JP2008512748A - 工程パラメータの平均値の所望値への段階的制御 - Google Patents
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Abstract
Description
既に言及したように、論議の基をなす幾つかの大気汚染制御工程が存在するが、WFGD工程が特に注目されている。WFGD工程は、電力業界において排煙からSO2を除去するために最も一般的に用いられる工程である。図1は、例えば石炭化石燃料の火力発電システムにより生成されるような汚染された排煙からSO2を除去し、商業レベルの副産物、例えば最小の廃棄コストにより廃棄することができる特性を有するもの、もしくは商業用途において販売可能な特性を有するものなどを生成するための、湿式排煙脱硫(WFGD)サブシステムの概略を示すブロック線図である。
酸化空気154は、送風機150により結晶化器134内に強制流入する。酸化空気は、亜硫酸カルシウムの硫酸カルシウムへの転換に必要な付加的酸素を提供する。
簡単に、他の大気汚染制御工程であるNOx除去用選択的接触還元(SCR)システムを見れば、類似の動作上の問題を確認することができる。SCR工程の概要を図20に示す。
一次的に、NO及びより少量のNO2で構成されるNOxは、酸素の存在下で触媒上でNH3との反応により窒素に変換される。石炭内の硫黄の酸化によりボイラーで生成される少量のSO2は、SCR触媒により酸化して三酸化硫黄(SO3)にされる。また、副反応は、好ましくない副産物である硫酸アンモニウム(NH4)2SO4及び硫酸水素アンモニウムNH4HSO4を生成することがある。これらの副産物の形成を支配する複雑な関係があるが、これは工程条件の適切な制御により最小化することができる。
SCR反応器の下流の排煙中の未反応NH3をNH3スリップ(slip)という。下流装置の閉塞及び腐蝕を起こす可能性のある(NH4)2SO4及びNH4HSO4の形成を最小化するためには、NH3スリップを5ppm未満、好ましくは2〜3ppmに維持することが必須である。これは、高い硫含量の石炭ではより大きな問題になるが、燃料の硫含量及びSCR反応器でのSO2の酸化により、初期の高レベルのSO3からもたらされる高レベルのSO3により発生する問題である。
触媒コストは、SCR装置の資金コストの15〜20%を占めている。従って、空間速度を最大化にし、触媒の体積を最小化することができる程度の高温で動作することが必須である。同時に、SCR反応よりさらに温度敏感性であるSO2のSO3への酸化率を最小化する必要がある。チタン及びバナジウム酸化物触媒を使用するSCR工程の最適な動作温度は、約650〜750°Fである。大半の設備は、排煙温度の低い期間、例えば低負荷操作中に排煙を所望の温度で反応器に提供するために迂回の節約装置を使用する。
SCR触媒は、担持体(酸化チタン)及び活性成分(バナジウム及び一部の場合にタングステンの酸化物)の混合物であるセラミック材料からなっている。現在使用されるSCR触媒の2つの主な形状は、蜂巣状及び板状である。蜂巣状は、一般的に触媒が構造全体に混入されたり、あるいは(均質)基材上にコートされた押出セラミックである。板状は、支持体材料が一般的に触媒でコートされている。塵を含む排煙を処理する場合には、反応器は通常垂直で、排煙は下方に流れる。触媒は、通常一連の2〜4個のベッド又は層で配列されている。より良好な触媒の使用方法では、3層又は4層を使用することが良く、さらに1つの層を予備とするが、初期には設置されない。
SCR工程の化学反応は、以下のとおりである:
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
副反応は、以下のとおりである:
SO2+1/2 O2→SO3
2NH3+SO3+H2O→(NH4)2SO4
NH3+SO3+H2O→NH4HSO4
図20に示すように、汚染された排煙112は、電力発電システム110から排出される。この排煙は、選択的接触還元(SCR)サブシステム2170に流入する前に、他の大気汚染制御(APC)サブシステム122により処理されてもよい。さらに、排煙は、SCRから排出された後、又は煙突117から排出される前に、他のAPCサブシステム(図示されず)により処理されてもよい。流入する排煙中のNOxは、1つ以上の分析器2003により測定される。NOxが含まれた排煙2008は、アンモニア(NH3)注入グリッド2050を通過する。アンモニア2061は、アンモニア/希釈空気ミキサー2070により希釈空気2081と混合される。混合物2071は、注入グリッド2050により排煙内に投入される。希釈空気送風機2080は、周囲空気152をミキサー2070に供給し、アンモニア保存及び供給のサブシステム2060は、アンモニアをミキサー2070に供給する。Noxを含む排煙、アンモニア及び希釈空気2055は、SCR反応器2002内を通ってSCR触媒の上を通過する。SCR触媒は、NOxとアンモニアが窒素及び水に還元される反応を促進する。NOxが含まれていない排煙2008は、SCR反応器2002から排出され、潜在的に他のAPCサブシステム(図示されない)及び煙突117を通じてプラントから排出される。
通常のSCR制御システムは、図20に示されるような段階的制御システムに依存している。内部PID制御器ループ2010は、ミキサー2070内に流れるアンモニア流れ2014を制御するのに使われる。外部のPID制御器ループ2020は、NOx排出を制御するのに使われる。操作者は、NOx排出除去効率設定点2031を外部ループ2020に入力することを担当する。図21に示すように、セレクター2030は、操作者が入力する設定点2031に対する上限制約2032を設定するのに使われる。また、制御器が負荷転換を適切に行うことができるようにするため、負荷用フィードフォワード信号2221(図21には示されていない)がしばしば使用される。このような実装形態では、負荷センサー2009が電力発電システム110の測定された負荷2809を生成する。この測定された負荷2809は、信号2221を生成する制御器2220に送られる。信号2221は、アンモニア流れ設定点2021Aを合計して調整されたアンモニア流れの設定点2021Bを形成し、これは、PID制御器2010に送られる。PID2010は、設定点2021Bを測定されたアンモニア流れ2012と合計して、ミキサー2070に供給されるアンモニアの量を制御するアンモニア流れVP2011を形成する。
1.標準制御器:SCRの製造業者及び触媒販売者により明示される要件を実施するために使われる単純な標準制御器の設計である。
2.DCS基盤の制御器:構造は比較的単純で、装置のDCSで実行されることができ、機器及び触媒操作の要件を施行する最も安価な制御仕様である。
多数の操作パラメータがSCR操作に影響を及ぼす:
・流入NOx負荷、
・NOx:アンモニアの局所的モル比、
・排煙温度、及び
・触媒品質、利用可能性及び活性。
1.アンモニアスリップの測定:アンモニアスリップを明示された制約内に維持することは、SCRの操作において非常に重要である。しかし、アンモニアスリップを計算しなかったり、あるいはオンライン測定を行わないこともしばしばである。アンモニアスリップの測定が利用可能であっても、制御ループに直接含まれない場合がある。このため、SCR操作に最も重要な変数の1つが測定されない。
・アンモニアは、排煙中のSO3と反応して塩を形成することができる。これは、空気予備加熱器の熱伝達の表面上に沈着する。この塩が空気予備加熱器による熱伝達を低下させるだけでなく、灰を付着させて熱伝達をさらに低下させる。一定時点で空気予備加熱器の熱伝達は、予備加熱器が掃除(洗浄)のために作業から除去される時点まで低下する。最小限に、空気予備加熱器の水洗は、装置速度を低下させる結果となる。
・アンモニアもまた、触媒に吸収される(触媒はアンモニアスポンジであってもよい)。排煙/NOx負荷の急激な減少は、異常に高い短期アンモニアスリップをもたらすことがある。これは、単に一時的な状態であり、通常の制御システムの範囲外である。特性上、一時的ではあるが、このスリップされたアンモニアは依然としてSO3と結合し、塩が空気予備加熱器に沈着する;短期間ではあっても、動的な一時現象は、空気予備加熱器上に塩層を多く蓄積(及び飛散灰の付着を促進)する可能性がある。
・アンモニアは、大気汚染物質として定義される。アンモニアスリップが非常に少量であっても、アンモニアは臭いが非常に強いため、比較的微量でも地域社会で臭いの問題を発生させることがある。
・アンモニアは、飛散灰に吸収される。飛散灰中のアンモニア濃度が大きすぎる場合、飛散灰の廃棄にかかるコストが増加する。
・工程の動的操作の制御/最適化、
・副産物/共生成物の品質の制御、
・連続平均排出の制御、及び
・APC資産の最適化。
以下で説明するように、本発明によれば、SO2除去効率を向上させることができる。すなわち、要求されたり望まれる制約、例えば石膏純度制約、モーメント排出限界及び連続排出限界を満たすとともに、装置からのSO2除去率が最大化及び/又は最適化されることができる。また、稼動コストも代替的に最小化及び最適化されることができる。例えば、WFGDに対する排煙負荷が減少する場合、スラリーポンプを自動的にオフさせることができる。さらに、酸化空気流れ及びSO2除去率も、代替的に石灰石の沈床条件を防止するために動的に調整されてもよい。本願発明に示されるMPC制御器を用いて、WFGD工程が制約にさらに近接するように管理することが可能であり、一般的に制御されるWFGD工程に比べて向上した性能を達成することができる。
上述したように、MPC制御器のために定常状態及び動的モデルが使用される。以下ではこれらのモデルについてより詳細に説明する。
図6は、モデル予測制御が伴うWFGDのサブシステム構造の機能的ブロック線図である。制御器610は、WFGD工程620の操作されたMV615、例えばpH及び酸化空気のためのリアルタイム設定点を計算するのに必要な論理を組み込んでいる。制御器610は、このような計算値の根拠を観察された工程変数(OPV)625、例えばMVの状態、干渉変数(DV)及び制御された変数(CV)に置く。また、通常1つ以上の調整パラメータを有する基準値(RV)640のセットも操作されたMV615の設定点を計算するときに使われる。
図6の制御器610は、好ましくは、モデル予測制御器(MPCC)を用いて実行される。MPCCは、WFGD工程のリアルタイムの多重入力、多重出力の動的制御を提供する。MPCCは、観察されて推定されたPV値(625及び635)を基にするMVセットに対する設定点を計算する。WFGD MPCCは、以下により測定されるそのような値のうち、任意値、もしくは任意値又はすべての組合わせを使用することができる:
・pHプローブ
・スラリー密度センサー
・温度センサー
・酸化還元可能性(ORP)センサー
・吸収器レベルセンサー
・SO2流入口及び流出口/連通センサー
・流入口排煙速度センサー
・吸収器の化学(Cl、Mg、Fl)の実験室分析
・石膏純度の実験室分析
・石灰石粉砕物及び純度の実験室分析
・石灰石供給器
・石灰石粉砕機
・石灰石スラリーの流れ
・化学的添加剤/反応物供給器/バルブ
・酸化空気フロー制御バルブ又はダンパー又は送風機
・pHバルブ又は設定点
・再循環ポンプ
・補充用の水添加及び除去バルブ/ポンプ
・吸収器の化学(Cl、Mg、Fl)
・SO2除去効率
・石膏純度
・pH
・スラリーの密度
・吸収器のレベル
・石灰石粉砕物及び石膏
・稼動コスト
・SO2除去率を、所望の制約限界、例えば許容値限界又は適切な場合SO2除去クレジットを最大化する限界に対して適切な割合で維持する。
・石膏純度を、所望の制約限界、例えば石膏純度も仕入管理限界に対して適切な値で維持する。
・稼動コストを、所望の制約限界、例えば最小電力消費コストに対して適切なレベルで維持する。
図8に示すように、処理装置705は、演算装置810、記憶装置820、及び図7の通信リンク(732〜736)を介するI/O信号805の収容及び伝送を容易にするためのインタフェース830を有する。記憶装置820は、任意のランダムアクセスメモリー(RAM)の一種である。インタフェース830は、キーボード720及び/又はマウス725を通じた演算装置810とユーザーとの間の相互作用のみならず、演算装置810と以下に説明するようなその他の装置との間の相互作用を容易にする。
上述したように、MPCC700は、表1の制御マトリックスに示される入力−出力構造を有する動的制御モデル870を必要とする。このような動的モデルを展開するためには、第1原理モデル及び/又はWFGD工程のプラント試験を基にした経験的モデルを展開する。第1原理モデル及び/又は経験的モデルは、上記の技法を用いて展開することができる。
図6は、MPCC700に含まれているような推定機がWFGD工程の全体的な進歩された制御にどのように使用されるかを示す。MPCC700では、推定機が、好ましくは、仮想オンライン分析器(VOA)である。図9は、MPCC700に含まれている推定機をより詳細に示している。
上記のように、米国で許可される稼動許容値は、一般にモーメント排出及び連続平均排出の両方に対して限界を設定する。WFGDサブシステムの制御において、MPCC700により有益に提起される連続平均排出の問題には2種類がある。その第1種類の問題は、連続平均の時間窓がMPCC700の演算装置810により実行される予測論理850の計画対象期間(time−horizon)より短いか等しい場合に発生する問題である。第2種類の問題は、連続平均の時間窓が予測論理850の計画対象期間より長い場合に発生する問題である。
第1種類の問題、つまり短い時間窓の問題は、MPCC700の正常構造を適用して、MPCC700により実行される制御において排出連続平均を付加的CVとして統合することにより解決される。より詳細には、予測論理850及び制御発生器論理860が定常状態の条件を、経済的な制約としてよりも許容値の限界以下で維持されるべき工程制約として取り扱うようにし、さらに、許容値の限界以下で適用可能な時間窓の連続平均の現在及び未来値を維持する動的制御経路を実行するようにする。このような方法で、MPCC700に排出連続平均のための調整構成が提供される。
また、適用可能な区間内で排出に影響を及ぼす計画された稼動イベント、例えば負荷変化等の要因に対するDVは予測論理850で考慮され、これによりMPCC700では、WFGD工程の制御が考慮される。実際に、ディスク記憶装置710にデータ885の一部として記憶される実際のDVは、WFGDサブシステムの種類により変わるようになり、特定の稼動方針、例えば基礎負荷に対する変動などが前記サブシステムのために導入される。しばしばDVは、操作者によるキーボード720及びマウス725を通じて入力された入力値により、又は制御発生器論理860自体により、又は外部計画システム(図示されない)によりインタフェース830を通じて調整されることが可能である。
第2種類の問題、すなわち長い時間窓の問題は、2段階のMPCCアプローチを用いて好適に解決することができる。このアプローチでは、MPCC700が複数の、好ましくは2つの段階的制御器演算装置を有する。
図13は、WFGD工程620に対してMPCC1300とDCS1320のインタフェースに関する機能的ブロック線図を示す。MPCC1300は、図6の制御器610と類似の制御器1305、及び図6の推定機630と類似の推定機1310の両方を有する。MPCC1300は、必要な場合、図7及び8に示すMPCCであってもよい。また、MPCC1300は、多段階構造、例えば図10及び図12に示すようなものを用いて環境設定されることも可能である。
図13を参照して説明したとおり、予測論理850を実行する制御器演算装置は、インタフェース1315を介してWFGD工程620に対するDCS1320に接続する。制御器1305及びDCS1320の適切な接続を容易にするために、通常のDCSは変更を要する。従って、DCS1320は当分野でよく知られている方式で、以下のような特徴を含むように変更された一般的なDCSであることが好ましい。
・PPPのCONTROL MODE(制御モード)を自動と手動で切り替える。
・CONTROLLER STATUS(制御器状態)を観察する。
・WATCHDOG TIMER(監視タイマー)(HEARTBEAT(ハートビート))の状態を観察する。
・STATUS(状態)、MIN(最小)、MAX(最大)、CURRENT VALUE(現在値)に対するMVの寄与を観察する。
・各MVをENABLE(動作)させたり、各MVをオフする。
・MIN(最小)、MAX(最大)及びCURRENT(現在)値に対するCVの寄与を観察する。
・石膏純度、吸収器化学及び石灰石の特徴に対する実験室の数値を入力する。
以下、図14Aを参照すれば、図示するように、画面1400は、自動又は手動モードの操作者/ユーザーが選択したタグであるCONTROLLER MODE(制御器モード)を含む。AUTO(自動)モードでは、予測論理850、例えばペガサス(登録商標)パワーパーフェクトを行う制御器1305がMVの動向を計算し、このような動向をDCS1320で行う制御信号を指示するために制御発生器論理860を実行する。予測論理850を実行する制御器1305は、変数が動作しない限り、つまりAUTO(自動)で表示されない限り、MV動向を計算しない。
ENABLED−このフィールドは、操作者又は他のユーザーが各MVを動作させたり、停止させるように、予測論理850を実行する制御器1305に入力することにより設定することができる。MVを動作停止させることは、MVをオフ状態に調整することに相応している。
PV−制御器1305が受信するCVの最新の感知値を示す。
以下、図14Bを参照すれば、見本の実験室サンプル入力形態のDCS画面1450が操作者又は他のユーザーに表示される。この画面は、前記図8を参照して説明したように、図13の推定機1310により推定論理840及び動的推定モデル880により処理される実験室サンプルの試験数値を操作者又は他のユーザーが入力するときに使われる。
装置1の実験室サンプルの数値:
・石膏純度
・塩化物
・マグネシウム
・フッ化物
装置2の実験室サンプルの数値:
・石膏純度
・塩化物
・マグネシウム
・フッ化物
装置1及び装置2の組合せでの実験室サンプルの数値:
・石膏純度
・石灰石純度
・石灰石粉砕物
以下、上記の種類のうち任意のMPCCによる、WFGDサブシステムの全体操作の制御を図15A、15B、16、17、18及び図19を参照して説明する。
以下、図19を参照すれば、MPCC1500へのパラメータ入力は、吸収塔132内の進行中の状態を反映するパラメータを含む。このようなパラメータは、MPCC1500により石膏に対する動的推定モデルを構築し、アップデートするために使用されてもよい。石膏に対する動的推定モデルは、例えば動的推定モデル880の一部を形成することができる。
石膏160’の品質を石膏品質的制約1924と一致させるため、予測論理により定められるようなWFGD稼動に対する必要な調整が制御発生器論理、例えば制御発生器論理860に供給されるが、前記論理もまた制御器1500Aにより実行される。制御器1500Aは、制御発生器論理を実行し、石膏160’の品質で要求される増加又は減少に相応する制御信号を生成する。
スラリー148’のpHを制御することにより、MPCC1500は、WFGDサブシステムにより生産される石膏副産物160’の品質とともにSO2含有排煙114からSO2の除去を制御することができる。新規の石灰石スラリー141’のバルブ199を介した流れを増加させてスラリー148’のpHを増加させる場合、SO2含有排煙114から吸収塔132により除去されるSO2の量が増加するようになる。一方、石灰石スラリー141’のバルブ199を介した流れを減少させる場合、スラリー148’のpHが低下する。また、結晶化器134に流れる吸収されたSO2(これは亜硫酸カルシウムの形態)の量を減少させる場合、より高い割合の亜硫酸カルシウムが結晶化器134内で酸化して硫酸カルシウムにされ、石膏品質をより向上させる。
上記のように、吸収されたSO2を酸化させて石膏を形成させるためには、吸収塔132内でSO2とスラリー中の石灰石の間に化学反応が必要である。この化学反応中に、酸素が消費されて硫酸カルシウムが形成される。吸収塔132に入る排煙114はO2が不足しているため、通常、付加的O2が吸収塔132に流れる液状スラリー内に添加される。
上記のように、MPCC1500は、分布制御システム(DCS)内での設備応用のために大規模のWFGDサブシステムを制御することができる。MPCC1500により制御されることができるパラメータは、ほぼ無制限であるが、好ましくは、(1)吸収塔132に入るスラリー148’のpH、(2)液状スラリー148’を吸収塔132の異なるレベルに伝達するスラリーポンプ配列、及び(3)結晶化器134に入る圧縮酸化空気154’の量のうちの少なくとも1つ以上を含む。周知のように、WFGD工程の制御を指示するためにMPCC1500により利用される基本的工程関係を含むのは動的制御モデル870である。従って、動的制御モデル870で構築された関係は、MPCC1500において一次的に重要である。これに対して、動的制御モデル870は、様々なパラメータ、例えばpH及び酸化空気レベルを様々な制約、例えば石膏純度及びSO2除去レベルと関連づけ、このような関係は、以下に説明されるWFGDサブシステム130’の動的かつ柔軟な制御を許容する。
図17を参照して説明したように、MPCC1500は、ポンプ(133A〜133C)の状態及び負荷を制御することができ、これによりスラリー148’の流れを吸収塔132の様々なレベルに制御することができる。また、MPCC1500は、現在ポンプ配列及び現在ポンプ負荷数値(1515A〜1515C)を基にしてポンプ(133A〜133C)の現在電力消費を計算することができ、付加的に計算された電力消費及び現在単位電力コスト1906を基にしてポンプに対する現在稼動コストを計算することも可能である。
上記のように、センサー188により検出された測定された流入口SO2組成189に加えて、電力発電システム(PGS)110の負荷1509は、好ましくは、負荷センサー1508により検出され、また測定されたパラメータとしてMPCC1500に入力される。PGS負荷1509は、例えば消費する石炭のBTUの測定値、又は電力発電システム110により発電する電力量を示すことができる。しかし、PGS負荷1509はさらに、他のパラメータ測定が流入口排煙負荷に合理的に相応する場合、例えば石炭燃焼電力発電システム又は工程の一部パラメータがWFGDサブシステム130’に送られる流入口排煙の量に合理的に相応する場合には電力発電システム110又は関連の電力発電工程の他のパラメータを示すことも可能である。
図12を参照して説明したように、工程履歴データベース1210は、例えば図8を参照して説明したように、SO2排出履歴データベース890を含む。工程履歴データベース1210は、MPCC1500に相互接続されている。MPCC1500は、例えば図8に示す種類であってもよく、あるいは多段階種類の制御器、例えば図10に示すような2段階の制御器であってもよい。
図19で説明したように、MPCC1500への入力値は、(1)流出口SO21505、(2)結晶化器134に入る酸化空気の量に相応する、測定された送風機負荷1502、(3)スラリーポンプ状態数値1512、つまりポンプ配列、及び吸収塔132に流れる石灰石スラリーの量に相応するスラリーポンプ負荷数値1515、(4)吸収塔132に流れるスラリーの測定されたpH183の測定された数値である。さらに、MPCC1500への入力値は、(1)石膏副産物160’の純度1924、(2)十分な酸化を保障し、石灰石の沈床防止に必要な、スラリーに溶解されたO2の量に相応する、結晶化器134内のスラリーに溶解されたO21926、及び(3)WFGDサブシステム130’を抜け出る排煙116’中の流出口SO21922に対する限界要件である。今日では、流出口SO2許容値の要件1922が通常のモーメントSO2排出量及び連続平均SO2排出量の両方に対する制約を含む。また、MPCC1500への入力値は、(1)単位電力のコスト1906、例えば電気一単位のコスト、及び(2)前記規制クレジットが販売される値段を示す、SO2クレジット価格1904の現在及び/又は予想数値を含む非工程入力値である。また、MPCC1500は、(1)石膏副産物160’の現在純度1932、(2)結晶化器134内のスラリーに溶解されたO21934、及び(3)吸収塔132に流れるスラリーのpH1936の推定値を計算する。
MPCC1500が、付加的SO2を吸収して酸化させるときに付加的用量が利用可能であり、除去に利用可能な付加的SO2があると判断した場合には、MPCC1500もまた好ましくは、排煙114から付加的な利用可能なSO2を除去する稼動を調整するためにWFGDサブシステム130’を制御するか否かを判断するために、動的制御モデル870により予測論理850を実行するように構成される。これを決定するために、MPCC1500は、例えばそのようなSO2クレジットの生成及び販売がWFGDサブシステム130’稼動の収益性を増加させるか否かを判断するが、その理由は、付加的SO2を適用可能な政府の規制当局により許可された稼動許容値で要求される基準を超過して、つまり流出口SO2許容値要件1922で要求されることを超過して除去し、これにより得られる規制クレジットを販売するように稼動を変更することがより利益になるためである。
図19に示されているように、MPCC1500は、好ましくは、調整係数1902を非工程入力1550のまた他の部類として受容するように構成される。動的制御モデル870及び調整係数1902に従って予測論理850を実行するMPCC1500は、例えば制御変数それぞれに対する加重値を用いて制御変数に対する優先順位を設定することができる。
予測論理850を実行するMPCC1500は、上記で説明したように、動的工程モデル870に従い、最初に、現在の工程稼動状態を評価することが好ましい。しかし、評価はそこで終わる必要はない。MPCC1500は、動的工程モデル870に従い予測論理850を実行するように構成し、WFGDサブシステム130’の稼動に変更を加えない場合に、工程稼動がいずれに移動するのかを評価する。
MPCC1500は、土台となる工程モデル及びその工程モデルの工程制御関係に影響を与えずに複数の稼動計画を実行するプラットフォームとして使用されてもよい。MPCC1500は、稼動目標を定める目的関数を使用する。前記目的関数は、工程モデル内関係の側面から工程に関する情報を含むが、調整係数、又は加重値も含む。工程モデルを通じた目的関数で表される工程関係は固定されている。調整係数は、制御機の各実行前に調整されてもよい。工程の限界又は制約に支配される制御機アルゴリズムは、前記目的関数の最適値を決めるために目的関数の数値を最大化したり、最小化することができる。工程数値のための最適稼動目標は制御機において、目的関数に対する最適解決策から利用可能である。目的関数で調整係数、又は加重値を調整すれば、目的関数の数値が変わり、そのため最適解決策が変わる。目的関数調整定数を設定する適切な基準又は計画を適用することにより、MPCC1500を用いて様々な稼動計画を実行することが可能である。より一般的に使用される稼動計画の一部は、以下のようなものを含んでもよい:
・資産最適化(利益最大化/コスト最小化)、
・汚染物質除去の最大化、
・制御問題で操作された変数の移動を最小化
所望の稼動基準及び適切に調整された目的関数及び調整係数1902を基にして、MPCC1500はまずWFGDサブシステム130’のための長期稼動目標を確立するため、適切な入力又は計算されたパラメータに基づき、動的工程モデル870により予測論理850を実行する。MPCC1500は、次いで操作された変数及び制御された変数の両方に対し、工程変数の現在状態からこのような工程変数のために確立されたそれぞれの長期稼動目標に達する最適過程、例えば最適軌跡及び経路に対する詳細計画を確立するようになる。
SO2クレジットを最大化するために、MPCC1500は、調整定数がSO2クレジットを最大化するように設定された目的関数を有する動的制御モデル870に従って予測論理850を実行する。WFGD工程の観点から、SO2クレジットを最大化するためには、SO2の回収を最大化する必要があることが分かる。
・スラリーpH設定点186’の増加によるSO2除去、及び
・回収される付加的SO2に対して補償するために送風機酸化空気154’を増量
・以下に対する制約の支配:
・石膏純度制約1924に対する低い限界。これは、通常石膏純度の要件1924内で石膏純度の最低許容可能な限界を少し超過する安全マージンを提供する数値であることが分かる。
・所要の酸化空気154’に対する低い限界、及び
・酸化空気送風機150の最大用量。
MPCC1500における目的関数は、収益性を最大化したり損失を最小化するように設定される。このような稼動シナリオは、資産の最適化のシナリオとも呼ばれる。また、このシナリオは、電力、SO2クレジット、石灰石、石膏、及び有機酸等の任意の添加剤に対する正確な最新のコスト/価値情報を必要とする。
・最小SO2除去率(排出許容値/目標値遵守のため)、
・最小石膏純度、
・最小酸化空気要件、
・最大送風機負荷、
・ポンプ配列及び負荷限界、
・添加剤限界。
時々、WFGDサブシステムに対して、実行可能な解決策のない制約1555及び稼動条件、つまり測定された条件1525及び推定された条件1560のセットが与えられる場合がある。すなわち、図5A及び図5Bに示すような実行可能な稼動の区域525が空いている空間である。このような事が発生する場合には、いずれの解決策もシステムに対する制約1555すべてを満たすことができない。このような状況を「実行不可能な稼動」として定義することができるが、その理由は、システムに対する制約を満たすことが実行不可能なためである。
また、好ましくは、MPCC1500は、特定MPCC1500の決定事項に対して稼動者に通知するように設定される。ここでも同様に、予測論理850、動的制御モデル870又はその他のプログラムを使ってMPCC1500がそのような通知を行うように設定することができる。例えば、MPCCは、稼動者又は他のユーザーがMPCC1500の特定の決定事項、例えばSO2クレジットの価値が高くて特定の時点では石膏品質の維持が低い優先順位に置かれるという決定事項などについて分かるように、アラームを発したり、文字や画像ディスプレイで表示するように指示する機能を有することができる。
要約すれば、上記で詳述したように、WFGD工程のための最適化基盤制御について説明した。この制御は、工程フィードバックを用いてアップデートされる多重入力、多重出力モデルの最適化に基づいて、WFGD工程に対する設定点のリアルタイム操作を容易にする。前記最適化は、工程のための複数の目的及び制約を考慮してもよい。このような制御がない場合、操作者は、WFGDに対する設定点を決めなければならない。工程の複雑性のため、操作者は、複数の制約と目的とのバランスをとるために、しばしば準最適設定点を選択する。準最適設定点/稼動は、除去効率の損失、稼動コストの上昇及び品質的制約への違反の可能性をもたらす。
本発明のその他の環境及び実施形態に対する有用性を立証するため、MPCCのSCRへの適用に対するハイライトを記載する。SCRのための主要制御目的は、以下のようなものを含む:
・NOx除去−規制の遵守又は資産最適化のために目標される
・アンモニアスリップの制御、及び
・最小コスト稼動−SCR触媒の管理及びアンモニア使用。
まず、SCRサブシステム2170’のための長期稼動目標を確立するため、所望の稼動基準及び適切に調整された目的関数及び調整係数2902を基にして、MPCC2500は、適切な入力又は計算されたパラメータを基にして動的制御モデル2870により予測論理2850を実行する。MPCC2500は、次いで操作された変数及び制御された変数の両方に対する工程変数の現在状態からこれら工程変数のために確立されたそれぞれの長期稼動目標に達する最適過程、例えば最適軌跡及び経路に対する詳細計画を確立する。MPCC2500は、次いで確立された長期稼動目標及び最適過程詳細計画によりSCRサブシステム2170’の稼動を変更するように制御指示を出す。最終的に、制御発生器論理2860を実行するMPCC2500は、前記制御指示を基にしてSCRサブシステム2170’に制御信号を発して通信を行う。
NOxクレジットを最大化するため、MPCC2500は、調整定数がNOxクレジットを最大化するように設定された目的関数を有する動的制御モデル2870に従って予測論理2850を実行する。SCR工程の観点から、NOxクレジットを最大化することは、NOxの回収を最大化する必要があることが分かる。
・アンモニア流れの設定点などを増加させることによるNOx除去率、
これは以下に対する制約の支配を受ける:
・最大アンモニアスリップ。
MPCC(2500)における目的関数は、収益性を最大化したり損失を最小化するように設定されることができる。このような稼動シナリオは、資産最適化シナリオと呼ばれることもある。また、このシナリオは、電力、NOxクレジット、アンモニア、及び下流機器に対するアンモニアスリップの効果に対する正確な最新のコスト/価値情報を必要とする。
・最小NOx除去率(排出許容値/目標値遵守ため)、
・最小アンモニアスリップ、
・最小アンモニア使用。
一方、NOxクレジットの現時点価格が増加し、付加的NOxクレジットのための市場が存在し、電力のコスト/価値が比較的一定な場合には、MPCC2500の目的関数は、稼動制約に支配されるNOx除去率を増加させることにより、そのような変化に対応するようになる。
以上、本発明を1つ以上の好適な実施形態により説明したが、当業者は、これに限定されないことが理解できる。上記の発明の様々な特徴及び側面は、個別に又は組合わせられて用いることができる。また、本発明が特定環境において、そして特定目的のための実装形態、例えば選択的接触還元(SCR)の簡単な概要とともに湿式排煙脱硫(WFGD)について説明したが、当業者はその有用性がこれに限定されず、本発明は任意の環境及び実装形態で有益に活用できることが理解できる。従って、請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属するものである。
Claims (24)
- 工程を行うシステムの稼動を指示するための多段階制御機であって、前記工程は、複数の工程パラメータ(MPP)を有するが、前記MPPの少なくとも1つが制御可能な工程パラメータ(CTPP)であり、前記MPPの1つが目標とする工程パラメータ(TPP)であり、前記工程は、定義された時間長さTPLAAV2における前記TPPの実際平均値(AAV)に対する第1の限界を示す定義された目標値(DTV)を有するが、前記AAVは、定義された期間における前記TPPの実際数値(AV)を基にして計算されるものであり、
少なくとも長さがTPLAAV2であり、現在時点T0から未来時点TAAV2まで延長される第1未来時間(FFTP)において前記TPPの未来平均値(FAV)を予測する論理を備え、このとき、前記TAAV2又はその前に前記TPPが定常状態に移動し、FAVは、(i)長さがTPLAAV2以上であり、過去時点T−AAV2から現在時点T0まで延長される第1過去時間(FPTP)における様々な時点での前記TPPの前記AAV、(ii)前記MPPの現在値、及び(iii)DTVを基にして予測される第1論理制御器;及び
(a)第2未来時間(SFTP)の間の前記TPPの前記AAVに対する第2の限界を示す追加的目標値(FTV)を確立する論理を有し、このとき、前記SFTPは、前記TPLAAV2の長さより短く、前記現在時点T0から未来時点TAAV1まで延長されるTPLAAV1と等しい長さを有し、前記FTVは、前記FFTPにおいて予測された前記TPPの前記FAVのうちの1つ以上を基にして確立される論理;(b)(i)前記TPLAAV1の長さを有して過去時点前記T−AAV1から現在時点T0まで延長される第2過去時間(SPTP)における様々な時点での前記TPPの前記AAV、(ii)前記MPPの現在値、及び(iii)前記FTVを基にする論理、及び(c)前記CTPPのために決められた目標設定点に従ってCTPP各々の制御を指示する論理を有する第2論理制御器、
を備える多段階制御機。 - CTPP各々のための前記目標設定点が(a)(i)前記SPTPにおける様々な時点での前記TPPの前記AAV、及び(ii)前記MPPの現在値に基づいて前記SFTPにおける前記TPPのFAVを予測し;
(b)もまた(i)前記MPPの現在値、及び(ii)CTPP各々のための前記目標設定点に従って、前記SFTPにおける様々な時点で前記TPPの前記FAVを予測することにより決められる、請求項1に記載の多段階制御機。 - 前記FPTPにおける前記TPPの前記AAVを示す履歴データを保存するように設定された記憶媒体をさらに有する、請求項1に記載の多段階制御機。
- 前記FTVは、SFTP全体に対して確立される、請求項1に記載の多段階制御機。
- 第2論理制御器は、それぞれ異なる開始時点を有し、それぞれ前記現在時点T0の後に終了時点を有する複数の移動時間(MTP)の各々に対してTPPのAAVがDTVに従うようにCTPP各々のための目標設定点を決めるようにさらに設定される、請求項1に記載の多段階制御機。
- 前記多段階制御機は、前記現在時点T0又はその前に、前記現在時点T0又はその後に発生するイベントを入力するように設定された入力装置をさらに有し、
前記第1論理制御器は、前記入力されたイベントに基づいて前記FFTPにおける前記TPPの前記FAVを予測する追加的論理を有し、
前記第2論理制御器は、前記入力されたイベントに基づいてCTPP各々のための前記目標設定点を決める前記追加的論理を有する、請求項1に記載の多段階制御機。 - 前記入力されたイベントは、MPPのうちの1つ以上の変化、又は前記工程を行う前記システムの稼動に関わる少なくとも1つの前記非工程パラメータ(NPP)の変化を示す、請求項6に記載の多段階制御機。
- 前記MPPのうちの1つ以上は、前記システムに対する負荷を含み、
前記少なくとも1つのNPPは、電力のコスト、規制クレジットの価値、及び前記工程の副産物の価値中のうちの1つ以上を含む、請求項7に記載の多段階制御機。 - 前記システムは、SO2含有湿潤排煙を受容し、石灰石スラリーを適用して前記受容されたSO2含有湿潤排煙からSO2を除去し、脱硫された排煙を排出する湿潤排煙脱硫(WFGD)システムであって、
前記少なくとも1つのCTPPは、前記適用された石灰石スラリーのpHレベルに相応するパラメータ、及び前記適用された石灰石スラリーの分布に相応するパラメータのうちの1つ以上を有し、
前記TPPは、排出された脱硫排煙中のSO2の量に相応するパラメータである、請求項1に記載の多段階制御機。 - 前記システムは、NOx含有排煙を受容し、アンモニアを適用して前記受容されたNOx含有排煙からNOxを除去することによりNOxの排出を制御し、NOx排煙の排出を減少させる選択的接触還元(SCR)システムであって、
前記少なくとも1つのCTPPは、前記適用されたアンモニアの量に相応するパラメータを有し、
前記TPPは、前記排出された排煙中のNOxの量である、請求項1に記載の多段階制御機。 - 前記多段階制御機は、神経回路網工程モデル及び非神経回路網工程モデルのうちの1つをさらに備え、
前記1つのモデルは、前記TPPと前記1つ以上のCTPP間の関係を示し、
前記第1論理制御器は、前記1つのモデルに従ってFAVを予測し、
前記第2論理制御器は、前記1つのモデルに従ってCTPP各々のための前記目標設定点を決める、請求項1に記載の多段階制御機。 - 前記1つのモデルは、第1原理モデル、ハイブリッドモデル、及び回帰モデルのうちの1つを含む、請求項11に記載の多段階制御機。
- 工程を行うシステムの稼動を指示する制御機であって、前記工程は、1つ以上の制御可能な工程パラメータ(CTPP)及び少なくとも1つの目標設定工程パラメータ(TPP)を含む複数の工程パラメータを有し、前記時間(TP)における前記TPPの実際平均値(AAV)に対する第1の限界を示す定義された目標値(DTV)を有し、
神経回路網工程モデル及び非神経回路網工程モデルのうちの1つであって、前記TPPと前記少なくとも1つのCTPP間の関係を示すモデル;
現在時点T0から未来時点TF1まで延長され(ここで、前記TF1以前に前記TPPが定常状態条件に移動する)少なくともTPの長さを有する第1時間(FTP)におけるTPPの未来平均値(FAV)に相応する経路を、(i)少なくともTPの長さを有して過去時点T−F1から前記現在時点T0まで延長される第1過去時間における様々な時点での前記TPPの前記AAV、(ii)前記現在のMPP、(iii)前記DTV、及び(iv)前記1つのモデルに従って予測する第1の論理;及び
前記FTV及び前記1つのモデルに基づいてCTPP各々のための目標設定点を決め、前記CTPP各々のための目標設定点に従ってシステム稼動の制御を指示するため、前記予測された経路に基づき、現在時点T0から未来時点TF2まで延長され、FTP未満の長さを有する第2時間(STP)の間の前記TPPの前記AAVに対する第2の限界を示す追加的目標値(FTV)を確立する第2の論理、
を備える制御機。 - 工程の実施を指示する方法であって、前記工程は、複数の工程パラメータ(MPP)を有し、前記MPPの少なくとも1つは制御可能な工程パラメータ(CTPP)であり、MPPの1つは目標設定工程パラメータ(TPP)であり、前記工程はまた定義された時間の長さTPLAAV2における前記TPPの実際平均値(AAV)に対する第1の限界を示す定義された目標値(DTV)を有するが、前記AAVは前記定義された期間における前記TPPの実際数値(AV)を基にして計算されたものであり、
少なくとも長さがTPLAAV2であり、現在時点T0から未来時点TAAV2まで延長される第1未来時間(FFTP)において前記TPPの未来平均値(FAV)を予測する段階として、ここで、前記TAAV2又はその前に前記TPPが定常状態に移動し、前記FAVは、(i)長さが少なくともTPLAAV2であり、過去時点T−AAV2から前記現在時点T0まで延長される第1過去時間(FPTP)における様々な時点での前記TPPの前記AAV、(ii)前記MPPの現在値、及び(iii)前記DTVを基にして予測される段階;
前記第2未来時間(SFTP)の終了時に前記TPPの前記AAVに対する第2の限界を示す追加的目標値(FTV)を確立する段階として、前記SFTPは、前記TPLAAV2の長さより短く、前記現在時点T0から未来時点TAAV1まで延長されるTPLAAV1と等しい長さを有するものであり、前記FTVは、前記FFTPにおいて前記予測されたTPPの前記FAVのうちの1つ以上を基にして確立される段階;
(i)前記TPLAAV1の長さを有して過去時点T−AAV1から前記現在時点T0まで延長される第2過去時間(SPTP)における様々な時点での前記TPPの前記AAV、(ii)前記MPPの現在値、及び(iii)前記FTVを基にして各々のCTTPのための目標設定点を決める段階;及び
前記CTTPのために決められた目標設定点に従ってCTPP各々の制御を指示する段階、
を備える方法。 - CTPP各々のための目標設定点が、(a)(i)前記SPTPにおける様々な時点での前記TPPの前記AAV、及び(ii)前記MPPの現在値に基づき、SFTPにおけるTPPのFAVを予測し;(b)(i)前記MPPの現在値、及び(ii)CTPP各々のための前記目標設定点に従って前記SFTPにおける様々な時点でTPPのFAVをまた予測することにより決まる、請求項14に記載の方法。
- 前記FPTPにおける前記TPPの前記AAVを示す履歴データを保存する段階をさらに備える、請求項14に記載の方法。
- CTPP各々のための目標設定点は、それぞれ異なる開始時点を有し、前記現在時点T0の各々の後に終了時点を有する複数の移動時間(MTP)の各々において前記TPPの前記AAVが前記DTVに従うように決まる、請求項14に記載の方法。
- 前記現在時点T0又はその前に、前記現在時点T0又はその後に発生するイベントに相応する入力値を受容する段階をさらに備える方法であって、
前記入力されたイベントに基づき、FFTPにおけるTPPのFAVが予測され、
前記入力されたイベントに基づき、CTPP各々のための目標設定点が決まる、請求項15に記載の方法。 - 前記入力値は、前記MPPのうちの少なくとも1つ又は前記工程の実施に関わる少なくとも1つの非工程パラメータ(NPP)の変化を示す、請求項18に記載の方法。
- 前記工程は、SO2含有湿潤排煙を受容し、石灰石スラリーを適用して前記受容されたSO2含有湿潤排煙からSO2を除去し、脱硫された排煙を排出する湿式排煙脱硫(WFGD)工程であって、
前記少なくとも1つのCTPPは、前記適用された石灰石スラリーのpHレベルに相応するパラメータ、及び適用された石灰石スラリーの量に相応するパラメータのうちの1つ以上を含み、
前記TPPは、排出された脱硫排煙中のSO2の量に相応するパラメータである、請求項14に記載の方法。 - 前記工程は、アンモニアを適用してNOx含有排煙からNOxを除去することによりNOxの排出を制御し、NOx排煙の排出を減少させる選択的接触還元(SCR)工程であって、
前記少なくとも1つのCTPPは、前記適用されたアンモニアの量に相応するパラメータを有し、
前記TPPは、前記排出された排煙中のNOxの量である、請求項14に記載の方法。 - 神経回路網工程モデル及び非神経回路網工程モデルのうちの1つに従ってFAVが予測され、CTPP各々のための目標設定点が決まり、
前記1つのモデルは、前記TPPと前記少なくとも1つのCTPPとの間の関係を示す、請求項14に記載の方法。 - 前記1つのモデルは、第1原理モデル、ハイブリッドモデル、及び回帰モデルのうちの1つを含む、請求項22に記載の方法。
- 工程の実施の制御を指示する方法であって、前記工程は、少なくとも1つの制御可能な工程パラメータ(CTPP)及び少なくとも1つの目標設定工程パラメータ(TPP)を含む複数の工程パラメータ(MPP)を有し、時間(TP)における前記TPPの実際平均値(AAV)に対する第1の限界を示す定義された目標値(DTV)を有し、
現在時点T0から未来時点TF1まで延長され(ここで、前記TF1以前にTPPが定常状態条件に移動する)少なくともTPの長さを有する第1時間(FTP)における前記TPPの未来平均値(FAV)に相応する経路を、(i)少なくともTPの長さを有して過去時点T−F1から前記現在時点T0まで延長される第1過去時間における様々な時点での前記TPPの前記AAV、(ii)前記現在のMPP、(iii)前記DTV、及び(iv)神経回路網工程モデル及び非神経回路網工程モデルのうちの1つであって、前記TPPと少なくとも1つのCTPPとの間の関係を示すモデルに従って予測する段階;
前記予測された経路に基づき、現在時点T0から未来時点TF2まで延長され、前記FTP未満の長さを有する第2時間(STP)の間の前記TPPの前記AAVに対する第2の限界を示す追加的目標値(FTV)を確立する段階;
前記確立されたFTV及び前記1つのモデルに基づき、CTPP各々のための目標設定点を決める段階;及び
前記CTPP各々のための目標設定点に従って前記工程の実施の制御を指示する段階、
を備える方法。
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