JP5827116B2 - ボイラの加熱脱気システムおよび供給水量制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラの加熱脱気システムおよび供給水量制御方法に関し、特に、供給水の脱気機構を備えたボイラの加熱脱気システムおよび供給水量制御方法に関するものである。

ボイラを運転して蒸気を発生させると、ボイラの供給水中に含まれる不純物がボイラの缶水中に残り、徐々に濃縮してキャリオーバー現象を引き起こす。さらに、濃縮が進行すると、伝熱面にスケールが形成され伝熱を阻害し、伝熱面の温度上昇によるボイラ破損という重大事故に至る場合がある。このため、ブロー電磁弁を備え、ボイラ缶水の濃縮度が上昇するとブロー電磁弁を開けて缶水を排出し、ボイラ缶水の濃縮度が低下するとブロー電磁弁を閉め、これにより、ボイラ缶水の濃縮度を規定値に保持するようにしたブロー制御装置をボイラに備えて、前記キャリオーバー現象を防止することが広く行われている。このとき、ボイラ缶体に設けられた電気伝導度検出器によってボイラ缶水の電気伝導度を測定し、この測定値がブロー開始伝導度設定値以上かつ供給水が所定量供給されている条件で自動ブロー弁が開き間欠ブローを開始し、ブロー停止伝導度設定値以下、もしくは供給水が停止されると自動ブロー弁が閉じ、間欠ブローを停止させてボイラ缶水が過濃縮しないように自動的に制御する方法が用いられている。

具体的には、図８に示すような、ブロー水の熱回収の高効率を維持しつつ、ボイラ缶水の濃縮の進展を防止するボイラの全自動間欠ブロー装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。ボイラ１０１の水位を検出して、給水ポンプ１０２をＯＮ−ＯＦＦ稼動することによりボイラへの給水を行う多管式貫流ボイラにおいて、給水ポンプ１０２を備えた給水管の管路１０３にブロー水との熱交換部１０４を設け、ブロー管の管路１０５に給水との熱交換部１０６とブロー弁１０７をそれぞれ設け、ボイラの缶水部にボイラ缶水の濃縮度検出手段１０８を設け、さらに、濃縮度検出手段１０８からの信号を判別し、その信号が、給水ポンプ稼動中に高濃度の信号であればブロー弁１０７を開き、給水ポンプ１０２稼動の有無にかかわらず、低濃度信号であれば、ブロー弁１０７を閉じる信号を出力し、ブロー弁１０７の作動を制御するブロー制御回路１０９が配設される。ここで、１１０はボイラ制御回路、１１１は水位検出手段を示す。

また、ボイラに供給される供給水には、その温度に対応した量の溶存酸素が含まれ、そのまま高温条件のボイラ内に入ることによって、容器を構成している鋼材が酸素により酸化され、ボイラの腐食が生じることから、これを防止するため供給水中の溶存酸素を除去する処理が施される。具体的な方法として、脱気タンクに貯留し、加熱することによって脱気する加熱脱気方法や脱気タンク内を真空にして脱気する真空脱気方法、酸素分離膜等を用いて供給水中の酸素を選択的に分離する膜分離脱気方法のような物理的な脱気方法や、亜硫酸ナトリウムやヒドラジン等の化学薬剤との化学反応によって除去する化学的脱気処理方法、あるいはこれらの方法を組合せた方法等がある。

例えば、図９に示すように、脱気タンク（水タンク２０７）において１次脱気処理された給水が、膜脱気装置２０１における２次脱気処理および薬注装置２０９による３次脱気処理された後ボイラ２０３に供給されるシステムが挙げられる（例えば特許文献２参照）。このとき、膜脱気装置２０１の能力を過剰に高くすることなく、給水中の溶存酸素濃度を常に低い値に保つことを目的として、給水温度によって薬品による脱気を併用する。ボイラ２０３への給水ライン２０２の途中に膜脱気装置２０１を設け、ボイラで発生させた蒸気の一部を用いて膜脱気装置へ送られる給水を加熱する給水加熱装置２１３、加熱後の給水の温度を検出する温度検出装置２０４、膜脱気装置より下流の給水ライン２０２へ脱酸素剤を注入する薬注装置２０９、給水加熱装置２１３への蒸気導入を制御する蒸気導入制御弁２１１を設けておき、温度検出装置２０４と薬注装置２０９に信号線で接続された薬注制御装置２０５、温度検出装置２０４と蒸気導入制御弁２１１に信号線で接続された給水加熱制御装置２１４を設け、給水温度が低い場合には薬注装置２０９の作動と給水の加熱を行う。ここで、２０６は膜モジュール、２０７は水タンク、２０８は真空発生装置、２１０は薬注配管、２１２は蒸気導入配管、２１５は主蒸気配管を示す。

実開昭６１−２０４１１４号公報 特開平１１−１５６３４２号公報

しかし、上記のようなボイラの加熱脱気システムとブロー制御システムの組合せでは、以下に挙げるような問題点や課題が生じることがあった。
（ｉ）加熱脱気方法を用いた脱気機構を備えたボイラにおいては、ボイラへの供給水をボイラから排出される蒸気により加熱脱気が行われることが多い。このとき、加熱された供給水を、さらにボイラユニット内に設けられたブロー熱交換部で高温のブロー水と熱交換を行う場合は、供給水が加熱されているがゆえにブロー熱交換部での熱効率が低下し、ブロー水の出口温度が高くなり、排出される熱量（熱損失）が大きくなってしまうという課題があった。
（ii）一方、ブロー熱交換部は、給水ポンプにより加圧された供給水が保有さてされており、高温のブロー水と熱交換することで、条件によっては供給水が大気圧における沸点以上となり、高温高圧の液体を保有する圧力容器となる場合がある。そのため、熱交換に必要となる伝熱面積が十分に確保することが難しい場合や構造的に複雑化する場合があった。

本発明の目的は、ボイラの負荷，あるいは供給水やブロー排出水の状態等に関する広い範囲の変動に対しても、高温のブロー水の温熱の効率的な熱回収および供給水の効率的な加熱脱気処理を行い、燃料消費量の低減を可能とするエネルギー効率の高いボイラの加熱脱気システムおよび供給水量制御方法を提供することにある。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示すボイラの加熱脱気システムおよび供給水量制御方法によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明に係るボイラの加熱脱気システムは、ボイラへの供給水の流量調整機構，該供給水の脱気機構，前記脱気機構の上流側に配設され、前記供給水とブロー排出水の熱交換を行うブロー熱交換器を備え、
前記供給水の流量調整機構が、供給水の原水を前記脱気機構に供給する第１給水手段と、該脱気機構からボイラに供給する第２給水手段を有し、前記第１給水手段によって圧送され、前記ブロー熱交換器において加熱された供給水流量Ｑ１の供給水が、前記脱気機構に供給され、前記脱気機構において脱気処理された供給水流量Ｑ２の供給水が、前記第２給水手段によって前記ボイラに供給されるとともに、
前記供給水流量Ｑ１と前記供給水流量Ｑ２を連動して調整・制御する演算・制御器を備え、
該演算・制御器において、前記ボイラのボイラ水の水位に対応した前記供給水流量Ｑ２の制御を行い、前記供給水流量Ｑ１が、前記供給水流量Ｑ２の流量調整のために前記第２給水手段に送信される第１制御出力を基にスケーリング補正して演算された第２制御出力を用いて、前記第１給水手段によって流量調整されることを特徴とする。

比例制御または多位置制御を用いた給水方式における間欠ブローまたは連続ブローを用いたボイラの加熱脱気システムにおいては、供給水の溶存酸素を確実に低減させるとともに、エネルギー効率の高いシステムが要求される。本発明は、供給水の脱気処理（の一部）において加熱脱気方法を用いるとともに、脱気処理前の供給水をブロー水と熱交換させ、脱気に必要なる熱源として従来多くの排熱を有したまま放出されていたブロー水の温熱を用い、高温のブロー水の温熱を効率的に熱回収することを可能とした。また、第１給水手段の供給水流量の制御を、脱気機構からボイラに供給する第２給水手段の流量調整機構によって担い、ブロー水の温熱回収を、供給水の原水を脱気機構に供給する第１給水手段によって担うことによって、それぞれ最適条件において制御することが可能となった。こうした構成によって、ボイラの水位や供給水の広い範囲の変動に対しても、高温のブロー水の温熱の効率的な熱回収および供給水の効率的な加熱脱気処理を行い、燃料消費量の低減を可能とするエネルギー効率の高いボイラの加熱脱気システムを提供することを可能とした。また、脱気機構に供給された供給水が常圧条件下で加熱脱気処理されるため、ブロー熱交換器内の供給水が１００℃以上になることはなく、ブロー熱交換器を圧力容器構造にする必要がないことから、構造が簡略化されかつボイラのブロー条件に合わせ自由に伝熱面積を変更することが可能なブロー熱交換器を構成することができ、大容量のブローの熱交換も可能となる。

本発明は、上記ボイラの加熱脱気システムであって、前記脱気機構が、所定の容量の貯留槽を有するとともに、該貯留槽の水量の予め設定された上限値Ｈ１，該上限値Ｈ１から予め設定された許容量を減じた上限値Ｈ２，予め設定された下限値Ｌ１，該下限値Ｌ１から予め設定された許容量を加えた下限値Ｌ２を検出可能な検出手段が設けられることを特徴とする。
上記のように、本発明は、通常ボイラ水位等に対応して脱気機構から供給される供給水の水量が第２給水手段によって制御されるとともに、第２給水手段からの制御出力に対応して脱気機構へ供給される原水の流量が第１給水手段によって制御される。このとき、ボイラが安定した運転状態であれば、第１給水手段と第２給水手段の供給水流量はほぼ同じとなり、脱気機構の貯留槽の水位は一定となるが、ボイラ圧力の変化や第１給水手段の一次側圧力の変化等の外乱により、第１給水手段または第２給水手段の流量特性が変化し、第１給水手段と第２給水手段の供給水流量のバランスが崩れ、貯留槽の水位が不安定な状態になり、この状態が継続すると、貯留槽のオーバーフローや渇水が多発する。そこで、貯留槽に上記のような上限値および下限値を設けて、貯留槽の水位が上限値または下限値に達すると第１給水手段の供給水流量を制限することによって、貯留槽のオーバーフローや渇水を防止しつつ、ブロー熱交換器へ連続して供給水を供給することができる。このように、ボイラの圧力等の稼動状態の変化に対しても、ブロー水の温熱の効率的な熱回収を図り、システム全体として高いエネルギー効率を確保することができる加熱脱気システムを構成することを可能とした。

本発明は、上記ボイラの加熱脱気システムであって、前記脱気機構が、常圧条件下での加熱による加熱脱気処理部と、その下流側に設けられた気液分離膜を有する膜分離処理部と、から構成されることを特徴とする。
高精度の脱気処理に対して、こうした物理的処理手段同士の膜分離処理と組合せた構成により、別途のエネルギーを付加することなく安定した脱気処理を確保し、エネルギー効率の高いボイラの加熱脱気システムを構成することを可能にした。

本発明は、上記ボイラの加熱脱気システムであって、前記ボイラから供出される蒸気の一部が、前記加熱脱気処理部の熱源として供給されることを特徴とする。
上記のように、高温のブロー水の温熱を効率的に熱回収し、その温熱を供給水の加熱脱気処理に利用することを特徴とする。しかしながら、ボイラの立ち上り時や間欠ブローにおけるブロー動作ＯＦＦ時においては、ブロー水の温熱の発生量が低下し、供給水の加熱に必要な熱量が十分に得られない場合がある。本発明は、ボイラから供出される蒸気の一部を、こうした加熱脱気処理部の熱源として利用することによって、供給水の加熱に必要な熱量を確保し、安定した脱気処理を可能とした。このように安定した温度および流量の供給水を供給することによって、エネルギー効率の高いボイラの加熱脱気システムを構成することを可能にした。

また、本発明に係るボイラの供給水量制御方法は、上記ボイラの加熱脱気システムを用い、次の工程を有し、脱気機構への供給水流量を比例制御または多位置制御することを特徴とする。
（１ａ）ボイラのブローの実行時において、ボイラから排出される高温のブロー排出水と供給水の原水の熱交換を行う工程
（１ｂ）前記熱交換を行う供給水の原水の供給水流量Ｑ１を第１給水手段によって行う工程
（２ａ）ボイラ水の水位に係る実測情報を得る工程
（２ｂ）前記水位の実測情報を基に演算された第１制御出力に基づいて第２給水手段を制動し、脱気機構において脱気処理された供給水をボイラへ供給する供給水流量Ｑ２を調整し、ボイラ水の水位を予め設定された水位に制御する工程
（３）前記第１制御出力を基にスケーリング補正して演算された第２制御出力から、脱気機構への供給水流量Ｑ１を、前記供給水流量Ｑ２と連動して、前記第１給水手段によって調整・制御する工程
（４）前記脱気機構に貯留あるいは滞留する供給水の水量に係る実測情報を得る工程
（５）前記水量に係る実測情報に基づき、第１給水手段を制動し、供給水の原水を前記脱気機構へ供給する流量を調整し、前記脱気機構の水量を予め設定された水量に制御する工程

こうしたステップを構成することによって、変動要素であるボイラ水の水位に間接的に対応した第１給水手段の供給水流量の制御を行い、この供給水流量が第２給水手段の供給水流量と連動することによって、ブロー流量に見合った供給水流量をブロー熱交換器に供給させることを可能にし、第１給水手段による効率のよいブロー水の温熱回収を確保し、脱気機構に供給される供給水に対する熱量の安定した状態を確保することを可能とした。
また、脱気処理前の供給水と熱交換を行い脱気機構に貯留あるいは滞留することによって、貯留あるいは滞留された供給水を第１給水手段の供給水流量の変動の影響を受けずにボイラに供給し、第２給水手段による安定した供給水流量の確保を可能とした。

本発明は、上記ボイラの供給水量制御方法であって、前記脱気機構に貯留あるいは滞留する供給水の水量に係る実測情報を得て、該水量の予め設定された上限値Ｈ１，該上限値Ｈ１から予め設定された許容量を減じた上限値Ｈ２，予め設定された下限値Ｌ１，該下限値Ｌ１から予め設定された許容量を加えた下限値Ｌ２と比較し、
（ａ）上限値Ｈ２を超えて水量が増加する場合には、上限値Ｈ１を超えないように第１給水手段を減量制動し、
（ｂ）下限値Ｌ２を下回って水量が減少する場合には、下限値Ｌ１を下回らないように第１給水手段を増量制動し、
前記脱気機構の水量を予め設定された水量に制御することを特徴とする。
こうした予め設定された制御量の許容領域を上限値および下限値に設け、その中間領域での自由度のある制御を行うことによって、ボイラの圧力等の稼動状態の変化で第１給水手段と第２給水手段の供給水流量のアンバランスが生じてもブロー熱交換器への原水の供給が連続的に行われ、効率的なブロー水からの温熱回収を行うことを可能とした。

本発明は、上記ボイラの供給水量制御方法であって、前記脱気機構に貯留あるいは滞留する供給水の水温に係る実測情報を得て、前記ボイラから供出される蒸気の一部が前記脱気機構の熱源として供給され、前記脱気機構の水温が予め設定された水温に制御されることを特徴とする。
こうしたステップを構成することによって、供給水の加熱に必要な熱量を確保し、安定した脱気処理を可能とした。このように安定した温度および流量の供給水を供給することによって、エネルギー効率の高いボイラの加熱脱気システムを構成することを可能にした。

本発明に係るボイラの加熱脱気システムの基本構成例を示す全体構成図 基本構成例に係るボイラ供給水の脱気装置の構成を例示する全体構成図 基本構成例に係る加熱脱気システムにおける制御方法およびスケーリング補正の概要を示す説明図 複数のボイラからなる加熱脱気システムの構成例を示す全体構成図 複数のボイラからなる加熱脱気システムにおける制御方法の概要を示す説明図 供給水を、脱気装置を介してブロー熱交換器に供給する構成の加熱脱気システムにおける物質・エネルギー収支を示す説明図 供給水を、ブロー熱交換器を介して脱気装置に供給する構成の加熱脱気システムにおける物質・エネルギー収支を示す説明図 従来技術に係るボイラの濃縮ブロー制御装置を例示する全体構成図 従来技術に係るボイラ供給水の脱気装置を例示する全体構成図

本発明に係るボイラの加熱脱気システム（以下「本システム」という）は、ボイラへの供給水の流量調整機構，該供給水の脱気機構，前記脱気機構の上流側に配設され、前記供給水とブロー排出水の熱交換を行うブロー熱交換器を備え、
前記供給水の流量調整機構が、供給水の原水を前記脱気機構に供給する第１給水手段と、該脱気機構からボイラに供給する第２給水手段を有するとともに、前記第１給水手段によって圧送され、前記ブロー熱交換器において加熱された供給水が、前記脱気機構に供給され、前記脱気機構において脱気処理された供給水が、前記第２給水手段によって前記ボイラに供給されることを特徴とする。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜本システムの基本構成例＞
本システムの１つの実施態様として、その基本構成の概略を図１に示す（第１構成例）。本システムは、ボイラ１への供給水の流量調整機構２（第１給水手段２ａと第２給水手段２ｂから構成される），供給水とブロー排出水の熱交換を行うブロー熱交換器３，供給水の脱気機構４，ボイラ水位を測定する水位検出器５，および演算・制御器６が備えられる。

ボイラ水の水位に対応した供給水流量の制御を行い、供給水の加熱脱気処理に必要なる熱源としてブロー水の温熱を用いることを特徴とする。高温のブロー水の温熱を効率的に熱回収することができる。このとき、脱気機構４からボイラ１への供給水流量の制御を第２給水手段２ｂによって担い、第２給水手段２ｂによって調整された供給水流量に連動するように、ブロー熱交換器３および脱気機構４に供給する水量の制御を第１給水手段２ａによって担うことを特徴とする。

ボイラ１においては、燃焼熱の変換による高温の蒸気の発生に伴って、ボイラ水位が低下する。本システムでは、ボイラ水位の低下によるボイラ１の過熱を防ぐために、供給水の流量調整機構２（具体的には第２供給手段２ｂ）によって、供給水が蒸発量に見合った所定の流量に調整されてボイラ１に供給され、ボイラ水位を維持する構成を示す。ここでは、ボイラ１には、予め脱気機構４において脱気処理された脱気水が供給され、エコノマイザ１ｂによって温熱調整された供給水がボイラ本体１ａに供給される。

供給水の原水が、供給水の流量調整機構２を構成する第１給水手段２ａ（例えば給水ポンプ等）によって流量調整され、ブロー熱交換器３に供給される。供給水には、軟水処理された市水あるいは地下水等が使用される。ブロー熱交換器３において加熱された供給水は、脱気機構４に供給されて脱気処理された後、供給水の流量調整機構２を構成する第２給水手段２ｂ（例えば給水ポンプ等）によって流量調整され、ボイラ１に供給される。低下するボイラ缶水の補充がされたボイラ水位は、水位検出器５によって測定される。また、高温の蒸気の発生に伴って、ボイラ缶水の不純物の濃度（ボイラ缶水の濃縮度）が上昇するために、間欠的または連続的にボイラ缶水のブローを行い、これによって排出される高温のブロー水の温熱は、ブロー熱交換器３において供給水の原水の加熱に供され、流量調整機構２により第１給水手段２ａと第２給水手段２ｂの供給水流量が連動して制御されることによって、ブロー水の温熱が効率よく回収された後、排出される。

〔供給水の脱気機構〕
本システムにおける供給水の脱気機構４は、所定の容量を有し加熱脱気処理が行われる貯留槽４ａと、さらに膜脱気処理が行われる膜脱気部４ｂから構成される。貯留槽４ａには、図２（Ａ）に例示するように、水量を検出可能な水量検出手段４ｃおよび槽内の温度を検出する温度検出手段４ｄが設けられる。また、水量検出手段４ｃは、予め設定された貯留槽４ａの水量に対応した電極部４ｇを有する。具体的には、貯留槽４ａの水量の上限値Ｈ１，該上限値Ｈ１から予め設定された許容量を減じた上限値Ｈ２，貯留槽４ａの水量の下限値Ｌ１，該下限値Ｌ１から予め設定された許容量を加えた下限値Ｌ２が、予め設定される。供給水の水量を過不足なく適量に維持するとともに、脱気に適した温度条件を確保することができる。なお、ここでは、４つの水量を設定した場合について説明するが、上限値Ｈ２〜下限値Ｌ２をさらに細分化して５以上の水量を設定することも可能である。また、設定値が固定される電極部４ｇではなく、移動可能な電極部を有した構成や光学式の液面検知器等による連続的な水量検出手段４ｃを用いことも可能である。さらに、設定値を固定するのではなく、ボイラの負荷や水位等の異なる指標に対していくつかの組み合わされた設定値を基に管理することも可能である。

本システムにおける貯留槽４ａ内の供給水の水量管理は、水量が水量Ｈ１〜Ｌ１の範囲内となるように、第１給水手段２ａによって制御される。具体的には、図２（Ａ）に例示するように、貯留槽４ａに浸水した電極部４ｇによって得られる水量Ｈ１〜Ｌ１に対応した出力が、水量検出手段４ｃから演算・制御器６に送信され、図２（Ｂ）に例示するように、水量が水量Ｈ１〜Ｌ１の範囲内となるように、第１給水手段２ａが制御され、供給水が補充される。つまり、通常水量Ｈ２〜Ｌ２の場合には、第２給水手段２ｂの供給水流量に対応した原水の供給量に制御され、水量Ｈ２を超えた場合には、第１給水手段２ａを減量制御し、水量Ｈ１に近接した場合には、第１給水手段２ａを停止制御される。逆に、水量Ｌ２を下回った場合には、第１給水手段２ａを増量制御し、水量Ｌ１に近接した場合には、第１給水手段２ａを最大量で供給するように制御される。

具体的には、図２（Ｂ）において、水量に応じて以下の制御が行われる。
（ｉ）図中破線領域のように、水量Ｈ２〜Ｌ２の場合には、通常制御として第１給水手段２ａに対して比例制御あるいは多位置制御され、
（ii）図中（ａ１）のように、水量Ｈ２を超えた場合には、第１給水手段２ａをボイラ最小負荷以下の供給量で強制的に固定し、
（iii）さらに水量Ｈ２を超えて増量した場合には、第１給水手段２ａを停止し、図中（ａ２）のように、水量を減量させ、
（iｖ）逆に、図中（ｂ１）のように、水量Ｌ２を超えて減量した場合には、第１給水手段２ａをボイラ最大負荷以上の供給量で強制的に固定し、
（ｖ）図中（ｂ２）のように、水量Ｌ２に増量するまで、第１給水手段２ａの供給量を固定する。

脱気機構４における貯留槽４ａ内の供給水の温度管理は、温度が所定の範囲内となるように、ボイラ１から供給される蒸気量が蒸気供給手段４ｅによって制御される。具体的には、図２（Ａ）に例示するように、貯留槽４ａに配設された温度検出手段４ｄによって検出された槽内の温度に対応した出力が、温度検出手段４ｄから演算・制御器６に送信され、所定の温度範囲内（例えば５０〜８０℃）となるように、蒸気供給手段４ｅが制御され、蒸気が供給される。このとき、ブロー熱交換器３からの供給水の温度が所定の温度範囲内の場合には、蒸気供給手段４ｅを減量または停止制御され、所定の温度範囲を下回った場合には、蒸気供給手段４ｅを増量制御し、所定の温度範囲内になるように制御される。

さらに、本システムは、脱気機構４が所定の容量を有する貯留槽４ａを有することによって、そのバッファ機能から、脱気機構４に供給された供給水が常圧条件下で加熱脱気処理されると、ブロー熱交換器３内の供給水が１００℃以上になることはなく、ブロー熱交換器３を圧力容器構造にする必要がないことから、構造が簡略化されかつボイラのブロー条件に合わせ自由に伝熱面積を変更することが可能なブロー熱交換器３を構成することができ、大容量のブローの熱交換を行うことができるという機能を確保することができる。

貯留槽４ａの下流側に設けられた膜脱気部４ｂは、例えば、ゼオライト系分離膜等の無機系の分離膜、あるいはポリアミド系分離膜，シリコン系分離膜やイオン分離膜等の有機系の分離膜から構成され、膜脱気処理が行われる。また、膜脱気部４ｂの構造は、中空糸膜やスパイラル膜あるいはチューブ膜等種々の構造を採ることができる。本システムにおいては、上記のように加熱脱気処理との組み合わせにおいても、従前ほどの高温・加圧条件（１００℃以上，約０．１５〜０．３ＭＰａ・Ｇ）での使用はなく、低温・低圧仕様の種々の分離膜を用いることができる。

〔供給水の流量調整機構〕
本システムにおける供給水の流量調整機構２は、供給水の原水が脱気機構４に供給される第１給水手段２ａとボイラ１への供給水供給流路に配設された第２給水手段２ｂから構成される。第２給水手段２ｂは、脱気処理のために貯留槽４ａ内に貯留された供給水を、膜脱気部４ｂを介して脱気水として、ボイラ１の負荷変動や圧力変動によって生じるボイラ水位の変動等に対応した流量条件で、ボイラ１に供給することができる。一方、第１給水手段２ａは、第２給水手段２ｂの制御信号に連動した制御出力により判断され、第１給水手段２ａの供給水流量と第２給水手段２ｂの供給水流量が１：１となるように制御される。上記のように、第１給水手段２ａと第２給水手段２ｂの供給水流量を連動させることにより、従前のような、ブロー熱交換器３を第２給水手段２ｂの二次側に設置するシステムと同等のブロー熱交換器３におけるブロー水流量と供給水流量の関係が得られ、さらに本システムでは、高温の脱気水ではなく、低温の原水とブロー水が熱交換されるため、エネルギー効率の高いシステムを構成することができる。

このとき、本システムでは、水位検出器５の出力（水位）を基に演算・制御器６において演算された第１制御出力を指標として、予め設定された供給水流量が調整される。このとき、このボイラ缶水が予め設定された低レベル水位まで下がると、第２給水手段２ｂを作動させ、高レベル水位に達するまで給水して水を補給する多位置制御、もしくは予め設定された水位を維持するように、水位変動に対応した供給水流量が供給可能な第２給水手段２ｂの負荷が調整される比例制御を用い、ブロー制御に適した給水制御を採用する。ボイラ１の負荷変動あるいは蒸気圧力の変動等、ボイラ水位の状態に影響する広い範囲の変動に対しても、ボイラ水位の異常を防止し、ボイラ水位の安定した状態を確保することができる。演算・制御器６には、第２給水手段２ｂおよび第１給水手段２ａの負荷を変動させて供給水流量を調整するインバータ（図示せず）を設けられる。また、第２給水手段２ｂおよび第１給水手段２ａの負荷を変動させる構成に代え、第２給水手段２ｂおよび第１給水手段２ａの下流に比例弁（図示せず）を設け、比例弁の開度を制御して供給水流量を調整する構成も可能である。

〔ブロー熱交換器〕
本システムでは、ブロー熱交換器３が、脱気機構４の上流側に設けられた構成を特徴とする。ブローの実行時において、ボイラ１から排出される高温のブロー排出水と、比較的低温の供給水の原水の熱交換を行うことによって、加熱脱気処理の熱源を確保するとともに、排出される熱エネルギーを低減することができ、本システムを含むボイラ全体のエネルギー効率の向上を図ることができる。特に、本システムにおいては、ブロー熱交換器３において、従前システムと同様のブロー水流量と供給水流量の関係が得られる。従って、ブロー熱交換器３に導入され、供出されるブロー排出水と供給水の間で交換される熱量がバランスよく収支し、かつブロー水が低温の供給水と熱交換されるため、ブロー水の温熱を効率的に回収し、ブロー熱交換器３の熱交換機能を効果的に利用することができる。このように、第１給水手段２ａと第２給水手段２ｂの供給水流量がリンクして調整されるという本システム固有の制御機能によって、ボイラ全体のエネルギー効率の向上を図ることができる。

〔水位検出器〕
本システムでは、水位検出器５は、水準器５ａおよび水位センサ５ｂから構成される。水位検出器５からの出力が、ボイラ１の水位の実測情報として、演算・制御器６に送信され、ボイラ１への供給水流量を調整する指標として使用される。水位センサ５ｂとして、例えば差圧式センサ等が用いられる。なお、供給水流量の制御に用いる指標を、多段階に範囲設定された水位の実測情報を基に演算される場合には水位検出器５として、長さの異なる複数の電極が配設された電極式水位センサ（図示せず）を用いることが可能である

〔演算・制御器〕
演算・制御器６には、脱気機構４に関する水量検出手段４ｃと温度検出手段４ｄ、およびボイラ１に関する水位検出器５からの実測情報が入力される。入力されたこれらの実測情報は、予め設定された貯留槽４ａに係る水量や温度、およびボイラ１に係る水位の設定情報と比較された後、所定の演算（補正）処理がされて、第１給水手段２ａおよび第２給水手段２ｂに対する制御信号が作成される。具体的には、図３（Ａ）に例示するように、ボイラ水位信号を基に演算された第１制御出力，および第１制御出力を基にスケーリング補正して演算された第２制御出力が作成され、第１制御出力について、脱気機構４からボイラ１に供給される供給水の流量調整機構２の第２給水手段２ｂに送信され、第２制御出力について、脱気機構４の水量検出手段４ｃの水量信号を基に演算された制御出力が第１給水手段２ａに送信される。また、水量検出手段４ｃによって脱気機構４に貯留する水量を実測し、その水量が常用範囲を逸脱する場合には、第２制御出力に強制的な制動を加え、脱気機構４に貯留する水量の安定した状態を確保することができる。

〔スケーリング補正〕
ここで、「スケーリング補正」とは、通常、第１制御出力と第２制御出力の関係が、図３（Ｂ）の破線に例示するように、１：１（Ｙ＝Ｘ）であるのに対し、本システムでは、各々の給水手段の流量特性を考慮した上で、第２給水手段２ｂの供給水流量（Ｑ２：第１制御出力）と第１給水手段２ａの供給水流量（Ｑ１：第２制御出力）の関係が最適となるように、図３（Ｂ）の実線に例示する直線方程式（Ｙ＝ＡＸ＋Ｂ）に変えることをいう。第２給水手段２ｂの供給水流量（Ｑ２）と第１給水手段２ａの供給水流量（Ｑ１）の関係は、Ｘｍｉｎ（Ｑ２ｍｉｎ）とＸｍａｘ（Ｑ２ｍａｘ）間の任意の全ての点において、下式１となるように、スケーリング補正が行われる。
Ｑ１＝Ｑ２ …式１
第１制御出力におけるＸｍｉｎ（Ｑ２ｍｉｎ）に対応する第２制御出力Ｙａは、下式２となり、
Ｙａ（Ｑ１ａ）＝Ａ×Ｑ２ｍｉｎ＋Ｂ …式２
第１制御出力におけるＸｍａｘ（Ｑ２ｍａｘ）に対応する第２制御出力Ｙｂは、下式３となる。
Ｙｂ（Ｑ１ｂ）＝Ａ×Ｑ２ｍａｘ＋Ｂ …式３
こうした設定によって、第２給水手段２ｂの供給水流量に対し第１給水手段２ａの供給水流量が連動して増減し、ブロー熱交換器３において、ブロー水流量と供給水流量の最適な関係を確保することができる。

＜第１構成例におけるボイラの供給水量制御方法＞
第１構成例に係る本システムを用いたボイラの供給水量制御方法は、以下のような制御プロセスによって構成される。

（１）ボイラ水位に係る実測情報を得る工程
水位検出器５で検出されたボイラ水位に係る実測情報が演算・制御器６に入力される。

（２）ボイラ水位の実測情報を基に演算された第１制御出力に基づいて第２給水手段を制動し、脱気機構において脱気処理された供給水をボイラへの供給水流量を調整し、ボイラ水の水位を予め設定されたボイラ水位に制御する工程
演算・制御器６において、入力されたボイラ水位の実測情報から、現在の水位と予め設定された水位との比較が行われ、第１制御出力が演算される。得られた第１制御出力は、第２給水手段２ｂに入力され、供給水流量が調整される。演算・制御器６は、この制御結果をボイラ水位の実測情報で確認し、再度比較・演算を行い、第１制御出力値の修正を行い、このサイクルを続けることで、ボイラ水位を目標水位に保つよう制御（フイードバック制御）が行われる。

（３）前記第１制御出力を基にスケーリング補正して演算された第２制御出力から、脱気機構への供給水流量を予め設定された流量に調整・制御する工程
演算・制御器６において、第１制御出力を基にスケーリング補正が行われた第２制御出力が演算される。得られた第２制御出力は、第１給水手段２ａに入力され、脱気機構４への供給水流量が調整される。

（４）脱気機構に貯留あるいは滞留する供給水の水量に係る実測情報を得る工程
水量検出手段４ｃで検出された貯留槽４ａ内の供給水の水量の実測情報、および温度検出手段４ｄで検出された貯留槽４ａ内の温度の実測情報が、演算・制御器６に入力される。

（５）水量に係る実測情報に基づき、第１給水手段を制動し、供給水の原水を脱気機構へ供給する流量を調整し、脱気機構の水量を予め設定された水量に制御する工程
演算・制御器６において、貯留槽４ａ内の水量の実測情報から、現在の水量と予め設定された水量（Ｈ１〜Ｌ１）との比較が行われ、図２（Ｂ）に例示するように、水量が水量Ｈ１〜Ｌ１の範囲内となるように、第１給水手段２ａに対し、補足的制動制御が行われる。

（６）その他
ブロー熱交換器３において回収したブロー水の温熱では、供給水の原水の加熱が不十分な場合、貯留槽４ａ内の温度に係る実測情報に基づき、蒸気供給手段４ｅを制動し、ボイラ１から脱気機構へ供給される蒸気量を調整し、貯留槽４ａ内の温度を、予め設定された加熱脱気処理に必要な温度（例えば５０〜８０℃）に制御される。

＜本システムの他の構成例＞
本システムの他の実施態様として、図４に示す構成例（第２構成例）に示すように、ボイラを複数台設置したシステムを構成することができる。１つの脱気機構４からの供給水（脱気水）は、１つの流路Ｃｓが分岐された各流路に配設された各第２給水手段２１ｂ〜２３ｂによって、各ボイラ１１〜１３に供給水が給送されるとともに、各ボイラ１１〜１３からのブロー水は、各々流路Ｃ１〜Ｃ２によりブロー熱交換器３に給送される。複数台設置されたボイラ１１〜１３を、一体として１つのボイラ（第１構成例におけるボイラ１に相当）と見立てれば、第１構成例と同様の供給水およびブローの流れを形成するとみることができる。これによって、本システムの特徴である、脱気機構４からボイラ１１〜１３への供給水流量の制御を第２給水手段２１ｂ〜２３ｂによって担い、供給水の加熱脱気処理に必要なる熱源として回収されるブロー水の温熱回収を供給水の原水を脱気機構４に供給する第１給水手段２ａによって担うことができる。

第２構成例における各ボイラ１１〜１３の供給水量制御方法は、図５に例示するように、第１構成例におけるボイラ１における供給水量制御方法と同様、演算・制御器６に送信される各ボイラ１１〜１３のボイラ水の水位の実測情報を指標として、各ボイラ１１〜１３の第２給水手段２１ｂ〜２３ｂによって、各ボイラ１１〜１３に供給される供給水流量が制御される。このとき、ボイラ水位を基に演算された第１制御出力，および各ボイラの第１制御出力を合算し、さらにスケーリング補正して演算された第２制御出力が作成される。第１給水手段２ａの供給水は、各ボイラ１１〜１３の実動状態に対応した供給水流量が供給されることによって、ブロー熱交換器３において、ブロー水流量と供給水流量の最適な関係を確保することができる。

＜本システムの実施態様におけるヒートバランスの検証＞
本システムの実施態様における機能を、図６，７に例示するヒートバランスに基づいて説明する。
（ｉ）図６は、従前の加熱脱気方式のように、ブロー熱交換器３が加熱脱気処理用の貯留槽４ａの二次側に配置された構成を示す。このとき、高温のブロー水は比較的高温の供給水と熱交換されるため、ブロー熱交換器３のブロー水出口温度が高くなり、ブロー熱交換器３のブロー水出口温度損失が大きくなる。
（ii）図７は、本システムの第１構成例のように、ブロー熱交換器３が加熱脱気処理用の貯留槽４ａの一次側に配置された構成を示す。このとき、低温の供給水の原水と高温のブロー水が効率よく熱交換されるため、ブロー熱交換器３のブロー水出口温度を低くでき、エネルギー損失を低減することができる。従って、従前の加熱脱気方式の構成に比較し、燃料消費量を低減することができる。

具体的には、上記の構成の相違点を除き、供給水の温度や流量等を同条件して検証した結果を下表１に示す。
（ｉ）ボイラの特性
本システムの第１構成例１では、従前の加熱脱気方式に比較して、燃焼効率の約０．４％上昇と約２Ｎｍ^３／ｈの燃料消費量を低減できるとの検証結果を得ることができた。
また、さらにブロー熱交換器３の伝熱面積を大きくした本システムの第１構成例２において、約４Ｎｍ^３／ｈの燃料消費量を低減できるとの検証結果を得ることができた。
（ii）貯留槽の特性
第１構成例１では、従前方式に比較して、蒸気の投入量を約１／２（約１１０ｋｇ／ｈ）に低減できるとの検証結果を得ることができた。また、第１構成例２において、蒸気の投入量をさらに約２４ｋｇ／ｈ低減することができるとの検証結果を得ることができた。
（iii）ブロー熱交換器での特性
第１構成例１では、供給水の温度差約１４℃の条件下において、供給水の温度差約１１℃の従前方式に比較して、ブロー水の出口温度を約２０℃低下させることができるとの検証結果を得ることができた。また、第１構成例２において、ブロー水の出口温度をさらに約２４℃低下させることができるとの検証結果を得ることができた。

１ ボイラ
１ａ ボイラ本体
１ｂ エコノマイザ
２ 供給水の流量調整機構
２ａ 第１給水手段
２ｂ 第２給水手段
３ ブロー熱交換器
４ 脱気機構
４ａ 貯留槽
４ｂ 膜脱気部
４ｃ 水量検出手段
４ｄ 温度検出手段
４ｅ 蒸気供給手段
５ 水位検出器
５ａ 水準器
５ｂ 水位センサ
６ 演算・制御器

Claims (7)

1. ボイラへの供給水の流量調整機構，該供給水の脱気機構，前記脱気機構の上流側に配設され、前記供給水とブロー排出水の熱交換を行うブロー熱交換器を備え、
   前記供給水の流量調整機構が、供給水の原水を前記脱気機構に供給する第１給水手段と、該脱気機構からボイラに供給する第２給水手段を有し、前記第１給水手段によって圧送され、前記ブロー熱交換器において加熱された供給水流量Ｑ１の供給水が、前記脱気機構に供給され、前記脱気機構において脱気処理された供給水流量Ｑ２の供給水が、前記第２給水手段によって前記ボイラに供給されるとともに、
   前記供給水流量Ｑ１と前記供給水流量Ｑ２を連動して調整・制御する演算・制御器を備え、
   該演算・制御器において、前記ボイラのボイラ水の水位に対応した前記供給水流量Ｑ２の制御を行い、前記供給水流量Ｑ１が、前記供給水流量Ｑ２の流量調整のために前記第２給水手段に送信される第１制御出力を基にスケーリング補正して演算された第２制御出力を用いて、前記第１給水手段によって流量調整されることを特徴とするボイラの加熱脱気システム。
2. 前記脱気機構が、所定の容量の貯留槽を有するとともに、該貯留槽の水量の予め設定された上限値Ｈ１，該上限値Ｈ１から予め設定された許容量を減じた上限値Ｈ２，予め設定された下限値Ｌ１，該下限値Ｌ１から予め設定された許容量を加えた下限値Ｌ２を検出可能な検出手段が設けられることを特徴とする請求項１記載のボイラの加熱脱気システム。
3. 前記脱気機構が、常圧条件下での加熱による加熱脱気処理部と、その下流側に設けられた気液分離膜を有する膜分離処理部と、から構成されることを特徴とする請求項１または２記載のボイラの加熱脱気システム。
4. 前記ボイラから供出される蒸気の一部が、前記加熱脱気処理部の熱源として供給されることを特徴とする請求項３記載のボイラの加熱脱気システム。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のボイラの加熱脱気システムを用い、次の工程を有し、脱気機構への供給水流量を比例制御または多位置制御することを特徴とするボイラの供給水量制御方法。
   （１ａ）ボイラのブローの実行時において、ボイラから排出される高温のブロー排出水と供給水の原水の熱交換を行う工程
   （１ｂ）前記熱交換を行う供給水の原水の供給水流量Ｑ１を第１給水手段によって行う工程
   （２ａ）ボイラ水の水位に係る実測情報を得る工程
   （２ｂ）前記水位の実測情報を基に演算された第１制御出力に基づいて第２給水手段を制動し、脱気機構において脱気処理された供給水をボイラへ供給する供給水流量Ｑ２を調整し、ボイラ水の水位を予め設定された水位に制御する工程
   （３）前記第１制御出力を基にスケーリング補正して演算された第２制御出力から、脱気機構への供給水流量Ｑ１を、前記供給水流量Ｑ２と連動して、前記第１給水手段によって調整・制御する工程
   （４）前記脱気機構に貯留あるいは滞留する供給水の水量に係る実測情報を得る工程
   （５）前記水量に係る実測情報に基づき、第１給水手段を制動し、供給水の原水を前記脱気機構へ供給する流量を調整し、前記脱気機構の水量を予め設定された水量に制御する工程
6. 前記脱気機構に貯留あるいは滞留する供給水の水量に係る実測情報を得て、該水量の予め設定された上限値Ｈ１，該上限値Ｈ１から予め設定された許容量を減じた上限値Ｈ２，予め設定された下限値Ｌ１，該下限値Ｌ１から予め設定された許容量を加えた下限値Ｌ２と比較し、
   （ａ）上限値Ｈ２を超えて水量が増加する場合には、上限値Ｈ１を超えないように第１給水手段を減量制動し、
   （ｂ）下限値Ｌ２を下回って水量が減少する場合には、上限値Ｌ１を超えないように第１給水手段を増量制動し、
   前記脱気機構の水量を予め設定された水量に制御することを特徴とする請求項５記載のボイラの供給水量制御方法。
7. 前記脱気機構に貯留あるいは滞留する供給水の水温に係る実測情報を得て、前記ボイラから供出される蒸気の一部が前記脱気機構の熱源として供給され、前記脱気機構の水温が予め設定された水温に制御されることを特徴とする請求項５または６記載のボイラの供給水量制御方法。
   

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