JPH0465282B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は貫流ボイラ装置に係り、特に起動時や
負荷変化時において良好な負荷特性を実現するに
好適な貫流ボイラ装置の水壁系統に関するもので
ある。

従来のこの種の貫流ボイラ装置用水壁系統は、
一般に第１図に示すように、給水はボイラ給水ポ
ンプ１で昇圧されたのち順次、ボイラ給水流調弁
２、ボイラ（ドレン）再循環合流部３、節炭器
４、水壁５を経て加熱され、次いで気水分離器６
に送られて気水分離される。分離物の内、ドレン
はドレンタンク８に貯えられたのちドレン再循環
ポンプ９で昇圧され、次いでドレン再循環流調弁
１０を通つて節炭器４の入口部に設けられたボイ
ラ再循環合流部３に戻される。

また、第１図中の１２と１７はそれぞれドレン
タンクのレベル制御系とボイラ給水の制御系を示
すものであるが、それらの詳細は第２図および第
３図に示される。先ず、制御系１２によるドレン
タンクレベルの制御は通常、検出器１１により検
知されるドレンレベルに比例して関数要素２１で
ドレン再循環流調弁１０を操作することにより行
なわれる。関数要素２１がドレン再循環流調弁１
０を全開させてもなおドレンタンクレベルが上昇
する場合には、関数要素２２によりドレンタンク
ブロー流調弁１３を操作してドレンをブローし、
もつてレベルを低下させる。

一方、制御系１７による節炭器給水量の制御は
通常、水壁流量検出器１５により検知される節炭
器給水量が給水指令１８に一致するようにボイラ
給水流調弁２を操作することにより行われる。た
だし、水壁５には水壁管を保護するためにボイラ
全負荷時の３割程度の流量（水壁最低給水量）を
確保する必要があるとされているため、給水指令
１８は最低値制限要素２３を通すことにより水壁
流量目標値３０とされている。また、節炭器４内
での蒸気発生（ウオータハンマ等の原因となる）
を防ぐため、水壁圧力検出器２０により検知され
る水壁圧力を関数要素２６に通して節炭器出口流
体温度制限値３１を作り、これと検出器１９で検
知される節炭器出口流体温度とを基に減算要素２
７および比例積分要素２８を経てスチーミング防
止信号３２を得る。この信号は、節炭器出口の流
体温度が制限値３１を越えると信号高選択要素２
９で選択に賦され、これにより給水量を増加し、
もつて節炭器内流体の温度を低下させる機能を持
つ。

このような構成の貫流ボイラは、水壁最低給水
量以下の蒸気を発生させる場合には再循環ライン
を用いた運転（再循環運転）となり、一方、水壁
最低給水量を越える蒸気を発生させる場合には再
循環ラインを用いない運転（貫流運転）となる。
そして、それらの中間にはベンソンポイントと呼
ばれる移行点が存在する。

しかるに、このような構成の従来貫流ボイラに
は次の欠点がある。

(1) 起動時にドレンタンク８からのブロー量が多
くなるため熱損失が大きくなり、従つて起動時
間が長い。

(2) 再循環運転中の蒸気圧力制御応答が遅い。

(3) ベンソンポイント付近で蒸気圧力制御上逆応
答が生ずる。

上記(1)の欠点は次の理由による。すなわち、ボ
イラ点火後は気水分離器６から出るドレンのエン
タルピが遂次上昇し、蒸気が発生する時点では飽
和水となる。しかるに、この飽和ドレンを節炭器
４へ再循環する場合には、節炭器４内での蒸気発
生を防ぐために節炭器４入口での給水エンタルピ
を飽和水のそれよりもかなり低く保つ必要があ
る。そのため、例えば気水分離器６から水壁最低
給水量に近い飽和水が流出している場合でも、こ
れを節炭器４入口に全量再循環することはでき
ず、ボイラ給水流調弁２から相当量の冷給水を流
入させる必要がある。しかし、このような状態下
ではドレンタンク１１のレベルが上昇するので、
熱損失を伴うもののドレンタンクブロー流調弁１
３から連続的に飽和水をブローしてバランスを保
たねばならない。このような状態は、蒸発量が増
加し、ドレンタンク８内のドレン量が相当減少す
るまで続く。ちなみに、実プラントは、点火後ボ
イラ全負荷時の20％程度の蒸発量が発生する時点
まで継続する例が知られている。通常、ボイラ起
動時には燃焼ガス温度制限等により燃料投入量が
制限されるので、上記の熱損失はそのまま起動時
間の延長要因となる。

次に、上記(2)の欠点は次の理由による。すなわ
ち、蒸気圧力は基本的には蒸発量に依存するが、
再循環運転中は水壁流量が最低給水量下で一定に
保たれるため、蒸気圧力制御は燃料量で行うこと
になる。しかし、燃料量を変化させても、蒸発量
に寄与する水壁吸熱量は水壁メタルの熱容量等に
基因して遅れを生じ、緩慢な変化に止まるためで
ある。

また、上記(3)の欠点は次の理由による。すなわ
ち、貫流運転時には通常、気水分離器６入口の流
体は十分乾いた蒸気になつているため、蒸気圧力
制御は給水量により行うことができる。これは、
蒸気圧力が低下した場合、給水量を増加すれば気
水分離器６入口の流体が乾いている限りそのまま
蒸発量が増加するからである。ところが、給水量
増加は気水分離器６入口の流体エンタルピを低下
させるため、ベンソンポイント近傍のように気水
分離器６入口の流体が十分な乾き蒸気になつてい
ない状態の下では、蒸気圧力の低下に対応して給
水量を増加すると気水分離器入口流体が気水混合
状態となつてむしろ蒸発量の発生が低下し、所謂
蒸気圧力制御の逆応答と呼ばれる現象を生ずる場
合がある。

このように、蒸気圧力の制御はボイラが循環運
転下にあるかあるいは貫流運転下にあるかに応じ
て適格に行う必要があるが、ベンソンポイント付
近では制御動作によりボイラの運転状態が変わつ
てくるので、蒸気圧力制御が難しくなる。

このような困難の解決策として、循環運転から
貫流運転に切替つた直後に水壁給水量を故意に減
らして気水分離器６入口の流体を過熱させ、かく
して発生する蒸気７が過熱器１０１を通つたのち
に過熱器注水弁１０４の流量を増加させて蒸発不
足分を補う方法が従来から試みられているが、こ
の方法は必然的に過熱器１０３出口の蒸気温度に
外乱をもたらすこととなるため好ましくない。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、定常運転に到る迄の中間負荷運用に際し、
起動時間や蒸気圧力の応答性および同安定性等で
代表される負荷特性の向上が可能な水壁系統を有
する貫流ボイラ装置を提供することにある。

本発明者は、中間負荷運用時における水壁最低
給水量の確保方法について検討した結果、前記の
欠点は水壁を水壁管毎に分割するとともに、これ
らを直列状に接続自在とすることにより解決され
ることを見出した。

本発明は上記知見に基づいてなされたもので、
節炭器の後流に沿つて順次、水壁、気水分離器、
ドレンタンク、ドレン再循環ポンプ、ドレン再循
環流調弁および節炭器の上流部に達するドレン再
循環系統等を備えた貫流ボイラ用水壁系統におい
て、上記水壁系統を水壁管に対応して複数個の同
様構成の系統に分割するとともに、該分割水壁系
統間に上流側分割水壁系統で発生するドレンを後
流側分割水壁系統の水壁へ案内自在とする直列ド
レン案内系統を設けたことを特徴とする。

本発明の好適態様においては、上記分割水壁系
統の少くとも１つに自己ドレン再循環系統を設け
ることもでき、この場合には、高温のドレンを再
循環できるので必要により蒸気蒸発量を過渡的に
増加させることが可能となる。

上記の構成とすることにより、定常（貫流）運
転時には各分割水壁系統を常法に従つて並列運用
し、貫流運転に到る迄の中間負荷運転時には分割
水壁系統を直列運用し、もつて水壁最低給水量に
基因する種々の問題を解消することが可能とな
る。

以下、図面に示す実施例により本発明をさらに
詳しく説明する。

第４図は、水壁を２分割した場合の本発明系統
例を示すものである。

この系統において、給水はボイラ給水ポンプ１
で昇圧された後順次、ボイラ給水流調弁２、ドレ
ン再循環混合部３および節炭器４を経て送られ、
その後２経路に分けられ、第１分割水壁３５と第
２分割水壁４４へ送られ加熱される。該加熱後の
流体はそれぞれ第１気水分離器３６と第２気水分
離器４５へ送られて気水分離され、分離蒸気はと
もに合流部４６で集められて過熱器（図示省略）
へ送られる。

ところで、この水壁系統は第１気水分離器３６
および第２気水分離器４５におけるドレン回収方
法の差により次の３つのモードに大別される。

(1) 並列運転モード (2) 直列運転モード (3) 直列運転高温流体集中モード なお、これらモードの中間的なものも存在する
ことは言うまでもない。並列運転モード(1)は、第
１ドレン再循環ポンプ３８および第２ドレン再循
環ポンプ６１の後流にそれぞれ設けられた第１ド
レン再循環直列流調弁３９および自己ドレン再循
環用の第２ドレン再循環集中流調弁４８を全閉と
した時の運転モードであり、第１ドレンタンク３
７と第２ドレンタンク４７のレベルは第１ドレン
再循環ポンプ３８および第２ドレン再循環ポンプ
６１の後流にそれぞれ分岐して設けられた第１ド
レン再循環並列流調弁４０と第２ドレン再循環分
散流調弁４９で制御される。そして、この状態下
で、節炭器４と第１分割水壁３５間の給水系統に
設けられた流調弁の可動ノズル３３および節炭器
４と第２分割水壁４４間の給水系統に設けられた
給水並列流調弁４２が原則として全開とされる。

このモードでは、２つの分割水壁３５および４
４に対して保護給水量が常に別々に必要となるた
め、水壁全体としての最低給水量は各分割水壁の
保護給水量の和となる。そのため、水壁の圧力損
失が小さく、第１図の場合と同様な理由で高負荷
帯に適している。

次に、直列運転モード(2)は、第１ドレン再循環
並列流調弁４０および第２ドレン再循環集中流調
弁４８を全閉とした時の運転モードであり、各ド
レンタンク３７と４７のレベルはそれぞれ第１ド
レン再循環直列流調弁３９と第２ドレン再循環分
散流調弁４９で制御される。給水並列流調弁４２
は第１ドレン再循環直列流調弁３９の流量が第２
分割水壁４４の保護給水量より不足する分を補う
ように開けていき、また、可動ノズル３３は給水
並列流調弁４２の差圧を確保するため絞つた状態
とする。

このモードでは、２つの分割水壁３５および４
４に対する保護給水量をある割合で共用できるの
で、特に蒸発量が少ない状態下では、水壁全体と
しての最低給水量を並列モードのそれの約半分に
減らすことが可能となる。

次に、直列運転高温流体集中モード(3)は、本発
明においても最も特徴的な運転モードである。本
モードも第１ドレン再循環並列流調弁４０を全閉
とした上第１ドレンタンク３７のレベル制御を第
１ドレン再循環直列流調弁３９で行う点は上記直
列運転モードと同様であるが、第２ドレンタンク
４７のレベル制御を第２ドレン再循環集中流調弁
４８で行なう点が異なる。その際、該流調弁４８
を全開してもなお第２ドレンタンク４７のレベル
が低下しない場合には第２ドレン再循環分散流調
弁４９を開けるようにし、もつて極力節炭器４入
口にドレンを再循環しないようにすることが望ま
しい。

なお、給水並列流調弁４２および可動ノズル３
３の動作は直列運転モードの場合と同様である。

このモードでは、後記第９図からも明らかなよ
うに、水壁保護流量を可能な限り各気水分離器か
ら得られるドレンでまかなうことを図つているた
め、節炭器４を経るドレンの再循環を停止可能と
する蒸気蒸発量は並列運転モードのそれの約半分
となる。また、同停止点までの水壁全体としての
最低給水量は、直列運転モードのそれの約半分で
一定である。

このような運転モード例によつてボイラの運転
が行われるが、その際の制御系統を以下に説明す
る。先ず、第５図は、第４図に示す第１ドレンタ
ンク３７に係るレベル制御系統５３の構成を示す
ものであるが、この構成において、並列運転モー
ド＝０、それ以外のモード＝１となる水壁直並列
指令６２と定数要素６６とから後者が出力する１
の値から前者を減じて得られる指令６２の補信号
を作り、この補信号と指令６２をそれぞれのドレ
ンタンクレベルに比例して弁開度を与える関数要
素６４の出力に乗じ、かくして得られる指示信号
により第１ドレン再循環並列流調弁４０および第
１ドレン再循環直列流調弁３９の操作が行われ
る。また、直列運転時等において、流調弁４０が
全閉または低開度となるために関数要素６４が全
開指令を出す位置を越えてレベルが上昇する場合
には、関数要素７０から送られる弁開指令を高選
択要素７１で処理して流調弁４０の開度増加がさ
らに関数要素７０が全開指令を出すレベルを越え
ると、関数要素７２により第１ドレンタンクの後
流分岐系統に設けられた第１ドレンブロー流調弁
５２の開度増加がそれぞれ行われる。このような
一連のステツプを踏むことにより、レベル高時で
あつてもなるべくドレンブローを行なわないよう
にすることができる。

次に、第６図は、第４図に示す第２ドレンタン
ク４７に係るレベル制御系統５６の構成を示すも
のであるが、この構成においては前記の水壁直並
列指令６２に代えて直列運転高温流体集中モード
＝１、それ以外のモード＝０となる再循環集中分
散指令６３を用いる以外は第５図の場合と同様に
して第２ドレン再循環集中流調弁４８、第２ドレ
ン再循環分散流調弁４９および第２ドレンタンク
の後流分岐系統に設けられた第２ドレンブロー流
調弁５５の操作が行われる。

第７図は、節炭器後流の給水系統から分岐した
のち第２分割水壁へ達する系統に設けられた水壁
並列給水流調弁４２を操作する流量制御系統５７
の回路を示すもので、統括制御系（第４図参照）
から送られる給水指令１８を信号定数倍要素７３
で1/2の値にしたものを最低値制限要素７４で処
理し、これを第２分割水壁４４の保護流量目標値
として流調弁４２を操作するものである。

また、第８図は、第１分割水壁３５へ給水を行
うボイラ給水流調弁２に係る流量制御系統５９の
回路を示すもので、考え方は第７図の場合と同様
であるが、ボイラ給水流調弁２は節炭器４への給
水量を変動させる必要があるため、従来技術と同
様な節炭器出口流体温度検出器１９および水壁圧
力検出器２０を含むスチーミング防止回路が付加
されている。

本実施例での個別制御系統は第５図〜第８図に
示した通りであるが、これらを統括制御系６０の
下で作動させ、次のような制御を行うことが望ま
しい。

(1) 起動時の運転は直列運転高温流体集中モード
で行い、総ドレンブロー量の最低化を図る。

(2) 再循環運転時の運転は直列運転と直列運転高
温流体中モードの中間位置で運用する。その際
過渡的に蒸発量を増加させたい場合には、直列
運転高温流体集中モードに、逆の場合には直列
運転モードに移行させればよい。

(3) 再循環運転から貫流運転へ切替える場合に
は、先ず再循環運転時における直列と直列高温
流体集中モードの中間的状態から直列高温流体
集中モードへ移行させて過渡的蒸発量を増加さ
せ、もつて気水分離器入口の流体乾き度をすみ
やかに上昇させる。

次いで、切替前に一旦並列運転モードへ移行
して運用した後、直列高温流体集中モードへ切
替、移行させればよい。

(4) 貫流運転から再循環運転へ切替える場合は、
切替前に一旦直列運転高温流体集中モードとす
ることにより節炭器４入口再循環量が最も発生
しにくい状態にして運用し、その後、直列運転
モードあるいはさらに並列運転モードへ切替、
移行させて気水分離器入口の流体乾き度をすみ
やかに下降させることが望ましい。

以下、本発明実施例の効果を確認するため、各
モード別の流体量変化について考察する。

第９図は、各部における流体量をモード別に示
したものである。図中横軸は各気水分離器３６お
よび４５から発生する蒸気蒸発量の和で、Ｇ点は
１つの分割水壁の保護給水量に等しい値、2G点
はＧ点の２倍で並列運転モードにおけるベンソン
ポイントに等しい値である。また、図中の上段に
示す区分Ａは第２分割水壁４４における流量構成
を、同下段に示す区分Ｂは節炭器４における流量
構成および総ドレンフロー量等を示すものであ
る。先ず、区分Ａについて説明するに、第２分割
水壁４４における流量７５は保護給水量Ｇ（一定）
を保つているが、その内訳は各モード毎に異る。
すなわち、並列運転モード(1)では、節炭器から給
水並列流調弁４２を通る流量（横線部８３参照）
で全てをまかなうのに対し、直列運転モード(2)で
は、一点鎖線７７で示す第１気水分離器３６のド
レン量を、また、直列運転高温流体集中モード(3)
では、上記に加えさらに破線７６で示す第２分割
水壁４４蒸発量の上側縦線部７８で示す第２気水
分離器４５のドレン量をそれぞれ回収することと
なるため、給水並列流調弁４２を通る流量の積算
値は図中の横線部８３に相当する面積となり、そ
の量は並列運転モードに対し、直列運転モードで
は1/2、直列運転高温流体集中モードでは1/4程度
となる。

次に、区分Ｂにおいて、破線７９は節炭器４の
総流量であるが、これは第１分割水壁３５の保護
流量Ｇと前記横線部８３で示される給水並列流調
弁４２を通る流量の和であるため、並列運転モー
ドに比して他のモードでは低減されている。さら
に、節炭器４入口への再循環流量８０も各気水分
離器３６および４７のドレンが全量再循環される
並列運転モードに比して、他のモードでは大幅に
低減されることがわかる。ちなみに、節炭器４の
給水量中に再循環されるドレンが3/4以上存在す
る状態において節炭器でのスチーミングを予防す
るためドレンブローを行なう場合を想定すれば、
その総積算量は斜線部８１のごとくなる。すなわ
ち、直列運転および同高温流体集中モードでは、
従来技術と同様な並列運転モードに比してドレン
フロー量がそれぞれ1/4および1/8程度になる。

以上、本発明によれば、水壁系統を水壁管に対
応して複数個の同様構成の系統に分割するととも
に、該各分割水壁系統間に上流側分割水壁系統で
発生するドレンを後流側分割水壁系統の水壁へ案
内自在とする直列ドレン案内系統を設け、かつ好
ましくは上記分割水壁系統の少くとも１つに自己
ドレン再循環系統を設けたことにより、起動時を
含む負荷変化時に、各分割水壁系統の並列運転モ
ード、直列運転モード、直列運転高温流体集中モ
ードおよびこれらの中間モードから選択される任
意のモード運用を可能とし、これによりドレンブ
ロー量の大幅低減にともなう起動時間の短縮化
と、蒸気圧力の制御性向上にともなう蒸気圧力制
御応答の向上および循環一貫流運転切替時に見ら
れる蒸気圧力逆応答の解消を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の貫流ボイラ用水壁系統図、第
２図は、第１図の水壁系統に適用されるドレンタ
ンクレベル制御の系統図、第３図は、第１図の水
壁系統に適用される給水制御系統図、第４図は、
本発明実施例に係る貫流ボイラ用水壁系統図、第
５図は、第４図の水壁系統に適用される第１ドレ
ンタンクレベル制御の系統図、第６図は、第４図
の水壁系統に適用される第２ドレンタンクレベル
制御の系統図、第７図は、第４図の水壁系統に適
用される水壁並列給水流調弁の制御系統図、第８
図は、第４図に適用される給水流調弁の制御系統
図、第９図は、本発明の実施例の効果を説明する
ための運転モード別流体量変化図である。 ２……ボイラ給水流調弁、３……ドレン再循環
合流部、４……節炭器、５……水壁、６……気水
分離器、８……ドレンタンク、９……ドレン再循
環ポンプ、１０……ドレン再循環流調弁、１３…
…ドレンタンクブロー流調弁、１８……給水指
令、１９……節炭器出口流体温度検出器、２０…
…水壁圧力検出器、２４，２７……減算要素、２
５，２８……比例積分要素、２６……関数要素、
信号高選択要素、３３……可動ノズル、３５……
第１分割水壁、３６……第１気水分離器、３７…
…第１ドレンタンク、３８……第１ドレン再循環
ポンプ、３９……第１ドレン再循環直列流調弁、
４０……第１ドレン再循環並列流調弁、４２……
給水並列流調弁、４４……第２分割水壁、４５…
…第２気水分離器、４６……蒸気合流部、４７…
…第２ドレンタンク、４８……第２ドレン再循環
集中流調弁、４９……第２ドレン再循環分散流調
弁、５２……第１ドレンブロー流調弁、５３……
第１ドレンタンクレベル制御系統、５５……第２
ドレンタンクブロー流調弁、５６……第２ドレン
タンクレベル制御系統、５７……水壁並列給水流
量制御系統、５９……ボイラ給水流量制御系統、
６０……統括制御系、６１……第２ドレン再循環
ポンプ、６２……水壁直並列指令、６３……再循
環集中分散指令、６４，６５，７０，７２……関
数要素、６６……定数要素、６７……信号減算要
素、６８，６９……信号乗算要素、７１……信号
高選択要素、７３……信号定数倍要素、７４……
最低値制限要素、７５……第２分割水壁流量、７
６……第２分割水壁蒸発量、７７……第１気水分
離器ドレン量、７８……第２気水分離器ドレン
量、７９……節炭器総流量、８０……節炭器入口
再循環流量、８１……ドレンブロー総積算量、８
２……総蒸発量、８３……給水並列流調弁流量。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 節炭器の後流に沿つて順次、水壁、気水分離
   器、ドレンタンク、ドレン再循環ポンプ、ドレン
   再循環流調弁および節炭器の上流部に達するドレ
   ン再循環系統を備えた貫流ボイラ装置において、
   上記水壁系統を水壁管に対応して複数個の同様構
   成の系統に分割するとともに、該各分割水壁系統
   間に上流側分割水壁系統で発生するドレンを後流
   側分割水壁系統の水壁へ案内自在とする直列ドレ
   ン案内系統を設けたことを特徴とする貫流ボイラ
   装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、上記分割水
   壁系統の少くとも１つは、自己ドレン再循環系統
   を有するものであることを特徴とする貫流ボイラ
   装置。