(57)【要約】【課題】過熱器の温度を適切に管理することができるボイラを提供する。【解決手段】過熱器３７の途中位置の蒸気取出部５９ｅから蒸気を取り出す蒸気導入経路７４ａと、過熱器３７の蒸気戻し部５９ｆへと蒸気を戻す蒸気戻し経路７４ｂと、蒸気の温度を低下させる緩熱器７６と、緩熱器７６へと流す蒸気の流量を調整する第１蒸気流量調整弁８０及び第２蒸気流量調整弁８１と、過熱器３７の蒸気戻し部５９ｆよりも蒸気流れの下流側でかつ過熱器３７の途中位置の第１蒸気温度Ｔ１を計測する第１温度センサ７２とを備え、過熱器３７の出口の蒸気温度である過熱器出口温度Ｔ２と第１蒸気温度Ｔ１との関係を定めた過熱器出口温度関係情報Ｒ１を備え、過熱器出口温度関係情報Ｒ１と、第１温度センサ７２の計測結果とに基づいて、過熱器出口温度Ｔ２が目標値となるように第１蒸気流量調整弁８０及び第２蒸気流量調整弁８１を制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炉内で燃焼を行うバーナと、
該バーナによって生成された燃焼ガスによって蒸気を生成する蒸発器と、
該蒸発器よりも前記火炉側に配置され、前記蒸発器にて生成された蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、
該過熱器の途中位置の蒸気取出部から取り出した蒸気を、該過熱器の蒸気戻し部へと蒸気を戻す際に蒸気温度を調整する蒸気温度調整手段と、
該蒸気温度調整手段を制御する制御部と、
前記過熱器の前記蒸気戻し部よりも蒸気流れの下流側でかつ該過熱器の途中位置の第１蒸気温度を計測する第１温度センサと、
を備え、
前記制御部は、前記過熱器の出口の蒸気温度である過熱器出口温度と前記第１蒸気温度との関係を定めた過熱器出口温度関係情報を備え、該過熱器出口温度関係情報と、前記第１温度センサの計測結果とに基づいて、前記過熱器出口温度が目標値となるように前記蒸気温度調整手段を制御することを特徴とするボイラ。
【請求項２】
前記過熱器出口温度を計測する第２温度センサを備え、
前記制御部は、該第２温度センサの計測結果に基づいて、前記過熱器出口温度が目標値となるように前記蒸気温度調整手段を制御することを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
【請求項３】
前記過熱器は、蒸気流れの上流側に設置された１次過熱器と、該１次過熱器の蒸気流れ下流側に設置され、前記火炉に対して該１次過熱器の後方に設置された２次過熱器と、
を備え、
前記第１温度センサによって計測される前記第１蒸気温度は、前記１次過熱器と前記２次過熱器との間の蒸気温度とされることを特徴とする請求項１又は２に記載のボイラ。
【請求項４】
前記蒸気温度調整手段は、導かれた蒸気の温度を低下させる緩熱器と、
該緩熱器に流れる蒸気の流量を調整する緩熱器用流量調整手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のボイラ。
【請求項５】
前記蒸気温度調整手段は、前記蒸気取出部から前記緩熱器に蒸気を導く蒸気導入経路と、前記緩熱器から前記蒸気戻し部へと蒸気を戻す蒸気戻し経路と、前記緩熱器をバイパスするように前記蒸気導入経路と前記蒸気戻し経路とを接続する緩熱器バイパス経路と、を備え、
前記緩熱器用流量調整手段は、前記緩熱器バイパス経路に設けられた第１流量調整弁と、前記蒸気戻し経路でかつ前記緩熱器バイパス経路との合流部の上流側に設けられた第２流量調整弁とを備えていることを特徴とする請求項４に記載のボイラ。
【請求項６】
前記第１流量調整弁の最低開度が、０よりも大きい所定開度とされていることを特徴とする請求項５に記載のボイラ。
【請求項７】
水中にて推力を発生する推進器を駆動する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンに蒸気を供給する請求項１から６のいずれかに記載のボイラと、
を備えていることを特徴とする舶用蒸気タービン推進システム。
【請求項８】
請求項７に記載の舶用蒸気タービン推進システムを備えていることを特徴とする船舶。
【請求項９】
燃焼ガスを生成する燃焼ガス生成工程と、
生成された燃焼ガスによって蒸気を生成する蒸気生成工程と、
生成された蒸気を過熱して過熱器にて過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成工程と、
前記過熱器の途中位置から蒸気を取り出すとともに、該蒸気の温度を低下させる緩熱器を通過させた後に前記過熱器へと蒸気を戻す過熱蒸気緩熱工程と、
前記緩熱器へと流す蒸気の流量を緩熱器用流量調整手段によって調整する緩熱器用流量調整工程と、
前記過熱蒸気緩熱工程を経た後でかつ前記過熱器の途中位置の第１蒸気温度を計測する第１蒸気温度計測工程と、
前記過熱器の出口の蒸気温度である過熱器出口温度と前記第１蒸気温度との関係を定めた過熱器出口温度関係情報と、前記第１蒸気温度計測工程の計測結果とに基づいて、前記過熱器出口温度が目標値となるように前記緩熱器用流量調整手段を制御する過熱器出口温度調整工程と、
を備えていることを特徴とするボイラ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば舶用ボイラ等のボイラ、これを備えた舶用蒸気タービン推進システム及びこれを備えた船舶ならびにボイラ制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン等の需要先で要求される主蒸気を供給するためにボイラが用いられる。ボイラは、一般に、火炉内で燃焼を行うバーナと、バーナによって生成された燃焼ガスによって加熱されて蒸気を生成する蒸発器と、蒸発器から導かれた蒸気が燃焼ガスによって過熱されて過熱蒸気を生成する過熱器とを備えている。そして、需要先の熱効率の向上に応じて、ボイラに対してより高温でより高圧力とされた主蒸気が要求されることがある。例えば、船舶の推進プロペラを駆動する蒸気タービンに主蒸気を供給する舶用ボイラでは、再熱器を備えた舶用再熱ボイラが採用される（特許文献１参照）。このような舶用再熱ボイラでは、再熱器を備えていない従来型舶用ボイラに対して主蒸気温度および主蒸気圧力が増大されている。例えば、従来型舶用ボイラに対して舶用再熱ボイラは、過熱器出口の主蒸気温度が５１５℃から５６０℃まで高くなり、主蒸気圧力が６ＭＰａから１０ＭＰａまで高くなる。
一方、ボイラから供給される主蒸気の温度や圧力は、過熱器の出口温度を検出して途中の蒸気温度を低下させることによって調整される。下記特許文献２では、火炉を備えない排熱回収ボイラの構成ではあるが、途中の蒸気温度をスプレー減温器によって低下させる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１６７８５９号公報
【特許文献２】特開２００６−１２５７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述ようにボイラで発生する主蒸気が高温化されると、過熱器を構成する伝熱管のメタル温度（金属材料温度）が上昇し、高温化に対応して伝熱管に低合金綱を採用するなど金属材料を高級化する必要が生じる。しかし、伝熱管の金属材料を高級化するとコストが上昇してしまう。そこで、伝熱管の金属材料の高級化を行わずに過熱蒸気の高温化を実現するためには、伝熱管のメタル温度を抑制しつつ所望の主蒸気温度が得られるように運転中における過熱器のメタル温度を適正に管理することが求められる。
特許文献２には、過熱器出口の主蒸気温度を得てスプレー減温器の流量や給水流量を制御することが開示されているが、過熱器出口の主蒸気温度を得てフィードバック制御していたのではボイラ負荷が変動した際に制御遅れが生じて過熱器のメタル温度が許容値を超えてしまうおそれがある。
また、特許文献１では、主蒸気温度の高温化に対応するために過熱器の伝熱面積を増加させ、過熱器を１次過熱器と２次過熱器に分け、蒸気流れ上流側の１次過熱器を火炉側に設置し、蒸気流れ下流側の２次過熱器を火炉に対して１次過熱器の後方に設置することで、火炉からの輻射による２次過熱器の温度上昇を防いでいる。しかし、このような構成を採用しても、過熱器を１次過熱器と２次過熱器とによって構成して長い蒸気経路となっているので、上述のように過熱器出口の主蒸気温度を得てフィードバック制御していたのでは制御遅れが生じてしまい、主蒸気の温度や圧力が不安定となり、場合によっては伝熱管のメタル温度が許容値を超えるおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、過熱器出口の主蒸気温度の制御遅れを可及的に回避して過熱器の温度を適切に管理することができるボイラ、これを備えた舶用蒸気タービン推進システム及びこれを備えた船舶ならびにボイラ制御方法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】
上記課題を解決するために、本発明のボイラ、これを備えた舶用蒸気タービン推進システム及びこれを備えた船舶ならびにボイラ制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるボイラは、火炉内で燃焼を行うバーナと、該バーナによって生成された燃焼ガスによって蒸気を生成する蒸発器と、該蒸発器よりも前記火炉側に配置され、前記蒸発器にて生成された蒸気を過熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、該過熱器の途中位置の蒸気取出部から取り出した蒸気を、該過熱器の蒸気戻し部へと蒸気を戻す際に蒸気温度を調整する蒸気温度調整手段と、該蒸気温度調整手段を制御する制御部と、前記過熱器の前記蒸気戻し部よりも蒸気流れの下流側でかつ該過熱器の途中位置の第１蒸気温度を計測する第１温度センサとを備え、前記制御部は、前記過熱器の出口の蒸気温度である過熱器出口温度と前記第１蒸気温度との関係を定めた過熱器出口温度関係情報を備え、該過熱器出口温度関係情報と、前記第１温度センサの計測結果とに基づいて、前記過熱器出口温度が目標値となるように前記蒸気温度調整手段を制御することを特徴とする。
【０００７】
過熱器によって過熱された後の過熱器出口温度は、蒸気タービンといった利用先の要求に応じた目標値となるように制御される。この目標値を得るために、過熱器の途中位置の蒸気温度を調整する蒸気温度調整手段を用いる。すなわち、過熱器の途中位置の蒸気取出部から取り出した蒸気の温度を調整した後、この蒸気を蒸気戻し部から過熱器に戻すことによって所望の過熱器出口温度が得られるようにする。
過熱器出口温度を目標値とするために、過熱器出口温度のみを検出して緩熱器へ流す蒸気流量を調整していたのでは、過熱器出口と蒸気温度調整手段との間の距離により制御遅れが生じてしまうおそれがある。そこで、本発明では、過熱器出口温度と、蒸気戻し部よりも下流側でかつ過熱器の途中位置の第１蒸気温度との関係を定めた過熱器出口温度関係情報を得ておき、この過熱器出口温度関係情報と第１温度センサの計測結果とに基づいて、過熱器出口温度が目標値となるように蒸気温度調整手段を制御することとした。これにより、過熱器出口温度のみを用いて温度調整するよりも制御遅れを生じさせることなく過熱器出口温度を所望値とすることができる。
過熱器出口温度関係情報としては、予め試験によって過熱器出口温度と第１蒸気温度との関係を定めたデータベースでもよく、或いは、予め試験によって得られた過熱器出口温度と第１蒸気温度との関係から導かれた関数を用いてもよい。
また、過熱器出口ではなく過熱器の途中位置における第１蒸気温度を得て温度を制御することとし、過熱器出口よりも上流側で温度を制限することとしたので、過熱器の温度が過剰に高くなる事態を回避することができる。これにより、過熱器のメタル温度を所定値以下に制御することができ、過熱器に高級材を使用することなく過熱器の健全性を確保することができる。
【０００８】
さらに、本発明のボイラでは、前記過熱器出口温度を計測する第２温度センサを備え、前記制御部は、該第２温度センサの計測結果に基づいて、前記過熱器出口温度が目標値となるように前記蒸気温度調整手段を制御することを特徴とする。
【０００９】
第２温度センサによって計測された過熱器出口温度に基づいて、過熱器出口温度が目標値となるように蒸気温度調整手段を制御することにより、さらに過熱器出口温度を微調整して正確に制御することができる。
【００１０】
さらに、本発明のボイラでは、前記過熱器は、蒸気流れの上流側に設置された１次過熱器と、該１次過熱器の蒸気流れ下流側に設置され、前記火炉に対して該１次過熱器の後方に設置された２次過熱器とを備え、前記第１温度センサによって計測される前記第１蒸気温度は、前記１次過熱器と前記２次過熱器との間の蒸気温度とされることを特徴とする。
【００１１】
火炉に対して、１次過熱器の後方側に２次過熱器を設置することによって、２次過熱器が１次過熱器よりも火炉からの輻射が受けにくいようにした。これにより、蒸気流れが１次過熱器よりも下流側となっており蒸気によってメタル温度（過熱器の伝熱管を構成する金属材料温度）が上がりやすい２次過熱器に対する輻射による影響を少なくすることで、２次過熱器のメタル温度を許容温度以下にすることができる。そして、本発明では、１次過熱器と２次過熱器との間の１次蒸気温度を制御部によって制御することとしたので、１次蒸気温度よりも下流側の２次過熱器の温度を適切に管理することができる。
【００１２】
さらに、本発明のボイラでは、前記蒸気温度調整手段は、導かれた蒸気の温度を低下させる緩熱器と、該緩熱器を流れる蒸気の流量を調整する緩熱器用流量調整手段とを備えている。
【００１３】
過熱器の途中位置の蒸気温度を下げるために、緩熱器が用いられる。そして、緩熱器用流量調整手段によって所定量の蒸気を緩熱器に流すことによって蒸気温度を所望量だけ低下させた後、この蒸気を蒸気戻し部から過熱器に戻すことによって所望の過熱器出口温度が得られるようになる。
なお、緩熱器としては、例えば、蒸発器に用いられる水ドラム内の水中に設けた伝熱管内に蒸気を流す構成が用いられる。
【００１４】
さらに、本発明のボイラでは、前記蒸気温度調整手段は、前記蒸気取出部から前記緩熱器に蒸気を導く蒸気導入経路と、前記緩熱器から前記蒸気戻し部へと蒸気を戻す蒸気戻し経路と、前記緩熱器をバイパスするように前記蒸気導入経路と前記蒸気戻し経路とを接続する緩熱器バイパス経路とを備え、前記緩熱器用流量調整手段は、前記緩熱器バイパス経路に設けられた第１流量調整弁と、前記蒸気戻し経路でかつ前記緩熱器バイパス経路との合流部の上流側に設けられた第２流量調整弁とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
過熱器から蒸気導入経路へと導かれた蒸気は、緩熱器および緩熱器バイパス経路へ流れる。緩熱器へと流れた蒸気は、緩熱器にて減温された後に蒸気戻し経路へ流れる。一方、緩熱器バイパス経路へと流れた蒸気は、緩熱器にて減温されずに蒸気戻し経路の合流部にて緩熱器にて減温された蒸気と合流する。
緩熱器バイパス経路へと流れる蒸気は、第１流量調整弁によって流量調節される。第１流量調整弁の開度を大きくすると、緩熱器をバイパスするバイパス流量が増大し、蒸気戻し部の合流部にて合流した後の蒸気温度の低下が抑制される。一方、第１流量調整弁の開度を小さくすると、緩熱器をバイパスするバイパス流量が減少し、蒸気戻し部の合流部にて合流した後の蒸気温度の温度低下が増大される。
緩熱器を経て蒸気戻し部の合流部へと流れる流量は、第２流量調整弁によって流量調節される。第２流量調整弁の開度を大きくすると、緩熱器を通過する流量が増大し、蒸気戻し部の合流部にて合流した後の蒸気温度の温度低下が増大される。一方、第２流量調整弁の開度を小さくすると、緩熱器を通過する流量が減少し、蒸気戻し部の合流部にて合流した後の蒸気温度の温度低下が抑制される。
このように、第１流量調整弁と第２流量調整弁の開度を調整することによって、蒸気戻し部の合流部にて合流した後の蒸気温度を制御することができる。
また、第１流量調整弁は、固定オリフィスのような固定開度ではなく開度調整可能とされているので、温度調整幅を拡大することができる。例えば火炉の経年劣化による熱吸収量の変化による過熱蒸気温度の増大に対応できる。すなわち、第２流量調整弁が全開となっても第１流量調整弁の開度を増大させることにより蒸気温度の制御が可能となる。これにより、蒸気戻り部よりも下流側の過熱器のメタル温度を許容値よりも確実に低く保つことができる。
【００１６】
さらに、本発明のボイラでは、前記第１流量調整弁の最低開度が、０よりも大きい所定開度とされていることを特徴とする。
【００１７】
第１流量調整弁の開度を０として全閉としてしまうと、緩熱器バイパス経路に蒸気が流れなくなり、過熱器の蒸気取出部から導かれた全ての蒸気が緩熱器へ流れ込むので、緩熱器にて蒸気温度が過剰に低下して多くのドレン水が発生し、第２流量調整弁にドレン水が流れ込み不具合が発生するおそれがある。また、多くの蒸気が緩熱器へと流れ込むと緩熱器で大きな圧力損失が発生し、蒸気取出部よりも上流側の過熱器の蒸気圧力が過度に上昇するおそれがある。そして、蒸気取出部よりも上流側の蒸気ドラムの蒸気圧力が過度に上昇し、蒸気ドラムに設けられた安全弁から蒸気が噴き出す恐れがある。
そこで、本発明では、第１流量調整弁の最低開度を０よりも大きい所定開度とすることで、過熱器の蒸気取出部から導かれた全ての蒸気が緩熱器へと流れ込むことを防止することとした。これにより、緩熱器における蒸気の温度低下によるドレン水の発生を防ぐとともに、緩熱器における圧力損失の上昇を回避することで、安定的な運転が可能となる。
なお、第１流量調整弁の最低開度は、固定値であってもよいが、ボイラの経年劣化を考慮して積算運転時間等の運転状況に応じて変更可能としても良い。
【００１８】
また、本発明の舶用蒸気タービン推進システムは、水中にて推力を発生する推進器を駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンに蒸気を供給する上記のいずれかに記載のボイラとを備えていることを特徴とする。
【００１９】
プロペラ等の推進器を駆動する蒸気タービンの駆動用蒸気として上記のいずれかのボイラを用いることとしたので、所望の過熱器出口温度を得ることができ、安定した航行が可能となる。
【００２０】
また、本発明の船舶は、上記の舶用蒸気タービン推進システムを備えていることを特徴とする。
【００２１】
上記の舶用蒸気タービン推進システムを備えているので、安定した航行が可能な船舶を提供することができる。
【００２２】
また、本発明のボイラ制御方法は、燃焼ガスを生成する燃焼ガス生成工程と、生成された燃焼ガスによって蒸気を生成する蒸気生成工程と、生成された蒸気を過熱して過熱器にて過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成工程と、前記過熱器の途中位置から蒸気を取り出すとともに、該蒸気の温度を低下させる緩熱器を通過させた後に前記過熱器へと蒸気を戻す過熱蒸気緩熱工程と、前記緩熱器へと流す蒸気の流量を緩熱器用流量調整手段によって調整する緩熱器用流量調整工程と、前記過熱蒸気緩熱工程を経た後でかつ前記過熱器の途中位置の第１蒸気温度を計測する第１蒸気温度計測工程と、前記過熱器の出口の蒸気温度である過熱器出口温度と前記第１蒸気温度との関係を定めた過熱器出口温度関係情報と、前記第１蒸気温度計測工程の計測結果とに基づいて、前記過熱器出口温度が目標値となるように前記緩熱器用流量調整手段を制御する過熱器出口温度調整工程とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、過熱器出口の主蒸気温度の制御遅れを回避するとともに過熱器の温度を適正に管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態である舶用蒸気タービン推進システムが示された概略構成図である。
【図２】図１に示された１次過熱器の部分拡大を示した斜視図である。
【図３】図１の過熱器周りの要部を示した概略構成図である。
【図４】制御部によって行われる主蒸気温度制御を示した制御ブロック図である。
【図５】過熱器の伝熱管のメタル温度を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、船舶に適用される舶用蒸気タービン推進システム１が示されている。舶用蒸気タービン推進システム１は、水中にて推力を発生する推進プロペラ（推進器）３と、プロペラ３に回転力を与える蒸気タービン５と、蒸気タービン５に主蒸気である過熱蒸気を供給するボイラ７とを備えている。
【００２６】
蒸気タービン５は、高圧タービン９と、中圧タービン１１と、低圧タービン１３と、後進用タービン１５とを備えている。高圧タービン９と中圧タービン１１とは、共通の第１回転軸１７を介して連結されている。低圧タービン１３と後進用タービン１５とは、共通の第２回転軸２１を介して連結されている。第１回転軸１７と第２回転軸２１は、並列に配置されており、それぞれの出力先が減速機２３にて接続されている。減速機２３には、プロペラ軸２５を介してプロペラ３が接続されている。
【００２７】
ボイラ７は、船舶内に設置可能にコンパクトに設計されるとともに、再熱器５７を備えた舶用再熱ボイラとされている。
ボイラ７は、主炉２７と、再熱炉２９とを備えている。主炉２７には、中空の火炉３１と、火炉３１の上部に設置された主バーナ（バーナ）３３と、内部を水が流通するフロントバンクチューブ３５と、過熱器３７と、蒸発器３８とが設けられている。
【００２８】
火炉３１の壁部は、水が流通する水冷壁管（図示せず）によって構成されている。主バーナ３３には、図示しない燃料源から主バーナ用燃料配管４７によって燃料が供給されている。主バーナ用燃料配管４７には、燃料の供給量を調節する主バーナ用燃料流量調節弁４９が設けられている。
【００２９】
蒸発器３８は、上下方向に延在する多数本の伝熱管とされた蒸発管群３９と、蒸発管群３９の下方に接続され、内部に水が貯留される水ドラム４１と、蒸発管群３９の上方に接続された蒸気ドラム４３とを備えている。
【００３０】
再熱炉２９は、主炉２７の蒸発管群３９の後流側に上下方向に延在して配置され、主バーナ３３の燃焼で発生した燃焼ガスの通路となるように構成されている。再熱炉２９の下部には、再熱バーナ５１が設けられている。再熱バーナ５１には、図示しない燃料源から再熱用燃料配管５３によって燃料が供給される。再熱用燃料配管５３には、燃料の供給量を調節する再熱用燃料流量調節弁５５が設けられている。再熱炉２９の上部には、内部に蒸気が流通する伝熱管を備えた再熱器５７が設けられている。
【００３１】
過熱器３７は、１次過熱器５９と２次過熱器６１とを備えており、燃焼ガス流れに対して２列とされた構成となっている。１次過熱器５９及び２次過熱器６１は、それぞれ、Ｕターン部が上方に位置するように逆Ｕ字形状に折り曲げられた伝熱管５９ａ，６１ａを多数備えている。１次過熱器５９は、フロントバンクチューブ３５に対して火炉３１の下流側に配置されており、また、２次過熱器６１に対して火炉３１の上流側に配置されている。蒸気流れは、１次過熱器５９と２次過熱器６１とが直列に接続されており、１次過熱器５９が上流側、２次過熱器６１が下流側となっている。
【００３２】
１次過熱器５９の下方には、伝熱管５９ａの下端に接続された第１ヘッダ５９ｂ及び第２ヘッダ５９ｃが設けられている。
図２に示すように、第１ヘッダ５９ｂ及び第２ヘッダ５９ｃには、内部を仕切る複数の仕切板５９ｄが所定の間隔で設けられ、各ヘッダ５９ｂ，５９ｃ内が複数の部屋に区画されている。伝熱管５９ａは、第１ヘッダ５９ｂ内の部屋と第２ヘッダ５９ｃ内の部屋とを交互に蒸気が流通するように接続されている。これにより、第１ヘッダ５９ｂ内に導かれた蒸気は、伝熱管５９ａを介して第２ヘッダ５９ｃへと流れ、その後は各ヘッダ５９ｂ，５９ｃ内の各部屋を交互に順次流れるようになっている。
本明細書では、一方のヘッダから他方のヘッダへ蒸気を流す伝熱管の経路をパス（pass）という。この定義に従えば、図２では、２つのパスが示されていることになる。また、１次過熱器５９には、図３に示すように、第１パスＩから第６パスVIまでの６つパスが設けられている。
【００３３】
２次過熱器６１の下方には、図１に示すように、伝熱管６１ａの下端に接続された第１ヘッダ６１ｂ及び第２ヘッダ６１ｃが設けられている。２次過熱器６１の構成は、図２に示した第１過熱器５９と同様に、各ヘッダ６１ｂ，６１ｃ内には仕切板６１ｄ（図３参照）が設けられ、第１ヘッダ６１ｂ内の部屋と第２ヘッダ６１ｃ内の部屋とを交互に蒸気が流通するように伝熱管６１ａが接続されている。２次過熱器６１には、図３に示すように、第７パスVIIから第１０パスＸまでの４つのパスが設けられている。
なお、本実施形態では、１次過熱器５９が６つのパス、２次過熱器６１が４つのパスとされているが、本発明はこれに限定されるものではなく、他のパス数であってもよい。
【００３４】
図３に示されているように、蒸気ドラム４３から蒸気供給経路４４を介して１次過熱器５９へと導かれた蒸気は、１次過熱器５９内で６パスを経て流れる。その後の蒸気は２次過熱器６１へと導かれ、２次過熱器６１内で４パスを経た後に過熱器出口配管６３を介して高圧タービン９（または後進用タービン１５）へと導かれる。
【００３５】
図１に示されているように、過熱器出口配管６３は、分岐点６４にて、高圧タービン９へと主蒸気を導く第１主蒸気配管６５と、後進用タービン１５へと主蒸気を導く第２主蒸気配管６７に分岐されている。第１主蒸気配管６５には第１開閉弁６６が設けられており、第２主蒸気配管６７には第２開閉弁６８が設けられている。図示しない制御部によって第１開閉弁６６及び第２開閉弁６８を選択的に開閉することによって、高圧タービン９又は後進用タービン１５のいずれか一方に主蒸気が供給される。なお、図示していないが、第１開閉弁６６と高圧タービン９との間及び第２開閉弁６８と後進用タービン１５との間には、蒸気流量を調整する蒸気加減弁が設けられており、制御部によって蒸気タービン５の出力を調整されるようになっている。
【００３６】
第１開閉弁６６が選択された場合、主蒸気が高圧タービン９へと供給された後、高圧タービン９の出口蒸気は、再熱器５７の上方の上流端部に導入され、主バーナ３３の燃焼で発生した燃焼ガスの残熱量および再熱バーナ５１の燃焼ガスによって再加熱される。再熱器５７で再加熱された再熱蒸気は、再熱器５７の下方の下流端部から中圧タービン１１に導入される。中圧タービン１１の出口蒸気は低圧タービン１３に供給され、低圧タービン１３を回転駆動した後、復水器６９へ送られる。復水器６９にて液化された水は、ボイラ７へと給水される。
一方、第２開閉弁６８が選択された場合、主蒸気が後進用タービン１５へと供給され、後進用タービン１５を回転駆動した後の蒸気が復水器６９へ送られる。
このような蒸気タービン５の動作によって回転力が減速機２３を介してプロペラ軸２５へと伝達され、プロペラ３が回転されるようになっている。
【００３７】
次に、図３を用いて、過熱器３７を中心とした蒸気流れについて説明する。同図には、過熱器３７周りの要部構成が示されている。１次過熱器５９には、第１パスＩから第６パスVIまでの６つのパスが構成されている。２次過熱器６１には、第７パスVIIから第１０パスＸまでの４つのパスが構成されている。
【００３８】
蒸発器３８（図１参照）の蒸気ドラム４３内の蒸気が、蒸気供給経路４４を介して、１次過熱器５９の第１ヘッダ５９ｂの入口へと導かれるようになっている。蒸気供給経路４４には、蒸気流量Ｆを検出する流量計４６が設けられている。流量計４６としては、例えば、差圧式流量計が用いられる。流量計４６で得られる蒸気流量Ｆによって、ボイラ７の負荷が把握されるようになっている。
【００３９】
２次過熱器６１の過熱蒸気温度である主蒸気温度Ｔ２は、２次過熱器６１の第１ヘッダ６１ｂの出口部に設けた主蒸気温度センサ（第２温度センサ）７０によって検出される。主蒸気温度センサ７０の出力は、図示しない制御部に送信される。なお、主蒸気温度センサ７０の設置位置は、第１ヘッダ６１ｂの出口部ではなく、２次過熱器６１によって過熱された後の過熱蒸気温度が検出できる位置であれば他の位置であってもよく、例えば過熱器出口配管６３に設けてもよい。
【００４０】
１次過熱器５９と２次過熱器６１とを接続する中間接続配管７１には、中間蒸気温度センサ（第１温度センサ）７２が設けられている。中間蒸気温度センサ７２によって、過熱器３７を流れる蒸気の途中位置の中間温度Ｔ１が計測される。中間蒸気温度センサ７２の出力は、図示しない制御部に送信される。本実施形態では、中間温度Ｔ１は１次過熱器５９の出口温度すなわち２次過熱器６１の入口温度とされる。
【００４１】
１次過熱器５９の第４パスIVを経た後の第１ヘッダ５９ｂには、蒸気取出部５９ｅが設けられ、蒸気温度調整ライン（蒸気温度調整手段）７４の蒸気導入経路７４ａの上流端が接続されている。また、１次過熱器５９の第５パスＶの上流側の第１ヘッダ５９ｂには、蒸気戻し部５９ｆが設けられ、蒸気温度調整ライン７４の蒸気戻し経路７４ｂの下流端が接続されている。蒸気取出部５９ｅから全量の蒸気が１次過熱器５９から蒸気温度調整ライン７４に導かれ、蒸気温度調整ライン７４に導かれた全量の蒸気が蒸気戻し部５９ｆから１次過熱器５９に戻されるようになっている。
【００４２】
蒸気温度調整ライン７４には、蒸気導入経路７４ａの下流側でかつ蒸気戻し経路の上流側に、蒸気温度を低下させる緩熱器７６が設けられている。緩熱器７６は、水ドラム４１内の水中に配置された伝熱管を備えている。この伝熱管内を流れる蒸気は、水ドラム４１内の水によって伝熱管の外部から冷却される。
【００４３】
蒸気温度調整ライン７４には、緩熱器７６をバイパスするように蒸気を流すバイパス経路（緩熱器バイパス経路）７８が設けられている。バイパス経路７８には、蒸気流量を調整する第１蒸気流量調整弁８０が設けられている。第１蒸気流量調整弁８０の弁開度は、図示しない制御部によって制御される。
【００４４】
緩熱器７６の下流側の蒸気戻し経路７４ｂには、バイパス経路７８との合流部７８ａよりも上流側に、蒸気流量を調整する第２蒸気流量調整弁８１が設けられている。第２蒸気流量調整弁８１の弁開度は、図示しない制御部によって制御される。
【００４５】
制御部によって、第１蒸気流量調整弁８０及び第２蒸気流量調整弁８１の開度を制御することにより、緩熱器７６へ流す蒸気流量の割合を決定し、１次過熱器５９から導かれた蒸気の冷却量が制御される。具体的には、緩熱器７６へと流す蒸気流量の割合が大きいほど蒸気の冷却量が大きくなる。
このように、本実施形態では、１次過熱器５９の第４パスIVと第５パスＶとの間の蒸気を取り出して蒸気温度を調整するようになっている。
【００４６】
制御部は、上述した主蒸気温度センサ７０で得られた主蒸気温度Ｔ２、中間蒸気温度センサ７２で得られた中間蒸気温度Ｔ１、流量計４６で得られた蒸気流量Ｆ等に基づいて、所望の主蒸気温度に制御する。制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
【００４７】
次に、図４を用いて、制御部による主蒸気温度制御について説明する。
制御部は、主蒸気温度Ｔ２と中間蒸気温度Ｔ１に関する第１制御関数（過熱器出口温度関係情報）Ｒ１と、両蒸気流量調整弁８０，８１に与える先行信号に関する第２制御関数Ｒ２と、第１蒸気流量調整弁８０に与える開度指令に関する第３制御関数Ｒ３と、第２蒸気流量調整弁８１に与える開度指令に関する第４制御関数Ｒ４とを所定のメモリに備えている。
なお、これら制御関数Ｒ１〜Ｒ４に代えて、数値化したデータベースを備えた制御マップとしても良い。
【００４８】
第１制御関数Ｒ１は、主蒸気温度Ｔ２に対応する中間蒸気温度Ｔ１の予想温度の関係を表している。すなわち、ボイラ７が所定の負荷とされた場合に、所望の主蒸気温度Ｔ２を得るために必要な中間蒸気温度Ｔ１の予想温度が予め試験やシミュレーションの結果から得られている。例えば、ボイラ７が定格負荷の場合、目標主蒸気温度が５６０℃とするためには中間蒸気温度Ｔ１の予想温度は４８０℃となるといった関係を得ておく。さらに、第１制御関数Ｒ１は、ボイラ７の負荷に応じて中間蒸気温度Ｔ１の予想温度を変化させるようになっている。具体的には、同図に示されているように、ボイラ負荷が所定値よりも低い場合、すなわち流量計４６で得られた蒸気流量Ｆ（STM  FLOW  (T/H)）が所定値よりも低い場合は、中間蒸気温度Ｔ１の予想温度を一定とし、ボイラ負荷が所定値よりも大きい場合、すなわち流量計４６で得られた蒸気流量Ｆが所定値よりも大きい場合は、蒸気流量Ｆの増大に応じて中間蒸気温度Ｔ１の予想温度を小さくする関係としておく。このように蒸気流量Ｆが大きい場合に中間蒸気温度Ｔ１の予想温度を下げている理由は、蒸気流量Ｆが大きいということはボイラ負荷が大きいことを意味し、１次過熱器５９及び２次過熱器６１の温度が上昇傾向にあると考えられるため、中間蒸気温度Ｔ１を下げるようにして適正なメタル温度を維持するためである。
【００４９】
第２制御関数Ｒ２は、両蒸気流量調整弁８０，８１の開度指令に対して先行信号を与える。例えば、同図に示されているように、蒸気流量Ｆが増加すると大きな先行信号を与えるようにして、両蒸気流量調整弁８０，８１の動作を速めて蒸気温度の追従性を向上させる。また、蒸気流量Ｆが所定値を超えた後に急激に先行信号を増大させるようにして、制御の初動を早めて蒸気温度の変動を抑えるようにしている。
【００５０】
第３制御関数Ｒ３は、第１蒸気流量調整弁８０の開度指令を与える関数である。第１蒸気流量調整弁８０は、緩熱器７６をバイパスする蒸気流量を決めるものであり、開度が増大するほど緩熱器７６（図３参照）に対して多くの蒸気がバイパスすることになり、蒸気の温度低下を抑制する。これとは逆に、第１蒸気流量調整弁８０の開度が減少すると緩熱器７６へ導かれる蒸気が多くなり、蒸気の温度低下が大きくなる。したがって、同図に示されているように、第３制御関数Ｒ３は、与えられる制御出力値が大きくなるほど（すなわち目標温度に対する温度差が高温側に大きいほど）開度指令値が小さくなるような右下がりの関数となっている。また、第３制御関数Ｒ３は、制御出力値が大きくなっても開度指令値は０％とせず、１０％の所定開度を維持するようになっている。なお、この１０％とされた最低開度は、例えばボイラ７の経年劣化等を考慮して、必要に応じて変化させることができるようになっている。また、第１蒸気流量調整弁８０の開度指令値は、１００％が全開を意味し、０％が全閉を意味する。
【００５１】
第４制御関数Ｒ４は、第２蒸気流量調整弁８１の開度指令を与える関数である。第２蒸気流量調整弁８１は、緩熱器７６（図３参照）へ流れる蒸気流量を決めるものであり、開度が増大するほど緩熱器７６に多くの蒸気が流れ、蒸気の温度低下を大きくする。これとは逆に、第２蒸気流量調整弁８１の開度が減少すると緩熱器７６へ導かれる蒸気が少なくなり、蒸気の温度低下が抑制される。したがって、同図に示されているように、第４制御関数Ｒ４は、与えられる制御出力値が大きくなるほど（すなわち目標温度に対する温度差が高温側に大きいほど）開度指令値が大きくなるような右上がりの関数となっている。また、第４制御関数Ｒ４は、制御出力値が０の場合（すなわち目標温度と現状温度が一致している場合）には開度指令が０％とされ、緩熱器７６へ蒸気を流さないようにする。一方、制御出力値が所定値以上になると開度指令が１００％となる。なお、第２蒸気流量調整弁８１の開度指令値は、第１蒸気流量調整弁８０と同様に、１００％が全開を意味し、０％が全閉を意味する。
【００５２】
第１蒸気流量調整弁８０と第２蒸気流量調整弁８１は、同じ容量の弁を用い、各制御出力値において合計開度が１００％となるように第３制御関数Ｒ３及び第４制御関数Ｒ４が設定されている。これにより、蒸気温度調整ライン７４（図３参照）によって１次過熱器５９から取り出された後に再び戻される蒸気流量が一定となり、安定した制御を実現することができる。ただし、第３制御関数Ｒ３に示されているように、制御出力値が大きい場合に開度指令値が０％とはならない範囲（開度指令値が最低開度の１０％で一定の範囲）は、この限りではない。
【００５３】
第１比較演算部８５には、中間蒸気温度センサ７２からの中間蒸気温度Ｔ１が現状値ＰＶ１として入力される。また、第１比較演算部８５には、第１加算器８７から与えられる目標値ＳＰ１が入力される。第１比較演算部８５では、目標値ＳＰ１に現状値ＰＶ１が漸近するようにＰＩＤ制御が行われ、第２加算器８８にＰＩＤ制御出力値が与えられる。なお、第１比較演算部８５におけるＰＩＤ制御に限定されるものではなく、例えばＰＩ制御であってもよい。
【００５４】
第２比較演算部８６には、主蒸気温度センサ７０からの主蒸気温度Ｔ２が現状値ＰＶ２として入力される。また、第２比較演算部８６には、例えば５５０℃〜５６０℃の範囲で決められた主蒸気目標温度が目標値ＳＰ２として入力される。第２比較演算部８６では、目標値ＳＰ２に現状値ＰＶ２が漸近するようにＰＩＤ制御が行われ、第１加算器８７にＰＩＤ制御出力値が与えられる。なお、第２比較演算部８６におけるＰＩＤ制御に限定されるものではなく、例えばＰＩ制御であってもよい。
また、第１加算器８７には、第１制御関数Ｒ１からの出力値である中間蒸気温度Ｔ１の予想温度が入力される。したがって、第１加算器８７では、第２比較演算部８６からの主蒸気目標温度ＳＰ２に対する主蒸気温度Ｔ２の現状値ＰＶ２の偏差に応じた値と、第１制御関数Ｒ１によって与えられた主蒸気目標温度に対応する中間蒸気温度Ｔ１の予想温度とが加算され、この加算値が第１比較演算部８５の目標値ＳＰ１とされる。
【００５５】
第２加算器８８には、第１比較演算部８５からのＰＩＤ制御出力値に加えて、第２制御関数Ｒ２からの先行信号が与えられる。これらの加算値である第２加算器８８からの出力が制御出力値として、第３制御関数Ｒ３及び第４制御関数Ｒ４のそれぞれに与えられて、開度指令値が第１蒸気流量調整弁８０及び第２蒸気流量調整弁８１のそれぞれに与えられる。
【００５６】
上述した本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
主蒸気温度Ｔ２と、１次過熱器５９と２次過熱器６１との間の中間蒸気温度Ｔ２との関係を定めた第１制御関数Ｒ１を得ておき、この第１制御関数Ｒ１と中間蒸気温度センサ７２の計測結果とに基づいて、主蒸気温度Ｔ２が目標値となるように第１蒸気流量調整弁８０及び第２蒸気流量調整弁８１を制御することとした。これにより、蒸気流れの最下流である主蒸気温度Ｔ２のみを用いて温度調整するよりも制御遅れを生じさせることなく主蒸気温度を所望値とすることができる。
【００５７】
また、２次過熱器６１出口における主蒸気温度Ｔ２ではなく、１次過熱器５９と２次過熱器６１との間の中間蒸気温度Ｔ１を得て温度を制御することとし、蒸気流れの上流側で温度を制限することとしたので、過熱器５９，６１の温度が過剰に高くなる事態を回避することができる。これにより、過熱器５９，６１のメタル温度を所定値以下に制御することができ、過熱器５９，６１の健全性を確保することができる。
さらに、火炉３１に対して、１次過熱器５９の後方側に２次過熱器６１を設置することによって、２次過熱器６１が１次過熱器５９よりも火炉からの輻射を受けにくいようにした。これにより、蒸気流れが１次過熱器５９よりも下流側となっており蒸気によってメタル温度が上がりやすい２次過熱器６１に対して輻射による影響を少なくすることで、２次過熱器６１のメタル温度を許容温度以下にすることができる。
このような過熱器５９，６１のメタル温度について、図５を用いて説明する。同図には、１次過熱器５９及び２次過熱器６１のメタル温度が示されている。同図において、横軸は過熱器５９，６１を流れる蒸気の流れ方向における位置を示し、縦軸は過熱器５９，６１の伝熱管５９ａ，６１ａのメタル温度と、過熱器５９，６１を流れる蒸気の温度を示す。同図に示されているように、第１パスＩから第６パスVIまでが１次過熱器５９とされ、第７パスVIIから第１０パスＸまでが２次過熱器６１とされている。また、グラフ中の上側の線がメタル温度を示し、下側の線が蒸気温度を示す。
同図から分かるように、第１パスＩにおけるメタル温度は、上流側で上昇した後に急激に低下し、その後また上昇している。この急激な温度低下は、伝熱管５９ａが逆Ｕ字形状とされており（図２参照）、火炉３１側の位置では輻射を受けて比較的高温傾向にあり、火炉３１から遠ざかる方向に折り返した位置では輻射を受けにくいため比較的低温傾向になることから生じるものである。同様の傾向は、第２パスIIから第６パスVIにも示されている。これは、１次過熱器５９が２次過熱器６１よりも火炉３１側に配置されているからである。したがって、第７パスVIIから第１０パスＸでは、輻射による影響を受けにくいため、同一パス中での急激な温度低下は見られず、メタル温度は蒸気温度に近い値を示すようになっている。
一方、１次過熱器５９では、蒸気流れの上流側であるため蒸気温度がメタル温度に比べて十分に低い温度となっている。
同図から分かるように、第４パスIVと第５パスＶとの間で蒸気温度が低下している。これは、緩熱器７６（図３参照）によって蒸気温度を低下させているためである。これにより、第４パスの下流側のメタル温度が最高温度とされているにも関わらず、第５パスＶのメタル温度が第４パスIVよりも低温とされている。このように、緩熱器７６を第４パスIVと第５パスＶとの間といったような輻射による影響を受ける１次過熱器５９の途中位置で緩熱器７６によって蒸気温度を低下させることで、伝熱管５９ａを構成する材料の許容温度を超えないように制御することができる。
そして、２次過熱器６１では、輻射による影響を受けにくいので、１次過熱器５９の第４パスのようにメタル温度が大きく上昇することがない。したがって、２次過熱器６１の伝熱管６１ａとして、１次過熱器５９の伝熱管５９ａと同様の金属材料を使用することができ、高級材を使用する必要がないのでコストの増大を招くことがない。
【００５８】
また、中間蒸気温度センサ７２で得られた中間蒸気温度Ｔ１に基づく制御に加えて、主蒸気温度センサ７０によって計測された主蒸気温度Ｔ２に基づいて、主蒸気温度が目標値となるように第２比較演算器８６（図４参照）を用いて制御することとした。これにより、さらに主蒸気温度Ｔ２を微調整して正確に制御することができる。
【００５９】
また、図３に示したように、バイパス経路７８に固定オリフィスを設けて固定開度とするのではなく、第１蒸気流量調整弁８０を設け、弁開度を調整可能とした。例えば火炉の経年劣化による熱吸収量の変化による過熱蒸気温度の増大に対応できる。すなわち、第２蒸気流量調整弁８１が１００％開度となっても第１蒸気流量調整弁８０の開度を増大させることにより蒸気温度の制御が可能となる。これにより、蒸気戻り部５９ｆよりも下流側の過熱器５９，６１のメタル温度を許容値よりも確実に低く保つことができる。
【００６０】
また、第１蒸気流量調整弁８０の最低開度を０％よりも大きい所定開度である１０％とすることで、１次過熱器５９の蒸気取出部５９ｅから導かれた全ての蒸気が緩熱器７６へと流れ込むことを防止することとした。これにより、緩熱器７６における蒸気の温度低下によるドレン水の発生を防ぐとともに、第２蒸気流量調整弁８１にドレン水が流れ込み不具合が発生するおそれを回避することができる。また、多くの蒸気が緩熱器７６へと流れ込むと緩熱器７６で大きな圧力損失が発生し、蒸気取出部５９ｅよりも上流側の１次過熱器５９の蒸気圧力ひいては蒸気ドラム４３の蒸気圧力が過度に上昇し、蒸気ドラム４３に設けられた安全弁から蒸気が噴き出すおそれを回避でき、安定的な運転が可能となる。
【００６１】
なお、上述した実施形態では、ボイラ７として舶用再熱ボイラを一例として説明したが、本発明はこれに限定されず、再熱器を備えていない舶用ボイラや、舶用に限定されない陸用ボイラであってもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１  蒸気タービン推進システム
３  プロペラ
５  蒸気タービン
７  ボイラ
９  高圧タービン
１１  中圧タービン
１３  低圧タービン
１５  後進用タービン
１７  第１回転軸
２１  第２回転軸
２３  減速機
２５  プロペラ軸
２７  主炉
２９  再熱炉
３１  火炉
３３  主バーナ（バーナ）
３５  フロントバンクチューブ
３７  過熱器
３８  蒸発器
３９  蒸発管群
４１  水ドラム
４３  蒸気ドラム
４４  蒸気供給経路
４６  流量計
４７  主バーナ用燃料配管
４９  主バーナ用燃料流量調節弁
５１  再熱バーナ
５３  再熱用燃料配管
５５  再熱用燃料流量調整弁
５９  １次過熱器
６１  ２次過熱器
６３  過熱器出口配管
６４  分岐点
６５  第１主蒸気配管
７０  主蒸気温度センサ（第２温度センサ）
７１  中間接続配管
７２  中間蒸気温度センサ（第１温度センサ）
７４  蒸気温度調整ライン（蒸気温度調整手段）
７４ａ  蒸気導入経路
７４ｂ  蒸気戻し経路
７６  緩熱器（蒸気温度調整手段）
７８  バイパス経路（緩熱器バイパス経路）
８０  第１蒸気流量調整弁（緩熱器用流量調整手段）
８１  第２蒸気流量調整弁（緩熱器用流量調整手段）
８５  第１比較演算部
８６  第２比較演算部
８７  第１加算器
８８  第２加算器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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