JP2009228918A - ボイラの制御装置、及びボイラの制御方法 - Google Patents

ボイラの制御装置、及びボイラの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、ボイラから排出される排ガス中の窒素酸化物の濃度を所望の値に低減し、脱硝装置に注入する余剰のアンモニアが下流側に流出することを抑制するボイラの制御装置を提供する。
【解決手段】燃料と空気を供給するバーナと、ボイラ内に供給された燃料と空気とが燃焼した燃焼ガスの流れ方向下流側に空気を供給するエアポートを備えたボイラと、ボイラから排出された燃焼ガスに含まれる窒素酸化物を除去する脱硝装置が設置された装置のバーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を制御するボイラの制御装置において、前記ボイラの制御装置には前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して該領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、この領域毎の窒素酸化物濃度が前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足するように前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を決定する空気量決定手段を備えて構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、火力発電プラント等に設置され、石炭等の燃料を燃焼してこのプラントの作動蒸気を発生するボイラの制御装置、及びボイラの制御方法に関する。
一般に、火力発電プラント等に設置され、石炭等の燃料を燃焼してこのプラントの作動蒸気を発生するボイラから排出される排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する技術として、ボイラの下流側に脱硝装置を設置して排ガスダクト内にアンモニア（ＮＨ３）を注入し、アンモニアの存在下で触媒を用いて窒素酸化物を還元する方式が採用されている。
この脱硝装置の脱硝触媒層で起こる脱硝反応は、選択的接触還元反応であり、その反応は次の化学式による。
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ ・・・（１）
（１）式に示すように、選択的接触還元反応では排ガス中の窒素酸化物とアンモニアが１対１のモル比で反応する。窒素酸化物と比較してアンモニア注入量が相対的に少ない場合は、窒素酸化物を還元できず、煙突から排出される窒素酸化物が多くなる。
逆に、窒素酸化物と比較してアンモニア注入量が相対的に多い場合は、脱硝装置の後流側に設置されているエアヒータにアンモニアが流入し、これが原因でエアヒータの目詰まりが起こる。
これらの不具合の現象を回避するには、窒素酸化物濃度の分布に合わせ、アンモニアを過不足なく注入する必要がある。
特開平９−７５６７３号公報には、アンモニアを過不足無く注入するため、アンモニア注入ノズルと脱硝触媒層との間に、複数個に分割したガス混合器を設けるとともに、その複数個のガス混合器の各々に対応させてアンモニア注入ノズルを分割して配置し、かつノズル毎にアンモニア注入量を可変とした脱硝装置に関する技術が記載されている。
窒素酸化物とアンモニアは１対１のモル比で反応するので、脱硝装置入口の窒素酸化物濃度を低減するとアンモニア消費量を低減でき、プラントの運転費用を低減できる。
特開平５−３３９０６号公報には、ボイラ出口排ガス中の酸素濃度の設定値と、計測した酸素濃度の値が一致するようにバーナ、及びエアポートから供給する空気流量を決定する技術が記載されている。また、酸素濃度の設定値を適切に与えることで、ボイラ排ガス中の未燃分、及び窒素酸化物の濃度が規制値を超えない範囲内において、運転費用を低減できる技術が記載されている。
特開平９−７５６７３号公報 特開平５−３３９０６号公報
脱硝装置の入口における窒素酸化物濃度分布は、バーナ、及びエアポートから供給する空気量の配分で変わる。そのため、空気量の配分条件によっては、脱硝装置入口の窒素酸化物濃度の分布が偏り、局所的に窒素酸化物濃度が高くなる場合がある。
この領域の窒素酸化物を還元するのに必要なアンモニア量が、１本のアンモニア注入ノズルから供給できるアンモニア量の上限を超えてしまう場合、その領域の窒素酸化物を還元できずに窒素酸化物濃度が所望の濃度に低下しない可能性がある。
また、供給したアンモニアが窒素酸化物濃度の高い空間で全て反応できず、残ったアンモニアが脱硝装置の下流側に流出する。脱硝装置の下流にアンモニアが流出すると、エアヒータ目詰まりの原因となるばかりか、周囲環境に対しても好ましくない状況にする。
本発明の目的は、ボイラから排出される排ガス中の窒素酸化物の濃度を所望の値に低減すると共に、脱硝装置に注入する余剰のアンモニアが脱硝装置の下流側に流出することを抑制するボイラの制御装置、及びボイラの制御方法を提供することにある。
本発明のボイラの制御装置は、燃料と空気をボイラ内に供給するバーナと、前記バーナからボイラ内に供給された燃料と空気とが燃焼して生成した燃焼ガスの流れ方向下流側に空気を供給するエアポートとを備えたボイラと、前記ボイラから排出された燃焼ガスに含まれる窒素酸化物を除去する脱硝装置とが設置された装置の前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を制御するボイラの制御装置において、前記ボイラの制御装置には、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して該領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、この領域毎の窒素酸化物濃度が前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足するように、前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を決定する空気量決定手段が備えられていることを特徴とする。
また本発明のボイラの制御装置は、燃料と空気をボイラ内に供給するバーナと、前記バーナからボイラ内に供給された燃料と空気とが燃焼して生成した燃焼ガスの流れ方向下流側に空気を供給するエアポートとを備えたボイラと、前記ボイラから排出された燃焼ガスに含まれる窒素酸化物をアンモニアの存在下で触媒を用いて除去する脱硝装置とが設置されており、前記脱硝装置の上流側で該脱硝装置に流入する燃焼ガスにアンモニアを供給するアンモニア注入ノズルが配設された装置の前記アンモニア注入ノズルから注入するアンモニア量を制御するボイラの制御装置において、前記ボイラの制御装置には、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して該領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、この領域毎の窒素酸化物濃度が前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足するように、前記脱硝装置の入口の窒素酸化物濃度分布を予測するモデルの予測値に基づいて前記アンモニア注入ノズルから供給するアンモニア量を決定するアンモニア量決定手段が備えられていることを特徴とする。
また本発明のボイラの制御装置は、燃料と空気をボイラ内に供給するバーナと、前記バーナからボイラ内に供給された燃料と空気とが燃焼して生成した燃焼ガスの流れ方向下流側に空気を供給するエアポートとを備えたボイラと、前記ボイラから排出された燃焼ガスに含まれる窒素酸化物をアンモニアの存在下で触媒を用いて除去する脱硝装置とが設置されており、前記脱硝装置の上流側で該脱硝装置に流入する燃焼ガスにアンモニアを供給するアンモニア注入ノズルが配設された装置の前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量及び前記アンモニア注入ノズルから注入するアンモニア量を制御するプラントの制御装置において、前記ボイラの制御装置には、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して該領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、この領域毎の窒素酸化物濃度が前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足し、かつ前記脱硝装置入口の窒素酸化物濃度が低くなるように、前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を決定する空気量決定手段と、前記脱硝装置の入口の窒素酸化物濃度分布を予測するモデルの予測値に基づいて前記アンモニア注入ノズルから供給するアンモニア量を決定するアンモニア量決定手段とが備えられていることを特徴とする。
本発明のボイラの制御方法は、バーナから燃料と空気をボイラ内に供給し、このバーナからボイラ内に供給された燃料と空気を燃焼して生成した燃焼ガスの流れ方向下流側となるボイラのエアポートから空気を供給するボイラと、前記ボイラから排出された燃焼ガスに含まれる窒素酸化物を除去する脱硝装置とを備えた装置の前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を制御するボイラの制御方法において、前記ボイラの制御方法は、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して分割した前記領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、前記領域毎の窒素酸化物濃度が前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足するように、バーナもしくはエアポートから供給する空気量を決定して前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を制御することを特徴とする。
また本発明のボイラの制御方法は、バーナから燃料と空気をボイラ内に供給し、このバーナから供給された燃料と空気を燃焼して生成した燃焼ガスの流れ方向下流側となるボイラのエアポートから空気を供給するボイラと、前記ボイラから排出された燃焼ガスにアンモニアを注入して前記燃焼ガスに含まれる窒素酸化物をアンモニアの存在下で触媒を用いて除去する脱硝装置とを備えた装置の前記燃焼ガス中に供給するアンモニア量を制御するようにしたボイラの制御方法において、前記ボイラの制御方法は、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して分割した前記領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、前記領域毎の窒素酸化物濃度が前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足するように、前記脱硝装置の入口の窒素酸化物濃度分布を予測するモデルによる予測値に基づいて供給するアンモニア量を決定して前記燃焼ガス中に供給するアンモニア量を制御することを特徴とする。
また本発明のボイラの制御方法は、バーナから燃料と空気をボイラ内に供給し、このバーナからボイラ内に供給された燃料と空気を燃焼して生成した燃焼ガスの流れ方向下流側となるボイラのエアポートから空気を供給するボイラと、前記ボイラから排出された燃焼ガスにアンモニアを注入して前記燃焼ガスに含まれる窒素酸化物をアンモニアの存在下で触媒を用いて除去する脱硝装置とを備えた装置の前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を制御すると共に、前記燃焼ガス中に供給するアンモニアの供給量を制御するようにしたボイラの制御方法において、前記ボイラの制御方法は、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して分割した前記領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、前期脱硝装置入口の窒素酸化物濃度が、前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足するように、バーナもしくはエアポートから供給する空気量を決定して前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を制御すると共に、更に前記脱硝装置の入口の窒素酸化物濃度分布を予測するモデルによる予測値に基づいて供給するアンモニア量を決定して前記燃焼ガス中に供給するアンモニア量を制御することを特徴とする。
本発明によれば、ボイラから排出される排ガス中の窒素酸化物の濃度を所望の値に低減すると共に、脱硝装置に注入する余剰のアンモニアが脱硝装置の下流側に流出することを抑制するボイラの制御装置、及びボイラの制御方法が実現できる。
本発明の実施例であるボイラの制御装置及びボイラの制御方法について図面を用いて以下に説明する。
本発明の一実施例であるボイラの制御装置及びボイラの制御方法について図１を参照して次に説明する。
図１は本発明の一実施例であるボイラの制御装置の構成を示す概略図である。
図１において、ボイラ１には、燃料となる微粉炭と空気を供給するバーナ２と、空気が供給されるアフタエアポート３が設置されている。
バーナ２から供給された燃料の微粉炭はボイラ１内で燃焼して高温の燃焼ガスが発生する。尚、微粉炭は微粉炭用配管４を通じてバーナ２に供給され、空気は空気用配管５を通じてバーナ２とアフタエアポート３に供給されている。
ボイラ１に配設された熱交換器１６には給水ポンプ１５を備えた給水用配管１４を通じて給水が供給されており、この熱交換器１６において供給された給水はボイラ１を流下する高温の燃焼ガスによって加熱されて高温、高圧の蒸気となる。
この高温高圧の蒸気を熱交換器１６から蒸気タービン１７に供給してこの蒸気タービン１７を駆動し、該蒸気タービン１７によって発電機１８を回転させて電気を発電する。
ボイラ１では微粉炭を燃焼させて発生した燃焼ガスは、前記したように熱交換器１６にて熱交換した後に、ボイラ１の下流側に配設された排ガスダクト１９に入り、この排ガスダクト１９の下流側に設置された脱硝装置４０に流入する。
脱硝装置４０の入口側の排ガスダクト１９には、複数のアンモニア注入ノズル１０、１１が配設さられている。
これらのアンモニア注入ノズル１０、１１の上流側には、それぞれ混合器８、９が接続されている。
混合器８には空気用配管１３とアンモニア用配管１２とが配設されており、この空気用配管１３から供給される加圧空気と、アンモニア用配管１２とアンモニア流量調節弁６を通過して供給されるアンモニアとを前記混合器８で混合する。
この混合器８で加圧空気を混合したアンモニアはアンモニア注入ノズル１１に供給され、アンモニア注入ノズル１１から排ガスダクト１９内に噴出して下流の脱硝装置４０に流入する。
同様に混合器９には空気用配管１３とアンモニア用配管１２とが配設されており、この空気用配管１３から供給される加圧空気と、アンモニア用配管１２とアンモニア流量調節弁７を通過して供給されるアンモニアとを前記混合器９で混合する。
この混合器９で加圧空気を混合したアンモニアはアンモニア注入ノズル１０に供給され、アンモニア注入ノズル１０から排ガスダクト１９内に噴出して下流の脱硝装置４０に流入する。
アンモニア用配管１２に設置した複数のアンモニア流量調節弁６、７は、制御装置１００から出力する操作信号３１０によって個別に弁開度が制御され、複数の混合器８、９に供給するアンモニアの量を個別に調整できるように構成されている。
尚、図１の実施例には図示していないが、バーナ２、及びアフタエアポート３は、一般的にはボイラ１に複数本配置されている。
ボイラ１に設置したバーナ２、及びアフタエアポート３に供給する空気を供給する空気用配管５には、空気量を調節できるように図示していない空気流量調節弁が設置されており、この空気流量調節弁の開度も制御装置１００から出力する操作信号３１０によって個別に弁開度が制御されるように構成されている。
また、本実施例では排ガスダクト１９内のアンモニア注入ノズル１０、１１、排ガスダクト１９外の混合器８、９、及びアンモニア流量調節弁６、７をそれぞれ２箇所に配置しているが、配置する数、及び配置する位置は任意に変更してよい。
また、排ガスダクト１９内に混合器８、９を設置することや、燃焼ガスの流路を分割するような仕切り板を排ガスダクト１９内に配置することも可能である。
ボイラ１には、ボイラの運転状態を把握するため、ボイラ１の状態量を計測する種々の計測器が配置されている。例えば、ボイラ１に供給される燃料流量、及び空気流量は、微粉炭用配管４に設置した流量計測器２０、及び空気用配管５に設置した２１によってそれぞれ計測する。
また、脱硝装置４０の入口、及び出口の窒素酸化物濃度は、脱硝装置４０入口側の排ガスダクト１９内に設置した濃度計測器３０、３１、及び脱硝装置４０出口側の排ガスダクト１９内に設置した濃度計測器３２、３３によってそれぞれ計測する。
これらの計測器で計測した各計測値２１０は、制御装置１００の外部インターフェイス２００に送信される。尚、図１には記載していないが、前述した計測器以外にも種々の計測器がボイラ１には設置されている。例えば、蒸気温度、燃焼ガス流量、アンモニア流量なども計測しており、これらの値も全て制御装置１００に送信される。
制御装置１００は、演算装置として補正指令パラメータ決定手段５００、アンモニア基準値計算手段６００、アンモニア補正指令値計算手段７００、アンモニア流量調節弁開度計算手段９００、空気量基準値計算手段１１００、空気量補正指令値計算手段１２００、空気量調節弁開度計算手段１３００をそれぞれ設置している。
前記補正指令パラメータ決定手段５００は、空気量決定手段５５０、及びアンモニア量決定手段５６０によって構成される。
また制御装置１００は、データベースとして計測値データベース４００、補正指令値計算用パラメータデータベース８００をそれぞれ設置している。
さらに制御装置１００は、外部とのインターフェイスとして外部入力インターフェイス２００、及び外部出力インターフェイス３００を備えている。
そして外部入力インターフェイス２００を介してこれらの計測器で計測した各計測値２１０を制御装置１の内部に取り込む。
外部入力インターフェイス２００に取り込んだ計測値２１０は、該外部入力インターフェイス２００から計測値１０１として計測値データベース４００に送信されて時刻と共に保存され、またアンモニア基準値計算手段６００、アンモニア補正指令値計算手段６００、アンモニア流量調節弁開度計算手段９００、空気量基準値計算手段１１００、空気量補正指令値計算手段１２００、空気量調節弁開度計算手段１３００に前記計測値１０１を送信するように構成されている。
空気量基準値計算手段１１００では、計測値１０１を用いて空気量基準値１２１を計算し、空気量補正指令値計算手段１２００では、計測値１０１と補正指令パラメータ１２０を用いて空気量補正指令値１２２を計算する。
制御装置１００に設けた加算器１２５では、空気量基準値１２１と空気量補正指令値１２２を加算して、空気量要求値１２３を計算する。
空気量調節弁開度計算手段１３００では、計測値１０１と空気量要求値１２３を用いて、空気量調節弁開度指令値１２４を計算する。
空気量調節弁開度指令値１２４は、外部出力インターフェイス３１０を介して制御装置１００からボイラ１に送信され、バーナ２及びアフタエアポート３の空気量を調節する図示していない弁の開度を操作する。
尚、空気量基準値計算手段１１００、空気量補正指令値計算手段１２００では、バーナ２から供給する総空気量や、ボイラ１の前面から供給する総空気量など、複数のバーナ２、及びアフタエアポート３を１つのグループとし、そのグループ毎の空気量を計算するようにしてもよい。
アンモニア基準値計算手段６００は、計測値１０１を用いて、アンモニア基準値１０７を計算する。
アンモニア補正指令値計算手段７００は、計測値１０１と補正指令値計算用パラメータデータベース８００に保存されているアンモニア補正指令パラメータ１０５を用いて、アンモニア補正指令値１０６を計算する。
制御装置１００に設けた加算器１０８では、アンモニア基準値１０７とアンモニア補正指令値１０６を加算し、アンモニア要求値１０９を計算する。
アンモニア流量調節弁開度計算手段９００では、アンモニア要求値１０９と、計測値１０１に含まれるアンモニア計測値が一致するように、アンモニア流量調節弁６、７のアンモニア流量調節弁開度指令値１１０を計算する。
アンモニア流量調節弁開度指令値１１０は、外部出力インターフェイス３００を介して、制御装置１００からアンモニア流量調節弁６、７に送信される。
補正指令値計算用パラメータデータベース８００に保存する補正指令パラメータ１０３は、補正指令パラメータ決定手段５００で計算、更新する。
補正指令パラメータ決定手段５００では、計測値データベース４００からの計測値１０２と補正指令値計算用パラメータデータベース８００からの補正指令パラメータ１０４を用いて、補正指令パラメータ１０３を計算する。
尚、図１では全ての演算装置、データベースがアンモニア流量調節弁の制御装置１００の内部に配置してあるが、これらの一部を外部に配置し、ネットワークを介して信号を送受信するようにしてもよい。
図２は、本実施例であるボイラの制御装置における動作フローチャート図である。
図２に示すように、本実施例の制御装置１００における動作フローチャートはステップ１０００、ステップ１０１０、ステップ１０２０、ステップ１０３０、ステップ１０４０、ステップ１０５０、ステップ１０６０、ステップ１０７０を組み合わせて実行する。
まずステップ１０００では、ボイラ１の運転状態を計測器で計測した計測値２１０を制御装置１００の外部インターフェイス２００に取り込む。
ステップ１０１０では、制御装置１００のアンモニア基準値計算手段６００と空気量基準値計算手段１１００を動作させ、外部インターフェイス２００から計測値１０１をアンモニア基準値計算手段６００と空気量基準値計算手段１１００に伝送してアンモニア基準値１０７と空気量基準値１２１をそれぞれ計算する。
ステップ１０２０では、補正制御を実施するかどうかを判定する。判定の方法は任意に設計できる。例えば、ボイラ１が負荷変化運転を実施している時、バーナパターンを切替ている時、燃料となる石炭の種類を変更している時、スートブロワを動作させている時、脱硝装置入口の窒素酸化物濃度が目標値よりも高い時などに、補正制御を実施するようにできる。
補正制御を実施する場合、ステップ１０３０に進み、補正制御を実施しない場合はステップ１０７０に進む。
ステップ１０３０では、補正指令パラメータを更新するかどうかを判定し、更新する場合はステップ１０４０に進んでパラメータを更新し、更新しない場合はステップ１０５０に進む。
ステップ１０５０では、アンモニア補正指令値計算手段７００、及び／或いは空気量補正指令値計算手段１２００を動作させ、アンモニア補正指令値計算手段７００にて計測値１０１と補正指令値計算用パラメータデータベース８００に保存されているアンモニア補正指令パラメータ１０５を用いてアンモニア補正指令値１０６を計算する。
また、空気量補正指令値計算手段１２００にて計測値１０１と補正指令値計算用パラメータデータベース８００に保存されている補正指令パラメータ１２０を用いて空気量補正指令値１２２を計算する。
ステップ１０６０では、加算器１０８にてアンモニア基準値計算手段６００で計算したアンモニア基準値１０７と、アンモニア補正指令値計算手段７００で計算したアンモニア補正指令値１０６とを加算してアンモニア要求値１０９を計算し、その後、アンモニア流量調節弁開度計算手段９００を動作させてアンモニア流量調節弁開度指令値１１０を計算する。
また、加算器１２５にて空気量基準値計算手段１１００で計算した空気量基準値１２１と、空気量補正指令値計算手段１２００で計算した空気量補正指令値１２２とを加算して空気量要求値１２３を計算し、その後、空気量流量調節弁開度計算手段１３００を動作させて空気流量調節弁開度指令値１２４を計算する。
ステップ１０７０では、ステップ１０６０のアンモニア流量調節弁開度計算手段９００で計算したアンモニア流量調節弁開度指令値１１０、及び／或いは空気量調節弁開度計算手段１３００で計算した空気量調節弁開度指令値１２４に従って、外部インターフェイス３００を介してボイラ１の排ガスダクト１９内に配設したアンモニア注入ノズル１０、１１に供給するアンモニアの流量を調節するアンモニア流量調節弁６、７、及び／或いはボイラ１に配設した空気用配管５を通じてバーナ２及びアフタエアポート３に空気を供給する空気量を調節する図示していない弁とをそれぞれ操作する。
その後、ステップ１０００に戻り、同様の動作を繰り返す。
図３（ａ）は本実施例の制御装置１００に設けたアンモニア基準値計算手段６００における制御ロジック図の一実施例であり、図３（ｂ）は制御装置１００に設けたアンモニア流量調節弁開度計算手段９００の制御ロジック図の一実施例である。
また、図３（ｃ）は制御装置１００に設けた空気量基準値計算手段１１００の制御ロジック図の一実施例であり、図３（ｄ）は制御装置１００に設けた空気量調節弁開度計算手段１３００の制御ロジック図の一実施例である。
尚、図３（ｃ）は、ボイラ１のバーナ２から供給する総空気量の基準値を計算する制御ロジック図である。
図３（ａ）に示した本実施例の制御装置１００に設けたアンモニア基準値計算手段６００の制御ロジックを構成する乗算器６１０では、ボイラ１の状態量を計測した計測値１０１の１つである燃焼ガス流量６０１と脱硝装置４０の入口ＮＯｘ濃度６０２とを掛け合わせ、ＮＯｘ量６０３を計算する。
更にアンモニア基準値計算手段６００の制御ロジックを構成する乗算器６２０では、このＮＯｘ量６０３とモル比設定値６０４を掛け合わせ、アンモニア基準値計算手段６００の出力となるアンモニア基準値１０７を計算する。これにより、脱硝装置４０の入口ＮＯｘを還元するのに必要なアンモニア量の基準値が計算される。
図３（ｂ）に示した本実施例の制御装置１００に設けたアンモニア流量調節弁開度計算手段９００の制御ロジックを構成する加減算器９１０では、加算器１０８でアンモニア基準値１０７とアンモニア補正指令値１０６を加算して計算したアンモニア要求値１０９からボイラ１の状態量を計測した計測値１０１の１つであるアンモニア計測値９０１を減算し、アンモニア偏差９０２を計算する。
更にアンモニア流量調節弁開度計算手段９００の制御ロジックを構成するＰＩ制御器（比例積分制御器）９２０では、このアンモニア偏差９０２を用いて、アンモニア流量調節弁開度計算手段９００の出力となるアンモニア流量調節弁開度指令値１１０を計算する。
前記ＰＩ制御器９２０は、アンモニア偏差９０２がゼロに近づくように、アンモニア流量調節弁開度指令値１１０を決定するように動作する。
図３（ｃ）に示した本実施例の制御装置１００に設けた空気量基準値計算手段１１００の制御ロジックを構成する加減算器１１１０では、酸素濃度設定値１１０２からボイラ１の状態量を計測した計測値１０１の１つである酸素濃度計測値１１０３を減算し、酸素濃度偏差１１０４を計算する。
空気量基準値計算手段１１００の制御ロジックを構成するＰＩ制御器１１２０では、この酸素濃度偏差１１０４を用い、酸素濃度補正値１１０５を計算する。
空気量基準値計算手段１１００の制御ロジックを構成する加算器１１４０では、ボイラ１に対する要求出力に基づいて計算された空気総量設定値１１０１と前記酸素濃度補正値１１０５を加算して、ボイラ１に投入する空気の総量である空気総量指令値１１０６を計算する。
これにより、ボイラ１の出口の酸素濃度が、酸素濃度設定値と一致するのに必要な空気流量を算出する。
更に空気量基準値計算手段１１００の制御ロジックを構成するゲイン１１３０では、前記空気総量指令値１１０６に一定の値を乗じて（図１０（ａ）では０．８）、空気量基準値計算手段１１００の出力となるバーナ２から供給する空気量基準値１２１を計算する。
図３（ｄ）に示した本実施例の制御装置１００に設けた空気量調節弁開度計算手段１３００の制御ロジックを構成する加減算器１３１０では、加算器１２５で空気量基準値１２１と空気量補正指令値１２２を加算して計算した空気量要求値１２３からボイラ１の状態量を計測した計測値１０１の１つである空気量計測値１３０１を減算し、空気量偏差１３０２を計算する。
更に空気量調節弁開度計算手段１３００の制御ロジックを構成するＰＩ制御器１３２０は、この空気量偏差１３０２を用いて、空気量調節弁開度計算手段１３００の出力となる空気量調節弁開度指令値１２４を計算する。
前記ＰＩ制御器１３２０は、空気量偏差１３０２がゼロに近づくように、アンモニア流量調節弁開度指令値１２４を決定するように動作する。
次に、本実施例の制御装置１００に設けた空気量補正指令値計算手段１２００について説明する。空気量補正指令値計算手段１２００では、ボイラ１から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物、一酸化炭素などの有害物質を低減するため、空気量基準値計算手段１１００から出力される空気量基準値１２１を調整する空気量補正指令値１２２を計算する。
制御装置１００に設けた補正指令パラメータ決定手段５００では、空気量補正指令値１２２を計算するのに必要な補正指令パラメータ１２０を計算する。
制御装置１００に設けた補正指令パラメータ決定手段５００に備えられた空気量決定手段５５０では、強化学習などの最適化手法を用いて、ボイラ１に供給する空気量を決定する。決定した空気量がボイラ１に供給されるように、補正指令パラメータ決定手段５００で補正指令パラメータ１０３を導出し、補正指令値計算用パラメータデータベース８００を経由して補正指令パラメータ１２０を空気量補正指令値計算手段１２００に入力して該空気量補正指令値計算手段１２００にて空気量補正指令値１２２を計算する。
制御装置１００の補正指令パラメータ決定手段５００に設けた空気量決定手段５５０で使用する強化学習理論の詳細な説明は、例えば“強化学習（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ Ｌｅａｒｎｉｎｇ）、三上貞芳・皆川雅章共訳、森北出版株式会社、２０００年１２月２０日出版”に述べられているので、ここでは強化学習の概念のみを説明する。
図４に補正指令パラメータ決定手段５００に設けられた空気量決定手段５５０で学習する強化学習理論による制御の概念を示す。この強化学習理論による制御の概念では、学習手段５１０は制御対象５２０に対して操作指令５０１を出力し、制御対象５２０は制御指令５０１に従って動作する。この時、制御指令５０１による動作により制御対象５２０の状態が変化する。変化した状態が学習手段５１０にとって望ましいか、または、望ましくないか、また、それらがどの程度かを示す量である報酬５０２を制御対象５２０から受取る。
実際には制御対象５２０から受取る情報は制御対象５２０の状態量であって、それに基づいて学習手段５１０で報酬５０２を計算するのが一般的である。一般に、望ましい状態に近づくほど報酬５０２が大きくなり、望ましくない状態になるほど報酬５０２が小さくなるように設定される。
学習手段５１０は試行錯誤的に操作を実施して、報酬５０２が最大になる（すなわち、できるだけ望ましい状態に近づく）ような操作方法を学習することにより、制御対象５２０の状態に応じて適切な操作（制御）ロジックが自動的に構築される。
教師付学習理論は、予め成功事例を教師データとして提供する必要があり、新規プラントで運転データがない場合や、現象が複雑で予め成功事例を準備できない場合には不向きである。これに対して強化学習理論は教師なし学習に分類され、自らが試行錯誤的に望ましい操作を生成する能力を持っている点で、制御対象の特性が必ずしも明確でない場合に対しても適用可能な利点を持っている。
しかし、プラントの運転データのみで学習するためには、学習に必要な運転データが十分蓄積されるまで待つ必要があるため、効果を発揮するまでに長時間を要する。また、試行錯誤的に学習するため、運転上望ましくない状態になる可能性もあり、場合によっては安全面で支障をきたす恐れもある。
そこで、本実施例の制御装置１００においては、制御対象であるボイラ１を模擬する補正指令パラメータ決定手段５００の空気量決定手段５５０に備えたモデルを対象に、どのような操作信号を生成するのが良いかを予め学習する。
空気量決定手段５５０に備えたこのモデルは、ボイラ１の構造を模擬しており、その燃焼（反応）、ガス流動、伝熱のプロセスを差分法、有限体積法、有限要素法等の数値解析手法を用いて計算する。
数値解析の解析精度が高い方が望ましいが、本発明は解析手法に特徴があるのでは無く、解析手法を限定しないため数値解析方法に関する説明は省略するが、一般に計算対象であるボイラ１の形状を計算格子（メッシュ）に分割し、格子内の物理量を計算する。
前記空気量決定手段５５０に備えたモデルによる数値解析によって、ボイラ１の燃焼ガスの温度、燃焼ガス成分の濃度、燃焼ガスの流速と流れの方向等が計算結果として出力される。この数値解析によって様々な操作条件における現象を計算し、ボイラ１の窒素酸化物、一酸化炭素濃度の計測位置における両者の濃度を計算する。
計測位置の計算結果は、その断面の計算格子（メッシュ）ごとに計算される。ボイラ１の運転開始後は、制御装置１００に設置した計測値データベース４００に保存されている計測値１０２を用いて、モデル特性とプラント特性が一致するように、空気量決定手段５５０に備えた前記モデルを修正することもできる。
尚、本実施例の制御装置では、最適化手法として強化学習を適用する場合について述べたが、進化的計算手法など、別の最適化アルゴリズムを用いて制御装置２００の補正指令パラメータ決定手段５００を構築することもできる。
前述のように、強化学習では報酬を最大化する操作方法を学習する。従って、報酬の設計方針（報酬の計算方法）が学習結果に大きな影響を与える。例えば、ボイラ１の出口の窒素酸化物濃度が低いほど報酬が大きくなるように設計すれば、窒素酸化物濃度が低くなる操作条件を学習できる。
このように報酬を設計することで、窒素酸化物濃度を低減でき、窒素酸化物を還元するのに使用するアンモニア量が少なくなるため、ボイラ１の運転コストを低減できる。
本実施例のボイラの制御装置１００では、以下に述べる理由により、報酬の設計方法をさらに工夫している。
脱硝装置４０の入口における窒素酸化物濃度分布は、バーナ２、及びエアポート３からボイラ１に供給する空気量の配分で変わる。そのため、空気量の配分条件によっては、窒素酸化物濃度の分布が偏り、局所的に窒素酸化物濃度が高くなる場合がある。
この局所的に窒素酸化物濃度が高くなる領域の窒素酸化物を還元するのに必要なアンモニア量が、１本のアンモニア注入ノズルから供給できるアンモニア量の上限を超えてしまう場合、その領域の窒素酸化物を還元できずに規制値を逸脱するという問題が生じる。
また、供給したアンモニアが脱硝装置４０で全て反応できず、残ったアンモニアが脱硝装置４０の下流側に設置したエアヒータに流入する可能性もある。
これらの現象を回避するには、脱硝装置４０の入口の窒素酸化物濃度分布が偏らないように、ボイラ１のバーナ２、及びアフタエアポート３から供給する空気の配分を調整する必要がある。
そこで、本実施例のボイラの制御装置では、窒素酸化物の総量だけでなく、窒素酸化物濃度の分布も考慮して報酬を設計する。
図５は、本実施例における脱硝装置４０の入口断面での窒素酸化物濃度の分布を考慮した報酬の設計方法を説明する説明図である。
図５の左側部分に示すように、脱硝装置４０の入口断面を複数の領域、本実施例では縦４区分、横４区分の合計１６区分の領域に区切り、領域毎に窒素酸化物濃度の目標値を設定する。
この領域毎における窒素酸化物濃度の目標値の設定は、図１の制御装置１００の補正指令値計算用パラメータデータベース８００に操作員が外部から入力することによって行われる。
図５の左側部分に示されたＮＯｘ濃度目標値では、脱硝装置４０の入口断面の中央の中心から縦２区分、及び横２区分に亘る合計４区分の領域がＮＯｘ濃度を少々濃く表示しているように少し高い値に設定されている。
尚、図１には記載されていないが、制御装置１００には脱硝装置４０の入口の領域毎に、窒素酸化物濃度の目標値を外部から入力するためのインターフェイスが備えられており、これを用いて操作員は領域毎における窒素酸化物濃度の目標値を前記補正指令値計算用パラメータデータベース８００に入力できる。
また、窒素酸化物濃度の目標値を、排ガスダクト１９内に配設したアンモニア注入ノズル１０，１１から供給されるアンモニアの噴霧範囲、噴霧量を基に自動的に決定することもできる。すなわち、１本のアンモニア注入ノズル１０、１１から供給できる最大噴霧量と噴霧範囲、及び脱硝装置４０で除去可能な窒素酸化物の最大量を基に、脱硝装置４０の出口の窒素酸化物濃度が所望の濃度になるように、脱硝装置４０の入口の窒素酸化物の目標条件を決定する。
次に、前記補正指令パラメータ決定手段５００に備えられた空気量決定手段５５０における空気流量の操作条件に基づいて脱硝装置４０の入口の窒素酸化物濃度分布を推定する。最後に、脱硝装置４０の入口の領域毎に窒素酸化物濃度の目標値と推定値の誤差を計算し、誤差が小さい程報酬が大きくなるようにする。
図５の右側上部に示した操作例ａでは、脱硝装置４０の入口の断面におけるＮＯｘ濃度において、脱硝装置４０の入口断面の中央の中心から縦下方に１区分、横右方に１区分の１区分の領域がＮＯｘ濃度を特に濃く表示しているように局所的に窒素酸化物濃度が高い領域が存在し、この窒素酸化物濃度が高い領域では目標値との誤差が大きいため、報酬値は小さい。
一方、図５の右側下部に示した操作例ｂでは、脱硝装置４０の入口の断面におけるＮＯｘ濃度において、脱硝装置４０の入口断面の中央の中心から縦に２区分、横に２区分の合計４区分の領域がＮＯｘ濃度を少々高く表示しているように目標値と推定値との誤差が、操作例ａよりも小さいため、報酬は大きくなる。
本実施例の制御装置１００の補正指令パラメータ決定手段５００に設置した空気量決定手段５５０では、窒素酸化物の総量が少ない程大きくなる報酬と、図５で説明した報酬とを組み合わせて（加算して）、強化学習に用いる報酬を計算する。
上記した報酬を計算することによって、窒素酸化物の総量が少ない状態で、さらに窒素酸化物濃度の分布がその目標値と近くなるような供給空気の配分を学習できる。この学習の結果として、図５の操作例ｂで示したようなＮＯｘ濃度分布の結果が得られる供給空気量の操作条件を学習する。
尚、図５では脱硝装置入口の断面を４×４＝１６の領域に分割しているが、分割数は任意である。また、図５では、全領域を均等に分割しているが、分割が粗い箇所と細かい箇所があるようにしてもよい。
図６は、補正指令パラメータ決定手段５００に設置した空気量決定手段５５０において本実施例における脱硝装置４０の入口断面での窒素酸化物濃度分布を推定する推定方法の一例を説明する説明図である。
図６に示すように、本実施例では補正指令パラメータ決定手段５００に設置した空気量決定手段５５０に、負荷、スートブロワ経過後時間、炭種、バーナパターン、燃料流量、空気流量を入力として、脱硝装置４０の入口断面を複数に区分した各領域の窒素酸化物濃度を予測するニューラルネットワークを構築する。
前記空気量決定手段５５０のニューラルネットワークの重みパラメータは、ニューラルネットワークの入力と出力の関係が、窒素酸化物濃度は数値解析を用いた計算結果、及び制御装置１００の計測値データベース４００に保存されている情報と一致するように調整する。
尚、本実施例では窒素酸化物濃度の推定にニューラルネットワークを用いたが、その他の方法を用いて領域毎の窒素酸化物濃度を推定してもよい。
図７は、本実施例の制御装置１００に設置した補正指令パラメータ決定手段５００に設けられた空気量決定手段５５０で学習する強化学習の試行錯誤の過程で得られた、負荷変化に伴う脱硝装置入口における窒素酸化物濃度分布の変化を説明する説明図である。
本実施例のボイラ１を備えた火力発電プラントでは、電力需要に合わせて出力を変化させる負荷変化運転を実施する。図７（ａ）は、出力の変化方法の一例を説明しており、時刻Ｔ１まで出力Ｍ１で運転し、その後出力をＭ２まで上昇させ、時刻Ｔ３で出力がＭ２に到達した後、出力をＭ２に固定する例が図示されている。
図７（ｂ）は、補正指令パラメータ決定手段５００に設けられた空気量決定手段５５０のモデルを用いて、時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３における脱硝装置入口断面の窒素酸化物濃度を推定した結果であって、左側欄には窒素酸化物濃度分布の目標値を、右側欄には操作例Ａと操作例Ｂにおける窒素酸化物濃度分布の推定値を夫々示す。
図７（ｂ）において、時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３における操作例Ａと操作例Ｂの窒素酸化物の総量は同じである。この場合、窒素酸化物の総量のみを指標とした報酬を用いた学習では、操作例Ａと操作例Ｂとの優劣をつけることができない。
時刻Ｔ２、Ｔ３のそれぞれにおいて、操作例Ａでは窒素酸化物濃度分布に局所的に濃度が高くなる偏りがあるが、操作例Ｂでは窒素酸化物濃度分布に局所的に濃度が高くなる偏りがない。従って、操作例Ｂの方が望ましい操作方法である。
本実施例の制御装置１００では、補正指令パラメータ決定手段５００に設けられた空気量決定手段５５０によって、図５で説明した脱硝装置４０の入口断面における窒素酸化物濃度分布を考慮した報酬を用いて学習する。
前記空気量決定手段５５０では、図７（ｂ）に示すように、各時刻に脱硝装置４０の入口断面を複数に区分した各領域での窒素酸化物濃度分布の目標値を設定する。そしてこの空気量決定手段５５０にて、設定した窒素酸化物濃度分布の目標値を用いて各時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３で算出した目標値との差である報酬の総和が最大となるような操作方法を学習させる。
前記空気量決定手段５５０では、図７（ｂ）に示すように操作例Ａよりも操作例Ｂの報酬の値が大きいので、操作例Ｂの結果が得られたときの空気流量の操作方法を学習できる。
この空気量決定手段５５０で学習した前述の学習結果は、本実施例の制御装置１００の補正指令値計算用パラメータデータベース８００に保存される。
制御装置１００の空気量指令値計算手段１２００では、補正指令値計算用パラメータデータベース８００に保存されている補正指令パラメータ１２０を用いて、ボイラ１のバーナ２、及びアフタエアポート３から供給される空気量が、前述の学習によって得られた操作条件となるように、空気量補正値１２２を計算する。以上で、空気量指令値計算手段１２００の説明を終了する。
次に、制御装置１００のアンモニア補正指令値計算手段７００を説明する。
アンモニア補正指令値計算手段７００では、ボイラ１から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物を還元し、かつアンモニア流出量を低減するため、アンモニア基準値計算手段６００から出力したアンモニア基準値１０７を調整するアンモニア補正指令値１０６を計算する。
制御装置１００の補正指令パラメータ決定手段５００では、空気量補正指令値計算手段１２００から出力する空気量補正指令値１２２を計算するのに必要な補正指令パラメータ１２０を計算する。
補正指令パラメータ決定手段５００に備えられているアンモニア量決定手段５６０では、排ガスダクト１９内に配設したアンモニア注入ノズル１０、１１から脱硝装置４０の入口に注入するアンモニア量を決定する。
図１の制御装置１００に示すように、脱硝装置４０の入口にアンモニア注入ノズル１０、１１から注入するアンモニア流量は、アンモニア基準値計算手段６００で計算したアンモニア基準値１０７と、アンモニア補正制御指令計算手段７００で計算したアンモニア補正値１０６を用いて決定する。
アンモニア基準値計算手段６００で計算したアンモニア基準値１０７は、図３（ａ）に示すように、脱硝装置入口ＮＯｘ濃度の計測値を用いて計算する。
この脱硝装置入口ＮＯｘ濃度の計測値は、窒素酸化物の濃度を分析するための燃焼ガスの採取時間分だけ遅れる。また、アンモニア用配管１２、１３に設置したアンモニア流量調節弁６、７を操作してから、実際にアンモニア注入ノズル１０、１１から脱硝装置４０の入口にアンモニアが注入されるまでは、アンモニア貯蔵設備からアンモニア用配管１２、１３を通じて脱硝装置４０までの滞留時間分遅れる。
従って、負荷変化中など、脱硝装置４０の入口の窒素酸化物濃度分布が変化するような場合は、アンモニア基準値１０７に基づいてアンモニア流量調節弁６、７を制御しても、アンモニア量の過不足の問題が生ずる。
この場合、ボイラ１の煙道より系外へ排出されるＮＯｘ濃度あるいはアンモニアの流出量は増加する。これを抑制するため、本実施例の制御装置１００ではアンモニア要求値を先行的に補正するアンモニア補正指令値計算手段７００を備えている。
図８は、制御装置１００のアンモニア補正指令値計算手段７００における動作内容と、その効果を説明する図である。
図８（ａ）は、出力の変化方法の一例を説明する図であり、図７（ａ）と同一の図なのでその説明を省略する。
図８（ｂ）は、排ガスダクト１９の断面図である。図１に示したように濃度計測器３０、３２、アンモニア注入ノズル１０は排ガスダクト１９の上部に配置され、濃度計測器３１、３３、アンモニア注入ノズル１１は排ガスダクト１９の下部に配置される。
図８（ｃ）及び図８（ｄ）は、図８（ａ）に示したように出力を変化させた場合における脱硝装置４０の入口の窒素酸化物濃度、脱硝装置４０の出口の窒素酸化物濃度、及びアンモニア注入ノズル１０、１１から供給されるアンモニアの流量の経時変化を示す説明図である。
図８（ｃ）は、本実施例の制御装置１００で、アンモニア補正制御指令計算手段７００を機能させなかった場合の例であり、図８（ｄ）は本実施例の制御装置１００で、アンモニア補正制御指令計算手段７００を使用してアンモニア要求値１０９を計算した場合の例である。
まず、脱硝装置４０の上部出口における窒素酸化物濃度について説明すると、図８（ｃ）では、負荷変化中の時間Ｔ１からＴ３の間で、脱硝装置４０の上部出口における窒素酸化物濃度が制限値を越えている状況を示している。
そこで図８（ｄ）に示すように本実施例の制御装置１００に設置したアンモニア補正制御指令計算手段７００を使用することで、負荷変化中の時間Ｔ１からＴ３の間でアンモニア流量が図８（ｃ）の時（図８（ｄ）中の点線）よりも多くなる。
これにより窒素酸化物を還元でき、脱硝装置４０の上部の出口における窒素酸化物濃度が実線で表したように制限値以下に抑制した状況を示している。
次に、脱硝装置４０の下部出口における窒素酸化物濃度について説明する。
図８（ｃ）では、脱硝装置４０の下部出口における窒素酸化物濃度は負荷変化中の時間Ｔ１からＴ３の間で低くなっている。
この時間帯では、窒素酸化物よりもアンモニア流量が相対的に多く、アンモニアが過剰となっている。このような場合、脱硝装置４０より下流側にあるエアヒータに余剰のアンモニアが流れ込み、エアヒータの目詰まりの原因となる。
そこで図８（ｄ）に示すように本実施例の制御装置１００に設置したアンモニア補正制御指令計算手段７００を使用することで、負荷変化中の時間Ｔ１からＴ３の間でアンモニア流量が図８（ｃ）の時（図８（ｄ）中の点線）よりも実線で表したように少なくなり、余剰のアンモニアがエアヒータに流れ込むのを抑制できる。
このように、本実施例の制御装置１００では、アンモニア流量調節弁６、７から供給するアンモニア流量を個別に操作でき、アンモニア補正指令値１０６も個別に設定できる。
その効果として、負荷変化中でも脱硝装置４０の入口断面における全領域の窒素酸化物濃度を制限値以下に抑制できる。さらに余剰のアンモニアがエアヒータに流れ込むのを抑制でき、エアヒータの目詰まりを防止できる。
図９は、本実施例の制御装置１００に設置したアンモニア補正指令値計算手段７００から出力される負荷変化中におけるアンモニア補正指令値１０６の計算例を説明する図である。
図９は、負荷変化開始後からの経過時間と、アンモニア補正指令値計算手段７００で計算して出力されるアンモニア補正指令値１０６の値の関係図である。
図９において、時刻Ｘ３までアンモニア補正指令値１０６の流量はゼロで、その後、時刻Ｘ３から時刻Ｘ４までに流量Ｘ１まで上昇させる。時刻Ｘ４から時刻Ｘ５まで流量をＸ１に保ち、その後、時刻Ｘ５から時刻Ｘ６までに流量Ｘ２まで減少させる。時刻Ｘ６から時刻Ｘ７まで流量をＸ２に保ち、その後、時刻Ｘ７から時刻Ｘ８までに流量をゼロまで減少させる。
補正指令値パラメータデータベース８００には、流量Ｘ１〜Ｘ２、時刻Ｘ３〜Ｘ８までの値が保存されており、アンモニア補正指令値計算手段７００では、これらの値を参照しながらアンモニア補正指令値１０６を計算する。
補正指令パラメータデータベース８００には、負荷変化率、負荷変化幅、炭種、バーナパターン等のボイラ運転条件に対応させて、アンモニア補正指令パラメータ１０５を保存する。即ち、負荷変化運転だけでなく、炭種切替、バーナパターン切替時にも、窒素酸化物濃度の変化に合わせてアンモニアを供給できる。
アンモニア補正指令値計算手段７００では、計測値１０１からボイラ１の運転条件を把握し、これに対応する補正指令パラメータを補正指令値計算用パラメータデータベース８００から取得してアンモニア補正指令値１０６を計算する。
尚、図９では流量Ｘ１〜Ｘ２、時刻Ｘ３〜Ｘ８の８つの補正指令パラメータでアンモニア補正指令値１０６を算出する例を示しているが、補正指令パラメータの数は任意に変更でき、図９よりも複雑な形をしたアンモニア補正指令値１０６を算出することもできる。
また、図９ではアンモニア補正指令値１０６を線形（直線）に増減しているが、２次曲線のような関数を用いて、アンモニア補正指令値１０６を増減させるようにしてもよい。
本実施例の制御装置１００に設置した補正指令値計算用パラメータデータベース８００に保存する補正指令パラメータは、予めオペレータによって設定できる。また、補正指令パラメータ決定手段５００を用いて、補正指令パラメータを自動調整することもできる。
図１０は、本実施例の制御装置１００に設置した補正指令パラメータ決定手段５００において、補正指令値計算用パラメータデータベース８００に保存する補正指令パラメータの初期値を決定する実施例を説明する図である。
補正指令パラメータ決定手段５００に設置したアンモニア量決定手段５６０では、脱硝装置４０の入口の窒素酸化物濃度の推定結果を基に、脱硝装置４０の出口の窒素酸化物濃度が制限値を越えないようにするために必要なアンモニア量を求める。
補正指令パラメータ決定手段５００では、このアンモニア量が供給されるように補正指令パラメータの初期値を決定する。以下、図１０を用いて説明する。
アンモニア量決定手段５６０では、まず、図５（ｂ）に示した脱硝装置４０の入口におけるＮＯｘ濃度分布の計算結果を用いて、図１０（ａ）に示すように排ガスダクト１９の上部と下部の窒素酸化物濃度の経時変化を予測する。
次に、図１０（ａ）に示した排ガスダクト１９の上部と下部の窒素酸化物濃度の経時変化の予測結果に基づいて、前記アンモニア量決定手段５６０では図１０（ｂ）に示すように、窒素酸化物を還元するのに必要なアンモニア流量を計算する。
次に、図１０（ｃ）に示すように、アンモニア基準値の予想値を、図３（ａ）に示したロジック図に基づいたアンモニア基準値計算手段６００によって計算する。
尚、図１０（ｃ）で点線で示した曲線は、図１０（ｂ）に実線で示した曲線と同じ曲線である。
そして、補正指令パラメータ決定手段５００のアンモニア量決定手段５６０ではでは、図１０（ｄ）に示すように、図１０（ｂ）に実線で示した曲線から図１０（ｃ）に実線で示した曲線を減算した両者の差となるアンモニア補正値１０６の曲線を決定し、このアンモニア補正値１０６の曲線に基づいてアンモニア補正パラメータを決定する。
図１１は、本実施例の制御装置１００に設置した補正指令パラメータ決定手段５００におけるアンモニア補正指令パラメータ１０５の決定方法を説明する図である。
補正指令パラメータ決定手段５００では、２つのステップでアンモニア補正指令パラメータを調整する。まず、第１のステップでは、ボイラ１の運転条件に基づいて、脱硝装置４０の入口、及び出口における窒素酸化物濃度の変化特性を予測する。
次に、第２のステップでは、脱硝装置４０の出口の窒素酸化物濃度が制限値以下となるように、補正指令パラメータを決定、更新する。
このように、本実施例の制御装置１００に設置した補正指令パラメータ決定手段５００では、脱硝装置４０の入口の窒素酸化物濃度を予測し、この予測結果を用いてアンモニアを先行的に補正する。
図１１（ａ）は、補正指令パラメータ決定手段５００でアンモニア補正指令パラメータを調整する上記第１のステップの説明図である。
図１１（ａ）に示すように、本実施例の補正指令パラメータ決定手段５００では、負荷、負荷変化率、負荷変化幅、スートブロワ経過後時間、炭種、バーナパターン、燃料流量、空気流量を入力として、脱硝装置４０の入口を複数の領域に区分した各領域の窒素酸化物濃度の変化特性を予測するニューラルネットワークを構築する。
このニューラルネットワークの重みパラメータは、入力と出力の関係が、窒素酸化物濃度は数値解析を用いた計算結果、及び計測値データベース４００に保存されている情報と一致するように調整する。
尚、本実施例の補正指令パラメータ決定手段５００では窒素酸化物濃度の推定にニューラルネットワークを用いたが、その他の方法を用いて領域毎の窒素酸化物濃度を推定するようにしてもよい。
図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）は、補正指令パラメータ決定手段５００でアンモニア補正指令パラメータを調整する上記第２のステップの説明図である。
図１１（ｂ）の上図はアンモニア補正指令値の経時変化を示したグラフであり、図１１（ｂ）の下図はその時の脱硝装置４０の出口の窒素酸化物濃度の経時変化を示したグラフである。
１１（ｂ）の下図のグラフに示すように、脱硝装置４０の出口の窒素酸化物濃度が制限値を超過している。このような場合、補正指令パラメータ決定手段５００では、図１１（ｃ）に示すようにアンモニア補正指令値が増加するように補正指令パラメータを更新する。
これにより、脱硝装置４０の出口の窒素酸化物濃度が制限値を超過することを抑制する。
尚、図１には図示していないが、本実施例の制御装置１００と画像表示装置を接続し、制御装置１００で使用している信号、及びデータベースの情報を画像表示装置上に表示するように構成できる。
これにより、プラントオペレータに補正指令値パラメータの修正方法、及び修正時の効果を分かりやすく提供できる。
尚、本実施例では、補正指令パラメータ決定手段５００で補正指令パラメータを自動更新する方式を説明したが、補正指令パラメータの更新方法をプラントのオペレータに提供し、これを参考にしてオペレータが手動でアンモニア補正指令パラメータを変更することも可能である。
本発明の実施例によれば、ボイラから排出される排ガス中の窒素酸化物の濃度を所望の値に低減すると共に、脱硝装置に注入する余剰のアンモニアが脱硝装置の下流側に流出することを抑制するボイラの制御装置、及びボイラの制御方法が実現できる。
本発明は火力発電プラント等に設置され、石炭等の燃料を燃焼してこのプラントの作動蒸気を発生するボイラの制御装置、及びボイラの制御方法に適用可能である。
本発明の一実施例であるボイラの制御装置の構成を示す概略図。 図１に示した本実施例のボイラの制御装置における動作フローチャート図。 本実施例の制御装置におけるアンモニア基準値計算手段、アンモニア流量調節弁開度計算手段、空気量基準値計算手段、及び空気流量調節弁開度計算手段をそれぞれ示す各制御ロジック図。 強化学習理論による制御の概念を示す説明図。 本実施例における脱硝装置の入口断面での窒素酸化物濃度の分布を考慮した報酬の設計方法の説明図。 本実施例における脱硝装置の入口断面での窒素酸化物濃度分布の推定方法の説明図。 本実施例の制御装置に設置した補正指令パラメータ決定手段に設けられた空気量決定手段で学習する強化学習の試行錯誤の過程で得られた負荷変化に伴う脱硝装置の入口断面の窒素酸化物濃度分布変化の説明図。 本実施例の制御装置に設置したアンモニア補正指令値計算手段の動作内容とその効果を説明する説明図。 本実施例の制御装置に設置したアンモニア補正指令値計算手段で計算するアンモニア補正指令値の計算例の説明図。 本実施例の制御装置に設置した補正指令パラメータ決定手段において補正指令値計算用パラメータデータベースに保存する補正指令パラメータの初期値を決定する説明図。 本実施例の制御装置に設置した補正指令パラメータ決定手段におけるアンモニア補正指令パラメータを決定する説明図。
符号の説明
１：ボイラ、２：バーナ、３：アフタエアポート、４： 燃料（微粉炭）用配管、５：空気用配管、６ ：アンモニア流量調節弁、７：アンモニア流量調節弁、８：混合器、９：混合器、１０：アンモニア注入ノズル、１１：アンモニア注入ノズル、１２：アンモニア用配管、１３：空気用配管、１４：給水用配管、１５ ：給水ポンプ、１６：熱交換器、１７：蒸気タービン、１８：発電機、１９：排ガスダクト、２０ ：流量計測器、２１：流量計測器、３０：濃度計測器、３１：濃度計測器、３２：濃度計測器、３３：濃度計測器、４０：脱硝装置、１００：制御装置、２００：外部入力インターフェイス、２１０ ：計測値、３００：外部出力インターフェイス、３１０：操作信号、４００：計測値データベース、５００： 補正指令パラメータ決定手段、５５０：空気量決定手段、５６０：アンモニア量決定手段、６００：アンモニア基準値計算手段、７００：アンモニア補正指令値計算手段、８００：補正指令値計算用パラメータデータベース、９００：アンモニア流量調節弁開度計算手段、１１００：空気量基準値計算手段、１２００：空気量補正指令値計算手段、１３００：空気量調節弁開度計算手段。

Claims (11)

  1. 燃料と空気をボイラ内に供給するバーナと、前記バーナからボイラ内に供給された燃料と空気とが燃焼して生成した燃焼ガスの流れ方向下流側に空気を供給するエアポートとを備えたボイラと、前記ボイラから排出された燃焼ガスに含まれる窒素酸化物を除去する脱硝装置とが設置された装置の前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を制御するボイラの制御装置において、
    前記ボイラの制御装置には、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して該領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、この領域毎の窒素酸化物濃度が前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足するように、前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を決定する空気量決定手段が備えられていることを特徴とするボイラの制御装置。
  2. 燃料と空気をボイラ内に供給するバーナと、前記バーナからボイラ内に供給された燃料と空気とが燃焼して生成した燃焼ガスの流れ方向下流側に空気を供給するエアポートとを備えたボイラと、前記ボイラから排出された燃焼ガスに含まれる窒素酸化物をアンモニアの存在下で触媒を用いて除去する脱硝装置とが設置されており、前記脱硝装置の上流側で該脱硝装置に流入する燃焼ガスにアンモニアを供給するアンモニア注入ノズルが配設された装置の前記アンモニア注入ノズルから注入するアンモニア量を制御するボイラの制御装置において、
    前記ボイラの制御装置には、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して該領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、この領域毎の窒素酸化物濃度が前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足するように、前記脱硝装置の入口の窒素酸化物濃度分布を予測するモデルの予測値に基づいて前記アンモニア注入ノズルから供給するアンモニア量を決定するアンモニア量決定手段が備えられていることを特徴とするボイラの制御装置。
  3. 燃料と空気をボイラ内に供給するバーナと、前記バーナからボイラ内に供給された燃料と空気とが燃焼して生成した燃焼ガスの流れ方向下流側に空気を供給するエアポートとを備えたボイラと、前記ボイラから排出された燃焼ガスに含まれる窒素酸化物をアンモニアの存在下で触媒を用いて除去する脱硝装置とが設置されており、前記脱硝装置の上流側で該脱硝装置に流入する燃焼ガスにアンモニアを供給するアンモニア注入ノズルが配設された装置の前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量及び前記アンモニア注入ノズルから注入するアンモニア量を制御するプラントの制御装置において、
    前記ボイラの制御装置には、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して該領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、この領域毎の窒素酸化物濃度が前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足し、かつ前記脱硝装置入口の窒素酸化物濃度が低くなるように、前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を決定する空気量決定手段と、前記脱硝装置の入口の窒素酸化物濃度分布を予測するモデルの予測値に基づいて前記アンモニア注入ノズルから供給するアンモニア量を決定するアンモニア量決定手段とが備えられていることを特徴とするボイラの制御装置。
  4. 請求項１又は請求項３のいずれか１項に記載されたボイラの制御装置において、
    前記空気量決定手段には、前記脱硝装置入口の窒素酸化物濃度分布を予測するモデルと、前記窒素酸化物濃度の目標条件と前記モデルによる窒素酸化物濃度分布の予測値との誤差が小さい程大きくなる評価値が最大となる空気量を強化学習を用いて決定する学習手段とが備えられていることを特徴とするボイラの制御装置。
  5. 請求項２又は請求項３に記載されたボイラの制御装置において、
    前記窒素酸化物濃度の目標条件は、前記アンモニア注入ノズルから供給できる最大噴霧量、及び前記脱硝装置で除去可能な窒素酸化物の最大量を基に決定していることを特徴とするボイラの制御装置。
  6. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載されたボイラの制御装置において、
    前記ボイラの制御装置には、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割した領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を入力するインターフェイスが備えられていることを特徴とするボイラの制御装置。
  7. バーナから燃料と空気をボイラ内に供給し、このバーナからボイラ内に供給された燃料と空気を燃焼して生成した燃焼ガスの流れ方向下流側となるボイラのエアポートから空気を供給するボイラと、前記ボイラから排出された燃焼ガスに含まれる窒素酸化物を除去する脱硝装置とを備えた装置の前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を制御するボイラの制御方法において、
    前記ボイラの制御方法は、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して分割した前記領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、前記領域毎の窒素酸化物濃度が前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足するように、バーナもしくはエアポートから供給する空気量を決定して前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を制御することを特徴とするボイラの制御方法。
  8. バーナから燃料と空気をボイラ内に供給し、このバーナから供給された燃料と空気を燃焼して生成した燃焼ガスの流れ方向下流側となるボイラのエアポートから空気を供給するボイラと、前記ボイラから排出された燃焼ガスにアンモニアを注入して前記燃焼ガスに含まれる窒素酸化物をアンモニアの存在下で触媒を用いて除去する脱硝装置とを備えた装置の前記燃焼ガス中に供給するアンモニア量を制御するようにしたボイラの制御方法において、
    前記ボイラの制御方法は、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して分割した前記領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、前記領域毎の窒素酸化物濃度が前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足するように、前記脱硝装置の入口の窒素酸化物濃度分布を予測するモデルによる予測値に基づいて供給するアンモニア量を決定して前記燃焼ガス中に供給するアンモニア量を制御することを特徴とするボイラの制御方法。
  9. バーナから燃料と空気をボイラ内に供給し、このバーナからボイラ内に供給された燃料と空気を燃焼して生成した燃焼ガスの流れ方向下流側となるボイラのエアポートから空気を供給するボイラと、前記ボイラから排出された燃焼ガスにアンモニアを注入して前記燃焼ガスに含まれる窒素酸化物をアンモニアの存在下で触媒を用いて除去する脱硝装置とを備えた装置の前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を制御すると共に、前記燃焼ガス中に供給するアンモニアの供給量を制御するようにしたボイラの制御方法において、
    前記ボイラの制御方法は、前記脱硝装置の入口断面を複数の領域に分割して分割した前記領域毎に窒素酸化物濃度の目標条件を設定し、前期脱硝装置入口の窒素酸化物濃度が、前記窒素酸化物濃度の目標条件を満足するように、バーナもしくはエアポートから供給する空気量を決定して前記バーナ、もしくはエアポートから供給する空気量を制御すると共に、更に前記脱硝装置の入口の窒素酸化物濃度分布を予測するモデルによる予測値に基づいて供給するアンモニア量を決定して前記燃焼ガス中に供給するアンモニア量を制御することを特徴とするボイラの制御方法。
  10. 請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載されたボイラの制御方法において、
    前記バーナもしくはエアポートから供給する空気量の決定に際しては、前記脱硝装置の入口の窒素酸化物濃度分布で予測するモデルによる予測値を用いて、複数の領域に分割した領域毎の前記窒素酸化物濃度の目標条件と前記モデルによる窒素酸化物濃度分布の予測値の誤差が小さい程大きくなる評価値に基づく空気量を強化学習を用いて決定することを特徴とするボイラの制御方法。
  11. 請求項１０に記載されたボイラの制御方法において、
    分割した前記領域毎に設定する前記窒素酸化物濃度の目標条件を、脱硝装置に流入する燃焼ガス中に供給できるアンモニアの最大供給量、及び前記脱硝装置で除去可能な窒素酸化物の最大量を基に決定することを特徴とするボイラの制御方法。
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