(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラ火炉に異種流体が流れる流体流路を有する管壁を持ち、ボイラで得られる蒸気を蒸気タービンで使用した後に、復水器で回収し、また蒸気タービンに導入される蒸気の流路に蒸気タービンを迂回して復水器にドレンを導く、ドレン弁を備えたドレン系統と、ボイラの起動時に蒸冷壁の流量を確保するために含水流体を蒸気タービンを迂回して復水器に直接導く、起動ブロー弁を備えた起動ブロー系統を設けたボイラ流体流路系において、
異種流体が流れる二以上の管壁間の温度差を最小とするために
▲１▼ボイラ缶水温度の変化を監視し、缶水温度が上昇から低下した後、再び上昇する変曲点を監視し、
▲２▼缶水温度が低下から上昇に転ずるまでボイラへの燃料投入量をバーナ最小容量まで低下させ、
▲３▼ドレン弁開度を、異種流体が流れる二以上の管壁間の温度差が最小となるような開度まで開く
ことを特徴とするボイラ起動時における異種流体壁間の温度差低減方法。
【請求項２】
請求項１記載の温度差低減方法を実施しても起動時間延長にならないように、請求項１記載の温度差低減方法で設定したドレン弁開度を異種流体が流れる二以上の管壁間の温度差発生に影響のないドレン弁開度までドレン弁を締めることによって起動時間を短縮するボイラ起動時における流体流量制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自然循環ボイラの起動時において蒸気が流れる蒸冷壁と水が流れる水冷壁のような異種流体の流れる壁間が隣接または交差する壁間の温度差を低減することで、この異種流体の流れる壁間の熱応力を低減し、良好なボイラ起動を行うシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年自然循環ボイラを計画する場合、起動時間が大きな制約となっている。そこで、この起動時間を短縮するために過度の燃料を火炉内に投入することによって、昇温率を上昇させて起動時間を短縮する必要があった。しかし、これに伴い火炉の天井壁を構成する管は蒸気が流れる蒸冷壁となり、火炉の側壁を構成する水壁が水が流れる水冷壁となるなど、異種流体が流れる壁面を持つことになる。
【０００３】
このような異種流体が流れる壁面を持つボイラ構造では、その異種流体が流れる壁面同士の接合部において起動時の初期における蒸気発生量が低い領域で、蒸冷壁と水冷壁の壁間の温度差が大きくなり、水冷壁又は蒸冷壁の破損・漏洩の事故を発生する可能性があった。
【０００４】
この事故防止のためだけに、図４に示す火力発電プラントのボイラ起動時において、ボイラ火炉５の天井壁である蒸気が流れる蒸冷壁７とボイラ火炉５の周壁の水が流れる水冷壁６など、異種流体が流れる管壁面を持つボイラでは起動ブロー系統１１等を設置し、タービン８へ行く蒸気量を抑えて復水器９に戻し、復水器９よりボイラ火炉５への給水系統へ循環することで、極力蒸冷壁７の流量を確保することで対処する方法が採られていた。
【０００５】
図４には火力発電プラントを示す。ボイラ火炉５の水冷壁６と火炉の天井壁となる蒸冷壁７を備えたボイラ火炉５で得られた蒸気は蒸気タービン８で使用され、蒸気タービン８で仕事した後の蒸気は復水器９で回収される。このときドラム１５内では水冷壁６内の汽水混合流体中の汽水分離が行われる。また、蒸気タービン８に導入される蒸気流路３０に蒸気タービン８を迂回して復水器９にドレンを導く、ドレン弁１２を備えたドレン系統１０が設けられ、さらにボイラ５の起動時に蒸冷壁７の流量を確保するために含水流体を蒸気タービン８を迂回して復水器９に直接導く、起動ブロー弁１３を備えた起動ブロー系統１１が設けられている。
【０００６】
しかしながら、起動ブロー系統１１を設置したとしても、ドラム圧力がある程度確保されている起動過程中期では有効であるが、蒸気発生量が低く、ドラム圧力が低い起動初期での温度差の発生を抑えることはできず、かつ、このためだけの配管系統を設置することは配置的にもコスト的にも良いものとは言えなかった。
【０００７】
また、蒸気流量を確保するためにドレン弁１２及び起動ブロー弁１３の開度を大きくとると、起動初期のようなドラム１５の蒸気圧力が低い時期での昇圧率が低下し、起動時間の延長という問題もあった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前項で述べた従来技術では、根本的な異種流体が流れる壁間の温度差を低減し、壁管結合部の破損・漏洩を防止できない。
また、ドレン弁１２及び起動ブロー弁１３の開度を大きくとることで温度差は低減できるが、起動時間が長くなる問題点がある。
本発明の課題は、ドレン弁等の従来技術の設備を利用し、かつドラム圧力上昇率、つまり、昇温率を管理し、これを燃料制御及びドレン弁開度制御に組み込むことで異種流体が流れる壁間の温度差を低減し、かつ起動時間を延長しないような運用を実施ができるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は次の構成によって解決される。
（1) ボイラ火炉に異種流体が流れる流体流路を有する管壁を持ち、ボイラで得られる蒸気を蒸気タービンで使用した後に、復水器で回収し、また蒸気タービンに導入される蒸気の流路に蒸気タービンを迂回して復水器にドレンを導く、ドレン弁を備えたドレン系統と、ボイラの起動時に蒸冷壁の流量を確保するために含水流体を蒸気タービンを迂回して復水器に直接導く起動ブロー弁を備えた起動ブロー系統を設けたボイラ流体流路系において、次の構成からなるボイラ起動時における異種流体壁間の温度差低減方法である。
▲１▼異種流体が流れる管壁間の温度差を最小とするために、ボイラ缶水温度の変化を監視し、缶水温度の上昇→低下→上昇の変曲点を監視する。
▲２▼缶水温度が低下から上昇に転ずるまでボイラへの燃料投入量をバーナ最小容量まで低下させる。
▲３▼ドレン弁開度を、異種流体が流れる管壁間の温度差が最小となるような開度まで開く。
（２）前記（1)の制御を実施しても起動時間延長にならないように、前記(1)で設定したドレン弁開度を異種流体が流れる二以上の管壁間の温度差発生に影響のないドレン弁開度までドレン弁を締める事によって起動時間を短縮する制御方法。
【００１０】
【作用】
自然循環ボイラ起動過程において、バーナ点火後必ず一度ドラム缶水温度上昇がマイナスに転じる過程がある。これは、ボイラ停止時に停滞していた冷たい缶水が自然循環を開始する点である。この現象が発生しているときが、異種流体が流れる壁間で最も温度差を生じる過程であり、この期間が過ぎるまで燃料投入量を下限値に抑える。
【００１１】
これによって、異種流体が流れる管壁間で最も温度差を最小に抑えることが可能である。また、この過程を通過し、再度ドラム圧力(缶水温度)が上昇に転じてからボイラ火炉への燃料投入量を缶水昇温レートに合わせて投入し、かつ異種流体が流れる管壁間での温度差に影響のない開度までドレン弁を閉じることで、起動時間を短縮させることが可能である。
【００１２】
【実施の形態】
本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図４に示す火力発電プラントにおいて、図１に缶水温度の変化及びドレン弁１２の開度が時間の経過と共に変化する様子を示し、また、図２に、自然循環ボイラ火炉起動時の制御回路の概略図を示す。
【００１３】
まず、図１に示すようにボイラ火炉のバーナ点火後、缶水温度を時間ｔ１まで上昇させる。その後、時間ｔ１を過ぎて缶水温度は缶水が自然循環を開始するに伴い、ボイラ火炉のバーナ近傍の加熱された温かい缶水がバーナから離れた加熱されない冷たい缶水と混じり合うことで低下する。そして、缶水温度が均一となった後に再度温度上昇が時間ｔ２より始まる。
【００１４】
図２に図１のボイラ火炉５の缶水温度制御回路を示す。図２に示す制御回路は、前記時間ｔ１後の温度変化率「−ａ１℃／ｍｉｎ」を検出後、再度温度上昇が始まる時間ｔ２まで燃料投入量を最低に保持し、その後の温度変化率が「＋ａ２℃／ｍｉｎ」以上の温度変化率をｔ３秒間検出すると、「缶水温度自動制御」を投入し、ボイラ火炉の火炉への燃料投入量を昇温率に合わせて自動制御する回路である。時間ｔ３秒は、経験的にノイズを排除するために設定される時間である。ｔ３秒が短すぎるとノイズを拾って制御できない。なお、温度は一度プラス側に転じると、マイナス側に戻ることはない。
【００１５】
図２に示す制御回路ではドラム１５の内部缶水又は火炉水壁内の缶水温度を検出し、この缶水温度と一次遅れ回路１２からの缶水温度を減算器１３で減算する。得られた温度差から図示しない演算器で温度変化率を算出する。得られた温度変化率が「−ａ１℃／ｍｉｎ」であるときには、高低選択器１４で「−ａ１℃／ｍｉｎ」が選択される。この信号と起動バーナの点火が完了してからｃ２分経過後であることを知らせる信号が共にｂ２秒経過後に信号記憶器１６に入力すると、該信号記憶器１６から出力する信号により燃料投入量を最低に保持する。
【００１６】
なお、ここで信号記憶器１６にボイラ火炉内の蒸気圧力が設定値まで昇圧された場合又はボイラ火炉５への燃料投入が停止された場合（ＭＦＴ；Main Fuel Trip）のいずれかの場合には信号記憶器１６からは缶水温度制御の信号を出力しない。
【００１７】
また、温度変化率「−ａ１℃／ｍｉｎ」を検出後、再度温度上昇が始まる時間ｔ２まで燃料投入量を最低に保持し、その後の温度変化率が「＋ａ２℃／ｍｉｎ」以上にり、その温度変化率をｔ３秒間検出すると、前記高低選択器１４は缶水温度の変化率「＋ａ２℃／ｍｉｎ」が選択され、ｂ１秒経過後に缶水温度自動制御が始まる。
【００１８】
また、これに合わせて図４に示すドレン弁１２の開度を図１に示すように開度d１から開度ｄ２へ閉じることで、ドラム１５の昇圧(昇温率)が早まり、ボイラ火炉５の起動時間延長を低減できる。
【００１９】
図４に示す火炉水壁に水が流れる水冷壁６と天井壁である蒸気が流れる蒸冷壁７となる異種流体が流れる管壁面を接合した自然循環ボイラ火炉５において、３２時間停止後のボイラ火炉５起動過程時に本発明の制御を採用した場合の実施の形態を図３に示す。
【００２０】
バーナ点火後、缶水温度は上昇し、約１５分後缶水温度は上昇から転じて−０．６℃／ｍｉｎで低下し始める。
これを図２に示す制御回路で検出し、ボイラ火炉５への燃料投入量を最低量に抑える。そして、約６０分後に缶水温度が再び上昇に転じ、０．３℃／ｍｉｎで上昇し始める。この変化検出した後、２分間経過しても再度缶水温度が低下しないと判断したら、「缶水温度自動制御」を実施することで、計画した昇温率を確保する。
【００２１】
この制御を実施することで水冷壁６と天井壁７の温度差を約２５℃まで低減することが可能である。
【００２２】
また同時に、ドレン弁１２の開度を３５％→２５％開度に低減することで、昇温時間を延長化せず、本発明の制御を実施しなかったときと同程度の起動時間でボイラ火炉起動を実施できる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本考案によれば、ボイラ火炉起動時に起動ブロー配管系統等の特別な設備を有することなく、かつドラム圧力変化率(缶水温度変化率)を監視することで、異種流体が流れる壁間の温度差を低減し、起動時間の延長を低減する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  缶水温度の変化及びドレン弁の開度が時間の経過と共に変化する様子を示す。
【図２】  自然循環ボイラ火炉起動時の制御回路の概略図を示す。
【図３】  水温度の変化及びドレン弁の開度が時間の経過と共に変化する様子を示す。
【図４】  火力発電プラントの構成概略図を示す。
【符号の説明】
５  ボイラ火炉                              ６  水冷壁
７  蒸冷壁                                  ８  蒸気タービン
９  復水器                                  １０  ドレン系統
１１  起動ブロー系統                        １２  ドレン弁
１３  起動ブロー弁                          １５  ドラム
３０  蒸気流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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