WO2018123308A1 - 燃焼装置及びそれを備えたボイラ - Google Patents

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WO2018123308A1
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air
air supply
furnace
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木山　研滋
馬場　彰
倉増　公治
健一 越智
嶺　聡彦
泰仁 大西
盛士 三宅
貴之 椎井
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三菱日立パワーシステムズ株式会社
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to a combustion apparatus and a boiler including the combustion apparatus.
  • Patent Document 1 fuel, primary air, and burner secondary air are supplied to the upstream side of the furnace to perform combustion, and secondary air for additional air blowing unit is supplied to the downstream side of the furnace.
  • a multi-stage combustion method for burning unburned content is disclosed. In this method, the concentration distribution of oxygen or carbon dioxide gas in the cross section on the downstream side of the furnace is measured, and the supply direction and flow velocity of the secondary air for the additional air blowing section are adjusted based on the measured gas concentration distribution.
  • Patent Document 1 by quantitatively grasping the gas concentration distribution in the downstream cross section of the furnace, for example, when the gas concentration in the central portion is higher than the peripheral portion, although it is judged that combustion is active and the supply direction and flow rate of the secondary air for the additional air outlet are adjusted based on this information, the specific adjustment method and gas concentration measurement position are unknown. It is difficult to put to practical use.
  • the present invention specifically sets an efficient gas concentration measurement position, effectively suppresses the remaining unburned portion by a specific control method based on the measured gas concentration information, and improves boiler efficiency. It is an object of the present invention to provide a combustion apparatus capable of performing the above and a boiler including the combustion apparatus.
  • a representative invention is provided on a wall of a furnace installed along a vertical direction, and supplies a plurality of fuel, primary air, and burner secondary air into the furnace.
  • Burner a plurality of air supply ports that are provided above the plurality of burners in a vertical direction on the wall of the furnace, and supply secondary air for the air supply port to the inside of the furnace, and for the air supply port Gas concentration in a measurement region on a horizontal cross section of a plurality of secondary air dampers for adjusting the flow rate of the secondary air and a furnace outlet portion located in a vertical direction above the plurality of air supply ports in the furnace
  • a control device having a circuit for outputting a flow rate control command value for adjusting the opening degree of each of the plurality of secondary air dampers, and the plurality of air supply ports include: 2 or more
  • the measurement area is divided into a plurality of divided areas associated with the divided groups, and the control device averages the gas concentration in the entire measurement area.
  • the combustion apparatus is characterized in that the flow rate control command value of secondary air is output to each of the plurality of secondary air dampers.
  • O 2 is a graph showing the relationship between the concentration and unburned. Relationship of the plurality of air supply ports configured and the configuration of the measurement area, and is a schematic view showing an O 2 concentration measuring method in the measurement region. It is a conceptual diagram which shows the control method of the flow volume of the secondary air for air supply ports supplied from several air supply port.
  • combustion apparatus 12 according to an embodiment of the present invention and a boiler 10 including the combustion apparatus 12 will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a partial configuration of a thermal power plant to which the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing a configuration example of the combustion apparatus 12 (a part of the boiler 10) according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the burner 2 and the air supply port 3 on the front wall 111 side of the furnace 11 and the supply system of fuel and air into the furnace 11.
  • the boiler 10 is an aspect of a pulverized coal-fired boiler used in a thermal power plant or the like.
  • pulverized coal generated from coal such as bituminous coal or sub-bituminous coal is burned as a solid fuel, and the generated heat is recovered.
  • the pulverized coal is generated by pulverizing coal with the pulverized coal machine 13.
  • the boiler 10 includes a furnace 11 installed along the vertical direction, and a combustion device 12 that burns pulverized coal in the furnace 11.
  • the furnace 11 has a casing structure surrounded by a water cooling wall constituted by water cooling tubes, and a combustion space is formed inside.
  • Combustion gas generated by burning pulverized coal in the combustion space of the furnace 11 flows from the lower side to the upper side in the vertical direction of the furnace 11 as shown by thick arrows in FIGS.
  • the combustion gas discharged from the boiler 10 passes through the denitration device 103, the air preheater 104, and the like, and is then discharged to the outside as a processed exhaust gas.
  • the furnace outlet part 110 is located on the upper side in the vertical direction, which is the downstream side of the flow of the combustion gas.
  • a flue 14 is connected to the upper portion of the furnace 11 along a direction intersecting (orthogonal) with the furnace 11.
  • the heat generated by the combustion in the furnace 11 heats and evaporates water mainly by heat transfer by radiation to the furnace water cooling wall, and further, a heat exchanger such as a superheater or a reheater provided in the flue 14.
  • the water vapor is superheated by heat exchange (not shown) and sent to the turbine for power generation.
  • the direction in which the flue 14 extends is “depth direction”, the furnace 11 side in the depth direction is “front side”, and the opposite side is “rear side”. Further, a direction intersecting (orthogonal) with the vertical direction and the depth direction is referred to as a “width direction” (see FIG. 2).
  • the combustion device 12 includes a plurality of burners 2 that supply pulverized coal, primary air, and secondary air for the burner to the inside of the furnace 11, and a plurality of air supplies that supply secondary air for the air supply port to the inside of the furnace 11.
  • Gas in the port 3 a plurality of secondary air dampers 42 for adjusting the flow rate of the secondary air for the air supply port, and a measurement region 50 (indicated by a one-dot chain line in FIG. 2) on the horizontal section of the furnace outlet 110
  • a control unit 90 having a circuit for outputting a flow rate control command value for adjusting the opening degree of each of the plurality of secondary air dampers 42.
  • This combustion device 12 supplies combustion air for burning pulverized coal in two stages. That is, the boiler 10 employs a two-stage combustion method in which pulverized coal is completely burned in two stages.
  • an amount of air that is equal to or less than the theoretical air amount necessary for complete combustion of pulverized coal is supplied from the plurality of burners 2 to the inside of the furnace 11 as primary air and burner secondary air, Burn pulverized coal in a state of air shortage.
  • nitrogen oxides (NOx) contained in the generated combustion gas can be reduced to nitrogen, and generation of nitrogen oxides (NOx) in the furnace 11 can be suppressed.
  • air that is insufficient for complete combustion of pulverized coal is supplied into the furnace 11 as secondary air for the air supply port from the plurality of air supply ports 3 and cannot be burned in the first stage.
  • the combustion of gaseous unburned matter such as solid unburned matter remaining in the gas and generated carbon monoxide (CO) is promoted.
  • the primary air supplied from the primary air fan 43 and preheated by the air preheater 104 is guided to the pulverized coal machine 13 for pulverized coal drying and transportation, and is pulverized by the pulverized coal machine 13. It is supplied into the furnace 11 from a plurality of burners 2 together with pulverized coal.
  • the secondary air (combustion air) supplied from the secondary air fan 46 and preheated by the air preheater 104 is partially supplied from the plurality of burners 2 and the remaining from the plurality of air supply ports 3 to the furnace 11. Supplied in.
  • the opening degree of the damper 15 is adjusted according to the damper opening degree control command value output from the control device 90. Is done. Adjustment (control) of the flow rate of the secondary air for the air supply port supplied into the furnace 11 through the plurality of air supply ports 3 is performed according to the flow rate control command value output from the control device 90. This is performed by adjusting the opening degree of.
  • the boiler 10 according to the present embodiment is a counter-combustion type boiler, and as shown in FIG. 2, the plurality of burners 2 and the plurality of air supply ports 3 are front walls of the furnace 11 that are arranged to face each other in the depth direction. 111 and the rear wall 112 are provided separately.
  • twelve burners 2 and six air supply ports 3 are provided on the front wall 111 and the rear wall 112, respectively.
  • the twelve burners 2 on the front wall 111 side and the twelve burners 2 on the rear wall 112 side are arranged at positions facing each other, and their configuration is the same.
  • the six air supply ports 3 on the front wall 111 side and the six air supply ports 3 on the rear wall 112 side are also arranged at positions facing each other, and their configurations are the same. Therefore, the configuration of the burner 2 and the air supply port 3 on the front wall 111 side will be described below as an example.
  • the twelve burners 2 are arranged in three stages of an upper stage, a middle stage, and a lower stage from the upper side to the lower side along the vertical direction. In each stage, four burners 2 are arranged along the width direction.
  • four burners 2 arranged in the upper stage are “upper burner 21”
  • four burners 2 arranged in the middle stage are “middle burner 22”
  • four burners 2 arranged in the lower stage are This is “lower burner 23”.
  • the four upper burners 21 are connected to the first pulverized coal machine 131, the four middle burners 22 are connected to the second pulverized coal machine 132, and the four lower burners 23 are connected to the third pulverized coal machine 133, respectively. .
  • the first to third pulverized coal machines 131 to 133 (pulverized coal machine 13), for example, pulverize coal into pulverized coal having a particle size of about several tens of ⁇ m.
  • the pulverized coal generated by the first pulverized coal machine 131 is generated by the four upper burners 21, the pulverized coal generated by the second pulverized coal machine 132 is generated by the four middle burners 22 and the third pulverized coal machine 133.
  • the pulverized coal is guided to the four lower burners 23 by carrier air through a coal feeding pipe (indicated by an upward arrow in FIG. 3) provided at the upper portion of the pulverized coal machine 13 and supplied to the furnace 11. .
  • the operation patterns of the first to third pulverized coal machines 131 to 133 change depending on the operation status of the boiler 10, and accordingly, the usage patterns (operation patterns) of the upper burner 21, the middle burner 22, and the lower burner 23 change. .
  • the usage patterns (operation patterns) of the upper burner 21, the middle burner 22, and the lower burner 23 change.
  • the first pulverized coal when the machine 131 and the third pulverized coal machine 133 are operated and the second pulverized coal machine 132 is in reserve, the upper burner 21 and the lower burner 23 are in use, and the intermediate burner 22 is in an unused state (standby). It becomes.
  • the usage pattern of the burner 2 on the front wall 111 side and the usage pattern of the burner 2 on the rear wall 112 side are not necessarily symmetrical.
  • two stages of the upper burner 21 and the middle burner 22 are used on the front wall 111 side, while all three stages of the upper burner 21, the middle burner 22, and the lower burner 23 are used on the rear wall 112 side. Good.
  • the amount of primary air and secondary air for burner sent from the air preheater 104 to each upper burner 21 is set based on the amount of pulverized coal conveyed from the first pulverized coal machine 131 to each upper burner 21. And the secondary air for burners adjusts the flow volume of the remaining air except the primary air supplied from the pulverized coal machine 13 by the damper 15.
  • the total flow rate of the secondary air supplied into the furnace 11 is adjusted (controlled) based on the amount of pulverized coal controlled based on the load of the boiler 10.
  • the total flow rate of combustion air supplied into the furnace 11 means all the air supplied into the furnace 11 (primary air, secondary air for burners, and secondary air for air supply ports). ).
  • Six air supply ports 3 are provided on the front wall 111 of the furnace 11 in the vertical direction above the twelve burners 2 and below the position of the furnace outlet 110.
  • the furnace outlet 110 is positioned above the six air supply ports 3 in the vertical direction.
  • the six air supply ports 3 include four main ports 301 arranged side by side along the width direction, and two sub-ports 302 arranged on both sides of the four main ports 301 in the width direction. ,have.
  • the vertical positions of the four main ports 301 are above the vertical positions of the two sub-ports 302. That is, in the vertical direction, the two sub ports 302 are located between the four main ports 301 and the four upper burners 21.
  • the overall configuration of the air supply port 3 including the rear wall 112 side of the furnace 11 will be described later.
  • the amount of secondary air for the air supply port that is sent from the air preheater 104 to each air supply port 3 is adjusted by increasing or decreasing the opening degree of the secondary air damper 42, so that each air supply port 3 is connected to the furnace.
  • the supply amount of the secondary air for the air supply port supplied to the inside of the air supply port 11 is adjusted.
  • the secondary air damper 42 is for the air supply port to be sent to each air supply port 3 based on a flow control command value for controlling the flow rate of the secondary air for the air supply port sent from the control device 90.
  • the flow rate of secondary air is adjusted.
  • This control command value controls the flow rate of the secondary air for the air supply port, which is optimal for minimizing the remaining amount of unburned fuel in the furnace 11, and the pulverized coal supplied into the furnace 11. Is determined in consideration of the gas concentration value (actual value) measured by the measuring unit 5 with respect to the flow setting value (design value) of the secondary air for the air supply port that is set based on the flow rate of air.
  • the type of gas measured by the measuring unit 5 is oxygen (O 2 ), but the type of gas for knowing the progress of combustion in the furnace 11 is limited to oxygen (O 2 ).
  • oxygen O 2
  • CO 2 carbon dioxide
  • measuring the concentration of oxygen (O 2 ) acting on combustion promotion in the measuring unit 5 makes it easier to grasp the excess or deficiency of air in the furnace 11 more directly.
  • the thermal power plant is provided with various measurement ends and control ends.
  • a coal feeder (not shown) that controls the supply amount of coal supplied to the pulverized coal machine 13 and simultaneously supplies a predetermined amount of coal to the pulverized coal machine 13, the primary of the outlet of the pulverized coal machine 13
  • They are a primary air outlet temperature measuring device 44 for detecting the air temperature, a primary air inlet temperature measuring device 45 for detecting the primary air temperature at the inlet of the pulverized coal machine 13, and the like.
  • These various measurement ends and control ends are electrically connected to the control device 90 as indicated by broken lines.
  • the control device 90 includes a control circuit unit that executes control, an interface unit that receives and transmits measurement signals and control signals, and a storage unit that stores a part of the measurement signals for a short time.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the O 2 concentration and the unburned content.
  • the O 2 concentration is high region (P2 in FIG. 4)
  • the average of the unburned in unburned and O 2 concentration O 2 concentration in the lower region is higher regions (Fig. 4
  • the amount of unburned portion (P3 in FIG. 4) is less than P12).
  • the flow rate of the secondary air for the air supply port supplied from each air supply port 3 is adjusted based on the correlation characteristic between the O 2 concentration and the unburned component, the unburned component can be minimized. can do. Further, since the O 2 concentration is measured in the measurement region 50 on the horizontal cross section of the furnace outlet 110 where the mixing of the combustion gas in the furnace 11 has progressed, the state in which the combustion of the pulverized coal in the furnace 11 is completed is accurate. Then, the flow rate of the secondary air for the air supply port can be adjusted.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the relationship between the configuration of the plurality of air supply ports 3 and the configuration of the measurement region 50 and the method for measuring the O 2 concentration in the measurement region 50.
  • the plurality of air supply ports 3 are divided into four groups of a first group 31, a second group 32, a third group 33, and a fourth group 34, as shown by being surrounded by a thick line in FIG. 5. ing.
  • Each of the first group 31, the second group 32, the third group 33, and the fourth group 34 includes two main ports 301 and one sub-port 302.
  • a flow rate measuring device 41 and a secondary air damper 42 are provided.
  • the measurement area 50 is divided into four divided areas (first divided area 51, second divided area 52, third divided area 53, and fourth divided area 54) associated with each of the four divided groups. It is divided in advance.
  • the rectangular measurement region 50 is equally divided into two in the width direction and into two in the depth direction, so that the first divided region 51, the second divided region 52, and the third divided region 53 are divided.
  • the fourth divided region 54 are equally divided into four rectangular regions.
  • the first divided region 51 is associated with the first group 31 and is actually supplied into the furnace 11 from the air supply port 3 belonging to the first group 31 according to the O 2 concentration value measured in the first divided region 51.
  • the relative value (large or small) of the flow rate of the secondary air for the air supply port can be determined.
  • the second divided region 52 is associated with the second group 32
  • the third divided region 53 is associated with the third group 33
  • the fourth divided region 54 is associated with the fourth group 34.
  • the number of groups of the plurality of air supply ports 3 and the number of divided areas are the same (four), and the groups 31 to 34 and the divided areas 51 to 54 have a one-to-one correspondence. It is attached.
  • One embodiment includes measuring the O 2 concentration using a laser beam.
  • the measurement unit 5 emits a plurality of laser beams (indicated by arrows L1 and L2 in FIG. 5 for example) that intersect on the measurement region 50, and a laser beam emitted from the laser light source 5a.
  • a receiving unit 5b that measures the O 2 concentration of the optical path based on the transmittance of the optical paths of the plurality of laser beams (paths passing through the furnace 11), and applies a tomographic technique to the intersection of the optical paths (see FIG. and it outputs the O 2 concentration in the illustrated) by black circles in 5.
  • laser beams are emitted from the laser light source 5a so that the laser beam (arrow L1) along the depth direction and the laser beam (arrow L2) along the width direction are orthogonal to each other. ) Is the output point of the local O 2 concentration.
  • the measurement region 50 has a total of 48 output points, and the number of optical paths of the laser beam (the number of laser paths) is 8 paths that transmit in the depth direction and 6 paths that transmit in the width direction. 14 passes.
  • the gas concentration information at 48 output points can be obtained, so that the O 2 concentration is efficiently measured. be able to. Note that it is not always necessary to obtain the gas concentration information using the output value of the intersection of the laser beams, and the gas concentrations of the divided regions 51 to 54 may be directly output.
  • the method for measuring the O 2 concentration is not necessarily based on the laser beam.
  • a water-cooled probe may be inserted into the furnace 11 and an arbitrary location on the measurement region 50 may be directly measured.
  • the measurement method using a laser beam can measure the O 2 concentration without inserting a measuring instrument or a measuring device into the high-temperature furnace 11, so that it is more advantageous in terms of durability. This is a measurement method.
  • this is an advantageous measurement method in terms of reliability. That is, a measurement method using a laser beam is often advantageous in terms of economy, durability, and reliability.
  • the laser light source 5a and the receiving unit 5b are provided for each laser beam, but it is not always necessary, and the configurations of the laser light source 5a and the receiving unit 5b are not particularly limited.
  • the measurement value in the measurement unit 5 may be an average value of the O 2 concentration measured a plurality of times in the measurement region 50 (first to fourth divided regions 51 to 54) within a predetermined time. good.
  • a stable value can be used as the measured value as compared with the value of the O 2 concentration when each measurement point is measured once within a certain time.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing a method for controlling the flow rate of the secondary air for the air supply port supplied from the plurality of air supply ports 3.
  • Controller 90 calculates a function of calculating a flow rate setting value for each group, the function of calculating the total value of the O 2 concentration in the entire measurement region 50, an average value of the O 2 concentration in the entire measurement region 50 A function for calculating the deviation between the average value of the O 2 concentration in the entire measurement region 50 and the average value of the O 2 concentration in each of the divided regions 51 to 54, and the flow rate setting value for each group And a function of calculating a flow control command value for each group in consideration of the deviation.
  • the total flow rate setting value of the secondary air for the air supply port supplied into the furnace 11 from the plurality of air supply ports 3 is input to the first divider D1 in advance.
  • the first divider D1 divides the input total flow rate set value of the air supply port secondary air by the number of groups (four groups in this embodiment) to obtain an average value, thereby obtaining the first group flow rate set value. That is, the flow rate setting value of the secondary air for the air supply port for the first group 31 is determined.
  • an average value of O 2 concentrations (average value of actual measured values) in each of the first divided area 51, the second divided area 52, the third divided area 53, and the fourth divided area 54 is calculated as a total value calculator. Enter in A5.
  • the total value calculator A5 adds the average values of the O 2 concentrations in each of the input first divided area 51, second divided area 52, third divided area 53, and fourth divided area 54 to the measurement area 50. The total value of O 2 concentration in the whole is calculated.
  • the calculated total value of O 2 concentration in the entire measurement region 50 is input to the fifth divider D5.
  • the fifth divider D5 divides the total value of the O 2 concentration in the entire measurement region 50 that has been input by the number of divided regions (four regions in the present embodiment) to obtain the O 2 concentration in the entire measurement region 50. Calculate the average value.
  • the first subtracter S1 calculates a deviation between a value obtained by averaging the O 2 concentration in the entire measurement region 50 and an average value of the O 2 concentration in the first divided region 51.
  • the computing unit 6 calculates the correction amount of the air supply port secondary air flow rate from the calculated O 2 concentration deviation. Specifically, the calculation unit 6 sets the deviation from the set value as a negative value when the flow rate of the secondary air for the air supply port is large, and sets the set value when the flow rate of the secondary air for the air supply port is low.
  • the correction amount is calculated by converting the deviation of the O 2 concentration into the air flow rate, with the deviation from the above as a positive value.
  • the correction amount of the secondary air flow rate for the air supply port thus obtained and the flow rate setting value of the secondary air for the air supply port in the first group 31 are input to the first adder A1.
  • the first adder A1 adds the correction amount of the secondary air flow rate for the air supply port to the first group flow rate setting value, and outputs it as a flow control command value for the secondary air for the air supply port in the first group 31.
  • the secondary air damper 42 is supplied to the air supply port 3 belonging to the first group 31 based on the flow control command value of the air supply port secondary air in the first group 31. Adjust the flow rate.
  • the functions of the first divider D1, the first subtractor S1, and the first adder A1 corresponding to the first group 31 and the first divided region 51 have been described.
  • the third adder A3, the fourth divider D4, the fourth subtractor S4, and the fourth adder A4 corresponding to the fourth group 34 and the fourth divided region 54 also have the same function.
  • the flow control command value of the secondary air for the air supply port when the flow control command value of the secondary air for the air supply port is obtained, the average value of the O 2 concentration in the entire measurement region 50 and the average value of the O 2 concentration in each of the divided regions 51 to 54 are obtained. Therefore, the O 2 concentration can be measured in units of groups, and the deviation can be calculated in units of groups. And the flow volume of the secondary air for air supply ports supplied in the furnace 11 should just be adjusted per group.
  • the furnace 11 is divided into groups, and the distribution of the flow rate of the air supply port secondary air is optimized based on the measured value of the O 2 concentration for each group.
  • the furnace 11 is divided into groups, and the distribution of the flow rate of the air supply port secondary air is optimized based on the measured value of the O 2 concentration for each group.
  • the deviation between the average value of the O 2 concentration in the entire measurement region 50 and the average value of the O 2 concentration in each of the divided regions 51 to 54 is generally smaller when the pulverized coal in the furnace 11 is smaller. Therefore, it is desirable to adjust the flow rate of the secondary air for the air supply port so that this deviation approaches zero.
  • the average value of the O 2 concentration in the entire measurement region 50 and each of the divided regions 51 to 54 are obtained.
  • a positive or negative bias value in advance for the deviation from the average value of the O 2 concentration at it is possible to adjust the optimal air distribution according to the conditions on the upstream side of the measurement region 50.
  • the difference in conditions such as mixing that cause a deviation in combustion promotion on the upstream side of the measurement region 50 often varies depending on the load of the combustion device 12 and the pattern of the burner 2 to be used among the plurality of burners 2.
  • the pattern of the burner 2 to be used among the plurality of burners 2 means that, as described above, the stage of the burner 2 to be used changes depending on the operating state of the plurality of pulverized coal machines 13. 2 indicates that there is a usage pattern.
  • the positive or negative bias value is set in the calculation unit 6 (first to fourth calculation units 61 to 64) described above.
  • the deviation between the average value of the O 2 concentration in the entire measurement region 50 and the average value of the O 2 concentration in each of the divided regions 51 to 54 is added by a positive or negative bias value set in the calculation unit 6. After being converted into a correction amount of the flow rate of the secondary air for the air supply port, it is input to the adder A (first to fourth adders A1 to A4).
  • the average value of the O 2 concentration measured in the measurement region corresponding to the region is increased, and the combustion gas
  • a negative bias value is added to the region where mixing is difficult to proceed, the average value of the O 2 concentration measured in the measurement region corresponding to the region is lowered.
  • a limiter 7 (first to fourth limiters 71 to 74) for limiting when the calculated correction amount of the flow rate of the secondary air for the air supply port is excessively large. Yes.
  • the flow rate of the secondary air for the air supply port can be controlled within a predetermined appropriate range, and the boiler 10 can be operated safely without causing any abnormality. be able to.
  • the boiler 10 is an opposed combustion type boiler.
  • the flow rate of the secondary air for the air supply port supplied from a predetermined position and the value of the O 2 concentration at the furnace outlet 110 are changed. May be a swirl combustion type boiler.
  • the plurality of air supply ports 3 are divided into four groups, and the measurement region 50 is divided into four divided regions 51 to 54 in advance in association with each group of the air supply ports 3.
  • the number is not necessarily four, and at least the plurality of air supply ports 3 are divided into two or more groups, and the measurement region 50 is divided into a plurality of divided regions associated with the divided groups. What is necessary is just to divide beforehand.
  • the average value of O 2 concentration (average value of actual measurement values) in each of the first divided region 51, the second divided region 52, the third divided region 53, and the fourth divided region 54 is used. Although the deviation was calculated, it is not necessarily an average value.

Abstract

効率的なガス濃度の計測位置を具体的に設定し、計測したガス濃度の情報に基づく具体的な制御方法により効果的に未燃分の残存を抑制し、ボイラ効率を向上させることができる。バーナ（２）と、空気供給ポート（３）と、二次空気用ダンパ（４２）と、火炉出口部（１１０）にてガス濃度を計測する計測部（５）と、制御装置（９０）とを備え、空気供給ポート（３）は、２以上のグループ（３１～３４）に分けられており、計測領域（５０）は、分けられた各グループ（３１～３４）に対応付けられた複数の分割領域（５１～５４）に予め分割されており、制御装置（９０）は、計測領域（５０）の全体におけるガス濃度の平均値と各分割領域（５１～５４）におけるガス濃度の値との間の偏差に基づき、各分割領域（５１～５４）に対応付けられたグループ（３１～３４）の空気供給ポート用二次空気の流量制御指令値を出力する。

Description

燃焼装置及びそれを備えたボイラ
　本発明は、燃焼装置及びそれを備えたボイラに関する。
　ボイラの火炉では、空気不足や燃料と空気の混合不足等によって燃料が火炉出口までに完全に燃焼せず、未燃分（未燃燃料）が残存することが知られている。未燃分の残存量が多いほどボイラ効率が低下するため、火炉内に供給する一次空気や二次空気の流量を調整することで未燃分の残存量を低減させる技術がある。
　例えば、特許文献１には、火炉の上流側に燃料、一次空気、及びバーナ用二次空気を供給して燃焼を行うと共に、火炉の下流側に追加空気吹出部用二次空気を供給して未燃分の燃焼を行う多段燃焼方法が開示されている。この方法では、火炉の下流側横断面における酸素又は炭酸ガスの濃度分布を計測し、計測されたガス濃度の分布に基づき追加空気吹出部用二次空気の供給方向と流速を調整している。
特開昭６３－３１１０２０号公報
　特許文献１に記載の方法では、火炉の下流側横断面でのガス濃度の分布を定量的に把握することにより、例えば、周辺部よりも中央部のガス濃度が高い場合には、中央部における燃焼が活発であると判断し、この情報に基づき追加空気吹出部用二次空気の供給方向と流速を調整しているが、具体的な調整方法やガス濃度の計測位置については不明であるため、実用化が困難である。
　本発明は、効率的なガス濃度の計測位置を具体的に設定し、計測したガス濃度の情報に基づく具体的な制御方法により効果的に未燃分の残存を抑制し、ボイラ効率を向上させることができる燃焼装置及びそれを備えたボイラを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、代表的な本発明は、鉛直方向に沿って設置される火炉の壁に設けられ、前記火炉の内部に燃料、一次空気、及びバーナ用二次空気を供給する複数のバーナと、前記火炉の壁において前記複数のバーナよりも鉛直方向の上側に設けられ、前記火炉の内部に空気供給ポート用二次空気を供給する複数の空気供給ポートと、前記空気供給ポート用二次空気の流量を調整する複数の二次空気用ダンパと、前記火炉において前記複数の空気供給ポートよりも鉛直方向の上側に位置する火炉出口部の水平断面上の計測領域にて、ガス濃度を計測する計測部と、前記複数の二次空気用ダンパのそれぞれの開度を調整するための流量制御指令値を出力する回路を有する制御装置と、を備え、前記複数の空気供給ポートは、２以上のグループに分けられており、前記計測領域は、分けられたそれぞれのグループに対応付けられた複数の分割領域に予め分割されており、前記制御装置は、前記計測領域の全体におけるガス濃度を平均した値と前記計測領域のそれぞれの前記分割領域におけるガス濃度の値との間の偏差に基づいて、それぞれの前記分割領域に対応付けられたグループに属する前記空気供給ポートに供給する前記空気供給ポート用二次空気の前記流量制御指令値を前記複数の二次空気用ダンパのそれぞれに出力することを特徴とする燃焼装置である。
　本発明によれば、上記の特徴により、効率的かつ効果的に未燃分の残存を抑制し、ボイラ効率を向上させることができる。なお、上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明が適用される火力発電プラントの一部構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る燃焼装置（ボイラの一部）の一構成例を示す概略斜視図である。 火炉の前壁側におけるバーナ及び空気供給ポートの構成、並びに火炉内への燃料及び空気の供給系統を示す模式図である。 Ｏ２濃度と未燃分との関係を示すグラフである。 複数の空気供給ポートの構成と計測領域の構成との関係、及び計測領域におけるＯ２濃度の計測方法を示す模式図である。 複数の空気供給ポートから供給される空気供給ポート用二次空気の流量の制御方法を示す概念図である。
　以下、本発明の実施形態に係る燃焼装置１２及びそれを備えたボイラ１０について、図１～図６を参照して説明する。
　＜ボイラ１０の構成＞
　まず、ボイラ１０の構成について、図１～図３を参照して説明する。
　図１は、本発明が適用される火力発電プラントの一部構成を示す模式図である。図２は、本実施形態に係る燃焼装置１２（ボイラ１０の一部）の一構成例を示す概略斜視図である。図３は、火炉１１の前壁１１１側におけるバーナ２及び空気供給ポート３の構成、並びに火炉１１内への燃料及び空気の供給系統を示す模式図である。
　ボイラ１０は、火力発電プラント等で使用される微粉炭焚きボイラの一態様であり、例えば瀝青炭や亜瀝青炭等の石炭から生成された微粉炭を固体燃料として燃焼して、発生した熱を回収する。微粉炭は、微粉炭機１３により石炭を粉砕して生成される。このボイラ１０は、鉛直方向に沿って設置される火炉１１と、火炉１１内において微粉炭を燃焼させる燃焼装置１２と、を備えている。
　火炉１１は、図２に示すように、水冷管で構成された水冷壁で囲まれた筐体構造を有しており、内部に燃焼空間が形成されている。火炉１１の燃焼空間において微粉炭が燃焼されることにより発生した燃焼ガスは、図１及び図２において太線矢印で示すように、火炉１１の鉛直方向の下側から上側に向かって流れる。ボイラ１０から排出された燃焼ガスは、脱硝装置１０３や空気予熱器１０４等を通った後、処理済の排ガスとして外部に排出される。
　火炉１１内において、鉛直方向の下側が燃焼ガスの流れの「上流側」であり、鉛直方向の上側が燃焼ガスの流れの「下流側」である。したがって、火炉出口部１１０は、燃焼ガスの流れの下流側である鉛直方向の上側に位置している。
　火炉１１の上部には、火炉１１に対して交差（直交）する方向に沿った煙道１４が連結されている。火炉１１において燃焼により発生した熱は、主に火炉水冷壁への輻射による伝熱で水を加熱蒸発させ、さらに、煙道１４の内部に設けられた過熱器や再熱器等の熱交換器（図略）による熱交換で水蒸気は過熱されてタービンに送られて発電に供される。
　なお、以下の説明において、煙道１４が延びる方向を「奥行方向」とし、奥行方向における火炉１１側を「前側」、その反対側を「後側」とする。また、鉛直方向及び奥行方向に交差（直交）する方向を「幅方向」とする（図２参照）。
　燃焼装置１２は、火炉１１の内部に微粉炭、一次空気、及びバーナ用二次空気を供給する複数のバーナ２と、火炉１１の内部に空気供給ポート用二次空気を供給する複数の空気供給ポート３と、空気供給ポート用二次空気の流量を調整する複数の二次空気用ダンパ４２と、火炉出口部１１０の水平断面上の計測領域５０（図２において一点鎖線で示す）にてガス濃度を計測する計測部５と、複数の二次空気用ダンパ４２のそれぞれの開度を調整するための流量制御指令値を出力する回路を有する制御装置９０と、を備えている。
　この燃焼装置１２では、微粉炭を燃焼させるための燃焼用の空気を二段階に分けて供給する。すなわち、ボイラ１０では、二段階で微粉炭を完全燃焼させる二段燃焼方式が用いられている。
　まず、第一段階では、微粉炭を完全燃焼させるために必要な理論空気量以下となる量の空気を複数のバーナ２から一次空気及びバーナ用二次空気として火炉１１の内部に供給して、空気不足の状態で微粉炭を燃焼する。これにより、発生した燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素に還元して、火炉１１内における窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制することができる。次に、第二段階では、微粉炭の完全燃焼に不足分の空気を複数の空気供給ポート３から空気供給ポート用二次空気として火炉１１の内部に供給して、第一段階で燃焼しきれずに残った固体状の未燃分や発生した一酸化炭素（ＣＯ）等の気体状の未燃分の燃焼を促進させる。
　具体的には、一次空気ファン４３から供給されて空気予熱器１０４により予熱された一次空気は、微粉炭の乾燥用及び搬送用として微粉炭機１３に導かれ、微粉炭機１３で粉砕された微粉炭と一緒に複数のバーナ２から火炉１１内に供給される。二次空気ファン４６から供給されて空気予熱器１０４で予熱された二次空気（燃焼用空気）は、その一部が複数のバーナ２から、残りが複数の空気供給ポート３から、それぞれ火炉１１内に供給される。
　複数のバーナ２を通って火炉１１内に供給されるバーナ用二次空気の流量の調整（制御）は、制御装置９０から出力されたダンパ開度制御指令値に従ってダンパ１５の開度が調整されることにより行われる。複数の空気供給ポート３を通って火炉１１内に供給される空気供給ポート用二次空気の流量の調整（制御）は、制御装置９０から出力された流量制御指令値に従って二次空気用ダンパ４２の開度が調整されることにより行われる。
　本実施形態に係るボイラ１０は対向燃焼型のボイラであり、図２に示すように、複数のバーナ２及び複数の空気供給ポート３は、奥行方向に対向して配置された火炉１１の前壁１１１及び後壁１１２に分かれて設けられている。
　具体的には、前壁１１１及び後壁１１２においてそれぞれ、１２個のバーナ２及び６個の空気供給ポート３が設けられている。前壁１１１側の１２個のバーナ２と後壁１１２側の１２個のバーナ２とは、互いに対向する位置に配置されており、それらの構成は同一である。同様に、前壁１１１側の６個の空気供給ポート３と後壁１１２側の６個の空気供給ポート３とについても、互いに対向する位置に配置されており、それらの構成は同一である。そこで、前壁１１１側におけるバーナ２及び空気供給ポート３の構成を例に挙げて、以下説明する。
　図３に示すように、１２個のバーナ２は、鉛直方向に沿って上側から下側に向かって上段、中段、下段の３つの段に分かれて配置されている。そして、各段には、幅方向に沿って４個のバーナ２が並んで配置されている。以下の説明において、上段に配置された４個のバーナ２を「上段バーナ２１」、中段に配置された４個のバーナ２を「中段バーナ２２」、下段に配置された４個のバーナ２を「下段バーナ２３」とする。
　４個の上段バーナ２１は第１微粉炭機１３１に、４個の中段バーナ２２は第２微粉炭機１３２に、４個の下段バーナ２３は第３微粉炭機１３３に、それぞれ接続されている。
　第１～第３微粉炭機１３１～１３３（微粉炭機１３）は、例えば石炭を粒径数十μｍ程度の微粉炭に粉砕する。第１微粉炭機１３１で生成された微粉炭は４個の上段バーナ２１に、第２微粉炭機１３２で生成された微粉炭は４個の中段バーナ２２に、第３微粉炭機１３３で生成された微粉炭は４個の下段バーナ２３に、微粉炭機１３の上部に設けられた送炭管（図３において上矢印で示す）を通して搬送空気によりそれぞれ導かれ、火炉１１へと供給される。
　第１～第３微粉炭機１３１～１３３は、ボイラ１０の運用状況によって稼働パターンが変わり、これに伴って、上段バーナ２１、中段バーナ２２、及び下段バーナ２３の使用パターン（運転パターン）が変わる。例えば、第１～第３微粉炭機１３１～１３３の全機が稼働している場合には、上段バーナ２１、中段バーナ２２、及び下段バーナ２３の全てが使用状態となるが、第１微粉炭機１３１及び第３微粉炭機１３３が稼働し、第２微粉炭機１３２が予備となる場合には、上段バーナ２１及び下段バーナ２３が使用状態となり、中段バーナ２２は未使用の状態（予備）となる。
　なお、前壁１１１側のバーナ２の使用パターンと後壁１１２側のバーナ２の使用パターンとは必ずしも対称である必要はない。例えば、前壁１１１側では上段バーナ２１及び中段バーナ２２の２段が使用され、一方、後壁１１２側では上段バーナ２１、中段バーナ２２、及び下段バーナ２３の３段全てが使用されていてもよい。
　空気予熱器１０４から各上段バーナ２１送られる一次空気及びバーナ用二次空気の量は、各上段バーナ２１に対して第１微粉炭機１３１から搬送される微粉炭の量に基づき設定される。そして、バーナ用二次空気は、微粉炭機１３から供給される一次空気を除いた残りの空気の流量がダンパ１５によって調整される。
　なお、火炉１１内に供給される二次空気の総流量は、ボイラ１０の負荷に基づいて制御された微粉炭の量に基づき調整（制御）される。ここで、「火炉１１内に供給される燃焼用の空気の総流量」とは、火炉１１内に供給される全ての空気（一次空気、ならびにバーナ用二次空気及び空気供給ポート用二次空気）の流量を示す。
　６個の空気供給ポート３は、火炉１１の前壁１１１において１２個のバーナ２よりも鉛直方向の上側であって、かつ火炉出口部１１０の位置よりも下側に設けられている。すなわち、火炉出口部１１０は、６個の空気供給ポート３よりも鉛直方向の上側に位置している。６個の空気供給ポート３は、幅方向に沿って並んで配置された４個の主ポート３０１と、これら４個の主ポート３０１の幅方向の両側に配置された２個の副ポート３０２と、を有している。
　なお、４個の主ポート３０１の鉛直方向の位置は、２個の副ポート３０２の鉛直方向の位置よりも上側である。すなわち、鉛直方向において、２個の副ポート３０２は、４個の主ポート３０１と４個の上段バーナ２１との間に位置している。火炉１１の後壁１１２側を含めた空気供給ポート３の全体構成については、後述する。
　各空気供給ポート３に対して空気予熱器１０４から送られる空気供給ポート用二次空気の量は、二次空気用ダンパ４２の開度の増減によって調整され、これにより各空気供給ポート３から火炉１１の内部に供給される空気供給ポート用二次空気の供給量が調整される。
　二次空気用ダンパ４２は、具体的には、制御装置９０から送られる空気供給ポート用二次空気の流量を制御する流量制御指令値に基づいて、各空気供給ポート３に送る空気供給ポート用二次空気の流量を調整している。この制御指令値は、火炉１１内における未燃分の残存量を最小限にするために最適な空気供給ポート用二次空気の流量に制御するものであり、火炉１１内に供給される微粉炭の流量に基づいて設定される空気供給ポート用二次空気の流量設定値（設計値）に対して計測部５において計測したガス濃度の値（実際の値）を考慮して定められている。
　図１及び図３に示すように、火炉１１内に空気供給ポート用二次空気を供給するための流路には、制御装置９０からの制御指令値に基づいた流量が実際に流れているかどうかを計測するための空気流量計測器４１が設けられている。
　本実施形態では、計測部５において計測されるガスの種類は、酸素（Ｏ２）であるが、火炉１１内における燃焼の進行度合いを知るためのガスの種類は、酸素（Ｏ２）に限らず、例えば二酸化炭素（ＣＯ２）でも構わない。しかしながら、燃焼促進に作用する酸素（Ｏ２）の濃度を計測部５において計測する方が、火炉１１内の空気の過不足をより直接的に把握しやすい。
　図１において一部示すように、火力発電プラントには、様々な計測端や制御端が設けられている。例えば、微粉炭機１３に供給する石炭の供給量を計測し、同時に所定の石炭量を微粉炭機１３へ供給するように制御する給炭機（図示省略）、微粉炭機１３の出口の一次空気温度を検出する一次空気出口温度計測器４４、微粉炭機１３の入口の一次空気温度を検出する一次空気入口温度計測器４５等である。これらの各種の計測端や制御端は、破線で示すように、制御装置９０と電気的に接続されている。
　この制御装置９０は、制御を実行する制御回路部、計測信号や制御信号を受発信するインターフェース部、及び計測信号の一部を短時間記憶させる記憶部等を含む。
＜Ｏ２濃度と未燃分との相関関係＞
　ここで、火炉１１内におけるＯ２濃度と未燃分との相関関係について、図４を参照して説明する。
　図４は、Ｏ２濃度と未燃分との関係を示すグラフである。
　火炉１１内におけるＯ２濃度が高くなれば、火炉１１内における燃焼は促進されるため、未燃分は少なくなる。この場合において、Ｏ２濃度と未燃分との相関関係は、図４において二点鎖線で示すような単なる比例関係ではなく、Ｏ２濃度が低い領域においては、Ｏ２濃度が高くなると未燃分が急激に低減するといった特性がある（図４において実線で示す曲線）。換言すれば、Ｏ２濃度と未燃分との相関関係は、Ｏ２濃度が所定の値より低くなると未燃分が急激に増加する関係にある。
　したがって、Ｏ２濃度が低い領域（図４におけるＰ１）においてＯ２濃度が高くなるように空気供給ポート用二次空気の流量を調整したり、Ｏ２濃度が高い領域（図４におけるＰ２）においてＯ２濃度が低くなるように空気供給ポート用二次空気の流量を調整したりすると、Ｏ２濃度が低い領域における未燃分とＯ２濃度が高い領域における未燃分との平均（図４におけるＰ１２）よりも少ない未燃分（図４におけるＰ３）となる。
　よって、このＯ２濃度と未燃分との相関関係の特性に基づいて、各空気供給ポート３から供給される空気供給ポート用二次空気の流量を調整すれば、未燃分を最小限にすることができる。また、Ｏ２濃度は、火炉１１内における燃焼ガスの混合が進んだ火炉出口部１１０の水平断面上の計測領域５０にて計測するため、火炉１１内における微粉炭の燃焼が完結した状態を正確に反映させた上で、空気供給ポート用二次空気の流量を調整することができる。
＜Ｏ２濃度の計測方法について＞
　次に、火炉出口部１１０の計測領域５０におけるＯ２濃度の計測方法について、図５を参照して説明する。
　図５は、複数の空気供給ポート３の構成と計測領域５０の構成との関係、及び計測領域５０におけるＯ２濃度の計測方法を示す模式図である。
　図５において太線で囲んで示すように、本実施形態では、複数の空気供給ポート３は、第１グループ３１、第２グループ３２、第３グループ３３、及び第４グループ３４の４グループに分けられている。第１グループ３１、第２グループ３２、第３グループ３３、及び第４グループ３４にはそれぞれ、２個の主ポート３０１及び１個の副ポート３０２が含まれており、グループ毎に対応して空気流量計測器４１及び二次空気用ダンパ４２が設けられている。
　計測領域５０は、４つに分けられたそれぞれのグループに対応付けられた４つの分割領域（第１分割領域５１、第２分割領域５２、第３分割領域５３、及び第４分割領域５４）に予め分割されている。本実施形態では、矩形状の計測領域５０が幅方向に２等分され、かつ、奥行方向に２等分されることにより、第１分割領域５１、第２分割領域５２、第３分割領域５３、及び第４分割領域５４の４つの矩形状の領域に等分されている。
　第１分割領域５１は第１グループ３１に対応付けられており、第１分割領域５１で計測されたＯ２濃度の値によって第１グループ３１に属する空気供給ポート３から実際に火炉１１内に供給された空気供給ポート用二次空気の流量の相対値（大小）を判定することができる。同様にして、第２分割領域５２は第２グループ３２に、第３分割領域５３は第３グループ３３に、第４分割領域５４は第４グループ３４に、それぞれ対応付けられている。
　したがって、本実施形態では、複数の空気供給ポート３のグループの数と分割領域の数とが同じ（４つ）であり、各グループ３１～３４と分割領域５１～５４とは１対１で対応付けられている。
　このように、第１分割領域５１、第２分割領域５２、第３分割領域５３、及び第４分割領域５４のそれぞれにおいて実際に計測したＯ２濃度の値を踏まえて、どの分割領域におけるＯ２濃度が高いか又は低いかを判断し、それぞれの分割領域５１～５４に対応付けられた各グループ３１～３４に属する空気供給ポート３（主ポート３０１及び副ポート３０２）が供給する空気供給ポート用二次空気の流量を最適に制御する。この制御方法については、後述する。
　一実施形態として、レーザ光線を用いたＯ２濃度の計測がある。具体的には、計測部５は、計測領域５０上で交差する複数のレーザ光線（図５において例えば矢印Ｌ１，Ｌ２で示す）を発射するレーザ光源５ａと、レーザ光源５ａから発射されたレーザ光線を受信する受信部５ｂとを有し、複数のレーザ光線の光路（火炉１１内を通過するパス）の透過度によって光路のＯ２濃度を計測し、トモグラフィー技術を適用して光路の交点（図５において黒丸印で示す）におけるＯ２濃度を出力する。
　図５では、奥行方向に沿ったレーザ光線（矢印Ｌ１）と幅方向に沿ったレーザ光線（矢印Ｌ２）とが直交するようにレーザ光源５ａからそれぞれレーザ光線が発射されており、その交点（黒丸印）が局部のＯ２濃度の出力点である。本実施形態では、計測領域５０には、全部で４８個の出力点があり、レーザ光線の光路の数（レーザパス数）は奥行方向に透過する８パス、及び幅方向に透過する６パスの全１４パスである。
　このように、１４パスのレーザ光線を受発信するレーザ光源５ａ及び受信部５ｂを用いることにより、４８個もの出力点におけるガス濃度の情報が得られるため、効率的にＯ２濃度の計測を行うことができる。なお、必ずしもレーザ光線の交点の出力値を用いてガス濃度の情報を得る必要はなく、各分割領域５１～５４のガス濃度を直接出力してもよい。
　また、Ｏ２濃度の計測方法は、必ずしもレーザ光によるものである必要はなく、例えば水冷プローブを火炉１１内に挿入して計測領域５０上の任意の箇所を直接的に計測してもよい。しかしながら、レーザ光線を用いた計測方法の方が、高温の火炉１１内へ計測器や計測装置を挿入することなくＯ２濃度の計測をすることが可能であるため、耐久性の面でも有利な計測方法である。さらに、計測部分への灰の付着等の問題も回避することができるため、信頼性の面でも有利な計測方法である。すなわち、レーザ光線を用いた計測方法は、経済性、耐久性、及び信頼性の面で有利な場合が多い。
　なお、図５では、レーザ光源５ａ及び受信部５ｂはレーザ光線毎に設けられているが、必ずしもその必要はなく、レーザ光源５ａ及び受信部５ｂの構成については特に制限はない。
　また、一実施形態として、計測部５における計測値は、所定の時間内において計測領域５０（第１～第４分割領域５１～５４）内で複数回計測したＯ２濃度を平均した値としても良い。この場合、ある時間内に各計測点を１回計測した場合のＯ２濃度の値と比べて安定した値を計測値として用いることができる。
＜空気供給ポート用二次空気の流量の制御について＞
　次に、複数の空気供給ポート３から供給される空気供給ポート用二次空気の流量の制御について、図６を用いて説明する。
　図６は、複数の空気供給ポート３から供給される空気供給ポート用二次空気の流量の制御方法を示す概念図である。
　複数の空気供給ポート３から供給される空気供給ポート用二次空気の流量制御は、制御装置９０からの制御指令値に基づいて行われる。制御装置９０は、グループ毎の流量設定値を算出する機能と、計測領域５０の全体におけるＯ２濃度の合計値を算出する機能と、計測領域５０の全体におけるＯ２濃度を平均した値を算出する機能と、計測領域５０の全体におけるＯ２濃度を平均した値と各分割領域５１～５４におけるＯ２濃度の平均値との間の偏差を算出する機能と、グループ毎の流量設定値に対して偏差を考慮してグループ毎の流量制御指令値を算出する機能と、を含む。
　以下、各機能について具体的に説明する。なお、第１グループ３１、第２グループ３２、第３グループ３３、及び第４グループ３４のそれぞれにおける空気供給ポート用二次空気の流量の制御方法は同様であるため、主に第１グループ３１における空気供給ポート用二次空気の流量の制御方法を例に挙げて説明する。
　図６に示すように、予め、複数の空気供給ポート３から火炉１１内に供給する空気供給ポート用二次空気の全流量設定値を第１除算器Ｄ１に入力する。第１除算器Ｄ１は、入力された空気供給ポート用二次空気の全流量設定値をグループ数（本実施形態では４グループ）で除算して平均値を取ることにより、第１グループ流量設定値、すなわち第１グループ３１に対する空気供給ポート用二次空気の流量設定値を定める。
　次に、第１分割領域５１、第２分割領域５２、第３分割領域５３、及び第４分割領域５４のそれぞれにおけるＯ２濃度の平均値（実際の計測値の平均値）を合計値演算器Ａ５に入力する。合計値演算器Ａ５は、入力された第１分割領域５１、第２分割領域５２、第３分割領域５３、及び第４分割領域５４のそれぞれにおけるＯ２濃度の平均値を足し合わせて計測領域５０の全体におけるＯ２濃度の合計値を算出する。
　算出された計測領域５０の全体におけるＯ２濃度の合計値を第５除算器Ｄ５に入力する。第５除算器Ｄ５は、入力された計測領域５０の全体におけるＯ２濃度の合計値を分割領域の数（本実施形態では４領域）で除算して、計測領域５０の全体におけるＯ２濃度を平均した値を算出する。
　そして、計測領域５０の全体におけるＯ２濃度を平均した値、及び第１分割領域５１におけるＯ２濃度の平均値を第１減算器Ｓ１に入力する。第１減算器Ｓ１は、計測領域５０の全体におけるＯ２濃度を平均した値と第１分割領域５１におけるＯ２濃度の平均値との間の偏差を算出する。
　これにより、計測領域５０の全体におけるＯ２濃度を平均した値に対して第１分割領域５１におけるＯ２濃度の平均値がどのくらい高いか又は低いかを把握することができるため、第１分割領域５１に対応付けられた第１グループ３１に属する空気供給ポート３から供給される空気供給ポート用二次空気の流量が多いのか又は少ないのかを判定することが可能となる。
　演算部６は、算出されたＯ２濃度の偏差から空気供給ポート用二次空気流量の修正量を算出する。具体的には、演算部６は、空気供給ポート用二次空気の流量が多い場合は設定値との偏差分を負の値として、空気供給ポート用二次空気の流量が少ない場合は設定値との偏差分を正の値として、Ｏ２濃度の偏差を空気流量に転換して修正量を算出する。
　こうして得られた空気供給ポート用二次空気流量の修正量及び第１グループ３１における空気供給ポート用二次空気の流量設定値を第１加算器Ａ１に入力する。第１加算器Ａ１は、第１グループ流量設定値に空気供給ポート用二次空気流量の修正量を足し合わせて、第１グループ３１における空気供給ポート用二次空気の流量制御指令値として出力する。そして、二次空気用ダンパ４２は、第１グループ３１における空気供給ポート用二次空気の流量制御指令値に基づいて第１グループ３１に属する空気供給ポート３へ供給する空気供給ポート用二次空気の流量を調整する。
　上記では、第１グループ３１及び第１分割領域５１に対応する第１除算器Ｄ１、第１減算器Ｓ１、及び第１加算器Ａ１の機能について説明したが、第２グループ３２及び第２分割領域５２に対応する第２除算器Ｄ２、第２減算器Ｓ２、及び第２加算器Ａ２、第３グループ３３及び第３分割領域５３に対応する第３除算器Ｄ３、第３減算器Ｓ３、及び第３加算器Ａ３、ならびに第４グループ３４及び第４分割領域５４に対応する第４除算器Ｄ４、第４減算器Ｓ４、及び第４加算器Ａ４についても、それぞれ同様の機能を有する。
　このように、空気供給ポート用二次空気の流量制御指令値を求める際には、計測領域５０の全体におけるＯ２濃度を平均した値と各分割領域５１～５４におけるＯ２濃度の平均値との間の偏差を算出すれば足りるため、Ｏ２濃度の計測をグループ単位で行うことができ、また、グループ単位で偏差の算出を行うことができる。そして、火炉１１内に供給する空気供給ポート用二次空気の流量もグループ単位で調整すればよい。
　火炉１１内では、燃料（微粉炭）の流量配分や空気の流量配分の変動によって局部的な燃焼の変動が生じており、最適な燃焼状態からの逸脱の要因となっている。この燃焼の変動を局部的に常時修正することは、変動の検出の面からも、空気の最適配分の調整の面からも、極めて困難である。
　しかしながら、局部的な燃焼の変動の総和は、火炉１１内を大きくグループ分けした場合には、各グループの変動に相当することがほとんどである。そして、グループ毎の燃焼の変動は、局部的な燃焼の変動よりも安定しているため、グループ毎の変動の検出、及びグループ毎の空気の配分の調整は比較的に容易である。
　よって、本実施形態では、火炉１１内をグループに分けて、グループ毎のＯ２濃度の計測値に基づき空気供給ポート用二次空気の流量の配分を最適化しているため、火炉１１内における未燃分の抑制を最適に行う手段として、実際に運用されているボイラ１０に対して実用化しやすく、ボイラ１０の効率の向上にもつながる。
　なお、計測領域５０の全体におけるＯ２濃度を平均した値と各分割領域５１～５４におけるＯ２濃度の平均値との間の偏差は、一般的にはより小さい方が火炉１１内における微粉炭の燃焼度合いの均衡を図りやすいため、この偏差をゼロに近づけるように空気供給ポート用二次空気の流量を調整することが望ましい。
　しかしながら、計測領域５０の上流側における燃焼ガスの混合状態等によっては燃焼が良好に進み、Ｏ２濃度が低下するような領域が存在することもある。このような場合、Ｏ２濃度が低下している領域への空気の過剰な増加は不要となる。
　このように、計測領域５０の上流側で燃焼促進に偏差を生じる混合等の条件の差が存在する場合には、計測領域５０の全体におけるＯ２濃度を平均した値と各分割領域５１～５４におけるＯ２濃度の平均値との間の偏差に、正又は負のバイアス値を予め設けることで、計測領域５０の上流側の条件に応じた最適な空気の配分の調整が可能となる。
　計測領域５０の上流側で燃焼促進に偏差を生じる混合等の条件の差は、燃焼装置１２の負荷や複数のバーナ２のうち使用するバーナ２のパターンで変化することが多い。ここで、「複数のバーナ２のうち使用するバーナ２のパターン」とは、前述したように、複数の微粉炭機１３の稼働状態によって使用状態となるバーナ２の段が変わるため、複数のバーナ２には使用パターンがあることを示している。
　正又は負のバイアス値は、前述した演算部６（第１～第４演算部６１～６４）において設定される。計測領域５０の全体におけるＯ２濃度を平均した値と各分割領域５１～５４におけるＯ２濃度の平均値との間の偏差は、演算部６にて設定された正又は負のバイアス値が加えられた上で空気供給ポート用二次空気の流量の修正量に換算された後、加算器Ａ（第１～第４加算器Ａ１～Ａ４）に入力される。
　具体的には、燃焼ガスの混合が進みやすい領域に対しては正のバイアス値を加えることにより、当該領域に対応した計測領域で計測されるＯ２濃度の平均値を高くし、燃焼ガスの混合が進みにくい領域に対しては負のバイアス値を加えることにより、当該領域に対応した計測領域で計測されるＯ２濃度の平均値を低くする。
　なぜならば、燃焼ガスの混合及び燃焼が進むとＯ２濃度が次第に低下していき、このままの状態では空気不足であると誤判断されるおそれがあるからである。よって、燃焼ガスの混合及び燃焼が進みやすい領域に対しては、正のバイアス値を加えることにより、空気は十分であると正しく判断させる必要がある。燃焼ガスの混合及び燃焼が進み難い場合はその逆である。
　また、本実施形態では、算出された空気供給ポート用二次空気の流量の修正量が過剰に大きい場合に制限を掛ける制限器７（第１～第４制限器７１～７４）が設けられている。これにより、Ｏ２濃度に基づく制御に異常が生じた場合にも、空気供給ポート用二次空気の流量を所定の適正な範囲で制御可能とし、ボイラ１０に異常をきたすことなく安全に運用することができる。
　なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
　上記の実施形態では、ボイラ１０は対向燃焼型のボイラであったが、所定の位置から供給される空気供給ポート用二次空気の流量の変化と火炉出口部１１０のＯ２濃度の値の変化との相関関係が分かっている場合には、旋回燃焼型のボイラであってもよい。
　上記の実施形態では、複数の空気供給ポート３は４グループに分けられており、計測領域５０は空気供給ポート３の各グループに対応付けられて予め４つの分割領域５１～５４に分割されていたが、必ずしも４つである必要はなく、少なくとも複数の空気供給ポート３が２以上のグループに分けられており、計測領域５０は、分けられたそれぞれのグループに対応付けられた複数の分割領域に予め分割されていればよい。
　上記の実施形態では、第１分割領域５１、第２分割領域５２、第３分割領域５３、及び第４分割領域５４のそれぞれにおけるＯ２濃度の平均値（実際の計測値の平均値）を用いて偏差を算出していたが、必ずしも平均値である必要はない。
　２　バーナ
　３　空気供給ポート
　５　計測部
　５ａ　レーザ光源
　５ｂ　受信部
　１１　火炉
　１２　燃焼装置
　１３　微粉炭機
　３１～３４　第１～第４グループ
　４２　二次空気用ダンパ
　５０　計測領域
　５１～５４　第１～第４分割領域
　９０　制御装置
　１１０　火炉出口部
　１１１，１１２　前壁，後壁（壁）
　１３１，１３２，１３３　第１～第３微粉炭機
　Ｌ１，Ｌ２　レーザ光線

Claims (10)

  1. 　鉛直方向に沿って設置される火炉の壁に設けられ、前記火炉の内部に燃料、一次空気、及びバーナ用二次空気を供給する複数のバーナと、
    　前記火炉の壁において前記複数のバーナよりも鉛直方向の上側に設けられ、前記火炉の内部に空気供給ポート用二次空気を供給する複数の空気供給ポートと、
    　前記空気供給ポート用二次空気の流量を調整する複数の二次空気用ダンパと、
    　前記火炉において前記複数の空気供給ポートよりも鉛直方向の上側に位置する火炉出口部の水平断面上の計測領域にて、ガス濃度を計測する計測部と、
    　前記複数の二次空気用ダンパのそれぞれの開度を調整するための流量制御指令値を出力する回路を有する制御装置と、
    を備え、
    　前記複数の空気供給ポートは、２以上のグループに分けられており、
    　前記計測領域は、分けられたそれぞれのグループに対応付けられた複数の分割領域に予め分割されており、
    　前記制御装置は、前記計測領域の全体におけるガス濃度を平均した値と前記計測領域のそれぞれの前記分割領域におけるガス濃度の値との間の偏差に基づいて、それぞれの前記分割領域に対応付けられたグループに属する前記空気供給ポートに供給する前記空気供給ポート用二次空気の前記流量制御指令値を前記複数の二次空気用ダンパのそれぞれに出力する
    ことを特徴とする燃焼装置。
  2. 　請求項１に記載の燃焼装置であって、
    　前記複数の空気供給ポートは、４グループに分けられており、
    　前記計測領域は、分けられたそれぞれのグループに対応付けられた４つの前記分割領域に予め分割されている
    ことを特徴とする燃焼装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の燃焼装置であって、
    　前記計測部において計測されるガスの種類は、酸素である
    ことを特徴とする燃焼装置。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の燃焼装置であって、
    　前記制御装置は、前記計測領域の全体におけるガス濃度を平均した値とそれぞれの前記分割領域におけるガス濃度の値との間の偏差をゼロに近づけるように、前記空気供給ポート用二次空気の前記流量制御指令値を前記複数の二次空気用ダンパのそれぞれに出力する
    ことを特徴とする燃焼装置。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の燃焼装置であって、
    　前記計測領域の全体におけるガス濃度を平均した値とそれぞれの前記分割領域におけるガス濃度の値との間の偏差には、正又は負のバイアス値が加えられている
    ことを特徴とする燃焼装置。
  6. 　請求項５に記載の燃焼装置であって、
    　前記正又は負のバイアス値は、前記燃焼装置の負荷に基づいて演算されている
    ことを特徴とする燃焼装置。
  7. 　請求項５又は６に記載の燃焼装置であって、
    　前記正又は負のバイアス値は、前記複数のバーナのうち使用するバーナのパターンに基づいて演算されている
    ことを特徴とする燃焼装置。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の燃焼装置であって、
    　前記計測部では、所定の時間内において前記計測領域を複数回計測したガス濃度を平均した値を計測値とする
    ことを特徴とする燃焼装置。
  9. 　請求項１～８のいずれか１項に記載の燃焼装置であって、
    　前記計測部は、前記計測領域上で交差する複数のレーザ光線を受発信するレーザ光源及び受信部を有しており、前記複数のレーザ光線の透過度によってガス濃度を計測し、トモグラフィー技術を用いて前記複数のレーザ光線の交点又は前記分割領域におけるガス濃度を出力する
    ことを特徴とする燃焼装置。
  10. 　請求項１～９のいずれか１項に記載の燃焼装置を備えた
    ことを特徴とするボイラ。
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