JP6492434B2 - ボイラ装置 - Google Patents

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（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）が燃料ガスとして広く普及している。ＬＮＧを供給する方法の一つとして、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、ＬＮＧは、気化の過程でＬＮＧを構成する気体の比重の違いや気化処理の温度等によって想定されていた成分比率とは異なる状態でボイラ装置に供給されることがある。燃料ガスにこのような成分変動が生じている場合、ボイラ装置に供給される燃料ガスの熱量が変動し、それによって燃焼に必要な空気量が変化して燃焼効率の低下や不完全燃焼を招くおそれがある。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燃料ガスの熱量が変動していた場合における空気比の変動を十分に考慮して設計されているとは言い難かった。

本発明は、ボイラに供給される燃料ガスに生じた熱量変動の影響を効果的に抑制でき、空気比の制御を精密に行うことが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、前記燃料ガスの熱量を検知する熱量検知部と、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、前記燃料ガスに設定される基準熱量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とに基づいて前記流量調整弁の制御値を設定する制御値設定部と、前記基準熱量と前記熱量検知部によって検知された前記燃料ガスの熱量との間の熱量差に基づいて前記制御値に補正を行う熱量補正部と、前記熱量補正部によって補正された補正制御値に基づいて前記流量調整弁を制御する流量制御部と、を備えることを特徴とするボイラ装置に関する。

前記熱量検知部は、前記流量調整弁の上流側に配置されることが好ましい。

前記制御値は、前記燃焼用空気の流量に対応する前記流量調整弁の開度を示す開度値であることが好ましい。

前記ボイラ装置は、前記燃料供給ラインにおける前記流量調整弁の下流側に配置され、前記燃料ガスの流量を検知する燃料ガス流量検知部を更に備え、前記制御値は、前記燃焼用空気の流量に対応する燃料ガスの目標流量であって、前記流量制御部は、前記燃料ガス流量検知部によって検知された前記燃料ガスの流量が前記目標流量になるように前記流量調整弁の開度を制御することが好ましい。

前記ボイラ装置は、前記燃料供給ラインを流れる前記燃料ガスの温度を検知する燃料ガス温度検知部と、前記燃料ガスの質量流量が所定の値になるように、前記燃料ガス温度検知部によって検知された温度に基づいて前記制御値を補正する温度補正部と、を更に備えることが好ましい。

前記ボイラ装置は、前記流量調整弁の下流側に配置され、前記燃料供給ラインを流れる前記燃料ガスの圧力を検知する燃料ガス圧力検知部と、前記燃料ガス圧力検知部によって検知された圧力に基づいて前記制御値を補正する圧力補正部と、を更に備えることが好ましい。

本発明のボイラ装置によれば、ボイラに供給される燃料ガスに生じた熱量変動の影響を効果的に抑制でき、空気比の制御を精密に行うことができる。

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。 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２実施形態のボイラ装置を模式的に示す図である。 第２実施形態の制御部の構成を示すブロック図である。 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３実施形態の制御部の構成を示すブロック図である。

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。

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、カロリメータ５３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、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。

カロリメータ５３は、燃料ガスの熱量を取得する熱量検知部である。カロリメータ５３は、燃料供給ライン５１における燃料ガス流量計５２の下流側であって、流量調整弁５６の上流側に配置される。カロリメータ５３は、制御装置７０に電気的に接続されており、制御装置７０は、カロリメータ５３の検知信号に基づいて燃料ガスの熱量を取得する。なお、カロリメータ５３としては、燃料供給ライン５１を流れる燃料ガスをサンプリング計測してその熱量を取得するもの等、適宜のものを採用することができる。

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燃料ガス温度検知部である。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燃料ガス圧力検知部である。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。

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、ボイラ２の空気比（燃焼率）を一定にするために、燃料ガスの熱量に基づいて流量調整弁５６の制御を行う。燃焼用空気の供給量に対する燃料ガスの必要供給量は、燃料ガスの基準熱量に基づいて決まるため、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する。そこで、本実施形態では、燃料供給部５０に供給される燃料ガスに生じた熱量変動に基づいて流量調整弁５６の開度の補正を行う構成とした。次に、制御部７１による流量調整弁５６の制御の詳細について説明する。図２は、制御部７１の構成を示すブロック図である。

図２に示すように、第１実施形態の制御部７１は、開度設定部９１と、熱量補正部９４と、流量制御部９５と、を備える。

開度設定部９１は、流量調整弁５６の開度を示す開度値（制御値）を設定する制御値設定部である。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値である。ここでいう所定条件とは、燃料ガスの基準温度、燃料ガスの基準圧力、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。

熱量補正部９４は、所定条件における基準熱量と、カロリメータ５３によって検知された熱量と、に基づいて開度値の補正を行う。熱量補正部９４の補正は、熱量の変動によって生じた燃料ガスの必要供給量の変動に対応するように燃料ガスの流量を調整するように行われる。記憶部７２には、燃料ガスに設定される基準熱量と、カロリメータ５３によって検知された熱量変動と、に基づいて開度値を補正するための関数式又はテーブルデータ等が記憶されている。熱量補正部９４は、補正処理を行うときに記憶部７２から算出に必要な情報を読み出して開度値を補正し、補正開度値を算出する。例えば、燃料供給部５０に供給される燃料ガスに予め設定される基準熱量に対してカロリメータ５３に検知された熱量が大きくなっているときは、燃料ガスの流量が小さくなるように開度値を補正する。同様に、基準熱量に対して熱量が小さくなっているときは、燃料ガスの流量が大きくなるように開度値を補正する。

流量制御部９５は、熱量補正部９４によって補正された補正開度値に基づいて流量調整弁５６の開度を制御する。これにより、燃料ガスの熱量変動が反映された補正開度値に基づいて流量調整弁５６の開度が決まることになる。なお、補正開度値に基づく流量調整弁５６の制御は、ボイラ装置１が通常稼動している場合は常時行われる構成としてもよいし、燃料ガスの熱量を所定間隔で抽出し、そのタイミングで検知された熱量に基づいて補正処理を行うようにしてもよい。

次に、第１実施形態における流量調整弁５６の制御の一連の流れについて説明する。流量調整弁５６の制御が開始されると、開度設定部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。開度設定部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。次に、開度設定部９１によって設定された開度値に対して熱量補正部９４による補正が行われ、燃料ガスの熱量変動が反映された補正開度値が算出される。

補正開度値に基づいて流量調整弁５６の開度を流量制御部９５が制御する。これにより、燃料ガスの熱量変動が流量調整弁５６の実際の開度に反映される。燃料ガスは、その流量が流量制御部９５によって適切に調整された状態で燃料供給ライン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、外部環境の変化（熱量変動）に合わせて空気比が一定に維持されるように流量調整弁５６が制御されているので、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あっても、ボイラ２の燃焼制御を安定的に行うことができる。

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。なお、エア差圧センサ３３によって新たに燃焼用空気の流量の変動が検知された場合は、開度設定部９１が燃焼用空気の流量に応じた開度値を新たに設定し、上述した処理と同様の補正処理を行って流量制御部９５が補正開度値に基づいて流量調整弁５６の開度を制御する。

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、燃料ガスに設定される基準熱量とエア差圧センサ３３によって検知された燃焼用空気の流量とに基づいて流量調整弁５６の開度値（制御値）を設定する開度設定部９１と、基準熱量とカロリメータ５３によって検知された燃料ガスの熱量との間の熱量差に基づいて開度値に補正を行う熱量補正部９４と、熱量補正部９４によって補正された補正開度値（補正制御値）に基づいて流量調整弁５６を制御する流量制御部９５と、を備える。

これにより、ボイラ装置１に供給される燃料ガスに成分変動等を原因とする熱量の変動が生じていた場合でも、カロリメータ５３によって検知される熱量変動が開度値に反映されて燃料ガスの供給量が調整されるので、燃料ガスの熱量変動の有無に関わらず、空気比の制御を精密に行うことができる。

また、本実施形態のカロリメータ５３は、流量調整弁５６の上流側に配置される。これにより、燃料ガスの熱量変動が流量調整弁５６に至る前に検知されるので、熱量変動に対して応答性良く流量調整弁５６を制御でき、空気比を一定にする制御をより一層精度良く行うことができる。

また、本実施形態の流量調整弁５６を制御する制御値は、燃焼用空気の流量に対応する流量調整弁の開度を示す開度値である。これにより、予め設定される開度値を補正することにより、複雑な処理を行うことなく、流量調整弁５６の制御に、実際に供給される燃料ガスの熱量の状態を精度良く反映させることができる。

次に、第２実施形態のボイラ装置２０１について説明する。図３は、第２実施形態のボイラ装置２０１を模式的に示す図である。図４は、第２実施形態の制御部２７１の構成を示すブロック図である。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３に示すように、第２実施形態のボイラ装置２０１は、第１実施形態のボイラ装置１の構成に加え、燃料ガス差圧センサ６０を備える。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り、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に基づいて流量調整弁５６の下流側での燃料ガスの流量を取得する。

また、第２実施形態のボイラ装置２０１は、流量調整弁５６を制御する方法が第１実施形態のボイラ装置１の構成とは異なる。第２実施形態の制御部２７１による流量調整弁５６の制御について説明する。図４に示すように、制御部２７１は、目標流量設定部２９１と、熱量補正部９４と、流量制御部９５と、を備える。

目標流量設定部２９１は、燃焼用空気の流量に対応する目標流量（制御値）を設定する制御値設定部である。目標流量は、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示す流量調整弁５６の制御値である。燃料ガスは、所定条件にあるものとして目標流量は設定される。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目標流量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。なお、目標流量は、所定の流量の範囲として設定されてもよいし、所定の流量の値として設定されてもよい。

第２実施形態の熱量補正部９４は、ボイラ２の空気比（燃焼率）を一定にするために燃料ガスの熱量に応じて目標流量を補正する。より具体的には、熱量補正部９４は、予め設定される所定条件における基準熱量と、カロリメータ５３によって取得される燃料ガスの熱量と、に基づいて目標流量を補正する。記憶部７２には、この基準熱量と、カロリメータ５３によって取得される熱量と、の間の濃度差に基づいて目標流量を補正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。熱量補正部９４は、カロリメータ５３によって取得された熱量が基準熱量よりも低くなっている場合は、燃料ガスの流量が大きくなるように目標流量を補正する。同様に、カロリメータ５３によって取得された熱量が基準熱量より高くなっている場合は、燃料ガスの流量が小さくなるように目標流量を補正する。

流量制御部９５は、燃料ガス差圧センサ６０に検知される燃料ガスの流量と、熱量補正部９４によって補正された目標流量（補正制御値）と、に基づいて流量調整弁５６の開度を制御する。例えば、燃料ガス差圧センサ６０によって検知された流量が目標流量に対して大きい場合は、燃料ガスの流量が小さくなるように流量調整弁５６の開度を制御し、流量が目標流量に対して小さい場合は、燃料ガスの流量が大きくなるように流量調整弁５６の開度を制御する。このように、流量制御部９５は、流量調整弁５６の下流側での流量に基づいてフィードバック制御を行うことで、ボイラ２に供給される燃料ガスの流量を目標流量で安定させることが可能になっている。そして、流量調整弁５６の制御値である目標流量は、熱量補正部９４によって燃料供給部５０によって供給された熱量の測定値を反映するように補正されているので、このフィードバック制御においても、ボイラ装置２０１に供給される熱量の状態が精度良く反映されることになる。

以上説明した第２実施形態のボイラ装置２０１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２０１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、燃料ガスの流量を検知する燃料ガス差圧センサ６０を更に備え、流量調整弁５６を制御する制御値は、燃焼用空気の流量に対応する燃料ガスの目標流量であって、流量制御部９５は、燃料ガス差圧センサ６０によって検知された燃料ガスの流量が目標流量になるように流量調整弁５６の開度を制御する。

これにより、流量調整弁５６の下流側で検知される燃料ガスの流量に基づいてフィードバック制御が行われるので、ボイラ装置２０１に供給される燃料ガスの実際の熱量を燃料ガスの供給量に精度良く反映させることができ、燃焼制御をより一層効率的に行うことができる。

次に、第３実施形態のボイラ装置について説明する。図５は、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。図６は、第３実施形態の制御部３７１の構成を示すブロック図である。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。

第３実施形態のボイラ装置は、流量調整弁５６を制御する方法が第１実施形態のボイラ装置１の構成とは異なる。第３実施形態のボイラ装置は、燃料ガスの熱量変動に加え、燃料ガスの温度変動及び燃料ガスの圧力変動が反映されるように流量調整弁５６の開度を制御する。まず、図５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５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中の酸素濃度の割合が算出されている。なお、燃料ガスの熱量及び圧力は一定として考える。

図５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５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、第３実施形態では、ボイラ装置１に設定される空気比を一定に維持する制御をより精密に行うために、熱量変動に加え、質量流量の変動が反映されるように、流量調整弁５６の制御を行う構成とした。次に、第３実施形態の制御部３７１による流量調整弁５６の制御の詳細について説明する。

図６に示すように、第３実施形態の制御部３７１は、開度設定部９１と、温度補正部９２と、圧力補正部９３と、熱量補正部９４と、流量制御部９５と、を備える。第３実施形態の制御部３７１は、温度補正部９２及び圧力補正部９３を備える点が第１実施形態の制御部７１の構成と異なる。温度補正部９２及び圧力補正部９３について説明する。

温度補正部９２は、燃料ガスの質量流量が一定になるように、燃料ガスの温度変動に応じて開度値を補正する。燃料ガス温度センサ５７によって検知される燃料ガスの温度と、所定条件として設定された基準温度と、の間の温度差が温度変動として検知される。温度補正部９２は、温度変動によって生じる質量流量の変動の影響を抑制する補正を行う。例えば、熱量変動及び圧力変動が生じていない状態で燃料ガスの温度が基準温度よりも上昇しているときは、燃料ガスの質量流量が小さくなるので、燃料ガスの流量（体積流量）が大きくなるように開度値を補正する（図５参照）。同様に、燃料ガスの温度が基準温度よりも下降しているときは、燃料ガスの流量が小さくなるように開度値を補正する。

圧力補正部９３は、燃料ガスの質量流量が一定になるように、燃料ガスの圧力変動に応じて開度値を補正する。燃料ガス圧力センサ５８によって検知される燃料ガスの圧力と、所定条件として設定された基準圧力と、の間の圧力差が圧力変動として検知される。圧力補正部９３は、圧力変動によって生じる質量流量の変動の影響を抑制する補正を行う。例えば、熱量変動及び温度変動が生じていない状態で燃料ガスの圧力が上昇しているときは、燃料ガスの質量流量が大きくなるので、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。同様に、燃料ガスの圧力が下降しているときは、燃料ガスの流量が大きくなるように開度値を補正する。

記憶部７２には、所定条件における燃料ガスの流量（質量流量）と、温度変動、圧力変動及び熱量変動と、に基づいて開度値を補正するための関数式又はテーブルデータ等が記憶されている。温度補正部９２、圧力補正部９３及び熱量補正部９４は、補正処理時に記憶部７２から必要な情報を読み出し、開度値に補正を行う。本実施形態では、開度設定部９１によって設定された開度値に対して熱量補正部９４による補正が行われ、熱量変動が反映された補正開度値が算出される。この補正開度値に対して温度補正部９２及び圧力補正部９３による補正が更に行われ、温度補正部９２及び圧力補正部９３によって取得された温度変動及び圧力変動が補正開度値に反映される。

流量制御部９５は、熱量補正部９４、温度補正部９２及び圧力補正部９３によって補正された補正開度値に基づいて流量調整弁５６の開度を制御する。これにより、燃料ガスの熱量変動に加え、燃料ガスの温度変動及び燃料ガスの圧力変動が流量調整弁５６の実際の開度に反映され、燃料ガスが適切な流量で燃料供給ライン５１を通じて給気ダクト３０に送られることになる。なお、本実施形態においても、補正開度値に基づく流量調整弁５６の制御は、ボイラ装置１が通常稼動している場合は常時行われる構成としてもよいし、熱量、温度及び圧力を所定間隔でサンプリングし、そのタイミングで検知された熱量、温度及び圧力に基づいて補正処理を行うようにしてもよい。

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は、燃料供給ライン５１を流れる燃料ガスの温度を検知する燃料ガス温度センサ５７と、燃料ガスの質量流量が所定の値になるように、燃料ガス温度センサ５７によって検知された温度に基づいて開度値を補正する温度補正部９２と、を備える。

これにより、温度補正部９２によって開度値が補正されて質量流量が所定の値に維持されるので、熱量変動に加えて温度変動を原因とする空気比の変動を効果的に防止でき、安定的かつ効率的にボイラ装置の燃焼制御を行うことができる。

また、第３実施形態のボイラ装置は、流量調整弁５６の下流側に配置され、燃料供給ライン５１を流れる燃料ガスの圧力を検知する燃料ガス圧力センサ５８と、燃料ガスの質量流量が所定の値になるように、燃料ガス圧力センサ５８によって検知された圧力に基づいて開度値を補正する圧力補正部９３と、を備える。

これにより、熱量変動に加えて圧力変動も反映される制御となるので、空気比を維持する制御をより精密に行うことができ、ボイラ装置の燃焼効率をより一層向上させることができる。

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、第１実施形態のカロリメータ５３は、流量調整弁５６の上流側に配置されているが、流量調整弁５６の下流側に配置する等、その配置場所は適宜変更することができる。また、第３実施形態の制御部３７１の構成から圧力補正部９３を省略し、熱量補正部９４及び温度補正部９２によって補正された補正開度値に基づいて流量調整弁５６の開度を制御する構成とすることもできる。例えば、燃料ガスの圧力は、所定条件の基準圧力にあるものとして熱量補正部９４及び温度補正部９２によって開度の補正を行うことで、熱量変動及び温度変動を流量調整弁５６の開度の制御に反映させることができる。同様に、制御部３７１の構成から温度補正部９２を省略し、温度が所定条件における基準温度にあるものとして熱量補正部９４及び圧力補正部９３によって開度値を補正する構成とすることもできる。また、第３実施形態の流量調整弁５６の制御値を目標流量として、第２実施形態と同様に燃料ガス差圧センサ６０によって検知された流量に基づいて流量調整弁５６をフィードバック制御するように構成することもできる。

上記実施形態では、基準温度、基準圧力及び基準熱量が所定条件として予め設定されている構成であるが、その構成は適宜変更することができる。例えば、燃料供給部５０よりも更に上流側で検知した値に基づいて基準温度、基準圧力及び基準熱量を設定し、この設定した条件に基づいて燃料供給ライン５１における温度変動、圧力変動及び熱量変動を反映した補正を行う構成とすることもできる。また、ボイラ装置１の使用状況や環境の変化に対応して予め設定されている所定条件を適宜のタイミングで変更する構成とすることもできる。

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
５３ カロリメータ（熱量検知部）
５７ 燃料ガス温度センサ（燃料ガス温度検知部）
５８ 燃料ガス圧力センサ（燃料ガス圧力検知部）
５６ 流量調整弁
６０ 燃料ガス差圧センサ（燃料ガス流量検知部）
９１ 開度設定部（制御値設定部）
９２ 温度補正部
９３ 圧力補正部
９４ 熱量補正部
９５ 流量制御部
２０１ ボイラ装置
２９１ 目標流量設定部（制御値設定部）

Claims (2)

1. 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、前記燃料ガスの熱量を検知する熱量検知部と、
   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、
   前記燃料ガスに設定される基準熱量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前記流量調整弁の開度を示す制御値を設定する制御値設定部と、
   前記基準熱量と前記熱量検知部によって検知された前記燃料ガスの熱量との間の熱量差に基づいて前記制御値に補正を行う熱量補正部と、
   前記熱量補正部によって補正された補正制御値に基づいて前記流量調整弁を制御する流量制御部と、
   前記流量調整弁の下流側に配置され、前記燃料供給ラインを流れる前記燃料ガスの温度を検知する燃料ガス温度検知部と、
   前記燃料ガスの質量流量が所定の値になるように、前記燃料ガス温度検知部によって検知された温度に基づいて前記制御値を補正する温度補正部と、
   前記流量調整弁の下流側に配置され、前記燃料供給ラインを流れる前記燃料ガスの圧力を検知する燃料ガス圧力検知部と、
   前記燃料ガスの質量流量が所定の値になるように、前記燃料ガス圧力検知部によって検知された圧力に基づいて前記制御値を補正する圧力補正部と、
   を備えることを特徴とするボイラ装置。
2. 前記熱量検知部は、前記流量調整弁の上流側に配置される請求項１に記載のボイラ装置。

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