JP2011525606A - 石炭発電所燃焼設備の粉砕石炭燃焼時に燃料と空気の比を制御する装置と方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、石炭発電所燃焼設備での粉砕石炭の燃焼時に燃料と空気の比を制御するための装置と方法に関する。この石炭発電所燃焼設備はそのバーナに粉砕石炭を空気圧搬送するための手段と、石炭発電所燃焼設備のバーナまたは燃焼室に燃焼空気を供給するための手段とを備え、燃焼空気量と搬送用空気量の制御が行われる。本発明の目的は、燃焼空気量と搬送用空気量を測定するための装置の少ない整備費用で、制御の高い信頼性を得ることである。この目的は本発明に従い、燃焼空気の流れ方向において相前後して燃焼空気流内に配置されたセンサの摩擦電気効果を相関測定法に従って評価して、燃焼空気の流速を測定する、燃焼空気量を測定するための測定装置によって達成される。そのために、２０〜２００μｍの粒度を有する、空気１立方メートルあたり０．１〜１０ｍｇの微細粒子が、吸い込まれた外気流に供給される。吸い込まれた外気流への粒子の供給は特に、石炭発電所燃焼設備の始動段階中にのみ行われる。好ましくは、搬送用空気量の測定も、搬送用空気の流れ方向において相前後して搬送用空気流内に配置されたセンサの摩擦電気効果を評価する相関測定装置によって行われる。

Description

本発明は、石炭発電所燃焼設備での粉砕石炭の燃焼時に燃料と空気の比を制御するための装置に関する。この石炭発電所燃焼設備はそのバーナに粉砕石炭を空気圧搬送するための手段と、石炭発電所燃焼設備のバーナまたは燃焼室に燃焼空気を供給するための手段とを備え、発電所燃焼設備は空気の流れ方向に少なくとも次の装置を備えている、すなわち、
周囲から外気を吸い込むための外気ファンと、粉砕石炭を一緒に運ぶために吸い込まれた外気の一部を搬送用空気として搬送するための粉砕機ファンと、石炭発電所燃焼設備の排出ガス熱を利用しながら吸い込まれた外気と搬送用空気の一部を予熱するための再生式空気予熱器とを備え、この場合、再生式空気予熱器の蓄熱物質、たいてい滑らかな金属薄板または波形の金属薄板が高温の排出ガスによって加熱され、続いて外気または搬送用空気によって冷却され、この加熱と冷却が交互に行われ、さらに燃焼室に供給される燃焼空気量を制御するための空気量制御装置と、粉砕石炭を空気圧搬送するために使用される搬送用空気量を制御するための空気量制御装置と、石炭発電所燃焼設備に供給される燃焼空気量を測定するための測定装置と、粉砕石炭の予備選定された量をバーナに配量供給するための装置を備えている。

本発明はさらに、少なくとも前述の特徴を有する石炭発電所燃焼設備において粉砕石炭を燃焼させる際に、燃料と空気の比を制御するための方法に関する。

石炭発電所燃焼設備で粉砕石炭を燃焼させる際の燃料と空気の比の制御は、供給された燃料のほぼ完全な燃焼を達成するためまたは燃焼プロセスの所定の化学量論を維持するため、ひいては高いエネルギー効率を達成するため並びに低いエミッション値を保つために重要である。石炭発電所の燃焼設備は、要求される負荷に相応して予備選定された燃料量をバーナに配量供給するための適切な装置のほかに、供給された燃料量に依存して、バーナまたは燃焼室に供給される燃焼空気流を制御する制御装置を備えている。そのためには、燃焼室に供給される燃焼空気量をできるだけ正確に計測技術的に検出することができる測定装置が必要である。両方共、負荷に依存して燃焼プロセスを最適に制御するために必要である。この場合、燃料量は要求された負荷に相応して予備選定され、燃焼の所定の化学量論を達成するために燃焼空気量が制御される。実際には、２つの石炭発電所燃焼設備が該当する。一方の石炭発電所燃焼設備では、予備選定された量の粉砕石炭が個々のバーナまたはバーナのグループに供給され、このバーナまたはバーナのグループに供給される燃焼空気量が燃焼の所定の化学量論を達成するために、粉砕石炭の予備選定された量に相応して制御される。他方の石炭発電所燃焼設備では、ボイラのすべてのバーナに供給される粉砕石炭の全量だけが予備選定され、これに応じて、このボイラのすべてのバーナまたはボイラ全体に供給される燃焼空気量だけが制御される。

いかなる場合でも、燃焼空気量の適切な制御を実現して、燃焼プロセスを制御するために、個々のバーナに関連してまたはバーナのグループに関連してまたはボイラのすべてのバーナまたはボイラ全体に関連して、燃焼空気量を計測技術的に検出することが必要である。

さらに、粉砕石炭をバーナに空気圧搬送する石炭発電所燃焼設備の場合には、空気圧で石炭を搬送するための搬送用空気の量が制御される。この制御も、搬送用空気量の計測技術的な検出を必要とする。

石炭発電所燃焼設備ではほとんどの場合もっぱら、圧力測定プローブを使用して差圧測定によって空気量測定が行われる。そのためにそれぞれ、燃焼空気を案内する管系またはダクト系と、搬送用空気を案内する管系またはダクト系内に、圧力測定プローブが設置される。測定された圧力に基づいて、ダクト内の流速を決定することができ、ダクトの寸法を考慮してその都度の空気量を求めることができる。圧力測定プローブはダクト横断面内に直接設けられていないで、いわゆるパルス導体を介して、空気を案内するダクトに接続されている。

発電所燃焼設備のエネルギー効率を改善するために、外気を予熱することが一般的である。この外気の予熱は、再生式空気予熱器の蓄熱物質、ほとんどは滑らかな金属薄板または波形の金属薄板を先ず最初に高温の排出ガスによって加熱し、続いて外気によって冷却し、この加熱と冷却を交互に行い、それによって排出ガスから外気に熱を伝達することにより、行われる。これに伴って、外気へのフライアッシュ粒子の供給が行われる。発電所燃焼設備を運転する際に、このフライアッシュ粒子の供給は圧力測定プローブまたはパルス導体を定期的に汚すことになる。その結果、連続的な清掃作業および保守整備作業が必要となる。測定された差圧に基づいて圧力測定プローブの汚れの程度を一義的に決定することができず、従って運転が進行すると、測定結果が重大な誤差の危険を含んでいることが問題である。その結果、確かめるのに面倒な作業を必要とする空気量測定のドリフトが必要である。これは燃料と空気の比の制御を不正確なものにし、それに伴い効率が低下し、有害物質の放出が増大する。

本発明の目的は、保守整備費用が少ないと共に信頼性が高い、石炭発電所燃焼設備での粉砕石炭の燃焼時に燃料と空気の比を制御するための装置と方法を提供することである。そのために、石炭発電所燃焼設備におけるドリフトのない空気量測定の開発が課せられる。

この目的は本発明に従い、請求項１に記載の装置と請求項８に記載の方法によって達成される。請求項１に関連する請求項２〜７には、本発明に係る装置の有利な実施形態が記載され、請求項８に関連する請求項９〜１３には、本発明に係る方法の有利な実施形態が記載されている。

石炭発電所燃焼設備での粉砕石炭の燃焼時に燃料と空気の比を制御するための本発明に係る装置であって、石炭発電所燃焼設備がそのバーナに粉砕石炭を空気圧搬送するための手段と、石炭発電所燃焼設備のバーナまたは燃焼室に燃焼空気を供給するための手段とを備え、空気の流れ方向に少なくとも次の装置が配置され、すなわち、
周囲から外気を吸い込むための外気ファンと、吸い込まれた外気の一部を搬送用空気として石炭粉砕機に搬送するための粉砕機ファンと、石炭発電所燃焼設備の排出ガス熱を利用しながら吸い込まれた外気と搬送用空気の一部を予熱するための再生式空気予熱器とが配置され、この場合、再生式空気予熱器の蓄熱物質が先ず最初に高温の排出ガスによって加熱され、続いて外気または搬送用空気の一部によって冷却され、この加熱と冷却が交互に行われ、さらに燃焼室に供給される燃焼空気量を制御するための空気量制御装置と、粉砕石炭を空気圧搬送するために使用される搬送用空気量を制御するための空気量制御装置と、燃焼室に供給される燃焼空気量と、粉砕石炭の空気圧搬送のために使用される搬送用空気量を測定するための測定装置と、粉砕石炭の予備選定された量をバーナに配量供給するための装置が配置されている、本装置は、燃焼空気量測定が摩擦電気効果を評価する相関測定装置によって行われることを特徴とする。そのために、摩擦電気効果を感知するための、相前後して位置決めされた少なくとも２個のセンサが、燃焼空気の流れ方向において再生式空気予熱器の後方において燃焼空気を案内するダクト系内に配置され、このセンサが相関測定装置に接続され、燃焼空気の流れ方向において相関測定装置のセンサの手前に、微細粒子を空気流に配量供給するための少なくとも１つの装置が配置されている。微細粒子を空気流に配量供給するための装置は、好ましくは、外気ファンの手前に配置することができる。しかしながら、微細粒子を空気流に配量供給するための装置を、外気ファンと再生式空気予熱器との間あるいは再生式空気予熱器の後方に配置することもできるが、いかなる場合でも、相関測定装置のセンサの手前に配置される。その際、微細粒子を空気流に配量供給するための装置は、空気１立方メートルあたり０．１〜１０ｍｇ、好ましくは０．５〜２ｍｇの微細粒子が空気流に供給されるように採寸されている。その際、微細粒子を空気流に配量供給するための装置を制御するための制御装置を設けることができる。この制御装置は微細粒子を空気流に配量供給するための装置を、連続的におよび／または不連続的にかつ周期的に運転することを可能にする。

好ましくは、搬送用空気量測定が摩擦電気効果を評価する相関測定装置によって行われる。そのために、相前後して位置決めされた、摩擦電気効果を感知するための少なくとも２個のセンサが、搬送用空気の流れ方向において再生式空気予熱器の後方において搬送用空気を案内するダクト系内に配置され、センサは相関測定装置に接続されている。

微細粒子を空気流に配量供給するための装置は、好ましくは、粉塵噴射器として形成され、この場合、微細粒子として、好ましくは、フィルタアッシュまたはフライアッシュが空気流に供給される。

本発明に係る方法は、燃焼空気量測定と、好ましくは、搬送用空気量測定が、空気の流れ方向において相前後して空気流内に配置されたセンサの摩擦電気効果の評価に基づいて相関測定法に従って行われることと、２０〜２００μｍ、好ましくは、６０〜９０μｍの粒度を有する、空気１立方メートルあたり０．１〜１０ｍｇ、好ましくは、０．５〜２ｍｇの微細粒子が、センサの手前において空気流に供給されることを特徴とする。

上記の粒径を有する、空気１立方メートルあたり０．１〜１０ｍｇ、好ましくは０．５〜２ｍｇの微細粒子の供給が測定にとって十分であることがわかった。その際、好ましくは、フィルタアッシュまたはフライアッシュが供給される。

空気流への微細粒子の供給は、好ましくは、石炭発電所燃焼設備の始動段階中にのみ、すなわち、事前換気段階および油燃焼段階またはガス燃焼段階中にのみ行われる。石炭粉塵燃焼の点火後、センサの十分な摩擦電気効果を生じるのに十分な量のアッシュ粒子が再生式空気予熱器を経て外気流または搬送用空気流に供給されるので、相関測定法に従って粒子の追加供給をせずに空気量測定を行うことが可能である。始動段階中に空気１立方メートルあたり０．１〜１０ｍｇの微細粒子を供給する、１００ミリ秒〜６０秒の間の周期時間での微細粒子の周期的な供給が、確実な測定のために十分であることがわかった。

本発明に係る装置と本発明に係る方法は、従来技術によって知られている、空気量測定のドリフトの問題を発生せずに、石炭発電所燃焼設備での粉砕石炭の燃焼時に燃料と空気の比の制御を、十分に支障なくかつ保守整備をしないで可能にする。本発明は、空気量測定精度の高い長時間不変性に基づいて、燃料と空気の比の著しく改善された制御を可能にする。

次に、実施形態に基づいて本発明を詳しく説明する。

石炭発電所燃焼設備の簡略化したブロック図である。 発電所燃焼設備の空気量測定の時間的な経過を示す。

図１に示した石炭発電所燃焼設備の簡略化したブロック図は、外気の吸引からスタートして、外気フラップ弁１と、微細粒子を外気流に配量供給するための装置２と、外気ファン３を示している。外気ファン３の後方で、吸引された外気から搬送用空気が分岐する。この搬送用空気は粉砕機ファン４を通ってさらに運ばれ、一部は再生式空気予熱器５に搬送される。石炭発電所燃焼設備の定常運転において、再生式空気予熱器５では、搬送用空気の一部が加熱される。搬送用空気の他の部分は低温のまま案内される。搬送用空気の両部分は高温空気フラップ弁６と低温空気フラップ弁７を経て配量されて合流する。その際、微粉炭を加えた後の搬送用空気と石炭の混合物の温度が予備選定された限界値内にあるような割当量で、搬送用空気の両部分が配量されて合流する。搬送用空気の温度は石炭粉砕機８の背後に配置された温度測定装置９によって検出される。石炭粉砕機の手前には、搬送用空気量測定装置１０のセンサが配置されている。このセンサは搬送用空気の流れ方向において相前後して対をなして配置されかつ搬送用空気流内に突出する計測棒として形成されている。搬送用空気測定装置１０は相関測定装置として形成されている。この相関測定装置は搬送用空気内を案内される粒子によって計測棒で生じる摩擦電気効果を評価して、搬送用空気の流速を測定する。計測棒を配置した領域内の、搬送用空気を案内する管の横断面積と、計測棒を配置した領域内の搬送用空気の温度と搬送用空気の静圧とに基づいて、搬送用空気の量が求められる。

発電所燃焼設備によって要求される負荷に応じて、配量装置１１によって配量された石炭が石炭粉砕機８に供給される。粉砕された石炭を含む搬送用空気は、燃焼室１２内に配置されたバーナ１３に供給される。この供給は、石炭発電所燃焼設備の構造に応じて、個々のバーナにまたはバーナグループにまたは燃焼室１２のすべてのバーナ１３に一緒に行うことができる。搬送用空気の流れ方向において再生式空気予熱器５の後方に、搬送用空気の静圧を検出するための圧力測定装置１４が設けられている。さらに、搬送用空気流内に安全フラップ弁１５が配置されている。この安全フラップ弁は、石炭発電所燃焼設備の始動段階中に、すなわち、粉砕された石炭がバーナ１３に搬送されないときに、閉鎖されている。

吸い込まれた外気の主要部分は、外気ファン３の後方で、燃焼空気として再生式空気予熱器５に供給される。加熱された燃焼空気の静圧は静圧測定装置１６によって検出される。圧力測定装置１４と１６によって外気ファン３の制御が行われる。加熱された燃焼空気の一部はバーナ１３に直接案内され、他の部分は燃焼室１２に案内される。燃焼空気の両部分の量は燃焼空気量測定装置１７、１８によって検出される。

燃焼空気量測定装置１７、１８は搬送用空気量測定装置１０と同様に、相関測定装置として形成されている。この測定装置は計測棒として形成されたセンサを備えている。このセンサは燃焼空気を案内する管系またはダクト系内に、燃焼空気の流れ方向において相前後してかつ対をなして配置されている。燃焼空気内を案内される微細粒子は計測棒のところで摩擦電気効果を生じる。この摩擦電気効果は相関分析によって評価される。評価の結果、燃焼空気の流速が決定され、そして燃焼空気を案内する管系またはダクト系の横断面積と、燃焼空気の温度および計測棒を配置した領域の燃焼空気の静圧とを考慮して、燃焼空気量が求められる。

バーナ１３に供給される粉砕石炭の量が発電所燃焼設備によって要求される負荷に相応して予め定められる場合に、燃焼の所定の化学量論のために必要な燃料と空気の比を達成するための、バーナ１３と燃焼室１２に供給される燃焼空気量の制御は、燃焼空気制御フラップ弁１９、２０によって行われる。

石炭発電所燃焼設備の大きさまたは出力に応じて、上記のすべての部品グループおよび装置を複数設けて、並列に作動させることができる。簡略化したブロック図を見やすくする意味で、部品グループと装置はそれぞれ簡単に示してある。石炭発電所燃焼設備の原理的な作用は、本発明が関する範囲内において、本発明によって影響を及ぼされない。

図２は石炭発電所燃焼設備の始動段階中の、バーナ１３またはバーナ１３のグループに供給される燃焼空気量の時間的な変化を示している。

先ず最初に、燃焼室１２の事前換気が行われる。燃焼空気制御フラップ弁１９、２０は完全に開放され一方、搬送用空気ガイド内の安全フラップ弁１５は閉鎖されている。燃焼空気だけが燃焼室１２に案内される。外気ファン３の制御は静圧測定装置１６によって測定された燃焼空気の圧力に依存して行われる。燃焼室１２から残留燃料を除去して、爆発を避けるために、先ず最初に、燃焼室１２で複数倍（少なくとも３倍）の空気量の交換が生じるほどの燃焼空気が燃焼室１２に吹き込まれる。燃焼室１２内で複数倍の空気量の交換が終了した後で、燃焼室１２内に配置された、図１に図示していない油バーナまたはガスバーナのための点火準備が行われる。点火準備開始と共に、燃焼空気量の制御が点火作業のために供給される燃料量（油またはガス）に依存して行われる。微細粒子を外気流に配量供給するための装置２を介して、吸い込まれた外気１立方メートルあたり２ｍｇのフライアッシュが外気流に供給される。燃焼空気量測定装置１７、１８によって燃焼空気量が測定され、燃焼空気制御フラップ弁１９、２０を介してバーナ１３または燃焼室１２に供給される燃焼空気量が制御される。石炭発電所燃焼設備の油燃焼またはガス燃焼は、燃焼室１２と再生式空気予熱器５が十分に予熱されるまで続けられる。油燃焼またはガス燃焼の時間の間、外気１立方メートルあたり約２ｍｇのフライアッシュが吸い込まれた外気に供給される。それによって、燃焼空気流内に配置されたセンサにおいて摩擦電気効果を生じるための十分な粒子負荷が発生し、相関測定法に従って空気量測定が可能になる。

燃焼室１２が十分に予熱されると同時に、燃焼室１２内への粉砕炭の供給が開始される。そのために、粉砕機ファン４を経ておよび安全フラップ弁１５の開放によって、搬送用空気が流れ始め、石炭粉砕機８が石炭を配量供給する。搬送用空気は粉砕された石炭を含む。

粉砕された石炭は、まだ運転中の油バーナまたはガスバーナで引火する。

燃焼室１２への石炭の供給開始および石炭燃焼の引火開始と同時に、吸い込まれた外気への微細粒子の供給が終了する。今や、空気量測定装置１０、１７、１８のセンサ棒で摩擦電気効果を生じるために十分なアッシュ粒子の量が、再生式空気予熱器５を経て燃焼空気と搬送用空気に供給される。

１ 外気フラップ弁
２ 微細粒子の配量供給装置
３ 外気ファン
４ 粉砕機ファン
５ 再生式空気予熱器
６ 高温空気フラップ弁
７ 低温空気フラップ弁
８ 石炭粉砕機
９ 温度測定装置
１０ 搬送用空気量測定装置
１１ 石炭用配量装置
１２ 燃焼室
１３ バーナ
１４ 搬送用空気の静圧を測定する圧力測定装置
１５ 安全フラップ弁
１６ 燃焼空気の静圧を測定する圧力測定装置
１７ 燃焼空気量測定装置
１８ 燃焼空気量測定装置
１９ 燃焼空気制御フラップ弁
２０ 燃焼空気制御フラップ弁

Claims (13)

1. 石炭発電所燃焼設備での粉砕石炭の燃焼時に燃料と空気の比を制御するための装置であって、石炭発電所燃焼設備がそのバーナに粉砕石炭を空気圧搬送するための手段と、石炭発電所燃焼設備のバーナ（１３）または燃焼室（１２）に燃焼空気を供給するための手段とを備え、空気の流れ方向に少なくとも次の装置が配置され、すなわち、
   周囲から外気を吸い込むための外気ファン（３）と、粉砕石炭を一緒に運ぶために吸い込まれた外気の一部を搬送用空気として搬送するための粉砕機ファン（４）と、石炭発電所燃焼設備の排出ガス熱を利用しながら吸い込まれた外気と搬送用空気の一部を予熱するための再生式空気予熱器（５）とが配置され、この場合、再生式空気予熱器（５）の蓄熱物質が先ず最初に高温の排出ガスによって加熱され、続いて外気または搬送用空気の一部によって冷却され、この加熱と冷却が交互に行われ、さらに燃焼室（１２）に供給される燃焼空気量を制御するための空気量制御装置と、粉砕石炭を空気圧搬送するために使用される搬送用空気量を制御するための空気量制御装置と、燃焼室（１２）に供給される燃焼空気量と、粉砕石炭の空気圧搬送のために使用される搬送用空気量を測定するための測定装置（１０、１７、１８）と、粉砕石炭の予備選定された量をバーナ（１３）に配量供給するための装置（８、１１）が配置されている、装置において、
   燃焼空気量測定（１７、１８）のために、燃焼空気の流れ方向において相前後して燃焼空気流内に配置された２個のセンサの摩擦電気効果を評価する相関測定装置が設けられ、センサが燃焼空気の流れ方向において再生式空気予熱器（５）の後方において燃焼空気を案内するダクト系内に配置されていることと、燃焼空気の流れ方向において相関測定装置のセンサの手前に、微細粒子を空気流に配量供給するための少なくとも１つの装置（２）が配置されていることを特徴とする装置。
2. 搬送用空気量測定（１０）のために、搬送用空気の流れ方向において相前後して搬送用空気流内に配置された２個のセンサの摩擦電気効果を評価する相関測定装置が設けられ、センサが搬送用空気の流れ方向において再生式空気予熱器（５）の前方において搬送用空気を案内するダクト系内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 微細粒子を空気流に配量供給するための装置（２）が外気ファン（３）の手前に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 微細粒子を空気流に配量供給するための装置（２）が粉塵噴射器であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の装置。
5. 粉塵噴射器がフィルタアッシュまたはフライアッシュを空気流に供給するように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. センサが摩擦電気効果を感知するために空気ダクトの狭くなった個所または曲げ部の領域に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. センサが摩擦電気効果を感知するために燃焼空気量を制御するための調節装置（１９、２９）の手前で燃焼空気流内に配置され、かつ搬送用空気流内への粉砕石炭の供給部の手前において搬送用空気流内に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 石炭発電所燃焼設備での粉砕石炭の燃焼時に燃料と空気の比を制御するための方法であって、この石炭発電所燃焼設備がそのバーナ（１３）に粉砕石炭を供給するための手段と、請求項１〜７に記載の石炭発電所燃焼設備のバーナ（１２）または燃焼室（１２）に燃焼空気を供給するための手段とを備えている、方法において、
   燃焼空気量測定と搬送用空気量測定が、空気の流れ方向において相前後して空気流内に配置されたセンサの摩擦電気効果の評価に基づいて相関測定法に従って行われ、２０〜２００μｍ、好ましくは６０〜９０μｍの粒度を有する、空気１立方メートルあたり０．１〜１０ｍｇ、好ましくは０．５〜２ｍｇの微細粒子が、センサの手前において空気流に供給されることを特徴とする方法。
9. 搬送用空気量測定が、空気の流れ方向において相前後して空気流内に配置されたセンサの摩擦電気効果の評価に基づいて相関測定法に従って行われることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 空気１立方メートルあたり０．１〜１０ｍｇ、好ましくは０．５〜２ｍｇのフィルタアッシュまたはフライアッシュが、空気流に供給されることを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
11. 空気流への微細粒子の供給が、石炭発電所燃焼設備の始動段階中にのみ行われることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 搬送用空気への粉砕石炭の供給が行われないときに、空気流への微細粒子の供給が行われることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 空気流への微細粒子の供給が、１００ミリ秒〜６０秒の間の周期時間で周期的に行われることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の方法。

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