KR101982955B1

KR101982955B1 - 보일러, 이것을 구비한 선박용 증기 터빈 추진 시스템 및 이것을 구비한 선박 그리고 보일러 제어 방법

Info

Publication number: KR101982955B1
Application number: KR1020177022677A
Authority: KR
Inventors: 류타 나카무라; 다로 니시야마
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2019-05-27
Also published as: WO2016136506A1; CN107614974B; CN107614974A; KR20170105065A; JP6091020B2; JP2016156516A

Abstract

과열기 (37) 의 도중 위치의 증기 취출부 (59e) 로부터 증기를 취출하는 증기 도입 경로 (74a) 와, 과열기 (37) 의 증기 되돌림부 (59f) 에 증기를 되돌리는 증기 되돌림 경로 (74b) 와, 증기의 온도를 저하시키는 완열기 (76) 와, 완열기 (76) 에 흘리는 증기의 유량을 조정하는 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 및 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 와, 과열기 (37) 의 증기 되돌림부 (59f) 보다 증기 흐름의 하류측이고 또한 과열기 (37) 의 도중 위치의 제 1 증기 온도 (T1) 를 계측하는 제 1 온도 센서 (72) 를 구비하고, 과열기 출구 온도 (T2) 와 제 1 증기 온도 (T1) 의 관계를 정한 과열기 출구 온도 관계 정보 (R1) 를 구비하고, 과열기 출구 온도 관계 정보 (R1) 와, 제 1 온도 센서 (72) 의 계측 결과에 기초하여, 과열기 출구 온도 (T2) 가 목표값이 되도록 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 및 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 를 제어한다.

Description

보일러, 이것을 구비한 선박용 증기 터빈 추진 시스템 및 이것을 구비한 선박 그리고 보일러 제어 방법 {BOILER, MARINE STEAM TURBINE PROPULSION SYSTEM EQUIPPED WITH SAME, SHIP EQUIPPED WITH SAME, AND BOILER CONTROL METHOD}

본 발명은, 예를 들어 선박용 보일러 등의 보일러, 이것을 구비한 선박용 증기 터빈 추진 시스템 및 이것을 구비한 선박 그리고 보일러 제어 방법에 관한 것이다.

증기 터빈 등의 수요처에서 요구되는 주증기를 공급하기 위해서 보일러가 사용된다. 보일러는, 일반적으로 화로 내에서 연소를 실시하는 버너와, 버너에 의해 생성된 연소 가스에 의해 가열되어 증기를 생성하는 증발기와, 증발기로부터 유도된 증기가 연소 가스에 의해 과열되어 과열 증기를 생성하는 과열기를 구비하고 있다. 그리고, 수요처의 열 효율의 향상에 따라, 보일러에 대해 보다 고온이고 보다 고압력이 된 주증기가 요구되는 경우가 있다. 예를 들어, 선박의 추진 프로펠러를 구동시키는 증기 터빈에 주증기를 공급하는 선박용 보일러에서는, 재열기를 구비한 선박용 재열 보일러가 채용된다 (특허문헌 1 참조). 이와 같은 선박용 재열 보일러에서는, 재열기를 구비하고 있지 않은 종래형 선박용 보일러에 대해 주증기 온도 및 주증기 압력이 증대되어 있다. 예를 들어, 종래형 선박용 보일러에 대해 선박용 재열 보일러는, 과열기 출구의 주증기 온도가 515 ℃ 에서 560 ℃ 까지 높아져, 주증기 압력이 6 ㎫ 에서 10 ㎫ 까지 높아진다.

한편, 보일러로부터 공급되는 주증기의 온도나 압력은, 과열기의 출구 온도를 검출하여 도중의 증기 온도를 저하시킴으로써 조정된다. 하기 특허문헌 2 에서는, 화로를 구비하지 않는 배열 회수 보일러의 구성이기는 하지만, 도중의 증기 온도를 스프레이 감온기에 의해 저하시키는 구성이 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 2012-167859호 일본 공개특허공보 2006-125760호

상기 서술하는 바와 같이 보일러에서 발생하는 주증기가 고온화되면, 과열기를 구성하는 전열관의 메탈 온도 (금속 재료 온도) 가 상승하고, 고온화에 대응하여 전열관에 저합금망을 채용하는 등 금속 재료를 고급화할 필요가 발생한다. 그러나, 전열관의 금속 재료를 고급화하면 비용이 상승한다. 그래서, 전열관의 금속 재료의 고급화를 실시하지 않고 과열 증기의 고온화를 실현하기 위해서는, 전열관의 메탈 온도를 억제하면서 원하는 주증기 온도가 얻어지도록 운전 중에 있어서의 과열기의 메탈 온도를 적정하게 관리할 것이 요구된다.

특허문헌 2 에는, 과열기 출구의 주증기 온도를 얻어 스프레이 감온기의 유량이나 급수 유량을 제어하는 것이 개시되어 있지만, 과열기 출구의 주증기 온도를 얻어 피드백 제어하고 있었던 것에서는 보일러 부하가 변동했을 때 제어 지연이 발생하여 과열기의 메탈 온도가 허용값을 초과할 우려가 있다.

또, 특허문헌 1 에서는, 주증기 온도의 고온화에 대응하기 위해서 과열기의 전열 면적을 증가시키고, 과열기를 1 차 과열기와 2 차 과열기로 나누고, 증기 흐름 상류측의 1 차 과열기를 화로측에 설치하고, 증기 흐름 하류측의 2 차 과열기를 화로에 대해 1 차 과열기의 후방에 설치함으로써, 화로로부터의 복사에 의한 2 차 과열기의 온도 상승을 방지하고 있다. 그러나, 이와 같은 구성을 채용해도, 과열기를 1 차 과열기와 2 차 과열기에 의해 구성하여 긴 증기 경로가 되어 있으므로, 상기 서술한 바와 같이 과열기 출구의 주증기 온도를 얻어 피드백 제어하고 있었던 것에서는 제어 지연이 발생하여, 주증기의 온도나 압력이 불안정해져, 경우에 따라서는 전열관의 메탈 온도가 허용값을 초과할 우려가 있다.

본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 과열기 출구의 주증기 온도의 제어 지연을 가급적 회피하여 과열기의 온도를 적절히 관리할 수 있는 보일러, 이것을 구비한 선박용 증기 터빈 추진 시스템 및 이것을 구비한 선박 그리고 보일러 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 보일러, 이것을 구비한 선박용 증기 터빈 추진 시스템 및 이것을 구비한 선박 그리고 보일러 제어 방법은 이하의 수단을 채용한다.

즉, 본 발명에 관한 보일러는, 화로 내에서 연소를 실시하는 버너와, 그 버너에 의해 생성된 연소 가스에 의해 증기를 생성하는 증발기와, 그 증발기보다 상기 화로측에 배치되고, 상기 증발기에 의해 생성된 증기를 과열시켜 과열 증기를 생성하는 과열기와, 그 과열기의 도중 위치의 증기 취출부에서 취출된 증기를, 그 과열기의 증기 되돌림부에 증기를 되돌릴 때 증기 온도를 조정하는 증기 온도 조정 수단과, 그 증기 온도 조정 수단을 제어하는 제어부와, 상기 과열기의 상기 증기 되돌림부보다 증기 흐름의 하류측이고 또한 그 과열기의 도중 위치의 제 1 증기 온도를 계측하는 제 1 온도 센서를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 과열기의 출구의 증기 온도인 과열기 출구 온도와 상기 제 1 증기 온도의 관계를 정한 과열기 출구 온도 관계 정보를 구비하고, 그 과열기 출구 온도 관계 정보와, 상기 제 1 온도 센서의 계측 결과에 기초하여, 상기 과열기 출구 온도가 목표값이 되도록 상기 증기 온도 조정 수단을 제어하는 것을 특징으로 한다.

과열기에 의해 과열된 후의 과열기 출구 온도는, 증기 터빈과 같은 이용처의 요구에 따른 목표값이 되도록 제어된다. 이 목표값을 얻기 위해서, 과열기의 도중 위치의 증기 온도를 조정하는 증기 온도 조정 수단을 사용한다. 즉, 과열기의 도중 위치의 증기 취출부에서 취출된 증기의 온도를 조정한 후, 이 증기를 증기 되돌림부로부터 과열기로 되돌림으로써 원하는 과열기 출구 온도가 얻어지도록 한다.

과열기 출구 온도를 목표값으로 하기 위해서, 과열기 출구 온도만을 검출하여 완열기에 흘리는 증기 유량을 조정하고 있었던 것에서는, 과열기 출구와 증기 온도 조정 수단 사이의 거리에 의해 제어 지연이 발생할 우려가 있다. 그래서, 본 발명에서는, 과열기 출구 온도와, 증기 되돌림부보다 하류측이고 또한 과열기의 도중 위치의 제 1 증기 온도의 관계를 정한 과열기 출구 온도 관계 정보를 얻어 두고, 이 과열기 출구 온도 관계 정보와 제 1 온도 센서의 계측 결과에 기초하여, 과열기 출구 온도가 목표값이 되도록 증기 온도 조정 수단을 제어하는 것으로 하였다. 이로써, 과열기 출구 온도만을 사용하여 온도 조정하는 것보다도 제어 지연을 발생시키지 않고 과열기 출구 온도를 원하는 값으로 할 수 있다.

과열기 출구 온도 관계 정보로는, 미리 시험에 의해 과열기 출구 온도와 제 1 증기 온도의 관계를 정한 데이터 베이스여도 되고, 혹은, 미리 시험에 의해 얻어진 과열기 출구 온도와 제 1 증기 온도의 관계로부터 유도된 함수를 사용해도 된다.

또, 과열기 출구가 아니라 과열기의 도중 위치에 있어서의 제 1 증기 온도를 얻어 온도를 제어하는 것으로 하여, 과열기 출구보다 상류측에서 온도를 제한하는 것으로 하였으므로, 과열기의 온도가 과잉으로 높아지는 사태를 회피할 수 있다. 이로써, 과열기의 메탈 온도를 소정값 이하로 제어할 수 있고, 과열기에 고급재를 사용하지 않고 과열기의 건전성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 보일러에서는, 상기 과열기 출구 온도를 계측하는 제 2 온도 센서를 구비하고, 상기 제어부는, 그 제 2 온도 센서의 계측 결과에 기초하여, 상기 과열기 출구 온도가 목표값이 되도록 상기 증기 온도 조정 수단을 제어하는 것을 특징으로 한다.

제 2 온도 센서에 의해 계측된 과열기 출구 온도에 기초하여, 과열기 출구 온도가 목표값이 되도록 증기 온도 조정 수단을 제어함으로써, 더욱 과열기 출구 온도를 미세 조정하여 정확하게 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 보일러에서는, 상기 과열기는, 증기 흐름의 상류측에 설치된 1 차 과열기와, 그 1 차 과열기의 증기 흐름 하류측에 설치되고, 상기 화로에 대해 그 1 차 과열기의 후방에 설치된 2 차 과열기를 구비하고, 상기 제 1 온도 센서에 의해 계측되는 상기 제 1 증기 온도는, 상기 1 차 과열기와 상기 2 차 과열기 사이의 증기 온도가 되고, 상기 증기 온도 조정 수단은, 상기 1 차 과열기에 형성되는 것을 특징으로 한다.

화로에 대해, 1 차 과열기의 후방측에 2 차 과열기를 설치함으로써, 2 차 과열기가 1 차 과열기보다 화로로부터의 복사를 받기 어렵게 하였다. 이로써, 증기 흐름이 1 차 과열기보다 하류측이 되어 있어 증기에 의해 메탈 온도 (과열기의 전열관을 구성하는 금속 재료 온도) 가 높아지기 쉬운 2 차 과열기에 대한 복사에 의한 영향을 적게 함으로써, 2 차 과열기의 메탈 온도를 허용 온도 이하로 할 수 있다. 그리고, 본 발명에서는, 1 차 과열기와 2 차 과열기 사이의 1 차 증기 온도를 제어부에 의해 제어하는 것으로 하였으므로, 1 차 증기 온도보다 하류측의 2 차 과열기의 온도를 적절히 관리할 수 있다.

또한, 본 발명의 보일러에서는, 상기 증기 온도 조정 수단은, 유도된 증기의 온도를 저하시키는 완열기와, 그 완열기를 흐르는 증기의 유량을 조정하는 완열기용 유량 조정 수단을 구비하고 있다.

과열기의 도중 위치의 증기 온도를 낮추기 위해서, 완열기가 사용된다. 그리고, 완열기용 유량 조정 수단에 의해 소정량의 증기를 완열기에 흘림으로써 증기 온도를 원하는 양만큼 저하시킨 후, 이 증기를 증기 되돌림부로부터 과열기로 되돌림으로써 원하는 과열기 출구 온도가 얻어지게 된다.

또한, 완열기로는, 예를 들어, 증발기에 사용되는 물 드럼 내의 수중에 형성된 전열관 내에 증기를 흘리는 구성이 사용된다.

또한, 본 발명의 보일러에서는, 상기 증기 온도 조정 수단은, 상기 증기 취출부로부터 상기 완열기에 증기를 유도하는 증기 도입 경로와, 상기 완열기로부터 상기 증기 되돌림부에 증기를 되돌리는 증기 되돌림 경로와, 상기 완열기를 바이패스하도록 상기 증기 도입 경로와 상기 증기 되돌림 경로를 접속시키는 완열기 바이패스 경로를 구비하고, 상기 완열기용 유량 조정 수단은, 상기 완열기 바이패스 경로에 형성된 제 1 유량 조정 밸브와, 상기 증기 되돌림 경로이고 또한 상기 완열기 바이패스 경로와의 합류부의 상류측에 형성된 제 2 유량 조정 밸브를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

과열기로부터 증기 도입 경로에 유도된 증기는, 완열기 및 완열기 바이패스 경로에 흐른다. 완열기에 흐른 증기는, 완열기에 의해 감온된 후에 증기 되돌림 경로에 흐른다. 한편, 완열기 바이패스 경로에 흐른 증기는, 완열기에 의해 감온되지 않고 증기 되돌림 경로의 합류부에서 완열기에 의해 감온된 증기와 합류된다.

완열기 바이패스 경로에 흐르는 증기는, 제 1 유량 조정 밸브에 의해 유량 조절된다. 제 1 유량 조정 밸브의 개도를 크게 하면, 완열기를 바이패스하는 바이패스 유량이 증대되어, 증기 되돌림부의 합류부에서 합류된 후의 증기 온도의 저하가 억제된다. 한편, 제 1 유량 조정 밸브의 개도를 작게 하면, 완열기를 바이패스하는 바이패스 유량이 감소되어, 증기 되돌림부의 합류부에서 합류된 후의 증기 온도의 온도 저하가 증대된다.

완열기를 거쳐 증기 되돌림부의 합류부에 흐르는 유량은, 제 2 유량 조정 밸브에 의해 유량 조절된다. 제 2 유량 조정 밸브의 개도를 크게 하면, 완열기를 통과하는 유량이 증대되어, 증기 되돌림부의 합류부에서 합류된 후의 증기 온도의 온도 저하가 증대된다. 한편, 제 2 유량 조정 밸브의 개도를 작게 하면, 완열기를 통과하는 유량이 감소되어, 증기 되돌림부의 합류부에서 합류된 후의 증기 온도의 온도 저하가 억제된다.

이와 같이, 제 1 유량 조정 밸브와 제 2 유량 조정 밸브의 개도를 조정함으로써, 증기 되돌림부의 합류부에서 합류된 후의 증기 온도를 제어할 수 있다.

또, 제 1 유량 조정 밸브는, 고정 오리피스와 같은 고정 개도가 아니라 개도 조정 가능하게 되어 있으므로, 온도 조정폭을 확대할 수 있다. 예를 들어 화로의 경년 열화에 의한 열 흡수량의 변화에 의한 과열 증기 온도의 증대에 대응할 수 있다. 즉, 제 2 유량 조정 밸브가 전체 개방이 되어도 제 1 유량 조정 밸브의 개도를 증대시킴으로써 증기 온도의 제어가 가능해진다. 이로써, 증기 되돌림부보다 하류측의 과열기의 메탈 온도를 허용값보다 확실하게 낮게 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 보일러에서는, 상기 제 1 유량 조정 밸브의 최저 개도가 0 보다 큰 소정 개도로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

제 1 유량 조정 밸브의 개도를 0 으로 하여 전체 폐쇄로 하면, 완열기 바이패스 경로에 증기가 흐르지 않게 되어, 과열기의 증기 취출부로부터 유도된 모든 증기가 완열기에 흘러 들어가기 때문에, 완열기에 의해 증기 온도가 과잉으로 저하되어 많은 드레인수가 발생하고, 제 2 유량 조정 밸브에 드레인수가 흘러 들어가 문제가 발생할 우려가 있다. 또, 많은 증기가 완열기에 흘러 들어가면 완열기에서 큰 압력 손실이 발생하여, 증기 취출부보다 상류측의 과열기의 증기 압력이 과도하게 상승할 우려가 있다. 그리고, 증기 취출부보다 상류측의 증기 드럼의 증기 압력이 과도하게 상승하여, 증기 드럼에 형성된 안전 밸브로부터 증기가 분출될 우려가 있다.

그래서, 본 발명에서는, 제 1 유량 조정 밸브의 최저 개도를 0 보다 큰 소정 개도로 함으로써, 과열기의 증기 취출부로부터 유도된 모든 증기가 완열기에 흘러들어가는 것을 방지하는 것으로 하였다. 이로써, 완열기에 있어서의 증기의 온도 저하에 의한 드레인수의 발생을 방지함과 함께, 완열기에 있어서의 압력 손실의 상승을 회피함으로써, 안정적인 운전이 가능해진다.

또한, 제 1 유량 조정 밸브의 최저 개도는 고정값이어도 되지만, 보일러의 경년 열화를 고려하여 적산 운전 시간 등의 운전 상황에 따라 변경 가능하게 해도 된다.

또, 본 발명의 선박용 증기 터빈 추진 시스템은, 수중에서 추력을 발생시키는 추진기를 구동시키는 증기 터빈과, 상기 증기 터빈에 증기를 공급하는 상기 중 어느 것에 기재된 보일러를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

프로펠러 등의 추진기를 구동시키는 증기 터빈의 구동용 증기로서 상기 중 어느 것의 보일러를 사용하는 것으로 하였으므로, 원하는 과열기 출구 온도를 얻을 수 있어 안정적인 항행이 가능해진다.

또, 본 발명의 선박은, 상기 선박용 증기 터빈 추진 시스템을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 선박용 증기 터빈 추진 시스템을 구비하고 있기 때문에, 안정적인 항행이 가능한 선박을 제공할 수 있다.

또, 본 발명의 보일러 제어 방법은, 연소 가스를 생성하는 연소 가스 생성 공정과, 생성된 연소 가스에 의해 증기를 생성하는 증기 생성 공정과, 생성된 증기를 과열시켜 과열기에서 과열 증기를 생성하는 과열 증기 생성 공정과, 상기 과열기의 도중 위치로부터 증기를 취출함과 함께, 그 증기의 온도를 저하시키는 완열기를 통과시킨 후에 상기 과열기에 증기를 되돌리는 과열 증기 완열 공정과, 상기 완열기에 흘리는 증기의 유량을 완열기용 유량 조정 수단에 의해 조정하는 완열기용 유량 조정 공정과, 상기 과열 증기 완열 공정을 거친 후이고 또한 상기 과열기의 도중 위치의 제 1 증기 온도를 계측하는 제 1 증기 온도 계측 공정과, 상기 과열기의 출구의 증기 온도인 과열기 출구 온도와 상기 제 1 증기 온도의 관계를 정한 과열기 출구 온도 관계 정보와, 상기 제 1 증기 온도 계측 공정의 계측 결과에 기초하여, 상기 과열기 출구 온도가 목표값이 되도록 상기 완열기용 유량 조정 수단을 제어하는 과열기 출구 온도 조정 공정을 구비하고, 상기 과열기는, 증기 흐름의 상류측에 설치된 1 차 과열기와, 그 1 차 과열기의 증기 흐름 하류측에 설치되고, 상기 화로에 대해 그 1 차 과열기의 후방에 설치된 2 차 과열기와 구비하고, 상기 과열 증기 완열 공정에서, 상기 1 차 과열기에 증기를 되돌리는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 과열기 출구의 주증기 온도의 제어 지연을 회피함과 함께 과열기의 온도를 적정하게 관리할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시형태인 선박용 증기 터빈 추진 시스템이 나타난 개략 구성도이다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 1 차 과열기의 부분 확대를 나타낸 사시도이다.
도 3 은 도 1 의 과열기 들레의 주요부를 나타낸 개략 구성도이다.
도 4 는 제어부에 의해 실시되는 주증기 온도 제어를 나타낸 제어 블록도이다.
도 5 는 과열기의 전열관의 메탈 온도를 나타낸 도면이다.

이하에, 본 발명에 관한 실시형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 에는, 선박에 적용되는 선박용 증기 터빈 추진 시스템 (1) 이 나타나 있다. 선박용 증기 터빈 추진 시스템 (1) 은, 수중에서 추력을 발생시키는 추진 프로펠러 (추진기) (3) 와, 프로펠러 (3) 에 회전력을 부여하는 증기 터빈 (5) 과, 증기 터빈 (5) 에 주증기인 과열 증기를 공급하는 보일러 (7) 를 구비하고 있다.

증기 터빈 (5) 은, 고압 터빈 (9) 과, 중압 터빈 (11) 과, 저압 터빈 (13) 과, 후진용 터빈 (15) 을 구비하고 있다. 고압 터빈 (9) 과 중압 터빈 (11) 은, 공통의 제 1 회전축 (17) 을 개재하여 연결되어 있다. 저압 터빈 (13) 과 후진용 터빈 (15) 은, 공통의 제 2 회전축 (21) 을 개재하여 연결되어 있다. 제 1 회전축 (17) 과 제 2 회전축 (21) 은 병렬로 배치되어 있고, 각각의 출력처가 감속기 (23) 에 접속되어 있다. 감속기 (23) 에는, 프로펠러축 (25) 을 개재하여 프로펠러 (3) 가 접속되어 있다.

보일러 (7) 는, 선박 내에 설치 가능하게 컴팩트하게 설계됨과 함께, 재열기 (57) 를 구비한 선박용 재열 보일러로 되어 있다.

보일러 (7) 는, 주로 (主爐) (27) 와, 재열로 (29) 를 구비하고 있다. 주로 (27) 에는, 중공의 화로 (31) 와, 화로 (31) 의 상부에 설치된 주버너 (버너) (33) 와, 내부를 물이 유통하는 프론트 뱅크 튜브 (35) 와, 과열기 (37) 와, 증발기 (38) 가 형성되어 있다.

화로 (31) 의 벽부는, 물이 유통되는 수랭벽관 (도시 생략) 에 의해 구성되어 있다. 주버너 (33) 에는, 도시되지 않은 연료원으로부터 주버너용 연료 배관 (47) 에 의해 연료가 공급되고 있다. 주버너용 연료 배관 (47) 에는, 연료의 공급량을 조절하는 주버너용 연료 유량 조절 밸브 (49) 가 형성되어 있다.

증발기 (38) 는, 상하 방향으로 연장되는 다수 개의 전열관으로 된 증발관군 (39) 과, 증발관군 (39) 의 하방에 접속되고, 내부에 물이 저류되는 물 드럼 (41) 과, 증발관군 (39) 의 상방에 접속된 증기 드럼 (43) 을 구비하고 있다.

재열로 (29) 는, 주로 (27) 의 증발관군 (39) 의 후류측에 상하 방향으로 연장되어 배치되고, 주버너 (33) 의 연소에 의해 발생한 연소 가스의 통로가 되도록 구성되어 있다. 재열로 (29) 의 하부에는, 재열 버너 (51) 가 형성되어 있다. 재열 버너 (51) 에는, 도시되지 않은 연료원으로부터 재열용 연료 배관 (53) 에 의해 연료가 공급된다. 재열용 연료 배관 (53) 에는, 연료의 공급량을 조절하는 재열용 연료 유량 조절 밸브 (55) 가 형성되어 있다. 재열로 (29) 의 상부에는, 내부에 증기가 유통되는 전열관을 구비한 재열기 (57) 가 형성되어 있다.

과열기 (37) 는, 1 차 과열기 (59) 와 2 차 과열기 (61) 를 구비하고 있고, 연소 가스 흐름에 대해 2 열로 된 구성으로 되어 있다. 1 차 과열기 (59) 및 2 차 과열기 (61) 는, 각각, U 턴부가 상방에 위치하도록 역 U 자 형상으로 절곡된 전열관 (59a, 61a) 을 다수 구비하고 있다. 1 차 과열기 (59) 는, 프론트 뱅크 튜브 (35) 에 대해 화로 (31) 의 하류측에 배치되어 있고, 또, 2 차 과열기 (61) 에 대해 화로 (31) 의 상류측에 배치되어 있다. 증기 흐름은, 1 차 과열기 (59) 와 2 차 과열기 (61) 가 직렬로 접속되어 있고, 1 차 과열기 (59) 가 상류측, 2 차 과열기 (61) 가 하류측으로 되어 있다.

1 차 과열기 (59) 의 하방에는, 전열관 (59a) 의 하단에 접속된 제 1 헤더 (59b) 및 제 2 헤더 (59c) 가 형성되어 있다.

도 2 에 나타내는 바와 같이, 제 1 헤더 (59b) 및 제 2 헤더 (59c) 에는, 내부를 나누는 복수의 칸막이판 (59d) 이 소정의 간격으로 형성되고, 각 헤더 (59b, 59c) 내가 복수의 방으로 구획되어 있다. 전열관 (59a) 은, 제 1 헤더 (59b) 내의 방과 제 2 헤더 (59c) 내의 방을 교대로 증기가 유통하도록 접속되어 있다. 이로써, 제 1 헤더 (59b) 내에 유도된 증기는, 전열관 (59a) 을 개재하여 제 2 헤더 (59c) 에 흐르고, 그 후에는 각 헤더 (59b, 59c) 내의 각 방을 교대로 순차적으로 흐르도록 되어 있다.

본 명세서에서는, 일방의 헤더로부터 타방의 헤더에 증기를 흘리는 전열관의 경로를 패스 (pass) 라고 한다. 이 정의에 따르면, 도 2 에서는, 2 개의 패스가 나타나 있는 것이 된다. 또, 1 차 과열기 (59) 에는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 제 1 패스 (Ⅰ) 로부터 제 6 패스 (Ⅵ) 까지의 6 개의 패스가 형성되어 있다.

2 차 과열기 (61) 의 하방에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 전열관 (61a) 의 하단에 접속된 제 1 헤더 (61b) 및 제 2 헤더 (61c) 가 형성되어 있다. 2 차 과열기 (61) 의 구성은, 도 2 에 나타낸 1 차 과열기 (59) 와 동일하게, 각 헤더 (61b, 61c) 내에는 칸막이판 (61d) (도 3 참조) 이 형성되고, 제 1 헤더 (61b) 내의 방과 제 2 헤더 (61c) 내의 방을 교대로 증기가 유통하도록 전열관 (61a) 이 접속되어 있다. 2 차 과열기 (61) 에는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 제 7 패스 (Ⅶ) 로부터 제 10 패스 (Ⅹ) 까지의 4 개의 패스가 형성되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 1 차 과열기 (59) 가 6 개의 패스, 2 차 과열기 (61) 가 4 개의 패스로 되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 다른 패스 수여도 된다.

도 3 에 나타내는 바와 같이, 증기 드럼 (43) 으로부터 증기 공급 경로 (44) 를 개재하여 1 차 과열기 (59) 에 유도된 증기는, 1 차 과열기 (59) 내에서 6 패스를 거쳐 흐른다. 그 후의 증기는 2 차 과열기 (61) 에 유도되고, 2 차 과열기 (61) 내에서 4 패스를 거친 후에 과열기 출구 배관 (63) 을 개재하여 고압 터빈 (9) (또는 후진용 터빈 (15)) 에 유도된다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 과열기 출구 배관 (63) 은, 분기점 (64) 에서, 고압 터빈 (9) 에 주증기를 유도하는 제 1 주증기 배관 (65) 과, 후진용 터빈 (15) 에 주증기를 유도하는 제 2 주증기 배관 (67) 으로 분기되어 있다. 제 1 주증기 배관 (65) 에는 제 1 개폐 밸브 (66) 가 형성되어 있고, 제 2 주증기 배관 (67) 에는 제 2 개폐 밸브 (68) 가 형성되어 있다. 도시되지 않은 제어부에 의해 제 1 개폐 밸브 (66) 및 제 2 개폐 밸브 (68) 를 선택적으로 개폐함으로써, 고압 터빈 (9) 또는 후진용 터빈 (15) 중 어느 일방에 주증기가 공급된다. 또한, 도시하고 있지 않지만, 제 1 개폐 밸브 (66) 와 고압 터빈 (9) 사이 및 제 2 개폐 밸브 (68) 와 후진용 터빈 (15) 사이에는, 증기 유량을 조정하는 증기 가감 밸브가 형성되어 있고, 제어부에 의해 증기 터빈 (5) 의 출력이 조정되게 되어 있다.

제 1 개폐 밸브 (66) 가 선택된 경우, 주증기가 고압 터빈 (9) 에 공급된 후, 고압 터빈 (9) 의 출구 증기는, 재열기 (57) 의 상방의 상류 단부에 도입되고, 주버너 (33) 의 연소에 의해 발생한 연소 가스의 잔열량 및 재열 버너 (51) 의 연소 가스에 의해 재가열된다. 재열기 (57) 에서 재가열된 재열 증기는, 재열기 (57) 의 하방의 하류 단부로부터 중압 터빈 (11) 에 도입된다. 중압 터빈 (11) 의 출구 증기는 저압 터빈 (13) 에 공급되어 저압 터빈 (13) 을 회전 구동시킨 후, 복수기 (69) 에 보내진다. 복수기 (69) 에서 액화된 물은, 보일러 (7) 에 급수된다.

한편, 제 2 개폐 밸브 (68) 가 선택된 경우, 주증기가 후진용 터빈 (15) 에 공급되고, 후진용 터빈 (15) 을 회전 구동시킨 후의 증기가 복수기 (69) 에 보내진다.

이와 같은 증기 터빈 (5) 의 동작에 의해 회전력이 감속기 (23) 를 개재하여 프로펠러축 (25) 에 전달되고, 프로펠러 (3) 가 회전되도록 되어 있다.

다음으로, 도 3 을 사용하여, 과열기 (37) 를 중심으로 한 증기 흐름에 대해 설명한다. 동 도면에는, 과열기 (37) 둘레의 주요부 구성이 나타나 있다. 1 차 과열기 (59) 에는, 제 1 패스 (Ⅰ) 로부터 제 6 패스 (Ⅵ) 까지의 6 개의 패스가 구성되어 있다. 2 차 과열기 (61) 에는, 제 7 패스 (Ⅶ) 로부터 제 10 패스 (Ⅹ) 까지의 4 개의 패스가 구성되어 있다.

증발기 (38) (도 1 참조) 의 증기 드럼 (43) 내의 증기가, 증기 공급 경로 (44) 를 개재하여, 1 차 과열기 (59) 의 제 1 헤더 (59b) 의 입구에 유도되도록 되어 있다. 증기 공급 경로 (44) 에는, 증기 유량 (F) 을 검출하는 유량계 (46) 가 형성되어 있다. 유량계 (46) 로는, 예를 들어, 차압식 유량계가 사용된다. 유량계 (46) 에서 얻어지는 증기 유량 (F) 에 의해, 보일러 (7) 의 부하가 파악되도록 되어 있다.

2 차 과열기 (61) 의 과열 증기 온도인 주증기 온도 (T2) 는, 2 차 과열기 (61) 의 제 1 헤더 (61b) 의 출구부에 형성한 주증기 온도 센서 (제 2 온도 센서) (70) 에 의해 검출된다. 주증기 온도 센서 (70) 의 출력은, 도시되지 않은 제어부에 송신된다. 또한, 주증기 온도 센서 (70) 의 설치 위치는, 제 1 헤더 (61b) 의 출구부가 아니라, 2 차 과열기 (61) 에 의해 과열된 후의 과열 증기 온도를 검출할 수 있는 위치이면 다른 위치여도 되고, 예를 들어 과열기 출구 배관 (63) 에 형성해도 된다.

1 차 과열기 (59) 와 2 차 과열기 (61) 를 접속시키는 중간 접속 배관 (71) 에는, 중간 증기 온도 센서 (제 1 온도 센서) (72) 가 형성되어 있다. 중간 증기 온도 센서 (72) 에 의해, 과열기 (37) 를 흐르는 증기의 도중 위치의 중간 증기 온도 (T1) 가 계측된다. 중간 증기 온도 센서 (72) 의 출력은, 도시되지 않은 제어부에 송신된다. 본 실시형태에서는, 중간 증기 온도 (T1) 는 1 차 과열기 (59) 의 출구 온도 즉 2 차 과열기 (61) 의 입구 온도가 된다.

1 차 과열기 (59) 의 제 4 패스 (Ⅳ) 를 거친 후의 제 1 헤더 (59b) 에는, 증기 취출부 (59e) 가 형성되고, 증기 온도 조정 라인 (증기 온도 조정 수단) (74) 의 증기 도입 경로 (74a) 의 상류단이 접속되어 있다. 또, 1 차 과열기 (59) 의 제 5 패스 (Ⅴ) 의 상류측의 제 1 헤더 (59b) 에는, 증기 되돌림부 (59f) 가 형성되고, 증기 온도 조정 라인 (74) 의 증기 되돌림 경로 (74b) 의 하류단이 접속되어 있다. 증기 취출부 (59e) 로부터 전체량의 증기가 1 차 과열기 (59) 에서 증기 온도 조정 라인 (74) 으로 유도되고, 증기 온도 조정 라인 (74) 으로 유도된 전체량의 증기가 증기 되돌림부 (59f) 로부터 1 차 과열기 (59) 로 되돌려지도록 되어 있다.

증기 온도 조정 라인 (74) 에는, 증기 도입 경로 (74a) 의 하류측이고 또한 증기 되돌림 경로의 상류측에, 증기 온도를 저하시키는 완열기 (76) 가 형성되어 있다. 완열기 (76) 는, 물 드럼 (41) 내의 수중에 배치된 전열관을 구비하고 있다. 이 전열관 내를 흐르는 증기는, 물 드럼 (41) 내의 물에 의해 전열관의 외부로부터 냉각된다.

증기 온도 조정 라인 (74) 에는, 완열기 (76) 를 바이패스하도록 증기를 흘리는 바이패스 경로 (완열기 바이패스 경로) (78) 가 형성되어 있다. 바이패스 경로 (78) 에는, 증기 유량을 조정하는 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 가 형성되어 있다. 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 의 밸브 개도는, 도시되지 않은 제어부에 의해 제어된다.

완열기 (76) 의 하류측의 증기 되돌림 경로 (74b) 에는, 바이패스 경로 (78) 와의 합류부 (78a) 보다 상류측에, 증기 유량을 조정하는 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 가 형성되어 있다. 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 의 밸브 개도는, 도시되지 않은 제어부에 의해 제어된다.

제어부에 의해, 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 및 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 의 개도를 제어함으로써, 완열기 (76) 에 흘리는 증기 유량의 비율을 결정하고, 1 차 과열기 (59) 로부터 유도된 증기의 냉각량이 제어된다. 구체적으로는, 완열기 (76) 에 흘리는 증기 유량의 비율이 클수록 증기의 냉각량이 커진다.

이와 같이, 본 실시형태에서는, 1 차 과열기 (59) 의 제 4 패스 (Ⅳ) 와 제 5 패스 (Ⅴ) 사이의 증기를 취출하여 증기 온도를 조정하도록 되어 있다.

제어부는, 상기 서술한 주증기 온도 센서 (70) 에 의해 얻어진 주증기 온도 (T2), 중간 증기 온도 센서 (72) 에 의해 얻어진 중간 증기 온도 (T1), 유량계 (46) 에 의해 얻어진 증기 유량 (F) 등에 기초하여, 원하는 주증기 온도로 제어한다. 제어부는, 예를 들어, CPU (Central Processing Unit), RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), 및 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체 등으로 구성되어 있다. 그리고, 각종 기능을 실현하기 위한 일련의 처리는, 일례로서, 프로그램의 형식으로 기억 매체 등에 기억되어 있고, 이 프로그램을 CPU 가 RAM 등에 판독 출력하고, 정보의 가공·연산 처리를 실행함으로써, 각종 기능이 실현된다. 또한, 프로그램은, ROM 이나 그 밖의 기억 매체에 미리 인스톨해 두는 형태나, 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 기억된 상태로 제공되는 형태, 유선 또는 무선에 의한 통신 수단을 개재하여 배신 (配信) 되는 형태 등이 적용되어도 된다. 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체란, 자기 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM, DVD-ROM, 반도체 메모리 등이다.

다음으로, 도 4 를 사용하여, 제어부에 의한 주증기 온도 제어에 대해 설명한다.

제어부는, 주증기 온도 (T2) 와 중간 증기 온도 (T1) 에 관한 제 1 제어 함수 (과열기 출구 온도 관계 정보) (R1) 와, 양증기 유량 조정 밸브 (80, 81) 에 부여하는 선행 신호에 관한 제 2 제어 함수 (R2) 와, 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 에 부여하는 개도 지령에 관한 제 3 제어 함수 (R3) 와, 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 에 부여하는 개도 지령에 관한 제 4 제어 함수 (R4) 를 소정의 메모리에 구비하고 있다.

또한, 이들 제어 함수 (R1 ∼ R4) 대신에, 수치화한 데이터 베이스를 구비한 제어 맵으로 해도 된다.

제 1 제어 함수 (R1) 는, 주증기 온도 (T2) 에 대응하는 중간 증기 온도 (T1) 의 예상 온도의 관계를 나타내고 있다. 즉, 보일러 (7) 가 소정의 부하가 된 경우에, 원하는 주증기 온도 (T2) 를 얻기 위해서 필요한 중간 증기 온도 (T1) 의 예상 온도가 미리 시험이나 시뮬레이션의 결과로부터 얻어졌다. 예를 들어, 보일러 (7) 가 정격 부하인 경우, 목표 주증기 온도를 560 ℃ 로 하기 위해서는 중간 증기 온도 (T1) 의 예상 온도는 480 ℃ 가 된다는 관계를 얻어 둔다. 또한, 제 1 제어 함수 (R1) 는, 보일러 (7) 의 부하에 따라 중간 증기 온도 (T1) 의 예상 온도를 변화시키도록 되어 있다. 구체적으로는, 동 도면에 나타나 있는 바와 같이, 보일러 부하가 소정값보다 낮은 경우, 즉 유량계 (46) 에서 얻어진 증기 유량 (F) (STM FLOW (T/H)) 이 소정값보다 낮은 경우에는, 중간 증기 온도 (T1) 의 예상 온도를 일정하게 하고, 보일러 부하가 소정값보다 큰 경우, 즉 유량계 (46) 에 의해 얻어진 증기 유량 (F) 이 소정값보다 큰 경우에는, 증기 유량 (F) 의 증대에 따라 중간 증기 온도 (T1) 의 예상 온도를 작게 하는 관계로 해둔다. 이와 같이 증기 유량 (F) 이 큰 경우에 중간 증기 온도 (T1) 의 예상 온도를 낮추고 있는 이유는, 증기 유량 (F) 이 크다는 것은 보일러 부하가 큰 것을 의미하고, 1 차 과열기 (59) 및 2 차 과열기 (61) 의 온도가 상승 경향에 있다고 생각되기 때문에, 중간 증기 온도 (T1) 를 낮추도록 하여 적정한 메탈 온도를 유지하기 위해서이다.

제 2 제어 함수 (R2) 는, 양 증기 유량 조정 밸브 (80, 81) 의 개도 지령에 대해 선행 신호를 부여한다. 예를 들어, 동 도면에 나타나 있는 바와 같이, 증기 유량 (F) 이 증가하면 큰 선행 신호를 부여하도록 하여, 양 증기 유량 조정 밸브 (80, 81) 의 동작을 빠르게 하여 증기 온도의 추종성을 향상시킨다. 또, 증기 유량 (F) 이 소정값을 초과한 후에 급격하게 선행 신호를 증대시키도록 하여, 제어의 초동을 앞당겨 증기 온도의 변동을 억제하도록 하고 있다.

제 3 제어 함수 (R3) 는, 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 의 개도 지령을 부여하는 함수이다. 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 는, 완열기 (76) 를 바이패스하는 증기 유량을 결정하는 것으로, 개도가 증대될수록 완열기 (76) (도 3 참조) 에 대해 많은 증기가 바이패스하게 되어, 증기의 온도 저하를 억제한다. 이와는 반대로, 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 의 개도가 감소하면 완열기 (76) 에 유도되는 증기가 많아져, 증기의 온도 저하가 커진다. 따라서, 동 도면에 나타나 있는 바와 같이, 제 3 제어 함수 (R3) 는, 부여되는 제어 출력값이 커질수록 (즉 목표 온도에 대한 온도차가 고온측으로 클수록) 개도 지령값이 작아지는 우측 하향의 함수로 되어 있다. 또, 제 3 제어 함수 (R3) 는, 제어 출력값이 커져도 개도 지령값은 0 ％ 로 하지 않고, 10 ％ 의 소정 개도를 유지하도록 되어 있다. 또한, 이 10 ％ 가 된 최저 개도는, 예를 들어 보일러 (7) 의 경년 열화 등을 고려하여, 필요에 따라 변화시킬 수 있도록 되어 있다. 또, 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 의 개도 지령값은 100 ％ 가 전체 개방을 의미하고, 0 ％ 가 전채 폐쇄를 의미한다.

제 4 제어 함수 (R4) 는, 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 의 개도 지령을 부여하는 함수이다. 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 는, 완열기 (76) (도 3 참조) 에 흐르는 증기 유량을 결정하는 것으로, 개도가 증대될수록 완열기 (76) 에 많은 증기가 흘러, 증기의 온도 저하를 크게 한다. 이와는 반대로, 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 의 개도가 감소하면 완열기 (76) 에 유도되는 증기가 적어져, 증기의 온도 저하가 억제된다. 따라서, 동 도면에 나타나 있는 바와 같이, 제 4 제어 함수 (R4) 는, 부여되는 제어 출력값이 커질수록 (즉 목표 온도에 대한 온도차가 고온측으로 클수록) 개도 지령값이 커지는 우측 상향의 함수로 되어 있다. 또, 제 4 제어 함수 (R4) 는, 제어 출력값이 0 인 경우 (즉 목표 온도와 현상 온도가 일치하고 있는 경우) 에는 개도 지령이 0 ％ 가 되어, 완열기 (76) 에 증기를 흘리지 않도록 한다. 한편, 제어 출력값이 소정값 이상이 되면 개도 지령이 100 ％ 가 된다. 또한, 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 의 개도 지령값은, 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 와 동일하게 100 ％ 가 전체 개방을 의미하고, 0 ％ 가 전체 폐쇄를 의미한다.

제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 와 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 는, 동일한 용량의 밸브를 사용하고, 각 제어 출력값에 있어서 합계 개도가 100 ％ 가 되도록 제 3 제어 함수 (R3) 및 제 4 제어 함수 (R4) 가 설정되어 있다. 이로써, 증기 온도 조정 라인 (74) (도 3 참조) 에 의해 1 차 과열기 (59) 로부터 취출된 후에 다시 되돌려지는 증기 유량이 일정해져, 안정적인 제어를 실현할 수 있다. 단, 제 3 제어 함수 (R3) 에 나타나 있는 바와 같이, 제어 출력값이 큰 경우에 개도 지령값이 0 ％ 가 되지는 않는 범위 (개도 지령값이 최저 개도인 10 ％ 로 일정한 범위) 는, 이에 한정되지 않는다.

제 1 비교 연산부 (85) 에는, 중간 증기 온도 센서 (72) 로부터의 중간 증기 온도 (T1) 가 현상값 PV1 로서 입력된다. 또, 제 1 비교 연산부 (85) 에는, 제 1 가산기 (87) 로부터 부여되는 목표값 SP1 이 입력된다. 제 1 비교 연산부 (85) 에서는, 목표값 SP1 에 현상값 PV1 이 점점 가까워지도록 PID 제어가 실시되고, 제 2 가산기 (88) 에 PID 제어 출력값이 부여된다. 또한, 제 1 비교 연산부 (85) 에 있어서의 PID 제어에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 PI 제어여도 된다.

제 2 비교 연산부 (86) 에는, 주증기 온도 센서 (70) 로부터의 주증기 온도 (T2) 가 현상값 PV2 로서 입력된다. 또, 제 2 비교 연산부 (86) 에는, 예를 들어 550 ℃ ∼ 560 ℃ 의 범위에서 결정된 주증기 목표 온도가 목표값 SP2 로서 입력된다. 제 2 비교 연산부 (86) 에서는, 목표값 SP2 에 현상값 PV2 가 점점 가까워지도록 PID 제어가 실시되고, 제 1 가산기 (87) 에 PID 제어 출력값이 부여된다. 또한, 제 2 비교 연산부 (86) 에 있어서의 PID 제어에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 PI 제어여도 된다.

또, 제 1 가산기 (87) 에는, 제 1 제어 함수 (R1) 로부터의 출력값인 중간 증기 온도 (T1) 의 예상 온도가 입력된다. 따라서, 제 1 가산기 (87) 에서는, 제 2 비교 연산부 (86) 로부터의 주증기 목표 온도 SP2 에 대한 주증기 온도 T2 의 현상값 PV2 의 편차에 따른 값과, 제 1 제어 함수 (R1) 에 의해 주어진 주증기 목표 온도에 대응하는 중간 증기 온도 (T1) 의 예상 온도가 가산되어, 이 가산값이 제 1 비교 연산부 (85) 의 목표값 SP1 이 된다.

제 2 가산기 (88) 에는, 제 1 비교 연산부 (85) 로부터의 PID 제어 출력값에 더하여, 제 2 제어 함수 (R2) 로부터의 선행 신호가 부여된다. 이들의 가산값인 제 2 가산기 (88) 로부터의 출력이 제어 출력값으로서, 제 3 제어 함수 (R3) 및 제 4 제어 함수 (R4) 의 각각에 부여되고, 개도 지령값이 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 및 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 의 각각에 부여된다.

상기 서술한 본 실시형태에 의하면, 이하의 작용 효과를 나타낸다.

주증기 온도 (T2) 와, 1 차 과열기 (59) 와 2 차 과열기 (61) 사이의 중간 증기 온도 (T1) 의 관계를 정한 제 1 제어 함수 (R1) 를 얻어 두고, 이 제 1 제어 함수 (R1) 와 중간 증기 온도 센서 (72) 의 계측 결과에 기초하여, 주증기 온도 (T2) 가 목표값이 되도록 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 및 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 를 제어하는 것으로 하였다. 이로써, 증기 흐름의 최하류인 주증기 온도 (T2) 만을 사용하여 온도 조정하는 것보다도 제어 지연을 일으키지 않고 주증기 온도를 원하는 값으로 할 수 있다.

또, 2 차 과열기 (61) 출구에 있어서의 주증기 온도 (T2) 가 아니고, 1 차 과열기 (59) 와 2 차 과열기 (61) 사이의 중간 증기 온도 (T1) 를 얻어 온도를 제어하는 것으로 하여, 증기 흐름의 상류측에서 온도를 제한하는 것으로 하였으므로, 과열기 (59, 61) 의 온도가 과잉으로 높아지는 사태를 회피할 수 있다. 이로써, 과열기 (59, 61) 의 메탈 온도를 소정값 이하로 제어할 수 있고, 과열기 (59, 61) 의 건전성을 확보할 수 있다.

또한, 화로 (31) 에 대해, 1 차 과열기 (59) 의 후방측에 2 차 과열기 (61) 를 설치함으로써, 2 차 과열기 (61) 가 1 차 과열기 (59) 보다 화로로부터의 복사를 받기 어렵게 하였다. 이로써, 증기 흐름이 1 차 과열기 (59) 보다 하류측으로 되어 있어 증기에 의해 메탈 온도가 높아지기 쉬운 2 차 과열기 (61) 에 대해 복사에 의한 영향을 적게 함으로써, 2 차 과열기 (61) 의 메탈 온도를 허용 온도 이하로 할 수 있다.

이와 같은 과열기 (59, 61) 의 메탈 온도에 대해, 도 5 를 사용하여 설명한다. 동 도면에는, 1 차 과열기 (59) 및 2 차 과열기 (61) 의 메탈 온도가 나타나 있다. 동 도면에 있어서, 가로축은 과열기 (59, 61) 를 흐르는 증기의 흐름 방향에 있어서의 위치를 나타내고, 세로축은 과열기 (59, 61) 의 전열관 (59a, 61a) 의 메탈 온도와, 과열기 (59, 61) 를 흐르는 증기의 온도를 나타낸다. 동 도면에 나타나 있는 바와 같이, 제 1 패스 (Ⅰ) 로부터 제 6 패스 (Ⅵ) 까지가 1 차 과열기 (59) 가 되고, 제 7 패스 (Ⅶ) 로부터 제 10 패스 (Ⅹ) 까지가 2 차 과열기 (61) 가 되어 있다. 또, 그래프 중의 상측의 선이 메탈 온도를 나타내고, 하측의 선이 증기 온도를 나타낸다.

동 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 1 패스 (Ⅰ) 에 있어서의 메탈 온도는, 상류측에서 상승한 후에 급격하게 저하되고, 그 후 또 상승하고 있다. 이 급격한 온도 저하는, 전열관 (59a) 이 역 U 자 형상으로 되어 있고 (도 2 참조), 화로 (31) 측의 위치에서는 복사를 받아 비교적 고온 경향에 있어, 화로 (31) 로부터 멀어지는 방향으로 되돌린 위치에서는 복사를 받기 어렵기 때문에 비교적 저온 경향이 되는 것으로부터 발생하는 것이다. 동일한 경향은, 제 2 패스 (Ⅱ) 내지 제 6 패스 (Ⅵ) 에도 나타나 있다. 이것은, 1 차 과열기 (59) 가 2 차 과열기 (61) 보다 화로 (31) 측에 배치되어 있기 때문이다. 따라서, 제 7 패스 (Ⅶ) 내지 제 10 패스 (Ⅹ) 에서는, 복사에 의한 영향을 받기 어렵기 때문에, 동일 패스 중에서의 급격한 온도 저하는 확인되지 않고, 메탈 온도는 증기 온도에 가까운 값을 나타내도록 되어 있다.

한편, 1 차 과열기 (59) 에서는, 증기 흐름의 상류측이기 때문에 증기 온도가 메탈 온도에 비해 충분히 낮은 온도가 되어 있다.

동 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 4 패스 (Ⅳ) 와 제 5 패스 (Ⅴ) 사이에서 증기 온도가 저하되고 있다. 이것은, 완열기 (76) (도 3 참조) 에 의해 증기 온도를 저하시키고 있기 때문이다. 이로써, 제 4 패스의 하류측의 메탈 온도가 최고 온도가 되어 있음에도 불구하고, 제 5 패스 (Ⅴ) 의 메탈 온도가 제 4 패스 (Ⅳ) 보다 저온이 되어 있다. 이와 같이, 완열기 (76) 를 제 4 패스 (Ⅳ) 와 제 5 패스 (Ⅴ) 사이와 같은 복사에 의한 영향을 받는 1 차 과열기 (59) 의 도중 위치에서 완열기 (76) 에 의해 증기 온도를 저하시킴으로써, 전열관 (59a) 을 구성하는 재료의 허용 온도를 초과하지 않도록 제어할 수 있다.

그리고, 2 차 과열기 (61) 에서는, 복사에 의한 영향을 받기 어렵기 때문에, 1 차 과열기 (59) 의 제 4 패스와 같이 메탈 온도가 크게 상승하는 경우가 없다. 따라서, 2 차 과열기 (61) 의 전열관 (61a) 으로서, 1 차 과열기 (59) 의 전열관 (59a) 과 동일한 금속 재료를 사용할 수 있고, 고급재를 사용할 필요가 없기 때문에 비용의 증대를 초래하는 경우가 없다.

또, 중간 증기 온도 센서 (72) 에 의해 얻어진 중간 증기 온도 (T1) 에 기초하는 제어에 더하여, 주증기 온도 센서 (70) 에 의해 계측된 주증기 온도 (T2) 에 기초하여, 주증기 온도가 목표값이 되도록 제 2 비교 연산부 (86) (도 4 참조) 를 사용하여 제어하는 것으로 하였다. 이로써, 더욱 주증기 온도 (T2) 를 미세 조정하여 정확하게 제어할 수 있다.

또, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 바이패스 경로 (78) 에 고정 오리피스를 형성하여 고정 개도로 하는 것이 아니라, 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 를 형성하여 밸브 개도를 조정할 수 있게 하였다. 예를 들어 화로의 경년 열화에 의한 열흡수량의 변화에 의한 과열 증기 온도의 증대에 대응할 수 있다. 즉, 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 가 100 ％ 개도가 되어도 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 의 개도를 증대시킴으로써 증기 온도의 제어가 가능해진다. 이로써, 증기 되돌림부 (59f) 보다 하류측의 과열기 (59, 61) 의 메탈 온도를 허용값보다 확실하게 낮게 유지할 수 있다.

또, 제 1 증기 유량 조정 밸브 (80) 의 최저 개도를 0 ％ 보다 큰 소정 개도인 10 ％ 로 함으로써, 1 차 과열기 (59) 의 증기 취출부 (59e) 로부터 유도된 모든 증기가 완열기 (76) 에 흘러 들어가는 것을 방지하는 것으로 하였다. 이로써, 완열기 (76) 에 있어서의 증기의 온도 저하에 의한 드레인수의 발생을 방지함과 함께, 제 2 증기 유량 조정 밸브 (81) 에 드레인수가 흘러 들어가 문제가 발생될 우려를 회피할 수 있다. 또, 많은 증기가 완열기 (76) 에 흘러 들어가면 완열기 (76) 에서 큰 압력 손실이 발생하여, 증기 취출부 (59e) 보다 상류측의 1 차 과열기 (59) 의 증기 압력 나아가서는 증기 드럼 (43) 의 증기 압력이 과도하게 상승하고, 증기 드럼 (43) 에 형성된 안전 밸브로부터 증기가 분출될 우려를 회피할 수 있어 안정적인 운전이 가능해진다.

또한, 상기 서술한 실시형태에서는, 보일러 (7) 로서 선박용 재열 보일러를 일례로서 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 재열기를 구비하고 있지 않은 선박용 보일러나, 선박용으로 한정되지 않는 육지용 보일러여도 된다.

1 : 증기 터빈 추진 시스템
3 : 프로펠러
5 : 증기 터빈
7 : 보일러
9 : 고압 터빈
11 : 중압 터빈
13 : 저압 터빈
15 : 후진용 터빈
17 : 제 1 회전축
21 : 제 2 회전축
23 : 감속기
25 : 프로펠러축
27 : 주로
29 : 재열로
31 : 화로
33 : 주버너 (버너)
35 : 프론트 뱅크 튜브
37 : 과열기
38 : 증발기
39 : 증발관군
41 : 물 드럼
43 : 증기 드럼
44 : 증기 공급 경로
46 : 유량계
47 : 주버너용 연료 배관
49 : 주버너용 연료 유량 조절 밸브
51 : 재열 버너
53 : 재열용 연료 배관
55 : 재열용 연료 유량 조정 밸브
59 : 1 차 과열기
61 : 2 차 과열기
63 : 과열기 출구 배관
64 : 분기점
65 : 제 1 주증기 배관
70 : 주증기 온도 센서 (제 2 온도 센서)
71 : 중간 접속 배관
72 : 중간 증기 온도 센서 (제 1 온도 센서)
74 : 증기 온도 조정 라인 (증기 온도 조정 수단)
74a : 증기 도입 경로
74b : 증기 되돌림 경로
76 : 완열기 (증기 온도 조정 수단)
78 : 바이패스 경로 (완열기 바이패스 경로)
80 : 제 1 증기 유량 조정 밸브 (완열기용 유량 조정 수단)
81 : 제 2 증기 유량 조정 밸브 (완열기용 유량 조정 수단)
85 : 제 1 비교 연산부
86 : 제 2 비교 연산부
87 : 제 1 가산기
88 : 제 2 가산기

Claims

화로 내에서 연소를 실시하는 버너와,
그 버너에 의해 생성된 연소 가스에 의해 증기를 생성하는 증발기와,
그 증발기보다 상기 화로측에 배치되고, 상기 증발기에 의해 생성된 증기를 과열시켜 과열 증기를 생성하는 과열기와,
그 과열기의 도중 위치의 증기 취출부에서 취출된 증기를, 그 과열기의 증기 되돌림부에 증기를 되돌릴 때 증기 온도를 조정하는 증기 온도 조정 수단과,
그 증기 온도 조정 수단을 제어하는 제어부와,
상기 과열기의 상기 증기 되돌림부보다 증기 흐름의 하류측이고 또한 그 과열기의 도중 위치의 제 1 증기 온도를 계측하는 제 1 온도 센서를 구비하고,
상기 증기 온도 조정 수단은, 유도된 증기의 온도를 저하시키는 완열기와,
그 완열기에 흐르는 증기의 유량을 조정하는 완열기용 유량 조정 수단을 구비하고,
상기 과열기는, 증기 흐름의 상류측에 설치된 1 차 과열기와, 그 1 차 과열기의 증기 흐름 하류측에 설치되고, 상기 화로에 대해 그 1 차 과열기의 후방에 설치된 2 차 과열기를 구비하고,
상기 증기 온도 조정 수단은, 상기 1 차 과열기에 형성되고, 상기 1 차 과열기의 도중 위치의 상기 증기 취출부로부터 전체량의 증기를 취출하고, 그 전체량의 증기를 상기 1 차 과열기의 증기 되돌림부에 되돌리고,
상기 제어부는, 상기 과열기의 출구의 증기 온도인 과열기 출구 온도와 상기 제 1 증기 온도의 관계를 정한 과열기 출구 온도 관계 정보를 구비하고, 그 과열기 출구 온도 관계 정보와, 상기 제 1 온도 센서의 계측 결과에 기초하여, 상기 과열기 출구 온도가 목표값이 되도록 상기 증기 온도 조정 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 보일러.
제 1 항에 있어서,
상기 증기 온도 조정 수단은, 상기 증기 취출부로부터 상기 완열기로 증기를 유도하는 증기 도입 경로와, 상기 완열기로부터 상기 증기 되돌림부에 증기를 되돌리는 증기 되돌림 경로와, 상기 완열기를 바이패스하도록 상기 증기 도입 경로와 상기 증기 되돌림 경로를 접속하는 완열기 바이패스 경로를 구비하고,
상기 완열기용 유량 조정 수단은, 상기 완열기 바이패스 경로에 형성된 제 1 유량 조정 밸브와, 상기 증기 되돌림 경로이고 또한 상기 완열기 바이패스 경로의 합류부의 상류측에 형성된 제 2 유량 조정 밸브를 구비하고,
상기 제 1 유량 조정 밸브의 최저 개도가 0 보다 큰 소정 개도로 되어 있는 것을 특징으로 하는 보일러.
제 1 항에 있어서,
상기 과열기 출구 온도를 계측하는 제 2 온도 센서를 구비하고,
상기 제어부는, 그 제 2 온도 센서의 계측 결과에 기초하여, 상기 과열기 출구 온도가 목표값이 되도록 상기 증기 온도 조정 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 보일러.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 온도 센서에 의해 계측되는 상기 제 1 증기 온도는, 상기 1 차 과열기와 상기 2 차 과열기 사이의 증기 온도가 되는 것을 특징으로 하는 보일러.
수중에서 추력을 발생시키는 추진기를 구동시키는 증기 터빈과,
상기 증기 터빈에 증기를 공급하는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 보일러를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 선박용 증기 터빈 추진 시스템.
제 5 항에 기재된 선박용 증기 터빈 추진 시스템을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 선박.
연소 가스를 생성하는 연소 가스 생성 공정과,
생성된 연소 가스에 의해 증기를 생성하는 증기 생성 공정과,
생성된 증기를 과열시켜 과열기에서 과열 증기를 생성하는 과열 증기 생성 공정과,
상기 과열기의 도중 위치로부터 증기를 취출함과 함께, 그 증기의 온도를 저하시키는 완열기를 통과시킨 후에 상기 과열기에 증기를 되돌리는 과열 증기 완열 공정과,
상기 완열기에 흘리는 증기의 유량을 완열기용 유량 조정 수단에 의해 조정하는 완열기용 유량 조정 공정과,
상기 과열 증기 완열 공정을 거친 후이고 또한 상기 과열기의 도중 위치의 제 1 증기 온도를 계측하는 제 1 증기 온도 계측 공정과,
상기 과열기의 출구의 증기 온도인 과열기 출구 온도와 상기 제 1 증기 온도의 관계를 정한 과열기 출구 온도 관계 정보와, 상기 제 1 증기 온도 계측 공정의 계측 결과에 기초하여, 상기 과열기 출구 온도가 목표값이 되도록 상기 완열기용 유량 조정 수단을 제어하는 과열기 출구 온도 조정 공정을 구비하고,
상기 과열기는, 증기 흐름의 상류측에 설치된 1 차 과열기와, 그 1 차 과열기의 증기 흐름 하류측에 설치되고, 화로에 대해 그 1 차 과열기의 후방에 설치된 2 차 과열기를 구비하고,
상기 과열 증기 완열 공정에서, 상기 1 차 과열기의 도중 위치로부터 전체량의 증기를 취출하고, 상기 1 차 과열기에 그 전체량의 증기를 되돌리는 것을 특징으로 하는 보일러 제어 방법.
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