JP4903083B2 - 蓄熱式バーナ加熱炉の燃焼制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材などの金属を加熱するための蓄熱式バーナ加熱炉の燃焼制御方法に関する。

鋼材などの金属の加熱に蓄熱式バーナを備えた蓄熱式バーナ加熱炉が使用されている。蓄熱式バーナによる燃焼は、各々に蓄熱体を持った一対以上のバーナを交互に切り替えて燃焼させるもので、一基のバーナが燃焼中には他の一基のバーナから燃焼排ガスを排出し、これにつながる蓄熱体に顕熱を蓄え、一定時間経過後、燃焼と蓄熱を切り替えることにより蓄熱体に蓄えた顕熱を燃焼空気の予熱として回収するものである。

蓄熱式バーナを備えた加熱炉では、蓄熱式バーナで吸引する排ガスの流量を調整して蓄熱体出側の排ガス温度を、蓄熱体の下流側の排ガス遮断弁や排ガス吸引ブロワの損傷を防ぐため、それらの耐熱温度以下にし且つ水分による腐食を防止するために排ガス中の水分が水滴や霧状になる露点温度以上の温度になるような範囲に制御する。

上記蓄熱式バーナを備えた加熱炉の燃焼制御方法が、例えば特許文献１（特開２００３−３０２０４４号公報）に開示されている。前記公報に開示されている構成は、蓄熱式バーナの蓄熱体出側の排ガス温度が目標設定温度になるように排ガス吸引量設定式の係数であるＰＢ率（プルバック率）を変更し、そのＰＢ率にて演算された排ガス吸引量設定値に基づいて排ガス流量調整弁の開度を調整するにあたって、蓄熱体出側の排ガス温度を蓄熱式バーナの切替サイクルの度に測定し、前後サイクルの測定値の温度差の複数回の移動平均値が一定温度以内である状態が所定回数以上連続した場合に限り飽和状態と判定し、ＰＢ率を一定の割合の値で変更させる。さらに飽和判定を繰り返し、飽和であればその都度ＰＢ率を前記一定の割合の値で変更することにより蓄熱体出側の排ガス温度が目標設定温度に到達するようにするものである。以上の構成により、 複雑な装置制御を使用することなく、操業条件が変化してもＰＢ率を自動的に変更することで蓄熱出側の排ガス温度を目標設定温度に調整することができる蓄熱式バーナ加熱炉の燃焼制御方法を提供することが可能となるものである。

このＰＢ率を利用して蓄熱体出側の排ガス温度を制御する方式において、ＰＢ率は、蓄熱式バーナでどの程度排ガスを吸引するかの割合を示すもので、バーナ製造メーカは蓄熱体の構造、材質等の条件から所定の操業条件（炉内温度、バーナ単体の燃焼負荷（以下、「燃焼負荷」という。）、空気比等）で目標とする排ガス温度となるように基準のＰＢ率を設定している。

吸引する排ガス流量の設定は次式で行われる。

排ガス流量設定＝ＰＢ率×｛（Ｑ_ａｉｒ−Ｑ_ｆｕ×Ａ_０）＋Ｑ_ｆｕ×Ｇ_０｝
Ｑ_ａｉｒ：燃焼空気実績流量
Ｑ_ｆｕ ：燃料実績流量
Ａ_０ ：理論空気比
Ｇ_０ ：理論排ガス比
以上の式では加熱炉で発生した排ガスにＰＢ率を掛けた流量が蓄熱式バーナが吸引する排ガス流量の設定値となる。例えば、ＰＢ率８０％であれば、発生した全排ガス量の８０％がバーナに吸引され、残り２０％が炉内を通じて直接煙突へ流れることになる。
特開２００３−３０２０４４号公報

前述の従来の燃焼制御方法では、以下の課題を有している。

例えば、バーナ製造メーカが提示した基準ＰＢ率（例えば７４％）で蓄熱体出側の排ガスの目標温度（例えば２４０℃）となる操業条件は、炉内温度：１３５０℃、燃焼負荷１００％、空気比：１．０５である。これは、定常操業での条件を前提としている。

しかしながら、実際の操業においては、炉内温度、燃焼負荷、空気比が前述の数値とはならない場合がある。例えば、生産調整のために毎日特定時間の操業中断がある場合や、加熱炉の下工程設備のメンテナンスやトラブルによる数時間程度の操業中断が発生した場合、中断中の燃料使用量を最小化し、かつ、次回の操業再開時に迅速に炉内温度を定常操業時の温度にまで上昇させるために、炉内温度を定常操業時の温度の１３５０℃から例えば９００℃程度に下げ、保持する運転を行う場合がある。この場合、蓄熱体出側排ガス温度を定常操業時の目標設定温度２４０℃に到達するまで排ガスを吸引しなくても、炉内温度や燃焼負荷等の関係から、２４０℃到達前に予熱燃焼空気温度は飽和する場合があり、前述の従来の燃焼制御方法では、予熱燃焼空気温度が飽和した後も、さらに蓄熱体出側排ガス温度が目標設定温度の２４０℃に到達するまで排ガス吸引量を増加させている。この場合、予熱燃焼空気温度が飽和した後に吸引した排ガスの熱は、温度効率（＝予熱燃焼空気温度/炉内温度×１００％）の向上には寄与せず、蓄熱体出側の排ガス温度を上昇させるだけであり、排ガスの持つ熱を無駄に系外に排出している。

また、バーナの長期使用による蓄熱体の表面汚染等にて蓄熱体の蓄熱効率が低下した場合、蓄熱体に蓄熱できる熱量が減少するため、蓄熱体出側排ガス温度を定常操業時の目標設定温度２４０℃となるまで排ガスを吸引量を増加させなくても、予熱燃焼空気温度は飽和することになる。前述の従来の燃焼制御方法では、予熱燃焼空気温度が飽和した後も、さらに蓄熱体出側排ガス温度が目標設定温度の２４０℃に到達するまで排ガス吸引量を増加させている。この場合も、予熱燃焼空気温度が飽和した後に吸引した排ガスの熱は、温度効率の向上には寄与せず、蓄熱体出側排ガス温度を上昇させるだけであり、排ガスの持つ熱を無駄に系外に排出している。

そこで、本発明では、操業条件が変化しても、予熱燃焼空気温度を測定し飽和判定を行うことにより、予熱空気温度が飽和したと判定された場合、従来、蓄熱体出側排ガス温度を定常操業時の目標設定温度に到達させるための排ガスの吸引量増加をやめ、その排ガスの熱を無駄に系外に排出せず炉内を通して煙道へ導き、炉内にある被加熱材の加熱・保温に利用することにより、燃料使用量を最小化することを目的とする。

本発明は、蓄熱式バーナの蓄熱体への排ガス吸引量設定式の係数であるＰＢ率を変更し、そのＰＢ率にて演算された排ガス吸引量設定値に基づいて蓄熱体への排ガス吸引量を制御する蓄熱式バーナ加熱炉の燃焼制御方法において、下記工程１〜工程２により蓄熱体への排ガス吸引量を制御することを特徴とする。

工程１：前記蓄熱式バーナの予熱燃焼空気温度を蓄熱式バーナの切替サイクルの度に測定し、前後複数サイクルの測定温度差の移動平均値が一定温度以内である状態を所定回数以上連続した場合に限り飽和状態と判定する。

工程２：前記飽和状態を判定した時の予熱燃焼空気温度と前回飽和状態を判定した時の当該温度との差が一定温度偏差内であればＰＢ率を固定する。または、前記飽和状態を判定した時の予熱燃焼空気温度と前回飽和状態を判定した時の当該温度との差が一定温度偏差を超えた場合、ＰＢ率を一定の割合の値で増加させる。

また、前記工程１〜工程２を繰り返すことを特徴とする。

本発明では、蓄熱式バーナの予熱燃焼空気温度の飽和判定を基に、排ガス吸引量設定式の係数であるＰＢ率を自動的に制御することにより、加熱炉の操業状態の変化（炉内温度、燃焼負荷、空気比など）にかかわらず、温度効率を最大に保ち、温度効率の向上に寄与しない排ガスを蓄熱式バーナから無駄に排出しないこと、さらには、その排ガスを炉内を通じて煙道へ導くことにより炉内にある被加熱材の加熱・保温に有効利用され、燃料使用量を最小化することができる。

図１は蓄熱式燃焼システムの概略図である。図１において、加熱炉の両側に蓄熱体２を備えた蓄熱式バーナ１が対に配置され、燃料切替弁３、排ガス切替弁４、燃焼空気切替弁５を切り替えて蓄熱式バーナＭ，Ｓを燃焼あるいは蓄熱を交互に切り替え、一方の蓄熱式バーナが燃焼の時、他方が排ガスを吸引して蓄熱する。吸引する排ガス量の調整は排ガス流量調整弁６の弁開度を弁開度指示信号により制御して行う。燃焼空気の流量は燃焼空気流調弁７により調整する。蓄熱体出側の排ガス温度は熱電対８で測定される。この熱電対は、排ガス系統の機器保護の目的で設置されている。蓄熱体入側の予熱燃焼空気温度は熱電対９で測定される。

図２に示す本発明の制御のフローチャートの各ステップについて説明する。

ステップ１：蓄熱体出側排ガス温度Ｔｅが予熱燃焼空気温度Ｔaの一次飽和判定開始温度以上か否かを判定する。蓄熱体出側排ガス温度Ｔｅは、加熱炉のゾーン内の各蓄熱式バーナの蓄熱体出側排ガス温度の中で最大の温度を選択する。予熱空気温度Ｔaの一次飽和判定開始温度Ｔ_Ｒ以下でステップ２へ進み、当該温度Ｔ_Ｒ以上でステップ４へ進む。

ステップ２：蓄熱体出側排ガス温度ＴｅがＰＢ率上昇補正下限温度Ｔ_Ｌ未満の場合、次サイクルのＰＢ率は、上限ＰＢ率ＰＢ_Ｕとする（ステップ２′）。ＴｅがＴ_Ｌ以上の場合はステップ３へ進む。

ステップ３：図２に示すＰＢ率上昇演算式により求めた次サイクルの補正ＰＢ率（ＰＢ_{（ｎ＋１）}）にて排ガス吸引量を設定し、図１に示す排ガス流調弁６の弁開度を弁開度指示信号を送信して調整する。

ステップ４：蓄熱体出側の排ガス温度ＴeがＰＢ率下降補正開始温度Ｔ_ＵＳ以下の場合は、ステップ５の予熱燃焼空気温度ｔａの一次飽和判定へ進み、当該温度Ｔ_ＵＳ超える場合はステップ７へ進む。

ステップ５：予熱燃焼空気温度Ｔaの一次飽和判定は図３の一次飽和判定のフローチャートに従って演算、判定される。

図３において、ステップ５−１で今回の蓄熱体入側予熱燃焼空気温度Ｔａ_（ｎ）と前回の蓄熱体入側予熱燃焼空気温度Ｔa_{（ｎ−１）}の温度偏差｛Ｔａ_（ｎ）−Ｔa_{（ｎ−１）}｝の過去５回の移動平均が設定温度偏差が０℃以上＋３℃未満の時、飽和カウント１回とし、ステップ５−２で連続３カウントになると蓄熱体入側の予熱燃焼空気温度に変化がなく一次飽和したと判断する。連続３回カウントでカウンターリセットする。

過去５回の移動平均が０℃未満＋３℃以上となった場合には、カウンターリセットする。平均温度偏差を求める際の加算回数（実施例では５回）と設定温度偏差（実施例では０℃以上＋３℃未満）は操業状態および飽和状態から設定する。

ステップ５で、一次飽和でないと判定される場合は、ＰＢ率を変化させずにＰＢ_{（ｎ＋１）}＝ＰＢ_（ｎ）（ＰＢ_{（ｎ＋１）}：次サイクルの補正ＰＢ率（％），ＰＢ_（ｎ）：現サイクルのＰＢ率（％））とし（ステップ５′）、排ガス吸引量を設定し、図１に示す排ガス流調弁６の弁開度を弁開度指示信号を送信して調整する。ステップ５で一次飽和と判定されると、ステップ６の二次飽和判定へ進む。

ステップ６：一次飽和判定時の予熱燃焼空気温度Ｔa_(Ｓ)と前回飽和判定時の予熱燃焼空気Ｔa_(Ｓ-1)との差を計算し、一定温度偏差（実施例では＋５℃）内にあるときは、二次飽和と判定し、ＰＢ率を変化させずにＰＢ_{（ｎ＋１）}＝ＰＢ_（ｎ）として（ステップ６′）排ガス吸引量を設定し、図１に示す排ガス流調弁６の弁開度を弁開度指示信号を送信して調整する。当該温度差が一定温度偏差（実施例では＋５℃）を超える場合は、二次飽和ではないと判定しＰＢ_（ｎ）に１％加えて、ＰＢ_{（ｎ＋１）}＝ＰＢ_（ｎ）＋１として（ステップ６〃）排ガス吸引量を設定し、図１に示す排ガス流調弁６の弁開度を弁開度指示信号を送信して調整する。

ステップ７：蓄熱体出側排ガス温度ＴｅがＰＢ率下降補正下限温度Ｔ_Ｕ以上の場合、次サイクルのＰＢ率は下限ＰＢ率ＰＢ_Ｌとする（ステップ７′）。ＴｅがＴ_Ｕ未満の場合は、ステップ８に進む。

ステップ８：蓄熱体出側排ガス温度ＴｅがＰＢ率下降補正開始温度Ｔ_ＵＳを超える場合には、図２に示すＰＢ率下降演算式でＰＢ率（ＰＢ_{（ｎ＋１）}）を求め、排ガス吸引量を設定し、図１に示す排ガス流調弁６の弁開度を弁開度指示信号を送信して調整する。

図４は炉内ガス温度を９００℃に保持する運転時に本発明を実施した場合のＰＢ率の制御のイメージ図である。図中の各設定値は、本発明の実施の一例を示したものであり、その数値は加熱炉本体、燃料種類、バーナ本体仕様他にて変わるものである。

図４において、図１の熱電対８で測定される蓄熱体出側の排ガス温度は、図に示されるように上昇、下降をサイクル毎にくりかえす。これは、蓄熱式バーナ１の蓄熱と燃焼の１サイクルにおいて、蓄熱の時には燃焼空気切替弁５は閉じ、排ガス切替弁４は開いて炉内の高温のガスを吸引しているので蓄熱体出側の排ガス温度が上昇し、燃焼の時は燃焼空気切替弁５が開き、低温の燃焼空気を出し排ガス切替弁４は閉じているので蓄熱体出側の排ガス温度は下降するためである。

また、図１の熱電対９で測定される蓄熱体入側の予熱燃焼空気温度は、図４に示されるように上昇、下降をサイクル毎にくりかえす。これは、蓄熱式バーナ１の蓄熱と燃焼の１サイクルにおいて、蓄熱の時は燃焼空気切替弁５は閉じ、排ガス切替弁４は開き、高温の炉内ガスを吸引するために炉内ガス温度にまで上昇し、燃焼の時は燃焼空気切替弁５が開き、排ガス切替弁４は閉じ、燃焼空気が蓄熱体を通過し予熱されるために蓄熱体入側の温度は炉内ガス温度−数百℃まで下降するためである。

以下、図４において蓄熱式バーナの蓄熱体への排ガス吸引量設定式の係数であるＰＢ率を決定するロジックを説明する。

図４において、蓄熱体出側排ガス温度Ｔｅが計測され、Ｔｅ≧Ｔ_Ｒが判定される（図２ステップ１に相当）。

蓄熱体出側排ガス温度がＰＢ率上昇補正下限温度Ｔ_Ｌ６０℃未満では、従来と同様に上限ＰＢ率（ＰＢ_Ｕ）で設定された排ガス量を吸引する（図２ステップ２および２′に相当）。

蓄熱体出側排ガス温度がＰＢ率上昇補正下限温度Ｔ_Ｌ６０℃以上から一次飽和判定開始温度（＝露点温度＋α）Ｔ_Ｒ１６０℃未満までは、図２に示すＰＢ率上昇演算式で求めたＰＢ率で設定された排ガス量を吸引する（図２ステップ３に相当）。

蓄熱体出側排ガス温度が予熱燃焼空気温度の一次飽和判定開始温度Ｔ_Ｒ１６０℃以上になると一次飽和判定（図２ステップ５に相当）を開始する。なお、予熱燃焼空気温度の一次飽和判定は、蓄熱体側排ガス温度が露点温度＋α℃（α：安全余裕。例えば１０℃）以上から開始する（図２ステップ５に相当）。これは、炉を休止した後の立ち上げなどで炉内温度が低い状態での交番燃焼（燃焼／蓄熱）時から飽和判定を開始すると、飽和判定によりＰＢ率が除々にしか増加せず、蓄熱体出側の排ガス温度が露点温度以上に達するのに時間を要し、排ガス中の水分が水滴や霧状になり配管腐食等を引き起こすことを防止するためである。

予熱燃焼空気温度の一次飽和判定を開始し、一次飽和と判定されるまでは、ＰＢ率を変化させない（図２ステップ５′に相当）。

これは次式で表される。

ＰＢ_{（ｎ＋１）}＝ＰＢ_（ｎ）（％）

予熱燃焼空気温度が一次飽和と判定されると、次に二次飽和の判定を行う（図２ステップ６に相当）。

予熱燃焼空気の二次飽和判定は、一次飽和判定した時の予熱燃焼空気温度と前回一次飽和判定した時の予熱燃焼空気温度偏差が一定温度内か否かで判定を行う。一定温度偏差内の場合は、予熱燃焼空機温度が二次飽和に達したと判定し、ＰＢ率を変化させない（図２ステップ６′に相当）。

一定温度偏差を超える場合は、予熱燃焼空気温度が二次飽和に達していないと判定し、ＰＢ率を一定の割合１％で上げ排ガス吸引量を増加させ、蓄熱体の蓄熱量を増加し予熱燃焼空気温度の上昇を図る（図２ステップ６〃に相当）。

これは次式で表される。

ＰＢ_{（ｎ＋１）}＝ＰＢ_（ｎ）＋１（％）

本実施例ではＰＢ率を１％づつ変化させているが、ＰＢ率の大幅な変更は、炉内温度、燃焼負荷等によっては急激な蓄熱体出側排ガス温度の上昇をまねく恐れがあるため、実際の操業状態を考慮してＰＢ率の変更の割合を決定する。

蓄熱体出側排ガス温度がＰＢ率下降補正開始温度Ｔ_ＵＳの２５０℃を越えた場合は、蓄熱体下流側の切替弁等を損傷させるので、できるだけ早く温度を下げるために、図３に示すＰＢ率下降演算式で求めたＰＢ率で排ガスの吸引量を減らしていく（図２ステップ８に相当）。

蓄熱体出側排ガス温度がＰＢ下降補正上限温度Ｔ_Ｕ２７０℃になると、下限ＰＢ率で設定された排ガス吸引量まで減らして蓄熱体出側排ガス温度を低下させていく（図２ステップ７および７′に相当）。

蓄熱式燃焼システムの概略図である。 本発明の制御のフローチャートである。 本発明の一次飽和判定のフローチャートである。 本発明のＰＢ率の制御実施例のイメージ図である。

符号の説明

１：蓄熱式バーナ ２：蓄熱体
３：燃料切替弁 ４：排ガス切替弁
５：燃焼空気切替弁 ６：排ガス流調弁
７：燃焼空気流調弁 ８：熱電対（蓄熱体出側排ガス温度用）
９：熱電対（蓄熱体入側予熱燃焼空気温度用）

Claims (2)

1. 蓄熱式バーナの蓄熱体への排ガス吸引量設定式の係数であるＰＢ率を変更し、そのＰＢ率にて演算された排ガス吸引量設定値に基づいて蓄熱体への排ガス吸引量を制御する蓄熱式バーナ加熱炉の燃焼制御方法において、
   下記工程１〜工程２により蓄熱体への排ガス吸引量を制御することを特徴とする蓄熱式バーナ加熱炉の燃焼制御方法。
   工程１：前記蓄熱式バーナの予熱燃焼空気温度を蓄熱式バーナの切替サイクルの度に測定し、前後複数サイクルの測定温度差の移動平均値が一定温度以内である状態を所定回数以上連続した場合に限り飽和状態と判定する。
   工程２：前記飽和状態を判定した時の予熱燃焼空気温度と前回飽和状態を判定した時の当該温度との差が一定温度偏差内であればＰＢ率を固定する。または、前記飽和状態を判定した時の予熱燃焼空気温度と前回飽和状態を判定した時の当該温度との差が一定温度偏差を超えた場合、ＰＢ率を一定の割合の値で増加させる。
2. 前記工程１〜工程２を繰り返すことを特徴とする請求項１記載の蓄熱式バーナ加熱炉の燃焼制御方法。
   

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