JP2009047325A - バーナ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の熱量変動の影響を簡単な装置構成と制御とによって抑制することが可能であるバーナ制御システム。
【解決手段】燃料２を燃焼させて対象物を加熱するバーナ４への燃料供給を制御するバーナ制御システムＥ１において、前記対象物（１）の温度を検出する温度検出手段（７）と、前記燃料２の熱量を検出する熱量検出手段（９）と、前記バーナ４への燃料供給量を調節する燃料調節手段（３）と、前記温度検出手段（７）の検出結果及び前記熱量検出手段（９）の検出結果に基づいて前記温度検出手段（７）の検出結果が一定となるように燃料調節手段（３）をカスケード制御する制御手段（２０）と、を具備することを特徴とするバーナ制御システムＥ１。
【選択図】図１

Description

本発明は、品種、品質、熱量が異なる多種類の燃料に対応可能なバーナ制御システムに関する。

下記特許文献１には、発電所のガスタービンに供給する燃料ガスの熱量が、異種燃料の混合比率の加減に応じて激変しても、その変化に対抗して安定したガスタービン出力を持続し、システムを安全かつスムーズに運転できる燃料ガスの熱量変化に対応可能な熱量制御システムが開示されている。この熱量制御システムは、ガスタンクから発生するボイルオフガスが混入された液化天然ガスをガスタービンへ供給する際に生じる熱量変化による悪影響を緩和する熱量制御システムであり、具体的には、供給する燃料ガスの熱量変化を計測し、その熱量変化に応じた量の熱量調整用ガスを、燃料ガスに混合することによって、安定した熱量のガスを得る、というものである。
特開２００２−１８８４６０号公報

ところで、前記従来技術はガスタービンに供給する燃料ガスに熱量調整用ガスを混合することにより安定化させるものなので、装置構成として燃料ガスの供給系に加えて熱量調整用ガスの供給系をも備える必要があり、よって装置構成が複雑である。また、前記従来技術では、燃料ガスの供給系に加えて熱量調整用ガスの供給系をも制御する必要があるので、制御が複雑である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、燃料の熱量変動の影響を簡単な装置構成と制御とによって抑制することを目的とする。

前記目的を達成するために、第１の発明に係るバーナ制御システムは、燃料を燃焼させて対象物を加熱するバーナへの燃料供給を制御するバーナ制御システムにおいて、前記対象物の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料の熱量を検出する熱量検出手段と、前記バーナへの燃料供給量を調節する燃料調節手段と、前記温度検出手段の検出結果及び前記熱量検出手段の検出結果に基づいて前記温度検出手段の検出結果が一定となるように燃料調節手段をカスケード制御する制御手段と、を具備する、という手段を採用する。

第１の発明に係るバーナ制御システムによれば、温度検出手段の検出結果が一定となるように、制御手段が燃料調節手段を、温度検出手段により検出された検出結果及び熱量検出手段の検出結果に基づいてカスケード制御する。カスケード制御の作用により、対象物の温度が変動する前に熱量検出手段の検出結果に基づいて燃料調節手段がバーナへの燃料供給量を調節することによって、燃料の熱量変動の影響を簡単な装置構成と制御とによって抑制することが可能となる。
その際、予め用意しておいた熱量調整用ガスを熱量変化に応じた量だけ燃料ガスに混合して調整するのでなく、燃料調節手段によりバーナへの燃料供給量を調節するという簡単な装置構成と制御とによって制御目的が達成できる。

また、第２の発明に係るバーナ制御システムは、異なる種類の燃料からなる混合燃料を燃焼させて対象物を加熱するバーナへの燃料供給を制御するバーナ制御システムにおいて、前記対象物の温度を検出する温度検出手段と、前記混合燃料の熱量を検出する熱量検出手段と、各種類の燃料毎に設けられ、各燃料のバーナへの供給量を調節する第１の燃料調節手段と、混合燃料のバーナへの供給量を調節する第２の燃料調節手段と、前記熱量検出手段の検出結果に基づいて当該熱量検出手段の検出結果が一定となるように第１の燃料調節手段を制御する第１の制御手段と、前記温度検出手段の検出結果に基づいて当該温度検出手段の検出結果が一定となるように第２の燃料調節手段を制御する第２の制御手段と、を具備する、という手段を採用する。

第２の発明に係るバーナ制御システムによれば、異なる種類の燃料からなる混合燃料を燃焼させて対象物を加熱するバーナへの燃料供給を制御することにより、燃料の種類が異なることによって生じる熱量の違いに対応し、バーナの燃焼出力を安定させることが可能である。詳しくは、以下の作用による。

熱量検出手段で混合燃料の熱量を検出する。この熱量検出手段による検出結果が一定となるように第１の制御手段により第１の燃料調節手段を制御する。この第１の燃料調節手段は、各種類の燃料毎に設けられ、各燃料がバーナへ供給される量を調節する。そして、第２の制御手段により、温度検出手段の検出結果が一定となるように第２の燃料調節手段を制御する。この第２の燃料調節手段は混合燃料のバーナへの供給量を調節する。このように、温度検出手段の検出結果が一定となるので、燃料の種類が異なることによって生じる熱量の違いに対応し、バーナの燃焼出力を安定させることが可能である。

また、第３の発明に係るバーナ制御システムは、第１または第２の手段に加えて、燃料あるいは混合燃料のバーナへの供給圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、制御手段あるいは第２の制御手段は、前記温度検出手段の検出結果に加え、圧力検出手段の検出結果に基づいて前記燃料調節手段あるいは第２の燃料調節手段を制御することを採用する。

第３の発明に係るバーナ制御システムによれば、燃料の供給圧力の変動要因にまで対応して、バーナの燃焼出力を安定させることが可能である。

また、第４の発明に係るバーナ制御システムは、第１ないし第３の何れかの手段に加えて、バーナは、加熱炉において対象物である加熱流体を加熱する、という第４の手段を採用した。この発明によれば、燃焼出力を安定させることが可能なバーナを用いた加熱炉において対象物である加熱流体を加熱するので、その加熱流体の温度を安定させることが可能である。

本発明によれば、燃料調節手段によりバーナへの燃料供給量を調節するという簡単な装置構成と制御とによって、燃料の熱量変動の影響を簡単な装置構成と制御とによって抑制することが可能となる。その際、予め用意しておいた熱量調整用ガスを熱量変化に応じた量だけ燃料ガスに混合して調整するような複雑な装置構成は不要である。

また、異なる種類の燃料からなる混合燃料を燃焼させて対象物を加熱するバーナへの燃料供給を制御することにより、燃料の種類が異なることによって生じる熱量の違いに対応し、バーナの燃焼出力を安定させることが可能である。
そして、燃料の供給圧力の変動要因にまで対応して、バーナの燃焼出力を安定させることが可能である。
また、燃焼出力を安定させることが可能なバーナを用いた加熱炉において、加熱流体を加熱するので、その加熱流体の温度を安定させることが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態に係るバーナ制御システムＥ１を示す概略構成図である。図１に示すように、バーナ制御システムＥ１は、品種、品質、熱量が異なる多種類の燃料２を燃料とするバーナ４によって、ボイラ（加熱炉）１０内で水等の加熱流体１を加熱して出口温度を制御機能付温度計ＴＣ７で計測し、その出口温度を目標温度に一致させて維持するように、バーナ４の火加減を制御部２０によって制御するシステムである。なお、ボイラ１０を用いた実施形態は本発明の一例に過ぎず、それ以外の加熱炉等でも燃焼出力が一定であるバーナ４の用途があれば、本発明を適用することが可能である。

バーナ制御システムＥ１は、制御部２０によってバーナ４の火加減を制御するために、多種類の燃料２の流量を検出する流量計ＦＩ６と、燃料２の供給圧力を調節可能な燃料調節弁３と、この燃料調節弁３の下流にあって、燃料２の噴射圧力等を制御しながらボイラ１０内の燃焼室５に燃料２を噴射して燃焼させる多種燃料対応型のバーナ４と、を備えて構成されている。また、バーナ４の火加減を制御するために、制御機能付温度計ＴＣ７の計測温度に応じた信号を用いる主制御系と、制御機能付熱量計ＸＩＣ９の計測熱量に応じた信号を用いる副制御系と、制御機能付燃料圧力計ＰＣ８の計測圧力に応じた信号を用いる副制御系と、による多重ループによって燃料調節弁３をカスケード制御するように構成されている。

燃料２は図示せぬ燃料供給源から、ひとつながりの配管（以下、「燃料系統」という）によってバーナ４まで供給される。この燃料系統の上流から下流にかけての接続構成は、以下のとおりである。
燃料供給源→流量計ＦＩ６→燃料調節弁３→制御機能付燃料圧力計ＰＣ８→制御機能付熱量計ＸＩＣ９→制御機能付温度計ＴＣ７→バーナ４

制御部２０は制御の主体となる中枢であり、ＰＩＤ制御機器等に各計測器の出力信号を入力し、信号処理した制御出力により制御対象を制御する電子回路の集合体であるが、本実施形態における制御部２０は各計測器毎に分散配置されている。
制御機能付温度計ＴＣ７は加熱流体１のボイラ出口温度に応じた信号を出力すると共に自動制御機能を内蔵した計測器である。
制御機能付燃料圧力計ＰＣ８は、燃料２の供給圧力に応じた信号を出力すると共に自動制御機能を内蔵した計測器である。

制御機能付熱量計ＸＩＣ９は、多種類の燃料別の熱量に応じた信号を出力する計測器であると共に、検出された燃料別の熱量に対応する弁開度を燃料調節弁３に指示する熱量別制御パターンを読み出し自在に記憶するＲＯＭを含み、計測された熱量に基づいて熱量別制御パターンから読み出した制御信号を出力するマイクロコンピュータ等を備えた自動制御機器である。

図１に示す制御部２０は、前述したように、制御機能付温度計ＴＣ７、制御機能付熱量計ＸＩＣ９、制御機能付燃料圧力計ＰＣ８にそれぞれ分散して配置されている自動制御機能によって、主・副でなる多重ループのカスケード制御のほか、制御ゲインや時定数を規定する。なお、このような形態に限定する必要はなく、カスケード制御対応型の「マスターコントローラ」、「スレーブコントローラ」、または「温度調節計」、「…調節計」等の汎用的な制御機器を中核とする各計測器が制御対象の状態を検出して出力する制御信号を適宜に処理して燃料調節弁３の弁開度を調節することによって、制御目的を達成できるように構成しても構わない。

以下に、バーナ制御システムＥ１の動作を説明する。
バーナ制御システムＥ１は、制御機能付温度計ＴＣ７、制御機能付熱量計ＸＩＣ９、制御機能付燃料圧力計ＰＣ８の出力する信号を用いて燃料調節弁３をカスケード制御する。すなわち、制御機能付温度計ＴＣ７がボイラ出口で検出した加熱流体１の検出温度に応じた信号を、燃料調節弁３に単純フィードバックしてその弁開度を制御する主制御系に対し、迅速に補正する副制御系として、制御機能付熱量計ＸＩＣ９の出力する燃料別の熱量に応じた信号により補正制御する。なお、制御機能付燃料圧力計ＰＣ８は必ずしも制御に寄与させなくても構わない。

バーナ制御システムＥ１は、バーナ４の火加減をボイラ出口温度によってフィードバック制御されている。すなわち、制御機能付温度計ＴＣ７が加熱流体１のボイラ出口温度を検出し、その検出温度に応じた信号を出力し、主制御系がこれらの信号を燃料調節弁３へ単純にフィードバックしながら燃料調節弁３の弁開度を制御する。このとき、同一種類の燃料を供給していれば、最適燃焼するように設定されたバーナ４において、安定均一な燃焼による発熱が継続するので、環境温度が急変するような外乱がない限り、加熱流体１のボイラ出口温度は設定どおりにほぼ安定する。しかし、多種類の燃料に対し、何ら対策せずに同一系統のバーナ４で燃焼させると、それらの異なる品種、品質、熱量に応じて最適な燃焼方法を制御しなければ、安定均一な発熱を得ることはできない。

そこで、異なる品種、品質、熱量である多種類の燃料２を適宜に同一系統のバーナ４で燃焼させる場合、制御機能付熱量計ＸＩＣ９により燃料別の熱量に応じた信号を出力する。この制御機能付熱量計ＸＩＣ９その他の出力する信号を用いる副制御系と、制御機能付温度計ＴＣ７の出力する信号を用いた主制御系によって、燃料調節弁３の弁開度をカスケード制御する。すなわち、主制御系により前記検出温度を燃料調節弁３に単純フィードバックし、その弁開度を長い時定数かつ大きなゲインにより制御する。この主制御系と共に多重ループを構成する副制御系は制御機能付熱量計ＸＩＣ９の出力する燃料別の熱量に応じて短い時定数かつ小さなゲインにより迅速に弁開度を補正制御する。

このようなカスケード制御によって、検出された燃料２の熱量に応じた最適な燃焼供給量のきめ細かい制御を実現することが可能となる。例えば、単位燃料当たりの熱量が大きい品種から小さい品種へと燃料２が切り替えられたことを、制御機能付熱量計ＸＩＣ９によって検出された場合は、制御機能付温度計ＴＣ７の検出する現在検出温度が目標値と一致していたとしても、温度が不足しているかのように補正することにより、燃料調節弁３の弁開度を大きくして熱量の不足分を補うことにより、迅速な温度補償が可能である。

このようなバーナ制御システムＥ１によれば、プラント内で発生するオフガスを初めとする多種類の燃料２を、同一系統のバーナ４で適宜選択しながら燃焼させた場合にも、異なる燃料の品種、品質、熱量に応じて最適な燃焼の供給量を維持するように自動制御して、安定均一な発熱を得ることが可能である。

また、制御機能付熱量計ＸＩＣ９は、検出された燃料２の熱量に対応する燃料調節弁３の最適な弁開度を燃料調節弁３に指示する燃料別制御パターンを、図示せぬＲＯＭ等において読み出し自在に記憶していると良い。その場合の動作は以下のとおりである。まず、制御機能付熱量計ＸＩＣ９が計測出力した熱量に基づく信号に対応した燃料別制御パターンを、制御機能付熱量計ＸＩＣ９に内蔵されたマイクロコンピュータがＲＯＭから読み出す。読み出された燃料別制御パターンは、検出された燃料２の熱量に応じた最適弁開度を燃料調節弁３に指示できるように情報構成されている。

燃料調節弁３は、該当する燃料２を燃料別制御パターンの指示するとおりの最適な供給量だけバーナ４で燃焼させることによって、確実に制御目的を達成することが可能となる。この場合、制御機能付熱量計ＸＩＣ９は熱量まで算出しなくとも、燃料２の成分を分析することによっても、その成分に応じた最適な燃料別制御パターンをＲＯＭ等から読み出すことが可能であるようにすれば、制御機能付熱量計ＸＩＣ９を燃料成分分析装置（図示せず）に置き換えても構わない。

図２は本発明の第２実施形態に係るバーナ制御システムＥ２を示す概略構成図である。ここでは、図１に沿って既に説明した第１実施形態に係るバーナ制御システムＥ１との相違点のみを説明する。

図２において、第１の制御部２１は、制御機能付温度計ＴＣ７の検出した温度信号を一定にするように燃料調節弁３の弁開度を制御する制御機能を有する。
制御機能付熱量計ＸＩＣ９は、燃料調節弁３より上流側の燃料系統に介挿されており、この制御機能付熱量計ＸＩＣ９よりも、さらに上流側に燃料の種類別に分岐独立した燃料系統毎に介挿されている燃料調節弁３Ａ，３Ｂを制御する。
第２の制御部２２は、制御機能付熱量計ＸＩＣ９によって検出された燃料２Ａ，２Ｂの熱量を計測した信号が一定になるように燃料調節弁３Ａ，３Ｂを制御する。

バーナ制御システムＥ２においては、図１に示したバーナ制御システムＥ１に沿って説明したカスケード制御に代えて、以下のように制御を行なう。まず、燃料調節弁３の弁開度を制御する第１の制御部２１は、制御機能付温度計ＴＣ７がボイラ出口で検出した加熱流体１の検出温度を、燃料調節弁３に単純フィードバックするのみであり、別要因による補正制御は行なわない。このことは、検出温度を燃料調節弁３に単純フィードバックしてその弁開度を制御する既存の単一燃料型バーナシステムを生かすためである。そして、既存の燃料調節弁３より上流側の燃料系統に介挿された制御機能付熱量計ＸＩＣ９によって検出された燃料別の熱量に基づく信号を用いて、制御機能付熱量計ＸＩＣ９の上流側で種類別に分岐独立した燃料系統毎に介挿された燃料調節弁３Ａ，３Ｂを第２の制御部２２が制御する。

このバーナ制御システムＥ２によれば、燃料調節弁３より下流側の燃料系統は、従来からある通常どおりのバーナ制御システムをそのまま用いることが可能であるので、既存の単一燃料型バーナシステムを生かして容易に多種燃料対応型へとグレードアップすることができる。なお、既存の単一燃料型バーナシステムを生かす必要がなければ、制御機能付温度計ＴＣ７の検出した温度信号で燃料調節弁３の弁開度を制御する第１の制御部２１と制御機能付熱量計ＸＩＣ９検出信号を用いた第２の制御部２２を多重ループにしてカスケード制御しても良い。

さらに、制御機能付温度計ＴＣ７の検出した温度信号により第１の燃料調節弁３の弁開度を制御する第１の制御部２１と、制御機能付熱量計ＸＩＣ９検出信号を用いた第２の制御部２２が、バーナ４へ供給される燃料２Ａ，２Ｂの圧力を検出する制御機能付燃料圧力計ＰＣ８の検出した燃料圧力に応じた信号に基づいて、第１の燃料調節弁３および／または第２の燃料調節弁３Ａ，３Ｂを制御するようにしても良い。

なお、使用する燃料２Ａ，２Ｂの種類に応じた単位容積当たりの熱量を、制御機能付熱量計ＸＩＣ９が検出する手段に関しては、制御機能付熱量計ＸＩＣ９として、周知の自動式ボンベ型制御機能付熱量計を採用しても良い。あるいは、精密に計量した微小流量の燃料２Ａ，２Ｂを、メインのバーナ４とは別に特設したパイロットバーナ等で実際に燃焼させて熱量を計測した実測値を用いても構わない。または、試料を燃焼させずに短時間で燃料分析する分析手段があればそれを用いても良い。

前記自動式ボンベ型制御機能付熱量計は計量法で定められている特定計量器に該当しているため取引証明用の熱量測定にも利用可能であって、日本工業規格ＪＩＳＭ８８１４やＪＩＳＫ２２７９に準拠した自動制御機能付熱量計の測定が行えるものである。したがって、化石燃料全般に及んで原油・重油・天然ガス・石炭・コークス等、あらゆる種類別の燃料に対する熱量を測定する制御機能付熱量計として有効である。具体的には、ボンベに試料と酸素を投入してから計測開始の命令によって、給水・温度調節・点火・記録・排水まで自動的に進行し、１ｇ当りの燃焼熱が算出され、熱量を計測した実測値に応じた信号を出力できる、というものである。

なお、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。例えば、加熱炉の一例として示したボイラ１０の形式は図１，図２に示した貫流ボイラ（Ｚボイラ）に限定せず、加熱流体１も水に限定されず、ホットオイル、ハイドロカーボン、窒素または空気等であっても構わない。また、プラント内で発生するオフガスを燃料２に用いるか否か、あるいは複数の種類による燃料２Ａ，２Ｂの何れか１種類を専焼とするか、あるいは混合焚きとするかも自由である。さらに、燃料別制御パターンを読み出し自在に記憶するＲＯＭに代えて他の記憶媒体を用いても構わない。

以上説明したように、多種類の燃料２Ａ，２Ｂを、同一系統のバーナ４で適宜選択または混合して燃焼させる際、ボイラ温度による主フィードバック系に加えて、制御機能付熱量計ＸＩＣ９で実測した燃料種類別の単位容積当たり熱量に応じた信号を用いて燃料調節弁３をカスケード制御する技術はすべて本発明に含まれるものと見なし得る。また、別の表現として主制御系をマスター、副制御系をスレーブといった呼称の違いがあっても本発明に含まれるものと見なされる。

本発明の第１実施形態に係るバーナ制御システムを示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係るバーナ制御システムを示す概略構成図である。

符号の説明

１…加熱流体、 ２，２Ａ，２Ｂ…燃料、 ３…燃料調節弁、
３Ａ，３Ｂ…燃料調節弁、 ４…バーナ、 ６…流量計ＦＩ、
７…制御機能付温度計ＴＣ、 ８…制御機能付燃料圧力計ＰＣ、
９…制御機能付熱量計ＸＩＣ、 １０…ボイラ、 ２０，２１，２２…制御部
Ｅ１，Ｅ２…バーナ制御システム、

Claims (4)

1. 燃料を燃焼させて対象物を加熱するバーナへの燃料供給を制御するバーナ制御システムにおいて、
   前記対象物の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料の熱量を検出する熱量検出手段と、
   前記バーナへの燃料供給量を調節する燃料調節手段と、
   前記温度検出手段の検出結果及び前記熱量検出手段の検出結果に基づいて前記温度検出手段の検出結果が一定となるように燃料調節手段をカスケード制御する制御手段と、を具備することを特徴とするバーナ制御システム。
2. 異なる種類の燃料からなる混合燃料を燃焼させて対象物を加熱するバーナへの燃料供給を制御するバーナ制御システムにおいて、
   前記対象物の温度を検出する温度検出手段と、
   前記混合燃料の熱量を検出する熱量検出手段と、
   各種類の燃料毎に設けられ、各燃料のバーナへの供給量を調節する第１の燃料調節手段と、
   混合燃料のバーナへの供給量を調節する第２の燃料調節手段と、
   前記熱量検出手段の検出結果に基づいて当該熱量検出手段の検出結果が一定となるように第１の燃料調節手段を制御する第１の制御手段と、
   前記温度検出手段の検出結果に基づいて当該温度検出手段の検出結果が一定となるように第２の燃料調節手段を制御する第２の制御手段と
   を具備することを特徴とするバーナ制御システム。
3. 燃料あるいは混合燃料のバーナへの供給圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、制御手段あるいは第２の制御手段は、前記温度検出手段の検出結果に加え、圧力検出手段の検出結果に基づいて前記燃料調節手段あるいは第２の燃料調節手段を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバーナ制御システム。
4. バーナは、加熱炉において対象物である加熱流体を加熱することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載のバーナ制御システム。

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