JP2017146084A - 燃焼装置及び燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 メインバーナの停止時にパイロットバーナの燃焼を継続させるとともに、負荷に応じてメインバーナの燃焼量を４位置以上に多位置制御するボイラの燃焼装置において、途中負荷運転中にメインバーナの燃焼が停止して一時的に風量過多となってもパイロットバーナの失火を防ぐ。【解決手段】 パイロット流量調整弁１３が介在されパイロットバーナ６に燃料を供給する主供給ライン１０ａと、主供給ライン１０ａにパイロット流量調整弁１３をバイパスするように並列接続されるとともにバイパス遮断弁１４を備えてパイロットバーナ６に追加燃料を供給可能なバイパス供給ライン１０ｂと、を備え、メインバーナ５の燃焼時及び待機時はパイロット流量調整弁１３により流量調整された燃料がパイロットバーナ６に供給されるとともに、メインバーナ５が最低燃焼量より多い燃焼量の位置ではバイパス供給ライン１０ｂを通じてパイロットバーナ６に追加燃料が供給される。【選択図】 図１

Description

本発明は、４位置以上の多位置制御を行う燃焼装置及び燃焼方法に関し、特に、メインバーナ停止時にパイロットバーナの燃焼を継続する制御方式を採用するボイラの燃焼装置及び燃焼方法に関する。

従来、パイロットバーナを備える燃焼装置の制御方式は、メインバーナ停止時にパイロットバーナの燃焼を継続する方式（連続パイロット方式、交替パイロット方式）と、メインバーナ停止時にパイロットバーナの燃焼を停止させる方式（時限パイロット方式、重複パイロット方式）とに大別される（図６、非特許文献１）。

メインバーナ停止時にパイロットバーナの燃焼を停止させる制御方式は、パイロットバーナの燃料を節約できるメリットがある。しかしながら、ボイラでは、燃焼を再開させるために、安全技術指標上、燃焼室内を換気するプレパージを行った後、パイロットバーナを点火させ、メインバーナの燃焼を開始する必要があるため、メインバーナが停止している間に負荷が急変することによって蒸気圧力が急激に低下した場合に、出来るだけ早く燃焼を再開しようとしても、メインバーナが点火する迄に例えば約３０〜６０秒の時間を要する。従って、メインバーナ停止時にパイロットバーナの燃焼を停止させる制御方式は、負荷追従性の観点から望ましくない。また、プレパージを行うことでボイラの保有熱が外部に放出されることにより、蒸気圧力が低下するため、蒸気圧力を回復するまでにタイムロスを生じる。

他方、メインバーナ停止時にパイロットバーナの燃焼を継続する制御方式は、プレパージの必要がなく、即座にメインバーナの再燃焼が可能なため、負荷追従性の観点からは望ましい。

また、近年、負荷追従性を高めるため、ボイラの燃焼装置では、負荷に応じてメインバーナの燃焼量を３段階で段階的に切り換える３位置制御の技術が進歩し、負荷に応じてメインバーナの燃焼量を４段階で段階的に切り換える４位置制御に移行している。

社団法人日本ガス協会、平成１２年６月発行、ガスボイラ燃焼設備の安全技術指標

メインバーナ停止時にパイロットバーナの燃焼を継続する制御方式では、パイロットバーナの単独燃焼時に蒸気圧力が上昇して上限値（最高使用圧力）を越えることを防ぐため、パイロットバーナの単独燃焼時の発熱量がボイラ本体の放熱量より小さくなるように設定される。

４位置制御の採用により、従来の３位置制御に比して最低燃焼量が減少してきており、燃焼量は燃焼用空気量と概ね比例関係にあるため、最低燃焼量の位置での燃焼用空気量も減少している。パイロットバーナは最低燃焼量の位置で着火に用いることが主目的の機器であるため、最低燃焼量の位置での燃焼用空気量の減少に伴い、パイロットバーナの燃焼量も３位置制御の場合に比べて減少してきている。

そのため、メインバーナの停止時もパイロットバーナの燃焼を継続させる方式で４位置制御を採用した燃焼装置において、メインバーナが最低燃焼量より燃焼量の多い燃焼量の位置にあるときに、突発的な負荷の急減により蒸気圧力が急激に上昇し、高圧設定値に達してメインバーナが突然停止した際、メインバーナの燃料供給は遮断弁により即座に遮断されるが、風量はダンパによって徐々に減少させられるため、風量の制御が追い付かず、パイロットバーナの燃焼量に対して一時的に風量過多となり、パイロットバーナの吹き消えが生じ得る。

そこで本発明は、メインバーナの停止時もパイロットバーナの燃焼を継続させる方式であって、４位置以上の多位置制御を採用する燃焼措置及び燃焼方法において、最低燃焼量より燃焼量の多い燃焼量の位置で突然、メインバーナが停止した際にもパイロットバーナの燃焼を安定させ、吹き消えを防ぐことができる燃焼装置及び燃焼方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るボイラの燃焼装置は、メインバーナ停止時にパイロットバーナの燃焼を継続させる制御を行うとともに、負荷に応じて前記メインバーナの燃焼量を４段階以上に切り換える多位置制御を行うボイラの燃焼装置であって、パイロット流量調整弁が介在され前記パイロットバーナに燃料を供給する主供給ラインと、前記主供給ラインに前記パイロット流量調整弁をバイパスするように並列接続されるとともにバイパス遮断弁を備え、前記バイパス遮断弁の開操作により前記パイロットバーナに追加燃料を供給可能なバイパス供給ラインと、を備え、前記メインバーナの燃焼時及び待機時は前記パイロット流量調整弁により流量調整された燃料が前記パイロットバーナに供給されるとともに、前記メインバーナが最低燃焼量より多い燃焼量の位置では前記バイパス供給ラインを通じて前記パイロットバーナに追加燃料が供給される。

前記主供給ラインは、前記パイロット流量調整弁の一次側と二次側に其々設けられた上流側遮断弁及び下流側遮断弁を備え、前記バイパス供給ラインは、一端が前記上流側遮断弁と前記パイロット流量調整弁との間に接続され、他端が前記下流側遮断弁の二次側に接続されていることが好ましい。

また、上記目的を達成するため、本発明に係るボイラの燃焼方法は、メインバーナ停止時にパイロットバーナの燃焼を継続させる制御を行うとともに、負荷に応じて前記メインバーナの燃焼量を４段階以上に切り換える多位置制御を行うボイラの燃焼方法であって、前記メインバーナの燃焼時及び待機時は所定流量に流量調整された燃料を前記パイロットバーナに供給するとともに、前記メインバーナが最低燃焼量より多い燃焼量の位置では前記流量調整された燃料に追加の燃料を前記パイロットバーナに供給する。

本発明によれば、最低燃焼量より燃焼量の多い燃焼量の位置では、パイロットバーナに単独燃焼時より多い燃料を供給することにより、パイロットバーナの燃焼量を高めることができる。そのため、途中負荷位置でメインバーナの燃焼が突発的に停止することによってパイロットバーナが単独燃焼になっても、風量過多にならず、パイロットバーナが吹き消えることを防ぐことができる。

本発明に係る燃焼装置を備えるボイラの第１実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る燃焼装置を備えるボイラのタイムチャートである。 図２の他の制御パターンを示すタイムチャートである。 本発明に係る燃焼装置を備えるボイラの変更態様を示す概略構成図である。 本発明に係る燃焼装置を備えるボイラの変更態様を示す概略構成図である。 従来のパイロットバーナの運転方式を示すタイムチャートである。

本発明に係るボイラの燃焼装置及び燃焼方法の実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。なお、本発明に関し、全図及び全実施形態を通じ、同一又は類似の構成部分には同符号を付した。

図１は、本発明に係るボイラの燃焼装置の第１実施形態を示す概略構成図である。図１に示すように、燃焼装置１００は、メインバーナ５とパイロットバーナ６とを備えている。メインバーナ５及びパイロットバーナ６は、ボイラ１の燃焼室２の上部に配置されている。ボイラ１には、更に、燃焼用空気を供給する送風機３、ウインドボックス４、燃焼用空気の供給量を調節する風量調整手段としてのダンパ７、気水分離器８等を備えている。なお、図において、燃焼室２に配設される水管等は図示省略している。

メイン燃料供給ライン９を通じてメインバーナ５に燃料が供給される。メイン燃料供給ライン９から分岐したパイロット燃料供給ライン１０を通じて、パイロットバーナ６に燃料が供給される。

パイロット燃料供給ライン１０は、上流側遮断弁１１、下流側遮断弁１２、及び上流側遮断弁１１の下流側に設けられたパイロット流量調整弁１３を備える主供給ライン１０ａと、主供給ライン１０ａに並列接続され上流側遮断弁１１の下流側でパイロット流量調整弁１３をバイパスするとともにバイパス遮断弁１４を備えるバイパス供給ライン１０ｂと、を備えている。

パイロット流量調整弁１３は、パイロットバーナ６を定格燃焼量で燃焼させる流量に調整する弁であり、ガス圧調整弁とすることができる。ガス圧調整弁は、パイロットバーナの燃焼を安定させるため、燃料ガスの圧力を減圧して一定の所要圧力に制御する弁で、ガバナとも称され、図示例ではパイロットガバナが用いられている。

メイン燃料供給ライン９には、圧力調整機構付きメイン燃料遮断弁１５と、その上流側に配置した上流側メイン燃料遮断弁１６とが設けられている。圧力調整機構付きメイン燃料遮断弁１５は、圧力調整機能を有し、燃料供給圧力の変動に対して、メインバーナ５の入口燃料圧力を一定に保つ。圧力調整機構付きメイン燃料遮断弁１５及び上流側メイン燃料遮断弁１６は、ボイラ１に異常消火、低水位等の何らかの異常が発生した場合に制御装置１７からの電気制御信号により、圧力調整機構付きメイン燃料遮断弁１５及び上流側メイン燃料遮断弁１６を同時に閉止させ、メインバーナ５への燃料供給を瞬時に遮断する安全装置である。圧力調整機構付きメイン燃料遮断弁１５は、例えば、ダンパ７で制御された空気の圧力に連動して燃焼量を制御可能な比例制御弁が用いられ、図示例では液動弁が用いられている。

パイロット燃料供給ライン１０は、メイン燃料供給ライン９のメイン燃料遮断弁１６より上流側から分岐する。パイロット燃料供給ライン１０の主供給ライン１０ａに設けられた上流側遮断弁１１及び下流側遮断弁１２は、ボイラ１に何らかの異常が発生した場合に制御装置１７からの電気制御信号により、上流側遮断弁１１及び下流側遮断弁１２を同時に閉止させ、パイロットバーナ６への燃料供給を瞬時に遮断する安全装置である。

バイパス供給ライン１０ｂは、二重遮断の原則を確保するため、主供給ライン１０ａの上流側遮断弁１１の２次側から分岐している。さらにこの分岐は、燃焼量を確保するため、パイロット流量調整弁１３の一次側より分岐する。上流側遮断弁１１、下流側遮断弁１２、及び、バイパス遮断弁１４は、電気信号により開閉する制御弁が用いられ、図示例では電磁弁が用いられている。

バイパス遮断弁１４は、制御装置１７からの制御指令に基づいて作動する。バイパス遮断弁１４は、制御指令に依り開き、常時は閉じている常閉弁とすることができる。

なお、気水分離器８の蒸気圧力は図示しない検出器により検出されており、制御装置１７は、この検出値に基づいて、予め設定された設定値と比較・演算処理を行い、燃焼量や風量を制御する。

上記構成を備える燃焼装置の制御例について説明する。制御装置１７は、上流側遮断弁１１、下流側遮断弁１２、バイパス遮断弁１４、圧力調整機構付きメイン燃料遮断弁１５及び上流側メイン燃料遮断弁１６を制御することにより、メインバーナ５の停止時にパイロットバーナ６の燃焼を継続させる制御を行うとともに、負荷に応じてメインバーナ５の燃焼量を４段階（停止、低燃焼、中燃焼、高燃焼）に切り換える４位置制御を行う。

図２及び図３は、連続パイロット方式で４位置制御の運転時のタイムチャートの例を示しており、図２は通常運転時、図３は負荷急減時のタイムチャートを其々示している。

図２及び図３において、上段の折れ線は、ボイラ１の蒸気圧力の検出値を示している。４位置制御では、蒸気圧力について、高圧、中圧、及び低圧の設定値が予め設定されている。

図２及び図３において、中段はメインバーナの燃焼量を示している。蒸気圧力について設定値と検出器とが比較され、その比較結果に基づいてメインバーナ５の燃焼量が停止、低燃焼量（最低燃焼量）、中燃焼量、又は高燃焼量に切り換えられる。それぞれの燃焼量（出力）は、図２及び図３に示す例では、低燃焼量２５％、中燃焼量５０％、高燃焼量１００％とされている。蒸気圧力の設定値は、差分値により設定することもできる。

図２及び図３のタイムチャートには図示されていないが、燃焼量に応じて、ダンパ７の開度が制御され、燃焼量に応じた燃焼用空気が燃焼装置に送られる。メインバーナ５の燃焼量の切り換えは、ボイラ１の蒸気圧力に連動して燃焼量を制御可能な圧力調整機構付きメイン燃料遮断弁１５の開度制御により切り換えられ得る。

図２及び図３において、下段はパイロットバーナ６の燃焼量を示している。パイロットバーナ６の燃焼量は、主供給ライン１０ａから常時供給される通常燃料量の燃料と、バイパス供給ライン１０ｂから所定時に供給される追加燃料との合計による燃焼量となる。

図２及び図３に示す連続パイロット方式では、パイロットバーナ６へは、パイロット流量調整弁１３によりパイロットバーナ６の定格燃焼量に調整された燃料が、パイロット主供給ライン１０ａから常時供給されている。バイパス供給ライン１０ｂからの追加燃料は、メインバーナ５が低燃焼量（最低燃焼量）より高い燃焼量の位置、即ち中燃焼量及び高燃焼量の位置にあるときにのみ、バイパス遮断弁１４を開いて供給され、メインバーナ５が低燃焼量の位置にあるとき及び停止している間は供給を停止している。

図２の通常運転時の例では時間帯ｔ_９からｔ_１１への移行において、メインバーナ５は中燃焼量→低燃焼量（最低燃焼量）→停止の順に燃焼量が移行しており、安定した燃焼となっている。

一方、図３の運転時の例では、メインバーナ５は、時間帯ｔ_１０〜ｔ_１１への移行時に、中燃焼量から、低燃焼量を経ずに停止している。これは、中燃焼量の位置で燃焼している際に、負荷の急減等によりボイラ１の蒸気圧力が急激に上昇し、高圧設定値に達してメインバーナ５を急停止する制御が働いたためである。このような場合に、パイロットバーナ６の燃焼量が定格燃焼量であると、ダンパ７の風量制御が追い付かず中燃焼量に対応する風量により、パイロットバーナ６が風量過多のため吹き消えてしまう恐れがあるが、バイパス供給ライン１０ｂからの追加燃料を供給することにより、パイロットバーナ６の吹き消えが防止される。

５位置以上の多位置制御においても、４位置制御の場合と同様に、最低燃焼量の位置より高い燃焼量の位置、前記追加燃料を追加してパイロットバーナ６に供給することにより、４位置制御と同様の効果が得られる。

通常の連続パイロット方式では、メインバーナ５の停止時はパイロットバーナ６の燃焼を継続するが、メインバーナ５の停止時に継続して燃焼していたパイロットバーナ６の燃焼を一定の条件下で停止することもできる。なお、メインバーナ５の停止時にパイロットバーナ６を停止した場合、再点火前にプレパージを実施する。

即ち、パイロットバーナ６で単独燃焼を開始した時点からのパイロットバーナ６の燃焼による発熱量の積算値が、プレパージによる放熱量とボイラ１本体の放熱量との積算値を超えた場合に、パイロットバーナ６の燃焼を停止させる。「プレパージ放熱量＋ボイラ本体の放熱量積算値」を越えてパイロットバーナ６を運転させることは燃料のロスになるからである。なお、発熱量や放熱量は、公知の方法により計算することができる。

上記実施形態において、上流側遮断弁１１と下流側遮断弁１２の間にパイロット流量調整弁１３を設ける例を示したが、例えば、図４に示すように、パイロット流量調整弁１３を下流側遮断弁１２の下流側に配置してもよい。また、図５に示すように、バイパス供給ライン１０ｂの上流側を上流側遮断弁１１の上流位置に接続し、遮断弁２１を追加するようにしても良い。また、図示しないが、上流側遮断弁１１と下流側遮断弁１２との間で燃料圧力調整装置をバイパスする構成としてもよい。

１ ボイラ
２ 燃焼室
３ 送風機
５ メインバーナ
６ パイロットバーナ
７ ダンパ（風量調整手段）
８ 気水分離器
９ メイン燃料供給ライン
１０ パイロット燃料供給ライン
１０ａ 主供給ライン
１０ｂ バイパス供給ライン
１１ 上流側遮断弁
１２ 下流側遮断弁
１３ パイロット流量調整弁
１４ バイパス遮断弁
１５ 圧力調整機構付きメイン燃料遮断弁
１６ 上流側メイン燃料遮断弁
１７ 制御装置

Claims (3)

1. メインバーナ停止時にパイロットバーナの燃焼を継続させる制御を行うとともに、負荷に応じて前記メインバーナの燃焼量を４段階以上に切り換える多位置制御を行うボイラの燃焼装置であって、
   パイロット流量調整弁が介在され前記パイロットバーナに燃料を供給する主供給ラインと、
   前記主供給ラインに前記パイロット流量調整弁をバイパスするように並列接続されるとともにバイパス遮断弁を備え、前記バイパス遮断弁の開操作により前記パイロットバーナに追加燃料を供給可能なバイパス供給ラインと、を備え、
   前記メインバーナの燃焼時及び待機時は前記パイロット流量調整弁により流量調整された燃料が前記パイロットバーナに供給されるとともに、前記メインバーナが最低燃焼量より多い燃焼量の位置では前記バイパス供給ラインを通じて前記パイロットバーナに追加燃料が供給される、前記燃焼装置。
2. 前記主供給ラインは、前記パイロット流量調整弁の一次側と二次側に其々設けられた上流側遮断弁及び下流側遮断弁を備え、
   前記バイパス供給ラインは、一端が前記上流側遮断弁と前記パイロット流量調整弁との間に接続され、他端が前記下流側遮断弁の二次側に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
3. メインバーナ停止時にパイロットバーナの燃焼を継続させる制御を行うとともに、負荷に応じて前記メインバーナの燃焼量を４段階以上に切り換える多位置制御を行うボイラの燃焼方法であって、
   前記メインバーナの燃焼時及び待機時は所定流量に流量調整された燃料を前記パイロットバーナに供給するとともに、前記メインバーナが最低燃焼量より多い燃焼量の位置では前記流量調整された燃料に追加の燃料を前記パイロットバーナに供給する、前記燃焼方法。