JP5359384B2

JP5359384B2 - 循環流動層ボイラの運転制御方法および運転制御装置

Info

Publication number: JP5359384B2
Application number: JP2009051584A
Authority: JP
Inventors: 拓幸島本; 聡藤井; 展行中尾
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: JP2010203710A

Description

本発明は、循環流動層ボイラの運転制御方法および運転制御装置に関するものである。

循環流動層炉は、石炭やオイルコークスなどの燃料、都市ごみや廃プラスチックや汚泥や製紙スラッジなどの廃棄物、ＲＤＦ（燃料固形化ごみ）などの可燃物を単独或いは複数を混合投入して燃焼し、燃焼熱回収によるボイラの蒸気利用やボイラ−タービン系による発電、或いは揮発可燃ガスの回収などの、エネルギー利用を行うのに広く用いられている。

図１は、例えば特許文献１にその例示があるように、主に燃焼のための代表的な循環流動層炉（循環流動層式燃焼炉）を示す概略構成図である。

図１に示す循環流動層炉は、処理対象物を燃焼或いはガス化させるライザ１と、流動媒体を捕集してライザ１へと戻すダウンカマー２とで主に構成されている。ライザ１は炉本体３からなり、炉本体３内の下部には炉内に１次空気を吹き込む散気管４と流量を制御するダンパ（弁）や送風ファンが設けられている。また、炉本体３の側壁には、炉内に２次空気を吹き込むための２次空気吹き込み口５と、流量を制御する弁や送風ファンが設けられている。更に炉内に処理対象物を投入するための投入口６とが下方から順次設けられている。処理対象物を搬送・検量して制御する装置も設けられている。

ライザ１では、１次空気吹き込み口４及び２次空気吹き込み口５から炉内に空気を吹き込んで、投入口６から炉内に投入した処理対象物を、炉底部に充填された砂などの流動媒体とともに流動化させる。その過程で、処理対象物は、乾燥されて揮発分を放出し、燃焼する。

なお、含水率が高い処理対象物を専焼する場合や混焼割合が高く処理対象物の自燃が困難である場合は、炉本体３の側壁に補助燃料供給口を設け、この補助燃料供給口からオイルガンやガスガンなどにより炉内に補助燃料を供給する方法も用いられている。

ダウンカマー２は、流動媒体などを捕集する捕集部７と、捕集した流動媒体などをライザ１に戻す戻し管８とを備えている。ダウンカマー２には、多くの場合、ライザ１からのガスが捕集部７内を上昇するのを防止するシール部が設けられている。ダウンカマー２には、処理対象物の燃焼などにより生じた排ガスや未燃分並びに流動媒体などが、ライザ１の上部から接続配管９を介して供給される。

捕集部７では、それらを排ガスと流動媒体や比較的粒径の大きな灰などとに分離する。捕集部７で分離した排ガスは、比較的粒径の小さな灰などを同伴して排ガス処理設備へと送られ、除塵後に煙突から外部へと放出される。また、捕集部７で回収した流動媒体や比較的粒径の大きな灰などは、流動媒体として、シール部及び戻し管８を介してライザ１の下部へと戻して未燃分の再燃焼などを行う。

上述の炉本体３の炉床部に充填された流動媒体は、その下方から吹き込まれる１次空気により流動状態となり、流動媒体による濃厚層を形成し、その保有する高い熱容量および撹拌効果により処理対象物の乾燥及び揮発分の放出を促進させる。また、前記炉本体３の上方には、１次空気の吹き込み及び２次空気の吹き込みにより吹き上げられ、流動する流動媒体による希薄層が形成され、その流動する媒体の保有する熱容量および撹拌効果により処理対象物の燃焼或いはガス化を行っている。

そして、循環流動層式燃焼炉では多くの場合、ボイラ機能を有しており、循環流動層ボイラと呼ばれて、図１に示すように、炉内燃焼によって発生した熱量を炉体３〜対流伝熱部２０にかけて設置されている水管（図示せず）により回収し、蒸気ドラム１１で発生した飽和蒸気から過熱蒸気を作成している。

特開２００３−２４０２０９号公報

上記のように、処理対象物を発生ガス分も含めて完全に燃焼させて熱エネルギーを発生させ、その熱を利用して発生する蒸気を用いるボイラを有している循環流動層ボイラの場合、エネルギーロス低減、また発電設備を有する場合にはタービントリップを防止するために、炉燃焼により発生する熱量を常にボイラ負荷の設定値に追従させて安定化させる必要がある。ボイラ負荷を表す代表的な指標としては、ボイラ発生蒸気流量が挙げられる。このボイラ発生蒸気流量が不安定になる要因としては、燃料の成分変動によるカロリー低下、熱・発電負荷設定の変更、燃料配合がある。

すなわち、近年の循環流動層炉で使用する燃料は、前述したように石炭やオイルコークスなどの燃料、都市ごみや廃プラスチックや汚泥や製紙スラッジなどの廃棄物、ＲＤＦ（燃料固形化ごみ）などがあり、燃焼を安定させるために可能な限りそれらの成分（主に水分）や形状を燃焼・循環流動特性を均一に近づけるのが理想的であるが、加工・熱処理などのコストが多大にかかるため現実的には難しい場合が多い。このため、通常は投入される複数の燃料は、複数の燃料間および単体の燃料間で成分・形状は分布を持っている。そのため、投入される燃料の乾燥・燃焼速度が異なり、炉内投入後の熱量発生時間および絶対発生熱量が変動する。また、複数燃料を使用する場合は、複数燃料の配合バランスによって全体としての熱量発生時間も異なる。

加えて、ボイラ発生蒸気流量が不安定になる要因として、ボイラ発生蒸気を工場などに供給している場合、工場の稼動状況による必要とするボイラ発生蒸気流量の変動が挙げられる。

ボイラ発生蒸気流量などの発生熱量指標を設定目標に追従させるため、通常、フィードバック制御を行っているが、前述の通り、燃料単体の成分変動や複数燃料の配合バランスより応答速度が異なるため、従来の燃料投入量制御における通常のＰＩＤ制御だけでは応答の仕方にバラつきが発生する。例えば、適正値と比べゲインが小さめの状態になった場合、設定したボイラ蒸気流量目標に近づくまで時間がかかり、その間に目標偏差が積分されて、その結果、長い周期で振幅的になるケースがある。一方、目標到達時間を早くするために制御ゲインを上げると、熱量発生時間がかかる燃料の場合、振幅が継続してハンチング状態になるケースが発生し、十分に性能を満足するものではなかった。

更に、ＰＩＤ制御では目標値との偏差情報のみで制御しているため、物理的な意味で負荷設定に応じたの適正燃料投入量になるまでに時間がかかるため、複数燃料の投入比率変更時やボイラ負荷設定変更時などの設定変更時にボイラ出口蒸気流量が設定値に収束するまで時間がかかるケースがあった。例えば、工場などに発生蒸気を供給している場合、工場の稼動状況により、随時、必要な蒸気が大きく変動するため、短時間で本来適正な燃料投入量にすることができずに、安定しない場合が見られる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、循環流動層ボイラにおける熱負荷制御の目標値追従性の向上、安定化を実現するための運転制御方法および運転制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有している。

［１］複数の燃料を使用する循環流動層ボイラにおいて、ボイラ熱負荷を設定目標に追従させるための複数燃料の投入量を決定する際に、ボイラ負荷設定値から投入熱量の基準値を演算・決定し、その投入熱量基準値に対して、最大で投入燃料のカロリー分布範囲内でボイラ熱負荷目標偏差に応じた熱量の補正を行い、その補正熱量を複数燃料の各使用カロリー比率、複数燃料の各投入燃料のカロリー平均値から実際の複数燃料の投入量に換算して制御指令値とすることを特徴とする循環流動層ボイラの運転制御方法。

［２］過去の発生熱量実績と目標の偏差で基準値を補正することを特徴とする前記［１］に記載の循環流動層ボイラの運転制御方法。

［３］複数の燃料を使用する循環流動層ボイラにおいて、ボイラ熱負荷を設定目標に追従させるための複数燃料の投入量を決定する際に、ボイラ負荷設定値から投入熱量の基準値を演算・決定し、その投入熱量基準値に対して、最大で投入燃料のカロリー分布範囲内でボイラ熱負荷目標偏差に応じた熱量の補正を行い、その補正熱量を複数燃料の各使用カロリー比率、複数燃料の各投入燃料のカロリー平均値から実際の複数燃料の投入量に換算して制御指令値とすることを特徴とする循環流動層ボイラの運転制御装置。

［４］過去の発生熱量実績と目標の偏差で基準値を補正することを特徴とする前記［３］に記載の循環流動層ボイラの運転制御装置。

本発明においては、まず、現在のボイラ蒸気流量設定から、その設定値を必要熱量に換算して熱量基準値とする。そして、その基準値だけでは、過渡的・定常的な熱量目標との偏差は解消できない場合があるため、ボイラ出口蒸気流量の現在値と目標値の大きさに応じて補正を行う。過度な投入量増減を防止するため、補正を行う大きさに制限を設けるが、これは複数燃料の分布範囲内で設けるものとする。

このように現在のボイラ負荷から熱量基準値を計算し、その基準値から大きく外れないような熱量補正を計算し、実際の燃料投入量を決定することで、燃料使用状況により変動する無駄時間などが原因で発生する制御による過度な投入熱量の増減を防止することが可能となる。また蒸気量設定目標変更があった場合でも、常に目標に応じた適切な基準値を計算するために過渡的な状態でも大きな過不足のない制御指令値が計算可能となり、目標に対する追従性が向上する。

さらに、使用燃料のカロリーがオフラインで計測した平均値からの偏差が継続した場合、基準値を実績で修正することで、制限のある補正量が常に余裕がある状態を確保、つまり基準値周りで余裕のある補正量を確保可能となり、適正な制御が実現できる。

このようにして、本発明によれば、循環流動層炉ボイラにおいて、操業変更・変動時、特に熱負荷設定変更時、燃料配合バランス変更時、および急激な燃料性状変動時に、従来の制御に比べ安定的な熱負荷制御が可能となる運転制御方法および運転制御装置が提供される。

本発明の一実施形態における循環流動層炉ボイラの概略構成図である。本発明の一実施形態に係る運転制御装置の詳細構成図である。本発明の一実施形態における補正投入量演算フロー図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態における循環流動層炉（循環流動層ボイラ）を示す概略構成図である。なお、以下の説明においては、循環流動層炉として、例えば、投入燃料の一つである木質燃料・プラスチックの２種類の燃料を熱分解、燃焼させ、排熱ボイラにて熱回収するプロセスについて説明するが、一般の廃棄物やその他燃料に対しても同様に用いることができることはいうまでも無い。

初めに、本実施形態における対象プロセスを説明する。

図１に示す循環流動層炉は、処理対象物を燃焼或いはガス化させるライザ１と、流動媒体を捕集してライザ１へと戻すダウンカマー２とで主に構成されている。

ライザ１は炉本体３からなり、炉本体３内の下部には炉内に１次空気を吹き込む散気管４を制御する弁や送風ファンが設けられている。また、炉本体３の側壁には、炉内に２次空気を吹き込むための２次空気吹き込み口５と、流量を制御する弁や送風ファンが設けられている。更に炉内に処理対象物を投入するための投入口６とが下方から順次設けられている。そして、処理対象物を供給・搬送・検量して制御する供給・搬送・検量装置１０が設けられている。また、炉下流部には対流伝熱部２０が設けられており、蒸気ドラム１１で発生した飽和蒸気から過熱蒸気を作成している。ライザ１では、１次空気吹き込み口４及び２次空気吹き込み口５から炉内に空気を吹き込んで、投入口６から炉内に投入した燃料を、炉底部に充填された砂などの流動媒体とともに流動化させる。その過程で、投入された燃料は、乾燥され、揮発分を放出、燃焼する。

ダウンカマー２は、流動媒体などを捕集する捕集部７と、捕集した流動媒体などをライザ１に戻す戻し管８とを備えている。ダウンカマー２には、多くの場合、ライザ１からのガスが捕集部７内を上昇するのを防止するシール部が設けられている。ダウンカマー２には、処理対象物の燃焼などにより生じた排ガスや未燃分並びに流動媒体などが、ライザ１の上部から接続配管３を介して供給される。捕集部７では、それらを排ガスと流動媒体や比較的粒径の大きな灰などとに分離する。

捕集部７で分離した排ガスは、比較的粒径の小さな灰などを同伴して排ガス処理設備２１へと送られ、除塵後に煙突２２から外部へと放出される。また、捕集部７で回収した流動媒体や比較的粒径の大きな灰などは、流動媒体として、シール部及び戻し管８を介してライザ１の下部へと戻して未燃分の再燃焼などを行う。

上述の炉本体３の炉床部に充填された流動媒体は、その下方から吹き込まれる1次空気により流動状態となり、流動媒体による濃厚層を形成し、その保有する高い熱容量および撹拌効果により処理対象物の乾燥及び揮発分の放出を促進させる。また、前記炉本体３の上方には、1次空気の吹き込み及び２次空気の吹き込みにより吹き上げられ、流動する流動媒体による希薄層が形成され、その流動する媒体の保有する熱容量および撹拌効果により処理対象物の燃焼を効率的に行う。

なお、図１において、燃料供給機１８系統は木質燃料、およびプラスチックの２系統であるが、燃料供給機１８系統は燃料数など必要に応じて増減してもかまわない。

次に、本実施形態に係る運転制御装置１２の具体的な構成を示す図２について説明する。

運転制御装置１２は、制御演算装置１４を中心に構成される。制御演算装置１４は、ローカル（現場）に設置されているローカル機器（供給・搬送・検量装置１０、ボイラ出口蒸気流量計１３等）から燃料検量値やボイラ発生蒸気流量値などの現場指示値、またＤＣＳなどのＭＭＩ（マンマシンインターフェース）１５からのボイラ発生蒸気流量設定値や負荷設定変更値、更にデータベース１６かオフラインで計測した燃料カロリー平均値、カロリー分布などを入力データとして受け取る。そして、制御演算装置１４は、受け取った入力データから演算を行って、指令値を決定し燃料供給機１８に出力する。また、ローカル機器からの信号データや指令値の演算結果はＭＭＩ１５に出力され表示される。ＭＭＩ１５では、制御に必要なパラメータの調整も可能である。

本実施形態に沿って更に具体的に説明すると、ＭＭＩ１５で人間が設定した木質燃料・プラスチック燃料の投入比率でボイラ出口流量を設定値に追従させるため、供給・搬送・検量装置１０からの木質燃料重量およびプラスチック重量の検量データと、ボイラ出口蒸気流量計１３からのボイラ出口蒸気流量の測定データ、およびデータベース１６のデータを受け取り、制御演算装置１４内で演算を行い、具体的な制御指令値を燃料投入系の各コンベア１９に出力する。

本実施形態では負荷指標としてボイラ出口蒸気流量を使用しているが、燃料燃焼結果による熱負荷を表す計測値であれば、何を使用してもかまわない。燃焼・流動のために炉内に送られる１次空気流量や２次空気流量は、燃料投入量、各部炉内温度、炉出口ガスＯ_２濃度の現場指示値やセンサ値に応じて、運転制御装置１２にて制御されるが、本発明から外れるため詳細な制御動作の説明は割愛する。

次に、本実施形態における具体的な燃料投入指令値演算について説明する。

本実施形態では木質燃料とプラスチック燃料を燃料として使用しているが、プラスチック燃料は木質燃料に比べ、熱量発生時間が早く、かつ発生熱量も高い。実際の操業では、炉内にこれらの燃料を単体もしくは混合して投入しているので、混合比率や単体燃料の成分変動により燃焼過程における熱発生の定常特性および過渡特性は複雑に変化する。基準値を設けることで、無駄時間が大きく変動する場合でも、通常のＰＩＤ制御と異なり、過度に燃料投入量が増減することを防止することが可能となる。

以下、具体的な演算方法（ＳＴＥＰ１〜６）を説明する。なお、演算のフローを図３に示す。

［ＳＴＥＰ１］
現在の蒸気流量設定ＳＴＭ_ＳＥＴから、必要カロリーの基準値Ｎ_ＣＡＬを式１で算出する。
N_CAL=Cm×STM_SET ・・・式1
N_CAL：必要カロリー基準値[kJ/hour]
STM_SET：現在のボイラ蒸気流量設定[ton/hour]
Cm：カロリー換算係数[kJ/ton]

［ＳＴＥＰ２］
過去のボイラ出口蒸発量実績ＳＴＭ_ＰＶ（ｉ）とボイラ出口蒸発量目標ＳＴＭ_ＳＥＴ（ｉ）の偏差から、必要カロリー基準値Ｎ_ＣＡＬの修正係数Ｋｃを算出する。修正係数Ｋｃを算出するための偏差をとる時間は燃料の特性などを考慮し決定する。通常の場合、１０〜３０分を平均時間とする。
Kc=Σ[[STM_SET(i) − STM_PV(i)]/ STM_SET(i)]+1 ・・・式２
i=1~N ：Nは現時点から偏差を取る時間により決定する。

［ＳＴＥＰ３］
ＳＴＥＰ１で求めた必要カロリー基準値Ｎ_ＣＡＬと、ＳＴＥＰ２で求めた修正係数Ｋｃを用いて、式３で熱量修正値（熱量補正後の必要カロリー）Ｎｃ_ＣＡＬを算出する
Nc_CAL= Kc×N_CAL ・・・式３
Nc_CAL：熱量補正後の必要カロリー[kJ/hour]

［ＳＴＥＰ４］
ボイラ蒸気流量の目標偏差状態により熱量補正量の上下限の制限を求める。本実施形態では、各投入燃料のカロリー分布範囲内での補正の上下限を定めるため、各投入燃料のカロリー分布の標準偏差に係数を掛けたものを用いることとする。木質燃料の標準偏差をσｗ、プラスチック燃焼の標準偏差σｐとして、各標準偏差σｗ、σｐの６倍内を補正量の上下限とする。各標準偏差σｗ、σｐを６倍した値は、各投入燃料のカロリーの最大分布以内に含まれるものとする。ただし、最大分布とすると異常値も含まれる場合があるため、分布の９５％以内程度が実際には良い。

実際の熱量補正範囲の最大補正範囲（カロリー補正分上下限絶対値ＣＰ_Ｎｃ_ＣＡＬ）の演算は以下の式４で規定する。
CP_Nc_CAL=Ww×σw×6＋Pw×σw×6 ・・・式４
CP_Nc_CAL：カロリー補正分上下限絶対値[kJ/hour]
Ww：現在の木質燃料重量設定[kg/hour]
σw：木質燃料カロリー標準偏差[kJ/kg]
Pw：現在のプラスチック燃料重量設定[kg/hour]
σp：プラスチック燃料カロリー標準偏差[kJ/kg]

［ＳＴＥＰ５］
次に、ボイラ蒸発量設定ＳＴＭ_ＳＥＴとボイラ蒸発量現在値ＳＴＭ_ＰＶから、補正熱量ＣＰＲを式５のように計算する。本実施形態では、比例ゲインＰｇによる補正のみの例であるが、基準値からの制御量偏差に制限があれば、他のＰＩＤ制御などの制御手法を用いてもよい。そして、ＳＴＥＰ４で求めた制約内になるように、補正熱量（制約後）ＣＰＲ_ＲＳを式６のように求める。下記式において、ボイラ蒸発量現在値ＳＴＭ_ＰＶは、過去の蒸発量に平滑化係数を掛けて求めた蒸発量に置き換えてもよい。
CPR = Pg(STM_SET − STM_PV) ・・・式５
If CPR <Cp_Nc_CAL then CPR_RS =CPR ・・・式６
Else CPR_RS = Cp_Nc_CAL ・・・式６
CPR：カロリー補正量（制約前）[kJ/hour]
Pg：比例ゲイン[-]
STM_SET：ボイラ蒸発量目標値[ton/hour]
STM_PV：ボイラ蒸発量現在値[ton/hour]
CPR_RS：カロリー補正量（制約後）[kJ/hour]

［ＳＴＥＰ６］
ＳＴＥＰ３で求めた熱量修正値Ｎｃ_ＣＡＬと、ＳＴＥＰ５で求めた補正熱量（制約後）ＣＰＲ_ＲＳとから実際の投入カロリー値ＩＮ_ＣＡＬを式７で計算し、その投入カロリー値ＩＮ_ＣＡＬを式８で各燃料の投入量指令値（プラスチック燃料投入重量指令値Ｐ_ＷＧ、木質燃料投入重量指令値Ｗ_ＷＧ）に変換する。変換の際には、オペレータにより設定された現在の燃焼配合カロリー比率（プラスチック燃料設定投入カロリー比率Ｐｐｓ、木質燃料設定投入カロリー比率Ｗｐｓ）、およびオフラインで計測された各燃料のカロリー平均値（プラスチック燃料カロリー平均値Ｐｃａｌ、木質燃料カロリー平均値Ｗｃａｌ）を用いる。
IN_CAL= Nc_CAL + CPR_RS ・・・式７
P_WG= IN_CAL×(Pps/100)/Pcal ・・・式８
W_WG= IN_CAL×(Wps/100)/Wcal ・・・式８
IN_CAL：投入カロリー値[kJ/hour]
P_WG：プラスチック燃料投入重量指令値[kg/hour]
Pps：プラスチック燃料設定投入カロリー比率[%]
Pcal：プラスチック燃料カロリー平均値[kJ/kg]
W_WG：木質燃料投入重量指令値[kg/hour]
Wps：木質燃料設定投入カロリー比率[%]
Wcal：木質燃料カロリー平均値[kJ/kg]

上記のようにして、本実施形態では、循環流動層炉ボイラにおいて、操業変更・変動時、特に熱負荷設定変更時、燃料配合バランス変更時、および急激な燃料性状変動時に、従来の制御に比べ安定的な熱負荷制御が可能となる。

１ライザ
２ダウンカマー
３炉本体
４１次空気吹き込み口
５２次空気吹き込み口
６燃料供給口
７捕集部
８戻し管
９接続配管
１０燃焼供給・搬送・検量装置
１１蒸気ドラム
１２運転制御装置
１３ボイラ出口蒸気流量計
１４制御演算装置
１５ＭＭＩ（マンマシンインターフェース）
１６データベース
１８燃料供給機
１９供給コンベア
２０対流伝熱部
２１排ガス処理設備
２２煙突

Claims

複数の燃料を使用する循環流動層ボイラにおいて、ボイラ熱負荷を設定目標に追従させるための複数燃料の投入量を決定する際に、ボイラ負荷設定値から投入熱量の基準値を演算・決定し、その投入熱量基準値に対して、最大で、予め求めておいた、投入燃料のカロリー分布範囲内で、ボイラ熱負荷目標偏差に応じた熱量の補正を行い、その補正熱量を複数燃料の各使用カロリー比率、複数燃料の各投入燃料のカロリー平均値から実際の複数燃料の投入量に換算して制御指令値とすることを特徴とする循環流動層ボイラの運転制御方法。
前記ボイラ熱負荷目標偏差に応じた熱量の補正に加えて、過去の発生熱量実績と目標の偏差で基準値を補正することを特徴とする請求項１に記載の循環流動層ボイラの運転制御方法。
複数の燃料を使用する循環流動層ボイラにおいて、ボイラ熱負荷を設定目標に追従させるための複数燃料の投入量を決定する際に、ボイラ負荷設定値から投入熱量の基準値を演算・決定し、その投入熱量基準値に対して、最大で、予め求めておいた、投入燃料のカロリー分布範囲内で、ボイラ熱負荷目標偏差に応じた熱量の補正を行い、その補正熱量を複数燃料の各使用カロリー比率、複数燃料の各投入燃料のカロリー平均値から実際の複数燃料の投入量に換算して制御指令値とすることを特徴とする循環流動層ボイラの運転制御装置。
前記ボイラ熱負荷目標偏差に応じた熱量の補正に加えて、過去の発生熱量実績と目標の偏差で基準値を補正することを特徴とする請求項３に記載の循環流動層ボイラの運転制御装置。