WO2014178408A1

WO2014178408A1 - ボイラ

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Publication number: WO2014178408A1
Application number: PCT/JP2014/062011
Authority: WO
Inventors: 航伊東; 浩二三浦
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2013-05-01
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2015-11-01
Also published as: JP2014219121A

Abstract

　安定した燃焼状態を維持しつつ、燃焼率の変化に応じて好適な量の燃焼用空気を供給できるボイラを提供すること。燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラ（１）であって、燃料を燃焼させるバーナ（１５）と、ファンを有し、ファンを回転させてバーナ（１５）に燃焼用空気を供給する送風機（２０）と、バーナ（１５）と送風機（２０）との間に配置され、所定の範囲の開度で開閉可能なダンパ（４０）と、燃焼率の変化に応じてダンパ（４０）の開度及びファンの回転速度を制御する制御部（７１）と、を備え、制御部（７１）は、第１範囲の燃焼率においては、ダンパ（４０）の開度により燃焼用空気の供給量を制御し、第１範囲よりも大きい第２範囲の燃焼率においては、ダンパ（４０）の開度を固定して、ファンの回転速度により燃焼用空気の供給量を制御する。

Description

ボイラ

　本発明は、ボイラに関する。より詳細には、燃焼状態の変化に応じて好適な量の燃焼用空気を供給できるボイラに関する。本願は、２０１３年５月１日に日本に出願された特願２０１３－０９６６６７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、燃料を燃焼させるバーナと、このバーナに燃料を供給する燃料供給装置と、バーナに燃焼用空気を供給する送風機と、を備え、複数の燃焼状態（燃焼率）で燃焼されるボイラにおいては、燃焼率に応じて燃焼に必要とされる空気の量が異なる。そこで、送風機を、ファンと、このファンを回転させるモータと、このモータの駆動（回転速度）を可変させるインバータと、を含んで構成し、燃焼率に応じてモータ（ファン）の回転速度を増減させることで適切な量の空気をバーナに供給する技術が用いられている。

　このように、ファンの回転速度の増減により空気の供給量を調整する場合、燃焼率が低い状態では、ファンの回転速度を減少させることで空気の供給量を少なくしている。しかしながら、ファンの回転速度を減少させて空気の供給量を少なくした場合、バーナに供給される空気の供給圧が弱くなり、燃焼状態が安定しにくい場合があった。

　そこで、送風機の下流側にダンパを配置し、このダンパの開閉によっても空気の供給量を調整する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１で提案された技術によれば、燃焼率の低い低燃焼位置においては、ファンの回転速度は所定の供給圧を保つように制御しながら、ダンパを開度の小さい閉状態にすることでバーナに供給される空気の供給圧を保ちつつ、適切な量の空気をバーナに供給する。また、燃焼率の高い高燃焼位置では、ダンパを開度の大きい開状態にすると共にファンの回転速度も増加させて適切な量の空気をバーナに供給する。

特開２００６－１３８５６１号公報

　特許文献１では、低燃焼位置及び高燃焼位置を含む多段階の燃焼位置で燃焼される段階値制御のボイラにおける燃焼用空気の供給量の制御技術が提案されている。
　一方、近年、燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラが提案されている。そして、比例制御ボイラでは、バーナに供給される燃焼用空気の量についても、安定した燃焼状態を維持しつつ、燃焼率の変化に応じて連続的に変更していくことが求められる。

　従って、本発明は、安定した燃焼状態を維持しつつ、燃焼率の変化に応じて好適な量の燃焼用空気を供給できるボイラを提供することを目的とする。

　本発明は、燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラであって、燃料を燃焼させるバーナと、ファンを有し、該ファンを回転させて前記バーナに燃焼用空気を供給する送風機と、前記バーナと前記送風機との間に配置され、所定の範囲の開度で開閉可能なダンパと、前記燃焼率の変化に応じて前記ダンパの開度及び前記ファンの回転速度を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、第１範囲の燃焼率においては、前記ダンパの開度により前記燃焼用空気の供給量を制御し、前記第１範囲よりも大きい第２範囲の燃焼率においては、前記ダンパの開度を固定して、前記ファンの回転速度により前記燃焼用空気の供給量を制御するボイラに関する。

　また、前記制御部は、前記第１範囲の燃焼率においては、前記ファンの回転速度を固定することが好ましい。

　本発明のボイラによれば、安定した燃焼状態を維持しつつ、燃焼率の変化に応じて好適な量の燃焼用空気を供給できる。

本発明のボイラの一実施形態を模式的に示す図である。ファンの回転速度を一定にした場合におけるダンパの開度と給気ダクトを流通する燃焼用空気の流量との関係を示す図である。燃焼率を２０％～４０％まで変化させる場合における燃焼率とダンパの開度との関係を示す図である。燃焼率と、ダンパの開度及びインバータの周波数と、燃焼用空気の流量との関係を示す図である。

　以下、本発明のボイラ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１は、水を加熱して蒸気を生成する蒸気ボイラである。このボイラ１は、図１に示すように、缶体１０と、缶体１０に燃焼用空気を送り込む送風機２０と、缶体１０と送風機２０とを接続し燃焼用空気が流通する給気ダクト３０と、給気ダクト３０に配置されるダンパ４０と、給気ダクト３０に燃料ガスを供給する燃料供給装置５０と、缶体１０から排出される燃焼ガスが流通する排気筒６０と、缶体１０に水を供給する給水路（図示せず）と、ボイラ１の燃焼状態を制御する制御装置７０と、を備える。

　缶体１０は、図１に示すように、ボイラ筐体１１と、複数の水管１２と、下部ヘッダ１３と、上部ヘッダ１４と、バーナ１５と、を備える。
　ボイラ筐体１１は、缶体１０の外形を構成し、平面視矩形形状の直方体状に形成される。このボイラ筐体１１の長手方向の一端側に位置する第１側面１１ａには、給気口１６が形成され、ボイラ筐体１１の長手方向の他端側に位置する第２側面１１ｂには、排気口１７が形成される。

　複数の水管１２は、ボイラ筐体１１の内部に上下方向に延びて配置されると共に、ボイラ筐体１１の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される。
　下部ヘッダ１３は、ボイラ筐体１１の下部に配置される。下部ヘッダ１３には、複数の水管１２の下端部が接続される。

　上部ヘッダ１４は、ボイラ筐体１１の上部に配置される。上部ヘッダ１４には、複数の水管１２の上端部が接続される。
　バーナ１５は、給気口１６に配置される。

　送風機２０は、ファン及びこのファンを回転させるモータを有する送風機本体２１と、ファン（モータ）の回転数を増減させるインバータ２２と、を備える。送風機２０は、インバータ２２に入力される周波数に応じて、ファンが所定の回転数で回転することで、缶体１０に燃焼用空気を送り込む。

　給気ダクト３０は、上流側の端部が送風機２０に接続され、下流側の端部が給気口１８に接続される。給気ダクト３０は、送風機２０から送り込まれた燃焼用空気を缶体１０に供給する。
　ダンパ４０は、給気ダクト３０の内部の燃焼用空気の流路を塞いだ閉状態と、この閉状態から９０度回転し、給気ダクト３０の内部の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配置される。

　燃料供給装置５０は、ガス供給ライン５１と、このガス供給ラインに設けられる調整弁５２及びノズル５３と、を備える。
　ガス供給ライン５１は、給気ダクト３０におけるダンパ４０が配置された位置よりも下流側に接続され、給気ダクト３０に燃料ガスを供給する。
　調整弁５２は、給気ダクト３０に供給される燃料ガスの流通量を調整する。
　ノズル５３は、ガス供給ライン５１の先端部に配置され、給気ダクト３０に燃料ガスを噴出する。

　排気筒６０は、排気口１７に接続される。排気筒６０は、缶体１０の内部で燃料ガスが燃焼して生じた燃焼ガスを排出する。
　制御装置７０は、缶体１０への燃焼用空気の供給量及び燃焼ガスの供給量を制御することで、ボイラ１の燃焼状態（燃焼率）を制御し、ボイラ１による蒸気の生成量を調整する。

　以上のボイラ１によれば、送風機２０により給気ダクト３０に送り込まれた燃焼用空気は、ガス供給ライン５１から供給された燃料ガスと混合され、燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスがバーナ１５から缶体１０の内部に噴出され、燃焼される。そして、バーナ１５による混合ガスの燃焼に伴って発生する熱により、下部ヘッダ１３から複数の水管１２の内部に供給された水が加熱され、蒸気が生成される。複数の水管１２の内部において生成された蒸気は、上部ヘッダ１４に集合された後、蒸気導出管（図示せず）を介して外部に導出される。また、混合ガスの燃焼により生じた燃焼ガスは、排気筒６０から外部に排出される。

　次に、制御装置７０によるボイラ１の燃焼状態の制御の詳細について説明する。
　本実施形態では、ボイラ１は、燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラにより構成される。比例制御ボイラとは、少なくとも、最小燃焼状態（例えば、最大燃焼量の２０％の燃焼率における燃焼状態）から最大燃焼状態の範囲で、燃焼率が連続的に制御可能とされているボイラである。

　本実施形態では、ボイラ１の燃焼停止状態と最小燃焼状態との間の燃焼率の変更は、ボイラ１（バーナ）の燃焼をオン／オフすることで制御される。そして、最小燃焼状態から最大燃焼状態の範囲においては、燃焼率が連続的に制御可能となっている。
　尚、以下においては、燃焼率を２０％～１００％の範囲で連続的に変更可能なボイラ１における燃焼状態の制御について説明する。

　制御装置７０は、ボイラ１が蒸気を供給する負荷機器による蒸気の消費量に応じて、ボイラ１の燃焼率を変更し、蒸気の生成量を調整する。この制御装置７０は、制御部７１と、記憶部７２と、を備える。

　制御部７１は、インバータ２２に入力する周波数を増減させることで、送風機２０のファンの回転速度を増減させ、給気ダクト３０に送り込む燃焼用空気の量を制御する。また、制御部７１は、ダンパ４０の開度を制御することで、給気ダクト３０の内部をバーナ１５に向かって流れる燃焼用空気の量を制御する。更に、制御部７１は、調整弁５２の開度を制御することで、バーナ１５への燃料ガスの供給量を制御する。

　記憶部７２は、制御部７１の制御によりボイラ１に対して行われた指示の内容や、ボイラ１の燃焼状態等の情報、ボイラ１の燃焼状態（燃焼率）に応じたダンパ４０の開度、インバータに入力する周波数及び調整弁５２の開度に関する設定の情報等を記憶する。

　ここで、比例制御ボイラにおいては、最小燃焼状態から最大燃焼状態までの範囲において、安定的な燃焼状態を保ちつつ燃焼率を連続的に変更させるために、燃焼用空気の供給量及び燃料ガスの供給量についても連続的に変更させる必要がある。
　燃料ガスの供給に関しては、制御部７１により調整弁５２の開度を調整することで、連続的な供給量の変更が可能となっている。

　一方、燃焼用空気の供給に関しては、インバータ２２に入力する周波数を増減させることで、送風機２０のファンの回転速度を増減させ、給気ダクト３０に送り込む燃焼用空気の量を連続的に変更できる。しかしながら、この場合、燃焼率の低い状態では、ファンの回転速度を減少させて燃焼用空気の供給量を少なくすると、バーナ１５に供給される燃焼用空気の供給圧が弱くなり、燃焼状態が安定しにくい。

　また、図２に示すように、ファンの回転速度を一定の速度に固定してダンパ４０の開度により燃焼用空気の流量を調整した場合、ダンパ４０の開度が小さい範囲、即ち、ダンパ４０が閉状態に近い範囲（例えば、開度が４０度以下）では、ダンパ４０の開度の変化に対する燃焼用空気の流通量の変化は大きくなる。

　一方、ダンパ４０の開度が大きい範囲、即ち、ダンパ４０が開状態に近い範囲（例えば、開度が４０度以上）では、ダンパ４０の開度の変化に対する燃焼用空気の流通量の変化は小さくなる。
　つまり、ダンパ４０の開度が小さい状態では、少しの開度の変化で大きな燃焼用空気の流通量の変化があるのに対し、ダンパ４０の開度が大きい状態では、開度の変化を大きくしないと燃焼用空気の流通量を大きく変化させられない。
　そのため、図２に示す場合において、燃焼率を２０％～４０％まで変化させる場合における燃焼率とダンパ４０の開度との関係は、例えば、図３に示すようになる。即ち、燃焼率を３５％～４０％まで変化させる場合には、燃焼率を２０％～３５％まで変化させる場合に比して、ダンパ４０の開度を大きく変化させる必要がある。

　そこで、本実施形態では、制御部７１は、燃焼率の低い第１範囲においては、ファンの回転速度を固定し、ダンパ４０の開度を調整することで、燃焼用空気の供給量を制御する。そして、制御部７１は、燃焼率の高い第２範囲においては、ダンパ４０の開度を固定（例えば、全開）し、ファンの回転速度を調整することで、燃焼用空気の供給量を制御する。

　ここで、第１範囲は、ダンパ４０の開度により燃焼用空気の供給量を制御する場合に、少しの開度の変化で大きな燃焼用空気の流通量の変化を得られる範囲（例えば４０度以下）、より具体的には、燃焼率の変化量（燃焼用空気の変化量）と必要とされるダンパ４０の開度の変化量とが概ね比例する範囲、に対応する燃焼率の範囲（例えば、２０％～３５％）に設定される。

　具体的には、記憶部７２は、図２に示すように、第１範囲（２０％～３５％）において、ファンの回転速度（インバータの周波数）を所定値に固定した場合におけるダンパ４０の開度と燃焼用空気の流量との関係を記憶している。そして、制御部７１は、第１範囲においては、ファンの回転速度を所定値に固定した状態で、各燃焼率において必要とされる燃焼用空気の流量に対応した開度（例えば、２０度～４０度）でダンパ４０を開閉させる。
　また、記憶部７２は、第２範囲（３５％～１００％）において、ダンパ４０の開度を所定値（例えば、全開）に固定した状態におけるインバータに入力する周波数と燃焼用空気量の流量との関係を記憶している。そして、制御部７１は、第２範囲においては、ダンパ４０の開度を所定値に固定した状態で、各燃焼率において必要とされる燃焼用空気の流量に対応した回転速度でファンを回転させる。

　これにより、燃焼率の低い第１範囲においては、ダンパ４０の開度を調整することで、バーナ１５に供給される燃焼用空気の供給圧を維持しつつ、燃焼用空気の供給量を連続的に制御できる。また、燃焼率の高い第２範囲においては、インバータに入力する周波数を調整することで、燃焼用空気の供給量を連続的に制御できる。よって、燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラにおいて、安定した燃焼状態を維持しつつ、燃焼率の変化に応じて好適な量の燃焼用空気を供給できる。

　また、ダンパ４０の開度により燃焼用空気の供給量を制御する場合に、少しの開度の変化で大きな燃焼用空気の流通量の変化を得られる範囲に対応する燃焼率の範囲を第１範囲として設定した。これにより、ダンパ４０の開度調整による燃焼用空気の供給量の制御性のよい範囲にて、ダンパ４０による燃焼用空気の供給量の調整を行えるので、燃焼率の変化に対する燃焼用空気の供給量制御の応答性を向上させられる。

　以上、本発明のボイラの好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した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、本実施形態では、第１範囲の燃焼率においては、ファンの回転速度を固定した状態でダンパ４０の開度により燃焼用空気の供給量を制御したが、これに限らない。即ち、第１範囲において、風量の微調整を目的としてファンの回転速度（インバータへの入力周波数）を変化させてもよい。

　また、第２範囲の燃焼率におけるダンパ４０の開度は、全開に限らない。即ち、第２範囲において、ダンパ４０の開度を６０度～９０度程度のいずれかの開度に固定してもよい。

　本発明は、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上記の実施形態若しくは実施例は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。更に、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

　１　ボイラ
　１５　バーナ
　２０　送風機
　４０　ダンパ
　７１　制御部

Claims

　燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラであって、
　燃料を燃焼させるバーナと、
　ファンを有し、該ファンを回転させて前記バーナに燃焼用空気を供給する送風機と、
　前記バーナと前記送風機との間に配置され、所定の範囲の開度で開閉可能なダンパと、
　前記燃焼率の変化に応じて前記ダンパの開度及び前記ファンの回転速度を制御する制御部と、を備え、
　前記制御部は、
　　第１範囲の燃焼率においては、前記ダンパの開度により前記燃焼用空気の供給量を制御し、
　　前記第１範囲よりも大きい第２範囲の燃焼率においては、前記ダンパの開度を固定して、前記ファンの回転速度により前記燃焼用空気の供給量を制御するボイラ。
　前記制御部は、前記第１範囲の燃焼率においては、前記ファンの回転速度を固定する請求項１に記載のボイラ。