JP6123253B2

JP6123253B2 - ボイラ装置

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Publication number: JP6123253B2
Application number: JP2012256900A
Authority: JP
Inventors: 孝明大西; 栄紀鈴木; 啓二西村
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: JP2014105881A; WO2014080657A1

Description

本発明は、ボイラ装置に関する。

従来、缶体において燃料ガスを燃焼させて発生させた燃焼ガスにより水を加熱することで蒸気を生成するボイラが知られている。ボイラにおいて、燃料ガスは燃焼用空気と混合された後、缶体に供給される。缶体に供給される燃焼用空気と、燃料ガスとを混合させる比率（空燃比）は、缶体の内部における燃焼状態を安定させるため、一定に保つ必要がある。

缶体に供給される燃焼用空気の量の変動に合わせて、供給される燃料ガスの量を制御する装置としては、燃焼用空気が流通する給気ダクトの内部に減圧手段を設け、減圧手段の前後における圧力の差（圧力損失）に基づいて供給する燃料ガスの量を制御するガス量制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、燃料ガスと混合されて缶体に供給される燃焼用空気と、蒸気を生成するために用いられた後の燃焼ガスとの間で熱交換を行うエアヒータを設けることにより、燃焼ガスから熱回収を行うことで熱効率を向上させたボイラも提案されている。

このようなエアヒータを給気ダクトに設けたボイラにおいて、特許文献１に記載された技術を適用して、給気ダクトを流通する燃焼用空気の圧力損失に基づいて供給するガス量を制御した場合、燃焼用空気の体積流量（ｍ^３／ｈ）が同じであったとしても、燃焼用空気の温度が低くなると燃焼用空気の質量流量（ｋｇ／ｈ）が高くなるので、供給される燃料ガスの量は燃焼の際に必要とされる燃料ガスの量よりも少なくなる傾向にある。逆に、燃焼用空気の温度が高くなると燃焼用空気の体積流量が同じであっても質量流量は小さくなるので、供給される燃料ガスの量は燃焼の際に必要とされる燃料ガスの量よりも多くなる傾向にある。

特開平１１−１０８３５２号公報

このように、ボイラの給気ダクトに、燃焼用空気を加熱する空気加熱器（エアヒータ）を設け、更に、給気ダクト内に減圧部材を設けた上で、減圧手段の前後における圧力の差に基づいて供給するガス量を制御した場合、実際に必要なガス量と供給されるガス量との差が大きくなってしまう蓋然性が高くなる。特に、ボイラの起動時においては、燃焼用空気の温度が低いことから、着火の際に必要なガス量に比べて供給されるガス量が少なくなってしまう傾向にあり、燃料ガスに着火し難くなるといった問題が発生してしまう場合があった。

本発明は、上記課題を解決するものであり、給気ダクトに空気加熱器を設けた場合であっても、燃焼用空気と燃料ガスとを混合させる比率を一定に保つことが可能なボイラ装置を提供することを目的とする。

本発明は、缶体と、前記缶体に空気を供給する送風機と、前記缶体と前記送風機とを接続し、前記送風機から供給される空気が流通する給気ダクトと、前記給気ダクトに設けられ、前記送風機から供給される空気を加熱する空気加熱器と、前記給気ダクトにおける前記空気加熱器よりも前記缶体側に接続され、前記給気ダクトに燃料ガスを供給するガス供給ラインと、前記給気ダクトにおける前記空気加熱器よりも前記送風機側に配置され、該給気ダクトを流通する空気を減圧する減圧部材と、前記減圧部材の上流側の圧力を検出する第１圧力検出部と、前記減圧部材の下流側の圧力を検出する第２圧力検出部と、前記第１圧力検出部により検出された圧力と前記第２圧力検出部により検出された圧力との差に基づいて、前記ガス供給ラインから供給される燃料ガスの供給量を制御する制御部と、を備えるボイラ装置に関する。

前記給気ダクトにおける前記減圧部材よりも前記送風機側に配置され、前記送風機から供給される空気の量を調整するダンパを更に備え、前記ダンパと前記減圧部材との間は、該ダンパを通過した空気の偏流による影響を受けない程度の長さ離間していることが好ましい。

本発明によれば、給気ダクトに空気加熱器を設けた場合であっても、燃焼用空気と燃料ガスとを混合させる比率を一定に保つことが可能なボイラ装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るボイラ装置を示す外観図であり、図１（ａ）は前記ボイラ装置の正面図であり、図１（ｂ）は前記ボイラ装置の右側面図であり、図１（ｃ）は前記ボイラ装置の背面図であり、図１（ｄ）は前記ボイラ装置の平面図である。本発明の実施形態に係るボイラ装置における缶体部分の断面図であり、図（ｄ）のＡ−Ａ線断面を示す図である。図２のＢ−Ｂ線断面図である。本発明の実施形態に係るボイラ装置の構成を示す概略図である。本発明の実施形態に係るボイラ装置を左側面から視た、送風機と空気加熱器とを結ぶ給気ダクトの形状について示した概略図である。

以下、本発明の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、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を接続して燃焼用空気が流通する給気ダクト３０と、給気ダクト３０に燃料ガスを供給するガス供給ライン４０（図４参照）と、缶体１０から排出される燃焼ガスが流通する排気筒５０と、缶体１０に水を供給する給水路（図示せず）と、缶体１０に供給される水と燃焼ガスとの間で熱交換を行うエコノマイザ６０と、燃焼ガスと燃焼用空気との間で熱交換を行うエアヒータ（本発明に係る空気加熱器）７０と、ガス供給ライン４０に備えられた弁を制御する制御装置８０（図４参照）と、を備える。

缶体１０は、図２及び図３に示すように、ボイラ筐体１１と、複数の水管１２と、連結壁１３と、下部ヘッダ１４と、上部ヘッダ１５と、バーナ１７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１８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１９が形成される。
給気口１８には、後述の給気ダクト３０の先端部が接続される。排気口１９には、後述の排気筒５０の基端部が接続される。

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ともに、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。
本実施形態では、複数の水管１２は、ボイラ筐体１１の長手方向に延びる側部に沿って配置される外側水管群１２ａと、ボイラ筐体１１の幅方向の中央部に、長手方向に沿って配置される中央水管群１２ｂと、外側水管群１２ａと中央水管群１２ｂとの間に配置される中間水管群１２ｃと、に分類される。
連結壁１３は、外側水管群１２ａにおいて隣り合って配置される水管１２同士を連結する。

下部ヘッダ１４は、平面視矩形形状の直方体状の容器によって構成され、ボイラ筐体１１の下部に配置される。下部ヘッダ１４には、複数の水管１２の下端部が接続される。下部ヘッダ１４には、水が供給され、この下部ヘッダ１４から複数の水管１２に水が供給される。

上部ヘッダ１５は、平面視矩形形状の直方体状の容器によって構成され、ボイラ筐体１１の上部に配置される。上部ヘッダ１５には、複数の水管１２の上端部が接続される。上部ヘッダ１５には、複数の水管１２において生成された蒸気が集められる。上部ヘッダ１５に集められた蒸気は、蒸気導出管１６（図１参照）を介して外部に導出される。
バーナ１７は、給気口１８に配置される。

送風機２０は、図１に示すように、ボイラ装置１の左側面側の下部に配置される。送風機２０は、エアホイール羽根を有する。
エアホイール羽根は、送風機２０の内部に配置される。このエアホイール羽根が回転することで、燃焼用空気が送風機２０に引き込まれて、後述の給気ダクト３０に送り込まれる。

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。
給気ダクト３０は、図１に示すように、上向き給気路部３１と、第１水平給気路部３２と、第１下向き給気路部３３と、第２水平給気路部３４と、第２下向き給気路部３５と、を有する。

上向き給気路部３１は、図１（ｃ）に示すように、送風機２０との接続部分から上方に延びる。より詳細には、上向き給気路部３１は、図５に示すように、送風機２０側に設けられた第１屈曲部３１１と、第２屈曲部３１２とを有する。上向き給気路部３１は、第１屈曲部３１１と第２屈曲部３１２によって、送風機２０から送り込まれた燃焼用空気が偏流を生じない程度に屈曲している。
上向き給気路部３１における第１屈曲部３１１の近傍には、ダンパ３１３が配置される。このダンパ３１３の開度を調整することで、送風機２０から送られる燃焼用空気の流通量が調整される。

第１水平給気路部３２は、図１（ｃ）及び（ｄ）に示すように、上向き給気路部３１の上端に接続され水平方向に延びる。
第１下向き給気路部３３は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１水平給気路部３２の先端部から下方に延びる。

第２水平給気路部３４は、図１（ｂ）に示すように、第１下向き給気路部３５の先端部から缶体１０の上方を略水平方向に延びる。
第２下向き給気路部３５は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２水平給気路部３４の先端部から、缶体１０の第１側面１１ａに沿って下方に延び、給気口１８に接続される。

ガス供給ライン４０は、第２下向き給気路部３５に接続され、給気ダクト３０に燃料ガスを供給する。このガス供給ライン４０には、調整弁４１と、オリフィス４２と、複数のノズル４３が設けられる。
調整弁４１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。オリフィス４２は、調整弁４１の下流側に配置される。
複数のノズル４３は、ガス供給ライン４０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。複数のノズル４３の先端側は、上方に向かって、つまり、給気ダクト３０における燃焼用空気の流通方向に対向する方向に延びている（図２及び４参照）。

以上の給気ダクト３０によれば、送風機２０から送り出された燃焼用空気は、図１に示すように、上向き給気路部３１を上方に向かって流通した後、第１水平給気路部３２を水平方向に流通してから第１下向き給気路部３３を下方に向かって流通し、続いて第２水平給気路部３４を水平方向に流通し、最後に第２下向き給気路部３５を下方に向かって流通することで缶体１０に供給される。また、第２下向き給気路部３５において、ガス供給ライン４０から燃料ガスが供給され、燃料ガスと燃焼用空気とが混合される。

排気筒５０は、缶体１０（ボイラ筐体１１）の第２側面１１ｂに接続される。排気筒５０は、缶体１０の内部で混合ガスが燃焼して生じた燃焼ガスを排出する。排気筒５０は、第２側面１１ｂに沿って上方に延びる上向き排気路部５１を有する。
以上の排気筒５０によれば、缶体１０から排出された燃焼ガスは、図１に示すように、上向き排気路部５１を上方に向かって流通して排出される。

エコノマイザ６０は、缶体１０（ボイラ筐体１１）の第２側面１１ｂの近傍に配置される。エコノマイザ６０は、給水路（図示しない）を流通する水と、排気筒５０（上向き排気路部５１）を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行う。
より具体的には、エコノマイザ６０は、給水路を上方から下方に流通する水と、上向き排気路部５１を下方から上方に流通する燃焼ガスと間で熱交換を行うことで水を加熱する。

エアヒータ７０は、図１に示すように、エコノマイザ６０の上方における第１下向き給気路部３３及び上向き排気路部５１が位置する部分に配置される。エアヒータ７０は、給気ダクト３０を流通する燃焼用空気と、排気筒５０（上向き排気路部５１）を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行う。
より具体的には、エアヒータ７０は、第１下向き給気路部３３を上方から下方に流通する燃焼用空気と、上向き排気路部５１を下方から上方に流通する燃焼ガスと間で熱交換を行うことで燃焼用空気を加熱する。

制御装置８０は、調整弁４１の開度を制御することで、給気ダクト３０に供給される燃料ガスの量を制御する。この制御装置８０は、給気ダクト３０に配置される減圧部材としてのパンチングメタル３１４と、このパンチングメタル３１４の上流側に配置される第１圧力検出部３１５と、パンチングメタル３１４の下流側に配置される第２圧力検出部３１６と、制御部８１と、記憶部８２と、を備える。

パンチングメタル３１４は、多数の貫通穴が形成された金属板により構成される。パンチングメタル３１４は、図５に示すように、エアヒータ７０の上流側で、且つ、上向き給気路部３１におけるダンパ３１３よりも下流側に配置される。パンチングメタル３１４は、上向き給気路部３１を流通する燃焼用空気を減圧する。
本実施形態では、図４に示すように、パンチングメタル３１４とダンパ３１３との間は、パンチングメタル３１４がダンパ３１３を通過した空気の偏流による影響を受けない程度の長さ（Ｌ１）だけ離間している。パンチングメタル３１４とダンパ３１３との間の長さＬ１は、好ましくは、８０ｃｍ以上、より好ましくは１００ｃｍ以上である。

第１圧力検出部３１５は、パンチングメタル３１４の上流側の圧力を検出する。第２圧力検出部３１６は、パンチングメタル３１４の下流側の圧力を検出する。

記憶部８２は、ボイラ装置１における、第１圧力検出部３１５及び第２圧力検出部３１６により検出されたパンチングメタル３１４の上流と下流の圧力の差（パンチングメタルにおける圧力損失：ΔＰ）に対応する、ガス供給ライン４０から供給される燃焼ガスの供給流量（Ｇ）を記憶する。ΔＰとＧとの関係は、燃焼用空気と燃料ガスの混合比が、缶体１０の内部で混合ガスが良好に燃焼するような比率となるように設定されている。通常、ΔＰが増加すると、多くの燃料ガスが必要になることからＧも増加し、ΔＰが減少すると、必要な燃料ガスの量が減少することからＧも減少する関係にある。

制御部８１は、第１圧力検出部３１５及び第２圧力検出部３１６により検出されたパンチングメタル３１４の上流と下流の圧力から、パンチングメタル３１４における圧力損失（ΔＰ）を算出し、記憶部８２に記憶された、算出されたΔＰに対応するＧとなるように、調整弁４１の開度を調整する。

次に、主に図４を参照しながらボイラ装置１の動作について説明する。

ボイラ装置１は、送風機２０によって燃焼用空気を引き込むとともに、給気ダクト３０に送り出す。エアヒータ７０よりも上流側に送風機２０が設けられているので、送風機２０は、エアヒータ７０によって加熱されて体積が増加する前の燃焼用空気を引き込んで給気ダクト３０に送り出すことができる。このような配置によって、エアヒータ７０よりも下流側に送風機２０を設ける場合に比べて、送風機２０の送り出す燃焼用空気の容量は相対的に小さくなるので、送風機２０による消費電力を抑えることができる。
給気ダクト３０では送風機２０から送り出された燃焼用空気は、上向き給気路部３１を上方に向かって流通する。上向き給気路部３１を流通する燃焼用空気は、まずダンパ３１３によって流量が調整される。ダンパ３１３によって流量が調整された燃焼用空気はパンチングメタル３１４によって減圧される。パンチングメタル３１４の上流側の圧力は第１圧力検出部３１５によって、パンチングメタル３１４の下流側の圧力は第２圧力検出部３１６によって、それぞれ検出される。

パンチングメタル３１４を通過した燃焼用空気は、上向き給気路部３１及び第１水平給気路部３２を流通した後に、第１下向き給気路部３３を流通する。

第１下向き給気路部３３を流通する燃焼用空気は、エアヒータ７０において、缶体１０から排出され、排気筒５０を流通する燃焼ガスとの間で熱交換されることによって加温される。
尚、缶体１０から排出された燃焼ガスは、エアヒータ７０における熱交換（２回目の熱交換）の前に、エコノマイザ６０において、給水路を流通し、缶体１０に供給される水と熱交換（１回目の熱交換）される。

そして、エアヒータ７０を流通しての燃焼ガスとの間で熱交換を行った後の燃焼用空気は、第２水平給気路部３４を流通し、続いて、第２下向き給気路部３５を流通する。

第２下向き給気路部３５では、ガス供給ライン４０及びガス供給ライン４０の先端部に設けられた複数のノズル４３を通じて燃料ガスが供給され、燃料ガスと燃焼用空気が混合される。
供給される燃焼ガスの量は調整弁４１によって調整される。複数のノズル４３は、給気ダクト３０における燃焼用空気の流通方向に対向する方向に延びているが、このように、複数のノズル４３が、給気ダクト３０における燃焼用空気の流通方向に対して直交する方向から該流通方向に対向する方向に０°〜９０°傾斜した向きに配置されることによって、燃料ガスと燃焼用空気の混合性が向上する。
混合ガスは給気口１８を通じて缶体１０の内部に供給される。

缶体１０では、混合ガスがバーナ１７により噴射されて燃焼される。この混合ガスの燃焼によって、上述した給水路から供給される、缶体１０の内部に配置された水管内の水（缶水）が沸騰して蒸気を生成する。水管内で生成した蒸気は、上部ヘッダ１５に貯留された後、蒸気導出管１６を介して外部に導出される。

一方、ガス流動空間において混合ガスが燃焼することによって生成した燃焼ガスは、排気口１９から排気筒５０に排出される。排気筒５０から排出される燃焼ガスは、上述した１回目の熱交換及び２回目の熱交換に供された後に外部に排出される（図１参照）。

本実施形態に係るボイラ装置１は、以下のような効果を奏する。
（１）ボイラ装置１においては、缶体１０内における燃焼を安定させるため、燃焼用空気と燃料ガスを最適な比率で混合する必要があるが、この混合比率は燃焼用空気の質量に基づいて求められるものである。
一方、ボイラ装置１の給気ダクト３０にパンチングメタル３１４を設けた場合、パンチングメタル３１４の上流側と下流側の圧力の差（圧力損失）に基づいて測定されるのは、燃焼用空気の体積流量（ｍ^３／ｈ）である。
通常、燃焼用空気の温度が低くなると、燃焼用空気の体積が小さくなるので、燃焼用空気の体積流量が同じであっても、燃焼用空気の質量流量（ｋｇ／ｈ）が高くなる。逆に、燃焼用空気の温度が高くなると、燃焼用空気の体積が大きくなるので、燃焼用空気の体積流量が同じであっても質量流量は小さくなる。
従って、ボイラ装置１の給気ダクト３０にエアヒータ７０を設けて燃焼用空気を加熱した上で、給気ダクト３０を流通する燃焼用空気の圧力損失から必要な燃料ガスの量を算出した場合、その算出された燃料ガスの量と、実際に必要な燃料ガスの量との間に差が生じてしまう蓋然性が高くなる。

本実施形態に係るボイラ装置１では、パンチングメタル３１４が、給気ダクト３０におけるエアヒータ７０よりも送風機２０側に配置される。このような配置により、エアヒータ７０によって燃焼用空気を加熱したとしても、パンチングメタル３１４の近傍での燃焼用空気の温度変化はほとんどなく、燃焼用空気の温度変化を考慮しなくとも、パンチングメタル３１４の前後の圧力損失に基づいて燃焼用空気と燃料ガスとを混合させる比率（質量比）を常に一定に保つことが可能となる。燃焼用空気と燃料ガスとを混合させる比率を一定に保つことができれば、缶体１０の内部での混合ガスの燃焼が安定する。

（２）本実施形態に係るボイラ装置１では、給気ダクト３０におけるパンチングメタル３１４よりも送風機２０側に配置され、送風機２０から供給される空気の量を調整するダンパ３１３を更に備え、ダンパ３１３とパンチングメタル３１４との間は、ダンパ３１３を通過した空気の偏流による影響を受けない程度の長さ離間している。
このような配置によって、第１圧力検出部３１５及び第２圧力検出部３１６が、ダンパ３１３によって生じる偏流から影響を受け難い。従って、パンチングメタル３１４の前後における圧力損失の正確な測定が可能となり、燃焼用空気と燃料ガスとを混合させる比率を一定に保つことがより容易になる。

以上、本発明のボイラ装置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、上向き給気路部３１を、第１屈曲部３１１及び第２屈曲部３１２を含んで構成したが、これに限らない。即ち、上向き給気路部を直線状に構成してもよい。

また、本実施形態では、パンチングメタル３１４、第１圧力検出部３１５及び第２圧力検出部３１６を、上向き給気路部３１に配置したが、これに限らない。即ち、パンチングメタル、第１圧力検出部及び第２圧力検出部は、エアヒータよりも上流側であれば、給気ダクトにおける他の部分に配置してもよい。

１ボイラ装置
１０缶体
２０送風機
３０給気ダクト
４０ガス供給ライン
７０エアヒータ（空気加熱器）
８０制御装置
３１３ダンパ
３１４パンチングメタル（減圧部材）
３１５第１圧力検出部
３１６第２圧力検出部

Claims

缶体と、
前記缶体に空気を供給する送風機と、
前記缶体と前記送風機とを接続し、前記送風機から供給される空気が流通する給気ダクトと、
前記缶体において燃料ガスを燃焼させて発生させた燃焼ガスが流通する排気筒と、
前記給気ダクトに設けられ、前記送風機から供給される空気を加熱する空気加熱器と、
前記給気ダクトにおける前記空気加熱器よりも前記缶体側に接続され、前記給気ダクトに前記燃料ガスを供給するガス供給ラインと、
前記給気ダクトにおける前記空気加熱器よりも前記送風機側に配置され、該給気ダクトを流通する空気を減圧する減圧部材と、
前記減圧部材の上流側の圧力を検出する第１圧力検出部と、
前記減圧部材の下流側の圧力を検出する第２圧力検出部と、
前記第１圧力検出部により検出された圧力と前記第２圧力検出部により検出された圧力との差に基づいて、前記ガス供給ラインから供給される燃料ガスの供給量を制御する制御部と、を備え、
前記空気加熱器は、前記給気ダクトを流通する前記空気と、前記排気筒を流通する前記燃焼ガスとの間で熱交換するボイラ装置。
前記給気ダクトにおける前記減圧部材よりも前記送風機側に配置され、前記送風機から供給される空気の量を調整するダンパを更に備え、
前記ダンパと前記減圧部材との間は、該ダンパを通過した空気の偏流による影響を受けない程度の長さ離間している請求項１に記載のボイラ装置。