JP2010210176A

JP2010210176A - バーナ及びバーナの制御方法

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Publication number: JP2010210176A
Application number: JP2009058101A
Authority: JP
Inventors: Masao Kurano; 雅夫蔵野
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】ボイラ等の連続燃焼が必要な燃焼機器の燃焼に用いるインジェクションノズル等の間欠噴射ノズルを有するバーナに関して、安定した燃焼が可能なバーナ及びバーナの制御方法を提供すること。
【解決手段】供給した燃料を燃焼するバーナ１であって、前記燃料を間欠噴射する間欠噴射ノズル２１と、前記燃料を噴射することにより前記間欠噴射ノズル２１から噴射した燃料を安定して燃焼させる安定化ノズル２２とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、間欠噴射ノズルを有するバーナ及びかかるバーナの制御方法に関する。

従来、例えば、ボイラ等の燃焼機器を運転する場合に、複数の燃焼位置において段階的に燃焼量を変化させ又は燃料供給量を無段階に制御して燃焼量を連続的に変化させて発停回数を抑制することにより燃焼を安定させるとともに省エネルギーが実現されている。
かかる燃焼機器では、例えば、特許文献１に示すように燃料の噴射量を燃料ポンプの圧力により調整するバーナが広く用いられている。

このような燃料ポンプの圧力により燃料噴射量を調整するバーナによって、例えば、ターンダウン比（最大燃焼量／最小燃焼量）が大きな燃焼機器の燃焼量を制御する場合、燃焼量を小さくするために燃料の噴射量を減少させると燃料ポンプの圧力制御が困難となって振動燃焼や失火が発生しやすくなるうえ噴射された燃料の微粒化特性が低下して安定した燃焼を行なうことが困難であった。

そこで、例えば、弁体を開閉してノズル孔から燃料を間欠噴射するインジェクションノズル等の間欠噴射ノズルを用いて間欠噴射における噴射時間、噴射停止時間等を制御することにより、燃料噴射量を燃料量の増減に関わらず安定することが考えられる。

特開２００５−３４４９８２号公報

しかしながら、間欠噴射ノズルによって燃料を噴射する場合、燃焼量を減少すると噴射停止時間が大きくなって燃焼に必要な濃度の燃料が確保されない領域が形成されやすくなるために燃焼が不安定となり、ボイラ等の連続燃焼する燃焼機器に間欠噴射ノズルを有するバーナを用いた場合は燃焼が安定しないという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、ボイラ等の連続燃焼が必要な燃焼機器の燃焼に用いるインジェクションノズル等の間欠噴射ノズルを有するバーナに関して、安定した燃焼が可能なバーナ及びバーナの制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の発明は、供給した燃料を燃焼するバーナであって、前記燃料を間欠噴射する間欠噴射ノズルと、前記燃料を噴射することにより前記間欠噴射ノズルから噴射した燃料を安定して燃焼させる安定化ノズルとを備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、燃料を間欠噴射する間欠噴射ノズルを備え、供給された燃料を燃焼させるバーナの制御方法であって、安定化ノズルから前記燃料を噴射して、前記間欠噴射ノズルから噴射した燃料を安定して燃焼させることを特徴とする。

この発明に係るバーナ及びバーナの制御方法によれば、インジェクションノズル等、燃料を間欠噴射する間欠噴射ノズルとともに安定化ノズルを備えているので、供給した燃料を安定して燃焼させることができる。
その結果、振動燃焼、失火等の発生を抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のバーナであって、前記安定化ノズルの噴射を停止する噴射停止時間をゼロ以上設定時間以下とするように構成されていることを特徴とする。

この発明に係るバーナによれば、間欠噴射ノズルを備えたバーナを燃焼させる場合に、安定化ノズルを併設し、この安定化ノズルの噴射停止時間をゼロ以上設定時間以下とするため、火炎が形成される空間における燃料濃度が所定濃度以下となり燃焼が困難な雰囲気の領域が形成されるのを抑制することができる。
その結果、振動燃焼、失火等の発生を抑制することができる。
なお、火炎が形成される空間における燃料の濃度は、その燃料における燃焼範囲以上であることが好適である。
なお、この明細書において、燃料噴射停止時間は燃焼量と対応する設定値としてもよく、燃焼量の増減に対応して設定値を変化させてもよい。また、間欠噴射における燃料噴射の周期は、燃焼量に応じて変化させることが可能であるとする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のバーナであって、前記間欠噴射ノズルは、
単位時間あたりの最大噴射量が、前記安定化ノズルの単位時間あたりの最大噴射量よりも大きく構成されていることを特徴とする。

この発明に係るバーナによれば、単位時間あたりの最大噴射量に関して、間欠噴射ノズルが安定化ノズルよりも大きく構成されているので、安定化ノズルを用いて小さな燃焼量において燃料を安定して噴射するとともに、間欠噴射ノズルにより燃焼量の大きな増減を得ることができる。また、主として間欠噴射ノズルによって燃料噴射量を調整するので燃焼量の増減に正確に対応することができる。
したがって、（最大燃焼量／最小燃焼量）の比が大きな燃焼を正確かつ安定して行なうことができる。

この発明に係るバーナ及びバーナの制御方法によれば、燃料を間欠噴射する間欠噴射ノズルを備えたバーナをボイラ等の連続燃焼する燃焼機器に用いる場合に安定した燃焼を行なうことができる。

本発明の第１の実施形態に係るバーナの概略を示す縦断面図である。間接噴射ノズルの一例を示す概略縦断面図である。第１の実施形態に係るバーナの作用を説明する図である。本発明の第２の実施形態に係るバーナの概略を示す縦断面図である。第２の実施形態に係るバーナの作用を説明する図である。

以下、図１から図３を参照し、この発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係るバーナ１の概略を示す縦断面図である。
バーナ１は、図１に示すように、燃料噴射部２と、送風手段（図示せず）と、燃焼用空気供給路３と、制御部５とを備え、例えば、最小燃焼量と最高燃焼量との間において燃焼量を連続的に制御可能とされている。

また、バーナ１は、例えば、ターンダウン比（最大燃焼量／最小燃焼量）を１０倍から２０倍、すなわち燃料供給量の制御範囲（最小供給量：最大供給量）を、１：１０から１：２０に設定可能とされている。
なお、燃料供給量の制御範囲を１：１０未満とし、又は１：２０超に設定することもできる。

燃料噴射部２は、燃料を噴射するための燃料噴射ノズル２０と、燃料噴射ノズル２０に燃料を供給する燃料ポンプ２５とを備え、燃料噴射ノズル２０は、第１インジェクションノズル（間欠噴射ノズル）２１と、燃料を連続噴射する圧力噴射ノズル（安定化ノズル）２２とを有し、燃料ポンプ２５は、第１インジェクションノズル２１、圧力噴射ノズル２２のそれぞれに対応する燃料ポンプ２６、燃料ポンプ２７を有している。また、燃料ポンプ２７と圧力噴射ノズル２２との間には電磁バルブ２７Ｖが設けられている。
また、第１インジェクションノズル２１の単位時間あたりの最大噴射量は、ターンダウン比に対応して圧力噴射ノズル２２の単位時間あたりの最大噴射量よりも大きく構成されている。
なお、圧力噴射ノズル２２に代えて、二流体ノズルをはじめとする周知の非戻り形噴射ノズルを用いてもよい。

第１インジェクションノズル２１は、例えば、図２に示すようにノズル筐体２０１の先端にノズル孔２０２が形成され、このノズル孔２０２には燃料ポンプ２６から燃料を送るための流路２０３が接続されている。
また、ノズル孔２０２のノズル筐体２０１内側には弁座２０２Ａが形成され、この弁座２０２Ａには、例えば、図示しないソレノイドにより往復動作する弁体２０４のシール部２０４Ａが離間、密着することによりノズル孔２０２が開閉され、ノズル孔２０２が開いた場合に燃料が噴射されるようになっている。

第１インジェクションノズル２１には、制御部５からの制御信号によって燃料ポンプ２６で加圧された燃料が常時印加されており、第１インジェクションノズル２１の燃料噴射は、制御部５が出力した制御信号（例えば、パルス信号）によりソレノイドが作動してノズル孔２０４を開口した際に行われ、燃料噴射量は、例えば、制御信号の間欠周波数、開口時間等により調整されるようになっている。

なお、燃料噴射部２から噴射される燃料は、燃料油等の液体燃料とされ、間欠噴射ノズルは、ソレノイドにより作動する弁体によってノズル孔を開閉するインジェクションノズルの他、ソレノイド以外の手段により作動する弁体によって燃料を噴射する間欠噴射ノズル、弁体の動作によらずに燃料を間欠噴射する間欠噴射ノズルを用いてもよい。

また、圧力噴射ノズル２２による燃料の噴射は、制御部５からの制御信号によって燃料ポンプ２７で加圧された燃料を電磁バルブ２７Ｖで制御することにより行なわれるようになっており、制御部５が出力した制御信号により電磁バルブ２７Ｖを開いている間、圧力噴射ノズル２２から燃料が噴射されるようになっており、圧力噴射ノズル２２の燃料噴射は、バーナ１が燃焼している間、常時（すなわち噴射停止時間はゼロ）行うようになっている。

送風手段は、例えば、ボイラに要求される燃焼状態に対応する量の燃焼用空気を供給するようになっており、燃焼用空気を送り出す送風ファンと、この送風ファンを回転するモータと、このモータの回転数を制御するための電流周波数を制御するインバータとを備えている。

燃焼用空気供給路３は、例えば、燃料噴射ノズル２０の周囲を囲繞して燃料噴射ノズル２０との間に内側空気流路３１Ａを形成する円筒状の内筒３１と、内筒３１の外周に配置され内筒３１を囲繞する円筒状の外筒３２とを備え、内筒３１と外筒３２との間には外側空気流路３２Ａが形成されている。

外筒３２は、上流側がウインドボックス３３を介してダクト３４に接続され、ダクト３４は上流側が送風手段に接続されていて、内側空気流路３１Ａ及び外側空気流路３２Ａに燃焼用空気が送風されるようになっており、図１において示した符号Ａは送風手段から送風された燃焼用空気を、符号Ａｉは内側空気流路３１Ａを流れる一次空気を、符号Ａｏは外側空気流路３２Ａを流れる二次空気を表している。
また、内側空気流路３１Ａ及び外側空気流路３２Ａの下端には、環状板部材３５が配置されている。
環状板部材３５は、中央に内側空気流路３１Ａに対応する円形孔３５Ａが形成されるとともに、その周囲に外側空気流路３２Ａに対応する開口部３５Ｂが周方向に複数形成されている。また、開口部３５Ｂには下方に向かう空気ノズル３５Ｃが接続されている。

制御部５は、例えば、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）に格納されたプログラムと、このプログラムを実行する演算部とを備えており、例えば、ボイラの制御装置から出力された燃焼制御（バーナ停止、低燃焼状態、高燃焼状態）に関する信号に基づいて燃焼制御に対応した送風量に係る信号を送風手段に出力するとともに、第１インジェクションノズル２１及び圧力噴射ノズル２２への燃料供給に係る制御信号を出力してそれぞれの燃料噴射を制御するようになっている。

この実施形態において、制御部５は、バーナ１が燃焼している場合には、圧力噴射ノズル２２を燃料の噴射能力１００％で常時作動し、燃焼量の増減に対応するための燃料の噴射を第１インジェクションノズル２１の燃料噴射量を制御して行うようになっている。ここで、圧力噴射ノズル２２による燃料の噴射を燃料の噴射能力の１００％未満で行なうように設定してもよい。

なお、第１インジェクションノズル２１の燃料噴射量は、例えばパルス信号の周期、ＯＮ時間、ＯＦＦ時間によって、燃料噴射の周期、噴射時間、噴射停止時間を制御することにより行われるようになっており、これら燃料噴射の周期、噴射時間、噴射停止時間は、第１インジェクションノズル２１の一回あたりの燃料噴射量、噴射された燃料の速度、燃料の種類、噴射された燃料の火炎形成領域における濃度等により予め設定されている。

次に、図３を参照して、バーナ１の作用について説明する。
ここで、図３（Ａ）は、バーナ１の燃焼量が小さい場合における第１インジェクションノズル２１、圧力噴射ノズル２２の燃料噴射に係る制御信号を示しており、図３（Ｂ）は、例えば、燃焼量が大きい場合における第１インジェクションノズル２１、圧力噴射ノズル２２の燃料噴射に係る制御信号を示している。

また、「ＯＮ」は燃料噴射に係る制御信号が「ＯＮ」であり燃料噴射している噴射時間Ｔ1を、「ＯＦＦ」は燃料噴射に係る制御信号が「ＯＦＦ」であり燃料噴射が停止している噴射停止時間Ｔ２、Ｔ３を示している。

圧力噴射ノズル２２による燃料噴射は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、バーナ１の燃焼が開始された後は、電磁バルブ２７Ｖが常時開かれて、常時燃料噴射するようになっている。
一方、第１インジェクションノズル２１による燃料噴射に関して、制御部５は、燃焼量が小さい場合には、図３（Ａ）に示すように、噴射停止時間（Ｔ２）を長くすることで燃料噴射周期（Ｔ１＋Ｔ２）に対する噴射停止時間（Ｔ２）の比率が大きいパルス信号を出力して燃料噴射量を少なくし、燃焼量が大きい場合には、図３（Ｂ）に示すように、噴射停止時間（Ｔ３）を短くすることで燃料噴射周期（Ｔ１＋Ｔ３）に対する噴射停止時間（Ｔ３）の比率が小さいパルス信号を出力して燃料噴射量を少なくする。
その結果、第１インジェクションノズル２１及び圧力噴射ノズル２２から噴射する燃料の量及び燃焼量が制御される。

バーナ１によれば、圧力噴射ノズル２３から常時燃料を噴射するので、バーナ１の燃焼量が小さい場合でも燃料が常時噴射されるので安定した燃焼を行なうことができる。
なお、図３（Ａ）では、第１インジェクションノズル２１及び圧力噴射ノズル２２の双方で燃焼量が小さい場合における燃料の噴射を行う場合について説明したが、例えば、最低燃焼量における燃料の噴射を、圧力噴射ノズル２２及び第１インジェクションノズル２１により行なうか、圧力噴射ノズル２５のみで行なうかは設定可能な事項である。

また、バーナ１によれば、ターンダウン比（最大燃焼量／最小燃焼量）が大きい場合であっても、低燃焼量であっても安定した燃焼を期待することができる。

次に、図４、図５を参照して、この発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態に係るバーナ１Ａが第１の実施形態に係るバーナ１と異なるのは、燃料噴射ノズル２０及び燃料ポンプ２５を備えた燃料噴射部２及び制御部５に代えて、燃料噴射ノズル２０Ａ及び燃料ポンプ２６を備えた燃料噴射部２Ａ及び制御部５Ａが設けられている点であり、その他は第１の実施形態と同様であるため、同じ符号を付して説明を省略する。

燃料噴射ノズル２０Ａは、第１インジェクションノズル２１と第２インジェクションノズル（安定化ノズル）２３とを備え、第１インジェクションノズル２１、第２インジェクションノズル２３は、燃料ポンプ２６から分岐された配管を介して燃料ポンプ２６と接続されており、燃料ポンプ２６と第１インジェクションノズル２１、第２インジェクションノズル２３の間にはそれぞれ電磁バルブ２６Ｖ、２８Ｖがそれぞれ設けられている。

また、制御部５Ａは、第１インジェクションノズル２１と第２インジェクションノズル２３、燃料ポンプ２６、電磁バルブ２６Ｖ、電磁バルブ２８Ｖに対して制御信号を出力するようになっており、燃料ポンプ２６が燃料を印加した状態で電磁バルブ２６Ｖ、２８Ｖを開閉することにより第１インジェクションノズル２１、第２インジェクションノズル２３から燃料を間欠噴射するようになっている。

なお、第１インジェクションノズル２１の単位時間あたりの最大噴射量は、第２インジェクションノズル２３の単位時間あたりの最大噴射量よりも大きく構成されており、例えば、第１インジェクションノズル２１に対する第２インジェクションノズル２３の燃料の噴射能力は、約９：１から１９：１に設定されている。なお、燃料の噴射能力は、自在に設定可能な事項である。

次に、図５を参照して、バーナ１Ａの作用について説明する。
ここで、図５（Ａ）は、バーナ１Ａの燃焼量が小さい場合における第１インジェクションノズル２１、第２インジェクションノズル２３の燃料噴射に係る制御信号を示しており、図５（Ｂ）は、例えば、燃焼量が大きい場合における第１インジェクションノズル２１、第２インジェクションノズル２３の燃料噴射に係る制御信号を示している。
また、図５における「ＯＮ」、「ＯＦＦ」の意義は、第１の実施形態の場合と同様である。

第２インジェクションノズル２３による燃料噴射は、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、バーナ１Ａの燃焼が開始された後は、例えば、噴射時間ＴＡ、噴射停止時間ＴＢ、噴射周期（ＴＡ＋ＴＢ）で行なわれるようになっており、噴射停止時間ＴＢは、バーナ１Ａが安定して燃焼可能な燃料停止時間に基づいて設定される設定時間以下（すなわち、噴射停止時間ＴＢ≦設定時間）とされている。

また、第２インジェクションノズル２３が噴射をしていない噴射停止時間ＴＢに第１インジェクションノズル２１を噴射させることで、噴射停止時間ＴＢにおける燃料の欠乏を第１インジェクションノズル２１により補完するようになっている。

また、制御部５Ａは、第１インジェクションノズル２１による燃料噴射に関して、燃焼量が小さい場合には、図５（Ａ）に示すように、噴射停止時間（Ｔ２）を長くすることで燃料噴射周期（Ｔ１＋Ｔ２）に対する噴射停止時間（Ｔ２）の比率が大きいパルス信号を出力して燃料噴射量を少なくし、燃焼量が大きい場合には、図５（Ｂ）に示すように、噴射停止時間（Ｔ３）を短くすることで燃料噴射周期（Ｔ１＋Ｔ３）に対する噴射停止時間（Ｔ３）の比率が小さいパルス信号を出力して燃料噴射量を少なくする。
その結果、第１インジェクションノズル２１及び第２インジェクションノズル２３から噴射する燃料の量及び燃焼量が制御される。
なお、バーナ１Ａの燃焼が不安定とならない範囲で、第２インジェクションノズル２３による燃料噴射が、第１インジェクションノズル２１による燃料噴射と同じタイミングとなってもよい。

バーナ１Ａによれば、噴射停止時間ＴＢが設定値以下とされるので、燃料濃度が所定濃度以下となって燃焼困難な領域が燃焼領域に形成されるのが抑制され、安定した燃焼を行うことができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態においては、燃料を間接噴射する間接噴射ノズルが１つのインジェクションノズル２１により構成される場合について説明したが、複数の間接噴射ノズルを用いてもよい。

また、上記実施の形態においては、安定化ノズルとして、１つの圧力噴射ノズル２２又は１つのインジェクションノズル２３を用いる場合について説明したが、複数の圧力噴射ノズル又は複数のインジェクションノズルを用いてもよいし、圧力噴射ノズルとインジェクションノズルを組み合わせて用いてもよい。

また、第１の実施の形態においては、第１インジェクションノズル２１、第２インジェクションノズル２２が、燃焼ポンプ２６、２７にそれぞれ個別に接続される場合について説明したが、例えば、第２の実施形態同様に、第１インジェクションノズル２１と燃料ポンプ２７の間に電磁バルブを設けることで燃料供給をひとつの燃料ポンプ（例えば、燃料ポンプ２７）にまとめ、燃料ポンプ２７から第１インジェクションノズル２１、第２インジェクションノズル２２の双方にそれぞれ燃焼量に応じた燃料を供給可能な構成としてもよい。また、前述のように、複数の圧力噴射ノズル又は複数のインジェクションノズルを組み合わせて用いる場合に、同様の構成が採用可能であることはいうまでもない。

また、上記実施の形態においては、燃焼量を低燃焼状態、高燃焼状態に段階的に制御する場合について説明したが、間接噴射ノズルによる燃料噴射、安定化ノズルによる燃料噴射、間接噴射ノズル及び安定化ノズルによる燃料噴射による燃料の噴射量を制御することにより燃焼量を連続的に増減可能な構成としてもよい。

また、上記実施の形態においては、燃焼用空気供給路３が外筒３２と内筒３１からなる二重管により内側空気流路３１Ａ、外側空気流路３２Ａが形成される場合について説明したが、例えば、単一に形成され又は３以上の空気流路を有する燃焼用空気供給路を備えていてもよい。

また、上記実施の形態においては、バーナ１、１Ａが制御部５、５Ａを一体に備えている場合について説明したが、制御部５、５Ａの機能をバーナ１、１Ａ自体が備えずに、バーナ１、１Ａの外部に設けられた制御手段により制御される構成としてもよい。
また、燃料供給部２に対する制御が、演算部とプログラムとを有する制御部５、５Ａから制御信号を出力するデジタル制御手段による場合について説明したが、オペアンプ等を用いたアナログ制御手段、圧力変化等を機械的に操作量に変換する機械的制御手段を用いてもよい。

また、バーナ１、１Ａにおいて燃料を間欠噴射する場合に、間欠噴射における噴射時間と噴射停止時間等を火炎を形成する空間における空気比が理論値近傍で還元性雰囲気となるようにし、又は水を同時に噴射することにより濃淡燃焼させてもよく、かかる構成によって低ＮＯ_Ｘ燃焼の効率を向上することができる。

また、上記実施の形態においては、バーナ１、１Ａを適用する燃焼機器がボイラである場合について説明したが、連続燃焼が必要とされる給湯器、吸収式冷凍機等、各種の燃焼機器に対して適用することが可能である。

インジェクションノズルを有するバーナを連続燃焼する燃焼機器に用いる場合に安定した燃焼を行なうことができるので、産業上利用可能である。

１、１Ａバーナ
５、５Ａ制御部
２１第１インジェクションノズル（間欠噴射ノズル）
２２圧力噴射ノズル（安定化ノズル）
２３第２インジェクションノズル（安定化ノズル）

Claims

供給した燃料を燃焼するバーナであって、
前記燃料を間欠噴射する間欠噴射ノズルと、
前記燃料を噴射することにより前記間欠噴射ノズルから噴射した燃料を安定して燃焼させる安定化ノズルと、を備えることを特徴とするバーナ。
請求項１に記載のバーナであって、
前記安定化ノズルの噴射を停止する噴射停止時間をゼロ以上設定時間以下とするように構成されていることを特徴とするバーナ。
請求項２に記載のバーナであって、
前記間欠噴射ノズルは、
単位時間あたりの最大噴射量が、前記安定化ノズルの単位時間あたりの最大噴射量よりも大きく構成されていることを特徴とするバーナ。
燃料を間欠噴射する間欠噴射ノズルを備え、供給された燃料を燃焼させるバーナの制御方法であって、
安定化ノズルから前記燃料を噴射して、前記間欠噴射ノズルから噴射した燃料を安定して燃焼させることを特徴とするバーナの制御方法。