JP2012184894A

JP2012184894A - 燃焼多位置制御ボイラ

Info

Publication number: JP2012184894A
Application number: JP2011048990A
Authority: JP
Inventors: Masato Nishiyama; 将人西山; Hiroshi Takashima; 博史高島
Original assignee: SAMSON CO Ltd
Current assignee: SAMSON CO Ltd
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2031-03-07
Also published as: JP5725608B2

Abstract

【課題】燃焼量を高燃焼・中燃焼・低燃焼のように多位置で制御しているボイラであって、燃焼用空気供給量の調節には送風機の回転速度調節と燃焼用空気供給路の流路面積調節を組み合わせているボイラにおいて、燃焼量変更時に燃焼失火や振動燃焼などが発生することを防止する。
【解決手段】高燃焼から低燃焼への変更のように２段階以上先の燃焼量に変更する場合、まず途中にある燃焼位置における空気供給量を目指して送風機の回転数変更と送風路の流路面積変更を開始し、燃料は空気供給量が途中の燃焼位置における設定風量に到達するよりも前の時点で途中の燃焼位置に応じた供給量に切り替えておき、送風機回転数と送風路流路面積の両方が途中の燃焼位置における設定位置に到達した後に、目標とする燃焼位置における空気供給量を目指して再度送風機の回転数変更と送風路の流路面積変更を開始し、続いて目標とする燃料供給量に切り替える制御を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼量を多位置で制御しているボイラに関するものである。

一般的にボイラでは、蒸気負荷要求に応じて燃焼量を増減する制御を行っており、燃焼量の増減は、燃料と燃焼用空気の供給量を切り替えることで行っている。最近では最低燃焼量を小さくしてターンダウン比を大きく設定し、燃焼位置を高燃焼・中燃焼・低燃焼・停止のように多位置で制御することで、低負荷運転時の効率アップや、蒸気負荷追従性の向上、及び蒸気圧力の安定化を図ったボイラも現れている。燃焼用空気供給量の調節手段としては、送風機にインバータ装置などの回転数制御装置を設けておいて送風機の回転速度を増減することや、燃焼用空気の送風路に流路面積を変更するダンパ装置を設けて送風路の流路面積を増減することで行っている。

特開平１０−２１３３２０号公報には、送風機回転速度の変更とダンパによる流路面積変更とを併用して送風量を調節することの記載がある。この場合、送風機回転速度変更とダンパの位置変更を同時に開始しても、送風機回転速度の変更に要する時間とダンパの開度変更に要する時間は異なるため、燃焼量変更時に送風量が適正な範囲から外れることがあった。燃焼量の調節が高燃焼・低燃焼・停止の三位置であった場合には、燃焼量の変更時に一時的な送風量のずれが発生しても、燃焼量の変更が終了すると送風量のずれはそれ以上には大きくならない。しかし、ターンダウン比が大きいために、燃焼量の設定が高燃焼・中燃焼・低燃焼・停止のように多位置となっている場合であって、低燃焼から高燃焼への変更又は高燃焼から低燃焼への変更のように燃焼量を大きく変更する場合には、送風量のずれが大きくなることがある。この場合、適正な風量から外れた状態で燃焼量の切り替えが行われることになるため、燃焼量変更時に燃焼失火や振動燃焼などが発生することがあった。

特開平１０−２１３３２０号公報

本発明が解決しようとする課題は、燃焼量を多位置で制御しているボイラであって、燃焼用空気供給量の調節には送風機の回転速度調節と燃焼用空気供給路の流路面積調節を組み合わせて行っているボイラにおいて、燃焼量変更時に燃焼用空気供給量が適正な範囲を外れて、燃焼失火や振動燃焼などが発生することを防止することのできる燃焼多位置制御ボイラを提供することにある。

燃焼量を高燃焼・中燃焼・低燃焼のように多段階に変更することができるようにしているボイラであって、送風機の回転数変更と送風路の流路面積変更とを併用して燃焼用空気供給量を調節するようにしている燃焼多位置制御ボイラにおいて、
高燃焼から低燃焼への変更や、低燃焼から高燃焼への変更のように２段階以上先の燃焼量に変更する場合、まず途中にある燃焼位置における空気供給量を目指して送風機の回転数変更と送風路の流路面積変更を開始し、燃料は空気供給量が途中の燃焼位置における設定風量に到達するよりも前の時点で途中の燃焼位置に応じた供給量に切り替えておき、送風機の回転数と送風路の流路面積の両方が途中の燃焼位置における設定位置に到達した後に、目標とする燃焼位置における空気供給量を目指して再度送風機の回転数変更と送風路の流路面積変更を開始し、続いて目標とする燃料供給量に切り替える制御を行う。

本発明を実施すると、燃焼量を大きく変更する場合であっても燃焼用空気供給量が適正な範囲から大きく外れることはなくなるため、燃焼量変更時に燃焼失火や振動燃焼などの発生を防止することができる。

本発明を実施しているボイラのフロー図本発明の一実施例での燃焼量を低燃焼から高燃焼へ変更した場合の運転状態を説明するタイムチャート本発明の一実施例での燃焼量を高燃焼から低燃焼へ変更した場合の運転状態を説明するタイムチャート

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施しているボイラのフロー図である。ボイラは中央に設けた燃焼室３の周囲に垂直な水管を環状に並べておき、水管の上部と下部で管寄せに接続している。燃焼室３の上部には、下向きに火炎を発生させる燃焼装置２を設けており、ボイラ中央部の燃焼室３内で火炎の燃焼を行う。燃焼装置２には、メインバーナ５とパイロットバーナ６を設けている。燃焼装置２で使用する燃焼用空気は、送風機１０によって供給する。送風機１０からの燃焼用空気は送風路７を通して供給するようにしており、ウインドボックス８で燃焼用空気を整流してメインバーナ５及びパイロットバーナ６へ供給する。送風機１０には、送風機の電源周波数を変更するインバータ装置１７を接続しておき、インバータ装置１７によって送風機の回転数を変更することで燃焼装置２へ送る燃焼用空気量を調節する。さらに送風路７の途中には、送風路７の流路面積を変更するダンパ１６を設けており、ダンパ１６によっても燃焼装置２へ送る燃焼用空気量を調節するようにしている。

ボイラは高燃焼・中燃焼・低燃焼・停止の４位置で燃焼量を制御するものであり、ボイラの蒸気部に接続している圧力検出装置１で検出した蒸気圧力値に基づいて燃焼量を決定する。蒸気圧力値が制御範囲の下限値より低い場合は、１００％の燃焼量である高燃焼で燃焼を行い、蒸気発生量を多くすることで蒸気圧力値を高める。逆に蒸気圧力値が制御範囲の上限値より高くなった場合は、燃焼を停止することで蒸気圧力値の上昇を防ぐ。蒸気圧力値が制御範囲内にある場合には、蒸気圧力値が比較的低い値なら５０％の燃焼量である中燃焼を行い、比較的高い値であると２０％の燃焼量である低燃焼を行う。

燃焼装置２への燃料供給は、燃料供給配管４を通して行う。燃料供給配管４は途中で分岐しており、メインバーナ５及びパイロットバーナ６のそれぞれと接続している。メインバーナ５へ接続している燃料供給配管４には、燃料供給量調節手段としてメイン燃料遮断弁１３とメイン第二電磁弁１４及びメイン第三電磁弁１５を設け、パイロットバーナ６へ接続している燃料供給配管４にはパイロット燃料遮断弁１２を設けている。メインバーナ５への燃料供給は、メイン燃料遮断弁１３を開くことで行い、メイン第二電磁弁１４及びメイン第三電磁弁１５によって流量を切り替えることで、高燃焼・中燃焼・低燃焼での燃料供給を行うことができるようにしておく。メイン燃料遮断弁１３は燃料の流れを完全に遮るための遮断弁であり、燃料を流す場合の１００％開度と燃料を遮断する０％開度の２位置で開閉を行う。メイン第二電磁弁１４は、弁を開いた場合には１００％分の燃料を流す開度、弁を閉じた場合でも２０％分の燃料を流す開度に設定した電磁弁であり、１００％開度と２０％開度の２位置で開閉を行う。メイン第三電磁弁１５も、弁を開いた場合には１００％分の燃料を流す開度と、弁を閉じた場合でも５０％分の燃料を流す開度に設定した電磁弁であり、１００％開度と５０％開度の２位置で開閉を行う。

燃料供給量は、メイン燃料遮断弁１３、メイン第二電磁弁１４、メイン第三電磁弁１５の開閉によって制御する。燃焼停止の場合、運転制御装置１１は各制御弁を閉じる制御を行う。メイン第二電磁弁１４及びメイン第三電磁弁１５は、弁を閉じる制御を行っても燃料ガス流路を完全に閉じることはなく、２０％又は５０％分の燃料が流れる分だけ開いている。しかし、上流側のメイン燃料遮断弁１３を閉じているために、メイン第二電磁弁１４及びメイン第三電磁弁１５部分をガス燃料が流れることはなく、燃焼装置２へ送られるガス流量は０％であって、燃料ガスの供給は完全にストップする。

ボイラの燃焼を開始する場合、最初にパイロットバーナ６の燃焼を開始し、パイロットバーナ６の火炎を火種としてメインバーナ５の燃焼を開始する。パイロットバーナ６のみを燃焼するパイロット燃焼の場合、運転制御装置１１はパイロット燃料遮断弁１２のみを開き、その他の制御弁は閉じておく。パイロットバーナ６の燃焼は、メインバーナ５の燃焼開始前後にのみ行い、メインバーナ５の燃焼が始まるとパイロット燃料遮断弁１２を閉じることでパイロットバーナ６での燃焼は停止する。

ボイラの燃焼量が低燃焼の場合、運転制御装置１１はメイン燃料遮断弁１３のみを開く制御を行い、メイン第二電磁弁１４及びメイン第三電磁弁１５は閉じる制御を行う。メイン燃料遮断弁１３のみを開くと、メイン燃料遮断弁１３では１００％分の燃料ガスが流れる開度となり、メイン燃料遮断弁１３とメイン第二電磁弁１４ではそれぞれ２０％分の燃料ガスが流れる開度と５０％分の燃料ガスが流れる開度となる。この場合、燃料ガス供給配管４を流れて燃焼装置２へ達する燃料ガス量は、ボトルネックとなるメイン第二電磁弁１４で流すことのできる量となり、２０％分の燃料ガスがメインバーナ５へ送られる。この時、送風機５から燃焼装置２へも２０％分の燃焼量に相当する分の空気を供給することで、低燃焼（２０％燃焼）を行うことができる。

ボイラの燃焼量が中燃焼の場合、運転制御装置１１はメイン燃料遮断弁１３とメイン第二電磁弁１４を開く制御を行い、メイン第三電磁弁１５は閉じる制御を行う。メイン燃料遮断弁１３とメイン第二電磁弁１４を開いた場合、メイン燃料遮断弁１３では１００％分の燃料ガスが流れる開度、メイン第二電磁弁１４でも１００％分の燃料ガスが流れる開度となり、閉じているメイン第三電磁弁１５では５０％分の燃料ガスが流れる開度となる。この場合、燃料供給配管４を流れて燃焼装置２へ達する燃料ガス量は、メイン第三電磁弁１５で流れることのできる量になるため、５０％分の燃料ガスが燃焼装置２へ送られる。この時、送風機１０から燃焼装置２へも５０％分の燃焼量に相当する分の空気を供給することで、中燃焼（５０％燃焼）を行うことができる。

ボイラの燃焼量が高燃焼の場合、運転制御装置１１はメイン燃料遮断弁１３、メイン第二電磁弁１４、メイン第三電磁弁１５のすべての制御弁を開く制御を行う。この場合、メイン燃料遮断弁１３、メイン第二電磁弁１４、メイン第三電磁弁１５はそれぞれ１００％分の燃料ガスが流れる開度となるため、燃料供給配管４を流れて燃焼装置２へ達する燃料ガス量は１００％分となる。この時、送風機１０から燃焼装置２へも１００％分の燃焼量に相当する分の空気を供給することで、高燃焼（１００％燃焼）を行うことができる。

高燃焼・中燃焼・低燃焼で必要な燃焼用空気供給量はそれぞれ異なるため、ダンパ１６及びインバータ装置１７によって燃焼用空気供給量を調節する。ダンパ１６では、低燃焼時の設定位置として低燃位置、中燃焼の設定位置として中燃位置、高燃焼の設定位置として高燃位置を設定しておく。設定位置は各燃焼状態に応じた空気供給量になるようにしており、低燃位置＜中燃位置＜高燃位置の順に送風路７の流路面積が大きくなる。

インバータ装置１７には、低燃焼時の設定周波数として低燃周波数、中燃焼の設定周波数として中燃周波数、高燃焼の設定周波数として高燃周波数を設定しておく。インバータ装置１７でも各燃焼状態に応じた空気供給量になるようにしており、低燃周波数＜中燃周波数＜高燃周波数の順に送風機１０での回転数が高くなる。燃焼量ごとの燃焼用空気の供給量は、ダンパ１６とインバータ装置１７によって調節しており、各燃焼量に応じた量の空気が燃焼装置２へ供給される。

低燃焼と中燃焼の間で燃焼量の変更を行う場合、インバータ装置１７による周波数が低燃周波数と中燃周波数の間の値に設定したＶ２開閉周波数（メイン第二電磁弁開閉周波数）に達すると、メイン第二電磁弁１４の作動を行って燃料供給量を変更する。同様に、中燃焼と高燃焼の間で燃焼量の変更を行う場合、ダンパ１６の位置が中燃位置と高燃位置の間の値に設定したＶ３開閉位置（メイン第三電磁弁開閉位置）に達すると、メイン第三電磁弁１５の作動を行って燃料供給量を変更するように設定しておく。

図２は当初の必要燃焼量は低燃焼であったが、必要燃焼量が中燃焼を飛ばして高燃焼に変化した場合での燃焼状態の変更状況を記載している。必要燃焼量が低燃焼から高燃焼に変化し、燃焼量を増加することになると、運転制御装置１１では、最初にインバータ装置１７の周波数増加を開始する。このとき、インバータ装置１７の周波数は、急激には変更することができないために緩やかに変化している。インバータ装置１７の周波数がＶ２開閉周波数に達すると、ダンパ位置の低燃位置から中燃位置への変更を開始するとともに、メイン第二電磁弁１４を開くことで中燃焼を開始する。必要燃焼量は高燃焼であり、中燃焼ではないが、運転制御装置１１では中間の燃焼量である中燃焼を一時的に行う。この後、ダンパ１６がインバータ装置１７よりも先に中燃焼用の位置に達すると、ダンパ１６は中燃位置で開度変更を一時停止し、インバータ装置１７の周波数が中燃焼用の位置に達するまで待機する。逆にインバータ装置１７がダンパ１６よりも先に中燃焼用の位置に達すると、インバータ装置１７は中燃位置で周波数変更を一時停止し、ダンパ１６の開度が中燃焼用の位置に達するまで待機する。ダンパ１６とインバータ装置１７の両方が中燃焼用の位置に達すると、燃焼用空気供給量の増加を再開し、ダンパ１６では高燃位置を目指してダンパ位置の変更を行い、インバータ装置１７では高燃周波数を目指して周波数を変更していく。その後、ダンパ１６の位置がＶ３開閉位置に達すると、メイン第三電磁弁１５を開くことで高燃焼を開始し、ダンパ１６とインバータ装置１７は高燃焼の設定位置になると空気供給量の変更を終了する。

図２ではその後、必要燃焼量が高燃焼から中燃焼に低下し、さらにその後に低燃焼へと変化している。高燃焼から中燃焼に変更する場合、ダンパ１６とインバータ装置１７は中燃焼用の位置を目指して変更を行う。ダンパ位置がＶ３開閉位置に達するとメイン第三電磁弁１５を閉じることで燃焼量を中燃焼とする。さらにその後、必要燃焼量が低燃焼に低下すると、先ほどと同様にダンパ１６とインバータ装置１７は低燃焼用の位置を目指して変更を行う。そしてインバータ装置１７周波数がＶ２開閉周波数に達するとメイン第二電磁弁１４を閉じることで燃焼量を低燃焼とする。

図３は当初の必要燃焼量は高燃焼であったが、必要燃焼量が中燃焼を飛ばして低燃焼に変化した場合での燃焼状態の変更状況を記載している。必要燃焼量が高燃焼から低燃焼に変化し、燃焼量を減少することになると、運転制御装置１１では、インバータ装置１７の周波数減少とダンパ１６での流路面積減少を開始する。このとき、インバータ装置１７の周波数は、急激には変更することができないために緩やかに変化している。ダンパ１６の位置がＶ３開閉位置に達すると、メイン第三電磁弁１５を閉じることで中燃焼を開始する。この場合も必要燃焼量は低燃焼であり、中燃焼ではないが、運転制御装置１１では中間の燃焼量である中燃焼を一時的に行う。

ダンパ１６がインバータ装置１７よりも先に中燃焼用の位置に達すると、ダンパ１６は中燃位置で開度変更を一時停止し、インバータ装置１７の周波数が中燃焼用の位置に達するまで待機する。逆にインバータ装置１７がダンパ１６よりも先に中燃焼用の位置に達すると、インバータ装置１７は中燃位置で周波数変更を一時停止し、ダンパ１６の開度が中燃焼用の位置に達するまで待機する。

ダンパ１６とインバータ装置１７の両方が中燃焼用の位置に達すると、ダンパ１６とインバータ装置１７の両方で燃焼用空気供給量の減少を再開し、ダンパ１６では低燃位置を目指してダンパ位置の変更を行い、インバータ装置１７では低燃周波数を目指して周波数を変更していく。その後、インバータ装置１７の周波数がＶ２開閉周波数に達すると、メイン第二電磁弁１４を閉じることで低燃焼を開始し、ダンパ１６とインバータ装置１７は低燃焼の設定位置になると空気供給量の変更を終了する。

図３ではその後、必要燃焼量が低燃焼から中燃焼に上昇し、さらにその後に高燃焼へと変化している。低燃焼から中燃焼に変更する場合、ダンパ１６とインバータ装置１７は中燃焼用の位置を目指して変更を行う。ダンパ位置がＶ２開閉周波数に達するとメイン第二電磁弁１４を開くことで燃焼量を中燃焼とする。さらにその後、必要燃焼量が高燃焼に上昇すると、先ほどと同様にダンパ１６とインバータ装置１７は高燃焼用の位置を目指して変更を行う。そしてダンパ１６位置がＶ３開閉位置に達するとメイン第三電磁弁１５を開くことで燃焼量を高燃焼とする。

燃焼多位置制御で、２つ以上先への燃焼量変更（例えば、低燃焼から中燃焼を飛ばして高燃焼への変更や、高燃焼から中燃焼を飛ばして低燃焼への変更）が必要になった場合、複数の燃焼用空気供給量調節手段を組み合わせて燃焼用空気供給量を調節していると空気供給量が適正な範囲から外れて、燃焼失火や振動燃焼などが発生することがあった。しかし、最終の燃焼量へ直接変更するのではなく、途中の燃焼量で燃焼用空気供給量を安定させ、その後に燃焼量の切り替えを再開する制御とすることで、複数の燃焼用空気供給量調節手段を組み合わせて燃焼用空気供給量を調節している場合でも空気供給量が適正な範囲から外れて、燃焼失火や振動燃焼などが発生することを防止できる。

１圧力検出装置
２燃焼装置
３燃焼室
４燃料供給配管
５メインバーナ
６パイロットバーナ
７送風路
８ウインドボックス
９蒸気配管
１０送風機
１１運転制御装置
１２パイロット燃料遮断弁
１３メイン燃料遮断弁
１４メイン第二電磁弁
１５メイン第三電磁弁
１６ダンパ
１７インバータ装置

Claims

燃焼量を高燃焼・中燃焼・低燃焼のように多段階に変更することができるようにしているボイラであって、送風機の回転数変更と送風路の流路面積変更とを併用して燃焼用空気供給量を調節するようにしている燃焼多位置制御ボイラにおいて、
高燃焼から低燃焼への変更や、低燃焼から高燃焼への変更のように２段階以上先の燃焼量に変更する場合、まず途中にある燃焼位置における空気供給量を目指して送風機の回転数変更と送風路の流路面積変更を開始し、燃料は空気供給量が途中の燃焼位置における設定風量に到達するよりも前の時点で途中の燃焼位置に応じた供給量に切り替えておき、送風機の回転数と送風路の流路面積の両方が途中の燃焼位置における設定位置に到達した後に、目標とする燃焼位置における空気供給量を目指して再度送風機の回転数変更と送風路の流路面積変更を開始し、続いて目標とする燃料供給量に切り替える制御を行うものであることを特徴とする燃焼多位置制御ボイラ。