JP2008106960A - スートブロワ装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ボイラーの遠隔制御運転中の火炉収熱の低下および蒸気過熱用熱交換器における伝熱管の焼損や溶断を防止できるスートブロワの運転方法を提供する。
【解決手段】 過熱器または再熱器などの蒸気過熱用熱交換器の所定の伝熱面に設置された温度センサーからの温度測定結果と、当該伝熱面の予め規定された温度管理値との比較判定結果に基づいて前記温度センサーを設置した前記蒸気過熱用熱交換器を含み、それよりも前流にあるいずれかのグループのスートブロワ装置の全部または一部を起動することを特徴とするスートブロワ装置の運転方法。複数の温度センサーからの温度測定結果のそれぞれと前記温度管理値とを比較し、少なくとも２つの温度測定値が前記温度管理値を超えているか否かを判定するのが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、火力発電ユニットにおける発電用ボイラーなど、例えば中央給電指令所からのＡＦＣ制御指令信号などの入力を受けて遠隔制御運転されることがあるボイラーの当該遠隔制御運転中のスートブロワ装置の運転方法に関する。

火力発電ユニットにおける発電用ボイラー本体の一例を図４に示す。この図において、ボイラー本体１は、火炉２と後部伝熱部３とからなる。火炉２の壁面には、バーナー１０が設けられ、火炉２内に供給された燃料はここで燃焼し、発生した燃焼ガスは火炉２の内壁に沿って配置された蒸発管との熱伝達により当該管内のボイラー水を加熱し、後部伝熱部３における放射過熱器１１、最終過熱器１３，１３、再熱器１４、１４、・・、1次過熱器１２，１２を通過することで、これらの伝熱管との熱伝達により飽和蒸気を過熱し、また節炭器１５、１５、・・の伝熱管との熱伝達によってボイラー給水を加温し、さらに空気予熱器１６の伝熱管との熱伝達によって燃焼用空気を加熱し、不図示の脱硝装置、電気集塵機、脱硫装置などを経て煙突から大気中に放出される。

燃料の燃焼によって発生する灰は、時間経過とともに火炉２の内壁面に沿って配設された不図示の蒸発管や、放射過熱器１１、1次過熱器１２、最終過熱器１３、再熱器１４および節炭器１５などの伝熱管の表面（以下、後部伝熱面ということがある。）に付着する。前記の蒸発管や伝熱管が灰の付着により汚れてくると、これらの表面における燃焼ガスとの熱伝達が妨げられ、ボイラー本体１の収熱が悪化し、ボイラー効率の低下を引き起こすため、通常、図４に示すように、スートブロワ装置（図、丸印で示している）がグループ化されて配置されており、各スートブロワ装置から蒸気などの噴射媒体を噴射し、蒸発管や前記各機器の伝熱管の表面の汚れを除去するようになっている。図１に示すボイラーの場合、このスートブロワ装置のグループは、（Ａ）火炉上部、（Ｂ）火炉ノーズ部、（Ｃ）過熱器部、（Ｄ）再熱器部、（Ｅ１）1次過熱器部、（Ｅ２）節炭器部および（Ｆ）空気予熱器部の各部に設置されている。

図５は、スートブロワ装置の一例として、特に前記後部伝熱面の灰の除去に用いられる長抜差形スートブロワ装置を模式的に示す図であり、（ａ）は当該装置の側面図、（ｂ）は当該装置の構造を模式的に示している。この図において、スートブロワ装置２０は、蒸気弁２１と、これに接続固定され、蒸気弁２１を通過した噴射媒体を流通させるフィードチューブ２２と、該フィードチューブ２２に被さるように配設され、電動機２３によって螺旋回転しながらその管軸方向に沿ってボイラー本体１内に進退動可能なランスチューブ２４とから構成される。このランスチューブ２４の先端には、管軸方向に直角に蒸気などの噴射媒体を噴射する噴射孔２５、２５が対向して設けられている。蒸気弁２１およびフィードチューブ２２を経てランスチューブ２４に達した蒸気は、この噴射孔２５、２５から伝熱面に向けて噴射され、表面の灰を除去するようになっている。

噴射媒体として蒸気を用いるスートブロワ装置では、これを必要回数以上作動させると、その分蒸気消費量が増加してボイラー効率の低下を引き起こし、また伝熱面に長時間にわたり噴射媒体が接触することによる悪影響が懸念される。そのため、近年、スートブロワ装置の運転制御には、その運転状況を常時監視し、計画収熱を維持しボイラーを最適な状態で運転するように、最小限の回数のスートブローを行う最適化システムが採用されてきている。

この最適化システムは、予め各部の収熱割合や燃焼排ガス温度などについてボイラー負荷指令（発電出力設定）信号と関連付けてスートブロワ装置の動作判定基準（動作しきい値）を定め、これらの動作判定基準に対応する収熱割合やガス温度などを常時監視し、そのうちのいずれか１つの項目の瞬時値がスートブロワ動作判定基準を満たした場合に、原則として当該監視にかかる各部よりも前流にあるスートブロワ装置を起動するように設計されたものである。この最適化システムは、ボイラーの監視制御システムに組み込まれて自動制御運転されている場合には、有効に機能するものであることが知られている。

一方、火力発電ユニットでは、外部出力指令信号によってボイラーの遠隔制御運転が行われることがある。例えば、ＡＦＣ遠隔制御運転などである。このＡＦＣ遠隔制御運転は、需要変動により変化する電源周波数を所定の基準範囲に維持するため、中央給電指令所からの周波数調整信号により予め決められた制御範囲内で負荷を変化させるものである。このＡＦＣ遠隔制御運転中は、スートブロワ装置の最適化システムが作動し、例えば後部伝熱面に付着した灰が除去され、そこでの収熱が改善された場合、それが種々の測定値に反映されて外乱となり、安定したＡＦＣ遠隔制御が困難となる場合がある。そのため、このような遠隔制御運転中は、通常、最適化システムを停止させ、スートブロワ装置を作動させないようにしている。
特開２００２−２５７３２１号公報 特開２００２−２５７３２１号公報

しかし、ボイラーが遠隔制御運転中でも、火炉内壁に沿って配置された蒸発管や後部伝熱部に配置された熱交換器群の伝熱管には時間経過とともに灰が付着し、汚れが著しくなる。例えば、火炉内の蒸発管の汚れが進行すると、該蒸発管における熱伝達が阻害され、火炉収熱が低下し、その結果、後部伝熱部への燃焼ガス温度が高温となり、場合によっては、過熱器、再熱器などの蒸気過熱用熱交換器の伝熱管のメタル温度がその設計値を超えることがある。この状態をそのまま放置して運転を継続した場合、当該伝熱管の焼損や溶断などを引き起こす危険性がある。

そこで、本発明は、前記事情に鑑み、ボイラーがその監視制御システム以外からの外部制御信号を受けて遠隔制御運転され、スートブロワ装置の最適化システムを停止した状況であっても、火炉収熱の低下および蒸気過熱用熱交換器における伝熱管の焼損や溶断を防止でき、その結果ボイラー効率の低下も防止できるスートブロワの運転方法を提供することを目的とする。

前記目的は、本発明によれば、火炉と、蒸気過熱用熱交換器を含む熱交換器群を配置した後部伝熱部とからなり、スートブローの必要な箇所をグループ化し、該グループごとに少なくとも１基のスートブロワ装置を配置したボイラーの遠隔制御運転時におけるスートブロワ装置の運転方法であって、前記蒸気過熱用熱交換器の所定の伝熱面に設置された温度センサーからの温度測定結果と、当該伝熱面の予め規定された温度管理値とを比較判定する比較判定ステップと、前記比較判定結果に基づいて前記温度センサーを設置した前記蒸気過熱用熱交換器を含み、それよりも前流にあるいずれかのグループのスートブロワ装置の全部または一部を起動する起動ステップとを含むことを特徴とするスートブロワ装置の運転方法によって達成される。

前記比較判定ステップは、前記温度センサー設置位置に設置された複数の温度センサーからの温度測定値のそれぞれと、前記温度管理値とを比較し、少なくとも２つの温度測定値が前記温度管理値を超えているか否かを判定するものであることが好ましい。

ボイラーの種類や前記第２ステップにおける前記温度センサー設置位置よりも前流にあるスートブロワ装置のグループは、（Ａ）火炉上部、（Ｂ）火炉ノーズ部、（Ｃ）最終段の蒸気加熱用熱交換器に配置されたものなどが含まれる。

前記温度センサーが設置される蒸気過熱用熱交換器は、過熱器または再熱器であることが好ましい。これらが、後部伝熱部内において多段に構成されている場合には、前記温度センサーはいずれの段に設置してもよいが、好ましくは最も伝熱管のメタル温度が最も高温となりやすい最終段に設置するのが好ましい。この場合、温度センサーは最終段の過熱器または再熱器の出口側の伝熱管表面に設けるのが好ましい。

前記比較判定ステップには、さらに前記ボイラーの監視制御システムにおいて予め設定されている節炭器出口ガス温度および火炉収熱割合についてのスートブロワ動作しきい値と、前記監視制御システムが演算表示するプロセス指示値との比較判定を含めることができる。

一般に、燃焼ガス火炉から後部伝熱部に至る熱交換器を順次経ることで、燃焼ガス温度は徐々に一定の割合で低下することから、伝熱管にとって最も過酷な条件となる所定の蒸気過熱用熱交換器の伝熱管のメタル温度が上昇するのは、その前流における燃焼ガスと蒸発管ないし熱交換器の伝熱管との熱伝達が十分になされないことによることが明らかであることから、この蒸気過熱用熱交換器の伝熱管のメタル温度測定値を監視し、この温度測定値を用いて前記蒸気過熱用熱交換器の前流にある所定のスートブロワ装置のグループを起動することで、前記目的を達成できるとの知見を得、本発明を完成するに至った。

本発明のボイラースートブロワ運転方法によれば、ボイラーの遠隔制御運転中でもボイラー本体における火炉収熱が阻害されず、高いボイラー効率を維持しながら連続運転が可能となる。

以下、図４に示すボイラー本体において本発明のスートブロワ装置の運転方法を実施する場合の当該運転方法の一例について詳細に説明する。図１は、本発明のスートブロワ運転方法を実施するためのフローチャートの一例を示している。ここで、伝熱管のメタル温度を測定する蒸気過熱用熱交換器は最終段の再熱器（垂直部）１４であり、温度センサーはその出口側の伝熱管に設けられている。なお、このフローチャート、ならびに以下では、スートブロワ動作しきい値を「ＳＢ動作しきい値」と呼び、これらは発電出力設定値（ボイラーの負荷指令）の関数であることから、Ｆ（ＭＷ）およびＧ（ＭＷ）などと表すこととする。

まず、ボイラーの火炉収熱割合のスートブロワ動作しきい値Ｆ（ＭＷ）、節炭器出口ガス温度スートブロワ動作しきい値Ｇ（ＭＷ）、再熱器メタル温度管理値Ｃおよび発電出力しきい値Ｄを取得する（Ｓ１）。これらの各データは、定常運転中から常時取得するようにしていてもよく、ＡＦＣ制御運転開始とともに取得するようにしてもよい。取得の方法についても制限がなく、例えば図４に示すボイラーの不図示の制御監視システムが備えるディスプレー表示や記録計における記録紙上のプロットから取得してもよく、また内部のデータバスを介して電気信号の形態で取得してもよい。

ここで、再熱器のメタル温度管理値Ｃは、例えば当該再熱器のメーカー設計値に設定するか、または再熱器の通常運転時におけるメタル温度測定値の推移を考慮して、当該温度測定値の平均値と前記再熱器のメタル温度設計値Ｃとの間の温度範囲のなかで適宜設定するのがよい。例えば、再熱器の出口側の伝熱管のメタル温度の設計値が６５０℃であり、定常時の当該メタル温度測定値の平均値が６００℃である場合、この管理値Ｃを６２０℃などに設定することができる。

また、節炭器出口ガス温度Ｔｅは、後部伝熱部の複数の蒸気過熱機器を通過し、これらの機器の伝熱管との間で熱伝達を行い、低温となった燃焼排ガスを用いて給水を加熱する節炭器出口側の燃焼ガス温度を示しており、この温度が高くなるのは、当該節炭器またはその前流にある蒸気過熱用熱交換器、さらにその前流の火炉内で十分に熱交換が行われなかったことを示している。この節炭器出口ガス温度Ｔｅと発電出力設定値との関係の一例を図２に示す。この図に示すように、ＳＢ動作しきい値は、発電出力設定値が低い場合には低く、該設定値が高くなると、高くなる傾向を示している。

また、火炉収熱割合とは、火炉で発生する蒸気の保有熱量を全蒸気の保有熱量で除した値であり、この火炉収熱割合の瞬時値の低下は、火炉内壁に沿って配置された蒸発管への熱伝達が悪化することを示している。この火炉収熱割合と発電出力設定値との関係の一例を図３に示している。この図に示すように、ＳＢ動作しきい値は、発電出力設定値が低い場合、高い値に設定され、該設定値が高くなるにつれて低くなり、定格出力以上では一定値に設定されている。

また、発電出力しきい値Ｄは、ボイラー負荷の高低の境界を示すものであり、このしきい値よりも大きい場合、ボイラーは高負荷の状態であり、小さい場合ボイラーは低負荷であると認定される。このしきい値は、後述のように各グループ内のスートブロワ装置の全部または一部を起動する目安となる。

中央給電指令所からの制御指令信号によってボイラーがＡＦＣ遠隔制御運転に切り替わった場合、スートブロワ装置の最適化システムが自動でまたは手動で停止される。以後、再びＡＦＣ制御運転から定常運転に切り替わるまで、スートブロワ装置は、本発明のスートブロワ運転方法によって運転される。

ＡＦＣ遠隔制御運転に切り替わった後、所定のタイミングで再熱器出口側の伝熱管のメタル温度測定値を取得する（Ｓ３）。このメタル温度は、通常、後部伝熱部の燃焼ガスの流れ方向に直角な断面における温度の推移を見るのに当該断面上の複数の測温点において測定されるので、各測温点からの温度測定値信号のそれぞれを取得するのが好ましい。取得のタイミングは、再熱器のメタル温度やその他の最適化システム稼動時の監視項目の瞬時値の推移を監視することで適宜決定することができる。その後、取得したメタル温度測定値とメタル温度管理値Ｃとの比較判定を行う（Ｓ４）。この比較判定は、取得した複数の温度測定値のそれぞれを再熱器メタル温度管理値Ｃと比較し、各温度測定値が前記温度管理値を超えているか否かを判定するのが好ましい（Ｓ４）。

この比較判定の結果、メタル温度の複数の測定値のうちの１つのみが温度管理値Ｃを超えている場合、またはいずれの測定値も温度管理値Ｃを超えていない場合には、節炭器出口ガス温度測定値Ｔｅおよび発電出力設定値を取得する（Ｓ６）。図１では、この節炭器出口ガス温度Ｔｅは温度信号として示すが、これらの各値の取得方法としては制限がなく、図４に示すボイラーの不図示の制御監視システムが備えるディスプレー表示や記録計における記録紙上のプロットから取得する方法、内部の信号通信路を介して取得する方法などのいずれであってもよい。発電出力設定値についても同様に、その取得方法には制限がない。

この取得した温度信号Ｔｅを図２に示す節炭器出口ガス温度についてのＳＢ動作しきい値Ｇ（ＭＷ）と比較し、節炭器出口ガス温度ＴｅがこのＳＢ動作しきい値Ｇ（ＭＷ）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ７）。その結果、節炭器出口ガス温度Ｔｅが前記ＳＢ動作しきい値よりも小さい場合には、次に制御監視システムにおける火炉収熱割合の演算値Ｐを取得する（Ｓ８）。この演算値Ｐの取得方法についても制限がなく、図４に示すボイラーの前記監視制御システムが備えるディスプレー表示や記録紙上のプロットなどから前記演算値自体を取得してもよく、内部の信号経路を介して電気信号の形態で取得してもよい。

この取得した火炉収熱割合の演算値Ｐを火炉収熱割合についてのＳＢ動作しきい値Ｆ（ＭＷ）と比較し、両値の大小を判定する（Ｓ９）。この際、発電出力設定値として、前記Ｓ６ステップで取得した値を用いる。その結果、火炉収熱割合の瞬時値が、ＳＢ動作しきい値Ｆ（ＭＷ）よりも高い場合には、再度ＡＦＣ遠隔制御運転中か否かを確認し（Ｓ２）、ＡＦＣ遠隔制御運転中の場合には所定のタイミングにて再熱器伝熱管のメタル温度測定値を取得するステップ（Ｓ３）から繰り返す。この取得のタイミングは、前記のとおりである。

取得した複数の再熱器メタル温度測定値の少なくとも２点が温度管理値Ｃを超えている場合、節炭器出口ガス温度ＴｅがＳＢ動作しきい値Ｇ（ＭＷ）よりも高い場合、および火炉収熱割合ＰがＳＢ動作しきい値Ｆ（ＭＷ）よりも低い場合のいずれか１つの条件が満たされた場合、（Ａ）火炉上部、（Ｂ）火炉ノーズ部、（Ｃ）最終段の蒸気加熱用熱交換器の各部のスートブロワ装置のグループ（以下では、順次Ａグループ、ＢグループおよびＣグループという。）がすでに運転中であるか否かを確認する運転確認を行う（Ｓ１１）。その結果、これらのいずれかのグループが運転中である場合には、再度ＡＦＣ遠隔制御運転中か否かを確認し（Ｓ２）、ＡＦＣ遠隔制御運転中の場合には所定のタイミングにて再熱器伝熱管のメタル温度測定値を取得するステップ（Ｓ３）から繰り返す。この取得のタイミングは、前記のとおりである。

Ａ〜Ｃグループのいずれのスートブロワ装置群も運転していないことが確認された場合には、これらのなかからいずれか起動すべきスートブロワ装置のグループを選択する（Ｓ１２）。この選択は、別途定めた基準や経験則によって行うことができる。例えば、蒸気温度の変化などのプロセス指示値を加味してＡ〜Ｃグループのいずれか１つのグループを選択してもよく（具体的には、蒸気温度の変化が大きい場合には、Ａグループのスートブロワ装置群のみ起動するように選択するなど）、経験上そのグループを起動することで良好な効果が得られることが判明している場合には、当該グループのスートブロワ装置群を最初に起動するようにしてもよい。また、このように起動すべきグループを選択した上で、当該グループに含まれるスートブロワ装置群の一部のみを起動するよう選択してもよい。

このようにして選択したスートブロワ装置のグループがＣグループまたはＢグループの場合、その選択したグループのスートブロワ装置の全部を一括して起動する。また、Ａグループを選択した場合、発電出力設定値が低い（ボイラー負荷が低負荷帯にある）場合、燃焼条件によっては蒸気過熱用熱交換器の伝熱管のメタル温度が上昇することも予想されることから、予め設定した発電出力しきい値Ｄとの大小を比較する（Ｓ１５）。その結果、発電出力設定値がこのしきい値よりも大きい場合（ボイラーが高負荷の場合）、同グループのスートブロワ装置群の全部を一括して起動し（Ｓ１６）、小さい場合（ボイラーが低負荷の場合）、同グループのスートブロワ装置の一部のみを起動する（Ｓ１７）。各グループのスートブロワ装置の起動は、オペレータが当該グループを起動するスイッチを入れることで行ってもよく、専用の起動制御装置によって当該グループのスートブロワ装置群の全部または一部を起動するようにしてもよい。

なお、図１では、最終過熱器および再熱器（垂直部）をまとめてＣグループとしているが、必要ならば、これらを別個のグループに分け、前記Ｓ１２ステップにおいて選択するグループ数をその分増やすことができる。また、図１では、ボイラーの遠隔制御が不安定になることを想定して、いずれか１つのグループのスートブロワ装置の全部または一部を選択して起動することとしているが、ボイラーの遠隔制御に影響がないことが明らかな場合には、同時に２つまたはそれ以上のグループのスートブロワ装置群を起動することもできる。

本発明のスートブロワ装置の運転方法を実施するに当たり、監視すべき蒸気過熱用熱交換器の伝熱管のメタル温度の測温点をさらに増やすなどすることができる。これにより、蒸気過熱用熱交換器の伝熱管のメタル温度の上昇を抑制するのにさらに確実なスートブロワ装置の運転方法を実施することができる。

以上説明したように、ボイラーが外部指令信号によってＡＦＣ制御運転されている場合でも、本発明のボイラースートブロワ装置の運転方法を実施することで、ボイラー本体における火炉収熱が阻害されず、高いボイラー効率を維持しながら連続運転が可能となる。また、オペレータの判断基準が明確となりオペレータが適切な対応が可能となるとともに、作業のマニュアル化が可能となり、オペレータの経験年数による対応の差が出ないという利点がある。

本発明のボイラースートブロワ運方法を実施するためのフローチャートを示す図である。 節炭器出口ガス温度についてのボイラー負荷に対応したスートブロワ動作しきい値を示すグラフである。 火炉収熱割合についてのボイラー負荷に対応したスートブロワ動作しきい値を示すグラフである。 発電ボイラーの一般的な全体構成を概略的に示す図である。 長抜差式スートブロワ装置の一例を示す図である。

符号の説明

１ ボイラー本体
２ 火炉
３ 後部伝熱部
１１ 放射過熱器
１２ 1次過熱器
１３ 最終過熱器
１４ 再熱器
１５ 節炭器
１６ 空気予熱器
２０ 長抜差式スートブロワ装置
２１ 蒸気弁
２２ フィードチューブ
２３ 電動機
２４ ランスチューブ
２５ 噴射媒体
２７ パッキン
Ａ 火炉上部スートブロワ装置グループ
Ｂ 火炉ノーズ部スートブロワ装置グループ
Ｃ 過熱器部スートブロワ装置グループ
Ｄ 再熱器部スートブロワ装置グループ
Ｅ１ 1次過熱器部スートブロワ装置グループ
Ｅ２ 節炭器部スートブロワ装置グループ
Ｆ 空気予熱器部スートブロワ装置グループ

Claims (5)

1. 火炉と、蒸気過熱用熱交換器を含む熱交換器群を配置した後部伝熱部とからなり、スートブローの必要な箇所をグループ化し、該グループごとに少なくとも１基のスートブロワ装置を配置したボイラーの遠隔制御運転時におけるスートブロワ装置の運転方法であって、前記蒸気過熱用熱交換器の所定の伝熱面に設置された温度センサーからの温度測定結果と、当該伝熱面の予め規定された温度管理値とを比較判定する比較判定ステップと、前記比較判定結果に基づいて前記温度センサーを設置した前記蒸気過熱用熱交換器を含み、それよりも前流にあるいずれかのグループのスートブロワ装置の全部または一部を起動するステップとを含むことを特徴とするスートブロワ装置の運転方法。
2. 前記比較判定ステップは、前記温度センサー設置位置に設置された複数の温度センサーからの温度測定結果のそれぞれと前記温度管理値とを比較し、少なくとも２つの温度測定値が前記温度管理値を超えているか否かを判定するものである請求項１に記載のスートブロワ装置の運転方法。
3. 前記起動ステップにおける前記温度センサー設置位置よりも前流にあるスートブロワ装置のグループは、（Ａ）火炉上部、（Ｂ）火炉ノーズ部、（Ｃ）最終段の蒸気加熱用熱交換器に配置されたものである請求項１または２に記載のスートブロワ装置の運転方法。
4. 前記温度センサーが設置される蒸気過熱用熱交換器は、再熱器または過熱器である請求項１〜３のいずれか１項に記載のスートブロワ装置の運転方法。
5. 前記比較判定ステップには、さらに前記ボイラーの監視制御システムにおいて予め設定されている節炭器出口ガス温度および火炉収熱割合についてのスートブロワ動作しきい値と、前記監視制御システムが演算表示するプロセス指示値との比較判定が含まれる請求項１〜４のいずれか1項に記載のスートブロワ装置の運転方法。

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