JP6119505B2

JP6119505B2 - ボイラシステム

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Publication number: JP6119505B2
Application number: JP2013169440A
Authority: JP
Inventors: 康弘兵頭
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2017-04-26
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Description

本発明は、段階値制御ボイラと比例制御ボイラとが混在するボイラ群を有するボイラシステムに関する。

燃焼率を変更して燃焼可能なボイラを複数有するボイラ群と、要求される負荷に応じてボイラ群の燃焼状態を制御する台数制御装置と、を備えるボイラシステムが提案されている。このようなボイラシステムでは、複数のボイラから生成された蒸気を貯留する蒸気ヘッダを備え、この蒸気ヘッダから負荷機器に蒸気を供給することとしている。

従来、このようなボイラシステムとして、燃焼率を段階的に変更して燃焼可能な段階値制御ボイラが広く用いられていたが、近年では、燃焼率を連続的に変更して燃焼可能な比例制御ボイラを用いるボイラシステムも普及し始めている。
なお、段階値制御ボイラとは、複数段階の燃焼位置で燃焼するＮ位置ボイラ（例えば、燃焼停止、低燃焼、高燃焼等の３位置ボイラ）をいい、このような段階値制御ボイラでは、燃焼率が段階的（例えば、５０％毎）に変更される。他方、比例制御ボイラとは、例えば、燃焼率を１％刻みで変更可能なボイラをいい、段階値制御ボイラに比べ細かな調整が可能であり、圧力安定性が向上する。

ここで、段階値制御ボイラにより構成されるボイラシステムでは、台数制御装置は、各ボイラの燃焼パターンを予め設定しておき、蒸気ヘッダの蒸気圧力に対応する燃焼パターンで各ボイラを燃焼させることで、ボイラ群の燃焼状態を制御する（特許文献１参照）。
また、比例制御ボイラにより構成されるボイラシステムでは、台数制御装置は、目標圧力を予め設定しておき、蒸気ヘッダの蒸気圧力と目標圧力との偏差に応じた制御量を算出することで、ボイラ群の燃焼状態を制御する（特許文献２参照）。

特開２０１３−０７２６０９号公報特開２０１０−０４８４６２号公報

特許文献１，２に記載された燃焼制御方法は、ボイラ群が段階値制御ボイラのみ又は比例制御ボイラのみで構成されている状態を想定しているものであり、段階値制御ボイラ及び比例制御ボイラが混在するボイラ群に適用することを想定していなかった。

そこで、本発明は、段階値制御ボイラと比例制御ボイラとが混在するボイラシステムにおいて、それぞれのボイラが持つ優位性を生かした台数制御が可能なボイラシステムを提供することを目的とする。

本発明は、複数の段階的な燃焼位置で燃焼可能な段階値制御ボイラ及び燃焼率を連続的に変更して燃焼可能な比例制御ボイラを備えるボイラ群と、要求負荷に応じて前記ボイラ群の燃焼状態を制御する制御部と、を備えるボイラシステムであって、前記制御部は、要求負荷に応じた要求蒸気量分の蒸気を前記比例制御ボイラから出力するように前記ボイラ群の燃焼状態を制御する出力制御部と、前記比例制御ボイラから出力する蒸気量が前記段階値制御ボイラにおいて燃焼可能な燃焼位置に相当する蒸気量を超える所定蒸気量に達することを条件に、当該燃焼位置に相当する蒸気量の出力を前記比例制御ボイラから前記段階値制御ボイラに切り換える出力切換部と、を備えるボイラシステムに関する。

また、前記所定蒸気量は、前記燃焼位置に相当する蒸気量よりも前記比例制御ボイラが出力可能な最小蒸気量分多いこととしてもよい。

また、前記所定蒸気量は、前記燃焼位置に相当する蒸気量よりも前記比例制御ボイラのボイラ効率が所定閾値よりも高くなるエコ運転ゾーンの下限値に相当する蒸気量分多いこととしてもよい。

また、前記出力切換部は、前記段階値制御ボイラが最も効率のよい燃焼位置で燃焼している場合、前記比例制御ボイラから出力する蒸気量が前記所定蒸気量に達しても、前記比例制御ボイラの出力を維持することとしてもよい。

本発明によれば、比例制御ボイラを負荷追従用に用いる一方で、段階値制御ボイラをベース燃焼用に用いるため、両ボイラが持つ優位性を生かした台数制御が可能になる。

本発明の本実施形態のボイラシステムの概略を示す図である。上記実施形態のボイラ群の概略を示す図である。ボイラ群を構成する段階値制御ボイラ及び比例制御ボイラのボイラ特性を示す図である。台数制御装置の制御部の機能構成を示すブロック図である。段階値制御ボイラ−比例制御ボイラ間で蒸気量の出力を切り換える場合の動作例を示す図である。段階値制御ボイラ−比例制御ボイラ間で蒸気量の出力を切り換える場合の動作例を示す図である。段階値制御ボイラ−比例制御ボイラ間で蒸気量の出力を切り換える場合の動作例を示す図である。段階値制御ボイラ−比例制御ボイラ間で蒸気量の出力を切り換える場合の動作例を示す図である。段階値制御ボイラ−比例制御ボイラ間で蒸気量の出力を切り換える場合の動作例を示す図である。

以下、本発明のボイラシステム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、本実施形態に係るボイラシステム１の全体構成につき、図１を参照しながら説明する。ボイラシステム１は、段階値制御ボイラ２０Ａ及び比例制御ボイラ２０Ｂが混在するボイラ群２と、これら複数のボイラ２０Ａ、２０Ｂにおいて生成された蒸気を集合させる蒸気ヘッダ６と、この蒸気ヘッダ６の内部の圧力を測定する蒸気圧センサ７と、ボイラ群２の燃焼状態を制御する制御部４を有する台数制御装置３と、を備える。

ボイラ２０Ａ及び２０Ｂは、それぞれ、図１に示すように、燃焼が行われるボイラ本体２１Ａ及び２１Ｂと、ボイラ２０Ａ及び２０Ｂの燃焼状態を制御するローカル制御部２２Ａ及び２２Ｂと、を備える。

ローカル制御部２２Ａ及び２２Ｂは、それぞれ、蒸気消費量に応じてボイラ２０Ａ及び２０Ｂの燃焼状態を変更させる。具体的には、ローカル制御部２２Ａ及び２２Ｂは、信号線１６を介して台数制御装置３から送信される制御信号に基づいて、ボイラ２０Ａ及び２０Ｂの燃焼状態を制御する。また、ローカル制御部２２Ａ及び２２Ｂは、台数制御装置３で用いられる信号を、信号線１６を介して台数制御手段に送信する。台数制御装置３で用いられる信号としては、ボイラ２０Ａ及び２０Ｂの実際の燃焼状態、及びその他のデータ等が挙げられる。

ボイラ群２は、蒸気使用設備１８に供給する蒸気を生成する。
蒸気ヘッダ６は、蒸気管１１を介してボイラ群２を構成する複数のボイラ２０Ａ及び２０Ｂに接続されている。この蒸気ヘッダ６の下流側は、蒸気管１２を介して蒸気使用設備１８に接続されている。
蒸気ヘッダ６は、ボイラ群２で生成された蒸気を集合させて貯留することにより、複数のボイラ２０Ａ及び２０Ｂの相互の圧力差及び圧力変動を調整し、圧力が調整された蒸気を蒸気使用設備１８に供給する。

蒸気圧センサ７は、信号線１３を介して、台数制御装置３に電気的に接続されている。蒸気圧センサ７は、蒸気ヘッダ６の内部の蒸気圧（ボイラ群２で発生した蒸気の圧力）を測定し、測定した蒸気圧に係る信号（蒸気圧信号）を、信号線１３を介して台数制御装置３に送信する。

台数制御装置３は、信号線１６を介して、複数のボイラ２０Ａ及び２０Ｂと電気的に接続されている。この台数制御装置３は、蒸気圧センサ７により測定される蒸気ヘッダ６の内部の蒸気圧に基づいて、各ボイラ２０Ａ及び２０Ｂの燃焼状態を制御する。

以上のボイラシステム１は、ボイラ群２で発生させた蒸気を、蒸気ヘッダ６を介して、蒸気使用設備１８に供給可能とされている。
ボイラシステム１において要求される負荷（要求負荷）は、蒸気使用設備１８における蒸気消費量である。台数制御装置３は、この蒸気消費量の変動に対応して生じる蒸気ヘッダ６の内部の蒸気圧の変動を、蒸気圧センサ７が測定する蒸気ヘッダ６の内部の蒸気圧（物理量）に基づいて算出し、ボイラ群２を構成する各ボイラ２０Ａ及び２０Ｂの燃焼状態を制御する。

具体的には、蒸気使用設備１８の需要の増大により蒸気消費量が増加し、蒸気ヘッダ６に供給される出力蒸気量が不足すれば、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値が減少する。一方、蒸気使用設備１８の需要の低下により蒸気消費量が減少し、蒸気ヘッダ６に供給される出力蒸気量が過剰になれば、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値が増加する。台数制御装置３は、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値の変動に基づいて、蒸気消費量の変動をモニターする。そして、台数制御装置３は、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値に基づき算出した目標蒸気量分の蒸気を生成するように各ボイラ２０Ａ及び２０Ｂの燃焼量を制御する。

ここで、図２を参照して、本実施形態のボイラシステム１を構成するボイラ群２について説明する。図２は、本実施形態に係るボイラ群２の概略を示す図である。
本実施形態のボイラ群２は、３台の段階値制御ボイラ２０Ａと、２台の比例制御ボイラ２０Ｂとからなり、３台の段階値制御ボイラ２０Ａは段階値制御ボイラ群２Ａを構成し、２台の比例制御ボイラは比例制御ボイラ群２Ｂを構成する。

（段階値制御ボイラ２０Ａの説明）
段階値制御ボイラ２０Ａとは、燃焼を選択的にオン／オフしたり、又は炎の大きさを調整すること等により燃焼量を制御して、選択された燃焼位置に応じて燃焼量を段階的に増減可能なボイラである。

本実施形態の段階値制御ボイラ２０Ａは、各燃焼位置における燃焼量、及び最大燃焼量としての燃焼能力（高燃焼位置における燃焼量）が段階値制御ボイラ２０Ａのそれぞれで等しく設定され、以下の４段階で燃焼状態（燃焼位置、燃焼率）を制御可能とされており、いわゆる４位置制御されるボイラである。
１）燃焼停止位置（第１燃焼位置：０％）
２）低燃焼位置Ｌ（第２燃焼位置：例えば最大燃焼量の５〜３５％で設定される、本実施形態では２０％）
３）中燃焼位置Ｍ（第３燃焼位置：例えば最大燃焼量の４０〜７０％で設定される、本実施形態では４５％）
４）高燃焼位置Ｈ（第４燃焼位置：１００％（最大燃焼量））。

なお、段階値制御ボイラ群２Ａの段階値制御ボイラ２０Ａとして、４位置制御以外に、燃焼量が燃焼停止位置（第１燃焼位置）、低燃焼位置Ｌ（第２燃焼位置）、及び高燃焼位置Ｈ（第３燃焼位置）の３段階の燃焼位置に制御可能とされる、いわゆる３位置制御や、また５位置以上としてもよい。また、各段階値制御ボイラ２０Ａのボイラ容量、燃焼位置の段階数等が、各段階値制御ボイラ２０Ａのそれぞれで異なることとしてもよい。

段階値制御ボイラ群２Ａの各ボイラ２０Ａには、それぞれ優先順位が設定されている。段階値制御ボイラ２０Ａに対する優先順位の設定は、任意に行うことができ、本実施形態では、段階値制御ボイラ２０Ａの燃焼位置毎に優先順位を設定している。具体的には、図２（Ｂ）に示すように、１号機ボイラの低燃焼位置Ｌに優先順位１位を設定し、１号機ボイラの中燃焼位置Ｍに優先順位２位を設定している。また、優先順位３位は、１号機ボイラの高燃焼位置Ｈではなく、２号機ボイラの低燃焼位置Ｌを設定している。なお、図２（Ｂ）に示す優先順位の設定は、一例に過ぎない。
台数制御装置３（制御部４）は、優先順位が高い段階値制御ボイラ２０Ａ（の燃焼位置）から順に燃焼させ、優先順位が低い段階値制御ボイラ２０Ａ（の燃焼位置）から順に燃焼を停止する。

続いて、段階値制御ボイラ２０Ａのボイラ特性（効率特性）について説明する。図３は、ボイラ群２を構成する段階値制御ボイラ２０Ａ及び比例制御ボイラ２０Ｂのボイラ特性を示す図である。
段階値制御ボイラ２０Ａは、複数の段階的な燃焼位置で燃焼するところ、それぞれの燃焼位置でボイラ効率（段階値制御ボイラ２０Ａの熱効率）が異なる。図３に示すように、本実施形態の段階値制御ボイラ２０Ａでは、複数の燃焼位置のうち燃焼させる上で最も燃焼効率の良い燃焼位置（エコ燃焼位置）が中燃焼位置Ｍに設定されている。

（比例制御ボイラ２０Ｂの説明）
比例制御ボイラ２０Ｂとは、少なくとも、最小燃焼状態Ｓ１（例えば、最大燃焼率の２０％の燃焼量における燃焼状態）から最大燃焼状態Ｓ２の範囲で、燃焼量が連続的に制御可能とされているボイラである。比例制御ボイラ２０Ｂは、例えば、燃料をバーナに供給するバルブや、燃焼用空気を供給するバルブの開度（燃焼比）を制御することにより、燃焼量を調整するようになっている。

また、燃焼量を連続的に制御するとは、ローカル制御部２２Ｂにおける演算や信号がデジタル方式とされて段階的に取り扱われる場合（例えば、比例制御ボイラ２０Ｂの出力（燃焼量）が１％刻みで制御される場合）であっても、事実上連続的に出力を制御可能な場合を含む。

本実施形態では、比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼停止状態Ｓ０と最小燃焼状態Ｓ１との間の燃焼状態の変更は、比例制御ボイラ２０Ｂ（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Ｓ１から最大燃焼状態Ｓ２の範囲においては、燃焼量が連続的に制御可能となっている。
より具体的には、複数の比例制御ボイラ２０Ｂそれぞれには、変動可能な蒸気量の単位である単位蒸気量Ｕが設定されている。これにより、比例制御ボイラ２０Ｂは、最小燃焼状態Ｓ１から最大燃焼状態Ｓ２の範囲においては、単位蒸気量Ｕ単位で、蒸気量を変更可能となっている。

単位蒸気量Ｕは、比例制御ボイラ２０Ｂの最大燃焼状態Ｓ２における蒸気量（最大蒸気量）に応じて適宜設定できるが、ボイラシステム１における出力蒸気量の必要蒸気量に対する追従性を向上させる観点から、比例制御ボイラ２０Ｂの最大蒸気量の０．１％〜２０％に設定されることが好ましく、１％〜１０％に設定されることがより好ましい。

また、比例制御ボイラ群２Ｂに属する複数の比例制御ボイラ２０Ｂには、図２（Ｂ）に示すように、それぞれ優先順位が設定されている。なお、本実施形態では、蒸気消費量が増加した場合には、優先順位の高い比例制御ボイラ２０Ｂから順に燃焼率を増加させ、蒸気消費量が減少した場合には、優先順位の低い比例制御ボイラ２０Ｂから順に燃焼率を減少させる。

続いて、図３を参照して、比例制御ボイラ２０Ｂのボイラ特性（効率特性）について説明する。
比例制御ボイラ２０Ｂは、最小燃焼状態Ｓ１から最大燃焼状態Ｓ２の範囲で燃焼率を連続的に変更することができるが、燃焼率によってボイラ効率（比例制御ボイラ２０Ｂの熱効率）が異なる。そこで、ボイラ効率が最も高くなる（例えば、９８％）燃焼率をエコ運転ポイントとして設定し、また、ボイラ効率が所定値（例えば、９７％）よりも高くなる燃焼率の範囲をエコ運転ゾーンとして設定する。図３を参照すると、比例制御ボイラ２０Ｂのエコ運転ポイントは燃焼率５０％であり、エコ運転ゾーンは、燃焼率３０％から７０％の範囲である。

次に、台数制御装置３の構成について詳細に説明する。台数制御装置３は、図１に示すように、制御部４と記憶部５とを備える。

制御部４は、信号線１６を介して段階値制御ボイラ２０Ａ及び比例制御ボイラ２０Ｂに各種の指示を送信したり、各ボイラ２０Ａ又は２０Ｂから各種のデータを受信したりして、段階値制御ボイラ２０Ａ及び比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼状態及び運転台数の制御を実行する。各ボイラ２０Ａ又は２０Ｂは、台数制御装置３から燃焼状態の変更指示の信号を受けると、その指示に従って該当するボイラ２０Ａ又は２０Ｂの燃焼量を制御する。制御部４の詳細な構成については後述する。

記憶部５は、各ボイラ２０Ａ又は２０Ｂに送信された指示に関する情報、各ボイラ２０Ａ又は２０Ｂから受信した燃焼状態に関する情報、各ボイラ群２Ａ又は２Ｂの優先順位に関する情報等を記憶する。

次に、制御部４の構成について更に詳細に説明する。本実施形態では、蒸気使用設備１８の要求に応じて、初めに比例制御ボイラ２０Ｂを燃焼させる。そして、この比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が段階値制御ボイラ２０Ａにおいて出力可能な蒸気量になると、段階値制御ボイラ２０Ａを燃焼させ、当該蒸気量の出力を比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに切り換える。このような制御を実現するため、図４に示すように、制御部４は、出力制御部４１と、出力切換部４２と、を含んで構成される。

出力制御部４１は、要求負荷に対応する要求蒸気量分の蒸気を比例制御ボイラ２０Ｂから出力するようにボイラ群２の燃焼状態を制御する。即ち、出力制御部４１は、比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼率を連続的に制御することで、ボイラ群２が出力する蒸気量を要求蒸気量に追従させる。

出力切換部４２は、出力制御部４１の制御により比例制御ボイラ２０Ｂから出力する蒸気量が、段階値制御ボイラ２０Ａにおいて燃焼可能な燃焼位置に相当する蒸気量を超える所定蒸気量に達することを条件に、当該燃焼位置に相当する蒸気量の出力を比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに切り換える。
詳細については後述するが、出力切換部４２は、段階値制御ボイラ２０Ａに設定された優先順位に従い、蒸気量の出力を比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに切り換える。一例として、段階値制御ボイラ２０Ａの全てが燃焼を停止している場合、優先順位１位の１号機ボイラの低燃焼位置Ｌが最も優先順位が高い。そのため、出力切換部４２は、比例制御ボイラ２０Ｂから出力する蒸気量が、１号機ボイラの低燃焼位置Ｌに相当する蒸気量を超える所定蒸気量に達することを条件に、蒸気量の出力を比例制御ボイラ２０Ｂから１号機ボイラの低燃焼位置Ｌに切り換える。

なお、出力切換部４２が切り換えを行う所定蒸気量は、任意に設定することができる。この点、本実施形態では所定蒸気量の設定を、ボイラシステム１の安定性、又は比例制御ボイラ２０Ｂの効率的な燃焼の観点から設定することとしている。
即ち、比例制御ボイラ２０Ｂが出力する蒸気量を段階値制御ボイラ２０Ａに切り換えた場合、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が減少し、比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼率が低下する。この燃焼率の低下を前提に、上記観点から所定蒸気量を設定する。

ボイラシステム１の安定性を考慮して所定蒸気量を設定する場合について説明する。
上述のように、比例制御ボイラ２０Ｂといっても燃焼停止状態Ｓ０から最小燃焼状態Ｓ１までは、オン／オフで段階的に行われる。そのため、切り換えにより低下した燃焼率が最小燃焼状態Ｓ１よりも低い場合、比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼が停止してしまい、その後の負荷変動によっては比例制御ボイラ２０Ｂの発停が繰り返されてしまう。
そこで、段階値制御ボイラ２０Ａにおいて燃焼可能な燃焼位置よりも比例制御ボイラ２０Ｂの最小燃焼状態Ｓ１で出力される最小蒸気量分多い蒸気量を、所定蒸気量として設定する。これにより、出力切換部４２の切り換えにより比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼率が低下した場合であっても、比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼率は、最小燃焼状態Ｓ１までしか低下せず、比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼が停止することがない。

比例制御ボイラ２０Ｂの効率的な燃焼の観点から所定蒸気量を設定する場合について説明する。
上述のように比例制御ボイラ２０Ｂには、ボイラ効率が高い燃焼率の範囲（エコ運転ゾーン）が設定されている。比例制御ボイラ２０Ｂをこのエコ運転ゾーンで燃焼させ続けることで、比例制御ボイラ２０Ｂを効率的に燃焼させることができる。
そこで、出力切換部４２の切り換えにより比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼率が低下した場合であっても、比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼率がエコ運転ゾーンの範囲内になるように所定蒸気量を設定する。一例としては、段階値制御ボイラ２０Ａにおいて燃焼可能な燃焼位置よりもエコ運転ゾーンの下限値の燃焼率で出力される蒸気量分多い蒸気量を、所定蒸気量として設定する。これにより、比例制御ボイラ２０Ｂをエコ運転ゾーンの範囲内で燃焼させ続けることができる。

なお、以上のような比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａへの切り換えは、要求負荷が増加する場合に行われる。一方、要求負荷が減少する場合には、出力切換部４２は、段階値制御ボイラ２０Ａから比例制御ボイラ２０Ｂへの切り換えを行う。即ち、出力切換部４２は、段階値制御ボイラ２０Ａが燃焼している状態で、比例制御ボイラ２０Ｂから出力する蒸気量が特定蒸気量に達することを条件に、段階値制御ボイラ２０Ａが出力する蒸気量を比例制御ボイラ２０Ｂに切り換える。
詳細については後述するが、出力切換部４２は、段階値制御ボイラ２０Ａに設定された優先順位に従い、蒸気量の出力を段階値制御ボイラ２０Ａから比例制御ボイラ２０Ｂに切り換える。一例として、段階値制御ボイラ２０Ａの全てが燃焼している場合、優先順位９位の３号機ボイラの高燃焼位置Ｈが最も優先順位が低い。そのため、出力切換部４２は、比例制御ボイラ２０Ｂから出力する蒸気量が特定蒸気量に達することを条件に、３号機ボイラの燃焼位置を高燃焼位置Ｈから中燃焼位置Ｍに変更するとともに、３号機ボイラの高燃焼位置Ｈに対応する蒸気量（高燃焼位置Ｈ−中燃焼位置Ｍ）の出力を３号機ボイラから比例制御ボイラ２０Ｂに切り換える。

なお、特定蒸気量は、所定蒸気量と同様に任意に設定することができる。本実施形態では、一例として、比例制御ボイラ２０Ｂの最小蒸気量、又は比例制御ボイラ２０Ｂのエコ運転ゾーンの下限値の燃焼率で出力される蒸気量を、特定蒸気量として設定することとしている。

以上、ボイラシステム１の構成について説明した。続いて、ボイラシステム１の動作について説明する。図５は、比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに蒸気量の出力を切り換える場合の動作を示し、図６は、段階値制御ボイラ２０Ａから比例制御ボイラ２０Ｂに蒸気量の出力を切り換える場合の動作を示す。なお、図５は、所定蒸気量として、段階値制御ボイラ２０Ａにおいて燃焼可能な燃焼位置よりも比例制御ボイラ２０Ｂの最小蒸気量分多い蒸気量を設定した場合の動作を示し、図６は、特定蒸気量として比例制御ボイラ２０Ｂの最小蒸気量を設定した場合の動作を示す。
また、図５、図６では、説明を簡易にするため、２台の段階値制御ボイラ２０Ａ及び１台の比例制御ボイラ２０Ｂの計３台のボイラ２０Ａ，２０Ｂによりボイラ群２が構成されるものとし、２台の段階値制御ボイラ２０Ａには、図中（１）〜（６）の順に優先順位が設定されているものとする。

図５（Ａ１）を参照して、段階値制御ボイラ２０Ａが燃焼を停止し、比例制御ボイラ２０Ｂが最小燃焼状態Ｓ１で燃焼している。このとき、要求負荷が増加すると、出力制御部４１は、比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼率を増加し、ボイラ群２から出力される蒸気量を要求負荷に追従させる。
その結果、図５（Ｂ１）に示すように、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が、比例制御ボイラ２０Ｂの最小蒸気量よりも段階値制御ボイラ２０Ａの優先順位１位の燃焼位置（低燃焼位置Ｌ）において出力される蒸気量（＋α）分だけ多い蒸気量（所定蒸気量）まで増加する。なお、＋αとは、ボイラシステム１の安定性を確保するための余剰量である。

このように比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が所定蒸気量に達すると、出力切換部４２は、比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに蒸気量の出力を切り換える。具体的には、図５（Ｃ１）に示すように、燃焼を停止していた段階値制御ボイラ２０Ａの優先順位１位の低燃焼位置Ｌが燃焼を開始する一方で、比例制御ボイラ２０Ｂから出力する蒸気量をこの低燃焼位置Ｌに相当する分だけ減少する。

その後、同様に出力制御部４１により、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が、比例制御ボイラ２０Ｂの最小蒸気量よりも段階値制御ボイラ２０Ａの優先順位２位の燃焼位置（中燃焼位置Ｍ）において出力される蒸気量（＋α）分だけ多い蒸気量（所定蒸気量）まで増加すると（図５（Ｄ１））、出力切換部４２は、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量を、優先順位２位の段階値制御ボイラ２０Ａ（中燃焼位置Ｍ）に切り換える（図５（Ｅ１））。

以降も同様に、出力制御部４１により、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が、比例制御ボイラ２０Ｂの最小蒸気量よりも段階値制御ボイラ２０Ａの優先順位３位、４位、５位、６位の燃焼位置において出力される蒸気量（＋α）分だけ多い蒸気量（所定蒸気量）まで増加すると、出力切換部４２は、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量を、段階値制御ボイラ２０Ａに切り換える（図５（Ｆ１）〜（Ｎ１））。

続いて、図６（Ａ２）を参照して、段階値制御ボイラ２０Ａが優先順位１位から６位まで全て燃焼し、比例制御ボイラ２０Ｂが所定の燃焼率で燃焼している。このとき、要求負荷が減少すると、出力制御部４１は、比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼率を減少し、ボイラ群２から出力される蒸気量を要求負荷に追従させる。

その結果、図６（Ｂ２）に示すように、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が、比例制御ボイラ２０Ｂの最小蒸気量まで減少する。
すると、出力切換部４２は、段階値制御ボイラ２０Ａから比例制御ボイラ２０Ｂに蒸気量の出力を切り換える。具体的には、図６（Ｃ２）に示すように、燃焼していた段階値制御ボイラ２０Ａの優先順位６位の高燃焼位置Ｈの燃焼を停止する一方で、比例制御ボイラ２０Ｂから出力する蒸気量をこの高燃焼位置Ｈに相当する分だけ増加する。

その後、同様に出力制御部４１により、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が最小蒸気量まで減少すると（図６（Ｄ２））、出力切換部４２は、優先順位５位の段階値制御ボイラ２０Ａ（高燃焼位置Ｈ）により出力される蒸気量を、比例制御ボイラ２０Ｂに切り換える（図６（Ｅ２））。

以降も同様に、出力制御部４１により、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が最小蒸気量まで減少すると、出力切換部４２は、優先順位４位、３位、２位、１位の段階値制御ボイラ２０Ａにより出力される蒸気量を、比例制御ボイラ２０Ｂに切り換える（図６（Ｆ２）〜（Ｎ２））。

続いて、所定蒸気量として、段階値制御ボイラ２０Ａにおいて燃焼可能な燃焼位置よりもエコ運転ゾーンの下限値の燃焼率で出力される蒸気量分多い蒸気量を設定した場合の動作、及び、特定蒸気量としてエコ運転ゾーンの下限値の燃焼率で出力される蒸気量を設定した場合の動作を、図７及び図８を参照して説明する。

図７を参照して、（Ａ１）〜（Ｃ１）は、図５（Ａ１）〜（Ｃ１）と対応しており、所定蒸気量として、段階値制御ボイラ２０Ａにおいて燃焼可能な燃焼位置よりも比例制御ボイラ２０Ｂの最小蒸気量分多い蒸気量を設定した場合の動作を示す。一方、（Ａ３）〜（Ｃ３）は、所定蒸気量として、段階値制御ボイラ２０Ａにおいて燃焼可能な燃焼位置よりもエコ運転ゾーンの下限値の燃焼率で出力される蒸気量分多い蒸気量を設定した場合の動作を示す。

図７（Ａ１）〜（Ｃ１）と図７（Ａ３）〜（Ｃ３）とでは、比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに出力される蒸気量を切り換えるタイミングが異なる。即ち、図７（Ａ１）〜（Ｃ１）では、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が、段階値制御ボイラ２０Ａにおいて燃焼可能な燃焼位置よりも最小蒸気量（＋α）分多い蒸気量になると、段階値制御ボイラ２０Ａに蒸気量の出力を切り換えるのに対して、図７（Ａ３）〜（Ｃ３）では、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が、段階値制御ボイラ２０Ａにおいて燃焼可能な燃焼位置よりもエコ運転ゾーンの下限値の燃焼率で出力される蒸気量（＋α）分多い蒸気量になると、段階値制御ボイラ２０Ａに蒸気量の出力を切り換える。
図７（Ａ３）〜（Ｃ３）のように蒸気量の出力を切り換えることで、切り換えた後であっても比例制御ボイラ２０Ｂをエコ運転ゾーンの範囲で燃焼させることができ、好適である。

図８を参照して、（Ａ２）〜（Ｃ２）は、図６（Ａ２）〜（Ｃ２）と対応しており、特定蒸気量として、比例制御ボイラ２０Ｂの最小蒸気量を設定した場合の動作を示す。一方、（Ａ４）〜（Ｃ４）は、特定蒸気量として、エコ運転ゾーンの下限値の燃焼率で出力される蒸気量を設定した場合の動作を示す。
なお、図８（Ａ４）〜（Ｃ４）では、２台の段階値制御ボイラ２０Ａ及び２台の比例制御ボイラ２０Ｂの計４台のボイラ２０Ａ，２０Ｂによりボイラ群２が構成されるものとしている。

図８（Ａ２）〜（Ｃ２）と図８（Ａ４）〜（Ｃ４）とでは、段階値制御ボイラ２０Ａから比例制御ボイラ２０Ｂに出力される蒸気量を切り換えるタイミングが異なる。即ち、図８（Ａ２）〜（Ｃ２）では、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が最小蒸気量まで減少すると、段階値制御ボイラ２０Ａから比例制御ボイラ２０Ｂに蒸気量の出力を切り換えるのに対して、図８（Ａ４）〜（Ｃ４）では、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量がエコ運転ゾーンの下限値の燃焼率で出力される蒸気量まで減少すると、段階値制御ボイラ２０Ａから比例制御ボイラ２０Ｂに蒸気量の出力を切り換える。
図８（Ａ４）〜（Ｃ４）のように蒸気量の出力を切り換えることで、比例制御ボイラ２０Ｂをエコ運転ゾーンの範囲で長時間燃焼させることができ、好適である。

ところで、図８（Ａ２）〜（Ｃ２）では比例制御ボイラ２０Ｂが１台であるのに対して、図８（Ａ４）〜（Ｃ４）では比例制御ボイラ２０Ｂが２台である。
この点、比例制御ボイラ２０Ｂが１台である場合、段階値制御ボイラ２０Ａから比例制御ボイラ２０Ｂに出力される蒸気量を切り換えると、当該比例制御ボイラ２０Ｂのみに切り換える蒸気量が割り振られることになる。図８（Ｂ２）（Ｃ２）を参照して、出力切換部４２により、段階値制御ボイラ２０Ａの優先順位６位の高燃焼位置Ｈに対応する蒸気量が１台の比例制御ボイラ２０Ｂに切り換えられている。即ち、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量は、優先順位６位の高燃焼位置Ｈに対応する蒸気量分だけ増加する。
一方、比例制御ボイラ２０Ｂが２台（複数）である場合、段階値制御ボイラ２０Ａから比例制御ボイラ２０Ｂに出力される蒸気量を切り換えると、２台（複数）の比例制御ボイラ２０Ｂに切り換える蒸気量が割り振られることになる。図８（Ｂ４）（Ｃ４）を参照して、出力切換部４２により、段階値制御ボイラ２０Ａの優先順位６位の高燃焼位置Ｈに対応する蒸気量が２台の比例制御ボイラ２０Ｂに切り換えられている。即ち、２台の比例制御ボイラ２０Ｂのそれぞれから出力される蒸気量は、優先順位６位の高燃焼位置Ｈに対応する蒸気量の半分だけ増加する。

以上、ボイラシステム１の動作の一例について説明した。ところで、上述のように段階値制御ボイラ２０Ａには、複数の燃焼位置のうち燃焼させる上で最も燃焼効率の良い燃焼位置（エコ燃焼位置）が存在する。この点、図５〜図８では、段階値制御ボイラ２０Ａのボイラ効率を考慮していないが、段階値制御ボイラ２０Ａの効率を考慮し、出力する蒸気量の切り換えを行うこととしてもよい。
図９は、段階値制御ボイラ２０Ａのボイラ効率を考慮した場合の、ボイラシステム１の動作を示す図である。なお、図９（Ｉ１）〜（Ｋ１）は、図５（Ｉ１）〜（Ｋ１）と対応している。また、図９（Ｉ５）〜（Ｋ５）では、比例制御ボイラ２０Ｂが２台である場合の動作例を示している。上述のように、比例制御ボイラ２０Ｂが２台（複数）である場合、出力切換部４２により切り換えられる蒸気量が、比例制御ボイラ２０Ｂの台数で除算した値となる。

図９（Ｉ１）を参照して、比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに蒸気量の出力が切り換えられた結果、段階値制御ボイラ２０Ａは、優先順位４位の中燃焼位置Ｍで燃焼している。ここで、段階値制御ボイラ２０Ａの中燃焼位置Ｍは、エコ燃焼位置であるとする。
段階値制御ボイラ２０Ａのボイラ効率を考慮しない場合、その後、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が所定蒸気量まで増加すると（図９（Ｊ１））、出力切換部４２は、比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに出力する蒸気量を切り換える。その結果、図９（Ｋ１）に示すように、段階値制御ボイラ２０Ａは、エコ燃焼位置を外れ、高燃焼位置Ｈで燃焼することになる。

図９（Ｉ５）〜（Ｋ５）を参照して、段階値制御ボイラ２０Ａのボイラ効率を考慮する場合の動作について説明する。図９（Ｉ５）において、段階値制御ボイラ２０Ａは、エコ燃焼位置（中燃焼位置Ｍ）で燃焼している。
その後、要求負荷が増加すると、図９（Ｊ５）に示すように、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が所定蒸気量まで増加する。なお、図９（Ｊ５）では、２台の比例制御ボイラ２０Ｂが存在するため、２台の比例制御ボイラ２０Ｂのそれぞれから出力される蒸気量が、最小蒸気量よりも優先順位５位の高燃焼位置Ｈに対応する蒸気量の半分だけ多くなったタイミングが、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が所定蒸気量まで増加したタイミングとなる。

段階値制御ボイラ２０Ａのボイラ効率を考慮しない場合には、出力切換部４２は、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が所定蒸気量まで増加したことに応じて、比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに蒸気量の出力を切り換える。一方、段階値制御ボイラ２０Ａのボイラ効率を考慮する場合には、出力切換部４２は、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が所定蒸気量まで増加したとしても、比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに蒸気量の出力を切り換えることがない。その結果、図９（Ｋ５）に示すように、比例制御ボイラ２０Ｂから出力される蒸気量が所定蒸気量を超えて増加することになる。
これにより、段階値制御ボイラ２０Ａを効率良く燃焼させることができる。なお、この場合、比例制御ボイラ２０Ｂの燃焼率が最大燃焼率まで増加する等すると、出力切換部４２は、比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに蒸気量の出力を切り換える。

以上説明した本実施形態のボイラシステム１によれば、以下のような効果を奏する。

（１）本実施形態のボイラシステム１においては、要求負荷が増加すると、出力制御部４１は、比例制御ボイラ２０Ｂから出力する蒸気量を増加することで、出力する蒸気量を要求負荷に追従させる。そして、比例制御ボイラ２０Ｂから出力する蒸気量が、段階値制御ボイラ２０Ａの優先順位が最も高い燃焼位置に対応する蒸気量を超える所定蒸気量に達すると、出力切換部４２は、この燃焼位置に対応する蒸気量の出力を、比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに切り換える。
即ち、要求負荷との誤差の調整に燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラ２０Ｂを用いる一方で、誤差が段階値制御ボイラ２０Ａの燃焼位置に相当するほど増加した場合に、この誤差が定常的に生じるものであるとして段階値制御ボイラ２０Ａに担当させる。これにより、比例制御ボイラ２０Ｂを要求負荷に対する負荷追従用に用いることができる一方で、定常的に必要になる蒸気量に対するベース燃焼用に段階値制御ボイラ２０Ａを用いることができる。その結果、両ボイラが持つ優位性を生かした台数制御が可能になる。

（２）また、段階値制御ボイラ２０Ａの燃焼位置に相当する蒸気量よりも比例制御ボイラ２０Ｂが出力可能な最小蒸気量分多い蒸気量を所定蒸気量として設定することで、比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに出力する蒸気量を切り換えたとしても、比例制御ボイラ２０Ｂを燃焼させ続けることができる。即ち、比例制御ボイラ２０Ｂの発停を伴うことなく、出力する蒸気量を切り換えることができ、ボイラシステム１を安定的に運転することができる。

（３）また、段階値制御ボイラ２０Ａにおいて燃焼可能な燃焼位置よりも比例制御ボイラ２０Ｂの最小蒸気量分多い蒸気量を所定蒸気量として設定することで、比例制御ボイラ２０Ｂから段階値制御ボイラ２０Ａに出力する蒸気量を切り換えたとしても、比例制御ボイラ２０Ｂをエコ運転ゾーンの範囲で燃焼させることができる。即ち、比例制御ボイラ２０Ｂを効率良く燃焼させることができ、ボイラシステム１を効率的に運転することができる。

（４）また、段階値制御ボイラ２０Ａがエコ燃焼位置で燃焼している場合、比例制御ボイラから出力される蒸気量が所定蒸気量に達しても、出力切換部４２による切り換えを行わない。これにより、ベース燃焼用の段階値制御ボイラ２０Ａを効率良く燃焼させ続けることができ、ボイラシステム１を効率的に運転することができる。

以上、本発明のボイラシステム１の好ましい一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。
例えば、本実施形態では、本発明を、５台のボイラ２０Ａ，２０Ｂからなるボイラ群２を備えるボイラシステムに適用したが、これに限らない。即ち、本発明は、１以上の段階値制御ボイラ２０Ａと、１以上の比例制御ボイラ２０Ｂとが混在するボイラ群２であれば適用可能である。

また、上記実施形態では、比例制御ボイラ２０Ｂのエコ運転ゾーンの下限値に基づいて、所定蒸気量や特定蒸気量を設定することとしている。この点、エコ運転ゾーンの下限値に基づく設定は、切り換え前後において比例制御ボイラ２０Ｂをエコ運転ゾーンの範囲内で燃焼させるためのものであり、当該設定は、下限値に限らずエコ運転ゾーンの範囲内の任意の値に基づいて行うこととしてもよい。

１ボイラシステム
２ボイラ群
２０Ａ段階値制御ボイラ
２０Ｂ比例制御ボイラ
３台数制御装置
４制御部
４１出力制御部
４２出力切換部
５記憶部

Claims

複数の段階的な燃焼位置で燃焼可能な段階値制御ボイラ及び燃焼率を連続的に変更して燃焼可能な比例制御ボイラを備えるボイラ群と、要求負荷に応じて前記ボイラ群の燃焼状態を制御する制御部と、を備えるボイラシステムであって、
前記制御部は、
要求負荷に応じた要求蒸気量分の蒸気を前記比例制御ボイラから出力するように前記ボイラ群の燃焼状態を制御する出力制御部と、
前記比例制御ボイラから出力する蒸気量が前記段階値制御ボイラにおいて燃焼可能な燃焼位置に相当する蒸気量を超える所定蒸気量に達することを条件に、当該燃焼位置に相当する蒸気量の出力を前記比例制御ボイラから前記段階値制御ボイラに切り換える出力切換部と、を備え、
前記所定蒸気量は、前記燃焼位置に相当する蒸気量よりも前記比例制御ボイラのボイラ効率が所定閾値よりも高くなるエコ運転ゾーンの下限値に相当する蒸気量分多いボイラシステム。
前記出力切換部は、前記段階値制御ボイラが最も効率のよい燃焼位置で燃焼している場合、前記比例制御ボイラから出力する蒸気量が前記所定蒸気量に達しても、前記比例制御ボイラの出力を維持する、請求項１に記載のボイラシステム。
複数の段階的な燃焼位置で燃焼可能な段階値制御ボイラ及び燃焼率を連続的に変更して燃焼可能な比例制御ボイラを備えるボイラ群と、要求負荷に応じて前記ボイラ群の燃焼状態を制御する制御部と、を備えるボイラシステムであって、
前記制御部は、
要求負荷に応じた要求蒸気量分の蒸気を前記比例制御ボイラから出力するように前記ボイラ群の燃焼状態を制御する出力制御部と、
前記比例制御ボイラから出力する蒸気量が前記段階値制御ボイラにおいて燃焼可能な燃焼位置に相当する蒸気量を超える所定蒸気量に達することを条件に、当該燃焼位置に相当する蒸気量の出力を前記比例制御ボイラから前記段階値制御ボイラに切り換える出力切換部と、を備え、
前記出力切換部は、前記段階値制御ボイラが最も効率のよい燃焼位置で燃焼している場合、前記比例制御ボイラから出力する蒸気量が前記所定蒸気量に達しても、前記比例制御ボイラの出力を維持する、ボイラシステム。