JP5045287B2 - ボイラ水系におけるブロー制御方法 - Google Patents

Description

本発明はボイラ水系におけるブロー制御方法に係り、特に蒸気の凝縮水の少なくとも一部を回収し、給水の一部として再利用するようにしたボイラ水系におけるブロー制御方法の改良に関する。

ボイラの缶水は、蒸発に伴い、水中の不純物が濃縮する。濃縮が進むとキャリーオーバーが生じたり、スケールが生成するため、連続的もしくは間欠的に缶水の一部を排出するブローを行い、濃縮倍数（濃縮度）を低下させる必要がある。

一般に、ボイラのブロー率すなわちブロー量と給水量との比率は、下記式の通り、電気伝導率、シリカ濃度、塩化物イオン濃度、全蒸発残留物などの水質管理項目の許容濃縮倍数から定められ、このブロー率に従ってブロー制御される。

Ｘ＝Ｂ／Ｗ×１００＝１／Ｎ×１００……………（１）
Ｎ＝Ｃ_ｂ／Ｃ_ｗ …………………（２）
ただし、Ｘ：ブロー率
Ｂ：ブロー量（ｋｇ／ｈ）
Ｗ：給水量（ｋｇ／ｈ）
Ｎ：濃縮倍数
Ｃ_ｂ：缶水中の水質管理項目の許容値
Ｃ_ｗ：給水中の水質管理項目の測定値

例えば、缶水の濃縮度をシリカで管理する場合、その許容濃度：３５０ｍｇ／Ｌ、給水中の測定値：３５ｍｇ／Ｌとすれば、許容濃縮倍数Ｎは（２）式から１０、ブロー率Ｘは（１）式から１０％となる。

特開平７−１６７４０５には、給水及びボイラ缶水の電気伝導率を測定し、ブローを行うことが記載されている。

特開２００１−３１１５０２には、蒸気需要先から戻ってくる蒸気の凝縮水（ドレン）を回収し、給水の一部として再利用するようにしたボイラ水系において、給水の温度から給水の電気伝導率を推算し、この推算値に基づいてブロー制御を行うことが記載されている。

特開平９−１２６４０８には、ボイラ水のシリカ濃度を測定し、これに基づいてブロー制御することが記載されている。
特開平７−１６７４０５ 特開２００１−３１１５０２ 特開平９−１２６４０８

Ｉ．凝縮水の少なくとも一部を回収し、補給水と混合してボイラに給水する場合は、補給水が回収凝縮水によって希釈されている。そのため、上記（１），（２）において給水中の水質管理項目値Ｃ_ｗとして補給水の水質管理項目値ではなく、補給水と回収凝縮水との混合水の水質管理項目値（電気伝導率、塩化物イオン濃度、硫酸イオン濃度、シリカ濃度など）を代入することになるが、この混合水について、水質管理項目値を連続的に測定することはコスト高であると共に、次のi)〜iii)の課題がある。

i) 電気伝導率に基づくブロー制御の課題
給水中に復水処理剤として揮発性アミンを添加することがあるが、この揮発性アミンを添加すると給水の電気伝導率が高くなる。そのため、実際の濃縮倍数は許容範囲であるにもかかわらず電気伝導率から見るとブローが必要であると判定され、無駄にブローが行われるおそれがある。

ii) シリカ濃度に基づくブロー制御の課題
シリカは、ボイラ水中にスケール化するカチオン（例えばＣａ，Ｍｇ）が存在するとスケール化するところから、シリカ濃度測定値が真値よりも低くなる。また、シリカは、高濃度になると、自己重合し、測定値が真値よりも低く出ることがある。このようなことから、シリカ濃度を水質管理項目値とした場合、実際にはシリカ濃度が許容範囲を逸脱する程濃縮倍数が高くなっているにもかかわらず、ブローが行われないおそれがある。また、シリカは同じ場所でも季節変動をおこす。

iii) 塩化物イオン濃度に基づくブロー制御の課題
塩化物イオンは、吾国の一部地域で濃度が極めて低いものとなっており、濃縮倍数監視のための水質管理項目として普遍的に採用するのに不向きである。

すなわち、塩化物イオンを水質管理項目として濃縮倍数管理を行った場合、他の水質管理項目が許容範囲を逸脱しているにもかかわらずブローが十分には行われないおそれがある。

II．本発明は、上記従来の問題点を解決し、ブローを適切に行うことができるボイラ水系におけるブロー制御方法を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）のボイラ水系におけるブロー制御方法は、ボイラから需要先に送られた蒸気の凝縮水の少なくとも一部と軟水よりなる補給水との混合水が給水として該ボイラへ供給されるボイラ水系からのブローを制御するボイラ水系におけるブロー制御方法において、水質管理項目として、電気伝導率、塩化物イオン濃度、硫酸イオン濃度、及びシリカ濃度から選ばれる少なくとも１つについて、ボイラ水の管理基準値を設定しておき、補給水のＮａイオン濃度、及び前記選ばれた水質管理項目の値を測定しておくと共に、給水のＮａイオン濃度を測定し、この給水のＮａイオン濃度と補給水のＮａイオン濃度とから給水中における前記水質管理項目の値を演算し、その中から、最も低い濃縮倍数にて前記管理基準値を逸脱することになる１つの水質管理項目を選択し、ボイラ水中のこの選択された水質管理項目の値が前記管理基準値の範囲内となるようにブロー制御を行うことを特徴とするものである。

請求項２のボイラ水系におけるブロー制御方法は、請求項１において、給水のＮａイオン濃度ｃ_１と補給水のＮａイオン濃度ｃ_０との比ｃ_１／ｃ_０を補給水の水質管理項目の値に乗算することにより給水の水質管理項目の値を演算し、この演算値に基づいて、前記水質管理項目の選択を行うと共にブロー率を決定することを特徴とするものである。

請求項３のボイラ水系におけるブロー制御方法は、請求項１又は２において、補給水もしくは給水又はボイラ水に水処理薬剤を添加し、かつ該水処理薬剤に由来する給水の各水質管理項目の増加分を演算して、給水の水質管理項目の値を補正することを特徴とするものである。

本発明では、ボイラ蒸気の需要先から戻ってくる凝縮水（回収凝縮水）と補給水とが混合され、ボイラに給水として供給される。

この回収凝縮水は、ほぼ蒸留水と同レベルの水質を有しており、水質管理項目の各値は補給水と比べて格段に低い。例えば、塩化物イオン濃度、シリカ濃度や、Ｎａイオン濃度は実質的にゼロとみなすことができる。

このため、給水は、水質管理項目の各成分を含まない純水によって補給水が希釈されたものであるとみなすことができ、給水の水質管理項目の値を、補給水の水質管理項目値と、給水中の凝縮水の占める割合から演算することができる。例えば、給水のＮａイオン濃度ｃ_１と補給水のＮａイオン濃度ｃ_０との比ｃ_１／ｃ_０を補給水の水質管理項目の値に乗算することにより、給水中の該水質管理項目の値を演算することができる。

この給水中の水質管理項目値と、ボイラ水（缶水）中の水質管理項目の許容範囲とから許容濃縮倍数が求められる。

このＮａイオンは揮発性アミン類が添加されても測定値が変動（増加）しない。また、Ｎａイオンは、高濃度となっても自己重合することがなく、高精度に測定することができる。Ｎａイオンは、吾国の実質的にすべての地域において水に相当量含有されており、また、広く市販されているＮａイオンモニタなどによって簡単に精度よく測定することができる。

本発明によると、給水中の電気伝導率を直接に測定してブロー制御することはないので、電気伝導率の測定誤差をもたらす揮発性アミン類がボイラ水に添加されている場合でも、的確なブロー制御を行うことができる。

なお、補給水のＮａイオン濃度は通常は一定であるので、予め測定しておき、この補給水のＮａイオン濃度と、現に測定している給水のＮａイオン濃度とに基づいて給水に占める補給水又は回収凝縮水の割合を求めることができる。ただし、補給水についても、常に又は間欠的にＮａイオン濃度を測定し、この測定値と給水のＮａイオン濃度測定値とから給水に占める補給水又は回収凝縮水の割合を演算してもよい。

本発明では、電気伝導率、塩化物イオン濃度、硫酸イオン濃度及びシリカ濃度の４個の項目から選ばれる少くとも１つの水質管理項目について演算し、それが許容範囲となるようにブロー制御を行う代わりに、選択された水質管理項目のうち、最も低い濃縮倍数にて許容範囲を逸脱することになる１つの水質管理項目を選択し、ボイラ水中のこの選択された水質管理項目の値が管理基準値の範囲内となるようにブロー制御を行うので、制御が簡便である。なお、水質管理項目は使用するボイラの種類、運転圧力、水処理方法などによって管理基準値が変わってくるので、それにあわせて最適な少くとも１つ、好ましくは複数が選択される。１つの場合には専門的見地から、明らかに選択された水質管理項目が他の項目に比べて律速となるような項目が選ばれる。本実施例では３個選択した場合について説明する。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。第１図は実施の形態に係るブロー制御方法が適用されるボイラ設備の系統図である。

給水タンク１に対し軟水よりなる補給水と、配管１３からの凝縮水とが導入される。

この給水タンク１内の水がポンプ２を介してボイラ３へ供給されると共に水処理薬剤もポンプ２の後方で供給される。ボイラ３にて発生した蒸気は、気水分離器４にて気水分離される。

分離された水は、降水管５を介してボイラ３に戻される。この降水管５からブロー配管６が分岐しており、このブロー配管６にブロー弁７が設けられている。

気水分離器４からの蒸気は、配管９を介して蒸気需要先たる各種蒸気機器１０に供給される。蒸気機器１０から排出される少なくとも一部の蒸気は、凝縮器１１にて凝縮されて凝縮水となり、配管１３を介して給水タンク１へ回収される。なお、蒸気機器１０にて蒸気が十分に凝縮するときには、凝縮器１１は省略されてもよい。

給水のＮａイオン濃度を測定するために、給水タンク１にＮａイオン計１４が設けられている。なお、Ｎａイオン計１４はここに限られず、給水タンク１〜ボイラ給水配管の間のいずれかに設けてもよい。但し、水処理薬剤にナトリウムが含まれている場合には、当該薬剤の薬注点より上流側に配置する必要がある。このＮａイオン計１４の検出信号が制御器１５に入力されている。また、ポンプ２の吐出量を示すポンプ作動信号が制御器１５に入力されている。この制御器１５からブロー弁７に開閉信号が出力される。なお、給水流量はボイラの燃焼信号から演算してもよい。

この実施の形態では、予め補給水の水質分析がなされ、この分析によって得られたＮａイオン濃度ｃ_０と、選択された水質管理項目としての電気伝導率、塩化物イオン濃度及びシリカ濃度がそれぞれ制御器１５にキーボード（図示略）等の入力手段によって予め入力され、記憶されている。

また、制御器１５には、ボイラ３のボイラ水（缶水）の水質管理項目としての電気伝導率、塩化物イオン濃度及びシリカ濃度の許容範囲が予め入力され、記憶されている。

この実施の形態では、凝縮水中のＮａイオン濃度、電気伝導率、シリカ濃度、塩化物イオン濃度はいずれもゼロとみなしている。

このように構成されたボイラ設備におけるブロー制御方法について次に説明する。
［給水の水質管理項目値の演算］
給水中に占める凝縮水の割合と、補給水の水質管理項目値とから給水の水質管理項目値を演算する。

給水中に占める補給水の割合は、ｃ_１／ｃ_０である。ここでｃ_１：給水のＮａイオン濃度、ｃ_０：補給水のＮａイオン濃度である。即ち、補給水量をａ［ｋｇ／ｈ］、凝縮水量をｂ［ｋｇ／ｈ］とすると、凝縮水のＮａイオン濃度はゼロであるので、給水タンク１のナトリウム収支からａ・ｃ_０＝（ａ＋ｂ）・ｃ_１が成り立ち、ａ／（ａ＋ｂ）＝ｃ_１／ｃ_０であるので、給水中の補給水の割合ａ／（ａ＋ｂ）はｃ_１／ｃ_０である。

このｃ_１／ｃ_０を補給水の各水質管理項目に乗算することにより、給水中の各水質管理項目値が演算される。

［濃縮倍数の演算と水質管理項目の選択］
この演算された給水中の各水質管理項目値とボイラ水（缶水）の各水質管理項目の許容範囲とを対比して、最も低い濃縮倍数において許容範囲を逸脱することになる水質管理項目を選定する。

例えば、缶水の許容範囲が塩化物イオン４００ｍｇ／Ｌ、シリカ３５０ｍｇ／Ｌ、電気伝導率４００ｍＳ／ｍであり、給水の演算された塩化物イオン濃度が２４ｍｇ／Ｌ、シリカ濃度が１２．８ｍｇ／Ｌ、電気伝導率が２２．９ｍＳ／ｍ（水処理薬剤由来分を含む）である場合、塩化物イオンについての濃縮倍数は４００／２４＝１６．７、シリカについての濃縮倍数は３５０／１２．８＝２７．３、電気伝導率についての濃縮倍数は４００／２２．９＝１７．５であり、塩化物イオンについての濃縮倍数が最も低い。

従って、この場合は、濃縮倍数１６．７にてブロー制御を行うことにより、塩化物イオン濃度だけでなく、シリカ濃度及び電気伝導率も許容範囲となる。

濃縮倍数１６．７にてブロー制御するには、前記（１）式よりブロー率を求め、ポンプ２による給水量Ｗ（ｋｇ／ｈ）に対しこのブロー率を乗算してブロー量Ｂ（ｋｇ／ｈ）を演算し、このブロー量となるようにブロー弁７を開弁させればよい。

なお、実際には、凝縮水の回収率は経時的に変動するので、補給水の水質管理項目値に対しその時点でのｃ_０／ｃ_１値を乗算してその時点での給水の水質管理項目値を演算し、この演算された水質管理項目値と許容範囲とから水質管理項目毎の濃縮倍数を演算し、最も低い濃縮倍数となる水質管理項目に合わせてブロー制御する。

給水タンク１への凝縮水の流入量が経時的に変動しても、補給水の水質に変動がなければ、給水中の各水質管理項目値の相互の比率は変化せず、最も低い濃縮倍数にて許容範囲を逸脱することになる水質管理項目には変わりがない。そこで、上記のように塩化物イオン濃度が最も低い濃縮倍数にて許容範囲を逸脱することになる場合には、常時、塩化物イオン濃度から求まる濃縮倍数に従ってブロー制御すればよい。補給水の水質も長期的には変動することがあるので、その場合には、間欠的（例えば、数ヶ月に１回）に補給水の水質を測定し、その結果を制御器１５に入力すればよい。

［揮発性アミン類が添加されている場合の電気伝導率の演算］
上記説明では、給水の水質管理項目値は、補給水の水質管理項目値にｃ_０／ｃ_１を乗じた値であるとしたが、給水に揮発性アミン類を添加する場合には、給水の電気伝導率は、補給水と水処理薬剤とに由来する電気伝導率と揮発性アミン類に由来する電気伝導率との和とする。

以下、第１図のボイラ設備における実施例及び比較例について説明する。

以下の実施例及び比較例で用いた水処理薬剤及び補給水の水質は次の通りである。
＜水処理薬剤＞
ポリアクリル酸系ポリマ＋ＫＯＨ＋タンニン酸とを含む組成物とし、給水に対して１２０ｍｇ／Ｌとなるように添加。

＜補給水の水質＞
電気伝導率 ２４ｍＳ／ｍ
酸消費量（ｐＨ４．８） ５５ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ
塩化物イオン ２９ｍｇ／Ｌ
シリカ １６ｍｇ／Ｌ
Ｎａ ４７ｍｇ／Ｌ
給水に揮発性アミン類としてモルホリンを４５ｍｇ／Ｌ添加した。

缶水の管理基準値は次の通りである。

＜ボイラ水の管理基準値＞
ｐＨ（２５℃） ：１１．０〜１１．８
電気伝導率 ：４００ｍＳ／ｍ
酸消費量（ｐＨ８．３）：８０〜６００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ
塩化物イオン ：４００ｍｇ／Ｌ
シリカ ：３５０ｍｇ／Ｌ

＜凝縮水の回収率＞
補給水と給水のＮａ濃度をナトリウムイオン電極により連続測定した。その結果、補給水中のＮａ濃度はほぼ４７ｍｇ／Ｌで一定の値で推移したのに対して、給水中のＮａ濃度は１４〜３８ｍｇ／Ｌで推移した。

この値から、凝縮水回収率、すなわち補給水と凝縮水との合計に対する凝縮水の割合は２０〜７０％の範囲で変動することが認められた。

＜最も低濃縮倍数にて許容範囲を逸脱する水質管理項目の選定＞
補給水中のＮａは４７ｍｇ／Ｌであり、給水中のＮａ濃度が１４〜３８ｍｇ／Ｌなので、凝縮水回収率は２０〜７０％（給水中の補給水の割合は３０〜８０％）となる。給水中の塩化物イオン濃度、電気伝導率及びシリカ濃度と、それらに基づく濃縮倍率は次の通り演算される。

［塩化物イオン］
給水中の塩化物イオンは、補給水中の塩化物イオン濃度に上記の３０〜８０％の値を乗じることにより、２９ｍｇ／Ｌ×（３０〜８０％）＝８．７〜２３．２ｍｇ／Ｌとなる。

この値で、ボイラ水の管理基準値４００ｍｇ／Ｌを除算して濃縮倍数を求めると次の通りである。
４００／８．７〜４００／２３．２＝４６．０〜１７．２倍

［電気伝導率］
補給水の電気伝導率２４ｍＳ／ｍと、水処理薬剤寄与分４．４ｍＳ／ｍと、凝縮水回収率とから、給水の電気伝導率は２４×０．３＋４．４＝１１．６，２４×０．８＋４．４＝２３．６により、１１．６〜２３．６ｍＳ／ｍとなる。

ボイラ水の電気伝導率の管理基準値４００ｍＳ／ｍより濃縮倍数を求めると
４００／１１．６〜４００／２３．６＝３４．５〜１６．９となる。

［シリカ］
補給水の１６ｍｇ／Ｌに対し上記３０〜８０％を乗じることにより、給水中では４．８〜１２．８ｍｇ／Ｌとなる。

ボイラ水の管理基準値は３５０ｍｇ／Ｌであるため、濃縮倍数は
３５０／４．８〜３５０／１２．８＝７３〜２７
これらの計算の結果、もっとも低い濃縮倍数にてボイラ水管理基準値を逸脱することになる水質管理項目は電気伝導率であることが認められた。

＜比較例１（定率ブロー）＞
凝縮水回収率が２０〜７０％の範囲で変化するため、凝縮水回収率２０％の時の給水水質に併せてブロー率を設定した。このとき、ブロー率は塩化物イオン濃度で制約され、６．０％（濃縮倍数１６．７倍）となる。

＜比較例２（給水電気伝導率実測に基づくブロー）＞
モルホリンに起因する電気伝導率が影響し、給水の電気伝導率は１８．９〜２９．４ｍＳ／ｍとなった。これにより、濃縮倍数は電気伝導率律速となり、ブロー率４．５〜７．７％、平均ブロー率６．１％（濃縮１６．４倍）で制御された。

＜実施例１＞
上記の通り、最も低い濃縮倍数にてボイラ水管理基準値を逸脱することになるのは電気伝導率であるため、ボイラ水中の電気伝導率がボイラ水管理基準値内となるようにブロー率を演算し、給水量すなわちポンプ２の吐出量にこのブロー率を乗じたブロー量となるようにブロー弁７を制御した。その結果、ブロー率は２．９〜５．９％で、平均４．２％であった。

以上の実施例及び比較例より明らかな通り、本発明によると、ボイラに障害を発生させない範囲内で濃縮倍数を高くする（ブロー率を低下させる）ことができる。

ボイラ設備の系統図である。

符号の説明

１ 給水タンク
３ ボイラ
４ 気水分離器
５ 降水管
７ ブロー弁
１０ 蒸気機器

Claims (3)

1. ボイラから需要先に送られた蒸気の凝縮水の少なくとも一部と軟水よりなる補給水との混合水が給水として該ボイラへ供給されるボイラ水系からのブローを制御するボイラ水系におけるブロー制御方法において、
   水質管理項目として、電気伝導率、塩化物イオン濃度、硫酸イオン濃度、及びシリカ濃度から選ばれる少なくとも１つについて、ボイラ水の管理基準値を設定しておき、補給水のＮａイオン濃度、及び前記選ばれた水質管理項目の値を測定しておくと共に、給水のＮａイオン濃度を測定し、この給水のＮａイオン濃度と補給水のＮａイオン濃度とから給水中における前記水質管理項目の値を演算し、
   その中から、最も低い濃縮倍数にて前記管理基準値を逸脱することになる１つの水質管理項目を選択し、ボイラ水中のこの選択された水質管理項目の値が前記管理基準値の範囲内となるようにブロー制御を行うことを特徴とするボイラ水系におけるブロー制御方法。
2. 請求項１において、給水のＮａイオン濃度ｃ_１と補給水のＮａイオン濃度ｃ_０との比ｃ_１／ｃ_０を補給水の水質管理項目の値に乗算することにより給水の水質管理項目の値を演算し、
   この演算値に基づいて、前記水質管理項目の選択を行うと共にブロー率を決定することを特徴とするボイラ水系におけるブロー制御方法。
3. 請求項１又は２において、補給水もしくは給水又はボイラ水に水処理薬剤を添加し、かつ該水処理薬剤に由来する給水の各水質管理項目の増加分を演算して、給水の水質管理項目の値を補正することを特徴とするボイラ水系におけるブロー制御方法。

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