JP2018105594A - 燃焼装置及びそれを備えたボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】効率的なガス濃度の計測位置を具体的に設定し、計測したガス濃度の情報に基づく具体的な制御方法により効果的に未燃分の残存を抑制し、ボイラ効率を向上させることができる。【解決手段】バーナ（２）と、空気供給ポート（３）と、二次空気用ダンパ（４２）と、火炉出口部（１１０）にてガス濃度を計測する計測部（５）と、制御装置（９０）とを備え、空気供給ポート（３）は、２以上のグループ（３１〜３４）に分けられており、計測領域（５０）は、分けられた各グループ（３１〜３４）に対応付けられた複数の分割領域（５１〜５４）に予め分割されており、制御装置（９０）は、計測領域（５０）の全体におけるガス濃度の平均値と各分割領域（５１〜５４）におけるガス濃度の値との間の偏差に基づき、各分割領域（５１〜５４）に対応付けられたグループ（３１〜３４）の空気供給ポート用二次空気の流量制御指令値を出力する。【選択図】図６

Description

本発明は、燃焼装置及びそれを備えたボイラに関する。

ボイラの火炉では、空気不足や燃料と空気の混合不足等によって燃料が火炉出口までに完全に燃焼せず、未燃分（未燃燃料）が残存することが知られている。未燃分の残存量が多いほどボイラ効率が低下するため、火炉内に供給する一次空気や二次空気の流量を調整することで未燃分の残存量を低減させる技術がある。

例えば、特許文献１には、火炉の上流側に燃料、一次空気、及びバーナ用二次空気を供給して燃焼を行うと共に、火炉の下流側に追加空気吹出部用二次空気を供給して未燃分の燃焼を行う多段燃焼方法が開示されている。この方法では、火炉の下流側横断面における酸素又は炭酸ガスの濃度分布を計測し、計測されたガス濃度の分布に基づき追加空気吹出部用二次空気の供給方向と流速を調整している。

特開昭６３−３１１０２０号公報

特許文献１に記載の方法では、火炉の下流側横断面でのガス濃度の分布を定量的に把握することにより、例えば、周辺部よりも中央部のガス濃度が高い場合には、中央部における燃焼が活発であると判断し、この情報に基づき追加空気吹出部用二次空気の供給方向と流速を調整しているが、具体的な調整方法やガス濃度の計測位置については不明であるため、実用化が困難である。

本発明は、効率的なガス濃度の計測位置を具体的に設定し、計測したガス濃度の情報に基づく具体的な制御方法により効果的に未燃分の残存を抑制し、ボイラ効率を向上させることができる燃焼装置及びそれを備えたボイラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、鉛直方向に沿って設置される火炉の壁に設けられ、前記火炉の内部に燃料、一次空気、及びバーナ用二次空気を供給する複数のバーナと、前記火炉の壁において前記複数のバーナよりも鉛直方向の上側に設けられ、前記火炉の内部に空気供給ポート用二次空気を供給する複数の空気供給ポートと、前記空気供給ポート用二次空気の流量を調整する複数の二次空気用ダンパと、前記火炉において前記複数の空気供給ポートよりも前記鉛直方向の上側に位置する火炉出口部の水平断面上の計測領域にて、ガス濃度を計測する計測部と、前記複数の二次空気用ダンパのそれぞれの開度を調整するための流量制御指令値を出力する回路を有する制御装置と、を備え、前記複数の空気供給ポートは、２以上のグループに分けられており、前記計測領域は、分けられたそれぞれのグループに対応付けられた複数の分割領域に予め分割されており、前記制御装置は、前記計測領域の全体におけるガス濃度を平均した値と前記計測領域のそれぞれの前記分割領域におけるガス濃度の値との間の偏差に基づいて、それぞれの前記分割領域に対応付けられたグループに属する前記空気供給ポートに供給する前記空気供給ポート用二次空気の前記流量制御指令値を前記複数の二次空気用ダンパのそれぞれに出力することを特徴とする燃焼装置である。

本発明によれば、上記の特徴により、効率的かつ効果的に未燃分の残存を抑制し、ボイラ効率を向上させることができる。なお、上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明が適用される火力発電プラントの一部構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る燃焼装置（ボイラの一部）の一構成例を示す概略斜視図である。 火炉の前壁側におけるバーナ及び空気供給ポートの構成、並びに火炉内への燃料及び空気の供給系統を示す模式図である。 Ｏ_２濃度と未燃分との関係を示すグラフである。 複数の空気供給ポートの構成と計測領域の構成との関係、及び計測領域におけるＯ_２濃度の計測方法を示す模式図である。 複数の空気供給ポートから供給される空気供給ポート用二次空気の流量の制御方法を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態に係る燃焼装置１２及びそれを備えたボイラ１０について、図１〜図６を参照して説明する。

＜ボイラ１０の構成＞
まず、ボイラ１０の構成について、図１〜図３を参照して説明する。

図１は、本発明が適用される火力発電プラントの一部構成を示す模式図である。図２は、本実施形態に係る燃焼装置１２（ボイラ１０の一部）の一構成例を示す概略斜視図である。図３は、火炉１１の前壁１１１側におけるバーナ２及び空気供給ポート３の構成、並びに火炉１１内への燃料及び空気の供給系統を示す模式図である。

ボイラ１０は、火力発電プラント等で使用される微粉炭焚きボイラの一態様であり、例えば瀝青炭や亜瀝青炭等の石炭から生成された微粉炭を固体燃料として燃焼して、発生した熱を回収する。微粉炭は、微粉炭機１３により石炭を粉砕して生成される。このボイラ１０は、鉛直方向に沿って設置される火炉１１と、火炉１１内において微粉炭を燃焼させる燃焼装置１２と、を備えている。

火炉１１は、図２に示すように、水冷管で構成された水冷壁で囲まれた筐体構造を有しており、内部に燃焼空間が形成されている。火炉１１の燃焼空間において微粉炭が燃焼されることにより発生した燃焼ガスは、図１及び図２において太線矢印で示すように、火炉１１の鉛直方向の下側から上側に向かって流れる。ボイラ１０から排出された燃焼ガスは、脱硝装置１０３や空気予熱器１０４等を通った後、処理済の排ガスとして外部に排出される。

火炉１１内において、鉛直方向の下側が燃焼ガスの流れの「上流側」であり、鉛直方向の上側が燃焼ガスの流れの「下流側」である。したがって、火炉出口部１１０は、燃焼ガスの流れの下流側である鉛直方向の上側に位置している。

火炉１１の上部には、火炉１１に対して交差（直交）する方向に沿った煙道１４が連結されている。火炉１１において燃焼により発生した熱は、主に火炉水冷壁への輻射による伝熱で水を加熱蒸発させ、さらに、煙道１４の内部に設けられた過熱器や再熱器等の熱交換器（図略）による熱交換で水蒸気は過熱されてタービンに送られて発電に供される。

なお、以下の説明において、煙道１４が延びる方向を「奥行方向」とし、奥行方向における火炉１１側を「前側」、その反対側を「後側」とする。また、鉛直方向及び奥行方向に交差（直交）する方向を「幅方向」とする（図２参照）。

燃焼装置１２は、火炉１１の内部に微粉炭、一次空気、及びバーナ用二次空気を供給する複数のバーナ２と、火炉１１の内部に空気供給ポート用二次空気を供給する複数の空気供給ポート３と、空気供給ポート用二次空気の流量を調整する複数の二次空気用ダンパ４２と、火炉出口部１１０の水平断面上の計測領域５０（図２において一点鎖線で示す）にてガス濃度を計測する計測部５と、複数の二次空気用ダンパ４２のそれぞれの開度を調整するための流量制御指令値を出力する回路を有する制御装置９０と、を備えている。

この燃焼装置１２では、微粉炭を燃焼させるための燃焼用の空気を二段階に分けて供給する。すなわち、ボイラ１０では、二段階で微粉炭を完全燃焼させる二段燃焼方式が用いられている。

まず、第一段階では、微粉炭を完全燃焼させるために必要な理論空気量以下となる量の空気を複数のバーナ２から一次空気及びバーナ用二次空気として火炉１１の内部に供給して、空気不足の状態で微粉炭を燃焼する。これにより、発生した燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素に還元して、火炉１１内における窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制することができる。次に、第二段階では、微粉炭の完全燃焼に不足分の空気を複数の空気供給ポート３から空気供給ポート用二次空気として火炉１１の内部に供給して、第一段階で燃焼しきれずに残った固体状の未燃分や発生した一酸化炭素（ＣＯ）等の気体状の未燃分の燃焼を促進させる。

具体的には、一次空気ファン４３から供給されて空気予熱器１０４により予熱された一次空気は、微粉炭の乾燥用及び搬送用として微粉炭機１３に導かれ、微粉炭機１３で粉砕された微粉炭と一緒に複数のバーナ２から火炉１１内に供給される。二次空気ファン４６から供給されて空気予熱器１０４で予熱された二次空気（燃焼用空気）は、その一部が複数のバーナ２から、残りが複数の空気供給ポート３から、それぞれ火炉１１内に供給される。

複数のバーナ２を通って火炉１１内に供給されるバーナ用二次空気の流量の調整（制御）は、制御装置９０から出力されたダンパ開度制御指令値に従ってダンパ１５の開度が調整されることにより行われる。複数の空気供給ポート３を通って火炉１１内に供給される空気供給ポート用二次空気の流量の調整（制御）は、制御装置９０から出力された流量制御指令値に従って二次空気用ダンパ４２の開度が調整されることにより行われる。

本実施形態に係るボイラ１０は対向燃焼型のボイラであり、図２に示すように、複数のバーナ２及び複数の空気供給ポート３は、奥行方向に対向して配置された火炉１１の前壁１１１及び後壁１１２に分かれて設けられている。

具体的には、前壁１１１及び後壁１１２においてそれぞれ、１２個のバーナ２及び６個の空気供給ポート３が設けられている。前壁１１１側の１２個のバーナ２と後壁１１２側の１２個のバーナ２とは、互いに対向する位置に配置されており、それらの構成は同一である。同様に、前壁１１１側の６個の空気供給ポート３と後壁１１２側の６個の空気供給ポート３とについても、互いに対向する位置に配置されており、それらの構成は同一である。そこで、前壁１１１側におけるバーナ２及び空気供給ポート３の構成を例に挙げて、以下説明する。

図３に示すように、１２個のバーナ２は、鉛直方向に沿って上側から下側に向かって上段、中段、下段の３つの段に分かれて配置されている。そして、各段には、幅方向に沿って４個のバーナ２が並んで配置されている。以下の説明において、上段に配置された４個のバーナ２を「上段バーナ２１」、中段に配置された４個のバーナ２を「中段バーナ２２」、下段に配置された４個のバーナ２を「下段バーナ２３」とする。

４個の上段バーナ２１は第１微粉炭機１３１に、４個の中段バーナ２２は第２微粉炭機１３２に、４個の下段バーナ２３は第３微粉炭機１３３に、それぞれ接続されている。

第１〜第３微粉炭機１３１〜１３３（微粉炭機１３）は、例えば石炭を粒径数十μｍ程度の微粉炭に粉砕する。第１微粉炭機１３１で生成された微粉炭は４個の上段バーナ２１に、第２微粉炭機１３２で生成された微粉炭は４個の中段バーナ２２に、第３微粉炭機１３３で生成された微粉炭は４個の下段バーナ２３に、微粉炭機１３の上部に設けられた送炭管（図３において上矢印で示す）を通して搬送空気によりそれぞれ導かれ、火炉１１へと供給される。

第１〜第３微粉炭機１３１〜１３３は、ボイラ１０の運用状況によって稼働パターンが変わり、これに伴って、上段バーナ２１、中段バーナ２２、及び下段バーナ２３の使用パターン（運転パターン）が変わる。例えば、第１〜第３微粉炭機１３１〜１３３の全機が稼働している場合には、上段バーナ２１、中段バーナ２２、及び下段バーナ２３の全てが使用状態となるが、第１微粉炭機１３１及び第３微粉炭機１３３が稼働し、第２微粉炭機１３２が予備となる場合には、上段バーナ２１及び下段バーナ２３が使用状態となり、中段バーナ２２は未使用の状態（予備）となる。

なお、前壁１１１側のバーナ２の使用パターンと後壁１１２側のバーナ２の使用パターンとは必ずしも対称である必要はない。例えば、前壁１１１側では上段バーナ２１及び中段バーナ２２の２段が使用され、一方、後壁１１２側では上段バーナ２１、中段バーナ２２、及び下段バーナ２３の３段全てが使用されていてもよい。

空気予熱器１０４から各上段バーナ２１送られる一次空気及びバーナ用二次空気の量は、各上段バーナ２１に対して第１微粉炭機１３１から搬送される微粉炭の量に基づき設定される。そして、バーナ用二次空気は、微粉炭機１３から供給される一次空気を除いた残りの空気の流量がダンパ１５によって調整される。

なお、火炉１１内に供給される二次空気の総流量は、ボイラ１０の負荷に基づいて制御された微粉炭の量に基づき調整（制御）される。ここで、「火炉１１内に供給される燃焼用の空気の総流量」とは、火炉１１内に供給される全ての空気（一次空気、ならびにバーナ用二次空気及び空気供給ポート用二次空気）の流量を示す。

６個の空気供給ポート３は、火炉１１の前壁１１１において１２個のバーナ２よりも鉛直方向の上側であって、かつ火炉出口部１１０の位置よりも下側に設けられている。すなわち、火炉出口部１１０は、６個の空気供給ポート３よりも鉛直方向の上側に位置している。６個の空気供給ポート３は、幅方向に沿って並んで配置された４個の主ポート３０１と、これら４個の主ポート３０１の幅方向の両側に配置された２個の副ポート３０２と、を有している。

なお、４個の主ポート３０１の鉛直方向の位置は、２個の副ポート３０２の鉛直方向の位置よりも上側である。すなわち、鉛直方向において、２個の副ポート３０２は、４個の主ポート３０１と４個の上段バーナ２１との間に位置している。火炉１１の後壁１１２側を含めた空気供給ポート３の全体構成については、後述する。

各空気供給ポート３に対して空気予熱器１０４から送られる空気供給ポート用二次空気の量は、二次空気用ダンパ４２の開度の増減によって調整され、これにより各空気供給ポート３から火炉１１の内部に供給される空気供給ポート用二次空気の供給量が調整される。

二次空気用ダンパ４２は、具体的には、制御装置９０から送られる空気供給ポート用二次空気の流量を制御する流量制御指令値に基づいて、各空気供給ポート３に送る空気供給ポート用二次空気の流量を調整している。この制御指令値は、火炉１１内における未燃分の残存量を最小限にするために最適な空気供給ポート用二次空気の流量に制御するものであり、火炉１１内に供給される微粉炭の流量に基づいて設定される空気供給ポート用二次空気の流量設定値（設計値）に対して計測部５において計測したガス濃度の値（実際の値）を考慮して定められている。

図１及び図３に示すように、火炉１１内に空気供給ポート用二次空気を供給するための流路には、制御装置９０からの制御指令値に基づいた流量が実際に流れているかどうかを計測するための空気流量計測器４１が設けられている。

本実施形態では、計測部５において計測されるガスの種類は、酸素（Ｏ_２）であるが、火炉１１内における燃焼の進行度合いを知るためのガスの種類は、酸素（Ｏ_２）に限らず、例えば二酸化炭素（ＣＯ_２）でも構わない。しかしながら、燃焼促進に作用する酸素（Ｏ_２）の濃度を計測部５において計測する方が、火炉１１内の空気の過不足をより直接的に把握しやすい。

図１において一部示すように、火力発電プラントには、様々な計測端や制御端が設けられている。例えば、微粉炭機１３に供給する石炭の供給量を計測し、同時に所定の石炭量を微粉炭機１３へ供給するように制御する給炭機（図示省略）、微粉炭機１３の出口の一次空気温度を検出する一次空気出口温度計測器４４、微粉炭機１３の入口の一次空気温度を検出する一次空気入口温度計測器４５等である。これらの各種の計測端や制御端は、破線で示すように、制御装置９０と電気的に接続されている。

この制御装置９０は、制御を実行する制御回路部、計測信号や制御信号を受発信するインターフェース部、及び計測信号の一部を短時間記憶させる記憶部等を含む。

＜Ｏ_２濃度と未燃分との相関関係＞
ここで、火炉１１内におけるＯ_２濃度と未燃分との相関関係について、図４を参照して説明する。

図４は、Ｏ_２濃度と未燃分との関係を示すグラフである。

火炉１１内におけるＯ_２濃度が高くなれば、火炉１１内における燃焼は促進されるため、未燃分は少なくなる。この場合において、Ｏ_２濃度と未燃分との相関関係は、図４において二点鎖線で示すような単なる比例関係ではなく、Ｏ_２濃度が低い領域においては、Ｏ_２濃度が高くなると未燃分が急激に低減するといった特性がある（図４において実線で示す曲線）。換言すれば、Ｏ_２濃度と未燃分との相関関係は、Ｏ_２濃度が所定の値より低くなると未燃分が急激に増加する関係にある。

したがって、Ｏ_２濃度が低い領域（図４におけるＰ１）においてＯ_２濃度が高くなるように空気供給ポート用二次空気の流量を調整したり、Ｏ_２濃度が高い領域（図４におけるＰ２）においてＯ_２濃度が低くなるように空気供給ポート用二次空気の流量を調整したりすると、Ｏ_２濃度が低い領域における未燃分とＯ_２濃度が高い領域における未燃分との平均（図４におけるＰ１２）よりも少ない未燃分（図４におけるＰ３）となる。

よって、このＯ_２濃度と未燃分との相関関係の特性に基づいて、各空気供給ポート３から供給される空気供給ポート用二次空気の流量を調整すれば、未燃分を最小限にすることができる。また、Ｏ_２濃度は、火炉１１内における燃焼ガスの混合が進んだ火炉出口部１１０の水平断面上の計測領域５０にて計測するため、火炉１１内における微粉炭の燃焼が完結した状態を正確に反映させた上で、空気供給ポート用二次空気の流量を調整することができる。

＜Ｏ_２濃度の計測方法について＞
次に、火炉出口部１１０の計測領域５０におけるＯ_２濃度の計測方法について、図５を参照して説明する。

図５は、複数の空気供給ポート３の構成と計測領域５０の構成との関係、及び計測領域５０におけるＯ_２濃度の計測方法を示す模式図である。

図５において太線で囲んで示すように、本実施形態では、複数の空気供給ポート３は、第１グループ３１、第２グループ３２、第３グループ３３、及び第４グループ３４の４グループに分けられている。第１グループ３１、第２グループ３２、第３グループ３３、及び第４グループ３４にはそれぞれ、２個の主ポート３０１及び１個の副ポート３０２が含まれており、グループ毎に対応して空気流量計測器４１及び二次空気用ダンパ４２が設けられている。

計測領域５０は、４つに分けられたそれぞれのグループに対応付けられた４つの分割領域（第１分割領域５１、第２分割領域５２、第３分割領域５３、及び第４分割領域５４）に予め分割されている。本実施形態では、矩形状の計測領域５０が幅方向に２等分され、かつ、奥行方向に２等分されることにより、第１分割領域５１、第２分割領域５２、第３分割領域５３、及び第４分割領域５４の４つの矩形状の領域に等分されている。

第１分割領域５１は第１グループ３１に対応付けられており、第１分割領域５１で計測されたＯ_２濃度の値によって第１グループ３１に属する空気供給ポート３から実際に火炉１１内に供給された空気供給ポート用二次空気の流量の相対値（大小）を判定することができる。同様にして、第２分割領域５２は第２グループ３２に、第３分割領域５３は第３グループ３３に、第４分割領域５４は第４グループ３４に、それぞれ対応付けられている。

したがって、本実施形態では、複数の空気供給ポート３のグループの数と分割領域の数とが同じ（４つ）であり、各グループ３１〜３４と分割領域５１〜５４とは１対１で対応付けられている。

このように、第１分割領域５１、第２分割領域５２、第３分割領域５３、及び第４分割領域５４のそれぞれにおいて実際に計測したＯ_２濃度の値を踏まえて、どの分割領域におけるＯ_２濃度が高いか又は低いかを判断し、それぞれの分割領域５１〜５４に対応付けられた各グループ３１〜３４に属する空気供給ポート３（主ポート３０１及び副ポート３０２）が供給する空気供給ポート用二次空気の流量を最適に制御する。この制御方法については、後述する。

一実施形態として、レーザ光線を用いたＯ_２濃度の計測がある。具体的には、計測部５は、計測領域５０上で交差する複数のレーザ光線（図５において例えば矢印Ｌ１，Ｌ２で示す）を発射するレーザ光源５ａと、レーザ光源５ａから発射されたレーザ光線を受信する受信部５ｂとを有し、複数のレーザ光線の光路（火炉１１内を通過するパス）の透過度によって光路のＯ_２濃度を計測し、トモグラフィー技術を適用して光路の交点（図５において黒丸印で示す）におけるＯ_２濃度を出力する。

図５では、奥行方向に沿ったレーザ光線（矢印Ｌ１）と幅方向に沿ったレーザ光線（矢印Ｌ２）とが直交するようにレーザ光源５ａからそれぞれレーザ光線が発射されており、その交点（黒丸印）が局部のＯ_２濃度の出力点である。本実施形態では、計測領域５０には、全部で４８個の出力点があり、レーザ光線の光路の数（レーザパス数）は奥行方向に透過する８パス、及び幅方向に透過する６パスの全１４パスである。

このように、１４パスのレーザ光線を受発信するレーザ光源５ａ及び受信部５ｂを用いることにより、４８個もの出力点におけるガス濃度の情報が得られるため、効率的にＯ_２濃度の計測を行うことができる。なお、必ずしもレーザ光線の交点の出力値を用いてガス濃度の情報を得る必要はなく、各分割領域５１〜５４のガス濃度を直接出力してもよい。

また、Ｏ_２濃度の計測方法は、必ずしもレーザ光によるものである必要はなく、例えば水冷プローブを火炉１１内に挿入して計測領域５０上の任意の箇所を直接的に計測してもよい。しかしながら、レーザ光線を用いた計測方法の方が、高温の火炉１１内へ計測器や計測装置を挿入することなくＯ_２濃度の計測をすることが可能であるため、耐久性の面でも有利な計測方法である。さらに、計測部分への灰の付着等の問題も回避することができるため、信頼性の面でも有利な計測方法である。すなわち、レーザ光線を用いた計測方法は、経済性、耐久性、及び信頼性の面で有利な場合が多い。

なお、図５では、レーザ光源５ａ及び受信部５ｂはレーザ光線毎に設けられているが、必ずしもその必要はなく、レーザ光源５ａ及び受信部５ｂの構成については特に制限はない。

また、一実施形態として、計測部５における計測値は、所定の時間内において計測領域５０（第１〜第４分割領域５１〜５４）内で複数回計測したＯ_２濃度を平均した値としても良い。この場合、ある時間内に各計測点を１回計測した場合のＯ_２濃度の値と比べて安定した値を計測値として用いることができる。

＜空気供給ポート用二次空気の流量の制御について＞
次に、複数の空気供給ポート３から供給される空気供給ポート用二次空気の流量の制御について、図６を用いて説明する。

図６は、複数の空気供給ポート３から供給される空気供給ポート用二次空気の流量の制御方法を示す概念図である。

複数の空気供給ポート３から供給される空気供給ポート用二次空気の流量制御は、制御装置９０からの制御指令値に基づいて行われる。制御装置９０は、グループ毎の流量設定値を算出する機能と、計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度の合計値を算出する機能と、計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度を平均した値を算出する機能と、計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度を平均した値と各分割領域５１〜５４におけるＯ_２濃度の平均値との間の偏差を算出する機能と、グループ毎の流量設定値に対して偏差を考慮してグループ毎の流量制御指令値を算出する機能と、を含む。

以下、各機能について具体的に説明する。なお、第１グループ３１、第２グループ３２、第３グループ３３、及び第４グループ３４のそれぞれにおける空気供給ポート用二次空気の流量の制御方法は同様であるため、主に第１グループ３１における空気供給ポート用二次空気の流量の制御方法を例に挙げて説明する。

図６に示すように、予め、複数の空気供給ポート３から火炉１１内に供給する空気供給ポート用二次空気の全流量設定値を第１除算器Ｄ１に入力する。第１除算器Ｄ１は、入力された空気供給ポート用二次空気の全流量設定値をグループ数（本実施形態では４グループ）で除算して平均値を取ることにより、第１グループ流量設定値、すなわち第１グループ３１に対する空気供給ポート用二次空気の流量設定値を定める。

次に、第１分割領域５１、第２分割領域５２、第３分割領域５３、及び第４分割領域５４のそれぞれにおけるＯ_２濃度の平均値（実際の計測値の平均値）を合計値演算器Ａ５に入力する。合計値演算器Ａ５は、入力された第１分割領域５１、第２分割領域５２、第３分割領域５３、及び第４分割領域５４のそれぞれにおけるＯ_２濃度の平均値を足し合わせて計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度の合計値を算出する。

算出された計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度の合計値を第５除算器Ｄ５に入力する。第５除算器Ｄ５は、入力された計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度の合計値を分割領域の数（本実施形態では４領域）で除算して、計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度を平均した値を算出する。

そして、計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度を平均した値、及び第１分割領域５１におけるＯ_２濃度の平均値を第１減算器Ｓ１に入力する。第１減算器Ｓ１は、計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度を平均した値と第１分割領域５１におけるＯ_２濃度の平均値との間の偏差を算出する。

これにより、計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度を平均した値に対して第１分割領域５１におけるＯ_２濃度の平均値がどのくらい高いか又は低いかを把握することができるため、第１分割領域５１に対応付けられた第１グループ３１に属する空気供給ポート３から供給される空気供給ポート用二次空気の流量が多いのか又は少ないのかを判定することが可能となる。

演算部６は、算出されたＯ_２濃度の偏差から空気供給ポート用二次空気流量の修正量を算出する。具体的には、演算部６は、空気供給ポート用二次空気の流量が多い場合は設定値との偏差分を負の値として、空気供給ポート用二次空気の流量が少ない場合は設定値との偏差分を正の値として、Ｏ_２濃度の偏差を空気流量に転換して修正量を算出する。

こうして得られた空気供給ポート用二次空気流量の修正量及び第１グループ３１における空気供給ポート用二次空気の流量設定値を第１加算器Ａ１に入力する。第１加算器Ａ１は、第１グループ流量設定値に空気供給ポート用二次空気流量の修正量を足し合わせて、第１グループ３１における空気供給ポート用二次空気の流量制御指令値として出力する。そして、二次空気用ダンパ４２は、第１グループ３１における空気供給ポート用二次空気の流量制御指令値に基づいて第１グループ３１に属する空気供給ポート３へ供給する空気供給ポート用二次空気の流量を調整する。

上記では、第１グループ３１及び第１分割領域５１に対応する第１除算器Ｄ１、第１減算器Ｓ１、及び第１加算器Ａ１の機能について説明したが、第２グループ３２及び第２分割領域５２に対応する第２除算器Ｄ２、第２減算器Ｓ２、及び第２加算器Ａ２、第３グループ３３及び第３分割領域５３に対応する第３除算器Ｄ３、第３減算器Ｓ３、及び第３加算器Ａ３、ならびに第４グループ３４及び第４分割領域５４に対応する第４除算器Ｄ４、第４減算器Ｓ４、及び第４加算器Ａ４についても、それぞれ同様の機能を有する。

このように、空気供給ポート用二次空気の流量制御指令値を求める際には、計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度を平均した値と各分割領域５１〜５４におけるＯ_２濃度の平均値との間の偏差を算出すれば足りるため、Ｏ_２濃度の計測をグループ単位で行うことができ、また、グループ単位で偏差の算出を行うことができる。そして、火炉１１内に供給する空気供給ポート用二次空気の流量もグループ単位で調整すればよい。

火炉１１内では、燃料（微粉炭）の流量配分や空気の流量配分の変動によって局部的な燃焼の変動が生じており、最適な燃焼状態からの逸脱の要因となっている。この燃焼の変動を局部的に常時修正することは、変動の検出の面からも、空気の最適配分の調整の面からも、極めて困難である。

しかしながら、局部的な燃焼の変動の総和は、火炉１１内を大きくグループ分けした場合には、各グループの変動に相当することがほとんどである。そして、グループ毎の燃焼の変動は、局部的な燃焼の変動よりも安定しているため、グループ毎の変動の検出、及びグループ毎の空気の配分の調整は比較的に容易である。

よって、本実施形態では、火炉１１内をグループに分けて、グループ毎のＯ_２濃度の計測値に基づき空気供給ポート用二次空気の流量の配分を最適化しているため、火炉１１内における未燃分の抑制を最適に行う手段として、実際に運用されているボイラ１０に対して実用化しやすく、ボイラ１０の効率の向上にもつながる。

なお、計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度を平均した値と各分割領域５１〜５４におけるＯ_２濃度の平均値との間の偏差は、一般的にはより小さい方が火炉１１内における微粉炭の燃焼度合いの均衡を図りやすいため、この偏差をゼロに近づけるように空気供給ポート用二次空気の流量を調整することが望ましい。

しかしながら、計測領域５０の上流側における燃焼ガスの混合状態等によっては燃焼が良好に進み、Ｏ_２濃度が低下するような領域が存在することもある。このような場合、Ｏ_２濃度が低下している領域への空気の過剰な増加は不要となる。

このように、計測領域５０の上流側で燃焼促進に偏差を生じる混合等の条件の差が存在する場合には、計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度を平均した値と各分割領域５１〜５４におけるＯ_２濃度の平均値との間の偏差に、正又は負のバイアス値を予め設けることで、計測領域５０の上流側の条件に応じた最適な空気の配分の調整が可能となる。

計測領域５０の上流側で燃焼促進に偏差を生じる混合等の条件の差は、燃焼装置１２の負荷や複数のバーナ２のうち使用するバーナ２のパターンで変化することが多い。ここで、「複数のバーナ２のうち使用するバーナ２のパターン」とは、前述したように、複数の微粉炭機１３の稼働状態によって使用状態となるバーナ２の段が変わるため、複数のバーナ２には使用パターンがあることを示している。

正又は負のバイアス値は、前述した演算部６（第１〜第４演算部６１〜６４）において設定される。計測領域５０の全体におけるＯ_２濃度を平均した値と各分割領域５１〜５４におけるＯ_２濃度の平均値との間の偏差は、演算部６にて設定された正又は負のバイアス値が加えられた上で空気供給ポート用二次空気の流量の修正量に換算された後、加算器Ａ（第１〜第４加算器Ａ１〜Ａ４）に入力される。

具体的には、燃焼ガスの混合が進みやすい領域に対しては正のバイアス値を加えることにより、当該領域に対応した計測領域で計測されるＯ_２濃度の平均値を高くし、燃焼ガスの混合が進みにくい領域に対しては負のバイアス値を加えることにより、当該領域に対応した計測領域で計測されるＯ_２濃度の平均値を低くする。

なぜならば、燃焼ガスの混合及び燃焼が進むとＯ_２濃度が次第に低下していき、このままの状態では空気不足であると誤判断されるおそれがあるからである。よって、燃焼ガスの混合及び燃焼が進みやすい領域に対しては、正のバイアス値を加えることにより、空気は十分であると正しく判断させる必要がある。燃焼ガスの混合及び燃焼が進み難い場合はその逆である。

また、本実施形態では、算出された空気供給ポート用二次空気の流量の修正量が過剰に大きい場合に制限を掛ける制限器７（第１〜第４制限器７１〜７４）が設けられている。これにより、Ｏ_２濃度に基づく制御に異常が生じた場合にも、空気供給ポート用二次空気の流量を所定の適正な範囲で制御可能とし、ボイラ１０に異常をきたすことなく安全に運用することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

上記の実施形態では、ボイラ１０は対向燃焼型のボイラであったが、所定の位置から供給される空気供給ポート用二次空気の流量の変化と火炉出口部１１０のＯ_２濃度の値の変化との相関関係が分かっている場合には、旋回燃焼型のボイラであってもよい。

上記の実施形態では、複数の空気供給ポート３は４グループに分けられており、計測領域５０は空気供給ポート３の各グループに対応付けられて予め４つの分割領域５１〜５４に分割されていたが、必ずしも４つである必要はなく、少なくとも複数の空気供給ポート３が２以上のグループに分けられており、計測領域５０は、分けられたそれぞれのグループに対応付けられた複数の分割領域に予め分割されていればよい。

上記の実施形態では、第１分割領域５１、第２分割領域５２、第３分割領域５３、及び第４分割領域５４のそれぞれにおけるＯ_２濃度の平均値（実際の計測値の平均値）を用いて偏差を算出していたが、必ずしも平均値である必要はない。

２ バーナ
３ 空気供給ポート
５ 計測部
５ａ レーザ光源
５ｂ 受信部
１１ 火炉
１２ 燃焼装置
１３ 微粉炭機
３１〜３４ 第１〜第４グループ
４２ 二次空気用ダンパ
５０ 計測領域
５１〜５４ 第１〜第４分割領域
９０ 制御装置
１１０ 火炉出口部
１１１，１１２ 前壁，後壁（壁）
１３１，１３２，１３３ 第１〜第３微粉炭機
Ｌ１，Ｌ２ レーザ光線

Claims (10)

1. 鉛直方向に沿って設置される火炉の壁に設けられ、前記火炉の内部に燃料、一次空気、及びバーナ用二次空気を供給する複数のバーナと、
   前記火炉の壁において前記複数のバーナよりも鉛直方向の上側に設けられ、前記火炉の内部に空気供給ポート用二次空気を供給する複数の空気供給ポートと、
   前記空気供給ポート用二次空気の流量を調整する複数の二次空気用ダンパと、
   前記火炉において前記複数の空気供給ポートよりも前記鉛直方向の上側に位置する火炉出口部の水平断面上の計測領域にて、ガス濃度を計測する計測部と、
   前記複数の二次空気用ダンパのそれぞれの開度を調整するための流量制御指令値を出力する回路を有する制御装置と、
   を備え、
   前記複数の空気供給ポートは、２以上のグループに分けられており、
   前記計測領域は、分けられたそれぞれのグループに対応付けられた複数の分割領域に予め分割されており、
   前記制御装置は、前記計測領域の全体におけるガス濃度を平均した値と前記計測領域のそれぞれの前記分割領域におけるガス濃度の値との間の偏差に基づいて、それぞれの前記分割領域に対応付けられたグループに属する前記空気供給ポートに供給する前記空気供給ポート用二次空気の前記流量制御指令値を前記複数の二次空気用ダンパのそれぞれに出力する
   ことを特徴とする燃焼装置。
2. 請求項１に記載の燃焼装置であって、
   前記複数の空気供給ポートは、４グループに分けられており、
   前記計測領域は、分けられたそれぞれのグループに対応付けられた４つの前記分割領域に予め分割されている
   ことを特徴とする燃焼装置。
3. 請求項１又は２に記載の燃焼装置であって、
   前記計測部において計測されるガスの種類は、酸素である
   ことを特徴とする燃焼装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼装置であって、
   前記制御装置は、前記計測領域の全体におけるガス濃度を平均した値とそれぞれの前記分割領域におけるガス濃度の値との間の偏差をゼロに近づけるように、前記空気供給ポート用二次空気の前記流量制御指令値を前記複数の二次空気用ダンパのそれぞれに出力する
   ことを特徴とする燃焼装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃焼装置であって、
   前記計測領域の全体におけるガス濃度を平均した値とそれぞれの前記分割領域におけるガス濃度の値との間の偏差には、正又は負のバイアス値が加えられている
   ことを特徴とする燃焼装置。
6. 請求項５に記載の燃焼装置であって、
   前記正又は負のバイアス値は、前記燃焼装置の負荷に基づいて演算されている
   ことを特徴とする燃焼装置。
7. 請求項５又は６に記載の燃焼装置であって、
   前記正又は負のバイアス値は、前記複数のバーナのうち使用するバーナのパターンに基づいて演算されている
   ことを特徴とする燃焼装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃焼装置であって、
   前記計測部では、所定の時間内において前記計測領域を複数回計測したガス濃度を平均した値を計測値とする
   ことを特徴とする燃焼装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃焼装置であって、
   前記計測部は、前記計測領域上で交差する複数のレーザ光線を受発信するレーザ光源及び受信部を有しており、前記複数のレーザ光線の透過度によってガス濃度を計測し、トモグラフィー技術を用いて前記複数のレーザ光線の交点又は前記分割領域におけるガス濃度を出力する
   ことを特徴とする燃焼装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃焼装置を備えた
    ことを特徴とするボイラ。