JP6221351B2

JP6221351B2 - ボイラ

Info

Publication number: JP6221351B2
Application number: JP2013113967A
Authority: JP
Inventors: 航伊東; 浩二三浦
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2033-05-30
Also published as: JP2014231971A

Description

本発明は、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、燃焼率に応じて適切な量の空気が供給されているか否かを判定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、燃焼用空気を送る送風機の吐出風圧を風圧センサによって検出し、風圧センサの出力信号から、高燃焼あるいは低燃焼に適切な空気量となったことが判定された場合に、燃焼率に応じた燃料供給量に制御される。

このような制御を行うことにより、特許文献１に記載の技術では、３位置制御等を行うボイラにおいて、安定した運転を行うことを可能としている。

特開平８−１７８２７１号公報

しかしながら、近年、燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラが提案されている。比例制御ボイラでは、燃焼率が連続的に変更されることから、３位置制御等の段階値制御を行うボイラと同様に、燃焼用空気の供給量が適切であるか否かを判定することは困難である。即ち、段階値制御を行うボイラでは、各段階の燃焼率に応じて定められる燃焼用空気の供給量に対して、変動の許容範囲を設定し、その許容範囲内で燃焼用空気の供給が制御される。これに対し、比例制御ボイラでは、燃焼率が連続的に変更されるため、種々の燃焼率に応じて、燃焼用空気の供給量の許容範囲をより適切に設定する必要がある。

従って、本発明は、燃焼率が連続的に変更される場合に、燃焼用空気の供給量の許容範囲をより適切に設定することができるボイラを提供することを目的とする。

本発明は、燃焼率に応じた燃焼用空気の供給を行うボイラであって、前記燃焼用空気を供給するダクトと、前記ダクトに設けられた圧力損失部と、前記圧力損失部の上流位置及び下流位置における前記燃焼用空気の圧力差を検出する差圧検出部と、前記燃焼率に対する前記燃焼用空気の圧力差の関係を２次曲線として表した特性曲線に基づいて、前記燃焼率に対応する前記燃焼用空気の圧力差の上限値及び下限値の少なくともいずれかを設定する閾値設定部と、前記差圧検出部によって検出された前記燃焼用空気の圧力差が、前記閾値設定部によって設定された前記上限値及び下限値の少なくともいずれかを超えた場合に、燃焼を抑制するための制御を実行する制御部と、を備えるボイラに関する。

また、前記閾値設定部は、前記燃焼率に対する前記燃焼用空気の圧力差の関係を表す２次曲線の値に対して、前記上限値及び下限値の少なくともいずれかを設定することが好ましい。

また、前記閾値設定部は、前記燃焼率と前記燃焼用空気の圧力差との関係を表す２次曲線の値の平方根に対して、前記上限値及び下限値の少なくともいずれかを設定することが好ましい。

本発明のボイラによれば、燃焼率が連続的に変更される場合に、燃焼用空気の供給量の許容範囲をより適切に設定することができる。

本発明のボイラの一実施形態を模式的に示す図である。燃焼率−圧力差特性を示す図である。

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内における圧力損失部３１（後述）の上流側の風圧を検出する風圧センサ９０と、給気ダクト３０内における圧力損失部３１の下流側の風圧を検出する風圧センサ１００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。給気ダクト３０内のダンパ４０よりも下流側には、圧力損失部３１が配置されている。圧力損失部３１は、給気ダクト３０内において、ダンパ４０を通過した燃焼用空気に圧力の損失を与える構造を有している。圧力損失部３１は、例えば、貫通孔が形成された金属板（パンチングメタル）あるいはオリフィス等の部材を給気ダクト３０内に設置したり、給気ダクト３０の一部の内径を縮小する等、管内の抵抗を高める構造を形成したりすることによって構成することができる。
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の下流かつ圧力損失部３１の上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。
風圧センサ１００は、給気ダクト３０内における圧力損失部３１の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。また、制御部７１は、差圧検出部７１ａと、閾値設定部７１ｂ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。また、制御部７１は、燃焼用空気の供給量が燃焼率に応じて設定された許容範囲（例えば標準値から±２０％以内）を超えた場合に、ボイラ１を安全停止させる。

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、燃焼率と給気ダクト３０内における燃焼用空気の圧力差との関係を表す特性（燃焼率−圧力差特性）、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。
燃料ガスの供給に関しては、燃焼用空気の供給量に応じて、制御部７１により調整弁５２の開度を調整することで、連続的な供給量の変更が可能となっている。

一方、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。
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、燃焼用空気の供給に関して、給気ダクト３０から缶体１０に実際に供給される燃焼用空気の量は、負荷の変動等、種々の条件によって変化する。本実施形態に係るボイラ１においては、給気ダクト３０内における圧力損失部３１の上流側及び下流側の圧力差を燃焼用空気の実際の供給量を表す指標として用いている。
即ち、差圧検出部７１ａは、給気ダクト３０内における圧力損失部３１の上流側及び下流側に設置された風圧センサ９０，１００の検出結果を取得し、これらの差分（燃焼用空気の圧力差）を検出する。
閾値設定部７１ｂは、記憶部７２に記憶されている燃焼率−圧力差特性を参照し、ボイラ１の現在の燃焼率に対する圧力差の標準値を算出する。そして、閾値設定部７１ｂは、算出した圧力差の標準値から、許容範囲の上限値及び下限値（例えば圧力差の標準値から±２０％の値）を閾値として設定する。
制御部７１は、差圧検出部７１ａによって検出された燃焼用空気の圧力差が、燃焼率に対する標準値から許容範囲内（即ち、閾値として設定した下限値以上かつ上限値以下）であるか否かを判定する。制御部７１は、給気ダクト３０内における燃焼用空気の圧力差が許容範囲を超えていると判定した場合、燃料の供給及び燃焼用空気の供給を停止し、ボイラ１を安全停止させる。

図２は、燃焼率−圧力差特性を示す図である。
図２に示す特性は、種々の燃焼率の場合に、給気ダクト３０内における燃焼用空気の圧力差として適切とみなすことができる値（標準値）を示している。なお、図２においては、燃焼率−圧力差特性として、圧力差の標準値を２次曲線（燃焼率の２次関数）で表した特性Ａ（図２中の実線）と、圧力差の標準値を直線（燃焼率の１次関数）で表した特性Ｂ（図２中の破線）とが示されている。特性Ｂは、特性Ａとして示す圧力差の標準値の平方根として算出することができる。
本実施形態では、種々の燃焼率が設定された場合に、閾値設定部７１ｂが図２の特性Ａを参照して、燃焼用空気の圧力差の標準値に基づく許容範囲を設定する。この許容範囲は、標準値を基準とする一定範囲（例えば±２０％）に設定した場合、２次関数からなる上限値及び下限値を有する範囲として表される。そして、制御部７１は、給気ダクト３０内における燃焼用空気の圧力差が、図２の特性Ａを基に設定した許容範囲を超えている（即ち、燃焼用空気の圧力差が上限値よりも大きい又は下限値よりも小さい）と判定した場合、ボイラ１を安全停止させる。

なお、図２の特性Ａに代えて、特性Ｂを参照して標準値に基づく許容範囲を設定することもできる。この場合にも、制御部７１は、給気ダクト３０内における燃焼用空気の圧力差が、図２の特性Ｂを基に設定した許容範囲を超えている（即ち、燃焼用空気の圧力差が上限値よりも大きい又は下限値よりも小さい）と判定した場合、ボイラ１を安全停止させる。

これにより、ボイラ１においては、燃焼率に対する燃焼用空気の圧力差を２次曲線として表した特性を基に、燃焼率に対応する燃焼用空気の圧力差の上限値及び下限値が閾値として設定される。この閾値は、種々の燃焼率に対応する燃焼用空気の圧力差の標準値を基準として定められている。
したがって、ボイラ１によれば、燃焼率が連続的に変更される場合に、給気ダクト３０内における燃焼用空気の圧力差（即ち、燃焼用空気の実際の供給量）について、より適切な許容範囲を設定することが可能となる。

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、記憶部７２に特性Ａ又は特性Ｂとして連続的な関数を記憶しておき、この関数を参照して、燃焼率に対する燃焼用空気の圧力差の閾値を設定することとしたが、これに限られない。
即ち、特性Ａ又は特性Ｂを基に燃焼用空気の圧力差の代表値を予め算出して記憶部７２に記憶しておき、この代表値を基に、燃焼用空気の圧力差の閾値を設定しても良い。例えば、記憶部７２に記憶されている代表値のうち、ボイラ１の現在の燃焼率に最も近い燃焼率に対応する代表値を用いて閾値を設定することができる。また、代表値が記憶されている燃焼率のうち、ボイラ１の現在の燃焼率を挟む上側及び下側の燃焼率を選択し、これらの燃焼率の代表値から補間（例えば線形補間等）した標準値を用いて、ボイラ１の燃焼率に対応する閾値を設定することができる。
これにより、燃焼率に対する燃焼用空気の圧力差の閾値を速やかに設定することが可能となる。
なお、このように燃焼用空気の圧力差の代表値を記憶しておく場合、代表値を記憶する燃焼率として選択される値の間隔は、ボイラ１に要求される制御の精度に対応して定めることができる。

また、本実施形態では、燃焼率−圧力差特性として、燃焼率の２次関数からなる特性Ａ及び燃焼率の１次関数からなる特性Ｂを用いることとしたが、これに限られない。
即ち、特性Ａに対して１次又は０次の補正項を加えたり、特性Ｂに対して０次の補正項を加えたりすることができる。
これにより、燃焼率に対する燃焼用空気の圧力差の標準値をより正確に定義することができるため、燃焼率が連続的に変更される場合に、燃焼用空気の供給量の許容範囲を更に適切に設定することが可能となる。

１ボイラ
３０給気ダクト
３１圧力損失部
７１ａ差圧検出部
７１ｂ閾値設定部
７１制御部

Claims

燃焼率に応じた燃焼用空気の供給を行うボイラであって、
前記燃焼用空気を供給するダクトと、
前記ダクトに設けられた圧力損失部と、
前記圧力損失部の上流位置及び下流位置における前記燃焼用空気の圧力差を検出する差圧検出部と、
前記燃焼率に対する前記燃焼用空気の圧力差の関係を２次曲線として表した特性曲線に基づいて、前記燃焼率に対応する前記燃焼用空気の圧力差の上限値及び下限値の少なくともいずれかを設定する閾値設定部と、
前記差圧検出部によって検出された前記燃焼用空気の圧力差が、前記閾値設定部によって設定された前記上限値及び下限値の少なくともいずれかを超えた場合に、燃焼を抑制するための制御を実行する制御部と、を備えるボイラ。
前記閾値設定部は、前記燃焼率に対する前記燃焼用空気の圧力差の関係を表す２次曲線の値に対して、前記上限値及び下限値の少なくともいずれかを設定する請求項１に記載のボイラ。
前記閾値設定部は、前記燃焼率と前記燃焼用空気の圧力差との関係を表す２次曲線の値の平方根に対して、前記上限値及び下限値の少なくともいずれかを設定する請求項１に記載のボイラ。