JP5534243B2 - ボイラ - Google Patents

Description

この発明は、缶体の保有水量が少ないボイラに関する。

上部ヘッダと下部ヘッダとの間をバーナにより加熱される多数の水管で連結して構成され、バーナの燃焼停止時前記水管内の水位が水管の上端より低い状態となる（缶水の保有水量が比較的少ない）缶体と、缶体の外部に設置され、上部ヘッダの内部空間および下部ヘッダの内部空間のそれぞれと連通管を介して連通し、缶体内水位を検出する外部水位検出手段と、缶体内へボイラ用水を供給する給水手段と、外部水位検出手段による検出水位が第一設定水位を検出すると缶体内水位が低下するように給水手段の作動を制御する制御手段とを備えるボイラは、特許文献１等で周知である。

特開２０１０−７８２０４号公報

特許文献１のような保有水量が比較的少ないボイラ（少保有水量ボイラ）は、蒸気を生成するまでの起蒸時間が短く、かつ負荷変動に対する追従性も良好で、ボイラの運転効率の観点からは非常に好適である。しかしながら、缶水が高度に濃縮すると、上部ヘッダおよび外部ヘッダの間に接続した外部水位検出手段により行われる外部水位制御によっては、所望する蒸気の乾き度を得ることが困難である。この為、特許文献１のように、セパレータを設けている。

この出願の発明者等は、部品点数を削減し、製品の低コスト化を目的として、セパレータの無い所謂セパレータレスボイラの開発に従事している。少保有水量セパレータレスボイラの最大の課題は、缶水が高度に濃縮した場合に所望の蒸気の乾き度を如何にして維持するかである。

この出願の発明者等による研究の結果、上部ヘッダの高さを高くする、たとえば、蒸発量２t／hのボイラでは６００mm以上とすれば、所望の蒸気乾き度を得ることは可能であることが分かった。しかしながら、上部ヘッダ高さを高くすると、上部ヘッダの製作に要する鉄板量が増大し、コストアップとなり、セパレータレスにする意味が失われてしまう。

ところで、特許文献１のような、少保有水量ボイラにおいては、水管過熱の問題から水管内の缶水の挙動については観察されているが、乾き度はセパレータにより確保されるので、上部ヘッダ内の缶水の挙動については観察されることはない。すなわち、上部ヘッダ内の缶水の挙動に関する知識としては、低濃縮時には上部ヘッダに水位は存在せず、高濃縮時において、缶水を含む多量の気泡が上部ヘッダ内に侵入することが推測される程度といってよい。そして、保有水量の少ないボイラにおいて、セパレータレスにする際には、乾き度の低下を防止するために上部ヘッダ内に水位が存在しないように外部水位制御を行うのが常識と考えられる。したがって、上部ヘッダ内の水位を存在させ、この水位を検出して、乾き度を制御することは、これまでの常識からは到底思いつかないことである。

この出願の発明者等は、従来の常識に捕らわれることなく、セパレータレスボイラの開発の過程において、上部ヘッダ内の缶水の挙動を詳細に観察することにより、高濃縮時に
おいて上部ヘッダ内の水位が存在すること、またこの水位を検出して給水手段を制御することで、上部ヘッダの内部空間において気泡を含む缶水の上方部分（沸騰上面）のレベルを所望するレベルに保って所望の蒸気乾き度を得ることができるという新たな知見を得て、この発明を創出するに至った。

この発明が解決しようとする主たる課題は、上部ヘッダの高さを押えつつ、所望の乾き度を得ることが可能な保有水量の少ないセパレータレスボイラを提供すること、またセパレータを備えるボイラにあってはセパレータを小型化することである。

本願発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、請求項１に記載の発明は、上部ヘッダと下部ヘッダとの間をバーナにより加熱される多数の水管で連結して構成され、前記バーナの燃焼停止時前記水管内の水位が前記水管の上端より低い状態となる缶体と、前記缶体の外部に設置され、前記上部ヘッダの内部空間および前記下部ヘッダの内部空間のそれぞれと連通管を介して連通し、缶体内水位を検出する外部水位検出手段と、前記缶体内へボイラ用水を供給する給水手段と、前記外部水位検出手段による検出水位が第一設定水位となると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御する制御手段とを備えるボイラであって、前記水管内の缶水がその沸騰により生じた気泡により押し上げられることにより前記上部ヘッダ内に存在する水位を検出するヘッダ水位検出手段を備え、前記制御手段は、前記ヘッダ水位検出手段による検出水位が第二設定水位となると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、缶水の濃縮度が高くなり、前記水管内の缶水がその沸騰により生じた気泡により押し上げられると、前記ヘッダ水位検出手段が前記上部ヘッダ内に存在する水位を検出し、その水位が第二設定水位となると、前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御するので、前記上部ヘッダの内部空間における沸騰上面を所望するレベルに保つことができ、乾き度の低下を防止して、所定の乾き度を得ることができる。その結果、前記ヘッダ水位検出手段による給水制御により、上部ヘッダの高さを左程高くすることなく、所定の乾き度を得ることができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記ヘッダ水位検出手段は、前記上部ヘッダ内上部および下部とそれぞれ連通する連通孔を有する水位制御室と、前記水位制御室内の前記第二設定水位を検出する電極とを含んで構成されることを特徴としている

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加えて、缶水の高濃縮時における前記上部ヘッダの沸騰上面が不安定であるが、前記水位制御室内に安定した水位を形成することができ、前記ヘッダ水位検出手段による第二設定水位の検出を安定的に行うことができるという効果を奏する。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記制御手段は、前記外部水位検出手段が前記第一設定水位を検出するか、前記ヘッダ水位検出手段が前記第二設定水位を検出する（第一制御条件）と、前記缶体内水位が低下するように前記給水手段を制御することを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明による効果に加えて、缶水の濃縮度を判定することなく、前記第一制御条件による水位制御により、缶水の高濃縮時には前記ヘッダ水位検出手段により所定の乾き度を維持でき、缶水の低濃縮時には前記外部水位検出手段により所定の乾き度を維持できる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記外部水位検出手段が前記第一設定水位を検出しなくなり、かつ前記ヘッダ水位検出手段が前記第二設定水位を検出しなくなる（第二制御条件）と、前記缶体内水位が上昇するように前記給水手段を制御することを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明による効果に加えて、前記第二制御条件による水位制御により、前記ヘッダ水位検出手段が前記第二設定水位を検出している状態で、前記外部水位検出手段が前記第一設定水位を検出しなくなって前記給水手段を駆動することによる乾き度の低下を防止することができると共に、前記ヘッダ水位検出手段が第二設定水位を検出している状態では、前記給水手段による給水量を増加させないので、水管過熱のリスクの少ない状態で缶内外部水位を下げることができるという効果を奏する。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記外部水位検出手段は、前記上部ヘッダおよび下部ヘッダと連通する水位制御室と、前記水位制御室内の前記第一設定水位を検出する第一電極と、前記水位制御室内の前記第一設定水位より低い第三設定水位を検出する第二電極とを含んで構成され、前記制御手段は、前記第二電極が前記第三設定水位を検出しなくなると、前記缶体内水位が上昇するように前記給水手段を制御することを特徴としている。

請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明による効果に加えて、前記第二制御条件を満たさない状態が長く続くと缶体内水位が下がり過ぎ、前記缶体内圧力が上昇し過ぎるが、前記第二電極が前記第三設定水位を検出しなくなると、前記缶体内水位が上昇するように前記給水手段を制御するので、前記缶体内圧力が上昇し過ぎるのを防止することができるという効果を奏する。

また、請求項６に記載の発明は、請求項２〜請求項４において、前記ヘッダ水位検出手段の水位制御室が前記上部ヘッダの内部に設置され、前記上部ヘッダ内上部および下部と前記連通孔により連通されることを特徴としている。

請求項６に記載の発明によれば、請求項２〜請求項４の発明による効果に加えて、前記ヘッダ水位検出手段を前記上部ヘッダ外に設けるものと比較して、前記水位制御室と前記上部ヘッダとを接続するための連通管が不要となるとともに、前記ヘッダ水位検出手段を設置するスペースを減少することができボイラの小型化を実現できるという効果を奏する。

また、請求項７に記載の発明は、請求項２〜請求項４において、前記ヘッダ水位検出手段の水位制御室が前記上部ヘッダの外部に設置され、前記上部ヘッダ内上部および下部と前記各連通孔とがそれぞれ連通管により接続されることを特徴としている。

請求項７に記載の発明によれば、請求項２〜請求項４の発明による効果に加えて、前記ヘッダ水位検出手段を前記上部ヘッダ内に設けるものと比較して、より安定した上部ヘッダ内水位を前記水位制御室内に存在させることができ、その結果安定した水位制御が可能となるという効果を奏する。

また、請求項８に記載の発明は、請求項２〜請求項４において、前記ヘッダ水位検出手段は、異なる燃焼量に対応した異なる複数の前記第二設定水位を検出する電極を備え、前記制御手段は、異なる燃焼量に対応した前記第二設定水位を検出すると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御することを特徴としている。

請求項８に記載の発明によれば、請求項２〜請求項４の発明による効果に加えて、燃焼量に応じて前記上部ヘッダ内の水位制御を行うことができ、燃焼量が変化しても所定の乾き度を維持できるという効果を奏する。

また、請求項９に記載の発明は、請求項２〜請求項４において、前記上部ヘッダ内下部と前記下部ヘッダとを連通する降水管を備えることを特徴としている。

請求項９に記載の発明によれば、請求項２〜請求項４の発明による効果に加えて、前記上部ヘッダ内に過剰の水位が存在することを防止できると共に、缶水の所定の循環比を確保することができるという効果を奏する。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項２において、前記制御手段は、前記缶体の内部に存在する缶水を外部へ排出した後に、前記バーナの燃焼時間が燃焼時間閾値に到達しない場合には、前記外部水位検出手段が前記第一設定水位を検出すると、前記缶体内水位が低下するように前記給水手段を制御すると共に、前記燃焼時間閾値に到達した場合には、前記ヘッダ水位検出手段による検出水位が第二設定水位を検出すると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御することを特徴としている。

請求項１０に記載の発明によれば、請求項２の発明による効果に加えて、前記バーナの燃焼時間が燃焼時間閾値に到達しない場合には、缶水の濃縮度が低いため、前記外部水位検出手段による制御を行うことにより、所定の蒸気の乾き度を得ることが可能となると共に、燃焼時間閾値を経過した後には、前記ヘッダ水位検出手段により水位の制御がなされるため、濃縮度が上昇して水挙動が変化した缶水についても、蒸気の乾き度が低下するのを防止できるという効果を奏する。

また、請求項１１記載の発明は、請求項２において、前記缶体内の缶水の電気伝導度を測定する電気伝導度測定手段を備え、前記制御手段は、前記電気伝導度測定手段で測定された缶水の電気伝導度が電気伝導度閾値に到達しない場合には、前記外部水位検出手段が前記第一設定水位を検出すると、前記缶体内水位が低下するように前記給水手段を制御すると共に、前記電気伝導度測定手段で測定された缶水の電気伝導度が前記電気伝導度閾値に到達した場合には、前記ヘッダ水位検出手段による検出水位が第二設定水位を検出すると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御することを特徴としている。

請求項１１に記載の発明によれば、請求項２の発明による効果に加えて、電気伝導度が低く缶水の濃縮度が低い場合、前記外部水位検出手段による水位制御が行われ、所定の蒸気の乾き度を得ることが可能となると共に、缶水の電気伝導度が上昇して電気伝導度閾値以上となった場合には、前記ヘッダ水位検出手段による水位の制御がなされるため、濃縮度が上昇して水挙動が変化した缶水についても、蒸気の乾き度が低下するのを防止することができるという効果を奏する。

さらに、請求項１２に記載の発明は、上部ヘッダと下部ヘッダとの間をバーナにより加熱される多数の水管で連結して構成され、前記バーナの燃焼停止時前記水管内の水位が前記水管の上端より低い状態となる缶体と、前記缶体内へボイラ用水を供給する給水手段と、前記給水手段の作動を制御する制御手段とを備えるボイラであって、前記缶体の外部に設置され、前記上部ヘッダの内部空間および前記下部ヘッダの内部空間のそれぞれと連通管を介して連通し、缶体内外部水位を検出する外部水位検出手段と、前記水管内の缶水がその沸騰により生じた気泡により押し上げられることにより前記上部ヘッダ内に存在する水位を検出するヘッダ水位検出手段とを備え、前記制御手段は、前記外部水位検出手段による検出水位が低濃縮設定水位，または低濃縮設定水位より低い設定水位となると前記缶
体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御すると共に、前記ヘッダ水位検出手段による検出水位が高濃縮設定水位となると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御することを特徴としている。

請求項１２に記載の発明によれば、缶水の濃縮度が高くなり、前記水管内の缶水がその沸騰により生じた気泡により押し上げられると、前記ヘッダ水位検出手段が前記上部ヘッダ内に存在する水位を検出し、その水位が高濃縮時設定水位となると、前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御するので、前記上部ヘッダの内部空間における沸騰上面を所望するレベルに保つことができ、乾き度の低下を防止して、所定の乾き度を得ることができる。その結果、前記ヘッダ水位検出手段により給水制御により、上部ヘッダの高さを左程高くすることなく、所定の乾き度を得ることができる。

この発明によれば、上部ヘッダの高さを押えつつ、所定の乾き度を得ることが可能な保有水量の少ないセパレータレスボイラを提供することができる。また、セパレータを備えるボイラにあってはセパレータを小型化したボイラを提供することができる。

この発明の実施例１に係るボイラの概略的な構成を示す縦断面の説明図である。 同実施例１に係るボイラの水位検出に関する模式的な構成を示す図である。 同実施例１に係るボイラの制御手順を説明するフローチャート図である。 同実施例１に係るボイラの他の制御手順を説明するフローチャート図である。 この発明の実施例２に係るボイラの水位検出に関する模式的な構成を示す図である。 この発明の実施例３に係るボイラの概略的な構成を示す縦断面の説明図である。 同実施例３に係るボイラの制御手順を説明するフローチャート図である。 この発明の実施例４に係るボイラの概略的な構成を示す縦断面の説明図である。 同実施例４に係るボイラの制御手順を説明するフローチャート図である。 この発明の実施例５に係るボイラの概略的な構成を示す縦断面の説明図である。

つぎに、この発明のボイラの実施の形態について説明する。この発明の実施の形態は、少保有水量であってセパレータレスのボイラに好適に実施される。

この発明の実施の形態を説明する前に、本願において使用する用語について説明する。少保有水量とは、バーナの燃焼停止時における、缶体の水管の水位が水管の上端より低いことを意味する。この定義における「バーナの燃焼停止時」は「起蒸時」と言い換えることができ、「水管の上端より低い」は、「水管の途中」と言い換えることができる。また、セパレータレスボイラとは、セパレータ（気液分離器または汽水分離器ともいう。）を設けていないボイラである。なお、上部ヘッダの蒸気流出管の開口に近い複数の水管の上端上方にバッフル板を設けたものは、セパレータとしての独立した空間を持たないので、セパレータレスボイラに含まれる。

（実施の形態）
この発明の実施の形態を具体的に説明する。この実施の形態のボイラは、上部ヘッダと下部ヘッダとの間をバーナにより加熱される多数の水管で連結して構成され、バーナの燃焼停止時、水管内の水位が水管の上端より低い状態となる缶体と、缶体の外部に設置され、上部ヘッダの内部空間および下部ヘッダの内部空間のそれぞれと連通管を介して連通し、缶体内外部水位を検出する外部水位検出手段と、缶体内へボイラ用水を供給する給水手段と、外部水位検出手段による検出水位が第一設定水位となると缶体内水位が低下するように給水手段の作動を制御する制御手段とを備えている。バーナの燃焼停止時、水管内の水位が水管の上端より低い状態となるボイラであるので、少保有水量ボイラと称することができる。

（実施の形態の主特徴）
そして、この実施の形態の主たる特徴とするところは、セパレータレスボイラの課題である所定（所望）の乾き度を維持することおよび上部ヘッダの高さが高くなることを抑えることを目的とした構成にある。すなわち、主たる特徴は、水管内の缶水がその沸騰により生じた気泡により押し上げられることにより上部ヘッダ内に存在する水位を検出するヘッダ水位検出手段を備え、制御手段は、ヘッダ水位検出手段による検出水位が第二設定水位となると缶体内水位が低下するように給水手段の作動を制御する構成にある。この発明は、好ましくは、セパレータを設けないセパレータレスボイラとするが、この主特徴を備え、従来より小型（小容量）のセパレータを備えるボイラとすることができる。

なお、第一設定水位は、低濃縮時の所定の乾き度を維持するための上限水位としての低濃縮時乾き度限界水位とするか，または低濃縮時乾き度限界水位より低い水位とすることができる。また、第二設定水位は、高濃縮時の所定の乾き度（たとえば、０．９８以上）を維持するための上限水位としての高濃縮時乾き度限界水位と称することができる。また、「缶体内水位が低下（または上昇）するように給水手段の作動を制御」は、給水手段が給水量をＯＮ−ＯＦＦ式に制御するものである場合は、給水手段をＯＦＦ（またはＯＮ）することを意味し、給水手段が給水量を多段階または比例的に制御するものである場合は、給水手段の給水量を減少（または増加）させることを意味している。また、「設定水位となる」とは、設定水位以上となる場合、および設定水位を超える場合を含む。さらに、「缶体内水位が低下（または上昇）するように」は「缶体内外部水位が低下（または上昇）するように」と言い換えることができる。

この構成を備える実施の形態においては、缶水の濃縮度が低い（低濃縮）状態では、外部水位検出手段により第一設定水位を検出すると缶体内水位が低下するように給水手段の作動を制御する。この水位制御により、低濃縮時において乾き度を所定の乾き度（たとえば、０．９８以上）に維持することができる。低濃縮時には、上部ヘッダ内に高濃縮時のような水位が存在しないので、ヘッダ水位検出手段による乾き度限界水位制御は困難である。なお、「缶体内外部水位」は、「缶体内水位」または「水管水位」と言い換えることができる。そして、「缶体内水位」は、缶水の低濃縮時であっても水管内の水位が缶水の沸騰により明確でないので、「缶体内外部水位」で検出する。

ボイラの運転に伴い、缶水の濃縮度が高くなる（高濃縮）と、水管内の缶水がその沸騰により生じた気泡により押し上げられ、上部ヘッダ内にヘッダ水位検出手段により検出可能な水位が存在するようになる。そして、ヘッダ水位検出手段により第二設定水位が検出されると、缶体内水位が低下するように給水手段の作動を制御するので、上部ヘッダの内部空間において気泡を含む缶水の上方部分（沸騰上面）を所望するレベルに保つことができ、乾き度の低下を防止して、所定の乾き度を得ることができる。なお、缶水の濃縮度は、たとえば３００〜４００mS/m（この数値に限定されない）を境にして低濃縮と高濃縮とに分けることができる。

また、ヘッダ水位検出手段による水位制御を行わない場合は、たとえば、蒸発量２t／hのボイラでは、上部ヘッダの高さを６００mm以上にする必要があるが、この実施の形態のヘッダ水位検出手段による水位制御により、上部ヘッダの高さが高くなるのを抑える（たとえば、好ましくは４００mm以下、さらに好ましくは３００mm以下）ことが可能となる。

以上説明した実施の形態においては、さらに前記の主たる特徴に付加的な第一特徴〜第五特徴を一つまたは複数を組み合わせて備えることができる。なお、付加的とは、主たる特徴の課題と別の課題を解決するという意味であり、製造販売される製品において不必要という意味ではない。

（実施の形態の付加的第一特徴）
第一特徴は、ヘッダ水位検出手段による上部ヘッダ内の水位を安定的に存在させ、安定的な第二設定水位による水位制御を行うことを目的とした構成にある。すなわち、第一特徴は、ヘッダ水位検出手段が、上部ヘッダ内上部および下部とそれぞれ連通する連通孔を有する水位制御室と、水位制御室内の第二設定水位を検出する電極とを含んで構成されるところにある。上部ヘッダ内上部は、上部ヘッダ内のできるだけ高い位置が望ましく、上部ヘッダ内下部は、上部ヘッダ内のできるだけ低い位置が望ましい。なお、「水位制御室」は、「水位制御容器」と称することができ、好ましくは、形状を筒状とするが、これに限定されるものではない。

この第一特徴によれば、ヘッダ水位検出手段には、上方の連通孔および下方の連通孔を介して、上部ヘッダの内部空間内の圧力と同じ圧力とすることができ、さらには下方の連通孔を介して、缶水を水位制御室内へ流入させることが可能となる。そのため、上部ヘッダ内における缶水の水位は、水位制御室内で検出される缶水の水位と、ほぼ等しい水位とすることができる。そして、缶水の高濃縮時における上部ヘッダの沸騰上面は不安定であるが、この第一特徴によれば、水位制御室内に安定した水位を形成することができ、結果として、ヘッダ水位検出手段による第二設定水位の検出を安定的に行うことができる。

この第一特徴を実現する形態は、つぎの二つの形態を含む。第一の形態は、ヘッダ水位検出手段の水位制御室が上部ヘッダの内部に設置され、上部ヘッダ内上部および下部と連通孔により連通される形態である。第二の形態は、ヘッダ水位検出手段の水位制御室が上部ヘッダの外部に設置され、上部ヘッダ内上部および下部と各連通孔とがそれぞれ連通管により接続される形態である。

ヘッダ水位検出手段を上部ヘッダ外に設ける第二の形態は、水位制御室と上部ヘッダとを接続するための連通管が必要である。これに対して、第一の形態によれば、連通管が不要となるとともに、ヘッダ水位検出手段を設置するスペースを上部ヘッダと別に設ける必要がないので、第二の形態と比較して設置スペースを減少することができる。

また、ヘッダ水位検出手段を上部ヘッダ内に設ける第二の形態は、気泡が連通孔を通して水位制御室内へ流入することによる若干の水面の不安定さを伴う。これに対して、第二の形態によれば、第一の形態と比較して、より安定した上部ヘッダ内水位を水位制御室内に存在させることができ、その結果安定した水位制御が可能となる。

（実施の形態の付加的第二特徴）
第二特徴は、低濃縮時の外部水位検出手段による乾き度限界水位制御（外部水位制御）と高濃縮時のヘッダ水位検出手段による乾き度限界水位制御（ヘッダ水位制御）との切り替え制御の方式に関する形態である。この第二特徴の形態は、つぎの二つの形態を含む。

第二特徴の第一の形態は、外部水位検出手段が第一設定水位を検出する条件と、ヘッダ
水位検出手段が第二設定水位を検出する条件のＯＲ条件（第一制御条件）により、缶体内水位が低下するように給水手段を制御する形態である。この形態では、缶水の濃縮を判定することなく、自動的に外部水位制御とヘッダ水位制御との切り替えが行われる。

第二特徴の第二の形態は、缶水の濃縮度を判定して外部水位制御とヘッダ水位制御との切り替えを行うものであり、つぎの二つの態様を含むが、これ以外の濃縮度の判定方法によるものを含む。第一の態様は、缶体の内部に存在する缶水を外部へ排出した後のバーナの燃焼時間が燃焼時間閾値に到達するかどうかで濃縮度を判定するものであり、第二の態様は、缶体内の缶水の電気伝導度を測定する電気伝導度測定手段により濃縮度を判定するものである。

前記の第一の態様は、具体的には、制御手段は、バーナの燃焼時間が燃焼時間閾値に到達しない場合には、外部水位検出手段が第一設定水位を検出すると、缶体内水位が低下するように給水手段を制御すると共に、燃焼時間閾値に到達した場合には、ヘッダ水位検出手段による検出水位が第二設定水位を検出すると缶体内水位が低下するように給水手段の作動を制御するように構成される。

また、第二の態様は、具体的には、制御手段は、電気伝導度測定手段で測定された缶水の電気伝導度が電気伝導度閾値に到達しない場合には、外部水位検出手段が第一設定水位を検出すると、缶体内水位が低下するように給水手段を制御すると共に、電気伝導度測定手段で測定された缶水の電気伝導度が電気伝導度閾値に到達した場合には、ヘッダ水位検出手段による検出水位が第二設定水位を検出すると缶体内水位が低下するように給水手段の作動を制御するように構成される。

（実施の形態の付加的第三特徴）
第三特徴は、水管の過熱防止を目的とする構成，すなわち缶体内水位が上昇するように給水手段を制御するタイミングに関する構成である。この第三特徴は、つぎの三つの形態を含んでいる。第一の形態は、タイミングを外部水位検出手段による検出水位が下降して過熱度限界外部水位（所定の水管過熱を防止するための下限外部水位）となる時点とするものである。また、第二の形態は、前記のタイミングをヘッダ水位検出手段による検出水位が下降して設定水位（所定の水管過熱を防止するための下限ヘッダ水位であり、第二設定水位より低い水位）となる時点とするものである。さらに、第三の形態は、前記のタイミングをヘッダ水位検出手段による検出水位が第二設定水位を切ってから所定時間が経過した時とするものである。この第三の形態は、タイマによる制御により実現される。

第三特徴の第一の形態においては、好ましくは、乾き度維持のための第一設定水位を検出する電極と過熱防止のための水位を検する電極とを兼用する。こうした電極を兼用する場合は、電極が水位を検出してから、または検出しなくなってからの経過時間を調整することにより、異なる水位を検出するように構成する。しかしながら、これに限定されることなく、乾き度維持のための水位を検出する電極と過熱防止のための水位を検する電極とを別の電極とすることもできる。

また、第三特徴の第一の形態においては、好ましくは、外部水位検出手段が第一設定水位を検出しなくなり、かつヘッダ水位検出手段が第二設定水位を検出しなくなる（第二制御条件）と、缶体内水位が上昇するように給水手段を制御するように構成する。

第二制御条件による給水量増加の構成により、つぎの作用効果を奏する。すなわち、ヘッダ水位検出手段が第二設定水位を検出している状態で、外部水位検出手段が第一設定水位を検出しなくなって給水手段を駆動すると、上部ヘッダに水位が乾き度限界水位以上に存在するという状態で、給水手段により給水量を増大させると、乾き度の低い蒸気が上部
ヘッダから流出する不都合を生ずることがある。しかしながら、第二制御条件による給水量増加の構成により、この不都合を解消でき、乾き度の低下を防止することができる。また、ヘッダ水位検出手段が第二設定水位を検出している状態では、外部水位検出手段が第一設定水位を検出しなくなっても給水手段により給水量を増加させないので、水管過熱のリスクの少ない状態で缶内外部水位を下げることができる。

さらに、この第二制御条件による給水量増加の構成においては、好ましくは、外部水位検出手段は、上部ヘッダおよび下部ヘッダと連通する水位制御室と、水位制御室内の第二設定水位を検出する第一電極と、水位制御室内の第二設定水位より低い第三設定水位を検出する第二電極とを含んで構成され、制御手段は、第二電極が第三設定水位を検出しなくなると、缶体内水位が上昇するように給水手段を制御するように構成する。

このように構成することで、つぎの作用効果を奏する。第二制御条件を満たさない状態が長く続くと缶体内水位が下がり過ぎ、缶体内圧力が上昇し過ぎる。しかしながら、第二電極が第三設定水位を検出しなくなると、缶体内水位が上昇するように給水手段を制御するので、缶体内圧力が上昇し過ぎることを防止し，結果として缶体内圧力の変動を少なくすることができる。なお、前記の給水量の減少による缶体内圧力の上昇は、給水による缶水の冷却量が減少することによるものと考えられる。

（実施の形態の付加的第四特徴）
第四特徴は、バーナの燃焼量が段階的に変化すると、同じ缶水の濃縮度でも缶水の沸騰が異なる（燃焼量が多いほど沸騰が激しくなる）ことによる乾き度低下を防止することを目的とする構成である。この第四特徴は、ヘッダ水位検出手段が異なる燃焼量に対応した異なる複数の第二設定水位を検出する第一電極を備え、制御手段が異なる燃焼量に対応した第二設定水位を検出すると缶体内水位が低下するように給水手段の作動を制御するようにした構成にある。たとえば、燃焼量が高燃焼と低燃焼とに切り替えられるボイラにおいては、高燃第二設定水位を検出する高燃第一電極と、高燃第二設定水位より高い低燃第二設定水位を検出する低燃第一電極とを備え、高燃焼時には、高燃第一電極が高燃第二設定水位を検出すると、低燃焼時には、低燃第一電極が低燃第二設定水位を検出すると、それぞれ缶体内水位が低下するように給水手段の作動を制御するように構成される。

（実施の形態の付加的第五特徴）
第五特徴は、缶水の循環比を高くすることを目的とする構成であって、上部ヘッダ内下部と下部ヘッダとを連通する降水管を備える構成にある。なお、循環比とは、（蒸発量＋降水量）／（給水量）で定義される。蒸発量は、上部ヘッダからの蒸気流出量であり、降水量は、降水管を通して流下する缶水（循環水）の量である。こうした構成を備えることにより、上部ヘッダ内に過剰の水位が存在することを防止できると共に、缶水の所定の循環比を確保することができる。

また、循環比が低いとｐＨの低い給水が供給された部分のｐＨが低くなり、腐食のリスクが高まるが、循環比を高くすると、ｐＨの低い給水と降水管を通して下部ヘッダに供給されるｐＨの高い缶水とが混合して缶体内を適切なｐＨに保ち腐食リスクを低減することができる。さらに、温度の低い給水と温度の高い缶水との混合により缶水全体を高い温度分布とすることができ、溶存酸素による腐食リスクを低減できる。

この第五特徴においては、循環比を高めるために、好ましくは、缶体内水位が上昇するように給水手段を制御するタイミングを、過熱防止のための過熱限界水位より高い水位である目標循環比設定水位を定め、この目標循環比設定水位に水位が低下したタイミングとする。

この発明は、以上説明した主たる特徴を備える実施の形態の表現（記載）に限定されるものではなく、つぎの表現による実施の形態のボイラを含むものである。このボイラは、上部ヘッダと下部ヘッダとの間をバーナにより加熱される多数の水管で連結して構成され、バーナの燃焼停止時水管内の水位が水管の上端より低い状態となる缶体と、缶体内へボイラ用水を供給する給水手段と、給水手段の作動を制御する制御手段とを備えるセパレータスボイラであって、缶体の外部に設置され、上部ヘッダの内部空間および下部ヘッダの内部空間のそれぞれと連通管を介して連通し、缶体内水位を検出する外部水位検出手段と、水管内の缶水がその沸騰により生じた気泡により押し上げられることにより上部ヘッダ内に存在する水位を検出するヘッダ水位検出手段とを備え、制御手段は、外部水位検出手段による検出水位が低濃縮設定水位（低濃縮時乾き度限界水位に相当する。），または低濃縮設定水位より低い設定水位となると缶体内水位が低下するように給水手段の作動を制御すると共に、ヘッダ水位検出手段による検出水位が高濃縮設定水位（高濃縮時乾き度限界水位に相当する。）となると缶体内水位が低下するように給水手段の作動を制御することを特徴とする

この表現のボイラにおいても前記の実施の形態と同様な作用効果を奏するものである。また、前記の付加的第一特徴〜第五特徴の一つまたは複数を備えることができる。

ここで、以上説明したこの発明の実施の形態のボイラを構成する構成要素を説明する。なお、説明済みのものは、その説明を省略する。缶体は、多数の水管を環状に配列した所謂丸型缶体に限定されるものではなく、燃焼ガスの流れ方向を直線的に形成し、この燃焼ガスの流れに沿って多数の水管を配設した所謂角型缶体を含むものである。丸型缶体の燃焼ガス（燃焼火炎を含むガスおよび排ガスを含む）の流れはωフローなどの水平方向の流れに限定されず、上下に流れる缶体を含む。また、上部ヘッダおよび下部ヘッダは、ドーナツ状、環状のものに限定されない。さらに、バーナおよび給水手段も、特定の構造、型式のものに限定されない。

ついで、この発明のボイラの実施例１を図面に従い説明する。図１は、この発明の実施例１に係るボイラの概略的な構成を示す縦断面の説明図であり、図２は、同実施例１に係るボイラの水位検出に関する模式的な構成を示す図であり、図３は、同実施例１に係るボイラの制御手順を説明するフローチャート図であり、図４は、同実施例１に係るボイラの他の制御手順を説明するフローチャート図である。

（実施例１の構成）
図１に示すように、ボイラ１０は、缶体２０と、バーナ３０と、耐火材４０と、外部水位検出手段としての外部水位検出装置５０と、ヘッダ水位検出手段としてのヘッダ水位検出装置６０と、給水手段としての給水ポンプ７０と、制御手段としての制御器１００と、を備える。これらのうち、缶体２０は、缶体カバー２１と、下部ヘッダ２２と、水管２３と、上部ヘッダ２４と、を主要な構成要素としている。ボイラ１０は、バーナ３０の燃焼量を零を含めて３段階に調節することで、停止，低燃焼，高燃焼の３位置に制御可能に構成されている。なお、低燃焼運転，高燃焼運転をそれぞれ低負荷運転，高負荷運転と称することができる。

缶体カバー２１は、板材を円室状に形成したものであり、水管２３を覆って水管２３を外部から隔離している。下部ヘッダ２２は、中空のリング状に形成されていて、この下部ヘッダ２２には給水管８０が接続されていて、この給水管８０を介して下部ヘッダ２２にボイラ用水を供給可能となっている。また、下部ヘッダ２２には主排水管８１も接続されているが、この主排水管８１には、主排水弁８２が設けられている。この主排水弁８２を開くことにより、下部ヘッダ２２内の缶水を、外部に排出（ブロー）することを可能とし
ている。ここにおいて、缶水とは、缶体２０の内部（下部ヘッダ２２、水管２３等）へ導入されたボイラ用水のことを指す。

そして、下部ヘッダ２２には、水管２３の下端側が接続されている。この水管２３は、下部ヘッダ２２と上部ヘッダ２４とのそれぞれに連通して、缶水を貯留する管状部材である。また、バーナ３０の燃焼により水管２３を加熱することにより、この水管２３の内部の缶水が沸騰する。それぞれの水管２３は、垂直方向に沿って延伸している。本実施例１では、水管２３は、多数配置される。かかる水管２３の配列には、缶体２０の径方向の中心から第１の半径だけ離間する第１円周上に沿って配置される外側水管列２３Ａと、第１の半径よりも小さな第２の半径だけ缶体２０の径方向の中心から離間する第２円周上に沿って配置される内側水管列２３Ｂとが存在する。ただし、水管２３は、外側水管列２３Ａと内側水管列２３Ｂの２列を有するものには限られず、１列のみ有するものであっても良く、３列以上有するものであっても良い。

さらに、それぞれの水管２３の上端側は、上部ヘッダ２４に接続されている。上部ヘッダ２４は、缶水が濃縮すると、水管２３内の缶水がその沸騰により生じた気泡により押し上げられる部分、別の表現をすると、水管２３にて沸騰している蒸気および沸騰時の気泡の存在によって体積が膨張した缶水が入り込む部分である。上部ヘッダ２４は、上述の下部ヘッダ２２と同様に、中空のリング状に形成されている。ここにおいて、以下の説明では、上部ヘッダ２４の中空をなしている内部の空間を、内部空間２４Ａとする。この内部空間２４Ａは、水管２３の開口部分２３ｓと連通する一方、蒸気流出管８３の開口部分８３ｓと連通している。また、以下の説明においては、下部ヘッダ２２の中空をなしている内部の空間を、内部空間２２Ａと称する。

また、上部ヘッダ２４は、本実施例１では、従来の上部ヘッダ２４よりも高さが高く（垂直方向における寸法が大きく）なっている。たとえば、蒸発量２t／hのボイラでは、従来の上部ヘッダ２４の高さを１５０mmとすると、３００mmとなっている。すなわち、本実施例１におけるボイラ１０においては、セパレータは設けられていないセパレータレスとしているが、後述のヘッダ水位制御装置６０の乾き度限界水位制御によりセパレータレスであっても、セパレータの高さが高くなるのを抑えつつ、所定の乾き度を得るように構成している。

そして、上部ヘッダ２４内にはバッフル板２５を設けている。このバッフル板２５は、蒸気流出管８３に近い水管２３からの沸騰する缶水の気泡が直接的に蒸気流出管８３から流出しないように機能するもので、この実施例では、上部ヘッダ２４の蒸気流出管８３の開口に近い側の半分（ドーナツの半分）の範囲の水管２３の上方を覆うように設けている。このバッフル板２５は、必要に応じて、省略したり、広さ（多数の水管２３を覆う範囲）を増減することができる。

なお、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａの高さを高くすることは、上部ヘッダ２４の底面に位置する水管２３の開口部分２３ｓから、上部ヘッダ２４の天板２４Ｂに接続されている蒸気流出管８３の開口部分８３ｓまでの流路の距離を大きくしたことを意味する。そして、２つの開口部分の間（開口部分２３ｓと開口部分８３ｓの間）の流路の距離の拡大は、気水分離の機能を果たすことにつながっている。しかしながら、内部空間２４Ａの高さを高くするだけでは、蒸発量２t／hのボイラでは、高さが６００mm以上となってしまう。そこで、本実施例１では、後述の過熱限界水位制御により、内部空間２４Ａの高さ，すなわち上部ヘッダ２４の高さを抑えるように構成している。

また、図２に示すように、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａの下部と降水管８４の上端側が連通している。この降水管８４は、内部空間２４Ａに存在する缶水（この缶水は濃縮
されている場合が多い）を下部ヘッダ２２に戻すものである。そのため、降水管８４の下端側は、下部ヘッダ２２の内部空間２２Ａに連通している。そして、この降水管８４には、濃縮排水管８５が接続されていて、この濃縮排水管８５には、濃縮排水弁８６が設けられている。この濃縮排水弁８６を開くことにより、濃縮された缶水を外部に排出可能としている。

また、缶体２０の上部側には、バーナ３０が設けられている。バーナ３０は、上部ヘッダ２４のリング状をなすリング孔（符号省略）内に位置していて、缶体カバー２１の内部のうち水管２３で周囲を囲われる内側（以下、燃焼室２１Ａとする）に、火炎を形成する。その燃焼室２１Ａ内での燃焼のために、バーナ３０には、燃料および燃焼用の空気が供給される。燃料は、燃料弁３１を備えた燃料配管３２により供給され、空気は、送風機３３により供給される。

また、缶体２０の下部側には、耐火材４０が設けられている。耐火材４０は、缶体２０の下部（水管２３の下部側が位置する部分（水管絞り部分）およびそれよりも内側）を閉塞することにより、内側水管列２３Ｂよりも径方向の中心側は燃焼室２１Ａとなる。そして、耐火材４０は、缶体カバー２１の内側における上方側のうち、水管２３の上部側が位置する部分（水管絞り部分）にも設けられている。

つぎに、図１および図２に示す外部水位検出装置５０は、缶体２０の内部（下部ヘッダ２２、水管２３等）に導入されている缶水の水位（缶体内水位と称する。）を外部水位として検出するものである。この外部水位検出装置５０は、水位制御室としての水位制御筒５１と、複数の棒状の電極５２と、を備える。

水位制御筒５１は、導通可能な金属によって、両端が封止された略円筒形状に形成されている。この水位制御筒５１の上端部と連通管８７ａの下端が接続されており、連通管８７ａの上端は、上部ヘッダ２４に接続されている。また、水位制御筒５１の下端部と連通管８７ｂの上端が接続されており、連通管８７ｂの下端は、下部ヘッダ２２に接続されている。それにより、水位制御筒５１は、上端部及び下端部が上部ヘッダ２４及び下部ヘッダ２２を介して水管２３とそれぞれ連通し、したがって水管２３に導入された缶水に対応した缶内水位（缶内外部水位）を水位制御筒５１の内部に実現させる。

そして、電極５２は、それぞれ水位制御筒５１の異なる水位を検出する低燃用第一電極５２Ｓ，高燃用第一電極５２Ｍ，第三電極５２Ｌを含んで構成されている。低燃用第一電極５２Ｓは、低燃焼時の缶水の低濃縮時における乾き度限界水位（低濃縮時乾き度限界水位）である低燃第一設定水位Ｈ１Ｓを検出する。この低燃第一設定水位Ｈ１Ｓは、低燃焼時の缶水の低濃縮時における過熱度限界水位よりも高い水位に設定されると共に、低燃焼時の缶水の低濃縮時における目標循環比設定水位でもある。また、高燃用第一電極５２Ｍは、高燃焼時の缶水の低濃縮時における乾き度限界水位（低濃縮時乾き度限界水位）である高燃第一設定水位Ｈ１Ｍ（低燃第一設定水位ＨＳよりも低い水位）を検出する。この高燃第一設定水位Ｈ１Ｍは、高燃焼時の缶水の低濃縮時における過熱度限界水位よりも高い水位に設定されると共に、高燃焼時の缶水の高濃縮時における目標循環比設定水位（低濃縮時における目標循環比設定水位とほぼ等しい）でもある。さらに、第三電極５２Ｌは、水管過熱防止用の高燃第一設定水位Ｈ１Ｍより低い第三設定水位Ｈ３Ｌを検出する。以上説明した各設定水位は、予め実験により定めておく。

また、ヘッダ水位検出装置６０は、上述した上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａにおける缶水の高濃縮時における水位を検出するものである。このヘッダ水位検出装置６０での缶水の高濃縮時の水位の検出状態を、図２に示す。図２を参照して、水管２３内の缶水が沸騰する場合、水管２３内では多数の気泡Ｋが発生し、気泡Ｋを含む缶水の上方部分（沸騰
上面）では、次々に気泡Ｋが露呈して飛散する。この状態では、気泡Ｋの中には内部空間２４Ａに入り込むものがある。そして、内部空間２４Ａの内部においては、入り込んだ気泡Ｋの破裂により、内部空間２４Ａの内壁面および水管２３の上部内表面は、破裂した液滴の膜（水膜）で被われた状態となる。このとき、内部空間２４Ａの下部には、不安定な沸騰上面を有する水位が存在するようになる。一方、気泡Ｋの一部は、連通管８８ｂ（後述）から水位制御筒６１内へ入り込むと共に、気泡Ｋが破裂した液滴も、連通管８８ｂ（後述）から水位制御筒６１内へ流入し、これらが水量として検出される状態となり、水位制御筒６１内において、水位として出現する。したがって、ヘッダ水位検出装置６０は、水位制御筒６１内に出現した水位を検出することになる。

このヘッダ水位検出装置６０も、上述の外部水位検出装置５０と同様の構成を有している。すなわち、ヘッダ水位検出装置６０は、水位制御室としての水位制御筒６１と、複数の電極６２と、を備える。水位制御筒６１の上端部の連通孔６４ａと連通管８８ａの下端が接続されており、連通管８８ａの上端は、上部ヘッダ２４の上部に接続されている。また、水位制御筒６１の下端部の連通孔６４ｂと連通管８８ｂの上端が接続されており、連通管８８ｂの下端は、下部ヘッダ２２の下部に接続されている。

電極６２は、それぞれ水位制御筒６１の異なる水位を検出する低燃用第二電極６２Ｓ，高燃用第二電極６２Ｍを含んで構成されている。低燃用第二電極６２Ｓは、低燃焼時の缶水の高濃縮時における乾き度限界水位（高濃縮時乾き度限界水位）である低燃第二設定水位Ｈ２Ｓを検出する。また、高燃用第二電極６２Ｍは、高燃焼時の缶水の高濃縮時における乾き度限界水位（高濃縮時乾き度限界水位）である高燃第二設定水位Ｈ２Ｍ（低燃第二設定水位Ｈ２Ｓよりも低い水位）を検出する。低燃用第二電極６２Ｓ，高燃用第二電極６２Ｍはそれぞれ別の水位制御筒に設けることができる。

また、図１を参照して、缶体２０には、水管２３内の水位を検出する第四電極６２Ｄを備えている。第四電極６２Ｄは、ボイラ１０の起蒸（冷態状態でのボイラ１０の燃焼運転に限定されない。）時の水位である第四設定水位Ｈ４Ｄを検出する。制御器１００は、運転開始スイッチ（図示省略）を操作すると、給水ポンプ７０を駆動し、下部ヘッダ２２から水管２３内へ缶水を供給し、第四電極６２Ｄが第四設定水位Ｈ４Ｄを検出すると給水ポンプ７０を停止し、低燃焼運転へ移行するように構成されている。

この起蒸時水位制御の構成により、起蒸時には、第四設定水位Ｈ４Ｄまで水管２３の水位が上昇しているので、起蒸時の水管過熱を防止することができる。また、第四設定水位Ｈ４Ｄを超えて上部ヘッダ２４内に缶水が侵入する状態で起蒸すると、多量の缶水が蒸気流出管８３から流出してしまう不都合を生ずるおそれがあるが、起蒸時水位制御の構成により、この不都合を防止することができる。

また、給水ポンプ７０は、ＯＮ−ＯＦＦ式のもので、給水管８０を介して下部ヘッダ２２と接続されていて、制御器１００の制御により作動させられると、下部ヘッダ２２へボイラ用水の供給を開始する。そして、下部ヘッダ２２と給水ポンプ７０との間の給水管８０には、逆止弁８９が設けられていて、缶水が下部ヘッダ２２側から給水ポンプ７０側に逆流するのを防止している。

制御器１００は、外部水位検出装置５０の各電極、ヘッダ水位検出装置６０の各電極、第四電極等の各種のセンサからの検出信号が入力されると共に、その検出信号に応じて、バーナ３０、給水ポンプ７０等の駆動部位の作動を司る。なお、制御手段１００は、記憶装置（図示省略）に格納されている各種プログラムにより、燃焼制御手順および水位制御手順を実行する。水位制御手順には、乾き度維持制御および過熱防止制御手順が含まれ、高燃焼時，低燃焼時の水位制御手順をそれぞれ図３，図４に示す。なお、図３、図４では
、先に説明した第四電極による起蒸時の水位制御手順は省略している。

（実施例１の動作）
以上のような構成を有するボイラ１０の水位制御の動作を図１〜図４に基づき以下に説明する。

まず、ボイラ１０の高燃焼運転時の水位制御を図３に基づき説明する。制御器１００は、ステップＳ１（以下、ステップＳＮを単にＳＮという。）にて、高燃用第二電極６２Ｍが水無し（水位を検出していない）で、かつ高燃用第一電極５２Ｍが水無し（水位を検出していない）か，すなわちＡＮＤで条件を満たしているかどうかを判定する。

今、缶水が低濃縮の状態にあるとすると、ヘッダ水位検出手段６０の高燃用第二電極６２Ｍによって水位が検出される状態とはならず、外部水位検出手段５０によって缶体内水位が検出される。水位制御筒５１の水位がＨ１Ｍ未満であると、Ｓ１でＹＥＳが判定され、Ｓ２へ移行して給水ポンプ７０をＯＮする。すると、下部ヘッダ２２にボイラ用水が供給され、缶体２０内の水位が上昇する。

ついで、Ｓ３において、高燃用第二電極６２Ｍが水有り（水位を検出している）か、高燃用第一電極５２Ｍが水有り（水位を検出している）かどうか，すなわちＯＲで条件を満たしているかどうか（第一制御条件）を判定する。今の場合、缶内水位が上昇して、水位制御筒５１の水位がＨ１Ｍ以上となり、高燃用第一電極５２Ｍが水有りを検出すると、Ｓ３でＹＥＳが判定され、Ｓ４へ移行して給水ポンプ７０をＯＦＦする。こうして、高燃焼運転における低濃縮時は、高燃用第一電極５２Ｍによって、所定の乾き度が維持され、かつ水管過熱を生じない水位制御が行われる。なお、高燃用第一電極５２Ｍが水有りを検出して給水ポンプ７０をＯＦＦするまでの時間および高燃用第一電極５２Ｍが無しを検出して給水ポンプ７０をＯＮするまでの時間を調整可能に構成している。

ボイラ１０の運転によって、缶水の濃縮が進み、高濃縮状態となると、ヘッダ水位検出手段６０の高燃用第二電極６２Ｍによって水位がほぼ常時検出される状態となる。その結果、高燃用第一電極５２Ｍが水無しでも、高燃用第二電極６２Ｍが水有りを検出すると、Ｓ３でＹＥＳが判定され、Ｓ４へ移行して、給水ポンプ７０をＯＦＦする。すると、缶体２０内の水位が低下する。

ついで、Ｓ５へ移行して、第三電極５２Ｌが水無しかどうかを判定する。ＮＯの場合は、Ｓ１に戻る。Ｓ１で、高燃用第一電極５２Ｍおよび高燃用第二電極６２Ｍが共に水無しを検出（第二制御条件）すると、Ｓ２へ移行して、給水ポンプ７０をＯＮする。

Ｓ１で、第二制御条件を満たすとき給水ポンプ７０をＯＮする構成により、つぎの作用効果を奏する。すなわち、高燃用第二電極６２Ｍが水有りを検出している状態で、高燃用第一電極５２Ｍが水無しを検出して給水ポンプ７０を駆動すると、上部ヘッダ２４に水位が乾き度限界水位以上に存在するという状態で、給水ポンプ７０により給水量が増大する。すると、乾き度の低い蒸気が上部ヘッダ２４から流出する不都合を生ずることになる。しかしながら、第二制御条件による給水量増加の構成により、この不都合を解消でき、乾き度の低下を防止することができる。また、高燃用第二電極６２Ｍが水有りを検出している状態では、高燃用第一電極５２Ｍが水無し検出しても給水ポンプにより給水量を増加させないので、水管過熱のリスクの少ない状態で缶体２０内水位を下げることができる。

そして、高燃用第二電極６２Ｍの水無し状態が継続して、Ｓ１でＹＥＳの判定が継続されることがある。その場合には、Ｓ５において、ＹＥＳが判定され、Ｓ６へ移行して、給水ポンプ７０をＯＮする。その結果、長い時間給水ポンプ７０がＯＦＦすることによる缶
体２０内の圧力上昇を防止でき、缶体２０内の圧力変動を低減できる。

こうして、高燃焼運転における高濃縮時は、高燃用第二電極６２Ｍによって、上部ヘッダ２４内の水位が乾き度限界水位以下の水位で制御されるので、高燃焼、高濃縮状態でも所定の乾き度が維持され、かつ水管過熱を生じない水位制御が行われる。

また、高燃焼運転における高濃縮時には、上部ヘッダ２４の下部に存在する缶水が降水管８４を通して流下し、下部ヘッダ２２内へ還流する。その結果、上部ヘッダ２４内に過剰の水位が存在することを防止できると共に、缶水の所定の循環比を確保することができる。

また、循環比は、給水ポンプ７０をＯＮするタイミング，すなわち高燃用第一電極５２Ｍの検出水位を高くするほど高くなる。この検出水位を高くしすぎると、乾き度が低下する。この実施例１では、高燃用第一電極５２Ｍの検出水位を過熱防止のための過熱限界水位より高い水位である目標循環比設定水位に設定しているので、所定の循環比で水位制御を行うことができる。その結果、ｐＨの低い給水と降水管を通して下部ヘッダに供給されるｐＨの高い缶水とが適度に混合して缶体内を適切なｐＨに保ち腐食リスクを低減することができる。さらに、温度の低い給水と温度の高い缶水との混合により缶水全体を高い温度分布とすることができ、溶存酸素による腐食リスクを低減できる。

なお、缶水の濃縮度が中程度の状態では、缶水の沸騰状態に応じて、上述の低濃縮時の外部水位検出装置５０による水位制御と、高濃縮時のヘッダ水位検出装置６０による水位制御のいずれかが行われる。

つぎに、ボイラ１０の低燃焼運転時の水位制御は、図４の制御手順に基づき制御される。低燃焼運転時で、高燃焼時と異なるのは、缶水の沸騰が弱いので、低燃用第二電極６２Ｓと、低燃用第一電極５２Ｍにより、全体的に水位を高くして、乾き度，水管過熱度，循環比を制御する点である。制御の流れは、図３の制御手順と同様でり、図４のＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１５，Ｓ１６がそれぞれ図３のＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６に対応するので、その説明を省略する。

つぎのこの発明の実施例２のボイラ１０を図５に基づき説明する。この実施例２において前記の実施例１と異なるのは、ヘッダ水位検出装置６０を上部ヘッダ２４内に設けた点で、その他の構成は、前記実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。以下、異なる構成についてのみ説明する。

図５を参照して、ヘッダ水位検出装置６０の水位制御筒６１が前記上部ヘッダの内部に設置される。水位制御筒６１は、有底筒状の筒体であり、その上端側の開口側が上部ヘッダ２４の天板２４Ｂに取り付けられている。そして、水位制御筒６１の下端側の底部に近接した高さ位置における周壁には、内部空間２４Ａ内の気泡の一部が入り込むと共に、内部空間２４Ａ内で破裂した気泡の液滴が流入するための連通孔６４ｂが設けられている。この連通孔６４ｂは、単数あるいは複数個設けるものとしている。さらに、水位制御筒６１の底部の垂直方向における高さ位置は、高燃用第二電極６２Ｍよりも十分に低い高さ位置となっている。

また、水位制御筒６１が天板２４Ｂに取り付けられる関係上、水位制御筒６１の内部で水位が上昇した際に、気体（空気、蒸気等）を水位制御筒６１の内部から逃がすために、水位制御筒６１の上端側に近接した高さ位置における周壁には、単数または複数の連通孔６４ａが設けられている。したがって、水位制御筒６１内は、上方の連通孔６４ａおよび
下方の連通孔６４ｂを介して上部ヘッダ２４内の上部および下部と連通して、内部空間２４Ａ内の圧力と同じ圧力となっている。

そして、実施例２における低燃用第二電極６２Ｓおよび高燃用第二電極６２Ｍは、実施例１における低燃用第二電極６２Ｓおよび高燃用第二電極６２Ｍと同様の構成となっているので、詳細な説明は省略する。

つぎに、実施例２のボイラ１０の動作について説明する。実施例２のボイラ１０は、図３および図４の制御手順により制御され、その動作に関しては、実施例１のボイラ１０と、概略同じ動作を行う。

ここで、前記実施例１のボイラ１０の作動と相違する点を説明する。本実例２のボイラ１０において、内部空間２４Ａ内へ入り込んだ気泡は、内部空間２４Ａ内において破裂し、内部空間２４Ａの内壁面および水管２３の上部内表面を液滴の膜（水膜）で被うことになる。同時に、気泡の一部は、連通孔６４ｂから水位制御筒６１内へ入り込むと共に、気泡が破裂した液滴も、流入孔６４ｂから水位制御筒６１内へ流入し、これらが水量として検出される状態となり、水位制御筒６１内において、水位として出現する。したがって、この実施例２のヘッダ水位検出装置６０は、水位制御筒６１内に出現した水位を検出することになる。

以上が実施例１に対する相違点であり、その他の制御器１００による制御等については、上述の第１の実施の形態と同様となっている。

この実施例２によれば、実施例１の連通管８８ａ，８８ｂが不要となる。また、ヘッダ水位検出装置６０を設置するスペースを上部ヘッダ２４と別に設ける必要がないので、実施例１と比較して設置スペースを減少することができる。

つぎのこの発明の実施例３のボイラ１０を図６および図７に基づき説明する。前記実施例１と異なるのは、前記実施例１では、缶水の濃縮度を判定することなく、外部水位検出装置５０による外部水位制御とヘッダ水位検出装置６０によるヘッダ水位制御との切り替えを自動的に行うように構成しているのに対して、この実施例３では、缶水の濃縮度を判定して外部水位制御とヘッダ水位制御との切り替えを行うように構成している点である。その他の構成は、前記実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。以下、異なる構成についてのみ説明する。

この実施例３では、ヘッダ水位検出装置６０には、ヘッダ内上限水位である高濃縮乾き度限界水位ＨＥを検出すると給水ポンプをＯＦＦする第六電極６２Ｅと、高濃縮乾き度限界水位ＨＥより低いヘッダ内下限水位である水位ＨＦを検出すると給水ポンプ７０をＯＮする第七電極６２Ｆとを備えている。また、外部水位検出装置５０には、水位制御筒内上限水位である低濃縮乾き度限界水位ＨＧを検出すると給水ポンプをＯＦＦする第八電極５２Ｇと、低濃縮乾き度限界水位ＨＧより低い水位制御筒内下限水位である水位ＨＪを検出すると給水ポンプ７０をＯＮする第九電極６２Ｊとを備えている。

そして、制御器１００は、缶体２０の内部に存在する缶水を外部へ排出した後のバーナ３０の燃焼時間が燃焼時間閾値に到達するかどうかで濃縮度を判定し、低濃縮時には外部水位制御を行い、高濃縮時にはとヘッダ水位制御を行うように構成している。制御器１００による、水位制御手順を図７に示す。

つぎに、この実施例３の動作を説明する。図７を参照して、制御器１００は、Ｓ２１に
おいて、内蔵タイマ（図示省略）により、全ブロー後のバーナ３０における燃焼時間を計測し、所定の燃焼時間（燃焼時間閾値）に到達するかどうかを判定する。ＮＯの場合には、Ｓ２２へ移行して、外部水位検出装置５０での検出結果に基づいて水位の制御を行う。また、Ｓ２１でＮＯが判定される，すなわち所定の燃焼時間（燃焼時間閾値）に到達した場合には、Ｓ２３へ移行して、ヘッダ水位検出装置６０での検出結果に基づいて、水位の制御を行う。ここで、全ブローとは、缶体２０の内部に存在する缶水の全部を、外部に排出することをいう。また、全ブローを実行する以外に、缶水のほぼ半分を外部へ排出する半ブローを実行することもある。この場合も、半ブロー後の燃焼時間を計測して、上述の燃焼時間閾値を設定する。

すなわち、全ブローを行ってから暫くの間、バーナ３０を燃焼させても、缶水の濃縮度は低い状態となっている。缶水の濃縮度が低い場合（低濃縮の場合）、缶水の濃縮度が高い場合（高濃縮の場合）よりも気泡の発生が少ない。すなわち、缶水の水挙動は比較的安定していて、外部水位検出装置５０での検出結果に基づく制御を行っても、所望の蒸気の乾き度は得られる状態となっている。しかしながら、全ブローを行った後にバーナ３０の燃焼時間が累積するにつれて、缶水の濃縮度は上昇していく。そして、缶水の電気伝導度が所定の値となる程に濃縮度が上昇すると、缶水の水挙動は急激に変化し、缶水の粘度の増加により泡立ちが激しくなり、発生する気泡の数も多くなると共に、気泡が破裂した際の飛沫（液滴）の直径が大きくなる等によって、乾き度が低下する。

そこで、外部水位検出装置５０による水位検出では、所望する乾き度が得られない程度の水挙動の変化が起きる状態に、上述の燃焼時間閾値を対応付けておく。すると、全ブロー後にバーナ３０の燃焼が開始するタイミングにて時間計測を開始し、計測された時間が燃焼時間閾値に到達するまでの間は、外部水位検出装置５０にて水位検出を行い、その検出結果に基づいて、缶水の水位を制御する。一方、計測された時間が燃焼時間閾値に到達した場合には、ヘッダ水位検出装置６０の水位制御筒６１の筒内水位を測定することで水位検出を行い、その検出結果に基づいて、缶水の水位を制御する。

ここにおいて、「燃焼時間閾値に到達する」とは、燃焼時間閾値以上となる場合と、燃焼時間閾値を超える場合のいずれであっても良い。また、「燃焼時間閾値に到達しない」とは、燃焼時間閾値以下である場合と、燃焼時間閾値より小さい場合のいずれであっても良い。

そして、外部水位検出装置５０での検出結果に基づく制御では、第八電極５２Ｇと第九電極５２Ｊとの間の位置に、水位制御筒５１内の水位が位置するように制御する。また、ヘッダ水位検出装置６０での検出結果に基づく制御では、第六電極６２Ｅと第七電極６２Ｆとの間の位置に、水位制御筒６１内の水位が位置するように制御する

つぎに、この発明の実施例４のボイラ１０を図７および図８に基づき説明する。前記実施例３と異なるのは、前記実施例３では、缶水の濃縮度の判定を燃焼時間により行っていたが、この実施例４では、缶水の濃縮度を缶水の電気伝導度により判定するように構成している点である。その他の構成は、前記実施例３と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。以下、異なる構成についてのみ説明する。

この実施例４では、図８に示すように、降水管８４内の缶水の電気伝導度を測定する電気伝導度測定センサ９０を備えている。そして、制御器１００による図９に示す水位制御手順により、この電気伝導度が電気伝導度閾値に到達しない場合、外部水位検出装置５０での検出結果に基づいて水位の制御を行う。また、電気伝導度測定センサ９０で測定される電気伝導度が電気伝導度閾値以上となった場合には、ヘッダ水位検出装置６０での検出
結果に基づいて、水位の制御を行う。なお、電気伝導度閾値は、所定の濃縮度に対応するように構成している。

図９を参照して、Ｓ３１で電気伝導度測定センサ９０で測定される電気伝導度が電気伝導度閾に到達しているかどうかを判定する。Ｓ３１でＮＯが判定されるとＳ３２へ移行して、外部水位検出装置５０での検出結果に基づく制御を行う。電気伝導度閾よりも低い場合には、缶水の濃縮度は低い状態となっている。そのため、缶水の水挙動は比較的安定していて、外部水位検出装置５０での検出結果に基づく制御を行っても、所望の蒸気の乾き度は得られる状態となっている。

電気伝導度測定センサ９０で測定される電気伝導度が電気伝導度閾値以上となる程に濃縮度が上昇すると、Ｓ３１でＹＥＳが判定され、Ｓ３３へ移行して、ヘッダ水位検出装置６０にて筒内水位の検出を行い、その検出結果に基づいて、筒内水位を制御する。

電気伝導度が電気伝導度閾値以上となる程に濃縮度が上昇すると、缶水の水挙動は急激に変化し、缶水の粘度の増加により泡立ちが激しくなり、気泡Ｋが破裂した際の飛沫（液滴）の直径が大きくなる等によって、乾き度が低下する。

そこで、外部水位検出装置５０による水位検出では、所望する乾き度が得られない程度の水挙動の変化が起きる状態に、上述の電気伝導度閾値を対応付けておく。すると、電気伝導度測定センサ９０で測定される電気伝導度が電気伝導度閾値に到達しない間は、外部水位検出装置５０にて水位検出を行い、その検出結果に基づいて、缶水の水位を制御する。一方、電気伝導度測定センサ９０で測定される電気伝導度が電気伝導度閾値以上となった場合には、ヘッダ水位検出装置６０にて筒内水位の検出を行い、その検出結果に基づいて、筒内水位を制御する。

ここにおいて、「電気伝導度閾値に到達する」とは、電気伝導度閾値以上となる場合と、電気伝導度閾値を超える場合のいずれであっても良い。また、「電気伝導度閾値に到達しない」とは、電気伝導度閾値以下である場合と、電気伝導度閾値より小さい場合のいずれであっても良い。

つぎに、この発明の実施例５のボイラ１０を図１０に基づき説明する。この発明は、上述の実施例１〜実施例４のように、複数の水管２３を環状に配列した構造の缶体構造のボイラのみではなく、図１０に示されるボイラ１０のように、複数の水管２３が直方体形状を呈するように配列した構造のボイラにも同様に適用することができる。以下の実施例５の説明で、実施例１と異なる構成を中心に説明し、実施例１に対応する構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。

図１０に示すボイラ１０は、省スペース化等の観点から、直方体状の下部ヘッダ２２と、同じく直方体状の上部ヘッダ２４と、この両ヘッダ２２，２４間に立脚して垂直に配設された複数の水管２３からなる水管群とにより構成された缶体２０を備えている。この缶体２０を構成する水管群において、長手方向における両外側に配置された水管２３は、隣り合う水管２３同士がそれぞれ連結部材（図示省略）を介して接続されて、一対の水管壁（図示省略）を形成している。したがって、缶体２０は、下部ヘッダ２２と上部ヘッダ２４および一対の水管壁とによって形成された直方体状の区画室を備えている。この区画室は、上述の各実施の形態における燃焼室２１Ａに相当しており、長手方向の一端側に設けたバーナ３０からの火炎が燃焼反応を行いつつ、排ガス出口１０３へ向かって流動するようになっている。

さて、この図１０に示すボイラ１０においては、図示は省略しているが、上述の各実施例と同様の降水管８４が設けられている。すなわち、濃縮された缶水が滞留する上部ヘッダ２４と、新たなボイラ用水が供給される下部ヘッダ２２とを降水管８４で接続し、上部ヘッダ２４内の缶水を自然循環させる構成としている。ここにおいて、この図１０に示すボイラ１０の動作は、上述の各実施例における動作とほぼ同様であり、その詳細な説明は省略する。

また、上述の各実施例における構成と同様に、外部水位検出装置５０は、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａと下部ヘッダ２２の内部空間２２Ａのそれぞれに対して、連通管８７ａ，８７ｂを介して連通している。また、ヘッダ水位検出装置６０は、上部ヘッダ２４の内部空間２４Ａに対し、連通管８８ａ，８８ｂを介して連通している。

この発明は、上述の実施例１〜５に限定されるものではなく、つぎの形態のボイラを含む。上述の実施例では、セパレータレスボイラとしているが、遠心分離によって蒸気から水滴（液滴）を分離する小型のセパレータを具備するように構成しても良い。また、実施例１では、図３のＳ１において、水無しが検出されると、直ちにＳ２へ移行して給水ポンプ７０をＯＮしているが、水無し検出から所定の遅延時間をおいて給水ポンプ７０をＯＮするように構成できる。また、図３のＳ３において、水有りが検出されると、直ちにＳ３へ移行して給水ポンプ７０をＯＦＦしているが、水有り検出から所定の遅延時間をおいて給水ポンプ７０をＯＦＦするように構成できる。このように、遅延時間をおいて給水ポンプ７０を制御する場合、電極による検出水位と各種設定水位が異なることになり、各種設定水位は、遅延時間後の想定水位となる。

１０…ボイラ
２０…缶体
２２…下部ヘッダ
２２Ａ，２４Ａ…内部空間
２３…水管
２３ｓ，８３ｓ…開口部分
２４…上部ヘッダ
５０…外部水位検出装置（外部水位検出手段に対応）
５１，６１…水位制御筒
５２，６２…電極
６０…ヘッダ水位検出装置（ヘッダ水位検出手段に対応）
７０…給水ポンプ（給水手段の一部に対応）
８０…給水管（給水手段の一部に対応）
８４ａ，８４ｂ…連通孔
８７ａ，８７ｂ…連通管
８８ａ，８８ｂ…連通管
９０…電気伝導度測定センサ（電気伝導度測定手段に対応）
１００…制御部（制御手段に対応）
５２Ｓ，５２Ｍ…第一電極
５２Ｌ…第三電極
６１…水位制御筒（水位制御室に対応）
６２Ｓ，６２Ｍ…第二電極
６４ａ，６４ｂ…連通孔

Claims (12)

1. 上部ヘッダと下部ヘッダとの間をバーナにより加熱される多数の水管で連結して構成され、前記バーナの燃焼停止時前記水管内の水位が前記水管の上端より低い状態となる缶体と、前記缶体の外部に設置され、前記上部ヘッダの内部空間および前記下部ヘッダの内部空間のそれぞれと連通管を介して連通し、缶体内外部水位を検出する外部水位検出手段と、前記缶体内へボイラ用水を供給する給水手段と、前記外部水位検出手段による検出水位が第一設定水位となると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御する制御手段とを備えるボイラであって、
   前記水管内の缶水がその沸騰により生じた気泡により押し上げられることにより前記上部ヘッダ内に存在する水位を検出するヘッダ水位検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記ヘッダ水位検出手段による検出水位が第二設定水位となると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御することを特徴とするボイラ。
2. 前記ヘッダ水位検出手段は、前記上部ヘッダ内上部および下部とそれぞれ連通する連通孔を有する水位制御室と、前記水位制御室内の前記第二設定水位を検出する電極とを含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
3. 前記制御手段は、前記外部水位検出手段が前記第一設定水位を検出するか、前記ヘッダ水位検出手段が前記第二設定水位を検出すると、前記缶体内水位が低下するように前記給水手段を制御することを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
4. 前記制御手段は、前記外部水位検出手段が前記第一設定水位を検出しなくなり、かつ前記ヘッダ水位検出手段が前記第二設定水位を検出しなくなると、前記缶体内水位が上昇するように前記給水手段を制御することを特徴とする請求項３に記載のボイラ。
5. 前記外部水位検出手段は、前記上部ヘッダおよび下部ヘッダと連通する水位制御室と、前記水位制御室内の前記第一設定水位を検出する第一電極と、前記水位制御室内の前記第一設定水位より低い第三設定水位を検出する第二電極とを含んで構成され、
   前記制御手段は、前記第二電極が前記第三設定水位を検出しなくなると、前記缶体内水位が上昇するように前記給水手段を制御することを特徴とする請求項４に記載のボイラ。
6. 前記ヘッダ水位検出手段の水位制御室が前記上部ヘッダの内部に設置され、前記上部ヘッダ内上部および下部と前記連通孔により連通されることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載のボイラ。
7. 前記ヘッダ水位検出手段の水位制御室が前記上部ヘッダの外部に設置され、前記上部ヘッダ内上部および下部と前記各連通孔とがそれぞれ連通管により接続されることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載のボイラ。
8. 前記ヘッダ水位検出手段は、異なる燃焼量に対応した異なる複数の前記第二設定水位を検出する電極を備え、
   前記制御手段は、異なる燃焼量に対応した前記第二設定水位を検出すると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載のボイラ。
9. 前記上部ヘッダ内下部と前記下部ヘッダとを連通する降水管を備えることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載のボイラ。
10. 前記制御手段は、前記缶体の内部に存在する缶水を外部へ排出した後に、前記バーナの
    燃焼時間が燃焼時間閾値に到達しない場合には、前記外部水位検出手段が前記第一設定水位を検出すると、前記缶体内水位が低下するように前記給水手段を制御すると共に、
    前記燃焼時間閾値に到達した場合には、前記ヘッダ水位検出手段による検出水位が第二設定水位を検出すると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御することを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
11. 前記缶体内の缶水の電気伝導度を測定する電気伝導度測定手段を備え、
    前記制御手段は、前記電気伝導度測定手段で測定された缶水の電気伝導度が電気伝導度閾値に到達しない場合には、前記外部水位検出手段が前記第一設定水位を検出すると、前記缶体内水位が低下するように前記給水手段を制御すると共に、
    前記電気伝導度測定手段で測定された缶水の電気伝導度が前記電気伝導度閾値に到達した場合には、前記ヘッダ水位検出手段による検出水位が第二設定水位を検出すると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御することを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
12. 上部ヘッダと下部ヘッダとの間をバーナにより加熱される多数の水管で連結して構成され、前記バーナの燃焼停止時前記水管内の水位が前記水管の上端より低い状態となる缶体と、前記缶体内へボイラ用水を供給する給水手段と、前記給水手段の作動を制御する制御手段とを備えるボイラであって、
    前記缶体の外部に設置され、前記上部ヘッダの内部空間および前記下部ヘッダの内部空間のそれぞれと連通管を介して連通し、缶体内外部水位を検出する外部水位検出手段と、
    前記水管内の缶水がその沸騰により生じた気泡により押し上げられることにより前記上部ヘッダ内に存在する水位を検出するヘッダ水位検出手段とを備え、
    前記制御手段は、前記外部水位検出手段による検出水位が低濃縮設定水位，または低濃縮設定水位より低い設定水位となると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御すると共に、前記ヘッダ水位検出手段による検出水位が高濃縮設定水位となると前記缶体内水位が低下するように前記給水手段の作動を制御することを特徴とするボイラ。

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