JPWO2016157925A1 - ボイラ装置 - Google Patents

Abstract

ボイラ装置１は、燃料供給ライン（３１）の経路上に一側の端部と他側の端部が接続されるバイパスライン（３６）と、バイパスライン（３６）に配置されるバイパス弁（３７）と、通常の燃焼時はバイパス弁（３７）を閉じ、バーナ（１５）の着火時は、バイパス弁（３７）を開いてバイパスライン（３６）にも燃料ガスを流通させることにより、通常の燃焼時に比べて前記燃料ガスの供給量を大きくする制御を行う制御部（６１）と、を備える。バイパスライン（３６）は、一側の端部が第２オリフィス（３５）の上流側に接続され、他側の端部が第２オリフィス（３５）の下流側に接続される。

Description

本発明は、排ガス循環を行うボイラ装置に関する。本願は、２０１５年３月３１日に日本に出願された特願２０１５−０７１６３３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来から、燃焼によって生じた排ガスをボイラに循環させる排ガス循環を行うボイラ装置が知られている。この種のボイラ装置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、排ガスの循環が行われていない着火時において、燃焼用空気の供給量を抑えることによって過剰空気による着火の不具合等を防止する構成が開示されている。

特開平６−２８８５１１号公報

排ガス循環を行うボイラ装置は、排ガスが循環している通常の燃焼時の状態に基づいて燃焼調整を行っているため、燃焼用空気に比べて酸素濃度が低い排ガスが混合されていない状態では酸素濃度が想定されているよりも高い状態になってしまう。特に、通常の燃焼時において排ガス比率が高く調整されている場合は、排ガスが循環していない着火時と通常の燃焼時とで燃焼用空気に含まれる酸素量の差が大きくなってしまう。この点、特許文献１では、ダンパの開度を制御して着火時における過剰酸素による弊害を防止しているものの、着火時のダンパ制御を追加する必要がある。また、燃焼空気の供給量に燃料ガスの供給量が比例する比例制御が行われるボイラ装置では、通常の燃焼時と状況が異なる着火時にあわせて空気比の調整を行うことが難しかった。このように、従来の技術には、着火の不具合を確実に防止するという点で改善の余地があった。

本発明は、排ガス循環を行うボイラ装置において、着火時における酸素濃度過剰を確実に防止し、安定した着火を実現できる構成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、前記燃料ガスに混合する燃焼用空気を前記ボイラに供給する空気供給ライン及び該空気供給ラインに接続される送風機を有する空気供給部と、前記ボイラの内部に配置され、前記燃料ガスと前記燃焼用空気の混合気を燃焼させるバーナと、前記混合気の燃焼によって生じる排ガスを前記ボイラから排出する排出ラインと、前記排出ラインと前記空気供給部を接続し、前記排ガスの一部を前記空気供給部に循環させる排ガス循環ラインと、前記燃料供給ラインの経路上に一側の端部と他側の端部が接続されるバイパスラインと、前記バイパスラインに配置されるバイパス弁と、通常の燃焼時は前記バイパス弁を閉じ、前記バーナの着火時は、前記バイパス弁を開いて前記バイパスラインにも前記燃料ガスを流通させることにより、通常の燃焼時に比べて前記燃料ガスの供給量を大きくする制御を行う制御部と、を備えることを特徴とするボイラ装置に関する。

前記ボイラ装置は、前記燃料供給ラインに配置され、前記燃料ガスを減圧する燃料ガス減圧部材を更に備え、前記バイパスラインは、一側の端部が前記燃料ガス減圧部材の上流側に接続され、他側の端部が前記燃料ガス減圧部材の下流側に接続されることが好ましい。

前記ボイラ装置は、前記排ガス循環ラインに配置され、前記排ガスの流量を調整する排ガス流量調整部を更に備え、前記制御部は、前記バーナの着火時は、前記空気供給部に前記排ガスが供給されないように前記排ガス流量調整部を調整し、前記バーナの着火から所定時間経過後に前記空気供給部に前記排ガスの供給が開始されるように前記排ガス流量調整部を調整する制御を行うことが好ましい。

本発明によれば、排ガス循環を行うボイラ装置において、着火時における酸素濃度過剰を確実に防止し、安定した着火を実現できる構成を提供できる。

本発明の一実施形態であるボイラ装置を概略的に示した図である。 着火前後におけるバイパス弁及び排ガス流量調整ダンパの開閉制御を概略的に示すタイミングチャートである。

以下、本発明のボイラ装置の好ましい一実施形態について、図面を参照しながら説明する。本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、本実施形態のボイラ装置１は、ボイラ２と、燃料供給部３と、空気供給部４と、排ガス循環ライン１９と、蒸気ライン２０と、給水部５と、制御装置６と、を備える。

ボイラ２は、ボイラ筐体１１と、ボイラ筐体１１の内部に配置される複数の水管１２と、燃料ガスに燃焼用空気が混合される給気ダクト１７と、燃料ガスと燃焼用空気の混合気を燃焼するバーナ１５と、排ガスをボイラ筐体１１の外部に排出する排出ラインとしての排気筒１８と、を備える。

ボイラ筐体１１は、平面視矩形形状の直方体状に形成される。複数の水管１２は、ボイラ筐体１１の内部に、複数の水管１２が長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配列される。複数の水管１２は、その上端部が上部ヘッダ（図示省略）に接続されるとともに、その下端部が下部ヘッダ（図示省略）に接続された状態でボイラ筐体１１の内部に保持されている。なお、ボイラ筐体１１の形状は、上述の直方体状に形成されるものに限定されない。例えば、丸型に形成されたボイラ筐体を用いることもできる。

給気ダクト１７は、ボイラ筐体１１の長手方向の一端側に接続される。この給気ダクト１７に燃料供給部３から燃料ガスが供給されるとともに、空気供給部４から燃焼用空気が供給される。

バーナ１５は、ボイラ筐体１１における給気ダクト１７が接続される部分（給気口）に配置され、燃料ガスと燃焼用空気の混合気を燃焼して複数の水管１２の水を過熱し、蒸気を発生させる。

排気筒１８は、燃焼によって生じた排ガスをボイラ筐体１１の外部に排出するための排出ラインであり、ボイラ筐体１１の長手方向の他端側に接続される。

次に、燃料供給部３について説明する。燃料供給部３は、ボイラ２に燃料を供給するための構成である。燃料供給部３は、燃料供給ライン３１と、ガバナ３２と、開閉弁３３と、第１オリフィス３４と、第２オリフィス３５と、バイパスライン３６と、バイパス弁３７と、を備える。

燃料供給ライン３１は、その上流側の端部が燃料供給源（図示両略）に接続され、その下流側の端部が給気ダクト１７に接続される。ガバナ３２は、燃料供給ライン３１を流れる燃料ガスの圧力を調整する調圧手段である。本実施形態のガバナ３２は、空気供給ライン４２に接続される連通管（図示省略）により、空気供給ライン４２の圧力を受けており、いわゆる均圧弁方式で、燃焼用空気の供給量に燃料ガスの供給量が比例するように燃料ガスの流量を制御する比例制御弁としての機能を有する。開閉弁３３は、ガバナ３２の下流側に配置される。開閉弁３３によって、燃料供給ライン３１の流路の開放又は閉止が可能になっている。第１オリフィス３４は、開閉弁３３の下流側に配置され、燃料ガスの減圧を行う。

第２オリフィス３５は、燃料ガスを減圧する燃料ガス減圧部材であり、第１オリフィス３４の下流側に配置される。バイパスライン３６は、この第２オリフィス３５の上流側に接続されるとともに、下流側に接続される。バイパス弁３７は、バイパスライン３６に配置される。バイパス弁３７は、バイパスライン３６の流路の開放又は閉止を行う電磁弁である。本実施形態では、このバイパス弁３７が閉状態となってバイパスライン３６の流路が閉止されている状態を基準として通常の燃焼時の燃焼調整が行われている。なお、ここでいう通常の燃焼時とは、着火後の燃焼状態（例えば、ボイラ２によって生成された蒸気が負荷機器に供給されている状態）のことをいう。

次に、空気供給部４について説明する。空気供給部４は、ボイラ２に燃焼用空気を供給するための構成である。本実施形態の空気供給部４は、送風機４１と、空気供給ライン４２と、燃焼用空気ダンパ４３と、を備える。

送風機４１は、ファンと、このファンを回転させるモータと、インバータと、を含んで構成される。送風機４１は、インバータに入力される周波数に応じてモータの回転数を調整可能になっている。送風機４１には、後述する排ガス循環ライン１９が接続されており、ボイラ筐体１１から外部に排出される排ガスの一部を送風機４１に導入可能になっている。

空気供給ライン４２は、その上流側の端部が送風機４１に接続されるとともに、下流側の端部が給気ダクト１７に接続される。送風機４１は、ファンの回転によって空気を取り込み、この空気供給ライン４２を介して燃焼用空気をボイラ２に送り込む。

燃焼用空気ダンパ４３は、燃焼用空気の流路を塞いだ閉状態と、この閉状態から回転し、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空気供給ライン４２に配置される。また、燃焼用空気ダンパ４３は、燃焼用空気の供給量を調整するため開度変更可能に構成される。

次に、排ガス循環ライン１９について説明する。排ガス循環ライン１９は、その上流側の端部が排気筒１８に接続されるとともに、下流側の端部が送風機４１(空気供給部４)に接続される。ボイラ筐体１１の内部から排気筒１８に排出された排ガスの一部は、この排ガス循環ライン１９によって送風機４１に送られ、外気と混合されてボイラ２に再び送り込まれる。

排ガス循環ライン１９には、排ガス流量調整ダンパ２７が配置される。排ガス流量調整ダンパ２７は、その開度を調整可能ないわゆる多位置ダンパである。本実施形態の排ガス流量調整ダンパ２７は、排ガス循環ライン１９の内部の排ガスの流路を塞いだ閉状態と、この閉状態から所定の角度（例えば、９０度）回転し、排ガスの流路を開放した開状態と、の間で回転可能になっている。また、排ガス流量調整ダンパ２７は、上述のように多位置ダンパであり、開状態における開度を調整可能になっている。この機能により、送風機４１に送られる排ガスの混合率の調整が可能になっている。このように、排ガス流量調整ダンパ２７は、その開度が調整可能に構成されることにより、流量の調整も含めて排ガスを送風機４１に供給するか否かを調整できる排ガス流量調整部として機能する。なお、本実施形態では、排ガス循環ライン１９の内部の排ガスの流路が開放されており、排ガスの一部が送風機４１に導入されている状態を基準に通常時の燃焼調整が行われている。

蒸気ライン２０は、上流側の端部がボイラ２に接続されるとともに、下流側の端部が負荷機器（図示省略）に接続される。この蒸気ライン２０を介してボイラ２で生成された蒸気が負荷機器に供給される。

次に、給水部５について説明する。給水部５は、ボイラ２に蒸気を生成するための水を給水するための構成である。本実施形態の給水部５は、給水ライン５１と、熱交換器５２と、を備える。給水ライン５１は、上流側の端部が給水源（図示省略）に接続されるとともに、下流側の端部がボイラ２に接続される。熱交換器５２は、排気筒１８の内部に配置される。熱交換器５２は、給水ライン５１の内部を流れる水と、排気筒１８を流れる排ガスとの間で熱交換を行う。これにより、給水ライン５１を流れる水が予熱された状態でボイラ２に供給されることになる。

次に、制御装置６について説明する。制御装置６は、送風機４１、燃焼用空気ダンパ４３、バイパス弁３７、各圧力センサ等と電気的に接続されている。本実施形態の制御装置６は、制御部６１と、記憶部６２と、を備える。制御部６１は、燃料ガス及び燃焼用空気の供給量の調整やボイラ２の着火制御や燃焼制御等の各種の制御を行う。記憶部６２には、制御部６１が制御を行うための各種の情報が記憶される。

本実施形態の制御部６１は、着火時において、排ガスが循環していないことに起因する着火不良を防止するために、通常の燃焼制御時よりも着火時の燃料ガスの流量を大きくする制御を行う。次に、制御部６１による着火時における燃料ガスの供給制御及び排ガスの循環制御について説明する。図２は、着火前後におけるバイパス弁３７及び排ガス流量調整ダンパ２７の開閉制御を概略的に示すタイミングチャートである。

ボイラ２の運転制御が開始されると、着火を行う前段階としてプレパージ制御が行われる。プレパージ制御は、送風機４１によって空気をボイラ筐体１１に送り込み、ボイラ筐体１１の内部を換気する制御である。図２に示すように、プレパージ制御では、バイパス弁３７は閉状態に制御されるとともに、排ガス循環ライン１９に配置される排ガス流量調整ダンパ２７も閉状態に制御される。

プレパージが完了すると着火制御に移行する。着火制御が開始されると、制御部６１は、バイパス弁３７を開状態にしてバイパスライン３６の流路を開放する制御を行う。バイパスライン３６を流通する燃料ガスは、第２オリフィス３５によって減圧されることなく燃料供給ライン３１の下流側に送られる。従って、バイパスライン３６が閉鎖されており、ボイラ２に供給される全ての燃料ガスが第２オリフィス３５によって減圧されている状態（通常の燃焼時）に比べ着火時の方が燃料ガスの供給量が大きくなる。

バーナ１５の着火が完了すると燃焼制御に移行する。制御部６１は、着火開始より所定時間（数秒から十数秒程度）経過後に、バイパス弁３７を閉状態に制御するとともに、排ガス流量調整ダンパ２７を開状態に制御する（図２参照）。バイパス弁３７が閉じられることにより、バイパスライン３６の流路が閉鎖され、ボイラ２に供給される燃料ガスの供給量は着火時に比べて小さくなる。また。排ガス流量調整ダンパ２７が開かれることにより、排ガス循環ライン１９の流路が開放され、着火後に生じた排ガスが送風機４１（空気供給部４）に導入される。

上述のように、バイパスライン３６の流路が閉鎖されており、かつ、排ガスが送風機４１に導入されている状態（酸素濃度が低い排ガスと外気が混合された状態）を基準に燃焼調整が行われているので、燃料ガスはバイパス弁３７が閉じられることにより適切な量でボイラ２に供給され、燃焼用空気についても排ガス流量調整ダンパ２７が開かれることにより排ガスが混合されて適切な量でボイラ２に供給される。

燃焼制御に移行したボイラ２は、排ガスが混合された燃焼用空気と燃料ガスの混合気の燃焼によって水管１２内部の水を加熱して蒸気を生成させる。生成した蒸気は、蒸気ライン２０を通じて負荷機器に供給される。一方、混合気の燃焼によって生じた排ガスは、排気筒１８に送られる。排気筒１８では、排ガスの一部が排ガス循環ライン１９を通じて送風機４１に送られ、残りが外部に排出される。送風機４１に送られた排ガスは、外部の空気と混合されて空気供給ライン４２を通じてボイラ２に循環する。

以上説明した本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。

本実施形態のボイラ装置１は、燃料供給ライン３１の経路上に一側の端部と他側の端部が接続されるバイパスライン３６と、バイパスライン３６に配置されるバイパス弁３７と、通常の燃焼時はバイパス弁３７を閉じ、バーナ１５の着火時は、バイパス弁３７を開いてバイパスライン３６にも燃料ガスを流通させることにより、通常の燃焼時に比べて前記燃料ガスの供給量を大きくする制御を行う制御部６１と、を備える。これにより、着火時において、通常の燃焼時に比べ燃料ガスの供給量が大きくなるので、酸素濃度が低い排ガスが混合されていないために、燃料ガスに対して酸素濃度が過剰となって生じる着火の不具合を確実に防止できる。従って、排ガス循環を行うボイラ装置１において、空気と混合される排ガスの比率が高い場合であっても、安定した着火を実現できる。また、燃焼用空気ダンパ４３の制御を複雑化させることなく着火を安定化できる。本実施形態のように、燃焼用空気の供給量に燃料ガスの供給量が比例する比例制御が行われるガス焚きのボイラ装置１においても、複雑な構成や制御を加えることなく、通常の燃焼時よりも着火時の燃料ガスの供給量を増やす構成を実現できる。即ち、燃焼用空気の供給量に燃料ガスの供給量が比例するように燃料ガスの流量を調整する又は燃料ガスの供給量に燃焼用空気の供給量が比例するように燃焼用空気の供給量を調整する比例制御が行われるボイラ装置においても、本発明の構成であれば、比例制御を行うための構成を複雑化することなく、通常の燃焼時と異なる状況にある着火時の空気比を適切に調整することができるのである。

バイパスライン３６は、一側の端部が第２オリフィス３５の上流側に接続され、他側の端部が第２オリフィス３５の下流側に接続される。これにより、バイパスライン３６を通過する燃料ガスは、第２オリフィス３５によって減圧されないので、バイパスライン３６を開放したときの燃料ガスの流量の増加量を確実に大きくできる構成をシンプルな構造で実現できる。

制御部６１は、バーナ１５の着火時は、送風機４１（空気供給部４）に排ガスが供給されないように排ガス流量調整ダンパ２７を閉じ、バーナの着火から所定時間経過後に送風機４１に排ガスの供給が開始されるように排ガス流量調整ダンパ２７を開く制御を行う。これにより、プレパージや着火開始時に排ガス循環ライン１９の内部の空気（残留した排ガス）が送風機４１に供給される事態を確実に防止できるとともに、排ガス発生にあわせて排ガスを循環させる制御にスムーズに移行させることができる。

以上、本発明のボイラ装置１の好ましい一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、上記実施形態では、バイパス弁３７を閉状態にする制御と、排ガス流量調整ダンパ２７を開状態にする制御を同時に行っているが、時間差を設けてそれぞれ異なるタイミングでこれらの制御を行うようにしてもよい。また、本実施形態では、バイパス弁３７は電気的に制御される電磁弁として構成されているが、事情に応じて適宜変更することができる。例えば、バイパス弁３７にニードル弁やバタフライ弁等の構成を加えてバイパスライン３６を流れる燃料ガスの流量を調整できるように構成することもできる。

上記実施形態では、排ガス流量調整ダンパ２７によって排ガス流量調整部を構成しているがこの構成は適宜変更できる。例えば、排ガス流量調整部に電磁弁を採用することができる。

上記実施形態では、排ガス循環ライン１９の下流側の端部が送風機４１に接続される構成であるが、この構成は適宜変更できる。例えば、排ガス循環ライン１９の下流側の端部を空気供給ライン４２に接続し、別途設けたファンによって排ガスを空気供給ライン４２に送り込む構成とすることもできる。

上記実施形態では、排ガス循環ライン１９に配置される排ガス流量調整ダンパ２７によって排ガス流量調整部が構成されているが、この構成に限定されるわけではない。例えば、流量調整ダンパ及び開閉ダンパによって排ガス流量調整部を構成することもできる。流量調整ダンパは、開度調整が可能に構成され、排ガスの混合率を調整するダンパである。また、開閉ダンパは、排ガスを送風機４１に供給するか否かを調整するダンパである。あるいは、開閉ダンパのみで排ガス流量調整部を構成することもできる。このように、排ガス流量調整部の構成は適宜変更することができる。

１ ボイラ装置
２ ボイラ
４ 空気供給部
１５ バーナ
１８ 排気筒（排出ライン）
１９ 排ガス循環ライン
２７ 排ガス流量調整ダンパ（排ガス流量調整部）
３１ 燃料供給ライン
３５ 第２オリフィス（燃料ガス減圧部材）
３６ バイパスライン
３７ バイパス弁
４１ 送風機
４２ 空気供給ライン
６１ 制御部

Claims (3)

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、
   前記燃料ガスに混合する燃焼用空気を前記ボイラに供給する空気供給ライン及び該空気供給ラインに接続される送風機を有する空気供給部と、
   前記ボイラの内部に配置され、前記燃料ガスと前記燃焼用空気の混合気を燃焼させるバーナと、
   前記混合気の燃焼によって生じる排ガスを前記ボイラから排出する排出ラインと、
   前記排出ラインと前記空気供給部を接続し、前記排ガスの一部を前記空気供給部に循環させる排ガス循環ラインと、
   前記燃料供給ラインの経路上に一側の端部と他側の端部が接続されるバイパスラインと、
   前記バイパスラインに配置されるバイパス弁と、
   通常の燃焼時は前記バイパス弁を閉じ、前記バーナの着火時は、前記バイパス弁を開いて前記バイパスラインにも前記燃料ガスを流通させることにより、通常の燃焼時に比べて前記燃料ガスの供給量を大きくする制御を行う制御部と、
   を備えることを特徴とするボイラ装置。
2. 前記燃料供給ラインに配置され、前記燃料ガスを減圧する燃料ガス減圧部材を更に備え、
   前記バイパスラインは、一側の端部が前記燃料ガス減圧部材の上流側に接続され、他側の端部が前記燃料ガス減圧部材の下流側に接続される請求項１に記載のボイラ装置。
3. 前記排ガス循環ラインに配置され、前記排ガスの流量を調整する排ガス流量調整部を更に備え、
   前記制御部は、前記バーナの着火時は、前記空気供給部に前記排ガスが供給されないように前記排ガス流量調整部を調整し、前記バーナの着火から所定時間経過後に前記空気供給部に前記排ガスの供給が開始されるように前記排ガス流量調整部を調整する制御を行う請求項１又は２に記載のボイラ装置。

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