JP2010107128A - 酸素燃焼ボイラプラント及び酸素燃焼ボイラプラントの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、複数段のバーナを備えた酸素燃焼ボイラにおいて、火炉の水管温度が設計許容温度以上となる領域を減らすことを目的とする。
【解決手段】
本発明は、前記バーナへ供給する前記酸素の流量または前記循環排ガスの流量のうち、少なくとも一方を前記バーナ段ごとに調節可能な酸素流量決定手段または循環排ガス流量決定手段を有することを特徴とする。
【効果】
本発明によれば、複数段のバーナを備えた酸素燃焼ボイラにおいて、火炉の水管温度が設計許容温度以上となる領域を減らすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素燃焼ボイラプラント及び酸素燃焼ボイラプラントの制御方法に関する。

ボイラで燃料を燃焼させる方法として、空気を用いる方法（空気燃焼）及び高純度の酸素を用いる方法（酸素燃焼）がある。そして、空気燃焼に比べ、酸素燃焼は二酸化炭素を容易に回収できる。しかし、酸素のみで燃料を燃焼させた場合、空気燃焼に比べ火炎が高温となるため、酸素燃焼はボイラ排ガスをボイラに再循環させている。

特許文献１は、ボイラの全体収熱量が目標収熱量になるようにボイラ排ガスの循環排ガス流量を制御する方法を開示する。

特開２００７−１４７１６２号公報

特許文献１の技術は、ボイラ本体に供給する酸素供給量を、再循環排ガス及び酸素を合計した全ガス中の酸素濃度に基づき制御する。そのため、ボイラに複数段のバーナが配置されている場合、バーナ段の位置によっては火炉に設けられた水管温度が設計許容温度を超える可能性があった。

そこで、本発明は、複数段のバーナを備えた酸素燃焼ボイラにおいて、火炉の水管温度が設計許容温度以上となる領域を減らすことを目的とする。

本発明は、前記バーナへ供給する前記酸素の流量または前記循環排ガスの流量のうち、少なくとも一方を前記バーナ段ごとに調節可能な酸素流量決定手段または循環排ガス流量決定手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、複数段のバーナを備えた酸素燃焼ボイラにおいて、火炉の水管温度が設計許容温度以上となる領域を減らすことができる。

酸素燃焼ボイラは、排ガス中の大部分が二酸化炭素になる。そのため、排ガスから二酸化炭素を回収する際に二酸化炭素を濃縮する必要がなく、そのまま排ガスを冷却して二酸化炭素を液化・分離することが可能である。酸素燃焼ボイラは、二酸化炭素排出量の削減に有効な方法の一つである。

また、空気中の約８割を占める窒素がボイラへ供給されないため、空気中の窒素から発生する窒素酸化物（サーマルＮＯｘ）が発生しなくなり、窒素酸化物の低減効果も期待される。

但し、酸素燃焼ボイラは空気の代わりに高純度の酸素を用いて燃焼させる。そのため、酸素のみの場合、火炎温度が高温になりすぎ、バーナやボイラ火炉壁面が損傷する恐れがある。従って、ボイラ排ガスの一部を循環させて酸素と混合して燃焼させる方式が提案されている。

図１は、石炭を燃料とする酸素燃焼ボイラプラント及び制御装置の実施例を示した図である。本実施例の制御装置１００は、制御対象プラントの酸素燃焼ボイラからプロセス値の計測情報を受信し、予めプログラムされた演算を行い、操作指令信号（制御信号）を制御対象プラントに送信する。プラントは受け取った操作指令信号に従って、例えば、バルブの開度やダンパ開度といったアクチュエータを動作させている。

本実施例は、ボイラ２００，ボイラ２００で発生させた蒸気により駆動する高圧蒸気タービン３００及び中低圧蒸気タービン３０１とを主構成要素とする酸素燃焼ボイラプラントである。制御装置１００は中央給電指令所５０からの負荷指令５１を受信し、負荷指令５１に基づいてプラントを指定された負荷（発電出力）状態に制御する。そして、制御装置１００は加減弁開度指令１０７を出力し、蒸気加減弁２５４の弁開度を調整する。蒸気加減弁２５４を調整することで、高圧蒸気タービン３００へ導かれる蒸気流量が変化し、発電出力が変化する。

また、水・蒸気系統は、中低圧蒸気タービン３０１からの蒸気を冷却して液体にする復水器３１０，復水器３１０で冷却された水をボイラ給水として再びボイラ２００へ送り込む給水ポンプ３２０がある。また、高圧蒸気タービン３００及び中低圧蒸気タービン３０１の途中段から抜き出した一部の蒸気（抽気）を加熱源としてボイラ給水を予熱する給水加熱器がある。

一方、ボイラから排出される燃焼ガス３８０の系統には、ガス予熱器３３０，排ガスを浄化する排ガス処理装置３４０，排ガス中の二酸化炭素を冷却・液化して回収する二酸化炭素回収装置３５０，二酸化炭素を回収した後の残りの窒素と酸素が主体のガス３５１を放出する煙突３７０がある。

本実施例は、高純度の酸素を含むガスを用いて燃料を燃焼させる酸素燃焼方式のボイラ及び酸素燃焼方式のボイラを含むプラントを対象としている。

そのため、本実施例の酸素燃焼ボイラプラントは、空気を窒素主体のガスと、酸素主体のガスに分離して高濃度の酸素を製造する酸素製造装置３６０を備えている。酸素製造装置は、酸素と窒素の沸点の違いを利用して、空気を冷却して分離する方式である。本実施例は酸素製造方法に依存するものではない。そのため、窒素分子と酸素分子の大きさの違いを利用して分離する膜分離方式など、他の方法でもよい。

酸素製造装置は、空気を高純度の酸素ガス３６２と窒素主体のガス３６１に分離する。窒素主体ガス３６１は、煙突３７０から大気に放出する。

酸素供給系統は、酸素製造装置３６０とバーナ２１０，２２０，２２５とを接続した系統であり、酸素をバーナに供給する。燃料を高純度の酸素で燃焼させると、火炎の温度が高温になり過ぎる。そして、バーナやボイラ壁面が損傷する可能性がある。そのため、酸素製造装置３６０で製造した高純度の酸素３６２は、ボイラから排出される排ガスの一部（循環排ガス３９０）と混合してバーナ２１０，２２０，２２５へ供給する。

排ガス循環系統は、ボイラから排出された排ガスの一部をバーナに戻すために設けられた系統である。循環排ガス３９０は、排ガス処理装置３４０で浄化された排ガスの一部を取り出し、ガス予熱器３３０で昇温させる。制御装置１００は、弁開度指令１０９を送信して循環排ガス流量調整弁３９１の開度を変化させ、循環排ガスの流量を調節する。

ボイラ２００は、火炉の高さ方向に上から上段バーナ２２５，中段バーナ２２０，下段バーナ２１０の３段を備える。制御装置１００は、制御装置１００からの弁開度指令１０１，１０２及び１０３に基づいて酸素流量調整弁２１１，２２１及び２２６の開度を制御することで、それぞれのバーナ段へ供給する酸素ガス３６２の流量を調節できる。また、循環排ガス３９０も同様に、弁開度指令１０４，１０５及び１０６に基づいてバーナ排ガス流量調整弁２１２，２２２及び２２７の開度を制御することで、それぞれの流量を調節できる。

本実施例の酸素燃焼ボイラは、空気燃焼方式と比較して、空気中の約８０％を占める窒素がボイラに供給されない。そのため、主として空気中の窒素に由来する窒素酸化物（サーマルＮＯｘ）の発生がほぼ無くなり、窒素酸化物の排出量が減少する。また、燃料中のほとんどの炭素は燃焼によって二酸化炭素になるため、排ガスは高濃度の二酸化炭素ガスとなる。従って、空気燃焼方式のボイラ排ガスから二酸化炭素を冷却して回収する場合に比べて、酸素燃焼ボイラは二酸化炭素を濃縮する工程が不要であり、二酸化炭素の回収に適したシステムとなる。

火炉は燃料を燃焼させるバーナを備えるため、炉内が高温になる。そこで、壁面全体を冷却すると共に燃焼ガスの熱を回収する水壁２３０と呼ばれる冷却壁がある。他にも、ボイラ２００内には節炭器２９０，１次過熱器２８０，２次過熱器２４０，３次過熱器２５０，１次再熱器２７０，２次再熱器２６０からなる熱交換器があり、この熱交換器が燃焼ガスの熱を回収して高温蒸気を生成する。

図２は蒸気の流れを示す。ボイラ給水は、まず節炭器２９０に導かれた後、水壁２３０，１次過熱器２８０，２次過熱器２４０，３次過熱器２５０の順に通って昇温され、主蒸気２５１となって高圧蒸気タービン３００へ入る。高圧蒸気タービン３００で仕事をして温度，圧力が低下した蒸気は、１次再熱器２７０，２次再熱器２６０で再加熱されて中低圧蒸気タービン３０１に入る。

また、酸素燃焼ボイラは、起動時に酸素製造装置３６０を駆動するための動力（電力）が得られないため、空気燃焼方式で起動させる必要がある。空気燃焼方式で運転する場合、制御装置１００が、循環排ガス流量調整弁開度指令１０９を発信して循環排ガス流量調整弁３９１を閉じ、空気流量調整弁開度指令１０８を発信して空気流量調整弁３９２を開く。この調節により、排ガスの代わりに空気３６３をボイラ２００に供給でき、ボイラ２００は空気を用いた燃焼も実施可能である。

図３（ａ）は、ボイラ火炉におけるバーナ配置を示す。高さ方向に３段のバーナ２１０，２２０，２２５が火炉の前面と後面にそれぞれ設置されている。各段毎にそれぞれ、酸素流量調整弁２１１，２２１，２２６とバーナ排ガス流量調整弁２１２，２２２，２２７で流量調節された酸素と循環排ガスを供給する。

図１は、火炉前面における酸素、循環排ガスの配管を記載しているのに対し、図３（ｂ）は後面側のバーナに接続した配管も記載する。後面側のバーナに接続した配管は、段毎に前面の配管を分岐している。これにより、バーナ段毎に供給する酸素量と酸素濃度を独立に調節することができる。

なお、バーナ２１０，２２０，２２５は燃料の供給経路を備える。バーナ段の前面と後面のそれぞれに１台ずつ、合計６台のミル（石炭粉砕機）がバーナに微粉炭を供給する。制御装置１００は、負荷指令５１に基づいて発電出力の目標値に見合う燃料量を決定し、この燃料量を各バーナへ均等配分する。

バーナに供給される燃料が安定燃焼し、かつ燃焼によって生成する窒素酸化物や一酸化炭素などができるだけ少なくなるように、酸素量が予め設定されている。そして、バーナへの供給燃料量に対応して、酸素供給量が決まる。制御装置１００は、酸素流量調整弁への開度指令１０１，１０２，１０３を出力し、酸素流量調整弁２１１，２２１，２２６を制御する。

一方、循環排ガスの流量は、負荷指令または燃料供給量に応じて予め設定されている。制御装置１００は、この循環排ガス量に対する弁開度指令１０９を送信し、循環排ガス流量調整弁３９１を制御して、所定量の排ガスを火炉へ供給する。また、制御装置１００は、開度指令１０４，１０５，１０６を発信し、各段のバーナ排ガス流量調整弁２１２，２２２，２２７を制御して、各バーナ段へ循環排ガスを分配する。

本実施例において、制御装置１００の燃料流量決定手段１２０は、負荷指令５１に基づいて、各ミルがバーナへ供給する燃料量を決定する。燃料流量決定手段１２０から出力される燃料流量信号１２４は、ガス流量制御手段１３０へ入力される。

図６は、制御回路の構成を示した図である。ガス流量制御手段１３０は、燃料流量に対応して予め設定された関係に従って酸素流量を決定する酸素流量決定手段１３６と、循環排ガス流量を決定する循環排ガス流量決定手段１３８を備える。ガス流量制御手段１３０の酸素流量決定手段１３６と循環排ガス流量決定手段１３８は、それぞれ酸素流量信号１３７と循環排ガス流量信号１３９を出力し、弁開度設定手段１４０に入力する。

図５は、弁開度設定手段の構成を示した図である。弁開度設定手段１４０は、各バーナ段へ供給する酸素流量を調節する酸素流量調節手段１４１、各バーナ段へ供給する循環排ガス流量を調節する循環排ガス流量調節手段１４２を備える。予め設定された酸素流量調整弁２１１，２２１，２２６の弁開度と流量との関係に基づいて、各バーナ段へ供給する酸素流量と酸素流量信号１３７が要求する酸素流量が一致するように、酸素流量調節手段１４１が弁開度を決定する。同様に、予め設定されたバーナ排ガス流量調整弁２１２，２２２，２２７の弁開度と流量との関係に基づいて、各バーナ段へ供給する循環排ガス流量と循環排ガス流量信号１３９が要求する循環排ガス流量が一致するに、循環排ガス流量調節手段１４２は弁開度を決定する。決定した各弁の開度はそれぞれ開度指令１０１，１０２，１０３及び１０４，１０５，１０６として各弁へ伝達される。

本実施例において、燃料流量は、バーナ段の高さ、または前面・後面によらず均等に分配しており、各バーナ段へ供給する酸素量も燃料量に対応して均等配分としている。一方、制御装置１００は、循環排ガスの流量をバーナ段ごとに調節可能な循環排ガス流量決定手段１３８を備えている。そのため、各バーナ段の酸素濃度を変えることができる。

循環排ガス流量を増やすと酸素濃度が下がり、循環排ガス流量を減らすと酸素濃度が上がる。酸素濃度が低い状態は、酸素濃度が高い状態に比べて全体のガス量が多くなるため、同じ燃料量を燃焼した場合のガス温度が低下する傾向にある。また、全体のガス量が多いと、バーナから噴出するガスの流速が大きくなるため、バーナから噴出するガスが火炉の中心に向かって進みやすくなり、高温火炎と水壁２３０との距離が長くなる傾向がある。

なお、燃焼ガスから水壁２３０への伝熱方法は、対流伝熱と輻射伝熱がある。但し、水壁部はガス温度が高いため、輻射伝熱が支配的である。輻射伝熱量は高温物質の温度レベルが大きく影響する。そのため、酸素濃度が低い状態は高い状態に比べてガス温度が低いため、輻射伝熱量は低下する。すなわち高温の火炎またはガスから水壁２３０への伝熱量が低下する。

また、高温火炎の位置が水壁から離れることによって、火炎と水壁２３０の間に存在するガス体が水壁へ到達する輻射熱を遮る効果が大きくなる。そのため、酸素濃度が低い状態は、水壁２３０への伝熱量を減少させる。

水壁２３０の熱吸収量が減少すると、その分、火炉出口におけるガス温度が高くなる。火炉出口におけるガス温度が高くなると、火炉出口付近に位置する２次再熱器２６０とその下流に位置する１次再熱器２７０への伝熱量が増える。従って、これらの再熱器で加熱された再熱蒸気の再熱蒸気温度は上昇する。反対に水壁２３０の熱吸収量が増加すると、再熱蒸気温度は低下する。

ただし、酸素濃度を低くするように、単純に循環排ガス量を増やすだけでは、全体のガス量が増え、ガス温度低下の影響が大きくなる。そのため、上記と逆に、火炉出口におけるガス温度が低下して、再熱蒸気温度は下がる可能性もある。そこで、本実施例は、全バーナ段に供給する循環排ガス流量の総量を同じにして、バーナ段毎に循環排ガス流量を調節する。制御装置１００は、循環排ガス流量を調節することで、各バーナ段における酸素濃度を変更できる。

このように、制御装置１００が、バーナへ供給する循環排ガスの流量をバーナ段ごとに調節可能な循環排ガス流量決定手段１３８を備えることにより、バーナ近傍の水壁２３０を設計許容温度以下に設定できる。例えば、上段，中段，下段バーナから噴出する循環排ガス流量が同一の場合、上段及び中段バーナ近傍の水壁２３０は、下段バーナの火炎を受けて高温になる可能性がある。この場合、循環排ガス流量決定手段によって、下段バーナの循環排ガス流量を上段バーナに比べて増加させる。下段バーナの酸素濃度は上段バーナに比べて低下するため、下段バーナの火炎温度も低下し、上段・中段バーナの水壁２３０への熱負荷を低減することができる。

また、本実施例において、再熱蒸気温度計測器２６２は、再熱蒸気温度計測値２６３をガス流量制御手段１３０へ出力する。再熱蒸気温度計測値２６３は、２次再熱器２６０と中低圧蒸気タービン３０１とを接続する配管内を流れる再熱蒸気の温度を示す。なお、再熱蒸気温度計測値２６３は、２次再熱器２６０の配管メタル温度、及び２次再熱器２６０から排出された直後の蒸気温度を代用することもできる。

ガス流量制御手段１３０は、以下のように循環排ガス流量を決定する。

再熱蒸気温度計測値２６３がその目標値よりも高い場合は、上段バーナよりも下段バーナの酸素濃度が高くなるように、循環排ガス流量決定手段１３８が各バーナ段に循環排ガスの流量を配分する。すなわち、循環排ガス流量決定手段１３８が、上段バーナよりも下段バーナの循環排ガス流量が少なくなるように循環排ガス流量を分配する。

これにより、酸素濃度が高い下段バーナ付近に燃焼ガスの高温域が形成される。燃焼ガスは火炉を上昇しながら水壁２３０へ伝熱する。そのため、火炉底部に近い下段バーナ付近のガスは、上段バーナ付近のガスよりも長い時間をかけて水壁２３０へ伝熱する。そのため、高温域が形成される位置が火炉底部に近いほど、水壁２３０への伝熱量が増加して、火炉出口におけるガス温度は低下する。火炉出口におけるガス温度が下がることにより、再熱蒸気温度が低下して目標値に近づく。

反対に、再熱蒸気温度計測値２６３がその目標値よりも低い場合は、上段バーナの方が下段バーナよりも酸素濃度が高くなるように、循環排ガス流量決定手段１３８が循環排ガスの流量を配分する。

これにより高温域が上段バーナ付近に形成されるため、高温域から火炉出口までの距離が短くなり、水壁２３０への伝熱量が減少する。そのため、火炉出口におけるガス温度が上昇して再熱蒸気温度が上がり、目標値に近づくように作用する。

燃料流量決定手段１２１は、予め設定された発電出力と燃料流量の関係に基づいて、負荷指令５１に対応する燃料流量信号１２２を演算して、バーナ燃料流量決定手段１２３へ出力する。

バーナ燃料流量決定手段１２３は、燃料流量信号１２２に基づく全燃料流量をミル毎に配分した結果であるバーナ燃料流量信号１２４を、燃料流量制御手段，酸素流量決定手段１３６及び循環排ガス流量決定手段１３８へ出力する。本例において、燃料流量は使用するミル全てに均等配分としている。

また、燃料流量制御手段はバーナ燃料流量信号１２４に基づいて各ミルからバーナへ供給する燃料流量を制御する。

酸素流量決定手段１３６は、ミル毎の燃料流量指令であるバーナ燃料流量信号１２４に対応して、予め設定された燃料流量と酸素流量の関係に基づいて酸素流量１３７を決定する。酸素流量はバーナ段によらず、燃料流量に対して同じ基準で設定している。そのため、燃料流量が均等配分されている本例では、酸素流量も均等配分となる。

循環排ガス流量決定手段１３８は、バーナ燃料流量信号１２４と酸素流量１３７が入力される。循環排ガス流量決定手段１３８は、燃料流量と酸素流量の関係に基づき、対応する酸素濃度が事前に設定されている。そのため、循環排ガス流量決定手段１３８は循環排ガス流量の基準値を決定する。酸素濃度は、バーナ位置によらず燃料流量に対して同じ基準で設定している。本例では、どのバーナ位置においても循環排ガス流量の基準値は等しく設定される。

ただし、本実施例のガス流量制御手段１３０は、再熱蒸気温度計測値２６３とその目標値との偏差に基づいて、循環排ガス流量の配分をバーナ段に応じて調整する機能を有する。この機能が、再熱蒸気温度計測値２６３をその目標値に制御する。

再熱蒸気温度目標値決定手段１１０において、再熱蒸気温度の目標値は予め発電出力に対応して設定されている。再熱蒸気温度目標値決定手段１１０は、負荷指令５１に対応する再熱蒸気温度目標値１１１を決定する。

ガス流量制御手段１３０は、循環排ガス流量を補正する補正装置４００を有する。具体的には、減算器１３１が再熱蒸気温度目標値１１１と再熱蒸気温度計測値２６３との偏差を計算し、この偏差量を比例積分制御器１３２に出力する。比例積分制御器１３２は、循環排ガス流量の配分補正量を出力する。出力された補正量は、下限値設定器１３３及び上限値設定器１３４によって予め設定された上下限値の範囲に制限された後、補正信号１３５として循環排ガス流量決定手段１３８に入力される。

補正量の上下限値は、バーナによる燃焼の安定性，火炎温度の制限，排ガス中の窒素酸化物や一酸化炭素の発生量、またはガス温度変化などを考慮して設定される。

循環排ガス流量決定手段１３８は、各バーナ段に均等配分した循環排ガス流量基準値に対して、入力された補正信号１３５に基づいて修正する。補正信号１３５は上段バーナ２２５に対する流量補正割合を表す。そのため、補正機能４００がこの補正割合に相当する上段バーナ２２５の循環排ガス流量を増加または減少させる。補正機能４００は、中段バーナ２２０に対する循環排ガス流量を変更せず、下段バーナに対する循環排ガス流量を上段バーナに対して施した補正流量と同じ流量だけ減少または増加させる。この補正機能４００により、循環排ガス流量の総流量は変化することなく、バーナ段の上下方向に循環排ガス流量の分布が形成されるため、バーナ段の上下方向に酸素濃度を変えることができる。

循環排ガス流量決定手段１３８は、最終的なバーナ段毎の循環排ガス量信号１３９を決定する。

なお、本実施例は、バーナから噴出するガスの酸素濃度を火炉の高さ方向に変化させる際に、酸素流量及び循環排ガス流量の具体的な決定方法を上述の方法に限定するものではない。

図４は再熱蒸気温度の制御例を示す。図４でガス流量制御を行う時点において、再熱蒸気温度は目標値より高い。そのため、上段バーナよりも下段バーナの循環排ガス流量が少なくなるように、循環排ガス流量決定手段１３８が循環排ガス流量を分配する。一方、酸素流量決定手段１３６が出力する酸素流量は、上段，中段，下段バーナそれぞれ同一である。この制御により、再熱蒸気温度を目標値近傍に制御することができる。

このように、本実施例は、空気燃焼方式のボイラと同様に、酸素燃焼方式ボイラからタービンに供給する蒸気の温度や圧力を所定の値に制御することが可能である。本実施例は、特に再熱蒸気２６１の温度制御に有効である。

本実施例における再熱蒸気温度の制御方法は、空気燃焼ボイラにおける再熱蒸気温度の制御方法と比較して、以下の効果を有する。
（１）後部伝面のガス流路を再熱器側と過熱器側とに仕切る隔壁、隔壁で仕切られた複数のガス流路に燃焼ガスを流すために流量配分を調整するダンパが不要である。
（２）ボイラ排ガスの一部を火炉底部に循環させて、火炉内のガス温度及びガス量を調整する必要がない。
（３）火炉内の熱吸収量を変化させて火炉出口のガス温度を調整するために、上下方向に角度を変更可能なバーナを設ける必要がない。
（４）再熱蒸気温度を調整するために、再熱器の途中に低温の水をスプレする装置が不要である。

上記効果（１）及び（２）により、隔壁やダンパ，ガス循環ファン，ガス循環のための長い配管などを設ける必要がなく、設備コストを低減できる。また、効果（１）（３）は、高温となるボイラ内にダンパやバーナといった可動機構を設置する必要がなく、コスト低減と共に、温度による伸びや変形などを防ぎ、信頼性を向上させることができる。変形や固着等によって可動部に生じる動作不良，制御性能の低下，運転停止を避けることができる。効果（４）はスプレ噴霧を行わないため、プラント効率の低下を抑制できる。

このように、本実施例の酸素燃焼方式は空気燃焼方式と異なり、バーナへ供給する酸素量と酸素濃度を独立に変えることができる。本実施例は、この特性を利用することによって、設備コストの増加を最小限に抑えて再熱蒸気温度を制御できる。

また、酸素燃焼ボイラは、酸素流量調整弁２１１，２２１，２２６、バーナ排ガス流量調整弁２１２，２２２，２２７、及びバーナ段毎に酸素と循環排ガスを分岐させる配管が既に配置されていることが多い。本実施例は、これらの設備を活用することにより、追加する機器や配管を最小限に抑え、効果（１）〜（４）を得られるため、コストを低減できる。また、ボイラ内の高温ガス中にダンパ等の可動部を設ける必要が無く、可動部の動作不良等のリスクが軽減され、信頼性が向上する。

なお、本実施例において、バーナ燃料流量決定手段１２３は、燃料流量を各バーナ段へ均等に配分する。しかし、各バーナ段の燃料流量を変えることも可能である。具体的には、再熱蒸気温度計測値２６３が再熱蒸気温度目標値１１１よりも高い場合、上段バーナよりも下段バーナの燃料流量が多くなるように燃料流量を補正する。反対に、再熱蒸気温度計測値２６３が再熱蒸気温度目標値１１１よりも低い場合、下段バーナよりも上段バーナの燃料流量が多くなるように燃料流量を補正する。このように、各バーナ段の燃料流量を変えることによって、再熱蒸気温度の制御性を更に高めることもできる。

また、上下方向のバーナ設置段数は３段以外でも良い。例えば、バーナ設置段を４段に増やす場合、上から１，２段目の循環排ガス流量を増やすと、その増加分に相当する循環排ガス流量を減らすように、上から３，４段目の循環排ガス流量を減らせば良い。また、上段と下段のバーナ設置高さの差を大きくすることにより再熱蒸気温度の制御性能を向上させる可能性もある。

図７は、水壁２３０に設置される水管２３１の経路を模式的に示したものである。水管２３１は垂直に並んでおり、水管２３１の出口位置における温度を計測する温度計測器２３２が設けられている。図７は、水管と水管との間隔が広く、水管の本数が少ない。しかし、実際の水管はもっと密に配置されている。

図８は温度計測器２３２で測定した水管出口の蒸気温度分布の例を示す。本例は、火炉左側面の温度が右側面に比べて高い。このように温度差が生じると、高温側の水管が所定の設計許容温度を超えて破損する可能性がある。

図３（ｂ）に示したように、実施例１は酸素流量及び循環排ガス流量を上・中・下のバーナ段毎に調節するため、それぞれの配管と流量調整弁を構成した。本実施例は、図９に示すように、同一高さ（段）のバーナをさらに左１本，右１本，中央２本の３グループに分けている。そして、グループ毎に酸素流量及び循環排ガス流量を調節できるように、酸素及び循環排ガスの配管とそれぞれの流量調整弁を設ける。

そして、酸素流量決定手段１３６は、酸素流量信号を酸素流量調節手段１４１に送信する。酸素流量調節手段１４１は、各バーナ段における全酸素流量を変えずに、各バーナ段のグループごとに酸素流量を変える機能を備える。なお、循環排ガス流量調節手段１４２も同様の機能を備える。

これにより、火炉高さ方向の熱吸収量調整に加えて、左右方向の熱吸収量も調整できる。すなわち、各バーナ段左側面側２１０ａ，２２０ａ，２２５ａに供給する循環排ガス流量を、右側面側２１０ｃ，２２０ｃ，２２５ｃよりも多くなるように分配することによって、相対的に左側面側の酸素濃度を下げるように操作する。その結果、火炉左側面側のガス温度が右側面側に比べて低下するので、蒸気温度分布における左右の偏差を抑制できる。

さらに、図９に示すバーナグループ毎に燃料流量を設定可能とし、左側面側のバーナへ供給する燃料流量を右側面側のバーナへ供給する燃料流量よりも相対的に少なくなるよう燃料流量を分配することもできる。

本例では各バーナの中央２本は同一グループとして、同じ酸素流量及び循環排ガス流量となるよう制御する。但し、バーナ１本毎にそれらの流量を設定できるように配管と流量調整弁を構成してもよい。また、プラントの特性に応じて、図９に示した以外の組み合わせでバーナをグループ化してもよい。

このように、本実施例はバーナへ供給するガスの酸素濃度をバーナ設置位置に応じて可変にして、水壁２３０における熱吸収量を調整できる。そして、水壁２３０を構成する水管の温度分布における左右の偏差を抑制できる。

具体的には、水壁２３０で吸収する総熱量が同じまま、局所的な熱吸収の偏りを抑制し、伝熱管の温度分布を平準化させる。そのため、過熱により水管が損傷して運転できなくなる可能性を回避できる。また、材料の劣化速度が増して機器寿命が短くなるなどの問題を回避できる。

従って、水壁２３０では場所によらずできるだけ均一な熱吸収、すなわち均一な温度分布になることが望ましい。

図１１は、本実施例における制御回路の構成例を示す。本実施例は、実施例１と比較して、補正機能４００が各バーナ段の酸素流量を調整する点が相違する。この場合、各バーナ段の循環排ガス流量が一定であれば、酸素流量によって各段の酸素濃度を異ならしめることが可能である。

また、上段バーナと下段バーナにおいて酸素流量の差が一定の範囲であれば、各バーナ段の燃料流量は一定にできる。

実施例に係るボイラプラントの構成を説明する図である。 実施例における水・蒸気系の構成を説明する図である。 実施例におけるボイラ火炉の構造と、バーナへの酸素供給系統及び循環排ガス供給系統の構成を説明する図である。 再熱蒸気温度制御の効果例を説明する図である。 弁開度設定手段の構成例を説明する図である。 制御回路の構成例を説明する図である。 水壁に設置される水管の経路の模式的図である。 水壁出口の蒸気温度分布の例を示す図である。 酸素及び循環排ガスの流量を設定する際のバーナグループの例を示す図である。 酸素及び循環排ガスの流量調整による水壁出口蒸気温度分布平滑化の効果例を示す図である。 実施例３において、制御回路の構成例を説明する図である。

符号の説明

５０ 中央給電指令所
１００ 制御装置
１１０ 再熱蒸気温度目標値決定手段
１２０ 燃料流量決定手段
１３０ ガス流量制御手段
１４０ 弁開度設定手段
２００ ボイラ
２１０，２２０，２２５ バーナ
２１１，２２１，２２６ 酸素流量調整弁
２１２，２２２，２２７ バーナ排ガス流量調整弁
２３０ 水壁
２４０ ２次過熱器
２５０ ３次過熱器
２５１ 主蒸気
２５４ 蒸気加減弁
２６０ ２次再熱器
２６２ 再熱蒸気温度計測器
２７０ １次再熱器
２８０ １次過熱器
２９０ 節炭器
３００ 高圧蒸気タービン
３０１ 中低圧蒸気タービン
３１０ 復水器
３２０ 給水ポンプ
３３０ ガス予熱器
３４０ 排ガス処理装置
３５０ 二酸化炭素回収装置
３６０ 酸素製造装置
３７０ 煙突
３９１ 循環排ガス流量調整弁
３９２ 空気流量調整弁

Claims (8)

1. 火炉高さ方向に複数段配置され、燃料及び酸素と二酸化炭素を含む気体を噴出するバーナと、前記バーナを備えたボイラと、酸素を前記バーナに供給する酸素供給系統と、前記ボイラから排出されたボイラ排ガスの一部を循環排ガスとして前記バーナに戻す排ガス循環系統と、前記ボイラ排ガスの残りから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置とを備えた酸素燃焼ボイラプラントにおいて、
   前記バーナへ供給する前記酸素の流量または前記循環排ガスの流量のうち、少なくとも一方を前記バーナ段ごとに調節可能な酸素流量決定手段または循環排ガス流量決定手段を有することを特徴とする酸素燃焼ボイラプラント。
2. 火炉高さ方向に複数段配置され、燃料及び酸素と二酸化炭素を含む気体を噴出するバーナと、前記バーナを備えたボイラと、酸素を前記バーナに供給する酸素供給系統と、前記ボイラから排出されたボイラ排ガスの一部を循環排ガスとして前記バーナに戻す排ガス循環系統と、前記ボイラ排ガスの残りから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置とを備えた酸素燃焼ボイラプラントにおいて、
   前記バーナへ供給する燃料流量を決定する燃料流量決定手段と、
   前記バーナへ供給する前記酸素の流量または前記循環排ガスの流量のうち少なくとも一方を、前記バーナ段ごとに調節可能な酸素流量決定手段または循環排ガス流量決定手段と、
   前記燃料決定手段による燃料流量に基づいて前記酸素流量決定手段または前記循環排ガス流量決定手段の少なくとも一方を制御して、前記酸素または前記循環排ガスの流量を調節する機能を有するガス流量制御手段とを具備することを特徴とする酸素燃焼ボイラプラント。
3. 請求項１記載の酸素燃焼ボイラプラントであって、
   前記バーナへ供給する前記酸素の流量または前記循環排ガスの流量のうち少なくとも一方を、前記バーナ一本ごとまたは２本以上の組を含む複数グループごとに調節可能な酸素流量調節手段または循環排ガス流量調節手段を具備することを特徴とする酸素燃焼ボイラプラント。
4. 火炉高さ方向に複数段配置され、燃料及び酸素と二酸化炭素を含む気体を噴出するバーナと、前記バーナを備えたボイラと、酸素を前記バーナに供給する酸素供給系統と、前記ボイラから排出されたボイラ排ガスの一部を循環排ガスとして前記バーナに戻す排ガス循環系統と、前記ボイラ排ガスの残りから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置と、蒸気を再加熱する再熱器とを備えた酸素燃焼ボイラプラントにおいて、
   前記再熱器の再熱器管温度または管内を流れる蒸気の温度を計測する再熱器温度計測手段と、
   前記バーナへ供給する前記酸素の流量または前記循環排ガスの流量のうち少なくとも一方を、前記バーナ段ごとに独立に調節可能な酸素流量決定手段または循環排ガス流量決定手段と、
   前記再熱器温度計測手段で計測した再熱器管温度または管内を流れる蒸気の温度とその目標値との偏差量に基づいて前記酸素流量決定手段または前記循環排ガス流量決定手段の少なくとも一方を制御して前記酸素または前記循環排ガスの流量を調節する機能を有するガス流量制御手段とを具備することを特徴とする酸素燃焼ボイラプラント。
5. 請求項４に記載の酸素燃焼ボイラプラントにおいて、
   前記再熱器温度計測手段で計測した再熱器管温度または管内を流れる蒸気の温度が、その目標値よりも高い場合は複数段配置された前記バーナのうち下段バーナが上段バーナよりも前記酸素の流量または濃度が相対的に多くなるように、前記酸素流量決定手段または前記循環排ガス流量決定手段を制御して前記酸素または前記循環排ガスの流量を調節し、
   前記再熱器温度計測手段で計測した再熱器管温度または管内を流れる蒸気の温度が、その目標値よりも低い場合は複数段配置された前記バーナのうち上段バーナが下段バーナよりも前記酸素の流量または濃度が相対的に多くなるように、前記酸素流量決定手段または前記循環排ガス流量決定手段を制御して前記酸素または前記循環排ガスの流量を調節する機能を有するガス流量制御手段とを具備することを特徴とする酸素燃焼ボイラプラント。
6. 火炉高さ方向に複数段配置され、燃料及び酸素と二酸化炭素を含む気体を噴出するバーナと、前記バーナを備えたボイラと、酸素を前記バーナに供給する酸素供給系統と、前記ボイラから排出されたボイラ排ガスの一部を循環排ガスとして前記バーナに戻す排ガス循環系統と、前記ボイラ排ガスの残りから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置と、蒸気を再加熱する再熱器とを備えた酸素燃焼ボイラプラントの制御方法において、
   前記再熱器の再熱器管温度または管内を流れる蒸気の温度を計測する第１の工程と、
   前記再熱器管温度または管内を流れる蒸気の温度とその目標値との偏差量を求める第２の工程と、
   前記偏差量に基づき、前記バーナへ供給する前記酸素の流量または前記循環排ガスの流量のうち少なくとも一方を、前記バーナ段ごとに独立に調節する第３の工程とを備えたことを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの制御方法。
7. 請求項６に記載の酸素燃焼ボイラプラントの制御方法において、
   前記再熱器管温度または管内を流れる蒸気の温度がその目標値よりも高い場合、複数段の前記バーナのうち下段バーナが上段バーナよりも前記酸素の流量または濃度が相対的に多くなるように前記酸素または前記循環排ガスの流量を調節する第４の工程を備えたことを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの制御方法。
8. 請求項６に記載の酸素燃焼ボイラプラントの制御方法において、
   前記再熱器管温度または管内を流れる蒸気の温度がその目標値よりも低い場合、複数段の前記バーナのうち上段バーナが下段バーナよりも前記酸素の流量または濃度が相対的に多くなるように前記酸素または前記循環排ガスの流量を調節する第４の工程を備えたことを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの制御方法。

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