KR102248435B1 - 연소 장치 및 그것을 구비한 보일러 - Google Patents

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Abstract

효율적인 가스 농도의 계측 위치를 구체적으로 설정하고, 계측한 가스 농도의 정보에 기초하는 구체적인 제어 방법에 의해 효과적으로 미연소분의 잔존을 억제하여, 보일러 효율을 향상시킬 수 있다. 버너(2)와, 공기 공급 포트(3)와, 2차 공기용 댐퍼(42)와, 화로 출구부(110)에서 가스 농도를 계측하는 계측부(5)와, 제어 장치(90)를 구비하고, 공기 공급 포트(3)는, 2 이상의 그룹(31 내지 34)으로 나뉘어져 있고, 계측 영역(50)은, 나뉜 각 그룹(31 내지 34)에 대응지어진 복수의 분할 영역(51 내지 54)으로 미리 분할되어 있고, 제어 장치(90)는, 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 가스 농도의 평균값과 각 분할 영역(51 내지 54)에 있어서의 가스 농도의 값 사이의 편차에 기초하여, 각 분할 영역(51 내지 54)에 대응지어진 그룹(31 내지 34)의 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량 제어 명령값을 출력한다.

Description

연소 장치 및 그것을 구비한 보일러
본 발명은, 연소 장치 및 그것을 구비한 보일러에 관한 것이다.
보일러의 화로에서는, 공기 부족이나 연료와 공기의 혼합 부족 등에 의해 연료가 화로 출구까지 완전히 연소되지 못하고, 미연소분(미연소 연료)이 잔존하는 것이 알려져 있다. 미연소분의 잔존량이 많을수록 보일러 효율이 저하되기 때문에, 화로 내에 공급하는 1차 공기나 2차 공기의 유량을 조정함으로써 미연소분의 잔존량을 저감시키는 기술이 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 화로의 상류측에 연료, 1차 공기, 및 버너용 2차 공기를 공급하여 연소를 행함과 함께, 화로의 하류측에 추가 공기 분출부용 2차 공기를 공급하여 미연소분의 연소를 행하는 다단 연소 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는, 화로의 하류측 횡단면에 있어서의 산소 또는 탄산 가스의 농도 분포를 계측하고, 계측된 가스 농도의 분포에 기초하여 추가 공기 분출부용 2차 공기의 공급 방향과 유속을 조정하고 있다.
일본 특허 공개 소63-311020호 공보
특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 화로의 하류측 횡단면에서의 가스 농도의 분포를 정량적으로 파악함으로써, 예를 들어 주변부보다도 중앙부의 가스 농도가 높은 경우에는, 중앙부에 있어서의 연소가 활발하다고 판단하고, 이 정보에 기초하여 추가 공기 분출부용 2차 공기의 공급 방향과 유속을 조정하고 있지만, 구체적인 조정 방법이나 가스 농도의 계측 위치에 대해서는 불분명하기 때문에, 실용화가 곤란하다.
본 발명은, 효율적인 가스 농도의 계측 위치를 구체적으로 설정하고, 계측한 가스 농도의 정보에 기초하는 구체적인 제어 방법에 의해 효과적으로 미연소분의 잔존을 억제하고, 보일러 효율을 향상시킬 수 있는 연소 장치 및 그것을 구비한 보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 대표적인 본 발명은 연직 방향을 따라서 설치되는 화로의 벽에 마련되고, 상기 화로의 내부에 연료, 1차 공기, 및 버너용 2차 공기를 공급하는 복수의 버너와, 상기 화로의 벽에 있어서 상기 복수의 버너보다도 연직 방향의 상측에 마련되고, 상기 화로의 내부에 공기 공급 포트용 2차 공기를 공급하는 복수의 공기 공급 포트와, 상기 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 조정하는 복수의 2차 공기용 댐퍼와, 상기 화로에 있어서 상기 복수의 공기 공급 포트보다도 연직 방향의 상측에 위치하는 화로 출구부의 수평 단면 상의 계측 영역에서, 가스 농도를 계측하는 계측부와, 상기 복수의 2차 공기용 댐퍼의 각각의 개방도를 조정하기 위한 유량 제어 명령값을 출력하는 회로를 갖는 제어 장치를 구비하고, 상기 복수의 공기 공급 포트는, 2 이상의 그룹으로 나뉘어져 있고, 상기 계측 영역은, 나뉜 각각의 그룹에 대응지어진 복수의 분할 영역으로 미리 분할되어 있고, 상기 제어 장치는, 상기 계측 영역의 전체에 있어서의 가스 농도를 평균한 값과 상기 계측 영역의 각각의 상기 분할 영역에 있어서의 가스 농도의 값 사이의 편차를 연산하고, 연산된 상기 편차에 대하여 상기 연소 장치의 부하 및 상기 복수의 버너 중 사용하는 버너의 패턴에 기초하여 연산된 정 또는 부의 바이어스값을 부가한 값에 기초하여, 각각의 상기 분할 영역에 대응지어진 그룹에 속하는 상기 공기 공급 포트에 공급하는 상기 공기 공급 포트용 2차 공기의 상기 유량 제어 명령값을 상기 복수의 2차 공기용 댐퍼의 각각에 출력하는 것을 특징으로 하는 연소 장치이다.
본 발명에 따르면, 상기의 특징에 의해, 효율적이고 또한 효과적으로 미연소분의 잔존을 억제하여, 보일러 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시 형태의 설명에 의해 밝혀진다.
도 1은, 본 발명이 적용되는 화력 발전 플랜트의 일부 구성을 도시하는 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 따른 연소 장치(보일러의 일부)의 일구성예를 도시하는 개략 사시도이다.
도 3은, 화로의 전방벽측에 있어서의 버너 및 공기 공급 포트의 구성, 그리고 화로 내로의 연료 및 공기의 공급 계통을 도시하는 모식도이다.
도 4는, O2 농도와 미연소분의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 복수의 공기 공급 포트의 구성과 계측 영역의 구성의 관계, 및 계측 영역에 있어서의 O2 농도의 계측 방법을 도시하는 모식도이다.
도 6은, 복수의 공기 공급 포트로부터 공급되는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량의 제어 방법을 도시하는 개념도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 따른 연소 장치(12) 및 그것을 구비한 보일러(10)에 대해서, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
<보일러(10)의 구성>
먼저, 보일러(10)의 구성에 대해서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 발명이 적용되는 화력 발전 플랜트의 일부 구성을 도시하는 모식도이다. 도 2는, 본 실시 형태에 따른 연소 장치(12)(보일러(10)의 일부)의 일구성예를 도시하는 개략 사시도이다. 도 3은, 화로(11)의 전방벽(111)측에 있어서의 버너(2) 및 공기 공급 포트(3)의 구성, 그리고 화로(11) 내로의 연료 및 공기의 공급 계통을 도시하는 모식도이다.
보일러(10)는, 화력 발전 플랜트 등에서 사용되는 미분탄 연소 보일러의 일 형태이며, 예를 들어 역청탄이나 아역청탄 등의 석탄으로부터 생성된 미분탄을 고체 연료로서 연소하여, 발생한 열을 회수한다. 미분탄은, 미분탄기(13)에 의해 석탄을 분쇄하여 생성된다. 이 보일러(10)는, 연직 방향을 따라서 설치되는 화로(11)와, 화로(11) 내에 있어서 미분탄을 연소시키는 연소 장치(12)를 구비하고 있다.
화로(11)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 수냉관으로 구성된 수냉벽으로 둘러싸인 하우징 구조를 갖고 있고, 내부에 연소 공간이 형성되어 있다. 화로(11)의 연소 공간에 있어서 미분탄이 연소됨으로써 발생한 연소 가스는, 도 1 및 도 2에 있어서 굵은 선 화살표로 나타내는 바와 같이, 화로(11)의 연직 방향의 하측으로부터 상측을 향하여 흐른다. 보일러(10)로부터 배출된 연소 가스는, 탈초 장치(103)나 공기 예열기(104) 등을 통한 후, 처리를 마친 배기 가스로서 외부로 배출된다.
화로(11) 내에 있어서, 연직 방향의 하측이 연소 가스의 흐름의 「상류측」이고, 연직 방향의 상측이 연소 가스의 흐름의 「하류측」이다. 따라서, 화로 출구부(110)는, 연소 가스의 흐름의 하류측인 연직 방향의 상측에 위치하고 있다.
화로(11)의 상부에는, 화로(11)에 대하여 교차(직교)하는 방향을 따른 연도(14)가 연결되어 있다. 화로(11)에 있어서 연소에 의해 발생한 열은, 주로 화로 수냉벽으로의 복사에 의한 전열로 물을 가열 증발시키고, 또한, 연도(14)의 내부에 마련된 과열기나 재열기 등의 열교환기(도시 생략)에 의한 열교환으로 수증기는 과열되어서 터빈에 보내져서 발전에 제공된다.
또한, 이하의 설명에 있어서, 연도(14)가 연장되는 방향을 「깊이 방향」으로 하고, 깊이 방향에 있어서의 화로(11)측을 「전방측」, 그 반대측을 「후방측」이라 한다. 또한, 연직 방향 및 깊이 방향에 교차(직교)하는 방향을 「폭 방향」이라 한다(도 2 참조).
연소 장치(12)는, 화로(11)의 내부에 미분탄, 1차 공기, 및 버너용 2차 공기를 공급하는 복수의 버너(2)와, 화로(11)의 내부에 공기 공급 포트용 2차 공기를 공급하는 복수의 공기 공급 포트(3)와, 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 조정하는 복수의 2차 공기용 댐퍼(42)와, 화로 출구부(110)의 수평 단면 상의 계측 영역(50)(도 2에 있어서 일점 쇄선으로 나타냄)에서 가스 농도를 계측하는 계측부(5)와, 복수의 2차 공기용 댐퍼(42)의 각각의 개방도를 조정하기 위한 유량 제어 명령값을 출력하는 회로를 갖는 제어 장치(90)를 구비하고 있다.
이 연소 장치(12)에서는, 미분탄을 연소시키기 위한 연소용의 공기를 2단계로 나누어서 공급한다. 즉, 보일러(10)에서는, 2단계로 미분탄을 완전 연소시키는 2단 연소 방식이 사용되고 있다.
먼저, 제1 단계에서는, 미분탄을 완전 연소시키기 위하여 필요한 이론 공기량 이하가 되는 양의 공기를 복수의 버너(2)로부터 1차 공기 및 버너용 2차 공기로서 화로(11)의 내부에 공급하여, 공기 부족의 상태에서 미분탄을 연소한다. 이에 의해, 발생한 연소 가스에 포함되는 질소 산화물(NOx)을 질소로 환원하여, 화로(11) 내에 있어서의 질소 산화물(NOx)의 생성을 억제할 수 있다. 이어서, 제2 단계에서는, 미분탄의 완전 연소에 부족분의 공기를 복수의 공기 공급 포트(3)로부터 공기 공급 포트용 2차 공기로서 화로(11)의 내부에 공급하여, 제1 단계에서 전부 연소되지 못하고 남은 고체 상태의 미연소분이나 발생한 일산화탄소(CO) 등의 기체 상태의 미연소분 연소를 촉진시킨다.
구체적으로는, 1차 공기 팬(43)으로부터 공급되어서 공기 예열기(104)에 의해 예열된 1차 공기는, 미분탄의 건조용 및 반송용으로서 미분탄기(13)로 유도되고, 미분탄기(13)로 분쇄된 미분탄과 함께 복수의 버너(2)로부터 화로(11) 내로 공급된다. 2차 공기 팬(46)으로부터 공급되어서 공기 예열기(104)에서 예열된 2차 공기(연소용 공기)는, 그 일부가 복수의 버너(2)로부터, 나머지가 복수의 공기 공급 포트(3)로부터, 각각 화로(11) 내로 공급된다.
복수의 버너(2)를 통하여 화로(11) 내로 공급되는 버너용 2차 공기의 유량 조정(제어)은, 제어 장치(90)로부터 출력된 댐퍼 개방도 제어 명령값에 따라서 댐퍼(15)의 개방도가 조정됨으로써 행하여진다. 복수의 공기 공급 포트(3)를 통하여 화로(11) 내에 공급되는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량 조정(제어)은, 제어 장치(90)로부터 출력된 유량 제어 명령값에 따라서 2차 공기용 댐퍼(42)의 개방도가 조정됨으로써 행하여진다.
본 실시 형태에 따른 보일러(10)는 대향 연소형 보일러이고, 도 2에 도시하는 바와 같이, 복수의 버너(2) 및 복수의 공기 공급 포트(3)는, 깊이 방향에 대향하여 배치된 화로(11)의 전방벽(111) 및 후방벽(112)으로 나뉘어서 마련되어 있다.
구체적으로는, 전방벽(111) 및 후방벽(112)에 있어서 각각, 12개의 버너(2) 및 6개의 공기 공급 포트(3)가 마련되어 있다. 전방벽(111)측의 12개의 버너(2)와 후방벽(112)측의 12개의 버너(2)는, 서로 대향하는 위치에 배치되어 있고, 그것들의 구성은 동일하다. 마찬가지로, 전방벽(111)측의 6개의 공기 공급 포트(3)와 후방벽(112)측의 6개의 공기 공급 포트(3)에 대해서도, 서로 대향하는 위치에 배치되어 있고, 그것들의 구성은 동일하다. 그래서, 전방벽(111)측에 있어서의 버너(2) 및 공기 공급 포트(3)의 구성을 예로 들어, 이하 설명한다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 12개의 버너(2)는, 연직 방향을 따라서 상측으로부터 하측을 향하여 상단, 중단, 하단의 세 단으로 나뉘어서 배치되어 있다. 그리고, 각 단에는, 폭 방향을 따라서 4개의 버너(2)가 배열하여 배치되어 있다. 이하의 설명에 있어서, 상단에 배치된 4개의 버너(2)를 「상단 버너(21)」, 중단에 배치된 4개의 버너(2)를 「중단 버너(22)」, 하단에 배치된 4개의 버너(2)를 「하단 버너(23)」라 한다.
4개의 상단 버너(21)는 제1 미분탄기(131)에, 4개의 중단 버너(22)는 제2 미분탄기(132)에, 4개의 하단 버너(23)는 제3 미분탄기(133)에, 각각 접속되어 있다.
제1 내지 제3 미분탄기(131 내지 133)(미분탄기(13))는, 예를 들어 석탄을 입경 몇십㎛ 정도의 미분탄으로 분쇄한다. 제1 미분탄기(131)에서 생성된 미분탄은 4개의 상단 버너(21)로, 제2 미분탄기(132)에서 생성된 미분탄은 4개의 중단 버너(22)로, 제3 미분탄기(133)에서 생성된 미분탄은 4개의 하단 버너(23)로, 미분탄기(13)의 상부에 마련된 송탄관(도 3에 있어서 위 화살표로 나타냄)을 통하여 반송 공기에 의해 각각 유도되어, 화로(11)로 공급된다.
제1 내지 제3 미분탄기(131 내지 133)는, 보일러(10)의 운용 상황에 따라서 가동 패턴이 바뀌고, 이에 수반하여, 상단 버너(21), 중단 버너(22) 및 하단 버너(23)의 사용 패턴(운전 패턴)이 바뀐다. 예를 들어, 제1 내지 제3 미분탄기(131 내지 133)의 전체기가 가동되고 있는 경우에는, 상단 버너(21), 중단 버너(22) 및 하단 버너(23)의 모두가 사용 상태로 되지만, 제1 미분탄기(131) 및 제3 미분탄기(133)가 가동되고, 제2 미분탄기(132)가 예비가 되는 경우에는, 상단 버너(21) 및 하단 버너(23)가 사용 상태로 되고, 중단 버너(22)는 미사용의 상태(예비)로 된다.
또한, 전방벽(111)측의 버너(2)의 사용 패턴과 후방벽(112)측의 버너(2)의 사용 패턴은 반드시 대칭일 필요는 없다. 예를 들어, 전방벽(111)측에서는 상단 버너(21) 및 중단 버너(22)의 2단이 사용되고, 한편, 후방벽(112)측에서는 상단 버너(21), 중단 버너(22) 및 하단 버너(23)의 3단 모두가 사용되고 있어도 된다.
공기 예열기(104)로부터 각 상단 버너(21) 보내지는 1차 공기 및 버너용 2차 공기의 양은, 각 상단 버너(21)에 대하여 제1 미분탄기(131)로부터 반송되는 미분탄의 양에 기초하여 설정된다. 그리고, 버너용 2차 공기는, 미분탄기(13)로부터 공급되는 1차 공기를 제외한 나머지 공기 유량이 댐퍼(15)에 의해 조정된다.
또한, 화로(11) 내에 공급되는 2차 공기의 총 유량은, 보일러(10)의 부하에 기초하여 제어된 미분탄의 양에 기초하여 조정(제어)된다. 여기서, 「화로(11) 내에 공급되는 연소용의 공기의 총 유량」이란, 화로(11) 내에 공급되는 모든 공기(1차 공기, 그리고 버너용 2차 공기, 및 공기 공급 포트용 2차 공기)의 유량을 나타낸다.
6개의 공기 공급 포트(3)는, 화로(11)의 전방벽(111)에 있어서 12개의 버너(2)보다도 연직 방향의 상측이며, 또한 화로 출구부(110)의 위치보다도 하측에 마련되어 있다. 즉, 화로 출구부(110)는, 6개의 공기 공급 포트(3)보다도 연직 방향의 상측에 위치하고 있다. 6개의 공기 공급 포트(3)는, 폭 방향을 따라서 배열하여 배치된 4개의 주 포트(301)과, 이들 4개의 주 포트(301)의 폭 방향의 양측에 배치된 2개의 부 포트(302)를 갖고 있다.
또한, 4개의 주 포트(301)의 연직 방향의 위치는, 2개의 부 포트(302)의 연직 방향의 위치보다도 상측이다. 즉, 연직 방향에 있어서, 2개의 부 포트(302)는, 4개의 주 포트(301)와 4개의 상단 버너(21) 사이에 위치하고 있다. 화로(11)의 후방벽(112)측을 포함한 공기 공급 포트(3)의 전체 구성에 대해서는, 후술한다.
각 공기 공급 포트(3)에 대하여 공기 예열기(104)로부터 보내지는 공기 공급 포트용 2차 공기의 양은, 2차 공기용 댐퍼(42)의 개방도의 증감에 의해 조정되고, 이에 의해 각 공기 공급 포트(3)로부터 화로(11)의 내부에 공급되는 공기 공급 포트용 2차 공기의 공급량이 조정된다.
2차 공기용 댐퍼(42)는, 구체적으로는, 제어 장치(90)로부터 보내지는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 제어하는 유량 제어 명령값에 기초하여, 각 공기 공급 포트(3)로 보낼 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 조정하고 있다. 이 제어 명령값은, 화로(11) 내에 있어서의 미연소분의 잔존량을 최소한으로 하기 위하여 최적의 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량으로 제어하는 것이고, 화로(11) 내에 공급되는 미분탄의 유량에 기초하여 설정되는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량 설정값(설계값)에 대하여 계측부(5)에 있어서 계측한 가스 농도의 값(실제의 값)을 고려하여 정해져 있다.
도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, 화로(11) 내에 공기 공급 포트용 2차 공기를 공급하기 위한 유로에는, 제어 장치(90)로부터의 제어 명령값에 기초한 유량이 실제로 흐르고 있는지 여부를 계측하기 위한 공기 유량 계측기(41)가 마련되어 있다.
본 실시 형태에서는, 계측부(5)에 있어서 계측되는 가스의 종류는, 산소(O2)이지만, 화로(11) 내에 있어서의 연소의 진행 정도를 알기 위한 가스의 종류는, 산소(O2)에 한하지 않고, 예를 들어 이산화탄소(CO2)여도 상관없다. 그러나, 연소 촉진에 작용하는 산소(O2)의 농도를 계측부(5)에 있어서 계측하는 쪽이, 화로(11) 내의 공기 과부족을 보다 직접적으로 파악하기 쉽다.
도 1에 있어서 일부 도시하는 것처럼, 화력 발전 플랜트에는, 여러가지 계측단과 제어단이 마련되어 있다. 예를 들어, 미분탄기(13)에 공급하는 석탄의 공급량을 계측하고, 동시에 소정의 석탄량을 미분탄기(13)에 공급하도록 제어하는 급탄기(도시 생략), 미분탄기(13)의 출구의 1차 공기 온도를 검출하는 1차 공기 출구 온도 계측기(44), 미분탄기(13)의 입구의 1차 공기 온도를 검출하는 1차 공기 입구 온도 계측기(45) 등이다. 이들 각종 계측단과 제어단은, 파선으로 나타내는 것처럼, 제어 장치(90)와 전기적으로 접속되어 있다.
이 제어 장치(90)는, 제어를 실행하는 제어 회로부, 계측 신호나 제어 신호를 수발신하는 인터페이스부 및 계측 신호의 일부를 단시간 기억시키는 기억부 등을 포함한다.
<O2 농도와 미연소분의 상관 관계>
여기서, 화로(11) 내에 있어서의 O2 농도와 미연소분의 상관 관계에 대해서, 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는, O2 농도와 미연소분의 관계를 나타내는 그래프이다.
화로(11) 내에 있어서의 O2 농도가 높아지면, 화로(11) 내에 있어서의 연소는 촉진되기 때문에, 미연소분은 적어진다. 이 경우에 있어서, O2 농도와 미연소분의 상관 관계는, 도 4에 있어서 이점 쇄선으로 나타내는 것과 같은 단순한 비례 관계가 아니고, O2 농도가 낮은 영역에 있어서는, O2 농도가 높아지면 미연소분이 급격하게 저감한다고 하는 특성이 있다(도 4에 있어서 실선으로 나타내는 곡선). 바꾸어 말하면, O2 농도와 미연소분의 상관 관계는, O2 농도가 소정의 값보다 낮아지면 미연소분이 급격하게 증가하는 관계에 있다.
따라서, O2 농도가 낮은 영역(도 4에 있어서의 P1)에 있어서 O2 농도가 높아지도록 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 조정하거나, O2 농도가 높은 영역(도 4에 있어서의 P2)에 있어서 O2 농도가 낮아지도록 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 조정하거나 하면, O2 농도가 낮은 영역에 있어서의 미연소분과 O2 농도가 높은 영역에 있어서의 미연소분의 평균(도 4에 있어서의 P12)보다도 적은 미연소분(도 4에 있어서의 P3)이 된다.
따라서, 이 O2 농도와 미연소분의 상관 관계의 특성에 기초하여, 각 공기 공급 포트(3)로부터 공급되는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 조정하면, 미연소분을 최소한으로 할 수 있다. 또한, O2 농도는, 화로(11) 내에 있어서의 연소 가스의 혼합이 진행된 화로 출구부(110)의 수평 단면 상의 계측 영역(50)에서 계측하기 위해, 화로(11) 내에 있어서의 미분탄의 연소가 완결된 상태를 정확하게 반영시킨 뒤에, 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 조정할 수 있다.
<O2 농도의 계측 방법에 대해서>
이어서, 화로 출구부(110)의 계측 영역(50)에 있어서의 O2 농도의 계측 방법에 대해서, 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는, 복수의 공기 공급 포트(3)의 구성과 계측 영역(50)의 구성의 관계 및 계측 영역(50)에 있어서의 O2 농도의 계측 방법을 도시하는 모식도이다.
도 5에 있어서 굵은 선으로 둘러싸서 나타내는 것처럼, 본 실시 형태에서는, 복수의 공기 공급 포트(3)는, 제1 그룹(31), 제2 그룹(32), 제3 그룹(33) 및 제4 그룹(34)의 4그룹으로 나누어져 있다. 제1 그룹(31), 제2 그룹(32), 제3 그룹(33) 및 제4 그룹(34)에는 각각, 2개의 주 포트(301) 및 1개의 부 포트(302)가 포함되어 있고, 그룹별로 대응하여 공기 유량 계측기(41) 및 2차 공기용 댐퍼(42)가 마련되어 있다.
계측 영역(50)은, 넷으로 나뉜 각각의 그룹에 대응지어진 네 분할 영역(제1 분할 영역(51), 제2 분할 영역(52), 제3 분할 영역(53) 및 제4 분할 영역(54))으로 미리 분할되어 있다. 본 실시 형태에서는, 직사각형의 계측 영역(50)이 폭 방향으로 이등분되고, 또한, 깊이 방향으로 이등분됨으로써, 제1 분할 영역(51), 제2 분할 영역(52), 제3 분할 영역(53) 및 제4 분할 영역(54)의 네 직사각형 영역으로 등분되어 있다.
제1 분할 영역(51)은 제1 그룹(31)에 대응지어져 있고, 제1 분할 영역(51)에서 계측된 O2 농도의 값에 의해 제1 그룹(31)에 속하는 공기 공급 포트(3)로부터 실제로 화로(11) 내에 공급된 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량 상대값(대소)을 판정할 수 있다. 마찬가지로 하여, 제2 분할 영역(52)은 제2 그룹(32)에, 제3 분할 영역(53)은 제3 그룹(33)에, 제4 분할 영역(54)은 제4 그룹(34)에, 각각 대응지어져 있다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 복수의 공기 공급 포트(3)의 그룹의 수와 분할 영역의 수가 같고(넷), 각 그룹(31 내지 34)과 분할 영역(51 내지 54)은 1 대 1로 대응지어져 있다.
이와 같이, 제1 분할 영역(51), 제2 분할 영역(52), 제3 분할 영역(53) 및 제4 분할 영역(54)의 각각에 있어서 실제로 계측한 O2 농도의 값을 근거로 하여, 어느 분할 영역에 있어서의 O2 농도가 높은지 또는 낮은지를 판단하고, 각각의 분할 영역(51 내지 54)에 대응지어진 각 그룹(31 내지 34)에 속하는 공기 공급 포트(3)(주 포트(301) 및 부 포트(302))가 공급하는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 최적으로 제어한다. 이 제어 방법에 대해서는, 후술한다.
일 실시 형태로서, 레이저 광선을 사용한 O2 농도의 계측이 있다. 구체적으로는, 계측부(5)는, 계측 영역(50) 상에서 교차하는 복수의 레이저 광선(도 5에 있어서 예를 들어 화살표 L1, L2로 나타냄)을 발사하는 레이저 광원(5a)과, 레이저 광원(5a)로부터 발사된 레이저 광선을 수신하는 수신부(5b)를 갖고, 복수의 레이저 광선의 광로(화로(11) 내를 통과하는 패스)의 투과도에 의해 광로의 O2 농도를 계측하고, 토모그래피 기술을 적용하여 광로의 교점(도 5에 있어서 검정색 동그라미 표시로 나타냄)에 있어서의 O2 농도를 출력한다.
도 5에서는, 깊이 방향을 따른 레이저 광선(화살표 L1)과 폭 방향을 따른 레이저 광선(화살표 L2)이 직교하도록 레이저 광원(5a)으로부터 각각 레이저 광선이 발사되고 있고, 그 교점(검정색 동그라미 표시)이 국부의 O2 농도의 출력점이다. 본 실시 형태에서는, 계측 영역(50)에는, 전부 합해 48개의 출력점이 있고, 레이저 광선의 광로의 수(레이저 패스 수)는 깊이 방향으로 투과하는 8 패스 및 폭 방향으로 투과하는 6 패스의 합계 14 패스이다.
이와 같이, 14 패스의 레이저 광선을 수발신하는 레이저 광원(5a) 및 수신부(5b)를 사용함으로써, 48개나 되는 출력점에 있어서의 가스 농도의 정보가 얻어지기 때문에, 효율적으로 O2 농도의 계측을 행할 수 있다. 또한, 반드시 레이저 광선의 교점 출력값을 사용하여 가스 농도의 정보를 얻을 필요는 없고, 각 분할 영역(51 내지 54)의 가스 농도를 직접 출력해도 된다.
또한, O2 농도의 계측 방법은, 반드시 레이저광에 의한 것일 필요는 없고, 예를 들어 수랭 프로브를 화로(11) 내에 삽입하여 계측 영역(50) 상의 임의의 개소를 직접적으로 계측해도 된다. 그러나, 레이저 광선을 사용한 계측 방법 쪽이, 고온의 화로(11) 내로 계측기나 계측 장치를 삽입하지 않고 O2 농도의 계측을 하는 것이 가능하기 때문에, 내구성의 면에서도 유리한 계측 방법이다. 또한, 계측 부분으로의 재의 부착 등의 문제도 회피할 수 있기 때문에, 신뢰성의 면에서도 유리한 계측 방법이다. 즉, 레이저 광선을 사용한 계측 방법은, 경제성, 내구성 및 신뢰성의 면에서 유리한 경우가 많다.
또한, 도 5에서는, 레이저 광원(5a) 및 수신부(5b)는 레이저 광선별로 마련되어 있지만, 반드시 그럴 필요는 없고, 레이저 광원(5a) 및 수신부(5b)의 구성에 대해서는 특별히 제한은 없다.
또한, 일 실시 형태로서, 계측부(5)에 있어서의 계측값은, 소정의 시간 내에 있어서 계측 영역(50)(제1 내지 제4 분할 영역(51 내지 54)) 내에서 복수회 계측한 O2 농도를 평균한 값으로 해도 된다. 이 경우, 어느 시간 내에 각 계측점을 1회 계측한 경우의 O2 농도의 값과 비교하여 안정된 값을 계측값으로서 사용할 수 있다.
<공기 공급 포트용 2차 공기의 유량의 제어에 대해서>
이어서, 복수의 공기 공급 포트(3)로부터 공급되는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량의 제어에 대해서, 도 6을 사용하여 설명한다.
도 6은, 복수의 공기 공급 포트(3)로부터 공급되는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량의 제어 방법을 도시하는 개념도이다.
복수의 공기 공급 포트(3)로부터 공급되는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량의 제어는, 제어 장치(90)로부터의 제어 명령값에 기초하여 행하여진다. 제어 장치(90)는, 그룹 별 유량 설정값을 산출하는 기능과, 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도의 합계값을 산출하는 기능과, 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도를 평균한 값을 산출하는 기능과, 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도를 평균한 값과 각 분할 영역(51) 내지 54에 있어서의 O2 농도의 평균값의 사이의 편차를 산출하는 기능과, 그룹별 유량 설정값에 대하여 편차를 고려하여 그룹별 유량 제어 명령값을 산출하는 기능을 포함한다.
이하, 각 기능에 대하여 구체적으로 설명한다. 또한, 제1 그룹(31), 제2 그룹(32), 제3 그룹(33) 및 제4 그룹(34) 각각에 있어서의 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량의 제어 방법은 동일하기 때문에, 주로 제1 그룹(31)에 있어서의 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량의 제어 방법을 예로 들어 설명한다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 미리, 복수의 공기 공급 포트(3)로부터 화로(11) 내로 공급할 공기 공급 포트용 2차 공기의 전체 유량 설정값을 제1 제산기 D1에 입력한다. 제1 제산기 D1은, 입력된 공기 공급 포트용 2차 공기의 전체 유량 설정값을 그룹수(본 실시 형태에서는 4그룹)로 제산하여 평균값을 취함으로써, 제1 그룹 유량 설정값, 즉 제1 그룹(31)에 대한 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량 설정값을 정한다.
이어서, 제1 분할 영역(51), 제2 분할 영역(52), 제3 분할 영역(53) 및 제4 분할 영역(54)의 각각에 있어서의 O2 농도의 평균값(실제의 계측값 평균값)을 합계값 연산기 A5에 입력한다. 합계값 연산기 A5는, 입력된 제1 분할 영역(51), 제2 분할 영역(52), 제3 분할 영역(53) 및 제4 분할 영역(54) 각각에 있어서의 O2 농도의 평균값을 더하여 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도의 합계값을 산출한다.
산출된 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도의 합계값을 제5 제산기 D5에 입력한다. 제5 제산기 D5는, 입력된 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도의 합계값을 분할 영역의 수(본 실시 형태에서는 4영역)로 제산하여, 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도를 평균한 값을 산출한다.
그리고, 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도를 평균한 값 및 제1 분할 영역(51)에 있어서의 O2 농도의 평균값을 제1 감산기 S1에 입력한다. 제1 감산기 S1은, 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도를 평균한 값과 제1 분할 영역(51)에 있어서의 O2 농도의 평균값 사이의 편차를 산출한다.
이에 의해, 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도를 평균한 값에 대하여 제1 분할 영역(51)에 있어서의 O2 농도의 평균값이 어느 정도 높은지 또는 낮은지를 파악할 수 있기 때문에, 제1 분할 영역(51)에 대응지어진 제1 그룹(31)에 속하는 공기 공급 포트(3)로부터 공급되는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량이 많은 것인지 또는 적은 것인지를 판정하는 것이 가능하게 된다.
연산부(6)는, 산출된 O2 농도의 편차로부터 공기 공급 포트용 2차 공기 유량의 수정량을 산출한다. 구체적으로는, 연산부(6)는, 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량이 많은 경우에는 설정값과의 편차 분을 부의 값으로서, 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량이 적은 경우에는 설정값과의 편차 분을 정의 값으로서, O2 농도의 편차를 공기 유량으로 전환하여 수정량을 산출한다.
이렇게 하여 얻어진 공기 공급 포트용 2차 공기 유량의 수정량 및 제1 그룹(31)에 있어서의 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량 설정값을 제1 가산기 A1에 입력한다. 제1 가산기 A1은, 제1 그룹 유량 설정값에 공기 공급 포트용 2차 공기 유량의 수정량을 더하여, 제1 그룹(31)에 있어서의 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량 제어 명령값으로서 출력한다. 그리고, 2차 공기용 댐퍼(42)는, 제1 그룹(31)에 있어서의 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량 제어 명령값에 기초하여 제1 그룹(31)에 속하는 공기 공급 포트(3)에 공급하는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 조정한다.
상기에서는, 제1 그룹(31) 및 제1 분할 영역(51)에 대응하는 제1 제산기 D1, 제1 감산기 S1 및 제1 가산기 A1의 기능에 대하여 설명했지만, 제2 그룹(32) 및 제2 분할 영역(52)에 대응하는 제2 제산기 D2, 제2 감산기 S2 및 제2 가산기 A2, 제3 그룹(33) 및 제3 분할 영역(53)에 대응하는 제3 제산기 D3, 제3 감산기 S3 및 제3 가산기 A3, 그리고 제4 그룹(34) 및 제4 분할 영역(54)에 대응하는 제4 제산기 D4, 제4 감산기 S4 및 제4 가산기 A4에 대해서도, 각각 마찬가지의 기능을 갖는다.
이와 같이, 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량 제어 명령값을 구할 때에는, 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도를 평균한 값과 각 분할 영역(51 내지 54)에 있어서의 O2 농도의 평균값 사이의 편차를 산출하면 충분하기 때문에, O2 농도의 계측을 그룹 단위로 행할 수 있고, 또한, 그룹 단위로 편차의 산출을 행할 수 있다. 그리고, 화로(11) 내에 공급하는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량도 그룹 단위로 조정하면 된다.
화로(11) 내에서는, 연료(미분탄)의 유량 배분이나 공기의 유량 배분의 변동에 의해 국부적인 연소의 변동이 발생하고 있고, 최적의 연소 상태로부터의 일탈의 요인이 되고 있다. 이 연소의 변동을 국부적으로 상시 수정하는 것은, 변동의 검출의 면에서도, 공기의 최적 배분의 조정의 면에서도, 극히 곤란하다.
그러나, 국부적인 연소의 변동 총합은, 화로(11) 내를 크게 그룹으로 나누었을 경우에는, 각 그룹의 변동에 상당하는 것이 대부분이다. 그리고, 그룹별 연소의 변동은, 국부적인 연소의 변동보다도 안정되어 있기 때문에, 그룹별 변동의 검출 및 그룹별 공기 배분의 조정은 비교적으로 용이하다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 화로(11) 내를 그룹으로 나누어, 그룹별 O2 농도의 계측값에 기초하여 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량의 배분을 최적화하고 있기 때문에, 화로(11) 내에 있어서의 미연소분의 억제를 최적으로 행하는 수단으로서, 실제로 운용되고 있는 보일러(10)에 대하여 실용화하기 쉽고, 보일러(10)의 효율의 향상에도 연결된다.
또한, 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도를 평균한 값과 각 분할 영역(51 내지 54)에 있어서의 O2 농도의 평균값 사이의 편차는, 일반적으로는 보다 작은 쪽이 화로(11) 내에 있어서의 미분탄의 연소 정도의 균형을 도모하기 쉽기 때문에, 이 편차가 제로에 접근하도록 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 조정하는 것이 바람직하다.
그러나, 계측 영역(50)의 상류측에 있어서의 연소 가스의 혼합 상태 등에 따라서는 연소가 양호하게 진행되고, O2 농도가 저하되는 영역이 존재하기도 한다. 이러한 경우, O2 농도가 저하되는 영역으로의 공기의 과잉의 증가는 불필요하게 된다.
이와 같이, 계측 영역(50)의 상류측에서 연소 촉진에 편차를 발생시키는 혼합 등의 조건의 차가 존재하는 경우에는, 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도를 평균한 값과 각 분할 영역(51 내지 54)에 있어서의 O2 농도의 평균값 사이의 편차에, 정 또는 부의 바이어스값을 미리 마련함으로써, 계측 영역(50)의 상류측의 조건에 따른 최적의 공기의 배분 조정이 가능하게 된다.
계측 영역(50)의 상류측에서 연소 촉진에 편차를 발생시키는 혼합 등의 조건의 차는, 연소 장치(12)의 부하나 복수의 버너(2) 중 사용하는 버너(2)의 패턴으로 변화하는 경우가 많다. 여기서, 「복수의 버너(2) 중 사용하는 버너(2)의 패턴」이란, 전술한 바와 같이, 복수의 미분탄기(13)의 가동 상태에 따라 사용 상태로 되는 버너(2)의 단이 바뀌기 때문에, 복수의 버너(2)에는 사용 패턴이 있음을 나타내고 있다.
정 또는 부의 바이어스값은, 전술한 연산부(6)(제1 내지 제4 연산부(61 내지 64))에 있어서 설정된다. 계측 영역(50)의 전체에 있어서의 O2 농도를 평균한 값과 각 분할 영역(51 내지 54)에 있어서의 O2 농도의 평균값 사이의 편차는, 연산부(6)에서 설정된 정 또는 부의 바이어스값이 더하여진 뒤에 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량 수정량으로 환산된 후, 가산기 A(제1 내지 제4 가산기 A1 내지 A4)에 입력된다.
구체적으로는, 연소 가스의 혼합이 진행하기 쉬운 영역에 대해서는 정의 바이어스값을 가함으로써, 당해 영역에 대응한 계측 영역에서 계측되는 O2 농도의 평균값을 높게 하고, 연소 가스의 혼합이 진행되기 어려운 영역에 대해서는 부의 바이어스값을 가함으로써, 당해 영역에 대응한 계측 영역에서 계측되는 O2 농도의 평균값을 낮게 한다.
왜냐하면, 연소 가스의 혼합 및 연소가 진행되면 O2 농도가 점차 저하되어 가고, 이 상태 그대로로는 공기 부족이라고 오판단될 우려가 있기 때문이다. 따라서, 연소 가스의 혼합 및 연소가 진행되기 쉬운 영역에 대해서는, 정의 바이어스값을 가함으로써, 공기는 충분하다고 정확하게 판단시킬 필요가 있다. 연소 가스의 혼합 및 연소가 진행되기 어려운 경우에는 그 반대이다.
또한, 본 실시 형태에서는, 산출된 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량 수정량이 과잉으로 큰 경우에 제한을 가하는 제한기(7)(제1 내지 제4 제한기(71 내지 74))가 마련되어 있다. 이에 의해, O2 농도에 기초하는 제어에 이상이 발생한 경우에도, 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 소정의 적정한 범위에서 제어 가능하게 하고, 보일러(10)에 이상을 초래하는 일 없이 안전하게 운용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 여러가지 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상기한 실시 형태는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위하여 상세하게 설명한 것이고, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다.
상기 실시 형태에서는, 보일러(10)는 대향 연소형의 보일러였지만, 소정의 위치에서 공급되는 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량 변화와 화로 출구부(110)의 O2 농도의 값 변화의 상관 관계를 알고 있는 경우에는, 선회 연소형의 보일러여도 된다.
상기 실시 형태에서는, 복수의 공기 공급 포트(3)는 4그룹으로 나뉘어져 있고, 계측 영역(50)은 공기 공급 포트(3)의 각 그룹에 대응지어져서 미리 네 분할 영역(51 내지 54)으로 분할되어 있었지만, 반드시 넷일 필요는 없고, 적어도 복수의 공기 공급 포트(3)가 2 이상의 그룹으로 나뉘어져 있고, 계측 영역(50)은, 나뉜 각각의 그룹에 대응지어진 복수의 분할 영역으로 미리 분할되어 있으면 된다.
상기의 실시 형태에서는, 제1 분할 영역(51), 제2 분할 영역(52), 제3 분할 영역(53) 및 제4 분할 영역(54)의 각각에 있어서의 O2 농도의 평균값(실제의 계측값의 평균값)을 사용하여 편차를 산출하고 있었지만, 반드시 평균값일 필요는 없다.
2: 버너
3: 공기 공급 포트
5: 계측부
5a: 레이저 광원
5b: 수신부
11: 화로
12: 연소 장치
13: 미분탄기
31 내지 34: 제1 내지 제4 그룹
42: 2차 공기용 댐퍼
50: 계측 영역
51 내지 54: 제1 내지 제4 분할 영역
90: 제어 장치
110: 화로 출구부
111, 112: 전방벽, 후방벽(벽)
131, 132, 133: 제1 내지 제3 미분탄기
L1, L2: 레이저 광선

Claims (10)

  1. 연직 방향을 따라서 설치되는 화로의 벽에 마련되고, 상기 화로의 내부에 연료, 1차 공기, 및 버너용 2차 공기를 공급하는 복수의 버너와, 상기 화로의 벽에 있어서 상기 복수의 버너보다도 연직 방향의 상측에 마련되고, 상기 화로의 내부에 공기 공급 포트용 2차 공기를 공급하는 복수의 공기 공급 포트와, 상기 공기 공급 포트용 2차 공기의 유량을 조정하는 복수의 2차 공기용 댐퍼를 구비한 연소 장치에 있어서,
    상기 화로에 있어서 상기 복수의 공기 공급 포트보다도 연직 방향의 상측에 위치하는 화로 출구부의 수평 단면 상의 계측 영역에서, 가스 농도를 계측하는 계측부와,
    상기 복수의 2차 공기용 댐퍼의 각각의 개방도를 조정하기 위한 유량 제어 명령값을 출력하는 회로를 갖는 제어 장치
    를 구비하고,
    상기 복수의 공기 공급 포트는, 2 이상의 그룹으로 나뉘어져 있고,
    상기 계측 영역은, 나뉜 각각의 그룹에 대응지어진 복수의 분할 영역으로 미리 분할되어 있고,
    상기 제어 장치는, 상기 계측 영역의 전체에 있어서의 가스 농도를 평균한 값과 상기 계측 영역의 각각의 상기 분할 영역에 있어서의 가스 농도의 값 사이의 편차를 연산하고, 연산된 상기 편차에 대하여 상기 연소 장치의 부하 및 상기 복수의 버너 중 사용하는 버너의 패턴에 기초하여 연산된 정 또는 부의 바이어스값을 부가한 값에 기초하여, 각각의 상기 분할 영역에 대응지어진 그룹에 속하는 상기 공기 공급 포트에 공급하는 상기 공기 공급 포트용 2차 공기의 상기 유량 제어 명령값을 상기 복수의 2차 공기용 댐퍼의 각각에 출력하는
    것을 특징으로 하는 연소 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 공기 공급 포트는, 4그룹으로 나뉘어져 있고,
    상기 계측 영역은, 나뉜 각각의 그룹에 대응지어진 네 상기 분할 영역으로 미리 분할되어 있는
    것을 특징으로 하는 연소 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 계측부에 있어서 계측되는 가스의 종류는, 산소인
    것을 특징으로 하는 연소 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 계측 영역의 전체에 있어서의 가스 농도를 평균한 값과 각각의 상기 분할 영역에 있어서의 가스 농도의 값 사이의 편차가 제로에 접근하도록, 상기 공기 공급 포트용 2차 공기의 상기 유량 제어 명령값을 상기 복수의 2차 공기용 댐퍼의 각각에 출력하는
    것을 특징으로 하는 연소 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 계측부에서는, 소정의 시간 내에 있어서 상기 계측 영역을 복수회 계측한 가스 농도를 평균한 값을 계측값으로 하는
    것을 특징으로 하는 연소 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 계측부는, 상기 계측 영역 상에서 교차하는 복수의 레이저 광선을 수발신하는 레이저 광원 및 수신부를 갖고 있고, 상기 복수의 레이저 광선의 투과도에 의해 가스 농도를 계측하고, 토모그래피 기술을 사용하여 상기 복수의 레이저 광선의 교점 또는 상기 분할 영역에 있어서의 가스 농도를 출력하는
    것을 특징으로 하는 연소 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 기재된 연소 장치를 구비한
    것을 특징으로 하는 보일러.
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