JP3673307B2

JP3673307B2 - 管体清掃装置

Info

Publication number: JP3673307B2
Application number: JP21759795A
Authority: JP
Inventors: 紘二郎山田; 曜明松本; 美也子井門
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1995-08-25
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2015-08-25
Also published as: JPH0961090A

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粉塵類を除去する管体清掃装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、ボイラ装置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１０９の壁面から除去する方法がとられている。
【０００５】
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。
【０００６】
図９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。
【０００７】
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１０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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図１０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。
【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、
少なくとも２つの音波発生装置と、その音波発生装置の少なくとも一方の音波周波数を調整する周波数制御器と、管体（例えば伝熱管）に付着、堆積した粉塵類(例えば燃焼灰)の除去の状態を検出する除去検出手段とを備え、
その除去検出手段が前記管体の周囲空間の音圧を検出する音圧センサであって、その音圧センサの出力に基づいて前記音波発生装置の音波周波数を微調整するように構成したことを特徴とするものである。
本発明の第２の手段は、少なくとも２つの音波発生装置と、その音波発生装置の少なくとも一方の音波周波数を調整する周波数制御器と、管体に付着、堆積した粉塵類の除去の状態を検出する除去検出手段とを備え、
その除去検出手段がレーザ光源と、そのレーザ光源からの光量を検出する光センサで構成され、前記粉塵類の飛散状態を検出する飛散状態検出センサであって、その飛散状態検出センサの出力に基づいて、前記音波発生装置の音波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３の手段は、少なくとも２つの音波発生装置と、その音波発生装置の少なくとも一方の音波周波数を調整する音波制御器と、管体に付着、堆積した粉塵類の除去の状態を検出する除去検出手段とを備え、
その除去検出手段の出力に基づいて前記音波発生装置の音波周波数を調整するとともに、
前記２つの音波発生装置のうちの一方の第１の音波発生装置の音波周波数ｆ１と他方の第２の音波発生装置の音波周波数ｆ２との差周波数成分｜ｆ１−ｆ２｜の最大音圧レベル ( Ｉｍａｘ ) と最小音差レベル（Ｉｍｉｎ）との比ｍ（ｍ＝Ｉｍａｘ／Ｉｍｉｎ）を、２以上に設定することを特徴とするものである。
【００１５】
【作用】
２つの音波発生装置（発振体）より異なる周波数ｆ１，ｆ２の音波（圧力波）を空間に送信すると、一般には｜ｆ１−ｆ２｜の差周波数での音圧レベルの変動が発生する。特に、ｆ１，ｆ２の差が小さい場合（例えば前記ｆ１又はｆ２の
１０％以内）は、上記差周波数での音圧レベルの変動が顕著になる。
【００１６】
従って、例えば２つの音波発生装置のうち、１つの音波発生装置の発生音波周波数ｆ１を固定し、他の音波発生装置の発生音波周波数ｆ２をｆ１近傍で変化させると、容易に差周波数での音圧レベルの変動を発生させることができる。特に、ボイラ装置のようにボックス型のほぼ閉じられた空間内では、開放された空間よりは差周波数での音圧レベルの変動を起こし易い。この音圧レベルの変動により、管体に付着、堆積している粉塵類を有効にかつ短時間に除去することができる。
【００１７】
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。
【００１８】
さらに周波数を微調整するだけであるから、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。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施例に係るボイラ装置の灰除去装置の概略構成図である。
【００２０】
灰除去装置は、後部伝熱管部１の壁面近傍（伝熱管群２Ａ及び２Ｂ）に設置された電気式発振体（本実施例ではスピーカーを使用しているが、他の構成の発振体も使用可能である。）３Ａ，３Ｂと、発振体３Ａ，３Ｂに信号を送る周波数可変の発信器５Ａ，５Ｂと、発信器５Ａ，５Ｂの信号をパワー増幅する増幅率可変のパワー増幅器４Ａ，４Ｂと、壁面近傍（伝熱管群２Ｃ）に設置された音圧センサ７と、音圧センサ７の出力信号に基づいて発信器５Ｂの周波数を微調整するための制御信号を出力する周波数制御器８とで基本的に構成されている。
【００２１】
本実施例では、前記発振体３とパワー増幅器４と発信器５とで電気式音波発生装置を構成している。
【００２２】
発振体３Ａ，３Ｂより音波周波数ｆ１，ｆ２の音波を後部伝熱管部１の空間部に送信する。この際、後部伝熱管部１の音圧レベルを音圧センサ７で検出し、｜ｆ１−ｆ２｜の差周波数成分の最大音圧レベル（Ｉｍａｘ）と最小音圧レベル（Ｉｍｉｎ）の比ｍ（ｍ＝Ｉｍａｘ／Ｉｍｉｎ）を演算し、次に発振体３Ｂの音波周波数ｆ２を、周波数制御器８を経由して発信器５Ｂにより音波周波数ｆ３に変化させ、同様に音圧センサ７で音圧レベルを検出し、差周波数成分の最大音圧レベルと最小音圧レベルの比ｍ′を演算する。
【００２３】
このような操作を繰り返すことにより、最大音圧レベルと最小音圧レベルの比が増加する方向、すなわち上記ｍの値が２以上、好ましくは１０以上になるように発振体３Ｂの音波周波数を常に制御する。なお、ｍの値が２未満であると、音圧の変化による管体からの粉塵類の除去効果が十分でないから、上記ｍの値は２以上に保つ方がよい。また、発信器５Ａ，５Ｂの信号波形は正弦波にした方が、矩形波や三角波にした場合より差周波数成分を発生させ易いことを実験的に確認している。
【００２４】
図２に上記方法により音波周波数を制御して差周波数成分の最大音圧レベルと最小音圧レベルの比ｍを増加させた例を示す。この例の場合、周波数ｆ１と周波数ｆ２は２Ｈｚずれており、差周波数成分の最大音圧レベル（Ｉｍａｘ）と最小音圧レベル（Ｉｍｉｎ）の比ｍは約７であり、空間内に周期的な音波のうねりが発生している。
【００２５】
通常、微粉炭を燃料とするボイラ装置の後部伝熱管部１では、上下に隣接した伝熱管の隙間に燃焼灰が付着、堆積することが多く、音波によるこれら燃焼灰の除去が進むに連れて上記最大音圧レベルと最小音圧レベルの比は変化するので、燃焼灰除去効果を常に高く維持するには、上記したような差周波数成分の音圧レベルに着目して、常に周波数を追尾させる周波数制御法が特に有効となる。
【００２６】
本実施例では電気式音波発生装置を用い、音波周波数の微調整を全て電気的に実施できるので、装置が簡単になると同時に差周波数成分を発生させ易くなる。また、電気式であるために発振体より発生させる音波の波形歪みを他の方法に比して小さくすることができ（言い換えれば、単一周波数の音波に近い）、同様に差周波数成分を発生させ易くなるという実施例特有の効果がある。
【００２７】
上記の説明では、周波数の微調整のみについて述べたが、同時にパワー増幅器４Ａ，４Ｂ（いずれか一方）の増幅率αを音圧センサ７の検出信号に基づいて微調整することにより、差周波数成分の最大音圧レベルと最小音圧レベルの比をさらに増加させることが可能である。
【００２８】
図３は、本発明の第２実施例に係るボイラ装置の灰除去装置の概略構成図である。上記第１実施例と異なるのは、音圧センサ７の代わりにレーザ光源９と、そのレーザ光の透過光強度を計測する光センサ１０を設置している点である。なお、同図のレーザ光源９ならびに光センサ１０の配置状態を示した部分は、それより上部に示した後部伝熱管部１のａ−ａ断面を示している。
【００２９】
発振体３Ａ，３Ｂにより、後部伝熱管部１に周波数ｆ１，ｆ２の音波を送信する。この音波による灰除去（飛散）効果により空間に燃焼灰が飛散するが、この燃焼灰の飛散状態（飛散濃度）を本実施例ではレーザ光の透過光強度により検出する。レーザ光源９は一定出力になるように駆動し、燃焼灰の飛散濃度が小（即ち、燃焼灰の除去効果が小）の時には、レーザ光は燃焼灰による散乱をほとんど受けずに、レーザ光源９と対向位置に設置した光センサ１０に到達し、光センサ１０の出力は大である。
【００３０】
一方、燃焼灰の飛散濃度が大（即ち、燃焼灰の除去効果が大）の時には、レーザ光は燃焼灰により散乱し、そのため光センサ１０にはレーザ光はほとんど到達せず、光センサ１０の出力は激減する。
【００３１】
図４に燃焼灰の飛散濃度に関係する上記レーザ光の透過光強度（光センサ出力）と音波周波数の関係を２つのケースについて示す。両ケースとも１００〜１１０Ｈｚ付近でレーザ光の透過光強度（光センサ出力）が低下しており、これは別の燃焼灰除去検出手段であるＣＣＤカメラによって観測した灰除去効果の大きかった周波数と良く一致している。
【００３２】
上記したように、この光センサ１０の出力は燃焼灰の除去効果に関係しているので、この出力を図３に示すように周波数制御器８に導き、透過光強度が小さくなる方向に発信器５Ｂの周波数を微調整し、発振体３Ｂからの音波周波数を変化させる。
【００３３】
なお、レーザ光源９と光センサ１０の配置位置により、差周波数成分の音圧レベルの変化と燃焼灰の除去による灰飛散までの時間遅れが予想されるので、光センサ１０からの入力に対して周波数制御器８の出力に、ある遅れ時間を持たせるよう配慮する必要がある。
【００３４】
図５は、灰除去効果の大きかった周波数の例である１００〜１１０Ｈｚの周波数を中心にして、レーザ光の透過光強度を検出しながら、一方の電気式音波発生装置の音波周波数を微調整した時の光センサ出力の時間変化を示す図である。
【００３５】
この図から明らかなように、光センサ出力の低下（即ち、灰の飛散効果大）が比較的継続して発生しているのが分かる。音波周波数の微調整をしない場合には同図のように、継続的な光センサ出力の低下は見られない。
【００３６】
なお、レーザ光源として光源出口にロッドレンズ等のシート状ビーム発生器を設置したものを用いると、面上での灰飛散量の検出が可能になり、より正確な燃焼灰の除去効果が把握でき、さらに効果的な音波周波数の調整が可能になる。
【００３７】
本実施例では、燃焼灰の除去効果に直接関係する信号を用いて音波発生装置の音波周波数を制御しているので、より確実な除去効果が得られる。
【００３８】
また本実施例では、レーザ光を光源として用いているため、粉塵の除去対象空間が大きくても（例えば高さ３０ｍ、幅２０ｍ、奥行き１０ｍ程度の大きさ）、粉塵の除去状態を確実に検出できる。
【００３９】
図６は、本発明の第３実施例を説明するための図である。この実施例の場合、炉内に設置した音圧センサ７と炉外に設置した光センサ１０の両方の検出信号が周波数制御器８に入力されるようになっている。
【００４０】
図７は、本発明の第４実施例を説明するための図である。この実施例の場合、ＣＣＤカメラ１１に対向して炉内に検視板１２が配置され、ＣＣＤカメラ１１は検視板１２の幅方向に走査できるようになっている。ＣＣＤカメラ１１の出力信号は画像処理装置１３に入力され、画像処理装置１３にはモニタテレビ１４が接続されているとともに、画像処理装置１３の出力信号は周波数制御器８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。
【００４１】
上記検視板１２には例えばバーコードの如き線図、文字、記号、模様などが数、太さ、濃淡などを段階的に変えて描かれており、燃焼灰の落下量とこれら線図などの見える範囲が逆比例することを利用して燃焼灰の落下状態を光学的に検出しようとするもので、線図などが検出できる面積と燃焼灰落下量との関係が予め求められている。
【００４２】
清掃中、燃焼灰が落下している空間を通してＣＣＤカメラ１１で検視板１２の線図などが検出できる範囲（面積）を監視し、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に入力して燃焼灰の落下状態をモニタリングする。
【００４３】
周波数制御器８には燃焼灰の落下量と画像処理装置１３の出力との関係が予め記憶されており、画像処理装置１３からの出力に基づいて燃焼灰の落下量が最も多くなるように発信器５Ａと５Ｂの発振周波数を逐次自動的に変更する。
【００４４】
前記音波発生装置は炉幅方向において対向させることもできるし、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。
【００４５】
また、前記実施例では音波発生装置を炉内に設置する場合について説明したが、音波発生装置を炉外に設置することもできる。このように音波発生装置、燃焼灰脱落検出装置（例えば監視カメラ）、レーザ光源、光センサ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。
【００４６】
本発明の管体清掃装置をボイラ装置に適用する場合、音波発生装置の設定周波数は３０〜１５０Ｈｚの範囲が適当で、しかも上記｜ｆ１−ｆ２｜差周波数は前述の周波数ｆ１又はｆ２の１０％以内が適当である。
【００４７】
前記実施例で示したように、発振体は管体群と管体群の間に形成されている空間部に設置した方が、音波の差周波数成分が効果的に発生する。
【００４８】
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。
【００４９】
【発明の効果】
２つの音波発生装置（発振体）より異なる周波数ｆ１，ｆ２の音波（圧力波）を空間に送信すると、一般には｜ｆ１−ｆ２｜の差周波数での音圧レベルの変動が発生する。特に、ｆ１，ｆ２の差が小さい場合（例えば前述の周波数ｆ１又はｆ２の１０％以内）は、上記差周波数での音圧レベルの変動が顕著になる。
【００５０】
従って、例えば２つの音波発生装置のうち、１つの音波発生装置の発生音波周波数ｆ１を固定し、他の音波発生装置の発生音波周波数ｆ２をｆ１近傍で変化させると、容易に差周波数での音圧レベルの変動を発生させることができる。特に、ボイラ装置のようにボックス型のほぼ閉じられた空間内では、開放された空間よりは差周波数での音圧レベルの変動を起こし易い。この音圧レベルの変動により、管体に付着、堆積している粉塵類を有効にかつ短時間に除去することができる。
【００５１】
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。
【００５２】
さらに周波数を微調整するだけであるから、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灰除去装置の概略構成図である。
【図２】その灰除去装置での差周波数成分と音圧センサ出力との関係を示す特性図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る灰除去装置の概略構成図である。
【図４】その灰除去装置での周波数と光センサの出力との関係を示す特性図である。
【図５】光センサによる灰飛散量の検出例を示す特性図である。
【図６】本発明の第３実施例に係る灰除去装置の概略構成図である。
【図７】本発明の第３実施例に係る灰除去装置の概略構成図である。
【図８】ボイラ装置の概略構成図である。
【図９】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１０】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後部伝熱管部
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ伝熱管群
３Ａ，３Ｂ音波発生装置
４Ａ，４Ｂパワー増幅器
５Ａ，５Ｂ発振器
７音圧センサ
８周波数制御器
９レーザ光源
１０光センサ
１１ＣＣＤカメラ
１２検視板
１３画像処理装置
１４モニタテレビ

Claims

少なくとも２つの音波発生装置と、その音波発生装置の少なくとも一方の音波周波数を調整する周波数制御器と、管体に付着、堆積した粉塵類の除去の状態を検出する除去検出手段とを備え、
その除去検出手段が前記管体の周囲空間の音圧を検出する音圧センサであって、その音圧センサの出力に基づいて前記音波発生装置の音波周波数を調整するように構成したことを特徴とする管体清掃装置。
少なくとも２つの音波発生装置と、その音波発生装置の少なくとも一方の音波周波数を調整する周波数制御器と、管体に付着、堆積した粉埃類の除去の状態を検出する除去検出手段とを備え、
その除去検出手段がレーザ光源と、そのレーザ光源からの光量を検出する光センサで構成されて、前記粉埃類の飛散状態を検出する飛散状態検出センサであって、その飛散状態検出センサの出力に基づいて、前記音波発生装置の音波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。
少なくとも２つの音波発生装置と、その音波発生装置の少なくとも一方の音波周波数を調整する周波数制御器と、管体に付着、堆積した粉塵類の除去の状態を検出する除去検出手段とを備え、
その除去検出手段の出力に基づいて前記音波発生装置の音波周波数を調整するとともに、
前記２つの音波発生装置のうちの一方の第１の音波発生装置の音波周波数ｆ１と他方の第２の音波発生装置の音波周波数ｆ２との差周波数成分｜ｆ１−ｆ２｜の最大音圧レベル（Ｉｍａｘ）と最小音圧レベル（Ｉｍｉｎ）との比ｍ（ｍ＝Ｉｍａｘ／Ｉｍｉｎ）を、２以上に設定することを特徴とする管体清掃装置。