JPS6124904A - ボイラ装置 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、気水分離器ドレンタンクを備えたボイラ装置
に係り、特に起動時における前記ドレンタンクの水位を
安定化することのできるボイラ装置に関するものである
。

〔発明の背景〕

第１図は、気水分離器ドレンタンクを備えたボイラ装置
の系統図である。

ボイラ給水ポンプｌより給水加熱器２を通して供給され
た水は節炭器３、火炉水壁４で加熱され、気水混合物と
なって気水分離器５に送られる。気水分離器５で分離さ
れたドレンは、気水分離器ドレンタンク６に貯えられ、
再循環ポンプ７により節炭器３の入口側に戻される（以
下これをボイラ循環という）。ここで再循環流量調節弁
８は、ドレンタンク６の水位に応じてボイラ再ｖｔｔｓ
量を調節して、水位の変動を抑えるために設けられてい
る。ドレンタンクオーバーフロー弁９は、再循環流量調
節弁８が全開してもなおドレンタンク６の水位が下がら
ない場合に用いられ、このオーバー・フロー弁９を開い
てドレンを放出することによりドレンタンク６の水位を
下げることができる。

ボイラ点火後５過熱器１０の出口蒸気が蒸気タービン１
３に通気可能な温度、圧力に昇温、昇圧されるまではタ
ービン加減弁１２が閉じ、過熱器ｌＯから出た蒸気はタ
ービンバイパス弁１１を通って放出される。このときタ
ービンバイパス弁１１は蒸気圧力が一定となるようにそ
の通過量を調節する、いわゆる逃し制御を行なう。また
この場合、過熱器ＩＯの中間点または入口に蒸気を放出
する過熱器バイパス弁（図示せず）を設け、前記タービ
ンバイパス弁１１と併用して逃し制御を行なう場合もあ
る。

第２図は、火炉水壁４を構成する伝熱管１４の一部を模
式的に示した図で、図面に向って左端が火炉水壁４の入
口側に、右端が火炉水壁４の出口側にそれぞれ相当して
いる。図中の１５は水、１６は気水混合物、１７は気泡
、矢印は流体の流れ方向をそれぞれ示している。

第３図は、第２図に示す伝熱管１４の各部位における内
部通過流体のエンタルピ（曲線１８）と。

ボイド率（曲線１９）を示している。ここでボイド率と
は気水混合物の気相と液相の体積比で、その重量比であ
る乾き度に対応する量である。

火炉水壁４の伝熱管１４を保護するため、伝熱管１４へ
の１本当りの給水量をある最低値以上に確保しなければ
ならない。火炉水壁４の全伝熱管１４の最低給水量を合
計した値を火炉水壁保護最低給水量と呼んでいる。第１
図に示すボイラ給水流量調節弁４１は火炉水壁保護最低
給水量を確保するように調節されており、おおむね火炉
水壁保護最低給水量からボイラ再循環量を差し引いた給
水量をボイラに供給するように操作する。

第３図において、伝熱管１４内を流通する流体が完全に
熱平衡であれば、すなわち伝熱管１４内を流通する流体
の径方向における流体エンタルピが一様であれば、流体
エンタルピがその時点の流体圧力における飽和エンタル
ピｈ′の値を越える点（飽和水エンタルピ到達点）２０
の前流側には気泡は存在しない。ところが実際には、伝
熱管１４内を流通する流体の径方向における流体エンタ
ルピは一様でなく分布を有しているから、流体全体の平
均エンタルピが飽和エンタルピｈ′を下回り、飽和水エ
ンタルピ到達点２０の前流側にも気泡が存在し、これを
サブクール沸騰と呼んでいる。またこのことは気水分離
器５の入口側の流体エンタルピが飽和水エンタルピｈ’
以下（サブクール領或）でも、飽和水エンタルピｈ′近
傍であれば気水分離器５から蒸気が発生し、得ることを
示している。

第４図は、流体エンタルピと流体ボイド率との関係を示
す特性図で、前述のサブクール沸騰が発生しない場合の
熱平衡ボイド率２１と、サブグー・ル沸騰が発生した場
合のボイド率１９をそれぞれ流体エンタルピの関数とし
て示している。

前者の熱平衡ボイド率２１は、周知の如く流体エンタル
ピより蒸気乾き度を求め、これをその圧力における飽和
水と飽和蒸気の比容積を用いて体積比に換算すれば求ら
れる。一方、後者のボイド率１９は、伝熱管１４が受け
る単位面積当りの熱量（熱負荷）や管内の流速に依存し
て複雑になり、計算式としてはミロポルスキーの実験式
などが知られている。また、前者の値は後者の値を下回
らないこと、ならびにボイド率０．８以上の領域では両
者の値にはほとんど差がないことも知られている。

なお、第４図において２１は熱平衡ボイド率、２２はボ
イド率０．９到達点、２５はサブクール沸騰域を示して
いる。

第５図は、流体圧力における飽和水エンタルピと、伝熱
管内がほとんど気相に変わるボイド率が０．９となるエ
ンタルピを蒸気表（日本機械学会１９６８年版　蒸気表
参考）より求めたものである。

後者のボイド率が０．９となるエンタルピは熱平衡ボイ
ド率として算出しているが、前述の理由により実際の現
象との差は無視できる程度である。

この図において飽和水エンタルピを示めす曲線２３と、
ボイド率０．９となるエンタルピを示めす曲線２４との
差は、流体圧力１００　ｋｇ／　ｃ＋＃ａｂｓでは１３
１．４　ｋｃａｌ／ｋｇ程度であるのに対して、流体圧
力が５０　ｋｇ　／　ｃｏｆａｂｓ、２０　ｋｇ　／　
ａｌ　ａｂｓ、５　ｋｇ　／　ｄａｂｓと低下するのに
従って、そぞれ８７．６５ｋｃａｌ／　ｋｇ、４２．６
７ｋｃａｌ／　ｋｇ　、　１２．６５　ｋｃａｌ／　ｋ
ｇと低下し、流体圧力が１　ｋｇ　／　ｒ：Ｊ　ａｂｓ
では僅か２９．２　ｋｃａｌ／　ｋｇとなってしまう。

このような水の物理的性質により、従来のボイラ装置で
は次のような欠点を有している。

すなわち、火炉水壁４は多数並設された伝熱管１４によ
り構成されている。これらの伝熱管１４内を流れる流体
について、圧力は瞬時に伝わるため一様と考えてよいが
、エンタルピは火炉内での伝熱管１４の位置、あるいは
バーナの点火や消火に伴う火炉水壁各部の熱吸収分布の
変化により６定常的にも、過渡的にも変化がある。第５
図に示すように特に流体圧力が低い領域では僅かのエン
タルピ上昇によりボイド率が大幅に上昇し、このことは
伝熱管１４内の気泡の体積が急増した分だけ水が急激に
押し出されることを意味する。

伝熱管１４内の流体圧力が低い領域で、熱吸収が偏って
増加する伝熱管群があると、その伝熱管群内の液相が急
激に押し出されて、気水分離器ドレンタンク６の水位を
急速に上昇させ、プロッペン現象と呼ばれろ状態となる
。

このプロツペン現象が生じると、気水分離器ドレンタン
ク６の制御系では、再循環流量調節弁８の開度を増し、
場合によってはドレンタンクオーバーフロー弁９も併用
して、気水分離器ドレンタンク６の水位を下げようとす
る。しかし、プロツベン現象はあくまでも火炉水壁４　
（伝熱管］４）内の液相が押し出される一時的なもので
、伝熱管１４内がほとんど気相になると、直ちに気水分
離器ドレンタンク６に流入するドレン量が減少し。

水位も急低下する。

ところが、この水位の急上昇後の急低下が次のような問
題をもたらす。すなわち第１に、再＠環ポンプ７が蒸気
を吸込むとキャビテーションによリポンプが破壊される
ため、これを防ぐために急速に再循環流量調節弁８．ド
レンタンクオーバーフロー弁９をそれぞれ絞らなければ
ならない。また第２に、再循環流量調節弁８を慝に閉じ
ることによりボイラ再循環量が急減し、火炉水壁４への
給水量が低下し、ボイラ給水流量調節弁４１を直ちに開
いて給水しなければならない、このときの給水増加が間
に合わず、火炉水壁４・−＼の給水量が最低保護給水量
を下目ねり、ボイラ装置を急停止することがしばしば起
る。

このようなことから従来のボイラ装置では、再循環流量
調節弁８、ドレンタンクオーバーフロー弁９、ボイラ給
水流量調節弁４１の急速操作を図るため、高価な急速弁
駆動装置を採用したり、制御装置の応答性を改善するな
どの工夫がなされていたが、これにも限度があり、結局
、起動時間の短縮を犠牲にして燃料の投入量の制限を行
なわざるを得なかった。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、起動時におけ
るドレンタンクの水位を安定化することができ、起動時
間が短縮され、起動操作性の優れたボイラ装置を提供す
るものである。

（発明の概要〕 上記の目的を達成するため、本発明は、火炉水壁の下流
側に気水分離器、気水分離器ドレンタンクならびに例え
ばタービンバイパス弁などの蒸気抜出し量調節弁を備え
たボイラ装置において、前記気水分離器の入口側流体温
度を検出する温度検出器と、その温度検出器からの検出
信号に基づいて前記蒸気抜出し量調節弁の開度を決める
制御装置とを備えたことを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

次に本発明の実施例を図とともに説明する。第６図は、
実施例に係るタービンバイパス弁１１の開度を制御する
制御装置のフローチャートである。

火炉水壁４を構成する多数の伝熱管１４は隣接するもの
どうしで各ヘッダによりまとめられており、各出口側ヘ
ッダには火炉水壁出口流体温度検出器２６が付設されて
いる。このら各温度検出器２６から出力された温度信号
は信号平均装置４３により平均化され、その平均値が気
水分離ｌ１５の圧力目標値を算出する関数発生器２８に
入力され夕。

この関数発生器２８は、第７図に示すような特性曲線を
有している。すかわち、火炉水壁出口平均流体温度（気
水分離器入口流体温度）に対応する飽和蒸気圧力曲線３
４よりバイアス値５０だけ高い目の設定曲線３５が設け
られている。

一方、気水分離器５には気水分離器圧力検出器２７が付
設されており、この圧力検出器２７からの検出信号を減
算器２９に入力し、比例積分器３０により前記気水分離
器圧力検出器２７からの検出信号を前記関数発生器２８
から出力される目標値に一致させるプロツペン低減信号
３１を出力する。

信号３２はタービンバイパス弁１１の基本操作信号で、
この信号３２と前記プロツペン低減信号３１とが低信号
選択器３３に入力され、低信号の方が操作信号として選
択されてタービンバイパス弁１１を操作する。すなわち
この制御装置により、気水分離器５の圧力は関数発生＄
２８より算出される目標値と等しいか、それより高く維
持されるように制御される。

この制御装置により、気水分離器５の圧力をその入口平
均流体温度に対応する飽和圧力より高くする理由につい
て次に説明する。

第８図（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用しない場合の火
炉水壁４の出口側における流体エンタルピと流体温度の
分布を模式的に示す図である。図中の曲線４４は流体エ
ンタルピ分布曲線、直線４７は火炉水壁４の出口側の流
体平均温度に対応する飽和水エンタルピ、直線４８は気
水分離器圧力に対応する飽和水エンタルピ、斜線の領域
４９は気泡の存在範囲、曲線４５は火炉水壁４の出口側
における流体温度分布、直線４６は火炉水壁４の出口側
における平均温度をそれぞれ火炉水壁４の伝熱管１４と
の位置対応で示している。

図に示すようにエンタルピ分布曲線４４が直線４８を越
えると流体の熱平衡乾き度が正となる。

サブクール沸騰により飽和水エンタルピ４８よりもエン
タルピが少し高い範囲が気泡の存在範囲４９となる。こ
の場合、流体エンタルピ４４の頂上付近ではボイド率が
高くなってしまう。ここで流体温度４５は、熱平衡乾き
度が正の範囲では飽和温度に一定となる。

第９図（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用した場合の同様
の特性図である。第７図で説明したように、気水分離器
５の圧力をその入口平均温度に対する飽和圧力よりバイ
アス値５０だけ高くしている。そのため、これをエンタ
ルピ的にみると、平均温度４６における飽和水エンタル
ピ４７より、実際の気水分離器圧力における飽和水エン
タルピは、圧力差に対応する飽和水エンタルピ差５１だ
け高く維持され、この圧力バイアスの設定により気泡の
存在範囲４９が可変できる。この場合、火炉水壁４から
の蒸発が零になれば、それ以上気水分離器圧力を上昇す
ることはできないが、サブクール沸騰が存在するので、
飽和水エンタルピ直線４８が流体エンタルピ曲線４４の
頂上□と接近する付近で。

火炉水壁４内の気泡がほとんどなくなる程度までは圧力
バイアスが可能である。

従って本発明では、飽和水エンタルピ（４７゜４８）よ
り流体エンタルピ（４４）が僅かに上回るとボイド率が
急激に高くなる低圧領域では圧力バイアスを大きくし、
火炉水壁４の出口のいずれの場所でもボイド率零または
低ボイド率に維持する。

やがて流体圧力が高くなり、エンタルピの上昇によりボ
イド率が急速に上昇しなくなるに従ってバイアス値を下
げ、前述のボイド率の自己平衡作用によりプロツペン現
象が低減できる流体圧力領域になればこの制御を打ち切
る。

制御の打ち切りは、バイアス値を負にすればよい。この
ようにすることにより、低圧領域ではプロツペン現象が
低減でき、圧力の上昇に従い徐々に蒸発量を増加してウ
オーミングに必要な蒸気量を確保する制御が可能である
。

本発明において、制御の基本計測値となる火炉水Ｍ４の
出口平均流体温度は重要で、これを正しく把握しないと
良好な動作は行なわれない。そのためには、火炉水壁４
の出口側にはできるだけ多くの流体温度検出器２６を設
け、検出値を平均化することが望ましい。

第１０図は、第６図で説明した制御装置をさらに急速な
プロツペン現象が発生した場合でも対応できるようにし
た制御装置のフローチャートである。

すなわ、気水分離器ドレンタンク６に付設した水位検出
器３６（第１図参照）からの信号を信号微分器３７で微
分し、しきい値設定器３８に入力する。この設定器３８
には予めしきい値として水位上昇速度が設定されており
、気水分離器ドレンタンク６の水位上昇速度が設定され
た水位上昇速度を越えたことを前記設定器３８で検出す
ると、その信号を符号反転器３９に入力し、急速にター
ビンバイパス弁１１を閉じるドレンタンク水位緊急低減
信号４２として加算器４０に入力する。この加算器４０
には第６図で説明したように、多数の火炉水壁出口流体
温度検出器２６ならびに気水分離器流体圧力検出器２７
からの検出信号に基づいて作成されたプロツペン低減信
号３１も入力され、前述のドレンタンク水位緊急低減信
号４２に加算されて、その和信号により第６図の場合と
同様にタービンバイパス弁１１を操作する。

気水分離器ドレンタンク６の水位がプロツペン現象によ
、り急激に上昇した場合でも、前記制御装置の動作によ
り直ちにセパレータ蒸気圧力を上昇させ、火炉水壁４内
のボイド率を低下させ、火炉水壁４から押し出されるド
レン量を低減できる。

これにより気水分離器ドレンタンク６の水位の急低下が
防止でき、前述した種々のトラブルが解消できる。

また、蒸発量の増加に伴なう気水分離器圧力の上昇の応
答性を高めることになり、ボイド率の自己平衡作用を助
長する。

［発明の効果〕 本発明は前述のような構成になっているから、ボイラ起
動時のプロツベン現象によるドレンタンク水位の急上昇
とその後の急低下が緩和され１次のような効果を有する
。すなわち、 ■水位急上昇に伴なうドレンタンクオーツ（−フロー弁
のドレン放出による熱損失が低減できる。

■水位急低下による再循環ポンプのキャビテーションが
防げる。

（小水位急低下によるボイラ再循環量の急減が抑制され
、火炉水壁保護給水量の不足が防止できる。

（◇プロツペン現象の発生によって抑制されていた起動
時における燃料量の投入量制限、バーナパターンの制限
などが緩和され、起動時間の短縮ならびに起動操作の簡
略化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はボイラ装置の系統図、第２図は伝熱管の模式図
、第３図は伝熱管通過流体のエンタルピとボイド率の特
性図、第４図は流体エンタルピと流体ボイド率の関係を
示す特性図、第５図は流体圧力と流体エンタルピの関係
を示す特性図、第６図は本発明の実施例に係る制御装置
のフローチャート、第７図はその制御装置に用いられる
関数発生器の設定曲線を説明するための図、第８図（ａ
）、（ｂ）は本発明を適用しない場合の流体エンタルピ
と流体温度の分布図、第９図Ｃ３）、（ｂ）は本発明を
適用した場合の流体エンタルピと流体温度の分布図、第
１０図は本発明の他の実施例に係る制御装置のフローチ
ャートである。 ４・・・・・・火炉水壁、５・・・・・・気水分離器、
６・・・・・・気水分離器ドレンタンク、１１・・・・
・・タービンバイパス弁、１４・・・・・・伝熱管、２
６・・・・・・火炉水壁出口流体温度検出器、２８・・
・・・・関数発生器、２９・・・・・・減算器、３０・
・・・・・比例積分器、３１・・・・・・プロツペン低
減信号、３２・・・・・・タービンバイパス弁基本操作
信号、３３・・・・・・低信号選択器、３６・・・・・
・気水分離器ドレンタンク水位検出器、３７・・・・・
・信号微分器、３７・・・・・・しきい値設定器、３９
・・・・・・符号反転器、４０・・・・・・加算器、４
２・・・・・・ドレンタンク水位緊急低減信号、４３・
・・・・・信号平均装置。 第４図 〉光体圧力［ｋ（１／ｃｍ２ａｂｓ） 第６図 第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）火炉水壁の下流側に気水分離器、気水分離器ドレ
   ンタンクならびに蒸気抜出し量調節弁を備えたボイラ装
   置において、前記気水分離器の入口側流体温度を検出す
   る温度検出器と、その温度検出器からの検出信号に基づ
   いて前記蒸気抜出し量調節弁の開度を決める制御装置と
   を備えていることを特徴とするボイラ装置。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項記載において、前記温
   度検出器が複数並設され、各温度検出器から検出された
   流体温度を平均する演算器が設けられ、その演算器から
   出力された平均値を流体温度として前記制御装置に入力
   することを特徴とするボイラ装置。
3. （３）特許請求の範囲第（１）項記載において、前記制
   御装置によって演算される蒸気抜出し量調節弁の開度が
   、前記気水分離器ドレンタンクに付設された水位検出器
   からの検出値によって補正されるように構成されている
   ことを特徴とするボイラ装置。