JP6481452B2 - ボイラ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラ装置に関する。より詳細には、缶体と、この缶体に供給される給水を加熱する給水加熱器と、を備えるボイラ装置に関する。

従来、燃料を燃焼させて発生させた燃焼ガスにより水を加熱し蒸気を生成する缶体と、この缶体に供給される水（給水）を加熱する給水加熱器と、を備えるボイラ装置が提案されている。給水加熱器は、缶体において蒸気の生成に用いられた後排出される燃焼ガスの熱を利用して給水を加熱することで、ボイラ装置の熱の利用効率（ボイラ効率）を向上させる。

ここで、缶体への給水は、缶体の内部の水位に基づいて制御される。即ち、缶体の水位が低くなった場合には給水が行われ、缶体の水位が高くなった場合には給水が停止される。そのため、給水加熱器を備えるボイラ装置において、給水が停止されて給水加熱器に給水が滞留した場合には、給水が過剰に加熱されて沸騰してしまう場合がある。

このような給水加熱器における給水の沸騰を防止するために、缶体の水位に応じて給水流量を連続的に変更し、缶体の水位が高くなった場合にも一定の流量（最低流量）で給水を行う連続給水制御を行うボイラ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２３８５号公報

しかしながら、缶体の水位に応じて給水流量を連続的に変更するためには、ボイラ装置を、給水流量を測定する給水流量計を含んで構成する必要があり、ボイラ装置の製造コストが高くなってしまう。

従って、本発明は、製造コストを高くすることなく、給水加熱器において給水が沸騰してしまうことを抑制できるボイラ装置を提供することを目的とする。

本発明は、燃料を燃焼させて給水から蒸気を生成するボイラ装置であって、缶体と、前記缶体に給水を供給する給水ラインと、前記給水ラインに配置され前記缶体に供給される給水を前記燃料が燃焼されて発生した燃焼ガスにより加熱する給水加熱器と、前記給水ラインに配置され、入力された周波数に応じて駆動する給水ポンプと、前記缶体への給水要求があった場合に第１周波数で前記給水ポンプを駆動させて前記缶体に給水を供給させ、該給水要求がない場合に前記第１周波数よりも小さい第２周波数で前記給水ポンプを駆動させる給水制御部と、前記缶体の内部の水位を測定する水位測定部と、前記水位測定部により測定される水位の変化速度を算出する水位変化量算出部と、前記缶体への給水要求がない場合に、前記水位変化量算出部により算出される水位の変化速度が設定された目標速度となるように、前記第２周波数の値を制御する第２周波数制御部と、を備えるボイラ装置に関する。

また、ボイラ装置は、ボイラ装置の燃焼状態を取得する燃焼状態取得部と、複数の燃焼状態と、該複数の燃焼状態に対応してそれぞれ設定された複数の目標速度と、を関連付けて記憶する記憶部と、を更に備え、前記第２周波数制御部は、前記燃焼状態取得部により取得された燃焼状態に対応した目標速度を前記記憶部から抽出し、前記水位変化量算出部により算出される水位の変化速度が抽出された目標速度となるように前記第２周波数の値を制御することが好ましい。

本発明のボイラ装置によれば、製造コストを高くすることなく、給水加熱器において給水が沸騰してしまうことを効果的に抑制できる。

本発明の一実施形態に係るボイラ装置の全体構成を示す図である。 本発明のボイラ装置における制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 ボイラ装置の給水制御の流れを示すフロー図である。

以下、本発明のボイラ装置１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、蒸気を使用する負荷機器５０に蒸気を供給する。

図１に示すように、本実施形態のボイラ装置１は、ボイラ本体１０と、給水ラインＬ１と、給水加熱器としてのエコノマイザ２０と、燃料供給ラインＬ２と、蒸気供給ラインＬ３と、ボイラ装置１の動作を制御する制御装置１００と、を備える。
尚、本明細書における「ライン」とは、流路、径路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。また、各ラインには、各種バルブ、各種センサ、逆止弁、オリフィス、ストレーナ等の機器が必要に応じて設けられるが、図１では適宜に図示を省略する。

ボイラ本体１０は、燃料を燃焼させて給水を加熱することで蒸気を生成する。ボイラ本体１０は、外形を構成する円筒形状の缶体１１と、バーナ１２と、排気筒１３と、缶内圧力センサ１４と、水位測定部としての水位計１５と、を備える。
缶体１１は、複数の水管、下部ヘッダ、上部ヘッダ、及び燃焼室（いずれも図示せず）を含んで構成される。缶体１１では、後述の給水ラインＬ１から下部ヘッダを介して複数の水管に導入された給水が、燃料供給ラインＬ２から供給された燃料を燃焼させることで発生させた燃焼ガスにより加熱されて蒸気が生成される。

バーナ１２は、缶体１１の上部に配置される。バーナ１２は、燃料供給ラインＬ２から缶体１１に供給された燃料を燃焼させる。
排気筒１３は、缶体１１で発生し蒸気の生成に用いられた後の燃焼ガスを排ガスとして外部に排出する。排気筒１３の基端側は、缶体１１の側面に接続され、先端側は上方に延びる。

缶内圧力センサ１４は、缶体１１の内部の圧力（蒸気圧）を測定する。水位計１５は、缶体１１の内部の水位（複数の水管の水位）を測定する。
缶内圧力センサ１４及び水位計１５は、後述の制御装置１００に電気的に接続されている。缶内圧力センサ１４で測定された缶体１１の内部の圧力及び水位計１５で測定された缶体１１の内部の水位は、検出信号として制御装置１００に送信される。

給水ラインＬ１は、給水Ｗ１を缶体１１に供給する。給水ラインＬ１の上流側の端部は、給水源（不図示）に接続されている。給水ラインＬ１の下流側の端部は、缶体１１の下部（下部ヘッダ）に接続されている。給水ラインＬ１には、給水ポンプ１６が配置される。

給水ポンプ１６は、インペラ（羽根車）の回転によって圧力差を生み出して給水Ｗ１を吸入し、缶体１１に向けて吐出する。給水ポンプ１６は、インペラと、このインペラを回転させる駆動モータと、この駆動モータの回転数を制御するインバータと、を備える。
給水ポンプ１６は、制御装置１００に電気的に接続されている。そして、制御装置１００からの制御信号に基いてインバータが所定の周波数を入力することで、入力された周波数に応じて駆動モータが回転し、給水ポンプ１６による給水の吐出力が制御される。

エコノマイザ２０は、給水ラインＬ１に配置され、缶体１１に供給される給水Ｗ１を缶体１１において発生した燃焼ガスにより加熱する。より具体的には、エコノマイザ２０は、給水ラインＬ１における給水ポンプ１６よりも下流側の一部を、排気筒１３を経由させることで構成される。そして、給水ラインＬ１を流通する給水Ｗ１は、排気筒１３を流通する排ガスとの間で熱交換を行うことで加熱され、缶体１１に供給される。

燃料供給ラインＬ２は、燃料供給源（不図示）から送出された燃料を、バーナ１２に供給する。
蒸気供給ラインＬ３は、缶体１１（複数の水管）で発生した蒸気Ｗ２を負荷機器５０に供給する。

制御装置１００は、ボイラ装置１の動作を制御する。本実施形態では、ボイラ装置１は、複数の段階的な燃焼位置（例えば、燃焼停止位置、低燃焼位置、中燃焼位置及び高燃焼位置の４位置）で燃焼可能な段階値制御ボイラにより構成される。そして、制御装置１００は、ボイラ装置１の燃焼状態（燃焼位置）及び当該燃焼状態に応じた缶体１１への給水等を制御する。

本実施形態では、制御装置１００は、缶体１１からの給水要求の有無に応じて、給水ポンプ１６を駆動させる周波数を制御することにより、エコノマイザ２０において給水が沸騰してしまうことを抑制する。即ち、エコノマイザ２０における給水の沸騰は、給水要求がない場合に給水ラインＬ１において給水Ｗ１の流れが停滞することで発生する。一方、ボイラ装置１が燃焼している状態で給水要求がない場合（給水が停止されている場合）には、所定の速度で缶体１１の内部の水位は低下していく。

そこで、本実施形態では、給水要求がない場合における給水ポンプ１６の駆動周波数（後述の第２周波数）を、缶体１１の内部の水位の変化量に基いて制御することで、給水要求がない場合に、缶体１１の内部の水位が上昇しない程度の流量で給水Ｗ１を缶体１１に供給し、エコノマイザ２０における給水Ｗ１の沸騰を抑制している。

制御装置１００は、図２に示すように、制御部１１０として機能するＣＰＵ及び記憶部１２０として機能するメモリを含むマイクロプロセッサ（不図示）を含んで構成される。

記憶部１２０は、ボイラ装置１を動作させるための各種情報を記憶する。本実施形態では、記憶部１２０には、ボイラ装置１の燃焼位置に応じてそれぞれ設定される缶体１１の目標水位（帯）に関する情報、後述の第１周波数に関する情報、及び後述の第２周波数を決定するために用いられる水位変化の目標速度に関する情報等が記憶される。

制御部１１０は、給水制御部１１１と、水位変化量算出部１１２と、燃焼状態取得部１１３と、第２周波数制御部１１４と、を備える。

給水制御部１１１は、缶体１１に対する給水要求があった場合に第１周波数で給水ポンプ１６を駆動させて缶体１１に給水を供給させ、給水要求がない場合に第１周波数よりも小さい第２周波数で給水ポンプ１６を駆動させる。

ここで、第１周波数は、給水要求があった場合に、給水ラインＬ１を流通する給水Ｗ１の流量が予め設定された第１流量以上の流量となるように給水ポンプ１６を駆動させられる周波数として設定され、記憶部１２０に記憶される。
第２周波数は、後述の水位変化量算出部１１２及び第２周波数制御部１１４により決定される。

水位変化量算出部１１２は、水位計１５により測定される水位の変化速度を算出する。水位変化量算出部１１２による水位の変化速度の算出は、所定の時間間隔で（例えば１秒毎に）行われる。

燃焼状態取得部１１３は、ボイラ装置１の燃焼状態（燃焼位置）を取得する。本実施形態では、燃焼状態取得部１１３は、缶内圧力センサ１４により測定される缶体の内部の圧力に基いて決定されるボイラ装置１の燃焼位置に関する情報を取得する。

第２周波数制御部１１４は、缶体１１への給水要求がない場合に、水位変化量算出部１１２により算出される水位の変化速度が設定された目標速度となるように、第２周波数を制御する。
より具体的には、上述の記憶部１２０には、複数の燃焼位置と、これら複数の燃焼位置に対応してそれぞれ設定された複数の目標速度と、が関連付けて記憶される。この目標速度は、給水要求がない場合に缶体１１への給水が行われなかったときの水位の低下速度よりも緩やかに水位が低下していく速度として設定され、記憶部１２０に記憶される。
そして、第２周波数制御部１１４は、まず、燃焼状態取得部１１３により取得された燃焼位置に対応した目標速度を記憶部１２０から抽出する。次いで、水位変化量算出部１１２により算出される缶体１１の内部の水位の変化速度が目標速度となるように第２周波数の値を制御する。
第２周波数制御部１１４による第２周波数の制御は、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御により行われる。即ち、水位変化量算出部１１２により算出された水位の変化速度が目標速度よりも早い場合には、第２周波数制御部１１４は、第２周波数を大きくして給水ポンプ１６による給水Ｗ１の缶体１１への供給量を増加させる。また、水位変化量算出部１１２により算出された水位の変化速度が目標速度よりも遅い場合には、第２周波数制御部１１４は、第２周波数を小さくして給水ポンプ１６による給水Ｗ１の缶体１１への供給量を減少させる。

次に、本実施形態のボイラ装置１の給水制御の流れにつき、図３を参照しながら説明する。図３は、第１実施形態のボイラ装置１における給水制御の流れを示すフロー図である。

まず、ステップＳＴ１において、燃焼状態取得部１１３は、ボイラ装置１の燃焼状態（燃焼位置）を取得する。そして、処理はステップＳＴ２に移る。

ステップＳＴ２において、制御部１１０は、缶体１１への給水要求があるか否かを判定する。制御部１１０により缶体１１への給水要求があると判定された場合（ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ３に移る。制御部１１０により缶体１１への給水要求がないと判定された場合（ＮＯ）、処理はステップＳＴ４に移る。

ステップＳＴ３において、給水制御部１１１は、給水ポンプ１６を第１周波数で駆動させて缶体１１に第１流量で給水Ｗ１を供給させる。そして、処理はステップＳＴ１に戻る。

ステップＳＴ４において、水位変化量算出部１１２は、水位計１５により測定される水位の変化速度を算出する。そして、処理はステップＳＴ５に移る。

ステップＳＴ５において、制御部１１０は、燃焼状態取得部１１３により取得されたボイラ装置１の燃焼位置に応じて設定された目標速度の値を記憶部１２０から抽出する。そして、処理はステップＳＴ６に移る。

ステップＳＴ６において、第２周波数制御部１１４は、水位変化量算出部１１２により算出される水位の変化速度が抽出された目標速度となるように、第２周波数を算出する。そして処理はステップＳＴ７に移る。

ステップＳＴ７において、給水制御部１１１は、給水ポンプ１６を第２周波数で駆動させて缶体１１に給水Ｗ１を供給させる。そして、処理はステップＳＴ１に戻る。

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。

（１）ボイラ装置１を、エコノマイザ２０と、水位計１５と、入力された周波数に応じて駆動する給水ポンプ１６と、給水要求があった場合に給水ポンプ１６を第１周波数で駆動させ、給水要求がない場合に給水ポンプ１６を第１周波数よりも小さい第２周波数で駆動させる給水制御部１１１と、水位の変化速度を算出する水位変化量算出部１１２と、缶体への給水要求がない場合に、水位変化量算出部１１２により算出される水位の変化速度が設定された目標速度となるように第２周波数の値を制御する第２周波数制御部１１４と、を含んで構成した。これにより、給水要求がない場合に缶体１１の水位の上昇を起こさない程度の流量で缶体１１への給水を行えるので、エコノマイザ２０において給水Ｗ１が滞留して沸騰してしまうことを防げる。よって、給水流量計を設けることなく連続的な給水制御を行わせられるので、製造コストを高くすることなく、エコノマイザ２０において給水Ｗ１が沸騰してしまうことを抑制できる。

（２）ボイラ装置１の燃焼位置が高い場合には、燃焼位置が低い場合に比して缶体１１の内部における給水の蒸発速度は早くなる。そのため、給水要求がない場合に、缶体１１の水位が上昇しない範囲で給水ラインＬ１を流通させられる給水Ｗ１の流量（第２流量）は、燃焼位置が高い場合の方が、燃焼位置が低い場合よりも大きくなる。そこで、ボイラ装置１を、ボイラ装置１の燃焼状態（燃焼位置）を取得する燃焼状態取得部１１３を含んで構成し、記憶部１２０に、複数の燃焼状態（燃焼位置）と、これら複数の燃焼状態に対応してそれぞれ設定された複数の目標速度と、を関連付けて記憶させた。これにより、給水要求がない場合に、ボイラ装置１の燃焼状態に応じてより好適な流量で給水Ｗ１を流通させられるので、エコノマイザ２０における給水Ｗ１の沸騰をより好適に抑制できる。

以上、本発明のボイラ装置の好ましい各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、本実施形態では、ボイラ装置を、段階値制御ボイラにより構成したが、これに限らない。即ち、ボイラ装置を、燃焼量を連続的に変更可能な連続制御ボイラにより構成してもよい。

１ ボイラ装置
１１ 缶体
１５ 水位計（水位測定部）
１６ 給水ポンプ
２０ エコノマイザ（給水加熱器）
１１１ 給水制御部
１１２ 水位変化量算出部
１１３ 燃焼状態取得部
１１４ 第２周波数制御部
１２０ 記憶部
Ｌ１ 給水ライン

Claims (1)

1. 燃料を燃焼させて給水から蒸気を生成するボイラ装置であって、
   缶体と、
   前記缶体に給水を供給する給水ラインと、
   前記給水ラインに配置され前記缶体に供給される給水を前記燃料が燃焼されて発生した燃焼ガスにより加熱する給水加熱器と、
   前記給水ラインに配置され、入力された周波数に応じて駆動する給水ポンプと、
   前記缶体への給水要求があった場合に第１周波数で前記給水ポンプを駆動させて前記缶体に給水を供給させ、該給水要求がない場合に前記第１周波数よりも小さい第２周波数で前記給水ポンプを駆動させる給水制御部と、
   前記缶体の内部の水位を測定する水位測定部と、
   前記水位測定部により測定される水位の変化速度を算出する水位変化量算出部と、
   前記缶体への給水要求がない場合に、前記水位変化量算出部により算出される水位の変化速度が設定された目標速度となるように、前記第２周波数の値を制御する第２周波数制御部と、
   ボイラ装置の燃焼状態を取得する燃焼状態取得部と、
   複数の燃焼状態と、該複数の燃焼状態に対応してそれぞれ設定された複数の目標速度と、を関連付けて記憶する記憶部と、を備え、
   前記第２周波数制御部は、前記燃焼状態取得部により取得された燃焼状態に対応した目標速度を前記記憶部から抽出し、前記水位変化量算出部により算出される水位の変化速度が抽出された目標速度となるように前記第２周波数の値を制御するボイラ装置。
   

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