(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024042811
(43)【公開日】2024-03-29
(54)【発明の名称】ボイラ
(51)【国際特許分類】
F23N 5/24 20060101AFI20240322BHJP
F23D 17/00 20060101ALI20240322BHJP
F23K 5/00 20060101ALI20240322BHJP
F22B 35/00 20060101ALI20240322BHJP
【FI】
F23N5/24 101A
F23D17/00 A
F23K5/00 301Z
F22B35/00 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022147679
(22)【出願日】2022-09-16
(71)【出願人】
【識別番号】000175272
【氏名又は名称】三浦工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100142365
【弁理士】
【氏名又は名称】白井 宏紀
(72)【発明者】
【氏名】増田 幸一
【テーマコード(参考)】
3K065
3K068
3L021
【Fターム(参考)】
3K065RA02
3K068AA01
3K068AB04
3K068BB01
3K068CA24
3L021BA08
3L021DA26
(57)【要約】
【課題】混合ガスの混合割合に変動があったことを検出可能とするボイラを提供することである。
【解決手段】比重が異なる第1種類のガスと第2種類のガスとを混合させた混合ガスを燃料として燃焼室に供給するための燃料供給路5と、燃料供給路5に設けられた燃料流量調整弁12と、燃料供給路5に設けられている圧損部15と、圧損部15の上流側と下流側との差圧が、第1種類のガスと第2種類のガスとの混合割合が適正である場合に取り得る差圧として予め定められた適正差圧範囲内であるか否かを判定する判定手段と、判定手段により適正差圧範囲内であると判定されなかったときに、特定制御を行う制御手段とを備える。
【選択図】
図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
比重が異なる第1種類のガスと第2種類のガスとを混合させた混合ガスを燃料として燃焼室に供給するための燃料供給路と、
前記燃料供給路に設けられた燃料流量調整弁と、
前記燃料供給路に設けられている圧損部と、
前記圧損部の上流側と下流側との差圧が、前記第1種類のガスと前記第2種類のガスとの混合割合が適正である場合に取り得る差圧として予め定められた適正差圧範囲内であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記適正差圧範囲内であると判定されなかったときに、特定制御を行う制御手段とを備える、ボイラ。
【請求項2】
前記燃料供給路に燃料体積流量計を備え、
前記適正差圧範囲は、前記燃料体積流量計の測定結果に基づいて変更される、請求項1に記載のボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ボイラに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、地球温暖化を防止するために、CO2(二酸化炭素)排出量の削減が求められている。このため、天然ガスと、天然ガスとは異なる気体燃料との混焼により、二酸化炭素の排出量の削減が試みられている。例えば天然ガスに加え、アンモニアを燃料の一部に使用し、混焼するボイラがある(例えば、特許文献1)。また、天然ガスと水素との混焼も試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、天然ガスと水素とでは、発熱量に大きな差があり、その混合割合によって空気比が大きく変動する。このため、従来のボイラにおいて、燃料として、天然ガスと水素とを混合して使用するようにすると、混合割合が変化することがあった場合に、例えば、空気比の変動による失火などにより、ボイラの燃焼状態や発生蒸気量への影響が生じる虞がある。
【0005】
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、混合ガスの混合割合に変動があったことを検出可能とするボイラを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、本発明のボイラは、比重が異なる第1種類のガスと第2種類のガスとを混合させた混合ガスを燃料として燃焼室に供給するための燃料供給路と、前記燃料供給路に設けられた燃料流量調整弁と、前記燃料供給路に設けられている圧損部と、前記圧損部の上流側と下流側との差圧が、前記第1種類のガスと前記第2種類のガスとの混合割合が適正である場合に取り得る差圧として予め定められた適正差圧範囲内であるか否かを判定する判定手段と、前記判定手段により前記適正差圧範囲内であると判定されなかったときに、特定制御を行う制御手段とを備える。
【0007】
上記構成によれば、混合されるガスの比重が異なることにより同じ流量が供給されているときであっても混合割合が変動している場合には圧損部の上流側と下流側との差圧が変動することに着目し、当該差圧が適正差圧範囲内であると判定されなかった場合に特定制御が行われる。これにより、差圧に基づいて混合ガスの混合割合に変動があったことを検出して、混合割合の変動に起因する失火などを抑制することができる。
【0008】
好ましくは、前記燃料供給路に燃料体積流量計を備え、前記適正差圧範囲は、前記燃料体積流量計の測定結果に基づいて変更される。
【0009】
上記構成によれば、燃料体積流量計の測定結果に基づき、供給されている混合ガスの流量に対応する適正差圧範囲に変更される。そのため、供給されている混合ガスの流量に応じた混合割合となっているか否かの判断が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図1】ボイラの概略構成を説明するための図である。
【
図2】ボイラの制御の一例を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本開示に係るボイラについて図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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本発明に含まれることが意図される。
【0012】
<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。
【0013】
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供給路5と、燃料ガスや燃焼用空気の供給量等を制御する制御装置6とを備えている。
【0014】
燃料供給路5は、空気供給路30に接続されている。燃料供給路5から供給される燃料は、空気供給路30において、送風機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。
【0015】
送風機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。燃焼用空気の流量は、負荷機器(図示省略)から要求される要求負荷(燃焼量)に応じて定められる。燃焼用空気の流量調整は、空気供給路30にダンパ7を設けて、ダンパ7の位置(開度)を調整するか、これに替えてまたはこれに加えて、インバータを用いて送風機3のファンの回転速度を変えることでなされる。本実施の形態では、空気供給路30にダンパ7を設けて、送風機3は一定速度で回転させつつダンパ7の位置を変更することで、燃焼用空気の流量を調整する。
【0016】
燃料供給路5には、燃料体積流量計10と、流路を開閉するための開閉弁11(電磁弁)と、ボイラ本体2に供給する燃料の流量を調整可能であるとともに遮断機能をも備える燃料流量調整弁12と、オリフィス15と、燃料差圧センサ16とが設けられている。燃料流量調整弁12は、開閉弁11の下流側に配置されている。下流側の燃料流量調整弁12は、ボイラ本体2に供給する燃料の流量を調整する燃料供給量調整弁として機能する。本実施形態において、燃料流量調整弁12はガバナである。
【0017】
燃料供給路5は、その上流側が燃料タンク(図示省略)などに接続され、その下流側が空気供給路30に接続される。燃料供給路5の下流側の端部は、空気供給路30におけるダンパ7が配置された位置よりも下流側に接続される。本実施形態では、燃料供給路5によって流通する燃料は天然ガス(メタンを主成分とする)と水素とが所定の割合で混合された混合ガスである。所定の割合とは、例えば、天然ガス8:水素2の割合である。なお、天然ガスと水素との混合割合は、これに限るものではなく、使用環境やボイラの性能などに応じて定められるものであってもよい。
【0018】
燃料体積流量計10は、燃料供給路5を流通する燃料(混合ガス)の体積流量を測定する。本実施形態の燃料体積流量計10は、燃料供給路5の最も上流側に配置されている。燃料体積流量計10は、制御装置6に電気的に接続されている。制御装置6は、燃料体積流量計10の測定値(測定結果)に基づいて燃料の体積流量を取得する。
【0019】
オリフィス15は、燃料供給路5を流通する燃料を減圧する燃料減圧部材(圧損部)である。本実施形態のオリフィス15は、燃料供給路5における燃料流量調整弁12の下流側に配置される。
【0020】
燃料差圧センサ16は、燃料供給路5を流通する燃料の、オリフィス15の上流側と下流側とで測定された圧力の差圧を検出する。燃料差圧センサ16は、制御装置6に電気的に接続されているため、制御装置6は燃料の差圧情報を取得することができる。
【0021】
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。燃料流量調整弁12(ガバナ)は、空気供給路30内の燃焼用空気減圧部材8の前後の差圧に応じて開度が変化するように構成されている。燃料流量調整弁12は、導入される差圧と供給する燃料の圧力(2次側の圧力)とが均圧となるように機械的に開度が調整される均圧弁である。燃料流量調整弁12の下流側流路には、分岐路13が設けられている。ガバナは、分岐路13から得られる二次側の圧力が、導入される空気供給路30内の燃焼用空気減圧部材8の前後の差圧に応じた圧力となるように開度を調整することができる。これにより、空気供給路30から供給される燃焼用空気の流量に応じた流量(なお、燃焼用空気の流量は後述するように燃焼量に応じて制御されるため、燃焼量に応じた流量ともいえる)で燃料をボイラ本体2に供給することができる。
【0022】
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、送風機3などの制御を行う。また、制御装置6は、燃焼用空気の流量を調整するための各種の制御を行う制御部61と、各種の情報が記憶される記憶部62とを備える。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、ボイラ本体2における燃焼量(燃焼率)が段階的に異なる複数の燃焼段階のいずれかに制御する。複数の燃焼段階としては、例えば、高燃焼段階、中燃焼段階および低燃焼段階が設けられている。ボイラ本体2における燃焼量は、高燃焼段階、中燃焼段階、低燃焼段階の順で小さくなる。また、制御部61は、ボイラ本体2内へ供給される燃焼用空気の流量が、設定された燃焼段階(燃焼量)に応じた流量となるように空気供給部である送風機3およびダンパ7を制御して、燃焼用空気の供給流量を調整する。
【0023】
記憶部62には、ボイラ1に関する各種の情報として、例えば、燃焼段階に応じた送風機3の態様(例えば、回転数、周波数)を特定するための情報や、燃料の流量(燃焼量)に応じた適正差圧範囲を特定するためのデータテーブル等が記憶されている。制御装置6は、燃料体積流量計10の測定結果に基づいて、燃料供給路5を流通する燃料の体積流量に応じた燃料の適正差圧範囲を、当該データテーブルを参照して特定する。
【0024】
適正差圧範囲とは、適正な空気比で運転される場合に燃料差圧センサ16により検出される(取り得る)差圧の範囲である。また、燃焼段階に応じた流量となる燃焼用空気を供給することにより、燃料(混合ガス)の混合割合が適正であれば、適正な空気比で運転(燃焼)されることとなる。例えば、燃料(混合ガス)のうち、ボイラの運転に際して適正な空気比で運転(燃焼)可能となる水素の混合割合が15%~25%であったとする。そうすると、適正差圧範囲は、燃料(混合ガス)が適正な混合割合である水素の割合15%~25%の場合に検出される(取り得る)差圧の範囲となる。なお、水素の混合割合は15%~25%の範囲に限るものではなく、安定して燃焼可能となるものであれば、使用環境やボイラの性能などに応じて定められるものであればよい。
【0025】
本実施形態においては、比重が異なる燃料(ガス)を混合しているため、燃料として同じ流量が供給されている場合であっても、水素の割合が多くなった場合には、燃料差圧センサ16により検出される差圧は下がる。一方、水素の割合が少なくなった場合には、燃料差圧センサ16により検出される差圧は上がることになる。また、適正な水素の混合割合の下限値である15%の場合に検出される差圧が、例えばx1であり、適正な水素の混合割合の上限値である25%の場合に検出される差圧が、例えばx2であったとすれば、適正差圧範囲の上限値はx1であり、下限値はx2となる。そのため、燃料圧力センサ16により検出される差圧が、x1を上回る、あるいは、x2を下回るときには、燃料が適正な混合割合ではないため、適正な空気比で運転がされていないことを特定可能となる。
【0026】
また、適正な空気比とは、安定して燃焼可能な空気比であって、もっとも理想とする空気比を含む所定範囲(下限~上限)の空気比である。例えば、理想とする空気比が1.0であった場合に、空気比1.0を含む安定した運転が可能な所定範囲の空気比が、0.8~1.2であれば、適正な空気比は、当該0.8~1.2となる。この適正な空気比は異なる燃焼量ごとに設定されており、それぞれの燃焼量に応じた適正な空気比に対応するものとなるように、供給する燃料の流量を制御する。なお、理想とする空気比、および、安定して燃焼可能な所定範囲の空気比は、上記例に限らず、安定して燃焼可能となるものであれば、使用環境やボイラの性能などに応じて定められるものであればよい。
【0027】
制御装置6は、燃料差圧センサ16が検出した差圧が、燃料体積流量計10の測定結果に基づいて特定された適正差圧範囲内であるか否かを判定する。燃料(混合ガス)の混合割合に変動が生じた場合は、その変動量によっては、燃料差圧センサ16から検出される差圧が、適正差圧範囲外となるためである。制御部61は、燃料差圧センサ16が検出した差圧が、適正差圧範囲内ではないと判定された場合には、特定制御を行う。特定制御とは、例えば警告アラームの報知など、適正な空気比で運転されていない場合に取り得る安全対策などである。
【0028】
本実施形態においては、上述したように、メタンを主成分とする天然ガスと、水素といった比重の異なるガスが所定割合で予め混合されている。しかし、燃料の混合割合が、使用環境などの影響により変動した場合、燃料が燃焼量に応じた(供給される空気流量に応じた)流量で供給されている場合であっても、空気比が大きく変動する。前述したおとり、例えば、水素の割合が多くなった場合には、水素の割合が多くなった燃料に対する適正な空気量は、燃焼量に応じて供給される空気量よりも少ないため、過剰空気が増加し、空気比が高くなる。そのように、空気比が高くなった場合には、振動燃焼の発生や、失火の虞が生じる。一方、水素の割合が少なくなった場合には、水素の割合が少なくなった燃料に対する適正な空気量は、燃料状態に応じて供給される空気量よりも多いため、空気比が低くなる。
【0029】
このような課題を解決するために、本実施形態においては、燃料として同じ流量が供給されているときであっても混合割合が変動している場合に、天然ガスと水素との比重が異なることにより燃料差圧センサ16により検出される差圧が変動することに着目し、当該差圧が適正範囲差圧内であると判定されなかった場合に特定制御が行われる。これにより、差圧に基づいて混合ガスの混合割合に変動があったことを検出して、燃料の混合割合が適正であるか否かを特定可能となる。すなわち、適正な空気比で運転がされていないことを特定可能となるため、迅速に適切な対応を取ることが可能となる。その結果、混合割合の変動に起因する失火などを抑制することができる。
【0030】
<ボイラの制御処理について>
図2は、ボイラの制御の一例を説明するためのフローチャートである。制御装置6は、ボイラ1の運転中、一定期間(例えば1秒)毎に本制御を実行する。
【0031】
ステップS01では、燃料体積流量計10で、燃料供給路5を流通する燃料の体積流量を測定する。本実施形態に係るボイラ1では、燃料流量調整弁12が、空気供給路30内の燃焼用空気減圧部材8の前後の差圧に応じて開度が変化するように構成されているため、燃料供給路5には、燃焼量に応じた体積流量で燃料が流通するようになる。このため、燃料流量体積計10からは、燃焼量に応じた燃料の体積流量が測定されることとなる。
【0032】
ステップS02では、ステップS01において測定された体積流量に応じた適正差圧範囲を、記憶部62に記憶されているデータテーブルを参照することで特定する。ここで、適正差圧範囲とは、燃料(混合ガス)の混合割合が適正である場合(例えば、水素の混合割合が15%から25%)に燃料差圧センサ16により検出される(取り得る)差圧の範囲である。すなわち、適正な空気比で運転されている場合に検出される燃料の差圧のことである。
【0033】
ステップS03では、燃料差圧センサ16によりオリフィス15の上流側と下流側との差圧を検出する。
【0034】
ステップS04では、ステップS03において検出された差圧が、ステップS02において特定された適正差圧範囲内であるか否かを判定する。ステップS04において、検出された差圧が適正差圧範囲内であると判定されたときには、燃料が適正な混合割合となっており、適正な空気比で運転されているため、処理を終了する。
【0035】
一方、ステップS04において、検出された差圧が適正差圧範囲内あると判定されなかったときには、ステップS05に進む。この場合、燃料が適正な混合割合となっておらず、適正な空気比で運転されていない可能性が高いため、ステップS05において、警告アラームを報知し、処理を終了する。
【0036】
以上のように、本実施の形態では、天然ガスと水素との比重が異なることを利用し、比重が異なるガスが混合された混合ガスの流量の差圧(ステップS03)が、適正な差圧の範囲内であるか否かの判定(ステップS04)をすることができる。これにより、適正差圧範囲内ではないと判定された場合には、例えば、警告アラームを報知するなどの特定制御(ステップS05)を行い、混合割合の変動に起因する失火などを抑制することができる。
【0037】
また、燃料体積流量計10の測定結果(ステップS01)に基づき、混合ガスの流量の適正差圧範囲が適宜変更される(ステップS02)。そのため、燃焼量に応じた適正な混合割合となっているか否かの判断が可能となる。
【0038】
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。
【0039】
上記実施の形態では、燃料の流量に応じた適正差圧範囲を特定するために、記憶部62に予め記憶されたデータテーブルを参照する例について説明した。しかし、これに限らず、例えば予め定められた算出式を用いて、体積流量の測定結果に応じて都度、適正差圧範囲を算出するものであってもよい。
【0040】
上記実施の形態では、特定制御の一例として、警告アラームを報知する例について説明した。しかし、特定制御は、これに限らず、ステップS04において検出された差圧が、適正差圧範囲内であると判定されなければ、ボイラの運転をすぐに停止するもの、一定期間(時間)経過後停止するもの、あるいは、警告アラーム報知から一定期間(時間)経過後に停止するものなどであってもよい。なお、特定制御による警告アラームの報知が行われた後であっても、差圧が適正差圧範囲内であることが検出された場合、あるいは、所定時間経過後に、警告アラームを終了するものとしてもよい。また、差圧が適正差圧範囲内ではなく混合割合が変動しているときには、特定制御として、当該変動後の混合割合に対して適正な空気比となるように空気供給量を調整するようにしてもよい。あるいは、電磁的に開度を調整可能な燃料流量調整弁(ガスバルブ)を燃料供給路5に設け、特定制御として、変動後の混合割合であっても現状供給している空気供給量で適正な空気比となるように、当該ガスバルブの開度を制御して供給する燃料の流量を調整するようにしてもよい。
【0041】
上記実施の形態におけるボイラ1で供給される燃料は、天然ガス(メタンを主成分とする)と、水素との混合ガスである例について説明した。しかし、混合する気体燃料(ガス)の種類はこれに限らず、例えば、プロパンガス(LPガス)と、水素との混合ガスなど、比重が異なるガスであればよく、天然ガス、水素に限られず、比重が4~5倍異なる気体燃料や、7~8倍異なる気体燃料の混合ガスであってもよい。
【0042】
上記実施の形態におけるボイラ1では、燃焼量が段階的に異なる複数種類の燃焼段階のいずれかに制御するボイラである場合について説明した。しかし、これに限らず、ON/OFF制御を行うボイラであってもよく、燃焼段階を細かく制御可能な、所謂比例制御のボイラであってもよい。
【0043】
上記実施の形態におけるボイラ1では、燃料体積流量計10の測定結果を用いることで、燃焼量に応じた適正差圧範囲を特定する例について説明した。しかし、これに限らず、燃料体積流量計10を用いずに、例えば、燃焼段階(燃焼段階に対応する燃料の流量)に応じた適正差圧範囲を予め定め、燃料差圧センサ16から検出される差圧が、制御している燃焼段階に応じた適正差圧範囲内であるか否かを判定するようにしてもよい。この場合の適正差圧範囲とは、燃焼段階に応じた適正な空気比となる場合に燃料差圧センサ16により検出される差圧の範囲である。
【0044】
上記実施の形態におけるボイラ1は、燃料流量調整弁12の開度が機械的に調整されることで燃料の流量が制御されるが、燃料供給用調整弁12を制御装置6による電子制御により開度を調整することで、燃料の流量の制御をできるようにしてもよい。電子制御による制御により制御する場合には、燃焼用空気減圧部材8の前後の差圧を検知し、差圧情報を出力する空気量検知部を制御装置6と電気的に接続し、空気量検知部からの差圧情報を制御装置6に入力する。制御装置6は、空気量検知部から入力される差圧情報に基づいて、燃焼の段階に応じて、燃料流量調整弁12の開度を調整する。制御装置6は、メモリに予め記憶された開度調整情報に基づいて、燃料流量調整弁12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、燃料流量調整弁12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、差圧に応じて燃料流量調整弁12の開度を特定可能なテーブルであってもよく、また差圧に応じて燃料流量調整弁12の開度を特定するための演算式であってもよい。
【0045】
上記実施の形態においては、ダンパ7の制御を、ダンパ配線の1次側にON-OFFタイマを追加し、移行時にダンパ7の作動用のコントロールモータを段階的に動作させる例について説明した。しかし、これに限らず、タイマを用いずにコンピュータからの信号を断続的にON、OFFさせることで制御するものであってもよい。タイマを追加することなく制御可能とすることで、コストダウンが可能となる。
【0046】
上記実施の形態においては、空気供給路30にダンパ7を設けて、送風機3は一定速度で回転させつつダンパ7の位置を変更することで、燃焼用空気の流量を調整する例について説明した。しかし、これに限らず、ダンパ7の位置(開度)と送風機3のファンの回転速度とで燃焼用空気の流量を調整してもよい。この場合、制御装置6は、所定期間に亘ってダンパ7の位置および送風機3のファンの回転速度を変化させないように制御する。あるいは、空気供給路30にダンパ7を設けることなく、送風機3のファンの回転速度のみで燃焼用空気の流量を調整してもよい。この場合、制御装置6は、所定期間に亘って送風機3のファンの回転速度を変化させないように制御する。
【0047】
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。
【符号の説明】
【0048】
1ボイラ
2ボイラ本体
3送風機(空気供給部)
4煙道
5燃料供給路
6制御装置
61制御部
62記憶部
7ダンパ(空気供給部)
8燃焼用空気減圧部材
10燃料体積流量計
11開閉弁
12燃料流量調整弁
13分岐路
15オリフィス
16燃料差圧センサ
20バーナ
30空気供給路