JP5008134B2 - 給水予熱ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、給水を予熱するエコノマイザと、エコノマイザで予熱した給水をさらに加熱して蒸気を発生するボイラ本体を持っており、エコノマイザを通じてボイラ本体へ給水するようにしている給水予熱ボイラに関するものである。

特開平７−２１７８０２号公報にあるように、給水を予熱するエコノマイザ（節炭器）と、エコノマイザで予熱した給水をさらに加熱して蒸気を発生するボイラ本体（蒸発器）を設けておき、エコノマイザによって予熱した予熱水をボイラ本体へ給水するようにしている給水予熱ボイラが広く普及している。エコノマイザは排ガスを通す排ガス通路内に多数の伝熱管を設け、各伝熱管を連結して一続きの給水流路を形成することで、ボイラへの給水はエコノマイザを通して行われるようにしている。
排ガスは、ボイラ本体と熱交換することで温度は低下するが、ボイラ本体の通過後であっても給水温度に比べれば十分に温度が高い。そのために給水の予熱には利用でき、排ガスで給水の予熱を行うことで熱の総合的な回収量を増加することができる。

エコノマイザでの熱吸収量を多くすればボイラの効率は向上することになるが、エコノマイザ内の予熱水温度が高くなりすぎると、エコノマイザ内部で蒸気が発生することがある。間欠的に給水を行っているボイラの場合、給水を行うとエコノマイザ内の水は入れ替わるために予熱水温度が高くなることはないが、給水を行っていない場合はエコノマイザ内部の水が入れ替わらないために予熱水温度は高くなる。ボイラ内では蒸気の発生によって圧力が高くなると、水が液体から気体に変化する飽和温度も高くなるが、エコノマイザ出口における予熱水温度が上昇し続けて飽和温度に達すると、エコノマイザ内部で予熱水が沸騰して蒸気を発生し、振動や圧力変動を生じるという問題があった。

そこで、特開平７−２１７８０２号公報に記載の発明では、エコノマイザ出口における給水温度を検出しておき、給水温度が出口設定温度Ｓ２より高い時には給水量を増加することで、エコノマイザ内の水温を低下させるようにしている。エコノマイザ出口の予熱水を低い温度に保てば、エコノマイザ出口での給水のスチーミングによる振動及び圧力変動の発生の問題を防止できるが、この場合、出口設定温度Ｓ２を適切な値に設定することは難しかった。効率の点からは出口設定温度Ｓ２の値を高くしておき、エコノマイザ内での水温を高くすることができるようにしたいが、エコノマイザ内での蒸発を防止するためには出口設定温度Ｓ２の値は低くしておかなければならず、両立はしないものであった。
特開平７−２１７８０２号公報

本発明が解決しようとする課題は、エコノマイザ内で蒸気が発生することを防止しながら、エコノマイザで予熱する予熱水温度の上限値を高めて、ボイラの効率を向上させることを可能にした給水予熱ボイラを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、給水を予熱するエコノマイザと、エコノマイザで予熱した給水をさらに加熱して蒸気を発生するボイラ本体を持っており、エコノマイザを通じてボイラ本体へ給水するようにしている給水予熱ボイラであって、ボイラの状態に基づいてボイラへの給水を制御する運転制御装置を持っている給水予熱ボイラにおいて、エコノマイザ出口における予熱水の温度を検出する予熱水温度検出装置と、ボイラ本体内におけるボイラ水の飽和温度を検出する飽和温度検出装置を設け、予熱水温度と飽和温度の温度差を算出するようにしておき、運転制御装置は検出した温度差があらかじめ設定しておいた必要温度差よりも小さくなった場合には、ボイラへの給水を行わせるものである。

飽和温度に合わせて予熱水温度の上限値を変更するようにすれば、予熱水温度と飽和温度の差が縮まり、エコノマイザ内で蒸気が発生するおそれが高まった状態のときにのみ予熱水温度を適正な値に低下させることになる。そのため、飽和温度が高い場合に必要以上に予熱水温度を低下させたり、飽和温度が低くなっている場合に必要な予熱水温度低下が行われないということがなくなり、エコノマイザ内での蒸気発生は防止しながら、予熱水温度の上限の平均値は高くすることができる。

請求項２に記載の発明は、前記の給水予熱ボイラにおいて、ボイラ本体内からボイラ水を排出する排水手段とボイラ本体における水位を検出する水位検出装置を設けておき、運転制御装置はボイラ本体における水位が上限水位よりも高くなった場合には前記排水手段によってボイラ水の排出を行うものである。

ボイラ内水位が高くなればボイラ水を排出するようにしておくことで、エコノマイザにおける予熱水温度を低下させるために行う給水はボイラ内の水位に関係なく行うことができる。予熱水温度を低下させるために給水を行うことで、ボイラ内の水位が上昇して気水分離器によるボイラ水の分離が間に合わなくなると、蒸気の乾き度が低下することになる。水位に基づいてボイラ水を排出するようにしておけば、水位が上限を越えて高くなることはないため、蒸気乾き度は高く保つことができる。

本発明を実施することで、エコノマイザ内で蒸気が発生することの不具合を防止しながら、必要以上に予熱水温度を低くすることもないために熱を効率よく活用することができる。

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施しているボイラの概要図である。実施例でのボイラは、ガスタービン９から排出された高温の排ガスから蒸気を発生させる排熱蒸気ボイラである。ガスタービン９からの排ガスを通す排ガス通路１内には、ボイラ本体６とエコノマイザ４を設置している。ボイラ本体６は、多数の伝熱管を並列に設置し、上下を管寄せで接続している。エコノマイザは、多数の伝熱管で一続きの流路を形成するように連結したものであり、ボイラ本体６よりも排ガス流の下流側に設置している。エコノマイザ４は、一方の端部に給水管３を接続しており、給水管３の途中に設けた給水ポンプ２を作動することで給水をエコノマイザ４内へ導入する。エコノマイザ４の他方の端部には、エコノマイザ４とボイラ本体６をつなぐ予熱水管１０を接続しており、予熱水管１０の途中にはエコノマイザ４で予熱した予熱水の温度を検出する予熱水温度検出装置５を設けている。予熱水温度検出装置５はボイラの運転を制御する運転制御装置８と接続しており、予熱水温度検出装置５で検出した予熱水温度は運転制御装置８へ出力する。

ボイラ本体６は上部管寄せと下部管寄せの間を多数の伝熱管で接続したものであり、予熱水管１０はボイラ本体６の下部管寄せに接続しておく。ボイラ本体６の上部管寄せには、ボイラ本体６から蒸気を取り出して気水分離器１３へ送る蒸気取り出し管１１を接続しており、蒸気取り出し管１１の途中に飽和温度検出装置７を設ける。ボイラ本体６でのボイラ水の飽和温度は、ボイラ本体６内における圧力から一義的に定まる。そのため、飽和温度検出装置７はボイラ本体６の蒸気圧力を検出しておき、蒸気圧力値から飽和温度を換算するものであってもよい。飽和温度検出装置７も運転制御装置８と接続しておき、飽和温度検出装置７で検出したボイラ水の飽和温度も運転制御装置８へ出力する。

気水分離器１３は蒸気とボイラ水を分離するものであり、分離した蒸気は上部の蒸気配管から蒸気使用部へ供給し、分離したボイラ水は下部に接続した還水管１５を通してボイラ本体６の下部へ還流させる。ボイラではボイラ水が過剰に濃縮することを防止するためにボイラー水を排出するブローを行う必要があるため、還水管１５にはブロー配管１４を接続しており、ブロー配管１４の途中に設けたブロー弁１２を開くことでボイラ水を排出することができるようにしている。

ボイラにはボイラ本体６での水位を検出する水位検出装置１６を設置しておき、水位検出装置１６で検出した水位の情報も運転制御装置８へ出力する。運転制御装置８は給水ポンプ２及びブロー弁１２とも接続しており、運転制御装置８では予熱水温度検出装置５・飽和温度検出装置７・水位検出装置１６からの情報に基づき、給水ポンプ２とブロー弁１２の作動を制御する。給水の制御は、水位検出装置１６にて検出している水位が給水開始水位未満まで低下すると給水ポンプ２の作動を開始し、水位が給水停止水位以上まで上昇すると給水ポンプ２の作動を停止することで行っている。また運転制御装置８では、予熱水温度に基づく給水ポンプ２の作動制御を併用するようにしている。運転制御装置８では、予熱水温度検出装置５で検出した予熱水温度と、飽和温度検出装置７で検出した飽和温度の温度差を算出し、算出した温度差があらかじめ設定しておいた必要温度差（例えば５℃）よりも小さくなった場合にも、給水ポンプ２の作動を行うように設定しておく。

ブロー弁１２を開閉することによるブロー制御についても、通常時には給水量に対して所定の割合でブロー弁１２を開き、ボイラ水を排出することでボイラ水の濃縮度を調節するものであるが、ボイラ本体６における水位が上限水位より高くなった場合にもブロー弁１２を開いてボイラ水の排水を行うように設定しておく。

ガスタービン９で発生した排ガスは、排ガス通路１を通して排出しており、排ガス通路１の途中で、まずボイラ本体６と熱交換し、続いてエコノマイザ４とも熱交換する。排ガス通路１内を流れる排ガスは、ボイラ本体６の伝熱管と接触することで排ガスの持っている熱を伝熱管に伝える。伝熱管は排ガスから受け取った熱を伝熱管内部のボイラ水へ伝え、ボイラ水の温度を上昇させる。ボイラ本体６との熱交換を行った排ガスは、ボイラ本体６に熱を与えたことによって温度は低下しているが、より温度の低い給水の予熱には利用することができるため、エコノマイザ４でさらに熱交換する。エコノマイザ４は、多数の伝熱管を連結することで一続きの給水流路としたものであり、エコノマイザ４内を流れる給水は排ガスの熱を吸収することで予熱が行われる。排ガスはエコノマイザ４の伝熱管を加熱することで更に温度を低下させて、その後は戸外へ排出する。

ボイラの給水は、給水ポンプ２を作動することで行う。運転制御装置８は水位検出装置１６を通じてボイラ本体６での水位を検出しており、ボイラ本体６の水位が給水開始水位未満まで低下すると給水ポンプ２の作動を開始する。給水ポンプ２を作動すると、給水管３を通じてエコノマイザ４内へ水が入り、エコノマイザ４内の水は予熱水管１０へ押し出される。水位が給水停止水位以上にまで上昇すると、給水ポンプ２の作動を停止する。エコノマイザ４で予熱した予熱水は、エコノマイザ４とボイラ本体６の間をつなぐ予熱水管１０を通してボイラ本体６へ供給される。エコノマイザ４での予熱後にボイラ本体６内へ入ったボイラ水は、ボイラ本体６内でさらに加熱され、ボイラ本体６内で飽和温度に達すると、ボイラ水は沸騰して蒸気を発生する。蒸気の発生によってボイラ本体６内の圧力が上昇すると飽和温度も上昇していく。ボイラ本体６内では、飽和温度の蒸気と飽和温度のボイラ水が共に存在することになり、例えばボイラの圧力が0.8MPaであれば飽和温度は約１７０℃であるため、この時のボイラ内の蒸気発生部では約１７０℃の蒸気と約１７０℃のボイラ水が存在することになる。

ボイラ本体６で発生させた蒸気は、ボイラ本体６の上部に接続している蒸気取り出し管１１を通して取り出す。蒸気取り出し管１１から取り出される蒸気はボイラ水を大量に含んだものであるため、気水分離器１３で蒸気とボイラ水の分離を行い、蒸気のみを蒸気使用箇所へ供給する。気水分離器１３で分離したボイラ水は、気水分離器１３の下部に接続している還水管１５を通してボイラ本体６の下部へ戻す。

また、運転制御装置８では、飽和温度検出装置７にて検出している飽和温度と、予熱水温度検出装置５で検出している予熱水温度の温度差を算出し、算出した温度差が必要温度差よりも小さくなっていた場合には、給水ポンプ２の作動を行う。

エコノマイザ４は一続きの流路としているため、給水ポンプ２を作動させるとエコノマイザ４内を給水が流れ、給水ポンプ２の作動を停止すると給水の流れは止まることになる。給水ポンプ２を作動している場合にはエコノマイザ４内の給水は入れ替わり続けるため、エコノマイザ４で予熱後の予熱水温度が必要異常に高くなることはない。しかし、給水ポンプ２を停止している場合には、エコノマイザ４内の給水は入れ替わらないために予熱水温度は上昇し続けることになる。エコノマイザ４とボイラ本体６はつながっているため、エコノマイザ４内の圧力はボイラ本体６の圧力と同じになる。そのため、給水の停止によって予熱水温度が通常よりも高くなったとしても、飽和温度より低い値であれば、エコノマイザ４内で蒸気が発生することはない。しかし、蒸気使用量が急増して蒸気の圧力が低下するなどによって、予熱水温度と飽和温度の差がなくなった場合には、エコノマイザ４内で蒸気が発生することになる。

給水を停止していることによってエコノマイザ４内の予熱水温度が上昇し、予熱水温度が飽和温度に近づいた場合、給水ポンプ２の作動を行ってエコノマイザ４内の水を入れ替えることによって、エコノマイザ４での予熱水の温度を低下させる。例えば予熱水温度と飽和温度の必要温度差を５℃としている場合に、飽和温度が１７０℃であって、予熱水温度が１６６℃であったとすると、運転制御装置８は給水ポンプ２の作動を開始する。給水ポンプ２を作動すると、温度の低い給水がエコノマイザ４内に入り、エコノマイザ４内の水が移動する。温度の低い水を供給することで予熱水温度が飽和温度よりも５℃以上低い温度になると、運転制御装置８は給水ポンプ２の作動を停止する。

ボイラ内の圧力が0.8MPaであり、エコノマイザ出口における予熱水温度が１６６℃であった時には、エコノマイザ４内の予熱水温度は0.8MPa時の飽和温度である約１７０℃には達していないため、エコノマイザ４内で予熱水が沸騰することはない。しかし、この状態の時にボイラ内圧力が0.7MPaになったとすると、0.7MPa時の飽和温度は約１６５℃であって飽和温度よりも予熱水温度の方が高くなるため、エコノマイザ内部で予熱水が沸騰して蒸気が発生するということになる。そのため、この場合には予熱水温度を１６０℃まで低下させるなどしてエコノマイザで蒸気が発生しないようにする必要がある。

また、ボイラ内圧力がさらに低い0.6MPaになったとすると、0.6MPa時の飽和温度は約１５９℃となる。ボイラ内圧力が0.7MPaの場合、飽和温度は約１６５℃であったため、予熱水温度を１６０℃まで低下していればエコノマイザ内で蒸気が発生することはなかった。しかし、飽和温度が約１５９℃になった時に、予熱水温度が１６０℃であれば蒸気が発生することになる。そのため、この場合には予熱水温度を１６０℃まで低下させていたとしても不十分であり、飽和温度の約１５９℃から更に必要温度差分低下させる。

飽和温度はボイラの圧力で変化し、飽和温度が低い場合には予熱水温度を低くしておく必要がある。逆に言えば、飽和温度が高い場合には予熱水温度がある程度高くなっても蒸気は発生しないということになる。そこで本発明では、飽和温度と予熱水温度の温度差を検出しておき、予熱水温度は飽和温度よりも必要温度差分低い温度以下に維持するようにしている。飽和温度に合わせて予熱水温度の上限値を変更するようにすれば、予熱水温度と飽和温度の差が縮まり、エコノマイザ内で蒸気が発生するおそれが高まった状態のときにのみ予熱水温度を適正な値に低下させることになる。そのため、飽和温度が高い場合に必要以上に予熱水温度を低下させたり、飽和温度が低くなっている場合に必要な予熱水温度低下が行われないということがなくなり、エコノマイザ内での蒸気発生は防止しながら、予熱水温度上限値の平均は高くすることができる。そのため、エコノマイザ内で蒸気が発生することの不具合を防止しながら、熱を効率よく活用することができる。

なお、この給水制御は水位検出装置１６にて検出しているボイラ本体６内水位とは無関係に行う。そのため、給水によってボイラ本体６内の水位が上昇し、上限水位よりも高くなった場合にはブロー弁１２を開くことでボイラ水の排出を行い、ボイラ本体６内の水位を適正な水位とする。

本発明を実施しているボイラの概要図

符号の説明

１ 排ガス通路
２ 給水ポンプ
３ 給水管
４ エコノマイザ
５ 予熱水温度検出装置
６ ボイラ本体
７ 飽和温度検出装置
８ 運転制御装置
９ ガスタービン
１０ 予熱水管
１１ 蒸気取り出し管
１２ ブロー弁
１３ 気水分離器
１４ ブロー配管
１５ 還水管
１６ 水位検出装置

Claims (2)

1. 給水を予熱するエコノマイザと、エコノマイザで予熱した給水をさらに加熱して蒸気を発生するボイラ本体を持っており、エコノマイザを通じてボイラ本体へ給水するようにしている給水予熱ボイラであって、ボイラの状態に基づいてボイラへの給水を制御する運転制御装置を持っている給水予熱ボイラにおいて、エコノマイザ出口における予熱水の温度を検出する予熱水温度検出装置と、ボイラ本体内におけるボイラ水の飽和温度を検出する飽和温度検出装置を設け、予熱水温度と飽和温度の温度差を算出するようにしておき、運転制御装置は検出した温度差があらかじめ設定しておいた必要温度差よりも小さくなった場合には、ボイラへの給水を行わせるものであることを特徴とする給水予熱ボイラ。
2. 請求項１に記載の給水予熱ボイラにおいて、ボイラ本体内からボイラ水を排出する排水手段とボイラ本体における水位を検出する水位検出装置を設けておき、運転制御装置はボイラ本体における水位が上限水位よりも高くなった場合には、前記排水手段によってボイラ水の排出を行うものであることを特徴とする給水予熱ボイラ。

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