JP3564596B2

JP3564596B2 - 脱硝装置のアンモニア注入量制御方法

Info

Publication number: JP3564596B2
Application number: JP07786998A
Authority: JP
Inventors: 英樹斎藤; 雲聰林; 秀喜塩崎; 正義市来; 信夫松本; 哲史林
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2018-03-25
Also published as: JPH11267452A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスタービンの出口に設けられて排ガス中のＮＯｘを除去する脱硝装置において、還元剤であるアンモニアを先行注入するに際して、アンモニア注入量の適正値を確保するための脱硝装置のアンモニア注入量制御方法に関し、特に、アンモニア注入量制御に必要な入口ＮＯｘ濃度の値を適正に求めるための補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンから排出されるＮＯｘ量は、起動・停止の過程や負荷変動によって過渡的に大きく変動するものであり、他方、脱硝装置は、脱硝・吸着反応という化学反応特有の非線形性・動特性をもっている。また、ＮＯｘ量を計測するＮＯｘ濃度分析計は、検出遅れ・サンプリングによるむだ時間を有している。そのため、脱硝出口ＮＯｘ濃度計測値のフィードバックによる制御は技術的に困難である。
【０００３】
したがって、従来の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法としては、ガスタービン出口の予測ＮＯｘ濃度と脱硝出口の目標ＮＯｘ濃度とから計算される脱硝率に基づいて、予め設定されたアンモニアモル比（アンモニア量／ＮＯｘ量）をテーブルから取り出し、アンモニアモル比と予測ＮＯｘ流量（＝ＮＯｘ濃度×排ガス流量）との積により必要なアンモニア注入量を求め、その信号を負荷変化信号などで補正するフィードフォワード制御を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法では、予測ＮＯｘ濃度の予測精度が十分でないため、これが実ＮＯｘ濃度と一致せず、予測ＮＯｘ濃度信号を元にしたフィードフォワード制御によるアンモニア注入量が適正なものとならず、制御結果に悪影響を与えるという問題があった。
【０００５】
この発明の目的は、予測ＮＯｘ濃度と実ＮＯｘ濃度とを精度よく一致させ、これにより適正なアンモニア注入量を確保できる脱硝装置のアンモニア注入量制御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明による脱硝装置のアンモニア注入量制御方法は、入口ＮＯｘ濃度予測値からアンモニア注入量を求めるフィードフォワード制御を行う脱硝装置のアンモニア注入量制御方法において、装置入口に設けられたＮＯｘ濃度分析計の特性を時間遅れＴおよびむだ時間Ｌにより決定される伝達関数Ｇ（ｓ）＝ｅ−Ｌ・ｓ／（１＋Ｔ・ｓ）により表し、入口ＮＯｘ濃度補正値をこの伝達関数で処理することにより出力信号を求め、この出力信号とＮＯｘ濃度分析計の計測値とから誤差信号を求め、この誤差信号に基づいて求められた修正信号とガスタービンのプロセス量から計算される入口ＮＯｘ濃度予測値との和として入口ＮＯｘ濃度補正値を得ることを特徴とするものである。
【０００７】
こうして得られる入口ＮＯｘ濃度補正値を、ガスタービンの起動・停止時に使用し、ガスタービンの定常運転時には、これに代えてＮＯｘ濃度分析計の計測値を使用してもよい。
【０００８】
誤差信号から修正信号を求めるに際しては、誤差信号に比例要素を施すか、または、誤差信号に比例要素および積分要素を施すことが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、この発明のアンモニア注入量制御方法が使用される脱硝プロセスのフローを示している。同図において、圧縮機（２）および燃焼器（３）によって駆動されるガスタービン（１）の出口に、排熱回収ボイラ用排ガス脱硝装置（４）が設けられている。この排ガス脱硝装置（４）においては、ガスタービン（１）の排ガス中に含まれるＮＯｘとアンモニア注入グリッド（５）から注入されたアンモニアとが、脱硝触媒（６）の存在下で反応して窒素と水とになって煙突（７）から排出されるとともに、これらに未反応のＮＯｘとアンモニアとが随伴する。脱硝装置（４）入口および出口には、それぞれＮＯｘ濃度分析計（８）（９）が設けられている。アンモニアは、後述する制御方法に基づいた制御を行う制御装置（１０）によりコントロールされており、アンモニア発生装置（１１）で得られたものが圧力調整弁（１２）および流量調整弁（１３）などによりその流量を制御されて混合器（１４）に至り、ここでファン（１５）および流量調整弁（１６）を介して導入された希釈用空気と混合されて、アンモニア注入グリッド（５）に送られている。
【００１２】
図２は、アンモニア注入量制御系のブロック図を示している。アンモニア注入量制御系は、入口ＮＯｘ濃度計測値および入口ＮＯｘ濃度予測値に基づいて入口ＮＯｘ濃度予測値を補正する入口ＮＯｘ濃度演算部（２１）と、アンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック（２２）、出口ＮＯｘ濃度補正ブロック（２３）およびシミュレーションブロック（２４）を備えたアンモニア注入量制御系フィードフォワード部（以下ＦＦ部という。）と、出口ＮＯｘ濃度比較ブロック（２５）を備えたアンモニア注入量制御系フィードバック部（以下ＦＢ部という。）とから構成されている。
【００１３】
入口ＮＯｘ濃度演算部（２１）は、フィードフォワード制御で使用される入口ＮＯｘ濃度の予測値を実際の入口ＮＯｘ濃度に近い値として求める部分である。ＦＦ部は、タービンの起動時、停止時および定常運転時のアンモニア注入量を脱硝プロセスモデルに基づいたフィードフォワード演算で決定するものである。また、ＦＢ部は、タービンの定常運転時に、脱硝出口ＮＯｘ濃度をフィードバックしてフィードフォワード制御を補正するものであり、ガスタービン（１）の起動時および停止時には、フィードバック制御は実施されないようになっている。
【００１４】
図３を参照して、この発明の要部である入口ＮＯｘ濃度演算部（２１）の詳細を説明する。
【００１５】
入口ＮＯｘ濃度演算部（２１）は、入口ＮＯｘ濃度予測値ｑを修正する修正信号ｎを出力する予測濃度修正ブロック（３１）と、入口ＮＯｘ濃度演算部（２１）で得られた入口ＮＯｘ濃度補正信号ｐをＮＯｘ濃度分析計（８）の特性に基づいて処理して出力信号ｒを出力する計測系特性ブロック（３２）と、入口ＮＯｘ濃度分析計（８）の入口ＮＯｘ濃度計測値ｍと計測系特性ブロック（３２）からの出力信号ｒとの差を求めてこれを誤差信号として予測濃度修正ブロック（３１）に出力する減算器（３３）と、予測濃度修正ブロック（３１）からの修正信号ｎと入口ＮＯｘ濃度予測値ｑとの和を求めてこれを補正信号ｐとして出力する加算器（３４）とを備えたフィードバック回路である。
【００１６】
入口ＮＯｘ濃度分析計（８）は、時間遅れおよびむだ時間を有しており、その特性は、伝達関数Ｇ（ｓ）＝ｅ^−Ｌ・ｓ／（１＋Ｔ・ｓ）によって表すことができる。ここで、Ｌは計測システムのむだ時間で、Ｔは計測システムの遅れ時間である。
【００１７】
これに対応して、計測系特性ブロック（３２）も、伝達関数
Ｇ（ｓ）＝ｅ^{−Ｌ′・ｓ}／（１＋Ｔ′・ｓ）によって表す。ここで、むだ時間係数Ｌ′および遅れ時間係数Ｔ′は、実システムの係数の推測値である。ＮＯｘ濃度分析計（８）の特性は、たとえばそのメーカーによって異なるものであるが、どのメーカーのＮＯｘ濃度分析計（８）を用いても、その特性に計測系特性ブロック（３２）を合わせることで、柔軟な対応が可能である。
【００１８】
予測濃度修正ブロック（３１）は、たとえば、その伝達関数がＫｐである単純な比例ゲインで表される。このＫｐを十分大きくすることによって、誤差信号を０にすることができれば、入口実ＮＯｘ濃度ｋと入口ＮＯｘ濃度補正信号ｐとが等しくなり、この原理で入口実ＮＯｘ濃度ｋを推定することができる。すなわち、比例ゲインＫｐが十分大きければ、入口ＮＯｘ濃度予測値ｑは、修正信号ｎに比べて小さいので無視することができるから、システム全体の伝達関数は、分析計（８）の入力をラプラス変換したものをｋ（ｓ）、補正信号ｐをラプラス変換したものをｐ（ｓ）として、

で表すことができる。したがって、ＬとＬ′とがほぼ等しくかつＴとＴ′とがほぼ等しい場合、システム全体としては、近似的に、伝達関数

で表される特性をもつこととなる。なお、Ｋｐを大きくすればするほど、入口実ＮＯｘ濃度ｋと入口ＮＯｘ濃度補正信号ｐとがよく一致する。
【００１９】
こうして、入口ＮＯｘ濃度分析計（８）の計測値ｍと計測系特性ブロック（３２）からの出力信号ｒとの差である誤差信号をほぼ０とすることにより、入口実ＮＯｘ濃度ｋに等しくなった入口ＮＯｘ濃度補正信号ｐは、ＦＦ部に出力される。なお、定常運転時には、入口ＮＯｘ濃度分析計（８）の計測値ｍを入口ＮＯｘ濃度補正信号ｐとして使用してもよい。
【００２０】
ＦＦ部で得られたアンモニア注入量ＦＦ信号は、ＦＢ部から出力されたアンモニア注入量ＦＢ信号と加算器（２７）により加算され、アンモニア注入量設定値として出力される。制御装置（１０）のアンモニア流量制御部では、このアンモニア注入量設定値と実際のアンモニア流量の偏差をとり、ＰＩＤ制御を行い、バルブの開度を制御する。
【００２１】
ＦＢ部の出口ＮＯｘ濃度比較ブロック（２５）は、定常運転時に、出口ＮＯｘ濃度目標値と脱硝装置（４）出口のＮＯｘ濃度分析計（９）による出口ＮＯｘ濃度計測値とを比較し、その偏差に基づいた補正信号をアンモニア注入量ＦＢ信号として出力する部分であり、これにより、アンモニア注入量がより一層適切に制御される。
【００２２】
図４は、この発明のアンモニア注入量制御方法による入口ＮＯｘ濃度補正を行ったときのシミュレーション結果を示している。同図において、実ＮＯｘ濃度とガスタービンのプロセス量から計算される予測ＮＯｘ濃度との間には、かなりの誤差が存在しているが、この発明の入口ＮＯｘ濃度補正により求めた補正後ＮＯｘ濃度は、実ＮＯｘ濃度に極めて近い特性を示している。
【００２３】
なお、上記において、予測濃度修正ブロック（３１）では、誤差信号から修正信号を求めるに際し、簡便さを重視して誤差信号に比例要素を施しているが、これに代えて、誤差信号に比例要素および積分要素を施すようにしてもよい。比例要素および積分要素の両方を施すことにより、図４における補正後ＮＯｘ濃度と実ＮＯｘ濃度との差をより小さくすることができる。
【００２４】
こうして得られた入口ＮＯｘ濃度補正値を用いてフィードフォワード制御を行うことにより、精度の良いアンモニア注入量制御を行うことができる。このときのＦＦ部は、上述したアンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック（２２）、出口ＮＯｘ濃度補正ブロック（２３）およびシミュレーションブロック（２４）を備えたものでなくてもよく、たとえば、アンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック（２２）だけ、または、出口ＮＯｘ濃度補正ブロック（２３）およびシミュレーションブロック（２４）だけであってもよく、また、ガスタービン出口の予測ＮＯｘ濃度と脱硝出口の目標ＮＯｘ濃度とから計算される脱硝率に基づいて、予め設定されたアンモニアモル比をテーブルから取り出し、アンモニアモル比と予測ＮＯｘ流量との積により必要なアンモニア注入量を求め、その信号を負荷変化信号などで補正するという公知のフィードフォワード制御であってもよい。
【００２５】
【発明の効果】
この発明の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法によると、アンモニア注入量を求めるさいに使用される入口ＮＯｘ濃度予測値が、入口実ＮＯｘ濃度に極めて近い値として求められるので、この入口ＮＯｘ濃度予測値を用いたフィードフォワード制御を行うことにより、精度の良いアンモニア注入量制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のアンモニア注入量制御方法が使用される脱硝プロセスを示すフロー図である。
【図２】この発明のアンモニア注入量制御方法を示すブロック図である。
【図３】この発明のアンモニア注入量制御方法の要部である入口ＮＯｘ濃度演算部を示すブロック図である。
【図４】この発明のアンモニア注入量制御方法による入口ＮＯｘ濃度補正を行ったときのシミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
（４）脱硝装置
（８）入口ＮＯｘ濃度分析計

Claims

入口ＮＯｘ濃度予測値からアンモニア注入量を求めるフィードフォワード制御を行う脱硝装置のアンモニア注入量制御方法において、装置入口に設けられたＮＯｘ濃度分析計の特性を時間遅れＴおよびむだ時間Ｌにより決定される伝達関数Ｇ（ｓ）＝ｅ−Ｌ・ｓ／（１＋Ｔ・ｓ）により表し、入口ＮＯｘ濃度補正値をこの伝達関数で処理することにより出力信号を求め、この出力信号とＮＯｘ濃度分析計の計測値とから誤差信号を求め、この誤差信号に基づいて求められた修正信号とガスタービンのプロセス量から計算される入口ＮＯｘ濃度予測値との和として入口ＮＯｘ濃度補正値を得ることを特徴とする脱硝装置のアンモニア注入量制御方法。
誤差信号から修正信号を求めるに際し、誤差信号に比例要素を施すことを特徴とする請求項１記載の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法。
誤差信号から修正信号を求めるに際し、誤差信号に比例要素および積分要素を施すことを特徴とする請求項１記載の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法。