JP7380331B2

JP7380331B2 - ボイラの燃料ガス供給機構およびボイラ

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Publication number: JP7380331B2
Application number: JP2020034642A
Authority: JP
Inventors: 寛尚加藤; 匠平松本; 慶祐手島; 航伊東
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: JP2021139505A

Description

本発明は、ボイラの燃料ガス供給機構およびボイラに関する。

従来より、燃料ガスと燃焼用空気とを所定の割合で混合した混合気を燃焼させて水を加熱し、蒸気を発生させるボイラ装置が知られている。この種のボイラ装置では、燃焼に必要な燃焼用空気の量とボイラに供給される燃料ガスの量との比である空気比が一定になるように、燃焼用空気の供給量に応じて燃料ガスの流量を流量調整弁（燃料ガス調整弁）によって調整している。このように空気比を一定にする制御するものとして、例えば、燃焼用空気の供給量の変動に合わせて燃料ガスの制御弁を調整して空気比を一定にする予混合式ガスバーナの燃料ガス量制御装置を備えたボイラがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１－１０８３５２号公報

上記のようなボイラにおいては、燃料ガス流量の調整は、オリフィスの上流側と下流側の圧力の差圧を測定し、この燃料ガス差圧情報に基づいて行っているが、例えばガバナレス仕様のボイラの場合等においては、燃料ガス調整弁での絞りが大きく、燃料ガスの流速が速くなっている。オリフィスは燃料ガス調整弁の二次側にあるため、燃料ガス調整弁からの偏流の影響を受け、燃料ガス差圧が正確に測定できないという問題が生じる場合がある。特に、燃料ガス供給圧が変動した場合に、同じ流量が流れているにもかかわらず、燃料ガス差圧が変動して測定されてしまうことがある。これにより、例えば設置環境等によって運転時の燃料ガス供給圧が異なった場合、不正確な測定値を用いることによってインプットが変化してしまい、同一条件での設定を行った場合であっても運転時に乾き度不良や過熱を生じさせてしまうおそれがあった。

本発明は、かかる実情に鑑み考え出されたものであり、その目的は、燃料ガスの供給圧変動時における燃料ガス差圧の変動を極力抑えることができるボイラの燃料ガス供給機構およびボイラを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のボイラの燃料ガス供給機構は、燃料ガス供給経路に設けられる燃料ガス調整弁と、前記燃料ガス調整弁の下流側に設けられ、前記燃料ガスの流量を測定するための第１圧損部と、前記燃料ガス調整弁および前記第１圧損部の間に設けられる第２圧損部と、を備え、前記第１圧損部の流路断面積は、前記第２圧損部の流路断面積より大きいことを特徴とする。

上記の構成によれば、燃料ガスの流量を測定するための第１圧損部の上流側、かつ、燃料ガス調整弁の下流側に第２圧損部を設けることにより、第１圧損部における燃料ガス調整弁からの偏流の影響を緩和させて、燃料ガスの供給圧が変動した場合においても第１圧損部における燃料ガス差圧の変動を抑制することで、より正確に燃料ガス差圧を測定することができる。また、整流効果を高めつつ、圧損が高くなることを抑制できる。

好ましくは、前記第２圧損部は多孔板である。

上記の構成によれば、多孔板を用いることによって整流効果をより高めて、燃料ガス調整弁からの偏流の影響をより緩和することができる。

さらに好ましくは、前記第１圧損部は多孔板である。

上記の構成によれば、燃料ガスの供給圧の変動に伴う燃料ガス差圧の変動を、さらに抑制することができる。

また、本発明のボイラは、前記本発明のボイラの燃料ガス供給機構と、送風機を有する燃焼用空気供給機構と、を備えたボイラであって、前記燃焼用空気供給機構から供給される燃焼用空気の流量に応じて前記燃料ガス調整弁の開度を設定開度にし、その後、前記第１圧損部の上流側と下流側との差圧に基づいて前記送風機の回転数を調整する制御部と、を備えたことを特徴とする。

上記の構成によれば、第１圧損部の差圧を送風機の回転数に利用することで、燃焼用空気の量を実際の燃料ガスの量に応じて微調整する制御を行うことができる。

ボイラの概略構成を説明するための図である。燃料ガス供給圧変動時の燃料ガス差圧の変化の様子を示すグラフの概略図である。

＜概略構成について＞
以下に、図１を参照しつつ、本発明の実施の形態に係るボイラ１について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るボイラ１の構成を模式的に示す図である。

ボイラ１は、燃料を燃焼させて蒸気を生成するボイラ本体２と、空気供給路３０を介してボイラ本体２内に空気を送り込む送風機を含む燃焼用空気供給機構３と、ボイラ本体２からの排ガスなどを導出する煙道４と、ボイラ本体２に燃料を供給する燃料ガス供給機構１０とを備えている。なお、燃料は、ガスである例について説明するが、ガスなどの気体に限らず、油などの液体であってもよい。

燃料ガス供給機構１０は、燃料供給ライン（燃料ガス供給経路）５を備えている。燃料供給ライン５は、空気供給路３０に接続されている。燃料供給ライン５から供給される燃料は、空気供給路３０において、燃焼用空気供給機構３から送風される空気と混合されて、ボイラ本体２内のバーナ２０に供給される。

燃焼用空気供給機構３から供給される空気は、燃焼用空気として空気供給路３０を介してボイラ本体２内のバーナ２０に供給される。燃焼用空気の流量の調整は、インバータを用いて送風機のファンの回転速度を変えることでなされるが、これに加えて燃焼用空気供給機構３としてダンパ７を設けて、ダンパ７の位置（開度）を調整することによってなされるものであってもよい。本実施の形態では、燃焼用空気の流量は、ダンパ７の開度制御および送風機のインバータ制御により調整される。

燃料供給ライン５には、流路を開閉するための開閉弁（電磁弁）１１，１２、燃料ガス調整弁（燃料供給量調整弁）１３、第１圧損部１４、第２圧損部１５、ニップル１６ａ，１６ｂ、燃料ガス圧力センサ１７，１８およびメインガスコック１９が設けられている。燃料ガス調整弁１３は、ボイラ本体２に供給する燃料の流量を調整可能である圧力調整弁として機能する。燃料ガス調整弁１３は、開閉弁１１，１２よりも下流側に設けられており、制御装置６によって開度が調整されるモータバルブである。燃料ガス調整弁１３は、制御装置６に電気的に接続されており、制御装置６が燃料ガス調整弁１３の開度を調節可能になっている。なお、燃料ガス調整弁１３は、燃料の流量を調整するものであればモータバルブに限らず、例えば、空気式制御弁であってもよい。

第１圧損部１４は、燃料供給ライン５を流れる燃料ガスを減圧する燃料ガス減圧部材であり、燃料ガス調整弁１３の下流側に配置される。本実施の形態における第１圧損部１４は、２つのニップル１６ａ，１６ｂの間に配置されている。ニップル１６ａ，１６ｂは、計測器（図示せず）による圧力測定用のニップルであり、ニップル１６ａで第１圧損部１４の上流側の圧力を、ニップル１６ｂで第１圧損部１４の下流側の圧力を測定することで燃料ガス差圧を得ることができる。計測器は、制御装置６に電気的に接続されており、制御装置６はニップル１６ａ，１６ｂ間の燃料ガス差圧情報を取得する。

第２圧損部１５は、第１圧損部１４の上流側、かつ、燃料ガス調整弁１３の下流側に配置されている。第２圧損部１５を設けることで、第１圧損部１４における燃料ガス調整弁１３からの偏流の影響を緩和させて、燃料ガスの供給圧が変動した場合においても第１圧損部１４における燃料ガス差圧の変動を抑制することができる。

第２圧損部１５は、板状の部材に孔が形成されているオリフィスを用いることができる。第２圧損部１５は、孔が一つ形成されているものに限らず、複数の孔が形成されている多孔板オリフィスであってもよい。多孔板オリフィスの場合には、孔が一つ形成されているものと比較して、整流効果をより高めて、燃料ガス調整弁１３からの偏流の影響をより緩和することができる。

第１圧損部１４もまた、板状の部材に孔が形成されているオリフィスを用いることができるが、多孔板オリフィスを用いることがより好ましい。第１圧損部１４として多孔板オリフィスを用いると、燃料ガスの供給圧の変動に伴う燃料ガス差圧の変動を、さらに抑制することができる。なお、ボイラ機種によって適正なオリフィス孔径のサイズは異なる。

第１圧損部１４の流路断面積は、第２圧損部１５の流路断面積より大きいことが好ましい。圧損部においては、流路断面積が小さい程、整流効果が高くなる。しかし、第１圧損部１４と第２圧損部１５との両方の流路断面積を小さくすると、圧損が高くなる虞がある。よって、第１圧損部１４の流路断面積を大きくすることで、整流効果は高めつつ、圧損が高くなることを抑制できる。

燃料ガス圧力センサ１７は、燃料供給ライン５を流れる燃料ガスの圧力を燃料ガス調整弁１３の上流側で測定する。本実施形態の燃料ガス圧力センサ１７は、燃料供給ライン５における開閉弁１２の下流側に配置される。燃料ガス圧力センサ１７は、制御装置６に電気的に接続されており、制御装置６は燃料ガス圧力センサ１７の圧力情報を取得する。

燃料ガス圧力センサ１８は、燃料供給ライン５を流れる燃料ガスの圧力を燃料ガス調整弁１３の下流側で測定する。本実施形態の燃料ガス圧力センサ１８は、燃料供給ライン５における第１圧損部１４と第２圧損部１５との間に配置される。燃料ガス圧力センサ１８は、制御装置６に電気的に接続されており、制御装置６は燃料ガス圧力センサ１８の圧力情報を取得する。

メインガスコック１９は、手動で開閉弁される例えばボールバルブであり、通常は開弁されている。メインガスコック１９は、閉弁されることで燃料供給ライン５を遮断するものであり、開閉弁１１，１２の漏洩試験を行う際に使用する。

制御装置６は、内部にメモリ、タイマ、および演算処理部を含むコンピュータにより実現され、電気的に接続される各センサからの信号に基づいて、燃料ガス調整弁１３や送風機の制御を行う。

本実施の形態における空気供給路３０には、ダンパ７より下流にパンチングメタル等の燃焼用空気減圧部材８が設けられている。空気流量検出部９は、燃焼用空気減圧部材８の前後の差圧を検出し、差圧情報を出力する。空気流量検出部９は、制御装置６と電気的に接続されている。これにより、空気流量検出部９からの差圧情報を制御装置６に入力することができる。なお、空気流量検出部９から出力されるアナログ信号はデジタル信号に変換されて、制御装置６に入力される。

制御装置６は、燃焼量が異なる複数種類の燃焼段階として、例えば、低燃焼段階Ｌ、中燃焼段階Ｍ、高燃焼段階Ｈのいずれかの燃焼段階に制御する。制御装置６は、設定されている目標蒸気圧と蒸気ヘッダの蒸気圧とに応じて、燃焼段階を制御する。制御装置６は、制御されている燃焼段階に応じた態様（例えば、回転数、周波数）となるよう送風機を制御し、燃焼段階に応じた量の燃焼用空気を供給する。制御装置６は、空気流量検出部９が検出した差圧情報に基づいて、ボイラ本体２に実際に供給されている燃焼用空気の流量を算出（検出）する。

制御装置６は、燃焼用空気供給機構３から供給される燃焼用空気の流量に応じて燃料ガス調整弁１３の開度を設定開度にする。例えば、燃焼用空気の流量が増加すれば、燃料ガス調整弁１３の開度を大きくして燃料の流量を増加させる一方、燃焼用空気の流量が減少すれば、燃料ガス調整弁１３の開度を小さくして燃料の流量を減少させる。その後、制御装置６は、第１圧損部１４の上流側と下流側との差圧に基づいて送風機の回転数を調整する。これにより、実際の燃料の流量に応じて送風機の回転数を微調整し、実際の燃料の流量に応じて微調整された燃焼用空気の流量に応じて燃料ガス調整弁１３の開度を微調整する、といったフィードバック制御が行われる。これらの一連の制御は、手動による調整を含んでいてもよい。

制御装置６は、制御部６１と記憶部６２とを備える。記憶部６２には、ボイラ１に関する各種の情報が記憶され、制御部６１は、記憶部６２に予め記憶された開度調整情報に基づいて、燃料ガス調整弁１３に対して開度を特定するための開度特定信号を送信する。これにより、燃料ガス調整弁１３は、燃焼用空気減圧部材８の前後の差圧に応じた開度に制御されて、ボイラ本体２に供給する燃料の流量を調整することができる。なお、開度調整情報とは、例えば、差圧（あるいは差圧から算出される燃焼用空気の流量）に応じて燃料ガス調整弁１３の開度を特定可能なテーブルであってもよく、また差圧（あるいは差圧から算出される燃焼用空気の流量）に応じて燃料ガス調整弁１３の開度を特定するための演算式であってもよい。

燃料ガス調整弁１３の開度は、燃焼用空気減圧部材８の前後の差圧に基づき、開度調整情報に従って設定開度に特定される。このため、理論的には、燃焼用空気の流量と供給される燃料の流量とに基づく空気比は、燃焼段階に応じた空気比に収束されることになる。しかし、例えば、燃料の温度等の環境変化（外乱）に起因して、燃焼段階に応じた空気比に収束しない場合が実際には生じ得る。そこで、制御装置６は、第１圧損部１４の上流側と下流側との差圧から圧損を測定して、実際の燃料ガスの流量に応じて送風機の回転数を調整することで微調整を行う。

本実施の形態のボイラ１は、整流用の第２圧損部１５を、燃料ガス調整弁１３および第１圧損部１４の間に設けることで、燃料ガスの偏流の影響を緩和して、第１圧損部１４の上流側と下流側との差圧をより正確に測定することを可能とする。したがって、圧損の測定に基づく送風機の回転数の調整を、より正確に行うことができる。なお、第１圧損部１４の差圧情報で燃料ガス調整弁１３の開度を調整することもできるが、この場合は空気比がずれるので空気量も同時に変える必要がある。そのため、本実施の形態のボイラ１は、燃焼用空気供給機構３の送風機を制御して燃焼用空気の送風量（流量）を調整し、その送風量に応じて燃料ガス調整弁１３の開度を設定開度にすることで、空気量に応じて自動で燃料ガス量を変えることとしたものである。

ボイラにおいては、燃料ガスの流速の割りに、燃料ガス調整弁１３から第１圧損部１４までの流路を長くすることができない。燃料ガス調整弁１３から第１圧損部１４までの流路が長いと、燃料ガスが遮断弁(開閉弁)から出てきてからの時間が長くなり、制御のタイムラグが発生して適正な制御が困難となるからである。また、燃料ガスの供給圧は、一般的に３０ｋＰａ～３００ｋＰａと範囲が広い。供給圧が大きく異なっていても（大きく変動しても）燃料ガスの流量は極力一定にすることが望ましく、供給圧の違いによるタイムラグの影響を緩和するためにも、燃料ガス調整弁１３から第１圧損部１４までの流路は短い方が好適である。一方、燃料ガス調整弁１３から第１圧損部１４までの流路を短くした場合には、流路が長いものに比べて経路が短い分だけ整流効果が低下してしまう。このような不具合を解消するために、本実施形態におけるボイラ１の燃料ガス供給機構１０は、燃料ガス調整弁１３から第１圧損部１４までの間に圧損部を設けることにより、経路を短くしつつも整流効果を高めている。

＜動作について＞
図２を参照して、本実施の形態におけるボイラ１の動作について説明する。図２は、燃料ガスの供給圧が、例えば５０ｋＰａ～２００ｋＰａの範囲で変動した場合の、燃料ガス差圧の変化の様子を示すグラフを概略的に示した図である。図２において、実線は燃料ガス差圧の測定値を、破線は燃料ガス差圧の理想値を示す。図２（Ａ）は、燃料ガス調整弁１３から第１圧損部１４までの間に圧損部を設けていない構成のボイラについての結果であり、図２（Ｂ）は、燃料ガス調整弁１３から第１圧損部１４までの間に圧損部（第２圧損部１５）を設けている本実施の形態の構成のボイラ１についての結果である。本実施の形態の構成のボイラ１においては、第１圧損部１４として、直径がＸｍｍの孔がｎ個設けられた多孔板オリフィスを用い、第２圧損部１５として、直径がＸよりも小さいＹｍｍの孔がｎ個設けられた多孔板オリフィスを用いた。Ｘは、例えば、５ｍｍ～８ｍｍの範囲のいずれかの値であり、Ｙは、例えば、４ｍｍ～７ｍｍの範囲であってＸよりも小さい値や、Ｘ×０．９となる値であってもよい。また、ｎは、１５個～２５個の範囲のいずれかの値であってもよい。なお、第２圧損部１５は、第１圧損部１４よりも流路断面積が小さくなるように孔が形成されているものであればよく、孔の直径が第１圧損部１４よりも大きいものや、孔の数が第１圧損部１４よりも多いものあるいは少ないものであってもよい。

従来の構成では、例えば、高燃焼段階において、燃料ガス供給圧が変動した場合、排ガスのＯ_２濃度はほぼ一定であるにもかかわらず、燃料ガス差圧は図２（Ａ）中の両矢印で示す変動幅Ｄ_Ａを示した。これに対して、本実施の形態では、同様の燃料ガス供給圧の変動に対して、燃料ガス差圧の変動は図２（Ｂ）中の両矢印で示す変動幅Ｄ_Ｂに抑えられ、本実施の形態の構成とすることで、燃料ガス供給圧が変動した際の燃料ガス差圧の変動幅が抑えられるとともに、理想値と実測値との差が小さくなったことがわかる。

図２は、高燃焼段階における結果であるが、低燃焼段階および中燃焼段階においても同様の燃料ガス差圧の変動抑制効果が見られた。また、ボイラの容量が異なる場合においても同様の効果を確認することができた。なお、図２において、「燃料ガス差圧理想値」は、実測の排ガスＯ_２濃度に対する理想値を算出した値である。実測データのため、Ｏ_２に多少の変動があり、それに対する理想値を算出しているので、燃料ガス差圧理想値は一定の値とはなっていないが、燃料ガスの供給圧が変わっても排ガスＯ_２濃度が一定であれば、燃料ガス差圧は一定となる。従来の構成と、本実施の形態の構成とで燃料ガス差圧理想値が異なるのは、どちらも排ガスＯ_２濃度の実測値から計算していることと、オリフィスの孔形状が変わったことに起因して圧力損失が異なることによる。

本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な上記の実施の形態の変形例などについて説明する。

上記実施の形態においては、燃焼量が異なる燃焼段階として、低燃焼段階、中燃焼段階、高燃焼段階のいずれかの燃焼段階に制御する多位置制御を行う燃焼装置を備えたボイラを説明したが、これに限らず、例えば、比例制御を行う燃焼装置を備えたボイラであってもよい。

また、上記実施の形態においては、第１圧損部１４を計測器による圧力測定用のニップル１６ａ，１６ｂの間に配置し、ニップル１６ａで第１圧損部１４の上流側の圧力を、ニップル１６ｂで第１圧損部１４の下流側の圧力を測定することで燃料ガス差圧を得る態様を説明したが、これに限られず、例えば、差圧センサを設けて前記燃料ガス差圧を得るようにしてもよい。

なお、上記の例では、燃焼用空気の量を制御する手法として、燃料ガス差圧に基づいて送風機の態様（回転数等）を調整する例を示したが、これに限らず、ダンパ７の開度を調整するものであってもよく、また、送風機の態様（回転数等）およびダンパ７の開度の双方を調整するものであってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ボイラ
２ボイラ本体
３燃焼用空気供給機構
４煙道
５燃料供給ライン（燃料ガス供給経路）
６制御装置
６１制御部
６２記憶部
７ダンパ
８燃焼用空気減圧部材
９空気流量検出部（流量検出手段）
１０燃料ガス供給機構
１１開閉弁
１２開閉弁
１３燃料ガス調整弁
１４第１圧損部
１５第２圧損部
１６ａ，１６ｂニップル
１７燃料ガス圧力センサ
１８燃料ガス圧力センサ
１９メインガスコック
２０バーナ
３０空気供給路

Claims

燃料ガス供給経路に設けられる燃料ガス調整弁と、
前記燃料ガス調整弁の下流側に設けられ、前記燃料ガスの流量を測定するための第１圧損部と、
前記燃料ガス調整弁および前記第１圧損部の間に設けられる第２圧損部と、を備え、
前記第１圧損部の流路断面積は、前記第２圧損部の流路断面積より大きいことを特徴とする、ボイラの燃料ガス供給機構。
前記第２圧損部は多孔板であることを特徴とする、請求項１に記載のボイラの燃料ガス供給機構。
前記第１圧損部は多孔板であることを特徴とする、請求項２に記載のボイラの燃料ガス供給機構。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のボイラの燃料ガス供給機構と、
送風機を有する燃焼用空気供給機構と、を備えたボイラであって、
前記燃焼用空気供給機構から供給される燃焼用空気の流量に応じて前記燃料ガス調整弁の開度を設定開度にし、
その後、前記第１圧損部の上流側と下流側との差圧に基づいて前記送風機の回転数を調整する制御部と、を備えたことを特徴とする、ボイラ。