蒸気温度
を一定にしようとする。しかし、噴霧前後でバランスす
る熱量を急に与えると過熱部と噴霧部での時間遅れの差
で蒸気に必要以上に熱量が与えられ、蒸気温度が設定温
度から一度上昇し、後に回復する。この状況が図６に示
されている。同図は、燃焼式過熱器出口に於ける蒸気温
度の時間的変化を実線で示しており、一時的な温度上昇
が発生することが判る。

【０００７】そこで、本願の燃焼式過熱器では、上述の
蒸気富化制御機構を備えるとともに、過熱部時定数と水
噴霧部時定数を概同一とするため、前述の水噴霧部での
放熱の時間遅れと過熱部での吸熱の時間遅れとがほぼ一
致する。結果、この過熱器からの蒸気量のみならず蒸気
温度をも安定した状態を過熱器出口側で得ることができ
る。

【０００８】一方、本願の燃焼式過熱器の設計方法を採
用する場合は、上記同様の理由で、生成される蒸気量及
び蒸気温度が経時的に安定した燃焼式過熱器を得ること
ができる。

【０００９】

【発明の効果】従って、燃焼式過熱器の水噴霧部と過熱
部の水噴霧時の時間遅れを一致するように設計すること
により、蒸気温度は見かけ上時間遅れがななくなり、例
えば、このような燃焼式過熱器を採用するごみ発電シス
テムにおいて、制御性を向上し、良好な安定発電操業を
おこなうことができる。

【００１０】

【実施例】以下本願の実施例を図面に基づいて説明す
る。説明にあたっては、本願の燃焼式過熱器４を使用し
たゴミ発電システム１００とともに説明する。図１に、
このゴミ発電システム１００の構成が示されている。こ
のシステム１００はゴミ焼却炉１に備えられる廃熱ボイ
ラ２と、この廃熱ボイラ２に接続される燃焼式過熱器４
と、発電用のタービン３とを備えて構成されている。従
って、ゴミ焼却炉１での発生熱を利用する廃熱ボイラ２
を用いて発生される蒸気は、燃焼式過熱器４に送られて
さらに過熱され、その後、発電用のタービン３に導かれ
て、発電の用に供される。燃焼式過熱器４は、図２から
図４に示すように、蒸気流路６内を流れる蒸気を燃焼ガ
スによって過熱する過熱炉７を備えるとともに、過熱器
４から生成される蒸気の温度または量を調節する注水機
構５と、その注水機構５の下流側の蒸気流路６に設けた
ドレン検出機構９を備えている。

【００１１】即ち、この燃焼式過熱器４の蒸気流路６
は、路内を流れる蒸気が過熱炉７内で燃焼する燃焼ガス
によって過熱される過熱部６ａと、給水噴霧操作される
水噴霧部６ｂとを備えた構成となっている。そして、ご
み発電を安定しておこなう目的から、蒸気流路６に流入
する蒸気量が所定流量（発電機に必要な蒸気流量）より
不足した場合に、不足蒸気量を補う水量の水を水噴霧部
６ｂより噴霧するとともに、水量に見合う熱量を過熱部
６ａに追加供給する蒸気富化制御機構１０を備えてい
る。即ち、廃熱ボイラ２で発生した蒸気量が不足してい
ることが過熱器４の上流側に設けた流量センサ１１で検
出された場合に、適量の水噴霧をおこなって、所定蒸気
流量が確保できる。

【００１２】前述の過熱部６ａは、過熱炉７内に、複数
の伝熱管４ａを炉の上下方向に並設して構成される三つ
の伝熱管群４ｂとして構成されている。一方、前述の水
噴霧部６ｂは、伝熱管群４ｂ間に亘って設けられる蒸気
流路６であって、過熱炉７内から蒸気を外部に導き、さ
らに過熱炉７内に戻すべく、その炉頭上部側に設けられ
る一対の炉頭側蒸気流路部１２を備えて構成されてい
る。そして、この一対の炉頭側蒸気流路部１２に対し
て、注水機構５が備えられており、これは、炉頭側蒸気
流路部１２に取り付けた注水路５ａと噴霧水量制御弁５
ｂとで構成されている。そして、これが蒸気富化制御手
段１０ａによって制御される。従って、蒸気富化制御手
段１０ａ、注水機構５が上述の蒸気富化制御機構１０に
含まれる。

【００１３】さて、上記の構成に加えて、本願の燃焼式
過熱器４においては、前記過熱部６ａの集中熱容量系と
しての過熱部時定数＝（過熱部密度×過熱部体積×過熱
部比熱）／（過熱部熱貫流率×過熱部管内表面積）と前
記水噴霧部６ｂの集中熱容量系としての水噴霧部時定数
＝（水噴霧部密度×水噴霧部体積×水噴霧部比熱）／
（水噴霧部熱貫流率×水噴霧部管内表面積）とが、概同
一に設定されている。ここで、過熱部時定数と水噴霧部
時定数とを考慮する場合は、上記蒸気流路６の各部６
ａ、６ｂに付属する機器を含めた系の時定数が対象とな
る。即ち、図１の破線で囲んだ部位が、水噴霧部６ｂの
時定数を決定するための系となり、二点鎖線で囲んだ部
位が過熱部６ａの時定数を決定するための系となる。従
って、前者の系は、注水機構５、炉頭側蒸気流路部１２
が含まれ、後者の系には上記三つの伝熱管群４ｂが含ま
れる。そして、この時定数は、該当部位に構成部材の材
質、肉厚、さらには、フィン高さ、厚み、ピッチ、さら
には管径を適切に設計することにより調整される。

【００１４】更に、この過熱器４には、図１に示すよう
に排ガスを炉内に再循環（循環量７５％〜９０％）する
循環路１４が備えられており、低空気比燃焼と約９０％
という高い熱効率（過熱量／燃焼熱量）を実現できる。
また、この再循環構造によって蒸気量変動によって追加
蒸気を発生するときの過熱量の制御が容易になる。

【００１５】以上が、本願の燃焼式過熱器４の構成であ
るが、以下、作動状況について説明する。 １ 水噴霧状況 水噴霧性能の確認のため蒸気の過熱度と最大噴霧量の関
係を確認した。最大噴霧量とは、水噴霧時に噴霧水量す
べてがドレンが発生せずに噴霧部で蒸気にできる噴霧量
をいう。ドレン発生の検知は蒸気流路６内の水噴霧後の
蒸気温度の分布、蒸気流路６を構成する配管表面温度の
測定、管表面のサーモグラフィ映像の三者を併用して行
った。結果、過熱度と最大噴霧水量の関係は、一段のみ
の噴霧で蒸気量の１６％、二段で噴霧すれば計２１％の
噴霧が可能であり、二段噴霧可能な本願の燃焼式過熱器
４においては、廃熱ボイラ２からの蒸気量が、所定値に
対して２０％減少したときでも蒸気量は回復できること
が確認できた。 ２．過熱器出口に於ける蒸気量と蒸気温度状況 注水機構５を作動させて水を蒸気流路６内に噴霧し（６
１ｋｇ／ｈ）、蒸気量・蒸気温度の時間遅れをそれぞれ
確認した。結果、蒸気量はほぼ瞬時に回復し、燃焼式過
熱器出口蒸気温度の変動も殆どなかった。

【００１６】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にする為に符号を記すが、該記入により本発明は添
付図面の構成に限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】ゴミ発電装置の構成図

【図２】燃焼式過熱器の縦断面図

【図３】燃焼式過熱器の正面図

【図４】燃焼式過熱器の一部切欠き平面図

【図５】水噴霧に伴う過熱部と水噴霧部での伝熱量変化
を示す図

【図６】燃焼式過熱器出口に於ける蒸気温度を示す図

【符号の説明】

４ 過熱器 ５ 注水機構 ６ 蒸気流路 ６ａ 過熱部 ６ｂ 水噴霧部 １０ 蒸気富化制御機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 二階堂 弘明 兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号 株式会 社クボタ 技術開発研究所内 (56)参考文献 特開 平５−312301（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−5019（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸気流路（６）内を流れる蒸気が過熱さ
   れる過熱部（６ａ）と、前記蒸気流路（６）内を流れる
   蒸気に噴霧給水可能な水噴霧部（６ｂ）とを備え、前記
   蒸気流路（６）に流入する蒸気量が所定流量より不足し
   た場合に、不足蒸気量を補う水量の水を前記水噴霧部
   （６ｂ）に噴霧するとともに、前記水量に見合う熱量を
   前記過熱部（６ａ）に追加供給する蒸気富化制御機構
   （１０）を備えた燃焼式過熱器であって、前記過熱部
   （６ａ）の集中熱容量系としての過熱部時定数と前記水
   噴霧部（６ｂ）の集中熱容量系としての水噴霧部時定数
   とが、概同一に設定されている燃焼式過熱器。
2. 【請求項２】 蒸気流路（６）内を流れる蒸気が過熱さ
   れる過熱部（６ａ）と、前記蒸気流路（６）内を流れる
   蒸気に噴霧給水可能な水噴霧部（６ｂ）とを備え、前記
   蒸気流路（６）に流入する蒸気量が所定流量より不足し
   た場合に、不足蒸気量を補う水量の水を前記水噴霧部
   （６ｂ）に噴霧するとともに、前記水量に見合う熱量を
   前記過熱部（６ａ）に追加供給する蒸気富化制御機構
   （１０）を備えた燃焼式過熱器の設計方法であって、前
   記過熱部（６ａ）と前記水噴霧部（６ｂ）とを夫々集中
   熱容量系とみなし、夫々の部位の時定数である過熱部時
   定数と水噴霧部時定数とを概一致させて、前記過熱部
   （６ａ）と前記水噴霧部（６ｂ）とを設計する燃焼式過
   熱器の設計方法。