(57)【要約】【課題】消耗品であるエレメント寿命の管理を容易にし、エレメント寿命のばらつきを抑えて最適化した回転蓄熱式空気予熱器を提供すること。【解決手段】ケーシング内で回転する略円柱形状に組み立てられたエレメントに空気及び高温ガスを通して熱交換させる舶用ボイラの回転蓄熱式空気予熱器３０が、ケーシング３１とエレメント４０との間の空間に形成された空気バイパス流路３３と、該空気バイパス流路３３に設けられたバイパスダンパ５０と、空気の入口温度を検出する空気入口温度センサ６０Ａと、高温ガスの出口温度を検出するガス出口温度センサ６０Ｇと、空気入口温度センサ６０Ａ及びガス出口温度センサ６０Ｇの検出値から低温端平均温度を算出し、該低温端平均温度及びボイラ運転条件に基づいてバイパスダンパ５０の開度を制御する制御部７０と、を具備して構成した。【選択図】図１
2009192202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内で回転する略円柱形状に組み立てられたエレメントに空気及び高温ガスを通して熱交換させる舶用ボイラの回転蓄熱式空気予熱器において、
前記ケーシングと前記エレメントとの間の空間に形成された空気バイパス流路と、該空気バイパス流路に設けられた流路断面積可変制御手段と、前記空気の入口温度を検出する空気入口温度検出手段と、前記高温ガスの出口温度を検出するガス出口温度検出手段と、前記空気入口温度検出手段及び前記ガス出口温度検出手段の検出値から低温端平均温度を算出し、該低温端平均温度及びボイラ運転条件に基づいて前記流路断面積可変手段の開度を制御する制御部と、を具備して構成したことを特徴とする舶用ボイラの回転蓄熱式空気予熱器。
【請求項２】
前記エレメントが、低温側エレメントと高温側エレメントとに分割され、前記低温側エレメントの高さをボイラ高負荷時の硫酸腐食領域となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の舶用ボイラの回転蓄熱式空気予熱器。
【請求項３】
前記低温側エレメントが交換容易に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の舶用ボイラの回転蓄熱式空気予熱器。
【請求項４】
前記制御部が、ボイラ運転負荷の低下に伴って前記流路断面積可変制御手段の開度を増すことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の舶用ボイラの回転蓄熱式空気予熱器。
【請求項５】
前記制御部が、制御異常を知らせる異常警報手段を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の舶用ボイラの回転蓄熱式空気予熱器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、舶用ボイラの回転蓄熱式空気予熱器に係り、特に、回転蓄熱式空気予熱器のエレメント寿命を最適化設計する技術及びその制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転蓄熱式空気予熱器（以下、「空気予熱器」と省略する）はボイラ構成装置の一つであり、燃焼ガスの熱を回収して燃焼用空気を予熱する熱交換器である。空気予熱器を設置したボイラは、炉内に予熱されて温度上昇した燃焼用空気を供給することで燃料の燃焼を助け、燃焼ガス（排ガス）の排熱を回収してボイラ効率を高めることができる。このような空気予熱器には、燃焼ガスと空気とを熱交換させて燃焼用空気を予熱するエレメントが設けられている。このエレメントは、最も硫酸腐食の影響を受けやすい消耗品である。
【０００３】
上述した空気予熱器に関する従来技術としては、回転式蓄熱用エレメントのメタル温度を調整し、硫酸の凝縮等による腐食及び燃焼ガス中の灰分によるエレメントの閉塞を低減するものがある。（たとえば、特許文献１参照）
また、回転蓄熱式空気予熱器の蓄熱体への硫酸腐食防止対策、スートブロワの効果的な運用を最低限のプラント効率低下及び設備費で達成することを目的とする技術も開示されている。（たとえば、特許文献２参照）
【特許文献１】特開平１０−３０６９１９号公報
【特許文献２】特開２００３−３２２３２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、舶用ボイラに設置される従来の回転蓄熱式空気予熱器（ガスエアヒータ）においては、エレメント寿命の管理を使用者の経験に頼っているのが実情である。すなわち、エレメント寿命の管理には、明確な指標がないだけでなく、自動運転（制御）による適切な運用もなく、従って、使用者がより適切に使用すれば最大のボイラ効率を得た上でエレメント寿命は長くなり、そうでなければ寿命が短くなるというように、大きなばらつきを生じていた。
【０００５】
このため、短時間でエレメント及びその関連消耗品を交換する必要が生じ、この結果、メンテナンスコストを増加させるという問題が指摘されている。このような理由から、近年の船舶においては、十数年前を最後にガスエアヒータタイプの回転蓄熱式空気予熱器が採用されなくなっている。
【０００６】
しかしながら、ボイラ出口の燃焼ガスの熱を有効利用して燃焼用空気の予熱を行うガスエアヒータタイプの回転蓄熱式空気予熱器は、近年主流となっている蒸気加熱式の空気予熱器に比べて燃費面でのメリットが大きく、近年の燃料費高騰の影響から省エネルギ志向が強まってくるにつれ、ガスエアヒータタイプの回転蓄熱式空気予熱器が見直されてきており、上述したエレメントのメンテナンスに関する問題の解決が待たれていた。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エレメント寿命のばらつきを抑え最適化した回転蓄熱式空気予熱器を提供すること、ならびに、適切なエレメント寿命の管理のため回転蓄熱式空気予熱器の運転を制御、自動化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明は、ケーシング内で回転する略円柱形状に組み立てられたエレメントに空気及び高温ガスを通して熱交換させる舶用ボイラの回転蓄熱式空気予熱器において、
前記ケーシングと前記エレメントとの間の空間に形成された空気バイパス流路と、該空気バイパス流路に設けられた流路断面積可変制御手段と、前記空気の入口温度を検出する空気入口温度検出手段と、前記高温ガスの出口温度を検出するガス出口温度検出手段と、前記空気入口温度検出手段及び前記ガス出口温度検出手段の検出値から低温端平均温度を算出し、該低温端平均温度及びボイラ運転条件に基づいて前記流路断面積可変手段の開度を制御する制御部と、を具備して構成したことを特徴とするものである。
【０００８】
このような舶用ボイラの回転蓄熱式空気予熱器によれば、ケーシングと前記エレメントとの間の空間に形成された空気バイパス流路と、該空気バイパス流路に設けられた流路断面積可変制御手段と、空気の入口温度を検出する空気入口温度検出手段と、高温ガスの出口温度を検出するガス出口温度検出手段と、空気入口温度検出手段及びガス出口温度検出手段の検出値から低温端平均温度を算出し、該低温端平均温度及びボイラ運転条件に基づいて流路断面積可変手段の開度を制御する制御部と、を具備して構成したので、制御部が低温端平均温度及びボイラ運転条件に基づいて空気バイパス流路の流路断面積可変手段を自動制御し、エレメントの熱交換量を任意に調整することができる。すなわち、制御部によりエレメント温度を任意の温度に制御を行い、エレメントの硫酸腐食領域をコントロールすることが可能になる。
【０００９】
上記の発明において、前記エレメントは、低温側エレメントと高温側エレメントとに分割され、前記低温側エレメントの高さをボイラ高負荷時の硫酸腐食領域となるように設定されていることが好ましく、すなわち、ボイラ高負荷時の硫酸腐食領域を完全にカバーできるように設計しておくことが好ましく、これにより、ボイラ効率が要求されるボイラ高負荷時の硫酸腐食領域は低温側エレメントのみとなるので、低温側エレメントのみを消耗品として取り扱うことができる。
この場合、前記低温側エレメントは、交換容易に構成されていることが好ましい。
【００１０】
上記の発明において、前記制御部は、ボイラ運転負荷の低下に伴って前記流路断面積可変制御手段の開度を増すことが好ましく、これにより、ボイラ効率が重視されない状況でエレメントの熱交換量を抑え、硫酸腐食領域を低温エレメント側に限定することで腐食を最小限に抑えることができる。
【００１１】
上記の発明において、前記制御部は、制御異常を知らせる異常警報手段を備えていることが好ましく、これにより、空気予熱器の管理者及び使用者は、迅速な調査及び異常対策を実施可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
上述した本発明によれば、制御部が低温端平均温度及びボイラ運転条件に基づいて空気バイパス流路の流路断面積可変手段を自動制御し、エレメントの熱交換量を調整することができるので、制御部によるエレメント温度の自動制御を実施して、硫酸腐食をコントロールすることが可能になる。このため、消耗品であるエレメント寿命の管理から個人差を排除してばらつきを抑え、エレメント寿命を最適化することができる。従って、空気予熱器の信頼性向上及び省力化が可能となり、メンテナンスコストを低減するという顕著な効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る舶用ボイラの回転蓄熱式空気予熱器（以下、「空気予熱器」と省略する）について、その一実施形態を図１から図４に基づいて説明する。
図２に示す舶用ボイラ１０は、火炉１１の上部に形成した風箱１２内に１または複数のバーナ１３が設置されている。このバーナ１３は、空気ダクト１４を介して導入される燃焼用空気を用いてボイラ燃料を燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成して下流の熱交換器に供給する。ここで使用する燃焼用空気は、後述する空気予熱器３０を通過した後、空気ダクト１４に供給される。
【００１４】
バーナ１３で発生した燃焼ガスは、火炉１１の下流に配設されている熱交換器を通過して熱交換する。図示の構成では、フロントバンクチューブ１５、過熱器１６及び蒸発管群（リアバンクチューブ）１７の順番に熱交換器が配置され、燃焼ガスは各熱交換器のチューブ内を流れる水等の流体と熱交換して加熱する。こうして熱交換を終えた燃焼ガスは、出口側ガスダクト１８を通って後述する空気予熱器３０に導かれる。
なお、図中の符号１９は水ドラム、２０は蒸気ドラム、２１及び２２はヘッダ、２３はエコノマイザである。
【００１５】
舶用ボイラ１０に装備される空気予熱器３０は、たとえば図３に示すように、ケーシング３１内で回転する略円柱形状に組み立てられたエレメント４０に燃焼用空気及び高温の燃焼ガスを通して熱交換させるものである。
図示のケーシング３１は、内部にエレメント４０を収納して回転する略円形断面のロータ４４を収め、ケーシング３１とロータ４４との間の空間に形成されて燃焼用空気を流す空気バイパス流路３３を備えている。図示の構成例では、ケーシング３１を略矩形断面とし、中央部に円形断面のロータ４４を形成するとともに、２箇所の角部を利用してロータ４４の外部に隣接する空気バイパス流路３３を形成しているが、これに限定されることはない。
なお、略矩形断面形状としたケーシング３１においては、残る二つの角部を必要に応じて燃焼ガスバイパス流路として利用することができる。
【００１６】
上述したように、ケーシング３１内で回転する略円柱形状に組み立てられたエレメント４０に燃焼用空気及び燃焼ガスを通して熱交換させる舶用ボイラ１０の空気予熱器３０は、たとえば図１に示すように、ケーシング３１とロータ４０との間の空間に形成された空気バイパス流路３３と、空気バイパス流路３３に設けられた流路断面積可変制御手段のバイパスダンパ５０と、空気の入口温度を検出する空気入口温度センサ（空気入口温度検出手段）６０Ａと、高温ガスの出口温度を検出するガス出口温度センサ（ガス出口温度検出手段）６０Ｇと、バイパスダンパ５０の開度を制御する制御部７０と、を具備して構成される。
【００１７】
空気入口温度センサ６０Ａは、空気予熱器３０に導入する燃焼用空気の入口温度を測定するもので、熱交換により温度上昇する前の入口空気温度Ｔａを得ることができる。
ガス出口温度センサ６０Ｇは、空気予熱器３０から流出する燃焼ガスの出口温度を測定するもので、熱交換を終えて温度低下した後の燃焼ガス出口温度Ｔｇを得ることができる。
そして、制御部７０では、空気入口温度センサ６０Ａ及びガス出口温度センサ６０Ｇの検出値から低温端平均温度ＴＬを算出する。この低温端平均温度ＴＬは、舶用ボイラ１０のセットポイント（運転条件）とともに演算部７１に入力される。演算部７１は、低温端平均温度ＴＬ及び舶用ボイラ１０のセットポイントに基づいて演算処理し、得られたバイパスダンパ５０の開度信号をダンパ操作部５１に出力する。
【００１８】
上述した低温端平均温度ＴＬは、制御部７０に入力された空気入口温度Ｔａと燃焼ガス出口温度Ｔｇとの平均値〔ＴＬ＝（Ｔａ＋Ｔｇ）／２〕を算出したものである。この低温端平均温度ＴＬは、たとえば冬期に入口空気温度Ｔａが低下した場合のように、運転中の外乱に対するバックアップ制御の管理基準温度としても使用される。
舶用ボイラ１０の運転条件としては、ボイラ負荷やボイラ燃料の種類及び混合比等があり、実際のボイラ運転に採用されるセットポイントが入力される。また、上述した制御部７０は、管理者に異常を知らせるアラーム８０に異常発生の信号を出力することができる。
【００１９】
エレメント４０は、図示しない駆動源に連結された軸部４１を中心に回転するので、出口側ガスダクト１８の上部を通過する際に燃焼ガスにより加熱され、空気ダクト１４の上部を通過する際に燃焼用空気により冷却される。そして、このエレメント４０は、略円筒形状を上下に二分割することにより、低温側エレメント４２と高温側エレメント４３とに分割されている。
具体的に説明すると、低温側エレメント４２及び高温側エレメント４３の分割割合は、船舶の運用モードに合わせて定められる。すなわち、高いボイラ効率が要求されるボイラ高負荷時と、ボイラ効率があまり重要視されないボイラ高負荷時以外（以下では、「ボイラ低負荷時」と呼ぶ）との運用モードに対応して定められる。
【００２０】
低温側エレメント４２の厚さ（高さ）は、たとえば図４に示すように、所定温度（たとえば硫酸露点温度）Ｔｅより低い温度領域に存在する硫酸腐食領域が、ボイラ高負荷時に高温側エレメント４３まで到達しないように設定する。すなわち、ボイラ負荷１００％のボイラ高負荷時において、高温側エレメント４３のメタル温度が所定温度Ｔｅより低温とならないようにして、硫酸腐食が生じないようにするものである。
また、ボイラ負荷が下がってくるとエレメント４０のメタル温度分布は低下してくる傾向があり、高温側エレメント４３の最低メタル温度が所定温度Ｔｅよりも低くなることがないように、そのエレメント高さ並びにボイラのバイパスダンパ切り替え負荷を決定する。
そして、図４においては、太い帯状の領域がボイラ負荷１００％のボイラ高負荷時のエレメントメタル温度分布を示し、細い帯状の領域がバイパスダンパを全閉にした状態でボイラ負荷を下げバイパスダンパを全開に切り替えるべき負荷に達したときのエレメントメタル温度分布を示している。なお、それぞれの温度分布特性に帯状の温度幅が生じるのは、エレメント４０が旋回することにより、旋回方向や厚さ方向に温度分布が生じるためである。
【００２１】
また、制御部７０は、ボイラ負荷の低下に伴ってバイパスダンパ５０の開度を増すように制御する。すなわち、船舶航行速度が低下したボイラ低負荷時は、ボイラ負荷を最大化とする必要はなく、従って、ボイラ効率があまり重要視されない運転状態となるので、バイパスダンパ５０の開度を全開あるいは任意位置として空気バイパス流路３３の流路断面積を増加させる。
この結果、空気バイパス流路３３を流れる燃焼用空気の空気量が増加し、その分だけエレメント４０を通過する空気量は減少するので、エレメント４０を冷却する熱交換量が抑制される。従って、舶用ボイラ１０側の運転状況が同じであれば、バイパスダンパ５０の開度を増すほどエレメント４０のメタル温度は上昇する方向となる。
【００２２】
そこで、低温側エレメント４２の厚さは、図４に示したボイラ低負荷時の帯状温度幅において、低温（下）側のラインと分割線Ｄとの交差点Ｃが所定温度Ｔｅ以上となるように設定する。ここで、分割線Ｄは、低温側エレメント４２と高温側エレメント４３との分割位置を示している。
このようにすれば、ボイラ負荷が高い高速航行時にはバイパスダンパ５０が全閉とされ、しかも、ボイラ側の発熱量も多いため、高温側エレメント４３のメタル温度は硫酸腐食を生じる所定温度Ｔｅより低くなることはない。また、ボイラ効率が重要視されないボイラ低負荷時において、ダンパ開度が１００％の全開となる状況でも、換言すれば、最もメタル温度が低くなる状況でも、高温側エレメント４３のメタル温度は硫酸腐食を生じる所定温度Ｔｅより低くなることはない。
【００２３】
従って、エレメント４０の硫酸腐食は低温側エレメント４２に限定されるので、低温側エレメント４２のみを消耗品として交換容易な構造とし、硫酸腐食のない高温側エレメント４３については、熱交換効率を重視した構造を採用することが可能になる。
また、上述したバイパスダンパ５０の開度制御は、ダンパ開度を増して熱交換量を減少させることで腐食領域を安全側に移行させることができる。すなわち、バイパスダンパ５０は任意の開度位置に設定可能であるため、エレメント４０のメタル温度が所定温度Ｔｅを上回るような任意のダンパ開度とすることにより、ボイラ効率を最大にして腐食を最小限とする運用をすることもできる。
【００２４】
そして、上述したバイパスダンパ５０の開度制御は、空気入口温度センサ６０Ａ及びガス出口温度センサ６０Ｇの検出値に基づいて制御部７０が自動制御するので、管理者による手動運転は基本的に不要となる。このとき、基準となる所定温度Ｔｅが重要になるため、たとえばエレメント４０の抵抗値等を計測し、その測定値から腐食状況を把握してより直接的なエレメント寿命の制御や最適化を行ってもよい。
また、何らかの問題で所定温度Ｔｅ以上に温度管理できないような場合には、たとえば運転時に所定温度Ｔｅを所定回数下回った場合に異常を知らせる信号を出力し、早急な対応を促すことができる。
【００２５】
このように、上述した本発明によれば、制御部７０が低温端平均温度ＴＬ及びボイラ運転条件に基づいて空気バイパス流路３３のバイパスダンパ５０を自動制御し、エレメント４０の熱交換量を調整することができるので、制御部７０によるエレメント温度の自動制御を実施して、硫酸腐食をコントロールすることができる。このため、消耗品であるエレメント寿命の管理から個人差を排除してばらつきを抑え、エレメント寿命を最適化することができ、従って、空気予熱器１０の信頼性向上及び省力化が可能となり、メンテナンスコストの低減も可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る舶用ボイラの回転蓄熱式空気予熱器について、その一実施形態を示す構成図である。
【図２】回転蓄熱式空気予熱器を装備した舶用ボイラの構成例を示す図である。
【図３】（ａ）は回転蓄熱式空気予熱器の概要を示す斜視図、（ｂ）はエレメントの形状例を示す斜視図である。
【図４】エレメント高さとエレメントメタル温度との関係を示す図であり、ボイラ負荷１００％の場合と、バイパスダンパ全閉全開切替点におけるボイラ負荷の場合とが示されており、いずれもバイパスダンパ全閉時の温度特性を示している。
【符号の説明】
【００２７】
１０    舶用ボイラ
１１    火炉
１３    バーナ
１４    空気ダクト
１８    出口側ガスダクト
３０    回転蓄熱式空気予熱器（空気予熱器）
３１    ケーシング
３３    空気バイパス流路
４０    エレメント
４２    低温側エレメント
４３    高温側エレメント
４４    ロータ
５０    バイパスダンパ（流路断面積可変制御手段）
６０Ａ    空気入口温度センサ（空気入口温度検出手段）
６０Ｇ    ガス出口温度センサ（ガス出口温度検出手段）
７０    制御部
７１    演算部
８０    アラーム（異常警報手段）
【図１】
2009192202.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2009192202.tif 000006