JP4551101B2 - ミルイナート酸素濃度測定装置、ミルイナート酸素供給装置およびミルイナート酸素濃度測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、微紛炭火力発電の石炭ミル中の酸素濃度測定を行うミルイナート酸素濃度測定装置、ミルイナート酸素供給装置およびミルイナート酸素濃度測定方法に関するものである。

近年、わが国では脱石油の潮流から数々の石炭火力発電所が見直され、環境対策技術と共に発展してきている。石炭火力発電プラントにおいて、石炭はロールミルで粉砕されボイラに供給されるが、当該ミルでは、粉砕後の自然発火防止のため、ミル内に水蒸気を付加して酸素濃度を低下している。この蒸気導入量は酸素濃度により制御しているが、従来の磁気式酸素濃度計ではミル内の水分に起因して検出部の劣化が早くなり、十分な性能が得られないという問題点があった。また、近年では半導体レーザを用いた酸素濃度測定装置が開発されているが、高価であり且つクリーンなガス雰囲気への適応であるため、石灰粉末などの雰囲気中ではレーザ光が石炭粒子により遮断されてしまい、所望の性能が得られないという問題点がある。なお、参考として水分分析装置の特許文献を挙げる。
特表２００１−５０８５３４号公報

そこで、この発明は上記に鑑みてなされたものであって、蒸気導入量を制御して発火を防止するため、正確かつ安定的に酸素濃度の測定が行えるミルイナート酸素濃度測定装置、ミルイナート酸素供給装置およびミルイナート酸素濃度測定方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、この発明に係るミルイナート酸素濃度測定装置は、石炭ミル内の酸素濃度を測定する装置であって、石炭ミル内の水蒸気を含む測定ガス中の水分濃度を測定し、その値のみを変数として前記酸素濃度を演算することを特徴とする。
また、この発明に係るミルイナート酸素濃度測定装置は、上記発明において、前記酸素濃度（ｙ）％は、水分濃度（ｘ）％に基づいて、ｙ＝（１−ｘ／１００）×２１の式を用いて演算されることを特徴とする。

酸素を計測する測定装置としては、ジルコニア式酸素計、半導体レーザ式酸素濃度計、磁気式酸素濃度計などが存在するが、石炭ミルのような高温多湿の環境下では適切に動作しない。このため、本発明では、別の観点から測定を試みた。具体的には石炭ミル内の水蒸気を取り出して水分濃度を測定し、この水分濃度から酸素濃度を求める。

また、この発明に係るミルイナート酸素濃度測定装置は、上記発明において、前記水分濃度の測定に熱伝導度検出器を用いることを特徴とする。
水分測定を行う手法としては、ミラー式、ジルコニア式、レーザ式、静電容量式などが存在するが、いずれも高温多湿で粉塵が存在する環境下では適切に動作しない。これに対して熱伝導式は熱伝導度の違いにより水分測定する方式であり、こうした環境下にも適応できる。

また、この発明に係るミルイナート酸素濃度測定装置は、上記発明において、更に熱伝導度検出における基準ガスとして、測定ガスを除湿したガスを用いることを特徴とする。
このようにすれば、ガス種に変動が生じた場合でも水分濃度の違いによる熱伝導度の差のみを検出できるから、安定した測定が可能になる。

また、この発明に係るミルイナート酸素濃度測定装置は、上記発明において、前記除湿には、ゼオライト、シリカゲル等の乾燥剤を用いることを特徴とする。
ゼオライトを用いるのは、露点が低いため除湿効果が高いからである。

また、この発明に係るミルイナート酸素濃度測定装置は、上記発明において、前記除湿には、ペルチェ素子その他の冷凍機を用いることを特徴とすることを特徴とする。
一方、長期の運転には、冷凍機による除湿が好適である。

また、この発明に係るミルイナート酸素濃度測定装置は、上記発明において、熱伝導度検出器により５％以上の水分濃度を検出することを特徴とする。
静電容量式のセンサーの場合、水分濃度が２％を超えると測定が困難になるが、この熱伝導度検出器であれば、５％以上の高濃度の水分を測定できる。

また、この発明に係るミルイナート酸素濃度測定装置は、測定ガスを除湿して基準ガスを生成する除湿手段と、前記測定ガスおよび前記基準ガスを導入し、両者の熱伝導度の差から水分濃度を取得する熱伝導度検出手段と、水分濃度のみを変数として酸素濃度を演算する酸素濃度演算手段と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明に係るミルイナート酸素濃度測定装置は、上記発明において、更に測定ガスが熱伝導度検出手段に至るまでのラインを加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする。

水分を含む測定ガスを加圧導入すると、熱伝導度検出手段に至るライン上で結露するため、高露点のガスの水分測定において問題が生じる。そこで、当該ラインを加熱しておくことで、測定前の結露を防止する。

また、この発明に係るミルイナート酸素供給装置は、上記発明において、石炭ミル中の酸素濃度を測定する上記ミルイナート酸素濃度測定装置と、ミルイナートに水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記水蒸気の供給量を前記測定した酸素濃度に基づいて制御する酸素供給量制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明に係るミルイナート酸素濃度測定方法は、石炭ミル中の水蒸気が含まれた測定ガスを取得するステップと、この測定ガス取得ステップとは別に測定ガスを除湿して基準ガスを生成するステップと、前記測定ガスと前記基準ガスとの熱伝導度の差を測定するステップと、前記熱伝導度の差から測定ガス中の水分濃度を取得するステップと、前記水分濃度のみを変数として酸素濃度を演算するステップと、を含むことを特徴とする。

この発明のミルイナート酸素濃度測定装置、ミルイナート酸素供給装置およびミルイナート酸素濃度測定方法によれば、蒸気導入量を制御して発火を防止するため、正確かつ安定的に酸素濃度の測定を行うことができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、石炭火力発電所における石炭ミルおよびその制御系を示す構成図である。
この石炭ミル１０００は、例えばローラミル等であり、７０％から９０％を２００メッシュ（７５μｍ）以下に粉砕する。また、この石炭ミル１０００は、石炭微粉をボイラに搬送するロータリーフィーダ１００１を備える。石炭微紛は給炭管１００２を通って直接ボイラ内に噴出される。一方、石炭および空気は、導入管１００３から石炭ミル１０００内に投入される。この導入管１００３には、水蒸気を導入する水蒸気導入管１００４が設けられている。

この水蒸気導入管１００４には、水蒸気の流量を調整する制御弁１００５が設けられている。この制御弁１００５は、制御装置１５０により制御される。一方、供給管１００２には石炭ミル１０００内のガスを取り出す配管１２０が設けられている。この配管１２０はＳＵＳ製であり、必要により配管途中に微紛石炭を補足するフィルター１２１を設ける。また、配管１２０の略全長に渡ってその周囲にヒータ１２２が設けられている。このヒータ１２２は、配管１２０を加熱して当該配管１２０内に結露が生じるのを防止する。配管１２０はミルイナート酸素濃度測定装置１００に接続されている。

図２は、この発明の第１実施形態に係るミルイナート酸素濃度測定装置を示す構成図である。このミルイナート酸素濃度測定装置１００は、恒温槽１０１の中に熱伝導度検出装置（以下、ＴＣＤという）１０２と、このＴＣＤ１０２に導入する測定ガスの流量を一定に保つガスフローメータ１０３とが収容されている。また、ＴＣＤ１０２には、測定ガスの水分を取り除く除湿器１０４が設けられている。ＴＣＤ１０２には、加熱のためにフィラメントが設けられ（図示省略）、測定ガスと基準ガスとを区別する２つのチャンバー１０２ａ、１０２ｂを有する。なお、前記フィラメントの電流は高いほど検出感度を向上できるが、フィラメント寿命が短くなるので、ガス種により電流値を決める必要がある。

左側のチャンバー１０２ａは除湿器１０４の上流側に接続され、除湿器１０４の下流側は右側のチャンバー１０２ｂに接続されている。除湿器１０４は、内部にゼオライトが封入されており、測定ガスはこのゼオライトの中を通り、そのときに除湿される。ゼオライトは露点が最も低いので除湿剤として好適である。除湿剤には、ゼオライトの他にシリカゲル等の乾燥剤を用いることもできる。また、除湿器１０４には、ペルチェ素子などの冷凍機、パーマピュアドライ等を用いることができる。長期運転を行う際は、冷凍機を除湿器１０４として用いるのが好ましい。更に、除湿が十分に行われない場合などは、前記複数種類の除湿手段を組み合わせて用いても良い。例えば前記ゼオライトと冷凍機を直列に接続してもよい。

配管１２０には、測定ガスを吸引するブロアー１０５が設けられている。なお、ブロアー１０５には、内部での結露を防止するためのヒータが設けられている（図示省略）。また、このミルイナート酸素濃度測定装置１００は、ＴＣＤ１０２により測定した水分濃度から酸素濃度を演算する演算部１０６を有する。

次に、このミルイナート酸素濃度測定装置の動作について説明する。ブロアー１０５により石炭ミル１０００内から水蒸気を含む測定ガスを吸引する。このとき、ブロアー１０５および配管１２０はヒータ１２２によって加熱され、内部に結露が生じないようにされている。これは測定ガスが測定前に水分濃度の変動をきたしては、測定結果の精度が低下するためである。続いて、測定ガスは、ガスフローメータ１０３でその流量を一定に制限される。

次に、測定ガスはＴＣＤ１０２の左側チャンバー１０２ａに導入され、更に当該チャンバー１０２ａを通過し除湿器１０４に導かれる。除湿器１０４では、測定ガスの水蒸気が取り除かれて基準ガスとなる。この基準ガスは、ＴＣＤ１０２の右側チャンバー１０２ｂに導入される。ＴＣＤ１０２では、測定ガスと基準ガスとの熱伝導度の差を検出し、熱伝導度の差から水分濃度を求める。熱伝導度の差と水分濃度との相関は、予め実験により取得しておく。係る構成では、基準ガスとして、測定ガスから水分を取り除いたものを用いるので、ガス種に変動が生じた場合でも水分濃度の違いによる熱伝導度の差のみを検出でき、それ故、ガス種が変動しても安定した出力信号が得られる。測定に用いた基準ガスは外部に出される。

次に、演算部１０６は、取得した水分濃度（ｘ）％から酸素濃度（ｙ）％を演算する。酸素濃度（ｙ）％は、
ｙ＝（１−ｘ／１００）×２１
の式で得られる。得られた酸素濃度信号は、制御装置１５０に送出される。制御装置１５０は、前記酸素濃度信号に基づいて水蒸気の量を制御する。即ち、酸素濃度に基づいて開閉指令を生成し、前記制御弁１００５の開閉動作を行う。水蒸気の量を増やせば酸素濃度が低下し、自然発火を防止できる。

以上のミルイナート酸素濃度測定装置１００によれば、水分濃度から酸素濃度を取得するようにしているので、石炭ミル１０００のような高温多湿の環境下であっても、酸素濃度の測定を適切に行える。更に、ＴＣＤ１０２による熱伝導度の差から水分濃度を求めるので、高温多湿で粉塵多量の雰囲気中でも酸素濃度の測定を適切に行える。

［第２実施形態］
図３は、この発明の第２実施形態に係るミルイナート酸素濃度測定装置を示す構成図である。
このミルイナート酸素濃度測定装置２００は、第１実施形態のミルイナート酸素濃度測定装置１００と略同一の構成であるが、測定ガスと、除湿器１０４で除湿された基準ガスを並列にＴＣＤ１０２に導入する点が異なる。その他の点は第１実施形態と同様であるからその説明を省略し、同一符号には同一番号を付す。除湿器１０４はＴＣＤ１０２の右側チャンバー１０２ｂに接続され、当該ＴＣＤ１０２と除湿器１０４との間にはガスフローメータ２０１が設けられている。このガスフローチャンバー２０１は、左側のチャンバー１０２ａに接続しているガスフローチャンバー１０３と同じ流量を持つ。

係る構成は、測定ガスの組成に変化がない場合に好適である。反対に測定ガスの組成に変化がある場合は、第１実施形態のミルイナート酸素濃度測定装置１００のように、ＴＣＤ１０２の左側チャンバー１０２ａと右側チャンバー１０２ｂとを直列に接続し、その中間に除湿器１０４を設置する構成のほうが、影響を受け難い。即ち、第２実施形態の場合に測定ガスの組成が変化すると、配管長の違いや除湿量の変化などにより、測定精度が低下するからである。

［第３実施形態］
図４は、この発明の第３実施形態に係るミルイナート酸素濃度測定装置を示す構成図である。
このミルイナート酸素濃度測定装置３００は、第２実施形態のミルイナート酸素濃度測定装置２００と略同一の構成であるが、ブロアー１０５がＴＣＤ１０２の下流に設けられている点が異なる。その他の点は第２実施形態と同様であるからその説明を省略し、同一符号には同一番号を付す。

測定ガスが飽和蒸気圧近傍であると、第１実施形態および第２実施形態の構成ではブロアー１０５の出口で結露して正確な水分濃度測定ができない。このため、ブロアー１０５をＴＣＤ１０２の下流に設けるようにすれば、当該結露を防止して正確な酸素濃度測定を行うことができる。

石炭火力発電所における石炭ミルおよびその制御系を示す構成図である。 この発明の第１実施形態に係るミルイナート酸素濃度測定装置を示す構成図である。 この発明の第２実施形態に係るミルイナート酸素濃度測定装置を示す構成図である。 この発明の第３実施形態に係るミルイナート酸素濃度測定装置を示す構成図である。

符号の説明

１００ ミルイナート酸素濃度測定装置
１０２ ＴＣＤ
１０３ ガスフローメータ
１０４ 除湿器
１０５ ブロアー
１０６ 演算部
１２０ 配管
１２２ ヒータ
１５０ 制御装置
１０００ 石炭ミル
１００２ 給炭管
１００３ 導入管
１００４ 水蒸気導入管
１００５ 制御弁

Claims (11)

1. 石炭ミル内の酸素濃度を測定する装置であって、
   石炭ミル内の水蒸気を含む測定ガス中の水分濃度を測定し、その値のみを変数として前記酸素濃度を演算することを特徴とするミルイナート酸素濃度測定装置。
2. 前記酸素濃度（ｙ）％は、水分濃度（ｘ）％に基づいて、
   ｙ＝（１−ｘ／１００）×２１
   の式を用いて演算されることを特徴とする請求項１に記載のミルイナート酸素濃度測定装置。
3. 前記水分濃度の測定に熱伝導度検出器を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のミルイナート酸素濃度測定装置。
4. 熱伝導度検出における基準ガスとして、測定ガスを除湿したガスを用いることを特徴とする請求項３に記載のミルイナート酸素濃度測定装置。
5. 前記除湿には、ゼオライト、シリカゲル等の乾燥剤を用いることを特徴とすることを特徴とする請求項４に記載のミルイナート酸素濃度測定装置。
6. 前記除湿には、ペルチェ素子その他の冷凍機を用いることを特徴とすることを特徴とする請求項４に記載のミルイナート酸素濃度測定装置。
7. 熱伝導度検出器により５％以上の水分濃度を検出することを特徴とする請求項３または４に記載のミルイナート酸素濃度測定装置。
8. 測定ガスを除湿して基準ガスを生成する除湿手段と、
   前記測定ガスおよび前記基準ガスを導入し、両者の熱伝導度の差から水分濃度を取得する熱伝導度検出手段と、
   前記水分濃度のみを変数として酸素濃度を演算する酸素濃度演算手段と、
   を備えたことを特徴とするミルイナート酸素濃度測定装置。
9. 測定ガスが熱伝導度検出手段に至るまでのラインを加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする請求項８に記載のミルイナート酸素濃度測定装置。
10. 石炭ミル中の酸素濃度を測定する請求項１から請求項８のいずれかに記載のミルイナート酸素濃度測定装置と、
    ミルイナートに水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
    前記水蒸気の供給量を前記測定した酸素濃度に基づいて制御する酸素供給量制御手段と、
    を備えたことを特徴とするミルイナート酸素供給装置。
11. 石炭ミル中の水蒸気が含まれた測定ガスを取得するステップと、
    この測定ガス取得ステップとは別に測定ガスを除湿して基準ガスを生成するステップと、
    前記測定ガスと前記基準ガスとの熱伝導度の差を測定するステップと、
    前記熱伝導度の差から測定ガス中の水分濃度を取得するステップと、
    前記水分濃度のみを変数として酸素濃度を演算するステップと、
    を含むことを特徴とするミルイナート酸素濃度測定方法。

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