JP2011080700A

JP2011080700A - 燃焼炉の燃焼空気制御方法及び装置

Info

Publication number: JP2011080700A
Application number: JP2009233521A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kuroda; 剛黒田; Takayasu Sonobe; 貴康園部; Koji Kondo; 浩二近藤; Somei Okumura; 聡明奥村; Tadato Abe; 唯人阿部
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2011-04-21

Abstract

【課題】必要空気量を各バーナに供給することができ、しかも無駄な圧力をダンパ圧損として消費することのないように燃焼空気ブロワの回転数を適切に制御し、エネルギーの無駄を抑制した燃焼炉の燃焼空気制御方法及び装置を提供する。
【解決手段】燃焼空気ヘッダー２からコントロールダンパ３を介して複数のバーナ４に燃焼空気を供給する燃焼炉の燃焼空気制御方法である。各バーナ４の燃焼空気量が必要空気量と一致するよう燃焼空気流量制御器１１により、コントロールダンパ３を開閉操作することに加え、一次調節計を最大開度制御器１３、二次調節計を燃焼空気圧力制御器１４とするカスケード制御を構成し、各コントロールダンパ３のうち最大開度が、目標開度になるよう燃焼空気ヘッダー圧力を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数のバーナを備えた燃焼炉の燃焼空気制御方法及び装置に関するものであり、特にバーナの燃焼量が大きく変化するバッチ炉に適した燃焼炉の燃焼空気制御方法及び装置に関するものである。

燃焼炉に設置された複数のバーナに燃焼空気を供給するためには、図１に示すように燃焼空気ブロワ１から燃焼空気ヘッダー２に送風し、この燃焼空気ヘッダー２にコントロールダンパ３を介して各バーナ４を接続するのが一般的である（非特許文献１）。各バーナ４は必要とされる炉内温度に応じてそれぞれ燃料供給量が制御され、それに応じて燃焼空気量もコントロールダンパ３によって制御される。特にバッチ式燃焼炉の場合には炉内温度や炉内雰囲気（酸素濃度など）の要求に応じ、燃焼空気量を大きく可変する必要がある。

燃焼空気ヘッダー２の圧力設定値は、バーナ４に最大風量を送風することができるように、余裕のあるやや高めとされている。なお燃焼空気ヘッダー２の圧力は、燃焼空気ブロワ１の回転数をインバータ５で増減することによって制御されている。

しかしこのようにバーナ４に最大風量を送風することができるように燃焼空気ヘッダー２の圧力を高めに維持する燃焼空気制御装置は、小流量時にはその圧力の大半をコントロールダンパ３の圧損として無駄に消費していることとなる。特に、焼成時間の経過によって必要風量が大きく変化するバッチ式燃焼炉の場合には、燃焼空気ブロワ１のエネルギーロスが大きくなるという欠点がある。

また、小流量時にはコントロールダンパ３を絞り、抵抗を大きくして風量を減らす事となるが、送風機特性曲線の左上がり部分（サージング領域）の風量まで減らすと、管路系に空気の脈動、振動、騒音が発生し不安定な運転状態となる。このサージング対策として燃焼空気ブロワ１の放風やバイパス循環などを行うことも考えられるが、燃焼空気ブロワ１が必要風量以上の軸動力を消費することとなって非常に不経済である。

さらに燃焼空気ヘッダー２の圧力は最大風量を送風することができるように保たれるため、小流量時には各コントロールダンパ３は大きく絞り込まれ、動作角度当たりの風量変化量が増大し、不安定な現象を起こすことがある。この対策としてはコントロールダンパ３に高分解能が要求され、コストアップとなる。

上記したように、燃焼空気ヘッダー２の圧力を各バーナ４に最大風量を送風することができるように常に高めに維持する燃焼空気制御装置は、エネルギーの無駄が多い。そこで特許文献１には、図２に示すように、所要空気量が最大のバーナ４に合わせて燃焼空気ブロワ１の回転数を制御する装置が提案されている。この装置は最大要求流量の選択器（ハイセレクタ）６を備え、回転数指令器７がインバータ５に指令を与える。

しかしこの燃焼空気制御装置は燃焼空気ヘッダー２の圧力が一定に保たれていないので、あるバーナ４の風量を調整しようとしてそのコントロールダンパ３を開閉操作すると、燃焼空気ヘッダー２から見た装置全体の通気抵抗が変化するため、燃焼空気ヘッダー２の圧力が変動し、他のバーナ４の風量も変化してしまう。このため他のバーナ４のコントロールダンパ３の開閉操作が必要となるが、それに応じて再び燃焼空気ヘッダー２の圧力が変動するので、各バーナ４のコントロールダンパ３の開閉操作を繰り返すこととなり、このような相互干渉により系が不安定となる。

さらに、最大の所要空気量比率を呈するバーナ４に合わせて燃焼空気ブロワ１の回転数を制御するが、燃焼空気ヘッダー２から見た装置側の全体の通気抵抗の変化を把握していないため、全てのバーナ４が最大の所要空気量比率となった場合にも対応できるように、余裕のある高めの回転数に設定される。従ってバーナ４の所要空気量比率のばらつきが大きい工程では、無駄な圧力をダンパ圧損として消費することとなる。

「省エネルギー技術実践シリーズファン・ブロワ」財団法人省エネルギーセンター

特開昭５７−１６９００６号公報

本発明は上記した従来技術の問題点を解決し、各バーナの必要空気量を供給することに加え、無駄な圧力をダンパ圧損として消費することのないように燃焼空気ブロワの回転数を適切に制御し、エネルギーの無駄を抑制した燃焼炉の燃焼空気制御方法及び装置を提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するために本発明者は、各バーナの流量制御の相互干渉が生じないように燃焼空気ヘッダーを一定圧力に保つ方式を採用するとともに、必要空気圧力Ｐと必要燃焼空気量Ｑとの関係を示す理論式Ｐ＝Ｐｎ（Ｑ／Ｑｎ）^２を演算器に組み込み、最大要求流量のバーナに適用することによって必要空気量を供給可能な最小圧力を求め、燃焼空気ヘッダーをその圧力に制御することを試みた。なお、Ｐｎは送風機の定格圧力、Ｑｎは送風機の定格風量である。このとき各バーナの燃焼空気流量計には、流体の圧力変化の影響を受けない、温度・圧力補正機能を装備した差圧式流量計を用いた。しかし、この方式の制御装置は、バーナの燃焼圧力や炉内圧力などの風速に無関係な固定抵抗の変化には理論式だけでは追従できないという問題があることが判明した。このため理論式で求めた必要空気圧力Ｐに係数を乗じて上方修正する必要があり、燃焼空気ヘッダーの圧力を過剰気味としなければならない点で満足できなかった。

そこで本発明者はさらに検討を重ねた結果、各バーナの流量制御が、燃焼圧力や炉内圧力など風速に無関係な固定抵抗の変化も含め必要空気量を確保していることに注目し、この流量制御の操作出力（コントロールダンパ開度）を指標に燃焼空気圧力を制御することにより、理論式Ｐ＝Ｐｎ（Ｑ／Ｑｎ）^２に、固定抵抗の変化を反映した、最適な燃焼空気圧力が得られ、エネルギーの無駄のない燃焼空気制御が可能であることを究明した。

本発明は上記の知見に基づいて完成されたものであり燃焼空気ヘッダーからコントロールダンパを介して複数のバーナに燃焼空気を供給する燃焼炉の燃焼空気制御方法であって、各バーナの燃焼空気量が必要空気量と一致するよう燃焼空気流量制御器により、コントロールダンパを開閉操作することに加え、一次調節計を最大開度制御器、二次調節計を燃焼空気圧力制御器とするカスケード制御を構成し、各コントロールダンパのうち最大開度が、目標開度になるよう燃焼空気ヘッダー圧力を制御することを特徴とするものである。なお請求項２のように、差圧式流量計が、温度・圧力補正機能を装備した差圧式流量計、または、質量流量計であることが好ましい。また請求項３のように、目標開度を５０％以上（流量比９０％以上）とすることが好ましい。さらに請求項４のように、燃焼空気ヘッダー圧力は、燃焼空気ブロワのインバータ回転数制御により制御されることが好ましい。

また本発明の燃焼炉の燃焼空気制御装置は、燃焼空気ヘッダーからコントロールダンパを介して複数のバーナに燃焼空気を供給する燃焼炉の燃焼空気制御装置であって、各バーナの燃焼空気量が必要空気量と一致するようにコントロールダンパを開閉操作する燃焼空気流量制御器と、各コントロールダンパの開度のうち最大開度を選択する最大開度選択器と、一次調節計を最大開度制御器、二次調節計を燃焼空気圧力制御器とし、各コントロールダンパのうち最大開度が目標開度になるよう燃焼空気ヘッダー圧力を制御するカスケード制御機構とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の燃焼炉の燃焼空気制御方法及び装置によれば、バーナの燃焼圧力や炉内圧力などの風速に無関係な固定抵抗の変化を反映したコントロールダンパの開度を指標として燃焼空気ヘッダーの圧力を制御する。ここで燃焼空気ヘッダーの圧力が不足しておればコントロールダンパの開度は設定開度よりも大きくなり、逆に燃焼空気ヘッダーの圧力が高すぎればコントロールダンパの開度は設定開度よりも小さくなる。このため選択された最大開度が設定開度となるように燃焼空気ヘッダーの圧力を制御すれば、燃焼空気ヘッダーの圧力は最大流量のバーナに必要空気量を供給するために必要最低限に維持されることとなり、エネルギーの無駄を抑制することができる。また本発明の燃焼炉の燃焼空気制御方法によれば、燃焼空気ヘッダーを一定圧力に保つ方式を採用したので、各バーナの流量制御の相互干渉が生じることもない。

非特許文献１に記載の従来技術を説明する制御系統図である。特許文献１に記載の従来技術を説明する制御系統図である。本発明の実施形態を説明する制御系統図である。送風機の抵抗曲線を示すグラフである。送風機のサージング領域を示すグラフである。コントロールダンパの開度と流量との関係を示すグラフである。従来技術による制御実績を示すグラフである。実施例による制御実績を示すグラフである。図７と図８とのブロワ軸動力を比較したグラフである。

以下に本発明の実施形態を説明する。
図３は本発明の燃焼炉の燃焼空気制御装置の実施形態を示すもので、従来と同様に１は燃焼空気ブロワ、２はこの燃焼空気ブロワ１から加圧空気が供給される燃焼空気ヘッダーである。この燃焼空気ヘッダー２にはコントロールダンパ３を介してバーナ４が接続されている。ここでは３つのバーナ４が図示されているが、実際には更に多数のバーナ４が同一の燃焼炉の各所に配置されている。なお燃焼炉はたとえばバッチ式の燃焼炉である。図３ではコントロールダンパ３は各バーナ４毎に設けてあるが、全部のバーナ４を複数のグループに分けて、各グループ毎にコントロールダンパ３を配置することもできる。

このような燃焼炉には被焼成品に応じてどのような時間にどのような炉内温度とするかという温度曲線が設定されており、各バーナ４は炉内温度が設定された温度曲線に一致するように必要な燃焼を行う。この制御自体は従来と同様であり、本発明に含まれるものではないので図面にも示されていない。

上記のように炉温制御装置の制御下に各バーナ４への燃料供給量が制御され、それに応じて各バーナ４の必要な燃焼空気量が決定される。本実施形態では各コントロールダンパ３と燃焼空気ヘッダー２との間に差圧式流量計１０がそれぞれ配置されており、各バーナ４に供給される燃焼空気流量を測定している。前記したように、この差圧式流量計１０としては温度・圧力補正機能を装備した差圧式流量計、または、質量流量計を用いることが好ましい。

また、本発明では差圧式流量計１０により各コントロールダンパ３を開閉制御する流量制御器１１が設けられており、計測された燃焼空気流量が必要空気量と一致するように各コントロールダンパ３を開閉制御している。差圧式流量計１０は図４の「送風機の抵抗曲線」に示される２乗抵抗（管路抵抗）に加え、バーナ４の燃焼圧力や炉内圧力など、風速に無関係な固定抵抗の変化も含めた流量変化を計測する。そして全体抵抗の増大による流量減少に対してはダンパの開度を大きくし、逆に全体抵抗の減少による流量増加に対してはダンパの開度を小さくする。

このため、コントロールダンパ３の開度が目標開度と比較して大きいか小さいかにより、燃焼空気ヘッダー２の圧力が過剰であるか不足しているかが分かる。ここで例えば目標開度５５％を設定値とすると、コントロールダンパ３の開度が５５％未満のときは燃焼空気ヘッダー２の圧力が過剰であり、コントロールダンパ３の開度が５５％を超えるときは燃焼空気ヘッダー２の圧力が不足していることとなる。つまり、コントロールダンパ３の開度が５５％の状態が、必要空気量を供給可能な最小の圧力であることがわかる。なお図６に示すように、開度５５％は流量比では９０％に相当する。

そこで本発明では各コントロールダンパ３の開度を最大開度選択器１２に出力し、最大開度選択器１２は各コントロールダンパ３のうちの最大開度を選択する。そして選択された最大開度が目標開度、例えば５５％となるように燃焼空気ヘッダー２の圧力を制御する。この制御は一次調節計を最大開度制御器、二次調節計を燃焼空気圧力制御器とするカスケード制御機構により行われる。具体的には、この制御は図３に示される開度制御器ＸＩＣと圧力制御器ＰＩＣにより行われ、インバータ５により燃焼空気ブロワ１の駆動モータの回転数を制御することによって燃焼空気ヘッダー２の圧力を制御する。ここで最大開度を選択したのは、最大の燃焼空気量を必要としているバーナ４を含む全てのバーナに流量の制限することなく必要空気量を供給するためである。

本発明の燃焼空気制御方法は上記のように、燃焼空気ヘッダー２の圧力を、最大の燃焼空気量を必要としているバーナ４に対しても必要な燃焼空気量を供給可能な最低限の圧力に維持するものであるから、過剰の圧力に設定していた従来装置に比較してダンパ圧損として無駄に消費されるエネルギーを削減することができる。本発明によれば従来に比較して、燃焼空気ブロワの動力を２０〜６０％も削減することが可能となり、ＣＯ_２排出量の削減にも寄与する。ただし最大の燃焼空気量を必要としているバーナ４以外のバーナ４については、各コントロールダンパ３において多少のダンパ圧損が生ずることとなるがやむを得ない。

また燃焼空気ヘッダー２の圧力を一定に維持したままでコントロールダンパ３のみによって各バーナ４の流量制御を行う従来方式においては、図５に示す（１）の線に沿って性能カーブを移動させるため、小流量時にはサージング領域に入る可能性があった。これに対して本願発明では小流量時には燃焼空気ヘッダー２の圧力を低下させるため、（２）の線に沿って制御が行われるため、サージング領域に入る可能性をなくすことができる。

またこのように本発明では小流量時には燃焼空気ヘッダー２の圧力を低下させるため、コントロールダンパ３の動作角度当たりの風量変化は減少し、不安定現象を起こすことなく小流量から大流量まで高精度な制御を実現することができる。

また、本発明においては圧力制御器１３が燃焼空気ヘッダー２の圧力を制御しているため、あるバーナ４の燃焼空気流量が増加しても燃焼空気ヘッダー２の圧力が変動することはなく、他のバーナ４に供給されるべき燃焼空気流量が減少することがない。このためバーナ間の相互干渉が生じない。

図３に示した燃焼空気制御装置を用いて、実際のバッチ式燃焼炉の燃焼空気制御を行った。実施例においては、一次調節計をコントロールダンパの開度を最適開度に制御する開度制御器ＸＩＣ、二次調節計を燃焼空気ヘッダー圧力を制御する圧力制御器ＰＩＣとするカスケード制御を構成した。また、各バーナの燃焼空気量制御器ＦＩＣには、温度・圧力補正機能を装備した差圧式流量計を用い、常に０℃、１気圧の基準状態の風量を計測するものとした。そして、開度制御器ＸＩＣの制御対象は、全てのコントロールダンパの開度から最大値を選択するハイセレクタを設け、燃焼空気圧力を最も必要とするコントロールダンパとした。

実際の適用に当たっては、開度制御器ＸＩＣの目標開度を５５％（流量比９０％）とし、最大開度を有するバーナの燃焼空気流量制御自身にも１０％の流量増加能力を温存し、流量制御の応答性を確保した。そして開度制御器ＸＩＣは最大開度のコントロールダンパが目標開度５５％になるように燃焼空気圧力制御器ＰＩＣの目標値を増減する。燃焼空気圧力制御器ＰＩＣは開度制御器ＸＩＣから指示される目標値になるように燃焼空気ブロワの回転数をインバータにより増減する。なお、燃焼空気圧力制御器ＰＩＣの可変圧力操作は、各バーナの燃焼空気量制御器ＦＩＣが制御する燃焼空気量に見合った比率で影響し、その影響を打ち消すためにコントロールダンパを開閉する。その結果、コントロールダンパの開度は最適開度に近づく。

図７に、燃焼空気ヘッダーの圧力を一定に維持する従来の燃焼空気制御を行った場合の実績を示す。複数のバーナのコントロールダンパの開度が、最適開度である５５％よりもはるかに小さいことが分かる。これに比べて実施例である図８のグラフでは、燃焼空気が小流量のところでは燃焼空気ヘッダーの圧力が低下しており、各バーナのコントロールダンパの開度も最適開度である５５％に近づく傾向にあることが分かる。この結果、図９のブロワ軸動力を比較したグラフに示されるように、実施例では従来よりもブロワ軸動力が大幅に減少し、ダンパ圧損によるエネルギーロスが削減されたことが確認された。

１燃焼空気ブロワ
２燃焼空気ヘッダー
３コントロールダンパ
４バーナ
５インバータ
６最大要求流量選択器
７回転数指令器
１０差圧式流量計
１１燃焼空気流量制御器
１２最大開度選択器
１３最大開度制御器
１４燃焼空気圧力制御器

Claims

燃焼空気ヘッダーからコントロールダンパを介して複数のバーナに燃焼空気を供給する燃焼炉の燃焼空気制御方法であって、各バーナの燃焼空気量が必要空気量と一致するよう燃焼空気流量制御器により、コントロールダンパを開閉操作することに加え、一次調節計を最大開度制御器、二次調節計を燃焼空気圧力制御器とするカスケード制御を構成し、各コントロールダンパのうち最大開度が、目標開度になるよう燃焼空気ヘッダー圧力を制御することを特徴とする燃焼炉の燃焼空気制御方法。
各バーナの燃焼空気量を、温度・圧力補正機能を装備した差圧式流量計、または、質量流量計で測定することを特徴とする請求項１記載の燃焼炉の燃焼空気制御方法。
各バーナのコントロールダンパの目標開度を５０％以上（流量比９０％以上）としたことを特徴とする請求項１記載の燃焼炉の燃焼空気制御方法。
燃焼空気ヘッダー圧力が、燃焼空気ブロワのインバータ回転数制御により制御されることを特徴とする請求項1記載の燃焼炉の燃焼空気制御方法。
燃焼空気ヘッダーからコントロールダンパを介して複数のバーナに燃焼空気を供給する燃焼炉の燃焼空気制御装置であって、各バーナの燃焼空気量が必要空気量と一致するようにコントロールダンパを開閉操作する燃焼空気流量制御器と、各コントロールダンパの開度のうち最大開度を選択する最大開度選択器と、一次調節計を最大開度制御器、二次調節計を燃焼空気圧力制御器とし、各コントロールダンパのうち最大開度が目標開度になるよう燃焼空気ヘッダー圧力を制御するカスケード制御機構とを備えたことを特徴とする燃焼炉の燃焼空気制御装置。