JP2012072991A - エコノマイザ制御装置、エコノマイザ及びボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラ等の加熱装置に供給する水等の液体を、加熱装置の燃焼ガスにより昇温するエコノマイザの熱交換部内において液体に気相が発生し又は気相が発生する状態に近づいていることを抑制することが可能なエコノマイザ制御装置、エコノマイザ及びボイラを提供すること。
【解決手段】ボイラ１０に設けられボイラ１０の燃焼ガスＧ２を排出する通気路１７Ａに配置され、給水部２０から供給された水Ｗが通過する際に前記燃焼ガスＧ２と熱交換して昇温させる熱交換部を備えたエコノマイザ３０の、前記熱交換部内の水Ｗの状態を判断するエコノマイザ制御装置であって、前記水Ｗの状態を温度により検出する温度センサ５０と、前記温度センサ５０から入力された信号に基づいて、前記水Ｗ内が設定状態よりも気相に近接した状態であることを判定する状態判定手段を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、ボイラ等の加熱装置に供給する液体を、加熱装置の燃焼ガスで昇温するエコノマイザの、熱交換部内における液体の状態を判断するエコノマイザ制御装置と、このエコノマイザ制御装置を用いたエコノマイザ及びボイラに関する。

従来、ボイラ等の加熱装置における省エネルギーを図るために、例えば、パイプ外周に帯状の金属板を螺旋状に巻き付けたいわゆるエロフィン管等の伝熱管からなる熱交換部に加熱装置に供給する水を流通し、この水を加熱装置の燃焼ガスと熱交換して昇温させるエコノマイザが広く用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、エコノマイザを介してボイラに給水する場合、燃焼量に対応した給水量を、所定間隔をあけて給水する間欠給水制御により、水温調整することが一般的に行なわれている。また、水をエコノマイザにおいて、できるだけ高温にしてボイラに供給することが省エネルギーの観点から好適である。

特開２００９−１７４７８０号公報

しかしながら、上記給水制御によれば、給水停止後にボイラの燃焼量が変化した場合、エコノマイザ内の水が過熱されて沸騰する可能性があり、水が沸騰することにより、圧損による給水効率の低下や、ウォータハンマによるエコノマイザの劣化、破損が発生する場合がある。
そのため、エコノマイザ内における水等（液体）の沸騰を抑制して、エコノマイザにおける圧損やウォータハンマの発生を抑制したいとの技術的要請がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、ボイラ等の加熱装置に供給する水等の液体を、加熱装置の燃焼ガスにより昇温するエコノマイザの熱交換部内において液体に気相が発生し又は気相が発生する状態に近づいていることを抑制することが可能なエコノマイザ制御装置、エコノマイザ及びボイラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１記載の発明は、燃料を燃焼して液体を加熱する加熱装置に設けられ、前記燃料が燃焼して生成された燃焼ガスを排出する通気路に配置され、供給手段から供給された前記液体が通過する際に前記燃焼ガスと熱交換して昇温させる熱交換部を備えたエコノマイザの、前記熱交換部内の液体の状態を判断するエコノマイザ制御装置であって、前記液体の状態を物理的特性として検出する検出部と、前記検出部から入力された信号に基づいて、前記液体内における気相の存在と前記液体内が設定状態よりも気相に近接した状態であることの少なくともいずれかを判定する状態判定手段を備えることを特徴とする

この発明に係るエコノマイザ制御装置によれば、エコノマイザの熱交換部内における液体の状態を、検出部により物理的特性として検出するので、熱交換部内における液体内の気相の存在や液体内が設定状態よりも気相に近接した状態であることのいずれかを適確に検出することができる。
その結果、エコノマイザにおける圧損、及びウォータハンマの発生を抑制し、ひいては、ボイラ等の加熱装置に対する給水における効率低下の抑制、エコノマイザの劣化、破損を抑制することができる。

この発明に係るエコノマイザ制御装置、エコノマイザ及びボイラによれば、エコノマイザにおける圧損及びウォータハンマの発生を抑制し、ひいては、ボイラ等の加熱装置への給水における効率低下の抑制、エコノマイザの劣化、破損を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係るボイラの概略構成を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係るボイラのIII−III線に沿う縦断面図である。 第１の実施形態に係るエコノマイザの概略構成を示す図である。 第１の実施形態に係るエコノマイザ制御装置のフローを説明する図である。 第３の実施形態に係るエコノマイザ制御装置の検出部を説明する図である。

以下、図１から図４を参照し、この発明の第１の実施形態について説明する。
図１、図２は、第１の実施形態に係る小型貫流式のボイラ１０を説明する図であり、図１は縦断面図を、図２は、図１のIII−III線に沿う横断面図を示している。
ボイラ１０は、筐体１１と、缶体１２と、バーナ１６と、燃焼ガス排出管１７と、送風手段１８と、燃料供給部１９と、給水部２０と、エコノマイザ３０と、制御部４０とを備えており、エコノマイザ３０は、燃焼ガス排出管１７の排出路（通気路）１７Ａに配置されている。

缶体１２は、水管群１３と、水管群１３の下方に位置する下部管寄せ１４Ａと、水管群１３の上方に位置する上部管寄せ１４Ｂとを備え、水管群１３は、複数の内側水管１３Ａ及び複数の外側水管１３Ｂから構成されている。
水管群１３には燃焼ガス通路１２Ｇが形成され、内側水管１３Ａの間を燃焼ガスＧ２がバーナ１６から燃焼ガス排出管１７に向かって移動するようになっている。また、上部管寄せ１４Ｂには、圧力センサ７が接続されており、上部管寄せ１４Ｂ内の蒸気の圧力を検出するようになっている。

水管群１３を構成するそれぞれの内側水管１３Ａ及び外側水管１３Ｂは、図１に示すように、下部管寄せ１４Ａと上部管寄せ１４Ｂとの間に垂直方向に配置されるとともに下部管寄せ１４Ａ及び上部管寄せ１４Ｂと通水可能に接続されている。
また、下部管寄せ１４Ａの上部及び上部管寄せ１４Ｂの下部には、キャスタブル（耐火物）１１Ａが配置されている。

また、水管群１３は、図２に示すように、筐体１１と燃焼ガス通路１２Ｇとの間を仕切る水管壁部１３Ｃを有し、水管壁部１３Ｃの内方には、内側水管１３Ａが配列されている。
水管壁部１３Ｃは、バーナ１６から燃焼ガス排出管１７に向かって配列される外側水管１３Ｂと、隣接する外側水管１３Ｂ同士、外側水管１３Ｂとバーナ１６側の筐体内壁、外側水管１３Ｂと燃焼ガス排出管１７側の筐体内壁を、それぞれ連結する連結部材１５とから構成され、燃焼ガス通路１２Ｇを挟んで左右に一対が配置されている。

バーナ１６は、例えば、水管群１３側の面にノズル部１６Ａを有する箱型に形成されていて、ノズル部１６Ａには複数のノズル孔が平面状に配列され、送風手段により供給された予混合ガスＧ１がノズル部１６Ａに供給されるようになっている。
また、バーナ１６は、例えば、圧力センサ７により検出された蒸気の圧力に基づいて、燃焼状態（例えば、高燃焼、低燃焼）を制御可能とされている。
図１、図２においてノズル部１６Ａから水管群１３側に拡がる破線部は、ノズル部１６Ａで生成される火炎を概念的に表したものである。

ノズル部１６Ａに供給された予混合ガスＧ１は、ノズル孔から噴射、燃焼されることにより高温の燃焼ガスＧ２となり、燃焼ガスＧ２は、燃焼ガス通路１２Ｇを通過して水管群１３の水（液体）Ｗを加熱し、その後、排出路１７Ａを通ってエコノマイザ３０に導入されるようになっている。

燃焼ガス排出管１７は、燃焼ガスＧ２をボイラ１０の外部に排出する排出路１７Ａを構成するとともに燃焼ガス通路１２Ｇの末端に接続され、排出路１７Ａは、エコノマイザ３０に燃焼ガスＧ２を導くようになっている。

送風手段１８は、送風機１８Ａと給気通路１８Ｂと、ダンパ１８Ｃとを備え、送風機１８Ａにより燃焼用空気Ａ１を給気通路１８Ｂに移送し、燃焼用空気Ａ１と燃料供給部１９から供給された燃料ガスＧ０とが給気通路１８Ｂ内で混合されて予混合ガスＧ１となりバーナ１６に供給されるようになっている。

送風機１８Ａは、送風ファンを回転して燃焼用空気Ａ１を供給するものであり、この実施形態における送風機１８Ａは、バーナ１６の燃焼状態に対応して送風ファンの回転数をインバータにより制御して燃焼用空気Ａ１の送風量を調整するようになっている。
また、ダンパ１８Ｃは、図示しないモータにより開度が制御可能とされており、送風機１８Ａとともに、又は単独で燃焼用空気Ａ１の送風量を調整することができるようになっている。

燃料供給部１９は、燃料供給管１９Ａと、流量調整弁１９Ｂとを備えており、流量調整弁１９Ｂを制御することによりバーナ１６の燃焼状態に対応する量の燃料ガスＧ０を燃料供給管１９Ａに供給するようになっている。

給水部２０は、給水源Ｓと接続された給水ライン２１と、水質測定部２２と、給水ポンプ２３と、流量調整弁２４と、流量計２５と、逆止弁２６とを備え、エコノマイザ３０を介して給水源Ｓから缶体１２に給水するようになっている。
この実施形態において、給水ポンプ２３は、予め設定した所定量の水Ｗを所定の給水タイミング（給水間隔）で間欠給水するようになっている。

エコノマイザ３０は、図３に示すように、水管群１３を通過してきた燃焼ガスＧ２の廃熱を利用して缶体１２に供給する水Ｗを加熱することにより省エネルギーを図るものであり、排出路１７Ａ内に配置された熱交換部３６に水Ｗを流して、燃焼ガスＧ２の熱を熱交換部３６で熱交換して熱交換部３６内の水Ｗを加熱し、加熱された水Ｗが缶体１２の下部管寄せ１４Ａに供給されるようになっている。

熱交換部３６は、例えば、通水可能に形成された伝熱管３７と、伝熱管３７に接続され、燃焼ガスＧ２が通過可能な間隔をあけて伝熱管３７と略直交する方向に拡がる複数の放熱板からなるフィン部材３８とを有しており、伝熱管３７の流入口３７Ａから給水され加熱された水Ｗが流出口３７Ｂから排出され、排出された水Ｗは下部管寄せ１４Ａに導かれるようになっている。

制御部４０は、ボイラ１０の燃焼量、及びエコノマイザ３０を介して缶体１２に供給する水Ｗの量を制御するようになっており、入力部４１と、メモリ４２と、演算部４３と、ハードディスク４４と、出力部４６と、通信線４７とを備え、入力部４１、メモリ４２、演算部４３、ハードディスク４４、出力部４６は通信線４７によって相互にデータ等を通信可能に接続されている。
また、ハードディスク４４には第１のデータベース４５Ａ、第２のデータベース４５Ｂが格納されている。

入力部４１は、例えば、図示しないキーボード等のデータ入力機器を有していて設定等を演算部４３に出力可能とされるとともに、圧力センサ７、水質測定部２２、流量計２５、温度センサ５０と信号線４８Ａにより接続され、圧力センサ７、水質測定部２２、流量計２５、温度センサ５０から入力された信号を演算部４３に出力するようになっている。

出力部４６は、送風機１８Ａ、ダンパ１８Ｃ、流量調整弁１９Ｂ、給水ポンプ２３、流量調整弁２４と信号線４８Ｂより接続され、演算部４３から出力された信号を送風機１８Ａ、ダンパ１８Ｃ、流量調整弁１９Ｂ、給水ポンプ２３、流量調整弁２４に出力するようになっている。

演算部４３は、メモリ４２の記憶媒体（例えば、ＲＯＭ）に格納されたプログラムを読み込んで実行して、入力部４１からの入力に基づいて、ボイラ１０の燃焼量、及び缶体１２への給水量を算出するとともに、送風機１８Ａ、ダンパ１８Ｃ、流量調整弁１９Ｂ、給水ポンプ２３、流量調整弁２４に対する制御量を算出するようになっている。

第１のデータベース４５Ａは、例えば、現在の圧力と、現在の圧力を設定圧力に移行するための燃焼量との関係を示す数値データがデータテーブルの形式で格納されている。
演算部４３は、圧力センサ７からの圧力信号に基づいて得た圧力から、第１のデータベース４５Ａを参照して設定圧力を確保するための燃焼量を算出し、出力部４６を介して送風機１８Ａ、ダンパ１８Ｃ、流量調整弁１９Ｂを制御して、バーナ１６の燃焼量を調整するようになっている。

第２のデータベース４５Ｂは、例えば、バーナ１６の燃焼量、ボイラ１０の圧力、給水部２０から給水される水Ｗの給水温度、図示しないブローラインのブロー量等のパラメータと、給水部２０による給水量との関係を示す数値データがデータテーブルの形式で格納されている。
演算部４３は、入力部４１から入力された上記パラメータに係る信号から第２データベースを参照して給水量を算出し、出力部４６を介して給水ポンプ２３及び流量調整弁２４に出力して、給水部２０の給水量を制御するようになっている。

また制御部４０は、エコノマイザ制御部（エコノマイザ制御装置）を備えており、エコノマイザ制御部は、温度センサ（検出部）５０と、判定部（判定手段）とを有しており、判定部は、熱交換部３６内の水Ｗが気相に近接した状態であるかどうかを判定するようになっている。

温度センサ５０は、例えば、熱交換部３６の流出口３７Ｂ近傍に配置され、エコノマイザ３０内における水Ｗの温度を物理的特性として検出し、この実施形態において、例えば、熱電対が用いられている。

判定部は、温度センサ５０から入力された熱交換部３６内の水温が、例えば、沸点近傍の９８℃に到達したと判定した場合に、出力部４６を介して、給水ポンプ２３に（強制）駆動信号を出力するようになっており、エコノマイザ３０に強制給水することにより熱交換部３６内の水温を低下させ、熱交換部３６内の水Ｗが沸騰するのを抑制するようになっている。
その後、水温が所定値まで低下したら通常の間欠制御に復帰するようになっている。

図４は、エコノマイザ制御部における給水制御の概略を示すフロー図であり、以下、図４に基づいて、給水制御の概略を説明する。
１）まず、間欠給水の給水タイミング（例えば、間欠時間）、温度センサの上限設定温度Ｔ１、下限設定温度Ｔ２を設定する（Ｓ１）。
２）次に、ボイラ１０が運転中であるかどうかを判断する（Ｓ２）。ボイラ１０が運転中の場合には、Ｓ３に移行し、運転中でない場合には制御を終了する。
３）給水タイミングかどうかを判断する（Ｓ３）。給水タイミングである場合には、Ｓ４に移行し、給水タイミングでない場合には、Ｓ５に移行する。
４）給水部２０の給水ポンプ２３を駆動し、エコノマイザ３０を介して缶体１２に給水する（Ｓ４）。
５）判定部は、温度センサ５０が検出した温度Ｔが、上限設定温度Ｔ１以上であるかどうかを判断する（Ｓ５）。温度Ｔが上限設定温度Ｔ１以上である場合には、Ｓ６に移行する。
６）判定部は、給水タイミングに関係なく給水部２０の給水ポンプ２３を強制駆動して熱交換部３６に給水する（Ｓ６）。
７）判定部は、温度センサ５０が検出した温度Ｔが、下限設定温度Ｔ２以下であるかどうかを判断する（Ｓ７）。温度Ｔが下限設定温度Ｔ２以下の場合にはＳ２に移行し、温度Ｔが下限設定温度Ｔ２以下でない場合にはＳ５に移行する。
運転がされる間、上記２）から７）を繰り返して実行する。
なお、通常の間欠給水における給水中には、温度センサ５０の温度Ｔは、上限設定温度Ｔ１以上にはならないものとする。

第１の実施形態に係るエコノマイザ３０及びボイラ１０によれば、温度センサ５０が検出した水温が沸点に近づくと、制御部４０がエコノマイザ３０に強制給水して熱交換部３６内の水Ｗの温度を低下させるので、熱交換部３６内の水Ｗが上限設定温度Ｔ１以上に上昇することが抑制される。
その結果、エコノマイザ３０における圧損、及びウォータハンマの発生が抑制され、ひいては、ボイラ等の加熱装置に対する給水における効率低下の抑制、エコノマイザの劣化、破損を抑制することができる。

次に、この発明の第２の実施形態に係るエコノマイザ制御部（エコノマイザ制御装置）について説明する。
第２の実施形態に係るエコノマイザ制御部が、第１の実施形態に係るエコノマイザ制御部と異なるのは、エコノマイザ３０の熱交換部３６内における水Ｗの状態を検出する物理的特性が、熱交換部３６内における気泡生成にともなう振動を検出する振動センサ５１により構成されている点であり、その他は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

振動センサ５１を用いたエコノマイザ制御部によれば、熱交換部３６内における気泡の生成を広範囲に検出することができるので、熱交換部３６の内における気相の発生を振動センサ５１の配置に関わらず、効率的に検出することができ、気相検出の信頼性を向上することができる。
また、振動センサ５１を熱交換部３６の外側に配置できるので、容易に取付けることができる。

次に、この発明の第３の実施形態に係るエコノマイザ制御部（エコノマイザ制御装置）について説明する。
第３の実施形態に係るエコノマイザ制御部が、第１の実施形態に係るエコノマイザ制御部と異なるのは、検出部が熱交換部３６内の水Ｗの電導度（物理的特性）を検出するための電極棒５２と電流計５３等の検出手段により構成されている点である。

電極棒５２による気相の検出は、電極棒５２の表面に気泡が付着して水Ｗとの接触面積が減少して水Ｗを流れる電流が低下して、見かけ上の電導度が低下することで気相を検出するものであり、電導性を有する液体に適用することができる。

電極棒５２は、図５に示すように、例えば、熱交換部３６の伝熱管３７内に、絶縁材５２Ａにより伝熱管３７と絶縁して配置され、伝熱缶３７内の水Ｗと接触するようになっている。
また、電極棒５２は、電流計５３を介して電源５４（例えば、プラス極）に接続され、電源５４の他極は伝熱管３７を介して水Ｗと通電可能に接続されている。
そして、電極棒５２と伝熱管３７の間に電圧を印加して、電流計５３で検出した電流値で通電状態を監視して、電極棒５２と伝熱管３７の間の電導度を確認（判定）する構成とされている。

第３のエコノマイザ制御部によれば、熱交換部３６内の圧力変化により水Ｗの沸点が昇降して温度センサ５０により検出した水温だけでは気相検出が困難な場合でも、水Ｗの圧力を検出することなく気相検出ができるので、気相の検出精度を向上することができる。
また、キャビテーションや、空気の巻き込み等が発生して、水温に関係なく生成された気泡を検出できる可能性があり、エコノマイザ制御部の信頼性を向上することができる。

なお、この発明は、第１から３の実施形態.に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態においては、ボイラにおいて加熱する液体が水Ｗである場合について説明したが、水Ｗに代えて、例えば、油類、酸、アルカリ溶液、溶剤等の化学物質を適用してもよい。

また、加熱装置が、燃焼ガスＧ２がバーナ１６側から排出路１７Ａに向かって略直線的に流れる小型貫流型の蒸気ボイラ１０である場合について説明したが、小型貫流型ボイラの他、水管が環状に配列された多管式のボイラ、炉筒煙管ボイラ、バーナにより加熱管を直接加熱する給湯器等、種々の構造のボイラに適用してもよい。
また、蒸気ボイラ以外の温水ボイラや給湯器に対して適用してもよい。

また、第１の実施の形態において、エコノマイザ３０内で水温が最も高くなる熱交換部３６の流出口３７Ｂ近傍に、温度センサ５０を配置する場合について説明したが、気相の発生を抑制可能な他の部位に配置してもよい。
また、温度センサ５０が熱電対である場合について説明したが、熱電対以外の周知の温度センサを用いてもよい。

また、上記実施の形態においては、給水部２０が給水ポンプ２３と流量調整弁２４とを有する場合について説明したが、流量制御弁２４を有さない構成や他の構成の給水部を用いてもよい。

また、上記実施の形態においては、給水ポンプ２３が間欠制御され、気相を検出した場合に、給水ポンプ２３を強制給水する場合について説明したが、強制給水に際して給水ポンプ２３、流量調整弁２４による流量調整を行なってもよい。

また、例えば、給水ポンプ２３の連続制御により、給水量を流量制御してもよいし、流量制御に際して、給水ポンプ２３による流量制御、給水ポンプ２３と流量制御弁２４による流量制御、流量制御弁２４による流量制御のいずれを採用するかは任意に設定することができる。
また、給水ポンプ２３による強制給水や給水量の調整に代えて、又は給水量の調整に加えて警報等、監視手段に係る信号出力をする構成としてもよい。

また、上記実施の形態においては、液体の状態（気相の存在等）を検出する物理的特性が、熱交換部３６内の水温、熱交換部３６に発生する振動を検出する振動センサ５１、エコノマイザ３０内を流れる水Ｗの電気伝導率を検出する電極棒５２である場合にについて説明したが、気相の存在又は液体が気相に近づいていることを検出可能な他の物理的特性、例えば、超音波の伝動や光学的特性等を検出する検出手段を用いてもよいことはいうまでもない。

この発明に係るエコノマイザ制御装置、エコノマイザ及びボイラによれば、エコノマイザにおける圧損や、ウォータハンマの発生を抑制することができるので、産業上利用可能である。

Ｇ０ 燃料ガス
Ｇ２ 燃焼ガス
Ｗ 水（液体）
１０ ボイラ（加熱装置）
１７Ａ 排出路（通気路）
２０ 給水部（供給手段）
２３ 給水ポンプ
３０ エコノマイザ
３６ 熱交換部
４０ 制御部（エコノマイザ制御装置、判定手段）
５０ 温度センサ（検出部）
５１ 振動センサ（検出部）
５２ 電極棒（検出部）
５３ 電流計（検出部）

Claims (6)

1. 燃料を燃焼して液体を加熱する加熱装置に設けられ、
   前記燃料が燃焼して生成された燃焼ガスを排出する通気路に配置され、供給手段から供給された前記液体が通過する際に前記燃焼ガスと熱交換して昇温させる熱交換部を備えたエコノマイザの、前記熱交換部内の液体の状態を判断するエコノマイザ制御装置であって、
   前記液体の状態を物理的特性として検出する検出部と、
   前記検出部から入力された信号に基づいて、前記液体内における気相の存在と前記液体内が設定状態よりも気相に近接した状態であることの少なくともいずれかを判定する状態判定手段を備えることを特徴とするエコノマイザ制御装置。
2. 請求項１に記載のエコノマイザ制御装置であって、
   前記検出部は、
   前記液体の温度を検出する温度センサからなり、
   状態判定手段は、
   前記温度センサが検出した前記液体の温度と前記熱交換部内における前記液体の沸点に基づいて判定することを特徴とするエコノマイザ制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のエコノマイザ制御装置であって、
   前記判定手段が、前記液体が前記液体内における気相の存在と前記液体内が設定状態よりも気相に近接した状態であることの少なくともいずれかを判定した場合に信号出力するように構成されていることを特徴とするエコノマイザ制御装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載のエコノマイザ制御装置であって、
   前記判定手段が、前記液体が前記液体内における気相の存在と前記液体内が設定状態よりも気相に近接した状態であることの少なくともいずれかを検出した場合に、前記供給手段による前記液体の流量を増加させるように構成されていることを特徴とするエコノマイザ制御装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエコノマイザ制御装置を備えることを特徴とするエコノマイザ。
6. 請求項５に記載のエコノマイザを備えることを特徴とするボイラ。

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