(57)【要約】【課題】簡易な構成で、燃焼レベルや酸素濃度の変動に速やかに応答してバーナーを好ましい空気比をもって燃焼させることが可能な制御装置を普及させる。【解決手段】モータバルブによる燃料弁５および空気弁６を個別に制御する機能を持つ制御装置１に、複数の燃焼レベルについて空気比を好ましい状態で維持するのに必要な燃料弁５と空気弁６との開度の組み合わせについての登録情報を用いて各弁５，６に対する開度指令を生成する電子リンケージ制御部１１と、排ガス中の酸素の濃度に応じて空気弁６に対する開度指令を補正する酸素量トリム制御部１０とを設ける。燃料弁５のモータ５Ｍの回転量が所定の閾値を上回る間は、空気弁６に対する開度指令として電子リンケージ制御部１１が生成した指令が選択され、モータ５Ｍの回転量が閾値を下回ったことに応じて、上記の選択が酸素量トリム制御部１０により補正された開度指令に切り替えられる。【選択図】図２
2020060330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナーへの燃料供給量を調節する燃料弁および当該バーナーへの空気供給量を調節する空気弁としてそれぞれモータバルブが用いられると共に、当該バーナーが配備される燃焼炉の炉内温度を計測する温度センサまたは当該燃焼炉の熱により発生する水蒸気の蒸気圧を計測する圧力センサと、前記バーナーの燃焼により生じた排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度センサとが設けられた燃焼設備に組み込まれて、前記バーナーの燃焼時の空気比を安定させるための制御を行う装置であって、
空気比を好ましい状態で維持して前記バーナーの燃焼レベルを変化させたときの燃焼レベルの変化に伴う空気弁と燃料弁との開度の関係の変化を表す情報が登録される記憶手段と、前記バーナーに設定すべき燃焼レベルを表す制御指令として、前記温度センサまたは圧力センサによる計測値と所定の目標値とを用いたＰＩＤ演算に基づいて求められたパラメータを入力する入力手段と、当該パラメータにより前記記憶手段の登録情報を照合することによって空気弁および燃料弁の各々に設定すべき開度を特定し、各弁に対しそれぞれ特定された開度で当該弁を開くことを指示する制御指令を生成する制御指令生成手段とを有する電子リンケージ制御部と、
前記酸素濃度センサにより計測された酸素濃度と所定の目標濃度とを用いたＰＩＤ演算を実行してその演算結果に基づき酸素濃度の調節に必要な空気弁の開度を導出し、この開度で前記空気弁を開くことを指示する制御指令を生成する酸素量トリム制御部と、
前記電子リンケージ制御部が前記燃料弁に対して生成した制御指令または当該指令を受けて動く燃料弁のモータの動きを監視し、その監視対象にあらかじめ定めた閾値を上回る変化が生じている間は、前記空気弁に対する制御指令として前記電子リンケージ制御部が生成した制御指令を選択し、当該変化が前記閾値を下回ったことに応じて空気弁に対する制御指令を前記酸素量トリム制御部が生成した制御指令に切り替える切替え制御部と、
前記電子リンケージ制御部が前記燃料弁に対して生成した制御指令に基づき当該燃料弁のモータの回転動作を制御する燃料弁用モータ制御部と、
前記切替え制御部により選択された制御指令に基づき前記空気弁のモータの回転動作を制御する空気弁用モータ制御部とを、
備えることを特徴とする空気比制御装置。
【請求項２】
前記燃料弁用モータ制御部および空気弁用モータ制御部は、それぞれに与えられた制御指令に対し、制御対象のモータから出力される回転位置信号が示す回転位置が当該制御指令に適合する回転位置に一致するように当該モータを回転させる、請求項１に記載された空気比制御装置。
【請求項３】
前記酸素量トリム制御部は、前記切替え制御部が前記空気弁に対する制御指令として電子リンケージ制御部が生成した制御指令を選択している間はＰＩＤ演算を停止すると共にそれまでの演算結果をリセットし、前記切替え制御部の選択が酸素量トリム制御部が生成した制御出力に切り替えられたことに応じてＰＩＤ演算を再開する、請求項１に記載された空気比制御装置。
【請求項４】
前記温度センサまたは圧力センサによる計測値を入力し、入力された計測値と前記目標値とを用いて前記電子リンケージ制御部に入力されるパラメータを求めるためのＰＩＤ演算を実行する演算処理部を、さらに備える、
請求項１に記載された空気比制御装置。
【請求項５】
前記空気弁と前記バーナーとの間の空気流路内の空気圧を計測するために設けられた空気圧センサからの信号を受けて、この信号が表す空気圧が前記空気弁のモータの動きに適合するか否かを判別することによって、前記空気流路内の空気量の異常を検出する異常検出部を、さらに備える、
請求項１に記載された空気比制御装置。
【請求項６】
バーナーへの燃料供給量を調節する燃料弁および当該バーナーへの空気供給量を調節する空気弁としてそれぞれモータバルブが用いられると共に、当該バーナーが配備される燃焼炉の炉内温度を計測する温度センサまたは当該燃焼炉の熱により発生する水蒸気の蒸気圧を計測する圧力センサと、前記バーナーの燃焼により生じた排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度センサとが設けられた燃焼設備に組み込まれるコンピュータ装置に導入されるプログラムであって、
空気比を好ましい状態で維持して前記バーナーの燃焼レベルを変化させたときの燃焼レベルの変化に伴う空気弁と燃料弁との開度の関係の変化を表す情報が登録される記憶手段と、前記バーナーに設定すべき燃焼レベルを表す制御指令として、前記温度センサまたは圧力センサによる計測値と所定の目標値とを用いたＰＩＤ演算に基づいて求められたパラメータを入力する入力手段と、当該パラメータにより前記記憶手段の登録情報を照合することによって空気弁および燃料弁の各々に設定すべき開度を特定し、各弁に対しそれぞれ特定された開度で当該弁を開くことを指示する制御指令を生成する制御指令生成手段とを有する電子リンケージ制御部、
前記酸素濃度センサにより計測された酸素濃度と所定の目標濃度とを用いたＰＩＤ演算を実行してその演算結果に基づき酸素濃度の調節に必要な空気弁の開度を導出し、この開度で前記空気弁を開くことを指示する制御指令を生成する酸素量トリム制御部、
前記電子リンケージ制御部が前記燃料弁に対して生成した制御指令または当該指令を受けて動く燃料弁のモータの動きを監視し、その監視対象にあらかじめ定めた閾値を上回る変化が生じている間は、前記空気弁に対する制御指令として前記電子リンケージ制御部が生成した制御指令を選択し、当該変化が前記閾値を下回ったことに応じて空気弁に対する制御指令を前記酸素量トリム制御部が生成した制御指令に切り替える切替え制御部、
前記電子リンケージ制御部が前記燃料弁に対して生成した制御指令に基づき前記燃料弁のモータの回転動作を制御する燃料弁用モータ制御部、
前記切替え制御部により選択された制御指令に基づき前記空気弁のモータの回転動作を制御する空気弁用モータ制御部、
の各機能として前記コンピュータ装置を動作させる、空気比制御用のプログラム。
【請求項７】
バーナーへの燃料供給量を調節する燃料弁および当該バーナーへの空気供給量を調節する空気弁としてそれぞれモータバルブが用いられると共に、当該バーナーが配備される燃焼炉の炉内温度を計測する温度センサまたは当該燃焼炉の熱により発生する水蒸気の蒸気圧を計測する圧力センサと、前記バーナーの燃焼により生じた排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度センサとが用いられた燃焼設備において実行される制御方法であって、
空気比を好ましい状態で維持して前記バーナーの燃焼レベルを変化させたときの燃焼レベルの変化に伴う空気弁と燃焼弁との開度の関係の変化を表す情報を取得して当該情報を記憶手段に登録するステップと、
前記温度センサまたは圧力センサによる計測値と所定の目標値とを用いたＰＩＤ演算を実行してその演算結果に基づき前記バーナーに設定すべき燃焼レベルを表すパラメータを導出するステップと、
前記パラメータにより前記記憶手段の登録情報を照合することによって空気弁および燃料弁の各々に設定すべき開度を特定し、各弁に対しそれぞれ特定された開度で当該弁を開くことを指示する制御指令を生成するステップと、
前記酸素濃度センサにより計測された酸素濃度と所定の目標濃度とを用いたＰＩＤ演算を実行してその演算結果に基づき酸素濃度の調節に必要な空気弁の開度を導出し、空気弁に対しこの開度で当該空気弁を開くことを指示する第２の制御指令を生成するステップと、
前記燃料弁に対して生成された制御指令または当該指令を受けて動く燃料弁のモータの動きを監視し、その監視対象にあらかじめ定めた閾値を上回る変化が生じている間は、前記空気弁に対する制御指令として前記パラメータに基づき燃料弁の開度と共に特定された開度による制御指令を選択し、当該変化が前記閾値を下回ったことに応じて空気弁に対する制御指令を前記第２の制御指令に切り替えるステップと、
前記燃料弁に対して生成された制御指令に基づき当該燃料弁のモータの回転動作を制御する処理と、前記空気弁に対して選択されている制御指令に基づき当該空気弁のモータの回転動作を制御する処理とを並列させて実行するステップとを、
含む空気比制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼設備に導入されて、当該燃焼設備内のバーナーにおける空気比が好ましい値で安定するようにバーナーへの空気や燃料の供給量を調整する制御を行う制御装置、およびこの制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、ならびに制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油やガスなどの燃料を燃やす場合には、有害物質（一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物等）の発生を抑えるために適度な量の空気をバーナーに供給する必要がある。そのためには、空気比（燃焼に必要とされる理論上の空気量に対する実際の燃焼に使用される空気量の比率。空燃比と呼ばれる場合もある。）を良好な値で維持するための制御システムを燃焼設備に導入する必要がある。以下、この制御システムを「空気比制御システム」と呼ぶ。
【０００３】
図６は、空気比制御システムの代表例を表したもので、燃焼炉４００の炉内温度を計測する温度センサ２０１，煙道から出る排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度センサ２０２，燃料流量計２０３，空気流量計２０４などのセンシング機器と、温度調節計３０１，燃料流量調節計３０２，酸素濃度調節計３０３，空気比設定部３０４，加減算演算部３０５，空気流量調節計３０６などの演算処理部（いずれもソフトウェア）により構成されている。
【０００４】
バーナー４０１への空気流路および燃料流路にはそれぞれコントロールバルブとして空気弁４０３および燃料弁４０２が設けられている。温度調節計３０１は、温度センサ２０１により検出された炉内温度とあらかじめ定められた目標温度とを用いたＰＩＤ演算により炉内温度を目標温度に合わせるのに必要な操作量（燃焼レベルを表す数値）を求める。燃料流量調節計３０２は、この操作量を燃料流量の設定値として取り込み、燃料流量計２０３により計測される燃料流量が当該設定値に一致するように燃料弁４０２の開度を調節する。
【０００５】
一方、空気については、空気比設定部３０４において、あらかじめ登録された好ましい空気比と温度調節計３０１により求められた燃焼レベルとを用いた演算により当該燃焼レベルに見合った空気流量が求められる。これに並列して、酸素濃度調節計３０３においても、酸素濃度センサ２０２により検出された酸素濃度とあらかじめ設定された目標濃度とを用いたＰＩＤ演算によって酸素濃度を目標濃度に合わせるのに必要な空気流量が導出される。加減算演算部３０５は上記２つの空気流量を比較し、両者の値が異なる場合は、前者の値に対する後者の値の差を所定の比率で調整して前者の値に加算または減算する。空気流量調節計３０６は、この加減算演算部３０５により算出された値を設定値として取り込み、空気流量計２０４により計測される空気流量が当該設定値に一致するように空気弁４０３の開度を調節する。
【０００６】
つぎに、中小規模の燃焼設備で採用されることが多い簡易な構成の空気比制御システムについて説明する。
【０００７】
図７は、主としてガスを燃料とする設備で用いられる均圧弁方式の空気比制御システムである。このシステムでは、モータバルブ（電動制御弁）による空気弁４０４と均圧弁４０５とが使用され、これらの制御のために、炉内温度を計測する温度センサ２０１と温度調節計３０１とが設けられている。このシステムでは、温度調節計３０１のＰＩＤ演算により導出された操作量は開度の設定値として空気弁４０４に与えられ、これを受けた空気弁４０４の動きによる空気流路内の空気圧の変化を受けて均圧弁４０５の開度が変更されることによって、空気流量の変化量に見合った度合いをもって燃料流量が変化する。この仕組みにより空気流量と燃料流量との比率を一定に維持しながら、炉内温度の変化に応じて双方の量を変化させることができる。
【０００８】
図８は、主として油を燃料とする設備で用いられるメカニカルリンケージ方式の空気比制御システムである。このシステムでは、コントロールモータ５１やカム５２などを含むリンク機構５０によって燃料弁４０６と空気弁４０７とが連動して動くように設定されると共に、図７の例と同様に温度センサ２０１や温度調節計３０１が設けられている。リンク機構５０は、温度調節計３０１が温度センサ２０１による計測値と目標温度とに基づき求めた操作量を受けて動き、その動きによって燃料弁４０６および空気弁４０７が同時に動いて各々の開度が変更される。
【０００９】
なお、メカニカルリンケージ方式に近い空気比制御システムとして、上記のリンク機構を電子カムに置き換え、空気弁および燃料弁の各々をモータバルブとした構成によって、各弁を連動させて動かす方式のシステムもある。
【００１０】
上記の各例の補足として、以下の３件の先行技術文献をあげる。
特許文献１には、ガス流量調節弁およびガス流量計を設けたガス配管と、空気流量調節弁および空気流量計を設けた空気配管とが接続されたガスバーナーに装備された燃焼制御装置において、燃焼炉内の温度を目標温度に維持するときの燃焼量とガス流量計により測定されたガス流量との偏差がゼロになるような制御を行うと共に、前記のガス流量に基づいて目標空気比を達成するときの目標空気流量を求めて、この目標空気流量と空気流量計により測定された空気流量の偏差がゼロになるように制御することが記載されている。さらに特許文献１には、バーナーの燃焼量が低いときの流量計の測定値に大きな誤差が生じる問題を解決するために、ガス流量および空気流量の少なくとも一方の測定値を補正することが記載されている。
【００１１】
特許文献２には、均圧弁方式が適用された燃焼設備に、排ガス中の酸素濃度を計測するための酸素濃度計を導入すると共に、空気流路から均圧弁への分岐路の途中に空気圧を変動させる圧力調整機構を設けることによって、酸素濃度の変化に応じて均圧弁に与えられる空気圧を変化させることが記載されている。
【００１２】
特許文献３には、空気量を調整するエアダンパーおよび燃料制御弁をそれぞれ個別のコントロールモータにより動かし、これらのモータの動作をマイコンにより制御すると共に、各モータからのフィードバック信号により各モータが指示どおりに動いているか否かの判定や、空気比が正常であるか否かの判定を行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第５８４４６４５号公報
【特許文献２】特開２０１６−２３８２０号公報
【特許文献３】特開平５−１１８５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１や先の図６に示したような空気比制御システムは、実際の燃料流量や空気流量を測定しながらそれらの測定値が設定値に合うように各弁の開度を調節することにより、空気比を高い確度で安定させることができる。しかし、高価な流量計を使用することに加え、燃焼レベルの変化に対する酸素濃度の変化の検出に生じる遅れを考慮した補正演算や低燃焼時の流量計の測定値の補正等、複雑な演算処理を組み入れる必要があるため、システムの導入に要するコストが大がかりになり、大規模な燃焼設備でなければ導入するのは困難である。
【００１５】
図７に例示した均圧弁方式のシステムは、バーナーの前の空気圧とガス圧との比率を一定に維持しながらそれぞれの流量を変化させることができるという利点を有する。しかし、バーナーの燃焼特性によっては、空気圧とガス圧との比率を燃焼レベルの変化に応じて変更しなければならない場合もある。特許文献２に記載されているように、排ガス中の酸素濃度に応じて均圧弁にかかる空気圧を変動させる機構を組み込んだとしても、この問題を解決するのは困難である。
【００１６】
図８に例示したメカニカルリンケージ方式のシステムでも、燃料弁と空気弁とを常に一定の条件で動かせるだけであり、温度の変化などによって空気中の酸素量が変化しても、その変化に対応することができない。よって、空気比を適正に維持できる能力が高いとは言えない。
【００１７】
上記のとおり、汎用の燃焼設備に適したリーズナブルで性能の良い空気制御システムはいまだ開発されていないが、中小規模（1000kW/h未満）の燃焼設備は、年間、数千台にも渡って出荷されている。これら中小規模の燃焼設備における空気比の制御が不完全なまま放置されているという実情は看過できない問題である。
【００１８】
本発明は上記の問題に着目してなされたもので、燃焼レベルや酸素濃度の変動に速やかに応答してバーナーを好ましい空気比をもって燃焼させることが可能な空気比制御システムの制御主体となる装置や制御方法を普及させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一実施形態に係る制御装置は、バーナーへの燃料供給量を調節する燃料弁および当該バーナーへの空気供給量を調節する空気弁としてそれぞれモータバルブが用いられ、当該バーナーが配備される燃焼炉の炉内温度を計測する温度センサやバーナーの燃焼により生じた排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度センサを備えた燃焼設備に導入されるもので、以下に述べる電子リンケージ制御部，酸素量トリム制御部，切替え制御部，および燃料弁・空気弁のそれぞれに対するモータ制御部を備える。
【００２０】
電子リンケージ制御部は、空気比を好ましい状態で維持して前記バーナーの燃焼レベルを変化させたときの燃焼レベルの変化に伴う空気弁と燃料弁との開度の関係の変化を表す情報が登録される記憶手段と、バーナーに設定すべき燃焼レベルを表す制御指令として温度センサにより計測された炉内温度と所定の目標温度とを用いたＰＩＤ演算に基づいて求めたパラメータを入力する入力手段と、当該パラメータにより記憶手段の登録情報を照合することによって空気弁および燃料弁の各々に設定すべき開度を特定し、各弁に対しそれぞれ特定された開度で当該弁を開くことを指示する制御指令を生成する制御指令生成手段とを有する。
【００２１】
酸素量トリム制御部は、酸素濃度センサにより計測された酸素濃度と所定の目標濃度とを用いたＰＩＤ演算を実行してその演算結果に基づき酸素濃度の調節に必要な空気弁の開度を導出し、この開度で空気弁を開くことを指示する制御指令を生成する。
【００２２】
切替え制御部は、電子リンケージ制御部が燃料弁に対して生成した制御指令または当該指令を受けて動く燃料弁のモータの動きを監視し、その監視対象にあらかじめ定めた閾値を上回る変化が生じている間は、前記空気弁に対する制御指令として電子リンケージ制御部が生成した制御指令を選択し、当該変化が前記閾値を下回ったことに応じて空気弁に対する制御指令を酸素量トリム制御部が生成した制御指令に切り替える。
【００２３】
燃料弁用のモータ制御部は、電子リンケージ制御部が燃料弁に対して生成した制御指令に基づいて当該燃料弁のモータの回転動作を制御する。一方、空気弁用のモータ制御部は、切替え制御部により選択された制御指令に基づいて空気弁のモータの回転動作を制御する。
【００２４】
上記構成によれば、バーナーの燃焼が開始されてから燃焼炉の炉内温度が安定するまでの間は、燃料弁および空気弁ともに、電子リンケージ制御部により生成された制御指令によって炉内の温度変化に応じた開度調節が行われる。電子リンケージ制御部では、バーナーの燃焼レベルの調節の度合いを表すパラメータにより記憶手段に登録された情報を照合することによって各弁の好ましい開度の組み合わせを速やかに特定し、その特定に基づき各弁に対する制御指令を同時に生成することができる。これらの制御指令により各弁のモータに対する制御を並列させて実行することによって、燃料弁と空気弁との動きを連動させて空気比が良好な値で維持されるように調節することができる。また、燃料弁および空気弁の双方をモータバルブとして、各弁に特定された開度をもって各モータの回転動作を制御するので、高価な流量計を導入しなくとも、各モータの回転角度または回転位置を指標として弁の開度を調節することができる。
【００２５】
炉内温度が安定した後は、燃料弁の開度は引き続き電子リンケージ制御部により生成された制御指令により調整されるが、空気弁の開度は酸素量トリム制御部により生成された制御指令（酸素濃度の変化に応じて空気弁の開度の変更を指示するもの）により調整される。負荷の変化等の影響により炉内温度が大きく変化し、それに伴って燃料弁に対し開度を大きく変化させることを求める制御指令が生成されると、空気弁に対する制御指令は電子リンケージ制御部が生成する酸素濃度の変化の影響を受けない制御指令に切り替えられるので、燃焼レベルの変化に伴う酸素濃度の変化の検出の遅れを考慮する必要がない。よって、簡易な制御で空気比を安定させて燃焼を継続させることができる。
【００２６】
上記構成の制御装置では、各モータ制御部は、制御対象のモータから出力される回転位置信号が示す回転位置が当該モータ制御部に与えられた制御指令に適合する回転位置になるまで当該モータを回転させることによって、燃料弁および空気弁の開度を精度良く調節することができる。
【００２７】
上記構成の制御装置の酸素量トリム制御は、切替え制御部が空気弁に対する制御指令として電子リンケージ制御部が生成した制御指令が選択されている間は、ＰＩＤ演算を停止すると共に、それまでの演算結果をリセットし、切替え制御部の選択が酸素量トリム制御部が生成された制御出力に切り替えられたことに応じてＰＩＤ演算を再開するように設計されるのが望ましい。ＰＩＤ演算の結果が利用されないまま演算が続けられると、酸素濃度センサの計測値と目標濃度との偏差に対する積分演算の結果が蓄積され、空気弁に対する制御出力が酸素量トリム制御部により生成された制御出力に切り替えられたときに、上記の蓄積の影響で極端な値の制御出力が生成されて空気弁に誤作動が生じるおそれがあるからである。
【００２８】
上記の制御装置には、さらに、温度センサによる計測値を入力し、入力された計測値と前記目標温度とを用いて電子リンケージ制御部に入力されるパラメータを求めるためのＰＩＤ演算を実行する演算処理部を含めることができる。ただし、演算処理部に相当する機能を有する他の機器が制御装置の外部に設けられているときは、その機器により生成されたパラメータを電子リンケージ制御部に入力して使用してもよい。
【００２９】
上記の制御装置を含む空気比制御システムには、なんらかの原因でバーナーに供給される空気が不足して不完全燃焼が生じるのを防ぐために、空気弁とバーナーとの間の空気流路内の空気圧を計測する空気圧センサを設けるのが望ましい。この場合の制御装置には、空気圧センサからの信号を受けて、この信号が表す空気圧が空気弁のモータの動きに適合するか否かを判別することによって、空気流路内の空気量の異常を検出する異常検出部が設けられる。
【００３０】
本発明に係る制御装置は、燃焼炉の熱により水蒸気を発生させるタイプの燃焼設備（蒸気ボイラー）に導入することもできる。この場合の電子リンケージ制御部においては、水蒸気の蒸気圧を計測する圧力センサによる計測値と所定の目標値とを用いたＰＩＤ演算に基づいて求められたパラメータを入力し、当該パラメータにより記憶手段の登録情報を照合して、空気弁および燃料弁の各々に設定すべき開度を特定する。ただし、具体的に変更されるのは、パラメータの導出に用いられる物理量だけであり、電子リンケージ制御部およびその他の制御装置内の構成や処理の内容は、ここまでに説明したものと同様である。
【００３１】
よって、蒸気ボイラーにおいても、蒸気圧が安定するまでは、電子リンケージ制御部により生成された制御指令によって燃料弁および空気弁の双方を連動させて空気比が良好な値で維持されるように各弁の開度を調節することができる。また蒸気圧が安定した後は、排ガス中の酸素濃度の変化に応じて空気弁の開度をきめ細かく調節し、空気比の良好状態を維持することができる。
【００３２】
上記の制御装置は、電子リンケージ制御部，酸素量トリム制御部，切替え制御部および各弁に対するモータ制御部の機能を含むプログラムが導入されたコンピュータ装置に相当するものである。ただし、各機能は必ずしも同一のコンピュータ装置に組み込む必要はなく、複数のコンピュータ装置を協働させた制御システムにおいて各機能を働かせることもできる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、複雑な演算を実行することなく、燃料弁および空気弁を連動させて動かしながら、それぞれの弁に空気比を安定させるのに必要な開度を設定することができる上に、酸素濃度の変化にも速やかに反応して空気弁を調節することができる。また、燃料弁および空気弁をモータバルブとして、それらのモータの回転動作を弁に設定すべき開度を表す制御指令により制御する方法により、各弁の開度を調節することができるので、高価な流量計や高性能の制御弁を使用する必要がない。
【００３４】
よって、導入コストを大幅に下げることができ、既存の燃料設備への導入も容易になる。これにより中小の燃焼設備向けの高性能の空気比制御の実施を促進することが可能になり、排ガスによる大気汚染を軽減することに貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明が適用された燃焼設備の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例に係る制御装置の機能ブロック図を周辺機器との関係と共に表した図である。
【図３】リンケージテーブルから割り出される特性曲線の例を示すグラフである。
【図４】炉内温度、酸素濃度、燃料弁および空気弁の動きによって、第１実施例の制御装置による制御の例を示したグラフである。
【図５】第２実施例に係る制御装置の機能ブロック図を周辺機器との関係と共に表した図である。
【図６】フィードバック制御が組み込まれた従来の空気比制御システムの構成例を表した図である。
【図７】均圧弁方式の空気比制御システムの概略構成を表した図である。
【図８】メカニカルリンケージ方式の空気比制御システムの概略構成を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１は、本発明が適用された燃焼設備の構成例を示す。この実施例の燃焼設備は、二基のバーナー３，３が設けられた燃焼炉４，各バーナー３の燃料流路に設けられる燃料弁５，空気流路に設けられる空気弁６，燃焼炉４の内部温度を検出する温度センサ７，燃焼炉４から出る排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ８，空気弁６とバーナー３との間の空気圧を検出する空気圧センサ９，各センサ７，８，９の検出信号に基づき燃料弁５および空気弁６の動きを制御する制御装置１，表示機能を有する設定用装置２（プログラマブル表示器），各バーナー３の空気流路に空気を送り込むブロワ３１などにより構成される。
【００３７】
燃料弁５および空気弁６は、コントロールモータ５Ｍ，６Ｍを使用する汎用のモータバルブである。制御装置１はこれらのモータバルブに対する駆動回路を含むＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）である。なお、この実施例では、トライアックによる駆動回路を持つＰＬＣを制御装置に採用すると共に、モータバルブのフィードバック制御用のプログラムを制御装置１に組み込むことによって、リレー等の中継機器やバルブ用のコントローラを介することなく、制御装置１からの直接の駆動信号により各モータバルブの動作を制御できるようにしている。
【００３８】
設定用装置２は有線または無線で制御装置１に接続され、内部に組み込まれたプログラムに基づき設定操作用の操作画面を表示し、この画面に対する操作を受け付けてその操作内容を示す情報を制御装置１に送信する。また設定用装置２は、操作画面のみならず、各種センサの測定値や各弁の開度の変化など、燃焼設備の動きを表す情報を表示することもできる。
【００３９】
上記の設定操作用の画面を用いた設定作業には、燃焼炉４の炉内温度や排ガス中の酸素濃度についてユーザが好ましいと考える目標値を制御装置１に登録する作業が含まれる。以下では、炉内温度の目標値を「目標温度」と言い、酸素濃度の目標値を「目標濃度」と言う。
【００４０】
最も重要な設定作業として、後述する電子リンケージ制御部１１の機能を有効にするために不可欠な情報を登録する作業がある。具体的に言うと、バーナー３を実際に燃焼させて、その燃焼レベルが最小レベルから最大レベルまで変化するように燃料弁５の開度を段階的に変更しながら、各段階における燃焼状態が良好になるように空気弁６の各開度を調節し、毎時の調節における各弁の開度の組み合わせを制御装置１に登録する作業である。この作業によって、制御装置１では、各段階の燃料弁５と空気弁６との好ましい開度の組み合わせが格納されたテーブル（以下「リンケージテーブル」という。）が作成され、これが電子リンケージ制御部１１に登録される。
【００４１】
良好な燃焼状態とは空気比が良好な状態のことである。この状態は作業者の目視により判断することができるが、酸素濃度センサ８の検出値が目標濃度に合っているか否かをチェックすることによって、より容易かつ正確に判断することができる。
【００４２】
図２は、専用のソフトウェアにより制御装置１に設定される機能をバーナー３や燃焼設備内のその他の機器との関係と共に表したものである（設定用機器２およびブロワ３１の図示は省略。）。ここでは、図示の簡略化のため、図１に示した二基のバーナー３，３のうちの一基のみに対する機能を表しているが、制御装置１には、他方のバーナー３に対しても、図２に示されているのと同等の機能が設けられる。また、より多くのバーナー３が設けられた燃焼設備においても、制御装置１の本体であるＰＬＣに拡張ユニットを配備すれば、バーナー３毎に図２と同等の機能を設けることができる。
【００４３】
以下、図２を参照して、制御装置１が有する機能や制御の内容を詳細に説明する。
この実施例の制御装置１には、燃料弁５および空気弁６の開度を決める処理に関わる機能として、先に述べた電子リンケージ制御部１１のほか、酸素量トリム制御部１０，切替え制御部１２，温度調節計１３が設けられる。さらに制御装置１には、燃料弁５および空気弁６の各モータ５Ｍ，６Ｍに対するモータ制御部１５，１６（前出の駆動回路が含まれる。），各モータ５Ｍ，６Ｍから出力される回転量信号を０〜９０度の回転位置に校正するゼロスパン校正部１５Ｍ，１６Ｍ，空気流路の空気圧の異常を検出する空気圧監視部１４，バーナー３のコントローラ３０に対するインタフェース１７などが含まれる。
【００４４】
温度調節計１３は、温度センサ７による計測値を入力し、この計測値が表す現在の炉内温度とあらかじめ登録された目標温度とを用いたＰＩＤ演算によって、炉内温度を目標温度に合わせるのに必要な操作量（０〜１００％の数値で表される。）を導出する。電子リンケージ制御部１１は、この操作量を燃料弁５の開度の設定値として取り込み、前述したリンケージテーブルを用いて当該燃料弁５の開度に対応する空気弁６の開度を特定する。
【００４５】
リンケージテーブルに登録されているのは離散的な２次元データ（燃料弁５の開度と空気弁６の開度との組み合わせ）であるが、電子リンケージ制御部１１は、これらの登録データから図３に示すような特性曲線（空気比を良好な状態に維持して燃焼レベルを変化させたときの燃料弁５と空気弁６との開度の関係の変化を表すもの）を割り出すことによって、温度調節計１３により導出された操作量（燃料弁５の開度）に対応する空気弁６の開度を精度良く特定することができる。なお、この特性曲線も、リンケージテーブルと共にあらかじめ登録しておくことができる。
【００４６】
この実施例で燃料弁５や空気弁６として使用されるモータバルブは汎用製品であるので、それらの流量特性によっては、開度の設定範囲として０〜１００％の数値範囲をフル活用できないことがある。特に空気弁６については、空気比制御に使用可能な数値範囲の幅が非常に小さくなることがあり、その場合、空気弁６で使用される数値範囲の幅と燃料弁５で使用される数値範囲の幅との間に大きな差が生じてしまう。しかしそのような場合でも、空気弁６で使用される数値範囲の幅が拡大されるように当該数値範囲内の各値を補正し、補正前の数値範囲に対応するモータ６Ｍの回転角度範囲を補正後の数値範囲に紐付けることによって、燃焼レベルの変化に伴う燃料弁５の開度と空気弁６の開度との関係の変化をきめ細かく特定することが可能になる。
【００４７】
こうして、燃焼炉４の炉内温度の調節に必要な燃料弁５および空気弁６の開度が特定されると、電子リンケージ制御部１１は、燃料弁５および空気弁６の各々に対し、特定された開度で当該弁を開くことを指示する制御指令（以下、「開度指令」という。）を生成する。燃料弁５に関する開度指令は燃料弁５用のモータ制御部１５に与えられ、空気弁６に関する開度指令も切替え制御部１２を介して空気弁６用のモータ制御部１６に与えられる。
【００４８】
各モータ５Ｍ，６Ｍに対するゼロスパン校正部１５Ｍ，１６Ｍにより校正されたモータの回転位置は、モータ制御部１５，１６および電子リンケージ制御部１１にフィードバックされる。モータ制御部１５，１６は、上記の開度指令に対し、その指令が示す開度に対応するモータ５Ｍ，６Ｍの回転位置と直近にフィードバックされたモータ５Ｍ，６Ｍの回転位置とからモータ５Ｍ，６Ｍを開方向および閉方向のいずれに回転させるかを判別し、その判別結果に従って開方向への回転を指示する駆動信号または閉方向への回転を指示する駆動信号をモータ５Ｍ，６Ｍに出力する。この駆動信号の出力は、ゼロスパン校正部１５Ｍ，１６Ｍから取り込んだ回転位置が開度指令に対応する回転位置に達するまで続けられ、各回転位置が一致したときに出力が停止する。この制御をもって、開度指令に対応する回転位置までモータ５Ｍ，６Ｍを回転させることができる。
【００４９】
電子リンケージ制御部１１も、フィードバックされる回転位置と開度指令に対応する回転位置とを比較し、両者が一致したことをもって先の開度指令に対する処理が終了したと判別し、次の開度指令を生成する処理に移る。
【００５０】
上記一連の制御によれば、空気比を良好な状態で維持して炉内温度を調節するのに必要な燃料弁５および空気弁６の開度を容易に特定し、その特定結果に基づき弁毎に生成した開度指令によって各弁を連動させて動かすことができる。また、燃料弁５や空気弁６に対し、それぞれのモータ５Ｍ，６Ｍに駆動信号を出力しながら当該モータ５Ｍ，６Ｍの回転位置をフィードバックする方法により開度を調節するので、開度の調節のために高価な流量計を用いて燃料流量や空気流量を計測する必要がない。
【００５１】
しかし、外気温度の変化によって大気中の酸素濃度が変動したり、ブロワ３１の目詰まりによってバーナー３に送り込まれる空気の流量が変動するなど、外的要因によって酸素濃度が変化すると、リンケージテーブルに基づく関係どおりの制御では理想的な空気比制御を維持できないことがある。酸素量トリム制御部１０は、このような酸素濃度の変化に対しても空気比が安定する方向に空気弁６の開度を調節することを可能にするための機能である。
【００５２】
酸素量トリム制御部１０には、センサ信号処理部１０１，酸素濃度調節計１０２，補正演算部１０３，低燃焼時補正部１０４などが含まれる。センサ信号処理部１０１は、酸素濃度センサ８の検出信号が示す酸素濃度の計測値を所定のオフセット値に基づき校正する処理や、校正後の計測値の単位時間あたりの変化量により酸素濃度に異常が発生していないかどうかを判別する処理などを実行する。ここで異常の発生が検出されることがなければ、処理後の数値は酸素濃度調節計１０２に渡される。
【００５３】
酸素濃度調節計１０２は、センサ信号処理部１０１により処理された酸素濃度の計測値と前出の設定操作により登録された目標濃度とを用いたＰＩＤ演算によって、酸素濃度を目標濃度に合わせるのに必要な操作量（空気弁６の開度の補正量）を求める。この補正量も０〜１００％の数値範囲で表され、中間の５０％が補正量ゼロを表す。
【００５４】
補正演算部１０３は、空気弁６の開度について、たとえば、酸素濃度調節計１０２により求められた補正量（その値を仮にｕ％とする。）から５０％を減算した値（ｕ―５０）％に所定の比率αを乗算し、その乗算値α・（ｕ−５０）％を電子リンケージ制御部１１により求められた開度に加算する演算を実行することにより、電子リンケージ制御部１１が生成した空気弁６用の開度指令を補正する。
【００５５】
上記の処理によれば、酸素濃度センサ８により計測された酸素濃度が目標濃度より低い場合には、電子リンケージ制御部１１が特定した開度より補正後の開度の方が大きくなる（すなわちバーナー３に送り込まれる空気量を増やして酸素濃度を高めるための補正処理が行われる。）。一方、酸素濃度が目標濃度より高い場合には、電子リンケージ制御部１１が特定した開度より補正後の開度の方が小さくなる（すなわちバーナー３に送り込まれる空気量を減らして酸素濃度を低下させるための補正処理が行われる。）。酸素濃度が目標濃度に一致して、酸素濃度調節計１０２により導出される操作量が５０％となったときには、電子リンケージ制御部１１に特定されている開度が維持される。
【００５６】
切替え制御部１２には、燃料弁５のモータ５Ｍの回転位置（ゼロスパン校正部１５Ｍにより求められたもの）から単位時間あたりの当該モータ５Ｍの回転量を検出する機能やタイマ機能が含まれている。切替え制御部１２は、上記の回転量を所定の閾値と比較し、この回転量が閾値を超えている間は、空気弁６に対する開度指令として電子リンケージ制御部１１により生成された開度指令（酸素量トリム制御部１０による補正が入っていない開度を表すもの）を選択する。モータ５Ｍの回転量が閾値を上回る状態から閾値を下回る状態に変化すると、切替え制御部１２は、あらかじめ設定された時間が経過するまで待機し、その間のモータ５Ｍの回転量も閾値を下回る状態で維持されたことを条件として、空気弁６に対する開度指令を酸素量トリム制御部１０による補正がなされた開度指令に切り替える。
【００５７】
モータ５Ｍの回転量が閾値を下回る状態になってから上記の設定時間が経過するより前に当該モータ５Ｍの回転量が再び閾値を超えた場合には、上記の切り替えは行われず、電子リンケージ制御部１１により生成された開度指令が引き続き選択される。切替え制御部１２の選択が酸素量トリム制御部１０により補正された開度指令に切り替えられた後も、モータ５Ｍの回転量が再び閾値を上回る状態になると、切替え制御部１２は、再び電子リンケージ制御部１１により生成された補正されていない開度指令を選択する。
【００５８】
空気弁６用のモータ制御部１６には切替え制御部１２により選択された開度指令が与えられるが、上記２とおりの開度指令のいずれが選択された場合でも、モータ制御部１６の動作の内容が変わることはない。ただし、上記の切替え制御によれば、酸素量トリム制御部１０により補正された開度指令により空気弁６のモータ６Ｍが動くのは燃料弁５のモータ５Ｍが殆ど動いていないときに限られる（後述する図４を参照。）。
【００５９】
酸素量トリム制御部１０の酸素濃度調節計１０２が導出する空気弁６の開度の補正量は、燃焼により生じた排ガス中の酸素濃度を用いて導出されるので、電子リンケージ制御部１１により生成される開度指令より過去のものとなる。このため、燃焼レベルを変化させるために燃料弁５が大きく動いているときに酸素濃度センサ８の計測値を反映させた開度指令により空気弁６の開度を調整すると、燃料弁５の動きに空気弁６を追随させることが困難になり、空気過多や空気不足になるおそれがある。そこでこの実施例では、炉内温度の調節のために燃料弁５が動いている間は、電子リンケージ制御部１１により生成された酸素濃度の変化による補正が入っていない開度指令により空気弁６を動かし、燃焼レベルが安定して燃料弁５に大きな動きが認められなくなってから、酸素量トリム制御部１０による補正がなされた開度指令により空気弁６を動かすようにしているのである。
【００６０】
上記の切替え制御によれば、燃焼レベルが変化しているときには必ず燃料弁５の動きに空気弁６を追随させて動かすことができ、空気不足や空気過多を防いでバーナー３の火炎を安定させることができる。また、燃焼レベルが安定した後は、酸素濃度の小さな変化に対しても速やかに空気弁６の開度を調整することができ、全般にわたって空気比を高い確度で安定させることができる。
【００６１】
さらにこの実施例では、いくつかの問題を考慮してそれらに対処する機能を加えることによって、より精度の高い空気比制御を実現している。
【００６２】
まず一つには、酸素量トリム制御部１０により補正された開度指令が採用されない期間中の取り扱いの問題がある。酸素量トリム制御部１０は電子リンケージ制御部１１から独立して動いているので、電子リンケージ制御部１１により生成された開度指令によって空気弁６が動いている間も酸素濃度調節計１０２でＰＩＤ演算を続けていると、その間の酸素濃度の変化度合いによっては積分演算結果の累計値が大きくなり、酸素量トリム制御部１０による開度指令に切り替えられたときにその累計値が加味された極端な値の開度指令が与えられて、空気弁６に誤作動が生じるおそれがある。
【００６３】
上記の問題を回避するため、この実施例では、切替え制御部１２が電子リンケージ制御部１１による開度指令を選択している間は、酸素濃度調節計１０２のＰＩＤ演算を停止させると共に、その間の酸素濃度調節計１０２の演算結果を、測定温度と目標温度とが一致しているときに導出される値（５０％）で維持する（すなわち、それまでの演算結果をリセットする。）。こうすることによって、空気弁６に対する開度指令が酸素量トリム制御部１０による開度指令に切り替えられた直後のＰＩＤ演算を初期状態から再開することができ、空気弁６の誤作動を確実に防ぐことができる。
【００６４】
つぎに、燃焼レベルが低いときには、燃料に対する空気のミキシング効果が低下するため、設定されている空気比でバーナー３の炎を安定させることが難しいという問題がある。この問題に対応するために組み込まれたのが低燃焼時補正部１０４による目標濃度の補正機能である。これは、温度調節計１３が求めた操作量が所定の基準値を下回ったときに、低燃焼時補正部１０４が酸素濃度調節計１０２の演算に用いられる目標濃度を所定の比率をもって上方修正するというもので、この機能を働かせることによって、低燃焼時に酸素濃度調節計１０２により導出される補正量を少し大きくして、その拡大分だけ空気弁６の開度を拡げ、低燃焼時のバーナー３の炎を安定させることができる。
すなわち、低燃焼時には、バーナー３の安定燃焼を確保するために、低燃焼時補正部１０４によって、通常運転時の目標濃度とは別の値の目標濃度が酸素濃度調節計１０２に与えられることになる。
【００６５】
さらに、この実施例では、燃料弁５と空気弁６との間に機械的な繋がりがないため、何らかの原因により空気弁６とバーナー３との間の空気が不足しても燃料弁５を調節することができず、不完全燃焼が生じるおそれがある。この問題に対しては、空気圧監視部１４に、空気流路の空気圧センサ９による計測値や空気弁６のモータ６Ｍの回転位置を常時監視させている。
【００６６】
空気圧監視部１４には、空気弁６のモータ６Ｍの回転位置の変化量と空気圧の計測値との関係を分析し、モータ６Ｍが所定量以上の回転をしているのに空気圧センサ９が計測した空気圧が基準値を下回るなどの異常が生じていないかどうかを判別する機能や、異常ありと判別したときに図示しない警報ブザー等を作動させるなどの異常報知機能が含まれている。なお、排ガス中の酸素濃度が異常値を示したときは、酸素量トリム制御部１０のセンサ信号処理部１０１によってその異常が検出され、報知等の処理が行われる。
【００６７】
上記一連の工夫に加え、この実施例の制御装置１には、温度調節計１３に代えて、同等の機能を有する外部機器を制御装置１に接続し、当該外部機器の演算結果を電子リンケージ制御部１１に導入できる機能（図２中にスイッチ部１９として示す）が設けられている。この機能によれば、既存の燃焼設備の空気比システムを本システムに変更する場合に、これまでのシステムで使用していた温度調節計を引き続き使用することができ、これまでに培った演算アルゴリズムやノウハウを活用することができる。
【００６８】
なお、この実施例の切替え制御部１２では、空気弁６に対する開度指令を切り替えるための指標として燃料弁５のモータ５Ｍの回転量を監視しているが、この指標は、電子リンケージ制御部１１が燃料弁５に対して生成する開度指令が示す開度の変化量であってもよい。この場合も、開度の変化量が所定の閾値を上回る間は、空気弁６に対し電子リンケージ制御部１１が生成した補正されていない開度指令が選択され、変化量が閾値を下回ったことに応じて酸素量トリム制御部１０により補正された開度指令に切り替えられる。
【００６９】
図４は、燃焼炉４の炉内温度の変化と、排ガス中の酸素濃度の変化と、燃料弁５および空気弁６の各開度との変化とを時間軸を合わせて対応づけることによって、制御装置１により実施される制御の具体的事例を表したものである。なお、炉内温度は温度センサ７による計測値であり、酸素濃度は酸素濃度センサ８による計測値であり、いずれも０〜１００％の数値範囲に規格化して表している。
【００７０】
燃焼炉４の運転が開始された時点（図４中のＡの時点）では、炉内温度と目標温度との間に大きな差があるため、温度調節計１３において最大の開度（１００％）を表す操作量が導出される。この操作量を取り込んだ電子リンケージ制御部１１が生成した開度指令によって、燃料弁５および空気弁６もそれぞれ調節可能な最大の開度で開かれ、これによって、炉内温度は急速に上昇する。
【００７１】
その後、炉内温度が目標温度付近に上昇すると、温度調節計１３により導出される開度の値は小さくなり、これを受けた電子リンケージ制御部１１からの開度指令によって各弁５，６の実際の開度も縮小される。その後も炉内温度の変動に応じて各弁５，６の開度が調節されるが、炉内温度がほぼ目標温度で維持される状態になると燃料弁５は動かなくなる（図４中のＢからＣまでの期間）。これに応じて空気弁６は酸素量トリム制御部１０により補正された開度指令により制御される状態になるが、酸素濃度がほぼ目標濃度で維持されているので、空気弁６も目立った動きを示していない。
【００７２】
図４中のＣの時点では、燃焼炉４の負荷が増えるなどしたことを受けて炉内温度が目標温度より若干低下している。これに応じて温度調節計１３により導出される開度はそれまでより大きくなり、この変化を受けた電子リンケージ制御部１１からの開度指令によって、燃料弁５のモータ５Ｍが開方向に動き始める。この動きに応じて空気弁６への開度指令は電子リンケージ制御部１１による開度指令に切り替えられ、空気弁６のモータ６Ｍも燃料弁５のモータ５Ｍに追随して開方向に動く。これらのモータ５Ｍ，６Ｍの動きによって、各弁５，６の本体はそれぞれの開度指令に応じた度合いで広げられ、炉内温度は再び目標温度に戻る。
【００７３】
炉内温度が再び安定すると燃料弁５は動かなくなり、これに応じて空気弁６は酸素量トリム制御部１０により補正された開度指令で制御されるようになる。しかし、酸素濃度がほぼ目標濃度で維持されているので、空気弁６も目立った動きを示していない。
【００７４】
図４中のＤの時点では、燃焼炉４の負荷が減って炉内温度が目標温度より上昇している。これに応じて温度調節計１３により導出される開度はそれまでより小さくなり、この変化を受けた電子リンケージ制御部１１の開度指令によって、燃料弁５のモータ５Ｍが閉方向に動き始める。この動きに応じて空気弁６への開度指令は再び電子リンケージ制御部１１による開度指令に切り替えられ、空気弁６のモータ６Ｍも燃料弁５のモータ５Ｍに追随して閉方向に動く。これらのモータ５Ｍ，６Ｍの動きによって、各弁５，６の本体はそれぞれの開度指令に応じた度合いをもって狭められ、炉内温度は再び目標温度に戻る。
【００７５】
この場合も、炉内温度が再び安定すると燃料弁５は動かなくなり、これに応じて空気弁６は酸素量トリム制御部１０により補正された開度指令で制御されるようになる。しかし、酸素濃度がほぼ目標濃度で維持されているので、空気弁６も目立った動きを示していない。
【００７６】
図４中のＥの時点では、炉内温度は変動していないが、大気温度が下がる等の外的要因によってバーナー３に供給される空気中の酸素濃度が増えている。この変化を受けた酸素量トリム制御部１０は、電子リンケージ制御部１１が空気弁６に対して生成している開度指令の開度を小さくなる方向に補正する。この補正後の開度指令を受けて空気弁６が閉方向に動くことによって、酸素濃度を減少させて目標濃度に戻すことができる。このときの燃焼弁５は殆ど動かない。
【００７７】
図４中のＦの時点でも、炉内温度は変動していないが、大気温度の上昇またはブロワ３１の目詰まりによる空気流量の低下によって酸素濃度が下がっている。この変化を受けた酸素量トリム制御部１０は、電子リンケージ制御部１１が空気弁６に対して生成している開度指令の開度を大きくなる方向に補正する。この補正後の開度に基づき空気弁６が開方向に動くことによって、酸素濃度を上昇させて目標濃度に戻すことができる。このときの燃焼弁５も殆ど動かない。
【００７８】
上記の例に示したとおり、この実施例では、電子リンケージ制御部１１と酸素量トリム制御部１０と切替え制御部１２との協働による空気比制御によって、炉内温度や酸素濃度の微小な変化に対しても、速やかに必要な調節を行って、変化した値を目標値に復帰させることができる。また、季節や大気温度によってバーナー３に供給される空気中の酸素濃度に差が生じる場合でも、電子リンケージ制御部１１による開度指令によって炉内温度を安定させた後に、酸素量トリム制御部１０により酸素濃度の微調整を行うことによって、好ましい空気比による燃焼状態を容易に設定することができる。酸素濃度に基づいて空気弁を調整する機能を持つ従来の空気比制御システムでは、大気中の酸素濃度の変化に応じて制御用のパラメータを変更する必要があったが、この実施例のシステムではそのような変更作業をする必要はない。
【００７９】
本実施例の空気比制御システムは、実際にバーナー３を燃焼させながら、複数の燃焼レベル毎に燃料弁５と空気弁６との好ましい開度の組み合わせを特定して登録する、という方法により作成されたリンケージテーブルを制御のベースとしているので、燃料の種類を選ばず、対応することができる。リンケージテーブルに登録される開度の組み合わせは、必ずしも全ての燃焼レベルにおいて空気比が均一になるような値にする必要はなく、着火直後の低燃焼期間とその後の安定運転期間とで空気比が異なるようにしたり、燃焼レベルの変化に従って空気比を段階的に変化させるなど、ユーザの目的に適した内容のリンケーテーブルを作成することができる。
よって、本実施例の空気比制御システムは、様々なタイプの燃焼設備に導入することができ、既存の燃焼設備への導入も容易である。
【００８０】
燃料弁５を、空気弁６の動きに左右されることなく独立して動くようにしたことによって、燃料弁５の持つ機能を最大限に引き出してバーナー３のターンダウン比を高めることもできる。また、酸素濃度センサ８が万一故障しても、電子リンケージ制御部１１を稼働させることによって、バーナー３の運転を続けることができる。
【００８１】
先にも述べたとおり、この実施例の空気比制御システムでは、流量計を使用する必要がなく、燃料弁５や空気弁６にも、汎用のコントロールモータ５Ｍ，６Ｍを用いた安価なモータバルブを使用することができ、リレーやモータ用のコントローラを介さずに制御装置１からの駆動信号を直接にモータ５Ｍ，６Ｍに与えることができる。よって、システムの導入コストを大幅に削減することができ、中小の燃焼設備でも導入が容易である。
【００８２】
また電動アクチュエータが組み合わせられた高分解能のモータバルブを使用することも可能であり、そうすることによって、高精度の調節が要求される燃焼設備にも導入可能なシステムにすることができる。
【００８３】
このように、図１および図２に示した空気比制御システムは、様々な燃焼設備で優れた効果を発揮することができる。さらに、熱交換器によって暖められた空気をバーナー３に供給するようにしている燃焼設備にも、熱交換器の影響を考慮して若干の機能を付加することによって、同様に優れた効果を有する空気比制御システムを提供することができる。
【００８４】
図５は、排ガスを利用して空気流路の空気を暖める熱交換器３２が設けられた燃焼設備に本発明を適用した例を示すものである。この第２実施例の空気比システムの基本的な構成は図２と同じであるが、制御装置１の周辺機器として、熱交換器３２により暖められた空気の温度を測定する温度センサ３３が追加される。また制御装置１には、当該温度センサ３３により検出された空気温度と空気圧センサ９により検出された空気圧とを用いて電子リンケージ制御部１１の登録情報を補正する機能（温圧補正部１８）が追加される。その他の構成や制御の内容は第１実施例（図２）と同じであるので、各構成に図２と同じ符号を付すことによって、説明を省略する。
【００８５】
この実施例では、システムの稼働に先立ち、熱交換器３２が動いていないとき、熱交換器３２が動いて温度センサ３３の計測値が変動範囲の中間点にあたる温度に達したとき、および当該計測値が目標温度に達したときの３通りについて、それぞれ先の実施例と同様の方法でバーナー３を燃焼させて燃料弁５と空気弁６との各開度の好ましい関係を表すリンケージテーブルを作成し、これらを電子リンケージ制御部１１に登録する。勿論、より多くの温度レベルについて登録作業を行ってもよい。
【００８６】
この登録作業時の開度の好ましい関係を判別するための指標として、酸素濃度センサ８の計測値が用いられるが、その指標の値も空気温度毎に変更される。また登録されるリンケージテーブルには、それぞれの登録の際に温度センサ３３や空気圧センサ９により計測された空気温度および空気圧の値が紐付けられる。
【００８７】
リンケージテーブルの登録が完了してシステムが稼働すると、温圧補正部１８は、登録された複数のリンケージテーブル中の空気弁６の開度を、同じ燃料弁５の開度に組み合わせられているもの毎に対応づけ、対応づけられた空気弁６の開度の組毎に、それらの開度の間の差から一単位分の空気温度の変化に対する空気弁６の開度の変化量を割り出す。そして、対応づけられた空気弁６の開度の組毎に、上記の変化量に基づき温度センサ１８の現在の計測値に適合する空気弁６の開度を特定することによって、現在の空気温度に適したリンケージテーブルを作成する。また、空気圧センサ９の計測値が所定の閾値を下回る場合には、この新たなリンケージテーブル内の空気弁６の開度を下方修正する。
【００８８】
電子リンケージ制御部１１は、現在の空気温度に適したリンケージテーブルから燃焼レベルの変化に伴う各弁の開度の関係の変化を表す特性曲線（図３参照）を割り出し、これを用いて温度調節計１３の演算結果に適合する開度の組み合わせを特定し、燃料弁５および空気弁６の各々に対する開度指令を生成する。よって、バーナー３に供給される空気の温度に応じて燃料弁５の開度に対する空気弁６の開度の比率を変動させることができる。
【００８９】
通常、空気の温度が上昇すると、空気の膨張により酸素濃度は減少するので、この実施例によれば、熱交換器３２の働きによりバーナー３に供給される空気の温度が上昇するにつれて、燃料弁５の同じ開度に対する空気弁６の開度の値を大きくして、不足する酸素を補うことができる。
【００９０】
最後に、図２および図５に示した実施例の変形例を説明する。
各実施例では、電子リンケージ制御部１１に、燃焼レベルを変化させる過程で取得した複数組の燃料弁５と空気弁６との開度の組み合わせが登録され、これらの組み合わせから割り出される特性曲線（図３参照）に基づき、温度調節計１３により導出された操作量を燃料弁５の開度としてこの開度に対応する空気弁６の開度を特定する、という方法を採用した。
【００９１】
しかし、登録作業の際に、流量計等を用いて実際の燃焼量と弁５，６の開度との関係を特定できるようにした場合には、各燃焼レベルを数値化してこれらの数値を各弁５，６の開度の組み合わせに紐付け、弁５，６毎に、燃焼レベルの変化に伴う開度の変化を表す特性曲線を設定することができる。この場合の電子リンケージ制御部１１では、燃料弁５および空気弁６の各々の特性曲線から温度調節計１３に導出された操作量が示す燃焼レベルに対応する開度を特定し、これらの開度で各弁５，６を開くための開度指令を生成することができる。
【００９２】
図２および図５の実施例では、燃焼炉の炉内温度と目標温度とに基づき出された燃焼レベルを電子リンケージ制御部１１に入力したが、バーナー３および燃焼炉４が蒸気ボイラーに組み込まれる場合には、当該ボイラーに蒸気圧を計測する圧力センサを設け、この圧力センサにより計測された蒸気圧とあらかじめ定めた目標値とを用いたＰＩＤ演算により導出された燃焼レベルを電子リンケージ制御部１１に入力してもよい。この場合の燃焼レベルを求める演算は、入力されるデータが示す物理量が異なるだけで、演算の内容は温度調節計１３で行われるものと実質同一であるので、図２や図５と同一の構成の制御装置１によって蒸気ボイラー用の空気比制御システムを構築することができる。
【００９３】
蒸気ボイラー用の空気比制御システムにおいても、燃焼レベルを求める演算を制御装置１とは異なる機器により行い、その演算結果を電子リンケージ制御部１１に入力するようにしてもよい。また温度センサ７は、空気比制御の面では不要であるが、炉内温度のモニタリング等の目的で温度センサ７を残すことに差し支えはない。
【符号の説明】
【００９４】
１  制御装置
２  設定用装置
３  バーナー
４  燃焼炉
５  燃料弁
６  空気弁
７  温度センサ
８  酸素濃度センサ
９  空気圧センサ
１０  酸素量トリム制御部
１１  リンケージ制御部
１２  切替え制御部
１３  温度調節計
１４  空気圧監視部
１５，１６  モータ制御部
５Ｍ，６Ｍ  モータ
【図１】
2020060330.tif 000003
【図２】
2020060330.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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