JP5693281B2 - 再熱ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、再熱ボイラ、特に舶用推進プラントに適用される再熱ボイラに関するものである。

一般に、ＬＮＧＣ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｃａｒｒｉｅｒ）などの船舶においては、主機として蒸気タービンを用いた舶用推進プラントが多用されている。舶用推進プラントでは、効率を向上させるために、それぞれ圧力の異なる複数の蒸気で駆動される複数の蒸気タービンが用いられている。
この蒸気タービンに蒸気を供給する舶用ボイラには、過熱器および再熱器を備えている再熱ボイラが用いられている。
このような再熱ボイラには、たとえば、特許文献１に示されるように、過熱器を蒸発管群の上流側に配置し、再熱器を蒸発管群の後流側に設けた再熱バーナを備えた再熱炉の上部に設けたものがある。

この再熱ボイラを用いた舶用推進プラントでは、一般に、前進用の高圧タービンおよび中圧タービンならびに後進用タービンが備えられている。過熱器からの過熱蒸気は、高圧タービンあるいは後進用タービンに選択的に供給され、これらが選択的に回転駆動される。高圧タービンから排気された蒸気は再熱器によって再加熱された後、再熱蒸気が中圧タービンへ供給され、中圧タービンを回転駆動する。

特開２００９−９７８０２号公報

ところで、従来の舶用推進プラントに用いられる再熱ボイラでは、たとえば、過熱蒸気が後進用タービンに供給されている場合には、再熱器に供給される蒸気がなくなるので、再熱器は、いわゆる、から焚きの状態となる。言い換えれば、再熱器管を冷却する冷却媒体として機能する蒸気がなくなることになる。
このため、再熱器管が過度に加熱されて、損傷（焼損）する事態に至る恐れがある。

舶用推進プラントは、常に可変速運転が求められる点が、定格速度で運用される陸用の事業用蒸気タービンと異なっている。
港湾航行において、舶用主機として用いられる蒸気タービンは、常に、増減速運転による柔軟な操作が求められるので、負荷変動の頻度は陸用の事業用蒸気タービンと比べても非常に多い。
負荷が著しく低下した場合には、再熱器に供給される蒸気が少なくなるので、再熱器管が過度に加熱されて、焼損する事態に至る恐れがある。

本発明は、このような事情に鑑み、再熱器を流れる蒸気の熱吸収量に応じて再熱バーナの燃焼量を調節するようにして再熱器管の過昇温による焼損を防止し得る再熱ボイラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様は、主バーナの燃焼で発生した燃焼ガスが、火炉から過熱器、蒸発管群を通過して流れるように構成した主ボイラと、前記蒸発管群の後流側に配置され、再熱バーナを備えた再熱炉と、該再熱炉の上部側に配置された再熱器と、を有する再熱ボイラであって、前記再熱器の再熱器管の内部を通る蒸気の熱吸収能力に対応して、蒸気が所定温度以上にならないように前記再熱バーナの燃焼量を調節する制御部が備えられている再熱ボイラである。

本態様によると、再熱器を構成する再熱器管は、主として再熱バーナの燃焼ガスによって加熱されている。再熱器管が、加熱されると、その熱量が内部を通る蒸気に伝達されるので、蒸気が加温される。反対に、再熱器管は蒸気によって冷却されていることになる。この蒸気の熱吸収能力が大きいと冷却能力が高くなり、反対に熱吸収能力が小さいと冷却能力が低くなる。
制御部は、再熱器の再熱器管の内部を通る蒸気の熱吸収能力に対応して、蒸気が所定温度以上にならないように再熱バーナの燃焼量を調節するので、蒸気の熱吸収能力が大きい場合には、再熱バーナの燃焼量が大きくなるように調節し、蒸気の熱吸収能力が小さい場合には、再熱バーナの燃焼量が小さくなるように調節することができる。
これにより、再熱バーナの燃焼量は、再熱器を通る蒸気の熱吸収能力に見合った大きさにできるので、再熱器管が過度に加熱されて損傷（焼損）することを防止することができる。

舶用推進プラントで、たとえば、過熱蒸気が後進用タービンに供給され、再熱器に蒸気が供給されていない場合、蒸気の熱吸収能力はほぼゼロであるので、たとえば、再熱バーナの燃焼は停止される。
この場合、船舶は、港湾航行時には、頻繁に後進する可能性があるので、いつ過熱蒸気が後進用タービンに供給されるようになるか不明である。したがって、安全面を考慮すると、港湾航行時には、再熱バーナの燃焼を停止するようにしてもよい。

前記態様では、前記熱吸収能力は、前記再熱器管に導入される蒸気の蒸気温度と、前記再熱器管を通過する蒸気の蒸気流量とによって判断するようにしてもよい。

導入される蒸気の温度が高いと、燃焼ガスとの温度差が小さくなるので、蒸気の熱吸収能力は小さくなる。反対に、蒸気の温度が低いと、燃焼ガスとの温度差が大きくなるので、蒸気の熱吸収能力は大きくなる。
一方、蒸気の流量が大きくなると、熱を吸収する体積が大きくなる、言い換えると、常に新鮮な蒸気が熱量を吸収するので、蒸気の熱吸収能力は大きくなる。
したがって、導入される蒸気の蒸気温度および蒸気の蒸気流量で蒸気の熱吸収能力を判断することができる。

前記態様では、前記制御部は、前記主バーナの燃焼量によって前記再熱バーナの燃焼量を調節する構成としてもよい。

再熱器を構成する再熱器管は、主バーナの燃焼ガスの通路に配置されているので、主バーナの燃焼ガスの残熱量によっても加熱されている。再燃バーナの燃焼量の調節に、この主バーナの燃焼量を考慮するので、より確実に、再熱器管が過度に加熱されて焼損することを防止することができる。
また、主バーナの燃焼量は、負荷に対応して変動するが、この変動は再熱蒸気の変動に比べて早い時期に変動する、言い換えると、主バーナの燃焼量が変動した影響で蒸気の状態が変動するタイミングにはタイムラグがあるので、再熱バーナの燃焼量の調節を先行して行うことができる。

前記構成では、前記制御部は、前記主バーナの燃焼ガスの残熱量分に相当する量だけ、前記再熱バーナの燃焼量を小さくするように調節するようにしてもよい。

再熱器を構成する再熱器官は、主バーナの燃焼ガスの残熱量および、再熱バーナの燃焼ガスによって加熱されるため、主バーナの燃焼ガスの残熱量分に相当する量だけ、再熱バーナの燃焼量を小さくすることで、確実に再熱器官の焼損を防止することができる。

本発明によれば、再熱器の再熱器管の内部を通る蒸気の熱吸収能力に対応して、蒸気が所定温度以上にならないように再熱バーナの燃焼量を調節する制御部が備えられているので、再熱器管が過度に加熱されて焼損することを防止することができる。

本発明の第一実施形態にかかる舶用推進プラントの概略構成を説明する模式図である。 本発明の第二実施形態にかかる舶用推進プラントの概略構成を説明する模式図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
［第一実施形態］
この発明の第一実施形態にかかる再熱ボイラについて、図１を参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかる再熱ボイラを用いた舶用推進プラントの概略構成を説明する模式図である。

舶用推進プラント１には、推進用タービン３と、再熱ボイラ５と、推進器としてのプロペラ７とが備えられている。
推進用タービン３には、高圧タービン９と、中圧タービン１１と、低圧タービン１３と、後進用タービン１５とが備えられている。
高圧タービン９と中圧タービン１１とは、一本の回転軸１７を介して連結されており、ケーシング１９の内部に収容されている。ケーシング１９は、たとえば、上下に２分割された状態で製造され、下半分に高圧タービン９および中圧タービン１１を収納した後、上半分を重ねて、たとえば、ボルト等によって接合される。

低圧タービン１３と後進タービン１５とは、一本の回転軸（軸）２１を介して連結されている。
回転軸１７および回転軸２１は、減速機２３に接続されている。減速機２３には、プロペラ軸２５を介してプロペラ７が接続されている。プロペラ軸２５には、軸発電機２６が取り付けられている。

再熱ボイラ５には、主炉（主ボイラ）２７と、再熱炉２９とが備えられている。主炉２７には、中空の略直方体形状をした火炉３１と、火炉３１の上部に設置された主バーナ３３と、フロントバンクチューブ３５と、複数のＵ字管で構成された過熱器３７と、蒸発管群３９と、水ドラム４１と、蒸気ドラム４３と、が備えられている。
火炉３１の壁部には、ウォールチューブ４５が配置されている。主バーナ３３には、図示しない燃料源から燃料配管４７によって燃料が供給されている。燃料配管４７には、燃料の供給量を調節する流量調節弁４９と、流量調節弁４９の下流側で燃料の供給量を検出する流量計５１とが備えられている。

再熱炉２９は、主炉２７の蒸発管群３９の後流側に上下方向に延在して配置され、主バーナ３３の燃焼で発生した燃焼ガスの通路となるように構成されている。再熱炉２９の下部には、再熱バーナ５３が備えられている。
再熱炉２９の上部には、蒸気が通る再熱器管６０で構成された再熱器６１が備えられている。

過熱器３７は、蒸発管群３９側の端部が蒸気ドラム４３から飽和蒸気を受け取り、火炉３１側の端部まで通過する間に過熱して過熱蒸気とする。過熱蒸気は、過熱器３７の火炉３１側の端部から過熱器出口配管６３を通って、高圧タービン９に導入される。
過熱器出口配管６３には、途中で分岐し、後進タービン１５に過熱蒸気を供給する過熱分岐配管６５が備えられている。分岐部よりも下流側の過熱器出口配管６３および過熱分岐配管６５には、それぞれ開閉弁６７，６８が備えられている。開閉弁６７，６８を選択的に開閉することによって過熱蒸気は、高圧タービン９あるいは後進タービン１５のいずれか一方に供給される。

高圧タービン９の出口蒸気は、再熱器導入配管６９を通って再熱器管６０の下部端部に導入され、主バーナ３３の燃焼で発生した燃焼ガスの残熱量および再熱バーナ５３の燃焼ガスで加熱される。再熱器６１で再加熱された再熱蒸気は、再熱器管６０の上端部から再熱器出口配管７１を通って中圧タービン１１に導入される。
再熱器導入配管６９には、内部を通過する蒸気の温度を検出する温度計７０が備えられている。
再熱器出口配管７１には、再熱蒸気の流量を検出する流量計７２が備えられている。

舶用推進プラント１には、運転の全体制御を行う本体制御部７５が備えられている。本体制御部７５には、再熱バーナ５３の燃焼量を調節するように制御する燃焼量調節制御部（制御部）７７が備えられている。
燃焼量調節制御部７７には、温度計７０で測定された再熱器導入配管６９内を通過して再熱器管６０へ導入される蒸気の蒸気温度と、流量計７２で測定された再熱器出口配管７１内を通過する再熱蒸気の蒸気流量と、が入力されている。

燃焼量調節制御部７７は、この蒸気温度と、蒸気流量とによって再熱器管６０内を通過する蒸気の熱吸収能力を算出する。蒸気温度が高いと、燃焼ガスとの温度差が小さくなるので、蒸気の熱吸収能力は小さくなる。反対に、蒸気温度が低いと、燃焼ガスとの温度差が大きくなるので、蒸気の熱吸収能力は大きくなる。一方、蒸気流量が大きくなると、熱を吸収する体積が大きくなる、言い換えると、常に新鮮な蒸気が熱量を吸収するので、蒸気の熱吸収能力は大きくなる。
燃焼量調節制御部７７は、再熱バーナ５３の燃焼量をこの熱吸収能力に見合った大きさ、言い換えると、蒸気に与える熱量が蒸気の温度が所定温度以上にならないように調節する制御信号を出力する。具体的には、流量調整弁５７の弁開度を調節し、再熱バーナ５３へ供給する燃料の量を調節する。

なお、燃焼量調節制御部７７は、船舶の運航モードが入力されるようにし、入力された運航モードによっては、自動的に流量調整弁５７を閉じ、再熱バーナ５３の燃焼量をゼロにするようにしてもよい。
舶用推進プラント１で、たとえば、過熱蒸気が後進用タービン１５に供給されている場合、過熱蒸気は高圧タービン９に供給されないので、再熱器６１に蒸気が供給されないことになる。この場合、蒸気の熱吸収能力はほぼゼロであるので、再熱バーナ５３の燃焼は停止される必要がある。
船舶は、港湾航行時には、いつ後進するかわからないので、いつ過熱蒸気が後進用タービンに供給されるようになるか不明である。したがって、安全面を考慮すると、港湾航行する運航モード時には、再熱バーナ５３の燃焼を停止するようにしてもよい。

以下、このように構成された本実施形態にかかる再熱ボイラ５を備えた舶用推進プラント１の動作について説明する。
主バーナ３３の燃焼で発生した燃焼ガスは、火炉３１からフロントバンクチューブ３５、過熱器３７および蒸発管群３９を通ってそれぞれ熱交換を行いながら流れる。一方、蒸発管群３９を通った燃焼ガスは、再熱バーナ５３の燃焼で発生した燃焼ガスと混合され、再熱器６１で熱交換をした後、排気される。

このとき、蒸気ドラム４３から過熱器３７へ供給された飽和蒸気は、燃焼ガスによって過熱されて過熱蒸気となる。過熱器３７で発生した過熱蒸気は高圧タービン９へ供給され、高圧タービン９を回転駆動する。
高圧タービン９から排気された蒸気は再熱器６１に供給され、再熱バーナ５３等の燃焼ガスによって再加熱される。再熱器６１で再加熱された再熱蒸気は、中圧タービン１１へ供給され、中圧タービン１１を回転駆動する。

中圧タービン１１から排気された蒸気は、低圧タービン１３に供給され、低圧タービン１３を回転させる。低圧タービン１３から排気された蒸気は、復水器７９に送られる。復水器７９で復水された水は、主炉２７へ給水される。
高圧タービン９および中圧タービン１１の回転は回転軸１７によって、低圧タービン１３の回転は回転軸２１によって、それぞれ減速機２３に伝達される。減速機２３は、減速された回転数でプロペラ軸２５を回転させ、プロペラ７を回転させる。

燃焼量調節制御部７７では、温度計７０で測定された再熱器導入配管６９内を通過して再熱器管６０へ導入される蒸気の蒸気温度と、流量計７２で測定された再熱器出口配管７１内を通過する再熱蒸気の蒸気流量とによって、再熱器管６０を通過する蒸気の熱吸収能力が算出される。
燃焼量調節制御部７７は、たとえば、算出された熱吸収能力に基づいて蒸気に与える熱量によって蒸気の温度が所定温度以上にならない再熱バーナ５３の燃焼量の大きさを算出し、それを再熱バーナ５３への燃料供給量、具体的には、流量調整弁５７の弁開度に変換する。
燃焼量調節制御部７７は、現在の流量調整弁５７の弁開度と比較し、算出した弁開度が大きい場合には、それを小さくするようにする制御信号を送信する。なお、設定された所定温度が大きいと、算出した弁開度が現在の流量調整弁５７の弁開度よりも小さい場合には、流量調整弁５７の弁開度の調節は見合わせるようにする。

このように、再熱バーナの燃焼量は、再熱器を通る蒸気の熱吸収能力に見合った大きさ以下にできるので、再熱器管が過度に加熱されて損傷（焼損）することを防止することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態にかかる舶用推進プラントについて、図２を用いて説明する。
本実施形態は、燃焼量調節制御部７７に入力されるデータが付加されている点で第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
図２は、本実施形態にかかる再熱ボイラを用いた舶用推進プラントの概略構成を説明する模式図である。

本実施形態では、燃焼量調節制御部７７に、流量計５１で測定された主バーナ３３へ供給される燃料供給量が入力されるようにされている。
再熱器６１を構成する再熱器管６０は、主バーナ３３の燃焼ガスの通路に配置されているので、主バーナ３３の燃焼ガスの残熱量によっても加熱されている。
燃焼量調節制御部７７は、再燃バーナ５３の燃焼量の調節に、この主バーナ３３の燃焼量を考慮する。具体的には、たとえば、再熱バーナ５３の燃焼量の大きさを算出する際、主バーナ３３の燃焼ガスの残熱量分に相当する量小さくしている。

このようにすることにより、より確実に、再熱器管が過度に加熱されて焼損することを防止することができる。あるいは、設定される所定温度をより大きくすることができ、調節回数を低減させることができる。

また、主バーナ３３の燃焼量は、負荷に対応して変動するが、この変動は再熱蒸気の変動に比べて早い時期に変動する、言い換えると、主バーナ３３の燃焼量が変動した影響で蒸気の状態が変動するタイミングにはタイムラグがあるので、再熱バーナ５３の燃焼量の調節を再熱器６１に導入される蒸気の状態が変動するのに対して先行して行うことができる。

なお、本発明は以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。

５ 再熱ボイラ
２７ 主炉
２９ 再熱炉
３１ 火炉
３３ 主バーナ
３７ 過熱器
３９ 蒸発管群
６０ 再熱器管
６１ 再熱器
７７ 燃焼量調節制御部

Claims (3)

1. 主バーナの燃焼で発生した燃焼ガスが、火炉から過熱器、蒸発管群を通過して流れるように構成した主ボイラと、前記蒸発管群の後流側に配置され、再熱バーナを備えた再熱炉と、該再熱炉の上部側に配置された再熱器と、を有する再熱ボイラであって、
   前記再熱器の再熱器管の内部を通る蒸気の熱吸収能力に対応して、蒸気が所定温度以上にならないように前記再熱バーナの燃焼量を調節する制御部が備えられ、
   前記熱吸収能力は、前記再熱器管に導入される蒸気の蒸気温度と、前記再熱器管を通過する蒸気の蒸気流量とによって判断することを特徴とする再熱ボイラ。
2. 前記制御部は、前記主バーナの燃焼量によって前記再熱バーナの燃焼量を調節することを特徴とする請求項１に記載の再熱ボイラ。
3. 前記制御部は、前記主バーナの燃焼ガスの残熱量分に相当する量だけ、前記再熱バーナの燃焼量を小さくするように調節することを特徴とする請求項２に記載の再熱ボイラ。

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