(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電プラントを最適化するための制御システムであって、
入力信号を受信する入力部及び出力信号を出力する出力部を有するケミカルループと、
前記ケミカルループに動作可能に接続され、複数のファジー制御器を備えた階層的ファジー制御システムと、
を備え、
前記階層的ファジー制御システムが、前記出力信号を受信し、前記受信した出力信号に基づいて前記入力信号を最適化し、最適化した入力信号を前記ケミカルループの前記入力部へ出力して、ケミカルループのプロセスを最適に制御し、
前記ケミカルループが、カルシウム系ケミカルループ及び金属酸化物系ケミカルループのうちの１つを含み、
前記発電プラントが、単一ループケミカルルーピングプラント、複数ループケミカルルーピングプラント、使用又は隔離のためにＣＯ２を捕捉するケミカルルーピングベースのプラント、及びＣＯ２対応のケミカルルーピングベースのプラントのうちの１つを含み、 前記階層的ファジー制御システムが、前記ケミカルループの固体フローを最適化する、制御システム。
【請求項２】
前記入力信号には、バルブ位置、燃料流量、空気流量、水流量、吸着剤流量、石灰石流量、蒸気流量、並びに、前記燃料流量、前記空気流量、前記石灰石流量及び前記蒸気流量のうちの少なくとも２つの比、のうちの少なくとも１つが含まれ、
前記出力信号には、発電率、負荷需要、固体在庫、固体輸送速度、再循環固体輸送速度、クロスオーバー固体輸送速度、反応器温度、ループ温度、層温度、発熱率、反応器圧力、反応器差圧、ライザ差圧、シール差圧、ディップレッグ差圧、クロスオーバーレッグ差圧、ＣＯ２流量、ＣＯ２利用量、ＣＯ２捕捉量、ＣＯ２貯蔵量、ＣＯ２隔離量、Ｈ２流量、Ｎ２流量及び合成ガス流量のうちの少なくとも１つが含まれる、請求項１記載の制御システム。
【請求項３】
前記階層的ファジー制御システムが、前記複数のファジー制御器の各ファジー制御器に動作可能に接続されたグローバルファジー制御器をさらに備える、請求項１記載の制御システム。
【請求項４】
前記複数のファジー制御器が、
前記グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第１ファジー制御器と、
前記グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第２ファジー制御器と、
前記グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第３ファジー制御器と、
前記グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第４ファジー制御器と、
を備え、
前記グローバルファジー制御器が、前記第１ファジー制御器、前記第２ファジー制御器、前記第３ファジー制御器及び前記第４ファジー制御器の動作を制御し、
前記第１ファジー制御器、前記第２ファジー制御器、前記第３ファジー制御器及び前記第４ファジー制御器のうちの少なくとも１つが、前記出力信号を受信し、前記受信した出力信号に基づいて前記入力信号を最適化し、前記最適化した入力信号を前記ケミカルループの前記入力部へ出力する、請求項３記載の制御システム。
【請求項５】
前記出力信号が反応器差圧を含み、
前記入力信号がバルブ位置を含み、
前記第１ファジー制御器、前記第２ファジー制御器、前記第３ファジー制御器及び前記第４ファジー制御器のうちの少なくとも１つが、前記差圧を受信し、前記受信した差圧に基づいて前記バルブ位置を最適化し、前記最適化したバルブ位置を前記ケミカルループの前記入力部へ出力する、請求項４記載の制御システム。
【請求項６】
発電プラントを最適化するための制御システムであって、
第１入力信号を受信する第１入力部及び第１出力信号を出力する第１出力部を有する第１ケミカルループであり、
少なくとも第１入口及び第１出口を有する第１反応器、
前記第１反応器の前記第１出口に動作可能に接続された第１分離器、
前記第１分離器と前記第１反応器の前記第１入口との間に配置される第１シールポット制御バルブを含む第１ケミカルループと、
前記第１ケミカルループに動作可能に接続され、複数のファジー制御器を有する階層的ファジー制御システムと、
を備え、
前記階層的ファジー制御システムが、前記出力信号を受信し、前記受信した出力信号に基づいて前記入力信号を最適化し、最適化した入力信号を前記ケミカルループの前記入力部へ出力して、ケミカルループのプロセスを最適に制御し、
前記階層的ファジー制御システムが、前記ケミカルループの固体フローを最適化する、制御システム。
【請求項７】
前記第１ケミカルループが、カルシウム系ケミカルループ及び金属酸化物系ケミカルループのうちの１つを含む、請求項６記載の制御システム。
【請求項８】
前記発電プラントが、単一ループケミカルルーピングプラント、複数ループケミカルルーピングプラント、使用又は隔離のためにＣＯ２を捕捉するケミカルルーピングベースのプラント、及びＣＯ２対応のケミカルルーピングベースのプラントのうちの１つを含む、請求項６記載の制御システム。
【請求項９】
前記第１入力信号には、バルブ位置、燃料流量、空気流量、水流量、吸着剤流量、石灰石流量、蒸気流量、並びに、前記燃料流量、前記空気流量、前記石灰石流量及び前記蒸気流量のうちの少なくとも２つの比、のうちの少なくとも１つが含まれ、
前記第１出力信号には、発電率、負荷需要、固体在庫、固体輸送速度、再循環固体輸送速度、クロスオーバー固体輸送速度、反応器温度、ループ温度、層温度、発熱率、反応器圧力、反応器差圧、ライザ差圧、シール差圧、ディップレッグ差圧、クロスオーバーレッグ差圧、ＣＯ２流量、ＣＯ２利用量、ＣＯ２捕捉量、ＣＯ２貯蔵量、ＣＯ２隔離量、Ｈ２流量、Ｎ２流量及び合成ガス流量のうちの少なくとも１つが含まれる、請求項６記載の制御システム。
【請求項１０】
前記階層的ファジー制御システムが、前記複数のファジー制御器の各ファジー制御器に動作可能に接続されたグローバルファジー制御器をさらに備える、請求項６記載の制御システム。
【請求項１１】
前記複数のファジー制御器が、
前記グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第１ファジー制御器と、
前記グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第２ファジー制御器と、
前記グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第３ファジー制御器と、
前記グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第４ファジー制御器と、
を備え、
前記グローバルファジー制御器が、前記第１ファジー制御器、前記第２ファジー制御器、前記第３ファジー制御器及び前記第４ファジー制御器の動作を制御し、
前記第１ファジー制御器、前記第２ファジー制御器、前記第３ファジー制御器及び前記第４ファジー制御器のうちの少なくとも１つが、前記出力信号を受信し、前記受信した出力信号に基づいて前記入力信号を最適化し、最適化した入力信号を前記ケミカルループの前記入力部へ出力する、請求項１０記載の制御システム。
【請求項１２】
前記出力信号が反応器差圧を含み、
前記入力信号がバルブ位置を含み、
前記第１ファジー制御器、前記第２ファジー制御器、前記第３ファジー制御器及び前記第４ファジー制御器のうちの少なくとも１つが、前記差圧を受信し、前記受信した差圧に基づいて前記バルブ位置を最適化し、最適化したバルブ位置を前記ケミカルループの前記入力へ出力する、請求項１１記載の制御システム。
【請求項１３】
第２入力信号を受信する第２入力部と、第２出力信号を出力する第２出力部を有する第２ケミカルループであって、
少なくとも第２入口及び第２出口を有する第２反応器、
前記第２反応器の前記第２出口に動作可能に接続された第２分離器、
前記第２分離器と前記第２反応器の前記第２入口との間に配置される第２シールポット制御バルブを含む第２ケミカルループと、
前記第１ケミカルループの前記第１シールポット制御バルブ及び前記第２ケミカルループの前記第２反応器の前記第２入口と流体連通している第１クロスオーバーレッグと、
前記第２ケミカルループの前記第２シールポット制御バルブ及び前記第１ケミカルループの前記第１反応器の前記第１入口と流体連通している第２クロスオーバーレッグと、
をさらに備えており、
前記階層的ファジー制御システムが、さらに、前記第２出力信号を受信し、前記受信した第２出力信号に基づいて前記第２入力信号を最適化し、最適化した第２入力信号を前記第２ケミカルループの前記入力部へ出力して、第２ケミカルループのプロセスを最適に制御し、
前記階層的ファジー制御システムが、前記第１ケミカルループ内の再循環固体フロー、前記第１ケミカルループから前記第２ケミカルループへ前記第１クロスオーバーレッグを介したクロスオーバー固体フロー、前記第２ケミカルループ内の再循環固体フロー、及び前記第２ケミカルループから前記第１ケミカルループへ前記第２クロスオーバーレッグを介したクロスオーバー固体フローのうちの少なくとも１つを最適化する、請求項６記載の制御システム。
【請求項１４】
前記第１出力信号が反応器差圧を含み、
前記第１入力信号がバルブ位置を含む、請求項６記載の制御システム。
【請求項１５】
発電プラントを最適化するための制御システムであって、
第１入力信号を受信する第１入力部及び第１出力信号を出力する第１出力部を有する第１ケミカルループであり、
少なくとも第１入口及び第１出口を有する第１反応器、
前記第１反応器の前記第１出口に動作可能に接続された第１分離器、
前記第１分離器と前記第１反応器の前記第１入口との間に配置される第１シールポット制御バルブを含む第１ケミカルループと、
第２入力信号を受信する第２入力部及び第２出力信号を出力する第２出力部を有する第２ケミカルループであり、
少なくとも第２入口及び第２出口を有する第２反応器、
前記第２反応器の前記第２出口に動作可能に接続された第２分離器、
前記第２分離器と前記第２反応器の前記第２入口との間に配置される第２シールポット制御バルブを含む第２ケミカルループと、
前記第１ケミカルループの前記第１シールポット制御バルブ及び前記第２ケミカルループの前記第２反応器の前記第２入口と流体連通している第１クロスオーバーレッグと、
前記第２ケミカルループの前記第２シールポット制御バルブ及び前記第１ケミカルループの前記第１反応器の前記第１入口と流体連通している第２クロスオーバーレッグと、
グローバルファジー制御器、
前記グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第１ファジー制御器、
前記グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第２ファジー制御器、
前記グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第３ファジー制御器、
前記グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第４ファジー制御器を含む階層的ファジー制御システムと、
を備え、
前記グローバルファジー制御器が、前記第１ファジー制御器、前記第２ファジー制御器、前記第３ファジー制御器及び前記第４ファジー制御器の動作を制御し、
前記第１ファジー制御器、前記第２ファジー制御器、前記第３ファジー制御器及び前記第４ファジー制御器のうちの少なくとも１つが、前記第１又は第２出力信号を受信し、前記受信した第１又は第２出力信号に基づいて前記第１又は第２入力信号を最適化し、最適化した前記第１又は第２入力信号を前記第１又は第２ケミカルループへ出力し、
前記階層的ファジー制御システムが、前記第１ケミカルループ内の再循環固体フロー、前記第１ケミカルループから前記第２ケミカルループへ前記第１クロスオーバーレッグを介したクロスオーバー固体フロー、前記第２ケミカルループ内の再循環固体フロー、及び前記第２ケミカルループから前記第１ケミカルループへ前記第２クロスオーバーレッグを介したクロスオーバー固体フローのうちの少なくとも１つを最適化する、制御システム。
【請求項１６】
前記発電プラントが、カルシウム系単一ループケミカルルーピングプラント、カルシウム系複数ループケミカルルーピングプラント、使用又は隔離のためにＣＯ２を捕捉するカルシウム系ケミカルルーピングベースのプラント、ＣＯ２対応のカルシウム系ケミカルルーピングベースのプラント、金属酸化物系単一ループケミカルルーピングプラント、金属酸化物系複数ループケミカルルーピングプラント、使用又は隔離のためにＣＯ２を捕捉する金属酸化物系ケミカルルーピングベースのプラント、又は、ＣＯ２対応の金属酸化物系ケミカルルーピングベースのプラントを含み、
前記入力信号には、バルブ位置、燃料流量、空気流量、水流量、吸着剤流量、石灰石流量、蒸気流量、並びに、前記燃料流量、前記空気流量、前記石灰石流量及び前記蒸気流量のうちの少なくとも２つの比、のうちの少なくとも１つが含まれ、
前記出力信号には、発電率、負荷需要、固体在庫、固体輸送速度、再循環固体輸送速度、クロスオーバー固体輸送速度、反応器温度、ループ温度、層温度、発熱率、反応器圧力、反応器差圧、ライザ差圧、シール差圧、ディップレッグ差圧、クロスオーバーレッグ差圧、ＣＯ２流量、ＣＯ２利用量、ＣＯ２捕捉量、ＣＯ２貯蔵量、ＣＯ２隔離量、Ｈ２流量、Ｎ２流量合成ガス流量のうちの少なくとも１つが含まれる、請求項１５記載の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、制御及び最適化システムに関し、特に、循環流動層システム又はケミカルルーピングシステムにおける固体輸送のための階層的ファジー論理制御及び最適化システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流動層燃焼（ＦＢＣ）は、発電プラントにおいて主に固形燃料を燃焼させるために用いられる燃焼技術である。ＦＢＣ発電プラントは、各種燃料に加え、石炭、ぼた又はバイオマスを燃料として発電を行うことができるという点で、従来のプラントに比べて柔軟性が高い。一般に、ＦＢＣ発電プラントは、外部排気規制手段（スクラバーなど）を用いずに汚染物質の排出を規制することが可能な燃焼プロセスを見つけ出す取り組みから発展してきた。ＦＢＣ発電プラントの汚染物質の排出量は従来の燃焼プラントに比べて低いが、汚染物質の排出量をさらに低いレベルへと軽減するよう常に継続的な努力が行われている。
【０００３】
一方、ケミカルルーピング（ＣＬ）もまた、石炭、ぼた、バイオマス及びその他の機会燃料などの燃料を燃焼させる電力発電プラントにおいて利用可能な燃焼技術の１つである。ＣＬプロセスは既存の、もしくは新しい発電プラントにおいての実施が可能で、様々な利点のうちで、プラントサイズの縮小、排気削減及びプラントの運営効率の向上という点での改善が期待できる。
【０００４】
代表的なＣＬシステムでは、高温プロセスを利用することによって、例えばカルシウム系又は金属系化合物などの固体が酸化装置と呼ばれる第１反応器と、還元装置と呼ばれる第２反応器との間で「ループ」される。酸化装置では、酸化装置に注入された空気中の酸素が酸化反応によって固体に捕捉される。その後、捕捉された酸素は、酸化固体によって還元装置へと運ばれ、例えば石炭などの燃料の燃焼及び／又はガス化に用いられる。還元装置において還元反応が行われた後、捕捉された酸素を有さなくなった固体は、酸化装置に戻され、再度酸化される。そして、このサイクルを繰り返す。
【０００５】
ＣＬプロセスは、例えば従来の循環流動層（ＣＦＢ）プラントなどの他のプラントのプロセスよりも複雑である。特に、ＣＬプロセスにおける循環固体の制御には、従来のプラントでは必要とされないマルチループ相互フロー及び在庫管理が必要となる。そのため、従来のプラント制御がＣＬプロセスに適用されると、各ＣＬループに対して別々の制御ループが生じてしまう。しかしながら、正確な制御には個々のループ間のパラメータを協調制御することが必要であることから、各ＣＬループに対して別々の制御ループを用いることは効率的ではなく、ＣＬプロセス性能の最適化にはつながらない。ＣＬプロセス全体の性能を最適化するには、ＣＬプロセスの各ループの変数間の相互作用を考慮に入れなければならない。例えば、ループ間の固体フローは、その固体フローに関連する非線形相関変数の数が多いことから、特に制御が難しい。具体的には、例えば、複数ループＣＬベースのプラントのループ間で振動結合を行うと、フローが分断され、その固体在庫制御が困難となる。また、クロスオーバーフローは、逆ループの主要なフロー、例えば、再循環フローと相互作用するので、各ループによる固体輸送の全体制御が複雑になる。
【０００６】
これまでに開発された制御及び最適化ツールは、従来の燃焼発電プラントを制御及び最適化することに重点が置かれている。そのため、これらのツールは、複雑なプラント運転の包括的制御及び最適化よりむしろ非常に特異的で局所的な問題を解決することに焦点を合わせてきた。
【０００７】
前述の問題克服に供するため、ファジー集合論（ファジー論理）に基づく従来のプロセス制御を用いた制御システムが開発されている。ファジー集合論は、人間の思考や意思決定に似た「大ざっぱな」推論プロセスを模倣したルールベース意思決定に基づくものである。しかしながら、従来のファジー集合論制御システムは、ルールの数があまりに多すぎるとファジー論理意思決定プロセスに過度な負担がかかり、ファジー論理を用いることの利点が事実上排除されてしまうことから、記憶可能なルールの数が限られている。例えば、前述のＣＬベースの発電プラントや、特に、マルチループのＣＬベースの発電プラントに見られるように、発電プラントのデザインの進化やそのプロセスの複雑化に伴って、関連する変数の数が劇的に増加している。その結果、許容できないほどの数のルールが必要となるので、従来のファジー集合論制御システムは、ＣＬベースの発電プラントの、例えば固体輸送などの特定のプロセスを最適に又は効率的に制御することができなくなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そのため、例えば、ＣＦＢシステム又はＣＬシステムにおいて前述の欠点を克服する固体輸送のための制御及び最適化システムの開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書に説明する態様によれば、発電プラントを最適化するための制御システムが提供される。制御システムは、入力信号を受信する入力部と、出力信号を出力する出力部を有するケミカルループと、ケミカルループに動作可能に接続された階層的ファジー制御システムとを備えている。階層的ファジー制御システムは、複数のファジー制御器を備えている。また、階層的ファジー制御システムは、出力信号を受信し、受信した出力信号に基づいて入力信号を最適化し、最適化した入力信号をケミカルループの入力部へ出力して、ケミカルループのプロセスを最適に制御する。前記ケミカルループは、カルシウム系ケミカルループ及び金属酸化物系ケミカルループのうちの１つを含み、前記発電プラントは、単一ループケミカルルーピングプラント、複数ループケミカルルーピングプラント、使用又は隔離のためにＣＯ２を捕捉するケミカルルーピングベースのプラント、及びＣＯ２対応のケミカルルーピングベースのプラントのうちの１つを含む。前記階層的ファジー制御システムは、ケミカルループの固体フローを最適化する。
【００１０】
本明細書に説明する他の態様によれば、発電プラントを最適化するための制御システムは、第１入力信号を受信する第１入力部と、第１出力信号を出力する第１出力部を有する第１ケミカルループと、第１ケミカルループに動作可能に接続され、複数のファジー制御器を有する階層的ファジー制御システムとを備えている。第１ケミカルループは、少なくとも第１入口及び第１出口を有する第１反応器と、第１反応器の第１出口に動作可能に接続された第１分離器と、第１分離器と第１反応器の第１入口との間に配置される第１シールポット制御バルブとを備えている。また、階層的ファジー制御システムは、出力信号を受信し、受信した出力信号に基づいて入力信号を最適化し、最適化した入力信号をケミカルループの入力部へ出力して、ケミカルループのプロセスを最適に制御する。前記階層的ファジー制御システムは、ケミカルループの固体フローを最適化する。
【００１１】
本明細書に説明するさらに他の態様によれば、発電プラントを最適化するための制御システムは、第１入力信号を受信する第１入力部と、第１出力信号を出力する第１出力部を有する第１ケミカルループを備えている。第１ケミカルループは、少なくとも第１入口及び第１出口を有する第１反応器と、第１反応器の第１出口に動作可能に接続された第１分離器と、第１分離器と第１反応器の第１入口との間に配置される第１シールポット制御バルブとを備えている。
【００１２】
上記制御システムは、さらに、第２入力信号を受信する第２入力部と、第２出力信号を出力する第２出力部を有する第２ケミカルループを備えている。第２ケミカルループは、少なくとも第２入口及び第２出口を有する第２反応器と、第２反応器の第２出口に動作可能に接続された第２分離器と、第２分離器と第２反応器の入口との間に配置される第２シールポット制御バルブとを備えている。制御システムは、さらに、第１ケミカルループの第１シールポット制御バルブ及び第２ケミカルループの第２反応器の入口と流体連通している第１クロスオーバーレッグと、第２ケミカルループの第２シールポット制御バルブ及び第１ケミカルループの第１反応器の入口と流体連通している第２クロスオーバーレッグと、階層的ファジー制御システムとを備えている。
【００１３】
上記階層的ファジー制御システムは、グローバルファジー制御器と、グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第１ファジー制御器と、グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第２ファジー制御器と、グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第３ファジー制御器と、グローバルファジー制御器に動作可能に接続された第４ファジー制御器とを備えている。上記グローバルファジー制御器は、第１ファジー制御器、第２ファジー制御器、第３ファジー制御器、第４ファジー制御器の動作を制御する。第１ファジー制御器、第２ファジー制御器、第３ファジー制御器、第４ファジー制御器のうちの少なくとも１つは、第１又は第２出力信号を受信し、受信した第１又は第２出力信号に基づいて第１又は第２入力信号を最適化し、最適化した第１又は第２入力信号を第１又は第２ケミカルループへ出力する。
【００１４】
上記階層的ファジー制御システムは、第１ケミカルループ内の再循環固体フロー、第１ケミカルループから第２ケミカルループへ第１クロスオーバーレッグを介したクロスオーバー固体フロー、第２ケミカルループ内の再循環固体フロー、第２ケミカルループから第１ケミカルループへ第２クロスオーバーレッグを介したクロスオーバー固体フローのうちの少なくとも１つを最適化する。
【００１５】
上記及び他の特徴は、以下の図及び詳細な説明によって例示される。
【００１６】
次に、例示的な実施形態である図面について説明する。これらの図面中では、類似した構成要素には同じ番号が付与されている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ＣＬ燃焼ベースの蒸気発電プラントのブロック図である。
【図２】ＣＬシステムの相互に接続された２つのループのブロック図である。
【図３】単一のファジー論理制御器のブロック図である。
【図４】階層的ファジー論理制御システムのブロック図である。
【図５】ＣＬシステムと共に用いられる階層的ファジー論理制御システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本明細書は、階層的ファジー論理制御及び最適化システムを開示する。例示的実施形態における階層的ファジー論理制御及び最適化システムは、具体的にはケミカルルーピング（ＣＬ）ベースの発電プラントのデュアルループＣＬシステムにおける固体輸送を最適に制御するために利用される。しかしながら、代替的な例示的実施形態はそれに限定されるものではない。例えば、階層的ファジー論理制御及び最適化システムは、循環流動層（ＣＦＢ）システムにおいて利用されてもよく、あるいは、単一又は複数の（例えば２つ以上の）ループＣＬシステムにおいて利用されてもよい。
【００１９】
図１を参照すると、図示のＣＬシステム５は、参照により本書に組み込まれる米国特許第７,０８３,６５８号に記載のものと類似している。ＣＬシステム５は、第１反応器１０、例えば還元装置１０と、第２反応器２０、例えば酸化装置２０とを備えている。空気３０を酸化装置２０に供給し、石灰石などのカルシウム（Ｃａ）４０をそこで酸化して酸化カルシウム（ＣａＯ）５０を生成する。そして、そのＣａＯ５０は、分離器５２とシールポット制御バルブ（ＳＰＣＶ）５５とを介して還元装置１０に供給され、還元装置１０に供給された燃料６０（例えば石炭６０など）に酸素を届けるキャリアとしての機能を果たす。その結果、還元装置１０に送られた酸素は、還元装置１０内の石炭６０と相互作用し、その後、還元後の酸化カルシウムは酸化装置２０に戻され、ＣａＯ５０へと再酸化される。そして、上記サイクルを繰り返す。
【００２０】
酸化中に空気３０から抽出された窒素ガス（Ｎ２）７０などの酸化ガス７０、及び酸化中に発生する熱（図示せず）は、酸化装置２０から出る。同様に、還元装置１０における還元中に発生したガス８０も還元装置１０から出る。そのガス８０は、例えば、合成用ガス（合成ガス）８０、水素ガス（Ｈ２）８０及び／又は二酸化炭素ガス（ＣＯ２）８０を含む。ガス８０の組成、例えば、その中の合成ガス８０、Ｈ２８０及び／又はＣＯ２８０の比率は、空気３０に対する石炭６０の比によって異なる。
【００２１】
例示的実施形態は図１を参照して上述したような２つのループに限定されるわけではなく、代わりに単一の、又は２つ以上のループを含んでいてもよい。例えば、代替的な例示的実施形態では、ＣＬシステム５は、改良された合成ガス８０からのＨ２の生成を可能にする、例えば焼成ループなどの第３のループ（図示せず）を含む。
【００２２】
例示的実施形態に係るＣＬシステム５は、熱ループ９０をさらに備えている。熱ループ９０は、酸化装置２０での酸化中に発生した熱で給水１１０を沸騰させることにより生成される蒸気１０５を使って発電機１００を駆動する蒸気タービン９５を含む。
【００２３】
灰１１５などの廃棄物１１５は、酸化装置２０から取り除かれ、外部施設（図示せず）にて廃棄される。石炭６０、及び、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）と再循環蒸気１２５を含む石灰石１２０は還元装置１０に供給され、そこで還元反応が行われる。
【００２４】
酸化カルシウム系ＣＬシステムを説明してきたが、本発明は、参照により本書に組み込まれる米国特許出願第１０／５４２,７４９号に記載のものと同様の金属酸化物系ＣＬシステムにも適用可能である。
【００２５】
動作中は、石炭６０、石灰石１２０のＣａＣＯ３及びＣａＯ５０中の炭素と硫黄との間で還元反応が生じる。還元反応によりＣａ４０が生成され、そのＣａ４０は分離器５２によって分離され、その後ＳＰＣＶ５５を介して酸化装置２０へと供給される。例示的実施形態では、Ｃａ４０は硫化カルシウム（ＣａＳ）４０であり、分離器５２は遠心分離器５２であるが、代替的な例示的実施形態はそれに限定されるものではない。その後、ＣａＳ４０は酸化装置２０での酸化反応により酸化し、ＣａＯ５０を生成する。ＣａＯ５０は、分離器５２によって窒素ガス７０（例えばＮ２７０）から分離され、ＳＰＣＶ５５を介してまた還元装置１０へ供給される。酸化反応により生じる熱は、給水１１０を沸騰させて蒸気１０５を発生させ、その蒸気１０５を蒸気タービン９５に供給する。
【００２６】
以下、還元装置１０と、還元装置１０に接続される分離器５２と、分離器５２に接続されるＳＰＣＶ５５と、上記要素をつなぎ、例えばそれらで流体接続「ループ」を形成する関連する配管とを、第１ループ２００ａ（図２）と称する。同様に、酸化装置２０と、酸化装置２０に接続される分離器５２と、分離器５２に接続されるＳＰＣＶ５５と、上記要素をつなぐ関連する配管とを、第２ループ２００ｂ（図２）と称する。図２を参照してさらに詳細に説明するように、分離器５２を介して還元装置１０を出るＣａ４０の一部は、例えば、還元装置１０と酸化装置２０間の差圧に基づいて、ＳＰＣＶ５５によって還元装置１０へと再循環され、すなわち、酸化装置２０へは送られない。同様に、酸化装置２０を出るＣａＯ５０の一部は、還元装置１０へは送られず、酸化装置２０へと再循環される。ここでの考察のため、所定ループ内のＣａ４０及びＣａＯ５０などの固体の輸送、例えば、再循環を「再循環固体輸送」と称し、異なるループ間、例えば、第１ループ２００ａと第２ループ２００ｂ（図２）間におけるＣａ４０及びＣａＯ５０などの固体の輸送を「クロスオーバー固体輸送」と称する。再循環固体輸送とクロスオーバー輸送は総称して「固体輸送」と呼ばれる。
【００２７】
次に、図２を参照すると、第１ループ２００ａは、第１反応器１０と、分離器５２ａと、ＳＰＣＶ５５ａとにより構成されている。上部管２０５ａは、第１反応器１０と分離器５２ａとを接続し、分離器５２ａとＳＰＣＶ５５ａの入力部との間にはディップレッグ２０７ａを接続する。下部管２１０ａは、空気源２１５ａを第１反応器１０とリターンレッグ２２０ａの両方に接続する。また、リターンレッグ２２０ａは、図２に示すように、下部管２１０ａとＳＰＣＶ５５ａの第１出力部との間に接続されている。
【００２８】
同様に、第２ループ２００ｂは、第２反応器２０と、分離器５２ｂと、ＳＰＣＶ５５ｂとにより構成されている。上部管２０５ｂは、第２反応器２０と分離器５２ｂとを接続し、分離器５２ｂとＳＰＣＶ５５ｂの入力部との間にはディップレッグ２０７ｂを接続する。下部管２１０ｂは、空気源２１５ｂを第２反応器２０とリターンレッグ２２０ｂの両方に接続する。また、リターンレッグ２２０ｂは、下部管２１０ｂとＳＰＣＶ５５ｂの第１出力部との間に接続されている。
【００２９】
第１ループ２００ａは、ＳＰＣＶ５５ａの第２出力部を第２ループ２００ｂの下部管２１０ｂに接続するクロスオーバーレッグ２２５ａをさらに含み、同様に、第２ループ２００ｂは、ＳＰＣＶ５５ｂの第２出力を第１ループ２００ａの下部管２１０ａに接続するクロスオーバーレッグ２２５ｂをさらに含む。
【００３０】
代替的な例示的実施形態では、空気源２１５ａ，２１５ｂを組み合わせて、例えば、第１ループ２００ａと第２ループ２００ｂの両方に空気を供給する単一の空気源（図示せず）としてもよい。
【００３１】
例えば、第１ループ２００ａ及び第２ループ２００ｂを有するＣＬベースの発電プラントの稼働中には、第１ループ２００ａ内の固体は、第１反応器１０を上方向に通り、上部管２０５ａそして分離器５２ａへと流れ込む。分離器５２ａでは、固体はガス８０（図１）から分離され、その後ＳＰＣＶ５５ａの入口からＳＰＣＶ５５ａを下方向に流れる。例えば、ＳＰＣＶ５５ａから（その第１出口を通って）リターンレッグ２２０ａへと流れ込み、空気源２１５ａからの空気３０（図１）と混合されるＳＰＣＶ５５ａ内の固体の一部である再循環固体は、再循環固体を再び第１反応器１０へと再循環させる（再循環固体輸送）。
【００３２】
一方、ＳＰＣＶ５５ａ内の再循環されない固体、すなわち、クロスオーバー固体は、ＳＰＣＶ５５ａから（その第２出口を通って）流れ出し、第２ループ２００ｂの下部管２１０ｂへと供給される。クロスオーバー固体はこうして第２反応器２０へと送られる（クロスオーバー固体輸送）。
【００３３】
同様に、第２ループ２００ｂにおける固体フローには、第２ループ２００ｂ内の再循環固体輸送と、第１ループ２００ａへのクロスオーバー固体輸送とが含まれる。
【００３４】
代替的な例示的実施形態では、第１ループ２００ａと第２ループ２００ｂの両方の再循環固体輸送及びクロスオーバー固体輸送のそれぞれにおける固体の組成比、例えば、再循環される又は他のループへ供給される固体の量は、関連するＳＰＣＶ５５ａ又はＳＰＣＶ５５ｂへと供給される空気の量に基づいて制御される。具体的には、再循環空気制御バルブ２３０ａ，２３０ｂは、第１ループ２００ａ及び第２ループ２００ｂそれぞれにおける再循環固体輸送を制御し、クロスオーバー空気制御バルブ２３５ａ，２３５ｂは、第１ループ２００ａ及び第２ループ２００ｂそれぞれにおけるクロスオーバー固体輸送を制御する。制御システム３００は、再循環空気制御バルブ２３０ａ，２３０ｂ及びクロスオーバー空気制御バルブ２３５ａ，２３５ｂに制御信号を供給する。
【００３５】
具体的には、例示的実施形態に係る制御システム３００は、再循環空気制御バルブ２３０ａに第１制御信号３０５を供給し、クロスオーバー空気制御バルブ２３５ａに第２制御信号３１０を供給し、再循環空気制御バルブ２３０ｂに第３制御信号３１５を供給し、クロスオーバー空気制御バルブ２３５ｂに第４制御信号３２０を供給するが、代替的な例示的実施形態はそれに限定されるものではない。例えば、制御システム３００は、空気源２１５ａ及び／又は空気源２１５ｂからの空気の流れ、並びに、燃料６０（図１）、石灰石１２０（図１）及び／又は再循環蒸気１２５（図１）の流れを制御する制御信号（図示せず）を供給してもよい。また、代替的な例示的実施形態に係る制御システム３００の制御信号については、図３〜図５を参照して以下にさらに詳細に説明する。
【００３６】
引き続き図２を参照して、例示的実施形態に係る制御信号をさらに詳細に説明する。第１制御信号３０５は、ディップレッグ２０７ａ内の差圧（Ｄ／Ｐ）と第１反応器１０内のＤ／Ｐの差に基づくものである。具体的には、ディップレッグ２０７ａ内のＤ／Ｐと第１反応器１０内のＤ／Ｐの差、及び、ファジー論理ルール（以下により詳細に説明する）の両方に基づいて、第１制御信号３０５は、再循環空気制御バルブ２３０ａを介して空気源２１５ａからの空気の流れを調節し、第１ループ２００ａの再循環固体輸送を制御する。
【００３７】
例示的実施形態に係る第２制御信号３１０は、クロスオーバーレッグ２２５ａ内のＤ／Ｐと、下部管２１０ａ，２１０ｂ間のＤ／Ｐの差に基づくものである。つまり、クロスオーバーレッグ２２５ａ内のＤ／Ｐと下部管２１０ａ，２１０ｂ間のＤ／Ｐの差、及び、ファジー論理ルールの両方に基づいて、第２制御信号３１０は、クロスオーバー空気制御バルブ２３５ａを介して空気源２１５ａからの空気の流れを調節し、第１ループ２００ａから第２ループ２００ｂへのクロスオーバー固体輸送を制御する。
【００３８】
第３制御信号３１５は、ディップレッグ２０７ｂ内のＤ／Ｐと第２反応器２０内のＤ／Ｐの差に基づくものである。つまり、ディップレッグ２０７ｂ内のＤ／Ｐと第２反応器２０内のＤ／Ｐの差、及び、ファジー論理ルールの両方に基づいて、第３制御信号３１５は、再循環空気制御バルブ２３０ｂを介して空気源２１５ｂからの空気の流れを調節し、第２ループ２００ｂの再循環固体輸送を制御する。
【００３９】
例示的実施形態に係る第４制御信号３２０は、クロスオーバーレッグ２２５ｂ内のＤ／Ｐと、下部管２１０ｂ，２１０ａ間のＤ／Ｐの差に基づくものである。つまり、クロスオーバーレッグ２２５ｂ全体のＤ／Ｐと下部管２１０ｂ，２１０ａ間のＤ／Ｐの差、及び、ファジー論理ルールの両方に基づいて、第４制御信号３２０は、クロスオーバー空気制御バルブ２３５ｂを介して空気源２１５ｂからの空気の流れを調節し、第２ループ２００ｂから第１ループ２００ａへのクロスオーバー固体輸送を制御する。
【００４０】
なお、制御信号は本明細書に記載のものに限定されない。例えば、代替的な例示的実施形態に係る制御信号には、温度、圧力、流量、排出量及び／又は発熱率などのその他の制御可能なパラメータが含まれてもよいが、これらに限定されるものではない。また、制御システム３００は、２つ以上のループを有するＣＬベースのプラントに対して利用してもよい。その場合、制御すべきループの数に基づいて、さらなる制御信号が必要となる。
【００４１】
次に、図３を参照して、例示的実施形態に係る制御システム３００のファジー制御器３３０についてさらに詳細に説明する。すでにより詳細に述べたように、ファジー制御は、ファジー集合論に基づくルールベースの意思決定プロセスである。また、ファジー制御は、ファジールールにおいて捉えられた人間のプラント運転に関する発見的知識を用いた従来の比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御が自然に発展したものである。また、ファジールールは、入出力間の非線形マッピングやファジー制御を表わすために用いられ、非線形モデルベースの制御器の代わりになるものである。特に、ニューラルファジーエンジンとして実装される場合のファジー制御器のもう１つの利点としては、テストデータを利用してファジー制御器のルールの微調整、つまり、整備を行うことができるという点がある。さらに、制御最適化及び／又はプロセス診断をさらにサポートするルールを追加することも可能である。
【００４２】
図３を参照すると、ファジー制御器３３０は、ファジー化部３３５と、ファジー化部３３５に接続されるファジー論理決定エンジン３４０と、ファジー論理決定エンジン３４０に接続される非ファジー化部３４５とを備えている。図３に示すように、ファジー論理決定エンジン３４０は、ルールベース３５０と、ルールベース３５０に接続される推論エンジン３５５とによって構成されている。ファジー制御器３３０は、前処理信号３６０を受信し、処理信号３６５を出力する。例示的実施形態では、前処理信号３６０は、第１ループ２００ａ又は第２ループ２００ｂの出力部からの出力信号３６７（図５）である。
【００４３】
また、例示的実施形態に係る処理信号３６５は、例えば、第１制御信号３０５、第２制御信号３１０、第３制御信号３１５又は第４制御信号３２０（図２）などの、第１ループ２００ａ又は第２ループ２００ｂの入力部へ供給される入力信号３６９（図５）であるが、代替的な例示的実施形態はそれに限定されるものではない。
【００４４】
ファジー制御器３３０は前処理信号３６０を受信し、ファジー化部３３５はその前処理信号３６０をファジー化する、つまり、前処理信号３６０をファジー論理決定エンジン３４０の処理に適したフォーマットに変換する。例示的実施形態では、ファジー論理決定エンジン３４０には、ニューラルファジーエンジン３４０が含まれる。そして、ファジー論理決定エンジン３４０は、推論エンジン３５５を用いて、ルールベース３５０のルール（図示せず）に基づいて、ファジー化された前処理信号３６０に対する適当なパラメータ、例えば、解法を決定する。その後、非ファジー化部３４５によって、前処理信号３６０が非ファジー化され、処理信号３６５が出力される。
【００４５】
図４を参照すると、例示的実施形態に係る階層的ファジー制御システム４００は、ファジー制御器３３０などの複数のファジー制御器を備えている。また、複数のファジー制御器はそれぞれ階層的に配置されている。具体的には、グローバルファジー制御器４０３は、階層的ファジー制御システムの全体的な制御、より具体的には、図４に示すような第１ファジー制御器４０５、第２ファジー制御器４１０、第３ファジー制御器４１５及び第４ファジー制御器４２０などのローカルファジー制御器の制御を行う監督的な機能を果たす。しかしながら、代替的な例示的実施形態は、ローカルファジー制御器に制限又は限定されるものではない。例えば、グローバルファジー制御器４０３は、ローカルファジー制御器、ローカルＰＩＤ制御器、ローカルニューロアダプティブ制御器及び／又はローカルモデルベース制御器のうちのいずれか１つ、若しくはすべてを管理してもよい。また、代替的な例示的実施形態において、階層的ファジー制御システム４００又はその一部は、例えば、プラント系最適化システムに組み込まれてもよい。
【００４６】
例示的実施形態では、階層的ファジー制御システム４００は、例えば第１ループ２００ａ及び第２ループ２００ｂ（図２）を有するＣＬベースの発電プラントにおいて、図２を参照してより詳細に説明した制御システム３００として実装されている。そのため、例示的実施形態に係るグローバルファジー制御器４０３は、ローカルファジー制御器の調整及び管理を行う。また、ローカルファジー制御器はそれぞれ信号の処理を行う。具体的には、図４に示すように、第１ファジー制御器４０５は第１制御信号３０５を供給し、第２ファジー制御器４１０は第２制御信号３１０を供給し、第３ファジー制御器４１５は第３制御信号３１５を供給し、第４ファジー制御器４２０は第４制御信号３２０を供給する。
【００４７】
図４に示す階層構造を利用した結果、所定のファジー制御器３００のルールベース３５０（図３）、つまり、グローバルファジー制御器４０３、第１ファジー制御器４０５、第２ファジー制御器４１０、第３ファジー制御器４１５及び第４ファジー制御器４２０のそれぞれのルールベース３５０のサイズが大幅に縮小、及び／又は、効果的に最小化され、詳細に上述したＣＬベースの発電プラントに関連する複雑で、多変数で、非線形で相互に関連するプロセスに対する制御が最適化されるという効果が実現される。なお、本明細書に記載の例示的実施形態は、単一、２つ、及び多重、例えば２つ以上の、ループを備えたカルシウム系又は金属酸化物系ＣＬシステム、使用又は隔離のためにＣＯ２を捕捉するＣＬベースのプラント、ＣＯ２対応のＣＬベースの発電プラントを含む（ただし必ずしもこれらに限定されない）あらゆるＣＬベースの発電プラントにて実施することが可能である。
【００４８】
次に、図５を参照して、ＣＬシステム５における階層的ファジー制御システム４００の実施についてさらに詳細に説明する。ＣＬシステム５の第１ループ２００ａの出力部又は第２ループ２００ｂの出力部（図２）からの出力信号３６７は、内部で階層的ファジー制御システム４００がデータ取得システム（ＤＡＳ）５０５に接続されているループ制御器５００に供給される。例示的実施形態において、ＤＡＳ５０５は、例えば、温度、圧力、差圧、発熱率、空気流量、燃料流量など（ただし必ずしもこれらに限定されない）のプラントパラメータを監視する自動ＤＡＳ５０５である。また、例示的実施形態において、ループ制御器には、階層的ファジー制御システム４００とＤＡＳ５０５間の通信を監視及び促進するソフトウェアプラットフォーム（例えば、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）、ＬＡＢＶＩＥＷ（登録商標）など）が含まれている。
【００４９】
ループ制御器５００は、動作中に、ＣＬシステム５から出力信号３６７を受信する。例示的実施形態において、出力信号３６７は、例えば、図２を参照して詳細に上述したように、第１ループ２００ａ及び／又は第２ループ２００ｂからの差圧（又は複数の差圧）を含んでいる。ループ制御器５００は、（ＤＡＳ５０５による）プラントの状態、及び、（階層的ファジー制御システム４００による）ファジー論理分析に基づいて、ループ制御信号を出力する。例示的実施形態において、ループ制御信号には、第１制御信号３０５、第２制御信号３１０、第３制御信号３１５及び／又は第４制御信号３２０が含まれるが、これらに限定されるものではない（なお、図５には図示の便宜のために第１制御信号３０５のみが示されている）。そして、ループ制御信号、例えば図５に示す第１制御信号３０５は、質量流量制御器５１０に供給される。質量流量制御器５１０は、その後、入力信号３６９をＣＬシステム５に供給し、例えば、詳細に上述したように再循環空気制御バルブ２３０ａ（図２）の位置などのバルブ位置を調節し、そこを通る空気の流れを制御することによってＣＬシステム５を最適に制御する。また、ループ制御器５００は、システム５の動作を制御するためのパンプ、バルブ、アクチュエータ及び／又はスイッチを動作させる、又は一般的にその動作を制御するための制御信号３０５を供給してもよい。
【００５０】
例示的実施形態に係る質量流量制御器５１０は、バルブアクチュエータ５１０を含む。また、入力信号３６９には、バルブ位置、燃料流量、空気流量、水流量、吸着剤流量、石灰石流量、蒸気流量、並びに、燃料流量、空気流量、石灰石流量及び蒸気流量のうちの少なくとも２つの比が含まれるが、これらに限定されるものではない。さらに、出力信号３６７には、発電率、負荷需要、固体在庫、固体輸送速度、再循環固体輸送速度、クロスオーバー固体輸送速度、反応器温度、ループ温度、層温度、発熱率、層圧力、層差圧、反応器圧力、反応器差圧、ライザ差圧、シール差圧、ディップレッグ差圧、クロスオーバーレッグ差圧、ＣＯ２流量、ＣＯ２利用量、ＣＯ２捕捉量、ＣＯ２貯蔵量、ＣＯ２隔離量、Ｈ２流量、Ｎ２流量及び合成ガス流量などのＣＬシステム５の操作パラメータを示す信号が含まれるが、代替的な例示的実施形態はそれらに限定されるものではない。
【００５１】
代替的な例示的実施形態において、制御システム３００は、単一のループ、例えば図２に示す第１ループ２００ａのみを有するＣＦＢプラント又はＣＬプラントサブシステムと共に使用されてもよい。この場合、クロスオーバー固体輸送は行われない。しかしながら、ディップレッグ２０７ａ、ＳＰＣＶ５５ａ、リターンレッグ２２０ａ内の累積的な圧力低下、例えば差圧を最小限に抑えつつ、第１反応器１０の固体流量を最大にすることがやはり望ましい。その結果、制御システム３００は、単一のループを有するＣＦＢプラント又はＣＬプラントサブシステムと共に使用された場合、単一ループ２００ａのライザ側、例えば第１反応器１０と、単一ループ２００ａのシール側、例えばディップレッグ２０７ａ、ＳＰＣＶ５５ａ、リターンレッグ２２０ａとの間の圧力バランスを効果的に維持する。こうして、単一ループ２００ａのみを有する例示的実施形態では、単一ループ２００ａのライザ側とシール側との圧力差に基づく単一の制御信号によって、例えばＳＰＣＶ５５ａへの空気流を調節する単一の制御バルブを制御することができる。
【００５２】
要約すれば、例示的実施形態に係るファジー論理制御及び最適化システムは、階層構造を備えている。そのため、ファジー論理制御及び最適化システムを構成する個々のファジー制御器のルールベースのサイズが大幅に縮小、及び／又は、効果的に最小化され、複数ループのＣＬベースの発電プラントに関連する複雑で、多変数で、非線形で相互に関連するプロセスに対する制御が最適化されるという効果が実現される。その結果、全体的なプラントの経済効率を大幅に向上させつつ、プラントの廃棄物の排出量を大幅に縮小、及び／又は、効果的に最小化されるので、全体の作業コストの低減につながる。また、階層的ファジー制御システム（又はその一部）はＣＬベースのプラント最適化システムに組み込むことができるので、さらなる作業コストの低減につながる。
【００５３】
なお、ファジー論理制御及び最適化システムの例示的実施形態は、本明細書に記載のＣＬプラント構成又は一般的なＣＬベースの発電プラントに限定されるものではない。例えば、代替的な例示的実施形態において、ファジー論理制御及び最適化システムは、単一、２つ、及び多重、例えば２つ以上の、ループを備えたカルシウム系又は金属酸化物系ＣＬベースのシステム、使用又は隔離のためにＣＯ２を捕捉するＣＬベースのプラント、ＣＯ２対応のＣＬベースの発電プラントを含む（ただし必ずしもこれらに限定されない）あらゆるＣＬベースのシステムと共に利用可能である。あるいは、ファジー論理制御及び最適化システムは、循環流動層（ＣＦＢ）ボイラーやバブリング流動層（ＢＦＢ）ボイラーやそれらのバリエーションを含むあらゆる流動層燃焼（ＦＢＣ）発電プラントに対して実装可能である。
【００５４】
さらに、例えばニューラルネットワーク（ＮＮ）などの実験的モデリング方法を、本明細書に記載のファジー論理制御及び最適化システムとともに（又はその内部に）実装することも可能である。
【００５５】
様々な例示的実施形態を参照して本発明を説明したが、その範囲から逸脱することなく、本発明にさまざまな変更を加えることができ、その要素に均等物を代用できることが当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に様々な修正を加えて、特定の状況や材料に適用することができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことを企図としている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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