(57)【要約】【課題】緊急停止時に伝熱媒体に埋められた熱交換器を適切に保護することができるボイラシステムを提供する。【解決手段】ボイラシステム１００は、伝熱媒体との間で熱交換を行う流体が流れる熱交換器２２を備える。この熱交換器２２は、火炉３で加熱された伝熱媒体Ｗ中に埋められている。また、ボイラシステム１００は、少なくとも熱交換器２２内の流体の流れが減少又は停止する緊急停止時において、熱交換器２２の周囲から伝熱媒体を除去する除去部２４を備えている。従って、緊急停止時に熱交換器２２内の流体の流れが減少又は停止しても、熱交換器２２の周囲から伝熱媒体Ｗが除去されるため、伝熱媒体Ｗの熱によって熱交換器２２の管の温度が高くなりすぎることを抑制できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の燃焼によって伝熱媒体を加熱する火炉と、
前記火炉で加熱された伝熱媒体中に埋められており、前記伝熱媒体との間で熱交換を行う流体が流れる熱交換器と、
少なくとも前記熱交換器内の前記流体の流れが減少又は停止する緊急停止時において、前記熱交換器の周囲から前記伝熱媒体を除去する除去部と、を備えるボイラシステム。
【請求項２】
前記火炉の燃焼によって発生した蒸気で回転するタービンを更に備え、
前記熱交換器は、前記流体として、前記タービンから排出された蒸気を過熱する再熱器である、請求項１に記載のボイラシステム。
【請求項３】
少なくとも前記火炉を含み、前記伝熱媒体を循環させる循環系を備え、
前記除去部は、前記伝熱媒体を前記循環系の系外へ排出することで、前記熱交換器の周囲から前記伝熱媒体を除去する、請求項１又は２に記載のボイラシステム。
【請求項４】
前記除去部はボイラシステムの制御を行う制御部を有し、
前記制御部は、前記再熱器への前記蒸気の流通状態を検知し、前記再熱器への前記蒸気の流れの減少、又は停止を検知した場合、前記再熱器の周囲から前記伝熱媒体を除去する制御を行う、請求項２に記載のボイラシステム。
【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。
【背景技術】
【０００２】
従来のボイラシステムとして、燃料を燃焼させることによって伝熱媒体を加熱するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。加熱された伝熱媒体は、システム内の循環系を循環している。このような循環系の中には伝熱媒体が貯められた箇所が存在している。ボイラシステムは、このように伝熱媒体が貯められた箇所で、伝熱媒体に埋められた熱交換器を備えている。熱交換器の内部には流体が流れており、当該流体と伝熱媒体との間で熱交換が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−４１４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上述のようなボイラシステムは、所定の理由によって緊急停止する場合がある。緊急停止時には、伝熱媒体に埋められた熱交換器内を流れる流体が減少し、または熱交換器内に流体が流れなくなる。当該状態では、熱交換器の冷却機能が低下することで、周囲の伝熱媒体の熱によって熱交換器の温度が高くなりすぎる可能性がある。
【０００５】
本発明は、緊急停止時に伝熱媒体に埋められた熱交換器を適切に保護することができる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】
本発明に係るボイラシステムは、燃料の燃焼によって伝熱媒体を加熱する火炉と、火炉で加熱された伝熱媒体中に埋められており、伝熱媒体との間で熱交換を行う流体が流れる熱交換器と、少なくとも熱交換器内の流体の流れが減少又は停止する緊急停止時において、除去部を制御して熱交換器の周囲から伝熱媒体を除去する除去部と、を備える。
【０００７】
本発明に係るボイラシステムは、伝熱媒体との間で熱交換を行う流体が流れる熱交換器を備える。この熱交換器は、火炉で加熱された伝熱媒体中に埋められている。また、ボイラシステムは、少なくとも熱交換器内の流体の流れが減少又は停止する緊急停止時において、除去部を制御して熱交換器の周囲から伝熱媒体を除去する除去部を備えている。従って、緊急停止時に熱交換器内の流体の流れが減少又は停止しても、熱交換器の周囲から伝熱媒体が除去されるため、伝熱媒体の熱によって熱交換器の温度が高くなりすぎることを抑制できる。以上により、緊急停止時に伝熱媒体に埋められた熱交換器を適切に保護することができる。
【０００８】
本発明に係るボイラシステムにおいて、火炉の燃焼によって発生した蒸気で回転するタービンを更に備え、熱交換器は、流体として、タービンから排出された蒸気を過熱する再熱器であってよい。この構成により、緊急停止時に伝熱媒体に埋められた再熱器を適切に保護することができる。
【０００９】
本発明に係るボイラシステムにおいて、少なくとも火炉を含み、伝熱媒体を循環させる循環系を備え、除去部は、伝熱媒体を循環系の系外へ排出することで、熱交換器の周囲から伝熱媒体を除去してよい。この構成により、緊急停止時に伝熱媒体を循環系の系外へ排出するだけのシンプルな構成にて、熱交換器を保護することができる。
【００１０】
本発明に係るボイラシステムにおいて、退避部は、ボイラシステムを制御する制御部を有し、制御部は、再熱器への蒸気の流通状態を検知し、再熱器への蒸気の流れの減少、又は停止を検知した場合、再熱器の周囲から伝熱媒体を除去する制御を行ってよい。この構成により、実際に再熱器への蒸気の流れが減少、又は停止したことを確認した上で、再熱器の周囲から伝熱媒体を除去することができる。これにより、適切なタイミングで再熱器を保護することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、緊急停止時に伝熱媒体に埋められた熱交換器を適切に保護する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るボイラシステムの概略構成図である。
【図２】図１に示すボイラシステムのタービン周辺の構成を示す概略構成図である。
【図３】図１に示すボイラシステムの熱交換チャンバ周辺の構成を示す概略構成図である。
【図４】変形例に係るボイラシステムの熱交換チャンバ付近の構成を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１を参照して、本実施形態に係るボイラシステム１００の構成について説明する。ボイラシステム１００は、外部循環型（Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ  Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ  Ｂｅｄ型）の循環流動層ボイラである。このボイラシステム１００は、縦長の筒形状をなす流動層型の火炉３を備えている。火炉３の中間部には、燃料を供給する燃料供給口３ａと、上部には燃焼ガスを排出するガス出口３ｂと、が設けられている。燃料供給装置５からこの火炉３に供給される燃料は、燃料供給口３ａを介して火炉３の内部に供給される。
【００１５】
火炉３のガス出口３ｂには固気分離装置として機能するサイクロン７が接続されている。サイクロン７の排出口７ａはガスラインを介して後段のガス処理系に接続されている。また、サイクロン７の底部出口からはダウンカマーと称されるリターンライン９が下方に延びており、リターンライン９の下端は火炉３の中間部側面に接続されている。
【００１６】
火炉３内では、下部の給気ライン３ｃから導入される燃焼・流動用の空気により、燃料供給口３ａから供給された燃料を含む固形物が流動し、燃料は流動しながら例えば約８００〜９００℃で燃焼する。サイクロン７には、火炉３で発生した燃焼ガスが固体粒子を同伴しながら導入される。サイクロン７は、遠心分離作用により固体粒子と気体とを分離し、リターンライン９を介して分離された固体粒子を火炉３に戻すと共に、固体粒子が除かれた燃焼ガスを排出口７ａからガスラインを通じて後段のガス処理系に送出する。
【００１７】
この火炉３では「炉内ベット材」と呼ばれる固形物が発生し底部に溜まるが、この炉内ベット材で不純物（低融点物質等）が濃縮されて起こるベット材の焼結及び溶融固化、或いは不燃夾雑物による動作不良を抑制することが必要である。このため、火炉３では、底部の排出口３ｄから炉内ベット材が定期的または連続的に外部に排出されている。排出されたベット材は、循環ライン（図示せず）上で金属や粗大粒径などの不適物を取り除いた後、再び火炉３に供給される。
【００１８】
上記のガス処理系は、サイクロン７の排出口７ａにガスラインを介して接続されたガス熱交換装置１３と、このガス熱交換装置１３の排出口１３ａにガスラインを介して接続された集塵機１５とを備えている。ガス熱交換装置１３には、排ガスの流路を横切るように蒸気を過熱するボイラチューブ１３ｂが設けられている。サイクロン７から送られた高温の排ガスがこのボイラチューブ１３ｂに接触することで、排ガスの熱がチューブ内の水に回収され、発生した高温の水蒸気がボイラチューブ１３ｂを通じて発電用のタービンに送られる。集塵機１５は、この可燃性ガスに未だ同伴している飛灰等の微粒子を除去する。集塵機１５として、例えばバグフィルタや電気集塵機などが採用される。集塵機１５の排出口１５ａから排出された清浄なガスはガスライン及びポンプ１７を経由して煙突１９から外部に排出される。
【００１９】
火炉３で発生した固体粒子は、火炉３、サイクロン７、及びリターンライン９で構成される循環系２１内を循環する。なお、以降の説明においては、固体粒子の流動物を伝熱媒体と称する。循環系２１のうち、リターンライン９と火炉３の底部との間には熱交換チャンバ２０が形成される。熱交換チャンバ２０内には伝熱媒体が貯められる（図２，３参照）。また、熱交換チャンバ２０内には、熱交換器２２が設けられている。熱交換チャンバ２０及び熱交換器２２の詳細な構成については後述する。
【００２０】
ボイラシステム１００は、火炉３の燃焼によって発生した蒸気で回転するタービンを備える。図２を参照して、タービン周辺の構成について説明する。図３に示すように、ボイラシステム１００は、蒸発管３１と、気水分離器３２と、過熱器３３と、タービン５０，５１と、蒸気供給部３７と、熱交換器２２として機能する再熱器３４と、熱交換チャンバ２０と、除去部２４と、制御部３０と、を備えている。
【００２１】
蒸発管３１は、ボイラ火炉の熱を用いて水を蒸発させて蒸気を生成する。蒸発管３１は、上流側から供給される水を蒸発させた後、気水混合物の状態である当該蒸気を気水分離器３２へ供給する。気水分離器３２は、蒸発管３１からの気水混合物から蒸気を分離する。気水分離器３２で分離された蒸気は、下流側の過熱器３３へ流れる。
【００２２】
過熱器３３は、気水分離器３２からの蒸気を過熱するものであり、飽和蒸気を更に熱することにより、過熱蒸気としてタービン５０へ供給するものである。過熱器３３は、蒸気を導入する導入部４１と、当該導入部４１から導入された蒸気を過熱する過熱部４２と、当該過熱部４２で過熱された蒸気を排出する排出部４３と、を有する。
【００２３】
導入部４１は、気水分離器３２と過熱部４２とを接続するラインによって構成される。過熱部４２は、熱交換部４４，４６，４８と、調整部４５，４７と、を備えている。熱交換部４４，４６，４８は、熱交換によって蒸気を過熱するものである。最上段の熱交換部４４では、蒸気を約３５０〜４７０℃程度に過熱する。最下段の熱交換部４８では、蒸気を約４５０〜５７０℃に過熱する。ただし、蒸気の温度はプラントによって適宜変わるものであり、特に限定されるものではない。調整部４５，４７は、蒸気に水を供給することで過熱された蒸気を目的の温度に調整するものである。調整部４５は、熱交換部４４と熱交換部４６との間に配置されている。調整部４７は、熱交換部４６と熱交換部４８との間に配置される。ただし、過熱部４２の構成はこのような構成に限定されない。排出部４３は、熱交換部４８とタービン５０とを接続するラインによって構成されている。
【００２４】
タービン５０は、過熱器３３の排出部４３から排出された蒸気を供給されることによって回転し、電気を発電するものである。また、タービン５１は、タービン５０の後段に設けられ、再熱器３４から供給された蒸気を供給されることによって回転し、電気を発電するものである。従って、タービン５０から排出された蒸気の圧力と温度は、過熱器３３の排出部４３における蒸気よりも低い。特に限定されるものではないが、タービン５０へ供給される蒸気の圧力は、約１０〜１７MPa（ゲージ圧）程度であり、温度は約５３０〜５７０℃程度となる。タービン５０から排出された蒸気の圧力は、約３〜５MPa（ゲージ圧）程度であり、温度は約３５０〜４００℃程度となる。
【００２５】
蒸気供給部３７は、過熱器３３の排出部４３から蒸気を抽出して、当該抽出した蒸気を再熱器３４へ供給するものである。蒸気供給部３７は、過熱器３３の排出部４３とライン６１とを直接接続することで、タービン５０をバイパスするライン５３と、ライン５３上に設けられる弁５４と、によって構成される。弁５４は、制御部３０の制御信号に基づいて開閉する開閉弁である。また、弁５４は、通過する蒸気に対して水を注水する機構を備えており、当該蒸気を冷却（及び減圧）することができる。蒸気供給部３７は、ボイラシステム１００の起動時に、再熱器３４の空焚きを防ぐために用いられる。
【００２６】
再熱器３４は、タービン５０から排出された蒸気を再過熱するものである。タービン５０と再熱器３４とは、タービン５１から排出された蒸気を再熱器３４へ供給するためのライン６１で接続されている。また、再熱器３４とタービン５１とは、再熱器３４で再過熱された蒸気をタービン５１へ供給するためのライン６２で接続されている。よって、ライン６１を介して再熱器３４へ供給された蒸気は、当該再熱器３４で熱交換によって再過熱された後、ライン６２を介して後段側のタービン５１へ供給される。ここで、本実施形態においては、再熱器３４が熱交換チャンバ２０内に配置される熱交換器２２として機能する。
【００２７】
ここで、図３は、熱交換チャンバ２０の周辺の概略構造を示す拡大図である。図３を参照して熱交換チャンバ２０周辺の構造について詳細に説明する。
【００２８】
熱交換チャンバ２０は、リターンライン９の下部に設けられている。リターンライン９と火炉３の下端部とは、ループシール部２３を介して接続されている。ループシール部２３は、伝熱媒体Ｗの流路が絞られた箇所である。これにより、熱交換チャンバ２０には所定量の伝熱媒体Ｗが貯められた状態にて、伝熱媒体Ｗが流れ込み、且つ排出される。また、熱交換チャンバ２０内の伝熱媒体Ｗは、火炉３で加熱されて高温状態となっており、約７００〜９００℃程度となっている。熱交換器２２は、熱交換チャンバ２０内に設けられる。従って、ボイラシステム１００の通常運転時には、熱交換器２２は、火炉３で加熱された伝熱媒体中に埋められている。
【００２９】
再熱器３４によって構成される熱交換器２２は、伝熱媒体Ｗとの間で熱交換を行う流体が流れる配管によって構成されている。ここでは、熱交換器２２には流体として蒸気が流れる。熱交換チャンバ２０内では、配管は所定の方向（図では上下方向）に蛇行するように張り巡らされている。ただし、配管をどのように張り巡らせるかは特に限定されず、水平方向に蛇行してもよく、螺旋状に張り巡らせてもよい。
【００３０】
除去部２４は、熱交換器２２の周囲から伝熱媒体Ｗを除去する。図３に示す除去部２４は、熱交換チャンバ２０に設けられた排出ライン２６と、排出ライン２６上に設けられた切替弁２７と、によって構成されている。本実施形態では、除去部２４は、伝熱媒体Ｗを循環系２１の系外へ排出する。従って、排出ライン２６の一端側は熱交換チャンバ２０に接続され、他端側は系外に開放されている。なお、排出ライン２６の他端側には、排出された伝熱媒体Ｗを受けるためのタンク２８が設けられている。タンク２８に一定量以上の伝熱媒体Ｗが貯まったら、タンク２８内の伝熱媒体Ｗを循環系２１の系内へ戻してもよい。あるいは、タンク２８を設けなくともよく、排出ライン２６から伝熱媒体Ｗが排出されたら処分してもよい。なお、除去部２４では、重力によって伝熱媒体Ｗを熱交換チャンバ２０から排出してよい。
【００３１】
切替弁２７は、排出ライン２６上において開閉を切り替えるための弁である。切替弁２７は、制御部３０に接続されており、当該制御部３０の制御信号に基づいて開閉を切り替える。切替弁２７が閉じているときは、熱交換チャンバ２０内の伝熱媒体Ｗは当該熱交換チャンバ２０内に保持される。切替弁２７が開くことによって、熱交換チャンバ２０内の伝熱媒体Ｗが排出される。
【００３２】
制御部３０は、ボイラシステム１００全体の制御を行うことができる装置である。制御部３０は、ＥＣＵ（電気・電子制御ユニット）、メモリ等によって構成されている。制御部３０は、少なくとも熱交換器２２内の流体の流れが減少又は停止する緊急停止時において、除去部２４を制御して熱交換器２２の周囲から伝熱媒体Ｗを除去する機能を有する。なお、制御部３０の除去制御処理を行う機能モジュールは、請求項における「除去部」の一部を構成するものとする。すなわち、除去部２４は、制御部３０（の一部の機能モジュール）を有していると言える。ここで、緊急停止とは、所定の原因によってシステム全体又は一部を停止することで、熱交換器２２内の流体の流れが通常運転時よりも減少又は停止する状態である。例えば、緊急停止の原因は、ボイラシステム１００内の構成要素の故障や異常等が挙げられ、または所内全停も挙げられる。なお、所内全停とは、発電所内の全ての電源を喪失した状態のことである。緊急停止時は、循環系２１内の伝熱媒体Ｗの循環は停止していてよい。なお、停電時は制御部３０に電力が供給されなくなるので、非常用バッテリー等で制御部３０を可動させてよい。あるいは、切替弁２７として、電力供給が無くなったときに自動的に開となる弁を用いてよい。
【００３３】
また、制御部３０は、再熱器３４への蒸気の流通状態を検知し、再熱器３４への蒸気の流れの減少、又は停止を検知した場合、再熱器３４の周囲から伝熱媒体を除去する制御を行う。具体的には、制御部３０は、タービン５０、蒸気供給部３７の位置にセンサ等を設置し、蒸気の流量を監視することによって、再熱器３４の蒸気の流通状態を検知することができる。
【００３４】
なお、制御部３０は、蒸気供給部３７の弁５４に対して制御信号を送信することによって、当該弁５４の開閉を切り替えることができる。ここで、ボイラ起動時は、タービン５０を回転させることができる程度に蒸気が高圧になっていない場合がある。当該場合に再熱器３４の空焚きを防止するため、制御部３０は、ボイラ起動時に、蒸気供給部３７を制御することで、タービン５０をバイパスして再熱器３４へ蒸気を供給することができる。
【００３５】
次に、本実施形態に係るボイラシステム１００の作用・効果について説明する。
【００３６】
まず、比較例に係るボイラシステムとして、除去部を有さないボイラシステムについて検討する。このようなボイラシステムにあっては、緊急停止時に、伝熱媒体Ｗに埋まっている熱交換器に流体が流れなくなる。この場合、流体による冷却機能が得られないため、熱交換器の管が伝熱媒体Ｗの熱の影響によりダメージを受ける可能性がある。熱交換器の管がダメージを受けないようにするために、管の材質として使用温度の高い材質を選択する必要が生じてしまう。
【００３７】
本実施形態に係るボイラシステム１００は、伝熱媒体との間で熱交換を行う流体が流れる熱交換器２２を備える。この熱交換器２２は、火炉３で加熱された伝熱媒体Ｗ中に埋められている。また、ボイラシステム１００は、少なくとも熱交換器２２内の流体の流れが減少又は停止する緊急停止時において、熱交換器２２の周囲から伝熱媒体を除去する除去部２４を備えている。従って、緊急停止時に熱交換器２２内の流体の流れが減少又は停止しても、熱交換器２２の周囲から伝熱媒体Ｗが除去されるため、伝熱媒体Ｗの熱によって熱交換器２２の管の温度が高くなりすぎることを抑制できる。以上により、緊急停止時に伝熱媒体Ｗに埋められた熱交換器２２を適切に保護することができる。
【００３８】
本実施形態に係るボイラシステム１００において、火炉の燃焼によって発生した蒸気で回転するタービン５０を更に備え、熱交換器２２は、流体として、タービン５０から排出された蒸気を過熱する再熱器３４であってよい。この構成により、緊急停止時に伝熱媒体Ｗに埋められた再熱器３４を適切に保護することができる。
【００３９】
本実施形態に係るボイラシステム１００において、少なくとも火炉３を含み、伝熱媒体Ｗを循環させる循環系２１を備え、除去部２４は、伝熱媒体Ｗを循環系の系外へ排出することで、熱交換器２２の周囲から伝熱媒体Ｗを除去してよい。この構成により、緊急停止時に伝熱媒体Ｗを循環系２１の系外へ排出するだけのシンプルな構成にて、熱交換器２２を保護することができる。
【００４０】
本実施系地に係るボイラシステム１００において、除去部２４は、ボイラシステム１００を制御する制御部３０を有し、制御部３０は、再熱器３４への蒸気の流通状態を検知し、再熱器への蒸気の流れの減少、又は停止を検知した場合、再熱器３４の周囲から伝熱媒体Ｗを除去する制御を行ってよい。この構成により、実際に再熱器３４に蒸気が流れていないことを確認した上で、再熱器３４の周囲から伝熱媒体を除去することができる。これにより、適切なタイミングで再熱器を保護することができる。
【００４１】
本発明は上記の実施形態に限定されるもではない。
【００４２】
例えば、熱交換チャンバ２０から伝熱媒体Ｗを除去するための構成は限定されない。例えば、上述の除去部２４は、重量によって伝熱媒体Ｗを移動させていたが、送風機等の機器を用いて伝熱媒体Ｗを移動させてもよい。あるいは、図４に示すように、熱交換チャンバ２０と火炉３とを接続した接続管７１と、接続管７１に設けられた切替弁７２と、を備える除去部７３が採用されてもよい。この除去部７３は、熱交換チャンバ２０内の伝熱媒体Ｗを直接火炉３へ供給することができる。重力で伝熱媒体Ｗが移動できるように、熱交換チャンバ２０と接続管７１との接続部は、火炉３と接続管７１との接続部よりも高い位置にある。あるいは、接続管８１、切替弁８２、及び搬送手段８３を備える除去部８４が採用されてもよい。搬送手段８３は、スクリューコンベア等によって構成されてもよい。搬送手段８３は、接続管８１から供給された伝熱媒体Ｗをクーラー等に搬送してよい。これにより、伝熱媒体Ｗを冷却することができる。なお、搬送手段やクーラーは、停電時の場合には非常用バッテリー等の電力によって動いてよい。
【００４３】
また、伝熱媒体Ｗに埋められる熱交換器２２として再熱器を例示したが、ボイラシステム内のあらゆる熱交換器を伝熱媒体Ｗに埋めて除去部を設けてもよい。例えば、火炉３の中に存在する層内管を、熱交換器２２として伝熱媒体Ｗに埋めてもよい。また、タービンよりも上流側に配置される過熱器の一部を熱交換器２２として伝熱媒体Ｗに埋めてもよい。また、火炉３の熱で蒸気を発生させる蒸発管を熱交換器２２として伝熱媒体Ｗに埋めてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
３…火炉、２１…循環系、２２…熱交換器、２４…除去部、３０…制御部、３４…再熱器、５０…タービン、１００…ボイラシステム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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