JP2002267157A - 燃焼の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料の発熱量が時間的に変動するとそれを燃
焼させる燃焼機器の空気比が変動する。空気比が変動す
ると燃焼機器においては、不完全燃焼や効率低下の生じ
るおそれが生じる。本発明では、燃料の発熱量が変化し
た場合における空気比変化を抑制する技術手段を提供す
ることを目的とする。 【解決手段】 燃料供給管路3にて燃料の発熱量もしく
は発熱量変化値を検知し、その値を通信手段4により送
信し、受信した制御盤にてその発熱量に相当する理論空
気量を推定して燃焼用空気制御弁13の開度を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料を燃焼させた
際に発生する単位体積当たりもしくは単位質量当りの熱
量（発熱量）が、時間経過と共にある限定された範囲内
で変動する燃料を使用する燃焼器の効率的な制御方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般的な燃焼器においては、使用
する燃料の発熱量は時間的には変化しないものとして運
転されている。石油製品等の液体燃料やLPG等の気体燃
料を燃焼させる際には通常発熱量の計測は行わないし、
石炭などの品種による違いの大きな固体燃料においても
発熱量の計測はその受け入れ時のみに行うのが通例であ
る。一方、燃焼機器において温度制御等を行う際には、
その偏差を正すために燃料流量を制御して発生熱量を変
化させる。しかしながら、燃焼用空気流量は燃料流量に
対して固定した比率に設定され、燃料流量とは独立して
制御されないのが一般的である。具体的には、家庭用の
ガス給湯機器等では、燃料制御弁の開度信号と燃焼用フ
ァンの回転数とは、内蔵制御コンピュータの制御テーブ
ルもしくは制御関数に基づいて一義的に決められてお
り、これに基づいて燃焼制御が行われる。業務用ボイラ
や燃焼炉の多くでは、燃料制御弁と燃焼用空気制御弁と
が機械的なリンケージで繋がれており、燃料流量に対し
て空気流量は一義的に決められて運転されている。以上
のように、一般的な燃焼制御においては、燃料と燃焼用
空気とを独立して制御することは行われていない。例外
的に、量論空気比で運転されるエンジンや発電事業用ボ
イラ等の大掛かりな燃焼機器では、燃料流量と空気流量
とが個別に制御されることがある。エンジンでは、量論
空気比を外れると排ガスの三元触媒が有効に機能しない
ためであり、大規模設備では、何らかの要因で空気比の
変化が起きたときの後述する影響が大きいためである。
このような空燃比制御においては、燃焼排ガスの酸素濃
度等から空気比を検知して、それをフィードバックする
ことで燃焼用空気流量が制御されている。このような燃
焼排ガス分析に基づく空燃比フィードバック制御は手法
としては広く知られているが、実用例は限定されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】天然ガス等の発熱量は
産地（井戸）によってある範囲内で異なった値を持って
いる。これらを原料とする都市ガスでは、ガス事業者の
熱量調整により熱量変動は狭い範囲に管理されてきた。
しかしながら、天然ガスソースの多様化や託送ガスの受
け入れが進めば、発熱量の変動は大きくならざるを得な
くなる。ガス事業者による熱量調整がほとんど行われて
いない欧米では、産地の異なる天然ガスがパイプライン
網に複数箇所から供給される結果、途中で混合されて需
要地では発熱量が１０〜１５％変動することは一般的で
ある。また、プロパンとブタンの混合物であるＬＰＧに
おいては、貯槽での蒸発時に蒸気圧の違いにより、気化
ガスの成分が初期にはプロパンが、末期にはブタンが多
くなるように変動し、それに伴って発熱量が変化するこ
とが知られている。石炭においても、その発熱量は産地
により大きく変動することがよく知られている。石油に
おいては、分溜にて製品の物性を制御するので熱量の変
動幅は大きくないが、受け入れロットごとの差を無視で
きるわけではない。

【０００４】燃料の発熱量が変化すると完全燃焼に必要
な空気量即ち理論空気量が変化するため、燃焼器で燃料
流量に合わせて空気量が固定されていると空気比が変動
することになる。炭化水素燃料では、水素やアセチレン
等の特殊な成分を除いて、発熱量の変動幅が１５％程度
の範囲であれば、理論空気量は発熱量にほぼ比例するこ
とが知られている。従って、発熱量が大きい方向に変化
すると空気比が小さい方向に変化して不完全燃焼などの
危険を生じる。逆に発熱量が小さい方向に変化すると空
気比が大きくなるため、排ガス損失が増大して機器の効
率が低下する。燃焼限界に近い大空気比で運転されてい
る希薄燃焼エンジンやガスタービン燃焼器などでは、失
火や燃焼効率低下の可能性も発生する。

【０００５】このような燃料発熱量変化に対しても、排
ガス分析(酸素濃度や炭酸ガス濃度検出)に基づく空気比
フィードバック制御は有効に機能する。しかしながら、
信頼性のある分析機器はいわゆる計測器レベルとなって
高価であり、安価な機器に汎用できるものではない。各
種の酸素センサー等が評価されつつあるものの、量論空
気比エンジンの空気比１を検知する酸素センサーを除い
て、信頼性が十分に確認されたものや高温排ガスに直接
に使えるものは無い。さらには、排ガスに濃度分布があ
る場合には、平均濃度を精妙に測らない限り、正しい空
気比は得られない。

【０００６】従来の一般的な空気比制御や、排ガス分析
に基づく空気比制御には、以上のような問題点があり、
本発明はそれらを解決する燃焼の制御方法を実現するこ
とを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】〔構成１〕本発明に係わ
る燃焼の制御方法は、請求項１に記載したごとく、燃料
供給管路の途中にて当該燃料の発熱量相当値を検出し、
当該発熱量相当値を用いて当該燃料を燃焼させる際の燃
焼用空気量を補正制御することを特徴としている。 〔作用効果〕本構成のごとく、燃料供給管路の途中にて
燃料の発熱量相当値を検出し、その値を用いて空気比を
補正制御すれば、燃料の発熱量が時間的に変動しても、
空燃比を所定値に維持することが可能で、所期の安全燃
焼と機器性能を維持することが可能になる。燃焼用空気
量の制御は、発熱量相当値と連動して手動もしくは自動
にて燃焼用ファンの能力を可変することや、空気用の制
御弁開度を変更することにより行うことができる。

【０００８】〔構成２〕本発明に係わる燃焼の制御方法
は、請求項２に記載したごとく、上記構成１における燃
料の発熱量相当値を検出する手段が、当該燃料の流量検
出手段と発熱量検出手段とを組み合わせて構成される熱
量計測器、もしくは、当該燃料の流量計に付属する発熱
量相当値を検出してその変動を流量に換算補正する発熱
量補正器であって、検出した発熱量相当値を、通信手段
を介して発熱量相当値検出手段と燃焼制御器との間で通
信することで当該燃料を燃焼させる際の燃焼用空気量を
補正制御する燃焼の制御方法であることを特徴とする。 〔作用効果〕本構成のごとく、燃料の発熱量相当値を検
出する手段が、当該燃料の流量検出手段と発熱量検出手
段とを組み合わせて構成される熱量計測器、もしくは、
当該燃料の流量計に付属する発熱量相当値を検出してそ
の変動を流量に換算補正する発熱量補正器であって、検
出した発熱量相当値を、通信手段を介して発熱量相当値
検出手段と燃焼制御器との間で通信することを行えば、
燃焼制御に必要な熱量相当値を簡便かつ安価に得る構成
とすることができる。

【０００９】〔構成３〕本発明に係わる燃焼の制御方法
は、請求項３に記載したごとく、上記構成１における燃
料の発熱量相当値を検出する手段が、燃料供給事業者か
らの公衆通信回線への発信に基づく情報の受信手段であ
り、燃焼制御器にてその情報を受信することで当該燃料
を燃焼させる際の燃焼用空気量を補正制御するであるこ
とを特徴とする。燃料供給事業者は、本発明を利用しよ
うとする燃料使用者にガスクロマトグラフィー等によっ
て計測した燃料の発熱量等を、公衆通信回線を用いて提
供する必要があるが、事業者は本情報を有償で提供する
ように構成することも可能である。 〔作用効果〕本構成のごとく、燃料の発熱量相当値を検
出する手段が、燃料供給事業者からの公衆通信回線への
発信に基づく燃料物性情報の受信手段であり、燃焼制御
器にてそのうちの発熱量情報を受信することを行えば、
燃料の発熱量を極めて安価に入手して燃焼制御に応用す
ることができる。燃料が管路網によって供給され、燃料
のソース（井戸など）によって熱量が変化する場合に
は、燃料供給業者は管路が結合される地点の下流で熱量
計測を行ってその情報を発信し、燃料の利用者は、供給
される燃料の発熱量情報を、管路網を参考にして選択使
用することにより、本発明の効果を得ることができる。
燃料の発熱量を推定する管路網の解析は燃料供給業者が
行うことも可能である。

【００１０】〔構成４〕本発明に係わる燃焼機器は、請
求項４に記載したごとく、請求項１もしくは２における
燃料の発熱量相当値を検出する手段、または請求項３に
おける燃料の発熱量相当値を受信する手段を自らの制御
装置の一部とし、その値を用いて燃焼用空気流量を補正
制御することを特徴とする。 〔作用効果〕本構成のごとく、燃料の発熱量相当値を検
出する手段もしくは、燃料の発熱量相当値を受信する手
段を自らの制御装置の一部とし、その値を用いて燃焼用
空気流量を補正制御すれば、燃料の発熱量変動に対し
て、不完全燃焼や非効率状態で運転を継続することが無
くなり、安全かつ経済的な燃焼機器を構成できる。特
に、燃料の発熱量相当値を検出する手段が、即時かつ連
続的に発熱量相当値を検出できるものである場合には、
フィードフォワード制御理論を適用して、その値を用い
て燃焼用空気流量を補正制御すれば、燃料の発熱量変動
に対して、不完全燃焼や非効率状態で運転をほぼ完全に
抑止することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の燃焼制御方法について、
図面に基づいて説明する。図1において、燃料は貯槽２
００から燃料管路３を通して供給され、燃焼用空気送風
機１１からの空気にて燃焼器１０にて燃焼される。燃焼
機器１００では燃焼器１０にて発生された燃焼エネルギ
ーは、熱交換器１０２を介して熱媒体に伝えられ、エネ
ルギーを失った燃焼ガスは排ガスとして煙突１０１から
排出される。本発明において、燃焼の制御動作は以下の
ように行われる。 燃焼機器１００の負荷を、温度検知器１４の信号よ
り検出し、燃料流量を決定する。 燃料流量に対応した空気流量を仮決定する。本空気
流量は燃料の標準発熱量に基づく理論空気量に空気比と
燃料流量を乗じて決定される。 燃焼器１０の上流に設置された発熱量もしくは発熱
量の標準値からの偏差の検出装置1からの情報に基づい
て、で決めた空気流量を補正する。 負荷に応じた燃料弁１２の開度信号と、補正された
空気量に基づいた空気弁１３の開度信号を、制御盤より
出力する。 本発明では、燃料の発熱量を、管路に設置された発熱量
の検出装置において検出する発熱量相当値を用いて燃焼
用空気量の制御を行うことを特徴としている。ここで、
発熱量相当値とは、発熱量そのもの、発熱量の標準値か
らの変化量、もしくはこれらの量と相関のある値で、電
圧や電流のようなアナログ電気信号もしくはデジタル信
号に変換されたものを含んだ概念である。ただし、貯槽
２００での燃料油の受け入れ時や、石炭受け入れ時等の
受け入れ検査における発熱量試験値は含んでいない。燃
料油は貯槽内の残留油と混合して発熱量が変化するし、
石炭は貯炭場で他の炭種と混合して発熱量が変るため、
燃焼器に供給される実発熱量は受け入れ時の検査値より
も、燃料供給管路にて計測する方がより正確な値となる
からである。

【００１２】燃料の発熱量を測定する方法の例として、
ＪＩＳに規定する方法を挙げるができる。石炭及びコー
クスについては、ＪＩＳ Ｍ８８１４−１９７６に燃研
式Ａ型、Ｂ型及びベルテロマーラー式熱量計を用いる方
法、原油及び石油製品については、ＪＩＳ Ｋ２２７９
−１９９３に改良型ボンベ型熱量計を用いる方法、燃料
ガス及び天然ガスについては、ユンカース式流水型ガス
熱量計を用いる方法がそれぞれ記されている。これらの
方法の他にも１〜２％程度の発熱量変化を検出できる方
法であれば何でも用いることができる。他に、発熱量を
直接測定する方法でなくても、燃料組成をガスクロマト
グラフィーにて定量分析し、その組成値に各成分の発熱
量を乗じて全体の発熱量を計算する方法等の間接的な方
法を用いることもできる。

【００１３】発熱量値そのものでなくても、発熱量もし
くは発熱量の標準値からの変化量と相関関係のある物性
値を計測してその値に相当する電気信号等を用いること
も可能で、より実際的でもある。ここで問題としている
燃料の発熱量の変動値は、標準とするものから１５％程
度の比較的狭い範囲であるから、例えば燃料の比重、光
の吸収、蒸気圧等の物性値から推定して求めることも可
能である。原油及び石油製品については、ＪＩＳ Ｋ２
２７９−１９９３に比重等から推定する方法が記されて
いる。

【００１４】本発明を実用化する場合の留意点を以下に
挙げる。第１点は、燃料の発熱量相当値の検出を間欠的
に行わざるを得ないときの検出タイミングの問題であ
る。ここでは、管路にて燃料を輸送することを前提とし
ているので、石炭を燃料とする場合は微粉炭を対象とし
ている。この場合には、微粉炭の原料となる石炭の切替
え時を含めれば、可能な範囲で定期的に測定すればよ
い。燃料油の場合は、追加油受け入れ後油槽内で油が混
合したと見なされた後を含めればやはり、可能な範囲で
定期的に測定すればよい。ＬＰＧの様に成分の蒸気圧の
違いで連続的に発熱量の変化するものは、追加ＬＰＧの
受け入れ後を含めて、適当な時間間隔で測定し、測定間
隔の間は線形等の補間をすればよい。もちろん、発熱量
相当値を先に例示したような物性を用いて連続的に検出
できるならその方法を選択すべきである。

【００１５】第２点は、発熱量相当値検出時点と、その
燃料が燃焼器に到達する時点との時間差の問題である。
発熱量相当値が先述の代替物性等で即時に検出できる場
合には、検出時が燃料の燃焼器到達時よりも早くなる。
この場合には、発熱量相当値検出位置をできる限り燃焼
器に近づければよい。他に、管路長を管路内の燃料の流
速で除すことで、遅れ時間を推算してその時間分制御を
遅らせて制御を掛けることも可能である。発熱量検出の
方が燃料到達よりも遅い場合には、発熱量が急激で大幅
に変化する燃料には対応できないが、熱量変動の結果と
して失火等で運転継続不可能に至る燃焼機器でなけれ
ば、それが長時間不完全燃焼を続けたり、効率の低い運
転を継続することを防止する効果を有する。本発明の燃
焼制御は、燃料の発熱量検知に基づく空気比のフィード
フォワード制御の一種と考えることができる。これによ
り、燃料の発熱量が変動しても、燃焼の安全性と効率を
維持することができる。

【００１６】〔別実施の形態〕 〈１〉 図2においては、熱量相当値を流量計５とそれ
に付属する発熱量検知手段６とからなる熱量計もしくは
熱量補正機能付流量計から得、通信手段４を介して制御
盤２に送ることで、空気比を補正する構成とするところ
が、先述の実施の形態とは異なる。制御用信号として
は、求めた熱量値でもよいし、発熱量補正器よりの流量
補正信号を直接使ってもよい。発熱量補正器の発熱量変
動検知原理としては、先に例示したような燃料物性値の
変動をもちいることができる。さらに、天然ガスのよう
な気体燃料では、音速変化量を発熱量変動の指標として
用いることも可能である。天然ガスの組成変動のような
限られた発熱量変動範囲内では、燃料中の音速と密度に
相関関係があり、密度と発熱量に近似的に比例関係があ
るからである。流量の計量に音速を用いるガスメータ
(いわゆる超音波メーター)では、流量と発熱量変動値の
いずれをも音速測定にて行えるので、構成次第では発熱
量補正が安価に行える特長がある。なお、本制御におい
ては、燃料の取引用発熱量変動補正機能メーターを使う
こともできるし、燃焼機器直上流に管理用発熱量変動補
正機能メーターを設けて当該燃焼機器専用で用いること
も可能である。

【００１７】〈２〉 図3においては、燃料供給事業者が
インターネット２０等に発信する情報を燃焼制御用に用
いるものである。燃料が天然ガスであり、欧米のように
熱量調節を行わない場合には、天然ガスソースの違いに
よって発熱量が異なるので、ガス事業者は区域毎もしく
は配管系統毎の熱量を随時測定してその値をサービス情
報として発信するものとする。熱量の測定位置は、配管
の合流点の下流で混合が期待できかつ分岐が成されてい
ない位置が適当である。また、直接測定を行わなくて
も、配管の圧力損失計算をその原理とする配管網の解析
により、ある地点にどのソースの天然ガスが流入してき
ているかを予測できる場合には、その予測値をもって測
定値に代えることができる。ただし、各ソースの発熱量
は当然測定を行わなければならない。天然ガスソースの
違いによる熱量変動は頻度も変動幅も大きくはない（１
０％程度以内）ので、厳密な補正を必要としない機器で
は、この値で補正すれば長時間の不完全燃焼や効率低下
の継続を十分防止することができる。機器の運転継続に
問題を生じるおそれのあるような厳密な補正を必要とす
る機器では、燃焼器の直上流にて、発熱量相当値を検出
して補正する方式を選定するか本方法を併用すればよ
い。機器への発熱量の入力・制御手段としては、以下が
ある。 インターネットからの情報に基づいて、空気調節弁
やダンパー開度を手動で直接調節する。手動の空気調節
弁を自動調節弁と直列に配して、その手動調節弁を調節
しても良いし、空気調節弁が燃料調節弁と機械的リンケ
ージにて結合されている場合は、そのリンケージを調節
しても良い。 空気調節弁もしくは燃焼用ファンの能力を、外部電
気信号を用いて制御できるものは、インターネットから
の情報に基づいて、その制御情報を制御盤２より手動で
入力することで制御する。 でさらに、制御盤２に通信機能を備えたもので
は、インターネット等から自動的に情報を取ってきて自
律的に空気弁もしくはファンの能力を制御する。

【００１８】

【発明の効果】本発明による燃料の発熱量計測に基づく
発熱量フィードフォワード空燃比制御は、従来の排ガス
分析に基づく空燃比フィードバック制御と比較して、低
コストで信頼性の高い制御方法を提供し得るものであ
る。従来の排ガス分析に基づく空燃比フィードバック制
御の方が、各種の外乱に対してより汎用性のあることは
事実である。しかしながら、現行そこまでの制御が行わ
れていない燃焼機器に対しては、本発明による発熱量フ
ィードフォワード制御で十分発熱量変動の無かった時の
性能が回復でき得る。以上説明した通り、本発明によ
り、燃料の発熱量変動による燃焼上の危険性や効率低下
を、経済的に抑止することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発熱量フィードフォワード制御の構成
を説明する概略構成図

【図２】本発明における発熱量検出手段を、燃料流量計
測器に付属する発熱量補正手段よりの信号とする他の構
成を説明する概略構成図

【図３】本発明における発熱量検出手段を、公衆通信回
線よりの情報とする他の構成を説明する概略構成図

【図４】排ガス分析に基づく空燃比フィードバック制御
の従来例を説明する概略構成図

【符号の説明】

１ 発熱量検出器 ２ 制御盤 ３ 燃料供給管路 ４ 通信手段（制御信号線） ５ 燃料流量計 ６ 燃料流量計の燃料発熱量変動補正器 ７ 発熱量検出器（供給事業者管理用：有線通信手
段付） ８ 発熱量検出器（管路での熱量管理用：無線通信
手段付） ９ 排ガス分析計（酸素濃度計、炭酸ガス濃度計） １０ 燃焼器（バーナ） １１ 燃焼用送風機（ファン、ブロア） １２ 燃料制御弁（調節弁） １３ 燃焼用空気制御弁（弁、ダンパー） １４ 温度検出器 ２０ 公衆通信回線（インターネット網） ２１ コンピュータ（サーバー） ２２ コンピュータ ２３ 通信機器 １００ 燃焼機器 １０１ 煙突 １０２ 熱交換器 ２００ 燃料貯槽 ２０１ 燃料貯槽１（ＬＮＧタンク） ２０２ 燃料貯槽２（ＬＮＧタンク：２０１とは別ソー
スのＬＮＧ貯蔵） ２０３ 天然ガス田

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料供給管路の途中にて当該燃料の発熱
   量相当値を検出し、当該発熱量相当値を用いて当該燃料
   を燃焼させる際の燃焼用空気量を補正制御する燃焼の制
   御方法。
2. 【請求項２】 燃料の発熱量相当値を検出する手段が、
   当該燃料の流量検出手段と発熱量検出手段とを組み合わ
   せて構成された熱量計測器、もしくは、発熱量相当値を
   検出してその変動を流量に換算補正する当該燃料の流量
   計に付属する発熱量補正器であって、検出した発熱量相
   当値を、通信手段を介して燃焼制御器に送信することで
   当該燃料を燃焼させる際の燃焼用空気流量を補正制御す
   る請求項１記載の燃焼の制御方法。
3. 【請求項３】 燃料の発熱量相当値を検出する手段が、
   燃料供給事業者からの公衆通信回線への発信に基づく燃
   料物性情報の受信手段であり、燃焼制御器にてその情報
   を受信することで当該燃料を燃焼させる際の燃焼用空気
   流量を補正制御する請求項１記載の燃焼の制御方法。
4. 【請求項４】 請求項１もしくは２における燃料の発熱
   量相当値を検出する手段、または請求項３における燃料
   の発熱量相当値を受信する手段を自らの制御装置の一部
   とし、その値を用いて燃焼用空気流量を補正制御する燃
   焼応用機器。