JP5991359B2

JP5991359B2 - 蒸気過熱システム

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Publication number: JP5991359B2
Application number: JP2014198370A
Authority: JP
Inventors: 雅志後藤; 智浩大久保; 和弘上永; 宏之畑中; 雄門松本
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2034-09-29
Also published as: JP2016070554A

Description

本発明は、蒸気過熱システムに関する。

従来から、ボイラ等の蒸気発生装置によって発生させた飽和蒸気を蒸気過熱装置によって過熱し、負荷機器に過熱蒸気を供給する蒸気過熱システムが知られている。この種の蒸気過熱システムを開示するものとして、例えば特許文献１がある。特許文献１には、蒸気発生装置によって発生させた蒸気の乾き度に関するパラメータに基づいて蒸気過熱装置を制御し、蒸気の過熱度を所定の過熱度に制御する構成が開示されている。

特開２０１４−５５６９４号公報

蒸気過熱システムにおいて、複数の蒸気過熱装置を並列配置し、これらの蒸気過熱装置から供給される過熱蒸気を集合して負荷機器に供給する場合がある。このような蒸気過熱システムでは、負荷機器の要求負荷に応じて蒸気過熱装置の稼動台数を変更する台数制御を行いながら、負荷機器に必要な量の過熱蒸気を供給している。例えば、負荷機器に供給すべき過熱蒸気量が増えた場合は、過熱を行う蒸気過熱装置の台数を増やすことで、蒸気過熱システム全体で供給できる過熱蒸気量を増やして負荷機器に必要な過熱蒸気量を供給するのである。

しかし、複数の蒸気過熱装置を並列配置する蒸気過熱システムでは、システム稼動中に燃焼を行う蒸気過熱装置の台数を増やすと、負荷機器に供給される過熱蒸気の温度が一時的に低下するおそれがあった。燃焼を開始し始めた当初は、蒸気過熱装置の内部の温度が低い状態にあるため、飽和蒸気が十分な温度まで加熱されないまま蒸気過熱装置から排出されてしまい、蒸気過熱システム全体として負荷機器に供給する過熱蒸気の温度低下を招くおそれがあったのである。

本発明は、複数の蒸気過熱装置を備える蒸気過熱システムにおいて、過熱を行う蒸気過熱装置の台数を増加させるときに生じる温度低下を防止し、負荷機器に過熱蒸気を安定的に供給できる構成を提供することを目的とする。

本発明は、上流側が蒸気発生装置に接続されるメイン蒸気供給ライン及び該メイン蒸気供給ラインから分岐する複数の分岐蒸気供給ラインを有する蒸気供給ラインと、前記複数の分岐蒸気供給ラインの下流側にそれぞれ接続され、該分岐蒸気供給ラインから供給される飽和蒸気を過熱する複数の蒸気過熱装置と、前記複数の分岐蒸気供給ラインそれぞれに配置される複数の流量調整弁と、上流側が前記複数の分岐蒸気供給ラインそれぞれにおける前記流量調整弁の下流側に接続される複数のドレンラインと、前記複数のドレンラインに配置される複数のスチームトラップと、上流側がそれぞれ前記複数の蒸気過熱装置に接続され該蒸気過熱装置で過熱された過熱蒸気が流通する複数の過熱蒸気ライン及び該複数の過熱蒸気ラインの下流側が接続され該複数の過熱蒸気ラインを流通した過熱蒸気が集合される過熱蒸気集合ラインを有する過熱蒸気供給ラインと、前記複数の蒸気過熱装置を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、要求負荷に応じて過熱を行う蒸気過熱装置を設定する台数設定部と、前記台数設定部により過熱を行う蒸気過熱装置に設定されなかった蒸気過熱装置に接続される前記分岐蒸気供給ラインに配置された前記流量調整弁を閉止する弁制御部と、を備える蒸気過熱システムに関する。

前記制御部は、前記過熱を行う蒸気過熱装置に設定された蒸気過熱装置を制御する過熱制御部を更に備え、前記過熱制御部により過熱が開始された後に前記流量調整弁を開放することが好ましい。

本発明によれば、複数の蒸気過熱装置を備える蒸気過熱システムにおいて、過熱を行う蒸気過熱装置の台数を増加させるときに生じる温度低下を防止し、負荷機器に過熱蒸気を安定的に供給できる。

本発明の一実施形態である蒸気過熱システムを概略的に示した図である。台数制御部の構成を示すブロック図である。第１実施形態の燃焼開始時の燃料調整弁及び蒸気調整弁の開閉制御を概略的に示すタイミングチャートである。第２実施形態の燃焼開始時の燃料調整弁及び蒸気調整弁の開閉制御を概略的に示すタイミングチャートである。

以下、本発明の蒸気過熱システムの好ましい各実施形態について、図面を参照しながら説明する。第１実施形態の蒸気過熱システム１は、蒸気発生装置としてのボイラから供給される飽和蒸気を過熱し、負荷機器に供給するシステムである。なお、本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。

図１に示すように、本実施形態の蒸気過熱システム１は、複数のヒータ２０と、蒸気供給ライン１０と、燃料供給ライン３０と、過熱蒸気供給ライン４０と、過熱蒸気ヘッダ４３と、ヘッダ圧力センサ５２と、ヘッダ温度センサ５３と、台数制御部６０と、を備える。次に、蒸気過熱システム１の各構成について説明する。

ヒータ２０は、飽和蒸気を過熱して過熱蒸気を生成するものであり、本実施形態の蒸気過熱システム１では、複数のヒータ２０が並列配置される。各ヒータ２０は、ガス焚きの燃焼バーナ方式の蒸気過熱装置であり、これらのヒータ２０で過熱された過熱蒸気が集合されて負荷機器（図示省略）に供給される。

ヒータ２０の構成について説明する。本実施形態のヒータ２０は、筐体２５と、蒸気流通パイプ２６と、バーナ（図示省略）と、ヒータ制御部２１と、を備える。

筐体２５は、その内部に蒸気流通パイプ２６やバーナ等を収容する。蒸気流通パイプ２６は、筐体２５の内部にらせん状に形成されている。バーナは、筐体２５の上部であって、らせん状に形成される蒸気流通パイプ２６の内側の領域に配置される。また、バーナは、パイロットバーナ及びメインバーナによって構成されている。本実施形態では、蒸気流通パイプ２６の内側の領域（燃焼室）をプレパージするプレパージ工程、パイロットバーナを着火する着火トライ工程、パイロットバーナのみを燃焼させるパイロットオンリー工程、メインバーナを点火するメイントライ工程等を経て燃焼が開始される（図３参照）。バーナの燃焼によって蒸気流通パイプ２６を通過する飽和蒸気が過熱されて過熱蒸気が生成される。

ヒータ制御部２１は、着火や燃焼等に関するバーナの制御や燃焼停止をヒータ２０ごとに行う。本実施形態の各ヒータ２０のヒータ制御部２１は、後述する台数制御部６０に電気的にそれぞれ接続されている。ヒータ制御部２１は、台数制御部６０からの信号に基づいてそれぞれのヒータ２０の燃焼制御を開始する。また、台数制御部６０からの信号に基づいて蒸気調整弁１４の開閉等も行う。

蒸気供給ライン１０は、飽和蒸気をヒータ２０に供給する供給経路である。本実施形態の蒸気供給ライン１０は、メイン蒸気供給ライン１１と、該メイン蒸気供給ライン１１から分岐する複数の分岐蒸気供給ライン１２と、を備える。

メイン蒸気供給ライン１１は、蒸気発生装置としてのボイラ（図示省略）に接続されている。本実施形態のメイン蒸気供給ライン１１は、ボイラで生成された飽和蒸気が集合する飽和蒸気ヘッダ（図示省略）を介してボイラに接続されている。飽和蒸気ヘッダに集合した飽和蒸気は、このメイン蒸気供給ライン１１を通じて複数に分岐する分岐蒸気供給ライン１２にそれぞれ送られる。

分岐蒸気供給ライン１２は、その上流側の端部がメイン蒸気供給ライン１１に接続されるとともに、その下流側の端部がヒータ２０の蒸気流通パイプ２６の上流側端部に接続される。分岐蒸気供給ライン１２は、ヒータ２０の台数に応じて複数分岐している。メイン蒸気供給ライン１１を通じて送られた飽和蒸気は、分岐蒸気供給ライン１２を通じて各ヒータ２０に供給される。

また、本実施形態の分岐蒸気供給ライン１２には、蒸気流量計１３と、蒸気調整弁１４と、ドレンライン１５と、スチームトラップ１６と、が設けられる。

蒸気流量計１３は、分岐蒸気供給ライン１２のそれぞれに配置され、分岐蒸気供給ライン１２を流れる蒸気の流量を測定する。蒸気流量計１３の測定情報は、ヒータ制御部２１に送信される。

蒸気調整弁１４は、分岐蒸気供給ライン１２における蒸気流量計１３の下流側にそれぞれ配置される。蒸気調整弁１４は、分岐蒸気供給ライン１２を流れる蒸気の流量を調整可能に構成される電動式の流量調整弁である。

ドレンライン１５は、その上流側の端部が分岐蒸気供給ライン１２における蒸気調整弁１４の下流側にそれぞれ接続される。

スチームトラップ１６は、ドレンライン１５のそれぞれに配置される。ドレンは、スチームトラップ１６で分離され、回収される。

燃料供給ライン３０は、燃料ガスをヒータ２０に供給する燃料ガス供給経路である。本実施形態の燃料供給ライン３０は、メイン燃料供給ライン３１と、該メイン燃料供給ライン３１から分岐する複数の分岐燃料供給ライン３２と、を備える。

メイン燃料供給ライン３１は、その上流側の端部が燃料ガス供給源（図示省略）に接続される。燃料ガス供給源から供給された燃料ガスは、メイン燃料供給ライン３１を通じて複数に分岐する分岐燃料供給ライン３２にそれぞれ送られる。

分岐燃料供給ライン３２は、その上流側の端部がメイン燃料供給ライン３１に接続されるとともに、その下流側の端部がヒータ２０に接続される。分岐燃料供給ライン３２は、ヒータ２０の台数に応じて複数分岐している。メイン燃料供給ライン３１を通じて送られた燃料ガスは、分岐燃料供給ライン３２を通じて各ヒータ２０に供給される。

また、本実施形態の分岐燃料供給ライン３２には、燃料調整弁３３が設けられる。燃料調整弁３３は、分岐燃料供給ライン３２を流れる燃料ガスの流量を調整可能に構成される電動弁である。

過熱蒸気供給ライン４０は、ヒータ２０によって過熱された過熱蒸気を負荷機器に供給するための供給経路である。本実施形態の過熱蒸気供給ライン４０は、複数の過熱蒸気ライン４１と、該過熱蒸気ライン４１が接続される過熱蒸気集合ライン４２と、を備える。

過熱蒸気ライン４１は、その上流側の端部がヒータ２０の蒸気流通パイプ２６の下流側の端部に接続される。また、過熱蒸気ライン４１の下流側の端部は、過熱蒸気集合ライン４２に接続される。ヒータ２０で過熱された過熱蒸気は、この過熱蒸気ライン４１を通じて過熱蒸気集合ライン４２に送られる。また、過熱蒸気ライン４１には、逆止弁等が配置されておらず、過熱蒸気が双方向に移動可能になっている。

また、本実施形態の過熱蒸気ライン４１には、過熱蒸気温度センサ５１が設けられる。過熱蒸気温度センサ５１は、過熱蒸気ライン４１のそれぞれに配置され、ヒータ２０によって過熱された過熱蒸気の温度を測定する。過熱蒸気温度センサ５１の測定情報は、ヒータ制御部２１に送信される。

過熱蒸気集合ライン４２は、その下流側の端部が過熱蒸気ヘッダ４３に接続される。また、過熱蒸気集合ライン４２についても、逆止弁等が配置されておらず、過熱蒸気が双方向に移動可能になっている。

過熱蒸気ヘッダ４３は、過熱蒸気供給ライン４０を通じて各ヒータ２０で過熱された過熱蒸気を集合し、負荷機器（図示省略）に供給する。

ヘッダ圧力センサ５２は、過熱蒸気ヘッダ４３の内部の圧力を測定する。ヘッダ温度センサ５３は、過熱蒸気ヘッダ４３の内部の温度を測定する。これらの測定情報は、台数制御部６０に送信される。

次に、複数のヒータ２０を制御する蒸気過熱システム１の制御部としての台数制御部６０について説明する。図２は、台数制御部６０の構成を示すブロック図である。図２に示すように、台数制御部６０は、台数設定部６１と、過熱制御部６２と、弁制御部６３と、を備える。

台数設定部６１は、要求負荷に応じて過熱を行うヒータ２０を設定する。より具体的には、本実施形態の台数設定部６１は、ヘッダ圧力センサ５２によって取得される過熱蒸気ヘッダ４３の内部の圧力に基づいて負荷機器が必要としている必要蒸気量を算出し、この必要蒸気量に基づいて燃焼（過熱）を行う燃焼対象のヒータ２０の台数を設定する。台数設定部６１は、ヘッダ圧力センサ５２の測定情報を監視し、必要蒸気量が変更された場合は、変更された必要蒸気量に応じて燃焼を行う対象のヒータ２０の台数を再設定する。また、台数設定部６１は、設定された台数に基づいて稼動させるヒータ２０を決定する。

過熱制御部６２は、台数設定部６１によって燃焼対象に設定されたヒータ２０のヒータ制御部２１に燃焼を許可する信号を送信する。過熱制御部６２から燃焼を許可する信号を受信したヒータ制御部２１は、ヒータ２０の燃焼制御を開始する。このように、過熱制御部６２によって、各ヒータ２０の燃焼制御を行うか否かが制御されている。燃焼制御を行う対象となったヒータ２０のヒータ制御部２１は、燃焼制御を行うとともに、蒸気流量計１３及び過熱蒸気温度センサ５１の測定情報を適宜のタイミングで取得し、これらの測定情報等に基づいて蒸気調整弁１４及び燃料調整弁３３を制御する。例えば、蒸気流量が所定流量よりも下がったことを蒸気流量計１３の測定情報から検知した場合は、蒸気調整弁１４及び燃料調整弁３３を閉止し、燃焼制御を停止するような制御を行う。

弁制御部６３は、台数設定部６１によって燃焼対象に設定されなかった燃焼停止対象のヒータ２０のヒータ制御部２１に蒸気調整弁１４を閉止する信号を送信する。弁制御部６３から蒸気調整弁１４を閉止する信号を受信したヒータ制御部２１は、当該ヒータ２０に接続される分岐蒸気供給ライン１２に配置される蒸気調整弁１４を閉じる。これによって、過熱を行う対象に設定されなかったヒータ２０に接続される分岐蒸気供給ライン１２の流路が閉塞され、過熱を行わないヒータ２０（燃焼停止対象のヒータ２０）には飽和蒸気が供給されなくなる。

次に、各ヒータ２０に供給される飽和蒸気の流れと、各ヒータ２０から負荷機器に供給される過熱蒸気の流れについて説明する。燃焼対象に設定されたヒータ２０に接続される蒸気調整弁１４は、開状態に制御され、飽和蒸気が分岐蒸気供給ライン１２を通じてヒータ２０に供給される。ヒータ２０に供給された飽和蒸気は、蒸気流通パイプ２６を通過する過程でバーナの燃焼によって過熱され、過熱蒸気として過熱蒸気ライン４１に送られる。過熱蒸気ライン４１に送られた過熱蒸気は、過熱蒸気集合ライン４２で集合され、過熱蒸気ヘッダ４３を介して負荷機器に供給される。

一方、燃焼停止対象となったヒータ２０は、弁制御部６３からの制御信号により、蒸気調整弁１４が閉状態に制御されるので、飽和蒸気が当該ヒータ２０の内部に供給されなくなる。上述のように、過熱蒸気ライン４１及び過熱蒸気集合ライン４２は、過熱蒸気が双方向に移動可能に構成されているので、他の燃焼対象のヒータ２０から継続して過熱蒸気集合ライン４２に排出されている過熱蒸気の一部は、燃焼停止対象のヒータ２０に接続される過熱蒸気ライン４１を逆流して該燃焼停止対象のヒータ２０（蒸気流通パイプ２６）に流れ込む。このように、過熱蒸気を燃焼停止対象のヒータ２０に引き込むことにより、引き込まれた過熱蒸気によって蒸気流通パイプ２６を加熱することができ、ヒータ２０の内部の温度を飽和温度以上に維持することが可能になっている。過熱蒸気がヒータ２０に流れ込むことによって生じるドレンは、該ヒータ２０に接続される分岐蒸気供給ライン１２を経てドレンライン１５のスチームトラップ１６によって分離され、回収される。

また、燃焼停止対象のヒータ２０への飽和蒸気の供給を停止することにより、過熱されていない状態の飽和蒸気が過熱蒸気ライン４１に排出されないので、過熱されていない飽和蒸気が過熱蒸気に混合されることで生じる過熱蒸気の温度低下も確実に防止できる。

次に、新たに燃焼対象となったヒータ２０における燃料調整弁３３及び蒸気調整弁１４の制御について説明する。図３は、第１実施形態の燃焼開始時の燃料調整弁３３及び蒸気調整弁１４の開閉制御を概略的に示すタイミングチャートである。

過熱制御部６２から燃焼を許可する信号を受信したヒータ制御部２１は、燃焼制御を開始する。上述のように、第１実施形態のヒータ２０は、プレパージ工程、着火トライ工程、パイロットオンリー工程、メイントライ工程を経て燃焼を行う。図３に示すように、ヒータ制御部２１は、パイロットオンリー工程が終了した時点で燃料調整弁３３を開状態にし、燃料ガスをヒータ２０に導入させる。次に、メイントライ工程でメインバーナの点火が行われ、燃焼が開始される。ヒータ制御部２１は、この燃焼開始から所定時間ｔ秒（例えば３秒）経過後に蒸気調整弁１４を開状態にする。

このように、本実施形態では、燃焼開始後に飽和蒸気が供給されるため、プレパージで過熱を行う対象の飽和蒸気が冷却されない。また、蒸気流通パイプ２６には、上述の通り過熱蒸気が逆流しているので、ヒータ２０の温度低下が防止されており、スムーズに過熱蒸気を所定温度まで上昇させることができる。

以上説明した第１実施形態の蒸気過熱システム１によれば、以下のような効果を奏する。

本実施形態の蒸気過熱システム１は、複数の分岐蒸気供給ライン１２の下流側にそれぞれ接続される複数のヒータ２０と、蒸気調整弁１４と、ドレンライン１５と、スチームトラップ１６と、上流側がそれぞれ複数のヒータ２０に接続される複数の過熱蒸気ライン４１と、過熱蒸気ライン４１が接続される過熱蒸気集合ライン４２と、台数制御部６０と、を備える。台数制御部６０が備える弁制御部６３は、台数設定部６１により過熱を行うヒータ２０に設定されなかったヒータ２０に接続される分岐蒸気供給ライン１２に配置された蒸気調整弁１４を閉止する制御を行う。

これにより、燃焼対象のヒータ２０から排出された過熱蒸気が、燃焼停止対象となったヒータ２０に接続される過熱蒸気ライン４１を逆流して該ヒータ２０の内部に取り込まれるので、過熱蒸気によって燃料停止対象となったヒータ２０の内部の温度低下が防止される。従って、当該ヒータ２０が燃焼対象となった場合でも、ヒータ２０の内部の温度が維持されているので、飽和蒸気の温度を過熱蒸気の所定温度まで速やかに上昇させることができる。また、過熱蒸気がヒータ２０に逆流することで生じるドレンは、ドレンライン１５の配置されるスチームトラップ１６に回収されるので、ドレンがヒータ２０の内部で溜まるような事態も確実に防止できる。

また、過熱制御部６２により燃焼（過熱）が開始された所定時間経過後に蒸気調整弁１４を開放する制御を行う。これにより、プレパージの後にヒータ２０に飽和蒸気が供給されるので、燃焼開始前の飽和蒸気がプレパージで冷却される事態を確実に防止できる。

次に、第２実施形態の蒸気過熱システムについて説明する。図４は、第２実施形態の燃焼開始時の燃料調整弁３３及び蒸気調整弁１４の開閉制御を概略的に示すタイミングチャートである。第２実施形態の蒸気過熱システムは、蒸気過熱装置として、油焚きの燃焼バーナ方式のヒータ２０を採用しており、供給される燃料や、それに関わる設備が異なっている。なお、第１実施形態の蒸気過熱システム１と同様の構成についてはその説明を省略する場合がある。

第２実施形態では、プレパージ工程、プレイグニッション工程、着火トライ工程を経て燃焼が開始される。図４に示すように、プレパージ、プレイグニッション（着火が開始されてから燃料が供給されるまでの期間）が終了すると、着火トライ工程において、燃料調整弁３３を開状態にして燃料である油をヒータ２０に導入する。着火トライ工程における燃料導入後にバーナの燃焼が開始される。燃焼開始から所定時間ｔ秒経過後に、ヒータ制御部２１によって蒸気調整弁１４が開状態に制御される。このように、第２実施形態の蒸気過熱システムにおいても、プレパージ工程で飽和蒸気が冷却されることなく、過熱蒸気を所定の温度までスムーズに上昇させることができる。

以上、本発明の蒸気過熱装置の好ましい各実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、バーナ方式のヒータ２０に替えてハロゲンランプ等の別の手段で過熱を行う構成とすることもできる。また、上記実施形態では、燃焼開始から所定時間経過後に蒸気調整弁１４を開状態にする制御が行われているが、燃焼開始とほぼ同時に蒸気調整弁１４を開状態にする制御に変更することもできる。いずれの場合でも、プレパージ後に飽和蒸気が供給されるので、プレパージによって飽和蒸気が冷却されることがない。また、ヒータ制御部２１が過熱制御部６２や弁制御部６３等の機能を兼ねる構成とすることもできる。

１蒸気過熱システム
１０蒸気供給ライン
１１メイン蒸気供給ライン
１２分岐蒸気供給ライン
１４蒸気調整弁（流量調整弁）
１５ドレンライン
１６スチームトラップ
２０ヒータ（蒸気過熱装置）
４０過熱蒸気供給ライン
４１過熱蒸気ライン
４２過熱蒸気集合ライン
６０台数制御部（制御部）
６１台数設定部
６２過熱制御部
６３弁制御部

Claims

上流側が蒸気発生装置に接続されるメイン蒸気供給ライン及び該メイン蒸気供給ラインから分岐する複数の分岐蒸気供給ラインを有する蒸気供給ラインと、
前記複数の分岐蒸気供給ラインの下流側にそれぞれ接続され、該分岐蒸気供給ラインから供給される飽和蒸気を過熱する複数の蒸気過熱装置と、
前記複数の分岐蒸気供給ラインそれぞれに配置される複数の流量調整弁と、
上流側が前記複数の分岐蒸気供給ラインそれぞれにおける前記流量調整弁の下流側に接続される複数のドレンラインと、
前記複数のドレンラインに配置される複数のスチームトラップと、
上流側がそれぞれ前記複数の蒸気過熱装置に接続され該蒸気過熱装置で過熱された過熱蒸気が流通する複数の過熱蒸気ライン及び該複数の過熱蒸気ラインの下流側が接続され該複数の過熱蒸気ラインを流通した過熱蒸気が集合される過熱蒸気集合ラインを有する過熱蒸気供給ラインと、
前記複数の蒸気過熱装置を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
要求負荷に応じて過熱を行う蒸気過熱装置を設定する台数設定部と、
前記台数設定部により過熱を行う蒸気過熱装置に設定されなかった蒸気過熱装置に接続される前記分岐蒸気供給ラインに配置された前記流量調整弁を閉止する弁制御部と、を備える蒸気過熱システム。
前記制御部は、前記過熱を行う蒸気過熱装置に設定された蒸気過熱装置を制御する過熱制御部を更に備え、
前記過熱制御部により過熱が開始された後に前記流量調整弁を開放する請求項１に記載の蒸気過熱システム。