JP4326459B2 - バーナ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラを用いた発電プラントのバーナ制御装置にかかり、特に燃焼空気量を、プラント状態信号、例えばボイラ負荷信号の値や使用燃料種別に対応して好適に制御するバーナ制御装置に関する。

従来、石炭焚きボイラを用いた発電プラントにおいては、バーナの運転の制御として、燃料を供給する手段である微粉炭ミルを起動・停止する際、すなわち、微粉炭燃焼用バーナを点火・消火操作している時に、燃焼用の空気の供給量を絞り込んで減少させることによって、排ガス中のＮＯ_Ｘの低減を図ることが行われている。

特許文献１には、微粉炭燃焼用バーナを点火・消火操作している時に燃焼用および保炎用の二次空気の供給量を絞り込む技術についての開示がある。特許文献２には、微粉炭の供給量により低負荷運転と高負荷運転を切替えるようにした場合に、低負荷運転時と高負荷運転時とで、燃焼用空気を供給するエアレジスタの開度を、一定の比率で変化させることについての記載がある。
特開平７−３１２３１４号公報 特開２００２−３９５２６号公報

ところで、この種の発電プラントでは、燃料として石炭を専焼させる場合だけでなく、石炭と油（軽油又は重油）の同時燃焼や、油の専焼を行う場合もある。例えば、点火開始時には石炭と油の同時燃焼を行うようにして、安定して着火できるようにする場合がある。或いは、石炭の供給について何らかのトラブルがあった際には、油の専焼を行う場合もある。このように、燃焼させる燃料の種類が異なると、燃焼用の空気の適切な供給量が異なり、空気の供給量の制御として、複雑な制御が必要になる問題があった。

また、低負荷運転時と高負荷運転時とでも、燃焼用の空気の適切な供給量が異なり、低負荷運転時と高負荷運転時を考慮すると、より複雑な空気の供給量の制御が必要になる問題があった。

特に、実際の発電プラントでは、燃焼バーナは複数用意されて、その複数のバーナを運転状況に応じて適切に管理するためには、複雑な空気の供給量の制御が必要であった。複数のバーナを均一した状態で制御させると、必ずしも個々のバーナでの燃焼によるＮＯ_Ｘの発生量が、最適に制御されているとは言えない状況である場合があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、比較的簡単な制御で、燃料を良好に燃焼させてＮＯ_Ｘ発生量を低減させることのできるバーナ制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、燃料の供給を制御する燃料弁と燃焼用空気の供給を制御するエアレジスタを備えた複数のバーナの運転を制御するバーナ制御装置であって、燃料として石炭と油を用意したバーナ制御装置において、石炭専焼時に、バーナ運転指令出力部が点火状態もしくは消火状態を指令したときに、運転状態判定部が判定した運転負荷状態に基づいて、エアレジスタの開度を、個別もしくはグループ単位で予め用意された低負荷時の開度と、高負荷時の開度のなかから選択して制御し、石炭と油の同時燃焼又は油の専焼時には、負荷に関係なく開度を個別もしくはグループ単位で設定させるようにしたものである。

本発明によると、複数のバーナについて、個別もしくはグループ単位で低負荷時と高負荷時とで適切なエアレジスタの開度が設定されながら、空気の供給量が制御されるので、ボイラの全ての運転状況に適応した最適な空気流量を確保し、ＮＯ_Ｘ発生量を効果的に低減させることができる効果がある。

以下、本発明の一実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態のバーナ制御装置を設けた発電プラントの構成例を示した図である。図１に基づいて構成を説明すると、本例のバーナ制御装置によって制御される発電プラントは、バーナの運転状態を制御するバーナ制御装置１と、発電プラントのボイラ火炉３と、ボイラ火炉３内に挿入される複数（ここではｎ個：ｎは２以上の任意の値）の油用バーナ４１ａ〜４１ｎ及び石炭用バーナ５１ａ〜５１ｎと、各油用バーナに燃料としての油を供給する油供給管路７１と、各石炭用バーナに燃料としての石炭を供給する石炭供給管路７２と、燃料を燃焼させるための空気を供給する燃焼空気供給管路７３とを有して構成される。燃焼空気供給管路７３には、送風部７４からそのときの燃焼量に応じた空気が供給される構成としてある。ｎ個の油用バーナ４１ａ〜４１ｎと、ｎ個の石炭用バーナ５１ａ〜５１ｎは、１つずつ対応して設置してある。

バーナ制御装置１は、例えば、運転負荷信号やＮＯ_Ｘ値や使用燃料種別などの外部信号を入力する外部信号入力部１１と、外部信号に応じた各バーナ毎の運転状態が設定されたバーナ運転スケジュール部１２と、各バーナに対する運転指令を出力するバーナ運転指令出力部１３と、発電プラントの運転状態を判定する運転状態判定部１４と、各バーナの運転を制御する複数の個別バーナ制御部２０ａ〜２０ｎとを有する。

外部信号入力部１１は、プラントの運転目標となる負荷である運転負荷に関する信号や運転中の火炉からの排気ガスＮＯＸ値を外部から入力するとともに、後述するバーナ駆動部４１ａ〜４１ｎ及び５１ａ〜５１ｎからのフィードバック信号である燃料種別に関する信号などが入力される。また、プラント状態を判断する検出器や、ボイラ制御装置などの他装置である外部からの負荷信号などの外部信号なども入力される。

運転状態判定部１４は、外部入力信号に基づいて、低負荷運転であると判断したときには、各個別バーナ制御部２０ａ〜２０ｎ内のエアレジスタ制御部２２へエアレジスタを絞り込んだ開度にする信号を出力する。ここでは、低負荷運転として、例えば運転負荷が定格負荷の５５％以下である状態としてあり、定格負荷の５５％を越える運転負荷を、高負荷運転としてある。なお、運転負荷の調整は、例えば、複数用意されたバーナ４１ａ〜４１ｎ，５１ａ〜５１ｎの内の燃焼させるバーナの本数の選択で行う。即ち、石炭を燃料として定格負荷に近い状態で運転するとき、ほぼ全ての石炭用バーナ５１ａ〜５１ｎで燃焼させ、運転負荷の低下に伴って燃焼させるバーナの本数を少なくする制御を行う。

個別バーナ制御部２０ａ〜２０ｎは、バーナ５１ａ〜５１ｎの数に対応して複数（ｎ個）設けてある。但し後述するように、複数用意されたバーナ５１ａ〜５１ｎ（及び４１ａ〜４１ｎ）を、複数のグループに分けて、そのグループの数だけ個別バーナ制御部２０ａ〜２０ｎを設けて、グループ単位でバーナを制御するようにしてもよい。

それぞれの個別バーナ制御部２０ａ〜２０ｎの構成については、バーナの運転状態に応じて火炉３内へのバーナの挿入または引き抜き操作と、バーナへの燃料の供給と、燃料燃焼用空気の供給を制御する。このような発電プラントにおいては、点火しているバーナは、バーナガンがボイラ火炉３内に挿入され、供給された燃料と燃焼用空気が混合されて火炉３内に噴霧され火炎が形成される。ボイラの低負荷時には、負荷に対応したバーナが予め定められたスケジュールに従って選択されて点火され、残りのバーナは消火されている。バーナを消火する場合は、後述する燃料供給弁を閉操作することによってバーナからの燃料投入が遮断されてボイラ火炉３内の火炎が消失する。

各個別バーナ制御部２０ａ〜２０ｎは基本的に同じ構成としてあり、ここでは個別バーナ制御部２０ａの構成について説明すると、バーナの運転状態に応じて火炉３内への油用バーナ４１ａ及び石炭用バーナ５１ａの挿入または引き抜き操作を制御するとともに、バーナ駆動部３１ａ及び３３ａの制御を行うバーナ運転制御部２１を有する。バーナ駆動部３１ａは、燃料供給管路７１に設けた油供給弁３２ａを駆動する。バーナ駆動部３３ａは、燃料供給管路７２に設けた石炭供給弁３４ａを駆動する。

ボイラ火炉３内での、油用バーナ４１ａ及び石炭用バーナ５１ａの設置位置の近傍には、燃焼空気供給管路７３からの空気が供給される構成としてあり、その空気供給箇所には、エアレジスタを構成する空気弁３６ａが設置してある。この空気弁３６ａは、空気弁駆動部３５ａにより駆動される。空気弁駆動部３５ａによる空気弁３６ａの開閉状態の駆動は、エアレジスタ制御部２２により制御される。

エアレジスタ制御部２２の構成としては、エアレジスタの開度指令生成手段として、エアレジスタ低負荷時開度指令生成部２３と、エアレジスタ高負荷時開度指令生成部２４と、エアレジスタ石炭専焼以外時開度指令生成部２５と、切替器２６，２７とを有し、それぞれの生成部２３，２４，２５に、対応した開度のデータが予め記憶させてある。この開度のデータとしては、このエアレジスタ制御部２２が制御するエアレジスタ（空気弁３６ａ）が設置されたバーナ４１ａ，５１ａのそれぞれの燃焼状態から測定した、ＮＯ_Ｘ発生量が最も低くなるときの空気弁３６ａの開度を記憶させてある。なお、図１では各開度指令生成部２３，２４，２５を個別の手段として記載してあるが、例えば１つのメモリの記憶領域を分けて、各開度指令生成部２３，２４，２５を構成させ、切替器２６，２７で出力を選択する代わりに、メモリから出力させるデータを選択させる構成としてもよい。

アレジスタ低負荷時開度指令生成部２３の出力と、エアレジスタ高負荷時開度指令生成部２４の出力については、運転状態判定部１４から供給される低負荷運転か高負荷運転かを示すデータにより、切替器２６で対応した負荷状態の開度指令が選択される。さらに、切替器２６の出力は切替器２７に供給されて、運転状態判定部１４から供給される燃料情報に応じて、エアレジスタ石炭専焼以外時開度指令生成部２５の出力と選択される。切替器２７では、石炭専焼時には切替器２６の出力が選択され、油専焼時及び石炭と油の同時燃焼時には、生成部２５の出力が選択される。

個別バーナ制御部２０ａ以外の他の個別バーナ制御部についても同様に構成される。例えば図１に示すように、個別バーナ制御部２０ｎは、バーナ駆動部３１ｎ及び３３ｎの駆動制御と、空気弁駆動部３５ｎの駆動制御とを行い、油供給弁３２ｎと石炭供給弁３４ｎと空気弁３６ｎの開度が制御される。

次に、それぞれの個別バーナ制御部２０ａ〜２０ｎにより、各空気弁３６ａ〜３６ｎの開度が制御される状態を、図２のフローチャートを参照して説明する。まず、運転状態判定部１４から供給される燃料情報に応じて、現在の燃焼状態が石炭専焼か否か判断される（ステップＳ１１）。この判断に基づいて切替器２７での選択が行われる。そして、石炭専焼である場合には、運転状態判定部１４から供給される運転負荷情報に基づいて、低負荷運転か高負荷運転かが判断される（ステップＳ１２）。この判断に基づいて切替器２６での選択が行われる。

これらの判断に基づいて、石炭専焼で低負荷運転であると判断した場合には、アレジスタ低負荷時開度指令生成部２３の出力が空気弁駆動部側に供給される（ステップＳ１４）。石炭専焼で高負荷運転であると判断した場合には、アレジスタ高負荷時開度指令生成部２４の出力が空気弁駆動部側に供給される（ステップＳ１５）。

また、ステップＳ１１で現在の燃焼状態が石炭専焼でないと判断した場合には、石炭と油の同時燃焼か、或いは油専焼かが判断される（ステップＳ１３）。ここで、石炭と油の同時燃焼と判断した場合には、エアレジスタ石炭専焼以外時開度指令生成部２５に記憶された同時燃焼用の開度指令が出力されて、空気弁駆動部側に供給される（ステップＳ１６）。そして、油専焼と判断した場合には、エアレジスタ石炭専焼以外時開度指令生成部２５に記憶された油専焼用の開度指令が出力されて、空気弁駆動部側に供給される（ステップＳ１７）。

このように運転制御が行われるようにしたことで、運転状態判定部１４で、外部入力信号に基づいて、例えば運転負荷が定格負荷の５５％以下の低負荷運転であると判断したときには、エアレジスタ制御部２２へエアレジスタを絞り込んだ開度にする信号を出力する。このことによって運転負荷が定格負荷の５５％以下のときには、エアレジスタが閉方向に制御されて燃焼空気は絞り込まれ、低負荷で運転するのに必要とする空気量のみが火炉３内に供給され、規制値を超えたＮＯ_Ｘの発生を抑制することができる。このときのエアレジスタ（空気弁）が絞り込まれる量については、予めそのエアレジスタと対になるバーナでの低負荷での燃焼で最もＮＯ_Ｘの発生が少なくなる状態となることが測定された量に設定してあるので、個々のバーナ毎に最もＮＯ_Ｘの発生が少ない状態にできる。

また、例えば、バーナで燃焼している燃料が石炭であると判断したときには、エアレジスタ制御部２２へエアレジスタを石炭が良好に燃焼するために必要な空気量を供給する開度にする信号を出力し、油で専焼中もしくは油と石炭同時燃焼中であると判断したときには、エアレジスタ制御部２２へエアレジスタを油が良好に燃焼するために必要な空気量を供給する開度にする信号を出力する。このことによって、使用燃料の違いに対応した必要空気量が火炉３内に供給され、良好なバーナ燃焼状態を維持することができる。

ここで、具体的な運転状態の制御例について説明すると、例えば、定格負荷が１，０００ＭＷ（ＭＷ：ボイラ出力値）のボイラにおいて、低負荷でのボイラ運転時における負荷信号が５５０ＭＷに満たない負荷値であった場合には、点火しているバーナについてのエアレジスタ制御部２２は、エアレジスタ低負荷時開度指令を選択して出力してエアレジスタを低負荷時開度に制御する。また、通常負荷または高負荷でのボイラ運転時における負荷信号が５５０ＭＷ以上の負荷値であった場合には、エアレジスタ高負荷時開度指令を選択して出力してエアレジスタを高負荷時開度に制御する。なおエアレジスタ低負荷時開度指令とエアレジスタ高負荷時開度指令との選択は、切替器２６が行う。また、切替器２７には、エアレジスタ低負荷時開度指令とエアレジスタ高負荷時開度指令とのいずれかの指令を切替器２６で選択した指令と、エアレジスタ石炭専焼以外時開度指令生成部２５からのエアレジスタ石炭専焼以外時開度指令とが入力され、運転状態判定部１４からの運転状態情報によって、いずれかの指令を選択して出力する。

従って、エアレジスタ制御部２２は、例えば、バーナの使用燃料が石炭であって石炭バーナ専焼中であった場合には、切替器２６で選択したエアレジスタ開度指令を出力する。また、バーナの使用燃料が油であって油バーナ専焼中であるか、または油バーナと石炭バ−ナを同時に燃焼させる油、石炭バーナ同時燃焼中であった場合には、エアレジスタ石炭専焼以外時開度指令を選択して出力してエアレジスタを石炭専焼以外時開度に制御する。

ここで、本例においては、ボイラ火炉３内の起動初期過程などの低負荷（おおむね定格負荷の０〜５５％間での範囲）運転時にはエアレジスタ低負荷時開度指令が出力されて、エアレジスタを構成する空気弁３６ａ〜３６ｎが、各空気弁毎に個別に設定された低負荷時開度に操作される。

また、ボイラ火炉３の起動が完了した後での高負荷（おおむね定格負荷の５５〜１００％までの範囲）運転中、すなわち、負荷が５５０ＭＷを越える場合においては、エアレジスタ高負荷時開度指令が出力されて、エアレジスタを構成する空気弁３６ａ〜３６ｎが、各空気弁毎に個別に設定された高負荷時開度に操作される。

エアレジスタ低負荷時開度指令とエアレジスタ高負荷時開度指令の選択は、上述した負荷信号などに従って行われる。また、油で燃焼中のバーナもしくは油と石炭を同時に燃焼させているバーナの場合には、エアレジスタ石炭専焼以外時開度指令が出力されて、エアレジスタが石炭専焼以外時開度に操作される。

以上説明したように、バーナが油専焼中もしくは油、石炭同時燃焼中に対応したエアレジスタ石炭専焼以外時開度指令に加えて、バーナが石炭専焼中で低負荷運転中に対応したエアレジスタ低負荷時開度指令と、バーナが石炭専焼中で高負荷運転中に対応したエアレジスタ高負荷時開度指令の三種類の指令を具備し、これら複数のエアレジスタ操作指令をボイラ運転状況によって切り替えて使い分けることにより、複雑な制御を必要としない簡単な構成で、ボイラ火炉３内への空気流量を好適に制御し、かつ、最適なバーナ点火・消火制御ができるようになる。

上述した実施の形態で説明した構成では、石炭専焼を行うことを基本的としたボイラとした場合であり、油だけでの燃焼や油と石炭の同時燃焼は補助的な使用であるので、油だけでの燃焼時と油と石炭の同時燃焼中には、低負荷時と高負荷時とで、エアレジスタを構成する空気弁３６ａ〜３６ｎの開度を変えることはしていないが、これらの燃料による燃焼時にも、低負荷時と高負荷時とでエアレジスタの開度を変えるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、火炉内の１本毎のバーナに対応してエアレジスタの制御を行うようにしたが、例えば複数本のバーナ毎にグループを形成させて、そのグループを単位として、エアレジスタの開度の制御を行うようにしてもよい。

また、エアレジスタ低負荷時開度指令、エアレジスタ高負荷時開度指令、エアレジスタ石炭専焼以外時開度指令のいずれかを選択するための条件は、上述した負荷信号や使用燃料種別以外にも、ＮＯ_Ｘ値とする場合もあり、また、炉内温度や点火しているバーナの本数，石炭の炭種とする場合もある。

ＮＯ_Ｘ値を条件とする場合には、例えば、燃焼中にリアルタイムでＮＯ_Ｘ値を測定して、その測定されたＮＯ_Ｘ値が低下するように、開度を随時調整させるようにしてもよい。例えば、図３のフローチャートに示すように、運転中のＮＯ_Ｘ値を随時測定し（ステップＳ２１）、その測定したＮＯ_Ｘ値が適正な範囲であるか否か判断し（ステップＳ２２）、適正な範囲にない場合には、エアレジスタの開度を調整し（ステップＳ２３）、再度ステップＳ２１のＮＯ_Ｘ値測定を実行させる。

このようにしてリアルタイムで測定されたＮＯ_Ｘ値に基づいて補正させることで、より効率のよい運転が可能になる。このリアルタイムで測定されたＮＯ_Ｘ値に基づいて補正させる場合についても、１本のバーナ又はグループ単位でのバーナ毎にエアレジスタの制御を個別に行うことで、より適切に制御できることになる。

本発明の一実施の形態によるバーナ制御装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態によるエアレジスタの開度設定処理例を示したフローチャートである。 本発明の一実施の形態による制御を、リアルタイムで補正する場合の処理例を示したフローチャートである。

符号の説明

１…バーナ制御装置、３…ボイラ火炉、４…風箱、１１…外部信号入力部、１２…バーナ運転スケジュール部、１３…バーナ運転指令出力部、１４…運転状態判定部、２０ａ〜２０ｎ…個別バーナ制御部、２１…バーナ運転制御部、２２…エアレジスタ制御部、２３…エアレジスタ低負荷時開度指令生成部、２４…エアレジスタ高負荷時開度指令生成部、２５…エアレジスタ石炭専焼以外時開度指令生成部、２６，２７…切替器、３１ａ〜３１ｎ…バーナ駆動部、３２ａ〜３２ｎ…油供給弁、３３ａ〜３３ｎ…バーナ駆動部、３４ａ〜３４ｎ…石炭供給弁、３５ａ〜３５ｎ…空気弁駆動部、３６ａ〜３６ｎ…空気弁、４１ａ〜４１ｎ…油用バーナ、５１ａ〜５１ｎ…石炭用バーナ、７１…油供給管路、７２…石炭供給管路、７３…燃焼空気供給管路、７４…送風部

Claims (2)

1. 燃料の供給を制御する燃料弁と燃焼用空気の供給を制御するエアレジスタを備えた複数のバーナの運転を制御するバーナ制御装置であって、
   前記燃料として石炭と油を用意したバーナ制御装置において、
   外部信号に基づいて運転状態を判定する運転状態判定部と、
   前記外部信号に基づいて各バーナの運転を個別にもしくはグループ単位で指令するバーナ運転指令出力部と、
   前記バーナ運転指令に基づいて個別もしくはグループ単位のバーナの運転を制御するバーナ運転制御部および前記エアレジスタの開閉を制御するエアレジスタ制御部からなる個別バーナ制御部とを備え、
   前記個別バーナ制御部は、石炭専焼時に、バーナ運転指令出力部が点火状態もしくは消火状態を指令したときに、前記運転状態判定部が判定した運転負荷状態に基づいて、前記エアレジスタの開度を、予め個別もしくはグループ単位で用意された低負荷時の開度と、高負荷時の開度の中から選択して制御し、
   石炭と油の同時燃焼又は油の専焼時には、負荷に関係なく開度を個別もしくはグループ単位で設定させることを特徴とするバーナ制御装置。
2. 請求項１記載のバーナ制御装置において、
   前記低負荷時の開度と高負荷時の開度は、個別又はグループのバーナでの燃焼によるＮＯ_Ｘ発生量に基づいて、予め適切に調整した値であることを特徴とするバーナ制御装置。

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