JP7102953B2

JP7102953B2 - ボイラ

Info

Publication number: JP7102953B2
Application number: JP2018106417A
Authority: JP
Inventors: 孝太山内
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2038-06-01
Also published as: JP2019211134A

Description

本発明は、燃料を燃焼させて蒸気を生成するボイラに関する。

従来より、ノズルなどの噴出部に燃料を供給する燃料供給ライン上に調整弁を設けて、燃焼用空気の流量と連動させて比例弁（調整弁）を制御して燃料の流量を調整することにより、多位置制御（高燃焼、中燃焼、低燃焼など）や比例制御を行う燃焼装置を備えたボイラがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－２７８７号公報

従来のような燃焼装置として、着火直後から燃焼段階を、例えば低燃焼から中燃焼に移行させるような使用環境にも対応することが求められている。しかしながら、着火直後においては、供給される空気量に対して燃料が少なく酸素濃度が高い状態となる。このため、着火段階を経た直後に中燃焼へ移行させる場合には、燃料に対する空気量がさらに多くなるため振動燃焼などの不具合を生じさせてしまう虞があった。一方、中燃焼に移行させるタイミングを遅らせることにより改善を図ることも考えられるが、この場合、負荷追従性を損ねてしまう虞がある。

本発明は、かかる実情に鑑み考え出されたものであり、その目的は、振動燃焼などの不具合を生じさせにくく、負荷追従性を担保できるボイラを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のある局面に従うボイラは、空気供給路を介して空気を送り込む送風機と、前記空気供給路に設けられるダンパと、前記空気供給路に設けられ、空気供給量を検知する空気供給量検知部と、燃料供給路に設けられ、燃料供給量を調整する燃料供給量調整弁と、前記送風機および前記燃料供給量調整弁を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、第１燃焼段階に移行する前のメイントライ段階において、燃料供給量に対する空気供給量の比率を前記第１燃焼段階における前記比率よりも小さくなるように制御し、前記第１燃焼段階から前記第１燃焼段階の次に燃焼量が大きい第２燃焼段階へ移行する場合、前記ダンパの開度を大きくさせる開度制御を前記送風機の回転速度を大きくさせる速度制御よりも先に開始し、前記速度制御を開始してから当該速度制御を終了するまでの間において前記ダンパの開度を前記第２燃焼段階用の開度にして前記開度制御を終了する。

上記の構成によれば、メイントライ段階において、燃料供給量に対する空気供給量の比率が小さくなるように送風機および燃料供給量調整弁を制御することにより、酸素濃度を低下させた状態で第１燃焼段階に移行させることができる。その結果、第１燃焼段階に移行させた直後に燃焼量が大きな燃焼段階に移行させた場合における振動燃焼を抑制しつつ負荷追従性を担保することができる。また、酸素濃度を低下させた状態を生成するために燃料供給するためのラインや弁を別途設けるものと比較し、コストが増大してしまうことを防止できる。
また、ダンパの開度を大きくさせる開度制御と、送風機の回転速度を大きくさせる速度制御とを同時に開始する場合と比べて、空気供給量の変化を緩やかにすることができる。その結果、負荷追従性を損ねることなく、燃焼移行性を向上させることができる。

好ましくは、前記第１燃焼段階から前記第２燃焼段階へ移行する場合において前記開度制御を行う期間のうち、前記速度制御を行う期間と重ならない期間は、前記速度制御を行う期間と重なる期間よりも長い。

上記の構成によれば、空気供給量の変化をより緩やかにすることができる。

好ましくは、前記メイントライ段階の期間中は、燃料供給量に対する空気供給量の比率は一定である。

上記の構成によれば、燃料供給量に対する空気供給量の比率が小さい状態を維持することにより、メイントライ段階の期間中において酸素濃度の低い状態に安定させることができる。その結果、振動燃焼を抑制して燃焼移行性をより向上させることができる。

好ましくは、前記制御部は、前記メイントライ段階における前記送風機の回転速度と、前記第１燃焼段階における前記送風機の回転速度とが同じになるように制御する。

上記の構成によれば、メイントライ段階と第１燃焼段階とにおける送風機の回転速度を一定とすることにより、第１燃焼段階に移行した直後にはすでに送風機の回転速度が第１燃焼段階に対応する回転速度に到達している。このため、第１燃焼段階に移行した直後から、より燃焼量が大きい燃焼段階へ移行させる場合であっても、送風機の回転速度を第１燃焼段階に対応する回転速度から大きくする制御を行うことができる。その結果、メイントライ段階における送風機の回転速度を第１燃焼段階に対応する回転速度よりも小さくすることにより燃料供給量に対する空気供給量の比率を小さくする場合と比較して、振動燃焼を抑制して負荷追従性を担保することができる。

ボイラの構成を模式的に示す図である。各燃焼段階における燃料供給量、空気供給量およびダンパ位置の関係を説明する図である。ボイラの動作を示すタイムチャートである。ボイラの動作を示すタイムチャートである。

＜概略構成について＞
以下に、図１を参照しつつ、本発明の実施の形態に係るボイラ１について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るボイラ１の構成を模式的に示す図である。

ボイラ１は、燃料を燃焼させて蒸気を生成するボイラ本体２と、空気供給路３０を介してボイラ本体２内に空気を送り込む送風機３と、ボイラ本体２からの排ガスなどを導出する煙道４と、ボイラ本体２に燃料を供給する燃料供給ライン（燃料供給路）５とを備えている。なお、燃料は、ガスである例について説明するが、ガスなどの気体に限らず、油などの液体であってもよい。

燃料供給ライン５は、空気供給路３０に接続されている。燃料供給ライン５から供給される燃料は、空気供給路３０において、送風機３から送風される空気と混合されて、ボイラ本体２内のバーナ２０に供給される。

送風機３から供給される空気は、燃焼用空気として空気供給路３０を介してボイラ本体２内のバーナ２０に供給される。燃焼用空気の流量の調整は、空気供給路３０にダンパ７を設けて、ダンパ７の位置（開度）を調整するか、これに代えてまたはこれに加えて、インバータを用いて送風機３のファンの回転速度を変えることでなされる。本実施の形態では、燃焼用空気の流量は、ダンパ７の開度制御および送風機３のインバータ制御により調整される。

燃料供給ライン５には、流路を開閉するための開閉弁（電磁弁）１１，１２と、燃料供給量調整弁１３とが設けられている。燃料供給量調整弁１３は、ボイラ本体２に供給する燃料の流量を調整可能である圧力調整弁として機能するとともに遮断機能をも備える。燃料供給量調整弁１３は、開閉弁１１，１２よりも下流側に設けられており、制御部６によって開度が調整されるモータバルブである。なお、燃料供給量調整弁１３は、燃料の流量を調整するものであればモータバルブに限らず、例えば、空気式制御弁であってもよい。制御部６は、内部にメモリ、タイマ、および演算処理部を含むコンピュータにより実現される。

制御部６は、燃焼の段階に応じて、ボイラ本体２への燃焼用空気の供給流量に基づき、燃料の供給流量を調整する。すなわち、燃焼用空気の流量が増加すれば、燃料供給量調整弁１３の開度を大きくして燃料の流量を増加させる。一方、燃焼用空気の流量が減少すれば、燃料供給量調整弁１３の開度を小さくして燃料の流量を減少させる。

本実施の形態では、空気供給路３０には、ダンパ７より下流にパンチングメタル等の燃焼用空気減圧部材８が設けられている。空気量検知部９は、燃焼用空気減圧部材８の前後の差圧を検知し、差圧情報を出力する。空気量検知部９は、制御部６と電気的に接続されている。これにより、空気量検知部９からの差圧情報を制御部６に入力することができる。なお、空気量検知部９から出力されるアナログ信号はデジタル信号に変換されて、制御部６に入力される。

制御部６は、空気量検知部９から入力される差圧情報に基づいて、燃焼の段階に応じて、燃料供給量調整弁１３の開度を調整する。制御部６は、メモリに予め記憶された開度調整情報に基づいて、燃料供給量調整弁１３に対して開度を特定するための開度特定信号を送信する。これにより、燃料供給量調整弁１３は、燃焼用空気減圧部材８の前後の差圧に応じた開度に制御されて、ボイラ本体２に供給する燃料の流量を調整することができる。なお、開度調整情報とは、例えば、差圧に応じて燃料供給量調整弁１３の開度を特定可能なテーブルであってもよく、また差圧に応じて燃料供給量調整弁１３の開度を特定するための演算式であってもよい。

上記実施の形態におけるボイラ１は、燃料供給用調整弁１３を制御部６による電子制御により制御するが、ガバナを用いて制御することもできる。ガバナを用いる場合には、ガバナ後流側の配管を分岐させて電磁弁を追加する等の手段で、燃料供給量を制御する。

＜動作について＞
図２～図４を参照して、本実施の形態に係るボイラ１の動作について説明する。ボイラ１は、メイントライ段階を経た後に、低燃焼段階（第１燃焼段階）に移行する。メイントライ段階とは、例えば、パイロットバーナが燃焼している状態において燃料供給量調整弁１３が開いてバーナ２０に着火させてから、メイン火炎監視を始める前あるいはメインバーナの火炎が安定するまでの段階である。図２は、各燃焼段階における、燃料供給量、送風機の回転速度（周波数）およびダンパの開度各々の大小関係を説明する図である。図３は、低燃焼段階（第１燃焼段階）から、さらに燃焼量が大きな中燃焼段階（第２燃焼段階）への燃焼段階の移行時におけるボイラの動作のタイムチャートであって、送風機３の回転速度およびダンパ７の開度の変化を示している。図４は、中燃焼段階（第２燃焼段階）から低燃焼段階（第１燃焼段階）への燃焼段階の移行時におけるボイラの動作のタイムチャートであって、送風機３の回転速度およびダンパ７の開度の変化を示している。図３および図４では、（ａ）として本実施の形態に係るボイラ１の動作を、（ｂ）として従来のボイラの動作を、比較可能となるように示している。

燃焼開始前においては、開閉弁１１および１２、燃料供給量調整弁１３およびダンパ７は閉状態となっている。メイントライ段階開始の際に、制御部６は、図２に示すように、送風機３の回転速度をメイントライ段階用の回転速度ｂとするとともに、ダンパ７をメイントライ段階用の開度ｃに制御して、バーナ２０に空気を供給する。一方、制御部６は、燃料供給ライン５上の開閉弁１１を開状態とし、その後（または同時に）、開閉弁１２を開状態とする。制御部６は、燃料供給量調整弁１３の開度を、空気量検知部９で検知した燃焼用空気減圧部材８の前後の差圧に基づいて特定されるメイントライ段階用の開度に制御して、バーナ２０に燃料を供給する（燃料供給量ａ）。この状態で着火装置によりバーナ２０の着火が行われる。なお、メイントライ段階における燃料供給量調整弁１３の開度は、燃焼用空気減圧部材８の前後の差圧にかかわらず、予め定められた開度であってもよい。

制御部６は、予め定められた時間（例えば５秒）に亘りメイントライ段階に制御させて着火させた後、低燃焼段階（第１燃焼段階）に移行させる。低燃焼段階における燃焼量は、ボイラ１における最大燃焼量に対して例えば２０％となるように定められている。低燃焼段階における燃焼量が２０％となるように、低燃焼段階における燃料供給量ｄ、送風機３の回転速度ｅ、およびダンパ７の開度ｆが定められている。

メイントライ段階と低燃焼段階とを比較すると、低燃焼段階における燃料供給量ｄは、メイントライ段階での燃料供給量ａよりも小さい値が定められている。一方、低燃焼段階における送風機３の回転速度ｅおよびダンパ７の開度ｆは、メイントライ段階での送風機３の回転速度ｂおよびダンパ７の開度ｃと同じ値が定められている。このため、メイントライ段階における制御を仮に一定期間以上に亘って継続させたときの燃焼量は、低燃焼段階における燃焼量よりも大きくなる（例えば、２１％～２５％等）。また、メイントライ段階においては、第１燃焼段階に比べて、燃料供給量の値が大きいため、燃料供給量に対する空気供給量の比率が小さくなる。これにより、メイントライ段階において酸素濃度を低下させた状態で第１燃焼段階に移行させることができる。その結果、例えば第１燃焼段階に移行された直後に第２燃焼段階に移行させる場合であっても、酸素濃度が低下しているため、振動燃焼を抑制して負荷追従性を担保することができる。また、燃料供給ラインや弁を別途設けることなく、低燃焼段階～高燃焼段階などにおいて用いる燃料供給ライン５および燃料供給量調整弁１３を兼用することによりメイントライ段階において酸素濃度を低下させた状態を生成できるため、コストが増大してしまうことを防止できる。

中燃焼段階における燃焼量は、ボイラ１における最大燃焼量に対して例えば４０％となるように定められている。中燃焼段階における燃焼量が４０％となるように、中燃焼段階における燃料供給量ｇ、送風機３の回転速度ｈ、およびダンパ７の開度ｉが定められている。中燃焼段階における燃料供給量ｇ、送風機３の回転速度ｈ、およびダンパ７の開度ｉは、いずれも低燃焼段階における燃料供給量ｄ、送風機３の回転速度ｅ、およびダンパ７の開度ｆよりも大きな値が定められている。本実施の形態におけるダンパ７の開度ｉは、９０度（完全に開いた状態、空気供給路３０と平行）となる値が定められているものとする。

このため、低燃焼段階（第１燃焼段階）から中燃焼段階（第２燃焼段階）への燃焼段階の移行時には、燃料供給量調整弁１３の開度およびダンパ７の開度は大きくなる（開く）ように制御し（ｄ＜ｇ、ｆ＜ｉ）、送風機３の回転速度は、回転数を増やすように制御する（ｅ＜ｈ）。

高燃焼段階における燃焼量は、１００％（ボイラ１における最大燃焼量）となるように、燃料供給量ｊ、送風機３の回転速度ｋ、およびダンパ７の開度ｍが定められている。高燃焼段階における燃料供給量ｊ、および送風機３の回転速度ｋは、いずれも中燃焼段階における燃料供給量ｇ、および送風機３の回転速度ｈよりも大きな値が定められている。なお、ダンパ７の開度ｉが９０度（全開）に定められているため、ダンパ７の開度ｍは、開度ｉと同じ値となる。

本実施の形態では、燃焼段階の移行時（例えば、低燃焼段階と中燃焼段階との間の移行時）には、ダンパ７の開度と送風機３の回転速度の出力タイミングは個別に設定可能である（図３（ａ））。従来は、例えば低燃焼段階から中燃焼段階への燃焼段階移行時には、ダンパの開度と送風機の回転速度とを同時に変更していたため（図３（ｂ））、空気供給量の変化が大きくなり、燃料の供給が空気供給量の変化に追いつかなくなる場合があった。

本実施の形態では、低燃焼段階から中燃焼段階に移行させる際には、送風機３の回転速度を大きくする制御に先立ってダンパ７の開度を大きくする制御を行う。具体的には、図３（ａ）に示すように、制御部６は、ダンパ７の開度を所定時間Ｔ１＋Ｔ２に亘って比例的に大きくする制御を行って、中燃焼段階の開度ｉにする。また、ダンパ７の開度制御を開始してから時間Ｔ１が経過したときに、制御部６は、送風機３の回転速度を比例的に大きくする制御を開始する。送風機３の回転速度を比例的に大きくする制御は、所定時間Ｔ２＋Ｔ３に亘って行われる。これにより、送風機３の回転速度が小さい状態でダンパ７が開かれ、ダンパ７の開度が大きくなったタイミングで送風機３の回転速度を大きくすることで、空気供給量の変化を小さくすることができる。なお、送風機３の回転速度が小さい状態とは、周波数が低く回転速度が遅い状態をいう。また、送風機３の回転速度が大きい状態とは、周波数が高く回転速度が速い状態をいう。

制御部６は、第１燃焼段階から第２燃焼段階に移行する場合において、送風機３の回転速度が第２燃焼段階に対応する回転速度となるまでに、ダンパ７の開度が第２燃焼段階に対応する開度となるように、開度制御および回転速度制御を行う。

制御部６は、第１燃焼段階から第２燃焼段階に移行する場合において、開度制御を行う開度制御期間のうち、回転速度制御を行う回転速度制御期間と重ならない第１期間（Ｔ１）が、回転速度制御を行う回転速度制御期間と重なる第２期間（Ｔ２）よりも長くなるように制御する。また、制御部６は、第２期間（Ｔ２）が、回転速度制御期間のうち開度制御期間と重ならない第３期間（Ｔ３）よりも長くなるように制御する。このように制御することで、空気供給量の変化をより緩やかにすることができる。

中燃焼段階（第２燃焼段階）から低燃焼段階（第１燃焼段階）への燃焼段階の移行時には、図４（ａ）に示すように、制御部６は、送風機３の回転速度制御をダンパ７の開度制御よりも先に開始し、送風機３の回転速度が第１燃焼段階に対応する回転速度となるまでに、ダンパ７の開度制御を開始する。制御部６は、送風機３の回転速度を、所定時間Ｔ４＋Ｔ５に亘って比例的に小さくする制御を開始する。また、送風機３の回転速度制御を開始してから時間Ｔ４が経過したときに、制御部６は、ダンパ７の開度を比例的に小さくする制御を開始する。制御部６は、ダンパ７の開度を所定時間Ｔ５＋Ｔ６に亘って比例的に小さくする制御を行って、低燃焼段階の開度ｆにする。従来は、送風機３の回転速度制御とダンパ７の開度制御とを同時に開始していたため（図４（ｂ））、空気供給量の変化（減少）が大きくなっていた。これに対して、本実施の形態では、送風機３の回転速度を小さくした状態（Ｔ４後）でダンパ７が閉じる方向に制御され、送風機３の回転速度を小さくしたタイミングでダンパ７の開度を小さくすることで、空気供給量の変化を小さくすることができる。

本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な上記の実施の形態の変形例などについて説明する。

上記実施の形態におけるボイラ１は、燃焼停止、低燃焼段階、中燃焼段階、および高燃焼段階の４段階で制御する例について説明した。しかし、これに限らず、燃焼停止、低燃焼段階、および高燃焼段階の３段階で制御するものであってもよいし、任意の負荷率となるように比例制御するものであってもよい。例えば、低燃焼段階、高燃焼段階の各々の燃焼段階において、燃料供給量、送風機３の回転速度、およびダンパ７の開度を予め設定（記憶）しておき、制御部６は、例えばボイラにより発生させる蒸気量などに応じて、停止段階、低燃焼段階、および高燃焼段階のいずれかとなるように、燃料供給量、送風機３の回転速度、およびダンパ７の開度を制御するものであってもよく、任意の燃焼量となるように比例制御するものであってもよい。

上記実施の形態におけるボイラは、中燃焼段階におけるダンパ７の開度が９０度（全開）となっているため、中燃焼段階から高燃焼段階への空気供給量の増加は、送風機３の回転速度制御のみで行うこととなる（ｉ＝ｍかつｈ＜ｋ）。しかし、中燃焼段階におけるダンパ７の開度が９０度未満の場合には、中燃焼段階を第１燃焼段階、高燃焼段階を第２燃焼段階として、図３（ａ）および図４（ａ）で示した例と同様に、ｉ＜ｍかつｈ＜ｋとして送風機３の回転速度制御とダンパ７の開度制御とを行うようにしてもよい。

上記実施の形態では、メイントライ段階における燃料供給量が第１燃焼段階（低燃焼段階）であるときよりも多く（ａ＞ｄ）することにより、メイントライ段階において、燃料供給量に対する空気供給量の比率を第１燃焼段階における比率よりも小さくする例について説明した。しかし、メイントライ段階において、燃料供給量に対する空気供給量の比率を第１燃焼段階における比率よりも小さくする手法としては、これに限らず、メイントライ段階における燃料供給量を第１燃焼段階であるときと同じとし（ａ＝ｄ）、メイントライ段階での空気供給量を第１燃焼段階での空気供給量よりも少なくすることにより実現してもよい。この場合であっても、メイントライ段階および第１燃焼段階におけるダンパ７の開度は同じになるように制御して（ｃ＝ｆ）、送風機３の回転速度を変更（ｂ＜ｅ）することにより実現してもよい。また、メイントライ段階における燃料供給量が第１燃焼段階（低燃焼段階）であるときよりも多くするとともに、メイントライ段階での空気供給量を第１燃焼段階での空気供給量よりも少なくすることにより実現するものであってもよい。また、上記実施の形態では、燃料供給量に対する空気供給量の比率が第１燃焼段階における比率よりも小さい状態を、メイントライ段階の全体に亘って適用する例について説明したが、これに限らず、メイントライ段階の所定時間（一部）に適用するものであってもよい。

上記実施の形態におけるボイラ１は、ガスを供給する燃料供給ラインと、油を供給する燃料供給ラインとを備え、ガスを燃料として使用するモードと、油を燃料として使用するモードとのいずれかに切り替えて制御することができるものであってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ボイラ
２ボイラ本体
３送風機
４煙道
５燃料供給ライン（燃料供給路）
６制御部
７ダンパ
８流量調整部
９空気量検知部
１１開閉弁
１２開閉弁
１３燃料供給量調整弁
２０バーナ
３０空気供給路

Claims

空気供給路を介して空気を送り込む送風機と、
前記空気供給路に設けられるダンパと、
前記空気供給路に設けられ、空気供給量を検知する空気供給量検知部と、
燃料供給路に設けられ、燃料供給量を調整する燃料供給量調整弁と、
前記送風機および前記燃料供給量調整弁を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
第１燃焼段階に移行する前のメイントライ段階において、燃料供給量に対する空気供給量の比率を前記第１燃焼段階における前記比率よりも小さくなるように制御し、
前記第１燃焼段階から前記第１燃焼段階の次に燃焼量が大きい第２燃焼段階へ移行する場合、前記ダンパの開度を大きくさせる開度制御を前記送風機の回転速度を大きくさせる速度制御よりも先に開始し、前記速度制御を開始してから当該速度制御を終了するまでの間において前記ダンパの開度を前記第２燃焼段階用の開度にして前記開度制御を終了する、ボイラ。
前記第１燃焼段階から前記第２燃焼段階へ移行する場合において前記開度制御を行う期間のうち、前記速度制御を行う期間と重ならない期間は、前記速度制御を行う期間と重なる期間よりも長い、請求項１に記載のボイラ。
前記メイントライ段階の期間中は、燃料供給量に対する空気供給量の比率は一定である、請求項１または請求項２に記載のボイラ。
前記制御部は、前記メイントライ段階における前記送風機の回転速度と、前記第１燃焼段階における前記送風機の回転速度とが同じになるように制御する、請求項１～請求項３のいずれかに記載のボイラ。