JP4215894B2 - 除塵方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火力発電プラント等における排ガス熱回収用の熱交換器等、煤塵を含む廃ガス用の熱交換器における伝熱管の除塵を行なうための除塵装置を用いての除塵制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電プラント等において、排ガス熱と熱交換を行なう熱回収器や再加熱器においては、排ガス中の煤塵等による伝熱管の汚れを除去するための除塵装置が装備されている。
【０００３】
図６〜図７は熱回収器あるいは再加熱器における除塵装置の２つの例を示す。
図６に示すものは、鋼球散布除塵装置を備えた熱回収器７（あるいは再加熱器８）であり、同図において、１は多数の伝熱管の集合体である伝熱管群、１６は排ガスの入口、１７は排ガスの出口である。
排ガス１３は排ガス入口１６から熱回収器内に入り、伝熱管群１を通流する際に水等の熱媒と熱交換を行ない、これを加熱した後、排ガス出口１７から外部に排出される。
【０００４】
２は前記伝熱管群１の上方に配設された複数の鋼球分散器、０１０は該分散器２に鋼球０１１を供給するための鋼球供給管、４は分配器、５は熱回収器７の底部に落下してきた鋼球０１１を排出するための排出機、６は鋼球０１１をダスト類から分離するためのロータリセパレータ、３は該ロータリセパレータ６を経た鋼球０１１を鋼球供給管０１０の入口まで鉛直方向に搬送する鋼球輸送機である。
【０００５】
かかる熱回収器７の稼動時において、排ガス入口１６から導入された排ガス１３は、伝熱管群１において、伝熱管内を流れる水と熱交換した後、排ガス出口１７に送られるが、該排ガス中に含まれたダストは伝熱管群１の伝熱面上に付着し、堆積していく。該ダストの堆積量は運転条件の変化や燃料用の使用炭種の変化等によって左右される。
伝熱管群１は、かかるダストの堆積により、その伝熱性能が低下するとともに、通風圧損が増大して、プラント全体の消費動力が増大する。
【０００６】
前記鋼球散布装置は、上記のような堆積ダストを払拭して伝熱管群１の伝熱面に本来の伝熱性能を発揮させ、通風圧損の増大を回避するために設置されたものである。
即ち、該鋼球散布除塵装置においては、前記熱回収器７の、所定の運転時間毎に鋼球分散器２から伝熱管群１の表面に鋼球０１１を散布して、該伝熱管群１の表面に付着・堆積したダストを叩き落とし、該伝熱面を清浄化する。
散布された鋼球０１１は、排出機５が開かれるとロータリセパレータ６でダスト類と分離され、鋼球輸送機３で上方に搬送され、鋼球供給管０１０を経て分配器４に戻される。
【０００７】
また、図７に示すものは、スートブロワを使用した除塵装置であり、９は蒸気を圧送するスートブロワ、９ａは該スートブロワ９の蒸気出口に接続される蒸気噴出管で、該蒸気噴出管９ａの蒸気噴出口は伝熱管群１の上方に位置し、該伝熱管群１に万遍なく蒸気を吹き付け可能に分布されている。
かかる除塵装置においては、スートブロワ９から圧送された蒸気を蒸気噴出管９ａから伝熱管群１の表面に噴射し、該表面に堆積したダストを吹き飛ばして除去する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
かかる熱回収器７（あるいは再加熱器８）にあっては、前記のように、伝熱管群１上に堆積したダストを図６に示すような鋼球散布除塵装置、あるいは図７に示すようなスートブロワによる除塵装置によって除去しているが、かかる鋼球散布除塵装置あるいはスートブロワによる除塵装置は、排ガスの排出源であるボイラに使用する微紛炭の炭種、ボイラの容量、負荷、大気条件等を考慮して、それらの容量を余裕を持たせて設けており、従って、これら除塵装置の稼動時には、常時最大能力で以って運転されている。
【０００９】
即ち、図６に示すような鋼球散布除塵装置においては、伝熱管群１へのダスト付着量が最大と想定される稼動条件に対応できる最短の時間間隔（頻度）で、その装置の持つ最大鋼球散布能力で鋼球を散布するようになっている。
また、図７に示すようなスートブロワ９による除塵装置においては、前記熱回収器７等の熱交換器の最大負荷条件に対応できる最短の時間間隔（頻度）で以って除塵動作を行なうようになっている。
【００１０】
従って、前記のような除塵方法にあっては、鋼球散布除塵装置あるいはスートブロワによる防塵装置等の除塵装置を、常時最大の除塵能力で持って運転しているため、熱交換器として軽負荷時には過剰な除塵動作を行なうこととなり、除塵のための無駄なエネルギや労力が費やされるとともに、過剰な除塵動作によって機器類の損耗が発生し、またこれらの寿命が短縮されるという不具合を生ずる。
【００１１】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、熱交換器の負荷の変化に追従して除塵能力及び除塵頻度を変化可能として、除塵のための無駄なエネルギや労力の発生を回避するとともに、機器類の寿命を延長せしめ得る除塵方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、排ガスと水等の熱媒とを熱交換する熱交換器の伝熱管群に堆積したダストを鋼球散布装置、スートブロワ等の除塵装置により除去するにあたり、
前記排ガスの状態及び熱媒の状態の検出値に基づき、前記熱交換器の圧力損失（ΔＰ）と伝熱係数（Ｕ）との比（ΔＰ／Ｕ＝Ｆ）で定めたダスト付着係数（Ｆ）を算出し、該ダスト付着係数（Ｆ）に基づき算出した除塵力（Ｍ R ）により前記除塵装置の運転を制御するようにしたことを特徴とする除塵方法を提案する。
【００１４】
然るに、図６〜図７に示す熱回収器、再加熱器等の排ガス熱を利用する熱交換器において、伝熱管群の除塵を行なうにあたっては、除塵作業は伝熱管群へのダストの付着量に応じて行なうのが望ましい。
そこで本発明においては、ダストの付着量を推定する方法として、熱交換器の伝熱管群における圧力損失（ΔＰ）及び伝熱管群の伝熱係数（Ｕ）を、排ガスの圧力、温度、流量、並びに水等の熱媒の温度、流量の検出値に基づき算出し、この圧力損失（ΔＰ）及び伝熱係数（Ｕ）を伝熱管群へのダスト付着量と関係付け、除塵能力あるいは頻度を決めるようにしている。
【００１５】
即ち、伝熱管群にダストが付着すれば、図２に示すように、伝熱管１０の間を排ガスが通過する面Ｓが小さくなり、流体抵抗が増して圧力損失（ΔＰ）が大きくなり、あるいは図３に示すように、面積Ｓの減少が無くても、伝熱管１０の表面にダスト１１が付着すれば、伝熱面積が減少し、伝熱係数（Ｕ）が減少する。
【００１６】
従って、前記圧力損失（ΔＰ）と伝熱係数（Ｕ）との割合、つまり（ΔＰ／Ｕ）によってダストの付着量を推定すれば、図２のような伝熱管１０の表面全体にダスト１１が付着している場合、及び図３のような伝熱管１０の一部にダスト１１が付着している場合の双方、即ちあらゆるダストの付着態様を推定することが可能となる。
【００１７】
そこで本発明の請求項１記載の発明では、前記圧力損失（ΔＰ）と伝熱係数（Ｕ）との比（Ｆ＝ΔＰ／Ｕ）をダスト付着係数と定義付け、前記熱交換器における排ガスの入口及び出口圧力、入口及び出口温度、排ガス流量、並びに水等の熱媒の入口及び出口温度、熱媒流量を検出し、この検出値を用いて前記ダスト付着係数（Ｆ）を算出し、該ダスト付着係数によって伝熱管群の除塵能力即ち除塵力（Ｍ_R）あるいは除塵実施の間隔を推定している。
【００１８】
従って、かかる発明によれば、伝熱管群の圧力損失および伝熱係数の検出値によってダストの除塵能力（除塵力）あるいは除塵作業の間隔を決定することにより、実際のダスト付着量に応じた除塵能力あるいは除塵の頻度で以て除塵を行なうことができ、従来技術のように常時最大の除塵能力で以て除塵装置を運転する等の過剰な除塵動作を必要としない。
これにより、除塵のための無駄なエネルギや労力の消費が回避されるとともに、かかる無駄な除塵動作が回避されることにより、機器類の寿命が延長される。
【００１９】
請求項２記載の発明は、除塵装置として鋼球散布装置を使用したときの除塵方法に係り、前記除塵装置として鋼球散布装置を用い、該鋼球散布装置を前記除塵力に対応する鋼球散布量で運転制御するように構成する。
【００２０】
これにより、ダストの付着量に正しく追従した鋼球散布量で以て除塵を行なうことができ、従来技術のように最大除塵能力で運転するものに比べ、鋼球散布装置の駆動能力が低減される。
【００２１】
請求項３記載の発明は、除塵装置としてスートブロワを使用する際に好適な除塵方法に係り、請求項１において、前記除塵力に対応する除塵作業の間隔を求め、該間隔にて前記除塵作業を行なうように構成する。
【００２２】
これにより、ダスト付着量に適応した除塵頻度で以て除塵作業を行なうことができ、無駄な作業が排除されてプラントの保守作業能率が向上する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２４】
図１は本発明の実施形態に係る熱回収器及び再加熱器における除塵制御システムの構成図、図２及び図３は伝熱管へのダスト付着状況を示す説明図、図４はダスト付着係数と鋼球散布量の関係を示す表図、図５はダスト付着係数と除塵間隔との関係を示す表図である。
【００２５】
図１において、７は熱回収器、８は再加熱器で、これら両熱交換器には内部に伝熱管群１を備え、双方の伝熱管群１の間は、水、蒸気等の熱媒が流れる熱媒管１５で接続されている。
また、前記熱回収器７及び再加熱器８は、それらの排ガス入口管０１６、０１６から排ガス１３が導かれ、前記伝熱管群１において、熱媒管１５から導入された熱媒と熱交換した後、排ガス出口管０１７、０１７を通って外部に排出されるようになっている。
【００２６】
図２〜図３は、かかる熱回収器７及び再加熱器８内の伝熱管群１を構成する伝熱管１０へのダスト１１の付着状況を示す。図２の場合は、伝熱管１０の全周にダスト１１が付着した場合で、この場合は伝熱管１０間のガスの通過面積Ｓがダスト１１の付着分だけ減少するので、圧力損失が増大するとともに、伝熱性能が低下する。
図３の場合は、ダスト１１が伝熱管１０のガス流前部、あるいはガス流後部に付着した場合で、ガスの通路面積Ｓは減少しないが、伝熱管１０表面の伝熱面積が減少し伝熱性能が低下する。
【００２７】
そこで、本発明では上記のような２つのケースの何れにも対応可能とすべく、圧力損失及び伝熱係数の２つの要素からダストの付着量を算出することとし、前記熱回収器７及び再加熱器８の２つの熱交換器における排ガス出入口の圧力、温度及び流量、ならびに伝熱管群１への熱媒管１５の出入口温度、流量を検出している。
【００２８】
すなわち、図１において、熱回収器７の排ガス管には、その入口管０１６に圧力計２１、温度計２５及び排ガス流量計測用の排ガス流量計２９が設けられ、出口管０１７に圧力計２２及び温度計２６が設けられている。
また、再加熱器８の排ガス管にも、前記熱回収器７と同様に、その入口管０１６に圧力計２３、温度計２７、及び排ガス流量計測用の流量計３０が設けられ、出口管０１７に圧力計２４、温度計２８が設けられている。
一方、熱媒管１５側には、熱回収器７及び再加熱器８の出入口に４つの温度計３１、３２、３３、３４が設けられ、熱媒管１５には熱媒流量計１２が設けられている。
【００２９】
１００はコントローラであり、該コントローラ１００には前記各排ガス圧力計２１、２２、２３、２４からの排ガス圧力の検出値、各排ガス温度計２５、２６、２７、２８からの排ガス温度の検出値、各熱媒温度計３１、３２、３３、３４からの熱媒温度の検出値が夫々入力されるとともに、熱回収器７の排ガス流量計２９からの排ガス流量の検出値、再加熱器８の排ガス流量計３０からの排ガス流量の検出値、及び熱媒流量計１２からの熱媒流量の検出値が夫々入力されている。
１０１は、前記コントローラ１００によって作られた制御操作信号により、前記鋼球散布除塵装置あるいはスートブロワ９による除塵装置を運転操作する除塵操作部である。
【００３０】
次に、かかる除塵制御システムを用いての除塵方法について説明する。
前記熱回収器７及び再加熱器８の稼動時における、熱回収器７側の排ガス流量Ｇ_１、排ガス入口圧力Ｐ_１、出口圧力Ｐ_２、排ガス入口温度Ｔ_１、出口温度Ｔ_２等の検出値、再加熱器８側の排ガス流量Ｇ₂、排ガス入口圧力Ｐ_３、出口圧力Ｐ_４、排ガス入口温度Ｔ_３、出口温度Ｔ_４等の検出値は夫々コントローラ１００に入力される。
また、熱媒流量計１２からの熱媒流量ｗ、熱媒の熱回収器入口温度ｔ_１、出口温度ｔ_２、熱媒の再加熱器入口温度ｔ_３、出口温度ｔ_４、等の検出値もそれぞれコントローラ１００に入力される。
【００３１】
ここで本発明においては、前記熱回収器７、再加熱器８等の熱交換器における排ガスの圧力損失ΔＰと伝熱係数Ｕとの比Ｆ＝ΔＰ／Ｕをダスト付着係数と定義し、前記コントローラ１００によって次の手順で必要除塵力あるいは除塵動作間隔を算出する。
【００３２】
熱回収器７については、
（１）排ガス出入口間の圧力損失 ΔＰ_１＝Ｐ_１−Ｐ_２
排ガス量補正圧力損失 ΔＰａ_１＝ΔＰ_１×（Ｇｄ_１／Ｇ_１）^２
伝熱係数 Ｕ_１＝Ｑ_１／（ｔｍ_１×Ａ_１）
排ガス量補正伝熱係数 Ｕａ_１＝Ｕ_１×（Ｇｄ_１／Ｇ_１）^２
ここで、ｔｍ_１は平均温度差であり、
ｔｍ_１＝（（Ｔ_１−ｔ_２）−（Ｔ_２−ｔ_１））／ｌｎ（（Ｔ_１−ｔ_２）／（Ｔ_２−ｔ_１））
Ｇｄ_１＝熱回収器７の排ガス流量設計値
Ａ_１＝熱回収器の伝熱面積
熱負荷Ｑ_１＝ｗ×Ｃｐ_１×（ｔ_２−ｔ_１）
但し、Ｃｐ_１＝熱回収器の熱媒比熱
【００３３】
再加熱器８については、
（２）排ガス出入口間の圧力損失 ΔＰ_２＝Ｐ_３-Ｐ_４
排ガス量補正圧力損失 ΔＰａ_２＝ΔＰ_２×（Ｇｄ_２／Ｇ_２）^２
伝熱係数 Ｕ_２＝Ｑ_２／（ｔｍ_２×Ａ_２）
排ガス量補正伝熱係数 Ｕａ_２＝Ｕ_２×（Ｇｄ_２／Ｇ_２）^２
ここで平均温度差ｔｍ_２は、
ｔｍ_２＝（（Ｔ_３−ｔ_４）−（Ｔ_４−ｔ_３））／ｌｎ（（Ｔ_３−ｔ_４）／（Ｔ_４−ｔ_３））
Ｇｄ_２＝再加熱器８の排ガス流量設計値
Ａ_２＝再加熱器の伝熱面積
熱負荷Ｑ_２＝ｗ×Ｃｐ_２×（ｔ_４−ｔ_３）
但し、Ｃｐ_２＝再加熱器の熱媒比熱
【００３４】
上記のようにして算出される圧力損失ΔＰａ_１、ΔＰａ_２及び伝熱係数Ｕ_１、Ｕ_２から伝熱管群１の伝熱面の汚れの進行度合いを検知し、この度合いに応じたダストの除塵力を与える。
【００３５】
則ち、上記（１）〜（２）式により、熱回収器７及び再加熱器８における、
（３）圧力損失比 ΔＰｒ＝ΔＰａ／ΔＰｄ
伝熱係数比 Ｕｒ＝Ｕａ／Ｕｄ
但し、ΔＰｄ＝圧力損失設計値
Ｕｄ＝伝熱係数設計値
ダスト付着係数Ｆは、
（４） Ｆ＝ΔＰｒ／Ｕｒ
さらに、除塵力Ｍ_Ｒは、
（５） Ｍ_Ｒ＝Ｋ×Ｆ
但しＫは定数。
【００３６】
従って、前記コントローラ１００においては、前記熱回収器７及び再加熱器８について、排ガスの圧力Ｐ、温度Ｔ、ガス流量Ｇ、熱媒の温度ｔ、流量ｗの検出値、及びこれらの要素の設計値（添字ｄで示す）に基づき、上記（４）式によってダスト付着係数Ｆにより、（５）式にて除塵力Ｍ_Ｒを算出して、この除塵力Ｍ_Ｒを除塵操作部１０１に出力する。
【００３７】
かかるダスト付着係数による除塵作業制御は次の方法にて行なう。
（ａ）定期的に除塵作業を行なう場合。
この場合は、ダスト付着係数Ｆと必要除塵力Ｍ_Ｒ（鋼球散布除塵装置の場合は鋼球の散布量）との関係を図４に示すようにテーブル化してコントローラ１００に設定しておき、該コントローラ１００にて熱回収器７あるいは再加熱器８における前記検出値に基づき、（４）式にて算出したダスト付着係数Ｆに対応する除塵力Ｍ_Ｒを求め、かかる実際の除塵力Ｍ_Ｒになるような操作信号（鋼球散布除塵装置の場合は散布量）を除塵操作部１０１に与える。
【００３８】
これにより、排ガス状態及び熱媒状態の検出値に基づき算出したダスト付着係数Ｆを介して、熱回収器７あるいは再加熱器８の負荷等の運転状態に追従して除塵操作をなすことができ、無駄な除塵作業を行なうのを回避できる。
上記の方法は、図６に示す鋼球散布除塵装置のように、除塵力（鋼球の散布量）の制御が容易なものに好適である。
【００３９】
（ｂ）除塵の頻度を決定する場合。
ある時点で除塵作業を行なったとき、その時点での前記排ガス及び熱媒の状態（圧力、温度、流量等）を前記のようにして検出し、この検出値に基づきコントローラ１００において前記ダスト付着係数Ｆを算出する。
そして、前記ダスト付着係数Ｆと除塵力Ｍ_Ｒとしての除塵作業の間隔との関係を図５に示すようにテーブル化して、コントローラ１００に設定しておく。
そして、前記と同様な方法で、熱回収器７あるいは再加熱器８の排ガス及び熱媒の状態の検出値に基づき、ダスト付着係数Ｆを算出し、前記テーブルにより次回の除塵作業時期を決定する。
この方法は、図７に示すスートブロワのように、除塵力の制御が困難なものに好適である。
【００４０】
（ｃ）ダスト付着係数Ｆがある一定値を超えた時に除塵作業を行なう方法。
前記の方法により稼働中におけるダスト付着係数はＦを算出する一方、コントローラ１００に許容最大ダスト量に基づく許容最大ダスト付着係数Ｆｍｘを超えたとき、コントローラ１００は除塵操作部１０１に除塵作業実施を指令する。
この方法は、ダスト付着量が異常に多い場合に用いて好適である。
【００４１】
【発明の効果】
以上記載のごとく、本発明によれば、伝熱管群の圧力損失及び伝熱係数の検出値によってダストの除塵能力（除塵力）あるいは除塵作業の間隔を決定することにより、実際のダスト付着量に応じた除塵能力あるいは除塵の頻度で以て除塵を行なうことができ、従来技術のように常時最大の除塵能力で以て除塵装置を運転する等の過剰な除塵動作を必要としない。
これにより、除塵のための無駄なエネルギや労力の消費が回避されてエネルギ効率が向上するとともに、除塵作業能率が向上する。
また、前記のような無駄な除塵動作が回避されることにより、機器類の寿命が延長される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る熱回収器及び再加熱器における除塵制御システムの構成図である。
【図２】 伝熱管群におけるダストの付着状況の説明図（その１）である。
【図３】 図２に対応する説明図（その２）である。
【図４】 上記実施形態におけるダスト付着係数と鋼球散布量との関係を示す表図である。
【図５】 上記実施形態におけるダスト付着係数と除塵間隔との関係を示す表図である。
【図６】 本発明が適用される鋼球散布装置を備えた熱回収器の構成図である。
【図７】 本発明が適用されるスートブロワを備えた熱回収器の構成図である。
【符号の説明】
１ 伝熱管群
２ 鋼球分散器
４ 分配器
７ 熱回収器
８ 再加熱器
９ スートブロワ
９ａ 蒸気噴出管
１０ 伝熱管
１１ ダスト
１２ 流量計（熱媒）
１３ 排ガス
１５ 熱媒管
２１、２２、２３、２４ 排ガス圧力計
２５、２６、２７、２８ 排ガス温度計
２９、３０ 排ガス流量計
３１、３２、３３、３４ 熱媒温度計
１００ コントローラ
１０１ 除塵制御部

Claims (3)

1. 排ガスと水等の熱媒とを熱交換する熱交換器の伝熱管群に堆積したダストを鋼球散布装置、スートブロワ等の除塵装置により除去するにあたり、
   前記排ガスの状態及び熱媒の状態の検出値に基づき、前記熱交換器の圧力損失（ΔＰ）と伝熱係数（Ｕ）との比（ΔＰ／Ｕ＝Ｆ）で定めたダスト付着係数（Ｆ）を算出し、該ダスト付着係数（Ｆ）に基づき算出した除塵力（Ｍ R ）により前記除塵装置の運転を制御するようにしたことを特徴とする除塵方法。
2. 前記除塵装置として鋼球散布装置を用い、該鋼球散布装置を前記除塵力に対応する鋼球散布量で運転制御するようにした請求項１記載の除塵方法。
3. 前記除塵力に対応する除塵作業の間隔を求め、該間隔にて前記除塵作業を行なうようにした請求項１記載の除塵方法。

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