JP6065669B2 - ボイラシステム - Google Patents

Description

本発明は、主燃料と水素ガスとを混合した混合燃料を用いてボイラを燃焼するボイラシステムに関する。

従来、ボイラから発生した蒸気を供給するボイラシステムが知られており、通常、このようなボイラシステムでは、燃料供給業者から供給される燃料（例えば、都市ガス等）を用いてボイラの燃焼を行っている。
ところで、ボイラシステムを配備したプラントによっては、プラントの運転に伴い水素ガスが発生してしまうことがあり、運用者によっては、発生した水素ガスをボイラの燃料として有効利用することを望む。

この点、複数の燃料を混合した混合燃料を用いてボイラを運転する工夫として、例えば特許文献１に記載された燃料供給装置が知られている。この特許文献１の燃料供給装置では、組成変動が生じる燃料の変動に応じて組成変動が生じない燃料の流量を調整することで、機器への投入熱量を一定に維持することとしている。

特許第３７８１４１２号公報

ここで、特許文献１の燃料供給装置は、組成変動が生じる燃料を用いる場合の投入熱量を一定に維持することに着目したものであり、複数の燃料を混合した場合の安全管理については、必ずしも十分な工夫を開示するものではなかった。特に、水素ガスのような組成変動のない燃料を混合する場合には、投入熱量を一定にするための工夫よりも、ボイラシステムを安全に運用可能にする工夫が強く求められていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、主燃料に水素ガスを混合した混合燃料に基づいてボイラを安全に運用可能なボイラシステムを提供することを目的とする。

（１）燃焼可能なボイラと、前記ボイラに対して主燃料及び水素ガスを混合した混合燃料を供給する燃料供給部と、を備えるボイラシステムであって、前記燃料供給部は、前記ボイラと接続され、前記ボイラに対して前記主燃料を供給する主燃料ラインと、前記主燃料ラインに設けられ、主燃料の供給元への逆流を防止する遮断弁と、前記主燃料ラインの前記遮断弁よりも下流側に設けられ、前記主燃料及び前記水素ガスを所定の割合で混合する混合部と、前記混合部と接続され、前記ボイラに対して前記水素ガスを供給する水素ガスラインと、前記主燃料ラインの前記遮断弁よりも下流側に設けられ、前記主燃料ラインを流れる燃料を排出する排出弁と、前記ボイラの燃焼が停止することを条件に、前記排出弁を開放する制御部と、を備えるボイラシステムに関する。

また、前記排出弁は前記混合部の下流に設けられることが好ましい。

また、前記混合部に供給される前記水素ガスの圧力は、前記混合部に供給される前記主燃料の圧力よりも低いことが好ましい。

また、前記燃料供給部は、前記水素ガスラインを流れる前記水素ガスの流量を検知する流量検知部と、前記主燃料ラインの前記混合部よりも上流側に設けられ、前記主燃料ラインを流れる前記主燃料の流量を調整する調整弁と、を更に備え、前記制御部は、前記流量検知部が検知した前記水素ガスの流量に基づいて、前記調整弁の開度を調整することが好ましい。

また、前記制御部は、前記水素ガスの流量が規定値から所定範囲にある場合、前記調整弁の開度を一定とし、前記所定範囲を超えて前記規定値よりも小さくなると、前記調整弁の開度を小さくすることが好ましい。

本発明によれば、ボイラ停止時に混合燃料を排出するため、主燃料に水素ガスを混合した混合燃料に基づいてボイラを安全に運用することができる。

本発明の第１実施形態に係るボイラシステムの構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るボイラシステムの構成を示す図である。

以下、本発明のボイラシステム１の好ましい各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、図１を参照して、第１実施形態のボイラシステム１の全体構成について説明する。なお、以下の説明において「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

ボイラシステム１は、燃料供給部２と、ボイラ３と、制御装置４と、を備える。
ボイラ３は、燃料供給部２から供給された燃料（混合燃料）に基づいて燃焼し、缶体内の水を加熱することで蒸気を発生させる蒸気ボイラである。ボイラ３は、図示しない負荷機器と接続され、発生した蒸気を負荷機器に対して供給する。

燃料供給部２は、ボイラ３に対して主燃料を供給する主燃料ライン２１と、ボイラ３に対して水素ガスを供給する水素ガスライン２２と、主燃料ライン２１上に設けられ主燃料と水素ガスとを混合する混合部２３と、を備える。
なお、燃料供給部２は、破損時における安全性や修理点検の容易さから屋外に設けられることが好ましい。

主燃料ライン２１は、主燃料供給事業者１００とボイラ３とを接続する供給ラインであり、主燃料供給事業者１００から供給される主燃料をボイラ３に供給する。なお、主燃料供給事業者１００は、任意の燃料供給業者であり、本実施形態では都市ガス供給業者であるものとする。そのため、主燃料ライン２１は、ボイラ３に都市ガス（主燃料）を供給する供給ラインである。

主燃料ライン２１には、遮断弁２１１と、圧力調整弁２１２と、排出弁２１３と、が設けられる。
遮断弁２１１は、主燃料ライン２１を開放又は閉止する。遮断弁２１１が開放することで主燃料ライン２１に主燃料供給事業者１００から主燃料が供給され、閉止することで主燃料供給事業者１００から主燃料ライン２１への主燃料の供給が停止する。また、遮断弁２１１は、閉止することで主燃料供給事業者１００への燃料の逆流を防止する機能も有する。
圧力調整弁２１２は、主燃料ライン２１を流れる主燃料の圧力を調整する。具体的には、圧力調整弁２１２は、水素ガスライン２２内の圧力よりも高くなるように主燃料ライン２１を流れる主燃料の圧力を調整する。
排出弁２１３は、主燃料ライン２１内の燃料を排出する。なお、排出弁２１３は、主燃料ライン２１上の遮断弁２１１よりも下流に設けられ、より好ましくは混合部２３よりも下流に設けられる。

水素ガスライン２２は、水素ガス供給装置１１０と混合部２３とを接続する供給ラインであり、水素ガス供給装置１１０に貯蔵された水素ガスをボイラ３に供給する。なお、水素ガス供給装置１１０は、例えばボイラシステム１が設置されたプラント内で発生した水素ガスを貯蔵する貯蔵設備である。

水素ガスライン２２には、遮断弁２２１と、圧力調整弁２２２と、が設けられる。
遮断弁２２１は、水素ガスライン２２を開放又は閉止する。遮断弁２２１が開放することで水素ガス供給装置１１０から水素ガスライン２２に水素ガスが供給され、閉止することで主燃料供給事業者１００から水素ガスライン２２への水素ガスの供給が停止する。また、遮断弁２２１は、閉止することで水素ガス供給装置１１０への水素ガスの逆流を防止する機能も有する。
圧力調整弁２２２は、水素ガスライン２２を流れる水素ガスの圧力を調整する。具体的には、圧力調整弁２２２は、主燃料ライン２１内の圧力よりも低くなるように水素ガスライン２２を流れる水素ガスの圧力を調整する。

混合部２３は、主燃料ライン２１上の遮断弁２１１よりも下流に設けられ、主燃料と水素ガスとを所定の割合、一例として主燃料：水素ガスを８：２の割合で混合する。なお、主燃料と水素ガスとの混合割合は、これに限られるものではなく任意に設定可能である。即ち、主燃料（都市ガス）及び水素ガスは組成変動のない気体であり混合後の発熱量を予め把握できるため、ボイラ３が安定的に燃焼可能な範囲で混合割合を予め設定しておくことができる。
混合部２３は、主燃料及び水素ガスを混合可能であればよく任意の構成により実現することができるが、本実施形態では混合部２３をエゼクタにより構成することとしている。そのため、混合部２３は、主燃料が通過するときに発生する負圧を利用して水素ガスライン２２から水素ガスを吸引することで、主燃料と水素ガスとを混合する。

このような混合部２３により、混合部２３よりも上流側の主燃料ライン２１Ａには主燃料が流れ、混合部２３よりも下流側の主燃料ライン２１Ｂには混合燃料（主燃料８、水素ガス２）が流れることになる。

制御装置４は、ボイラ３及び各種弁と電気的に接続され、ボイラ３の燃焼状態及び各種弁の開度を制御する。
具体的には、制御装置４は、ボイラ３から発生した蒸気を貯留する図示しない蒸気ヘッダの内部の圧力に基づいてボイラ３の燃焼状態を制御する。即ち、蒸気ヘッダの内部の圧力が所定値よりも低いとより多くの蒸気を発生するようにボイラ３の燃焼状態を制御し、蒸気ヘッダの内部の圧力が所定値よりも高いとより少ない蒸気を発生するようにボイラ３の燃焼状態を制御する。
また、制御装置４は、ボイラ３が燃焼している状態では、遮断弁２１１及び遮断弁２２１を開放することで、ボイラ３に混合燃料を供給可能にし、また、排出弁２１３を閉止することで、主燃料ライン２１から混合燃料が排出されることを防止する。一方、制御装置４は、ボイラ３の燃焼が停止している状態では、遮断弁２１１及び遮断弁２２１を閉止することで、ボイラ３に混合燃料が供給されないようにし、また、排出弁２１３を開放することで、主燃料ライン２１に滞留する混合燃料を主燃料ライン２１から排出する。

続いて、本実施形態に係るボイラシステム１の動作について説明する。
ボイラ３が燃焼している状態では、制御装置４は、遮断弁２１１及び遮断弁２２１を開放し、主燃料供給事業者１００から主燃料ライン２１に主燃料を供給させ、また、水素ガス供給装置１１０から水素ガスライン２２に水素ガスを供給させる。供給された主燃料及び水素ガスは混合部２３で混合され混合燃料となり、ボイラ３に供給される。この混合燃料は、ボイラ３のバーナー性能に応じて適切な比率で混合されるため、ボイラ３は混合燃料に基づいて安定的に燃焼することができ、水素ガスを有効的に利用できる。

また、ボイラ３の燃焼が停止すると混合燃料が使用されなくなり、混合燃料が主燃料ライン２１Ｂに滞留してしまう。この状況を放置すると主燃料ライン２１Ｂ内の混合燃料の圧力が上昇してしまい安全管理上好ましくない。即ち、混合燃料には水素ガスが含まれるため、想定以上に圧力が上昇してしまうと予期せぬ爆発等が起こってしまう。また、主燃料ライン２１Ｂ内の混合燃料の圧力が主燃料ライン２１Ａ内の主燃料よりも高圧になると、主燃料ライン２１Ｂから主燃料ライン２１Ａに混合燃料が逆流するおそれがあり、最悪の場合には主燃料供給事業者１００にまで混合燃料が逆流してしまう。

そこで、ボイラ３の燃焼が停止すると、制御装置４は、排出弁２１３を開放し主燃料ライン２１Ｂから混合燃料を排出する。これにより、主燃料ライン２１Ｂ内で混合燃料の圧力が上昇することがなく、結果、混合燃料が逆流することがない。

以上、第１実施形態のボイラシステム１について説明した。このようなボイラシステム１によれば、次の効果が奏される。

（１）ボイラシステム１の燃料供給部２は、主燃料を供給する主燃料ライン２１と、水素ガスを供給する水素ガスライン２２と、主燃料及び水素ガスを混合し混合燃料を生成する混合部２３と、を含み、ボイラ３に対して混合燃料を供給する。そして、主燃料ライン２１には、主燃料ライン２１から燃料を排出する排出弁２１３が設けられ、制御装置４は、ボイラ３の燃焼が停止することを条件にこの排出弁２１３を開放する。このとき、排出弁２１３は、主燃料供給事業者１００との接続を遮断する遮断弁２１１よりも下流に設けられているため、排出弁２１３が開放されると主燃料ライン２１内の燃料は遮断弁２１１に向かって逆流することなく排出弁２１３から排出される。
これにより、ボイラ３の燃焼が停止したとしても主燃料ライン２１内の混合燃料の圧力が上昇することはなく混合燃料が逆流等することがないため、水素ガスを混合した場合であっても安全にボイラシステム１を運用することができる。

（２）また、排出弁２１３を混合部２３の下流に設ける構成とすることで、混合部２３に向かって混合燃料が逆流することがなくなり、混合部２３の破損等を防止することができる。

（３）また、圧力調整弁２１２及び圧力調整弁２２２により、混合部２３に供給される水素ガスの圧力は、混合部２３に供給される主燃料の圧力よりも低くなる。そのため、水素ガスライン２２から主燃料ライン２１に水素ガスが流入することがなく、結果、主燃料供給事業者１００に水素ガスが逆流することを防止できる。

次に、本発明の第２実施形態に係るボイラシステム１について説明する。
ボイラシステム１では、プラント内で発生した水素ガスを有効利用することとしているが、このような水素ガスは常時安定的な供給が可能とは限らない。第２実施形態のボイラシステム１では、水素ガスの供給量に応じて主燃料の供給量を制御する点で第１実施形態のボイラシステム１と異なる。以下、第２実施形態に係るボイラシステム１について説明する。

図２は、第２実施形態に係るボイラシステム１の構成を示す図である。なお、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
図２に示すように、第２実施形態に係るボイラシステム１は、第１実施形態に加え、流量調整弁２１４と、流量検知部２２３と、を更に備える。

流量検知部２２３は、水素ガスライン２２に設けられ、水素ガスライン２２を流れる水素ガスの流量を検知する。流量検知部２２３は、任意のセンサ装置により構成することができ、本実施形態では圧力センサを用いて水素ガスの流量を検知することとしている。もちろん、圧力センサではなく流量センサを用いることとしてもよい。流量検知部２２３は、制御装置４と電気的に接続されており、検知した水素ガスの流量を制御装置４に送信する。

流量調整弁２１４は、主燃料ライン２１の混合部２３よりも上流側に設けられ、主燃料ライン２１を流れる主燃料の流量を調整する。具体的には、流量調整弁２１４は、制御装置４と電気的に接続されており、制御装置４から送信された制御信号に基づき開度を調整することで、主燃料の流量を調整する。

制御装置４は、流量検知部２２３が検知した水素ガスの流量に基づいて、流量調整弁２１４の開度を調整する。具体的には、水素ガスの流量が規定値から所定範囲にある場合には、流量調整弁の開度を一定にし、水素ガスの流量が所定範囲を超えて規定値よりも小さくなると、流量調整弁の開度を小さくする。

これにより、水素ガスの流量が規定値から所定範囲内にある場合には、予め規定された量の主燃料が供給される。一方、水素ガスの流量が所定範囲を超えて規定値よりも小さい場合には、予め規定された量よりも少ない量の主燃料が供給される。

以上、第２実施形態のボイラシステム１について説明した。このようなボイラシステム１によれば、上記（１）〜（３）に加え次の効果が奏される。

（４）水素ガスライン２２を流れる水素ガスの流量を検知する流量検知部２２３と、主燃料ライン２１を流れる主燃料の流量を調整する流量調整弁２１４と、を更に備え、制御装置４は、流量検知部２２３が検知した水素ガスの流量に基づいて流量調整弁２１４の開度を調整する構成とした。
これにより、プラントでの水素ガスの発生量に応じて主燃料の流量が制御されるため、ボイラ３に供給する燃料の発熱量を調整することができ、ボイラ３を安定的に燃焼させることができる。

（５）このとき、制御装置４は、水素ガスの流量が規定値から所定範囲にある場合、流量調整弁２１４の開度を一定にする一方で、所定範囲を超えて規定値よりも小さくなると、流量調整弁の開度を小さくする構成とした。
このような構成によれば、水素ガスの流量が規定値から所定範囲にある場合には、混合燃料の混合比率が通常とは異なることになるが、混合燃料の発熱量は予め把握可能であるため、ボイラ３が安定的に燃焼可能な範囲で上述の所定範囲を設定しておくことで、流量調整弁２１４の開度を調整することなくボイラ３を安定的に燃焼させることができる。一方、所定範囲を超えて水素ガスの流量が小さくなった場合には、主燃料の流量を減らすことでボイラ３に供給される燃料の発熱量を下げることができ、ボイラ３を安定的に燃焼させることができる。

以上、本発明のボイラシステム１の好ましい各実施形態につき説明したが、本発明は、上述の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。

１ ボイラシステム
２ 燃料供給部
２１ 主燃料ライン
２１１ 遮断弁
２１３ 排出弁
２２ 水素ガスライン
２３ 混合部
３ ボイラ
４ 制御装置

Claims (5)

1. 燃焼可能なボイラと、前記ボイラに対して主燃料及び水素ガスを混合した混合燃料を供給する燃料供給部と、を備えるボイラシステムであって、
   前記燃料供給部は、
   前記ボイラと接続され、前記ボイラに対して前記主燃料を供給する主燃料ラインと、
   前記主燃料ラインに設けられ、主燃料の供給元への逆流を防止する遮断弁と、
   前記主燃料ラインの前記遮断弁よりも下流側に設けられ、前記主燃料及び前記水素ガスを所定の割合で混合する混合部と、
   前記混合部と接続され、前記ボイラに対して前記水素ガスを供給する水素ガスラインと、
   前記主燃料ラインの前記遮断弁よりも下流側に設けられ、前記主燃料ラインを流れる燃料を排出する排出弁と、
   前記ボイラの燃焼が停止することを条件に、前記排出弁を開放する制御部と、
   を備えるボイラシステム。
2. 前記排出弁は前記混合部の下流に設けられる、請求項１に記載のボイラシステム。
3. 前記混合部に供給される前記水素ガスの圧力は、前記混合部に供給される前記主燃料の圧力よりも低い、請求項１又は２に記載のボイラシステム。
4. 前記燃料供給部は、
   前記水素ガスラインを流れる前記水素ガスの流量を検知する流量検知部と、
   前記主燃料ラインの前記混合部よりも上流側に設けられ、前記主燃料ラインを流れる前記主燃料の流量を調整する調整弁と、
   を更に備え、
   前記制御部は、前記流量検知部が検知した前記水素ガスの流量に基づいて、前記調整弁の開度を調整する、
   請求項１〜３のいずれかに記載のボイラシステム。
5. 前記制御部は、前記水素ガスの流量が規定値から所定範囲にある場合、前記調整弁の開度を一定とし、前記所定範囲を超えて前記規定値よりも小さくなると、前記調整弁の開度を小さくする、
   請求項４に記載のボイラシステム。
   
   

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