JP6537830B2 - 水管汚れの検出を行うボイラ - Google Patents

Description

本発明は、要求負荷に応じて燃焼量の増減を行う燃焼装置を持ち、水管の外側を流れる燃焼ガスと水管内にあるボイラ水との間で熱交換を行って蒸気を発生するボイラであって、水管表面に煤やスケールといった熱伝達率低下物質が付着した場合に水管汚れの検出を行うボイラに関するものである。

実開平成２−１４０１３１号公報に記載があるように、燃焼装置による燃焼を行うことで発生した熱によって水管を加熱し、水管内のボイラ水を加熱して蒸気を発生しているボイラでは、水管の外側表面に煤が付着して堆積すると、煤は水管を構成する鋼管に比べて熱の伝達率が低いものであるため、燃焼ガスからボイラ水への熱の伝達が阻害される。また水管の内側でも、ボイラ水の蒸発によって水中に含まれていた不純物が析出し、水管内面にスケールが付着することがあり、スケールも熱の伝達率が低いため、この場合にも燃焼ガスからボイラ水への熱の伝達が阻害される。

ボイラの水管に煤やスケールのような熱伝達率低下物質が付着して、燃焼ガスからボイラ水への熱伝達量が減少すると、蒸気発生量は低下し、利用されずに排出される熱量が増加することになって、ボイラ効率は低下する。効率が低下した状態でボイラの運転を継続すると、燃料を無駄に消費することになるため、水管の汚れを監視しておいて、水管に汚れが発生した場合には汚れを除去するようにしている。燃焼ガスからボイラ水への熱の伝達効率が低下した場合、ボイラから排出される燃焼排ガスは熱を多く持ったままとなって排ガス温度が高くなるため、排ガス温度の上昇を検出することによって水管の汚れを判断することができる。実開平成２−１４０１３１号公報に記載の考案では、一定時間継続して燃焼を行った時の排ガス温度を検出し、この排ガス温度が基準値を超えると、異常発生の判定を行うようにしている。

ここで一定時間継続燃焼した時との条件が付いているのは、排ガス温度は水管の汚れ以外の条件によっても変化するためである。燃焼時間が短い場合やボイラ内の温度が低い場合には、水管に煤などが付着していても排ガス温度の検出値は低いものとなるため、水管の汚れを検出することはできない。また、高燃焼／低燃焼のように燃焼量の変更を行うようにしており、燃焼装置で発生する熱量が変化するボイラの場合には、燃焼量によって排ガス温度の値が異なる。そのため、最大の燃焼量で一定時間継続した時の排ガス温度に基づいて水管の汚れを検出するようにしている。

しかしボイラの設置環境によっては、水管汚れの検出が行えないということがあった。例えば負荷が少なく高燃焼での燃焼時間が極端に少ない設置環境では、水管に汚れが付着して燃焼ガスからボイラ水への熱の伝達効率が低下していても、燃焼量は低燃焼であるために排ガス温度は低いということがある。この場合には、水管に汚れが付着することで排ガス温度が上昇していても、元の温度が低いために排ガス温度は水管汚れ判定の基準値まで上昇していないということになり、水管の汚れを検出することが遅れるということになっていた。

実開平成２−１４０１３１号公報

本発明が解決しようとする課題は、燃焼量の変更を行うボイラでも水管への煤やスケールの付着を精度良く検出することができる水管汚れの検出を行うボイラを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、燃焼量の増減を可能としている燃焼装置、燃焼装置にて発生した熱を受けて水管内部のボイラ水を加熱し、蒸気を発生する伝熱用の水管、ボイラから排出している燃焼排ガスの温度を検出する排ガス温度検出装置、ボイラで発生している蒸気の温度を検出する蒸気温度検出装置を持ち、必要負荷量に合わせて燃焼量の増減を行っているボイラにおいて、燃焼量に対応させて設定している燃焼量毎設定値に、蒸気温度検出装置にて検出している蒸気温度検出値から算出される補正値を加えることで排ガス温度異常判定値を算出し、排ガス温度検出装置にて検出している排ガス温度検出値が、算出した排ガス温度異常判定値よりも判定設定時間以上連続で越えた場合に、水管に汚れが付着しているとの判定を行うことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記の水管汚れの検出を行うボイラにおいて、蒸気温度検出値に基づいて算出する補正値は、蒸気温度検出装置にて検出した蒸気温度検出値と予め定めておいた蒸気温度設定値の差に、燃焼量に対応させて設定していた補正係数を乗算することによって算出するものであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記の水管汚れの検出を行うボイラにおいて、前記燃焼量毎設定値はボイラの燃焼量が大きい場合には大きな値に設定し、燃焼量が小さな場合には小さな値に設定するものであることを特徴とする。

本発明を実施することで、燃焼量の変更を行うボイラであって高燃焼での燃焼時間が極端に少ないなど、燃焼状態に片寄りが発生するボイラでも、水管への煤やスケールの付着の検出を精度よく行うことができる。

本発明の一実施例におけるボイラの構成図 図１のＡ−Ａ断面図 水管表面に汚れのない状態での燃焼ガスからボイラ水への熱伝達状況のイメージ図 水管表面に汚れがある状態での燃焼ガスからボイラ水への熱伝達状況のイメージ図

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施しているボイラのフロー図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３と図４は燃焼ガスからボイラ水への熱伝達状況のイメージ図であり、図３は水管表面に汚れがない状態、図４は水管表面に汚れがある状態を示している。

ボイラは上部と下部に設けた環状の管寄せ間を多数の垂直な水管２で連結した缶体を持つものであり、水管２で囲まれる中央の空間を燃焼室としている。燃焼室の上部には下向きに火炎を発生させる燃焼装置１を設けており、燃焼装置１へ燃料と燃焼用空気を供給して燃焼を行う。燃焼装置１への燃料供給は、低燃焼用燃料弁６と高燃焼用燃料弁７を通じて行うようにしており、低燃焼用燃料弁６のみを開いた場合に供給する燃料量が低燃焼用の燃料供給量となり、低燃焼用燃料弁６と高燃焼用燃料弁７の両方を開いた場合に供給する燃料量が高燃焼用の燃料量となる。そのため、高燃焼時には低燃焼時よりも多くの燃料を供給することになる。燃焼装置１への燃焼用空気の供給は、送風機８で空気を加圧して燃焼装置１へ供給する。燃焼用空気の供給量調節は、送風機８での回転数増減と、送風路の途中に設けたダンパ１０での流路面積の増減によって行い、高燃焼の場合には高燃焼の供給量、低燃焼の場合には低燃焼の供給量とする。燃焼用空気の供給量も、高燃焼時には低燃焼時よりも多くの燃焼用空気を供給する。

燃焼室の回りを囲む水管２は２列の環状に配置しており、内側水管列と外側水管列からなるそれぞれの水管列では隣り合う水管の間をヒレにて閉塞しておく。内側水管列と外側水管列の間にできる環状の空間を燃焼ガス通路とし、内側水管列では水管間をつなぐヒレを下部で開口し、外側水管列では水管間をつなぐヒレを上部で開口する。内外水管列間にできる燃焼ガス通路は、内側水管列下部に設けた開口部で燃焼室と接続し、外側水管列上部に設けた開口部で排ガス通路５と接続する。燃焼ガス通路を通過した燃焼排ガスは、排ガス通路５を通して戸外へ排出する。

燃焼装置１にて燃焼を行うと、火炎の熱はまず燃焼室に面している水管２を加熱する。次に高温の燃焼ガスは、燃焼室下部に設けている水管間の隙間を通して燃焼ガス通路内へ入る。燃焼室下部での水管間の隙間は燃焼室周りの全周に設けているため、燃焼ガスは燃焼室から放射状に流れて燃焼ガス通路内に入り、燃焼ガス通路内を上向きに流れる。その際に燃焼ガスは、燃焼ガス通路に面している水管を加熱する。その後燃焼ガスは、燃焼ガス通路の上部から排ガス通路５に流れ、ボイラ内での熱交換を行うことで温度の低下した燃焼ガスは、排ガス通路５を通して戸外へ排出される。

ボイラへの給水は、記載していない水位検出装置と給水ポンプなどからなる給水装置によって行う。ボイラでは内部の水位を検出しておき、蒸発によって給水開始水位まで水位が低下すると、給水ポンプの作動を行ってボイラ内の水位を上昇させ、給水を行うことで給水停止水位まで水位が上昇すると給水ポンプの作動を停止する、ということを繰り返すことによって、水位を一定の範囲内に保つ。水管２内にボイラ水を供給した状態で水管２の外側に燃焼ガスを流すと、燃焼ガスの熱が水管２を通して内部のボイラ水へ送られる。水管２内で加熱されたボイラ水は蒸気を発生し、水管内を上方に流れる。各水管で発生した蒸気は水管上部に設置している上部管寄せで集合した後に気水分離器へ送られ、気水分離器で蒸気と液体に分離した後、蒸気がボイラから取り出される。ボイラには蒸気温度を検出するための蒸気温度検出装置４を設けており、蒸気温度検出装置４によって蒸気温度の検出を行う。なお、ここで記載の蒸気温度検出装置４は、蒸気圧力値から換算するものや、ボイラ水の温度を検出することで行うものであってもよい。また、排ガス通路５にはボイラから排出されている燃焼排ガスの温度を検出する排ガス温度検出装置３を設けておく。

蒸気温度検出装置４と排ガス温度検出装置３は、ボイラの運転を制御する運転制御装置９に接続しておき、検出した蒸気温度や排ガス温度の値は運転制御装置９へ出力するようにしておく。運転制御装置９は、ボイラから供給している蒸気圧力値が所定の値を保つことを目指して燃焼量の調節を行う。運転制御装置９では、検出している蒸気圧力値に基づいて燃焼量を決定し、低燃焼用燃料弁６、高燃焼用燃料弁７、送風機８、ダンパ１０等の操作を行う。運転制御装置９では、必要燃焼量の算出と、算出した燃焼量となるようにボイラの運転を制御するとともに、ボイラの状態監視を行う。

図３と図４は水管２部分における熱伝達のイメージを示したものであり、水管の表面に汚れがない水管における熱の伝達状況例と、水管の表面に煤やスケールが付着した場合における熱の伝達状況例を比較したものである。水管２は鋼管によって形成されており、鋼管部分における熱の伝達性は非常に高い。水管の表面に煤やスケールといった熱伝達を阻害する物質が付着していない場合には燃焼ガスからボイラ水への熱の伝達効率は高いものとなる。しかし、燃焼時に発生した煤が水管の外側表面に付着して堆積した場合や、水中に含まれているカルシウムやマグネシウムなどの硬度成分が水管内で濃縮して水管の内側表面でスケールとして付着した場合、煤やスケールは熱を通しにくいものであるため、水管内のボイラ水に同じ熱量を伝えようとした場合、より多くの熱が必要となる。図３と図４の例では、蒸気の温度はどちらも１７０℃となっているが、熱伝達を阻害する物質の有無によって排ガスの温度は異なっている。図３の汚れなし水管の場合、水管外側表面温度は２００℃、水管内側の表面温度は１９０℃となっている。この場合、水管内のボイラ水は１９０℃の水管内側表面に接しており、水管外側の燃焼ガスは２００℃の水管外側表面に接する。燃焼ガスは２００℃の水管外側表面に熱を伝えるものであり、加熱される側である水管外側表面の温度が低い場合には、燃焼ガスの温度がより低くなるまで熱の伝達が行われ、排ガス温度は２５０℃となっている。

これに対して水管の内側表面にスケールが付着し、外側表面に煤が付着している図４の汚れあり水管では、スケールの層と煤の層で断熱作用が発生するため、スケール層の内外表面と煤層の内外表面で温度差が発生している。図４の例では、水管外側表面に付着している煤の外側で３５０℃、煤の内側であって水管の外側表面で２８０℃となっており、水管の内側表面で２７０℃、ボイラ水に接するスケール層の表面では１９０℃となっている。この場合、水管内のボイラ水温度１７０℃とボイラ水が接している部分の温度１９０℃は図３と図４で同じであって、ボイラ水が取り込む熱量は図３と図４で同じになっている。しかし図４の場合、燃焼ガスから熱の吸収を行う煤の表面は３５０℃となっている。これは途中にある煤の層とスケールの層では熱の伝達効率が悪いため、熱が途中で止まってしまっていることによる。この場合、燃焼ガスが直接加熱するのは３５０℃となっている煤の外側表面であるため、高温の燃焼ガスでなければ加熱することができない。そのため、この場合の排ガスの温度は４００℃となっている。排ガス温度が高いということは、燃焼ガスからボイラ水へ送られる熱量が少ないということであり、排ガスとして多くの熱が廃棄されているため、水管表面に熱伝達を阻害する物質が付着したことによってボイラの効率が低下する。

ボイラ効率が低下した状態でボイラの運転を行うと、燃料消費量が増加するため、水管汚れの監視を行っておき、汚れが検出された場合には煤やスケールの除去を行う。図４に記載したように、水管表面に熱伝達阻害物質が付着すると排ガス温度が上昇するので、排ガス温度が排ガス温度異常判定値よりも高くなった場合には、水管に汚れが付着しているとの判定を行う。ただし、排ガス温度の変化は水管の汚れだけではなく、燃焼装置１での燃焼量の変化や水管内のボイラ水温度によっても発生する。

燃焼装置１による燃焼量が小さい場合は、発生する熱量が少なくなるために水管を加熱する燃焼ガス温度は比較的低いものとなり、それに伴って排ガス温度も低くなる。逆に燃焼装置１による燃焼量が大きい場合には、発生する熱量が大きくなるために燃焼ガス温度は比較的高いものとなり、それに伴って排ガス温度も高くなる。水管に汚れが付着した場合には排ガス温度が上昇するが、排ガス温度にて水管の汚れを検出する場合には、燃焼量などの条件を揃えておく必要がある。

排ガス温度は燃焼状態によって異なることになるため、一般的には、最大の燃焼量で一定時間連続して燃焼したことにより排ガスが最も高くなっている状態を基準として排ガス温度の異常判定用設定値を設定しておき、排ガス温度の検出値が異常判定用設定値より高くなった場合に異常の判定を行っている。しかしその場合、高燃焼での燃焼時間が極端に少ない設置環境であると、水管の汚れを検出することができないことになり、水管に汚れが付着して効率が低下したままで運転を行うことになってしまう。

また、飽和蒸気を供給しているボイラでは、蒸気圧力と蒸気温度は一対一の関係にあり、蒸気圧力の変動に伴って蒸気温度が変化しており、水管内のボイラ水温度も蒸気温度に連動して変化している。そして水管内の温度が低い場合、より低い温度の燃焼ガスからも熱を取り込むことができるため、燃焼排ガスの温度は低くなる。逆にボイラ水温度が高い場合、燃焼ガスからボイラ水へ送られる熱量が減少するため、燃焼排ガスの温度も上昇することになる。そのため、蒸気温度（ボイラ水温度）の変化によっても排ガス温度は変化する。

以上のような性質があるため、排ガス温度の検出値と判定値の大小を比較するだけでは、その上昇が燃焼量の変更によるものや、ボイラ水の温度上昇によるものであって、水管に熱伝達を阻害する汚れが付着していない場合と、水管に汚れが付着している場合の区別ができないこととなる。

そこで本発明では、水管の汚れ付着を判定するための排ガス温度異常判定値をボイラの運転状況によって補正するようにしている。水管の汚れ判定は運転制御装置９で行っており、運転制御装置９では排ガス温度検出装置３によって検出している排ガス温度検出値の他に、蒸気温度検出装置４にて検出している蒸気温度検出値と、運転制御装置９が指示しているボイラの燃焼量に関する情報に基づき、水管の汚れを判定する。

運転制御装置９での水管汚れの判定は、排ガス温度の検出値が排ガス温度異常判定値よりも高くなったことを検出して行う。そして排ガス温度異常判定値は、燃焼量に対応させて設定している燃焼量毎設定値に、蒸気温度検出装置にて検出している蒸気温度検出値によって定まる補正値を加えることで算出する。排ガス温度検出装置にて検出している排ガス温度検出値が、算出した排ガス温度異常判定値よりも判定設定時間以上連続で越えた場合に異常の判定を行う。前記の燃焼量に対応させて設定している燃焼量毎設定値は、燃焼量が小さい場合には小さな値を設定し、燃焼量が大きな場合には大きな値を設定しており、例えば低燃焼の場合は３５０℃、高燃焼の場合は４００℃とする。

蒸気温度検出値に基づいて算出する補正値は、予め定めておいた蒸気温度設定値と蒸気温度検出装置にて検出した蒸気温度検出値の差に、燃焼量に対応させて設定していた補正係数を乗算することによって算出する。つまり、排ガス温度異常判定値＝燃焼量毎設定値＋補正値とし、補正値＝（蒸気温度検出値−蒸気温度設定値）×補正係数とする。例えば、予め定めておいた蒸気温度設定値が１７０℃、蒸気温度検出値が１７５℃であって、補正係数が１．２であったとすると、補正値＝（１７５℃−１７０℃）×１．２＝＋６℃となる。

燃焼状態が低燃焼であって、低燃焼での燃焼量毎設定値３５０℃、蒸気温度設定値１７０℃、蒸気温度検出値１７５℃、補正係数１．２、判定設定時間５秒であったとすると、排ガス温度異常判定値＝３５０℃＋（１７５℃−１７０℃）×１．２＝３５６℃となるため、排ガス温度検出値が３５６℃よりも高い状態が連続で５秒以上継続した場合、水管に汚れが付着しているとの判定を行う。

同様に、燃焼状態が高燃焼であって、高燃焼での燃焼量毎設定値４００℃、蒸気温度設定値１７０℃、蒸気温度検出値１６５℃、補正係数１．０、判定設定時間３秒であったとすると、排ガス温度異常判定値＝４００℃＋（１６５℃−１７０℃）×１．０＝３９５℃となるため、排ガス温度検出値が３９５℃よりも高い状態が連続で３秒以上継続した場合、水管に汚れが付着しているとの判定を行う。

このように燃焼状態に応じて適切な判定値を設定しておくと、燃焼時間の大部分は低燃焼であって高燃焼となる時間は僅かとなるなど、燃焼状態に片寄りが発生するボイラであっても、水管表面に煤やスケールといった熱伝達を阻害する物質が付着した場合には水管の汚れを検出することができる。また、機種や個体差によって蒸気温度と排ガス温度の相関が異なる場合でも、補正係数の調節によって判定値を適切な値とすることができるため、水管の汚れの検出精度をより高くすることができる。

なお、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

１ 燃焼装置
２ 水管
３ 排ガス温度検出装置
４ 蒸気温度検出装置
５ 排ガス通路
６ 低燃焼用燃料弁
７ 高燃焼用燃料弁
８ 送風機
９ 運転制御装置
１０ ダンパ

Claims (3)

1. 燃焼量の増減を可能としている燃焼装置、燃焼装置にて発生した熱を受けて水管内部のボイラ水を加熱し、蒸気を発生する伝熱用の水管、ボイラから排出している燃焼排ガスの温度を検出する排ガス温度検出装置、ボイラで発生している蒸気の温度を検出する蒸気温度検出装置を持ち、必要負荷量に合わせて燃焼量の増減を行っているボイラにおいて、燃焼量に対応させて設定している燃焼量毎設定値に、蒸気温度検出装置にて検出している蒸気温度検出値から算出される補正値を加えることで排ガス温度異常判定値を算出し、排ガス温度検出装置にて検出している排ガス温度検出値が、算出した排ガス温度異常判定値よりも判定設定時間以上連続で越えた場合に、水管に汚れが付着しているとの判定を行うことを特徴とする水管汚れの検出を行うボイラ。
2. 請求項１に記載の水管汚れの検出を行うボイラにおいて、蒸気温度検出値に基づいて算出する補正値は、蒸気温度検出装置にて検出した蒸気温度検出値と予め定めておいた蒸気温度設定値の差に、燃焼量に対応させて設定していた補正係数を乗算することによって算出するものであることを特徴とする水管汚れの検出を行うボイラ。
3. 請求項１又は２に記載の水管汚れの検出を行うボイラにおいて、前記燃焼量毎設定値はボイラの燃焼量が大きい場合には大きな値に設定し、燃焼量が小さな場合には小さな値に設定するものであることを特徴とする水管汚れの検出を行うボイラ。
   

Images