JP3836139B2 - 貫流ボイラの起動方法及び装置 - Google Patents

Description

この発明は、化石燃料を燃焼する多数の燃焼器を有する燃焼室を備え、その気密囲壁が少なくともほぼ縦型に走るように配置された蒸発管により形成され、この蒸発管を流体が下から上に向かって貫流する貫流ボイラの起動方法に関する。さらにこの発明は、この起動方法を実施するための装置に関する。
自然循環形ボイラにおいては循環する水と水蒸気との混合体が部分的にしか蒸発されないが、貫流ボイラにおいては燃焼室の気密囲壁を形成する縦型に配置された蒸発管を加熱することにより、蒸発管内を流体が貫通する際に流体は完全に蒸発される。
通常、貫流ボイラの蒸発器の貫通流に、そしてしばしば貫流ボイラに配置され煙道ガスで加熱される予熱器或いはエコノマイザにも起動の際に循環流を重畳することにより、管内のそれに応じた早い速度によって管を確実に冷却することが行われる。その場合貫通流及び重畳された循環流からなる最小流は燃料室の囲壁内に縦型に配置された管において全負荷流の２５％乃至５０％に達する。このことは、起動行程の際ボイラ負荷は、高い蒸気流出温度を持つ効率的に好ましい貫流運転が達成される前に、先ず少なくとも２５％乃至５０％に上げなければならないことを意味する。
従って、ヨーロッパ特許第００５４６０１号明細書から公知のように、通常は起動のためにそして全負荷の５０％の一定の限界負荷以下の負荷範囲において給水ポンプにより搬送される流体量が特に一定に保持される。その場合、給水ポンプの搬送流は蒸発器スループットに等しい。このような運転方法においては、貫流ボイラの第一の燃焼器の点火で始まり高い蒸気温度を持つ貫流運転の達成で終わる起動時間は非常に長い。この場合起動損失は、その大きさが主として起動時間に影響されるから、比較的大きいという結果となる。
従って、火力発電所の起動行程をも含んだ平均効率を、特に高い及び最高の蒸気状態を実現することによって上げようとする努力と関連して、起動損失を低減することに益々高い意義が与えられている。さらにこのような火力発電所においては、起動のために設置される通常少なくとも１つの循環ポンプとその付属機器或いは始動熱交換器を含む循環回路は高度の技術的手段を伴うこと、従って高い投資コストが必要であるということに注意しなければならない。この投資コストは高いそして最高の蒸気圧を実現するのに伴い著しく増大する。
従って、この発明の課題は、貫流ボイラを低い起動損失で起動する方法並びに装置を提供することにある。そしてこの方法を実施するために適切な装置において僅かな技術的手段でもってこれを達成しようとするものである。
方法に関してのこの課題は、この発明によれば、蒸発器スループットが燃焼器或いはその各々に単位時間当たり供給される流量測定センサにより検出された実際値としての燃料量に関連して設定され、その際蒸発器スループットは燃焼室における燃焼熱出力に比例して設定されることことによって解決される。
換言すれば、全負荷即ち１００％負荷に関係した百分率の燃焼熱出力が百分率の蒸発器スループットの目標或いは基準値（セットポイント）として選択されるので、蒸発器スループット即ち蒸発器に単位時間当たり供給されこれを貫流する流体の量は、この発明による方法では狭い許容度範囲内に設定される。
その場合、この発明は、貫流ボイラは、その比較的薄壁の構造部品により大きな温度変化速度を許容するので、速く立ち上がる燃焼出力でも起動することができるという認識を基礎にしている。蒸発器の蓄積量が少ないことにより急激な蒸気生成が始まり、これにより生成された蒸気の過熱のために設けられた過熱伝熱面が良好に冷却される。
貫流ボイラの従来の起動方法は、高温に加熱された燃焼室の蒸発管は、流体が管内を乱流として流れるときに初めて良好に冷却される、という想定に基づいている。従って起動時にも管内の流体密度がそれだけ大きいことを前提としている。
これに対してこの発明は、非常に低い流体密度で同時に大きな熱流密度でも、いわゆる環状流が形成されるときには、管壁から流体への良好な熱伝達が行われるという考察に基づいている。縦型に配置された管内の内部熱伝達についての最新の研究によれば、驚くべきことに、非常に低い流体密度においてもこのような環状流が形成され、常に水及び水／蒸気の混合体により形成される流体中の大きな水成分が管壁に移送されることが確かめられている。これにより全負荷流の即ち１００％負荷における蒸発器スループットの約２５％以下の最小の流でも上述の良好な熱伝達が行われる。
上述の熱現象は、貫流ボイラの起動運転方法において、蒸発器スループットの１５％以下の、好ましくは１０％以下の、例えば５％の蒸発器の最小スループットから出発して全負荷に対する百分率燃焼熱出力から狭いバンド幅でのみ偏倚しているときに特に良好に変換される。
起動行程の開始時に蒸発器スループットは好ましくは全負荷スループットの５％乃至１０％に制限される。これにより最初から全ての蒸発管における均一な上昇流が保証される。第一の燃焼器の点火後蒸発器スループットは、全負荷スループットに関係する蒸発器スループットの百分率が特定のバンド幅内で全負荷に関係する燃焼熱出力に等しいように設定される。その場合、バンド幅は時間とともに上昇する百分率の燃焼熱出力の上方に特に３％乃至８％、下方に２％乃至３％に延びている。非対称のバンド幅のこの条件は特に安定した燃焼が保障されている燃焼熱出力において当てはまる。
化石燃料を燃焼する多数の燃焼器を有する燃焼室を備え、その気密囲壁が少なくともほぼ縦型に走るように配置された蒸発管により形成される貫流蒸気発生器の起動装置に関してのこの発明の課題は、蒸発器スループットを決定する制御量を求めるための調節器を備え、その際制御量によって決定される蒸発器スループットは、燃焼器或いはその各々に単位時間当たり供給される流量測定センサにより検出された実際値としての燃料量から確定される燃焼熱出力に比例して設定され、調節器は蒸発管に通ずる給水管に接続された制御素子、および燃焼器或いはその各々に通ずる燃料配管に接続された流量測定センサと結合されていることによって解決される。
この発明により得られる利点は、特に、貫流ボイラの起動行程時に燃焼熱出力と共に一様に上昇する蒸発器スループットによって起動損失が低下するということである。これは既に低い負荷でも効率的に好ましい貫流運転が行われるからである。その場合、好ましいことに、循環ポンプ或いは起動熱交換器を省略できるので、投資コストが低下し、設備の適用性が向上する。
蒸発器に後置接続された気水分離器で分離された水を給水ポンプと蒸発器との間の位置へ帰還することもなくなるから、循環ポンプを持たない回路において起動行程の調整が著しく簡単化される。これにより水流が蒸発器に侵入する際のエンタルピーの変動、従ってまた蒸発器から出る水流の変動が回避される。
この発明の実施例を図面を参照して詳しく説明する。図面において
図１は縦型のガス通路と起動制御装置とを備えた貫流ボイラを概略的に、
図２は蒸発器スループットと燃焼熱出力の起動ダイアグラムを示す。
矩形状の断面を有する図１によるボイラ１のガス通路は、その下端で漏斗状の底３に移行している囲壁２によって形成されている。囲壁２の蒸発管４はその長手側面で気密に互いに結合され、例えば溶接されている。底３は詳しくは図示されていないが灰の取出し口３ａを備えている。
囲壁２の下部領域は、多数の燃焼器５を備えた貫流ボイラ１の燃焼室６を形成している。
流体によって、即ち給水或いは水及び水蒸気の混合流体によって下から上に向かって平行に、或いは蒸発管群においては前後に、貫流される囲壁２の蒸発管４はその入口端で入口集配器８に、出口端で出口集配器１０に接続されている。入口集配器８と出口集配器１０とはガス通路の外側にあって、例えばそれぞれ環状の管によって形成されている。
入口集配器８は管路１２及び集配器１４を介して高圧予熱器或いはエコノマイザ１５の出力側に結合されている。エコノマイザ１５の伝熱面は囲壁２の燃焼室６の上側にある空間に配置されている。エコノマイザ１５は入力側で集配器１６を介して給水容器１８に接続され、この給水容器は図示されていないが復水器を介して蒸気タービンに接続され、従ってその水・蒸気循環路中に接続されている。
出口集配器１０は気水分離器２０及び管路２２を介して、囲壁２の内部でエコノマイザ１５と燃焼室６との間に配置されている高圧過熱器２４に接続されている。高圧過熱器２４は運転中出力側で集配器２６を介して蒸気タービンの高圧部に接続されている。囲壁２の内部において高圧過熱器２４とエコノマイザ１５との間には再熱器２８が設けられ、この再熱器２８は集配器３０、３２を介して蒸気タービンの高圧部と中圧部との間に接続されている。
給水管１７には給水容器１８からの給水Ｓの流れ方向に順次電動機駆動の給水ポンプ３４及び蒸気Ｄにより加熱される給水予備加熱のための熱交換器３６並びに弁３８及び流量測定センサ４０が接続されている。流量測定センサ４０は単位時間当たり給水管１７を介して供給される給水Ｓの量を検出する。単位時間当たり給水管１７を介して供給される給水Ｓの量は蒸発管４からなる蒸発器に供給される給水量、それ故蒸発器スループットに相当する。
部分配管４６を介して燃焼器５に注いでいる燃料配管４４にはもう１つの流量測定センサ４２が接続されている。燃料配管４４には燃焼器５或いはその各々に単位時間当たり供給される燃料Ｂの量を設定する弁４８が接続されている。
流量測定センサ４０及び４２は、それぞれ変換器５１及び５３が接続されている信号線５０及び５２を介して調節器５４に接続されている。この調節器５４は信号線５６を介して弁３８に接続されている。調節器５４はまた破線で示す信号線５６’を介して電動駆動の給水ポンプ３４に接続することもできる。調節器５４及び流量測定センサ４０、４２並びに給水Ｓの量を設定する弁３８は貫流ボイラ１を起動する制御装置５８の主要構成部である。弁３８の代わりに給水ポンプ３４自体をその回転数を変えることにより給水管１７を介して供給される給水Ｓの量を調整することもできる。
制御装置５８は蒸発器スループットを燃焼器５或いはその各々に起動行程中に単位時間当たり供給される燃料量に関連して設定するものである。このために調節器５４には信号線５０を介して、蒸発器、即ち蒸発管４に単位時間当たり供給される給水Ｓの量の流量測定センサ４０により検出された実際値が導かれる。調節器５４に流量測定センサ４２により導かれた値は蒸発器の実際のスループットＶＤ（図２）に相当する。さらに調節器５４には信号線５２を介して燃焼室６における燃焼熱出力ＦＷ（図２）の実際値が導かれる。そして流量測定センサ４２により燃焼器５に燃料配管４４を介して実際の時点で供給される燃料Ｂの量が検出される。この燃料スループットは変換器５３により対応した燃焼熱出力ＦＷに変換される。調節器５４においては実際の燃焼熱出力ＦＷと実際の蒸発器スループットＶＤとの比較から制御量ＳＧが求められ、この制御量が信号線５６或いは５６’を介してそれぞれ弁３８或いは給水ポンプ３４の回転数を制御する。その場合給水管１７を介して導かれる給水Ｓの量、従って蒸発器スループットＶＤは燃焼室６における燃焼熱出力ＦＷに比例して調整され、蒸発器スループットＶＤは制御量となる。
蒸発器スループットＶＤ及び燃焼熱出力ＦＷの時間的経過が図２に示されている。この図では横座標には時間軸が、立て座標には最大蒸発器スループット（１００％負荷における蒸発器スループット）及び最大燃焼熱出力（１００％負荷における燃焼熱出力）に関連する百分率がとられている。
時点ｔ₀、即ち第一の燃焼器５の点火前において、好ましいことに、既に１００％負荷におけるスループット（全負荷スループット）の１５％以下の最小スループットが設定されている。この実施例ではこの最小スループットは１００％負荷におけるスループット、即ち最大蒸発器スループットＶＤの５％乃至１０％のバンド幅ＢＤ内にある。この最大蒸発器スループットＶＤの５％乃至１０％の最小スループットは起動行程の始めに設定される。
起動行程中、時点ｔ₁で最初の燃焼器５が点火され、その際燃焼熱出力ＦＷは先ず急激に上昇する。第二の燃焼器５が時点ｔ₂で、第三の燃焼器５が時点ｔ₃で点火することにより燃焼熱出力ＦＷは先ず段階的に上昇する。燃焼熱出力ＦＷが最大燃焼熱出力の約６％に達した以降は燃焼熱出力ＦＷは連続的に時間ｔにわたって上昇する。燃焼熱出力ＦＷの連続的上昇と共に蒸発器スループットＶＤも連続的に上昇する。その場合蒸発器スループットＶＤは、全負荷におけるスループットに関連する百分率の蒸発器スループットＶＤが全負荷、即ち１００％負荷に関連する燃焼熱出力ＦＷに等しい全負荷におけるスループットの５％乃至１０％のバンド幅ＢＤ内にあるように設定される。蒸発器スループットＶＤが燃焼熱出力ＦＷとともに時間にわたって上昇するバンド幅ＢＤは上方に向かっては上部限界ＯＧ、下方に向かっては下方限界ＵＧによって制限されている。
特に起動中の蒸発器スループットＶＤは均一に燃焼熱出力ＦＷとともに時間的に上昇するように設定される。その場合バンド幅ＢＤは、図２に示されるように非対称であり、百分率の蒸発器スループットＶＤの百分率の燃焼熱出力ＦＷとの偏倚は上に向かっては１００％負荷におけるスループットの３％乃至８％、下に向かっては２％乃至３％が許容可能である。この実施例ではバンド幅ＢＤは５％であるので、燃焼熱出力ＦＷの上への３％偏倚Ａ_o及び下への２％偏倚Ａ_uが許容可能である。
それ故制御装置５８により、蒸発管４に単位時間当たり供給される給水Ｓの量は、蒸発器スループットが特に５％乃至１０％の狭いバンド幅でしか百分率の燃焼熱出力ＦＷから偏倚しないように設定される。１５％以下の最小スループットにおいて既に、即ち蒸発器スループットＶＤを起動行動の開始時に全負荷におけるスループットの特に５％乃至１０％に制限する場合にも全ての蒸発管４において均一な上昇流が保証される。このような起動特性により起動損失は特に僅かに保たれる。なぜなら既に低負荷においても効率的に好ましい貫流運転が達成されているからである。
従来通常使用される循環ポンプ或いは始動熱交換器はこの起動方法においては省略できる。図１に示す気水分離器２０において分離された水は付加的なポンプなしで直接、弁６３が接続されている帰還配管６２を介して給水容器１８に、従って水・蒸気循環系に帰還される。それ故気水分離器２０から給水Ｓの流れ方向に見て蒸発器４或いはエコノマイザ１５の前への、従って給水容器１８の背後への給水Ｓの帰還は省略できるので、特に簡単な起動行程制御が達成される。

Claims (7)

1. 化石燃料（Ｂ）を燃焼する多数の燃焼器（５）を有する燃焼室（６）を備え、その気密囲壁（２）が少なくともほぼ縦型に走るように配置された蒸発管（４）により形成され、この蒸発管に流体が下から上に向かって貫流する貫流ボイラの起動方法において、蒸発器スループット（ＶＤ）が燃焼器（５）或いはその各々に単位時間当たり供給される流量測定センサにより検出された実際値としての燃料量に関連して設定され、その際蒸発器スループット（ＶＤ）は燃焼室（６）における燃焼熱出力（ＦＷ）に比例して設定されることを特徴とする貫流ボイラの起動方法。
2. 起動行程の開始時に１００％負荷におけるスループット（全負荷スループット）の１５％以下の、好ましくは１０％以下の蒸発器（４）の最小スループットが設定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 蒸発器スループット（ＶＤ）が燃焼熱出力（ＦＷ）と共に均一に時間的に上昇するように設定されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 全負荷スループットに関する百分率の蒸発器スループット（ＶＤ）が全負荷スループットに関する百分率の燃焼熱出力（ＦＷ）に等しいバンド幅（ＢＤ）内で設定されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. バンド幅（ＢＤ）が非対称であり、百分率蒸発器スループット（ＶＤ）の百分率燃焼熱出力（ＦＷ）からの偏倚（Ａ₀、Ａ_u）が上に向かって全負荷スループットの３％乃至８％、下に向かって２％乃至３％が許容されていることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 化石燃料（Ｂ）を燃焼する多数の燃焼器（５）を有する燃焼室（６）を備え、その気密囲壁（２）が少なくともほぼ縦型に走るように配置された蒸発管（４）により形成され、蒸発器スループット（ＶＤ）を決定する制御量（ＳＧ）を求めるための調節器（５４）を備え、その際制御量（ＳＧ）によって決定される蒸発器スループット（ＶＤ）は、燃焼器（５）或いはその各々に単位時間当たり供給される流量測定センサにより検出された実際値としての燃料量から確定される燃焼熱出力（ＦＷ）に比例して設定され、調節器（５４）は蒸発管（４）に通ずる給水管（１７）に接続された制御素子（３４、３８）、および燃焼器（５）或いはその各々に通ずる燃料配管（４４）に接続された流量測定センサ（４２）と結合されていることを特徴とする貫流ボイラの起動装置。
7. 調節器（５４）は給水管（１７）に接続された別の流量測定センサ（４０）に結合されていることを特徴とする請求項６記載の装置。

Images