JP5131081B2

JP5131081B2 - 熱交換器のスケール除去方法および装置

Info

Publication number: JP5131081B2
Application number: JP2008201469A
Authority: JP
Inventors: 勇大澤; 市郎明翫; 浩晃柴田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2028-08-05
Also published as: JP2010038438A

Description

この発明は、例えば地熱バイナリー発電システムの予熱器として適用する熱交換器のスケール除去方法および装置に関する。

頭記の地熱バイナリー発電システムは、地熱流体（蒸気または熱水）を熱交換器に通し、低沸点のバイナリー媒体を蒸発させて蒸気タービンを駆動し、発電を行わせるものである（例えば、非特許文献１参照）。

ところで、よく知られているように生産井から汲み上げた地熱流体には、坑井の地質によって異なるがシリカや炭酸カルシウムなどの各種溶解成分が含まれており、この地熱流体を地上において蒸気と熱水に気水分離すると圧力，ＰＨの変化に伴って前記の溶解成分が析出するようになる。そのために、地熱熱水を熱源として熱交換器（予熱器）を運転すると、被加熱流体との熱交換に伴う熱水温度の低下とともに溶解成分の析出物（鉱物質）がスケールとなって熱交換器（多管式シェル・アンド・チューブ型熱交換器）の伝熱管に付着堆積するようになる。特に、地熱熱水を熱源として低沸点のバイナリー媒体を予熱するバイナリー発電システムの予熱器では、スケールの付着堆積により熱交換器の機能、耐久性が低下して地熱発電の円滑な操業が行えなくなる問題を引き起こす。

そこで、従来では熱交換器のスケーリング対策として、比較的短い周期（例えば、月に１回）の割合で熱交換器に外部から薬品を注入してスケールを溶解除去するようにしており、その一例として地熱熱水を熱源とする熱交換器に関して、熱水が通流する伝熱管にＰＨ調整した洗浄液を注入して循環させ、伝熱管の管壁に付着堆積しているスケールを溶解剥離させるようにしたスケール除去方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
山田茂登、他１名、"小形地熱バイナリー発電システム"、富士時報、富士電機ホールディング株式会社、2005年、vol78、No2、ｐ136−139、［0nline］、［平成２０年７月３０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fujielectric.co.jp/company/jihou_archives/pdf/78-02/FEJ-78-02-136-2005.pdf 特開昭６４−７５８９５号公報

ところで、前記特許文献１に開示されているスケール除去方法では、熱交換器に洗浄液を注入する洗浄設備を備え、スケール除去時には熱交換器の運転モードを熱利用運転からスケール除去運転に切換えた上で、前記洗浄設備から熱交換器の伝熱管に洗浄液を注入，循環させて付着堆積したスケールを洗浄，除去するようにしている。

このために、熱交換器と別個に洗浄液を注入するための洗浄液貯留設備，および洗浄液の補充管理が必要となる。また、スケール除去運転中は熱源となる熱水の通流を止めて熱交換器の熱利用運転を停止する必要があり、このスケール除去作業期間中は先記したバイナリー発電プラントの操業を停止しなければならない。

この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は、洗浄液などの薬品を一切使用することなく、かつ熱交換器も運転停止せずに熱利用運転を継続したままの状態で熱交換器の伝熱管に付着堆積したスケールを剥離させて捕集できるようにした新規な熱交換器のスケール除去方法，および装置を提供することにある。

この発明は、地熱熱水を熱源として常時は熱水と被加熱流体を対向流させて被加熱流体を加熱する対向流型の熱交換器を対象としたスケーリング対策であり、
この発明による熱交換器の伝熱管に付着堆積したスケールの除去方法は、被加熱流体の流れに対して、スケール除去時には熱交換器の伝熱管に通す熱水の流れを一時的に「対向流」から「並行流」に反転して伝熱管に急激な温度変化（熱ショック）を加え、この温度変化に伴う伝熱管とスケールとの熱膨張差により伝熱管の管壁から剥離したスケールの砕片を熱交換器より下流側の熱水ライン途上で捕集するようにする（請求項１）。

また、前記スケール除去方法を実施するこの発明のスケール除去装置は、熱交換器に通流する被加熱流体の流れに対して、スケール除去時には熱水ラインから熱交換器に導入する熱水の流れ方向を「対向流」から「並行流」に反転させる流路切換手段と、熱交換器の伝熱管から剥離して熱交換器より排出したスケールの砕片を下流側の熱水ライン途上で捕捉，回収するスケール捕集手段と、熱交換器の運転中に熱水の流れを周期的に「対向流」から「並行流」に切換えた上で、再び「対向流」に戻す運転制御手段とで構成する（請求項２）。

さらに、前記スケール捕集手段として、スケール捕捉用のストレーナを内蔵した洗浄回路付きの容器を、ゲート弁を介して熱水ラインの配管にバイパス接続する（請求項３）。

上記したこの発明のスケール除去方法および装置によれば、熱交換器の伝熱管に通流する熱水の流れを被加熱流体の流れに対して「対向流」から「並行流」に反転して伝熱管に急激な温度変化（熱ショック）を与えることにより、伝熱管（ステンレス鋼）とこの伝熱管の管壁に付着堆積したスケール（二酸化ケイ素など）との接合界面には両者の熱膨張係数差に基づく剪断応力が作用してスケールが伝熱管から剥離するようなる。そして、伝熱管の管壁から剥離したスケールの砕片を熱交換器より下流側の熱水ライン配管路に配置したスケール捕集器で捕捉回収することにより、従来のスケール洗浄方法のように洗浄薬品を使用することなしにスケールを効果的に除去できる。

これにより、従来方式のように洗浄液の注入設備，および洗浄液の補充が一切必要なくなる。しかも、熱交換器は運転を継続したまま、その伝熱管に通す熱水の流れを一時的に「対向流」から「並行流」に切換えるだけでスケールを除去できるので、この熱交換器を適用する地熱バイナリー発電システムの操業を停止せずに済む。

以下、地熱バイナリー発電システムに適用するバイナリー媒体の予熱器を例に、この発明によるスケール除去装置の実施の形態を図１〜図４に示す実施例に基づいて説明する。なお、図１は熱交換器（予熱器），およびそのスケール除去に用いる附属機器を含む周辺の配管系統図、図２，図３はそれぞれ定常運転状態，スケール除去運転状態のフローシート、図４は図１におけるスケール捕集器の構成，配管系統図である。

まず、図１において、１は熱交換器、２は熱源側の熱水ライン、３は被加熱流体ライン、４はスケール捕集器、５は運転制御部であり、熱水ライン２には生産井から採取して気水分離した地熱熱水（熱交換器１の熱源）が通流し、被加熱流体ライン３には低沸点のバイナリー媒体（例えば、イソペンタン）が通流して両者の間で熱交換を行う。

ここで、図示例の熱交換器１は多管式のシェル・アンド・チューブ型熱交換器であり、そのシェル内部には左右のヘッダー１ａと１ｂとの間に多数本の伝熱管１ｃを敷設して熱水と被加熱流体の流路を画成している。また、熱交換器１の左右ヘッダー１ａ，１ｂは、それぞれ三方弁（電動弁）６Ａ，６Ｂを介して熱水ライン２の上流側，下流側管路に接続されている。

また、熱水ライン２には、熱交換器１のヘッダー１ａ，１ｂに接続した三方弁６Ａ，６Ｂの分岐ポート間に跨がって熱交換器１を迂回するように配管した第１の流路切換管路２ａ、および熱交換器１の左側ヘッダー１ａと熱水ライン２の下流側管路との間に跨がって熱交換器１を迂回するように開閉弁（電動弁）７を介して配管した第２の流路切換管路２ｂを備えている。

一方、スケール捕集器４は、図２で示すように密閉容器４ａの内部にスケールの砕片を捕捉する筒状の金網で作られたストレーナ４ｂを内蔵した構成で、図示のように熱交換器１より下流側の熱水ライン２にバイパス管路２ｃを介して接続されており、このスケール捕集器４を挟んでバイパス管路２ｃの入口，出口側、および熱水ライン２の中間にはゲート弁（電動弁）８Ａ，８Ｂ，８Ｃが接続されている。また、スケール捕集器４の容器４ａには洗浄水（清水）の給水コック９ａ，およびドレンコック９ｂを介して逆洗式洗浄回路９が配管されている。

なお、前記した三方弁６Ａ，６Ｂおよび開閉弁７，８Ａ〜８Ｃは、運転制御部（例えば、ログラマブルコントローラ）５から与えられる指令に基づいて後記のように切換，オン／オフ操作される。

次に、前記熱交換器１の定常運転、およびスケール除去運転の状態をそれぞれ図３，および図４に基づいて説明する。なお、図３，図４の図中で、各種弁のポートに対して表した△は「開」状態を、▲は「閉」状態を表している。

まず、図３に示す定常運転状態では、熱水ライン２より供給される熱水（地熱熱水）は三方弁６Ａを通じて熱交換器１の左側ヘッダー１ａに流入し、ここから伝熱管１ｃを矢印Ａ方向に流れて右側ヘッダー１ｂに入った後、三方弁６Ｂを通じて熱水ライン２の下流側に流出するように流れる。また、この定常運転時にはスケール捕集器４の入口，出口側に配したゲート閉弁８Ａ，８Ｂは閉じており、熱交換器１より出た熱水は開放状態にあるゲート弁８Ｃを通過して下流側に通流する。

この定常運転状態では、熱交換器１のシェル内部では熱水（熱水流Ａ）と被加熱流体（被加熱流体流Ｂとが「対向流」式に流れて熱交換し、低温状態で熱交換器１に流入した被加熱流体が加熱昇温して流出する。ここで熱交換器１の仕様例を数値で表すと、熱水の入口温度１５０℃、被加熱流体の入口温度３８℃として、「対向流」による熱水の出口温度は１１０℃、被加熱流体の出口温度は１００℃である。そして、この定常運転を長時間継続すると地熱熱水に溶解している鉱物質成分（シリカ，炭酸カルシウムなど）が析出するとともに、これがスケールの核となって伝熱管（ステンレス鋼）１ｃの管壁に付着し、運転時間の継続とともにスケールが成長して強固な堆積物を生成するようになる。このような状態になると、熱交換器１の伝熱性能，耐久性が低下するほか、伝熱管１ｃの断面が細って熱交換器を通流する所定の熱水流量が維持できなくなる。

そこで、この実施例では図１に示した運転制御部５から所定の周期（熱水の性状によって異なるが、例えば月に１回程度の割合）で熱交換器１を定常運転からスケール除去運転に切換える制御指令を出す。これにより、熱水ライン２から熱交換器１に導入する熱水の流路が図４のフローシートで表すように切換えられる。すなわち、熱水は三方弁６Ａの分岐ポートから流路切換管路２ａ，三方弁６Ｂの分岐ポートを経て熱交換器１の右側ヘッダー１ｂに流入し、図３とは逆向きの方向に伝熱管１ｃを通流した後に左側ヘッダー１ａに入り、さらにここから流路切換管路２ｂおよび開閉弁７を経由して熱水ライン２の下流側管路に流出する。また、スケール除去運転の開始に伴い、スケール捕集器４に附属するゲート弁８Ａ，８Ｂは「開」，ゲート弁８Ｃは「閉」となり、熱交換器１から流出した熱水はスケール捕集器４を経由して流れるようになる。

このように熱交換器１の運転モードを図３の定常運転からスケール除去運転に切り換えると、図示のフローシートから判るように熱交換器１の伝熱管１ｃを貫流する熱水の流れ方向が図３の定常運転状態とは逆になり、熱水流Ａと被加熱流体流Ｂの流れは「対向流」（図３参照）から「並行流」に反転する。この場合に、熱交換器１の伝熱管１ｃについて、熱水流Ａの反転に伴いどのように温度が変化するかを調べると、熱水入口側では図３に比べて伝熱管１ｃの温度が短時間で１５℃程度急速に低下し、逆に熱水出口側では２５℃上昇するようになる（検証済み）。

この伝熱管１ｃの急激な温度変化は熱水の流れを「対向流」から「並行流」への切り換えに伴って発生するもので、この急激な温度変化が伝熱管１ｃおよび伝熱管に付着堆積しているスケールに対して次記のように熱ショックとして作用する。

すなわち、伝熱管１ｃの材質をステンレス鋼、伝熱管１ｃに付着堆積したスケールの成分をシリカ（酸化ケイ素）とすると、ステンレス鋼の熱膨張係数は１６．７×１０^-6／℃、シリカの熱膨張係数は１．８×１０^-6／℃で両者の熱膨張係数差は非常に大である。また、熱交換器１の実機について、伝熱管１ｃの管長を６ｍ、熱水流の「対向流」／「並行流」の反転に伴う伝熱管１ｃの温度がその全長域で平均２５℃変化したとすると、伝熱管１ｃの長さ方向の熱膨張変化量は２．５mmであるのに対して、伝熱管１ｃの全長域に亙って付着堆積したシリカの熱膨張変化量は僅か０．３mmである。この熱膨張量の差により、熱水の流れの反転に伴って伝熱管とスケールとの接合界面には剪断応力が作用し、これによりスケールは伝熱管の管壁からメカニカル的に剥離されるようになる。なお、この場合に、スケールが強固な多層堆積物に成長する以前の早い段階（スケールが多孔質状に堆積している）で、熱交換器１の運転を定常運転からスケール除去運転に切り換えて熱ショックを与えることにより、スケールは伝熱管から容易に剥離し、かつ剥離したスケールも細かな砕片になる。

一方、伝熱管１ｃの管壁（内面壁）から剥離したスケールの砕片は熱水の流れに随伴する形で熱交換器１から流出した後、熱水ライン２の下流側管路にバイパス接続したスケール捕集器４に流入し、ここで容器４ａに内蔵したストレーナ４ｂで捕捉される。この場合に熱交換器１の伝熱管１ｃから剥離したスケールの砕片は、熱交換器から断続的に流出するようになる。

そこで、実際に行うスケール除去の運転制御では、熱水の流れを「並行流」（図４参照）に反転する時間を例えば３０分として、その時間が経過した後は再び定常運転モードに戻して熱水を「対向流」（図３参照）させる。一方、スケール捕集器４は熱水の流れの反転が終了した後も、さらに１時間程度は継続して熱交換器１から流出した熱水を流し、この間に熱水に混入しているスケール砕片を確実に捕集させるようにする。そして、所定の時間が経過すると、スケール捕集器４に附属するゲート弁８Ａ，８Ｂ，８Ｃを図３の定常運転状態に戻す。

また、スケール捕集器４のストレーナ４ｂで捕集されたスケール砕片は、ゲート弁８Ａ，８Ｂを閉じた状態でコック９ａ，９ｂを開き、逆洗洗浄回路９より洗浄水（清水）を流す。これにより、ストレーナ４ｂの内側に溜まっているスケール砕片がドレンコック９ｂを通じて外部に排出，回収される。

なお、図示実施例では、熱交換器１の左右ヘッダー１ａ，１ｂに三方弁６Ａ，６Ｂを接続し、その分岐ポートの間に跨がって流路切換管路２ａを配管しているが、三方弁を用いる代わりに、熱交換器の入口，出口側にそれぞれ２組のゲート弁を組み合わせて使用することもできる。

また、熱交換器１に流す熱水を「対向流」から「並行流」に切換えるスケール除去運転の制御について、先記では月に１回程度の割合で周期的にスケール除去運転を実行するように述べたが、地熱熱水の性状（スケール成分，析出量）が長期に亙り安定してなく時々刻々変動するような場合には、次記のような制御方式でスケール除去運転を実行させることも可能である。

すなわち、熱交換器１の伝熱管１ｃの管壁に付着堆積したスケールの成長が進むと、伝熱管１ｃの流路断面が次第に細ってここを貫流する熱水の流量が減少するようになる。そこで、熱交換器１から流出する熱水の流量を常時監視し、その流量が所定レベル以下に低下した際にアラーム信号を運転制御部５に与えて運転モードを定常運転からスケール除去運転に切り換える。これにより、地熱熱水の性状により変化する熱交換器のスケール付着状態に対応して適切にスケール除去を行うことができる。

この発明の実施例による熱交換器のスケール除去装置を示す周辺の配管系統図図１におけるスケール捕集器の詳細構造，およびその周辺配管系統図図１の定常運転状態を表すフローシート図１のスケール除去運転状態を表すフローシート

符号の説明

１熱交換器
１ａ，１ｂヘッダー
１ｃ伝熱管
２熱水ライン
２ａ，２ｂ流路切換管路
２ｃスケール捕集器のバイパス管路
３被加熱流体ライン
４スケール捕集器
４ａ容器
４ｂストレーナ
５運転制御部
６Ａ，６Ｂ三方弁
７，８Ａ〜８Ｃゲート弁
９スケール捕集器の洗浄回路

Claims

地熱熱水を熱源として常時は熱水と被加熱流体を対向流させて被加熱流体を加熱する対向流型の熱交換器を対象に、熱水を流す熱交換器の伝熱管の管壁に付着堆積したスケールを除去する方法であって、
被加熱流体の流れに対して、スケール除去時には熱交換器の伝熱管に通す熱水の流れを「対向流」から「並行流」に反転して伝熱管に温度変化を加え、この温度変化に伴う伝熱管とスケールとの熱膨張差により伝熱管の管壁から剥離したスケールの砕片を熱交換器より下流側の熱水ライン途上で捕集するようにしたことを特徴とする熱交換器のスケール除去方法。
請求項１に記載のスケール除去方法を実施する熱交換器のスケール除去装置であって、熱交換器に通流する被加熱流体の流れに対して、スケール除去時には熱水ラインから熱交換器に導入する熱水の流れ方向を「対向流」から「並行流」に反転させる流路切換手段と、熱交換器の伝熱管から剥離して熱交換器より排出したスケールの砕片を下流側の熱水ライン途上で捕捉，回収するスケール捕集手段と、熱交換器の運転中に熱水の流れを周期的に「対向流」から「並行流」に切換えた上で、再び「対向流」に戻す運転制御手段とからなることを特徴とする熱交換器のスケール除去装置。
請求項２に記載のスケール除去装置において、スケール捕集手段が、スケール捕捉用ストレーナを内蔵した洗浄回路付きの容器であり、ゲート弁を介して熱水ラインの配管にバイパス接続したことを特徴とする熱交換器のスケール除去装置。