JP4859512B2

JP4859512B2 - 燃焼ボイラの制御方法

Info

Publication number: JP4859512B2
Application number: JP2006111570A
Authority: JP
Inventors: 正治藤堂
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-04-14
Also published as: JP2007285553A

Description

本発明は、燃焼ボイラの制御方法に関し、特にＯＦＡダンパの開度を調節して窒素酸化物の生成を抑制する燃焼ボイラの制御方法に関する。

火力発電所などで使用するボイラから排出される排ガス中には、窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれているため、脱硝装置、アンモニア注入装置、ＮＯｘ計などからなる排煙脱硝設備を用いてＮＯｘを除去した後、排ガスを煙突から大気放出している。また、ＮＯｘ除去手段に加え、ＮＯｘが当初から生成しないように種々の燃焼方式が採用されている。高温で燃焼するとＮＯｘが多量に発生し、燃焼温度が低いと発生量は少なくなることから、ボイラ内の燃焼温度を抑え、ＮＯｘの生成を抑えるため、２段燃焼方式、排ガス再循環方式等の燃焼方式が採用されている。

図３を参照して、二段燃焼方式のボイラを説明する。二段燃焼方式のボイラは、火炉のバーナ付近へ燃焼用空気を供給する空気供給管１１ａに加え、火炎の後流に燃焼用空気を供給する二段燃焼用空気供給管１１ｂが設けられている。

二段燃焼用空気供給管に、火炎の後流に供給する空気量を調節するＯＦＡ（ＯｖｅｒＦｉｒｅＡｉｒ）ダンパ（オーバーエアポートダンパ、オーバーファイアポートダンパともいう）１４が設けられている。一般的に排出ガス中のＮＯｘ濃度や供給する空気量に基づくＯＦＡダンパ１４の開度指令信号により、ＯＦＡダンパ１４の開度が制御されている。

二段燃焼用空気供給管を通じて、燃焼用空気の一部を火炎の後流から注入し、ＮＯｘの生成に影響が大きいバーナ３回りの空気比を下げることによりＮＯｘの生成を抑え、未燃分を後流から注入した空気で再燃焼させる方式である。

次に図４を参照して、排ガス再循環方式のボイラを説明する。排ガス再循環方式のボイラは、排出ガスを再度火炉内に循環させるための排ガス再循環管路１７を有し、排ガス再循環管路１７には再循環ガス量を調節するＧＭＦ（ＧａｓＭｉｘｉｎｇＦａｎ）ダンパ１６が設けられている。

ＧＭＦダンパは主に再熱蒸気温度を制御すべく開度が調節されており、再熱蒸気温度が下降するとＧＭＦダンパが開き方向になり、火炉内により多くの再循環ガスが供給される。排ガスは酸素量が少ないため、燃焼用空気の酸素濃度が低下し、酸素濃度の低い燃焼用空気で燃焼を行うことにより局度的な高温域がなくなり、火炎温度の低下によってＮＯｘ発生量を低減することができる。

しかし、発電所などの発電出力は常に一定ではない。ボイラの負荷上昇時又は下降時に空気と燃料比のバランスが崩れ、燃焼状態が不安定となり、過度的にＮＯｘ濃度が変化する。排出ガス中のＮＯｘ濃度によりＯＦＡダンパ開度指令信号を補正するフィードバック制御方式を採用した場合でも、返答遅れが生じるために急激なＮＯｘ濃度の変化に追随することが困難であった。

これに対して、出力指令が変化しても空燃比が急激に上昇するのを押さえ、ＮＯｘの濃度が低減できるようにしたボイラのＮＯｘの低減方法が提案されている（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載の技術は、二段燃焼ボイラにおいて、バーナに供給される燃焼用空気の圧力とボイラ火炉内の圧力との圧力差からＯＦＡダンパの開度に補正を加える技術である。出力指令が変化して燃料供給の始動又は停止する際のバーナの空燃比が急激に上昇するのを抑えて窒素酸化物の濃度を低減している。

また、更なるＮＯｘの低減化を求め、二段燃焼方式と排ガス再循環方式を組み合わせたボイラも稼働している。
特開平８−２６１４１０号公報

しかしながら、二段燃焼方式と排ガス再循環方式を組み合わせたボイラの場合、ＯＦＡダンパ及びＧＭＦダンパは通常別々に制御されているため、以下の課題が生ずる。

ボイラの負荷上昇時には再熱蒸気温度が上がり易く、ＧＭＦダンパ開度は閉じ方向になる。このため再循環ガス量の減少に伴い、負荷下降時に対して相対空気密度が大きくなりＮＯｘ濃度が過度的に上昇するという問題がある。生成したＮＯｘは脱硝装置、アンモニア注入装置、ＮＯｘ計などからなる排煙脱硝設備を用いてＮＯｘを除去しているが、急激にＮＯｘの量が増大すると排煙脱硝設備にかかる負担が大きくなり処理が困難になるという課題を有する。

一方、ボイラの負荷下降時には再熱蒸気温度が下がり勝手のため、ＧＭＦダンパは開き方向になる。このため再循環ガス量の増加に伴って、空気密度が小さくなりＮＯｘ濃度は減少するが、空気密度が小さくなり過ぎ、燃焼自体の悪化を招くという課題を有する。

また、特許文献１に記載の技術は、二段燃焼方式を用いたボイラにおいては、ボイラの各負荷時に過度的なＮＯｘの抑制をすることができ、ＮＯｘ濃度の低減に有効な技術ではあるが、二段燃焼方式と排ガス再循環方式を組み合わせたボイラについては何ら記載されていない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、空気供給管路と、排ガス排出管路と、排ガスの一部を空気供給管路へ再循環するための排ガス再循環管路と、排ガス再循環管路の途中に設けられた排ガスの再循環量を調節するＧＭＦダンパと、空気の一部を火炎の後流から注入する空気量を調節するＯＦＡダンパと、発生した高温高圧の蒸気が回転させる高圧タービンと、高圧タービンで膨張した蒸気を再度加熱する再熱器とを備え、空気流量から前記ＯＦＡダンパの開度を制御し、再熱蒸気温度からＧＭＦダンパの開度を制御する燃焼ボイラの制御方法において、前記ＯＦＡダンパの開度に前記ＧＭＦダンパの開度に基づく補正を加えることを特徴とする。

また、本発明は燃焼ボイラの出力を上昇する際に、前記ＧＭＦダンパに基づく補正は、前記ＯＦＡダンパを、より開口するように補正することを特徴とする。

更に、本発明は燃焼ボイラの出力を降下する際に、前記ＧＭＦダンパに基づく補正は、前記ＯＦＡダンパを、より閉口するように補正することを特徴とする。

本発明による燃焼ボイラの制御方法では、別途独自に制御されていたＯＦＡダンパとＧＭＦダンパを連関させることにより、ボイラ内の燃焼状態に適したＯＦＡダンパ開度の制御が可能となる。

特に出力上昇時には実際の燃焼状態に対して再循環ガス量過少に基づく過度的なＮＯｘ発生の抑制が可能となり、脱硝装置の負担を低減することができる。また、出力降下時には実際の燃焼状態に対して再循環ガス量過多に基づく燃焼状態の悪化を回避でき、安定した燃焼状態を維持することが可能となる。

図１は二段燃焼方式及び排ガス再循環方式を組み合わせた燃焼ボイラの概略的構成図である。図２はＯＦＡダンパの開度制御方法を示すフロー図である。

図１を参照して、二段燃焼方式及び排ガス再循環方式を組み合わせた燃焼ボイラの概略的構成を説明する。ボイラは主に、燃焼用空気を供給する空気供給ラインと、燃焼後の排ガスを排出する排ガス排出・循環ラインと、蒸気がタービンを駆動した後に水に状態変化し、再度ボイラへ送水される蒸気循環ラインと、燃料を燃焼するバーナ３と、燃料を供給する燃料供給ラインとで構成される。

空気供給ラインは、空気供給管路１１ａと、二段燃焼用空気供給管路１１ｂと、通風機１２と、ＯＦＡダンパ１４で構成される。空気供給管路１１ａは、一端が通風機１２に接続され、他端は火炉２下部のバーナ３付近へ接続されている。二段燃焼用空気供給管路１１ｂは、一端が空気供給管路に接続され、他端は火炉２の上部に接続される。ＯＦＡダンパ１４は、二段燃焼用空気供給管路１１ｂの途中に設けられている。

通風機１２により、燃焼用空気１３は空気供給管路内を通り、バーナ３付近へ送り込まれ、燃料供給管４を通じて火炉２内に注入される燃料５と共に燃焼される。また、ＯＦＡダンパ１４の開度は、通常、空気流量に基づくボイラの燃焼量を検出することにより制御されている。ボイラの負荷を上昇させるためには、燃料及び空気供給量の増加が必要である。空気供給量が多いと酸素濃度が高くなり、バーナ周辺の燃焼は良くなるがＮＯｘの発生も激しくなる。このため、ＮＯｘの生成に影響が大きいバーナ３周辺の空気比を下げるべく、ＯＦＡダンパ１４が開き方向になり、燃焼用空気１５ｂが火炉２の上部へ送り込まれ、燃料過剰で不完全燃焼の未燃分が完全燃焼される。

排ガス排出・循環ラインは、排ガス排出管路１９と、排ガス再循環管路１７と、ＧＭＦダンパ１６と、再循環ダンパ２０と、ガス混合ダンパ１０と、脱硝装置６とから構成される。排ガス排出管路１９は、一端が火炉２に接続され、他端は脱硝装置６に接続されている。排ガス再循環管路１７は、一端が排ガス排出管路１９に接続され、他端は二股に枝分かれしており、二股に分岐した一端が火炉２に接続され、二股に分岐した他端は空気供給管路１１ａに接続されている。排ガス再循環管路１７にはＧＭＦダンパ１６、再循環ダンパ２０、及びガス混合ダンパ１０が設けられている。

燃焼により生じた排ガス１８ａは排ガス排出管路１９を通じて脱硝装置６へ送られた後に煙突（図示を省略）から排出される。排ガスの一部は排ガス再循環管路１７に設けられたＧＭＦダンパ１６、及び、再循環ダンパ２０を介して再度火炉２内に送り込まれる。また、排ガス再循環管路１７に送られた排ガスの一部はＧＭＦダンパ１６、及び、ガス混合ダンパ１０を介して空気供給管路１１ａに送り込まれ、燃焼用空気１３と混合されて混合ガス１５ａ、１５ｂとして再度火炉２内へ送り込まれる。

ＧＭＦダンパ１６は、通常、低圧タービン３３を駆動する再熱蒸気４３の温度により制御されている。火炉２内の燃焼温度の下降過多によって再熱蒸気温度が下降すると、ＧＭＦダンパ１６が開き方向になり、火炉２内により多くの再循環ガスが供給される。排ガスは酸素量が少ないため、火炉２内の空気密度が小さくなり、酸素濃度の低い燃焼用空気で燃焼が行われる。このため局度的な高温域がなくなり、火炎温度の低下によってＮＯｘ発生量を低減することができる。

蒸気循環ラインは、主に高圧タービン３１と、再熱器３２と、低圧タービン３３と、復水器３４と、給水ポンプ３５から構成される。高圧タービン３１は、一端が過熱蒸気管路２２に接続し、他端は高圧タービン排出蒸気管路２３に接続している。低圧タービン３３は、一端が再熱蒸気管路２４に接続し、他端が低圧タービン排出蒸気管路２５に接続している。再熱器３２は、一端が高圧タービン排出蒸気管路２３に接続し、他端が低圧タービン３３に接続している。復水器３４は、一端が低圧タービン排出蒸気管路２５に接続し、他端が給水管路２６に接続している。また、給水ポンプ３５は、一端が給水管路２６に接続し、他端は蒸発管２１に接続されている。

蒸発管２１内で過熱された過熱蒸気４１は、高圧タービン３１を駆動し、タービンに接続する発電機（図示を省略）により電力を得る。高圧タービンを駆動した過熱蒸気４１は高圧タービン排出蒸気管路を経て、再熱器３２へ送られる。再熱器３２により加熱された再熱蒸気４３は低圧タービン３３を駆動した後、低圧タービン排出蒸気として復水器３４へ送られる。復水器３４に送り込まれた蒸気は、熱交換により水へと状態変化し、給水ポンプ３５を介して蒸発管へと注水される。

次に図２を参照して、本発明で実施されるＯＦＡダンパ１４の制御方法を説明する。

ＯＦＡダンパ１４開度を制御する燃焼用空気量に基づくベース信号が出力され、また、ＧＭＦダンパ１６の開度に基づく補正信号が出力される。ベース信号と補正信号とからＯＦＡダンパ１４の開度指令信号を出力することにより、ＯＦＡダンパ１４の開度が制御される。

前述のようにＧＭＦダンパ１６の開度は、再熱器３２で加熱されて排出された再熱蒸気４３の温度によって、制御されている。

ボイラの出力上昇時には再熱蒸気温度が上昇勝手となり、ＧＭＦダンパ１６の開度は閉じ方向になる。このため再循環ガス量は減少傾向にある。よって、バーナ３付近の相対空気密度が大きくなり、燃焼状態は向上する反面、ＮＯｘ濃度が過度的に上昇する傾向にある。したがって、ベース信号に基づくＯＦＡダンパ開度を、より開き方向に補正することで、バーナ３付近の相対空気密度を保ち、ＮＯｘが過度に生成するのを防ぐことができる。

一方、ボイラの出力降下時には再熱蒸気温度が下がり勝手となり、ＧＭＦダンパ１６は開き方向になる。このため再循環ガス量は増加傾向にある。よって、バーナ３付近の相対空気密度が小さくなるため、ＮＯｘ濃度は減少する。しかし、空気密度が小さくなり過ぎ、ボイラ１内の燃焼状態の悪化を招くことになる。このため、ベース信号に基づくＯＦＡダンパ１４開度を、より閉じ方向に補正することで、バーナ３付近の相対密度を保ち、安定した燃焼を図ることが可能となる。

二段燃焼方式及び排ガス再循環方式を組み合わせた燃焼ボイラの概略的構成を示す図である。本発明で実施されるＯＦＡダンパの制御方法を示すフロー図である。二段燃焼ボイラの概略的構成を示す図である。排ガス再循環ボイラの概略的構成を示す図である。

符号の説明

１ボイラ
２火炉
３バーナ
４燃料供給管路
５燃料
６脱硝装置
１０ガス混合ダンパ
１１ａ燃焼用空気供給管路
１１ｂ二段燃焼用空気供給管路
１２通風機
１３燃焼用空気
１４ＯＦＡダンパ
１５ａ燃焼用空気又は混合ガス
１５ｂ二段燃焼用空気又は混合ガス
１６ＧＭＦダンパ
１７排ガス再循環管路
１８ａ排ガス
１８ｂ再循環ガス
１９排ガス排出管路
２０再循環ダンパ
２１蒸発管
２２過熱蒸気管路
２４再熱蒸気管路
２６給水管路
３１高圧タービン
３２再熱器
３３低圧タービン
４１過熱蒸気
４２高圧タービン排出蒸気
４３再熱蒸気
４４低圧タービン排出蒸気
４５水

Claims

空気供給管路と、排ガス排出管路と、排ガスの一部を空気供給管路へ再循環するための排ガス再循環管路と、排ガス再循環管路の途中に設けられた排ガスの再循環量を調節するＧＭＦダンパと、空気の一部を火炎の後流から注入する空気量を調節するＯＦＡダンパと、発生した高温高圧の蒸気が回転させる高圧タービンと、高圧タービンで膨張した蒸気を再度加熱する再熱器とを備え、空気流量から前記ＯＦＡダンパの開度を制御し、再熱蒸気温度からＧＭＦダンパの開度を制御する燃焼ボイラの制御方法において、
前記ＯＦＡダンパの開度に前記ＧＭＦダンパの開度に基づく補正を加えることを特徴とする燃焼ボイラの制御方法。
燃焼ボイラの出力を上昇する際に、前記ＧＭＦダンパに基づく補正は、前記ＯＦＡダンパを、より開口するように補正することを特徴とする請求項１に記載の燃焼ボイラの制御方法。
燃焼ボイラの出力を降下する際に、前記ＧＭＦダンパに基づく補正は、前記ＯＦＡダンパを、より閉口するように補正することを特徴とする請求項１に記載の燃焼ボイラの制御方法。