JPS6361815A - ボイラ自動制御装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、火力発電所のボイラ自動制御装置に係り、特
に各段Ｗ／Ｂ入口ダンパすボイラにおいて、ボイラ状態
変化や燃料の成分の違いによるＮＯｘ変動を抑制するの
に好適なＮ　ＯＸ制御方式に関する。

〔従来の技術〕

ボイラのＮＯｘ制御法については、「火力原子力発電Ｊ
、１９７７年３月号８２〜８８頁の１．３排煙脱硝に示
されているように、燃焼用空気に燃焼非ガスの一部を混
入することで燃焼空気中の０２濃度を低減させ、緩やか
な燃焼により、燃焼温度を低下させてＮＯｘの低減を図
る（排ガス再循環方式）、あるいは炉外に導いた排ガス
を吸収液に直接接触させ、排ガス中のＮＯｘを液側へ吸
収することによって、排ガスを清浄化する（外部脱硝）
などの方法が採られていた。

さらに、最近では、ボイラ各段にＷ／Ｂ入口ダンパけ、
空燃比を一定にすることでＮＯｘの低減を図る方式のボ
イラも開発されつつある。

しかし、ＮＯｘ分析計からのＮＯｘ値信号のフィードバ
ックや、燃料の成分、例えば混焼比や燃料の種類などに
よる各段Ｗ／Ｂ入口ダンパ度制御の点については配慮さ
れていなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は各段Ｗ／Ｂダンパの開度制御による空燃
比制御の点について′配慮がされておらず、空燃比一定
のもとではＮＯｘ値がある値（約６０ＰＰＭ）以下にな
らないという間圧があった。

本発明の目的は各段Ｗ／Ｂ入口ダンパ度を制御し、ボイ
ラの状態変化や燃料の成分の違いに応じて空燃比を調整
し、安定した低ＮＯｘ運転を可能とすることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、Ｎ　Ｏｘ分析計からのＮＯｘ値信号を、Ｗ
／Ｂ入ロダンパ制御回路にフィードバックしてダンパ開
度を制御すること、さらには燃料の成分の違いに応じて
空燃比マスタに補正を加えることにより、達成される。

〔作用〕

Ｎ　Ｏｘ分析計からのＮＯｘ値信号は、Ｗ／Ｂ入口ダン
パ制御回路ィードバックされ、予めプログラムされてい
るダンパ開度関数との偏差が演算されろ。また、燃料の
成分の違い、例えば混焼比は空燃比マスタ回路の補正信
号として動作する。

それらによって、Ｗ／Ｂ入口ダンパ度は調整・補正され
、低Ｎ　Ｏｘ運転に最適な空燃比が得られる。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。

第６図において、火力発電プラントの概要を説明する。

火力発電プラントは、ボイラ本体２．高圧タービン６０
６．中圧タービン６０５２発電機６０４により構成され
、ボイラ自動Ｍ御装［６０２は、負荷（タービン・発電
機）からの要求、つまり、タービン制御装置６０３が、
ガバナ６２３の開度調整を行ない、この開度により決定
される定格圧力、温度の主蒸気を供給すべく、燃料流調
弁１０により燃料量を、ＢＦＰ６１０により給水流量を
、ＦＤＰ入口ダンパ４り空気量をそれぞれ制御する。

次に燃焼ガスの流れについて説明すると、火炉にて燃焼
したガスは、まず火炉壁（以下ＷＷと略す）６１６．ド
ラム６１７．１次過熱器（以下ＩＳＨと略す）６１９．
２次過熱器（以下２５Ｈと略す）６２１．再熱器（以下
ＲＨと略す）　６２４　。

節炭器（以下ＥＣＯと略す）６１５を通り、１部は再循
環ガスとしてガス再循環ファン（以下ＧＲＦと略す）１
５とＧＲＦ入口ダンパ１６り再循環ガス流量を調整して
火炉内に注入させることにより、ＷＷ６１６．　　ドラ
ム６１７　、　ｌ５Ｈ６１９゜２ＳＨ６２１，ＲＨ６２
４、ＥＣ０６１５での伝熱量調整に使用し、残りは外部
脱硝装置１８を通り、この装置内で排ガス中のＮ　Ｏｘ
分をアンモニア水と反応させ、Ｎ　Ｏｘ規制値内になっ
たガスを煙突より排出させる。

また、水蒸気系について説明すると、タービン６０５か
らの排気を冷却して復水とし、ボイナ給水用として使用
出来るようにする復水器６０７と、この水を加圧してボ
イラへ送るＢＦＰ６１０とを通った水はＷＷ６１６にて
過熱されて蒸気となる。この蒸気は、ドラム６１７にて
飽和蒸気と飽和水に分離され、ｌ５ＩＬ６１９で過熱さ
れ、給水の１部をスプレー弁６２５を介して減温器６２
０に注水した後、２５１１６２１にて過熱蒸気となり高
圧タービン６０６へ送られる。次に高圧タービン６０６
で仕事を終えた蒸気は、ＲＨ６２４にて再熱され中圧タ
ービン６０５へ送られる。中圧タービン６０５で仕事を
終えた蒸気は、復水器６０７へ送られ再度ボイラ給水用
として使用される。

さらに、ＮＯｘ低減を目的として、ボイラ各段に空気量
調整ダンパを設置し、各段の空燃比調整又は空気量調整
を行なっている。すなわち、ボイラ最上段の空気量を調
整するアフターエアポート（以下ＡＡＰと略す）入口ダ
ンパ５と、上段バーナ１１に流れる燃料量に対して適切
な空気量を調整する上段Ｗ／Ｂ入口ダンパ６．同様段バ
ーナ１３に流れる燃料量に対して適切な空気量を調整す
る下段Ｗ／Ｂ入口ダンパフる。

その他の装置として、中央操作盤６０１．押込通風機３
、アンモニア流量調整弁２２がある。

第７図に、従来の各段Ｗ／Ｂの空燃比を調整する炉内脱
硝ボイラにおけるＮＯｘの制御性を示すため、負荷変動
及び炉熱脱硝の比率を変えるＮＯｘマスター信号を変え
た場合の主なプロセス量の挙動を示す。第７図より明ら
かなように、負荷変化中及びＮＯｘマスター信号変化中
においては、どうしても各段Ｗ／Ｂの空燃比が、ボイラ
パフォーマンス値よりずれ、空気が多く注入されるため
にＮＯｘ値が規定値をオーバーしてしまうことが判かる
。

同様に、第８図には、各段のＷ／Ｂ空気量を調整するこ
とにより、多様な燃料を使用した場合に発生する燃焼ガ
ス温度の違いによる蒸気温度の変動を抑制した多種燃料
使用型ボイラにおいて、負荷変動させた場合の主なプロ
セス量の挙動を示す。

第８図においても第７図と同様、負荷変化中において、
空気が多く注入されるためにＮ　Ｏｘ値が規定値をオー
バーしてしまうことが判かる。

ここで、ＮＯｘ生成の原理について説明すると、ＮＯｘ
の発生原因は大別して熱要因窒素酸化物（以下サーマル
ＮＯｘと呼ぶ）と燃料中窒素酸化物（以下フューエルＮ
　Ｏｘと呼ぶ）の２つがある。

フューエルＮ　Ｏｘについては、Ｎ２含有量の少ない燃
料を選ぶことが第１の解決策であり、ボイラ制御方式に
よるＮ　Ｏｘ低減には界隈があり、外部脱硝装置により
排ガス中のＮＯｘ分を除去する方法が一般に用いられて
いる。一方、サーマルＮＯｘの発生については、燃焼条
件を制御することにより、ＮＯｘを抑えることが出来る
。サーマルＮＯｘ発生濃度を物理式で示すと以下のよう
になる。

〔〕；濃度 Ｅ；見かけの活性化エネルギー （ｋｃａ　Ｑ　／ｋｇｍａ　Ｑ　） Ｒ；ガス定数（１，９９ｋｃａ　ｆｌ八へｍａ　Ｑ　１
０Ｋ）Ｔ；火炎温度（０Ｋ） ｔｅ；高温燃焼域でのガスの滞留時間（Ｓ）（１）式よ
りサーマルＮＯｘの生成は、燃焼温度が高く、燃焼域で
の０２濃度が高く、又高温域での燃焼ガスの滞留時間が
長いほど多くなることが判かる。よってサーマルＮＯｘ
を抑制するには。

ｉ）燃焼速度を抑えて燃焼最高温度を低下させる。

ｉｔ）燃焼ガスの高温域滞留時間を短くする。

■）低０２運転を行なう。

などの方法がある。

上記のｉ）〜１ｉｉ）を具体的な制御法として実現して
いるものに、２段燃焼法、排ガス混合法、１次ガス注入
法、低ＮＯｘバーナチップの採用、さらに外部脱硝装置
によるＮ　Ｏｘの除去法などがある。

ところが、近年の公害規制の強化により従来の燃焼を調
整するＮＯｘ低減法では対応出来なくなって来ており、
必然的にコスト高となる外部脱硝に頼らざるを得なくな
っている。そこで、ボイラの各段にＷ／Ｂダンパを設け
、各段のＷ／Ｂの空燃比や空気量をそれぞれ調整出来る
ようにした炉内脱硝ボイラや多種燃料使用型ボイラが造
られ、従来のＮＯｘ低減法に比べて、ＮＯｘ低減効果が
大きくなった。

第９図に、炉内脱硝ボイラにおけるＮ　Ｏｘ低減効果に
ついて示す。すなわち、下段バーナでは、低０２燃焼を
行なうべく上段空燃比αを制御し、火炎温度と酸素濃度
を低く押えＮＯｘ発生の低減を図っている６次に上段バ
ーナでは、炉内でＮＯｘを気相還元させるために含窒素
ラジカル（ＣＮ。

ＮＨ）を生成すべく、空燃比βを制御する。空燃比α、
βの関係は、ボイラパフォーマンスにより決定される値
であり、気相還元による炉内脱硝を行なわすために制御
しなければならない値である。

さらに、アフターエアポート部では、ボイラ全体から見
た空燃比を調整すべく、上段、下段で絞られた空気を火
炉に注入させ、完全燃焼を行なわしめる。なお、炉内脱
硝ボイラにおいては、上段と下段の燃料調整もそれぞれ
行なえるようになっており、上段と下段の空燃比の調整
について、空気量配分だけでなく、燃料量の配分もから
ち行える。

第１０図に、多燃料使用型ボイラにおけるＮＯｘ低減効
果について示す。このＮ　Ｏｘ低減効果は、従来技術の
２段燃焼法の考えを拡張し、上段バーナと下段バーナに
おいて実施したものである。すなわち、下段バーナにて
燃焼したガスは、高温燃焼域に滞留する時間が長いため
、ＮＯｘの生成が上段バーナにて燃焼したガスのＮＯｘ
生成より多くなってしまう。そこで、ＮＯｘを低減させ
るためには、下段バーナでの焼煙を少なくすべく下段Ｗ
／Ｂ空気量を少なくすれば良いことになる。なお、多燃
料使用型ボイラの燃料量制御は上段と下段で変わらず、
同一燃料量を流している。

さらに、外部脱硝装置について簡単に説明するが、近年
の低ＮＯｘボイラでは、まず、燃焼制御によるＮＯｘ低
減を行ない、それでもＮＯｘ値が規定値以下とならなか
った場合のバックアップ装置として、外部脱硝装置を考
えている。ＮＯｘ除去の原理を示すと、排ガスにアンモ
ニア（ＮＨａ）水を注入して、適切な温度条件の下で触
媒を用いてＮ　Ｏｘを反応させ、無害なＮ２とＩ−Ｉ　
２０　に還元分解するもので、反応式は、 となる。

また、第１１図に負荷と排ガス量の特性、第１２図に負
荷とアンモニア水流量及びＮＯｘ値の関係示す、この図
は、Ｎ　Ｏｘ値を一定値に制御するには、排ガス量に見
合ったアンモニア水を注入する必要があることを示して
いる。

本発明によれば、ボイラ各段にＷ／Ｂダンパを持つボイ
ラにおいて、ボイラの状態変化によりＮ　Ｏｘ値が規制
値をオーバーした場合に、ＮＯｘ分析計からのＮＯｘ値
をフィードバックし、この信号により各段Ｗ／Ｂダンパ
を調整し、ＮＯｘ値を規定値に抑えることが出来る。

第１図に、炉内脱硝ボイラに本発明を適用した制御回路
を示す。なお、本図は上段Ｗ／Ｂダンパ調整による上段
Ｗ／Ｂの空燃比制御回路を示しており、下段Ｗ／Ｂの空
燃比制御も同等の回路構成となるが、本図からは除いて
いる。

まず、１は制御装置の範囲を示す。ＮＯｘ分析計１７か
らのＮ　Ｏｘ値信号と、ボイラパフォーマンスにより決
定されるＮ　Ｏｘマスター信号を、ＮＯｘマスター設定
器１０１より設定し、アナログ変換モジュール１０２に
てアナログ信号とし、このＮＯｘマスター信号をべ′−
スとして関数発生器１０３によりＮＯｘ値信号を作成し
、加算器１０６にて、ボイラパフォーマンスのＮＯｘ値
と現在のＮＯｘ値とを比較して、この加算器１０６の出
力信号、すなわちＮ　Ｏｘ値偏差を比例積器１０７にて
演算し、空燃比補正信号とする。空燃比信号は、発電機
出力信号１９をベースとして、関数発生器１０４にて空
燃比を算出し、ＮＯｘマスター信号により炉内脱硝の比
率を掛算器１０５にて演算し、この空燃比信号と、ＮＯ
ｘ値偏差による空燃比補正信号を加算器１０８で演算し
、上段燃料量信号２０と掛算器１０９にて演算させ、上
段空気量要求信号を作成する。次に、この要求信号と上
段空気流量のフィー・ドパツク信号を加算器１１０にて
演算し、この偏差信号を比例積分器１１１にて演算して
、上段Ｗ／Ｂダンパ６の操作信号とする。

第２図に、多種燃料使用型ボイラに本発明を適用した制
御回路を示す。

１は制御装置の範囲を示す。Ｎ　Ｏｘ分析計１７からの
Ｎ　Ｏｘ値信号と、ボイラパフォーマンスにより決定さ
れる発電機出力信号１９をベースとして、関数発生器１
０４により求めた信号を、加算器１０６にて演算し、こ
の偏差信号を比例積分器１０７にて演算して、上段Ｗ／
Ｂダンパ６と下段Ｗ／Ｂダンパ７ヘシーソーバイアス的
に補正を加える。また、各段Ｗ／Ｂの空気量要求信号は
、燃料量信号２１を、発電機出力信号１９をベースとし
た関数発生器１１６により空燃比信号を算出して、掛算
器１１２により演算して作成する。この空気量要求信号
と、上段空気量信号１２とを加算器１１３にて演算して
上段空気量の偏差信号を作成する。さらに、この偏差信
号に、ＮＯｘ値による補正信号である比例積分器１０７
の出力信号を加算した信号を比例積分器１１５により演
算して、上段Ｗ／Ｂダンパ操作信号とする。下段Ｗ／Ｂ
制御についても同様にして、空気量要求信号と、下段空
気量信号１４とを加算器１１７にて演算し、さらにＮＯ
ｘ値からの補正量を加算器１１８にて演算し、この偏差
信号を比例積分器１１９にて演算して、下段Ｗ／Ｂダン
パ操作信号とする。

第３．第４図は、別の発明であるが、燃料の成分、例え
ば混焼比や、燃料の種類により空燃比を補正する制御回
路を設けたことに特徴がある。

第３図では、第１図で示したＮ　Ｏｘ制御に付は加えて
、発電機出力信号１９をベースとした燃料油の場合の空
燃比作成用の関数発生器１０４と。

燃料ガスの場合の空燃比作成用の関数発生器１１６の出
力信号を、混焼比信号２３とを掛算器１２０にて演算し
、この信号を加算器１２１で演算して、混焼時の空燃比
信号を作成する回路を設けている。

ここで混焼比を定義すると、 ＧＦ＋ＯＦ Ｒ；混焼比 ＧＦ；燃料ガス流量（％；カロリーベース）ＯＦ；燃料
油流量（％；カロリーベース）となる。

第４図は、第２図で示したＮＯｘ制御に付は加えて、第
３図で示した同一の混焼時の空燃比信号を作成する回路
を設けたちの′である。

第１３〜第１６図に、′本発明の制御方式に採用した場
合の主なプロセス量の挙動を示す。

第１３図は、炉内脱硝ボイラにおいて、負荷変動、ＮＯ
ｘマスター信号変動を行なった場合のプロセス量の挙動
を示す。

第１４図は、炉内脱硝ボイラにおいて、混焼比信号変動
を行なった場合のプロセス量の挙動を示す。

第１５図は、多種燃料使用型ボイラにおいて、負荷変動
を行なった場合のプロセス量の挙動を示す。

第１６図は、多種燃料使用型ボイラにおいて、混焼比信
号の変動を行なった場合のプロセス量の挙動を示す。

これらの図より明らかなように、Ｎ　Ｏｘ分析計からの
Ｎ　Ｏｘ値信号をフィードバックし、各段Ｗ／Ｂダンパ
ーを調整することにより、ボイラ状態の変化に対しても
、常に安定したＮＯｘ制御が可能となることが判かる。

第５図に１本発明の機能ブローを示す。

まず、演算ブロック５１にて、Ｎ　Ｏｘ値が規制値を越
えていないかどうかを判定する。もし、規制値を越えて
いれば、演算ブロック５２へ進み、Ｎ　Ｏｘ分析計から
のＮＯｘ値とボイラパフォーマンスから決まった・ＮＯ
ｘ値とを比較し補正信号を作成する。同様に、燃料の成
分による例えば混焼率や燃料の種類によって、ボイラパ
フォーマンスから決まるＮＯｘ値と比較し補正信号を作
成する。

次に、演算ブロック５３へ進み炉内脱硝ボイラか、それ
以外のボイラ、本発明では多燃料使用型ボイラかを判定
する。もし、炉内説研ボイラであれば、演算ブロック５
４へ進み、ＮＯｘマスター信号を補正することにより、
ボイラ各段の空燃比を調整する。もし、多種燃料使用型
ボイラであれば、演算ブロック５５へ進み、ボイラ各段
Ｗ／Ｂ空気量を調整するというＮ　Ｏｘ低減を区る本発
明の機能フローを示している。

〔発明の効果〕 本発明によれば、火力発電所のボイラ、特に各段にＷ／
Ｂ入口ダンパするボイラにおいて、ボイラの状態変化や
混燃比の変化の際にも速やかにＷ／Ｂ入口ダンパ開度御
し、低ＮＯｘ運転のために最適な空燃比が得られるので
、従来技術との大気濃度比較において約１／２以下とい
う低Ｎ　Ｏｘ運転の実現と、ボイラ制御装置の制御性向
上とに多大の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１ト第４図は本発明の実施例の制御系統図、第５図は
第１〜第４図の説明での本発明の機能説明フロー図、第
６図は各段Ｗ／Ｂ入口ダンパする代表的ボイラの本体系
統図及び主要制御装置構成図、第７九第８図は従来型制
御法による負荷変動時の場合の主なプロセス挙動を示す
説明図、第９図は炉内脱硝型ボイラの脱硝原理を示す説
明図、第１０図は多燃料種燃焼型ボイラにおけるＮＯｘ
生成度合の説明図、第１１図は負荷−排ガス特性図、第
１２図は負荷−アンモニア特性及び負荷−Ｎ　Ｏｚ値特
性図、第１３〜第１６図は本発明の実施例による負荷変
動時の場合の主なプロセス挙動を示す説明図である。 ６０１・・・ボイラ自動制御装置、３・・・ＦＤＰ　（
押込通風機）、６・・・上段Ｗ／Ｂ入口ダンパ・・・下
段Ｗ／Ｂ入口ダンパ２・・・上段Ｗ／Ｂ空気流量発信器
、１４・・・下段Ｗ／Ｂ空気流量発信器、１７・・・Ｎ
Ｏｘ分析計。 ｔく

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、火力発電所のボイラで、ＮＯ＿ｘ低減を目的として
   、ボイラの各段にウインドボツクス（以下Ｗ／Ｂと略す
   ）入口ダンパと、上段バーナ燃料流調弁及び下段バーナ
   燃料流調弁とを有する炉内脱硝ボイラにおいて、ＮＯ＿
   ｘ分析計からのＮＯ＿ｘ値をフイードバツクして各段Ｗ
   ／Ｂ入口ダンパを調整し、安定したＮＯ＿ｘ制御を可能
   としたことを特徴とするボイラ自動制御装置。