CN101910728A - 燃料提供装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料提供装置，其生成在燃料气体中混合有空气和/或氧气的混合气体，并将该混合气体提供给燃烧设备，其包括：设置在所述燃料气体的提供通路(10a)中的流量控制模块(10)；设置在空气和/或氧气的提供通路(20a，30a)的流量控制模块(20，30)，流量控制模块(10)具有：热式质量流量传感器(3)，基于热式质量流量传感器(3)的输出计算燃料气体的热量流量(Fc)的第一计算部(6)；基于计算得到的热量流量(Fc)，通过流量调整阀门(2)控制燃料气体的流量的控制运算器(5)；计算燃料气体的每单位体积的计算发热量(Qv)的第二计算部(7)；和算出计算发热量相对于基准状态下燃料气体的每单位体积的基准发热量(Qs)的比(Qv/Qs)的运算部(8)，比(Qv/Qs)用于流量控制模块(20，30)对空气和/或氧气的流量控制。

Description

燃料提供装置
技术领域
本发明涉及一种燃料提供装置，其生成在燃烧气体中混合有空气和/或氧气的混合气体，将该混合气体提供给燃烧装置时，能基于燃烧气体所具有的发热量，对混合气中的空气和/或氧气的混合比进行最优化调整。
背景技术
利用燃烧装置，例如燃烧器对燃烧气体进行燃烧时，燃烧气体在提供给燃烧器之前，和空气混合，作为这些燃烧气体和空气的混合气体提供给燃烧器。要使得该混合气体即燃烧气体的燃烧状态的最优化(完全燃烧化)，对混合气体的空燃比(A/F)的控制是不可或缺的。
这样的A/F控制分别计测混合气体中的燃料气体和空气的提供量(质量流量)，基于这些计测结果，通过调整气体的提供量和/或空气的提供量，将空燃比A/F控制在一定的理想空燃比(例如参照对比文献1)。例如，对于气体和空气的提供量的计测可采用热式质量流量计。
另一方面，混合气体生成之时，有时采用了其组成成分不同的多种燃料气体，而且即使所采用的燃料气体是同一种，其组成也会发生变化。在这样的情况下，要进行上述的A/F控制，需求得所采用的燃料气体的燃烧热量或每单位时间的发热量，燃烧热量或发热量反映在A/F控制中(参照例如专利文献2)。
又，由于在生成混合气体时，有时除了采用空气外还采用氧气，在这种情况下，为了进行A/F控制和O2/F控制(这里称为氧燃比控制)，分别对燃料气体、空气和氧气的各质量流量进行计测(例如参照专利文献3)。
专利文献1：日本专利公开2002-267159号公报
专利文献2：日本专利公开2003-35612号公报
发明内容
发明所要解决的问题
上述燃烧器在玻璃管的密封步骤等中使用时，要求对混合气体即燃烧气体的燃烧量进行高精度的控制。即，如前所述那样基于通过热式质量流量计所计测到的燃料气体的质量流量，对燃料气体的提供量进行控制，另一方面相对于燃料气体的提供量控制空气和/或氧气的提供量，使得混合气体中的燃烧气体、空气和/或氧气分别具有理想的混合比。
但是，即使进行这样的控制，当燃料气体的组成变化时，含有燃料气体的混合气体的燃烧热量或每单位时间的发热量也不会维持在所希望的管理值，另一方面，由于混合气体中的燃料气体的密度也会发生变化，因此空气和/或氧气相对于燃料气体的混合比也偏离了理想值，结果导致燃料气体的不完全燃烧。
本发明的目的是提供一种不拘于燃料气体的组成的不同和变化，能够以燃料气体所具有的发热量作为管理值对燃料气体的流量进行控制，并基于燃料气体的发热量对混合气体中的空气和/或氧气的混合比进行最优化调整的燃料提供装置。
解决问题的手段
通过本发明的燃料提供装置可达到上述目的，该燃料提供装置用于将燃料气体中混合有空气和/或氧气的混合气体提供给燃烧设备，包括：热式质量流量传感器，其设置在所述燃料气体的提供通路中，对燃料气体的质量流量进行计测；第一计算部，根据所述热式质量流量传感器的输出，计算所述燃料气体的热量流量；第一流量调整器，调整所述燃料气体的流量使得所述第一计算部计算得到的热量流量和控制目标值一致；第二计算部，计算所述燃料气体的每单位体积的计算发热量；运算部，运算所述计算发热量相对于基准状态下的燃料气体的每单位体积的基准发热量的比；第二流量调整器，其设置在所述空气和/或氧气的提供通路中，基于所述运算部求得的所述比和所述燃料气体的流量，调整空气和/或氧气的流量。
具体来说，所述燃料气体是烃类可燃气体。
所述第一计算部包括通过预先求得所述热式质量流量传感器的输出和所述燃料气体的热量流量的关系而制成的图。此时，第一计算部可根据图求得对应于热式质量流量传感器的输出的燃料其他的热量流量。
具体来说，所述第二计算部基于所述燃料气体处于流动停止状态时基于所述热式传感器的输出计算所述计算发热量。或者包括用于计算计算发热量的其他热量传感器。进一步的，第二计算部，在热式质量流量传感器的驱动条件在两个阶段变化时，分别求得各阶段的所述热式质量流量传感器的输出，并基于这些输出计算所述计算发热量。
另一方面，所述第二流量调整器为了达成所述燃料气体的完全燃烧，根据所述比对根据所述燃料气体的控制目标值确定的空气和/或氧气的流量进行修正，从而对混合气体中的空气和/或氧气的混合比进行最优化。
发明效果
本发明的燃料控制装置着眼于由燃料气体的体积量流量和燃料气体的单位体积的发热量的乘积所确定的燃料气体的热量流量作为管理燃料气体燃烧热量值是有效的，基于热式质量流量传感器的输出求得燃料气体的热量流量，通过流量调整阀控制燃料气体的流量使得该热量流量和控制目标值一致。
又，空气和/或氧气的流量根据计算发热量相对于基准发热量的比进行修正控制。因此，即使燃料气体的组成(种类)和所期望的组成(种类)不同，或燃料气体的组成自身发生变化，混合气体中的空气或氧气的混合比也是最优化的。其结果，本发明的燃料提供装置能够稳定地提供所需要的混合气体，确实地实现燃料气体的完全燃烧。
进一步的，由于燃料气体的热量流量能够根据热式质量流量传感器的输出基于图(マツプ)简单地求得，因此对于燃料气体的燃烧控制，燃料提供装置的负担得到减轻。
附图说明
图1是显示一实施例的燃料提供装置的整体的概略性示意图。
图2是显示图1的燃料气体的流量控制所使用的流量控制模块的概略性示意图。
图3是具体显示流量控制模块内的流路和流量控制阀的示意图。
图4是表示气体密度和热扩散率α的倒数[1/α]的关系的图表。
图5是表示气体的密度和其单位体积的发热量的关系的图表。
图6是表示燃料气体的热量流量和热式传感器的输出之间的关系的图表。
图7是显示计算燃料气体的发热量的计算部的变形例的图。
符号的说明
2流量调整阀(阀门)
3热式传感器
4阀门驱动电路
5控制运算器
6计算部
7计算部
8运算部
10，20，30流量控制模块
10a，20a，30a提供通路
41，42混合器
43燃烧器
具体实施方式
如图1所示，一实施例的燃烧提供装置，包含有：控制燃料气体(F)的提供量的流量控制模块10，控制空气(A)的提供量的流量控制模块20，控制氧气(O2)的提供量的流量控制模块30。这些流量提供模块10、20、30分别设置在燃料气体的提供通路10a、空气的提供通路20a和氧气的提供通路30a中。
提供通路10a经由混合器41连接到提供通路20a，该混合器41通过混合气体的提供通路40a连接到作为燃烧设备的燃烧器43。另一方面，提供通路30a经由混合器42连接到提供通路40a。这样，流量由各流量控制模块10、20、30分别控制的燃料气体、空气和氧气，在混合器41、42依次混合，作为混合气体提供给燃烧器43。
所述流量控制模块10根据所述燃烧器43所要求的燃烧热量控制燃料气体的提供量，另一方面，流量控制模块20、30为使得燃料气体完全燃烧，根据燃料气体的提供量分别对空气和氧气的提供量进行控制。
流量控制模块10、20、30的基本结构如图1和图2概略性示出的那样，首先关注流量控制模块10对该模块10进行如下说明。
流量控制模块10基本上包含有：对提供通路10a内的燃料气体的流量进行调整的流量调整阀(下面称为阀门)2，检测燃料气体的质量流量的热式质量流量传感器(下面称为传感器)3，驱动阀门2以调整阀门2开度的驱动电路4，和控制驱动电路4的控制运算器5。
更加详细地，为了消除如后述那样根据传感器3的输出(质量流量)求得的热量流量和控制运算器5所设定的控制目标值(热量流量)之间的偏差，控制运算器5通过驱动电路4对阀门2的开度进行反馈控制，调整燃料气体的热量流量。
图3显示流量控制模块10的具体结构。
流量控制模块10具有管部件11，该管部件11形成提供通路10a的一部分，具有入口11i和出口11o。从管部件11的轴线方向观察，传感器3具有安装在其中央、暴露于管部件11中的燃料气体的检测面。
阀门2具有阀门壳体2a，该阀门壳体2a在管部件11的出口11o附近，安装在管部件11的外周面上。阀门壳体2a具有被规定在其内部的阀门通路2b，该阀门通路2b形成为管部件11的内部通路的一部分。又，阀门壳体2a中设置有阀体2c，阀体2c通过螺线管机构12动作，以调整阀门通路2b即阀门2的开度。螺线管机构12设置在阀门壳体2a的外侧。
流量控制模块10还包含有控制单元13，该控制单元13也设置在管部件11的外侧，具有前述的控制运算器5和驱动电路4等。
又，管部件11、阀门2和控制单元13容纳在流量控制模块10的壳体(图未示)中。
流量控制模块20、30具有前面所述的流量控制模块10相同的结构。又，上述流量控制模块的基本结构的详细情况根据前述的专利文献3等可知。
本发明的流量控制模块10、20、30着眼于传感器3的输出(质量流量)与控制对象的气体(燃料气体、空气和氧气)的热量流量成比例而开发。
具体来说，用于检测流体的质量流量Fm的传感器3包含有例如对其检测面附近的气体进行加热的加热器、检测被加热的气体的温度分布的两个温度传感器，由这些温度传感器检测得到的温度差作为质量流量Fm被检测并输出。温度差是由于传感器附近的流体的温度分布因流体的流动而发生变化所产生的。又，该温度分布根据气体的热扩散率α和流体的流速(体积流量Fv)的变化而变化。
又，流体的热扩散率α通过下式(1)求得
α＝λ/(ρ×Cp)…(1)
此处，λ为气体的热传导率，ρ为气体的密度，Cp表示气体的比热。
另一方面，燃料气体的热能量可表示为燃料气体的单位体积的发热量Qv，该发热量Qv随着气体的组成(种类)的不同而不同。例如，作为气体的烃类燃料气体和这些燃料气体的发热量Qv通过下表1表示。这里，单位体积是指气体在基准状态(例如0℃)时的体积。
表1
  燃料气体的组成   每单位体积的发热量
  LNG(液化天然气)45MJ   45.0[MJ/m3]
  LNG(液化天然气)46MJ   46.0[MJ/m3]
  甲烷(CH4)90％+丙烷(C3H8)10％   46.1[MJ/m3]
  甲烷(CH4)90％+丁烷(C4H10)10％   49.3[MJ/m3]
由表1可知，燃料气体的发热量Qv由于燃料气体的种类，即其组成的不同而不同。这样的发热量Qv的差异，主要是因为由燃料气体的组成所决定的密度ρ的不同。从而，作为传感器3的检测对象的流体的组成发生了变化时，流体的密度ρ也会变化。因此，这样的密度ρ的变化使得传感器3检测出的质量流量Fm变化。
另一方面，图4显示了气体的密度ρ和前述的热扩散率α的倒数(＝1/α)之间的关系。根据图4可知，气体的密度ρ和热扩散率α的倒数成比例。也就是说，密度ρ和热扩散率α的倒数的关系如下式(2)所表示的。
1/α＝K1×ρ…(2)
其中，K1是比例常数。
不管气体的组成相同是否，都适合(2)式的比例关系。
又，图5表示气体密度ρ和发热量Qv之间的关系。根据图5可知，发热量Qv和气体的密度ρ成比例。即，发热量Qv和密度ρ的关系以式(3)表示。
Qv＝K2×ρ…(3)
其中，，K2为比例常数。
不管气体的组成相同是否，都适合(3)式的比例关系。
根据(2)式、(3)式可知，由于热扩散率α的倒数和发热量Qv之间具有相关关系，因此可以说传感器3附近的气体的温度分布根据气体的体积流量Fv和发热量Qv而变化。
这表明不管气体的组成怎样，传感器3的输出(质量流量Fm)和气体的发热量Qv成比例，并同时和气体的流速(体积流量)Fv成比例。
这里，热量流量Fc以气体的发热量Qv和流速(体积流量)Fv的乘积来定义时，本发明者发现热量流量Fc和热式质量流量传感器3的输出(质量流量Fm)为如图6所示那样一体的关系。
因此，由图2可知，流量控制模块10、20、30还包括计算部6，该计算部6不仅求得气体的质量流量Fm作为传感器3的输出，还基于传感器3的输出(质量流量Fm)计算热量流量Fc。具体来说，计算部6具有存储如图6所示的图的存储器，并基于传感器3的输出(质量流量Fm)读取与该输出对应的热量流量Fc，所读取的热量流量Fc提供至上述的控制运算器5。又，图6的图是通过预先求得相对于传感器3的输出的热量流量Fc而作成的。
控制运算器5预先被赋予控制目标值Fo，该控制目标值Fo为应当由对应的流量控制模块提供的气体的流量，即热量流量。控制运算器5求得控制目标值Fo和由计算部6提供的热量流量Fc之间的偏差，并通过驱动电路4控制阀门2的开度以使得该偏差为零。
因此，即使气体的组成变化，流量控制模块10、20、30仍可以控制气体的流量(发热量Qv)使其与控制目标值Fo一致，以所希望的热量流量Fc稳定地提供气体。
更加详细的，从前的一般的流量控制模块是基于传感器3的输出(质量流量Fm)控制气体的质量流量。但是，本发明的流量控制模块着眼于气体具有的发热量Qv，基于传感器3的输出求得热量流量Fc，直接控制气体的热量流量(发热量)本身。因此，即使气体的质量流量和/或其组成变化，本发明的流量控制模块也可以通过控制阀门2开度，使得从该流量控制模块提供的气体的热量流量Fc(发热量)为一定值。
因此，对于本发明的流量控制模块来说，不需要判断导致传感器3的输出变化的原因是由于气体的质量流量的变化或是由于气体的组成的变化，本发明的流量控制模块可稳定地实施气体的流量控制。
然而，为了使得上述燃料气体即混合气体完全燃烧，需要制作以合适的比例在燃料气体中混合空气和氧气的混合气体。烃类燃料气体完全燃烧时，混合气体的理想空燃比(A/F)或理想氧燃比(O2/F)如表2所表示的。
  燃料气体   A/F   O2/F
  甲烷(CH4)   9.52   2.0
  13A(LNG)   11.0   2.3
  乙烷(C2H6)   16.7   3.5
  丙烷(C3H8)   13.8   5.0
  丁烷(C4H10)   30.9   6.5
燃料气体的种类或其组成不同时，A/F和O2/F变化，因此为了使得燃料气体，即混合气体完全燃烧，需要根据混合气体中的燃料气体的组成和流量对混合气体中的空气和/或氧气的流量进行调整。
因此，在本实施例的燃料提供装置中，流量控制模块10基于燃料气体的热量流量fc控制燃料气体的流量。又，流量控制模块10求得通过该模块10提供的燃料气体的每单位体积的发热量Qv，并求得发热量Qv相对于基准状态的燃料气体的每单位体积的发热量Qs的比。这样的比值Qv/Qs作为表示发热量Qv的变化程度的指标。发热量Qv变化主要是因为燃料气体的组成的变化。
另一方面，流量控制模块20、30在控制空气和氧气的流量时，根据比Qv/Qs分别对通过流量控制模块20、30提供的空气和氧气的流量进行修正。其结果，提供给燃烧器43的混合气体中的空气和氧气的混合比被控制得最适合。
为了求得比Qv/Qs，如图2所示那样，流量控制模块10进一步包括计算部7和运算部8。计算部7在燃料气体的流动停止的状态下，基于传感器3的输出计算燃料气体每单位体积的发热量Qv。因此，在计算部7计算发热量Qv之前，阀门2关闭使得燃料气体的流动停止。在此状态下，计算部7从传感器3接收输出的供给，并基于该输出，求得燃料气体的质量，即其密度ρ。具体来说，从上式(3)可知，燃料气体的密度ρ和发热量Qv成比例关系，因此基于该比例关系，计算部7可根据密度ρ计算出发热量Qv。
运算部8基于计算部7算出的发热量Qv和已知的发热量Qs，计算Qv/Qs。发热量Qs表示燃料气体在基准状态(例如0℃)时的每单位体积的发热量。具体来说，预先求得各种燃料气体的发热量Qs，这些发热量Qs以表格形式存储在运算部8的存储器(图未示)中。因此，运算部8可从表格中选出与作为控制对象的燃料气体对应的发热量Qs，基于该选择的发热量Qs求得比Qv/Qs。
另一方面，如图1所示，流量控制模块20、30分别进一步包括流量修正部9。这些流量修正部9根据流量控制模块10提供的比Qv/Qs分别对其目标控制值，即空气和氧气的流量进行修正。
即，为了使得混合气体中的空气和氧气的配合比最优化，流量控制模块20，30的控制目标值(设定流量)基于流量控制模块10的控制目标值(设定流量)确定，因此流量控制模块20、30的控制目标值根据比Qv/Qs进行修正，这样混合气体，即燃烧气体能完全燃烧。
具体来说，例如，燃料气体的比Qv/Qs为1.1时，判断燃料气体的组成变化导致燃料气体的发热量增高10％。此时，为了使得燃料气体燃烧完全，分别增加10％的空气和氧气的提供量。
根据前述的燃料提供装置，由于燃料气体的提供量基于燃料气体的热量流量进行控制，因此不管燃料气体的组成如何，可将燃料气体的发热量正确地维持在控制目标值。
因此，即使发生燃料气体的组成从所希望的组成变化，燃料气体的发热量Qv和所要求的发热量不同的状况，由于可根据前述的比Qv/Qs对空气和氧气的流量进行修正，因此使得混合气体中的空气和氧气的混合比对于燃料气体的组成(发热量)为最优化。这样，不仅燃烧气体完全燃烧，还可达到燃烧温度、火焰状态等的最优化。
本发明不限于上述一个实施例，可做出种种变化。
例如，对于空气和氧气的流量控制，可采用与前述的方法不同的下述方法。
首先，在流量控制模块10分别求得燃料气体的比Qv/Qs和热量流量Fc的时候，燃料提供装置基于比Qv/Qs和热量流量Fc，分别计算达到混合气体中空气和氧气最优化的混合比的空气和氧气的流量，这些流量可用作为流量控制模块20、30的控制目标值(设定流量)。
在上一实施例中，流量控制模块10、20、30在计算气体的发热量Qv时，需要对阀门2进行关闭，即要求停止提供通路内的气体流动。
但是，流量控制模块可进一步包括：形成在管部件11内的、使燃料气体不产生流动地滞留燃料气体的滞留室，和设置在滞留室中的上述传感器3以外的热量传感器3a(参照图2)。此时，在气体正在流动的状态下，计算部7可基于传感器3a的输出，计算气体每单位体积的发热量Qv。
又，如图7所示的流量控制模块，可包含参数控制部30和计算部42来代替计算部7，参数控制部30可使作为传感器3的驱动条件的温度控制参数(燃料气体的温度和加热器温度的差)在两个等级间切换，计算部42可以根据这些驱动条件下的传感器3的输出计算发热量Qv。
又，例如如日本特表2004-514138号公报所公开的那样，在采用根据将加热器温度保持为固定时的加热器驱动电力求得质量流量Fm的热式质量流量传感器的情况下，可基于加热器温度变换为两个阶段时各阶段的传感器3的输出，计算发热量Qv。
具体来说，计算部42基于传感器3的输出的差求得气体的热传导率λ，根据该热传导率λ和气体的密度ρ之间的关系计算发热量Qv(参照前述的(3)式)。
本发明的流量控制模块可并列输出计算部6求得的热量流量Fc，和传感器3的输出(质量流量Fm)。
又，本发明的流量控制装置，可选择基于热量流量Fc的燃料气体的流量控制和基于质量流量的燃料气体的流量控制中的任何一个。
进一步的，当假设空气和氧气的成分(组成)固定时，流量控制模块20、30可基于质量流量控制空气和氧气的流量。
燃料提供装置也可生成在燃料气体中混合空气和氧气中的一种的混合气体。
又，燃料提供装置可作为一个组件形成，其流量控制模块10、20、30和控制这些模块的微机容纳在共同的壳体中。此时，微机控制各流量控制模块的作动使其相互关联。进一步的，各流量控制模块的传感器3可以包括公知的温度修正电路。

Claims (7)

1.一种燃料提供装置，该燃料提供装置用于将燃料气体中混合有空气和/或氧气的混合气体提供给燃烧设备，其特征在于，包括：
热式质量流量传感器，其设置在所述燃料气体的提供通路中，对燃料气体的质量流量进行计测；
第一计算部，根据所述热式质量流量传感器的输出，计算所述燃料气体的热量流量；
第一流量调整器，调整所述燃料气体的流量使得所述第一计算部计算得到的热量流量和控制目标值一致；
第二计算部，计算所述燃料气体的每单位体积的计算发热量；
运算部，运算所述计算发热量相对于基准状态下的燃料气体的每单位体积的基准发热量的比；
第二流量调整器，其设置在所述空气和/或氧气的提供通路中，基于所述运算部求得的所述比和所述燃料气体的流量，调整空气和/或氧气的流量。
2.如权利要求1所述的燃料提供装置，其特征在于，所述燃料气体是烃类可燃气体。
3.如权利要求1所述的燃料提供装置，其特征在于，所述第一计算部含有预先求得的所述热式质量流量传感器的输出和所述燃料气体的热量流量的关系图。
4.如权利要求1所述的燃料提供装置，其特征在于，所述第二计算部在所述燃料气体处于流动停止状态时，基于所述热式传感器的输出计算所述计算发热量。
5.如权利要求1所述的燃料提供装置，其特征在于，所述第二计算部包括用于计算所述计算发热量的热量传感器。
6.如权利要求1所述的燃料提供装置，其特征在于，所述第二计算部在所述热式质量流量传感器的驱动条件变化时，分别求得所述热式质量流量传感器的输出，并基于这些输出计算所述计算发热量。
7.如权利要求1所示的燃料提供装置，其特征在于，所述第二流量调整器为了达成所述燃料气体的完全燃烧，根据所述比对按所述燃料气体的控制目标值确定的空气和/或氧气的流量进行修正，使混合气体中的空气和/或氧气的混合比达到最优化。
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