JP2016114311A - 温水ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】バーナの失火を精度よく判定してボイラ本体内における燃料溜まりを未然に防止できる温水ボイラを提供する。【解決手段】ボイラ本体１０と第１熱交換器２との間に加熱流体を循環させるようになっている温水ボイラ１であって、ボイラ本体１０に設けられており、バーナ１１の炎を検知する、炎センサ１２と、ボイラ本体１０の運転を制御する制御装置５０とを備え、制御装置５０は、加熱流体の第１熱交換器２の上流部の温度Ｔ１Ｘと第１熱交換器２の下流部の温度Ｔ２Ｘとの差である第１温度差Ａ１Ｘ、及び／又は被加熱流体の第１熱交換器２の上流部の温度Ｔ３Ｘと第１熱交換器２の下流部の温度Ｔ４Ｘとの差である第２温度差Ａ２Ｘを算出する温度差算出部と、炎センサ１２によって炎が検知されたとき、第１温度差Ａ１Ｘ及び／又は第２温度差Ａ２Ｘに基づいてバーナ１１の失火を判定する失火判定部と、を含んでいることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、温水ボイラに関し、特に熱交換器との間で加熱流体を還流させる還流式温水ボイラに関する。

温水ボイラは、ボイラ本体内においてバーナで加熱した加熱流体を、循環経路に還流させて、前記循環経路に配置された熱交換器を介して負荷側に熱量を供給している。例えば、特許文献１には、ボイラ本体内の加熱流体の温度が所定の設定温度に維持されるように、バーナの燃焼を制御する温水ボイラが開示されている。温水ボイラは、バーナの炎を検知する炎センサを備え、バーナの失火が検知されるようになっている。

特開平７−１２７９１６号公報

しかしながら、炎センサが誤検知によりバーナの失火を検知しない場合、ボイラ本体内に燃料溜まりが生じるおそれがあった。すなわち、バーナが失火した場合には、ボイラ本体内の加熱流体は、加熱されることがなく、負荷側との熱交換によって、その温度が暫時、低下することになり、所定の設定温度を下回るようになる。一方、炎センサがバーナの燃焼を誤検知しているために、バーナへの燃料供給が継続されることになり、この結果、ボイラ本体内への燃料溜まりが生じる。

一方、蒸気ボイラにおいては、負荷側で蒸気が消費されるので、燃焼している場合には蒸発によりボイラ本体内の水が減少することになり、ボイラ本体内の加熱流体の水位を一定に保つ給水ポンプの作動状況からボイラが燃焼しているか否かを判定できる。すなわち、炎センサが誤検知によりバーナの燃焼を検知している場合でも、給水ポンプが所定時間、作動していない場合には、バーナの失火を判定でき、バーナへの燃料供給を停止して、ボイラ本体内の燃料溜まりを未然に防止できる。

しかしながら、温水ボイラは、加熱流体を負荷側の熱交換器との間で還流させるものであり加熱流体が消費されることがないので減少することがなく、通常運転においては給水されない。このため、給水ポンプの作動状況に応じてバーナの失火を判定することはできない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、バーナの失火を精度よく判定して、これによりボイラ本体内における燃料溜まりを未然に防止できる温水ボイラを提供することを目的とする。

本発明は、ボイラ本体と、前記ボイラ本体から供給される加熱流体と負荷側の被加熱流体との間で熱交換を行う熱交換器と、を備え、前記ボイラ本体と前記熱交換器との間にて前記加熱流体を循環させるようになっている、温水ボイラであって、前記ボイラ本体に設けられており、バーナの炎を検知する、炎検知手段と、前記ボイラ本体の運転を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記加熱流体の前記熱交換器の上流部の温度と前記熱交換器の下流部の温度との差である第１温度差、及び／又は前記被加熱流体の前記熱交換器の上流部の温度と前記熱交換器の下流部の温度との差である第２温度差を、算出する温度差算出手段と、前記炎検知手段によって炎が検知されたとき、前記温度差算出手段によって算出された、前記第１温度差及び／又は前記第２温度差に基づいて、前記バーナの失火を判定する失火判定部と、を含んでいる、ことを特徴とする。

本構成によれば、バーナが失火したのに、炎検知手段がバーナの炎を誤検知している場合であっても、温度差算出手段によって算出される、第１温度差及び／又は第２温度差に基づいて、失火判定部によってバーナの失火を精度よく判定できる。これにより、バーナの失火を精度よく判定することで、ボイラ本体内の燃料溜まりを未然に防止できる。

前記失火判定部は、前記第１温度差及び／又は前記第２温度差が、所定の閾値を下回る場合に前記バーナの失火を判定する、ことが好ましい。

本構成によれば、バーナが失火している場合、加熱流体は、熱交換器を介して負荷側に熱交換される一方で、バーナ本体で加熱されないために暫時温度が低下することになる。この結果、加熱流体は、熱量が低下して熱交換器の上流部と熱交換器の下流部との間の第１温度差が減少し、これに伴い被加熱流体の熱交換器の上流部と熱交換器の下流部との間の第２温度差も減少することになる。すなわち、第１温度差及び第２温度差を所定の閾値と比較することで、該温度差が前記閾値を下回ったことを条件に、バーナが失火していることを精度よく判定できる。

前記温度差算出手段は、前記加熱流体及び／又は前記被加熱流体の温度を計測する温度センサを有しており、前記所定の閾値は、前記温度センサの計測バラツキよりも大きな値に設定されている、ことが好ましい。

本構成によれば、温度センサの計測バラツキによる、バーナの失火を誤判定することを防止できる。

前記失火判定部は、前記第１温度差及び／又は前記第２温度差が、所定時間、継続して前記所定の閾値を下回る場合に、前記バーナが失火していると判定をする、ことが好ましい。

本構成によれば、第１温度差及び／又は第２温度差が所定の閾値を所定時間継続して下回ることを条件に、バーナの失火を判定することで、瞬間的な温度変動によって所定の閾値を下回る温度差が生じた場合に、バーナが正常に燃焼しているのにかかわらず、バーナが失火したと誤検知することを防止できる。

前記所定時間は、前記加熱流体の温度が、常温状態から所定の設定温度に到達するまでの運転立ち上げ時間より長く設定されている、ことが好ましい。

本構成によれば、運転立ち上げ時における、第１温度差及び／又は第２温度差が小さいときに、バーナの失火を誤判定することを防止できる。

本発明に係る温水ボイラによれば、バーナの失火を精度よく判定して、ボイラ本体における燃料溜まりを未然に防止できる。

本実施形態に係る温水ボイラの概略構成を示すブロック図である。 制御システムの概略構成を示すブロック図である。 炎センサによってバーナの炎が誤検知されている場合に、制御装置によって実行されるバーナの失火判定を説明するフローチャートである。

［温水ボイラの全体構成］
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る温水ボイラ１を説明する。図１は、本実施形態に係る温水ボイラ１の概略構成を示している。温水ボイラ１は、ボイラ本体１０に、加熱流体（温水）を加熱して負荷側へ還流させる、還流式温水ボイラを使用している。ボイラ本体１０には、途中に第１熱交換器２を備えた第１循環ライン３が接続されている。第１循環ライン３における第１熱交換器２の下流側にはボイラ本体１０内の加熱流体を第１熱交換器２との間で循環させるための循環ポンプ４が設けられている。

また、ボイラ本体１０は、加熱手段としてのバーナ１１を備えており、このバーナ１１に燃料としての油を供給するための燃料供給ライン５が接続されている。燃料供給ライン５の途中にはバーナ１１への燃料供給を継断するための燃料供給弁６が設けられている。

第１熱交換器２には、常温水供給ライン８と温水出湯ライン９とが接続されている。温水出湯ライン９の下流側には、第１外部負荷７として、複数の給湯口からなる給湯設備が接続されている。第１熱交換器２において、ボイラ本体１０から第１循環ライン３を通して供給される加熱流体と、常温水供給ライン８を通して供給される常温水（被加熱流体）との間で熱交換がなされ、被加熱流体が温水として温水出湯ライン９を通して第１外部負荷７に供給される。第１熱交換器２において熱交換がなされた加熱流体は、第１循環ライン３を介してボイラ本体１０に還流される。

また、ボイラ本体１０の加熱流体を直接利用して暖房を行う暖房設備としての第２外部負荷２１が設けられており、第２外部負荷２１は第２熱交換器２２を備え、この第２熱交換器２２とボイラ本体１０との間に加熱流体を循環させるための第２循環ライン２３が接続されている。したがって、第２熱交換器２２においては、ボイラ本体１０から第２循環ライン２３を通して供給される加熱流体の熱と熱交換を行って、第２外部負荷２１は暖房を行う。第２熱交換器２２において熱交換がなされた加熱流体は、第２循環ライン２３を介してボイラ本体１０に戻る。

ボイラ本体１０には、バーナ１１が燃焼しているときの炎を検知する炎センサ１２と、加熱流体の温度を検出するボイラ本体温度センサＴ０が設けられている。第１循環ライン３には、第１熱交換器２の上流側に、ボイラ本体１０から第１熱交換器２へ供給される加熱流体の温度を検出する第１温度センサＴ１が設けられ、第１熱交換器２の下流側に、第１熱交換器２で熱交換されてボイラ本体１０へ還流する加熱流体の温度を検出する第２温度センサＴ２が設けられている。

常温水供給ライン８には、第１熱交換器２に供給される被加熱流体の温度を検出するための第３温度センサＴ３が設けられている。温水出湯ライン９には、第１熱交換器２により熱交換された被加熱流体の第１外部負荷７への出湯温度を検出するための第４温度センサＴ４が設けられている。

第２循環ライン２３には、第２熱交換器２２の上流側に、ボイラ本体１０から第２熱交換器２２へ供給される加熱流体の温度を検出する第５温度センサＴ５が設けられ、第２熱交換器２２の下流側に、第２熱交換器２２で熱交換されてボイラ本体１０へ還流する加熱流体の温度を検出する第６温度センサＴ６が設けられている。

［制御システム］
図２に示すブロック図を参照しながら、温水ボイラ１の制御システム１００について説明する。制御システム１００は、入力装置からの入力信号が制御装置５０（制御手段）に入力されて、制御装置５０は出力装置に制御信号を出力するようになっており、ボイラ本体１０の各種動作は制御装置５０によって制御される。制御装置５０は、ＣＰＵ、メモリ、記憶手段等を備えた周知のコンピュータを備えている。

制御装置５０は、ボイラ本体１０の熱要求を判定する熱要求判定部５１と、バーナ１１の燃焼を検知する燃焼検知部５２と、第１熱交換器２を流れる加熱流体の上流側及び下流側の温度差を算出する温度差算出部５３と、バーナ１１の失火を判定する失火判定部５４と、バーナ１１による燃焼を制御する燃焼制御部５５と、を有している。

入力装置としては各温度センサＴ０，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６と、炎センサ１２とが含まれる。したがって、制御装置５０には、各温度センサＴ０〜Ｔ６で検出された加熱流体及び被加熱流体の所定位置における温度と、炎センサ１２によるバーナ１１の炎の検知と、が入力される。なお、制御装置５０には、その他の種々の機器からの信号が入力されるようにしてもよい。

また、制御装置５０は、各温度センサＴ０〜Ｔ６及び炎センサ１２からの入力信号に基づいて、出力装置としての燃料供給弁６に制御信号を出力して、バーナ１１による燃焼を制御する。以下、制御装置５０について具体的に説明する。

熱要求判定部５１は、ボイラ本体温度センサＴ０によって検出されたボイラ本体１０内の加熱流体の温度が所定の下限温度を下回る場合に、熱要求ありと判定して、バーナ１１を燃焼させる。一方、ボイラ本体温度センサＴ０によって検出されたボイラ本体１０内の加熱流体の温度が所定の上限温度を上回る場合には、熱要求なしと判定する。これにより、ボイラ本体１０における加熱流体の温度は、所定の下限温度と上限温度との間に維持される。

燃焼検知部５２は、炎センサ１２からの入力信号に基づいて、バーナ１１による燃焼を検知する。すなわち、炎センサ１２が炎を検知している場合、バーナ１１が燃焼していると検知し、炎センサ１２が炎を検知していない場合、バーナ１１が燃焼していないと検知する。したがって、炎センサ１２と燃焼検知部５２とで炎検知手段を構成している。

温度差算出部５３は、第１温度センサＴ１及び第２温度センサＴ２からの入力信号に基づいて、加熱流体の第１熱交換器２の上流部の温度と第１熱交換器２の下流部の温度との差である第１温度差Ａ１_Ｘを算出する。したがって、第１温度センサＴ１及び第２温度センサＴ２と、温度差算出部５３と、で温度差算出手段を構成している。

失火判定部５４は、熱要求判定部５１によってボイラ本体１０が熱要求ありと判定され、且つ後述する燃焼制御部５５によって、バーナ１１の燃焼が制御されているときに、燃焼検知部５２によりバーナ１１が燃焼していないことを検知した場合、及び温度差算出部５３により算出された第１温度差Ａ１_Ｘが所定の閾値Ａ１_Ｓを所定時間Ｓ１の間、継続して下回る場合に、バーナ１１の失火を判定する。

ここで、所定の閾値Ａ１_Ｓは、第１温度センサＴ１及び第２温度センサＴ２の計測バラツキより大きな値に設定されており。閾値Ａ１_Ｓは採用する温度センサのバラツキによって、適宜設定することができるが、例えば、第１温度センサＴ１及び第２温度センサＴ２が熱電対である場合には、Ａ１_Ｓは、例えば５度に設定されている。

また、所定時間Ｓ１とは、ボイラ本体１０内の加熱流体の温度が、常温状態から加熱流体が所定の設定温度に到達する定常状運転態に移行するまでの運転立ち上げ時間Ｓ０よりも長く設定されている。本実施形態では、運転立ち上げ時間Ｓ０を２分とした場合に、所定時間Ｓ１は余裕を見て５分に設定している。

燃焼制御部５５は、熱要求判定部５１によってボイラ本体１０が熱要求ありと判定された場合、燃料供給弁６に制御信号を出力してバーナ１１による燃焼を制御する。一方、熱要求判定部５１によってボイラ本体１０が熱要求なしと判定された場合、又は失火判定部５４によりバーナ１１が失火していると判定された場合に、燃料供給弁６に制御信号を出力して、燃料供給弁６を閉弁させてバーナ１１への燃料供給を遮断する。

すなわち、本実施形態では、制御装置５０は、炎センサ１２と、各温度センサＴ０〜Ｔ２からの入力信号に基づいて、バーナ１１の失火を判定し、バーナ１１が失火していると判定した場合には、燃料供給弁６を閉弁させてバーナ１１への燃料供給を遮断する。

なお、実際の温水ボイラにおいては、バーナ１１の燃焼制御に関しては、燃料供給弁６の開閉制御のみならず、送風機や着火装置の制御も関連付けて行っており、また、同時に給水の制御や循環ポンプ４等の制御も同時におこなっているが、この実施例では説明の簡略化のために図２に示す構成のみで説明する。

［温水ボイラの作動］
図３のフローチャートを参照して、温水ボイラ１によるバーナ１１の失火判定について説明する。

まず、熱要求判定部５１によってボイラ本体１０の熱要求の有無が判定される（ステップＳ１０１）。ボイラ本体１０に熱要求がないとバーナ１１は燃焼する必要がなく、失火判定をする必要がない。ボイラ本体１０に熱要求がある場合、次に、燃焼検知部５２によって炎検知が行われる（ステップＳ１０２）。

このとき、炎センサ１２によってバーナ１１の炎が検知されなかった場合、バーナ１１は失火していると考えられるので、失火判定がなされる（ステップＳ１０６）。一方、バーナ１１の炎が検知された場合には、次に、温度差算出部５３によって加熱流体の第１熱交換器２の上流部の温度と第１熱交換器２の下流部の温度との差である第１温度差Ａ１_Ｘが算出される（ステップＳ１０３）。

次に、失火判定部５４によって、温度差算出部５３によって算出された第１温度差Ａ１_Ｘが、所定の閾値Ａ１_Ｓを下回るかどうかが判定され（ステップＳ１０４）、続いて、第１温度差Ａ１_Ｘが、所定の閾値Ａ１_Ｓを下回る場合、第１温度差Ａ１_Ｘが所定の閾値を所定時間Ｓ１の間、継続して下回っているか否かが判定される（ステップＳ１０５）。そして、第１温度差Ａ１_Ｘが、所定の閾値Ａ１_Ｓを所定時間Ｓ１の間、継続して下回る場合、失火判定部５４は、バーナ１１の失火が判定される（ステップＳ１０６）。

すなわち、この場合、炎センサ１２によって、バーナ１１の炎が検知されているのにかかわらず、第１温度差Ａ１_Ｘに基づいてバーナ１１が失火していると判定することができる。すなわち、バーナ１１の失火を、炎センサ１２のみならず第１温度差Ａ１_Ｘから判定できるので、バーナ１１の失火判定の精度を向上できる。

次に、燃焼制御部５５は、燃料供給弁６に制御信号を送り、燃料供給弁６を閉弁させる。これにより、失火しているバーナ１１への燃料供給を遮断して、ボイラ本体１０内に燃料溜まりが生じることを未然に防止している。

また、ステップＳ１０４において、第１温度差Ａ１_Ｘが閾値Ａ１_Ｓを上回っている場合には、第１熱交換器２での熱交換がなされており、加熱流体は熱交換する熱量を有していると判断できるので、この場合には、バーナ１１は失火しておらず、燃焼していると判定される（ステップＳ１０８）。同様に、ステップＳ１０５において、第１温度差Ａ１_Ｘが閾値Ａ１_Ｓを、所定時間Ｓ１、継続して下回らない場合にも、バーナ１１は失火しておらず、燃焼していると判定される（ステップＳ１０８）。

したがって、本温水ボイラ１によれば、炎センサ１２が、バーナ１１が失火しているのにかかわらず、バーナ１１の炎を誤検知している場合であっても、温度差算出部５３によって算出される第１温度差Ａ１_Ｘに基づいて、失火判定部５４によってバーナ１１の失火を精度よく判定できる。

すなわち、バーナ１１が失火している場合、加熱流体は、第１熱交換器２を介して負荷側に熱交換される一方で、ボイラ本体１０で加熱されないために暫時温度が低下することになる。この結果、加熱流体は、熱量が低下して第１熱交換器２の上流部の温度Ｔ１_Ｘと第１熱交換器２の下流部の温度Ｔ２_Ｘとの間の第１温度差Ａ１_Ｘが減少する。したがって、第１温度差Ａ１_Ｘを閾値Ａ１_Ｓと比較することで、第１温度差Ａ１_Ｘが閾値Ａ１_Ｓを下回ったことを条件に、バーナ１１が失火していると精度よく判定できる。

さらに、第１温度差Ａ１_Ｘが閾値Ａ１_Ｓを定時間継続して下回ることを条件に、バーナ１１の失火を判定することで、瞬間的な温度変動（例えば負荷側の急激な流量変化による）によって第１温度差Ａ１_Ｘが閾値Ａ１_Ｓを下回る場合に、バーナ１１が正常に燃焼しているのにかかわらず、バーナ１１の失火を誤判定することを防止できる。

また、失火判定における所定時間Ｓ１を、ボイラ本体１０内の加熱流体の温度が、常温状態から定常状態に移行させるための運転立ち上げ時間Ｓ０よりも長く設定しているので、運転立ち上げ時において加熱流体の温度が十分に上昇していないために、第１温度差Ａ１_Ｘが小さいときに、バーナ１１が失火していると誤判定されることを防止できる。

しかも、失火判定における閾値Ａ１_Ｓを、第１温度センサＴ１及び第２温度センサＴ２の計測ばらつきよりも大きな値に設定しているので、温度計測バラツキによってバーナ１１が失火していないにもかかわらずバーナ１１の失火を誤判定することを防止できる。

また、上記実施形態では、加熱流体の、第１熱交換器２の上流部の温度と第１熱交換器２の下流部の温度との差である第１温度差Ａ１_Ｘに基づいて、バーナ１１の失火判定をしているが、これに加えて又はこれに替えて、被加熱流体の、第１熱交換器２の上流部の温度と第１熱交換器２の下流部の温度との差である第２温度差Ａ２_Ｘに基づいて、バーナ１１の失火を判定してもよい。すなわち、第３温度センサＴ３によって検出された温度Ｔ３_Ｘと第４温度センサＴ４によって検出された温度Ｔ４_Ｘとの差を第２温度差Ａ２_Ｘとして算出し、第２温度差Ａ２_Ｘが所定の閾値Ａ２_Ｓを所定時間Ｓ２の間、継続して下回るか否かによりバーナ１１の失火を判定してもよい。

同様に、加熱流体の第２熱交換器２２の上流部の温度と第２熱交換器２２の下流部の温度との差である第３温度差Ａ３_Ｘに基づいて、バーナ１１の失火判定をしてもよい。すなわち、第５温度センサＴ５によって検出された温度Ｔ５_Ｘと第６温度センサＴ６によって検出された温度Ｔ６_Ｘとの差を第３温度差Ａ３_Ｘとして算出し、第３温度差Ａ３_Ｘが所定の閾値Ａ３_Ｓを所定時間Ｓ３の間、継続して下回るか否かによりバーナ１１の失火を判定してもよい。

また、上記実施形態では、油焚き温水ボイラに適用した場合を例にとり説明したが、本発明はガス焚き温水ボイラにも適用することができる。

特許請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲から逸脱することなく、各種変形及び変更を行うことも可能である。

以上のように、本発明に係る温水ボイラによれば、精度よくバーナの失火を判定でき、これによりボイラ本体内における燃料溜まりを未然に防止できるので、この種の製造技術分野において好適に実施される可能性がある。

１ 温水ボイラ
２ 第１熱交換器
３ 第１循環ライン
４ 循環ポンプ
５ 燃料供給ライン
６ 燃料供給弁
７ 第１外部負荷
８ 常温水供給ライン
９ 温水出湯ライン
１０ ボイラ本体
１１ バーナ
１２ 炎センサ
２１ 第２外部負荷
２２ 第２熱交換器
２３ 第２循環ライン
Ｔ０ ボイラ本体温度センサ
Ｔ１〜Ｔ６ 第１〜第６温度センサ
５０ 制御装置
５１ 熱要求判定部
５２ 燃焼検知部
５３ 温度差算出手部
５４ 失火判定部
５５ 燃焼制御部
１００ 制御システム
Ａ１_Ｘ 温度差
Ａ１_Ｓ 閾値
Ｓ０ 運転立ち上げ時間
Ｓ１ 所定時間

Claims (5)

1. ボイラ本体と、前記ボイラ本体から供給される加熱流体と負荷側の被加熱流体との間で熱交換を行う熱交換器と、を備え、前記ボイラ本体と前記熱交換器との間にて前記加熱流体を循環させるようになっている、温水ボイラであって、
   前記ボイラ本体に設けられており、バーナの炎を検知する、炎検知手段と、
   前記ボイラ本体の運転を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記加熱流体の前記熱交換器の上流部の温度と前記熱交換器の下流部の温度との差である第１温度差、及び／又は前記被加熱流体の前記熱交換器の上流部の温度と前記熱交換器の下流部の温度との差である第２温度差を、算出する温度差算出手段と、
   前記炎検知手段によって炎が検知されたとき、前記温度差算出手段によって算出された、前記第１温度差及び／又は前記第２温度差に基づいて、前記バーナの失火を判定する失火判定部と、
   を含んでいる、ことを特徴とする温水ボイラ。
2. 前記失火判定部は、前記第１温度差及び／又は前記第２温度差が、所定の閾値を下回る場合に前記バーナの失火を判定する、
   請求項１に記載の温水ボイラ。
3. 前記温度差算出手段は、前記加熱流体及び／又は前記被加熱流体の温度を計測する温度センサを有しており、
   前記所定の閾値は、前記温度センサの計測バラツキよりも大きな値に設定されている、
   請求項２に記載の温水ボイラ。
4. 前記失火判定部は、前記第１温度差及び／又は前記第２温度差が、所定時間、継続して前記所定の閾値を下回る場合に、前記バーナが失火していると判定をする、
   請求項２又は３に記載の温水ボイラ。
5. 前記所定時間は、前記加熱流体の温度が、常温状態から所定の設定温度に到達するまでの運転立ち上げ時間より長く設定されている、
   請求項４に記載の温水ボイラ。

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