JP6086589B2 - 給水予熱ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、給水を予熱するエコノマイザと、エコノマイザで予熱した給水をさらに加熱して蒸気を発生するボイラ本体を持っており、エコノマイザを通じてボイラ本体へ給水するようにしている給水予熱ボイラに関するものである。

特許５００８１３４号公報にあるように、給水を予熱するエコノマイザと、エコノマイザで予熱した給水をさらに加熱して蒸気を発生するボイラ本体を設けておき、エコノマイザによって予熱した予熱水をボイラ本体へ給水するようにしている給水予熱ボイラが広く普及している。エコノマイザは排ガスを通す排ガス通路内に多数の伝熱管を設け、各伝熱管を連結して一続きの給水流路を形成することで、ボイラへの給水はエコノマイザを通して行われるようにしている。排ガスは、ボイラ本体にて熱交換を行うことで温度の低下したものであが、それでも給水温度に比べれば十分に温度が高い。そのために給水の予熱には利用でき、排ガスで給水の予熱を行うことで熱の総合的な回収量を増加することができる。

エコノマイザでの熱回収量を多くすれば、ボイラでの効率が向上するため、高効率をねらったボイラでは給水をより高い温度まで予熱するようにしている。しかし予熱後の給水温度を高く設定している場合、エコノマイザでの加熱量が想定より高くなると、給水がエコノマイザ内で蒸発し、蒸気を発生することがある。間欠的に給水を行っているボイラの場合、給水を行うとエコノマイザ内の水は入れ替わるために予熱水温度がある程度以上に高くなることはないが、給水を停止している時間帯ではエコノマイザ内部の水が入れ替わらないため、長い時間予熱され続け、予熱水温度は高くなる。予熱水温度の上昇による蒸発によって気泡が発生し、そして気泡が成長することでエコノマイザ内やエコノマイザとボイラ本体をつなぐ予熱水配管内に大きな蒸気だまりができると、給水ポンプの作動を行ってもボイラへの給水が送られにくい状態となり、給水時間が長くなる。そして給水が間に合わなくなる結果としてボイラ内水位が低下し、ボイラでは低水位異常になるということがあった。

また、設計上はエコノマイザ内での給水は飽和温度以上にならないようにしていても、ボイラ本体部分で煤が付着するなどによってボイラ本体部分で吸収する熱量が少なくなり、エコノマイザには想定よりも高い温度の排ガスが送られることもある。エコノマイザでは、排ガス温度が高くなればエコノマイザで吸収する熱量も増加するため、上記のように排ガス温度が高くなった場合には、エコノマイザでは設計上の熱吸収量よりも多くの熱を吸収することになり、予熱後の給水温度は高くなる。そのことによってエコノマイザ内で給水中に気泡が発生するということもあった。特にエンジンの排ガスを利用している排ガスボイラでは、エンジンの不調によって発生した煤がボイラ本体の伝熱管に付着し、ボイラ本体部分での熱吸収量が低下することによって、エコノマイザでの排ガス温度が上昇するということが発生しやすい。

そこで、特許５００８１３４号公報に記載の発明では、エコノマイザ出口における予熱水温度と、ボイラ本体内におけるボイラ水飽和温度を検出し、予熱水温度と飽和温度の温度差を算出するようにしておき、温度差があらかじめ設定しておいた必要温度差よりも小さくなった場合には、ボイラへの給水を行わせるようにしている。このようにすることで、エコノマイザ内が蒸気を発生する温度に達しているか否かを検出することができる。しかしこの場合であっても、実際にエコノマイザ内で気泡が発生しているか否かや、気泡が成長して蒸気だまりになっているか否かといったを検出することはできない。

特許５００８１３４号公報

本発明が解決しようとする課題は、間欠的に給水を行っているボイラであって、ボイラ本体から排出される排ガスの熱を使用してボイラ給水の予熱を行っている給水予熱ボイラにおいて、エコノマイザ部分での予熱量が設定よりも大きくなり、エコノマイザ内で蒸気が発生することによって給水が行われにくくなり、ボイラ本体への給水が間に合わなくなる、ということを防止することのできる給水予熱ボイラを提供することにある。

給水を予熱するエコノマイザと、エコノマイザで予熱した給水をさらに加熱して蒸気を発生させるボイラ本体を持っており、エコノマイザを通じてボイラ本体へ給水するようにしている給水予熱ボイラであって、ボイラ本体での水位を検出する水位検出装置で検出したボイラ内の水位が給水開始水位（水位Ｅ２）未満まで低下すると給水ポンプの作動を開始し、水位が給水停止水位（水位Ｅ１）以上まで上昇すると給水ポンプの作動を停止するように、ボイラ内の水位に基づいてボイラへの給水を制御する運転制御装置を持っている給水予熱ボイラにおいて、エコノマイザで予熱を行った予熱水が流れる部分に、水の有無を検出することで予熱水内で蒸気発生を検出する水検出装置を設けておき、ボイラの運転中に前記水検出装置で水なしの検出が行われた場合、ボイラへの給水を行うようにしており、水検出装置での水なし検出によって給水ポンプの作動を開始した場合、ボイラ内水位を給水停止水位（水位Ｅ１）まで上昇させてから給水ポンプを停止するようにしていることを特徴とする。

エコノマイザ内で給水の予熱量が設定よりも大きくなり、給水中に気泡が発生した場合であっても、水検出装置によって蒸気だまりの発生を検出し、ボイラへの給水を行うことでエコノマイザ内の水を入れ替えるものであるため、蒸気だまりの影響による給水の阻害によってボイラで給水が間に合わなくなるといったことを防止することができる。

本発明の一実施例における給水予熱ボイラのフロー図 本発明の一実施例における給水状況説明図

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給水予熱ボイラのフロー図、図２は本発明の一実施例における給水状況説明図である。実施例でのボイラは、自身では燃焼装置を持っておらずガスエンジン（図示せず）から排出された高温の排ガスによって水を加熱し、蒸気を発生させる排熱蒸気ボイラである。ボイラは大きく分けると、ボイラ本体６の部分とエコノマイザ４の部分からなっている。ボイラ本体６は、多数の伝熱管を並列に設置し、上下を管寄せで接続した構成が一般的である。

エコノマイザは、多数の伝熱管で流路を形成するように連結したものであり、ボイラ本体６で熱の回収を行った後の排ガスを流す排ガス通路１に設置している。エコノマイザ４は、一方の端部に給水管３を接続しており、給水管３の途中に設けた給水ポンプ２を作動することで給水をエコノマイザ４内へ導入する。給水ポンプ２の作動は、ボイラ本体６での水位を検出する水位検出装置９からの信号を受けている運転制御装置８によって行うようにしており、給水ポンプ２は運転制御装置８と信号線にて接続している。エコノマイザ４の他方の端部には、エコノマイザ４とボイラ本体６をつなぐ予熱水配管７を接続しており、予熱水配管７の途中には予熱水配管７内での水の有無を検出する水検出装置５を設けている。水検出装置５も運転制御装置８と接続しており、水検出装置５で検出した水有無の情報は運転制御装置８へ出力する。水の検出は、予熱水配管７内に設置した電極と予熱水配管表面の間に電流を流し、その抵抗値によって判断することができる。電極が水に触れていると水中を電流が流れるために抵抗値は低くなり、電極が水から離れていると水中を電流が流れるということができないために抵抗値は高くなる。抵抗値が判断値より小さい場合には水ありとの判定を行い、抵抗値が判断値より大きい場合には水なしとの判定を行うことができる。

ボイラ本体６では、内部でボイラ水の加熱を行った場合に蒸気とともにボイラ水の沸き上がりが発生する。ボイラ水を含んだ蒸気は、ボイラ本体６の側部に設けた気水分離器１０で蒸気とボイラ水に分離する。分離した蒸気は気水分離器１０の上部に接続している蒸気取り出し管１１を通して蒸気使用部へ供給し、分離したボイラ水は気水分離器１０の下部に接続している還水管１２を通してボイラ本体６の下部へ還流させる。予熱水配管７のボイラ本体６側は、気水分離器１０に接続しておく。エコノマイザ４を通過した予熱後のボイラ給水は、気水分離器１０内で蒸気から分離したボイラ水と混合し、還水管１２を通ってボイラ本体６内へ入る。

運転制御装置８では水検出装置５と水位検出装置９からの情報に基づき、給水ポンプ２の作動を制御する。給水の制御は、水位検出装置９にて検出している水位が給水開始水位（水位Ｅ２）未満まで低下すると給水ポンプ２の作動を開始し、水位が給水停止水位（水位Ｅ１）以上まで上昇すると給水ポンプ２の作動を停止することで行っている。なお、水位検出装置９では低水位異常を検出するために給水停止水位より低い下限位置（水位Ｅ３）でも水位の検出を行っている。水位が下限位置より低くなった場合には低水位異常が発生したとの報知を行う。また運転制御装置８では、水検出装置５に基づく給水ポンプ２の作動制御を併用するようにしている。運転制御装置８では、水検出装置５で水を検出することができなくなった場合にも、給水ポンプ２の作動を行うように設定しておく。

ガスエンジンで発生した排ガスは、まずボイラ本体内でボイラ水との間で熱交換を行い、その後にエコノマイザ内でもボイラ給水との間で熱交換する。排ガス通路１内を流れる排ガスは、ボイラ本体６の伝熱管と接触することで排ガスの持っている熱を伝熱管に伝える。伝熱管は排ガスから受け取った熱を伝熱管内部のボイラ水へ伝え、ボイラ水の温度を上昇させる。ガスエンジンから排出される排ガスは高温であるため、ボイラ水を沸騰させることができ、ボイラ本体６内で蒸気が発生する。ボイラ本体６との熱交換を行った排ガスは、ボイラ本体６に熱を与えたことによって温度は低下しているが、より温度の低い給水の予熱には利用することができるため、エコノマイザ４でさらに熱交換する。エコノマイザ４内に入った排ガスは、エコノマイザ４でも伝熱管と接触することで排ガスが持っている熱を伝熱管に伝え、ボイラ給水の予熱を行う。エコノマイザ４でボイラ給水の温度を高めることによって温度の低下した排ガスは、その後に戸外へ排出する。

ボイラの給水は、給水ポンプ２を作動することで行う。運転制御装置８は水位検出装置９によってボイラ本体６での水位を検出しており、ボイラ本体６の水位が給水開始水位未満まで低下すると給水ポンプ２の作動を開始する。給水ポンプ２を作動すると、給水管３を通じてエコノマイザ４内へ水が入り、エコノマイザ４内を通ることによって給水は予熱される。エコノマイザ４で予熱された給水は、エコノマイザ４とボイラ本体６の間をつなぐ予熱水配管７を通してボイラ本体６へ供給される。給水によってボイラ本体内の水位が上昇し、水位検出装置９で検出してる水位が給水停止水位以上にまで上昇すると、運転制御装置８は給水ポンプ２の作動を停止する。エコノマイザ４での予熱後にボイラ本体６内へ入ったボイラ水は、ボイラ本体６内でさらに加熱され、ボイラ水は沸騰して蒸気を発生する。ボイラ本体６で発生した蒸気はボイラ水を含んだものであるため、気水分離器１０で蒸気とボイラ水の分離を行い、蒸気のみを蒸気使用箇所へ供給する。気水分離器１０で分離したボイラ水は、気水分離器１０の下部に接続している還水管１２を通してボイラ本体６の下部へ戻すことになる。

また、運転制御装置８では、水検出装置５で水がなくなったことを検出した場合にも、給水ポンプ２の作動を行う。運転制御装置８は水検出装置５での水なし検出によって給水ポンプ２の作動を開始した場合も、給水ポンプ２の作動停止はボイラ内水位が給水停止水位まで上昇した時であり、水検出装置５での水ありを検出してもボイラ内水位が給水停止水位に達するまでは給水ポンプ２の作動を継続する。

ボイラ内水位と給水の関係は図２に記載しているようになる。図２のタイムチャートはボイラ運転中のある期間を取り出したものであり、図では給水ポンプ２を作動している状態から始まっている。給水ポンプ２を作動することによってボイラ内の水位は上昇し、時刻Ａでボイラ内水位が給水停止の水位である水位Ｅ１に達すると、運転制御装置８は給水ポンプ２の運転を停止する。その後、給水を行わなければ蒸気の発生によってボイラ内の水量は減少していくため、水位は低下していく。時刻Ｂでボイラ内水位が給水開始水位である水位Ｅ２未満になると、運転制御装置８は給水ポンプ２の作動を開始して給水を行う。そして給水によってボイラ内水位が水位Ｅ１まですると、給水を停止するということを繰り返す。なお、給水ポンプ２への作動停止の出力を行ってもすぐに給水が止まるわけではなく、逆に給水ポンプ２への作動開始の出力を行ってもすぐに給水が始まるわけでもない。ボイラ内の水位が水位Ｅ１より高くなっているのと、水位Ｅ２より低くなっているのは、その遅れによるものである。

エコノマイザ４は給水経路の途中にあるものであるため、給水ポンプ２を作動させるとエコノマイザ４内を給水が流れ、給水ポンプ２の作動を停止すると給水の流れは止まることになる。給水ポンプ２を作動している場合にはエコノマイザ４内の給水は入れ替わり続けるため、エコノマイザ４内で給水がある程度以上に高くなることはない。しかし、給水ポンプ２を停止している場合、給水は行っていなくても排ガス通路１内には排ガスが流れ続けるため、エコノマイザ４内では滞留している給水に対しての予熱が長時間続くことになり、予熱水温度は上昇し続けることになる。

給水を停止していることによってエコノマイザ４内の予熱水温度が上昇し、エコノマイザ４の内部で蒸発が始まった場合、予熱水中に気泡が発生する。気泡は上部へ集まるためエコノマイザ４の上部に設けている予熱水配管７で気泡が集合して蒸気だまりを作る。予熱水配管７内に蒸気だまりが発生すると、給水ポンプ２の作動を行ってもボイラに入る給水量が少なくなり、給水速度が低下する。そのため、この状態でボイラ本体内水位が給水開始水位まで低下し、給水ポンプ２の作動を行った場合、ボイラへの給水を行わなければならないのに、給水速度が低下しているためにボイラ本体内では水位がさらに低下し、水位が下限位置未満まで低下することで低水位異常が発生することがあった。

予熱水配管７に水検出装置５を設けておき、予熱水配管７での水の有無を検出するようにしている場合、予熱水配管７では通常は水で満たされているため、水検出装置５では通常は水ありの検出を続ける。しかし、エコノマイザ４内で蒸気が発生し、予熱水配管７内に蒸気がたまることで予熱水配管７内に水のない空間ができた場合、水検出装置５では水なしの出力を行うことになる。水検出装置５で水なしの出力が行われた場合、水で満たされているはずの予熱水配管７で水のない空間ができということは、予熱水配管７に蒸気だまりが発生したということである。そのため、この場合にはボイラへの給水を行い、エコノマイザ４内の水を入れ替えることで蒸気をなくす。運転制御装置８ではボイラ本体６内の水位が給水開始の水位になっていなくても、水検出装置５が水なしを検出すれば給水ポンプ２の作動を行う。水の入れ替えを行うと、エコノマイザ４内の予熱水温度は低下し、予熱水中に発生していた気泡は消滅していく。

図２では、時刻Ｂで開始している給水ポンプ２の作動は、ボイラ内水位が給水開始水位まで低下したことによるものであるが、時刻Ｄで開始している給水ポンプ２は、水検出装置５にて水なしの検出を行ったことによるものである。水検出装置５では水ありを検出し続けていたが、時刻Ｄで水ありの検出ができなくなっており、運転制御装置８では水ありの検出が行えない状態、つまり水なし状態になると、給水ポンプ２の作動を開始する。この時のボイラ内水位は給水開始水位より高いため、ボイラ本体側としては給水の必要がない状態であるが給水を開始することになる。予熱水配管７内に蒸気がある状態で給水ポンプ２の作動を行った場合、予熱水配管７内に蒸気がない状態に比べると給水速度は低下する。しかし、ここでの給水はボイラ内に水が十分にある状態で行っているものであるため、給水速度が遅くてもすぐに低水位異常が発生するということはない。この場合でも、しばらくして予熱水配管７に蒸気がなくなれば給水速度は通常の状態に戻ることになる。

給水ポンプ２の停止条件は、水検出装置５による水あり検出が行われており、かつボイラ内水位が水位Ｅ１以上である。そのため、水検出装置５による水ありの検知は短時間で終了した場合でも、ボイラ内水が水位Ｅ１に達するまでは給水ポンプ２の作動を継続する。ここでは時刻Ｅでボイラ内水位は給水停止水位である水位Ｅ１に達しているため、ここで給水を停止する。なお、もしも水位がＥ１より高い状態で水検出装置５による水なしの検出が行われたとすると、その場合は水検出装置５が水ありの検出を開始すれば、給水ポンプ２を作動するということになる。

以上のようにボイラの給水制御を行うことで、エコノマイザ内で気泡が発生しても給水を行ってエコノマイザ部分での水を入れ替えることで気泡を消滅させることができる。そのため、ボイラ内水位の低下によって給水が必要になった場合に、気泡の影響によって給水量が不足し、低水位異常が発生するということを防止することができる。

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 排ガス通路
２ 給水ポンプ
３ 給水管
４ エコノマイザ
５ 水検出装置
６ ボイラ本体
７ 予熱水配管
８ 運転制御装置
９ 水位検出装置
１０ 気水分離器
１１ 蒸気取り出し管
１２ 還水管

Claims (1)

1. 給水を予熱するエコノマイザと、エコノマイザで予熱した給水をさらに加熱して蒸気を発生させるボイラ本体を持っており、エコノマイザを通じてボイラ本体へ給水するようにしている給水予熱ボイラであって、ボイラ本体での水位を検出する水位検出装置で検出したボイラ内の水位が給水開始水位（水位Ｅ２）未満まで低下すると給水ポンプの作動を開始し、水位が給水停止水位（水位Ｅ１）以上まで上昇すると給水ポンプの作動を停止するように、ボイラ内の水位に基づいてボイラへの給水を制御する運転制御装置を持っている給水予熱ボイラにおいて、エコノマイザで予熱を行った予熱水が流れる部分に、水の有無を検出することで予熱水内で蒸気発生を検出する水検出装置を設けておき、ボイラの運転中に前記水検出装置で水なしの検出が行われた場合、ボイラへの給水を行うようにしており、水検出装置での水なし検出によって給水ポンプの作動を開始した場合、ボイラ内水位を給水停止水位（水位Ｅ１）まで上昇させてから給水ポンプを停止するようにしていることを特徴とする給水予熱ボイラ。

Images