JP3096932B2 - ガス焚きボイラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は事業用、産業用ボイラに
ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）など
のガス燃料を燃焼させる燃焼装置に係り、特に燃料負荷
変化の著しい運用をする場合においても安定燃焼が行な
え、燃焼によつて発生する燃焼振動を抑制するガス焚き
ボイラに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ等の燃焼装置における火炉内にお
いては、燃焼用空気や燃料の供給条件をある範囲に設定
した場合に、いわゆる燃焼振動の現象を発生することが
ある。

【０００３】燃焼振動とは、火炎から発生する発熱量の
変動が、その火炎部分の圧力変動、あるいは速度変動と
同期して火炉内に周期的な圧力変動を発生する現象であ
る。

【０００４】このような燃焼振動が発生すると、騒音、
振動となつて環境を悪化させるばかりでなく、火炉やそ
の他の装置を破損させる場合がある。

【０００５】従つて、燃焼振動の発生は極力抑制しなけ
ればならないが、その発生機構は現在に至つても未だ明
解でない部分が多く、燃焼振動を避けるための技術が充
分に確立されていない状態にある。

【０００６】発明者等の研究結果によれば、火炉内の圧
力変動のモードには、火炉内の圧力が場所的に一様に
増、減するヘルムホルツ型の振動と、火炉内の気体を一
つの気柱とみなした振動モードをとる気柱型振動とがあ
ることが判明した。

【０００７】気柱型振動は、例えばその気柱が直方体の
場合にはその直方体の辺の方向Ｘ，Ｙ，Ｚに沿つてそれ
ぞれ一次、二次、三次……の形態があり、これらが組合
わさつた振動モードが存在する。すなわち、火炉内の圧
力変動は場所的に一様でなく、位相のずれが存在する。

【０００８】そして、発熱体の存在する場所に応じて、
ある特定のモードが励起され易くなつたり、又は逆に発
生しにくくなつたりすることが判明した。

【０００９】しかしながら、この励起されるモードは、
単に発熱体の存在する場所のみによつて変化するもので
はなく、発熱体の形態などによつても変化するものであ
り、どのような振動数の圧力変動が励起されるかは、的
確には予測し難い面が残されている。

【００１０】以下、図１１および図１２を用いてガス焚
きボイラ及びガスバーナの概要について説明する。

【００１１】図１１はガス焚きボイラの概略構成図、図
１２はガスバーナの拡大断面図である。

【００１２】図１１において、主燃焼であるＬＮＧは、
この受け入れ基地のＬＮＧ貯蔵タンク１からパイプライ
ンで火力発電所にまで送られる。

【００１３】所内でベーパライザ（気化器）２によりガ
ス化して、流量調整弁３で圧力調整した後各ガスバーナ
４に供給される。通常ガスバーナ４の入口のガス圧は最
大負荷時において１ａｔｇから３ａｔｇの範囲に設定さ
れるが、特にこれといつた圧力の規制値はない。しかし
燃焼振動抑制からは、火炉５内の圧力脈動が燃料側にフ
イードバツクしにくいようにできるだけガスバーナ４の
入口圧力を高くした方が良い。ただし、１ａｔｇを越え
るとノズル出口部においてガス流速は音速に達し、火炉
５の圧力脈動が燃料の圧力変動に直接影響するとは考え
にくいので、それほど燃焼振動抑制効果はないと考えら
れている。

【００１４】一方燃焼用空気はＦＤＦ（押し込み通風
器）６で加圧した後、火炉５の各段に設けた風箱７に供
給する。各バーナ段に供給される空気は風箱７の入口に
設けたダンパ８で流量調整する。その後各ガスバーナ４
に送られ、旋回がかけられた後火炉５内に供給される。
なお、９はアフターエア用風箱、１０はアフターエア用
流量調整弁、１１は排ガスである。

【００１５】図１２において、燃焼用空気はバーナ中心
部から半径方向の３流路に分割して火炉５内に供給され
る。

【００１６】このうち１次空気１２と２次空気１３は軸
流旋回器（旋回ベーン）で旋回させ、３次空気１４はレ
ジスタ１５で旋回がかけられる。

【００１７】一方、ＬＮＧはヘツダ１６、ガスエレメン
ト１７から火炉５内へ供給され、燃焼用空気の旋回効果
により、ガスバーナ４の後方には大きな循環領域が形成
され、ガス燃料の着火安定に大きく貢献する。

【００１８】さてこのようにクリーンなガス焚きボイラ
であるが、燃料の燃焼性が良い反面、火炉５内で圧力脈
動（以後燃焼振動と称す）を起こしやすく、火炉５内の
伝熱管やＴＶカメラなどボイラ火炉５に直接付属する構
造物や、機器の破損を招きやすい。

【００１９】燃焼振動現象は、一般には、火炉５の内部
の発熱率分布が火炉壁近傍で局所化する（燃料の燃焼速
度が大きく、ガスバーナ４の出口近傍で燃え尽きる）と
火炎が不安定になり絶えず変動している（保炎器１８に
付着したり、吹き飛ぶ現象を繰り返す）場合に起こりや
すいとされている。

【００２０】従つて、従来の燃焼振動抑制はガスバーナ
４の火炎の安定性向上と燃焼速度の抑制（緩慢燃焼：長
炎化）が有効であり、ガスバーナ４の火炎構造を変更し
て対応していた。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】国内の新設発電用ボイ
ラは、年間の平均容量でみると、昭和５０年には５００
ＭＷ／缶であつたものが平成元年には６００ＭＷ／缶と
なり、年々増大傾向にある。例えば発電容量６００ＭＷ
のガス焚きボイラではガスバーナ４は２４台以上設置さ
れており、各々のガスバーナ４の燃焼状態を短時間で調
整するのは困難である。

【００２２】燃焼振動は、火炉５との気柱共鳴現象であ
るので微少な圧力振動でもエネルギが蓄積されて大きな
火炉振動に発達する可能性がある。例えばガスバーナ４
２４台内１台が振動原因だとしても燃焼振動を誘引す
るに十分な起振源になり得る。しかしガスバーナ本数が
多い発電用ボイラ等においてこの１台を見つけるのは非
常に困難である。

【００２３】また火炎の不安定性が直接の原因でない場
合（例えば、空気流速と燃料の噴出速度のギヤツプが大
きく、急速に混合してガスバーナ４の近傍に高発熱領域
が存在する場合）にも燃焼振動を誘発しやすい。通常燃
焼振動はボイラが新設、もしくは定期点検後の試運転時
に起こりやすく、いずれのケースにおいても早急に営業
運転に入るために、これら燃焼調整に与えられた時間は
少なく、従つて一度燃焼振動現象が起こると短時間で原
因究明するとともに抑制対策をしなければならないため
に多大な人手が必要であつた。また、経年劣化すると燃
焼条件が変わつてくるために燃焼振動を誘引するケース
がみられた。このような場合においては再度全てのバー
ナ４の燃焼調整が必要であるために恒久的な燃焼振動対
策が望まれている。

【００２４】本発明はかかる従来技術の欠点を解消しよ
うとするもので、その目的とするところは、燃焼振動の
発生を抑制することができるガス焚きボイラを供給する
にある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の目的を達
成するために、対称位置の風箱を火炉の奥行方向、幅方
向、高さ方向の少なくとも一方向で非対称にして風箱容
積を変えたものである。

【００２６】

【作用】燃焼振動は、火炉５の気柱共鳴現象であり、火
炉５の内部の圧力脈動がガスバーナ４の燃料や燃焼用空
気の供給量に影響して発熱率の時間変化を引き起こし、
これらの間でフイードバツクループを形成して発生する
場合が数多くみられる。図１３には、フイードバツク型
の燃焼振動のメカニズムのうち、炉内圧力脈動Ａとバー
ナ近傍の発熱率変動Ｂの関係を時間変化について示して
いる。

【００２７】一般には、図中の遅れ時間τが１／４波長
以下の場合に燃焼振動を起こし易いとされている。この
ため燃焼振動の抑制対策としては、炉内圧力脈動Ａが、
燃料、空気の供給系統にフイードバツクしにくくなるよ
うにガスバーナ４の出口部において圧力損失を増大させ
るのが効果的である。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００２９】図１は本発明の実施例に係るガス焚きボイ
ラの断面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面を示す他の
実施例を示すもので、火炉の幅方向における風箱容積を
変えた断面図、図３は他の実施例を示すもので、火炉の
奥行方向における風箱容積を変えた平面図、図４は他の
実施例を示すもので、缶前左風箱と缶前右風箱に補助風
箱と可動ダンパを取付けた状態を示す缶前風箱の断面
図、図５は他の実施例を示すもので、缶前左風箱と缶前
右風箱に補助風箱を追加した状態を示す缶前風箱の断面
図、図６はガスバーナ近傍における火炉内部の圧力脈動
と発熱率変動との関係を示す特性曲線図、図７はボイラ
火炉内部における代表的な振動モードを示す斜視図、図
８は火炉奥行方向の振動モードを示す側面図、図９は火
炉高さ方向の振動モードを示す側面図、図１０は火炉幅
方向の振動モードを示す斜視図である。

【００３０】図１から図１０において、５は火炉、７は
風箱、９はアフタエア用風箱で従来のものと同一のもの
を示す。

【００３１】１９は奥行方向振動モード、２０は幅方向
振動モード、２１は高さ方向振動モード、２２は火炎、
２３は振幅の腹、２４は振幅の節、２５は圧力脈動、２
６は缶前左流量調整ダンパ、２７は缶前右流量調整ダン
パ、２８は缶後左流量調整ダンパ、２９は缶後右流量調
整ダンパ、３０は缶前左風箱、３１は缶前右風箱、３２
は缶後左風箱、３３は缶後右風箱、３４は火炉奥行距
離、３５は缶前側風箱奥行距離、３６は缶後側風箱奥行
距離、３７，３８は補助風箱、３９，４０は可動ダンパ
である。

【００３２】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明
するが、それ以前に図６から図１０を用いて先ず燃焼振
動について説明する。

【００３３】火炉５は図７に示すように角型をしてお
り、火炉５の奥行方向振動モード１９、幅方向振動モー
ド２０、高さ方向振動モード２１のいずれのモードも燃
焼振動する可能性がある。

【００３４】図８に火炉の側断面と火炉奥行き振動モー
ド１９を示す。

【００３５】図中２２は火炎を表し、全数のガスバーナ
４が点火したケースである。この場合には、当然火炉負
荷が高いことから、燃焼振動が発生した場合には事故に
つながる確率が高い。通常、対向燃焼方式をとる燃焼炉
においては、全数のガスバーナ４が点火し、負荷が高い
場合、燃焼振動が発生すると例外なく、火炉奥行方向の
振動モードが発生する。

【００３６】図９と図１０は、消火バーナが存在する部
分負荷においてしばしばみられる燃焼振動モードと運転
中のバーナ位置との関係を示した。同図は、ガスバーナ
４が３段に配列されたガスバーナと火炉との組合わせに
おいて、中段のガスバーナ４が消火した場合のバーナパ
ターンと火炉高さ方向振動モード２１との関係を示す。
振動モードは、点火しているガスバーナ４の位置が高さ
方向振動モード２１の振幅の腹２３に、また消火してい
るガスバーナ４の位置が高さ方向振動モード２１の振幅
の節２４になりやすい性質を有しているために、図９に
示すように中段のガスバーナ４が停止している場合に
は、火炉高さ方向振動モード２１になりやすい。

【００３７】さて、図１０に図９と同様に、火炉５の幅
方向に停止しているガスバーナ４が存在するケースであ
るが、火炉５の中央に位置するガスバーナ４が消火し両
側に位置するガスバーナ４が運転している場合を示し
た。同図には、最下段のガスバーナ４のバーナにのみ着
目して、図示したが、両端のガスバーナ４のみを点火す
ると点火バーナの近傍が幅方向振動モード２０の振幅の
腹２３になり消火バーナの近傍が幅方向振動モード２０
の振幅の節２４になり、幅方向で振動しやすくなる。

【００３８】このように、複数のガスバーナで構成され
る燃焼炉においてはバーナパターンで種々のモードで振
動を引き起こす可能性を有している。したがつて、すべ
てモードの燃焼振動を抑制するのが望ましいが、実際
は、図８に示す火炉奥行方向の燃焼振動を抑制するのが
最も重要である。なぜなら、全数のガスバーナ４が点火
し、３つの振動モードのうち最も火炉負荷が高く、それ
ゆえ、燃焼振動に発達した場合には、事故につながりや
すいからである。他のケースは、万一起つても、負荷が
低く、圧力振幅が小さいことから事故につながりにく
い。

【００３９】図６は各ガスバーナ４における圧力変動Ｐ
₁と発熱率変動Ｑ_iとの関係を示している。通常ガス焚き
ボイラにおいては部分負荷時であつても複数のガスバー
ナ４が点火している。

【００４０】図中１〜ｎは、各々のガスバーナ４近傍に
おける圧力変動と発熱率変動の関係について示している
が、各々のガスバーナ４に付属する風箱７ので遅れ時間
τを変えてやれば、火炉全体としての圧力脈動２５は時
間平均されて図６のように平滑になることから、燃焼振
動抑制に効果的である。

【００４１】従つて、本発明の実施例においては、風箱
７、アフタエア用風箱９の風箱容積を変えたのである。

【００４２】以下、実施例においては風箱７のみについ
て説明する。

【００４３】図１には、本発明の実施例に係るガス燃焼
用空気供給装置の側面図を示す。図１では、燃焼系統や
ガスバーナは省いており、風箱７、アフタエア用風箱９
と火炉５との関係のみを表している。

【００４４】図１のものは缶前風箱７ａと缶後風箱７ｂ
を各段毎にその風箱容積を変えたものである。

【００４５】このように缶前風箱７ａと缶後風箱７ｂの
風箱容積を変えることによつて、図７の高さ方向振動モ
ード２１および図９の火炉高さ方向振動モード２１の振
幅が小さくなり、火炉高さ方向振動モード２１による燃
焼振動を防止することができる。

【００４６】図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図を示すも
ので、炉幅方向振動モード２０による燃焼振動を防止す
るものである。

【００４７】図１のものにおいては缶前風箱７ａと缶後
風箱７ｂの断面積を変えて風箱容積を変えたものである
が、図２のものは缶前風箱７ａと缶後風箱７ｂの高さ方
向の断面積を同一にして缶前左流量調整ダンパ２６と缶
前右流量調整ダンパ２７、缶後左流量調整ダンパ２８と
缶後右流量調整ダンパ２９の位置をずらして配置し、こ
の位置をずらすことによつて缶前左風箱３０と缶前右風
箱３１、缶後左風箱３２と缶後右風箱３３の風箱容積を
変えたものである。

【００４８】このように缶前左風箱３０と缶前右風箱３
１、缶後左風箱３２と缶後右風箱３３の風箱容積を変え
ることによつて、図７の幅方向振動モード２０および図
１０の火炉幅方向振動モード２０の振幅が小さくなり、
幅方向振動モードによる燃焼振動を防止することができ
る。

【００４９】図３には火炉奥行き方向の振動モードに対
する振動抑制策を示した。

【００５０】図中缶前風箱７ａ、缶後風箱７ｂの高さ、
幅は同一にして火炉奥行き距離３４に対して、缶前側風
箱奥行き距離３５と缶後側風箱奥行き距離３６を変える
ことによつて、缶前風箱７ａと缶後風箱７ｂの風箱容積
を変えたものである。

【００５１】このように缶前風箱７ａと缶後風箱７ｂの
風箱容積を変えることによつて、図７の奥行き方向振動
モード１９および図８の火炉奥行き振動モード１９の振
幅が小さくなり、火炉奥行き振動モードによる燃焼振動
を防止することができる。

【００５２】以上述べたように図１に示すように各段の
缶前風箱７ａと缶後風箱７ｂの断面積を変えてもよく、
また図２に示すように缶前左流量調整ダンパ２６、缶前
右流量調整ダンパ２７、缶後左流量調整ダンパ２８、缶
後右流量調整ダンパ２９の位置を変えて風箱容積を変え
てもよく、また図３に示すように缶前風箱７ａと缶後風
箱７ｂの風箱容積を変えるために、缶前側風箱奥行き距
離３５と缶後側風箱奥行き距離３６を変えてもよい。

【００５３】そして、火炉形状は通常、直方体に近く、
炉内の気柱共鳴モードは、火炉奥行き、幅、高さ方向を
有している。このことから、火炉奥行き方向の振動対策
だけでは不十分である場合には火炉奥行き方向の振動対
策と火炉高さ方向の振動対策、あるいは火炉奥行き方向
の振動対策と火炉高さ方向の振動対策、火炉幅方向の振
動対策を併用してもよい。

【００５４】図４と図５には、燃焼振動対策の他の実施
例を示す。

【００５５】図４には、補助風箱３７，３８の近傍に可
動ダンパ３９，４０を取付けた例を示す。

【００５６】その構造上、新設のボイラ火炉設置に適し
ている。しかし、前述したように、既設のボイラにおい
ても、経年劣化が原因で燃焼振動を引き起こす場合があ
る。このような燃焼装置において、風箱の各々の容積を
変えるように風箱を設計しなおしたり、流量制御ダンパ
の設置位置を変更するのは困難である。

【００５７】従つて、補助風箱３７，３８をオプシヨン
として各々のガスバーナ段に設けられた缶前左風箱３０
に缶前左補助風箱３７、缶前右風箱３１に缶前右補助風
箱３８を取付ける構造を採用すればいずれのガス焚きボ
イラにも容易に適用できる。

【００５８】なお、可動ダンパ３９，４０によつても風
箱容積を変えることができる。

【００５９】図５には、同じく補助風箱３７，３８を既
設缶の缶前風箱３０、缶前右風箱３１に取付ける例を示
したが、図４のものと異なる点は、可動ダンパ３９，４
０を配置しない点にある。

【００６０】つまり、既設の缶前左風箱３０には新設の
缶前左補助風箱３７を取付け、既設の缶前右風箱３１に
は缶前左補助風箱３７よりも容積の小さい新設の缶前右
補助風箱３８を取付け、缶前左風箱３０と缶前右風箱３
１の風箱容積を変えたものである。

【００６１】この実施例の効果は缶前左補助風箱３７と
缶前右補助風箱３８を新設するのみで燃焼振動を防止す
ることができ、簡単な改造工事で既設の風箱を改良する
ことができる。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、ガスバーナの性能によ
らず火炉の気柱共鳴を抑制できる。

【００６３】従つて、各々のガスバーナの製作精度に多
少難点があつたとしても、これが原因で燃焼振動に発達
することはないことから、試運転時における燃焼調整に
要する時間の大幅な短縮が計られることになり、経費節
減に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るガス焚きボイラの側面図
である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面を示す他の実施例を示
すもので、火炉の幅方向における風箱容積を変えた断面
図である。

【図３】他の実施例を示すもので、火炉の奥行き方向に
おける風箱容積を変えた平面図である。

【図４】他の実施例を示すもので、缶前左風箱と缶前右
風箱に補助風箱と可動ダンパを取付けた状態を示す缶前
風箱の断面図である。

【図５】他の実施例を示すもので、缶前左風箱と缶前右
風箱に補助風箱を追加した状態を示す缶前風箱の断面図
である。

【図６】ガスバーナ近傍における火炉内部の圧力脈動と
発熱率変動との関係を示す特性曲線図である。

【図７】ボイラ火炉内部における代表的な振動モードを
示す斜視図である。

【図８】火炉奥行き方向の振動モードを示す側面図であ
る。

【図９】火炉高さ方向の振動モードを示す側面図であ
る。

【図１０】火炉幅方向の振動モードを示す斜視図であ
る。

【図１１】ガス焚きボイラの概略構成図である。

【図１２】ガスバーナの拡大断面図である。

【図１３】火炉内部の圧力脈動と発熱率変動との関係を
示す特性曲線図である。

【符号の説明】

４ ガスバーナ ５ 火炉 ７ 風箱 ３０ 缶前左風箱 ３１ 缶前右風箱 ３２ 缶後左風箱 ３３ 缶後右風箱 ３７ 補助風箱 ３８ 補助風箱

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森田 茂樹 広島県呉市宝町６番９号 バブコツク日 立株式会社 呉工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23L 1/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 火炉の前壁側と後壁側に燃焼用空気を供
   給する風箱と、この風箱を貫通してガスバーナを設け、
   ガスバーナからのガス燃料を燃焼するものにおいて、 前記対称位置の風箱を火炉の奥行方向、幅方向、高さ方
   向の少なくとも一方向で非対称にして風箱容積を変えた
   ことを特徴とするガス焚きボイラ。