(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に設けられた複数台の貫流ボイラと、これらの貫流ボイラにて生成された蒸気を統合して出力する蒸気ヘッダと、この蒸気ヘッダから負荷に供給される蒸気圧に応じて前記各貫流ボイラの発生蒸気量を制御する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記複数台の貫流ボイラを２つのボイラ群に分けて、一方のボイラ群の燃焼量を前記貫流ボイラでの発生蒸気量の変化に伴う前記蒸気圧の変化に応じて制御する第１の制御系と、他方のボイラ群の燃焼量を前記負荷の変動に伴う前記蒸気圧の変化に応じて制御する第２の制御系とを備えることを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項２】
前記第１の制御系は、前記負荷に供給される蒸気圧と目標蒸気圧との偏差に応じて前記一方のボイラ群の燃焼量をＰ制御またはＰＤ制御する第１のＰＩＤ制御器からなり、
前記第２の制御系は、前記負荷に供給される蒸気圧と前記目標蒸気圧との偏差に応じて前記他方のボイラ群の燃焼量をＰＩ制御する第２のＰＩＤ制御器からなる請求項１に記載の蒸気発生装置。
【請求項３】
前記各貫流ボイラは、燃焼量を多段に制御可能なバーナを備えたものであって、
前記第１および第２の制御系は、前記負荷に供給すべき蒸気圧に応じて前記複数台の貫流ボイラの運転台数を制御すると共に、各貫流ボイラの燃焼量を段階的に制御するものである請求項１に記載の蒸気発生装置。
【請求項４】
前記第１の制御系により燃焼量が制御されるボイラ群は、常時着火状態にある少なくとも１台の貫流ボイラからなり、
前記第２の制御系により燃焼量が制御されるボイラ群は、前記複数台の貫流ボイラ中の残された貫流ボイラであって、選択的に着火・停止されて運転台数の制御に供されるものである請求項１に記載の蒸気発生装置。
【請求項５】
前記負荷は、流量調整バルブを介して蒸気が供給され、液状製品が通流する管路を通して上記液状製品を加熱滅菌する滅菌機である請求項１に記載の蒸気発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼量を段階的に制御可能な複数台の貫流ボイラを並列に備えた蒸気発生装置に係り、上記貫流ボイラからの蒸気が供給される負荷の変動に追従させて前記各貫流ボイラの燃焼量を最適に制御することのできる蒸気発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
飲料や液状食品等（液状製品）の滅菌処理に供される滅菌機は、蒸気を用いて上記液状製品を加熱するように構成される。ちなみに滅菌器における液状製品の滅菌温度は、該滅菌機を通流させる液状製品の供給量と該滅菌機への蒸気供給量とによって変化する。そこで一般的には蒸気発生装置から出力される蒸気の圧力（蒸気圧）を前記滅菌機（負荷）の運転条件に応じて一定化制御し、これによって前記液状製品に対する滅菌温度の安定化を図るようにしている。
【０００３】
ちなみに大容量の普通ボイラを用いた蒸気発生装置では、上記ボイラにて発生させた高圧の蒸気を減圧弁を介して減圧することで、安定化した一定圧力の蒸気を得ている。しかし減圧弁を用いて蒸気圧を減圧する分、ボイラにて発生させる蒸気の圧力を高くすることが必要であり、エネルギの無駄が生じることが否めない。そこで小容量の貫流ボイラを複数台用い、必要とする蒸気量に応じて上記複数台の貫流ボイラを選択的に運転することが行われている（例えば特許文献１,２を参照）。この制御はボイラの運転台数制御と称される。また上記貫流ボイラは、一般的にはそのバーナ燃焼量を２段階または３段階に切り替え可能なことから、必要とする蒸気量に応じて上記各貫流ボイラの燃焼量を１台毎にそれぞれ段階的に制御することも行われている。
【特許文献１】特開２００４−３１７１０５号公報
【特許文献２】特開２００６−３１７１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで複数台の貫流ボイラの運転台数を制御しながら、各貫流ボイラの燃焼量をそれぞれ段階的に制御する場合、全体的には略連続的に燃焼量を制御し得る。しかしこれらの貫流ボイラは１台毎に独立しているので、例えばその燃焼量を一段階増やす場合、停止中の貫流ボイラを再着火しなければならない状態が起こり得る。しかも再着火しようとする貫流ボイラが冷缶状態であると、着火から蒸気が得られるまでに時間が掛かることが否めない。このような貫流ボイラの燃焼特性は、フィードバック制御から見ると無駄時間遅れを含んだ制御特性であり、一般的にはその燃焼制御が非常に困難である。
【０００５】
また各貫流ボイラは、前述したようにそれぞれ段階的にしかその燃焼量を制御することができない。これ故、負荷変動に追従させて上記貫流ボイラの燃焼量をフィードバック制御する場合、一般的には段階的な燃焼制御の下で生成された蒸気の圧力（負荷蒸気圧）と目標蒸気圧との間にずれ（偏差）が生じることが否めない。従って貫流ボイラは目標蒸気圧を上回る蒸気を生成し得る燃焼量と、この燃焼量よりも１段階下の上記目標蒸気圧を下回る蒸気を生成し得る燃焼量との間で交互に燃焼制御される。この結果、負荷蒸気圧は上記目標蒸気圧を挟んで短い周期で交互に変化し、その負荷蒸気圧を時間的に平均化したときに、その圧力が目標蒸気圧となるように制御される。
【０００６】
しかしながら前述したように貫流ボイラは無駄時間遅れ要素を含んでいるので、上述したように貫流ボイラの燃焼量をフィードバック制御するとオーバーシュートが発生し易くなり、蒸気圧の変動が大きくなると言う不具合が生じる。更にはその制御ゲインを高くすると、つまり圧力制御幅を狭くすると僅かな圧力変動を端緒として脱調（発振）する可能性が高くなる。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、燃焼量が段階的に制御可能な複数台の貫流ボイラの燃焼量を、上記貫流ボイラから負荷に供給する蒸気の圧力に応じてフィードバック制御する蒸気発生装置であって、制御の脱調（発振）を招来することなく負荷変動に対して前記負荷蒸気圧を安定に追従制御することのできる制御系を備えた蒸気発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するべく本発明に係る蒸気発生装置は、並列に設けられた複数台の貫流ボイラと、これらの貫流ボイラにて生成された蒸気を統合して出力する蒸気ヘッダと、この蒸気ヘッダから負荷に供給される蒸気圧に応じて前記各貫流ボイラの発生蒸気量を制御する制御装置とを具備したものであって、
前記制御装置は、前記複数台の貫流ボイラを２つのボイラ群に分けて、一方のボイラ群の燃焼量を前記貫流ボイラでの発生蒸気量の変化に伴う前記蒸気圧の変化に応じて制御する第１の制御系と、他方のボイラ群の燃焼量を前記負荷の変動に伴う前記蒸気圧の変化に応じて制御する第２の制御系とを備えることを特徴としている。
【０００９】
ちなみに前記第１の制御系は、前記負荷に供給される蒸気圧と目標蒸気圧との偏差に応じて前記一方のボイラ群の燃焼量をＰ制御（比例制御）またはＰＤ制御（比例・微分制御）する第１のＰＩＤ制御器を用いて実現され、また前記第２の制御系は、前記負荷に供給される蒸気圧と前記目標蒸気圧との偏差に応じて前記他方のボイラ群の燃焼量をＰＩ制御（比例・積分制御）する第２のＰＩＤ制御器を用いて実現される。
【００１０】
また前記各貫流ボイラは、燃焼量を多段に制御可能なバーナを備えたものであって、前記第１および第２の制御系は、前記負荷に供給すべき蒸気圧に応じて前記複数台の貫流ボイラの運転台数を制御すると共に、各貫流ボイラの燃焼量を段階的に制御するように構成される。
そして前記第１の制御系により燃焼量が制御されるボイラ群は、常時着火状態にある少なくとも１台の貫流ボイラからなり、また前記第２の制御系により燃焼量が制御されるボイラ群は、前記複数台の貫流ボイラ中の残された貫流ボイラであって、選択的に着火・停止されて運転台数の制御に供されるものからなる。
【００１１】
尚、前記負荷は、例えば流量調整バルブを介して蒸気が供給され、液状製品が通流する管路を通して上記液状製品を加熱滅菌する滅菌機からなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば２つに分けたボイラ群の一方を、貫流ボイラでの発生蒸気量の変化に伴う蒸気圧の変化に応じて制御することで該貫流ボイラの段階的な燃焼制御に伴う蒸気圧の変動を小さく抑えるので、負荷変動に伴う蒸気圧の変化に応じて他方のボイラ群の燃焼を制御する制御系への影響を抑えることができる。この結果、高い制御ゲインの下で前記一方のボイラ群を応答性良く制御しながら、他方のボイラ群を制御時間遅れを伴いながらも安定に燃焼制御することが可能となる。
【００１３】
より具体的には、常時燃焼状態にある少なくとも１台の貫流ボイラ（一方のボイラ群）を用いて圧力制御幅の狭いＰ制御（比例制御）を実行すると共に、必要に応じて不本意な圧力変動を抑制するべくＤ制御（微分制御）を実行するので、負荷に対する蒸気量の過不足に起因して蒸気圧が変動した場合には速やかに貫流ボイラの燃焼量を制御し、負荷蒸気圧を一定化することができる。その上で負荷が変動した場合には、これに伴う負荷蒸気圧の変動に応じて前記他のボイラ群の燃焼状態、即ち、他のボイラ群に含まれる複数台の貫流ボイラの運転台数と各貫流ボイラの段階的な燃焼量を制御するので、負荷の変動に追従させて負荷蒸気圧を滑らかに制御することが可能となる。この場合、制御応答の遅れを見込んでＩ制御（積分制御）を主体としたフィードバック制御を実行することで、制御量を急激に変えることなく燃焼量を制御してその発生蒸気量を負荷の変動に追従させることが可能となる。
【００１４】
従って段階的な燃焼制御しかできない複数台の貫流ボイラを用いると雖も、またこれらの貫流ボイラの運転台数を制御すると雖も、負荷状態に応じた極めの細かい燃焼制御によって、負荷状態の変化に追従した蒸気圧を安定に得ることが可能となる。従って負荷の作動状態を安定に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る蒸気発生装置について説明する。
図１は蒸気を用いて液状製品を滅菌処理する滅菌システムの概略構成図であって、１０は蒸気を発生する蒸気発生装置、２０は上記蒸気発生装置１０の負荷となる滅菌機である。この滅菌器２０は、流量調整バルブ２１を介して流量調整されて供給される液状製品を通流する管路２２と、この管路２２に沿って設けられ、流量調整バルブ２３を介して流量調整されて供給される蒸気を通流して前記管路２２内を通流する上記液状製品を加熱する蒸気パイプ２４とを備えたものからなる。
【００１６】
本発明に係る蒸気発生装置１０は、上述した滅菌器２０に蒸気を供給することで該滅菌器２０を駆動するものであり、基本的には並列に設けられた複数台の貫流ボイラ１１ａ〜１１ｎを備え、蒸気ヘッダ１２を用いて上記各貫流ボイラ１１ａ〜１１ｎが生成した蒸気を統合して（まとめて）出力するように構成される。尚、蒸気ヘッダ１２から前述した滅菌機（負荷）１０に供給される蒸気の圧力（負荷蒸気圧）は圧力計１３にて検出され、制御機１４による前記各貫流ボイラ１１ａ〜１１ｎの燃焼制御に供される。
【００１７】
ちなみに上記各貫流ボイラ１１ａ〜１１ｎは、例えば１時間当たり最大２.５ｔ程度の蒸気を発生させることで最大１.０ＭＰａ程度の蒸気圧を生成可能な、いわゆる小容量型のものである。また上記貫流ボイラ１１ａ〜１１ｎは、一般的には、例えば１００％燃焼と５０％燃焼との２段階に、或いは１００％燃焼，６６％燃焼，３３％燃焼の３段階にその燃焼量が制御可能に構成される。尚、停止（消火）を含めて３段階、４段階に燃焼量が制御可能であるとも言える。
【００１８】
さて本発明の実施形態に係る蒸気発生装置１０は、上述した複数台の貫流ボイラ１１ａ〜１１ｎを、常時着火状態に保たれる少なくとも１台の貫流ボイラからなる第１のボイラ群Ａと、残りの貫流ボイラであって負荷状態に応じて停止・着火されて運転台数制御に供される第２のボイラ群Ｂとに分け、これらの各ボイラ群Ａ,Ｂの燃焼量を前記圧力計１３にて検出される負荷蒸気圧に応じてそれぞれ制御することを特徴としている。特に上記第１のボイラ群Ａを目標蒸気圧と負荷蒸気圧との偏差に応じてＰ制御（比例制御）、若しくはＰＤ制御（比例微分制御）する第１の制御系１４ａと、また第２のボイラ群Ｂを前記目標蒸気圧と負荷蒸気圧との偏差に応じてＰＩ制御（比例積分制御）する第２の制御系１４ｂとを備えたことを特徴としている。
【００１９】
即ち、図２にボイラの圧力制御のブロックダイヤグラムを示すように、複数台の貫流ボイラ１１ａ〜１１ｎ（第１および第２のボイラ群Ａ,Ｂ）にて生成された蒸気は、蒸気ヘッダ１３を介して統合されて送り出される。このようにして負荷に送り出される蒸気の圧力は、その配管系の容量や各ボイラにおけるバーナ（図示せず）の着火・燃焼遅れ等に起因する外乱を受けて変化し、また負荷（滅菌器２０）の運転状態によっても変化する。このような変動要素を含む負荷蒸気圧を圧力計１３にて検出し、これをフィードバックすることで前記各貫流ボイラ１１ａ〜１１ｎ（第１および第２のボイラ群Ａ,Ｂ）の燃焼量が制御される。
【００２０】
ちなみにボイラの燃焼量制御は前述したように目標蒸気圧と負荷蒸気圧との偏差に基づいて、第１および第２の制御系１４ａ,１４ｂをそれぞれ構築するＰＩＤ制御器を用いて行われる。特に常時着火状態に保たれる第１のボイラ群Ａの貫流ボイラに対して燃焼制御を実行する第１の制御系１４ａは、制御ゲインを高くして、つまり圧力制御幅を狭くした制御条件にて上記偏差に基づいてその燃焼量をＰ制御を、好ましくはＰＤ制御することにより行われる。つまり常時着火状態に保たれる貫流ボイラに関しては、運転停止とその燃焼再開に伴う時間遅れ要素がその制御特性に入り込むことがないので、第１の制御系１４ａは、圧力制御幅の狭いＰ制御と圧力変動を抑制するように働くＤ制御とを掛けてその燃焼量を制御するように構成される。これによって負荷（滅菌器２０）に対する蒸気量の過不足に起因して蒸気圧が変動しても、その変動に対して応答性良く燃焼量を変更することが可能となる。
【００２１】
これに対して第２のボイラ群Ｂの貫流ボイラに対しては、前述した第２の制御系１４ｂにて前記偏差に基づいてその燃焼量を、各貫流ボイラの運転停止を含めてＰＩ制御することによって行われる。具体的には第２のボイラ群Ｂの貫流ボイラの内、少なくとも低燃焼状態を続けている貫流ボイラに対して圧力制御幅の広いＰ制御を加える。その上で第２のボイラ群Ｂに対して圧力の制御偏差を打ち消す為のＩ制御を掛け、負荷変動に応じてその燃焼量を段階的に可変制御する。この第２の制御系１４ｂによる前記第２のボイラ群Ｂの燃焼量の制御は、各貫流ボイラの燃焼量を段階的に可変することのみならず、貫流ボイラを選択的に運転・停止させる運転台数制御を含むものであり、その発生蒸気量を負荷の状態に合わせる制御である。この際、第２の制御系１４ｂは、Ｉ制御を主体として燃焼量制御を実行することで負荷変動に対する操作量の変化を緩やかにし、ボイラの再燃焼に伴う時間遅れ要素を加味した燃焼制御を実行する。
【００２２】
尚、理想的には前述した第１のボイラ群ＡをＰ制御またはＰＤ制御し、第２のボイラ群ＢをＩ制御するようにしても良い。しかしこの種の制御に用いられるＰＩＤ制御器は、一般的にはＩ制御だけを実行することが困難なので、Ｐ制御を緩く掛けながらＩ制御を行うようにその制御パラメータを設定すれば良い。また急激な負荷変動に対しては、第１および第２のボイラ群Ａ,Ｂにおいて低燃焼状態にある貫流ボイラに対して、その発生蒸気量を即時変化させるような燃焼制御（Ｄ制御）を掛け、先ずは急激な圧力変動が発生しないように押さえ込むことが好ましい。
【００２３】
かくして上述した如く制御系を構築した蒸気発生装置によれば、段階的な燃焼量の変化しかできない貫流ボイラにおいては、蒸気負荷と発生蒸気量とが常に不均衡であることに起因する蒸気圧の変動を、常に燃焼状態に保たれる第１のボイラ群Ａに対するＰ制御によって効果的に抑制することができる。特に変動周期が短い上記圧力変動を第１のボイラ群Ａに対するＰ制御とＤ制御とによって押さえ込むことができる。この結果、貫流ボイラの段階的な燃焼特性に起因する圧力変動の影響が、負荷変動に伴う圧力変動に及ぶことを防止することが可能となる。
【００２４】
その上で負荷状態の変動に起因する圧力変動に応じて第２のボイラ群Ｂに対する燃焼制御を、特にＩ制御（積分制御）を主体として実行するので、停止状態にある貫流ボイラを再着火するような場合であっても、その制御応答遅れを踏まえて発生蒸気量を調整することができ、オーバシュートやハンチング等の不具合を招来することなく貫流ボイラの燃焼量を制御することが可能となる。従って燃焼量を段階的にしか可変することができない貫流ボイラを複数台用いると雖も安定した蒸気圧の制御が可能であり、また負荷変動に追従させてその蒸気圧を制御することが可能となる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【００２５】
図３は第１のボイラ群Ａとして２台の貫流ボイラを準備し、また運転台数制御用の第２のボイラ群Ｂとして２台の貫流ボイラを用いた蒸気発生装置において、上述した如く燃焼制御しながら製品流量を変化させたときの蒸気圧の変化特性を示している。尚、この特性は、図３に破線で示すように液状製品を毎分１００リットルの流量で４時間に亘って滅菌機２０に供給した後、その流量を毎分１４０リットルに変更して４時間に亘って供給したときの蒸気圧の変化を実線で示している。特にこの蒸気圧の変化は、図４に拡大して示すように略０.８２ＭＰａを中心として±０.０１ＭＰａ程度の圧力変動を呈しただけであり、その安定度が非常に良好であることが確認できた。
【００２６】
ちなみに上記４台全ての貫流ボイラをＰ制御しただけの場合には、貫流ボイラの段階的な燃焼量の制御に伴って０.０７ＭＰａ程度の大きな圧力変動が生じ、また上記４台全ての貫流ボイラをＰＩ制御した場合にも０.１ＭＰａ程度の大きな圧力変動が生じた。従ってこのような圧力変動に比較して、前述した本発明の制御系によれば複数台（４台）の貫流ボイラを用いたにも拘わらず、負荷蒸気圧を高精度に制御することができ、しかもその制御性が非常に良好であることが確認できた。
【００２７】
そして負荷変動に伴って蒸気圧が急激に変動した場合には、目標蒸気圧と負荷蒸気圧の不均衡に伴って第２のボイラ群Ｂに対する制御系が反応してその燃焼量が上記負荷変動に追従して可変され、また蒸気圧が緩やかに変化した場合には、第１のボイラ群Ａに対する制御性が反応して、その蒸気圧の変動を抑えるべく、その燃焼量が小刻みに可変制御されることが確認できた。
【００２８】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば貫流ボイラの使用台数は、負荷の仕様に応じて定めれば良いものであり、またその仕様に応じて常時着火状態に保つ第１のボイラ群Ａとして用いる貫流ボイラの台数を決定すれば十分である。また貫流ボイラに対する圧力制御幅等の制御パラメータについては、負荷の仕様等に応じて要求される蒸気発生装置の仕様に応じて決定すれば良いことは言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る蒸気発生装置を用いて構築される、蒸気を用いて流体製品を滅菌処理する滅菌システムの概略構成図。
【図２】本発明に係る蒸気発生装置における複数台の貫流ボイラに対する圧力制御のブロックダイヤグラムを示す図。
【図３】本発明に係る蒸気発生装置での負荷変動に対する蒸気圧の変動特性を示す図。
【図４】図３に示す蒸気圧の変動特性を拡大して示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１０  蒸気発生装置
１１  貫流ボイラ
１２  蒸気ヘッダ
１３  圧力計
１４  制御機（ＰＩＤ制御器）
１４ａ  第１の制御系（Ｐ制御またはＰＤ制御）
１４ｂ  第２の制御系（ＰＩ制御）
２０  滅菌機
【図１】
0005131448.tif 000002
【図２】
0005131448.tif 000003
【図３】
0005131448.tif 000004
【図４】
0005131448.tif 000005