JP2004019980A - 加熱炉 - Google Patents

Abstract

【課題】プロセス流体の温度を安定して制御することができる加熱炉を提供することである。
【解決手段】配管２１から供給される主燃料および外部から配管２３を通じて供給される副燃料を配管２４から供給される助燃ガスと混合して燃焼させる燃焼室２と、この燃焼室２で生じた燃焼ガスを外部から供給されるプロセス流体と熱交換させてプロセス流体を加熱する熱交換部３とを有し、フィードバック制御器１４とフィードフォワード制御器１９とを備えた燃焼室温度制御系、フィードバック制御器１８とフィードフォワード制御器２０とを備えたプロセス流体温度制御系、フィードバック制御器１６を備えた排ガス温度制御系、およびフィードバック制御器１７を備えた酸素濃度制御系を有する加熱炉１である。この加熱炉１の各制御系は、操作量と被制御量とが適切に組み合わされて構築されている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセス流体の温度を安定して制御するための加熱炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学反応において原料や中間体として使用されるプロセス流体の温度制御には加熱炉などが用いられている。図８は、プロセス流体の温度制御に用いることができる燃焼ガス再循環式加熱炉３１の構成の一例を示す概略図である。この加熱炉３１は主に燃焼室２と熱交換部３とからなる。燃焼室２には、配管２１から主燃料（例えば、ＬＰガスなど）が、配管２３から副燃料（例えば、他の工程で発生する副生物など）が、配管２４から助燃ガスがそれぞれ供給される。これらのガスが燃焼室２において燃焼し、これにより生じる燃焼ガスが熱交換部３へと送られる。この熱交換部３では、前記燃焼ガスとプロセス流体との間で熱交換がされ、プロセス流体が所定の温度に調整される。熱交換後の燃焼ガスの一部は、排ガスとして煙道５を経て大気中に排出され、残りの燃焼ガスは配管１５に送られ、空気と混合されて助燃ガスとして再利用される。なお、燃焼ガスの成分に応じて、煙道５の手前に脱硝触媒層４などが設けられる。
【０００３】
加熱炉３１の被制御量は、温度測定器６で測定される燃焼室温度、温度測定器７で測定されるプロセス流体の温度、温度測定器８で測定される排ガスの温度および濃度測定器９で測定される助燃ガス中の酸素の濃度であり、操作量は、バルブ１０で調整される主燃料の流量、バルブ１１で調整されるバイパスガスの流量、バルブ１２で調整されるリサイクルガスの流量およびバルブ１３で調整される助燃ガスの流量である。
【０００４】
しかしながら、加熱炉３１の操業中には、例えばプロセス流体の流量の変動、副燃料の流量の変動（他の工程で発生する副生物を燃料として利用する場合などに生じやすい。）などの外乱が生じることがあり、また、プロセス流体の温度などの被制御量を経時的にあるいは定期的に微調整する必要が生じることもあるため、プロセス流体の温度を目標とする温度範囲に安定して制御することができないことがあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、プロセス流体の温度を安定して制御することができる加熱炉を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の加熱炉は、主燃料および外部から供給される副燃料を助燃ガスと混合して燃焼させる燃焼室と、この燃焼室で生じた燃焼ガスを外部から供給されるプロセス流体と熱交換させて前記プロセス流体を加熱する熱交換部とを有し、前記主燃料の流量を調整することで前記燃焼室の温度を所定範囲に制御するフィードバック制御ループと、前記プロセス流体の流量の変動および／または前記副燃料の流量の変動に基づいて前記主燃料の流量を調整することで前記燃焼室の温度を所定範囲に制御するフィードフォワード制御ループとからなる燃焼室温度制御系、並びに、前記助燃ガスの流量を調整することで前記プロセス流体の温度を所定範囲に制御するフィードバック制御ループと、前記プロセス流体の流量の変動に基づいて前記助燃ガスの流量を調整することで前記プロセス流体の温度を所定範囲に制御するフィードフォワード制御ループとからなるプロセス流体温度制御系を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の加熱炉の制御系は、操作量と被制御量とが適切に組み合わされて構築されているので、外乱が生じてもプロセス流体の温度を安定して制御することができる。すなわち、操作量である主燃料の流量を調整することで被制御量である燃焼室の温度をフィードバック制御し、操作量である助燃ガスの流量を調整することで被制御量であるプロセス流体の温度をフィードバック制御し、さらに外乱であるプロセス流体の流量の変動および／または副燃料の流量の変動に基づいて主燃料の流量を調整することで燃焼室の温度をフィードフォワード制御し、外乱であるプロセス流体の流量の変動に基づいて助燃ガスの流量を調整することでプロセス流体の温度をフィードフォワード制御している。
【０００８】
また、本発明の他の加熱炉は、前記加熱炉の制御系に加え、さらに排ガス温度制御系および酸素濃度制御系を備えている。すなわち、本発明の他の加熱炉は、前記燃焼室で生じた前記燃焼ガスの一部を前記プロセス流体と熱交換することなくバイパスガスとして迂回させたのち、このバイパスガスを前記プロセス流体と熱交換された後の燃焼ガスと混合して排ガスとし、この排ガスの一部をリサイクルガスとして空気と混合して助燃ガスとする加熱炉であり、前記バイパスガスの流量を調整することで前記排ガスの温度を所定範囲に制御するフィードバック制御ループからなる排ガス温度制御系、並びに、前記リサイクルガスの流量を調整することで前記助燃ガスに含まれる酸素の濃度を所定範囲に制御するフィードバック制御ループからなる酸素濃度制御系を備えることを特徴とする。
【０００９】
このように、本発明の他の加熱炉では、燃焼室温度制御系およびプロセス流体温度制御系に加え、さらに排ガス温度制御系および酸素濃度制御系を備えているので、排ガスの温度および助燃ガス中の酸素の濃度を制御することができる。これにより、例えば燃焼によって有害ガス（例えば窒素酸化物等のガス）が生じる系において、排ガスの温度を排ガス中に含まれる前記有害ガスを除去するための触媒に適した温度に制御し、高い触媒活性が得られるようにすることができる。また、助燃ガス中の酸素の濃度を安定して制御することができるので、燃焼室における燃焼状態を安定化させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の燃焼ガス再循環式加熱炉１を示す概略図である。
【００１１】
同図に示す加熱炉１は、配管２１から供給される主燃料および外部から配管２３を通じて供給される副燃料を配管２４から供給される助燃ガスと混合して燃焼させる燃焼室２と、この燃焼室２で生じた燃焼ガスを外部から供給されるプロセス流体と熱交換させてプロセス流体を加熱する熱交換部３とを有する。
【００１２】
この加熱炉１において、被制御量は燃焼室の温度、プロセス流体の温度、排ガスの温度および助燃ガス中の酸素の濃度であり、操作量は主燃料の流量、助燃ガスの流量、バイパスガスの流量およびリサイクルガスの流量である。また、加熱炉１の運転中に生じる外乱としては、プロセス流体の流量の変動および副燃料の流量の変動などが挙げられる。
【００１３】
図２は加熱炉１の制御系を示すブロック図である。同図に示すように、加熱炉１の制御系は、燃焼室温度制御系、プロセス流体温度制御系、排ガス温度制御系および酸素濃度制御系からなる。
【００１４】
燃焼室温度制御系は、主燃料バルブ１０の開度を調節して主燃料の流量を調整することで燃焼室の温度を制御するフィードバック制御器１４と、プロセス流体の流量の変動および／または副燃料の流量の変動に基づいて主燃料バルブ１０の開度を調節して主燃料の流量を調整することで燃焼室の温度を制御するフィードフォワード制御器１９とからなる。
【００１５】
プロセス流体温度制御系は、助燃ガスバルブ１３の開度を調節して助燃ガスの流量を調整することでプロセス流体の温度を制御するフィードバック制御器１８と、プロセス流体の流量の変動に基づいて助燃ガスバルブ１３の開度を調節して助燃ガスの流量を調整することでプロセス流体の温度を制御するフィードフォワード制御器２０とからなる。
【００１６】
排ガス温度制御系は、バイパスガスバルブ１１の開度を調節してバイパスガスの流量を調整することにより排ガスの温度を制御するフィードバック制御器１６からなる。すなわち、燃焼室２で生じた燃焼ガスの一部は、バイパスガスとして迂回して配管２２を通りプロセス流体と熱交換されない。このバイパスガスがプロセス流体と熱交換された後の燃焼ガスと混合されて排ガスとなる。したがって、このバイパスガスの流量を調整することによって、排ガスの温度を制御することができる。燃焼によって生じる窒素酸化物（ＮＯｘ）を脱硝触媒層４の脱硝触媒によって除去しようとする場合に、排ガスの温度を適正値に制御することで高い脱硝触媒活性が得られる。
【００１７】
酸素濃度制御系は、リサイクルガスバルブ１２の開度を調節してリサイクルガスの流量を調整することにより助燃ガス中の酸素の濃度を制御するフィードバック制御器１７からなる。このようにリサイクルガスの流量を調整することで空気との混合比を任意に調整できる。
【００１８】
本発明の加熱炉１の制御系は、上記のように操作量と被制御量とが適切に組み合わされており、これらの制御系の制御パラメータも適切な値に設定されている。このような操作量と被制御量との組み合わせ、および制御パラメータの設定は、例えばオフラインでダイナミックシミュレータにより行うことができる。すなわち、前記ダイナミックシミュレータにより操作量と被制御量との相関強度および各操作量の操作性を考慮してフィードバック制御ループにおける被制御量と操作量との組み合わせが決定され、外乱を考慮してフィードフォワード制御ループが構築され、各フィードバック制御間における干渉を考慮して各フィードバック制御パラメータが設定される。仮に、このような加熱炉１の制御系の構築を実機を用いた実験により行おうとすると非常に危険を伴うため、実機での検討は実質的に不可能である。
【００１９】
前記オフラインとは、加熱炉１を製造する前の設計段階、加熱炉１を製造した後の設備立ち上げ前、加熱炉１の設備立ち上げ後で設備が稼働していないときなどのことをいう。
【００２０】
本発明において、ダイナミックシミュレータとは、加熱炉１の操業時における動的な挙動（時間の変化に伴う状態変化）を理論式または近似式を用いて表現して構築したシステムのことをいい、プロセス流体の流量の変動、副燃料の流量の変動などの実操業で想定される外乱を与えて疑似操業したときの加熱炉１内の動的な挙動、例えばプロセス流体の温度の経時的な変動などをコンピュータにより算出するものである。
【００２１】
フィードバック制御ループには、例えばＰＩＤ制御を使用することができる。この場合のフィードバック制御パラメータとしては、ＰＩＤ制御の制御パラメータである比例ゲイン、微分時間、積分時間などが挙げられる。
【００２２】
本発明におけるフィードフォワード制御は、燃焼室温度制御系の場合、フィードフォワード制御器１９により行われ、プロセス流体の流量の変動および副燃料の流量の変動に基づいて主燃料バルブ１０の開度が調節され主燃料の流量が調整される。すなわち、外乱であるプロセス流体の流量の変動および副燃料の流量の変動を、実験あるいはシミュレーションで導出したフィードフォワード式を介して主燃料バルブ１０の開度量に変換するものである。なお、フィードフォワード制御器１９および２０による主燃料バルブ１０および助燃ガスバルブ１３の開度の調節は、前記制御器１９および２０によりバルブ１０および１３をそれぞれ直接制御してもよいが、温度制御器１４および１８を介してバルブ１０および１３をそれぞれ制御してもよい。
図１におけるその他の箇所については、図８と同様の符号を付して説明を省略する。
【００２３】
以下、フィードバック制御としてＰＩＤ制御を用いた場合を例に挙げて、オフラインでのダイナミックシミュレータによる制御系の構築手順を説明する。図３は前記制御系の構築手順を示したフローチャートである。
【００２４】
Ｉ．制御系の構築手順
＜ステップ１＞
まず、加熱炉１の動的な挙動を表現できるダイナミックシミュレータを構築する。
【００２５】
＜ステップ２＞
構築したダイナミックシミュレータにプロセス流体の流量の変動および副燃料の流量の変動などの実操業で想定される外乱を与える。
【００２６】
＜ステップ３＞
フィードバック制御ループにおける被制御量と操作量との組み合わせを決定するために、様々な組み合わせでシミュレーションをし、相関強度が高く、操作性の良い組み合わせをそれぞれ決定する。
【００２７】
＜ステップ４＞
外乱により生じる被制御量の変動についてシミュレーションをし、その変動を抑制できる操作量を決定し、フィードフォワード制御ループを構築する。
【００２８】
＜ステップ５＞
上記フィードバック制御ループおよびフィードフォワード制御ループを備えた制御系にて操業したときのシミュレーションをし、制御性能（干渉による振れ）を確認する。
【００２９】
＜ステップ６＞
ステップ５のシミュレーションの結果、制御系間に大きな干渉が見られ、この干渉により生じる被制御量の変動、特にプロセス流体の温度の変動が要求される温度精度を満たさない場合は、干渉が見られる制御系のフィードバック制御パラメータである比例ゲインおよび／または積分時間を調整し、再度ステップ５のシミュレーションを行う。被制御量の要求精度が満たされるまで、ステップ５および６の操作を繰り返し行う。
【００３０】
＜ステップ７＞
上記のようにして構築された制御系を実機に適用する。このような制御系を備えた加熱炉１を用いることにより、被制御量、特にプロセス流体の温度を安定して制御することができる。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００３２】
実施例１
図３に示したフローチャートに従って構築された加熱炉１の制御系の安定性をシミュレーションにより評価した。この安定性評価では、シミュレーション用のソフトウェアプログラムとして、Ａｓｐｅｎｔｅｃｈ社製のＡｓｐｅｎ　Ｃｕｓｔｏｍ　Ｍｏｄｅｌｅｒを使用した。
外乱として副燃料（他の工程で発生した副生物）の流量の変動を与え、副燃料の流量が実操業において生じる程度に変動したときの制御応答について評価した。結果を図４に示す。
シミュレーションによる疑似操業を開始してから２００分の間、プロセス流体の温度は常に許容範囲内であった。
【００３３】
比較例１
フィードフォワード制御ループを備えていない他は、実施例１で用いた加熱炉１と同様の制御系を有する加熱炉の安定性をシミュレーションにより評価した。ソフトウェアプログラムおよび外乱である副燃料の流量の変動条件は実施例１と同様とした。結果を図６に示す。
シミュレーションによる疑似操業を開始してから２００分の間、プロセス流体の温度は一時的に許容範囲外となることがあった。
【００３４】
実施例２
実施例１と同じ加熱炉１の制御系の安定性をシミュレーションにより評価した。ソフトウェアプログラムは実施例１と同じものを使用した。
外乱としてプロセス流体の流量の変動を与え、プロセス流体の流量が実操業において生じる程度に徐々に減少したときの制御応答について評価した。結果を図５に示す。
シミュレーションによる疑似操業を開始してから２００分の間、プロセス流体の温度は常に許容範囲内であった。
【００３５】
比較例２
フィードフォワード制御ループを備えていない他は、実施例１で用いた加熱炉１と同様の制御系を有する加熱炉の安定性をシミュレーションにより評価した。ソフトウェアプログラムは実施例１と同じものを使用した。
外乱であるプロセス流体の流量の変動条件は実施例２と同様とした。結果を図７に示す。
シミュレーションによる疑似操業を開始してから２００分までの中で、主にプロセス流体の流量が減少している間においてプロセス流体の温度が許容範囲外となった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の加熱炉によれば、プロセス流体の温度を安定して制御できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である燃焼ガス再循環式加熱炉を示す概略図である。
【図２】本発明における燃焼ガス再循環式加熱炉の制御系を示すブロック図である。
【図３】ダイナミックシミュレータによる本発明おける加熱炉の制御系構築手順を示すフローチャートである。
【図４】実施例１において、副燃料の流量を変動させたときの制御応答について評価した結果を示すグラフである。
【図５】実施例２において、プロセス流体の流量を変動させたときの制御応答について評価した結果を示すグラフである。
【図６】比較例１において、副燃料の流量を変動させたときの制御応答について評価した結果を示すグラフである。
【図７】比較例２において、プロセス流体の流量を変動させたときの制御応答について評価した結果を示すグラフである。
【図８】従来の燃焼ガス再循環式加熱炉を示す概略図である。
【符号の説明】
１　加熱炉
２　燃焼室
３　熱交換部
４　脱硝触媒層
５　煙道
６，７，８　温度測定器
９　濃度測定器
１０　主燃料バルブ
１１　バイパスガスバルブ
１２　リサイクルガスバルブ
１３　助燃ガスバルブ
１４，１６，１７，１８　フィードバック制御器
１５，２１，２２，２３，２４　配管
１９，２０　フィードフォワード制御器

Claims (2)

1. 主燃料および外部から供給される副燃料を助燃ガスと混合して燃焼させる燃焼室と、この燃焼室で生じた燃焼ガスを外部から供給されるプロセス流体と熱交換させて前記プロセス流体を加熱する熱交換部とを有し、
   前記主燃料の流量を調整することで前記燃焼室の温度を所定範囲に制御するフィードバック制御ループと、前記プロセス流体の流量の変動および／または前記副燃料の流量の変動に基づいて前記主燃料の流量を調整することで前記燃焼室の温度を所定範囲に制御するフィードフォワード制御ループとからなる燃焼室温度制御系、並びに、
   前記助燃ガスの流量を調整することで前記プロセス流体の温度を所定範囲に制御するフィードバック制御ループと、前記プロセス流体の流量の変動に基づいて前記助燃ガスの流量を調整することで前記プロセス流体の温度を所定範囲に制御するフィードフォワード制御ループとからなるプロセス流体温度制御系を備えることを特徴とするプロセス流体の加熱炉。
2. 前記燃焼室で生じた前記燃焼ガスの一部を前記プロセス流体と熱交換することなくバイパスガスとして迂回させたのち、このバイパスガスを前記プロセス流体と熱交換された後の燃焼ガスと混合して排ガスとし、この排ガスの一部をリサイクルガスとして空気と混合して助燃ガスとする加熱炉であり、
   前記バイパスガスの流量を調整することで前記排ガスの温度を所定範囲に制御するフィードバック制御ループからなる排ガス温度制御系、並びに、
   前記リサイクルガスの流量を調整することで前記助燃ガスに含まれる酸素の濃度を所定範囲に制御するフィードバック制御ループからなる酸素濃度制御系を備えることを特徴とする請求項１記載の加熱炉。

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