(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱管の途中に水位を設定している貫流ボイラであって、ボイラの燃焼量を多段階に設定して高燃焼と低燃焼の間に中燃焼を設定しており、運転制御装置により、燃料供給量制御装置、送風機、送風量制御装置を操作することで燃焼装置へ供給する燃料量と燃焼用空気量を制御して燃焼量を調節するものであり、伝熱管内水位の適正量は燃焼量によって異なり、低燃焼の適正水位、中燃焼の適正水位、高燃焼の適正水位の順に適正水位は低くなるようにしており、蒸気圧力値に基づいて定めた燃焼量となるようにボイラの運転を制御している貫流ボイラにおいて、燃焼を行っている状態から燃焼量を増加する際に、燃焼量を低燃焼から高燃焼へと二段階以上増加する必要がある、あるいは先に行った低燃焼から中燃焼への燃焼量増加から短時間で再び燃焼量を増加することが必要になったという場合であっても、燃焼量は一段階ずつ増加することで中燃焼を行い、かつ一段階増加した中燃焼で所定時間Ｔ１の燃焼量保持を行うようにしておき、一段階増加した中燃焼で所定時間Ｔ１の燃焼量保持を行うことによって伝熱管内の水位を中燃焼の適正水位にした後で、更に一段階上の燃焼量に移行する操作を行うものであることを特徴とする貫流ボイラ。
【請求項２】
請求項１に記載の貫流ボイラにおいて、燃焼量を高燃焼から低燃焼へと二段階以上減少する必要がある、あるいは先に行った高燃焼から中燃焼への燃焼量減少から短時間で再び燃焼量を減少することが必要になったという場合にも、燃焼量は一段階ずつ減少することで中燃焼を行い、かつ一段階減少した中燃焼で所定時間Ｔ２の燃焼量保持を行うようにしておき、一段階減少した中燃焼で所定時間Ｔ２の燃焼量保持を行うことによって伝熱管内の水位を中燃焼の適正水位にした後で更に一段階下の燃焼量に移行する操作を行うが、燃焼を停止する場合には所定時間Ｔ２の燃焼量保持を行わないものであることを特徴とする貫流ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水位を伝熱管の途中に設定しておき、伝熱管を加熱することで蒸気を発生している貫流ボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の垂直な伝熱管を設置しておき、伝熱管の下部から給水を行い、ボイラ水が伝熱管を上昇する間に伝熱管内のボイラ水を加熱して蒸気を発生し、伝熱管上部から蒸気を取り出す貫流ボイラが広く普及しており、近年では容量の大きな貫流ボイラも増えている。貫流ボイラは、伝熱管の途中に水位を設定するために他型式のボイラに比べてボイラ水量が少なくなる。そのため、ボイラが保有する熱量が少なくなることで、万一事故が発生したとしても被害は限定されることになり、また冷缶から起動する場合の起蒸時間が短くなるという利点もある。
【０００３】
しかし、伝熱管途中に水位を設定する貫流ボイラでは、シビアな水位制御が必要になる。伝熱管上部の水位よりも高い部分では、伝熱管内で激しく沸騰することによって持ち上がっているボイラ水で冷却するようにしているため、伝熱管内水位が低く持ち上げられるボイラ水量が少なくなった場合には、伝熱管上部が過熱されることになる。また、伝熱管内水位が高すぎると、伝熱管上部に持ち上げられるボイラ水量が多くなり、分離しきれなかった多量のボイラ水が蒸気とともに取り出されるキャリオーバが発生して蒸気質の低下を招くことになる。そのため貫流ボイラでは水位制御が重要となる。
【０００４】
そして適正な水位は、ボイラの燃焼量によっても変化し、燃焼量を高燃焼と低燃焼や、高燃焼・中燃焼・低燃焼のように増減できるようにしている場合には、それぞれの燃料量で適正水位が異なる。燃焼量が大きい高燃焼の場合は、伝熱管内でのボイラ水の沸き上がりが大きくなるため、水位を低くしておかないとキャリオーバが発生し、燃焼量が小さい低燃焼の場合は、伝熱管内でのボイラ水の沸き上がりが小さくなるため、水位を高くしておかないと伝熱管の過熱が発生する。
【０００５】
特許２９４２０８０号公報には、１００％燃焼・６５％燃焼・３０％燃焼のそれぞれに対応させて水位を設定しておき、燃焼量に合わせて水位を変更することの記載がある。特許２９４２０８０号公報では、１００％燃焼の際には水位検出用容器内の水位をＨｂとＨｃの間の低位、６５％燃焼の際には水位検出用容器内の水位をＨｃとＨｄの間の中位、３０％燃焼の際には水位検出用容器内の水位をＨｄとＨｅの間の高位とすることで、伝熱管内の水位を変化させるようにしている。また、特開昭５５−３１２７３号公報には、水位制御管柱を気水分離器に連接し、ボイラ本体と気水分離器の間での圧力損失を利用して、燃焼量が大きい場合は伝熱管内水位を低くし、燃焼量が小さい場合には伝熱管内水位を高くすることが行われている。この場合、燃焼量が大きくなると蒸気発生量が増加するため、ボイラ本体と気水分離器の間での圧力損失が大きくなる。つまり、燃焼量が大きいほどボイラ本体内での圧力は水位制御管柱での圧力よりも大きくなるため、伝熱管内水位は水位制御管柱での検出水位よりも低くなる。そのため、水位制御管柱で一定の水位になるように給水制御を行っていれば、自然に燃焼量が大きくなるほど伝熱管内水位を低くすることができる。
【０００６】
このように、燃焼量が変化する場合には、燃焼量に応じて伝熱管内の水位を変更することで、燃焼量が変化した場合にも伝熱管過熱やキャリオーバが発生しないようにしている。ところが、容量の大きな貫流ボイラでは、燃焼量変更直後に伝熱管の過熱やキャリオーバが発生することがあり、これらの不具合を解決する必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許２９４２０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、燃焼量と伝熱管内水位のバランスが崩れ、伝熱管の過熱やキャリオーバといった不具合が発生してしまうことを防止することのできる貫流ボイラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、伝熱管の途中に水位を設定している貫流ボイラであって、ボイラの燃焼量を多段階に設定して高燃焼と低燃焼の間に中燃焼を設定しており、運転制御装置により、燃料供給量制御装置、送風機、送風量制御装置を操作することで燃焼装置へ供給する燃料量と燃焼用空気量を制御して燃焼量を調節するものであり、伝熱管内水位の適正量は燃焼量によって異なり、低燃焼の適正水位、中燃焼の適正水位、高燃焼の適正水位の順に適正水位は低くなるようにしており、蒸気圧力値に基づいて定めた燃焼量となるようにボイラの運転を制御している貫流ボイラにおいて、燃焼を行っている状態から燃焼量を増加する際に、燃焼量を低燃焼から高燃焼へと二段階以上増加する必要がある、あるいは先に行った低燃焼から中燃焼への燃焼量増加から短時間で再び燃焼量を増加することが必要になったという場合であっても、燃焼量は一段階ずつ増加することで中燃焼を行い、かつ一段階増加した中燃焼で所定時間Ｔ１の燃焼量保持を行うようにしておき、一段階増加した中燃焼で所定時間Ｔ１の燃焼量保持を行うことによって伝熱管内の水位を中燃焼の適正水位にした後で、更に一段階上の燃焼量に移行する操作を行うものであることを特徴。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記の貫流ボイラにおいて、燃焼量を高燃焼から低燃焼へと二段階以上減少する必要がある、あるいは先に行った高燃焼から中燃焼への燃焼量減少から短時間で再び燃焼量を減少することが必要になったという場合にも、燃焼量は一段階ずつ減少することで中燃焼を行い、かつ一段階減少した中燃焼で所定時間Ｔ２の燃焼量保持を行うようにしておき、一段階減少した中燃焼で所定時間Ｔ２の燃焼量保持を行うことによって伝熱管内の水位を中燃焼の適正水位にした後で更に一段階下の燃焼量に移行する操作を行うが、燃焼を停止する場合には所定時間Ｔ２の燃焼量保持を行わないものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
高燃焼から低燃焼に変更する場合や、低燃焼から高燃焼に変更する場合に、燃焼量を一気に変更することはせず、途中の燃焼量で燃焼を行う時間を設定して、燃焼量の変更を分割して行うことで、燃焼量変更時の燃焼量と伝熱管内水位の乖離を小さくすることができる。燃焼量は高燃焼であるのに伝熱管内水位は低燃焼のものであったり、燃焼量は低燃焼であるのに伝熱管内水位は高燃焼のものとなった場合には、燃焼量と伝熱管内水位の乖離が大きいために伝熱管の過熱やキャリオーバが発生することになっていたが、その中間の中燃焼と高燃焼又は低燃焼との相違であれば、燃焼量と伝熱管内水位の乖離が小さくなるために伝熱管の過熱やキャリオーバの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を実施するボイラの概要図
【図２】本発明における燃焼状態と伝熱管内水位の変動状況を示した説明図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施するボイラの概要図である。ボイラの上部には、下向きに火炎を発生させる燃焼量可変の燃焼装置２を設けており、ボイラ中央部の燃焼室３内で火炎の燃焼を行う。燃焼装置２で使用する燃焼用空気は、燃焼装置２との間を送風路で接続した送風機５によって供給する。送風機５から燃焼装置２へ供給する空気量を制御する送風量制御御装置８を設けておき、送風量制御御装置８によって燃焼用空気供給量を調節するようにしておく。燃焼装置２へ燃料を供給する燃料供給配管４にも燃料供給制御装置７を設け、燃焼装置２へ供給する燃料量も、燃料供給制御装置７によって調節することができるようにしておく。ボイラは下部の給水配管に設けていいる給水ポンプ１０を稼働することで下部から給水を行い、伝熱管内でボイラ水を加熱することで蒸気を発生し、上部の蒸気取り出し管１２を通して蒸気を取り出す。ボイラ燃焼中の伝熱管内では、ボイラ水が激しく沸騰しており、蒸気取り出し管１２を通して取り出す蒸気は沸き上がったボイラ水を含んでいるため、気水分離器１１で蒸気とボイラ水に分離して蒸気のみを取り出すようにしており、分離したボイラ水はボイラ下部へ還流させる。
【００１４】
ボイラの給水制御は、気水分離器に接続している水位検出装置９内の水位に基づいて行う。水位検出装置９は、異なる高さ位置に設置した複数の電極棒で水の有無を検出することによって水位を検出する。給水制御は、水位検出装置内の水位が給水開始水位まで低下すると、給水ポンプ１０の稼働を開始し、給水によって給水停止水位まで水位が上昇すると給水ポンプ１０の稼働を停止することで行う。ボイラの運転は、ボイラの蒸気圧力の値を検出する圧力検出装置１で検出している蒸気圧力値に基づいて行う。蒸気圧力値が低い場合には燃焼量を増加し、蒸気圧力値が高い場合には燃焼量を減少することで蒸気圧力を所定の範囲に保つ。水位検出装置９で検出した水位情報と、圧力検出装置１で検出した蒸気圧力値は、ボイラの運転を制御する運転制御装置６へ送る。運転制御装置６は、送風機５、送風量制御御装置８、燃料供給制御装置７、給水ポンプ１０のそれぞれと接続しておき、運転制御装置６によってボイラの運転を制御する。
【００１５】
運転制御装置６は、蒸気圧力値に基づいて燃焼量を高燃焼・中燃焼・低燃焼・燃焼停止の４位置で制御する。高燃焼の燃焼量を１００％、低燃焼の燃焼量を２０％とした場合、中燃焼はその中間の値とし、５０％〜７０％程度が適当である。運転制御装置６は、燃料供給制御装置７、送風機５、送風量制御御装置８を操作することで燃焼装置２へ供給する燃料量と燃焼用空気量を制御し、燃焼装置２での燃焼量を調節する。
【００１６】
また運転制御装置６は、低燃焼を行っている状態から燃焼量を増加する際に、低燃焼から高燃焼へ直接移行する指令が出力された場合、又は中間の燃焼を経由していても低燃焼終了から所定時間以内に高燃焼へ移行する指令が出力された場合には、設定時間Ｔ１の間、中間の燃焼量で燃焼を行った後に高燃焼への移行を行うものとし、高燃焼を行っている状態から燃焼量を減少する際にも、高燃焼から低燃焼へ直接移行する指令が出力された場合、又は中間の燃焼を経由していても高燃焼終了から所定時間以内に低燃焼へ移行する指令が出力された場合には、設定時間Ｔ２の間、中間の燃焼量で燃焼を行った後に低燃焼への移行を行うものとしておく。なお、高燃焼から燃焼停止とする場合や、中燃焼から燃焼停止とする場合は、燃焼を停止するのであるから伝熱管内水位が低くても伝熱管が過熱されることはあり得ない。そのため、燃焼を停止する場合は、二段階以上燃焼量を減少するものであっても、所定時間Ｔ２の燃焼量保持は行わない。
【００１７】
燃焼量を増加する圧力値と燃焼量を減少する圧力値を同じ値に設定していると、わずかな圧力変動で燃焼量増加と燃焼量減少を交互に繰り返すハンチングと呼ばれる現象が発生することがある。そのため、燃焼量を増加する場合と燃焼量を減少する場合で差（ディファレンシャル）を持たせておくことで、ハンチングの発生を防止する。燃焼量を増加する圧力値よりも燃焼量を減少する圧力値を高くしておくと、その差分の圧力が変化するまでは燃焼量を変更しないため、ごく短時間で燃焼量の増減を繰り返し行うということがなくなる。
【００１８】
水位検出装置９での水位は、ボイラが保有している水量と水位検出装置９部分での圧力によって定まる。水位検出装置９は気水分離器１１と接続しているため、水位検出装置９での水位は、ボイラ本体部の圧力ではなく気水分離器１１での圧力に影響を受ける。そして気水分離器１１とボイラ本体部の間は蒸気取り出し管１２で連結しており、蒸気取り出し管１２に蒸気を流すと圧力損失が発生するため、ボイラ本体部と気水分離器１１では圧力差が発生し、ボイラ本体での圧力は気水分離器１１での圧力よりも蒸気取り出し管１２での圧力損失分高い値となる。そのため、圧力が高い伝熱管内の水位は、圧力が低い水位検出装置９での水位よりも低くなる。
【００１９】
また、蒸気取り出し管１２での圧力損失は、蒸気取り出し管１２を流れる蒸気量が多くなるほど大きくなるため、ボイラ本体部と気水分離器１１の圧力差は、低燃焼・中燃焼・高燃焼の順に大きくなっていく。つまり、水位検出装置９での水位を一定に保つように給水制御を行った場合、低燃焼時には伝熱管内水位が高くなり、高燃焼時には伝熱管内水位が低くなる。
【００２０】
燃焼量の小さな低燃焼の場合には、ボイラ水の沸き上がり量が少なくなるために伝熱管内水位は高くする必要があり、逆に燃焼量の大きな高燃焼の場合には、ボイラ水の沸き上がり量が多くなるために伝熱管内水位は低くする必要があるが、蒸気取り出し管１２での圧力損失が適正になるように設定しておくと、水位検出装置９で設定した給水開始水位で給水ポンプ１０の稼働を開始し、給水停止水位で給水ポンプ１０の稼働を停止する制御を行うことで、自動的に伝熱管内の水位を燃焼量に合った適正な水位とすることができる。
【００２１】
図２は本発明における燃焼状態と伝熱管内水位の変動状況を模式的に示した説明図である。給水制御は、水位検出装置９内の水位が給水開始水位まで低下すると給水ポンプ１０の稼働を開始し、給水停止水位まで上昇すると給水ポンプ１０の稼働を停止することを繰り返すものであるため、伝熱管内水位も上昇と低下を繰り返している。伝熱管内水位の適正量は燃焼量によって異なり、低燃焼・中燃焼・高燃焼の順に適正水位は低くなっていく。図２に記載しているａ〜ｅの水位は、図１の伝熱管での高さ位置を示しており、高燃焼の適正水位がａ〜ｃ、中燃焼の適正水位がｂ〜ｄ、低燃焼の適正水位がｃ〜ｅであるとしている。
【００２２】
図２では、蒸気圧力値から定まる燃焼は高燃焼であって、ボイラは高燃焼を行っている状態から始まっている。この時の伝熱管内水位はａ〜ｃの間にあり、高燃焼での適正水位に保たれている。その後、時刻Ａで蒸気圧力値から定まる燃焼量が低燃焼に変化している。この場合、運転制御装置６では燃焼量をいきなり低燃焼に変更することはせず、中間の５０％燃焼である中燃焼を行う。時刻Ａで燃焼量を高燃焼から中燃焼に変更すると、燃焼量が減少したために蒸気取り出し管１２を通過する蒸気量が一段階低下し、そのために水位検出装置９の水位と伝熱管内水位の差が一段階縮小する。運転制御装置７は、水位検出装置９で検出している水位が一定の範囲を保つように給水制御を行っているが、ボイラ本体内の圧力と水位検出装置９での圧力差が縮小したことにより、伝熱管内水位は一段階高くなっており、中燃焼での適正水位であるｂ〜ｄ間となっている。運転制御装置７では、時刻Ａで開始した中燃焼を設定時間Ｔ２の間行い、設定時間Ｔ２が終了した時刻Ｂで、蒸気圧力値から定まる本来の燃焼量である低燃焼に移行する。燃焼量を中燃焼から低燃焼に移行し、蒸気発生量が少なくなると、ここでも水位検出装置９の水位と伝熱管内水位の差が一段階縮小するため、伝熱管内水位も一段階高くなり、低燃焼での適正水位であるｃ〜ｅ間となっている。
【００２３】
その後、時刻Ｃで蒸気圧力値から定まる燃焼量が低燃焼から中燃焼に変化し、時刻Ｄで更に高燃焼に変化している。運転制御装置７では時刻Ｃからは蒸気圧力値から定まる燃焼量である中燃焼とするが、時刻Ｄの時点では時刻Ｃで低燃焼から中燃焼に変更してからの経過時間が設定時間Ｔ１に達していないため、中燃焼を継続している。蒸気圧力値から定まる燃焼量が高燃焼に変化しても、運転制御装置７では先ほどと同様にすぐに高燃焼とはせず、中燃焼を開始した時刻Ｃからの経過時間が設定時間Ｔ１に達するまでは中燃焼を維持し、その後に高燃焼への変更を行う。燃焼量を低燃焼から中燃焼へ移行し、中燃焼を設定時間Ｔ１の間行うことで、伝熱管内水位は一段階低下して中燃焼での適正水位であるｂ〜ｄ間となり、設定時間Ｔ１が終了した時刻Ｅで、蒸気圧力値から定まる燃焼量である高燃焼に移行すると、伝熱管内水位は更にもう一段階低下し、高燃焼での水位となる。
【００２４】
その後ボイラは、時刻Ｆで運転を停止している。運転停止の場合は、それまでの燃焼量が高燃焼であっても即時に燃焼停止とする。燃焼停止の場合、それ以降は燃焼を行わないのであるから、伝熱管内の水位がどこにあっても伝熱管が過熱されることはなく、伝熱管内水位を燃焼量に合わせる操作を行う必要はない。時刻Ｆ以降では給水は行っていないが、燃焼が停止して蒸気供給がなくなると、ボイラ内の圧力が低下するため、伝熱管内水位は上昇している。
【００２５】
ボイラでの燃焼量は圧力検出装置１で検出している蒸気圧力値から決まっており、蒸気圧力値から決まる燃焼量については、１００％燃焼の高燃焼から２０％の低燃焼へ短時間で移行する場合や、逆に２０％燃焼の低燃焼から１００％燃焼の高燃焼に短時間で移行する場合がある。燃焼量の移行は比較的短い時間で行われるが、伝熱管内水位は、燃焼量の変化によって蒸気取り出し管１２を流れる蒸気量が変化し、そのことでボイラ本体内と水位検出装置９での圧力差が変化して伝熱管内の水位が燃焼量にあった水位になるというものであるため、伝熱管内水位が適正な水位に移行するまでには比較的長い時間がかかる。そのため、高燃焼と低燃焼で燃焼量を変更した場合、燃焼量は高燃焼になっているのに伝熱管内水位は低燃焼時の水位のままであったり、燃焼量は低燃焼になっているのに伝熱管内水位は高燃焼時の水位のままとなることで、燃焼量と伝熱管内水位のバランスが崩れ、伝熱管の過熱やキャリオーバが発生することがあった。また、中燃焼を経由した場合であっても、中燃焼をごく短時間で通過した場合には、高燃焼と低燃焼で燃焼量を変更した場合と同様に燃焼量と伝熱管内水位のバランスが崩れることがあった。これは高燃焼と低燃焼で燃焼量の差が大きいために、伝熱管内水位の適正水位からのズレが大きくなっていたことが原因である。
【００２６】
燃焼量の差が大きい高燃焼から低燃焼への変更や、低燃焼から高燃焼への変更時には、中間の中燃焼を設定時間Ｔ以上行い２段階で燃焼量を変更することとし、伝熱管内水位を中間の水位にした後に目的とする燃焼量へ変更する。燃焼量を一旦中燃焼とし、伝熱管内水位を中燃焼での水位にすることで、燃焼量と伝熱管内水位が異なったとしても、燃焼量は中燃焼で伝熱管内水位は低燃焼時の水位、燃焼量は高燃焼で伝熱管内水位は中燃焼時の水位、燃焼量は中燃焼で伝熱管内水位は高燃焼時の水位、燃焼量は低燃焼で伝熱管内水位は中燃焼時の水位のいずれかとなる。そのため、燃焼量は高燃焼になっているのに伝熱管内水位は低燃焼時の水位のままであったり、燃焼量は低燃焼になっているのに伝熱管内水位は高燃焼時の水位のままのように、燃焼量と伝熱管内水位が極端にずれることはなくなる。伝熱管内水位の適正水位からの乖離幅が大きくならないようにすることで、燃焼量と伝熱管内水位のバランスが崩れなくなるため、伝熱管過熱やキャリオーバの発生を防止することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１  圧力検出装置
２  燃焼装置 
３  燃焼室
４  燃料供給配管
５  送風機
６  運転制御装置  
７  燃料供給制御装置
８  送風量制御御装置
９  水位検出装置
１０  給水ポンプ
１１  気水分離器
１２  蒸気取り出し管
【図１】
0005627254.tif 000002
【図２】
0005627254.tif 000003