JP2000257801A - プロセスの制御方法と流動層ボイラ及びその燃料供給方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速負荷変動時においても再熱蒸気温度また
は層温のハンチングを防ぎ、設計計画値に入るようなプ
ロセス制御ができるようにすることと流動層ボイラの運
転停止後の燃料供給ノズル中に残存する燃料の炉内パー
ジ時点を適切にすることで流動層温度の過上昇および燃
料の燃え残りを防ぐことである。 【解決手段】 第１の発明は、現時点で計測される物理
量から時間差分ｎを推算し、現時点からｎ時間後の制御
量を予測し、これらの対応する測定値との偏差により操
作量を補正するものである。ここで現時点ｔから時点
（ｔ＋ｎ）の間は現時点での操作量が保持されるとす
る。第２の発明は、流動層ボイラの燃焼反応の頻度因子
Ｆと活性化エネルギーＥおよび燃料中水分含有率（１−
ｗｃｋ）を用いて適切な層温範囲の上限値Ｔ_Ｂ１*を算
出し、層温の測定値がこの値になった時点で流動層ボイ
ラの運転停止後の燃料供給ノズル中に残存する燃料の炉
内パージを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流動層ボイラなど
のモデルによる予測制御装置に係わり、特に好適な計算
モデルを有するプロセスの制御装置などに関する。

【０００２】また、本発明は、流動層ボイラなどの燃料
供給方法と燃料供給ノズル中の残存燃料を炉内パージす
る際に好適な流動層温度の演算装置を有する流動層ボイ
ラに関する。本発明の適用例の一例として加圧流動層ボ
イラを説明するが、本発明の利用分野は加圧流動層ボイ
ラに限定されるものではなく、通常の流動層ボイラをは
じめとする各種装置のモデルによる予測制御装置および
燃料供給装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】計算モデルを有するプロセスの制御にお
いて、操作量は次のように決められる。すなわち、現時
点での操作量及び計測される物理量を用いて、ある時間
後の時点での制御量をモデルにより計算予測し、これら
の対応する測定値との偏差により操作量を補正する。

【０００４】加圧流動層ボイラを例として説明する。図
２に加圧流動層ボイラの水／蒸気フローを示す。給水過
熱器（図示せず）からポンプ（図示せず）によって昇圧
された水は火炉１０１内の蒸発器２０３において蒸気と
なり、汽水分離器２０４において水と蒸気が分離され、
蒸気は再び火炉１０１内の過熱器２０５において過熱さ
れた後、高圧タービン２０６に到る。高圧タービン２０
６で仕事をした蒸気は再熱器２０７で過熱されて火炉１
０１外に出て、中低圧タービン２０８から復水器２０９
に戻る。

【０００５】次に火炉１０１に関して、従来技術の流動
層温度及び再熱蒸気温度の制御方式を図９を用いて説明
する。再熱蒸気温度は以下のように流動層の層高により
制御される。すなわち、再熱蒸気温度３０１と負荷要求
３０２から関数発生器３０３ａで算出される再熱蒸気温
度設定値３０４とを減算器３０５ａで比較し、その偏差
３０６ａを調節器３０７ａに導き、フィードバック信号
３０８ａを作る。

【０００６】ボイラマスタ３０９からは関数発生器３０
３ｂで構成される流動層の層高先行信号３１０が作ら
れ、加算器３１１ａでフィードバック信号３０８ａと加
算され、層高設定値３１２を作る。層高３１３と層高設
定値３１２とを減算器３０５ｂで比較して、その偏差３
０６ｂを調節器３０７ｂに導き、フィードバック信号３
０８ｂを作り、再熱蒸気温度３０１が再熱蒸気温度設定
値３０４に追従するように層高制御設備３１４にて層高
３１３を変動させる。

【０００７】層温３１５と負荷要求３０２から関数３０
３ｃで構成される層温設定値３１６とを減算器３０５ｃ
で比較し、その偏差３０６ｃを調節器３０７ｃに導き、
操作信号３０８ｃを作る。また、ボイラマスタ３０９か
らは関数発生器３０３ｄで構成される燃料流量先行信号
３１７が作られる。操作信号３０８ｃと燃料流量先行信
号３１７を加算器３１１ｂで加算し、火炉１０１に導く
燃料流量設定値３１８を作るが、層高変動時に層温３１
５を安定化させるために層高３１３と層高設定値３１２
との偏差３０６ｂから調節器３０７ｄにより、操作信号
３０８ｄを作り、これを加算器３１１ｂにて加算する。

【０００８】また、図１１に従来技術の加圧流動層ボイ
ラの火炉運転停止後に燃料供給ノズル中に残存する燃料
を炉内パージするフローを示す。炉内パージ時刻の設計
計画値と現在時刻とを比較装置５０４で比較し、両値が
等しいときパージ指令信号を作り、燃料供給設備５０５
によりノズル内残存燃料をパージさせる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記図９に例示した従
来技術の計算モデルを有するプロセスの制御では、ある
時点ｔにおいて予測値を計算するべき時点（ｔ＋△ｔ）
を決定する際の根拠が無く、制御対象の状態が刻々と変
化するような場合には適切な制御ができず、制御量が設
計計画値を逸脱することがあった。

【００１０】加圧流動層ボイラを例に説明すると、火炉
内の層温均一化を目的として燃料は石炭・水ペーストの
形で供給されており火炉での燃焼遅れが通常のボイラに
比べて大きい。すなわち石炭・水ペーストが火炉に供給
されると塊状となったペーストは流動化空気によって火
炉流動層内において拡散し、この拡散プロセスにおいて
ペースト中の水分が蒸発し、微粉炭となって着火に至
る。

【００１１】従来技術になる計算モデル予測に基づく再
熱蒸気温度及び層温制御では、ある時点ｔにおいて△ｔ
後の予測計算をするが、この△ｔは経験等により、ある
特定の値に固定されている。すなわち、水分が変動する
時などには、燃焼遅れ時間が変動し、この△ｔが変動す
る。従って負荷変化時に再熱蒸気温度または流動層の層
温がハンチングし、設計計算値を逸脱する場合がある。
また、再熱スプレーが作動する場合にはプラント効率を
低下させることになる。本発明の第１の課題は、上記従
来技術の問題点を解決し、高速負荷変動時においても再
熱蒸気温度または層温のハンチングを防ぎ、設計計画値
に入るようなプロセス制御ができるようにすることであ
る。

【００１２】また、図１１に示す従来技術の加圧流動層
ボイラの火炉運転停止後に燃料供給ノズル中に残存する
燃料を炉内パージする燃料供給量制御方式では、運転停
止後にノズル中に残存する燃料を炉内にパージする時点
は、設計計画上決められた運転停止時点から所定時間経
過後のある時刻として決定されており、パージ時点での
適切な層温度範囲は配慮されていなかった。このため、
図１２に模式的に示すように、パージ時点で層温が適切
な範囲より高い場合はパージした燃料は短時間で燃焼す
るが、層温が過度に上昇するおそれがあり、アグロメ生
成または伝熱管損傷の危険があった。逆にパージ時点で
層温が適切な範囲より低い場合は層温が過度に上昇する
ことはないが層内に燃料が残ったままで失火、停止する
おそれがあり、次回起動時に層温が過度に上昇する危険
があった。本発明の第２の課題は、流動層ボイラの運転
停止後の燃料供給ノズル中に残存する燃料の炉内パージ
時点を適切にすることで流動層温度の過上昇および燃料
の燃え残りを防ぐことである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記第１の課題を解決す
るための、第１の発明は、現時点で計測される物理量か
ら時間差分ｎを推算し、現時点からｎ時間後の制御量を
予測し、これらの対応する測定値との偏差により操作量
を補正するものである。ここで現時点ｔから時点（ｔ＋
ｎ）の間は現時点での操作量が保持されるとする。

【００１４】加圧流動層ボイラを例として説明すると、
例えば、現時点で計測される物理量から推算される燃焼
の遅れ、メタル温度の遅れ、再熱蒸気温度の遅れ、層内
物質（これをＢＭと記す）の熱容量による遅れ、及び、
燃料がＣＷＰの場合ならＣＷＰ中の水分の蒸発による遅
れなどによる関数で表される時間ｎの後の再熱蒸気温度
及び層温を予測し、これらの対応する測定値との偏差に
より層高設定値及び燃料流量設定値を補正する。

【００１５】ここで現時点ｔから時点（ｔ＋ｎ）の間は
現時点での操作量が保持されるとする。これにより高速
負荷変動時においても再熱蒸気温度または層温のハンチ
ングを防ぎ、設計計画値に入るような制御ができる。ま
た、上記第２の課題を解決するための、本発明の第２の
発明は、流動層ボイラの燃焼反応の頻度因子Ｆと活性化
エネルギーＥおよび燃料中水分含有率（１−ｗｃｋ）を
用いて適切な層温範囲の上限値Ｔ_Ｂ１＊を算出し、層温
の測定値がこの値になった時点で流動層ボイラの運転停
止後の燃料供給ノズル中に残存する燃料の炉内パージを
行えばよい。こうして層温の過上昇を防ぎ、層内にパー
ジさせて燃料を最短時間で燃え切らせることができる。

【００１６】

【作用】加圧流動層ボイラを例として、本発明の第１の
発明の計算モデルを有するプロセスの制御を説明する。
本発明では現時点からｎ時間後の再熱蒸気温度及び層温
を予測し、この予測値がｎ時間後のそれぞれの設定値に
追従するようにして、高速負荷変化時においても再熱蒸
気温度または層温のハンチングを防ぐものである。上記
の予測値を計算するための動特性計算モデルと遅れ時間
の推算方法を以下に示す。

【００１７】（１）動特性モデル 層温、再熱蒸気温度の動特性は下式で記述される。

【数１】 ここでｔは時間［ｓ］、ｄ／ｄｔは時間微分［ｓ^−１］
であり、 Ｔ_Ｂ（ｔ）：層温 ［℃ ］ Ｔ_Ｓ（ｔ）：再熱蒸気温度 ［℃］ Ｃ_Ｓ：層比熱 ［ｋｃａｌ／（ｋｇ・℃ ）］ ρ_Ｓ：層密度 ［ｋｃａｌ／ｍ^３］ Ｘ（ｔ）：層高 ［ｍ］ Ｖ_Ｂ（Ｘ（ｔ））：層体積 ［ｍ^３］ Ｈ_ｕ：石炭の発熱量 ［ｋｃａｌ／ｋｇ］ Ｇ_ｆ（ｔ）：燃焼量 ［ｋｃａｌ／ｓ］ Ｃ_ｇ：燃焼ガス比熱 ［ｋｃａｌ／（ｋｇ・℃ ）］ α（Ｘ（ｔ））：層〜水／蒸気の熱貫流率 ［ｋｃａｌ
／(ｍ^２・℃・ｓ)］ Ａ（Ｘ（ｔ））：再熱器有効伝熱面積 ［ｍ^２］

【００１８】ρ_ｗ：水／蒸気密度 ［ｋｃａｌ／ｍ^３］ Ｖ_ｗ：再熱器水／蒸気容積 ［ｍ^３］ Ｈ（ｔ）：再熱器出口エンタルピ ［ｋｃａｌ／ｋｇ］ Ｈ_ＳＨ（ｔ）：再熱器入口エンタルピ ［ｋｃａｌ／ｋ
ｇ］ Ｐ（ｔ）：圧力 ［ａｔ］ Ｊ：単位換算係数 ［ａｔ・ｍ^３／ｋｃａｌ］ Ｇ_ＢＭｉｎ（ｔ）：ＢＭタンクから火炉へのＢＭ投入流
量 ［ｋｇ／ｓ］ Ｇ_{ＢＭｏｕｔ}（ｔ）：火炉からＢＭタンクへのＢＭ抜出
し流量 ［ｋｇ／ｓ］ Ｃ_ＢＭ：ＢＭタンク内ＢＭ比熱 ［ｋｃａｌ／（ｋｇ・
℃）］ Ｖ_Ｂ（Ｘ（ｔ））：層体積 ［ｍ^３］ Ｔ_ＢＭ（ｔ）：ＢＭタンク内ＢＭ温度 ［℃］ であり、火炉層内燃料濃度ρｃ（t）は、

【数２】 であり、また、燃料量Ｇ_ｆ（ｔ）は、火炉層内燃料濃度
ρ_ｃ（ｔ）を用い、

【数３】 また、Ｔｓ（ｔ）＝ｆ（Ｈ（ｔ），Ｐ（ｔ）） （５） の関係がある。

【００１９】ここで、 Ｍｏ_２：酸素分子量 ［ｋｇ／ｋｍｏｌ］ ｕｈ：空塔速度 ［ｍ／ｓ］ Ｓ（Ｘ（ｔ））：層表面積 ［ｍ^２］ Ｇ_ｆｕｅｌ（ｔ）：燃料流量 ［ｋｇ／ｓ］ ｆ（Ｈ、Ｐ）：エンタルピＨと圧力Ｐから温度を算出す
る関数 ［℃］ である。また層体積Ｖ_Ｂ（Ｘ（ｔ））及び層表面積Ｓ
（Ｘ（ｔ））は層高（Ｘ（ｔ）により変化する、火炉形
状から決まる関数であり、層高（Ｘ（ｔ）の変化は次の
式で決まる。

【００２０】

【数４】 すなわち、

【数５】 である。

【００２１】（２）遅れ時間の推算 以上式（１）、（２）から、層温Ｔ_Ｂ（ｔ）を制御する
操作量は、燃料流量Ｇ _ｆｕｅｌ（ｔ）及び層高Ｘ（ｔ）
であり、再熱蒸気温度を制御する操作量は層高Ｘ（ｔ）
であり、現時点で流量Ｇ_ｆｕｅｌ（ｔ）を操作しても、
それはｎ時間後の層温Ｔ_Ｂ（ｔ＋ｎ）に効果を及ぼすこ
とになる。すなわち式（１）において再熱蒸気温度と層
温の動特性式には時間遅れが含まれることが分かる。

【００２２】式（３）を変形して、

【数６】 式（８）より、

【数７】 となる。ただし、

【数８】 ρ_ｃ（ｔ）：火炉層内燃料濃度 ［ｋｇ／ｍ^３］ ρ_ｏ２（ｔ）：平均酸素濃度 ［ｋｇ／ｍ^３］ Ｐｕｂｃ：未燃分飛散率 ［−］ Ｋ：燃焼反応速度定数 ［ｋｍｏｌ／（ｍ^３・ｓ）］。

【００２３】ここで、ρ_ｏ２（ｔ）を平均値と考えるな
らば、ρ_ｏ２（ｔ）は時間的に一定の値であるので、式
（９）より燃焼の時間遅れτ_１は、

【数９】 と、火炉内平均酸素濃度ρ_ｏ２（ｔ）を使って表現でき
ることが分かる。

【００２４】メタル温度の動特性は、

【数１０】 である。ここで、 Ｃ_Ｍ：メタル管比熱 ［ｋｃａｌ／（ｋｇ ・℃）］ ρ_Ｍ：メタル管密度 ［ｋｇ／ｍ^３］ θ_Ｍ：メタル管温度 ［℃］ θ_ｓ：メタル管内蒸気温度 ［℃］ α_ｇ：メタル管外部伝熱管係数 ［ｋｃａｌ／（ｍ^２
・℃・ｓ ）］ α_ｓ：メタル管内部伝熱管係数 ［ｋｃａｌ／（ｍ^２
・℃・ｓ ）］ Ａ_ｇ：メタル管外部表面積 ［ｍ^２／ｍ^３］ Ａ_ｓ：メタル管外部表面積 ［ｍ^２／ｍ^３］ Ｇｗ（ｔ）：給水流量 ［ｍ^３／ｓ］ であり、式（１２）を変形すると、

【数１１】 となる。

【００２５】従って、メタル温度の時間遅れτ_２は、

【数１２】 さらに、式（２）を変形して、同様に蒸気温度の時間遅
れτ_３を求めると、

【数１３】 また、式（１）を変形して、ＢＭの熱容量による遅れτ
_４は、

【数１４】 燃料がＣＷＰの場合は、これに加えてＣＷＰ中水分の蒸
発による遅れ時間τ_５を用いて、 ｎ＝ｆ（τ_１、τ_２、τ_３、τ_４、τ_５） （１７） ここで、ｆ（τ_１、τ_２、τ_３、τ_４、τ_５）は、
τ_１、τ_２、τ_３、τ_４、τ_５からｎを求める関数であ
る。

【００２６】本発明の第２の発明ではノズル内残存燃料
の炉内パージ時点での適切な層温の上限値および下限値
を計算し、この上限値に層温測定値が一致した時点で流
動層ボイラの運転停止後の燃料供給ノズル中に残存する
燃料の炉内パージを行い、層温の過上昇および燃料の燃
え残りを防ぐものである。上記の上限値および下限値の
計算方法については実施の形態の項で述べる。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の第１の発明の実施の形態
について図面と共に説明する。図１には本発明の好適な
計算モデルを有するプロセスの制御方式の一実施の形態
である加圧流動層ボイラの制御構成図を示す。図９で説
明した従来技術との相違点のみ説明する。

【００２８】動特性モデル４０１は前記微分方程式に従
い、現時点ｔの空気流量Ｇ_ａ（ｔ），給水流量Ｇｗ
（ｔ）、燃料流量Ｇ_ｆｕｅｌ（ｔ）４０２、層高Ｘ
（ｔ）３１３、ＢＭタンク内ＢＭ温度Ｔ_ＢＭ４０３、Ｂ
Ｍ投入・抜出し流量Ｇ_ＢＭｉｎ（ｔ）、Ｇ
_{ＢＭｏｕｔ}（ｔ）４０４を現時点からｎ時間後まで保持
し、初期条件として現時点ｔでの再熱蒸気温度Ｔ
_Ｓ（ｔ）３０１、層温Ｔ_Ｂ（ｔ）３１５を与え、時点
（ｔ＋ｎ）での再熱蒸気温度予測計算値Ｔ_Ｓ（ｔ＋ｎ）
での層温予測計算値Ｔ _Ｂ（ｔ＋ｎ）４０６を算出するも
のである。

【００２９】動特性モデル４０１から算出された時点
（ｔ＋ｎ）での再熱蒸気温度予測計算値４０５と、負荷
要求３０２から関数４０７ａで構成される時点（ｔ＋
ｎ）の再熱蒸気温度設定値４０８とを減算器４０９ａで
比較し、その偏差４１０ａを調節器４１１ａに導き、操
作信号４１２ａを作る。これを加算器３１１ａで層高先
行信号３１０及び現時点ｔでの再熱蒸気温度３０１と再
熱蒸気温度設定値３０４との偏差３０６ａから決る操作
信号３０８ａと加算し、層高設定値３１２を作る。層高
３１３と層高設定値３１２とを減算器３０５ｂで比較
し、その偏差３０６ｂを調節器３０７ｂに導き、操作信
号３０８ｂを作つた後、層高制御設備３１４において層
高３１３を再熱蒸気温度３０１が再熱蒸気温度設定値３
０４に追従するように変動させる。

【００３０】動特性モデル４０１から算出された時点
（ｔ＋ｎ）での層温計算予測値４０６と、ボイラマスタ
３０９から関数４０７ｂで構成される時点（ｔ＋ｎ）の
層温設定値４１４とを減算器４０９ｂで比較し、その偏
差４１０ｂを調節器４１１ｂに導き操作信号４１２ｂを
作る。これを加算器３１１ｂで燃料流量先行信号３１７
及び現時点ｔでの層温３１５と層温設定値３１６との偏
差３０６ｃから決まる操作信号３０８ｃと加算し、燃料
流量設定値４１５を作る。

【００３１】

【数１５】

【数１６】 は、例えばρｏ_２出とρｏ_２入の算術平均で計算され
る。

【００３２】

【数１７】 燃料がＣＷＰである場合はτ_５も加え、ｎは一例として ｎ＝τ_１＋τ_２＋τ_３＋τ_４＋τ_５ （２２） で表される。

【００３３】図３は燃焼遅れ時間τ_１を求めるフローチ
ャートを示す図であり、図４はメタル温度遅れ時間τ_２
を求めるフローチャートを示す図であり、また、図５は
蒸気温度遅れ時間τ_３を求めるフローチャートを示す図
である。

【００３４】本発明による負荷上げ制御の一例を図６に
示す。図６でＭＷＤはＭＷｄｅｍａｎｄの略号である。
層温の上昇に対して、火炉出口ＮＯｘ、ＳＯｘはそれぞ
れ単調増加、単調減少の減少の傾向にあり、火炉出口Ｎ
Ｏｘ、ＳＯｘの両方の値を設計計画値以下に抑える層温
域が存在するので、層温をこの範囲に制御することによ
り、火炉出口ＮＯｘ、ＳＯｘの値を設計計画値内に入れ
ることができる。

【００３５】また、ゴミ焼却炉の場合、ｎは ｎ＝τ_１＋τ_２＋τ_３＋τ_４＋τ_５ （２３） により求める。ここで、

【数１８】 ここで、Ｋ_Ｍは燃料中各成分の組成等から決定される値
であり、τ_２、τ_３、τ_４については、加圧流動層ボイ
ラにおける式と同様である。

【００３６】また、常圧流動層ボイラの場合は、ｎは ｎ＝τ_１＋τ_２＋τ_３＋τ_４＋τ_５ （２５） であり、τ_１、τ_２、τ_３、τ_４、τ_５については、加
圧流動層ボイラにおける式と同様である。

【００３７】従って、ゴミ焼却炉及び常圧流動層ボイラ
の場合も、加圧流動層ボイラの場合と同様に予測値を計
算する時点（ｔ＋ｎ）の現時点ｔからの隔たりの時間ｎ
を計算することができ、時点（ｔ＋ｎ）での制御量計算
予測値と設定値の差から現時点ｔでの操作量を決定する
ことができる。 ［比較例］図１０は、図６に示した加圧流動層ボイラの
本発明による負荷上げ制御と同じ条件で、従来法による
制御を行った結果である。本発明では、計算時点（ｔ＋
ｎ）の、現時点ｔからの時間的隔たりｎを、現時点ｔで
計測される物理量から算出するため、より有効的な制御
量予測値を用いて制御を行うことができ、設定値と実際
の制御量のずれが小さい。一方、従来法では、ｎを根拠
なくある固定値としているため、計算予測する時点（ｔ
＋ｎ）での制御量が不安定になり、両者のずれが大き
い。

【００３８】次に第２の発明の流動層ボイラの運転停止
後の燃料供給ノズル中に残存する燃料の炉内パージ時点
を適切に決定する燃料供給制御の実施の形態について説
明する。本例では燃料供給ノズル内残存燃料の炉内パー
ジ時点での適切な層温の上限値および下限値を計算し、
この上限値に層温測定値が一致した時点でパージするこ
とで層温の過上昇および燃料の燃え残りを防ぐものであ
る。層温、層内燃料濃度の動特性は下式で記述される。

【数１９】

【００３９】ここで ｔ：時間［ｓ］ ｄ／ｄｔ：時間微分［ｓ^−１］ Ｔ_Ｂ（ｔ）：層温 ［℃ ］ ρｃ（ｔ）：層内燃料濃度［ｋｇ／ｍ^３ ］ Ｇａｉｒ:入口空気比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ］ Ｃ_Ｂ：層内物質（ＢＭ）比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ・℃］ Ｃ_ｇ：燃焼ガス比熱 ［ｋｃａｌ／（ｋｇ・℃ ）］ Ｃ_Ｈ２Ｏ：水蒸気比熱［ｋｃａｌ／（ｋｇ・℃ ）］ Ｃｐｋ：投入燃料比熱［ｋｃａｌ／（ｋｇ・℃ ）］ Ｃ_Ｓ：層外飛散未燃分比熱［ｋｃａｌ／（ｋｇ・℃
）］ ρ_Ｂ：ＢＭ密度［ｋｇ／ｍ^３ ］ ρ_Ｏ２：層内酸素濃度［ｋｇ／ｓ］

【００４０】Ｇａｉｒ:入口空気流量［ｋｇ／ｓ］ Ｇｃｗｐ：投入燃料量［ｋｇ／ｓ］ Ｇｇｍ：燃焼ガス流量［ｋｇ／ｓ］ Ｔａｉｒ:入口空気温度［℃ ］ Ｔｋ：投入燃料温度［℃ ］ Ｑｅｖａｐ:水の蒸発潜熱［ｋｃａｌ／ｋｇ］ ｈｕ：無水燃料発熱量［ｋｃａｌ／ｋｇ］ Ｐｕｂｃ：未燃分層外飛散率［−］ ｕｈ：空塔速度［ｍ／ｓ］ Ｍ_Ｏ２：酸素分子量［ｋｇ／ｋｍｏｌ］ ｓ：層表面積［ｍ^２］ ｖ：層体積［ｍ^３］ （１−ｗｃｋ）：燃料中水分含有率［−］ Ｋ（Ｆ，Ｅ，Ｔ_Ｂ(ｔ））：燃焼反応速度係数［ｍ^３／
(ｋｍｏｌ・ｓ)］ であり、 Ｋ(Ｆ，Ｅ，Ｔ_Ｂ(ｔ))＝Ｆ・ｅｘｐ[−Ｅ／Ｒ・Ｔ_Ｂ(ｔ）] （２８） である。

【００４１】ここで、式（２６）、（２７）により、燃
料パージ後の層温度Ｔ_Ｂ（ｔ）および層内燃料濃度ρｃ
（ｔ）の値は、頻度因子Ｆ、活性化エネルギーＥ、およ
び燃料中有水分含有率（１−ｗｃｋ）を入力することで
算出できる。燃料パージ後の層温度Ｔ_Ｂ（ｔ）の最大値
がその許容値を超えないような燃料パージ時点の層温度
の最大値をＴ_Ｂ１＊と決定する。また、燃料パージ後の
層内燃料濃度ρｃ（ｔ）の最小値がその許容値を超えな
いような燃料パージ時点の層温度の最小値をＴ _Ｂ２＊と
決定する。

【００４２】図７を用いて本発明の流動層ボイラの燃料
供給装置における実施の形態について説明する。限界層
温演算装置６０１は前頁に示した微分方程式に従い、頻
度因子Ｆ、活性化エネルギーＥ、燃料注水分含有率（１
−ｗｃｋ）、およびアグロメ生成と電熱感損傷の起こら
ないための層温最大値の許容値、次回起動時にアグロメ
の生成が起こらないための層内燃料残留濃度の最大値の
許容値、および初期条件として運転停止時の層温度、層
内燃料濃度を与え、炉内パージ時点の適切な層温度範囲
の上限値Ｔ_Ｂ１＊と下限値Ｔ_Ｂ２＊を算出するものであ
る。

【００４３】限界層温演算装置６０１から算出された層
温度範囲の上限値Ｔ_Ｂ１＊と下限値Ｔ_Ｂ２＊とを比較装
置６０２で比較し、高温側の値Ｔ_Ｂ１＊をパージ時点の
最適温度をＴ_Ｂ＊とする。これと層温度測定値Ｔ
_Ｂ（ｔ）とを比較装置６０４で比較し、両値が等しいと
きパージ指令信号を作り燃料供給設備６０５にてノズル
内残存温燃料をパージさせる。この場合の層温度変化を
模式的に示したのが第４図で、層温度は流動層温最大値
の許容値を超えることなく層を冷却することが出来る。

【００４４】こうして、流動層ボイラの運転停止後にノ
ズル内に残存する燃料を炉内パージする時点での適切な
層温度範囲を算出し、その範囲内の最適層温と層温測定
値が一致した時点でパージを行うため、アグロメ生成や
伝熱管損傷が起こるような層音の過上昇を防ぎ、パージ
された燃料を最短時間で燃やし切ることができる。

【００４５】

【発明の効果】本発明の第１の発明においては、モデル
を使って、現時点ｔよりも、計測される物理量を使って
計算される時間ｎだけ後の時点（ｔ＋ｎ）での制御量を
計算予測し、これらがそれぞれの設定値に追従するよう
に操作量を与えるので、遅れを補償し、高速変化時にお
いても制御量を設計計画値内とすることができるという
効果がある。

【００４６】加圧流動層ボイラを例とすると、計測され
る物理量である入口酸素量と出口酸素量の平均の値を使
って計算される燃焼遅れ時間だけ現時点より後の時点で
の再熱蒸気温度及び層温を計算予測し、これらがそれぞ
れの設定値に追従するように層高設定値及び燃料流量設
定値を与え、加圧流動層に特有の燃焼遅れを補償し、高
速負荷変化時においても再熱蒸気温度及び層温を設計計
画値内とすることができるという効果がある。

【００４７】また、再熱蒸気温度が設計計画値内に入る
と非常用としての再熱スプレーが作動せず、プラント効
率を落とさないという効果がある。また層温が設計計画
値内に入ると火炉出口ＮＯｘ、ＳＯｘを設計計画値内に
入れることができ、ＮＯｘについては脱硝装置への負荷
を低減し、アンモニア使用量を低減できるという効果が
ある。

【００４８】また、本発明の第２の発明においては、流
動層ボイラの運転停止後にノズル内に残存する燃料を炉
内パージする時点での適切な層温度範囲を算出し、その
範囲内の最適層温と層温測定値が一致した時点でパージ
を行うため、アグロメ生成や伝熱管損傷が起こるような
層温の過上昇を防ぎ、パージされた燃料を最短時間で燃
やしきることが出来るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明になる加圧流動層ボイラ再熱蒸気温度
制御装置の制御ブロックを示す図である。

【図２】 本発明を適用する加圧流動層ボイラ水／蒸気
フロー図である。

【図３】 燃焼遅れ時間τ_１を求めるフローチャートを
示す図である。

【図４】 メタル温度遅れ時間τ_２を求めるフローチャ
ートを示す図である。

【図５】 蒸気温度遅れ時間τ_３を求めるフローチャー
トを示す図である。

【図６】 本発明になる負荷上げ制御を示した図であ
る。

【図７】 本発明になる燃料供給装置のフロー図であ
る。

【図８】 本発明になる層温度変化の模式図である。

【図９】 従来技術になる加圧流動層ボイラ再熱蒸気温
度制御装置を示す図である。

【図１０】 従来法になる負荷上げ制御を示した図であ
る。

【図１１】 従来技術になる燃料供給装置のフロー図で
ある。

【図１２】 従来技術になる層温度変化の模式図であ
る。

【符号の説明】

２０３ 蒸発器 ２０４ 汽水分離器 ２０５ 加熱器 ２０６ 高圧タービ
ン ２０７ 再熱器 ２０８ 中低圧ター
ビン ２０９ 復水器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 植中 忠男 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 Ｆターム(参考） 5H004 GA16 GB04 HA01 HB01 HB02 HB04 JA12 JA22 JB08 KA32 KB33 KB39 KC28 KC56 LA01 LA12 MA60 9A001 GG10 HH32 KK32 KK48 KZ55

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 計算モデルによる予測制御において、予
   測値を計算する時点の現時点からの時間的隔たりを、現
   時点のオンラインで計測できる状態量を用いて計算する
   ことを特徴とするプロセス制御方法。
2. 【請求項２】 水を流動層火炉内の蒸発器に供給して蒸
   気を生成させ、該蒸気から水を分離した後、蒸気を再び
   流動層火炉内の過熱器で過熱して高圧タービンに送り、
   高圧タービンで仕事をした蒸気を流動層火炉内の再熱器
   で再熱して再熱蒸気を生成させ、該再熱蒸気により中低
   圧タービンで仕事をさせる流動層火炉を備えた流動層ボ
   イラの蒸気温度及び流動層の層温制御方法であって、 所定時間後の再熱蒸気温度の予測値と再熱蒸気温度設定
   値との偏差によって流動層の層高設定値を修正すること
   を特徴とする流動層ボイラの再熱蒸気温度及び流動層の
   層温制御方法。
3. 【請求項３】 所定時間後の再熱蒸気温度の予測値と再
   熱蒸気温度設定値との偏差によって層高設定値を修正す
   るとともに、所定時間後の層温予測値と層温設定値との
   偏差によって流動層に供給する燃料流量設定値を修正す
   ることを特徴とする請求項２記載の流動層ボイラの再熱
   蒸気温度及び流動層の層温制御方法。
4. 【請求項４】 所定時間後の再熱蒸気温度及び流動層の
   層温の予測値を計算する時点の現時点からの時間的隔た
   りを、流動層ボイラの出口酸素濃度と入口酸素濃度の平
   均値を用いて算出することを特徴とする請求項２記載の
   流動層ボイラの再熱蒸気温度及び流動層の層温制御方
   法。
5. 【請求項５】 所定時間後の再熱蒸気温度及び流動層の
   層温の予測値を計算するためのパラメータとして、当該
   時点のオンラインで計測できる状態量を使用することを
   特徴とする請求項２記載の流動層ボイラ再熱蒸気温度及
   び層温制御方法。
6. 【請求項６】 蒸気発生用の伝熱管を流動層内部に配置
   し、流動層中に燃料を供給する燃料供給ノズルを備えた
   流動層ボイラにおいて、 運転停止後に燃料供給ノズル中に残存する燃料を火炉内
   パージする時点での適切な流動層の層温度範囲の上限値
   と下限値を、燃焼反応の頻度因子と活性化エネルギーお
   よび燃料中水分含有率を用いて演算する演算装置を有す
   ることを特徴とする流動層ボイラ。
7. 【請求項７】 運転停止後に燃料供給ノズル中に残存す
   る燃料を炉内パージする時点として、流動層の層温度が
   上限の温度となった時点とすることを特徴とする請求項
   ６記載の流動層ボイラ。
8. 【請求項８】 蒸気発生用の伝熱管を流動層内部に配置
   し、流動層中に燃料を供給する燃料供給ノズルを備えた
   流動層ボイラに燃料を供給する方法において、燃焼反応
   の頻度因子と活性化エネルギー、および燃料中水分含有
   率を用いて流動層ボイラの運転停止後に燃料供給ノズル
   中に残存する燃料を炉内パージする時点を決める適切な
   層温度範囲の上限値を演算することを特徴とする流動層
   ボイラの燃料供給方法。