JP7848654B2 - ボイラ給水装置およびボイラ給水方法 - Google Patents

Description

この発明は、ボイラに給水を行なうボイラ給水装置およびボイラ給水方法に関する。

汽力発電設備は、ボイラと、ボイラに給水を行なうボイラ給水装置と、ボイラで発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、蒸気タービンの駆動によって発電を行なう発電機などを備えている。ボイラ給水装置は、給水ポンプと、給水ポンプから供給された水を加熱してボイラの節炭器に供給する給水加熱器と、各部の給水温度を測定する温度センサなどを備えている。汽力発電設備では、週末の電力需要の低下に応じて、週末に運転を停止（以下、解列ともいう）し、週初めに運転を再開する週末起動停止（ＷＳＳ：Weekly Start and Stop）運転を行なっている（例えば、特許文献１参照）。

ＷＳＳ運転の運転停止中には、ボイラ内の給水は流動しないため、給水温度は時間経過に伴って徐々に低下する。しかしながら、この運転停止中にボイラ内の給水温度が上昇して、給水がフラッシュまたは凝縮し、ウォーターハンマーが発生することがあった。大規模なウォーターハンマーが発生した場合、ボイラ水管などが損傷する恐れがある。

このような、ＷＳＳ運転の運転停止中に発生したウォーターハンマーの原因について本発明者が調査したところ、給水加熱器からの漏水によってボイラ内の給水が流動し、給水温度が上昇していることが分かった。

特開２０１８－１０８１７２号公報

給水加熱器からの漏水によるウォーターハンマーの発生を防ぐには、ＷＳＳ運転の運転停止中に漏水している給水加熱器を修理または交換すればよい。しかしながら、給水加熱器の漏水が少量である場合、汽力発電設備の運転中には水位レベル、給水温度などに顕著な変化が現れないため、給水加熱器の漏水を発見するのは難しい。また、給水加熱器の修理または交換には時間がかかるため、ＷＳＳ運転の運転再開に間に合わない可能性がある。さらに給水加熱器を修理または交換するためにボイラ内の給水を排出する場合、給水温度が低下し、運転再開に時間がかかる可能性がある。

そこでこの発明は、給水加熱器からの漏水によるウォーターハンマーの発生を抑制するとともに、給水加熱器からの漏水を早期に発見することが可能なボイラ給水装置およびボイラ給水方法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、請求項１の発明は、給水ポンプと、前記給水ポンプから供給された水を加熱してボイラの節炭器に供給する給水加熱器と、前記給水ポンプを制御する制御手段と、各部の給水温度を測定する温度センサと、を備えるボイラ給水装置であって、前記節炭器は、前記給水加熱器から供給された水を、前記ボイラの排熱を利用して飽和水になるまで加熱し、前記制御手段は、前記ボイラが週末起動停止運転によって運転停止され、前記給水ポンプの運転が停止した場合に、前記ボイラの運転停止から第１の所定時間経過後に前記温度センサによって、前記節炭器の入口給水温度と、前記給水加熱器の出口給水温度と、を測定し、前記第１の所定時間における前記節炭器の入口給水温度が所定温度以上で、かつ、前記給水加熱器の出口給水温度が前記給水ポンプの運転停止時の温度よりも上昇している場合、前記ボイラの運転停止から第２の所定時間の経過後に、前記給水を循環させる循環運転を前記給水ポンプに行なわせる、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のボイラ給水装置において、前記週末起動停止運転によって前記ボイラの運転が開始されるボイラ運転開始時間が、前記第２の所定時間の経過後に訪れる第３の所定時間の経過後である場合、前記制御手段は、前記第３の所定時間の経過後に前記給水ポンプに前記循環運転を行なわせる、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載のボイラ給水装置において、前記制御手段は、前記ボイラ内にて測定した複数の給水温度のばらつきが所定範囲内になったときに前記循環運転を停止する、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、給水ポンプにより給水加熱器に水を供給し、前記給水加熱器により加熱された水をボイラの節炭器に供給するボイラ給水方法であって、前記節炭器は、前記給水加熱器から供給された水を、前記ボイラの排熱を利用して飽和水になるまで加熱し、前記ボイラが週末起動停止運転によって運転停止され、前記給水ポンプの運転が停止した場合に、前記ボイラの運転停止から第１の所定時間経過後に前記節炭器の入口給水温度と、前記給水加熱器の出口給水温度と、を測定し、前記第１の所定時間における前記節炭器の入口給水温度が所定温度以上で、かつ、前記給水加熱器の出口給水温度が前記給水ポンプの運転停止時の温度よりも上昇している場合、前記ボイラの運転停止から第２の所定時間の経過後に、前記給水を循環させる循環運転を前記給水ポンプに行なわせる、ことを特徴とする。

請求項１および請求項４の発明によれば、ボイラが週末起動停止運転によって運転停止しているときに、節炭器の入口給水温度と、給水加熱器の出口給水温度とが運転停止時よりも上昇している場合、給水加熱器から漏水していると推定することができる。したがって、給水加熱器からの漏水を早期に発見することが可能である。また、週末起動停止運転の運転停止中に、給水加熱器が漏水している場合には、給水ポンプに循環運転を行なわせることができるので、ボイラ内の給水温度を均一化してウォーターハンマーの発生を抑制し、ボイラ水管の損傷を防ぐことが可能である。

請求項２の発明によれば、週末起動停止運転の運転開始時間が、第２の所定時間の経過後に訪れる第３の所定時間の経過後である場合、第３の所定時間の経過後に給水ポンプに循環運転を行なわせることができるので、ボイラ内の給水温度をさらに均一化してウォーターハンマーの発生を抑制し、ボイラ水管の損傷を防ぐことが可能である。

請求項３の発明によれば、ボイラ内にて測定した複数の給水温度のばらつきが所定範囲内になったときに循環運転を停止するので、必要以上に給水ポンプを運転させる必要がなく、より簡単にウォーターハンマーの発生を抑制することが可能である。

この発明の実施の形態に係る汽力発電設備の概略構成図である。 汽力発電設備の運転停止中に漏水が発生していない場合の各部の給水温度の降下状況を示すグラフである。 汽力発電設備の運転停止中に漏水が発生している場合の各部の給水温度の降下状況を示すグラフである。 汽力発電設備の運転停止中に漏水およびウォーターハンマーが発生している場合の各部の給水温度の降下状況を示すグラフである。 汽力発電設備の運転停止中に給水ポンプを循環運転した場合の各部の給水温度の降下状況を示すグラフである。 汽力発電設備の運転停止中に給水ポンプを循環運転する手順を示すフローチャートである。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係る汽力発電設備１の概略構成図である。汽力発電設備１は、高圧給水ポンプ（給水ポンプ）２と、高圧給水加熱器（給水加熱器）３と、ボイラ４と、蒸気タービン５と、発電機６と、復水器７と、制御装置（制御手段）８を備えている。本実施の形態の汽力発電設備１は、週末の電力需要の低下に応じて、週末に運転を停止（解列）し、週初めに運転を再開するＷＳＳ運転を行なう。

高圧給水ポンプ２は、図示しない給水源および復水器７から供給された水を高圧給水加熱器３へ供給する。

高圧給水加熱器３は、蒸気タービン５の抽気を利用して、高圧給水ポンプ２から供給された水を加熱する。高圧給水加熱器３は、給水を加熱するヒータとして、第１Ａヒータ３１Ａおよび第１Ｂヒータ３１Ｂと、第２Ａヒータ３２Ａおよび第２Ｂヒータ３２Ｂと、を備えている。第１Ａヒータ３１Ａと、第１Ｂヒータ３１Ｂとは、高圧給水ポンプ２に対して並列に接続されている。また、第２Ａヒータ３２Ａは第１Ａヒータ３１Ａに接続され、第２Ｂヒータ３２Ｂは第１Ｂヒータ３１Ｂに接続されている。すなわち、高圧給水加熱器３は、第１Ａヒータ３１Ａおよび第２Ａヒータ３２Ａによって給水を加熱する第１給水加熱系統と、第１Ｂヒータ３１Ｂおよび第２Ｂヒータ３２Ｂによって給水を加熱する第２給水加熱系統とを備えている。

ボイラ４は、節炭器４１と、１次水冷壁４２と、２次水冷壁４３と、過熱器４４と、を備えている。節炭器４１は、高圧給水加熱器３から供給された水を、ボイラ４の排熱を利用して飽和水になるまで加熱する。

１次水冷壁４２および２次水冷壁４３は、ボイラ４の燃焼室の周囲に配置された蒸発管からなり、節炭器４１によって飽和水になるまで加熱された給水をさらに加熱して飽和蒸気を生成する蒸発器である。

過熱器４４は、１次水冷壁４２および２次水冷壁４３によって生成された飽和蒸気をさらに飽和温度以上に過熱して過熱蒸気を生成する。生成された過熱蒸気は、蒸気タービン５に供給される。

蒸気タービン５は、ボイラ４から供給された過熱蒸気によってタービン羽根を回転させる。発電機６は、タービン羽根の回転を利用して発電を行なう。

復水器７は、蒸気タービン５で利用された過熱蒸気を冷却して凝縮させ、低圧の飽和水に戻し、高圧給水ポンプ２へ供給する。

汽力発電設備１には、各部の給水温度または流体温度を測定する温度センサ（図示せず）が設置されている。例えば、第１Ａヒータ３１Ａの出口給水温度Ｔｐ１Ａ、第１Ｂヒータ３１Ｂの出口給水温度Ｔｐ１Ｂ、第２Ａヒータ３２Ａの出口給水温度Ｔｐ２Ａ、および第２Ｂヒータ３２Ｂの出口給水温度Ｔｐ２Ｂと、節炭器４１の入口給水温度Ｔｐ３と、１次水冷壁４２の出口流体温度Ｔｐ４および２次水冷壁４３の出口流体温度Ｔｐ５と、過熱器４４の出口流体温度Ｔｐ６とが温度センサによって測定され、その測定結果は制御装置８に送信される。

制御装置８は、汽力発電設備１の運転を制御するための装置であり、いわゆるコンピュータによって構成されている。制御装置８は、温度センサから送信された測定温度Ｔｐ１Ａ、Ｔｐ１Ｂ、Ｔｐ２Ａ、Ｔｐ２Ｂ、Ｔｐ３、Ｔｐ４、Ｔｐ５、およびＴｐ６に基づいて汽力発電設備１の運転を制御する。

汽力発電設備１は、上述したようにＷＳＳ運転を行なう。そのため、平日には汽力発電設備１の各部を駆動させて発電を行い、週末になると運転停止して電力網から解列する。

図２は、ＷＳＳ運転の運転停止中に高圧給水加熱器３から漏水がなく、かつ、ウォーターハンマーの発生がなかったときの各部の給水（流体）温度の降下状況を示すグラフである。このグラフでは、縦軸が温度（°Ｃ）、横軸が時間を示している。時間Ｔ１，Ｔ２などの間隔は、例えば、４時間である。汽力発電設備１は、時間Ｔ１において解列し、時間Ｔ１ａにおいて高圧給水ポンプ２の運転を停止している。このグラフから分かるように、ＷＳＳ運転の運転停止中には給水は流動しないため、時間の経過に応じて各部の給水（流体）温度は徐々に降下していく。

一方、図３は、ＷＳＳ運転の運転停止中に高圧給水加熱器３から漏水があり、ウォーターハンマーの発生がなかったときの各部の給水（流体）温度の降下状況を示すグラフである。汽力発電設備１は、時間Ｔ１において解列し、時間Ｔ１ａにおいて高圧給水ポンプ２の運転を停止している。このグラフから分かるように、ＷＳＳ運転の運転停止中に高圧給水加熱器３のいずれかのヒータが漏水している場合、ボイラ４内の給水が流動（逆流）するため、ボイラ４内の給水温度が不均一になり、節炭器入口給水温度Ｔｐ３、第２Ａヒータ３２Ａの出口流体温度Ｔｐ２Ａ、第２Ｂヒータ３２Ｂの出口給水温度Ｔｐ２Ｂなどが、高圧給水ポンプ２の停止時よりも上昇する。具体的には、節炭器入口給水温度Ｔｐ３は、解列から４時間４０分で２１５°Ｃまで上昇し、高圧給水ポンプ２の停止から６時間４０分（解列から７時間５７分）で２３３°Ｃまで上昇している。

これに対し、図４は、ＷＳＳ運転の運転停止中に高圧給水加熱器３から漏水があり、かつ、ウォーターハンマーが発生したときの各部の給水（流体）温度の降下状況を示すグラフである。汽力発電設備１は、起動をキャンセルして時間Ｔ１に解列し、時間Ｔ１ａにおいて高圧給水ポンプ２の運転を停止し、時間Ｔ９ａにおいてウォーターハンマーが発生している。このグラフから分かるように、ＷＳＳ運転の運転停止中に高圧給水加熱器３のいずれかのヒータが漏水し、ウォーターハンマーが発生する場合、節炭器入口給水温度Ｔｐ３は、高圧給水ポンプ２の停止から約５時間１０分経過した時間Ｔ２ａにおいて２４５°Ｃまで上昇し、第２Ｂヒータ３２Ｂの出口給水温度Ｔｐ２Ｂは、高圧給水ポンプ２の停止時よりも著しく上昇している。また、ウォーターハンマーは、解列から３５時間程度経過した時点で発生している。

このような、運転停止中の高圧給水加熱器３からの漏水による給水温度の変動を考慮し、本実施の形態の汽力発電設備１では、解列してから第１の所定時間（例えば、５時間）の経過後に、制御装置８は、節炭器入口給水温度Ｔｐ３と、第１Ａヒータ３１Ａの出口給水温度Ｔｐ１Ａ、第１Ｂヒータ３１Ｂの出口給水温度Ｔｐ１Ｂ、第２Ａヒータ３２Ａの出口給水温度Ｔｐ２Ａ、および第２Ｂヒータ３２Ｂの出口給水温度Ｔｐ２Ｂと、を測定する。

また、制御装置８は、測定した節炭器入口給水温度Ｔｐ３が所定温度（例えば、２１５°Ｃ）以上で、かつ、第１Ａヒータ３１Ａの出口給水温度Ｔｐ１Ａ、第１Ｂヒータ３１Ｂの出口給水温度Ｔｐ１Ｂ、第２Ａヒータ３２Ａの出口給水温度Ｔｐ２Ａ、および第２Ｂヒータ３２Ｂの出口給水温度Ｔｐ２Ｂが高圧給水ポンプ２の停止時の温度よりも上昇してい
る場合、解列してから第２の所定時間（例えば、２０時間）の経過後に高圧給水ポンプ２を起動させ、給水を循環させる循環運転を行なわせる。

さらに、ＷＳＳ運転の運転停止期間が、例えば土曜日および日曜日の２日間（４８時間）である場合には、解列してから第３の所定時間（例えば、４０時間）の経過後に高圧給水ポンプ２を起動させ、給水を循環させる循環運転を行なわせる。これにより、ボイラ４内の給水温度が均一化されるため、給水温度のばらつきによるフラッシュや凝縮は発生せず、ウォーターハンマーの発生を効果的に抑制することができる。

次に、図５に示すグラフと、図６に示すフローチャートとに基づいて、上記の実施の形態の作用について説明する。汽力発電設備１は、ＷＳＳ運転を行なうことによって、時間Ｔ１に解列を行い（ステップＳ１）、時間Ｔ１ａに高圧給水ポンプ２の運転を停止する（ステップＳ２）。

制御装置８は、解列から第１の所定時間が経過して時間Ｔ２ａになると（ステップＳ３でＹＥＳ）、節炭器入口給水温度Ｔｐ３と、第１Ａヒータ３１Ａの出口給水温度Ｔｐ１Ａ、第１Ｂヒータ３１Ｂの出口給水温度Ｔｐ１Ｂ、第２Ａヒータ３２Ａの出口給水温度Ｔｐ２Ａ、および第２Ｂヒータ３２Ｂの出口給水温度Ｔｐ２Ｂと、を測定する（ステップＳ４）。

制御装置８は、測定した節炭器入口給水温度Ｔｐ３が所定温度以上で、かつ、第１Ａヒータ３１Ａの出口給水温度Ｔｐ１Ａ、第１Ｂヒータ３１Ｂの出口給水温度Ｔｐ１Ｂ、第２Ａヒータ３２Ａの出口給水温度Ｔｐ２Ａ、および第２Ｂヒータ３２Ｂの出口給水温度Ｔｐ２Ｂが高圧給水ポンプ２の停止時の温度よりも上昇し（ステップＳ５でＹＥＳ）、解列してから第２の所定時間が経過（ステップＳ６でＹＥＳ）している場合に、時間Ｔ４ａ～Ｔ４ｂの間で高圧給水ポンプ２を循環運転させる（ステップＳ７）。

また、制御装置８は、解列してから第３の所定時間が経過（ステップＳ８でＹＥＳ）している場合に、時間Ｔ８ａ～Ｔ８ｂの間で高圧給水ポンプ２を循環運転させる（ステップＳ９）。

なお、循環運転は、制御装置８によってボイラ４内の各部の給水（流体）温度を監視し、これらの温度のばらつきが所定範囲内に納まったとき、すなわち、ボイラ４内の各部の給水（流体）温度が略均一になったときに停止するのが好ましい。

以上で説明したように、本実施形態の汽力発電設備１によれば、ＷＳＳ運転によって運転停止しているときに、節炭器４１の入口給水温度Ｔｐ３が所定温度以上であり、かつ、第１Ａヒータ３１Ａの出口給水温度Ｔｐ１Ａ、第１Ｂヒータ３１Ｂの出口給水温度Ｔｐ１Ｂ、第２Ａヒータ３２Ａの出口給水温度Ｔｐ２Ａ、および第２Ｂヒータ３２Ｂの出口給水温度Ｔｐ２Ｂが高圧給水ポンプ２の運転停止時よりも上昇している場合、高圧給水加熱器３から漏水していると推定することができる。したがって、高圧給水加熱器３を構成する複数のヒータのなかから、漏水しているヒータを早期に発見することが可能である。また、ＷＳＳ運転の運転停止中に、高圧給水加熱器３が漏水している場合には、高圧給水ポンプ２に循環運転を行なわせることができるので、ボイラ４内の給水温度を均一化してウォーターハンマーの発生を抑制し、ボイラ水管の損傷を防ぐことが可能である。

また、本実施形態の汽力発電設備１によれば、ＷＳＳ運転の運転開始時間が、第２の所定時間の経過後に訪れる第３の所定時間の経過後である場合、第３の所定時間の経過後に高圧給水ポンプ２に循環運転を行なわせることができるので、ボイラ４内の給水温度をさらに均一化してウォーターハンマーの発生を抑制し、ボイラ水管の損傷を防ぐことが可能
である。

さらに、本実施形態の汽力発電設備１によれば、ボイラ４内にて測定した複数の給水温度のばらつきが所定範囲内になったときに循環運転を停止するので、必要以上に高圧給水ポンプ２を運転させる必要がなく、より簡単にウォーターハンマーの発生を抑制することが可能である。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、汽力発電設備１を例に説明したが、コンバインドサイクル発電設備にも適用することが可能である。また、高圧給水ポンプ２の循環運転を２回行なっているが、ウォーターハンマーの発生が抑制できるのであれば、循環運転は１回でもよいし、３回以上行なってもよい。さらに、循環運転を行なうタイミングが到来する前に、汽力発電設備１の運転が再開された場合には、循環運転を省略してもよい。

また、節炭器４１の入口給水温度Ｔｐ３の測定結果に基づいて高圧給水加熱器３の漏水を発見した場合、汽力発電設備１を保守管理している組織の修理部門などに、制御装置８からその旨を通知するようにしてもよい。これによれば、高圧給水加熱器３を早期に修理または交換することができ、ウォーターハンマーの発生を効果的に抑制することが可能である。

１ 汽力発電設備
２ 高圧給水ポンプ（給水ポンプ）
３ 高圧給水加熱器（給水加熱器）
４ ボイラ
４１ 節炭器
４２ １次水冷壁
４３ ２次水冷壁
４４ 過熱器
５ 蒸気タービン
６ 発電機
７ 復水器
８ 制御装置（制御手段）

Claims (4)

1. 給水ポンプと、前記給水ポンプから供給された水を加熱してボイラの節炭器に供給する給水加熱器と、前記給水ポンプを制御する制御手段と、各部の給水温度を測定する温度センサと、を備えるボイラ給水装置であって、
   前記節炭器は、前記給水加熱器から供給された水を、前記ボイラの排熱を利用して飽和水になるまで加熱し、
   前記制御手段は、
   前記ボイラが週末起動停止運転によって運転停止され、前記給水ポンプの運転が停止した場合に、前記ボイラの運転停止から第１の所定時間経過後に前記温度センサによって、前記節炭器の入口給水温度と、前記給水加熱器の出口給水温度と、を測定し、
   前記第１の所定時間における前記節炭器の入口給水温度が所定温度以上で、かつ、前記給水加熱器の出口給水温度が前記給水ポンプの運転停止時の温度よりも上昇している場合、前記ボイラの運転停止から第２の所定時間の経過後に、前記給水を循環させる循環運転を前記給水ポンプに行なわせる、
   ことを特徴とするボイラ給水装置。
2. 前記週末起動停止運転によって前記ボイラの運転が開始されるボイラ運転開始時間が、前記第２の所定時間の経過後に訪れる第３の所定時間の経過後である場合、前記制御手段は、前記第３の所定時間の経過後に前記給水ポンプに前記循環運転を行なわせる、ことを特徴とする請求項１に記載のボイラ給水装置。
3. 前記制御手段は、前記ボイラ内にて測定した複数の給水温度のばらつきが所定範囲内になったときに前記循環運転を停止する、ことを特徴とする請求項１または２に記載のボイラ給水装置。
4. 給水ポンプにより給水加熱器に水を供給し、前記給水加熱器により加熱された水をボイラの節炭器に供給するボイラ給水方法であって、
   前記節炭器は、前記給水加熱器から供給された水を、前記ボイラの排熱を利用して飽和水になるまで加熱し、
   前記ボイラが週末起動停止運転によって運転停止され、前記給水ポンプの運転が停止した場合に、前記ボイラの運転停止から第１の所定時間経過後に前記節炭器の入口給水温度と、前記給水加熱器の出口給水温度と、を測定し、
   前記第１の所定時間における前記節炭器の入口給水温度が所定温度以上で、かつ、前記給水加熱器の出口給水温度が前記給水ポンプの運転停止時の温度よりも上昇している場合、前記ボイラの運転停止から第２の所定時間の経過後に、前記給水を循環させる循環運転を前記給水ポンプに行なわせる、
   ことを特徴とするボイラ給水方法。