JP3742473B2 - 蓄熱式燃焼装置の燃焼制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業窯炉（金属材の加熱処理炉を含む）における燃焼装置の燃焼制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
蓄熱式切り替え燃焼を行う燃焼装置は通常１対を最小単位として燃焼ゾーンあたり複数対で使用され、通常は１燃焼ゾーンの複数対をひとまとめにして燃料や燃焼空気、排気ガスの流量制御が行われている。
燃焼では不完全燃焼状態が発生しないように燃焼空気が供給されない状態で燃料を投入することがないように燃焼状態を制御している。蓄熱式切り換え燃焼装置では切り替えを行うという動作上、燃料や燃焼空気、排気ガスの流れが燃焼から蓄熱またはその逆の切り替え時に一時中断するという特徴を持っており、この一時中断の影響が燃料や燃焼空気、排気ガスの流量制御に極力外乱を及ぼさないように、▲１▼切り替え動作が始まってから切り替え動作を終了するまでの時間各流体の流量設定値を切り替え開始直前の値に固定したり、▲２▼各流量調節弁の開度を切り替えが始まる直前の値で保持し、切り替え終了後一定時間を経過した後制御動作を再開するといった流量調節弁の制御が行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような制御動作では、例えば流量の設定値を一定に保った場合には流量設定があるにも拘らず実際には流体は切替弁で遮断され流れないためＰＩＤ制御のフイードバック作用で制御弁は流量を増大させようとして開く方向に動作してしまい流量調節弁が開き勝手になっているために切替弁が開いた途端、滞留していた燃料などが大量に流れ込み、本来の燃焼制御例えば空気比の制御ができない状態が発生してしまう。また、切り替えを行っている時間各流量調節弁の開度切り替えを始める直前の値で保持し、切り替え終了から一定時間を経過した後制御動作を再開する方法でも切替弁が開いた瞬間の過渡的な流量増大の抑制は行えないため量の多少はあるにしろ上記のような本来制御されるべき状態からはずれた状況が発生してしまうといった問題が発生する。
本発明は上記のような制御が行えない状況で、上記過渡的な流体の増大による、適正な空気比で燃焼しない状態の発生を極力抑制して、制御できない燃焼状態が少ない燃焼装置の燃焼制御方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれら課題を実用的に解決するためになされたものであって、
燃料切替弁、燃焼空気切替弁及び排ガス切替弁を順次切り替えて行く際、前記各切替弁がそれぞれ閉方向に切替を開始すると同時に、前記各弁と対応する燃料流量調節弁、燃焼空気流量調節弁及び排ガス流量調節弁の開度を、順次各弁の切替タイミングに合わせてそれぞれ切り替え動作開始直前の開度から一定量閉方向に閉じて所定開度に保持し、前記各切替弁がそれぞれ切り替わった時点で、順次切替弁に対応する各流量調節弁の開度を、それぞれ切り替え動作開始直前の開度に戻す動作を開始し、各流量調節弁の弁開度が切り替え直前の開度に近づいた時点で、各流量調節弁の流量制御を再開させ、切り替え動作が終了し切り替え弁が開いた直後の流体の突入的な流れを制御することを要旨とするものである。
【０００５】
工業窯炉における前記の燃焼装置の燃焼制御方法においては、切り替え動作が終了し切り替え弁が開いた直後の流体の突入的な流れが閉り勝手となった流量制御弁の作用で抑圧されることとなり流体の突入流量が制御されることで、制御弁では制御出来ない流体の流量が減少し、空気比を制御できない異常な燃焼状態を制御することが可能となる。
【０００６】
【実施例】
以下、従来の方法での動作状態と本発明の作用について実施例を示す図面を用いて説明する。
図１は、蓄熱式燃焼装置の燃焼装置２対４本構成の例、図２は図１に示した蓄熱式燃焼装置システムでの燃焼および蓄熱時の各切替弁の動作の説明図である。説明の簡略化のために１対の燃焼装置システムとした。また、図３は図１に示した蓄熱式燃焼装置システムでの従来の動作時における燃料、燃焼空気および排ガス流量調節弁の状態と各流量の状況の説明図である。さらに、図４は本発明適用時の動作における燃料、燃焼空気および排ガス流量調節弁の状態と各流量の状況の説明図である。
【０００７】
図１に示した蓄熱式燃焼装置１は、燃焼装置本体２と蓄熱部３、燃料切替弁４、燃焼空気切替弁５および排ガス切替弁６で１本が構成される。蓄熱式燃焼装置は燃焼と蓄熱を交互に繰り返して行うため通常は２本を１対として使用され、工業窯炉の両側面に対向するような配置で工業窯炉７に設置される場合が多いが、一面にならべて配置することも動作上は何等問題とはならない。さらにこれらの燃焼装置に共通に燃料流量調節弁８、燃焼空気流量調節弁９及び排ガス流量調節弁１０が設置されて１式の燃焼装置システムが構成される。
【０００８】
この様な蓄熱式燃焼装置システムの従来の動作は以下のようになる。
本発明には着火の方法は関与しないため、蓄熱式燃焼装置が燃焼を開始した後の状態からの説明とする。
図２の蓄熱式燃焼装置２０がある時刻に燃焼状態、蓄熱式燃焼装置３０が蓄熱状態であったと仮定する。この状態から燃焼と蓄熱の状態が反転する動作は図３に示した如く以下となる。なお、図中灰色のハッチングは燃焼装置２０の切替弁、白色のハッチングは燃焼装置３０の切替弁を示している。
【０００９】
（１）燃料流量調節弁８、燃焼空気流量調節弁９、排ガス流量調節弁１０が切替え動作開始を受けてその時の開度に固定される。
（２）時刻（Ａ）に燃料切替弁２１を閉じる。
（３）時刻（Ｂ）に蓄熱式燃焼装置２０の燃料切替弁２１が閉じたことを燃料切替弁２１に設置した検出器２４で検出し、燃焼空気切替弁２２の閉動作を開始する。同時に蓄熱式燃焼装置３０の排ガス切替弁３３閉動作を開始する。
【００１０】
（４）時刻（Ｃ）に燃焼空気切替弁２２閉動作開始から一定時間おくれて蓄熱式燃焼装置２０の排ガス切替弁２３の開動作を開始する。同時に蓄熱式燃焼装置３０の燃焼空気切替弁３２開動作を開始する。
（５）時刻（Ｄ）に蓄熱式燃焼装置３０の燃焼空気切替弁３２の開状態および排ガス切替弁３３の閉状態をそれぞれに設置した検出器３５、３６で確認した後、燃料切替弁３１を開く。
（６）時刻（Ｅ）で燃料切替弁３１の開を検出器３４で確認した一定時間の後、時刻（Ｆ）に燃料流量調節弁８、燃焼空気流量調節弁９、排ガス流量調節弁１０が制御動作を再開する。
【００１１】
以上のような動作においては各流量指示調節計の指示値、各流量調節弁の弁開度と各流体の流量の時間的な変化は図３の下部に示したごとくとなる。
なお、図３において、実線が燃料流量指示調節計ＭＶ値４０、燃焼空気流量指示調節計ＭＶ値５０、排ガス流量指示調節計ＭＶ値６０、破線が燃料流量調節弁開度４１、燃焼空気流量調節弁開度５１、排ガス流量調節弁開度６１、一点鎖線が燃料流量実績値４２、燃焼空気流量実績値５２、排ガス流量実績値６２、を示している。弁の状態は図２と同様である。
【００１２】
まず、燃料流量調節弁開度４１、燃焼空気流量調節弁開度５１、排ガス流量調節弁開度６１は切替え動作開始と共に直前の開度に固定される。その後、上記で示した切替動作が行われその結果図３に示す流量の変化が発生する。
燃料流量実績値４２は燃料切替弁２１と３１が閉となる時間が長く存在するため燃料切替弁２１閉とともに流量は急激に減少し燃料切替弁３１開迄の期間ほぼ零となり、燃料切替弁３１開と同時に滞留していた流体が一端急激に流れた後一定流量に収束する。
燃焼空気流量実績値５２は燃焼空気切替弁２２の閉の直後に燃焼空気切替弁３２が開くため一旦減少した後すぐに回復する。
排ガス流量実績値６２も燃焼空気流量実績値５２とほぼ同様に、排ガス切替弁３３閉の直後に排ガス切替弁２２が開くため一旦減少した後すぐに回復する。
【００１３】
この様な各流体の流量実績の変化のために流量指示調節計の出力は以下のごとく変化する。
燃料流量のプロセス量（以下ＰＶ値）は図３の時刻（Ｂ）においてＰＩＤ制御を行っている流量指示調節計への指示量（以下ＳＶ値）とＰＶ値の偏差が大きくなるため偏差の補正動作として操作量（以下ＭＶ値）を増大させ偏差を解消する動作を行う。しかしながら切替弁で燃料の流れは遮断されているために偏差の解消は行われず結果として更にＭＶ値の増大が行われることとなる。時刻（Ｅ）において燃料切替弁３１が開き燃料が流れはじめ、更に時刻（Ｆ）において制御動作が始まると、流量指示調節計内で積分された偏差が残っているためＭＶ値は切替え直前の値よりも大きな値となっており流量の変動が発生する。燃焼空気や排ガスの流量も程度は小さいものの、燃料流量と同様の変化をする。
この状態をさけるには時刻（Ｅ）から時刻（Ｆ）迄の時間ＥＦを長くすればよいが、燃焼と蓄熱の切替え時間は通常４０から６０秒程度であるので時間ＥＦを長くすることは流量制御を行っている時間が短くなることとなり制御上好ましくない。
【００１４】
以上、本発明との比較例として従来の制御動作について説明をしたが、上述した問題点を解決した本発明の作用を図４を使用して説明する。又、燃焼装置の構成及び各切替弁の切替タイミングについては上述した従来例と同じなので省略する。
尚、図４において、実線が燃料流量指示調節計ＭＶ値７０、燃焼空気流量指示調節計ＭＶ値８０、排ガス流量指示調節計ＭＶ値９０、破線が第２実施例の燃料流量調節弁開度７１、燃焼空気流量調節弁開度８１、排ガス流量調節弁開度９１、二点鎖線が第１実施例の燃料流量調節弁開度７３、燃焼空気流量調節弁開度８３、排ガス流量調節弁開度９３、一点鎖線が燃料流量実績値７２、燃焼空気流量実績値８２、排ガス流量実績値９２を示している。
【００１５】
本発明では、（１）時刻（Ａ）で、燃料切替弁２１が閉方向に切替を開始すると同時に、燃料流量調節弁８を、図４の燃料流量調節弁開度７３に示すように、一定量閉方向に閉じる動作を開始し、所定の開度に保持する。
（２）時刻（Ｂ）に蓄熱式燃焼装置２０の燃料切替弁２１が閉じたことを燃料切替弁２１に設置した検出器２４で検出し、燃焼空気切替弁２２の閉動作を開始する。同時に蓄熱式燃焼装置３０の排ガス切替弁３３も閉動作を開始する。この時、燃焼空気切替弁２２と排ガス切替弁３３の切替タイミングに合わせて、それぞれ各弁と対応する燃焼空気流量調節弁９と排ガス流量調節弁１０を、図４の燃焼空気流量調節弁開度８３、排ガス流量調節弁開度９３に示すように、一定量閉方向に閉じる動作を開始し、一定開度に保持する。
【００１６】
ここで燃料流量調節弁８，燃焼空気流量調節弁９，排ガス流量調節弁１０が閉じる弁開度の割合は、燃料切替弁２１，３１が開いた際に対流していた燃料の急激な流量増大が抑制される程度に設定する。設定の方法としては一定量を減じる方法と一定割合で設定する方法がある。例えば、燃焼装置切り替え開始時の弁開度を７０％とした場合、一定量を減じる方法では弁開度７０％から３０ポイントを減じて弁開度４０％まで閉じる。また、一定割合で設定する場合には０．５倍にするとすれば３５％まで弁開度を閉じることとなる。実施例では、弁を閉じる効果を発揮するには一定量を減じる方法では４０から５０ポイント程度が必要であったが、実際には適用した設備に応じて実験的に決定する必要がある。
【００１７】
（３）時刻（Ｃ）に燃焼空気切替弁２２閉動作開始から一定時間おくれて、蓄熱式燃焼装置２０の排ガス切替弁２３及び蓄熱式燃焼装置３０の燃焼空気切替弁３２の開動作を開始する。
（４）時刻（Ｄ）に蓄熱式燃焼装置３０の燃焼空気切替弁３２の開状態および排ガス切替弁３３の閉状態をそれぞれに設置した検出器３５、２６で確認した後、燃料切替弁３１を開く。
同じく、燃焼空気切替弁３２の開状態および排ガス切替弁２３の開状態を確認すると同時に、図４の燃焼空気流量調節弁開度８３、排ガス流量調節弁開度９３に示すように燃焼空気流量調節弁９及び排ガス流量調節弁１０をそれぞれ切り替え動作開始直前の開度に戻す動作を開始する。
【００１８】
（５）時刻（Ｅ）で、燃料切替弁３１の開を検出器３４で確認すると同時に、図４の燃料流量調節弁開度７３に示すように燃料流量調節弁８を切り替え動作開始直前の開度に戻す動作を開始する。
（６）各流量調節弁８、９、１０の弁開度がそれぞれ切り替え直前の開度に近づいた時点で、各流量調節弁８、９、１０の流量制御を再開する。
【００１９】
以上のように第一実施例においては、各切替弁が閉方向に閉じるタイミングに合わせて、それぞれ対応する流量調節弁を閉方向に閉じ、各切替弁がそれぞれ切り替わったタイミングに合わせて、それぞれ対応する流量調節弁をもとの弁開度に戻す動作を開始したが、制御回路を簡易にする意味で、第二実施例として各流量調節弁を閉方向に閉じる動作開始を同一タイミングにしてもよい。つまり、時刻（Ａ）で燃料切替弁２１が閉方向に切替を開始すると同時に、破線の燃料流量調節弁開度７１、燃焼空気流量調節弁開度８１、排ガス流量調節弁開度９１に示すように、燃料流量調節弁８、燃焼空気流量調節弁９、排ガス流量調節弁１０をすべて同タイミングで、弁開度を一定方向に閉じるようにしても燃料の供給は停止された後なので、燃焼状態の制御上は何ら問題はない。
要するに、本発明において、重要なのは、各切替弁が閉じている状態の時には各流量調節弁の開度も一定量閉方向に閉じ、また、各切替弁がそれぞれ切り替わったタイミングに合わせて、それぞれ対応する流量調節弁をもとの弁開度に戻すということである。
【００２０】
以上のような制御により燃料切替弁３１が開いた時、燃料流量調節弁８は従来の制御方法に比べて十分に弁開度が閉じた状態となっているため、滞留していた燃料は燃料流量制御弁８の急激な流れに対する抵抗で燃料流量の増大は燃料流量制御弁８より燃焼装置側に滞留していた流体のみの流れとなり、それ以上の急激な燃料流量の増大は抑制されることとなる。従って、図４の燃料流量実績値７２に示すように従来に比べ流体の突入流量が減少される。燃焼空気、排ガスについても同様に従来の方法に比べ流量の増大が抑制される。
【００２１】
また、時刻（Ｄ）で燃焼空気流量調節弁９、排ガス流量調節弁１０の弁開度を切り替え動作開始直前の開度に戻し、時刻（Ｅ）で燃料流量調節弁８の弁開度を切り替え動作開始直前の開度に戻す動作を行うが、弁自体の応答性から即時には切り替え動作開始直前の開度には復帰出来ず漸近する動作となる。時刻（Ｆ）において、上記のごとくＭＶ値が本来の値よりも大きな値となっていても、燃料流量調節弁８、燃焼空気流量調節弁９、排ガス流量調節弁１０は燃焼装置の切り替え動作開始時の弁開度よりも閉方向に余分に閉じられた状態からの復帰動作の途中のため従来の動作の場合より指示されたＭＶ値に対する追従遅れが発生し、結果として不要な燃料流量の増大が抑制されることとなる。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による工業窯炉における燃焼装置の制御方法は以上の説明で明らかなように、蓄熱式燃焼装置の燃焼から蓄熱へ、またはその逆の蓄熱から燃焼への切り替え時において、従来の制御方法に比べ制御弁の開度が閉じた状態にあるため燃料切替弁の開時における対流していた燃料の急激な流量増大を抑制することが可能となり空気比の非制御状態による異常燃焼状態の抑制を計ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な蓄熱式燃焼装置の構成の説明図である。
【図２】図１に示した蓄熱式燃焼装置システムでの燃焼および蓄熱時の各切替弁の動作の説明図である。
【図３】図１に示した蓄熱式燃焼装置システムでの動作時における燃料，燃焼空気、排ガス流量調節弁の開度状態と各流量実績値、各流量指示調節計ＭＶ値の時間的な変化の説明図である。
【図４】本発明での動作時における燃料、燃焼空気および排ガス流量調節弁の弁開度状態と各流量実績値、各流量指示調節計ＭＶ値の時間的な変化の状況の説明図である。
【符号の説明】
１ 蓄熱式燃焼装置
２ 燃焼装置本体
３ 蓄熱部
４ 燃料切替弁
５ 燃焼空気切替弁
６ 排ガス切替弁
７ 工業窯炉
８ 燃料流量調節弁
９ 燃焼空気流量調節弁
１０ 排ガス流量調節弁
２０ 蓄熱式燃焼装置
２１ 燃料切替弁
２２ 燃焼空気切替弁
２３ 排ガス切替弁
２４ 燃料切替弁閉検出器
２５ 燃焼空気切替弁開検出器
２６ 排ガス切替弁閉検出器
３０ 蓄熱式燃焼装置
３１ 燃料切替弁
３２ 燃焼空気切替弁
３３ 排ガス切替弁
３４ 燃料切替弁閉検出器
３５ 燃焼空気切替弁開検出器
３６ 排ガス切替弁閉検出器
４０ 燃料流量指示調節計ＭＶ値
４１ 燃料流量調節弁開度
４２ 燃料流量実績値
５０ 燃焼空気流量指示調節計ＭＶ値
５１ 燃焼空気流量調節弁開度
５２ 燃焼空気流量実績値
６０ 排ガス流量指示調節計ＭＶ値
６１ 排ガス流量調節弁開度
６２ 排ガス流量実績値
７０ 燃料流量指示調節計ＭＶ値
７１ 燃料流量調節弁開度
７２ 燃料流量実績値
７３ 燃料流量調節弁開度
８０ 燃焼空気流量指示調節計ＭＶ値
８１ 燃焼空気流量調節弁開度
８２ 燃焼空気流量実績値
８３ 燃焼空気流量調節弁開度
９０ 排ガス流量指示調節計ＭＶ値
９１ 排ガス流量調節弁開度
９２ 排ガス流量実績値
９３ 排ガス流量調節弁開度

Claims (1)

1. 燃焼装置本体近傍に蓄熱機能を有する蓄熱部を設け、予め決められた時間間隔で前記蓄熱部を通過する気体の方向を切り替え、蓄熱と燃焼を交互に行いながら燃焼を継続する蓄熱式燃焼装置の燃焼制御方法において、燃焼装置を燃焼から蓄熱へ、又はその逆に蓄熱から燃焼へ切り替えるにあたって、燃料切替弁、燃焼空気切替弁及び排ガス切替弁を順次切り替えて行く際、前記各切替弁がそれぞれ閉方向に切替を開始すると同時に、前記各弁と対応する燃料流量調節弁、燃焼空気流量調節弁及び排ガス流量調節弁の開度を、順次各弁の切替タイミングに合わせてそれぞれ切り替え動作開始直前の開度から一定量閉方向に閉じて所定開度に保持し、前記各切替弁がそれぞれ切り替わった時点で、順次切替弁に対応する各流量調節弁の開度を、それぞれ切り替え動作開始直前の開度に戻す動作を開始し、各流量調節弁の弁開度が切り替え直前の開度に近づいた時点で、各流量調節弁の流量制御を再開させ、切り替え動作が終了し切り替え弁が開いた直後の流体の突入的な流れを制御することを特徴とする蓄熱式燃焼装置の燃焼制御方法。

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