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燃焼安全の基礎知識

第2章 制御、操作回路およびリミット・インターロック

出典:「工業用ガス燃焼設備の安全技術指標」 社団法人日本ガス協会 平成21年1月

2.1.制御、操作回路
2.2.燃焼炉におけるリミット、インターロックおよびその機能
2.3.燃焼炉の系統別リミットおよびインターロック

■ 2.1.制御、操作回路

1. 制御、操作回路についてはリスクアセスメントを実施し、フェールセーフ化(故障・異常時に安全側に動作する機能)及びフールプルーフ化(誤操作を防止し、誤操作しても安全側に動作する機能)を図る。
2. 始動時は、機能が正常であることが確認されなければ始動手順に入らないようにする。また異常停止後の再起動は安全が確保された後でなければ実行できないものとする。
3. 制御、操作回路を収納する制御盤は、炉の放射熱、粉塵、電磁ノイズ、湿気など、周囲環境の影響を考慮した設置位置とする。
4. 制御、操作回路は、周囲温度が0℃〜40℃で正常に動作するものとする。周囲温度が0℃〜40℃を逸脱する場合は、対応できる機器の使用や冷却措置などの対策を行うこととする。
5. 供給電源の電圧変動については、電圧変動範囲±10%以内において正常に動作するものとする。
6. 感電防止や機器の故障及び誤動作防止のため適切な設置措置を施すこと。
7. 制御、操作回路は、短絡、地絡時に、確実に電源を遮断できるよう必要な配線用遮断器、ヒューズなどを設置する。また、配線用遮断器は必要に応じて漏電遮断機能を有するものを使用する。
8. 安全遮断弁の操作電源の接続については、安全遮断弁の仕様や使用電源の配電方式などに応じ、地絡等が発生した場合に誤動作しないようにしなければならない。

安全遮断弁の操作電源
安全遮断弁を使用するに当たっては、その操作電源について次の点に注意する必要がある。
 
(1) 誤った操作電源の接続方法による事故例
これは、ある燃焼設備で実際に爆発事故が起こった貴重な実例である。

図2-1 誤った操作電源の接続方法による事故例
図2-1 誤った操作電源の接続方法による事故例
* バーナコントローラ       
(プロテクトリレー)のこと

原因は上図のように操作電源の接続が正しくない [すなわち、高電位側(H)と接地側(G)の接続が逆になっていた] 場合、たまたま燃焼安全制御器や火炎監視リレーと安全遮断弁間の配線が接地していた。 結果として、電源投入と同時に安全遮断弁に接地電流が流れて弁が開き、バーナから未燃ガスが大量に流出し、これにプレパージの空気が混入して爆発混合気が生じ、点火時に爆発したものである。

(2) 正しい操作電源の接続方法
操作電源の高電位側(H)と接地側(G)を次図のように正しく接続すれば、たとえ絶縁不良を生じても接地電流は安全遮断弁を流れず、従って弁は開かず、ガスの流出はない。

図2-2 正しい操作電源の接続方法
図2-2 正しい操作電源の接続方法
* バーナコントローラ       
(プロテクトリレー)のこと

9. インターロックに使用する安全装置(安全遮断弁など)の接点は、中継リレーを介さないこととする。 但し、次の場合には、中継リレーを使用してもよいが、中継リレーを安全遮断弁ごとに設置するか、または、起動時及び点火時に安全遮断弁の開閉確認スイッチによってインターロックをとるなど、中継リレーの誤動作や接点融着に対する防護措置を講ずる。
1) 安全装置の接点容量を超える場合
2) 電源遮断時に安全状態に復帰するために必要とされる場合
3) 安全ロジックのための回路に必要な場合

図2-3 リミット・インターロックの接続
図5-5 リミット・インターロックの接続

安全遮断弁の制御リレー
安全遮断弁は、燃焼安全制御器*や火炎監視リレー*の主弁制御用端子に直接接続しなければならない。
  *:バーナコントローラのこと(アズビル株式会社、追記)

万一、燃焼制御器や火炎監視リレーの接点容量では使用できず補助リレーを介在させなければならない場合は、補助リレーの誤動作または接点融着に対する防護措置を講ずる必要がある。 実際に、補助リレーの接点融着により起動ボタンを押すと同時に主弁が開方向に作動したため爆発事故が発生している。具体的には、次の 1)と 2)の組合せによる対策を講ずることによりフェールセーフを保つ必要がある。
1) 補助リレーを安全遮断弁毎に設置する。
2) 補助リレーを使用する場合は、起動時と点火時に安全遮断弁の閉確認スイッチによってインターロックをとる。

『バーナコントローラの安全遮断弁接続端子の接点容量が足りない場合の接続方法』

(1) 接点容量が足りない場合、安全遮断弁1つはバーナコントローラの接続端子を利用し、もう1つの安全遮断弁を補助リレー接点で制御する。 補助リレー接点は、リミット、インターロックに接続すること。

図2-4 バーナコントローラの接点容量が足りない場合の安全遮断弁の接続例 1
図2-4 バーナコントローラの接点容量が足りない場合の安全遮断弁の接続例 1
注意:補助リレーを使用する場合は、安全遮断弁の閉確認スイッチをインターロックに使用すること。

(2) 図2-4の方法でも、バーナコントローラの接点容量が足りない場合は、補助リレーを2つ使用し、各々の補助リレー接点で安全遮断弁を個々に制御する。 補助リレー接点は、リミット、インターロックに接続すること。

図2-5 バーナコントローラの接点容量が足りない場合の安全遮断弁の接続例 2
図2-5 バーナコントローラの接点容量が足りない場合の安全遮断弁の接続例 2
注意:補助リレーを使用する場合は、安全遮断弁の閉確認スイッチをインターロックに使用すること。

10. プログラマブルコントローラの使用については以下のとおりとする。
プログラマブルコントローラを燃焼監視装置に使用してはならない。
また、プログラマブルコントローラだけで燃焼安全のインターロックを構築してはならない。
但し、安全プログラマブルコントローラを使用する場合はこの限りではない。
プログラマブルコントローラを介さない緊急停止スイッチを緊急時に確実に操作できる場所に設置する。

(1) 安全プログラマブルコントローラを使用したインターロックの構成例
安全プログラマブルコントローラ(安全PLC)とは、IEC 61508(JIS C 0508-1)のSIL2またはSIL3の認証を取得しているプログラマブルコントローラ。
安全PLCで構築する燃焼安全にかかわるインターロック回路は、回路の安全性、機能を実証し、ソフトの開示、および容易に変更できない処置をする必要がある。

図2-6 安全プログラマブルコントローラを使用したインターロックの構成例
図2-6 安全プログラマブルコントローラを使用したインターロックの構成例

(2) ハードウェア機器のみによるインターロックの構成例

図2-7 ハードウェア機器のみによるインターロックの構成例
図2-7 ハードウェア機器のみによるインターロックの構成例

プログラマブルコントローラ
安全プログラマブルコントローラに関する参考事項を以下に示す。

(1) 安全度水準について
本安全技術指標における安全プログラマブルコントローラとは、IEC61508(日本の翻訳規格はJIS C 508)のSIL2またはSIL3の安全度水準(Safety Integrity Level:SIL)が認証されたプログラマブルコントローラを言う。
IEC61508(JIS C 508)では、安全装置の評価に数値的な水準を用い、その性能尺度として4段階(SIL1〜SIL4)に階層分けを行って必要な技術と手法を提示している。(SIL4が最高の安全水準)
この規格では、安全関連系の故障を、その原因によって、予測でき定量化できる故障(ランダムハードウエア故障)と予測できず定量化できない故障(システマッティック故障)に分類し、 全ての故障に対し、SILを満たすための安全ライフサイクルでの業務内容および技術と手法をハードウエア、ソフトウエアごとに要求事項として規定している。
1) ランダムハードウエア故障
時間に関し無秩序に発生し、主にハードウエアのさまざまな劣化メカニズムから生じる故障。
2) システマッティック故障
ある種の原因に決定論的に関連する故障。この原因は、設計変更、製造工程、運用手順など、関係する要因の修正によってだけ除かれる。

また、安全系の運用の方法については、低頻度作動要求モードと高頻度作動要求モードの2つが定められており、この違いによりSILの算出方法も異なる。
1) 低頻度作動要求モード
安全関連系への作動要求の頻度が1年に1回より大きくないような場合(作動要求頻度が低い待機系システムなどで、プラントの緊急遮断装置や消火装置などが該当する)
2) 高頻度作動要求モード
安全関連系への作動要求の頻度が1年に1回より大きいような場合(通常の運用でも作動要求が発生するような輸送機器のブレーキに関するシステムなどが該当する)

安全プログラマブルコントローラを使用する場合でも、そのSIL対応の前提となっている安全機能が定義されているので、これに合致するように使用しなくてはならない。SILが宣言された条件や範囲と合わない使用方法をした場合、形だけSIL対応品を使用してもSILに合致した安全機能が実現されたことにはならない。

なお、平成20年1月時点において、国内にSILの認証機関はなく、日本製の安全プログラマブルコントローラ(SILの認証を取得したプログラマブルコントローラ)は、製品が限定される。

(2) 燃焼安全制御部の構成について
燃焼安全制御の安全関連部としては、インターロック回路部、火炎検出器、火炎監視リレー、点火安全時間の管理・制御、失火遮断機能、点火装置、燃料遮断弁などの機器や機能で構成されるが、 これらの内、火炎監視リレー、点火安全時間の管理・制御、失火遮断機能、インターロック遮断機能を一体化した燃焼安全制御器が用いられることが多い。

この燃焼安全制御器を使用した場合の一般的な構成例を下図に示すが、この場合、燃焼安全制御器として信頼性の高いもの(例えば、欧州のEN298規格や米国のUL372規格の認証を取得したもの)を使用し、 燃焼安全上重要なインターロック回路部をリレーロジックで構成すれば、その他の部分(機能)は、安全プログラマブルコントローラ(SILの認証を取得したプログラマブルコントローラ)ではないプログラマブルコントローラを使用してもよい。

しかし、燃焼安全上重要なインターロック回路部や遮断機能などについて、その一部でも、プログラマブルコントローラに信号を取り込んで安全機能を構成する場合は、安全プログラマブルコントローラを使用しなくてはならない。

図2-8 燃焼安全制御の安全関連部
図2-8 燃焼安全制御の安全関連部

具体的な構成例
◇不適切な構成例
 汎用プログラマブルコントローラを使用して非安全制御および安全制御(バーナ制御)を構成している。

図2-9 現状の不適切な計装例
●汎用PLCを使用してバーナ安全制御回路まで構成している。
図2-9 現状の不適切な計装例

◇JIS B 8415-2008 への対応

(1) ハードタイマ、ハードリレー(補助リレー)を使用して、JIS B 8415 対応の計装

図2-10 ハードタイマ、ハードリレーを使用して、JIS B 8415 対応の計装
●汎用PLCは非安全制御回路のみの構成に絞ること。
図2-10 ハードタイマ、ハードリレーを使用して、JIS B 8415 対応の計装

(2) 安全プログラマブルコントローラを使用して、JIS B 8415 対応の計装
汎用PLCは非安全制御に絞る。
安全PLCを使用して、リミット・インターロック回路を構成し、燃焼安全制御器(バーナコントローラ)へリミット、インターロック信号を伝える。

図2-11 安全PLCを使用して、JIS B 8415 対応の計装
●汎用PLCは非安全制御回路のみの構成に絞ること。
図2-11 安全PLCを使用して、JIS B 8415 対応の計装

11. 制御、操作回路に使用する機器、部材は耐久性、信頼性の高いものを使用する。
12. 燃焼監視装置や現場計装機器(計器、制御弁、遮断弁など)と制御、操作回路とを接続するケーブルは、装置や機器に応じ、使用環境を考慮して適切な種類、サイズのものを使用すること。
また、ケーブルは、損傷防止するため設置状況に応じて電線管等により、確実に保護する。

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■ 2.2.燃焼炉におけるリミット、インターロックおよびその機能

■ 2.2.1.インターロック及び制限装置の作動要求事項について

(「工業用ガス燃焼設備の安全技術指標」社団法人 日本ガス協会 平成21年1月 より)

炉の起動、運転及び停止が安全に行われるためには各機器及び運転要求事項に基づき、インターロック及び制限装置*1の作動要求事項を、次の表に示す。 ただし、炉の種類によって追加必要事項を生じるため、リスクアセスメントを実施して追加事項を決定することが望ましい。
 *1:リミット機器・装置のこと(アズビル株式会社追記)

表2-1 インターロック及び制限装置の作動要求事項

項目 作動要求事項 検出器(例)
工業炉全般 停電 * 安全弁遮断弁
際通電磁安全遮断弁開防止回路
パージ不十分 * パージタイマ
燃焼空気送風機ダンパ開閉位置確認 リミットスイッチ
排気煙道ダンパ開閉位置確認 リミットスイッチ
ファン回転低下 回転速度検出器
ファン軸異常 振動計
炉出入り口扉開閉位置確認 リミットスイッチ
炉内駆動搬送位置異常 リミットスイッチ
保護ガード開閉位置確認 リミットスイッチ
電力設備オーバーロード 過電流継電器
サーマルリレー
火災検知 煙・温度検知器
爆発弁位置確認 リミットスイッチ
ガス配管
(燃料)
ガス圧力低下・過上昇 圧力スイッチ
ガス漏れ異常 ガス漏えい検知器
逆流防止、逆火防止作動確認 リミットスイッチ
緊急操作弁作動確認 リミットスイッチ
バーナ リジェネバーナ蓄熱器温度過上昇 温度検出器
リジェネバーナ切替弁開閉位置確認 リミットスイッチ
リジェネバーナ蓄熱器目詰まり 差圧スイッチ
安全遮断弁 遮断弁開閉位置確認 リミットスイッチ
遮断弁漏えい 漏えい検知器
燃焼監視装置 パイロットバーナ失火 火炎検出器
メインバーナ失火 火炎検出器
自己確認 火炎検出器
給排気及び空気比 燃焼空気圧力低下 圧力スイッチ
空燃比異常 空燃比制御器
排ガス圧力過上昇 圧力スイッチ
排ガス煙道可燃物 CO濃度計
排ガス温度過上昇 温度検出器
過熱防止装置 炉内温度過上昇 温度検出器
ラジアントチューブ温度過上昇 温度検出器
冷却水系統 冷却水給水圧力低下 圧力スイッチ
冷却水排水温度過上昇 温度検出器
冷却水水量低下 フロースイッチ
その他の安全装置 炉内可燃物 CO濃度計
規定以上の地震の感知 感震計
制御用電圧低下 不足電圧継電器
制御用空気圧力低下 圧力スイッチ
制御用油圧圧力低下 圧力スイッチ
炉内用雰囲気ガス圧力低下 圧力スイッチ
パージ用ガス圧力低下 圧力スイッチ
熱風炉の循環ファン停止 圧力スイッチ

本表は、JIS B 8415「付属書C 表C.1−インターロック、制限装置の作動要求事項」に準じて抜粋・追記(*)した。

■ 2.2.2.リミット

燃焼炉の炉内温度制御用コントローラが万一故障すると、設定温度より温度が上昇し、燃焼が継続することがある。 このような場合、炉内の被加熱物に悪影響を与えたり、炉自身を損傷したり、最悪の場合は火災に発展することになる。 このような状態でも安全を確保するために、リミット用コントローラを設置しておくと、万一、ハイリミットの設定値まで炉内温度が上昇した場合、接点が作動して回路を開き、燃焼を停止することができる。

図2-12 制御とリミット
図2-12 制御とリミット

図2-13 燃焼安全装置の基本構成
図2-13 燃焼安全装置の基本構成

■ 2.2.3.インターロック

一般的に、ある条件が満足されない場合には、燃焼装置を「起動しない」とか、「運転を停止する」機能をインターロックという。 燃焼装置では、その動作するタイミングによって、「起動インターロック」、「プレイグニッションインターロック」と「運転インターロック」とに分けられる。

1. 起動インターロック

燃焼炉の起動条件が満足されているか、どうかをチェックする。満足されない場合、燃焼炉を起動しない。

例:エアー圧力スイッチ「オフ」、安全遮断弁「閉」、排気ダンパ「開」・・・

2. プレイグニッションインターロック

バーナ点火に入る前に、バーナ点火条件が満足されているか、どうかをチェックする。満足されない場合はバーナ点火動作に入らない。

例:安全遮断弁「閉」、メインバーナ燃焼位置「低」、扉の開放確認(扉のあるバッチ炉)・・・

3. 運転インターロック

燃焼炉の運転条件が満足されているか、どうかをチェックする。満足されない場合は、燃焼炉の運転を停止する。

例:燃料圧力「上、下限」、燃焼用空気圧力「下限」、燃料油温度「下限」・・・

■ 2.2.4.ロックアウトインターロック

インターロックの中で、作動したとき、そのままの状態に固定し自動的に元の状態に復帰しないようにするインターロックのことをロックアウトインターロックと呼んでいる。 復帰するには、作動した条件を解消したうえ、手動操作で行わなければならない。

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■ 2.3.燃焼炉の系統別リミットおよびインターロック

図2-14 燃焼炉のリミット、インターロック
図2-14 燃焼炉のリミット、インターロック

■ 2.3.1.ガス配管系

1. ガス圧上限/下限インターロック

主として、運転インターロックとして使用する。ガス圧が設定値以上/以下に上昇/降下すると、回路をオフにし、燃焼を停止させる。 インターロックの目的は、ガス圧上昇/降下による燃焼運転中の断火やエアーリッチ燃焼による熱効率低下防止のために使用される。

2. 弁閉止インターロック

燃焼装置を起動する場合、安全遮断弁が閉止していることを確認するために使用する。 起動インターロック、プレイグニッションインターロックとして使われ、安全遮断弁が閉止していないと、回路はオンにならず装置は起動しない。

■ 2.3.2.空気配管系

1. エアー圧力下限インターロック

起動インターロックおよび運転インターロックとして使用する。 起動インターロックとしては、バーナ起動時、ブロワまたは誘引ファンの起動前など、空気の流れの無い状態で燃焼用空気検出装置(エアー圧力下限インターロック)が作動した場合、バーナを起動してはならない。 運転インターロックとしては、パージ中および燃焼中の空気圧をチェックする。空気圧が設定値より低い場合は、回路オフにし、燃焼動作に入らないようにし、また、燃焼中であれば燃焼を停止する。
インターロックの目的は、空気圧低下による不完全パージやガスリッチによる不完全燃焼を防止するためのインターロックである。

図2-15 インターロック、リミット回路の例
図2-15 インターロック、リミット回路の例

*1: エアー圧力下限インターロック――次の確認回路を設けること。
ブロワ起動時、空気の流れのない状態で、圧力を検出しないことを確認する。
もし、空気の流れのない状態で検出した場合は、起動してはならない。

2. 高燃焼インターロック

プレパージを確実に行うために、空気ダンパまたはバタフライ弁を高燃焼位置まで開き、十分な空気量でパージする方式がよく使われ、このときダンパが所定の開度まで開いたことを確認するインターロックとして使用する。 プレイグニッションインターロックの一種で、空気ダンパーが高燃焼位置に移動したことが確認がされるまで、バーナコントローラ(プロテクトリレー)のシーケンスは停止し、高燃焼インターロック接点がONになってからプレパージ時間のカウントを開始する。

3. 低燃焼インターロック

メインバーナが安全・確実に着火するためには、安定燃焼可能な最低燃焼状態で、着火動作を行うようにする必要がある。 この場合、高燃焼位置でのプレパージ時間終了後、空気および燃料のダンパ又はバタフライ弁を閉方向へ移動し、所定の開度になったことを確認するインターロックとして使用する。

プレイグニッションインターロックの一種で、開度の確認が得られるまで、バーナコントローラ(プロテクトリレー)のシーケンスは停止し、低燃焼インターロック接点がONになってから、バーナの着火動作に入る。 高燃焼および低燃焼インターロック共に、モジュトロールモータに補助スイッチを取り付け、この接点を利用する方法が一般的であるが、ダンパにリミットスイッチを取り付ける方法もある。

図2-16 高燃焼/低燃焼インターロック
図2-16 高燃焼/低燃焼インターロック

■ 2.3.3.燃焼炉におけるリミット/インターロック

1. 排気ダンパ全開確認インターロック

起動インターロックの一種で、装置を起動する場合、プレパージを行うため、排気ダンパは全開していることが必要条件となる。 一般に、ダンパにはリミットスイッチが取り付けられ、ダンパが全開になっていないと接点ONにならず、装置を起動しない。

2. バーナ取付位置確認インターロック

起動インターロックの一種で、バーナは、定期的に保守を必要とするため、燃料噴射部、リンケージ機構などが組み付け/分解できる構造もあり、 再組み付けの場合は、バーナが正しく取り付けられていることを、このインターロック接点の動作確認してから装置を起動する必要がある。

3. 扉の開放確認インターロック(扉のあるバッチ炉)

プレイグニッションインターロックの一種で、扉のあるバッチ炉の場合、バーナの点火動作に入る前に、扉が開放されていることをこのインターロックで確認してからバーナの点火動作に入る。 一般に、扉の開放確認はリミットスイッチで行い、開放されていないと接点ONにならず、バーナ点火動作に入れない。

4. 過昇温リミット

炉内温度が異常高温になった場合、動作し回路をオフし、燃焼を停止するリミットとして過昇温リミット(過熱防止器)を設置する。 この過昇温リミットは、制御用の温度調節計および温度検出器と共用してはならない。

図2-17 過昇温リミット
図2-17 過昇温リミット

5. 感震リミット

地震発生時に、燃焼装置またはバーナの運転を停止させるリミットとして、感震リミットも使用される。

6. その他

油バーナの油圧上/下限インターロック、噴霧蒸気圧の下限、重油予熱温度の下限インターロックなどがある。

■ 2.3.4.国内の安全基準で要求されるインターロック項目

表2-2 国内の安全基準で要求されるインターロック項目


安全基準
JRA
ガス吸収
冷温水機
日本ガス協会
工業用ガス
燃焼設備
日本ガス協会
ガスボイラ
燃焼設備
厚生・労働省
油・ガス炊きボイラ
の燃焼設備
JIS B 8415
工業用燃焼炉
の安全通則
項目
排気ダンパ
△*1
監視コック
半自動方式
主安全
遮断弁 閉
高燃焼
インターロック
○*2 ○*2 ○*2 △*3 ○*2
低燃焼
インターロック
ガス圧 異常 ○*4 ○*4 *5 ○*5
空気圧 異常 ○*6 ○*6


[注] *1  都市ガスを取り扱う上での基本的な考え方、完全な給排気を行う。
*2  燃焼必要最大空気量の50%以上の風量、最大燃焼時風量の50%以上の大流量の空気。
*3  十分な空気量。
*4  供給圧力により、上限、または下限。
*5  ロックアウト機構。
*6  空気圧力検出器はブロワー起動前に動作していないことを確認。

図2-18 リミット/インターロックのバーナコントローラ(プロテクトリレー)計装例
    (エアー圧力スイッチ、起動時、動作OFF確認機能付きバーナコントローラでの計装例)
図2-18 リミット/インターロックのバーナコントローラ(プロテクトリレー)計装例

BL: ブロワー、IG:点火トランス
PV: パイロット安全遮断弁
MV: メイン安全遮断弁

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