JP7206990B2 - 伝熱管損傷検出装置、ボイラシステム及び伝熱管損傷検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱管損傷検出装置、ボイラシステム及び伝熱管損傷検出方法に関するものである。

ボイラ等の熱交換装置において、伝熱管の損傷による漏洩蒸気は、周囲の伝熱管をも損傷させるため、早期の検知及び停缶が必要となる。一般的に、熱交換装置においては、伝熱管への給水量の変化に基づいて、伝熱管の損傷を検出している。また、例えば、特許文献１には、熱交換機器において、音響信号に基づいて、チューブリーク（流体配管からの漏出）を検出する手法が開示されている。特許文献１においては、流体配管から発せられる音を集音し、その音響信号の変化に基づいて、チューブリークを検出する。

国際公開第２０１３／１３６４７２号公報

しかしながら、給水量の変化に基づいて伝熱管の損傷を検出する場合、伝熱管における損傷の発生から、給水量に変化が生じるまでに時間がかかるため、伝熱管の損傷の検出に大きなタイムラグが発生する。また、伝熱管の音響信号の変化に基づいて伝熱管の損傷を検出する場合（音響方式）、損傷した伝熱管を特定することが難しく、特定に時間がかかる。さらに、ボイラには、伝熱管の表面の粉塵を除去するため、高圧洗浄機（スートブロワ）が設けられている。音響方式の場合、全ての高圧洗浄機が停止している場合以外、高圧洗浄機の稼働音に阻害されるため、伝熱管の損傷を検出することが困難である。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、伝熱管の損傷を迅速に検出することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための伝熱管損傷検出装置に係る第１の手段として、複数の伝熱管が設けられる熱交換装置の前記伝熱管の損傷を検出する伝熱管損傷検出装置であって、複数の前記伝熱管において内部に流通する流体の挙動が類似する位置に設けられ、前記伝熱管内の状態量を計測する計測手段と、複数の前記計測手段からの入力に基づいて、前記伝熱管の損傷を判定する損傷判定手段とを備える、という構成を採用する。

伝熱管損傷検出装置に係る第２の手段として、複数の伝熱管が設けられる熱交換装置の前記伝熱管の損傷を検出する伝熱管損傷検出装置であって、同一の管寄せに接続される複数の伝熱管において、前記管寄せの長さ方向から見て等しい位置に設けられると共に前記伝熱管内の状態量を計測する計測手段と、複数の前記計測手段からの入力に基づいて、前記伝熱管の損傷を判定する損傷判定手段とを備える、という構成を採用する。

伝熱管損傷検出装置に係る第３の手段として、上記第１または第２の手段として、前記状態量は温度である、という構成を採用する。

伝熱管損傷検出装置に係る第４の手段として、上記第１～３のいずれかの手段において、前記熱交換装置は、ボイラに設けられ前記計測手段は、前記伝熱管の前記ボイラの壁部から外部へ露出している領域に設けられる、という構成を採用する。

伝熱管損傷検出装置に係る第５の手段として、上記第４の手段において、前記計測手段は、出口管寄せの接続部までの間に設けられる、という構成を採用する。

伝熱管損傷検出装置に係る第６の手段として、上記第１～５のいずれかの手段において、前記損傷判定手段は、複数の前記計測手段からの計測値の相関に基づいて前記伝熱管が損傷したと判定する、という構成を採用する。

伝熱管損傷検出装置に係る第７の手段として、上記第６の手段において、前記損傷判定手段は、複数の前記計測手段からの計測値の差分が閾値を超えた場合に前記伝熱管が損傷したと判定する、という構成を採用する。

伝熱管損傷検出装置に係る第８の手段として、上記第６の手段において、前記損傷判定手段は、複数の前記計測手段からの計測値が累積されることにより形成されたデータ群と、直近の計測値とのマハラビノス距離に基づいて前記伝熱管の損傷を判定する、という構成を採用する。

ボイラシステムに係る第１の手段として、請求項１～６のいずれか一項に記載の伝熱管損傷検出装置を備えるボイラシステム。

伝熱管損傷検出方法に係る第１の手段として、複数の伝熱管が設けられる熱交換装置の伝熱管損傷検出方法であって、複数の伝熱管の状態量を計測する計測工程と、前記計測工程において検出された複数の計測値に基づいて、前記伝熱管の損傷を判定する損傷判定工程とを備える、という構成を採用する。

本発明によれば、伝熱管の温度変化に基づいて伝熱管の損傷を検出するため、伝熱管に損傷が発生してから、損傷を検出するまでにかかる時間が短い。さらに、音響方式と異なり、スートブロワが稼働している場合でも、対象の伝熱管の近傍以外であれば、伝熱管の損傷を検出することが可能である。したがって、本発明は、伝熱管の損傷を迅速かつ正確に検出することができる。

本発明の一実施形態におけるボイラの全体を示す模式図である。 本発明の一実施形態におけるボイラの伝熱管及び伝熱プレートを示す模式図である。 本発明の一実施形態におけるボイラの伝熱プレートの配列を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る伝熱管損傷検出装置のブロック図である。 本発明の一実施形態における伝熱管損傷時の各伝熱管の温度挙動を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係る伝熱管損傷検出装置及び伝熱管探傷検出方法の一実施形態について説明する。

本実施形態における伝熱管損傷検出装置１は、ボイラシステム１００に対して設けられている。まず、図１～３を参照してボイラシステム１００の概要について説明する。
ボイラシステム１００は、図１に示すように、火炉１１０と、煙道１２０と、バーナ１３０と、火炉壁伝熱管１４０と、一次過熱器１５０と、二次過熱器１６０と、最終過熱器１７０と、再熱器１８０と、節炭器１９０と、伝熱管損傷検出装置１とを備えている。また、不図示であるが、ボイラシステム１００には、伝熱管の表面に付着した粉塵等を除去するため、スートブロワが設けられている。スートブロワは、高圧の蒸気を伝熱管表面に噴射する。

火炉１１０は、鉛直方向に向けて立設された筒状の炉壁により構成されており、内部で微粉炭等の燃料を燃焼させることで燃焼熱を発生させる。火炉１１０では、燃料が燃焼されることにより発生した高温の燃焼ガスが、鉛直方向上側に向けて流れている。

煙道１２０は、火炉１１０の上部から水平方向に向けて形成され、さらに鉛直方向下側に向けて下流側端部が設けられる筒状の部材である。煙道１２０には、火炉１１０において発生した燃焼ガスが流入する。また、煙道１２０は、下流側端部に、流れ方向に沿って形成された仕切り壁が設けられており、内部流路が下流側において二方に分かれている。

バーナ１３０は、火炉１１０の下部壁部において、火炉１１０の周方向に複数設置されている。なお、不図示であるが、バーナ１３０は、火炉１１０の鉛直方向においても複数設置されている。バーナ１３０は、燃料（微粉炭や液体燃料等）を火炉１１０内に噴射し、燃焼させる。また、バーナ１３０は、火炉１１０に向けて燃料と共に加熱された空気を供給している。

火炉壁伝熱管１４０は、バーナ１３０近傍において、火炉１１０内壁に沿って巻回された配管である。火炉壁伝熱管１４０には、節炭器１９０を通過した蒸気が供給され、火炉１１０内の燃焼ガスにより、蒸気が加熱される。

一次過熱器１５０は、煙道１２０の下流側端部の一方側の流路に設けられ、図２に示すように、複数の伝熱管Ｄにより構成される板状の伝熱プレートＰを複数備えている。一次過熱器１５０は、図３に示すように、複数の伝熱プレートが平行に配設されて構成されており、それぞれ管寄せＫと接続されている。一次過熱器１５０は、火炉壁伝熱管１４０を通過した蒸気が供給されており、煙道１２０を通過する燃焼ガスにより蒸気を加熱し、過熱状態とする。また、管寄せＫは、煙道１２０の壁部の外側に設けられている。

二次過熱器１６０は、火炉１１０の上部に設けられ、一次過熱器１５０と同様に、複数の伝熱管により構成される伝熱プレートが平行に配設されて構成されている。二次過熱器１６０は、一次過熱器１５０を通過した過熱蒸気が供給されており、火炉１１０上部を通過する燃焼ガスにより過熱蒸気を加熱する。二次過熱器１６０においては、複数の伝熱プレートが上流側及び下流側において管寄せに接続されており、上流側の管寄せから蒸気が供給されると共に、下流側の管寄せによって蒸気が集約される。また、二次過熱器１６０の管寄せは、火炉１１０の天井壁の外側に設けられている。

最終過熱器１７０は、煙道１２０の上流側端部近傍に設けられ、一次過熱器１５０と同様に、複数の伝熱管により構成される伝熱プレートが平行に配設されて構成されている。最終過熱器１７０は、二次過熱器１６０を通過した過熱蒸気が供給されており、煙道１２０へと流入する燃焼ガスにより過熱蒸気をさらに加熱する。最終過熱器１７０は、不図示の蒸気タービンへと蒸気を供給する。最終過熱器１７０においては、複数の伝熱プレートが上流側及び下流側において管寄せに接続されており、上流側の管寄せから蒸気が供給されると共に、下流側の管寄せによって蒸気が集約される。また、最終過熱器１７０の管寄せは、煙道１２０の壁部の外側に設けられている。

再熱器１８０は、煙道１２０の下流側端部の他方側の流路に設けられ、一次過熱器１５０と同様に、複数の伝熱管により構成される伝熱プレートが平行に配設されて構成されている。再熱器１８０は、不図示の蒸気タービンから排出される蒸気が供給され、燃焼ガスにより排出蒸気を再度加熱する。また、再熱器１８０は、不図示の再熱タービンへと蒸気を供給する。再熱器１８０においては、複数の伝熱プレートが上流側及び下流側において管寄せに接続されており、上流側の管寄せから蒸気が供給されると共に、下流側の管寄せによって蒸気が集約される。また、再熱器１８０の管寄せは、煙道１２０の壁部の外側に設けられている。

節炭器１９０は、火炉壁伝熱管１４０の上段に設けられ、複数の伝熱管により構成される伝熱プレートが平行に配設されて構成されている。節炭器１９０は、外部より供給される液体状態の水を燃焼ガスにより加熱することで蒸気を発生させる。節炭器１９０においては、複数の伝熱プレートが上流側及び下流側において管寄せに接続されており、上流側の管寄せから蒸気が供給されると共に、下流側の管寄せによって蒸気が集約される。また、節炭器１９０の管寄せは、煙道１２０の壁部の外側に設けられている。

続いて、伝熱管損傷検出装置１について、図３及び４を参照して説明する。
伝熱管損傷検出装置１は、複数の温度センサ２（計測手段）と、温度情報記憶部３と、温度情報解析部４と、損傷判定部５とを備えている。なお、伝熱管損傷検出装置１は、コンピュータの一機能として搭載されており、ＣＰＵ、メモリ及びハードディスク等により構成される。また、温度情報記憶部３、温度情報解析部４及び損傷判定部５は、本発明における損傷判定手段を構成する。

温度センサ２は、一次過熱器１５０、二次過熱器１６０、最終過熱器１７０、再熱器１８０や、節炭器１９０等の伝熱管が配列された熱交換装置が備える複数の伝熱プレートに設けられ、伝熱管表面の温度（状態量）を計測する。温度センサ２は、図３に示すように、複数の伝熱プレート毎に等間隔に設けられている。また、温度センサ２は、同一の管寄せに接続される伝熱プレートに対して、それぞれ流体の温度挙動が類似するように管寄せからの距離が同一かつ燃焼ガスからの影響が同等となる位置に設けられる。具体的には、温度センサ２は、二次過熱器１６０において火炉１１０の天井壁から管寄せまでの間に設けられ、一次過熱器１５０、最終過熱器１７０、再熱器１８０及び節炭器１９０において煙道１２０の壁部から管寄せの間に設けられる。同一の管寄せに接続される伝熱プレートに設けられる温度センサ２は、管寄せの長さ方向から見て、互いに平行に設けられている。

温度情報記憶部３は、各温度センサ２から温度データを取得して熱交換装置毎に記憶する。
本実施形態の温度情報解析部４は、マハラビノス・タグチメソッド（ＭＴ法）に基づいて、温度データを解析する。具体的には、温度情報解析部４は、温度情報記憶部３に記憶された温度データを熱交換装置毎に読み出し、各熱交換装置に設けられた複数の温度センサ２から取得される累積された温度データにより構成されるデータ群の単位空間を定義する。さらに温度情報解析部４は、上記単位空間と、新たに追加された直近の温度データ座標との距離（マハラビノス距離）を算出する。

損傷判定部５は、異常であるか否かを、温度情報解析部４により算出されたマハラビノス距離によって判定する。具体的には、損傷判定部５は、予め定められた閾値に基づいて、該閾値よりも算出されたマハラビノス距離が大きい場合に異常と判定する。

続いて、伝熱管損傷検出方法について、一次過熱器１５０において検出する場合を例として、説明する。
各温度センサ２は、それぞれ常に伝熱管Ｄの温度を計測している（計測工程）。一般的に、同一の管寄せに接続され、近接する伝熱パネルにおいて検出される温度挙動は、伝熱パネルの入口温度や燃焼ガスの影響が類似しているため、類似する傾向が見られる。そして、伝熱パネルに損傷が発生した場合には、このような類似挙動が失われる。
温度センサ２により計測された伝熱管Ｄ表面の温度データは、常に温度情報記憶部３に記録されている。温度情報解析部４は、温度データを温度情報記憶部３から読み出し、各熱交換装置に設けられた複数の温度センサ２から取得される温度データを用いて、それぞれ隣り合う温度センサ２同士の温度データにより構成されるデータ群の単位空間を定義する。さらに温度情報解析部４は、上記単位空間と、該温度センサ２から新たに取得された温度データとの距離（マハラビノス距離）を算出する。

ところで、各熱交換装置の伝熱プレートＰは、伝熱プレートＰ同士の距離と温度挙動とに相関性がある。具体的には、隣接する伝熱プレートＰにおける温度挙動は類似性が高く、互いに離れた位置に設けられる伝熱プレートＰは類似性が低い傾向がある。これに対して、伝熱プレートＰが損傷した場合には、損傷した伝熱プレートＰの温度挙動が大きく変化し、図５の破線に示すように、損傷した伝熱プレートＰの温度がと近接した伝熱プレートＰの温度が変化する。したがって、ある伝熱プレートＰが損傷した場合または近接する伝熱プレートＰが損傷した場合には、マハラビノス距離が大きくなる。

損傷判定部５は、上述の相関性に基づいて、算出されたマハラビノス距離が閾値を超えているか否かを判定する（損傷判定工程）。損傷判定部５は、算出されたマハラビノス距離が閾値を超えている場合、該伝熱プレートＰの近隣にて損傷が発生したと判定し、外部装置等に警告を行う。

このような本実施形態に係る伝熱管損傷検出装置１によれば、複数の伝熱管の温度挙動を比較することにより、伝熱管の損傷を迅速かつ正確に検出することが可能である。したがって、伝熱管が損傷した際に素早く損傷を検出することができ、伝熱管損傷からの復旧を早めることが可能である。さらに、伝熱管損傷検出装置１は、対象となる熱交換装置においてスートブロワ稼働している場合を除いて、常に伝熱管の損傷を検出することが可能である。

また、本実施形態に係る伝熱管損傷検出装置１によれば、温度センサ２は、同一の管寄せに接続される複数の伝熱管において、温度挙動が類似する位置、すなわち管寄せの長さ方向から見て等しい位置に設けられている。このため、温度センサ２が検出する温度は、近接する伝熱管において類似し、伝熱管の温度異常を検出することが容易である。

また、本実施形態に係る伝熱管損傷検出装置１によれば、隣り合う温度センサ２から取得された温度データ群と、当該温度センサ２から新たに取得された温度データとのマハラビノス距離を算出し、損傷が発生しているか否かを判定する。したがって、マハラビノス距離により、各伝熱管の温度挙動の変化を取得することが可能である。したがって、伝熱管が損傷した際に素早く損傷を検出することができる。

また、ボイラシステム１００は、平行に並んだ伝熱パネルを複数備える熱交換装置を備えており、隣接する伝熱パネル同士における入口温度や燃焼ガス温度が類似しており、隣接する伝熱パネルにおける温度挙動が類似しやすい。したがって、本実施形態のような伝熱管損傷検出方法を採用することが可能である。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記実施形態においては、温度センサ２を、複数の伝熱プレート毎に等間隔で設けるものとしたが、本発明はこれに限定されない。温度センサ２は、全ての伝熱プレートに設けられるものとしてもよい。これにより、どの伝熱プレートにおいて損傷が発生しているかを検出することが容易となる。

また、伝熱プレートを構成する複数の伝熱管について、それぞれに温度センサが設けられるものとしてもよい。この場合、伝熱プレート内のどの伝熱管において損傷が発生しているかを検出することが可能となる。

また、上記実施形態においては、ＭＴ法に基づいて、伝熱管の損傷を検出するものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、隣り合う温度センサの温度データ同士の差分を算出し、該差分が閾値よりも大きくなった場合に、伝熱管が損傷したと判定するものとしてもよい。

また、上記実施形態においては、ボイラシステム１００に適用する構成を説明したが、本発明はこれに限定されない。伝熱管損傷検出装置は、平行に複数の伝熱管が設けられることにより、複数の伝熱管において管外を流れる流体（本実施形態における燃焼ガスに相当）の温度挙動が類似しており、かつ複数の伝熱管において入口温度が類似する熱交換装置であれば、その用途が限定されるものではない。

また、上記実施形態においては、計測手段は、伝熱管温度を計測するものとしたが、本発明はこれに限定されない、計測手段は、伝熱管内の圧力を計測するものとしてもよい。この場合、例えば伝熱管の上流側に接続される管寄せＫ及び下流側に接続される管寄せＫに圧力センサが設けられ、上流側の圧力と下流側の圧力との差分を算出する。そして、差分圧力の変化を検出することで、伝熱管の損傷を検出することができる。

１ 伝熱管損傷検出装置
２ 温度センサ
３ 温度情報記憶部
４ 温度情報解析部
５ 損傷判定部

Claims (9)

1. 複数の伝熱管が設けられる熱交換装置の前記伝熱管の損傷を検出する伝熱管損傷検出装置であって、
   複数の前記伝熱管において内部に流通する流体の挙動が類似する位置に設けられ、前記伝熱管内の状態量を計測する計測手段と、
   複数の前記計測手段からの入力に基づいて、前記伝熱管の損傷を判定する損傷判定手段とを備え、
   前記損傷判定手段は、複数の前記計測手段からの計測値の相関に基づいて前記伝熱管が損傷したと判定することを特徴とする伝熱管損傷検出装置。
2. 複数の伝熱管が設けられる熱交換装置の前記伝熱管の損傷を検出する伝熱管損傷検出装置であって、
   同一の管寄せに接続される複数の伝熱管において、前記管寄せの長さ方向から見て等しい位置に設けられると共に前記伝熱管内の状態量を計測する計測手段と、
   複数の前記計測手段からの入力に基づいて、前記伝熱管の損傷を判定する損傷判定手段と
   を備えることを特徴とする伝熱管損傷検出装置。
3. 前記状態量は温度であることを特徴とする請求項１～２のいずれか一項に記載の伝熱管損傷検出装置。
4. 前記熱交換装置は、ボイラに設けられ
   前記計測手段は、前記伝熱管の前記ボイラの壁部から外部へ露出している領域に設けられることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の伝熱管損傷検出装置。
5. 前記計測手段は、出口管寄せの接続部までの間に設けられることを特徴とする請求項４記載の伝熱管損傷検出装置。
6. 前記損傷判定手段は、複数の前記計測手段からの計測値の差分が閾値を超えた場合に前記伝熱管が損傷したと判定することを特徴とする請求項１記載の伝熱管損傷検出装置。
7. 前記損傷判定手段は、複数の前記計測手段からの計測値が累積されることにより形成されたデータ群と、直近の計測値とのマハラビノス距離に基づいて前記伝熱管の損傷を判定することを特徴とする請求項１記載の伝熱管損傷検出装置。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の伝熱管損傷検出装置を備えるボイラシステム。
9. 複数の伝熱管が設けられる熱交換装置の伝熱管損傷検出方法であって、
   複数の伝熱管の状態量を計測する計測工程と、
   前記計測工程において検出された複数の計測値に基づいて、前記伝熱管の損傷を判定する損傷判定工程とを備え、
   前記損傷判定工程では、複数の前記伝熱管に関する前記計測値の相関に基づいて前記伝熱管が損傷したと判定することを特徴とする伝熱管損傷検出方法。

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