JP3673306B2 - 管体清掃装置およびボイラ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は例えばボイラ、燃焼炉、焼却炉、独立過熱器、独立節炭器、各種熱交換器あるいは各種プラントまたは各種産業機器などに設置されている管体の清掃装置に係り、特に管体の壁面に付着、堆積した粉塵類のまわりのガス体を音波により振動させて管壁から除去する管体清掃装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、ボイラの概略構成を示す図である。同図に示されているように火炉１０１の後部に設置されている後部伝熱前壁１０２と、後部伝熱側壁１０３と、後部伝熱隔壁１０４と、後部伝熱後壁１０５によって囲まれている煙道内には、横置過熱器１０６、横置蒸発器１０７、節炭器１０８などが所定の間隔をおいて燃焼ガスの流れ方向に沿って設置されている。
【０００３】
各前記横置過熱器１０６、横置蒸発器１０７、節炭器１０８には多数本の伝熱管１０９が狭い間隔をおいて水平方向に延びており、煙道を流れる高温燃焼ガスＧと伝熱管１０９内を流れる流体との間において熱交換が行われる。
【０００４】
ところで特に微粉炭焚ボイラにおいては前記燃焼ガスＧ中に燃焼灰１１０等が多く含まれており、それが伝熱管１０９の壁面に付着、堆積する。このように伝熱管壁面の周囲に燃焼灰が付着、堆積すると伝熱管１０９の伝熱性能が低下するため、定期的あるいは必要に応じてスートブロワ（図示せず）を起動して、燃焼灰を伝熱管の壁面から除去する方法がとられている。しかし同図に示すように、スートブロワから噴出される水蒸気Ｓは燃焼ガスの流れと同じく伝熱管１０９列に沿って上から下、あるいは下から上へ流れるため、上側の伝熱管１０９と下側の伝熱管１０９の間に除去されない燃焼灰１１０の堆積部分が残る。
【０００５】
図１０はこの状態を示しており、燃焼ガスＧは伝熱管１０９の間を通過する時に伝熱管１０９の後流部でカルマン渦１１１を発生して流速が低下するため、伝熱管１０９と伝熱管１０９の間に燃焼灰１１０のブリッジが残る。比較的粒径の大きい燃焼灰は燃焼ガスＧとともに流れるため、伝熱管１０９への付着、堆積は少ないが、最近は脱硝燃焼を行うため粒径の小さい燃焼灰１１０が多くなり、それに応じて伝熱管１０９への付着、堆積量が多くなってきている。
【０００６】
従来、熱交換器内の粉塵を除去するため、例えば特公昭６２−２７３５７号公報に記載されているような方法が提案されている。図１１はこの粉塵除去方法を説明するための図で、ケーシング１２１内には伝熱管群１２２が水平に配置され、この伝熱管群１２２と同一高さの所に音響発生装置（サイレン）１２３が設置され、さらにケーシング１２１の上流側には粒状物質１２４を投入する投入シュート１２５が設けられている。
【０００７】
前記音響発生装置（サイレン）１２３によって音響的な振動を発生させて、伝熱管群１２２に付着、堆積している燃焼灰を除去する際に、燃焼灰よりもかなり大きい粒径を有する例えば砂などの粒状物質１２４をシュート１２５から投入して清掃面に付加せしめ、振動を受ける面積を実質的に増加することにより、燃焼灰が伝熱管１２２から脱落するのを促進させる方法である。
【０００８】
この他、特表昭５５−５００３５５号公報に記載されているような音波洗浄方法も公知である。この方法は、少なくとも２つの音波発生装置を所定の間隔おいて配置し、一方の音波発生装置から発せられる圧力波との関連において、他方の音波発生装置から発せられる圧力波の位相差を制御することにより増幅した圧力波を発生させて、その圧力波を清掃すべき面に集中させる方法である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図１１に示した熱交換器内の粉塵除去方法では、使用済の粒状物質を粉塵から分離して回収する機構が必要となり、また投入した粒状物質が熱交換器の内部の凹部や隙間などに溜まることがあるから、それを除去する作業も必要となり、そのために装置の大型化、粉塵除去後の作業の煩雑化し、またコスト高を招く。
【００１０】
また、音響発生装置１２３が伝熱管群１２２と同一高さの所に設置されているため、音響発生装置１２３から発せられた音波が直ちに伝熱管群１２２に当たって乱される。そのためケーシング１２１内全体を共振モードにすることが難しく、各伝熱管群１２２に付着、堆積した燃焼灰を振動によって確実に落下させるためには各伝熱管群１２２に対応して音響発生装置１２３を設置する必要があり、音響発生装置１２３の設置個数が増え、この点からも装置の大型化とコスト高を招く。
【００１１】
一方、後者の音波洗浄方法では、増幅した圧力波を清掃すべき面に集中させ局部的に清掃することは可能であるが、例えばボイラ装置の煙道内のように広い空間内に多数の熱交換器が設置され、各熱交換器の伝熱管群に燃焼灰が堆積している場合には、増幅される圧力波の指向方向を変えて圧力波を清掃すべき面に対して走査させる必要があり、そのために走査時間が長くかかり、作業能率が悪い。
【００１２】
また、この圧力波の走査は２つ以上の圧力波の位相差制御によってなされるが、走査個所によって音波発生装置と清掃すべき面との距離が逐次変化するため、圧力波の位相差制御が非常に難しいなどの問題点を有している。
【００１３】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を有効に解消し、装置を余り大きくすることなく、清掃効率の良好な管体清掃装置およびボイラ装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の第 1 の手段は、管体群と隣の管体群との間に形成される空洞部に対向するように音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記管体群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している塵埃類を除去するとともに、
前記音波発生装置から発せられる音波の周波数が変更可能になっており、前記空洞部が共振モードになったかどうかを検知する検知手段が設けられ、その検知手段によって空洞部の共振モードが検知される周波数領域に前記音波発生装置の周波数を調整するように構成されていることを特徴とするものである。
本発明の第２の手段は、管体群と隣の管体群との間に形成される空洞部と対向するように音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記管体群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している塵埃類を除去するとともに、
前記空洞部内に形成される共振波形の腹の位置が調整できるように構成されていることを特徴とするものである。
本発明の第３の手段は、管体群と隣の管体群との間に形成される空洞部と対向するように音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記管体群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している塵埃類を除去するとともに、
前記音波発生装置から発せられる音波の周波数が変更可能になっており、前記空洞部の雰囲気温度によって前記音波発生装置の周波数が調整できるように構成されていることを特徴とするものである。
本発明の第４の手段は、伝熱管群が所定の間隔をおいて燃焼ガスの流れ方向に沿って配置され、伝熱管群と隣の伝熱管群との間に形成される空洞部に対向するように炉外に音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記伝熱管群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している燃焼灰を除去するとともに、
前記空洞部に形成される共振波形の腹の位置が調整できるように構成されていることを特徴とするものである。
本発明の第５の手段は、伝熱管群が所定の間隔をおいて燃焼ガスの流れ方向に沿って配置され、伝熱管群と隣の伝熱管群との間に形成される空洞部に対向するように炉外に音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記伝熱管群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している燃焼灰を除去するとともに、
前記音波発生装置が燃焼ガスの流れ方向に沿って複数設置され、各音波発生装置から発せられる音波の周波数が変更可能になっており、前記空洞部の雰囲気温度によって前記音波発生装置の周波数が調整できるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
【作用】
例えば図１１に示すように音波発生装置から発振された音波を管体群中に直接発振すると、数多くの管体からの小さな反射音が多数発生し、発振音波のエネルギーが音波の進向とともに減少する。また面積の大きな壁からの反射波が発生することで発振音波のエネルギーが減少することになる。
【００１６】
これらの減少を回避するため、本発明では管体が無く減衰の少ない空洞部（キャビティ）に反射音と同期する周波数（音波発生装置の設置位置と壁との距離、さらに音波が通過する雰囲気温度に対応した同期モードにより決定される周波数）を発振させ、発振波エネルギーと反射波エネルギーを重畳させて、大きな共振エネルギーを空洞部内に連続的に保持し、その後、小さな反射波が多数発生する管体群内に増幅された振動エネルギーを徐々に拡大させ、管体群全体を空洞部内と同じ振動を発生させることで、管体の間の空間にも大きな振動が発生し、管体壁面上に堆積した粉塵を効果的に除去することができる。
【００１７】
【実施例】
本発明の実施例を図とともに説明する。図１はボイラ装置の後部伝熱部の正面図、図２はその後部伝熱部の側面図である。
【００１８】
図１ならびに図２に示すように炉壁１で囲まれた煙道内には伝熱管群２が幾つかの部分に分かれて配置され、個々の伝熱管群２の間には点検用に人が通れる空洞部（キャビティ）３が形成されている。前記伝熱管群２は例えば前述の横置過熱器、横置蒸発器、節炭器などに相当し、各伝熱管が水平方向に配置されている。
【００１９】
図２に示すように、炉壁１の前記空洞部３と対向する所定位置には２個が一対になって音波発生装置４が設置されている。この実施例の場合、音波発生装置４が炉幅方向において対向しており、しかも１つおきの空洞部３ａ、３ｃと対向する位置に設置されているが、他の空洞部３ｂには設置されていない。
【００２０】
前記音波発生装置４は、図３に示されているようにスピーカ５と、それの先端部に取りつけられた共鳴管６とから構成されている。本実施例ではスピーカ５を使用したが、それ以外に例えば流体的音波発生装置などの発振装置も使用可能である。
【００２１】
対になっている音波発生装置４は周波数が調整可能になっており、図２に示すように対向する両側の音波発生装置４によりそれに対応する空洞部３内が共振モード７となり、その共振モードは伝熱管群２が設置されている領域ならびに音波発生装置４が設置されていない空洞部３にもおよび、最終的には煙道内全体が共振モードとなる。
【００２２】
図２に示すように炉壁１に燃焼灰脱落検出装置（本実施例では監視カメラを使用したが、他の構成の燃焼灰脱落検出装置を用いることも可能である。）８を設置し、それによって伝熱管群２からの燃焼灰の脱落状態を見ながら音波発生装置４の周波数を調整して、燃焼灰の脱落が激しいところで、すなわち共振モードになったところで音波発生装置４の周波数を固定する。
【００２３】
図４は、空洞部内を共振させることにより伝熱管群２を振動させるメカニズムを説明するための図である。同図に示すように、音波発生装置４により空洞部３内で音圧が高い部分と低い部分が定常的に発生して共振モードになると（図中の矢印Ｘで音圧の高低の方向を示し、音圧分布を点線波形イで表示）、音圧の高い部分から伝熱管群２側に空気粒子が移動し、音圧の低い部分は伝熱管群２側より空気粒子が排出される（図中の矢印Ｙで空気粒子の１次移動方向を表示）。さらに伝熱管群２内においても空洞部３内と同様の周波数で音圧が高い部分と低い部分が発生し、空気粒子の移動が生じる（図中の矢印Ｚで空気粒子の２次移動方向を表示）。このようにして空洞部３ならびに伝熱管群２の領域おいて共振が生じ、その時の音圧分布は点線波形イとなり、ガス体の振動幅は実線波形ロで表示しており、この共振により各伝熱管に付着、堆積している燃焼灰が激しく落下され、燃焼灰の除去が有効に進行する。
【００２４】
なお、共振振動が発生していない時には伝熱管群２中の振動は反射波等との位相差により減衰してしまうので、伝熱管群２の上下にある空洞部３内の共振は同位相、同周波数であることが不可欠である。
【００２５】
図５は本発明の第２実施例を説明するための図で、実線波形は振動幅を示すものであり、前記第１実施例と同様に炉壁１には対向して音波発生装置４ａ、４ｂが設置されている（この図では１対の音波発生装置４ａ、４ｂしか記載されていないが、実際には例えば図２に示されているように全体としては複数対の音波発生装置４、４が設置されている）。
【００２６】
そして音波発生装置４ａ、４ｂの起動モードが時間的に変化している。すなわち、最初、同図（１）に示すように音波発生装置４ａの方だけ一例として周波数７４．５Ｈｚで音波を発して共振させ、他方の音波発生装置４ｂからは音波を発生していない（Ａモード）。この状態でしばらく燃焼灰の脱落状態を監視して燃焼灰の脱落が少なくなると、今度は同図（２）に示すように音波発生装置４ｂの方だけ一例として周波数７４．５Ｈｚで音波を発して共振させ、他方の音波発生装置４ａからは音波を発生していない（Ｂモード）。またこの状態でしばらく燃焼灰の脱落状態を監視して燃焼灰の脱落が次第に少なくなると、次に音波発生装置４ａ、４ｂの両方とも一例として周波数８２．７Ｈｚで音波を発して共振させる（Ｃモード）。
【００２７】
同図の振動波形において破線の斜線部分で示されている領域は振幅の大きい領域（振動の腹の部分）を示しており、その領域で燃焼灰の脱落が激しく起こっており、Ａモード→Ｂモード→Ｃモードと順番に繰り返したり、あるいはそれらのモードを適宜変更することにより、燃焼灰の脱落が激しく起こる領域が移行して、伝熱管群の略全域にわたって燃焼灰を有効に除去することができる。
【００２８】
この実施例では燃焼灰の脱落状態を監視しながらモードの変更を行ったが、予め時間を設定してモードの切り替えを自動的に行うようにしてもよい。
【００２９】
図６は本発明の第３実施例を説明するための図であり、前記第１実施例と同様に炉壁１の空洞部３と対応する位置には燃焼ガスＧの流れ方向に沿って複数対の音波発生装置４ａ〜４ｆが設置されている。
【００３０】
この実施例では音速が雰囲気温度によって変わることを考慮して、燃焼ガスＧの温度によって音波発生装置４の周波数を違わせている。具体的には、燃焼ガス流れ方向上流側に設置されている音波発生装置４ａ、４ｂに挟まれている空洞部３ａのガス温度は約８２５℃であり、音波発生装置４ａ、４ｂの周波数は７４．５Ｈｚに設定されている。次の音波発生装置４ｃ、４ｄに挟まれている空洞部３ｂのガス温度は約５００℃であり、音波発生装置４ｃ、４ｄの周波数は５６．９Ｈｚに設定されている。さらに次の音波発生装置４ｅ、４ｆに挟まれている空洞部３ｃのガス温度は約３４０℃であり、音波発生装置４ｅ、４ｆの周波数は４７．４Ｈｚに設定されている。このようにガス温度が低くなるに従って音波発生装置４の周波数も低く設定されている。
【００３１】
この実施例では１段目の音波発生装置４ａ、４ｂの周波数を７４．５Ｈｚ、２段目の音波発生装置４ｃ、４ｄの周波数を５６．９Ｈｚ、３段目の音波発生装置４ｅ、４ｆの周波数を４７．４Ｈｚに設定したが、本発明者に実験によれば各段の音波発生装置４の周波数はある範囲内で調整可能である。すなわち、前述のような温度分布においては、１段目の音波発生装置４ａ、４ｂの周波数は６４〜８５Ｈｚ、２段目の音波発生装置４ｃ、４ｄの周波数は４６〜６７Ｈｚ、３段目の音波発生装置４ｅ、４ｆの周波数は３７〜５８Ｈｚの範囲内で調整可能である。もちろんこの周波数の調整範囲は、周波数共振モード数や雰囲気温度によって変更される。
【００３２】
このように燃焼ガスＧの温度を考慮して音波発生装置４の周波数を設定することにより、炉壁１内をより確実に共振モードにすることができる。
【００３３】
図７は本発明の第４実施例を説明するための図で、空洞部３内に配置されている一方の音波発生装置４ａの周波数を設定し、発信器９ａと増幅率が可変のパワー増幅器１０ａとにより駆動される。他方の音波発生装置４ｂの周波数は音波発生装置４ａの設定値に対して可変で、発信器９ｂと増幅率が可変のパワー増幅器１０ｂとにより駆動される。
【００３４】
この音波発生装置４ａ，４ｂが配置されている空洞部３より下方の適当な所に燃焼灰の落下状態を監視するための検出装置（例えば監視カメラ）１１が配置され、それの出力信号は画像処理装置１２に入力され、画像処理装置１２にはモニタテレビ１３が接続されているとともに、画像処理装置１２の出力信号は周波数制御器１４に入力され、それに基づいて前記発信器９ａと９ｂが駆動制御される。
【００３５】
清掃中、燃焼灰が降下している状態を検出装置（例えば監視カメラ）１１で監視し、その信号を画像処理装置１２に送り、処理された画像データをテレビ１３に入力して降下状態をテレビ１３でモニタリングする。
【００３６】
周波数制御器１４には燃焼灰の降下量と画像処理装置１２の出力との関係が予め記憶されており、画像処理装置１２からの出力に基づいて燃焼灰の降下量が最も多いか否か、すなわち煙道内が共振モードになっているか否かの判断が周波数制御器１４内でなされ、共振モードに達していなければ周波数制御器１４からの信号によって発信器９ａと９ｂの発振周波数を逐次自動的に変更する。そして共振モードに達っすると発信器９ａ，９ｂの発振周波数を固定して、一定時間あるいは検出装置（例えば監視カメラ）１１で監視しながら清掃を続行するシステムになっている。
【００３７】
図８は本発明の第５実施例を説明するための図で、前記実施例では共振モードになったか否かを検知する手段としてカメラを使用したが、本実施例ではレーザ光の透過光強度の変化によって共振モードになったか否かを検知する。すなわち適当な所に燃焼灰の落下状態を監視するためのレーザ光源１５と光センサ１６とが、炉幅方向（または炉奥方向）に対向して配置されている。
【００３８】
前記レーザ光源１５は一定出力になるように駆動され、降下灰の量が少ない場合にはレーザ光源１５から照射されたレーザ光は降下灰による散乱を殆ど受けずに光センサ１６に到達するから、光センサ１６の出力は大である。降下灰の量が多くなるとレーザ光は降下灰によって散乱するから、それに応じて光センサ１６の出力は減少する。
【００３９】
従って灰の降下量とレーザ光の透過光強度（光センサ１６の出力）との関係を予め求めておき、光センサ１６の出力を周波数制御器１４に入力して、光センサ１６の出力が小さくなるように発振器９ａと９ｂの周波数を微調整することにより、共振モードに導くことができる。
【００４０】
前記各実施例では音波発生装置４を炉幅方向において対向させているが、それとは直交する炉奥方向において対向させることもできるし、また、各空洞部３に対応させて音波発生装置４を設置することも可能である。
【００４１】
前記実施例のように音波発生装置４、燃焼灰脱落検出装置（例えば監視カメラ８、１１）、レーザ光源１５、光センサ１６などを炉外に設置することで、清掃すべき装置或いは機器（本実施例の場合はボイラ装置）の運転中に塵埃類の除去ができ、清掃のために装置或いは機器の運転を止める必要がない。また運転中に清掃装置を起動すれば、管体への塵埃類の付着を防止することができる。
【００４２】
本発明の管体清掃装置をボイラ装置に適用する場合、音波発生装置の周波数は３０〜１５０Ｈｚの範囲が適当で、前述のようにガス体の温度などによって周波数を変えるときには設定周波数の１０％の範囲で調節可能である。
【００４３】
前記実施例ではボイラ装置の伝熱管に付着、堆積する燃焼灰の除去について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば各種プラントまたは各種産業機器などに設置されている管体の清掃にも適用可能である。
【００４４】
【発明の効果】
音波発生装置から発振された音波を管体群中に直接発振すると、数多くの管体からの小さな反射音が多数発生し、発振音波のエネルギーが音波の進向とともに減少する。また面積の大きな壁からの反射波が発生することで発振音波のエネルギーが減少することになる。
【００４５】
これらの減少を回避するため、本発明では管体が無く減衰の少ない空洞部に反射音と同期する周波数（音波発生装置の設置位置と壁との距離、さらに音波が通過する雰囲気温度に対応した同期モードにより決定される周波数）を発振させ、発振波エネルギーと反射波エネルギーを重畳させて、大きな共振エネルギーを空洞部内に連続的に保持し、その後、小さな反射波が多数発生する管体群内に増幅された振動エネルギーを徐々に拡大させ、管体群全体を空洞部内と同じ振動を発生させることで、管体の間の空間にも大きな振動が発生し、管体壁面上に堆積した粉塵を効果的に除去することができる。
【００４６】
また従来提案されたような粒状物質投入シュート、粒状物質を再利用するための循環系統、ならびに落下した塵埃類から粒状物質を分離する機構などが不要となり、そのために装置の大型化、コスト高などが解消される。
【００４７】
さらに周波数を調整して管体を含む空洞内を共振モードにすれば良いだけであるから、従来提案されたように位相制御により音波に指向性を与えて局部的に塵埃類を除去する方法に較べて制御が簡単で、しかも全体的に塵埃類の除去が行われ、そのため効率が高いなどの特長を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るボイラ装置の後部伝熱部の正面図である。
【図２】その後部伝熱部の側面図である。
【図３】この実施例で使用される音波発生装置の側面図である。
【図４】空洞内を共振させるメカニズムを示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る共振モードの腹の位置を移行させる運用法を示す説明図である。
【図６】本発明の第３実施例に係るガス温度が変化した状況での運用法を示す説明図である。
【図７】本発明の第４実施例に係る清掃装置の概略構成図である。
【図８】本発明の第５実施例に係る清掃装置の概略構成図である。
【図９】ボイラ装置の概略構成図である。
【図１０】そのボイラ装置内の伝熱管に燃焼灰が付着、堆積する状態を示す説明図である。
【図１１】従来提案された清掃装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 炉壁
２ 伝熱管群
３ 空洞部
４ 音波発生装置
５ スピーカ
６ 共鳴管
７ 共振モード
８ 燃焼灰脱落検出装置
９ａ，９ｂ 発振器
１０ａ，１０ｂ パワー増幅器
１１ 燃焼灰脱落検出装置
１２ 画像処理装置
１３ モニタテレビ
１４ 周波数制御器
１５ レーザ光源
１６ 光センサ
Ｇ 燃焼ガス
【産業上の利用分野】
本発明は例えばボイラ、燃焼炉、焼却炉、独立過熱器、独立節炭器、各種熱交換器あるいは各種プラントまたは各種産業機器などに設置されている管体の清掃装置に係り、特に管体の壁面に付着、堆積した粉塵類のまわりのガス体を音波により振動させて管壁から除去する管体清掃装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、ボイラの概略構成を示す図である。同図に示されているように火炉１０１の後部に設置されている後部伝熱前壁１０２と、後部伝熱側壁１０３と、後部伝熱隔壁１０４と、後部伝熱後壁１０５によって囲まれている煙道内には、横置過熱器１０６、横置蒸発器１０７、節炭器１０８などが所定の間隔をおいて燃焼ガスの流れ方向に沿って設置されている。
【０００３】
各前記横置過熱器１０６、横置蒸発器１０７、節炭器１０８には多数本の伝熱管１０９が狭い間隔をおいて水平方向に延びており、煙道を流れる高温燃焼ガスＧと伝熱管１０９内を流れる流体との間において熱交換が行われる。
【０００４】
ところで特に微粉炭焚ボイラにおいては前記燃焼ガスＧ中に燃焼灰１１０等が多く含まれており、それが伝熱管１０９の壁面に付着、堆積する。このように伝熱管壁面の周囲に燃焼灰が付着、堆積すると伝熱管１０９の伝熱性能が低下するため、定期的あるいは必要に応じてスートブロワ（図示せず）を起動して、燃焼灰を伝熱管の壁面から除去する方法がとられている。しかし同図に示すように、スートブロワから噴出される水蒸気Ｓは燃焼ガスの流れと同じく伝熱管１０９列に沿って上から下、あるいは下から上へ流れるため、上側の伝熱管１０９と下側の伝熱管１０９の間に除去されない燃焼灰１１０の堆積部分が残る。
【０００５】
図１０はこの状態を示しており、燃焼ガスＧは伝熱管１０９の間を通過する時に伝熱管１０９の後流部でカルマン渦１１１を発生して流速が低下するため、伝熱管１０９と伝熱管１０９の間に燃焼灰１１０のブリッジが残る。比較的粒径の大きい燃焼灰は燃焼ガスＧとともに流れるため、伝熱管１０９への付着、堆積は少ないが、最近は脱硝燃焼を行うため粒径の小さい燃焼灰１１０が多くなり、それに応じて伝熱管１０９への付着、堆積量が多くなってきている。
【０００６】
従来、熱交換器内の粉塵を除去するため、例えば特公昭６２−２７３５７号公報に記載されているような方法が提案されている。図１１はこの粉塵除去方法を説明するための図で、ケーシング１２１内には伝熱管群１２２が水平に配置され、この伝熱管群１２２と同一高さの所に音響発生装置（サイレン）１２３が設置され、さらにケーシング１２１の上流側には粒状物質１２４を投入する投入シュート１２５が設けられている。
【０００７】
前記音響発生装置（サイレン）１２３によって音響的な振動を発生させて、伝熱管群１２２に付着、堆積している燃焼灰を除去する際に、燃焼灰よりもかなり大きい粒径を有する例えば砂などの粒状物質１２４をシュート１２５から投入して清掃面に付加せしめ、振動を受ける面積を実質的に増加することにより、燃焼灰が伝熱管１２２から脱落するのを促進させる方法である。
【０００８】
この他、特表昭５５−５００３５５号公報に記載されているような音波洗浄方法も公知である。この方法は、少なくとも２つの音波発生装置を所定の間隔おいて配置し、一方の音波発生装置から発せられる圧力波との関連において、他方の音波発生装置から発せられる圧力波の位相差を制御することにより増幅した圧力波を発生させて、その圧力波を清掃すべき面に集中させる方法である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図１１に示した熱交換器内の粉塵除去方法では、使用済の粒状物質を粉塵から分離して回収する機構が必要となり、また投入した粒状物質が熱交換器の内部の凹部や隙間などに溜まることがあるから、それを除去する作業も必要となり、そのために装置の大型化、粉塵除去後の作業の煩雑化し、またコスト高を招く。
【００１０】
また、音響発生装置１２３が伝熱管群１２２と同一高さの所に設置されているため、音響発生装置１２３から発せられた音波が直ちに伝熱管群１２２に当たって乱される。そのためケーシング１２１内全体を共振モードにすることが難しく、各伝熱管群１２２に付着、堆積した燃焼灰を振動によって確実に落下させるためには各伝熱管群１２２に対応して音響発生装置１２３を設置する必要があり、音響発生装置１２３の設置個数が増え、この点からも装置の大型化とコスト高を招く。
【００１１】
一方、後者の音波洗浄方法では、増幅した圧力波を清掃すべき面に集中させ局部的に清掃することは可能であるが、例えばボイラ装置の煙道内のように広い空間内に多数の熱交換器が設置され、各熱交換器の伝熱管群に燃焼灰が堆積している場合には、増幅される圧力波の指向方向を変えて圧力波を清掃すべき面に対して走査させる必要があり、そのために走査時間が長くかかり、作業能率が悪い。
【００１２】
また、この圧力波の走査は２つ以上の圧力波の位相差制御によってなされるが、走査個所によって音波発生装置と清掃すべき面との距離が逐次変化するため、圧力波の位相差制御が非常に難しいなどの問題点を有している。
【００１３】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を有効に解消し、装置を余り大きくすることなく、清掃効率の良好な管体清掃装置およびボイラ装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の第 1 の手段は、管体群と隣の管体群との間に形成される空洞部に対向するように音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記管体群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している塵埃類を除去するとともに、
前記音波発生装置から発せられる音波の周波数が変更可能になっており、前記空洞部が共振モードになったかどうかを検知する検知手段が設けられ、その検知手段によって空洞部の共振モードが検知される周波数領域に前記音波発生装置の周波数を調整するように構成されていることを特徴とするものである。
本発明の第２の手段は、管体群と隣の管体群との間に形成される空洞部と対向するように音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記管体群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している塵埃類を除去するとともに、
前記空洞部内に形成される共振波形の腹の位置が調整できるように構成されていることを特徴とするものである。
本発明の第３の手段は、管体群と隣の管体群との間に形成される空洞部と対向するように音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記管体群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している塵埃類を除去するとともに、
前記音波発生装置から発せられる音波の周波数が変更可能になっており、前記空洞部の雰囲気温度によって前記音波発生装置の周波数が調整できるように構成されていることを特徴とするものである。
本発明の第４の手段は、伝熱管群が所定の間隔をおいて燃焼ガスの流れ方向に沿って配置され、伝熱管群と隣の伝熱管群との間に形成される空洞部に対向するように炉外に音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記伝熱管群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している燃焼灰を除去するとともに、
前記空洞部に形成される共振波形の腹の位置が調整できるように構成されていることを特徴とするものである。
本発明の第５の手段は、伝熱管群が所定の間隔をおいて燃焼ガスの流れ方向に沿って配置され、伝熱管群と隣の伝熱管群との間に形成される空洞部に対向するように炉外に音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記伝熱管群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している燃焼灰を除去するとともに、
前記音波発生装置が燃焼ガスの流れ方向に沿って複数設置され、各音波発生装置から発せられる音波の周波数が変更可能になっており、前記空洞部の雰囲気温度によって前記音波発生装置の周波数が調整できるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
【作用】
例えば図１１に示すように音波発生装置から発振された音波を管体群中に直接発振すると、数多くの管体からの小さな反射音が多数発生し、発振音波のエネルギーが音波の進向とともに減少する。また面積の大きな壁からの反射波が発生することで発振音波のエネルギーが減少することになる。
【００１６】
これらの減少を回避するため、本発明では管体が無く減衰の少ない空洞部（キャビティ）に反射音と同期する周波数（音波発生装置の設置位置と壁との距離、さらに音波が通過する雰囲気温度に対応した同期モードにより決定される周波数）を発振させ、発振波エネルギーと反射波エネルギーを重畳させて、大きな共振エネルギーを空洞部内に連続的に保持し、その後、小さな反射波が多数発生する管体群内に増幅された振動エネルギーを徐々に拡大させ、管体群全体を空洞部内と同じ振動を発生させることで、管体の間の空間にも大きな振動が発生し、管体壁面上に堆積した粉塵を効果的に除去することができる。
【００１７】
【実施例】
本発明の実施例を図とともに説明する。図１はボイラ装置の後部伝熱部の正面図、図２はその後部伝熱部の側面図である。
【００１８】
図１ならびに図２に示すように炉壁１で囲まれた煙道内には伝熱管群２が幾つかの部分に分かれて配置され、個々の伝熱管群２の間には点検用に人が通れる空洞部（キャビティ）３が形成されている。前記伝熱管群２は例えば前述の横置過熱器、横置蒸発器、節炭器などに相当し、各伝熱管が水平方向に配置されている。
【００１９】
図２に示すように、炉壁１の前記空洞部３と対向する所定位置には２個が一対になって音波発生装置４が設置されている。この実施例の場合、音波発生装置４が炉幅方向において対向しており、しかも１つおきの空洞部３ａ、３ｃと対向する位置に設置されているが、他の空洞部３ｂには設置されていない。
【００２０】
前記音波発生装置４は、図３に示されているようにスピーカ５と、それの先端部に取りつけられた共鳴管６とから構成されている。本実施例ではスピーカ５を使用したが、それ以外に例えば流体的音波発生装置などの発振装置も使用可能である。
【００２１】
対になっている音波発生装置４は周波数が調整可能になっており、図２に示すように対向する両側の音波発生装置４によりそれに対応する空洞部３内が共振モード７となり、その共振モードは伝熱管群２が設置されている領域ならびに音波発生装置４が設置されていない空洞部３にもおよび、最終的には煙道内全体が共振モードとなる。
【００２２】
図２に示すように炉壁１に燃焼灰脱落検出装置（本実施例では監視カメラを使用したが、他の構成の燃焼灰脱落検出装置を用いることも可能である。）８を設置し、それによって伝熱管群２からの燃焼灰の脱落状態を見ながら音波発生装置４の周波数を調整して、燃焼灰の脱落が激しいところで、すなわち共振モードになったところで音波発生装置４の周波数を固定する。
【００２３】
図４は、空洞部内を共振させることにより伝熱管群２を振動させるメカニズムを説明するための図である。同図に示すように、音波発生装置４により空洞部３内で音圧が高い部分と低い部分が定常的に発生して共振モードになると（図中の矢印Ｘで音圧の高低の方向を示し、音圧分布を点線波形イで表示）、音圧の高い部分から伝熱管群２側に空気粒子が移動し、音圧の低い部分は伝熱管群２側より空気粒子が排出される（図中の矢印Ｙで空気粒子の１次移動方向を表示）。さらに伝熱管群２内においても空洞部３内と同様の周波数で音圧が高い部分と低い部分が発生し、空気粒子の移動が生じる（図中の矢印Ｚで空気粒子の２次移動方向を表示）。このようにして空洞部３ならびに伝熱管群２の領域おいて共振が生じ、その時の音圧分布は点線波形イとなり、ガス体の振動幅は実線波形ロで表示しており、この共振により各伝熱管に付着、堆積している燃焼灰が激しく落下され、燃焼灰の除去が有効に進行する。
【００２４】
なお、共振振動が発生していない時には伝熱管群２中の振動は反射波等との位相差により減衰してしまうので、伝熱管群２の上下にある空洞部３内の共振は同位相、同周波数であることが不可欠である。
【００２５】
図５は本発明の第２実施例を説明するための図で、実線波形は振動幅を示すものであり、前記第１実施例と同様に炉壁１には対向して音波発生装置４ａ、４ｂが設置されている（この図では１対の音波発生装置４ａ、４ｂしか記載されていないが、実際には例えば図２に示されているように全体としては複数対の音波発生装置４、４が設置されている）。
【００２６】
そして音波発生装置４ａ、４ｂの起動モードが時間的に変化している。すなわち、最初、同図（１）に示すように音波発生装置４ａの方だけ一例として周波数７４．５Ｈｚで音波を発して共振させ、他方の音波発生装置４ｂからは音波を発生していない（Ａモード）。この状態でしばらく燃焼灰の脱落状態を監視して燃焼灰の脱落が少なくなると、今度は同図（２）に示すように音波発生装置４ｂの方だけ一例として周波数７４．５Ｈｚで音波を発して共振させ、他方の音波発生装置４ａからは音波を発生していない（Ｂモード）。またこの状態でしばらく燃焼灰の脱落状態を監視して燃焼灰の脱落が次第に少なくなると、次に音波発生装置４ａ、４ｂの両方とも一例として周波数８２．７Ｈｚで音波を発して共振させる（Ｃモード）。
【００２７】
同図の振動波形において破線の斜線部分で示されている領域は振幅の大きい領域（振動の腹の部分）を示しており、その領域で燃焼灰の脱落が激しく起こっており、Ａモード→Ｂモード→Ｃモードと順番に繰り返したり、あるいはそれらのモードを適宜変更することにより、燃焼灰の脱落が激しく起こる領域が移行して、伝熱管群の略全域にわたって燃焼灰を有効に除去することができる。
【００２８】
この実施例では燃焼灰の脱落状態を監視しながらモードの変更を行ったが、予め時間を設定してモードの切り替えを自動的に行うようにしてもよい。
【００２９】
図６は本発明の第３実施例を説明するための図であり、前記第１実施例と同様に炉壁１の空洞部３と対応する位置には燃焼ガスＧの流れ方向に沿って複数対の音波発生装置４ａ〜４ｆが設置されている。
【００３０】
この実施例では音速が雰囲気温度によって変わることを考慮して、燃焼ガスＧの温度によって音波発生装置４の周波数を違わせている。具体的には、燃焼ガス流れ方向上流側に設置されている音波発生装置４ａ、４ｂに挟まれている空洞部３ａのガス温度は約８２５℃であり、音波発生装置４ａ、４ｂの周波数は７４．５Ｈｚに設定されている。次の音波発生装置４ｃ、４ｄに挟まれている空洞部３ｂのガス温度は約５００℃であり、音波発生装置４ｃ、４ｄの周波数は５６．９Ｈｚに設定されている。さらに次の音波発生装置４ｅ、４ｆに挟まれている空洞部３ｃのガス温度は約３４０℃であり、音波発生装置４ｅ、４ｆの周波数は４７．４Ｈｚに設定されている。このようにガス温度が低くなるに従って音波発生装置４の周波数も低く設定されている。
【００３１】
この実施例では１段目の音波発生装置４ａ、４ｂの周波数を７４．５Ｈｚ、２段目の音波発生装置４ｃ、４ｄの周波数を５６．９Ｈｚ、３段目の音波発生装置４ｅ、４ｆの周波数を４７．４Ｈｚに設定したが、本発明者に実験によれば各段の音波発生装置４の周波数はある範囲内で調整可能である。すなわち、前述のような温度分布においては、１段目の音波発生装置４ａ、４ｂの周波数は６４〜８５Ｈｚ、２段目の音波発生装置４ｃ、４ｄの周波数は４６〜６７Ｈｚ、３段目の音波発生装置４ｅ、４ｆの周波数は３７〜５８Ｈｚの範囲内で調整可能である。もちろんこの周波数の調整範囲は、周波数共振モード数や雰囲気温度によって変更される。
【００３２】
このように燃焼ガスＧの温度を考慮して音波発生装置４の周波数を設定することにより、炉壁１内をより確実に共振モードにすることができる。
【００３３】
図７は本発明の第４実施例を説明するための図で、空洞部３内に配置されている一方の音波発生装置４ａの周波数を設定し、発信器９ａと増幅率が可変のパワー増幅器１０ａとにより駆動される。他方の音波発生装置４ｂの周波数は音波発生装置４ａの設定値に対して可変で、発信器９ｂと増幅率が可変のパワー増幅器１０ｂとにより駆動される。
【００３４】
この音波発生装置４ａ，４ｂが配置されている空洞部３より下方の適当な所に燃焼灰の落下状態を監視するための検出装置（例えば監視カメラ）１１が配置され、それの出力信号は画像処理装置１２に入力され、画像処理装置１２にはモニタテレビ１３が接続されているとともに、画像処理装置１２の出力信号は周波数制御器１４に入力され、それに基づいて前記発信器９ａと９ｂが駆動制御される。
【００３５】
清掃中、燃焼灰が降下している状態を検出装置（例えば監視カメラ）１１で監視し、その信号を画像処理装置１２に送り、処理された画像データをテレビ１３に入力して降下状態をテレビ１３でモニタリングする。
【００３６】
周波数制御器１４には燃焼灰の降下量と画像処理装置１２の出力との関係が予め記憶されており、画像処理装置１２からの出力に基づいて燃焼灰の降下量が最も多いか否か、すなわち煙道内が共振モードになっているか否かの判断が周波数制御器１４内でなされ、共振モードに達していなければ周波数制御器１４からの信号によって発信器９ａと９ｂの発振周波数を逐次自動的に変更する。そして共振モードに達っすると発信器９ａ，９ｂの発振周波数を固定して、一定時間あるいは検出装置（例えば監視カメラ）１１で監視しながら清掃を続行するシステムになっている。
【００３７】
図８は本発明の第５実施例を説明するための図で、前記実施例では共振モードになったか否かを検知する手段としてカメラを使用したが、本実施例ではレーザ光の透過光強度の変化によって共振モードになったか否かを検知する。すなわち適当な所に燃焼灰の落下状態を監視するためのレーザ光源１５と光センサ１６とが、炉幅方向（または炉奥方向）に対向して配置されている。
【００３８】
前記レーザ光源１５は一定出力になるように駆動され、降下灰の量が少ない場合にはレーザ光源１５から照射されたレーザ光は降下灰による散乱を殆ど受けずに光センサ１６に到達するから、光センサ１６の出力は大である。降下灰の量が多くなるとレーザ光は降下灰によって散乱するから、それに応じて光センサ１６の出力は減少する。
【００３９】
従って灰の降下量とレーザ光の透過光強度（光センサ１６の出力）との関係を予め求めておき、光センサ１６の出力を周波数制御器１４に入力して、光センサ１６の出力が小さくなるように発振器９ａと９ｂの周波数を微調整することにより、共振モードに導くことができる。
【００４０】
前記各実施例では音波発生装置４を炉幅方向において対向させているが、それとは直交する炉奥方向において対向させることもできるし、また、各空洞部３に対応させて音波発生装置４を設置することも可能である。
【００４１】
前記実施例のように音波発生装置４、燃焼灰脱落検出装置（例えば監視カメラ８、１１）、レーザ光源１５、光センサ１６などを炉外に設置することで、清掃すべき装置或いは機器（本実施例の場合はボイラ装置）の運転中に塵埃類の除去ができ、清掃のために装置或いは機器の運転を止める必要がない。また運転中に清掃装置を起動すれば、管体への塵埃類の付着を防止することができる。
【００４２】
本発明の管体清掃装置をボイラ装置に適用する場合、音波発生装置の周波数は３０〜１５０Ｈｚの範囲が適当で、前述のようにガス体の温度などによって周波数を変えるときには設定周波数の１０％の範囲で調節可能である。
【００４３】
前記実施例ではボイラ装置の伝熱管に付着、堆積する燃焼灰の除去について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば各種プラントまたは各種産業機器などに設置されている管体の清掃にも適用可能である。
【００４４】
【発明の効果】
音波発生装置から発振された音波を管体群中に直接発振すると、数多くの管体からの小さな反射音が多数発生し、発振音波のエネルギーが音波の進向とともに減少する。また面積の大きな壁からの反射波が発生することで発振音波のエネルギーが減少することになる。
【００４５】
これらの減少を回避するため、本発明では管体が無く減衰の少ない空洞部に反射音と同期する周波数（音波発生装置の設置位置と壁との距離、さらに音波が通過する雰囲気温度に対応した同期モードにより決定される周波数）を発振させ、発振波エネルギーと反射波エネルギーを重畳させて、大きな共振エネルギーを空洞部内に連続的に保持し、その後、小さな反射波が多数発生する管体群内に増幅された振動エネルギーを徐々に拡大させ、管体群全体を空洞部内と同じ振動を発生させることで、管体の間の空間にも大きな振動が発生し、管体壁面上に堆積した粉塵を効果的に除去することができる。
【００４６】
また従来提案されたような粒状物質投入シュート、粒状物質を再利用するための循環系統、ならびに落下した塵埃類から粒状物質を分離する機構などが不要となり、そのために装置の大型化、コスト高などが解消される。
【００４７】
さらに周波数を調整して管体を含む空洞内を共振モードにすれば良いだけであるから、従来提案されたように位相制御により音波に指向性を与えて局部的に塵埃類を除去する方法に較べて制御が簡単で、しかも全体的に塵埃類の除去が行われ、そのため効率が高いなどの特長を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るボイラ装置の後部伝熱部の正面図である。
【図２】その後部伝熱部の側面図である。
【図３】この実施例で使用される音波発生装置の側面図である。
【図４】空洞内を共振させるメカニズムを示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る共振モードの腹の位置を移行させる運用法を示す説明図である。
【図６】本発明の第３実施例に係るガス温度が変化した状況での運用法を示す説明図である。
【図７】本発明の第４実施例に係る清掃装置の概略構成図である。
【図８】本発明の第５実施例に係る清掃装置の概略構成図である。
【図９】ボイラ装置の概略構成図である。
【図１０】そのボイラ装置内の伝熱管に燃焼灰が付着、堆積する状態を示す説明図である。
【図１１】従来提案された清掃装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 炉壁
２ 伝熱管群
３ 空洞部
４ 音波発生装置
５ スピーカ
６ 共鳴管
７ 共振モード
８ 燃焼灰脱落検出装置
９ａ，９ｂ 発振器
１０ａ，１０ｂ パワー増幅器
１１ 燃焼灰脱落検出装置
１２ 画像処理装置
１３ モニタテレビ
１４ 周波数制御器
１５ レーザ光源
１６ 光センサ
Ｇ 燃焼ガス
Claims (5)
- 管体群と隣の管体群との間に形成される空洞部に対向するように音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記管体群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している塵埃類を除去するとともに、
前記音波発生装置から発せられる音波の周波数が変更可能になっており、前記空洞部が共振モードになったかどうかを検知する検知手段が設けられ、その検知手段によって空洞部の共振モードが検知される周波数領域に前記音波発生装置の周波数を調整するように構成されていることを特徴とする管体清掃装置。 - 管体群と隣の管体群との間に形成される空洞部に対向するように音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記管体群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している塵埃類を除去するとともに、
前記空洞部内に形成される共振波形の腹の位置が調整できるように構成されていることを特徴とする管体清掃装置。 - 管体群と隣の管体群との間に形成される空洞部に対向するように音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記管体群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している塵埃類を除去するとともに、
前記音波発生装置から発せられる音波の周波数が変更可能になっており、前記空洞部の雰囲気温度によって前記音波発生装置の周波数が調整できるように構成されていることを特徴とする管体清掃装置。 - 伝熱管群が所定の間隔をおいて燃焼ガスの流れ方向に沿って配置され、伝熱管群と隣の伝熱管群との間に形成される空洞部に対向するように炉外に音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記伝熱管群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している燃焼灰を除去するとともに、
前記空洞部内に形成される共振波形の腹の位置が調整できるように構成されていることを特徴とするボイラ装置。 - 伝熱管群が所定の間隔をおいて燃焼ガスの流れ方向に沿って配置され、伝熱管群と隣の伝熱管群との間に形成される空洞部に対向するように炉外に音波発生装置を設置し、その音波発生装置から発せられる音波によって前記伝熱管群を含む空洞部を共振モードにして、管体に付着している燃焼灰を除去するとともに、
前記音波発生装置が燃焼ガスの流れ方向に沿って複数設置され、各音波発生装置から発せられる音波の周波数が変更可能になっており、前記空洞部の雰囲気温度によって前記音波発生装置の周波数が調整できるように構成されていることを特徴とするボイラ装置。
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