JP5521918B2

JP5521918B2 - 焼却炉の運転制御方法

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Publication number: JP5521918B2
Application number: JP2010198421A
Authority: JP
Inventors: 拓幸島本; 聡藤井; 実田鍋; 守樹佐藤
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-09-06
Also published as: JP2012057809A

Description

焼却炉における運転制御方法（燃焼制御方法）に関するものである。

近年の焼却炉においては、炉で燃焼した燃料から発生した廃熱を用いて発生させた蒸気をエネルギーとして有効利用する要求が増えている。その焼却炉から発生するエネルギーを効率的に回収するためには、炉を安定に操業することが必要となる。その一方、焼却炉で使用する燃料の多様化や経年変化による性状の変動、操業条件変更による使用燃料量（炉負荷）変動、炉に対する制御操作量の変動などの様々な要因に伴い、炉の燃焼状態が変化する。このため、従来より、このような炉の燃焼状態の変化に対応しつつ、焼却炉を安定的に操業するための焼却炉の様々な運転制御方法が開発されている。

特開２００８−８５８６号公報特開２００８−７６０１２号公報

従来技術の多くは何らかのモデルを用いて運転制御を行っており、制御性能はモデルの精度に依存する。多様で性状が変動する燃料を使用する場合、実現象の変動は大きく、固定のモデルでは十分に制御を行うことができず、モデル変化に対応するためには、再度モデル構築、調整が必要になるという問題が発生する。

これらに対応するために、特許文献１においては、取得したプロセスデータに基づいて物理モデルのための境界条件を設定し、その境界条件に基づいて現実の燃焼状態を示す解析データを算出し、理想の燃焼状態を示す解析データと現実の燃焼状態を示す解析データとに基づいて現実の燃焼状態を理想の燃焼状態へ近づけるための燃焼炉の各操作手段の操作量を算出している。しかしながら、この特許文献１では元となる物理モデル構造の変更はなされておらず、燃料性状の大きな変更には対応できない。

また、他の対応方法として、特許文献２においては、燃料性状に応じて複数のモデルを切り替えて使用することも行われているが、焼却炉のような非線形で複雑な燃焼現象に対応するためには多数のモデルを用意しなければならず、そのメンテナンスが大変であり、メンテナンス工数の増大に繋がる。更に、通常、焼却炉では制御目的の制約を満たしつつ、出力を目標に追従させるための操作量が複数存在するため、それら操作量と制御出力が複雑に干渉し合うので、モデル構造を定めるのも困難である。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、使用する燃料の性状が変動する焼却炉の運転制御（燃焼制御）を行うに際して、モデルの変更やモデル用パラメータの調整なしに、操業負荷、操業状態に応じた適切な制御設定値を算出して、安定した運転制御（燃焼制御）を可能とする焼却炉の運転制御方法を提供することを目的とするものである。

前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］発生熱量、もしくは形状、もしくは構成元素成分が、時間経過に伴って変化する燃料を使用し、所定の操業制約条件下で運転される焼却炉において、
少なくとも一つの操作端における制御設定値を、データベースに記録された過去の操業計測データ実績、過去の操業操作量実績、および現在の燃焼負荷目標、もしくは投入熱量目標、もしくは現在の燃料発生熱量実績に基づいて決定することを特徴とする焼却炉の運転制御方法。

［２］前記焼却炉がストーカ式焼却炉であり、前記操作端における制御設定値が、燃料投入速度、一次燃焼空気流量（空気過剰率）、火格子下空気流量配分、火格子速度、火格子上燃料厚さ、二次燃焼空気流量から選択される少なくとも一つであることを特徴とする前記［１］に記載の焼却炉の運転制御方法。

［３］前記操業制約条件は、ボイラ蒸発量目標偏差、ボイラ蒸発量標準偏差、炉出口Ｏ_２濃度、炉内温度、炉下流部温度から選択される少なくとも一つであることを特徴とする前記［２］に記載の焼却炉の運転制御方法。

本発明では、使用する燃料の性状が変動する焼却炉の運転制御（燃焼制御）を行うに際して、モデルの変更やモデル用パラメータの調整なしに、操業負荷、操業状態に応じた適切な制御設定値を算出して、安定した運転制御（燃焼制御）を行うことができる。

すなわち、データベースに記録、蓄積されている過去の操業データのうち、現在の燃焼負荷量目標や投入熱量目標などの操業設定条件に近いデータを選択し、更にそれらデータにおいて、各目標と実績の偏差が小さく、かつ操業制約条件を満足しているデータ時の制御設定値を用いることで、過去実績として安定した制御設定値を用いることが可能となり、しいては安定した操業が実現可能となる。また、複数の制御量と複数の制御出力が複雑に干渉する場合においても、それらを考慮したモデルを作成することなく、制御設定値の決定が可能となる。

また、焼却炉としてストーカ式焼却炉を用いる場合には、制御設定値として、燃料投入速度、一次燃焼空気流量（空気過剰率）、火格子下空気流量配分、火格子速度、火格子上燃料厚さ、二次燃焼空気流量から選択される少なくとも一つとすることで、ストーカ式焼却炉において安定した燃焼が可能となる。

さらに、焼却炉としてストーカ式焼却炉を用いる場合には、操業の制約条件として、ボイラ蒸発量目標偏差、ボイラ蒸発量標準偏差、炉出口Ｏ_２濃度、炉内温度、炉下流部温度から選択される少なくとも一つとし、操業状態の良いデータを選択することで、良好な燃焼が実現可能な制御設定値の決定が可能となる。

なお、本発明では、目標との偏差が発生した時に対応するため、目標偏差分を補償する制御があるほうが望ましい。過去実績の操業状態の良いデータから算出した制御設定値であるが、場合よっては目標との偏差が発生することが想定される。そのため、ＰＩＤ制御などで、その偏差を補償するような構造になっているほうが望ましい。ただし、その場合でも、元々適正制御設定値に近い操作量が、目標値近傍にその補正量は小さくて済むため、制御の安定性に与える影響は小さい。過去実績で制約条件を満たすデータがない場合も考えられるが、その場合にはオペレータの手動介入で良い状態の操業を見つけ出す操作を行い、データを蓄積させた後、本発明を適用すると良い。

本発明の一実施形態におけるストーカ式焼却炉を示す図である。本発明の一実施形態における制御装置・計算機の構成を示す図である。本発明の一実施形態における演算フローである。本発明の一実施形態における一次燃焼空気用マトリックスの一例である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、ここでは、焼却炉として、ストーカ式焼却炉を対象としている。

図１は、本発明の一実施形態におけるストーカ式焼却炉（ストーカ式ごみ焼却炉）の概略構成を示す図である。

このストーカ式ごみ焼却炉は、火格子４を有する全連型（２４時間連続運転）のストーカ式ごみ焼却炉であり、燃焼室１、ホッパ２、燃焼室１の出口側に設けられたガス混合室７、ガス混合室７の下流側に設置されたボイラ９を備えている。

クレーンでごみホッパ２に投入されたごみは、給塵装置３によって燃焼室１内の火格子４上に送り込まれる。火格子４は往復運動し、その往復運動によってごみの撹拌および移動が行われる。火格子４の下をごみ搬送方向に四つの領域に分割した風箱から燃焼室１内に一次燃焼用空気が供給される。燃焼室１内に供給された火格子４上のごみは、火格子４上を移動しながら、火格子４の下から供給される一次燃焼用空気によって、乾燥、燃焼、後燃焼が行われ灰となり、灰落下口５より外部に排出される。一次燃焼用空気は、一次燃焼用空気ブロア６により各風箱を介して火格子４の下から燃焼室１内に供給される。また、各風箱に供給される一次燃焼用空気の量は、各風箱に一次燃焼用空気を供給する各配管に設けられた火格子下一次燃焼用空気ダンパ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄにより調整される。さらに、ガス混合室７内には、二次燃焼用空気ブロア１１からの二次燃焼用空気が供給され、燃焼室１内で燃焼しきれなかった燃焼排ガス中の可燃性ガスを完全燃焼させる。ガス混合室７内で二次燃焼させた後の燃焼排ガスは、下流側のボイラ９で熱エネルギーを回収、排ガス処理を行った後に、煙突８を通じて外部に排出される。

ここで、燃焼室１内には図１に示すようにガスの攪拌混合のため、中間天井１０を設けることが好ましいが、中間天井を有さない焼却炉においても本発明が適用できることはいうまでもない。

また、燃焼室においてガス温度を計測する温度計１２、および燃焼下流部のガス温度を計測する温度計１３、ガス混合室のガス温度を計測する温度計１６を備えている。また、ボイラ９で発生した蒸気量を計測するための流量計１５も備えている。

次に、この実施形態における制御装置・計算機の構成を図２に示す。

コンソールを備えた制御装置において、焼却負荷や投入熱量設定などの各種設定を人間が入力を行う。また、制御装置においては、センサにより計測された値や、各操作端からの操作実績値も受け取る。各操作端としては、制御設定値として、給塵装置、一次燃焼空気用ブロア、火格子下空気流量配分用ダンパ、火格子駆動装置、二次燃焼空気用ブロアなどが挙げられる。制御装置からデータベースを備えた計算機に、前出のセンサ計測値や操作実績値が送られる。データベースでは、送られたデータを項目ごとに蓄積する。制御設定値用計算機では、データベースからデータを受け取り、また制御装置から負荷設定などの情報を受け取り、操作端毎の制御設定値を計算して、制御装置に返す。制御装置においては、現場の実際の操作端に対して操作量を与える。

次に、各操作端の制御設定値を計算するための演算方法（演算手順）をフロー図（図３）を用いて説明する。

［ＳＴＥＰ１］
制御装置から受け取った操業データは一定時間サイクル毎に項目ごとにデータベースに蓄積・保存する。

［ＳＴＥＰ２］
次に、データベースから演算に使用する項目を過去Ｎ個分だけを読み出す。過去N個は現在から時間的に近いデータから読み出しても良いし、使用燃料に季節変動などの周期的な変動がある場合には、周期性を考慮した過去のデータ、例えば現在の季節と同じ季節のN個データを選択するなどしても良い。次に、読み出したデータベースの過去の操業データのうち、操業状態の良いデータのみ抽出する。操業状態が良いか否かを判断するための指標として、ここでは、ボイラ蒸発量目標偏差、ボイラ蒸発量標準偏差、炉出口Ｏ_２濃度、炉内温度、炉下流部温度を用いることとするが、操業の良否に用いることが可能な指標であれば何を用いても良い。ここで、ボイラ蒸発量目標偏差は以下の式１を用いる。

ボイラ蒸発量目標偏差＝（ボイラ蒸発量実測値−ボイラ蒸発量目標値）／ボイラ蒸発量目標値・・・式１

操業状態の良いデータを選択するための式として、以下の式２を用いる。ここで用いる各操業状態判断指標のしきい値は各操作端共通でよい。これらの条件に当てはまるデータのみ操業状態の良いデータとする。

Ｌａ１≦ボイラ蒸発量目標偏差≦Ｌａ２・・・式２
Ｌｂ１≦ボイラ蒸発量標準偏差≦Ｌｂ２・・・式２
Ｌｃ１≦炉出口Ｏ_２濃度≦Ｌｃ２・・・式２
Ｌｄ１≦炉内温度≦Ｌｄ２・・・式２
Ｌｅ１≦炉下流部温度≦Ｌｅ２・・・式２
ここで、
Ｌａ１、Ｌａ２：ボイラ蒸発量目標偏差しきい値
Ｌｂ１、Ｌｂ２：ボイラ蒸発量標準偏差しきい値
Ｌｃ１、Ｌｃ２：炉出口Ｏ_２濃度しきい値
Ｌｄ１、Ｌｄ２：炉内温度しきい値
Ｌｅ１、Ｌｅ２：炉下流部温度しきい値
上記のしきい値は、燃焼安定、炉機器保護、排ガス規制値などの観点から操業者ならば容易に決定可能なものである。

［ＳＴＥＰ３］
次に、ＳＴＥＰ２で選択した操業状態の良いデータにおける各制御設定値の操作実績値を、各制御設定値毎に設けたマトリックスに収納する。ここで、各制御設定値とは、燃料投入速度、一次燃焼空気流量（空気過剰率）、火格子下空気流量配分、火格子速度、火格子上燃料厚さ、二次燃焼空気流量を指す。マトリックスは焼却負荷、計算燃料熱量ごとに区分されている。計算燃料熱量とは、至近の燃焼炉における熱収支計算から求めるものであり、一般的な方法であるため、ここでは説明を割愛する。また、使用燃料の熱量が炉投入前に判っている場合には、その値を用いても良い。

以降、一次燃焼空気流量のみについて説明を行うが、他の各制御設定値においても同様な計算を行う。マトリックス例として一次燃焼空気流量のマトリックスを図４に示す。ここでは、焼却負荷は３段階（負荷Ａ〜負荷Ｃ）、燃料熱量は９段階（燃料Ａ〜燃料Ｉ）としているが、必要に応じてマトリックス数を増減しても構わない。

また、このようにマトリックスにする利点として、設定値の可視化が可能となり、人間が計算値の確認を行いたい場合も容易となることが挙げられる。

以降の説明のため、図４におけるマトリックスのしきい値を式３で示すパラメータで定義する。

ＬＯｉ（ｉ＝１〜２）：焼却負荷側しきい値パラメータ・・・式３
ＨＵｙ（ｙ＝１〜８）：燃料熱量側しきい値パラメータ・・・式３

［ＳＴＥＰ４］
次に、現在の焼却負荷設定、および計算燃料熱量に応じたマトリックス位置のデータの平均値を取り、それを制御設定値とする。現在の焼却負荷設定、および計算燃料熱量の値は制御装置から受け取ったデータを使用する。例えば、現在の焼却負荷設定、および計算燃料熱量が以下の式４で示される値の場合、図４において、Ｓ２４のレンジが選択され、ここに存在するデータ値と個数から、式５に基づいて、一次燃焼空気設定値を決定する。

ＬＯ１≦ＬＳＥＴＮＯＷ＜ＬＯ２・・・式４
ＨＵ３≦ＣＡＬＮＯＷ＜ＨＵ４・・・式４
ここで、
ＬＳＥＴＮＯＷ：焼却負荷設定
ＣＡＬＮＯＷ：計算燃料熱量
そして、
ＦＤＦＳＥＴ＝Σ_ｉ＝ＮｓＳ２４ｉ／Ｎｓ・・・式５
ここで、
Ｓ２４ｉ：領域Ｓ２４に存在数するデータの値
Ｎｓ：領域に存在するデータ数
ＦＤＦＳＥＴ：一次燃焼空気設定値

マトリックス内にデータが存在しない場合には、近接するマトリックス平均値の内挿値、外挿値を用いてもよい。また、マトリックス内のデータの分散が大きい場合は、ＳＴＥＰ２に戻り、燃焼状態判断のしきい値を厳しく、つまり範囲を狭めても構わない。

今回例示した手法では焼却負荷、燃料熱量のマトリクスを用いて、現在の焼却負荷設定、および計算燃料熱量に応じたマトリックス位置のデータの平均値を計算する方法を示したが、抽出した過去の操業状態の良いデータの時の焼却負荷、燃料熱量と現在の焼却負荷、燃料熱量との距離を計算し、距離に応じた加重平均で設定値を求める手法でも良い。

この実施形態においては、上記のような手法に基づき、モデルを使用することなく、過去の実績データ、および現在の負荷設定に基づき、良好な燃焼状態が実現可能な制御設定が計算可能となる。

１焼却室
２ごみホッパ
３給塵装置
４火格子
５灰落下口
６一次燃焼用空気ブロア
７ガス混合室
８煙突
９ボイラ
１０中間天井
１１二次燃焼用空気ブロア
１２燃焼室温度計
１３燃焼下流部温度計
１４ａ〜１４ｄ火格子下一次燃焼空気ダンパ
１５ボイラ蒸気流量計
１６ガス混合室温度計

Claims

発生熱量、もしくは形状、もしくは構成元素成分が、時間経過に伴って変化する燃料を使用し、所定の操業制約条件下で運転される焼却炉において、
少なくとも一つの操作端における制御設定値を、データベースに記録された過去の操業計測データ実績、過去の操業操作量実績、および現在の燃焼負荷目標、もしくは投入熱量目標、もしくは現在の燃料発生熱量実績に基づいて決定することとし、
操業状態判断指標を定めておき、前記データベースに記録された過去の操業計測データ実績のうちから、前記操業状態判断指標に基づいて、操業状態の良いデータを抽出し、その操業状態の良いデータにおける各制御設定値の操業操作量実績を、各制御設定値毎に設けたマトリックスに収納し、そのマトリックスに収納した各制御設定値の操業操作量実績を用いて、前記制御設定値を決定することを特徴とする焼却炉の運転制御方法。
前記焼却炉がストーカ式焼却炉であり、前記操作端における制御設定値が、燃料投入速度、一次燃焼空気流量（空気過剰率）、火格子下空気流量配分、火格子速度、火格子上燃料厚さ、二次燃焼空気流量から選択される少なくとも一つであることを特徴とする請求項１に記載の焼却炉の運転制御方法。
前記操業制約条件は、ボイラ蒸発量目標偏差、ボイラ蒸発量標準偏差、炉出口Ｏ_２濃度、炉内温度、炉下流部温度から選択される少なくとも一つであることを特徴とする請求項２に記載の焼却炉の運転制御方法。