JP2014169837A

JP2014169837A - ボイラ

Info

Publication number: JP2014169837A
Application number: JP2013042834A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Ikeuchi; 裕明池内
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-05
Also published as: JP6102350B2

Abstract

【課題】燃焼状態の変化に応じて好適な量の燃焼用空気を供給できるボイラを提供すること。
【解決手段】燃焼率を変更して燃焼可能なボイラ１であって、燃料を燃焼させるバーナ１５と、ファンを有し、ファンを回転させてバーナ１５に燃焼用空気を供給する送風機２０と、バーナ１５と送風機２０との間に配置され、所定の範囲の開度で開閉可能なダンパ４０と、燃焼率の変化に応じてダンパ４０の開度及びファンの回転速度を制御する制御部７０と、を備え、制御部７０は、第１範囲の燃焼率においては、ファンの回転速度を固定して、ダンパ４０の開度により燃焼用空気の供給量を制御し、かつ、第１の範囲における燃焼率の変化速度が一定になるようにダンパ４０の開閉速度を変化させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ボイラに関する。より詳細には、燃焼状態の変化に応じて好適な量の燃焼用空気を供給できるボイラに関する。

従来、燃料を燃焼させるバーナと、このバーナに燃料を供給する燃料供給装置と、バーナに燃焼用空気を供給する送風機と、を備え、複数の燃焼状態（燃焼率）で燃焼されるボイラにおいては、燃焼率に応じて燃焼に必要とされる空気の量が異なる。そこで、送風機を、ファンと、このファンを回転させるモータと、このモータの駆動（回転速度）を可変させるインバータと、を含んで構成し、燃焼率に応じてモータ（ファン）の回転速度を増減させることで適切な量の燃焼用空気をバーナに供給する技術が用いられている。

このように、ファンの回転速度の増減により燃焼用空気の供給量を調整する場合、燃焼率の低い状態では、ファンの回転速度を減少させることで燃焼用空気の供給量を少なくしている。しかしながら、ファンの回転速度を減少させて燃焼用空気の供給量を少なくした場合、バーナに供給される燃焼用空気の供給圧が弱くなり、燃焼状態が安定しにくい場合があった。

そこで、送風機の下流側にダンパを配置し、このダンパの開閉によっても燃焼用空気の供給量を調整する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１で提案された技術によれば、燃焼率の低い低燃焼位置においては、ファンの回転速度は所定の供給圧を保つように制御しながら、ダンパを開度の小さい閉状態にすることでバーナに供給される燃焼用空気の供給圧を保ちつつ、適切な量の燃焼用空気をバーナに供給する。また、燃焼率の高い高燃焼位置においては、ダンパを開度の大きい開状態にすると共にファンの回転速度も増加させて適切な量の燃焼用空気をバーナに供給する。

特開２００６−１３８５６１号公報

特許文献１では、低燃焼位置及び高燃焼位置を含む多段階の燃焼位置で燃焼される段階値制御のボイラにおける燃焼用空気の供給量の制御技術が提案されている。
一方、近年、従来の段階値制御ボイラよりも細かく燃焼状態を制御可能なボイラが求められている。そして、ボイラの燃焼状態を細かく制御した場合、バーナに供給される燃焼用空気の量についても、燃焼状態の変化に応じてより細かな制御を行うことが求められる。

従って、本発明は、燃焼状態の変化に応じて好適な量の燃焼用空気を供給できるボイラを提供することを目的とする。

本発明は、燃焼率を変更して燃焼可能なボイラであって、燃料を燃焼させるバーナと、ファンを有し、該ファンを回転させて前記バーナに燃焼用空気を供給する送風機と、前記バーナと前記送風機との間に配置され、所定の範囲の開度で開閉可能なダンパと、前記燃焼率の変化に応じて前記ダンパの開度及び前記ファンの回転速度を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、第１範囲の燃焼率においては、前記ファンの回転速度を固定して、前記ダンパの開度により前記燃焼用空気の供給量を制御し、かつ、該第１範囲における前記燃焼率の変化速度が一定になるように前記ダンパの開閉速度を変化させるボイラに関する。

また、前記制御部は、前記開度が小さい範囲における前記ダンパの開閉速度よりも、前記開度が大きい範囲における前記ダンパの開閉速度を速くすることが好ましい。

また、前記制御部は、前記開度が第１開度以下の範囲では、前記ダンパを第１速度で開閉させ、前記開度が前記第１開度を超えた範囲では、前記ダンパの開閉速度を前記第１速度から徐々に加速させることが好ましい。

また、前記制御部は、前記第１範囲の燃焼率よりも大きい第２範囲の燃焼率では、前記ダンパの開度を固定して、前記ファンの回転速度により前記燃焼用空気の供給量を制御することが好ましい。

また、ボイラは、燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラにより構成されることが好ましい。

本発明のボイラによれば、燃焼状態の変化に応じて好適な量の燃焼用空気を供給できる。

本発明のボイラの一実施形態を模式的に示す図である。ファンの回転速度を一定にした場合におけるダンパの開度と給気ダクトを流通する燃焼用空気の流量との関係を示す図である。燃焼率を２０％〜４０％まで変化させる場合における燃焼率とダンパの開度との関係を示す図である。ダンパの開度とダンパを開閉させる速度との関係を示す図である。燃焼率の変化と燃焼率の変化にかかる移行時間との関係を示す図である。

以下、本発明のボイラの好ましい一実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態のボイラ１は、水を加熱して蒸気を生成する蒸気ボイラである。このボイラ１は、図１に示すように、缶体１０と、缶体１０に燃焼用空気を送り込む送風機２０と、缶体１０と送風機２０とを接続し燃焼用空気が流通する給気ダクト３０と、給気ダクト３０に配置されるダンパ４０と、給気ダクト３０に燃料ガスを供給する燃料供給装置５０と、缶体１０から排出される燃焼ガスが流通する排気筒６０と、缶体１０に水を供給する給水路（図示せず）と、ボイラ１の燃焼状態を制御する制御部７０と、を備える。

缶体１０は、図１に示すように、ボイラ筐体１１と、複数の水管１２と、下部ヘッダ１３と、上部ヘッダ１４と、バーナ１５と、を備える。
ボイラ筐体１１は、缶体１０の外形を構成し、平面視矩形形状の直方体状に形成される。このボイラ筐体１１の長手方向の一端側に位置する第１側面１１ａには、給気口１６が形成され、ボイラ筐体１１の長手方向の他端側に位置する第２側面１１ｂには、排気口１７が形成される。

複数の水管１２は、ボイラ筐体１１の内部に上下方向に延びて配置されると共に、ボイラ筐体１１の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される。
下部ヘッダ１３は、ボイラ筐体１１の下部に配置される。下部ヘッダ１３には、複数の水管１２の下端部が接続される。

上部ヘッダ１４は、ボイラ筐体１１の上部に配置される。上部ヘッダ１４には、複数の水管１２の上端部が接続される。
バーナ１５は、給気口１６に配置される。

送風機２０は、ファン及びこのファンを回転させるモータを有する送風機本体２１と、ファン（モータ）の回転数を増減させるインバータ２２と、を備える。送風機２０は、インバータ２２に入力される周波数に応じて、ファンが所定の回転数で回転することで、缶体１０に燃焼用空気を送り込む。

給気ダクト３０は、上流側の端部が送風機２０に接続され、下流側の端部が給気口１８に接続される。給気ダクト３０は、送風機２０から送り込まれた燃焼用空気を缶体１０に供給する。
ダンパ４０は、給気ダクト３０の内部の燃焼用空気の流路を塞いだ閉状態と、この閉状態から９０度回転し、給気ダクト３０の内部の燃焼用空気の流路を開放した開状態との間で回転可能に配置される。

燃料供給装置５０は、ガス供給ライン５１と、このガス供給ラインに設けられる調整弁５２及びノズル５３と、を備える。
ガス供給ライン５１は、給気ダクト３０におけるダンパ４０が配置された位置よりも下流側に接続され、給気ダクト３０に燃料ガスを供給する。
調整弁５２は、給気ダクト３０に供給される燃料ガスの流通量を調整する。
ノズル５３は、ガス供給ライン５１の先端部に配置され、給気ダクト３０に燃料ガスを噴出する。

排気筒６０は、排気口１７に接続される。排気筒６０は、缶体１０の内部で燃料ガスが燃焼して生じた燃焼ガスを排出する。
制御部７０は、缶体１０への燃焼用空気の供給量及び燃焼ガスの供給量を制御することで、ボイラ１の燃焼状態（燃焼率）を制御し、ボイラ１による蒸気の生成量を調整する。

以上のボイラ１によれば、送風機２０により給気ダクト３０に送り込まれた燃焼用空気は、ガス供給ライン５１から供給された燃料ガスと混合され、燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスがバーナ１５から缶体１０の内部に噴出され、燃焼される。そして、バーナ１５による混合ガスの燃焼に伴って発生する熱により、下部ヘッダ１３から複数の水管１２の内部に供給された水が加熱され、蒸気が生成される。複数の水管１２の内部において生成された蒸気は、上部ヘッダ１４に集合された後、蒸気導出管（図示せず）を介して外部に導出される。また、混合ガスの燃焼により生じた燃焼ガスは、排気筒６０から外部に排出される。

次に、制御部７０によるボイラ１の燃焼状態の制御の詳細について説明する。
制御部７０は、ボイラ１が蒸気を供給する負荷機器による蒸気の消費量に応じて、ボイラ１の燃焼率を変更し、蒸気の生成量を調整する。

本実施形態では、ボイラ１は、燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラにより構成される。比例制御ボイラとは、少なくとも、最小燃焼状態（例えば、最大燃焼量の２０％の燃焼率における燃焼状態）から最大燃焼状態の範囲で、燃焼率が連続的に制御可能とされているボイラである。

本実施形態では、ボイラ１の燃焼停止状態と最小燃焼状態との間の燃焼率の変更は、ボイラ１（バーナ）の燃焼をオン／オフすることで制御される。そして、最小燃焼状態から最大燃焼状態の範囲においては、燃焼率が連続的に制御可能となっている。
尚、以下においては、燃焼率を２０％〜１００％の範囲で連続的に変更可能なボイラ１における燃焼状態の制御について説明する。

制御部７０は、インバータ２２に入力する周波数を増減させることで、送風機２０のファンの回転速度を増減させ、給気ダクト３０に送り込む燃焼用空気の量を制御する。また、制御部７０は、ダンパ４０の開度を制御することで、給気ダクト３０の内部をバーナ１５に向かって流れる燃焼用空気の量を制御する。

ここで、燃焼率の低い状態では、ファンの回転速度を減少させて燃焼用空気の供給量を少なくすると、バーナ１５に供給される燃焼用空気の供給圧が弱くなり、燃焼状態が安定しにくい。そのため、本実施形態では、制御部７０は、燃焼率の低い第１範囲（２０％〜４０％）においては、ファンの回転速度を固定し、ダンパ４０の開度を調整することで、燃焼用空気の供給量を制御する。そして、制御部７０は、燃焼率の高い第２範囲（４０％〜１００％）においては、ダンパ４０の開度を固定（例えば、全開）し、ファンの回転速度を調整することで、燃焼用空気の供給量を制御する。

ここで、図２に示すように、ファンの回転速度を一定の速度に固定してダンパ４０の開度により燃焼用空気の流量を調整した場合、ダンパ４０の開度が小さい範囲、即ち、ダンパ４０が閉状態に近い範囲（例えば、開度が３５度以下）では、ダンパ４０の開度の変化に対する燃焼用空気の流通量の変化は大きくなる。

一方、ダンパ４０の開度が大きい範囲、即ち、ダンパ４０が開状態に近い範囲（例えば、開度が３５度以上）では、ダンパ４０の開度の変化に対する燃焼用空気の流通量の変化は小さくなる。
つまり、ダンパ４０の開度が小さい状態では、少しの開度の変化で大きな燃焼用空気の流通量の変化があるのに対し、ダンパ４０の開度が大きい状態では、開度の変化を大きくしないと燃焼用空気の流通量を大きく変化させられない。
そのため、燃焼率を２０％〜４０％まで変化させる場合における燃焼率とダンパ４０の開度との関係は、図３に示すようになる。即ち、燃焼率を３５％〜４０％まで変化させる場合には、燃焼率を２０％〜３５％まで変化させる場合に比して、ダンパ４０の開度を大きく変化させる必要がある。

そこで、制御部７０は、第１範囲（２０％〜４０％）における燃焼率の変化速度が一定になるようにダンパ４０の開閉速度を変化させる。具体的には、制御部７０は、第１範囲のなかでも、ダンパ４０の開度が小さい範囲（例えば、２０度〜３５度）の開閉速度よりも、ダンパ４０の開度が大きい範囲（例えば、３５度〜７０度）の開閉速度を速くする。

より詳細には、制御部７０は、図４に示すように、ダンパ４０の開度が第１開度（例えば、３５度）以下の範囲では、ダンパ４０を第１速度（例えば、１０ｄｅｇ／ｓ）で開閉させ、ダンパ４０の開度が第１開度を超えた範囲（例えば、３５度〜７０度の範囲）では、ダンパ４０の開閉速度を第１速度から徐々に加速させる。即ち、第１開度を超えた範囲においては、この範囲の燃焼率の変化速度が、ダンパ４０の開度の変化量と流通する燃焼用空気の変化量とが概ね比例している第１開度までの燃焼率の変化速度と等しくなるように、ダンパ４０の開閉速度を加速させる。

これにより、本実施形態によれば、図５の実線部分に示すように、第１範囲（２０％〜４０％）において、燃焼率を変化させる速度を一定にでき、また、燃焼率を変化させる場合における移行時間を短縮できる。尚、図５の点線部分は、ダンパ４０の開閉速度をすべての開度において第１速度に固定した場合における燃焼率の変化と移行時間との関係を示している。

以上説明した本実施形態のボイラ１によれば、以下のような効果を奏する。
（１）燃焼率の低い状態では、ファンの回転速度を減少させて燃焼用空気の供給量を少なくすると、バーナ１５に供給される燃焼用空気の供給圧が弱くなり、燃焼状態が安定しにくい。一方、ダンパ４０の開度によりバーナ１５に供給する燃焼用空気の量を調整する場合、ダンパ４０の開度が小さい状態では、少しの開度の変化で大きな流通量の変化があるのに対し、ダンパ４０の開度が大きい状態では、開度の変化を大きくしないと流通量を大きく変化させられない。そこで、制御部７０に、燃焼率の低い第１範囲において、燃焼率の変化速度が一定になるようにダンパの開閉速度を変化させた。具体的には、制御部７０に、開度が小さい範囲におけるダンパ４０の開閉速度よりも、開度が大きい範囲におけるダンパ４０の開閉速度を速くさせた。これにより、燃焼率の低い第１範囲においてボイラ１の燃焼状態を細かく制御した場合においても、燃焼状態の変化に応じてバーナ１５に供給される燃焼用空気の量を適切に調整できる。また、燃焼率を変化させる場合における移行時間を短縮できる。

（２）図３に示すように、ダンパ４０の開度が第１開度（約３５度）以下の範囲では、燃焼率の変化量（燃焼用空気の変化量）と必要とされるダンパ４０の開度の変化量とは概ね比例する。一方、ダンパ４０の開度が第１開度を超えた範囲では、燃焼率の変化量に対して必要とされるダンパ４０の開度の変化量は、指数関数的に大きくなる。そこで、制御部７０に、ダンパ４０の開度が第１開度以下の範囲では、ダンパ４０を第１速度で開閉させ、ダンパ４０の開度が第１開度を超えた範囲では、ダンパ４０の開閉速度を第１速度から徐々に加速させた。これにより、第１範囲において、燃焼率を変化させる速度を容易に一定にできる。

（３）制御部７０に、第１範囲の燃焼率よりも大きい第２範囲の燃焼率では、ダンパ４０の開度を固定して、ファンの回転速度により燃焼用空気の供給量を制御させた。これにより、燃焼率の低い第１範囲においては、ダンパ４０の開度の調整により、供給圧を下げることなく燃焼用空気をバーナ１５に供給でき、燃焼率の高い第２範囲においては、ファンの回転速度を調整することで、適切な量の燃焼用空気をバーナ１５に供給できる。よって、燃焼状態の変化に応じてより好適に燃焼用空気を供給できる。

以上、本発明のボイラの好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、本発明を、比例制御ボイラに適用したが、これに限らない。即ち、本発明を、燃焼率を段階的に変更して燃焼可能な段階値制御ボイラに適用してもよい。

また、本実施形態では、制御部７０に、ダンパ４０の開度が第１開度以下の範囲では、ダンパ４０を第１速度で開閉させ、ダンパ４０の開度が第１開度を超えた範囲では、ダンパ４０の開閉速度を第１速度から徐々に加速させたが、これに限らない。即ち、燃焼率とダンパの開度との相関関係に基づいて、燃焼率を変化させる速度を一定とするための関数を求め、この関数に基づいてダンパの開閉速度を変化させてもよい。

１ボイラ
１５バーナ
２０送風機
４０ダンパ
７０制御部

Claims

燃焼率を変更して燃焼可能なボイラであって、
燃料を燃焼させるバーナと、
ファンを有し、該ファンを回転させて前記バーナに燃焼用空気を供給する送風機と、
前記バーナと前記送風機との間に配置され、所定の範囲の開度で開閉可能なダンパと、
前記燃焼率の変化に応じて前記ダンパの開度及び前記ファンの回転速度を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
第１範囲の燃焼率においては、前記ファンの回転速度を固定して、前記ダンパの開度により前記燃焼用空気の供給量を制御し、かつ、該第１範囲における前記燃焼率の変化速度が一定になるように前記ダンパの開閉速度を変化させるボイラ。
前記制御部は、前記開度が小さい範囲における前記ダンパの開閉速度よりも、前記開度が大きい範囲における前記ダンパの開閉速度を速くする請求項１に記載のボイラ。
前記制御部は、
前記開度が第１開度以下の範囲では、前記ダンパを第１速度で開閉させ、
前記開度が前記第１開度を超えた範囲では、前記ダンパの開閉速度を前記第１速度から徐々に加速させる請求項１又は２に記載のボイラ。
前記制御部は、前記第１範囲の燃焼率よりも大きい第２範囲の燃焼率では、前記ダンパの開度を固定して、前記ファンの回転速度により前記燃焼用空気の供給量を制御する請求項１〜３のいずれかに記載のボイラ。
燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラにより構成される請求項１〜４のいずれかに記載のボイラ。