JP6003792B2 - ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、ボイラに関する。より詳細には、燃焼用空気の供給量と燃料供給量とのずれが発生することを抑制できるボイラに関する。

従来、燃料を燃焼させるバーナと、このバーナに燃料を供給する燃料供給装置と、バーナに燃焼用空気を供給する送風機と、を備え、複数の燃焼状態（燃焼率）で燃焼されるボイラにおいては、燃焼率に応じて燃焼に必要とされる空気の量が異なる。そこで、送風機を、ファンと、このファンを回転させるモータと、このモータの駆動（回転速度）を可変させるインバータと、を含んで構成し、燃焼率に応じてモータ（ファン）の回転速度を増減させることで適切な量の燃焼用空気をバーナに供給する技術が用いられている。

また、このようなボイラにおいて、バーナに供給される燃焼用空気の量に応じて、バーナへの燃料供給量を制御する技術が用いられている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、バーナに供給される燃焼用空気の量として、送風機からバーナにつながる給気ダクト内の風圧等をセンサによって検出し、その検出結果に応じて、バーナへの燃料供給量が制御される。しかしながら、給気ダクト内の風圧等をセンサによって検出した場合、検出された値は、ばらつきを生じ、安定しない傾向がある。

そこで、センサによって検出された値の移動平均値を制御に用いることで、ばらつきが少なく安定した値によって、バーナへの燃料供給量を制御することが可能となる。

特開平８−１７８２７１号公報

しかしながら、上述のように、センサによって検出された値の移動平均値を燃料供給量の制御に用いた場合、バーナに供給される燃焼用空気の量の大きな変化に対して、燃料供給量の変化に遅れが生じる。即ち、蒸気圧の目標負荷が変動すること等に伴い、バーナに供給される燃焼用空気の量が大きく変化した場合に、バーナへの燃料供給量は、移動平均値を算出する期間の過去の値の影響を受けて遅れが生じる。この場合、バーナに供給される燃焼用空気の量と燃料供給量との比（空燃比）にずれが発生する。

従って、本発明は、燃焼用空気の供給量の変化に対して、燃料供給量の制御を安定化しつつ、燃焼用空気の供給量と燃料供給量とのずれが発生することを抑制できるボイラを提供することを目的とする。

本発明は、燃焼用空気の供給量に応じて燃料の供給量を変化させるボイラであって、所定期間内における燃焼用空気の供給量に対して、現在に近いほど大きい重みを付与して得られる重み付け移動平均値により、前記燃料の供給量を制御する制御部を備えるボイラに関する。

また、前記制御部は、前記燃焼用空気の供給量の変化に応じて、前記燃焼用空気の供給量に付与する重みを変化させることが好ましい。

また、前記制御部は、前記燃焼用空気の供給量の変化に応じて、前記重み付け平均値を得るための前記所定期間の長さを変化させることが好ましい。

また、前記制御部は、前記重み付け移動平均値として、加重移動平均値を用いて前記燃料の供給量を制御することが好ましい。

また、前記制御部は、前記重み付け移動平均値として、指数移動平均値を用いて前記燃料の供給量を制御することが好ましい。

本発明のボイラによれば、燃焼用空気の供給量の変化に対して、燃料供給量の制御を安定化しつつ、燃焼用空気の供給量と燃料供給量とのずれが発生することを抑制できる。

本発明のボイラの一実施形態を模式的に示す図である。 給気ダクト３０内の風圧の各種移動平均値を用いて燃料ガスの供給量を制御した場合において、目標負荷の変動に対する蒸気圧の応答を比較して示す模式図である。

以下、本発明のボイラの好ましい一実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態のボイラ１は、水を加熱して蒸気を生成する蒸気ボイラである。このボイラ１は、図１に示すように、缶体１０と、缶体１０に燃焼用空気を送り込む送風機２０と、缶体１０と送風機２０とを接続し燃焼用空気が流通する給気ダクト３０と、給気ダクト３０に配置されるダンパ４０と、給気ダクト３０に燃料ガスを供給する燃料供給装置５０と、缶体１０から排出される燃焼ガスが流通する排気筒６０と、缶体１０に水を供給する給水路（図示せず）と、ボイラ１の燃焼状態を制御する制御装置７０と、上部ヘッダ１４内の蒸気圧を検出する蒸気圧センサ８０と、給気ダクト３０内におけるダンパ４０下流位置の風圧を検出する風圧センサ９０と、を備える。

缶体１０は、図１に示すように、ボイラ筐体１１と、複数の水管１２と、下部ヘッダ１３と、上部ヘッダ１４と、バーナ１５と、を備える。
ボイラ筐体１１は、缶体１０の外形を構成し、平面視矩形形状の直方体状に形成される。このボイラ筐体１１の長手方向の一端側に位置する第１側面１１ａには、給気口１６が形成され、ボイラ筐体１１の長手方向の他端側に位置する第２側面１１ｂには、排気口１７が形成される。

複数の水管１２は、ボイラ筐体１１の内部に上下方向に延びて配置されると共に、ボイラ筐体１１の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される。
下部ヘッダ１３は、ボイラ筐体１１の下部に配置される。下部ヘッダ１３には、複数の水管１２の下端部が接続される。

上部ヘッダ１４は、ボイラ筐体１１の上部に配置される。上部ヘッダ１４には、複数の水管１２の上端部が接続される。
バーナ１５は、給気口１６に配置される。

送風機２０は、ファン及びこのファンを回転させるモータを有する送風機本体２１と、ファン（モータ）の回転数を増減させるインバータ２２と、を備える。送風機２０は、インバータ２２に入力される周波数に応じて、ファンが所定の回転数で回転することで、缶体１０に燃焼用空気を送り込む。

給気ダクト３０は、上流側の端部が送風機２０に接続され、下流側の端部が給気口１８に接続される。給気ダクト３０は、送風機２０から送り込まれた燃焼用空気を缶体１０に供給する。
ダンパ４０は、給気ダクト３０の内部の燃焼用空気の流路を塞いだ閉状態と、この閉状態から９０度回転し、給気ダクト３０の内部の燃焼用空気の流路を開放した開状態との間で回転可能に配置される。

燃料供給装置５０は、ガス供給ライン５１と、このガス供給ラインに設けられる調整弁５２及びノズル５３と、を備える。
ガス供給ライン５１は、給気ダクト３０におけるダンパ４０が配置された位置よりも下流側に接続され、給気ダクト３０に燃料ガスを供給する。
調整弁５２は、給気ダクト３０に供給される燃料ガスの流通量を調整する。
ノズル５３は、ガス供給ライン５１の先端部に配置され、給気ダクト３０に燃料ガスを噴出する。

排気筒６０は、排気口１７に接続される。排気筒６０は、缶体１０の内部で燃料ガスが燃焼して生じた燃焼ガスを排出する。
制御装置７０は、缶体１０への燃焼用空気の供給量及び燃料ガスの供給量を制御することで、ボイラ１の燃焼状態（燃焼率）を制御し、ボイラ１による蒸気の生成量を調整する。
蒸気圧センサ８０は、上部ヘッダ１４内の蒸気圧を検出し、検出結果を制御装置７０に出力する。
風圧センサ９０は、給気ダクト３０内におけるダンパ４０下流位置の風圧を検出し、検出結果を制御装置７０に出力する。

以上のボイラ１によれば、送風機２０により給気ダクト３０に送り込まれた燃焼用空気は、ガス供給ライン５１から供給された燃料ガスと混合され、燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスがバーナ１５から缶体１０の内部に噴出され、燃焼される。そして、バーナ１５による混合ガスの燃焼に伴って発生する熱により、下部ヘッダ１３から複数の水管１２の内部に供給された水が加熱され、蒸気が生成される。複数の水管１２の内部において生成された蒸気は、上部ヘッダ１４に集合された後、蒸気導出管（図示せず）を介して外部に導出される。また、混合ガスの燃焼により生じた燃焼ガスは、排気筒６０から外部に排出される。

次に、制御装置７０によるボイラ１の燃焼状態の制御の詳細について説明する。
本実施形態では、ボイラ１は、燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラにより構成される。比例制御ボイラとは、少なくとも、最小燃焼状態（例えば、最大燃焼量の２０％の燃焼率における燃焼状態）から最大燃焼状態の範囲で、燃焼率が連続的に制御可能とされているボイラである。

本実施形態では、ボイラ１の燃焼停止状態と最小燃焼状態との間の燃焼率の変更は、ボイラ１（バーナ）の燃焼をオン／オフすることで制御される。そして、最小燃焼状態から最大燃焼状態の範囲においては、燃焼率が連続的に制御可能となっている。
尚、以下においては、燃焼率を２０％〜１００％の範囲で連続的に変更可能なボイラ１における燃焼状態の制御について説明する。

制御装置７０は、ボイラ１が蒸気を供給する負荷機器による蒸気の消費量に応じて、ボイラ１の燃焼率を変更し、蒸気の生成量を調整する。この制御装置７０は、制御部７１と、記憶部７２と、を備える。

制御部７１は、インバータ２２に入力する周波数を増減させることで、送風機２０のファンの回転速度を増減させ、給気ダクト３０に送り込む燃焼用空気の量を制御する。また、制御部７１は、ダンパ４０の開度を制御することで、給気ダクト３０の内部をバーナ１５に向かって流れる燃焼用空気の量を制御する。更に、制御部７１は、調整弁５２の開度を制御することで、バーナ１５への燃料ガスの供給量を制御する。

記憶部７２は、制御部７１の制御によりボイラ１に対して行われた指示の内容や、ボイラ１の燃焼状態等の情報、ボイラ１の燃焼状態（燃焼率）に応じたダンパ４０の開度、過去の所定期間内に風圧センサ９０によって検出された風圧の値、過去の所定期間内における風圧の値から算出した重み付け移動平均値、インバータに入力する周波数及び調整弁５２の開度に関する設定の情報等を記憶する。

ここで、比例制御ボイラにおいては、最小燃焼状態から最大燃焼状態までの範囲において、安定的な燃焼状態を保ちつつ燃焼率を連続的に変更させるために、燃焼用空気の供給量及び燃料ガスの供給量についても連続的に変更させる必要がある。
燃焼用空気の供給に関しては、制御部７１により、蒸気圧センサ８０によって検出された上部ヘッダ１４内の蒸気圧に基づいて、燃焼用空気の供給量を決定する。

一方、燃料ガスの供給に関しては、制御部７１により、風圧センサ９０によって検出された給気ダクト３０内の風圧に基づいて、燃料ガスの供給量を決定する。このとき、風圧センサ９０によって検出される給気ダクト３０内の風圧の値は、ばらつきを生じて安定しない傾向がある。そのため、制御部７１により過去の所定期間内（例えば過去数秒間）における風圧の値の移動平均値を算出し、この移動平均値に基づいて、燃料ガスの供給量を決定することができる。しかしながら、過去の所定期間内における風圧の値の移動平均値として、単純移動平均値を用いると、蒸気圧の目標負荷の変動等により燃焼用空気の供給量が大きく変化した場合に、移動平均値を算出する上記所定期間の過去の値の影響を受けることから、その変化に対応して燃料ガスの供給量が変化するまでに遅れが生じる。

そこで、本実施形態では、過去の所定期間内（例えば過去数秒間）における風圧の値の移動平均値として、単純移動平均値ではなく、現在に近いほど大きい重みを付与して得られる重み付け移動平均値を算出し、この重み付け移動平均値に基づいて、燃料ガスの供給量を制御する。

具体的には、制御部７１は、蒸気圧センサ８０によって検出された上部ヘッダ１４内の蒸気圧を取得し、この蒸気圧を目標負荷に制御するために必要な燃焼用空気の量を算出する。また、制御部７１は、算出した燃焼用空気の量に基づいて、インバータ２２に入力する周波数を増減させることで、送風機２０のファンの回転速度を増減させ、又はダンパ４０の開度を制御することで、給気ダクト３０に送り込む燃焼用空気の量を制御する。

また、制御部７１は、風圧センサ９０によって検出された給気ダクト３０内の風圧の値を取得し、過去の所定期間内（例えば過去数秒間）における風圧の値の重み付け移動平均値を算出する。本実施形態では、重み付け移動平均値として、現在に近いほど大きい重みを付与して得られる重み付け移動平均値を用いる。例えば、重み付け移動平均値として、過去の所定期間内における風圧の値に対して、現在に近いほど線形的に大きい重みを付与して移動平均値とする加重移動平均値を用いることができる。

なお、重み付け移動平均値として、過去の所定期間内における風圧の値に対して、現在に近いほど指数的に大きい重みを付与して移動平均値とする指数移動平均値を用いることもできる。重み付け移動平均値として、指数移動平均値を用いた場合、蒸気圧の目標負荷の変動に対して、より小さい遅れによって、燃料ガスの供給量を変化させることができる。
また、制御部７１は、過去の所定期間内における風圧の値の重み付け移動平均値に基づいて、調整弁５２の開度を制御することで、バーナ１５への燃料ガスの供給量を制御する。

これにより、風圧センサ９０による給気ダクト３０内の風圧の検出値に基づいて、燃料ガスの供給量を制御する場合に、検出値の移動平均値（具体的には重み付け移動平均値）を用いていることにより、ばらつきが少なく安定した値に基づいて制御を行うことができる。また、風圧センサ９０による給気ダクト３０内の風圧の検出値が大きく変化した場合（即ち、燃焼用空気の供給量が大きく変化した場合）に、現在に近いほど大きい重みを付与して得られる重み付け移動平均値を用いていることにより、その変化に対応して、より速やかに燃料ガスの供給量を変化させることができる。

図２は、給気ダクト３０内の風圧の各種移動平均値を用いて燃料ガスの供給量を制御した場合において、目標負荷の変動に対する蒸気圧の応答を比較して示す模式図である。
なお、図２において、実線は目標負荷、破線は単純移動平均値を用いた場合の蒸気圧、一点鎖線は加重移動平均値を用いた場合の蒸気圧、二点鎖線は指数移動平均値を用いた場合の蒸気圧を示している。

図２に示すように、本実施形態のボイラ１では、過去の所定期間内（図２中の両矢印で示す移動平均期間内）に検出された給気ダクト３０内の風圧の検出値に対して、重み付け移動平均値を算出し、この重み付け移動平均値に基づいて、燃料ガスの供給量を制御している。
図２において、時刻Ｔ０以前は目標負荷の変動がなく、この場合、単純移動平均値、加重移動平均値及び指数移動平均値の場合のいずれを用いた場合でも、同様に燃焼ガスの供給量が制御される。

これに対し、時刻Ｔ０で目標負荷が増加傾向に転じた場合、実際の蒸気圧には目標負荷の変動に対して遅れが生じる。
このとき、単純移動平均値、加重移動平均値及び指数移動平均値を用いた場合の蒸気圧において、破線で示す単純移動平均値の場合の蒸気圧は、目標負荷に対する遅れが最も大きくなっている。

一方、一点鎖線で示す加重移動平均値及び二点鎖線で示す指数移動平均値の場合の蒸気圧は、単純移動平均値の場合の蒸気圧よりも目標負荷に対する遅れが小さくなっている。また、加重移動平均値の場合の蒸気圧と指数移動平均値の場合の蒸気圧とを比べると、加重移動平均値の場合の蒸気圧よりも、指数移動平均値の場合の蒸気圧の方が、目標負荷に対する遅れが小さくなっている。

このように、本実施形態のボイラ１では、燃焼用空気の供給量が大きく変化した場合であっても、従来の技術に比べて、燃料ガスの供給量の変化における遅れがより小さいものとなっている。
従って、燃焼用空気と燃料ガスとの比（空燃比）にずれが生じる事態を抑制することができる。
即ち、本実施形態のボイラ１によれば、燃焼用空気の供給量の変化に対して、燃料供給量の制御を安定化しつつ、燃焼用空気の供給量と燃料供給量とのずれが発生することを抑制できる。

以上、本発明のボイラの好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、給気ダクト３０内の風圧の検出値に対して、現在に近いほど大きい重みを付与して得られる重み付け移動平均値を算出する場合に、重み付けが固定されているものとしたが、これに限られない。
即ち、給気ダクト３０内の風圧の検出値に対して、重み付け移動平均値を算出する場合の重み付けを変化させても良い。具体的には、過去の所定期間内における風圧の変動が閾値よりも小さい場合には、重み付けの傾斜をより小さくし、風圧の変動が閾値よりも大きい場合には、重み付けの傾斜をより大きくすることが可能である。

また、本実施形態では、給気ダクト３０内の風圧の検出値に対して、現在に近いほど大きい重みを付与して得られる重み付け移動平均値を算出する場合に、重み付け移動平均値の算出対象とする過去の所定期間の長さが固定されているものとしたが、これに限られない。
即ち、給気ダクト３０内の風圧の検出値に対して、重み付け移動平均値を算出する場合に算出対象とする過去の所定期間の長さを変化させても良い。具体的には、過去の所定期間内における風圧の変動が閾値よりも小さい場合には、算出対象とする過去の所定期間の長さをより長くし、風圧の変動が閾値よりも大きい場合には、算出対象とする過去の所定期間の長さをより長くすることが可能である。

１ ボイラ
１５ バーナ
２０ 送風機
４０ ダンパ
７１ 制御部
８０ 蒸気圧センサ
９０ 風圧センサ

Claims (5)

1. 燃焼用空気の供給量に応じて燃料の供給量を変化させるボイラであって、
   所定期間内における燃焼用空気の供給量に対して、現在に近いほど大きい重みを付与して得られる重み付け移動平均値により、前記燃料の供給量を制御する制御部を備えるボイラ。
2. 前記制御部は、前記燃焼用空気の供給量の変化に応じて、前記燃焼用空気の供給量に付与する重みを変化させる請求項１に記載のボイラ。
3. 前記制御部は、前記燃焼用空気の供給量の変化に応じて、前記重み付け平均値を得るための前記所定期間の長さを変化させる請求項１または２に記載のボイラ。
4. 前記制御部は、前記重み付け移動平均値として、加重移動平均値を用いて前記燃料の供給量を制御する請求項１〜３のいずれかに記載のボイラ。
5. 前記制御部は、前記重み付け移動平均値として、指数移動平均値を用いて前記燃料の供給量を制御する請求項１〜３のいずれかに記載のボイラ。

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