CN101135460A - 锅炉以及锅炉的燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锅炉(100)，其具有燃烧器(5)、向该燃烧器(5)供给燃料的燃料供给机构(10)、向燃烧器(5)供给空气的送风机构(20)、以及对供给到燃烧器(5)的燃料的燃料量和供给到燃烧器(5)的空气的风量进行调整的控制机构(30)。控制机构(30)具有：基准量计算部，针对要求负荷计算出供给到燃烧器(5)的基准燃料量和基准风量；风量计算部，根据供给到燃烧器(5)的空气的空气温度和燃料的燃料温度来修正基准风量，计算出修正后的风量作为供给风量；以及控制部，根据基准燃料量和上述供给风量来控制燃烧器(5)的燃烧。

Description

锅炉以及锅炉的燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及能够以既定的空气比进行燃烧并抑制废气中的NO_x的产生的锅炉以及锅炉的燃烧控制方法。

背景技术

在锅炉中，能够以高热效率进行稳定的燃烧是重要的要件。为此，提出了以按照既定范围的空气比进行燃烧的方式进行控制的控制空气比的锅炉或燃烧装置。

例如，在专利文献1(日本特开2001-272030号公报)中，提出有锅炉的空燃比控制的监视方法以及实施该方法的空燃比控制监视装置。该空燃比控制的监视方法是锅炉的燃烧器中的空燃比控制(空气比控制)的监视方法，针对来自操纵台的负荷指令，监视供给到燃烧器的燃烧用空气的空气压力、以及供给到燃烧器的燃料或从燃烧器返回的燃料的燃料压力，从而判断空气量和燃料量是否被适当地控制。

在专利文献2(日本特开平10-47654号公报)中，提出有燃烧装置的空气比自动修正系统，该系统的特征在于，在对燃烧用空气进行预热再加以供给的燃烧装置中，在燃烧用空气供给路径和燃料供给路径上分别具有压力计和温度计，并且，在上述燃料供给路径上设有使燃料供给压力与燃烧用空气供给压力相等的均压阀，而且，在该均压阀的脉冲线路上设有节流阀和放泄阀，根据由上述各温度计和压力计测得的实际空气温度和空气供给压力以及燃料温度，求出用来供给维持既定空气比所需的燃料的燃料供给压力，并比较该求得的燃料供给压力与实际测量的燃料供给压力，调整该放泄阀以使得上述两燃料供给压力相等。

而且，谋求能够抑制在环境卫生方面有害的废气的排出的锅炉。作为响应该要求的锅炉，在例如专利文献3(日本特开2000-46302号公报)中提出有如下锅炉：在隔开间隔并列设置在燃烧器前表面的水管壁之间设有使垂直水管林立设置的矩形燃烧空间，通过设置从燃烧器通过垂直水管之间到达气体出口的较长气体通道，将火焰燃烧温度抑制在1200～1300℃左右，从而将NO_x降低到70～80ppm并使CO为50ppm以下。

但是，在这样的现有技术中并不存在能够同时控制空气比以及废气中的NO_x的发生、并且即使在外部气体温度因季节变化等而变化的情况下也能够稳定地抑制NO_x的发生的锅炉或锅炉的燃烧控制方法。另外，作为控制空气比的锅炉，虽然专利文献1所提出的空燃比控制的监视方法或空燃比控制监视装置具有方法简单或装置简单的优点，但是却存在当空气比偏离了既定的区间范围时想要控制空气比却无法准确地进行空气比的控制的问题。专利文献2所提出的燃烧装置的空气比自动修正系统存在需要复杂的结构/控制的问题。关于能够抑制废气中的NO_x的锅炉，虽然专利文献3所提出的锅炉能够有效地降低NO_x，但是，人们却谋求能够进一步稳定地抑制NO_x的产生的锅炉。

发明内容

本发明正是鉴于这样的要求和现有技术的问题而做出的，其目的在于提供一种具有比较简单的结构、能够以既定的空气比进行燃烧并能够抑制废气中的NO_x的产生的锅炉和锅炉的燃烧控制方法。

本发明的锅炉设有控制机构，该控制机构根据用于燃烧的空气和燃料的温度变化来调整用于燃烧的空气的风量。而且，本发明的锅炉具有燃烧器、向该燃烧器供给燃料的燃料供给机构、向上述燃烧器供给空气的送风机构、以及对供给到上述燃烧器的燃料的燃料量和供给到上述燃烧器的空气的风量进行调整的上述控制机构。上述控制机构具有：基准量计算部，针对要求负荷计算出供给到上述燃烧器的基准燃料量和基准风量；风量计算部，根据供给到上述燃烧器的空气的空气温度和燃料的燃料温度来修正上述基准风量，计算出修正后的风量作为供给风量；以及控制部，根据上述基准燃料量和上述供给风量来控制上述燃烧器的燃烧。

在上述发明中，测定供给到上述燃烧器的空气的空气温度和燃料的燃料温度的机构可以是热敏电阻。并且，可以设计成，上述风量计算部以下述方式计算供给风量：当设空气温度测定热敏电阻的电阻值为R_TH1、燃料温度测定热敏电阻的电阻值为R_TH2、固定电阻的电阻值为R_s时，修正基准风量的修正量与1/(1+R_TH1/R_s+R_TH1/R_TH2)成正比。

另外，可以设计成，上述风量计算部以下述方式计算供给风量：当由燃料温度测定机构测量的燃料温度和由空气温度测定机构测量的空气温度分别为T_g、T_a时，修正基准风量的修正量与T_a/Tg^1/2成正比。

本发明的锅炉的燃烧控制方法是在以既定的空气比进行燃烧的同时将废气中的NO_x抑制在既定范围的方法，计算出对应于锅炉的要求负荷的基准燃料量和基准风量，根据用于燃烧的燃料和空气的温度来修正已计算出的基准风量，并根据该修正后的风量和上述基准燃料量进行燃烧。

本发明的锅炉具有比较简单的结构，能够以既定的空气比进行燃烧，并能够稳定地抑制废气中的NO_x的产生，能够以高热效率进行稳定的燃烧。另外，根据本发明的锅炉的燃烧控制方法，在通常的燃烧中，能够将NO_x抑制在12ppm以下。

附图说明

图1是表示本发明锅炉的结构的示意图。

图2是表示图1锅炉的控制机构的送风机控制部的结构示例的电路图。

图3是表示利用具有图2所示的送风机控制部的控制机构控制废气中O₂量的示例的曲线图。

图4是表示周围温度和燃料温度的关系的曲线图。

图5是表示利用具有图2所示的送风机控制部的控制机构控制废气中NO_x量的示例的曲线图。

图6是表示废气中的NO_x量-O₂量的关系的曲线图。

图7是表示采用具有图2所示的送风机控制部的控制机构的情况下的送风机频率与供气温度之间的关系的曲线图。

图8是表示在采用具有图2所示的送风机控制部的控制机构且供气温度恒定在20℃或40℃的情况下的、废气中O₂量与燃料温度之间的关系的曲线图。

图9是表示在相对于图8的情况改变固定电阻R_s、基准频率f₀、最大频率f_m的情况下、废气中的O₂量与燃料温度之间的关系的曲线图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的锅炉的实施方式进行说明。本发明的锅炉设有根据空气和燃料的温度变化来调整风量的控制机构。在图1的示意图中示出了其一个实施例。如图1所示，该锅炉1具有：燃烧器5；将燃料供给到燃烧器5的燃料供给机构10；向燃烧器5供给空气的送风机构20；对供给到燃烧器5的燃料的燃料量以及供给到燃烧器5的空气的风量进行控制的控制机构30；对供给到燃烧器5的燃料的温度进行测定并将其信号送给控制机构30的燃料温度测定机构35；以及对供给到燃烧器5的空气的温度进行测定并将其信号送给控制机构30的空气温度测定机构36。

本发明的锅炉100如下进行动作。即，从燃料供给机构10供送燃料(例如天然气)，在燃料供给机构10的前端侧(图1的燃料供给机构10的右端部附近)喷出燃料，一边使该燃料与从送风机构20送来的燃烧用空气进行混合一边供给到燃烧器5，由燃烧器5使之燃烧。燃烧后的气体通过多个水管(水管组)40的各个间隙，一边与多个水管40各自的内部的水进行热交换一边被慢慢冷却，然后被送到烟道50、排出到大气中。

燃烧器5可以使用公知的燃烧器。而且，燃烧器的形式不限。在图1的实施例中，示出了采用带平面状燃烧面的完全预混合式燃烧器的锅炉的情况。

燃料供给机构10可以使用公知的燃料供给机构。例如可以使用具有泵、控制阀、以及对泵和控制阀进行控制的控制装置、并能够供给对应于负荷的既定燃料量的燃料供给机构。

送风机构20可以使用公知的送风机构。例如可以使用具有送风机、驱动源、以及控制送风机的转速的变换器、并能够供给对应于燃料的既定风量的变换器式送风机。而且，可以使用能够供给对应于燃料的既定风量的所谓风门式送风机。

控制机构30具有基准量计算部、风量计算部以及控制部。基准量计算部具有下述功能：计算与热力机要求的锅炉100的负荷相对应的基准燃料量和基准风量。风量计算部具有如下功能：根据来自空气温度测定机构36(对供给到燃烧器5的空气的温度进行测定)和燃料温度测定机构35(对供给到燃烧器5的燃料的温度进行测定)的输出，对由基准量计算部算出的基准风量进行修正，计算出修正后的风量作为供给风量。控制部具有下述功能：针对已经计算出来的基准燃料量，将由风量计算部求得的供给风量供给到燃烧器5，从而进行所需的燃烧。

燃料温度测定机构35和空气温度测定机构36能够测定燃料和空气的温度，并能够将对应于该温度的信号送到控制机构30。例如，燃料温度测定机构35或空气温度测定机构36可以使用热敏电阻。由此，可以构成简单且紧凑的燃料温度测定机构35或空气温度测定机构36。

这样构成的本发明的锅炉100如下使用。首先，在热力机等对锅炉100要求所需负荷的情况下，对应于该要求负荷，由控制机构30的基准量计算部计算出基准燃料量和基准风量。该基准燃料量和基准风量是根据既定的空气比从理论上算出的。然后，根据供给到该燃烧器5的燃料和空气的温度，在风量计算部中对算出的基准风量进行修正。也就是说，本发明的控制机构30具有下述功能：能够针对热力机等时时刻刻要求着的负荷，将理论上的基准燃料量以及基于实际供给的燃料和空气的温度确定的下述修正风量供给到燃烧器5中，进行所需的燃烧。

在本发明中，根据下述的原理对该基准风量进行修正。下面对采用变换器式送风机作为送风机构20的情况进行说明。在将供给到燃烧器5的空气的空气温度(供气温度)设为T_a、空气密度设为ρ_a、体积流量设为Q_a、送风机的转速设为N的情况下，体积流量Q_a与转速N成正比，空气密度ρ_a与供气温度T_a成反比，由此下述(1)式成立。

ρ_aQ_a∝N/T_a    (1)

另一方面，对于供给到燃烧器5的燃料，是以供给的燃料量的流速为既定流速的方式供给，即以加压源侧的压力与锅炉100侧的压力之差恒定的方式供给，所以在设该压力差为ΔP_g、燃料温度为T_g、燃料密度为ρ_g的情况下，下述关系式成立。

ΔP_g＝a×ρ_gQ_g ²＝恒定(a为常数)，Q_g ^∝(T_g)^1/2    (2)

此外，燃料密度ρ_g与燃料温度T_g成反比，从这一点考虑上述(2)式的关系，则下述(3)式成立。

ρ_gQ_g ^∝1/(T_g)^1/2    (3)

为了保证空气比恒定，需要保证ρ_aQ_a/ρ_gQ_g为恒定值。也就是说，为了保证空气比为恒定，由(1)、(3)式可知，需要保证N×(T_g)^1/2/T_a为恒定值。于是，如下述(4)式所示调整送风机的转速N即可。其中，k为常数。

N＝k×T_a/(T_g)^1/2        (4)

上述(4)式表示，若以与供气温度T_a成正比而与燃料温度T_g的1/2次方成反比的方式对送风机的转速进行调整，则能够以恒定的空气比进行燃烧。也就是说，将考虑供气温度和燃料温度而对基准风量进行了修正的风量(供给风量)供给到燃烧器5中，从而能够使锅炉100以既定的空气比进行燃烧。供给到燃烧器5中的空气的空气压力并非是以恒定的空气比进行燃烧所必需的监视要件。在锅炉的使用中，存在因各种条件产生变动而导致偏离既定的空气比的情况。对于这种情况，对空气的空气压力进行监视是有效的。

在本发明中，如上所述，控制机构30的控制部根据供气温度和燃料温度修正基准风量，并将已修正的风量(供给风量)和已算出的基准燃料量供给到燃烧器5中进行燃烧。修正该基准风量的修正量是与T_a/T_g ^1/2成正比的量。

这样，基于供气温度和燃料温度来修正基准风量的操作，可以通过在风量计算部设置程序以及执行该程序的计算机来实施，其中，该程序能够根据来自燃料温度测定机构35和空气温度测定机构36的信号计算出既定的修正量。但是，也可以如下述说明那样，通过具有下述部件的控制机构来构成结构简单的控制机构30，其中，该控制机构具有由热敏电阻构成的燃料温度测定机构35和空气温度测定机构36、以及能够根据来自这些热敏电阻的信号而直接控制送风机的送风机控制部。

图2中示出了这样的控制机构30的送风机控制部的示例。如图2所示，该控制机构30的送风机控制部具有固定电阻R_s、与该固定电阻R_s并联结合的燃料温度测定热敏电阻R_TH2、以及与这两个电阻串联结合的空气温度测定热敏电阻R_TH1。R及其下标所表示的符号表示各自的电阻值(Ω)。对于变换器频率f，设施加最小电压时的频率(基准频率)为f₀，施加最大电压时的频率(最大频率)为f_m，这样，在相对于输入变换器的电压V、进行变换器频率f＝f₀+(f_m-f₀)×V这样的输出的情况下，若施加到变换器上的最大电压为V₀，则输入到变换器的电压V＝V₀×1/(1+R_TH1/R_s+R_TH1/R_TH2)，由此，f＝f₀+(f_m-f₀)×V₀×1/(1+R_TH1/R_s+R_TH1/R_TH2)。

图3表示利用具有图2所示的送风机控制部的控制机构30来控制锅炉100时的废气中的O₂量。在图3中，横轴表示供气温度，纵轴表示废气中的O₂量。用曲线A₁、A₂表示如上所述以供给风量和基准燃料量进行锅炉100的燃烧的发明示例的情况。曲线A₁表示燃料温度和供气温度相等时求出供给风量的情况，曲线A₂表示燃料温度相对于供气温度的变化量以其1/2的比例进行变化时求出供给风量的情况。曲线B表示供气温度和燃料温度相等时、以仅考虑供给温度而修正基准风量所得的风量和基准燃料量进行锅炉100的燃烧的情况(现有技术例)。

图3的各曲线是通过计算求出在下述条件下进行理论燃烧时的废气中O₂量(％)的曲线。也就是说，在设燃料温度或供气温度为T(°k)时，燃料温度测定热敏电阻和空气温度测定热敏电阻的电阻值R_TH1＝R_TH2＝15000×exp(3450(1/T-1/273))(Ω)。固定电阻的电阻值R_s为4500 Ω。基准频率f₀为50Hz，最大频率f_m为73Hz。

根据图3可知，曲线A₁、A₂的O₂量在6％的位置呈恒定的直线，从而可知在本发明示例的情况下，能在供气温度为10～50℃的范围以恒定的空气比进行燃烧。而与之相对，曲线B是O₂量在供气温度为10～50℃的范围以5.7～6.7％的变化向右侧上升的直线，从而可知，在现有技术例的情况下，在10～50℃的范围并未进行空气比恒定的燃烧。

此外，在图3中，曲线A₁是表示假定燃料温度和供气温度相同时来求出供给风量的曲线，曲线A₂是表示假定燃料温度变化的比例是供气温度变化的比例的1/2时求出供给风量的曲线，而实际上如下面所述，能够以由曲线A₁和A₂包围的范围内的值来控制O₂量。

图4表示在露出地表面的全长为50m左右的配管中流动的最大流速500Nm³/h左右的燃料(天然气或LPG)的情况下、配管的周围温度与锅炉100入口的燃料温度的关系的曲线图。在图4中，横轴表示周围温度，纵轴表示燃料温度。根据图4可知，燃料温度与周围温度具有高度相关的关系，当设燃料温度为T_g、周围温度为T_a时，T_g＝0.75T_a(T_g/T_a＝0.75)。即燃料温度相对于周围温度的变化量，以其3/4的比例进行变化。另外，带有露出地表面的长度10m左右的气体配管的锅炉100也具有如下数据，即，使用LPG燃料的高燃燃烧时，锅炉100入口的燃料温度的变动幅度是周围温度变动幅度的1/2左右。若考虑到这样的数据和气体配管埋设在地下的情况，则一般来说，锅炉100入口的燃料温度的变动幅度是周围温度变动幅度的1/2以下。另外，认为供气温度与周围温度大致相等。也就是说，在本发明中，能够以由曲线A₁和A₂包围的范围内的值来控制O₂量。

这样，本发明的锅炉100能够以既定的空气比进行燃烧。另外，如下面说明的那样，本发明的锅炉100能够进行NO_x的产生量小的燃烧。图5是表示求出供气温度和NO_x的产生量的关系的曲线图。在图5中，横轴表示供气温度，纵轴表示NO_x量(ppm)。图5所示的各曲线是基于图6所示的有关NO_x量-O₂量的特性曲线，将图3所示的A₁、A₂、B的O₂量分别变换成NO_x量而求得的。图6是通过采用蒸发量3130kg/h的预混合气的表面燃烧燃烧器式的锅炉100的燃烧试验而求出性能的曲线图。图5所示的曲线A₁、A₂、B的符号A₁、A₂、B与图3相同，A₁、A₂表示本发明的示例，B表示现有技术例。A₁是假定燃料温度与供气温度相同时求出供给风量的情况，A₂是假定燃料温度的变化比例是供气温度的变化比例的1/2时求出供给风量的情况。在下面说明中也是同样的。

根据图5可知，在本发明的情况下，在供气温度为10～50℃之间，NO_x量为10.6～11.2ppm，从而可知能够将NO_x量抑制为12ppm以下。

图7是表示在与求解图2或图3所示的曲线图的条件相同的条件下、变换器式送风机的控制频率与供气温度的关系的曲线图。在图7中，横轴表示供气温度，纵轴表示送风机的频率。根据图7，曲线A₁、A₂、B均为大致直线形，曲线A₁的斜率最小，曲线B的斜率最大。根据该图7的结果和图3的结果可知，现有技术例的情况下，会将相对于供气温度的上升来说过剩的空气供给到燃烧器5。也就是说，在本发明中，锅炉100不仅能够以恒定的空气比和低的NO_x进行燃烧，而且能够经济地运行。

以上对本发明进行了说明。如上所述，在本发明中，利用采用了热敏电阻的控制机构，能够构成简单且紧凑的控制机构30。具有这样的控制机构30的锅炉100能够在供气温度为10～50℃的范围、以恒定的空气比和低的NO_x进行燃烧。在将锅炉100设置在室内的情况下，由于室内的温度一般高于外部气体温度、上限为50℃左右，所以，通常在供气温度为10～50℃的范围考虑锅炉100的特性就足够了。但是，也存在供气温度偏离上述范围的情况。在该情况下，可以通过选择与该使用条件相匹配的特性的固定电阻和热敏电阻来进行应对。

图8、图9是在供气温度为20℃或40℃这样恒定的情况下，对固定电阻R_s、变换器的基准频率f₀、最大频率f_m对废气中的O₂量造成的影响进行研究的结果。在图8、图9中，横轴表示燃料温度，纵轴表示废气中的O₂量(ppm)，图中的20℃或40℃分别表示不同情况的供气温度。图8情况下的固定电阻R_s、基准频率f₀、最大频率f_m与图3的情况相同。而图9表示固定电阻R_s为3000 Ω、基准频率f₀为51Hz、最大频率f_m为74Hz的情况。在图8、图9中，曲线B均表示现有技术例的情况。

对图8和图9进行比较可知，图8的情况下能将废气中的O₂量控制为恒定，图9的情况下没有看到多少控制效果。也就是说，需要根据锅炉100的使用条件来选择固定电阻R_s、热敏电阻的电阻R_TH1、R_TH2、或变换器的基准频率f₀、最大频率f_m。

Claims (6)

1.一种锅炉，设有控制机构，该控制机构根据用于燃烧的空气和燃料的温度变化来调整用于燃烧的空气的风量。

2.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，该锅炉具有燃烧器、向该燃烧器供给燃料的燃料供给机构、向上述燃烧器供给空气的送风机构、以及对供给到上述燃烧器的燃料的燃料量和供给到上述燃烧器的空气的风量进行调整的上述控制机构；

上述控制机构具有：基准量计算部，针对要求负荷计算出供给到上述燃烧器的基准燃料量和基准风量；风量计算部，根据供给到上述燃烧器的空气的空气温度和燃料的燃料温度来修正上述基准风量，计算出修正后的风量作为供给风量；以及控制部，根据上述基准燃料量和上述供给风量来控制上述燃烧器的燃烧。

3.如权利要求2所述的锅炉，其特征在于，测定供给到上述燃烧器的空气的空气温度和燃料的燃料温度的机构是热敏电阻。

4.如权利要求3所述的锅炉，其特征在于，上述风量计算部以下述方式计算供给风量：当设空气温度测定热敏电阻的电阻值为R_TH1、燃料温度测定热敏电阻的电阻值为R_TH2、固定电阻的电阻值为R_s时，修正基准风量的修正量与1/(1+R_TH1/R_s+R_TH1/R_TH2)成正比。

5.如权利要求2所述的锅炉，其特征在于，上述风量计算部以下述方式计算供给风量：当由燃料温度测定机构测量的燃料温度和由空气温度测定机构测量的空气温度分别为T_g、T_a时，修正基准风量的修正量与T_a/T_g ^1/2成正比。

6.一种锅炉的燃烧控制方法，是在以既定的空气比进行燃烧的同时将废气中的NO_x抑制在既定范围的锅炉的燃烧控制方法，其特征在于，计算出对应于锅炉的要求负荷的基准燃料量和基准风量，根据用于燃烧的燃料和空气的温度来修正计算出的基准风量，并根据该修正后的风量和上述基准燃料量进行燃烧。

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