JP4786632B2 - 脱硝装置の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する脱硝装置の制御装置および制御方法に関し、特に、発電ユニットの起動時に脱硝装置を起動制御する制御装置および制御方法に関する。

火力発電所などにおいては、ボイラから排出される窒素酸化物含有排ガス中の窒素酸化物を除去するための脱硝装置が設けられている。この脱硝装置は、窒素酸化物を含有する排ガスを触媒が充填された装置本体（反応器）内に導入し、還元剤としてのアンモニアを添加して接触的に窒素酸化物を除去（脱硝）するものである。このような脱硝装置による脱硝方法おいて、未反応アンモニアの大気への排出を低い濃度に抑えながら、かつ排ガスの脱硝効率を高く維持できるようにする脱硝方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、例えば火力発電所における発電ユニットの起動時においては、次のようにして脱硝装置が起動制御されていた。すなわち、発電ユニットの出力電力が所定値以上になると脱硝装置が自動起動し、脱硝装置にアンモニアを供給する遮断弁が開く。続いて、アンモニアの供給量を調節する流量調節弁が起動し、脱硝装置に流入する排ガス中の窒素酸化物濃度（含有量）に応じて供給量を段階的に自動調整するものである。
特開２０００−０９３７４９号公報

ところで、従来上記のように、発電ユニットの出力電力が所定値以上になった時点で脱硝装置を自動起動させ、脱硝処理を開始しているのは、次の理由に基づく。なぜなら、発電ユニットの起動開始時においては、脱硝装置に流入する排ガスの温度が低く、低い温度の状態で脱硝装置にアンモニアを供給しても、所定の脱硝効果（脱硝効率）を得ることができない。このため、発電ユニットの出力電力が所定値以上になると、排ガスの温度が脱硝処理に適した温度以上、つまり所定の脱硝効果が得られる温度以上になると仮定して脱硝装置を起動しているものである。しかしながら、実際には発電ユニットの出力電力が所定値以上になっても、排ガスの温度が脱硝処理に適した温度以上になっていない場合がある。そして、このような状態で脱硝装置を起動し、脱硝装置にアンモニアを供給しても、脱硝装置の機能が十分に発揮できず、つまり所定の脱硝効果が得られず、アンモニアを過度に（無駄に）供給することになり、さらには不完全反応の窒素酸化物が大気に排出されることになる。なお、上記特許文献１に記載の脱硝方法では、脱硝装置が安定した運用状態（定常状態）において脱硝効率を高く維持などするものであり、発電ユニットの起動時、つまり脱硝装置の起動当初において所定の脱硝効果を得ることについては記載されていない。

また、従来の起動制御では、脱硝装置の起動時に、流量調節弁によってアンモニアの供給量を段階的に自動調整していたが、窒素酸化物濃度に適した供給量になるまでに時間を要していた。この結果、窒素酸化物が規制値未満に除去（低減）されるまでに時間を要し、規制値以上の窒素酸化物を含む排ガスが大気に排出されるおそれがあった。このため、環境規制値を遵守するには、手動によって流量調節弁を調整して、早期に適正量のアンモニアを供給する必要があった。

そこでこの発明は、発電ユニットの起動時において適正な脱硝効果を得ることが可能な脱硝装置の制御装置および制御方法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請求項１に記載の発明は、発電ユニットの起動時に脱硝装置を起動制御する制御装置であって、前記脱硝装置に流入する排ガスの温度を測定する温度センサと、前記温度センサによる測定温度が、前記脱硝装置が所定の脱硝性能を発揮するのに必要な温度である性能温度に達する直前に前記発電ユニットの出力電力を一定に維持し、前記測定温度が前記性能温度以上になると前記発電ユニットの出力一定を解除して、前記発電ユニットの出力電力が所定値以上になると前記脱硝装置を起動する処理手段と、を備えることを特徴とする脱硝装置の制御装置である。

この発明によれば、排ガスの温度が性能温度に達する直前に発電ユニットの出力電力が一定に維持され、その状態で排ガスの温度が上昇する。そして、排ガスの温度が性能温度以上になると、発電ユニットの出力一定が解除されて出力電力が再び上昇し、出力電力が所定値以上になると脱硝装置が起動される。

請求項２に記載の発明は、発電ユニットの起動時に脱硝装置を起動制御する制御方法であって、前記脱硝装置に流入する排ガスの温度を測定し、前記排ガスの温度が、前記脱硝装置が所定の脱硝性能を発揮するのに必要な温度である性能温度に達する直前に前記発電ユニットの出力電力を一定に維持し、前記排ガスの温度が前記性能温度以上になると前記発電ユニットの出力一定を解除し、前記発電ユニットの出力電力が所定値以上になると前記脱硝装置を起動することを特徴とする脱硝装置の制御方法である。

請求項１および２に記載の発明によれば、脱硝装置に流入する排ガスの温度が確実に脱硝装置の性能温度以上に達した後に脱硝装置が起動されるため、発電ユニットの起動時において適正な脱硝効果を得ることが可能となる。つまり、脱硝装置が所定の脱硝性能を発揮するのに必要な温度以上において脱硝装置が起動されるため、起動時から所定の脱硝効果が得られ、アンモニアを過度に（無駄に）供給したり、不完全反応の窒素酸化物が大気に排出されたりすることを抑制できる。

さらに、発電ユニットの出力電力が所定値以上になると脱硝装置を起動する場合において、排ガスの温度が性能温度に達した後に発電ユニットの出力電力が所定値に達するように出力電力が制御される。このため、発電ユニットの起動時において適正な脱硝効果を得ることが可能となる。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係る石炭火力発電所の発電ユニットの概略構成図である。この発電ユニットは、ボイラ１に燃料と水を供給し、ボイラ１で生成した蒸気をタービン２に供給してタービン２を回転させ、発電機３によって発電するものである。また、ボイラ１と、タービン２と、発電機３および、燃料供給量などは発電制御装置４によって制御され、所望の発電量（出力電力）が発電されるようになっている。

一方、ボイラ１から排出された排ガスは、ボイラ１の排熱を利用してボイラ１への給水を予熱することでボイラ１の効率を向上させる節炭器（エコノマイザ）５を介して、脱硝装置７に送られ、脱硝装置７にて排ガス中の窒素酸化物が除去（脱硝）される。続いて、脱硝された排ガス中のすすや塵などが、集じん器８によって取り除かれ、さらに、排ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）が脱硫装置９によって除去され、排ガスが煙突１０から排出されるようになっている。

ここで、脱硝装置７は、触媒が充填された装置本体（反応器）内に排ガスを導入し、還元剤としてのアンモニアを添加して接触的に窒素酸化物を除去するものである。この脱硝装置７は、配管７２を介してアンモニアタンク７１と接続され、配管７２には、脱硝装置７へアンモニアを供給あるいは遮断する遮断弁７３と、アンモニアの供給量を調節する流量調節弁７４とが配設されている。そして、後述する制御装置（脱硝装置の制御装置）６によって遮断弁７３と流量調節弁７４とが開弁されると、所定量のアンモニアがアンモニアタンク７１から脱硝装置７に供給されるようになっている。

制御装置６は、発電ユニットの起動時などに脱硝装置７を起動制御などする装置である。例えば、発電ユニットの起動時においては、ボイラ１などが起動を開始したばかりであるため、排ガスの温度が低く、発電ユニットの起動と同時に脱硝装置７を起動しても、効率的な脱硝が行えず（所定の脱硝効果が得られず）、また、アンモニアを過度に供給することになる。このため、制御装置６によって適正なタイミングで脱硝装置７を起動制御するものである。

この制御装置６は、温度センサ６１と処理ユニット（処理手段）６２とを備えている。温度センサ６１は、脱硝装置７に流入する排ガスの温度を測定するセンサであり、この実施の形態では、節炭器５の流出口側に配設され、節炭器５から流出する排ガスの温度を測定している。これに対し、脱硝装置７の流入口側などに温度センサ６１を配設してもよい。

処理ユニット６２は、温度センサ６１と発電機３側および、発電制御装置４と遮断弁７３、流量調節弁７４と通信可能に接続されている。また、図２に示すように、主として、処理部６２１と、記憶部６２２と、入力部６２３と、入力インターフェイス６２４と、表示部６２５と、出力インターフェイス６２６とを備えている。処理部６２１は、後述する制御タスクを起動制御などすることで、脱硝装置７を起動制御するものであり、記憶部６２２は、後述する制御タスクやガス温度信号、出力電力信号などを記憶するメモリである。入力部６２３は、外部から動作指令などを入力するものであり、入力インターフェイス６２４は、測定温度を示すガス温度信号を温度センサ６１から定期的に受信したり、出力電力を示す出力電力信号を発電機３側から定期的に受信したりするインターフェイスである。表示部６２５は、作動状態や入力部６２３から入力された動作指令などを表示するディスプレイであり、出力インターフェイス６２６は、出力電力の制御指令を示す出力制御信号を発電制御装置４に送信したり、弁の開閉指令を示す弁制御信号を遮断弁７３および流量調節弁７４に送信したりするインターフェイスである。

さらに、処理ユニット６２は３つの制御タスクを備え、各制御タスクは、それぞれのモードにおいて定期的に起動されるようになっている。つまり、各制御タスクは、サイクリックタスクとなっている。まず、発電ユニットの起動が開始された時点、直後である第１のモードでは、第１の制御タスクが定期的に起動される。この第１の制御タスクでは、まず図３に示すように、最新の出力電力（出力電力信号）を記憶部６２２から取得し（ステップＳ１）、その出力電力が所定の規定値Ａ以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。

ここで、この実施の形態では、規定値Ａは次のように設定されている。まず、脱硝装置が所定の適正な脱硝性能、脱硝効率を発揮するのに必要な温度を性能温度Ｔ１とする。この性能温度Ｔ１は、所望する脱硝効率や、脱硝装置７の触媒に含まれるバナジウムなどの反応物質の配合率（濃度）、さらには、排ガス中に含まれる硫黄酸化物に起因する硫安などの生成による触媒の閉塞性などに基づいて決定される。例えば、図４に示すような脱硝装置７の脱硝効率と排ガス温度との関係グラフに基づいて、性能温度Ｔ１を決定する。そして、排ガスの温度が性能温度Ｔ１になるのに要する設計上の出力電力を規定値（所定値）Ｂとし、規定値Ｂよりもやや低い出力電力を規定値Ａに設定している。つまり、出力電力が規定値Ａに達するときの温度Ｔ２は、性能温度Ｔ１よりもやや低い温度（性能温度Ｔ１に達する直前の温度）となっている。ここで、規定値Ａと規定値Ｂとの差が大きいと、後述する第３のモードにおいて出力電力が規定値Ｂに達するまでに長時間を要し、規定値Ａと規定値Ｂとの差が小さいと、何らかの要因によって出力電力が変動した際に、規定値Ｂを超えてしまう場合がある。このため、これらのことを考慮して、規定値Ａを設定する必要がある。

ステップＳ２で出力電力が規定値Ａ以上である場合には、発電ユニットの出力電力を一定に維持する（ステップＳ３）。つまり、出力一定の出力制御信号を発電制御装置４に送信する。これにより、発電制御装置４によって、ボイラ１や燃料供給量などが制御され、出力電力が一定に維持される。そして、モードを第２のモードに変更する（ステップＳ４）。一方、ステップＳ２で出力電力が規定値Ａ未満の場合には、第１の制御タスクを終了し、次の起動を待機する。このように、第１の制御タスクでは、出力電力が規定値Ａに達すると発電ユニットの出力電力を一定に維持しており、規定値Ａつまり温度Ｔ２は上記のように設定されているため、排ガスの温度が性能温度Ｔ１に達する直前に発電ユニットの出力電力を一定に維持することになる。

次に、第２のモードでは、第２の制御タスクが定期的に起動される。この第２の制御タスクでは、まず図５に示すように、最新の排ガスの温度（測定温度）Ｔを示すガス温度信号を記憶部６２２から取得し（ステップＳ１１）、その測定温度Ｔが性能温度Ｔ１未満の場合（ステップＳ１２で「Ｎ」の場合）には、第２の制御タスクを終了し、次の起動を待機する。一方、測定温度Ｔが性能温度Ｔ１以上の場合（ステップＳ１２で「Ｙ」の場合）には、発電ユニットの出力一定を解除する（ステップＳ１３）。つまり、出力一定を解除する出力制御信号を発電制御装置４に送信する。これにより、発電制御装置４によって、ボイラ１や燃料供給量などが制御され、出力電力が再び上昇する。そして、モードを第３のモードに変更する（ステップＳ１４）。ここで、アンモニアタンク７１内のガス圧および、脱硝装置７側に流入される排ガス中の窒素酸化物濃度を測定し、アンモニアガス圧が所定の圧力以上であり、かつ、排ガス中の窒素酸化物濃度が安定している場合にのみ、ステップＳ１３、Ｓ１４に進むようにしてもよい。

続いて、第３のモードでは、第３の制御タスクが定期的に起動される。この第３の制御タスクでは、まず図６に示すように、最新の出力電力（出力電力信号）を記憶部６２２から取得し（ステップＳ２１）、その出力電力が上記の規定値Ｂ未満の場合（ステップＳ２２で「Ｎ」の場合）には、第３の制御タスクを終了し、次の起動を待機する。一方、出力電力が規定値Ｂ以上の場合（ステップＳ２２で「Ｙ」の場合）には、開弁の弁制御信号を遮断弁７３に送信する（ステップＳ２３）。これにより、遮断弁７３が開き脱硝装置７が起動される。さらに、所定の開度だけ開弁する弁制御信号を流量調節弁７４に送信する（ステップＳ２４）。ここで、所定の開度とは、排ガス中の窒素酸化物濃度に対応して予め定められた開度であり、信号送信（脱硝装置７の起動）の度に窒素酸化物濃度を実測して開度を決定し、あるいは過去の実測値に基づいて開度を決定する。これにより、流量調節弁７４が所定の開度で開き、開度に応じた所定量、つまり窒素酸化物濃度に応じた適正量のアンモニアがアンモニアタンク７１から脱硝装置７に供給される。

次に、このような構成の制御装置６の作動および、制御装置６による脱硝装置７の制御方法について、図７に基づいて説明する。

まず、初期設定が行われる（ステップＳ３１）。すなわち、制御装置６から、出力一定を解除する出力制御信号が発電制御装置４に送信されるとともに、閉弁の弁制御信号が遮断弁７３および流量調節弁７４に送信される。次に、発電制御装置４によってボイラ１や燃料供給量などが制御されて発電が開始される（ステップＳ３２）。このとき、ステップＳ３１の初期設定によって、出力電力が上昇するように通常制御され、遮断弁７３および流量調節弁７４は閉じた状態となっている。

この第１のモードにおいて、第１の制御タスクが定期的に起動され（ステップＳ３３）、上記のようにして、出力電力が規定値Ａに達すると、つまり排ガスの温度が性能温度Ｔ１に達する直前に、発電ユニットの出力電力が一定に維持される。そして、この状態で排ガスの温度が上昇する。次の第２のモードにおいて、第２の制御タスクが定期的に起動され（ステップＳ３４）、排ガスの温度つまり測定温度Ｔが性能温度Ｔ１以上になると、発電ユニットの出力一定が解除される。そして、発電制御装置４によってボイラ１や燃料供給量などが通常制御され、出力電力が再び上昇する。続く第３のモードにおいて、第３の制御タスクが定期的に起動され（ステップＳ３５）、上記のようにして、出力電力が規定値Ｂ以上になると、脱硝装置７が起動される。つまり、遮断弁７３が開き、流量調節弁７４が所定の開度で開き、排ガス中の窒素酸化物濃度に応じた適正量のアンモニアが脱硝装置７に供給される。このようにして、排ガスの温度が確実に性能温度Ｔ１以上に達した後に、脱硝装置７が起動される。そして、その後は、通常の運転制御が行われる（ステップＳ３６）。すなわち、発電制御装置４によって出力電力が制御され、出力電力に応じて脱硝装置７や集じん器８などが制御される。

以上のように、この制御装置６および制御方法によれば、脱硝装置７に流入する排ガスの温度が脱硝装置７の性能温度Ｔ１以上になった後に脱硝装置７が起動されるため、発電ユニットの起動時において適正な脱硝効果、脱硝効率を得ることが可能となる。つまり、脱硝装置７が性能温度Ｔ１以上において起動されるため、起動時から所定の脱硝効果、脱硝効率が得られ、アンモニアを過度に（無駄に）供給したり、不完全反応の窒素酸化物が大気に排出されたりすることを抑制できる。

また、脱硝装置７の起動時に、流量調節弁７４が予め定められた開度に調整されるため、脱硝装置７の起動直後に、排ガス中の窒素酸化物濃度に応じた適正量のアンモニアが脱硝装置７に供給される。この結果、脱硝装置７の起動直後において、窒素酸化物が規制値未満に除去（低減）され、環境規制値を遵守することが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、制御装置６に上記のような３つの制御タスクを備えているが、脱硝装置７を自動的に起動させるプログラム（タスク）を備えた制御装置にも、適用することができる。すなわち、上記の第３の制御タスクのように、発電ユニットの出力電力が所定値（規定値Ｂ）以上になると脱硝装置７を自動的に起動させる自動起動プログラムを備えた既存の制御装置に、上記のような第１、第２の制御タスクを備える。そして、第１、第２の制御タスクを起動させた後に、自動起動プログラムを起動させることで、排ガスの温度が確実に性能温度Ｔ１以上になった後に脱硝装置７を起動させることが可能となる。この際、第１の制御タスクにおける規定値Ａを例えば次のように設定してもよい。すなわち、脱硝装置が所定の脱硝性能、脱硝効率を発揮するのに必要な最低温度（性能温度Ｔ１よりも低温）に排ガスの温度が達する設計上の出力電力以上であり、かつ、自動起動プログラムで脱硝装置７が自動起動される出力電力未満に設定する。

また、上記の実施の形態では、発電ユニットの出力電力が一定の状態で排ガスの温度が性能温度Ｔ１以上になり、その後、出力電力が上昇して脱硝装置７を起動するようにしている。つまり、排ガスの温度が性能温度Ｔ１以上になり、かつ出力電力が所定値（規定値Ｂ）に達した際に脱硝装置７が起動されるようになっている。これにより、出力電力が上昇し過ぎずに、排ガス中の窒素酸化物濃度が所定値で安定した状態で、脱硝装置７を起動させることが可能となる。これに対し、窒素酸化物濃度の変動が小さい場合や、窒素酸化物濃度が変動しても適正な脱硝効果が得られる場合などには、排ガスの温度のみに基づいて脱硝装置７を起動するようにしてもよい。すなわち、出力電力を一定にせずに上昇させたままとし、排ガスの温度が性能温度Ｔ１以上になった時点で脱硝装置７を起動させてもよい。

この発明の実施の形態に係る石炭火力発電所の発電ユニットの概略構成図である。 図１の発電ユニットにおける制御装置の処理ユニットの概略構成ブロック図である。 図２の処理ユニットの第１の制御タスクのフローチャートである。 この発明の実施の形態における脱硝装置の脱硝効率と排ガスの温度との関係グラフの一例を示す図である。 図２の処理ユニットの第２の制御タスクのフローチャートである。 図２の処理ユニットの第３の制御タスクのフローチャートである。 図１の発電ユニットにおける制御装置の作動および、制御装置による脱硝装置の制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ボイラ
２ タービン
３ 発電機
４ 発電制御装置
５ 節炭器
６ 制御装置
６１ 温度センサ
６２ 処理ユニット（処理手段）
７ 脱硝装置
７１ アンモニアタンク
７２ 配管
７３ 遮断弁
７４ 流量調節弁

Claims (2)

1. 発電ユニットの起動時に脱硝装置を起動制御する制御装置であって、
   前記脱硝装置に流入する排ガスの温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサによる測定温度が、前記脱硝装置が所定の脱硝性能を発揮するのに必要な温度である性能温度に達する直前に前記発電ユニットの出力電力を一定に維持し、前記測定温度が前記性能温度以上になると前記発電ユニットの出力一定を解除して、前記発電ユニットの出力電力が所定値以上になると前記脱硝装置を起動する処理手段と、
   を備えることを特徴とする脱硝装置の制御装置。
2. 発電ユニットの起動時に脱硝装置を起動制御する制御方法であって、
   前記脱硝装置に流入する排ガスの温度を測定し、
   前記排ガスの温度が、前記脱硝装置が所定の脱硝性能を発揮するのに必要な温度である性能温度に達する直前に前記発電ユニットの出力電力を一定に維持し、
   前記排ガスの温度が前記性能温度以上になると前記発電ユニットの出力一定を解除し、
   前記発電ユニットの出力電力が所定値以上になると前記脱硝装置を起動することを特徴とする脱硝装置の制御方法。
   

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