JPH10504889A - 蒸気発生設備の燃焼調節方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 燃焼プロセスで生ずる少なくとも反応生成物の空間的な温度分布および濃度プロフィルが検出される蒸気発生器設備の燃焼調節のための方法において、本発明によれば、効率を高くし、また有害物質の放出をわずかにすると同時に、均等な蒸気生成を設定するため、燃焼プロセスに供給すべき反応性混合物（Ｂ、Ｌ、Ｈ）の組成に対する複数個の目標値（ＳＷ_n）がファジーまたはニューロ‐ファジー論理により温度分布および濃度プロフィルにより求められる。本方法を実施するための装置は、燃焼室（１）からの放射データ（Ｄ）を取得するための少なくとも２つの光学的センサ（２、３）と、それと接続されておりまたファジーまたはニューロファジー調節器モジュール（５）を有する調節装置（６）と接続されているデータ処理システム（４）とを含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】 蒸気発生設備の燃焼調節方法および装置 本発明は、燃焼プロセスで生ずる少なくとも１つの反応生成物の温度および濃 度が検出される蒸気発生設備の燃焼調節のための方法に関する。さらに本発明は この方法を実施するための装置に関する。 蒸気発生設備において化石燃料の燃焼の際に燃焼プロセスの絶えざる改善が特 に均等な蒸気発生を達成するための努力の中心になっている。有害物質、特にＮ Ｏ_xの排出を可能なかぎりわずかにし、また煙道ガス容積流量をわずかにすると 同時に完全燃焼率を高くおよび効率を非常に高くする特に良好な燃焼プロセスを 達成するためには、多数の可能な操作量を適当な仕方で予制御しなければならな い。操作量としては特に燃料の供給および分配または複数の燃料の混合比、空気 供給およびその空間的分配、燃焼空気の温度およびその酸素濃度、補助燃料また はＮＯ_x低減のための他の添加燃料の供給および／または燃焼温度を設定するた めの水蒸気の供給があげられる。この予制御は一般に適当な燃焼管理により、す なわち適当な燃焼調節により行われる。 多数の操作量があり、また同じく多数の調節量があるので、燃焼管理は非常に 複雑な制御問題である。従ってその解決のためには、制御対象の数学的モデルに 基づいてリアルタイムで検出される測定値に関係する調節方法はしばしば十分で ない。その理由は特に、たとえば石炭のような化石燃料または塵芥の燃焼の際に 燃料または燃料混合物のカロリー値が強い変動を免れないことにある。すなわち 、化石燃料による蒸気発生の際には相い異なる産地からの石炭の使用により、ま たは塵芥燃焼の際には塵芥の不均質な組成に基づいて、有害物質放出にも蒸気生 成にも不利な仕方で影響するカロリー値の変動が生ずる。これらの欠点は、一般 に固体および液体ならびに気体状の燃料が同時に燃焼される工業的な残留物燃焼 の際にも存在する。 一般に知られていない組成または不十分にしか測定可能でない燃料の質に基づ く不確実性を考慮に入れるため、燃焼調節のためにファジー技術を使用すること は公知である。燃焼調節のためのこのような方法は「ファジー論理」第２巻、エ ル・オルデンブール出版、１９９４年、第１８９〜２０１頁のツェー・フォン・ アルトロック、ベー・クラウゼ、カー・リンパーおよびヴェー・シェーファーの 論文「ファジー論理による塵芥燃焼設備の調節」に記載されている。この公知の 方法では、温度測定のために二次元の温度像を求めるため赤外線カメラが使用さ れる。しかしその際に不利なことは、この方法では温度しか求められず、燃焼の 際に生ずる煙道ガスの組成は求められないことである。さらに、単に局部的な温 度測定に基づいて煙道チャネル内の房形成または斜め位置による歪曲が生ずる。 このような温度測定は個々のバーナーまたは燃焼室の特定の個所における状況に 関する情報を与えないので、公知の調節方法では燃焼プロセス内の空間的分布を 特徴付けるデータを考慮に入れることはできない。 従って、燃焼プロセスの燃焼調節または燃焼管理を一層改善するためには、燃 焼プロセスで生ずる反応生成物の温度分布および濃度プロフィルを知ることに決 定的な意義がある。これらの情報は放射スペクトロスコピーにより火炎の固有放 射から得られる。このような方法は「環境技術の実際」ＵＴＡ５／９３、第４０ ３〜４０６頁のエフ・ウイントリツヒの論文「有害物質の少ない燃焼」に記載さ れている。その際に温度は比率パイロメトリにより、また反応生成物または燃焼 ラジカルの濃度は放射スペクトロスコピーにより求められる。燃焼管理のこの公 知の方法における制御量は有害物質の放出であり、その際に単に補助物質の目的 に合致した添加により、たとえばＮＨ₃の添加により、およびまたは個々のバー ナーの目的に合致した空気供給により制御技術的に介入される。 本発明の課題は、蒸気発生器設備の燃焼調節のための方法であって、燃焼の際 に生ずる有害物質の放出を可能なかぎりわずかにするとともに、蒸気生成を特に 均等にし、また設備効率を可能なかぎり高くすることも達成し得る方法を提供す ることにある。これは方法の実施のために適した装置において簡単な手段により 達成されなければならない。 方法に関する課題は本発明によれば、燃焼プロセスに供給すべき反応性混合物 の組成に対する複数個の目標値がファジーまたはニューロファジー論理により空 間的な温度分布および濃度プロフィルにより求められることにより解決される。 その際に本発明は、燃焼ラジカルの温度および濃度の迅速で場所的に分配され た三次元の測定によりファジー論理を用いて先ず目標値のみを求め、これらの目 標値が次いで下位の在来の調節に燃焼管理のために必要な操作信号を形成するた めに指令量として予め与えられるという考察から出発する。 その際に相い異なりかつ強く変動するカロリー値を補正し得るように、特に燃 焼プロセスに供給すべき燃料または燃料混合物の組成に対する目標値が求められ る。塵芥燃焼設備ではこの目標値は燃焼プロセスに手動または自動的に供給すべ き塵芥混合物を設定する。さらに、特に高い完全燃焼率を達成するため、燃焼プ ロセスへの空気供給に対する別の目標値が求められると好適である。 さらに燃料への添加物質の配量供給に対する目標値が求められると好適である 。たとえば燃焼室内の適当な個所への尿素の正確に配量供給される添加によりＮ Ｏ_xの生成を低減できる。Ｏ₂富化のための酸素の添加も実験により、有害排出物 の減少および完全燃焼のために有利であることが判明している。全体として、燃 料へのこのような添加物質の目的に合致した配量供給により特にわずかな有害物 質の放出が達成される。 好適な実施態様によれば、空間的温度分布および空間的濃度プロフィルが、燃 焼プロセスから取得された放射スペクトルからトモグラフ法により再構成される 。コンピュータトモグラフィ法による放出スペクトルの再構成により反応生成物 の空間的な温度分布および濃度プロフィルに対する完全な測定フィールドが取得 される。これらの測定またはデータフィールドから、有利なことに、たとえば分 布のピーク位置または形態ならびにそれらの空間的変化のような特別な特徴が導 出され、目標値を求めるために利用される。 装置に関する前記の課題は本発明によれば、燃焼室と、燃焼室からの放射デー タを取得するための少なくとも２つの光学的センサと接続されているデータ処理 システムとを有する装置において、データ処理システムと接続されている調節装 置が、燃焼プロセスに供給すべき反応性混合物の組成に対する複数個の目標値を 放射データから求めるためのファジーまたはニューロファジー調節器モジュール を含んでいることを特徴とする燃焼調節装置により解決される。 ファジー調節器モジュールとニューロン回路網との組み合わせの際にたとえば ファジー調節器のいくつかのまたはすべてのパラメータがニューロン回路網によ り求められる。またたとえばファジー化またはデファジー化の所属関数も相応の ニューロン回路網により、全体として特に望ましい調節挙動が達成されるように 求められる。 別の有利な実施態様によれば、調節装置は、ファジーまたはニューロファジー 調節器モジュールと接続されている別の調節器モジュールを含んでいる。この別 の調節器モジュールは、好適には燃焼室への種々の反応物質の供給装置を駆動す るための操作信号を形成する役割をする在来の調節器である。 燃焼プロセスに供給すべき反応混合物の目標組成を表示し得るように、データ 処理システムは指示装置と接続されると有利である。これは反応混合物の組成、 特に多くの成分から成る燃料の組成に対する目標値または各目標値を表示する。 燃焼室内に反応のためにもたらされる種々の反応物質の量を別々にまた互いに 無関係に設定し得るように、調節装置は、それぞれ駆動導線を介して燃料に対す る第１の供給装置および空気に対する第２の供給装置ならびに添加物質に対する 第３の供給装置と接続されている。 以下、図面により本発明の実施例を一層詳細に説明する。 図１は燃焼調節の機能を説明するためのブロック図、また 図２は燃焼調節に対する目標値を求めるためのファジー調節器の機能を説明す るためのブロック図である。互いに相応する部分には両図面中に同じ符号が付さ れている。 図示されていない蒸気発生器設備、たとえば発電所設備または塵芥燃焼設備の 化石燃焼蒸気発生器の燃焼室１において燃焼プロセスが行われる。特殊カメラの 形態の光学的センサ２および３が放射スペクトルの形態で燃焼室１からの放射デ ータＤを検出し、これらをデータ処理システム４に導く。放射スペクトルからデ ータ処理システム４でコンピュータトモグラフィ法による再構成によりたとえば ＮＯ_x、ＣＯ_x、ＣＨおよびＯ₂のような燃焼の際に生じた反応生成物の空間的な 温度分布および三次元の位置分解された濃度プロフィルが計算される。そのため に温度が比率パイロメトリにより、また燃焼ラジカルの濃度が放射スペクトロス コピーにより求められ、その際に放射スペクトルのコンピュータトモグラフィ 法による再構成が完全な測定フィールドＦを供給する。温度分布および濃度プロ フィルのこれらの測定フィールドＦは調節装置６のファジー調節器モジュール５ に供給される。 燃焼プロセスの温度分布および濃度プロフィルを特徴付ける特徴データＭはさ らに特別な特徴抽出のためのモジュール７に供給される。そのために測定フィー ルドＦからたとえばピーク位置または分布の形態またはその空間的変化のような 特別な特徴が導出される。これらの特徴データＭは同じくファジー調節器モジュ ール５で処理される。 さらにファジー調節器モジュール５には目標値Ｓが目標値発生器８から、また 設備に重要な測定値ＭＷが測定値検出部９から与えられる。調節装置６のファジ ー調節器モジュール５で測定フィールドＦおよび特徴データＭから、また予め定 められた目標値Ｓおよび測定はＭＷから目標値ＳＷ₁…ＳＷ_nが求められる。 ファジー調節器モジュール５は調節装置６の別の下位の調節器モジュール１０ と接続されている。調節装置６のこの別の調節器モジュール１０は目的に従った 仕方で通常のように構成されている。それは蒸気発生器設備の作動のために設け られているすべての制御ループ、たとえば蒸気出力、過剰空気、媒体流量および 回転数に対する制御回路を含んでおり、また燃焼プロセスに影響するすべての操 作要素を駆動する役割をする。そのために従来通常の調節器モジュール１０は指 令量としてファジー調節器モジュール５から目標値ＳＷ₁…ＳＷ_nを受け、また燃 料供給および燃料配分のための装置１１を駆動するための第１の操作信号Ｕ₁を 形成する。さらに、空気供給および空気配分のための装置１２を駆動するための 第２の操作信号Ｕ₂と、たとえばＮＯ_x低減のための尿酸またはＯ₂富化のための 酸素のような補助または添加物質に対する添加装置１３を駆動するための第３の 操作信号Ｕ₃とが形成される。駆動は調節装置６を装置１１、１２または１３と 接続する駆動導線１４、１５および１６を介して行われる。 燃焼室１内の反応物質の温度分布および濃度プロフィルを特徴付ける測定フィ ールドＦならびに特徴データＭはたとえば制御盤設けられている指示装置１７で 可視化される。こうしてオペレータにはいつでも燃焼プロセスのイメージ写像が 与えられる。 図２はファジー調節器モジュール５の原理的な構成を示し、その機能を以下に 説明する。ファジー調節器モジュール５を設計するためには先ず入力量すなわち 測定フィールドＦ、特徴データＭ、測定値ＭＷおよび目標値Ｓ、並びに出力量す なわち目標値ＳＷ₁…ＳＷ_nの数値的な値範囲が“小さい”、“中程度”または“ 大きい”のような言語的な値により定性的に特徴付けられる。入力量Ｆ、Ｍ、Ｍ Ｗ、Ｓの関数の各々の言語的な値は所属関数Ｚ_Eにより記述される。この関数は 各々の言語的な値の定性的な表現を、それが入力量Ｆ、Ｍ、ＭＷ、Ｓの各々の生 ずる数値的な値に対する真理値を示すような仕方で定量化する。ファジー調節器 ５の計算要素５ａで行われるファジー化ＦＺのこの過程により、考察される入力 量Ｆ、Ｍ、ＭＷ、Ｓの作動範囲が“不鮮明な”部分範囲に分割される。部分範囲 の数は各々の入力量Ｆ、Ｍ、ＭＷまたはＳの言語的な値の数に相当する。より多 くの入力量の際には部分範囲の数は種々の入力量Ｆ、Ｍ、ＭＷ、Ｓの言語的な値 の組み合わせ可能性の数に相当する。 これらの部分範囲の各々に対して、または手短に述べればより多くの部分範囲 に対して調節ストラテジーがＩＦ‐ＴＨＥＮ規則Ｒにより決定される。これらの 規則Ｒはファジー調節器モジュール５の基本要素５ｂに言語的調節機構の形態で 格納される。各々の規則Ｒにおいて入力量Ｆ、Ｍ、ＭＷ、Ｓの言語的値の組み合 わせに対してたとえば演算子“ＡＮＤ”または“ＯＲ”との論理演算により１つ の推論がそれぞれ出力量ＳＷ₁…ＳＷ_nに対する言語的値として決定される。真理 値を計算するため個々の入力量Ｆ、Ｍ、ＭＷ、Ｓの所属関数Ｚ_Eから求められた 真理値が規則Ｒで使用される演算子に相応して論理演算される。その際に、発見 的なエキスパート知識が経験ストラテジーの形態で直接的にファジー調節の言語 的な規則Ｒにいつでも結び付けられ得ることが重要な役割を演ずる。 個々の規則Ｒの推論と呼ばれている計算によりたとえば規則Ｒで相応の言語的 値により名付けられた出力量ＳＷ₁…ＳＷ_nの所属関数Ｚ_Aが規則Ｒから供給され る真理値に制限される。いわゆるコンポジションの際に出力量または各々の出力 量ＳＷ₁…ＳＷ_nに関する規則Ｒの作用はたとえばそのつどの出力量ＳＷ₁…ＳＷ_n のすべての所属関数の最大値形成により互いに重畳される。最後に計算要素５ｃ で、出力量ＳＷのデファジー化ＤＦと呼ばれる計算が行われる。これはた とえば、そのつどの出力量ＳＷ₁…ＳＷ_nの値範囲にわたるすべての制限された所 属関数Ｚ_Aにより囲まれる面の重心の位置の計算により行われる。 ニューロン回路網との組み合わせの際にはファジー調節器モジュール５のいく つかのまたはすべてのパラメータが１つまたはそれ以上のニューロン回路網によ り求められる。その際にファジー化またはデファジー化の所属関数Ｚ_E、Ｚ_Aは相 応のニューロン回路網により求められる。従って、ファジー調節およびニューロ ン回路網の組み合わせにより、特にニューロン回路網が自己学習能力を有するの で、調節挙動が最適化される。それによってファジー調節のパラメータが燃焼室 １における一般に非常に複雑でまた周辺条件の変化に基づいて時間的に変化する 過程に特に良好に適合可能である。 約５秒の両光学的センサ２および３のわずがな測定時間に基づいて、非常に迅 速で空間的に細分化された三次元の測定信号が測定フィールドＦの形態で得られ るので、ファジーまたはニューロ‐ファジー論理を用いて反応生成物の温度分布 および濃度プロフィルにより求められる目標値ＳＷ₁…ＳＷ_nも実際上リアルタイ ムで得られる。 その際に燃焼調節に対する主要な指令量は、燃焼プロセスに装置１１を介して 供給すべき燃料混合物Ｂの組成に対する第１の目標値ＳＷ₁である。目標値ＳＷ₁ は調節器モジュール１０に燃料混合物Ｂのそのつどの成分の量に対する操作信号 Ｕ₁を形成させる役割をする。たとえば塵芥燃焼設備の際には目標値ＳＷ₁は手動 または自動的供給に対する目標塵芥混合を設定する。 使用される燃料Ｂのカロリー値の強い変動を補正するため、燃焼プロセスへの 空気供給に対する第２の目標値ＳＷ₂が求められる。この目標値ＳＷ₂は調節器モ ジュール１０に、燃焼室１から装置１２を介して供給すべき空気Ｌの量に対する 操作信号Ｕ₂を形成させる役割をする。 有害物質の放出を特にわずかにするため、調節装置６の調節器モジュール１０ はファジー調節器モジュール５から添加物質Ｈの配量供給に対する第３の目標値 ＳＷ₃を受ける。この第３の目標値ＳＷ₃から調節器モジュール１０が、たとえば 燃焼プロセスに供給装置１３を介して添加物質Ｈとして供給すべき尿酸の量に対 する操作信号Ｕ₃を形成する。それにより直接に有害物質の発生個所に調節技 術的に介入することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃焼プロセスで生ずる少なくとも１つの反応生成物の温度および濃度が検出 される蒸気発生設備の燃焼調節のための方法において、燃焼プロセスに供給すべ き反応性混合物（Ｂ、Ｌ、Ｈ）の組成に対する複数個の目標値（ＳＷ_n）がファ ジーまたはニューロファジー論理により空間的な温度分布および濃度プロフィル により求められることを特徴とする蒸気発生設備の燃焼調節方法。 ２．燃焼プロセスに供給すべき燃料（Ｂ）の組成に対する第１の目標値（ＳＷ₁ ）が求められることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．燃焼プロセスへの空気（Ｌ）の供給に対する第２の目標値（ＳＷ₂）が求め られることを特徴とする請求項１または２記載の方法。 ４．燃料（Ｂ）への添加物質（Ｈ）の配量供給に対する第３の目標値（ＳＷ₃） が求められることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の方法。 ５．温度分布および濃度プロフィルから分布およびプロフィルを特徴付けるデー タ（Ｍ）が導出され、また目標値または各目標値（ＳＷ_n）を求めるために利用 されることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の方法。 ６．空間的温度分布および空間的濃度プロフィルが、燃焼プロセスから取得され た放射スペクトルからトモグラフ法により再構成されることを特徴とする請求項 １ないし５の１つに記載の方法。 ７．燃焼室（１）と、燃焼室（１）からの放射データ（Ｄ）を取得するための少 なくとも２つの光学的センサ（２、３）と接続されているデータ処理システム（ ４）とを有する請求項１ないし６の１つによる方法を実施するための装置におい て、データ処理システム（４）と接続されている調節装置（６）が、燃焼プロセ スに供給すべき反応性混合物（Ｂ、Ｌ、Ｈ）の組成に対する複数個の目標値（Ｓ Ｗ_n）を放射データ（Ｄ）から求めるためのファジーまたはニューロファジー調 節器モジュール（５）を含んでいることを特徴とする蒸気発生設備の燃焼調節装 置。 ８．調節装置（６）が、ファジーまたはニューロファジー調節器モジュール（５ ）と接続されている別の調節器モジュール（１０）を含んでいることを特徴とす る請求項７記載の装置。 ９．データ処理システム（４）が、反応性混合物（Ｂ、Ｌ、Ｈ）の組成に対する 目標値または各目標値（ＳＷ_n）を表示するための指示装置（１７）と接続され ていることを特徴とする請求項７または８記載の装置。 １０．調節装置（６）がそれぞれ駆動導線（１４、１５、１６）を介して燃料（ Ｂ）に対する第１の供給装置および空気（Ｌ）に対する第２の供給装置ならびに 添加物質（Ｈ）に対する第３の供給装置と接続されていることを特徴とする請求 項７ないし９の１つに記載の装置。