JP6537987B2 - 燃焼制御システム、及び燃焼制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼制御システム、及び燃焼制御方法に関する。

従来、燃料を燃焼させるボイラとして、特許文献１に記載されているものが知られている。このボイラでは、化石資源を除く動植物に由来する有機性資源であるバイオマス燃料を燃焼炉で燃焼させている。このボイラでは、システム中の各種センサの結果に基づいて各種制御を行っている。

特開２００５−２２６９３０号公報

ここで、本発明者らは、鋭意研究の結果、燃料に含まれる水分量が多くなると、排ガス量がその分増えてしまうことを見出すに至った（例えば、図４参照）。燃料の水分量が多いと排ガス量が増えてしまう理由は、エネルギーとして利用価値のない燃料の水分が蒸発し、余分な排ガスとなるためである。また、図３に示すように、燃料に含まれる水分量が多いほど低位発熱量が減少する傾向にある。従って、所望の熱量を得ようとする場合に、燃料に含まれる水分量が多いと、燃料の投入量を増加させる必要がある。このように、燃料に含まれる水分量が多いと、燃料の投入量が増加する上に排ガス量比も大きくなるため、ボイラで発生する排ガス量が過大になってしまうという問題がある。排ガス量が過大になる場合、排ガス系統の摩耗が生じやすくなり、異常摩耗による設備損傷が生じるという問題がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、ボイラで発生する排ガスが過大になることを抑制することのできる燃焼制御システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃焼制御システムは、ボイラの燃焼を制御する燃焼制御システムであって、ボイラから排出される排ガス量を検知する排ガス量検知部と、排ガス量検知部で検知される排ガス量の情報を用いて、ボイラで得られるエネルギー量を調整するエネルギー量調整部と、を備える。

本発明に係る燃焼制御システムは、ボイラから排出される排ガス量を検知する排ガス量検知部を備えている。これにより、燃焼制御システムは、ボイラからどの程度の量の排ガスが排出されているかを把握することができる。また、燃焼制御システムは、排ガス量検知部で検知される排ガス量の情報を用いて、ボイラで得られるエネルギー量を調整するエネルギー量調整部を備えている。従って、エネルギー量調整部は、排ガス量の発生状況に応じて、ボイラで得られるエネルギー量を調整することができる。これにより、排ガス量が過大となる場合には、排ガス量の発生を抑制できるように、エネルギー量をエネルギー量調整部にて調整することができる。以上により、ボイラで発生する排ガスが過大になることを抑制することができる。

本発明に係る燃焼制御システムにおいて、排ガス量検知部は、排ガスの流量を測定する測定装置によって構成されていてよい。このような構成により、排ガス量検知部は、ボイラで発生する排ガス量を直接的に検知することができ、正確な排ガス量を得ることができる。

本発明に係る燃焼制御システムにおいて、排ガス量検知部は、ボイラの排ガスが流通する排ガス流路上に設けられる排気部の運転情報に基づいて、排ガス量を検知してよい。このような構成により、ボイラで発生する排ガス量を間接的に検知することができる。従って、直接的に検知するものが故障した場合に、間接的に検知する上記排ガス量検知部がバックアップとして機能することができる。なお、通常時には上記排ガス量検知部が間接的に排ガス量を検知し、当該排ガス検知部が故障した場合に、直接的に排ガス量を検知する方式に切り替えてよい。

本発明に係る燃焼制御システムにおいて、エネルギー量調整部は、排ガス量が多いと判定したとき、ボイラで得られるエネルギー量を減少させてよい。このような構成により、排ガス量が多い場合に、エネルギー量調整部がエネルギー量を減少させることで、ボイラで発生する排ガスを減少させることができる。

本発明に係る燃焼制御システムにおいて、エネルギー量調整部は、排ガス量が所定の閾値を超えたか否かを判定する判定部と、判定部の判定結果に基づいて、ボイラで得られるエネルギー量を所定量だけ減少させる調整部と、を備えてよい。このような構成により、判定部が所定の閾値に基づいて判定を行うため、排ガス量が多くなったことを容易に判定することができる。また、調整部が所定量だけエネルギー量を減少させるため、一回の演算で減少量を求めるような制御を行う場合に比して、演算の負荷を低減することができる。

本発明に係る燃焼制御方法は、ボイラの燃焼を制御する燃焼制御方法であって、ボイラから排出される排ガス量を検知する排ガス量検知工程と、排ガス量検知工程で検知される排ガス量の情報を用いて、ボイラで得られるエネルギー量を調整するエネルギー量調整工程と、を備える。

本発明に係る燃焼制御方法によれば、上述の燃焼制御システムと同様な作用・効果を得ることができる。

本発明によれば、ボイラで発生する排ガスが過大になることを抑制することができる。

図１は、本実施形態に係る燃焼制御システムを備えたボイラシステムのブロック図である。 図２は、本実施形態に係る燃焼制御システムによって実行される制御処理のフローチャートを示す図である。 図３は、低位発熱量と全水分との関係を示すグラフである。 図４は、全水分と排ガス量比との関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る燃焼制御システムを備えたボイラシステムのブロック図である。図１に示すように、ボイラシステム１は、ボイラ設備１００と、ボイラ運転制御部２００と、燃焼制御システム３００と、を備えている。

ボイラ設備１００は、燃料を燃焼させるボイラ２及び当該ボイラ２から排出される排ガスを処理する設備である。具体的に、ボイラ設備１００は、ボイラ２と、給水流路３と、蒸気流路４と、排ガス流路６と、排気部７と、排気筒８と、を備えている。ボイラ２は、供給される燃料を燃焼させる装置である。ボイラ２の種類は特に限定されず、あらゆる種類のボイラを採用してよい。例えば、ボイラ２として、循環流動層ボイラ、微粉炭ボイラやストーカ式ボイラ等を採用してよい。

ボイラ２には、当該ボイラ２に水を供給するための給水流路３と、ボイラ２で供給された水が加熱されることで発生した蒸気を排出するための蒸気流路４と、が接続されている。なお、給水流路３から供給される水の熱量を「Ｇ」とし、蒸気流路４から排出される蒸気の熱量を「Ｈ」とした場合、ボイラの出熱（％）は、「Ｈ−Ｇ」で表される。

また、ボイラ２には、当該ボイラ２から発生した排ガスが流通する排ガス流路６が接続されている。また、排ガス流路６上には、当該排ガス流路６を流れる排ガスを下流側へ流通させるための排気部７が設けられている。本実施形態では、排気部７は、排ガスを通風させる誘引通風機によって構成されている。排気部７は、後述の誘引通風機制御装置の電流値に基づいて、運転の強度が設定される。排ガス流路６の下流側の端部は、排気筒８に接続されている。排気筒８は、ボイラ２から排出された排ガスをボイラ設備１００の外部へ排気するための煙突状の装置である。

ボイラ運転制御部２００は、燃料供給部２１と、燃料供給流路２２と、空気供給部２３と、空気供給流路２４と、入熱量情報伝達経路２６と、ＬＨＶ情報伝達経路２７と、燃料量情報伝達経路２８と、理論空気量情報伝達経路２９と、を備えている。

燃料供給部２１は、燃料供給流路２２を介してボイラ２に燃料を供給する装置である。燃料供給部２１は、例えばポンプ等によって構成されている。なお、燃料供給部２１が供給する燃料として、例えば、化石資源を除く動植物に由来する有機性資源であるバイオマス燃料が採用されてよい。また、本実施形態では、含有される水分量が多いバイオマス燃料が採用されてもよい。空気供給部２３は、空気供給流路２４を介してボイラ２に燃焼用の空気を供給する装置である。空気供給部２３は、例えば強制通風機等によって構成されてよい。

燃料供給部２１及び燃料供給流路２２によって構成される燃料供給系統には、入熱量情報伝達経路２６、及びＬＨＶ情報伝達経路２７が接続されている。入熱量情報伝達経路２６は、後述の燃焼制御システム３００で設定された入熱（エネルギー量）に関する情報を燃料供給系統へ伝達する。ＬＨＶ情報伝達経路２７は、低位発熱量（ＬＨＶ）に関係する情報を燃料供給系統に伝達する。ＬＨＶ情報は、どれだけの熱量が必要であるかを示した値である。燃料供給系統では、入熱量情報伝達経路２６及びＬＨＶ情報伝達経路２７からの情報を用いて、ボイラの負荷が設定され、それに応じた燃料の調整が行われている。

空気供給系統には、空気量を設定するための燃料量情報伝達経路２８及び理論空気量情報伝達経路２９が接続されている。燃料量情報伝達経路２８は、ボイラ２へ供給する燃料の量に関する情報を空気供給系統へ伝達する。理論空気量情報伝達経路２９は、燃焼に必要な空気量である理論空気量に関する情報を空気供給系統へ伝達する。空気供給系統では、燃料量情報伝達経路２８及び理論空気量情報伝達経路２９からの情報を用いて、供給される燃料に応じて空気の調整が行われている。

燃焼制御システム３００は、ボイラ２の燃焼を制御するシステムである。燃焼制御システム３００は、排ガス量検知部３１と、コントローラ３２と、を備えている。排ガス量検知部３１は、ボイラ２から排出される排ガス量を検知する手段である。コントローラ３２は、排ガス量検知部３１で検知された排ガス量に基づいて、ボイラ２のエネルギー量を調整する機能を有する手段であり、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等によって構成されている。

排ガス量検知部３１は、ボイラ２から排出される排ガス量を検知する機能を有する。具体的には、排ガス量検知部３１は、排ガスの流量を測定する測定装置として機能する排ガス流量計４１によって構成されている。排ガス流量計４１は、排気筒８に設けられており、当該排気筒８から排出される排気ガスの流量を測定することができる。排ガス流量計４１は、測定した排ガスの流量を検知情報として伝達経路５１を介してコントローラ３２へ伝達する。

また、排ガス量検知部３１は、ボイラ２の排ガスが流通する排ガス流路６上に設けられる排気部７の運転情報に基づいて排ガス量を検知するＩＤＦ電流値検知部４２によって構成されている。ＩＤＦ電流値検知部４２は、排気部７として機能する誘引通風機（ＩＤＦ）の電流値を検知することで、排気部７の運転情報を取得し、当該運転情報に基づいて排ガス量を検知することができる。例えば、ＩＤＦ電流値が上限を超過した場合は、ＩＤＦが過負荷という運転状態であるため、排ガス量検知部３１は、排ガス量が過大という状況であることを把握することができる。ＩＤＦ電流値検知部４２は、排気部７の運転情報を検知情報として伝達経路５２を介してコントローラ３２へ伝達する。

コントローラ３２は、検知情報取得部３３と、エネルギー量調整部３４と、を備えている。検知情報取得部３３は、排ガス流量計４１から伝達された排ガス量に関する情報、及びＩＤＦ電流値検知部４２から伝達された排ガス量に関する情報を取得する機能を有する。エネルギー量調整部３４は、排ガス量検知部３１で検知されて検知情報取得部３３で取得された排ガス量の情報を用いて、ボイラ２で得られるエネルギー量を調整する機能を有する。

エネルギー量調整部３４は、判定部３６と、調整部３７と、を備えている。判定部３６は、検知情報取得部３３によって取得された排ガス量に関する情報に基づき、排ガス量が多いか否かを判定する機能を有する。より具体的には、判定部３６は、検知情報取得部３３によって取得された排ガス量に関する情報に基づき、排ガス量所定の閾値を超えたか否かを判定する機能を有する。判定部３６は、ＩＤＦ電流値検知部４２で検知されたＩＤＦ電流値、及び排ガス流量計４１で検知された排ガス量に基づいて判定を行う。例えば、判定部３６がＩＤＦ電流値及び排ガス量が過去において上限値（閾値）を超過したか否かを判定（例えば数分間の間における平均値を閾値と比較してよい）することによって、排ガス量が多いか否かを判定してもよい。このように、ＩＤＦ電流値及び排ガス量という二つのパラメータを用いて判定することにより、一つのパラメータで判定する場合に比して、単一故障時でもシステム運用可能というメリットがある。なお、判定部３６による判定方法は特に限定されず、検知したＩＤＦ電流値及び排ガス量を用いて、上限値を超過しているかどうかによって、排ガス量が多いか否かを判定してもよい。

調整部３７は、判定部３６での判定結果に基づき、ボイラ２で得られるエネルギー量（入熱）を調整する機能を有する。例えば、調整部３７は、判定部３６によって排ガス量が多いと判定された場合、ボイラ２で得られるエネルギー量を減少させる機能を有する。また、調整部３７は、判定部３６の判定結果に基づいて、ボイラ２で得られるエネルギー量を所定量だけ減少させる機能を有する。例えば、調整部３７は、ボイラマスタ（ＢＭＣＲ）の値を変更することによって、エネルギー量の調整を行ってよい。調整部３７は、排ガス量が多い場合、ボイラマスタを１％減少させてよい。ただし、ボイラマスタの減少量は１％でなくともよく、更に大きな値、または小さな値を設定してもよい。なお、ボイラマスタとは、ボイラの負荷を制御するボイラマスタが１００％の場合、ボイラ２の設計限界での燃焼を行っていることを意味する。

次に、図２を参照して、本実施形態に係る燃焼制御方法について説明する。

図２は、燃焼制御システム３００によって実行される制御処理のフローチャートを示す図である。図２に示すように、燃焼制御処理が開始されたら、コントローラ３２のエネルギー量調整部３４の調整部３７は、ボイラマスタ（ＢＭＣＲ）を所定の値に設定する（ステップＳ１００）。なお、図２では所定の値は「Ｘ％」と示されているが、Ｘには任意の数字が入る。次に、ＩＤＦ電流値検知部４２はＩＤＦ電流値を検知してコントローラ３２の検知情報取得部３３に送信すると共に、排ガス流量計４１は排ガス量を検知してコントローラ３２の検知情報取得部３３に送信する（排ガス量検知工程）。これにより、コントローラ３２の判定部３６は、過去におけるＩＤＦ電流値及び排ガス量（過去１０分間の平均値）が上限を超過したか否かを判定する（ステップＳ１１０）。Ｓ１１０において、判定部３６が、各値は上限を超過していないと判定した場合、調整部３７は、ボイラマスタをＸ％のままで維持し（ステップＳ１２０）、Ｓ１００の処理を再び繰り返す。

一方、Ｓ１１０において、判定部３６が、各値は上限を超過していると判定した場合、調整部３７は、自動的にボイラマスタを１％下げる（ステップＳ１３０：エネルギー量調整工程）。これにより、ボイラマスタは「（Ｘ−１）％」となる。所定時間（ここでは１０分）経過後、コントローラ３２の判定部３６は、過去におけるＩＤ電流値及び排ガス量（過去１０分間の平均値）が上限を超過したか否かを判定する（ステップＳ１４０）。Ｓ１４０において、判定部３６が、各値は上限を超過していないと判定した場合、調整部３７は、ボイラマスタを（Ｘ−１）％のままで維持し（ステップＳ１５０）、１０分経過後にＳ１４０の処理を再び繰り返す。

一方、Ｓ１４０において、判定部３６が、各値は上限を超過していると判定した場合、調整部３７は、自動的にボイラマスタを１％下げる（ステップＳ１６０：エネルギー量調整工程）。これにより、ボイラマスタは「（（Ｘ−１）−１）％」となる。Ｓ１６０の処理が終了すると、Ｓ１００から再び処理が実行される。このとき、Ｓ１６０の時点における「（（Ｘ−１）−１）％」の値が、次の処理のＳ１００の「Ｘ％」の値となる。

次に、本実施形態に係る燃焼制御システム３００及び燃焼制御方法の作用・効果について説明する。

ここで、本発明者らは、鋭意研究の結果、燃料に含まれる水分量が多くなると、排ガス量がその分増えてしまうことを見出すに至った。例えば、図４に示すように、燃料の水分量（横軸）が多くなるに従って、排ガス量比（縦軸）が多くなる。燃料の水分量が多いと排ガス量が増えてしまう理由は、エネルギーとして利用価値のない燃料の水分が蒸発し、余分な排ガスとなるためである。また、図３に示すように、燃料に含まれる水分量（縦軸）が多いほど低位発熱量（横軸）が減少する傾向にある。このように、低位発熱量が低下してしまうと、所定量の燃料を投入しても、水分量が多い場合は、所望の熱量が得られない。従って、所望の熱量を得ようとする場合に、燃料に含まれる水分量が多いと、燃料の投入量を増加させる必要がある。このように、燃料に含まれる水分量が多いと、燃料の投入量が増加する上に排ガス量比も大きくなるため、ボイラで発生する排ガス量が過大になってしまうという問題がある。排ガス量が過大になる場合、排ガス系統の摩耗が生じやすくなり、異常摩耗による設備損傷が生じるという問題がある。

そこで、本実施形態に係る燃焼制御システム３００は、ボイラ２から排出される排ガス量を検知する排ガス量検知部３１を備えている。これにより、燃焼制御システム３００は、ボイラ２からどの程度の量の排ガスが排出されているかを把握することができる。また、燃焼制御システム３００は、排ガス量検知部３１で検知される排ガス量の情報を用いて、ボイラ２で得られるエネルギー量を調整するエネルギー量調整部３４を備えている。従って、エネルギー量調整部３４は、排ガス量の発生状況に応じて、ボイラ２で得られるエネルギー量を調整することができる。これにより、排ガス量が過大となる場合には、排ガス量の発生を抑制できるように、エネルギー量をエネルギー量調整部３４にて調整することができる。以上により、ボイラ２で発生する排ガスが過大になることを抑制することができる。

本実施形態に係る燃焼制御システム３００において、排ガス量検知部３１は、排ガスの流量を測定する排ガス流量計（測定装置）４１によって構成されている。このような構成により、排ガス量検知部３１は、ボイラ２で発生する排ガス量を直接的に検知することができ、正確な排ガス量を得ることができる。

本実施形態に係る燃焼制御システム３００において、排ガス量検知部３１は、ボイラ２の排ガスが流通する排ガス流路６上に設けられる排気部７の運転情報に基づいて、排ガス量を検知している。このような構成により、ボイラで発生する排ガス量を間接的に検知することができる。従って、直接的に検知するものが故障した場合に、間接的に検知する排ガス量検知部３１が、バックアップとして機能することができる。なお、通常時には排ガス量検知部３１が間接的に排ガス量を検知し、当該排ガス量検知部３１が故障した場合に、バックアップとして直接的に排ガス量を検知する方式に切り替えてよい。特に、本実施形態では、排ガス量検知部３１としてＩＤＦ電流値検知部４２が採用されている。このようにＩＤＦ電流値に基づいて排ガス量を検知することで、単一故障時でもシステム運用可能というメリットがある。

本実施形態に係る燃焼制御システム３００において、エネルギー量調整部３４は、排ガス量が多いと判定したとき、ボイラ２で得られるエネルギー量を減少させている。このような構成により、排ガス量が多い場合に、エネルギー量調整部３４がエネルギー量を減少させることで、ボイラ２で発生する排ガスを減少させることができる。

本実施形態に係る燃焼制御システム３００において、エネルギー量調整部３４は、排ガス量が所定の閾値を超えたか否かを判定する判定部３６と、判定部３６の判定結果に基づいて、ボイラ２で得られるエネルギー量を所定量だけ減少させる調整部３７と、を備えている。このような構成により、判定部３６が所定の閾値に基づいて判定を行うため、排ガス量が多くなったことを容易に判定することができる。また、調整部３７が所定量だけエネルギー量を減少させるため、一回の演算で減少量を求めるような制御を行う場合に比して、演算の負荷を低減することができる。

本実施形態に係る燃焼制御方法は、ボイラ２の燃焼を制御する燃焼制御方法であって、ボイラ２から排出される排ガス量を検知する排ガス量検知工程と、排ガス量検知工程で検知される排ガス量の情報を用いて、ボイラ２で得られるエネルギー量を調整するエネルギー量調整工程と、を備える。

本実施形態に係る燃焼制御方法によれば、上述の燃焼制御システム３００と同様な作用・効果を得ることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、コントローラ３２による制御処理は、図２に示すフローチャートに限定されず、本願発明の趣旨の範囲で適宜変更してもよい。例えば、図２の処理では、ボイラマスタが減少する点についてのみ言及していたが、ボイラマスタが上昇する制御を追加、又は別途行ってもよい。例えば、Ｓ１２０、Ｓ１５０などで所定の条件を満たすことでボイラマスタを増加させてもよい。また、ボイラマスタが下限付近まで達したときに、ボイラマスタの低下を防止してもよい。また、ボイラマスタを増加させるような制御処理を行ってもよい。そのほか、定空気比運転のような制御を行うことで排ガス量を抑制してもよい。

上述の実施形態では、エネルギー量調整部は自動的な制御によってエネルギー量調整を行うものであった。しかし、エネルギー量調整部が、操作者の入力を受け入れ可能なインタフェースなどによって構成されてもよい。例えば、操作者は、モニタなどで排ガス量の状況を確認し、それに基づいてボイラのエネルギー量を調整するように操作を行ってよい。

２…ボイラ、６…排ガス流路、７…排気部、３１…排ガス量検知部、３４…エネルギー量調整部、３６…判定部、３７…調整部、４１…排ガス流量計（測定装置）、３００…燃焼制御システム。

Claims (6)

1. ボイラの燃焼を制御する燃焼制御システムであって、
   前記ボイラから排出される排ガス量を検知する排ガス量検知部と、
   前記排ガス量検知部で検知される前記排ガス量の情報を用いて、前記ボイラで得られるエネルギー量を調整するエネルギー量調整部と、を備える、燃焼制御システム。
2. 前記排ガス量検知部は、前記排ガスの流量を測定する測定装置によって構成されている、請求項１に記載の燃焼制御システム。
3. 前記排ガス量検知部は、前記ボイラの排ガスが流通する排ガス流路上に設けられる排気部の運転情報に基づいて、前記排ガス量を検知する、請求項１又は２に記載の燃焼制御システム。
4. 前記エネルギー量調整部は、前記排ガス量が多いと判定したとき、前記ボイラで得られる前記エネルギー量を減少させる、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃焼制御システム。
5. 前記エネルギー量調整部は、
   前記排ガス量が所定の閾値を超えたか否かを判定する判定部と、
   前記判定部の判定結果に基づいて、前記ボイラで得られるエネルギー量を所定量だけ減少させる調整部と、を備える、請求項１〜４の何れか一項に記載の燃焼制御システム。
6. ボイラの燃焼を制御する燃焼制御方法であって、
   前記ボイラから排出される排ガス量を検知する排ガス量検知工程と、
   前記排ガス量検知工程で検知される前記排ガス量の情報を用いて、前記ボイラで得られるエネルギー量を調整するエネルギー量調整工程と、を備える、燃焼制御方法。

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