JP6274396B2 - ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、多管式のボイラに関するものであり、特に、水管内面へのスケール（水中の硬度分が析出したもの）の付着を判定できるボイラに関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されるように、缶体の所定箇所の水管に温度センサを設け、その温度センサの検出温度により、水管内のスケールの付着を監視するボイラが知られている。

特開２００９−９２２７８号公報

前記特許文献１に記載のボイラでは、温度センサの検出温度が設定温度を超えると、水管内に所定以上のスケールが付着していると判定するが（段落００５６）、誤判定をなくすために、さらなる改善が望まれる。

温度センサの検出温度が設定温度以上を設定時間継続すると、水管内に所定以上のスケールが付着していると判定するにしても、燃焼量が変化し得る場合、燃焼量の変化に対して温度センサの温度検出の追従に遅れが生じて、誤判定を起こすおそれが残る。燃焼量を段階的に変化させるボイラの場合、燃焼量を変化させる移行時にはスケールの付着判定を行わないことで対処することもできるが、蒸気負荷に応じて燃焼量を連続的に（つまり無段階に）調整するボイラの場合、そのような対処もできない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、燃焼量の変化に関わらず、水管内へのスケールの付着を容易に確実に判定できるボイラを提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、上部管寄せと下部管寄せとの間を多数の水管で接続して構成される缶体と、この缶体内の水を加熱すると共に、蒸気負荷に応じて燃焼量が調整されるバーナと、いずれかの前記水管に設けられる温度センサと、設定時間内の所定割合以上の時間、前記温度センサの検出温度が設定値を超えるか否かで前記水管内のスケールの付着を判定するスケール判定部とを備えることを特徴とするボイラである。

請求項１に記載の発明によれば、設定時間内の所定割合以上の時間、温度センサの検出温度が設定値を超えるか否かで水管内のスケールの付着を判定するので、燃焼量の変化に対して温度センサの温度検出の追従に遅れが生じても、スケールの付着を確実に判定することができる。

請求項２に記載の発明は、最大燃焼量と最小燃焼量との間で、蒸気負荷に応じて前記バーナの燃焼量を連続的に調整し、その燃焼量に応じて前記設定値を変更することを特徴とする請求項１に記載のボイラである。

請求項２に記載の発明によれば、蒸気負荷に応じて燃焼量を連続的に調整するボイラであっても、燃焼量に応じて設定値を変更し、しかも、設定時間内の所定割合以上の時間、温度センサの検出温度が設定値を超えるか否かで水管内のスケールの付着を判定するので、燃焼量の変化に対して温度センサの温度検出の追従に遅れが生じても、スケールの付着を確実に判定することができる。

請求項３に記載の発明は、前記設定値は、設定タイミングにおける燃焼量に基づき決定された後、その設定タイミングにおける蒸気圧に基づき補正されることを特徴とする請求項２に記載のボイラである。

請求項３に記載の発明によれば、スケールの付着を判定するための設定値は、燃焼量に基づき決定された後、蒸気圧に基づき補正されるので、スケールの付着をより正確に判定することができる。なお、蒸気圧を考慮するのは、蒸気圧により缶体内（つまり水管内）の飽和温度が異なることを考慮したものである。
請求項４に記載の発明は、前記設定値は、燃焼量の異なる少なくとも二点において予め設定されており、これ以外の箇所の燃焼量については線形補間により求められることを特徴とする請求項１に記載のボイラである。
さらに、請求項５に記載の発明は、前記設定値は、最大燃焼量と最小燃焼量とその間の中間燃焼量との少なくとも三点の燃焼位置において予め設定されており、これ以外の箇所の燃焼量については、その箇所の前後の前記燃焼位置間の線形補間により求められることを特徴とする請求項１に記載のボイラである。

本発明によれば、燃焼量の変化に関わらず、水管内へのスケールの付着を容易に確実に判定できるボイラを実現することができる。

本発明のボイラの一実施例を示す概略図であり、一部を断面にして示している。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のボイラ１の一実施例を示す概略図であり、一部を断面にして示している。

本実施例のボイラ１は、ガス焚きの多管式貫流ボイラであり、給水路２を介して水が供給され蒸気路３を介して蒸気を導出する缶体４と、この缶体４内の水を加熱するバーナ５と、このバーナ５に燃焼用空気を供給するファン６と、このファン６からバーナ５への燃焼用空気にガス燃料を混入する燃料供給路７と、前記缶体４から排ガスを導出する排ガス路８とを備える。

缶体４は、上部管寄せと下部管寄せとの間を多数の垂直な水管で接続して構成される。缶体４の形状は、特に問わないが、本実施例では角形つまり直方体形状とされる。缶体４は、給水路２を介して下部管寄せから適宜給水され、所望水位に維持される。缶体４内の水は、バーナ５からの燃焼ガス（バーナ５側において火炎を含む）により加熱され、蒸気として上部管寄せから蒸気路３へ導出される。その蒸気は、所望により蒸気ヘッダなどを介して、各種の蒸気使用設備へ送られる。

缶体４には、一側端部にバーナ５が設けられ、これと反対側の端部に排ガス路（煙道，煙突）８が設けられる。このような缶体４は、一側端部のバーナ５からの燃焼ガスが、水管間の隙間を介して他側端部の排ガス路８へ向けて流通するように、前後面（図１において紙面と直交する方向の両面）に水管壁（ヒレで連結された水管群）が配置され、缶体カバーなどで覆われる。バーナ５からの燃焼ガスは、各水管内の水と熱交換した後、排ガスとして排ガス路８から排出される。

バーナ５は、本実施例では平面状の燃焼面（予混合気噴出面）を有する完全予混合式のバーナとされる。バーナ５には、燃焼量に応じた量の燃焼用空気とガス燃料とが供給される。

バーナ５への燃焼用空気の供給は、ファン６からの空気を、燃焼用空気路９を介して送り込むことでなされる。燃焼用空気の流量の調整は、燃焼用空気路９にダンパ（傾斜角度を変更可能な板材）１０を設けてこのダンパ１０の位置を調整するが、これに代えてまたはこれに加えて、インバータを用いてファン６のモータの回転速度を変えてもよい。

バーナ５へのガス燃料の供給は、燃料供給路７からのガス燃料を、燃焼用空気路９を介して送り込むことでなされる。燃焼用空気路９にダンパ１０が設けられる場合、燃焼用空気路９には、ダンパ１０より下流において、燃料供給路７からガス燃料が供給される。燃料供給路７からのガス燃料は、燃焼用空気路９内において噴出され、ファン６からの空気に混合される。燃料供給路７には、燃料流量調整バルブ１１が設けられており、噴出させる燃料ガスの流量を調整することができる。

ボイラ１には、温度センサ１２と圧力センサ１３とが設けられる。温度センサ１２は、スケールが付着しやすい所定箇所の水管（たとえばバーナ５から四〜五本目の水管の下方）に設けられる。また、圧力センサ１３は、缶体４内の蒸気圧を検出可能な箇所に設けられる。

ボイラ１は、図示しない制御器により制御される。ボイラ１は、蒸気負荷に応じて、バーナ５の燃焼量が調整される。本実施例では、バーナ５は、最大燃焼量（１００％燃焼）と最小燃焼量（たとえば２０％燃焼）との間で、蒸気負荷に応じて燃焼量を連続的に調整可能とされる（ＰＩＤ制御）。

蒸気負荷とは、蒸気の使用負荷であり、蒸気の圧力により監視できる。蒸気負荷が大きいと、蒸気使用設備への蒸気圧が下がり、逆に蒸気負荷が少ないと、蒸気使用設備への蒸気圧が上がる。そこで、ボイラ１（またはボイラ１から蒸気使用設備への蒸気路もしくは蒸気ヘッダなど）に設けた圧力センサ１３により、蒸気負荷を監視し、それに基づきバーナ５の燃焼量を連続的に調整する。この際、蒸気負荷が少なく、蒸気圧が上限値を上回ると、燃焼待機状態とするか、連続パイロット燃焼を行う。

燃焼待機状態とは、バーナ５の燃焼を完全に停止した状態をいう。一方、連続パイロット燃焼を行う場合、ボイラ１は、メインバーナ（５）と、これへの点火用のパイロットバーナとを備え、連続パイロット燃焼とは、メインバーナ（５）の燃焼は停止するが、パイロットバーナの燃焼を維持した状態をいう。このパイロットバーナの燃焼量は、前記最小燃焼量よりも更に小さな燃焼量であって、蒸気圧力を上昇させることのない程度の燃焼量である。ボイラ１を停止させると、再起動時のプレパージの送風により放熱損失が増すが、連続パイロット燃焼を行うことで、再起動時のプレパージをなくすことができる。

バーナ（メインバーナ）５の燃焼の有無は、上述したとおり蒸気圧に基づき制御されるが、その制御にディファレンシャル（動作隙間）が設定される。具体的には、蒸気圧の上昇時、圧力センサ１３の検出圧力が第一設定値（たとえば１．７５ＭＰａ）以上になると、最小燃焼量での燃焼を維持し、その後、第二設定値（たとえば１．８ＭＰａ）以上になると、燃焼待機状態または連続パイロット燃焼状態に移行する。逆に、燃焼待機状態または連続パイロット燃焼状態にあるとして、蒸気圧の下降時、圧力センサ１３の検出圧力が前記第一設定値未満となると、バーナ５の燃焼を再開して、蒸気圧に応じて燃焼量を連続的に調整する制御を行えばよい。

制御器は、さらに、水管内面への所定以上のスケールの付着を判定するスケール判定部としても機能する。具体的には、スケール判定部は、温度センサ１２の検出温度が設定値［℃］を超えるか否かで、水管内のスケールの付着を判定する。温度センサ１２の検出温度が設定値を超えた場合、水管内に所定以上のスケールが付着しているとして、たとえばアラームを鳴らすなどして、ユーザにお知らせする。

本実施例のボイラ１の場合、前述したように、バーナ５の燃焼量が連続的に変化するので、スケールの付着判定の基準値としての前記設定値も、バーナ５の燃焼量に応じて変更されるのがよい。本実施例では、最大燃焼量（１００％燃焼）と、最小燃焼量（たとえば２０％燃焼）と、その間の中間燃焼量（たとえば６０％燃焼であるが変更可能である）との少なくとも三点の燃焼位置において、前記設定値が予め設定されている。たとえば、最大燃焼量用設定値ＴＨ、最小燃焼量用設定値ＴＬ、中間燃焼量用設定値ＴＭの三つが設定されている。そして、これ以外の箇所では、その前後の燃焼位置間の線形補間により、設定値が求められる。

たとえば、最小燃焼量ＸＬと中間燃焼量ＸＭとの間の燃焼量Ｘで燃焼しているとして、その燃焼量Ｘに対する設定値Ｔは、次式により求められる。

［数１］ Ｔ＝ＴＬ＋｛（Ｘ−ＸＬ）／（ＸＭ−ＸＬ）｝（ＴＭ−ＴＬ）

また、中間燃焼量ＸＭと最大燃焼量ＸＨとの間の燃焼量Ｘで燃焼しているとして、その燃焼量Ｘに対する設定値Ｔは、次式により求められる。

［数２］ Ｔ＝ＴＭ＋｛（Ｘ−ＸＭ）／（ＸＨ−ＸＭ）｝（ＴＨ−ＴＭ）

このように、制御器（スケール判定部）は、温度センサ１２の検出温度が設定値を超えるか否かで、水管内のスケールの付着を判定する。そして、スケールの付着を判定しようとするタイミングにおいて、バーナ５の燃焼量が最大燃焼量ＸＨであれば、スケールの付着判定の基準値は最大燃焼量用設定値ＴＨとなり、バーナ５の燃焼量が中間燃焼量ＸＭであれば、スケールの付着判定の基準値は中間燃焼量用設定値ＴＭとなり、バーナ５の燃焼量が最小燃焼量ＸＬであれば、スケールの付着判定の基準値は最小燃焼量用設定値ＴＬとなる。また、スケールの付着を判定しようとするタイミングにおいて、バーナ５の燃焼量が最小燃焼量ＸＬと中間燃焼量ＸＭとの間にある場合、スケールの付着判定の基準値は前記数式１により求められ、バーナ５の燃焼量が中間燃焼量ＸＭと最大燃焼量ＸＨとの間にある場合、スケールの付着判定の基準値は前記数式２により求められる。このように、蒸気負荷に応じて燃焼量を連続的に調整するボイラ１であっても、スケールの付着判定の基準値となる設定値が、最大燃焼量と最小燃焼量とその間の中間燃焼量との少なくとも三点の燃焼位置において予め設定されると共に、これ以外の箇所の燃焼量については、その箇所の前後の燃焼位置間の線形補間により求められるので、より信頼性の高いスケールの付着判定が可能となる。

しかも、本実施例では、制御器は、設定タイミングにおける燃焼量に応じた設定値を、その設定タイミングからの設定時間（たとえば１分）内の所定割合（たとえば８０％）以上の時間、温度センサ１２の検出温度が超えるか否かで水管内のスケールの付着を判定する。これにより、燃焼量の変化に対して温度センサ１２の温度検出の追従に遅れが生じても、スケールの付着を確実に判定することができる。

ところで、前記設定値は、設定タイミングにおける燃焼量に基づき決定された後、その設定タイミングにおける蒸気圧に基づき補正されるのが好ましい。たとえば、蒸気圧を複数の圧力域に分けておき、各圧力域に対する補正値［℃］を割り当てておく。この際、圧力域とそれに対する補正値とを、テーブルとして記憶手段に記憶しておいてもよい。この補正値は、圧力域により、マイナスの数値のこともあるし、プラスの数値のこともある。そして、制御器は、バーナ５の燃焼量に基づき前述のようにして設定値を求めると共に、圧力センサ１３の検出圧力に基づきその圧力が属する圧力域の補正値を求め、バーナ５の燃焼量により求められた設定値に、圧力センサ１３により求められた補正値を加算して、その結果を補正後の設定値とすればよい。

このように、スケールの付着を判定するための設定値は、燃焼量に基づき決定された後、蒸気圧に基づき補正されるようにすれば、スケールの付着をより正確に判定することができる。なお、蒸気圧を考慮するのは、蒸気圧により缶体４内（つまり水管内）の飽和温度が異なることを考慮したものである。言い換えれば、蒸気圧による飽和温度の違いを考慮して、前記補正値が決められている。

本発明のボイラ１は、前記実施例の構成に限らず適宜変更可能である。特に、所定箇所の水管に温度センサ１２を設け、設定時間内の所定割合以上の時間、温度センサ１２の検出温度が設定値を超えるか否かで、水管内のスケールの付着を判定するのであれば、その他の構成は適宜に変更可能である。

たとえば、前記実施例では、最大燃焼量と最小燃焼量と中間燃焼量との三箇所において、設定値を予め決めておき、これ以外の箇所の燃焼量については、線形補間により求めたが、予め設定値を決めておく燃焼量は、三点に限らない。具体的には、最大燃焼量と最小燃焼量との二点において予め設定値を決めておき、この間は両者の線形補間によって求めるようにしてもよい。あるいは、最大燃焼量と最小燃焼量と、その間の二点以上において、予め設定値を決めておき、これ以外の箇所については、その直前直後（予め規定されている複数箇所の燃焼量の設定値の内、現在の燃焼量よりも少ない側と多い側とであって、現在の燃焼量に最も近い燃焼量の設定値間）の線形補間により求めればよい。

また、ボイラ１の缶体４は、角形に限らず円筒型としてもよく、その場合、バーナ５は缶体４上部に下方へ向けて設置すればよい。また、前記実施例では気体燃料を用いたガス焚きボイラ１について説明したが、液体燃料を用いた油焚きボイラとしてもよい。

さらに、前記実施例では、燃焼量を最大燃焼量と最小燃焼量との間で連続的に調整する例について説明したが、燃焼量を段階的に調整してもよい。たとえば、高燃焼、中燃焼、低燃焼および停止の四位置で制御したりしてもよい。その場合でも、各燃焼位置において、設定時間内の所定割合以上の時間、温度センサ１２の検出温度が燃焼量に応じた設定値を超えるか否かで水管内のスケールの付着を判定することができる。その際、中間燃焼量に対する設定値を、線形補間により求めることもできる。

１ ボイラ
２ 給水路
３ 蒸気路
４ 缶体
５ バーナ
６ ファン
７ 燃料供給路
８ 排ガス路
９ 燃焼用空気路
１０ ダンパ
１１ 燃料流量調整バルブ
１２ 温度センサ
１３ 圧力センサ

Claims (5)

1. 上部管寄せと下部管寄せとの間を多数の水管で接続して構成される缶体と、
   この缶体内の水を加熱すると共に、蒸気負荷に応じて燃焼量が調整されるバーナと、
   いずれかの前記水管に設けられる温度センサと、
   設定時間内の所定割合以上の時間、前記温度センサの検出温度が設定値を超えるか否かで前記水管内のスケールの付着を判定するスケール判定部と
   を備えることを特徴とするボイラ。
2. 最大燃焼量と最小燃焼量との間で、蒸気負荷に応じて前記バーナの燃焼量を連続的に調整し、
   その燃焼量に応じて前記設定値を変更する
   ことを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
3. 前記設定値は、設定タイミングにおける燃焼量に基づき決定された後、その設定タイミングにおける蒸気圧に基づき補正される
   ことを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
4. 前記設定値は、燃焼量の異なる少なくとも二点において予め設定されており、これ以外の箇所の燃焼量については線形補間により求められる
   ことを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
5. 前記設定値は、最大燃焼量と最小燃焼量とその間の中間燃焼量との少なくとも三点の燃焼位置において予め設定されており、これ以外の箇所の燃焼量については、その箇所の前後の前記燃焼位置間の線形補間により求められる
   ことを特徴とする請求項１に記載のボイラ。

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