JP2016020792A - ボイラ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料ガスの予熱によって生じる圧力損失の変動による燃焼効率の低下を防止し、効率的な燃焼制御を実現できるボイラ装置を提供すること。【解決手段】ボイラ装置1は、エアヒータ40の上流側に配置される第1温度センサ41と、エアヒータ40の下流側に配置される第2温度センサ42と、ボイラ2の要求負荷に応じて送風機20の周波数を設定する周波数設定部91と、燃焼用空気の流量が所定の値になるように、第1温度センサ41によって検知された温度と、第2温度センサ42によって検知された温度と、に基づいて周波数を補正する温度補正部92と、温度補正部92によって補正された補正周波数に基づいて送風機20を制御する空気流量制御部93と、を備える。【選択図】図2
Description
本発明は、ボイラ装置に関する。より詳細には、送風機を制御することによってボイラに送り込む燃焼用空気の流量を調整可能なボイラ装置に関する。
従来から、燃料ガスと燃焼用空気を所定の割合で混合した混合気を燃焼させて水を加熱し、蒸気を発生させるボイラ装置が知られている。この種のボイラ装置において、ボイラに送られる燃焼用空気と、蒸気を生成する過程で生じた燃焼ガスと、の間で熱交換を行うエアヒータ(空気加熱器)を空気の供給経路に設けることがある。エアヒータによって、ボイラに供給される燃焼用空気を予熱し、ボイラ装置の熱効率を高めるのである。この種のボイラ装置を開示するものとして、例えば特許文献1がある。特許文献1には、ボイラから排出される排ガスと、送風機を用いてバーナに送る燃焼用空気と、の間でレキュペレータによる熱交換を行って燃焼用空気を予熱するボイラ装置の構成が開示されている。
ところで、ボイラ装置は、送風機によってボイラに送り込まれる燃焼用空気の流量を検知し、その検知した燃焼用空気の流量に基づいてボイラに供給される燃料ガスの流量を調整している。しかし、上述のようなエアヒータを空気の供給経路に設けたボイラ装置の場合、エアヒータの加熱によって燃焼用空気の温度が上昇し、圧力損失が大きくなって燃焼用空気の質量流量が小さくなり、燃料ガスの供給量に対して燃焼用空気が適切な量で供給されなくなるおそれがある。この問題に対してエアヒータの加熱後の温度における圧力損失を想定して送風機の制御を行うことも考えられる。しかし、冷態起動時等、想定された温度よりも低い温度で燃焼用空気が流通する場合には、圧力損失が小さくなるため燃焼用空気が過剰に供給されるおそれがある。従来のボイラ装置には、エアヒータの予熱を原因とする圧力損失の変動の影響を抑制するという観点から改善の余地があった。
本発明は、燃料ガスの予熱によって生じる圧力損失の変動による燃焼効率の低下を防止し、効率的な燃焼制御を実現できるボイラ装置を提供することを目的とする。
本発明は、ボイラと、前記ボイラに燃料ガスを供給する燃料供給ラインと、前記ボイラに前記燃料ガスと混合させる燃焼用空気を供給する空気供給ラインと、前記空気供給ラインに接続され、前記ボイラに送る前記燃焼用空気の流量を調整可能な送風機と、前記空気供給ラインを流れる前記燃焼用空気を加熱する空気加熱器と、前記空気供給ラインにおける前記空気加熱器の下流側に配置され、燃焼用空気の温度を検知する温度検知部と、前記ボイラの要求負荷に応じて前記送風機の制御値を設定する制御値設定部と、前記燃焼用空気の流量が所定の値になるように、前記温度検知部によって検知された前記燃焼用空気の温度に基づいて前記制御値を補正する温度補正部と、前記温度補正部によって補正された補正制御値に基づいて前記送風機を制御する空気流量制御部と、を備えることを特徴とするボイラ装置に関する。
前記ボイラ装置は、前記空気供給ラインにおける前記空気加熱器の上流側に配置され、前記燃焼用空気の温度を検知する上流側温度検知部を更に備え、前記温度補正部は、前記空気加熱器の上流側の温度と下流側の温度との温度差に基づいて前記制御値の補正を行うことが好ましい。
前記温度補正部は、予め設定される基準温度と前記温度検知部によって検知された前記空気加熱器の下流側の温度との温度差に基づいて前記制御値の補正を行うことが好ましい。
本発明のボイラ装置によれば、燃料ガスの予熱によって生じる圧力損失の変動による燃焼効率の低下を防止し、効率的な燃焼制御を実現できる。
以下、本発明のボイラ装置の好ましい各実施形態について、図面を参照しながら説明する。第1実施形態のボイラ装置1は、水を加熱して蒸気の生成を行う蒸気ボイラであり、負荷機器(図示省略)に蒸気を供給するものである。図1は、本発明のボイラ装置1の一実施形態を模式的に示す図である。図2は、第1実施形態の制御装置70と送風機20の電気的な接続関係を模式的に示す図である。なお、本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。
図1に示すように、ボイラ装置1は、ボイラ2と、ボイラ2に燃焼用空気を送り込む送風機20と、ボイラ2と送風機20とを接続し燃焼用空気が流通する空気供給ラインとしての給気ダクト30と、ボイラ2から排出される燃焼ガス(排ガス)が流通する排ガス排出部としての排気筒80と、空気加熱器としてのエアヒータ40と、ボイラ2に燃料ガスを供給する燃料供給部50と、を備える。また、ボイラ装置1は、燃料ガスや燃焼用空気の供給量等を制御する制御装置70を備える(図2参照)。ボイラ装置1の各構成について説明する。
ボイラ2は、缶体10によって構成され、缶体10は、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。バーナ15によって燃料ガスと燃焼用空気との混合気が燃焼し、水管12の水が加熱されて蒸気が発生する。
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を備える。また、図2に示すように、ファン(モータ)の回転数を増減させるインバータ22を介して制御装置70に電気的に接続される。送風機20は、インバータ22を介して制御装置70から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ように構成される。
給気ダクト30は、ボイラ2に燃料ガスと混合させる燃焼用空気を供給する空気供給ラインである。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16に接続される。給気ダクト30に接続される送風機20のファンの回転によって燃焼用空気が缶体10に送り込まれる。なお、給気ダクト30の内部の詳細な構成については後述する。
排気筒80は、基端側が缶体10(ボイラ筐体11に形成された排気口17)に接続され、筒状に形成される。この排気筒80を通じて缶体10で発生した燃焼ガス(排ガス)が缶体10の外部に排出される。
エアヒータ40は、ボイラ2に供給される燃焼用空気を予熱する空気加熱器である。エアヒータ40は、給気ダクト30を流通する燃焼用空気と、排気筒80を流通する燃焼ガスと、の間で熱交換を行う。
次に、ボイラ2に燃料を供給する燃料供給部50について説明する。燃料供給部50は、燃料供給ライン51と、流量調整弁56と、オリフィス59と、ノズル61と、を備える。
燃料供給ライン51は、その上流側が燃料供給源(図示両略)に接続され、その下流側が給気ダクト30に接続される。燃料供給ライン51の下流側の端部は、給気ダクト30におけるダンパ31が配置された位置よりも下流側に接続される。本実施形態では、燃料供給ライン51によって流通する燃料ガスはLNGである。LNGサテライト供給によってLNG貯蔵施設に貯蔵されたLNGを気化したものが燃料供給ライン51に供給されている。
流量調整弁56は、燃料供給ライン51を流れる燃料ガスの流量を調整するものである。流量調整弁56は、開度を調整可能に構成される。流量調整弁56は、制御装置70に電気的に接続されており、制御装置70が流量調整弁56の開度を調節可能になっている。
オリフィス59は、燃料供給ライン51を流れる燃料ガスを減圧する燃料ガス減圧部材である。本実施形態のオリフィス59は、燃料供給ライン51における流量調整弁56の下流側に配置される。
ノズル61は、燃料供給ライン51の下流側の端部に配置され、給気ダクト30への燃料ガスの噴出を行う。ノズル61から噴出された燃料ガスは、送風機20によって送られてきた燃焼用空気と混合され、この混合された混合気がバーナ15によって燃焼する。
次に、給気ダクト30の内部の構成について説明する。図2に示すように、給気ダクト30には、上流側温度検知部としての第1温度センサ41と、給気ダクト30に配置されるダンパ31と、燃焼用空気減圧部材としてのパンチングメタル32と、空気流量検知部としてのエア差圧センサ33と、エアヒータ40と、温度検知部としての第2温度センサ42と、が配置されている。なお、ここで述べたエアヒータ40以外の構成については、図1において省略している。
第1温度センサ41は、ダンパ31の上流側に配置され、燃焼用空気の温度を測定する上流側温度検知部である。この第1温度センサ41によってエアヒータ40による加熱前の燃焼用空気の温度が検知される。第1温度センサ41は、制御装置70に電気的に接続されており、制御装置70は、エアヒータ40の上流側の燃焼用空気の温度を取得する。
ダンパ31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。
パンチングメタル32は、複数の貫通孔が形成された金属板であり、流通する燃焼用空気を減圧する燃焼用空気減圧部材である。パンチングメタル32は、給気ダクト30の内部のダンパ31の下流側に配置される。このパンチングメタル32によって、ダンパ31を通って給気ダクト30まで流れてきた燃焼用空気は減圧される。
エア差圧センサ33は、燃焼用空気の流量を検知するための空気流量検知部である。エア差圧センサ33は、パンチングメタル32の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧を検知する。燃料用空気の流量は、この差圧情報に基づいて算出される。また、エア差圧センサ33は、制御装置70に電気的に接続されており、制御装置70はエア差圧センサ33によって検知されたエア差圧情報を取得する。
エアヒータ40は、上述の熱交換を行う空気加熱器であり、熱交換を行う部分がパンチングメタル32の下流側に位置するように配置される。このエアヒータ40によって、給気ダクト30を通過する燃焼用空気が、排気筒80を通る燃焼ガスの熱を奪う形で熱交換が行われ、燃焼用空気が予熱される。
第2温度センサ42は、エアヒータ40の下流側に配置され、燃焼用空気の温度を測定する温度検知部である。この第2温度センサ42によってエアヒータ40による加熱後の燃焼用空気の温度が検知される。第2温度センサ42は、制御装置70に電気的に接続されており、制御装置70は、エアヒータ40の下流の燃焼用空気の温度を取得する。
次に、第1実施形態の制御装置70について説明する。制御装置70は、電気的に接続される各センサからの信号に基づいて流量調整弁56や送風機20の制御を行う。制御装置70は、燃焼用空気の流量及び燃料ガスの流量を調整するための各種の制御を行う制御部71と、各種の情報が記憶される記憶部72と、を備える。
第1実施形態の制御装置70は、温度変動に伴う圧力損失を考慮した送風機20の制御を行う。次に、第1実施形態のボイラ装置1が備える制御部71による送風機20の制御について説明する。図3は、制御部71の構成を示すブロック図である。
図3に示すように、第1実施形態の制御部71は、制御値設定部としての周波数設定部91と、温度補正部92と、空気流量制御部93と、を備える。
周波数設定部91は、ファン(モータ)の回転数を設定するための制御値としての周波数を設定する。周波数は、負荷機器(図示省略)から要求される要求負荷と、第1温度センサ41によって検知された温度と、に基づいて周波数が設定される。ボイラ2の要求負荷は、負荷機器(図示省略)からボイラ2に要求される負荷情報である。第1温度センサ41によって取得される温度は、上述の通り、エアヒータ40に加熱される前の温度であり、給気温度である。記憶部72には、第1温度センサ41によって検知された温度と、ボイラ2の要求負荷と、に基づいて周波数を設定するための関数式又はデータテーブル等が記憶される。
温度補正部92は、第1温度センサ41の測定値と、第2温度センサ42の測定値と、に基づいて周波数設定部91が設定した周波数に対して補正を行う。第1温度センサ41の測定値は、エアヒータ40による加熱前の燃焼用空気の温度であり、第2温度センサ42の測定値は、エアヒータ40による加熱後の燃焼用空気の温度である。温度補正部92は、第1温度センサ41の測定値と、第2温度センサ42の測定値と、に基づいてエアヒータ40の加熱による温度上昇を検知し、この温度変動に基づいて周波数設定部91が設定した周波数に対して補正を行う。記憶部72には、温度差に基づいて補正係数を設定するための関数式又はデータテーブル等が記憶される。なお、補正係数は、配管口径、配管延長、配管形状等のボイラ装置1の圧力損失に基づいて温度情報に対応付けて設定される。
本実施形態の温度補正部92は、エアヒータ40の上流側と下流側との間で生じる温度変動に基づいて補正係数を設定し、該補正係数を周波数に掛けることにより、補正された補正周波数を取得する。この補正周波数は、圧力損失の変動を反映した制御値である。例えば、エアヒータ40の加熱によって燃焼用空気の温度が上昇し、第1温度センサ41によって検知された温度に対して第2温度センサ42によって検知された温度が高くなっているような場合は、温度上昇に伴う圧力損失の増大によってボイラ2への燃焼用空気の供給量が想定よりも小さくなってしまう。このような場合、温度補正部92は、周波数設定部91によって設定された周波数に対し、送風機20のファンの回転数を上げる方向で周波数の補正を行う。これにより、圧力損失が増大しているときでも、燃焼用空気の供給量が適切に維持される。また、第1温度センサ41によって検知された温度と、第2温度センサ42によって検知された温度と、が等しい場合は、温度変動が生じていないので、補正係数は1として設定される。
空気流量制御部93は、温度補正部92によって補正された補正周波数に基づいて送風機20の制御を行う。より具体的には、空気流量制御部93は、補正周波数に基づいてインバータ22を介して送風機20のファンの回転数を制御し、エアヒータ40の加熱による燃焼用空気の温度変動を燃焼用空気の流量に反映させる。
次に、第1実施形態における送風機20の制御の一連の流れについて説明する。送風機20の制御が開始されると、周波数設定部91は、第1温度センサ41に検知された温度と、ボイラ2の要求負荷と、基づいて周波数を設定する。
温度補正部92は、第1温度センサ41の測定値及び第2温度センサ42の測定値により取得したエアヒータ40の上流側と下流側との温度差に基づいて補正係数を設定し、該補正係数に基づいて周波数を補正して補正周波数を算出する。空気流量制御部93は、補正周波数に基づいてインバータ22を介して送風機20のファンの回転数を制御する。これにより、送風機20のファンの回転数に温度変動が反映される。流量が調整された燃焼用空気は、給気ダクト30の内部にノズル61を介して供給された燃料ガスと混合される。燃焼用空気と燃料ガスとの混合ガスは、バーナ15から缶体10の内部に噴出され、燃焼される。本実施形態では、第1温度センサ41で検知された給気温度に基づいて設定された周波数を、エアヒータ40の加熱による温度変動に基づいて補正することにより、燃焼用空気の実際の温度状況が送風機20の制御に精度よく反映され、適切に調整された流量の燃焼用空気をボイラ2に送り込むことが可能となっている。これにより、冷態起動時等の燃焼用空気の温度が低い場合でも、燃焼用空気の供給量が過剰になる事態を確実に防止でき、安定的かつ効率的なボイラ2の燃焼制御が実現される。
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(図示省略)を介して外部に導出され、負荷機器(図示省略)に供給される。また、混合ガスの燃焼により生じた燃焼ガスは、排気筒80から外部に排出される。なお、第1温度センサ41及び第2温度センサ42によって新たに燃焼用空気の温度変動が検知された場合は、新たに検知された温度変動に基づいて周波数の設定及び補正処理を行い、該補正処理によって算出された補正周波数に基づいて送風機20のファンの回転数が制御される。
以上説明した第1実施形態のボイラ装置1によれば、以下のような効果を奏する。
第1実施形態のボイラ装置1は、給気ダクト30を流れる燃焼用空気を加熱するエアヒータ40と、給気ダクト30におけるエアヒータ40の下流側に配置され、燃焼用空気の温度を検知する第2温度センサ42と、ボイラ2の要求負荷に応じて送風機20の周波数(制御値)を設定する周波数設定部91と、燃焼用空気の流量が維持されるように、第2温度センサ42によって検知された燃焼用空気の温度に基づいて周波数を補正する温度補正部92と、温度補正部92によって補正された補正周波数に基づいて送風機20を制御する空気流量制御部93と、を備える。
これにより、エアヒータ40による加熱後の温度に基づいて燃焼用空気の流量が調整されるので、エアヒータ40の加熱による圧力損失の増加に伴う燃焼用空気の供給量の低下を効果的に抑制でき、燃焼制御を安定的かつ効率的に行うことができる。
また、ボイラ装置1は、給気ダクト30におけるエアヒータ40の上流側に配置され、燃焼用空気の温度を検知する第1温度センサ41を更に備え、温度補正部92は、エアヒータ40の上流側の温度と下流側の温度との温度差に基づいて周波数の補正を行う。
これにより、エアヒータ40の上流側と下流側との温度差に基づいて補正係数を容易に算出でき、制御部71に必要な演算コストを低減できる。
次に、第2実施形態のボイラ装置201について説明する。図4は、第2実施形態のボイラ装置201を模式的に示す図である。なお、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する場合がある。
図4に示すように、第2実施形態のボイラ装置201は、エアヒータ40の下流側に配置されるエアヒータ温度センサ242を備え、このエアヒータ温度センサ242の測定値に基づいて送風機20の制御を行う。このエアヒータ温度センサ242は、上述の第1温度センサ41と同様の構成である。第2実施形態のボイラ装置201は、エアヒータ40の上流側に温度検知部(第1温度センサ41)を備えていない点が、第1実施形態のボイラ装置1の構成と異なっている。
また、第2実施形態では、制御部71による送風機20の制御方法が異なる。第2実施形態の制御部71による送風機20の制御について説明する。第2実施形態の制御部71は、第1実施形態と同様に、周波数設定部91と、温度補正部92と、空気流量制御部93と、を備える(図3参照)。
第2実施形態では、温度補正部92による周波数の補正が、予め設定される基準温度と、エアヒータ温度センサ242によって検知される温度と、に基づいて行われる。基準温度は、ボイラ装置201の構成に応じて予め設定される給気温度である。送風機20によってエアヒータ40に送り込まれる燃焼用空気は、この基準温度にあるものとして温度補正部92による補正が行われる。より具体的には、第2実施形態の温度補正部92は、基準温度と、エアヒータ温度センサ242によって検知される温度と、の温度差に基づいて補正係数を設定し、該補正係数に基づいて周波数設定部91によって設定された周波数を補正して補正周波数を算出する。空気流量制御部93は、この温度補正部92によって補正された補正周波数に基づいてインバータ22を介して送風機20を制御する。
以上説明した第2実施形態のボイラ装置201によれば、以下のような効果を奏する。
第2実施形態のボイラ装置201では、温度補正部92は、予め設定される給気温度(基準温度)とエアヒータ温度センサ242によって検知されたエアヒータ40の下流側の温度との温度差に基づいて周波数(制御値)の補正を行う。
これにより、エアヒータ40の上流側に温度センサを配置することなく、エアヒータ40による加熱による圧力損失を原因とする燃焼効率の低下を効果的に防止できる。
以上、本発明のボイラ装置の好ましい各実施形態について説明したが、本発明は、上述の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、第1実施形態の第1温度センサ41は、エアヒータ40の上流側であれば、その配置場所を適宜変更することができる。例えば、エアヒータ40の上流側であって、ダンパ31の下流側に配置することができる。また、温度補正部92による補正方法も、周波数に対して補正係数を掛ける構成だけではなく、算出した補正値を周波数に加減することで補正周波数を取得したり、周波数の設定と補正処理を同時に行って補正周波数を取得したりする等、エアヒータ40の加熱によって生じる温度変動を送風機20の制御に反映できる方法であれば、適宜変更できる。
第2実施形態では、基準温度として給気温度が予め設定されている構成であるが、ボイラ装置201の使用状況や環境の変化に対応して基準温度を使用者が変更できる構成とすることもできる。
上記実施形態では、燃料ガスをLNGサテライト供給によって供給される構成を採用しているが、燃料ガスや燃料ガスの供給源は適宜変更することができる。例えば、燃料供給事業者からパイプラインを通じて直接的に燃料ガスが供給される構成にも本発明は適用することができる。
1 ボイラ装置
2 ボイラ
20 送風機
30 給気ダクト(空気供給ライン)
40 エアヒータ(空気加熱器)
41 第1温度センサ(上流側温度検知部)
42 第2温度センサ(温度検知部)
51 燃料供給ライン
91 周波数設定部(制御値設定部)
92 温度補正部
93 空気流量制御部
201 ボイラ装置
242 エアヒータ温度センサ(温度検知部)
2 ボイラ
20 送風機
30 給気ダクト(空気供給ライン)
40 エアヒータ(空気加熱器)
41 第1温度センサ(上流側温度検知部)
42 第2温度センサ(温度検知部)
51 燃料供給ライン
91 周波数設定部(制御値設定部)
92 温度補正部
93 空気流量制御部
201 ボイラ装置
242 エアヒータ温度センサ(温度検知部)
Claims (3)
- ボイラと、
前記ボイラに燃料ガスを供給する燃料供給ラインと、
前記ボイラに前記燃料ガスと混合させる燃焼用空気を供給する空気供給ラインと、
前記空気供給ラインに接続され、前記ボイラに送る前記燃焼用空気の流量を調整可能な送風機と、
前記空気供給ラインを流れる前記燃焼用空気を加熱する空気加熱器と、
前記空気供給ラインにおける前記空気加熱器の下流側に配置され、燃焼用空気の温度を検知する温度検知部と、
前記ボイラの要求負荷に応じて前記送風機の制御値を設定する制御値設定部と、
前記燃焼用空気の流量が所定の値になるように、前記温度検知部によって検知された前記燃焼用空気の温度に基づいて前記制御値を補正する温度補正部と、
前記温度補正部によって補正された補正制御値に基づいて前記送風機を制御する空気流量制御部と、
を備えることを特徴とするボイラ装置。 - 前記空気供給ラインにおける前記空気加熱器の上流側に配置され、前記燃焼用空気の温度を検知する上流側温度検知部を更に備え、
前記温度補正部は、前記空気加熱器の上流側の温度と下流側の温度との温度差に基づいて前記制御値の補正を行う請求項1に記載のボイラ装置。 - 前記温度補正部は、予め設定される基準温度と前記温度検知部によって検知された前記空気加熱器の下流側の温度との温度差に基づいて前記制御値の補正を行う請求項1に記載のボイラ装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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