ボイラー・スチームドラム用マグネティックタービン式液面計の設計選定および制御に関する考察

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この投稿は、2019年7月2日23時02分にkareale88によって最終的に編集されました。要約：ボイラーのドラム内の液面を正確に測定し、安定して制御し、信頼性の高い運転を維持することは、ボイラーが安全に稼働するための重要な要素です。いくつかのドラム型液面計の長所と短所を比較した結果、磁気式フロート式液面計、差圧式液面計、および電気接点式液面計を優先的に選択すべきであると考えられる。さらに、実際の状況に応じて、ドラム内の液面を補正する必要があるかどうか、また三衝量などの複雑な制御方法を用いる必要があるかどうかを判断する。 ボイラーのドラム内液面の正確な測定、安定した制御、および信頼性の高い運転は、ボイラーが安全に稼働するための重要な保証です。液面計の選定や設置が不適切だと、液面計が破損したり、高温の水蒸気が漏れ出たり、液面の測定が不正確になったり、最悪の場合は機能しなくなったりすることがあります。ドラム内の液面が過度に高くなったり、急激に変動したりすると、蒸気の品質が悪化し、水分が混入して加熱面に塩分が付着します。深刻な場合には、タービンに水撃振動が発生し、羽根が損傷することもあります。一方、液面が低すぎると、スラッジ排出がうまく行われず、炉内の薬剤が蒸気中に混入したり、下降管に蒸気が混入したりして、炉水の循環に支障をきたし、炉管が大規模に破損することもあります。ドラム内の液面に起因する重大な事故は、今なお時折発生しており、危険な状況が絶えない。1 ボイラードラムの液面計測 1.1 ドラム液面計 ドラムの液面計としては、一般的に磁気式フロート式液面計や差圧遠隔伝送型液面計が用いられる。しかし、以下のように考える人もいる。①磁気浮子式液面計は液面を間接的に観測するものの、高温高圧に耐え、全金属構造で寿命が長く、密封性に優れており漏れにくい。②高圧ガラス板式液面計は価格が高く、漏れ箇所が多く、メンテナンスが困難なため、中圧ボイラー分野から徐々に撤退すべきだ。③電気接点式液面計は長期間の使用により腐食やスケールの付着を受けやすく、信頼性に欠ける。④差圧変換器は特にボイラーのドラム内の圧力や蒸気量の変動の影響を受けやすく、ゼロ点や測定範囲を頻繁に調整する必要があり、メンテナンス作業が多い。この測定方法の不確実性や作業量では、生産や安全上の要求を満たせないとさえ考えられている。⑤容量式液面計は使用中に容量測定用の電極板が水質のスケールの影響を受けやすく、またボイラーの運転中には蒸気量、温度、圧力が運転状況に応じて急速に変化し、水と蒸気の混合物の誘電率も絶えず変化する。人手による補正では根本的な解決はできず、誤った液面値が得られやすい［1］。ある人々は、現場にある磁気式フロート式水位計を基準とし、ビデオ監視機能や遠隔表示機能を追加することで、制御室からボイラーのドラム内の水位を正確に監視できるようにすべきだと提案している。また、電気接点式水位計は廃止し、磁気式伸縮型ボイラードラム水位計に置き換えるべきだ。差圧式ボイラードラム水位計も廃止し、スマート導波レーダー式水位計に変更すべきだ。スマート容量式水位計を使用すれば、液体の誘電率の変化、気体の誘電率の変化、そして温度の変化を同時に正確に補正できる。また、ボイラーの起動・停止、排泥、事故時など、あらゆる状況下でも水位を正確かつ連続的に測定できる。さらに、高温・高圧にも耐えられ、寿命も長く、「偽の水位」の測定という問題もない。1. 2 ドラム内液面計測および制御に関する論文　ドラム内液面計測および制御に関する論文は、今日まで引き続き発表されている。例えば、「ボイラーのドラム内液面のファジーPID制御の応用に関する簡単な分析」という論文では、ファジーPID制御は応答速度が速く、オーバーシュートが少なく、追従精度も高いと指摘されている［2］。また、「化学プラントにおけるボイラーのドラム内液面計の選定と計算」という論文では、構造的補償とソフトウェア的補償という2つの液面補償方法が提案されている［3］。さらに、「単一ニューロン型適応PSDを用いたドラム内液面制御」という論文では、ドラムの運転状況に応じて制御パラメータを動的に調整し、ドラム内液面の動的特性や静的特性を向上させることができる［4］。ドラム内の液面制御については、最も一般的な方法は3変数制御を用いることであり、先進的な制御システムを用いる場合もある。1. 3 関連規程では、「蒸気ボイラーの安全技術監視規程」により、各ボイラーには少なくとも2つの、互いに独立した水位計を設置することが求められている。規程では、ボイラーのドラムにどのような現場用液面計を使用するかについて定めておらず、制御戦略についても厳格な指示はない。しかし、各蒸気ボイラーのドラム（ケーシング）には、少なくとも2つの独立した直接読み取り式水位計を設置しなければならない。一定の条件を満たす場合は、1つの直接読み取り式水位計のみを設置してもよい。規程では、スチーム・ウォーター接続管の内径、長さ、傾斜角などについて定めがなされており、亜臨界ボイラーの水位計については、液体の密度差によって生じる測定誤差を補正することが求められている。『火力発電所ボイラーのドラム水位測定システムに関する技術規定』は、ドラム水位計に関する専門的な規定であり、高圧以上のボイラーを対象としているものの、その内容は具体的かつ詳細で操作性に優れ、安全性にも配慮されているため、中圧およびそれ以下のボイラーの参考としても十分利用できる。規定では、ドラムタンクには現地水位計、差圧式水位測定装置、電極式水位測定装置を設置しなければならないと明確に記されており、差圧式水位計については好意的な表現も見られる。規定における説明部分ではさらに、電極式水位測定装置の技術は大きく進歩しており、長期にわたる多数の実用例によってその安全性と信頼性が証明されているほか、ボイラー内圧力の影響を排除し、水位を全範囲にわたって高精度に測定できることが示されている。また、平衡容器技術の進歩により、差圧式水位計による測定が正確かつ安定して行え、起動時に水位保護機能が働くことが保証されている。安全に十分な配慮がなされ、ボイラーの水位制御機能と保護機能を分離したり、通信路を独立させたり、電源を独立させたりするなど、具体的な規定が設けられている。制御戦略については記述がない。2 ガスバッグ液面計の応用実践　メイアント社には400 kt/aの硫黄製酸装置が2基あります。そのうち、HRS 1.0 MPaのドラムは2基あり、それぞれに磁気式浮子式水位計1台、水位過高用スイッチアラーム1台、差圧式水位計1台が設置されている。余熱ボイラー 4.0 MPa、ドラムは2基で、それぞれに石英管式二色水位計2台、二室式平衡容器用差圧水位計2台を装備。ドラム液面計の運用および改造状況は表1の通りです。http://www.517mat.com/d/file/gsnews/2019-02-19/9b2f8f3ec5f505ca975200e0d3f97bea.jpghttp://www.517mat.com/d/file/gsnews/2019-02-19/ae440b6896652465c92c5885808454e5.jpg図1は、同じ4.0 MPaのドラムに設置された2つの差圧式液面計を比較したもので、1台は改造済み、もう1台は未改造の状態です。傾向の追跡分析により、従来の圧力差式液位計は、設計や設置などの不備により、ボイラー起動時に液位測定が失敗する現象が生じる可能性があることが示されている（図1における100％の液位は実際には誤った液位である）。この現象は、通常、ドラム内圧力が上昇することで自動的に解消される。実例における2つの液面計測値の一致点は「A点」から始まり、対応する圧力値は約0.135 MPaである。この現象が混乱を招くため、ドラムの加圧過程における液面計測の問題は、長期にわたって適切な対応や解決がなされず、特に関連する設計規格の適切な見直しも行われてこなかった。http://www.517mat.com/d/file/gsnews/2019-02-19/7d4b304884ab9ab7db8913336a34e9b6.jpg 蒸気圧力の変動がドラム内の液面に与える影響は、表1および図2に示されている。試験方法：まずボイラーの圧力を上昇させ、次に主蒸気管の調整弁を急に全開する（給気母管自体には圧力が残っている）。その後、液面制御を自動から手動に切り替え、関連するパラメータの変化を観察する。テスト結果によると、蒸気流量がある範囲内で変動しても、液面計測に即座に重大な影響を与えることはなく、事例における液面の変動は38mm以内であった。液面計測においても顕著な遅れは見られず、これはおそらく液面計の改良のおかげであろう。http://www.517mat.com/d/file/gsnews/2019-02-19/b656d41b5c52b37698ae97d35f8f1c59.jpg
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3 問題の検討
1) マグネティックフロート式液面計は寿命が長くメンテナンスが不要で、石英管式液面計よりもはるかに安全かつ信頼性が高い。価格は高いものの、安全性を考えるとできるだけ選んだ方が良い。2) 差圧式液位計も、寿命が長く、メンテナンスフリーで、安全かつ信頼性の高いドラム缶の液位測定計器です。関連する範囲が広く、設計や設置の影響を受けやすいため、誤解を招きやすい。圧力導管は、保温が不要なように設計するのが望ましい。蒸気ヒーターや電気ヒーターを使用する場合、ヒーターチューブと圧力導入管の間には、事前にアスベストロープなどの断熱材で隔てることが望ましい。蒸気によるヒーティングを採用する場合は、万が一のために同時にテフロン電気ヒーティングも設置しておくのが望ましい。排汚バルブは数回使用すると閉じ切れなくなることがあるため、端末には取り付け・取り外しが容易な塞ぎ栓を装備することを推奨します。3) ボイラーの液面計については、磁気浮子式液面計、差圧式液面計、電気接点式液面計を優先的に選択することを推奨します。これらは、多くのユーザーによる長期間の実運用を経て検証された、コストパフォーマンスに優れた液面計測方法です。測定原理上から言えば、磁気式フロート式液面計、容量式液面計、浮子式液面計、レーダー式液面計に比べて、長期にわたり安定かつ信頼性の高い、メンテナンスフリーな運用を実現するのは難しい。もしこれらが既に設置されている場合は、まず予備機として扱うことを推奨する。『火力発電所ボイラーのドラム水位測定システム技術規定』には、使用する水位計は「物質への適応能力に優れたものであるべきだ」と記されている。この工程が稼働を開始して以来、プロセス設備の運転状況は良好であり、排出される廃水の各種指標も**排出基準を満たしています。尾鉱中和工程のpH値の監視状況は表4に、尾鉱中和工程で生成される重金属の監視状況は表5に示されている。表4からわかるように、反応槽の上部にあるサンプリング口からサンプルを採取し、pH試験紙で測定した結果、反応槽内の物質のpH値が明らかに上昇していた。また、接続管に設置されたpH計によるオンライン測定値とも一致していた。表5からわかるように、検査センターで反応後の物質を検査した結果、重金属イオンはすべて**排出基準以下であり、工業廃水の排出基準を満たしている。http://www.517mat.com/d/file/gsnews/2019-02-19/f5685828e471e33541e3d60f5eb0b4c2.jpg
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3 結語　アルカリ性スラリーによる酸性廃水の処理技術は、従来の石灰石やアルカリ液法と比べて、設備投資や運用コストなどの面で一定の優位性があり、かつ環境に二次汚染をもたらすことはない。実用化の結果、この技術案は信頼性が高く、処理効果も理想的であり、一定の普及価値があることが証明された。