JP6000072B2 - 給水予熱装置を持ったボイラ及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラから排出している燃焼排ガスの熱を利用して、ボイラ給水の予熱を行う給水予熱装置を持ったボイラ及びその運転方法に関するものである。

特許２９１１０１４号公報にもあるように、燃焼炉内や煙道内に設置した伝熱管内を流れるボイラ水を、伝熱管の外側から加熱するボイラがある。このようなボイラでは、燃焼炉で伝熱管を加熱することで温度の低下した燃焼排ガスを通す排ガス通路に給水予熱装置を設け、燃焼排ガスによってボイラ給水を予熱することにより、ボイラの効率を向上させることが広く行われている。給水予熱装置では、排ガス通路内の燃焼排ガスと、排ガス通路内に設けた伝熱管内を流れるボイラ給水との間で熱交換を行っており、伝熱管が燃焼排ガスから吸収する熱量が多くなるほど給水の温度を上昇させることができ、ボイラの効率は向上する。ボイラでの排ガス出口位置が比較的高い場所にある場合、給水予熱装置は下部で折り返した構造とし、排ガス流が下降する部分に伝熱管を設置する構造にすると、機能的にもスペース的にも都合がよい。

特許２９１１０１４号公報の特許には、燃焼ガスの熱によって伝熱管を加熱しているボイラでは、伝熱管表面に不燃物や粉塵などが付着し、熱交換効率が著しく低下するため、一定の期間ごとに伝熱管の汚れを清掃する必要があるということの記載がある。そして伝熱管での汚れは、炉内圧力値に基づいて判定するようにしている。つまり、伝熱管表面に煤などの不燃物が付着すると、伝熱管群での燃焼排ガスが流れる流路面積が縮小することで燃焼排ガス流の抵抗が増大し、炉内圧力が上昇するために炉内圧力値を検出している。ただし、伝熱面表面に不燃物が付着することによる炉圧の上昇は、長い期間を掛けて徐々に上昇するものであり、伝熱管の洗浄はそれよりもはるかに短い間隔で行っている。そのため、伝熱管洗浄を適切に行っていると、炉圧に基づいて伝熱管の汚れを検出する機会はあまり発生しない。

伝熱管の洗浄は、給水予熱装置の伝熱管を設置している部分の上方に伝熱管用洗浄水噴射部を設置し、伝熱管用洗浄水噴射部から伝熱管へ向けて洗浄水を噴射することで行う。また、伝熱管の洗浄時には洗浄排水が発生するため、給水予熱装置の底部にドレン排出口とドレン排出管を設けておき、洗浄排水はドレン排出口からドレン排水管を通して外部へ排出する。ドレン排水管は、伝熱管の洗浄を行っていないときに流路が開いていると、排ガス通路内を流れる燃焼排ガスが漏れ出るために通常は閉鎖しておき、伝熱管の洗浄時のみ開くようにしている。

ところで排ガス通路は、燃焼排ガスを戸外へ排出するものであるため、当然先端は戸外へ開放されている。排ガス通路先端では雨が入りにくい構造としているが、まれに雨が吹き込むなどにより水が排ガス通路内に入り込むことがある。給水予熱装置は排ガス通路の最下部に設置することため、図１に記載しているように排ガス通路内に入り込んだ水は給水予熱装置底部の排ガス通路部分にたまることになる。

給水予熱装置内の排ガス通路部分に水がたまると、給水予熱装置での燃焼排ガスの流路面積が縮小する。流路面積が縮小すれば、燃焼排ガスが流れる際には抵抗となり、燃焼排ガスが流れにくくなる。すると、ボイラでは燃焼排ガスが抜けないために炉圧が上昇し、炉圧が高まると燃焼用空気がボイラ内に入り難くなる。燃焼用空気の供給量は、正常時の炉圧において最適となるように設定しているため、想定の炉圧よりも高くなって所定量の燃焼用空気を供給することができなくなると、燃焼状態が変化して振動燃焼や燃焼時に有害な物質を多く発生することがあった。ボイラが正常な燃焼を行えなくなると、ボイラは運転を停止させなければならないため、ボイラの異常停止によって蒸気供給が不足し、工場の操業に影響を与えることもあるという問題があった。

特許２９１１０１４号公報

本発明が解決しようとする課題は、給水予熱装置内の底部に水がたまるといったことでボイラでの燃焼状態が悪化することを防止し、可能な限り適正な運転を行わせ続けることのできる給水予熱装置を持ったボイラを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、ボイラからの燃焼排ガスを通す排ガス通路内に、ボイラへの給水を通す伝熱管を設けており、燃焼排ガスによって伝熱管を加熱することでボイラへの給水を予熱する給水予熱装置を持ったボイラであって、給水予熱装置内の燃焼排ガスを通す排ガス通路部分には、排ガス通路部分にたまった水を排出するドレン排出口及びドレン排水管を設け、さらに排ガス通路内を流れる燃焼排ガス流の圧力を検出する圧力検出装置を設けておき、排ガス通路での圧力損失増加を前記圧力検出装置で検出した場合には、異常発生の報知を行うとともに、給水予熱装置内の水を排出する制御を行うものであることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記の給水予熱装置を持ったボイラにおいて、ドレン排出管の洗浄を行う洗浄装置を設けておき、圧力損失増加によって給水予熱装置の排ガス通路部分からの排水を行っても圧力検出装置にて検出している圧力が下がらなかった場合、ドレン排出管を洗浄する制御を行うものであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記の給水予熱装置を持ったボイラにおいて、圧力損失増加によって給水予熱装置の排ガス通路部分からの排水を行っても圧力検出装置にて検出している圧力が下がらなかった場合、ボイラの燃焼量を低く抑える制御を行うものであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、ボイラからの燃焼排ガスを通す排ガス通路内に、ボイラへの給水を通す伝熱管を設けており、燃焼排ガスによって伝熱管を加熱することでボイラへの給水を予熱する給水予熱装置を持ったボイラであって、給水予熱装置内の燃焼排ガスを通す排ガス通路部分には排ガス通路部分にたまった水を排出するドレン排出口及びドレン排水管を設け、さらに排ガス通路を流れる燃焼排ガス流の圧力を検出する圧力検出装置を設けておき、排ガス通路での圧力損失増加を前記圧力検出装置で検出した場合には、給水予熱装置内底部の水を排出する操作を行うことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記の給水予熱装置を持ったボイラの運転方法において、
ボイラにはドレン排出管の洗浄を行う洗浄装置を設けておき、圧力損失増加によって給水予熱装置の排ガス通路部分からの排水操作を行っても圧力検出装置にて検出している圧力が下がらなかった場合、ドレン排出管を洗浄する操作を行うものであることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、前記の給水予熱装置を持ったボイラの運転方法において、圧力損失増加によって給水予熱装置の排ガス通路部分からの排水を行っても圧力検出装置にて検出している圧力が下がらなかった場合、ボイラの燃焼量を低く抑える操作を行うものであることを特徴とする。

本発明を実施することによって、給水予熱装置の底部に水がたまることで燃焼排ガスの流路が狭まったとしても、可能な限りボイラを適正な状態で運転し続けることができるようになる。

本発明の一実施例でのフロー図 本発明の他の実施例でのフロー図

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施しているボイラのフロー図、図２は他の実施例でのボイラのフロー図である。ボイラ１では、燃焼には大量の空気が必要であり、またボイラ内部の燃焼室内では燃焼を行うことによって炉圧が上昇するために圧力の高い箇所へ空気を送り込むことが必要となる。そのため送風機を設置しておき、送風機によって圧力を高めた空気を供給している。送風機による燃焼用空気の供給は、燃焼時の炉圧を考慮した上で燃焼量に応じた最適な風量に設定しておく。近年のボイラでは、小さなスペースで高負荷燃焼を行うようになっており、単に燃焼に必要な量の空気を送ればよいというわけではなく、ＣＯやＮＯｘなどの有害物質発生量を低く保ちながら高い効率を得るため、精密な空気供給量制御を行っている。

ボイラでは、燃焼によって発生した高温ガスによってボイラ水を加熱し、蒸気を発生する。ボイラ水と熱交換を行うことで温度の低下した燃焼排ガスは、燃焼室とつながっている排ガス通路２を通して排出する。しかしこの燃焼排ガスは、ボイラへの給水温度に比べると十分高温であるため、排ガス通路２の途中に給水予熱装置７を設け、排出している燃焼排ガスによって給水の予熱を行う。給水予熱装置７内には水平方向に伸びる伝熱管３を多数設けており、燃焼排ガスは給水予熱装置７内の伝熱管３の間を下向きに流れ、給水予熱装置７内下部でターンさせて上部より取り出す構成とする。給水予熱装置７内の伝熱管は連結することで給水流路を形成しており、給水予熱装置内への給水は、伝熱管群の最下段の伝熱管より行う。給水予熱装置内でのボイラ用水流は下部の伝熱管から順次通り、加熱されながら最上段の伝熱管まで達し、図示していないが予熱したボイラ用水は給水予熱装置から取り出されて、ボイラ１内へ給水される。給水予熱装置７の伝熱管外側表面には、熱吸収用フィンを多数設ける。熱吸収用フィンは、伝熱管の表面から周方向に全周に設けており、熱吸収用フィンを設置することで燃焼ガスと接触する面積を大きくすることができるため、伝熱管での熱吸収量を大きくすることができる。

ボイラから給水予熱装置７部分に達した燃焼排ガスは、給水予熱装置の伝熱管３と熱交換を行う。伝熱管３では、熱吸収用フィンによって燃焼排ガスと接触する面積を大きくしているため、大きな伝熱面によって燃焼排ガスの熱を吸収し、伝熱管内を流れるボイラ給水を加熱する。燃焼排ガスは伝熱管を加熱しながら下部へ向けて流れており、伝熱管を加熱することで温度が徐々に低下していく。

伝熱管３は燃焼排ガスに含まれている煤などが付着すると、熱の伝達効率が低下するため、伝熱管３に対して洗浄水を噴射する洗浄装置を設けておき、定期的洗浄を行うようにしている。伝熱管の洗浄装置は、ボイラのブロー水を伝熱管の上部から噴射するものであり、伝熱管３を設置している部分の上方に伝熱管用洗浄水噴射部９を設置する。そして給水予熱装置７の底部には、洗浄時に発生する洗浄排水を排出するため、ドレン排出口６とドレン排水管５を設けておく。ドレン排水管５に設けている排水弁１１は通常は閉じておき、伝熱管３の洗浄時には排水弁１１を開くことで洗浄水はドレン排出口６からドレン排水管５を通して外部へ排出する。給水予熱装置７の底部に設けているドレン排出口６の真上にも、排出口用洗浄水噴射部１０を設置し、ドレン排出口６の真上からドレン排出口６へ向けて洗浄水を噴射することができるようにしている。

排ガス通路２には圧力検出装置４を設けておく。圧力検出装置４は、給水予熱装置７の底部にある燃焼排ガスターン部での圧力損失増大を検出するためのものである。給水予熱装置７で圧力損失が増大すると、給水予熱装置の一次側における排ガス通路２で圧力が上昇する。そのため、図１での圧力検出装置４は、給水予熱装置より上流側の排ガス通路２で圧力を検出するようにしており、排ガス通路２での圧力上昇を検出することで、圧力損失の増大を検出する。圧力検出装置４で検出した圧力値は、ボイラの運転を制御している運転制御装置８へ出力する。

また、圧力検出装置４は排ガス通路２での圧力を直接検出するものであってもよいが、給水予熱装置での圧力損失を検出するのであれば、給水予熱装置７の一次側と二次側での差圧を検出するものであってもよい。図２の実施例では、圧力検出装置４は、給水予熱装置７の入口側と出口側に圧力検出用の配管を接続しており、両者の差圧を検出するようにしている。給水予熱装置７での圧力損失変化を検出する場合は、給水予熱装置前後での差圧を検出する方がより明確に現れる。この場合も圧力検出装置４で検出した圧力値は、ボイラの運転を制御している運転制御装置８へ出力する。

排ガス通路２は戸外に開放しているものであり、排ガス通路２の先端は雨が入りにくいような構造となっている。しかし、雨が排ガス通路２に入り込んだ場合、雨は排ガス通路２を下方へ流れていくため、排ガス通路２の底部に設けている給水予熱装置７内に入り、給水予熱装置７の底部にたまる。給水予熱装置の底部には、伝熱管３の洗浄時に発生する洗浄排水を排水するためにドレン排水管５を接続しているが、通常時は閉じているため伝熱管３から漏れ出たボイラ給水は給水予熱装置の底部にたまることになる。そして、給水予熱装置底部にたまっている水の水位が高くなると、水が給水予熱装置底部での排ガス通路をふさいでいくことになり、排ガスの流路面積は縮小していく。

排ガス通路の流路断面積が縮小すると、燃焼排ガスが通過する際の抵抗が増大し、燃焼排ガスを排出しにくくなるため、給水予熱装置７よりも上流側の排ガス通路２では圧力が上昇する。圧力検出装置４において給水予熱装置上流側における排ガス通路での圧力上昇の情報、つまり給水予熱装置７での圧力損失増大を検出するための情報は運転制御装置８へ送る。圧力損失増大の情報を受けた運転制御装置８では、圧力上昇の異常を報知し、ドレン排水管５の排水弁を開くことで給水予熱装置７内にたまった水を排出する。圧力損失増大を報知する方法としては、異常表示灯を点灯させることや、表示装置に文字にて表示させるなどで行うことができる。給水予熱装置７からの排水は、運転制御装置８によって自動で行うようにしてもよく、運転制御装置での異常報知を確認して手動により行うようにしてもよい。排水弁１１を開くことで給水予熱装置７内の水がなくなり、排ガス流路の面積が拡大すると、燃焼排ガスはスムーズに流れるようになるため、ボイラの炉圧は低くなる。

また、ドレン排出口６やドレン排水管５に詰まりが発生していた場合、排水弁１１を開いても排水を行うことができない。給水予熱装置７の伝熱管３を洗浄した際には、伝熱管３に付着していた煤が流れ落ち、煤がドレン排水管５を詰まらせることがあるため、ドレン排水管５が詰まっていれば排水弁１１を開いても給水予熱装置底部の水位は低下しない。ドレン排出口６やドレン排水管５の詰まりに対しては、排出口用洗浄水噴射部１０からドレン排出口６へ洗浄水を噴射することで解消する。排出口用洗浄水噴射部１０によって煤の詰まりを押し流すことでドレン排水管５の詰まりがなくなれば、給水予熱装置の底部にたまった水をドレン排水管５から排出することができる。

もし排水操作を行っても排ガス通路２での圧力が低下しなかった場合には、ボイラ１の燃焼量を小さくする制御を行う。燃焼量の制限は、ボイラ１が高燃焼・低燃焼・停止の三位置制御を行うものであれば、高燃焼は行わずに低燃焼と停止の二位置にて制御するということで行える。ボイラ１が高燃焼・中燃焼・低燃焼・停止の四位置制御を行うものであれば、中燃焼・低燃焼・停止の三位置、又は低燃焼と停止の二位置にて制御することになる。また、ボイラが比例制御を行うものであれば、定格燃焼量よりも低い値に設定した所定の燃焼量以下に燃焼を制限する。このようにすることで、ボイラでの燃焼量を大きくしないようにして運転を行う。

運転制御装置８では、圧力検出装置４での圧力損失増大量に応じて燃焼量の制限幅を変えるようにしてもよい。給水予熱装置での圧力損失上昇量が少しである場合には、ボイラの燃焼量を低下させる量を少しだけとし、圧力損失上昇量が大きくなれば燃焼量を制限する量を大きくしてもよい。その場合は、圧力損失の増大量に対応させて燃焼量の制限値を定めておくことで行え、圧力損失の増大量が大きくなって、正常な燃焼を行える限界値である燃焼停止設定値よりも大きくなった場合には、ボイラの運転は行わないというような設定であってもよい。

排水操作を行っても排ガス通路２での圧力は高いままであったという場合、ボイラ１からの燃焼排ガスの排出は妨げられるため、炉圧は高いままとなる。その場合、燃焼用空気の供給が妨げられことで燃焼状態が変化すと、振動燃焼の発生やＮＯｘなどの有害な物質が多量に発生することがある。その場合にはボイラをそのまま運転させたのでは問題があるため、ボイラは運転を停止せざるを得なくなる。しかしその場合でも、燃焼量を小さくし、燃焼排ガスの発生量を少なくすれば、給水予熱装置部分での流路面積が小さくなっていても圧力損失の大きさを縮小することができる。通風抵抗の上昇によって炉圧が上昇した場合であっても、ボイラの燃焼量を低く抑えることで炉圧を低く維持することができるため、給水予熱装置での圧力損失増大時には、ボイラでの燃焼量を大きくしないとすることで、燃焼状態の悪化を招くことなく可能な限りボイラの運転を継続することができる。

また、圧力検出装置によって圧力損失の増大を検出し、ボイラの燃焼量を減少することで圧力損失を低下させたとしても、給水予熱装置での水位が大幅に高くなれば、圧力損失は大きくなる。その場合、圧力損失が高くなるほどボイラの燃焼量を低下させ行くようにすれば、限界までボイラの燃焼を継続することができる。そして燃焼量を減少しても適正な燃焼が行えなくなる限界値を越えた場合には、ボイラの運転を停止することで、振動燃焼や有害な物質が発生することを防止する。

また、燃焼排ガス流路が縮小することで排ガス通路２での圧力上昇が発生する場合、伝熱管３に煤が付着することより伝熱管群部分で流路面積が縮小する場合と、上記で記載したように通路部分の流路面積が縮小する場合が考えられる。伝熱管での煤付着による流路面積の縮小は長い時間を掛けて徐々に増大し、通路部分での流路面積の縮小は比較的短時間で発生する。そのため、圧力上昇に要する時間を計測しておくことで、どちらの要因によるものかを判断することもできる。伝熱管での煤付着による圧力上昇の場合は伝熱管の洗浄を行うことが有効であり、給水予熱装置底部に水がたまることによる圧力上昇の場合は排水を行うことが有効となる。

なお、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

１ ボイラ
２ 排ガス通路
３ 伝熱管
４ 圧力検出装置
５ ドレン排水管
６ ドレン排出口
７ 給水予熱装置
８ 運転制御装置
９ 伝熱管用洗浄水噴射部
１０ 排出口用洗浄水噴射部
１１ 排水弁

Claims (6)

1. ボイラからの燃焼排ガスを通す排ガス通路内に、ボイラへの給水を通す伝熱管を設けており、燃焼排ガスによって伝熱管を加熱することでボイラへの給水を予熱する給水予熱装置を持ったボイラであって、給水予熱装置内の燃焼排ガスを通す排ガス通路部分には、排ガス通路部分にたまった水を排出するドレン排出口及びドレン排水管を設け、さらに排ガス通路内を流れる燃焼排ガス流の圧力を検出する圧力検出装置を設けておき、排ガス通路での圧力損失増加を前記圧力検出装置で検出した場合には、異常発生の報知を行うとともに、給水予熱装置内の水を排出する制御を行うものであることを特徴とする給水予熱装置を持ったボイラ。
2. 請求項１に記載の給水予熱装置を持ったボイラにおいて、ドレン排出管の洗浄を行う洗浄装置を設けておき、圧力損失増加によって給水予熱装置の排ガス通路部分からの排水を行っても圧力検出装置にて検出している圧力が下がらなかった場合、ドレン排出管を洗浄する制御を行うものであることを特徴とする給水予熱装置を持ったボイラ。
3. 請求項１又は２に記載の給水予熱装置を持ったボイラにおいて、圧力損失増加によって給水予熱装置の排ガス通路部分からの排水を行っても圧力検出装置にて検出している圧力が下がらなかった場合、ボイラの燃焼量を低く抑える制御を行うものであることを特徴とする給水予熱装置を持ったボイラ。
4. ボイラからの燃焼排ガスを通す排ガス通路内に、ボイラへの給水を通す伝熱管を設けており、燃焼排ガスによって伝熱管を加熱することでボイラへの給水を予熱する給水予熱装置を持ったボイラであって、給水予熱装置内の燃焼排ガスを通す排ガス通路部分には排ガス通路部分にたまった水を排出するドレン排出口及びドレン排水管を設け、さらに排ガス通路を流れる燃焼排ガス流の圧力を検出する圧力検出装置を設けておき、排ガス通路での圧力損失増加を前記圧力検出装置で検出した場合には、給水予熱装置内底部の水を排出する操作を行うことを特徴とする給水予熱装置を持ったボイラの運転方法。
5. 請求項４に記載の給水予熱装置を持ったボイラの運転方法において、ボイラにはドレン排出管の洗浄を行う洗浄装置を設けておき、圧力損失増加によって給水予熱装置の排ガス通路部分からの排水操作を行っても圧力検出装置にて検出している圧力が下がらなかった場合、ドレン排出管を洗浄する操作を行うものであることを特徴とする給水予熱装置を持ったボイラの運転方法。
6. 請求項４又は５に記載の給水予熱装置を持ったボイラの運転方法において、圧力損失増加によって給水予熱装置の排ガス通路部分からの排水を行っても圧力検出装置にて検出している圧力が下がらなかった場合、ボイラの燃焼量を低く抑える操作を行うものであることを特徴とする給水予熱装置を持ったボイラの運転方法。
   
   
   
   
   
   
   

Images