(57)【要約】【課題】連続運転している燃焼器において、天然ガスの熱量の周期的変動を抑制できる燃焼制御方法を提供する。【解決手段】連続運転している燃焼器に燃料として天然ガスを供給する際に行われる燃焼制御方法であって、燃焼器に供給する天然ガスは、周期的な組成変化を伴い、現在供給している天然ガスの組成比を第１の組成比とし、周期的な組成変化から所定時間後の天然ガスの組成として予測される天然ガスの組成比を第２の組成比としたとき、第１の組成比から推定される第１の熱量と、第２の組成比から推定される第２の熱量と、に基づいて、燃焼器に供給される熱量の変化量または天然ガスを燃焼させたときの対象物の温度の変化量が小さくなるように、天然ガスの供給量を制御する工程を有する燃焼制御方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続運転している燃焼器に燃料として天然ガスを供給する際に行われる燃焼制御方法であって、
前記燃焼器に供給する前記天然ガスは、周期的な組成変化を伴い、
現在供給している前記天然ガスの組成比を第１の組成比とし、前記周期的な組成変化から前記第１の組成比に基づいて、所定時間後の前記天然ガスの組成として予測される前記天然ガスの組成比を第２の組成比としたとき、
前記第１の組成比から推定される第１の熱量と、前記第２の組成比から推定される第２の熱量と、に基づいて、前記燃焼器に供給される熱量の変化量または前記天然ガスを燃焼させたときの対象物の温度の変化量が小さくなるように、前記天然ガスの供給量を制御する工程を有する燃焼制御方法。
【請求項２】
連続運転している燃焼器に燃料として天然ガスを供給する際に行われる燃焼制御方法であって、
前記燃焼器に供給する前記天然ガスは、周期的な組成変化を伴い、
現在供給している前記天然ガスの組成比を第１の組成比とし、前記周期的な組成変化から所定時間後の前記天然ガスの組成として予測される前記天然ガスの組成比を第２の組成比としたとき、
前記第１の組成比から推定される第１の熱量と、前記第２の組成比から推定される第２の熱量と、に基づいて、前記燃焼器に供給される熱量の変化量または前記天然ガスを燃焼させたときの対象物の温度の変化量が小さくなるように、前記天然ガスに対し、所定の熱量を有する調整ガスを混合する工程を有する燃焼制御方法。
【請求項３】
前記調整ガスは、不活性ガス、メタンまたはプロパンである請求項２に記載の燃焼制御方法。
【請求項４】
前記天然ガス、メタン、エタンおよびプロパンの比重と、前記天然ガス、メタン、エタンおよびプロパンの熱量とから、前記天然ガスが、メタン、エタンおよびプロパンの３成分のみからなることとして近似したときの近似組成比を算出し、
前記近似組成比に基づいて、前記変化量が小さくなるように前記調整ガスの混合量を制御する請求項２または３に記載の燃焼制御方法。
【請求項５】
前記天然ガスを燃焼させて生じる火炎の輝度と、前記天然ガスに含まれるプロパン量と、の対応関係に基づいて、前記火炎の輝度の変化の傾向から推定される前記燃焼器に供給される熱量の変化または前記対象物の温度の変化を打ち消すように制御する請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題への関心の高まりにより、より低公害な燃焼を可能とする天然ガスが注目されている。天然ガスは、石油や石炭と比べてＣ／Ｈ比が小さく、１モルの天然ガスを燃焼させたときの二酸化炭素の排出量が少ないことが知られている。また、輸送時に天然ガスを液化する際に、Ｎ成分、Ｓ成分が除去されるため、燃焼時のＮＯｘ、ＳＯｘの排出量も少ないことが知られている。
【０００３】
天然ガスの組成は、産地によって異なるが、主成分としてメタン、エタンおよびプロパンを含むことは共通している（非特許文献１）。天然ガスの熱量は、各成分を燃焼させたときに得られる熱量と、各成分の存在比率とによって決定される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「化学便覧  応用化学編Ｉ」、公益社団法人日本化学会、平成７年３月、第５版、ｐ．８３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、天然ガスは、液化されてタンクなどに貯蔵された状態のものが使用される。タンク内の液化天然ガスの量が少なくなり、液化天然ガスの一部が気化すると、タンクの上部では比重の小さいメタンが多く存在しやすく、下部では比重の大きいプロパンが多く存在しやすくなることがある。このようなタンクから天然ガスを流出させる際、タンク内の液化天然ガスの量が少なくなると、気化した天然ガスに生じる対流が顕著になる。このようにタンク内部で天然ガスが対流する場合、天然ガスの組成が周期的に変化することがあった。その場合、天然ガスの組成比の変化に伴って、天然ガスの熱量が周期的に変化することがあった。これにより、熱量が急激に変化して火炎が長くなったり、失火したりすることが想定される。
【０００６】
そこで、連続運転している燃焼器において、天然ガスの熱量の周期的変動を抑制できることが求められていた。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、連続運転している燃焼器において、天然ガスの熱量の周期的変動を抑制できる燃焼制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、連続運転している燃焼器に燃料として天然ガスを供給する際に行われる燃焼制御方法であって、燃焼器に供給する天然ガスは、周期的な組成変化を伴い、現在供給している天然ガスの組成比を第１の組成比とし、周期的な組成変化から所定時間後の天然ガスの組成として予測される天然ガスの組成比を第２の組成比としたとき、第１の組成比から推定される第１の熱量と、第２の組成比から推定される第２の熱量と、に基づいて、燃焼器に供給される熱量の変化量または天然ガスを燃焼させたときの対象物の温度の変化量が小さくなるように、天然ガスの供給量を制御する工程を有する燃焼制御方法を提供する。
【０００９】
本発明の一態様は、連続運転している燃焼器に燃料として天然ガスを供給する際に行われる燃焼制御方法であって、燃焼器に供給する天然ガスは、周期的な組成変化を伴い、現在供給している天然ガスの組成比を第１の組成比とし、周期的な組成変化から所定時間後の天然ガスの組成として予測される天然ガスの組成比を第２の組成比としたとき、第１の組成比から推定される第１の熱量と、第２の組成比から推定される第２の熱量と、に基づいて、燃焼器に供給される熱量の変化量または天然ガスを燃焼させたときの対象物の温度の変化量が小さくなるように、天然ガスに対し、所定の熱量を有する調整ガスを混合する工程を有する燃焼制御方法を提供する。
【００１０】
本発明の一態様においては、調整ガスは、不活性ガス、メタンまたはプロパンである方法としてもよい。
【００１１】
本発明の一態様においては、天然ガス、メタン、エタンおよびプロパンの比重と、天然ガス、メタン、エタンおよびプロパンの熱量とから、天然ガスが、メタン、エタンおよびプロパンの３成分のみからなることとして近似したときの近似組成比を算出し、近似組成比に基づいて、変化量が小さくなるように調整ガスの混合量を制御する方法としてもよい。
【００１２】
本発明の一態様においては、天然ガスを燃焼させて生じる火炎の輝度と、天然ガスに含まれるプロパン量と、の対応関係に基づいて、火炎の輝度の変化の傾向から推定される燃焼器に供給される熱量の変化または対象物の温度の変化を打ち消すように制御する方法としてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の一態様によれば、連続運転している燃焼器において、天然ガスの熱量の周期的変動を抑制できる燃焼制御方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態における天然ガスの熱量の周期的変動を模式的に表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［第１実施形態］
本実施形態は、燃料として供給される天然ガスの周期的な組成変化に着目し、天然ガスの熱量を制御しようとするものである。本明細書において「周期的な組成変化」とは、連続的に組成比の増減が繰り返される状態であればよく、必ずしもサイン波やコサイン波のような完全な周期でなくてよい。その他、本明細書において、「周期的に熱量が変化する」、「周期的変動」などというときの「周期的」も上記と同様の趣旨である。
【００１６】
通常、天然ガスは、液化されてタンクなどに貯蔵された状態のものが使用される。タンク内の液化天然ガスの量が少なくなり、液化天然ガスの一部が気化すると、タンクの上部では比重が比較的小さいメタンが多く存在しやすく、下部では比重が比較的大きいプロパンが多く存在しやすくなることがある。また、通常、タンク内では、タンクに貯留する液化天然ガスについて機械的な撹拌を行わないが、タンク内の液化天然ガスの量が少なくなると、気化した天然ガスに生じる対流が顕著になり、徐々に撹拌されるようになる。
【００１７】
そのため、上述のように、天然ガスをタンク内で対流が生じている場合、タンクから払い出した天然ガスは、タンク内の対流に起因して、周期的に組成が変化することがある。
【００１８】
さらに、天然ガスに含まれる成分は、沸点がそれぞれ異なることから、液化天然ガスをガス化する方法によっては、これらの成分のガス化の度合いに差が生じることがあり、周期的に組成が変化することがある。
【００１９】
ここで、天然ガスは、主成分としてメタン、エタンおよびプロパンを含んでいる。また、メタン、エタンおよびプロパンは熱量がそれぞれ異なる。燃焼させたときに得られる熱量は、メタンが最も低く、エタン、プロパンの順に熱量が高くなることが知られている。したがって、タンクから払い出した天然ガスは、周期的に変化する組成比に起因して、周期的に熱量が変化することがある。
【００２０】
図１を用いて、天然ガスの熱量の周期的変動について説明する。図１は、本実施形態における天然ガスの熱量の周期的変動を模式的に表したグラフである。図１では、横軸に時間、縦軸に天然ガスの組成比に基づいて算出される温度を示している。ここでの温度は、天然ガスを燃焼させたときの火炎の温度を意味する。
【００２１】
図１に示すように、時間ｔ１における天然ガスの組成比に基づいて算出される温度ＴＡは、天然ガスの平均温度Ｔ０と比べて高くなっている。このような場合、時間ｔ１における天然ガスは、天然ガスの平均組成よりもプロパンの比率が大きくなっていると推測される。
【００２２】
一方で、時間ｔ２における天然ガスの組成比に基づいて算出される温度ＴＢは、天然ガスの平均温度Ｔ０と比べて低くなっている。このような場合、時間ｔ２における天然ガスは、天然ガスの平均組成よりもメタンの比率が大きくなっていると推測される。
このように、燃焼器に供給する天然ガスは、周期的な組成変化を伴うことがあった。また、天然ガスの組成変化に伴い、得られる熱量が周期的に変化することがあった。
【００２３】
以下、本実施形態の燃焼制御方法について説明する。
本実施形態の燃焼制御方法は、連続運転している燃焼器に燃料として天然ガスを供給する際に行われるものである。
【００２４】
本実施形態では、現在供給している天然ガスの組成比を第１の組成比とし、周期的な組成変化から所定時間後の天然ガスの組成として予測される天然ガスの組成比を第２の組成比としたとき、第１の組成比から推定される第１の熱量と、第２の組成比から推定される第２の熱量と、に基づいて、燃焼器に供給される熱量の変化量または天然ガスを燃焼させたときの対象物の温度の変化量が小さくなるように、天然ガスの供給量を制御する工程を有する。
【００２５】
例えば、図１における時間ｔ１の天然ガスの組成を第１の組成比、時間ｔ２の天然ガスの組成を第２の組成比とする。すなわち、図１のグラフを例にすると、本実施形態の燃焼制御方法では、時間ｔ１の天然ガスの組成比から推定される熱量（第１の熱量）と、時間ｔ２の天然ガスの組成比から推定される熱量（第２の熱量）と、に基づいて、燃焼器に供給される熱量の変化量または天然ガスを燃焼させたときの対象物の温度の変化量が小さくなるように、天然ガスの供給量を制御する工程を有する。
予測方法としては、特に制限されるものではないが、例えば短期予測法などを用いることができる。
【００２６】
ここで、短期予測法とは、タンクから供給される天然ガスの組成比についての過去の測定値に基づいて、未来の予測値を得る方法を指す。例えば、図１において時間ｔ１までの組成変化を測定したデータがあるとする。このような測定データは、ある程度の周期的な変化は含んでいるとしても、完全には周期的なデータとはなっていない。そこで、このような測定データについてカオス理論に基づいた軌道平行測度法（ＴＰＭ：Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ｍｅａｓｕｒｅ）により、時間ｔ１以降の近い将来の組成変化を予測することとしてもよい。
【００２７】
また、上述のような測定データに基づいて、周期回帰分析やスペクトル解析を行うことにより測定データの周期回帰曲線を求め、得られる周期回帰曲線の周期に基づいて、近い将来（例えば時間ｔ２）の組成変化を予測することとしてもよい。
【００２８】
その他、天然ガスの組成比の測定データに基づいて、天然ガスの組成比変化の周期性を近似する解析方法であれば、種々の統計的手法を用いることができる。
【００２９】
ここで、「熱量の変化量」とは、単位時間（図１に示すΔｔ）あたりの天然ガスの熱量の変化量（図１に示すΔＴ）を意味する。
【００３０】
本発明者らが検討を重ねた結果、天然ガスの熱量の変化量が５秒間あたり３ＭＪ／ｍ３以上であると、熱量の周期的変動が大きくなりやすいことがわかった。そのため、天然ガスの熱量の変化量が５秒間あたり３ＭＪ／ｍ３未満になるように制御することが好ましい。
【００３１】
また、本実施形態において「対象物の温度」は、天然ガスを燃焼させたときの火炎の温度であってもよいし、燃焼器の内部の温度であってもよいし、天然ガスを燃焼させたときの火炎を利用して加熱または燃焼させるものであってもよい。
【００３２】
天然ガスなどの燃料の燃焼においては、燃焼により熱量が発生するのと同時に、火炎から輻射熱が発生する。一般に、火炎の輝度が高いほど、輻射による伝熱量が多くなることが知られている。また、メタンよりプロパンの方が火炎の輝度が高いことが知られていることから、メタンよりプロパンの方が輻射による伝熱量が多いと推測される。したがって、天然ガスの熱量が同じであっても、火炎の輝度が異なれば周囲の温度が異なる場合があり得る。そのため、天然ガスの燃焼制御においては、燃焼により発生した熱量だけでなく、火炎の輝度についても考慮することが好ましい。
【００３３】
天然ガスを燃焼させて生じる火炎の輝度と、天然ガスに含まれるプロパン量と、の対応関係に基づいて、火炎の輝度の変化の傾向がみられることがある。本実施形態では、この傾向から推定される燃焼器に供給される熱量の変化または対象物の温度の変化を打ち消すように制御することができる。具体的な制御方法については、上述と同様の方法を挙げることができる。
【００３４】
天然ガスの供給量の制御について具体例を挙げて説明する。なお、以下では、燃焼器に供給される熱量の変化量が小さくなるように、天然ガスの供給量を制御することについて説明する。
例えば、第２の組成比から推定される第２の熱量が、第１の組成比から推定される第１の熱量と比べて大きい場合、天然ガスの供給量を減少させる。これにより、第２の天然ガスの総熱量が減少する。そのため、図１に示すグラフの縦軸方向の振幅が小さくなり、熱量の周期的変動が抑えられる。
【００３５】
一方、第２の組成比から推定される第２の熱量が、第１の組成比から推定される第１の熱量と比べて小さい場合、天然ガスの供給量を増加させる。これにより、第２の天然ガスの総熱量が増加する。そのため、図１に示すグラフの縦軸方向の振幅が大きくなり、熱量の周期的変動が抑えられる。
【００３６】
以上のような方法によれば、連続運転している燃焼器において、天然ガスの熱量の周期的変動を抑制することができる。
【００３７】
［第２実施形態］
以下、第２実施形態の燃焼制御方法について説明する。
第２実施形態は、現在供給している天然ガスの組成比を第１の組成比とし、周期的な組成変化から所定時間後の天然ガスの組成として予測される天然ガスの組成比を第２の組成比とする点で第１実施形態と共通している。
【００３８】
本実施形態では、第１の組成比から推定される第１の熱量と、第２の組成比から推定される第２の熱量と、に基づいて、燃焼器に供給される熱量の変化量または天然ガスを燃焼させたときの対象物の温度の変化量が小さくなるように、天然ガスに対し、所定の熱量を有する調整ガスを混合する工程を有する。
【００３９】
第２実施形態も第１実施形態と同様に、天然ガスを燃焼させて生じる火炎の輝度と、天然ガスに含まれるプロパン量と、の対応関係に基づいて、火炎の輝度の変化の傾向がみられることがある。本実施形態では、この傾向から推定される燃焼器に供給される熱量の変化または対象物の温度の変化を打ち消すように制御することができる。具体的な制御方法については、以下に述べる方法を挙げることができる。
【００４０】
ここでは、第１の熱量および第２の熱量の説明は省略し、燃焼器に供給される熱量の変化量が小さくなるように、所定の熱量を有する調整ガスを混合する工程について説明する。
【００４１】
所定の熱量を有する調整ガスとしては、例えばメタンまたはプロパンが挙げられる。なお、本実施形態において、所定の熱量を有する調整ガスとしては、所定の熱量は０ＭＪ／ｍ３である不活性ガスを含んでもよい。
【００４２】
上述したように、天然ガスは、主成分としてメタン、エタンおよびプロパンを含んでいる。天然ガスに含まれる上記３成分以外の成分は微量であることから、上記３成分の組成比を変えることにより、天然ガスの熱量を調整することが可能である。
【００４３】
調整ガスの選択について具体例を挙げて説明する。
例えば、第２の熱量が、第１の熱量と比べて大きい場合、調整ガスとして窒素ガスなどの不活性ガスまたはメタンが好ましく用いられる。
【００４４】
一方、第２の熱量が、第１の熱量と比べて小さい場合、調整ガスとしてプロパンが好ましく用いられる。
【００４５】
本実施形態では、熱量を算出する際に用いる天然ガスの組成比について、分析の結果明らかになる真の組成比を用いてもよいが、近似値を用いてもよい。本発明者らの検討により、天然ガスが、メタン、エタン、プロパンの３成分からなると仮定し、天然ガスに微量含まれるブタンやペンタンについては捨象して天然ガスの組成を近似しても、熱量を計算するにあたっては不具合が生じないことが分かった。
【００４６】
ここで、天然ガスの組成比について、上記３成分のみ考慮した場合と、他の成分を含めた全成分を考量した場合とで、燃焼特性に差が生じるのか検証した。具体的には、公知のソフトウェアを用いて、一般的な天然ガスと、上記３成分の合計を１としたとき、当該天然ガスの上記３成分の割合になるように換算した模擬天然ガスとをそれぞれ計算し、燃焼特性を比較した。その結果、一般的な天然ガスと模擬天然ガスとの間で燃焼特性にほとんど差は見られなかった。
【００４７】
公知のソフトウェアとしては、例えば、株式会社菱化システムが販売している詳細化学反応解析支援ソフトウェア「ＣＨＥＭＫＩＮ−ＰＲＯ」などが挙げられる。計算モデルには、例えば予混合よどみ流火炎モデルを採用し、ガス流量０．８ｍ／秒、温度２９８．１５Ｋ、圧力１０１．３２５ｋＰａ、当量比０．７の条件で計算することができる。なお、当量比とは、実際の燃料および空気の体積比を、理論混合比における燃料および空気の体積比で除した値を指す。
【００４８】
本実施形態では、天然ガスのモル組成は、メタン、エタンおよびプロパンが主成分であり、他の成分は微量であることに着目し、天然ガスが、メタン、エタンおよびプロパンの３成分のみからなることとして近似したときの近似組成比を用いて制御してもよい。この近似組成比に基づいて、燃焼器に供給される熱量の変化量または天然ガスを燃焼させたときの対象物の温度の変化量が小さくなるように調整ガスの混合量を制御することができる。
【００４９】
具体的には、天然ガス、メタン、エタンおよびプロパンの比重と、天然ガス、メタン、エタンおよびプロパンの熱量とから、天然ガスが、メタン、エタンおよびプロパンの３成分のみからなることとして近似したときの近似組成比を算出する。近似組成比は、次の式（Ｓ１）〜（Ｓ３）の連立式に基づいて算出することができる。
【００５０】
ρｆ＝ρ１Ｒ１＋ρ２Ｒ２＋ρ３Ｒ３  （Ｓ１）
〔式（Ｓ１）中、ρ１〜ρ３は、それぞれ、この順にメタン、エタンおよびプロパンの比重を表し、ρｆは、天然ガスが、上記３成分のみからなるとして近似したときの天然ガスの熱量を表す。また、Ｒ１〜Ｒ３は、それぞれ、この順にメタン、エタンおよびプロパンの近似組成比を表す。〕
【００５１】
Ｑｆ＝Ｑ１Ｒ１＋Ｑ２Ｒ２＋Ｑ３Ｒ３  （Ｓ２）
〔式（Ｓ２）中、Ｑ１〜Ｑ３は、それぞれ、この順にメタン、エタンおよびプロパンの熱量を表し、Ｑｆは、天然ガスが、上記３成分のみからなるとして近似したときの天然ガスの熱量を表す。また、Ｒ１〜Ｒ３は上記と同様である。〕
【００５２】
Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＝１  （Ｓ３）
〔式（Ｓ３）中、Ｒ１〜Ｒ３は上記と同様である。〕
【００５３】
なお、天然ガスの密度（比重）は、燃焼器（例えば、バーナー）の上流において、ガス密度計を用いて測定される。ガス密度計としては、従来公知のものを用いることが可能であり、例えば横河電機株式会社製の「ＧＤ４００」を使用することができる。なお、本明細書において、燃焼器の上流とは、タンクの出口から燃焼器の出口までの間を指す。天然ガスの測定のしやすさから、具体的に燃焼器の上流とは、タンクの出口または燃焼器の入口であることが好ましい。
【００５４】
以上のように、メタン、エタン、プロパンのみからなる近似組成比を用いると、注目する天然ガスの成分の数が少なくて済むので、天然ガスの熱量の制御が容易となる。
【００５５】
以上のような方法によれば、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、連続運転している燃焼器において、天然ガスの熱量の周期的変動を抑制することができる。
【図１】
2018031499.tif 000003