JP5812844B2 - 舶用ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、燃料を燃焼する複数のバーナが設けられた舶用ボイラに関するものである。

船舶に搭載される舶用ボイラは、設置スペースが限られているため、発電所やプラント等に設置される陸用ボイラに比べてコンパクトな構造が要求される。そのため、舶用ボイラは、陸用ボイラに比べて火炉の熱負荷、すなわち体積当たりの入力熱量が高くなる。

舶用ボイラのバーナは、火炉の上部に設置される。バーナは、燃料を燃焼して燃焼ガスを生成し、生成された燃焼ガスは、火炉の下流に配設されたフロントバンクチューブ、過熱器及び蒸発管群（リアバンクチューブ）等の熱交換器群を順番に通過してチューブ内を流れる水等の流体と熱交換する。こうして熱交換を終えた燃焼ガスは、出口側ガスダクトを通ってガス出口から舶用ボイラの外部へ排出される。

特許文献１では、船舶に使用される流動床ボイラの発明であって、流動媒体の静止層高が高いときに生じる固定層の発生を防止する技術が開示されている。また、特許文献２では、舶用ボイラ構造の発明であって、過熱器を通過する燃焼ガスの温度分布を均一化するため、火炉の底部から燃焼用空気の一部を供給する技術が開示されている。

特公平１−２６４４６号公報 特開２００９−１４５０１３号公報

舶用ボイラに複数のバーナを設置する場合、火炉の熱負荷を高めるため、隣り合うバーナの火炎同士が重なり合うバーナのレイアウトが採用されている。そのため、火炉内の温度が局所的に高温化し、火炉内で温度分布が不均一になる傾向にある。

また、ボイラ全体の設置スペースを極力小さくするため、火炉直後に過熱器が設けられており、火炉内の不均一な温度分布がそのまま過熱器に反映されてしまう。その結果、過熱器の受熱面の温度分布も不均一になる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、複数のバーナが設置されているとき、火炉内の温度分布を均一化させることが可能な舶用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、本発明の舶用ボイラは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る舶用ボイラは、火炉に面して設置された熱交換器群と、火炉の一側に熱交換器群の設置方向に沿って設けられた複数のバーナとを備え、複数のバーナのうち少なくとも一つのバーナの燃焼量が他のバーナの燃焼量よりも低減されている。

この発明によれば、熱源となる複数のバーナが熱交換器群に沿って火炉の一側に設けられ、火炉に面して設置された熱交換器群は、複数のバーナから熱を受ける。そして、複数のバーナのうち少なくとも一つのバーナの燃焼量が他のバーナの燃焼量よりも低減されていることから、熱交換器群の設置方向において熱交換器群が受ける熱量が減少する部分が生じる。したがって、例えば燃焼量が低減されるバーナを適切に選択し、燃焼量を調整することによって、熱交換器群の局所的な高温化を防止できる。

上記発明において、バーナの燃焼量は、バーナに供給される燃料流量によって調整されてもよい。

この発明によれば、バーナに供給される燃料流量を変化させて、バーナの燃焼量を調整することから、確実にバーナの燃焼量を調整できる。

上記発明において、熱交換器群の設置方向の温度分布に基づいてバーナの燃焼量が調整されてもよい。

この発明によれば、ボイラ負荷やバーナの燃焼状況などに応じて変化する熱交換器群の設置方向の温度分布に基づいて、バーナの燃焼量を調整することができ、その結果、熱交換器群が受ける熱量を変化させることができる。したがって、例えば燃焼量が低減されるバーナを適切に選択し、燃焼量を調整することによって、熱交換器群の局所的な高温化を防止できる。

上記発明において、バーナの燃焼量は、バーナが有する容量によって調整されてもよい。

この発明によれば、バーナが有する容量に応じて、バーナの燃焼量を調整することから、確実にバーナの燃焼量を調整できる。例えば他のバーナの燃焼量よりも燃焼量が低減される少なくとも一つのバーナの容量を小さく設定しておけば、燃焼量を低減させるバーナが他のバーナよりも燃焼量と同一になったり、高くなったりすることが生じにくい。

上記発明において、複数のバーナは、熱交換器群の設置方向に沿って複数列で設けられ、熱交換器群側に位置するバーナの燃焼量が他のバーナの燃焼量よりも低減されてもよい。

この発明によれば、複数のバーナが熱交換器群に沿って複数列で設けられるため、限られたスペースでボイラ容量を高めることができる。また、熱交換器群側に位置するバーナの燃焼量が他のバーナの燃焼量よりも低減されていることから、熱交換器群が受ける熱量が上昇しやすい部分の高温化を防止できる。

また、本発明に係る舶用ボイラは、火炉に面して設置された熱交換器群と、火炉の一側に熱交換器群の設置方向に沿って複数列で設けられた複数のバーナとを備え、複数のバーナによって形成される火炎面と熱交換器群の火炉に面する受熱面との間の形態係数は、熱交換器群の受熱面の各点で略同一となるようにバーナが配置される。

この発明によれば、熱源となる複数のバーナが熱交換器群に沿って複数列で火炉の一側に設けられるため、限られたスペースでボイラ容量を高めることができる。そして、熱交換器群の受熱面の各点で、複数のバーナによって形成される火炎面と熱交換器群の火炉に面する受熱面との間の形態係数がほぼ等しくなるようにバーナが配置されることから、熱交換器群の設置方向において熱交換器群が受ける熱量が均一化し、熱交換器群の局所的な高温化を防止できる。ここで、形態係数とは、バーナによる火炎面と熱交換器群の火炉に面する受熱面の二つの面において、バーナによる火炎面から全空間に放出する放射エネルギーの中で熱交換器群の火炉に面する受熱面に到達する割合を示す係数である。バーナによる火炎面と熱交換器群の火炉に面する受熱面との間の形態係数が、例えば±５％以内に収まるようにバーナの配置が調整されれば、バーナごとに燃焼量を変えることなく、熱交換器群が受ける熱量の均一化を図ることができる。

本発明によれば、複数のバーナが設置されているとき、火炉内の温度分布を均一化させることができる。

本発明の第１実施形態に係る舶用ボイラを示す縦断面図である。 同実施形態に係る舶用ボイラを示す横断面図であり、図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。 同実施形態に係る舶用ボイラの風箱を示す縦断面図であり、図２のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 同実施形態に係る舶用ボイラを示す横断面図である。 本発明の第２実施形態に係る舶用ボイラを示す横断面図である。 同実施形態に係る舶用ボイラを示す横断面図である。 同実施形態に係る舶用ボイラを示す横断面図である。 同実施形態に係る舶用ボイラを示す横断面図である。 従来の舶用ボイラを示す横断面図である。 過熱器内の蒸気温度と過熱器の場所との関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る舶用ボイラについて、図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態の舶用ボイラは、洋上浮体式生産・貯蔵・積出設備（FPSO：Floating Production Storage and Offloading unit）、洋上浮体式ＬＮＧ設備（FLNG：Floating LNG）などに搭載されるボイラや、通常の船舶推進用の主機ボイラに適用可能である。特にFPSOやFLNGでは、船舶推進用の主機ボイラに比べて、ボイラの容量が大きくなるため、本発明を適用するとよい。

図１に示す舶用ボイラ１において、火炉２の上部に設置された風箱１４内に複数のバーナ３が設置される。バーナ３は、空気ダクト１３を介して導入される燃焼用空気を用いて、燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する。生成された高温の燃焼ガスは、火炉２の下流に配設された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を順番に通過してチューブ内を流れる水等の流体と熱交換する。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。以下では、フロントバンクチューブ４、過熱器５及び蒸発管群６を総称して「熱交換器群」ともいう。また、舶用ボイラ１は、蒸発管群６の下方に設けられた水ドラム９と、蒸発管群６の上方に設けられた蒸気ドラム１０と、フロントバンクチューブ６に接続されたヘッダ１１，１２を備える。

次に、図１から図３に示すバーナ３について説明する。バーナ３は、例えば油・ガス焚きバーナであり、油を噴出する油供給部と、ガスを供給するガス供給部と、燃焼用空気を供給する空気通路を備えている。空気通路は、油供給部とガスノズル管の周囲を覆うように設けられており、円筒状の風箱１７と、風箱１７よりも小さな径を有する円筒状の空気通路部１６と、風箱１７に設けられた空気遮断ダンパ１８とを備えている。空気ダクト１３を介して導入される燃焼用空気は、空気遮断ダンパ１８が開状態であるとき、風箱１４から風箱１７へ流れて、空気通路部１６内を通過する。その後、燃焼用空気は燃焼されて燃焼ガスとして火炉２内へ供給される。バーナ３の下部には、円筒状のスロート１５が取り付けられており、スロート１５の内側は、火炉２側に進むにつれて径が拡大する円錐台形状の中空部となっている。

本実施形態の舶用ボイラ１では、複数のバーナ３が熱交換器群の設置方向に沿って設けられる。熱交換器群の設置方向は、蒸発管群６の蒸気流れ方向、すなわち蒸気が蒸発器管の上流から下流に流れる方向と一致している。また、熱交換器群の設置方向は、火炉２に面する熱交換器群の受熱面に対して平行な方向である。

熱交換器群は、火炉２に面して設置される。これにより、バーナ３による火炎が熱交換器群の受熱面と対向するため、熱放射によって熱交換器群が加熱されると共に、燃焼ガスの対流熱によって熱交換器群が加熱される。

本実施形態では、複数のバーナ３は、容量が異なるバーナ３が配置される。バーナ３は、火炉２の上面に設けられており、バーナ３による火炎は、下方の火炉２に向かって形成される。隣り合うバーナ３の火炎同士が重なり合うため、火炉２内の温度が局所的に高温化する。

バーナ３の容量は、火炉２で局所的に高温化する領域の影響によって、熱交換器群の受熱面が高温化し、不均一になると推測される部分について、温度が低減するように決定される。バーナ３の配置と火炉２内の温度分布の関係や、熱交換器群の温度分布は、設計時におけるシミュレーションや実機による測定などから得られる。

図２に示す第１実施例では、バーナ３が３台配置される場合について示している。各バーナ３は、同一列に配置され、配置方向（各バーナ３を結んで形成される線方向）は熱交換器群の受熱面に対して平行である。そして、中央に位置するバーナ３の容量は、両側に位置する二つのバーナ３に比べて小さい。バーナ３を通常運転（例えば定格運転）させれば、バーナ３の容量が大きいほど、バーナ３における燃焼量が大きくなる。したがって、中央に位置するバーナ３の燃焼量は、両側に位置する二つのバーナ３に比べて小さい。

本実施形態と異なり同一容量、同一燃焼量のバーナ３を３台同一列に並べた場合、隣り合うバーナ３の火炎同士が重なり合って、火炉２内で極端に高温化する領域が発生するおそれがあった。一方、本実施形態によれば、中央に位置するバーナ３の燃焼量が小さいため、高温化する可能性がある領域の温度を低減できる。

図２及び図３の３台のバーナ３を配置した例と同じように、高温化すると推定される領域を考慮することによって、バーナ３が４台以上の場合でも本発明を適用できる。バーナ３が４台以上の場合でも、高温化すると推定される領域に基づいて、容量を低減したバーナ３を適宜配置すれば、上述同様の効果を得られる。すなわち、バーナ３による火炎が、隣り合うバーナ３による火炎と重なる場合でも、火炉２における高温化領域の温度を低減できる。

上記第１実施例では、複数のバーナ３が同一列に配置される場合について説明したが、複数のバーナ３が熱交換器群の設置方向に沿って複数列で設けられてもよい。図４に示す第２実施例では、４台のバーナ３が２列に配置されている。各列の配置方向は、熱交換器群の受熱面に対して平行である。

そして、熱交換器群側に位置する２台のバーナ３の容量は、残りの２台のバーナ３に比べて小さい。複数のバーナ３が熱交換器群に沿って複数列で設けられるため、限られたスペースでボイラ容量を高めることができる。

本実施形態と異なり同一容量、同一燃焼量のバーナ３を複数列で配置した場合、熱交換器群側に位置するバーナ３の影響によって、熱交換器群の受熱面が局所的に高温化したり、温度分布が不均一になったりするおそれがあった。一方、本実施形態のように、熱交換器群側に位置するバーナ３の容量を他のバーナ３よりも低減することによって、熱交換器群の局所的な高温化を防止でき、温度分布の均一化を図ることができる。

なお、バーナ３が熱交換器群の受熱面に対して平行に３列以上設置される場合も同様に高温化すると推定される領域を考慮して、容量を低減したバーナ３を適宜配置すれば、上述同様の効果を得られる。

以上、本実施形態において、バーナ３の容量を異ならせる場合について説明したが、バーナ３の容量の大小に関わらず、バーナ３における燃料流量をバーナ３ごとに異ならせてもよい。バーナ３へ供給される燃料の燃料流量を変化させると、バーナ３の燃焼量も変化する。すなわち、バーナ３の燃料流量が大きいほど、バーナ３における燃焼量が大きくなり、バーナ３の燃料流量が小さいほど、バーナ３における燃焼量が小さくなる。

すなわち、図２で示す第１実施例に示すようなバーナ３のレイアウトでは、中央に位置するバーナ３の燃料流量を両端に位置する二つのバーナ３に比べて小さくし、中央に位置するバーナ３の燃焼量を相対的に小さくする。また、図４で示す第２実施例に示すようなバーナ３のレイアウトでは、熱交換器群側に位置するバーナ３の燃料流量を、残りのバーナ３に比べて小さくし、熱交換器群側に位置するバーナ３の燃焼量を相対的に小さくする。

ボイラ３に供給される燃料の燃料流量は、比較的制御しやすい。したがって、燃料流量と燃焼量の関係を用いることによって、確実にバーナ３の燃焼量を調整できる。その結果、バーナ３による火炎が、隣り合うバーナ３による火炎と重なる場合でも、火炉２における高温化領域の温度を低減できる。

また、本実施形態のバーナ３の燃焼量は、熱交換器群の設置方向の温度分布に基づいて、調整してもよい。熱交換器群の設置方向の温度分布は、ボイラ負荷やバーナ３の燃焼状況などに応じて変化する。したがって、熱交換器群の温度を検出し、検出された温度に基づいて、バーナ３の燃焼量を調整する。例えば、熱交換器群の設置方向において高温化している領域があれば、燃焼量を低減するバーナ３を適切に選択する。そして、バーナ３の燃焼量を調整することによって、熱交換器群の局所的な高温化を防止でき、温度分布の均一化を図ることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る舶用ボイラ１について、図５から図８を用いて説明する。
第２実施形態では、各バーナ３の容量又は燃料流量が同一であって、各バーナ３の燃焼量が同一である。また、本実施形態では、バーナ３が熱交換器群の設置方向に沿って複数列で設けられる。したがって、限られたスペースでボイラ容量を高めることができる。

そして、熱交換器群の受熱面の各点で、複数のバーナ３によって形成される火炎面と熱交換器群の火炉２に面する受熱面との間の形態係数がほぼ等しくなるように各バーナ３が配置される。

図５から図８に火炉２の上面にそれぞれ３台から６台のバーナ３を設置した例を示す。なお、図５から図８のレイアウトは、本実施形態の一例であり、形態係数を考慮して、他のレイアウトでもよい。

上記の設置例のとおり、各バーナ３の配置位置が決まると、熱交換器群の設置方向において熱交換器群が受ける熱量が均一化し、熱交換器群の局所的な高温化を防止できる。

ここで、形態係数とは、バーナ３による火炎面と熱交換器群の火炉２に面する受熱面の二つの面において、バーナ３による火炎面から全空間に放出する放射エネルギーの中で熱交換器群の火炉２に面する受熱面に到達する割合を示す係数である。バーナ３による火炎面は、例えば燃料の種類、燃料流量、バーナ３の容量又は燃焼量などによって決定される。

熱放射による２面間の伝熱量は、形態係数に比例することが一般的に知られている。したがって、形態係数を変化させることによって、放射伝熱量を調整できる。そこで、複数のバーナ３のレイアウトを調整して、熱交換器群の受熱面の各点におけるバーナ３による火炎面と熱交換器群の火炉２に面する受熱面との間の形態係数が、例えば±５％以内に収まるようにする。バーナ３の配置が適切に調整されれば、バーナ３ごとに燃焼量を変えることなく、熱交換器群の受熱面における温度分布の均一化を図ることができる。

複数のバーナ３を設置する関連技術として、図９に示すように、同一容量、同一燃焼量のバーナ３を３台同一列に並べた場合、隣り合うバーナ３の火炎同士が重なり合って、火炉２内の温度が局所的に高温化し、火炉内で温度分布が不均一になる傾向にある。

また、舶用ボイラ１全体の設置スペースを極力小さくするため、火炉２直後に熱交換器群が設けられており、火炉２内の不均一な温度分布がそのまま熱交換器群に反映されてしまう。その結果、熱交換器群の受熱面の温度分布も不均一になる。

そこで、図９に示すように、蒸発管群６の一部を火炉から離して、伝熱管中の蒸気温度を低下させ、蒸気出口温度を調整している（コントロール・デスーパーヒータ）。図１０に伝熱管内の蒸気温度の推移の一例を示した。図１０によれば、図９に示す舶用ボイラ１において、１Ｐａｓｓ入口６ａから５Ｐａｓｓ入口６ｅまで温度が上昇する。そして、５Ｐａｓｓ入口６ｅで蒸発管群６が火炉から離れていることから、６Ｐａｓｓ入口６ｆで温度が低下する。その後、蒸気が再び加熱されて、６Ｐａｓｓ出口６ｇで約５２０℃の蒸気を取り出している。

このように、熱交換器群の蒸気流れは、燃焼ガスのガス流れに対して直交しており、下流側ほど蒸気温度が上昇していく。そして、火炉内の局所的な高温部分と相まって、熱交換器群の伝熱管の金属温度が高温化し、悪影響を与えるおそれがある。

一方、上述したとおり、本発明の第１及び第２実施形態によれば、複数のバーナ３が設置されていることから、制約された設置スペース内でボイラ容量を高めることができる。また、複数のバーナ３の燃焼量又は複数のバーナ３の配置を調整していることから、火炉２内の温度分布を均一化することができる。その結果、熱交換器群の受熱面についても均一な温度分布にできる。

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
７ 出口側ガスダクト
１３ 空気ダクト
１４ 風箱
１５ スロート

Claims (7)

1. 火炉に面して設置された熱交換器群と、
   前記火炉の一側に前記熱交換器群の設置方向に沿って設けられた複数のバーナと、
   を備え、
   前記複数のバーナは、前記熱交換器群の設置方向に沿って複数列で設けられ、
   前記熱交換器群側に位置するバーナの燃焼量が他のバーナの燃焼量よりも低減されている舶用ボイラ。
2. 前記バーナの燃焼量は、前記バーナに供給される燃料流量によって調整される請求項１に記載の舶用ボイラ。
3. 前記熱交換器群の設置方向の温度分布に基づいて前記バーナの燃焼量が調整される請求項１又は２に記載の舶用ボイラ。
4. 前記バーナの燃焼量は、前記バーナが有する容量によって調整される請求項１又は２に記載の舶用ボイラ。
5. 火炉に面して設置された熱交換器群と、
   前記火炉の一側に前記熱交換器群の設置方向に沿って設けられた、異なる燃焼量の複数のバーナと、
   を備え、
   前記複数のバーナの定格運転時において、前記火炉内の温度分布を均一化させるように、前記複数のバーナが同一列に配置され、前記複数のバーナのうち少なくとも一つのバーナの燃焼量が他のバーナの燃焼量よりも低減されている舶用ボイラ。
6. 火炉に面して設置された熱交換器群と、
   前記火炉の一側に前記熱交換器群の設置方向に沿って複数列で設けられた、同一燃焼量のみの複数のバーナと、
   を備え、
   前記複数のバーナによって形成される火炎面と前記熱交換器群の前記火炉に面する受熱面との間の形態係数は、前記熱交換器群の受熱面の各点で略同一となり、前記複数のバーナの定格運転時において、前記火炉内の温度分布を均一化させるように、前記複数のバーナが配置される舶用ボイラ。
7. 前記バーナの燃焼量は、前記バーナに供給される燃料流量、又は、前記バーナが有する容量によって決定される請求項６に記載の舶用ボイラ。

Images