JP5863534B2

JP5863534B2 - 空気予熱器及び空気予熱器の制御方法

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Publication number: JP5863534B2
Application number: JP2012076436A
Authority: JP
Inventors: 貴澄寺原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: JP2013204969A

Description

本発明は、空気予熱器及び空気予熱器の制御方法に関するものである。

空気予熱器（例えば回転蓄熱式の空気予熱器）はボイラを構成する装置の一つであり、ボイラで生じた排ガスの熱を回収して燃焼用空気を予熱する熱交換器である。燃焼用空気は、ボイラ燃料を燃焼させる単数あるいは複数のバーナへ供給される酸化性ガスを指すが、バーナへ供給する酸化性ガスとしては、空気に限らず、酸化剤を含有するものであればよい。ここでは、酸化性ガスとして空気を使用する場合を例に説明する。空気予熱器を設置したボイラは、空気予熱器で予熱されて温度上昇した燃焼用空気をバーナに供給することで燃料の燃焼を助け、排ガスの排熱を回収してボイラ効率を高めることができる。このような空気予熱器には、排ガスと燃焼用空気とを熱交換させて燃焼用空気を予熱するエレメントが設けられている。

空気予熱器に設けられるエレメントは、燃焼用空気と熱交換する排ガスの温度が硫酸露点以下になると硫酸腐食が生じるので、排ガスによる硫酸腐食の影響を最も受けやすい消耗品である。具体的に、空気予熱器エレメントのメタル温度の低下で、硫酸露点以下になると燃焼ガス中に含まれる硫酸の凝縮などで、硫酸成分が凝縮してエレメント上に付着して腐食を発生させる。
このため、エレメントの硫酸腐食を抑制するために、エレメントを対腐食材で被覆することが考えられるが、このような構成は、伝熱特性で劣るため大型化を招くデメリットがある。
また、エレメントの腐食により、排ガス中の灰分が凝集し、エレメントが閉塞して伝熱性能が低下する。

以上のことから、エレメントには寿命があり、交換の必要がある。
そこで、エレメントの硫酸腐食を抑制するための技術として、特許文献１には、ケーシングとエレメントとの間に空気バイパス流路を形成し、空気バイパス流路、すなわち空気予熱器を流通する空気の流量を調整することで、腐食を低温側のエレメントのみとする技術が開示されている。

特開２００９−１９２２０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ボイラの運転状態に基づいて、空気予熱器を流通する空気の流量調整に関する具体的な運用方法まで言及されていない。また、空気予熱器のエレメント腐食によるエレメント交換タイミングを、船舶の航行スケジュールや発電プラントのメンテナンス計画を考慮しつつ、ボイラの効率を極力高く維持する対策が望まれている。

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、ボイラの効率を向上させると共に、酸化性ガス及び燃焼ガスが流通して熱交換させるエレメントの硫酸腐食を抑制できる、空気予熱器及び空気予熱器の制御方法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、本発明の空気予熱器及び空気予熱器の制御方法は以下の手段を採用する。

本発明の第一態様に係る空気予熱器は、ボイラに備えられ、酸化性ガス及び燃焼ガスが流通して熱交換させるエレメントがケーシング内に設けられた空気予熱器であって、前記エレメントを流通する前記酸化性ガスの流量を調整する流量調整手段と、前記燃焼ガスの出口温度を検出するガス出口温度検出手段と、前記燃焼ガスの出口温度の目標温度を硫酸露点から所定値を減算した温度以上、かつ硫酸露点以下の範囲とする第１運転モード、又は前記燃焼ガスの出口温度の目標温度を硫酸露点を超える範囲とする第２運転モードを設定し、設定した運転モードに応じた前記目標温度に前記ガス出口温度検出手段の検出値が達するように前記流量調整手段を制御する制御手段と、を備える。

本構成によれば、ボイラに備えられる空気予熱器は、酸化性ガス及び燃焼ガスが流通して熱交換させるエレメントがケーシング内に設けられており、エレメントを流通する酸化性ガスの流量を調整する流量調整手段と、燃焼ガスの出口温度を検出するガス出口温度検出手段を備える。
そして、制御手段によって、空気予熱器の運転モードが第１運転モード又は第２運転モードに設定され、設定された運転モードに応じた目標温度の範囲内にガス出口温度検出手段の検出値が達するように流量調整手段が制御される。

第１運転モードは、燃焼ガスの出口温度の目標温度を、硫酸露点から所定値を減算した温度以上、かつ硫酸露点以下の範囲とする運転モードである。第１運転モードでは、空気予熱器の燃焼ガスの出口温度がより低くなるので、すなわち、酸化性ガスと燃焼ガスとの熱交換量を多くすることで酸化性ガスの温度が上昇し、ボイラの効率がより高くなる。一方、第２運転モードは、燃焼ガスの出口温度の目標温度を、硫酸露点を超える範囲とする運転モードである。第２運転モードでは、空気予熱器の燃焼ガスの出口温度が硫酸露点を超えるので、空気予熱器のエレメントの硫酸腐食を抑制し、エレメントの交換間隔を長くすることができる。

このように、本構成は、ボイラの効率をより高くできる第１運転モード、又はエレメントの硫酸腐食を抑制できる第２運転モードに運転モードを設定し、設定した運転モードに応じた目標温度に燃焼ガスの出口温度が達するように流量調整手段を制御するので、ボイラの効率を向上させると共に、エレメントの硫酸腐食を抑制できる。

上記第一態様では、前記制御手段が、相対的に高負荷で前記ボイラが運転される場合に前記第１運転モードを設定し、相対的に低負荷で前記ボイラが運転される場合に前記第２運転モードを設定することが好ましい。

本構成によれば、相対的に高負荷でボイラが運転される場合、より高い効率が求められるので、制御手段によって第１運転モードが設定され、相対的に低負荷でボイラが運転される場合、高い効率は求められないので、制御手段によって第２運転モードが設定される。従って、本構成は、より適正な運転モードの設定が可能となる。

上記第一態様では、前記制御手段が、前記第１運転モード又は前記第２運転モードに応じた前記目標温度を満たし、かつ前記ボイラの運転条件に応じて決定されるセットポイントに、前記酸化性ガスの入口温度と前記燃焼ガスの出口温度の平均温度が達するように前記流量調整手段を制御することが好ましい。

本構成によれば、セットポイントは、空気予熱器の性能を十分に発揮させるために設定されるので、運転モードにかかわらず、空気予熱器を最適な状態で運転することができる。

上記第一態様では、前記ボイラで使用される燃料、前記ボイラの運用状態、及び前記第１運転モード又は前記第２運転モードの設定結果により示される前記ボイラの運転条件に応じたセットポイントを示すデータベースを記憶した記憶手段を備え、前記制御手段が、前記ボイラの運転条件に対応した前記セットポイントを前記記憶手段に記憶されたデータベースから読み出して設定することが好ましい。

本構成によれば、ボイラの運転条件は、ボイラで使用される燃料、ボイラの運用状態、及び第１運転モード又は第２運転モードの設定結果により示される。そして、制御手段によって、ボイラの運転条件に応じたセットポイントが記憶手段に記憶されたデータベースから読みだされるので、本構成は、セットポイント及び運転モードに応じた燃焼ガスの出口温度の目標温度を簡易に設定できる。

上記第一態様では、前記制御手段が、前記第１運転モード又は前記第２運転モードで運転した時間に基づいて、前記エレメントの交換時期を報知手段に報知させることが好ましい。

本構成によれば、第１運転モード又は第２運転モードで運転された時間に基づいてエレメントの交換時期が報知手段によって報知されるので、空気予熱器の管理者がエレメントの適正な交換時期を容易に把握することができる。

上記第一態様では、前記流量調整手段が、前記酸化性ガスの一部を前記エレメントへ流通させることなく前記ボイラへ流通させる空気バイパス流路に設けられ、該空気バイパス流路を流通する前記酸化性ガスの流量を調整することが好ましい。

本構成によれば、空気バイパス流路を流通する酸化性ガスの流量を変化させることで、エレメントを流通させる酸化性ガスの流量を変化させるので、ボイラへ供給する酸化性ガスの流量を保ったままで、簡易に燃焼ガスの出口温度を変化させることができる。

上記第一態様では、前記流量調整手段が、熱交換された前記酸化性ガスの一部を前記エレメントから抽出し、抽出した前記酸化性ガスを前記エレメントを流通する前の前記酸化性ガスと混合させる空気循環流路に設けられ、該空気循環流路を流通する前記酸化性ガスの流量を調整することが好ましい。

本構成によれば、エレメントを流通させる酸化性ガスの温度を直接的に調整できるので、簡易に燃焼ガスの出口温度を変化させることができる。

本発明の第二態様に係る空気予熱器の制御方法は、ボイラに備えられ、酸化性ガス及び燃焼ガスが流通して熱交換させるエレメントがケーシング内に設けられた空気予熱器の制御方法であって、前記燃焼ガスの出口温度の目標温度を硫酸露点から所定値を減算した温度以上、かつ硫酸露点以下の範囲とする第１運転モード、又は前記燃焼ガスの出口温度の目標温度を硫酸露点を超える範囲とする第２運転モードを運転モードとして設定する第１工程と、設定した前記運転モードに応じた前記目標温度に前記燃焼ガスの出口温度が達するように、前記エレメントを流通する前記酸化性ガスの流量を調整する流量調整手段を制御する第２工程と、を含む。

本発明によれば、ボイラの効率を向上させると共に、酸化性ガス及び燃焼ガスが流通して熱交換させるエレメントの硫酸腐食を抑制できる、という優れた効果を有する。

本発明の第１実施形態に係る舶用ボイラの構成図である。本発明の第１実施形態に係る空気予熱器の構成図である。本発明の第１実施形態に係る硫酸露点、排ガスの温度、及び燃焼用空気の温度との関係を示したグラフである。本発明の第１実施形態に係る空気予熱制御プログラムの流れを示すフローチャートである。本発明の第２実施形態に係る空気予熱器の構成図である。

以下に、本発明に係る空気予熱器及び空気予熱器の制御方法の一実施形態について、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実施形態について説明する。
図１は、本第１実施形態に係る舶用ボイラ１０の構成図である。
図１に示される舶用ボイラ１０は、火炉１１の上部に形成された風箱１２内に１または複数のバーナ１３が設置されている。このバーナ１３は、空気ダクト１４を介して導入される燃焼用空気を用いてボイラ燃料を燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成して下流の熱交換器に供給する。ここで使用する燃焼用空気は、詳細を後述する空気予熱器３０を通過した後、空気ダクト１４に供給される。

バーナ１３で発生した燃焼ガスは、火炉１１の下流に配設されている熱交換器を通過して熱交換される。図１に示される舶用ボイラ１０の構成では、フロントバンクチューブ１５、過熱器１６及び蒸発管群（リアバンクチューブ）１７の順番に熱交換器が配置され、燃焼ガスは、各熱交換器のチューブ内を流れる水等の流体を、熱交換により加熱する。こうして熱交換を終えた燃焼ガス（以下、「排ガス」という。）は、出口側ガスダクト１８を通って空気予熱器３０に導かれる。
なお、図中の符号１９は水ドラム、２０は蒸気ドラム、２１及び２２はヘッダ、２３はエコノマイザである。

図２は、本第１実施形態に係る回転蓄熱式の空気予熱器３０の構成図である。
舶用ボイラ１０に装備される空気予熱器３０は、図２に示されるように、ケーシング３２内で回転する略円柱形状に組み立てられたエレメント３４に燃焼用空気及び高温の排ガスが流通して熱交換させるものである。なお、燃焼用空気は、押込通風機３６によって空気予熱器３０へ導入される。
図２に示されるケーシング３２は、内部にエレメント３４を収納して回転する略円形断面のロータ３８を収める。
また、空気予熱器３０は、燃焼用空気の一部をエレメント３４へ流通させることなく舶用ボイラ１０へ流通させる空気バイパス流路４０、及び空気バイパス流路４０に設けられ、空気予熱器３０を流通する燃焼用空気の流量を調整する空気バイパスダンパ４２を備える。

エレメント３４は、図示しない駆動源に連結された軸部４４を中心に回転するので、出口側ガスダクト１８の上部を通過する排ガスにより加熱され、空気ダクト１４の上部を通過する燃焼用空気により冷却される。そして、このエレメント３４は、略円筒形状を上下に二分割することにより、低温側エレメントと高温側エレメントとに分割されている。低温側エレメントは、排ガスの出口側及び燃焼用空気の入口側に位置し、高温側エレメントは、排ガスの入口側及び燃焼用空気の出口側に位置する。

また、空気予熱器３０は、熱交換により温度上昇する前の燃焼用空気の温度である空気入口温度Ｔａを検出する空気入口温度センサ４６Ａ、熱交換を終えて低下した排ガスの温度である排ガス出口温度Ｔｇを検出する排ガス出口温度センサ４８Ｇ、熱交換により上昇した燃焼用空気の温度である空気出口温度Ｔａ’を検出する空気出口温度センサ４６Ａ’、熱交換が行われる前の排ガスの温度である排ガス入口温度Ｔｇ’を検出する排ガス入口温度センサ４８Ｇ’を備える。

図３は、硫酸露点Ｔｅ、排ガスの温度、及び燃焼用空気の温度との関係を示したグラフであり、横軸がエレメント位置を示し、縦軸が温度を示す。エレメント位置ａは、エレメント３４における燃焼用空気の入口及び排ガスの出口であり、エレメント位置ｂは、エレメント３４における燃焼用空気の出口及び排ガスの入口である。
図３に示されるように、排ガスと燃焼用空気との熱交換により、燃焼用空気の温度は入口よりも出口の方が高くなり、排ガスの温度は入口よりも出口の方が低くなる。排ガス出口温度Ｔｇが硫酸露点Ｔｅよりも低くなると、低温側エレメントに硫酸腐食が発生することとなる。

さらに、空気予熱器３０は、空気バイパスダンパ４２の開度を制御する制御装置５０を備える。

制御装置５０は、空気予熱器３０の運転モードを、効率優先モード又はメンテナンス優先モードに設定し、設定した運転モードに応じた目標温度に排ガス出口温度センサ４８Ｇの検出値が達するように空気バイパスダンパ４２の開度を制御する。

効率優先モードは、排ガス出口温度Ｔｇの目標温度を、硫酸露点Ｔｅから所定値αを減算した温度以上、かつ硫酸露点Ｔｅ以下の範囲（Ｔｅ≧Ｔｇ≧Ｔｅ−α）とする。効率優先モードでは、空気予熱器３０の排ガス出口温度Ｔｇがより低くなるので、すなわち、燃焼用空気と排ガスとの熱交換量を多くすることで燃焼用空気の温度が上昇し、舶用ボイラ１０の効率がより高くなる。一方、メンテナンス優先モードは、排ガス出口温度Ｔｇの目標温度を、硫酸露点Ｔｅを超える範囲（Ｔｇ＞Ｔｅ）とする。メンテナンス優先モードでは、空気予熱器３０の排ガス出口温度Ｔｇが硫酸露点Ｔｅを超えるので、空気予熱器３０のエレメント３４の硫酸腐食を抑制し、エレメント３４の交換間隔を長くすることができる。

例えば、制御装置５０は、舶用ボイラ１０を搭載した船舶が一定速度で航行する場合等、相対的に高負荷で舶用ボイラ１０が運転される場合に効率優先モードを設定し、船舶が入港する場合等、相対的に低負荷で舶用ボイラ１０が運転される場合にメンテナンス優先モードを設定する。すなわち、制御装置５０は、舶用ボイラ１０の負荷が予め定められた所定値以上の場合に、効率優先モードを設定し、所定値未満の場合に、メンテナンス優先モードを設定する。
効率優先モードの目標温度の範囲の上限温度は、硫酸露点Ｔｅから所定値αを減算した温度以上であれば、硫酸露点Ｔｅ未満であってもよい。さらに、メンテナンス優先モードの上限温度は、排ガス入口温度Ｔｇ’未満であり、かつ硫酸露点Ｔｅ以上の所定値βである。

なお、空気予熱器３０の運転モードは、舶用ボイラ１０の負荷に応じて制御装置５０で設定されるだけでなく、管理者等によって手動で設定されてもよい。

また、制御装置５０は、効率優先モード又はメンテナンス優先モードに応じた目標温度を満たし、かつ舶用ボイラ１０の運転条件に応じて決定されるセットポイントＴｃに、空気入口温度Ｔａと排ガス出口温度Ｔｇの平均温度（以下、「低温端平均温度」という。）ＴＬが達するように、例えばＰＩＤ制御によって空気バイパスダンパ４２の開度を制御する。
低温端平均温度ＴＬは、制御装置５０に入力された空気入口温度Ｔａと排ガス出口温度Ｔｇとの平均値（ＴＬ＝（Ｔａ＋Ｔｇ）／２）であり、制御装置５０によって算出される。この低温端平均温度ＴＬは、例えば冬期に空気入口温度Ｔａが低下した場合のように、運転中の外乱に対するバックアップ制御の管理基準温度としても使用される。
セットポイントＴｃは、空気予熱器３０の性能を十分に発揮させるために設定されるものであって、例えば、低温端平均温度ＴＬがセットポイントＴｃよりも低いと、燃焼用空気を十分に予熱できない。

また、空気予熱器３０は、舶用ボイラ１０で使用される燃料、舶用ボイラ１０の運用状態、及び効率優先モード又はメンテナンス優先モードの設定結果により示される舶用ボイラ１０の運転条件に応じたセットポイントＴｃを示す運用データベースを記憶した記憶装置５２を備える。
舶用ボイラ１０で使用される燃料とは、重油、ＬＮＧ、及び重油とＬＮＧの混合燃料等であり、舶用ボイラ１０の運用状態とは、航行速度、及び舶用ボイラ１０の負荷等である。
制御装置５０は、舶用ボイラ１０の運転条件に対応したセットポイントＴｃを、記憶装置５２に記憶された運用データベースから読み出して設定する。

なお、制御装置５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。さらに、制御装置５０は、表示装置５４に各種処理結果等を表示（報知）させる。

図４は、本第１実施形態に係る制御装置５０によって実行される空気予熱制御プログラムの流れを示すフローチャートである。該プログラムは、制御装置５０が備えるＲＡＭ等の記憶手段に記憶され、舶用ボイラ１０の運転開始と共に開始され、舶用ボイラ１０の運転終了と共に終了される。

まず、ステップ１００では、効率優先モード又はメンテナンス優先モードに運転モードを設定する。運転モードは、舶用ボイラ１０の負荷に応じて制御装置５０によって自動的に設定さてもよいし、管理者によって手動で設定されてもよい。具体的には、自動で設定される場合、負荷が所定値以上の高負荷時では効率優先モードに設定され、負荷が所定値未満の低負荷時ではメンテナンス優先モードに設定される。

次のステップ１０２では、低温端平均温度ＴＬを算出する。

次のステップ１０４では、セットポイントＴｃを設定する。具体的には、制御装置５０は、舶用ボイラ１０で使用される燃料を示す使用燃料情報、舶用ボイラ１０の運用状態を示す運用情報、設定した運転モードを示す性能情報に応じたセットポイントＴｃを、記憶装置５２に記憶された運用データベースから読み出し、設定する。
なお、運転モードが効率優先モードに設定されている場合、セットポイントＴｃは、相対的に低い値に設定される。一方、運転モードがメンテナンス優先モードに設定されている場合、セットポイントＴｃは、相対的に高い値に設定される。

次のステップ１０６では、ステップ１０２で算出した低温端平均温度ＴＬとステップ１０４で設定したセットポイントＴｃとに基づいて、低温端平均温度ＴＬがセットポイントＴｃとなるように空気バイパスダンパ４２の開度を制御する。
運転モードが効率優先モードに設定されている場合、セットポイントＴｃは相対的に低い値に設定されるので、制御装置５０は、空気バイパスダンパ４２を閉じる方向に制御して、エレメント３４に流通する燃料用空気の流量をより多くして、排ガスとの熱交換量を多くし、低温端平均温度ＴＬを低くする。一方、運転モードがメンテナンス優先モードに設定されている場合、セットポイントＴｃは相対的に高い値に設定されるので、制御装置５０は、空気バイパスダンパ４２を開く方向に制御して、エレメント３４に流通する燃料用空気の流量をより少なくして、排ガスとの熱交換量を少なくし、低温端平均温度ＴＬを高くする。

次のステップ１０８では、空気バイパスダンパ４２の開度を制御した後の、低温端平均温度ＴＬを算出する。

次のステップ１１０では、低温端平均温度ＴＬがセットポイントＴｃ以上であるか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１１２へ移行し、否定判定の場合は、ステップ１０６へ戻り、低温端平均温度ＴＬがセットポイントＴｃ以上となるまで、ステップ１０６からステップ１１０の処理を繰り返す。

ステップ１１２では、排ガス出口温度センサ４８Ｇに排ガス出口温度Ｔｇを検出させる。なお、このとき、排ガス入口温度Ｔｇ’、空気入口温度Ｔａ、及び空気出口温度Ｔａ’の検出、並びに舶用ボイラ１０の効率の算出等を行い、セットポイントＴｃに応じた実測値として運用データベースへ入力してもよい。

次のステップ１１４では、設定した運転モードがメンテナンス優先モードであるか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１１６へ移行し、否定判定の場合、すなわち効率優先モードの場合は、ステップ１１８へ移行する。

ステップ１１６では、ステップ１１２で検出した排ガス出口温度Ｔｇが硫酸露点Ｔｅを超えるか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１２０へ移行し、否定判定の場合は、ステップ１０４へ戻る。
ステップ１１６で否定判定の場合は、メンテナンス優先モードであるにもかかわらず排ガス出口温度Ｔｇが硫酸露点Ｔｅよりも低いので、制御装置５０は、セットポイントＴｃを所定温度高く再設定し、空気バイパスダンパ４２の開度の制御を行う。

ステップ１１８では、ステップ１１２で検出した排ガス出口温度Ｔｇが硫酸露点Ｔｅから所定温度αを減算した温度範囲以上であるか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１２０へ移行し、否定判定の場合は、ステップ１０４へ戻る。
ステップ１１８で否定判定の場合は、排ガス出口温度Ｔｇが低すぎ、エレメント３４の硫酸腐食がより進行してしまうので、制御装置５０は、セットポイントＴｃを所定温度高く再設定し、空気バイパスダンパ４２の開度の制御を行う。

ステップ１２０では、運転モードを変更するか否かを判定し、肯定判定の場合は、ステップ１０４へ戻り、変更した運転モードに応じてセットポイントＴｃを再設定し、否定判定の場合は、ステップ１１４へ戻り、排ガス出口温度Ｔｇが運転モードに応じた温度であるか否かの判定を繰り返す。

なお、上述した空気予熱制御プログラムでは、排ガス出口温度Ｔｇが上限温度よりも高い場合の処理について省略しているが、排ガス出口温度Ｔｇが上限温度よりも高い場合には、セットポイントＴｃをより低く再設定し、空気バイパスダンパ４２の開度の制御を行う。

また、制御装置５０は、効率優先モード又はメンテナンス優先モードで運転した時間に基づいて、エレメント３４の交換時期を表示装置５４に報知させる。具体的には、効率優先モード又はメンテナンス優先モードで運転した時間を累積して記憶装置５２に記憶させ、累積した時間と低温側エレメントの寿命とを比較することで、低温側エレメントの交換予測時期を算出し、表示装置５４に表示させる。
これにより、管理者は、低温側エレメントの交換予測時期を把握できる。このため、例えば、管理者は、交換予測時期をより伸ばしたい場合、メンテナンス優先モードで空気予熱器３０を運転することができる一方、交換予測時期が当初予測していた時期よりも先である場合、効率優先モードで空気予熱器３０を運転することができる。また、効率優先モードとメンテナンス優先モードでの運転を組合わせることで、船舶が入港するタイミングに低温側エレメントの交換メンテナンスが実施できるようにすることができる。

以上説明したように、本第１実施形態に係る空気予熱器３０は、エレメント３４を流通する燃焼用空気の流量を調整する空気バイパスダンパ４２と、排ガス出口温度Ｔｇを検出する排ガス出口温度センサ４８Ｇと、排ガス出口温度Ｔｇの目標温度を硫酸露点Ｔｅから所定値αを減算した温度以上、かつ硫酸露点Ｔｅ以下の範囲とする効率優先モード、又は排ガス出口温度Ｔｇの目標温度を硫酸露点Ｔｅを超える範囲とするメンテナンス優先モードを設定し、設定した運転モードに応じた目標温度に排ガス出口温度センサ４８Ｇの検出値が達するように空気バイパスダンパ４２を制御する制御装置５０と、を備える。
このように、本第１実施形態に係る空気予熱器３０は、舶用ボイラ１０の効率をより高くできるメンテナンス優先モード、又はケーシング３２の硫酸腐食を抑制できる効率優先モードを設定し、設定した運転モードに応じた目標温度に排ガス出口温度Ｔｇが達するように空気バイパスダンパ４２を制御するので、舶用ボイラ１０の効率を向上させると共に、エレメント３４の硫酸腐食を抑制できる。

また、本第１実施形態に係る制御装置５０は、相対的に高負荷で舶用ボイラ１０が運転される場合に効率優先モードを設定し、相対的に低負荷で舶用ボイラ１０が運転される場合にメンテナンス優先モードを設定する。従って、本第１実施形態に係る制御装置５０は、空気予熱器３０の運転にあたり、より適正な運転モードの設定が可能となる。

また、本第１実施形態に係る制御装置５０は、効率優先モード又はメンテナンス優先モードに応じた目標温度を満たし、かつ舶用ボイラ１０の運転条件に応じて決定されるセットポイントＴｃに、低温端平均温度ＴＬが達するように空気バイパスダンパ４２を制御する。従って、本第１実施形態に係る制御装置５０は、運転モードにかかわらず、空気予熱器３０を最適な状態で運転できる。

また、本第１実施形態に係る空気予熱器３０は、舶用ボイラ１０で使用される燃料、舶用ボイラ１０の運用状態、及び効率優先モード又はメンテナンス優先モードの設定結果により示される舶用ボイラ１０の運転条件に応じたセットポイントＴｃを示す運用データベースを記憶した記憶装置５２を備え、制御装置５０は、舶用ボイラ１０の運転条件に対応したセットポイントＴｃを記憶装置５２に記憶された運用データベースから読み出して設定する。従って、本第１実施形態に係る制御装置５０は、セットポイントＴｃ及び運転モードに応じた排ガス出口温度Ｔｇの目標温度を簡易に設定できる。

また、本第１実施形態に係る制御装置５０は、効率優先モード又はメンテナンス優先モードで運転した時間に基づいて、エレメント３４の交換時期を表示装置５４に報知させる。従って、空気予熱器３０の管理者は、エレメント３４の適正な交換時期を容易に把握することができる。また、効率優先モードとメンテナンス優先モードでの運転を組合わせることで、船舶が入港するタイミングにメンテナンスが実施できるようにしながら、出来るだけ効率優先モードでの運転時間を長くする効率的な運用が可能となる。

また、本第１実施形態に係る空気バイパスダンパ４２は、燃焼用空気の一部をエレメント３４へ流通させることなく舶用ボイラ１０へ流通させる空気バイパス流路４０に設けられ、空気バイパス流路４０を流通する空気の流量を調整する。そして、制御装置５０は、空気バイパスダンパ４２の開度を制御し、空気バイパス流路４０を流通する空気の流量を変化させることで、エレメント３４を流通させる空気の流量を変化させる。従って、制御装置５０は、舶用ボイラ１０へ供給する空気の流量を保ったままで、簡易に燃焼ガス出口温度Ｔｇを変化させることができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。

なお、本第２実施形態に係る舶用ボイラ１０の構成は、図１に示す第１実施形態に係る舶用ボイラ１０の構成と同様であるので説明を省略する。

図５は、本第２実施形態に係る空気予熱器３０の構成を示す。なお、図５における図２と同一の構成部分については図２と同一の符号を付して、その説明を省略する。

本第２実施形態に係る空気予熱器３０は、空気バイパス流路４０を備える代わりに、熱交換された燃焼用空気の一部をエレメント３４から抽出し、抽出した燃焼用空気をエレメント３４を流通する前の燃焼用空気と混合させる空気循環流路６０を備える。なお、空気循環流路６０は、例えば、低温側エレメントと高温側エレメントとの境目から燃焼用空気を抽出する。図５では、空気循環流路６０は押込通風機３６の上流側に戻しているが、流量調整弁６２において圧力差を補償するファンを追加することで、押込通風機３６の下流に戻すこととしてもよい。

また、本第２実施形態に係る空気予熱器３０は、空気バイパスダンパ４２を備える代わりに、空気循環流路６０を流通する燃焼用空気の流量を調整する流量調整弁６２を備える。
そして、本第２実施形態に係る制御装置５０は、設定した運転モードに応じた目標温度に排ガス出口温度センサ４８Ｇの検出値が達するように流量調整弁６２の開度を制御する。

本第２実施形態に係る空気予熱器３０は、エレメント３４を流通させる燃焼用空気の温度を直接的に調整できるので、簡易に排ガス出口温度Ｔｇを変化させることができる。
また、空気予熱器３０の空気側には、上述した第１実施形態とは異なり、一定以上の流量の燃焼用空気がエレメント３４に常に供給されることとなる。従って、エレメント３４の局所的な温度分布が発生しにくく、この結果、局所的な硫酸腐食を抑制でき、エレメント３４の交換時期の把握がより精度良くなり、エレメント３４の管理が容易となる。

以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記各実施形態では、舶用ボイラ１０に備えられる空気予熱器３０の本発明を適用する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、舶用ボイラ１０以外のボイラに本発明を適用する形態としてもよい。

また、上記各実施形態では、空気予熱器３０を回転蓄熱式とする形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、排ガスと燃焼用空気とを熱交換する空気予熱器であれば、他の方式の空気予熱器であってもよい。また、舶用ボイラ１０だけではなく、発電用ボイラ、ディーゼル発電機や、燃料電池発電装置などに適用できる。

また、上記各実施形態では、エレメント３４の交換予測時期の報知を表示装置５４によって行う形態について説明したが、本発明は、エレメント３４の交換予測時期は、交換時期が近付いた場合に点灯する点灯装置、交換時期を音声により報知する音声出力装置、交換時期を紙媒体に表示する印刷装置等、他の装置で報知される形態としてもよい。

また、上記各実施形態で説明した空気予熱制御プログラムの処理の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。

１０舶用ボイラ
３０空気予熱器
３２ケーシング
３４エレメント
４０空気バイパス流路
４２空気バイパスダンパ
４８Ｇ排ガス出口温度センサ
５０制御装置
５２記憶装置
５４表示装置
６０空気循環流路
６２流量調整弁

Claims

ボイラに備えられ、酸化性ガス及び燃焼ガスが流通して熱交換させるエレメントがケーシング内に設けられた空気予熱器であって、
前記エレメントを流通する前記酸化性ガスの流量を調整する流量調整手段と、
前記燃焼ガスの出口温度を検出するガス出口温度検出手段と、
前記燃焼ガスの出口温度の目標温度を硫酸露点から所定値を減算した温度以上、かつ硫酸露点以下の範囲とする第１運転モード、又は前記燃焼ガスの出口温度の目標温度を硫酸露点を超える範囲とする第２運転モードを設定し、設定した運転モードに応じた前記目標温度に前記ガス出口温度検出手段の検出値が達するように前記流量調整手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする空気予熱器。
前記制御手段は、相対的に高負荷で前記ボイラが運転される場合に前記第１運転モードを設定し、相対的に低負荷で前記ボイラが運転される場合に前記第２運転モードを設定することを特徴とする請求項１記載の空気予熱器。
前記制御手段は、前記第１運転モード又は前記第２運転モードに応じた前記目標温度を満たし、かつ前記ボイラの運転条件に応じて決定されるセットポイントに、前記酸化性ガスの入口温度と前記燃焼ガスの出口温度の平均温度が達するように前記流量調整手段を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の空気予熱器。
前記ボイラで使用される燃料、前記ボイラの運用状態、及び前記第１運転モード又は前記第２運転モードの設定結果により示される前記ボイラの運転条件に応じたセットポイントを示すデータベースを記憶した記憶手段を備え、
前記制御手段は、前記ボイラの運転条件に対応した前記セットポイントを前記記憶手段に記憶されたデータベースから読み出して設定することを特徴とする請求項３記載の空気予熱器。
前記制御手段は、前記第１運転モード又は前記第２運転モードで運転した時間に基づいて、前記エレメントの交換時期を報知手段に報知させることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項記載の空気予熱器。
前記流量調整手段は、前記酸化性ガスの一部を前記エレメントへ流通させることなく前記ボイラへ流通させる空気バイパス流路に設けられ、該空気バイパス流路を流通する前記酸化性ガスの流量を調整することを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項記載の空気予熱器。
前記流量調整手段は、熱交換された前記酸化性ガスの一部を前記エレメントから抽出し、抽出した前記酸化性ガスを前記エレメントを流通する前の前記酸化性ガスと混合させる空気循環流路に設けられ、該空気循環流路を流通する前記酸化性ガスの流量を調整することを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項記載の空気予熱器。
ボイラに備えられ、酸化性ガス及び燃焼ガスが流通して熱交換させるエレメントがケーシング内に設けられた空気予熱器の制御方法であって、
前記燃焼ガスの出口温度の目標温度を硫酸露点から所定値を減算した温度以上、かつ硫酸露点以下の範囲とする第１運転モード、又は前記燃焼ガスの出口温度の目標温度を硫酸露点を超える範囲とする第２運転モードを運転モードとして設定する第１工程と、
設定した前記運転モードに応じた前記目標温度に前記燃焼ガスの出口温度が達するように、前記エレメントを流通する前記酸化性ガスの流量を調整する流量調整手段を制御する第２工程と、
を含む空気予熱器の制御方法。