JP6413416B2

JP6413416B2 - ボイラ装置

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Publication number: JP6413416B2
Application number: JP2014145440A
Authority: JP
Inventors: 兼資久野; 啓二西村; 航伊東; 孝明大西
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2034-07-15
Also published as: JP2016020793A

Description

本発明は、ボイラ装置に関する。より詳細には、燃焼用空気の供給量に応じた燃料ガスが供給されるように、燃料供給ラインの流量調整弁を制御するボイラ装置に関する。

従来から、燃料ガスと燃焼用空気を所定の割合で混合した混合気を燃焼させて水を加熱し、蒸気を発生させるボイラ装置が知られている。この種のボイラ装置では、理論空気量とボイラに供給される空気量との比である空気比が一定になるように、燃焼用空気の供給量に応じて燃料ガスの流量を流量調整弁によって調整している。このような空気比を一定にする制御を開示するものとして例えば特許文献１がある。特許文献１には、燃焼用空気の供給量の変動に合わせて燃料ガスの制御弁を調整して空気比を一定にする予混合式ガスバーナの燃料ガス量制御装置が開示されている。

特開平１１−１０８３５２号公報

ところで、環境意識の高まりからＬＮＧ（ＬｉｑｕｅｆｉｅｄＮａｔｕｒａｌＧａｓ）が燃料ガスとして広く普及している。ＬＮＧを供給する方法の１つとして、ＬＮＧを液体のまま輸送し、ＬＮＧを使用する供給先で気化して用いるいわゆるＬＮＧサテライト供給がある。ＬＮＧサテライト供給は、導入コストを抑えることができ、様々な分野で用いられているものの、パイプラインを通じて燃料ガスを輸送する方法に比べて燃料ガスが外部環境等の影響を受け易い傾向があった。

外部環境等の影響によってボイラ装置に供給される燃料ガスの流量が変動した場合、空気比が所定の範囲から外れるおそれがある。例えば、温度変動や圧力変動によって質量流量に変動が生じたり、ＬＮＧを気化する過程で生じた成分変動によって燃料ガスの熱量が変化したりした場合は、燃焼に必要な空気量（理論空気量）が変化するため、空気比に変動が生じてしまい、燃焼効率の低下や不完全燃焼の原因になるおそれがある。しかし、従来のボイラ装置は、燃焼用空気の流量に応じて設定される開度に基づいて流量調整弁を制御しているため、外部環境等の影響によって変動した空気比の変動が十分に考慮されているとは言い難かった。また、空気比が想定された範囲外になった場合に、安全性の観点からボイラの運転を停止させる制御を行うことがある。しかし、空気比の変動が一時的なものであり、故障等につながるものではない場合は、ボイラの停止は蒸気生成の効率性を損なってしまう。

本発明は、燃焼制御の効率性を維持しつつ、空気比の変動を原因とする燃焼効率の低下や不完全燃焼の発生を効果的に防止できるボイラ装置を提供することを目的とする。

本発明は、ボイラと、前記ボイラに燃料ガスを供給する燃料供給ラインと、前記燃料供給ラインに配置され、前記燃料ガスの流量を調整可能な流量調整弁と、前記ボイラに前記燃料ガスと混合させる燃焼用空気を供給する空気供給ラインと、前記空気供給ラインを流れる前記燃焼用空気の流量を検知する空気流量検知部と、空気比を検知する空気比検知部と、前記空気流量検知部によって検知された前記燃焼用空気の流量に対応する制御値を設定する制御値設定部と、前記制御値に基づいて前記流量調整弁を制御する第１制御モードと、前記制御値に補正値を加えて前記流量調整弁を制御する第２制御モードと、を有する流量制御部と、前記流量調整弁が前記第１制御モードで制御されている状態で、前記空気比検知部によって検知された測定値が第１範囲の上限を上回る又は下限を下回る場合に、前記第１制御モードから前記第２制御モードに移行させるモード判定部と、前記モード判定部によって前記第１範囲の上限を上回る又は下限を下回ると判定された前記測定値に基づいて前記補正値を設定する補正値設定部と、を備えるボイラ装置に関する。

前記モード判定部は、前記第１範囲の上限を上回り前記第２制御モードに移行している状態で、前記空気比検知部によって検知された測定値が前記第１範囲の下限を所定回数下回った場合に、前記流量調整弁の制御を前記第２制御モードから前記第１制御モードに移行させ、前記第１範囲の下限を下回り前記第２制御モードに移行している状態で、前記空気比検知部によって検知された測定値が前記第１範囲の上限を所定回数上回った場合に、前記流量調整弁の制御を前記第２制御モードから前記第１制御モードに移行させることが好ましい。

前記第１範囲の上限を上回り前記第２制御モードに移行している状態で、前記空気比検知部によって検知された測定値が前記第１範囲の上限を所定回数上回った場合に、前記ボイラの運転を停止させ、前記第１範囲の下限を下回り前記第２制御モードに移行している状態で、前記空気比検知部によって検知された測定値が前記第１範囲の下限を所定回数下回った場合に、前記ボイラの運転を停止させることが好ましい。

前記ボイラ装置は、前記燃料ガスの燃焼によって生じる排ガスを前記ボイラから排出する排ガス排出部を更に備え、前記空気比検知部は、前記排ガス排出部に配置され、前記排ガスの酸素濃度を検知する酸素濃度検知部であることが好ましい。

前記空気比検知部は、前記燃料供給ラインに配置され、前記燃料ガスの質量流量の変動を検知することが好ましい。

前記空気比検知部は、前記燃料供給ラインに配置され、前記燃料ガスの熱量を検知する熱量検知部であることが好ましい。

本発明のボイラ装置によれば、燃焼制御の効率性を維持しつつ、空気比の変動を原因とする燃焼効率の低下や不完全燃焼の発生を効果的に防止できる。

本発明のボイラ装置の一実施形態を模式的に示す図である。燃料ガスの質量流量と排ガス中の酸素濃度との関係を示すグラフである。第１実施形態の制御部の構成を示すブロック図である。第１実施形態の制御モードを切り替える処理を示すフローチャートである。第２実施形態の制御モードを切り替える処理を示すフローチャートである。第４実施形態のボイラ装置を模式的に示す図である。

以下、本発明のボイラ装置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。第１実施形態のボイラ装置１は、水を加熱して蒸気の生成を行う蒸気ボイラであり、負荷機器（図示省略）に蒸気を供給するものである。なお、本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。

図１に示すように、ボイラ装置１は、ボイラ２と、ボイラ２に燃焼用空気を送り込む送風機２０と、ボイラ２と送風機２０とを接続し燃焼用空気が流通する空気供給ラインとしての給気ダクト３０と、給気ダクト３０に配置されるダンパ３１と、燃焼用空気減圧部材としてのパンチングメタル３２と、空気流量検知部としてのエア差圧センサ３３と、ボイラ２から排出される燃焼ガス（排ガス）が流通する排ガス排出部としての排気筒８０と、ボイラ２に燃料ガスを供給する燃料供給部５０と、ボイラ２に水を供給する給水路（図示省略）と、燃料ガスや燃焼用空気の供給量等を制御する制御装置７０と、を備える。

ボイラ２は、缶体１０によって構成され、缶体１０は、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。バーナ１５によって燃料ガスと燃焼用空気との混合気が燃焼し、水管１２の水が加熱されて蒸気が発生する。

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。

本実施形態では、負荷機器（図示省略）から要求される要求負荷に応じて燃焼用空気の流量が設定される。送風機２０は、設定された燃料用空気の流量になるように制御装置７０によってインバータ２２を介して制御される。

給気ダクト３０は、ボイラ２に燃料ガスと混合させる燃焼用空気を供給する空気供給ラインである。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１６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３１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。

パンチングメタル３２は、複数の貫通孔が形成された金属板であり、流通する燃焼用空気を減圧する燃焼用空気減圧部材である。パンチングメタル３２は、給気ダクト３０の内部のダンパ３１の下流側に配置される。このパンチングメタル３２によって、ダンパ３１を通って給気ダクト３０まで流れてきた燃焼用空気は減圧される。

エア差圧センサ３３は、燃焼用空気の流量を検知するための空気流量検知部である。エア差圧センサ３３は、パンチングメタル３２の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧を検知する。燃料用空気の流量は、この差圧情報に基づいて算出される。また、エア差圧センサ３３は、制御装置７０に電気的に接続されており、制御装置７０はエア差圧センサ３３によって検知されたエア差圧情報を取得する。

排気筒８０は、基端側が缶体１０（ボイラ筐体１１に形成された排気口１７）に接続され、筒状に形成される。この排気筒８０を通じて缶体１０で発生した燃焼ガス（排ガス）が缶体１０の外部に排出される。

本実施形態の排気筒８０の内部には、空気比検知部としてのＯ_２センサ８１が配置されている。Ｏ_２センサ８１は、排ガスの酸素濃度を検知する酸素濃度検知部である。Ｏ_２センサ８１は、制御装置７０に電気的に接続されており、制御装置７０はＯ_２センサ８１の測定値に基づいて排ガスの酸素濃度を取得する。

次に、ボイラ２に燃料を供給する燃料供給部５０について説明する。燃料供給部５０は、燃料供給ライン５１と、燃料ガス流量計５２と、開閉弁５４と、ガバナ５５と、流量調整弁５６と、燃料ガス温度センサ５７と、燃料ガス圧力センサ５８と、オリフィス５９と、燃料ガス差圧センサ６０と、ノズル６１と、を備える。

燃料供給ライン５１は、その上流側が燃料供給源（図示両略）に接続され、その下流側が給気ダクト３０に接続される。燃料供給ライン５１の下流側の端部は、給気ダクト３０におけるダンパ３１が配置された位置よりも下流側に接続される。本実施形態では、燃料供給ライン５１によって流通する燃料ガスはＬＮＧである。ＬＮＧサテライト供給によってＬＮＧ貯蔵施設に貯蔵されたＬＮＧを気化したものが燃料供給ライン５１に供給されている。

燃料ガス流量計５２は、燃料供給ライン５１を流れる燃料ガスの流量を測定する。本実施形態の燃料ガス流量計５２は、燃料供給ライン５１の最も上流側に配置されている。燃料ガス流量計５２は、制御装置７０に電気的に接続されている。制御装置７０は燃料ガス流量計５２の測定値に基づいて燃料ガスの流量を取得する。

開閉弁５４は、燃料供給ライン５１を開放又は閉止し、燃料ガスの供給及び停止を行う。本実施形態の開閉弁５４は、燃料供給ライン５１における燃料ガス流量計５２の下流側に配置される。

ガバナ５５は、燃料供給ライン５１を流れる燃料ガスの圧力が瞬間的に大きくなる場合等の急激な圧力変動を抑制するための調圧手段である。本実施形態のガバナ５５は、燃料供給ライン５１における開閉弁５４の下流側に配置される。

流量調整弁５６は、燃料供給ライン５１を流れる燃料ガスの流量を調整するものである。流量調整弁５６は、開度を調整可能に構成される。本実施形態の流量調整弁５６は、燃料供給ライン５１におけるガバナ５５の下流側に配置される。流量調整弁５６は、制御装置７０に電気的に接続されており、制御装置７０が流量調整弁５６の開度を調節可能になっている。

燃料ガス温度センサ５７は、燃料供給ライン５１を流れる燃料ガスの温度を流量調整弁５６の下流側で測定する。本実施形態の燃料ガス温度センサ５７は、燃料供給ライン５１における流量調整弁５６の下流側に配置される。燃料ガス温度センサ５７は、制御装置７０に電気的に接続されており、制御装置７０は燃料ガス温度センサ５７の温度情報を取得する。

燃料ガス圧力センサ５８は、燃料供給ライン５１を流れる燃料ガスの圧力を流量調整弁５６の下流側で測定する。本実施形態の燃料ガス圧力センサ５８は、燃料供給ライン５１における燃料ガス温度センサ５７の下流側に配置される。燃料ガス圧力センサ５８は、制御装置７０に電気的に接続されており、制御装置７０は燃料ガス圧力センサ５８の圧力情報を取得する。

オリフィス５９は、燃料供給ライン５１を流れる燃料ガスを減圧する燃料ガス減圧部材である。本実施形態のオリフィス５９は、燃料供給ライン５１における燃料ガス圧力センサ５８の下流側に配置される。

燃料ガス差圧センサ６０は、燃料ガスの流量を検知するための燃料ガス流量検知部である。オリフィス５９の上流側と下流側の圧力の差圧を検知する。流量調整弁５６の下流側での燃料ガスの流量は、この燃料ガス差圧情報に基づいて算出される。燃料ガス差圧センサ６０は、制御装置７０に電気的に接続されており、制御装置７０は燃料ガス差圧情報を取得する。

ノズル６１は、燃料供給ライン５１の下流側の端部に配置され、給気ダクト３０への燃料ガスの噴出を行う。ノズル６１から噴出された燃料ガスは、送風機２０によって送られてきた燃焼用空気と混合され、この混合された混合気がバーナ１５によって燃焼する。

このように、燃料供給部５０は、燃料供給ライン５１を通じて燃料ガスを適切な流量でボイラ２（缶体１０）に供給可能になっている。

制御装置７０について説明する。制御装置７０は、電気的に接続される各センサからの信号に基づいて流量調整弁５６や送風機２０の制御を行う。制御装置７０は、燃焼用空気の流量及び燃料ガスの流量を調整するための各種の制御を行う制御部７１と、各種の情報が記憶される記憶部７２と、を備える。

第１実施形態の制御装置７０は、空気比を想定される所定範囲に維持するために、排ガスの酸素濃度を参照して流量調整弁５６の制御を行う。まず、図２を参照して、燃料ガスの質量流量の変化と燃焼率の関係について説明する。図２は、燃料ガスの質量流量と排ガスの酸素濃度との関係を示すグラフである。図２では、試算条件を設定し、燃料ガスの温度変化による質量流量の変化と、燃焼率を示す排ガスの酸素濃度の割合が算出されている。なお、燃料ガスの圧力は一定として考える。

図２に示すように、燃料ガスに温度変化が生じると、燃料ガスの体積が変化し、質量流量が変化する。燃料ガスの温度が上昇した場合は燃料ガスの体積が大きくなるので燃料ガスの質量流量は小さくなり、燃料ガスの温度が下降した場合は体積が小さくなるので燃料ガスの質量流量は大きくなる。このような質量流量の変動が生じると、たとえ体積流量が一定であっても燃料ガスの燃焼に必要な燃焼用空気の理論空気量が変化し、空気比が変動する。図２に示すように、燃料ガスの質量流量が小さくなれば空気比が大きくなって排ガス中のＯ_２濃度は高くなり、その一方、燃料ガスの質量流量が大きくなれば空気比が小さくなって排ガス中のＯ_２濃度は低くなる。空気比は、燃焼を適切に行うためにボイラ装置１に設定されている値であり、空気比を一定に制御できなければ、過剰空気による熱損失が生じて燃焼効率が低下してしまったり、不完全燃焼によるエネルギー損失が大きくなってしまったりするおそれがある。

そこで、本実施形態の制御装置７０は、空気比が適切な範囲にあるか否かを排ガスの酸素濃度に基づいて判定し、空気比が適切な範囲にある場合は通常の制御を行う制御モードを選択し、空気比が適切な範囲外の場合は空気比が適切になるように流量調整弁の開度を調整する制御モードを選択して流量調整弁５６の制御を行う構成とした。次に、第１実施形態のボイラ装置１が備える制御部７１の詳細な構成について説明する。図３は、制御部７１の構成を示すブロック図である。図３に示すように、第１実施形態の制御部７１は、制御値設定部９１と、流量制御部９５と、モード判定部９６と、補正値設定部９７と、を備える。

制御値設定部９１は、流量調整弁５６の開度を示す開度値を設定する。開度値は、所定条件における燃焼用空気の流量に対する燃料ガスの流量を決めるための流量調整弁５６の制御値である。ここでいう所定条件とは、燃料ガスの組成に基づく基準熱量及び空気比等の予め設定される諸条件であり、燃料ガスがこの所定条件にあるものとして開度値は設定される。記憶部７２には、所定条件における燃焼用空気の流量に対応する開度値を設定する関数式又はデータテーブル等が記憶されている。

流量制御部９５は、流量調整弁５６の開度の制御を行う。本実施形態の流量制御部９５は、第１制御モード及び第２制御モードを有する。第１制御モードは、制御値設定部９１によって設定された開度値に基づいて流量調整弁５６の開度を制御する制御モードである。第２制御モードは、空気比が想定されている範囲から外れた場合に、後述の補正値設定部９７によって設定された補正値を開度値に加えて流量調整弁５６の開度を制御する制御モードである。

モード判定部９６は、第１制御モードと、第２制御モードと、を切り替える判定を空気比に基づいて行う。本実施形態では、Ｏ_２センサ８１によって取得される排ガスの酸素濃度が空気比の状態を検知する指標として用いられる。記憶部７２には、第１制御モードから第２制御モードに移行する判定条件が記憶されている。判定条件は、Ｏ_２センサ８１によって取得される酸素濃度が所定濃度範囲（第１範囲）にあるか否かである。この所定濃度範囲は、空気比に基づいて予め設定されており、酸素濃度がこの所定濃度範囲内にある場合は、空気比が想定されている範囲内にあると考えることができる。

補正値設定部９７は、第２制御モードで開度値を補正するための補正値を設定する。補正値は、モード判定部９６によって所定濃度範囲から外れたと判定されたときの酸素濃度に基づいて設定される。例えば、Ｏ_２センサ８１によって取得される酸素濃度が所定濃度範囲の上限を上回ったことが検知された場合は、燃料ガスの流量が大きくなる補正が行われるように補正値を設定する。同様に、所定濃度範囲の下限を下回ったことが検知された場合は、燃料ガスの流量が小さくなる補正が行われるように補正値を設定する。記憶部７２には、所定濃度範囲から外れたときの酸素濃度に基づいて補正値を算出するための関数式又はデータテーブル等が記憶されている。例えば、補正値は、所定濃度範囲との上限又は下限と検知された酸素濃度との差に基づいて求めることができる。

第２制御モードが実行されている間は、補正値が加えられた開度値に基づいて流量調整弁５６の制御が続行される。本実施形態の補正値は固定値であり、第２制御モードが実行されている間は常に同じ補正値が開度値に加えられる。燃焼用空気の流量が変化して開度値が新たに設定された場合でも、補正値による補正が解除されるわけではなく、開度値に補正値を加える制御が続行される。なお、ここでいう補正値を加えるとは、加減乗除を含むものであり、開度値に対して補正値を足したり、掛けたりすることも補正値を開度に加えることに含まれる。

また、本実施形態のモード判定部９６は、第２制御モードに移行している状態で、開度値に補正値を加える必要がなくなったことを空気比の状態によって検知した場合に、第１制御モードに移行する処理を行う。より具体的には、第２制御モードから第１制御モードへ移行する解除条件が記憶部７２に記憶されており、この解除条件に基づいて第１制御モードに移行するか否かの判定が行われる。本実施形態の解除条件は、第２制御モード移行時に検知された酸素濃度に対し、第２制御モード実行時に検知された酸素濃度が所定濃度範囲を逆側に所定回数外れることを条件としている。従って、第２制御モード移行時の状況が、所定濃度範囲の上限を上回った場合と、下限を下回った場合と、によってそれぞれ異なってくる。例えば、第２制御モードへの移行時に、酸素濃度が上限を上回って所定濃度範囲外になっている場合は、第２制御モード実行時に酸素濃度が所定濃度範囲の下限を所定回数（１回も含む）下回ると、解除条件が満たされたと判定される。同様に、第２制御モードへの移行時に、酸素濃度が下限を下回って所定濃度範囲外になっている場合は、第２制御モード実行時に酸素濃度が所定濃度範囲の上限を所定回数（１回も含む）上回ると、解除条件が満たされたと判定される。なお、解除条件における所定回数は、ボイラ装置１の運転状況に応じてその回数を適宜設定することができる。

次に、第１実施形態における流量調整弁５６の制御における第１制御モードと、第２制御モードと、の切り替え処理について図４を参照して説明する。図４は、第１実施形態の制御モードを切り替える処理を示すフローチャートである。

流量調整弁５６の制御が開始されると、モード判定部９６は、制御モードを設定するため、Ｏ_２センサ８１からの測定値に基づいて排ガスの酸素濃度を取得する（Ｓ１０１）。そして、所定濃度範囲を参照して、取得した酸素濃度が所定濃度範囲内にあるか否かを判定する（Ｓ１０２）。

Ｓ１０２での判定の結果、取得した酸素濃度が所定濃度範囲内の場合は、モード判定部９６が流量調整弁５６の制御を第１制御モードに設定する（Ｓ１０３）。第１制御モードでは、制御値設定部９１に設定された開度値に補正値を加えることなく流量調整弁５６の開度が制御される。より具体的には、制御値設定部９１は、エア差圧センサ３３の検知信号に基づいて算出された燃焼用空気の流量を取得する。制御値設定部９１は、取得した燃焼用空気の流量に対応する開度値を記憶部７２から設定する。流量制御部９５は、制御値設定部９１によって設定された開度値に基づいて流量調整弁５６の開度を制御する。燃焼用空気の流量が変動すると、新たに開度値が取得され、当該開度値に基づいて流量調整弁５６の開度が制御される。

Ｓ１０２での判定の結果、取得した酸素濃度が所定濃度範囲外の場合は、モード判定部９６が流量調整弁５６の制御を第２制御モードに設定する（Ｓ１０４）。第２制御モードでは、制御値設定部９１に設定された開度値に補正値を加えて流量調整弁５６の開度が制御される。より具体的には、第２制御モードが設定されると、補正値設定部９７が第２制御モードへの移行時に検知された酸素濃度に基づいて補正値を設定する。流量制御部９５は、制御値設定部９１によって燃焼用空気の流量に応じて設定された開度値に補正値を加える。そして、この補正値が加えられた開度値に基づいて流量調整弁５６の開度が調整される。

Ｓ１０４の処理で第２制御モードが設定されると、モード判定部９６は、Ｏ_２センサ８１からの測定値に基づいて排ガスの酸素濃度を取得し（Ｓ１０５）、取得した酸素濃度が所定濃度範囲内か否かを判定する（Ｓ１０６）。酸素濃度が所定濃度範囲内にある場合は、Ｓ１０５の排ガスの酸素濃度を取得する処理に戻る。

Ｓ１０６の処理で、酸素濃度が所定濃度範囲外にある場合は、第２制御モードの解除条件を満たすか否かを判定するため、第２制御モード移行時に検知された酸素濃度とは逆側で所定濃度範囲外となった回数が所定回数に達したか否かを判定する（Ｓ１０７）。例えば、所定濃度範囲の上限を上回って第２制御モードに移行している場合は、所定濃度範囲の下限を下回った回数が所定回数に達した場合に、解除条件を満たしたと判定する。同様に、所定濃度範囲の下限を下回って第２制御モードに移行している場合は、所定濃度範囲の上限を上回った回数が所定回数に達した場合に、解除条件を満たしたと判定する。

Ｓ１０７の処理で、第２制御モードの解除条件を満たしていた場合は、モード判定部９６は、流量調整弁５６の制御を第１制御モードに設定するＳ１０３の処理に移行する。一方、解除条件を満たしていなかった場合は、排ガスの酸素濃度を取得するＳ１０５の処理に戻る。なお、酸素濃度が逆側で所定濃度範囲外になったものの回数が所定回数に達していない場合は、Ｓ１０７の処理でカウント値に加算される処理が行われ、Ｓ１０５の処理に戻る。このカウント値は、所定回数に達したか否かを判定するためのもので、このカウント値が所定回数になると解除条件が満たされたと判定される。また、このカウント値は、所定時間経過後や、解除条件を満たした場合、適宜のタイミングでリセットされる構成とすることができる。

以上の処理により、燃焼状況に応じた適切な制御モードで流量調整弁５６の開度が制御される。流量調整弁５６によって適切な流量に調整された燃料ガスは、燃料供給ライン５１を介して給気ダクト３０に送られる。給気ダクト３０の内部にノズル６１を介して供給された燃料ガスは、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と混合される。燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスは、バーナ１５から缶体１０の内部に噴出され、燃焼される。本実施形態では、質量変動や熱量変動等によって空気比が想定されている範囲から外れた場合は、第２制御モードに移行して流量調整弁５６の開度が適切に調整されるので、ＬＮＧサテライト供給のような外部環境の影響を受けやすい場合でも、安定的なボイラ２の稼動を実現できる。

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（図示省略）を介して外部に導出され、負荷機器（図示省略）に供給される。また、混合ガスの燃焼により生じた燃焼ガスは、排気筒８０から外部に排出される。

以上説明した第１実施形態のボイラ装置１によれば、以下のような効果を奏する。

第１実施形態のボイラ装置１は、エア差圧センサ３３によって検知された燃焼用空気の流量に対応する開度値（制御値）を設定する制御値設定部９１と、開度値に基づいて流量調整弁５６を制御する第１制御モードと、開度値に補正値を加えて流量調整弁５６を制御する第２制御モードと、を有する流量制御部９５と、流量調整弁５６が第１制御モードで制御されている状態で、Ｏ_２センサ８１によって検知された測定値が所定濃度範囲（第１範囲）の上限を上回る又は下限を下回る場合に、第１制御モードから第２制御モードに移行させるモード判定部９６と、モード判定部９６によって第１範囲の上限を上回る又は下限を下回ると判定された測定値に基づいて補正値を設定する補正値設定部９７と、を備える。

これにより、空気比が想定される範囲から外れている場合は、第２制御モードによって流量調整弁５６の開度が補正値を加えられて適切に調整されるので、想定される範囲から空気比が外れていくことによって生じる燃焼効率の低下や不完全燃焼の発生を効果的に抑制できる。従って、ボイラ２の運転を停止させる必要がないような一時的な空気変動によってボイラ２の運転が停止する事態も効果的に防止できる。また、空気比が想定される範囲内の場合は、補正を行うことなく開度値に基づいて制御が行われるので、流量調整弁５６の制御するための処理を効率良く行うことができる。

また、本実施形態のモード判定部９６は、所定濃度範囲の上限を上回り第２制御モードに移行している状態でＯ_２センサ８１によって検知された測定値が所定濃度範囲の下限を所定回数下回った場合に、流量調整弁５６の制御を第２制御モードから第１制御モードに移行させる。また、モード判定部９６は、所定濃度範囲の下限を下回り第２制御モードに移行している状態で、Ｏ_２センサ８１によって検知された測定値が所定濃度範囲の上限を所定回数上回った場合に、流量調整弁５６の制御を第２制御モードから第１制御モードに移行させる。

これにより、補正値を加えなくても空気比が想定される範囲で制御される場合は、第２制御モードが解除されるので、空気比の状況が変わった場合でも柔軟に対応できる現実の状況に応じた流量調整弁５６の制御を実現できる。

また、本実施形態のボイラ装置１は、燃料ガスの燃焼によって生じる排ガスをボイラ２から排出する排気筒８０を更に備え、空気比を検知するための空気比検知部は、排気筒８０に配置され、排ガスの酸素濃度を検知するＯ_２センサ８１である。

これにより、排ガスの酸素濃度に基づいて流量調整弁５６の開度が制御されることになるので、ボイラ２での実際の燃焼状況に応じて燃料ガスを適切な流量でボイラ２に供給ででき、空気比の制御をより精密に行うことができる。

次に、第２実施形態のボイラ装置について説明する。第２実施形態のボイラ装置は、第２制御モード実行時に、所定の停止条件を満たした場合は、ボイラ２の運転を停止する処理を行う点が、第１実施形態のボイラ装置１と異なる。図５は、第２実施形態の制御モードを切り替える処理を示すフローチャートである。なお、Ｓ２０１からＳ２０６までの処理は、第１実施形態で説明したＳ１０１からＳ１０６までの処理と同様なので、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、第２制御モードにおいて、解除条件を判定した結果、第２制御モードを続行する場合の処理が第１実施形態と異なる。Ｓ２０７の処理で、第２制御モード移行時とは逆側で所定回数だけ所定濃度範囲外となっていなかった場合は、ボイラ２の運転を停止するか否かの判定を行うＳ２０８の処理に進む。

Ｓ２０８では、ボイラ２の運転を停止する停止条件を満たすか否かが判定される。本実施形態の停止条件は、第１制御モードから第２制御モードへの移行時における所定濃度範囲外となった酸素濃度が、同じ側で所定回数外れることを条件とする。例えば、Ｏ_２センサ８１の測定値が所定濃度範囲の上限を上回って第１制御モードから第２制御モードへの移行が行われている場合は、第２制御モード実行時に酸素濃度が所定濃度範囲の上限を複数回、上回ると、モード判定部９６は停止条件が満たされたと判定する。即ち、補正値を加えても所定濃度範囲から同じ方向に外れている場合には、ボイラ２の燃焼に異常が発生していると判断するのである。同様に、所定濃度範囲の下限を下回って第２制御モードへの移行が行われている場合は、第２制御モード実行時に酸素濃度が所定濃度範囲の下限を複数数、下回ると、モード判定部９６は停止条件が満たされたと判定する。

Ｓ２０８の処理で、モード判定部９６が停止条件を満たすと判定した場合は、ボイラ２の運転を停止し（Ｓ２０９）、流量調整弁５６を制御する処理を終了する。一方、停止条件を満たさないと判定した場合は、排ガスの酸素濃度を取得するＳ２０５の処理に戻る。なお、Ｓ２０８の処理で酸素濃度が所定濃度範囲外になった回数が所定回数に満たない場合は、その回数をカウントしてＳ２０５の処理に戻る。このカウント値が所定回数に達したときに、停止条件が満たされることになる。また、このカウント値は、所定時間経過後や、ボイラ２の稼動停止後等の適宜のタイミングでリセットされる構成とすることができる。更に、停止条件における所定回数は、ボイラ装置１の運転状況に応じてその回数を適宜設定することができる。なお、第２実施形態のその他の構成及び制御については、第１実施形態と同様である。

以上説明した第２実施形態のボイラ装置によれば、以下のような効果を奏する。

第２実施形態のボイラ装置では、モード判定部９６が以下の制御を行う。即ち、モード判定部９６は、所定濃度範囲の上限を上回り第２制御モードに移行している状態で、Ｏ_２センサ８１によって検知された測定値が所定濃度範囲の上限を所定回数上回った場合に、ボイラ２の運転を停止させ、所定濃度範囲の下限を下回り第２制御モードに移行している状態で、Ｏ_２センサ８１によって検知された測定値が所定濃度範囲の下限を所定回数下回った場合に、ボイラ２の運転を停止させる。

これにより、第２制御モードによって開度値に補正を行っても空気比が所定濃度範囲から同じ側に外れ続けていく場合は、ボイラ２に異常が発生していると判定され、ボイラ２の運転が自動的に停止されるので、効率性を維持しつつ、ボイラ２のより安全な運転制御を実現できる。

次に、第３実施形態のボイラ装置について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する場合がある。

第３実施形態のボイラ装置は、質量流量の変動に基づいて空気比の変動を検知する点が第１実施形態の構成と異なる。第３実施形態の燃料ガス流量計５２は、質量流量を測定する質量流量計として構成されている。図３を参照して説明したように、質量流量の変動は、燃焼状況に影響を与えて空気比を変動させる。そこで、第３実施形態の制御部は、燃料ガス流量計５２によって検知される質量流量の変動に基づいて空気比の状況を検知する構成とした。

第３実施形態の制御部は、燃料ガス流量計５２によって検知される質量流量に基づいて第１制御モードと、第２制御モードと、を切り替える。第３実施形態の判定条件は、燃料ガス流量計５２によって検知される質量流量が予め設定される所定質量流量範囲（第１範囲）にあるか否かである。この所定質量流量範囲は、この所定質量流量範囲から外れた場合は空気比が想定される範囲から外れたと判断できるように、空気比と対応付けて設定される。モード判定部９６は、燃料ガス流量計５２の測定値と、所定質量流量範囲と、を比較して、第１制御モード及び第２制御モードの何れを流量調整弁５６の制御モードに選択するか判定する。

第２制御モードが設定された場合は、第１実施形態と同様に、第２制御モード移行時に検知された燃料ガス流量計５２の測定値に基づいて補正値を設定する。例えば、燃料ガス流量計５２によって取得された質量流量が所定質量流量範囲の上限を上回った場合は、燃料ガスの流量（体積流量）が小さくなるように開度値を補正する補正値を設定する。同様に、燃料ガス流量計５２によって取得された質量流量が所定質量流量範囲の下限を下回った場合は、燃料ガスの流量が大きくなるように開度値を補正する補正値を設定する。このように、第３実施形態では、質量流量に基づいて空気比の状況を判断し、空気比の状況に応じた流量調整弁５６の制御が行われる。なお、第３実施形態のその他の構成及び制御については、第１実施形態と同様である。

以上説明した第３実施形態のボイラ装置によれば、以下のような効果を奏する。

第３実施形態のボイラ装置における空気比検知部は、燃料供給ライン５１に配置され、燃料ガスの質量流量の変動を検知する燃料ガス流量計５２である。これにより、質量流量の変動を原因とする空気比の変動の影響を抑制し、安定的かつ効率的な燃焼制御を実現できる。

次に、第４実施形態のボイラ装置４０１について説明する。図６は、第４実施形態のボイラ装置４０１を模式的に示す図である。なお、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する場合がある。

図６に示すように、第４実施形態のボイラ装置４０１は、第１実施形態の構成に加え、熱量検知部としてのカロリメータ５３を更に備える。第４実施形態のボイラ装置は、カロリメータ５３によって検知される熱量変動に基づいて空気比の変動を検知する点が第１実施形態の構成と異なる。燃焼用空気の供給量に対する燃料ガスの必要供給量は、基準熱量に基づいて設定されるため、熱量が変動すれば、燃焼用空気の供給量に対する燃料ガスの必要供給量も変動し、空気比が変動する。第４実施形態では、熱量変動を原因とする空気比の変動をカロリメータ５３の測定値に基づいて検知し、流量調整弁５６の制御に反映させる構成とした。

第４実施形態の制御部４７１は、カロリメータ５３の測定値に基づいて第１制御モードと、第２制御モードと、を切り替える。第４実施形態の判定条件はカロリメータ５３によって検知される熱量が予め設定される所定熱量範囲（第１範囲）にあるか否かである。所定熱量範囲は、この所定熱量範囲から外れた場合は空気比が想定される範囲から外れたと判断できるように、空気比と対応付けて設定される。モード判定部９６は、カロリメータ５３の測定値と、所定熱量範囲と、を比較して、第１制御モード及び第２制御モードの何れかを設定するか判定する。

第２制御モードが設定された場合は、第１実施形態と同様に、第２制御モード移行時に検知されたカロリメータ５３の測定値に基づいて補正値を設定する。例えば、カロリメータ５３によって取得された熱量が所定熱量範囲の上限を上回った場合は、燃料ガスの流量（体積流量）が小さくなるように開度値を補正する補正値を設定する。同様に、カロリメータ５３によって取得された熱量が所定熱量範囲の下限を下回った場合は、燃料ガスの流量が大きくなるように開度値を補正する補正値を設定する。このように、第４実施形態では、熱量に基づいて空気比の状況を判断し、空気比の状況に応じた流量調整弁５６の制御が行われる。なお、第４実施形態のその他の構成及び制御については、第１実施形態と同様である。

以上説明した第４実施形態のボイラ装置４０１によれば、以下のような効果を奏する。

第４実施形態のボイラ装置４０１における空気比検知部は、燃料供給ライン５１に配置され、燃料ガスの熱量を検知するカロリメータ５３である。これにより、熱量の変動を原因とする空気比の変動の影響を抑制し、安定的かつ効率的な燃焼制御を実現できる。

以上、本発明のボイラ装置の好ましい各実施形態について説明したが、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、制御値を目標流量として、燃料ガス差圧センサ６０によって検知される燃料ガスの流量に基づいて流量調整弁５６の開度をフィードバック制御する構成に、本発明を適用することができる。この場合、補正値が加えられる対象は、制御値である目標流量になる。また、第１実施形態の制御モードを切り替える処理は、バーナ１５の着火開始後、燃焼制御が安定してから開始する処理とすることもできる。また、第３実施形態では、燃料ガス流量計５２によって質量流量の変動を検知する構成であるが、質量流量の変動を検知する構成は、事情に応じて適宜変更することができる。例えば、燃料ガス温度センサ５７及び燃料ガス圧力センサ５８によって検知する温度情報及び圧力情報に基づいて質量流量の変動を検知する構成としてもよい。このように、空気比検知部は、空気比を直接的又は間接的に検知できる構成であればよく、事情に応じて適宜変更することができる。また、補正値の算出処理は、上記実施形態の処理に限定されるわけではなく、空気比検知部によって検知された測定値に基づいて算出する方法であれば適宜変更できる。

上記実施形態では、燃料ガスがＬＮＧサテライト供給によって供給される構成を採用しているが、燃料ガスや燃料ガスの供給源は適宜変更することができる。例えば、燃料供給事業者からパイプラインを通じて直接的に燃料ガスが供給される構成にも本発明を適用することができる。

１ボイラ装置
２ボイラ
３０給気ダクト（空気供給ライン）
３３エア差圧センサ（空気流量検知部）
５１燃料供給ライン
５２燃料ガス流量計（空気比検知部）
５３カロリメータ（空気比検知部、熱量検知部）
５６流量調整弁
８０排気筒（排ガス排出部）
８１Ｏ_２センサ（空気比検知部、酸素濃度検知部）
９１制御値設定部
９５流量制御部
９６モード判定部
９７補正値設定部
４０１ボイラ装置

Claims

ボイラと、
前記ボイラに燃料ガスを供給する燃料供給ラインと、
前記燃料供給ラインに配置され、前記燃料ガスの流量を調整可能な流量調整弁と、
前記ボイラに前記燃料ガスと混合させる燃焼用空気を供給する空気供給ラインと、
前記空気供給ラインを流れる前記燃焼用空気の流量を検知する空気流量検知部と、
理論空気量とボイラに供給される空気量との比である空気比を検知する空気比検知部と、
前記空気流量検知部によって検知された前記燃焼用空気の流量に対応する制御値を設定する制御値設定部と、
前記制御値に基づいて前記流量調整弁を制御する第１制御モードと、前記制御値に補正値を加えて前記流量調整弁を制御する第２制御モードと、を有する流量制御部と、
前記流量調整弁が前記第１制御モードで制御されている状態で、前記空気比検知部によって検知された測定値が第１範囲の上限を上回る又は下限を下回る場合に、前記第１制御モードから前記第２制御モードに移行させるモード判定部と、
前記モード判定部によって前記第１範囲の上限を上回る又は下限を下回ると判定された前記測定値に基づいて前記補正値を設定する補正値設定部と、
を備え、
前記モード判定部は、
前記第１範囲の上限を上回り前記第２制御モードに移行している状態で、前記空気比検知部によって検知された測定値が前記第１範囲の下限を所定回数下回った場合に、前記流量調整弁の制御を前記第２制御モードから前記第１制御モードに移行させ、
前記第１範囲の下限を下回り前記第２制御モードに移行している状態で、前記空気比検知部によって検知された測定値が前記第１範囲の上限を所定回数上回った場合に、前記流量調整弁の制御を前記第２制御モードから前記第１制御モードに移行させるボイラ装置。
前記第１範囲の上限を上回り前記第２制御モードに移行している状態で、前記空気比検知部によって検知された測定値が前記第１範囲の上限を所定回数上回った場合に、前記ボイラの運転を停止させ、
前記第１範囲の下限を下回り前記第２制御モードに移行している状態で、前記空気比検知部によって検知された測定値が前記第１範囲の下限を所定回数下回った場合に、前記ボイラの運転を停止させる請求項１に記載のボイラ装置。
前記燃料ガスの燃焼によって生じる排ガスを前記ボイラから排出する排ガス排出部を更に備え、
前記空気比検知部は、前記排ガス排出部に配置され、前記排ガスの酸素濃度を検知する酸素濃度検知部である請求項１又は２に記載のボイラ装置。
前記空気比検知部は、前記燃料供給ラインに配置され、前記燃料ガスの質量流量の変動を検知する請求項１又は２に記載のボイラ装置。
前記空気比検知部は、前記燃料供給ラインに配置され、前記燃料ガスの熱量を検知する熱量検知部である請求項１又は２に記載のボイラ装置。