JP6557018B2 - 多缶設置ボイラ - Google Patents

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Description

本発明は、複数台のボイラと各ボイラの燃焼量を決定する台数制御装置を持ち、各ボイラでの燃焼量を調節することでボイラ全体での燃焼量を調節するようにしている多缶設置ボイラに関するものである。
特許第5455867号公報に記載があるように、複数台のボイラを設置しておき、負荷の状況に応じてボイラの燃焼台数を増減するようにしたボイラの多缶設置システムが普及している。ボイラが熱使用部との間で熱媒を循環させる熱媒ボイラであった場合、ボイラから取り出された部分の熱媒温度に基づいてボイラの燃焼台数を制御するようにしている。ボイラ出口部分の温度を一定範囲に保つようにボイラの燃焼台数を制御することで、熱使用部へ送る熱媒温度を一定にすることができる。特許第5455867号公報に記載の発明では、熱媒温度に対応させてボイラの燃焼台数を設定しており、供給している熱媒の温度が低くなるほど燃焼台数を多くし、熱媒温度が上昇すると燃焼台数を少なくしていく。
そして熱媒温度が上昇していく場合と低下していく場合では、燃焼台数に対する熱媒温度の設定値を異ならせておく。例えば特許5455867号公報に記載の発明における実施例では、228.6℃より高くなると燃焼台数を3台から2台に減少するが、2台から3台に増加する熱媒温度の値は225.7℃としている。これは燃焼台数を減少することで熱の供給量が減少すると熱媒温度は低下していくが、燃焼台数を減少する熱媒温度の値と燃焼台数を増加する熱媒の値が同じであると、熱媒温度の上昇によって燃焼台数を減少した後に少し熱媒温度が低下しただけで燃焼台数を増加することになり、また燃焼台数の増加で熱媒温度が上昇した場合も少しの上昇で燃焼台数を減少しなければならなくなり、燃焼台数の増加と減少を短期間で繰り返すことになる。ボイラでは燃焼を開始する際には燃焼室内を換気するプレパージが必要であり、プレパージを行うことで熱が放出されるために発停回数が増加すると効率は低下する。そしてプレパージの実施中は燃焼を開始できないために、負荷に対する追従性が悪くなる。そのために燃焼の発停回数は少なくする制御の方が好ましく、燃焼台数を増加する設定値と燃焼台数を減少する設定値の間には差を設定することで、燃焼台数の増減頻度を低下させるようにしている。
また、ここではボイラの燃焼量は燃焼を行っているか停止しているかの二択になっているが、個々のボイラにおいて燃焼量を増減する場合もある。燃焼量を比例制御するボイラを設置しておいて、熱媒温度に応じてボイラの燃焼量を比例制御する場合には、熱媒温度が低いと各ボイラでの燃焼量を多くし、熱媒温度が上昇していくにつれて各ボイラの燃焼量を少なくしていく。そして各ボイラで最小の燃焼量まで低下させた後は、さらに熱媒温度が上昇すればボイラの燃焼台数を減らしていくようにしている。
図6は比例制御と台数制御を組み合わせた多缶設置ボイラにおける熱媒温度とボイラの燃焼量変化の例を示したものである。図6では、熱媒温度が280℃より低い場合は設置ボイラ3台の全てが100%の燃焼量で燃焼を行っている。ボイラ全体での負荷は、3台のボイラがそれぞれ100%の燃焼量である場合、全体の燃焼量は300%としておく。熱媒温度が280℃から295℃の間にある場合、それぞれのボイラでは熱媒温度に応じて比例制御を行う。比例制御幅が10%から100%であれば、熱媒温度が295℃で最小燃料量の10%になるようにしている。比例制御範囲内では各ボイラの燃焼量は均等であり、全体の負荷率は各ボイラでの負荷率の3倍となる。熱媒温度が295℃まで上昇した時点では、各ボイラの燃焼量は10%であって燃焼台数は3台であるために、全体での負荷率は30%となる。
熱媒温度が295℃より高い範囲内では、ボイラの燃焼台数を変更することによって加熱量を調節する。熱媒温度が上昇して296℃より高くなると、燃焼台数を1台減少する。このときの各ボイラでの燃焼量は10%であったため、燃焼台数が3台から2台に減少すると全体の負荷率は20%となる。さらに熱媒温度が上昇して298℃よりも高くなると、燃焼台数を2台から1台に減少して全体の負荷率は10%とし、300℃よりも高くなると、最後のボイラも燃焼を停止して負荷率は0%とする。
熱媒温度が低下していく場合は、299℃より低くなった時点で燃焼台数を1台とし、燃焼を行うボイラでは最小の燃焼量である20%で燃焼を行うことで全体の負荷率を10%とする。そこからさらに熱媒温度が低下して297℃よりも低くなると、燃焼台数を1台から2台に増加して全体の負荷率は20%とし、295℃よりも低くなると、最後のボイラも燃焼を開始して負荷率は30%とする。そこから更に熱媒温度が低下した場合には、比例制御の温度帯に入るために各ボイラでは熱媒温度に応じた比例制御を行うことで燃焼量を増加させていく。
以上のように、比例制御と台数制御を組み合わせた場合、熱媒温度の制御範囲内のうち、温度の低い部分では全てのボイラで燃焼を行うことにして、各ボイラでは熱媒温度に応じた比例制御を行い、熱媒温度が高くなることで比例制御を行っているボイラでは燃焼制御可能範囲の下限まで低下すると、最小負荷となっているボイラの燃焼台数を変更することでボイラ全体での燃焼量の調節を行う。
しかし、この場合、燃焼台数の変更によって全体での負荷率を調節しているゾーン内では、燃焼台数の増減頻度が大きくなり、短時間での燃焼台数の変更が繰り返されることになる。しかしボイラでは、燃焼を開始する場合には燃焼室内を換気するパージ時間が必要であるため、短時間での燃焼台数の変更に対応できず、負荷追従性が悪くなるということがあった。
特許5455867号公報
本発明が解決しようとする課題は、燃焼量の比例制御と台数制御を組み合わせている多缶設置ボイラにおいて、負荷に対する追従性を向上させることにある。
燃焼量を比例的に調節することのできる燃焼装置を持ち、燃焼装置による燃焼によって熱媒体の加熱を行うようにしている複数台のボイラと、前記ボイラにおける燃焼量を決定する台数制御装置を持っている多缶設置ボイラであって、ボイラから供給している熱媒体の温度を検出する熱媒温度計測装置を設けておき、台数制御装置では前記熱媒温度計測装置にて検出した温度に基づいて、燃焼中のボイラにおける燃焼量を比例的に制御する燃焼比例制御を行うとともに、前記熱媒温度計測装置にて検出した温度に基づいて燃焼を行うボイラ台数を変更する台数制御を行うようにしている多缶設置ボイラにおいて、燃焼台数を変更する熱媒温度帯と燃焼量を比例制御する熱媒温度帯は重ねて設定し、燃焼を行っている各ボイラでの燃焼量は均等となるようにしておき、燃焼台数の変更によって燃焼を開始する場合及び燃焼を停止する場合での燃焼実施ボイラでの目標の燃焼量は、前記の熱媒温度計測装置にて検出した温度から比例的に定まる燃焼量となるようにしたことを特徴とする。
本発明を実施することで、燃焼台数を短時間で行うことがなくなり、負荷の追従性を向上させることができる。
本発明の一実施例での多缶設置ボイラのフロー図 本発明の一実施例での台数制御の設定を示した説明図 本発明の一実施例での比例制御の設定を示した説明図 本発明の一実施例での台数制御と比例制御を組み合わせた場合における負荷率の説明図 本発明の一実施例での熱媒温度と負荷率の関係を示した説明図 従来例での熱媒温度と負荷率の関係を示した説明図
本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図1は本発明の一実施例での多缶設置ボイラのフロー図である。ここでは3台の熱媒ボイラ1を並列設置しており、熱媒ボイラ1と熱使用部2の間で熱媒体を循環させるようにしている。熱媒ボイラ1は、中央に空間を開けたコイル状の熱媒体加熱管によって側面を形成した円筒形の燃焼室を持ったものであり、中央上部に設けた燃焼装置によって燃焼室内で燃焼を行い、熱媒体加熱管内の熱媒体を加熱する。熱媒ボイラ1で発生させた熱は、熱媒体を通じて移送するようにしており、熱使用部2と熱媒ボイラ1の間を熱媒体が循環することができるようにしておく。各熱媒ボイラ1から取り出された熱媒体は、熱媒送り配管3を通して熱使用部2へ送る。熱使用部2は熱媒体と水との間で熱交換を行うことで温水を発生するなど熱媒体の熱を使用して加熱するものであり、熱使用部2で熱交換を行うことで温度の低下した熱媒体は、熱媒戻り配管5を通して熱媒ボイラ1へ戻している。熱媒戻り配管5は熱媒ボイラ1の手前で分岐することで各熱媒ボイラ1に接続しており、各熱媒ボイラ1に分岐した以降の部分に循環ポンプ4を設けている。
熱媒ボイラ1での燃焼量は、台数制御装置7によって制御する。台数制御装置7は、熱媒送り配管3に設けている熱媒温度計測装置6と接続しておき、熱媒温度計測装置6で計測している熱媒体の温度に基づいて、各熱媒ボイラ1の燃焼状態を決定し、各熱媒ボイラへ燃焼指令の出力を行う。台数制御装置7は、熱媒温度の値が高くなった場合には熱媒ボイラ1の燃焼量を少なくし、熱媒温度の値が低くなるほど熱媒ボイラ1の燃焼量を多くする。燃焼量の調節は、個々のボイラにおいて燃焼量を比例的に増減する比例制御と、燃焼台数の増減を行う台数制御を組み合わせて行う。熱媒ボイラ1の燃焼台数の決定は、図2に記載しているように、熱媒温度の値と燃焼台数の関係を設定しておき、熱媒温度計測装置6で検出した熱媒温度の値によって熱媒ボイラ1の燃焼台数を決定する。図2では、燃焼するボイラの台数を○の数で表し、燃焼停止とするボイラの台数を×の数で表している。
図2では、わずかな温度変動で燃焼台数の増減が頻発することがないように、燃焼台数を増加する値と燃焼台数を減少する値には差を付けている。温度上昇欄は燃焼台数を減少していく側であり、温度区分の境界値を高くしている。温度下降側は燃焼台数を増加していく側であり、こちらは温度区分の境界値を低くする。このようにすると、熱媒温度の低下によって燃焼台数を増加した後に熱媒温度が上昇したという場合、燃焼台数を増加した値よりも所定幅分高い値にならなければ燃焼台数の減少は行わない。同様に熱媒温度上昇によって燃焼台数を減少した後に熱媒温度が低下したという場合も、燃焼台数を減少した値よりも所定幅分低い値にならなければ燃焼台数の増加は行わない。燃焼台数の増加時と減少時で温度区分をずらして設定しているため、燃焼台数の増減が少なくなる。
図2は、温度調節範囲が280℃から300℃であって、熱媒ボイラ1の設置台数が3台の場合であり、280℃から300℃の間に4つの境界値を設定することになる。台数制御装置7は、熱媒温度が上昇している場合には左側の温度区分に基づいて燃焼台数を決定し、熱媒温度が下降している場合には右側の温度区分に基づいて燃焼台数を決定する。熱媒温度上昇の場合、284℃より低い状態では3台のボイラ全てを燃焼とし、284℃より高くなるとボイラの燃焼台数を1台減少して燃焼台数は2台、さらに上昇して292℃より高くなると燃焼台数をもう1台減少して燃焼台数は1台、300℃よりも高くなると最後のボイラも燃焼を停止して燃焼台数は0台とする。熱媒温度下降の場合も同様であり、296℃より高い状態では3台のボイラ全てを燃焼停止とし、296℃より低くなると1台のボイラで燃焼を開始して燃焼台数は1台、288℃より低くなるとさらに燃焼台数を1台増加して燃焼台数は2台、280℃より低くなると燃焼台数は3台とする。
燃焼台数を決定すると、台数制御装置7は決定した台数分の熱媒ボイラ1に対しては燃焼の指令を出力し、それ以外のボイラには燃焼停止の指令を出力する。各熱媒ボイラ1は、台数制御装置7からの燃焼の指令を受けている時には燃焼を行い、燃焼停止指令を受けている時には燃焼停止とする。燃焼指令を受けているボイラは、循環ポンプ4を作動し、燃焼装置による燃焼を行うことで、ボイラ内で熱媒体を加熱する。燃焼停止指令を受けているボイラでは、循環ポンプ4と燃焼装置は停止しておく。
個々の熱媒ボイラ1における燃焼量の増減は、図3に記載しているように、熱媒温度の値と負荷率の関係を設定しておき、熱媒温度計測装置6で検出した熱媒温度の値に基づいて熱媒ボイラ1の燃焼量を決定する。図3では、比例制御の範囲を図2に記載した台数制御の範囲と重なるように設定しており、熱媒温度が280℃から300℃の間で設定している。
熱媒温度が280℃以下の場合、熱媒ボイラ1は最大の燃焼量で燃焼を行うために燃焼量は100%とし、熱媒温度が300℃以上の場合、熱媒ボイラ1は燃焼を停止するために燃焼量は0%としており、280℃から300℃の間で熱媒ボイラ1の燃焼量を比例的に設定している。熱媒ボイラ1の最小燃焼量が10%であれば、280℃から300℃の間で燃焼量を100%から10%まで比例制御することになるため、ここでは熱媒温度が1℃変化すると熱媒ボイラ1の燃焼量は4.5%変更するものとしている。そして、熱媒温度が280℃であると燃焼量は100%、284℃では82%、288℃では64%、292℃では46%と、296℃では28%、300℃であれば10%としている。各温度の間も比例的に燃焼するようにしており、例えば熱媒温度が292℃から296℃の間にある場合は、熱媒ボイラ1の燃焼量は28%から46%の間であって、熱媒温度に対して比例的に変更する。
図4は3台の熱媒ボイラ1の全体での燃焼量の設定を説明するものである。ここでは熱媒ボイラ1の最大の燃焼量を100%とし、3台の熱媒ボイラ1がそれぞれ100%で燃焼した場合であるボイラ全体での最大燃焼量は300%になるとして燃焼量を記載している。図4での燃焼量は、燃焼を行う熱媒ボイラ1の台数と個々の熱媒ボイラ1での燃焼量の変更が組み合わせたものとなっている。熱媒温度上昇の場合、284℃より低い場合は図2に記載の通り3台のボイラ全てを燃焼とし、各ボイラでの燃焼量は図3に記載の通り82%から100%であるため、この領域での全体での燃焼量は熱媒温度が284℃で全体の負荷率は246%、熱媒温度280℃で負荷率は300%となる。そして284℃から280℃の間では、熱媒温度が1℃変化するごとに全体での負荷率は13.5%変化する比例制御となる。
284℃から292℃の範囲内では、熱媒ボイラ1の燃焼台数は2台であって、燃焼しているボイラの燃焼量は46%から82%となる。そのため284℃の場合での負荷率は164%、292℃の場合での負荷率は92%となり、その間は熱媒温度が1℃変化するごとに全体での負荷率は9%変化する比例制御となる。
同様に、292℃から300℃の範囲内では、熱媒ボイラ1の燃焼台数は1台であって、燃焼しているボイラの燃焼量は10から46%であるため、全体での燃焼量も10%から46%となる。そしてその間の負荷率は、熱媒温度が1℃変化するごとに全体での負荷率は4.5%変化する比例制御となる。さらに熱媒温度が高くなって300℃より高くなると、燃焼台数は0台となるために燃焼量は0%となる。
熱媒温度下降の場合も説明すると、296℃より高い場合は3台のボイラ全ての燃焼と停止しているために燃焼量は0%、292℃から300℃の範囲内では、熱媒ボイラ1の燃焼台数は1台であって、燃焼しているボイラの燃焼量は28%から64%となる。この場合、全体での負荷率は296℃で28%、288℃で64%となり、この間は熱媒温度が1℃変化するごとに全体での負荷率は4.5%変化する比例制御となる。280℃から288℃の範囲内では、熱媒ボイラ1の燃焼台数は2台であって、燃焼している各ボイラの燃焼量は64%から100%であるため、全体での燃焼量は128%から200%となる。この場合、全体での負荷率は288℃で128%、280℃で200%となり、この間は熱媒温度が1℃変化するごとに全体での負荷率は9%変化する比例制御となる。さらに熱媒温度が低下して280℃より低くなると、燃焼台数は3台であって、各ボイラの燃焼量は100%であるために全体での燃焼量は300%となる。
この場合、ボイラの燃焼量は比例制御を行うものであるが、温度域の境界部分で燃焼台数が変化するため、温度域の境界部分では全体負荷の値に段差ができている。このことをグラフに書き直したのが図5である。熱媒温度が低い状態から上昇していく場合から説明すると、熱媒温度が280℃より低い場合、燃焼台数3台で各ボイラは100%燃焼であるために全体負荷率は300%となる。280℃を越えて284℃までは3台の熱媒ボイラ1が燃焼しており、各ボイラの燃焼量は均等であって、280℃でそれぞれ100%、284℃ではそれぞれ82%となっている。この部分での全体の負荷率は、246%から300%の範囲内で、熱媒温度に応じて比例制御されることになる。
熱媒温度は284℃より高くなると、燃焼台数を1台減少して燃焼台数は2台とする。284℃の場合における燃焼しているボイラの燃焼量は82%であり、3台のボイラがそれぞれ82%で燃焼していた状態から82%の燃焼台数は2台となると、燃焼台数が減少したことによって全体負荷率は246%から164%に変化する。その後は2台のボイラで比例制御を行うことになり、熱媒温度280℃で各ボイラの燃焼量は100%となって全体負荷率は200%から、熱媒温度292℃で各ボイラの燃焼量は46%となって全体負荷率92%の間では、燃焼台数2台での比例制御を行う。熱媒温度が上昇して292℃より高くなると、燃焼台数をさらに減少することで燃焼台数は1台とし、全体負荷率は1台分の負荷率と同じであって46%となる。燃焼台数を1台に変更した後は1台のボイラで比例制御を行っており、熱媒温度288℃でボイラの燃焼量は64%から、熱媒温度300℃でボイラの燃焼量は10%の間で比例制御を行う。さらに熱媒温度が上昇して300℃を越えると、最後の1台も燃焼を停止することで、全体の負荷率は0%となる。
次に熱媒温度が高い状態から低下していく場合の説明を行う。熱媒温度が296℃より高い場合、燃焼台数0台で全てのボイラは燃焼停止となっている。296℃より低くなると1台のボイラで燃焼を開始し、296℃での燃焼量は28%であるため負荷率は28%となっている。燃焼台数が1台となった後は、1台のボイラで比例制御を行っており、熱媒温度288℃でボイラの燃焼量は64%から、熱媒温度300℃でボイラの燃焼量は10%の間で比例制御を行う。
そこからさらに熱媒温度が低くなり、熱媒温度が288℃よりも低下すれば2台目のボイラで燃焼を開始する。288℃での燃焼量は64%であるために64%の2台分で全体での負荷率は128%となる。この場合もここからは燃焼台数2台での比例制御を行うことになり、熱媒温度280℃で各ボイラの燃焼量は100%となって全体負荷率は200%から、熱媒温度292℃で各ボイラの燃焼量は46%となって全体負荷率92%の間では、燃焼台数2台での比例制御を行う。さらに熱媒温度が低下し、280℃未満になると最後の1台が燃焼を開始する。280℃での各ボイラの燃焼量は100%であるため、280℃未満では全体負荷率が300%となる。
上記のように、燃焼を行っているボイラでの燃焼量は熱媒温度から決定して比例制御を行い、ボイラの燃焼台数も熱媒温度から決定するようにしている。そして、燃焼台数を変更する温度帯と燃焼量を比例制御する温度帯が重なるようにしており、燃焼台数の変更によって燃焼を開始する場合及び燃焼を停止する場合での燃焼実施ボイラでの燃焼量は、前記の熱媒温度計測装置にて検出した温度から比例的に定まる燃焼量となるようにしておく。
この場合、ボイラの燃焼台数を変更した部分では、図5に記載されているように全体負荷率は変化する。そのために熱媒温度は、低下する方向に変化していた場合に、ボイラ燃焼台数を増加すると加熱量が大きく増加するために熱媒温度の変更方向が反転する。あるいは逆に、熱媒温度は上昇する方向に変化していた場合に、ボイラ燃焼台数を減少すると加熱量が大きく減少するために熱媒温度の変更方向が反転するということがよくある。
図6に記載しているように、ボイラでの燃焼量を比例制御する温度域と、ボイラの燃焼台数を変更する温度域が別であった場合、例えば熱媒温度が296℃より低い状態から高くなることで燃焼台数を3台から2台に変更すると、台数変更によって負荷率は40%になる。ここで必要な熱供給量に相当する負荷率は50%であったとすると、それまでの燃焼量の負荷率は60%で、熱の必要量である50%より大きかったために熱媒温度は上昇していたが、この熱供給量の減少によって負荷率が40%になると熱媒温度の変化方向が反転することになる。そして熱媒温度が低下し始めた場合、熱媒温度が295℃に低下するまでは負荷率は変化しないため、熱媒温度は確実に低下し、295℃まで低下すると燃焼台数を増加する。この燃焼台数を増加することによって負荷率が60%になることで、再び熱媒温度の変化方向が反転し、熱媒温度の上昇が始まったとすると、今度は296℃まで上昇し、296℃で燃焼台数の減少を行う、ということを繰り返すことになっていた。
これに対して本発明では、ボイラでの燃焼量を比例制御する温度域と、ボイラの燃焼台数を変更する温度域は重ねるようにしておく。この場合、燃焼台数の変更を行った直後から比例制御を行うことになり、このことによって燃焼台数の変更頻度を少なくすることができる。例えば熱媒温度が292℃より低い状態から高くなることでボイラの燃焼台数を2台から1台に変更した場合、台数変更によって負荷率が46%になる。この場合も熱供給量に必要な負荷率は50%であったとすると、この燃焼量の減少によって熱供給量の方が少なくなったために熱媒温度の変化方向は反転する。熱媒温度は低下し始めた場合、熱媒温度が低下すると、熱媒温度に応じて燃焼量を比例制御しているため、負荷率は増加していく。この場合の燃焼台数を変更しない状態でも負荷率の増加は、負荷率64%まで行うことができる。この時点での必要な熱供給量である50%は、燃焼台数を増加しなくても対応できる範囲の64%より低いものであるため、熱媒温度が288℃まで低下する前に熱媒温度の低下は止まる。そのため、この場合には燃焼台数を変更は行う必要がない。図6の例であれば、台数変更の温度域においては熱媒温度の変化方向が反転すれば燃焼台数の変更を行わない限り熱供給量は変化しないために、燃焼台数の変更が確実に必要となっていた。しかし本発明の制御を行った場合、温度変化が反転した後に燃焼量は比例制御を行うために熱供給量の調節が行われる、燃焼台数の変更が必要となるのは燃焼量の比例制御で対応できなかった場合のみとなるために、燃焼台数の変更頻度が少なくなる。
なお、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
1 熱媒ボイラ
2 熱使用部
3 熱媒送り配管
4 循環ポンプ
5 熱媒戻り配管
熱媒温度計測装置
7 台数制御装置

Claims (1)

  1. 燃焼量を比例的に調節することのできる燃焼装置を持ち、燃焼装置による燃焼によって熱媒体の加熱を行うようにしている複数台のボイラと、前記ボイラにおける燃焼量を決定する台数制御装置を持っている多缶設置ボイラであって、ボイラから供給している熱媒体の温度を検出する熱媒温度計測装置を設けておき、台数制御装置では前記熱媒温度計測装置にて検出した温度に基づいて、燃焼中のボイラにおける燃焼量を比例的に制御する燃焼比例制御を行うとともに、前記熱媒温度計測装置にて検出した温度に基づいて燃焼を行うボイラ台数を変更する台数制御を行うようにしている多缶設置ボイラにおいて、燃焼台数を変更する熱媒温度帯と燃焼量を比例制御する熱媒温度帯は重ねて設定し、燃焼を行っている各ボイラでの燃焼量は均等となるようにしておき、燃焼台数の変更によって燃焼を開始する場合及び燃焼を停止する場合での燃焼実施ボイラでの目標の燃焼量は、前記の熱媒温度計測装置にて検出した温度から比例的に定まる燃焼量となるようにしたことを特徴とする多缶設置ボイラ。
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