JP5903865B2 - ボイラの熱出力計測装置 - Google Patents

Description

この発明は、蒸気流量計を用いることなく蒸気量を計測するボイラの蒸気量計測装置などの熱出力計測装置に関するものである。

従来、蒸気流量計および燃料流量計を用いることなく蒸気量を計測する簡易蒸気量計測装置は、特許文献１や特許文献２にて知られている。特許文献１の装置は、ピトー管により全圧と静圧の差から煙道内の排ガス流速を測定して、燃料流量を算出し、間接的に算出した燃料流量信号を用いて蒸気量を推定するものである。

また、特許文献２の装置は、燃料制御弁の通電状態に対応するパルス信号から求めた燃料の流量に基づいて蒸気量を求めるものである。

特開２０１０−１３９２０７号公報 特許第３１６８９１７号公報

特許文献１の装置は、排ガス流速の計測装置を必要とするので、計測装置が複雑で高価となる。また、煙道に排ガス流速の計測装置を差し込む穴が無い場合には、穴を開ける必要があり、計測の作業性が悪く、煙道内の偏流やバーナの燃焼状態の影響を受けやすいため測定誤差が大きくなる。

また、特許文献２の装置は、排ガス流速の計測装置を必要としない点で特許文献１の装置より優れているが、つぎの課題がある。特に、既設の他社のボイラについて蒸気量を計測する場合、燃料制御弁の位置が分からないことや、低燃焼用制御弁、高燃焼用制御弁など制御弁の種類が分からないことが多く、制御弁の開閉信号（通電信号）を計測して蒸気量を算出することは難しい。

この発明が解決しようとする課題は、蒸気流量計および燃料流量計などの流量計を用いることなく、排ガス流速の計測装置を必要とすることなく、燃料制御弁の位置や種類が分からなくても簡易に熱出力を計測することである。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、燃料流量の多段階の調整に合わせて送風機の回転数を多段階に調整するか、またはダンパの開度を多段階に調整することにより複数の燃焼ステージで燃焼する蒸気ボイラからの熱出力の時間的変動を計測するボイラの熱出力計測装置であって、前記送風機の入力電流を計測する電流計測手段と、燃焼ステージ判定用に設定した電流閾値に基づき前記燃焼ステージがどの燃焼ステージにあるのかを判定する燃焼ステージ判定ステップと、前記燃焼ステージ判定ステップにて判定される燃焼ステージの情報から熱出力を算出する熱出力算出ステップとを行う計測制御手段とを備えることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、特許文献１のように排ガス流速の計測装置を必要とせず、かつボイラにおいて送風機の位置は容易に知ることができるので、燃料制御弁の位置
や種類が分からなくても容易に熱出力を計測することができる。また、前記燃焼ステージ判定ステップは、燃焼ステージ判定用の電流閾値に基づき前記燃焼ステージがどの燃焼ステージにあるのかを判定するように構成されているので、燃焼ステージを容易に判定することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記ボイラが蒸気を出力するボイラであり、前記計測制御手段による熱出力算出ステップは、前記各燃焼ステージ毎に、給水温度および蒸気圧力に基づき前記蒸気ボイラの相当蒸発量から求めた実際蒸発量に前記燃焼ステージのターンダウン比を乗算して蒸気量の瞬時値を算出するように構成されていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加えて、燃焼ステージと燃料流量との対応関係を求めることなく、蒸気量の瞬時値を簡易に算出することができるという効果を奏する。

この発明によれば、蒸気流量計および燃料流量計などの流量計を用いることなく、排ガス流速の計測装置を必要とすることなく、また燃料制御弁の位置や種類が分からなくても簡易に熱出力を計測することができる。

この発明を実施した熱出力計測装置の第一実施形態の概略構成図である。 同第一実施形態の制御プログラムを説明するフローチャート図である。 同第一実施形態の送風機入力電流と燃焼状態（燃焼ステージ）との関係を示す特性図である。 この発明を実施した熱出力計測装置の第二実施形態の概略構成図である。 この発明を実施した熱出力計測装置の第三実施形態の概略構成図である。 この発明を実施した第三実施形態の制御プログラムを説明するフローチャート図である。

＜第一実施形態＞
（構成の説明）
つぎに、この発明の第一実施形態の熱出力計測装置としての蒸気量計測装置１を図１〜図３に基づき説明する。蒸気量計測装置１は、蒸気を出力するボイラ２に用いるものであり、ボイラ２の蒸気の流出路３からの熱出力である蒸気量Ｘの時間的変動を計測する。ボイラ２は、ガス燃料，液体燃料，固体燃料を燃焼させるボイラを含む。なお、蒸気量は、蒸気発生量，蒸気流量と言い換えることができる。

ボイラ２は、予混合式のバーナ４，蒸気を生成する缶体５，給気ダクト６を介してバーナ４へ燃焼用空気を供給する給気手段７，給気ダクト６へ燃料を供給する燃料供給手段８，バーナ４への空気と燃料との混合比率を燃焼ステージに応じて所定の空気比に調整する空気比調整手段９，缶体５への給水手段１０，缶体５から排ガスを排出する煙道１１などを備えている。

給気手段７は、給電回路１２から電流が供給される送風機モータ１３によって駆動される送風機１４を含んでいる。燃料供給手段８は、燃料流路１５の先端に設けたガス噴出部１６，燃料の供給量および供給停止を制御する燃料弁１７を含んでいる。

給水手段１０は、給水路１８と給水ポンプ（図示省略）とを含んでいる。空気比調整手段９は、給気ダクト６に設けたダンパ１９とダンパ１９の回転角度を制御するダンパモータ２０とを含んでいる。

ボイラ２は、ボイラ制御器（図示省略）により、給気手段７および燃料供給手段８などを制御して燃焼停止と低燃焼と高燃焼の燃焼ステージが行われるように構成されている。燃料弁１７による燃料供給量は、低燃焼時少なく、高燃焼時多くなるように制御される。そして、この燃料供給量の変化に合わせて、設定空気比となるように、空気比調整手段９を制御することにより、燃焼用空気量を調整している。具体的には、燃焼停止時送風機モータ１３の回転数を一定として、ダンパモータモータ２０によるダンパ１９の開度が低燃焼時小さく（ダンパ１９の通風抵抗が大きい）、高燃焼時大きく（ダンパ１９の通風抵抗が小さい）なるように制御される。燃焼停止時は、ポストパージを除き、給気および燃料供給が停止される。燃焼停止からの低燃焼への移行の前には低燃焼時および高燃焼時よりもダンパ１９の開度を大きくするプレパージが行われる。

蒸気量計測装置１は、計測制御手段２１と、送風機モータ１３の入力電流Ａ（ｔ）を検出する電流計測手段としての電流センサ２２と、缶体５内の蒸気圧力Ｐｓを検出する圧力センサ２３と、給水路１８の給水温度Ｔｗを検出する水温センサ２４とを含んで構成されている。計測制御手段２１は、各センサ２２，２３，２４からの信号を入力して記録する記録手段２５と、記録手段２５から記録媒体（図示省略）や信号線（図示省略）や無線により記録した信号を取り込む計算手段２６とを含んで構成されている。計算手段２６は、パーソナルコンピュータなどから構成され、マイクロプロセッサ（図示省略）と入力部２７と表示部２８とを備えている。計算手段２６は、予め記憶した制御手順に基づき、蒸気量Ｘを算出するように構成されている。前記制御手順の一例を図２に示す。

（動作の説明）
つぎに、第一実施形態の動作を図面に基づき説明する。今、仕様書などから、既設のボイラ２の相当蒸発量Ｗｅと、低燃焼，高燃焼のターンダウン比（最小燃焼量を最大燃焼量との比であらわしたもの）を確認しておく。ターンダウン比が、たとえば、高燃焼＝１００％，低燃焼＝５０％であったとする。

図２を参照して、計算手段２６は、ステップＳ１（以下、ステップＳＮを単にＳＮという。）にて、相当蒸発量Ｗｅおよびターンダウン比を取り込む（計測作業者による入力部２７からの入力による）。Ｓ２では、水温センサ２４から給水温度Ｔｗと圧力センサ２３から蒸気圧力Ｐｓを取り込む（記録手段２５からの計算手段２６へのデータ取り込み）。

ついで、Ｓ３では、まず電流センサ２２により検出された送風機入力電流Ａ（ｔ）を所定サンプリング間隔Ｔ１で記録手段２５からの計算手段２６へ取り込み、計算手段２６にて燃焼ステージを判定する。今、ボイラ２の燃焼ステージが図３のように時間とともに変化し、送風機入力電流Ａ（ｔ）が図３に示すように変化したとする。サンプリング間隔Ｔ１は、低燃焼→高燃焼への燃焼移行時間Ｔ２および高燃焼→低燃焼への燃焼移行時間Ｔ３よりも短く設定している。

Ｓ３での燃焼ステージの判定は、つぎの１〜４のようにして行う。
１．記録手段２５からの計算手段２６へ取り込んだ送風機入力電流Ａ（ｔ）のサンプリン
グ値の頻度分布Ｆ（Ａ）を計算手段２６において表計算ソフトの頻度関数などを使って
作成する。

２．つぎに、計測作業者は、計算手段２６の表示部２８を見て、頻度分布Ｆ（Ａ）の電流
計測値のピーク値から、プレパージ＞高燃焼＞低燃焼＞停止に相当するピーク値を確認
する。

３．つぎに、計測作業者が設備仕様，実測データの状況を確認し、表示部２８に表示され
たサンプリング値を見ながら各ステージの間の電流値で、燃焼ステージ切り替えのしき
い値（電流閾値）を設定し、入力部２７により入力する。
電流閾値は、図３に示すように、低燃焼と判定する電流閾値の下限値および上限値をそれぞれＡ１，Ａ２とし、高燃焼と判定する電流閾値の下限値および上限値をそれぞれＡ３，Ａ４とし、プレーパージと判定する電流閾値の下限値および上限値をそれぞれＡ５， Ａ６とする。
なお、電流閾値は、頻度関数のグラフを用いることなく、表示部２８に出力されたサンプリング値から実際の燃焼状態と送風機入力電流の実測値の目視確認により設定するように構成することもできる。

４．つぎに、計算手段２６は、前述の電流閾値を用いて、送風機入力電流Ａ（ｔ）のサン
プリング値が高燃焼，低燃焼，停止のいずれであるかを判定する。
すなわち、送風機入力電流Ａ（ｔ）のサンプリング値がＡ１より低い設定値以下の場合、燃焼停止と判定し、サンプリング値がＡ１以上、Ａ２以下の場合、低燃焼と判定し、サンプリング値がＡ３以上、Ａ４以下の場合、高燃焼と判定し、サンプリング値がＡ５以上、Ａ６以下の場合、プレパージと判定する。

ついで、計算手段２６は、Ｓ４において、水温センサ２４からの給水温度Ｔｗと圧力センサ２３からの蒸気圧力Ｐｓに基づき、相当蒸発量Ｗｅから各燃焼ステージの実際蒸発量Ｗを算出する。
この算出方法は
実際蒸発量Ｗ＝
相当蒸発量Ｗｅ×飽和蒸気の潜熱÷（蒸気圧力Ｐｓでの飽和蒸気の全熱−ボイラ給水の顕熱）

そして、計算手段２６は、Ｓ５において、算出した実際蒸発量Ｗをつぎのように各燃焼ステージにおける蒸気量Ｘの瞬時値として表示部２６に出力する。
高燃焼時蒸気量Ｘの瞬時値＝実際蒸発量Ｗ×１００％
低燃焼時蒸気量Ｘの瞬時値＝実際蒸発量Ｗ×５０％

こうして算出した蒸気量Ｘを適宜の時間間隔（たとえば、１０分平均や１時間平均など）で積算すれば、ボイラ２の蒸気負荷を推定することができる。

以上説明したように、第一実施形態によれば、特許文献１のように排ガス流速の計測装置を必要としない。そして、既設で他社ボイラ２であっても送風機モータ１３の位置は容易に知ることができる。よって、燃料弁の位置や種類が分からなくても容易に蒸気量Ｘを推定により計測することができる。そして、Ｓ３の燃焼ステージ判定ステップは、燃焼ステージ判定用の電流閾値に基づき燃焼ステージが停止，低燃焼，高燃焼のどのステージにあるのかを判定するように構成しているので、燃焼ステージを容易に判定することができる。

また、Ｓ３の燃焼ステージ判定ステップは、燃焼移行時間Ｔ２，Ｔ３未満の電流計測間
隔Ｔ１に基づき、燃焼ステージが停止，低燃焼，高燃焼のどのステージにあるのかを判定するように構成しているので、燃焼移行による誤判定（瞬時値の計測のため、電流計測間隔が燃焼移行時間よりも長いと、燃焼ステージの移行頻度を判断できなくなること）を少なくして、より正確に燃焼ステージを判定することができる。

さらに、後述のように燃焼ステージから燃料流量を求めて蒸気量Ｘを算出することも可能であるが、この第一実施形態では、各燃焼ステージ毎に、給水温度Ｔｗおよび蒸気圧力Ｐｓに基づき蒸気ボイラ２の相当蒸発量Ｗｅから求めた実際蒸発量に燃焼ステージのターンダウン比を乗算して蒸気量Ｘの瞬時値を算出するように構成しているので、燃焼ステージと燃料流量との対応関係を求めることなく、蒸気量の瞬時値を簡易に算出することができる。

＜第二実施形態＞
この発明は、前記実施例１に限定されるものではなく、図４に示す第二実施形態を含むものである。この第二実施形態において前記第一実施形態と異なるのは、計測制御手段２１の構成と、空気比調整手段９の構成である。その他の構成は、実施例１と同じであるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。

計測制御手段２１は、第一実施形態では、記録手段２５と計算手段２６とを別の装置で構成しているのに対して、この第二実施形態では、計測制御手段２１は、計算手段２６により記録手段２５の機能をなすように構成している。

また、空気比調整手段９は、第一実施形態では、燃料流量の多段階の調整に合わせてダンパ１９の開度を多段階に調整することにより、設定空気比となるように燃焼用空気量を調整するように構成している。これに対して、この第二実施形態では、燃料流量の多段階の調整に合わせてインバータ２９により送風機モータ１３の回転数を制御することにより、燃焼用空気量を調整するように構成している。

この第二実施形態においては、第一実施形態と同様に送風機モータ１３の入力電流Ａ（ｔ）から燃焼ステージを判定して、蒸気量Ｘを計測することができる。そして、この第二実施形態では、第一実施形態と比較して、送風機モータ１３の入力電流Ａ（ｔ）が顕著に変化するので、燃焼ステージの判定を容易に行うことができる。

＜第三実施形態＞
つぎに、この発明の第三実施形態を図５および図６に基づき説明する。この第三実施形態は、ボイラ２を温水ボイラとし、熱出力を温水出力とした熱出力計測装置（ボイラ２から流出する温水流量である温水出力を計測する装置）１である。図５において、図１の第一実施形態と異なるのは、缶体５が温水を生成する缶体であり、流出路３からの出力を温水とした点である。第三実施形態において、第一実施形態と同じ構成要素は、同じ符号を付してその説明を省略する。

図５に示す第三実施形態の熱出力計測装置１は、図６に示す制御手順に基づき、温水出力を計測する。今、定格の温水出力が１００kWで、ターンダウン比が、たとえば、高燃焼＝１００％，低燃焼＝５０％であったとする。

Ｓ２１では、定格温水出力およびターンダウン比を取り込む（計測作業者による入力部２７からの入力による）。Ｓ２２では、第一実施形態のＳ３と同様にして、燃焼ステージを判定する。そして、Ｓ２３では、つぎのようにして各燃焼ステージにおける温水出力の瞬時値として表示部２６に出力する。
高燃焼時温水出力の瞬時値＝定格温水出力×１００％
低燃焼時温水出力の瞬時値＝定格温水出力×５０％

なお、この発明は、前記第一実施形態〜第三実施形態に限定されるものではなく、種々変更可能である。たとえば、前記第一実施形態は、燃焼ステージの情報から燃料消費量を算出することなく、実際蒸発量Ｗを求めたが、燃料消費量を算出して実際蒸発量Ｗを求めることができる。具体的には、つぎの（１）〜（５）の演算を順次行うことで、実際蒸発量Ｗを求めることができる。
（１）入力電流Ａ（ｔ）のサンプリング値から燃焼ステージ毎の燃焼時間求める。
（２）ターンダウン比を考慮して、燃料消費量を求める。
（３）燃料消費量から入熱量を求める。
（４）入熱量とボイラ効率から熱出力を求める。
（５）蒸気圧力と給水温度を考慮して、熱出力を実際蒸発量Ｗに換算する。

また、前記（１）の燃焼時間に対応した特許文献２のパルス信号を同時に計測することで、第一実施形態の燃焼ステージ判定ステップＳ３において燃焼の有無，パージの判定を省略し、より簡単に燃焼ステージ（高燃焼，低燃焼）を判定して蒸気量Ｘを算出することもできる。さらに、給水温度Ｔｗは、連続的に計測して入力することが望ましいが、給水温度Ｔｗの時間的変化が少ない場合には、連続的に計測することなく、一度計測した給水温度Ｔｗを入力するように構成できる。また、第三実施形態の熱出力計測装置は、ボイラ２を熱媒ボイラとし、流出路３からの出力を熱媒とした熱出力計測装置にも適用可能である。

１ 蒸気量計測装置（熱出力計測装置）
２ ボイラ
１４ 送風機
２１ 計測制御手段

Claims (2)

1. 燃料流量の多段階の調整に合わせて送風機の回転数を多段階に調整するか、またはダンパの開度を多段階に調整することにより複数の燃焼ステージで燃焼するボイラからの熱出力の時間的変動を計測するボイラの熱出力計測装置であって、
   前記送風機の入力電流を計測する電流計測手段と、
   燃焼ステージ判定用に設定した電流閾値に基づき前記燃焼ステージがどの燃焼ステージにあるのかを判定する燃焼ステージ判定ステップと、前記燃焼ステージ判定ステップにて判定される燃焼ステージの情報から熱出力を算出する熱出力算出ステップとを行う計測制御手段とを備える
   ことを特徴とするボイラの熱出力計測装置。
2. 前記ボイラが蒸気を出力するボイラであり、
   前記計測制御手段による熱出力算出ステップは、前記各燃焼ステージ毎に給水温度および蒸気圧力に基づき前記蒸気ボイラの相当蒸発量から求めた実際蒸発量に前記燃焼ステージのターンダウン比を乗算して蒸気量の瞬時値を算出するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のボイラの熱出力計測装置。

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