JP2022047101A - ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼段階の移行時における空気比を極力安定させることができるボイラを提供することである。
【解決手段】空気供給路を介して燃焼用空気を供給する空気供給部と、供給される燃焼用空気の流量が設定された燃焼量に応じた流量となるように前記空気供給部を制御する制御部と、供給される燃焼用空気の差圧に応じて、供給する燃料の流量を調整する燃料供給量調整弁とを備え、前記制御部は、第１の燃焼量から第２の燃焼量へ移行する場合に、供給される燃焼用空気の流量を前記第２の燃焼量に応じた流量に変化させるまでの途中段階において、所定期間に亘って供給される燃焼用空気の流量を変化させないように前記空気供給部を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料を燃焼させて蒸気等を生成するボイラに関する。

従来より、燃料を供給する燃料供給ライン上に調整弁を設けて、燃焼用空気の流量と連動させて比例弁（調整弁）を制御して燃料の流量を調整することにより、多位置制御（高燃焼、中燃焼、低燃焼など）や比例制御を行う燃焼装置を備えたボイラがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－２７８７号公報

上記のようなボイラにおいては、燃焼用空気の流量変化を先行させ、燃料の流量調整がフィードバックによる後追いとなる制御構成上、燃焼段階が他の燃焼段階に移行されたときには、過渡的な状態となり空気比が大きく変動してしまう結果、適正な空気比での燃焼状態の維持が困難になるおそれがある。例えば、燃焼段階を低燃焼から高燃焼に移行させたときにおいては、燃焼用空気の流量増に対する燃料の供給増が後追いとなり、高空気比となる期間を生じさせてしまう。高空気比となることを防止するためには、燃焼用空気の供給路に設けられるダンパや燃料調整弁を、例えば、多段階で調整可能な高性能なものとすることが考えられるが、その場合はコスト高になってしまう。

本発明は、かかる実情に鑑み考え出されたものであり、その目的は、燃焼段階の移行時における空気比を極力安定させることができるボイラを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のボイラは、
空気供給路を介して燃焼用空気を供給する空気供給部と、供給される燃焼用空気の流量が設定された燃焼量に応じた流量となるように前記空気供給部を制御する制御部と、供給される燃焼用空気の差圧に応じて、供給する燃料の流量を調整する燃料供給量調整弁とを備え、前記制御部は、第１の燃焼量から第２の燃焼量へ移行する場合に、供給される燃焼用空気の流量を前記第２の燃焼量に応じた流量に変化させるまでの途中段階において、所定期間に亘って供給される燃焼用空気の流量を変化させないように前記空気供給部を制御する。

上記構成によれば、供給される燃焼用空気の流量を、燃焼量の移行の途中段階で所定期間に亘って変化させないように制御するため、燃料供給量調整弁が供給される燃焼用空気の流量の変化に追従できずに高空気比となることを防止して、燃焼段階の移行時における空気比を極力安定させることができる。

好ましくは、前記空気供給部は、前記空気供給路に設けられるダンパを含み、前記制御部は、前記所定期間においては前記ダンパの開度を変化させない態様で当該ダンパを制御する。

上記構成によれば、ダンパの開度を変化させない、すなわち、ダンパの動きを止めるという容易な制御によって、供給される燃料の流量を供給される燃焼用空気の流量に追従させることができる。

好ましくは、前記制御部は、前記第１の燃焼量から前記第２の燃焼量への移行を開始してから、供給される燃焼用空気の流量と供給される燃料の流量との関係が所定の許容関係を超えるまでに、供給される燃焼用空気の流量を変化させないように前記空気供給部の制御を開始する。

上記構成によれば、移行中において許容関係を超えないような制御を可能とすることで、より確実に振動燃焼や失火を防止することができる。

本発明の一実施形態における燃焼装置が用いられるボイラの一例を概略的に示す構成図である。 ボイラの運転状態の一例を示すタイムチャートである。（ａ）は、本発明の一実施形態におけるボイラの運転状態の一例を示すタイムチャートであり、（ｂ）は、従来のボイラにおける運転状態の一例を示すタイムチャートである。

本開示に係るボイラについて図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が本発明に含まれることが意図される。

＜概略構成について＞
以下に、図１を参照しつつ、本発明の実施の形態に係るボイラ１について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るボイラ１の構成を模式的に示す図である。

ボイラ１は、燃料を燃焼させて蒸気を生成するボイラ本体２と、空気供給路３０を介してボイラ本体２内に空気を送り込む送風機３と、ボイラ本体２からの排ガスなどを導出する煙道４と、ボイラ本体２に燃料を供給する燃料供給ライン（燃料供給路）５とを備えている。なお、燃料は、ガスである例について説明するが、ガスなどの気体に限らず、油などの液体であってもよい。

燃料供給ライン５は、空気供給路３０に接続されている。燃料供給ライン５から供給される燃料は、空気供給路３０において、送風機３から送風される空気と混合されて、ボイラ本体２内のバーナ２０に供給される。

送風機３から供給される空気は、燃焼用空気として空気供給路３０を介してボイラ本体２内のバーナ２０に供給される。燃焼用空気の流量の調整は、空気供給路３０にダンパ７を設けて、ダンパ７の位置（開度）を調整するか、これに代えてまたはこれに加えて、インバータを用いて送風機３のファンの回転速度を変えることでなされる。本実施の形態では、空気供給路３０にダンパ７を設けて、送風機３は一定速度で回転させつつダンパ７の位置を変更することで、燃焼用空気の流量を調整する。

燃料供給ライン５には、流路を開閉するための開閉弁１１（電磁弁）と、ボイラ本体２に供給する燃料の流量を調整可能であるとともに遮断機能をも備える燃料供給量調整弁１２とが設けられている。燃料供給量調整弁１２は、開閉弁１１の下流側に配置されている。下流側の燃料供給量調整弁１２は、ボイラ本体２に供給する燃料の流量を調整する燃料供給量調整弁として機能する。本実施の形態において、燃料供給量調整弁１２はガバナである。

本実施の形態では、空気供給路３０には、ダンパ７より下流にパンチングメタル等の燃焼用空気減圧部材８が設けられている。ガバナ（燃料供給量調整弁１２）は、空気供給路３０内の燃焼用空気減圧部材８の前後の差圧に応じて開度が変化するように構成されている。ガバナは、導入される差圧と供給する燃料の圧力（２次側の圧力）とが均圧となるように機械的に開度が調整される均圧弁である。ガバナの下流側流路からは、分岐路１３が設けられている。ガバナは、分岐路１３から得られる二次側の圧力が、導入される空気供給路３０内の燃焼用空気減圧部材８の前後の差圧に応じた圧力となるように開度を調整することができる。

制御部６は、供給される燃焼用空気の流量が、設定された燃焼量に応じた流量となるように空気供給部である送風機３およびダンパ７を制御して、燃焼用空気の供給流量を調整する。そして、制御部６は、例えば低燃焼段階（第１の燃焼量）から高燃焼段階（第２の燃焼量）へ移行する場合に、供給される燃焼用空気の流量を高燃焼段階の燃焼量に応じた流量に変化させるまでの途中段階において、送風機３は一定速度で回転させつつ、所定期間に亘って供給される燃焼用空気の流量を変化させないようにダンパ７を制御する。

＜動作について＞
図２を参照して、本実施の形態に係るボイラ１の動作について説明する。図２は、低燃焼段階（第１の燃焼量）から、燃焼量が大きい高燃焼段階（第２の燃焼量）への燃焼段階の移行時におけるボイラの動作のタイムチャートであって、ダンパ７の開度の変化、エア量（燃焼用空気の流量）の変化およびガス量（燃料の流量）の変化を示している。図２では、（ａ）として本実施の形態に係るボイラ１の動作を、（ｂ）として従来のボイラの動作を、比較可能となるように示している。

燃焼用空気の流量を監視しながら（流量に応じて）、燃料の流量を変化させる比例ガスバルブ（燃料供給量調整弁１２）を搭載するボイラでは、コントロールモータによってダンパ７を動かし、燃焼用空気減圧部材８の前後の差圧の変化によって比例ガスバルブ（燃料供給量調整弁１２）の開度を変えて、燃焼段階を切り替えている。このとき、燃焼用空気の流量を見て比例ガスバルブの開度を変えるため、ガス量の変化は、エア量の変化に対してタイムラグが生じる。さらに、コントロールモータの動作速度に対し、ガスバルブの動作（特に、開動作）は遅い。そのため、低燃焼段階から高燃焼段階への移行の途中段階において、ガス量の変化は遅れ気味になり、低燃焼段階に応じた流量から高燃焼段階に応じた流量に到達するまでの移行時間は、燃焼用空気よりも燃料のほうが長くなる。ガスバルブの移行時間は、ダンパ７の移行時間より長くかかるため、図２（ｂ）中において両矢印で示すエア量とガス量とのグラフにおける間隔は、時間の経過とともに広がり続ける。その結果、図２（ｂ）中のＴ２の領域では、供給されるエア量の変化に対して、供給されるガス量の変化が追いつかない状態となる。この領域Ｔ２では、酸素濃度が高すぎる状態となり、振動燃焼や失火に至ることがある。

そこで、制御部６は、低燃焼段階（第１の燃焼量）から高燃焼段階（第２の燃焼量）へ移行する場合に、図２（ａ）に示すように、供給されるエア量を第２の燃焼量に応じた流量に変化させるまでの途中段階において、所定期間Ｔ１に亘って供給されるエア量を変化させない（増加させない）ように空気供給部を制御する。すなわち、ガスバルブの動作が遅いため移行に時間がかかり、ガス量がエア量の変化に追い付かないため、所定期間に亘ってエア量を変化させず、この間にガス量を追い付かせるように調整する。本実施形態においては、図２（ａ）に示すように、所定期間Ｔ１においてダンパ７の動きを止めて、開度を変化させないよう制御している。

ダンパ７の制御は、例えば、ダンパ配線の１次側にＯＮ－ＯＦＦタイマを追加し、移行時にダンパ７の作動用のコントロールモータを段階的に動作させることで実現することができる。このように段階的にダンパ７を動かすことで、動作速度が調整できない比較的安価なコントロールモータを用いるものであっても、全体として移行時間を長くしてエア量の変化を遅くすることができ、所定領域Ｔ１においてガス量の変化を追いつかせ、エアの流量に対してガスの流量が少なくなり過ぎることを防止することにより、燃焼段階の移行中に高酸素濃度状態となるのを防ぐことができる。

特に、供給ガス圧が低い場合は、燃焼段階の移行に必要なガスバルブの開度差が大きくなり、ガスバルブを移行後の燃焼段階の開度まで動かすまでに要する時間が長くなる。このため、低燃焼段階から高燃焼段階への移行において、供給されるエア量に対して供給されるガス量がより追いつきにくくなっていた。これに対して、図２（ａ）において示した制御を行うことにより、ダンパの移行時間を長くすることができるため、移行性を改善でき、供給ガス圧をより低くしてもエア量に対してガス量を追いつかせることが可能となり、最低供給ガス圧を下げることができる。

本実施形態においては、図２（ａ）に示すように、制御部６は、第１の燃焼量から第２の燃焼量への移行を開始してから特定時間ｔが経過した段階において、供給されるエア量を変化させない空気供給部の制御を開始する。ここで、特定時間ｔは、第１の燃焼量から第２の燃焼量への移行を開始してから、供給されるエア量と供給されるガス量との関係が所定の許容関係を超えることとなるまでに要する時間（例えば、図２（ｂ）中のＴ２の領域に至るまでの時間）よりも短い時間であることが好ましい。特定時間ｔをこのように設定することで、移行中に許容関係を超えないような制御が可能となり、より確実に振動燃焼や失火を防止することができる。所定の許容関係を超える境界としては、例えば、振動燃焼や失火が統計上起こり得る酸素濃度に到達するのに要する時間（例えば、最短時間、平均的な時間）未満となる時間を設定することができる。以下では、振動燃焼や失火が統計上起こり得る酸素濃度に到達するのに要する時間（例えば、最短時間、平均的な時間）未満となる時間が経過するまでの期間を、所定の許容関係を超えるまでの期間ともいう。

特定時間ｔは、所定の許容関係を超えるまでの期間のうちの前半になるように設定してもよい。しかし、ダンパとガスバルブとは、動き始めは速度差が小さいので、供給されるエア量と供給されるガス量とのずれが小さく、後半はずれが大きくなりやすい。したがって、特定時間ｔは、所定の許容関係を超えるまでの期間のうちの後半になるように設定することが好ましく、Ｔ２の領域に至る直前に設定することがより好ましい。

既存の設備では、ダンパ開度の変化速度の微妙な調整はできず、決まった速度での動作とせざるを得ない場合も多いが、本願における制御を用いると、設備に大きな変更を加えることなく、容易な制御で燃料の供給量を燃焼用空気の供給量に追従させることができる。

本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な上記の実施の形態の変形例などについて説明する。

上記実施の形態におけるボイラ１は、低燃焼段階および高燃焼段階の２段階で制御する例について説明した。しかし、これに限らず、低燃焼段階、中燃焼段階および高燃焼段階の３段階で制御するものであってもよいし、任意の負荷率となるように比例制御するものであってもよい。

上記実施の形態におけるボイラ１は、ガバナを用いて制御するが、燃料供給用調整弁１２を制御部６による電子制御により制御することもできる。電子制御による制御により制御する場合には、燃焼用空気減圧部材８の前後の差圧を検知し、差圧情報を出力する空気量検知部を制御部６と電気的に接続し、空気量検知部からの差圧情報を制御部６に入力する。制御部６は、内部にメモリ、タイマ、および演算処理部を含むコンピュータにより実現され、空気量検知部から入力される差圧情報に基づいて、燃焼の段階に応じて、燃料供給量調整弁１２の開度を調整する。制御部６は、メモリに予め記憶された開度調整情報に基づいて、燃料供給量調整弁１２に対して開度を特定するための開度特定信号を送信する。これにより、燃料供給量調整弁１２は、燃焼用空気減圧部材８の前後の差圧に応じた開度に制御されて、ボイラ本体２に供給する燃料の流量を調整することができる。なお、開度調整情報とは、例えば、差圧に応じて燃料供給量調整弁１２の開度を特定可能なテーブルであってもよく、また差圧に応じて燃料供給量調整弁１２の開度を特定するための演算式であってもよい。

上記実施の形態においては、ダンパ７の制御を、ダンパ配線の１次側にＯＮ－ＯＦＦタイマを追加し、移行時にダンパ７の作動用のコントロールモータを段階的に動作させる例について説明した。しかし、これに限らず、タイマを用いずにコンピュータからの信号を断続的にＯＮ、ＯＦＦさせることで制御するものであってもよい。タイマを追加することなく制御可能とすることで、コストダウンが可能となる。

上記実施の形態においては、制御部６は、第１の燃焼量から第２の燃焼量への移行を開始してから時間（例えば特定時間ｔ）が経過した段階において、供給されるエア量を変化させない空気供給部の制御を開始する例について説明した。しかし、これに限らず、制御部６は、移行開始後におけるダンパ開度が、特定のダンパ開度となった段階において、ダンパ７の動きを止めて、供給されるエア量を変化させない空気供給部の制御を開始するものであってもよい。

上記実施の形態においては、低燃焼段階（第１の燃焼量）から高燃焼段階（第２の燃焼量）へ移行する場合に、供給される燃焼用空気の流量を第２の燃焼量に応じた流量に変化させるまでの途中段階において、燃焼用空気の流量を変化させないようにする期間として、ひとつの期間だけ設けた例について説明した（図２（ａ）参照）。しかし、これに限らず、燃焼用空気の流量を変化させないようにする期間は、途中段階において複数回設けてもよい。例えば、前記期間を２回設ける場合、１回目の期間においてガス量がエア量に追いつくタイミングでダンパ７の開度変化を再開させる。その後、再度ガス量とエア量とが、所定の許容関係を超える境界に近づくタイミングで、２回目の前記期間を設けるとよい。前記期間を複数回設ける場合、エア量とガス量との所定の許容関係を超える境界を、より厳しい基準とすることができる。これにより、エア量とガス量との差の開きをより効果的に抑えることができ、燃焼段階の移行時における空気比をより安定化することができる。

上記実施の形態においては、低燃焼段階（第１の燃焼量）から高燃焼段階（第２の燃焼量）へ移行する場合の制御について説明した。ガスバルブは、基本的には、安全確保のため、開動作はゆっくり、閉動作は素早くするという「スローオープン・クイックシャット」の特性を備えている。このような特性を有しているガスバルブについては、高燃焼段階から低燃焼段階に移行する際は素早く動作するため、本願における制御を用いることなく、通常の制御であっても問題はない。しかし、閉動作に一定の時間を要するガスバルブを用いる場合には、第１の燃焼量のほうが第２の燃焼量よりも大きい場合の移行（例えば、高燃焼段階から低燃焼段階への移行）に本願における制御を適用してもよい。

上記実施の形態においては、供給される燃焼用空気の流量の変化速度が一定である例について説明した。しかし、これに限らず、流量の変化速度を変化させてもよい。例えば、コントロールモータが、変化速度を２段階に設定できるものである場合には、所定期間に亘って変化速度を高速から低速に変化させて、流量が少しずつ増えるようにしてもよい。

上記実施の形態においては、空気供給路３０にダンパ７を設けて、送風機３は一定速度で回転させつつダンパ７の位置を変更することで、燃焼用空気の流量を調整する例について説明した。しかし、これに限らず、ダンパ７の位置（開度）と送風機３のファンの回転速度とで燃焼用空気の流量を調整してもよい。この場合、制御部６は、所定期間に亘ってダンパ７の位置および送風機３のファンの回転速度を変化させないように制御する。あるいは、空気供給路３０にダンパ７を設けることなく、送風機３のファンの回転速度のみで燃焼用空気の流量を調整してもよい。この場合、制御部６は、所定期間に亘って送風機３のファンの回転速度を変化させないように制御する。

上記実施の形態におけるボイラ１は、ガスを供給する燃料供給ラインと、油を供給する燃料供給ラインとを備え、ガスを燃料として使用するモードと、油を燃料として使用するモードとのいずれかに切り替えて制御することができるものであってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ボイラ
２ ボイラ本体
３ 送風機（空気供給部）
４ 煙道
５ 燃料供給ライン（燃料供給路）
６ 制御部
７ ダンパ（空気供給部）
８ 燃焼用空気減圧部材
１１ 開閉弁
１２ 燃料供給量調整弁
１３ 分岐路
２０ バーナ
３０ 空気供給路

Claims (3)

1. 空気供給路を介して燃焼用空気を供給する空気供給部と、
   供給される燃焼用空気の流量が設定された燃焼量に応じた流量となるように前記空気供給部を制御する制御部と、
   供給される燃焼用空気の差圧に応じて、供給する燃料の流量を調整する燃料供給量調整弁とを備え、
   前記制御部は、第１の燃焼量から第２の燃焼量へ移行する場合に、供給される燃焼用空気の流量を前記第２の燃焼量に応じた流量に変化させるまでの途中段階において、所定期間に亘って供給される燃焼用空気の流量を変化させないように前記空気供給部を制御する、ボイラ。
2. 前記空気供給部は、前記空気供給路に設けられるダンパを含み、
   前記制御部は、前記所定期間においては前記ダンパの開度を変化させない態様で当該ダンパを制御する、請求項１に記載のボイラ。
3. 前記制御部は、前記第１の燃焼量から前記第２の燃焼量への移行を開始してから、供給される燃焼用空気の流量と供給される燃料の流量との関係が所定の許容関係を超えるまでに、供給される燃焼用空気の流量を変化させないように前記空気供給部の制御を開始する、請求項１または請求項２に記載のボイラ。

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