JP5795868B2 - 付着灰除去装置の運用制御装置、及び、付着灰除去装置の運用の適正化方法 - Google Patents

Description

本発明は、付着灰除去装置の運用制御装置、及び、付着灰除去装置の運用の適正化方法に関する。

ボイラ内に設置された伝熱管は、ガス中の灰を含むダスト成分が管表面に付着する。その付着灰はボイラの運転時間と共に増加して伝熱抵抗（伝熱障害）となり、収熱量が低下してボイラの熱効率が低下することが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

そのような付着灰を除去する装置としては、蒸気や圧縮空気による噴射式灰除去装置（噴射式スートブロワ）、音振動による音響式灰除去装置、機械的に伝熱管を振動させることによる槌打式灰除去装置等が知られている。中でも、蒸気噴射式スートブロワが広く利用されている（例えば、非特許文献２参照）。

スートブロワは、燃料性状等から経験的に運用されており（例えば２回／日＝１２時間毎）、連続運用中の収熱状態や定期点検時の内部点検による灰付着状態を確認しながら運用調整（例えば３回／日＝８時間毎に増やす等）がなされている。

遠藤幸平監修、「省エネルギー技術シリーズ 空気予熱器」、財団法人 省エネルギーセンター、昭和６１年２月２８日、ｐ．２３０−２３１ 石谷清幹・赤川浩爾ら著、「蒸気動力」、株式会社コロナ社、１９８９年１月１０日、ｐ．２２７−２２８

しかしながら、燃料種の変更や運用負荷の変化によって灰付着状態が異なるものとなることから、上記運用方法では、ボイラ運転中の実際の伝熱管の灰付着状態に見合った運用ができない。それ故、スートブロワの運用が過少の場合は、伝熱障害やガス流路の閉塞によるドラフト障害が発生することによってボイラが予想外停止を起こす虞があり、運用が過多の場合は、補助消費動力の増大による燃費の悪化、及び、伝熱管の摩耗やスートブロワ本体のシール部位の摩滅による設備寿命の低下が発生する虞がある。

そこで本発明は、伝熱障害やガス流路の閉塞によるドラフト障害を回避するとともに、燃費を改善し、かつ、設備寿命をも改善することができる付着灰除去装置の運用制御装置、及び、付着灰除去装置の運用の適正化方法を提供することを目的とする。

本発明は、ボイラ内の伝熱管に付着した灰を除去する付着灰除去装置の運用制御装置であって、ボイラ内に配置されたプローブと、プローブの表面温度が伝熱管の表面温度と同一となるようにプローブの温度を調整する温度調整手段と、プローブの状態変化の情報を取得する情報取得手段と、情報取得手段で取得した情報に基づいて付着灰除去装置の駆動を制御する制御手段と、を備える付着灰除去装置の運用制御装置を提供する。

また本発明は、ボイラ内の伝熱管に付着した灰を除去する付着灰除去装置の運用の適正化方法であって、ボイラ内に配置されたプローブの表面温度が伝熱管の表面温度と同一となるようにプローブの温度を調整し、伝熱管と同一温度の時のプローブの状態変化の情報を取得し、その取得した情報に基づいて付着灰除去装置を駆動することを特徴とする、付着灰除去装置の運用の適正化方法を提供する。

上記構成の運用制御装置及び運用の適正化方法では、ボイラ内に配置されたプローブの表面温度が伝熱管の表面温度と同一とされるため、伝熱管の灰付着状態がプローブに模擬されることとなり、プローブの状態変化を示す情報から伝熱管の灰付着量を定量的に求めることができる。そのため、技師の経験やボイラ運転後の点検により調整していた付着灰除去装置の運用を、ボイラ運転中の実際の伝熱管の灰付着状態に見合った運用とすることが可能となり、伝熱障害やガス流路の閉塞によるドラフト障害が回避されるとともに、燃費が改善され、かつ、設備寿命も改善される。

ここで、入手容易性、価格及び安全性の観点から、空気及び水の少なくとも一方によりプローブの温度を調整することが好ましい。特に空気は、使用後は大気中に放散させることができるため、後処理操作が簡便で好ましい。

また、上記情報は、重量及び電気抵抗値の少なくとも一方であることが好ましい。プローブの灰付着量に応じてプローブの質量及び電気抵抗値が変化するため、これらの少なくとも一方の情報を用いることで伝熱管の灰付着量をより正確に求めることができる。

本発明によれば、伝熱障害やガス流路の閉塞によるドラフト障害を回避するとともに、燃費を改善し、かつ、設備寿命をも改善することができる付着灰除去装置の運用制御装置、及び、付着灰除去装置の運用の適正化方法を提供することができる。

ボイラの概要を示す図である。 後部煙道のガス熱交換部における付着灰除去装置及び伝熱管模擬プローブを示す斜視図である。 図２のIII−III矢視図である。 温度調整手段が行う温度調整の動作を示すフローチャートである。 情報取得手段による情報取得、及び制御手段が行う付着灰除去装置の駆動制御の動作を示すフローチャートである。 プローブの重量とプローブの灰付着量との関係を示すグラフである。 プローブの電気抵抗値とプローブの灰付着量との関係を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、ボイラの概要を示す図である。ボイラ１においては、火炉３における燃焼で発生した燃焼ガスが、セパレータ５を介して後部煙道７へ誘導される。後部煙道７において、燃焼ガスの熱エネルギーは伝熱管９（ここでは複数の伝熱管９をまとめて伝熱管ブロック９Ａとする）に伝達され、熱交換された燃焼ガスは、排ガス１１としてボイラ１外に排出される。

図２は、後部煙道７の伝熱管ブロック９Ａを有する領域１３（図１中で破線で囲まれた部分）における付着灰除去装置及び伝熱管模擬プローブを示す斜視図、図３は、図２のIII−III矢視図であって、運用制御装置３０の概要を示す図である。後部煙道７の燃焼ガス流路では、燃焼ガスが図示上側から下側に向かって流れており、燃焼ガスが伝熱管ブロック９Ａの伝熱管９に接触することにより、燃焼ガスの熱エネルギーが伝熱管９に伝達され熱交換される。ここで、伝熱管９の表面に、燃焼ガス中の灰を含むダスト成分（以下、単に「灰」という）が付着する。

本実施形態では、図２に示すように、棒状を成す付着灰除去装置としての蒸気噴射式スートブロワ（以下、単に「スートブロワ」という）２１が、上下の伝熱管ブロック９Ａ，９Ａとの間に略水平方向に延びるように、後部煙道７の壁（図２の紙面手前側）から燃焼ガス流路に向かって複数が突出して設けられる。スートブロワ２１には、蒸気が噴射するための小孔２１ａが軸線方向に沿って複数設けられており、スートブロワ２１が駆動すると、当該小孔２１ａから蒸気が噴射され、伝熱管９に付着した灰が除去される。

上下の伝熱管ブロック９Ａ，９Ａとの間でスートブロワ２１，２１との間には、伝熱管９の灰付着状態を模擬するための伝熱管模擬プローブ（以下、単に「プローブ」という）２３が設けられる。プローブ２３は、内部に冷媒としての空気を通じることができる流路が形成されている棒状の部材であり、かつ、先端が閉塞され、スートブロワ２１と同様に、後部煙道７の壁（図２の紙面手前側）から燃焼ガス流路に向かって突出して設けられる。このプローブ２３の表面にも灰が付着するため、その分、プローブ２３の質量が増加することとなる。

図３に示すように、本実施形態の運用制御装置３０は、上記プローブ２３を備えるほか、プローブ２３の表面温度が伝熱管９の表面温度と同一となるように空気を通じてプローブ２３の温度を調整する温度調整手段４０と、プローブ２３の質量変化の情報を取得する情報取得手段２９と、この情報取得手段２９が取得した情報に基づいてスートブロワ２１の駆動を制御する制御手段５０と、を備える。

温度調整手段４０は、プローブ２３の表面温度を取得する第一の温度センサ２７ａ、伝熱管９の表面温度を取得する第二の温度センサ２７ｂ、空気をプローブ２３に通してプローブ２３を冷却するための温度調整部２５、温度調整部２５からプローブ２３への空気量を調整するための開閉バルブ３１、及び、両温度センサで取得した表面温度から温度調整の判断を行い開閉バルブ３１の開閉を制御する判定制御部３５を有する。

情報取得手段２９は、具体的には、灰付着によるプローブ２３の質量変化の情報を取得する計量器である。制御手段５０は、情報取得手段２９で取得した質量変化の情報に基づいてスートブロワ２１の駆動を制御する。

ボイラ１の運転時間の経過と共に、伝熱管９及びプローブ２３の表面に付着する灰の量は増大する。伝熱管９の表面に付着した灰の量はボイラ１の運転中は目視確認をすることができないことから、本実施形態の運用制御装置３０では、プローブ２３の表面への灰付着によるプローブ２３の質量変化の情報からこれを推定する。

灰の付着のしやすさは、部材の表面温度により変化することが知られている。このため、本実施形態の運用制御装置３０では、後述するフローチャートに示す動作によりプローブ２３の表面温度が伝熱管９の表面温度と同一となるように温度調整手段４０により制御する。これにより伝熱管９の灰付着状態がプローブ２３に模擬されることとなり、プローブ２３の質量変化の情報から伝熱管９の灰付着量を定量的に求めることができる。なお、伝熱管９の灰付着状態が、プローブ２３によって、より正確に模擬されるよう、プローブ２３の材質は、伝熱管９の材質と同一とすることが好ましい。

次に、本実施形態の運用制御装置３０によるスートブロワ２１の運用方法について、以下、具体的に説明する。

図４は、温度調整手段４０が行う温度調整の動作を示すフローチャートである。通常、プローブ２３の表面温度は、内部を水が流れている伝熱管９の表面温度よりも高くなっている。伝熱管９の灰付着状態をプローブ２３に模擬するためには、プローブ２３の表面温度を伝熱管９の表面温度と同一とする必要があることから、まず、温度調整手段４０の判定制御部３５により開閉バルブ３１の開放を大きくして空気の使用量を高めることによって、プローブ２３を冷却する能力を上げる（ステップＳ４１）。これにより、プローブ２３の表面温度は徐々に下がっていく。

続いて、第一の温度センサ２７ａ及び第二の温度センサ２７ｂが、プローブ２３の表面温度及び伝熱管９の表面温度をそれぞれ取得する（ステップＳ４２）。続いて、判定制御部３５が、取得した両温度を比較する（ステップＳ４３）。プローブ２３の表面温度が伝熱管の表面温度よりも高い場合は、ステップＳ４１に戻り、プローブ２３を冷却する能力を更に上げる。一方、プローブ２３の表面温度が伝熱管９の表面温度よりも高くない場合（例えば同一温度になった場合）は、開閉バルブ３１の開放を小さくして空気の使用量を低めることにより、プローブ２３を冷却する能力を下げる（ステップＳ４４）。かくして、プローブ２３の表面温度と伝熱管９の表面温度とが同一とされるように常時調整される。

図５は、情報取得手段２９による情報取得、及び制御手段５０が行うスートブロワ２１の駆動制御の動作を示すフローチャートである。上述の温度調整手段４０の動作により、プローブ２３の表面温度と伝熱管９の表面温度とが同一となるように制御されており、両者の温度が同一となったとき、情報取得手段２９が、プローブ２３の質量変化の情報（例えば、プローブ本体の重量をキャンセルした重量増加分）を取得する（ステップＳ５１）。

続いて、制御手段５０は、プローブ２３の質量変化が、後述する所定の閾値Ｋの値を超えているかどうかを判定する（ステップＳ５２）。図６は、プローブ２３の重量とプローブ２３の灰付着量との関係を示すグラフである。図６に示すように、プローブ２３の重量が大きいほど、プローブ２３の灰付着量が多いという関係にある。このような関係から、計算により、あるいは経験的に、上記閾値Ｋが求められる。Ｋ値は、予め制御手段５０に設定される。

図５に戻って、判定の結果、プローブ２３の質量変化が、所定の閾値Ｋの値を超えていない場合は、灰がさほど付着していないとして、情報取得の動作を終え、図４のステップＳ４３に戻る。一方、判定の結果、プローブ２３の質量変化が所定の閾値Ｋの値を超えている場合は、灰が所定量以上に付着したとして、スートブロワ２１を所定時間駆動する（ステップＳ５３）。

上記動作の結果スートブロワ２１が駆動すると、伝熱管９の表面に付着した灰が除去される。また、これと同時に、プローブ２３に付着した灰も除去され、プローブ２３の質量変化の情報がリセットされることとなる。

このように、本実施形態においては、プローブ２３の表面温度が伝熱管９の表面温度と同一となるように冷媒によりプローブ２３の温度を調整しているため、伝熱管９の灰付着状態がプローブ２３に模擬されることとなり、このプローブ２３の状態変化を取得しているため、伝熱管９の灰付着量を定量的に求めることができ、従来、技師の経験やボイラ運転後の点検により調整していたスートブロワ２１の運用を、ボイラ１の運転中の実際の伝熱管９の灰付着状態に見合った運用とすることが可能となり、伝熱障害やガス流路の閉塞によるドラフト障害が回避されるとともに、燃費が改善され、かつ、設備寿命も改善される。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、プローブを冷却する冷媒として空気を用いていたが、代わりに水を用いてもよく、空気及び水の両方を用いてもよい。

また、情報取得手段が取得するプローブの状態変化の情報は、質量に代えて、電気抵抗値であってもよい。この場合、プローブの先端と基端に装備させた電極に電圧を印加し、その電流値から、灰付着量によって変位する電気抵抗値をモニターする。図７は、プローブの電気抵抗値とプローブの灰付着量との関係を示すグラフである。図７に示すように、プローブの電気抵抗値が大きいほど、プローブの灰付着量が少ないという関係にある。このような関係から、計算により、あるいは経験的に、スートブロワを駆動する条件としての前述したのと同様な閾値が求められる。また、プローブの状態変化の情報として、質量及び電気抵抗値の両方を取得して利用してもよい。二種類の情報を組み合わせることにより、伝熱管の灰付着状態をより正確に推定することができる。

また、上記実施形態では、プローブが複数の伝熱管ブロックの間に設けられた例を示したが、プローブは、伝熱管ブロックの間に設けられていない態様であってもよく、例えば、燃焼ガス流路において、上流側の伝熱管ブロックより上流側にあってもよく、下流側の伝熱管ブロックより下流側にあってもよい。

また、上記実施形態では、付着灰除去装置として蒸気噴射式スートブロワを用いた例を示したが、本発明の運用制御装置は、他の付着灰除去装置、例えば、音振動による音響式灰除去装置や、機械的に伝熱管を振動させることによる槌打式灰除去装置に対しても適用することができる。

２１…付着灰除去装置（スートブロワ）、２３…プローブ、２９…情報取得手段、３０…運用制御装置、４０…温度調整手段、５０…制御手段。

Claims (4)

1. ボイラ内の伝熱管に付着した灰を除去する付着灰除去装置の運用制御装置であって、
   前記ボイラ内に配置されたプローブと、
   前記プローブの表面温度が前記伝熱管の表面温度と同一となるように前記プローブの温度を調整する温度調整手段と、
   前記プローブの状態変化の情報を取得する情報取得手段と、
   前記情報取得手段で取得した情報に基づいて前記付着灰除去装置の駆動を制御する制御手段と、
   を備える付着灰除去装置の運用制御装置。
2. 空気及び水の少なくとも一方により前記プローブの温度を調整することを特徴とする、請求項１に記載の付着灰除去装置の運用制御装置。
3. 前記情報は、重量及び電気抵抗値の少なくとも一方である、請求項１又は２に記載の付着灰除去装置の運用制御装置。
4. ボイラ内の伝熱管に付着した灰を除去する付着灰除去装置の運用の適正化方法であって、
   前記ボイラ内に配置されたプローブの表面温度が前記伝熱管の表面温度と同一となるように前記プローブの温度を調整し、
   前記伝熱管と同一温度の時の前記プローブの状態変化の情報を取得し、
   前記取得した情報に基づいて前記付着灰除去装置を駆動することを特徴とする、付着灰除去装置の運用の適正化方法。

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