JP2014105905A - ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼を継続しつつ、かつ、蒸気圧力を安定して保持することができるボイラを提供する。
【解決手段】本発明に係るボイラは、燃焼室と、蒸気圧力が上昇する燃焼量の燃焼を燃焼室で行うメインバーナと、メインバーナの燃焼開始時の口火となり、蒸気圧力が降下する燃焼量で燃焼を行う第１段階と、メインバーナよりも小さい燃焼量かつ蒸気圧力が上昇する燃焼量で燃焼を行う第２段階と、で燃焼を行うパイロットバーナと、メインバーナの燃焼と前記パイロットバーナの燃焼を制御する制御部と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラに関する。

ボイラは、一度燃焼を停止するとプレパージ、ポストパージ等の燃焼室内のリフレッシュが必要となる。ボイラは、燃焼室内のリフレッシュを行うと、燃焼を開始するまでに一定の時間がかかる。また、燃焼室内の加熱された空気を排出することになり、熱の損失が発生する。

これに対して、特許文献１は、パイロットバーナを継続的に燃焼させることで、燃焼状態を維持することが記載されている。また、特許文献２には、高燃焼又は中燃焼を行う通常燃焼部と、低燃焼を行う低燃焼用燃焼部を設ける構成が記載されている。特許文献２の装置は、低燃焼を蒸気圧力が上昇しない程度の燃焼量であって、適正な燃焼を行えるだけの燃焼量（高燃焼の５％〜３０％程度）としている。これにより、ボイラの運転途中に炉内を換気することはなくなり、換気による熱の損失は発生しなくなると記載されている。

特開２００６−８４０９４号公報 特開２００１−２７２０２９号公報

特許文献１及び２に記載の装置のように小さい燃焼量で燃焼を継続することで、燃焼室内の状態を一定の間、維持することができる。しかしながら、特許文献１に記載の装置は、特許文献１の図４に示すように、蒸気圧力が上昇してしまい、パイロットバーナの燃焼を停止させる場合がある。また、特許文献２は、低燃焼を蒸気圧力が上昇しない程度の燃焼量としているため、蒸気圧力が徐々に低下することになる。この場合、メインバーナに相等する通常燃焼部５で中燃焼を行うことで、蒸気圧力を上昇させることができるが、蒸気圧力が急上昇し、圧力が一時的に不安定になる場合がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、燃焼を継続しつつ、かつ、蒸気圧力を安定して保持することができるボイラを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るボイラは、燃焼室と、蒸気圧力が上昇する燃焼量の燃焼を前記燃焼室で行うメインバーナと、前記メインバーナの燃焼開始時の口火となり、前記蒸気圧力が降下する燃焼量で燃焼を行う第１段階と、前記メインバーナよりも小さい燃焼量かつ前記蒸気圧力が上昇する燃焼量で燃焼を行う第２段階と、で燃焼を行うパイロットバーナと、前記メインバーナの燃焼と前記パイロットバーナの燃焼を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明の好ましい態様として、前記パイロットバーナに燃料を供給する燃料供給管と、前記燃料供給管に配置され、前記パイロットバーナに供給する燃料の供給量を２段階の供給量で切り換え可能な調整機構と、を有し、前記制御部は、前記調整機構によって燃料の供給量を切り換えることで、前記パイロットバーナの前記第１段階の燃焼と前記第２段階の燃焼とを実行させることが好ましい。

本発明の好ましい態様として、前記蒸気圧力の値を検出する圧力検出装置、をさらに有し、前記制御部は、外部から送信される圧力要求と前記圧力検出装置の検出値とに基づいて、前記メインバーナの燃焼を制御し、前記メインバーナでの燃焼を停止した場合、前記圧力検出装置で検出した前記蒸気圧力の検出値に基づいて、前記パイロットバーナの燃焼を前記第１段階と前記第２段階とで切り替え、前記蒸気圧力を目標値に近づけることが好ましい。

本発明によれば、パイロットバーナによる燃焼量をメインバーナの燃焼開始時の口火となり、蒸気圧力が降下する燃焼量で燃焼を行う第１段階と、メインバーナよりも小さい燃焼量かつ蒸気圧力が上昇する燃焼量で燃焼を行う第２段階と、の２つの段階を切り換えることで、燃焼を継続しつつ、かつ、蒸気圧力を安定して保持することができる。

本実施形態に係るボイラの縦断面の説明図である。 ボイラの制御動作の一例を示すフローチャートである。 ボイラ圧力の変動の一例を示すグラフである。 パイロット用燃料供給部の一例を示す図である。

以下、本発明を好適に実施するための形態（以下、実施形態という。）につき、詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。本実施形態に係るボイラ１０は、燃料として、燃料ガスを用いている場合として説明するが、燃料ガスに代えて、例えば、軽油、重油などの液体燃料又は微粉炭を用いることができる。

＜ボイラ＞
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縦断面の説明図である。図１に示すように、本実施形態に係るボイラ１０は、角型多管式貫流ボイラであり、燃焼用空気供給部１１と、燃料供給部１２と、メインバーナ１３と、パイロット用燃料供給部１５と、パイロットバーナ１６と、角型の燃焼室（缶体、吸熱手段）１７と、排出通路１８と、制御装置１９と、を備えている。ここで、ボイラ１０は、燃焼室１７に蒸気ヘッダ６が接続されている。ボイラ１０は、燃焼室１７の内部に配置された水管が加熱されて発生する蒸気を蒸気ヘッダ６に送る。ボイラ１０は、制御装置１９に台数制御装置８が接続されている。制御装置１９は、台数制御装置８から送信される信号（指示）に基づいて各種制御を実行する。また、ボイラ１０は、燃料供給部１２とパイロット用燃料供給部１５とが燃料供給源３０に接続されている。燃料供給源３０は、燃料を貯留する燃料タンク等を備えており、燃料供給部１２とパイロット用燃料供給部１５とに燃料を供給する。

燃焼用空気供給部１１は、メインバーナ１３へ燃焼用空気（外気）を供給するものである。燃焼用空気供給部１１は、送風機２１と、送風機２１からメインバーナ１３へ燃焼用空気を供給する給気通路２２とを備えている。

燃料供給部１２は、メインバーナ１３へガス燃料（燃料ガス）を供給する。燃料供給部１２は、燃料ガスを供給する燃料供給管２３と、燃料供給管２３の燃料ガスの流量を調整する燃料調整弁２４と、ノズル２５とを備えている。燃料供給管２３は、一方の端部が燃料供給源３０に接続され、他方の端部がノズル２５に接続されている。ノズル２５は、給気通路２２の流路内に燃料ガスを噴出するようになっている。ノズル２５から給気通路２２の流路内に噴射された燃料ガスは、送風機２１から供給される燃焼用空気と混合される。

このように、燃料供給部１２は、燃料供給源３０から燃料供給管２３に供給された燃料ガスをノズル２５から給気通路２２の内部に噴射する。これにより、給気通路２２内で、送風機２１から送風された燃焼用空気にノズル２５から供給された燃料ガスが混合された混合ガスＧ１が生成される。ここで、燃料供給部１２は、燃料調整弁２４の開度等を調整して燃料供給管２３の燃料ガスの流量を調整することで、ノズル２５から給気通路２２に噴射する燃料ガスの量を調整する。

メインバーナ１３は、給気通路２２の送風機２１とは反対側の端部に連結されており、燃焼室１７に露出している。メインバーナ１３は、給気通路２２を通過した混合ガスＧ１を燃焼室１７に噴射し、燃焼室１７内で燃焼させる。メインバーナ１３は、多数の予混合ガス噴出孔が略同一平面上に形成された平面状の燃焼面を有する完全予混合式バーナである。メインバーナ１３は、波板と平板とを交互に積層して矩形平板状に構成されている。なお、本実施形態では、メインバーナ１３は予混合式バーナであるが、これに限定されるものではなく、予混合式バーナ以外の拡散混合型バーナ、旋回式バーナ等周知のバーナを用いることができる。

メインバーナ１３によって燃焼室１７に噴射された混合ガスＧ１は、メインバーナ１３により燃焼され、高温の燃焼ガスＧ２となる。本明細書において、燃焼ガスＧ２とは、燃料ガスの燃焼反応が完了したもの及び燃焼反応中の燃料ガスの少なくとも一方を含む概念である。すなわち、燃焼ガスＧ２は、燃料ガスの燃焼反応が完了したもの及び燃焼反応中の燃料ガスの両方を有するものでもよいし、燃料ガスの燃焼反応が完了したもののみでもよいし、燃焼反応中の燃料ガスのみでもよい。

本実施形態のボイラ１０は、燃料供給部１２から供給する燃料ガスの量及び送風機２１から給気通路２２に供給する空気の量を調整することで、高燃焼モード、中燃焼モード、低燃焼モードの３段階の異なる燃焼量の燃焼モードでメインバーナ１３による燃焼を実行することができる。高燃焼モードは、燃焼量が最も大きいモードである。中燃焼モードは、高燃焼モードよりも燃焼量が小さいモードである。低燃焼モードは、中燃焼モードよりも燃焼量が小さいモードである。

ここで、図１中、メインバーナ１３から燃焼室１７内に示した破線Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は、メインバーナ１３で形成される火炎を概念的に表したものである。ボイラ１０は、高燃焼モードを実行する場合、燃料ガスの供給量を最も多くし、破線Ｆ１で示す火炎を形成する。ボイラ１０は、中燃焼モードを実行する場合、燃料ガスの供給量を高燃焼モードよりも少なくし、破線Ｆ２で示す火炎を形成する。破線Ｆ２で示す火炎は、破線Ｆ１に示す火炎よりも小さくなる。ボイラ１０は、低燃焼モードを実行する場合、燃料ガスの供給量を中燃焼モードよりも少なくし、破線Ｆ３で示す火炎を形成する。破線Ｆ３で示す火炎は、破線Ｆ２に示す火炎よりも小さくなる。

パイロット用空気供給部１４は、パイロットバーナ１６へ燃焼用空気（外気）を供給するものである。パイロット用空気供給部１４は、給気通路２２に接続した給気通路６０と、給気通路６０と接続し給気通路６０から供給された燃焼用空気をパイロットバーナ１６へ供給する第１分岐管６１及び第２分岐管６２と、第１分岐管６１に設置された均圧弁６３と、第２分岐管６２に設置された空気量調整弁６４と、を備えている。

給気通路６０は、一方の端部が給気通路２２と接続し、他方の端部が第１分岐管６１及び第２分岐管６２と接続している。給気通路６０は、給気通路２２から燃焼用空気の少なくとも一部が供給され、供給された燃焼用空気を第１分岐管６１及び第２分岐管６２に供給する。第１分岐管６１及び第２分岐管６２は、一方の端部が給気通路６０に接続され、他方の端部がパイロット用燃料供給部１５の燃料供給管７０に接続されている。第１分岐管６１は、第２分岐管６２よりも燃料の流れ方向において上流側となる位置の燃料供給管７０にされている。第１分岐管６１及び第２分岐管６２は、給気通路６０から供給された燃料用空気を燃料供給管７０に供給する。ここで、燃料供給管７０は、パイロットバーナ１６に接続されている。均圧弁６３は、第１分岐管６１を流れる空気の風力量を均一化する弁である。空気量調整弁６４は、開度を調整することで第２分岐管６２を流れる空気の流量を調整する弁である。

パイロット用空気供給部１４は、給気通路６０に流入した燃焼用空気を第１分岐管６１及び第２分岐管６２の少なくとも一方から燃料供給管７０に供給することで、燃焼用空気をパイロットバーナ１６に供給する。ここで、パイロット用空気供給部１４は、均圧弁６３が設けられている第１分岐管６１から均一の風力量の燃焼用空気を燃料供給管７０に供給する。また、パイロット用空気供給部１４は、空気量調整弁６４の開度を調整することで、第２分岐管６２からパイロットバーナ１６へ供給する空気量を調整する。これにより、パイロット用空気供給部１４は、第１分岐管６１から燃料供給管７０に均一の風力量の燃焼用空気を供給しつつ、第２分岐管６１から燃料供給管７０に供給する燃料用空気を調整することができ、燃料供給管７０に供給する燃焼用空気の量を調整することができる。

本実施形態のパイロット用空気供給部１４は、第１分岐管６１と第２分岐管６２の２つの経路を設け、均圧弁６３によって均一の風力量の燃焼用空気を供給し、かつ、空気量調整弁６４で供給する空気量を調整できるようにしたが、これに限定されない。パイロット用空気供給部１４は、均圧弁６３を設けた第１分岐管６１と空気調整弁６４を設けた第２分岐管６２の一方のみを設けてもよい。また、本実施形態のパイロット用空気供給部１４は、均圧弁６３としてオリフィスを用いてもよい。また、本実施形態のパイロット用空気供給部１４は、給気通路６０を給気通路２２に接続させ、給気通路６０を給気通路２２の分岐管とし、送風機２１から供給される燃焼用空気を給気通路６０に流入させてパイロットバーナ１６へ供給したが、これに限定されない。パイロット用空気供給部１４は、送風機２１とは別体の送風機を備えてもよい。

パイロット用燃料供給部１５は、パイロットバーナ１６へガス燃料（燃料ガス）を供給する。パイロット用燃料供給部１５は、燃料ガスを供給する燃料供給管７０と、燃料供給管７０に設置された開閉弁７１、７２と、バイパス管７４と、バイパス管７４に設けられた開閉弁８０と、燃料供給管７０に配置された流路抵抗８２と、を有する。

燃料供給管７０は、一方の端部が燃料供給源３０に接続され、他方の端部がパイロットバーナ１６に接続されている。また、燃料供給管７０は、パイロットバーナ１６と接続している側の端部近傍に上述したようにパイロット用空気供給部１４の第１分岐管６１と第２分岐管６２とが接続され、燃焼用空気が供給される。燃料供給管７０は、燃料供給源３０から供給された燃料ガスとパイロット用空気供給部１４から供給された燃焼用空気を混合してパイロットバーナ１６に供給する。燃料供給管７０は、パイロットバーナ１６の流路内に燃料ガスと燃焼用空気の混合ガスを噴出するようになっている。

開閉弁７１、７２は、燃料供給管７０に設置されており、燃料供給管７０の開閉を切り換える。開閉弁７１、７２は、燃料供給管７０の開閉を切り換えることで、燃料供給源３０から供給された燃料ガスをパイロットバーナ１６に供給するか否かを切り換える。パイロット用燃料供給部１５は、燃料供給管７０の開閉を切り換える２つの開閉弁７１、７２を設けることで、より安全な構成とすることができる。なお、開閉弁７１、７２は、１つでもよいし、１つ弁を開度が調整できる調整弁として、燃料供給管７０の燃料ガスの流量を調整できるようにしてもよい。

バイパス管７４は、燃料供給管７０に接続された分岐管であり、両端が燃料供給管７０に接続されている。具体的には、バイパス管７４は、開閉弁７１、７２よりも下流側の部分の燃料供給管７０に一方の端部が接続され、他方の端部が当該一方の端部よりも下流側の部分の燃料供給管７０に接続されている。このように、バイパス管７４は、燃料供給管７０から分岐され、当該分岐された部分よりも燃料ガスの流れ方向下流側の燃料供給管７０に連結する。バイパス管７４は、燃料供給管７０を流れている燃料ガスの一部が燃料ガスの流れ方向の上流側の端部から流入し、流入した燃料ガスを燃料ガスの流れ方向の下流側の端部から燃料供給管７０に供給する。

開閉弁８０は、バイパス管７４に設置されており、バイパス管７４の開閉を切り換える。開閉弁８０は、バイパス管７４の開閉を切り換えることで、バイパス管７４に燃料ガスを流すか否かを切り換える。

流路抵抗８２は、燃料供給管７０の、バイパス管７４が分岐する部分とバイパス管７４が分岐した後に接続される部分との間に配置されている。流路抵抗８２には、オリフィス、絞り等、燃料供給管７０を流れる燃料ガスの流れの抵抗となる種々の部材を用いることができる。

このように、パイロット用燃料供給部１５は、燃料供給源３０から燃料供給管７０に供給された燃料ガスとパイロット用空気供給部１４から供給された燃焼用空気とを混合してパイロットバーナ１６に噴射する。これにより、パイロットバーナ１６内に、燃焼用空気と燃料ガスが混合された混合ガスＧ１ａが噴射される。

ここで、パイロット用燃料供給部１５は、開閉弁８０の開閉を切り換えることで、燃料供給管７０からパイロットバーナ１６に供給する燃料ガスの量を調整する。これにより、パイロット用燃料供給部１５は、開閉弁８０の開閉によって、燃料ガスの供給量を２段階に切り替えることができる。

具体的には、パイロット用燃料供給部１５は、開閉弁８０が閉の場合、バイパス管７４を介して燃料ガスが流れない。このため、パイロット用燃料供給部１５は、燃料供給管７０の流路抵抗８２が設けられている流路を通過した燃料ガスのみがパイロットバーナ１６に供給される。これに対して、パイロット用燃料供給部１５は、開閉弁８０が開の場合、バイパス管７４と燃料供給管７０の流路抵抗８２が設けられている流路の両流路を介して燃料ガスが流れる。このため、パイロット用燃料供給部１５は、燃料供給管７０の流路抵抗８２が設けられている流路を通過した燃料ガスと、バイパス管７４を通過した燃料ガスがパイロットバーナ１６に供給される。

燃料供給管７０の流路抵抗８２が設けられている流路は、流路抵抗８２が設けられているため、燃料ガスが流れにくい。これに対して、バイパス管７４は、流路抵抗８２が設けられていないため、燃料ガスが流れやすい。したがって、パイロット用燃料供給部１５は、開閉弁８０を開とすることで、開閉弁８０が閉の場合よりもより多くの燃料ガスをパイロットバーナ１６に供給することができる。

パイロットバーナ１６は、燃料供給管７０の燃料供給源３０とは反対側の端部に連結されており、燃焼室１７に露出している。パイロットバーナ１６は、メインバーナ１３の近傍に配置されている。パイロットバーナ１６は、燃料供給管７０から供給された混合ガスＧ１ａを燃焼室１７に噴射し、燃焼室１７内で燃焼させる。パイロットバーナ１６は、メインバーナと同様に種々の方式のバーナを用いることができる。

パイロットバーナ１６によって燃焼室１７に噴射された混合ガスＧ１ａは、パイロットバーナ１６により燃焼され、高温の燃焼ガスＧ２ａとなる。燃焼ガスＧ２ａの成分は、基本的に燃焼ガスＧ２と同様である。パイロットバーナ１６は、メインバーナ１３で燃料ガスの燃焼を開始する際のパイロット（口火、種火）となる火炎を形成する。パイロットバーナ１６は、燃料ガスの燃焼開始時に、燃料ガスに着火する着火機構を備えている。

本実施形態のボイラ１０は、上述したように開閉弁８０の開閉を切り換えることで、パイロット用燃料供給部１５からパイロットバーナ１６に供給する燃料ガスの量を２段階に切り換えることができる。つまり、本実施形態のボイラ１０は、第１段階の燃焼モード（低出力モード）と、第１段階よりも燃焼量の大きい第２段階の燃焼モード（高出力モード）の２段階の異なる燃焼量の燃焼モードでパイロットバーナ１６による燃焼を実行することができる。なお、ボイラ１０は、燃料ガスの供給量の切り換えに同期して、パイロット用空気供給部１４から燃料供給管７０（パイロットバーナ１６）に供給する空気の量も調整する。また、ボイラ１０は、燃料ガスの供給量の切り換えに係らず、パイロット用空気供給部１４から燃料供給管７０（パイロットバーナ１６）に供給する空気の量を一定としても良い。

第１段階の燃焼モードは、メインバーナ１３の燃焼開始時の口火となり、ボイラ１０の蒸気圧力が降下する燃焼量で燃焼を行う燃焼モードである。第２段階の燃焼モードは、メインバーナ１３よりも小さい燃焼量（つまり、メインバーナ１３で実行する低燃焼モードの燃焼量よりも小さい燃焼量）かつ蒸気圧力が上昇する燃焼量で燃焼を行う燃焼モードである。ここで、第２段階の燃焼モードは、燃焼量を、メインバーナ１３の最大の燃焼量、つまり高燃焼モードの燃焼量の１０％以上２０％以下とすることが好ましい。

ここで、図１中、パイロットバーナ１６から燃焼室１７内に示した破線Ｆ１ａ、Ｆ２ａは、パイロットバーナ１６で形成される火炎を概念的に表したものである。ボイラ１０は、パイロットバーナ１６で第１段階の燃焼モードを実行する場合、開閉弁８０を閉じて燃料ガスの供給量を少なくし、破線Ｆ１ａで示す火炎を形成する。ボイラ１０は、パイロットバーナ１６で第２段階の燃焼モードを実行する場合、開閉弁８０を開いて燃料ガスの供給量を多くし、破線Ｆ２ａで示す火炎を形成する。破線Ｆ２ａで示す火炎は、破線Ｆ１ａに示す火炎よりも大きくなる。

燃焼室１７は、燃焼ガスＧ２から吸熱する缶体である。燃焼室１７は、上部管寄せ１７Ａと、下部管寄せ１７Ｂと、水管群１７Ｃとを備えている。水管群１７Ｃは、上下方向に延在して設置された上部管寄せ１７Ａ及び下部管寄せ１７Ｂを連結する多数の水管２７を備えている。なお、上部管寄せ１７Ａの下部と下部管寄せ１７Ｂの上部とには耐火物２９が設けられている。

燃焼室１７は、その内部の長手方向の両側に一対の連結壁を備えている。連結壁は、隣接する外側の水管同士を連結している。燃焼室１７は、外側の水管、一対の連結壁、上部管寄せ１７Ａ及び下管寄せ１７Ｂとで囲まれた空間が、メインバーナ１３からの燃焼ガスＧ２が流通するガス流動空間Ｓとなる。燃焼室１７は、ガス流動空間Ｓの一端にメインバーナ１３を備え、他端に燃焼ガス出口３２を備えている。燃焼ガス出口３２は燃焼ガスＧ２が流通する排出通路１８と接続されている。

燃焼室１７は、下部管寄せ１７Ｂに外部から水が供給される。これにより、下部管寄せ１７Ｂ及び水管群１７Ｃには、水管群１７Ｃの所定位置まで水が貯留された状態となる。燃焼室１７は、上部管寄せ１７Ａに蒸気供給管４０が接続されている。燃焼室１７は、水管群１７Ｃの水管２７内に貯留された水を燃焼ガスＧ２と熱交換させて蒸発させ、蒸気を発生させ、発生した蒸気を、蒸気供給管４０を介して蒸気ヘッダ６に供給する。ここで、蒸気供給管４０には、蒸気流量調整弁４１が配置されている。燃焼室１７は、蒸気流量調整弁４１の開度を調整することで、燃焼室１７の上部管寄せ１７Ａから蒸気ヘッダ６に供給される蒸気の量を調整することができる。

排出通路１８は、燃焼室１７で熱を奪われて温度が低下した燃焼ガスＧ２を外部へ排出する通路である。

制御装置１９は、ボイラ１０の各部の動作を制御し、発生させる蒸気量や、蒸気圧力を調整する。例えば、制御装置１９は、台数制御装置８から送信される指示に基づいて、燃料調整弁２４の開度や送風機２１から供給する風量を制御し、メインバーナ１３での燃焼モードを切り換える。ここで、制御装置１９は、例えば、燃焼用空気と燃料ガスの比が設定した比となるように、燃料供給管２３に供給される燃料ガスと燃焼用空気を調整する。

制御装置１９は、パイロットバーナ１６で実行する燃焼モードも制御する。ここで、ボイラ１０は、水管群１７Ｃの水位を検出する水位検出部３５や、水位検出部３５の蒸気圧力を検出する圧力検出部４２ａや、蒸気供給管４０に設置され蒸気供給管４０内の蒸気圧力を検出する圧力検出部４２ｂ等、各種センサを備えている。水位検出部３５は、上部管寄せ１７Ａ及び下部管寄せ１７Ｂと接続されている。水位検出部３５は、上部管寄せ１７Ａ及び下部管寄せ１７Ｂとの両方に接続されていることで、水管群１７Ｃと同じ水位となり、また、水管群１７Ｃ圧力となる。水位検出部３５は、内部の水位を検出することで、水管群１７Ｃの水位を検出する。制御装置１９は、圧力検出部４２ａ、４２ｂで検出した蒸気の圧力に基づいて、パイロットバーナ１６で実行する燃焼モードを決定し、パイロットバーナ１６で決定したモードの燃焼を実行する。本実施形態では、蒸気圧力を検出する検出部として、圧力検出部４２ａ、４２ｂを設けたがこれに限定されない。ボイラ１０は、圧力検出部４２ａ、４２ｂのいずれか一方のみを備えていてもよい。また、ボイラ１０は、発生した蒸気の圧力を検出できればよく、検出位置は特に限定されない。さらにボイラ１０は、発生した蒸気の圧力を検出できればよく、蒸気圧力以外の値を検出し、演算によって蒸気圧力を検出するようにしてもよい。

＜ボイラの動作＞
次に、本実施形態に係るボイラ１０の動作を説明する。ボイラ１０は、制御装置１９が各部の動作を制御することで、各動作を実現する。制御装置１９は、パイロット用空気供給部１４とパイロット用燃料供給部１５を駆動し、パイロットバーナ１６から第１段階の燃焼モードでの燃焼を開始する。制御装置１９は、メインバーナ１３での燃焼を開始する指示を取得したら、燃焼用空気供給部１１と燃料供給部１２を駆動して、給気通路２２に燃焼用空気を供給し、燃料供給管２３から給気通路２２に燃料ガスを噴射する。これにより、燃焼用空気と燃料ガスが給気通路２２内において予混合され、混合ガスＧ１が生成される。生成された混合ガスＧ１は、給気通路２２からメインバーナ１３に供給され、メインバーナ１３から燃焼室１７に向けて噴射される。ここで、ボイラ１０は、メインバーナ１３の周囲に配置されたパイロットバーナ１６が第１段階の燃焼モードで燃焼している。このため、メインバーナ１３から燃焼室１７に向けて噴射された混合ガスＧ１は、パイロットバーナ１６の火炎により着火され、燃焼される。混合ガスＧ１は燃焼されることで、燃焼ガスＧ２となる。

燃焼ガスＧ２は、メインバーナ１３から燃焼室１７内のガス流動空間Ｓへ向けて噴出される。混合ガスＧ１の燃焼に伴い生ずる燃焼ガスＧ２は、ガス流動空間Ｓを通過しながら水管群１７Ｃの水管２７内に貯留された水と熱交換して、水を蒸発させ、蒸気とする。水を蒸発させることにより生じた蒸気は上部管寄せ１７Ａを経由して蒸気供給管４０に供給される。蒸気供給管４０を通過した蒸気は、蒸気ヘッダ６に供給される。また、燃焼ガスＧ２は、燃焼ガスＧ２のガス流れ方向の上流側から下流側にかけて水管群１７Ｃ内を流れ、水管内の水と熱交換される。そして、水管群１７Ｃを通過した燃焼ガスＧ２は、燃焼ガス出口３２から排出通路１８に排出される。

また、制御装置１９は、各種条件に基づいて、メインバーナ１３、パイロットバーナ１６の燃焼モードを切り換える。例えば、制御装置１９は、台数制御装置８から送信される指示に基づいて、メインバーナ１３の燃焼モードを切り換える。また、制御装置１９は、無負荷状態で圧力を保持する状態の場合、パイロットバーナ１６の燃焼モードを切り換える。

以下、図２及び図３を用いて、無負荷状態で圧力を保持する状態で実行される制御動作について説明する。ここで図２は、ボイラの制御動作の一例を示すフローチャートである。図３は、ボイラ圧力の変動の一例を示すグラフである。図２に示す処理は、制御装置１９が各部の検出結果及び外部から入力される指示に基づいて処理を実行することで実現することができる。なお、制御装置１９は、燃料ガスを燃焼している間、図２に示す処理を繰り返し実行する。

制御装置１９は、ステップＳ１２として無負荷状態で圧力を保持する状態であるかを判定する（ステップＳ１２）。制御装置１９は、台数制御装置８から送信される圧力要求の情報や台数制御装置８から送信される燃焼モードの指示、圧力検出部４２ａ、４２ｂで検出した圧力の検出値の変動に基づいて無負荷状態で圧力を保持する状態であるかの判定を行う。

制御装置１９は、無負荷状態で圧力を保持する状態ではない（ステップＳ１２でＮｏ）、つまり、負荷がある状態や圧力を変動させる状態（目標圧力と現在の圧力との間に一定以上の差がある状態）であると判定した場合、本処理を終了する。制御装置１９は、無負荷状態で圧力を保持する状態である（ステップＳ１２でＹｅｓ）と判定した場合、パイロットバーナ１６を高出力モードに設定する（ステップＳ１４）。制御装置１９は、パイロットバーナ１６を高出力モード（第２段階の燃焼モード）に設定したら、開閉弁８０を開として、パイロットバーナ１６での燃料ガスの燃焼を実行する。これにより、ボイラ１０は、燃焼室１７内に破線Ｆ２ａの火炎が形成される。このとき、ボイラ１０は、メインバーナ１３での燃焼が停止しており、パイロットバーナ１６のみで燃料ガスの燃焼が実行される。

次に、制御装置１９は、圧力検出部４２ａ、４２ｂで圧力を検出する（ステップＳ１６）。制御装置１９は、圧力（蒸気圧力）を検出したら、検出した圧力が上限以上であるかを判定する（ステップＳ１８）。ここで、圧力の上限とは、無負荷状態で圧力を維持する場合に許容範囲に設定されている範囲の上限の値である。

制御装置１９は、圧力の上限以上ではない（ステップＳ１８でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ２２に進む。制御装置１９は、圧力の上限以上である（ステップＳ１８でＹｅｓ）と判定した場合、パイロットバーナ１６を低出力モードに設定し（ステップＳ２０）、ステップＳ２２に進む。制御装置１９は、パイロットバーナ１６を低出力モード（第１段階の燃焼モード）に設定した場合、開閉弁８０を閉じて、パイロットバーナ１６に供給する燃料ガスの量を少なくする。これにより、ボイラ１０は、燃焼室１７内に破線Ｆ２ａよりも小さい破線Ｆ１ａの火炎が形成される。なお、ステップＳ２０でパイロットバーナ１６が低出力モードである場合、燃焼モードはそのまま維持される。

制御装置１９は、ステップＳ１８でＮｏと判定した場合、またはステップＳ２０の処理を実行した場合、検出した圧力が下限以下であるかを判定する（ステップＳ２２）。ここで、圧力の下限とは、無負荷状態で圧力を維持する場合に許容範囲に設定されている範囲の下限の値である。

制御装置１９は、圧力の下限以下ではない（ステップＳ２２でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ２６に進む。制御装置１９は、圧力の下限以下である（ステップＳ２２でＹｅｓ）と判定した場合、パイロットバーナ１６を高出力モードに設定し（ステップＳ２４）、ステップＳ２６に進む。制御装置１９は、パイロットバーナ１６を高出力モード（第２段階の燃焼モード）に設定した場合、開閉弁８０を開いて、パイロットバーナ１６に供給する燃料ガスの量を多くする。これにより、ボイラ１０は、燃焼室１７内に破線Ｆ１ａよりも大きい破線Ｆ２ａの火炎が形成される。なお、ステップＳ２４でパイロットバーナ１６が高出力モードである場合、燃焼モードはそのまま維持される。

制御装置１９は、ステップＳ２２でＮｏと判定した場合、またはステップＳ２４の処理を実行した場合、メインバーナ１３の点火指示があるかを判定する（ステップＳ２６）。メインバーナの点火指示とは、メインバーナ１３で火炎を形成する指示であり、本実施形態では高燃焼モード、中燃焼モード、低燃焼モードのいずれかでの燃料の燃焼を実行する指示である。

制御装置１９は、メインバーナ１３に点火指示がある（ステップＳ２６でＹｅｓ）と判定した場合、メインバーナ１３の燃焼を開始し（ステップＳ２８）、つまり高燃焼モード、中燃焼モード、低燃焼モードのいずれかでの燃料の燃焼を開始し、本処理を終了する。

制御装置１９は、メインバーナ１３に点火指示がない（ステップＳ２６でＮｏ）と判定した場合、停止処理を実行するかを判定する（ステップＳ３０）。停止処理とは、メインバーナ１３、パイロットバーナ１６のいずれでも火炎の形成を行わない、つまり、燃焼室１７での燃焼を停止する処理である。制御装置１９は、停止処理を実行しない（ステップＳ３０でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ１６に戻り、蒸気圧力に基づいてパイロットバーナ１６の燃焼モードを判定し、燃焼モードを維持するか切り換えるかの処理を実行する。

制御装置１９は、停止処理を実行する（ステップＳ３０でＹｅｓ）と判定した場合、パイロットバーナ１６の燃焼を停止し（ステップＳ３２）、プレパージを実行し（ステップＳ３４）、本処理を終了する。

ボイラ１０は、無負荷状態で圧力保持する場合、図２に示す処理を行い、パイロットバーナの実行する燃焼モードを、蒸気圧力によって、メインバーナ１３の燃焼開始時の口火となり、蒸気圧力が降下する燃焼量で燃焼を行う第１段階の燃焼モード（低出力モード）と、第１段階よりも燃焼量の大きい燃焼モードであり、メインバーナ１３よりも小さい燃焼量（つまり、メインバーナ１３で実行する低燃焼モードの燃焼量よりも小さい燃焼量）かつ蒸気圧力が上昇する燃焼量で燃焼を行う第２段階の燃焼モード（高出力モード）と、に切り換えることで、ボイラ１０の蒸気圧力をより安定して保持することができる。具体的には、ボイラ１０は、第１段階の燃焼モードで蒸気圧力を緩やかに低下させることができ、第２段階の燃焼モードで蒸気圧力を緩やかに上昇させることができる。これにより、メインバーナ１３に点火せずに、蒸気圧力を保持する圧力近傍の範囲で保持することができ、メインバーナ１３の点火で蒸気圧力が急激に上昇することを抑制でき、蒸気圧力をより安定させることができる。

また、パイロットバーナ１６を用いて、メインバーナ１３で実行する低燃焼モードの燃焼量よりも小さい燃焼量かつ蒸気圧力が上昇する燃焼量で燃焼を行う第２モードを実行することで、メインバーナ１３の構成を簡単にすることができる。つまり、メインバーナ１３で実行する燃焼モードの燃焼量の幅を狭くできることで、送風機２１の流量調整幅や燃料供給部１２の燃料の供給量の調整幅を狭くすることができる。これにより、例えば、径の大きい給気通路２２に少量の燃料を供給し、小さい火炎を形成させる必要が無いため、当該火炎の形成を実現するための特殊な機構を設ける必要がなく、メインバーナ１３として従来から用いているバーナを用いることができる。

また、燃料も効率よく使用することができる。さらに、パイロットバーナ１６を点火させた状態を維持できるため、プレパージの実行頻度を低減することができ、燃焼室１７で発生した熱量を効率よく利用することができる。また、パイロットバーナ１６に点火させた状態で、より長い時間、圧力を保持できるため、ステップＳ２８のようにメインバーナ１３での燃焼を開始する際に、すぐにメインバーナ１３の燃焼を開始することができ、さらに所定の圧力に保持できているため、蒸気圧力が要求された圧力に上昇するまでの時間をより短くすることができる。

図３は、無負荷状態で圧力を保持する状態、つまり、目標圧力が一定でかつボイラ１０から蒸気ヘッダ６に蒸気が供給されない状態のボイラ圧力の変動の一例を示すグラフである。図３は、縦軸をボイラ圧力（蒸気圧力）とし、横軸を経過時間とした。図３には、本実施形態のボイラ１０によって無負荷状態で圧力を保持する制御を実行した場合の計測結果を示している。また、比較のため、パイロットバーナ１６を備えないボイラ１０によって無負荷状態で圧力を保持する制御を実行した場合の計測結果と、パイロットバーナ１６で第１段階の燃焼モードの燃焼のみが使用可能なボイラ１０によって無負荷状態で圧力を保持する制御を実行した場合の計測結果と、を示す。

図３に示すように、パイロットバーナ１６を備えない場合、メインバーナ１３での燃焼を停止すると蒸気圧力が徐々に低下する。その後所定の圧力以下となると、プレパージを行って、燃焼室１７内の空気を入れ換えた後、メインバーナ１３で燃料ガスを燃焼し、ボイラ圧力を上昇させる。この場合、メインバーナ１３での燃焼停止時のボイラ圧力の低下速度が速く、プレパージによって一時的にボイラ圧力が急激に低下し、メインバーナ１３の点火によりボイラ圧力が急激に上昇する。

次に、パイロットバーナ１３で第１段階の燃焼モードの燃焼のみを使用した場合、メインバーナ１３が停止した状態でもパイロットバーナ１３が点火し、所定の圧力以下となると、メインバーナ１３で燃料ガスを燃焼し、ボイラ圧力を上昇させる。この場合、メインバーナ１３が停止した状態でもパイロットバーナが点火されている。このため、蒸気圧力の低下速度は、遅くなる。また、プレパージを行わないため、圧力の急激な低下を抑制できるが、メインバーナ１３の燃焼によりボイラ圧力を上昇させているため、メインバーナ１３の点火によりボイラ圧力が急激に上昇する。

次に、本実施形態のボイラは、ボイラ圧力（蒸気圧力）によって、パイロットバーナで第１段階の燃焼モードと第２段階の燃焼モードの燃焼を切り換える。ここで、ボイラは、基本的に、ボイラ圧力が低下している時間は、第１段階の燃焼モードで燃焼を行い、ボイラ圧力が上昇している時間は、第２段階の燃焼モードで燃焼を行っている。本実施形態のボイラは、ボイラ圧力を緩やかに低下させること及びボイラ圧力を緩やかに上昇させることができる。このため、他の２つの例に比べて、ボイラ圧力の調整範囲の幅を狭くすることができる。つまり、上述した各種効果を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施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、パイロット用燃料供給部１５は、第１段階の燃焼モードと第２段階の燃焼モードに対応して供給する燃料の量を切り換えることができれば、図１の構成に限定されない。

例えば、パイロット用燃料供給部１５は、開閉弁８０と流路抵抗８２を設ける配管を逆にしてもよい。つまり燃料供給管７０のバイパス管７４との連結部に挟まれた領域に開閉弁８０を設け、バイパス管７４に流路抵抗８２を設けてもよい。

図４は、パイロット用燃料供給部の一例を示す図である。図４に示すパイロット用燃料供給部１５ａは、第１配管９０と、第２配管９２と、連結配管９４と、開閉弁９６、９８と、を有する。第１配管９０は、一方の端部が燃料供給源３０に接続され、他方の端部が連結配管９４に接続されている。第２配管９２は、一方の端部が燃料供給源３０に接続され、他方の端部が連結配管９４に接続されている。連結配管９４は、一方の端部が第１配管９０及び第２配管９２に接続され、他方の端部がパイロットバーナ１６に接続されている。つまり、パイロット用燃料供給部１５ａは、燃料供給源３０側が２本に分れ、パイロットバーナ１６側が１本となるＹ字形状で燃料供給配管が接続されている。開閉弁９６は、第１配管９０に設置されており、第１配管９０の開閉を切り換える。開閉弁９６は、第１配管９０の開閉を切り換えることで、燃料供給源３０から供給された燃料ガスを連結配管９４に供給するか否かを切り換える。開閉弁９８は、第２配管９２に設置されており、第２配管９２の開閉を切り換える。開閉弁９８は、第２配管９２の開閉を切り換えることで、燃料供給源３０から供給された燃料ガスを連結配管９４に供給するか否かを切り換える。

パイロット用燃料供給部１５ａは、開閉弁９６、９８の開閉を切り換えることで、第１段階の燃焼モードの燃料の供給と、第２段階の燃焼モードの燃料の供給と、を切り換える。例えば、パイロット用燃料供給部１５ａは、開閉弁９６を開とし、開閉弁９８を閉とすることで、第１配管９０からのみ連結配管９４に燃料ガスを供給し、第１段階の燃焼モードに対応する量の燃料を供給する。また、パイロット用燃料供給部１５ａは、開閉弁９６を開とし、開閉弁９８を開とすることで、第１配管９０、第２配管９２の両方から連結配管９４に燃料ガスを供給し、第２段階の燃焼モードに対応する量の燃料を供給する。このように燃料ガスを供給する配管の本数を１本とするか２本とするかで、供給する燃料の量を切り換えるようにしてもよい。

パイロット用燃料供給部１５ａは、例えば、第１段階の燃焼モードの場合、開閉弁９６を開とし、開閉弁９８を閉とすることで、第１配管９０からのみ連結配管９４に燃料ガスを供給し、第２段階の燃焼モードの場合、開閉弁９６を閉とし、開閉弁９８を開とすることで、第２配管９２からのみ連結配管９４に燃料ガスを供給することで、燃料の供給量を切り換えるようにしてもよい。この場合、第２配管９２を第１配管９０よりも大きくしたり、第１配管９０に第２配管９２よりも大きい流路抵抗を設けたりすることで、２つの配管に流れる燃料ガスの流量を異なる量とすることができ、パイロットバーナ１６に供給する燃料の量を切り換えることができる。

また、パイロット用燃料供給部１５は、燃料ガスを流す配管を複数経路設けることに限定されない。パイロット用燃料供給部１５は、燃料ガスを流す配管に流路抵抗を変化させる機構を設け、燃料の流れやすさを調整することで、２つの燃焼モードに対応した量の燃料を供給するようにしてもよい。流路抵抗を変化させる機構としては、電磁弁、流量調整弁や可変の流路抵抗を用いることができる。

また、ボイラ１０は、パイロットバーナ１６の第２段階の燃焼モードをさらに複数段の燃焼モードに切り換え可能としてもよい。つまり、ボイラ１０は、パイロットバーナ１６で、メインバーナ１３よりも小さい燃焼量かつ蒸気圧力が上昇する燃焼量である範囲で、複数の燃焼量に切り換え可能としてもよい。これにより、ボイラ１０は、蒸気圧力をより多くの選択肢で調整することができるため、蒸気圧力をより細かく制御することができる。

６ 蒸気ヘッダ
８ 台数制御装置
１０ ボイラ
１１ 燃焼用空気供給部
１２ 燃料供給部
１３ メインバーナ
１４ パイロット用空気供給部
１５ パイロット用燃料供給部
１６ パイロットバーナ
１７ 燃焼室（缶体、吸熱手段）
１７Ａ 上部管寄せ
１７Ｂ 下部管寄せ
１７Ｃ 水管群
１８ 排出通路
１９ 制御装置（制御部）
２１ 送風機
２２ 給気通路
２３ 燃料供給管
２４ 燃料調整弁
２５ ノズル
２７ 水管
２９ 耐火物
３０ 燃料供給源
３２ 燃焼ガス出口
３５ 水位検出部
４０ 蒸気供給管
４１ 蒸気流量調整弁
４２ａ、４２ｂ 圧力検出部
６０ 給気通路
６１ 第１分岐管
６２ 第２分岐管
６３ 均圧弁
６４ 空気量調整弁
７０ 燃料供給管
７１、７２、８０ 開閉弁
７４ バイパス管
８２ 流路抵抗
Ｇ１ 混合ガス
Ｇ２ 燃焼ガス
Ｓ ガス流動空間

Claims (3)

1. 燃焼室と、
   蒸気圧力が上昇する燃焼量の燃焼を前記燃焼室で行うメインバーナと、
   前記メインバーナの燃焼開始時の口火となり、前記蒸気圧力が降下する燃焼量で燃焼を行う第１段階と、前記メインバーナよりも小さい燃焼量かつ前記蒸気圧力が上昇する燃焼量で燃焼を行う第２段階と、で燃焼を行うパイロットバーナと、
   前記メインバーナの燃焼と前記パイロットバーナの燃焼を制御する制御部と、を有することを特徴とするボイラ。
2. 前記パイロットバーナに燃料を供給する燃料供給管と、
   前記燃料供給管に配置され、前記パイロットバーナに供給する燃料の供給量を２段階の供給量で切り換え可能な調整機構と、を有し、
   前記制御部は、前記調整機構によって燃料の供給量を切り換えることで、前記パイロットバーナの前記第１段階の燃焼と前記第２段階の燃焼とを実行させる請求項１に記載のボイラ。
3. 前記蒸気圧力の値を検出する圧力検出装置、をさらに有し、
   前記制御部は、外部から送信される圧力要求と前記圧力検出装置の検出値とに基づいて、前記メインバーナの燃焼を制御し、
   前記メインバーナでの燃焼を停止した場合、前記圧力検出装置で検出した前記蒸気圧力の検出値に基づいて、前記パイロットバーナの燃焼を前記第１段階と前記第２段階とで切り替え、前記蒸気圧力を目標値に近づけることを特徴とする請求項１または２に記載のボイラ。

Images