JPH041255B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は蒸気発生器の対流部分に堆積する灰の
監視と制御を行う方法に関する。

［従来の技術］ 微粉炭を燃焼させるボイラーの運転において、
石炭に含まれる灰の大部分が燃焼室の水壁上やボ
イラーの対流部分の熱交換管上に付着する。この
灰の付着物は熱伝導率が低く、表面の輻射特性を
変化させ、火災や燃焼ガスから管を隔離する。こ
れらの結果として、炉壁ならびに対流部分の管の
両者に対して有効なガスから管への熱伝達が阻害
される。

我々の米国特許第4408568号には、ボイラー内
に存在する実際の熱流束とボイラーの壁に到達す
る熱流束を同時に測定し、これらの熱流束の値の
差を内側壁に付着した灰の堆積量の尺度として決
定することにより、微粉炭によるボイラーの内側
壁に付着する灰の堆積を監視する方法が述べられ
ている。炉の汚れ程度を指示する信号は、炉のオ
ペレータによりすすブロワーの操作開始の決定と
して、および／または他の炉の制御作用の開始の
決定として使用されるか、あるいは、すすブロワ
ーの操作または他のボイラー制御の自動開始のた
めに用いられる。

蒸気発生器の対流部分において、外部にガス流
が接触し中を蒸気が流れる管壁を通して、熱が対
流および伝導により燃焼ガス流から管壁内に転移
される。通常、流動するガス流により順次に接触
される熱交換管の列が備えられている。対流部分
の機能は、通常、動力を発生するために蒸気で駆
動されるタービンへの蒸気の送気前に圧力蒸気を
過熱し、また、タービンの高圧側から戻された低
圧蒸気をタービンの低圧側へ再循環させる前に再
加熱することにある。

［発明が解決しようとする課題］ 前述したように、灰の付着はまた、ボイラーの
対流部分の管上にも生じうる。現在、対流部分に
付着する灰の量を評価したり、熱をガス相から蒸
気へ転移させる熱交換面の能力をその付着物がど
の程度まで減退させたかを評価する直接的手段は
用意されていない。

さらに、灰は不均等に付着する。管列のある特
定の水平面を横切つて、一側または一方のコーナ
ーの方が他側または他方のコーナーより多くの汚
れが生じることがあり、この結果、通例チヤンネ
リングと呼ばれるガス流の不均衡な分布が生じ
る。現在の蒸気発生器の運転方法では、その汚れ
の不均衡の程度を確認する手段はない。

対流部分の管から付着した灰の堆積物を除去す
るためにすすブロワーをいつ作動させていいかを
決定するには、オペレーターはいくつかの間接的
信号と機会ある毎に視覚的検査を行うことにたよ
らざるを得ない。このように、より直接的な情報
が不足するために、非効率的となり、制御が逆に
なつて運転が不安定となり、ときには、運転を停
止させざるを得ないほどの大変な汚れとなること
がある。さらに、対流部分の管が実際にはきれい
であるのに、すすブロワーを必要もないのに用い
たり過度にかけたりすることもある。すすブロワ
ーをかける作用は熱交換管を浸食するので、必要
もなしにすすブロワーをかけることは有害であ
り、かつ費用もかかることになる。

市販されている診断システムもあるが、これら
はボイラーの出口における状態を測定することに
基づいている。これらのシステムは汚れを間接的
にしか測定できないし、応答時間も長いので、そ
の信号は満足な制御を行うためには一般的に不適
切である。

したがつて、ボイラーの運転が改善されるよう
に、蒸気発生器の対流部分に堆積する灰を直接測
定する方法を提供する必要がある。

［課題を解決するための手段］ そこで、本発明によれば、流動する熱ガス流が
熱交換面内を流れる蒸気を加熱するため該熱交換
面と接触する蒸気発生装置の対流部分の熱交換面
上での灰の堆積を制御する方法を提供し、この方
法は、ガス流の流動方向に間隔をおいて、かつ間
に選択された数の熱交換面が配置される流動する
ガス流内の２つの位置で、ガス流の温度を直接測
定し、これら２つの位置間の温度差を選択された
数の熱交換面上の灰の堆積量の尺度として計算
し、灰の堆積の予め定められた基準に応答して選
択された数の熱交換面の清掃を作動させることか
らなる。

したがつて、本発明においては、流動するガス
流中の２つの縦方向に間隔をおいた位置で、ガス
流から熱を回収する熱交換面上を流れる熱ガス流
の温度が直接測定される。これら２つの位置間の
温度差は、これらの直接測定により決定され、こ
の温度差は２つの位置間の熱交換面上の灰の堆積
量の尺度として用いられる。

灰の堆積量、すなわち汚れの程度は汚れ係数を
決定するために用いられ、次にこの汚れ係数は、
汚れ係数の予め定められた値に応答して熱交換面
の清掃を行い、これによつて熱交換面上の灰の堆
積を制御するために用いられる。

温度の直接測定は、熱ガス流を閉じ込める壁の
開口を通して観測する汚れない熱流束計も使用で
きるが、好ましくは輻射熱高温計によるいかなる
通常の方法ででも行なうことができる。

本発明の１つの実施例においては、輻射熱高温
計または適切な代替品と熱流束計または適切な代
替品との組合せを使用することによつて、蒸気発
生器の対流部分に堆積する灰の量や分布状況を決
定する方法が提供される。輻射熱高温計または適
切な代替品は対流部分の熱交換管の列を横切るガ
ス温度の差を測定し、一方、熱流束計または適切
な代替品は不均等な灰の堆積によつて生じるガス
のチヤンネリングを監視する。

輻射熱高温計は管の列と列の間のガス空間に焦
点を合せられる。高温計の読みはガス流中の水蒸
気、二酸化炭素、石炭灰粒子の濃度の変化によつ
て生じるガス流の輻射能の変化に対して補正され
る。この補正は、石炭および空気の処理量率や灰
の含有量と同時に高温計の読みを監視する専用の
ミニコンピユーターまたはマイクロコンピユータ
ーを使つて、連続的にしかもオンラインでうまく
計算される。１つの管列を横切つて配置された２
つの高温計を使用することによつて、その列がガ
ス温度の低下が測定される。同一管列を横切つて
の蒸気の流量率とその温度降下は、これは近代的
な蒸気発生器の運転においては通常測定されるも
のであるが、同様にコンピユーターへ送られる。
高温計によつて決定されたガス温度降下と共に上
記情報を用いることにより、コンピユーターは、
詳しくは後述するように、汚れ係数R_Fを連続的
に計算する。この汚れ係数は管の列の汚れの程度
に一義的に比例し、その値は、例えばカラーコー
ド化されたダイアグラムの形でのように、数字に
または視覚的にモニタースクリーン上に表示され
る。この値はまた、どのような手頃の媒体にも記
録され得る。

前述したように、不均等な汚れによつて燃焼ガ
スの流れが管の列内でチヤンネルを形成する。本
発明の好ましい実施例においては、熱流束計が対
流部分を包囲する水管壁上の重要な位置に配置さ
れる。ある場合には、この部分の汚れが１つの問
題となることがあり、水管壁上に配置した熱流束
計に代わる適切な代替品としては、開口を通して
観測される汚れない熱流束計とすることができ
る。他の場合は、ガス流内に突出する熱電対を使
用することが好都合である。

これらのメーターの１つにより監視される熱流
束がその列の特定レベルに対する平均より大幅に
低いかおよび／または高い時には、これは管列が
不均等に汚れていることを示し、この情報は同様
に数字であるいは視覚的にモニタースクリーンの
上に表示され、所望により、いかなる手頃な媒体
にも記録できる。

蒸気発生器のオペレーターは最適の操作結果と
管の最小限の浸食のため、汚れ係数とガスチヤン
ネリング情報を用いて、選択された対流部分の列
から灰の堆積物を除去するようにすすブロワーの
定期的かつ選択的操作を決定する。あるいは、熱
交換管の特定列に対して特定値R_Fが記録される
時、すすブロワーを自動的に駆動させるために、
信号を使用することができる。チヤンネリング信
号は、命令を抑えまたはすすブロワーを選択的に
駆動させるために用いることができ、これによつ
て、不必要なブロー作用やそのための管の浸食、
蒸気の損失を防ぐことができる。

［実施例］ 以下、本発明を添付図面を参照しながら、実施
例によつて説明する。

図面を参照すれば、第１図は石炭燃焼式ボイラ
ー１０を概略的に示す。微粉炭と空気がバーナー
１２を通つてボイラー１０の燃焼室１４へ供給さ
れる。周知のように、炉壁１６は複数の平行管で
成り、その中で蒸気が発生され蒸気収集システム
（不図示）へ送られる。

燃焼ガスはボイラー１０の対流部分１８へ上昇
する。この対流部分１８は熱交換管の列２０，２
２を有し、そこを通つて蒸気は周知のように過熱
および再加熱のために送られる。燃焼ガスは次に
エコノマイザー２４およびエアヒーター（不図
示）を通りライン２６により大気へ排出される。

ボイラー１０の運転中、灰とスラツグが炉壁１
６ならびに熱交換器の列２０，２２に付着し、そ
してそれらの管に粘着することによつてこれらの
管表面を通しての熱吸収を減退させ、その他運転
の困難を生じさせる。すすブロワー（第１図には
示さず）がボイラー１０の各所に配置され、それ
は蒸気の噴流を付着物の堆積物に向けることによ
つてその堆積物を熱交換器の管表面から除去する
ように作動する。

前述したように、米国特許第4408568号におい
ては、複数個の熱流束計を火炎に直接向けて炉壁
１６内に配置することにより、炉壁１６の灰や他
の付着物の堆積を監視する方法が示されている。

本発明は列２０，２２，２４を形成する熱交換
器の管に対する付着物の堆積の監視に関し、その
特定部分の参照用として、熱交換器管の列２０の
概略立面図と平面図をそれぞれ示す第２図および
第３図を用いる。

熱交換器管の個々の列２８の構成は全く通常の
もので一連の管によりなり、それらの管は蒸気を
運び、管壁を通して流動するガス流３０から熱を
移し、流動する蒸気を加熱する。水平方向に配置
された引つこみ自在なすすブロワー３２が個々の
列２８と、管表面から付着物の堆積を除去するた
めに組合されている。

本発明によれば、輻射熱高温計３４が熱交換管
の列２０の上端と下端の両方および垂直方向に隣
接する組の間に配置される。また、対流部分の管
２０あるいは２２（あるいは実際上エコノマイザ
ー２４に対しても）の全部の列に対して一対の高
温計３４を備えることができ、または、地域条件
の要求次第では、熱交換管の１つの単位列２８か
あるいは選択された複数の単位列に対して一対の
高温計３４を備えることもできる。各高温計３４
はその位置でガス流３０の温度を測定する。この
高温計３４は、普通、列２０あるいは２２の長手
方向中心線の所でガス流に焦点が合せられる。

それらの高温計３４は、二酸化炭素と水が輻射
線を吸収し放出する波長範囲に敏感な種類のもの
である。高温計の信号を真の温度測定値に変換す
るためには、ガス空間の固有輻射能に対する補正
が必要である。輻射能は水分パーセント、二酸化
炭素パーセント、石炭中の灰分パーセント、総空
気流量およびガス温度により影響を受ける。その
補正はガス相の成分から計算によつて行われる。
あるいは、高温計３４は二酸化炭素と水が輻射線
を放出せずおよび／または吸収しない波長範囲に
敏感な種類のものでもよい。この場合、信号は普
通ガス流中の固形微粒子にしたがい、その温度測
定値は通例、総空気流量と石炭中の灰分パーセン
トおよび石炭の供給率に対するデータを用いて補
正される。普通、補正のための計算は専用コンピ
ユーターによりオンラインで行われる。所望であ
れば、特定の波長に敏感ではないが総輻射線を測
定するような高温計のように、個々の場合によつ
てどちらの種類の高温計でも使用することができ
る。さらに他の特定の場合には、米国特許第
4408568号に示された種類の１つのような汚れな
い熱流束計を使うこともできる。この場合も、信
号に対する適切な補正が行われる。

この高温計３４は列２８のほぼ中心線に沿つて
熱交換管の列２８を横切る縦方向の温度降下を測
定する。列２８の個々の管が汚れるにしたがつ
て、蒸気を加熱するため管面を横切る熱の転移は
より少なくなり、高温計３４の各対間の温度降下
をより小さくなる。そこで測定された温度差はオ
ンラインコンピユーターへ送られ、このコンピユ
ーターへは、前述したように、蒸気温度および流
量の測定値や高温計の読みの補正に対するデータ
も供給される。

熱交換器の列に存在する関係は次の方程式(1)に
より与えられる。

Ｑ＝UA△T_1n (1) 上式で、Ｑは蒸気により吸収された熱量で、管
の蒸気側における温度と流量率の測定値から決定
されるものであり、△T_1nは蒸気ライン中にある
輻射熱高温計と熱電対により測定される列を通し
ての対数平均温度降下であり、Ａは管の表面積、
Ｕは管の有効伝熱係数で、その一部は管の汚れに
より影響される。

汚れ係数はR_Fは方程式(2)から決定することが
できる。

１／Ｕ＝１／（hc）_f＋１／（hc）_s＋Ｌ／Ｋ＋R_F (2) 上式でＵは方程式(1)から決定される有効伝熱係
数、R_Fは汚れ係数、（hc）_fは管のガス流側におけ
る対流伝熱係数、（hc）_sは管の蒸気側における対
流伝熱係数であり、ＬとＫとはそれぞれ対流部分
の管の厚みと熱伝導率である。

方程式(1)と(2)とを用いて行われるべき計算は、
測定された温度と流量率とを受入れ、Ｕを計算
し、ひいてはR_Fを計算するようにプログラムが
組まれたコンピユーターにより最も有効に行われ
る。汚れ係数R_Fは、数値としてオペレーターに
与えられるか、あるいは、対流部分の汚れのグラ
フ表示の一部としてモニタースクリーン上に表示
され、これは燃焼過程を制御する際オペレーター
の助けとなるように、汚れの程度を示すために色
分けがなされている。

その汚れがどの特定列２８に対しても予め定め
られた基準に達したときには、オペレーターが介
入する結果として、またはコンピユーターによる
自動作動によつて、その列にある熱交換管の表面
から付着物の堆積を除去するため、その列用のす
すブロワー３２が作動する。

本発明の好ましい実施例においては、チヤンネ
ルリングの測定に応答してあるすすブロワー３２
の作動を抑える手段が講じられる。前述したよう
に、水平面における汚れの程度が異なる結果とし
て、熱交換管の列２８においてガスのチヤンネリ
ングが生じる。水平面にある対流部分１８の水管
壁３８に熱流束計３６が配置される。そのような
熱流束計３６を４組以上水平に並べたものを、列
２０，２２内の縦方向に間隔をおいた位置に配置
することができる。

これらの熱流束計３６はそれぞれそのメーター
に到達する熱流束を測定する。熱流束計３６はど
のような手頃の構造をもつものであつてもよい。
それらの熱流束計は管壁に固定され汚れる型のも
のである。あるいは、壁が汚れるとするならば、
壁にある開口を通して観察される前述の型の汚れ
ない熱流束計を使用することもできる。さらに他
の特定の場合には、その保護壁がガス流中へ突出
するような熱電対を使用することも有利である。

各メーター３６へ到達する熱流束は特定の熱交
換管の列２８を通るガス流３０により測定され
る。チヤンネリングがないときには、各熱流束計
３６に到達する熱流束は、事実上同じである。し
かしながら、汚れが熱交換管列２８の水平末端部
のある部分に生じがちの場合には、ガス流はその
管列２８の残りの部分へ流れ、汚れがちの部分よ
り大きくなる。これらの状況のもとでは、熱流束
計３６へ到達する熱流束はそれぞれ異なる。輻射
熱高温計３４はこれらの変化を必ずしも検知しな
い。なぜなら、それによつて行われる温度の測定
は、管列２８のほぼ中央部分を通るガス流に関す
るものだからである。したがつて、熱流束計３６
はチヤンネリングの程度を監視するために使用さ
れ、それによつて行われる熱流束の測定は、汚れ
がちの部分にある熱交換管を選択的に清掃するた
めにすすブロワーの選択されたものを手動または
コンピユーターによる自動制御方法で作動させる
ため、好都合に使用される。このような選択され
たすすブロワーの操作は、輻射熱高温計３４によ
り探知される汚れの状態に応答してすすブロワー
が全部作動するのを防ぐ。清掃を必要とする部分
だけがすすの吹き飛ばしに実際にさらされること
になる。このようにして、管の腐食やかなりの費
用や運転上の問題が最小限に抑えられ、蒸気の節
約も最大となる。

ガス流３０からの固形付着物によるボイラー１
０の対流部分１８の汚れは、このようにして輻射
熱高温計３４を熱流束計３６によつて監視され
る。これらの計器よつて行われる測定は、対流部
分の状態に関してオペレーターへの情報を発生さ
せるように処理されるか、あるいは、それらの測
定によつて指示された予め定められた状態の組合
せに応答して、すすブロワーを使つて管の清掃操
作をコンピユーター制御により自動的に行わせる
ために使用される。

ガス流温度の直接測定は輻射熱高温計を使つて
行われ、この測定値は対流部分に付着した灰や他
の固形物の堆積を正確に瞬間的に測定するために
使用される。ガス流の放射特性を補償することに
より、また、チヤンネリングの効果を考慮するこ
とにより、ボイラーのオペレーターは、最初に、
ボイラーの正確な運転を可能とする情報を供給さ
れる。代りに、対流部分の正確な自動清掃が、集
められたデータに基づいたコンピユーター制御を
用いて行われ得る。このようにして、対流部分の
汚れや蒸気発生器の蒸気管の腐食に関する従来技
術の問題点が克服される。

本発明を要約すれば、本発明は、熱交換管の汚
れを正確に監視し、かつ制御できるような対流部
分の灰の監視および制御方法を提供するものであ
る。本発明の範囲内で変形が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される典型的な石炭燃焼
式蒸気発生器の概略図、第２図は本発明の好まし
い実施例が適用されるよう設計された対流部分の
熱交換器管の列の立面図、第３図は第２図の対流
部分の熱交換管の列の平面図である。 ［図中符号］１０……微粉炭燃焼式ボイラー、
１２……バーナー、１４……燃焼室、１６……炉
壁、１８……対流部分、２０，２２……熱交換管
の列、２４……エコノマイザー、２６……ライ
ン、２８……列、３０……ガス流、３２……すす
ブロワー、３４……輻射熱高温計、３６……熱流
束計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流動する熱ガス流が熱交換面と接触して該熱
   交換面内を流れる蒸気を加熱する蒸気発生器の対
   流部分の熱交換面上に付着する灰の堆積を制御す
   る方法において、 間に選択された数の熱交換面が配置されてい
   る、ガスの流動する方向に間隔をおいたガス流内
   の２つの位置で、ガス流の温度を連続的に直接測
   定する工程と、 該測定された温度を、流動するガス流の輻射能
   を補償するために調整する工程と、 前記選択された数の熱交換面上の灰の堆積量の
   尺度として、前記２つの位置間での調整された温
   度の差を計算する工程と、 計算された前記温度差から、灰の堆積を汚れ係
   数R_Fとして計算する工程と、 選択された数の熱交換面を通つて流れる蒸気の
   流量率と、熱交換面を横切つての蒸気の温度変化
   とを連続的に決定する工程と、 灰の堆積の予め定められた基準に応答して前記
   選択された数の熱交換面の清掃を作動させる工程
   とを含み、 前記汚れ係数R_Fは、下記の方程式 R_F＝１／Ｕ−１／（hc）_f−１／（hc）_s−Ｌ／Ｋ ここで、（hc）_fは熱交換面のガス流側における
   対流伝熱係数、（hc）_sは熱交換面の蒸気側におけ
   る対流伝熱係数、ＬとＫはそれぞれ熱交換面の厚
   みと熱伝導率であり、Ｕは次の方程式 Ｕ＝Ｑ／Ａ△T_1n から求められる伝熱係数で、 上式においてＱは蒸気により吸収される熱で、
   熱交換面の蒸気側における温度と流量率の測定か
   ら決定され、△T_1nはガス流の温度測定から決定
   される前記選択された数の熱交換面を横切つての
   対数平均温度降下、Ａは熱交換面の面積 に前記測定した値を代入することによつて決定す
   る、 ことを特徴とする対流部分に付着する灰の堆積を
   制御する方法。 ２ 前記汚れ係数が、蒸気発生過程を制御すると
   きおよび／または汚れた熱交換面を清掃するため
   に、蒸気発生器のオペレーターが使用するように
   モニタースクリーン上に表示される特許請求の範
   囲第１項記載の灰の堆積を制御する方法。 ３ 前記表示は汚れた領域を図示する対流部分を
   表わすものである特許請求の範囲第２項記載の灰
   の堆積を制御する方法。 ４ 前記汚れ係数は汚れた熱交換面の清掃を自動
   的に行うために用いられる特許請求の範囲第１項
   記載の灰の堆積を制御する方法。 ５ 熱交換面の複数の周囲位置に到達する熱流束
   を決定し、これら個々の決定値を決定値の平均と
   比較し、これら比較された決定値における予め定
   められた差に応答して自動的な清掃作業を無効に
   し、検知されたガス流の不均衡な分布に応答して
   当該熱交換面の一部分のみを選択的に清掃するよ
   うに駆動する特許請求の範囲第１項ないし第４項
   のいずれか１項記載の灰の堆積を制御する方法。