JP5794630B2 - 貫流ボイラ - Google Patents

Description

本発明は水位を伝熱管の途中に設定しておき、伝熱管を加熱することで蒸気を発生するようにしている貫流ボイラに関するものである。

複数の垂直な伝熱管を設置しておき、伝熱管の下部から給水を行い、伝熱管内のボイラ水を加熱して蒸気を発生し、伝熱管上部から蒸気を取り出す貫流ボイラが広く普及しており、近年では容量の大きな貫流ボイラも増えている。貫流ボイラは伝熱管の途中に水位を設定するために、他型式のボイラに比べてボイラ水量が少なくなる。そのため、ボイラが保有する熱量が少なくなることで、万一事故が発生したとしても被害は限定されることになり、また冷缶から起動する場合の起蒸時間が短くなるという利点もある。

しかし、伝熱管途中に水位を設定する貫流ボイラでは、シビアな水位制御が必要になる。水位は伝熱管の途中に設定していても、伝熱管内では激しく沸騰するためにボイラ水が沸き上がっている。そのため、伝熱管の水位より上方の部分でも持ち上がっているボイラ水が熱を奪うので、適正な水位に保っていれば伝熱管の過熱は防止される。ただし、伝熱管内水位が低い場合や、ボイラ水の沸き上がり量が少なくなった場合、伝熱管上部でボイラ水による冷却が足りなくなると、伝熱管の上部では過熱されることがあった。また、伝熱管内水位が高すぎると、伝熱管上部に持ち上げられるボイラ水の量が多くなり、大量のボイラ水が気水分離器まで送られる。この場合、気水分離器での分離性能が低下するため、分離しきれなかったボイラ水が蒸気とともに取り出されるキャリオーバが発生して蒸気質の低下を招くこともあった。そのため貫流ボイラでは水位制御が重要となる。

そして適正な水位は、ボイラの燃焼量によって変化し、燃焼量を高燃焼・中燃焼・低燃焼のように段階的に増減している場合には、燃焼量によって適正水位が異なる。燃焼量が大きい高燃焼の場合は、伝熱管内でのボイラ水の沸き上がりが大きくなるため、水位を低くしておかないとキャリオーバの発生や蒸気乾き度が低下する可能性が高まる。逆に燃焼量が小さい低燃焼の場合は、伝熱管内でのボイラ水の沸き上がりが小さくなるため、水位を高くしておかないと伝熱管が過熱されるおそれが高まる。

特許２９４２０８０号公報には、１００％燃焼・６５％燃焼・３０％燃焼のそれぞれに対応させて水位を設定しておき、燃焼量に合わせて水位を変更することの記載がある。ここでは、１００％燃焼の際には水位検出用容器内の水位をＨｂとＨｃの間の低位、６５％燃焼の際には水位検出用容器内の水位をＨｃとＨｄの間の中位、３０％燃焼の際には水位検出用容器内の水位をＨｄとＨｅの間の高位とすることで、伝熱管内の水位を変化させるようにしている。このようにすれば、燃焼量を変更しても適切な水位に保つことができ、伝熱管の過熱やキャリオーバの発生を抑制することができる。

ただし、燃焼量を増加する燃焼量移行時には、缶水の沸き上がりが大きくなってキャリオーバが発生することがあった。この場合、低負荷時の水位が高い状態で燃焼量を強めることになるが、燃焼量の増加は短時間で行われるのに対し、水位の変動はそれよりも長い時間がかかるために、一時的に水位と燃焼量のバランスが崩れることになる。キャリオーバや蒸気質低下に対しては、気水分離器内の水量が多くなった場合にはボイラ水を排出するようにしておけば防止することができる。キャリオーバ等防止のための排水は、気水分離器に水位電極を追加して組み込み、気水分離器で水位検出が行えるようにしておいて、気水分離器内水位が上昇した場合にはボイラ水の排出を行うことによってできるが、この場合には水位検出装置追加分のコストが上昇することになる。また、気水分離器内は缶水の流動（旋回など）が大きいため、水位検出装置の電極部に気泡が入り込むことで検知精度が低下し、適切な制御が行われなくなるおそれもあった。

特許２９４２０８０号公報

本発明が解決しようとする課題は、燃焼量変更時にキャリオーバや蒸気質の低下を抑制することのできる貫流ボイラを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、伝熱管の途中に水位を設定している貫流ボイラであって、ボイラの燃焼量を段階状に設定しており、燃焼量に応じて水位調節範囲を切り替えるようにしている貫流ボイラにおいて、ボイラの燃焼量は燃焼停止を含めた４段階以上の多位置制御としており、燃焼を行っている状態で燃焼量を増加した際、燃焼量を増加した時を起点として所定時間以内にさらに燃焼量の増加が行われた場合にはボイラ水を排出する制御を行い、所定時間内に燃焼量の増加が行われなかった場合にはボイラ水の排出は行わないものであることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記の貫流ボイラにおいて、気水分離器と連絡管で接続した水位検出筒を設け、水位検出筒内の水位に基づいてボイラ内水位を検出するようにしておき、ボイラ水の排出は気水分離器もしくは気水分離器から下部管寄せへの戻り配管中から取り出す構造としていることを特徴とする。

燃焼を行っている状態で燃焼量を変更する場合、燃焼量の変更は燃料供給量と燃焼量空気供給量を変更するだけで完了するために短い時間で行われる。しかし、水位の変更は水位調節範囲の切り替えを行った後で徐々に変化していくものであるため、適正水位に切り替わるまでには比較的長い時間が必要となる。燃焼量増加時にボイラ内からボイラ水の排出を行う制御を追加することで、燃焼量は増加したのに水位は高いままであるということがなくなり、キャリオーバの発生や蒸気質の低下を抑えることができる。ボイラ水の排出は気水分離器もしくは気水分離器から下部管寄せへの戻り配管中から行うようにすれば、気水分離器内の水位も速やかに低下して気水分離空間を確保でき、蒸気質を高く維持することができる。

また、ボイラの燃焼量は燃焼停止を含めた４段階以上の多位置制御としている場合、燃焼量を一段階変更するだけであれば、燃焼量ごとに定まる適正な水位はあまり変わらないが、燃焼量が二段階分異なれば適正な水位も大きく変わるということがある。この場合には、燃焼量の変更が一段階ずつで時間を掛けてゆっくり行われるなら、適正水位と実際水位の差は大きくならないために問題ないが、短時間で燃焼量変更が大きく変化する場合には適正水位と実際水位の差は大きくなり、キャリオーバ等の発生を招くことになる。燃焼量を増加した時を起点として所定時間以内にさらに燃焼量の増加が行われた場合にはボイラ水の排出を行い、所定時間内に燃焼量の増加が行われなかった場合にはボイラ水の排出は行わないようにすれば、ボイラ水を無駄に排出することはなく、キャリオーバ等の発生を防止することができる。

本発明を実施するボイラの概要図 本発明における燃焼状態と伝熱管内水位の変動状況を示した説明図 排水を行う必要がない場合の燃焼状態と伝熱管内水位の変動状況を示した説明図

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ボイラの概要図である。ボイラの上部には、下向きに火炎を発生させる燃焼量可変の燃焼装置２を設けており、ボイラ中央部の燃焼室３内で火炎の燃焼を行う。燃焼装置２で使用する燃焼用空気は、燃焼装置２との間を送風路で接続した送風機５によって供給する。送風機５から燃焼装置２へ供給する空気量を制御する送風量制御御装置８を設けておき、送風量制御御装置８によって燃焼用空気供給量を調節するようにしておく。燃焼装置２へ燃料を供給する燃料供給配管４にも燃料供給制御装置７を設け、燃焼装置２へ供給する燃料量も、燃料供給制御装置７によって調節することができるようにしておく。

ボイラへの給水は、下部に接続している給水配管途中に設けている給水ポンプ１０を稼働することで行う。ボイラ下部から入ったボイラ水は、多数設置している伝熱管内に分かれて入り、伝熱管周囲からの加熱によって伝熱管内で沸騰し、蒸気を発生する。発生した蒸気は、伝熱管から上部管寄せに集合させた後に、上部の連絡管１２を通して取り出す。ボイラ燃焼中の伝熱管内では、ボイラ水が激しく沸騰することになり、上部管寄せから連絡管１２を通して取り出す蒸気は、沸き上がったボイラ水を大量に含んでいる。そのため、ボイラ水を含んだ蒸気は、気水分離器１１内で旋回させることで蒸気とボイラ水に分離し、蒸気のみを取り出すようにしている。気水分離器の下部には、気水分離器で分離したボイラ水をボイラ内下部へ戻すための還水管を接続しており、分離したボイラ水は還水管を通してボイラ下部へ還流させる。気水分離器又は還水管には、気水分離器で分離したボイラ水の一部を排出するための排水弁１３を設けており、排水弁１３を開くことでボイラ水の排出を行えるようにしている。

ボイラの給水制御は、上部を気水分離器に接続している水位検出装置９内の水位に基づいて行う。水位検出装置９は、異なる高さ位置に設置した複数の電極棒で水の有無を検出することによって水位を検出する。給水制御は、水位検出装置内の水位が給水開始水位まで低下すると給水ポンプ１０の稼働を開始し、給水によって給水停止水位まで水位が上昇すると給水ポンプ１０の稼働を停止する。また、給水停止水位よりも水位が低くなった時点から所定時間が経過すると給水ポンプ１０の稼働を開始し、給水によって給水停止水位まで水位が上昇すると給水ポンプ１０の稼働を停止することでも行われている。本実施例では、低燃焼時には給水停止水位からの水位低下時間を検出して給水開始、中燃焼時と高燃焼時には給水開始水位未満までの水位低下を検出して給水開始するようにしている。

ボイラの運転は、ボイラの蒸気圧力の値を検出する圧力検出装置１で検出している蒸気圧力値に基づいて行う。蒸気圧力値が低い場合には燃焼量を大きくし、蒸気圧力値が高い場合には燃焼量を小さくすることで蒸気圧力を所定の範囲に保つ。水位検出装置９で検出した水位情報と、圧力検出装置１で検出した蒸気圧力値は、ボイラの運転を制御する運転制御装置６へ送る。運転制御装置６は、送風機５、送風量制御御装置８、燃料供給制御装置７、給水ポンプ１０、排水弁１３のそれぞれと接続し、各機器の作動を制御するようにしておき、運転制御装置６によってボイラの運転を制御する。

運転制御装置６は、蒸気圧力値に基づいて燃焼量を高燃焼・中燃焼・低燃焼・燃焼停止の４位置で制御する。高燃焼の燃焼量を１００％、低燃焼の燃焼量を２０％とした場合、中燃焼はその中間の値とし、５０％〜７０％程度が適当である。運転制御装置６は、燃料供給制御装置７、送風機５、送風量制御御装置８を操作することで燃焼装置２へ供給する燃料量と燃焼用空気量を制御し、燃焼装置２での燃焼量を調節する。

燃焼量を増加する蒸気圧力値と燃焼量を減少する蒸気圧力値を同じ値に設定していると、わずかな圧力変動で燃焼量増加と燃焼量減少を交互に繰り返すことがある。そのため、本実施例では燃焼量を増加する蒸気圧力値と燃焼量を減少する蒸気圧力値で差を持たせておくことで、ハンチングの発生を防止している。燃焼量を増加する圧力値よりも燃焼量を減少する圧力値を高くしておくと、その差分の圧力が変化するまでは燃焼量を変更しないため、ごく短時間で燃焼量の増減を繰り返し行うということがなくなる。

水位検出装置９での水位調節範囲は、高燃焼及び中燃焼用と低燃焼用の２段階に設定しておき、燃焼量に応じて水位調節範囲の切り替えを行うようにしている。燃焼量の小さな低燃焼の場合には、ボイラ水の沸き上がり量が少なくなるために水位は高くする。逆に燃焼量の大きな高燃焼及び中燃焼の場合には、ボイラ水の沸き上がり量が多くなるために水位は低くする。

図２と図３は本発明における燃焼状態と伝熱管内水位の変動状況を模式的に示した説明図である。ボイラ内の水位は、給水を開始すると上昇し、給水を停止すると下降するため、上昇と下降を交互に繰り返している。図２と図３に記載しているａ〜ｄの水位は、図１の水位検出装置での高さ位置を示しており、高燃焼及び中燃焼時の水位はａ〜ｂ、低燃焼時の水位はｃ〜ｄになっている。高燃焼及び中燃焼であれば、ａ位置まで水位が低下すると給水ポンプの稼働を開始し、給水によってｂ位置まで水位が上昇すると給水ポンプの稼働を停止する。低燃焼の場合は水位がｄ位置未満となってｃ位置まで水位が低下すると給水ポンプの稼働を開始し、給水を行うことでｄ位置まで水位が上昇すると給水ポンプの稼働を停止する。

図２では、蒸気圧力値から定まる燃焼量は低燃焼の状態から始まっている。この時の水位はｃ〜ｄの間にあり、低燃焼での適正水位に保たれている。その後、蒸気使用量が増加したことで蒸気圧力値が低下し、蒸気圧力値から定まる燃焼量が中燃焼に変化している。この場合、運転制御装置６では燃焼量を中燃焼に変更するとともに、水位の変更を行う。燃焼量変更までは給水を行っていたが、高燃焼及び中燃焼時の設定水位からすると給水の必要はないため、給水は停止する。さらに、燃焼量を変更した時を起点として経過時間のカウントを行っておき、経過時間があらかじめ設定しておいた所定時間内に燃焼量がもう一段階上の高燃焼になった場合には排水弁１３を開く。図２では高燃焼になるまでの時間は所定時間よりも短いため、排水弁１３を開いてボイラ水の排水を行っており、ボイラ内の水位は速やかに低下する。水位が高燃焼及び中燃焼での給水停止水位であるｂ位置まで低下すると、排水弁１３を閉じ、その後は高燃焼及び中燃焼の水位に維持する。

低燃焼での水位調節範囲であるｃ位置〜ｄ位置の間に水位がある状態で高燃焼を行うと、伝熱管内でのボイラ水の沸き上がり量が多くなる。ボイラ運転中に給水ポンプを稼働しなければ、ボイラ水は蒸気となってボイラから取り出されている分があるために水位は低下するが、それでは適正水位になるまでに時間が掛かり、その間に気水分離器へ送られるボイラ水の量が多くなる。気水分離器まで送られるボイラ水の量が多くなり、気水分離器内にボイラ水が多くたまるようになると、気水分離器の空き容積が小さくなるために気水分離器での分離性能が低下する。気水分離器でボイラ水を分離しきれなくなると、蒸気とともにボイラ水が取り出され、蒸気質の低下や一時的なキャリオーバが発生することになる。燃焼量を増加したことで気水分離器に送られるボイラ水量が増加した場合には、排水弁１３を開いてボイラ水の排出を行うことで、早急に適正水位まで低下させることができ、蒸気質の低下やキャリオーバの発生を防止することができる。

本発明では、気水分離器内の水位を検出してボイラ水を排出するものではないため、気水分離器に水位検出装置を設ける必要はなく、気水分離器に設けた水位検出装置の精度が問題になることもない。また、ボイラ水の排出は気水分離器若しくは気水分離器から下部管寄せへの戻り配管途中から行うようにすれば、気水分離器内の水位も速やかに低下して気水分離空間を確保でき、蒸気質を高く維持することができる。

なお、燃焼量変更時に排水を行う操作は常に必要というものではない。図３に記載の説明図は燃焼量を低燃焼から中燃焼へ変更し、さらに高燃焼へ変更することになった場合の燃焼状態と伝熱管内水位の変動状況を模式的に示した説明図であるが、図２とは中燃焼を維持している時間の長さが異なっている。低燃焼から中燃焼へ変化し、更に高燃焼へ変化することが短時間で行われると、図２に記載しているように水位と燃焼量のバランスが崩れることになるために排水を必要とするが、中間の燃焼量である中燃焼への変化では蒸気質低下の影響は小さく、中燃焼の時間が長くなれば、その間にボイラ内水位は高燃焼及び中燃焼に適した水位となるため、特に排水を行わなくても問題はない。

排出するのは気水分離器で分離したボイラ水であって、濃縮の進んだ部分を排水するので、濃縮ブローを兼用するものである。そのため、排水は元々必要なものであるが、濃縮ブロー量を超えて排水することになれば熱を放出することになるため、排水量が多くなりすぎるのは問題となる。この制御では高燃焼及び中燃焼を同じ水位に設定しているが、中燃焼は高燃焼と同じ水位でなければならないというものではない。中燃焼は高燃焼と低燃焼の中間の燃焼量であるため、低燃焼用の水位で中燃焼を行っても、高燃焼用の水位で中燃焼を行っても特に不都合は発生しない。そのため、低燃焼から中燃焼への変更時には排水を行う必要はなく、中燃焼の時間が十分に長い場合にはその後に高燃焼になってもボイラ水の排出を行う必要はない。そのため、その場合にはボイラ水の排出は行わないことで無駄な排出をなくすことができる。本実施例では、燃焼量を変更した時を起点として経過時間のカウントを行っておき、経過時間があらかじめ設定しておいた所定時間内に燃焼量がもう一段階上の高燃焼になった場合には排水弁１３を開くものであり、所定時間内に燃焼量が増加しなかった場合には排水弁１３は開かれない。そのため、無駄な排水も防止することができる。

なお、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

１ 圧力検出装置
２ 燃焼装置
３ 燃焼室
４ 燃料供給配管
５ 送風機
６ 運転制御装置
７ 燃料供給制御装置
８ 送風量制御御装置
９ 水位検出装置
１０ 給水ポンプ
１１ 気水分離器
１２ 連絡管
１３ 排水弁

Claims (2)

1. 伝熱管の途中に水位を設定している貫流ボイラであって、ボイラの燃焼量を段階状に設定しており、燃焼量に応じて水位調節範囲を切り替えるようにしている貫流ボイラにおいて、ボイラの燃焼量は燃焼停止を含めた４段階以上の多位置制御としており、燃焼を行っている状態で燃焼量を増加した際、燃焼量を増加した時を起点として所定時間以内にさらに燃焼量の増加が行われた場合にはボイラ水を排出する制御を行い、所定時間内に燃焼量の増加が行われなかった場合にはボイラ水の排出は行わないものであることを特徴とする貫流ボイラ。
2. 請求項１に記載の貫流ボイラにおいて、気水分離器と連絡管で接続した水位検出筒を設け、水位検出筒内の水位に基づいてボイラ内水位を検出するようにしておき、ボイラ水の排出は気水分離器もしくは気水分離器から下部管寄せへの戻り配管中から取り出す構造としていることを特徴とする貫流ボイラ。

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