JP3060702B2 - バーナの燃焼制御方法 - Google Patents

バーナの燃焼制御方法

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JP3060702B2
JP3060702B2 JP4056171A JP5617192A JP3060702B2 JP 3060702 B2 JP3060702 B2 JP 3060702B2 JP 4056171 A JP4056171 A JP 4056171A JP 5617192 A JP5617192 A JP 5617192A JP 3060702 B2 JP3060702 B2 JP 3060702B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、バーナを熱源とする工
業用炉において、バーナの燃焼時間をパルス幅変調(P
WM)方式により制御し炉内温度を目標温度に安定的に
コントロールすることのできるバーナの燃焼制御方法に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】ラジアントチューブバーナが設けられた
熱処理炉、或いはバーナ直火式加熱炉等、熱源としてバ
ーナを使用している工業用炉においては、炉内温度を目
標温度にコントロールするために、従来から炉内温度を
熱電対により検出し、バーナへ送給する燃焼用空気,燃
料等の供給量をPID調節計等の制御器を介して流量調
節弁により操作することによりフィードバック制御する
方式が採られている。
【0003】しかし流量調節弁を絞ることによつてバー
ナの燃焼を安定して変化させ得る発熱量の範囲は1:3
程度であり、それ以下に流量調節弁を絞ると燃焼不良を
起こし事故を招くおそれがある。
【0004】この変化範囲を拡大するために従来から行
なわれていたのは間引き制御である。この間引き制御と
は、複数のバーナが設けられている場合、それを例えば
2つの系統に分け、発熱量が少ないときは一方の系統の
バーナのみを燃焼させ他方の系統のバーナは休止させ、
多くの発熱量を要するときは両系統のバーナとも燃焼さ
せるようにするものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし上記のようにバ
ーナを複数の系統に分割すると、電磁弁,調節弁,操作
スイッチ,電気回路等の機器がその分割数にほぼ比例し
て数倍必要になって来るためコストがかさむという問題
がある。
【0006】また、上記PID調節計等の制御器は、検
出温度と目標温度との偏差の比例項と積分項と微分項と
を三要素とする操作量が出力され、周知のように、炉内
温度を目標温度に早期に安定的に収束させようとするも
のであるが、実際の炉操業においては、上記各項の係数
が例えば均熱時における加熱と冷却の切換を伴なう時に
温度偏差のふらつきを小さくするための値と、温度目標
値の変化に炉温を追従させる時の過度応答を良くするた
めの値とでは相違するなど調整が難しく、かつ性能に限
界があった。また加熱と冷却の切換時には積分項を排除
し切換応答性を高めることもあったので加熱と冷却の切
換えを伴なう区間(均熱時等)において積分項本来の機
能が得られず制御性能がよくなかった。
【0007】また、バーナの燃焼時間割合をパルス幅変
調周期の開始時に決め、周期の途中で温度が変わっても
燃焼時間割合が影響を受けないような方法では、パルス
幅変調周期が長い場合に、炉の温度が変化してからバー
ナの発熱量が変化するまでの遅れ時間が長くなり、制御
性能が低下するという欠点がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明のバーナの燃焼制
御方法は上記課題を解決しようとするもので、バーナを
設けた炉体の炉内温度を検出し該炉内温度と目標温度と
の偏差からPID調節計等の制御器に操作量を演算させ
ると共に、バーナの燃焼をオン・オフさせるカット弁を
設け、バーナの継続燃焼により想定し得る累積発熱量の
カウント値と前記操作量の比例換算値とを比較器により
比較し、前記カット弁を作動させてバーナを一定周期で
間歇燃焼させるに際しその各周期の燃焼時間を前記比較
結果に従い変調するパルス幅変調方式により必要な熱量
を各周期毎に炉内に供給させるようにしたものである。
【0009】
【作用】パルス幅変調方式によりバーナを一定周期で間
歇燃焼させる方式において、バーナ燃焼の開始と停止時
期を常時監視するのでパルス幅変調周期の途中でもバー
ナ燃焼の開始と停止を行なえるようになり、電磁弁等の
耐久性を向上する目的で周期を長くしても、炉の温度が
変化した場合にバーナの発熱量を変化させるまでの遅延
時間を変調周期と比較して小さくでき、このため常に適
切な熱量が供給され炉内温度を目標温度に精度よく安定
させることができる。
【0010】
【実施例】次に本発明の実施例を図面と共に説明する。
図1において、1は炉体2に設けられたラジアントチュ
ーブで、その一端にバーナ3が設けられている。4は該
バーナ3に燃焼用空気を供給する給気管、5は該バーナ
3に燃料を供給する給ガス管である。
【0011】給気管4にはコントロールモータ6によつ
て開度を調節し得る流量調節弁7が設けられている。8
は該給ガス管5に設けられた流量調節弁で、該流量調節
弁8は給気管4と給ガス管5の差圧により作動するダイ
ヤフラム9により開度が調節され、該給ガス管5を流れ
る燃料量が給気管4を流れる空気量に比例しバーナ3に
おける空燃比が常に望ましい値に保たれるようにしてい
る。10は給ガス管5に設けられ低流量時にガス供給を
遮断する電磁作動式のカット弁である。
【0012】11は炉体2内の温度を検出する熱電対で
ある。しかしてこの制御系では、熱電対11によつて検
出された炉内温度と目標温度との偏差が演算されその偏
差がPID調節計等の制御器12に入力される。このP
ID調節計はその偏差の大小,時間的変位,時間的累
積、即ち、比例値,微分値,積分値を演算するもので、
その和を操作量としてロジック回路13に出力する。
【0013】ロジック回路13では制御器12から受け
た操作量に従い流量調節弁7に開度を指令する。このた
め給気管4を通してバーナ3に流量調節弁7の開度に即
した燃焼用空気が供給されると共に、その流量に従いダ
イヤフラム9によって流量調節弁8の開度が調節される
ためにバーナ3にその燃料ガスが供給されバーナ3で燃
焼しラジアントチューブ1を介して炉体2内を加熱でき
る。
【0014】このような連続燃焼式制御系にあるときロ
ジック回路13より指令される流量調節弁7の開度は制
御器12より出力される操作量に従い変化する。即ち図
2に例示したようにロジック回路13より指令される流
量調節弁7の開度が所定の低流量カットポイント以上で
あるときは、カット弁10は常に開状態にあり該ロジッ
ク回路13より指令される流量調節弁7の開度が制御器
12より出力される操作量に比例して増大するように
し、該流量調節弁7,流量調節弁8の開度が調節される
ことによりバーナ3の発熱量が調整され、そのとき熱電
対11にて検出される炉内温度がフィードバックされる
ことにより炉内温度が目標温度に自動制御されるように
している。
【0015】一方、炉内温度が目標温度に近くなり制御
器12より出力される操作量が小さくなって流量調節弁
7に指令される開度が低流量カットポイントを下まわっ
たとき間歇燃焼式制御系に移行する。この間歇燃焼式制
御系ではロジック回路13は図3に示したように一定周
期Tごとに流量調節弁7およびカット弁10に開指令
(燃焼オン。ただし流量調節弁7は低流量カットポイン
トの少し上の開度とする。)を出して燃焼用空気および
燃料ガスを供給しバーナ3を間歇的に燃焼状態とするも
ので、その各周期の燃焼時間T1 ,T2 ,T3 …をパル
ス幅変調方式、即ちPWM(Pulse Width Modulation)
方式に従い次例のように決定する。
【0016】即ち、図4のブロック図に示したように前
記ロジック回路13中に発振器14,カウンタ15,換
算器16,比較器17を設け、発振器14より発振する
パルスをカウンタ15に周期Tで加算させることによ
り、バーナ3の継続燃焼から想定し得る累積発熱量のカ
ウント値C(周期Tの漸増のこぎり波となる)を比較器
17に入力すると共に、前記制御器12より出力された
操作量MVを換算器16にて比例換算しその比例換算値
αを比較器17に入力し、該比較器17にこのカウント
値Cと比例換算値αとを比較させる。そしてカウント値
Cが比例換算値αを上まわったときに流量調節弁7およ
びカット弁10に閉指令(燃焼オフ)を出してバーナ3
の燃焼を停止させ燃焼時間T1 ,T2 ,T3 …を各周期
T毎に決定していくものである。
【0017】なお上記比例換算はカウント値Cと比例換
算値αとを対比し得るようにするために行うもので、例
えばカウント値Cは周期始めの値としてゼロ、周期T後
の値を1となるようにし、比例換算値αは、 α=(MV−MVo)/(MVc−MVo) で与えられる換算式を使用する。ただし、上記換算式
中、MVは制御器12から得られる操作量、MVoは必
要発熱量ゼロの時の操作量、MVcは低流量カットポイ
ントのときの操作量である。
【0018】なお、流量調節弁7は図3に示したように
開度を低流量カットポイントの少し上(開度30%程
度)にするのに時間t1 を要するので、その遅れ等を考
慮しカット弁10をその時間t1 後に開きバーナを燃焼
状態とする。
【0019】また、電磁作動式のカット弁10や流量調
節弁8が超短時間開閉するのを防ぐために、間歇燃焼領
域の両端部に不感帯を設け、例えば燃焼時間T1 が所定
時間より短かいときはカット弁10を開かないように
し、燃焼時間T1 が所定時間より長いときはカット弁1
0を短時間だけ閉じるようなことのないようにする。こ
れには図5に実線で示したように、カウンタ15のカウ
ント値Cの波形を加工し不感帯を設けることにより実現
できる。
【0020】こうして逐次変化する比例換算値αおよび
漸増するカウント値Cを比較器17に比較させ、カウン
ト値Cが比例換算値αを上まわったときにバーナ3の燃
焼を停止させるようにすることにより、停止までの間の
バーナ3の発熱量が操作量MVに相当するようにし炉体
2内に必要充分と想定される熱量を供給し、応答遅れに
よりこの制御系が無用に振動することを防ぐと共に追従
性および速応性を改善する。
【0021】なお、カウント値Cとしては上記のような
漸増のこぎり波のほか、図6に示したような漸減のこぎ
り波、或いは図7に示したような三角波を使用すること
もできる。例えば図6では一定周期Tにて燃焼オフと
し、カウント値Cと比例換算値αとの交点で燃焼オンと
することにより、各周期毎に燃焼時間T1 ,T2 ,T3
を決定してゆくことでそのときに必要な熱量を供給でき
る。また、図7に示した三角波でもカウント値Cと比例
換算値αとの交点で燃焼をオン、オフさせることにより
各周期毎にバーナの必要な燃焼時間T1,T2,T3 …が
達成される。
【0022】なお、このような間歇燃焼式制御系にあっ
ても操作量が所定の低流量カットポイント以上になった
ときはこの間歇燃焼式制御系から元の連続燃焼式制御系
に戻されロジック回路13は流量調節弁7に元どおり開
度指令を出すようになる。
【0023】上記周期Tは短かく設定したほうが炉内温
度の変動幅をより小さくできるが、あまり短かくすると
流量調節弁7,カット弁10の開閉頻度がはげしくなり
その耐久性が問題となるので、実用上2〜5分程度が望
ましく、その場合均熱時の炉内温度変動幅を2℃以内に
抑えることができ、従来の変動幅(7℃以上)に比べ大
幅な改善が認められる。なお周期Tの最適値は炉の温度
特性や弁の耐久性等を考慮して決定されるので上記2〜
5分の範囲外になることもあることは言うまでもない。
【0024】なお上記説明ではバーナの間歇燃焼周期T
を一定としたが、適当な時間または他の条件(炉内処理
材の量、炉温等)により変更するようにしてもよい。
【0025】
【発明の効果】このように本発明に係るバーナの燃焼制
御方法によれば、バーナを一定周期で間歇燃焼させるこ
とによってバーナの発熱量を実質的に大幅に抑えて炉内
温度を広範囲に調節できるようになる。しかもその周期
内におけるバーナの燃焼時間は、そのバーナの継続燃焼
により想定し得る累積発熱量のカウント値と制御器から
出力される操作量の比例換算値との比較により、常時決
られるようにしたので、間歇燃焼であるに拘らず炉内温
度を脈動が少ない安定した状態に保持でき制御性能が向
上する有益な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るバーナの燃焼制御方法のブロック
図。
【図2】操作量と流量調節弁開度の関係を示す線図。
【図3】バーナ燃焼のタイミングチャート。
【図4】比較回路のブロック図。
【図5】カウント値の波形図。
【図6】操作量比例換算値とカウント値との波形比較
図。
【図7】操作量比例換算値とカウント値との波形比較
図。
【符号の説明】
2 炉体 3 バーナ 4 給気管 5 給ガス管 7 流量調節弁 8 流量調節弁 10 カット弁 11 熱電対 12 制御器 13 ロジック回路 14 発振器 15 カウンタ 16 換算器 17 比較器

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 バーナを設けた炉体の炉内温度を検出し
    該炉内温度と目標温度との偏差からPID調節計等の制
    御器に操作量を演算させると共に、バーナの燃焼をオン
    ・オフさせるカット弁を設け、バーナの継続燃焼により
    想定し得る累積発熱量のカウント値と前記操作量の比例
    換算値とを比較器により比較し、前記カット弁を作動さ
    せてバーナを一定周期で間歇燃焼させるに際しその各周
    期の燃焼時間を前記比較結果に従い変調するパルス幅変
    調方式により必要な熱量を各周期毎に炉内に供給するよ
    うにしたことを特徴とするバーナの燃焼制御方法。
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