JPH09505660A - 燃焼工程を制御する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 煙道ガス中のNO_x含有量を感知し、そしてそれに基づいて望ましいNO_x含有量を得るためパラメータを制御することにより燃焼に影響を与えることからなる燃焼プラントにおいて燃焼工程を制御する方法。ここでは前記少なくとも１つの燃焼工程パラメータ、好ましくは煙道ガス中のO₂の過剰及び／又は供給される化学物質例えば尿素の流速に干渉を起こさせ、そしてパラメータの連続する値を与えるシグナルを発生させ、そしてこれを低域濾波し；煙道ガスのNO_x含有量及びO₂含有量を変換器によりNO_x含有量シグナル及びO₂含有量シグナルを発生するように測定し；NO_x及びO₂含有量測定を得られたシグナルが少なくとも互いにすぐ近傍にある煙道ガス測定点に帰せられるように実行し、得られたNO_x及びO₂含有量シグナルを低域濾波し、そして時間的に連続してNO_x及びO₂含有量値を得るためこれらの低域濾波したシグナルを試料採取し；得られたO₂含有量値を使用して０−％−O₂−補正されたNO_x補正含有量値を計算し、次いで対応するNO_x含有量値に時間的に関連するO₂含有量値を使用し；NO_x含有量値及び前記連続するパラメータ値を高域濾波し；高域濾波した値に基づいてNO_x化合物と前記パラメータとの間の関係を計算し、そして前記関係に基づいてパラメータを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】 燃焼工程を制御する方法技術分野 本発明は燃焼プラント、例えば複合電力熱源プラントにおける燃焼工程を制御 する方法に関し、この方法においては、燃焼で発生する煙道ガスのNO_x含有量を 感知し、そしてそれに基づいてNO_x含有量を望まれる水準に維持するために少な くとも一つのパラメータを制御することにより燃焼に影響を与えるものである。技術的背景 燃焼プラント（以後「炉」と称する）から出る煙道ガスのNO_x含有量は多くの 要因による影響を受ける。これらの中では、燃料の化学、炉の温度、煙道ガス中 の酸素過剰などが挙げられる。酸素過剰及び炉の温度は炉の作動状態に影響を与 えることにより制御することができるパラメータの例である。しかしながら、実 際の場合において、NO_x排出を所望のように減らすために作動状態の変更をどの ように行うべきかを知るのは困難である。煙道ガスの酸素含量とNO_x含有量との 間の関連を計算する試験がなされた。次いで酸素過剰O₂を制御された条件下で変 化させ、O₂及びNO_xの測定値をグラフで表す。計算された回帰直線を使用するこ とにより、その後はO₂のある減少によって得られるNO_xの減少を推定することが 可能である。容易に理解できることであるが、これには長い、十分に制御された 実験が必要であり、その場合NO_x含有量に影響しうるすべての他のパラメータは 良好な結果を得るために一定に維持しなければならない。発明の目的 本発明の一つの目的は序文で述べた型の方法を提供することであ り、この方法によれば燃焼過程のパラメータとNO_xとの関係を、炉の作動状態を 変えることなく、そしてその他のいずれの燃焼工程パラメータに対してもなんら 感知しうるほどの影響を与えることなく、迅速且つ高い精度で求めることができ る。 別の目的はリアルタイムで有用であり、従ってオンライン制御の可能性を与え る、換言すれば炉の制御系に組み入れることができる方法を提供することである 。発明の要約 本発明によれば、上述の目的は添付の請求の範囲に述べられた特徴を有する方 法により達成される。 この方法は関心のあるパラメータに干渉を生じさせ、パラメータの連続する値 を含むシグナルを発生させ、そしてNO_x含有量シグナル及びO₂含有量シグナルを 発生するように、変化する煙道ガスのNO_x及びO₂含有量を変換器で測定すること からなる。パラメータが煙道ガス中の酸素過剰の場合は、O₂含有量シグナルもパ ラメータシグナルである。パラメータが炉に供給される化合物例えば尿素の流速 である場合、この流速はパラメータシグナルを提供するために感知される。 得られたNO_x及びO₂含有量シグナル(そして利用可能な場合、別のパラメータも 使用する)は低域濾波され(low-pass-filtered)、そして適宜Ａ−Ｄ変換に関連し て、連続した時間でNO_x及びO₂含有量の値を得るために試料採取される(そして利 用可能な場合、別のパラメータも使用される)。 高い精度に到達するため、NO_x含有量値は、一方で関連するO₂含有量値を使用 しながら、０−％−O₂−補正されたNO_x補正含有量値 を得るように変換される。この場合、含まれる値はいずれにしてもこの過程で実 質的に同時に起こる事象に関連していることが極めて重要である。従って、時間 的に正確な関係を確実にするため、前述のNO_x及びO₂含有量測定はいずれにして も互いにすぐ近くに位置する煙道ガス測定点に属それるように実行され、測定点 と変換器との間の輸送時間及び変換器の時間定数も、補正計算に関連して適当な NO_x及びO₂含有量値を一緒に結合させる場合考慮される。しかしながら、NO_xとO₂ 含有量値の間にプロンプトの関係が確実にないようにしなければならない。 傾向、過渡現象の存在を除くため、得られるNO_x補正含有量値、並びに連続す るパラメータ値（従って、パラメータが煙道ガス中の酸素過剰の場合、試料採取 したO₂含有量値であり、そしてパラメータが化学物質流速の場合、試料採取した 流速値である）も高域濾波され、その上でNO_x補正と問題のパラメータとの間の 関係を計算することができる。これは再帰的プロセス同定を使用して行われ、こ の場合関係の導関数はステップ応答検査により求めることができる。これはオン ラインそしてリアルタイムで実行できるから、迅速に工程の変化を見つけ出し、 そしてそれに基づいて、炉の制御系に組み込むことにより同じく自動的に制御す ることが可能になる。 再帰的プロセス同定の使用は関係計算の間相互に関連することができる、それ ぞれパラメータ値及びNO_x値の時間的に絶対のプロセス同時発生の必要がないこ とが見出された。このことはもちろんパラメータが、O₂及びNO_xが感知される以 外の点で感知される化学物質流速である場合、明らかな利点である。 しかしながら、パラメータが煙道ガス中の酸素過剰O₂である場合、 時間補正は、それが必要な場合、NO_x補正含有量値に関連するそれぞれのO₂含有 量値が少なくとも時間的に後者の後に続かないように実行しなければならない。 換言すればO₂がNO_xを制御するように認められ、そして他の経路を回らないよう に確実にしなければならない。 本発明により好ましく使用される制御された干渉はPRBS（疑似ランダム２進数 列）型のそれである。これは関係計算に使用する値のより高頻度の成分を与える ことが判明したが、このことは関係の同定をより短時間にそしてより高い精度で 実行できることを意味する。従って、関係計算に使用するアルゴリズムはより少 ないデータを計算に必要とする。計算の結果はより迅速に受け取られ、そして工 程の突然の変化をより短い時間遅れで発見し、そして注意を払うことができる。 再帰的プロセス同定は多数の連続する重要さを持つ値を使用し、最後に受け取 る値に最高の重要さが付与される。適切には試料の間の時間間隔は１秒または数 秒のオーダーであり、そしてプロセス同定のアルゴリズム制御モデル計算はほん の数個の新しい試料の後、好ましくは各々の新しい試料の後で更新することがで きる。これは極めて短い時間間隔、例えば数十秒のオーダーで関係の導関数を求 める可能性を与えると理解され、従って、ほとんど連続的に工程を追跡すること ができる。 本発明の方法の有利な実施態様によれば、関心のあるパラメータが化学物質の 流速である場合、そして流速とNO_xとの間の計算された関係及び化学物質の費用 並びにNO_x環境管理責任で表される費用を考慮しながら、化学物質流速を全費用 を最小にする流速に向けて 迅速且つ効果的に制御することが可能である。 実際に、本発明は煙道ガスのNO_x含量に影響を与えるためパラメータ変化を導 入するため極めて貴重な予測を可能にする高度に正確な測定結果が得られ、しか もこれが残りの工程を妨害しないことが判明した。 本発明はその例示的な実施態様を、添付の図面を参照しながら、以下により詳 細に説明する。図面の簡単な説明 図１は流動床を持つ炉からなる燃焼系が本発明の実施態様を組み入れるために どのように改造されたかを概要的に示す線図であり； 図２は図１の実施態様に関連するシグナル処理を概要的に例示する線図であり ； 図３は使用するプロセス同定を例示する線図であり；そして 図４はNO_xを減らすために尿素を注入する場合、費用を最小にするために本発 明の別の実施態様の使用を例示するグラフである。実施態様の説明 図１は本発明の実施態様を組み入れるように改造した燃焼プラントを略図で示 しており、これは主空気流７から一次空気３及び二次空気５を供給される循環流 動床をもつ炉１からなる。煙道ガスは煙突11を経て放出される前に電気フィルタ ９を通過する。電気フィルタ９の前にはO₂メータが配備され、燃焼O₂の値を示す 。これは後により詳しく説明する炉制御工程において使用される。 ２つの煙道ガス変換器13、15が共通の吸引配管17を経て煙突に接続されている 。変換器13は煙道ガス中の酸素過剰O₂M(環境O₂)に対応するシグナルを発信し、 変換器15は煙道ガス中のNO_x含有量に対 応するシグナルを発信する。変換器シグナルは同時試料採取の間、ブロック19で 低域濾波及びＡ／Ｄ変換され、その対応する出力シグナルはさらに処理するため コンピュータ21に供給されるが、この処理については後により詳しく説明する。 変換器シグナルは吸引配管17を通過する輸送時間及びそれぞれの変換器に固有 の力学による時間の遅れがあり、これは時間定数として表すことができる。本実 施例においては、この時間定数は０水準からある特定の水準、例えば最終水準の 約63％まで変化する出力シグナルとみなされる時間として選択された。 本発明の実施態様により改造された図１に示す炉は、炉への空気がプラントの 蒸気圧制御装置によりその望ましい値に決定されるように設計された制御系を備 える。低い蒸気圧は炉へのより高い主空気流速を要求する。次いで一次及び二次 空気の間の空気の分配は制御系に導入される比率に従って行われる。 測定された燃焼O₂含有量は、次いで炉への燃料供給に影響を及ぼす望ましい値 として使用される。 空気制御系にはPRBS干渉機能が補充されている。二次空気流速の望ましい値は 干渉シグナルにより容易に影響を受ける。新しい望ましい値は古い望ましい値^* （１＋ｋ^*PRBS）に等しくなる。PRBSは０又は高いのいずれかであるから、この 新しく望ましい値は、PRBSシグナルがそのように決められると二次空気流速に一 時的な増加を引き起こすことを意味する。 ここで制御系が望ましい二次空気流速増加と反作用しないように、主空気流制 御装置が同時に作動するのが好ましい。このモードを干渉モード１と称する。 ここで干渉シグナルは主空気流制御に対しても、主空気流制御装置の実際の値 をほぼ二次空気流により取り出される空気の量だけ減少させるように影響を与え る。一次空気流の人為的な実際の値の突然の減少は主空気流制御装置にその効果 を増加させるように働く。このようにして、一次空気流は干渉によって実際に影 響されることがなく、一方二次空気流は変化するようになる。 第二のモードである干渉モード０は干渉モード１と同一物を意味するが、しか しながら主空気流が干渉により影響されない点が異なる。これは二次空気流の一 次空気流に対する比率が干渉により変化することを意味する。 この計画に使用される干渉はPRBS型のものである。これは見かけ上無作為に２ 水準の間で変化する標準型の干渉シグナルである。このシグナルは広範囲の周波 数成分を含有することにより適当な統計学的性質を持つ。 最高の周波数成分はそれが工程に影響を与える時間を持ちうるように調節され る。この出願においては、分のオーダー、特に60秒の最小周期時間が適当である ことが判明した。その上、この最速の周期よりゆっくりした一組の周波数成分が ある。このシグナルの周波数スペクトルは遮断周波数までの比較的一定の高さを 持つ線スペクトルである。 その上、PRBSシグナルは時間の延長された期間に亘って考えられる等しく長時 間の間高くそして低くなる性質を持つ。 PRBSシグナルは適当な間隔で電流シグナルとしてプラントの構成可能な制御系 に容易に導入することができる。 制御された干渉を使用する思想はO₂においてより高い周波数成分 を与えるものであり、従って、NO_xにおいても同様である。これはそれらの間の 関係の同定をより短時間でそして高精度で行うことを可能にする。 使用するPRBS干渉による技術はその他の点で炉の作動に影響を与えないことが 判明した。干渉は一日の長時間にわたって、もちろん夜間そしてプラントが無人 で稼働している間も接続しておいてよい。 変換器13及び15から得られるO₂M及びNO_xシグナルに基づいて実行される好まし いシグナル処理を図２及び３に示す。 シグナルは第一段階としてハードウエアにより濾波される。この型のフィルタ はLPフィルタである。その後シグナルは系のＡ／Ｄ変換器により試料採取される 。試料採取は１Hzで実行しそして0.4Hzの遮断周波数で低域濾波する。 かくして受け取ったシグナルNO_x及びO₂Ｍはそれぞれ含有量をppm及び％で表す 。希釈の影響を排除するため、補正をNO_xからNO_x補正について行い、そして測定 したシグナルの間の時間差を考慮しなければならない。かくして、すべてのNO_x 試料は既知の関係式； NO_x補正(ｔ)＝NO_x(ｔ)／（１−O₂M(t-dt)／21) （式中、 ｔ＝１，２，３...（時間、秒） dt＝時間補正） により酸素０％における対応する値に変換される。 補正はO₂M及びNO_x補正の間にプロンプトの関係がないように実行しなければな らない。さらにO₂Mの前にNO_x補正における時間になんらかの変化があってはなら ない。 補正は例えば次のように実行することができる。 NO_x及びO₂Mを１秒試料として、ファイルのそれぞれのベクトル中に保存すると 仮定する。これらの数字は変換器の力学を含む。O₂Mの時間遅れ（輸送時間＋時 間定数）＝DTO₂がDTNO_x（NO_xに対する対応する仮定）より、例えば３秒短いと仮 定した場合、NO_x補正の計算には次の規則を採用しなければならない。 変換器の特性のため、O₂Mが時間的にNO_x補正に先行する場合、ベクトルO₂M（ ｔ）及びNO_x補正（ｔ）はそれぞれ入力シグナル及び出力シグナルとして、ステ ップ検査により計算される伝送関数（関係）及び導関数dNO_x補正／dO₂Mのその後 の計算に直接使用することができる。 もしNO_x変換器が最速である場合、すなわちDTNO_xが、例えばDTO₂より２秒短い 場合、この順序は時間に関して逆転する。そして、そ の結果は代わりに ＮＯx補正(ｔ)＝ＮＯ_x(ｔ)／(１−Ｏ₂Ｍ(ｔ＋２)／21) （式中、ｔ＝３，４，５…）である。 この場合、さらなる時間補正はNO_x補正が時間に関して補正されるようにその 後の計算の前に行わなければならない。次いで入力シグナルはO_2M（ｔ）に、そ して出力シグナルはNO_x補正（ｔ＋２）になる。これらの新しいベクトルを使用 して、同定及びステップ検査は上述のように的確に実行することができる。 もし変換器が正確に等しく速い場合、少なくとも１段階だけの時間遅れは、NO_x 補正とO₂Mの間にプロンプトの関係が存在しないようにすべてに同じく果たされ なければならない。従って、 NO_x補正(ｔ)＝NO_x(ｔ)／(１−O₂M(ｔ＋１)／21) である。 この場合、さらなる時間補正はその後の関係の計算の前に必要としない。 このようにして得られるシグナルはここで傾向及び過渡現象の存在を除くため HP−濾波しなければならない。シグナルの傾向又は低周波数特性は実際に計算に 有害に影響する。同じことは過渡現象が起こった場合にも言える。これらはその 後の同定に重要な情報をなんら含まない。 このように処理したシグナルは主としてほぼ平均値で動く振動数を持つ。この シグナルは再帰的同定に使用することができる。 計算においては、忘却因子が考慮される。これは最後に試料採取した値は計算 にとって最大の重要さを持ち、一方以前に採取した試料の重要さの程度は減少す る。タイムウィンドー(time window)に 移した場合、忘却因子は多数試料、例えば2000試料が計算の基礎を形成すること を意味する。このようにして得られるモデルは各々の新しい試料毎に更新される 。好ましいケースにおいては、これは毎秒を意味する。 煙道ガス中の酸素含有量とNO_xの間の関係を計算するために使用する好ましい 方法はプロセス同定に依存する。この方法は図３を参照してもっとも都合よく説 明される。プロセスは入力シグナル及び出力シグナルを含むブラックボックスと みなされる。シグナルはコンピュータによって試料採取され、そこで一般的モデ ルのプログラムが作成される。モデルの出力シグナルはプロセスの出力シグナル と比較される。差異が０の場合、モデルとプロセスとは互いに一致する。偏差が あれば直ちにモデルパラメータが補正される結果となる。プロセス及びモデルが 同じ入カシグナルを持つことに留意すべきである。 このようにして得られるモデルはその後プロセスの力学を求めるために使用す ることができる。ステップ応答検査を適当な時間間隔で実行することができ、そ して導関数はこのようにして算出することができる。これらはすべて工程を妨害 することなく行われる。 プロセス同定のもっとも重要な利点は連続的方法で実行できることがである。 このことはO₂及びNO_xの間の関連をオンラインそしてリアルタイムで再帰的方法 により計算されることを意味する。燃料の化学における変化及び／又は燃焼技術 に関連するその他の変化の結果として起こる変化はかくして直接検出することが でき、そして適当な測定値を、例えばNO_xを規定した範囲内に維持するため、順 に採取することができる。 例えば、制御系のO₂制御装置に対してO₂M及びNO_x補正の間の関係の導関数に基 づいて、煙道ガスの優勢なNO_x含量を望ましい方向に制御された仕方で変化させ るように影響を与えることができる。 プロセス同定に使用される好ましいモデル構造はARXと称する。解析作業は商 業的に入手できるソフトウエアMATLABを使用して実行することができる。 プロセス同定のより特定の情報はLennart Ljung，System Identification Too lbox for Use with Mathlab，Users Guide April 6，1988，the Math-Works，In cに記述されている。 図４は本発明がいかに、排出される煙道ガスのNO_x含量を減少させるために化 学物質特に尿素の注入に関連して最適化する目的に有利に使用することができる かを例証している。この条件は尿素の注入がNO_x含量を減らし、それによりNO_xに ついての環境管理責任Ａを減らすことができること、そしてもちろん、尿素注入 の費用Ｂが同時に尿素流速Ｕの増加と共に増加することである。Ａ＋Ｂの全費用 はある最適の尿素流速Ｕ_OPTの最小対応であり、従ってこの値を求めそしてそれ に向けて調整しうることが望ましい。これにはNO_xと尿素流速Ｕとの間の関係の 知識を必要とする。この関係は本発明により、特に図１〜３を参照して説明した 方法により、低域濾波しそして試料採取した尿素流速値で、但し高域濾波後O₂M 値を関係計算自体の中で置き換えて計算することができる。もちろん、PRBS干渉 も尿素流速に関連させなければならず、そして空気流速に関連させてはならない 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｆ２３Ｃ 11/02 ３０５ 0360−3Ｈ Ｇ０５Ｂ 13/02 Ｄ ３１１ 7456−3Ｋ Ｆ２３Ｊ 15/00 ＺＡＢＡ Ｆ２３Ｊ 15/00 ＺＡＢ 9538−4Ｄ Ｂ０１Ｄ 53/34 １２９Ｅ Ｇ０５Ｂ 13/02 9538−4Ｄ 53/36 ＺＡＢＡ // Ｂ０１Ｄ 53/86 ＺＡＢ 9538−4Ｄ １０１Ｂ 53/94 【要約の続き】 高域濾波した値に基づいてNO_x化合物と前記パラメータ との間の関係を計算し、そして前記関係に基づいてパラ メータを制御する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃焼プラント、例えば電力及び熱源複合プラントにおける燃焼工程を制御す る方法において、燃焼で発生する煙道ガスのNO_x含有量を感知し、そしてそれに 基づいてNO_x含有量を望ましい水準に維持するため少なくとも一つのパラメータ を制御することにより燃焼に影響を与える前記方法において、 a) 前記少なくとも１つの燃焼工程パラメータ、好ましくは煙道ガス中のO₂ の過剰及び／又は燃焼室に供給される化学物質例えば尿素の流速に干渉を起こさ せ、そして燃焼工程パラメータの連続する値を表すシグナルを発生させ、 b) 煙道ガス中のNO_x含有量及びO₂含有量を変換器によりNO_x含有量シグナル 及びO₂含有量シグナルを発生するように測定し、 c) NO_x及びO₂含有量測定を、得られるシグナルが少なくとも互いにすぐ近 傍にある煙道ガス測定点に属されるように実行し、 d) 得られたNO_x及びO₂含有量シグナルを低域濾波し、 e) 時間的に連続してNO_x及びO₂含有量値を得るため、低域濾波したNO_x及び O₂含有量シグナルを試料採取し、 f) 得られたO₂含有量値に基づいて、０−％−O₂−補正されたNO_x化合物含 有量値を計算し、 g) 補正計算のため、対応するNO_x含有量値に時間的に関連するO₂含有量値 を使用し、 h) 得られたNO_x含有量値及び前記連続するパラメータ値を傾向、過渡現象 などの存在を除くため、好ましくはコンピュータでソフトウエアを使用して高域 濾波し、 i) 高域濾波した値に基づいてNO_x補正と前記パラメータとの 間の関係を計算し、そして前記関係に基づいてパラメータを制御する 段階を特徴とする前記方法。 ２．NO_x補正と前記パラメータとの間の関係が再帰的プロセス同定によりオンラ インで計算され、ここで関係の導関数がステップ応答検査により求められること を特徴とする請求項１記載の方法。 ３．多数の連続する値を再帰的プロセス同定に使用し、最後に得られた値に最高 の重要さを与え、一方前に得られた値にそれらが古いほどますます低い重要さを 与えることを特徴とする請求項２記載の方法。 ４．プロセス同定のモデル計算はほんの数個の新しい試料の後、好ましくは各々 の新しい試料の後に更新されることを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。 ５．試料の間の時間間隔が秒のオーダーであることを特徴とする請求項２〜４の いずれか一項記載の方法。 ６．低域濾波したシグナルの試料採取をＡ−Ｄ変換により行うことを特徴とする 先行する請求項のいずれか一項記載の方法。 ７．干渉がいわゆるPRBS干渉用シグナルにより引き起こされることを特徴とする 先行する請求項のいずれか一項記載の方法。 ８．段階g)における時間的な関連は測定点と変換器との間の時間遅れ、並びに変 換器の時間定数からなることを特徴とする先行する請求項のいずれか一項記載の 方法。 ９．制御されたパラメータが煙道ガス中のO₂含有量である先行する請求項のいず れか一項記載の方法において、前記連続するパラメータ値がNO_x補正含有量値に 時間的に関連するO₂含有量値である 前記方法。 10．燃焼工程が流動床、好ましくは循環する流動床で行われ、前記流動床に空気 が一次空気及び二次空気流の形体で供給される請求項９記載の方法において、燃 焼工程の干渉が二次空気流速の参照値に影響を与え、一方同時に主空気流制御に 影響を与え、その結果一次空気流速は少なくとも実質的に影響されないことによ り与えられることを特徴とする前記方法。 11．燃焼工程パラメータが化学物質特に尿素の流速である請求項１〜９のいずれ か一項記載の方法において、化学物質流速がNO_x補正と試料採取した化学物質流 速との間の計算された関係、化学物質の費用及びNO_x環境管理責任で表される費 用に基づいて、全費用を最小にする流速に向けて制御されることを特徴とする前 記方法。