JP6926469B2

JP6926469B2 - ボイラシステム

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Publication number: JP6926469B2
Application number: JP2016249543A
Authority: JP
Inventors: 山田　和也; 和也山田
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: JP2018105518A

Description

本発明は、連続制御ボイラからなるボイラ群を有するボイラシステムに関する。

水管ボイラ等の大規模ボイラシステムの補助用途又はそのバックアップとして、燃焼率を連続的に変更可能な連続制御ボイラからなるボイラ群を利用するケースがある。大規模ボイラシステムが蒸気ヘッダの蒸気出力の大半を賄い、その不足分を連続制御ボイラが補うというものである。
このような場合、大規模ボイラシステム側において、蒸気ヘッダの蒸気出力の大半を賄い、その不足分を連続制御ボイラが補う形式となる。このため、大規模ボイラシステム側で、蒸気ヘッダの内部の蒸気圧であるヘッダ圧力値に基づいて出力蒸気量の制御を行うケースが多い。その場合、補助用途に使用される連続制御ボイラは圧力制御を行わずに、一定の出力蒸気量を維持するように動作することが求められる。
他方、連続制御ボイラからなるボイラ群は台数制御装置を備え、通常、ヘッダ圧力値に基づいて各連続制御ボイラの燃焼制御を行うように動作するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１１５０７０号公報

しかしながら、連続制御ボイラ及び台数制御装置から構成されるボイラシステムは、ボイラ群の出力蒸気量の合計値が一定の値となるように制御する機能を備えておらず、このままでは一定の出力蒸気量を維持するという要求を満たすことはできない。
他方、大規模ボイラシステムの保守時等には、大規模ボイラシステムを停止させることが必要となり、その際には、必要蒸気量をバックアップするために、ヘッダ圧力値に基づいて出力蒸気量の制御を行う機能はこれまでどおり必要となる。
このため、ヘッダ圧力値に基づいて出力蒸気量の制御を行うこれまでの機能に加えて、必要に応じて、圧力制御を行わずに全ボイラ出力蒸気量の合計値が一定の値となる出力蒸気量を一定制御することができる連続制御ボイラシステムが求められている。

本発明は、ヘッダ圧力に影響されない全ボイラ出力蒸気量の合計値が一定の値となるように、出力蒸気量を一定制御することができる連続制御ボイラシステムを提供することを目的とする。

本発明は、燃焼率を連続的に変更して燃焼可能な、一台以上のボイラからなるボイラ群と、前記ボイラ群において生成された蒸気を集合させる蒸気ヘッダと、前記ボイラ群の燃焼状態を制御する台数制御部と、を備えるボイラシステムであって、前記一台以上のボイラには、ボイラ効率が所定値よりも高くなる燃焼率の範囲であるエコ運転ゾーンがそれぞれのボイラに対して設定され、前記台数制御部は、前記ボイラ群により出力される蒸気量である一定の出力蒸気量を予め設定する出力蒸気量設定部と、前記一定の出力蒸気量を出力するために前記ボイラ群に含まれる各ボイラに均等に燃焼率を割り振った場合に、各ボイラの燃焼率がそれぞれ前記エコ運転ゾーンの範囲内に収まるように燃焼台数を算出する燃焼台数算出部と、前記燃焼台数算出部により算出された燃焼台数分のボイラを制御対象ボイラとして設定する制御対象ボイラ設定部と、前記一定の出力蒸気量の蒸気を生成するように、前記制御対象ボイラ設定部により設定された前記制御対象ボイラの燃焼状態を制御する第１制御部と、を備える、ボイラシステムに関する。

また、前記ボイラの内部の蒸気圧であるボイラ圧力値を測定するボイラ圧力測定手段と、前記ボイラのボイラ本体へ供給される給水の温度である給水温度を測定する給水温度測定手段と、前記給水温度と前記ボイラ圧力値とに基づいて、与えられた蒸気量を出力する燃焼率を算出する燃焼率算出部と、を備え、前記第１制御部は、さらに、前記燃焼率算出部により算出された燃焼率に基づいて、前記制御対象ボイラの燃焼状態を制御するようにしてもよい。

また、前記燃焼台数算出部は、燃焼台数を抑制するか、又は過剰にするかを指定する燃焼台数前提条件を予め設定しておき、燃焼台数の算出に際して、複数の選択肢が存在する場合又は選択肢が存在しない場合に、前記燃焼台数前提条件に基づいて燃焼台数を算出するようにしてもよい。

また、前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧であるヘッダ圧力値を測定するヘッダ圧力測定手段と、前記ヘッダ圧力値の上限及び下限を予め設定するヘッダ圧力範囲設定部と、前記ヘッダ圧力値に基づいて必要蒸気量を算出する必要蒸気量算出部と、前記必要蒸気量算出部により算出された必要蒸気量の蒸気を生成するように前記ボイラ群の燃焼状態を制御する第２制御部と、前記ヘッダ圧力値が前記上限を上回った場合、又は前記下限を下回った場合に、前記第１制御部による前記ボイラ群の燃焼状態の制御を停止させて、前記第２制御部による前記ボイラ群の燃焼状態の制御を実行させる制御切換部と、を備えるようにしてもよい。

また、前記台数制御部は、さらに、前記ボイラ群に含まれる各ボイラの優先順位の設定及び変更を行う優先順位設定部を備え、前記優先順位設定部により各ボイラの優先順位が変更されると、燃焼停止状態にあるボイラのうち、優先順位の高いボイラの燃焼を開始させるようにしてもよい。

また、前記台数制御部は、前記優先順位設定部により各ボイラの優先順位が変更されると、燃焼状態にあるボイラのうち、優先順位の低いボイラの燃焼を停止させるようにしてもよい。

本発明によれば、ヘッダ圧力に影響されない全ボイラ出力蒸気量の合計値が一定の値となるように、出力蒸気量を一定制御することができる連続制御ボイラシステムを提供することができる。

本実施形態に係るボイラシステム１の概略を示す図である。本実施形態の制御部の構成を示す機能ブロック図である。本実施形態の燃焼率算出部の処理の一例を示す図である。本実施形態の燃焼率算出部の処理の一例を示す図である。本実施形態の制御部の動作例を示すフローチャートである。本実施形態の制御部の動作例を示すフローチャートである。本実施形態の制御部の動作例を示すフローチャートである。

以下、本発明のボイラシステムの好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態は、一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限定されない。

［第１実施形態］
まず、第１実施形態に係るボイラシステム１の全体構成につき、図１を参照しながら説明する。図１に示すように、ボイラシステム１は、例えば、５台の連続制御ボイラ２０により構成されるボイラ群２と、これら複数のボイラ２０において生成された蒸気を集合させる蒸気ヘッダ６と、この蒸気ヘッダ６の内部の圧力を測定する蒸気圧センサ７と、ボイラ群２の燃焼状態を制御する制御部４を有する台数制御装置３と、を備える。
以下、特に断らない限り、ボイラ２０は連続制御ボイラを指すものとする。

ボイラ２０は、図１に示すように、燃焼が行われるボイラ本体２１と、ボイラ２０の燃焼状態を制御するローカル制御部２２と、ボイラ２０のボイラ本体へ供給される給水の温度である給水温度を測定する給水温度測定部２３と、ボイラ２０から発生する蒸気圧力であるボイラ圧力を測定するボイラ圧力測定部としての蒸気圧センサ２４と、を備える。

ローカル制御部２２は、信号線１６を介して台数制御装置３から送信される制御信号に基づいて、ボイラ２０の燃焼状態を制御する。また、ローカル制御部２２は、台数制御装置３で用いられる信号を、信号線１６を介して台数制御装置３に送信する。台数制御装置３で用いられる信号としては、ボイラ２０の実際の燃焼状態、ボイラ２０のボイラ圧力値、ボイラ本体２１へ供給される給水の温度、及びその他のデータ等が挙げられる。

ボイラ群２は、蒸気使用設備１８に供給する蒸気を生成する。
蒸気ヘッダ６は、蒸気管１１を介してボイラ群２を構成する複数のボイラ２０に接続されている。この蒸気ヘッダ６の下流側は、蒸気管１２を介して蒸気使用設備１８に接続されている。
蒸気ヘッダ６は、ボイラ群２で生成された蒸気を集合させて貯留することにより、複数のボイラ２０の相互の圧力差及び圧力変動を調整し、圧力が調整された蒸気を蒸気使用設備１８に供給する。
また、蒸気ヘッダ６はボイラ群２とは別に、水管ボイラ等の大規模ボイラシステム（図示せず）に接続されており、通常時は当該大規模ボイラシステムが蒸気ヘッダ６の蒸気出力の大半を賄い、その不足分をボイラ群２が補う運用形態をとる。

ヘッダ圧力測定手段としての蒸気圧センサ７は、信号線１３を介して、台数制御装置３に電気的に接続されている。蒸気圧センサ７は、蒸気ヘッダ６の内部の蒸気圧値（以下「ヘッダ圧力値」という）を測定し、測定した蒸気圧に係る信号（蒸気圧信号）を、信号線１３を介して台数制御装置３に送信する。

台数制御装置３は、信号線１６を介して、複数のボイラ２０と電気的に接続されている。この台数制御装置３は、一定の出力蒸気量の蒸気を生成するように各ボイラ２０の燃焼状態を制御する。

以上のボイラシステム１は、ボイラ群２で発生させた蒸気を、蒸気ヘッダ６を介して、蒸気使用設備１８に供給可能とされている。

［連続制御ボイラ２０］
連続制御ボイラ２０は、少なくとも、最小燃焼状態Ｓ１（例えば、最大燃焼率の２０％の燃焼量における燃焼状態）から最大燃焼状態Ｓ２の範囲で、燃焼量が連続的に制御可能とされているボイラである。ボイラ２０は、例えば、燃料をバーナに供給するバルブや、燃焼用空気を供給するバルブの開度（燃焼比）を制御することにより、燃焼量を調整するようになっている。

また、燃焼量を連続的に制御するとは、ローカル制御部２２における演算や信号がデジタル方式とされて段階的に取り扱われる場合（例えば、ボイラ２０の出力（燃焼量）が１％刻みで制御される場合）であっても、事実上連続的に出力を制御可能な場合を含む。

本実施形態では、ボイラ２０の燃焼停止状態Ｓ０と最小燃焼状態Ｓ１との間の燃焼状態の変更は、ボイラ２０（バーナ）の燃焼をオン／オフすることで制御される。そして、最小燃焼状態Ｓ１から最大燃焼状態Ｓ２の範囲においては、燃焼量が連続的に制御可能となっている。
より具体的には、複数のボイラ２０それぞれには、変動可能な蒸気量の単位である単位蒸気量Ｕが設定されている。これにより、ボイラ２０は、最小燃焼状態Ｓ１から最大燃焼状態Ｓ２の範囲においては、単位蒸気量Ｕ単位で、蒸気量を変更可能となっている。

単位蒸気量Ｕは、ボイラ２０の最大燃焼状態Ｓ２における蒸気量（最大蒸気量）に応じて適宜設定できるが、ボイラシステム１における出力蒸気量の必要蒸気量に対する追従性を向上させる観点から、連続制御ボイラ２０の最大蒸気量の０．１％〜２０％に設定されることが好ましく、１％〜１０％に設定されることがより好ましい。

（エコ運転ゾーン）
ボイラ２０には、ボイラ効率が高い燃焼率の範囲（「エコ運転ゾーン」という）及びボイラ効率が最も高くなる燃焼率（「エコ運転ポイント」という）が設定されている。ボイラ２０をこのエコ運転ゾーン又はエコ運転ポイントで燃焼させ続けることで、ボイラ２０を効率的に燃焼させることができる。
本実施形態のボイラシステム１においては、ボイラ群２の出力蒸気量の合計値が一定の値となるように制御する出力蒸気量一定制御モードにおいて、燃焼ボイラをエコ運転ゾーン又はエコ運転ポイントで燃焼させ続けるように制御することが好ましい。

（優先順位）
また、ボイラ２０にはそれぞれ優先順位が設定されている。例えば、優先順位の高いボイラの燃焼を優先させる。燃焼を開始させるボイラ２０を選択する場合には、優先順位の高いボイラ２０から順に燃焼を開始させる。
優先順位の高いボイラ２０の稼動時間が長くなり、優先順位の低いボイラの稼動時間が短くなるため、複数のボイラ２０の稼動状態に偏りが生じてしまう。そのため、ボイラシステム１においては、優先順位を定期的に（例えば、２４時間毎に）変更して、複数のボイラ２０の稼動状態の均一化を図っている。

次に、台数制御装置３の構成について詳細に説明する。台数制御装置３は、図１に示すように、制御部４と記憶部５とを備える。

制御部４は、信号線１６を介してボイラ２０に各種の指示を送信したり、各ボイラ２０から各種のデータを受信したりして、ボイラ２０の燃焼状態及び運転台数の制御を実行する。各ボイラ２０は、台数制御装置３から燃焼状態の変更指示の信号を受けると、その指示に従って該当するボイラ２０の燃焼量を制御する。制御部４の詳細な構成については後述する。

記憶部５は、各ボイラ２０に送信された指示に関する情報、各ボイラ２０から受信した燃焼状態、ボイラ２０のボイラ圧力値、及びボイラ本体２１へ供給される給水の温度等に関する情報、各ボイラ２０の単位蒸気量Ｕの設定に関する情報、複数のボイラ２０の優先順位の設定に関する情報、優先順位の変更（ローテーション）に関する設定の情報、各ボイラ２０のエコ運転ゾーン（ボイラ効率が高い燃焼率の範囲）に関する情報、並びに後述するヘッダ圧力範囲設定部４６により設定されるヘッダ圧力値の上限及び下限等を記憶する。

次に、制御部４の構成についてさらに詳細に説明する。
本実施形態に係る制御部４は、ユーザのニーズに応じて、ボイラ群２の出力蒸気量の合計値が一定の値となるように制御する出力蒸気量一定制御モード及びヘッダ圧力が所定範囲内を外れた場合に、各ボイラの燃焼量を補正するバックアップ制御モードを備える。
このような出力蒸気量一定制御モードを実現するため、図２に示すように、制御部４は、出力蒸気量設定部４０と、燃焼台数算出部４１と、制御対象ボイラ設定部４２と、第１制御部４３と、燃焼率算出部４４と、優先順位設定部４５と、を含んで構成される。
また、バックアップ制御モードを実現するため、制御部４は、ヘッダ圧力範囲設定部４６と、必要蒸気量算出部４７と、第２制御部４８と、制御切換部４９と、を備える。

出力蒸気量設定部４０は、ボイラ群２により出力される蒸気量である一定の出力蒸気量を予め設定する。

燃焼台数算出部４１は、一定の出力蒸気量を出力するためにボイラ群２に含まれる各ボイラ２０に均等に燃焼率を割り振った場合に、各ボイラ２０の燃焼率がそれぞれエコ運転ゾーンの範囲内に収まるように燃焼台数を算出する。
また、燃焼台数算出部４１は、燃焼台数を抑制するか、又は過剰にするかを指定する燃焼台数前提条件を予め設定しておき、燃焼台数の算出に際して、複数の選択肢が存在する場合又は選択肢が存在しない場合に、燃焼台数前提条件に基づいて燃焼台数を算出する。
これにより、燃焼台数を最小限にしたい場合には、燃焼台数前提条件に対して燃焼台数を抑制するように指定し、逆に各ボイラの燃焼率を抑えたい場合には燃焼台数前提条件に対して燃焼台数を増加するように指定することで、ユーザのニーズに対応することができる。

制御対象ボイラ設定部４２は、燃焼台数算出部４１により算出された燃焼台数分のボイラ２０を制御対象ボイラとして設定する。具体的には、制御対象ボイラ設定部４２は、優先順位の高いボイラから順番に制御対象ボイラとして設定する。

第１制御部４３は、出力蒸気量設定部４０により予め設定された一定の出力蒸気量の蒸気を生成するように、制御対象ボイラ設定部４２により設定された制御対象ボイラ２０の燃焼状態を制御する。なお、出力蒸気量分の蒸気出力を確保するために、第１制御部４３は、実際蒸発量レベルで出力するように、制御対象ボイラ２０の燃焼状態を制御する。
より具体的には、第１制御部４３は、制御対象ボイラ２０毎にボイラ圧力と給水温度に基づいて後述の燃焼率算出部４４により算出された燃焼率に基づいて、制御対象ボイラ２０の燃焼状態を制御する。

燃焼率算出部４４は、制御対象ボイラ２０のボイラ本体２１へ供給される給水の温度と制御対象ボイラ２０の内部のボイラ圧力値とに基づいて、制御対象ボイラ２０からの実際に出力される出力蒸気量（「実際蒸発量」ともいう）が制御対象ボイラ２０に設定された出力蒸気量と一致するように、制御対象ボイラ２０の燃焼率を算出する。
次に制御対象ボイラ２０のボイラ圧力と給水温度に基づく燃焼率の算出（補正）について説明する。

まず、相当蒸発量と実際蒸発量について説明する。相当蒸発量とは、基準蒸発量又は換算蒸発量ともいい、大気圧下で１００℃の水を１００℃の蒸気にする能力を表し、換算ボイラの能力標記に利用される。例えば、相当蒸発量が１０００ｋｇ／ｈであれば、１０００ｋｇの１００℃の水を１時間に１００℃の蒸気にする能力を有していることを表す。これに対して、実際に水を蒸発させる場合には、給水する水の温度（給水温度）から使用する圧力の飽和温度まで顕熱変化（温度上昇）させ、その後潜熱変化（蒸発）させるため、実際蒸発量は給水温度が低ければ低いほど、また蒸気圧力が高ければ高いほど、相当蒸発量よりも少なくなる。

相当蒸発量と実際蒸発量とが、式１を満たすことは当業者にとって公知である。
実際蒸発量＝（相当蒸発量×５３９）／（蒸気の全熱−給水の顕熱） (式１)
ここで、「５３９」は、大気圧で１００℃の水を１００℃の蒸気にする熱量（ｋｃａｌ／ｋｇ）を、「蒸気の全熱」は蒸気圧力によって決定される飽和蒸気（乾き度１００％）が保有する熱量（ｋｃａｌ／ｋｇ）を、「給水の顕熱」は給水温度（℃）と同じ値の熱量（ｋｃａｌ／ｋｇ）を意味する。また、相当蒸発量は、ボイラ容量に燃焼率を積算した値に等しい。
本実施形態において、「蒸気の全熱」は、「蒸気テーブル」（仮称）によって管理されているものとする。
例えば、７０００ｋｇ／ｈのボイラ容量を有するボイラを燃焼率３２％で燃焼させた場合、相当蒸発量は、２２４０（＝７０００×０．３２）ｋｇ／ｈとなる。
そして、蒸気圧力が０．７ＭＰａ、給水温度６０℃、相当蒸発量２２４０ｋｇ／ｈとした場合、「蒸気の全熱」は６６０ｋｃａｌ／ｋｇ、「給水の顕熱」は６０ｋｃａｌ／ｋｇであることから、実際蒸発量は式１により次の値となる。
実際蒸発量＝（２２４０×５３９）／（６６０−６０）＝２０１２ｋｇ／ｈ
以上のように、燃焼率算出部４４は、実際蒸発量（ｋｇ／ｈ）を、相当蒸発量（又は燃焼率）、ボイラ圧力値、給水温度に基づいて算出する。

図３Ａは、ボイラ圧力値が変化した場合に、実際蒸発量の合計が設定された出力蒸気量を維持するように、制御対象ボイラ２０の燃焼率を変更する場合の一例を示す。図３Ｂは、給水温度が変化した場合に、実際蒸発量の合計が設定された出力蒸気量を維持するように、制御対象ボイラ２０の燃焼率を変更する場合の一例を示す。図３Ａ及び図３Ｂを参照しながら、燃焼率算出部４４の処理内容を説明する。
図３Ａ及び図３Ｂにおいて、各ボイラ２０のボイラ容量は７０００ｋｇ／ｈ、出力蒸気量は６０００ｋｇ／ｈ、制御対象ボイラ台数は３台とする。３台を１号機、２号機、３号機とする。

図３Ａを参照すると、時刻ｔ_０において各ボイラのボイラ圧力値は０．７０ＭＰａ、時刻ｔ_１において各ボイラのボイラ圧力値は０．９０ＭＰａに変化し、さらに時刻ｔ_２において各ボイラのボイラ圧力値は１．２０ＭＰａに変化する様子を示す。
図３Ａを参照すると、時刻ｔ_０及び時刻ｔ_１において１号機及び２号機の相当蒸発量を２２４０ｋｇ／ｈ（燃焼率３２％）のまま、３号機の相当蒸発量を２１７０ｋｇ／ｈ（燃焼率３１％）のままとしても実際蒸発量の合計は、６０００ｋｇ／ｈに近い値を維持することがわかる。これに対して、時刻ｔ_２においては、３号機の燃焼率を１％あげることで、実際蒸発量の合計を、６０００ｋｇ／ｈに近い値に維持できることがわかる。

図３Ｂを参照すると、時刻ｔ_０において各ボイラの給水温度は６０℃、時刻ｔ_１において各ボイラの給水温度は５０℃に変化する様子を示す。
図３Ｂを参照すると、時刻ｔ_０において１号機〜３号機の相当蒸発量を２２４０ｋｇ／ｈ（燃焼率３２％）とすると、各ボイラ２０の実際蒸発量は１９９６ｋｇ／ｈとなり、実際蒸発量の合計が５９８７ｋｇ／ｈとなり、６０００ｋｇ／ｈに近い値を維持することがわかる。これに対して、時刻ｔ_１において、１号機〜３号機の相当蒸発量を２２４０ｋｇ／ｈ（燃焼率３２％）とした場合、実際蒸発量の合計は、５８９０ｋｇ／ｈとなり、設定された出力蒸気量６０００ｋｇ／ｈに対して１１０ｋｇ／ｈ不足することがわかる。このため、１号機及び２号機の燃焼率を１％あげて、３３％とすることで、実際蒸発量の合計が６０１２ｋｇ／ｈとなり、６０００ｋｇ／ｈに近い値を維持できることがわかる。
以上のように、燃焼率算出部４４により、制御対象ボイラ２０のボイラ圧力、給水温度に基づいて、制御対象ボイラ２０の燃焼率（又は出力蒸気量）を補正することにより、制御対象ボイラ２０の給水温度、ボイラ圧力に影響されずに、出力蒸気量設定部４０により設定された固定の出力蒸気量を出力することが可能となる。

優先順位設定部４５は、ボイラ群２に含まれる各ボイラ２０の優先順位の設定及び変更を行う。複数のボイラの稼動状態に偏りが生じないように、優先順位設定部４６は、ボイラシステム１において、優先順位を定期的に（例えば、２４時間毎に）変更して、複数のボイラの稼動状態の均一化を図っている。
台数制御部４は、優先順位設定部４５によりボイラ２０の優先順位が変更されると、燃焼停止状態にあるボイラ２０のうち、優先順位の高いボイラ２０の燃焼を開始させ、その後、当該ボイラ２０が所定の蒸気量を出力すると、優先順位の低いボイラの燃焼を停止させる。
これにより、ボイラ２０を均等に燃焼させることができ、ボイラ２０の故障率を低減させることができる。

ヘッダ圧力範囲設定部４６は、ヘッダ圧力値の上限及び下限を予め設定する。ヘッダ圧力値の上限値及び下限値は、後述の制御切換部４９がメインボイラである水管ボイラ等の大規模ボイラシステムに何らかの異常が発生したと判定するための閾値とする。

必要蒸気量算出部４７は、ヘッダ圧力値に基づいて必要蒸気量を算出する。具体的には、必要蒸気量算出部４７は、ヘッダ圧力値が予め設定された目標圧力値を維持するように（又は、ヘッダ圧力値が予め設定された目標圧力値範囲に収まるように）、所定周期毎に、例えば公知の位置形ＰＩＤ（又は位置形ＰＩ）アルゴリズム又は速度形ＰＩＤ（又は速度形ＰＩ）アルゴリズムにより算出される現時点の必要蒸気量ＭＶ_ｎを算出する。

第２制御部４８は、必要蒸気量算出部４７により算出された必要蒸気量の蒸気を生成するようにボイラ群２の燃焼状態を制御する。すなわち、第２制御部４８は、ヘッダ圧力値が予め設定された目標圧力値を上回った場合、設定された出力蒸気量を無視して、全ての制御対象ボイラ２０の出力蒸気量を少しずつ減少させる。逆に、ヘッダ圧力値が予め設定された目標圧力値を下回った場合、第２制御部４８は、設定された出力蒸気量を無視して、全ての制御対象ボイラ２０の出力蒸気量を少しずつ増加させる。そうすることで、ボイラシステム全体の圧力安定性を確保することができる。

制御切換部４９は、ヘッダ圧力値が、ヘッダ圧力範囲設定部４６により予め設定されたヘッダ圧力値の上限を上回った場合、又はヘッダ圧力範囲設定部４６により予め設定されたヘッダ圧力値の下限を下回った場合に、第１制御部４３によるボイラ群２の燃焼状態の制御を停止させて、第２制御部４８によるボイラ群２の燃焼状態の制御を実行させる。
これにより、ヘッダ圧力が所定範囲内を外れた場合、出力蒸気量をヘッダ圧力に基づく圧力制御に切り換えることにより、直ちにボイラシステム全体の圧力安定性を確保することができる。

次に、本実施形態における制御部４による制御の一連の流れについて図４Ａ〜図４Ｃを参照しながら説明する。図４Ａ〜図４Ｃは、制御部４の処理内容を示すフローチャート図である。

＜出力蒸気量の設定＞
図４Ａを参照しながら制御対象ボイラの設定処理について説明する。
なお、優先順位設定部４５により、ボイラ群２に含まれる各ボイラ２０の優先順位が予め設定されているものとする。また、ヘッダ圧力範囲設定部４６により、ヘッダ圧力値の上限及び下限が予め設定されているものとする。
ステップＳＴ１において、制御部４（出力蒸気量設定部４０）は、ボイラ群２により出力される蒸気量である一定の出力蒸気量を予め設定する。

ステップＳＴ２において、制御部４（燃焼台数算出部４１）は、各ボイラ２０の燃焼率がそれぞれエコ運転ゾーンの範囲内に収まる条件を満たすボイラ２０の燃焼台数を算出する。

ステップＳＴ３において、制御部４（燃焼台数算出部４１）は、各ボイラ２０の燃焼率がそれぞれエコ運転ゾーンの範囲内に収まる条件を満たす台数の選択肢が存在するか否か判定する。存在する場合（Ｙｅｓ）、ステップＳＴ４に進む。存在しない場合（Ｎｏ）、ステップＳＴ５に移る。

ステップＳＴ４において、制御部４（燃焼台数算出部４１）は、台数の選択肢が複数か否か判定する。台数の選択肢が複数の場合（Ｙｅｓ）、ステップＳＴ５に移る。台数の選択肢が複数ない場合（Ｎｏ）、ステップＳＴ６に移る。

ステップＳＴ５において、制御部４（燃焼台数算出部４３）は、予め指定される燃焼台数前提条件に基づいて、１つの選択肢を選択する。

ステップＳＴ６において、制御部４（制御対象ボイラ設定部４２）は、燃焼台数算出部４３により算出された燃焼台数分のボイラ２０を制御対象ボイラとして設定する。

次に図４Ｂを参照しながら出力蒸気量一定制御の処理について説明する。
＜出力蒸気量一定制御＞

ステップＳＴ７において、制御部４（燃焼率算出部４４）は、ボイラ２０の給水温度とボイラ２０のボイラ圧力値に基づいて、ボイラ２０の出力する実際蒸発量の合計が一定の出力蒸気量の値に最も近い値となるように、ボイラ２０の燃焼率を算出する。

ステップＳＴ８において、制御部４（第１制御部４３）は、燃焼率算出部４４により算出された燃焼率で燃焼制御ボイラ２０を燃焼させる。

ステップ９において、制御部４（制御切換部４９）は、ヘッダ圧力値がヘッダ圧力範囲設定部４６により設定された上限と下限の範囲内にあるか否かを判定する。上限と下限の範囲内にある場合（Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１０に進む。上限と下限の範囲内にない場合（Ｎｏ）、ステップＳＴ１１に移る。

ステップＳＴ１０において、制御部４（燃焼率算出部４４）は、ボイラ２０に供給される給水の温度とボイラ２０の内部のボイラ圧力値に変化があったか否かを判定する。変化があった場合（Ｙｅｓ）、ステップＳＴ７に戻る。変化がなかった場合（Ｎｏ）、ステップＳＴ８に戻る。

次に図４Ｃを参照しながらバックアップ制御モードの処理について説明する。
ステップＳＴ１１において、制御部４（制御切換部４９）は、第１制御部４３による燃焼制御を停止させ、第２制御部４８によるボイラ群２の燃焼状態の制御を実行させる。

ステップＳＴ１２において、制御部４（第２制御部４８）は、必要蒸気量算出部４７により算出された必要蒸気量の蒸気を生成するようにボイラ群２の燃焼状態を制御する。

以上説明した本実施形態のボイラシステム１によれば、以下のような効果を奏する。

本実施形態のボイラシステム１に係る制御部４は、ボイラ群２により出力される蒸気量である一定の出力蒸気量を予め設定する出力蒸気量設定部４０と、一定の出力蒸気量を出力するためにボイラ群２に含まれる各ボイラ２０に均等に燃焼率を割り振った場合に、各ボイラ２０の燃焼率がそれぞれエコ運転ゾーンの範囲内に収まるように燃焼台数を算出する燃焼台数算出部４１と、燃焼台数算出部４１により算出された燃焼台数分のボイラを制御対象ボイラとして設定する制御対象ボイラ設定部４２と、一定の出力蒸気量の蒸気を生成するように、制御対象ボイラ設定部４２により設定された制御対象ボイラの燃焼状態を制御する第１制御部４３と、を備える。
これにより、ヘッダ圧力やボイラ圧力に影響されない出力量一定制御を実現することができる。例えば、水管ボイラ等の大規模ボイラシステムをメインボイラ群とし、本実施形態のボイラシステム１をサブボイラ群とするボイラシステムにおいて、メインボイラ群による圧力制御がなされている場合に、本実施形態のボイラシステム１はサブボイラ群として圧力制御を行わずに、一定出力で固定燃焼させることが可能となる。

また、燃焼率算出部４４は、ボイラ２０のボイラ本体２１へ供給される給水の温度と各ボイラ２０の内部のボイラ圧力値とに基づいて、ボイラ２０からの実際に出力される出力蒸気量が各ボイラに設定された出力蒸気量と一致するように、ボイラ２０の燃焼率を算出する
これにより、出力蒸気量を給水温度、ボイラ圧力に影響されずに、出力蒸気量設定部４０により設定された固定の出力蒸気量を出力することができる。

また燃焼台数算出部４１は、燃焼台数を抑制するか、又は過剰にするかを指定する燃焼台数前提条件を予め設定しておき、燃焼台数の算出に際して、複数の選択肢が存在する場合又は選択肢が存在しない場合に、燃焼台数前提条件に基づいて燃焼台数を算出する。
これにより、燃焼台数を最小限にしたい場合には、燃焼台数前提条件に対して燃焼台数を抑制するように指定し、逆に各ボイラの燃焼率を抑えたい場合には燃焼台数前提条件に対して燃焼台数を増加するように指定することで、ユーザのニーズに対応することができる。

また、優先順位設定部４５は、ボイラ群２に含まれる各ボイラ２０の優先順位の設定及び変更を行う。台数制御部４は、優先順位設定部４５によりボイラ２０の優先順位が変更されると、燃焼停止状態にあるボイラ２０のうち、優先順位の高いボイラ２０の燃焼を開始させ、その後、当該ボイラ２０が所定の蒸気量を出力すると、優先順位の低いボイラの燃焼を停止させる。
これにより、ボイラ２０を均等に燃焼させることができ、ボイラ２０の故障率を低減させることができる。

また、本実施形態のボイラシステム１に係る制御部４は、ヘッダ圧力値に基づいて算出された必要蒸気量の蒸気を生成するようにボイラ群２の燃焼状態を制御する第２制御部４８と、ヘッダ圧力値が予め設定されたヘッダ圧力値の上限を上回った場合、又は予め設定されたヘッダ圧力値の下限を下回った場合に、第１制御部４３によるボイラ群２の燃焼状態の制御を停止させて、第２制御部４８によるボイラ群２の燃焼状態の制御を実行させる制御切換部４９と、を備える。
これにより、例えば、メインボイラである水管ボイラ等の大規模ボイラシステムに何らかの異常が発生したことでヘッダ圧力が所定範囲内を外れた場合、出力蒸気量をヘッダ圧力に基づく圧力制御に切り換えることにより、ボイラシステム全体の圧力安定性を確保することができる。

以上、好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。

［変形例１］
上記実施形態では、制御切換部４９は、ヘッダ圧力値が、ヘッダ圧力範囲設定部４６により予め設定された上限と下限の範囲を外れた場合に、第１制御部４３によるボイラ群２の燃焼状態の制御を停止させて、第２制御部４８によるボイラ群２の燃焼状態の制御を実行させたが、これに限らない。制御切換部４９は、ヘッダ圧力値が、ヘッダ圧力範囲設定部４６により予め設定された上限と下限の範囲を外れた場合に、全てのボイラ２０を手動運転に切り替えるようにしてもよい。

［変形例２］
例えば、上記実施形態では、連続制御ボイラ２０を、全て同一のボイラ容量としたが、これに限らない。すなわち、ボイラ２０毎にその最小燃焼量、単位蒸気量、最大燃焼量としての燃焼能力が異なる場合にも適用可能である。

［変形例３］
また、上記実施形態では、本発明を３台の連続制御ボイラ２０からなるボイラ群２を備えるボイラシステムに適用したが、これに限らない。すなわち、本発明を、２台、又は４台以上のボイラからなるボイラ群を備えるボイラシステムに適用してもよい。また、１台のボイラ単体に適用してもよい。

［変形例４］
また、上記実施形態では、必要蒸気量算出部４７において、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値（物理量）に基づいてＰＩＤ（比例＋積分＋微分）アルゴリズムにより必要蒸気量（指示蒸気量）を算出する例について説明した。これに限らず、本発明は、ＰＩ（比例＋積分）アルゴリズム又はＰ（比例）アルゴリズムにより必要蒸気量（指示蒸気量）を算出する制御にも適用することができる。

［変形例５］
上記実施形態において、制御部４は、出力蒸気量一定制御モードに加えて、ヘッダ圧力値が予め設定される目標値を維持するように燃焼制御する圧力制御モードを備えるようにしてもよい。
この場合、制御部４は例えば外部信号等により、出力蒸気量一定制御モードから圧力制御モードに、また逆に、圧力制御モードから出力蒸気量一定制御モードに変更するように構成してもよい。
これにより、ボイラシステム１を例えば水管ボイラ等のメインボイラの補助用途として、使用している場合にメインボイラの障害等により蒸気供給が必要となったとき、外部信号等で制御モードを出力蒸気量一定制御から圧力制御に変更することで、短時間で蒸気システムを復旧させることが可能となる。

１ボイラシステム
２ボイラ群
３台数制御装置
４制御部
４０出力蒸気量設定部
４１燃焼台数算出部
４２制御対象ボイラ設定部
４３第１制御部
４４燃焼率算出部
４５優先順位設定部
４６ヘッダ圧力範囲設定部
４７必要蒸気量算出部
４８第２制御部
４９制御切換部
５記憶部
６蒸気ヘッダ
７蒸気圧センサ（ヘッダ圧力測定手段）
１８蒸気使用設備
２０ボイラ
２１ボイラ本体
２２ローカル制御部
２３給水温度測定部
２４蒸気圧センサ（ボイラ圧力測定部）

Claims

燃焼率を連続的に変更して燃焼可能な、一台以上のボイラからなるボイラ群と、
前記ボイラ群において生成された蒸気を集合させる蒸気ヘッダと、
前記ボイラ群の燃焼状態を制御する台数制御部と、
を備えるボイラシステムであって、
前記一台以上のボイラには、
ボイラ効率が所定値よりも高くなる燃焼率の範囲であるエコ運転ゾーンがそれぞれのボイラに対して設定され、
前記台数制御部は、
前記ボイラ群により出力される全出力蒸気量の合計値であって前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧であるヘッダ圧力値に影響されない一定の出力蒸気量を予め設定する出力蒸気量設定部と、
前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧であるヘッダ圧力値に影響されない前記一定の出力蒸気量を出力するために前記ボイラ群に含まれる各ボイラに均等に燃焼率を割り振った場合に、各ボイラの燃焼率がそれぞれ前記エコ運転ゾーンの範囲内に収まるように燃焼台数を算出する燃焼台数算出部と、
前記燃焼台数算出部により算出された燃焼台数分のボイラを制御対象ボイラとして設定する制御対象ボイラ設定部と、
前記ヘッダ圧力値に基づく圧力制御を行わずに、前記制御対象ボイラ設定部により設定された前記制御対象ボイラにより出力される全出力蒸気量の合計値が、前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧であるヘッダ圧力値に影響されない、前記出力蒸気量設定部により予め設定された一定の出力蒸気量の蒸気を生成するように、前記制御対象ボイラ設定部により設定された前記制御対象ボイラの燃焼状態を制御する第１制御部と、
を備える、ボイラシステム。
前記ボイラの内部の蒸気圧であるボイラ圧力値を測定するボイラ圧力測定手段と、
前記ボイラのボイラ本体へ供給される給水の温度である給水温度を測定する給水温度測定手段と、
前記給水温度と前記ボイラ圧力値とに基づいて、与えられた蒸気量を出力する燃焼率を算出する燃焼率算出部と、
を備え、
前記第１制御部は、さらに、
前記燃焼率算出部により算出された燃焼率に基づいて、前記制御対象ボイラの燃焼状態を制御する請求項１に記載のボイラシステム。
前記燃焼台数算出部は、
燃焼台数を抑制するか、又は過剰にするかを指定する燃焼台数前提条件を予め設定しておき、
燃焼台数の算出に際して、複数の選択肢が存在する場合又は選択肢が存在しない場合に、前記燃焼台数前提条件に基づいて燃焼台数を算出する請求項１又は請求項２に記載のボイラシステム。
前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧であるヘッダ圧力値を測定するヘッダ圧力測定手段と、
前記ヘッダ圧力値の上限及び下限を予め設定するヘッダ圧力範囲設定部と、
前記ヘッダ圧力値に基づいて必要蒸気量を算出する必要蒸気量算出部と、
前記必要蒸気量算出部により算出された必要蒸気量の蒸気を生成するように前記ボイラ群の燃焼状態を制御する第２制御部と、
前記ヘッダ圧力値が前記上限を上回った場合、又は前記下限を下回った場合に、前記第１制御部による前記ボイラ群の燃焼状態の制御を停止させて、前記第２制御部による前記ボイラ群の燃焼状態の制御を実行させる制御切換部と、を備える、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のボイラシステム。
前記台数制御部は、さらに、
前記ボイラ群に含まれる各ボイラの優先順位の設定及び変更を行う優先順位設定部を備え、
前記優先順位設定部により各ボイラの優先順位が変更されると、燃焼停止状態にあるボイラのうち、優先順位の高いボイラの燃焼を開始させる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のボイラシステム。
前記台数制御部は、
前記優先順位設定部により各ボイラの優先順位が変更されると、燃焼状態にあるボイラのうち、優先順位の低いボイラの燃焼を停止させる、請求項５に記載のボイラシステム。