月刊「クリーンエネルギー」2010 年 6 月号掲載 原稿

Ｏ２センサによる空気比制御システム搭載の大型貫流ボイラ「イフリート」
川重冷熱工業株式会社
技術総括室

ボイラ技術部
正井 文敏

1.はじめに
近年の貫流ボイラは省エネ化が進んでおり、各社よりボイラ効率 96%以上のものが商品化されている。当社も逆に冬場、空気温度が 10℃の時に空気比を 1.2 に設定す
ると、空気温度が 40℃になると空気比が 1.1 以下に低下する。

09 年 4 月にボイラ効率が 98%の都市ガス１３Ａ焚きの

一般的に空気比の設定は、空気比の過剰な低下による異大型貫流ボイラ「イフリート ビート」シリーズを発売し常燃焼やＣＯ発生を避けるべく、夏季の空気不足を避けるた。イフリートビートの外観を写真１に、主な仕様を表よう調整（夏場に最大負荷にて空気比を 1.20～1.23 程度）

１に示す。

しているため、その他の時季には不必要に空気比が高い状

ボイラの省エネや省電力化の手段には様々あるが、イ態で運転が行なわれている場合が多い。なお、空気比は排フリートシリーズでは、燃焼に連続制御（ＰＩ制御）のガスのＯ２濃度から算出により求まるため、実際の空気比採用とバーナのターンダウン比１０：１の組合せによるの管理は排ガスＯ２濃度の監視にて行なっている。

部分負荷効率の向上や、給水の連続制御による直接ドレ２－２空気比の変化がボイラ効率に及ぼす影響

ン回収システムへの対応で蒸気システム全体での省エネ

ボイラの燃焼にて空気比が高くなると、ボイラでの収熱に対応できる。また、押込み送風機や給水ポンプにインの低下よる排ガス温度の上昇と燃焼排ガスの量自体が多バータを標準装備し、部分負荷時の消費電力量の低減をくなることが相まって、排ガス損失が増加してボイラ効率図っている。

が低下する。

この様に、ボイラ機器の熱効率や電力量削減、蒸気シ

図２に各空気比におけるボイラの排ガス温度と排ガスステム全体での省エネが限界に近づくなか、当社ではさ損失の関係を示す。排ガス損失は図中に示す条件により計らなるボイラの省エネ要求に応えるべく、省エネ法によ算で算出した。たとえば、冬場を想定し空気温度 15℃、り重要視されている燃焼空気比の管理に着目し、Ｏ２セ排ガス温度が 130℃の場合では空気比 1.20 の時の排ガスンサを利用した空気比制御システムの開発を行い商品化損失は 5.5%、空気比 1.33 の時の同損失は 6.1%となり、した。本システムは既設イフリートボイラにも追加取付損失の差は 0.6 ポイントとなる。空気比制御を行い、空気出来るよう設計しているため、既設ユーザのＣＯ２削減比を 1.20 に制御すると、先述の損失の差がそのままボイにも対応できる制御システムとなっている。

ラ効率の改善、すなわち燃料消費量の低減に繋がる。さら本稿では今回商品化した制御システムについての採用に燃焼用の空気動力も合わせて低減できるため、電力消費技術や特徴について紹介する。

量の面でも省エネが図れる。また、どの季節に燃焼調整を２空気比制御の有効性行なったとしても外気温度による空気比の変化の影響を２－１空気比の変化受けないため、季節ごとの燃焼調整も不要となりユーザ負ボイラの燃焼に限らず、燃焼とは燃料と空気を一定の割担が軽減できる。

合で混合させて行なう。燃料の完全燃焼に必要な空気量を３空気比制御システム単位量として燃焼に用いる空気の量を空気比で表す。この

３－１Ｏ２センサ

空気比は一度調整しても空気の温度や気圧、湿度と言った今回商品化したＯ２センサはジルコニア限界電流式の気象条件により空気密度が変化することで、季節や環境のものを採用した。安定化ジルコニアは高温に加熱すると酸変化により大きく変化する。図１に空気温による空気比の素イオン導電体の性質を持つ。ジルコニア成形体にフィル変化の予想線図を示す。たとえば、ある負荷で夏場など空ターを介した電極を設け、この成形体を高温にして電極に気温度が 40℃の時に燃焼調整を行い、空気比を 1.2 に設

電圧をかけると電圧－電流特性にフラット（電圧を変化さ定したとする。この設定のまま冬場など空気温度が 10℃せても電流値が一定）な領域が現れる。このフラット領域になると、同じ燃焼負荷で空気比は 1.3 以上に上昇する。

は酸素濃度に応じて変化するため、この電流値を測定して酸素濃度を検出している。
３－２燃焼制御
一般に貫流ボイラの燃焼制御は３位置またはそれ以上気比制御を行なう上できめ細かな動作設定が可能な機能を持たせている。
② 安全対策の段階（断続）制御を採用している場合がほとんどである。

空気比が大幅に変化すると燃焼が不安定になるだけで

しかし当社のイフリートボイラは、燃焼に連続制御を採用はなく、低空気比側にズレが生じると有害なＣＯが発生すしている。これは、断続的に燃焼を制御する場合に比べ、る。このため、事前に空気比の大幅なズレを防止するため、連続制御の方が、要求負荷に見合った燃焼量で燃焼制御が送風機回転数出力信号は、基本周波数から一定の偏差内にできるため、不必要な燃料の消費を避け安定した蒸気圧力収まる様、演算結果の回転数に対して出力値を制限していを保てる点や、ターンダウンを広く設定出来る点など省エる。さらに、空気比制御燃焼中に空気比の異常な変化を自ネへのメリットが格段に大きいためである。

動判断した場合、空気比制御をキャンセルし基本周波数に３－３制御機器の構成よる燃焼制御に切替える制御を組み込んでいる。空気比の

図３にイフリートボイラの燃焼制御システムの概要を異常は下記の条件を判断基準としている。

示す。
空気比制御を行なわない通常の燃焼制御の場合、ボイラ・ 排ガスＯ2 が異常に低い状態が続く。
・ 排ガスＯ２の値が設定値と一定以上離れ続ける。

本体に取付けた蒸気圧力センサの信号から、圧力制御演算③ Ｏ２センサの異常／素子劣化診断部（図中ＰＩＣ）にてＰＩＤ演算を行なう。演算の結果はセンサに異常が生じた場合やセンサとの信号線が断線燃焼量指令値（図中ＭＶ）として、一方はコントロールモした場合、即座に基本周波数による燃焼制御に移行する。

ータへ伝え、モータの回転角度により燃料ガス量と燃料空今回採用したＯ２センサは、素子の劣化による測定値へ気量がリンク機構によって調量される。もう一方は、押込の影響は高濃度側の測定値の低下として現れる。すなわち

み送風機の周波数設定テーブルによりその時の燃焼量に大気中の酸素濃度は 21%であるが、センサが劣化してく見合った周波数信号に変換し、インバータにより送風機モるとそれより低い値を示すようになる。そこでプレパージータの回転数を制御することで空気量を制御する。この時やポストパージ時など非燃焼中のＯ２を計測することで、の設定周波数を基本周波数と呼ぶ。

Ｏ２センサの劣化を診断する機能をボイラ内に持たせてＯ２センサによる空気比制御を行なう場合は、燃焼量指令値から送風機の周波数を決定する制御ラインに、空気比いる。センサの劣化を検出した場合には、空気比制御は行なわず基本周波数による燃焼で継続運転を行なう。

制御を行なう制御ラインを追加する。空気比の制御は燃焼④ 異常時の対応排ガス中のＯ２濃度を検出して行なう。ボイラ排ガスＯ２

上述の異常やセンサの劣化を検出した場合、基本周波数濃度は安定した燃焼が得られるように、その設定値を高負による燃焼制御に切り替わるのと同時に、操作パネル周り

荷ではＯ２濃度で 3～4%程度に、低負荷で 4~6%程度に、にあるＬＥＤ表示灯が黄色に変色するため、ひと目絵で確中間負荷域では高低負荷時の設定値を緩やかな曲線で結認することが出来る。さらにパネル部を操作することで異ぶ様に設定する。図４にボイラの燃焼負荷とＯ２設置値テ常の内容や対処法などのガイダンスを表示される。このたーブルの一例を示す。この設定値がボイラ燃焼中の各燃焼めユーザは迅速かつ的確に対応できる。このＬＥＤおよび量での排ガスＯ２の設定値となる。制御の流れとしては、ガイダンス表示は空気比制御だけなく、通常運転や異常時燃焼量指令値とＯ２設定テーブルから現在の燃焼負荷でなどボイラの状態に合わせて変化・表示する。の設定Ｏ２値を決定する。決定したＯ２とセンサにより実４おわりに測した排ガスＯ２値からＯ２制御演算部でＰＩＤ演算をイフリートは、貫流ボイラでありながら、従来の水管ボ行なう。演算の結果は基本周波数に付加し、インバータのイラの優れた制御を採用し、貫流ボイラの特徴である保有回転数を加減することで空気比の制御を行う。

水量の少なさとあいまって、省エネ性を追及したボイラで３－３特徴ある。今回の空気比制御の開発により、より一層の省エネ① 当社製マイコンによる制御化ができ、ＣＯ２の削減に貢献できるものと考える。

燃焼に関する各種演算や設定はボイラ制御盤内のマイコンを利用して行なっている。このためパソコンを利用してボイラ制御盤と通信が行なえるメンテナンスツールを用いることで、制御に必要なパラメータを簡単に設定することが可能である。その他にも、空気比制御の制御速度や送風機回転数出力に基本周波数からの偏差に制限を付加する機能、各種安全用の警報を任意に設定できるなど、空しかしながらボイラは大量に化石燃料を消費する産業用熱源機であることから、当社ボイラの性能向上が地球環境の維持・改善への貢献に直結しているものと考えている。
そこで今後も環境負荷低減に注力した商品・サービスを開発し、それらを低コストで市場へ提供することで社会に貢献できるよう努力していきたいと考える。
以上