JP2018087651A - 気体燃焼システム - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、ターンダウン比の向上を図ることができる気体燃焼システムを提供することを目的とする。【解決手段】気体燃焼システム1は、気体Gが流通する1本の配管21の管内圧力を検出する圧力検出部11と、圧力検出部11の下流側に設けられ配管21を流通する気体Gを燃焼する複数の気体燃焼バーナー12と、複数の気体燃焼バーナー12のそれぞれと圧力検出部11との間に個別に設けられ配管21を流通する気体Gを気体燃焼バーナー12に供給するか否かを切り替える自動切替弁13と、圧力検出部11で検出された管内圧力に応じた個数の気体燃焼バーナー12で気体Gが燃焼されるように自動切替弁13の開閉を制御する切替弁制御部14とを備えている。【選択図】図2
Description
本発明は、気体を燃焼する気体燃焼システムに関する。
従来、燃焼用空気として高温の燃焼排ガスを用いたり、あるいは燃焼ガスとして低発熱量のガスを使用することのできるガスバーナが知られている(例えば、特許文献1)。このような燃焼ガスの1つに水素がある。水素は、爆発範囲が広いため、他の気体と比較して燃焼における取扱いは困難である。
燃焼用空気と水素を燃焼直前で混合し、拡散火炎を形成させることは比較的容易であり、水素燃焼用の拡散バーナーは既に用いられている。しかしながら、水素に限られず燃焼ガスを燃焼するための気体燃焼バーナーは、燃焼ガスを有効活用するために、効率的に燃焼ガスを燃焼することが求められている。
本発明の目的は、ターンダウン比の向上を図ることができる気体燃焼システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の一態様による気体燃焼システムは、気体が流通する1本の配管の管内圧力を検出する圧力検出部と、前記圧力検出部の下流側に設けられ前記配管を流通する前記気体を燃焼する複数の気体燃焼バーナーと、前記複数の気体燃焼バーナーのそれぞれと前記圧力検出部との間に個別に設けられ前記配管を流通する前記気体を前記気体燃焼バーナーに供給するか否かを切り替える切替弁と、前記圧力検出部で検出された管内圧力に応じた個数の前記気体燃焼バーナーで前記気体が燃焼されるように前記切替弁の開閉を制御する切替弁制御部とを備えることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、ターンダウン比の向上を図ることできる。
本発明の一実施形態による気体燃焼システムについて図1から図5を用いて説明する。
図1に示すように、本実施形態による気体燃焼システム1が設けられたボイラ設備P1には、ボイラ設備P1に気体を供給する気体供給設備P2が接続されている。気体供給設備P2は例えば化学メーカーの工場である。ボイラ設備P1と気体供給設備P2とは配管22によって接続されている。気体供給設備P2において副生的に発生される気体Gは、配管22を通ってボイラ設備P1に供給される。配管22には不図示の複数の他の設備が接続されている。複数の他の設備は、図1中に曲線矢印で示すように、気体供給設備P2が供給する気体Gを取得して使用するようになっている。気体供給設備P2が供給する気体Gの供給量は一定に保たれている。このため、ボイラ設備P1に供給される気体Gの供給量は、複数の他の設備の気体Gの取得状況に応じて変動するので、配管22の管内圧力も変動する。
図1に示すように、本実施形態による気体燃焼システム1が設けられたボイラ設備P1には、ボイラ設備P1に気体を供給する気体供給設備P2が接続されている。気体供給設備P2は例えば化学メーカーの工場である。ボイラ設備P1と気体供給設備P2とは配管22によって接続されている。気体供給設備P2において副生的に発生される気体Gは、配管22を通ってボイラ設備P1に供給される。配管22には不図示の複数の他の設備が接続されている。複数の他の設備は、図1中に曲線矢印で示すように、気体供給設備P2が供給する気体Gを取得して使用するようになっている。気体供給設備P2が供給する気体Gの供給量は一定に保たれている。このため、ボイラ設備P1に供給される気体Gの供給量は、複数の他の設備の気体Gの取得状況に応じて変動するので、配管22の管内圧力も変動する。
ボイラ設備P1は、配管22に接続されて気体Gが流通する配管21と、配管21に流通する気体Gの流量の変化率を制限する変化率制限器P11と、気体燃焼システム1及び気体燃焼量制限器3が設けられた燃焼部P10とを備えている。変化率制限器P11は、配管22の管内圧力が変動しても配管21に流通する気体Gの流量の変化が一定の範囲に収まるように気体Gの流量の変化率を制限するようになっている。変化率制限器P11は例えば、配管21の管内圧力を検出する圧力検出器、配管21の管内圧力を調節する圧力調節弁、検出された管内圧力に基づいて圧力調節弁を制御する圧力制御部、配管21の管内圧力の急激な上昇や低下時に気体Gを遮断する遮断弁などを有している。
燃焼部P10に設けられた気体燃焼量制限器3は、変化率制限器P11から流入する気体Gの流入量が増大しても気体燃焼システム1に供給される気体Gの供給量が気体燃焼システム1に備えられた複数の気体燃焼バーナー(詳細は後述する)の燃焼量を超過しないように制限するようになっている。気体燃焼量制限器3は、例えば変化率制限器P11から流入する気体Gの流入量を計測する流量計、気体燃焼システム1に供給する気体Gの供給量を調節する流量調節弁、流量計で検出された気体Gの流量に基づいて流量調節弁を制御する流量制御部などを有している。
<気体燃焼システムの概略構成>
次に、本実施形態による気体燃焼システム1の概略構成について図2を用いて説明する。図2に示すように、本実施形態による気体燃焼システム1は、気体Gが流通する1本の配管21の管内圧力を検出する圧力検出部11を備えている。本実施形態では、配管21を流通する気体Gは水素である。
次に、本実施形態による気体燃焼システム1の概略構成について図2を用いて説明する。図2に示すように、本実施形態による気体燃焼システム1は、気体Gが流通する1本の配管21の管内圧力を検出する圧力検出部11を備えている。本実施形態では、配管21を流通する気体Gは水素である。
気体燃焼システム1は、圧力検出部11の下流側に設けられ配管21を流通する気体Gを燃焼する複数の気体燃焼バーナー12と、複数の気体燃焼バーナー12のそれぞれと圧力検出部11との間に個別に設けられ配管21を流通する気体Gを気体燃焼バーナー12に供給するか否かを切り替える自動切替弁(切替弁の一例)13とを備えている。複数の気体燃焼バーナー12のうちの、気体燃焼バーナー12aには複数の自動切替弁13のうちの自動切替弁13aが接続され、気体燃焼バーナー12bには自動切替弁13bが接続され、気体燃焼バーナー12cには自動切替弁13cが接続され、気体燃焼バーナー12dには自動切替弁13dが接続され、気体燃焼バーナー12eには自動切替弁13eが接続され、気体燃焼バーナー12fには自動切替弁13fが接続されている。
図2では、自動切替弁13a,13b,13c,13d,13eが開状態であって気体燃焼バーナー12a,12b,12c,12d,12eが気体Gを燃焼し、自動切替弁13fが閉状態であって気体燃焼バーナー12fが気体Gを燃焼していない状態が図示されている。なお、図2では、開状態の自動切替弁13は白抜きで図示され、閉状態の自動切替弁13は網掛けが付されて図示されている。
以下、連続する参照符号は、最小値及び最大値とこれらの番号の間の「〜」とで表す場合がある。例えば、「自動切替弁13a,13b,13c,13d,13e,13f」は、「自動切替弁13a〜13f」と表す場合がある。また、以下、気体燃焼バーナー12a〜12fを「気体燃焼バーナー12」と総称する場合があり、自動切替弁13a〜13fを「自動切替弁13」と総称する場合がある。
図示は省略するが、複数の気体燃焼バーナー12のそれぞの周りには、水管が配置されている。この水管を流れる水は、気体燃焼バーナー12で気体Gが燃焼されることによって発生する熱を吸収して蒸気となる。発生した蒸気は所定のプラント(不図示)で利用される。
図2に示すように、気体燃焼システム1は、圧力検出部11で検出された配管21の管内圧力に応じた個数の気体燃焼バーナー12で気体Gが燃焼されるように自動切替弁13の開閉を制御する切替弁制御部14を備えている。切替弁制御部14は、自動切替弁13を個別に開閉制御できるように構成されている。切替弁制御部14に設けられた所定の記憶領域には、配管21の管内圧力に対して開状態とする自動切替弁13の個数を規定した開指令管内圧力が記憶され、閉状態とする自動切替弁13a〜13fの個数を規定した閉指令管内圧力が記憶されている。切替弁制御部14は、圧力検出部11で検出される配管21の管内圧力が上昇している場合には、この記憶領域に記憶された開指令管内圧力に基づいて開状態とすべきに自動切替弁13の個数を決定するように構成されている。また、切替弁制御部14は、圧力検出部11で検出される配管21の管内圧力が低下している場合には、この記憶領域に記憶された閉指令管内圧力に基づいて閉状態とすべきに自動切替弁13の個数を決定するように構成されている。
また、気体燃焼システム1は、圧力検出部11の上流側で配管21に設けられ気体燃焼バーナー12への気体Gの供給を遮断するバックアップ型遮断部(遮断弁の一例)17と、圧力検出部11とバックアップ型遮断部17との間の配管21の管内圧力に基づいてバックアップ型遮断部17の開閉を制御する遮断弁制御部18とを備えている。
バックアップ型遮断部17は、配管21に直列に設けられた複数(本例では2つ)の遮断弁171,172を有している。遮断弁171及び遮断弁172はそれぞれ遮断弁制御部18によって制御される。遮断弁制御部18は、気体Gの流通を遮断すべき指示信号を遮断弁171及び遮断弁172の双方に同時に出力する。バックアップ型遮断部17は、複数の遮断弁171,172を有することにより、遮断弁171及び遮断弁172のいずれか一方に不具合が生じて動作しなくても、遮断弁制御部18からの指示信号に基づいて確実に配管21における気体Gの流通を遮断できるようになっている。
遮断弁制御部18は、圧力検出部11とバックアップ型遮断部17との間の配管21の管内圧力を検出する複数(本例では3つ)の圧力検出器181,182,183で構成されたバックアップ型圧力検出部18aを有している。圧力検出器181、圧力検出器181及び圧力検出器181は配管21に直列に設けられている。遮断弁制御部18は、圧力検出器181,182,183のうちの少なくとも2つが所定値以上の配管21の管内圧力を検出すると、気体Gの配管21の流通を遮断するための指示信号をバックアップ型遮断部17に出力するようになっている。このように、遮断弁制御部18は、いわゆる「2 out of 3」の構成を有している。
また、気体燃焼システム1は、圧力検出部11の上流側で配管21に設けられた圧力制御弁15と、圧力制御弁15の上流側における配管21の管内圧力に基づいて圧力制御弁15の開閉をPID制御するPID制御部16とを備えている。また、気体燃焼システム1は、圧力制御弁15の上流側で配管21の管内圧力を検出する圧力検出器19を備えている。PID制御部16は、圧力検出器19が検出する配管21の管内圧力に基づいて圧力制御弁15を制御するようになっている。
圧力制御弁15では、一次側(すなわち上流側)における配管21の管内圧力を制御し、供給側(すなわち下流側)の圧力安定化を行う。圧力制御弁15は、十分な圧力損失を与えておくように設計される。これにより、気体燃焼システム1は、気体燃焼バーナー12の自動点消火による下流側での圧力変動が圧力制御弁15の制御に影響し難いようになっている。
ボイラ設備P1の受け入れ部での配管21の管内圧力は数MPaであるのに対し、燃焼部P10における配管21の管内圧力は数百kPaである。このように、燃焼部P10における配管21の管内圧力は、ボイラ設備P1の受け入れ部での配管21の管内圧力よりも一桁以上低い。このため、ボイラ設備P1の受け入れ部で配管21の管内圧力が数%変動すると、燃焼部P10における配管21の管内圧力は数倍となる可能性がある。気体燃焼システム1は、ボイラ設備P1の受け入れ部での配管21の管内圧力が変動しても燃焼部P10における配管21の管内圧力が急激に変動しないように、PID制御部16が設けられている。PID制御部16は、配管21の管内圧力がPID制御部16の上流側よりも下流側の方が緩やかに変動するように制御するようになっている。
PID制御部16は、圧力制御弁15の急激な弁動作が下流側の気体燃焼バーナー12の制御に影響しないように、制御の比例動作及び積分動作が調整されている。PID制御部16による配管21の管内圧力の制御については後述する。
<自動切替弁及び気体燃焼バーナーの制御方法>
次に、気体燃焼システム1における気体燃焼バーナー12の制御方法について図2を参照しつつ図3を用いて説明する。図3に示す気体流量特性のグラフにおいて、横軸は圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力(kPa)を示し、縦軸は圧力検出部11が設けられた部分の配管21を流通する気体Gの流量(ノルマリューベ(NM3)/h)を示している。
次に、気体燃焼システム1における気体燃焼バーナー12の制御方法について図2を参照しつつ図3を用いて説明する。図3に示す気体流量特性のグラフにおいて、横軸は圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力(kPa)を示し、縦軸は圧力検出部11が設けられた部分の配管21を流通する気体Gの流量(ノルマリューベ(NM3)/h)を示している。
図3中に直線で示す閉指令管内圧力CP0,CP1,CP3,CP5は、自動切替弁13を開状態から閉状態に切り替えるための配管21の管内圧力を示している。閉指令管内圧力CP0,CP1,CP3,CP5は、切替弁制御部14に設けられた所定の記憶領域に記憶されている。閉指令管内圧力CP0は1つの自動切替弁13が開状態の場合にこの自動切替弁13を閉状態に切り替える圧力であり、閉指令管内圧力CP1は2つの自動切替弁13が開状態の場合にいずれか一方を閉状態に切り替えるための圧力であり、閉指令管内圧力CP3は4つの自動切替弁13が開状態の場合にいずれか1つを閉状態に切り替えるための圧力であり、閉指令管内圧力CP5は6つの自動切替弁13が開状態の場合にいずれか1つを閉状態に切り替えるための圧力である。図示は省略するが、切替弁制御部14の所定の記憶領域には、3つの自動切替弁13が開状態の場合にいずれか1つを閉状態に切り替えるための閉指令管内圧力CP2と、5つの自動切替弁13が開状態の場合にいずれか1つを閉状態に切り替えるための閉指令管内圧力CP4が記憶されている。
閉指令管内圧力CP2は、閉指令管内圧力CP1及び閉指令管内圧力CP3の間に設定され、閉指令管内圧力CP4は、閉指令管内圧力CP3及び閉指令管内圧力CP5の間に設定されている。以下、閉指令管内圧力CP0〜CP5を「閉指令管内圧力CP」と総称する。
閉指令管内圧力CP2は、閉指令管内圧力CP1及び閉指令管内圧力CP3の間に設定され、閉指令管内圧力CP4は、閉指令管内圧力CP3及び閉指令管内圧力CP5の間に設定されている。以下、閉指令管内圧力CP0〜CP5を「閉指令管内圧力CP」と総称する。
図3中に直線で示す開指令管内圧力OP1,OP2,OP4,OP6は、自動切替弁13を閉状態から開状態に切り替えるための配管21の管内圧力を示している。開指令管内圧力OP1,OP2,OP4,OP6は、切替弁制御部14に設けられた所定の記憶領域に記憶されている。開指令管内圧力OP1は全ての自動切替弁13が閉状態の場合にいずれか1つの自動切替弁13を開状態に切り替える圧力であり、開指令管内圧力OP2は1つの自動切替弁13が開状態の場合に閉状態の5つの自動切替弁13のうちのいずれか1つを開状態に切り替えるための圧力であり、開指令管内圧力OP4は3つの自動切替弁13が開状態の場合に閉状態の3つの自動切替弁13のうちのいずれか1つを開状態に切り替えるための圧力であり、開指令管内圧力CP6は5つの自動切替弁13が開状態の場合に閉状態の自動切替弁13を開状態に切り替えるための圧力である。図示は省略するが、切替弁制御部14の所定の記憶領域には、2つの自動切替弁13が開状態の場合に閉状態の4つの自動切替弁13のうちのいずれか1つを開状態に切り替えるための開指令管内圧力OP3と、4つの自動切替弁13が開状態の場合に閉状態の2つの自動切替弁13のうちのいずれか一方を開状態に切り替えるための開指令管内圧力OP5とが記憶されている。開指令管内圧力OP3は、開指令管内圧力OP2及び開指令管内圧力OP4の間に設定され、開指令管内圧力OP5は、開指令管内圧力OP4及び開指令管内圧力OP6の間に設定されている。以下、開指令管内圧力OP1〜OP6を「開指令管内圧力OP」と総称する。
さらに、図3中に曲線で示す特性C0,C1,C3,C5は、圧力検出部11が設けられた部分における配管21の管内圧力に対する気体Gの流量の特性を示している。特性C0は全ての自動切替弁13が閉状態の際の特性を示し、特性C1は1つの自動切替弁13が開状態の際の特性を示し、特性C3は3つの自動切替弁13が開状態の際の特性を示し、特性C5は5つの自動切替弁13が開状態の際の特性を示している。
図3に示すように、開指令管内圧力OP及び閉指令管内圧力CPは、開閉状態を切り替える自動切替弁13の個数によってずらして設定されている。自動切替弁13の開状態の個数は、気体燃焼バーナー12が気体Gを燃焼する個数と等しい。このため、開指令管内圧力OP及び閉指令管内圧力CPは、気体Gを燃焼させる気体燃焼バーナー12の個数によってずらして設定される。また、開指令管内圧力OP及び閉指令管内圧力CPは、気体Gを燃焼させる気体燃焼バーナー12の個数が多いほど高く設定されている。
より具体的に、開指令管内圧力OP1は、気体燃焼バーナー12a〜12fのうちのいずれか1つで気体Gを燃焼させる圧力である。開指令管内圧力OP2は、気体燃焼バーナー12a〜12fのうちのいずれか2つで気体Gを燃焼させる圧力である。開指令管内圧力OP4は、気体燃焼バーナー12a〜12fのうちのいずれか4つで気体Gを燃焼させる圧力である。開指令管内圧力OP6は、気体燃焼バーナー12a〜12fの全てで気体Gを燃焼させる圧力である。したがって、開指令管内圧力OP1、開指令管内圧力OP2、開指令管内圧力OP4及び開指令管内圧力OP6は、この順に気体Gを燃焼させる気体燃焼バーナー12の個数が増加する。
一方、図3に示すように、開指令管内圧力OP1は圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が例えば160kPaに設定され、開指令管内圧力OP2は圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が例えば170kPaに設定され、開指令管内圧力OP4は例えば圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が例えば180kPaに設定され、開指令管内圧力OP6は圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が例えば200kPaに設定されている。このように、開指令管内圧力OP1、開指令管内圧力OP2、開指令管内圧力OP4及び開指令管内圧力OP6は、この順に圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が高くなる。したがって、開指令管内圧力OPは、気体Gを燃焼させる気体燃焼バーナー12の個数が多いほど、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が高く設定されている。
また、閉指令管内圧力CP0は、気体燃焼バーナー12a〜12fのいずれでも気体Gを燃焼させないように切り替える圧力である。閉指令管内圧力CP1は、気体燃焼バーナー12a〜12fのうちのいずれか1つで気体Gを燃焼させるように切り替える圧力である。閉指令管内圧力CP3は、気体燃焼バーナー12a〜12fのうちのいずれか3つで気体Gを燃焼させるように切り替える圧力である。閉指令管内圧力CP5は、気体燃焼バーナー12a〜12fのうちのいずれか5つで気体Gを燃焼させるように切り替える圧力である。したがって、閉指令管内圧力CP0、閉指令管内圧力CP1、閉指令管内圧力CP3及び閉指令管内圧力CP5は、この順に気体Gを燃焼させる気体燃焼バーナー12の個数が増加する。
一方、図3に示すように、閉指令管内圧力CP0は圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が例えば11kPaに設定され、閉指令管内圧力CP1は圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が例えば30kPaに設定され、閉指令管内圧力CP3は例えば圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が例えば40kPaに設定され、閉指令管内圧力CP5は圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が例えば60kPaに設定されている。このように、閉指令管内圧力CP0、閉指令管内圧力CP1閉指令管内圧力CP3及び閉指令管内圧力CP5は、この順に圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が高くなる。したがって、閉指令管内圧力CPは、気体Gを燃焼させる気体燃焼バーナー12の個数が多いほど、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が高く設定されている。
例えば自動切替弁13a〜13fが閉状態であって気体燃焼バーナー12a〜12fのいずれも気体Gを燃焼していない時に、図3に特性C0で示すように、配管21に流通する気体Gの流通量が増加し、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が開指令管内圧力OP1以上になったとする。切替弁制御部14は、圧力検出部11から入力される検出信号に基づいて配管21の管内圧力が開指令管内圧力OP1以上になったと判定し、例えば自動切替弁13aを閉状態から開状態に切り替える。これにより、気体燃焼バーナー12aは、自動切替弁13aを通って到達してきた気体Gを燃焼する。
気体燃焼バーナー12aが気体Gを燃焼すると、圧力検出部11が設けられた部分(すなわち、配管21が枝分かれする直前の部分)の配管21の管内圧力が低下する。ここで、気体燃焼バーナー12aで燃焼される気体Gの燃焼量が、配管21の上流側から流入される気体Gの流入量の増加分よりも多いと、圧力検出部11で検出される管内圧力は徐々に低下して閉指令管内圧力CP0以下となる。これにより、切替弁制御部14は、圧力検出部11から入力される検出信号に基づいて配管21の管内圧力が閉指令管内圧力CP0以下になったと判定し、自動切替弁13aを開状態から閉状態に切り替える。これにより、気体燃焼バーナー12aへの気体Gの流通が自動切替弁13aによって遮断されるため、気体燃焼バーナー12aに気体Gが到達しなくなり、気体燃焼バーナー12aは気体Gの燃焼を停止する。
一方、気体燃焼バーナー12aで燃焼される気体Gの燃焼量が、配管21の上流側から流入される気体Gの流入量の増加分よりも少ないと、圧力検出部11で検出される配管21の管内圧力は、気体燃焼バーナー12での燃焼開始に伴って一時的に低下するものの、所定時間の経過とともに、図3に特性C1で示すように、徐々に上昇して開指令管内圧力OP2以上となる。これにより、切替弁制御部14は、圧力検出部11から入力される検出信号に基づいて配管21の管内圧力が開指令管内圧力OP2以上になったと判定し、自動切替弁13aの開状態を維持したままで例えば自動切替弁13bを閉状態から開状態に切り替える。これにより、自動切替弁13bを通って気体燃焼バーナー12bにも気体Gが到達するので、気体燃焼バーナー12a及び気体燃焼バーナー12bの双方で気体Gが燃焼される。
気体燃焼バーナー12a,12bによって気体Gを燃焼することによって圧力検出部11で検出される配管21の管内圧力が閉指令管内圧力CP1以下になると、切替弁制御部14は、例えば自動切替弁13aを開状態に維持したままで自動切替弁13bを開状態から閉状態に切り替える。一方、気体燃焼バーナー12a,12bによって気体Gを燃焼しても配管21の管内圧力が低下せずに圧力検出部11で検出される配管21の管内圧力が開指令管内圧力OP3(不図示)以上になると、切替弁制御部14は、自動切替弁13a,13bを開状態に維持したままで例えば自動切替弁13cを閉状態から開状態に切り替える。これにより、自動切替弁13cを通って気体燃焼バーナー12cにも気体Gが到達するので、気体燃焼バーナー12a〜12cで気体Gが燃焼される。このように、気体燃焼システム1は、気体燃焼バーナー12で燃焼される気体Gの燃焼量を増加できる。
気体燃焼バーナー12a〜12cによって気体Gを燃焼することによって圧力検出部11で検出される配管21の管内圧力が閉指令管内圧力CP2以下になると、切替弁制御部14は、例えば自動切替弁13a,13bを開状態に維持したままで自動切替弁13cを開状態から閉状態に切り替える。これにより、気体燃焼バーナー12は、気体Gの燃焼量を減少できる。
一方、自動切替弁13a〜13cが開状態であって気体燃焼バーナー12a〜12cで気体Gが燃焼されている時に、図3の特性C3で示すように、配管21に流通する気体Gの流通量が増加し、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が開指令管内圧力OP4以上になったとする。切替弁制御部14は、圧力検出部11から入力される検出信号に基づいて配管21の管内圧力が開指令管内圧力OP4以上になったと判定し、例えば自動切替弁13a,13b,13cを開状態に維持したまま自動切替弁13dを閉状態から開状態に切り替える。これにより、自動切替弁13dを通って気体燃焼バーナー12dにも気体Gが到達するので、気体燃焼バーナー12a〜12dで気体Gが燃焼される。このように、気体燃焼システム1は、気体燃焼バーナー12で燃焼される気体Gの燃焼量を増加できる。
気体燃焼バーナー12a〜12dによって気体Gを燃焼することによって圧力検出部11で検出される配管21の管内圧力が閉指令管内圧力CP3以下になると、切替弁制御部14は、例えば自動切替弁13a〜13cを開状態に維持したままで自動切替弁13dを開状態から閉状態に切り替える。これにより、気体燃焼バーナー12は、気体Gの燃焼量を減少できる。
一方、気体燃焼バーナー12a〜12dによって気体Gを燃焼しても配管21の管内圧力が低下せずに圧力検出部11で検出される配管21の管内圧力が開指令管内圧力OP5(不図示)以上になると、切替弁制御部14は、自動切替弁13a〜13dを開状態に維持したままで例えば自動切替弁13eを閉状態から開状態に切り替える。これにより、自動切替弁13eを通って気体燃焼バーナー12eにも気体Gが到達するので、気体燃焼バーナー12a〜12eで気体Gが燃焼される。このように、気体燃焼システム1は、気体燃焼バーナー12で燃焼される気体Gの燃焼量を増加できる。
気体燃焼バーナー12a〜12eによって気体Gを燃焼することによって圧力検出部11で検出される配管21の管内圧力が閉指令管内圧力CP4(不図示)以下になると、切替弁制御部14は、例えば自動切替弁13a〜13dを開状態に維持したままで自動切替弁13eを開状態から閉状態に切り替える。これにより、気体燃焼バーナー12は、気体Gの燃焼量を減少できる。
一方、自動切替弁13a〜13eが開状態であって気体燃焼バーナー12a〜12eで気体Gが燃焼されている時に、図3の特性C5で示すように、配管21に流通する気体Gの流通量が増加し、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力が開指令管内圧力OP6以上になったとする。切替弁制御部14は、圧力検出部11から入力される検出信号に基づいて配管21の管内圧力が開指令管内圧力OP6以上になったと判定し、例えば自動切替弁13a〜13eを開状態に維持したまま自動切替弁13fを閉状態から開状態に切り替える。これにより、自動切替弁13fを通って気体燃焼バーナー12fにも気体Gが到達するので、気体燃焼バーナー12a〜12fで気体Gが燃焼される。このように、気体燃焼システム1は、気体燃焼バーナー12で燃焼される気体Gの燃焼量を増加できる。
気体燃焼バーナー12a〜12fによって気体Gを燃焼することによって圧力検出部11で検出される配管21の管内圧力が閉指令管内圧力CP5以下になると、切替弁制御部14は、例えば自動切替弁13a〜13eを開状態に維持したままで自動切替弁13fを開状態から閉状態に切り替える。気体燃焼システム1では、気体燃焼バーナー12a〜12fが同時に燃焼する気体Gの燃焼量は、ボイラ設備P1(図1参照)に流入する気体Gの最大の流量を吸収できるように構成されている。このため、気体燃焼バーナー12a〜12fのそれぞれが気体Gの燃焼を開始した後に圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力は、開指令管内圧力OP6以上にはならない。
このように、気体燃焼システム1では、複数の気体燃焼バーナー12を1本から最大本数(本例では6本)まで自動で点消火させることができる。このため、気体燃焼システム1は、複数の気体燃焼バーナー12の1本分の容量制約まで最小燃焼流量を抑制させることができる。また、開指令管内圧力OP及び閉指令管内圧力CPは、気体Gを燃焼させる気体燃焼バーナー12a〜12fの個数が多いほど高く設定されている。これにより、気体燃焼システム1は、配管21の管内圧力の設定値を気体燃焼バーナー12a〜12fの本数毎に調整して変更することができるので、気体燃焼バーナー12a〜12fを確実に1本ずつ点消火して円滑に流量変動に対応することができる。
<PID制御部による気体の制御方法>
次に、PID制御部16による配管21を流れる気体Gの制御方法について図2を参照しつつ図4を用いて説明する。図4(a)から図4(c)に示すグラフの横軸は、経過時間(秒)を表している。図4(a)から図4(c)に示すグラフの左側縦軸は、配管21に流れる気体Gの流量(NM3/h)と、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力(kPa)を表している。また、図4(a)から図4(c)に示すグラフの右側縦軸は、PID制御部16の下流側における配管21に流れる気体Gの流量(PID制御部16の出力量)(%)を表している。
次に、PID制御部16による配管21を流れる気体Gの制御方法について図2を参照しつつ図4を用いて説明する。図4(a)から図4(c)に示すグラフの横軸は、経過時間(秒)を表している。図4(a)から図4(c)に示すグラフの左側縦軸は、配管21に流れる気体Gの流量(NM3/h)と、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力(kPa)を表している。また、図4(a)から図4(c)に示すグラフの右側縦軸は、PID制御部16の下流側における配管21に流れる気体Gの流量(PID制御部16の出力量)(%)を表している。
図4(a)から図4(c)中に示す、曲線IFは圧力制御弁15に流入する気体Gの流入量の時間推移を示し、曲線MVはPID制御部16の出力量の時間推移を示し、曲線BCは気体燃焼バーナー12で燃焼される気体Gの燃焼量の時間推移を示し、曲線GPは圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力の時間推移を示している。
また、図4(a)から図4(c)に示す配管21の管内圧力の制御シミュレーションにおいて、PID制御の比例帯は230に設定され、積分時間は50秒に設定され、配管21の容積は3.37m3に設定され、配管21の配管長は400メートルに設定され、経過時間0秒での初期圧力は600kPaに設定されている。
図4(a)の曲線IFで示すように、圧力制御弁15に流入する気体Gの流入量が、2300NM3/hから300NM3/hへと変化率730NM/minでステップ減量したとする。曲線MVで示すようにPID制御部16は、上流側における気体Gの変化率に比べて下流側における気体Gの変化率が小さくかつ緩やかになるように気体Gの流れを制御する。このため、図4(a)の曲線BCで示すように、気体燃焼バーナー12で燃焼される気体Gの燃焼量は、ステップ状に変動せずに緩やかに変動する。
また、図4(a)の曲線MVで示すように、圧力制御弁15の圧力損失は30%から70%の範囲に設定されている。このため、図4(a)の曲線GPで示すように、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力は、圧力制御弁15への気体Gの流入量の変動(すなわち圧力制御弁15の上流側での配管21の管内圧力の変動)に影響されない。すなわち、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力は、圧力制御弁15への気体Gの流入量がステップ状に変動したタイミングでステップ状に変動せずに緩やかに変動する。
図4(b)の曲線IFで示すように、圧力制御弁15に流入する気体Gの流入量が、300NM3/hから2300NM3/hへと変化率730NM/minでステップ増量したとする。曲線MVで示すようにPID制御部16は、上流側における気体Gの変化率に比べて下流側における気体Gの変化率が小さくかつ緩やかになるように気体Gの流れを制御する。このため、図4(b)の曲線BCで示すように、気体燃焼バーナー12で燃焼される気体Gの燃焼量は、ステップ状に変動せずに緩やかに変動する。
また、図4(b)の曲線MVで示すように、圧力制御弁15の圧力損失は30%から70%の範囲に設定されている。このため、図4(b)の曲線GPで示すように、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力は、圧力制御弁15への気体Gの流入量の変動(すなわち圧力制御弁15の上流側での配管21の管内圧力の変動)に影響されない。すなわち、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力は、圧力制御弁15への気体Gの流入量がステップ状に変動したタイミングでステップ状に変動せずに緩やかに変動する。
図4(c)の曲線IFで示すように、圧力制御弁15に流入する気体Gの流入量が、300NM3/hと2300NM3/hとの間で変化率730NM/minで繰り返し変動したとする。曲線MVで示すようにPID制御部16は、上流側における気体Gの変化率に比べて下流側における気体Gの変化率が小さくかつ緩やかになるように気体Gの流れを制御する。このため、図4(c)の曲線BCで示すように、気体燃焼バーナー12で燃焼される気体Gの燃焼量は、鋸状に変動せずに、極大値及び極小値の近傍で緩やかに変動する。
また、図4(c)の曲線MVで示すように、圧力制御弁15の圧力損失は30%から70%の範囲に設定されている。このため、図4(c)の曲線GPで示すように、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力は、圧力制御弁15への気体Gの流入量の変動(すなわち圧力制御弁15の上流側での配管21の管内圧力の変動)に影響されない。すなわち、圧力検出部11が検出する配管21の管内圧力は、圧力制御弁15への気体Gの流入量が鋸状に変動したタイミングで鋸状に変動せずに緩やかに変動する。
このように、PID制御部16は、上流側での気体Gの流量や配管21の管内圧力の急激な変動を、自動切替弁13への気体Gの流量や気体燃焼バーナー12での気体Gの燃焼量に影響しないように制御することができる。
<変形例>
次に、本実施形態の変形例による気体燃焼システムについて図5を用いて説明する。本変形例による気体燃焼システムは、図2に示す気体燃焼システム1の複数の自動切替弁13に代えて複数の自動切替弁20を備えている点に特徴を有している。本変形例による気体燃焼システムに備えられた複数(本例では6つ)の自動切替弁20は、互いに同一の構成を有している。図5では、複数の自動切替弁20のうちの1つの自動切替弁20が図示されている。また、図5では、理解を容易にするため、自動切替弁20の下流側に設けられた気体燃焼バーナー12と、自動切替弁20を制御する切替弁制御部14とが併せて図示されている。
次に、本実施形態の変形例による気体燃焼システムについて図5を用いて説明する。本変形例による気体燃焼システムは、図2に示す気体燃焼システム1の複数の自動切替弁13に代えて複数の自動切替弁20を備えている点に特徴を有している。本変形例による気体燃焼システムに備えられた複数(本例では6つ)の自動切替弁20は、互いに同一の構成を有している。図5では、複数の自動切替弁20のうちの1つの自動切替弁20が図示されている。また、図5では、理解を容易にするため、自動切替弁20の下流側に設けられた気体燃焼バーナー12と、自動切替弁20を制御する切替弁制御部14とが併せて図示されている。
図5に示すように、自動切替弁20は、自動切替弁20の下流に設けられた気体燃焼バーナー12の圧力を検出する圧力検出器(検出器の一例)211と、自動切替弁20の開閉状態を検知するリミットスイッチ(検知部の一例)213とを有している。自動切替弁20は、圧力検出器211及びリミットスイッチ213を設けることによって、それぞれの気体燃焼バーナー12の特性や流量範囲によって開閉タイミングのシーケンスを変更し、広い燃焼範囲で安定した燃焼を確保できる。
以上説明したように、本実施形態による気体燃焼システム1は、配管21の管内圧力に応じて気体Gを燃焼させる複数の気体燃焼バーナー12の本数を変更できる。つまり、気体燃焼システム1は、配管21に流通する気体Gの流量の変動に応じて気体Gを燃焼させる気体燃焼バーナー12の本数を変更できる。これにより、気体燃焼システム1によれば、配管21に流通する気体Gの流量に応じて気体Gの最小燃焼量を変更できるので、ターンダウン比の向上を図ることができる。また、本実施形態による気体燃焼システム1によれば、広い流量範囲で、水素を安定的に燃焼することができる。
また従来、水素は、様々な分野で利用が進んでいる物質であるが、例えば低廉化が進むボイラー等の燃料として利用することは、有効的に活用されているとは言い難い。上述のとおり、化学メーカや石油化学会社等で副生的に発生する水素の発生量は、変動したり、供給先の需要量も大きく変動したりすることがある。このため、例えば、発生した水素の変動を吸収する水素バッファタンクを設置することも考えられる。しかしながら、水素バッファタンクは、設置する場所やコストに問題がある。このため、実際には発生した水素の変動分をフレア設備で焼却処理していることも多い。
水素に限られず燃焼ガスを燃焼するためにフレア設備が用いられる場合、フレアリング処理における大気への放熱ロスを回収することが望まれる。燃焼ガスをボイラー等の燃料とする場合には、広い燃焼量範囲で安定した制御性、特に最低燃焼流量を極限まで絞りながら高低燃焼負荷全域における制御性も確保し、燃焼ガス量のベースを抑えることが求められる。
本実施形態による気体燃焼システム1は、複数の気体燃焼バーナー12を備えることにより、化学メーカや石油化学会社等で副生的に発生する水素やその他の燃焼ガスを、広い燃焼量範囲で安定した制御性、特に最低燃焼流量を絞りながら高低燃焼負荷全域における制御性も確保し、燃焼ガス量のベースを抑えることができる。これにより、気体燃焼システム1によれば、気体バッファタンクを設置する必要がなく、化学メーカや石油化学会社等で副生的に発生する気体を有効に活用することができる。
本発明は、上記実施形態によらず、種々の変形が可能である。
上記実施形態では、気体Gとして水素を用いて説明したが、本実施形態による気体燃焼システム1は、水素以外の可燃性ガスに適用できる。この場合も、上記実施形態による気体燃焼システム1と同様の効果が得られる。
上記実施形態では、気体Gとして水素を用いて説明したが、本実施形態による気体燃焼システム1は、水素以外の可燃性ガスに適用できる。この場合も、上記実施形態による気体燃焼システム1と同様の効果が得られる。
上記実施形態による気体燃焼システム1では、複数の気体燃焼バーナー12は同一の構成を有しているが、複数の気体燃焼バーナー12のうちの少なくとも1つが異なる構成(例えば異なる燃焼性能)を有していても、上記実施形態による気体燃焼システム1と同様の効果が得られる。
複数の気体燃焼バーナー12は、ユニット化されていてもよい。この場合も、気体燃焼バーナー12は、広い燃焼量範囲を確保することができる。
上記の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
1 気体燃焼システム
3 気体燃焼量制限器
11 圧力検出部
12,12a,12b,12c,12d,12e,12f 気体燃焼バーナー
13,13a,13b,13c,13d,13e,13f 自動切替弁
14 切替弁制御部
15 圧力制御弁
16 PID制御部
17 バックアップ型遮断部
18 遮断弁制御部
18a バックアップ型圧力検出部
19,181,182,183,211 圧力検出器
20 自動切替弁
21,22 配管
171,172 遮断弁
213 リミットスイッチ
P1 ボイラ設備
P2 気体供給設備
P10 燃焼部
P11 変化率制限器
3 気体燃焼量制限器
11 圧力検出部
12,12a,12b,12c,12d,12e,12f 気体燃焼バーナー
13,13a,13b,13c,13d,13e,13f 自動切替弁
14 切替弁制御部
15 圧力制御弁
16 PID制御部
17 バックアップ型遮断部
18 遮断弁制御部
18a バックアップ型圧力検出部
19,181,182,183,211 圧力検出器
20 自動切替弁
21,22 配管
171,172 遮断弁
213 リミットスイッチ
P1 ボイラ設備
P2 気体供給設備
P10 燃焼部
P11 変化率制限器
Claims (7)
- 気体が流通する1本の配管の管内圧力を検出する圧力検出部と、
前記圧力検出部の下流側に設けられ前記配管を流通する前記気体を燃焼する複数の気体燃焼バーナーと、
前記複数の気体燃焼バーナーのそれぞれと前記圧力検出部との間に個別に設けられ前記配管を流通する前記気体を前記気体燃焼バーナーに供給するか否かを切り替える切替弁と、
前記圧力検出部で検出された管内圧力に応じた個数の前記気体燃焼バーナーで前記気体が燃焼されるように前記切替弁の開閉を制御する切替弁制御部と
を備える気体燃焼システム。 - 前記切替弁を閉状態から開状態に切り替える開指令管内圧力及び前記切替弁を開状態から閉状態に切り替える閉指令管内圧力は、前記気体を燃焼させる前記気体燃焼バーナーの個数によってずらして設定されている
請求項1記載の気体燃焼システム。 - 前記開指令管内圧力及び前記閉指令管内圧力は、前記気体を燃焼させる前記気体燃焼バーナーの個数が多いほど高く設定されている
請求項2記載の気体燃焼システム。 - 前記圧力検出部の上流側で前記配管に設けられた圧力制御弁と、
前記圧力制御弁の上流側における前記配管の管内圧力に基づいて前記圧力制御弁の開閉をPID制御するPID制御部と
を備える請求項1から3までのいずれか一項に記載の気体燃焼システム。 - 前記圧力検出部の上流側で前記配管に設けられ前記気体燃焼バーナーへの前記気体の供給を遮断する遮断弁と、
前記圧力検出部と前記遮断弁との間の前記配管の管内圧力に基づいて前記遮断弁の開閉を制御する遮断弁制御部と
を備える請求項1から4までのいずれか一項に記載の気体燃焼システム。 - 前記切替弁は、該切替弁の下流に設けられた前記気体燃焼バーナーの圧力を検出する検出器と、該切替弁の開閉状態を検知する検知部とを有する
請求項1から5までのいずれか一項に記載の気体燃焼システム。 - 前記気体は、水素である
請求項1から6までのいずれか一項に記載の気体燃焼システム。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020063885A (ja) * | 2018-10-18 | 2020-04-23 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | ガス燃料供給装置、燃焼装置 |
-
2016
- 2016-11-28 JP JP2016230197A patent/JP2018087651A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020063885A (ja) * | 2018-10-18 | 2020-04-23 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | ガス燃料供給装置、燃焼装置 |
JP7245629B2 (ja) | 2018-10-18 | 2023-03-24 | 三菱重工業株式会社 | ガス燃料供給装置、燃焼装置 |
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