JP5374344B2 - 舶用ボイラ構造 - Google Patents

Description

本発明は、船舶に搭載される舶用主ボイラや浮体式海洋石油・ガス生産貯蔵積出設備（ＦＰＳＯ；Floating Production, Storage and Offloading System）のデッキボイラ等に適用される舶用ボイラ構造に関する。

従来、船舶に搭載される舶用ボイラは、発電所等で使用される陸用ボイラと比較して、設置スペースの制約が大きいことからコンパクトな構造が優先されている。
たとえば図７に示す舶用ボイラ１は、火炉２の天井に複数本のバーナ３を横並びに配置（図示の例では３本のバーナ３を１列に配置）した下向き燃焼方式を採用している。

上述した下向き燃焼方式の舶用ボイラ１は、火炉出口での燃焼ガス流れの主流（図７の矢印Ｇを参照）は炉底部２ａを通過し、また、燃焼ガス温度分布についても、炉底部２ａの付近に高温部が形成される。そして、火炉２の出口側直近にはフロントバンクチューブ４や過熱器５よりなる熱交換器ＨＥが配置されており、従って、高温の燃焼ガスは、火炎からの輻射熱とともに過熱器５等の熱交換器ＨＥ内にまで伸張して伝熱管に熱影響を与える可能性がある。なお、図中の符号６は蒸発管群、７は出口側ガスダクト、８はガス出口である。

従来の船舶においては、船舶内の機器のメンテナンスを効率よく行って管理コストを低減するため、各部のデータをモニタリングして機器の状況を判定するメンテナンス方法等の技術が提案されている。（たとえば、特許文献１参照）

特開２００９−７８７０９号公報

上述したように、下向き燃焼方式の舶用ボイラ１は、火炉２の出口において燃焼ガス流れの主流Ｇは炉底部２ａを通過し、また、燃焼ガス温度分布についても、炉底部２ａ付近に高温部が形成される。このため、火炉２の直近に配置されている過熱器５等の熱交換器は、火炎からの輻射熱とともに伸張する高温の燃焼ガスから熱影響を受ける可能性がある。すなわち、火炉２からの輻射熱を直接受ける過熱器５等の熱交換器は、火炉２の出口側となる最前列側に配置された伝熱管の高温酸化腐食が進行しやすくなる。

さらに、燃焼ガス温度分布との相関関係が疑われる炉底部２ａ付近においては、高温の燃焼ガスによる熱影響を受けることにより、たとえば火炉２側に配置された過熱器５の伝熱管腐食速度が大きくなり、減肉がより一層促進される傾向にある。
以下、上述した燃焼ガス温度分布と伝熱管腐食速度との相関関係について、図８に示す舶用ボイラの減肉マップに基づいて具体的に説明する。図８に示す減肉マップは、過熱器５を構成する上下方向の伝熱管５ａを火炉２の出口側から見た図であり、火炉２の幅方向に多数配列された伝熱管５ａの腐食速度をマップ表示したものである。この減肉マップにおいては、幅方向を破線により分割して各伝熱管５ａを示すとともに、各伝熱管５ａにクロスハッチング部、ハッチング部及び白色部（ハッチングなし）を施して異なる伝熱管腐食速度領域の分布を表示している。なお、図示の伝熱管腐食速度領域は、クロスハッチング部、ハッチング部及び白色部の順に小さくなり、この場合の蒸気は、過熱器５の幅方向において紙面左側から流入する。

従って、蒸気流入方向において、下流側（図８の紙面右側）に配置された伝熱管５ａほど内部を流れる蒸気温度が高くなるので、伝熱管５ａ自体の温度も高くなって腐食速度は大きくなる。また、伝熱管５ａの高さ方向においては、燃焼ガスの主流が通過して高温燃焼ガスの熱影響を受けやすい炉底部２ａ側（伝熱管５ａの下部）に腐食速度の大きい領域が形成されている。
すなわち、過熱器５の伝熱管５ａは、蒸気流入方向の下流側で、かつ、炉底部２ａに近い領域で腐食速度が高くなる傾向にある。なお、図８に示す減肉マップでは、蒸気流れ方向において最も下流側となる火炉２の側壁付近よりも、火炉２の幅方向においてバーナ３が配置され、燃焼ガスの主流が通過する火炉中央側に寄った炉底部２ａの近傍に、最も大きな腐食速度の領域が存在する傾向が確認される。

このような舶用ボイラ１においては、火炉２内の火炎状態や伝熱管５ａのメタル温度等のモニタリングは困難であるという状況にあるため、停船（ドック）時の肉厚計測まで過熱器５等の熱交換器を構成する伝熱管５ａの減肉傾向を把握できないのが実状である。
このような背景から、舶用ボイラにおいては、運転中の火炉内で炉底部付近に伸長する火炎状況や過熱器等の熱交換器内部へ流入する高温ガスの状況を把握することで、伝熱管に対する的確な高温酸化腐食対策を可能にすることが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、運転中の火炉内炉底部付近において、火炎伸張や火炉内部での火炎の偏り、熱交換器内部への高温ガス流入状況を把握し、伝熱管に対する的確な高温酸化腐食対策を可能にした舶用ボイラ構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る舶用ボイラ構造は、火炉の上部に設置されたバーナを備え、該バーナの燃焼で発生した燃焼ガスが火炉から下流側の熱交換器群を通過して流れるように構成された舶用ボイラ構造において、前記火炉の炉底部で前記熱交換器群の直前となる位置に、耐火材の内部温度を検出する１または複数の温度検出部を耐火材内部に埋設して設置したことを特徴とするものである。

このような本発明の舶用ボイラ構造によれば、火炉の炉底部で熱交換器群の直前となる位置に、耐火材の内部温度を検出する１または複数の温度検出部を耐火材内部に埋設して設置したので、耐火材の内部温度を監視することにより、火炎の伸張状況や火炎の偏り具合、熱交換器群への高温燃焼ガス流入状況を検知することができる。

上記の発明においては、前記温度検出部により運転中の火炉内温度をモニタリングし、高温酸化腐食の腐食速度が高いと推測される領域の伝熱管に保護対策を施すことが好ましく、これにより、腐食速度の高い伝熱管の管メタル温度を的確に抑制することができる。
また、発明に係るバーナの制御方法は、熱交換器群を有する舶用ボイラの火炉に設けられたバーナの制御方法において、前記舶用ボイラの火炉の炉底部で、かつ前記熱交換器群の直前となる位置に設けられた耐火材内部に埋設された温度検出部により耐火材の内部温度を検出する工程と、前記検出された耐火材の内部温度に基づきバーナの燃焼条件を調整する工程と、を備えている。

上述した本発明によれば、運転中の火炉内をモニタリングし、火炉内の炉底部付近において火炎伸張状況や火炎の偏り具合、過熱器等の熱交換器群内部への高温ガス流入状況を正確に把握できるようになる。このため、熱交換器を構成する伝熱管の高温酸化腐食に対し、実情に応じた燃焼条件の的確な調整が可能になるとともに、必要に応じてプロテクタを設置するなど、局所的な保護対策を講じることも可能になる。
また、上述した火炉内のモニタリングは、船舶の航行中（舶用ボイラの運転中）に実施されるので、停船ドッグ前に危険部位の予測や把握が可能となり、従って、高温酸化腐食の進行が疑われる伝熱管に対して必要な対策を講じることにより、局所的な高腐食速度の発生等を防止し、舶用ボイラの信頼性や耐久性を向上させることができる。

本発明に係る舶用ボイラ構造の一実施形態として、温度検出部を設置した炉底部周辺構造を示す要部拡大図（図２のＡ部拡大図）である。 本発明に係る下向き燃焼方式の舶用ボイラ構造の一例として、バーナを横並びの１列配置にした構成例を示す縦断面図である。 図１に示した熱交換器（過熱器）の概要を示す図で、（ａ）は全体構成を示す斜視図、（ｂ）は蒸気の流れを示す説明図である。 図３（ａ）の熱交換器（過熱器）を示す側面図である。 舶用ボイラの運転時間（横軸）と、温度検出部で検出した監視点温度（縦軸）との関係から、危険領域及び安全領域の判断例を示すグラフである。 伝熱管に対する保護対策例としてプロテクタを示す要部の側面図である。 下向き燃焼方式の舶用ボイラにおいて、燃焼ガスの主流及び概略構成例を示す斜視図である。 熱交換器（過熱器）を構成する伝熱管を火炉の出口側から見た舶用ボイラの減肉マップ図である。

以下、本発明に係る舶用ボイラ構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２に示す舶用ボイラ１は、火炉２の上部に設置された複数のバーナ３を備えている。このバーナ３は、燃焼用空気を用いて供給された燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成して下流の熱交換器に供給する。なお、図中の符号３ａは風箱であり、バーナ３は風箱３ａの内部に配置されている。

バーナ３で発生した燃焼ガスは、火炉２の下流（伝熱バンク側）に配設されている伝熱管群Ｈｔ（熱交換器群）を通過して熱交換する。図示の構成では、火炉２側から順にフロントバンクチューブ４、過熱器５及び蒸発管群（リアバンクチューブ）６の熱交換器が配置され、燃焼ガスは各熱交換器のチューブ内を流れる水や蒸気等の流体と熱交換して加熱する。なお、以下の説明では、火炉２の出口に最も近い位置にあるフロントバンクチューブ４及び過熱器５を総称して、「熱交換器（過熱器）ＨＥ」と呼ぶことにする。

こうして熱交換を終えた燃焼ガスは、出口側ガスダクト７を通ってガス出口８から舶用ボイラ１の外部へ排出される。すなわち、図示の舶用ボイラ１において、バーナ３の燃焼で発生した燃焼ガスは、その主流が火炉２の内部を図中に矢印Ｇで示すように流れ、火炉２の出口より下流側（伝熱部側）に設置された熱交換器群の伝熱管群Ｈｔを通過することにより、各伝熱管内を流れる蒸気等の流体を加熱するように構成されている。なお、図中の符号９は水ドラム、１０は蒸気ドラム、１１及び１２はヘッダである。

図３及び図４は、過熱器５の構成例を示している。この過熱器５は、火炉２の幅方向へ向けた２本のヘッダ１１が平行に配置され、これら２本のヘッダ１１に接続された多数の伝熱管５ａを具備して構成される。この場合の伝熱管５ａは略コ字状に折曲されており、その両端部が２本のヘッダ１１の上面に接続されている。火炉２の高さ方向において上方へ向けて延在する伝熱管５ａは、火炉２の幅方向へ平行に並べて、多数取り付けられている。
過熱器５に導入された蒸気は、たとえば図３（ｂ）に矢印で示すように、ガス流れ方向において下流側となるガス出口８側のヘッダ１１から流入し、最初（１列目）の伝熱管５ａを通ってガス流れ方向上流側のヘッダ１１に流入した後、２列目の伝熱管５ａを通って再度ガス流れ方向下流側のヘッダ１１に流入する。以下同様に、ガス流れ方向上流側及びガス流れ方向下流側へ向けて交互に流れることにより、燃焼ガスの過熱を受けて温度上昇しながら、過熱器５の幅方向出口側へ流れていく。
あるいは、過熱器５に導入された蒸気には、図３（ｂ）に破線矢印で示すように、ガス流れ方向において上流側となる火炉２側のヘッダ１１から流入し、最初（１列目）の伝熱管５ａを通ってガス流れ方向下流側のヘッダ１１に流入した後、２列目の伝熱管５ａを通って再度ガス流れ方向上流側のヘッダ１１に流入するというように、ガス流れ方向下流側及びガス流れ方向上流側へ向けて交互に流れることにより、燃焼ガスの過熱を受けて温度上昇しながら、過熱器５の幅方向出口側へ流れていく経路もある。
従って、過熱器５の伝熱管５ａを流れる蒸気は、蒸気入口側で２本のヘッダ１１に接続された伝熱管５ａよりも、蒸気出口側で２本のヘッダ１１に接続された伝熱管５ａ内を流れる蒸気温度が高くなる。

このように、火炉２の上部に設置された複数のバーナ３を備え、バーナ３の燃焼で発生した燃焼ガスが火炉２から下流側の伝熱管群Ｈｔを通過して流れるように構成された舶用ボイラ１に対し、本実施形態では、図１に示すように、耐火材２０の内部温度Ｔを検出する１または複数の温度検出部３０が設置されている。この温度検出部３０は、たとえば熱電対が好適であり、火炉２の炉底部２ａで、かつ、熱交換器群Ｈｔの直前となる位置において、耐火材２０内の適所に埋設された検出素子３１が耐火材２０の内部温度Ｔを検出するようになっている。なお、複数の温度検出部３０を設置する場合の検出素子３１は、火炉２の幅方向に適当なピッチで並べる配置、炉底部２ａから異なる深さとなる耐火材２０の内部に埋設する配置、及びこれらを組み合わせた配置等が可能であり、諸条件に応じて適宜選択すればよい。

このような舶用ボイラ１の構造によれば、火炉２の炉底部２ａで熱交換器群を構成する熱交換器ＨＥの直前となる位置に、耐火材２０の内部温度Ｔを検出する温度検出部３０を設置したので、検出素子３１を埋設した位置毎に耐火材２０の内部温度Ｔを監視することが可能になる。従って、検出した耐火材２０の内部温度Ｔから、火炉２内における火炎の伸張状況や火炎の偏り具合、熱交換器群の火炉出口側に配置された熱交換器ＨＥに対する高温燃焼ガスの流入状況を継続して、あるいは所定の時間間隔で検知することができる。
このとき、耐火材２０の炉内側表面から適当な深さ（距離）を有する位置に検出素子３１を埋設すれば、火炉２内の高温を直接計測することを回避できるため、検出素子３１の溶融等を防止することができる。なお、耐火材２０の埋設位置で検出した内部温度Ｔは、耐火材２０の温度分布に基づく補正を行うことにより、炉底部２ａ付近の温度推定値を略正確にモニタリングすることができる。

このようにして、火炉２内の炉底部２ａ付近の温度をモニタリングすることにより、たとえば図５に示すように、検出素子３１が検出した監視点温度（内部温度Ｔ）と舶用ボイラ１の運転時間ｔとの相関関係により、内部温度Ｔが伝熱管５ａに生じる高温酸化腐食の観点から定めた規定の上限温度Ｔｕを超えて高温となる領域を、高温酸化腐食の危険領域と定めることができる。この場合の上限温度Ｔｕは、伝熱管５ａの材質や肉厚、伝熱管５ａ内を流れる蒸気温度や圧力、舶用ボイラ１の燃料や運転条件等に応じて定まる燃焼ガス温度等を考慮して定める値である。
そして、内部温度Ｔが危険領域にある場合には、すなわち、監視点温度が規定値の上限温度Ｔｕを超えて高温となる傾向を有する場合には、バーナ３の燃焼条件等を調整することにより、火炎の伸張を抑制して火炎の短炎化を図る、もしくは複数本のバーナ３の空気流量アンバランスを調整することなどにより火炎の偏り具合を是正すればよい。

この結果、熱交換器ＨＥに向けた高温燃焼ガスの伸張や偏りも抑制されるので、温度検出部３０で検出する内部温度Ｔは低下する方向に変化する。従って、熱交換器ＨＥの伝熱管５ａは、特に火炉２の出口側最前列にある伝熱管５ａは、高温燃焼ガスに起因する高温酸化腐食の進行が緩和される。
また、温度検出部３０により内部温度Ｔを計測することは、舶用ボイラ１の運転中において火炉２内の温度、より正確には炉底部２ａ近傍の温度をモニタリングすることになるので、このモニタリングにより高温酸化腐食の腐食速度が高いと推測される領域の伝熱管５ａには、適切な保護対策を施すことが好ましい。

具体的に説明すると、複数の温度検出部３０を用いてボイラ幅方向における内部温度Ｔの分布をモニタリングすると、火炉幅方向における伝熱管高温腐食試験速度分布を予測することができる。すなわち、上述した燃焼条件等を調整した後においても、内部温度Ｔが上限温度Ｔｕより高い場合や、局所的に高い内部温度Ｔが検出される場合など、内部温度Ｔの検出値から高温酸化腐食の腐食速度が大きくなる領域を推測できる。
そこで、腐食速度の高い領域にあると推測される伝熱管５ａについては、たとえば図６に示すように、伝熱管５ａのガス流れ方向上流側に金属板等のプロテクタ４０を取り付けることにより、高温の燃焼ガスが直接伝熱管５ａに当たらないような保護対策を施すことが可能となる。図示の構成例では、伝熱管５ａから所定の間隔を設けた位置に、Ｕ字ボルト・ナット４１等支持具を用いてプロテクタ４０を固定しているが、このようなプロテクタ４０及び支持構造に限定されることはない。すなわち、腐食速度の高い領域にある伝熱管５ａについて、高温の燃焼ガスが直接当たらない、もしくは火炉からの輻射熱が直接照射されないような対策を施せばよい。

このようなプロテクタ４０等の保護対策は、腐食速度の高い伝熱管５ａの温度上昇を抑制して腐食速度を確実に低下させることができる。従って、図８に示した減肉マップにおいて、腐食速度の高い領域にある伝熱管５ａの腐食速度が低下し、熱交換器ＨＥを構成する伝熱管５ａの腐食速度は全領域にわたって略均一化するので、熱交換器ＨＥ及びこれを備えた舶用ボイラ１の耐久性や信頼性が向上し、メンテナンスも容易になる。

上述したように、本実施形態の舶用ボイラ１によれば、温度検出部３０が運転中の火炉２内をモニタリングし、火炉２内の炉底部２ａ付近における火炎伸張状況や火炎の偏り具合、過熱器５等の熱交換器群内部に対する高温ガス流入状況を正確に把握できるようになる。このため、熱交換器ＨＥを構成する伝熱管５ａの高温酸化腐食を抑制するため、バーナ３等の燃焼条件を的確に調整することが可能になるとともに、必要に応じて伝熱管５ａにプロテクタ４０を設置するなど、局所的な保護対策を講じることも可能になる。

また、上述した火炉２内のモニタリングは、船舶の航行中（舶用ボイラの運転中）に実施可能であるから、停船ドッグ前に高温酸化腐食の速度が大きい伝熱管５ａの危険部位を予測して把握することも可能にする。従って、高温酸化腐食が進行しやすい伝熱管５ａに対して必要な対策を確実に講じることにより、局所的な高腐食速度の発生等を防止し、舶用ボイラ１の信頼性や耐久性及びメンテナンス性を向上させることができる。
なお、本発明は上述した実施形態の舶用ボイラに限定されるものではなく、たとえば蒸発管群６の下流にリヒートバーナ及びリヒートファーネスを備えた舶用ボイラ（舶用リヒートボイラ）にも適用可能であるなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 舶用ボイラ
２ 火炉
３ バーナ
４ フロントバンクチューブ
５ 過熱器
６ 蒸発管群
２０ 耐火材
３０ 温度検出部
４０ プロテクタ
ＨＥ 熱交換器（過熱器）
Ｈｔ 伝熱管群（熱交換器群）

Claims (3)

1. 火炉の上部に設置されたバーナを備え、該バーナの燃焼で発生した燃焼ガスが火炉から下流側の熱交換器群を通過して流れるように構成された舶用ボイラ構造において、
   前記火炉の炉底部で前記熱交換器群の直前となる位置に、耐火材の内部温度を検出する１または複数の温度検出部を耐火材内部に埋設して設置したことを特徴とする舶用ボイラ構造。
2. 前記温度検出部により運転中の火炉内温度をモニタリングし、高温酸化腐食の腐食速度が高いと推測される領域の伝熱管に保護対策を施したことを特徴とする請求項１に記載の舶用ボイラ構造。
3. 熱交換器群を有する舶用ボイラの火炉に設けられたバーナの制御方法において、
   前記舶用ボイラの火炉の炉底部で、かつ前記熱交換器群の直前となる位置に設けられた耐火材内部に埋設された温度検出部により耐火材の内部温度を検出する工程と、
   前記検出された耐火材の内部温度に基づきバーナの燃焼条件を調整する工程と、
   を備えたバーナの制御方法。

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