JP6241348B2 - ボイラシステム - Google Patents

Description

本発明は、ボイラシステムに関する。より詳細には、負荷機器から排出されるドレンを、大気に開放することなく回収してボイラに給水するクローズドタイプのボイラシステムに関する。

従来、ボイラによって生成された蒸気を負荷機器に供給し、負荷機器において熱源として使用された蒸気が凝縮して発生するドレンを、耐圧性を有する密閉型のドレンタンクに高温・高圧の状態で回収して、再度ボイラに給水するクローズドタイプのボイラシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、クローズドタイプのボイラシステムを、ボイラから排出される排ガスにより給水を加熱する給水加熱器を含んで構成することも行われている。

特開２００６−１０５４４２号公報

クローズドタイプのボイラシステムでは、給水加熱器において給水が滞留することにより過剰に加熱されて沸騰することを防ぐために、ボイラからの給水要求がない場合であっても、沸騰を起こさない最低流量で給水を続ける連続給水が行われる場合がある。
ここで、最低流量は、想定される最高温度のドレンが給水加熱器を通過する間に沸騰を起こさない流量として設定される。このように、最低流量で給水を行っている状態では、通常は、ボイラの水位は徐々に低下していく。

ところで、同じ流量で給水を行った場合であっても、給水の温度によって、ボイラに供給される給水の重量は変化する。即ち、給水温度が低い場合は、給水温度が高い場合に比して、水の密度は大きくなるので、最低流量で給水を連続的に行った場合、給水温度が低くなるに従ってボイラに供給される給水の重量は増加する。そのため、連続的に給水を行った場合、給水温度によっては給水量がボイラにおける蒸発量を上回ってしまい、給水要求がないにもかかわらず、ボイラの水位が上昇してしまう場合があった。

従って、本発明は、連続給水を行った場合であっても、水位を好適に制御できるクローズドタイプのボイラシステムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料を燃焼させて蒸気を生成する缶体、及び該缶体に供給される給水と前記缶体から排出される燃焼ガスとの間で熱交換を行う給水加熱器を有し、生成された蒸気を負荷機器に供給するボイラと、前記負荷機器が蒸気を使用することによって凝縮して生じたドレンを大気に開放することなく回収するドレンタンクと、前記ドレンタンクと前記ボイラとを接続し前記ドレンタンクに収容されたドレンを給水として前記ボイラに供給するドレン供給ラインと、少なくとも第１の体積流量で前記ボイラに連続的に給水を行う制御部と、を備えるクローズドタイプのボイラシステムであって、前記給水加熱器の上流側における給水の温度を測定する温度測定部を更に備え、前記制御部は、前記第１の体積流量で給水を行っている状態において、前記温度測定部により測定される給水の温度が第１温度以下であった場合に、前記ボイラへの給水を停止させるボイラシステムに関する。

また、ボイラシステムは、下流側が前記ドレン供給ラインにおける前記給水加熱器よりも上流側に接続され、前記ボイラに新水を供給する新水供給ラインを更に備えることが好ましい。

また、前記第１の流量は、想定される最高温度のドレンが前記給水加熱器を通った場合に沸騰しない流量に設定されることが好ましい。

また、前記第１温度は、給水が前記給水加熱器の内部に滞留した場合に沸騰しない温度に設定されることが好ましい。

本発明のボイラシステムによれば、連続給水を行った場合であっても水位を好適に制御できる。

本発明の一実施形態に係るボイラシステムの構成を示す図である。 ボイラの缶体の鉛直方向断面図である。

以下、本発明のボイラシステムの好ましい一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、ボイラシステム１の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るボイラシステム１の構成を示す図である。図２は、ボイラの缶体の鉛直方向断面図である。

図１に示すように、本実施形態のボイラシステム１は、ボイラ１０を含んで構成されるボイラ装置７０と、ドレンタンク２０と、オープンタンク３０と、制御部１００と、を備える。
また、ボイラシステム１は、これらの機器を接続し、蒸気又は水が流通する複数のライン、これら複数のラインを開閉させる複数の弁、及び所定のラインに配置される複数のポンプを備える。具体的には、ボイラシステム１は、ラインとして、第１蒸気供給ラインＬ１と、ドレン回収ラインＬ２と、ドレン供給ラインＬ３と、第２蒸気供給ラインＬ４と、フラッシュ蒸気排出ラインＬ５と、新水供給ラインＬ６と、を備える。

ボイラ装置７０は、図１に示すように、ボイラ１０と、ボイラ１０で生成された蒸気が集められる蒸気ヘッダ７１と、ボイラ１０と蒸気ヘッダ７１とを連結する連結管７２と、を備える。

ボイラ１０は、内部に供給された給水を燃焼ガスにより加熱して蒸気を生成すると共に、生成された蒸気を後述する負荷機器５０に供給する。
本実施形態では、ボイラ１０（複数の水管）には、ドレンタンク２０に回収されたドレンが給水として供給される。詳細には、ボイラ１０には、後述するドレンタンク２０に貯留されたドレン、又はオープンタンク３０に貯留された新水が給水として供給される（以下、給水として供給されるドレン又は新水を、ドレン等ともいう）。

図２に示すように、ボイラ１０は、缶体１１と、複数の水管１２と、下部ヘッダ１４と、上部ヘッダ１５と、ダクト１６と、バーナ１７と、排気筒１８と、給水加熱器４０と、を備える。

缶体１１は、平面視矩形形状の直方体状に構成される。
複数の水管１２は、缶体１１の内部に上下方向に延びて配置されると共に、缶体１１の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される。

下部ヘッダ１４は、平面視矩形形状の直方体状の容器によって構成され、缶体１１の下部に配置される。下部ヘッダ１４には、複数の水管１２の下端部が接続される。下部ヘッダ１４には、ドレン等が供給され、この下部ヘッダ１４から複数の水管１２にドレン等が供給される。

上部ヘッダ１５は、平面視矩形形状の直方体状の容器によって構成され、缶体１１の上部に配置される。上部ヘッダ１５には、複数の水管１２の上端部が接続される。上部ヘッダ１５には、複数の水管１２において生成された蒸気が集められる。上部ヘッダ１５には、連結管７２（図１参照）が連結されており、上部ヘッダ１５に集められた蒸気は、この連結管７２を介して蒸気ヘッダ７１に供給される。

ダクト１６は、缶体１１の長手方向の一端側に位置する第１側面１１ａの下部に接続される。ダクト１６の上流側には、燃料ガスが供給される燃料供給部１６１及び燃焼用空気を供給する送風機（図示せず）が接続される。ダクト１６は、燃料供給部１６１から供給される燃料ガスと送風機から供給される燃焼用空気とを混合して缶体１１の内部に向けて供給する。

バーナ１７は、第１側面１１ａにおけるダクト１６と缶体１１との接続部分に配置される。バーナ１７は、燃焼用空気と燃料とが混合された混合ガスをダクト１６から缶体１１の内部に噴出し、この混合ガスを燃焼させる。

排気筒１８は、缶体１１の長手方向の他端側（ダクト１６が設けられた側と反対側）に位置する第２側面１１ｂに接続される。排気筒１８は、缶体１１の内部で混合ガスが燃焼して生じた燃焼ガスを排出する。

給水加熱器４０は、排気筒１８に設けられる。給水加熱器４０は、缶体１１から排出される燃焼ガス（排ガス）と、後述するドレン供給ラインＬ３又は新水供給ラインＬ６から缶体１１に供給されるドレン等との間で熱交換を行う。

図１に示すように、ボイラ１０で生成された蒸気は、連結管７２を通って蒸気ヘッダ７１に供給される。蒸気ヘッダ７１は、ボイラ１０で生成された蒸気を貯留し、負荷機器５０に供給する。
負荷機器５０は、ボイラ１０で生成された蒸気を熱源として利用し、加熱対象物との間で熱交換を行う。

ドレンタンク２０は、負荷機器５０において熱交換に用いられた蒸気の一部が凝縮して生じるドレンを回収して収容する。このドレンタンク２０は、耐圧性を有し密閉可能な圧力容器により構成される。

オープンタンク３０は、大気に開放されている。このオープンタンク３０は、ボイラ１０に供給される新水を貯留する。また、オープンタンク３０には、ドレンタンク２０においてドレンから発生したフラッシュ蒸気が導入される。

第１蒸気供給ラインＬ１は、蒸気ヘッダ７１と負荷機器５０とを接続し、ボイラ１０で生成された蒸気を負荷機器５０に供給する。
ドレン回収ラインＬ２は、負荷機器５０とドレンタンク２０とを接続し、負荷機器５０で発生したドレンをドレンタンク２０に供給する。このドレン回収ラインＬ２には、負荷機器５０において発生したドレンを排出し、かつ、蒸気の排出を防ぐスチームトラップ６１と、逆止弁６２と、モータバルブ６３とが配置される。

ドレン供給ラインＬ３は、ドレンタンク２０とボイラ１０とを接続し、ドレンタンク２０に収容されたドレンをボイラ１０に供給する。本実施形態では、ドレン供給ラインＬ３の上流側の端部は、ドレンタンク２０の下部に接続される。また、ドレン供給ラインＬ３の下流側は、給水加熱器４０に接続される。

以上のドレン供給ラインＬ３には、ドレンポンプ３１、逆止弁３２，３３、遮断弁３４、流量調整弁３５、流量計３６、及び温度測定部としての温度センサ３７が配置される。
ドレンポンプ３１は、ドレン供給ラインＬ３における上流側に配置される。このドレンポンプ３１は、ドレンタンク２０から供給されたドレンを昇圧してボイラ１０に供給する。逆止弁３２は、ドレン供給ラインＬ３における下流側に配置され、ボイラ１０からドレン供給ラインＬ３へのドレンの逆流を防ぐ。逆止弁３３は、ドレン供給ラインＬ３における後述の新水供給ラインＬ６との合流部よりも上流側に配置され、新水供給ラインＬ６を流通する新水のドレンタンク２０側への逆流を防ぐ。

遮断弁３４及び流量調整弁３５は、モータバルブにより構成され、ドレンポンプ３１と逆止弁３３との間に配置される。遮断弁３４は、ボイラシステム１に異常が発生した場合等に動作し、ドレン供給ラインＬ３の流路を遮断する。流量調整弁３５は、開度を調整することで、ドレン供給ラインＬ３を流通するドレンの流量を調整する。
流量計３６は、遮断弁３４と流量調整弁３５との間に配置される。流量計３６は、ドレン供給ラインＬ３を流通するドレンの流量を測定する。

温度センサ３７は、ドレン供給ラインＬ３における逆止弁３２と逆止弁３３との間に配置される。この温度センサ３７は、ドレン供給ラインＬ３を流通し、給水加熱器４０に導入されるドレン（又は新水）の温度を測定する。

第２蒸気供給ラインＬ４は、蒸気ヘッダ７１とドレンタンク２０とを接続する。この第２蒸気供給ラインＬ４は、ボイラ１０で生成された蒸気をドレンタンク２０に供給し、ドレンタンク２０の内部の圧力を調節する。第２蒸気供給ラインＬ４には、圧力調整弁６４及びモータバルブ６５が配置される。

フラッシュ蒸気排出ラインＬ５は、ドレンタンク２０とオープンタンク３０とを接続し、ドレンタンク２０で発生したフラッシュ蒸気をオープンタンク３０に排出する。このフラッシュ蒸気排出ラインＬ５には、圧力調整弁６６が配置されている。圧力調整弁６６は、ドレンタンク２０の内部の圧力が所定の圧力を超えた場合に、フラッシュ蒸気をオープンタンク３０側に逃がして、ドレンタンク２０の内部の圧力を低下させる。

新水供給ラインＬ６は、オープンタンク３０とボイラ１０とを接続し、オープンタンク３０に貯留された新水をボイラ１０に供給する。本実施形態では、新水供給ラインＬ６の下流側は、ドレン供給ラインＬ３における逆止弁３３と逆止弁３２との間に接続される。この新水供給ラインＬ６には、新水供給ポンプ６７及び逆止弁６８が配置される。新水供給ポンプ６７は、インペラ、このインペラを回転駆動させるモータ及びこのモータを駆動させるインバータ（いずれも図示せず）を含んで構成される。そして、この新水供給ポンプ６７は、インバータから供給された駆動電力の周波数に応じた回転速度で駆動される。逆止弁６８は、新水供給ラインＬ６における新水供給ポンプ６７の下流側に配置され、ドレン供給ラインＬ３を流通するドレンの新水供給ラインＬ６側への逆流を防ぐ。

次に、本実施形態のボイラシステム１の動作について説明する。
本実施形態では、まず、ボイラ１０において蒸気が生成される。具体的には、まず、燃料ガスと燃焼用空気とがダクト１６において混合され、この燃焼ガスと燃焼用空気との混合ガスがバーナ１７から缶体１１の内部に噴出されて燃焼する。次いで、混合ガスの燃焼により発生した燃焼ガスにより、複数の水管１２が加熱され、これら複数の水管１２の内部に供給された給水（ドレン）から蒸気が生成される。複数の水管１２の内部で生成された蒸気は、上部ヘッダ１５に集められた後、連結管７２を介して蒸気ヘッダ７１に供給される。

蒸気ヘッダ７１に供給された蒸気は、負荷機器５０において利用された後ドレンとなり、高温高圧の状態でドレンタンク２０に貯留される。そして、ドレンタンク２０に貯留されたドレンは、ドレン供給ラインＬ３を通ってボイラ１０に給水として供給される。
また、ドレンタンク２０に収容されたドレンの量が減少する等により、ボイラ１０へのドレンの供給ができない場合には、新水供給ラインＬ６からボイラ１０に新水が供給される。

ドレン供給ラインＬ３を流通するドレン又は新水は、給水加熱器４０において、缶体１１において複数の水管１２を加熱した後、排気筒１８から排出される燃焼ガス（排ガス）により加熱され缶体１１に導入される。

制御部１００は、ボイラシステム１の動作を制御する。制御部１００は、ボイラ１０からの給水要求に応じて、ドレン供給ラインＬ３又は新水供給ラインＬ６からボイラ１０にドレン又は新水を供給させる。本実施形態では、ボイラシステム１は、給水加熱器４０にドレンが滞留することによって、滞留したドレンが沸騰することを防ぐため、燃焼中のボイラ１０からの給水要求がない場合であっても、予め設定された第１の体積流量（最低流量）での給水を行う連続給水制御を行う。

より具体的には、本実施形態のボイラ１０は、燃焼停止（燃焼率０％）、低燃焼（例えば、燃焼率４０％）、及び高燃焼（燃焼率１００％）の３段階の燃焼位置での燃焼状態の制御が可能な３位置制御のボイラにより構成される。
そして、制御部１００は、燃焼中のボイラ１０からの給水要求があった場合には、予め設定された第２の体積流量（大流量）で缶体１１に給水を行い、給水要求がない場合には、第１の体積流量で缶体１１に給水を行う。この第１の体積流量は、想定される最高温度のドレンが給水加熱器４０を通過する間に沸騰を起こさない流量として設定される。本実施形態では、低燃焼位置における第１の体積流量と、高燃焼時における第１の体積流量とは、異なる流量に設定される。

尚、ボイラ１０による給水要求は、缶体１１（水管１２）の水位が、燃焼位置に応じてそれぞれ設定された給水要求水位を下回った場合に行われる。また、この給水要求は、缶体１１（水管１２）の水位が、燃焼位置に応じてそれぞれ設定された給水停止水位を上回った場合に停止される。

ところで、同じ体積流量で給水を行った場合であっても、給水の温度によって、ボイラ１０に供給される給水の質量は変化する。即ち、給水温度が低い場合は、給水温度が高い場合に比して、水の密度は大きくなるので、同一の体積流量（例えば、最低流量）で給水を連続的に行った場合、給水温度が低くなるに従ってボイラ１０に供給される給水の質量は増加する。
一方、ボイラ１０における蒸発量（質量）は、燃焼状態が同一の場合、給水温度が高くなる程増加する（給水温度が低くなる程蒸発量は減少する）。
そのため、同一の体積流量で連続的に給水を行った場合、給水温度によっては給水質量がボイラ１０における蒸発量を上回ってしまい、給水要求がないにもかかわらず、ボイラ１０の水位が上昇してしまう。

そこで、本実施形態では、制御部１００は、第１の体積流量（最低流量）で給水を行っている状態において、温度センサ３７により測定される給水の温度が第１温度（例えば、１１０℃）以下であった場合に、ボイラ１０への給水を停止させる。具体的には、制御部１００は、温度センサ３７により測定される給水の温度が第１温度以下であった場合、ドレン供給ラインＬ３から給水が行われているときには流量調整弁３５を閉止させてボイラ１０への給水を停止させ、新水供給ラインＬ６から給水が行われているときには新水供給ポンプ６７を停止させてボイラ１０への給水を停止させる。これにより、給水の温度が、給水加熱器４０に滞留しても沸騰しない温度まで低下した場合に、ボイラ１０への連続的な給水を停止させられる。よって、最低流量で給水を行った場合に生じうる給水温度の低下によるボイラ１０への給水質量の増加に起因する過剰給水を防げるので、ボイラ１０の水位を適切に制御できる。
尚、第１温度は、給水が給水加熱器４０の内部に滞留した場合であっても沸騰しない温度に設定される。

以上説明した本実施形態のボイラシステム１によれば、以下のような効果を奏する。

（１）ボイラシステム１を、第１の体積流量でボイラ１０に連続的に給水を行う制御部１００を含んで構成し、この制御部１００に、第１の体積流量で給水を行っている状態において給水の温度が第１温度以下であった場合に、ボイラ１０への給水を停止させた。これにより、給水の温度が、給水加熱器４０に滞留しても沸騰しない温度まで低下した場合に、ボイラ１０への連続的な給水を停止させられる。よって、最低流量で給水を行った場合に生じうる給水温度の低下によるボイラ１０への給水重量の増加に起因する過剰給水を防げるので、ボイラ１０の水位を適切に制御できる。

（２）ボイラシステム１を、新水供給ラインＬ６を含んで構成した。これにより、ドレン供給ラインＬ３からのドレンの供給が不足する場合に、新水供給ラインＬ６から新水を供給できる。また、新水が供給されることにより給水温度が低下した場合にも、ボイラ１０への連続的な給水を停止させられるので、より適切な水位制御を行える。

（３）第１の体積流量を、想定される最高温度のドレンが給水加熱器４０を通った場合に沸騰しない流量に設定した。これにより、クローズドタイプのボイラシステム１を、給水加熱器４０を含んで構成した場合に、給水加熱器４０における給水の沸騰を効果的に防げるので、ボイラシステム１の動作の安定性をより向上させられる。

（４）第１温度を、給水が給水加熱器４０の内部に滞留した場合に沸騰しない温度に設定した。これにより、ボイラ１０への連続的な給水を停止した場合に、給水加熱器４０において給水が沸騰することをより効果的に防げる。よって、ボイラシステム１の動作の安定性を更に向上させられる。

以上、本発明のボイラシステム１の好ましい一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、本実施形態では、温度センサ３７を、ドレン供給ラインＬ３における新水供給ラインＬ６との合流部分よりも上流側に配置したが、これに限らない。即ち、温度センサをドレン供給ラインＬ３における新水供給ラインＬ６との合流部分よりも下流側であって、逆止弁３２よりも上流側の位置に配置してもよい。

また、本実施形態では、本発明を、３位置制御のボイラ１０に適用したが、これに限らない。即ち、本発明を、燃焼停止、低燃焼、中燃焼及び高燃焼の４段階の燃焼位置で燃焼制御可能な４位置制御のボイラに適用してもよい。

１ ボイラシステム
１０ ボイラ
１１ 缶体
２０ ドレンタンク
３０ オープンタンク
４０ 給水加熱器
５０ 負荷機器
Ｌ３ ドレン供給ライン
Ｌ６ 新水供給ライン

Claims (4)

1. 燃料を燃焼させて蒸気を生成する缶体、及び該缶体に供給される給水と前記缶体から排出される燃焼ガスとの間で熱交換を行う給水加熱器を有し、生成された蒸気を負荷機器に供給するボイラと、
   前記負荷機器が蒸気を使用することによって凝縮して生じたドレンを大気に開放することなく回収するドレンタンクと、
   前記ドレンタンクと前記ボイラとを接続し前記ドレンタンクに収容されたドレンを給水として前記ボイラに供給するドレン供給ラインと、
   少なくとも第１の体積流量で前記ボイラに連続的に給水を行う制御部と、を備えるクローズドタイプのボイラシステムであって、
   前記給水加熱器の上流側における給水の温度を測定する温度測定部を更に備え、
   前記制御部は、前記第１の体積流量で給水を行っている状態において、前記温度測定部により測定される給水の温度が第１温度以下であった場合に、前記ボイラへの給水を停止させるボイラシステム。
2. 下流側が前記ドレン供給ラインにおける前記給水加熱器よりも上流側に接続され、前記ボイラに新水を供給する新水供給ラインを更に備える請求項１に記載のボイラシステム。
3. 前記第１の体積流量は、想定される最高温度のドレンが前記給水加熱器を通った場合に沸騰しない流量に設定される請求項１又は２に記載のボイラシステム。
4. 前記第１温度は、給水が前記給水加熱器の内部に滞留した場合に沸騰しない温度に設定される請求項１〜３のいずれかに記載のボイラシステム。

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