JP2003074833A

JP2003074833A - 石炭燃焼制御システム

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Publication number: JP2003074833A
Application number: JP2001267880A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Inosawa; 祥規猪澤; Koji Ikeda; 幸治池田; Yoshihiro Deguchi; 祥啓出口; Hitoshi Tarui; 仁樽井; Takashi Kumanhara; 崇史九萬原; Tokuo Watanabe; 徳雄渡辺; Tomihiro Ogawa; 富弘小川
Original assignee: Tohoku Electric Power Co Inc; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Tohoku Electric Power Co Inc; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2003-03-12
Anticipated expiration: 2021-09-04
Also published as: JP4523742B2

Abstract

(57)【要約】【課題】石炭灰中未燃分の最適化制御をリアルタイム
で行い、燃焼効率を向上すること。【解決手段】リアルタイム計測が可能なＬＩＢＳ装置
６によりボイラ２の灰中未燃分を計測し、その計測に基
づき制御装置９がミル１の回転分級機回転数を制御す
る。ミル１の回転分級機回転数を上げると石炭の微粉度
が上がり、ボイラ２において効率よく燃焼して未燃分が
減少する。一方、ミル１の回転分級機回転数を下げると
石炭の微粉度が下がり、過度な燃焼が抑制されて未燃分
が増加する。このように未燃分の最適化制御をリアルタ
イムで行うことで、燃焼効率を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、微粉炭や高濃度
石炭水スラリ（ＣＷＭ）などの石炭を燃料として使用す
る石炭焚ボイラの燃焼効率を向上できる石炭燃焼制御シ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】石炭燃焼に伴い発生する石炭灰のうちの
約７割は未燃分の少ない石炭灰であるため、セメント原
料や混和材として再利用され、残りは埋立てなどにより
廃棄処分されているのが現状である。一方、石炭灰中の
未燃分が多くなるとセメント混和材としての再利用が不
可能となり、埋立処分する灰の量が多くなる。このた
め、石炭灰中の未燃分が少なくなるように燃焼を制御
し、再利用できる石炭灰が得られるようにすることが従
来から望まれていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来で
は石炭灰中の未燃分値を測定することで燃焼状態を把握
するにあたり、排ガスから試料を採取して手作業により
分析を行うため、計測値の時間遅れが大きく、最適な燃
焼を得られるように制御することは困難であった。具体
的には、排ガスから試料を採取して手分析結果を得られ
るまでには約２０分〜１２０分が必要となり、この手分
析結果に基づいて所定の燃焼条件を制御しても、好適な
燃焼状態は得られないのが現状であった。また、燃焼状
態を把握するために排ガスラインにＣＯガス分析計を設
けて監視を行う方式が知られているが、ＣＯガス分析計
の計測値の精度が低いため、制御に用いるには適当では
なかった。

【０００４】係る問題に対して、近年では特開平９−１
５５２９３号公報にて本願出願人により提案されたレー
ザ誘起ブレークダウン方法（Laser Induced Breakdown
Spectroscopy：ＬＩＢＳ）が有力な計測手段として知ら
れるようになっている。このＬＩＢＳ方法の原理は、図
３に示すように、レーザ光２０１を気体、液体、固体中
に集中して計測場２０２をプラズマ化させ、レーザ光２
０１により生成したプラズマ光２０３を検出して計測場
２０２の成分濃度を計測すると共に、石炭灰の組成成分
であるＳｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｃの信号強度を検出
し、主成分であるＳｉ、Ａｌ、Ｆｅ、ＣａとＣとの強度
比を計算することで石炭灰中の未燃分を算出するもので
ある。

【０００５】図４は、そのようなＬＩＢＳ装置の一例を
示す構成図である。このＬＩＢＳ装置３００は、パルス
レーザ装置３０１と、集光用のレンズ３０２と、配管３
０３に設けた計測窓３０４と、プラズマ光を反射するミ
ラー３０５と、プラズマ光を集光するレンズ３０６と、
分光器３０７およびＣＣＤカメラ３０８と、コンピュー
ター３０９とから構成されている。パルスレーザ装置３
０１から出力されたレーザ光２０１は、レンズ３０２お
よび計測窓３０４を介して配管３０３内の計測場２０２
に集光される。配管３０３内には微粉炭やファライアッ
シュ等の測定対象物が流れており、レーザ光２０１の集
光により、計測場２０２に存在する微粒子が高温加熱さ
れてプラズマ化し、プラズマ化した成分物質からプラズ
マ光２０３が発生する。

【０００６】発生したプラズマ光２０３は計測場２０２
の計測窓３０４から外部に出力され、ミラー３０５で反
射され、更にレンズ３０６で集光されて分光器３０７に
入射される。この分光器３０７は、波長が１９０ｎｍ〜
５００ｎｍのプラズマ光２０３を分光すると共に当該分
光した光成分をＣＣＤカメラ３０８に入力する。ＣＣＤ
カメラ３０８は高速ゲートが可能であり、分光器３０７
にて分光された分光プラズマ光２０３を検出し、この分
光プラズマ光２０３に応じた信号をコンピューター３０
９に転送する。なお、ＣＣＤカメラ３０８は、同期ライ
ン３１０を介してパルスレーザ装置３０１と接続され、
これによりＣＣＤカメラ３０８のゲート制御とパルスレ
ーザ装置３０１との発振とが同期される。

【０００７】コンピューター３０９は、各成分の発光強
度情報を有する信号を情報処理して、計測場２０２に存
在する微粉炭等の発熱量、未燃分、成分組成等をリアル
タイムで算出する。このように、ＬＩＢＳ装置３００
は、測定対象物の組成成分の計測をリアルタイムで行う
ことができるので、当該計測結果に基づいてプラント等
の運転制御を行うことが可能となる。

【０００８】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであって、未燃分の最適化制御をリアルタイムで
行い、燃焼効率を向上できる石炭燃焼制御システムを提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項１に係る石炭燃焼制御システムは、ミルで
微粉化した石炭を燃焼させるボイラから排出される石炭
灰中の未燃分をレーザ法により計測する計測手段と、計
測手段により計測した石炭灰中の未燃分に基づいて前記
ミルの運転状態を制御して微粉度を調整する制御手段と
を備えたことを特徴とする。

【００１０】すなわち、この発明では、レーザ法による
未燃分の計測結果に基づきミルの運転状態を制御し微粉
度を調整する。微粉度が上がれば石炭が燃焼し易くなり
石炭灰中の未燃分が減少する。一方、微粉度が下がれば
過度な燃焼を抑制して未燃分を増加でき、この結果、石
炭灰中の未燃分の最適化制御をリアルタイムで行うこと
ができる。なお、ミルの運転状態を制御する場合、ミル
回転分級機の回転数を制御することが好ましく、この他
にミルロール荷重油圧を制御するようにしてもよい。ま
た、レーザ法としてはＬＩＢＳ法を用いるのが好ましい
が、レーザ誘起蛍光法（Laser Induced Fluorescence：
ＬＩＦ）等の他のレーザ法を用いることもできる。更
に、制御手段は、下記実施の形態に示すような未燃分偏
差を入力することで制御するが、未燃分に基づいて制御
するものであればこれに限定されない。

【００１１】また、請求項２に係る石炭燃焼制御装置
は、ミルで微粉化した石炭を燃焼させるボイラから排出
される石炭灰中の未燃分をレーザ法により計測する計測
手段と、計測手段により計測した石炭灰中の未燃分に基
づいて、ボイラ出口ガスＯ₂設定値を増減することによ
り、ボイラに空気を供給するファンの動翼開度を制御
し、前記ボイラに対する空気流量を調整する制御手段と
を備えたことを特徴とする。

【００１２】すなわち、計測手段による未燃分の計測結
果に基づいて、ボイラ出口ガスＯ₂設定値を増減するこ
とにより、ファンの動翼開度を制御し、ボイラに対する
空気流量を調整することで未燃分の最適化を行う。空気
流量が増加すれば燃焼が促進されて未燃分を減少でき、
空気流量を減少させれば過渡な燃焼を抑制して未燃分を
増加でき、排ガス損失の低減、更にファン動力の低減に
よりランニングコストを抑えることができる。この結
果、石炭灰中の未燃分値の最適化制御をリアルタイムで
行うことができ、ボイラの燃焼効率を向上できる。ま
た、再利用可能な灰を増やすことができる。

【００１３】また、上記石炭燃焼制御システムによれ
ば、ミルで微粉化した石炭を燃焼させるボイラから排出
される石炭灰中の未燃分をレーザ法により計測して、計
測手段により計測した石炭灰中の未燃分を適正値に調整
する事で、結果的にボイラに供給する石炭燃料の流量を
適正に保つことができる。

【００１４】すなわち、計測手段による石炭灰中未燃分
の計測結果に基づいて石炭灰中の未燃分を制御すること
で燃料流量の最適化が行われ、具体的には、未燃分を減
少させるように制御すれば結果的に燃料流量を減少で
き、ボイラの燃焼効率が向上する。また、再利用可能な
灰を増やすことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明につき図面を参照
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。図１は、この発明の
実施の形態１に係る蒸気発生・石炭灰処理装置を示す構
成図である。図２は、図１に示した制御装置のブロック
図である。この蒸気発生・石炭灰処理装置１００は、ミ
ル１、ボイラ２、電気集塵装置（ＥＰ）３および回転式
分級機４から構成され、輸送管５にはＬＩＢＳ装置６が
接続されている。ボイラ２には、ファン８を含む空気供
給系が設けられている。ミル１の運転、空気供給系のフ
ァン８の動翼ピッチは、制御装置９により制御される。

【００１６】ＬＩＢＳ装置６は、上記図４に示した構成
と同様であるから詳細な説明は省略する。ＬＩＢＳ装置
６は制御装置９に接続され、計測結果の信号を制御装置
９に送出する。制御装置９は、ミル回転数制御部５１、
ミルロール荷重油圧制御部５２、空気流量制御部５３を
備え、これらの制御対象を選択する選択部５５、未燃分
目標値設定部５６、多炭種対応制御部５７を更に備えて
いる。また、この制御装置９は、専用のハードウエアに
より実現されるものであっても良いし、メモリおよびＣ
ＰＵ（中央演算装置）により構成され、各部の機能を実
現するためのプログラム（図示省略）をメモリにロード
して実行することによりその機能を実現させるものであ
っても良い。なお、前記プログラムは、図示しないハー
ドディスク装置や光磁気ディスク装置、フラッシュメモ
リ等の不揮発性のメモリや、ＣＤ−ＲＯＭ等のような読
み出しのみが可能な記憶媒体、ＲＡＭのような揮発性の
メモリに記憶され得る。

【００１７】ミル１から供給された微粉炭がボイラ２で
燃焼することにより石炭灰が生じ、この石炭灰は輸送管
５を流れてＥＰ３に至り集塵される。ＥＰ３で集塵され
た石炭灰は、輸送管１０を経て回転式分級機４に送ら
れ、細粉石炭灰と粗粉石炭灰とに分別される。

【００１８】輸送管５を流れる石炭灰の未燃分はＬＩＢ
Ｓ装置６により計測され、その計測値は信号ライン１１
を介して制御装置９に送られる。制御装置９は、未燃分
値に基づいてミル回転分級機（図示省略）の回転数を制
御する。未燃分目標値設定部５６では、石炭の種類毎に
好ましい未燃分値を設定して記憶しており、ＬＩＢＳ装
置６での計測値と比較して偏差を求め、補正信号をミル
回転数制御部５１に送る。ミル回転数制御部５１は、補
正信号に基づいてミル回転分級機の回転数を制御する
が、具体的には未燃分が多い場合は燃焼が効率良く行わ
れていないものとしてミル回転分級機の回転数を上げ、
石炭の微粉度を小さくして良く燃焼できるように制御す
る。一方、未燃分が少ない場合は燃焼が過度に行われて
おり、ミル動力を必要以上に消費しているものとして、
ミル回転分級機の回転数を下げて目標値に近づくように
制御する。

【００１９】また、灰中未燃分とミル回転分級機の回転
数との関係は、実測によりその相関関係を求め、ミル回
転数制御部５１にてテーブル化して格納しておく。発明
者らの試験研究によれば、例えばミル回転分級機の回転
数を５ｒｐｍ変化させたときの未燃分の変化量は約０．
５％となるものと推定できており、ミル回転分級機の回
転数を±５ｒｐｍの範囲で変化させてもミル負荷の許容
範囲内に収まること等から、ミル回転分級機の回転数制
御により未燃分の最適化を効果的に行うことが可能であ
ると結論できた。この蒸気発生・石炭灰処理装置１００
では、石炭灰中未燃分値の最適化を行うことで、燃焼効
率を向上できると共に灰の再利用を促進できる。なお、
ミル回転分級機の回転数を上げることでミル電動機の動
力が増加することになるが、ボイラ効率が向上するため
トータルのランニングコストを低減できる。

【００２０】また、未燃分値の最適化制御はミル回転分
級機の回転数の制御のみならず、ミルロール荷重油圧の
制御、空気流量の制御によっても可能である。上記同
様、発明者らの試験研究により、灰中未燃分とミルロー
ル荷重油圧との相関関係を推定したところ、例えばミル
ロール荷重油圧を２ＭＰａ変化させると、未燃分の変化
量が０．１％程度になることから、適正なミルロールリ
フトの確保を条件として未燃分の最適化が可能であると
判った。なお、ミルロール荷重油圧制御は、未燃分の変
化量を稼ぐために油圧を大きく変化させる必要があるた
め、上記ミル回転分級機の回転数制御の方が未燃分値の
最適化制御に好適である。

【００２１】ミルロール荷重油圧制御部５２は、未燃分
目標値設定部５６の目標値とＬＩＢＳ装置６の未燃分値
とから求めた偏差の補正信号に基づき油圧系統（図示省
略）を制御し、未燃分が多い場合はミルロール荷重を増
加させて石炭の微粉度を小さくし、良く燃焼できるよう
にする。一方、未燃分が少ない場合は燃焼が過度に行わ
れており、ミル動力を必要以上に消費しているものとし
て、ミルロール荷重を下げて目標値に近づくように制御
する。このようにしても、燃焼効率を向上できると共に
灰の再利用を促進できる。

【００２２】次に、ボイラ出口ガスＯ₂設定値を増減す
ることにより、空気流量の制御により未燃分値の最適化
を行う場合、空気流量制御部５３は、同じく未燃分値と
目標値との偏差に基づいて空気流量を制御する。具体的
には、ファン８の動翼のピッチを変更する等してボイラ
２内に流入する空気量を調整する。未燃分が多いときは
良好な燃焼が行われていないものとして空気流量を増加
し、酸素量を増やして燃焼を促進させる。一方、未燃分
が少ないときは空気流量を減少させて適正な燃焼状態と
する。ここで排ガス損失、ファン動力による損失は相当
大きく、従来から問題となっていたため、未燃分が少な
い場合にボイラ出口Ｏ₂設定値を下げて排ガス損失とフ
ァン動力を低減することで、蒸気発生・石炭灰処理装置
１００のランニングコストを効果的に低減できるように
なる。

【００２３】また、未燃分値を適正値に制御することに
より結果的に燃料である石炭の流量を最適化できる。未
燃分が多いときは、未燃分値を下げることにより結果的
に燃料流量を減少させて燃焼状態を向上させることがで
き、一方、未燃分が少ないときは良好な燃焼が行われて
いるが、必要十分な未燃分値とすることでミル負荷を下
げ、補機動力の低減を行うようにできる。これにより、
蒸気発生・石炭灰処理装置１００のランニングコストを
低減できる。

【００２４】選択部５５は、上記ミル回転数制御部５
１、ミルロール荷重油圧制御部５２、空気流量制御部５
３のいずれか又は二つ以上を用いることで、制御対象を
選択できる。制御対象の選択は、石炭灰の品質、ランニ
ングコスト、ボイラ効率等の観点から適宜行うことがで
きる。また、制御対象の選択は、所定のプラグラムに基
づいて自動的に行うようにしても、ユーザの手動で行う
ようにしても良い。

【００２５】また、選択部５５により二つ以上の制御対
象を選択し、これらを両方同時または順番で制御して未
燃分値を最適化するようにしても良い。これにより目標
値への追従性が高まり、より再利用に適した石炭灰を得
ることができる。

【００２６】また、制御装置には多炭種対応制御部５７
が備えられており、図示しないが当該多炭種対応制御部
５７の補正信号によりミル１の負荷が常に制御されてい
る。多炭種対応制御部５７は、ミル電流が高い場合、ミ
ル１が過負荷になるのを避けるためにミル回転分級機の
回転数を下げ、ミル電流が低い場合、ミル負荷に余裕が
あるためミル回転分級機の回転数を上げるように制御
し、微粉度を高くしようとするものである。

【００２７】ここで、未燃分値が低い場合、未燃分値偏
差に基づきミル回転数制御部５１がミル回転分級機の回
転数を減少させる補正信号を出力することになるが、回
転数の減少によりミル電流が低下するため多炭種対応制
御部５７はミル負荷に余裕があるものと判断してミル回
転分級機の回転数を増加させる補正信号を出力する。こ
の結果、ミル回転数制御部５１の補正信号と、多炭種対
応制御部５７の補正信号とが干渉するおそれが生じる
が、補正信号の干渉によって問題が生じない場合は、そ
のまま両方の制御を行えば良い。

【００２８】一方、補正信号が干渉して看過できない状
態となる場合等は、各補正信号の効き具合（補正量の強
弱）を選択部５５で調整するか、または選択部５５によ
って制御対象をミル回転数制御から別のものに切り替え
るようにできる。例えばミル回転数制御部５１の補正信
号と多炭種対応制御部５７の補正信号とが干渉して、未
燃分値の最適化が進まないと判断した場合は、選択部５
５によって空気流量制御部５３による空気流量制御に切
り替える。これにより、ミル１に対する補正信号の干渉
問題を回避しつつ、未燃分値の最適化制御を行うことが
できる。

【００２９】以上、この蒸気発生・石炭灰処理装置１０
０によれば、ＬＩＢＳ装置６により灰中未燃分をリアル
タイムで計測し、制御装置９がこの計測結果に基づきミ
ル回転分級機の回転数を制御して石炭の微粉度を調整す
るから、石炭焚きボイラの燃焼状態を未燃分値に基づい
てリアルタイムで制御することが可能となり、従来不可
能であった最適化制御を実現することができる。これに
伴い、灰中未燃分が適正値となるため、灰の有効利用に
貢献できるといった利点がある。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の石炭燃
焼制御システム（請求項１）では、ミルで微粉化した石
炭を燃焼させるボイラから排出される石炭灰中の未燃分
をレーザ法により計測し、この未燃分に基づいて前記ミ
ルの運転状態を制御して微粉度を調整することで、リア
ルタイムで灰中未燃分の最適化制御を行うことができ
る。この結果、ボイラの燃焼効率を向上でき、再利用で
きる灰を増やすことができる。

【００３１】また、この発明の石炭燃焼制御システム
（請求項２）では、ミルで微粉化した石炭を燃焼させる
ボイラから排出される石炭灰中の未燃分をレーザ法によ
り計測し、その未燃分に基づいて、ボイラ出口ガスＯ₂
設定値を増減することにより、ボイラに空気を供給する
ファンの動翼開度を制御し、前記ボイラに対する空気流
量を調整するので、リアルタイムで灰中未燃分の最適化
制御を行うことができる。この結果、ボイラの燃焼効率
を向上でき、再利用できる灰を増やすことができる。

【００３２】また、この発明の石炭燃焼制御システムに
よれば、ミルで微粉化した石炭を燃焼させるボイラから
排出される石炭灰中の未燃分をレーザ法により計測し、
その未燃分を適正値に調整することにより結果的にボイ
ラに供給する燃料流量を適正に保つことができる。この
結果、ボイラの燃焼効率を向上でき、再利用できる灰を
増やすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係る蒸気発生・石炭
灰処理装置を示す構成図である。

【図２】図１に示した制御装置のブロック図である。

【図３】ＬＩＢＳの原理を示す説明図である。

【図４】ＬＩＢＳ装置の一例を示す構成図である。

【符号の説明】

１００蒸気発生・石炭灰処理装置１ミル２ボイラ３電気集塵装置４回転式分級機５輸送管６ＬＩＢＳ装置８ファン９制御装置１０輸送管１１信号ライン５１ミル回転数制御部５２ミルロール荷重油圧制御部５３空気流量制御部５５選択部５６未燃分目標値設定部５７多炭種対応制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池田幸治長崎県長崎市飽の浦町１番１号三菱重工業株式会社長崎造船所内 (72)発明者出口祥啓長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者樽井仁宮城県仙台市青葉区一番町３丁目７番１号東北電力株式会社本店火力部内 (72)発明者九萬原崇史宮城県仙台市青葉区一番町３丁目７番１号東北電力株式会社本店火力部内 (72)発明者渡辺徳雄福島県原町市金沢字大船サク54 東北電力株式会社原町火力発電所内 (72)発明者小川富弘福島県原町市金沢字大船サク54 東北電力株式会社原町火力発電所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ミルで微粉化した石炭を燃焼させるボイ
ラから排出される石炭灰中の未燃分をレーザ法により計
測する計測手段と、計測手段により計測した石炭灰中の未燃分に基づいて前
記ミルの運転状態を制御して微粉度を調整する制御手段
と、を備えたことを特徴とする石炭燃焼制御システム。
【請求項２】ミルで微粉化した石炭を燃焼させるボイ
ラから排出される石炭灰中の未燃分をレーザ法により計
測する計測手段と、計測手段により計測した石炭灰中の未燃分に基づいてボ
イラに空気を供給するファンの動翼開度を制御し、前記
ボイラに対する空気流量を調整する制御手段と、を備え
たことを特徴とする石炭燃焼制御システム。