JP2000088241A - ボイラーへの送風量の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｏ₂ センサーが不要で、維持が簡単でかつ応
答時間が極めて早いボイラーへの送風量の制御方法を提
供する。 【解決手段】 ボイラーに供給される燃料の流量を検知
し、検知された燃料流量に対してボイラー排ガス中の酸
素濃度が最適となるように、ボイラーへの送風機の回転
数を設定するボイラーへの送風量の制御方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボイラ−への送風
量の制御方法及び制御装置に関し、さらに詳しくは、酸
素（以下Ｏ₂ と記すこともある）センサーが不要で、維
持が簡単でかつ応答時間が極めて早いボイラ−への送風
量の制御方法及び制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の地球環境問題の高まりから、ボイ
ラーの運転においても省エネルギーの運転方法が望まれ
ている。一般に、ボイラーに限らず各種の装置における
燃焼状態においては、適正な空気量が必要である。すな
わち、空気量が不足すると不完全燃焼となり、有害な未
燃焼ガスが排ガスとして大気中に排出されるばかりでな
く、爆発等の発生する可能性がある危険な燃焼状態とな
る。逆に、空気量が過剰であると、排ガス量が増加す
る。一般に、排ガスが持ち去る熱量は空気量に比例して
増加することが知られており、空気量が過剰であるとい
たずらに燃料を消費するばかりであり、効率的な燃焼状
態とは言えない。したがって、ボイラーの運転において
は、省エネルギーの運転方法として、空気量不足により
不完全燃焼とならない燃焼状態を保ちながら空気量をで
きるだけ減らす、すなわち排ガス中の酸素濃度をできる
だけ減らす運転方法が従来から提案されている。

【０００３】ところで、一般にボイラーは、燃料量と空
気量を調節することにより出力（蒸気量）をコントロ−
ルしている。すなわち、燃料量は、自動調節弁の開度調
節により、また空気量はエアーダンパ−の開度調節によ
り通常行われている。しかしながら、従来のエアーダン
パ−の開度調節では、エアダンパーは構造が単純である
ため微妙な空気量の調節が構造的に不可能であることと
爆発等の危険性を予防するため開度が若干開き気味の状
態で運転されることが多いため、排ガス中の酸素濃度が
高いまま運転されており、省エネルギーの運転をするこ
とが充分にできないという問題点があった。

【０００４】この問題を解決する方法として、排ガス中
の酸素濃度を検出して風量を調節する方法（Ｏ₂ フィー
ドバックによる回転数制御方式）が提案され、実際にパ
ッケージボイラーと呼ばれているボイラーにおいてはこ
の方法により運転が行われている。この運転方法につい
て、代表的な例を図１を用いて説明する。すなわち、こ
の方法は、排ガス酸素濃度検出器（６）により検出した
酸素濃度をフィードバックし、調節器（８）にて回転数
指令に変換したのち、その出力が送風機（７）の回転数
制御装置（９）に与えられ、送風機（７）の回転数を調
節する。

【０００５】一方、ボイラーの蒸気圧力（ドラム圧力）
はマスターコントローラ（１２）にフィードバックさ
れ、マスターコントローラ（１２）からの出力は機械的
にリンク機構（１１）を介して、一方はＡＣ弁（自動調
節弁または燃料流量調節弁ともいう）（１）にて燃料量
を制御し、他方はエアダンパー（１０）にて空気量を制
御する。この場合、通常、エアダンパー（１０）は、補
助的な使用（やや開き気味になっている）か、全開状態
で使用されている。

【０００６】しかしながら、この方法では、燃料量と空
気量が別々のシステムで構成されており、また、排ガス
酸素濃度検出器（６）が必要となるためシステムが複雑
で高価になるという問題点以外に、排ガス酸素濃度検出
器のセンサーの故障や排ガスによる汚れや詰まりでトラ
ブルが発生しやすく、また、制御性の遅れ（実際値を検
出してから制御に移るまで、即ち制御された燃焼ガスが
出口に到達してから管を通過し、センサーに届くまで３
０秒から１分間程度の時間を要する）が大きい等の問題
点があり、ボイラーの燃焼が安定に運転できずかつ充分
に省エネルギーの運転をすることができていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記観点か
らなされたもので、Ｏ₂ センサーが不要で、維持が簡単
でかつ応答時間が極めて早く、送風機の消費電力が低減
できるボイラ−への送風量の制御方法及び制御装置を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記目的
を達成するために鋭意研究を重ねた結果、予めボイラー
のテストランを行い、排ガス中の酸素量が最適となるよ
うにフィードする燃料量と燃焼用空気量との関係を測定
した上で、それらの関係に基づきボイラ−への送風量を
調節することにより、低負荷運転時から高負荷運転時の
広い範囲において常に最適な酸素濃度にする運転が可能
であるということを見出し、本発明を完成したものであ
る。

【０００９】すなわち、本発明は以下に示すボイラ−へ
の送風量の制御方法及び制御装置を提供するものであ
る。 １．ボイラーへの送風量の制御方法であって、ボイラー
に供給される燃料の流量を検知し、検知された燃料流量
に対してボイラー排ガス中の酸素濃度が最適となるよう
に、ボイラーへの送風機の回転数を設定することを特徴
とするボイラーへの送風量の制御方法。 ２．ボイラーへの送風量の制御方法であって、ボイラー
に供給される燃料の流量及びボイラーへの送風路におけ
るダンパーの開度を検知し、検知された燃料流量及びダ
ンパーの開度に対してボイラー排ガス中の酸素濃度が最
適となるように、ボイラーへの送風機の回転数を設定す
ることを特徴とするボイラーへの送風量の制御方法。 ３．ボイラ−排ガス中の酸素量が最適となるように、予
めボイラ−に供給される燃料の流量とボイラ−への送風
量の関係を測定し、それらの関係に基づきボイラ−への
送風機の回転数を設定することを特徴とする上記１また
は２に記載のボイラーへの送風量の制御方法。 ４．ボイラーへの送風量の制御装置であって、ボイラー
に供給される燃料の流量の検知手段、当該検知手段によ
って得られた燃料流量を入力値としてボイラー排ガス中
の酸素濃度が最適となるようにボイラーへの送風機の回
転数を求める演算手段、及び演算結果を送風機の回転数
制御器へ伝達する手段を備えることを特徴とする制御装
置。 ５．ボイラーへの送風量の制御装置であって、ボイラー
に供給される燃料の流量の検知手段、ボイラーへの送風
路におけるダンパーの開度の検知手段、当該検知手段に
よって得られた燃料流量とダンパー開度を入力値として
ボイラー排ガス中の酸素濃度が最適となるようにボイラ
ーへの送風機の回転数を求める演算手段、及び演算結果
を送風機の回転数制御器へ伝達する手段を備えることを
特徴とする制御装置。 ６．ボイラーへの送風機の回転数を求める演算手段にお
いて、予め測定されたボイラ−に供給される燃料の流量
とボイラ−への送風量の関係に基づき、ボイラ−排ガス
中の酸素量が最適となるようにボイラ−への送風機の回
転数を設定することを特徴とする上記４または５記載の
制御装置。 ７．燃料流量の検知手段とダンパー開度の検知手段が、
燃料流量調整弁とダンパー開度調整器とに連結した回転
軸に対して設けられている上記４〜６記載の制御装置。 ８．燃料流量の検知手段とダンパー開度の検知手段が、
燃料流量調整弁とダンパー開度調整器とに連結した回転
軸の回転角度を検知する角度センサーである上記４〜７
記載の制御装置。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の１実施例を示す図２に基
づいて、以下に本発明を説明する。 １．本発明のボイラ−への送風量の制御方法 本発明のボイラ−への送風量の制御方法は、ボイラーに
供給される燃料の流量を検知し、検知された燃料流量に
対してボイラー排ガス中の酸素濃度が最適となるよう
に、ボイラーへの送風機の回転数を設定することを特徴
とする。 （１）燃料 本発明において、ボイラーに供給される燃料としては、
特に制限はなく、重油や灯油や液化天然ガス（ＬＮＧ）
や液化石油ガス（ＬＰＧ）等を用いることができる。 （２）ボイラーに供給される燃料の流量を検知する手段 本発明におけるボイラーに供給される燃料の流量を検知
する手段としては、燃料量に相当する信号を検出し、電
気信号に変える機能を有するものであれば、特に制限は
ない。この検知手段は単独で構成されていても、他の機
器と複合化されて構成されていてもよい。例えば、燃料
の流量を調節する自動調節弁（１）の開度調節器を利用
してもよい。好ましくは、燃料流量調節弁（１）に連結
した回転軸の回転角度を検知する角度センサーを用いた
場合である。

【００１１】なお、本発明の実施例においては、燃料流
量調節弁（１）とエアダンパー（１０）開度調整器とに
連結した回転軸（リンク機構（１１）ともいう）の回転
角度を検知する角度センサーからなる負荷発信器（１
３）を用いて、ボイラーに供給される燃料の流量を検知
した。なお、負荷発信器（１３）とは、ボイラー負荷、
すなわち燃料量に比例した信号を検知し、発信する機能
を有するものである。

【００１２】また、燃料の流量を検知する機器の設置位
置としては、本発明の１実施例を示す図２を例に説明す
れば、マスターコントローラ（１２）の出力軸からエア
ダンパー（１０）にいたるリンク機構の範囲（１１）に
あればよい。この範囲であれば、下記のいずれの場所で
もよい。 （ア）マスターコントローラ（１２）の出力軸やリンク
機構の回転部分 （イ）エアダンパー（１０）部分の開閉動作部分 （ウ）リンク機構に連結する棒の上下運動部分 （エ）リンク機構のアーム 好ましくは、図２に示したように、マスターコントロー
ラ（１２）の出力軸やリンク機構の回転部分のリンク機
構部分に角度センサーを設置する場合である。この場
合、マスターコントローラ（１２）の出力軸はリンク機
構を駆動させるため、ボイラー負荷に応じて回転角度が
変わる様な仕組みになっていることが好ましい。この範
囲ではない位置に設置した場合、検出困難となることが
ある。

【００１３】前記の角度センサとしては、ポジションセ
ンサー等を用いることができる。また、前記の角度セン
サとしては、単に角度の変化に応じて出力が変るだけの
もので、調節機能や修正機能を有する必要はない。この
ため、システムとしてシンプルであり、経済的である。
また、メンテナンスが容易である。 （３）排ガス中の酸素濃度が最適となる状態 一般に、理想的な燃焼は排ガス中の酸素濃度がゼロ％の
場合である。ボイラーの場合、排ガス中の酸素濃度は限
りなくゼロ％に近い方が排ガスにより持ち去られる熱量
が少なくなるので効率が良いが、低すぎると不完全燃焼
により未燃焼成分が生じ、発煙や煤塵が発生するため若
干の過剰空気が必要である。従って、最適な排ガス中の
酸素濃度とは、ボイラーに固有な値であって、発煙や煤
塵が発生しない燃焼状態において排ガス中の酸素濃度を
最も低く運転できる時の酸素濃度をいう。 （４）ボイラーへの送風機（７）の回転数を設定する方
法 ボイラーへの送風機（７）の回転数を設定する方法とし
ては、本発明の目的を達成できる方法であれば特に制限
はない。好ましくは、ボイラ−排ガス中の酸素量が最適
となるように、予めボイラ−に供給される燃料の流量と
ボイラ−への送風量の関係を測定し、それらの関係に基
づきボイラ−への送風機（７）の回転数を設定する方法
である。さらに詳しくは、上記の関係が演算機能を有す
る機器に記録されており、該演算機能が記録された上記
の関係に基づき、上記の関係を演算結果として容易に出
力される機器を用いてボイラ−への送風機（７）の回転
数を設定する方法である。このような方法を、具体的に
示せば、以下のような例を挙げることができる。

【００１４】すなわち、ボイラーの低負荷から高負荷運
転状態までを１０ポイント程度に分けて想定し、各ポイ
ントでのボイラーのテストランを行い、上記した排ガス
中の酸素濃度が最適となる送風機（７）の回転数を決め
てゆく。得られたデータは、ボイラーの負荷（＝燃料
量）と回転数の関係として演算機能を有する機器、ここ
では調節器（８）に記憶させる。なお、排ガス中の酸素
濃度の測定は一般に市販されている排ガス用酸素濃度計
を用いる。このように、調節器（８）に記憶されたデー
タに基づき、実際の運転する場合のボイラーへの送風機
（７）の回転数が設定される。すなわち、負荷発信器
（１３）からの燃料の流量に関する信号が、調節器
（８）に送られ、既に記録されている回転数に合致する
よう調節器（８）からボイラーへの送風機（７）の回転
数が設定される。この場合、負荷発信器（１３）から発
する信号は、必ずしも角度や燃料に正確に比例したもの
は必要ではなく、燃料量の変化と関連があるものであれ
ば、特に制限はない。具体的には、連続した一般的なア
ナログ信号の電流信号（４〜２０ｍＡ）や電圧信号（０
〜５Ｖや０〜１０Ｖ）等を用いることができる。好まし
くは、４〜２０ｍＡや０〜５Ｖを用いる場合である。
調節器（８）の制御上（電気的）な取り付け位置は、負
荷発信器（１３）と回転数制御装置（９）の中間に設置
されるものである。調節器（８）の物理的な設置位置は
特に制限は無いが、インバータ盤内に設置するのが最も
経済的で好ましい。しかし、現場の都合により別の制御
盤内に取り付けることでも目的は達成できる。 （５）エアダンパー（１０） エアダンパー（１０）は、本発明においては必ずしも用
いる必要はない。用いる場合は、本発明を実施しない通
常の運転の時の開度に較べ、若干開き気味に設定変更し
て（現状の様にリンク機構（１１）にそのまま接続した
状態で）使用するのが好ましい。 このように設定する
ことにより下記（ア）〜（エ）のメリットがある。但
し、全開状態で使用することも不可能ではない。 （ア）インバータ故障等の場合、送風機（７）を本発明
を実施しない通常の運転に切変えた場合の対応が容易で
ある。 （イ）低負荷の場合、バーナー（３）のノズル付近の風
速（燃料と空気の混合・拡散効果のため）がある程度必
要であり、エアダンパー（１０）で絞ることで容易に達
成できる。 （ウ）リンク機構（１１）から外し、全開状態にした場
合は、停止時に自動的にエアダンパー（１０）を閉とす
る設備が必要となり経済的にマイナスである。 （エ）リンク機構（１１）に接続することで省エネ効果
を損なうことは殆ど無い（若干開き気味にすることで圧
力損失は殆どなくなるため）。 （６）ボイラー（５）への送風量の制御方法 ボイラー（５）の運転開始と共にバーナー（３）に燃料
がおくられるが、これと同時にリンク機構（１１）が動
き、上記負荷発信器（１３）と調節器（８）により、予
め調節器（８）に記憶させた負荷と風量の関係から最適
な回転数（＝風量）が得られるように制御される。調節
器（８）からの信号を送風機（７）の回転数に変えるた
めには、通常の可変速制御装置を用いることができる。
例えば、可変速制御装置としては、可変速制御装置（イ
ンバータ）や流体継手等を挙げることができる。 ２．ボイラー（５）への送風量の制御装置 本発明のボイラー（５）への送風量の制御装置は、前記
のボイラー（５）に供給される燃料の流量の検知手段、
当該検知手段によって得られた燃料流量を入力値として
ボイラー排ガス中の酸素濃度が最適となるようにボイラ
ーへの送風機（７）の回転数を求める演算手段、及び演
算結果を送風機（７）の回転数制御装置（９）へ伝達す
る手段を備えることを特徴とする。

【００１５】なお、本発明は、本発明の目的を達成する
ことができるように既存のボイラーを改造して行うこと
もできる。

【００１６】

【実施例】次に実施例により本発明を具体的に示すが、
本発明は下記の実施例に限定されるものではない。な
お、酸素濃度は下記の方法に従って行った。 （１）酸素濃度（％） 酸素センサーを煙突に設置し、測定した。 〔実施例〕ボイラーとして、水管式２０ｔ／ｈ，送風機
容量＝５５ｋＷの蒸気ボイラーを用い、図２に示される
風量制御システムを適用した例を示す。

【００１７】（１）調節器（８）の設定 上記のボイラーにて、ボイラー負荷を徐々に上げてゆ
き、数点の燃料量について煙突の煙が見えない範囲でか
つ酸素センサーのＯ₂ メーターの指示が最小となるよう
な送風機（７）の出力（回転数）を求めた。得られたデ
ータは折れ線近似（リニアライズ）ができる調節器
（８）に入力（燃料量）と出力（回転数）の関係として
記憶させた。なお、調節器（８）としては、リニアライ
ザーを用いた。 （２）運転 負荷発信器（１３）としてエアダンパー（１０）制御用
のリンク機構（１１）部分に角度センサーを具えたもの
を用い、調節器（８）として上記の調節器（８）を用
い、燃料はＡ重油を用いて運転した。エアダンパー（１
０）は開き気味で行った。なお、回転数制御装置（９）
としては、インバータを用いた。負荷率を変えて排ガス
中の酸素濃度を測定した結果を図３に示す。 〔比較例〕実施例において、本発明の風量制御システム
に代えて、図１に示されるような従来の風量制御システ
ムを用いた場合の結果を図３に示す。

【００１８】本発明の燃焼制御システムを用いたことに
より、明らかにＯ₂ の低減による効果が出ていることが
分かる。

【００１９】

【発明の効果】Ｏ₂ センサーが不要で、維持が簡単でか
つ応答時間が極めて早いボイラーへの送風量の制御方法
及びボイラーへの送風量の制御装置を用いることによ
り、設備コストが安く、且つ安定運転（信頼性の高い）
ができるようになり、送風機の消費電力を低減すること
ができ、省エネルギーに貢献できる。本発明が適用でき
るボイラーには、特に制限はなく、燃料と空気の量が機
械式のリンク機構等により構成されている比例制御式か
らなるボイラーであれば、基本的にはどんなボイラーに
も適用可能である。具体例を挙げれば、パッケージボイ
ラ−としては、水管ボイラーや炉筒管ボイラー等を例示
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のボイラ−への送風量制御システムを示す
図である。

【図２】本発明のボイラ−への送風量制御システムを示
す図である。

【図３】実施例及び比較例におけるボイラーの負荷率と
排ガス中の酸素濃度の関係を示す図である。

【符号の説明】

１：ＡＣ弁 ２：電磁弁 ３：バーナー ４：風箱 ５：ボイラー ６：排ガス酸素濃度検出器 ７：送風機 ８：調節器 ９：回転数制御装置 １０：エアダンパー １１：リンク機構 １２：マスターコントローラー １３：負荷発信器

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ボイラーへの送風量の制御方法であって、
   ボイラーに供給される燃料の流量を検知し、検知された
   燃料流量に対してボイラー排ガス中の酸素濃度が最適と
   なるように、ボイラーへの送風機の回転数を設定するこ
   とを特徴とするボイラーへの送風量の制御方法。
2. 【請求項２】ボイラーへの送風量の制御方法であって、
   ボイラーに供給される燃料の流量及びボイラーへの送風
   路におけるダンパーの開度を検知し、検知された燃料流
   量及びダンパーの開度に対してボイラー排ガス中の酸素
   濃度が最適となるように、ボイラーへの送風機の回転数
   を設定することを特徴とするボイラーへの送風量の制御
   方法。
3. 【請求項３】ボイラ−排ガス中の酸素量が最適となるよ
   うに、予めボイラ−に供給される燃料の流量とボイラ−
   への送風量の関係を測定し、それらの関係に基づきボイ
   ラ−への送風機の回転数を設定することを特徴とする請
   求項１または２に記載のボイラーへの送風量の制御方
   法。
4. 【請求項４】ボイラーへの送風量の制御装置であって、
   ボイラーに供給される燃料の流量の検知手段、当該検知
   手段によって得られた燃料流量を入力値としてボイラー
   排ガス中の酸素濃度が最適となるようにボイラーへの送
   風機の回転数を求める演算手段、及び演算結果を送風機
   の回転数制御器へ伝達する手段を備えることを特徴とす
   る制御装置。
5. 【請求項５】ボイラーへの送風量の制御装置であって、
   ボイラーに供給される燃料の流量の検知手段、ボイラー
   への送風路におけるダンパーの開度の検知手段、当該検
   知手段によって得られた燃料流量とダンパー開度を入力
   値としてボイラー排ガス中の酸素濃度が最適となるよう
   にボイラーへの送風機の回転数を求める演算手段、及び
   演算結果を送風機の回転数制御器へ伝達する手段を備え
   ることを特徴とする制御装置。
6. 【請求項６】ボイラーへの送風機の回転数を求める演算
   手段において、予め測定されたボイラ−に供給される燃
   料の流量とボイラ−への送風量の関係に基づき、ボイラ
   −排ガス中の酸素量が最適となるようにボイラ−への送
   風機の回転数を設定することを特徴とする請求項４また
   は５記載の制御装置。
7. 【請求項７】燃料流量の検知手段とダンパー開度の検知
   手段が、燃料流量調整弁とダンパー開度調整器とに連結
   した回転軸に対して設けられている請求項４〜６記載の
   制御装置。
8. 【請求項８】燃料流量の検知手段とダンパー開度の検知
   手段が、燃料流量調整弁とダンパー開度調整器とに連結
   した回転軸の回転角度を検知する角度センサーである請
   求項４〜７記載のボイラーへの送風量の制御装置。