JP6013784B2

JP6013784B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP6013784B2
Application number: JP2012123323A
Authority: JP
Inventors: 重俊高畠; 直希野口
Original assignee: 株式会社サムソン
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: JP2013249976A

Description

本発明は、燃焼ガスに含まれているＣＯ濃度を検出するＣＯセンサを持った燃焼装置に関するものである。

燃焼装置によって燃焼を行うと、ＣＯが発生する。燃料と燃焼用空気の比率が適正であって良好な燃焼が行われている場合にはＣＯ発生量は少ないが、何らかの異常によってこの比率がずれた場合など、燃焼状態が悪化するとＣＯ発生量は急激に増加する。ＣＯは無臭無色な気体であって、人には感じることはできないが、人体にとって有害であるため、特公平２−３８８５７号公報にあるように、ＣＯセンサを燃焼装置に設けてＣＯの発生量を監視することも広く行われている。ＣＯセンサを設けた燃焼装置では、ＣＯセンサによって燃焼ガス中のＣＯ濃度を計測しておき、ＣＯ濃度が設定基準濃度より高くなったことを検出すると、ＣＯ濃度異常の報知を行って運転を停止することで安全を確保するようにしている。

しかし、ＣＯセンサ自身に異常が発生し、ＣＯ濃度の正しい値が計測できなくなると、ＣＯ発生量の増加を検出することができなくなる。特公平２−３８８５７号公報に記載の発明では、ＣＯセンサの異常を検出するようにしている。燃焼装置では、着火操作直後にはごく短時間であるが不完全燃焼が発生し、ＣＯ濃度が上昇する。そのため、着火操作直後にはＣＯ濃度が前記の設定基準濃度より高くなっても異常ではなく、ＣＯ濃度の計測値が高くなっていても燃焼装置の異常とはしないのであるが、その際にＣＯ濃度が前記の設定基準濃度よりも高くならなかった場合にはＣＯセンサが異常であると判定するようにしている。

ところで燃焼装置では、負荷に応じて燃焼の発停を行うオン−オフ制御のほかに、燃焼量を高燃焼と低燃焼などに分けて設定しておき、燃焼開始後は負荷に応じて燃焼を継続したままで燃焼量を増減することも広く行われている。燃焼量を増減するようにした燃焼装置では、負荷量が小さな場合でも小さな燃焼量で燃焼を継続しておくものであるため、一度燃焼を開始すると長い時間燃焼を継続し、燃焼発停の頻度は少なくなる。さらには燃焼の必要がなくなると、燃焼を維持するだけのパイロットバーナに燃焼を切り替えることで連続的に燃焼を続けることも行われている。燃焼装置では、燃焼開始前と燃焼停止後に炉内の換気を行っているが、換気によって炉内が冷却されることによって燃焼装置の効率が低下する。そのため、燃焼の発停を少なくすることは効率の向上に結びつくために広く行われている。しかし、燃焼の発停が行われなくなると、燃焼開始時に行っていたＣＯセンサの異常判定が行えなくなり、ＣＯセンサの異常を検出できずにＣＯセンサに異常が発生したままで放置されることになると、燃焼装置の異常も判別することができなくなる。

特公平２−３８８５７号公報

本発明が解決しようとする課題は、燃焼によって発生するＣＯの濃度をＣＯセンサにて計測している燃焼装置において、燃焼の発停が行われない場合でもＣＯセンサの異常判定が行えるようにした燃焼装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、燃料供給量と燃焼用空気の供給量を増減することで燃焼量を高燃焼／低燃焼のように段階的に調節することができるようにした燃焼装置であって、燃焼ガス中に含まれているＣＯ濃度を検出するＣＯセンサを持ち、ＣＯセンサにて計測したＣＯ濃度に基づいて燃焼装置の異常を検出するようにしている燃焼装置において、燃焼量変更時にＣＯセンサにて計測するＣＯ濃度の値が、安定して燃焼している場合におけるＣＯ濃度の値より高いものであって、かつ燃焼量の変更が正常に行われた際に空気比のずれによって上昇するＣＯ濃度の値よりは低い値とした低位値より高くならなかった場合にはＣＯセンサ異常とし、ＣＯセンサにて計測するＣＯ濃度の値が設定しておいた高位値より高くなった場合には燃焼装置異常との判定を行うものであることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記の燃焼装置において、ＣＯセンサにて計測するＣＯ濃度の値が低位値より高くなっている時間を計測しておき、その時間が設定しておいた異常判定時間より長くなった場合には燃焼装置異常との判定を行うものであることを特徴とする。

本発明では、燃焼量変更時にＣＯセンサの異常を確認しているため、燃焼発停の頻度が少ない燃焼装置でも短い間隔で異常の確認を行え、異常が発生したままで長期間異常が見逃されるということがなくなる。また、ＣＯセンサの精度を確認している間でも燃焼装置での異常検出を中断する必要はないため、燃焼量変更の操作を行っていることで異常が発生しやすくなっている時期に燃焼装置の異常を検出することができる。

本発明を実施している燃焼装置の概略構成図正常時の運転状態を示したタイムチャートＣＯセンサ異常発生例での運転状態を示したタイムチャートＣＯ濃度上昇異常発生例での運転状態を示したタイムチャートＣＯ濃度上昇異常発生例での運転状態を示したタイムチャート

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施している燃焼装置の概略構成図、図２は一実施例における正常時の運転状態を示したタイムチャート、図３から図５は一実施例における異常発生時の運転状態を示したタイムチャートである。実施例での燃焼装置１は、蒸気を発生するボイラであって、火炎の燃焼を行うバーナ３、燃料をバーナ３へ供給する燃料供給装置４、燃焼用空気をバーナ３へ供給する給気装置５、燃焼排ガスを戸外へ排出する排気通路６などを設けている。燃焼装置１の運転制御は、燃料供給装置４や給気装置５と接続している運転制御装置７にて行うようにしており、運転制御装置７はバーナ３へ供給する燃料量の調節や、バーナ３へ供給する燃焼用空気量を調節などを行う。

バーナ３での燃焼によって発生した燃焼排ガスは、排気通路６を通して戸外へ排出する。燃焼によって発生するＣＯは、人体にとって有害であるが、燃焼排ガスは戸外へ排出しているため、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が多少増加しても直ちに危険とはならない。しかしそれでも、ＣＯ発生量は低く保つことが必要であるため、排気通路６の途中にはＣＯ濃度を検出するＣＯセンサ２を設けておく。ＣＯセンサ２は運転制御装置７と接続しておき、ＣＯセンサ２で計測したＣＯ濃度の値は運転制御装置７へ出力する。

運転制御装置７によるボイラの運転制御は、燃焼量の大きな高燃焼と燃焼量の小さな低燃焼を設定しておき、負荷状況によって燃焼量の増減を行う。燃焼量を増減する制御を行う場合、燃焼をオン−オフで制御する場合に比べて発停頻度が少なくなる。このような燃焼装置では、燃焼開始前と燃焼終了後に燃焼室内の換気を行っており、換気することによって燃焼室内の温度が低下するため、燃焼の発停頻度が多くなると効率が低下する。燃焼を継続したままで燃焼量を増減するのであれば発停頻度が少なくなるために換気による効率低下が少なくなり、供給する蒸気圧力も変動も少なくなるという効果が得られる。

燃焼量の高燃焼と低燃焼の間での切り替えは、燃料供給量と燃焼用空気の供給量を増減することで行う。運転制御装置７では、燃焼量ごとに適正な燃料供給量と燃焼用空気を設定しておき、負荷状況に応じた量の燃料と燃焼用空気を供給する。燃焼量の変更を行う場合、燃料供給量の変更はバルブ操作によって行うために短時間で行うことができるが、燃焼用空気供給量を変更する場合には送風量を変更しなければならないために比較的長い時間が必要となる。そのため、燃料供給量の変更操作と燃焼用空気供給量の変更操作を同時に行った場合には、燃料供給量は短時間で変更後の供給量になっているのに、燃焼用空気供給量は変更前の供給量からあまり変化していないということになり、空気比が大きく崩れることになる。

そこで、燃焼量を変更する場合には、先に時間が掛かる燃焼用空気供給量の変更を開始し、燃焼用空気供給量が燃焼量変更用の設定値に達すると燃料供給量の変更を行い、燃料供給量の変更を終了した後にも空気供給量の変更を行うようにする。

低燃焼から高燃焼に変更する場合には、まず燃焼用空気供給量の増加を開始し、燃焼用空気供給量が燃焼量変更の設定値に達すると、燃料供給量を増加する。燃料供給量の変更を行った後にも燃焼用空気供給量の増加は継続しており、燃焼用空気供給量が高燃焼用の量になるのは高燃焼の開始より少し遅れることになる。この時の空気比は、まず低燃焼で安定して燃焼している状態から、燃焼用空気供給量の増加が行われることで過剰側へ徐々に上昇する。燃料供給量を増加すると燃料供給量はすぐに高燃焼の供給量になるため、空気比は逆に不足側となる。その後に、燃焼用空気供給量が増加するに応じて空気比は徐々に回復し、燃焼用空気供給量の増加が終了するころに再び適正な空気比となる。

同様に、高燃焼から低燃焼に変更する場合も、まず燃焼用空気供給量の減少を開始し、燃焼用空気供給量が燃焼量変更の設定値に達すると、燃料供給量を減少する。燃料供給量の変更を行った後にも燃焼用空気供給量の減少は継続しており、燃焼用空気供給量が低燃焼用の量になるのは低燃焼の開始より少し遅れることになる。この時の空気比は、まず高燃焼で安定して燃焼している状態から、燃焼用空気供給量の減少が行われることで不足側へ徐々に低下する。燃料供給量を減少すると燃料供給量はすぐに低燃焼の供給量となるため、空気比は逆に過剰側となる。その後に、燃焼用空気供給量が減少するに応じて空気比は徐々に低下し、燃焼用空気供給量の減少が終了するころに再び適正した空気比となる。
このようにすることで、燃焼量変更時の空気比のずれを少なくすることができる。

燃焼量の変更時に空気比が変化すると、燃焼排ガス中に含まれているＣＯ濃度も変化する。空気比は、低燃焼時と高燃焼時に安定した燃焼を行っている場合に最適な値としているため、空気比が最適値から外れるほどＣＯ濃度の値は高くなる。上で記載した制御では、燃焼量を変更する際に空気比が適正値から大きく外れることはないため、燃焼量変更時のＣＯ濃度上昇は問題になるほど大きくなるものではないが、それでもＣＯ濃度の上昇は発生する。

運転制御装置７では、燃焼装置の異常を判定するためと、ＣＯセンサ自身の異常を判定するためのＣＯ濃度設定値として、低位値と高位値を定めておく。低位値はＣＯセンサ２の異常を判定するための値であって、燃焼量を高燃焼から低燃焼へ、あるいは低燃焼から高燃焼へ変更する際に、空気比が適正値からずれることによって上昇するＣＯ濃度に応じた値とする。低位値は、ボイラが安定して燃焼している場合におけるＣＯ濃度の値より高いものであって、かつ燃焼量の変更が正常に行われた際に空気比のずれによって上昇するＣＯ濃度の値よりは低い値とする。そのため、正常な場合におけるＣＯ濃度の計測値は、安定燃焼時には低位値未満の値、燃焼量変更中には低位値以上の値が計測されることになる。

高位値は燃焼装置１のＣＯ濃度異常を判定するための値であって、燃焼状態に異常が発生した場合のＣＯ濃度に応じた値となる。高位値は、燃焼量の変更が正常に行われた際に空気比のずれによって上昇するＣＯ濃度の値より高く、かつ燃焼状態に異常が発生することによって上昇するＣＯ濃度よりは低い値とする。そのため、正常な場合におけるＣＯ濃度の計測値は、安定燃焼時及び燃焼量変更時には高位値未満の値、燃焼装置での燃焼状態に異常が発生した場合には高位値以上の値が計測されることになる。

また、燃焼量変更時における燃焼装置異常を判断する基準として、ＣＯセンサで計測するＣＯ濃度の値が低位値より高くなる時間の設定も行っておく。燃焼量変更時には空気比がずれるが、これは一時的なものであるため、燃焼装置が正常であればＣＯ濃度はすぐに低下する。燃焼装置に異常が発生し、そのことによってＣＯ濃度が高くなったという場合には、ＣＯ濃度の高い期間は長く続くことになる。

運転制御装置７では、ＣＯセンサ２によって計測しているＣＯの値に基づいて、燃焼状態の異常とＣＯセンサ２の異常を検出する。異常の判定は、燃焼装置が運転しているすべての時期において、ＣＯセンサ２にて計測した排ガス中のＣＯ濃度が高位値よりも高くなった場合と、燃焼量変更時において、ＣＯセンサ２にて計測した排ガス中のＣＯ濃度が低位値より高くならなかった場合に行う。また、ＣＯ濃度の値が低位値よりも高くなっている時間を計測しておき、計測時間が設定しておいた異常判定時間より長くなった場合にも燃焼装置の異常を出力するようにしておく。

燃焼装置の運転時における異常判定状況を図２から図５に基づいて説明する。図に記載の燃焼状態では、最初は低燃焼で運転を行っており、その後に高燃焼、低燃焼、高燃焼と交互に燃焼を行っている。低燃焼と高燃焼というように段階的な燃焼量制御を行う燃焼装置の場合、それぞれの燃焼状態において適正な燃焼が行えるように燃料供給量と燃焼用空気供給量を設定しておく。空気比が適正で安定した燃焼を行っている場合、燃焼装置で発生するＣＯは少ないためＣＯ濃度計測値は低い値で安定している。運転制御装置７では、一定の燃焼量で安定して燃焼している時に、ＣＯセンサ２によるＣＯ濃度の計測値が高位値よりも低い値であると、燃焼状態に異常は発生していない判断する。この状態において、ＣＯセンサ２によるＣＯ濃度の計測値が高位値よりも高くなった場合には、運転制御装置７は燃焼装置の異常を報知する。

燃焼量を低燃焼から高燃焼へ変更する場合、燃料供給量は瞬間的に変更することができるのに対し、燃焼用空気供給量の変更は時間が掛かる。そのため、運転制御装置７では燃料供給量を変更する前に空気供給量の増加を開始し、空気供給量を徐々に増加していく。燃料供給量はまだ変化していない状態で空気供給量の増加が行われると、空気は過剰ぎみとなるために空気供給量の増加に合わせてＣＯ濃度が上昇する。空気供給量が燃焼量変更の設定値まで増加すると、運転制御装置７は燃料供給量の増加を行う。燃料供給量の変更は短時間で終了するため、燃料供給量増加後は空気比が低くなっている。燃焼用空気の供給量の増加はその後も高燃焼の供給量になるまで行っており、空気比は適正に近づいていくためにＣＯ濃度は低下していく。

高燃焼から低燃焼へ変更する場合も同様に行う。運転制御装置７では燃料供給量を変更する前に空気供給量の減少を開始し、空気供給量を徐々に減少していく。燃料供給量はまだ変化していない状態で空気供給量の減少が行われると、空気は不足ぎみとなるために空気供給量の減少に合わせてＣＯ濃度が上昇する。空気供給量が燃焼量変更の設定値まで減少すると、運転制御装置７は燃料供給量の減少を行う。燃料供給量の変更は短時間で終了するため、燃料供給量減少後は空気比が高くなっている。燃焼用空気の供給量の減少はその後も低燃焼の供給量になるまで行って、空気比は適正に近づいていくためにＣＯ濃度は低下していく。

この時、ＣＯセンサ２が正常であれば、ＣＯセンサ２で計測しているＣＯ濃度は上昇し、低位値よりも高くなる。運転制御装置７は、燃焼量変更時においてはＣＯセンサ２で計測しているＣＯ濃度が低位値よりも高くなったことを検出できればＣＯセンサ２は正常に作動していると判断する。先に記載したように、燃焼量を変更する場合、空気比が変動するためにＣＯ濃度が増加する。しかしここでは、空気比は基準となる値から大きく外れることはないように燃料供給量の変更時期を設定しているため、ＣＯ濃度の増加幅はあまり大きくはない。そのため、燃焼量変更が正常に行われる場合、ＣＯ濃度は低位値よりは高くなるが高位値まで高くはならないということになる。運転制御装置７では、燃焼量変更時にＣＯセンサ２で計測しているＣＯ濃度の値が低位値から高位値の間にあった場合、燃焼装置及びＣＯセンサ２は正常であると判断することができる。

図３は、ＣＯセンサの精度が低下して正しい値を計測できなくなった場合のものである。図３でも図２と同様の燃焼量の変更を行っている。図３の記載では、最初の低燃焼から高燃焼への変更時と、次の高燃焼から低燃焼への変更時には、燃焼量変更時に発生する空気比の変動によるＣＯ濃度の上昇をＣＯセンサ２で計測することができている。しかし、その次の低燃焼から高燃焼への変更時には、ＣＯセンサ２によるＣＯ濃度の計測値は低位値よりも高い値とはなっていない。この場合、燃焼量変更時には空気比がずれるために、実際のＣＯ濃度は低位値よりも高くなるのに、ＣＯセンサ２ではＣＯ濃度の上昇を計測できなかったということであるため、ＣＯセンサ２の異常と判定することができる。そのため運転制御装置７では、ＣＯセンサ異常の報知を行うことでＣＯセンサの修理などが行われるようにする。

図４は、燃焼装置に異常が発生した場合のものである。図４でも図２と同様の燃焼量の変更を行っている。図４の記載では、最初の低燃焼から高燃焼への変更時と、次の高燃焼から低燃焼への変更時には、正常な運転が行われている。しかし、その次の低燃焼から高燃焼への変更時には、ＣＯセンサ２によるＣＯ濃度の計測値は高位値よりも高い値となっている。例えば、燃料供給量の変更が適正時期より遅れたために空気比が適正値から大きくずれたという場合、ＣＯ濃度は通常の燃焼量変更時よりも高くなる。運転制御装置７では、ＣＯセンサ２で計測しているＣＯ濃度の値が、高位値よりも高くなったことを検出した場合には、燃焼装置の異常と判定する。そして運転制御装置７では、燃焼装置異常の報知を行うことで燃焼装置の修理などが行われるようにする。

図５も燃焼装置に異常が発生した場合のものであり、図５ではＣＯセンサ２で検出しているＣＯ濃度の値が低位値よりも高くなっている時間に基づいて燃焼装置の異常を判定しているものである。図５でも図２と同様の燃焼量の変更を行っている。図５の記載でも、最初の低燃焼から高燃焼への変更時と、次の高燃焼から低燃焼への変更時には、正常な運転が行われている。しかし、その次の低燃焼から高燃焼への変更時には、ＣＯセンサ２によるＣＯ濃度の計測値が低位値よりも高くなっている時間が正常時よりも長くなっている。例えば、燃料供給量の変更が適正時期より早く行われたために空気比が適正値から大きくずれたという場合、ＣＯ濃度は通常の燃焼量変更時よりも高くなり、高くなっている時間も長くなる。

燃焼量変更時にＣＯ濃度が低位値よりも高くなること自体は通常のことであるが、低位値より高くなるのは限定された時間内であり、いつまでもその状態が続くということはない。ＣＯ濃度が低位値よりも高くなっている時間が長くなるのは、燃焼装置に何らかの異常が発生した場合であり、その時間を計測しておくことで燃焼装置の異常を判定することができる。低位値より高い状態が異常判定時間以上となった場合、運転制御装置７では異常が発生していると判断し、燃焼装置異常の報知を行うことで燃焼装置の修理などが行われるようにする。

燃焼量の調節を行っている燃焼装置では、燃焼の発停頻度が少なくなるため、従来のように燃焼開始時にＣＯセンサの異常を判定するとしていたのでは、ＣＯセンサの異常を判定できない時間が長くなる。しかし、燃焼量変更時にＣＯセンサの異常を判定するのであれば、短い間隔でＣＯセンサの異常を判定することができる。

燃焼装置の異常は、燃焼開始時や燃料量変更時など燃焼装置に操作が行われる時期に発生しやすく、例えば燃料供給量を調節している燃料調節弁で経年劣化やゴミ噛みなどにより作動タイミングがズレると、燃焼不良が発生してＣＯ発生量が増大する。しかし、燃焼開始時のＣＯ濃度は通常よりも大幅に高くなるため、従来の燃焼装置では燃焼開始時にはＣＯ濃度の値が高くなっても異常とはしていない。本発明では、燃焼開始時ではなく燃焼量変更時にＣＯセンサの異常を検出することにしており、燃焼量変更時のＣＯ濃度は燃焼開始時ほど高くはならず、安定時に比べると高くなるが燃焼装置での異常発生時に比べると低い値となる。そのため、燃焼量変更時に高位値と低位値で定めた所定範囲内にある場合は、ＣＯセンサが正常であるとの判定が行えるうえに、ＣＯ濃度が高位値以上になった場合は燃焼装置異常の判定を行うこともできる。

また、燃焼装置の異常は、開閉確認機能付き燃料調節弁を用いることでも検出できる。しかし、開閉確認機能付き燃料調節弁は高価であるのにＣＯ濃度の確認はできない。ＣＯセンサによる場合は、コスト上昇が抑えられるうえに燃料供給量以外の要因による異常も検出することができる。

なお、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

１燃焼装置
２ＣＯセンサ
３バーナ
４燃料供給装置
５給気装置
６排気通路
７運転制御装置

Claims

燃料供給量と燃焼用空気の供給量を増減することで燃焼量を高燃焼／低燃焼のように段階的に調節することができるようにした燃焼装置であって、燃焼ガス中に含まれているＣＯ濃度を検出するＣＯセンサを持ち、ＣＯセンサにて計測したＣＯ濃度に基づいて燃焼装置の異常を検出するようにしている燃焼装置において、燃焼量変更時にＣＯセンサにて計測するＣＯ濃度の値が、安定して燃焼している場合におけるＣＯ濃度の値より高いものであって、かつ燃焼量の変更が正常に行われた際に空気比のずれによって上昇するＣＯ濃度の値よりは低い値とした低位値より高くならなかった場合にはＣＯセンサ異常とし、ＣＯセンサにて計測するＣＯ濃度の値が設定しておいた高位値より高くなった場合には燃焼装置異常との判定を行うものであることを特徴とする燃焼装置。
請求項１に記載の燃焼装置において、ＣＯセンサにて計測するＣＯ濃度の値が低位値より高くなっている時間を計測しておき、その時間が設定しておいた異常判定時間より長くなった場合には燃焼装置異常との判定を行うものであることを特徴とする燃焼装置。