JPH02197701A

JPH02197701A - 再起動ボイラに設置した空気予熱器等の温度監視装置

Info

Publication number: JPH02197701A
Application number: JP1826789A
Authority: JP
Inventors: Hidehisa Yoshizako; 秀久吉廻; Noriyuki Imada; 典幸今田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1989-01-27
Filing date: 1989-01-27
Publication date: 1990-08-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、ボイラの排ガス通路内に設置した装置の温度
監視装置に係り、特にホットバンキング後再起動するボ
イラ排ガス流路内の脱硝装置や空気予熱器などの構造物
の温度監視装置に関する。

〔従来の技術〕

最近、エネルギー転換によって、発電における原子力の
割合が高くなってきている。原子力の場合、１基当たり
の出力は火力より数倍以上大きく、設備も火力に較べ相
当大きい。そのため、出力を素早く変化させるのが難し
く、出力は一定で運転するのが普通である。

一方、電力の消費は夏場のクーラーに見られるように、
短時間・大出力化の傾向にあり、電力需要は時間的に著
しく変化する傾向にある。

そこで、象、変する電力需要に対応するため、事業用ボ
イラは迅速な起動および負荷対応が要求されるようにな
っている。

第８図に火力発電所の概略構成を示す。発電はボイラで
発生した蒸気で発電機６と連結したタービン５を回転さ
せることによって行なわれる。夕然焼用空気１２は、大
気からファン９によって吸い込まれ、空気予熱器８で約
３００　’Ｃに加熱されて風箱３に入る。そして、バー
ナ１で燃料１１と混合し、火炉２で燃焼する。燃焼した
排ガス１３は、約１０００°Ｃになり伝熱管４を加熱し
、管内の水を高温の蒸気に変える。この結果、排ガスは
へ５０゛Ｃに低下する。そして、空気予熱器によって燃
焼用空気を加熱し、約２５０°Ｃまで低下し、煙突１０
から排出される。脱硝装置７は、排ガス中に含まれる有
害な窒素酸化物を除去するために設けである。

（発明が解決しようとする課題〕事業用ボイラではさきに述べたように、迅速な起動およ
び負荷対応の必要性から、ホットバンキングという方法
がとられる。この方法は、発電が終わるとファンを止め
て燃焼用空気を流さないようにし、ボイラが冷却するの
を防ぐものである。

この方法を用いると次に再スタートする場合、ボイラが
暖まっているので短時間のうちに最高出力を出すことが
できる。

通常、ボイラでは完全に近い燃焼が行なわれ、排ガス中
には未燃分はほとんど存在しない。しかし、長期間にわ
たって連続運転するため、微量に含まれる煤を主とする
未燃分が次第に蓄積し、時に火災を引き起こすことがあ
る。その例として、空気予熱器がある。

第９図に、事業用ボイラに最も多く使用される再生式空
気予熱器の構造を示す。再生式空気予熱器は排ガスダク
ト１４、燃焼用空気ダクト１５、加熱エレメント１７お
よびモータ１６からなっている。加熱エレメントは厚さ
０．５（財）程度、高さ１ｍ程度の波状の金属板が約１
０ｍｍ間隔で多数重ね合わさってできており、直径数ｍ
の円形をしている。第１０図は、第９図のＡ−Ａ　’水
平断面を示したものであるが、加熱エレメントはモータ
によって１〜２回転／分し、高温の排ガスダクト中で加
熱され、空気ダクトに回転移動して空気を予熱するとい
う動作を繰返している。

この加熱エレメントに未燃分が長期間の間に蓄積すると
、ボイラを停止したホットバンキングの無風状態のとき
に低温酸化が始まり、次第に温度が上がり、ついには象
、激な燃焼を始める。このとき、加熱エレメントが金属
であるため一緒になって燃焼（酸化）を行ない、大災害
を引き起こすことがある。

事業用ボイラは性能もさることながら、信顛性と安全が
第一に要求される。特に、燃料を大量に抱えているので
、火災には細心の注意がはられれる。

そこで、火災を防ぐ方法として、エレメントをセラミッ
クスにする方法も考えられているが、熱伝導性の悪さと
か厚みがふえて空気抵抗が大きくなるとかの問題があり
、実用化に到っていない。

また、熱電対を用いる方法もあるが、局部的な発熱を検
出するには非常にたくさんの数が必要なこと、およびこ
れらを挿入するためには連続使用に耐えるだけの頑強な
サポートが必要となり、空気抵抗が大きくなることなど
の問題があり、実用化に到っていない。

〔課題を解決するための手段〕

上記した従来技術の問題点は、ホットバンキングを行な
った後再起動するボイラの排ガス煙道内に設置した空気
予熱器もしくは脱硝装置の上流または下流の流体流路の
周囲にそれぞれ複数個ずつ対応して設置した音波の送信
器および受信器と、上記発信器と受信器の組合わせによ
ってできる？Ｖ数個の音波の伝播経路における伝播時間
を計４（すする装置と、この計測された伝播時間より上
記流体流路の断面内の音速分布を求める装置と、求めら
れた音速分布から流路断面内の温度分布を算出し空気予
熱器もしくは脱硝装置の温度の上昇の存無を判断をする
装置とを備えたことを特徴とする、再起動ボイラに設置
した空気予熱器等の温度監視装置により解決される。

［実施例］第１図に本発明の実施例を示す。本発明は、従来の再生
式空気予熱器に音波の送信器３０．３１、受信器３２．
３３、送信器用リレー３４、Ａ／Ｄ変換器３５、アンプ
３６、コンピュータ３７およびデイスプレィ３８を付加
したものである。送信器と受信器を取付けた様子を第２
図に示す。第２図は、第１図のＡ断面を見たものである
。

用いた再生式空気予熱器は、出力６００ＭＷのボイラ出
口の、２分された排ガスダクトにそれぞれ取付けられて
いる。排ガスダクトおよび空気ダクトの入口・出口は、
４ｍＸ２ｍの矩形をしており、いずれも直径４ｍの加熱
エレメントにマツチングするように、加熱エレメントの
近傍で円形断面となるように絞っである。加熱エレメン
トは通常運転のときもホットバンキングのときも、１回
転／　ｒｎ　ｉ　ｎで回転している。位相検出器４０は
、温度異常を検出した位置がどこであるかを知るために
取付けたものである。位相検出器の概要を第２Ａ図に示
す。発光器４１から常時光を出しておき、回転する加熱
エレメント１７に取付けた反射板４３からの反射光を受
光器４２が受け、電気信号に変換する。

送信器はオーディオ用スピーカ（トウイータ）の発信部
分を改造したもので、直径は９０ｍｍ、出力は１２０ｄ
Ｂ／ｒｎ、周波数は１〜２０ｋＨｚ、耐熱温度４００°
Ｃである。３個の送信器は、排ガスダクトの内側に２イ
ンチのネジで２段に取付けられている。

受信器には直径２０ｍｍの圧電素子を用い、排ガスダク
トの外側に８個、それぞれ２段についている。送信器と
受信器の外側にガスが漏れないように封じである。

以下に計測の手順を述べる。

コンピュータ３７が、３個のスピーカのうちからどれを
駆動するか、あらかじめ指定された順序に従って指令し
、上段と下段のリレーを駆動する。

コンピュータに内蔵した信号発生器から、周波数３ｋＨ
ｚ、５周期のバースト（有限周期の波）波形を発生する
。一般に、伝播時間の計測においては、周波数を高くす
ると分解能は向上するが、反対に伝播に伴う減衰量が大
きくなり、検出が難しくなるという相反する問題がある
。そこで、本実施例ではあらかじめ再生式空気予熱器内
で周波数を１〜１０　ｋ　Ｈｚの範囲で変えた送信、受
信の予備テストを行なった。その結果、３ｋＨｚにおい
て受信レベルと騒音の比（Ｓ／Ｎ比）が最も高くなった
のでこの値を選んだ。この理由は、第１１図に示すよう
に、周波数を高くすると減衰が大きくなり（−２乗に比
例）、これに対し暗騒音、つまりダクトが持っている騒
音が図のようになっており、したがってＳ／Ｎ比は３ｋ
Ｈｚ付近で最も高くなった。装置の大きさとか、送信器
の出力が変わった場合にはこの周波数は変えたほうがよ
い。

また、バースト波形を受信すると、最初の１周期目は非
常に受信レベルが小さかった。これは、主にＡ／Ｄ変換
器の前段に入れであるバンドパスフィルタによって波形
が崩れるためである。Ｓ／Ｎ比を上げるためには、バン
ドパスフィルタは欠かすことができない。２周期目以降
はかなり受信レベルが高くなるので、本例では５周期に
した。

バンドパスフィルタは特定周波数の共鳴器であるから、
一定時間たてば入力波形と同じになるが、最初の部分は
過渡応答となり、波の高さが小さくなるためと考える。

周期の数はある程度変えても検出には影響しないが、あ
まり数を多くすると、送信器の寿命が短くなること、お
よび発信音の残響時間が長くなり、計測の間隔が長（な
るなどの問題を生じる。

送信器から出た音波は約４ｍ離れた８個の受信器に到る
。ホットバンキングの状態では、排ガス温度は再生式空
気予熱器入口で約２００°Ｃであり、音速は４４０ｍ／
ｓである。したがって、この間の伝播時間は約９ｍｓ　
（４／４４０＝９ｘｌＯ−ｆｆＳ）である。受信器は常
時作動しており、任意の時間にＡ／Ｄ変換器内のメモリ
に記録できるが、メモリに記憶できる量は限りがある。

本Ａ／Ｄ変換器は各チャンネルにおいて、４０００個の
データを同時に記憶できる。３ｋＨｚの音波の１　ｒｅ
ｌ　！！Ｊｌは３３３μｓなので、音波の受信時刻を正
確に検出するために、受信波形のサンプリング間隔は１
゜１μｓとしている。正弦波をデジタルで検出する場合
、サンプリング間隔を粗くすると、正しい波形が入力で
きない。通常は１／２０以下のサンプリング周期をとる
。本実施例では、精度を上げるため１／３００にとった
。この間隔でサンプリングを行なうと、記憶できる時間
は４０００個×１゜１μｓ　＝　４．４　ｍ　ｓとなり
、送信開始時から直ちにメモリへの記憶を開始すると、
肝心な到達時刻でのデータが記録できない。そこで、バ
ースト波形と同時に出力されたパルス信号がら７ｍｓの
ｄｉ　ｌｒＥをかけて記録を開始するようにしている。

１．１μｓで４０００個のサンプリングを行なうと、４
４００μｓ経過している。このとき、まだ音波は受信器
に到着していない。音波は発信されてから９０００μｓ
後に受信される。メモリ容量が４４００μｓ相当分しか
ないので、７０００μｓの遅延を行なった。この場合、
受信位置はメモリのほぼ中央にある。本例では、バース
ト波形に正弦波を用いたが、矩形波を用いれば矩形波の
立上がり部分を送信開始の信号として用いることも可能
である。

Ａ／Ｄ変換器に記憶された８チヤンネルの受信波形はコ
ンピュータに送られる。コンピュータは、これらの波形
から受信時刻を検出する。本例では、検出に相互相関法
を用いた。相互相関法は、あらかしめ記憶しておいた波
形と受信した波形との一致度をとるものである。この方
法では、受信信号のＳ／Ｎ比が小さい場合でも極めて正
確に検出できる。この他に、Ｓ／Ｎ比が大きい場合には
、単に受信した信号のレベルから検出することも可能で
ある。

伝播時間の計測は、各伝播経路に対し１回しか行なわな
かった。これは、用いたＡ／Ｄ変換器の転送速度では加
熱エレメントの回転に追いつかないからである。人力し
た時系列４０００個のデータを転送するのに約１秒かか
る。つまり、２回目の計測場所と１回目の計測場所が異
なってしまう。

さらに高速なＡ、　／　Ｄ変ｔＡ器を用いれば、送信、
受信を短時間のうちに繰返し行なうことができ、伝播時
間の検出精度を向上することができる。

本例の場合、送信器は３個あるので送信をｌ＋ｌｆｆ次
行なう。その結果、１回面当たり２４個の伝播時間を計
測することになる。この伝播時間を用いて断面内の温度
分布を計算するが、その原理を示す。

送信器と受信器で囲まれた断面を、第３図のように２４
個の微小な要素に分ける。各要素内では音速は一定だと
すると、先に求めた各経路の伝播時間τ。は、各微小要
素における伝播時間ｔ、の和となっているので、次式の
ように表わすことができる。

τ。＝Σ１゜（ｎ−１，２４ｉ＝１．２４）ここで、各微小要素における伝播時間１．は、各微小要
素における伝播経路り、の長さを、各微小要素における
音速Ｃ４で割ったものであるから、次式のように書き換
えられる。

τ、−Σ（ＬＩ／Ｃ３）Ｌ、ばあらかしめ幾何学的にわがっているから、未知数
は２４個のＣ８である。τ７は２４個計測できるから、
２４個の連立方程式を解くことによって、Ｃ８が求まる
。一方、音速Ｃ３と温度Ｔ８には次の関係がある。

Ｃ，＝ａ、、１ＴＴａはガス組成によ−って決まる音速定数で、断面内のガ
ス組成は−様だから、各微小要素とも同しである。これ
より、各微小要素内の温度が求まる。

この間の所要時間は約３分であった。各断面の温度分布
は直ちにデイスプレィに表示するが、同時に第４図のよ
うに温度差を表示する。２つの断面間（本実施例では空
気予熱器の入口側と出口（！１．＋１　）で温度差が生
じた場合、温度の高いほうにガスは流れているので、流
れ方向も同時に表示する。この例では、下段側への流れ
を青、上段側への流れを赤にし、温度を色の濃さで表示
している。

本発明の確かさを検証するために、ボイラが完全に停止
したときに、加熱エレメントに約８０　’Ｃに加熱した
厚さ１０ｍｍ、５００ＩＩＩＩｆｌ角の蓄熱材を入れ、
加熱エレメントを回転させる模１疑実験を行なった。

最初に、全（通風しない状態で計測を行なった。

その結果、上段側で周囲より約１０’Ｃ高い個所を検出
した。この位置は、まさに蓄熱材の位置に相当していた
。上段側で検出したのは蓄熱＋４によって空気が暖まり
、自然対流によって上昇流となったためである。温度が
蓄熱材よりかなり低くなったのは、空気の拡散があるこ
とと、温度分布解析の要素が蓄熱材より大きく、蓄熱材
以外の部分の温度との平均となるためである。

次に、加熱エレメント部で風速約１　ｍ　／　ｓとなる
ように通風を行なって計測した。ホットバンキングの場
合でも、わずかながら空気は煙突効果によって煙突側、
すなわち下向きに流れるので、これを模擬したものであ
る。この結果、下段側で約５°Ｃの温度上昇部分が検出
できた。この位置はやはり蓄熱材の位置と一致していた
。〆温度が低く出ているのは、上記の理由に加え、さら
に通風による希釈があるためである。

蓄積した未燃分が酸化を始める場合温度上昇は非常に遅
く、周囲との温度差は１００°Ｃ以上あることを考える
と、以上の実験によって、本発明の実施の可能性の実証
を行なうことができた。

さきの例では、デイスプレィに表示されるのは加熱エレ
メントの一部だけであり、全体の温度を常に監視するこ
とはできなかった。そこで、位相検出器４０の信号を用
いて計測を行なうようにした。この場合、位相検出器が
あらかじめセットしておいた位置を検出すると、第１回
目の送受信を行ない、解析を行なう。その次に位相検出
器が検出すると、少し時間をずらしてから２回目の計測
を行なう。この操作を順次繰返すと、最終的には全体の
温度分布を出すことができる。この例では、６回で全体
が表示できる。この要領を第４Ａ図に示す。第４図の表
示はこの方法を用いた。

第５図と第６図は、送受信器の配置を変えたものである
。第５図の例は、送受信器を排ガスダクトの全周に取付
けたもので、検出できる分解能は低くなるものの、全体
を一度に計測できる。

第６図の例は、送受信器をダクトの外側にのみ取付けた
もので、排ガスダクトと空気ダクトの間が狭い場合に有
効である。

第７図の例は、送受信器を脱硝装置の触媒層の間にも配
置し、触媒の温度も監視できるようにしたものである。

なお、実施例では非接触でしかも正確に測定できる音波
式の温度計を用いたが、光学式の温度計測は排ガス煙道
内がダストやオイルミストでγη染されるので採用でき
ないためである。なお、空気予熱器や脱硝装置に付着し
たオイルミストや未燃燃料は２００°Ｃを超え、かつ酸
素の供給が充分な場合は象、速に酸化するので、常時使
用温度から５０°Ｃ程度上昇するまでに早ゑ、な対策が
必要であり、本発明は上記要求を充分満足するものであ
る。

なお、本発明における温度測定の原理は、同日出願の音
響式流体温度測定装置の原理と同一である。

〔発明の効果）本発明によれば、ホットバンキング後再起動を行なうボ
イラの排ガス流路内にある空気予熱器や脱硝装置などの
構造物の、初３ｔｕの局部的な温度−上昇が検出でき、
早期に消火活動ができ、大火災を未然に防ぐことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例図、第２図は、第１図のＡに
おける水平断面図、第２Ａ図は、本発明の実施例で採用
した位相検出器の概要図、第３図は、第１図の実施例に
おける加熱エレメントの解析要素図、第４図は、第１図
の実施例においてデイスプレィに表示した温度分布図、
第４Ａ図は、位相検出器を使った温度測定要領説明図、
第５〜６図は、他の実施例図、第７図は、本発明の脱硝
装置への適用実施例図、第８図は、発電所の概要図、第
９図は、再生式空気予熱器の側断面図、第１０図は、第
９図のＡ−Ａ　’断面図、第１１図は、本発明の実施例
で採用した音波周波数の選定理由説明図である。１４・・・排ガスダクト、１５・・・空気ダクト、１６
・・・モータ、１７・・・加熱エレメント、３０・・・
上段送信器、３１・・・下段送信器、３２・・・上段受
信器、３３・・・下段受信器、３４・・・送信用リレー
、３５・・・受信用リレー　３６・・・アンプ、３７・
・・コンピュータ、３８・・・デイスプレィ、４０・・
・位相検出器、４１・・・伝播経路。第図上段送１言器下段送信器上段受信器下段受信器送信器用リレー受信器用リレーアノフコンピュータデイスプレィ位相検出器伝播経路第２第図二面転軸二面転枠二面転方向（ＫＨｚ

Claims

【特許請求の範囲】

ホットバンキングを行なった後再起動するボイラの排ガ
ス煙道内に設置した空気予熱器もしくは脱硝装置の上流
または下流の流体流路の周囲にそれぞれ複数個ずつ対応
して設置した音波の送信器および受信器と、上記発信器
と受信器の組合わせによってできる複数個の音波の伝播
経路における伝播時間を計測する装置と、この計測され
た伝播時間より上記流体流路の断面内の音速分布を求め
る装置と、求められた音速分布から流路断面内の温度分
布を算出し空気予熱器もしくは脱硝装置の温度の上昇の
有無を判断をする装置とを備えたことを特徴とする、再
起動ボイラに設置した空気予熱器等の温度監視装置。