JP5711795B2 - 加圧流動焼却炉設備、及び加圧流動焼却炉設備の制御方法 - Google Patents
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Description
ところで、加圧流動焼却炉設備では、燃焼用空気(燃焼空気)は、過給機のコンプレッサ出口側から流動用空気予熱器を経て焼却炉手前の流動空気ヘッダへ繋がり、そこから複数本の分散管を通して炉内砂層部へ送られる。また、焼却炉内の燃焼排ガスは、流動用空気予熱器を通り、バグフィルタを経由して過給機のタービン入口側へ送られる。これらの経路上では次のような圧力損失が生じる。
これら各部の圧力損失により、加圧流動焼却炉設備では、過給機排ガス入口側圧力よりも過給機出口空気圧力の方が高くなる。そのため、過給機出口空気圧力の値が、運転中に過給機の動作特性やその他の構成機器の耐圧特性などから決まる適正値よりも高くなる傾向にある。
図4は、過給機出口空気圧力を抑制する制御に係る部分を示しており、当該部分は、圧力計24、圧力計50、過給機2(タービン2a、及びコンプレッサ2b)、加圧空気弁28、機器・配管Aから構成されている。
また、図4は、過給機2のコンプレッサ2b周りの物質収支(空気量の収支)を示しており、矢印が付いた帯線が空気の流れの向き、帯線の太さが標準状態(20℃、大気圧)での空気の流量を概念的に示している。
図4において、機器・配管Aは、一例として、空気吸入弁や送風機、及び配管を含んで構成される。このうち、例えば送風機は、その回転数が流量制御される。また、空気吸込弁は過給機入口空気圧力P1をもとに圧力制御しているものの、流れる流量が変化すると弁開度が変化する。
吸込空気量Faは、タービン2aに供給される燃焼排ガスの温度、圧力、流量等の特性、およびタービンやコンプレッサの口径やタービン羽根の形状など過給機2固有の性能によって定まる。
図4に示す構成では、コンプレッサ2bが吸い込む空気がコンプレッサ2bにより圧縮され、圧縮された燃焼空気の一部が焼却炉に送られ、圧縮された燃焼空気の残りが加圧空気弁28により外部へ放出される。そのため、吸込空気流量Fa、燃焼空気流量Fb、外部放出流量Foutの関係は、次式で表すことができる。
吸込空気流量Fa=燃焼空気流量Fb+外部放出流量Fout
この式が示す関係から、外部放出流量Foutが増えると吸込空気流量Faも増えることとなり、機器・配管Aの部分を制御する制御系は、流量変化などの影響に応じて制御を行う必要が生じる。しかしながら、焼却設備としては、焼却炉へ供給する燃焼空気の燃焼空気流量Fbを所定量に保つ制御系を有するので、外部放出流量Foutが増えれば、機器・配管Aの制御系はそれに合わせた制御が必要となり、これらの制御系が互いに干渉し複雑になる可能性がある。また、機器・配管Aには、最大で(燃焼空気流量Fbの最大値+外部放出流量Foutの最大値)の空気が流れることを設計上考慮する必要があり、機器・配管Aを、より太い配管や、能力の大きい機器で設計する必要が生じる。
また、本発明は、上記加圧流動焼却炉設備の制御方法において、前記バイパス量制御部が、前記過給機の回転数が予め設定されている設定回転数より大きくなったとき、前記第1の制御工程を開始する、ことを特徴とする。
また、本発明は、上記加圧流動焼却炉設備の制御方法において、前記バイパス量制御部が、前記第1の制御工程が終了し、前記過給機空気バイパス弁が全閉状態になったあと、前記第2の制御工程を開始する、ことを特徴とする。
図1は、本実施形態に係る加圧流動焼却炉設備の構成を示す概略ブロック図である。
本実施形態に係る加圧流動焼却炉設備は、図1に示すように、加圧流動焼却炉1、過給機2、空気予熱器4、高温集塵機5、流量計26、流量調節制御部52(調節弁制御部)、過給機排ガスバイパス弁CV2(調節弁)、圧力計50、圧力調節制御部57(吸入弁制御部)、圧力計24、圧力調節制御部25(バイパス量制御部)、過給機空気バイパス弁CV3、及び機器・配管Aを含んで構成される。ここで、機器・配管Aのうち、機器としては送風機49_1、49_2、インバータ(風量制御)49a_1、49a_2、空気吸入弁CV1(空気吸入弁)を、配管としては外気側空気供給流路14、空気供給流路13をそれぞれ示している。
加圧流動焼却炉1は、設備起動時に焼却炉内を加熱する始動用バーナー1a、および被処理物燃焼中に熱源を付加する図示しない補助燃料装置を備える。
空気予熱器4は、過給機2からの圧縮空気と加圧流動焼却炉1から排出される燃焼排ガスとを熱交換し、加圧流動焼却炉1内に供給される圧縮空気を予熱する。
高温集塵機5は、空気予熱器4から排出される燃焼排ガス中の粉塵などを集塵処理する。高温集塵機5として、具体的にはセラミックフィルタなどが使用される。
過給機排ガスバイパス弁CV2は、過給機2をバイパスする排ガス流量(バイパス量)を調整する。過給機排ガスバイパス弁CV2は、流量調節制御部52からの制御量(調節弁開度;以下、過給機排ガスバイパス弁開度ともいう)に応じて開度を変化させることができ、これによりバイパス量を制御量に応じて変化させることができる。
過給機排ガスバイパス弁CV2には、この過給機排ガスバイパス弁開度MVが信号ライン53を介して入力され、燃焼排ガスのタービン2aに流れる流量を過給機排ガスバイパス弁開度MVに応じて変化させる。
従って、過給機排ガスバイパス弁開度MVは、燃焼空気流量PVが燃焼空気流量設定値SVと等しく制御されている状態においては、加圧流動焼却炉1からの燃焼排ガス量に対する、タービン2aの回動には用いられない余剰な燃焼排ガス量の余裕値をも示している。
空気吸入弁CV1には、この吸入弁開度MVが信号ライン58を介して入力され、過給機入口空気圧力P1を吸入弁開度MVに応じて変化させる。
過給機空気バイパス弁CV3には、この過給機吸入弁開度MVが信号ライン62を介して入力され、過給機出口空気圧力P2を過給機吸入弁開度MVに応じて変化させる。
なお、P2上限値は、過給機出口空気圧力P2を適正範囲に制御するため、運用上の適正上限として決められた値であり、P2上限値は予め実験結果により適正値を設定しておいてもよいし、過給機2の動作特性(仕様)と燃焼空気量Fbとの関係を示す数式等から求めておいてもよい。
図2に示すように、吸込空気流量Faは、過給機2のコンプレッサ2bを通過し、過給機2にて断熱圧縮される。圧縮されて圧力上昇とともに実流量は少なくなるが、標準状態では流量値は変化しないため、吸込空気流量Faと同じ幅のままで燃焼空気流量Fbへと帯線が繋がっている。すなわち、燃焼空気流量Fb=吸込空気流量Faの関係がある。
なお、図2において、機器・配管Aとして示した箇所は、例として図1に同じ符号で示した機器・配管Aにおける弁や送風機、及び配管で構成されている。このうち、例えば送風機は風量(=吸込空気流量Fa)に比例するようその回転数が流量制御されていたり、空気吸込弁CV1は圧力P1をもとに圧力制御しているものの、流れる流量が変化すると弁開度(図1に示す弁開度MV)が変化する。しかし、燃焼空気流量Fb=吸込空気流量Faの関係が維持されたままであれば、過給機のタービン2aに供給される燃焼排ガスの流量が変化し、循環流量Frが変化しても、機器・配管Aの部分の各制御系は影響を受けずに独立して制御でき、結果、設備全体の安定制御に繋げることができる。
加圧流動焼却炉設備の設備起動指令後、圧力調節制御部25は、過給機空気バイパス弁開度MVを過給機空気バイパス弁CV3に出力し、過給機空気バイパス弁CV3を全開状態にする(ステップST1)。
これにより、送風機49_1が動作してから加圧流動焼却炉1の温度が高まるまでの期間は、過給機空気バイパス弁CV3は全開状態であり、送風機49_1から送られる殆どの流量は、過給機空気バイパス流路(バイパス流路)を通って、加圧流動焼却炉1側へ送られる。
圧力調節制御部25は、過給機2の回転数(過給機回転数)が、設備が十分稼働した状態(加圧流動焼却炉1の燃焼開始後の状態)を想定して予め設定されている設定回転数(設定回転数)より大きくなったか否かを判定する(ステップST2)。
圧力調節制御部25は、過給機入口空気圧力P1と過給機出口空気圧力P2との差が予め設定された設定値Aに入るか否か、また、圧力差がマイナスであるか否かの判定を行う。
この判定により、過給機排ガスバイパス弁開度MVは、判定結果1_1〜判定結果1_3の3つの判定結果となる。圧力調節制御部25は、これらの判定結果に基づき、過給機空気バイパス弁CV3を開閉する制御量、すなわち過給機吸入弁開度MVを、ケース1〜ケース3のように算出する。
(ケース1)過給機入口空気圧力P1−過給機出口空気圧力P2≧設定値Aの場合、圧力調節制御部25は、ステップST4に進み、CV3開度制御を行う(ステップST4)。この場合、圧力調節制御部25は、過給機空気バイパス弁CV3が開くように、過給機空気バイパス弁開度MVを算出する。過給機空気バイパス弁CV3は、空気供給流路13から配管31を介して第一空気供給流路10へ繋がるバイパス流路の圧力損失を減らす方向に動作する。
(ケース2)一方、過給機入口空気圧力P1−過給機出口空気圧力P2<設定値Aの場合、圧力調節制御部25は、ケース1と同じく、ステップST4に進み、CV3開度制御を行う。この場合、圧力調節制御部25は、過給機空気バイパス弁CV3が閉じるように、過給機空気バイパス弁開度MVを算出する。過給機空気バイパス弁CV3は、空気供給流路13から配管31を介して第一空気供給流路10へ繋がるバイパス流量を流れる空気の量を減らす方向に動作する。
(ケース3)また、過給機回転数が高くなるにつれ、過給機出口空気圧力P2の値が高くなり、ケース2よりさらに進んだ状態となる。過給機入口空気圧力P1−過給機出口空気圧力P2<0となると、圧力調節制御部25は、ステップST5に進み、CV3が全閉する(全閉状態とする)ように、過給機空気バイパス弁開度MVを算出する。過給機空気バイパス弁CV3は、全閉する(ステップST5)。
このように、ステップST3、及びステップST4を繰り返し、やがてステップST5に至ることにより、過給機空気バイパス弁CV3を全閉にして、燃焼に必要な空気の全量を過給機2のコンプレッサ2bを通して加圧流動焼却炉1へ供給することができる。
過給機2の回転が高まるとともに、過給機入口空気圧力P1が下がり、規定値まで下がったときに空気吸込弁CV1が開くとともに、送風機49_1は送風停止可能な状態となる。その後、図1に示す圧力調節制御部57による制御(PC1制御)により、過給機入口圧力P1が所定の値となるよう空気吸込弁CV1の開度制御などが行われる。
加圧式流動焼却設備は、燃焼物が廃棄物系であることから、その量や構成成分が運転中に変化しやすい。量だけでなく、構成成分である水分量や、可燃分比率が変化するために過給機排ガスバイパス弁CV2が同一開度であっても、過給機2のタービン2aを通過する燃焼排ガス量やそのエネルギー量が変動し、適正な燃焼空気流量Fbの値も変動する。これら広範囲の燃焼条件へ対応した機器構成や制御が必要となるが、過給機空気バイパス弁CV3を閉じたままでは、上述したように過給機出口空気圧力P2が必要以上に高くなる場合がある。そのため、過給機出口空気圧力P2を構成機器の仕様や、過給機の動作特性より求まる所定の圧力に抑えた制御を行わないと、広範囲な運転条件への対応が行えない。そこで、圧力調節制御部25は、ステップST6〜ST8において、CV3の開度制御を行う。
過給機出口空気圧力P2が、(P2上限値−設定値B)より大きい場合(ステップST6−Yes)、圧力調節制御部25は、CV3開度制御を行う(ステップST7)。
この場合、圧力調節制御部25は、過給機空気バイパス弁CV3が開くように、過給機空気バイパス弁開度MVを算出する。過給機空気バイパス弁CV3は、第一空気供給流路10から配管32へ流す空気の量を増やす。
一方、過給機出口空気圧力P2が、(P2上限値−設定値B)以下である場合(ステップST6−No)、圧力調節制御部25は、過給機2の停止指令が設備の運転操作等により出力されていないか否かを判定する(ステップST8)。過給機2の停止指令が出されていない場合(ステップST8−No)、ステップST5を介して、ステップST6に戻り、圧力P2の実測値<P2の適正上限となるように、CV3の開度制御を行う(ステップST6〜ST7)。
このように、ステップST6、及びステップST7を繰り返すことにより、過給機出口空気圧力P2が(P2上限値−設定値B)、すなわち設定上限値を超えることがないように、圧力調節制御部25は、過給機空気バイパス弁CV3の開度制御を行う。
一方、この空気循環ラインの途中にある過給機入口空気圧力P1は、この部分の配管32が前後配管(図1に示す配管31、配管33、空気供給流路13)より口径が大きいため、過給機空気バイパス弁CV3をゆっくり開けば、圧力変化はほとんど生じず安定した値を維持する。過給機空気バイパス弁CV3は、過給機出口空気圧力P2の圧力抑制の目的で使うため、循環流量Frの値は吸込空気流量Faよりも十分小さい範囲での運用が可能となる。
この圧力調節制御部25による圧力制御(PC3制御)実行中は、流量調節制御部52による制御(FC2制御)による燃焼空気量Fbを所定量にする制御が合わせて実行されるため、過給機空気バイパスCV3を開いて過給機2のコンプレッサ2bに流れる流量が増えると、過給機回転数が直前の値のままでは燃料空気量Fbの実測値が設定量より小さくなる。そのため、FC2制御により過給機排ガスバイパス弁CV2が閉方向になり過給機回転数が高まることで、燃料空気量Fbの値が維持できるようになっている。
つまり、本実施形態に係る加圧流動焼却炉設備において、加圧流動焼却炉1の燃焼に必要な空気量は、過給機排ガス側のバイパス弁(過給機排ガスバイパス弁CV2)を用いて制御され、炉へ送られる圧縮空気の圧力(過給機出口空気圧力P2)は、過給機空気側のバイパス弁(過給機空気バイパス弁CV3)により適正範囲に同時に制御される仕組みである。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
2 過給機
4 空気予熱器
5 高温集塵機
24 圧力計
25 圧力調節制御部
26 流量計
49 送風機
50 圧力計
52 流量調節制御部
57 圧力調節制御部
CV1 空気吸入弁
CV2 過給機排ガスバイパス弁
CV3 過給機空気バイパス弁
Claims (9)
- 加圧流動焼却炉と、
当該加圧流動焼却炉から排出される燃焼排ガスにより回動されるタービンと、前記タービンの回動に伴って回動されるコンプレッサと、を有する過給機と、
前記コンプレッサの空気入口側に設けられ、前記加圧流動焼却炉の燃焼開始時に、燃焼空気を前記加圧流動焼却炉に供給する送風機と、
前記コンプレッサの空気入口側と前記コンプレッサの空気出口側との間に設けられるバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路のバイパス量の程度を示すバイパス制御量により開閉状態が制御される過給機空気バイパス弁と、
前記バイパス制御量を算出し、前記過給機空気バイパス弁を制御するバイパス量制御部と、
前記コンプレッサの空気入口側の圧力である過給機入口空気圧力を計測する第1圧力計と、
前記コンプレッサの空気出口側の圧力である過給機出口空気圧力を計測する第2圧力計と、
を備え、
前記バイパス量制御部は、
過給機入口空気圧力が過給機出口空気圧力よりも大きい場合、過給機出口空気圧力設定値を前記過給機入口空気圧力とし、前記過給機出口空気圧力設定値と前記過給機出口空気圧力との偏差が予め設定された第1の範囲内に入るように、前記バイパス流路のバイパス量の程度を示すバイパス制御量を算出し、算出した当該バイパス制御量に応じて前記過給機空気バイパス弁を制御し、
過給機入口空気圧力が過給機出口空気圧力よりも小さい場合、予め過給機出口空気圧力に対して上限値として設定される値を前記過給機出口空気圧力設定値とし、前記過給機出口空気圧力設定値と前記過給機出口空気圧力との偏差が予め設定された第2の範囲内に入るように、前記バイパス流路のバイパス量の程度を示すバイパス制御量を算出し、算出した当該バイパス制御量に応じて前記過給機空気バイパス弁を制御する、
ことを特徴とする加圧流動焼却炉設備。 - 前記タービンの燃焼排ガス入口側と、燃焼排ガス出口側とを連通する燃焼排ガスバイパス流路に設けられ、前記過給機からの排ガスのバイパス量を調整する調節弁と、
前記加圧流動焼却炉に前記コンプレッサから供給される燃焼空気の量を測定した結果である燃焼空気量測定値と、予め設定された流量設定値との偏差に基づいて、前記調節弁の開閉の程度を示す調節弁開度を算出し、算出した当該調節弁開度に応じて前記燃焼空気量測定値と前記流量設定値との偏差が予め設定された範囲内に入るように前記調節弁の開閉を制御する調節弁制御部と、
前記コンプレッサの空気入口側に前記送風機と並列に設けられる空気吸入弁と、
前記空気吸入弁の吐出側の圧力を測定した結果である過給機入口空気圧力と、予め設定される過給機入口空気圧力設定値との偏差に基づいて、前記空気吸入弁の開閉の程度を示す吸入弁開度を算出し、算出した当該吸入弁開度に応じて前記過給機入口空気圧力と前記過給機入口空気圧力設定値との偏差が予め設定された範囲内に入るように前記空気吸入弁の開閉を制御する吸入弁制御部と、
を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の加圧流動焼却炉設備。 - 前記バイパス流路と前記コンプレッサの空気入口側との間に設けられる配管は、前記過給機空気バイパス弁と前記配管との間を接続する第1配管と、前記コンプレッサの空気入口側と前記配管との間を接続する第2配管と、前記配管と前記空気吸入弁、及び前記送風機が接続される部分との間を接続する第3配管とのいずれの配管よりも大口径の配管である、
ことを特徴とする請求項2に記載の加圧流動焼却炉設備。 - 加圧流動焼却炉と、当該加圧流動焼却炉から排出される燃焼排ガスにより回動されるタービンと、前記タービンの回動に伴って回動されるコンプレッサと、を有する過給機と、
前記コンプレッサの空気入口側に設けられ、前記加圧流動焼却炉の燃焼開始時に、燃焼空気を前記加圧流動焼却炉に供給する送風機と、前記コンプレッサの空気入口側と前記コンプレッサの空気出口側との間に設けられるバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路のバイパス量の程度を示すバイパス制御量により開閉状態が制御される過給機空気バイパス弁と、前記バイパス制御量を算出し、前記過給機空気バイパス弁を制御するバイパス量制御部と、前記コンプレッサの空気入口側の圧力である過給機入口空気圧力を計測する第1圧力計と、前記コンプレッサの空気出口側の圧力である過給機出口空気圧力を計測する第2圧力計と、を備えた加圧流動焼却炉設備の制御方法であって、
前記バイパス量制御部が、過給機入口空気圧力が過給機出口空気圧力よりも大きい場合、過給機出口空気圧力設定値を前記過給機入口空気圧力とし、前記過給機出口空気圧力設定値と前記過給機出口空気圧力との偏差が予め設定された第1の範囲内に入るように、前記バイパス流路のバイパス量の程度を示すバイパス制御量を算出し、算出した当該バイパス制御量に応じて前記過給機空気バイパス弁を制御する第1の制御工程と、
前記バイパス量制御部が、過給機入口空気圧力が過給機出口空気圧力よりも小さい場合、予め過給機出口空気圧力に対して上限値として設定される値を前記過給機出口空気圧力設定値とし、前記過給機出口空気圧力設定値と前記過給機出口空気圧力との偏差が予め設定された第2の範囲内に入るように、前記バイパス流路のバイパス量の程度を示すバイパス制御量を算出し、算出した当該バイパス制御量に応じて前記過給機空気バイパス弁を制御する第2の制御工程と、
を有することを特徴とする加圧流動焼却炉設備の制御方法。 - 前記バイパス量制御部が、前記過給機の回転数が予め設定されている設定回転数より大きくなったとき、前記第1の制御工程を開始する、
ことを特徴とする請求項4に記載の加圧流動焼却炉設備の制御方法。 - 前記バイパス量制御部が、前記第1の制御工程が終了し、前記過給機空気バイパス弁が全閉状態になったあと、前記第2の制御工程を開始する、
ことを特徴とする請求項4または請求項5いずれかに記載の加圧流動焼却炉設備の制御方法。 - 加圧流動焼却炉と、当該加圧流動焼却炉から排出される燃焼排ガスにより回動されるタービンと、前記タービンの回動に伴って回動されるコンプレッサと、を有する過給機と、前記コンプレッサの空気入口側に設けられ、前記加圧流動焼却炉の燃焼開始時に、燃焼空気を前記加圧流動焼却炉に供給する送風機と、前記コンプレッサの空気入口側と空気出口側とを連通するバイパス流路と、を備えた加圧流動焼却炉設備の制御方法であって、
調節弁制御部が、前記加圧流動焼却炉に前記コンプレッサから供給される燃焼空気の量を測定した結果である燃焼空気量測定値と、予め設定された流量設定値との偏差に基づいて、前記タービンの燃焼排ガス入口側と、燃焼排ガス出口側とを連通する燃焼排ガスバイパス流路に設けられ、前記過給機からの排ガスのバイパス量を調整する調節弁の開閉の程度を示す調節弁開度を算出し、算出した当該調節弁開度に応じて前記燃焼空気量測定値と前記流量設定値との偏差が予め設定された範囲内に入るように前記調節弁の開閉を制御する調節弁制御工程と、
吸入弁制御部が、前記コンプレッサの空気入口側に前記送風機と並列に設けられる空気吸入弁の吐出側の圧力を測定した結果である過給機入口空気圧力と、予め設定される過給機入口空気圧力設定値との偏差に基づいて、前記空気吸入弁の開閉の程度を示す吸入弁開度を算出し、算出した当該吸入弁開度に応じて前記過給機入口空気圧力と前記過給機入口空気圧力設定値との偏差が予め設定された範囲内に入るように前記空気吸入弁の開閉を制御する吸入弁制御工程と、
バイパス量制御部が、前記空気出口側の圧力を測定した結果である過給機出口空気圧力と、予め設定される過給機出口空気圧力設定値との偏差に基づいて、前記バイパス流路のバイパス量の程度を示すバイパス制御量を算出し、算出した当該バイパス制御量に応じて前記過給機出口空気圧力と前記過給機出口空気圧力設定値との偏差が予め設定された範囲内に入るように前記バイパス量を制御するバイパス量制御工程と、
を有することを特徴とする加圧流動焼却炉設備の制御方法。 - 前記バイパス量制御工程は、前記バイパス流路が全開状態にあるとき、前記過給機出口空気圧力を前記過給機入口空気圧力に近づける前記バイパス制御量を算出し、前記バイパス流路を全閉状態にする、
ことを特徴とする請求項7に記載の加圧流動焼却炉設備の制御方法。 - 前記バイパス量制御工程は、前記バイパス流路が全閉状態にあるとき、前記過給機出口空気圧力が、予め前記過給機出口空気圧力について設定された設定上限値に近づくと、前記過給機出口空気圧力が前記設定上限値を超えないように前記バイパス制御量を算出する、
ことを特徴とする請求項7または請求項8いずれかに記載の加圧流動焼却炉設備の制御方法。
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