JPH0148054B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はたとえば窒素酸化物の濃度規制装置
に関する。

蒸気タービン発電機では、ボイラから窒素酸化
物（以下NOxという）を含む排ガスが、タービ
ン発電機では、ガスタービンからNOxを含む排
ガスが排出される。これらの排ガスは廃熱ボイラ
に導かれ、廃熱処理ののち大気に放出される。と
ころが、大気に放出される排ガス中のNOxは大
気汚染の原因物質となるので国、地方公共団体が
大気に放出されるNOx濃度の規制基準値を定め
ている。そこで廃熱ボイラに触媒反応装置を設
け、触媒反応装置にアンモニア（以下NH₃）を
供給し、ボイラやガスタービンの排ガス中の
NOxとNH₃とを反応させてNOxを減少させてい
る。この場合、NOxの残存量は、NOxとNH₃と
の混合比すなわちNOxの供給量に対するNH₃の
供給量によつて変化する。そこで廃熱ボイラから
放出される排ガス中のNOx濃度を上記規制基準
値以下にするために廃熱ボイラ出口における
NOx濃度が規制基準値以下の所要の一定値にな
るようにNH₃の注入量を制御している。このよ
うに廃熱ボイラ出口におけるNOx等の濃度を所
要の一定値になるように制御することを以下、濃
度制御という。

このような濃度制御は、第１図に直線Ｂで示す
ように発電機の負荷が変化してもNOx濃度がほ
ぼ一定となるなるボイラの排ガスに対しては適し
ているが、第１図に折線Ｇ１で示すように発電機
の負荷の変化に伴つてNOx濃度が大きく変化す
るガスタービンの排ガスに対しては不安定とな
る。しかも折線Ｇ１で示す濃度に対するNOx流
量（ガスタービン排ガス中のNOx流量）は第１
図に折線Ｇ２で示すように発電機の負荷の変化に
対して変動が小さいのでガスタービン排ガスに対
しては、廃熱ボイラ出口のNOx流量が所要の値
になるようにNH₃の供給量を制御する方が適し
ていると考えられる。廃熱ボイラ出口のNOx等
の流量が所要値になるように制御することを以
下、流量制御という。しかしながら上述したよう
にNOx規制は濃度によつてなされているから濃
度制御も必要である。

この発明は上記実情に鑑みてなされたものであ
つて、第１の気体たとえばNOxを含む混合気体
たとえばガスタービン排ガスおよび第１の気体と
反応する第２の気体たとえばNH₃を反応装置に
供給し、第２の気体の供給流量を制御することに
より反応装置出口における第１の気体の濃度を所
要の基準濃度以下に規制する装置において、流量
制御と濃度制御との両方の制御を行なうことがで
きるたとえばNOxの濃度規制装置を提供するこ
とを目的とする。

この発明による濃度規制装置は、第１の気体を
含む混合気体および第１の気体と反応する第２の
気体を反応装置に供給し、第２の気体の供給流量
を制御することにより反応装置出口における第１
の気体の濃度を所要の基準濃度以下に規制する装
置において、反応装置出口における第１の気体の
基準濃度を設定する濃度設定器、反応装置出口に
おける第１の気体の基準流量を設定する流量設定
器、反応装置出口における第１の気体の流量を検
出する流量検出手段、濃度設定器に設定された第
１の気体の基準濃度と反応装置に供給されている
混合気体の求められた流量とにもとづいて、基準
濃度に対する第１の気体の流量を算出する濃度／
流量変換回路、流量設定器に設定された第１の気
体の基準流量と濃度／流量変換回路によつて算出
された第１の気体の流量とを比較し、小さい方の
流量を第１の気体の設定流量として選択する選択
回路、ならびに選択回路によつて選択された第１
の気体の設定流量、流量検出手段による第１の気
体の検出流量および反応装置に供給されている混
合気体中の第１の気体の求められ流量にもとづい
て、第１の気体の検出流量が選択された第１の気
体の設定流量と等しくなるように反応装置に供給
されている第２の気体の流量を制御する流量制御
装置、を備えていることを特徴とする。

反応装置に供給されている第１の気体およびそ
れを含む混合気体の流量としては、すでに行なわ
れているように混合気体を排出する装置のプロセ
スデータに基づいて算出されたものを用いてもよ
いし、流量計や濃度検出器を設けてこれらの検出
値にもとづいて求められたものを用いてもよい。

この発明による装置をたとえばガスタービン排
ガス中のNOx濃度を規制する装置として用いる
場合には、濃度設定器および流量設定器に反応装
置出口における基準NOx濃度および基準NOx流
量がそれぞれ設定される。濃度設定器に設定され
た基準NOx濃度は、濃度／流量変換回路によつ
て基準NOx濃度に対応するNOx流量に変換さ
れ、このNOx流量と流量設定器に設定された基
準NOx流量のうち、小さい方のNOx流量が選択
回路によつてNOx設定流量として選択される。
そして流量制御装置によつて流量検出手段により
検出される反応装置出口におけるNOx流量が
NOx設定流量と等しくなるように反応装置に供
給されているNH₃の流量が制御される。

反応装置出口におけるNOxの流量を検出する
流量検出手段として、一般に、反応装置出口の
NOx濃度と全気体の流量を検出して、これらを
乗算することが考えられる。ところが、上記のよ
うなガスタービン排ガス中のNOx濃度を規制す
る装置においては、排ガス流量と反応装置出口の
全気体の流量との差が小さいため、全気体の流量
のかわりに排ガス流量のみを用いても、誤差は無
視できる。このため、前述のように、プロセスデ
ータにもとづいて算出された排ガス流量算出値ま
たは流量計などにより検出された排ガス流量検出
値と反応装置出口におけるNOx濃度の検出値と
を乗算することによつて求めることもできる。

このようにして反応装置出口におけるNOx流
量がNOx設定流量と等しくなるように制御され
る。濃度設定器に設定された基準NOx濃度に対
応するNOx流量が流量設定器に設定された基準
NOx流量よりも小さいときには、基準NOx濃度
に対応するNOx流量が選択回路によつて選択さ
れるから、この場合には、反応装置出口における
NOx流量はそのNOx濃度が基準NOx濃度に等し
くなるような流量値に制御される。この結果、反
応装置出口におけるNOx濃度は基準NOx濃度と
等しくなる。反対に基準NOx濃度に対応する
NOx流量が基準NOx流量よりも大きい場合に
は、基準NOx流量が選択回路によつて選択され
るから、反応装置出口におけるNOx流量は基準
NOx流量と等しくなるように制御される。この
場合には、基準NOx流量は基準NOx濃度に対応
するNOx流量よりも小さいので、反応装置出口
のNOx濃度は基準濃度よりも小さくなる。

以上のように、この発明による濃度規制装置に
よれば、濃度制御と流量制御との両方の制御を行
うことができ、たとえばガスタービンの排ガスの
ように発電機負荷の変化に伴つて排ガス中の
NOx濃度が大きく変化する排ガスに対しても安
定な制御を行うことができ、しかも反応装置出口
におけるNOx濃度を常に基準濃度以下におさえ
ることができる。

以下、第２図〜第６図を参照してこの発明の実
施例について説明する。

第２図は発電所の大気汚染防止装置を示してい
る。ガスタービン１の排ガスはNH₃注入装置２
に送られ、注入装置２に注入されたNH₃と混合
される。NH₃と混合された排ガスは、廃熱ボイ
ラ３に設けられた触媒反応装置４に送られる。触
媒反応装置４は排ガス中のNOxとNH₃を反応さ
せて窒素と水を生成する。未反応のNOxを含む
排ガスは廃熱ボイラ３から排出管５を通して大気
に放出される。ガス排出管５にはNOx濃度検出
器６が設けられている。ガスタービン１はガスタ
ービン制御装置７によつて制御されている。ガス
タービン制御装置７内には、ガスタービン１のプ
ロセスデータに基づいて、ガスタービン１の排ガ
スの流量（Ｎm³／ｈ）を算出する排ガス流量演算
部７ｂ、排ガス中のNOx流量（廃熱ボイラ３入
口のNOx流量（Ｎm³／ｈ））を算出する入口
NOx流量演算部７ｃおよび排ガス中のO₂（酸素）
濃度演算部７ａが設けられている。このようにガ
スタービン１のプロセスデータに基づいて、排ガ
ス流量、NOx流量およびO₂濃度を算出する技術
はすでに知られている。もちろん流量計や濃度検
出器を用いて上記排ガス流量、排ガスのNOx流
量および排ガス中の酸素濃度を検出するようにし
てもよい。

NH₃は、NH₃供給管８を通つてNH₃混合希釈
室９に供給される。NH₃供給管８にはNH₃流量
計１０およびNH₃流量調節弁１１が設けられて
いる。NH₃混合希釈室９に供給されたNH₃は希
釈フアン１２から送られてきた空気によつて希釈
される。そして希釈されたNH₃が注入装置２に
注入される。

大気汚染防止装置は、さらに廃熱ボイラ３出口
における所要のNOx濃度（ppm）およびNOx流
量（Ｎm³／ｈ）がそれぞれ設定される出口NOx
濃度設定器１３および出口NOx流量設定器１４
ならびにガスタービン制御装置７内の演算部７
ａ，７ｂ，７ｃの出力、設定器１３，１４の出
力、NOx濃度検出器６の出力およびNH₃流量計
１０の出力に基づいてNH₃流量調節弁１１の開
度を制御する制御装置１５を備えている。

第３図は制御装置１５の構成を示している。
NOx濃度設定器１３の出力は濃度補正用乗算器
１６に送られる。濃度設定器１３に設定される出
口NOx濃度Ｐ１は一般的に15％O₂換算値である
ので、この出口NOx濃度P1をガスタービン１の
排ガス中のO₂濃度（％）における出口NOx濃度
P2に変換する必要がある。排ガス中のO₂濃度に
おける出口NOx濃度P2（Ｎm³／ｈ）は、排ガス中
のO₂濃度をP3（％）とすると次式によつて求めら
れる。

P2＝21−P3／21−15・P1 ……(1) ＝Ｋ・P1 ……(2) ここでＫは21−P3／21−15であり、変換係数と呼ぶ。

排ガス中のO₂濃度P3は、ガスタービン制御装
置７内のO₂濃度演算部７ａによつて求められて
いる。O₂濃度演算部７ａの出力は、遅延回路１
７に送られる。この遅延回路１７は、NOx濃度
検出器６の出力がO₂濃度演算部７ａの出力に対
して、ガスタービン１から排ガスが排出されてか
ら廃熱ボイラ３の出口のガス排出管５に送られる
までの時間遅れを有しているので、この時間遅れ
を補償するために設けられたものである。したが
つて遅延回路１７に入力したO₂濃度演算器７ａ
の出力信号は、遅延回路１７から上記時間遅れの
分だけ遅れて出力される。遅延回路１７の出力は
変換係数演算器１８に送られ、変換係数Ｋが求め
られる。演算器１８の出力は乗算器１６に送ら
れ、係数Ｋと出口NOx濃度Ｐ１とが乗算される
ことにより、濃度P1が排ガス中のO₂濃度におけ
る出口NOx濃度P2に変換される。

濃度補正用乗算器１６の出力およびガスタービ
ン制御装置７内の排ガス流量演算部７ｂの出力は
濃度／流量変換用乗算器１９に送られ、出口
NOx濃度P2（ppm）と排ガス流量（Ｎm³／ｈ）と
が乗算されることにより出口NOx濃度P2に対応
する出口NOx流量Q2（Ｎm³／ｈ）が求められる。

この出口NOx流量Q2（Ｎm³／ｈ）と、NOx流
量設定器１４に設定された出口NOx流量Q1（Ｎ
m³／ｈ）とは、選択回路２０に送られ、選択回路
２０によつて流量値の小さい方の出口NOx流量
Q3（Q1またはQ2）が選択される。このNOx流量
Q3が出口NOxの設定流量となる。

ガスタービン制御装置７内の排ガス流量演算部
７ｂの出力は、上記遅延回路１７と同様の目的で
設けられた遅延回路２１にも入力している。遅延
回路２１の出力（Ｎm³／ｈ）と濃度検出器６の出
力（ppm）とは濃度／流量変換用乗算器２２に送
られ、乗算されることにより廃ガスボイラ３出口
のNOx流量Q4が求められる。このNOx流量Q4
が出口NOxの検出流量である。出口NOxの設定
流量Q3と出口NOxの検出流量Q4とは演算器２３
に送られる。

廃ガスボイラ３出口のNOx流量は、一般に、
廃ガスボイラ３出口のNOx濃度と全気体の流量
を乗算することにより求められる。ところが、こ
の実施例のような大気汚染防止装置においては、
ガスタービン１からの排ガス流量と廃ガスボイラ
３出口の全気体の流量との差が小さいため、全気
体の流量のかわりに排ガス流量のみを用いても、
誤差は無視できる。このため、この実施例では、
前述のようにプロセスデータにもとづいて算出さ
れた排ガス流量算出値と廃ガスボイラ３出口にお
けるNOx濃度の検出値とを乗算することによつ
て、廃ガスボイラ３出口のNOx流量求めている。

演算器２３は出口NOxの設定流量Q3と出口
NOxの検出流量Q4に基づいて廃熱ボイラ３出口
のNOx流量Q3と等しくするためのNOxとNH₃と
の混合比ｙ（NH₃（モル）／NOx（モル））を算出
するものである。第４図を参照して、混合比ｙの
初期値があらかじめ設定される（ステツプ
（31））。そして出口NOxの設定流量Q3と検出流
量Q4が送られてくると、流量Q3に対する流量Q4
の偏差ｘを次式により求める（ステツプ（32））。

ｘ＝Q4−Q3 ……(3) 次に偏差ｘを次式により比例積分して混合比ｙ
の補正値△ｙを求める（ステツプ（33））。

△ｙ＝Kp（ｘ＋1/T∫xdt） ……(4) ここでKPはゲイン、Ｔは積分時間であり、大
気汚染防止装置の試運転時に最適値に設定され
る。

次に補正値△ｙを用いて混合比ｙを次式により
補正する（ステツプ（34））。

ｙ←ｙ＋△ｙ ……(5) そしてこのようにして算出した混合比ｙを出力
するとともにステツプ（32）に戻る。

演算器２３の出力とタービン制御装置７の
NOx流量演算部７ｃの出力とは乗算部２４に送
られ、混合比ｙ（＝NH₃／NOx）と入口NOx流
量Q5（Ｎm³／ｈ）とが乗算されることにより、注
入装置２で混合されるNH₃とNOxとの混合比を
演算器２３によつて求められた値ｙと等しくする
NH₃の注入量Q6（Ｎm³／ｈ）が求められる。

乗算器２４の出力とNH₃流量計１０の出力と
はNH₃流量調節計２５に送られる。NH₃流量調
節計２５は、流量計１０による測定値が上記
NH₃注入量Q6と等しくなるようにNH₃流量調節
弁１１の開度を制御する。

上記のような構成において、たとえば選択回路
２０によつて選択されたNOx設定流量Q3＝5N
m³／ｈ、入口NOx流量Q5＝5ONm³／ｈ、混合比
ｙ＝１、NH₃注入量Q6（NH₃流量計１０の測定
値）＝50Nm³／ｈ、触媒反応装置４における脱硝
率Ｓ＝90％で出口NOx流量（出口NOx検出流
量）Q4が設定流量Q3（＝5Nm³／ｈ）と等しくな
つているとする。

この状態において入口NOx流量Q5が50Nm³／
ｈから60Nm³／ｈにステツプ状に変化したとす
る。

() 入口NOx流量Q5が変化した時点では、
NH₃注入量Q6は、次のように変化する。

Q6＝Q5×ｙ＝60×１＝60Nm³／ｈ また出口NOx流量Q4は次のように増加す
る。

Q4＝Q5×（1.0−Ｓ）＝60×0.1＝6Nm³／ｈ () 出口NOx流量Q4の増加により、設定流量
Q3と検出流量Q4とに次のような偏差ｘが生じ
る。

ｘ＝Q4−Q3＝６−５＝1Nm³／ｈ この偏差値に基づく補正値△ｙがたとえば、
0.1になつたとすると、混合比ｙは、1.1とな
る。

() この結果、NH₃注入量Q6は次のように増
加する。

Q6＝Q5×ｙ＝60×1.1＝66Nm³／ｈ () NH₃注入量Q6の増加により、出口NOx流
量Q4は減少するが、減少しすぎて設定流量Q3
（5Nm³／ｈ）よりも小さな値にたとえば4.5N
m³／ｈになつたとする。

() すると偏差ｘは次のようになる。

ｘ＝4.5−5.0＝−0.5Nm³／ｈ この偏差値に基づく補正値△ｙがたとえば−
0.05であるとすると混合比ｙは次のようになる ｙ＝1.1−0.05＝1.05 () この結果、NH₃注入量Q6は次のように減
少する。

Q6＝60×1.05＝63Nm³／ｈ そして、出口NOx流量Q4が5.0Nm³／ｈにな
つたとすると、偏差ｘは零となり、混合比ｙは
上記（）のときの値1.05に保たれる。

以上の動作を第５図を参照して説明する。第５
図において実線は、入口NOx流量Q5が50Nm³／
ｈである場合における演算器２３の算出値（混合
比ｙ）と出口NOx流量Q4との関係を、鎖線は入
口NOx流量Q5が60Nm³／ｈである場合における
混合比ｙと出口NOx流量Q4との関係をそれぞれ
示している。

入口NOx流量Q5が50Nm³／ｈのときには、混
合比ｙ＝１で、出口NOx流量Q4が設定流量Q3
（5Nm³／ｈ）と等しくなつている（同図ａ点）。
入口NOx流量Q5が60Nm³／ｈに変化すると上記
（）により出口NOx流量Q4が5Nm³／ｈから6N
m³／ｈに増加する（同図ｂ点）。そして上記（）
（）（）によりｙ＝1.1となり、NH₃注入量Q6
が増加され、出口NOx流量Q4が4.5Nm³／ｈに減
少する（同図ｃ点）。このように出口NOx流量
Q4が設定流量Q3よりも減少すると上記（）
（）によりｙ＝1.05となり、NH₃注入量が減少
され、これにより出口NOx流量Q4が増加して設
定流量Q3（5Nm³／ｈ）と等しくなる（同図ｄ
点）。

このようにこの大気汚染防止装置では、出口
NOx検出流量Q4が出口NOx設定流量Q3と等し
くなるようにNH³注入量Q6が制御される。出口
NOx設定流量Q3としては、NOx濃度設定器１３
に設定されたNOx濃度P1に対応するNOx流量Q2
とNOx流量設定器１４に設定されたNOx流量Q1
のうち小さい方のNOx流量が用いられる。

発電機の負荷にかかわらず、出口NOxの濃度
を常に10ppm（15％O₂換算値）になるように制御
した場合の発電機の負荷に対する出口NOx流量
がたとえば第６図の直線で示すような値であると
する。濃度設定器１３に10ppmが、流量設定器１
４に6Nm³／ｈが設定されたとすると、第６図か
ら明らかなように発電機の負荷が48％以下のとき
には、濃度設定器１３に設定された10ppmに対応
するNOx流量Q2は流量設定器１４に設定された
NOx流量Q1（6Nm³／ｈ）よりも小さいので、発
電機負荷が48％以下のときはNOx流量Q2がNOx
流量Q3として用いられる。したがつてこの場合
には、出口NOx濃度が10ppmになるようにNH₃
注入量Q6が制御される。負荷が48％を越えると
10ppmに対応するNOx流量Q2は6Nm³／ｈよりも
大きくなるのでこの場合には流量設定器１４に設
定されたNOx流量Q1（6Nm³／ｈ）が流量Q3とし
て用いられ、出口NOx流量Q4が6Nm³／ｈになる
ようにNH₃注入量Q6が制御される。

【図面の簡単な説明】

第１図は発電機負荷に対するボイラ排ガス中の
NOx濃度、ガスタービン排ガス中のNOx濃度お
よびNOx流量をそれぞれ示すグラフ、第２図〜
第６図はこの発明の実施例を示すもので、第２図
は、大気汚染防止装置を示す系統図、第３図はそ
の制御装置の電気的な構成を示すブロツク図、第
４図は、演算器の演算処理手順を示すフローチヤ
ート、第５図は混合比と出口NOx流量との関係
を示すグラフ、第６図は発電機負荷と出口NOx
流量との関係を示すグラフである。 １……ガスタービン、２……NH₃注入装置、
３……廃熱ボイラ、４……触媒反応装置、６……
NOx濃度検出部、１０……NH₃流量計、１１…
…NH₃流量調節弁、１３……NOx濃度設定器、
１４……NOx流量設定器、１５……制御装置、
１９，２２，２４……乗算器、２０……選択回
路、２３……演算器、２５……流量調節計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の気体を含む混合気体および第１の気体
   と反応する第２の気体を反応装置に供給し、第２
   の気体の供給流量を制御することにより反応装置
   出口における第１の気体の濃度を所要の基準濃度
   以下に規制する装置において、 反応装置出口における第１の気体の基準濃度を
   設定する濃度設定器、 反応装置出口における第１の気体の基準流量を
   設定する流量設定器、 反応装置出口における第１の気体の流量を検出
   する流量検出手段、 濃度設定器に設定された第１の気体の基準濃度
   と反応装置に供給されている混合気体の求められ
   た流量とにもとづいて、基準濃度に対する第１の
   気体の流量を算出する濃度／流量変換回路、 流量設定器に設定された第１の気体の基準流量
   と濃度／流量変換回路によつて算出された第１の
   気体の流量とを比較し、小さい方の流量を第１の
   気体の設定流量として選択する選択回路、ならび
   に 選択回路によつて選択された第１の気体の設定
   流量、流量検出手段による第１の気体の検出流量
   および反応装置に供給されている混合気体中の第
   １の気体の求められ流量にもとづいて、第１の気
   体の検出流量が選択された第１の気体の設定流量
   と等しくなるように反応装置に供給されている第
   ２の気体の流量を制御する流量制御装置、 を備えている濃度規制装置。