JP2012047383A

JP2012047383A - ボイラ

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Publication number: JP2012047383A
Application number: JP2010189279A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Sasaki; 務佐々木; Yoichi Yahagi; 陽一矢作
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: JP5648789B2

Abstract

【課題】比例給水可能な給水ポンプを備えたボイラにおいて、常時適切な給水制御が可能なボイラを提供する。
【解決手段】本実施形態に係るボイラ１は、ボイラ水位を検出するための水位検出器１５と、連続的に給水流量を調整する比例給水が可能な給水ポンプ２１と、前記給水ポンプを制御して、比例給水モードによる給水制御を行う制御器１８であって、比例給水モード時に前記ボイラ水位が適性水位範囲よりも高い場合には、前記給水ポンプ２１を停止させるように制御する制御器１８と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料を燃焼させて得た熱を水に伝え、蒸気や温水に変える熱源機器であるボイラに関し、特に、ボイラの給水制御に関する。

従来から、ボイラにおいては、水管の過熱を防ぎつつ乾き度の高い蒸気を得るために、ボイラ水位を適切な範囲内に位置させるための給水制御が行われている。従来のボイラへの給水制御方法としては、給水流量は一定で給水ポンプの作動と停止を繰り返す間欠給水や、給水流量を連続的に変更して調整する比例給水が行われている。

ここで、間欠給水では給水ポンプの作動と停止を繰り返すために、給水ポンプの劣化を招くといった問題がある。一方、比例給水では、給水ポンプを連続して作動させるために、必要とされる給水流量が少ない場合に給水ポンプが無駄に作動してしまうケースが生じてしまうといった問題がある。

このような課題に鑑みて、下記特許文献１には、ボイラが加熱状態にあるか否かに応じて、間欠給水と比例給水とを選択的に切り換えるように構成されたボイラが開示されている。

特許第４０７１３６９号公報

ところで、蒸気が発生していないボイラの始動時には、通常、気水分離器の上部の過熱を防止するためにボイラ水位を上げて気水分離器内を満水にすることが行われている。ところが、上記特許文献１では、ボイラが加熱状態にあれば比例給水を行うため、ボイラ始動時であっても連続給水が行われてしまう。したがって、ボイラ始動時にボイラ水位が適性水位範囲まで下がるのに時間がかかってしまい、蒸気の乾き度が低下してしまう問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、比例給水可能な給水ポンプを備えたボイラにおいて、常時適切な給水制御が可能なボイラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るボイラは、ボイラ水位を検出するための水位検出器と、連続的に給水流量を調整する比例給水が可能な給水ポンプと、前記給水ポンプを制御して、比例給水モードによる給水制御を行う制御器であって、比例給水モード時に前記ボイラ水位が適性水位範囲よりも高い場合には、前記給水ポンプを停止させるように制御する制御器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るボイラは、少なくとも低燃焼モード及び高燃焼モードを含む多段階の燃焼モードを有するボイラにおいて、ボイラ水位を検出するための水位検出器と、連続的に給水流量を調整する比例給水が可能な給水ポンプと、前記給水ポンプを制御して、間欠給水モードによる給水制御又は比例給水モードによる給水制御を選択的に行う制御器であって、低燃焼モード時に、前記間欠給水モードによる給水制御行い、高燃焼モード時には、前記比例給水モードによる給水制御を行う制御器と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、比例給水可能な給水ポンプを備えたボイラにおいて、常時適切な給水制御を実現できる。

図１は、本発明の実施形態に係るボイラの構成を概略的に示す模式図である。図２は、本本実施形態に係るボイラの給水制御の流れを示すフローチャートである。図３は、図２の比例給水モードの処理のサブルーチンである。図４は、本実施形態に係る給水制御によるボイラ始動時（中・高燃焼モード）の効果について説明するための図である。図５は、一般的な給水ポンプの圧力損失曲線を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るボイラについて説明する。図１は、本実施形態に係るボイラの構成を概略的に示す模式図である。同図に示すように、ボイラ１は、ボイラ本体５と、ボイラ本体５にボイラ水を給水するための給水ライン２０とを備えている。

また、ボイラ１は、低燃焼モード、中燃焼モード及び高燃焼モードの三つの燃焼モードを備えており、高燃焼モードの燃焼量を１００％とすると、中燃焼モードの燃焼量は４５％、低燃焼モードの燃焼量は２０％である。したがって、ボイラ１のターンダウン比は５：１である。

ボイラ本体５は、上部管寄せ６、下部管寄せ７、気水分離器１０、圧力センサ１１、水位検出器１５、蒸気管１６、降水管１７、制御器１８を備えている。給水ライン２０は、缶体側から逆止弁２２、給水ポンプ２１、温度センサ２４、電気伝導度センサ２５を備えている。

気水分離器１０は、その上部が蒸気管１６を介して上部管寄せ６に接続され、その下部が降水管１７を介して下部管寄せ７に接続されている。気水分離器１０に設置された圧力センサ１１は、気水分離器１０内の圧力、すなわちボイラ内圧力を検出する。圧力センサ１１の出力は、制御器１８へと送られる。

水位検出器１５は、降水管１７及び気水分離器１０の上部に接続されており、電極棒等を備えることで、気水分離器１０内の水位、すなわちボイラ水位を検出する。水位検出器１５の出力は、制御器１８へと送られる。

給水ポンプ２１は、インバータ制御により単位時間当たりの回転数（周波数）を変更可能な給水ポンプであり、制御器１８の制御により、比例給水モードと間欠給水モードによる給水制御を選択的に行うことが可能である。比例給水モードにおいては、給水ポンプ２１の回転数を変更することで、連続的に給水流量が調整される。

また、間欠給水モードにおいては、給水流量は一定で給水ポンプ２１の作動（ＯＮ）と停止（ＯＦＦ）を繰り返す間欠制御（ＯＮ−ＯＦＦ制御）による間欠給水が行われる。本実施形態では、制御器１８は、間欠給水モード時に給水ポンプ２１を最大出力で作動させているが、所定の一定の出力で作動させれば良い。

温度センサ２４は、給水ライン２０を流れるボイラ本体５への給水の給水温度を測定する。温度センサ２４の出力は、制御器１８へと送られる。電気伝導度センサ２５は、給水ライン２０を流れるボイラ本体５への給水の電気伝導度を測定する。電気伝導度センサ２５の出力は、制御器１８へと送られる。

以上、ボイラ１の構成について詳細に説明したが、続いて、ボイラ１における給水制御について詳細に説明する。図２は、本実施形態に係るボイラの給水制御の流れを示すフローチャートであり、図３は、図２における比例給水モードの処理のサブルーチンである。

ボイラ１での給水制御は、ボイラ水位が所定の範囲内になるように行われる。これは、上部管寄せ６と下部管寄せ７とを連結する水管の過熱を防ぎつつ乾き度の高い蒸気を得るためである。なお、図２及び図３に示す処理は、制御器１８内の記憶装置に格納されている制御プログラムを制御器１８内の演算装置が実行することで実現される。また、後述する数値等は制御器１８内の記憶装置に格納されている。

図２に示すように、ボイラ１が作動して給水制御が開始されると、まず、Ｓ１１において、燃焼モードの確認が行われ、低燃焼モードである場合には、Ｓ１２に進み、中燃焼モード及び高燃焼モードの場合には、Ｓ１４に進む。

Ｓ１２では、間欠給水モードによる給水が行われる。間欠給水モードでは、制御器１８は、水位検出器１５により検出したボイラ水位が給水開始水位より低い場合には、給水ポンプ２１を最大出力で作動させて給水を開始するよう制御し、ボイラ水位が給水停止水位よりも高い場合には、給水ポンプ２１を停止させるよう制御する。

ここで、給水開始水位は、間欠給水モード用に予め設定された水位の下限値であり、給水停止水位は、間欠給水モード用に予め設定された水位の上限値である。ボイラ水位がこの下限値と上限値との間であれば、水管の過熱を防ぎつつ乾き度の高い蒸気を得ることができる。

Ｓ１２での間欠給水モードによる給水に続いて、Ｓ１３において、燃焼モードが中燃焼モード又は高燃焼モードに移行していないかの監視が行われる。低燃焼モード中は、Ｓ１２の間欠給水モードによる給水が継続して行われるが、中燃焼モード又は高燃焼モードに移行すると、Ｓ１４に進み、比例給水モードによる給水制御が行われる。

比例給水モード時には、図３に示すように、制御器１８は、まず、Ｓ２１において、ボイラ水位が適性水位範囲よりも高いか否かを判定し、高い場合には、Ｓ２２に進み、給水ポンプ２１を停止させる。ここで、適性水位範囲とは、比例給水モード用に予め設定された水位の範囲であり、ボイラ水位がこの範囲内にあると、水管の過熱を防ぎつつ乾き度の高い蒸気を得ることができる。

したがって、Ｓ２１において、ボイラ水位が適性水位範囲よりも高いと判定された場合には、ボイラ水位が高すぎるために蒸気の乾き度が低下してしまうおそれがあるため、制御器１８は、比例給水モード時であっても給水ポンプ２１を停止させてボイラ水位を下げるように制御する。

なお、本実施形態においては、比例給水モード用に設定された適性水位範囲の上限及び下限と、間欠給水モード用に設定された給水停止水位及び給水開始水位とは、燃焼モードが異なるために異なっているが、同じ位置に設定しても良い。

Ｓ２１において、ボイラ水位が適性水位範囲よりも高くないと判定された場合には、Ｓ２３に進み、制御器１８は、ボイラ水位が適性水位範囲内にあるか否かを判定する。ボイラ水位が適性水位範囲内にある場合には、Ｓ２４に進み、比例給水が行われる。比例給水時には、制御器１８は、水位検出器１５により検出したボイラ水位と目標水位との差に応じて、給水ポンプ２１の回転数を調整する。

具体的には、ボイラ水位が目標水位よりも高い場合には、その差に応じて給水ポンプ２１の回転数を下げて給水流量を小さくすることで、ボイラ水位を下げるように制御し、ボイラ水位が目標水位よりも低い場合には、その差に応じて給水ポンプ２１の回転数を上げて給水流量を大きくすることで、ボイラ水位を上げるように制御する。

ここで、目標水位とは、比例給水時にボイラ水位の誘導目標とされる水位であり、適性水位範囲内に含まれる水位である。上述したボイラ内圧力、給水温度、燃焼量、給水の電気伝導度の変動にしたがって、適正なボイラ水位も変動する。したがって、目標水位は、予め制御器１８内の記憶装置に格納された計算式に、その都度検出されたボイラ内圧力、給水温度、燃焼量、給水の電気伝導度の各値を当てはめることで決定される。

Ｓ２３において、ボイラ水位が適性水位範囲内にないと判定された場合、すなわち、ボイラ水位が適性水位範囲よりも低いと判定された場合には、Ｓ２５に進み、制御器１８は、給水ポンプ２１を最大出力で作動させる。ボイラ水位が適性水位範囲よりも低い場合には、ボイラ水位が低すぎるために水管が過熱してしまうおそれがあるため、給水ポンプ２１を最大出力で作動させてボイラ水位を上げるように制御する。

なお、Ｓ２５における給水ポンプ２１の出力は最大出力でなくても良いが、低すぎるボイラ水位をなるべく早く上昇させて水管の過熱を防ぐためにもできるだけ高出力（例えば、最大出力の７０％以上の出力）で作動させるのが望ましい。

Ｓ１４での比例給水モードによる給水に続いて、Ｓ１５では、燃焼モードが低燃焼モードに移行していないかの監視が行われる。中燃焼モード及び高燃焼モード中は、Ｓ１４の比例給水モードによる給水が継続して行われるが、低燃焼モードに移行すると、Ｓ１２に進み、上述した間欠給水モードによる給水が行われる。

以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態によれば、燃焼モードやボイラ水位に基づいて、適切な給水制御を行っており、ボイラの良好な作動が可能となる。

例えば、蒸気が発生していないボイラの始動時には、通常、気水分離器の上部の過熱を防止するためにボイラ水位を上げて気水分離器内を満水にしておくが、ボイラ始動時に通常の比例給水を行うと最小流量での連続給水を行ってしまうため、ボイラ水位が適性水位範囲まで下がるのに時間がかかってしまい、蒸気の乾き度が低下してしまう問題がある。

これに対して本実施形態では、ボイラ始動時に中・高燃焼モードであれば比例給水モードによる給水制御を行うが、比例給水モード時であってもボイラ水位が適性水位範囲よりも高い場合には、ボイラ水位が適性水位範囲になるまでは給水ポンプ２１を停止させている。また、ボイラ始動時に低燃焼モードであれば、間欠給水モードによる間欠給水を行っており、ボイラ水位が給水停止水位よりも高い場合には、給水ポンプ２１が停止する。

したがって、本実施形態によれば、比例給水モード又は間欠給水モードの何れであっても、ボイラ始動時にボイラ水位が高い場合には給水が停止されるので、ボイラ水位が適性水位範囲又は給水停止水位に下がるまでの時間を短縮させることができ、蒸気の乾き度の低下を防止することができる。

ここで、図４を参照しながら、本実施形態に係る給水制御によるボイラ始動時（中・高燃焼モード）の効果について説明する。図４は、ボイラ始動時のボイラ水位と給水量を示す図であり、横軸が時間、縦軸がボイラ水位及び給水量を示している。図中、実線がボイラ水位を示し、ハッチングを施した部分が給水量を示している。また、図中、Ｌ_Hが適性水位範囲の上限ライン、Ｌ_Lが適性水位範囲の下限ラインを示している。

また、図４（ａ）は、従来の給水制御によるボイラ水位等を示し、図４（ｂ）は本実施形態に係る給水制御によるボイラ水位等を示している。また、図４（ｂ）において、従来の給水制御によるボイラ水位を一点鎖線で示している。

同図に示すように、まず、プレパージにおいて過熱防止のための給水が行われると、ボイラ水位が適性水位範囲よりも高くなり、その後、パイロット、メイントライ、高燃焼モードへと移行するに従ってボイラ水位が下がっていく。このとき、図４（ａ）の通常の比例給水制御では、パイロット及びメイントライにおいても給水が行われてしまうのに対して、図４（ｂ）の本実施形態に係る給水制御では、ボイラ水位が適性水位範囲よりも高いパイロット及びメイントライにおいては給水が停止され、高燃焼モードに移ってボイラ水位が適性水位範囲内となってから給水が開始される。これにより、本実施形態によれば、ボイラ水位が適性水位範囲に下がるまでの時間を格段に短縮させることができる。

また、図５に示すように、一般に、流量の少ない領域では圧力損失曲線がフラットに近づき、給水ポンプの出力が少し変化するだけで、流量が大きく変化してしまうため、比例給水による給水流量の調整が困難となり、水位制御の精度も落ちてしまう。図５は、一般的な給水ポンプの圧力損失曲線を示す図であり、横軸が流量、縦軸が吐出圧力を示している。

特に、一般の流量計では、幅広い範囲を精度良く測定することが困難であるため、ターンダウン比の大きなボイラにおいては、流量の測定精度からも流量の少ない領域での流量調整が困難である。

さらに、低流量の比例給水が行われているときには、サージングによって流量が変動したり、負荷が大きく変化するような外乱によっても流量が変動しやすくなるといった要因もあり、このような点からも流量調整が困難である。

これに対して、本実施形態では、燃焼量が小さく給水量が低流量となりやすい低燃焼モード時に、間欠給水を行うことで、給水ポンプ２１の細かな出力調整を行う必要もなく、一定出力で安定した給水が可能となる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の実施形態は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、ボイラ内圧力、給水温度、燃焼量、給水の電気伝導度に基づいて目標水位を決定しているが、適宜他のパラメータを用いて目標水位を決定しても良いのは言うまでもない。

また、本実施形態では、高燃焼モード、中燃焼モード、低燃焼モードの三つの燃焼モードを有するボイラとし、高燃焼モードの燃焼量を１００％とすると、中燃焼モードの燃焼量は４５％、低燃焼モードの燃焼量は２０％に設定しているが、燃焼モードの数や各燃焼モードの燃焼量は適宜設定可能でありのは言うまでもない。このとき、燃焼量が３３％以下の燃焼モードの場合には、給水量が低流量となって流量調整が困難であるため、燃焼量が３３％以下の燃焼モードのときに間欠給水を行うように制御すれば良い。

また、上記実施形態では、比例給水可能な給水ポンプとして、単位時間当たりの回転数を変更することで流量を調整するポンプを用いたが、流量が変更可能な給水ポンプであれば適宜用いることができ、例えば、出力は一定で比例制御弁の開度調整で流量調整を行う給水ポンプを用いても良い。

また、上記実施形態では、ボイラ内圧力を気水分離器に設置した圧力センサにより検出しているが、水位検出器、上部管寄せ、給水ポンプの二次側等に設置した圧力センサによって検出するようにしても良い。

１ボイラ
５ボイラ本体
６上部管寄せ
７下部管寄せ
１０気水分離器
１１圧力センサ
１５水位検出器
１６蒸気管
１７降水管
１８制御器
２０給水ライン
２１給水ポンプ
２２逆止弁
２４温度センサ
２５電気伝導度センサ

Claims

ボイラ水位を検出するための水位検出器と、
連続的に給水流量を調整する比例給水が可能な給水ポンプと、
前記給水ポンプを制御して、比例給水モードによる給水制御を行う制御器であって、比例給水モード時に前記ボイラ水位が適性水位範囲よりも高い場合には、前記給水ポンプを停止させるように制御する制御器と、を備えることを特徴とするボイラ。
前記制御器は、比例給水モード時に前記ボイラ水位が前記適性水位範囲よりも低い場合には、一定の高出力で前記給水ポンプを連続駆動させるように制御することを特徴とする請求項１記載のボイラ。
前記制御器は、比例給水モード時に前記ボイラ水位が前記適性水位範囲内にある場合には、燃焼量やボイラ内圧力等に基づいて決定される目標水位と当該ボイラ水位との差に応じて給水流量を調整するように前記給水ポンプを制御することを特徴とする請求項１又は２記載のボイラ。
前記ボイラは、少なくとも低燃焼モード及び高燃焼モードを含む多段階の燃焼モードを有するボイラであって、
前記制御器は、前記比例給水モードによる給水制御又は間欠給水モードによる給水制御を選択的に行うと共に、低燃焼モード時に、前記間欠給水モードによる給水制御行い、高燃焼モード時には、前記比例給水モードによる給水制御を行うことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載のボイラ。
少なくとも低燃焼モード及び高燃焼モードを含む多段階の燃焼モードを有するボイラにおいて、
ボイラ水位を検出するための水位検出器と、
連続的に給水流量を調整する比例給水が可能な給水ポンプと、
前記給水ポンプを制御して、間欠給水モードによる給水制御又は比例給水モードによる給水制御を選択的に行う制御器であって、低燃焼モード時に、前記間欠給水モードによる給水制御を行い、高燃焼モード時には、前記比例給水モードによる給水制御を行う制御器と、を備えることを特徴とするボイラ。