JP5352548B2

JP5352548B2 - 酸素燃焼ボイラプラントの制御装置，制御方法，表示方法

Info

Publication number: JP5352548B2
Application number: JP2010193068A
Authority: JP
Inventors: 孝朗関合; 正行谷口; 喜治林; 強柴田; 尚弘楠見; 輝幸岡崎; 克典永井; 悟清水; 雅之深井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: EP2423590A2; JP2012052675A; EP2423590A3

Description

本発明は、酸素燃焼ボイラプラントの制御装置と制御方法に関する。

ボイラと蒸気タービンを主要構成機器とする火力発電プラントでは、地球温暖化の要因となっている二酸化炭素の排出量が他の発電方式に比べて多いことが指摘されている。

そこで、ボイラで燃料を燃焼させる際に、従来のように空気を用いる代わりに高純度の酸素で燃焼させる方法が提案されている。以降、この方式を酸素燃焼、空気による燃焼方法を空気燃焼と呼ぶことにする。

酸素燃焼では、排ガス中の大部分が二酸化炭素になるため、排ガスから二酸化炭素を回収する際に二酸化炭素を濃縮する必要がなく、そのまま排ガスを冷却して二酸化炭素を液化・分離することが可能であり、二酸化炭素排出量削減に有効な方法の一つである。

また、空気中の約８割を占める窒素がボイラへ供給されないため、空気中の窒素から発生する窒素酸化物（サーマルＮＯｘ）が発生しなくなり、窒素酸化物の低減効果も期待される。

酸素燃焼ボイラは空気の代わりに高純度の酸素を用いて燃焼させるが、酸素のみでは火炎温度が高温になりすぎてバーナやボイラ火炉壁面が損傷する恐れがあるため、ボイラ排ガスの一部を循環させて酸素と混合して燃焼させる方式が提案されている。

特許文献１には、ボイラの全体収熱量が目標収熱量になるようにボイラ排ガスの循環ガス流量を制御する方法、酸素を循環排ガスに混合してボイラ本体に供給する系統と酸素を直接ボイラ本体に供給する系統とを設け、両系統に供給する酸素の流量割合を変更することによりボイラ本体の収熱量を制御することが述べられている。

また、起動時には空気燃焼で起動し、所定の負荷で酸素燃焼に切替える方法が提案されており、特許文献２には、起動時にはボイラ本体の出口酸素濃度が出口酸素濃度設定値と等しくなるよう大気の流量を調節し、起動完了後には、ボイラ本体の出口酸素濃度が出口酸素濃度設定値と等しくなるよう高純度酸素製造装置から供給される酸素の流量を調節し、且つボイラ本体の入口酸素濃度が入口酸素濃度設定値と等しくなるよう排ガス循環流量を調節する方法が述べられている。

特開２００７−１４７１６２号公報特開２００１−３３６７３６号公報

酸素燃焼方式のボイラでは、供給ガス中の酸素量と排ガス再循環量を独立に変化させることができる。これらの量を適切に制御することが、プラントの安定かつ安全な運転につながる。

石炭搬送用のガスにおける酸素濃度が高いと、ボイラの火炉よりも前に燃焼が始まり、石炭搬送用の配管が損傷する可能性がある。また、バーナに供給される酸素量が少ないと、ボイラの火炉で石炭が燃焼せず、失火する可能性がある。石炭搬送用配管の損傷、及び失火が起きないように、石炭搬送用のガス、及び燃焼調整用の気体の排ガスと酸素の混合量を適切に制御する必要がある。

また、ボイラを効率良く運転するには、ボイラ火炉内の燃焼温度を設計値に維持することも重要である。ボイラ火炉内の燃焼温度は、石炭搬送用のガス，燃焼調整用の気体，アフタエアポートに供給する気体に依存するため、これらの気体の排ガスと酸素の混合量を適切に制御する必要がある。

前述の特許文献には、石炭搬送用のガス，燃焼調整用の気体、及びアフタエアポートに供給する気体それぞれの排ガスと酸素をどのように混合すればよいかについては記載されていない。

本発明の目的は、燃焼速度及び燃焼温度が予め設定した値と一致するように、排ガス再循環流量と酸素流量を決定することが可能な制御装置を提供することにある。

空気中よりも高濃度の酸素を含む気体及び空気中よりも高濃度の二酸化炭素を含む気体を用いて、バーナとエアポートで燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、前記二酸化炭素を含む気体としてボイラ排ガスの一部を循環排ガスとして用いるための排ガス循環手段と、前記ボイラの排ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収手段とを備えた酸素燃焼ボイラプラントの制御装置において、燃料を搬送する配管、又はバーナ出口近傍における燃料の燃焼速度を計算する燃焼速度計算手段と、ボイラ火炉部の燃焼温度を計算する燃焼温度計算手段と、前記燃焼速度と前記燃焼温度が予め定められた設定値を満足するように、前記バーナとエアポートに供給する排ガス再循環の量と酸素の量を決定する酸素流量及び排ガス再循環量決定手段を備えたことを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの制御装置。

本発明によれば、燃焼速度及び燃焼温度が予め設定した値と一致するように、排ガス再循環流量と酸素流量を決定することができる。

本発明の第一の実施例における制御装置と酸素燃焼ボイラプラントの構成を説明する図である。実施例における水・蒸気系の構成、及びボイラ火炉のバーナ，エアポートの配置例を説明する図である。本実施例の制御装置の動作フローチャートである。本実施例の制御装置における燃焼速度計算手段と燃焼温度計算手段の実施例を説明する図である。本実施例の酸素流量，排ガス再循環量決定手段の実施例を説明する図である。本発明の第一の実施例の制御装置の動作例を説明する図である。本発明の第一の実施例の制御装置における画像表示装置に表示する画面を説明する図である。本発明の第二の実施例における制御装置と酸素燃焼ボイラプラントの構成を説明する図である。本実施例の燃料流量予測手段の実施例を説明する図である。本発明の第二の実施例の制御装置の動作例を説明する図である。

以下、第一の実施形態について、図を参照しながら説明する。図１は石炭を燃料とする発電プラントを例に本発明の実施形態を示したものである。本発明の制御装置４００は制御対象プラントからプロセス値の計測情報１を受け取り、これを使用して制御装置４００内に予めプログラムされた演算を行って酸素燃焼ボイラプラント１００への操作指令信号（制御信号）を送信する。プラントは受け取った操作指令信号に従って、例えばバルブの開度やダンパ開度といったアクチュエータを動作させてプラントの状態をコントロールしている。

本実施例はボイラ２００，ボイラ２００で発生させた蒸気により駆動する蒸気タービン３００を主構成要素とする火力発電プラントである（発電機は図示していない）。制御装置４００は中央給電指令所からの負荷要求指令を受信し、これに基づいてプラントを指定された負荷（発電出力）状態に制御する。蒸気加減弁２５４の弁開度を調節することで、タービン３００へ導かれる主蒸気２５１の蒸気流量が変化し発電出力が変化する。

その他にも水・蒸気系統には、蒸気タービン３００から出た蒸気を冷却して液体にする復水器３１０、復水器３１０で冷却された水をボイラ給水として再びボイラ２００へ送り込む給水ポンプ３２０がある。また、図示していないが、実際のプラントには蒸気タービン３００の途中段から抜き出した一部の蒸気（抽気）を加熱源としてボイラ給水を予熱する給水加熱器もある。

一方、ボイラから排出される排ガス３８０の系統には、ガス予熱器３３０，排ガスを浄化するための排ガス処理装置３４０，排ガス中の二酸化炭素を冷却・液化して回収するＣＯ₂回収装置３５０（二酸化炭素回収装置），二酸化炭素を回収した後の残りの窒素と酸素が主体のガスである窒素・酸素主体ガス３５１を放出する煙突３７０がある。

本実施例は従来のボイラが燃料を空気で燃焼させていたのに対して、空気の代わりに高純度の酸素を含むガスを用いて燃焼させる酸素燃焼方式のボイラ及び酸素燃焼方式のボイラを含むプラントを対象としている。

そのため、図１に示したように、空気を窒素主体のガスと、酸素主体のガスに分離して高濃度の酸素を製造する酸素製造装置３６０を備えている。酸素製造装置は空気を冷却して酸素と窒素の沸点の違いを利用して分離する方式である。本実施例は酸素製造の方法に依存するものではなく、窒素分子と酸素分子の大きさの違いを利用して分離する膜分離方式など、他の方法でもよい。

酸素製造装置３６０では空気３６３を高純度の酸素ガス３６２と窒素主体の窒素主体ガス３６１に分離し、窒素主体ガス３６１は煙突３７０から大気に放出される。

空気の代わりに高純度の酸素のみを用いて燃焼させると、火炎の温度が高温になり過ぎるため燃料を燃焼させるバーナやボイラ壁面が損傷する可能性がある。そのため、酸素製造装置３６０で製造した高純度の酸素ガス３６２をボイラから排出される排ガスの一部である循環排ガス３９０と混合してバーナ２１０へ供給する。

循環排ガス３９０は排ガス処理装置３４０で浄化された後のガスの一部を取り出し、ガス予熱器３３０で昇温させる。循環排ガス流量調整弁３９１の開度を変化させることで循環排ガスの流量を調節する。

燃料である石炭３９８は燃料供給量調整弁３９９を介して石炭粉砕機３９７（ミル）に送られる。石炭粉砕機３９７で粉末（微粉炭）となり、ガスで搬送されてバーナ２１０に供給される。

バーナ２１０には、石炭と石炭搬送用のガスの混合物３９６ｃと、燃焼調整用の気体３９６ｂが供給される。また、バーナ２１０の上部にはアフタエアポート２２０が配置され、アフタエアポート２２０には気体３９６ａが供給される。

石炭搬送用のガス，燃焼調整用の気体，アフタエアポートに供給される気体は、排ガスと酸素を混合した気体である。混合する排ガスと酸素の量は、酸素流量調整弁２１１（２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ），排ガス再循環量調節弁２１３（２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃ）を調整して制御できる。また、排ガスと酸素は、気体混合部３９５（３９５ａ，３９５ｂ，３９５ｃ）で混合される。

次にボイラの構成について説明する。

燃料を燃焼させるバーナがある火炉は炉内が高温になるため、壁面全体を冷却すると共に燃焼ガスの熱を回収する水壁２３０と呼ばれる冷却壁がある。ボイラ２００内には他にも節炭器２９０，１次過熱器２８０，２次過熱器２４０，３次過熱器２５０，４次過熱器２６０からなる熱交換器があり、これらによって燃焼ガスの熱を回収して高温蒸気を生成する。

尚、図中には記載していないが、プラントには、ガスの組成，温度，圧力や、蒸気の温度，圧力などを計測するためのセンサーが多数配置されており、この計測結果は計測情報１として制御装置４００に送信される。

図２（ａ）に示すように、蒸気の流れとしては、ボイラ給水はまず節炭器２９０に導かれ、その後水壁２３０，１次過熱器２８０，２次過熱器２４０，３次過熱器２５０，４次過熱器２６０の順に通って昇温され、主蒸気２５１となって蒸気タービン３００へ入る。高圧蒸気タービン３００で仕事をした蒸気は復水器３１０で液体となり、給水ポンプ３２０で再びボイラへ送られるというサイクルである。また、ボイラのバーナ２１０は図２（ｂ）に示すように火炉前後に水平方向に複数本、高さ方向に複数段設置し、アフタエアポートは、火炉前後に水平方向に複数本配置するのが一般的である。以下、アフタエアポートが配置されている高さを火炉上部、バーナが配置されている高さを火炉下部と呼ぶ。

次に、本実施例に関する制御装置４００の構成と機能について説明する。制御装置４００は基本的に中央給電指令所からの負荷要求指令に基づいてプラントを制御している。本実施例の制御装置の目的は、石炭搬送用のガス，燃焼調整用の気体，アフタエアポートに供給する気体における排ガスと酸素の混合量を適切に制御することにあるので、図１にはその制御ロジックを記載している。

石炭搬送用のガスにおける酸素濃度が高いと、ボイラの火炉よりも前に燃焼が始まり、石炭搬送配管が損傷する可能性がある。また、バーナ２１０に供給される酸素量が少ないと、ボイラの火炉で石炭が燃焼せず、失火する可能性がある。石炭搬送配管の損傷、及び失火が発生しないように、石炭搬送用のガス、及び燃焼調整用の気体の排ガスと酸素の混合量を適切に制御する必要がある。

そこで、本実施例の制御装置４００には、燃焼速度計算手段５００，燃焼温度計算手段６００を備え、燃焼速度及び燃焼温度が予め設定した値と一致するように、排ガスと酸素の混合量を決定する。

石炭搬送用ガスと石炭の混合物、及びバーナ部の気体の燃焼速度を制御することで、ボイラの火炉よりも前に燃焼が始まること、及び失火することを抑制する。また、ボイラ火炉内の燃焼温度を制御することで、ボイラを効率良く運転する。

燃焼速度計算手段５００、及び燃焼温度計算手段６００は、それぞれ計測情報１、及びキーボード４１１とマウス４１２から成る外部入力装置４１０からの外部入力信号２を用いて、燃焼速度計算手段５００の燃焼速度計算結果である燃焼速度３、及び燃焼温度計算手段６００の燃焼温度計算結果である燃焼温度４を出力する。燃焼速度３、及び燃焼温度４は画像表示装置４２０に出力され、リアルタイムで燃焼速度と燃焼温度を監視できる。

酸素流量と排ガス流量を決定する酸素流量及び排ガス再循環量決定手段７００は、燃焼速度３，燃焼温度４，外部入力信号２、及び計測情報１を用いて、酸素流量指令値５、及び排ガス再循環量指令値６を出力する。

酸素流量調節弁制御手段８００は、石炭搬送用のガス，燃焼調整用の気体，アフタエアポートに供給する気体に含まれる酸素流量が酸素流量指令値５と一致するように、酸素流量調節弁２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃの操作信号７を出力する。また、排ガス再循環量調節弁制御手段８１０は、石炭搬送用のガス，燃焼調整用の気体，アフタエアポートに供給する気体に含まれる排ガス流量が排ガス再循環流量指令値６と一致するように、排ガス再循環量調節弁２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃの操作信号８を出力する。

なお、図２（ｂ）を用いて述べたように、ボイラにはバーナ、およびアフタエアポートが複数本設置される。酸素及び排ガスの配管が複雑になり、流量調節弁が多数必要になるという短所があるが、よりきめ細かな制御を実現するために、段毎または１本毎の酸素量や排ガス量をそれぞれ調節することも可能である。

制御装置４００の動作フローチャートを図３に示す。図３に示すように、本フローチャートはステップ１０００，１０１０，１０２０，１０３０を組み合わせて実行する。

まず、ステップ１０００では、計測情報１を取得し、制御装置４００内に取り込む。ステップ１０１０では、燃焼速度計算手段５００，燃焼温度計算手段６００を動作させ、燃焼速度３と燃焼温度４を計算する。ステップ１０２０では、酸素流量及び排ガス再循環量決定手段７００を動作させ、酸素流量指令値５と排ガス再循環流量指令値６を計算する。ステップ１０３０では、酸素流量調節弁制御手段８００、及び排ガス再循環量調節弁制御手段８１０を動作させ、操作信号７，操作信号８を酸素燃焼ボイラプラント１００に送信して流量調節弁（２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃ）を操作する。ステップ１０００〜１０３０は、計測情報１を取得する周期、もしくは予め設定した周期で繰り返し実施する。

次に、燃焼速度計算手段５００、及び燃焼温度計算手段６００の実施例を、図４を用いて説明する。

図４（ａ）に示すように、燃焼速度計算手段５００は、燃焼速度計算モデル５１０で構成する。

燃焼速度計算モデル５１０は、燃料情報，気体情報，設計情報に基づいて給炭系の燃焼速度、及びバーナ部の燃焼速度を計算する。ここで、燃料情報とは、燃料の性状，燃料の濃度，燃料の粒径，燃料の温度など、燃料（石炭）の特徴を示す量である。気体情報とは、気体の濃度，気体の性質（比熱など），気体の成分（含有酸素量など）など、気体の特徴を示す量である。また、設計情報とは、バーナの形状，ボイラの形状など、プラントの特徴を示す量である。

燃料情報，気体情報，設計情報を用いて、燃焼速度計算モデル５１０では例えば３次元燃焼数値解析技術を用いて、燃焼速度を計算する。ここで、３次元燃焼解析技術とは、バーナ，ボイラを３次元のメッシュに分割して、各メッシュで物理式に基づいて燃焼状態を数値解析する技術である。本実施例では、３次元燃焼解析の方法に特徴がある訳ではなく公知の解析技術を用いることができるので、ここでは具体的な計算アルゴリズムについては省略する。また、燃焼速度計算モデル５１０は、複数の燃料情報，気体情報，設計情報に対して、先に述べた３次元燃焼解析を実施した結果をデータベースに保存しておき、現在の運転条件に最も適合する計算結果を出力するように構成することもできる。

図４（ｂ）に示すように、燃焼温度計算手段６００は、燃焼速度計算モデル６１０で構成する。燃焼速度計算モデル６１０は、先に述べた燃焼温度計算モデル５１０と同様の方法で、ボイラ火炉の燃焼温度を計算する。

次に、酸素流量及び排ガス再循環量決定手段７００の実施例を、図５を用いて説明する。図５において、「バーナ１次」とは石炭搬送用の気体、「バーナ２次」とは燃焼調整用の気体、「ＡＡＰ」とはアフタエアポートに供給する気体を意味する。

また、加減算器７３０は、図中「＋」の記号で記載した信号を加算し、「−」の記号で記載した信号を減算するモジュールである。関数発生器７１０（Function Generator）は、入力信号をｘとすると、関数ｆ（ｘ）を出力するモジュールである。比例積分制御器７２０は、入力信号をｘ′とすると、Ｐｘ′＋（１／Ｉ）∫ｘ′ｄｔの比例積分演算した結果を出力するモジュールである。ここで、Ｐは比例ゲイン、Ｉは積分時間である。

また、設定値１〜６は、オペレータが外部入力装置４１０を用いて設定する値である。設定値１は給炭系燃焼速度の目標値、設定値２はバーナ部燃焼速度の目標値、設定値３はボイラ入口酸素平均濃度の目標値、設定値４は火炉上部燃焼温度の目標値、設定値５は火炉下部燃焼温度の目標値、設定値６はボイラ出口酸素平均濃度の目標値である。

関数発生器７１０は、負荷要求信号に基づいて、排ガス、及び酸素流量の基準量を出力する。関数発生器７１０ａはバーナ１次排ガス再循環量の基準値、関数発生器７１０ｂはバーナ２次排ガス再循環量の基準値、関数発生器７１０ｃは排ガス再循環量総量の基準値、関数発生器７１０ｄはＡＡＰ酸素流量の基準値、関数発生器７１０ｅはバーナ２次酸素流量の基準値、関数発生器７１０ｆは酸素流量総量の基準値をそれぞれ出力する。

比例積分制御器７２０は、燃焼速度，燃焼温度，酸素濃度がその目標値と一致するように、各排ガス量，酸素流量を補正するように動作する。

比例積分制御器７２０ａは、給炭系燃焼速度が、その設定値と一致するように、バーナ１次排ガス再循環量を補正する。比例積分制御器７２０ｂは、バーナ部燃焼速度がその設定値と一致するように、バーナ２次排ガス再循環量を補正する。比例積分制御器７２０ｃは、ボイラ入口酸素平均濃度がその設定値と一致するように、排ガス再循環量の総量を補正する。補正された排ガス再循環量から、バーナ１次排ガス再循環量とバーナ２次排ガス再循環量を減じることで、ＡＡＰ排ガス再循環量を決定する。

比例積分制御器７２０ｄは、火炉上部燃焼温度が、その設定値と一致するように、ＡＡＰ酸素流量を補正する。比例積分制御器７２０ｅは、火炉下部燃焼温度がその設定値と一致するように、バーナ２次酸素流量を補正する。比例積分制御器７２０ｆは、ボイラ出口酸素平均濃度がその設定値と一致するように、酸素流量の総量を補正する。補正された酸素流量から、ＡＡＰ酸素流量とバーナ２次酸素流量を減じることで、バーナ１次酸素流量を決定する。

尚、酸素流量及び排ガス再循環量決定手段７００の実施方法は図５に示したロジックに限定されるものではなく、燃焼速度，燃焼温度がその目標値と一致するように排ガス量，酸素流量を決定するロジックであれば良い。

次に、図６を用いて、本発明の第一の実施形態における制御装置を動作させた結果の例を説明する。本実施例では、給炭系燃焼速度の制御について説明する。

時刻ｔ１以前は、比例積分制御器を動作させず、酸素流量及び排ガス流量は負荷要求指令に基づいた基準量となる。給炭系の燃焼速度は、その設定値よりも高い状態で推移したとする。

時刻ｔ１にて、比例積分制御器を動作させることで、排ガス再循環量が増加し、給炭系燃焼速度がその設定値と一致する。本発明の制御装置を用いることで、本実施例のように燃焼速度を制御できる。図を用いての説明は省略するが、本実施例と同様に、燃焼温度も制御することが可能である。

図７は、画像表示装置４２０に表示される画面の実施例を説明する図である。

表示欄４３１には、給炭系、及びバーナ部の燃焼速度の計算結果と設定値を表示してある。また、給炭系で発火しない燃焼速度の範囲、及びバーナ部で失火しない燃焼速度の範囲を、それぞれ推奨範囲として表示する。これらの情報を常時監視することで、プラントが安全に運転できているかどうかを確認できる。また、外部入力装置４１０を用いて、欄４３２に燃焼速度の設定値を入力することで、燃焼速度の設定値を変更できる。この変更した値は、図５の設定値１、及び設定値２の値に反映される。

表示欄４３３には、火炉上部、及び火炉下部の燃焼温度の計算結果と設定値を表示してある。また、効率良く運転できる燃焼温度の範囲を、それぞれ推奨範囲として表示する。これらの情報を常時監視することで、プラントが高効率で運転できているかどうかを確認できる。また、外部入力装置４１０を用いて、欄４３４に燃焼温度の設定値を入力することで、燃焼速度の設定値を変更できる。この変更した値は、図５の設定値４、及び設定値５の値に反映される。

表示欄４３０には、計算値又は設定値が予め定めた推奨範囲に入っていれば問題ないとのメッセージを表示し、計算値又は設定値が推奨範囲から逸脱した場合は、エラーを表示する。

このように、本実施例では燃焼温度、及び燃焼速度の情報をリアルタイムでオペレータに提供し、プラント運転状態の監視業務をサポートできる。

また、本実施例では失火又は配管損傷などの危険性が低減できるため、運転の安定性と安全性が向上する。また、プラントを効率良く運転できる。

さらには、二酸化炭素の回収に適した酸素燃焼方式のボイラプラントの信頼性が向上することにより、温暖化の原因の一つである二酸化炭素の排出量削減に貢献できる。

尚、図６のプラントの動作状態を画像表示装置４２０に表示することとしても良い。図６の例では、給炭系燃焼速度と、バーナ１次排ガス再循環量・バーナ１次酸素流量を対比して表示している。このように、燃焼速度または燃焼温度と、排ガス再循環量または酸素の量とを対比して表示することで、オペレータに燃焼速度・温度と、排ガス再循環量・酸素の量との対応関係を把握できるように支援することができる。図６では横軸に時間をとってトレンドグラフによる表示であるが、数値表示とすることとしても良い。

また、図６の例では、給炭系燃焼速度と、バーナ１次排ガス再循環量・バーナ１次酸素流量を対比して表示する際に、ＰＩ動作開始時として時間軸を両方に共通する基準表示としている。例えば、図６では、給炭系燃焼速度の変動の収束の時間と、バーナ１次排ガス再循環量の変動の収束の時間を対比して把握することができる。このように、燃焼速度・温度と、排ガス再循環・酸素の量とを対比する際に、両方に共通する基準表示として時間軸を用いることで、時系列での両方の関連を把握することができる。

また、図６の例では、両方に共通する基準表示としてＰＩ動作開始としているが、それに限られず、給炭系燃焼速度の変化開始時点を基準にしたり、給炭系燃焼速度の設定値を設定した時点を基準にして表示させることとしても良い。これにより、燃焼速度と燃焼温度の変化を始点とする排ガス再循環量・酸素量への影響の関係を把握することができる。

また、図６の表示は図１の燃焼速度計算手段５００，燃焼温度計算手段６００，酸素流量及び排ガス再循環量決定手段７００を前提として説明したが、これに限られない。燃焼速度計算手段５００，燃焼温度計算手段６００により算出した燃焼速度３，燃焼温度４の代わりに計測装置を設置して計測した計測値を用い、酸素流量及び排ガス再循環量決定手段７００により算出した酸素流量指令値５，排ガス再循環量指令値６、またそれらに基づく操作信号７，８の代わりに計測装置を設置して計測した計測値を用いて表示することとしても良い。

上述したように、空気中よりも高濃度の酸素を含む気体及び空気中よりも高濃度の二酸化炭素を含む気体を用いて、バーナとエアポートで燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、前記二酸化炭素を含む気体としてボイラ排ガスの一部を循環排ガスとして用いるための排ガス循環手段と、前記ボイラの排ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収手段とを備えた酸素燃焼ボイラプラントの制御装置において、前記酸素燃焼ボイラプラントの測定情報及び予め定めた計算方法に基づいて、燃料を搬送する配管、又はバーナ出口近傍における燃料の燃焼速度を計算する燃焼速度計算手段と、前記酸素燃焼ボイラプラントの測定情報及び予め定めた計算方法に基づいて、ボイラ火炉部の燃焼温度を計算する燃焼温度計算手段と、前記燃焼速度と前記燃焼温度が予め定められた設定値を満足するように、前記燃焼速度と前記燃焼温度と前記設定値と予め定めた計算方法に基づいて、前記バーナとエアポートに供給する排ガス再循環の量と酸素の量を決定する酸素流量及び排ガス再循環量決定手段を備えた制御装置により、燃焼速度及び燃焼温度が予め設定した値と一致するように、排ガス再循環流量と酸素流量を決定することができる。

また、上述したように、空気中よりも高濃度の酸素を含む気体及び空気中よりも高濃度の二酸化炭素を含む気体を用いて、バーナとエアポートで燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、前記二酸化炭素を含む気体としてボイラ排ガスの一部を循環排ガスとして用いるための排ガス循環手段と、前記ボイラの排ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収手段とを備えた酸素燃焼ボイラプラントの制御装置の表示方法において、前記燃料の燃焼速度又は燃焼温度を記録したデータベースと、前記バーナ又は前記エアポートに供給する排ガス再循環の量又は酸素の量を記録したデータベースを備え、前記燃焼速度又は前記燃焼温度と、前記排ガス再循環の量又は前記酸素の量とを対比して表示する制御装置の表示方法により、燃焼速度・温度と、排ガス再循環・酸素の量との対応関係を把握できる。

次に本発明の第二の実施形態について図８を用いて説明する。

図１と異なる点は、制御装置４００に燃料流量予測手段９００を搭載したことにある。

ボイラに供給する燃料流量は、蒸気温度や発電出力を維持するために制御されている。そのため、発電出力を変化させる時等、燃料流量が変化する場合がある。燃料流量が変化すると、燃焼速度や燃焼温度も変化する。この変化に追従して、燃焼速度、及び燃焼温度を維持するには酸素流量を変化させる必要がある。しかし、酸素製造装置３６０の動作には無駄時間や遅れ時間が存在するため、即座に酸素流量を大きく変化できない場合がある。この課題を解決するため、本発明の第二の実施形態の制御装置は、燃料流量の変化を予測し、その予測結果に基づいて先行的に酸素流量を制御する。これにより、燃料流量が変化した場合でも、燃焼速度や燃焼温度をその設定値に維持することが可能となる。このような制御を実現するため、本発明の制御装置には燃料流量予測手段９００が搭載されている。燃料流量予測手段９００が出力した燃料流量予測値５は、燃焼速度計算手段５００，燃焼温度計算手段６００に入力する。燃焼速度計算手段５００，燃焼温度計算手段６００では、燃料流量予測値に基づいて燃焼速度と燃焼温度の予測値を出力する。

図９（ａ）は、燃料流量予測手段９００の実施例を説明する図面である。燃料流量予測手段９００は、ボイラの特性を模擬するボイラモデル９１０と、制御動作を模擬する制御モデル９２０を組み合わせて構築する。制御モデル９２０は、燃料流量などの操作条件９３０をボイラモデル９１０に出力する。ボイラモデル９１０は、操作条件９３０に基づいて蒸気温度，発電出力を計算し、計算結果９４０を制御モデル９２０に出力する。ボイラモデル９１０と制御モデル９２０を動作させることで、蒸気温度，発電出力を制御する燃料流量が、将来どのような値になるかを予測できる。また、計測情報１は、ボイラモデル９１０の調整や、計算の初期条件の作成に用いる。

図９（ｂ）は、酸素流量及び排ガス再循環流量決定手段７００の実施例を説明する図である。図９（ｂ）には、ＡＡＰ酸素流量を制御するロジックのみを記載している。図５のＡＡＰ酸素流量を制御するロジックとの違いは、先行制御ブロック７４０が追加されている点である。先行制御ブロック７４０では、燃料流量の予測値を基に計算した火炉上部燃焼温度予測値が、その設定値と一致するように、ＡＡＰ酸素流量を先行して制御する。他の流量を制御するロジックにも、先行制御ブロックが追加される。これにより、酸素製造装置３６０の無駄時間，遅れ時間を考慮した制御が可能となり、燃焼温度が目標値から逸脱することを抑制する。

また、本実施例では燃料流量，燃焼速度，燃焼温度の予測値を、画像表示装置４２０に表示することも可能である。

次に、図１０を用いて、本発明の第二の実施形態における制御装置を動作させた結果を説明する。本実施例では、火炉上部燃焼温度の制御について説明する。

先に述べたように、蒸気温度や発電出力を維持するため燃料流量は変化する。燃料流量予測手段９００を用いずに制御すると、酸素流量の追従が遅れるため、燃焼温度が大きく変化する。

一方、燃料流量予測手段９００を用いて燃料流量の将来値を予測し、それに合わせて酸素流量を制御することで、燃焼温度が変化することを抑制できる。図を用いての説明は省略するが、本実施例と同様に、燃焼速度の変化を抑制することが可能となる。

上述したように、ボイラの特性を模擬するボイラモデルとボイラへの制御動作を模擬する制御モデルに基づいて燃料流量の将来値を予測する燃料流量予測手段を有し、燃焼速度計算手段又は燃焼温度計算手段は、燃料流量の将来値に基づいて、燃焼速度又は燃焼温度の予測値を出力し、酸素流量及び排ガス再循環量決定手段は、燃焼速度の予測値又は燃料流量の予測値に基づいて先行制御により酸素流量及び排ガス再循環量を決定する制御装置により、燃料流量が変化した場合でも、燃焼速度や燃焼温度をその設定値に維持することができる。

以上述べたように、本発明の各実施例の制御装置を用いることで燃焼速度、及び燃焼温度を所望の値（設定値）に制御できるため、失火や配管損傷などの危険性が低減できる。その結果、運転の安定性と安全性が向上する。また、プラントを効率良く運転することも可能となる。さらには、燃焼速度、及び燃焼温度を監視しながら酸素燃焼ボイラを運転することできる。

ところで、昨今の地球温暖化の進行は深刻な事態となりつつあり、二酸化炭素に代表される温室効果ガスの排出量削減が強く求められている。燃料を燃やした熱で蒸気を作り発電する火力発電所は、他の発電方式に比べて二酸化炭素の排出量が多いことが指摘されている。一方で世界の電力需要は引き続き増加傾向を示しており、電力安定供給の観点からは火力発電は電源設備として重要な役割を果たしていることも事実である。

本発明の各実施例により、安全かつ安定に運転できるようになるため、酸素燃焼ボイラシステムの最大のメリットである二酸化炭素排出量の大幅な削減が期待できる火力発電システムとなり、電力の安定供給と環境保全を両立することができるようになる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成，機能，処理部，処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成，機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム，テーブル，ファイル，測定情報，算出情報等の情報は、メモリや、ハードディスク，ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード，ＳＤカード，ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。よって、各処理，各構成は処理ユニットやプログラムモジュールとして各機能を実現可能である。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

本発明は、二酸化炭素排出量の大幅な削減が期待できる酸素燃焼ボイラシステムに利用できる。

１計測情報
２外部入力信号
３燃焼速度
４燃焼温度
５酸素流量指令値
６排ガス再循環量指令値
７，８操作信号
１００酸素燃焼ボイラプラント
２００ボイラ
２１０バーナ
２１１酸素流量調節弁
２１３排ガス再循環量調節弁
２２０アフタエアポート
２３０水壁
２４０２次過熱器
２５０３次過熱器
２５１主蒸気
２５４蒸気加減弁
２６０４次過熱器
２８０１次過熱器
２９０節炭器
３００蒸気タービン
３１０復水器
３２０給水ポンプ
３３０ガス予熱器
３４０排ガス処理装置
３５０ＣＯ₂回収装置
３５１窒素・酸素主体ガス
３６０酸素製造装置
３６１窒素主体ガス
３６２高純度の酸素ガス
３６３空気
３７０煙突
３８０排ガス
３９０循環排ガス
３９１循環排ガス流量調整弁
３９５気体混合部
３９７石炭粉砕機
３９８石炭
３９９燃料供給量調整弁
４００制御装置
４１０外部入力装置
４１１キーボード
４１２マウス
４２０画像表示装置
５００燃焼速度計算手段
６００燃焼温度計算手段
７００酸素流量及び排ガス再循環量決定手段
８００酸素流量調節弁制御手段
８１０排ガス再循環量調節弁制御手段
９００燃料流量予測手段

Claims

空気中よりも高濃度の酸素を含む気体及び空気中よりも高濃度の二酸化炭素を含む気体を用いて、バーナとエアポートで燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、前記二酸化炭素を含む気体としてボイラ排ガスの一部を循環排ガスとして用いるための排ガス循環手段と、前記ボイラの排ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収手段とを備えた酸素燃焼ボイラプラントの制御装置において、
前記酸素燃焼ボイラプラントの測定情報及び予め定めた計算方法に基づいて、燃料を搬送する配管、又はバーナ出口近傍における燃料の燃焼速度を計算する燃焼速度計算手段と、
前記酸素燃焼ボイラプラントの測定情報及び予め定めた計算方法に基づいて、ボイラ火炉部の燃焼温度を計算する燃焼温度計算手段と、
前記燃焼速度と前記燃焼温度が予め定められた設定値を満足するように、前記燃焼速度と前記燃焼温度と前記設定値と予め定めた計算方法に基づいて、前記バーナとエアポートに供給する排ガス再循環の量と酸素の量を決定する酸素流量及び排ガス再循環量決定手段を備えたことを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの制御装置。
請求項１に記載した酸素燃焼ボイラプラントの制御装置において、
前記燃焼速度計算手段と燃焼温度計算手段は、
燃料の特徴を示す燃料情報と、気体の特徴を示す気体情報と、プラントの特徴を示す設計情報に基づいて、燃焼速度と燃焼温度を計算するモデルで構成されることを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの制御装置。
請求項１に記載した酸素燃焼ボイラプラントの制御装置において、
前記酸素流量及び排ガス再循環量決定手段には、
燃料を搬送する配管の燃焼速度がその設定値と一致するように燃料の搬送に用いる気体の排ガス再循環量を決定する処理ユニットと、バーナ出口近傍における燃焼速度がその設定値と一致するようにバーナに供給する燃焼調整用の気体の排ガス再循環量を決定する処理ユニットと、ボイラ入口酸素平均濃度がその設定値と一致するように決定した排ガス再循環量の総量から、燃料の搬送とバーナの燃焼調整用に用いる排ガス再循環量の総量を減じることでエアポートに供給する気体の排ガス再循環量を決定する処理ユニットと、
火炉上部の燃焼温度がその設定値と一致するようにエアポートに供給する気体の酸素流量を決定する処理ユニットと、火炉下部の燃焼温度がその設定値と一致するようにバーナに供給する燃焼調整用の気体の酸素流量を決定する処理ユニットと、ボイラ出口酸素平均濃度がその設定値と一致するように決定した酸素流量の総量から、エアポートと燃焼調整用の気体に供給する酸素流量の総量を減じることで、燃料の搬送に用いる気体の酸素流量を決定する処理ユニットを備えたことを特徴とした酸素燃焼ボイラプラントの制御装置。
請求項１に記載した酸素燃焼ボイラプラントの制御装置において、
前記燃焼速度計算手段と前記燃焼温度計算手段で計算した結果と、燃焼速度と燃焼温度の設定値と、燃焼速度と燃焼温度の推奨範囲を同一画面上に表示する画像表示装置
を備えたことを特徴とした酸素燃焼ボイラプラントの制御装置。
請求項１において、
前記ボイラの特性を模擬するボイラモデルと前記ボイラへの制御動作を模擬する制御モデルに基づいて燃料流量の将来値を予測する燃料流量予測手段を有し、前記燃焼速度計算手段又は前記燃焼温度計算手段は、前記燃料流量の将来値に基づいて、燃焼速度又は燃焼温度の予測値を出力し、前記酸素流量及び排ガス再循環量決定手段は、前記燃焼速度の予測値又は燃料流量の予測値に基づいて先行制御により酸素流量及び排ガス再循環量を決定する
ことを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの制御装置。
空気中よりも高濃度の酸素を含む気体及び空気中よりも高濃度の二酸化炭素を含む気体を用いて、バーナとエアポートで燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、前記二酸化炭素を含む気体としてボイラ排ガスの一部を循環排ガスとして用いるための排ガス循環手段と、前記ボイラの排ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収手段とを備えた酸素燃焼ボイラプラントの制御装置の制御方法において、
前記制御装置が、
前記酸素燃焼ボイラプラントの測定情報及び予め定めた計算方法に基づいて、燃料を搬送する配管、又はバーナ出口近傍における燃料の燃焼速度と、ボイラ火炉部の燃焼温度を計算し、
前記燃焼速度と前記燃焼温度が予め定められた設定値を満足するように、前記燃焼速度と前記燃焼温度と前記設定値と予め定めた計算方法に基づいて、前記バーナとエアポートに供給する排ガス再循環の量と酸素の量を決定する
ことを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの制御方法。
請求項６に記載した酸素燃焼ボイラプラントの制御方法において、
燃料の特徴を示す燃料情報と、気体の特徴を示す気体情報と、プラントの特徴を示す設計情報に基づいて、燃焼速度と燃焼温度を計算する
ことを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの制御方法。
請求項６に記載した酸素燃焼ボイラプラントの制御方法において、
燃料を搬送する配管の燃焼速度がその設定値と一致するように燃料の搬送に用いる気体の排ガス再循環量を決定し、バーナ出口近傍における燃焼速度がその設定値と一致するようにバーナに供給する燃焼調整用の気体の排ガス再循環量を決定し、ボイラ入口酸素平均濃度がその設定値と一致するように決定した排ガス再循環量の総量から、燃料の搬送とバーナの燃焼調整用に用いる排ガス再循環量の総量を減じることでエアポートに供給する気体の排ガス再循環量を決定し、
火炉上部の燃焼温度がその設定値と一致するようにエアポートに供給する気体の酸素流量を決定し、火炉下部の燃焼温度がその設定値と一致するようにバーナに供給する燃焼調整用の気体の酸素流量を決定し、ボイラ出口酸素平均濃度がその設定値と一致するように決定した酸素流量の総量から、エアポートと燃焼調整用の気体に供給する酸素流量の総量を減じることで、燃料の搬送に用いる気体の酸素流量を決定する
ことを特徴とした酸素燃焼ボイラプラントの制御方法。
請求項６において、
前記制御装置が、
前記ボイラの特性を模擬するボイラモデルと前記ボイラへの制御動作を模擬する制御モデルに基づいて燃料流量の将来値を計算し、
前記燃料流量の将来値に基づいて、前記燃焼速度又は前記燃焼温度の予測値を出力し、
前記燃焼速度の予測値又は燃料流量の予測値に基づいて先行制御により酸素の量又は排ガス再循環の量を決定する
ことを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの制御方法。