JP5729243B2 - ボイラ装置 - Google Patents

Description

本発明は、起動操作からの負荷応答性を向上させたボイラ装置に関するものである。

従来のボイラ装置として、缶体内の燃焼室に配設される水管と、前記水管を加熱するメインバーナと、前記メインバーナに着火するパイロットバーナと、前記パイロットバーナに着火するパイロット着火手段と、前記燃焼室のパージ（プレパージ）を行うパージ手段と、前記水管内の水位を検知する水位検知部と、制御部とを備えたものが知られている（例えば、下記特許文献１〜３を参照）。

この種のボイラ装置では、起動操作がされたときに給水し、水位検知部で検知した水管内の水位が所定水位に上昇するまでは、パージ手段により燃焼室のパージを行う。そして、水位が所定水位に達したときに、パージからパイロットバーナの着火（イグニッション、着火トライ、燃焼）に移行し、次いでメインバーナに着火する。このように水管内の水位の上昇を待って着火動作に移行するのは、水管の過熱を防止するためである。特に、起動初期においては、水管内の水が沸騰した際に泡が発生しにくく、通常運転時における見かけ上の水位に比べてその水位が低くなるため、起動操作後の初期段階における水位を高く設定することが行われている（下記特許文献２を参照）。

特開２００２−２２１３１８号公報 特開平５−２９６４０８号公報 特開平５−２３１６４０号公報

しかしながら、従来のボイラ装置においては、起動操作から蒸気供給までの時間が長くかかり、負荷応答性（負荷追従性）に改善の余地があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、起動操作から蒸気供給までの時間を短縮でき、負荷応答性を向上できるボイラ装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
すなわち本発明は、缶体内の燃焼室に配設される水管と、前記水管を加熱するメインバーナと、前記メインバーナに着火するパイロットバーナと、前記パイロットバーナに着火するパイロット着火手段と、前記燃焼室のパージを行うパージ手段と、前記水管内の水位を検知する水位検知部と、制御部と、を備えたボイラ装置であって、前記制御部は、起動操作がされたときに、前記パージ手段による前記燃焼室のパージと、前記パイロット着火手段による前記パイロットバーナの着火と、前記パイロットバーナによる前記メインバーナの着火と、をこの順で行うように構成され、前記起動操作が行われた後、前記水位検知部で検知した前記水管内の水位が所定水位に上昇した場合には、前記メインバーナの着火を行うように構成されていることを特徴とする。

本発明のボイラ装置では、起動操作がされた後、水位検知部で検知した水管内の水位が所定水位に上昇するまでの間に、燃焼室のパージ及びパイロットバーナの着火を行うようにしている。すなわち、水管内の水位上昇を待つ間に、予めメインバーナの着火の直前の工程までを進めておくことで、水管内の水位が所定水位に達したときに、すぐにメインバーナに着火できるので、起動から蒸気供給までの時間を短縮でき、負荷応答性が向上する。

また、本発明のボイラ装置において、前記制御部は、前記パイロットバーナが燃焼状態になり所定時間が経過した後、前記水管内の水位が所定水位に上昇していない場合には、このパイロットバーナへのエア供給量を減少させた状態で、前記パイロットバーナを燃焼させるように構成されていることとしてもよい。

このボイラ装置では、パイロットバーナが燃焼状態になり所定時間経過した場合に、水管内の水位が未だ所定水位に上昇していなければ、パイロットバーナへのエア供給量を減少させた状態で該パイロットバーナを燃焼させるので、パイロットバーナの燃焼によって燃焼室に供給された熱がエア供給により無駄に排出されるようなことが抑制されて、熱損失が低減する。従って、このパイロットバーナの燃焼に続くメインバーナの着火から蒸気供給までの負荷応答性がより向上する。

本発明のボイラ装置によれば、起動操作から蒸気供給までの時間を短縮でき、負荷応答性を向上できる。

本発明の一実施形態に係るボイラ装置の概略構成を説明する図である。 図１の水位検知部を拡大して示す図である。 本発明の一実施形態に係るボイラ装置の起動操作後の動作を説明する図である。 本発明の一実施形態に係るボイラ装置の起動操作後の動作のうち、主に燃焼に関する動作を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態に係るボイラ装置１について、図面を参照して説明する。
図１に示されるように、本実施形態のボイラ装置１は、水が貯留される缶体２と、缶体２内の燃焼室３に配設される水管４と、燃焼室３の上方に配設されて該燃焼室３に臨むバーナ部５と、燃焼室３のパージ（掃気）を行うパージ手段（不図示）と、水管４内の水の水位を検知する水位検知部６と、各電気部品（センサ、弁、ポンプ、イグニッション部材等）に電気的に接続された制御部７とを備えている。

缶体２は、上部ヘッダ８及び下部ヘッダ９を有しており、これらヘッダ８、９同士は、上下方向に延在し燃焼室３を囲むように配列された複数の水管４により接続されている。そして、この燃焼室３でバーナ部５からの燃焼ガス（炎及び排気ガス）と水管４とが熱交換させられることにより、該水管４内の水が加熱されるようになっている。

下部ヘッダ９は、缶体２の下部に配設されており、該下部ヘッダ９には、給水ライン１０が接続されている。給水ライン１０には、給水ポンプ１１と、該給水ポンプ１１と下部ヘッダ９の間（つまり給水ポンプ１１の下流側）に位置する逆止弁１２とが配設されている。

特に図示していないが、給水ライン１０における給水ポンプ１１の上流側には、軟水器及び水質測定部が設けられている。水質測定部は、軟水器によって軟水処理された処理水の水質を測定するものであり、特にスケールの発生に影響を与える硬度やシリカ濃度等を測定し、水質の異常の有無を判定するのに用いられる。
また、給水ライン１０には、給水ポンプ１１から下部ヘッダ９に送出される給水量を測定する流量計が配設されていてもよい。また、給水ポンプ１１には、周波数を変化させることにより該給水ポンプ１１から下部ヘッダ９への給水量を調整可能なインバータが電気的に接続されていてもよい。

上部ヘッダ８は、缶体２の上部に配設されており、該上部ヘッダ８には、気水ライン１３を介して気水分離部１４が接続されている。上部ヘッダ８には、水管４内で発生した蒸気が貯留され、該蒸気は気水ライン１３を通して気水分離部１４へ向けて送出される。尚、特に図示しないが、上部ヘッダ８には缶体２内の圧力を検出可能な圧力検出器が接続されている。

気水分離部１４は、上部ヘッダ８から送出された蒸気から水分を分離する。また、気水分離部１４には、気水ライン１３以外に、乾き蒸気を送り出す蒸気送出ライン１５と、該気水分離部１４で分離・回収された水分を下部ヘッダ９へ戻す降水ライン１６と、が接続されている。

蒸気送出ライン１５は、気水分離部１４と外部機器（蒸気使用機器）等とを接続するものである。蒸気送出ライン１５には、流量調整弁（不図示）が配設されており、気水分離部１４からの乾き蒸気の送出量が調整可能な構成とされている。

また、特に図示しないが、降水ライン１６には排水ラインが接続されており、該排水ラインには、排水弁が配設されている。そして、下部ヘッダ９から降水ライン１６、排水ライン及び排水弁を通って、缶水が排水されるようになっている。尚、排水弁は、例えば弁の開度を調整可能としたり複数の弁を用いることにより、排水量を調整可能に構成されていてもよい。

また、水位検知部６は、水位センサ１７と、互いに長さの異なる３つの電極棒１８と、これら水位センサ１７及び電極棒１８が配設される容器状の検知部本体１９と、を備えている。検知部本体１９は、上部連結管２０を介して上部ヘッダ８に接続され、下部連結管２１を介して下部ヘッダ９に接続されている。これにより、検知部本体１９と水管４とは互いに連通させられているとともに、検知部本体１９内の水位が水管４内の水位に略一致するようになっている。

図２に示されるように、水位センサ１７及び電極棒１８は、検知部本体１９の天壁から下方に向けて挿入されている。水位センサ１７の長さは、電極棒１８の長さより長くなっている。水位センサ１７は、検知部本体１９内の水の水位を無段階で検出可能に構成されており、水管４内のボイラ水の水位を制御するために用いられる。

また、３つの電極棒１８は、それぞれの先端（下端）が上下方向に互いに間隔をあけて配置されており、検知部本体１９内の水の水位を段階的に検出可能に構成されている。これら電極棒１８は、水位センサ１７の検出結果との間に所定範囲を超える差異が生じた場合に当該水位センサ１７の検出特性を補正するための補正手段、及び／又は、水位センサ１７の検出結果との間に所定範囲を超える差異が生じた場合に制御部７を通して音、表示等で警告するための監視手段として用いられる。

本実施形態では、これら電極棒１８のうち、最も長さが長いＬ棒１８Ａの先端（下端）は、検知部本体１９内の下側部分に配置されているとともに、水位センサ１７の先端より僅かに上方に位置している。Ｌ棒１８Ａの先端が位置する設定水位ＷＡは、プレパージ開始水位となっている。

また、これら電極棒１８のうち、最も長さが短いＳ棒１８Ｂの先端は、検知部本体１９内の上側部分に配置されている。Ｓ棒１８Ｂの先端が位置する設定水位ＷＢは、起動初期水位（所定水位）及び低燃焼水位となっている。

また、これら電極棒１８のうち、Ｌ棒１８Ａより短くＳ棒１８Ｂより長いＭ棒１８Ｃの先端は、Ｌ棒１８Ａの先端とＳ棒１８Ｂの先端の中間に配置されている。Ｍ棒１８Ｃの先端が位置する設定水位ＷＣは、高燃焼水位となっている。

また、具体的には図示していないが、図１において、バーナ部５は、水管４を加熱するメインバーナと、メインバーナに着火するパイロットバーナと、パイロットバーナに着火するパイロット着火手段と、燃焼用エアを供給する送風部材とを備えている。尚、特に図示しないが、バーナ部５には、炎検知センサが設けられていてもよい。

メインバーナには、メインバーナ燃料供給ライン２２が接続されており、メインバーナ燃料供給ライン２２には、メインバーナ燃料弁２３が配設されている。また、パイロットバーナには、パイロットバーナ燃料供給ライン２４が接続されており、パイロットバーナ燃料供給ライン２４には、パイロットバーナ燃料弁２５が配設されている。
本実施形態では、メインバーナ燃料供給ライン２２とパイロットバーナ燃料供給ライン２４とが、燃料弁２３、２５の上流側で互いに接続されている。尚、これらメインバーナ燃料供給ライン２２及びパイロットバーナ燃料供給ライン２４は、互いに接続されていなくても構わない。

前記パイロット着火手段は、パイロットバーナへ向けて火花を飛ばすイグニッション部材（不図示）と、パイロットバーナ燃料弁２５とを備えている。そして、パイロットバーナの着火は、パイロットバーナの炎口部へ向けてイグニッション部材から火花を飛ばしつつ、パイロットバーナ燃料弁２５を開いて該パイロットバーナへ燃料ガス又は燃料油を供給することにより行われるようになっている。

また、メインバーナ燃料弁２３は、弁の開度を変化させることによりメインバーナの燃焼量（単位時間あたりの燃焼量）を調整可能に構成されている。そして、メインバーナの燃焼量が制御されることによって、ボイラ装置１の単位時間あたりの蒸気発生量が制御される。具体的に、メインバーナ燃料弁２３は、複数の弁開度位置を有しており、弁の開度を段階的に変化させることによって、メインバーナの燃焼量を段階的に変化可能に構成されている。

詳しくは、ボイラ装置１は、互いに燃焼量の異なる複数の燃焼位置と、燃焼停止位置とを有している。前記燃焼位置には、多くの燃料及びエアをメインバーナに供給することにより燃焼量が高く設定される高燃焼位置と、少ない燃料及びエアをメインバーナに供給することにより燃焼量が低く設定される低燃焼位置とが含まれる。尚、前記燃焼停止位置における燃焼量はゼロである。このような構成により、メインバーナは、高燃焼位置、低燃焼位置及び燃焼停止位置と対応する段階的な複数の燃焼量で燃焼可能である（ここで言う燃焼には燃焼停止も含まれる）。

前記送風部材は、モータとファンとを備えており、例えばブロワファン等からなる。送風部材は、メインバーナ及びパイロットバーナに燃焼用のエアを供給可能に構成されている。また、送風部材は、モータの回転数を変化させることによりエア供給量を調整可能に構成されている。尚、送風部材は、メインバーナ用のものと、パイロットバーナ用のものとがそれぞれ設けられていても構わない。また、本実施形態では、前記パージ手段として、この送風部材が用いられている。

そして、制御部７は、起動操作がされたときに、前記パージ手段による燃焼室３のパージと、前記パイロット着火手段による前記パイロットバーナの着火と、前記パイロットバーナによる前記メインバーナの着火と、をこの順で行うように構成され、前記起動操作が行われた後、水位検知部６で検知した水管４内の水位が所定水位ＷＢに上昇した場合には、前記メインバーナの着火を行うように構成されている。

ここで、図３を参照して、ボイラ装置１の起動操作後の動作について説明する。尚、以下の説明では、缶体２内の水の水位が、図２に示される設定水位ＷＡよりも低い状態においてボイラ装置１が起動操作されたものと仮定する。

ボイラ装置１が起動操作される（Ｓ０１）と、給水ポンプ１１により缶体２内へ給水が開始される（Ｓ０２）。
給水により、水位センサ１７の検知（検出）水位がＬ棒１８Ａ先端の設定水位ＷＡまで上昇したら、前記パージ手段は、燃焼室３内を所定時間パージ（プレパージ）する（Ｓ０３）。

次いで、前記パイロット着火手段のイグニッション部材が、パイロットバーナへ向けて所定時間火花を飛ばし、イグニッションする（Ｓ０４）。
イグニッションの間に、前記パイロット着火手段のパイロットバーナ燃料弁２５が所定時間開状態となり、パイロットバーナ着火トライが行われる（Ｓ０５）。これにより、パイロットバーナが着火して燃焼状態となる（Ｓ０６）。

パイロットバーナが燃焼状態となり、所定時間が経過した（Ｓ０７）後、水位センサ１７の検知水位がＳ棒１８Ｂ先端の設定水位（所定水位）ＷＢに上昇していた場合には、メインバーナ燃料弁２３を開いて、メインバーナに着火する（Ｓ１０）。
尚、このボイラ装置１は、通常の運転時においては、低燃焼位置の場合に設定水位ＷＢに水位を維持し、高燃焼位置の場合に設定水位ＷＣに水位を維持するように構成されているが、起動初期においては、燃焼位置に係わらず設定水位ＷＢに水位が達したら燃焼を開始し（通常は高燃焼位置で燃焼を開始する）、その後の燃焼位置が高燃焼位置であれば設定水位ＷＣに水位を維持し、低燃焼位置であれば設定水位ＷＢに水位を維持するようになっている。

尚、前述したパージ、イグニッション、パイロットバーナ着火トライ及びパイロットバーナ燃焼の間に、水位センサ１７の検知水位が設定水位ＷＢまで上昇した場合には、給水ポンプ１１は給水を停止する。この場合、パイロットバーナが燃焼状態となり所定時間が経過した後は、速やかにメインバーナ着火へと移行する。

パイロットバーナが燃焼状態となり、所定時間が経過した（Ｓ０７）後、水位センサ１７の検知水位が設定水位ＷＢに上昇していない場合には、Ｓ０９へ進む。

制御部７は、前記パイロットバーナが燃焼状態になり所定時間が経過した後、水管４内の水位が設定水位ＷＢに上昇していない場合には、このパイロットバーナへのエア供給量を減少させた状態で、前記パイロットバーナを燃焼させる連続パイロットモードを備えている。すなわち、パイロットバーナ着火後、設定水位ＷＢへの水管４内の水位の上昇を待つ間に、パイロットバーナの燃焼状態が所定時間経過した場合には、前記送風部材は、パイロットバーナへのエア供給量を減少させ、これにより、ボイラ装置１は連続パイロットモードとなる（Ｓ０９）。

連続パイロットモードは、水位センサ１７の検知水位が設定水位ＷＢに上昇するまで行われる。連続パイロットモードの間に、水位センサ１７の検知水位が設定水位ＷＢまで上昇した場合には、給水ポンプ１１は給水を停止する。
水位センサ１７の検知水位が設定水位ＷＢまで達したら、メインバーナ燃料弁２３が開かれ、メインバーナが着火する（Ｓ１０）。

ここで、図４を用いて、前述したボイラ装置１の動作を簡略的に説明する。
図４に示される右方向の矢印は、起動後の動作順序を経過時間と対比して表している。本実施形態のボイラ装置１では、起動操作がされると、パージ、イグニッション、パイロットバーナ着火トライ及びパイロットバーナ燃焼までの動作が、水管４内の水位に係わらず、連続的に行われるようになっている。そして、パイロットバーナの燃焼状態が所定時間経過した後に、水管４内の水位が設定水位ＷＢに達していない場合は、設定水位ＷＢまで水位の上昇を待って、メインバーナに着火する。また、パイロットバーナ着火前又はパイロットバーナ燃焼中に水管４内の水位が設定水位ＷＢに達した場合は、パイロットバーナ着火後、パイロットバーナの燃焼状態が所定時間経過したら、速やかにメインバーナに着火する。

以上説明した本実施形態のボイラ装置１によれば、下記の効果を奏する。
すなわち、従来のボイラ装置においては、起動操作がされると、水管４内の水位が設定水位ＷＢに上昇するまでの間は、パージを維持するか、或いはパージを終了した状態で待機していた。つまり、水管４内の水位が設定水位ＷＢに達するまでの間に、図４に示される時系列のうち符号Ｂ部までの動作（パージのみ）が行われていた。そして、水管４内の水位が設定水位ＷＢに上昇した後、イグニッション、パイロットバーナ着火トライ、パイロットバーナ燃焼及びメインバーナ着火に移行していた。

一方、本実施形態のボイラ装置１では、起動操作がされた後、水位検知部６で検知した水管４内の水位が所定水位ＷＢに上昇するまでの間に、燃焼室３のパージ及びパイロットバーナの着火を行うようにしている。すなわち、パイロットバーナの燃焼による発熱量は、水管４を過熱する程度には至らないことから、水管４内の水位上昇を待つ間に、予めメインバーナの着火の直前の工程までを進めておくようにしている。これにより、水管４内の水位が所定水位ＷＢに達したときに、すぐにメインバーナに着火できるので、蒸気供給までの時間を短縮でき、負荷応答性が向上する。

また、このボイラ装置１では、起動操作の後、パイロットバーナが燃焼状態になり所定時間経過した場合に、水管４内の水位が未だ所定水位ＷＢに上昇していなければ、パイロットバーナへのエア供給量を減少させた状態で該パイロットバーナを燃焼させる連続パイロットモードを備えているので、パイロットバーナの燃焼によって燃焼室３に供給された熱がエア供給により無駄に排出されるようなことが抑制されて、熱損失が低減する。従って、このパイロットバーナの燃焼に続くメインバーナの着火から蒸気供給までの負荷応答性がより向上する。

尚、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前述の実施形態では、水位検知部６が、水位センサ１７及び３つの電極棒１８を備え、水位センサ１７で水位を検出し、３つの電極棒１８で水位センサ１７の検出特性の補正や検出結果の監視を行う場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、水位検知部６は、２つ以下又は４つ以上の電極棒１８を備えていてもよい。また、水位検知部６は、水位センサ１７及び電極棒１８のうちいずれか一方のみを備えていても構わない。水位検知部６が電極棒１８のみを備える場合は、複数の電極棒１８により段階的に水位を検出するように構成される。

また、水位検知部６は、複数の水位センサを備え、これら水位センサは、検知部本体１９内の水位を無段階でそれぞれ検出可能に構成されていてもよい。この場合、これら水位センサのうち一の水位センサ１７が、水管４内のボイラ水の水位を制御するために用いられ、他の水位センサが、前記一の水位センサ１７の検出結果との間に所定範囲を超える差異が生じた場合に当該一の水位センサ１７の検出特性を補正するための補正手段、及び／又は、前記一の水位センサ１７の検出結果との間に所定範囲を超える差異が生じた場合に制御部７を通して音、表示等で警告するための監視手段として用いられる。

また、前述の実施形態では、制御部７が連続パイロットモードを備えている場合について説明したが、制御部７は連続パイロットモードを備えていなくてもよい。

また、前述の実施形態では、ボイラ装置１は、メインバーナ燃料弁２３の弁開度を変化させることにより燃焼位置を段階的に変化させる構成であるとしたが、この代わりに、例えば、メインバーナ燃料供給ライン２２に複数の電磁弁を並列に配設してメインバーナ燃料弁を構成するとともに、これら電磁弁を開く数を制御することにより、燃焼位置を段階的に変化させることとしてもよい。またこの場合、各電磁弁に対応するようにメインバーナが複数設けられていても構わない。

また、メインバーナ着火後におけるパイロットバーナの燃焼については、ボイラ装置１の起動中においては常に燃焼状態を維持する常火パイロット制御としてもよく、或いは、メインバーナの燃焼状態（燃焼位置又は燃焼停止位置）に対応して燃焼状態と燃焼停止状態とを切り替えるオン・オフ制御としてもよい。

１ ボイラ装置
２ 缶体
３ 燃焼室
４ 水管
６ 水位検知部
７ 制御部
ＷＢ 設定水位（所定水位）

Claims (2)

1. 缶体内の燃焼室に配設される水管と、
   前記水管を加熱するメインバーナと、
   前記メインバーナに着火するパイロットバーナと、
   前記パイロットバーナに着火するパイロット着火手段と、
   前記燃焼室のパージを行うパージ手段と、
   前記水管内の水位を検知する水位検知部と、
   制御部と、を備えたボイラ装置であって、
   前記制御部は、起動操作がされたときに、
   前記パージ手段による前記燃焼室のパージと、
   前記パイロット着火手段による前記パイロットバーナの着火と、
   前記パイロットバーナによる前記メインバーナの着火と、をこの順で行うように構成され、
   前記起動操作が行われた後、前記水位検知部で検知した前記水管内の水位が所定水位に上昇した場合には、前記メインバーナの着火を行うように構成されていることを特徴とするボイラ装置。
2. 請求項１に記載のボイラ装置であって、
   前記制御部は、前記パイロットバーナが燃焼状態になり所定時間が経過した後、前記水管内の水位が所定水位に上昇していない場合には、このパイロットバーナへのエア供給量を減少させた状態で、前記パイロットバーナを燃焼させるように構成されていることを特徴とするボイラ装置。

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