JP4585392B2

JP4585392B2 - 排熱ボイラ多缶設置ユニット

Info

Publication number: JP4585392B2
Application number: JP2005194557A
Authority: JP
Inventors: 則俊安藤; 勝久中田
Original assignee: 株式会社サムソン
Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2025-07-04
Also published as: JP2007010284A

Description

本発明は排熱ボイラ多缶設置ユニットに関するものである。

エンジンやガスタービンなどの原動機によって発電を行い、原動機が排出した高温排ガスの熱を排熱ボイラによって回収するコージェネレーション設備が近年急激に普及してきている。コージェネレーション設備では、一般的に発電が優先され、発電容量から原動機の選定を行い、選定した原動機の排ガス量に応じて排熱ボイラが定まる。発電容量の大きな原動機であれば、排ガス量が多くなるため、容量の大きな排熱ボイラが選定される。

原動機と排熱ボイラを１対１で接続しているコージェネレーション設備では、排熱ボイラに異常が発生しても設備全体を停止しなければならないため、稼働率が低下することになる。そのため、特開平１０−３３２１０１号公報には、複数の排熱ボイラを並列設置しておき、定期点検などによって排熱ボイラを運転できない場合には、点検を行う排熱ボイラは運転を停止し、他方の排熱ボイラではそのまま運転を継続することが記載されている。コージェネレーション設備は、電力と熱を供給するものであるが、熱の供給だけなら単独で運転するボイラの方が効率が良いため、コージェネレーション設備は電力の需要に基づいて負荷を制御している。そのため、排熱ボイラでは、排ガス供給量に過不足が発生し、この過不足が問題になることがある。

例えば、ボイラ内で一定量の缶水を循環させることで缶水の水質を均一化している貫流ボイラの場合、原動機の出力が低いと排熱ボイラへ供給する排ガス量が少なくなる。排熱ボイラ内では加熱によって蒸気が発生していても、缶水が沸き上がるほどは加熱されていない場合、ボイラ内での缶水の循環がなくなるため、缶水の濃縮度に片寄りが生じる。ボイラでは給水に薬品を注入しておき、ボイラ内で缶水を濃縮させながら循環比１以下で循環させ、また過濃縮を防止するために濃縮ブローを行うことで水質を保つことによって、缶内の腐食防止などを行っている。しかし、缶水の循環がなくなると、ボイラ内で濃縮度に片寄りが生じ、適正な水質を保つことができなくなるため、腐食などを引き起こすことがある。

また、蒸気需要量が少ない時期であっても電力需要量が多くなって、原動機の負荷が大きくなった場合には、蒸気が余るために蒸気を捨てることになる。コージェネレーション設備では、電力と熱を両方発生することで高い効率を得ることができるというものであるため、蒸気を捨てることになるとコージェネレーション設備本来の効率を発揮することができなくなる。また、余った蒸気を捨てる場合には、水資源を浪費することにもなる。
特開平１０−３３２１０１号公報

本発明が解決しようとする課題は、コージェネレーション設備において、排熱ボイラが運転できなくなったり、電力需要量と熱需要量のアンバランスによって、原動機による排ガス発生量と排熱ボイラによる排ガス必要量に過不足が生じた場合においても、コージェネレーション設備の運転を適切に保つことができるようにすることにある。

請求項１に記載の発明は、エンジンなど高温の排ガスを発生する原動機と、原動機で発生した排ガスから熱の回収を行う排熱ボイラからなり、排熱ボイラは複数台を並列に設置しておき、原動機にて発生した高温の排ガスを、前記の複数設置した排熱ボイラへ分散させて供給することができるようにしている排熱ボイラ多缶設置ユニットにおいて、各排熱ボイラには排ガス供給量を制御する排ガス流入制御装置、原動機から排熱ボイラの間には排ガスの圧力を検出する排ガス圧力検出装置を設けておき、いずれかの排熱ボイラが運転できなくなった場合には、運転できなくなった排熱ボイラへの排ガス供給を停止するとともに、原動機では排ガス圧力検出装置にて検出している排ガス圧力を検出しておき、排ガス圧力が高くなった場合には原動機の出力を低下させる制御を行うことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、エンジンなど高温の排ガスを発生する原動機と、原動機で発生した排ガスから熱の回収を行う排熱ボイラからなり、排熱ボイラは複数台を並列に設置しておき、原動機にて発生した高温の排ガスを、前記の複数設置した排熱ボイラへ分散させて供給することができるようにしている排熱ボイラ多缶設置ユニットにおいて、各排熱ボイラには排ガス供給量を制御する排ガス流入制御装置を設けておき、原動機における排ガス発生量が少ない場合には、一部排熱ボイラへの排ガス供給を停止することで、それ以外の排熱ボイラへの排ガス供給量を増加することを特徴とする。

本発明を実施することで、排熱ボイラに異常が発生したとしても、異常の発生した排熱ボイラのみ運転を停止し、残りの排熱ボイラでは運転することができるため、コージェネレーション設備の稼働は継続することができる。なお、排ガスを流すことができない排熱ボイラが発生すると、排ガス流路の面積が減少し、原動機出口部の排ガス圧力が上昇することがある。排ガス圧力が上昇すると、原動機における燃焼状態に悪影響を与えることがあるが、一部排熱ボイラへの排ガス供給停止時や排ガス圧力上昇時には原動機の負荷を低下させるようにしておくことで、原動機出口部の排ガス圧力上昇を防止することができる。

また、原動機の出力が低く、排ガス量が少ない場合には、排ガスの供給を一部の排熱ボイラに集中させて運転することで、運転を行っている排熱ボイラでは排ガス量が増加するため、缶内水質の片寄りなどの問題を解消できる。この時、排ガスを供給しない排熱ボイラでは放熱がなくなるため、排熱ボイラ部分全体としての放熱量を減少することができ、その分だけ効率が向上するという効果も得られる。

さらに、原動機の出力に比べて熱の需要量が少ない場合、排熱ボイラ部分を通さずに排ガスを排出することができるため、蒸気の発生量を削減することができる。また、排ガスをバイパスさせることで排熱ボイラへの排ガス供給量が減少した場合にも缶水の濃縮が片寄るおそれがあるが、供給する排熱ボイラの台数を減少し、個々のボイラにおける排ガス供給量の低下を防止することで缶水の濃縮の片寄りといった問題は発生しなくなる。

図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。図１から図５は各実施例におけるコージェネレーション設備の排ガスフローを示した図である。各図は多くの部分で一致しているため、同じものには同じ符号を付けている。なお、各実施例における相違点は他の実施例と組み合わせることができる。

まず図１に基づいて説明する。図１では、エンジンやガスタービンなどである原動機４を１台と、小型の排熱ボイラ１を３台設置している。３台の排熱ボイラは同じ容量のものであり、区別のために図の左から順に排熱ボイラ１Ａ、排熱ボイラ１Ｂ、排熱ボイラ１Ｃとしておく。排熱ボイラの設置台数は、原動機４が発生する排ガス量によって定まり、容量の大きな原動機４であれば設置台数は多くなり、容量の小さな原動機４であれば設置台数が少なくなる。なお、設置台数を変えずに原動機４の容量に応じて排熱ボイラ１の容量を変更するものであってもよく、原動機４の容量が小さい場合には、より容量の小さな排熱ボイラ（簡易ボイラ）を複数台設置することで調節できる。また、各排熱ボイラ１は、仕様の異なるものを組み合わせて設置しておいてもよい。

原動機４で発生した排ガスは、原動機４と接続している上流側排ガス通路５を通して各排熱ボイラ１へ送るようにしており、各排熱ボイラ１はそれぞれで上流側排ガス通路５と接続している。各排熱ボイラ１と上流側排ガス通路５をつなぐ個別の排ガス通路には、それぞれに排ガス流入制御装置として排ガス入口ダンパ２を設けておき、各排熱ボイラ１に対して個別に排ガス供給を制御できるようにしている。各排熱ボイラ１を通過した排ガスは、下流側排ガス通路６を通して排気する。各排熱ボイラ１と下流側排ガス通路６をつなぐ個別の排ガス通路にも、それぞれに排ガス出口ダンパ３を設けておき、下流側排ガス通路６から排ガスを供給していない排熱ボイラ１へ向けて排ガスが逆流する、ということを防止できるようにしている。

３台の排熱ボイラ１は、排ガス流に対して並列に設置しており、各排熱ボイラ１にはそれぞれに排ガス入口ダンパ２及び排ガス出口ダンパ３を設けているため、排熱ボイラごとに排ガスの供給を制御することができる。原動機４には原動機制御装置１０、各排熱ボイラには排熱ボイラ制御装置９を設けている。排熱ボイラ制御装置９では、排ガス入口ダンパ２と排ガス出口ダンパ３の開閉制御を行うとともに、原動機制御装置１０に対して排熱ボイラ１の運転状態を送信できるようにしている。なお、本実施例では、排熱ボイラ制御装置９で排ガス入口ダンパ２と排ガス出口ダンパ３の開閉を制御するものであるが、排ガス入口ダンパ２と排ガス出口ダンパ３の開閉は手動で行うものであってもよい。原動機制御装置１０は、図示していない負荷側の状況によって原動機４の出力を調節するとともに、排熱ボイラ制御装置９からの情報に基づいての出力調節も行う。

図１から一度離れて、原動機４が普通に運転しており、すべての排熱ボイラを運転させる場合について説明する。各排ガス入口ダンパ２Ａ・２Ｂ・２Ｃと、各排ガス出口ダンパ３Ａ・３Ｂ・３Ｃを開くと、原動機４で発生した高温の排ガスは、上流側排ガス通路５から各排熱ボイラ１Ａ・１Ｂ・１Ｃへ入ることになる。各排熱ボイラ１Ａ・１Ｂ・１Ｃでは、排ガスの熱を回収することで蒸気（又は温水）を発生させるようにしており、熱の需要箇所（図示せず）へ蒸気を供給する。各排熱ボイラ１で熱を回収した後の排ガスは、各排熱ボイラ１から下流側排ガス通路６へ入り、下流側排ガス通路６を通して排気される。

ある排熱ボイラ１に異常が発生し、その排熱ボイラでは運転することができなくなった場合、その排熱ボイラのみを停止する。例えば排熱ボイラ１Ａに異常が発生した場合には、図１にあるように排熱ボイラ１Ａの排ガス入口ダンパ２Ａと排ガス出口ダンパ３Ａを閉じ、それ以外の排ガス入口ダンパ２Ｂ・２Ｃと排ガス出口ダンパ３Ｂ・３Ｃは開いておく。この場合、原動機４で発生した排ガスは、排熱ボイラ１Ｂと排熱ボイラ１Ｃへのみ供給され、排熱ボイラ１Ａへの排ガス供給は停止される。排熱ボイラ１Ａへ供給していた分の排ガスは、排熱ボイラ１Ｂと排熱ボイラ１Ｃへ供給されることになるため、排熱ボイラ１Ｂと排熱ボイラ１Ｃへ供給される排ガス量は増加する。

３台の排熱ボイラ１Ａ・１Ｂ・１Ｃを通して流していた排ガスを、２台の排熱ボイラ１Ｂ・１Ｃへ集中させることになると、排ガスの流路面積は２／３となるため、排ガスは流れにくくなる。排熱ボイラ１の仕様によっては、効率を高めるために流路面積を狭く設定することがあり、その場合には流路面積が縮小すると、上流側排ガス通路で排ガスの圧力が上昇し、原動機４における燃焼に悪影響を与えることがある。そのため、運転を停止した排熱ボイラ１Ａの排熱ボイラ制御装置９は、原動機制御装置１０に対して運転停止の情報を出力し、排熱ボイラ１Ａの停止情報を受信した原動機制御装置１０では、原動機の出力を低下させる。排熱ボイラの減少と同じ割合で原動機の出力を低下すれば、排ガスの圧力が上昇することは防止できる。

排熱ボイラ１Ａでは、排ガス出口ダンパ３Ａも閉じているため、他の排熱ボイラ１から下流側排ガス通路６に達した排ガスが下流側排ガス通路６から排熱ボイラ１Ａに逆流してくることもなく、排熱ボイラ１Ａは排ガスの流れから切り離されていることになる。そのため、排熱ボイラ１Ａでは、原動機４や他の排熱ボイラ１Ｂ・１Ｃが稼働していても、異常を復旧する作業を行うことができる。

図２は、基本的な部分では図１と同じであるが、原動機制御装置１０は上流側排ガス通路５に設けている排ガス圧力検出装置１１からの情報に基づいて原動機４の出力を調節する点が図１と異なっている。なお、排熱ボイラ制御装置９は記載していないが、排ガス入口ダンパ２と排ガス出口ダンパ３の開閉制御を自動で行うのであれば、排熱ボイラ制御装置９は必要となる。図２の場合も、排熱ボイラ１Ａに異常が発生し、排熱ボイラ１Ａへの排ガス供給は停止している。図２の場合は上流側排ガス通路５における排ガス圧力を検出しておき、流路面積の減少によって圧力値が所定の値より高くなった場合、原動機制御装置１０は原動機４の出力を低下させる。原動機４の出力が低下すれば、排ガスの発生量が少なくなるため、排ガスの圧力を安定させることができる。

図３は、排熱ボイラ１に対する熱供給の必要がない場合などのため、上流側排ガス通路５から直接下流側排ガス通路６へ排ガスを流すことができるように、上流側排ガス通路５と下流側排ガス通路６をバイパス配管８で接続しており、バイパス配管８の途中にはバイパスダンパ７を設けている。バイパスダンパ７は、通常は閉じておくことで排ガスは排熱ボイラ１を通して下流側排ガス通路６へ向かうようにしておき、排熱ボイラ１へ排ガスを送りたくない場合にはバイパスダンパ７を開き、排熱ボイラ１部分をバイパスさせて排ガスの排出を行うことで、排ガスが排熱ボイラ１に入ることを防ぐ。

各排熱ボイラ１は正常であったとしても、原動機４による出力が小さい場合には、一部の排熱ボイラを停止する。一部排熱ボイラの停止は、該当する排ガス入口ダンパ２及び排ガス出口ダンパ３を閉じることで行え、その場合の排ガスフロー等は前記と同じである。原動機４で発生する排ガス量は、原動機４の負荷率によって定まるため、原動機４の負荷率を検出しておけば排ガス量を知ることができる。原動機４の稼働が設定値に比べて大幅に少なく、各排熱ボイラ１への熱供給量が少なすぎて缶水の十分な循環が行えないといった場合、ボイラ内部の加熱部でのみ缶水の濃縮が進み、濃縮に片寄りが生じる。この場合も、例えば図３に記載のように、排熱ボイラ１Ａの排ガス入口ダンパ２Ａと排ガス出口ダンパ３Ａを閉じ、排熱ボイラ１Ａへの排ガス供給を停止すると、排熱ボイラ１Ａへ送っていた排ガス量の分だけ他の排熱ボイラ１Ｂ・１Ｃへ供給される排ガス量が増加する。排ガス供給量を増加させることで、ボイラ１Ｂ・１Ｃでは加熱量が増加し、缶水の適度な循環が得られることになる。また、必要ならばさらに排ガスを供給する排熱ボイラ１の台数を減少する。１台の排熱ボイラ１へ供給する排ガス量を増加することで、排ガス量の不足によって缶水循環が不十分であった排熱ボイラ１での缶水濃縮度の片寄りを解消できる。なお、排ガスの供給を停止した排熱ボイラでは、缶水の濃縮は発生しないため缶水濃縮の片寄りは発生しない。

図４は、蒸気需要量は少ないが電力需要量が多いため、原動機の負荷が大きくなっており、そのまま蒸気を発生させたのでは蒸気が過剰になるという場合のものである。蒸気需要量が少ないために蒸気が余り、蒸気ヘッダ（図示せず）の蒸気圧力値が設定値よりも高くなった場合には、バイパスダンパ７を開くことで蒸気発生量を減少させる。

バイパスダンパ７を一部開くと、排ガスの一部は上流側排ガス通路５からバイパス配管８を通って下流側排ガス通路６へ向かう。バイパス配管８を通る排ガスは排熱ボイラ１を加熱しないため、排熱ボイラ１へ供給される排ガス量（熱量）が減少し、熱量減少した分だけ排熱ボイラ１での蒸気発生量は減少する。バイパスダンパ７を開くことで蒸気発生量を減少し、蒸気圧力値の低下によって蒸気供給量を増加する必要が生じた場合には、バイパスダンパ７を閉じて蒸気発生量を増加させる。バイパスダンパ７を開いても蒸気圧力値が低下しなかった場合には、バイパスダンパ７の開度を大きくすることでさらに蒸気発生量を減少させる。

図５も蒸気需要量は少ないが電力需要量が多いため、原動機の負荷が大きくなっており、そのまま蒸気を発生させたのでは蒸気が過剰になるという場合のものである。図５の場合も、図４の場合と同様にバイパスダンパ７を一部開くことで蒸気発生量を減少させるものであるが、図５では同時に、運転する排熱ボイラ１の台数を少なくしている。バイパスダンパ７を開くだけで蒸気発生量を減少することができるが、個々の排熱ボイラ１に対する熱量が少なくなると、原動機４の排ガス発生量が少ない場合と同様に排熱ボイラの缶水濃縮度に片寄りが生じる可能性がある。そこでバイパスダンパ７を開き、排熱ボイラ１へ供給する排ガス量を減少する場合には、一部の排熱ボイラへの排ガス供給を停止する。排ガス入口ダンパ２と排ガス出口ダンパ３を閉じることで運転する排熱ボイラ１の台数を減少すると、個々の排熱ボイラにおいて排ガス供給量が少なくなりすぎるということにはならないため、缶水濃縮度の片寄りという問題も発生しない。

本発明の第一実施例における排ガスフロー図本発明の第二実施例における排ガスフロー図本発明の第三実施例における排ガスフロー図本発明の第四実施例における排ガスフロー図本発明の第五実施例における排ガスフロー図

符号の説明

１排熱ボイラ
２排ガス入口ダンパ
３排ガス出口ダンパ
４原動機
５上流側排ガス通路
６下流側排ガス通路
７バイパスダンパ
８バイパス配管
９排熱ボイラ制御装置
１０原動機制御装置
１１排ガス圧力検出装置

Claims

エンジンなど高温の排ガスを発生する原動機と、原動機で発生した排ガスから熱の回収を行う排熱ボイラからなり、排熱ボイラは複数台を並列に設置しておき、原動機にて発生した高温の排ガスを、前記の複数設置した排熱ボイラへ分散させて供給することができるようにしている排熱ボイラ多缶設置ユニットにおいて、各排熱ボイラには排ガス供給量を制御する排ガス流入制御装置、原動機から排熱ボイラの間には排ガスの圧力を検出する排ガス圧力検出装置を設けておき、いずれかの排熱ボイラが運転できなくなった場合には、運転できなくなった排熱ボイラへの排ガス供給を停止するとともに、原動機では排ガス圧力検出装置にて検出している排ガス圧力を検出しておき、排ガス圧力が高くなった場合には原動機の出力を低下させる制御を行うことを特徴とする排熱ボイラ多缶設置ユニット。
エンジンなど高温の排ガスを発生する原動機と、原動機で発生した排ガスから熱の回収を行う排熱ボイラからなり、排熱ボイラは複数台を並列に設置しておき、原動機にて発生した高温の排ガスを、前記の複数設置した排熱ボイラへ分散させて供給することができるようにしている排熱ボイラ多缶設置ユニットにおいて、各排熱ボイラには排ガス供給量を制御する排ガス流入制御装置を設けておき、原動機における排ガス発生量が少ない場合には、一部排熱ボイラへの排ガス供給を停止することで、それ以外の排熱ボイラへの排ガス供給量を増加することを特徴とする排熱ボイラ多缶設置ユニット。