爆発波を利用してボイラー管を洗浄する

多かれ少なかれ標準的な瀝青炭から西洋石炭に切り替えたプラントが直面する大きな驚きの 1 つは、スラグとファウリングの増加です。 多くのプラントでは、パウダー リバー ベイスン (PRB) 石炭を使用すると、以前の石炭よりも汚れが大幅に多くなったと報告されています。 より多くの汚れに対処するには、通常、スートブロワーの数、タイプ、または位置を変更し、動作頻度を増やすことを意味します。 蒸気発生器の熱力学モデルを使用して洗浄の種類と頻度を予測する自動化システムも数多くあります。 他のものは、ガス経路内のセンサーを使用して、チューブ表面のクリーニングが必要なときに「報告」します。 10 年近くにわたって変わらないのは、すす吹きのメカニズムです。

ガス通過面の清掃計画をきちんと整えないと、多額の費用がかかります。 灰が蓄積すると、蒸気発生器の作動効率が低下します。 これは、より多くの燃料が燃焼され、死のスパイラルが始まることを意味します。 課題は、すべてのボイラー、燃料、運用シナリオが固有であり、通常、効果を発揮するにはカスタマイズされたソリューションが必要であることです。 適切な組み合わせは難しい場合があります。 効率レベルが低い場合は、全体の圧力損失、出口ガス温度、および/またはファン出力の増加によって示されます。 追加のチューブの侵食と漏れ。 継続的な高額な維持管理費。 清掃のためだけに計画外の停止が頻繁に発生します。 これがあなたの工場に当てはまると思われる場合は、私たちがあなたが探しているソリューションを見つけられるかもしれません。

約5年前、米国の発電業界に新しい技術が導入された。 これは、超音速航空機に動力を供給するために使用されるプラット・アンド・ホイットニーのパルス・デトネーション・エンジンから派生したデトネーション・クリーニングを使用します (図 1)。 未来的なパルスデトネーションエンジンを開発しているエンジニアたちは、この技術がここ数年で最も斬新なボイラー洗浄技術として電力業界に導入されることになるとは予想できなかったでしょう。 新しい ShockSystem 爆発洗浄燃焼器 (図 2) は、ユニットがオフラインのときにダイナマイトや爆発コードを使用することとは何の関係もありません。これは、現在も使用されている最も侵襲的な洗浄方法です。 また、ソニックホーンや放水車などの他のオンライン洗浄システムのオプションについても言及していません。

1.衝撃波。 これは、宇宙船に動力を供給するパルス デトネーション エンジンのアーティストのコンセプトです。 コンセプトはシンプルです。燃料と酸化剤の混合物がチューブを満たし、点火されます。 急速な燃焼は爆轟波に変化し、音速の最大 8 倍でシリンダー内を伝わります。 燃焼はガスが膨張する前に完了します。 結果として生じる爆発的な圧力は、車両の推力に変換されます。 提供: NASA マーシャル宇宙飛行センター

2. シンプルなシステム設計。 オンラインボイラー洗浄に使用される典型的なプラット＆ホイットニーショックシステム燃焼器。 提供: プラット＆ホイットニー MMI

デトネーションを発生させるプロセスは、燃料と酸化剤の混合物をチャンバーに注入し、この混合物に点火し、結果として生じる燃焼波をデトネーション波に移行させ、次に空気でパージして次のサイクルに備えることで構成されます (図 3)。 デトネーション波は燃焼室内を超音速で伝わり、燃焼室内を出るとすぐに爆発波に減衰し、開放空間（またはボイラーなどの大きな構造物内）に伝播します。 圧力波、圧力パルス、または単にインパルスとも呼ばれる爆風は、ボイラーのバックパスで焼結灰および未焼結灰を除去するのに必要なエネルギーを持っています。 この圧力波はチューブの侵食に悪影響をほとんど及ぼさず、必要な動作周波数は音響ホーンの周波数よりもはるかに低くなります。

3. 内部の仕組み。 この図は、ShockSystem の動作サイクルを示しています。 出典: プラット＆ホイットニー MMI

デトネーション洗浄では、燃焼器出口から全方向に伝播する爆風を生成します。 現在まで、すべてのアプリケーションはボイラー壁の外側に取り付けられ、貫通部を通して爆風を誘導してきました。 これらのアプリケーションは、ポジティブドラフトボイラーとバランスドラフトボイラーの両方にインストールされています。 このタイプの設置の利点は、燃焼室をボイラー壁に沿って設置したり、運転中にランスチューブが曲がったり、引っかかったり、折れたりして紛失する危険を冒さずに、外部構造の周りに配線できることです。 ボイラーオペレータが認識するもう 1 つの大きな利点は、圧力波がオンラインで制御および適用されるため、不必要な停止が排除されることです。 チューブの浸食に対する長期的な影響は最小限に抑えられ、プラントの排出量が減少し、出口ガス温度が低下し、ボイラー全体の効率が向上します。

デトネーション洗浄の全方向性の爆発波はチューブアセンブリ全体に伝播しますが、スートブロー技術は見通し内洗浄に限定されます。 各爆発インパルスは、複数の 6 分間のスートブロー サイクルに相当し、ボイラーの構成に応じて、1 つの燃焼器で最大 4 つのスートブローを置き換えることができます。 標準的な爆発洗浄スケジュールでは、燃焼器ごとに 12 時間ごとに 10 パルス (それぞれの持続時間はわずか数ミリ秒) が必要です。 スートブロワーは通常、スートブロワー 1 台につき 4 時間ごとに 6 分間のサイクルを 1 回必要とします。 デトネーション洗浄は、連続メンテナンス モードおよび修復洗浄モードで成功し、最初の設置時に確立された堆積物を除去します。 スートブロワーは主に継続メンテナンスモードで使用され、蓄積して焼結した灰の除去には効果がありません。

デトネーション洗浄用の燃焼器はボイラーの外側にありますが、スートブロワーはボイラーの内側を通過する必要があります。 Pratt & Whitney ShockSystem の定期メンテナンス要件は 2 つだけです。燃料/酸化剤フィルターの交換と燃焼器点火プラグの交換です。これは車両の定期サービスと同様です。 これを、ノズルとギアボックスのシールが磨耗または損傷している標準的な格納式ランス スートブロワーに必要なメンテナンスと比較してください。 ランスチューブが歪んだり、溶けたり、腐食したりする。 損傷したフィードチューブには常に注意が必要です。

表に示すように、爆発スートブロワーは、従来の空気および蒸気スートブロワーと比較して大幅なコスト削減を実現します。 多くの場合、爆発スートブロワーは複数の従来のスートブロワーを置き換えることができるため、実際の節約効果はさらに高くなる可能性があります。 同様に、スートブロワーの修理や追加のボイラー洗浄のための停止期間をなくすことにもコスト上の利点があります。

経済的な代替品。 ShockSystem デトネーション システムの O&M コストは、従来のスートブロワー システムよりも少なくなる可能性があります。 出典: プラット＆ホイットニー

業界では、従来の空気や蒸気のスートブロワーによるマイナスのチューブ浸食効果を回避する全方向音響洗浄も採用されています。 アコースティックホーンの結果は、よく見ても中程度でした。 音響ホーンはさまざまな周波数の音波を生成し、バックパスの低温領域にある未焼結の灰を除去します。 さらに下流の環境コンポーネントにも設置されています。 ここでも、アコースティックホーンでは宣伝されているようなパフォーマンスが得られないことがよくあります。 特定の用途では、音響ホーンの性能を向上させるために、当初の想定よりもはるかに頻繁に音響ホーンを動作させる必要があります。 これにより、達成される洗浄が比較的最小限であることを考慮すると、長期的なボイラーの完全性に対して高いレベルの懸念が生じます。

デトネーションスートブローにより、機器の配置にさらなる柔軟性がもたらされます。 従来のスートブロワーは、非動作時に格納式ランスチューブを置くための広いデッキスペースを必要とします。 デトネーション燃焼器は、洗浄力を損なうことなく、さまざまな構成で設置できます。

デトネーション洗浄製品はボイラーの壁に沿って設置でき、障害物を避けるために曲げることもできます。 曲がった管の構成では、燃焼器の外縁はボイラー壁からわずか約 6 フィートの距離にあります。 複数のチューブを並べることで、デバイスの物理的な設置面積を最小限に抑えながら、洗浄を最適化します。 デトネーション洗浄製品は多くの用途でスートブロワーの代わりとなるため、燃焼室に合わせてスートブロワーの貫通部を調整することで、既存のスートブロワーの場所に設置することもできます (図 4)。

4. 多くの設置オプション。 デトネーション スートブロワーは、(左から右へ) ベント燃焼器、ネステッド燃焼器、およびストレート燃焼器構成を含む、多くの設置オプションを所有者に提供します。 提供: プラット＆ホイットニー MMI

デトネーションベースのオンラインボイラー洗浄技術は、「ターボチャージされた」音響ホーンではありません。 デトネーション燃焼器によって生成される爆風は、離散的な圧力不連続であり、音響ホーンの周期波とは根本的に異なります。 圧力振幅も、音響ホーン音波と比較して爆風では桁違いに大きくなります。

音響技術は本質的に全方向性ですが、爆発燃焼器からの各爆風インパルスは、25 ～ 220 Hz の範囲で動作する音響ホーンが、たとえ継続的に稼働したとしても、丸 1 日で供給できるエネルギーよりもはるかに多くのエネルギーを供給します。 デシベルスケールで測定すると、ボイラー内部のショックシステムによって生成される爆風は 175 dB を超えますが、音響ホーンは 130 ～ 150 dB の間で作動します。 ボイラーの外では、騒音レベルは 100 dB の範囲で測定されており、OSHA の許容限界を大幅に下回っており、発電所で通常使用されている以上の聴覚保護具は必要ありません。

デトネーション洗浄は、定着した堆積物を除去する必要がある連続メンテナンス モードおよび修復洗浄モードで成功します。 音響洗浄は主に連続メンテナンス モードで使用され、蓄積して焼結した灰を除去するには不十分です。 ShockSystem の Web サイト (www.shock-system.com) に掲載されている一連の前後の写真は、システムの洗浄効果を示しています。

ShockSystem のデモンストレーションおよび常設の結果では、さまざまなボイラー領域でのオンライン爆轟洗浄が、灰堆積物の蓄積の制御、プラントの停止の制限、および発熱率の改善において従来の方法と同等またはそれ以上に効果的であることが示されました (図 5) ）。

5. 最高です。 ブラストの全方向性の性質により、エネルギーが 3 次元で放出されるため、伝熱面が徹底的に洗浄されます。 このプロセスには 3 つの段階 (左から右) があります。最初はブリッジングとプラテン化で、洗浄前のボイラーの断面図に示されています。次に、ShockSystem が点火されると衝撃波がボイラーチューブの空間を移動し、最後に部分的な洗浄です。衝撃波が消えた後のチューブ表面が示されています。 必要に応じてクリーニングを繰り返すことができます。 提供: プラット＆ホイットニー MMI

爆風による見通し外の浄化能力は、従来のスートブロワージェットでは達成できません。 デトネーション洗浄装置は通常のボイラー運転中に作動するため、他の方法ではアクセスできない場所の洗浄に必要なプラント停止の回数および/または期間が削減されます。 この新しい技術により、爆風に伴う灰の混入速度が低下するため、粒子衝撃浸食に起因するチューブの摩耗が減少すると期待されています。 これにより、ユニットの寿命が長くなり、計画外の停止の数が減少します。

オンライン爆発洗浄燃焼器は、蒸気や高圧空気 (および関連するコンプレッサー) などの貴重な植物資源に負担をかけません。 この利点により、運用コストが大幅に削減されることが期待されます。 従来のスートブロワー技術と比較したもう 1 つの利点は、オンライン爆轟洗浄装置がボイラーに進入したり格納されたりする必要がないため、機械部品が少ないことです。 つまり、メンテナンスコストが削減されます。 さらに、デトネーション燃焼器はさまざまな方法で構成できるため、一般に設置のためにボイラーの外側に長いオープンスペースが必要となる従来の格納式スートブロワーよりも狭い場所への設置が可能になります。

—カーク・ルプケス ([email protected]) は、Pratt & Whitney MMI のエンジニアリング マネージャーです。 A. Tofa McCormick ([email protected]) は、マーケティング & コミュニケーション グループのシニア アナリストです。

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