JP3709852B2 - Control device for reformer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は改質器の制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の改質器の制御装置として特開平6−349510号公報に開示されるものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
改質器では炭化水素を主成分とする原料と空気中の酸素とを反応させて原料を分解し水素リッチな改質ガスを生成するのであるが、その水素リッチな改質ガスを生成する改質反応は吸熱反応であるので、同時に部分酸化反応による発熱反応を生じさせ、これら吸熱と発熱とがバランスする条件で運転することにより、外部加熱や外部冷却を不要としている。
【0004】
改質器の構成は、一方向に長い円筒状の容器内に改質反応と部分酸化反応とを共に行う触媒を充填し、長手方向の一端に原料及び空気(酸素を含む気体)の各入口を、長手方向他端にガス出口を開口したものであり、こうした改質器の構成によれば、原料入口に原料を、空気入口に空気をそれぞれ供給したとき、改質器内部の温度分布は一様とならず温度差のある温度分布が生じる。
【0005】
改質器内のガスは改質器の入口より出口に向けて一方向に流れるので、改質器の入口を原点として下流方向の位置を横軸に、その位置でのガス温度を縦軸に採ると、ガス温度は入口より上昇してピークをとった後に徐々に低下していく(図19参照)。ガス温度がピークをとるということは、ガス温度がピークをとる位置で空気入口より供給された酸素が殆ど残っていないことを意味する。
【0006】
この場合に、ピークの温度が、改質器内の触媒が働くのに適した温度(この温度を以下「目標運転温度」という。)Tmを大きく超えないように改質器を運転できれば問題ないので、こうした観点から改質器の触媒の種類や量、改質器の外形寸法といった設計仕様が定まる。
【0007】
ただし、このときの仕様は基準負荷に対して決定されるのであり、具体的に示すと、図19上段に示したように基準負荷に対応する原料流量と、部分酸化反応に必要な空気流量とを供給したとき、ピーク温度が望みの位置(基準ピーク温度位置zp0)にきたとする(図19上段参照)。
【0008】
しかしながら、基準負荷より負荷が大きくなって原料を増加し、これに応じて空気流量も増加し、これら増加した原料と空気とを各入口より供給したときには、ピーク温度が目標運転温度Tmを超えたり、ピーク温度の位置zpが基準ピーク温度位置zp0より下流側に移動してしまう(図19下段の一点鎖線参照)。ピーク温度位置が下流側に移動する理由は、基準負荷より大きな高負荷時になると改質器の入口付近はガス流速が早く滞留時間が短いため十分な反応が起きずに温度が低くなり、未燃の酸素は下流側へ流されていきながら徐々に反応して下流のほうでピーク温度を生じるためである。
【0009】
このように負荷の増大でピーク温度位置が基準ピーク温度位置zp0より下流側に移動すると、改質器の上流側に触媒温度が低くなる領域(不活性な触媒領域)が生じ(図19下段参照)、これにより原料を水素リッチな改質ガスにする転化率が下がり、改質器を出るガス中に未反応の原料成分が多量に含まれるようになる(水素を含む改質ガスの生成が不十分となる)。
【0010】
そこで本発明は、部分酸化反応に必要な酸素を含む気体の流量である要求気体流量を原料流量に基づいて算出する一方で、改質器内部のピーク温度位置を推定し、そのピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動したとき、前記要求気体流量を減量側に補正して、気体入口から供給すべき気体流量を算出することにより、基準負荷より負荷が大きくなる領域においても、改質器内の反応を効率的に行わせることを目的とする。
【0011】
一方、上記の従来装置は、改質器に複数の温度センサを設けて改質器の内部温度が高温になりすぎたり低温になりすぎたりすることを防止するものに過ぎず、ピーク温度の存在や負荷に応じてピーク温度位置が移動する点を開示するものでない。
【0012】
このため従来装置を、上記のようにピーク温度位置が基準ピーク温度位置よりずれた場合に適用しようとすれば、例えば改質器の長手方向に適当な間隔をおいて温度センサを複数配置し、温度センサからの各温度をみて最も高い温度を示した温度センサの位置がピーク温度位置であると推定し、その位置が基準温度位置より下流側にあれば酸素を含む気体の流量を減量補正することである。
【0013】
しかしながら、この方法によりピーク温度位置の検出精度を上げようとすれば温度センサの数を増やすしかなくコストアップを招く。かといってセンサ数が少ないと、ピーク温度位置がどこにあるかわからない。
【0014】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、負荷に応じた原料を供給する原料入口と、部分酸化反応に用いる酸素を含む気体(例えば空気)を供給する気体入口と、酸素を含む気体と原料とを用いて改質反応と部分酸化反応とを行って水素を含む改質ガスを生成する触媒と、この生成された改質ガスを排出するガス出口とからなる改質器において、気体入口の流量を調整可能な気体入口流量調整手段と、部分酸化反応に必要な気体流量である要求気体流量Qneedを原料流量に基づいて算出する要求気体流量算出手段と、改質器内部のピーク温度位置を推定するピーク温度位置推定手段と、このピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動したとき、前記要求気体流量Qneedを減量側に補正して気体流量Q1を算出する気体流量算出手段と、この算出した気体流量Q1が気体入口から供給されるように気体入口流量調整手段を制御する制御手段とを備える。
【0015】
請求項3に記載の発明では、気体入口とガス出口との中間位置に酸素を含む気体(例えば空気)を供給する気体中間入口と、この気体中間入口の流量を調整可能な気体中間入口流量調整手段とを備え、要求気体流量Qneedのうち気体入口から供給されなかった気体が気体中間入口より供給されるように気体中間入口流量調整手段を制御する。
【0016】
請求項4に記載の発明は、負荷に応じた原料を供給する原料入口と、部分酸化反応に用いる酸素を含む気体(例えば空気)を供給する気体入口と、酸素を含む気体と原料とを用いて改質反応と部分酸化反応を行って水素を含む改質ガスを生成する触媒と、この生成された改質ガスを排出するガス出口とからなる改質器において、気体入口の流量を調整可能な気体入口流量調整手段と、部分酸化反応に必要な気体流量である要求気体流量Qneedを原料流量に基づいて算出する要求気体流量算出手段と、気体入口付近の実際の触媒温度T1を検出する気体入口触媒温度検出手段と、改質器内部のピーク温度位置を推定するピーク温度位置推定手段と、このピーク温度位置に基づいて気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度Tbを算出する気体入口触媒温度検出手段位置目標温度算出手段と、気体入口付近の実際の触媒温度T1がこの気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度Tbと一致するように気体流量Q1を算出する気体流量算出手段と、要求気体流量Qneedとこの気体流量Q1のうち値の小さい方を選択する選択手段と、この選択した値の小さい方の気体流量(Qsel)が流れるように気体入口流量調整手段を制御する制御手段とを備える。
【0017】
請求項5に記載の発明では、気体入口とガス出口との中間位置に酸素を含む気体(例えば空気)を供給する気体中間入口と、この気体中間入口の流量を調整可能な気体中間入口流量調整手段とを備え、気体入口付近の実際の触媒温度T1がこの気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度Tbと一致するように算出した気体流量Q1より、要求気体流量Qneedが大きい場合に、その差の流量Q2risが気体中間入口より供給されるように気体中間入口流量調整手段を制御する。
【0018】
【発明の効果】
図19に示したように基準負荷のときピーク温度が基準ピーク温度位置zp0にくるように、基準負荷に対応する要求気体流量Qneedを設定している場合に(図19上段参照)、基準負荷より負荷が大きくなって原料を増加し、これに応じて要求気体流量Qneedを増加し、その要求気体流量Qneedを気体入口より供給したのでは、ピーク温度が目標運転温度Tmを超えたり、ピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動する(図19下段、図20上段の一点鎖線参照)。
【0019】
そして、ピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動すると、改質器入口側に触媒温度が低くなる領域(不活性な触媒領域)が生じ、これにより水素を含む改質ガスの生成量が不足するのであるが、請求項1に記載の発明によれば、ピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動したとき、要求気体流量Qneedを減量側に補正して気体流量Q1を算出し、この算出した気体流量Q1を気体入口から供給するので、基準負荷より大きな負荷領域においてもピーク温度位置が目標運転温度Tmを超えてしまったり基準ピーク温度位置より下流側に移動することを抑制できる。すなわち、気体入口に流入する過剰な酸素を含む気体を減らすことで、改質器内部のガス流速が低下してガスの滞留時間が長くなり酸化反応が改質器上流側の触媒で生じ、これにより、ピーク温度が目標運転温度Tmを超える高温になることを防止できると共に、改質器入口側に不活性な触媒領域が生じることを回避できる(図20中段の実線参照)。
【0020】
要求気体流量Qneedを減量補正した値である気体流量Q1を気体入口より供給すると、ピーク温度位置が上流側に移動するが、これは、ピーク温度の部分で気体入口より供給した気体中の酸素がほとんど反応しきったことを意味し、このままであればそのピーク温度位置以降の下流側は下流になるほど温度が低下する。請求項3に記載の発明によれば、要求空気流量Qneedのうち、気体入口より供給できなかった気体の流量(Qneed−Q1)を気体中間入口より供給するので、気体中間入口付近の触媒温度を高めることができる(図20下段の破線参照)。
【0021】
一方、気体入口付近の実際の触媒温度T1が気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度Tbと一致するように算出した気体流量Q1が、原料流量に基づいて算出した要求気体流量Qneedより小さい場合とは、目標運転温度Tmが低く設定されている状態であるか、または気体入口付近の実際の触媒温度T1が現在、目標運転温度Tmに近い状態である。この状態で値の大きい方の要求気体流量Qneedを選択すると、過剰な空気を含む気体の供給によりピーク温度が目標運転温度Tmを大きく超えて高温になったり、ピーク温度位置が下流に過剰に移動するのであるが、請求項4に記載の発明によれば、この状態で値の小さい方の気体流量Q1を選択するので、ピーク温度が目標運転温度Tmを超えて高温になったり、ピーク温度位置が下流に過剰に移動することを抑制できる。
【0022】
一方、気体流量Q1が要求気体流量Qneedより大きい場合とは、目標運転温度Tmが高く設定されている状態であるか、または気体入口付近の実際の触媒温度T1が現在、目標運転温度Tmに到達してない状態である。この状態では反応に必要な気体流量の全てである要求気体流量Qneedを気体入口より供給できる。
【0023】
また、気体流量Q1より要求気体流量Qneedが大きい場合に、気体流量Q1を気体入口より供給すると、ピーク温度位置が上流側に移動するのであるが、これは、ピーク温度の部分で気体入口より供給した気体中の酸素がほとんど反応しきったことを意味し、このままであればそのピーク温度位置より下流側は下流になるほど温度が低下する。請求項5に記載の発明によれば、要求気体流量Qneedのうち、気体入口より供給できなかった気体の流量(Qneed−Q1)を気体中間入口より供給するので、気体中間入口付近の触媒温度を高めることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。図1は本発明の第1実施形態を示す。まず燃料改質システムとしての基本的な構成および動作につき説明する。
【0025】
図において原料タンク2内の水と原料タンク3内の燃料であるメタノールとが水供給装置4、メタノール供給装置5より蒸発器6内に送られて加熱蒸発され、水とメタノールの混合蒸気(原料蒸気)となって改質器8に供給される。ここで、水供給装置4、メタノール供給装置5は、主にフィードポンプとインジェクタからなっている。
【0026】
水流量とメタノール流量の目標値は燃料電池9で要求する発電量に基づいてコントローラ21により算出され、それぞれの目標値になるようにコントローラ21がそれぞれの供給装置4、5内の流量制御装置(インジェクタ)を制御する。当該燃料電池システムを車両に適用した場合には、上記の要求発電量はドライバのアクセルペダルの踏み込み量に基づいて算出する。
【0027】
また、コンプレッサ7より空気(酸素を含む気体)が改質器8に圧送(送気)される。コンプレッサ7は、燃料電池システム全体で必要とする空気を全て供給するため、流量センサ15により検出されるコンプレッサ吐出流量が、改質器8に供給する空気流量と燃料電池9で必要とされる空気流量との総和と等しくなるように、流量制御器16がコンプレッサ7の回転速度を制御する。この場合、流量制御器16による制御には非干渉制御方式を採用している(特開2001−338659号公報参照)。
【0028】
改質器8は、水、メタノールの混合蒸気と空気中の酸素とを改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成する。改質器8は、部分酸化反応による発熱とメタノールの分解反応による吸熱とがバランスするオートサーマル条件で運転される。
【0029】
なお、水素リッチな改質ガスには低レベルの一酸化炭素が含まれ、この一酸化炭素は固体高分子型燃料電池9の、白金等からなる電極触媒を被毒し、その活性を著しく低下させてしまうので、一酸化炭素を除去するシフト反応器が改質器8と一体に構成されている。
【0030】
このようにして極めて低レベルな濃度にまで一酸化炭素が低減された改質ガスとコンプレッサ7からの空気とが燃料電池9の燃料極と空気極に送気され、燃料電池9では空気中の酸素と改質ガス中の水素とを電気化学的に反応させて発電する。
【0031】
燃料電池9において、改質ガス中の水素を全て利用することは困難であり、一部の水素を残した、発電に使用済みの改質ガスと、一部の酸素を残した、発電に使用済みの空気とを、触媒燃焼器10に送り燃焼させる。得られた高温の燃焼ガスは、蒸発器6に送られ、メタノールと水の蒸発のエネルギーとして再利用される。
【0032】
こうした燃料改質システムは、本実施形態は車両に搭載され、燃料電池9から取り出される負荷電流は、インバータ18を介して車両駆動用のモータ19に流される。ここでは、インバータ18及び駆動モータ19が、燃料電池9で発電した電力を消費する負荷装置である。
【0033】
こうして燃料改質システムが、運転条件により変化する負荷装置と組み合わされるとき、負荷装置で必要な電力を燃料電池9が発生するように改質器8に供給する原料と空気の各流量とを制御する必要があるのであるが、図2に示したように、改質器8の構成が、一方向に長い円筒状の容器8a内に部分酸化反応と改質反応とを共に行う触媒8bを充填し、長手方向の一端(図で左端)に原料入口8c及びその近くに空気入口8dを、長手方向他端(図で右端)にガス出口8eを開口したものであり、こうした改質器8の構成によれば、原料入口8cに原料蒸気を、空気入口8dに空気をそれぞれ供給したとき、改質器8内部の温度分布は一様とならず温度差のある温度分布が生じる。
【0034】
改質器8内のガスは原料入口8cよりガス出口8eに向けて一方向(図で右方向)に流れるので、原料入口8cを原点として下流方向の位置を横軸に、その位置でのガス温度を縦軸に採ると、ガス温度は原料入口8cより上昇してピークをとった後に徐々に低下していく。ガス温度がピークをとるということは、その位置で空気入口8dより供給された酸素が殆ど残っていないことを意味する。
【0035】
この場合に、ピークの温度が目標運転温度Tmを大きく超えないように運転できれば問題ないので、こうした観点から触媒8bの種類や量、改質器8の外形寸法といった設計仕様が定まる。
【0036】
ただし、このときの仕様は基準負荷に対して決定されるのであり、具体的に示すと、図19上段に示したように基準負荷に対応する原料流量と、部分酸化反応に必要な空気流量(この空気流量を以下「要求空気流量」という。)Qneedとを供給したとき、ピーク温度が望みの位置(基準ピーク温度位置zp0)にきたとする(図19上段参照)。
【0037】
しかしながら、基準負荷より負荷が大きくなって原料を増加し、これに応じて要求空気流量Qneedを増加し、これら増加した原料と空気とを各入口8c、8dより供給したときには、ピーク温度が目標運転温度Tmを超えたり、ピーク温度の位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動する(図19下段の一点鎖線参照)。
【0038】
本発明では、運転条件により変化する負荷装置と組み合わされる、このような燃料改質システムにおいて、空気入口8d付近の触媒温度(この触媒温度を以下「入口触媒温度」という。)を実際に検出する温度センサ(気体入口触媒温度検出手段)22を、原料入口8cから所定の距離だけ下流側の位置に設け、改質器8内のガス流速に基づいて改質器8内部のピーク温度位置を推定し、このピーク温度位置に基づいて温度センサ22位置の目標温度Tbを算出し、温度センサ22により検出される実際の入口触媒温度T1がこの温度センサ22位置の目標温度Tbと一致するように空気入口8dより供給される空気流量(この流量を以下「空気入口流量」という。)Q1を算出し、この空気入口流量Q1と要求空気流量Qneedのうち値の小さい方を選択し、この選択した値の小さい方の空気流量(Qsel)が流れるように、コンプレッサ7より改質器8への空気供給通路11に設けた流量制御弁12の開度を制御する。
【0039】
また、改質器8内のガス流速を推定するため、改質器8の入口側と出口側に圧力センサ25、26を備えている。
【0040】
一方、上記の要求空気流量Qneedは原料流量に基づいて算出するのであるが、空気入口流量Q1が要求空気流量Qneedより小さいときには、空気入口8dからは空気入口流量Q1が供給されるだけで、残りQneed−Q1の空気分が供給されないことになってしまうため、空気入口8dよりも下流側に空気中間入口8fを設け、この空気中間入口8fより残りの空気を供給する。
【0041】
この場合、空気中間入口8f付近の触媒は、空気中間入口8fからの空気供給の影響を受けて温度が上昇し、さらに空気入口8dより供給される空気の影響を受けても温度が上昇する。すなわち、空気入口8dより供給される空気による酸化反応によって入口側触媒の温度が上昇し、この入口側触媒の温度上昇が下流側の触媒温度を上昇させる。このような状態で空気中間入口8fからも空気を導入すると、中間空気入口付近の触媒温度が触媒8bの上限温度(以下単に「上限温度」という)Tmaxを超えてしまう可能性がある。
【0042】
そこで、空気中間入口8f付近の触媒温度を実際に検出する温度センサ(気体中間入口触媒温度検出手段)23と、空気入口流量を実際に検出する流量センサ(気体入口流量検出手段)27と、空気中間入口8fより供給される空気流量(この空気流量を以下「空気中間流量」という。)を実際に検出する流量センサ(気体中間入口流量検出手段)28とを設け、実際の空気入口流量Qsen1や実際の空気中間流量Qsen2がステップ的に増加したときの所定期間先の温度センサ23位置の触媒温度を推定し、この所定期間先の温度センサ23位置の触媒温度の推定値T2suiが上限温度Tmaxを超えるときには、超えないように空気中間流量を減量側に補正し、補正後の空気中間流量が流れるように、改質器8への空気供給通路11からの分岐供給通路13に設けた流量制御弁14の開度を制御する。
【0043】
なお、空気入口8dと空気中間入口8fとの2つから空気を分散して供給するようにしたものは特開2001−19403号公報により公知であるが、このように、空気中間入口8f付近の触媒が、空気中間入口8fからの空気供給の影響を受けて温度が上昇することに加えて、空気入口8dより供給された空気の影響も受けて温度上昇することまで開示するものではない。
【0044】
次に、コントローラ21で実行されるこのような制御を以下のフローチャートに基づいて詳述する。
【0045】
図3は2つの流量制御弁12、14の各目標空気流量の演算を説明するためのもので、一定時間毎(例えば10msec毎)に実行する。
【0046】
ステップ1では改質器8内のガス流速νを推定する。この推定については図4により説明する。図4においてステップ11で圧力センサ25、26により検出される改質器8の入口圧P1[Pa]と出口圧P2[Pa]を読み込み、ステップ12で圧力差ΔP[Pa]を、
△P=P1−P2…(1)
の式により算出し、この圧力差ΔPを用いて改質器8内のガス流速ν[m/s]を、
ν=△P×D×D/(32×μ×L)…(2)
ただし、D:改質器直径[m]、
L:改質器長さ[m]、
μ:粘度[Pa・s]、
の式により算出する。
【0047】
ここで、(2)式は、円筒内を層流状に流れる流体の流れの法則であるハーゲン・ポアズイユの式(Hagen−Poiseuille law)である。
【0048】
このようにして改質器8内のガス流速νの推定を終了したら図3に戻り、ステップ2で要求空気流量Qneedを算出する。この算出については図5により説明する。図5においてステップ21で改質器8に供給する原料流量Qgen[NL/min]を読み込み、これからステップ22において要求空気流量Qneed[NL/min]を、
Qneed=Qgen×係数/0.21…(3)
の式により算出する。
【0049】
ここで、(3)式右辺の分子であるQgen×係数は、改質器8内の部分酸化反応に必要となる酸素流量であり、従って係数は改質器内の部分酸化率を表す任意の定数(例えば0.3)である。0.21は空気中の酸素割合であり、酸素流量を0.21で割ることによって空気流量を求めることができる。
【0050】
上記の原料流量Qgenは、水流量とメタノール流量を合わせた値である。すなわち、水流量とメタノール流量とはインジェクタに与えるデューティ値により制御している(デューティ値が増えるほど流量が増加する)ので、これらデューティ値から図6、図7を内容とするテーブルを検索することによりにより水流量[NL/min]とメタノール流量[NL/min]を求めることができ、両者を合計すれば、原料流量Qgenを求めることができる。なお、流量の単位であるL(リットル)に付けている「N」は標準状態(0℃、一気圧)での値であることを表している。
【0051】
このようにして要求空気流量Qneedの算出を終了したら図3に戻り、ステップ3ではピーク温度位置を推定する。改質器8が図2に示す構成であるとき、改質器8の内部に一様でない温度分布が生じ、このうち最大となる温度がピーク温度である。ピーク温度位置とは改質器8の原料入口8cとガス出口8eの間でピーク温度が生じる位置のことである。ここでは、改質器内ガス流速νから図8を内容とするテーブルを検索することにより、ピーク温度位置を算出する。
【0052】
図8の特性は予め行った実験データに基づいて作成したものである。図8において縦軸のピーク温度位置は原料入口8c(改質器入口)が原点であり、改質器内ガス流速νが速くなるほどピーク温度位置が改質器8の下流方向へと移動している。これは次の理由による。例えば改質器内ガス流速νが速い場合には改質器8に供給している原料と空気が多い高負荷時がある。この高負荷時に改質器8内にガスが滞留する時間が短くなるため、反応が改質器8の下流のほうで行われるようになり、さらに部分酸化反応に比べて改質反応の反応速度が遅いことが原因で部分酸化反応による発熱と改質反応による吸熱のバランスが崩れ吸熱が追いつかない。このような理由で改質器内ガス流速νが速いほどピーク温度位置が改質器8の下流方向へと移動するのである。
【0053】
ステップ4、5では改質器8の入口付近、具体的には空気入口8dのすぐ下流に取付けた温度センサ22位置の目標温度Tbを算出する。
【0054】
まずステップ4ではピーク温度位置が、目標運転温度Tmとなるように改質器内部の温度分布状態を示すプロファイルを表す関数を次のように作成する。すなわち、改質器内部の温度分布状態を示すプロファイルは、図9に示したようにピーク温度位置(図ではaがピーク温度位置)で目標運転温度Tmに達する、上に凸の曲線であると考えられるので(中段の実線参照)、このプロファイルをロジスティック波形(logistic curve)で近似する。
【0055】
ロジスティック波形は、一般的には
y=k/(1+c×EXPf(t))…(4)
ただし、k、c:定数、
f(t):時間の関数、
の型の関数yを表す波形であるが(「EXP」は指数を「f(t)」は指数の右肩に付く値)、ここでは時間tに代えて、原料入口8cを原点とする位置zの関数としている。すなわち、ロジスティック波形を表す関数として、
y(z)=K2/(1+EXP(−K1×z)…(5a)
ただし、y(z):位置zにおけるガス温度、
z:位置、
K1、K2:定数、
の式を用いる。
【0056】
ここで、(5a)式の関数は2つの定数K1、K2が決まれば1つに定まるので、これら定数K1、K2は次の条件を満足するように決定する。
【0057】
条件1:z=aのとき、y=Tm。
【0058】
条件2:z=0のとき、y=原料温度Tfと空気温度Taの平均値Tav。
【0059】
上記の目標運転温度Tmはたとえば400℃である。原料温度Tfは温度センサ29により、また空気温度Taは温度センサ30により検出している(図1参照)。
【0060】
ロジスティック波形を表す関数には次に示す他の態様が考えられる。
【0061】
(1)他の態様1:
y(z)=(A1−A2)/(1+EXP(z−z0)/d)+A2…(5b)
ただし、A2:目標温度、
d:任意の値、
ここで、A1、z0は上記の条件1、2を満足するように決定する。
【0062】
(2)他の態様2:
y(z)=A×EXP(−EXP(−k×(z−z0)))…(5c)
ただし、k:任意の値、
ここで、A、z0は上記の条件1、2を満足するように決定する。
【0063】
(3)他の態様3:
y(z)=A/(1+EXP(−k(z−z0))…(5d)
ただし、k:任意の値、
ここで、A、z0は上記の条件1、2を満足するように決定する。
【0064】
(4)他の態様4:
y(z)=A/(1+B×EXP(−k×z))…(5e)
ただし、k:任意の値、
ここで、A、Bは上記の条件1、2を満足するように決定する。
【0065】
ステップ5では、このようにして作成した温度分布状態を示すプロファイル上の温度であって温度センサ22位置に対応する触媒温度を、温度センサ22位置の目標温度Tbとして求める。すなわち、改質器8上における温度センサ22位置は予め定まっているので、この位置をbとすれば、このbを上記(5a)式に代入して求めたy(b)の値が目標温度Tbである(図9中段参照)。
【0066】
なお、図9には実験に用いたものを示しているため、負荷が50%のときに温度ピークがくる位置に温度センサ22を取付けている。原料入口8cの近くでは温度は上がらないので、温度センサ22位置としては原料入口8cはふさわしくない。
【0067】
ステップ6では、温度センサ22により検出される実際の入口触媒温度T1がこの温度センサ22位置の目標温度Tbと一致するように、空気入口流量Q1を算出する。この算出については図10により説明する。
【0068】
図10においてステップ31で温度センサ22により検出される実際の入口触媒温度T1を読み込み、ステップ32では温度センサ22位置の目標温度Tbからの偏差eを、
e=Tb−T1…(6)
の式により算出し、この偏差eを用いステップ33において制御周期当たりの空気流量のフィードバック量Qfb[NL/min]を、
ただし、e(前回):前回の偏差、
e(前々回):前々回の偏差、
T/Ti:積分係数(積分ゲイン)、
TD/T:微分係数(微分ゲイン)、
T:制御周期、
K3:定数、
の式により算出する。これは公知の比例積分微分動作の式である。
【0069】
ステップ34ではこのフィードバック量Qfbを用いて、実際の入口触媒温度T1を目標温度Tbに一致させるための空気入口流量Q1[NL/min]を、
Q1=Q1(前回)+Qfb…(8)
ただし、Q1(前回):Q1の前回値、
の式により算出する。Q1の初期値はゼロである。
【0070】
例えば、実際の入口触媒温度T1が目標温度Tbより低いときフィードバック量Qfbが正となり空気入口流量Q1が増量され、この反対に実際の入口触媒温度T1が目標温度Tbより高いときフィードバック量Qfbが負となり空気入口流量Q1が減量される。
【0071】
このようにしてT1をTbと一致させるための空気入口流量Q1の算出を終了したら図3に戻り、ステップ7でこのQ1とQneedとを比較して値の小さい方を選択し、選択後の空気流量を選択空気流量Qselとする。
【0072】
例えばQ1がQneedより小さい場合とは、目標運転温度Tmが低く設定されている状態であるかまたは、実際の入口触媒温度T1がTmに現在近い状態である。この状態でQ1よりも大きなQneedを与えるとすれば、過剰な空気供給によりピーク温度がTmを超えて高温になり、かつピーク温度が下流に過剰に移動してしまう。本実施形態では値の小さな方のQ1を選択することで、こうした事態が生じることが防止される。
【0073】
一方、Q1がQneedより大きい場合とは、Tmが高く設定されている状態であるかまたは、実際の入口触媒温度T1がTmに現在到達してない状態である。この状態では値の小さな方のQneedを選択することで、反応に必要な空気流量の全てであるQneedを空気入口8dより供給できる。
【0074】
ステップ8では、選択空気流量Qselに対して、ピーク温度位置に応じた空気入口流量の減量補正を行う。すなわち、ピーク温度位置から図11を内容とするテーブルを検索することにより、空気入口流量の減量補正値Qgenを演算し、選択空気流量Qselからこの減量補正値Qgenを差し引いた値を、目標空気入口流量Qm1として、つまり
Qm1=Qsel−Qgen…(9)
の式により目標空気入口流量Qm1を算出する。
【0075】
減量補正値Qgenは、ピーク温度位置を温度センサ22位置までもってきたいための空気入口流量の減量分で、図11のようにピーク温度位置が改質器8の下流になるほど大きくしている。図11の特性も予め行った実験データから作成する。
【0076】
空気入口流量を減量補正して、改質器8の下流方向に移動したピーク温度位置を温度センサ22位置へと移動させたい理由は、ピーク温度位置が温度センサ22位置に一致するとき、改質効率が最適となるように改質器8を設計しているためである。
【0077】
なお、図11において温度センサ22位置であるbよりも左側の領域でQgen=0としているのは、要求空気流量Qneedが空気入口流量Q1より小さいとき、ピーク温度位置が温度センサ22位置よりも前にくることあり、このときにも正の値の減量補正値Qgenを与えたのでは、ピーク温度位置を温度センサ22位置にもってくることができなくなるからである。
【0078】
ステップ9では、要求空気流量Qneedと目標空気入口流量Qm1との差分を空気中間流量の理想値Q2risとして、すなわち
Q2ris=Qneed−Qm1…(10)
の式により空気中間流量理想値Q2risを算出する。
【0079】
ただし、(10)式において差分がマイナスの値となった場合には無視してQ2ris=0とする。
【0080】
このようにして算出した空気中間流量理想値Q2risは、要求空気流量Qneedのうち空気入口8dから供給できない空気流量である。
【0081】
ステップ10では温度センサ23位置の触媒温度を推定する。この推定については図12により説明する。
【0082】
図12においてステップ41で流量センサ27、28からの実際の空気流量Qsen1、Qsen2、温度センサ23位置の実際の触媒温度T2を読み込む。
【0083】
ステップ42〜44は空気入口流量の変化が温度センサ23位置の触媒温度に与える温度変化分dT1を算出する部分、ステップ45〜47は空気中間流量の変化が温度センサ23位置の触媒温度に与える温度変化分dT2を算出する部分である。dT1を考慮する必要があるのは、空気入口8dから供給した空気により空気入口8d付近の触媒で酸化反応が活発になって温度が上昇し、この温度上昇が温度センサ23位置の触媒温度に影響するためである。同様にして、dT2を考慮する必要があるのは、温度センサ23位置より上流側に空気中間入口8fが設けられている場合に、空気中間入口8fから供給した空気により空気中間入口付近の触媒で酸化反応が活発になって温度が上昇し、この温度上昇が温度センサ23位置の触媒温度に影響するためである。
【0084】
これについて図13を参照してさらに説明すると、空気入口流量がt1のタイミングでステップ的に増加したとき(最上段参照)、この変化に対応して温度センサ23位置の触媒温度は、ステップ増加後の空気流量に対応する温度(図13第2段目の一点鎖線参照)に対して、一次遅れで追従するものと考えられる(図13第2段目の実線参照)。このとき、制御理論で良く知られている伝達関数G1(s)(sはラプラス演算子)を用いれば、空気入口流量がステップ増加したタイミングを起点として、所定の期間先の温度センサ23位置の触媒温度の変化を時系列に推定することが可能である。これを式で表すと次のようになる。
【0085】
dT1=G1(s)×dQ1…(11a)
ただし、G1(s):伝達関数、
すなわち、空気入口流量がdQ1だけ変化したときの、温度センサ23位置の触媒温度変化分dT1の所定の期間先までの時系列データを、dQ1と伝達関数G1(s)を用いて求めることができる(図13第2段目の矢印参照)。
【0086】
次に、空気中間流量がt2のタイミングでステップ的に増加したとき(図13第3段目参照)、この変化に対応して温度センサ23位置の触媒温度は、ステップ増加後の空気流量に対応する温度(図13第4段目の一点鎖線参照)に対して、一次遅れで追従するものと考えられるため(図13第4段目の実線参照)、推定方法は上記と同様にして行う。すなわち、伝達関数G2(s)を用いれば、空気中間流量がdQ2だけステップ増加したタイミングを起点として、所定の期間先の温度センサ23位置の触媒温度の変化を、式で表すと次のようになる。
【0087】
dT2=G2(s)×dQ2…(12a)
ただし、G2(s):伝達関数、
従って、空気中間流量がdQ2だけ変化したときの、温度センサ23位置の触媒温度変化分dT2の所定の期間先までの時系列データを、dQ2と伝達関数G2(s)を用いて求めることができる(図13第4段目の矢印参照)。
【0088】
ここで、上記の伝達関数G1(s)、G2(s)は予めステップ応答実験を行って求めておく。ただし、伝達関数G2(s)は温度センサ23位置の実際の触媒温度が同じでも伝達関数G1(s)とは異なるので、伝達関数G2(s)は別途作成する。
【0089】
図12に戻り、ステップ42では空気入口流量の制御周期当たりの実際の変化分dQ1を、
dQ1=Qsen1−Qsen1(前回)…(13)
ただし、Qsen1(前回):Qsen1の前回値、
の式により算出する。本実施形態では、図12に示すサブルーチンの制御周期を図3に示すメインルーチンの制御周期と同じにしているが、図12の制御周期を別途定めるようにしてもかまわない。
【0090】
ステップ43では温度センサ23位置の実際の触媒温度T2に応じた伝達関数G1(s)を選択する。
【0091】
伝達関数G1(s)は温度センサ23位置の触媒温度に応じて複数作成している。複数の伝達関数を用意して温度センサ23位置の実際の触媒温度T2に応じた伝達関数を選択させるのは、温度センサ23位置の触媒温度が高い場合には空気入口流量の単位変化に対する温度センサ23位置の触媒温度変化分が大きくなる特性があり、この特性を持たせるためである(図14参照)。高負荷時には空気入口流量も高流量となるので温度変化分は高負荷になるほど大きくなる。
【0092】
ステップ44では選択した伝達関数G1(s)とdQ1とを用いて、空気入口流量が制御周期当たりdQ1だけ変化したときの、温度センサ23位置の触媒温度変化分dT1の所定の期間先までの時系列データを算出する。
【0093】
ステップ45では空気中間流量の制御周期当たりの実際の変化分dQ2を、
dQ2=Qsen2−Qsen2(前回)…(14)
ただし、Qsen2(前回):Qsen2の前回値、
の式により算出する。
【0094】
ステップ46では温度センサ23位置の実際の触媒温度T2に応じた伝達関数G2(s)を選択し、ステップ47においてこの選択した伝達関数G2(s)とdQ2とを用いて、空気中間流量が制御周期当たりdQ2だけ変化したときの、温度センサ23位置の触媒温度変化分dT2の所定の期間先までの時系列データを算出する。
【0095】
そして、ステップ48では温度センサ23位置の触媒温度変化分dT1の時系列データともう一つの温度センサ23位置の触媒温度変化分dT2の時系列データとを温度センサ23位置の実際の触媒温度T2に加算することにより、つまり温度センサ23位置の触媒温度推定値T2suiの時系列データを、
の式により算出する。
【0096】
このようにして、空気入口流量や空気中間流量がステップ増加したとき、そのステップ増加した各タイミングを起点として所定の期間先までの温度センサ23位置の触媒温度推定値の時系列データを求めることができる。
【0097】
なお、(15)式のdT1、dT2の時系列データは正の値も採るし負の値も採る。入口空気流量、中間空気流量の変化分dQ1、dQ2が正のときにはdT1、dT2の時系列データが正の値となり、この反対に各空気流量の変化分が負のときにはdT1、dT2の時系列データが負の値となる。
【0098】
G1(s)、G2(s)の各伝達関数を複数用意する代わりに、各伝達関数は温度センサ23位置の基準触媒温度に対するもの1つずつとし、温度センサ23位置の実際の触媒温度T2に基づいて温度補正値を算出し、これらに基づいてdT1、dT2の時系列データを算出するようにしてもよい。この方法について述べると、これは(15)式のdT1の時系列データ、dT2の時系列データを次のようにして求めるものである。すなわち、温度センサ23位置の触媒温度が基準触媒温度である場合において空気入口流量が制御周期当たりdQ1だけ変化したときの、温度センサ23位置の触媒温度変化分dT1の所定の期間先までの時系列データを、dQ1と温度センサ23位位置の基準触媒温度に対する伝達関数G10(s)を用いて算出し、これら時系列データにそれぞれ温度補正値1を加えた値を、改めてdT1の時系列データとする。
【0099】
dT1の時系列データ
=基準触媒温度時のdT1の時系列データ+温度補正値1…(16)同様にして、温度センサ23位置の触媒温度が基準触媒温度である場合において中間空気流量が制御周期当たりdQ2だけ変化したときの、温度センサ23位置の触媒温度変化分dT2の所定の期間先までの時系列データを、dQ2と基準触媒温度に対する伝達関数G20(s)を用いて算出し、これら時系列データにそれぞれ温度補正値2を加えた値を、改めてdT2の時系列データとする。
【0100】
ここで、(16)、(17)式の温度補正値1、2は図15に示したように温度センサ23位置の実際の触媒温度T2が基準触媒温度より高くなるほど大きくなる値である。
【0101】
このようにして温度センサ23位置の触媒温度推定値T2suiの算出を終了したら図3に戻り、ステップ11ではこのT2suiに基づいて、T2suiの所定の期間先までの時系列データの中の最大値が上限温度Tmaxを超えることがないように、目標空気中間流量Tm2を算出する。この算出については図16により説明する。
【0102】
図16においてステップ51で、温度センサ23位置の触媒温度推定値T2suiの時系列データの最大値が上限温度Tmax以下であるかどうかみる。
【0103】
ここで、上限温度Tmaxは目標運転温度Tm(例えば400℃)より少し高い値を設定する。簡単にはTmと等しくしてもかまわない。
【0104】
T2suiの時系列データの最大値が上限値Tmax以下である場合にはステップ52に進み、上記の空気中間流量理想値Q2risをそのまま目標空気中間流量Qm2とする。
【0105】
一方、T2suiの時系列データの最大値がTmaxを越える場合とは、例えば図17に示したように、Q1(ただしQ1<Qneedの場合)にdQ1の流量増加があった場合に、T2suiの時系列データのうち時間的に遅い側がTmaxを超える場合である(図17下段の実線参照)。このときには空気中間流量理想値Q2risをそのま空気中間入口8fから供給したのでは大きすぎるので、Q2risより小さな流量としてやる必要がある。このため、ステップ51よりステップ53に進んで温度センサ23位置の実際の触媒温度T2を読み込み、この温度T2からステップ54において図18を内容とするテーブルを検索することにより、空気中間流量の減量側補正値dQgenを演算する。
【0106】
図18のように減量側補正値dQgenは、温度センサ23位置の実際の触媒温度T2が高くなるほど負の値で大きくしている。これは、T2が高い場合には空気中間流量の単位変化に対する温度センサ23位置の触媒温度変化分が大きくなる特性があるので、これを考慮して計算誤差を少なくするようにしたものである。
【0107】
ステップ55では空気中間流量理想値Q2risにこの負の値である減量分dQgenを加算した値を改めて空気中間流量理想値Q2ris’として、
Q2ris’=Q2ris+dQgen…(18)
の式により算出する。
【0108】
ここで、Q2ris’はQ2risより小さな値である。
【0109】
ステップ56では空気中間流量がQ2ris’の状態から|dQgen|だけステップ増加するときの伝達関数G2’(s)を選択し、ステップ57においてこの伝達関数G2’(s)と|dQgen|とを用いて、空気中間流量がQ2ris’の状態から|dQgen|だけ増加するときの、温度センサ23位置の触媒温度変化分dT2の所定の期間先までの時系列データを算出する。
【0110】
そして、ステップ58ではこのdT2の時系列データを温度センサ23位置の実際の触媒温度T2に加算することにより、温度センサ23位置の触媒温度推定値T2suiの時系列データを、つまり、
T2suiの時系列データ=T2+dT2の時系列データ…(19)
の式により算出する。
【0111】
ステップ59ではこのようにして算出した温度センサ23位置の触媒温度推定値T2suiの時系列データの最大値が、再び触媒の上限温度Tmax以下であるかどうかみる。
【0112】
ここで、T2suiの時系列データの最大値が上限温度Tmaxを超えていない場合とは、空気中間流量の|dQgen|の減量によって(図17最上段の破線鎖線)、図17最下段の一点鎖線で示したようにT2suiの時系列データが最大値Tmaxを下回った場合である。この場合にはステップ60に進み、Q2離sから|dQgen|だけ減量した値であるQ2ris’を目標空気中間流量Qm2として算出する。
【0113】
一方、T2suiの時系列データの最大値が上限温度Tmaxを超えている場合には、ステップ59よりステップ61に進み、減量側補正値dQgenを一定値dQだけ増やしてステップ55〜59の操作を繰り返す。この繰り返しによりやがてT2suiの時系列データの最大値が上限温度Tmax以下になったらステップ60の操作を実行して、図16の処理を終える。
【0114】
なお、ステップ55〜59、61の操作の繰り返しは制御速度が速いこともあって一瞬で終わる。
【0115】
このようにして目標空気中間流量Qm2の算出を終了したら図3に戻り、ステップ12でこの目標空気中間流量Qm2と目標空気入口流量Qm1とを出力レジスタに移す。
【0116】
図示しないフローでは、このようにして算出した目標空気入口流量Qm1の空気が空気入口8dより供給されるように流量制御弁12の開度を制御すると共に、目標空気中間流量Qm2の空気が空気中間入口8fより供給されるように流量制御弁14の開度を制御する。
【0117】
これらの流量制御弁12、14に代えて、ガス流体用の流量制御一体型の制御弁を用いてもかまわない。当該制御弁では流量センサを内蔵しており、算出した目標空気流量Qm1、Qm2を入力として与えると、この値と内蔵の流量センサにより検出される実流量とが一致するように弁開度が駆動される。
【0118】
ここで、本実施形態の作用効果を説明する。
【0119】
温度センサ22(気体入口触媒温度検出手段)位置の実際の触媒温度T1が温度センサ22位置の目標温度Tbと一致するように算出した空気入口流量Q1が、原料流量に基づいて算出した要求空気流量Qneedより小さい場合とは、目標運転温度Tmが低く設定されている状態であるか、または空気入口8dの実際の触媒温度T1が目標運転温度Tmに現在近い状態である。この状態で値の大きい方の要求空気流量Qneedを選択すると、過剰な空気の供給によりピーク温度が目標運転温度Tmを大きく超えて高温になったり、ピーク温度位置が下流に過剰に移動するのであるが、本実施形態(請求項4に記載の発明)によれば、この状態で値の小さい方の空気入口流量Q1を選択するので、ピーク温度が目標運転温度Tmを超えて高温になったり、ピーク温度位置が下流に過剰に移動することを抑制できる。
【0120】
一方、空気入口流量Q1が要求空気流量Qneedより大きい場合とは、目標運転温度Tmが高く設定されている状態であるか、または空気入口8dの実際の触媒温度T1が目標運転温度Tmに現在到達してない状態である。この状態では反応に必要な空気流量の全てである要求空気流量Qneedを空気入口8dより供給できる。
【0121】
また、空気入口流量Q1より要求気体流量Qneedが大きい場合に、空気入口流量Q1を空気入口8dより供給すると、ピーク温度位置が上流側に移動するが、これは、ピーク温度の部分で空気入口8dより供給した空気中の酸素がほとんど反応しきったことを意味し、このままであればピーク温度位置より下流側は下流になるほど温度が低下する。本実施形態(請求項5に記載の発明)によれば、要求空気流量Qneedのうち、空気入口8dより供給できなかった空気の流量(Qneed−Q1)を空気中間入口8fより供給するので、空気中間入口8f付近の触媒温度を高めることができる。
【0122】
本実施形態(請求項6の発明)によれば、選択空気流量Qselをピーク温度位置に基づいて減量補正することでも、ピーク温度位置が改質器8の下流方向に過剰に移動することを抑制することができ、かつ上流側で温度の低かった部分の温度を上昇させることができる。
【0123】
本実施形態(請求項7の発明)によれば、ピーク温度位置が改質器下流方向に移動するほど、選択空気流量の減量補正値Qgenを増やすので、負荷が相違してもピーク温度位置をほぼ同じ位置にもってくることができる。
【0124】
本実施形態(請求項8の発明)によれば、ピーク温度位置が目標運転温度Tmとなるように生成した温度分布プロファイルの中で、温度センサ22位置に相当する温度を、温度センサ22位置の目標温度Tbとして算出するので、ピーク温度位置が下流側に移動しても、ピーク温度位置が目標運転温度Tmを超えないようにすることができる。
【0125】
本実施形態(請求項10に記載の発明)によれば、改質器内ガス流速νが速くなるほどピーク温度が改質器の下流側へ移動すると推定するので、改質器内ガス流速が相違してもピーク温度位置を精度良く与えることができる。
【0126】
空気入口流量がステップ増加すると、この影響を受けて温度センサ23位置(気体中間入口付近)の触媒温度が上昇する。この温度上昇分を考慮することなく、空気入口8dの実際の触媒温度T1がこの温度センサ23位置の目標温度Tbと一致するように算出した空気流量Q1より、要求空気流量Qneedが大きい場合に、その差の流量Q2risの空気をそのまま空気中間入口8fより供給するとすれば、温度センサ23位置の触媒温度が上限温度Tmaxを超えてしまうことが考えられる。本実施形態(請求項12に記載の発明)によれば、この温度上昇分を含んだ温度センサ23位置の触媒温度を推定し、その所定期間先の温度センサ23位置の触媒温度の推定値T2suiが上限温度Tmaxを超えるときには超えないように空気中間流量を減量側に補正するので、空気入口流量がステップ増加するときでも、温度センサ23位置の触媒温度が上限温度Tmaxを超えてしまうことを回避できる。
【0127】
同様にして、空気中間流量がステップ増加すると、この影響を受けて温度センサ23位置の触媒温度が上昇する。この温度上昇分を考慮することなく、空気入口8dの実際の触媒温度T1が温度センサ22位置の目標温度Tbと一致するように算出した空気入口流量Q1より、要求空気流量Qneedが大きい場合に、その差の流量Q2risの空気をそのまま空気中間入口8fより供給するとすれば、温度センサ23位置の触媒温度が上限温度Tmaxを超えてしまうことが考えられる。本実施形態(請求項13に記載の発明)によれば、この温度上昇分を含んだ温度センサ23位置の触媒温度を推定し、その所定期間先の温度センサ23位置の触媒温度の推定値T2suiが上限温度Tmaxを超えるときには超えないように空気中間流量を減量側に補正するので、空気中間流量がステップ増加するときでも、温度センサ23位置の触媒温度が上限温度Tmaxを超えてしまうことを回避できる。
【0128】
高負荷になるほど空気入口8dより供給される空気の単位流量変化に対する温度センサ23位置の触媒温度変化が大きくなる特性を有するので、この特性を考慮しないとすれば、所定期間先の温度センサ23位置の触媒温度を推定するのに用いる、空気中間流量の減量側補正値dQgenに過不足が生じる。これに対して本実施形態(請求項15に記載の発明)によれば、所定期間先の温度センサ23位置の触媒温度の推定値T2suiが上限温度Tmaxを超えるときに、その上限温度Tmaxからの温度上昇分が大きいほど、空気中間流量の減量側補正値dQgenを大きくするので、負荷に関係なく空気中間流量の減量側補正値dQgenを精度良く与えることができる。
【0129】
前述した実施形態のほかに次の他の実施形態が考えられる。
【0130】
他の実施形態1:図2に示した改質器であることを前提とし、部分酸化反応に必要な空気流量である要求空気流量Qneedを原料流量に基づいて算出する要求空気流量算出手段と、改質器内部のピーク温度位置を推定するピーク温度位置推定手段と、このピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動したとき、前記要求空気流量Qneedを減量側に補正して空気入口流量Q1を算出する空気入口流量算出手段と、この算出した空気入口流量Q1が空気入口から供給されるように流量制御弁12の開度を制御する制御手段とを備える。
【0131】
この他の実施形態1(請求項1に記載の発明)による作用効果を次に説明する。
【0132】
図19に示したように基準負荷のときピーク温度が基準ピーク温度位置zp0にくるように、基準負荷に対応する要求空気流量Qneedを設定している場合に(図19上段参照)、基準負荷より負荷が大きくなって原料を増加し、これに応じて要求空気流量Qneedを増加し、その要求空気流量Qneedを空気入口8dより供給したのでは、ピーク温度が目標運転温度Tmを超えたり、ピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動する(図19下段の一点鎖線参照)。
【0133】
そして、ピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動すると、改質器入口側に触媒温度が低くなる領域(不活性な触媒領域)が生じ、これにより水素を含む改質ガスの生成量が不足するのであるが、他の実施形態1(請求項1に記載の発明)によれば、ピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動したとき、要求空気流量Qneedを減量側に補正して空気入口流量Q1を算出し、この算出した空気入口流量Q1が空気入口8dから供給されるようにするので、ピーク温度位置が目標運転温度Tmを超えてしまったり基準ピーク温度位置より下流側に移動することを抑制できる。すなわち、空気入口8dに流入する過剰な空気を減らすことで、改質器8内部のガス流速が低下してガスの滞留時間が長くなり酸化反応が改質器8上流側の触媒で生じ、これにより、ピーク温度が目標運転温度Tmを超える高温になることを防止できると共に、改質器8入口側に不活性な触媒領域が生じることを回避できる(図20中段の実線参照)。
【0134】
他の実施形態2:要求空気流量Qneedのうち空気入口8dから供給されなかった空気が空気中間入口8fより供給されるように流量制御弁14の開度を制御する。
【0135】
この他の実施形態2(請求項3に記載の発明)による作用効果を次に説明する。
【0136】
要求空気流量Qneedを減量補正した値である空気入口流量Q1を空気入口8dより供給すると、ピーク温度位置が改質器8の上流側に移動するが、これは、ピーク温度の部分で空気入口8dより供給した空気中の酸素がほとんど反応しきったことを意味し、このままであればそのピーク温度位置より下流側は下流になるほど温度が低下する。他の実施形態2(請求項3に記載の発明)によれば、要求空気流量Qneedのうち、空気入口8dより供給できなかった空気の流量(Qneed−Q1)を空気中間入口8fより供給するので、空気中間入口8f付近の触媒温度を高めることができる(図20下段の破線参照)。
【0137】
実施例では、空気入口8dより供給される実際の空気流量Qsen1と空気中間入口8fより供給される実際の空気流量Qsen2とが変化したときの所定期間先の温度センサ23位置の触媒温度を推定する場合で説明したが、簡単には空気入口8dより供給される実際の空気流量Qsen1のみが変化したときの、あるいは空気中間入口8fより供給される実際の空気流量Qsen2のみが変化したときの所定期間先の温度センサ23位置の触媒温度を推定する場合でもかまわない。
【0138】
実施形態ではメタノール改質の場合で述べたが、本発明は、ガソリン改質など他の改質仕様にも適用が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】燃料改質システムの概略構成図。
【図2】改質器の概略構成図。
【図3】目標空気流量の算出を説明するためのフローチャート。
【図4】改質器内ガス流量の推定を説明するためのフローチャート。
【図5】要求空気流量の算出を説明するためのフローチャート。
【図6】水流量の特性図。
【図7】メタノール流量の特性図。
【図8】ピーク温度位置の特性図。
【図9】温度分布プロファイルの作成を説明するための特性図。
【図10】空気入口流量の算出を説明するためのフローチャート。
【図11】空気入口流量の減量補正値の特性図。
【図12】温度センサ23位置の触媒温度の推定を説明するためのフローチャート。
【図13】空気入口流量と空気中間流量の各ステップ増加が温度センサ23位置の触媒温度に与える影響を説明するための波形図。
【図14】単位空気流量変化に対する温度センサ23位置の温度変化分が負荷の違いによって異なることを説明するための特性図。
【図15】温度補正値の特性図。
【図16】目標空気中間流量の算出を説明するためのフローチャート。
【図17】空気中間流量の減量を説明するための波形図。
【図18】減量側補正値の特性図。
【図19】従来装置の作用を説明する波形図。
【図20】請求項1に記載の発明の作用を説明する波形図。
【符号の説明】
8 改質器
8a 円筒状ケース
8b 触媒
8c 原料入口
8d 空気入口(気体入口)
8e ガス出口
8f 空気中間入口(気体中間入口)
12 流量制御弁(気体入口流量調整手段)
14 流量制御弁(気体中間入口流量調整手段)
21 コントローラ
22 温度センサ(気体入口触媒温度検出手段)
23 温度センサ(気体中間入口触媒温度検出手段)
25 圧力センサ
26 圧力センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a reformer.
[0002]
[Prior art]
A conventional control device for a reformer is disclosed in JP-A-6-349510.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the reformer, a raw material mainly composed of hydrocarbon and oxygen in the air are reacted to decompose the raw material to generate a hydrogen-rich reformed gas. Since the quality reaction is an endothermic reaction, an exothermic reaction due to a partial oxidation reaction is caused at the same time. By operating under a condition where the endothermic and exothermic balances, external heating and external cooling are unnecessary.
[0004]
The reformer is composed of a cylindrical container that is long in one direction and filled with a catalyst that performs both the reforming reaction and the partial oxidation reaction, and each inlet of raw material and air (gas containing oxygen) at one end in the longitudinal direction. The gas outlet is opened at the other end in the longitudinal direction. According to the configuration of such a reformer, when the raw material is supplied to the raw material inlet and the air is supplied to the air inlet, the temperature distribution inside the reformer is A temperature distribution that is not uniform and has a temperature difference occurs.
[0005]
Since the gas in the reformer flows in one direction from the inlet of the reformer toward the outlet, the position in the downstream direction with the inlet of the reformer as the origin and the gas temperature at that position on the vertical axis When taken, the gas temperature rises from the inlet and takes a peak, and then gradually decreases (see FIG. 19). The fact that the gas temperature takes a peak means that almost no oxygen supplied from the air inlet remains at the position where the gas temperature takes a peak.
[0006]
In this case, there is no problem if the reformer can be operated so that the peak temperature does not greatly exceed the temperature Tm suitable for the catalyst in the reformer to work (this temperature is hereinafter referred to as “target operation temperature”). Therefore, design specifications such as the type and amount of the reformer catalyst and the external dimensions of the reformer are determined from this viewpoint.
[0007]
However, the specifications at this time are determined with respect to the reference load. Specifically, as shown in the upper part of FIG. 19, the raw material flow rate corresponding to the reference load, the air flow rate necessary for the partial oxidation reaction, and Suppose that the peak temperature has reached the desired position (reference peak temperature position zp0) (see the upper part of FIG. 19).
[0008]
However, when the load becomes larger than the reference load and the raw material is increased, the air flow rate is increased accordingly. When the increased raw material and air are supplied from each inlet, the peak temperature may exceed the target operating temperature Tm. The peak temperature position zp moves to the downstream side of the reference peak temperature position zp0 (see the one-dot chain line in the lower part of FIG. 19). The reason for the peak temperature position moving downstream is that when the load is higher than the reference load, the gas flow rate is high near the reformer inlet and the residence time is short. This is because the oxygen of the water reacts gradually while flowing downstream, and generates a peak temperature downstream.
[0009]
Thus, when the peak temperature position moves downstream from the reference peak temperature position zp0 due to an increase in load, a region where the catalyst temperature becomes low (inactive catalyst region) occurs on the upstream side of the reformer (see the lower part of FIG. 19). This reduces the conversion rate of the raw material into a hydrogen-rich reformed gas, and a large amount of unreacted raw material components are contained in the gas exiting the reformer (reforming gas containing hydrogen is generated). Inadequate).
[0010]
Therefore, the present invention calculates the required gas flow rate, which is the flow rate of the gas containing oxygen necessary for the partial oxidation reaction, based on the raw material flow rate, while estimating the peak temperature position inside the reformer, and the peak temperature position is When moving to the downstream side from the reference peak temperature position, the required gas flow rate is corrected to the decreasing side, and the gas flow rate to be supplied from the gas inlet is calculated, so that even in a region where the load becomes larger than the reference load, The purpose is to allow the reaction in the mass organ to be carried out efficiently.
[0011]
On the other hand, the above-described conventional apparatus is merely provided with a plurality of temperature sensors in the reformer to prevent the internal temperature of the reformer from becoming too high or too low, and there is a peak temperature. It does not disclose that the peak temperature position moves according to the load.
[0012]
For this reason, if an attempt is made to apply the conventional apparatus when the peak temperature position deviates from the reference peak temperature position as described above, for example, a plurality of temperature sensors are arranged at appropriate intervals in the longitudinal direction of the reformer, Estimating that the position of the temperature sensor showing the highest temperature from the temperature sensor is the peak temperature position, and if the position is downstream of the reference temperature position, the flow rate of the gas containing oxygen is corrected to decrease. That is.
[0013]
However, increasing the detection accuracy of the peak temperature position by this method only increases the number of temperature sensors, resulting in an increase in cost. However, if the number of sensors is small, it is not possible to know where the peak temperature position is.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to
[0015]
In the invention according to
[0016]
The invention according to claim 4 uses a raw material inlet for supplying a raw material according to a load, a gas inlet for supplying a gas (for example, air) containing oxygen used for a partial oxidation reaction, a gas containing oxygen and a raw material. The gas inlet flow rate can be adjusted in a reformer consisting of a catalyst that generates reformed gas containing hydrogen by performing reforming reaction and partial oxidation reaction, and a gas outlet that discharges the generated reformed gas. Gas inlet flow rate adjusting means, required gas flow rate calculating means for calculating the required gas flow rate Qneed, which is a gas flow rate required for the partial oxidation reaction, based on the raw material flow rate, and gas for detecting the actual catalyst temperature T1 near the gas inlet An inlet catalyst temperature detecting means, a peak temperature position estimating means for estimating a peak temperature position inside the reformer, and a target temperature Tb at which the gas inlet catalyst temperature detecting means position is calculated based on the peak temperature position. Inlet catalyst temperature detection means position target temperature calculation means, and gas flow rate calculation means for calculating the gas flow rate Q1 so that the actual catalyst temperature T1 in the vicinity of the gas inlet coincides with the target temperature Tb of the gas inlet catalyst temperature detection means position; , A selection means for selecting the smaller one of the required gas flow rate Qneed and the gas flow rate Q1, and a control means for controlling the gas inlet flow rate adjustment means so that the smaller gas flow rate (Qsel) of the selected value flows. With.
[0017]
In the invention according to
[0018]
【The invention's effect】
As shown in FIG. 19, when the required gas flow rate Qneed corresponding to the reference load is set so that the peak temperature is at the reference peak temperature position zp0 at the reference load (see the upper part of FIG. 19), from the reference load If the load increases and the raw material is increased, the required gas flow rate Qneed is increased accordingly, and the required gas flow rate Qneed is supplied from the gas inlet, the peak temperature exceeds the target operating temperature Tm, or the peak temperature position Move downstream from the reference peak temperature position (see the dashed line in the lower part of FIG. 19 and the upper part of FIG. 20).
[0019]
Then, when the peak temperature position moves downstream from the reference peak temperature position, a region where the catalyst temperature becomes lower (inactive catalyst region) is generated on the reformer inlet side, thereby generating a reformed gas containing hydrogen. However, according to the first aspect of the present invention, when the peak temperature position moves downstream from the reference peak temperature position, the required gas flow rate Qneed is corrected to the decrease side to calculate the gas flow rate Q1. Since the calculated gas flow rate Q1 is supplied from the gas inlet, the peak temperature position is prevented from exceeding the target operating temperature Tm or moving downstream from the reference peak temperature position even in a load region larger than the reference load. it can. That is, by reducing the gas containing excess oxygen flowing into the gas inlet, the gas flow rate inside the reformer is lowered, the gas residence time is lengthened, and the oxidation reaction occurs in the catalyst upstream of the reformer. Thus, it is possible to prevent the peak temperature from exceeding the target operating temperature Tm, and to avoid the generation of an inactive catalyst region on the reformer inlet side (see the solid line in the middle stage of FIG. 20).
[0020]
When the gas flow rate Q1, which is a value obtained by reducing the required gas flow rate Qneed, is supplied from the gas inlet, the peak temperature position moves to the upstream side. This is because oxygen in the gas supplied from the gas inlet at the peak temperature portion It means that the reaction has been almost completed, and if it remains as it is, the temperature decreases as the downstream side after the peak temperature position becomes downstream. According to the third aspect of the present invention, the gas flow rate (Qneed-Q1) that could not be supplied from the gas inlet out of the required air flow rate Qneed is supplied from the gas intermediate inlet. (See the broken line in the lower part of FIG. 20).
[0021]
On the other hand, when the gas flow rate Q1 calculated so that the actual catalyst temperature T1 near the gas inlet matches the target temperature Tb at the gas inlet catalyst temperature detection means position is smaller than the required gas flow rate Qneed calculated based on the raw material flow rate. Is a state where the target operating temperature Tm is set low, or the actual catalyst temperature T1 near the gas inlet is currently close to the target operating temperature Tm. In this state, if the required gas flow rate Qneed, which has a larger value, is selected, the peak temperature becomes much higher than the target operating temperature Tm due to the supply of gas containing excess air, or the peak temperature position moves excessively downstream. However, according to the invention described in claim 4, since the gas flow rate Q1 having a smaller value is selected in this state, the peak temperature exceeds the target operating temperature Tm, or the peak temperature position is increased. Can be prevented from excessively moving downstream.
[0022]
On the other hand, when the gas flow rate Q1 is larger than the required gas flow rate Qneed, the target operating temperature Tm is set high, or the actual catalyst temperature T1 near the gas inlet currently reaches the target operating temperature Tm. It is not in a state. In this state, the required gas flow rate Qneed, which is all the gas flow rate required for the reaction, can be supplied from the gas inlet.
[0023]
In addition, when the required gas flow rate Qneed is larger than the gas flow rate Q1, if the gas flow rate Q1 is supplied from the gas inlet, the peak temperature position moves upstream, but this is supplied from the gas inlet at the peak temperature portion. This means that almost all of the oxygen in the gas has reacted, and if it remains as it is, the temperature decreases as the downstream side of the peak temperature position becomes downstream. According to the fifth aspect of the present invention, the gas flow rate (Qneed-Q1) that could not be supplied from the gas inlet out of the required gas flow rate Qneed is supplied from the gas intermediate inlet. Can be increased.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. First, the basic configuration and operation of the fuel reforming system will be described.
[0025]
In the figure, water in the raw material tank 2 and methanol as fuel in the
[0026]
The target values of the water flow rate and the methanol flow rate are calculated by the
[0027]
In addition, air (a gas containing oxygen) is pumped (supplied) from the
[0028]
The
[0029]
The hydrogen-rich reformed gas contains a low level of carbon monoxide. This carbon monoxide poisons the electrode catalyst made of platinum or the like of the polymer
[0030]
In this way, the reformed gas in which carbon monoxide has been reduced to an extremely low level and the air from the
[0031]
In the
[0032]
Such a fuel reforming system is mounted on a vehicle in this embodiment, and a load current taken out from the
[0033]
Thus, when the fuel reforming system is combined with a load device that changes according to the operating conditions, the flow rate of the raw material and air supplied to the
[0034]
Since the gas in the
[0035]
In this case, there is no problem as long as the peak temperature does not greatly exceed the target operating temperature Tm. From this viewpoint, design specifications such as the type and amount of the
[0036]
However, the specifications at this time are determined with respect to the reference load. Specifically, as shown in the upper part of FIG. 19, the raw material flow rate corresponding to the reference load and the air flow rate necessary for the partial oxidation reaction ( This air flow rate is hereinafter referred to as “required air flow rate.”) When Qneed is supplied, it is assumed that the peak temperature has reached the desired position (reference peak temperature position zp0) (see the upper part of FIG. 19).
[0037]
However, when the load becomes larger than the reference load and the raw material is increased, the required air flow rate Qneed is increased accordingly, and when the increased raw material and air are supplied from the
[0038]
In the present invention, in such a fuel reforming system combined with a load device that varies depending on operating conditions, the catalyst temperature in the vicinity of the
[0039]
In addition,
[0040]
On the other hand, the required air flow rate Qneed is calculated based on the raw material flow rate. However, when the air inlet flow rate Q1 is smaller than the required air flow rate Qneed, only the air inlet flow rate Q1 is supplied from the
[0041]
In this case, the temperature of the catalyst near the air
[0042]
Therefore, a temperature sensor (gas intermediate inlet catalyst temperature detecting means) 23 that actually detects the catalyst temperature near the air
[0043]
JP-A-2001-19403 discloses a device in which air is distributed and supplied from two
[0044]
Next, such control executed by the
[0045]
FIG. 3 is for explaining the calculation of the target air flow rates of the two
[0046]
In
ΔP = P1-P2 (1)
The gas flow velocity ν [m / s] in the
ν = ΔP × D × D / (32 × μ × L) (2)
Where D: reformer diameter [m],
L: reformer length [m],
μ: viscosity [Pa · s],
It is calculated by the following formula.
[0047]
Here, the expression (2) is a Hagen-Poiseuille law that is a law of a fluid flow flowing in a laminar flow in a cylinder.
[0048]
When the estimation of the gas flow velocity ν in the
Qneed = Qgen × coefficient / 0.21 (3)
It is calculated by the following formula.
[0049]
Here, the Qgen × coefficient which is a numerator on the right side of the equation (3) is an oxygen flow rate required for the partial oxidation reaction in the
[0050]
The raw material flow rate Qgen is a value obtained by combining the water flow rate and the methanol flow rate. That is, since the water flow rate and the methanol flow rate are controlled by the duty value given to the injector (the flow rate increases as the duty value increases), a table containing the contents of FIGS. 6 and 7 is searched from these duty values. Thus, the water flow rate [NL / min] and the methanol flow rate [NL / min] can be obtained, and the raw material flow rate Qgen can be obtained by adding both. In addition, “N” attached to L (liter) which is a unit of flow rate represents a value in a standard state (0 ° C., one atmospheric pressure).
[0051]
When the calculation of the required air flow rate Qneed is completed in this way, the process returns to FIG. 3, and in
[0052]
The characteristics shown in FIG. 8 are created based on experimental data performed in advance. In FIG. 8, the peak temperature position on the vertical axis is the origin at the
[0053]
In
[0054]
First, in step 4, a function representing a profile indicating a temperature distribution state inside the reformer is created so that the peak temperature position becomes the target operating temperature Tm as follows. That is, the profile indicating the temperature distribution state inside the reformer is an upwardly convex curve that reaches the target operating temperature Tm at the peak temperature position (a is the peak temperature position in the figure) as shown in FIG. Since this is conceivable (see the solid line in the middle stage), this profile is approximated by a logistic waveform.
[0055]
Logistic waveforms are typically
y = k / (1 + c × EXPF (t)) (4)
Where k and c are constants,
f (t): function of time,
("EXP" is an index and "f (t)" is a value attached to the right shoulder of the index). Here, instead of time t, a position with the
y (z) = K2 / (1 + EXP (−K1 × z) (5a)
Where y (z): gas temperature at position z,
z: position,
K1, K2: constants,
Is used.
[0056]
Here, since the function of equation (5a) is determined to be one when two constants K1 and K2 are determined, these constants K1 and K2 are determined so as to satisfy the following conditions.
[0057]
Condition 1: y = Tm when z = a.
[0058]
Condition 2: When z = 0, y = average value Tav of the raw material temperature Tf and the air temperature Ta.
[0059]
The target operating temperature Tm is 400 ° C., for example. The raw material temperature Tf is detected by the temperature sensor 29, and the air temperature Ta is detected by the temperature sensor 30 (see FIG. 1).
[0060]
The following other modes can be considered for the function representing the logistic waveform.
[0061]
(1) Other aspects 1:
y (z) = (A1−A2) / (1 + EXP (z−z0) / d) + A2 (5b)
Where A2: target temperature
d: any value,
Here, A1 and z0 are determined so as to satisfy the
[0062]
(2) Other aspect 2:
y (z) = A * EXP (-EXP (-k * (z-z0))) (5c)
Where k is an arbitrary value,
Here, A and z0 are determined so as to satisfy the
[0063]
(3) Other aspect 3:
y (z) = A / (1 + EXP (−k (z−z0)) (5d)
Where k is an arbitrary value,
Here, A and z0 are determined so as to satisfy the
[0064]
(4) Other aspect 4:
y (z) = A / (1 + B × EXP (−k × z)) (5e)
Where k is an arbitrary value,
Here, A and B are determined so as to satisfy the
[0065]
In
[0066]
In addition, since what was used for experiment in FIG. 9 is shown, the
[0067]
In
[0068]
In FIG. 10, the actual inlet catalyst temperature T1 detected by the
e = Tb−T1 (6)
Using this deviation e, in
Where e (previous): previous deviation,
e (previous times): deviations from previous times,
T / Ti: integral coefficient (integral gain),
TD / T: differential coefficient (differential gain),
T: Control cycle,
K3: constant,
It is calculated by the following formula. This is a well-known equation for proportional integral differential operation.
[0069]
In
Q1 = Q1 (previous) + Qfb (8)
However, Q1 (previous): previous value of Q1,
It is calculated by the following formula. The initial value of Q1 is zero.
[0070]
For example, when the actual inlet catalyst temperature T1 is lower than the target temperature Tb, the feedback amount Qfb is positive and the air inlet flow rate Q1 is increased. Conversely, when the actual inlet catalyst temperature T1 is higher than the target temperature Tb, the feedback amount Qfb is negative. The air inlet flow rate Q1 is reduced.
[0071]
When the calculation of the air inlet flow rate Q1 for making T1 coincide with Tb in this way is completed, the flow returns to FIG. 3, and in
[0072]
For example, the case where Q1 is smaller than Qneed is a state where the target operating temperature Tm is set low or the actual inlet catalyst temperature T1 is currently close to Tm. If Qneed larger than Q1 is given in this state, the peak temperature becomes higher than Tm due to excessive air supply, and the peak temperature moves excessively downstream. In the present embodiment, such a situation can be prevented by selecting Q1 having a smaller value.
[0073]
On the other hand, the case where Q1 is larger than Qneed is a state where Tm is set high or the actual inlet catalyst temperature T1 does not currently reach Tm. In this state, by selecting Qneed having a smaller value, Qneed that is all of the air flow rate necessary for the reaction can be supplied from the
[0074]
In
Qm1 = Qsel-Qgen (9)
The target air inlet flow rate Qm1 is calculated by the following formula.
[0075]
The decrease correction value Qgen is a decrease in the air inlet flow rate for bringing the peak temperature position to the position of the
[0076]
The reason why the peak temperature position moved in the downstream direction of the
[0077]
In FIG. 11, Qgen = 0 in the region on the left side of b which is the position of the
[0078]
In
Q2ris = Qneed−Qm1 (10)
The air intermediate flow rate ideal value Q2ris is calculated by the following formula.
[0079]
However, if the difference in equation (10) is a negative value, it is ignored and Q2ris = 0.
[0080]
The ideal air intermediate flow rate Q2ris calculated in this manner is an air flow rate that cannot be supplied from the
[0081]
In
[0082]
In FIG. 12, in step 41, the actual air flow rates Qsen1 and Qsen2 from the
[0083]
[0084]
This will be further described with reference to FIG. 13. When the air inlet flow rate increases stepwise at the timing t1 (see the uppermost stage), the catalyst temperature at the position of the
[0085]
dT1 = G1 (s) × dQ1 (11a)
Where G1 (s): transfer function,
That is, time series data up to a predetermined period ahead of the catalyst temperature change dT1 at the
[0086]
Next, when the air intermediate flow rate increases stepwise at the timing of t2 (see the third stage in FIG. 13), the catalyst temperature at the
[0087]
dT2 = G2 (s) × dQ2 (12a)
Where G2 (s): transfer function,
Therefore, time series data up to a predetermined period ahead of the catalyst temperature change dT2 at the position of the
[0088]
Here, the transfer functions G1 (s) and G2 (s) are obtained in advance by performing a step response experiment. However, since the transfer function G2 (s) is different from the transfer function G1 (s) even if the actual catalyst temperature at the position of the
[0089]
Returning to FIG. 12, in
dQ1 = Qsen1-Qsen1 (previous) (13)
However, Qsen1 (previous): previous value of Qsen1,
It is calculated by the following formula. In the present embodiment, the control cycle of the subroutine shown in FIG. 12 is the same as the control cycle of the main routine shown in FIG. 3, but the control cycle of FIG. 12 may be determined separately.
[0090]
In
[0091]
A plurality of transfer functions G1 (s) are created according to the catalyst temperature at the position of the
[0092]
In
[0093]
In
dQ2 = Qsen2-Qsen2 (previous) ... (14)
However, Qsen2 (previous): the previous value of Qsen2,
It is calculated by the following formula.
[0094]
In
[0095]
In
It is calculated by the following formula.
[0096]
In this way, when the air inlet flow rate and the air intermediate flow rate increase step by step, the time series data of the estimated catalyst temperature value at the
[0097]
Note that the time series data of dT1 and dT2 in the equation (15) takes a positive value or a negative value. When the dQ1 and dQ2 changes in the inlet air flow rate and the intermediate air flow rate are positive, the time series data of dT1 and dT2 have a positive value. Is a negative value.
[0098]
Instead of preparing a plurality of transfer functions of G1 (s) and G2 (s), each transfer function is one for the reference catalyst temperature at the position of the
[0099]
dT1 time series data
= Time series data of dT1 at the time of the reference catalyst temperature + temperature correction value 1 (16) Similarly, when the catalyst temperature at the position of the
[0100]
Here, the
[0101]
When the calculation of the estimated catalyst temperature T2sui at the position of the
[0102]
In FIG. 16, in
[0103]
Here, the upper limit temperature Tmax is set to a value slightly higher than the target operating temperature Tm (for example, 400 ° C.). For simplicity, it may be equal to Tm.
[0104]
If the maximum value of the time series data of T2sui is equal to or lower than the upper limit value Tmax, the process proceeds to step 52, and the above air intermediate flow rate ideal value Q2ris is set as the target air intermediate flow rate Qm2.
[0105]
On the other hand, when the maximum value of the time series data of T2sui exceeds Tmax, for example, as shown in FIG. 17, when the flow rate of dQ1 increases in Q1 (where Q1 <Qneed), the time of T2sui This is a case where the temporally late side of the series data exceeds Tmax (see the solid line in the lower part of FIG. 17). At this time, if the air intermediate flow rate ideal value Q2ris is supplied from the air
[0106]
As shown in FIG. 18, the decrease side correction value dQgen increases with a negative value as the actual catalyst temperature T2 at the
[0107]
In
Q2ris' = Q2ris + dQgen (18)
It is calculated by the following formula.
[0108]
Here, Q2ris ′ is a smaller value than Q2ris.
[0109]
In
[0110]
In
Time series data of T2sui = T2 + dT2 time series data (19)
It is calculated by the following formula.
[0111]
In
[0112]
Here, the case where the maximum value of the time series data of T2sui does not exceed the upper limit temperature Tmax is due to the decrease in | dQgen | of the air intermediate flow rate (the broken line in the uppermost line in FIG. 17), This is a case where the time series data of T2sui falls below the maximum value Tmax as shown in FIG. In this case, the process proceeds to step 60, and Q2ris ′, which is a value obtained by decreasing the amount by | dQgen | from Q2 separation s, is calculated as the target air intermediate flow rate Qm2.
[0113]
On the other hand, if the maximum value of the time-series data of T2sui exceeds the upper limit temperature Tmax, the process proceeds from
[0114]
Note that the repetition of the operations in
[0115]
When the calculation of the target air intermediate flow rate Qm2 is completed in this way, the processing returns to FIG. 3, and in
[0116]
In a flow (not shown), the opening degree of the
[0117]
Instead of these
[0118]
Here, the effect of this embodiment is demonstrated.
[0119]
The required air flow rate calculated based on the raw material flow rate is the air inlet flow rate Q1 calculated so that the actual catalyst temperature T1 at the temperature sensor 22 (gas inlet catalyst temperature detection means) position matches the target temperature Tb at the
[0120]
On the other hand, when the air inlet flow rate Q1 is larger than the required air flow rate Qneed, the target operating temperature Tm is set to be high, or the actual catalyst temperature T1 at the
[0121]
Further, when the required gas flow rate Qneed is larger than the air inlet flow rate Q1, if the air inlet flow rate Q1 is supplied from the
[0122]
According to the present embodiment (invention of claim 6), even when the selected air flow rate Qsel is corrected to decrease based on the peak temperature position, the peak temperature position is prevented from excessively moving in the downstream direction of the
[0123]
According to this embodiment (invention of claim 7), as the peak temperature position moves in the downstream direction of the reformer, the decrease correction value Qgen of the selected air flow rate is increased. It can be brought to almost the same position.
[0124]
According to this embodiment (invention of claim 8), in the temperature distribution profile generated so that the peak temperature position becomes the target operating temperature Tm, the temperature corresponding to the
[0125]
According to the present embodiment (the invention described in claim 10), since the peak temperature is estimated to move to the downstream side of the reformer as the reformer gas flow velocity ν increases, the reformer gas flow velocity differs. Even in this case, the peak temperature position can be given with high accuracy.
[0126]
When the air inlet flow rate increases stepwise, the catalyst temperature at the position of the temperature sensor 23 (near the gas intermediate inlet) rises due to this influence. Without considering this temperature rise, when the required air flow rate Qneed is larger than the air flow rate Q1 calculated so that the actual catalyst temperature T1 of the
[0127]
Similarly, when the air intermediate flow rate increases by a step, the catalyst temperature at the position of the
[0128]
Since the catalyst temperature change at the position of the
[0129]
In addition to the embodiments described above, the following other embodiments are possible.
[0130]
Other Embodiment 1: On the premise that the reformer is shown in FIG. 2, a required air flow rate calculating means for calculating a required air flow rate Qneed that is an air flow rate required for the partial oxidation reaction based on the raw material flow rate; Peak temperature position estimating means for estimating the peak temperature position inside the reformer, and when the peak temperature position moves downstream from the reference peak temperature position, the required air flow rate Qneed is corrected to the decrease side, and the air inlet flow rate is corrected. Air inlet flow rate calculating means for calculating Q1 and control means for controlling the opening degree of the
[0131]
The operation and effect of the other embodiment 1 (the invention according to claim 1) will be described below.
[0132]
As shown in FIG. 19, when the required air flow rate Qneed corresponding to the reference load is set so that the peak temperature is at the reference peak temperature position zp0 at the reference load (see the upper part of FIG. 19), from the reference load If the load increases and the raw material is increased, the required air flow rate Qneed is increased accordingly, and the required air flow rate Qneed is supplied from the
[0133]
Then, when the peak temperature position moves downstream from the reference peak temperature position, a region where the catalyst temperature becomes lower (inactive catalyst region) is generated on the reformer inlet side, thereby generating a reformed gas containing hydrogen. However, according to another embodiment 1 (the invention described in claim 1), when the peak temperature position moves downstream from the reference peak temperature position, the required air flow rate Qneed is corrected to the decrease side. Since the air inlet flow rate Q1 is calculated and the calculated air inlet flow rate Q1 is supplied from the
[0134]
Other Embodiment 2: The opening degree of the flow
[0135]
Next, the operation and effect of the second embodiment (the invention according to claim 3) will be described.
[0136]
When the air inlet flow rate Q1, which is a value obtained by reducing the required air flow rate Qneed, is supplied from the
[0137]
In the embodiment, the catalyst temperature at the position of the
[0138]
Although the embodiment has been described in the case of methanol reforming, it goes without saying that the present invention can be applied to other reforming specifications such as gasoline reforming.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel reforming system.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a reformer.
FIG. 3 is a flowchart for explaining calculation of a target air flow rate.
FIG. 4 is a flowchart for explaining estimation of the gas flow rate in the reformer.
FIG. 5 is a flowchart for explaining calculation of a required air flow rate.
FIG. 6 is a characteristic diagram of water flow rate.
FIG. 7 is a characteristic diagram of methanol flow rate.
FIG. 8 is a characteristic diagram of a peak temperature position.
FIG. 9 is a characteristic diagram for explaining the creation of a temperature distribution profile.
FIG. 10 is a flowchart for explaining calculation of an air inlet flow rate.
FIG. 11 is a characteristic diagram of a decrease correction value of the air inlet flow rate.
FIG. 12 is a flowchart for explaining the estimation of the catalyst temperature at the position of the
FIG. 13 is a waveform diagram for explaining the influence of each step increase of the air inlet flow rate and the air intermediate flow rate on the catalyst temperature at the
FIG. 14 is a characteristic diagram for explaining that the temperature change at the position of the
FIG. 15 is a characteristic diagram of a temperature correction value.
FIG. 16 is a flowchart for explaining calculation of a target air intermediate flow rate.
FIG. 17 is a waveform diagram for explaining a reduction in the air intermediate flow rate.
FIG. 18 is a characteristic diagram of a decrease side correction value.
FIG. 19 is a waveform diagram for explaining the operation of a conventional device.
FIG. 20 is a waveform diagram for explaining the operation of the invention according to
[Explanation of symbols]
8 Reformer
8a Cylindrical case
8b catalyst
8c Raw material inlet
8d Air inlet (gas inlet)
8e Gas outlet
8f Air intermediate inlet (gas intermediate inlet)
12 Flow control valve (gas inlet flow rate adjusting means)
14 Flow control valve (gas intermediate inlet flow rate adjustment means)
21 Controller
22 Temperature sensor (gas inlet catalyst temperature detection means)
23 Temperature sensor (gas intermediate inlet catalyst temperature detection means)
25 Pressure sensor
26 Pressure sensor
Claims (19)
部分酸化反応に用いる酸素を含む気体を供給する気体入口と、
酸素を含む気体と原料とを用いて改質反応と部分酸化反応とを行って水素を含む改質ガスを生成する触媒と、
この生成された改質ガスを排出するガス出口とからなる改質器において、
気体入口の流量を調整可能な気体入口流量調整手段と、
部分酸化反応に必要な気体流量である要求気体流量を原料流量に基づいて算出する要求気体流量算出手段と、
改質器内部のピーク温度位置を推定するピーク温度位置推定手段と、
このピーク温度位置が基準ピーク温度位置より下流側に移動したとき、前記要求気体流量を減量側に補正して気体流量を算出する気体流量算出手段と、
この算出した気体流量が気体入口から供給されるように気体入口流量調整手段を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする改質器の制御装置。A raw material inlet for supplying raw materials according to the load;
A gas inlet for supplying a gas containing oxygen used in the partial oxidation reaction;
A catalyst that generates a reformed gas containing hydrogen by performing a reforming reaction and a partial oxidation reaction using a gas containing oxygen and a raw material;
In a reformer comprising a gas outlet for discharging the generated reformed gas,
A gas inlet flow rate adjusting means capable of adjusting the flow rate of the gas inlet;
A required gas flow rate calculating means for calculating a required gas flow rate, which is a gas flow rate required for the partial oxidation reaction, based on the raw material flow rate;
Peak temperature position estimating means for estimating the peak temperature position inside the reformer;
When the peak temperature position moves downstream from the reference peak temperature position, the gas flow rate calculating means for correcting the required gas flow rate to the decrease side and calculating the gas flow rate,
A control device for a reformer, comprising: control means for controlling the gas inlet flow rate adjusting means so that the calculated gas flow rate is supplied from the gas inlet.
部分酸化反応に用いる酸素を含む気体を供給する気体入口と、
酸素を含む気体と原料とを用いて改質反応と部分酸化反応を行って水素を含む改質ガスを生成する触媒と、
この生成された改質ガスを排出するガス出口とからなる改質器において、
気体入口の流量を調整可能な気体入口流量調整手段と、
部分酸化反応に必要な気体流量である要求気体流量を原料流量に基づいて算出する要求気体流量算出手段と、
気体入口付近の実際の触媒温度を検出する気体入口触媒温度検出手段と、
改質器内部のピーク温度位置を推定するピーク温度位置推定手段と、
このピーク温度位置に基づいて気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度を算出する気体入口触媒温度検出手段位置目標温度算出手段と、
気体入口付近の実際の触媒温度がこの気体入口触媒温度検出手段位置の目標温度と一致するように気体流量を算出する気体流量算出手段と、
要求気体流量とこの気体流量のうち値の小さい方を選択する選択手段と、
この選択した値の小さい方の気体流量が流れるように気体入口流量調整手段を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする改質器の制御装置。A raw material inlet for supplying raw materials according to the load;
A gas inlet for supplying a gas containing oxygen used in the partial oxidation reaction;
A catalyst that generates a reformed gas containing hydrogen by performing a reforming reaction and a partial oxidation reaction using a gas containing oxygen and a raw material;
In a reformer comprising a gas outlet for discharging the generated reformed gas,
A gas inlet flow rate adjusting means capable of adjusting the flow rate of the gas inlet;
A required gas flow rate calculating means for calculating a required gas flow rate, which is a gas flow rate required for the partial oxidation reaction, based on the raw material flow rate;
A gas inlet catalyst temperature detecting means for detecting an actual catalyst temperature in the vicinity of the gas inlet;
Peak temperature position estimating means for estimating the peak temperature position inside the reformer;
A gas inlet catalyst temperature detection means position target temperature calculation means for calculating a target temperature of the gas inlet catalyst temperature detection means position based on the peak temperature position;
A gas flow rate calculating means for calculating a gas flow rate so that an actual catalyst temperature in the vicinity of the gas inlet matches a target temperature of the gas inlet catalyst temperature detecting means position;
A selection means for selecting the smaller one of the required gas flow rate and the gas flow rate;
A control device for a reformer comprising: control means for controlling the gas inlet flow rate adjusting means so that the gas flow having the smaller selected value flows.
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