JP3691017B2 - バーナ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラを用いた発電プラントのバーナ制御装置にかかり、特に消火したバーナの冷却空気量を、プラント状態信号、例えばボイラ負荷信号の値に対応して好適に制御するバーナ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数本のバーナを備えたボイラにおいて、消火した状態の休止バーナを保護しながら燃焼を制御する方法として、特公平１−１７０４号公報に記載された技術が提案されている。この従来のバーナ制御技術は、排ガス再循環型ボイラを用いた発電プラントのバーナ制御装置において、燃焼用空気供給ダンパと再循環排ガス供給用ダンパとを制御して消火中または消火完了している休止バーナの冷却用気体として燃焼用空気を供給せずに再循環排ガスのみを供給している。すなわち、休止バーナに対して冷却用気体を供給している再循環排ガスダンパは、休止バーナ全台に対して一律に開状態となっている。
【０００３】
このバーナ制御装置では、ＮＯｘ低減を図るために、休止バーナの冷却用気体として、酸素比率の多い燃焼用空気を供給せずに酸素比率の低い再循環排ガスのみを供給しているが、再循環排ガスの温度は通常３５０〜３６０℃であることから、バーナ冷却効果を十分にあげることができるとはいえない。また、この方式は、排ガス再循環型のボイラのみに適用可能な技術であり、排ガス再循環設備のないボイラの場合には、冷却用空気の供給量を何らかの手段で調整することによって、ＮＯｘ低減を図る必要がある。
【０００４】
一方、特開平７−８３４０７号公報には、石炭焚きボイラを用いた発電プラントのバーナ制御装置において、燃料を供給する手段である微粉炭ミルを起動・停止する際、すなわち、微粉炭燃焼用バーナを点火・消火操作している時に燃焼用および保炎用の二次空気の供給量を絞り込んで減少させることによって、排ガス中のＮＯｘの低減を図る技術が開示されている。
【０００５】
このバーナ制御装置では、点火・消火操作中の運転バーナに対する２次空気の供給量を絞り込んでＮＯｘ低減を図っているが、休止バーナに対するバーナ冷却用空気が引き起こすＮＯｘ発生の問題については考慮されていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、発電プラントにおける運転負荷の状態、例えばボイラ負荷信号の値に対応して、おおむね定格負荷の０〜４５％までの範囲の低負荷運転中に、消火時のバーナもしくは休止バーナのバーナ冷却空気弁を閉操作して空気流量を絞り込み、ボイラ内の酸素の量を低減してＮＯｘ値の上昇を抑制し、好適な発電プラントの運転を可能とするバーナ制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、休止バーナを冷却する空気の供給を制御するバーナ冷却空気弁を備えた複数のバーナの運転を制御するバーナ制御装置において、プラントの運転状態などの外部信号が入力される外部信号入力部と、前記外部信号に基づいてプラントの運転状態を判定する運転状態判定部と、前記外部信号に基づいて各バーナの運転を個別にもしくはグループ単位で指令するバーナ運転指令出力部と、前記バーナ運転指令に基づいて個別もしくはグループ単位のバーナの運転を制御するバーナ運転制御部および前記バーナ冷却空気弁の開閉を制御するバーナ冷却制御部からなる個別バーナ制御部とを備え、該個別バーナ制御部は、バーナ運転指令出力部が消火状態もしくは休止状態を指令したときに、通常はバーナ冷却空気弁を開状態とし、運転状態判定結果に基づいて消火状態または休止状態にあるバーナのバーナ冷却空気弁を閉状態とするよう制御することを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明は、上記バーナ制御装置において、前記バーナ運転指令出力部が、バーナの運転スケジュールに基づいて、個別もしくはグループ単位のバーナの運転を指令することを特徴とする。また、本発明は、上記バーナ制御装置において、前記個別バーナ制御部が、前記運転状態判定結果が所定の運転負荷以下もしくは規制ＮＯｘ値以上であるときに、休止状態にあるバーナのバーナ冷却空気弁を閉状態とすることを特徴とする。
【０００９】
本発明のバーナ制御装置は、ボイラに設置された複数のバーナと、前記バーナへの冷却空気を供給する管路に設置された該空気の供給量を制御するバーナ冷却空気弁と、点火されているバーナを消火するための指令信号を発信するバーナ消火回路と、プラント状態などの外部信号を入力する入力部とを具備するものであって、前記バーナ回路内に前記バーナ冷却空気弁を閉状態にする指令を出力する回路を設けるとともに、点火されている前記バーナを消火制御して休止する場合に、前記入力部から入力した例えば負荷信号を基にして、負荷信号が一定値以下である場合には前記バーナ冷却空気弁を閉状態にする指令を選択して出力する切替回路とを設けることによって達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるバーナ制御装置の実施例を図を用いて説明する。図１を用いて、本発明にかかるバーナ制御装置を設けた発電プラントの構成の概要を説明する。
【００１１】
本発明にかかるバーナ制御装置によって制御される発電プラントは、バーナの運転状態を制御するバーナ制御装置１と、発電プラントのボイラ火炉３と、ボイラ火炉３内に挿入される複数のバーナ５と、バーナに燃料を供給する燃料供給管路７１と、バーナの冷却空気を供給する冷却空気供給管路７２とを有して構成される。
【００１２】
バーナ制御装置１は、例えば運転負荷信号やＮＯｘ値などの外部信号を入力する外部信号入力部１１と、外部信号に応じた各バーナ５毎の運転状態が設定されたバーナ運転スケジュール部１２と、各バーナ５に対する運転指令を出力するバーナ運転指令出力部１３と、発電プラントの運転状態を判定する運転状態判定部１４と、各バーナ５の運転を制御する複数の個別バーナ制御部１５と、バーナの運転状態に応じて火炉３内へのバーナ５の挿入または抜き取り操作を制御したり、燃料供給管路７１に設けた図示を省略した燃料供給弁や燃焼用空気弁の開閉を制御する複数のバーナ駆動部１６と、バーナ冷却用空気の供給を制御する冷却空気供給管路７２に設けた複数のバーナ冷却空気弁１７とを有して構成される。
【００１３】
外部信号入力部１１は、プラントの運転目標となる負荷である運転負荷に関する信号を外部から入力するとともに、運転中の火炉からの排気ガス中のＮＯｘ値に関する信号などが入力される。
【００１４】
運転状態判定部１４は、外部入力信号に基づいて、例えば運転負荷が定格負荷の４５％以下の低負荷運転であると判断したときには、バーナ冷却制御部１５２へバーナ冷却空気弁１７を閉状態とする信号を出力する。このことによって、運転負荷が定格負荷の４５％以下の範囲のときには、バーナ冷却空気弁１７が閉とされて冷却空気は供給されず、運転負荷で運転するのに必要とする空気量のみが火炉３内に供給され、規制値を越えたＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００１５】
個別バーナ制御部１５は、個別またはグループ単位のバーナに対応してそれぞれ設けたバーナ駆動部１６に対して、バーナ５の火炉３内への挿入または抜取りを指令するバーナ挿入抜取指令や燃料供給弁や燃焼用空気供給弁の開閉指令などのバーナの運転を制御する指令を出力するバーナ運転制御部１５１と、バーナ冷却空気弁１７の開閉状態を制御するバーナ冷却制御部１５２とを有して構成される。
【００１６】
このような発電プラントにおいては、点火しているバーナ５は、バーナガンがボイラ火炉３内に挿入され、開制御されたバーナ駆動部１６から供給された燃料と燃焼用空気が混合されて火炉３内に噴霧され火炎が形成される。
【００１７】
ボイラの低負荷時には、負荷に対応したバーナが予め定められたスケジュールに従って選択されて点火され、残りのバーナは消火されている。バーナ５を消火する場合は、バーナ駆動部１６を閉操作することによってバーナ５からの燃料投入が遮断されてボイラ火炉３内の火炎が消失する。消火しているバーナ（休止バーナ）は、バーナガンを保護し延命するために火炉３内から抜き取られるとともに、バーナガンの周囲にバーナ冷却用空気が供給されて火炉３内の熱から保護されている。
【００１８】
図２を用いて、上記構成を有するバーナ制御装置１を備えた発電プラントの負荷に対応したバーナの運転状態すなわち負荷に対応したバーナ点火・消火パターン（図２（Ａ））および火炉内に供給される空気量挙動（図２（Ｂ））ならびにこのときのＮＯｘ発生の挙動（図２（Ｃ））を模式的に説明する。
【００１９】
負荷が定格負荷（１０００ＭＷ(ＭＷ：ボイラ出力値)）の４分の１である２５０ＭＷのときには、バーナ運転スケジュール部は、１段目のバーナのみを点火し、２段目および３段目のバーナを休止状態とする。このときバーナ冷却空気弁はすべてほぼ閉状態とされる（図２（Ａ））。この状態では、火炉３内に供給される空気量は、定格負荷時のおよそ４分の１であり（図２（Ｂ））、発生するＮＯｘの量は、ＮＯｘ規制値（４０ｐｐｍ）以下に抑えられている（図２（Ｃ））。この状態では、休止バーナの冷却が行われないが、火炉３内の熱量が少ないのでバーナに与えるダメージは小さくて済み、バーナの損傷を引き起こしにくい。
【００２０】
負荷が定格負荷（１０００ＭＷ）の２分の１である５００ＭＷのときには、１段目および３段目のバーナを点火し、２段目のバーナを休止状態とする。このときバーナ冷却空気弁は１段目および３段目が閉状態とされ、休止中の２段目が開状態とされる（図２（Ａ））。この状態では、火炉３内に供給される冷却用空気流量は多少増えるが、燃焼に必要な空気流量に比較して極めて小さく、火炉内に供給される空気量は、定格負荷時のおよそ２分の１とされ（図２（Ｂ））、発生するＮＯｘの量は、ＮＯｘ規制値（４０ｐｐｍ）以下に抑えられている（図２（Ｃ））。この状態では、休止バーナは火炉内のより多くの熱の影響を受けるが、冷却空気によって保護されるので、バーナの損傷を引き起こさない。
【００２１】
負荷が定格負荷（１０００ＭＷ）の４分の３である７５０ＭＷのときには、１段目および３段目の全てのバーナと２段目の半数のバーナが点火され、２段目の残り半数のバーナが休止状態とされいる。このときバーナ冷却空気弁は１段目および３段目の全てと２段目の半数がほぼ閉状態とされ、２段目の残り半数の冷却空気弁が開状態とされる（図２（Ａ））。この状態では、火炉３内に供給される空気量は、定格負荷時のおよそ４分の３であり（図２（Ｂ））、発生するＮＯｘの量は、ＮＯｘ規制値（４０ｐｐｍ）以下に抑えられている（図２（Ｃ））。
【００２２】
負荷が定格負荷である１０００ＭＷのときには、バーナは全て点火されるとともに、バーナ冷却空気弁はすべて閉状態とされる（図２（Ａ））。この状態では、火炉３内に供給される空気量は、定格負荷時の量であり（図２（Ｂ））、発生するＮＯｘの量は、ＮＯｘ規制値（４０ｐｐｍ）以下に抑えられている（図２（Ｃ））。
【００２３】
このように、本発明によれば、バーナ冷却用空気を多く必要としＮＯｘが発生しやすくなる低負荷時に、バーナ冷却用空気の供給を停止してダメージを受けにくい休止バーナを保護することよりＮＯｘの発生の抑制を優先し、燃焼用空気がバーナ冷却用空気よりも極めて多くＮＯｘが発生しにくい高負荷時に、ダメージを受けやすくなっているバーナを保護することができる。
【００２４】
図３を用いて、図１に示したバーナ制御装置１の運転状態判定部１４および個別バーナ制御部１５を削除するとともに、バーナ運転指令出力部１３からの出力によって、バーナ駆動部１６およびバーナ冷却空気弁１７を制御した場合の負荷に対応したバーナの運転状態（図３（Ａ））および供給される空気量（図３（Ｂ））ならびにこのときのＮＯｘ発生量（図３（Ｃ））を模式的に説明する。
【００２５】
負荷が定格負荷（１０００ＭＷ）の４分の１である２５０ＭＷのときには、バーナは１段目のみが点火され、２段目および３段目のバーナは休止している。このときバーナ冷却空気弁は、１段目のみが閉状態とされ、２段目および３段目は開状態とされる（図３（Ａ））。この状態では、火炉３内に供給される空気量は、斜線で示す分空気過剰状態となり（図３（Ｂ））、発生するＮＯｘ量は、ＮＯｘ規制値（４０ｐｐｍ）を大幅に越えてしまう（図３（Ｃ））。この空気過剰状態は、１００ＭＷ以下の極めて低い負荷時から４５０ＭＷ程度まで発生する。
【００２６】
負荷が定格負荷（１０００ＭＷ）の２分の１を越えるときには、図２に示した本発明と同様の制御がなされるので、空気供給量やＮＯｘ発生量は、本発明と同様になる。１段目および３段目のバーナが点火され、２段目のバーナは休止状態とされている。このときバーナ冷却空気弁は１段目および３段目が閉状態とされ、２段目が開状態とされる（図３（Ａ））。この状態では、火炉３内に供給される空気量は、定格負荷時のおよそ２分の１であり（図３（Ｂ））、発生するＮＯｘの量は、ＮＯｘ規制値（４０ｐｐｍ）以下に抑えられている（図３（Ｃ））。
【００２７】
このように、高負荷時（定格負荷の４３％を超えるとき）には、図２と同様な制御がなされ、バーナの保護およびＮＯｘの発生抑制も問題なく行うことができる。
【００２８】
図４を用いて、本発明にかかるバーナ制御装置１の具体的な構成を説明する。図１に示したと同様に、バーナ制御装置１は、外部信号入力部１１と、バーナ運転スケジュール部１２と、バーナ運転指令出力部１３と、運転状態判定部１４と、個別バーナ制御部１５とを有して構成されている。個別バーナ制御部１５は、バーナ運転制御部１５１と、切替器１５２１およびバーナ消火時バーナ冷却空気弁開指令生成部１５２２ならびにバーナ消火時バーナ冷却空気弁閉指令生成部１５２３とを有するバーナ冷却制御部１５２とから構成される。
【００２９】
バーナ冷却制御部１５２は、点火しているバーナ５を消火操作する際に、バーナの各種操作端への消火操作に対応した指令信号を発信する。本発明では、特にバーナ冷却空気弁１７を制御するための指令信号として、バーナ消火時にバーナ冷却空気弁開指令と、バーナ消火時バーナ冷却空気弁閉指令とを発信する。
【００３０】
外部信号入力部１１は、例えば、プラント状態を判断する検出器や、ボイラ制御装置などの他装置である外部からの負荷信号などの外部信号を入力する。
【００３１】
切替器１５２１には、バーナ消火時バーナ冷却空気弁開指令生成部１５２２からのバーナ消火時バーナ冷却空気弁開指令と、バーナ消火時バーナ冷却空気弁閉指令生成部１５２３からのバーナ消火時バーナ冷却空気弁閉指令とが入力され、運転状態判定部１４からの運転状態情報によって、いずれかの指令を選択してバーナ冷却空気弁制御部へ送出する。バーナ冷却制御部１５２は、例えば、定格負荷が１，０００ＭＷのボイラにおいて、通常負荷または高負荷でのボイラ運転時における負荷信号が４５０ＭＷ以上の負荷値であった場合には、バーナ消火時バーナ冷却空気弁開指令を選択して出力してバーナ冷却空気弁１７を開状態に制御する。また、低負荷でのボイラ運転時における負荷信号が４５０ＭＷに満たない負荷の値であった場合には、バーナ消火時バーナ冷却空気弁閉指令を選択して出力してバーナ冷却空気弁１７を閉状態に制御する。なお、前記バーナ消火時バーナ冷却空気弁開指令と前記バーナ消火時バーナ冷却空気弁閉指令との選択は、切替器１５２１が行う。
【００３２】
この実施例では、ボイラ火炉３内の起動初期過程などの低負荷（おおむね定格負荷の０〜４５％間での範囲）運転時には、バーナ消火時バーナ冷却空気弁閉指令が出力されて、バーナ冷却空気弁１７が閉状態に操作される。
【００３３】
また、ボイラ火炉３の起動が完了した後での高負荷（おおむね定格負荷の４５〜１０0％までの範囲）運転中、すなわち、負荷が４５０ＭＷ以上の場合においては、バーナ消火時バーナ冷却空気弁開指令が出力されて、バーナ冷却空気弁１７が開状態に操作される。この状態においては、消火されたバーナ５には冷却空気が供給されてバーナ５の先端部のバーナガンが冷却されてバーナ５の延命化が促進される。
【００３４】
なお、バーナ消火時バーナ冷却空気弁開指令とバーナ消火時冷却空気弁閉指令とを切り替えるための条件は、前記の負荷信号以外にも、ＮＯｘ値とする場合もあり、また、炉内温度や点火しているバーナの本数とする場合もある。
【００３５】
この実施例によれば、バーナ５の冷却効果を発揮するバ−ナ消火時バーナ冷却空気弁開指令に加えて、ボイラ火炉３への過剰な空気の流入を防止するバーナ消火時バーナ冷却空気弁閉指令の二つの態様に指令を具備し、これら複数のバーナ消火時バーナ冷却空気弁操作指令をボイラ運転状況によって切り替えて使い分けることにより、ボイラ火炉３内への空気流量を好適に制御し、かつ、最適なバーナ点火・消火制御ができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、ボイラの全ての運転状況に適応した最適な空気流量を確保することができ、特にボイラ起動初期過程などの低負荷（おおむね定格負荷の０〜４５％までの範囲）運転時にも、ＮＯｘ値を抑制できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるバーナ制御装置を備えた発電プラントの構成の概要を説明するブロック図。
【図２】本発明における負荷状態毎のバーナの点火状態およびバーナ冷却空気弁開閉状態（図２（Ａ））と供給空気量（図２（Ｂ））とＮＯｘ発生量（図２（Ｃ））との関係を説明する図。
【図３】従来技術における負荷状態毎のバーナの点火状態およびバーナ冷却空気弁開閉状態（図３（Ａ））と供給空気量（図３（Ｂ））とＮＯｘ発生量（図３（Ｃ））との関係を説明する図。
【図４】本発明にかかるバーナ制御装置の具体例を説明するブロック図。
【符号の説明】
１ バーナ制御装置
１１ 外部信号入力部
１２ バーナ運転スケジュール部
１３ バーナ運転指令出力部
１４ 運転状態判定部
１５ 個別バーナ制御部
１５１ バーナ運転制御部
１５２ バーナ冷却制御部
１５２１ 切替器
１５２２ バーナ消火時バーナ冷却空気弁開指令生成部
１５２３ バーナ消火時バーナ冷却空気弁閉指令生成部
１６ バーナ駆動部
１７ バーナ冷却空気弁
３ ボイラ火炉
５ バーナ
７１ 燃料供給管路
７２ 冷却空気供給管路

Claims (5)

1. 休止バーナを冷却する空気の供給を制御するバーナ冷却空気弁を備えた複数のバーナの運転を制御するバーナ制御装置において、
   プラントの運転状態などの外部信号を入力する外部信号入力部と、
   前記外部信号に基づいてプラントの運転状態を判定する運転状態判定部と、
   前記外部信号に基づいて各バーナの運転を個別にもしくはグループ単位で指令するバーナ運転指令出力部と、
   前記バーナ運転指令に基づいて個別もしくはグループ単位のバーナの運転を制御するバーナ運転制御部および前記バーナ冷却空気弁の開閉を制御するバーナ冷却制御部からなる個別バーナ制御部とを備え、
   該個別バーナ制御部は、バーナ運転指令出力部が消火状態もしくは休止状態を指令したときに、通常はバーナ冷却空気弁を開状態とし、運転状態判定結果に基づいて消火状態または休止状態にあるバーナのバーナ冷却空気弁を閉状態とするよう制御する
   ことを特徴とするバーナ制御装置。
2. 前記バーナ運転指令出力部は、バーナの運転スケジュールに基づいて、個別もしくはグループ単位のバーナの運転を指令することを特徴とする請求項１に記載のバーナ制御装置。
3. 前記個別バーナ制御部は、前記運転状態判定結果が所定の運転負荷以下もしくは規制ＮＯｘ値以上であるときに、休止状態にあるバーナのバーナ冷却空気弁を閉状態とすることを特徴とする請求項１に記載のバーナ制御装置。
4. 燃料を供給して燃焼させる複数のバーナと、前記バーナを冷却する空気を供給する管路に設置され該空気の供給量を制御するバーナ冷却空気弁と、各バーナの運転状態を制御する個別バーナ制御部と、プラント状態など外部信号を入力する外部信号入力部とを具備し、前記個別バーナ制御部に、休止バーナのバーナ冷却空気弁を開状態にする指令を出力するバーナ消火時バーナ冷却空気弁開指令生成部を有するバーナ制御装置において、
   前記個別バーナ制御部内に、バーナ消火時にバーナ冷却空気弁を閉状態にする指令を出力するバーナ消火時バーナ冷却弁閉指令生成部を、前記バーナ消火時バーナ冷却空気弁開指令生成部と並列に設置するとともに、バーナ消火時バーナ冷却空気弁閉指令生成部またはバーナ消火時バーナ冷却空気弁開指令生成部を選択する切替器を設置することを特徴とするバーナ制御装置。
5. 前記切替器における入力の選択を外部からの負荷信号に基づいて行うことを特徴とする請求項４に記載のバーナ制御装置。

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