JP6510755B2 - スケール付着量推定システム - Google Patents

Description

本発明は、ボイラ炉壁の冷却管の内壁面のスケール付着量を推定するためのスケール付着量推定システムに関する。

ボイラ炉壁の冷却管は運転時に高温状態となるので、冷却管材料の熱によるクリープ損傷状態を監視する必要がある。そのため、従来は、定期検査時に冷却管材料の一部を切り取って顕微鏡で観察するなど、ボイラの運転停止中にクリープ損傷状態を検査するようにしていた。

例えば、ボイラ炉壁を構成するメンブレンパネル（ボイラ水冷壁）は、火炉内側からバーナー火炎や燃焼ガスにより加熱され、その冷却管（水管）の中を流れる水や蒸気と熱交換するものである。言い換えれば、火炎や燃焼ガスにより加熱された金属管を水で冷やしている状態である。

さらに、メンブレンパネルの冷却管は、ボイラの運転状況（温度や時間など）に応じて、その内部に徐々にスケールが堆積する。スケールの熱伝導率は悪いので、冷却管内にスケールが付着すると、その付着量に応じて伝熱管の伝熱効率が低下する。

これにより、例えば、火炉内における異常燃焼等による加熱・スケール成長と伝熱劣化によるメタル温度上昇の悪循環が加速されると、想定される期間よりも早く冷却管のメタル温度が上昇し、また管壁が損傷したり、炉内の燃焼状況が変化しない場合は、冷却管のメタル温度が上昇し、管壁にクリープ損傷が蓄積する可能性がある。そのため、メンブレンパネルの冷却管内部のスケール付着量を的確に把握することが重要である。

例えば、特許文献１には、ボイラ伝熱管材料の損傷率予測方法が提案されている。

特開２００５−１４７７９７号公報

しかしながら、従来は、メンブレンパネルの冷却管内部のスケール付着量を、ボイラ運転中にリアルタイムで監視することができなかった。このため、ボイラ炉壁のメンテナンスや修理を適時に行うことができないという問題があった。

本発明は、上述した従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであって、ボイラのメンブレンパネルの冷却管内部の現在および将来のスケール付着量を、ボイラ運転中にリアルタイムで推定できるスケール付着量推定システム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、本発明は、ボイラ炉壁の冷却管の内壁面のスケール付着量を推定するためのスケール付着量推定システムにおいて、前記ボイラ炉壁のフィンの炉外側外壁面の温度である炉外フィン温度を計測するための炉外フィン温度計測手段と、前記炉外フィン温度に基づいて、前記冷却管の炉内側外壁面の温度である炉内冷却管温度を演算するための炉内冷却管温度演算手段と、前記炉内冷却管温度に基づいて、前記冷却管の内部の相当熱伝達係数を演算するための相当熱伝達係数演算手段と、前記相当熱伝達係数に基づいて、前記冷却管の内壁面上のスケールの厚さを演算するためのスケール厚さ演算手段と、を備えたことを特徴とする。

ここで、「相当熱伝達係数」とは、伝熱管内を流れる流体（典型的には水）とスケールの熱伝達と、スケールの熱伝導と、伝熱管材料（典型的には金属）の熱伝導をまとめて表現した熱伝達係数である。

また、好ましくは、前記炉外フィン温度は、前記冷却管の軸線方向に沿って連続的に計測される。

また、好ましくは、前記炉外フィン温度は、前記ボイラ炉壁の全面にわたって計測される。

また、好ましくは、前記炉外フィン温度は、光ファイバを用いて計測される。

また、好ましくは、前記フィンの幅（ｗ）は５〜２５ｍｍであり、前記フィンの肉厚（ｔ）は５〜７ｍｍである。

本発明によれば、ボイラのメンブレンパネルの冷却管内部の現在および将来のスケール付着量を、ボイラ運転中にリアルタイムで推定できる。

本発明の一実施形態によるスケール付着量推定システムの概略構成を示したブロック図。 図１に示したスケール付着量推定システムにおける伝熱管温度計測手段の一例を説明するための模式図。 図１に示したスケール付着量推定システムにおける伝熱管温度計測手段の一例を説明するための模式図。 図１に示したスケール付着量推定システムにおける伝熱管温度計測手段の一例を説明するための模式図。 図１に示したスケール付着量推定システムにおける炉外フィン温度計測手段および炉内冷却管温度演算手段の一例を説明するための模式図。 図１に示したスケール付着量推定システムにおける炉内冷却管温度演算手段の一例を説明するためのグラフ。 図１に示したスケール付着量推定システムにおける相当熱伝達係数演算手段の一例を説明するためのグラフ。 図１に示したスケール付着量推定システムにおけるスケール厚さ演算手段の一例を説明するためのグラフ。 図１に示したスケール付着量推定システムにおけるスケール厚さ時間変化曲線較正手段の一例を説明するためのグラフ。 図１に示したスケール付着量推定システムにおけるスケール厚さ時間変化曲線較正手段の一例を説明するためのグラフ。 本発明の一実施形態におけるスケール付着量の推定方法の原理を説明するための説明図。

以下、本発明の一実施形態によるスケール付着量推定システムについて、図面を参照して説明する。本実施形態によるスケール付着量推定システムは、ボイラ炉壁（メンブレンパネル）の冷却管の内壁面上のスケールの付着量を推定するものである。

まず初めに、本実施形態におけるスケール付着量の推定方法の原理について、図１１を参照して説明する。
１．メンブレンパネルの温度分布について
メンブレンパネルのフィンの根本からの距離ｘの温度を求める。ここで、フィンのｘの位置の温度は一様とする１次元モデルで考える。

ｘの位置において、冷却管に向かう方向の熱流束ｑは、ｘからｗまでの熱流束ｑ₀によるものであり、下記の通りである。

ｑは、冷却管に近づくにつれて線形的に増大するので、フィン内で相当内部発熱Ｑがあると考えてよい。

相当内部発熱量は、

内部発熱のある物体内の一次元温度分布を求める。

より、

ここで、境界条件：ｘ＝0のとき、T=T₂より、
C＝λT₂＋Qｗ^２/２
であるから、

したがって、ｘ＝ｗの位置の温度T_１は、

したがって、フィンの根本と中央部の温度差ΔT（＝T_１−T_２）は、下記の通りとなり、ｗとｔが決まれば、決まる。

この温度差ΔTは、当然のことながら、冷却管内熱伝達条件に依存しない。

ただし、温度差ΔTは、フィンの長さｗ（冷却管ピッチに対応）に対しては、線形関係にはなく（２次関数に比例）、また、フィンの厚さｔに対しては反比例している。

２．冷却管における温度について
冷却管の炉内に最も面している位置とフィン取付け部とは、その部分の熱流束の相違により温度が生じていると考えられるところ、その温度差は、前記１）も考慮すると、ｗとｔが一定ならば、炉内からの熱流束に比例していると考えられる。

３．まとめ
（１）前記１．と２．により、炉内からの入熱条件（ｑ₀）に対して、理論的に、所定の位置のフィン部の温度を測定する限り、炉内冷却管温度とフィン部温度とは、線形関係にあることが立証された。

i)前記計算モデルは、フィン内の熱流束ｑが、所定の位置ｘにおいて一様、すなわち一次元のものであるため、基本的には、ｗがｔに対して十分大きい場合に成立する。

ii)本発明者は、有限要素解析により、ボイラ燃焼室のメンブレンパネルにおける標準的な設計寸法であるｗ＝５〜２５ｍｍ、ｔ＝５〜７ｍｍの場合、上述の線形関係が成立することを確認している。

iii)一方、ｗとｔの関係により、フィン内の熱流束が一次元でなく二次元（平面的）なものであった場合には、前記一次元モデルは成立しないが、炉内からの熱流束の大きさが変化しても、熱の流れ自体は基本的に同一であり、単にそれに応じて、温度分布は熱流束が大きくなるにつれ、全体的に相似的に拡大するだけと考えることができる。このため、ΔＴは、炉内からの熱流束ｑ₀に比例して大きくなるはずと考えられる。

iv)以上から、ｗとｔを所定の寸法に固定すれば、ΔＴは、炉内からの熱流束ｑ₀に比例して大きくなるということは、ｗとｔの関係にかかわらず一般化できるはずと考えられる。

（２）前記（１）は、ある炉型が定まっていることを前提に、その特定のｗとｔとの関係に基づくものである。そのため、現在の推定手法では、そのような特定の寸法・形状のボイラないしメンブレンパネルについて、当該炉ごとに予め、試験や解析により、炉内冷却管温度とフィン部温度との関係のデータを取得しておくこととしている。

しかし、前記計算モデルに基づけば、フィンのｗとｔの大きさにより、簡易計算によりΔＴを計算することができるので、煩雑な試験や解析により炉型ごとのデータ取得は不要となる。すなわち、特定の形状のデータを取得しておけば、例えば、（１）式により、フィンのｗとｔの相違を補正することができるので、より汎用性のある手法となり得る。

本発明によるスケール付着量推定システムは、上述の知見に基づいてなされたものである。

なお、本発明によるスケール付着量推定システムは、伝熱管寿命推定システムや、スケール厚さの増加による水路閉塞状態の監視や伝熱／冷却性能の悪化などに広く適用できるものである。

図１に示したように、本実施形態によるスケール付着量推定システム１は、伝熱管の外壁面の温度である伝熱管温度を測定するための伝熱管温度計測手段２を備えている。

伝熱管温度計測手段２は、特にその種類を問わないが、例えば熱電対、光ファイバ、赤外線カメラなどを使用することができる。図２は、ボイラのメンブレンパネル２０に温度計測用の光ファイバ２１を敷設した様子を示している。光ファイバ２１は、メンブレンパネル２０の冷却管（伝熱管）２２同士を連結するフィン２３に敷設されている。これにより、冷却管２２の軸線方向に沿って連続的に伝熱管温度を計測することができる。

また、図３に示したように、温度計測用の光ファイバ２１をボイラ２４の火炉壁の全面にわたって敷設することにより、伝熱管温度を火炉壁の全面にわたって計測することができる。或いは、図４に示したように、赤外線カメラ２５を用いてボイラ２４の火炉壁の全面にわたって温度計測を行うようにしても良い。

本実施形態における伝熱管温度計測手段２は、図１および図５に示したように、メンブレンパネル２０のフィン２３の炉外側外壁面に設けた光ファイバなどから成る炉外フィン温度計測手段３と、炉外フィン温度計測手段３で計測された炉外フィン温度に基づいて、冷却管２２の炉内側外壁面の温度である炉内冷却管温度（図５における符号２６の位置の温度）を演算するための炉内冷却管温度演算手段４とを含んでいる。

本発明者が行った有限要素解析の結果により、ボイラ２４のメンブレンパネル２０の炉外フィン温度と炉内冷却管温度とはある程度の線形関係にあることが解った。図６は、炉外フィン温度と炉内冷却管温度との関係の一例を示している。冷却管２２内へのスケールの堆積などに起因して、炉外フィン温度および炉内冷却管温度が上昇するが、両者の関係はほぼ線形となっている。

したがって、図６に示したような炉内冷却管温度と炉外フィン温度との関係を、型式に応じて予め取得しておけば、炉内冷却管温度を直接的に計測しなくても、炉外フィン温度の計測値から炉内冷却管温度を求めることができる。

このように炉内ではなく炉外で温度計測を行うことができるので、温度計に要求される耐熱性のレベルを軽減することができる。また、炉内計測に比べ、計測データの長期信頼性、安定性も高い。

また、メンブレンパネル２０の冷却管２２や過熱器管などの伝熱管の伝熱性能は、管内を流れる水と管表面との間における見かけの熱伝達（スケールの熱伝導を含む）に関する相当熱伝達係数heとして表現できる。

ここで、メンブレンパネル２０の冷却管２２内の水温を、飽和温度と仮定すれば、伝熱管のメタル表面温度と相当熱伝達係数heとの関係を有限要素解析などにより算出することができ、両者の関係を予め把握しておくことができる。

したがって、伝熱管のメタル表面温度を計測すれば、予め把握しておいた伝熱管のメタル表面温度と相当熱伝達係数heとの関係から、相当熱伝達係数heを推定することができる。

図１に示した相当熱伝達係数演算手段５は、上述の方法により相当熱伝達係数heを演算するものである。すなわち、図７に示したように、相当熱伝達係数演算手段５は、伝熱管の外壁面の温度である伝熱管温度に基づいて、伝熱管の内部の相当熱伝達係数heを演算する。相当熱伝達係数演算手段５は、本実施形態によるスケール付着量推定システムの一部を構成する。

ところで、見かけの熱伝達である相当熱伝達係数heは、スケールの熱伝導率と厚さによって決定できる。スケールの熱伝導率は、ボイラの種類や水質、生成温度などの影響を受けるため、サイトごとに異なるが、ここでは、経験に基づき、スケールの熱伝導率として平均的（妥当）な値を仮決めする。

この仮決めにより、スケール厚さと相当熱伝達係数heの関係が一義的に把握できるので、相当熱伝達係数heが分れば、運転中であっても、スケール厚さを推定することができる。

図１に示した現在のスケール厚さ演算手段６は、上述の方法によりスケールの厚さを演算するものである。すなわち、図８に示したように、相当熱伝達係数演算手段５で得られた相当熱伝達係数heに基づいて、伝熱管内のスケールの厚さを演算する。現在のスケール厚さ演算手段６は、本実施形態によるスケール付着量推定システムを構成する。このように、運転中であっても現在のスケール厚さを推定することができる。

スケール厚さの時間変化曲線は、ボイラの運転条件に変化がなければ連続的に変化する。スケール厚さの時間変化曲線は、サイトや運転条件、水質などによりスケール成長速度が変化するが、曲線形状は実質的に変化しない。すなわち、グラフの横軸が伸縮するのみである。

この時点では、現在時刻におけるスケール厚さが推定されているので、スケール厚さの時間変化曲線におけるグラフ横軸を補正（キャリブレーション）することができる。

図１に示したスケール厚さ時間変化曲線較正手段７は、上述の方法により、スケール厚さ時間変化曲線基準データベース８から取得したスケール厚さ時間変化曲線のデータ（ベースラインカーブ）を較正するものである。すなわち、図９に示したように、スケール厚さから、運転時間に基づくパラメータにおける参照時間が演算できるので、この参照時間に基づいて、図１０に示したようにスケール厚さ時間変化曲線におけるグラフ横軸を補正する。スケール厚さの時間変化曲線が補正されたので、将来のスケール厚さを精度良く予測することができる。このように運転中のスケール厚さだけでなく、将来のスケール付着状況を予測することも可能となる。

以上述べたように、本実施形態によるスケール付着量推定システムによれば、スケール厚さと相当熱伝達係数heとの関係から、運転中のスケール厚さをリアルタイムで推定することができるうえに、将来の相当熱伝達係数heの推移を予測し、有限要素解析などから求めた伝熱管のメタル表面温度と相当熱伝達係数heとの関係より、伝熱管の将来のスケール付着量がどのように推移するかを、リアルタイムで精度良く予測することができる。

また、伝熱管のメタル表面温度の計測を繰り返すことにより、スケール厚さの時間変化曲線を逐次補正することができるので、伝熱管の将来のメタル表面温度の予測性能が向上する。

ところで、スケールの熱伝導率は前述の通り平均的（妥当）な値を仮決めして検討を進めていたが、ボイラの定期検査では、スケール厚さを計測することがある。

そこで、定期検査によりスケール厚さの実測値が得られたならば、図１に示したスケール熱伝達率演算手段９により、以下の手順によりスケールの熱伝達係数を決定する。

・定期検査直前の運転時に計測された伝熱管のメタル温度から管内の相当熱伝達係数heを算出する。

・実測されたスケール厚さと、算出された相当熱伝達係数heとを、両者の関係図にプロットする。

・スケール厚さと相当熱伝達係数heとの関係を示す線が、当該プロットを通過するように熱伝達係数を決める。

以上により、対象サイトにおけるスケールの熱伝達係数が計測されるため、伝熱管の将来のメタル表面温度の予測精度がさらに向上する。

なお、本実施形態によるスケール付着量推定システムにおいては、スケール厚さが予め設定した値を超えたら警報を発するようにしても良い。

以上述べたように、本実施形態によるスケール付着量推定システムによれば、温度計測によってスケール量を推定できるので、ボイラ運転中のスケール量をリアルタイムで把握し、将来のスケール量を予測することが可能となる。

また、炉外フィン温度から炉内冷却管温度を推定することができるので、温度計測手段に要求される耐熱性レベルを低減することができる。また、炉内計測に比べ、計測データの長期信頼性、安定性が高い。

本システムを搭載したボイラは、冷却管内部の酸洗浄などのメンテナンスを適時に行うように提案できるため、無駄なメンテナンスを回避できると共に、危険状態を早期に発見できるためボイラの安全性を高めることができる。

１ スケール付着量推定システム
２ 伝熱管温度計測手段
３ 炉外フィン温度計測手段
４ 炉内冷却管温度演算手段
５ 相当熱伝達係数演算手段
６ スケール厚さ演算手段
７ スケール厚さ時間変化曲線較正手段
８ スケール厚さ時間変化曲線基準データベース
９ スケール熱伝達率演算手段
２０ メンブレンパネル
２１ 光ファイバ
２２ 冷却管
２３ フィン
２４ ボイラ
２５ 赤外線カメラ
２６ 炉内冷却管温度の計測位置

Claims (5)

1. ボイラ炉壁の冷却管の内壁面のスケール付着量を推定するためのスケール付着量推定システムにおいて、
   前記ボイラ炉壁のフィンの炉外側外壁面の温度である炉外フィン温度を計測するための炉外フィン温度計測手段と、
   前記炉外フィン温度に基づいて、前記冷却管の炉内側外壁面の温度である炉内冷却管温度を、予め取得しておいた前記炉内冷却管温度と前記炉外フィン温度との関係を用いて演算するための炉内冷却管温度演算手段と、
   前記炉内冷却管温度に基づいて、前記冷却管の内部の相当熱伝達係数を演算するための相当熱伝達係数演算手段と、
   前記相当熱伝達係数に基づいて、前記冷却管の内壁面上のスケールの厚さを演算するためのスケール厚さ演算手段と、を備えたスケール付着量推定システム。
2. 前記炉外フィン温度は、前記冷却管の軸線方向に沿って連続的に計測される、請求項１記載のスケール付着量推定システム。
3. 前記炉外フィン温度は、前記ボイラ炉壁の全面にわたって計測される、請求項１または２に記載のスケール付着量推定システム。
4. 前記炉外フィン温度は、光ファイバを用いて計測される、請求項２または３に記載のスケール付着量推定システム。
5. 前記フィンの幅（ｗ）は５〜２５ｍｍ以下であり、前記フィンの肉厚（ｔ）は５〜７ｍｍである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のスケール付着量推定システム。

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