JP2013076479A - ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラのガス燃料供給量を簡易に微調整する。また、空気温度やガス温度の変化にも対応して、所望の空気比でボイラを運転する。
【解決手段】ファン５は、バーナ４へ燃焼用空気を供給する。ファン５からバーナ４への燃焼用空気路６に、燃料供給路７からガス燃料を供給する。ガスバルブ１４は、燃料供給路７に設けられ、バーナ４への燃焼用空気の供給流量に基づきガス燃料の供給流量を調整する。ガスバルブ１４より下流において、燃料供給路７にはオリフィス１５が設けられる。このオリフィス１５と並列に流量調整弁１８を設け、その開度を調整する。たとえば、燃焼用空気の温度とガス燃料の温度とに基づき、流量調整弁１８の開度を調整して、所望の空気比で運転する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス焚きのボイラに関するものである。

従来、下記特許文献１の図１に開示されるように、ファン（５）からの燃焼用空気に、燃料供給路（１０）からのガス燃料を混合して、その予混合気をバーナ（２）において燃焼させるボイラ（１）が知られている。

この種のボイラでは、燃焼用空気の流量の調整は、ファンの回転速度をインバータで調整するか、ファンは一定速度で回転させつつダンパ（８）の位置を調整することでなされる。一方、ガス燃料の流量の調整は、ガスバルブ（１１）の開度を調整することでなされる。

しかしながら、たとえば空気比を微調整するためには、インバータを用いたり、特許文献１記載のダンパ位置調整装置を用いたりする必要があった。また、単に燃焼用空気の流量に応じてガスバルブの開度を調整してガス燃料の流量を調整するだけでは、空気温度やガス温度の変化に対応することができなかった。

特開２００６−２６６５３４号公報

本発明が解決しようとする課題は、簡易な構成で、燃料供給量を微調整することにある。また、空気温度やガス温度の変化にも対応して、所望の空気比で運転できるボイラを提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、第一発明は、バーナへ燃焼用空気を供給するファンと、このファンから前記バーナへの燃焼用空気路にガス燃料を供給する燃料供給路と、この燃料供給路に設けられ、前記バーナへの燃焼用空気の供給流量に基づきガス燃料の供給流量を調整するガスバルブと、このガスバルブより下流において、前記燃料供給路に設けられるオリフィスと、このオリフィスと並列に設けられる開度調整可能な流量調整弁とを備えることを特徴とするボイラである。

第一発明によれば、燃焼用空気の供給流量に基づきガス燃料の供給流量がガスバルブにより調整される。そして、この調整された流量で、ガス燃料がオリフィスを介して、燃焼用空気に混入される。さらに、オリフィスと並列に流量調整弁が設けられ、この流量調整弁の開度を調整することで、燃料供給量を微調整することができる。

第二発明は、第一発明の構成要件に加えて、設定された空気比になるように、燃焼用空気の温度とガス燃料の温度とに基づき前記流量調整弁の開度を調整することを特徴とするボイラである。

第二発明によれば、燃焼用空気の温度とガス燃料の温度とに基づきガス燃料の供給量を微調整して、所望の空気比でボイラを運転することができる。

第三発明は、第二発明の構成要件に加えて、前記バーナの定常燃焼時、前記流量調整弁の開度を設定範囲で調整し、前記バーナの着火時、前記流量調整弁を前記設定範囲の上限開度よりも開けることを特徴とするボイラである。

空気比が高いと着火しにくいが、第三発明によれば、バーナの着火時には、燃料供給路の流量調整弁の開度を大きくして空気比を下げることで、不着火を防止することができる。

第四発明は、第三発明の構成要件に加えて、前記バーナの着火時、前記流量調整弁を全開にすることを特徴とするボイラである。

第四発明によれば、流量調整弁を全開にすることで、簡易な制御で着火時の空気比を下げて、不着火を防止することができる。

第五発明は、第三発明の構成要件に加えて、前記バーナは、燃焼量を段階的に変更可能とされ、前記バーナの燃焼量の移行時、前記流量調整弁を、前記設定範囲の上限開度よりも大きい開度であるが、前記着火時の開度よりも小さい開度にすることを特徴とするボイラである。

燃焼量の移行時には燃焼用空気とガス燃料の各流量を変更する必要があるが、燃焼用空気の流量変化に基づきガスバルブによりガス燃料の流量を変化させるだけでは、一時的に空気比が上がり過ぎて失火するおそれがある。ところが、第五発明によれば、燃焼量の移行時、流量調整弁を所望の開度にすることで、失火を防止することができる。

第六発明は、第四発明の構成要件に加えて、前記バーナは、燃焼量を段階的に変更可能とされ、前記バーナの燃焼量の移行時、前記流量調整弁を、前記設定範囲の上限開度よりも大きい開度であるが、前記着火時の開度よりも小さい開度にすることを特徴とするボイラである。

燃焼量の移行時には燃焼用空気とガス燃料の各流量を変更する必要があるが、燃焼用空気の流量変化に基づきガスバルブによりガス燃料の流量を変化させるだけでは、一時的に空気比が上がり過ぎて失火するおそれがある。ところが、第六発明によれば、燃焼量の移行時、流量調整弁を所望の開度にすることで、失火を防止することができる。

第七発明は、第二発明の構成要件に加えて、前記オリフィスおよび前記流量調整弁と並列に、開閉弁が設けられ、前記バーナの定常燃焼時、前記開閉弁を閉じた状態で、前記流量調整弁の開度を調整し、前記バーナの着火時および／または燃焼量移行時、前記流量調整弁を閉じた状態で、前記開閉弁を開くことを特徴とするボイラである。

第七発明によれば、流量調整弁と開閉弁とを並列に設置し、定常燃焼時には流量調整弁の開度を調整し、着火時や燃焼量移行時には開閉弁を開くことで、簡易な構成で不着火や失火を防止することができる。

さらに、第八発明は、第一発明から第七発明までのいずれかの構成要件に加えて、前記燃焼用空気路に設けた空気抵抗部材の前後の差圧に基づき、前記ガスバルブが機械的に開度調整され、前記バーナへの燃焼用空気の供給流量は、前記ファンの回転数により調整されるか、および／または、前記空気抵抗部材より上流に設けたダンパの開度により調整されることを特徴とするボイラである。

第八発明によれば、ファンの回転数を調整するか、ダンパの開度を調整して、燃焼用空気の供給流量を調整することができる。また、燃焼用空気の供給流量の変化に対して、ガスバルブを機械的に自力で開度調整することができる。

本発明によれば、簡易な構成で、燃料供給量を微調整することができる。また、空気温度やガス温度の変化にも対応して、所望の空気比でボイラを運転することができる。

本発明のボイラの一実施例を示す概略図であり、一部を断面にして示している。 図１のボイラの運転状態の一例を示すタイムチャートである。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のボイラ１の一実施例を示す概略図であり、一部を断面にして示している。

本実施例のボイラ１は、多数の水管２，２，…を備える缶体３と、この缶体３内の水を加熱するバーナ４と、このバーナ４にファン５からの燃焼用空気を供給する燃焼用空気路６と、この燃焼用空気路６にガス燃料を供給する燃料供給路７と、缶体３を通過後の排ガスを排出する排ガス路８とを備える。

缶体３は、上部管寄せ９と下部管寄せ１０との間を多数の水管２，２，…で接続して構成される。缶体３の形状は、特に問わないが、本実施例では角形とされる。缶体３には、一側端部にバーナ４が設けられ、このバーナ４には燃焼用空気路６が接続される。また、缶体３には、バーナ４と反対側の端部に、排ガス路８が接続される。

バーナ４からの燃焼ガス（当初は火炎を含む）は、各水管２内の水と熱交換した後、排ガスとして排ガス路８から排出される。バーナ４からの燃焼ガスにより、各水管２内の水は加熱され、蒸気として上部管寄せ９から導出される。なお、下部管寄せ１０には適宜給水され、缶体３内の水位は所望に維持される。

バーナ４は、本実施例では平面状の燃焼面（予混合気噴出面）を有する完全予混合式のバーナとされる。このバーナ４は、燃焼量を段階的に変更可能とされる。本実施例では、高燃焼（１００％燃焼）、低燃焼（たとえば５０％燃焼）および停止の三位置で燃焼量が切り替えられる。詳細は後述するが、バーナ４には、燃焼量に応じた量の燃焼用空気とガス燃料とが供給される。

バーナ４への燃焼用空気の供給は、ファン５からの空気を、燃焼用空気路６を介して送り込むことでなされる。つまり、ファン５から送り出された空気は、燃焼用空気として、燃焼用空気路６を介してバーナ４へ供給される。

燃焼用空気の流量の調整は、燃焼用空気路６にダンパ１１を設けてこのダンパ１１の位置を調整するか、これに代えてまたはこれに加えて、インバータを用いてファン５の回転速度を変えることでなされる。本実施例では、燃焼用空気路６にダンパ１１を設けて、ファン５は一定速度で回転させつつダンパ１１の位置を変更することで、燃焼用空気の流量を調整する。具体的には、燃焼用空気路６の中途には、流路方向と直交して回転軸１２が設けられ、この回転軸１２には板状のダンパ１１が設けられる。従って、回転軸１２を動かすことでダンパ１１の傾き角を調整して、バーナ４へ送り出す空気流量が調整される。

バーナ４へのガス燃料の供給は、燃料供給路７からのガス燃料を、燃焼用空気路６を介して送り込むことでなされる。燃焼用空気路６にダンパ１１が設けられる場合、燃焼用空気路６には、ダンパ１１より下流において、燃料供給路７からガス燃料が供給される。燃料供給路７からのガス燃料は、燃焼用空気路６内において噴出され、ファン５からの空気に混合される。

燃料供給路７には下流へ向けて順に、電磁弁１３、ガスバルブ１４およびオリフィス１５が設けられる。バーナ４の燃焼時、電磁弁１３が開かれる。

ガスバルブ１４は、バーナ４への燃焼用空気の供給流量に基づき、ガス燃料の供給流量を調整する。つまり、燃焼用空気の流量が増加すれば、ガスバルブ１４は開度を大きくしてガス燃料の流量を増加させる一方、燃焼用空気の流量が減少すれば、ガスバルブ１４は開度を小さくしてガス燃料の流量を減少させる。

本実施例では、燃焼用空気路６には、ダンパ１１より下流にオリフィスのような空気抵抗部材１６が設けられている。そして、この空気抵抗部材１６の前後の差圧に基づき、バーナ４への燃焼用空気の供給流量を把握して、それに応じた流量でガス燃料を供給するように、ガスバルブ１４の開度が自動調整される。この際、ガスバルブ１４は、機械的に自力で開度調整されるが、場合により電動により開度調整されてもよい。

ガスバルブ１４を通過後のガス燃料は、オリフィス１５を介して燃焼用空気路６に供給されるが、バイパス路１７を介しても燃焼用空気路６に供給可能とされる。すなわち、オリフィス１５の前後はバイパス路１７で接続され、このバイパス路１７には開度調整可能な流量調整弁１８が設けられている。従って、この流量調整弁１８の開度を調整することで、燃焼用空気路６へのガス燃料の供給流量を微調整することができる。特に、次に述べるように、燃焼用空気の温度とガス燃料の温度とに基づき、流量調整弁１８の開度を調整して、設定された空気比でボイラ１を運転することができる。

燃焼用空気の温度を検出するために、たとえばファン５の空気吸入口には第一温度センサ１９が設けられる。また、ガス燃料の温度を検出するために、燃料供給路７の内、たとえばガスバルブ１４の出口側に、第二温度センサ２０が設けられる。そして、第一温度センサ１９からの検出温度と、第二温度センサ２０からの検出温度とは、制御器２１に送られ、制御器２１では空気比を設定値に維持するように、流量調整弁１８の開度を調整してガス燃料の供給流量を微調整する。

前述したように、ガスバルブ１４は、バーナ４への燃焼用空気の供給流量に基づきガス燃料の供給流量を調整し、燃焼用空気とガス燃料とは、所定の体積比でバーナ４へ送られる。ところが、空気とガス燃料は、温度により密度が変化する上、その変化の仕方も互いに異なる。それにより、ガスバルブ１４だけでは所望の空気比に維持できないおそれがある。そこで、本実施例では、燃焼用空気の温度とガス燃料の温度とを各温度センサ１９，２０で監視して、空気比の乱れを補正するように、流量調整弁１８の開度を調整する。

なお、空気比とは、実際燃焼空気量／理論燃焼空気量をいう。つまり、「燃焼に際して実際に必要な空気量」／「燃焼に際して理論上必要な空気量」を「空気比」という。

ところで、本実施例のバーナ４は、パイロットバーナ（不図示）により着火される。そのために、メインバーナ４に近接して、パイロットバーナとそれへの着火装置（不図示）が設けられている。パイロットバーナにも、燃焼用空気とガス燃料とが供給可能とされている。また、着火装置は、点火プラグに高電圧を印加してスパークを発生させることで、パイロットバーナに点火する。

図２は、本実施例のボイラ１の運転状態の一例を示すタイムチャートである。この例では、ファン５は、そのモータをオンオフ制御される。また、ダンパ１１は、高燃焼用風量位置（Ｈ）、この高燃焼用風量位置よりも開度の小さい低燃焼用風量位置（Ｌ）、およびこの低燃焼用風量位置よりも開度の小さい着火用風量位置（Ｓ）の三位置で制御される。さらに、着火装置およびパイロットバーナは、オンオフ制御され、その状態を「IGNITION TRANS」および「PILOT VALVE」として示している。

また、メインバーナ４による燃焼状態は、高燃焼、低燃焼および停止の三位置で切り替えられ、これらは前述したとおり、基本的にはダンパ１１による風量の変更にガスバルブ１４が自動的に開度調整して追従することで実現される。但し、制御器２１が燃焼状態を把握するために、便宜上、「LOW FIRE VALVE」と「HIGH FIRE VALVE」という概念を導入し、低燃焼時には「LOW FIRE VALVE」がオンとされ、高燃焼時にはさらに「HIGH FIRE
VALVE」がオンとされ、停止時には両バルブがオフとされる。

さらに、流量調整弁１８は、詳細は後述するが、設定範囲で開度調整される「REVISED OPENING」、この設定範囲の上限開度よりも開ける燃焼量移行用開度としての「40% OPENING」、さらに開度の大きい着火用開度としての「FULL」の状態で切り替えられる。

「REVISED OPENING」の前記設定範囲（開度調整範囲）は、特に問わないが、たとえば、下限開度を０度（全閉）、上限開度を２０〜３０度として設定される。本実施例では、たとえば０〜３０度を設定範囲とする。燃焼量移行用開度としては、前記設定範囲の上限開度よりも大きければ足りるが、ここでは全開に対する４０％の開度（３６度）として設定される。さらに、着火用開度も、前記設定範囲の上限開度よりも大きければ足りるが、好ましくは燃焼用移行用開度よりも大きく、ここでは９０度（全開）として設定される。

燃焼停止時Ｓ１、ファン５は停止、ダンパ１１は着火用風量位置Ｓ、流量調整弁１８はFULLとされている。

プレパージＳ２では、ファン５を作動させ、ダンパ１１を高燃焼用風量位置Ｈとする。これにより、缶体３内および排ガス路８内の換気が図られる。

プレイグニッションＳ３では、ダンパ１１を着火用風量位置Ｓまで閉めると共に、着火装置を作動させる。

パイロットバーナへの着火工程Ｓ４では、パイロットバーナへの燃料供給弁（PILOT VALVE）を開けることで、プレイグニッションＳ３から作動中の着火装置により、パイロットバーナに点火される。

パイロット燃焼工程Ｓ５では、着火装置を停止させた状態で、パイロットバーナによる燃焼を行う。

メインバーナ４への着火工程Ｓ６では、パイロットバーナを燃焼させた状態で、電磁弁１３を開けて、メインバーナ４から予混合気を噴出させる。これにより、パイロットバーナの火炎でメインバーナ４に点火することができる。その後、パイロットバーナによる燃焼は停止させる。

その後、低燃焼状態Ｓ７とするには、ダンパ１１を低燃焼用風量位置Ｌにすればよい。これにより、ガスバルブ１４が自動的に低燃焼用の燃料供給量で、燃焼用空気にガス燃料を混入する。

その後、周知のとおり、蒸気の使用負荷に対応するように燃焼量を変化させる。たとえば、図示例の場合、低燃焼状態Ｓ７から高燃焼状態Ｓ８に移行し、その後、さらに低燃焼状態Ｓ７に戻される。高燃焼状態Ｓ８とするには、ダンパ１１を高燃焼用風量位置Ｈにすればよいし、低燃焼状態Ｓ９とするには、ダンパ１１を低燃焼用風量位置Ｌにすればよい。ダンパ１１の位置を変更するに伴い、ガスバルブ１４が燃焼状態に応じた流量のガス燃料を供給する。

低燃焼状態および高燃焼状態では、流量調整弁１８は、燃焼用空気の温度とガス燃焼の温度とに基づき設定範囲で開度調整され（REVISED OPENING）、設定された空気比を維持するように燃料供給量を補正する。ここでは、ガス燃料の温度（Ｔｇ）と燃焼用空気の温度（Ｔａ）との温度差（ΔＴ＝Ｔｇ−Ｔａ）に基づき、流量調整弁１８の開度を調整する。温度差がない場合、前記設定範囲の中間開度（０〜３０度の範囲で開度調整する場合には１５度）とし、温度差に応じて開度を増減する。

定常燃焼中の空気比は適宜に設定されるが、本実施例では、従来の同種ボイラの空気比（たとえば1.25）よりも高い空気比（たとえば1.45）で運転される。これにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を図ることができた。但し、後述するように、着火時や、燃焼量の移行時には、空気比を下げて不着火や失火を防止するのがよい。

プレパージＳ２からメインバーナへの着火工程Ｓ６まで（図示例ではさらにその後所定時間経過するまで）、流量調整弁１８は着火用開度として、本実施例ではFULLに維持される。バーナ４の着火時には、流量調整弁１８の開度を大きくして空気比を下げることで、不着火を防止することができる。

燃焼量の移行時には、流量調整弁１８は燃焼量移行用開度として、本実施例では４０％の開度（３６度）に維持される。燃焼量の移行時には燃焼用空気とガス燃料の各流量を変更する必要があるが、燃焼用空気の流量変化に基づきガスバルブ１４によりガス燃料の流量を変化させるだけでは、一時的に空気比が上がり過ぎて失火するおそれがあるので、これを防止するためである。特に、低燃焼状態から高燃焼状態に移行する際には、ダンパ１１をまず高燃焼用風量位置Ｈにするので、一時的に空気比が上がるので、流量調整弁１８を設定まで開けて空気比を下げて、失火を防止する。また、高燃焼状態から低燃焼状態に移行する際には、ダンパ１１を低燃焼用風量位置Ｌにし、これに伴いガスバルブ１４が開度を狭めるが、一時的に開度を狭め過ぎるアンダーシュートが生じ空気比が上がる場合があるので、流量調整弁１８を設定まで開けて空気比を下げて、失火を防止する。

次に、前記実施例のボイラ１の変形例について説明する。
前記実施例では、オリフィス１５と並列に流量調整弁１８を設け、この流量調整弁１８は、定常燃焼時には設定範囲で開度調整され、着火時（Ｓ２〜Ｓ６）や燃焼量移行時には前記設定範囲の上限開度よりも開けられたが、着火時および／または燃焼量移行時には流量調整弁１８とは別の弁を用いて制御してもよい。すなわち、図１において破線で示すように、流量調整弁１８と並列に開閉弁（電磁弁）２２を設け、この開閉弁２２を介して設定流量を供給可能に構成しておく。そして、バーナ４の定常燃焼時、開閉弁２２を閉じた状態で流量調整弁１８の開度を調整するが、バーナ４の着火時および／または燃焼量移行時、流量調整弁１８を閉じた状態で開閉弁２２を開けばよい。

また、制御器２１から流量調整弁１８に開閉信号を送っても、流量調整弁１８が実際に作動していることを確認するのがよい。たとえば、流量調整弁１８の開度が変更されるとポテンショメータでそれを検知する構成としておき、ポテンショメータの検出信号を制御器２１に入れて、制御器２１において流量調整弁１８への出力信号とポテンショメータからの入力信号とを比較して、流量調整弁１８の異常を検知するのがよい。

以上、本発明を具体的な態様により詳細に説明したが、上記の内容を理解した当業者は、その変更、改変および均等物を容易に考えられるであろう。従って、本発明の範囲は、添付のクレームとその均等の範囲とするべきである。

１ ボイラ
２ 水管
３ 缶体
４ バーナ
５ ファン
６ 燃焼用空気路
７ 燃料供給路
８ 排ガス路
９ 上部管寄せ
１０ 下部管寄せ
１１ ダンパ
１２ 回転軸
１３ 電磁弁
１４ ガスバルブ
１５ オリフィス
１６ 空気抵抗部材
１７ バイパス路
１８ 流量調整弁
１９ 第一温度センサ
２０ 第二温度センサ
２１ 制御器
２２ 開閉弁

Claims (8)

1. バーナへ燃焼用空気を供給するファンと、
   このファンから前記バーナへの燃焼用空気路にガス燃料を供給する燃料供給路と、
   この燃料供給路に設けられ、前記バーナへの燃焼用空気の供給流量に基づきガス燃料の供給流量を調整するガスバルブと、
   このガスバルブより下流において、前記燃料供給路に設けられるオリフィスと、
   このオリフィスと並列に設けられる開度調整可能な流量調整弁と
   を備えることを特徴とするボイラ。
2. 設定された空気比になるように、燃焼用空気の温度とガス燃料の温度とに基づき前記流量調整弁の開度を調整する
   ことを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
3. 前記バーナの定常燃焼時、前記流量調整弁の開度を設定範囲で調整し、
   前記バーナの着火時、前記流量調整弁を前記設定範囲の上限開度よりも開ける
   ことを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
4. 前記バーナの着火時、前記流量調整弁を全開にする
   ことを特徴とする請求項３に記載のボイラ。
5. 前記バーナは、燃焼量を段階的に変更可能とされ、
   前記バーナの燃焼量の移行時、前記流量調整弁を、前記設定範囲の上限開度よりも大きい開度であるが、前記着火時の開度よりも小さい開度にする
   ことを特徴とする請求項３に記載のボイラ。
6. 前記バーナは、燃焼量を段階的に変更可能とされ、
   前記バーナの燃焼量の移行時、前記流量調整弁を、前記設定範囲の上限開度よりも大きい開度であるが、前記着火時の開度よりも小さい開度にする
   ことを特徴とする請求項４に記載のボイラ。
7. 前記オリフィスおよび前記流量調整弁と並列に、開閉弁が設けられ、
   前記バーナの定常燃焼時、前記開閉弁を閉じた状態で、前記流量調整弁の開度を調整し、
   前記バーナの着火時および／または燃焼量移行時、前記流量調整弁を閉じた状態で、前記開閉弁を開く
   ことを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
8. 前記燃焼用空気路に設けた空気抵抗部材の前後の差圧に基づき、前記ガスバルブが機械的に開度調整され、
   前記バーナへの燃焼用空気の供給流量は、前記ファンの回転数により調整されるか、および／または、前記空気抵抗部材より上流に設けたダンパの開度により調整される
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のボイラ。

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