JP6193730B2 - ボイラシステム - Google Patents

Description

本発明は、ボイラシステムに関する。より詳細には、負荷機器から排出されるドレンを、大気に開放することなく回収してボイラに給水するクローズドタイプのボイラシステムに関する。

従来、ボイラによって生成された蒸気を負荷機器に供給し、負荷機器において熱源として使用された蒸気が凝縮して発生するドレンを、耐圧性を有する密閉型のドレンタンクに高温・高圧の状態で回収して、再度ボイラに給水するクローズドタイプのボイラシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１０５４４２号公報

また、船舶等で用いられるボイラシステムとして、ボイラシステムを、メインのボイラに加えて、船舶等の動力であるメインエンジンにおいて発生する排ガスを利用して蒸気を生成する排ガスボイラを含んで構成することが提案されている。
ところで、クローズドタイプのボイラシステムにおいては、ドレンタンクの内部では、ドレンの圧力の低下に起因してフラッシュ蒸気が発生する。ドレンタンクの内部において発生したフラッシュ蒸気は、外部に放出される。ここで、このフラッシュ蒸気を、ボイラに供給する補給水を貯留する大気開放されたオープンタンクに導入して、フラッシュ蒸気が保有する熱を回収することが行われている。しかしながら、ドレンタンクで発生したフラッシュ蒸気をオープンタンクに導入した場合、オープンタンクに貯留される補給水の温度が１００℃を超えてしまい、フラッシュ蒸気が保有する熱を十分に回収できない場合があった。特に、淡水の補給が困難である船舶で用いられるボイラシステムでは、フラッシュ蒸気をできるだけ外部に放出することなく、閉鎖系において利用することが求められる。

従って、本発明は、熱の利用効率をより向上させられ、かつ、フラッシュ蒸気の外部への放出を抑制できるボイラシステムを提供することを目的とする。

本発明は、蒸気を生成する缶体を有し、生成された蒸気を負荷機器に供給するボイラと、前記負荷機器が蒸気を使用することによって凝縮して生じたドレンを大気に開放することなく回収するドレンタンクと、前記ドレンタンクと前記ボイラとを接続し前記ドレンタンクに収容されたドレンを前記ボイラに給水する第１ドレン供給ラインと、燃料を燃焼させて動力を発生させる動力発生装置において発生する排ガスと前記ドレンとの間で熱交換を行い蒸気を生成する排ガスボイラと、前記ドレンタンクに収容されたドレンを前記排ガスボイラに供給する第２ドレン供給ラインと、前記排ガスボイラにおいて生成された蒸気を前記負荷機器側に供給する蒸気ラインと、を備えるクローズドタイプのボイラシステムであって、前記動力発生装置は、燃料を燃焼させて動力を発生させる装置本体と、前記装置本体を冷却する冷却水が循環する冷却水ラインと、前記冷却水ラインに配置され、該冷却水ラインを流通する冷却水との間で熱交換を行い該冷却水を冷却する第１熱交換器と、前記冷却水ラインにおける前記第１熱交換器よりも上流側に配置され、該冷却水ラインを流通する冷却水との間で熱交換を行い該冷却水を加熱する第２熱交換器と、を備え、前記ボイラシステムは、前記ドレンタンクと前記第２熱交換器とを接続し、該ドレンタンクにおいて発生したフラッシュ蒸気を前記第２熱交換器に供給するフラッシュ蒸気供給ラインを更に備えるボイラシステムに関する。

また、ボイラシステムは、大気開放され、前記ボイラに供給する補給水を貯留するオープンタンクと、前記第２熱交換器と前記オープンタンクとを接続し、該第２熱交換器で熱交換を行ったフラッシュ蒸気が凝縮して生じたドレンを前記オープンタンクに返送する返送ラインと、前記返送ラインに配置されるドレン貯留タンクと、前記返送ラインにおける前記ドレン貯留タンクの下流側に配置されるスチームトラップと、を更に備えることが好ましい。

また、ボイラシステムは、大気開放され、前記ボイラに供給する補給水を貯留するオープンタンクと、前記第２熱交換器と前記オープンタンクとを接続し、該第２熱交換器で熱交換を行ったフラッシュ蒸気が凝縮して生じたドレンを前記オープンタンクに返送する返送ラインと、前記返送ラインに配置されるドレン貯留タンクと、前記返送ラインにおける前記ドレン貯留タンクの下流側に配置される返送ポンプと、を更に備えることが好ましい。

本発明のボイラシステムによれば、熱の利用効率をより向上させられ、かつ、フラッシュ蒸気の外部への放出を抑制できる。

本発明の第１実施形態に係るボイラシステムの構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るボイラシステムの構成を示す図である。

以下、本発明のボイラシステムの好ましい各実施形態について、図面を参照しながら説明する。第１実施形態のボイラシステム１は、図１に示すように、負荷機器２０において発生したドレンを、耐圧性を有する密閉型のタンクに高温高圧の状態で回収して、このドレンをボイラに給水するクローズドタイプのボイラシステムである。
また、第１実施形態のボイラシステム１は、ディーゼルエンジンやガスタービン等の、燃料を燃焼させて動力を発生させる動力発生装置１００において発生する排ガスを熱源として蒸気を生成する排ガスボイラ９０を含んで構成される。このようなボイラシステム１は、動力となるメインエンジン及び補助ボイラを有する舶用のボイラシステムとして好適に用いられる。

まず、第１実施形態のボイラシステム１について説明する。
第１実施形態のボイラシステム１は、図１に示すように、ボイラ１０と、補助ボイラとしての排ガスボイラ９０と、ドレンタンク３０と、オープンタンク４０と、を備える。

また、ボイラシステム１は、これらの機器を接続し、蒸気又は水が流通する複数のライン、これら複数のラインを開閉させる複数の弁、所定のラインに配置される複数のポンプ、及びこれら複数の弁や複数のポンプ等の動作を制御する制御装置（図示せず）を備える。具体的には、ボイラシステム１は、ラインとして、第１蒸気供給ラインＬ１と、ドレン回収ラインＬ２と、第１ドレン供給ラインＬ３と、第２蒸気供給ラインＬ４と、補給水ラインＬ５と、第１ドレン循環ラインＬ６と、フラッシュ蒸気供給ラインＬ７と、返送ラインＬ８と、を備える。

ボイラ１０は、蒸気を生成する缶体１１と、缶体１１で生成された蒸気が集合される蒸気ヘッダ１２と、缶体１１と蒸気ヘッダ１２とを連結する連結管１３と、連結管１３に配置され缶体１１で生成された蒸気に含まれる水分を分離する気液分離器１４と、を備える。

以上のボイラ１０によれば、缶体１１に供給されたドレンは燃料の燃焼により加熱され、ドレンから蒸気が生成される。缶体１１で生成された蒸気中に含まれる水分は、気液分離器１４により除去され、水分が除去された蒸気が連結管１３を介して蒸気ヘッダ１２に集められる。

排ガスボイラ９０は、後述するメインエンジン１００において発生した排ガスと、ドレンタンク３０から供給されたドレンとの間で熱交換を行い蒸気を生成する。第１実施形態では、ドレンは、ボイラ１０と排ガスボイラ９０とを接続する第２ドレン供給ライン９１を介して排ガスボイラ９０に導入される。そして、排ガスボイラ９０で生成された蒸気は、蒸気ライン９２を介してボイラ１０に送られる。尚、第２ドレン供給ライン９１には、モータバルブ９１１が配置される。

蒸気ヘッダ１２に集められた蒸気は、蒸気使用設備である負荷機器２０に供給される。

負荷機器２０は、ボイラ１０で発生した蒸気を熱源として利用し、加熱対象物との間で熱交換を行う。
ドレンタンク３０は、負荷機器２０において熱交換に用いられた蒸気の一部が凝集して生じるドレンを回収して収容する。このドレンタンク３０は、耐圧性を有し密閉可能な圧力容器により構成される。

オープンタンク４０は、大気に開放されている。このオープンタンク４０は、ボイラ１０に供給される補給水を貯留する。

次に、動力発生装置としてのメインエンジン１００について説明する。メインエンジン１００は、例えば、燃料として軽油を用いるディーゼルエンジンにより構成される。このメインエンジン１００は、図１に示すように、装置本体１１０と、排気ダクト１２０と、冷却水ライン１３０と、第１熱交換器としての造水機１４０と、第２熱交換器１５０と、ドレンクーラ１６０と、を備える。

装置本体１１０は、燃料を燃焼させて動力を発生させる。
排気ダクト１２０は、装置本体１１０において燃料が燃焼されて発生した排ガスを排出する。この排気ダクト１２０の下流側は、排ガスボイラ９０に接続される。これにより、排ガスボイラ９０に排ガスが供給される。
冷却水ライン１３０は、装置本体１１０の内部を通ると共に環状に構成される。この冷却水ライン１３０の内部には、冷却水が循環しており、これにより、装置本体１１０が冷却される。

造水機１４０は、冷却水ライン１３０に配置される。この造水機１４０は、例えば、海水を真空環境下で加熱して蒸溜することで淡水を製造する。即ち、造水機１４０は、装置本体１１０の熱を吸収して加熱された高温の冷却水と海水との間で熱交換を行い、淡水を製造する。

第２熱交換器１５０は、冷却水ライン１３０における造水機１４０よりも上流側に配置される。この第２熱交換器１５０には、後述のフラッシュ蒸気供給ラインＬ７からフラッシュ蒸気が供給される。そして、冷却水ライン１３０を流通する冷却水（例えば、８０℃）との間で熱交換を行い、この冷却水を加熱する。

ドレンクーラ１６０は、冷却水ライン１３０における造水機１４０よりも下流側に配置される。このドレンクーラ１６０は、造水機１４０において冷却された冷却水を海水により更に冷却する。

次に、各機器を接続するラインの詳細について説明する。
第１蒸気供給ラインＬ１は、蒸気ヘッダ１２と負荷機器２０とを接続し、ボイラ１０で生成された蒸気を負荷機器２０に供給する。
ドレン回収ラインＬ２は、負荷機器２０とドレンタンク３０とを接続し、負荷機器２０で発生したドレンをドレンタンク３０に供給する。このドレン回収ラインＬ２には、負荷機器２０において発生したドレンを排出し、かつ、蒸気の排出を防ぐスチームトラップ２１、逆止弁２２及びモータバルブ２３が配置される。

第１ドレン供給ラインＬ３は、ドレンタンク３０とボイラ１０とを接続し、ドレンタンク３０に収容されたドレンをボイラ１０に供給する。第１実施形態では、第１ドレン供給ラインＬ３の上流側の端部は、ドレンタンク３０の下部に接続される。また、第１ドレン供給ラインＬ３の下流側は、缶体１１の下部に接続される。

以上の第１ドレン供給ラインＬ３には、ドレンポンプ３１及びドレン供給弁３２が配置される。
ドレンポンプ３１は、ドレンタンク３０から供給されたドレンを昇圧してボイラ１０に供給する。ドレン供給弁３２は、モータバルブにより構成される。

第２蒸気供給ラインＬ４は、蒸気ヘッダ１６とドレンタンク３０とを接続する。この第２蒸気供給ラインＬ４は、ボイラ１０で生成された蒸気をドレンタンク３０に供給し、ドレンタンク３０の内部の圧力を調節する。第２蒸気供給ラインＬ４には、圧力調整弁４１及びモータバルブ４２が配置される。

補給水ラインＬ５は、オープンタンク４０とドレンタンク３０とを接続し、オープンタンク４０に貯留された水をドレンタンク３０に供給する。補給水ラインＬ５には、ポンプ５１が配置されている。

第１ドレン循環ラインＬ６は、第１ドレン供給ラインＬ３とドレンタンク３０とを接続する。より具体的には、第１ドレン循環ラインＬ６の上流側（基端側）の端部は、第１ドレン供給ラインＬ３におけるドレンポンプ３１とドレン供給弁３２との間に接続される。第１ドレン循環ラインＬ６の下流側の端部は、ドレンタンク３０の上部に接続されるラインと、ドレンタンク３０の下部に接続されるラインとに分岐している。ドレンタンク３０の上部に接続されるラインには、モータバルブ６１が配置され、ドレンタンク３０の下部に接続されるラインには、オリフィス６２が配置される。

第１ドレン循環ラインＬ６は、第１ドレン供給ラインＬ３を流通するドレンの一部又は全部を、ドレンタンク３０に戻す。より詳細には、ドレンタンク３０の下部に接続されるラインからは、ドレンタンク３０の液相部にドレンが循環され、ドレンタンク３０の上部に接続されるラインからは、ドレンタンク３０の気相部にドレンが循環される。この第１ドレン循環ラインＬ６では、液相部に循環されるドレンの流量を、オリフィス６２により調整してドレンタンク３０に貯留されるドレンの温度を均一化させつつ、気相部に循環させるドレンにより、ドレンタンク３０の内部で発生するフラッシュ蒸気を回収している。

フラッシュ蒸気供給ラインＬ７は、ドレンタンク３０と第２熱交換器１５０とを接続し、ドレンタンク３０で発生したフラッシュ蒸気を第２熱交換器１５０に供給する。
返送ラインＬ８は、第２熱交換器１５０とオープンタンク４０とを接続し、第２熱交換器１５０で熱交換を行ったフラッシュ蒸気が凝縮して生じたドレンをオープンタンク４０に返送する。この返送ラインＬ８には、ドレン貯留タンク８１と、スチームトラップ８２と、が配置される。

ドレン貯留タンク８１は、第２熱交換器１５０においてフラッシュ蒸気から生じたドレンを貯留する。
スチームトラップ８２は、ドレン貯留タンク８１の下流側に配置される。このスチームトラップ８２は、返送ラインＬ８を流通するドレン及びフラッシュ蒸気のうちのドレンのみを下流側に流通させ、フラッシュ蒸気の下流側への流通を防ぐ。

次に、第１実施形態のボイラシステム１の動作について説明する。
第１実施形態では、まず、ボイラ１０（缶体１１）において蒸気が生成される。缶体１１で生成された蒸気は、気液分離器１４において水分が分離された後、連結管１３を介して蒸気ヘッダ１２に供給される。

蒸気ヘッダ１２に供給された蒸気は、負荷機器２０において利用された後ドレンとなり、高温高圧の状態でドレンタンク３０に貯留される。そして、ドレンタンク３０に貯留されたドレンは、第１ドレン供給ラインＬ３を通ってボイラ１０に給水として供給される。
また、第１ドレン供給ラインＬ３を流通するドレンの一部は、第１ドレン循環ラインＬ６を通ってドレンタンク３０に返送される。

一方、メインエンジン１００においては、燃料が燃焼されて排ガスが発生する。そして、この排ガスは、排気ダクト１２０を介して排ガスボイラ９０に導入される。
排ガスボイラ９０には、第１ドレン供給ラインＬ３、缶体１１、及び第２ドレン供給ライン９１を介してドレンタンク３０に収容されたドレンが供給される。そして、この排ガスボイラ９０に供給されたドレンが排ガスにより加熱されて蒸気が生成される。
排ガスボイラ９０において生成された蒸気は、蒸気ライン９２及びボイラ１０を介して蒸気ヘッダ１２に供給される。

また、メインエンジン１００においては、冷却水ライン１３０を循環する冷却水は、装置本体１１０の内部において装置本体１１０を冷却して、例えば、８０℃程度に加熱される。

次いで、装置本体１１０を出た冷却水（８０℃程度）は、第２熱交換器１５０に導入される。ここで、第２熱交換器１５０には、フラッシュ蒸気供給ラインＬ７を介してドレンタンク３０で発生したフラッシュ蒸気が供給される。これにより、第２熱交換器１５０では、冷却水ライン１３０を流通する冷却水は、フラッシュ蒸気により更に加熱される。

次いで、第２熱交換器１５０を出た冷却水は、造水機１４０に導入される。造水機１４０では、高温の冷却水により海水が加熱されて蒸溜され、淡水が製造される。そして、冷却水は冷却される。

次いで、造水機１４０を出た冷却水は、ドレンクーラ１６０に導入される。ドレンクーラ１６０では、冷却水が海水により更に冷却される（例えば、７０℃程度）。
そして、ドレンクーラ１６０を出て冷却された冷却水は、再び装置本体１１０の内部に導入される。

また、第２熱交換器１５０において冷却水との間で熱交換を行ったフラッシュ蒸気が凝縮して生じたドレンは、返送ラインＬ８を通ってオープンタンク４０に返送される。より詳細には、フラッシュ蒸気が凝縮して生じたドレンは、まず、ドレン貯留タンク８１に貯留される。次いで、ドレン貯留タンク８１に貯留されたドレンは、スチームトラップ８２を通じてオープンタンク４０側に流通し、オープンタンク４０に収容される。ここで、第１実施形態では、ドレン貯留タンク８１の下流側にスチームトラップ８２を配置している。これにより、スチームトラップ８２の上流側と下流側で生じる圧力差を利用してドレンをオープンタンク４０に返送できる。よって、別途エネルギを用いることなくドレンをオープンタンク４０に返送できる。

以上説明した第１実施形態のボイラシステムによれば、以下のような効果を奏する。

（１）ボイラシステム１を、メインエンジン１００において発生する排ガスを利用して蒸気を生成する排ガスボイラ９０と、ドレンタンク３０において発生したフラッシュ蒸気をメインエンジン１００の冷却水を加熱する第２熱交換器１５０に供給するフラッシュ蒸気供給ラインＬ７と、を含んで構成した。これにより、フラッシュ蒸気の保有する熱をメインエンジン１００の冷却水の加熱に用いることができるので、ボイラシステム１の熱の利用効率を向上させられる。また、フラッシュ蒸気を第２熱交換器１５０に導入することで、フラッシュ蒸気の温度を低下させてドレン化できるので、フラッシュ蒸気の外部への放出を抑制できる。

（２）ボイラシステム１を、オープンタンク４０と、第２熱交換器１５０で熱交換を行ったフラッシュ蒸気から生じるドレンをオープンタンク４０に返送する返送ラインＬ８と、この返送ラインＬ８に配置されるドレン貯留タンク８１と、ドレン貯留タンク８１の下流側に配置されるスチームトラップ８２と、を含んで構成した。これにより、スチームトラップ８２の上流側と下流側で生じる圧力差を利用してドレンをオープンタンク４０に返送できる。よって、別途エネルギを用いることなくドレンをオープンタンク４０に返送できる。

次に、本発明の第２実施形態に係るボイラシステム１Ａについて、図２を参照しながら説明する。尚、第２実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
第２実施形態のボイラシステム１Ａは、返送ラインＬ８に、スチームトラップ８２に代えて返送ポンプ８３が配置されている点で第１実施形態と異なる。即ち、第２実施形態においては、返送ラインＬ８を流通するドレン（ドレン貯留タンク８１に貯留されたドレン）は、返送ポンプ８３によって、オープンタンク４０に返送される。

第２実施形態のボイラシステム１Ａによれば、上述の（１）の効果を奏する他、以下のような効果を奏する。

（３）ボイラシステム１Ａを、オープンタンク４０と、第２熱交換器１５０で熱交換を行ったフラッシュ蒸気から生じるドレンをオープンタンク４０に返送する返送ラインＬ８と、この返送ラインＬ８に配置されるドレン貯留タンク８１と、ドレン貯留タンク８１の下流側に配置される返送ポンプ８３と、を含んで構成した。これにより、ドレン貯留タンク８１に貯留されるドレンの圧力が低い場合（例えば、ドレンの温度が１００℃以下の場合）であってもドレンをオープンタンク４０に好適に返送できる。

以上、本発明のボイラシステムの好ましい各実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、第１実施形態及び第２実施形態では、ボイラシステム１，１Ａを、一台のボイラ１０により構成したが、これに限らない。即ち、ボイラシステムを、複数台のボイラを含んで構成してもよい。

また、第１実施形態及び第２実施形態では、補給水ラインＬ５を、オープンタンク４０とドレンタンク３０とを接続して構成したが、これに限らない。即ち、補給水ラインを、オープンタンクとドレンタンクとを接続する第１の補給水ラインと、オープンタンクと第１ドレン供給ラインとを接続する第２の補給水ラインと、を含んで構成してもよい。

１，１Ａ ボイラシステム
１０ ボイラ
１１ 缶体
２０ 負荷機器
３０ ドレンタンク
４０ オープンタンク
８１ ドレン貯留タンク
８２ スチームトラップ
８３ 返送ポンプ
９０ 排ガスボイラ
９１ 第２ドレン供給ライン
９２ 蒸気ライン
１００ メインエンジン（動力発生装置）
１１０ 装置本体
１３０ 冷却水ライン
１４０ 造水機（第１熱交換器）
１５０ 第２熱交換器
Ｌ３ 第１ドレン供給ライン
Ｌ７ フラッシュ蒸気供給ライン
Ｌ８ 返送ライン

Claims (3)

1. 蒸気を生成する缶体を有し、生成された蒸気を負荷機器に供給するボイラと、
   前記負荷機器が蒸気を使用することによって凝縮して生じたドレンを大気に開放することなく回収するドレンタンクと、
   前記ドレンタンクと前記ボイラとを接続し前記ドレンタンクに収容されたドレンを前記ボイラに給水する第１ドレン供給ラインと、
   燃料を燃焼させて動力を発生させる動力発生装置において発生する排ガスと前記ドレンとの間で熱交換を行い蒸気を生成する排ガスボイラと、
   前記ドレンタンクに収容されたドレンを前記排ガスボイラに供給する第２ドレン供給ラインと、
   前記排ガスボイラにおいて生成された蒸気を前記負荷機器側に供給する蒸気ラインと、
   を備えるクローズドタイプのボイラシステムであって、
   前記動力発生装置は、
   燃料を燃焼させて動力を発生させる装置本体と、
   前記装置本体を冷却する冷却水が循環する冷却水ラインと、
   前記冷却水ラインに配置され、該冷却水ラインを流通する冷却水との間で熱交換を行い該冷却水を冷却する第１熱交換器と、
   前記冷却水ラインにおける前記第１熱交換器よりも上流側に配置され、該冷却水ラインを流通する冷却水との間で熱交換を行い該冷却水を加熱する第２熱交換器と、を備え、
   前記ボイラシステムは、
   前記ドレンタンクと前記第２熱交換器とを接続し、該ドレンタンクにおいて発生したフラッシュ蒸気を前記第２熱交換器に供給するフラッシュ蒸気供給ラインを更に備えるボイラシステム。
2. 大気開放され、前記ボイラに供給する補給水を貯留するオープンタンクと、
   前記第２熱交換器と前記オープンタンクとを接続し、該第２熱交換器で熱交換を行ったフラッシュ蒸気が凝縮して生じたドレンを前記オープンタンクに返送する返送ラインと、
   前記返送ラインに配置されるドレン貯留タンクと、
   前記返送ラインにおける前記ドレン貯留タンクの下流側に配置されるスチームトラップと、を更に備える請求項１に記載のボイラシステム。
3. 大気開放され、前記ボイラに供給する補給水を貯留するオープンタンクと、
   前記第２熱交換器と前記オープンタンクとを接続し、該第２熱交換器で熱交換を行ったフラッシュ蒸気が凝縮して生じたドレンを前記オープンタンクに返送する返送ラインと、
   前記返送ラインに配置されるドレン貯留タンクと、
   前記返送ラインにおける前記ドレン貯留タンクの下流側に配置される返送ポンプと、を更に備える請求項１に記載のボイラシステム。

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