石炭火力発電プラント
【課題】本発明の目的は、酸素燃焼ボイラにおいて、空気燃焼から酸素燃焼へ切り替えるときに、支燃ガスの酸素濃度を安定的に制御し、ボイラの蒸気温度や発電出力の変動を抑えることが可能な制御方式を提供することにある。
【解決手段】本発明の石炭火力発電プラントは、３つのダンパを設置し、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える場合、該空気流量、該循環排ガス流量、該酸素ガス流量をボイラに供給する燃料流量のデマンドに応じて変化させ、かつ、該空気流量を減少させるのに合わせて、該循環排ガス流量と該酸素ガス流量を増加させ、かつ、該空気流量、該循環排ガス流量、該酸素ガス流量が線形関係であることを特徴とする。
【効果】本発明によれば、酸素燃焼ボイラにおいて、空気燃焼から酸素燃焼へ切り替えるときに、支燃ガスの酸素濃度を安定的に制御し、ボイラの蒸気温度や発電出力の変動を抑えることが可能な制御方式を提供できる。
【解決手段】本発明の石炭火力発電プラントは、３つのダンパを設置し、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える場合、該空気流量、該循環排ガス流量、該酸素ガス流量をボイラに供給する燃料流量のデマンドに応じて変化させ、かつ、該空気流量を減少させるのに合わせて、該循環排ガス流量と該酸素ガス流量を増加させ、かつ、該空気流量、該循環排ガス流量、該酸素ガス流量が線形関係であることを特徴とする。
【効果】本発明によれば、酸素燃焼ボイラにおいて、空気燃焼から酸素燃焼へ切り替えるときに、支燃ガスの酸素濃度を安定的に制御し、ボイラの蒸気温度や発電出力の変動を抑えることが可能な制御方式を提供できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭火力発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策として、温室効果ガスの一つであるＣＯ2（二酸化炭素）の排出削減の取り組みが世界的に実施されている。火力発電所はＣＯ2の排出量が多い設備の一つであり、特に炭素含有量が多く燃焼排ガス中にＣＯ2を多量に発生させる石炭を燃焼する石炭ボイラを備えた石炭火力発電プラントは発電量当りのＣＯ2排出量が最も多く、早急なＣＯ2削減対策が要望されている。
【０００３】
石炭火力発電プラントのＣＯ2削減対策としては、発電の高効率化に加えて、石炭ボイラでの燃焼によって発生した燃焼排ガス中からのＣＯ2の分離・回収が挙げられる。ＣＯ2の分離・回収とは、石炭火力発電プラントで発生した燃焼排ガス中からＣＯ2のみを取り出して圧縮・液化し、パイプライン等を通してこの液化させたＣＯ2を地下深部等に貯留させる方式である。
【０００４】
ＣＯ2分離・回収方式の一つに酸素燃焼方式がある。これは、空気から酸素のみを分離し、分離させた純酸素を使用するように構成したものである。酸素燃焼ボイラでは、石炭を燃焼して生成した燃焼排ガス（主要成分はＣＯ2）の一部と純酸素とを混合させた混合ガスを支燃ガスに使用する。酸素と燃焼排ガスを混合させるのは、石炭ボイラ内で燃焼する火炎温度を抑制するためである。空気燃焼ボイラで発生した燃焼排ガスにはＮ2（窒素）が多く含まれるので、空気燃焼ボイラから排出される排ガスからＣＯ2を分離する処理が必要となるが、酸素燃焼ボイラで発生した燃焼排ガスは成分のほとんどがＣＯ2であるため、排ガスからＣＯ2の分離処理をしないで、そのままＣＯ2を回収できる利点がある。
【０００５】
酸素燃焼では支燃ガスに燃焼排ガスを利用するため、酸素燃焼の状態でボイラを点火し、起動することはできない。通常は、空気燃焼の状態でボイラを点火し、負荷上昇させた後、酸素燃焼へと切り替える。この燃焼切替では、空気で石炭を燃焼させている状態から、空気を排ガスと酸素の混合ガスへと徐々に置き換えていく。
【０００６】
燃焼特性に影響を与える要素の一つに、支燃ガスの酸素濃度がある。空気燃焼の場合、支燃ガスである空気の酸素濃度はほぼ一定であるため、支燃ガスの酸素濃度の制御は行わない。これに対し、酸素燃焼の場合には、酸素ガスの供給流量が一定であっても、循環排ガスの流量や組成によって酸素濃度が変わる。このため、酸素燃焼の場合には、安定した燃焼状態を維持するために、酸素濃度の制御が重要になる。特に、燃焼切替時においては、空気の酸素濃度と、酸素燃焼の条件で最適な支燃ガスの酸素濃度は異なるため、燃焼切替の進行に合わせて、酸素濃度が適切な値になるように制御する必要がある。
【０００７】
酸素燃焼ボイラにおける燃焼切替の制御方式として、特開２００９−２５７７５１号公報に記載された方式がある。ここでは、流量制御ダンパにより、空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量を調整することにより、酸素濃度が所定の値になるよう維持しながら、空気燃焼から酸素燃焼への切替を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２５７７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、酸素濃度の計測には時間遅れや計測値の変動が伴うため、酸素濃度の計測値のみで、空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量を制御すると、支燃ガスの酸素濃度が変動し、燃焼の安定性に支障をきたす。
【００１０】
さらに、燃焼切替時における支燃ガスの酸素濃度は、切替の進行に合わせてスムーズに変わっていくのが好ましいが、機器の構成上、それが困難な場合がある。特に、空気流量については、酸素燃焼へと切り替わるに従い、流量が０へと漸近するように制御するのが理想であるが、流量制御用のダンパの特性から最小流量が存在する。つまり、空気流量をダンパの最小流量まで低下させた後、ダンパを全閉して、流量を０に落とす操作手順を取る。この操作により、切替中の支燃ガスの酸素濃度も突変する。このような状況でも、安定した燃焼を維持できる制御方式が要求される。
【００１１】
燃焼が不安定になると、バーナ失火の危険性が高まると共に、ボイラの蒸気温度や発電出力に変動が発生するため、プラントの運転の信頼性が損なわれる。本発明の目的は、酸素燃焼ボイラにおいて、空気燃焼から酸素燃焼へ切り替えるときに、支燃ガスの酸素濃度を安定的に制御し、ボイラの蒸気温度や発電出力の変動を抑えることが可能な制御方式を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の石炭火力発電プラントは、ボイラに投入する空気流量を制御するダンパと、ボイラに投入する循環排ガス流量を制御するダンパと、ボイラに投入する酸素ガス流量を制御するダンパを設置し、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える場合、該空気流量、該循環排ガス流量、該酸素ガス流量をボイラに供給する燃料流量のデマンドに応じて変化させ、かつ、該空気流量を減少させるのに合わせて、該循環排ガス流量と該酸素ガス流量を増加させ、かつ、該空気流量、該循環排ガス流量、該酸素ガス流量が線形関係であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、酸素燃焼ボイラにおいて、空気燃焼から酸素燃焼へ切り替えるときに、支燃ガスの酸素濃度を安定的に制御し、ボイラの蒸気温度や発電出力の変動を抑えることが可能な制御方式を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施例である石炭火力発電プラントを示す概略構成図（空気燃焼）である。
【図２】本発明の一実施例である石炭火力発電プラントを示す概略構成図（酸素燃焼）である。
【図３】酸素濃度デマンドとガス流量のトレンドである。
【図４】循環排ガス流量の制御ロジックである。
【図５】酸素ガス流量の制御ロジックである。
【図６】空気流量の制御ロジックである。
【図７】酸素濃度補正回路の動作のＯＮ／ＯＦＦを示す図である。
【図８】本実施例の制御方式によるプラント動特性のシミュレーション結果である。
【図９】空気流量保持操作を実施しない場合のプラント動特性のシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、石炭火力発電プラントが排出する二酸化炭素の回収に好適な方式の一つである酸素燃焼を対象として、空気燃焼の運転から酸素燃焼の運転に切り替える場合の制御方式、及び、該制御方式を実現するための機器構成に関するものである。本発明の一実施例である空気燃焼と酸素燃焼が可能な石炭火力発電プラントの構成と制御方式について図面を参照して以下に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の一実施例である石炭火力発電プラントの構成を示す概略図である。図１に示す石炭火力発電プラントは、空気燃焼と酸素燃焼の両方で運転可能な構成になっている。
【００１７】
先ず、ボイラ１を通常の空気燃焼で運転するときのガスの流れを説明する。
【００１８】
空気燃焼での支燃ガスは空気である。ファン２１とファン２２が配管４１を通して外気から空気を吸い込む。このとき、ダンパ１０１は開いた状態とし、後述する酸素供給用のダンパ１０２は閉じた状態とする。ファン２１とファン２２を通った空気はガス予熱器４に送られ、ここでボイラ１から排出された高温の排ガスで加熱される。ファン２１が取り込んだ空気は配管４２を通してミル２に送られ、ここで粉砕された石炭と混合し、ボイラ１に燃料ガスとして供給される。一方、ファン２２が取り込んだ空気は配管４３を通してボイラ１に供給される。ボイラ１での燃焼後の排ガスは、配管４４を通して脱硝装置３に送られる。脱硝装置３では、排ガス中の窒素酸化物が取り除かれる。次に、排ガスはガス予熱器４に送られる。前述したように、ガス予熱器４では空気燃焼での支燃ガスである空気と熱交換を行う。空気は加熱されて温度が上昇するのに対し、排ガスの温度は伝熱によって低下する。次に、ガス予熱器４を排出された排ガスは、集塵装置５に送られる。集塵装置５では、排ガス中の煤塵や灰を除去する。集塵装置５から排出された排ガスはファン２３により、配管４５を通して、後段の脱硫装置６に送られる。このとき、ダンパ１０３は閉じた状態、ダンパ１０４は開いた状態とし、排ガス循環用の配管４６に排ガスが送られないようにする。脱硫装置６では、排ガス中の硫黄酸化物を除去する。脱硫装置６から排出された排ガスは、配管４７を通して煙突から大気に放出される。このとき、ダンパ１０５は開いた状態、ダンパ１０６は閉じた状態とし、配管４８に排ガスが送られないようにする。
【００１９】
以上がボイラ１を空気燃焼で運転したときのガスの流れである。次に、図２を用いて、ボイラ１を酸素燃焼で運転したときのガスの流れを説明する。図２は、図１と同じ機器構成であり、ダンパの開閉状態のみが異なる。
【００２０】
空気燃焼では支燃ガスとして空気を用いるが、酸素燃焼では純酸素と排ガスの混合ガスを用いる。先ず、大気から空気分離装置９に空気が取り込まれる。空気分離装置では、酸素と窒素の沸点の差を利用して分離する深冷法により、空気から酸素を取り出し、配管４４を通して酸素ガスを供給する。このとき、ダンパ１０１は閉じた状態、ダンパ１０２は開いた状態とする。これにより、ボイラに空気が取り込まれることはない。酸素ガスは、配管４６を流れてきた排ガスの一部と混合される。このとき、ダンパ１０３は開いた状態とする。酸素ガスと排ガスの混合ガスが支燃ガスとなり、ファン２１、２２を用いてボイラ１へ供給される。ボイラ１で燃焼した後の排ガスは、空気燃焼の場合と同様に、脱硝装置３、ガス予熱器４、集塵装置５へと排出される。ファン２３を通った排ガスは、配管４５と配管４６に分岐する。このとき、ダンパ１０３、ダンパ１０４は開いた状態であり、両ダンパによって配管４６を通る排ガスの流量を制御する。配管４６を通った排ガスは、ボイラ１へ戻る循環排ガスとなる。一方、配管４５を通った排ガスは脱硫装置６に送られた後、配管４８を通して冷却除湿装置に送られる。このとき、ダンパ１０５は閉じた状態、ダンパ１０６は開いた状態とし、排ガスが大気に放出されないようにする。冷却除湿装置７では、排ガスを大気で冷却して水分を除去した後、ＣＯ2液化装置８に送られる。ここで液化された排ガス（ＣＯ2）が回収される。
【００２１】
以上がボイラ１を酸素燃焼で運転したときのガスの流れである。また、図１の２０１は、ボイラの制御を行うための制御装置である。制御装置にはボイラに設置されたセンサの計測値を取り込むと共に、ファンやポンプなどの機器を操作するための制御信号を出力するが、図１ではこの信号の流れは省略している。
【００２２】
本実施例では、図１で説明した空気燃焼の状態から、図２で説明した酸素燃焼の状態に切り替えるときのガスの制御方式を説明する。燃焼の安定性を考慮すると、空気燃焼から酸素燃焼へ徐々に切り替える処理が必要となり、燃焼切替中は空気燃焼におけるガスの流れと酸素燃焼におけるガスの流れが並存した状態となる。つまり、配管４１を通して空気を取り込むと共に、配管４４を通して酸素ガスを供給し、配管４６を通して排ガスをボイラ１へ循環させる。燃焼切替制御では、前述の空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量を制御し、燃焼の安定性を維持したまま、空気燃焼から酸素燃焼へ切り替える。
【００２３】
本実施例の装置では、空気燃焼の状態でボイラを点火し、負荷上昇した後に、酸素燃焼への切替を実施する。したがって、燃焼切替のためのガス流量の制御に加えて、発電出力・蒸気温度・蒸気圧力を一定に維持するための制御も動作させる。ただし、これらの制御方式については、既存の空気燃焼のボイラと同様であるため、説明は省略する。
【００２４】
上述したように、空気燃焼から酸素燃焼への燃焼切替方法は、切替の進行に従って、空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量をどのように制御するかということを指している。酸素燃焼へ完全に切替わった後は、空気流量は０であり、酸素ガス、循環排ガスが所定の流量になっている。酸素燃焼における酸素ガス、循環排ガスの流量は、両ガスを混合して生成した支燃ガスが、体積酸素濃度で２７〜３０ｖｏｌ％、酸素比で１.２になるよう調整された値である。
【００２５】
酸素比とは、ボイラに投入した燃料流量に対して、化学反応の理論上、完全燃焼させるのに必要な酸素量を１とする規格化された酸素量である。したがって、理論上は、支燃ガスの酸素比が１であれば、投入した燃料は全て燃焼する。しかしながら、実際には、火炉の中で支燃ガスと石炭がよく混ざらない箇所が局所的に存在するため、酸素比１の支燃ガスで石炭を燃焼させると未燃分が大量に発生する。未燃分の発生は、発熱量の低下をもたらし、発電効率を低下させる。したがって、ボイラを運転する際には、投入した燃料流量に対して、酸素量に余裕をもたせるため、酸素比は約１.２に設定する。
【００２６】
一方、酸素燃焼での支燃ガスの酸素濃度に関しては、酸素濃度を高く設定するほど、燃焼ガス温度が上昇し、ボイラ効率が増加する。しかしながら、ガス温度の上昇は、材料の熱的負荷を増加させ、損傷のリスクを高めるため、酸素燃焼の場合でも空気燃焼の熱的条件と同等になる酸素濃度を設定するのが、運転信頼性の点から好ましい。空気燃焼と同等のボイラ収熱量が得られる酸素濃度が、前述した２７〜３０ｖｏｌ％の範囲になる。
【００２７】
設計段階において、ボイラの熱出力を設定すれば、必要となる燃料流量が計算される。次に、酸素比を設定すれば、空気燃焼の条件での空気流量が計算される。一方、酸素比と酸素濃度を設定すれば、酸素燃焼の条件での酸素ガス流量と循環排ガス流量が計算される。このようにして求めた空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量を計画値とし、それぞれＦ０air、Ｆ０oxy、Ｆ０recで表す。つまり、空気燃焼での空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量の計画値はそれぞれＦ０air、０、０であり、一方、酸素燃焼での計画値は０、Ｆ０oxy、Ｆ０recである。ここで、各流量の計画値は燃料流量に依存している。
【００２８】
上述の方法で、空気燃焼と酸素燃焼それぞれの条件での燃料流量デマンドに応じた各ガス流量の計画値が求められる。この値を基に、燃焼切替時も含めた各ガス流量の計画値を、以下の式（１）で決定する。
【００２９】
【数１】
【００３０】
Ｆair、Ｆoxy、Ｆrecが各ガス流量に対する燃料流量デマンドに応じた計画値である。燃焼切替中でも出力制御が動作しているため、燃料流量デマンドも変動する（ただし、出力一定条件で切替を行うため、通常の変動幅は僅かである）。したがって、Ｆair、Ｆoxy、Ｆrecの値も変動する。また、Ｘcは燃焼切替率を示す。このパラメータは、空気燃焼から酸素燃焼への切替の進行の程度を示す数値であり、０から１に規格化された値である。Ｘcが０のときが空気燃焼、１のときが酸素燃焼を表す。燃焼切替制御では、後述する方法に従って、切替時間に応じてＸcの値を０から１へと変えていき、各ガス流量の計画値を演算する。
【００３１】
式（１）が示すように、燃焼切替時の各ガス流量は線形関係にある。前述したように、酸素燃焼での酸素濃度の計画値は、空気燃焼での熱的条件と同等になるように設定し、この酸素濃度に応じて酸素ガスと循環排ガスの流量を決定した。燃焼切替時の空気、酸素ガス、循環排ガスの３種類のガスが混在する状態でも、各ガス流量が式（１）の関係を満たせば、空気燃焼におけるボイラ収熱量などの熱的条件と同等になる。
【００３２】
燃焼切替率Ｘcが決まれば、式（１）から各ガス流量の計画値が演算できるため、それらの混合ガスである支燃ガスの酸素濃度Ｖoxyも決まる。したがって、ＸcとＶoxyは１対１の関係にあり、式（２）のように変換関数ｆを用いて表すことができる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
制御装置は、式（１）と式（２）を用いて、支燃ガスの酸素濃度Ｖoxyの要求値から、燃焼切替率Ｘcを演算し、次に、空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量の計画値を演算する。ただし、実際のボイラで切替制御を行った場合、燃焼特性が想定していた状態と異なり、ガス流量と酸素濃度との関係が計画値からずれることが予想される。例えば、支燃ガスと石炭の混合がうまくいかず、未燃分が予想より多く発生した場合、その分だけ燃焼後の排ガスには酸素が多く残り、二酸化炭素の発生量は少なくなるので、排ガス組成は想定した値と異なってくる。したがって、酸素燃焼では支燃ガスに排ガスを利用するので、支燃ガスの組成も想定した値とは異なってくる。このような状況を踏まえ、酸素濃度を計測するためのセンサを設置し、センサの計測値を用いて、前述の方法で演算したガス流量の計画値に対する補正値を求め、流量のデマンド信号を作成する。
【００３５】
支燃ガスの酸素濃度については、図１に示すセンサ５１で測定する。ただし、空気燃焼の場合は、空気中の酸素濃度は水分を除けば一定であるため、ガス流量の制御には使用しない。一方、酸素燃焼及び燃焼切替時の場合には、空気、酸素ガス、循環排ガスの混合比によって酸素濃度が変わる。酸素濃度によって燃焼特性や伝熱特性が変わるため、酸素濃度が所定の値になるように、センサで計測しながら、循環排ガス流量の計画値を補正する。
【００３６】
一方、ボイラ出口ガス（排ガス）の酸素濃度については、センサ５２で測定する。ボイラ出口ガスの酸素濃度は、ボイラに投入した酸素のうち、燃焼に使用されなかった酸素量を示す。すなわち、完全燃焼に必要な酸素量に対する余裕度を示す酸素比に関連したパラメータである。通常の空気燃焼のボイラの場合でも、ボイラ出口ガスの酸素濃度を計測し、その計測値が所定の値になるように空気流量を調整することで、酸素比を間接的に制御している。本実施例において、酸素燃焼及び燃焼切替時に、ボイラ出口酸素濃度の計測値が所定の値になるように、酸素ガス量の計画値を補正する。
【００３７】
以上の補正処理を式（３）に示した。式（１）で求めた各流量の計画値に対して、補正値Ｒを乗じて、各流量のデマンド信号とする。Ｒairは空気流量、Ｒoxyは酸素ガス、Ｒrecは循環排ガスに対する補正値であり、通常はいずれも１近傍の値になる。ＲairとＲoxyはボイラ出口酸素濃度の計測値から求めるパラメータであり、Ｒrecは支燃ガス酸素濃度の計測値から求めるパラメータである。したがって、補正値は、計測値の変化に従って時々刻々と変わる。
【００３８】
【数３】
【００３９】
以上に述べた方法で、空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量を制御したときに得られる結果を図３に示す。（ａ）に示す規格化切替時間Ｔｒは、燃焼切替開始までの時刻を０、燃焼切替終了（空気投入終了）以降の時刻を１に規格化した時間を表すパラメータである。支燃ガスとボイラ出口ガスの酸素濃度に対するデマンドは、規格化切替時間Ｔｒを用いて、それぞれ（ｂ）、（ｃ）のように与える。（ｄ）は、支燃ガス酸素濃度のデマンド値に対して求めた燃焼切替率Ｘcである。（ｅ）は、燃焼切替率Ｘcに対して、前述の式（１）及び（３）から求めた各ガス流量のデマンド値である。
【００４０】
次に、この制御方式を実現するための制御ロジックについて説明する。図４は、循環排ガス流量のデマンド値を作成するための制御ロジックである。（ａ）に示すロジックで、循環排ガス流量の計画値に対する補正信号Ｒrec、及び、燃焼切替率Ｘcを求める。（ａ）のロジックでは、空気中の酸素濃度、及び発電出力デマンドに対応した酸素燃焼条件での支燃ガス酸素濃度の計画値を用いて、前述の規格化切替時間Ｔｒに対応した支燃ガス酸素濃度のデマンド値を作成する。デマンド値の時間変化は前述の図３に示したトレンドとなる。支燃ガス酸素濃度のデマンド値から、燃焼切替率Ｘcを求めると共に、デマンド値と計測値との差を入力としてＰＩ（比例−積分）制御を行うことにより、循環排ガス流量の補正信号Ｒrecを求める。ここで、補正信号は１近傍であるのが好ましいので、この範囲に入るようにリミッターで上限・下限値を設ける。以上のロジックで求めた燃焼切替率Ｘcと補正信号Ｒrecを基に、循環排ガス流量のデマンド値を作成する。（ｂ）のロジックに示すように、燃料流量のデマンド値から循環排ガス流量の計画値を求め、これに補正信号Ｒrecと燃焼切替率Ｘcを乗じた値をデマンド値とする。燃焼切替の開始時はＸcの値は０であるので、これを乗じて求めたデマンド値も０となる。燃焼切替が進行するに従い、Ｘcは１に近づくので、デマンド値も増加していく。
【００４１】
図５は、酸素ガス流量のデマンド値を作成するための制御ロジックである。（ａ）に示すロジックで、酸素ガス流量の補正信号Ｒoxyを求める。（ａ）のロジックでは、発電出力デマンドに対応した空気燃焼条件と酸素燃焼条件それぞれでのボイラ出口酸素濃度の計画値を用いて、規格化時間Ｔｒに対応したボイラ出口酸素濃度のデマンド値を作成する。デマンド値の時間変化は前述の図３に示したトレンドとなる。デマンド値と計測値との差を入力としてＰＩ制御を行うことにより、酸素ガス流量の補正信号Ｒoxyを求める。補正信号にはリミッターを設けて１近傍になるようにする。以上のロジックで求めた補正信号Ｒoxyを基に、酸素ガス流量のデマンド値を作成する。（ｂ）のロジックに示すように、燃料流量のデマンド値から酸素ガス流量の計画値を求め、これに補正信号Ｒoxyと前述の燃焼切替率Ｘcを乗じた値をデマンド値とする。
【００４２】
図６は、空気流量のデマンド値を作成するための制御ロジックである。（ａ）に示すロジックで、発電出力デマンドに対応した空気流量の計画値を求め、これをボイラ出口酸素濃度のデマンド値とする。デマンド値と計測値との差を入力としてＰＩ制御を行うことにより、空気流量の補正信号Ｒairを求める。補正信号にはリミッターを設けて１近傍になるようにする。以上のロジックで求めた補正信号Ｒairを基に、空気流量のデマンド値を作成する。（ｂ）のロジックに示すように、燃料流量のデマンド値から空気流量の計画値を求め、これに補正信号Ｒair、及び、前述の燃焼切替率Ｘcと１.０との差、すなわち１.０−Ｘcを乗じた値をデマンド値とする。燃焼切替が進行するにしたがって、１.０−Ｘcの値は０に近づいていき、これを乗じて求めたデマンド値も０に近づく。また、空気流量のデマンド値については、後述する理由から保持回路により値を保持する機能を設けている。
【００４３】
以上が燃焼切替を実現するための空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量の制御ロジックである。空気燃焼から酸素燃焼へ切り替える場合、酸素ガスと循環排ガス流量は切替開始時には０であり、切替が進行するに従い、流量は増加していく。一方、空気流量は、切替が進行するに従って流量は減少していき、最終的に０になる。これらの流量制御はダンパを用いて行うが、ダンパの特性上、流量を漸近的に０に減少させるのは困難である。したがって、空気流量を０に減少させる際には、そのダンパで可能な最小流量から全閉操作をすることで流量を０に落とす。このとき、空気流量が突変するため、支燃ガスの組成も突変することになる。これによって生じる支燃ガス酸素濃度の突変は、燃焼の不安定性をもたらし、失火のリスクを高める。この現象を踏まえ、本実施例になる装置では、以下に説明する処理により、燃焼の安定性を高める。
【００４４】
これまで説明した制御方法により、燃焼切替では酸素ガスと循環排ガスの流量が増加するにつれて、空気流量が減少していく。ここで、空気流量がダンパの最小流量に近づいた場合、空気流量のデマンド値を一定時間保持する。また、この間、酸素ガスと循環排ガスの制御ロジックでは、酸素濃度の計測値に応じた補正処理を一時停止する。これらの制御の動作関係を図７に示した。燃焼切替の開始に伴って、空気流量の酸素濃度補正は停止（ＯＦＦ）し、これに代わって、酸素ガスと循環排ガス流量の酸素濃度補正を開始（ＯＮ）する。切替が進行し、空気流量がダンパの最小流量に近づいたら、空気流量デマンド値の保持回路をＯＮにすると共に、酸素ガスと循環排ガス流量の酸素濃度補正をＯＦＦにする。空気流量のデマンド値が一定時間保持された後、空気流量を制御するためのダンパを全閉にし、流量を０にする。これに伴って、酸素ガスと循環排ガス流量の酸素濃度補正を再度ＯＮにする。
【００４５】
図８は、以上に述べた方法で燃焼切替制御を行ったときの、プラント動特性の計算結果である。（ａ）は発電出力の変動を示すトレンド、（ｂ）は支燃ガス酸素濃度のデマンド値と計算値を比較したトレンド、（ｃ）は各ガス流量のトレンドを示している。（ｃ）に示した空気流量のトレンドから分かるように、空気流量は０になる前に、一定時間保持される。この効果を示すために、図９に、空気流量を保持する操作を実施しなかった場合のプラント動特性を示す。図８と図９を比較すると、空気流量の保持操作を実施することにより、発電出力の変動が抑えられると共に、支燃ガス酸素濃度のデマンド値への追従が改善できるのが分かる。
【００４６】
上述した本発明の実施例によれば、ＣＯ2を回収可能な石炭火力発電の一方式である酸素燃焼ボイラにおいて、空気燃焼から酸素燃焼へ切り替える際に、酸素濃度の計測値のみで空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量を制御するのに比べて、酸素濃度の計測遅れや変動、または、ダンパ全閉時におけるガス組成の突変が支燃ガスの酸素濃度に与える影響を最小限に抑えられるため、安定した燃焼状態が得られ、この効果により、ボイラの蒸気温度及び発電出力の変動を抑えることができる。これにより、プラントの運転信頼性が向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は石炭火力発電プラントのＣＯ2回収に好適な酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法に適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１ ボイラ
２ ミル
３ 脱硝装置
４ ガス予熱器
５ 集塵装置
６ 脱硫装置
７ 冷却除湿装置
８ ＣＯ2液化装置
９ 空気分離装置
２１〜２３ ファン
４１〜４８ 配管
１０１〜１０６ ダンパ
２０１ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭火力発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策として、温室効果ガスの一つであるＣＯ2（二酸化炭素）の排出削減の取り組みが世界的に実施されている。火力発電所はＣＯ2の排出量が多い設備の一つであり、特に炭素含有量が多く燃焼排ガス中にＣＯ2を多量に発生させる石炭を燃焼する石炭ボイラを備えた石炭火力発電プラントは発電量当りのＣＯ2排出量が最も多く、早急なＣＯ2削減対策が要望されている。
【０００３】
石炭火力発電プラントのＣＯ2削減対策としては、発電の高効率化に加えて、石炭ボイラでの燃焼によって発生した燃焼排ガス中からのＣＯ2の分離・回収が挙げられる。ＣＯ2の分離・回収とは、石炭火力発電プラントで発生した燃焼排ガス中からＣＯ2のみを取り出して圧縮・液化し、パイプライン等を通してこの液化させたＣＯ2を地下深部等に貯留させる方式である。
【０００４】
ＣＯ2分離・回収方式の一つに酸素燃焼方式がある。これは、空気から酸素のみを分離し、分離させた純酸素を使用するように構成したものである。酸素燃焼ボイラでは、石炭を燃焼して生成した燃焼排ガス（主要成分はＣＯ2）の一部と純酸素とを混合させた混合ガスを支燃ガスに使用する。酸素と燃焼排ガスを混合させるのは、石炭ボイラ内で燃焼する火炎温度を抑制するためである。空気燃焼ボイラで発生した燃焼排ガスにはＮ2（窒素）が多く含まれるので、空気燃焼ボイラから排出される排ガスからＣＯ2を分離する処理が必要となるが、酸素燃焼ボイラで発生した燃焼排ガスは成分のほとんどがＣＯ2であるため、排ガスからＣＯ2の分離処理をしないで、そのままＣＯ2を回収できる利点がある。
【０００５】
酸素燃焼では支燃ガスに燃焼排ガスを利用するため、酸素燃焼の状態でボイラを点火し、起動することはできない。通常は、空気燃焼の状態でボイラを点火し、負荷上昇させた後、酸素燃焼へと切り替える。この燃焼切替では、空気で石炭を燃焼させている状態から、空気を排ガスと酸素の混合ガスへと徐々に置き換えていく。
【０００６】
燃焼特性に影響を与える要素の一つに、支燃ガスの酸素濃度がある。空気燃焼の場合、支燃ガスである空気の酸素濃度はほぼ一定であるため、支燃ガスの酸素濃度の制御は行わない。これに対し、酸素燃焼の場合には、酸素ガスの供給流量が一定であっても、循環排ガスの流量や組成によって酸素濃度が変わる。このため、酸素燃焼の場合には、安定した燃焼状態を維持するために、酸素濃度の制御が重要になる。特に、燃焼切替時においては、空気の酸素濃度と、酸素燃焼の条件で最適な支燃ガスの酸素濃度は異なるため、燃焼切替の進行に合わせて、酸素濃度が適切な値になるように制御する必要がある。
【０００７】
酸素燃焼ボイラにおける燃焼切替の制御方式として、特開２００９−２５７７５１号公報に記載された方式がある。ここでは、流量制御ダンパにより、空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量を調整することにより、酸素濃度が所定の値になるよう維持しながら、空気燃焼から酸素燃焼への切替を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２５７７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、酸素濃度の計測には時間遅れや計測値の変動が伴うため、酸素濃度の計測値のみで、空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量を制御すると、支燃ガスの酸素濃度が変動し、燃焼の安定性に支障をきたす。
【００１０】
さらに、燃焼切替時における支燃ガスの酸素濃度は、切替の進行に合わせてスムーズに変わっていくのが好ましいが、機器の構成上、それが困難な場合がある。特に、空気流量については、酸素燃焼へと切り替わるに従い、流量が０へと漸近するように制御するのが理想であるが、流量制御用のダンパの特性から最小流量が存在する。つまり、空気流量をダンパの最小流量まで低下させた後、ダンパを全閉して、流量を０に落とす操作手順を取る。この操作により、切替中の支燃ガスの酸素濃度も突変する。このような状況でも、安定した燃焼を維持できる制御方式が要求される。
【００１１】
燃焼が不安定になると、バーナ失火の危険性が高まると共に、ボイラの蒸気温度や発電出力に変動が発生するため、プラントの運転の信頼性が損なわれる。本発明の目的は、酸素燃焼ボイラにおいて、空気燃焼から酸素燃焼へ切り替えるときに、支燃ガスの酸素濃度を安定的に制御し、ボイラの蒸気温度や発電出力の変動を抑えることが可能な制御方式を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の石炭火力発電プラントは、ボイラに投入する空気流量を制御するダンパと、ボイラに投入する循環排ガス流量を制御するダンパと、ボイラに投入する酸素ガス流量を制御するダンパを設置し、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える場合、該空気流量、該循環排ガス流量、該酸素ガス流量をボイラに供給する燃料流量のデマンドに応じて変化させ、かつ、該空気流量を減少させるのに合わせて、該循環排ガス流量と該酸素ガス流量を増加させ、かつ、該空気流量、該循環排ガス流量、該酸素ガス流量が線形関係であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、酸素燃焼ボイラにおいて、空気燃焼から酸素燃焼へ切り替えるときに、支燃ガスの酸素濃度を安定的に制御し、ボイラの蒸気温度や発電出力の変動を抑えることが可能な制御方式を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施例である石炭火力発電プラントを示す概略構成図（空気燃焼）である。
【図２】本発明の一実施例である石炭火力発電プラントを示す概略構成図（酸素燃焼）である。
【図３】酸素濃度デマンドとガス流量のトレンドである。
【図４】循環排ガス流量の制御ロジックである。
【図５】酸素ガス流量の制御ロジックである。
【図６】空気流量の制御ロジックである。
【図７】酸素濃度補正回路の動作のＯＮ／ＯＦＦを示す図である。
【図８】本実施例の制御方式によるプラント動特性のシミュレーション結果である。
【図９】空気流量保持操作を実施しない場合のプラント動特性のシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、石炭火力発電プラントが排出する二酸化炭素の回収に好適な方式の一つである酸素燃焼を対象として、空気燃焼の運転から酸素燃焼の運転に切り替える場合の制御方式、及び、該制御方式を実現するための機器構成に関するものである。本発明の一実施例である空気燃焼と酸素燃焼が可能な石炭火力発電プラントの構成と制御方式について図面を参照して以下に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の一実施例である石炭火力発電プラントの構成を示す概略図である。図１に示す石炭火力発電プラントは、空気燃焼と酸素燃焼の両方で運転可能な構成になっている。
【００１７】
先ず、ボイラ１を通常の空気燃焼で運転するときのガスの流れを説明する。
【００１８】
空気燃焼での支燃ガスは空気である。ファン２１とファン２２が配管４１を通して外気から空気を吸い込む。このとき、ダンパ１０１は開いた状態とし、後述する酸素供給用のダンパ１０２は閉じた状態とする。ファン２１とファン２２を通った空気はガス予熱器４に送られ、ここでボイラ１から排出された高温の排ガスで加熱される。ファン２１が取り込んだ空気は配管４２を通してミル２に送られ、ここで粉砕された石炭と混合し、ボイラ１に燃料ガスとして供給される。一方、ファン２２が取り込んだ空気は配管４３を通してボイラ１に供給される。ボイラ１での燃焼後の排ガスは、配管４４を通して脱硝装置３に送られる。脱硝装置３では、排ガス中の窒素酸化物が取り除かれる。次に、排ガスはガス予熱器４に送られる。前述したように、ガス予熱器４では空気燃焼での支燃ガスである空気と熱交換を行う。空気は加熱されて温度が上昇するのに対し、排ガスの温度は伝熱によって低下する。次に、ガス予熱器４を排出された排ガスは、集塵装置５に送られる。集塵装置５では、排ガス中の煤塵や灰を除去する。集塵装置５から排出された排ガスはファン２３により、配管４５を通して、後段の脱硫装置６に送られる。このとき、ダンパ１０３は閉じた状態、ダンパ１０４は開いた状態とし、排ガス循環用の配管４６に排ガスが送られないようにする。脱硫装置６では、排ガス中の硫黄酸化物を除去する。脱硫装置６から排出された排ガスは、配管４７を通して煙突から大気に放出される。このとき、ダンパ１０５は開いた状態、ダンパ１０６は閉じた状態とし、配管４８に排ガスが送られないようにする。
【００１９】
以上がボイラ１を空気燃焼で運転したときのガスの流れである。次に、図２を用いて、ボイラ１を酸素燃焼で運転したときのガスの流れを説明する。図２は、図１と同じ機器構成であり、ダンパの開閉状態のみが異なる。
【００２０】
空気燃焼では支燃ガスとして空気を用いるが、酸素燃焼では純酸素と排ガスの混合ガスを用いる。先ず、大気から空気分離装置９に空気が取り込まれる。空気分離装置では、酸素と窒素の沸点の差を利用して分離する深冷法により、空気から酸素を取り出し、配管４４を通して酸素ガスを供給する。このとき、ダンパ１０１は閉じた状態、ダンパ１０２は開いた状態とする。これにより、ボイラに空気が取り込まれることはない。酸素ガスは、配管４６を流れてきた排ガスの一部と混合される。このとき、ダンパ１０３は開いた状態とする。酸素ガスと排ガスの混合ガスが支燃ガスとなり、ファン２１、２２を用いてボイラ１へ供給される。ボイラ１で燃焼した後の排ガスは、空気燃焼の場合と同様に、脱硝装置３、ガス予熱器４、集塵装置５へと排出される。ファン２３を通った排ガスは、配管４５と配管４６に分岐する。このとき、ダンパ１０３、ダンパ１０４は開いた状態であり、両ダンパによって配管４６を通る排ガスの流量を制御する。配管４６を通った排ガスは、ボイラ１へ戻る循環排ガスとなる。一方、配管４５を通った排ガスは脱硫装置６に送られた後、配管４８を通して冷却除湿装置に送られる。このとき、ダンパ１０５は閉じた状態、ダンパ１０６は開いた状態とし、排ガスが大気に放出されないようにする。冷却除湿装置７では、排ガスを大気で冷却して水分を除去した後、ＣＯ2液化装置８に送られる。ここで液化された排ガス（ＣＯ2）が回収される。
【００２１】
以上がボイラ１を酸素燃焼で運転したときのガスの流れである。また、図１の２０１は、ボイラの制御を行うための制御装置である。制御装置にはボイラに設置されたセンサの計測値を取り込むと共に、ファンやポンプなどの機器を操作するための制御信号を出力するが、図１ではこの信号の流れは省略している。
【００２２】
本実施例では、図１で説明した空気燃焼の状態から、図２で説明した酸素燃焼の状態に切り替えるときのガスの制御方式を説明する。燃焼の安定性を考慮すると、空気燃焼から酸素燃焼へ徐々に切り替える処理が必要となり、燃焼切替中は空気燃焼におけるガスの流れと酸素燃焼におけるガスの流れが並存した状態となる。つまり、配管４１を通して空気を取り込むと共に、配管４４を通して酸素ガスを供給し、配管４６を通して排ガスをボイラ１へ循環させる。燃焼切替制御では、前述の空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量を制御し、燃焼の安定性を維持したまま、空気燃焼から酸素燃焼へ切り替える。
【００２３】
本実施例の装置では、空気燃焼の状態でボイラを点火し、負荷上昇した後に、酸素燃焼への切替を実施する。したがって、燃焼切替のためのガス流量の制御に加えて、発電出力・蒸気温度・蒸気圧力を一定に維持するための制御も動作させる。ただし、これらの制御方式については、既存の空気燃焼のボイラと同様であるため、説明は省略する。
【００２４】
上述したように、空気燃焼から酸素燃焼への燃焼切替方法は、切替の進行に従って、空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量をどのように制御するかということを指している。酸素燃焼へ完全に切替わった後は、空気流量は０であり、酸素ガス、循環排ガスが所定の流量になっている。酸素燃焼における酸素ガス、循環排ガスの流量は、両ガスを混合して生成した支燃ガスが、体積酸素濃度で２７〜３０ｖｏｌ％、酸素比で１.２になるよう調整された値である。
【００２５】
酸素比とは、ボイラに投入した燃料流量に対して、化学反応の理論上、完全燃焼させるのに必要な酸素量を１とする規格化された酸素量である。したがって、理論上は、支燃ガスの酸素比が１であれば、投入した燃料は全て燃焼する。しかしながら、実際には、火炉の中で支燃ガスと石炭がよく混ざらない箇所が局所的に存在するため、酸素比１の支燃ガスで石炭を燃焼させると未燃分が大量に発生する。未燃分の発生は、発熱量の低下をもたらし、発電効率を低下させる。したがって、ボイラを運転する際には、投入した燃料流量に対して、酸素量に余裕をもたせるため、酸素比は約１.２に設定する。
【００２６】
一方、酸素燃焼での支燃ガスの酸素濃度に関しては、酸素濃度を高く設定するほど、燃焼ガス温度が上昇し、ボイラ効率が増加する。しかしながら、ガス温度の上昇は、材料の熱的負荷を増加させ、損傷のリスクを高めるため、酸素燃焼の場合でも空気燃焼の熱的条件と同等になる酸素濃度を設定するのが、運転信頼性の点から好ましい。空気燃焼と同等のボイラ収熱量が得られる酸素濃度が、前述した２７〜３０ｖｏｌ％の範囲になる。
【００２７】
設計段階において、ボイラの熱出力を設定すれば、必要となる燃料流量が計算される。次に、酸素比を設定すれば、空気燃焼の条件での空気流量が計算される。一方、酸素比と酸素濃度を設定すれば、酸素燃焼の条件での酸素ガス流量と循環排ガス流量が計算される。このようにして求めた空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量を計画値とし、それぞれＦ０air、Ｆ０oxy、Ｆ０recで表す。つまり、空気燃焼での空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量の計画値はそれぞれＦ０air、０、０であり、一方、酸素燃焼での計画値は０、Ｆ０oxy、Ｆ０recである。ここで、各流量の計画値は燃料流量に依存している。
【００２８】
上述の方法で、空気燃焼と酸素燃焼それぞれの条件での燃料流量デマンドに応じた各ガス流量の計画値が求められる。この値を基に、燃焼切替時も含めた各ガス流量の計画値を、以下の式（１）で決定する。
【００２９】
【数１】
【００３０】
Ｆair、Ｆoxy、Ｆrecが各ガス流量に対する燃料流量デマンドに応じた計画値である。燃焼切替中でも出力制御が動作しているため、燃料流量デマンドも変動する（ただし、出力一定条件で切替を行うため、通常の変動幅は僅かである）。したがって、Ｆair、Ｆoxy、Ｆrecの値も変動する。また、Ｘcは燃焼切替率を示す。このパラメータは、空気燃焼から酸素燃焼への切替の進行の程度を示す数値であり、０から１に規格化された値である。Ｘcが０のときが空気燃焼、１のときが酸素燃焼を表す。燃焼切替制御では、後述する方法に従って、切替時間に応じてＸcの値を０から１へと変えていき、各ガス流量の計画値を演算する。
【００３１】
式（１）が示すように、燃焼切替時の各ガス流量は線形関係にある。前述したように、酸素燃焼での酸素濃度の計画値は、空気燃焼での熱的条件と同等になるように設定し、この酸素濃度に応じて酸素ガスと循環排ガスの流量を決定した。燃焼切替時の空気、酸素ガス、循環排ガスの３種類のガスが混在する状態でも、各ガス流量が式（１）の関係を満たせば、空気燃焼におけるボイラ収熱量などの熱的条件と同等になる。
【００３２】
燃焼切替率Ｘcが決まれば、式（１）から各ガス流量の計画値が演算できるため、それらの混合ガスである支燃ガスの酸素濃度Ｖoxyも決まる。したがって、ＸcとＶoxyは１対１の関係にあり、式（２）のように変換関数ｆを用いて表すことができる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
制御装置は、式（１）と式（２）を用いて、支燃ガスの酸素濃度Ｖoxyの要求値から、燃焼切替率Ｘcを演算し、次に、空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量の計画値を演算する。ただし、実際のボイラで切替制御を行った場合、燃焼特性が想定していた状態と異なり、ガス流量と酸素濃度との関係が計画値からずれることが予想される。例えば、支燃ガスと石炭の混合がうまくいかず、未燃分が予想より多く発生した場合、その分だけ燃焼後の排ガスには酸素が多く残り、二酸化炭素の発生量は少なくなるので、排ガス組成は想定した値と異なってくる。したがって、酸素燃焼では支燃ガスに排ガスを利用するので、支燃ガスの組成も想定した値とは異なってくる。このような状況を踏まえ、酸素濃度を計測するためのセンサを設置し、センサの計測値を用いて、前述の方法で演算したガス流量の計画値に対する補正値を求め、流量のデマンド信号を作成する。
【００３５】
支燃ガスの酸素濃度については、図１に示すセンサ５１で測定する。ただし、空気燃焼の場合は、空気中の酸素濃度は水分を除けば一定であるため、ガス流量の制御には使用しない。一方、酸素燃焼及び燃焼切替時の場合には、空気、酸素ガス、循環排ガスの混合比によって酸素濃度が変わる。酸素濃度によって燃焼特性や伝熱特性が変わるため、酸素濃度が所定の値になるように、センサで計測しながら、循環排ガス流量の計画値を補正する。
【００３６】
一方、ボイラ出口ガス（排ガス）の酸素濃度については、センサ５２で測定する。ボイラ出口ガスの酸素濃度は、ボイラに投入した酸素のうち、燃焼に使用されなかった酸素量を示す。すなわち、完全燃焼に必要な酸素量に対する余裕度を示す酸素比に関連したパラメータである。通常の空気燃焼のボイラの場合でも、ボイラ出口ガスの酸素濃度を計測し、その計測値が所定の値になるように空気流量を調整することで、酸素比を間接的に制御している。本実施例において、酸素燃焼及び燃焼切替時に、ボイラ出口酸素濃度の計測値が所定の値になるように、酸素ガス量の計画値を補正する。
【００３７】
以上の補正処理を式（３）に示した。式（１）で求めた各流量の計画値に対して、補正値Ｒを乗じて、各流量のデマンド信号とする。Ｒairは空気流量、Ｒoxyは酸素ガス、Ｒrecは循環排ガスに対する補正値であり、通常はいずれも１近傍の値になる。ＲairとＲoxyはボイラ出口酸素濃度の計測値から求めるパラメータであり、Ｒrecは支燃ガス酸素濃度の計測値から求めるパラメータである。したがって、補正値は、計測値の変化に従って時々刻々と変わる。
【００３８】
【数３】
【００３９】
以上に述べた方法で、空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量を制御したときに得られる結果を図３に示す。（ａ）に示す規格化切替時間Ｔｒは、燃焼切替開始までの時刻を０、燃焼切替終了（空気投入終了）以降の時刻を１に規格化した時間を表すパラメータである。支燃ガスとボイラ出口ガスの酸素濃度に対するデマンドは、規格化切替時間Ｔｒを用いて、それぞれ（ｂ）、（ｃ）のように与える。（ｄ）は、支燃ガス酸素濃度のデマンド値に対して求めた燃焼切替率Ｘcである。（ｅ）は、燃焼切替率Ｘcに対して、前述の式（１）及び（３）から求めた各ガス流量のデマンド値である。
【００４０】
次に、この制御方式を実現するための制御ロジックについて説明する。図４は、循環排ガス流量のデマンド値を作成するための制御ロジックである。（ａ）に示すロジックで、循環排ガス流量の計画値に対する補正信号Ｒrec、及び、燃焼切替率Ｘcを求める。（ａ）のロジックでは、空気中の酸素濃度、及び発電出力デマンドに対応した酸素燃焼条件での支燃ガス酸素濃度の計画値を用いて、前述の規格化切替時間Ｔｒに対応した支燃ガス酸素濃度のデマンド値を作成する。デマンド値の時間変化は前述の図３に示したトレンドとなる。支燃ガス酸素濃度のデマンド値から、燃焼切替率Ｘcを求めると共に、デマンド値と計測値との差を入力としてＰＩ（比例−積分）制御を行うことにより、循環排ガス流量の補正信号Ｒrecを求める。ここで、補正信号は１近傍であるのが好ましいので、この範囲に入るようにリミッターで上限・下限値を設ける。以上のロジックで求めた燃焼切替率Ｘcと補正信号Ｒrecを基に、循環排ガス流量のデマンド値を作成する。（ｂ）のロジックに示すように、燃料流量のデマンド値から循環排ガス流量の計画値を求め、これに補正信号Ｒrecと燃焼切替率Ｘcを乗じた値をデマンド値とする。燃焼切替の開始時はＸcの値は０であるので、これを乗じて求めたデマンド値も０となる。燃焼切替が進行するに従い、Ｘcは１に近づくので、デマンド値も増加していく。
【００４１】
図５は、酸素ガス流量のデマンド値を作成するための制御ロジックである。（ａ）に示すロジックで、酸素ガス流量の補正信号Ｒoxyを求める。（ａ）のロジックでは、発電出力デマンドに対応した空気燃焼条件と酸素燃焼条件それぞれでのボイラ出口酸素濃度の計画値を用いて、規格化時間Ｔｒに対応したボイラ出口酸素濃度のデマンド値を作成する。デマンド値の時間変化は前述の図３に示したトレンドとなる。デマンド値と計測値との差を入力としてＰＩ制御を行うことにより、酸素ガス流量の補正信号Ｒoxyを求める。補正信号にはリミッターを設けて１近傍になるようにする。以上のロジックで求めた補正信号Ｒoxyを基に、酸素ガス流量のデマンド値を作成する。（ｂ）のロジックに示すように、燃料流量のデマンド値から酸素ガス流量の計画値を求め、これに補正信号Ｒoxyと前述の燃焼切替率Ｘcを乗じた値をデマンド値とする。
【００４２】
図６は、空気流量のデマンド値を作成するための制御ロジックである。（ａ）に示すロジックで、発電出力デマンドに対応した空気流量の計画値を求め、これをボイラ出口酸素濃度のデマンド値とする。デマンド値と計測値との差を入力としてＰＩ制御を行うことにより、空気流量の補正信号Ｒairを求める。補正信号にはリミッターを設けて１近傍になるようにする。以上のロジックで求めた補正信号Ｒairを基に、空気流量のデマンド値を作成する。（ｂ）のロジックに示すように、燃料流量のデマンド値から空気流量の計画値を求め、これに補正信号Ｒair、及び、前述の燃焼切替率Ｘcと１.０との差、すなわち１.０−Ｘcを乗じた値をデマンド値とする。燃焼切替が進行するにしたがって、１.０−Ｘcの値は０に近づいていき、これを乗じて求めたデマンド値も０に近づく。また、空気流量のデマンド値については、後述する理由から保持回路により値を保持する機能を設けている。
【００４３】
以上が燃焼切替を実現するための空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量の制御ロジックである。空気燃焼から酸素燃焼へ切り替える場合、酸素ガスと循環排ガス流量は切替開始時には０であり、切替が進行するに従い、流量は増加していく。一方、空気流量は、切替が進行するに従って流量は減少していき、最終的に０になる。これらの流量制御はダンパを用いて行うが、ダンパの特性上、流量を漸近的に０に減少させるのは困難である。したがって、空気流量を０に減少させる際には、そのダンパで可能な最小流量から全閉操作をすることで流量を０に落とす。このとき、空気流量が突変するため、支燃ガスの組成も突変することになる。これによって生じる支燃ガス酸素濃度の突変は、燃焼の不安定性をもたらし、失火のリスクを高める。この現象を踏まえ、本実施例になる装置では、以下に説明する処理により、燃焼の安定性を高める。
【００４４】
これまで説明した制御方法により、燃焼切替では酸素ガスと循環排ガスの流量が増加するにつれて、空気流量が減少していく。ここで、空気流量がダンパの最小流量に近づいた場合、空気流量のデマンド値を一定時間保持する。また、この間、酸素ガスと循環排ガスの制御ロジックでは、酸素濃度の計測値に応じた補正処理を一時停止する。これらの制御の動作関係を図７に示した。燃焼切替の開始に伴って、空気流量の酸素濃度補正は停止（ＯＦＦ）し、これに代わって、酸素ガスと循環排ガス流量の酸素濃度補正を開始（ＯＮ）する。切替が進行し、空気流量がダンパの最小流量に近づいたら、空気流量デマンド値の保持回路をＯＮにすると共に、酸素ガスと循環排ガス流量の酸素濃度補正をＯＦＦにする。空気流量のデマンド値が一定時間保持された後、空気流量を制御するためのダンパを全閉にし、流量を０にする。これに伴って、酸素ガスと循環排ガス流量の酸素濃度補正を再度ＯＮにする。
【００４５】
図８は、以上に述べた方法で燃焼切替制御を行ったときの、プラント動特性の計算結果である。（ａ）は発電出力の変動を示すトレンド、（ｂ）は支燃ガス酸素濃度のデマンド値と計算値を比較したトレンド、（ｃ）は各ガス流量のトレンドを示している。（ｃ）に示した空気流量のトレンドから分かるように、空気流量は０になる前に、一定時間保持される。この効果を示すために、図９に、空気流量を保持する操作を実施しなかった場合のプラント動特性を示す。図８と図９を比較すると、空気流量の保持操作を実施することにより、発電出力の変動が抑えられると共に、支燃ガス酸素濃度のデマンド値への追従が改善できるのが分かる。
【００４６】
上述した本発明の実施例によれば、ＣＯ2を回収可能な石炭火力発電の一方式である酸素燃焼ボイラにおいて、空気燃焼から酸素燃焼へ切り替える際に、酸素濃度の計測値のみで空気、酸素ガス、循環排ガスの各流量を制御するのに比べて、酸素濃度の計測遅れや変動、または、ダンパ全閉時におけるガス組成の突変が支燃ガスの酸素濃度に与える影響を最小限に抑えられるため、安定した燃焼状態が得られ、この効果により、ボイラの蒸気温度及び発電出力の変動を抑えることができる。これにより、プラントの運転信頼性が向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は石炭火力発電プラントのＣＯ2回収に好適な酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法に適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１ ボイラ
２ ミル
３ 脱硝装置
４ ガス予熱器
５ 集塵装置
６ 脱硫装置
７ 冷却除湿装置
８ ＣＯ2液化装置
９ 空気分離装置
２１〜２３ ファン
４１〜４８ 配管
１０１〜１０６ ダンパ
２０１ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭を燃焼させる支燃ガスとして空気をボイラに供給する空気燃焼と、支燃ガスとして空気から分離した酸素と石炭の燃焼後にボイラから排出される排ガスとを混合したガスをボイラに供給する酸素燃焼との両方の燃焼方式が実現できるように構成したボイラにおいて、
ボイラに投入する空気流量を制御するダンパと、ボイラに投入する循環排ガス流量を制御するダンパと、ボイラに投入する酸素ガス流量を制御するダンパを設置し、
空気燃焼から酸素燃焼に切り替える場合、該空気流量、該循環排ガス流量、該酸素ガス流量をボイラに供給する燃料流量のデマンドに応じて変化させ、かつ、該空気流量を減少させるのに合わせて、該循環排ガス流量と該酸素ガス流量を増加させ、かつ、該空気流量、該循環排ガス流量、該酸素ガス流量が線形関係であることを特徴とする石炭火力発電プラント。
【請求項２】
請求項１の石炭火力発電プラントにおいて、ボイラに投入する支燃ガスの酸素濃度を計測するセンサと、ボイラ出口排ガスの酸素濃度を計測するセンサを設置し、
空気燃焼から酸素燃焼に切り替える場合、支燃ガスの酸素濃度の計測値を基に該循環排ガス流量を補正し、かつ、ボイラ出口排ガスの酸素濃度の計測値を基に該酸素ガス流量を補正することを特徴とする石炭火力発電プラント。
【請求項３】
請求項２の石炭火力発電プラントにおいて、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える場合、空気流量を一定時間保持した後に、空気流量を０にすることを特徴とする石炭火力発電プラント。
【請求項４】
請求項３の石炭火力発電プラントにおいて、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える場合、空気流量を一定時間保持している間は、前記循環排ガス流量及び前記酸素ガス流量の補正処理を一時停止することを特徴とする石炭火力発電プラント。
【請求項１】
石炭を燃焼させる支燃ガスとして空気をボイラに供給する空気燃焼と、支燃ガスとして空気から分離した酸素と石炭の燃焼後にボイラから排出される排ガスとを混合したガスをボイラに供給する酸素燃焼との両方の燃焼方式が実現できるように構成したボイラにおいて、
ボイラに投入する空気流量を制御するダンパと、ボイラに投入する循環排ガス流量を制御するダンパと、ボイラに投入する酸素ガス流量を制御するダンパを設置し、
空気燃焼から酸素燃焼に切り替える場合、該空気流量、該循環排ガス流量、該酸素ガス流量をボイラに供給する燃料流量のデマンドに応じて変化させ、かつ、該空気流量を減少させるのに合わせて、該循環排ガス流量と該酸素ガス流量を増加させ、かつ、該空気流量、該循環排ガス流量、該酸素ガス流量が線形関係であることを特徴とする石炭火力発電プラント。
【請求項２】
請求項１の石炭火力発電プラントにおいて、ボイラに投入する支燃ガスの酸素濃度を計測するセンサと、ボイラ出口排ガスの酸素濃度を計測するセンサを設置し、
空気燃焼から酸素燃焼に切り替える場合、支燃ガスの酸素濃度の計測値を基に該循環排ガス流量を補正し、かつ、ボイラ出口排ガスの酸素濃度の計測値を基に該酸素ガス流量を補正することを特徴とする石炭火力発電プラント。
【請求項３】
請求項２の石炭火力発電プラントにおいて、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える場合、空気流量を一定時間保持した後に、空気流量を０にすることを特徴とする石炭火力発電プラント。
【請求項４】
請求項３の石炭火力発電プラントにおいて、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える場合、空気流量を一定時間保持している間は、前記循環排ガス流量及び前記酸素ガス流量の補正処理を一時停止することを特徴とする石炭火力発電プラント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−５７４１７（Ｐ２０１３−５７４１７Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９４５０５（Ｐ２０１１−１９４５０５）
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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