JP6939705B2 - 水素燃焼ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、水素燃焼ボイラに関する。

従来、水素ガスを燃料として用いる水素燃焼ボイラが知られている。水素燃焼ボイラは、燃料を燃焼させた場合に二酸化炭素を発生させない点等で注目されている。

一方、燃料である水素ガスは、炭化水素ガスに比して燃焼速度が速く、また、空気と混合した場合の燃焼範囲が広いため、バーナで発生した火炎が水素供給ラインに逆流することを防止する必要がある。特に、バーナの運転停止時に水素供給ラインに水素ガスが残り、水素ガスが空気と混合することで、バーナの再運転時に逆火現象が発生することが考えられる。

そこで、水素供給ラインに不活性ガスを注入することにより、水素供給ラインに残存する水素ガスをパージするボイラが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−６５５７９号公報

特許文献１に開示されたボイラでは、水素供給ラインが不活性ガスによりパージされることにより、バーナ運転停止時の安全性を向上できる点で有用である。負荷側の必要蒸気量の変動に応じた蒸気を発生させる小型貫流ボイラ等では、ボイラ燃焼の発停が頻繁に起こる。ボイラ燃焼の発停の際に、適切に効率よく不活性ガスのパージを行い、ボイラ運転停止時及び起動時の安全性を向上できるボイラが求められていた。

従って、本発明は、水素供給ラインをより効率よくパージできる水素燃焼ボイラを提供することを目的とする。

本発明は、バーナと、前記バーナに接続され、前記バーナに水素ガスを供給する水素供給ラインと、前記水素供給ラインに配置され、該水素供給ラインの流路を開閉する遮断弁と、前記遮断弁の下流側における該遮断弁の近傍に接続され、前記水素供給ラインに不活性ガスを供給するパージラインと、前記パージラインに配置され、不活性ガスの供給量を調整する第１供給弁と、前記遮断弁及び前記第１供給弁の開閉を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記バーナにおける水素ガスの燃焼を停止する場合に前記遮断弁を閉止し、前記遮断弁が閉止された状態においてのみ前記第１供給弁を開くポストパージ制御部を備える水素燃焼ボイラに関する。

また、水素燃焼ボイラは、缶体を更に備え、前記バーナは、前記缶体の上端面に配置され、前記水素供給ラインは、前記バーナの上方から前記バーナに接続され、前記パージラインは、酸素よりも軽い不活性ガスを供給することが好ましい。

また、前記ポストパージ制御部は、前記バーナから前記遮断弁までの間の前記水素供給ラインの容積の４倍以上の不活性ガスを供給するように前記第１供給弁の開閉を制御することが好ましい。

また、前記制御部は、前記バーナによる水素ガスの燃焼を開始する前に、所定時間前記第１供給弁を開いて前記パージラインから不活性ガスを供給した後該第１供給弁を閉止し、前記第１供給弁が閉止された後に前記遮断弁を開くプレパージ制御部を更に備え、
前記プレパージ制御部は、前記遮断弁が閉止された状態においてのみ前記第１供給弁の開放を許容することが好ましい。

また、前記プレパージ制御部は、前記バーナから前記遮断弁までの間の前記水素供給ラインの容積の４倍以上の不活性ガスを供給するように前記第１供給弁の開閉を制御することが好ましい。

また、前記制御部は、前記バーナにおける水素ガスの燃焼の異常を検知した場合に前記遮断弁を閉止する異常検知部を更に備え、前記異常検知部により前記遮断弁が閉止された後に水素ガスの燃焼が開始される場合に前記プレパージ制御部による制御を行うことが好ましい。

また、水素燃焼ボイラは、前記パージラインに配置されるオリフィスを更に備え、前記パージラインにおける前記オリフィスの下流側の不活性ガスの圧力は、前記バーナの最小燃焼状態において前記水素供給ラインにおける前記遮断弁の下流側に供給される水素ガスの圧力よりも低く設定されることが好ましい。

また、前記パージラインにおける前記オリフィスの上流側の不活性ガスの圧力は、前記バーナの最大燃焼状態において前記水素供給ラインにおける前記遮断弁の下流側に供給される水素ガスの圧力よりも高く設定されることが好ましい。

また、水素燃焼ボイラは、前記パージラインに配置され、不活性ガスの圧力を検知する圧力検知部を更に備え、前記制御部は、前記圧力検知部により検知された不活性ガスの圧力が所定値よりも低下した場合に前記バーナによる水素ガスの燃焼を停止することが好ましい。

また、水素燃焼ボイラに接続する水素供給ラインには水素燃焼ボイラの上流側に燃料元弁が設けられ、水素燃焼ボイラは、前記パージラインから分岐して、前記燃料元弁の下流側近傍で前記水素供給ラインに接続される分岐パージラインと、前記分岐パージラインに配置され、該分岐パージラインを開閉する第２供給弁と、を更に備え、前記制御部は、前記燃料元弁から前記遮断弁の間を不活性ガスでパージする場合に、前記燃料元弁が閉止された状態においてのみ前記水素供給ラインをパージ可能にする遮断弁上流パージ制御部を更に備えることが好ましい。

また、水素燃焼ボイラは、前記水素供給ラインにおける前記パージラインとの接続位置よりも下流側に配置される流路切替弁と、前記水素供給ラインと前記パージラインとの接続位置よりも下流側、且つ前記流路切替弁よりも上流側の水素供給ラインに接続される大気開放ラインと、前記大気開放ラインに配置され、該大気開放ラインを開閉する大気開放弁と、を更に備え、大気開放ラインと、前記大気開放ラインに配置され、該大気開放ラインを開閉する大気開放弁と、を更に備え、前記遮断弁上流パージ制御部は、前記流路切換弁を閉止すると共に前記大気開放弁を開放して前記水素供給ラインをパージすることが好ましい。

また、水素燃焼ボイラは、前記水素供給ラインにおける前記パージラインとの接続位置よりも下流側に配置されるフレームアレスタを更に備えることが好ましい。

本発明によれば、水素供給ラインをより効率よくパージできる水素燃焼ボイラを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る水素燃焼ボイラの構成を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る水素燃焼ボイラの構成を模式的に示す図である。 本発明の他の例に係る水素燃焼ボイラの構成を模式的に示す図である。

以下、本発明の各実施形態に係る水素燃焼ボイラ１について、図面を参照しながら説明する。

［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態に係る水素燃焼ボイラ１について、図１を参照して説明する。
第１実施形態の水素燃焼ボイラ１は、水素ガスＧ１を燃料として用いるボイラである。水素燃焼ボイラ１は、例えば貫流ボイラであり、この水素燃焼ボイラ１では、水素ガスＧ１を供給するラインから缶体１０に配置されたバーナ２０に水素ガスＧ１が供給される。バーナ２０の燃焼停止時及びバーナ２０の燃焼開始時のそれぞれにおいて、水素ガスＧ１を供給するラインに残留する水素ガスＧ１は、不活性ガスＧ２によりパージされる。以下、バーナ２０の燃焼停止時のパージをポストパージといい、バーナ２０の燃焼開始時のパージをプレパージという。また、後述する燃料元弁Ｖ１３から第１遮断弁Ｖ１１の間に滞留する水素ガスＧ１のパージを遮断弁上流パージという。

水素燃焼ボイラ１は、図１に示すように、缶体１０と、バーナ２０と、送風機３０と、制御部４０と、を備える。また、この水素燃焼ボイラ１は、水素供給ラインＬ１００と、パージラインＬ２００と、分岐パージラインＬ２５０と、空気供給ラインＬ３００と、を備える。本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

缶体１０は、下部ヘッダ、複数の水管、上部ヘッダ（いずれも図示せず）、及び燃焼室Ｂ等を含んで構成され、この缶体１０に供給される水を加熱して蒸気を生成する。

バーナ２０は、缶体１０の上部に配置される。バーナ２０は、缶体１０の燃焼室Ｂで水素ガスＧ１を燃焼させる。
送風機３０は、バーナ２０に燃焼用の空気（燃焼用空気Ａ１）を供給する。
制御部４０は、水素燃焼ボイラ１の燃焼を制御する。制御部４０の詳細については後述する。

水素供給ラインＬ１００は、水素ガスＧ１を燃料としてバーナ２０に供給する。より具体的には、水素供給ラインＬ１００は、下流側がバーナ２０の上方からバーナ２０に接続され、上流側が水素ガスＧ１を供給する供給源（図示せず）に接続される。

以上の水素供給ラインＬ１００には、フレームアレスタ５０と、遮断弁としての第１遮断弁Ｖ１１と、第２遮断弁Ｖ１２と、流量調整弁Ｖ２１と、燃料元弁Ｖ１３と、第１大気開放部１１０と、が配置される。
フレームアレスタ５０は、水素供給ラインＬ１００に配置され、後述するパージラインＬ２００との接続位置よりも下流側に配置される。フレームアレスタ５０は、バーナ２０から水素供給ラインＬ１００に発生した逆火の上流側への進行を防止する。

第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２は、水素供給ラインＬ１００におけるフレームアレスタ５０よりも上流側に配置される。第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２は、電磁弁により構成され、水素供給ラインＬ１００の流路を開閉する。本実施形態において、第２遮断弁Ｖ１２は、第１遮断弁Ｖ１１よりも上流側に配置される。また、第２遮断弁Ｖ１２は、第１遮断弁Ｖ１１の近傍に配置される。

流量調整弁Ｖ２１は、水素供給ラインＬ１００において、第２遮断弁Ｖ１２の上流側に配置される。具体的には、流量調整弁Ｖ２１は、第１遮断弁Ｖ１１の上流側に配置される。流量調整弁Ｖ２１は、水素供給ラインＬ１００を流れる水素ガスＧ１の流量を調整する。流量調整弁Ｖ２１は、例えば、ガスガバナにより構成される。

燃料元弁Ｖ１３は、流量調整弁Ｖ２１の上流側に配置される。本実施形態では、燃料元弁Ｖ１３は、水素燃焼ボイラ（の外部）の上流側近傍に配置され、手動弁により構成され、水素供給ラインＬ１００の流路を開閉する。

第１大気開放部１１０は、燃料元弁Ｖ１３の上流側に配置される。第１大気開放部１１０は、大気開放ラインＬ５００と、この大気開放ラインＬ５００に配置される第１大気開放弁Ｖ５１と、を備える。第１大気開放部１１０は、第１大気開放弁Ｖ５１を開放して、燃料元弁Ｖ１３よりも上流側の水素供給ラインＬ１００の不活性ガスパージ及び水素置換を行う。

パージラインＬ２００は、水素供給ラインＬ１００を介して缶体１０に不活性ガスＧ２を供給するラインである。パージラインＬ２００の上流側は不活性ガスＧ２の供給源６０に接続され、下流側は、水素供給ラインＬ１００における第１遮断弁Ｖ１１とフレームアレスタ５０との間に接続される。本実施形態では、パージラインＬ２００は第１遮断弁Ｖ１１の近傍に接続される。
不活性ガスＧ２としては、窒素、ヘリウム、ネオン等の酸素よりも比重の軽いガスが用いられ、本実施形態では、不活性ガスＧ２として窒素が用いられる。

以上のパージラインＬ２００には、第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２と、オリフィス７０と、が配置される。
第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２は、電磁弁により構成され、パージラインＬ２００の流路を開閉して、不活性ガスＧ２の供給量を調整する。

オリフィス７０は、パージラインＬ２００における第１供給弁Ｖ３２よりも下流側に配置される。オリフィス７０は、パージラインＬ２００を流れる不活性ガスＧ２を絞り、下流側に流れる不活性ガスＧ２の圧力を下げる。

以上のパージラインＬ２００からは、水素供給ラインＬ１００における第１遮断弁Ｖ１１の下流側に供給される水素ガスＧ１の圧力よりも高い圧力の不活性ガスＧ２が供給される。即ち、パージラインＬ２００におけるオリフィス７０の上流側の不活性ガスＧ２の圧力は、バーナ２０の最大燃焼状態において水素供給ラインＬ１００における第１遮断弁Ｖ１１の下流側に供給される水素ガスＧ１の圧力よりも高くなるように設定される。

また、パージラインＬ２００におけるオリフィス７０の下流側の不活性ガスＧ２の圧力は、バーナ２０の最小燃焼状態において、水素供給ラインＬ１００における第１遮断弁Ｖ１１の下流側に供給される水素ガスＧ１の圧力よりも低くなるように設定される。これにより、オリフィス７０の下流側における不活性ガスＧ２の圧力は、水素供給ラインＬ１００における第１遮断弁Ｖ１１の下流側の水素ガスＧ１の圧力と、第１遮断弁Ｖ１１の逆耐圧との和よりも低くなる。

分岐パージラインＬ２５０は、パージラインＬ２００から分岐するラインである。分岐パージラインＬ２５０は、パージラインＬ２００をバイパスして缶体１０に不活性ガスＧ２を供給するラインである。分岐パージラインＬ２５０は、水素供給ラインＬ１００を介して流量調整弁Ｖ２１、第２遮断弁Ｖ１２、及び第１遮断弁Ｖ１１を経由してバーナ２０に流れる不活性ガスＧ２を供給する。分岐パージラインＬ２５０は、パージラインＬ２００から分岐して、燃料元弁Ｖ１３の下流側近傍で水素供給ラインＬ１００に接続される。具体的には、分岐パージラインＬ２５０の上流側は、第１供給弁Ｖ３１と供給源６０との間のパージラインＬ２００に接続され、下流側は、燃料元弁Ｖ１３（ボイラ外に設けられる手動弁）の下流側直近に設けられる。本実施形態では、分岐パージラインＬ２５０の下流側は、水素供給ラインＬ１００における流量調整弁Ｖ２１の上流側に接続される。

以上の分岐パージラインＬ２５０には、第２供給弁Ｖ３３が配置される。
第２供給弁Ｖ３３は、電磁弁により構成され、分岐パージラインＬ２５０の流路を開閉して、分岐パージラインＬ２５０から水素供給ラインＬ１００に供給される不活性ガスＧ２の供給量を調整する。即ち、第２供給弁Ｖ３３は、電磁弁で構成され、分岐パージラインＬ２５０の流路を開閉して、分岐パージラインＬ２５０から流量調整弁Ｖ２１、第２遮断弁Ｖ１２、及び第１遮断弁Ｖ１１に供給される不活性ガスＧ２の供給量を調整する。

空気供給ラインＬ３００は、バーナ２０に燃焼用空気Ａ１を供給する。空気供給ラインＬ３００の上流側は、送風機３０に接続される。また、空気供給ラインＬ３００の下流側は、バーナ２０に接続される。

制御部４０は、第１遮断弁Ｖ１１，第２遮断弁Ｖ１２、第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２、及び第２供給弁Ｖ３３の開閉を制御する。また、制御部４０は、送風機３０の起動及び停止を制御する。制御部４０は、ポストパージ制御部４１と、プレパージ制御部４２と、遮断弁上流パージ制御部４４と、を備える。

ポストパージ制御部４１は、バーナ２０における水素ガスＧ１の燃焼を停止する場合に、水素供給ラインＬ１００をパージする。
プレパージ制御部４２は、バーナ２０による水素ガスＧ１の燃焼を開始する前に、水素供給ラインＬ１００をパージする。

遮断弁上流パージ制御部４４は、燃料元弁Ｖ１３から第１遮断弁Ｖ１１の間の水素供給ラインＬ１００をパージする。より具体的には、遮断弁上流パージ制御部４４は、送風機３０を起動し缶体１０内の換気を行うと共に、分岐パージラインＬ２５０の水素供給ラインＬ１００への接続位置と、パージラインＬ２００の水素供給ラインＬ１００への接続位置との間の水素供給ラインＬ１００をパージする。
遮断弁上流パージ制御部４４の動作については後述する。

次に、水素燃焼ボイラ１の動作について説明する。
バーナ２０における水素ガスＧ１の燃焼を停止する場合、ポストパージ制御部４１によるポストパージが実施される。まず、ポストパージ制御部４１は、第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２を閉止する。第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２が閉止されることで、水素供給ラインＬ１００が閉止され、バーナ２０への水素ガスＧ１の供給が停止される。

次いで、ポストパージ制御部４１は、第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２が閉止された後に第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２を所定時間開放して、ポストパージを実施する。本実施形態では、ポストパージ制御部４１は、第１遮断弁Ｖ１１（及び第２遮断弁Ｖ１２）が閉止された状態においてのみ第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２の開放を許容する。これにより、ポストパージを行う場合に水素ガスＧ１が誤ってバーナ２０に供給されることを防げる。

第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２が開放されることで、不活性ガスＧ２の供給源６０からパージラインＬ２００を通じて水素供給ラインＬ１００に不活性ガスＧ２が供給される。水素供給ラインＬ１００に供給された不活性ガスＧ２は、フレームアレスタ５０を通り、バーナ２０から噴出する。バーナ２０から噴出した水素ガスＧ１は、空気供給ラインＬ３００からバーナ２０に供給される燃焼用空気Ａ１と共に、缶体１０の燃焼室Ｂからパージされる。

ここで、ポストパージ制御部４１は、バーナ２０の吹き出し口から第１遮断弁Ｖ１１までの間の水素供給ラインＬ１００の内容積の４倍以上の不活性ガスＧ２を供給するように第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２の開閉を制御する。本実施形態において、ポストパージ制御部４１は、所定時間第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２を開放することで、所定量の不活性ガスＧ２を水素供給ラインＬ１００に供給する。不活性ガスＧ２が水素供給ラインＬ１００の容積の４倍以上、水素供給ラインＬ１００に供給されることで、水素供給ラインＬ１００に残留する水素ガスＧ１は、１％以下に希釈される。水素ガスＧ１が１％以下に希釈されることで、水素供給ラインＬ１００に残留する水素ガスＧ１の濃度が可燃範囲（４％〜７５％）から外れる。

ポストパージ制御部４１は、水素供給ラインＬ１００をパージラインＬ２００から供給される不活性ガスＧ２によりパージした後に、第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２を閉止する。次いで、ポストパージ制御部４１は、送風機３０を停止して、バーナ２０による水素ガスＧ１の燃焼停止動作を終了する。

次に、バーナ２０による水素ガスＧ１の燃焼を開始する場合、プレパージ制御部４２によるプレパージが実施される。まず、プレパージ制御部４２は、送風機３０を起動して、空気供給ラインＬ３００からバーナ２０に燃焼用空気Ａ１の供給を開始する。次いで、プレパージ制御部４２は、第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２を開放する。第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２が開放されることで、不活性ガスＧ２の供給源６０からパージラインＬ２００を通じて水素供給ラインＬ１００に不活性ガスＧ２が供給される。水素供給ラインＬ１００に供給された不活性ガスＧ２は、フレームアレスタ５０を通り、バーナ２０から噴出する。本実施形態では、ポストパージ制御部４１は、第１遮断弁Ｖ１１（及び第２遮断弁Ｖ１２）が閉止された状態においてのみ第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２の開放を許容する。これにより、ポストパージを行う場合に水素ガスＧ１が誤ってバーナ２０に供給されることを防げる。

ここで、プレパージ制御部４２は、バーナ２０から第１遮断弁Ｖ１１までの間の水素供給ラインＬ１００の容積の４倍以上の不活性ガスＧ２を供給するように第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２の開閉を制御する。本実施形態において、プレパージ制御部４２は、第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２を所定時間開放することで、所定量の不活性ガスＧ２を水素供給ラインＬ１００に供給する。プレパージ制御部４２は、水素供給ラインＬ１００をパージラインＬ２００から供給される不活性ガスＧ２によりパージした後に、第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２を閉止する。

次いで、プレパージ制御部４２は、第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２を開放する。第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２が開放されることで、水素供給ラインＬ１００が開放され、バーナ２０への水素ガスＧ１の供給が開始される。これにより、プレパージ制御部４２は、バーナ２０による水素ガスＧ１の燃焼開始動作を終了する。

遮断弁上流パージは、例えば、水素燃焼ボイラ１を据え付けた場合や、水素燃焼ボイラ１の水素供給ラインＬ１００の全部或いは一部を分解又は取り外してメンテナンスを行った場合に水素供給ラインＬ１００に滞留する空気を排出して不活性ガスＧ２に置換する目的、及び水素供給ラインＬ１００のメンテナンスを行う場合や、水素燃焼ボイラ１を長期間停止する場合に水素供給ラインＬ１００に滞留する水素ガスＧ１を排出し不活性ガスＧ２に置換する目的で実行される。
具体的には、まず、遮断弁上流パージ制御部４４は、燃料元弁Ｖ１３の閉止を確認する。燃料元弁Ｖ１３の閉止が確認されることで、水素供給ラインＬ１００のうち、燃料元弁Ｖ１３よりも下流側への水素ガスＧ１の供給の停止が確認される。

次いで、遮断弁上流パージ制御部４４は、送風機３０を起動して缶体１０内の換気を行うと共に、第２遮断弁Ｖ１２、及び第１遮断弁Ｖ１１を開放する。これにより、燃料元弁Ｖ１３と第１遮断弁Ｖ１１との間に滞留する水素ガスＧ１は、フレームアレスタ５０を通過してバーナ２０に移動可能になる。次いで、遮断弁上流パージ制御部４４は、第２供給弁Ｖ３３を開放する。これにより、不活性ガスＧ２は、供給源６０から、パージラインＬ２００、分岐パージラインＬ２５０、及び水素供給ラインＬ１００を通過してバーナ２０に供給される。これにより、燃料元弁Ｖ１３と第１遮断弁Ｖ１１との間に滞留する水素ガスＧ１は、不活性ガスＧ２と共に、バーナ２０から噴出する。したがって、水素供給ラインＬ１００のうち、燃料元弁Ｖ１３よりも下流側は、不活性ガスＧ２によりパージされる。遮断弁上流パージ制御部４４は、所定時間の経過の後に第２供給弁Ｖ３３及び第１遮断弁Ｖ１１、第２遮断弁Ｖ１２を閉止する。これにより、遮断弁上流パージ制御部４４は、遮断弁上流パージを終了する。

以上説明した第１実施形態の水素燃焼ボイラ１によれば、以下のような効果を奏する。
（１）水素燃焼ボイラ１を、バーナ２０と、バーナ２０に水素ガスＧ１を供給する水素供給ラインＬ１００と、水素供給ラインＬ１００に配置される第１遮断弁Ｖ１１と、第１遮断弁Ｖ１１の下流側における第１遮断弁Ｖ１１の近傍に接続され水素供給ラインＬ１００に不活性ガスＧ２を供給するパージラインＬ２００と、パージラインＬ２００に配置され不活性ガスＧ２の供給量を調整する第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２と、を含んで構成した。これにより、バーナ２０から第１遮断弁Ｖ１１までの水素供給ラインＬ１００の水素ガスＧ１を不活性ガスＧ２によりパージすることで、水素ガスＧ１が空気と混合して可燃範囲に入ることを防止できるので、バーナ２０の点火時に逆火現象が発生することを防止できる。また、水素供給ラインＬ１００における第１遮断弁Ｖ１１の下流側の近傍にパージラインＬ２００を接続した。これにより、第１遮断弁Ｖ１１の直近から不活性ガスＧ２を供給することができる。従って、バーナ２０から第１遮断弁Ｖ１１までの水素供給ラインＬ１００に残存する水素ガスＧ１を効率よくパージできる。
また、水素燃焼ボイラ１を、ポストパージ制御部４１を含んで構成し、ポストパージ制御部４１に、バーナ２０による水素ガスＧ１の燃焼を開始する前に、所定時間第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２を開いてパージラインＬ２００から不活性ガスＧ２を供給させ、その後第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２を閉止させ、第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２が閉止された状態においてのみ第１遮断弁Ｖ１１の開放を許容させた。これにより、ポストパージを行う場合に水素ガスＧ１が誤って供給されることを防げる。よって、水素燃焼ボイラ１の安全性をより向上させられる。

（２）水素燃焼ボイラ１を、缶体１０を含んで構成し、バーナ２０を缶体１０の上端面に配置した。また、水素供給ラインＬ１００を、バーナ２０の上方からバーナ２０に接続し、更にパージラインＬ２００から、酸素よりも軽い不活性ガスＧ２を供給させた。これにより、バーナ２０及び水素供給ラインＬ１００を缶体１０よりも上部に位置させられるので、水素供給ラインＬ１００における第１遮断弁Ｖ１１からバーナ２０までの間を酸素よりも軽い不活性ガスＧ２によって満たした場合に、不活性ガスＧ２が缶体１０の内部に存在する酸素と置換されてしまうことを抑制できる。よって、水素供給ラインＬ１００への酸素の混入を防止できる。

（３）ポストパージ制御部４１に、バーナ２０から第１遮断弁Ｖ１１までの間の水素供給ラインＬ１００の容積の４倍以上の不活性ガスＧ２を供給するように第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２の開閉を制御させた。これにより、バーナ２０における水素ガスＧ１の燃焼が停止された場合に、水素供給ラインＬ１００に残存する水素ガスＧ１を好適にパージできる。

（４）水素燃焼ボイラ１を、プレパージ制御部４２を含んで構成し、プレパージ制御部４２に、バーナ２０による水素ガスＧ１の燃焼を開始する前に、所定時間第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２を開いてパージラインＬ２００から不活性ガスＧ２を供給させ、その後第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２を閉止させ、第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２が閉止された後に第１遮断弁Ｖ１１を開かせた。また、第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２が閉止された状態においてのみ第１遮断弁Ｖ１１の開放を許容させた。これにより、バーナ２０を着火する前に水素供給ラインＬ１００をパージでき、また、プレパージを行う場合に水素ガスＧ１が誤って供給されることを防げる。よって、水素燃焼ボイラ１の安全性をより向上させられる。

（５）プレパージ制御部４２に、バーナ２０の吹き出し口から第１遮断弁Ｖ１１までの間の水素供給ラインＬ１００の内容積の４倍以上の不活性ガスＧ２を供給するようにの開閉を制御させた。これにより、バーナ２０から第１遮断弁Ｖ１１までの間に残留する水素ガスＧ１の濃度を十分に低下させることができ、より安全にバーナ２０を点火することができる。

（６）水素燃焼ボイラ１を、パージラインＬ２００に配置されるオリフィス７０を含んで構成し、パージラインＬ２００におけるオリフィス７０の下流側の不活性ガスＧ２の圧力を、バーナ２０の最小燃焼状態において水素供給ラインＬ１００における第１遮断弁Ｖ１１の下流側に供給される水素ガスＧ１の圧力よりも低く設定した。これにより、パージラインＬ２００から供給される不活性ガスＧ２により第１遮断弁Ｖ１１が下流側から開いてしまうことを防止できる。

（７）パージラインＬ２００におけるオリフィス７０の上流側の不活性ガスＧ２の圧力を、バーナ２０の最大燃焼状態において水素供給ラインＬ１００における第１遮断弁Ｖ１１の下流側に供給される水素ガスＧ１の圧力よりも高く設定した。これにより、パージラインＬ２００に水素ガスＧ１が逆流してしまうことを防止できる。

（８）水素燃焼ボイラ１を、パージラインＬ２００から分岐して、燃料元弁Ｖ１３の下流側近傍で水素供給ラインＬ１００に接続される分岐パージラインＬ２５０と、分岐パージラインＬ２５０を開閉する第２供給弁Ｖ３３と、を含んで構成した。また、制御部４０を、燃料元弁Ｖ１３から第１遮断弁Ｖ１１の間を不活性ガスでパージする場合に、燃料元弁Ｖ１３が閉止された状態においてのみ水素供給ラインＬ１００をパージ可能とする遮断弁上流パージ制御部４４を含んで構成した。これにより、燃料元弁Ｖ１３と第１遮断弁Ｖ１１との間を不活性ガスＧ２で置換できる。よって、水素燃焼ボイラ１を据え付けた場合や、水素燃焼ボイラ１の水素供給ラインＬ１００の全部或いは一部を分解又は取り外してメンテナンスを行った場合に水素供給ラインＬ１００に滞留する空気を排出して不活性ガスＧ２に置換できる。また水素供給ラインＬ１００のメンテナンスを行う場合や、水素燃焼ボイラ１を長期間停止する場合に水素供給ラインＬ１００に滞留する水素ガスＧ１を含む気体を排出し不活性ガスＧ２に置換できる。その結果、水素燃焼ボイラ１の安全性を高めることができる。

（９）水素燃焼ボイラ１を、水素供給ラインＬ１００におけるパージラインＬ２００との接続位置よりも下流側に配置されるフレームアレスタ５０を含んで構成した。これにより、水素供給ラインＬ１００にバーナ２０から逆火が発生した場合であっても、フレームアレスタ５０で逆火が阻止されるので、パージラインＬ２００の接続位置まで逆火が到達することを抑制できる。したがって、逆火によるパージラインＬ２００の損傷を抑制でき、安全性を向上することができる。また、フレームアレスタ５０よりも上流側の水素供給ラインＬ１００から不活性ガスＧ２がバーナ２０に向けて供給される。したがって、フレームアレスタ５０の内部及び下流側の水素供給ラインＬ１００に滞留する水素ガスＧ１をバーナ２０から外部に拡散させることができる。これにより、フレームアレスタ５０の破損やゴミつまり等により、フレームアレスタ５０の逆火防止能力が低下した場合であっても、逆火を低減させることができ、安全性を向上できる。更には、フレームアレスタ５０の上流側から不活性ガスＧ２がバーナ２０に向けて流されることで、バーナ２０から水素供給ラインＬ１００の上流側に向かうほど水素ガスＧ１の濃度が低くなる。これにより、フレームアレスタ５０まで逆火が到達する可能性を低くすることができ、逆火によるフレームアレスタ５０の焼損を抑制できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る水素燃焼ボイラ１Ａについて、図２を参照して説明する。第２実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
第２実施形態の水素燃焼ボイラ１Ａは、異常停止した後に燃焼を開始する場合に限り、プレパージを実施する。本実施形態では、バーナ２０の異常燃焼又は不活性ガスＧ２の圧力低下で、バーナ２０による水素ガスＧ１の燃焼の開始にインターロックをかけた場合を例として説明する。

第２実施形態に係る水素燃焼ボイラ１Ａは、図２に示すように、圧力検知部８０及びバーナ監視部９０を備える点、並びに、制御部４０Ａが異常検知部４３を備える点で、主として第１実施形態と異なる。

圧力検知部８０は、パージラインＬ２００に配置され、不活性ガスＧ２の圧力を検知する。圧力検知部８０は、第１供給弁Ｖ３１よりも上流側に配置され、第１供給弁Ｖ３１よりも上流側の不活性ガスＧ２の圧力を検知する。本実施形態では、圧力検知部８０は、例えば、圧力スイッチであり、第１供給弁Ｖ３１よりも上流側を流れる不活性ガスＧ２の圧力が所定の圧力よりも低下した場合に、圧力が低下したことを示す異常信号を後述する異常検知部４３に送る。

バーナ監視部９０は、例えば、炎検知器により構成され、バーナ２０における水素ガスＧ１の燃焼を監視する。バーナ監視部９０は、バーナ２０における水素ガスＧ１の燃焼に異常が発生した場合（例えば、燃焼指示が出ている状態において炎検知をしなくなった場合）に、燃焼に異常が発生したことを示す異常信号を後述する異常検知部４３に送る。

異常検知部４３は、バーナ２０における水素ガスＧ１の燃焼の異常を検知した場合に第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２を閉止する。より具体的には、異常検知部４３は、バーナ監視部９０から異常信号を取得した場合に、第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２を閉止する。
また、異常検知部４３は、不活性ガスＧ２の圧力低下を検知した場合に第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２を閉止する。より具体的には、異常検知部４３は、圧力検知部８０から異常信号を取得した場合に、第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２を閉止する。
そして、異常検知部４３は、異常信号に基づいてバーナ２０における水素ガスＧ１の燃焼を停止した状態でインターロックをかける。即ち、異常検知部４３は、バーナ２０による水素ガスＧ１の燃焼の自動開始にインターロックをかける。

プレパージ制御部４２は、インターロックが解除された場合に、プレパージを実施する。

次に、水素燃焼ボイラ１Ａの動作について説明する。
水素燃焼ボイラ１Ａの運転中に、水素ガスＧ１の異常燃焼をバーナ監視部９０が検知した場合、バーナ監視部９０は、異常信号を異常検知部４３に送る。異常検知部４３は、第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２を閉止してバーナ２０への水素ガスＧ１の供給を停止する。また、異常検知部４３は、水素ガスＧ１の供給を停止した状態で、バーナ２０による水素ガスＧ１の燃焼の自動開始にインターロックをかける。

プレパージ制御部４２は、インターロックが解除されたか否かを判断する。プレパージ制御部４２は、インターロックが解除された場合にプレパージを実施する。

以上説明した第２実施形態の水素燃焼ボイラ１Ａによれば、以下のような効果を奏する。
（１０）制御部４０Ａを、異常検知部４３を含んで構成し、制御部４０Ａに、異常検知部４３により第１遮断弁Ｖ１１が閉止された後に水素ガスＧ１の燃焼が開始される場合にプレパージ制御部４２による制御を行わせた。これにより、バーナ２０による水素ガスＧ１の燃焼が正常に停止された場合には、燃焼停止時のポストパージのみを行い、異常検知により燃焼が停止された場合には、ポストパージだけでなく燃焼開始前にプレパージも行わせられる。よって、より安全にバーナ２０を点火することができる。

（１１）水素燃焼ボイラ１Ａを、パージラインＬ２００に配置され不活性ガスＧ２の圧力を検知する圧力検知部８０を含んで構成した。そして、制御部４０Ａに、圧力検知部８０により検知された不活性ガスＧ２の圧力が所定値よりも低下した場合にバーナ２０による水素ガスＧ１の燃焼を停止させた。これにより、バーナ２０から第１遮断弁Ｖ１１までの間の水素供給ラインＬ１００を不活性ガスＧ２によりパージできないおそれがある場合に、バーナ２０の運転を停止することができる。よって、不活性ガスＧ２が不足する状態で水素燃焼ボイラ１Ａを運転することを防止でき、水素燃焼ボイラ１Ａを安全に運転することができる。

以上、本発明の水素燃焼ボイラの好ましい各実施形態につき説明したが、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、上記実施形態において、パージラインＬ２００を第１遮断弁Ｖ１１の下流側の近傍に接続したが、これに制限されない。例えば、パージラインＬ２００を、フレームアレスタ５０よりも下流側の水素供給ラインＬ１００に接続してもよい。これにより、パージに用いる不活性ガスＧ２の消費量を抑制することができる。

また、上記実施形態において、フレームアレスタ５０を水素供給ラインＬ１００に配置したが、これに制限されない。即ち、フレームアレスタ５０を含まない構成とすることもできる。この場合、パージラインＬ２００は、第１遮断弁Ｖ１１の下流側であれば、いずれの位置に接続されてもよい。

また、上記第２実施形態において、圧力検知部８０として圧力スイッチを例示したが、これに制限されない。例えば、水素燃焼ボイラ１は、パージラインＬ２００に配置される流量計を備え、異常検知部４３は、流量計によって計測される不活性ガスＧ２の流量が所定量よりも低下した場合に、第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２を閉止することもできる。

また、上記実施形態において、オリフィス７０に替わり所定の圧損を有する第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２とすることもできる。この場合、第１供給弁Ｖ３１と第１供給弁Ｖ３２の圧損は同じでもよいし、どちらかが大きくてもよい。

また、上記各実施形態では、燃料元弁Ｖ１３を手動弁により構成したが、これに限らない。即ち、燃料元弁をエア駆動弁により構成してもよい。この場合、遮断弁上流パージ制御部は、燃料元弁の開閉状態を電気的に確認してもよい。

また、上記各実施形態において、水素燃焼ボイラ１は、図３に示すように、バーナ部の上流側に第２大気開放部１２０を備えてもよい。第２大気開放部１２０は、水素供給ラインＬ１００におけるフレームアレスタ５０よりも下流側に配置される流路切替弁Ｖ１４と、フレームアレスタ５０よりも下流側、且つ流路切替弁Ｖ１４よりも上流側の水素供給ラインＬ１００に接続される大気開放ラインＬ４００と、大気開放ラインＬ４００に配置され、大気開放ラインＬ４００を開閉する大気開放弁としての第２大気開放弁Ｖ１５とを備える。
第２大気開放部１２０は、送風機３０を起動して缶体１０内の換気を行うことなく、不活性ガスＧ２と、不活性ガスＧ２によりパージされた気体（水素ガスＧ１、空気又はこれらの混合気体）を大気中に放出可能とする。

流路切替弁Ｖ１４は、電磁弁により構成され、水素供給ラインＬ１００を流通してバーナ２０側に流れる気体の流路を開閉することで、気体の流路をバーナ２０側又は大気開放ラインＬ４００側に切り替える。
大気開放ラインＬ４００は、水素供給ラインＬ１００からガスを大気中に放出可能なラインである。大気開放ラインＬ４００は、例えば、不活性ガスＧ２と、不活性ガスＧ２によりパージされた水素ガスＧ１を大気中に放出可能なラインである。
第２大気開放弁Ｖ１５は、電磁弁により構成され、大気開放ラインＬ４００を開閉する。

次に、流路切替弁Ｖ１４、大気開放ラインＬ４００、及び第２大気開放弁Ｖ１５を用いた動作について説明する。
この場合、遮断弁上流パージ制御部４４は、流路切替弁Ｖ１４を閉止（ボイラ運転中は開放）すると共に、第２大気開放弁Ｖ１５を開放する。これにより、缶体１０を経由することなく、水素供給ラインＬ１００に滞留する気体（水素ガス、空気又はこれらの混合気体）、及びパージ用の不活性ガスＧ２を大気開放ラインＬ４００から大気に放出できる。したがって、水素供給ラインＬ１００のパージ（例えば、第１供給弁Ｖ３１，Ｖ３２及び第２供給弁Ｖ３３を開放すると共に、第１遮断弁Ｖ１１、及び第２遮断弁Ｖ１２を開放し、燃料元弁Ｖ１３よりも下流側の水素供給ラインＬ１００のパージ）を実施できるので、送風機３０を駆動させることなく水素供給ラインＬ１００をパージできる。

尚、本変形例では、流路切替弁Ｖ１４及び第２大気開放弁Ｖ１５を用いて、不活性ガスＧ２によりパージされた気体の放出先をバーナ２０側又は大気開放ラインＬ４００側に切り替えたが、これに限らない。即ち、水素供給ラインＬ１００と大気開放ラインＬ４００との接続部分に三方弁を配置し、遮断弁上流パージ制御部４４によりこの三方弁を制御してパージされた気体の流路を切り替えてもよい。

１，１Ａ 水素燃焼ボイラ
１０ 缶体
２０ バーナ
４０，４０Ａ 制御部
４１ ポストパージ制御部
４２ プレパージ制御部
４３ 異常検知部
４４ 遮断弁上流パージ制御部
５０ フレームアレスタ
６０ 供給源
７０ オリフィス
８０ 圧力検知部
Ｌ１００ 水素供給ライン
Ｌ２００ パージライン
Ｌ２５０ 分岐パージライン
Ｌ４００ 大気開放ライン
Ｇ１ 水素ガス
Ｇ２ 不活性ガス
Ｖ１１ 第１遮断弁（遮断弁）
Ｖ１２ 第２遮断弁
Ｖ１３ 燃料元弁
Ｖ１４ 流路切替弁
Ｖ１５ 第２大気開放弁（大気開放弁）
Ｖ３１，Ｖ３２ 第１供給弁

Claims (12)

1. 水素を燃焼させるバーナを有し、負荷側の必要蒸気量の変動に応じた蒸気を生成するため、ボイラ燃焼の発停を含む燃焼制御を行う小型貫流ボイラ又は小規模貫流ボイラであって、
   缶体と、
   送風機と、
   前記バーナに接続され、前記バーナに水素ガスを供給する水素供給ラインと、
   前記水素供給ラインに配置され、該水素供給ラインの流路を開閉する遮断弁と、
   前記遮断弁の下流側における該遮断弁の近傍に接続され、前記水素供給ラインに不活性ガスを供給するパージラインと、
   前記パージラインに配置され、不活性ガスの供給量を調整する第１供給弁と、
   前記遮断弁及び前記第１供給弁の開閉を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記バーナにおける水素ガスの燃焼を停止する場合に先ず前記遮断弁を閉止し、
   前記送風機により前記缶体内の換気が行われている状態で、前記遮断弁が閉止された状態においてのみ前記第１供給弁を開くことで前記バーナの吹き出し口から前記遮断弁までの間の水素供給ラインに残留する水素ガスを希釈させるポストパージ制御部を備える水素燃焼ボイラ。
2. 前記バーナは、前記缶体の上端面に配置され、
   前記パージラインから供給された不活性ガスは、前記バーナの上流側から前記バーナを経由して前記缶体内に排出され、前記送風機からの燃焼用空気とともに前記缶体から排出される請求項１に記載の水素燃焼ボイラ。
3. 前記ポストパージ制御部は、前記バーナから前記遮断弁までの間の前記水素供給ラインの容積の４倍以上の不活性ガスを供給するように前記第１供給弁の開閉を制御する請求項１又は２に記載の水素燃焼ボイラ。
4. 前記制御部は、
   前記バーナによる水素ガスの燃焼を開始する前に、所定時間前記第１供給弁を開いて前記パージラインから不活性ガスを供給した後該第１供給弁を閉止し、前記第１供給弁が閉止された後に前記遮断弁を開くプレパージ制御部を更に備え、
   前記プレパージ制御部は、前記遮断弁が閉止された状態においてのみ前記第１供給弁の開放を許容する請求項１〜３のいずれかに記載の水素燃焼ボイラ。
5. 前記プレパージ制御部は、前記バーナから前記遮断弁までの間の前記水素供給ラインの容積の４倍以上の不活性ガスを供給するように前記第１供給弁の開閉を制御する請求項４に記載の水素燃焼ボイラ。
6. 前記制御部は、
   前記バーナにおける水素ガスの燃焼の異常を検知した場合に前記遮断弁を閉止する異常検知部を更に備え、
   前記異常検知部により前記遮断弁が閉止された後に水素ガスの燃焼が開始される場合に前記プレパージ制御部による制御を行う請求項４又は５に記載の水素燃焼ボイラ。
7. 前記パージラインに配置されるオリフィスを更に備え、
   前記パージラインにおける前記オリフィスの下流側の不活性ガスの圧力は、前記バーナの最小燃焼状態において前記水素供給ラインにおける前記遮断弁の下流側に供給される水素ガスの圧力よりも低く設定される請求項１〜６のいずれかに記載の水素燃焼ボイラ。
8. 前記パージラインにおける前記オリフィスの上流側の不活性ガスの圧力は、前記バーナの最大燃焼状態において前記水素供給ラインにおける前記遮断弁の下流側に供給される水素ガスの圧力よりも高く設定される請求項７に記載の水素燃焼ボイラ。
9. 前記パージラインに配置され、不活性ガスの圧力を検知する圧力検知部を更に備え、
   前記制御部は、前記圧力検知部により検知された不活性ガスの圧力が所定値よりも低下した場合に前記バーナによる水素ガスの燃焼を停止する請求項１〜８のいずれかに記載の水素燃焼ボイラ。
10. 水素燃焼ボイラに接続する水素供給ラインには水素燃焼ボイラの上流側に燃料元弁が設けられ、
    前記パージラインから分岐して、前記燃料元弁の下流側近傍で前記水素供給ラインに接続される分岐パージラインと、
    前記分岐パージラインに配置され、該分岐パージラインを開閉する第２供給弁と、
    を更に備え、
    前記制御部は、前記燃料元弁から前記遮断弁の間を不活性ガスでパージする場合に、前記燃料元弁が閉止された状態においてのみ前記水素供給ラインをパージ可能にする遮断弁上流パージ制御部を更に備える請求項１〜９のいずれかに記載の水素燃焼ボイラ。
11. 前記水素供給ラインにおける前記パージラインとの接続位置よりも下流側に配置される流路切替弁と、前記水素供給ラインと前記パージラインとの接続位置よりも下流側、且つ前記流路切替弁よりも上流側の水素供給ラインに接続される大気開放ラインと、前記大気開放ラインに配置され、該大気開放ラインを開閉する大気開放弁と、を更に備え、
    前記遮断弁上流パージ制御部は、前記流路切替弁を閉止すると共に前記大気開放弁を開放して前記水素供給ラインをパージする請求項１０に記載の水素燃焼ボイラ。
12. 前記水素供給ラインにおける前記パージラインとの接続位置よりも下流側に配置されるフレームアレスタを更に備える請求項１〜１１のいずれかに記載の水素燃焼ボイラ。
    

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