貫流ボイラの制御方法及び装置
【課題】貫流ボイラの制御方法及び装置において、循環水量を減少することで熱効率の向上、設備コスト及び動力コストの低減を可能とすると共に炉壁の健全性を維持可能とする。
【解決手段】ボイラ１０の伝熱管５３へ給水を行って内部の熱源との熱交換により生成された過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、伝熱管５３へ給水を行う給水ポンプ５２と、蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整する制御装置６７とを設ける。
【解決手段】ボイラ１０の伝熱管５３へ給水を行って内部の熱源との熱交換により生成された過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、伝熱管５３へ給水を行う給水ポンプ５２と、蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整する制御装置６７とを設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管により構成されて水を一端部から強制的に循環給水し、順次加熱と蒸発を繰り返し、他端部から過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、その給水量を調整可能とする貫流ボイラの制御方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
貫流ボイラは、火炉の壁部に多数の伝熱管を配置し、この伝熱管に給水を行うと共に、バーナにより火炉内部に火炎を生成し、伝熱管内の水を火炎により加熱することで蒸気を生成し、この過熱蒸気を取り出すものであり、この過熱蒸気を、例えば、蒸気タービンに供給して発電を行っている。
【０００３】
このような貫流ボイラでは、通常、給水ポンプにより所定量の水をボイラの伝熱管に供給すると、この水はボイラにて加熱されることで全量が蒸気となり、過熱蒸気として取り出される。しかし、ボイラの起動直後など、ボイラにおける加熱量が低いときには、ボイラにより全量の水を蒸気とすることができず、気水分離器で分離された水は、給水ラインに戻される。この場合、気水分離器で分離された水を給水ラインに戻すと、ボイラで加熱した水の持つ熱量を捨てることとなり、熱効率が良くない。また、気水分離器で分離された水を給水ラインに戻すには、別途ポンプが必要となり、設備コスト及び動力コストが上昇してしまう。そのため、ボイラの加熱量に対応した給水量とすることが望ましい。
【０００４】
このような従来の貫流ボイラの制御方法としては、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された貫流ボイラの制御方法及び制御装置は、ボイラの起動運転または停止運転時に、ボイラ給水を節炭器及び火炉水壁部で加熱し、加熱された火炉水壁部出口流体を気水分離器で蒸気と水に分離し、蒸気を過熱器に供給して加熱し、水を貯水タンクに貯水したのちに再循環系統により火炉水壁部に再循環させるように構成し、ボイラ再循環系統が使用できない異常時に、火炉水壁部伝熱管温度が正常であることを条件として、火炉水壁部通過給水量を通常運転時より減少させると共に、循環水をボイラ再循環ポンプの上流側から復水系統を経て火炉水壁部に再循環するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２８８０５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の貫流ボイラの制御方法及び制御装置には、ボイラ再循環系統が使用できない異常時に、火炉水壁部伝熱管温度が正常であることを条件として、火炉水壁部通過給水量を通常運転時より減少させることが記載されている。ところが、ボイラ（火炉）の伝熱管（水壁部）への給水量を減少させることで、ボイラの加熱量に対応した給水量とすることが望ましいが、ボイラ（伝熱管）へある程度の給水量を確保しないと、炉壁の健全性を維持することが困難となる。即ち、ボイラ（伝熱管）への給水量を少なくすると、伝熱管内の水の沸騰状態が核沸騰から膜沸騰に遷移し、それにより伝熱管のメタル温度が上昇してしまう。水が核沸騰から核沸騰限界（ＤＮＢ：Ｄｅｐａｒｔｕｒｅ ｆｒｏｍ ｎｕｃｌｅａｔｅ ｂｏｉｌｉｎｇ）点を越えて膜沸騰に遷移させないような流量条件は、伝熱管内の圧力や熱流束により異なり、最適条件を設定することは困難なものとなっている。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、循環水量を減少することで熱効率の向上、設備コスト及び動力コストの低減を可能とすると共に炉壁の健全性を維持可能とする貫流ボイラの制御方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するための本発明の貫流ボイラの制御方法は、ボイラの伝熱管へ給水を行って内部の熱源との熱交換により生成された過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、前記伝熱管への給水量を蒸気のクオリティに基づいて調整する、ことを特徴とするものである。
【０００９】
従って、ボイラの伝熱管への給水量を蒸気のクオリティに基づいて調整するため、給水量の減少による核沸騰から膜沸騰への遷移を防止することができると共に、給水量の増加による再循環量の増加を防止することができ、給水量の最適条件を設定することで、循環水量を減少して熱効率の向上、設備コスト及び動力コストの低減を可能とすると共に、炉壁の健全性を維持可能とすることができる。
【００１０】
本発明の貫流ボイラの制御方法では、予め前記伝熱管内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する前記伝熱管への給水量の下限値を設定し、ボイラ起動時に、前記伝熱管への給水量をこの給水量の下限値に調整することを特徴としている。
【００１１】
従って、ボイラ起動時に、伝熱管への給水量を、クオリティの上限値から求めた伝熱管への給水量の下限値に調整することで、給水量の減少による核沸騰から膜沸騰への遷移を防止することができると共に、給水量の増加による再循環量の増加を防止することができる。
【００１２】
本発明の貫流ボイラの制御方法では、前記伝熱管への給水量と生成された蒸気量と蒸気から分離されて給水側に戻される再循環水量の少なくとも２つに基づいて現在の蒸気のクオリティを算出することを特徴としている。
【００１３】
従って、伝熱管への給水量、蒸気量、再循環水量に基づいて容易に蒸気のクオリティを算出することができる。
【００１４】
また、本発明の貫流ボイラの制御装置は、ボイラの伝熱管へ給水を行って内部の熱源との熱交換により生成された過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、前記伝熱管へ給水を行う給水ポンプと、蒸気のクオリティに基づいて前記給水ポンプによる前記伝熱管への給水量を調整するポンプ制御部と、を備えることを特徴とするものである。
【００１５】
従って、ポンプ制御部は、蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプによる伝熱管への給水量を調整するため、給水量の減少による核沸騰から膜沸騰への遷移を防止することができると共に、給水量の増加による再循環量の増加を防止することができ、給水量の最適条件を設定することで、循環水量を減少して熱効率の向上及び設備コストの低減を可能とすると共に、炉壁の健全性を維持可能とすることができる。
【００１６】
本発明の貫流ボイラの制御装置では、前記ポンプ制御部は、予め前記伝熱管内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する前記伝熱管への給水量の下限値を設定し、ボイラ起動時に、前記伝熱管への給水量をこの給水量の下限値に調整することを特徴としている。
【００１７】
従って、ボイラ起動時に、伝熱管への給水量を、クオリティの上限値から求めた伝熱管への給水量の下限値に調整することで、給水量の減少による核沸騰から膜沸騰への遷移を防止することができると共に、給水量の増加による再循環量の増加を防止することができる。
【００１８】
本発明の貫流ボイラの制御装置では、前記伝熱管への給水量を計測する給水量センサと、蒸気から分離されて給水側に戻される再循環水量を計測する再循環水量センサとを設け、前記ポンプ制御部は、給水量と再循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出することを特徴としている。
【００１９】
従って、給水量センサが計測した給水量と、再循環水量センサが計測した再循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出することとなり、高精度で容易に蒸気のクオリティを算出することができる。
【００２０】
本発明の貫流ボイラの制御装置では、前記ボイラにより加熱された蒸気を水分と蒸気とに分離する気水分離器と、該気水分離器により分離された水分を前記給水ポンプの下流側に戻す循環経路を設けることを特徴としている。
【００２１】
従って、気水分離器により分離された水分を循環経路により給水ポンプの下流側に戻すことで、熱効率の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の貫流ボイラの制御方法及び装置によれば、伝熱管への給水量を蒸気のクオリティに基づいて調整するので、循環水量を減少することで熱効率の向上、設備コスト及び動力コストの低減を可能とすると共に、炉壁の健全性を維持可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係る貫流ボイラの制御装置を表す概略図である。
【図２】図２は、蒸気クオリティに対する蒸気の質量速度を表すグラフである。
【図３】図３は、ボイラ負荷に対するボイラ給水量を表すグラフである。
【図４】図４は、実施例１の貫流ボイラを表す概略構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施例２に係る貫流ボイラの制御装置を表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に添付図面を参照して、本発明の貫流ボイラの制御方法及び装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本発明の実施例１に係る貫流ボイラの制御装置を表す概略構成図、図２は、蒸気クオリティに対する蒸気の質量速度を表すグラフ、図３は、ボイラ負荷に対するボイラ給水量を表すグラフ、図４は、実施例１の貫流ボイラを表す概略構成図である。
【００２６】
実施例１において、図１に示すように、貫流ボイラ１０は、例えば、石炭を粉砕した微粉炭を微粉燃料として用い、この微粉炭を燃焼バーナにより燃焼させ、この燃焼により発生した熱を回収することが可能な微粉炭焚きボイラである。
【００２７】
この貫流ボイラ１０は、コンベンショナルボイラであって、火炉１１と燃焼装置１２とを有している。火炉１１は、四角筒の中空形状をなして鉛直方向に沿って設置され、この火炉１１を構成する火炉壁の下部に燃焼装置１２が設けられている。火炉１１は、図示しない多数の伝熱管により形成された火炉壁により密閉状態となっている。
【００２８】
燃焼装置１２は、火炉壁に装着された複数の燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５を有している。本実施例にて、この燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５は、周方向に沿って４個均等間隔で配設されたものが１セットとして、鉛直方向に沿って５セット、つまり、５段配置されている。
【００２９】
そして、各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５は、微粉炭供給管２６，２７，２８，２９，３０を介して微粉炭機（ミル）３１，３２，３３，３４，３５に連結されている。この微粉炭機３１，３２，３３，３４，３５は、図示しないが、ハウジング内に鉛直方向に沿った回転軸心をもって粉砕テーブルが駆動回転可能に支持され、この粉砕テーブルの上方に対向して複数の粉砕ローラが粉砕テーブルの回転に連動して回転可能に支持されて構成されている。従って、石炭が複数の粉砕ローラと粉砕テーブルとの間に投入されると、ここで所定の大きさまで粉砕され、搬送空気（１次空気）により分級された微粉炭を微粉炭供給管２６，２７，２８，２９，３０から燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５に供給することができる。
【００３０】
また、火炉１１は、各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５の装着位置に風箱３６が設けられており、この風箱３６に空気ダクト３７の一端部が連結されており、この空気ダクト３７は、他端部に送風機３８が装着されている。従って、送風機３８により送られた燃焼用空気（２次空気）を、空気ダクト３７から風箱３６に供給し、この風箱３６から各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５に供給することができる。
【００３１】
そのため、燃焼装置１２にて、各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５は、微粉炭と１次空気とを混合した微粉燃料混合気を火炉１１内に吹き込み可能であると共に、２次空気を火炉１１内に吹き込み可能となっており、図示しない点火トーチにより微粉燃料混合気に点火することで、火炎を形成することができる。
【００３２】
なお、一般的に、ボイラの起動時には、各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５は、油燃料を火炉１１内に噴射して火炎を形成している。
【００３３】
火炉１１は、上部に煙道４０が連結されており、この煙道４０に、対流伝熱部として排ガスの熱を回収するための過熱器（スーパーヒータ）４１，４２、再熱器４３，４４、節炭器（エコノマイザ）４５，４６，４７が設けられており、火炉１１での燃焼で発生した排ガスと水との間で熱交換が行われる。
【００３４】
煙道（排ガス通路）４０は、その下流側に熱交換を行った排ガスが排出される排ガス管４８が連結されている。この排ガス管４８は、空気ダクト３７との間にエアヒータ４９が設けられ、空気ダクト３７を流れる空気と、排ガス管４８を流れる排ガスとの間で熱交換を行い、燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５に供給する燃焼用空気を昇温することができる。
【００３５】
なお、排ガス管４８は、図示しないが、脱硝装置、電気集塵機、誘引送風機、脱硫装置が設けられ、下流端部に煙突が設けられている。
【００３６】
従って、微粉炭機３１，３２，３３，３４，３５が駆動すると、生成された微粉炭が搬送用空気と共に微粉炭供給管２６，２７，２８，２９，３０を通して燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５に供給される。また、加熱された燃焼用空気が空気ダクト３７から風箱３６を介して各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５に供給される。すると、燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５は、微粉炭と搬送用空気とが混合した微粉燃料混合気を火炉１１に吹き込むと共に燃焼用空気を火炉１１に吹き込み、このときに着火することで火炎を形成することができる。この火炉１１では、微粉燃料混合気と燃焼用空気とが燃焼して火炎が生じ、この火炉１１内の下部で火炎が生じると、燃焼ガス（排ガス）がこの火炉１１内を上昇し、煙道４０に排出される。
【００３７】
このとき、給水ポンプ（図示略）から供給された水は、節炭器４５，４６，４７によって予熱された後、火炉壁を構成する各伝熱管（図示せず）に供給され、ここで加熱されて蒸気となる。更に、蒸気は過熱器４１，４２に導入され、燃焼ガスによって過熱される。過熱器４１，４２で生成された過熱蒸気は、図示しない発電プラント（例えば、蒸気タービンなど）に供給される。また、この蒸気タービンでの膨張過程の中途で取り出した蒸気は、再熱器４３，４４に導入され、再度過熱されてタービンに戻される。
【００３８】
その後、煙道４０の節炭器４５，４６，４７を通過した排ガスは、排ガス管４８にて、図示しない脱硝装置にて、触媒によりＮＯｘなどの有害物質が除去され、電気集塵機で粒子状物質が除去され、脱硫装置により硫黄分が除去された後、煙突から大気中に排出される。
【００３９】
ここで、上述した貫流ボイラ１０における水及び蒸気の流れについて説明する。図１に示すように、給水ライン５１は、給水ポンプ５２が装着され、下流部が節炭器４５（４６，４７）に連結されており、この節炭器４５が火炉１１の火炉壁を構成する伝熱管５３に連結されている。この伝熱管５３は、下流部が気水分離器５４に連結され、気水分離器５４は、蒸気ライン５５を介して蒸気タービン５６及びタービンバイパス弁５７に連結されている。そして、この蒸気タービン５６は、排出ライン５８により復水器５９に連結され、この復水器５９は、給水ライン５１の上流部に連結されている。また、気水分離器５４は、再循環ライン（再循環経路）６０により給水ライン５１における給水ポンプ５２より下流側に連結されている。そして、再循環ライン６０にドレンタンク６１と再循環水ポンプ６２が装着されている。
【００４０】
従って、給水ポンプ５２が駆動すると、所定量の水が給水ライン５１から節炭器４５で加熱されてから伝熱管５３に供給され、ボイラで熱交換を行うことで加熱され、蒸気が生成される。この蒸気は、気水分離器５４で蒸気と水分に分離され、過熱蒸気は、蒸気ライン５５を介して蒸気タービン５６に供給され、蒸気タービン５６を駆動して発電する。そして、蒸気タービン５６で仕事をした蒸気は、排出ライン５８により復水器５９に送られ、ここで冷却されて復水となり、給水ライン５１に戻される。一方、気水分離器５４で過熱蒸気から分離された水分は、再循環ライン６０からドレンタンク６１に一時的に溜められ、このドレンタンク６１から再循環水ポンプ６２により給水ライン５１に戻される。
【００４１】
このように構成された貫流ボイラ１０では、蒸気のクオリティ（乾き度）に基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整している。即ち、伝熱管５３への給水量を計測する給水量センサ６５と、蒸気（湿り蒸気）から分離されて給水ライン５１に戻される再循環水量を計測する再循環水量センサ６６と、給水量と再循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出してこの蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整する制御装置（ポンプ制御部）６７とを設けている。
【００４２】
そして、この制御装置６７は、予め伝熱管５３内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する伝熱管５３への給水量の下限値を設定し、ボイラ起動時に、伝熱管５３への給水量をこの給水量の下限値に調整するようにしている。
【００４３】
具体的に説明すると、貫流ボイラ１０が起動しているとき、上述したように、給水ポンプ５２が作動して火炉１１に給水している。このとき、ボイラ１０の負荷が１００％で運転している場合、節炭器４５への入口給水量を１００とすると、ボイラ１０の負荷が２５％であれば、節炭器４５への入口給水量は２５必要となり、この入口給水量２５は、給水量と再循環量の合計量である。また、ボイラ１０の起動時、この節炭器４５への入口給水量は２５よりも少ないものとなる。
【００４４】
従来、このボイラ１０の起動直後、つまり、負荷が２５％に到達する前、火炉１１内の伝熱管５３は水の蒸発量が小さく、この場合であっても、給水ポンプ５２による節炭器４５への入口給水量が２５となるように制御している。そのため、ボイラ１０では、給水量２５をすべて蒸気とすることができず、気水分離器５４で水分を分離した蒸気は、過熱器４１を介して蒸気タービン５６に送られる一方、蒸発できずに気水分離器５４で蒸気から分離された水分（飽和水）は、再循環水ポンプ６２により給水ライン５１に戻されて再び火炉１１に給水されることとなる。即ち、ボイラ１０の起動時は、火炉１１に供給された給水量２５のうち、５のみが蒸発して蒸気タービン５６に送られ、２０は再循環している。そして、ボイラ１０の負荷が２５％に到達したら、再循環水ポンプ６２を停止し、負荷の上昇に伴って給水ポンプ５２による節炭器４５への入口給水量を１００まで上昇させている。
【００４５】
この場合、火炉１１での蒸発量が５であることから、節炭器４５への入口給水量を５に設定することができれば、再循環量２０は発生せずに再循環水ポンプ６２を廃止することができるが、火炉１１に対してある程度の給水量を確保しなければ、火炉壁の伝熱管５３が核沸騰から膜沸騰に遷移し、それによりメタル温度が上昇して火炉壁の健全性が維持できない。
【００４６】
そこで、実施例１の貫流ボイラ１０では、上述したように、蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整している。即ち、火炉１１における伝熱管５３における流水量が低下すれば、クオリティ（蒸気乾き度）が増加する。このクオリティがある値（上限値）を超えると、伝熱管５３を流れる水の沸騰状態が核沸騰から核沸騰限界（ＤＮＢ）点を越えて膜沸騰に遷移することで、伝熱管５３内の熱伝達率が低下し、この伝熱管５３のメタル温度が急激に上昇して火炉壁の健全性が維持できなくなる。
【００４７】
そのため、伝熱管５３を流れる水の核沸騰を維持できるクオリティの上限値（伝熱管５３内の流水量の下限値）を実験により把握し、核沸騰から膜沸騰への遷移条件を予測した。即ち、ボイラ１０において、図２に示すように、クオリティ（蒸気クオリティ）と質量速度との関係から、クオリティの上限値、つまり、伝熱管５３内の流水量の下限値、言い換えると、ボイラ１０の起動時に、火炉１１が必要とする最低流量を予測することができ、この時の給水量を大幅に引き下げることが可能となる。
【００４８】
従来は、核沸騰を維持することができるクオリティの上限値（流水量の下限値）を予測することができず、また、予測できたとしてもその精度が低かった。そのため、ボイラ１０の起動時から負荷が２５％に到達するまで、火炉１１の伝熱管５３へ、つまり、節炭器４５への入口給水量を過剰に確保していた。しかし、上述したように、本実施例では、伝熱管５３内の水におけるクオリティの上限値を高精度に予測することができることから、給水ポンプ５２を制御することで、節炭器４５への入口給水量を大幅に低下させることが可能となった。
【００４９】
即ち、図３に示すように、ボイラ１０の起動時から負荷が２５％に到達するまでのボイラ給水量（節炭器４５への入口給水量）は、従来、２５であったが、この実施例１では、２５よりも低くすることが可能となる。そのため、気水分離器５４から再循環ライン６０に流れる水量を低下させることが可能となり、再循環ポンプ６２の容量を小さくして小型が可能となる。また、蒸発しなかった再循環水が僅かであることから、この再循環水を排水することで、再循環ポンプ６２を廃止することも可能となる。
【００５０】
ここで、具体的に説明すると、制御装置６７は、ボイラ１０起動時に、給水ポンプ５２を駆動制御することで、節炭器４５を介して火炉１１の伝熱管５３へ供給する水量を、伝熱管５３を流れる水の核沸騰を維持できるクオリティの上限値、つまり、伝熱管５３内の流水量の下限値となるようにする。この流水量の下限値は、ボイラ１０の形態により予め実験により求めておく。
【００５１】
そして、ボイラ１０の負荷の上昇に伴って伝熱管５３への給水量を増加させるが、このとき、気水分離器５４で分離された再循環水の流量が適切な量となるように伝熱管５３への給水量を制御する。即ち、制御装置６７は、給水量センサ６５が伝熱管５３への給水量を計測し、循環水量センサ６６が蒸気（湿り蒸気）から分離されて給水ライン５１に戻される再循環水量を計測し、給水量と再循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出する。そして、制御装置６７は、この蒸気のクオリティがクオリティの上限値を超えないように給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整する。
【００５２】
そのため、従来におけるボイラ１０の起動時の給水量を２５としたとき、そのうちの５が蒸発し、残りの２０程度を再循環させていたが、本実施例では、ボイラ１０の起動時の給水量を減量することが可能になり、同じ蒸発量であっても再循環水量が少なくてよい。例えば、給水量を１０まで引き下げることができれば、同じ蒸発量５であっても、再循環水量が５でよくなる。その結果、再循環水ポンプ６２の容量を小さくすることができ、または、蒸発しなかった再循環水が僅かであるために再循環水ポンプ６２を廃止することも可能となる。
【００５３】
このように実施例１の貫流ボイラの制御装置にあっては、ボイラ１０の伝熱管５３へ給水を行って内部の熱源との熱交換により生成された過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、伝熱管５３へ給水を行う給水ポンプ５２と、蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整する制御装置６７とを設けている。
【００５４】
従って、制御装置６７は、蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整するため、給水量の減少による核沸騰から膜沸騰への遷移を防止することができると共に、給水量の増加による再循環量の増加を防止することができ、給水量の最適条件を設定することで、循環水量を減少して熱効率の向上及び設備コストの低減を可能とすると共に、炉壁の健全性を維持可能とすることができる。
【００５５】
また、実施例１の貫流ボイラの制御装置では、制御装置６７、予め伝熱管５３内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する伝熱管５３への給水量の下限値を設定し、ボイラ１０の起動時に、伝熱管５３への給水量をこの給水量の下限値に調整している。従って、ボイラ１０の起動時に、伝熱管５３への給水量を、クオリティの上限値から求めた伝熱管５３への給水量の下限値に調整することで、給水量の減少による核沸騰から膜沸騰への遷移を防止することができると共に、給水量の増加による再循環量の増加を防止することができる。
【００５６】
また、実施例１の貫流ボイラの制御装置では、伝熱管５３への給水量を計測する給水量センサ６６と、蒸気から分離されて給水側に戻される循環水量を計測する循環水量センサ６６とを設け、制御装置６７は、給水量と循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出している。従って、給水量センサ６５が計測した給水量と、循環水量センサ６６が計測した循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出することとなり、高精度で容易に蒸気のクオリティを算出することができる。
【００５７】
また、実施例１の貫流ボイラの制御装置では、ボイラ１０により加熱された蒸気（湿り蒸気）を水分と蒸気とに分離する気水分離器５４と、気水分離器５４により分離された水分を給水ポンプ５２の下流側に戻す再循環ライン６０を設けている。従って、気水分離器５４により分離された水分を再循環ライン６０により給水ライン５１における給水ポンプ５２の下流側に戻すことで、熱効率の低下を抑制することができる。
【００５８】
また、実施例１の貫流ボイラの制御方法にあっては、伝熱管５３への給水量を蒸気のクオリティに基づいて調整している。従って、再循環水量を減少して熱効率の向上及び設備コストの低減を可能とすると共に、炉壁の健全性を維持可能とすることができる。
【００５９】
また、実施例１の貫流ボイラの制御方法では、伝熱管５３への給水量と生成された蒸気量と蒸気（湿り蒸気）から分離されて給水側に戻される循環水量の少なくとも２つに基づいて現在の蒸気のクオリティを算出している。従って、伝熱管５３への給水量、過熱蒸気量、循環水量に基づいて容易に蒸気のクオリティを算出することができる。
【実施例２】
【００６０】
図５は、本発明の実施例２に係る貫流ボイラの制御装置を表す概略構成図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６１】
実施例２の貫流ボイラの制御装置において、図５に示すように、給水ライン５１は、給水ポンプ５２が装着され、下流部が節炭器４５を介して火炉１１の伝熱管５３に連結されている。この伝熱管５３は、下流部が気水分離器５４に連結され、気水分離器５４は、蒸気ライン５５を介して蒸気タービン５６に連結されている。そして、この蒸気タービン５６は、排出ライン５８により復水器５９に連結され、この復水器５９は、給水ライン５１の上流部に連結されている。また、気水分離器５４は、再循環ライン（再循環経路）７０により給水ライン５１における給水ポンプ５２より下流側に連結されている。そして、再循環ライン７０にドレンタンク６１が装着されている。
【００６２】
従って、給水ポンプ５２が駆動すると、所定量の水が給水ライン５１から節炭器４５で加熱されてから伝熱管５３に供給され、ボイラで熱交換を行うことで加熱され、蒸気となる。この蒸気は、気水分離器５４で水分が分離され、蒸気ライン５５を介して蒸気タービン５６に供給されて発電する。そして、蒸気タービン５６で仕事をした蒸気は、排出ライン５８により復水器５９に送られ、ここで冷却されて復水となり、給水ライン５１に戻される。一方、気水分離器５４で過熱蒸気から分離された水分は、再循環ライン７０からドレンタンク６１に一時的に溜められ、給水ライン５１に戻される。
【００６３】
このように構成された貫流ボイラ１０では、実施例１と同様に、蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整している。制御装置６７は、給水量と循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出してこの蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整している。この場合、制御装置６７は、予め伝熱管５３内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する伝熱管５３への給水量の下限値を設定し、ボイラ起動時に、伝熱管５３への給水量をこの給水量の下限値に調整する。
【００６４】
なお、実施例２は、再循環ライン７０が給水ライン５１における給水ポンプ５２より下流側に連結されていること、再循環水ポンプがないこと以外は、実施例１の構成と同様であり、作用も同様であることから、詳細な説明は省略する。
【００６５】
このように実施例２の貫流ボイラの制御装置にあっては、気水分離器５４により蒸気が取り出された水を給水ライン５１における給水ポンプ５２より下流側に戻す再循環ライン７０を設けている。従って、再循環水を給水ポンプ５２により給水ライン５１に戻すこととなり、再循環水ポンプ６２をなくすことが可能となる。
【００６６】
なお、上述した各実施例にて、伝熱管５３への給水量を計測する給水量センサ６５と、蒸気（湿り蒸気）から分離されて給水ライン５１に戻される再循環水量を計測する再循環水量センサ６６とを設け、制御装置６７は、計測した給水量と再循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出し、この蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整したが、この構成に限定されるものではない。本発明の貫流ボイラの制御装置は、伝熱管５３への給水量と、生成された蒸気量と、蒸気（湿り蒸気）から分離されて給水側に戻される再循環水量の少なくとも２つに基づいて現在の蒸気のクオリティを算出するものである。
【００６７】
また、上述した各実施例では、気水分離器５４から給水ライン５１に戻す再循環ライン６０，７０、ドレンタンク６１、再循環水ポンプ６２を設けたが、再循環水量を減少して排水としたり、再循環水量をなくしたりすることができれば、これらを設けなくてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１１ 火炉
４１，４２ 過熱器
４３，４４ 再熱器
４５，４６，４７ 節炭器
５１ 給水ライン
５２ 給水ポンプ
５３ 伝熱管
５４ 気水分離器
５５ 蒸気ライン
５６ 蒸気タービン
５７ タービンバイパス弁
５８ 排出ライン
５９ 復水器
６０，７０ 再循環ライン
６１ ドレンタンク
６２ 再循環水ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管により構成されて水を一端部から強制的に循環給水し、順次加熱と蒸発を繰り返し、他端部から過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、その給水量を調整可能とする貫流ボイラの制御方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
貫流ボイラは、火炉の壁部に多数の伝熱管を配置し、この伝熱管に給水を行うと共に、バーナにより火炉内部に火炎を生成し、伝熱管内の水を火炎により加熱することで蒸気を生成し、この過熱蒸気を取り出すものであり、この過熱蒸気を、例えば、蒸気タービンに供給して発電を行っている。
【０００３】
このような貫流ボイラでは、通常、給水ポンプにより所定量の水をボイラの伝熱管に供給すると、この水はボイラにて加熱されることで全量が蒸気となり、過熱蒸気として取り出される。しかし、ボイラの起動直後など、ボイラにおける加熱量が低いときには、ボイラにより全量の水を蒸気とすることができず、気水分離器で分離された水は、給水ラインに戻される。この場合、気水分離器で分離された水を給水ラインに戻すと、ボイラで加熱した水の持つ熱量を捨てることとなり、熱効率が良くない。また、気水分離器で分離された水を給水ラインに戻すには、別途ポンプが必要となり、設備コスト及び動力コストが上昇してしまう。そのため、ボイラの加熱量に対応した給水量とすることが望ましい。
【０００４】
このような従来の貫流ボイラの制御方法としては、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された貫流ボイラの制御方法及び制御装置は、ボイラの起動運転または停止運転時に、ボイラ給水を節炭器及び火炉水壁部で加熱し、加熱された火炉水壁部出口流体を気水分離器で蒸気と水に分離し、蒸気を過熱器に供給して加熱し、水を貯水タンクに貯水したのちに再循環系統により火炉水壁部に再循環させるように構成し、ボイラ再循環系統が使用できない異常時に、火炉水壁部伝熱管温度が正常であることを条件として、火炉水壁部通過給水量を通常運転時より減少させると共に、循環水をボイラ再循環ポンプの上流側から復水系統を経て火炉水壁部に再循環するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２８８０５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の貫流ボイラの制御方法及び制御装置には、ボイラ再循環系統が使用できない異常時に、火炉水壁部伝熱管温度が正常であることを条件として、火炉水壁部通過給水量を通常運転時より減少させることが記載されている。ところが、ボイラ（火炉）の伝熱管（水壁部）への給水量を減少させることで、ボイラの加熱量に対応した給水量とすることが望ましいが、ボイラ（伝熱管）へある程度の給水量を確保しないと、炉壁の健全性を維持することが困難となる。即ち、ボイラ（伝熱管）への給水量を少なくすると、伝熱管内の水の沸騰状態が核沸騰から膜沸騰に遷移し、それにより伝熱管のメタル温度が上昇してしまう。水が核沸騰から核沸騰限界（ＤＮＢ：Ｄｅｐａｒｔｕｒｅ ｆｒｏｍ ｎｕｃｌｅａｔｅ ｂｏｉｌｉｎｇ）点を越えて膜沸騰に遷移させないような流量条件は、伝熱管内の圧力や熱流束により異なり、最適条件を設定することは困難なものとなっている。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、循環水量を減少することで熱効率の向上、設備コスト及び動力コストの低減を可能とすると共に炉壁の健全性を維持可能とする貫流ボイラの制御方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するための本発明の貫流ボイラの制御方法は、ボイラの伝熱管へ給水を行って内部の熱源との熱交換により生成された過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、前記伝熱管への給水量を蒸気のクオリティに基づいて調整する、ことを特徴とするものである。
【０００９】
従って、ボイラの伝熱管への給水量を蒸気のクオリティに基づいて調整するため、給水量の減少による核沸騰から膜沸騰への遷移を防止することができると共に、給水量の増加による再循環量の増加を防止することができ、給水量の最適条件を設定することで、循環水量を減少して熱効率の向上、設備コスト及び動力コストの低減を可能とすると共に、炉壁の健全性を維持可能とすることができる。
【００１０】
本発明の貫流ボイラの制御方法では、予め前記伝熱管内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する前記伝熱管への給水量の下限値を設定し、ボイラ起動時に、前記伝熱管への給水量をこの給水量の下限値に調整することを特徴としている。
【００１１】
従って、ボイラ起動時に、伝熱管への給水量を、クオリティの上限値から求めた伝熱管への給水量の下限値に調整することで、給水量の減少による核沸騰から膜沸騰への遷移を防止することができると共に、給水量の増加による再循環量の増加を防止することができる。
【００１２】
本発明の貫流ボイラの制御方法では、前記伝熱管への給水量と生成された蒸気量と蒸気から分離されて給水側に戻される再循環水量の少なくとも２つに基づいて現在の蒸気のクオリティを算出することを特徴としている。
【００１３】
従って、伝熱管への給水量、蒸気量、再循環水量に基づいて容易に蒸気のクオリティを算出することができる。
【００１４】
また、本発明の貫流ボイラの制御装置は、ボイラの伝熱管へ給水を行って内部の熱源との熱交換により生成された過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、前記伝熱管へ給水を行う給水ポンプと、蒸気のクオリティに基づいて前記給水ポンプによる前記伝熱管への給水量を調整するポンプ制御部と、を備えることを特徴とするものである。
【００１５】
従って、ポンプ制御部は、蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプによる伝熱管への給水量を調整するため、給水量の減少による核沸騰から膜沸騰への遷移を防止することができると共に、給水量の増加による再循環量の増加を防止することができ、給水量の最適条件を設定することで、循環水量を減少して熱効率の向上及び設備コストの低減を可能とすると共に、炉壁の健全性を維持可能とすることができる。
【００１６】
本発明の貫流ボイラの制御装置では、前記ポンプ制御部は、予め前記伝熱管内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する前記伝熱管への給水量の下限値を設定し、ボイラ起動時に、前記伝熱管への給水量をこの給水量の下限値に調整することを特徴としている。
【００１７】
従って、ボイラ起動時に、伝熱管への給水量を、クオリティの上限値から求めた伝熱管への給水量の下限値に調整することで、給水量の減少による核沸騰から膜沸騰への遷移を防止することができると共に、給水量の増加による再循環量の増加を防止することができる。
【００１８】
本発明の貫流ボイラの制御装置では、前記伝熱管への給水量を計測する給水量センサと、蒸気から分離されて給水側に戻される再循環水量を計測する再循環水量センサとを設け、前記ポンプ制御部は、給水量と再循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出することを特徴としている。
【００１９】
従って、給水量センサが計測した給水量と、再循環水量センサが計測した再循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出することとなり、高精度で容易に蒸気のクオリティを算出することができる。
【００２０】
本発明の貫流ボイラの制御装置では、前記ボイラにより加熱された蒸気を水分と蒸気とに分離する気水分離器と、該気水分離器により分離された水分を前記給水ポンプの下流側に戻す循環経路を設けることを特徴としている。
【００２１】
従って、気水分離器により分離された水分を循環経路により給水ポンプの下流側に戻すことで、熱効率の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の貫流ボイラの制御方法及び装置によれば、伝熱管への給水量を蒸気のクオリティに基づいて調整するので、循環水量を減少することで熱効率の向上、設備コスト及び動力コストの低減を可能とすると共に、炉壁の健全性を維持可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係る貫流ボイラの制御装置を表す概略図である。
【図２】図２は、蒸気クオリティに対する蒸気の質量速度を表すグラフである。
【図３】図３は、ボイラ負荷に対するボイラ給水量を表すグラフである。
【図４】図４は、実施例１の貫流ボイラを表す概略構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施例２に係る貫流ボイラの制御装置を表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に添付図面を参照して、本発明の貫流ボイラの制御方法及び装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本発明の実施例１に係る貫流ボイラの制御装置を表す概略構成図、図２は、蒸気クオリティに対する蒸気の質量速度を表すグラフ、図３は、ボイラ負荷に対するボイラ給水量を表すグラフ、図４は、実施例１の貫流ボイラを表す概略構成図である。
【００２６】
実施例１において、図１に示すように、貫流ボイラ１０は、例えば、石炭を粉砕した微粉炭を微粉燃料として用い、この微粉炭を燃焼バーナにより燃焼させ、この燃焼により発生した熱を回収することが可能な微粉炭焚きボイラである。
【００２７】
この貫流ボイラ１０は、コンベンショナルボイラであって、火炉１１と燃焼装置１２とを有している。火炉１１は、四角筒の中空形状をなして鉛直方向に沿って設置され、この火炉１１を構成する火炉壁の下部に燃焼装置１２が設けられている。火炉１１は、図示しない多数の伝熱管により形成された火炉壁により密閉状態となっている。
【００２８】
燃焼装置１２は、火炉壁に装着された複数の燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５を有している。本実施例にて、この燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５は、周方向に沿って４個均等間隔で配設されたものが１セットとして、鉛直方向に沿って５セット、つまり、５段配置されている。
【００２９】
そして、各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５は、微粉炭供給管２６，２７，２８，２９，３０を介して微粉炭機（ミル）３１，３２，３３，３４，３５に連結されている。この微粉炭機３１，３２，３３，３４，３５は、図示しないが、ハウジング内に鉛直方向に沿った回転軸心をもって粉砕テーブルが駆動回転可能に支持され、この粉砕テーブルの上方に対向して複数の粉砕ローラが粉砕テーブルの回転に連動して回転可能に支持されて構成されている。従って、石炭が複数の粉砕ローラと粉砕テーブルとの間に投入されると、ここで所定の大きさまで粉砕され、搬送空気（１次空気）により分級された微粉炭を微粉炭供給管２６，２７，２８，２９，３０から燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５に供給することができる。
【００３０】
また、火炉１１は、各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５の装着位置に風箱３６が設けられており、この風箱３６に空気ダクト３７の一端部が連結されており、この空気ダクト３７は、他端部に送風機３８が装着されている。従って、送風機３８により送られた燃焼用空気（２次空気）を、空気ダクト３７から風箱３６に供給し、この風箱３６から各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５に供給することができる。
【００３１】
そのため、燃焼装置１２にて、各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５は、微粉炭と１次空気とを混合した微粉燃料混合気を火炉１１内に吹き込み可能であると共に、２次空気を火炉１１内に吹き込み可能となっており、図示しない点火トーチにより微粉燃料混合気に点火することで、火炎を形成することができる。
【００３２】
なお、一般的に、ボイラの起動時には、各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５は、油燃料を火炉１１内に噴射して火炎を形成している。
【００３３】
火炉１１は、上部に煙道４０が連結されており、この煙道４０に、対流伝熱部として排ガスの熱を回収するための過熱器（スーパーヒータ）４１，４２、再熱器４３，４４、節炭器（エコノマイザ）４５，４６，４７が設けられており、火炉１１での燃焼で発生した排ガスと水との間で熱交換が行われる。
【００３４】
煙道（排ガス通路）４０は、その下流側に熱交換を行った排ガスが排出される排ガス管４８が連結されている。この排ガス管４８は、空気ダクト３７との間にエアヒータ４９が設けられ、空気ダクト３７を流れる空気と、排ガス管４８を流れる排ガスとの間で熱交換を行い、燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５に供給する燃焼用空気を昇温することができる。
【００３５】
なお、排ガス管４８は、図示しないが、脱硝装置、電気集塵機、誘引送風機、脱硫装置が設けられ、下流端部に煙突が設けられている。
【００３６】
従って、微粉炭機３１，３２，３３，３４，３５が駆動すると、生成された微粉炭が搬送用空気と共に微粉炭供給管２６，２７，２８，２９，３０を通して燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５に供給される。また、加熱された燃焼用空気が空気ダクト３７から風箱３６を介して各燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５に供給される。すると、燃焼バーナ２１，２２，２３，２４，２５は、微粉炭と搬送用空気とが混合した微粉燃料混合気を火炉１１に吹き込むと共に燃焼用空気を火炉１１に吹き込み、このときに着火することで火炎を形成することができる。この火炉１１では、微粉燃料混合気と燃焼用空気とが燃焼して火炎が生じ、この火炉１１内の下部で火炎が生じると、燃焼ガス（排ガス）がこの火炉１１内を上昇し、煙道４０に排出される。
【００３７】
このとき、給水ポンプ（図示略）から供給された水は、節炭器４５，４６，４７によって予熱された後、火炉壁を構成する各伝熱管（図示せず）に供給され、ここで加熱されて蒸気となる。更に、蒸気は過熱器４１，４２に導入され、燃焼ガスによって過熱される。過熱器４１，４２で生成された過熱蒸気は、図示しない発電プラント（例えば、蒸気タービンなど）に供給される。また、この蒸気タービンでの膨張過程の中途で取り出した蒸気は、再熱器４３，４４に導入され、再度過熱されてタービンに戻される。
【００３８】
その後、煙道４０の節炭器４５，４６，４７を通過した排ガスは、排ガス管４８にて、図示しない脱硝装置にて、触媒によりＮＯｘなどの有害物質が除去され、電気集塵機で粒子状物質が除去され、脱硫装置により硫黄分が除去された後、煙突から大気中に排出される。
【００３９】
ここで、上述した貫流ボイラ１０における水及び蒸気の流れについて説明する。図１に示すように、給水ライン５１は、給水ポンプ５２が装着され、下流部が節炭器４５（４６，４７）に連結されており、この節炭器４５が火炉１１の火炉壁を構成する伝熱管５３に連結されている。この伝熱管５３は、下流部が気水分離器５４に連結され、気水分離器５４は、蒸気ライン５５を介して蒸気タービン５６及びタービンバイパス弁５７に連結されている。そして、この蒸気タービン５６は、排出ライン５８により復水器５９に連結され、この復水器５９は、給水ライン５１の上流部に連結されている。また、気水分離器５４は、再循環ライン（再循環経路）６０により給水ライン５１における給水ポンプ５２より下流側に連結されている。そして、再循環ライン６０にドレンタンク６１と再循環水ポンプ６２が装着されている。
【００４０】
従って、給水ポンプ５２が駆動すると、所定量の水が給水ライン５１から節炭器４５で加熱されてから伝熱管５３に供給され、ボイラで熱交換を行うことで加熱され、蒸気が生成される。この蒸気は、気水分離器５４で蒸気と水分に分離され、過熱蒸気は、蒸気ライン５５を介して蒸気タービン５６に供給され、蒸気タービン５６を駆動して発電する。そして、蒸気タービン５６で仕事をした蒸気は、排出ライン５８により復水器５９に送られ、ここで冷却されて復水となり、給水ライン５１に戻される。一方、気水分離器５４で過熱蒸気から分離された水分は、再循環ライン６０からドレンタンク６１に一時的に溜められ、このドレンタンク６１から再循環水ポンプ６２により給水ライン５１に戻される。
【００４１】
このように構成された貫流ボイラ１０では、蒸気のクオリティ（乾き度）に基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整している。即ち、伝熱管５３への給水量を計測する給水量センサ６５と、蒸気（湿り蒸気）から分離されて給水ライン５１に戻される再循環水量を計測する再循環水量センサ６６と、給水量と再循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出してこの蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整する制御装置（ポンプ制御部）６７とを設けている。
【００４２】
そして、この制御装置６７は、予め伝熱管５３内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する伝熱管５３への給水量の下限値を設定し、ボイラ起動時に、伝熱管５３への給水量をこの給水量の下限値に調整するようにしている。
【００４３】
具体的に説明すると、貫流ボイラ１０が起動しているとき、上述したように、給水ポンプ５２が作動して火炉１１に給水している。このとき、ボイラ１０の負荷が１００％で運転している場合、節炭器４５への入口給水量を１００とすると、ボイラ１０の負荷が２５％であれば、節炭器４５への入口給水量は２５必要となり、この入口給水量２５は、給水量と再循環量の合計量である。また、ボイラ１０の起動時、この節炭器４５への入口給水量は２５よりも少ないものとなる。
【００４４】
従来、このボイラ１０の起動直後、つまり、負荷が２５％に到達する前、火炉１１内の伝熱管５３は水の蒸発量が小さく、この場合であっても、給水ポンプ５２による節炭器４５への入口給水量が２５となるように制御している。そのため、ボイラ１０では、給水量２５をすべて蒸気とすることができず、気水分離器５４で水分を分離した蒸気は、過熱器４１を介して蒸気タービン５６に送られる一方、蒸発できずに気水分離器５４で蒸気から分離された水分（飽和水）は、再循環水ポンプ６２により給水ライン５１に戻されて再び火炉１１に給水されることとなる。即ち、ボイラ１０の起動時は、火炉１１に供給された給水量２５のうち、５のみが蒸発して蒸気タービン５６に送られ、２０は再循環している。そして、ボイラ１０の負荷が２５％に到達したら、再循環水ポンプ６２を停止し、負荷の上昇に伴って給水ポンプ５２による節炭器４５への入口給水量を１００まで上昇させている。
【００４５】
この場合、火炉１１での蒸発量が５であることから、節炭器４５への入口給水量を５に設定することができれば、再循環量２０は発生せずに再循環水ポンプ６２を廃止することができるが、火炉１１に対してある程度の給水量を確保しなければ、火炉壁の伝熱管５３が核沸騰から膜沸騰に遷移し、それによりメタル温度が上昇して火炉壁の健全性が維持できない。
【００４６】
そこで、実施例１の貫流ボイラ１０では、上述したように、蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整している。即ち、火炉１１における伝熱管５３における流水量が低下すれば、クオリティ（蒸気乾き度）が増加する。このクオリティがある値（上限値）を超えると、伝熱管５３を流れる水の沸騰状態が核沸騰から核沸騰限界（ＤＮＢ）点を越えて膜沸騰に遷移することで、伝熱管５３内の熱伝達率が低下し、この伝熱管５３のメタル温度が急激に上昇して火炉壁の健全性が維持できなくなる。
【００４７】
そのため、伝熱管５３を流れる水の核沸騰を維持できるクオリティの上限値（伝熱管５３内の流水量の下限値）を実験により把握し、核沸騰から膜沸騰への遷移条件を予測した。即ち、ボイラ１０において、図２に示すように、クオリティ（蒸気クオリティ）と質量速度との関係から、クオリティの上限値、つまり、伝熱管５３内の流水量の下限値、言い換えると、ボイラ１０の起動時に、火炉１１が必要とする最低流量を予測することができ、この時の給水量を大幅に引き下げることが可能となる。
【００４８】
従来は、核沸騰を維持することができるクオリティの上限値（流水量の下限値）を予測することができず、また、予測できたとしてもその精度が低かった。そのため、ボイラ１０の起動時から負荷が２５％に到達するまで、火炉１１の伝熱管５３へ、つまり、節炭器４５への入口給水量を過剰に確保していた。しかし、上述したように、本実施例では、伝熱管５３内の水におけるクオリティの上限値を高精度に予測することができることから、給水ポンプ５２を制御することで、節炭器４５への入口給水量を大幅に低下させることが可能となった。
【００４９】
即ち、図３に示すように、ボイラ１０の起動時から負荷が２５％に到達するまでのボイラ給水量（節炭器４５への入口給水量）は、従来、２５であったが、この実施例１では、２５よりも低くすることが可能となる。そのため、気水分離器５４から再循環ライン６０に流れる水量を低下させることが可能となり、再循環ポンプ６２の容量を小さくして小型が可能となる。また、蒸発しなかった再循環水が僅かであることから、この再循環水を排水することで、再循環ポンプ６２を廃止することも可能となる。
【００５０】
ここで、具体的に説明すると、制御装置６７は、ボイラ１０起動時に、給水ポンプ５２を駆動制御することで、節炭器４５を介して火炉１１の伝熱管５３へ供給する水量を、伝熱管５３を流れる水の核沸騰を維持できるクオリティの上限値、つまり、伝熱管５３内の流水量の下限値となるようにする。この流水量の下限値は、ボイラ１０の形態により予め実験により求めておく。
【００５１】
そして、ボイラ１０の負荷の上昇に伴って伝熱管５３への給水量を増加させるが、このとき、気水分離器５４で分離された再循環水の流量が適切な量となるように伝熱管５３への給水量を制御する。即ち、制御装置６７は、給水量センサ６５が伝熱管５３への給水量を計測し、循環水量センサ６６が蒸気（湿り蒸気）から分離されて給水ライン５１に戻される再循環水量を計測し、給水量と再循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出する。そして、制御装置６７は、この蒸気のクオリティがクオリティの上限値を超えないように給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整する。
【００５２】
そのため、従来におけるボイラ１０の起動時の給水量を２５としたとき、そのうちの５が蒸発し、残りの２０程度を再循環させていたが、本実施例では、ボイラ１０の起動時の給水量を減量することが可能になり、同じ蒸発量であっても再循環水量が少なくてよい。例えば、給水量を１０まで引き下げることができれば、同じ蒸発量５であっても、再循環水量が５でよくなる。その結果、再循環水ポンプ６２の容量を小さくすることができ、または、蒸発しなかった再循環水が僅かであるために再循環水ポンプ６２を廃止することも可能となる。
【００５３】
このように実施例１の貫流ボイラの制御装置にあっては、ボイラ１０の伝熱管５３へ給水を行って内部の熱源との熱交換により生成された過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、伝熱管５３へ給水を行う給水ポンプ５２と、蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整する制御装置６７とを設けている。
【００５４】
従って、制御装置６７は、蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整するため、給水量の減少による核沸騰から膜沸騰への遷移を防止することができると共に、給水量の増加による再循環量の増加を防止することができ、給水量の最適条件を設定することで、循環水量を減少して熱効率の向上及び設備コストの低減を可能とすると共に、炉壁の健全性を維持可能とすることができる。
【００５５】
また、実施例１の貫流ボイラの制御装置では、制御装置６７、予め伝熱管５３内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する伝熱管５３への給水量の下限値を設定し、ボイラ１０の起動時に、伝熱管５３への給水量をこの給水量の下限値に調整している。従って、ボイラ１０の起動時に、伝熱管５３への給水量を、クオリティの上限値から求めた伝熱管５３への給水量の下限値に調整することで、給水量の減少による核沸騰から膜沸騰への遷移を防止することができると共に、給水量の増加による再循環量の増加を防止することができる。
【００５６】
また、実施例１の貫流ボイラの制御装置では、伝熱管５３への給水量を計測する給水量センサ６６と、蒸気から分離されて給水側に戻される循環水量を計測する循環水量センサ６６とを設け、制御装置６７は、給水量と循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出している。従って、給水量センサ６５が計測した給水量と、循環水量センサ６６が計測した循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出することとなり、高精度で容易に蒸気のクオリティを算出することができる。
【００５７】
また、実施例１の貫流ボイラの制御装置では、ボイラ１０により加熱された蒸気（湿り蒸気）を水分と蒸気とに分離する気水分離器５４と、気水分離器５４により分離された水分を給水ポンプ５２の下流側に戻す再循環ライン６０を設けている。従って、気水分離器５４により分離された水分を再循環ライン６０により給水ライン５１における給水ポンプ５２の下流側に戻すことで、熱効率の低下を抑制することができる。
【００５８】
また、実施例１の貫流ボイラの制御方法にあっては、伝熱管５３への給水量を蒸気のクオリティに基づいて調整している。従って、再循環水量を減少して熱効率の向上及び設備コストの低減を可能とすると共に、炉壁の健全性を維持可能とすることができる。
【００５９】
また、実施例１の貫流ボイラの制御方法では、伝熱管５３への給水量と生成された蒸気量と蒸気（湿り蒸気）から分離されて給水側に戻される循環水量の少なくとも２つに基づいて現在の蒸気のクオリティを算出している。従って、伝熱管５３への給水量、過熱蒸気量、循環水量に基づいて容易に蒸気のクオリティを算出することができる。
【実施例２】
【００６０】
図５は、本発明の実施例２に係る貫流ボイラの制御装置を表す概略構成図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６１】
実施例２の貫流ボイラの制御装置において、図５に示すように、給水ライン５１は、給水ポンプ５２が装着され、下流部が節炭器４５を介して火炉１１の伝熱管５３に連結されている。この伝熱管５３は、下流部が気水分離器５４に連結され、気水分離器５４は、蒸気ライン５５を介して蒸気タービン５６に連結されている。そして、この蒸気タービン５６は、排出ライン５８により復水器５９に連結され、この復水器５９は、給水ライン５１の上流部に連結されている。また、気水分離器５４は、再循環ライン（再循環経路）７０により給水ライン５１における給水ポンプ５２より下流側に連結されている。そして、再循環ライン７０にドレンタンク６１が装着されている。
【００６２】
従って、給水ポンプ５２が駆動すると、所定量の水が給水ライン５１から節炭器４５で加熱されてから伝熱管５３に供給され、ボイラで熱交換を行うことで加熱され、蒸気となる。この蒸気は、気水分離器５４で水分が分離され、蒸気ライン５５を介して蒸気タービン５６に供給されて発電する。そして、蒸気タービン５６で仕事をした蒸気は、排出ライン５８により復水器５９に送られ、ここで冷却されて復水となり、給水ライン５１に戻される。一方、気水分離器５４で過熱蒸気から分離された水分は、再循環ライン７０からドレンタンク６１に一時的に溜められ、給水ライン５１に戻される。
【００６３】
このように構成された貫流ボイラ１０では、実施例１と同様に、蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整している。制御装置６７は、給水量と循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出してこの蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整している。この場合、制御装置６７は、予め伝熱管５３内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する伝熱管５３への給水量の下限値を設定し、ボイラ起動時に、伝熱管５３への給水量をこの給水量の下限値に調整する。
【００６４】
なお、実施例２は、再循環ライン７０が給水ライン５１における給水ポンプ５２より下流側に連結されていること、再循環水ポンプがないこと以外は、実施例１の構成と同様であり、作用も同様であることから、詳細な説明は省略する。
【００６５】
このように実施例２の貫流ボイラの制御装置にあっては、気水分離器５４により蒸気が取り出された水を給水ライン５１における給水ポンプ５２より下流側に戻す再循環ライン７０を設けている。従って、再循環水を給水ポンプ５２により給水ライン５１に戻すこととなり、再循環水ポンプ６２をなくすことが可能となる。
【００６６】
なお、上述した各実施例にて、伝熱管５３への給水量を計測する給水量センサ６５と、蒸気（湿り蒸気）から分離されて給水ライン５１に戻される再循環水量を計測する再循環水量センサ６６とを設け、制御装置６７は、計測した給水量と再循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出し、この蒸気のクオリティに基づいて給水ポンプ５２による伝熱管５３への給水量を調整したが、この構成に限定されるものではない。本発明の貫流ボイラの制御装置は、伝熱管５３への給水量と、生成された蒸気量と、蒸気（湿り蒸気）から分離されて給水側に戻される再循環水量の少なくとも２つに基づいて現在の蒸気のクオリティを算出するものである。
【００６７】
また、上述した各実施例では、気水分離器５４から給水ライン５１に戻す再循環ライン６０，７０、ドレンタンク６１、再循環水ポンプ６２を設けたが、再循環水量を減少して排水としたり、再循環水量をなくしたりすることができれば、これらを設けなくてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１１ 火炉
４１，４２ 過熱器
４３，４４ 再熱器
４５，４６，４７ 節炭器
５１ 給水ライン
５２ 給水ポンプ
５３ 伝熱管
５４ 気水分離器
５５ 蒸気ライン
５６ 蒸気タービン
５７ タービンバイパス弁
５８ 排出ライン
５９ 復水器
６０，７０ 再循環ライン
６１ ドレンタンク
６２ 再循環水ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラの伝熱管へ給水を行って内部の熱源との熱交換により生成された過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、
前記伝熱管への給水量を蒸気のクオリティに基づいて調整する、
ことを特徴とする貫流ボイラの制御方法。
【請求項２】
予め前記伝熱管内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する前記伝熱管への給水量の下限値を設定し、ボイラ起動時に、前記伝熱管への給水量をこの給水量の下限値に調整することを特徴とする請求項１に記載の貫流ボイラの制御方法。
【請求項３】
前記伝熱管への給水量と生成された蒸気量と蒸気から分離されて給水側に戻される循環水量の少なくとも２つに基づいて現在の蒸気のクオリティを算出することを特徴とする請求項１または２に記載の貫流ボイラの制御方法。
【請求項４】
ボイラの伝熱管へ給水を行って内部の熱源との熱交換により生成された過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、
前記伝熱管へ給水を行う給水ポンプと、
蒸気のクオリティに基づいて前記給水ポンプによる前記伝熱管への給水量を調整するポンプ制御部と、
を備えることを特徴とする貫流ボイラの制御装置。
【請求項５】
前記ポンプ制御部は、予め前記伝熱管内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する前記伝熱管への給水量の下限値を設定し、ボイラ起動時に、前記伝熱管への給水量をこの給水量の下限値に調整することを特徴とする請求項４に記載の貫流ボイラの制御装置。
【請求項６】
前記伝熱管への給水量を計測する給水量センサと、蒸気から分離されて給水側に戻される再循環水量を計測する再循環水量センサとを設け、前記ポンプ制御部は、給水量と再循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出することを特徴とする請求項４または５に記載の貫流ボイラの制御装置。
【請求項７】
前記ボイラにより加熱された蒸気を水分と蒸気とに分離する気水分離器と、該気水分離器により分離された水分を前記給水ポンプの下流側に戻す再循環経路を設けることを特徴とする請求項４から６のいずれか一つに記載の貫流ボイラの制御装置。
【請求項１】
ボイラの伝熱管へ給水を行って内部の熱源との熱交換により生成された過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、
前記伝熱管への給水量を蒸気のクオリティに基づいて調整する、
ことを特徴とする貫流ボイラの制御方法。
【請求項２】
予め前記伝熱管内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する前記伝熱管への給水量の下限値を設定し、ボイラ起動時に、前記伝熱管への給水量をこの給水量の下限値に調整することを特徴とする請求項１に記載の貫流ボイラの制御方法。
【請求項３】
前記伝熱管への給水量と生成された蒸気量と蒸気から分離されて給水側に戻される循環水量の少なくとも２つに基づいて現在の蒸気のクオリティを算出することを特徴とする請求項１または２に記載の貫流ボイラの制御方法。
【請求項４】
ボイラの伝熱管へ給水を行って内部の熱源との熱交換により生成された過熱蒸気を取り出す貫流ボイラにおいて、
前記伝熱管へ給水を行う給水ポンプと、
蒸気のクオリティに基づいて前記給水ポンプによる前記伝熱管への給水量を調整するポンプ制御部と、
を備えることを特徴とする貫流ボイラの制御装置。
【請求項５】
前記ポンプ制御部は、予め前記伝熱管内の水の核沸騰状態を維持可能なクオリティの上限値を設定し、このクオリティの上限値に対応する前記伝熱管への給水量の下限値を設定し、ボイラ起動時に、前記伝熱管への給水量をこの給水量の下限値に調整することを特徴とする請求項４に記載の貫流ボイラの制御装置。
【請求項６】
前記伝熱管への給水量を計測する給水量センサと、蒸気から分離されて給水側に戻される再循環水量を計測する再循環水量センサとを設け、前記ポンプ制御部は、給水量と再循環水量に基づいて現在の蒸気のクオリティを算出することを特徴とする請求項４または５に記載の貫流ボイラの制御装置。
【請求項７】
前記ボイラにより加熱された蒸気を水分と蒸気とに分離する気水分離器と、該気水分離器により分離された水分を前記給水ポンプの下流側に戻す再循環経路を設けることを特徴とする請求項４から６のいずれか一つに記載の貫流ボイラの制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７５３３（Ｐ２０１３−７５３３Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４０８８８（Ｐ２０１１−１４０８８８）
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]