(57)【要約】【課題】  貫流ボイラーは、熱負荷要求値に対して気水分離器の水位変動が大きく、気水分離器の水位が不安定になりやすく、発生蒸気の乾き度が低下しやすいという課題を有していた。【解決手段】  従来の課題を解決するために、貫流ボイラーにおいて、気水分離器からの水を伝熱管へ再循環する管路に循環比を制御する循環比制御装置を設け、伝熱管内のボイド率と気水分離器の水位を制御する給水制御装置を設けることによって、気水分離器の水位変動を抑え、発生蒸気の乾き度の低下を防止することを可能にする。【選択図】図４
2017096613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫流ボイラーにおいて、気水分離器からの水を伝熱管へ再循環する管路に循環比を制御する循環比制御装置を設けることを特徴とする貫流ボイラー。
【請求項２】
請求事項１の貫流ボイラーにおいて、伝熱管内のボイド率と気水分離器の水位を制御する給水制御装置を設けることを特徴とする貫流ボイラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、貫流ボイラーの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  貫流ボイラーは、水を直接伝熱管に供給し発生蒸気を得るボイラーであるが、このボイラーは保有水量が少なく、ボイラーの急速起動が可能であるという長所を持っている。しかしながら、貫流ボイラーは、熱負荷要求値の変動によってボイラー全体の保有水量の大部分を占める伝熱管の保有水量が変化し、この保有水量変化が保有水量の少ない気水分離器の水位に影響を与え、気水分離器水位を適宜目標値に変更しながら制御しなければならなかった。
また熱負荷要求値が急速頻繁に変化する場合は、気水分離器の水位変動が変動増幅し、これを静定させる制御が困難であり、発生蒸気の乾き度が不安定になるという課題を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許０００５７１２６３６貫流ボイラ（００１４）
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＩＨＩ技報ＶＯＬ５２  ＮＯ４  第７図
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  従来、貫流ボイラーにおいては、発生蒸気の乾き度を確保するために、ボイラー熱負荷に応じて、伝熱管内の水位が変化することを知り、この水位の変化に応じて気水分離器の水位を制御し、発生蒸気の乾き度を確保しようとしている。特許文献１および特許文献２においても同様である。すなわちボイラー熱負荷に応じて伝熱管内の水位が変化することを許容し、その状態で気水分離器の水位を制御して、発生蒸気乾き度を確保している。しかしながら、ボイラーへの熱負荷要求値が頻繁に変更変動する場合は、たとえば廃熱ボイラーのごとくボイラー自体が熱負荷変動を抑えることができない形式の場合は、貫流ボイラーの気水分離器の水位を静定させることは困難で発生蒸気の乾き度を高い値に確保することが困難であるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  従来の課題を解決するために、貫流ボイラーにおいて、気水分離器からの水を伝熱管へ再循環する管路に、循環比を制御する循環比制御装置を設け、伝熱管内のボイド率と気水分離器の水位を制御する給水制御装置を設け、この循環比制御装置と給水制御装置の複合作用によって、従来の課題である気水分離器の水位の安定と、発生蒸気の乾き度を高い値に保持することを達成する。
【発明の効果】
【０００７】  従来の制御装置と本発明の制御装置を、廃熱ボイラーの場合を例として要素ごとに比較してみると以下のようになる。
従来                本発明
熱負荷変動                      変動                  変動
気水分離器水位                  制御（変動し易い）    制御（安定）
給水流量                        制御                  制御
蒸気圧力                        制御                  制御
蒸気流量                        成行き                成行き
気水分離器出口循環流量          成行き                制御
伝熱管内ボイド率                成行き                制御
伝熱管出入口差圧                成行き                制御
循環比                          成行き                制御
熱負荷変動は最終的に蒸気流量に変換されるので、蒸気流量は成行きに任せて変化することになる。従来、気水分離器出口循環流量、伝熱管の全体積に対する蒸気体積の占める割合であるボイド率、伝熱管出入口差圧、蒸気流量に対する伝熱管入口の水供給量の比である循環比は成行きに任せて変動させていた。本発明は、これらを制御することによって、気水分離器水位をより安定的に制御することができ、蒸気の乾き度を高い値に保つことができる。【０００８】  貫流ボイラーの伝熱管入口の水供給流量は気水分離器出口再循環流量と給水流量の和である。従来、気水分離器出口再循環流量は、最大熱負荷時を一定にしてそれ以外の熱負荷は成行きになっていたため、循環比も成行きになっていた。本発明では循環比を積極的に一定に制御するために、気水分離器からの水を伝熱管へ再循環する管路に再循環流量計と再循環流量制御器および再循環流量制御弁から構成される循環比制御装置を設ける。給水量と気水分離器出口再循環流量が制御されることになるので、伝熱管入口水供給流量も制御されることになる。このことによって、従来、成行きになっていた循環比を制御することができる。【０００９】  伝熱管の循環比が決まると、伝熱管内の蒸気と水の割合が決まることになる。傾向として循環比が多いと伝熱管内の蒸気の量は少なく水の量が多い状況になり、循環比が少ないと伝熱管内の蒸気の量が多く水の量が少ないという状況になる。すなわち循環比によって伝熱管内の蒸気と水の体積割合が決まり、伝熱管全体積に対する蒸気の体積であるボイド率が決まることになる。【００１０】  伝熱管内の蒸気と水は、混相流の状態である。伝熱管が上昇管で、下方入口から水が入り、上方出口から蒸気と水の混相流が出るような形状での伝熱管の入口と出口の圧力差は、伝熱管内の見かけの水位である相当水位を表すことになる。入口出口の圧力差が示す相当水位は前述のボイド率を表す別の表現でもある。【００１１】  前述のことから、伝熱管における循環比、ボイド率、相当水位は密接な関係があり、ひとつを制御することは、他の要素を制御することを意味している。【００１２】  このように、循環比を制御すれば、伝熱管内のボイド率を制御することができる。
この状態でボイラーが運転されると、伝熱管内相当水位は一定になり、ボイド率は一定になるけれども、運転中の制御誤差その他の外乱によって、ボイド率の誤差は少しずつ蓄積する可能性がある。この誤差を補正するためにボイド率検知の具体的手段として伝熱管出入口差圧を計測し、伝熱管内相当水位を知り、この水位が一定になるように、給水量を制御する給水流量計、給水流量制御器、給水流量制御弁からなる給水制御に、伝熱管内の水位および気水分離器の水位を補正する機能を付加した、給水制御装置とする。【００１３】  伝熱管内のボイド率を安定させることは、伝熱管内の相当水位を安定させることになるが、貫流ボイラーが多管式である貫流ボイラーにおいては、伝熱管の総断面積と気水分離器の水面面積では一般的に伝熱管の総断面積が大きい。従って伝熱管内のボイド率を安定させるには、気水分離器水表面積より大きな水表面積がある伝熱管相当水位を制御することが、より安定的な制御性を確保することになる。【００１４】  ボイド率を一定にし、気水分離器の水位を一定にすることは、ボイラー全体が保有する水の量を一定に安定させることと同義であり、このことが最終的にボイラーの気水分離器水位を安定させる効果をもたらしている。【００１５】  また循環比が安定していると、伝熱管出口から放出される蒸気と水の混相流の水の量も安定することになる。すなわち、気水分離器から出るときの再循環流量が制御されているので、気水分離器に戻ってくる水の量も安定した一定量が戻ってくることになる。
このことが、気水分離器の水面を安定させることになり、気水分離器から出る蒸気の乾き度に良い効果をもたらしている。【００１６】  従来、熱負荷変動に対して、伝熱管ボイド率は成行きに任せて変動させていた。
そのことによって、伝熱管内部の全体容積における蒸気の体積が変動し、伝熱管の蒸気と水の量によって決まる伝熱管内部の相当水位が変動することになる。
このことによって伝熱管出入口差圧は変動することになる。
伝熱管内部の蒸気と水の混合流の見かけ水位である相当水位が変動すると、気水分離器の水位との水頭差が変動することになる。
このことによって、気水分離器からの伝熱管への再循環流量も変動する。
さらにこのことは、ボイラー給水流量の変動になる。このように熱負荷変動が次々と変動要素に伝達され、ボイラー制御系は一定安定制御が難しい状況になっていた。【００１７】  本発明によれば、気水分離器出口の循環比制御と伝熱管内のボイド率と気水分離器の水位を制御する給水制御を組合せる統合制御を行うことによって、伝熱管内の相当水位と気水分離器の水位が安定し、最終的に蒸気の乾き度が高度安定する効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】伝熱管内の蒸気と水の状態図
【図２】ボイラー熱負荷、循環比、伝熱管内相当水位、伝熱管出入口差圧  関連線図
【図３】従来の貫流ボイラー制御図
【図４】本発明の貫流ボイラー制御図
【発明を実施するための形態】
【００１９】  本発明の実施するための形態として、図面を用いて説明する。
【００２０】  図１は低熱負荷と高熱負荷における、伝熱管内の蒸気と水の状態図を示す。
図１の左側Ａ、Ｂが低熱負荷状態を、右側Ｃ、Ｄが高熱負荷状態を示す。
図１のＡの場合、伝熱管７１の中で蒸気の占める体積７２は小さく、水の占める体積７３は比較的大きい。図１のＡでは蒸気と水は混相流状態であるが、これを蒸気と水の状態を仕分けして示すと図１のＡは図１のＢのように示すことができる。図１のＡと図１のＢは、同じ状態の別の表現である。同様に高熱負荷の蒸気と水の状態図を図１のＣに示してみると、高熱負荷では伝熱管８１の中の蒸気の占める体積８２は大きく、水の占める体積８３は比較的小さい。図１のＤは図１のＣの蒸気と水を仕分けして示した図である。
【００２１】  図１の低熱負荷時のＢと高熱負荷時のＤの伝熱管内の蒸気と水の状態を比較すると、以下のようになる。
低熱負荷時Ｂ              高熱負荷時Ｄ
低ボイド率                高ボイド率
高循環比                  低循環比
高伝熱管相当水位          低伝熱管相当水位
高伝熱管出入口差圧        低伝熱管出入口差圧
【００２２】  図２は、図１の蒸気と水の状態を、従来形貫流ボイラーと本発明による貫流ボイラーについて線図で表したものである。
図２において、横軸９１は貫流ボイラー熱負荷値である。縦軸９２は循環比９３、伝熱管内相当水位９４、伝熱管出入口差圧９５を表している。
【００２３】  従来の貫流ボイラーにおける縦軸９２に示す数値は、線９６に示すように高熱負荷ＱＨの点９７を起点にして、低熱負荷になるにしたがって循環比成行き線９６のごとく左上がりになる。それは、低熱負荷になるほど、図１に示すように循環比、伝熱管内相当水位、伝熱管出入口差圧が上昇するからである。したがって、従来の貫流ボイラーでは熱負荷変動がおこると、この循環比成行き線９６上を伝熱管内の諸要素が矢印９９のように動くことになる。その結果そのことが気水分離器の水位変動に影響し、最終的には蒸気の乾き度に影響を及ぼすことになっていた。
【００２４】  本発明の貫流ボイラーにおいては、循環比を高負荷ＱＨの点９７を起点にして制御すると、熱負荷が変動しても循環比が制御されているので、水平安定な循環比制御線９８で表される。このことがボイド率一定、伝熱管内相当水位一定、伝熱管内出入口差圧一定となり、これら要素は矢印１００のように変化して、気水分離器への戻り水量の変動は少なくなり、気水分離器水位水面が安定し、従来各要素が次々と変動を伝達拡散していたものが、一定に静定し、気水分離器水面が静定することになり、蒸気乾き度の高度安定を達成できる。
【００２５】  前述の内容をより具体的に実施するための内容を図３では従来型の状態を、図４では本発明による制御図を示す。
【００２６】  従来の貫流ボイラーの制御は、図３に示す。
従来の貫流ボイラーの制御の構成は、以下のようになっている。
伝熱管１は変動熱源であるガス流れ２を受け、この伝熱管１入口へ給水管３が連結され、伝熱管出口からは気水分離器４につながる連絡管が配置されている。伝熱管１の出口から気水分離器４に導入された気水混合流は、気水分離器で蒸気と水に分離された水は、再循環管５を経て、伝熱管１の入口につながる給水管３に再循環されている。この機器構成の中で、給水管３には給水流量計６、給水流量制御器７、給水流量制御弁８で構成される給水制御装置９が設けられている。また、伝熱管１の出入口差圧を検出する伝熱管出入口差圧計１０が装備されている。この差圧計によって、伝熱管１内の相当水位が想定される。気水分離器水位計１１との伝熱管１の相当水位との水位差１２が判るようになっている。また気水分離器４出口には蒸気管１３が配備され、ここには蒸気圧力制御装置１４と蒸気流量計１５が装備されている。そしてこれらは最終的に全体を制御するボイラー制御装置１６により制御されている。
従来の貫流ボイラーの制御はボイラー熱負荷の変化によって、ボイラーの伝熱管出入口差圧計１０が示す伝熱管内相当水位が変化することを許容し、その変化に追従して水位差１２を制御し、気水分離器の水位１１を制御することを課題にしていた。
【００２７】  本発明の貫流ボイラー制御図を図４に示す。
伝熱管２１は変動熱源であるガス流れ２２を受け、この伝熱管２１入口へ給水管２３が連結され、伝熱管出口からは気水分離器２４につながる連絡管が配置されている。伝熱管出口から気水分離器２４に導入された気水混合流は蒸気と水に分離され、気水分離器で分離された水は再循環管２５に設けた再循環流量計３７、再循環流量制御器３８、再循環流量制御弁３９、で構成される循環比制御装置４０によって、伝熱管入口の循環比が適正な値になるような循環流量に制御される。気水分離器の水位は気水分離器水位計１１によって計測され、この水位が異常に高くなったときには、気水分離器水位制御装置４１の働きによってボイラー系外にボイラー水をブローすることも可能である。また気水分離器水位計１１および蒸気流量計３５の数値は、ボイラー制御装置３６を経て、給水流量制御器２７に伝達され、適正な給水量制御が行われるようになっている。
この条件のもとで、伝熱管２１にはボイド率の代替検知である伝熱管出入口差圧計３０と、給水管２３には給水流量計２６、給水流量制御器２７、給水流量制御弁２８で構成される給水制御装置２９が設けられ、伝熱管出入口差圧計３０が一定目標値に達するように制御される。
給水流量制御装置２９がボイラー全体として適正に動作できるように、循環比制御装置４０、蒸気圧力制御装置３４、蒸気流量計３５、気水分離器水位制御装置４１などを集合管理制御するボイラー制御装置３６が管理制御し、適切な制御指示を給水制御装置２９に与えて、ボイラー全体として循環比安定、ボイド率安定、具体的には伝熱管出入口差圧計３０数値が安定するように制御を行っている。
このことが、貫流ボイラー全体の制御諸要素を安定させ、最終的に発生蒸気の乾き度を安定させることになっている。
【００２８】  図４において、伝熱管は一本で示されているが、一本ではなく複数管存在する場合でも良い。また、伝熱管出入口差圧は、複数管存在するときは、管の流体通路別に圧力差が複数ある場合は、その代表値でも良い。
【００２９】  図４において、循環比制御装置、蒸発管出入口差圧を制御する給水制御装置は制御弁を採用しているが、制御弁に限ることなくポンプのような流量を調節できるものであっても良い。
【００３０】  図４において、ボイド率を知るのは、伝熱管出入口差圧計で代替しているが、たとえば電気伝導計のような水位計によっても良い。
【００３１】    前述の伝熱管出入口差圧としているのは、必ずしも伝熱管出入口部のみに限らず、伝熱管出入口の圧力を代替して計測できる伝熱管出入口付近の位置であっても良い。
【００３２】  循環比ないしはボイド率を一定に制御するとは、必ずしも制御する目標値を固定するということではなく、その運転状況に応じて調節された目標値に静定させる場合もあることも意味している。
【符号の説明】
【００３３】１．伝熱管
２．ガス流れ
３．給水管
４．気水分離器
５．再循環管
６．給水流量計
７．給水流量制御器
８．給水流量制御弁
９．給水制御装置
１０．伝熱管出入口差圧計
１１．気水分離器水位計
１２．伝熱管相当水位と気水分離器水位差
１３．出口蒸気管
１４．蒸気圧力制御装置
１５．蒸気流量計
１６．ボイラー制御装置
２１．伝熱管
２２．ガス流れ
２３．給水管
２４．気水分離器
２５．再循環管
２６．給水流量計
２７．給水流量制御器
２８．給水流量制御弁
２９．給水制御装置
３０．伝熱管出入口差圧計
３１．気水分離器水位計
３２．伝熱管相当水位と気水分離器水位差
３３．出口蒸気管
３４．蒸気圧力制御装置
３５．蒸気流量計
３６．ボイラー制御装置
３７．再循環流量計
３８．再循環流量制御器
３９．再循環流量制御弁
４０．循環比制御装置
４１．気水分離器水位制御装置
７１．伝熱管
７２．蒸気の占める体積
７３．水の占める体積
８１．伝熱管
８２．蒸気の占める体積
８３．水の占める体積
９１．横軸（貫流ボイラー熱負荷値）
９２．縦軸（循環比、伝熱管内相当水位、伝熱管内出入口差圧）
９３．循環比
９４．伝熱管内相当水位
９５．伝熱管出入口差圧
９６．循環比成行き線
９７．高熱負荷ＱＨの起点
９８．循環比制御線
９９．矢印
１００．矢印
【図１】
2017096613.tif 000003
【図２】
2017096613.tif 000004
【図３】
2017096613.tif 000005
【図４】
2017096613.tif 000006