JP6172984B2 - 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給水をボイラ本体へ供給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うようにしている。排ガスは、ボイラ本体にて熱交換を行うことで温度を低下させているが、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、気泡を発生することがある。設計上はエコノマイザ内での給水温度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し、ボイラ本体部分で吸収する熱量が少なくなることによって、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。エコノマイザへ供給している排ガス温度が高くなれば、エコノマイザが吸収する熱量も増加する。そのため、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、エコノマイザ内で沸騰が発生し、給水中に気泡が現れ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。

そして、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は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は入れ替わらないために温度は低下しない。そのため、給水停止中のエコノマイザ内では、長い時間加熱され続けることによって予熱水温度が通常よりも高くなることがある。エコノマイザ内で予熱水温度が上昇し、エコノマイザ内での蒸発によって気泡が発生すると、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のボイラ給水は気水混合物となる。ボイラの水位検出は、ボイラ下部の液相部とボイラ上部の気相部をつないでいる水位検出筒を設け、水位検出筒内に設置した電極棒に通電することによって行っている。そして検出した水位に基づいて給水ポンプの作動を制御することで給水制御を行っている。この場合において液相部に気泡を含んだボイラ給水が入ると、水位の変動が大きくなり、検出しているボイラ内水位と実際のボイラ内水量にずれが生じ、正しい水位を検出することができなくなることがある。ボイラでは、水位に基づいて給水制御を行っているため、正しい水位を検出できなければ給水制御が行えなくなる。

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いる。そして、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、エコノマイザ内での気泡発生を抑えるのであるが、実際にエコノマイザ内で気泡が発生してしまった場合には、上記の問題が発生することになる。

特許５００８１３４号公報

本発明が解決しようとする課題は、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、エコノマイザ内で気泡が発生することになっても、ボイラを正常に運転制御することができるようするものである。そしてその場合であっても、ボイラで発生している蒸気が凝縮することによる騒音や振動が発生することはないようにする。

請求項１に記載の発明は、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、ボイラ本体で発生させた蒸気は、縦長の円筒形容器である気水分離器内で蒸気とボイラ水に分離するようにしている給水予熱ボイラにおいて、ボイラ本体から気水分離器へ蒸気を送る蒸気連絡管と、予熱したボイラ給水を通す予熱水配管を前記気水分離器の側面に接続しており、気水分離器内には、上辺は予熱水配管接続位置より高い位置であり、下辺はボイラの制御水位より低い位置としており、前記の予熱水配管の開口部と向かい合う大きな面を持った気水分離板を設けることで気水分離器内を分割しておき、蒸気連絡管は気水分離器の側面に対して接線方向に接続することで蒸気連絡管を通して送られてきた蒸気は気水分離板で分割した一方の気水分離器壁面に沿って旋回させ、予熱水配管から気水分離器内に入ったボイラ給水は気水分離板で分離した他方の気水分離板と気水分離器の壁面によって囲まれている部分で気水分離板と衝突させるものであることを特徴とする。

エコノマイザで気泡が発生したボイラ給水が、ボイラの液相部に入ることを防止するのは、ボイラ給水中の気泡を事前に分離することで行える。ボイラで発生している蒸気は、沸き上がってきたボイラ水を含んでいるため、ボイラでは蒸気からボイラ水を分離する気水分離器を設置している。ボイラ給水は気水分離器に導入するようにし、気水分離器で給水中の気泡を分離することで、気泡を含んだ給水がボイラの液相部に入ることを防止できる。しかしこの場合、ボイラ給水はエコノマイザで予熱しているものであっても、気水分離器内の蒸気に比べると温度が低いものである。そのため、気水分離器内にボイラ給水を導入することで、ボイラ本体で発生させた蒸気とボイラ給水が混合すると、気水分離器内の蒸気は冷却されることになる。そして蒸気は、冷却されると凝縮し、凝縮する際には騒音や振動が発生する。そのため、単に気水分離器内への給水を行うとしただけでは、給水を行うたびに蒸気凝縮による騒音や振動が発生することになってしまう。本発明では、気水分離器内を、ボイラで発生させた蒸気からボイラ水を分離する部分と、ボイラ給水から気泡を分離する部分に分割している。このため、蒸気が給水によって冷却されることがなくなり、蒸気の凝縮を防止しながら給水中の気泡を分離することができる。

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、エコノマイザ内で気泡が発生した場合であっても、ボイラの液相部に気泡入りの給水が入り込むことを防止できるため、ボイラの運転制御を正常に行うことができる。また、ボイラ給水を気水分離器に送り込むものであっても、ボイラで発生した蒸気が給水によって冷却されることで凝縮することは防止でき、蒸気凝縮による騒音や振動の発生も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気水分離器の水平段面図

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気水分離器の水平段面図である。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、多数の伝熱管を連結して流路を形成したものであり、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の作動制御は、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。給水ポンプ２と運転制御装置８は、信号線にて接続しており、給水ポンプ２は運転制御装置８からの指令に基づいて運転をオン−オフする。

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を接続している。エコノマイザ４では、排ガス流は下向きに流れ、ボイラ給水流は蛇行しながら上向きに流れるようにしており、排ガス流と給水流は対向方向に流れる構造となっている。給水管３側からエコノマイザ４内に入ったボイラ給水は、エコノマイザ４内で加熱することで温度を上昇させ、予熱を行ったボイラ給水は予熱水配管７を通してボイラ本体６内に入る。

運転制御装置８では、ボイラ本体６の水位を検出する水位検出装置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。また、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ことの報知を行う。

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の側部に設けている気水分離器１０で蒸気とボイラ水に分離する。気水分離器１０は縦長の円筒形容器であり、ボイラ本体６で発生した蒸気からボイラ水を分離することが目的のものである。ボイラ本体６から気水分離器１０へ蒸気を送る蒸気連絡管１１は、気水分離器１０の側面に対して接線方向となるように接続しておく。そのため、蒸気連絡管を通して送られてきた蒸気は、気水分離器１０内の壁面に沿って旋回することになる。気水分離器内では、ボイラ水を含んだ蒸気を容器内面に沿って旋回させると、重量の大きなボイラ水は壁面に沿って旋回しながら下方へ落下し、重量の小さな蒸気は気水分離器の中心軸付近から上方へ向けて流れることになるため、蒸気からボイラ水を分離することができる。

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５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を通過することで予熱したボイラ給水は、気水分離器１０内で蒸気と分離したボイラ水と混合し、還水管５を通ってボイラ本体６内へ入ることになる。

気水分離器１０内には、予熱水配管７の延長線上に気水分離板１２を設ける。気水分離板１２は予熱水配管７と対向する側に広い面を持った垂直方向に延びる板であり、上辺は予熱水配管７の接続位置よりも高い位置、下辺は水位検出装置９で検出している給水開始水位よりも低い位置になるようにしておく。気水分離板１２は、気水分離器１０内を分割するものでもあり、予熱水配管７から気水分離器１０内に入ったボイラ給水は気水分離板１２に衝突することになる。

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。ガスエンジンから出たばかりの排ガスは高温であり、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。ボイラ本体部分での排ガスは高温であるため、ボイラ水は沸騰してボイラ本体６内で蒸気を発生する。ボイラ本体６で熱交換を行った排ガスは、ボイラ水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。

ボイラへの給水は、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で検出してい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。そのため、ボイラ本体での水位は、水位検出装置９での給水開始水位と給水停止水位の間に保たれることになる。

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。ボイラ本体内での蒸気はボイラ水を含んでいるものであるため、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５を通してボイラ本体６の下部へ戻す。

エコノマイザ４は、温度の低下した排ガスから熱を回収するものであり、給水温度はすぐには上昇しない。そのため、エコノマイザ４では流路を何重にも折り返した構造とすることがよく行われている。エコノマイザ４での流路を長くすると、給水を加熱する時間が長くなるため、温度の低下した排ガスからであっても、高い温度までボイラ給水を予熱することができる。

エコノマイザ４は給水経路の途中に設置しているものであるため、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内で給水温度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する加熱が長時間続くことになり、給水温度は高くなることがある。

エコノマイザでは、供給される排ガスが保有している熱量と目標とする熱吸収量から、流路の長さなどを決定する。この場合、エコノマイザ内では給水が飽和温度以上にならないように設計する。しかし、ボイラ本体部分の伝熱管に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４での加熱量が想定より多くなることがある。ボイラ本体６での熱吸収量が少なくなると、排ガスのボイラ本体部での温度低下量が少なくなる。その場合、エコノマイザ４に達する排ガス温度は想定よりも高いものとなる。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、設計上の熱吸収量よりも多くの熱を吸収することになってしまう。そして給水をＯＮ−ＯＦＦで制御している場合には、給水停止中はエコノマイザ４内の水は入れ替わらずに加熱され続ける。これらのことが重なることで、エコノマイザ４内の予熱水温度が飽和温度まで上昇してしまい、エコノマイザ４の内部で蒸発が発生することがある。エコノマイザ内で蒸発が起きると、予熱水中に気泡が含まれることになる。

ボイラ給水はボイラ本体内へ供給するのであるが、気泡を含んだボイラ給水をボイラ本体６の液相部へ供給すると、水位の変動が激しくなるため、まともな給水制御を行えなくなる。そこで、予熱水配管７は気水分離器１０に接続しておき、気水分離器内で給水中の気泡を除去するようにしている。気水分離器１０内には気水分離板１２を設けており、予熱水配管７を通して送られてきたボイラ給水は、気水分離器１０内に入ってすぐに気水分離板１２と衝突する。気水分離板１２に衝突した給水流は、気水分離板１２と気水分離器１０の壁面によって囲まれた部分の中で多方向へ分散する。その際、重量の小さな気体部分は上方へ浮き上がり、重量の大きな液体部分は下方へ落下していく。そのため、ボイラ給水から気泡を分離することができる。

気水分離板１２の下辺は、ボイラ内水位より低い位置になるようにしているため、気水分離板１２の下部はボイラ水に没することになる。気泡を分離した後のボイラ給水は、気水分離板１２によって囲まれている空間内で下方へ落下し、気水分離器１０の底部でボイラ水と混合する。ボイラ給水は気水分離器１０内へ導入するものであるが、気水分離器１０内で旋回している蒸気と混じり合うことはなく、そのまま気水分離器底部にたまっているボイラ水に合流することになる。

エコノマイザ４内でのボイラ給水に対する加熱量が多くなり、エコノマイザ４内で給水中に気泡が発生した場合、気泡を含んだボイラ給水をボイラの液相部へ導入すると、ボイラ水中に気泡が入ることになっていた。しかし、上記のように給水は気水分離器１０に行い、気水分離器１０でボイラ給水中の気泡を分離することで、気泡を含んだボイラ給水がボイラの液相部に入ることを防止できる。ただし、気水分離器１０内に入るボイラ給水の温度は、エコノマイザ４で予熱していてもボイラ内の蒸気温度に比べると低い。高温の蒸気とそれよりも温度の低い給水が気水分離器内で混じり合うことになると、蒸気は冷却されて凝縮することになる。蒸気が凝縮する際には騒音や振動が発生するため、気水分離器内で蒸気と給水が混ざることには問題がある。

本発明では、気水分離器内に気水分離板１２を設けており、気水分離板１２は給水を衝突させることで給水中から気泡を分離させるものであるとともに、給水が蒸気と混ざり合うことを防止するものでもある。気水分離板１２に衝突した給水は下方へ落下することになり、気水分離板１２の下端はボイラ水に没する位置まで延びているため、給水が蒸気と混じり合うということはないまま、気水分離器の底部でボイラ水と合流することになる。蒸気が給水によって冷却されることは防止しつつ、気水分離器で給水中の気泡を除去するようにしたことで、蒸気凝縮による騒音や振動の発生の防止と、ボイラの液相部分に気泡入りの給水が入ることによる水位変動の防止を行うことができる。

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 還水管
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 蒸気連絡管
１２ 気水分離板

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、ボイラ本体で発生させた蒸気は、縦長の円筒形容器である気水分離器内で蒸気とボイラ水に分離するようにしている給水予熱ボイラにおいて、ボイラ本体から気水分離器へ蒸気を送る蒸気連絡管と、予熱したボイラ給水を通す予熱水配管を前記気水分離器の側面に接続しており、気水分離器内には、上辺は予熱水配管接続位置より高い位置であり、下辺はボイラの制御水位より低い位置としており、前記の予熱水配管の開口部と向かい合う大きな面を持った気水分離板を設けることで気水分離器内を分割しておき、蒸気連絡管は気水分離器の側面に対して接線方向に接続することで蒸気連絡管を通して送られてきた蒸気は気水分離板で分割した一方の気水分離器壁面に沿って旋回させ、予熱水配管から気水分離器内に入ったボイラ給水は気水分離板で分離した他方の気水分離板と気水分離器の壁面によって囲まれている部分で気水分離板と衝突させるものであることを特徴とする給水予熱ボイラ。

Images