JPS6149904A - 蒸気発生器の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は蒸気発生器の制御方法に係沙、さらに詳しくは
量論混合比で燃焼へ導かれる酸化剤と燃料の物質流を調
整するだめの蒸気発生器の制御方法に関するものである
。

〔従来技術〕

現代の発電施設では、世論混合比での酸化剤と燃料の反
応に関して燃焼工程を最適にして、生じる排ガスの有害
物質をできるだけなくす二うにする必要がどんどん高ま
っている。このことは新しい種類の発電所妥素、いわゆ
る水素／酸素蒸気発生設備の場合に顕著であって、この
設備は特に迅速な熱出力貯蔵として大型の発電所に適し
ておｐ、特に最大需要電力を賄うのに使用される。この
設備においては水素ガスと酸素ガスが“燃焼”して水に
なり、熱いガス流中にさらに水が導入されるので、発電
所用の大型蒸気発生器に和尚する過熱蒸気が生じる。こ
の槌の設備では最適な燃焼が求められるだけでなく、過
熱蒸気中に酸素あるいは水素の残留ガス成分が生じると
大きな危険があるため、この残留ガス成分に関する安全
上の要請も守らなければならないので、生成される蒸気
中の許容限界値は水素で０１０１％、酸素で０．０３％
である。

これまで、燃焼へ導かれる物質流を上記のように正確に
調整することのできる方法は知られていない。

〔目的〕

しだがって本発明の課題は、大体において量論混合比に
ある物質流を制御することを可能にする、冒頭に述べた
種類の制御方法を提供することでちる。

この課題は、冒頭に述べた梱類の制御方法において本発
明によれば、供給される物質流を測定し、これと理論的
に予め与えられている量論混合比とを比較することによ
って、制御のための制御量を求めること、燃焼後に連続
的にゾンデを用いて燃焼ガスの分析を行うことによって
この測定時のエラーを測定すること、このエラーを制御
量の補正に用いること、及びエラーの動的変化の時定数
より小さい時定数を用いて補正を行うこと、によって解
決される。

この方法の利点は、まず制御を行うための制御量が燃焼
へ導かれる物質流を直接測定することによって求められ
るので、直接制御することにより制御に伴うむだな時間
が大きくならず、非常に迅速に制御量の大体の予測がで
き、物質流の比がほぼ量論比と等しくなるということで
ちる。しかしながらこの種の直接測定には原則的にエラ
ーが伴うものであり、このエラーは大体において酸化剤
と燃料の熱力学的状態量の変化によって生じるもので、
同時に力学的変動の基礎になるものである。

°　本発明による制御方法の他の利点は、このエラーを
ゾンデを用いて燃焼ガスを後から分析することによって
捕捉し、エラーの動的変動の時定数よシも小さい時間間
隔内で制御量の補正が行われることである。それによっ
て本発明になる制御方法は制御量の大体の予測で生じる
システム上のエラーを十分に迅速に補正することができ
、その結果物質流をほぼ量論混合比に制御することがで
きる。

さらに、提案されている制御方法は、エラーを連続的に
測定するので、たとえば蒸気発生器の始動のような過渡
駆動状態も、要求される精度で制御することを可能とす
る。

以上説明した本発明になる制御方法では、供給される物
質流の測定を気体モードで行うのか、あるいは液体モー
ドで行うのか、ということは規定されていない。しかし
ちる実施例では、供給される物質流の測定を気体モード
で行うこととしている。供給される物質流の測定を差圧
方法を用いて行う場合には、直接測定により制御量の非
常に正確な予測が可能であるので、次に行う補正はごく
わずかな範囲でしか必要とされない。差圧方法は、特に
高い絶対圧力の下で生じる気体の場合に他の測定方法よ
りも優れており、個々の要素を入念に選択しかつ計画す
れば、大体１％のエラーで行うことができる。

燃焼ガスの分析に用いるゾンデには調査すべき燃焼ガス
の状態量に関して一般に所定の要請が伴うものであり、
すなわちこのガスの正確な分析は所定の温度と所定の圧
力の場合にのみ可能となる。

この理由から、ゾンデを用いて分析するだめの燃焼力ス
を蒸気発生器内のゾンデを用いての分析に適した状態量
を有する箇所で採取すれば有利であり、この場合に手ネ
ルギ供給を伴わないこの状態量は、一般のガス式によっ
て予め与えられた比の枠内で、すなわち拡大によって、
変更することができる。このことによって、調査すべき
燃焼ガスの高価な処理、すなわち通常はゾンデを用いて
エラーの測定を行う場合に時定数に悪影響を与える加熱
あるいは冷却などによる処理を、ゾンデを用いての分析
の前に行わなくて済むという利点が得られる。

燃焼ガスは、蒸気発生器内では、ゾンデには高すぎる圧
力をかけられていることが多い。ゾンデに達する前に燃
焼ガスをゾンデに適した圧力まで減圧すれば簡単かつ良
好にゾンデに適合させることが可能である。このような
場合には、蒸気発生器内で燃焼ガスがゾンデに適してい
るよりも本質的に高い圧力と高い温度を有する箇所で燃
焼ガスを取り出すが、減圧によって同時に圧力と温度が
減少するので、画状態量はゾンデの要請に等しくなる。

したがって上述の、蒸気発生器内の燃焼ガスを取り出す
位置は、圧力が減少するときに生じる冷却を差し引いて
、温度がゾンデの駆動温度と等しくなるように選択しな
ければならない。

ゾンデ内の燃焼ガスを分析する場合には、別の分析方法
を用いることができる。たとえば質量分析、ガスクロマ
トグラフィー、光学的方法及び熱伝導率なども使用する
ことができる。これら全ての方法の場合に、方法に伴う
障害を避けるために、装置特有の要請に合わせて測定気
体を処理する高価な作業が必要である。さらに、燃焼力
スの分析を行うだめの時定数は大体において分の領域内
に。

ある。上述の方法の欠点に関しては、固体電解質ゾンデ
を用いて燃焼ガスの分析を行うと、特に有利である。

固体電解質としては酸化ジルコニウム（ＺｒＯｚ）を用
いるものとする。この酸化ジルコニウムの利点は、応答
感度及び上述の可能性の速さに関してすぐれているから
である。酸化ジルコニウムは１／１０秒の領域内の時定
数による燃焼ガスの分析を可能とする。固体電解質ゾン
デの他の利点は、化学量論点の領域において、すなわち
余剰酸化剤と燃焼しなかった余剰燃料との間の遷移点で
特性曲線に強い変化が生じ、その結果単純な手段と極め
て高い精度で化学量論点を上回ったこと、あるいは下回
ったことが検出できることである。

長時間安定性を高めるために、基準ガスとしての環境空
気を用いてゾンデを作動させると効果的である。

〔実施例〕

次に、添付図面に示す本発明方法の実施例を用いて、本
発明方法の利点の他の特徴を説明する。

これはたとえば水素／酸素蒸気発生器に用いられている
。

第１図に示す水素（Ｈ２）と酸素（０２）を熱変換して
Ｈ２Ｏにするための本発明になる水素／酸素蒸気発生装
置のブロック図には、反応室１０が設けられており、こ
れは水素用の第１の供給装置１２と酸素用の第２の供給
装置１４と接続されている。

さらに反応室１０内には水用の第３の供給装置１６が連
通している。酸化剤としての酸素を用いて水素を燃焼さ
せて水にすること、及びそのときに生じる熱い燃焼ガス
に後から水を加えることによって過熱蒸気が発生し、こ
れは反応室１０からルート１８を通って逃げ、たとえば
発電所のタービンへ供給することができる。

第１の供給装置１２かも反応室１０中へ導入される水素
の物質流を差圧法を用いて求めるために、第１の供給装
置１２内には測定箇所２０が設けられている。

差圧法は供給パイプ中に挿入されるブラインドシステム
によって実行され、ブラインドシステムの前の絶対圧力
ＰＨ２、ブラインドシステムの前の絶対圧力とブライン
ドシステムの領域で求めた圧力との差圧ＤＰＨ２及び水
素ガスの絶対温度ＴＨ２の測定を行う。

第１の測定箇所２０から計算機システムへ伝達されるこ
の３つの値ＰＨ２＋　ＤＰＨ２及びＴＨ２から、第１の
プログラム２２を用いて、第１の供給装置１２から反応
室１０へ送られる水素の物質流ＭＨ２が決定される。

第２の測定箇所２４は第１の測定箇所２０と同様な方法
で差圧法を用いて、反応室１０へ供給される酸素のＰｏ
　２　ｔ　ＤＰＯ２及びＴＯ２を求め、計算機システム
の第２のプログラム２６がそこから物質流ＭＯ２を求め
る。

計算機システムの第３のプログラム２８は、物質流＆Ｉ
Ｈ２とＭｏ２及び、物質流０２／物質流Ｈ２＝７．９４
の量論比で酸素と水素が反応室１０へ導かれているとい
う予測に基づいて、第１の供給装置１２内と第２の供給
装置１４内に設けられたスライダ３０ないし３２を制御
するだめの制御量ＳＨ２とＳＯ２を決定する。

量論比にある水素と酸素の燃焼を後から分析するため、
すなわち過熱蒸気中に残留ガスとして水素があるのか酸
素があるのかを管理するために、反応室１０からの過熱
蒸気を少量分岐させるためのパイプ３４が設けられてい
る。このバイア３４は、圧力調整弁３６を介してゾンデ
３８へ通じており、このゾンデは含まれている余剰水素
あるいは酸素に関して過熱蒸気を分析するのに用いられ
る。バイア’３４を通して反応室１０から分岐される過
熱蒸気は５０バールよシ大きい圧力と５０００〜２００
０℃の範囲の温度を有するので、圧力調整弁３６が必要
である。しかしゾンデが完璧に作動するのは、流入する
ガスの圧力が約１バールで、温度が約８００℃の場合だ
けである。このような圧力の減少は、圧力調整弁３６内
で過熱蒸気を減圧することによって可能となシ、この場
合に過熱蒸気が膨張するときにシンｆ３８に最適な約８
００℃の駆動温度まで冷却されると効果的である。

分岐された過熱蒸気内に存在する余剰酸素あるいは水素
に応じて、ゾンデ３８が起電力と、その結果として測定
量Ｆを発生させ、この測定量Ｆ自体は第１の測定箇所２
０と第２の測定箇所２４における測定エラーと関係があ
シ、水素と酸素の量論比からの偏差を示すものである。

この測定量Ｆは、エラーモデルに基づいて設定されたア
ルゴリズムを介して第３のプログラム２８へ入シ、この
プログラム２８によって計算された制御量ＳＨ２とＳＯ
２を補正し、結果としてスライダ３０あるいは３２の位
置を補正する。

第２図に示すゾンデ３８には外側のパイプ状のケーシン
グ４２が設けられており、このケーシングの一端に過熱
蒸気を供給するためのノ４イフ３４が連通しており、こ
のパイプ３４０口部には同時に過熱蒸気流の圧力を調整
するための幅狭部４４が形成されている。パイプ状のケ
ーシング４２のこの口部と反対の側の壁面には過熱蒸気
を排出するだめの開口部５６が設けられている＠パイプ
状のケーシング４２の内部には、このケーシングに対し
て同軸状に第１のパイプ４６が配置されており、この第
１０ノ９イブの外径はノ七イブ状のケーシング４２の内
径よシも小さく、第１のパイプのバイア３４の口部方向
の端部は、酸化ジルコニウム製のセラミック板によって
閉鎖されている。このセラミック板４８によって、バイ
ア３４を介してケーシング４．２の内部に流入する過熱
蒸気がパイプ４６の内部から遮断される。

ケーシング４２中に流入する過熱蒸気の直接の放射から
セラミック板４８を保護するために、セラミック板とバ
イア３４の口部との間には、ケーシング４２に対して同
軸状に反跳板５０が設けられている。

セラミック板４８を場合によっては加熱することができ
るように、第１のパイプ４６の周囲には多数の発熱コイ
ル５２が設けられており、この発熱コイルによってパイ
ｆ４６の加熱及びそれに伴ってバイア４６に取シ付けら
れているセラミ、り板４８の間接的な加熱が可能となる
。

パイプ４６の内部には、このパイプに対して同軸状に配
置された第２のパイｆ５４が設けられておシ、この第２
のノセイプによってセラミック板４８の過熱蒸気と反対
の側に環境空気を吹き付けることか可能となる。

パイプ３４を通して供給され、幅狭部４４内で圧力を調
整され、ケーシング４２内で１バールの圧力に膨張され
た過熱蒸気流は、まず反跳板５０によってケーシング４
２の内側の壁面に沿って回り込み、反跳板５０の後方か
つセラミック板４８の前で渦を形成するので、セラミッ
ク板４８には當に過熱蒸気が流れて来る。次に過熱蒸気
は第１のパイｆ４６とケーシング４２の内壁の間の間隙
に沿って流れ、開口部５６を通してケーシングから逃げ
る。

膨張の後に過熱蒸気が約８００℃の温度を持つ場合には
、セラミック板４８は過熱蒸気によって最適な駆動温度
に保たれる。そうでない場合には、発熱コイル５２によ
ってセラミック板４８を駆動温度まで加熱する方法もあ
る。

第２のパイプ５４によって、セラミック板４８の過熱蒸
気と反対の側には、常に環境空気が吹き付けられ、この
環境空気は次に第２のパイプ５４と第１のパイプ４６の
内壁との間の間隙内で導かれる。

ｉ化ジルコニウム製のセラミック板４８は個有の固体電
解質を示すものであり、これは過熱蒸気の酸素／水素濃
度と環境空気の酸素濃度との差に関連して起電力（ＥＭ
Ｋ　）　、すなわち過熱蒸気が流れて来る側と環境空気
が流れて来る側の間に電圧を発生させる。

この電圧を取９出すために、セラミック板４８の両側に
は多孔性のプラチナシー）５８．６０が設けられている
。このプラチナシー）　５８．６０の各各は、ケーシン
グ４２から導き出されている２本の電線６２．６４と接
続されており、これらの電線は起電力を決定するために
、ケーシング４２の外部に配置された測定装置６６へ通
じている。

第３図には、ミリケルト単位の起電力（ＥＭＫ　）と水
素（Ｈ２）あるいは酸素（０□）のそれぞれの余剰濃度
（Ｃ）との関係が示されており、これは前述ノ酸化ジル
コニウム製のセラミック板４８を備えたゾンデを用いて
過熱蒸気に関して測定したものである。この種の較正曲
線は、混合気体内で酸素の他に生じる要素にも関係する
。それぞれの余剰濃度（Ｃ）に関するＥＭＫの対数の記
載から、余剰酸素濃度（Ｃ）が少なくなるとＥＭＫはわ
ずかな傾斜で増加するが、酸素濃度がゼロで余剰水素濃
度が増加すると、ＥＭＫは非常に鋭く上昇することがわ
かる。異なる傾斜を有するこの２本の直線の交点が正確
に量論点、すなわち余剰酸素濃度も余剰水素濃度もゼロ
に等しく、過熱蒸気には純粋な水蒸気が含まれる点であ
る。余剰酸素濃度から余剰水素濃度へ量論点を越えると
きのＥＭＫの急激な変化は、測定箇所２０．２４のとこ
ろで物質流の比を測定するときのエラーを決定するのに
利用され、簡単な方法で反応室内の燃焼工程を量論の領
域内に保つことを可能とする。

第３のプログラム２８内で処理を行うため、測定装置６
６を用いて求めたＥＭＫは通常の方法でデジタル化され
、その後制御量ＳＲ２とＳ０２を第３のプログラム２８
によって補正するためのエラーＦとして使用される。

本発明による制御方法を完璧に機能させるためには、そ
れぞれの制御量ＳＨ２とＳＯ２の補正をできるだけ迅速
に行うことができるように、ｆｉｋＦは第１の測定箇所
２０と第２の測定箇所２４によって決定された物質流の
燃焼後できるだけ短時間に出て来ることが必要である。

測定箇所２０と２４でのそれぞれの物質流の測定と量Ｆ
の出現との間の時間的遅延は、ガスが個々の測定箇所２
０あるい・は２４から反応室１０へ達するのに必要とす
る時間間隔、燃焼ガスが・々イブ３４が反応室１０へ連
通している入口部へ達するのに必要とする時間間隔、燃
焼ガスあるいは過熱蒸気がパイプ３４を通してセラミッ
ク板４８へ流れるのに必要とする時間間隔及びセラミッ
ク板４８内でのＥＭＫすなわち電圧の形成に必要とされ
る時間間隔によって制約される。

測定装置及び次に行う測定された電圧のデジタル化の時
定数は、上述の時間間隔に比較して一般に無視できるも
のとなる。上述の全ての時間間隔の合計は、好ましい実
施例では経験的に決定され、２約３００〜４０１１Ｊ秒
になる。この穂の時間的遅延は、差圧法で一般に生じる
構造的な測定エラーを補正するのに十分である。という
のは、この測定エラーは大体において通常分領域の時定
数を有する変動の基礎となる測定されたガスの状態量の
変化によって制約されるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による調整方法のブロック図、第２図は
本発明による調整方法に用いるゾンデの縦断面図、第３
図はゾンデの較正カーブを示す線図である。 １０・・・反応室、１２・・・第１の供給装置、１４・
・・第２の供給装置、１６・・・第３の供給装置、１８
・・・ルート、２０・・・測定箇所、２２・・・第１の
プログラム、２４・・・測定箇所、２６・・・第２のプ
ログラム、２８・・・第３のプログラム、３０．３２・
・・スライダ、３４・・・パイプ、３６・・・圧力調整
弁、３８・・・ゾンデ、４２・・・ケーシング、４４・
・・幅狭部、４６・・・第１の・ぐイブ、４８・・・セ
ラミック板、５０・・・反跳板、５２・・・発熱コイル
、５４・・・第２の・やイブ、５６・・・開口部、５８
．６０・・・グラテナクート、６２．６４・・・電線、
６６・・・測定装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、量論比で燃焼へ導かれる酸化剤と燃料の物質流を制
   御するための、蒸気発生器の制御方法において、制御を
   行うための制御量が、供給される物質流の測定及び論理
   的に予め与えられる量論比とこの測定との比較に基づい
   て求められること、この測定の際のエラーが燃焼の後に
   連続的にゾンデを用いて行われる燃焼ガスの分析によっ
   て決定されること、このエラーが制御量の補正に使用さ
   れること並びに補正がエラーの動的変化の時定数よりも
   小さい時定数を用いて行われることを特徴とする蒸気発
   生器の制御方法。 ２、供給される物質流の測定が気体モードで行われるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の制御方法
   。 ３、供給される物質流の測定が、差圧法を用いて行われ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項あるいは第２
   項に記載の制御方法。 ４、ゾンデを用いて分析を行うために、燃焼ガスを蒸気
   発生器内のゾンデを用いての分析に適した状態量を有す
   る場所で採取することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項〜第３項のいずれか１項に記載の制御方法。 ５、燃焼ガスが、ゾンデに達する前にこのゾンデに適し
   た圧力に減圧されることを特徴とする特許請求の範囲第
   ４項に記載の制御方法。 ６、燃焼ガスの分析が、固体電解質ゾンデを用いて行わ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第５項の
   いずれか１項に記載の制御方法。 ７、固体電解質として、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ＿２
   ）が用いられることを特徴とする特許請求の範囲第６項
   に記載の制御方法。 ８、酸化ジルコニウムゾンデが、基準ガスとしての環境
   空気によって作動されることを特徴とする特許請求の範
   囲第７項に記載の制御方法。