JP5086108B2 - 過熱蒸気装置 - Google Patents

Description

本発明は飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を供給する過熱蒸気装置に関するものである。

蒸気を加熱して過熱蒸気とすることは、特開昭５９−２００１０６号公報などに記載されている通り、広く行われている。特開昭５９−２００１０６号公報に記載の発明では、再熱器バイパス管を設け、過熱蒸気熱交換器である再熱器のバイパス量を増減することで蒸気温度を調節している。再熱器をバイパスしたバイパス蒸気は再熱器での加熱が行われていないために比較的低温となる。再熱器出口の蒸気温度が目標温度よりも高温になった場合には再熱器をバイパスする蒸気量を増量することで過熱蒸気温度を低下させ、再熱器出口の蒸気温度が目標温度よりも低温になった場合にバイパス量を減量することで過熱蒸気温度を昇温させる。このようにバイパス蒸気量を制御することで、過熱蒸気の温度を目標温度に維持することができる。

なお、過熱蒸気の温度調節は、過熱蒸気熱交換器へ供給する熱量を調節することでも行える。しかし過熱蒸気熱交換器への供給熱量を調節することによって過熱蒸気温度を変更する場合、供給熱量を変更しても過熱蒸気温度の変化が現れるまでに比較的長い時間がかかり、思い通りに制御することができない。これに対し、バイパス蒸気量を調節するのであれば、温度調節の効果は比較的短い時間で現れるため、過熱蒸気温度を思い通りに調節することができる、という利点がある。ただし、バイパス蒸気による温度調節を行う場合、蒸気を必要以上に加熱した後で温度を低下させるということになるため、加熱に要する熱量の一部は無駄なものになるという問題があった。
特開昭５９−２００１０６号公報

本発明が解決しようとする課題は、過熱蒸気の目標温度に対する追従性は高いものであって、かつ過熱蒸気の加熱に要する熱量の無駄も低減することのできる過熱蒸気装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、蒸気を加熱して過熱蒸気とする過熱蒸気熱交換器２、過熱蒸気熱交換器２へ蒸気を供給する蒸気供給配管１、過熱蒸気を過熱蒸気熱交換器２から過熱蒸気使用箇所９へ送る過熱蒸気取り出し配管３、蒸気供給配管１と過熱蒸気取り出し配管３の間をつなぎ過熱蒸気熱交換器２をバイパスして加熱前の蒸気を過熱蒸気取り出し配管３へ送るためのバイパス配管４、過熱蒸気取り出し配管３のバイパス配管接続部より下流側で最終の過熱蒸気温度を検出する最終蒸気温度検出装置５、蒸気供給配管１からバイパス配管４へ送る蒸気量を制御する蒸気供給量制御装置６、過熱蒸気熱交換器２で加熱した直後の過熱蒸気である中間の過熱蒸気温度を検出する中間蒸気温度検出装置７、バイパス配管４へ送る蒸気量と過熱蒸気熱交換器２へ供給する熱量の制御を行う加熱量制御装置１０をそれぞれ設けておき、過熱蒸気使用箇所９へ供給する過熱蒸気の目標温度を低下させる場合には、まず最終蒸気温度検出装置５にて検出している最終蒸気温度が目標温度になるように、蒸気供給配管１からバイパス配管４へ送る蒸気量を増加する制御を行うとともに、中間蒸気温度検出装置７で検出している中間蒸気温度が目標温度になるように、過熱蒸気熱交換器２へ供給する熱量を減少する制御を行い、過熱蒸気熱交換器２による過熱蒸気温度の低下に合わせて、一旦増加させていたバイパス配管４への蒸気供給を減少していく制御を行うことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記の過熱蒸気装置において、最終的には、中間蒸気温度検出装置７で検出する中間蒸気温度が目標温度に等しくなるように過熱蒸気熱交換器２へ供給する熱量を調節することで、バイパス配管４への蒸気供給をなくす制御を行うことを特徴とする。

本発明を実施することで、過熱蒸気の目標温度が変化した場合には、供給する過熱蒸気の温度を速やかに適正範囲とすることができるものでありながら、過熱蒸気の加熱に要する熱量の無駄も低減することができる。

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施する過熱蒸気装置のフロー図、図２は本発明の実施例での加熱量変化の説明図、図３は過熱蒸気熱交換器をバイパスさせる蒸気量で過熱蒸気の温度を調節する場合と、過熱蒸気熱交換器への加熱量で過熱蒸気の温度を調節する場合を比較する図である。

図１に記載しているように、過熱蒸気装置は、過熱蒸気熱交換器２や熱供給装置８などからなる蒸気加熱部と、過熱蒸気熱交換器２へ飽和蒸気を供給し、過熱蒸気を過熱蒸気使用箇所９へ送る蒸気供給経路部からなっている。過熱蒸気熱交換器２へ供給する蒸気は飽和蒸気であり、過熱蒸気熱交換器２に接続した蒸気供給配管１を通じて過熱蒸気熱交換器２へ飽和蒸気を供給する。過熱蒸気熱交換器２から取り出される蒸気は過熱蒸気であり、過熱蒸気熱交換器２に接続した過熱蒸気取り出し配管３を通して過熱蒸気使用箇所９へ過熱蒸気を供給する。蒸気供給配管１の途中には分岐部を設けており、分岐部と過熱蒸気取り出し配管３をつなぐバイパス配管４を接続する。バイパス配管４は、蒸気供給配管１の飽和蒸気を直接過熱蒸気取り出し配管３へ送るものであり、分岐部には過熱蒸気熱交換器２へ送る蒸気量とバイパス配管４へ送る蒸気量を調節する蒸気供給量制御装置６を設ける。蒸気供給量制御装置６としては電動三方弁等を使用することができる。

過熱蒸気熱交換器２は、図示していない高温ガス発生源と熱供給装置８で発生させた熱によって加熱することで飽和蒸気を過熱蒸気とするものである。ボイラやガスエンジンなどから排出される高温ガスを使用することができる場合、ボイラなどからの高温ガスを過熱蒸気熱交換器２へ供給することで燃料使用量を削減することができる。ボイラなどの排ガスのみでは過熱蒸気熱交換器２に対する熱量が不足する場合には、追い焚き用バーナを併用することになり、本実施例では排ガスによる加熱とバーナによる加熱を併用するようにしている。追い焚き用バーナ併用の場合における加熱量は、排ガスの熱量とバーナによる熱量を合計したものになる。本実施例では以下の説明を簡略化するため、過熱蒸気熱交換器２に対する供給熱は、高温ガス（排ガス及び燃焼ガス）の温度は一定（４５０℃）であって、高温ガス量を変化させることで熱量が変化するものとしている。

過熱蒸気取り出し配管３のバイパス配管４接続部よりも下流側に、過熱蒸気使用箇所９へ供給する過熱蒸気の温度である最終蒸気温度（Ｔ１）を検出する最終蒸気温度検出装置５を設ける。過熱蒸気取り出し配管３のバイパス配管４接続部より上流側には、過熱蒸気熱交換器２から取り出された過熱蒸気の温度である中間蒸気温度（Ｔ２）を検出する中間蒸気温度検出装置７を設ける。最終蒸気温度検出装置５と中間蒸気温度検出装置７は過熱蒸気の温度を制御する加熱量制御装置１０と接続しておき、過熱蒸気使用箇所９へ供給する過熱蒸気の温度制御は、最終蒸気温度及び中間蒸気温度に基づいて加熱量制御装置１０が行う。加熱量制御装置１０は、過熱蒸気使用箇所９から目標温度が与えられると、最終蒸気温度検出装置５及び中間蒸気温度検出装置７で検出している蒸気温度に基づいて、蒸気供給量制御装置６からバイパス配管４へ送る蒸気量と、過熱蒸気熱交換器２へ送る加熱量を調節し、過熱蒸気の温度を制御する。

最終蒸気温度検出装置５に基づく制御は、最終蒸気温度検出装置５で検出している最終蒸気温度と、過熱蒸気使用箇所９へ供給する過熱蒸気の目標温度との差を小さくするようにＰＩＤ制御を行う。最終蒸気温度検出装置５で検出している最終蒸気温度が目標温度よりも高い場合には、蒸気供給量制御装置６のバイパス配管４側の開度を大きくし、バイパス配管４へ送る蒸気量を増加することで過熱蒸気の温度を低下させる。最終蒸気温度検出装置５で検出している最終蒸気温度が目標温度よりも低い場合には、蒸気供給量制御装置６のバイパス配管４側の開度を小さくし、バイパス配管４へ送る蒸気量を減少することで過熱蒸気の温度を上昇させる。加熱量制御装置１０は、過熱蒸気熱交換器２で加熱することで高温になっている過熱蒸気に対し、バイパス配管４を通して送られてきた加熱していない飽和蒸気を混合することで、過熱蒸気使用箇所９へ供給する過熱蒸気の温度を調節する。

また、加熱量制御装置１０では、熱供給装置８による熱供給量を調節することによって過熱蒸気の温度を調節することも行っている。加熱量制御装置１０は、中間蒸気温度検出装置７で検出している中間蒸気温度と、過熱蒸気使用箇所９へ供給する過熱蒸気の目標温度との差を小さくするように、過熱蒸気熱交換器２へ供給する加熱量を調節するＰＩＤ制御を行う。中間蒸気温度検出装置７で検出している中間蒸気温度が目標温度よりも高い場合には、過熱蒸気熱交換器２に対する加熱量を減少することで過熱蒸気の温度を低下させる。中間蒸気温度検出装置７で検出している中間蒸気温度が目標温度よりも低い場合には、過熱蒸気熱交換器２に対する加熱量を増加することで過熱蒸気の温度を上昇させる。

図２は、最終蒸気温度検出装置５で検出する最終蒸気温度、蒸気供給量制御装置６である三方弁の開度割合、中間蒸気温度検出装置７で検出する中間蒸気温度、過熱蒸気熱交換器２に供給する加熱量の変更状況を説明するものである。図２では、過熱蒸気使用箇所９へ供給する過熱蒸気の目標温度は３００℃であったが、時刻Ａで目標温度が２５０℃に変更された例における制御状況を示している。

図２での加熱は、図３に記載しているように、１２０℃の飽和蒸気３００ｋｇ／ｈを過熱蒸気とするものである。本実施例では、過熱蒸気熱交換器に４５０℃の高温ガスを３２３Ｎｍ^３／ｈ供給することで、過熱蒸気を３００℃とすることができている。また過熱蒸気を２５０℃とする場合には、過熱蒸気熱交換器に４５０℃の高温ガスを２２２Ｎｍ^３／ｈ又は１９９Ｎｍ^３／ｈ供給することになる。最終の温度は同じ２５０℃である３００ｋｇ／ｈの過熱蒸気であっても、過熱蒸気熱交換器で３００℃に加熱した２１７ｋｇ／ｈの過熱蒸気に１２０℃の飽和蒸気を加えて２５０℃にする場合と、過熱蒸気熱交換器で３００ｋｇ／ｈの蒸気を２５０℃に加熱する場合では、必要な加熱量が異なる。これは、同じ３００ｋｇ／ｈ・２５０℃の過熱蒸気を発生させるとしても、過熱蒸気熱交換器２で多量の蒸気量を少し加温する場合よりも、少量の蒸気を大きく加温する場合の方がより多くの熱量を必要とすることによる。蒸気をより高い温度まで加熱する場合、加熱する高温ガスと加熱される蒸気の温度差は小さくなるため、過熱蒸気熱交換器２による熱交換効率が低くなり、より多くの高温ガスが必要となる。加熱後の蒸気温度が比較的低いものであって、加熱する高温ガスと加熱される蒸気の温度差は大きなものであれば、過熱蒸気熱交換器２による熱交換効率は高くなるために高温ガスの必要量は少なくなる。

図２の場合、当初は図３上側に記載しているように、１２０℃の飽和蒸気３００ｋｇ／ｈを３００℃の過熱蒸気３００ｋｇ／ｈとしており、蒸気供給量制御装置６を通過する飽和蒸気は全量を過熱蒸気熱交換器２側に供給している。この場合、過熱蒸気熱交換器２へは４５０℃の高温ガスを３２３Ｎｍ^３／ｈ供給すると３００℃の過熱蒸気が得られている。時刻Ａにおいて、過熱蒸気使用箇所９へ供給する過熱蒸気の目標温度が３００℃から２５０℃に変更されたとすると、加熱量制御装置１０では過熱蒸気使用箇所９へ供給する過熱蒸気温度が２５０℃になるように過熱蒸気温度の調節を行う。この時、最終蒸気温度検出装置５で検出している最終蒸気温度は３００℃であり、目標とする過熱蒸気温度は２５０℃であるため、まず蒸気供給量制御装置６の開度を変更することで過熱蒸気の温度を調節する。最終蒸気温度が目標温度よりも高い場合、蒸気供給量制御装置６のバイパス配管４の開度を大きくすることでバイパス配管４へ供給する蒸気量を増加する。時刻Ｂで図３右下の状態となり、過熱蒸気熱交換器２へ供給する蒸気量を２１７ｋｇ／ｈ、バイパス配管４へ供給する蒸気量を８３ｋｇ／ｈとする。３００℃に加熱した２１７ｋｇ／ｈの過熱蒸気と、１２０℃のままである８３ｋｇ／ｈの飽和蒸気を混合すると、過熱蒸気の温度は２５０℃となる。バイパス配管４を通して供給する蒸気によって温度を低下させる場合、比較的短時刻で温度を低下させることができるため、時刻Ａから時刻Ｂまでの間隔は短くなっている。

また、加熱量制御装置１０では過熱蒸気熱交換器２へ供給する熱量の変更も行う。中間蒸気温度検出装置７で検出している中間蒸気温度は、時刻Ａの時点では３００℃であり、目標とする過熱蒸気温度は２５０℃であるため、過熱蒸気熱交換器２へ供給する熱量を減少することで過熱蒸気の温度低下させていく。

バイパス配管４を通して供給する飽和蒸気によって過熱蒸気の温度を低下させる場合には、比較的短時間で温度変更を行うことができる。しかし、過熱蒸気熱交換器２への供給熱量を変更することによって過熱蒸気の温度を低下させる場合には、比較的長い時間が必要であり、温度の変化は緩やかとなっている。最終蒸気温度は時刻Ｂの時点で２５０℃になっているが、過熱蒸気熱交換器２の加熱量を変更は中間蒸気温度検出装置７で検出する中間蒸気温度が目標温度になるまで行うため、時刻Ｂ以降も過熱蒸気熱交換器２への加熱量減少を継続して行っている。過熱蒸気熱交換器２への加熱量を減少すると、中間蒸気温度検出装置７にて検出している中間蒸気温度は低下し、時刻Ｃで中間蒸気温度が目標温度の２５０℃に達すると、加熱量の減少は終了し、中間蒸気温度は２５０℃に維持する。

最終蒸気温度検出装置５で検出している最終蒸気温度は、過熱蒸気熱交換器２で加熱した過熱蒸気とバイパス配管４を通して送られてきた加熱していない飽和蒸気を混合した後の温度であるため、過熱蒸気熱交換器２から取り出される過熱蒸気の温度が低下すればバイパス配管４を通して送っている蒸気量を削減しないと最終蒸気温度を一定に維持することができない。そのため、最終蒸気温度に基づいてバイパス配管４への蒸気量を変更する制御は、時刻Ｂまではバイパス配管４への蒸気量を増加していたが、時刻Ｂから時刻Ｃの間は逆にバイパス配管４への蒸気量を減少していくことになる。最終的には時刻Ｃで図３左下の状態となり、バイパス配管４への蒸気供給は停止し、過熱蒸気熱交換器２で２５０℃の過熱蒸気を発生するようにしている。

同じ１２０℃・３００ｋｇ／ｈの飽和蒸気を２５０℃・３００ｋｇ／ｈの過熱蒸気にする場合であっても、図３左下のように過熱蒸気熱交換器２で２５０℃・３００ｋｇ／ｈの過熱蒸気を発生させた方が、図３右下のように過熱蒸気熱交換器２で３００℃・２１７ｋｇ／ｈの過熱蒸気を発生し、１２０℃・８３ｋｇ／ｈの加熱していない蒸気を混合して２５０℃・３００ｋｇ／ｈの過熱蒸気とするよりも、過熱蒸気熱交換器２に対する加熱量を少なくすることができる。

本発明では、まずバイパス配管４へ供給する蒸気量を調節し、加熱していない飽和蒸気で過熱蒸気の温度を調節することによって、過熱蒸気使用箇所９へ供給する過熱蒸気の温度変更を短時間で行う。さらに過熱蒸気熱交換器２に対する加熱量を減少させることによって過熱蒸気熱交換器から取り出される過熱蒸気の温度を低下させるにつれて、バイパス配管４を通して供給していた温度調節用の蒸気を減少することによって、過熱蒸気使用箇所９へ供給する過熱蒸気の温度は維持しつつ過熱蒸気熱交換器２に対する熱供給量が最小限になるようにしている。そのため、速やかな過熱蒸気温度の調節と必要熱量の削減を両立させることができている。

本発明を実施する過熱蒸気装置のフロー図 本発明の実施例での加熱量変化の説明図 加熱量と過熱蒸気温度の関係を示した説明図

符号の説明

１ 蒸気供給配管
２ 過熱蒸気熱交換器
３ 過熱蒸気取り出し配管
４ バイパス配管
５ 最終蒸気温度検出装置
６ 蒸気供給量制御装置
７ 中間蒸気温度検出装置
８ 熱供給装置
９ 過熱蒸気使用箇所
１０ 加熱量制御装置

Claims (2)

1. 蒸気を加熱して過熱蒸気とする過熱蒸気熱交換器２、過熱蒸気熱交換器２へ蒸気を供給する蒸気供給配管１、過熱蒸気を過熱蒸気熱交換器２から過熱蒸気使用箇所９へ送る過熱蒸気取り出し配管３、蒸気供給配管１と過熱蒸気取り出し配管３の間をつなぎ過熱蒸気熱交換器２をバイパスして加熱前の蒸気を過熱蒸気取り出し配管３へ送るためのバイパス配管４、過熱蒸気取り出し配管３のバイパス配管接続部より下流側で最終の過熱蒸気温度を検出する最終蒸気温度検出装置５、蒸気供給配管１からバイパス配管４へ送る蒸気量を制御する蒸気供給量制御装置６、過熱蒸気熱交換器２で加熱した直後の過熱蒸気である中間の過熱蒸気温度を検出する中間蒸気温度検出装置７、バイパス配管４へ送る蒸気量と過熱蒸気熱交換器２へ供給する熱量の制御を行う加熱量制御装置１０をそれぞれ設けておき、過熱蒸気使用箇所９へ供給する過熱蒸気の目標温度を低下させる場合には、まず最終蒸気温度検出装置５にて検出している最終蒸気温度が目標温度になるように、蒸気供給配管１からバイパス配管４へ送る蒸気量を増加する制御を行うとともに、中間蒸気温度検出装置７で検出している中間蒸気温度が目標温度になるように、過熱蒸気熱交換器２へ供給する熱量を減少する制御を行い、過熱蒸気熱交換器２による過熱蒸気温度の低下に合わせて、一旦増加させていたバイパス配管４への蒸気供給を減少していく制御を行うことを特徴とする過熱蒸気装置。
2. 請求項１に記載の過熱蒸気装置において、最終的には、中間蒸気温度検出装置７で検出する中間蒸気温度が目標温度に等しくなるように過熱蒸気熱交換器２へ供給する熱量を調節することで、バイパス配管４への蒸気供給をなくす制御を行うことを特徴とする過熱蒸気装置。

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