(57)【要約】【課題】スチームトラップが配置されたドレン供給ラインでのフラッシュ蒸気の発生を防止し、更なる熱回収率の向上を図るクローズド方式のボイラシステムを提供する。【解決手段】貫流ボイラ１０と、第１ドレン供給ラインＬ２と、ドレンタンク２１と、第２ドレン供給ラインＬ３と、第１ドレン供給ラインＬ２を流通するドレンと冷媒との間で熱交換を行う蒸発器８５、及び蒸発器８５で加熱された冷媒と水との間で熱交換を行って蒸気を発生させる凝縮器８３を有するヒートポンプ８０と、凝縮器８３で発生した蒸気を負荷機器５０に供給する第１蒸気供給ラインＬ１と、第１ドレン供給ラインＬ２における蒸発器８５の下流側に配置されるスチームトラップ６１と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気を生成する缶体を有し、生成された蒸気を負荷機器に供給するボイラと、
前記負荷機器が蒸気を使用することによって凝縮して生じたドレンを前記負荷機器から供給する第１ドレン供給ラインと、
前記第１ドレン供給ラインを流通するドレンを大気に開放することなく回収するドレンタンクと、
前記ドレンタンクと前記ボイラとを接続し前記ドレンタンクに収容されたドレンを前記ボイラに給水する第２ドレン供給ラインと、
前記第１ドレン供給ラインを流通するドレンと冷媒との間で熱交換を行う蒸発器、及び前記蒸発器で加熱された冷媒と水との間で熱交換を行って蒸気を発生させる凝縮器を有するヒートポンプと、
前記凝縮器で発生した蒸気を前記負荷機器に供給する蒸気供給ラインと、
前記第１ドレン供給ラインにおける前記蒸発器の下流側に配置されるスチームトラップと、を備えるクローズドタイプのボイラシステム。
【請求項２】
前記ボイラに供給される補給水を貯留するオープンタンクと、
前記オープンタンクに貯留された補給水を前記凝縮器に供給する補給水供給ラインと、を更に備える請求項１記載のクローズドタイプのボイラシステム。
【請求項３】
前記ドレンタンクに回収されたドレンを前記凝縮器に供給する第３ドレン供給ラインを更に備える請求項１記載のクローズドタイプのボイラシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラシステムに関する。より詳細には、負荷機器から排出されるドレンを、大気に開放することなく回収してボイラに給水するクローズド方式のボイラシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボイラによって生成された蒸気を負荷機器に供給し、負荷機器において熱源として使用された蒸気が凝縮して発生するドレンを、耐圧性を有する密閉型のドレンタンクに高温・高圧の状態で回収して、再度ボイラに給水するクローズド方式のボイラシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１０５４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、クローズド方式のボイラシステムにおいて、負荷機器とドレンタンクとを接続し、ドレンを負荷機器からドレンタンクに供給するドレン供給ラインには、ドレンを排出し、かつ、蒸気の排出を防止するスチームトラップが配置される。
ここで、ドレン供給ラインにおけるスチームトラップの前後では、圧力差が生じるため、スチームトラップの下流側に位置するドレン排出ラインでは、圧力が低下することに起因して、ドレンからフラッシュ蒸気が発生する。
そのため、ドレン排出ラインで発生したフラッシュ蒸気を凝縮させるために、ドレン排出ラインの下流側のドレンタンクには新水が供給される。この場合には、フラッシュ蒸気を新水で冷却するため、ボイラシステム全体としての熱回収率が低下する。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、スチームトラップが配置されたドレン供給ラインでのフラッシュ蒸気の発生を防止し、更なる熱回収率の向上を図るクローズド方式のボイラシステム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】
【０００６】
本発明は、蒸気を生成する缶体を有し、生成された蒸気を負荷機器に供給するボイラと、前記負荷機器が蒸気を使用することによって凝縮して生じたドレンを前記負荷機器から供給する第１ドレン供給ラインと、前記第１ドレン供給ラインを流通するドレンを大気に開放することなく回収するドレンタンクと、前記ドレンタンクと前記ボイラとを接続し前記ドレンタンクに収容されたドレンを前記ボイラに給水する第２ドレン供給ラインと、前記第１ドレン供給ラインを流通するドレンと冷媒との間で熱交換を行う蒸発器、及び前記蒸発器で加熱された冷媒と水との間で熱交換を行って蒸気を発生させる凝縮器を有するヒートポンプと、前記凝縮器で発生した蒸気を前記負荷機器に供給する蒸気供給ラインと、前記第１ドレン供給ラインにおける前記蒸発器の下流側に配置されるスチームトラップと、を備えるクローズドタイプのボイラシステムに関する。
【０００７】
また、ボイラシステムは、前記ボイラに供給される補給水を貯留するオープンタンクと、前記オープンタンクに貯留された補給水を前記凝縮器に供給する補給水供給ラインと、を更に備えることが好ましい。
【０００８】
また、ボイラシステムは、前記ドレンタンクに回収されたドレンを前記凝縮器に供給する第３ドレン供給ラインを更に備えることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のボイラシステムによれば、スチームトラップが配置されたドレン供給ラインでのフラッシュ蒸気の発生を防止し、更なる熱回収率の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るボイラシステムの構成を示す図である。
【図２】貫流ボイラの缶体の鉛直方向断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るボイラシステムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
以下、本発明のボイラシステムの好ましい各実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るボイラシステム１の構成を示す図である。
本実施形態のボイラシステム１は、図１に示すように、複数の貫流ボイラ１０を含んで構成されるボイラ装置７０と、クローズド方式のドレン回収装置２０と、ヒートポンプ８０と、を備える。
【００１２】
ボイラ装置７０は、図１に示すように、複数の貫流ボイラ１０と、複数の貫流ボイラ１０で生成された蒸気が集合される蒸気ヘッダ７１と、複数の貫流ボイラ１０と蒸気ヘッダ７１とを連結する第１連結管７２と、を備える。
【００１３】
貫流ボイラ１０は、内部に供給された給水を燃焼ガスにより加熱して蒸気を生成する。本実施形態では、貫流ボイラ１０には、ドレン回収装置２０により回収されたドレンが給水として供給される。そして、複数の貫流ボイラ１０で生成された蒸気は、第１連結管７２を通って蒸気ヘッダ７１に供給される。
【００１４】
蒸気ヘッダ７１は、複数の貫流ボイラ１０で生成された蒸気を貯留し、負荷機器５０に供給する。
負荷機器５０は、貫流ボイラ１０で生成された蒸気を熱源として利用し、加熱対象物との間で熱交換を行う。
【００１５】
ドレン回収装置２０は、貫流ボイラ１０により生成された蒸気が負荷機器５０で利用されることで凝縮して生じたドレンを高温・高圧の状態で回収し、この回収したドレンを給水として再び貫流ボイラ１０に供給する。
ドレン回収装置２０は、ドレンタンク２１と、オープンタンク２２と、第１蒸気供給ラインＬ１と、第１ドレン供給ラインＬ２と、第２ドレン供給ラインＬ３と、第２蒸気供給ラインＬ４と、フラッシュ蒸気排出ラインＬ５と、補給水供給ラインＬ６と、を備える。
【００１６】
ドレンタンク２１は、負荷機器５０において熱交換に用いられた蒸気の一部が凝縮して生じるドレンを回収して収容する。このドレンタンク２１は、耐圧性を有し密閉可能な圧力容器により構成される。
【００１７】
オープンタンク２２は、大気に開放されている。このオープンタンク２２は、貫流ボイラ１０に供給される補給水を貯留する。また、オープンタンク２２には、ドレンタンク２１においてドレンから発生したフラッシュ蒸気が導入される。
【００１８】
第１蒸気供給ラインＬ１は、蒸気ヘッダ７１と負荷機器５０とを接続し、貫流ボイラ１０で生成された蒸気を負荷機器５０に供給する。
【００１９】
第１ドレン供給ラインＬ２は、負荷機器５０とドレンタンク２１とを接続し、負荷機器５０で発生したドレンをドレンタンク２１に供給する。第１ドレン供給ラインＬ２には、後述するヒートポンプ８０の蒸発器８５、並びに、スチームトラップ６１、逆止弁６２及びモータバルブ６３が上流側からこの順に配置される。
スチームトラップ６１は、第１ドレン供給ラインＬ２において前後に圧力差が生じた状態で作動し、負荷機器５０において発生したドレンを排出し、かつ、蒸気の排出を防止する。逆止弁６２は、負荷機器５０からドレンタンク２１に供給されるドレンの逆流を防止する。モータバルブ６３は、負荷機器５０からドレンタンク２１に供給されるドレンの量を調節する。
【００２０】
第２ドレン供給ラインＬ３は、ドレンタンク２１と貫流ボイラ１０とを接続し、ドレンタンク２１に収容されたドレンを貫流ボイラ１０に供給する。第２ドレン供給ラインＬ３の上流側の端部は、ドレンタンク２１の下部に接続される。また、第２ドレン供給ラインＬ３の下流側は、複数の缶体１１のそれぞれに接続されるように分岐している。
第２ドレン供給ラインＬ３には、ドレンポンプ６４及びドレン供給弁６５が配置される。ドレンポンプ６４は、ドレンタンク２１から供給されたドレンを昇圧して貫流ボイラ１０に供給する。ドレン供給弁６５は、モータバルブにより構成され、ドレンタンク２１から貫流ボイラ１０に供給されるドレンの量を調節する。
【００２１】
第２蒸気供給ラインＬ４は、蒸気ヘッダ７１とドレンタンク２１とを接続する。この第２蒸気供給ラインＬ４は、蒸気ヘッダ７１に貯留された蒸気をドレンタンク２１に供給し、ドレンタンク２１の内部の圧力を調節する。
第２蒸気供給ラインＬ４には、圧力調整弁６６及びモータバルブ６７が配置される。
【００２２】
フラッシュ蒸気排出ラインＬ５は、ドレンタンク２１とオープンタンク２２とを接続し、ドレンタンク２１で発生したフラッシュ蒸気をオープンタンク２２に排出する。
フラッシュ蒸気排出ラインＬ５には、圧力調整弁６８が配置されている。圧力調整弁６８は、ドレンタンク２１の内部の圧力が所定の圧力を超えた場合に、フラッシュ蒸気をオープンタンク２２側に逃がして、ドレンタンク２１の内部の圧力を低下させる。
【００２３】
補給水供給ラインＬ６は、オープンタンク２２とドレンタンク２１とを接続し、オープンタンク２２に貯留された水をドレンタンク２１に供給する。
補給水供給ラインＬ６には、ポンプ６９が配置されている。ポンプ６９は、オープンタンク２２から供給された補給水を昇圧してドレンタンク２１に供給する。
【００２４】
次に、貫流ボイラ１０の詳細について説明する。
図２は、貫流ボイラ１０の缶体１１の鉛直方向断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図であり、缶体１１の水平方向断面図である。
貫流ボイラ１０は、図２及び図３に示すように、缶体１１と、複数の水管１２と、連結壁１３と、下部ヘッダ１４と、上部ヘッダ１５と、ダクト１６と、バーナ１７と、排気筒１８と、を備える。
【００２５】
缶体１１は、平面視矩形形状の直方体状に構成される。
複数の水管１２は、缶体１１の内部に上下方向に延びて配置されると共に、缶体１１の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される。
本実施形態では、複数の水管１２は、缶体１１の長手方向に延びる側部に沿って配置される外側水管群１２ａと、缶体１１の幅方向の中央部に、長手方向に沿って配置される中央水管群１２ｂと、外側水管群１２ａと中央水管群１２ｂとの間に配置される中間水管群１２ｃと、に分類される。
連結壁１３は、外側水管群１２ａにおいて隣り合って配置される水管１２同士を連結する。
【００２６】
下部ヘッダ１４は、平面視矩形形状の直方体状の容器によって構成され、缶体１１の下部に配置される。下部ヘッダ１４には、複数の水管１２の下端部が接続される。下部ヘッダ１４には、ドレン回収装置２０からドレンが供給され、この下部ヘッダ１４から複数の水管１２にドレンが供給される。
【００２７】
上部ヘッダ１５は、平面視矩形形状の直方体状の容器によって構成され、缶体１１の上部に配置される。上部ヘッダ１５には、複数の水管１２の上端部が接続される。上部ヘッダ１５には、複数の水管１２において生成された蒸気が集められる。上部ヘッダ１５には、第１連結管７２（図１参照）が連結されており、上部ヘッダ１５に集められた蒸気は、この第１連結管７２を介して蒸気ヘッダ７１に供給される。
【００２８】
ダクト１６は、缶体１１の長手方向の一端側に位置する第１側面１１ａの下部に接続される。ダクト１６の上流側には、燃料ガスが供給される燃料供給部１６１及び図示しない燃焼用空気が供給される給気ラインが接続される。ダクト１６は、燃料供給部１６１から供給される燃料ガスと給気ラインから供給される燃焼用空気とを混合して缶体１１の内部に向けて供給する。
【００２９】
バーナ１７は、第１側面１１ａにおけるダクト１６と缶体１１との接続部分に配置される。バーナ１７は、燃焼用空気と燃料とが混合された混合ガスをダクト１６から缶体１１の内部に噴出し、この混合ガスを燃焼させる。
【００３０】
排気筒１８は、缶体１１の長手方向の他端側（ダクト１６が設けられた側と反対側）に位置する第２側面１１ｂに接続される。排気筒１８は、缶体１１の内部で混合ガスが燃焼して生じた燃焼ガスを排出する。
【００３１】
次に、図１に戻り、ヒートポンプ８０について説明する。
ヒートポンプ８０は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、ドレンが有する熱を冷媒により回収すると共に、この冷媒により回収した熱を用いて補給水から蒸気を生成する。
ヒートポンプ８０は、第２補給水供給ラインＬ７と、第２連結管（本発明に係る蒸気供給ライン）８１と、圧縮機８２と、凝縮器８３と、膨張弁８４と、蒸発器８５と、を備える。
ここで、圧縮機８２と凝縮器８３と膨張弁８４と蒸発器８５とは、環状に接続される。そして、環状に接続された圧縮機８２、凝縮器８３、膨張弁８４及び蒸発器８５を気体状態又は液体状態で冷媒が循環する。
ヒートポンプ８０に用いる冷媒としては、例えば、炭素数が４以上のハイドロフルオロカーボンに水や消火液を加えたものや、エチルアルコール又はメチルアルコールに水や消化液を加えたものが好適に用いられる。
【００３２】
第２補給水供給ラインＬ７は、オープンタンク２２と凝縮器８３とを接続し、オープンタンク２２に貯留された補給水を凝縮器８３に供給する。
第２補給水供給ラインＬ７には、補給水ポンプ８６及び補給水供給弁８７が配置される。補給水ポンプ８６は、オープンタンク２２から供給された補給水を昇圧して凝縮器８３に供給する。補給水供給弁８７は、モータバルブにより構成され、オープンタンク２２から凝縮器８３に供給される補給水の量を調節する。
【００３３】
第２連結管８１は、凝縮器８３と蒸気ヘッダ７１とを接続し、凝縮器８３で生成された蒸気を蒸気ヘッダ７１に供給する。
【００３４】
圧縮機８２は、気体状態の冷媒を圧縮して高温・高圧化する。
圧縮機８２は、例えば、本体部とモータとから構成され、モータをインバータで制御して本体部における冷媒の圧縮量を調整する。
【００３５】
凝縮器８３は、第２補給水供給ラインＬ７と第２連結管８１との間に配置される。この凝縮器８３は、第２補給水供給ラインＬ７から供給される補給水に圧縮機８２から供給される冷媒の熱を放熱して補給水から蒸気を生成すると共に、気体状態の冷媒を凝縮させて液化する。
凝縮器８３で補給水から生成された蒸気は、第２連結管８１を通って蒸気ヘッダ７１に供給される。
凝縮器８３としては、例えば、プレート式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器などが用いられる。
【００３６】
膨張弁８４は、絞り弁により構成される。この膨張弁８４は、凝縮器８３から供給される液体状態の冷媒を通過させることで、冷媒の圧力及び温度を低下させる。
蒸発器８５は、第１ドレン供給ラインＬ２においてスチームトラップ６１よりも上流側に配置され、ドレンから熱を奪うことで、膨張弁８４から供給される冷媒を気化させる。
蒸発器８５としては、例えば、プレート式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器などが用いられる。
【００３７】
以上の構成を有するヒートポンプ８０は、蒸発器８５において冷媒が第１ドレン供給ラインＬ２を流通するドレンから熱を奪って気化する一方、凝縮器８３において冷媒が第２補給水供給ラインＬ７から供給される補給水を加熱して蒸気を生成する。
【００３８】
次に、本実施形態のボイラシステム１の動作について説明する。
本実施形態では、まず、貫流ボイラ１０において蒸気が生成される。具体的には、まず、燃料ガスと燃焼用空気とがダクト１６において混合され、この燃焼ガスと燃焼用空気との混合ガスがバーナ１７から缶体１１の内部に噴出されて燃焼する。次いで、混合ガスの燃焼により発生した燃焼ガスにより、複数の水管１２が加熱され、これら複数の水管１２の内部に供給されたドレンから蒸気が生成される。複数の水管１２の内部で生成された蒸気は、上部ヘッダ１５に集められた後、第１連結管７２を介して蒸気ヘッダ７１に供給される。
一方、缶体１１の内部において蒸気の生成に用いられた燃焼ガスは、排気筒１８を通って外部に排出される。
【００３９】
蒸気ヘッダ７１に供給された蒸気は、負荷機器５０において利用された後ドレンとなる。このドレンを用いてヒートポンプにおいて蒸気が生成される。具体的には、負荷機器５０において利用されたドレンが蒸発器８５において冷媒に熱を与えて冷媒を気化させる。蒸発器８５において気化された冷媒は、凝縮器８３において補給水を加熱して蒸気を生成する。凝縮器８３において生成された蒸気は、第２連結管８１を介して蒸気ヘッダ７１に供給される。
【００４０】
以上のように、負荷機器５０において利用された後に蒸発器８５において冷媒に熱を与えたドレンは、スチームトラップ６１を通過してドレンタンク２１に貯留される。そして、ドレンタンク２１に貯留されたドレンは、第２ドレン供給ラインＬ３を通って貫流ボイラ１０に給水として供給される。
【００４１】
このように、本実施形態では、ボイラシステム１を、第１ドレン供給ラインＬ２を流通するドレンと冷媒との間で熱交換を行う蒸発器８５と、蒸発器８５で加熱された冷媒と補給水との間で熱交換を行って蒸気を発生させる凝縮器８３と、を有するヒートポンプ８０を含んで構成し、スチームトラップ６１を、第１ドレン供給ラインＬ２における蒸発器８５よりも下流側に配置した。これにより、第１ドレン供給ラインＬ２を流通するドレンから熱回収を行って蒸気を生成し負荷機器５０に供給できるので、第１ドレン供給ラインＬ２を流通するドレンを低温化できる。よって、ドレンの温度を低温化することで、第１ドレン供給ラインＬ２におけるスチームトラップ６１よりも下流側において圧力が低下した場合であっても、ドレンの温度が、低下した圧力の飽和温度を超えないようにできるため、第１ドレン供給ラインＬ２においてフラッシュ蒸気が発生することを防げる。その結果、クローズド方式のボイラシステム１における熱効率をより向上させられる。
また、ヒートポンプ８０によって蒸気を生成するため、負荷機器５０で使用する蒸気の補助供給源を獲得できる。
【００４２】
ボイラシステム１を、オープンタンク２２と、このオープンタンク２２に貯留された補給水を凝縮器８３に供給する第２補給水供給ラインＬ７と、を含んで構成した。これにより、補給水を用いてヒートポンプ８０によって蒸気を生成できる。
【００４３】
また、貫流ボイラ１０を、直方体状の缶体１１と、この缶体１１の内部に長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される複数の水管１２と、缶体１１の側面から燃料ガスを噴出して燃焼させるバーナ１７と、を含んで構成した。これにより、缶体１１の中央部に燃焼室を有するボイラに比して、バーナ１７において混合ガスが燃焼してから複数の水管１２へ熱が伝わるまでの時間を短縮できる。よって、バーナ１７における混合ガスの燃焼温度（火炎の温度）の低温化が可能となるため、ボイラに供給される燃焼用空気の温度が高くなった場合であっても、混合ガスの燃焼温度を低温化してＮＯｘの発生量が増加することを抑制できる。
【００４４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、本実施形態に係るボイラシステム１Ａの構成を示す図である。
第２実施形態では、ボイラシステム１Ａにおけるヒートポンプ８０Ａの構成が第１実施形態と異なるが他の部分は同様であるので、その特徴部分を説明し、同様の構成については説明を省略する。
【００４５】
具体的には、第２実施形態では、ヒートポンプ８０Ａは、第１実施形態における第２補給水供給ラインＬ７に代えて、第３ドレン供給ラインＬ８を備える。
【００４６】
第３ドレン供給ラインＬ８は、ドレンタンク２１と凝縮器８３とを接続し、ドレンタンク２１に貯留されたドレンを凝縮器８３に供給する。また、この第３ドレン供給ラインＬ８には、ドレンポンプ８８及びドレン供給弁８９が配置される。
【００４７】
以上の構成を有するヒートポンプ８０Ａは、蒸発器８５において冷媒が第１ドレン供給ラインＬ２を流通するドレンから熱を奪って気化される一方、凝縮器８３において冷媒が第３ドレン供給ラインＬ８から供給されるドレンを加熱して蒸気を生成する。
【００４８】
以上説明した第２実施形態では、ボイラシステム１Ａを、ドレンタンク２１に回収されたドレンを凝縮器８３に供給する第３ドレン供給ラインＬ８を含んで構成した。これにより、ヒートポンプ８０Ａにおいて、高温のドレンから蒸気を生成できるので、ヒートポンプ８０Ａによる蒸気の生成量を増加させられる。
【００４９】
以上、本発明のボイラシステム１，１Ａの好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、凝縮器８３に供給される水として、オープンタンク２２に貯留された補給水の場合と、ドレンタンク２１に貯留されたドレンの場合を説明したが、これに限らない。
【００５０】
また、第１実施形態及び第２実施形態では、ヒートポンプ８０，８０Ａにおいて生成した蒸気を蒸気ヘッダ７１に供給したが、これに限らない。即ち、第２連結管８１を第１蒸気供給ラインＬ１に接続し、ヒートポンプにおいて生成した蒸気を、第１蒸気供給ラインＬ１に供給してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１，１Ａ  ボイラシステム
１０  貫流ボイラ
２０  ドレン回収装置
２１  ドレンタンク
２２  オープンタンク
５０  負荷機器
６１  スチームトラップ
７１  蒸気ヘッダ
８０，８０Ａ  ヒートポンプ
８１  第２連結管
８２  圧縮機
８３  凝縮器
８４  膨張弁
８５  蒸発器
Ｌ１  第１蒸気供給ライン
Ｌ２  第１ドレン供給ライン
Ｌ３  第２ドレン供給ライン
Ｌ７  第２補給水供給ライン（補給水供給ライン）
Ｌ８  第３ドレン供給ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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