Immediate response steam generation system and method

本発明は、蒸気発生システム及び蒸気発生方法に関し、特に即時の且つ連続蒸気を発生させるための即時応答蒸気発生システム及び方法に関する。

蒸気発生システムは、プラント及び同様の工業分野で多くの異なる目的に使用される蒸気を生産するのに使用される。 エネルギー源として蒸気を使用するプラントは、しばしば蒸気プラントと称される。

従来の蒸気発生器は、液相から気相に変換されるまで、水を運ぶ管の周りに熱を生じさせるボイラーまたはバーナーシステムを含む。 従来の高出力熱発生システムを始動するのに或る時間を必要とする。 蒸気発生システムの始動は、蒸気発生システムを常温状態から蒸気を所望の工業流量で出力させる温度にまで加熱することとここでは定義される。 当業者に知られているように、蒸気発生システムの常温状態は、バーナーが作動してない、且つボイラーチューブが作動圧力値及び温度値になく、またはさらに一般的に蒸気発生システムがまだ作動していない、即ち、蒸気発生システムが蒸気生産モードにない、その初期状態を指す。 ウォームアップ時間を含む、蒸気発生システム始動時間は、例えば３０分乃至６０分またはそれ以上である。 もし、蒸気発生システムが或る機械的な故障により作動しなくなれば、蒸気発生タスクを続けるために他のバックアップ又は補助蒸気発生システムが設けられるが、補助蒸気発生器システムを始動する３０分乃至６０分を待つことは。 プラントの運転はそんなに長く待てないので許容されない。 一つの代替は、常に低い燃焼量（低負荷）で作動する補助蒸気発生システムを有することであり、これはとても高価且つとてもエネルギー効率が悪い（無駄に資源を消費する）。

従来のボイラー又は熱発生システムを始動するための３０分乃至６０分の時間は、通常、蒸気出力（借方）流量に関係しないことに気づく。 実際、この始動遅れは、主に、ボイラーの構造の熱誘導機械的応力に順応するのに必要とされる時間に関係する。 ボイラー管の中の高温の水を加熱することによって、ボイラー管はその熱膨張により構造に応力を加える大変重大な温度勾配を受け、さらに、水それ自体は蒸発して蒸気になるとき、大変著しい体積増加の物である。 これらの物理的な現象の両方は、ボイラーの機械的な故障を防止するように温度勾配を入念に管理すべきことを要し、この管理は、ボイラーが通常の工業蒸気生産モードで作動する前に、時間にわたって通常約１時間にわたって蒸気生産を遅らせることを含む。

本発明は、蒸気アキュムレータと、蒸気アキュムレータに連結された蒸気出口と、蒸気出口の出口バルブと、蒸気アキュムレータに連結された即時応答蒸気発生器ユニットと、を含む蒸気発生システムで即時の且つその後の連続蒸気を発生させる方法であって、蒸気アキュムレータ内に潜在蒸気を提供するステップと、出口バルブを開いて蒸気アキュムレータ内の潜在蒸気を蒸気出口から流出させるステップと、水を蒸気発生器ユニットに供給するステップと、潜在蒸気が蒸気出口から流出する間蒸気発生器ユニットに供給された水を加熱するステップと、潜在蒸気が蒸気アキュムレータから完全に流出してしまう前に、蒸気発生器ユニットで蒸気を発生させて蒸気アキュムレータに蒸気を供給し、蒸気出口からの蒸気流量を制御して蒸気流量を蒸気発生器ユニットから蒸気アキュムレータへの蒸気流量よりも本質的に大きくない値に維持するためにステップと、を含み、蒸気発生システムは、蒸気発生器ユニットがその中に供給された水を加熱する間、蒸気アキュムレータが蒸気出口に蒸気を提供することにより、蒸気発生器ユニットの初期常温状態から、即時の且つその後の連続蒸気を発生させることができる、前記方法に関する。

或る実施形態では、出口バルブが開かれる前に、潜在蒸気は蒸気アキュムレータ内に所定のアイドル（idle）圧力及びアイドル温度値で維持され、液体状態の水とガス状態の蒸気が蒸気アキュムレータ内に共存して潜在蒸気を形成し、出口バルブが開かれるとき、蒸気アキュムレータ内の圧力が徐々に降下し、液体状態の水の一部分が徐々に蒸発して蒸気になる。

或る実施形態では、蒸気アキュムレータ内のアイドル圧力及び温度値は、蒸気を補助蒸気ラインの中に流入させることによって維持される。

或る実施形態では、蒸気発生器ユニットに供給された水は蒸気アキュムレータから供給され、水流入ラインは蒸気アキュムレータにさらに連結されて、水を蒸気アキュムレータに供給し、蒸気発生器ユニットに供給された水は蒸気アキュムレータの中を通ることによって予熱される。

或る実施形態では、蒸気発生器ユニットは、水をコイル状管の中を循環させる少なくとも１つのコイルボイラーを含む。

或る実施形態では、コイル状管の中を循環される水質量の大部分は、蒸気がコイルボイラーによって発生されるときでも液体状態に維持される。

或る実施形態では、コイル状管の中を循環される水質量の７０％乃至９７％は、蒸気がコイルボイラーによって発生されるときでも液体状態に維持される。

本発明は、さらに、蒸気を発生させるための蒸気発生システムであって、蒸気出口を有する蒸気アキュムレータと、アキュムレータに連結される即時応答蒸気発生器とを含み、蒸気発生器ユニットから発生される蒸気は蒸気アキュムレータに供給され、蒸気発生器ユニットは蒸気発生器ユニットに供給される水が循環される少なくとも１つのコイルボイラーを含み、蒸気アキュムレータからの蒸気流量を制御する、蒸気出口の蒸気出口バルブと、蒸気発生器ユニットに連結された蒸気発生器ユニット水入口と、を更に含み、蒸気発生システムは、蒸気発生器ユニットがその中に供給された水を加熱する間、蒸気アキュムレータが蒸気出口に蒸気を提供することにより、蒸気発生器ユニットの初期の常温状態から、即時の且つその後の連続蒸気を発生させることができる、上記蒸気発生システムに関する。

或る実施形態では、蒸気アキュムレータはアイドル圧力/温度維持装置を含む。

或る実施形態では、アイドル圧力/温度維持装置は、蒸気源に連結された補助蒸気ラインを含み、補助蒸気ラインは、蒸気を蒸気アキュムレータに注入させるための、蒸気アキュムレータに連結された蒸気入口を有する。

或る実施形態では、蒸気発生器ユニットは、熱誘導機械的応力に順応できるコイル状管を有する少なくとも１つのコイルボイラーを含む。

或る実施形態では、蒸気発生器ユニット水入口は、蒸気アキュムレータに連結され、蒸気発生システムは、そこに水を供給するための、蒸気アキュムレータに連結されたシステム水入口を含み、蒸気発生器ユニットに供給された水は、最初に蒸気アキュムレータからの水と混合される。

蒸気プラントの水/蒸気ラインに連結された、本発明による即時応答蒸気発生システムの概略図を示す。

図１は、蒸気プラントのような所望位置で使用する本発明による即時応答蒸気発生システム１０を示す。 蒸気発生システム１０は、蒸気プラントから生じる給水をボイラー内でポンプ給水する一対の任意の水入口ポンプ１２、１４を上流端１０aに含むが、市給水または、蒸気プラント脱気器からの水のような代わりの水源を蒸気発生システム１０の上流端１０aに連結してもよいことが理解される。 蒸気プラントの水/蒸気は、通常、閉ループの中で循環され、水処理設備からの処理水が、蒸気凝縮回路に加えられて水及び蒸気損失を償うが、もし外部水入力が与えられるならば、他の範囲を設定しない用途のために蒸気を発生させることも本発明の範囲内である。

蒸気発生システム１０は、また、蒸気が、蒸気プラント用途に又はいかなる所望の蒸気を使用可能な用途に使用するために発生される下流端１０bを画成する。

システム上流端１０aでの水流入量は、水を水流入管２６に沿って蒸気アキュムレータ２４に選択的に送り込ませるために、入口バルブコントローラ１８に連結されたシステム水入口バルブ１６によって制御される。 蒸気アキュムレータ２４は、特に断熱タンクの形態であり、蒸気アキュムレータ２４の水位を検出し、蒸気アキュムレータ内の水位が所定の低閾値に達するとき、水を蒸気アキュムレータ２４に自動的に送り込む入口バルブコントローラ１８に連結されたアキュムレータパラメータ検出器２８を備えている。 アキュムレータパラメータ検出器２８は、また、アキュムレータ２４内の圧力値及び温度値を検出する。

蒸気アキュムレータ２４は、普通、排水バルブコントローラ３４によって制御される排水バルブ３２を有する保守排水パイプ３０を備えている。

蒸気アキュムレータ２４は、多数のコイルボイラー４８、例えば図示するように３つのコイルボイラー４８を含む蒸気発生器ユニット４６に水を供給する一対のコイルボイラーポンプ３８、４０（単一ポンプを使用してもよい）を、平列に取付けた水出口パイプ３６に連結される。

再循環コントローラ４４によって制御される再循環バルブ４２を備えた再循環パイプ４１は、ポンプ３８、４０が作動されるとき、常に最小流量をポンプ３８、４０によって可能にする。 その結果、アキュムレータ２４からの水流量が低くても、例えばもしシステム機能不全が起ったならば、そして、ポンプ３８、４０が空の供給時に作動したならば、ポンプ３８、４０の損傷が回避される。

各コイルボイラー４８は、水を通すコイル状管５０を含む。 コイルボイラー４８は、例えば従来から当業者に知られているように燃焼火炎から、矢印５２によって概略的に示されるように、強い加熱を受けるが、また、コイルボイラー管５０の外面に対し流れさせる他の高温流体からのような代替加熱手段をも、予想してもよい。

各コイルボイラー４８の水入口は、コイルボイラー入口バルブ５４に連結され、コイルボイラー入口バルブ５４は、コイルボイラー４８への水流量を制御し、その結果、コイルボイラー４８からの蒸気出口流出量を制御するコイルボイラー水入口コントローラ５６によって制御される。

コイルボイラー４８は、知られた構造のものであるが、コイルボイラー４８は時間当り50,000ポンド（22,680kg/hr）を超える容量を有するボイラーに使用されることはほとんどない。 事実、コイルボイラータイプ蒸気発生器が、低出力システムとして従来から知られており、その結果、蒸気プラント用のシステムとしては実際的ではないと考えられている。 しかしながら、コイルボイラーは、それらの管のコイル形態により、蒸気を発生させるための非常に速い応答時間を可能にする利点を有する。 このコイル形態は、コイルボイラーをコイルボイラー４８のコイル管５０の熱誘導により著しい機械的応力に順応させる、熱膨張用の相当な余裕を可能にする。 その結果、コイル５０は、従来からの高出力蒸気発生器におけるよりもはるかに重大である熱源５２からの急な温度勾配を受けることができる。 これらの重大な温度勾配は、蒸気をコイルボイラー４８内で大変急速に発生させ、おそらく、長時間にわたって高出力ボイラーほど効率的にではない。 上述に示されるように、蒸気発生器は、これが始動されるとき、蒸気を発生させるのに３０分乃至６０分又はそれ以上かかるのがしばしばであり、これに対して、コイルボイラーは、これ（常温状態から完全作動蒸気生産モードまで）始動されるとき、蒸気を５分乃至１０分内に発生させることができる。 その結果、コイルボイラー４８は、急速応答蒸気発生ユニットを構成すると考えられ、蒸気発生器は、これが始動されるとき、蒸気を発生させるのに通常３０分乃至６０分又はそれ以上よりも著しく時間を要しない。

各コイルボイラー４８の出口は、コイルボイラー出口管５８で蒸気アキュムレータ２４に連結される。 かくして、蒸気発生器ユニット４６によって発生された蒸気は、蒸気アキュムレータ２４に供給され、蒸気発生器ユニット４６から流出する水も同様に蒸気アキュムレータ２４に供給される。 コイルボイラー４８は、蒸気を発生すると言われるけれども、このことが、コイルボイラー４８に供給される水の一部分が、後述されるように液体状態でコイルボイラー４８を流出することを排除しない。 言い換えれば、或る実施形態によれば、コイルボイラー４８に供給される水は、全て蒸気に変わるわけではない。

システム蒸気出口管６０は、蒸気アキュムレータ２４に連結され、且つシステム下流端１０ｂにシステム蒸気出口バルブ６２を備える。 システム蒸気出口バルブ６２は、圧力コントローラ６６、６８によってシステム蒸気出口バルブ６２の上流及び下流の圧力値及びバルブ６２の上流の流量コントローラ７０から容積流量値を検出するエネルギー貯蔵コントローラ６４によって制御される。

エネルギー貯蔵コントローラ６４は、また、より高い圧力補助蒸気ライン７４に取付けられたバルブ７２を制御し、このラインから圧力及び容積流量値を、補助ライン圧力コントローラ７６及び補助ライン流量コントローラ７８で決定することができる。 補助蒸気ライン７４は、外部蒸気源に連結される上流端７４aを有する。 補助蒸気ライン７４は、蒸気アキュムレータ７４に連結される下流端７４ｂを有する。

使用中、蒸気発生システム１０は、これが要求に応じてただちに蒸気を発生させることができるので、即時応答蒸気発生システムと言われる。 これは、蒸気の不足が不都合な結果を有することがある状況では特にメリットがある。 例えば、ある蒸気プラントでは、もし主蒸気発生器が止まった場合、すなわちもし主蒸気発生器がなんらかの理由のために機能しなくなる場合、全体のプラント運転がしばしば何時間もの間完全に止められ、あるケースでは、連続ベースで蒸気を必要とするプラント工程装置を蒸気生産の損失の結果として損傷させることがある。 かくして、バックアップシステムとして即時の蒸気発生が可能である補助蒸気発生システムを有することは大いに好ましい。 この補助蒸気発生システムは、また、主蒸気発生器がオンラインに戻るまで、蒸気を蒸気プラントに供給するために、補助蒸気発生システムが始動される時間現在から連続的な仕方で蒸気を発生させることができるべきである。

この特定の場合では、蒸気発生システム１０は、補助使用のつもりであり、即時の且つその後の連続蒸気を発生させることができる。 これは以下のように達成される。

アイドル状態では、蒸気の要求が存在しない場合及びシステム蒸気出口バルブ６２が閉じられている場合、蒸気アキュムレータ２４に所定のアイドル圧力値及び温度値で飽和蒸気と水の混合物が加えられる。 特に、アイドルアキュムレータ圧力は、より小さい容量でより大きい貯蔵能力を可能にするために、アキュムレータ２４内の水の大部分を液体状態に、維持するように、高い値に設定される。 断熱及び圧力制御の理想的な条件では、これらのアイドルパラメータは、安定のままであるが、現実には、蒸気出口マニホールド８０からアキュムレータ２４への蒸気を送るが、時間とともに避けられない圧力/温度損失を補償するために、予備蒸気ライン７４を使用することが望ましい。 アキュムレータ２４内の圧力値は、アキュムレータパラメータ検知器２８によって常にモニターされ、エネルギー貯蔵コントローラ６４（アキュムレータパラメータ検知器２８に接続される）は、アキュムレータ２４内の所定のアイドル圧力値を維持するようにアキュムレータ２４内に要求される蒸気入力を制御することができる。 システム１０のこのアイドル状態では、コイルボイラー４８は、作動中ではなく、蒸気発生器ユニットは常温状態にある。 さらに、水は水入口管２６又は水出口管３６を通って循環しない。

即時の且つその後に連続蒸気が要求されるとき、システム蒸気出口バルブ６２はエネルギー貯蔵コントローラ６４によって、開かれるように制御される。 アキュムレータ２４内に存在する蒸気は、ただちに排出され、その結果、アキュムレータ２４内に即時の圧力降下が起る。 この結果、圧力減少で、沸点温度も減少するから、アキュムレータ２４内で水が急に蒸発して蒸気になる。 これは、アキュムレータ２４内で水から蒸気を発生させ、この蒸気を蒸気出口管６０から流出させることを意味する。 システム蒸気出口バルブ６２が開かれる前にアキュムレータ２４内に在る蒸気は、システム蒸気出口バルブ６２が開かれるときに排出される蒸気の下限に近い、又はまさに微々たる部分を表しそうであるが、システム蒸気出口バルブ６２の役割は、アキュムレータ２４内にアイドル圧力値及び温度値を維持する一助となるので重要である。

アイドル状態で、アキュムレータ２４内に存在する蒸気と、システム蒸気バルブ６２が開かれた後アキュムレータ２４内の圧力が減少するとき、急に蒸発して蒸気になる液体状態の水との組合せは、ここでは、潜在蒸気としてここに言及される。 事実は、液体状態の水は、通常、蒸気とは称されないが、この場合には、蒸気発生システム１０の通常運転下、圧力がアキュムレータ２４内で減少するやいなや、この液体状態の水はその中身の一部が急に蒸発して蒸気になるので液体状態の水を潜在蒸気と称することが適当である。 水から発生した蒸気の割合は、初期アキュムレータ圧力、最終アキュムレータ圧力及びアキュムレータ内に蓄えられた初期飽和水の量の関数である。

蒸気出口バルブ６２が開かれると同時に、蒸気発生ユニット４６は、蒸気がシステム１０から要求されるときその初期常温状態から始動される。 特に、液体状態の水が、水入口ライン２６から蒸気アキュムレータ２４に供給され、液体状態の水は、また、蒸気アキュムレータ２４からコイルボイラー４８に循環され、ここで水は強烈な加熱状態を受けて水の一部を蒸気に変換する。 例えば、コイルボイラー４８内で循環される水の質量が約３％ないし３０％が、蒸気としてコイルボイラー４８を出る,残りは液体状態の水のままであるが、この割合は上記に示されたよりも多い又は少ないことがあることが理解される。 この液体/蒸気比は、コイルボイラー４８内の加熱温度が重要であるとしても、水の大部分を液体状態に維持するために、コイルボイラー４８に高圧力値を有することによって得られる。 コイルボイラー４８の管内に液体状態の水の質量の高い割合を維持することにより、もし水の割合がより高い場合はＨ ₂ Ｏ粒子の同じ質量にたいし大きな容積を占める低密度蒸気に変えさせられるよりも、熱的に引き起こされる機械的応力をコイルボイラーにより少なく受けさせる。 しかしながら、いかなる別の所望の液体/蒸気比を得てもよいことに気づく。

コイルボイラー４８に供給される水は、入水管２６から直接供給される代わりにアキュムレータ２４が源である。 これはコイルボイラー管５０の機械的応力を減ずるのに望ましい。 事実、アキュムレータ２４内の液体状態の水の一部が、入水管２６からの常温の水と比較して、コイルボイラー４８を通すその循環によって予熱され、その結果、流入される水と流出される水/蒸気との間の温度勾配は、入水管２６からの常温水がコイルボイラー４８に直接供給するのに用いられる場合より重大ではない。

上記のように、コイルボイラー４８は、おおよそ５分乃至１０分の始動時間を有することがあり、いったんコイルボイラーが常温状態から作動されると、蒸気が全蒸気生産モードでコイルボイラー４８から発生されるのに約５分乃至１０分以内かかることを意味する。 このコイルボイラー始動期間中、システム１０は、アキュムレータ２４内に在る潜在性の蒸気から蒸気を得る。 その結果、システム１０は、蒸気がシステム１０から初期に要求される瞬間の時点でただちに且つ連続的に蒸気を発生させる即時応答蒸気発生ユニット４６と蒸気アキュムレータ２４の組合せである。 蒸気発生システム１０は、蒸気発生ユニット４６がその中に供給される水を加熱する間、蒸気をシステム蒸気出口１０bにもたらす蒸気アキュムレータにより、蒸気発生器ユニット４６の初期常温状態から即時の且つその後の連続蒸気を発生させることができることに気づく。 さらに、システム蒸気出口バルブ６２は、蒸気が要求されないとき、アキュムレータ２４内にアイドル圧力値/アイドル温度値を維持するために蒸気出口管６０を閉状態に保つ上で重要な役割を果すことに気づく。 蒸気出口バルブ６２は、さらに、蒸気の出口流量を制御して、蒸気生産モードでは、蒸気出口１０bを通る蒸気流量が、蒸気発生器ユニット４６から蒸気アキュムレータ２４への蒸気流量よりも本質的に少ないようにする。 これは、アキュムレータ２４内の圧力が、蒸気アキュムレータ２４内に蒸気がなさすぎ又は全く残らなくなるまで減少し、下流端１０bでの蒸気発生を効果的に防止するから、重要である。

また、蒸気出口１０bを通る蒸気流量は、蒸気発生器ユニット４６から蒸気アキュムレータ２４への蒸気流量よりも本質的に多くないことを示すことによって本適用で意味することは、蒸気出口１０bでのアキュムレータ２４からの蒸気流量は、実際、蒸気発生器ユニット４６からの蒸気流量よりも一時的にだけ、大きいことである。 これは、例えば、蒸気の要求の一時的な増加に順応するのに望ましい。 この結果、蒸気入力が、アキュムレータの蒸気出力を補償しないので、アキュムレータ２４の圧力降下が起る。 アキュムレータ２４内の圧力が蒸気を出力させる作動閾値より上にとどまる限り、この圧力降下は、許容できる。 かくして、蒸気出口１０bでの蒸気流量は、通常は、蒸気発生器ユニット４６からの蒸気流量より多くないけれども、それが実際に一時的に多くなることが起こり、かくして、蒸気出口１０bを通る蒸気流量が蒸気発生器ユニット４６から蒸気アキュムレータ２４への蒸気流量よりも本質的に多くないと言われる。

かくして、蒸気発生器ユニット出口に対するシステム下流端１０bでの蒸気生産比は、常に１．０と等しいか又はそれ以下になる。 もし蒸気流量がシステム下流端１０b及び蒸気発生器ユニット４６で等しければ、アキュムレータ２４内に蒸気蓄積はない。 しかしながら、蒸気発生器ユニット４６出口での及びシステム出口１０bでの相対蒸気流量を蒸気発生器ユニット４６出口での蒸気流量が多くなるように制御することによって蒸気をアキュムレータ２４に徐々に入れることが可能である。 かくして、アキュムレータ２４内に蒸気を蓄積することによって、いったんこれ以上蒸気がシステム１０から要求されなければならないと、システム蒸気出口バルブ６２が再度閉じられるとき、アキュムレータ２４に、再度潜在蒸気が入れられ、即時の且つその後の連続蒸気を発生させるのに使用される準備が整っている。 もちろん、また、システム蒸気出口バルブ６２が閉じられた後に部分的に又は完全にアキュムレータ２４に入れることもできる。

当業者に明らかと考えられる本発明に対するいかなる修正も、添付の特許請求の範囲内に含まれると考えられる。

例えば、コイルボイラー４８には、アキュムレータ２４から供給される代わりに水が直接供給されてもよい。 言い換えれば、水流入管２６は、アキュムレータ２４に向けられる代わりにコイルボイラー４８に直接に連結されてもよい。 これは最適ではないが、蒸気生産モードでは、コイルボイラー管５０内の機械的応力を減ずるために、コイルボイラー４８に、水流入管２６からの常温水の代わりにアキュムレータ２４からの予熱された水を供給するのが好ましい。

また、コイルボイラーは、最も効率的な即時応答蒸気発生器装置と思われるけれども、本発明の蒸気発生システム内でのそのようなそれらの使用は、本質的に発明の概念と考えられるから、コイルボイラーは、他の即時応答蒸気発生ユニット、例えば水自体を介して陽極と陰極の間を循環する電流が蒸気を生じさせる電気ボイラーで置き換えられてもよい。

別の圧力/温度維持装置を、補助蒸気ライン７４の代わりに蒸気アキュムレータ２４に設けてもよい。 例えば、加熱電気抵抗がアキュムレータ２４内で作動してもよいし、或いは、一つまたは全てのコイルボイラー４８を、低出力状態で用いてアキュムレータ２４内にそのアイドル状態で所望のアイドル温度/圧力値を維持してもよい。

蒸気を液体状態から発生させるための発明をここに記載したが、この発明を変形例として、水以外の液体からガス状態流体を発生させるのに用いてもよい。