JP2018087651A - 気体燃焼システム - Google Patents

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。

特開昭５６−６４２１０号公報

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１が用いられる設備の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態による気体燃焼システム１の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による気体燃焼システム１に備えられた自動切替弁１３及び気体燃焼バーナー１２の制御を説明するためのグラフである。 本発明の一実施形態による気体燃焼システム１に備えられたＰＩＤ制御部１６での気体Ｇの制御シミュレーションを説明するための図であり、図４（ａ）は気体Ｇのステップ減量に対するシミュレーション結果を示し、図４（ｂ）は気体Ｇのステップ増量に対するシミュレーション結果を示し、図４（ｃ）は気体Ｇの繰り返し変動に対するシミュレーション結果を示している。 本発明の一実施形態の変形例による気体燃焼システムに備えられた自動切替弁２０の概略構成を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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３．３７ｍ^３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。

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

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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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