JPH0260934B2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- JPH0260934B2 JPH0260934B2 JP59072711A JP7271184A JPH0260934B2 JP H0260934 B2 JPH0260934 B2 JP H0260934B2 JP 59072711 A JP59072711 A JP 59072711A JP 7271184 A JP7271184 A JP 7271184A JP H0260934 B2 JPH0260934 B2 JP H0260934B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- combustion
- burner
- nox
- stage
- fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N5/00—Systems for controlling combustion
- F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N5/00—Systems for controlling combustion
- F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
- F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
- F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Control Of Combustion (AREA)
- Regulation And Control Of Combustion (AREA)
Description
〔発明の利用分野〕
本発明は燃焼制御方法に係り、特に燃料の性状
が時々刻々変化する微粉炭を燃料とする燃焼の燃
焼効率の向上及びNOx発生の低減に好適な燃焼
制御方法に関する。 〔発明の背景〕 従来の燃焼制御は、主として空燃比（燃焼室に
投入する全燃料流量に対する空気流量の比）が規
定値となるように制御することにより排ガス損失
を低減し、燃焼の高効率化を図る技術と、火炎の
終端部に投入する空気量を制御することにより排
ガス中のNOx濃度を制限値以下に抑制する技術
で構成されていた。 しかし、上記従来方式は燃焼室内の燃焼状態を
直接観測していないため、微粉炭燃料などのよう
に時々刻々変動する燃料性状（固定炭素分、揮発
分、灰分、水分など含有率及びその性質）及び運
転条件（燃焼負荷、環境上の制約値、空気温度な
ど）のもとで常に最適な燃焼状態を維持すること
は不可能であつた。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、時々刻々変化する燃料性状及
び運転条件のもとで常に運転制限条件を守り、か
つ最大燃焼効率を得るための燃焼室内の最適火炎
形状を決定し、維持するための燃焼制御方法を提
供するにある。 〔発明の概要〕 本発明は、燃焼効率がCO濃度と強い相関があ
ること、CO濃度及びNOx濃度が火炎形状即ち燃
焼室内への燃料及び空気の導入方法に大きく依存
することに着目したものである。本発明の目的で
ある燃焼の高効率化及び低NOx化の問題は、
NOx濃度を制約条件とし燃焼効率を評価関数と
する非線形最適化制御問題として定式化した。本
制御の機能は、大きく分けて、最適目標火炎形状
探索機能と、この最適目標火炎形状を維持するた
めの火炎形状制御機能の２つの機能で構成したこ
とに特徴がある。最適目標火炎形状探索機能は燃
料供給系及び空気供給系の操作量を変更すること
により、NOx濃度が運転制限値以下でかつ燃焼
効率が最大となつたときの火炎形状を最適目標火
炎形状とする。ただし、火炎形状は火炎形状計測
機能で計測する。火炎形状制御機能は計測した火
炎形状が上記最適目標火炎形状となるように操作
量を調節する。火炎形状制御中に前記燃料性状あ
るいは運転条件が変動した場合は、再び最適目標
火炎形状を探索し、変動した条件のもとでの最適
目標火炎形状を決定し、燃料性状の変化にかゝわ
らず最適燃焼状態を維持する。 〔発明の実施例〕 本発明を火力発電プラントのボイラ燃焼制御に
適用した場合について、以下に説明する。 ボイラ用燃料として使用量が増してきた石炭
は、石油あるいは天然ガスと比較して、排ガス中
の窒素酸化物（NOx），硫黄酸化物（SOx），一
酸化炭素（CO）など有害物質の低減が困難と言
われている。石炭に含まれる窒素分（以下Fuel
―Ｎと表記する）は比較的多いため、特にNOx
の低減が困難とされている。燃焼によつて発生す
るNOxは、Fuel―Ｎの酸化によるもの（これを
以下Fuel―NOxと表記する）と、高温場におけ
る空気中の窒素の酸化によるもの（これを以下
Thermal―NOxと表記する）に分けられる。石
油やガスを燃料とした場合に発生するNOxは大
部分がThermal―NOxであり、石炭を燃料とし
た場合は大部分がFuel―NOxである。従つて、
石油やガスを対象として開発されてきた従来の燃
焼方式は、燃焼温度に着目したものであり、
Thermal―NOxの低減には効果があるが、石炭
燃焼に適用した場合はFuel―NOxの問題が依然
として残る。 一方、発電用ボイラは一般に複数のバーナを有
し、燃焼ガスの流れ方向に多段に配置された複雑
な構造をしている。そのため、従来、数多くある
操作端は試運転時あるいは定検時に制定した操作
規準に従つて運転されていた。石炭は産炭地、名
柄により性状が大きく異なるため多種燃料を使う
プラントでは上記操作規準にマージンを十分とる
必要が有り、燃焼効率が必ずしも最大値となるよ
うに運転されていなかつた。常時、低NOxかつ
高効率運転を実現するためには高度で複雑な判断
能力を持つ熟練運転員が必要である。しかし、新
鋭ボイラのように構造が複雑化し、多様化してく
ると熟練運転員の養成がむつかしいばかりでな
く、熟練運転員であつても燃料性状や運転条件の
時間変動に直ちに対応することが困難である。 低NOx高効率化を基本目標とする燃焼制御は、
次のような非線形最適化問題として定式化でき
る。 評価関数η（ｘ）→Max ……(1) 等式制約条件ｇ（ｘ）＝０ ……(2) 不等式制約条件ｈ（ｘ）＜h0 ……(3) ここで、ｘ（∈Rn）はプラント状態値（ベクト
ル）、ηは燃焼効率（スカラ関数）、ｇ（∈Rk）は
運転条件、ｈ（∈Rl）は運転制限要因（ベクトル
関数）、h0（∈Rl）は運転制限値（ベクトル）であ
る。等式制約条件（(2)式）は、プラントの出力及
び蒸気温度並びに圧力などのように燃焼制御機能
よりも上位の制御機能によつて制御される運転条
件に関するものであり、上位制御機能が健全であ
れば常に満足されるものである。運転制限要因ｈ
は排ガス中のNOx濃度、CO濃度及び操作量であ
り、h0はその制限値である。従つて、実質的には
(1)，(3)式を満足する操作量ｘ（∈Rm，ｍ＝ｌ−
２）を求めることになる。 第１図はボイラ火炉２０におけるバーナ配置、
燃料供給系３０及び空気・ガス系４０を示す。第
２図はバーナ８０の構造を示す。押込通風フアン
（FDF）４１により取り込まれた空気は空気予熱
器（SAH４２及びYAH４３）に送られ、排ガス
の保有熱により予熱される。この予熱された空気
は２次空気４４と呼ばれる。２次空気４４は、混
合用ガス（再循環ガス４６の一部であり、集塵器
（HEP）４７出口から抽出したもの）４５と混合
され、ウインドボツクス７９に導かれる。ウイン
ドボツクス７９は火炉２０の前面２１と後面２２
に配置されたＡ〜Ｆの各バーナ段（２３A〜２３F
及びNOポート２４，２５に対応して設置されて
いる。各ウインドボツクスへ流入する２次空気及
び混合用ガス４８の流量は、入口に設けた各ダン
パ４９の開度で定まる。各バーナ段は複数本（本
実施例では８本）の微粉炭バーナ８０から構成さ
れている。一方、再循環ガス４６は、一次ガス５
０、火炉ホツパガス５１及び前記混合用ガス４５
の３つに分流される。１次ガス５０は、第２図に
示すようにバーナ８０の外周にある１次ガスポー
ト５２から火炉２０に噴射される。また、火炉ホ
ツパガス５１は火炉底にあるホツパ部に導入され
る。混合用ガス４５は前記２次空気４４と混合さ
れ、１次ガスポートの外周から火炉２０に噴射さ
れる。これら３つのガスの流量比は、１次ガスダ
ンパ（PGD）５３、火炉ホツパガスダンパ
（FHGD）５４及び混合ダンパ（GMD）５５の
開度で定まる。一方、石炭フイーダ３１と微粉炭
ミル３２から成る燃料供給系３０は各バーナ段に
対応してＡ〜Ｆの６系統設置されている。FDF
出口から抽出した１次空気５６は、１次空気予熱
器（PAH）５７で予熱されたのち微粉炭ミル３
２に送られ、微粉炭の乾燥及び搬送に使われる。
１次空気の１部５８は、１次空気フアン（PAF）
５９を出たのちPAHをバイパスされる。このバ
イパス量の調整により微粉炭ミル出口の微粉炭及
び１次空気３３の温度を一定に保つことができ
る。また、図には示さなかつたが、節炭器出口部
には再熱蒸気温度制御用のパラレルダンパを設け
てあり、このダンパ開度を調節することにより１
次過熱器と１次再熱器側に流れるガス量配分を変
更でき、再熱蒸気温度は一定に制御される。 第３図は火炉内火炎構造と各バーナ段への空気
比（理論空気量に対する実際の使用空気量の比）
配分方式を示す。各バーナ段に対して、 (1) 下段バーナ（Ａ，Ｄ段）２３A，２３Dには環
元性物質を積極的に生成させる領域９１を形成
させる。 (2) 中段バーナ（Ｂ，Ｅ段）２３B，２３Eには
Fuel―Ｎを積極的に放出させる領域９２を形
成させる。 (3) 下段バーナと中段バーナの火炎先端を合流さ
せ、NOxの還元領域９３を形成させる。 (4) 上段バーナ（Ｃ，Ｆ段）には下、中段バーナ
からの未燃分を完全燃焼させる領域９４を形成
させる。 以上の機能を実現するために、次のような手段
をとる。 下段バーナに関しては、噴射される燃料の火炉
内滞留時間が他段のそれよりも長いことに着目
し、空気比（λ1と表記する）を１より小さくし、
比較的低温で時間をかけて燃焼させる方式とす
る。すなわち、低酸素雰囲気にて微粉炭が熱分解
される時に放出する揮発成分中の窒素が環元性物
質であるNH3やHCNに転換される割合が、高酸
素雰囲気でのそれと比較して高いことを利用す
る。従つて、下段バーナの火炎はNOx濃度が低
く、還元性物質に豊む。しかし、λ1＜１で燃焼さ
せているため未燃分が比較的多く存在し、この未
燃分中にはFuel―Ｎが存在する。 一方、中段バーナに関しては、空気比（λ2と表
記する）を１より少し大きくし、比較的高温で短
時間で燃焼させる方式とする。すなわち、高酸素
雰囲気での燃焼は、Thermal―NOxは多く発生
するが、Fuel―Ｎの放出が活発となることを利
用する。従つて、中段バーナの火炎はNOx濃度
は高いが、未燃分中にはFuel―Ｎが殆ど存在し
ない。 また、上段バーナに関しては、空気比（λ3と表
記する）をλ2よりも更に大きくし、主として下段
バーナから発生する未燃分を完全燃焼させる方式
とする。 以上述べたような機能を各段に分担させること
により、上段バーナの火炎先端部ではNOxの還
元領域が形成され、主として中段バーナで発生し
たNOxが、主として下段バーナで発生したNH3
やHCNなどの還元性物質により還元され、NOx
低減が可能となる。 燃焼制御システムでは、上記空気比配分（λ1＜
１，λ2＞１，λ3≫１）の条件を満たす範囲で、更
に最適な空気比配分を決定することになる。 低NOxかつ高効率燃焼は、(1)〜(3)式で定式化
した非線形最適化問題を解くことにより実現でき
る。ここでは、燃焼効率向上のための基本的考え
方を述べ、評価関数としての燃焼効率ηを定義す
る。 微粉炭が完全燃焼して理論発熱量が得られる場
合の燃焼効率は100％である。しかし、実際のボ
イラでは、火炉内ガス流動の乱れによる未燃分が
残り、燃焼効率の低下の原因となる。末燃分は主
として固形炭素Ｃと一酸化炭素COから成る。燃
焼効率を上げるには酸素過剰率（理論酸素量に対
する過剰酸素量の比：以下、Z02と表記する）を
大きくすれば良いが、大きくし過ぎるとボイラの
排ガス損失が増して、ボイラ効率は低下する。従
つて、実際のボイラでは、燃焼効率を広義にとら
え、排ガス損失も考慮する必要がある。以下では
燃焼効率を広義に使用する。未燃分のうちＣ分は
粉体であり、火炉ホツパや集塵器で捕獲されるた
め、現在の計測技術ではオンライン計測が不可能
である。一方、CO分はガス体のためオンライン
計測が可能であり、ボイラ全体のZ02に対するCO
濃度と燃焼効率は一般に第４図Ａ，Ｂの実線で示
す関係にある。すなわち、CO濃度ZCOがZCO,U以下
の条件ではZ02が小さいほど燃焼効率は高いこと
を示している。Z02＝ａのとき、燃焼効率ηは最
大（ηa）となつている。この実線で示す特性は従
来の非最適運転用時のものであるが、本発明を適
用した最適運用の場合は破線で示す特性が期待で
きる。すなわち、同じZ02のもとでも良好な燃焼
が期待でき、CO濃度が低下するため、燃焼効率
が向上する。この場合でもZCO＝ZCO,Uとなる。Z02
＝ｂの条件で燃焼効率は最大（ηb）に近い値と
なることが期待できる。すなわち、NOx濃度を
ZNOX及びその制限値をZZOX,Uとすれば、ZCO＜ZCO,U
かつZNOX＜ZZOX,Uを満足し、かつ再熱蒸気温度制
御のためのパラレルダンパ開度APDはその上、下
限値Ａ APD,U，APD,Lに対してAPD,L＜APD,Uを満足
し、Z02を最小にする操作量が最適操作量となる。
よつて、燃焼効率は絶対量を知る必要がないから
次式で等価的に定義して良い。 η＝100−Z02 ……(4) 燃焼制御システムの機能構成を第５図に示し、
また制御のための基本処理手順を第６図に示す。
制御システムは運転員９７からの指令で動作を開
始し、まず最適目標火炎形状探索機能２００によ
り最適目標火炎形状（y^*）１０１及び最適操作
量（x^*）１０２を決定する。ここで、y^*は前述
の最適化問題を満足する操作ベクトルであり、
y^*はこのときの火炉内火炎に関する形状ベクト
ルである。操作ベクトルは次のように定義する。
が時々刻々変化する微粉炭を燃料とする燃焼の燃
焼効率の向上及びNOx発生の低減に好適な燃焼
制御方法に関する。 〔発明の背景〕 従来の燃焼制御は、主として空燃比（燃焼室に
投入する全燃料流量に対する空気流量の比）が規
定値となるように制御することにより排ガス損失
を低減し、燃焼の高効率化を図る技術と、火炎の
終端部に投入する空気量を制御することにより排
ガス中のNOx濃度を制限値以下に抑制する技術
で構成されていた。 しかし、上記従来方式は燃焼室内の燃焼状態を
直接観測していないため、微粉炭燃料などのよう
に時々刻々変動する燃料性状（固定炭素分、揮発
分、灰分、水分など含有率及びその性質）及び運
転条件（燃焼負荷、環境上の制約値、空気温度な
ど）のもとで常に最適な燃焼状態を維持すること
は不可能であつた。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、時々刻々変化する燃料性状及
び運転条件のもとで常に運転制限条件を守り、か
つ最大燃焼効率を得るための燃焼室内の最適火炎
形状を決定し、維持するための燃焼制御方法を提
供するにある。 〔発明の概要〕 本発明は、燃焼効率がCO濃度と強い相関があ
ること、CO濃度及びNOx濃度が火炎形状即ち燃
焼室内への燃料及び空気の導入方法に大きく依存
することに着目したものである。本発明の目的で
ある燃焼の高効率化及び低NOx化の問題は、
NOx濃度を制約条件とし燃焼効率を評価関数と
する非線形最適化制御問題として定式化した。本
制御の機能は、大きく分けて、最適目標火炎形状
探索機能と、この最適目標火炎形状を維持するた
めの火炎形状制御機能の２つの機能で構成したこ
とに特徴がある。最適目標火炎形状探索機能は燃
料供給系及び空気供給系の操作量を変更すること
により、NOx濃度が運転制限値以下でかつ燃焼
効率が最大となつたときの火炎形状を最適目標火
炎形状とする。ただし、火炎形状は火炎形状計測
機能で計測する。火炎形状制御機能は計測した火
炎形状が上記最適目標火炎形状となるように操作
量を調節する。火炎形状制御中に前記燃料性状あ
るいは運転条件が変動した場合は、再び最適目標
火炎形状を探索し、変動した条件のもとでの最適
目標火炎形状を決定し、燃料性状の変化にかゝわ
らず最適燃焼状態を維持する。 〔発明の実施例〕 本発明を火力発電プラントのボイラ燃焼制御に
適用した場合について、以下に説明する。 ボイラ用燃料として使用量が増してきた石炭
は、石油あるいは天然ガスと比較して、排ガス中
の窒素酸化物（NOx），硫黄酸化物（SOx），一
酸化炭素（CO）など有害物質の低減が困難と言
われている。石炭に含まれる窒素分（以下Fuel
―Ｎと表記する）は比較的多いため、特にNOx
の低減が困難とされている。燃焼によつて発生す
るNOxは、Fuel―Ｎの酸化によるもの（これを
以下Fuel―NOxと表記する）と、高温場におけ
る空気中の窒素の酸化によるもの（これを以下
Thermal―NOxと表記する）に分けられる。石
油やガスを燃料とした場合に発生するNOxは大
部分がThermal―NOxであり、石炭を燃料とし
た場合は大部分がFuel―NOxである。従つて、
石油やガスを対象として開発されてきた従来の燃
焼方式は、燃焼温度に着目したものであり、
Thermal―NOxの低減には効果があるが、石炭
燃焼に適用した場合はFuel―NOxの問題が依然
として残る。 一方、発電用ボイラは一般に複数のバーナを有
し、燃焼ガスの流れ方向に多段に配置された複雑
な構造をしている。そのため、従来、数多くある
操作端は試運転時あるいは定検時に制定した操作
規準に従つて運転されていた。石炭は産炭地、名
柄により性状が大きく異なるため多種燃料を使う
プラントでは上記操作規準にマージンを十分とる
必要が有り、燃焼効率が必ずしも最大値となるよ
うに運転されていなかつた。常時、低NOxかつ
高効率運転を実現するためには高度で複雑な判断
能力を持つ熟練運転員が必要である。しかし、新
鋭ボイラのように構造が複雑化し、多様化してく
ると熟練運転員の養成がむつかしいばかりでな
く、熟練運転員であつても燃料性状や運転条件の
時間変動に直ちに対応することが困難である。 低NOx高効率化を基本目標とする燃焼制御は、
次のような非線形最適化問題として定式化でき
る。 評価関数η（ｘ）→Max ……(1) 等式制約条件ｇ（ｘ）＝０ ……(2) 不等式制約条件ｈ（ｘ）＜h0 ……(3) ここで、ｘ（∈Rn）はプラント状態値（ベクト
ル）、ηは燃焼効率（スカラ関数）、ｇ（∈Rk）は
運転条件、ｈ（∈Rl）は運転制限要因（ベクトル
関数）、h0（∈Rl）は運転制限値（ベクトル）であ
る。等式制約条件（(2)式）は、プラントの出力及
び蒸気温度並びに圧力などのように燃焼制御機能
よりも上位の制御機能によつて制御される運転条
件に関するものであり、上位制御機能が健全であ
れば常に満足されるものである。運転制限要因ｈ
は排ガス中のNOx濃度、CO濃度及び操作量であ
り、h0はその制限値である。従つて、実質的には
(1)，(3)式を満足する操作量ｘ（∈Rm，ｍ＝ｌ−
２）を求めることになる。 第１図はボイラ火炉２０におけるバーナ配置、
燃料供給系３０及び空気・ガス系４０を示す。第
２図はバーナ８０の構造を示す。押込通風フアン
（FDF）４１により取り込まれた空気は空気予熱
器（SAH４２及びYAH４３）に送られ、排ガス
の保有熱により予熱される。この予熱された空気
は２次空気４４と呼ばれる。２次空気４４は、混
合用ガス（再循環ガス４６の一部であり、集塵器
（HEP）４７出口から抽出したもの）４５と混合
され、ウインドボツクス７９に導かれる。ウイン
ドボツクス７９は火炉２０の前面２１と後面２２
に配置されたＡ〜Ｆの各バーナ段（２３A〜２３F
及びNOポート２４，２５に対応して設置されて
いる。各ウインドボツクスへ流入する２次空気及
び混合用ガス４８の流量は、入口に設けた各ダン
パ４９の開度で定まる。各バーナ段は複数本（本
実施例では８本）の微粉炭バーナ８０から構成さ
れている。一方、再循環ガス４６は、一次ガス５
０、火炉ホツパガス５１及び前記混合用ガス４５
の３つに分流される。１次ガス５０は、第２図に
示すようにバーナ８０の外周にある１次ガスポー
ト５２から火炉２０に噴射される。また、火炉ホ
ツパガス５１は火炉底にあるホツパ部に導入され
る。混合用ガス４５は前記２次空気４４と混合さ
れ、１次ガスポートの外周から火炉２０に噴射さ
れる。これら３つのガスの流量比は、１次ガスダ
ンパ（PGD）５３、火炉ホツパガスダンパ
（FHGD）５４及び混合ダンパ（GMD）５５の
開度で定まる。一方、石炭フイーダ３１と微粉炭
ミル３２から成る燃料供給系３０は各バーナ段に
対応してＡ〜Ｆの６系統設置されている。FDF
出口から抽出した１次空気５６は、１次空気予熱
器（PAH）５７で予熱されたのち微粉炭ミル３
２に送られ、微粉炭の乾燥及び搬送に使われる。
１次空気の１部５８は、１次空気フアン（PAF）
５９を出たのちPAHをバイパスされる。このバ
イパス量の調整により微粉炭ミル出口の微粉炭及
び１次空気３３の温度を一定に保つことができ
る。また、図には示さなかつたが、節炭器出口部
には再熱蒸気温度制御用のパラレルダンパを設け
てあり、このダンパ開度を調節することにより１
次過熱器と１次再熱器側に流れるガス量配分を変
更でき、再熱蒸気温度は一定に制御される。 第３図は火炉内火炎構造と各バーナ段への空気
比（理論空気量に対する実際の使用空気量の比）
配分方式を示す。各バーナ段に対して、 (1) 下段バーナ（Ａ，Ｄ段）２３A，２３Dには環
元性物質を積極的に生成させる領域９１を形成
させる。 (2) 中段バーナ（Ｂ，Ｅ段）２３B，２３Eには
Fuel―Ｎを積極的に放出させる領域９２を形
成させる。 (3) 下段バーナと中段バーナの火炎先端を合流さ
せ、NOxの還元領域９３を形成させる。 (4) 上段バーナ（Ｃ，Ｆ段）には下、中段バーナ
からの未燃分を完全燃焼させる領域９４を形成
させる。 以上の機能を実現するために、次のような手段
をとる。 下段バーナに関しては、噴射される燃料の火炉
内滞留時間が他段のそれよりも長いことに着目
し、空気比（λ1と表記する）を１より小さくし、
比較的低温で時間をかけて燃焼させる方式とす
る。すなわち、低酸素雰囲気にて微粉炭が熱分解
される時に放出する揮発成分中の窒素が環元性物
質であるNH3やHCNに転換される割合が、高酸
素雰囲気でのそれと比較して高いことを利用す
る。従つて、下段バーナの火炎はNOx濃度が低
く、還元性物質に豊む。しかし、λ1＜１で燃焼さ
せているため未燃分が比較的多く存在し、この未
燃分中にはFuel―Ｎが存在する。 一方、中段バーナに関しては、空気比（λ2と表
記する）を１より少し大きくし、比較的高温で短
時間で燃焼させる方式とする。すなわち、高酸素
雰囲気での燃焼は、Thermal―NOxは多く発生
するが、Fuel―Ｎの放出が活発となることを利
用する。従つて、中段バーナの火炎はNOx濃度
は高いが、未燃分中にはFuel―Ｎが殆ど存在し
ない。 また、上段バーナに関しては、空気比（λ3と表
記する）をλ2よりも更に大きくし、主として下段
バーナから発生する未燃分を完全燃焼させる方式
とする。 以上述べたような機能を各段に分担させること
により、上段バーナの火炎先端部ではNOxの還
元領域が形成され、主として中段バーナで発生し
たNOxが、主として下段バーナで発生したNH3
やHCNなどの還元性物質により還元され、NOx
低減が可能となる。 燃焼制御システムでは、上記空気比配分（λ1＜
１，λ2＞１，λ3≫１）の条件を満たす範囲で、更
に最適な空気比配分を決定することになる。 低NOxかつ高効率燃焼は、(1)〜(3)式で定式化
した非線形最適化問題を解くことにより実現でき
る。ここでは、燃焼効率向上のための基本的考え
方を述べ、評価関数としての燃焼効率ηを定義す
る。 微粉炭が完全燃焼して理論発熱量が得られる場
合の燃焼効率は100％である。しかし、実際のボ
イラでは、火炉内ガス流動の乱れによる未燃分が
残り、燃焼効率の低下の原因となる。末燃分は主
として固形炭素Ｃと一酸化炭素COから成る。燃
焼効率を上げるには酸素過剰率（理論酸素量に対
する過剰酸素量の比：以下、Z02と表記する）を
大きくすれば良いが、大きくし過ぎるとボイラの
排ガス損失が増して、ボイラ効率は低下する。従
つて、実際のボイラでは、燃焼効率を広義にとら
え、排ガス損失も考慮する必要がある。以下では
燃焼効率を広義に使用する。未燃分のうちＣ分は
粉体であり、火炉ホツパや集塵器で捕獲されるた
め、現在の計測技術ではオンライン計測が不可能
である。一方、CO分はガス体のためオンライン
計測が可能であり、ボイラ全体のZ02に対するCO
濃度と燃焼効率は一般に第４図Ａ，Ｂの実線で示
す関係にある。すなわち、CO濃度ZCOがZCO,U以下
の条件ではZ02が小さいほど燃焼効率は高いこと
を示している。Z02＝ａのとき、燃焼効率ηは最
大（ηa）となつている。この実線で示す特性は従
来の非最適運転用時のものであるが、本発明を適
用した最適運用の場合は破線で示す特性が期待で
きる。すなわち、同じZ02のもとでも良好な燃焼
が期待でき、CO濃度が低下するため、燃焼効率
が向上する。この場合でもZCO＝ZCO,Uとなる。Z02
＝ｂの条件で燃焼効率は最大（ηb）に近い値と
なることが期待できる。すなわち、NOx濃度を
ZNOX及びその制限値をZZOX,Uとすれば、ZCO＜ZCO,U
かつZNOX＜ZZOX,Uを満足し、かつ再熱蒸気温度制
御のためのパラレルダンパ開度APDはその上、下
限値Ａ APD,U，APD,Lに対してAPD,L＜APD,Uを満足
し、Z02を最小にする操作量が最適操作量となる。
よつて、燃焼効率は絶対量を知る必要がないから
次式で等価的に定義して良い。 η＝100−Z02 ……(4) 燃焼制御システムの機能構成を第５図に示し、
また制御のための基本処理手順を第６図に示す。
制御システムは運転員９７からの指令で動作を開
始し、まず最適目標火炎形状探索機能２００によ
り最適目標火炎形状（y^*）１０１及び最適操作
量（x^*）１０２を決定する。ここで、y^*は前述
の最適化問題を満足する操作ベクトルであり、
y^*はこのときの火炉内火炎に関する形状ベクト
ルである。操作ベクトルは次のように定義する。
【表】
また、火炎の形状ベクトルの選び方は種々考え
られるが、ここでは火炉内の各火炎配置を表すの
に都合の良い第７図のように定義する。この形状
はITVカメラで撮映した火炎画像を計算機処理
（画像処理）して求める。但し、(5)式で定義した
ように、火炉の前面と後面に配置されたバーナは
同一運用をするから、Ａ段とＤ段，Ｂ段とＥ段，
Ｃ段とＦ段の火炎形状は対称となる。また、形状
ベクトルは、各火炎の中心線上の輝度が規定値ま
で減衰する点から炉壁及びバーナ中心までの距離
とする。 火炎形状制御機能３００は、燃料性状や大気温
度などの僅かな変化が燃焼特性に対する外乱とな
つても安定な火炎形状を維持するためのものであ
る。火炎形状制御の目標値は、既に最適目標火炎
形状探索機能により決定されている最適目標火炎
形状y^*である。この場合、‖ｙ―y^*‖を最小とす
る準最適操作量x^１０３を決定する。ここで、x^
を準最適操作量と呼ぶ理由は、x^の決定に際し燃
焼効率及びNOx濃度を評価していないためであ
る。すなわち、外乱が小さい場合は、火炎形状を
y^*に追従制御しておけば ‖x^―x^*‖＜εx ……(6) が満足され、燃焼特性は最適値近傍に維持される
ことが期待できる。但し、(6)式でのx^，x^*は正規
化値である。外乱としての燃料性状の変動を実測
することは困難であるが、‖x^−x^*‖の大きさが
外乱の大きさを代表していると言える。これに着
目し、次式が満足される場合は最適目標火炎形状
は変更されるべきものと判断し、再び最適目標火
炎形状探索機能２００を動作させ、新たなy^*を
求める。 ‖x^―x^*‖εx ……(7) 最適目標火炎形状探索機能２００は、負荷変動
完了時にも動作する。これは、運転負荷レベルが
変化すれば、最適火炎形状も当然のこととして変
化するからである。負荷変動中あるいは制御周期
以外では操作量を保持するための制御周期管理２
１０及び操作量保持２２０の各機能を設けた。操
作量管理機能２３０は、制御操作量２３５として
のx^*あるいはx^と、これらを探索により求めるた
めの探索操作量２３７を区別して操作器２４０に
出力するためのものである。計測管理機能２５０
は試行操作に対応して火炎形状や排ガス濃度を計
測するタイミングを管理するものである。すなわ
ち、試行操作後、定常燃焼に達するまで待つてか
ら火炎形状計測機能２６０あるいは排ガス濃度の
計測機能２７０を作動させるものである。CRT
インターフエイス機能２８０は、運転員９７から
のシステム動作指令を受けたり、運転員のリクエ
ストに応じて各種燃焼制御状態をCRT２９０の
画面に表示させるためのもののである。 ボイラの燃焼過程は複雑であり、オンライン制
御で使用できるモデル用として定式化することは
困難である。ここでは、前記非線形最適化問題を
解くために、非線形計画法の一種であるコンプレ
ツクス法を適用することにし、実際のプラントに
対して試行操作を与え、実測値を評価することに
より最適目標火炎形状を決定する方法をとる。 いま、CO濃度（ZCO），NOx濃度（ZNOX）パラ
レルダンパ開度（APD）を x10＝ZCO x11＝ZNOX X12＝APD ……(8) で定義すると、(3)式で示した制約関数（ベクト
ル）ｈ（ｘ）及びその制御値（ベクトル）h0は次
式で定義できる。
られるが、ここでは火炉内の各火炎配置を表すの
に都合の良い第７図のように定義する。この形状
はITVカメラで撮映した火炎画像を計算機処理
（画像処理）して求める。但し、(5)式で定義した
ように、火炉の前面と後面に配置されたバーナは
同一運用をするから、Ａ段とＤ段，Ｂ段とＥ段，
Ｃ段とＦ段の火炎形状は対称となる。また、形状
ベクトルは、各火炎の中心線上の輝度が規定値ま
で減衰する点から炉壁及びバーナ中心までの距離
とする。 火炎形状制御機能３００は、燃料性状や大気温
度などの僅かな変化が燃焼特性に対する外乱とな
つても安定な火炎形状を維持するためのものであ
る。火炎形状制御の目標値は、既に最適目標火炎
形状探索機能により決定されている最適目標火炎
形状y^*である。この場合、‖ｙ―y^*‖を最小とす
る準最適操作量x^１０３を決定する。ここで、x^
を準最適操作量と呼ぶ理由は、x^の決定に際し燃
焼効率及びNOx濃度を評価していないためであ
る。すなわち、外乱が小さい場合は、火炎形状を
y^*に追従制御しておけば ‖x^―x^*‖＜εx ……(6) が満足され、燃焼特性は最適値近傍に維持される
ことが期待できる。但し、(6)式でのx^，x^*は正規
化値である。外乱としての燃料性状の変動を実測
することは困難であるが、‖x^−x^*‖の大きさが
外乱の大きさを代表していると言える。これに着
目し、次式が満足される場合は最適目標火炎形状
は変更されるべきものと判断し、再び最適目標火
炎形状探索機能２００を動作させ、新たなy^*を
求める。 ‖x^―x^*‖εx ……(7) 最適目標火炎形状探索機能２００は、負荷変動
完了時にも動作する。これは、運転負荷レベルが
変化すれば、最適火炎形状も当然のこととして変
化するからである。負荷変動中あるいは制御周期
以外では操作量を保持するための制御周期管理２
１０及び操作量保持２２０の各機能を設けた。操
作量管理機能２３０は、制御操作量２３５として
のx^*あるいはx^と、これらを探索により求めるた
めの探索操作量２３７を区別して操作器２４０に
出力するためのものである。計測管理機能２５０
は試行操作に対応して火炎形状や排ガス濃度を計
測するタイミングを管理するものである。すなわ
ち、試行操作後、定常燃焼に達するまで待つてか
ら火炎形状計測機能２６０あるいは排ガス濃度の
計測機能２７０を作動させるものである。CRT
インターフエイス機能２８０は、運転員９７から
のシステム動作指令を受けたり、運転員のリクエ
ストに応じて各種燃焼制御状態をCRT２９０の
画面に表示させるためのもののである。 ボイラの燃焼過程は複雑であり、オンライン制
御で使用できるモデル用として定式化することは
困難である。ここでは、前記非線形最適化問題を
解くために、非線形計画法の一種であるコンプレ
ツクス法を適用することにし、実際のプラントに
対して試行操作を与え、実測値を評価することに
より最適目標火炎形状を決定する方法をとる。 いま、CO濃度（ZCO），NOx濃度（ZNOX）パラ
レルダンパ開度（APD）を x10＝ZCO x11＝ZNOX X12＝APD ……(8) で定義すると、(3)式で示した制約関数（ベクト
ル）ｈ（ｘ）及びその制御値（ベクトル）h0は次
式で定義できる。
本発明によれば、排ガス中に含まれるNOx濃
度、CO濃度などの環境規制値を守り、最大効率
を維持した運転が可能となる。
度、CO濃度などの環境規制値を守り、最大効率
を維持した運転が可能となる。
第１図は、本発明の実施例におけるボイラ火炉
のバーナ配置、燃料供給系及び空気・ガス系の配
置を説明するためのもの。第２図は、本発明の実
施例におけるバーナの構造を示すもの。第３図
は、本発明の実施例における火炉内火炎構造と各
バーナ段への空気比配分方式を説明するためのも
の。第４図は、本発明の実施例において、本発明
を適用することによる燃焼特性に関する期待効果
を説明するためのもの。第５図は、本発明の実施
例における燃焼制御システムの機能構成を説明す
るためのもの。第６図は、本発明の実施例におけ
る制御の基本処理手段を説明するためのもの。第
７図は、本発明の実施例における火炎形状の定義
を示すもの。第８図は、本発明の実施例における
最適目標火炎形状探索の基本アルゴリズムを説明
するためのもの。第９図は、本発明の実施例にお
ける火炎形状制御の基本アルゴリズムを説明する
ためのもの、をそれぞれ示す。 ２０…ボイラ火炉、３０…燃料供給系、３１…
石炭フイーダ、４０…空気ガス系、４１…押込通
風フアン（FDF）、５０…一次ガス、２００…最
適目標火炎形状探索、３００…火炎形状制御、９
７…運転員、１０１…最適目標火炎形状y^*、１
０２…最適操作量x^*、１０３…準最適操作量x^、
２１０…制御周期管理、２２０…操作量保持、２
３０…操作量管理、２３５…制御操作量、２３７
…探索操作量、２４０…操作器、４００…プラン
ト、２５０…計測管理、２６０…火炎形状計測、
２７０…排ガス濃度計測、２８０…CRTインタ
ーフエイス、２９０…CRT、５００…中央給電
指令所、６００…負荷変動監視。
のバーナ配置、燃料供給系及び空気・ガス系の配
置を説明するためのもの。第２図は、本発明の実
施例におけるバーナの構造を示すもの。第３図
は、本発明の実施例における火炉内火炎構造と各
バーナ段への空気比配分方式を説明するためのも
の。第４図は、本発明の実施例において、本発明
を適用することによる燃焼特性に関する期待効果
を説明するためのもの。第５図は、本発明の実施
例における燃焼制御システムの機能構成を説明す
るためのもの。第６図は、本発明の実施例におけ
る制御の基本処理手段を説明するためのもの。第
７図は、本発明の実施例における火炎形状の定義
を示すもの。第８図は、本発明の実施例における
最適目標火炎形状探索の基本アルゴリズムを説明
するためのもの。第９図は、本発明の実施例にお
ける火炎形状制御の基本アルゴリズムを説明する
ためのもの、をそれぞれ示す。 ２０…ボイラ火炉、３０…燃料供給系、３１…
石炭フイーダ、４０…空気ガス系、４１…押込通
風フアン（FDF）、５０…一次ガス、２００…最
適目標火炎形状探索、３００…火炎形状制御、９
７…運転員、１０１…最適目標火炎形状y^*、１
０２…最適操作量x^*、１０３…準最適操作量x^、
２１０…制御周期管理、２２０…操作量保持、２
３０…操作量管理、２３５…制御操作量、２３７
…探索操作量、２４０…操作器、４００…プラン
ト、２５０…計測管理、２６０…火炎形状計測、
２７０…排ガス濃度計測、２８０…CRTインタ
ーフエイス、２９０…CRT、５００…中央給電
指令所、６００…負荷変動監視。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 燃料、空気を供給して燃焼を行なう複数のバ
ーナを火炉の燃焼ガスの流れ方向に多段に具備
し、各段のバーナに供給する燃料或いは／及び空
気の流量を制御する燃焼制御方法において、 前記火炉の燃焼ガスの流れ方向に下段バーナと
中段バーナと上段バーナよりなる前記複数のバー
ナを備え、該下段バーナの空気比を１よりも小さ
くして還元性物質を生成する燃焼を行ない、該中
段バーナの空気比を１よりも大きくしてNOxを
生成する燃焼を行ない、該上段バーナの空気比を
該中段バーナの空気比よりも更に大きくして
NOx還元領域を形成し前記中段バーナで生成し
たNOxを前記下段バーナで生成した還元性物質
により還元する燃焼を行ない、 前記各段のバーナに供給する燃料或いは／及び
空気の流量を変えて複数回の試行操作を行ない、
各試行時の前記下段バーナと中段バーナ及び上段
バーナの火炎形状を夫々計測記憶し、 前記各試行時のCO濃度およびNOx濃度を検出
して該CO濃度に基づいて炉内燃焼効率を推定し、 前記複数回の試行操作の中でNOx濃度が予め
定めた規定値以下でかつ最大の推定燃焼効率が得
られたときの火炎形状を目標火炎形状とし、 前記各段のバーナによる火炎形状が夫々目標火
炎形状となるように前記各段のバーナに供給する
燃料あるいは空気の流量を制御することを特徴と
する燃焼制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7271184A JPS60218525A (ja) | 1984-04-13 | 1984-04-13 | 燃焼制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7271184A JPS60218525A (ja) | 1984-04-13 | 1984-04-13 | 燃焼制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60218525A JPS60218525A (ja) | 1985-11-01 |
| JPH0260934B2 true JPH0260934B2 (ja) | 1990-12-18 |
Family
ID=13497208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7271184A Granted JPS60218525A (ja) | 1984-04-13 | 1984-04-13 | 燃焼制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60218525A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012181003A (ja) * | 2011-03-03 | 2012-09-20 | Ihi Corp | ボイラ装置及び高温空気燃焼システム |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5707897B2 (ja) * | 2010-11-25 | 2015-04-30 | 株式会社Ihi | 微粉燃料焚きボイラ装置 |
| US10865985B2 (en) * | 2018-02-20 | 2020-12-15 | General Electric Technology Gmbh | System and method for operating a combustion chamber |
| US12044641B2 (en) * | 2020-05-29 | 2024-07-23 | Baker Hughes Oilfield Operations Llc | Emission monitoring of flare systems |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55131623A (en) * | 1979-03-30 | 1980-10-13 | Babcock Hitachi Kk | Method of proper combustion for combustor |
| JPS614100Y2 (ja) * | 1979-07-23 | 1986-02-07 | ||
| JPS58108326A (ja) * | 1981-12-22 | 1983-06-28 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | バ−ナ燃焼方法 |
-
1984
- 1984-04-13 JP JP7271184A patent/JPS60218525A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012181003A (ja) * | 2011-03-03 | 2012-09-20 | Ihi Corp | ボイラ装置及び高温空気燃焼システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60218525A (ja) | 1985-11-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6622645B2 (en) | Combustion optimization with inferential sensor | |
| CN105276611B (zh) | 火电厂锅炉燃烧调整优化方法与系统 | |
| US5626085A (en) | Control of staged combustion, low NOx firing systems with single or multiple levels of overfire air | |
| US4362269A (en) | Control system for a boiler and method therefor | |
| CN113341713B (zh) | 一种燃煤机组煤风同步动态协控方法 | |
| JPH09133321A (ja) | 微粉炭燃焼装置の炉内状態予測方法と装置 | |
| CN110088532A (zh) | 用于燃烧系统控制的系统和方法 | |
| CN104913288A (zh) | 600mw亚临界四角切圆锅炉控制方法 | |
| CA1172924A (en) | Steam temperature control with overfire air firing | |
| Zhang et al. | Experimental study on the effects of co-firing mode and air staging on the ultra-low load combustion assisted by water electrolysis gas (HHO) in a pulverized coal furnace | |
| JPH0260934B2 (ja) | ||
| CN114754353A (zh) | 融合邻域粗糙集机器学习的循环流化床锅炉燃烧优化方法 | |
| US6361310B1 (en) | Method and apparatus for operating a combustion plant | |
| CN119309194A (zh) | 一种燃煤电厂深度调峰下的燃烧控制系统与设备 | |
| CN113669753B (zh) | 炉膛火焰过量空气系数确定方法、系统与装置 | |
| KR20210131562A (ko) | 산화제 농도 및 열량을 제어하여 승온 속도를 증가시키는 순환유동층 반응기 제어 방법 및 이를 이용하는 순환유동층 연소 시스템 | |
| CN205316377U (zh) | 一种对冲燃烧燃尽风量自动控制系统及锅炉 | |
| US11366089B2 (en) | Analysis condition adjusting device of simple fuel analyzer | |
| CN115111600A (zh) | 一种燃煤锅炉灵活稳燃与燃烧优化的方法 | |
| CN113803713B (zh) | 深度空气分级时炉内火焰中心确定方法与系统 | |
| JP2612284B2 (ja) | 燃焼装置 | |
| CN208952074U (zh) | 一种低氮燃烧煤气锅炉 | |
| JPS60263014A (ja) | 燃焼制御方法 | |
| JPS5819608A (ja) | ボイラ自動制御装置 | |
| JPH01281306A (ja) | ボイラ装置の運転方法 |