(57)【要約】【課題】  本発明は、空気燃焼方式から酸素燃焼方式に切替えた場合にもボイラ内の熱交換器を流れる水と蒸気の温度を所定の許容範囲内に制御することを目的とする。【解決手段】  本発明は、酸素ガスと循環排ガスによって燃料を燃焼させる酸素燃焼方式、又は空気を用いて燃料を燃焼させる空気燃焼方式を切替え可能であり、かつ、上流側から順に、節炭器，火炉水壁，過熱器を備えた蒸気系統を有するボイラと、該ボイラを制御する制御装置を備え、該制御装置には、前記ボイラの蒸気系統へ供給する水の給水温度を設定する給水制御回路と、前記節炭器出口の水温度と飽和水温度との差、又は前記過熱器入口の蒸気温度と飽和蒸気温度との差のうち、少なくとも一方に基づいて、前記給水温度を補正する補正回路とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2010032173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素ガスと循環排ガスによって燃料を燃焼させる酸素燃焼方式、又は空気を用いて燃料を燃焼させる空気燃焼方式を切替え可能であり、かつ、上流側から順に、節炭器，火炉水壁，過熱器を備えた蒸気系統を有するボイラと、
該ボイラを制御する制御装置を備え、
該制御装置には、
前記ボイラの蒸気系統へ供給する水の給水温度を設定する給水制御回路と、
前記節炭器出口の水温度と飽和水温度との差、又は前記過熱器入口の蒸気温度と飽和蒸気温度との差のうち、少なくとも一方に基づいて、前記給水温度を補正する補正回路とを備えたことを特徴とするボイラプラント。
【請求項２】
酸素ガスと循環排ガスによって燃料を燃焼させる酸素燃焼方式、又は空気を用いて燃料を燃焼させる空気燃焼方式を切替え可能であり、かつ、外部から供給された水を蒸気にするボイラと、
該ボイラを制御する制御装置を備え、
該制御装置には、
前記燃焼方式を切替える時に、前記ボイラに供給する酸素ガス，循環排ガス，空気の流量を調整する燃焼方式切替制御回路と、
該燃焼方式切替制御回路によって算出された酸素ガス，循環排ガス，空気の流量比に基づいて前記ボイラへ供給する水の温度を設定する給水制御回路とを備えたことを特徴とするボイラプラント。
【請求項３】
酸素ガスと循環排ガスによって燃料を燃焼させる酸素燃焼方式、又は空気を用いて燃料を燃焼させる空気燃焼方式を切替え可能であり、かつ、外部から供給された水を蒸気にするボイラと、
該ボイラを制御する制御装置を備え、
該制御装置には、
前記燃焼方式を切替える時に、前記ボイラに供給する酸素ガス，循環排ガス，空気の流量を調整する燃焼方式切替制御回路と、
該燃焼方式切替制御回路によって算出された酸素ガスの流量又は濃度に基づいて前記ボイラへ供給する水の温度を設定する給水制御回路とを備えたことを特徴とするボイラプラント。
【請求項４】
酸素ガスと循環排ガスによって燃料を燃焼させる酸素燃焼方式、又は空気を用いて燃料を燃焼させる空気燃焼方式を切替え可能であり、かつ、外部から供給された水を蒸気にするボイラと、
該ボイラを制御する制御装置を備え、
該制御装置には、
前記燃焼方式を切替える時に、前記ボイラに供給する酸素ガス，循環排ガス，空気の流量を調整する燃焼方式切替制御回路と、
該燃焼方式切替制御回路によって算出された酸素ガスの流量又は濃度に基づいて前記ボイラへ供給する水の給水温度を設定する給水制御回路と、
ボイラ内の蒸気又は水の温度，伝熱管の温度計測値、または該温度計測値を用いて計算した熱吸収量のうち少なくとも一つに基づいて前記給水温度を補正する補正回路とを備えたことを特徴とするボイラプラント。
【請求項５】
酸素ガスと循環排ガスによって燃料を燃焼させる酸素燃焼方式、又は空気を用いて燃料を燃焼させる空気燃焼方式を切替え可能であり、かつ、上流側から順に、節炭器，火炉水壁，過熱器を備えた蒸気系統を有するボイラと、
該ボイラを制御する制御装置を備え、
該制御装置には、
前記燃焼方式を切替える時に、前記ボイラに供給する酸素ガス，循環排ガス，空気の流量を調整する燃焼方式切替制御回路と、
該燃焼方式切替制御回路によって算出された酸素ガス，循環排ガス，空気の流量比に基づいて前記ボイラの蒸気系統へ供給する水の給水温度を設定する給水制御回路と、
前記節炭器出口の水温度と飽和水温度との差、又は前記過熱器入口の蒸気温度と飽和蒸気温度との差のうち、少なくとも一方に基づいて、前記給水温度を補正する補正回路とを備えたことを特徴とするボイラプラント。
【請求項６】
請求項５記載のボイラプラントであって、
前記燃料として使用する石炭の固体分と揮発分の比である燃料比、または灰の融点のうち少なくとも一つを指標として前記給水温度を補正する機能を、前記補正回路に設けることを特徴とするボイラプラント。
【請求項７】
請求項１〜請求項６に記載のボイラプラントであって、
前記ボイラで生成された蒸気によって駆動する蒸気タービンと、
前記ボイラへの供給水を加熱する蒸気を前記蒸気タービンの複数段から抽気する機構と、
前記給水制御回路で設定された給水温度に基づき、前記蒸気タービンから抽気する蒸気流量又は抽気位置を設定する抽気指令値を前記抽気機構に出力する給水温度制御回路とを備えたことを特徴とするボイラプラント。
【請求項８】
酸素ガスと循環排ガスによって燃料を燃焼させる酸素燃焼方式、又は空気を用いて燃料を燃焼させる空気燃焼方式を切替え可能であり、かつ、外部から供給された水を蒸気にするボイラを制御するボイラプラントの制御装置であって、
前記燃焼方式を切替える時に、前記ボイラに供給する酸素ガス，循環排ガス，空気の流量を調整する燃焼方式切替制御回路と、
該燃焼方式切替制御回路によって算出された酸素ガス，循環排ガス，空気の流量比に基づいて前記ボイラへ供給する水の温度を設定する給水制御回路とを備えたことを特徴とするボイラプラントの制御装置。
【請求項９】
酸素ガスと循環排ガスによって燃料を燃焼させる酸素燃焼方式、又は空気を用いて燃料を燃焼させる空気燃焼方式を切替え可能であり、かつ、上流側から順に、節炭器，火炉水壁，過熱器へ水を供給し、蒸気を生成するボイラプラントの制御方法であって、
前記節炭器へ供給する水の給水温度を設定する第１の工程と、
前記節炭器出口の水温度と飽和水温度との差、又は前記過熱器入口の蒸気温度と飽和蒸気温度との差のうち、少なくとも一方に基づいて、前記給水温度を補正する第２の工程とを備えたことを特徴とするボイラプラントの制御方法。
【請求項１０】
請求項９記載のボイラプラントの制御方法であって、
前記第１の工程では、酸素ガス，循環排ガス，空気の流量比に基づいて前記給水温度を設定することを特徴とするボイラプラントの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラプラント，ボイラプラントの制御装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラと蒸気タービンを主要構成機器とする火力発電プラントでは、地球温暖化の要因となっている二酸化炭素の排出量が他の発電方式に比べて多いことが指摘されている。
【０００３】
そこで、ボイラで燃料を燃焼させる際に、従来のように空気を用いる代わりに空気から分離した高純度の酸素で燃焼させる方法が提案されている。以降、この方式を酸素燃焼方式、空気による燃焼方式を空気燃焼方式と称する。
【０００４】
酸素燃焼方式では、排ガス中の大部分が二酸化炭素になるため、排ガスから二酸化炭素を回収する際に二酸化炭素を濃縮する必要がない。そのため、排ガスを冷却して二酸化炭素を液化・分離することが可能であり、二酸化炭素の排出量削減に有効な方法の一つである。
【０００５】
また、空気中の約８割を占める窒素がボイラへ供給されないため、空気中の窒素から発生する窒素酸化物（サーマルＮＯｘ）が発生しなくなり、窒素酸化物を低減できる。
【０００６】
但し、燃料を酸素のみで燃焼させると、火炎温度が高温になりすぎてバーナやボイラ火炉壁面が損傷する恐れがある。そのため、ボイラ排ガスの一部を循環させ、酸素に排ガスを混合して燃焼させる方式が提案されている。
【０００７】
そして、特許文献１には、ボイラの全体収熱量が目標収熱量になるようにボイラ排ガスの循環ガス流量を制御する方法が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１４７１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
酸素燃焼用ボイラでは、空気から酸素を分離する酸素製造装置を作動させる必要がある。しかし、ボイラ起動時には、酸素製造装置を作動させる動力が得られないため、空気燃焼を行う。このように、ボイラの燃焼方式を空気燃焼方式から酸素燃焼方式に切替える際に、ボイラの水壁・過熱器などを流れる水と蒸気の温度を許容範囲に制御する必要がある。
【００１０】
そこで、特許文献１には、排ガス再循環流量を制御してボイラの熱吸収量を調整する方法が述べられている。しかし、空気燃焼時と酸素燃焼時では燃焼ガスの組成が大幅に変化するため、燃焼ガスから伝熱管への伝熱特性が大きく変化する。即ち、排ガス再循環流量の調整だけではボイラ各部の熱吸収量または蒸気温度及び水温度を所定の範囲内に制御できない可能性がある。
【００１１】
本発明は、以上の課題を解決し、空気燃焼方式から酸素燃焼方式に切替えた場合にもボイラ内の熱交換器を流れる水と蒸気の温度を所定の許容範囲内に制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、酸素ガスと循環排ガスによって燃料を燃焼させる酸素燃焼方式、又は空気を用いて燃料を燃焼させる空気燃焼方式を切替え可能であり、かつ、上流側から順に、節炭器，火炉水壁，過熱器を備えた蒸気系統を有するボイラと、該ボイラを制御する制御装置を備え、該制御装置には、前記ボイラの蒸気系統へ供給する水の給水温度を設定する給水制御回路と、前記節炭器出口の水温度と飽和水温度との差、又は前記過熱器入口の蒸気温度と飽和蒸気温度との差のうち、少なくとも一方に基づいて、前記給水温度を補正する補正回路とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、空気燃焼方式から酸素燃焼方式に切替えた場合にもボイラ内の熱交換器を流れる水と蒸気の温度を所定の許容範囲内に制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
昨今の地球温暖化の進行は深刻な事態となりつつあり、二酸化炭素に代表される温室効果ガスの排出量削減が強く求められている。燃料を燃やして蒸気を生成し、発電する火力発電所は、他の発電方式に比べて二酸化炭素の排出量が多い。一方、世界の電力需要は引き続き増加傾向を示しており、電力安定供給の観点から、火力発電は電源設備として必要である。
【００１５】
従って、火力発電所から排出される二酸化炭素の量を大幅に削減する対策が求められており、排ガス中の二酸化炭素の回収が容易な酸素燃焼方式ボイラは二酸化炭素削減に有効な方法と期待されている。
【００１６】
しかし、現在運転中のボイラのほとんどは空気燃焼方式である。そのため、最小限の改造で空気燃焼方式ボイラを酸素燃焼方式に転換できれば、既存設備の有効活用が図れる。酸素燃焼方式に転換する際に、酸素製造装置及び二酸化炭素回収装置の追加設置は必須であり、酸素供給または排ガス循環等の配管系統やバーナ等は改造が必要になる可能性がある。しかし、ボイラ内の伝熱面は改造しない、または最小限の改造で、ボイラプラントを空気燃焼方式及び酸素燃焼方式で利用できることが望ましい。
【００１７】
図１は石炭を燃料とするボイラプラントを例に、本発明の実施形態を示したものである。本発明の制御装置１００は、制御対象であるボイラからプロセス値の計測情報を受け取り、制御装置１００内に予め格納されたプログラムによって演算を行い、ボイラへの操作指令信号（制御信号）を送信する。ボイラは受け取った操作指令信号に従って、例えばバルブの開度やダンパ開度といったアクチュエータを動作させて、ボイラの状態がコントロールされる。
【００１８】
本実施例は、ボイラ２００，ボイラ２００で発生させた蒸気により駆動する蒸気タービン２８０と蒸気タービン２８０の回転力で発電する発電機２９０を備えた火力発電プラントである。制御装置１００は中央給電指令所５０からの負荷指令５１を受信し、これに基づいてボイラを指定された負荷状態で制御する。
【００１９】
蒸気系統には、蒸気タービン２８０を駆動した後の蒸気を冷却して水にする復水器３００，復水器３００で復水された水をボイラ給水３２１として再びボイラ２００の熱交換器（水壁・過熱器など）へ送り込む給水ポンプ３１０、蒸気タービン２８０の途中段から抜き出した一部の抽気蒸気２８２を加熱源としてボイラ給水３２１を加熱する給水加熱器３２０がある。
【００２０】
制御装置１００からの抽気量指令値１０５によって流量調整弁２８１の開度を制御することで、抽気蒸気２８２の流量を調節できる。抽気蒸気２８２は給水加熱器３２０でボイラ給水３２１を加熱した後、復水器へ戻される。
【００２１】
一方、ボイラから排出される燃焼ガス３８０の系統には、ガス予熱器３３０，排ガスを浄化するための排ガス処理装置３４０，排ガス中の二酸化炭素を冷却・液化して回収する二酸化炭素回収装置３５０，二酸化炭素を回収した後の残りのガスを放出する煙突３７０がある。
【００２２】
本発明は、燃料を空気で燃焼させていた空気燃焼ボイラに対して、空気の代わりに高純度の酸素を用いて燃焼させる酸素燃焼方式のボイラ及び酸素燃焼ボイラを含むボイラプラントを対象とする。
【００２３】
そのため、図１に示したように、空気を窒素主体のガスと酸素主体のガスに分離する酸素製造装置３６０を備えている。酸素製造装置は、酸素と窒素の沸点の違いを利用して、空気を冷却して酸素を分離する方式である。本発明は酸素製造方法に依存するものではなく、窒素分子と酸素分子の大きさの違いを利用して分離する膜分離方式など、他の酸素製造方法でもよい。
【００２４】
酸素製造装置３６０では空気を高純度の酸素ガス３６２と窒素主体の窒素ガス３６１に分離し、窒素ガス３６１は煙突３７０から大気に放出される。
【００２５】
空気の代わりに高純度の酸素を用いて燃料を燃焼させると、火炎の温度が高温になり過ぎ、バーナやボイラ壁面が損傷する可能性がある。そのため、酸素製造装置３６０で製造した高純度の酸素ガス３６２を、ボイラから排出される循環排ガス３９０及び外部から供給される燃料２１３とともにバーナ部２１０へ供給する。
【００２６】
循環排ガス３９０は排ガス処理装置３４０で浄化された後のガスの一部を取り出し、ガス予熱器３３０で昇温させる。循環させる排ガスの流量は循環排ガス流量調整弁３９１で調節できる。
【００２７】
図１では高純度の酸素ガス３６２と循環排ガス３９０を独立の配管でバーナ部２１０へ導入しているが、バーナのノズルに入る前に酸素ガス３６２と循環排ガス３９０を混合してバーナノズルに供給してもよい。
【００２８】
ボイラ２００には、バーナ部の上段にも酸素ガス３６２を供給できるようにガスポート部２２０が配置されている。ガスポート部２２０では、バーナ部２１０で燃焼した後の未燃成分を完全燃焼させる役割を有する。
【００２９】
制御装置１００からの開度指令１０１及び１０３に基づいて酸素流量調整弁２１１及び２１４の開度を制御することで、バーナ部２１０とガスポート部２２０へ供給される酸素ガス３６２の流量が調節できる。また、開度指令１０２及び１０４に基づいて排ガス流量調整弁２１２及び２１５の開度を制御することで、バーナ部２１０とガスポート部２２０へ供給される循環排ガス３９０の流量も同様に調節できる。
【００３０】
空気燃焼と比較して、酸素燃焼では、空気中の約８０％を占める窒素がボイラに供給されない。そのため、酸素燃焼方式は、主として空気中の窒素に由来する窒素酸化物（サーマルＮＯｘ）の発生が抑えられ、窒素酸化物の排出量が減少する。また、燃料中における大部分の炭素は燃焼によって二酸化炭素になるため、排ガスは高濃度の二酸化炭素ガスとなる。そのため、酸素燃焼方式は、空気燃焼方式のボイラ排ガスから二酸化炭素を冷却して回収する場合に必要となる二酸化炭素の濃縮工程が不要であり、二酸化炭素の回収に適したシステムとなる。
【００３１】
バーナ部がある火炉は、壁面全体を冷却すると共に燃焼ガスの熱を回収する水壁２３０と呼ばれる冷却壁がある。また、燃焼ガスと水を熱交換させ、高温蒸気を生成するために、ボイラには、節炭器２７０，１次過熱器２６０，２次過熱器２４０，３次過熱器２５０という熱交換器が配置されている。
【００３２】
ここで、水壁２３０，２次過熱器２４０，３次過熱器２５０は、火炉側に配置されている。そして、バーナ部２１０及びガスポート部２２０近傍（火炉）は燃焼により高温になるため、水壁２３０，２次過熱器２４０，３次過熱器２５０への熱伝達は対流伝熱よりも輻射伝熱の方が支配的になる。
【００３３】
一方、１次過熱器２６０及び節炭器２７０が配置された領域（後部伝熱面）では、ガス流れの上流側に位置する水壁２３０，２次過熱器２４０，３次過熱器２５０の熱吸収によってガス温度が低下するため、熱交換器への熱伝達は輻射伝熱よりも対流伝熱の方が支配的となる。
【００３４】
ただし、過熱器が設置されている位置や、伝熱面積によってこれらの特性はプラント毎に変化する。
【００３５】
図２は、ボイラに設けられた蒸気系統を抜き出した図である。ボイラ２００の熱交換器は、水・蒸気が流れる順に、節炭器，火炉水壁，過熱器（１次過熱器〜３次過熱器）に分けることが出来る。
【００３６】
ボイラ給水３２１は、ボイラ２００に設けられた節炭器２７０に導かれる。その後、水壁２３０，１次過熱器２６０，２次過熱器２４０，３次過熱器２５０の順に通って昇温され、主蒸気２５１となって蒸気タービン２８０へ供給される。蒸気タービンから排出された蒸気２８４は、復水器３００で水３２１に復水される。水３２１は給水ポンプ３１０によって給水加熱器３２０に供給され、加熱された水３２１が節炭器２７０に循環供給される。
【００３７】
本実施例の酸素燃焼方式ボイラでは、起動時に酸素製造装置３６０を駆動するための動力（電力）が得られないため、空気燃焼方式で起動させる必要がある。空気燃焼方式で起動する場合、循環排ガス流量調整弁３９１を閉じて、空気流量調整弁３９２を開くことによって、排ガスの代わりに空気３６３を供給する。このように、空気３６３の供給系統も備えることにより、空気を用いた燃焼も実施可能である。
【００３８】
ボイラの燃焼方式を空気燃焼方式から酸素燃焼方式に切替えると、窒素酸化物の排出量が減少し、排ガス中の二酸化炭素濃度が増加して、二酸化炭素の回収が容易になる。
【００３９】
一方、ボイラの燃焼方式を空気燃焼方式から酸素燃焼方式に切替えることにより、ボイラの水壁・過熱器などで生成された蒸気の温度，圧力，流量も変化する。ボイラは、温度・圧力レベルが異なる複数の熱交換器を組み合わせて熱回収する装置であり、熱交換器が配置されている位置によって耐久性を考慮して伝熱管の材料や肉厚などが決められている。そのため、水と蒸気の温度，圧力，流量を所定の値に制御することが重要である。
【００４０】
例えば、空気燃焼方式と酸素燃焼方式で伝熱管を流れる蒸気温度が変わる場合、伝熱管の過熱により管が損傷して運転できなくなる可能性もある。また、損傷に至らなくとも、材料の疲労速度が増して機器寿命が短くなるなどの問題が生じる可能性がある。
【００４１】
従って、いずれの燃焼方式であっても各熱交換器の設計許容温度範囲でボイラを運転する必要がある。しかし、空気燃焼方式とは異なり、酸素燃焼方式は排ガスを火炉内に循環させるため、火炉内の燃焼ガスにおける二酸化炭素や水分の濃度が非常に高くなる。そのため、空気燃焼方式と酸素燃焼方式において、燃焼ガスの比熱や密度，放射・吸収特性が大きく変化する。
【００４２】
図３（ａ）は、ボイラ２００を拡大した図である。ボイラ２００は火炉と後部伝面を備えている。火炉には、燃焼ガスを生成するために設けられたバーナ部２１０及びガスポート部２２０と、蒸気系統の一部である２次過熱器２４０及び３次過熱器２５０とを備える。また、後部伝面は火炉の下流側に設けられており、１次過熱器２６０と節炭器２７０を備える。
【００４３】
酸素燃焼方式では、燃料量に対する酸素量の割合は空気燃焼方式と同じにする必要がある。そこで、燃料量に対する酸素量の割合を調節するために、酸素に混合する循環排ガス３９０の流量を調節している。このように、循環排ガス３９０の流量調整をする場合、酸素濃度が低い条件ではガス比熱が空気燃焼方式よりも大きいため、火炉内の燃焼ガス温度が空気燃焼方式よりも低下する傾向がある。このため、図３（ｂ）に示したように、輻射伝熱が支配的な火炉において、火炉の熱吸収量が空気燃焼方式よりも低下する。一方、対流伝熱が支配的な後部伝面では、ガス比熱及びガス温度上昇の影響で、対流伝熱が促進されて後部伝面の熱吸収量が増加する。
【００４４】
図３（ｃ）に示すように、酸素濃度が高い条件では、火炉のガス温度が上昇するため火炉の熱吸収量が増加する。一方、後部伝面ではガス温度及びガス流速が低下するため、熱吸収量が減少する。
【００４５】
ここで、特許文献１に記載の運転方法は、循環排ガスの流量を制御している。即ち、伝熱特性が異なる輻射伝熱支配域（火炉部）と対流伝熱支配域（後部伝面）のそれぞれの熱吸収量または温度を所定の目標範囲に制御することは想定されていない。また、特許文献１ではボイラ入口の給水温度と出口の蒸気温度から求めたボイラ全体としての熱吸収量を目標値に近づけるように循環排ガス量を制御する方法である。そのため、伝熱特性が異なる火炉部と後部伝面の両部位の熱吸収量または蒸気温度についての対応は述べられていない。
【００４６】
図３（ｂ），（ｃ）に示すように、本発明は、酸素燃焼方式及び空気燃焼方式において、火炉部と後部伝面の伝熱特性が変化することにより、両部位で熱吸収量または温度が変化する点に着目したものである。そして、空気燃焼方式と酸素燃焼方式の両燃焼方式において、熱吸収量または蒸気温度を所定の範囲内に制御可能にするものである。
【００４７】
特に、輻射伝熱支配域である火炉は燃焼ガスにより高温になる部位であるため、その冷却壁である水壁２３０は十分な冷却性能が必要である。また、過熱器に乾き蒸気だけを供給する必要があるため、１次過熱器２６０へ流入する蒸気は、過熱度を十分確保する必要がある。過熱度とは、蒸気温度と飽和蒸気温度との差を表す。
【００４８】
また、水壁２３０の前段に位置する節炭器２７０は対流伝熱支配域に位置し、ボイラへの供給水３２１を加熱して昇温させる役割を有する。そして、節炭器２７０に乾き蒸気を供給することは想定されていない。そのため、節炭器２７０において水を昇温しすぎるとスチーミングが発生し、ウォーターハンマーによる騒音，伝熱管損傷の原因となる。また、水壁２３０の冷却能力が低下する恐れがある。
【００４９】
本実施例では、ボイラ内の蒸気系統において、水壁２３０の出口または過熱器の入口部と、節炭器２７０の出口部の温度を所定の目標範囲内におさめるように、ボイラ給水３２１の温度を制御する方法を説明する。なお、「過熱器の入口部」とは、ボイラの蒸気系統において給水加熱器３２０との距離が最も近い過熱器（蒸気系統の上流側）の入口部を指し、本実施例では１次過熱器２６０の入口部を意味する。
【００５０】
具体的には、スチーミング防止のため、節炭器２７０の出口における水温度と、この温度に対応する飽和水温度との差であるスチーミング裕度が予め定めた設定値以上であり、かつ、過熱器の入口部における蒸気温度と、この温度に対応する飽和蒸気温度との差である過熱度が予め定めた設定値以上になるように、ボイラ給水３２１の温度を設定する。
【００５１】
図４は、制御装置１００の基本的な制御回路図を示す。実際の制御回路はもっと複雑であるが、ここでは本発明に関係する部分のみについて説明する。
【００５２】
中央給電指令所５０からの負荷指令５１に基づいて、マスタ制御回路１１０はボイラ入力指令１１２を出力する。ボイラ入力指令１１２はボイラへ入力する各量の基本量であり、燃焼方式切替制御回路１２０，燃料制御回路１３０，給水制御回路１４０，空気制御回路１５０，発電制御回路１６０へ入力される。
【００５３】
燃料制御回路１３０はボイラ入力指令１１２に応じて燃料流量指令１３１を演算して出力する。同様に、給水制御回路１４０は給水流量指令１４１と給水温度設定値１４２を出力する。給水流量指令１４１は給水ポンプ３１０へ送られて流量が制御される。空気制御回路１５０はバーナ部２１０及びガスポート部２２０への空気または供給ガス量の流量指令を出力する。具体的には空気流量調整弁への開度指令１０６，循環排ガス流量調整弁３９１への開度指令１０７，バーナ部２１０及びガスポート部２２０への酸素流量調整弁２１１及び２１４への開度指令１０１及び１０３，バーナ部２１０及びガスポート部２２０への排ガス流量調整弁２１２及び２１５への開度指令１０２及び１０４である。発電制御回路１６０は主蒸気加減弁２５４への開度指令１０８を出力する。
【００５４】
これらの最終的な制御指令は、ボイラ入力指令１１２を入力として、予めプログラムされた関係を用いて基本指令値を決定するとともに、その基本指令値に、計測した温度，圧力，流量，発電機出力などの目標値との差に基づく補正信号を付加した値である。例えば、燃料流量指令１３１には、主蒸気２５１の温度を計測する温度計測器２５２からの計測値と主蒸気２５１の設定温度との差を小さくするように演算された補正信号を付加している。また、給水流量指令１４１には、主蒸気２５１の圧力計測値（図示していない）とその設定値との差を小さくするように演算された補正信号を付加している。
【００５５】
また、燃焼方式切替制御回路１２０は、酸素燃焼方式と空気燃焼方式との切替えに必要である。酸素燃焼方式のボイラでは、酸素製造装置３６０の動力は発電した電力から供給されるため、ボイラ起動時には酸素ガス３６２を供給できない。また、循環排ガス３９０も安定供給できないため、ボイラ起動時には空気燃焼方式となる。この時の空気，酸素，循環排ガスの各流量を制御する装置が燃焼方式切替制御回路１２０である。そして、燃焼方式切替制御回路１２０は、給水制御回路１４０と空気制御回路１５０に流量指令１２１を出力する。
【００５６】
図５は流量指令１２１の設定例を示す。ボイラ起動時には所定の負荷まで空気燃焼方式で運転した後、徐々に空気流量調整弁３９２を閉じて空気流量を減少させる。一方、循環排ガス流量調整弁３９１を開けて排ガスを供給すると共に、酸素流量調整弁２１１及び２１４を開いて酸素を供給することで、空気燃焼方式から酸素燃焼方式へ移行する。
【００５７】
その間、給水制御回路１４０では、燃焼方式切替制御回路１２０から受信した空気，酸素，循環排ガスの各流量指令１２１から酸素濃度を計算する。酸素濃度は合計ガス流量に対する酸素流量の割合として定義している。次に、予めプログラムされた酸素濃度に対する給水温度基準値を算出した後に補正し、給水温度設定値１４２を出力する。図６に酸素濃度と給水温度基準値の設定例を示す。本例では酸素濃度を基準にして給水温度を設定しているが、酸素量または循環ガス量を基準にすることもできる。また、空気，酸素ガス，循環排ガス量のうち少なくとも２つの量の割合を計算して、この割合を基準に給水温度を設定してもよい。
【００５８】
図８及び図９に本発明を適用した場合の効果を示す。図８と図９は、水または蒸気の圧力（横軸），比エンタルピ（縦軸），温度（等温度線）の関係を表した線図である。一点鎖線は飽和曲線であり、二点鎖線は各温度における等温度線である。空気燃焼方式と同じ給水温度に設定した場合の節炭器入口，水壁入口，過熱器入口などの蒸気条件を白抜きの丸（○）で示し、本発明により給水温度の設定値を変更した場合の給水条件を黒丸（●）で示している。
【００５９】
給水温度変更前では、過熱器の入口における蒸気温度と飽和曲線上の飽和温度との差（過熱度ａ）は比較的余裕があるため、過熱器に湿り蒸気が流入することを抑制することができる。一方、水壁入口における水温度と飽和曲線上の飽和温度との差（スチーミング裕度ａ）は、過熱度ａに比べて余裕が少ない。そのため、火炉上流側の節炭器において水が蒸発する可能性があった。そこで本発明では、酸素燃焼方式において●で示した給水条件のように、節炭器入口における給水温度を下げることで、水壁入口の水温度も低下させ、スチーミング裕度ａを裕度ｂのように拡大することができる。このように、スチーミング裕度ｂとすることで、節炭器において水が蒸発することを抑制することが可能である。
【００６０】
一方、図９では、給水温度変更前の過熱度ａは余裕が少なく、スチーミング裕度ａには余裕がある場合を示す。この場合、節炭器入口における給水温度設定値を上昇させることで、過熱度ａを過熱度ｂまで拡大することができる。このように過熱度に余裕を持たせることで、過熱器に湿り蒸気が流入することを抑制することが可能である。
【００６１】
以上のように、空気燃焼方式から酸素燃焼方式に切替えたことによって、スチーミング裕度または過熱度が減少した場合にも、ボイラに供給する給水温度の設定値を変更することにより、節炭器及び過熱器に供給する水及び蒸気を制約条件の範囲内で運転することが可能になる。
【００６２】
図６の例では、酸素濃度の増加に伴って給水温度の基準値が減少するように設定してある。酸素濃度が上昇すると、バーナ部２１０とガスポート部２２０近傍の燃焼ガス温度が上昇するため、水壁２３０での熱吸収量が増加する。そして、１次過熱器２６０の入口における蒸気温度が上昇して過熱度が増加する。そのため、節炭器２７０に供給する水の給水温度を下げることによって、水壁２３０へ入る水の温度を下げ、１次過熱器入口における蒸気温度も下がるため、過熱度を所定の範囲に維持することが出来る。
【００６３】
熱吸収の特性はボイラやプラント毎に異なるため、図６に示した関係に限定するものではない。対象プラントの特性に適するように設定することができる。
【００６４】
図７は、制御装置１００の内部に設けられた給水制御回路１４０の機能を詳細に示した図である。図７に示すように、１次過熱器入口における過熱度を計算して、比例・積分制御によって給水温度基準値１４４ａを補正する補正回路４００を設けることもできる。
【００６５】
給水制御回路１４０には、給水温度を設定する給水温度基準値演算回路１４４と、設定された給水温度基準値を補正する補正回路４００とを備えている。また、補正回路４００には、過熱度計算回路１４５，過熱度目標値設定回路１４６，比例・積分制御器１４７を備えている。
【００６６】
給水温度基準値演算回路１４４はボイラ入力指令１１２と流量指令１２１を入力として、ボイラ入力指令１１２に応じた給水温度基準値１４４ａを出力する。給水温度基準値演算回路１４４には複数のボイラ入力指令１１２及び流量指令１２１に対して図６に示す酸素濃度と給水温度設定値の関係式が予め複数準備されている。そして、入力されたボイラ入力指令１１２に対する酸素濃度と給水温度設定値の関係を予め準備された関係式から補間して求めている。このように、流量指令１２１によって算出される酸素ガス，循環排ガス，空気の流量比に基づいて給水温度を設定するため、空気燃焼方式から酸素燃焼方式に切替えた場合にもボイラ内の熱交換器を流れる水と蒸気の温度を所定の許容範囲内に制御することが可能となる。そして、酸素燃焼方式ボイラを起動する際にも、安定かつ安全な運転が可能であり、機器寿命と稼働率の低下を抑制できる。
【００６７】
過熱度計算回路１４５では、１次過熱器入口における蒸気温度２３３と蒸気圧力２３４から蒸気表のデータを参照して飽和蒸気温度を計算し、飽和蒸気温度と蒸気温度（測定値）２３３との差を演算して過熱度１４５ａを出力する。過熱度目標値設定回路１４６では、予めプログラムされ、ボイラ入力指令１１２と過熱度目標との関係を参照して、過熱度目標値１４６ａを出力する。
【００６８】
過熱度目標値１４６ａと過熱度１４５ａの差１４７ａが計算され、これが比例・積分制御器１４７の入力となる。比例・積分制御器１４７の出力１４７ｂは給水温度基準値の補正値となる。図６に示した関係に基づいて、給水温度基準値演算回路１４４で算出した給水温度基準値１４４ａは、前述の補正値を加算して給水温度設定値１４２となる。
【００６９】
このように、過熱器入口の蒸気温度と飽和蒸気温度との差に基づき、過熱度に余裕を持たせるよう給水温度を制御することにより、過熱器（１次過熱器〜３次過熱器）に湿り蒸気が流入することを抑制することができる。
【００７０】
同様な方法で、節炭器出口におけるスチーミングを防止するため、節炭器出口における水温及び圧力から計算する飽和水温度と水温との差（スチーミング裕度）を基準として給水温度基準値を補正する補正回路を設けてもよい。これにより、最初に設定した酸素濃度と給水温度設定値との関係を実際の運転状態に応じて動的に調整できるようになり、温度制御性が向上する。また、各熱交換器を流れる水と蒸気温度を熱交換器の許容温度に抑えることで、機器寿命を延ばし、伝熱管の損傷を防ぐことが可能である。そして、火炉水壁部の冷却能力低下を防ぐと共に、連絡管におけるウォーターハンマー現象による騒音を抑制できる。
【００７１】
そして、既存の空気燃焼方式ボイラの伝面構成を変更することなく、酸素燃焼方式へ転換できるため既存設備を有効活用することが可能である。
【００７２】
１次過熱器入口における過熱度、または節炭器出口におけるスチーミング裕度が所定の範囲内であれば良い場合、この範囲内では給水温度の補正制御を機能させないようにしても良い。その場合、過熱度又はスチーミング裕度が所定の裕度より少なくなった場合にのみ給水温度の補正制御を働かせてもよい。
【００７３】
もちろん、１次過熱器入口における過熱度と、節炭器出口におけるスチーミング裕度のうち、どちらか一方に制約条件を設けて、その制約条件の範囲内で他方を目標値に近づけるように給水温度基準値を補正することもできる。
【００７４】
また、１次過熱器入口における過熱度や節炭器出口におけるスチーミング裕度の代わりに、水壁２３０や節炭器２７０または他の熱交換器の熱吸収量，水または蒸気温度や伝熱管温度を条件にして給水温度基準値を補正してもよい。
【００７５】
図２に示す例では、ボイラ給水３２１の流量を流量計３２３で、水または蒸気の温度を図２に示す位置において温度計３２２，２７２，２３２，２６２，２４２，２５２でそれぞれ計測している。これらの計測値３２４，３２３，２７３，２３３，２６３，２４３，２５３は制御装置１００に送られ、制御装置１００で流量と温度の変化から各部の熱吸収量が計算でき、これらの値を給水温度基準値の補正条件にしてもよい。
【００７６】
特に石炭を燃料とする場合は、石炭の性状によって、熱吸収特性が変わることが考えられる。石炭はその種類によって、組成や性状が異なる。例えば、石炭中可燃分の固体成分と揮発成分との比である燃料比が異なる場合、揮発成分は固体成分に比べて早く燃焼し易い性質を持つ。このため、揮発成分が多い石炭（低燃料比炭）の場合、バーナ付近での発熱量が多く水壁２３０への熱吸収が多くなる。逆に固体成分が多い（高燃料比炭）場合、燃焼ガス流れの下流側に高温域ができるため、低燃料比炭に比べると水壁２３０への熱吸収が少なくなる可能性がある。
【００７７】
また、灰成分の性状、特に融点の違いによっても、熱吸収特性が変化することが考えられる。これは、水壁面または伝熱管に灰が付着すると伝熱量が低下するためである。水壁２３０への灰付着が多い場合は、水壁２３０の熱吸収量が減少し、過熱器出口の蒸気温度が低下して過熱度が減少する可能性がある。
【００７８】
このように、石炭の性状、特に燃料比，灰の融点などの灰付着に関する性質が熱吸収に影響するため、これらの種類に応じて給水温度基準値１４４ａに補正量を付加する機能を給水制御回路１４０に設けてもよい。この場合は、使用する石炭の銘柄，石炭組成，燃料比，灰融点，灰組成などの情報を入力して、その情報を給水制御回路１４０に入力する。
【００７９】
以上のようにして決定された給水温度設定値１４２に近づくように、給水温度を制御する方法について説明する。
【００８０】
図２に示すように、給水加熱器３２０の加熱源となるタービン抽気２８２は、タービンの軸方向において３箇所の異なる位置から抽気されている。そして、制御装置１００内の給水温度制御回路１４３から出力される抽気量指令値１０５に基づいて、流量調整弁２８１ａ，２８１ｂ，２８１ｃの開度を制御することによって抽気蒸気の温度と流量を調節することができる。抽気量指令値１０５は給水制御回路１４０で決定した給水温度設定値１４２と給水温度計測器３２２で測定した給水温度３２３が一致するように、抽気位置と抽気流量を決定する信号である。
【００８１】
給水温度制御回路では、給水温度設定値１４２に応じて抽気位置が予め決められており、それに対応した抽気位置が選択される。抽気量は、給水温度設定値１４２と給水温度３２３が一致するように比例・積分制御で抽気流量調整弁２８１ａ〜２８１ｃの弁開度が制御される。
【００８２】
これにより、給水加熱器３２０で加熱されたボイラ給水３２１の温度を、給水制御回路１４０で決定した給水温度設定値１４２に調整することができる。
【００８３】
以上のように本発明によれば、ボイラを空気燃焼方式から酸素燃焼方式に切替えて運用しても、ボイラ伝熱面の構成や伝熱面積を変更することなく、火炉部と後部伝熱面の水及び蒸気温度を運転上適正な範囲に維持することができる。特に温度管理として重要である、過熱器入口における過熱度と節炭器出口におけるスチーミング裕度が適切に調整できるため、プラント運転の安全性向上と機器寿命の延長が期待できる。
【００８４】
そのため、空気燃焼方式で起動し、所定の負荷以上では酸素燃焼方式へ切替えるボイラプラントが安全かつ安定に運転できるようになる。また、空気燃焼方式の既存のボイラプラントを酸素燃焼方式に転換する際にも、ボイラ内部の伝熱面構造を改造することなく運転が可能になるため、既存の設備を有効に活用できる。
【００８５】
このように、ボイラを酸素燃焼方式で運転することが可能になると、排ガス中の二酸化炭素の分離・回収が容易になる。そのため、温暖化ガスの排出量が比較的多かった火力発電プラントでも大幅に二酸化炭素排出量が削減でき、地球温暖化の抑制に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の実施形態に係るボイラプラントの構成を説明する図である。
【図２】実施例における蒸気系統と温度計測点，タービン抽気指令の関係を説明する図である。
【図３】実施例における酸素濃度と熱吸収特性の例を説明する図である。
【図４】本発明の主要な制御回路の構成を説明する図である。
【図５】燃焼方式切替時のガス流量の設定例を説明する図である。
【図６】酸素濃度に対する給水温度の設定例を説明する図である。
【図７】制御装置に設けられた給水制御回路の構成を示す図である。
【図８】節炭器に供給された水がボイラ出口に排出される過程において、スチーミング裕度を広げた場合の図である。
【図９】節炭器に供給された水がボイラ出口に排出される過程において、過熱度を広げた場合の図である。
【符号の説明】
【００８７】
５０  中央給電指令所
１００  制御装置
１０１，１０２，１０３，１０４  開度指令
１０５  抽気量指令値
１０６，１０７，１０８  開度指令
１２０  燃焼方式切替制御回路
１２１  流量指令
１４０  給水制御回路
１４１  給水流量指令
１４２  給水温度設定値
１４３  給水温度制御回路
２００  ボイラ
２１０  バーナ部
２１１，２１４  酸素流量調整弁
２１２，２１５  排ガス流量調整弁
２２０  ガスポート部
２３０  水壁
２４０  ２次過熱器
２５０  ３次過熱器
２６０  １次過熱器
２７０  節炭器
２８０  蒸気タービン
２９０  発電機
３００  復水器
３１０  給水ポンプ
３２０  給水加熱器
３３０  ガス予熱器
３４０  排ガス処理装置
３５０  ＣＯ2回収装置
３６０  酸素製造装置
３７０  煙突
３８０  排ガス
３９０  循環排ガス
３９１  循環排ガス流量調整弁
３９２  空気流量調整弁
【図１】
2010032173.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010032173.tif 000007
【図６】
2010032173.tif 000008
【図７】
2010032173.tif 000009
【図８】
2010032173.tif 000010
【図９】
2010032173.tif 000011