(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気から分離した酸素と、燃料の石炭を燃焼して蒸気需要設備に供給する蒸気を発生させたボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部とを混合し、石炭を燃焼させる支燃ガスとして該ボイラに供給するように構成した酸素燃焼ボイラにおいて、
空気を分離して酸素を製造する酸素分離装置を設け、前記酸素分離装置で製造された酸素を該酸素燃焼ボイラに導く酸素供給系統を配設し、酸素燃焼ボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部を該酸素燃焼ボイラに導く再循環系統を配設し、前記再循環系統に排ガスを送給する再循環ファンを設け、前記酸素燃焼ボイラの火炉または水壁の複数ある各熱交換器に蒸気温度、流量、圧力を測定する測定センサをそれぞれ設置し、
酸素燃焼ボイラに供給する燃料の指令信号を演算する燃料流量制御器と、前記測定センサによる測定値に基づいて火炉または水壁の複数ある各熱交換器で蒸気が得た収熱量を演算する火炉収熱量演算器と、燃料流量制御器の指令信号に応じて火炉収熱量の所望の値を設定する収熱量設定器と、火炉収熱量演算器で演算した火炉または水壁の複数ある各熱交換器の収熱量の演算値と収熱量設定器で設定された収熱量の設定値に基づいて前記再循環ファンの運転を調節する指令信号を出力する排ガス流量制御器をそれぞれ備えた制御装置を設置したことを特徴とする酸素燃焼ボイラ。
【請求項２】
請求項１に記載の酸素燃焼ボイラにおいて、
前記酸素燃焼ボイラの火炉または水壁の各熱交換器に蒸気温度、流量、圧力を測定する測定センサを第１群の測定センサとし、該酸素燃焼ボイラ出口の排ガス温度と排ガス組成を測定する第２群の測定センサを設置し、
前記第２群の測定センサによる測定値に基づいて酸素燃焼ボイラ出口の酸素濃度を検出するボイラ出口酸素濃度検出器と、ボイラ出口酸素濃度の所望の値を設定する酸素濃度設定器と、ボイラ出口酸素濃度検出器で検出した酸素燃焼ボイラ出口の酸素濃度の検出値と酸素濃度設定器で設定されたボイラ出口酸素濃度の設定値に基づいて前記酸素分離装置の運転を調節する指令信号を出力する酸素供給量制御器をそれぞれ備えた制御装置を設置したことを特徴とする酸素燃焼ボイラ。
【請求項３】
空気から分離した酸素と、燃料の石炭を燃焼して蒸気需要設備に供給する蒸気を発生させたボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部とを混合し、石炭を燃焼させる支燃ガスとして該ボイラに供給するように構成した酸素燃焼ボイラにおいて、
空気を分離して酸素を製造する酸素分離装置を設け、前記酸素分離装置で製造された酸素を該酸素燃焼ボイラに導く酸素供給系統を配設し、酸素燃焼ボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部を該酸素燃焼ボイラに導く再循環系統を配設し、前記再循環系統に排ガスを送給する再循環ファンを設け、
前記酸素燃焼ボイラの複数ある各熱交換器の水壁出口に蒸気温度を測定する温度センサ、または酸素燃焼ボイラの複数ある各熱交換器の水壁の代表水管にメタル温度を測定するメタル温度センサを設置し、
酸素燃焼ボイラに供給する燃料の指令信号を演算する燃料流量制御器と、燃料流量制御器の指令信号に応じて酸素燃焼ボイラの水壁出口の蒸気温度の所望の値を設定する蒸気温度設定器または酸素燃焼ボイラの水壁の水管のメタル温度の所望の値を設定するメタル温度設定器と、前記蒸気温度設定器の温度設定値と温度センサで測定した複数ある各熱交換器の水壁出口の蒸気温度に基づいて、またはメタル温度設定器のメタル温度設定値とメタル温度センサで測定した複数ある各熱交換器の水壁の代表水管のメタル温度に基づいて、前記再循環ファンの運転を調節する指令信号を出力する排ガス流量制御器をそれぞれ備えた制御装置を設置したことを特徴とする酸素燃焼ボイラ。
【請求項４】
請求項３に記載の酸素燃焼ボイラにおいて、
前記酸素燃焼ボイラの水壁出口の蒸気温度を測定する蒸気温度センサ、または酸素燃焼ボイラの水壁の代表水管のメタル温度を測定するメタル温度センサを第１群の測定センサとし、該酸素燃焼ボイラ出口の排ガス温度と排ガス組成を測定する第２群の測定センサを設置し、
前記第２群の測定センサによる測定値に基づいて酸素燃焼ボイラ出口の酸素濃度を検出するボイラ出口酸素濃度検出器と、ボイラ出口酸素濃度の所望の値を設定する酸素濃度設定器と、ボイラ出口酸素濃度検出器で検出した酸素燃焼ボイラ出口の酸素濃度の検出値と酸素濃度設定器で設定されたボイラ出口酸素濃度の設定値に基づいて前記酸素分離装置の運転を調節する指令信号を出力する酸素供給量制御器をそれぞれ備えた制御装置を設置したことを特徴とする酸素燃焼ボイラ。
【請求項５】
空気から分離した酸素と、燃料の石炭を燃焼して蒸気需要設備に供給する蒸気を発生させたボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部とを混合し、石炭を燃焼させる支燃ガスとして該ボイラに供給するように構成した酸素燃焼ボイラの制御方法において、
ボイラに供給される支援ガスとして混合される酸素は酸素分離装置によって空気から分離して製造し、製造された酸素は酸素供給系統を通じて該酸素燃焼ボイラに導き、
ボイラに供給される支援ガスとして混合される排ガスは該ボイラから排出された排ガスの一部を再循環ファンによって再循環系統を通じて該酸素燃焼ボイラに送給し、
この酸素分離装置で製造された酸素と再循環ファンから送給された排ガスとを混合した支援ガスを酸素燃焼ボイラに供給して該酸素燃焼ボイラでの石炭の燃焼に使用し、
測定センサによって酸素燃焼ボイラの火炉または水壁の複数ある各熱交換器の蒸気温度、流量、圧力を測定し、
制御装置にそれぞれ設置された、燃料流量制御器によって酸素燃焼ボイラに供給する燃料の指令信号を演算し、火炉収熱量演算器によって前記測定センサの測定値に基づいて火炉または水壁の複数ある各熱交換器で蒸気が得た収熱量を演算し、燃料流量制御器の指令信号に応じて収熱量設定器によって火炉収熱量の所望の値を設定し、火炉収熱量演算器で演算した火炉または水壁の複数ある各熱交換器の収熱量の演算値と収熱量設定器で設定された収熱量の設定値に基づいて排ガス流量制御器によって前記再循環ファンの運転を調節する指令信号を演算し、この排ガス流量制御器で演算した指令信号によって火炉または水壁の収熱量が所望の設定収熱量となるように再循環ファンから供給される排ガスの供給量を調節することを特徴とする酸素燃焼ボイラの制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の酸素燃焼ボイラの制御方法において、
第１群の測定センサとしての測定センサによって酸素燃焼ボイラの火炉または水壁の各熱交換器に蒸気温度、流量、圧力を測定し、第２群の測定センサとしての測定センサによって酸素燃焼ボイラ出口の排ガス温度と排ガス組成を測定し、
制御装置に設置された、火炉収熱量演算器によって前記第１群の測定センサによる測定値に基づいて火炉または水壁の熱交換器で蒸気が得た前記収熱量を演算し、
ボイラ出口酸素濃度検出器によって前記第２群の測定センサによる測定値に基づき酸素燃焼ボイラ出口の酸素濃度を検出し、酸素濃度設定器によってボイラ出口酸素濃度の所望の値を設定し、ボイラ出口酸素濃度検出器で検出した酸素燃焼ボイラ出口の酸素濃度の検出値と酸素濃度設定器で設定されたボイラ出口酸素濃度の設定値に基づいて酸素供給量制御器によって前記酸素分離装置の運転を調節する指令信号を演算し、この酸素供給量制御器で演算した指令信号によって酸素燃焼ボイラ出口の酸素濃度が所望の設定酸素濃度となるように酸素分離装置から供給される酸素の供給量を調節することを特徴とする酸素燃焼ボイラの制御方法。
【請求項７】
空気から分離した酸素と、燃料の石炭を燃焼して蒸気需要設備に供給する蒸気を発生させたボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部とを混合し、石炭を燃焼させる支燃ガスとして該ボイラに供給するように構成した酸素燃焼ボイラの制御方法において、
ボイラに供給される支援ガスとして混合される酸素は酸素分離装置によって空気から分離して製造し、製造された酸素は酸素供給系統を通じて該酸素燃焼ボイラに導き、
ボイラに供給される支援ガスとして混合される排ガスは該ボイラから排出された排ガスの一部を再循環ファンによって再循環系統を通じて該酸素燃焼ボイラに送給し、
この酸素分離装置で製造された酸素と再循環ファンから送給された排ガスとを混合した支援ガスを酸素燃焼ボイラに供給して該酸素燃焼ボイラでの石炭の燃焼に使用し、
測定センサによって酸素燃焼ボイラの複数ある各熱交換器の水壁出口の蒸気温度を測定、またはメタル温度センサによって酸素燃焼ボイラの複数ある各熱交換器の水壁の代表水管のメタル温度を測定し、
制御装置にそれぞれ設置された、燃料流量制御器によって酸素燃焼ボイラに供給する燃料の指令信号を演算し、温度設定器によって燃料流量制御器の指令信号に応じて酸素燃焼ボイラの水壁出口の蒸気温度の所望の値を設定、または酸素燃焼ボイラの水壁の水管のメタル温度の所望の値を設定し、蒸気温度設定器の温度設定値と温度センサで測定した複数ある各熱交換器の水壁出口の蒸気温度に基づいて、またはメタル温度設定器のメタル温度設定値とメタル温度センサで測定した複数ある各熱交換器の水壁の水管のメタル温度に基づいて排ガス流量制御器によって再循環ファンの運転を調節する指令信号を演算し、この排ガス流量制御器で演算した指令信号によって酸素燃焼ボイラの水壁出口の蒸気温度が所望の設定蒸気温度、または酸素燃焼ボイラの水壁の水管のメタル温度の値が所望の設定メタル温度となるように再循環ファンから供給される排ガスの供給量を調節することを特徴とする酸素燃焼ボイラの制御方法。
【請求項８】
請求項７に記載の酸素燃焼ボイラの制御方法において、
第１群の測定センサとしての蒸気温度センサによって酸素燃焼ボイラの水壁出口の蒸気温度を測定、またはメタル温度センサによって酸素燃焼ボイラの水壁の代表水管のメタル温度を測定し、第２群の測定センサとしての測定センサによって酸素燃焼ボイラ出口の排ガス温度と排ガス組成を測定し、
制御装置に設置された、燃料流量制御器の指令信号に応じて蒸気温度設定器によって酸素燃焼ボイラの水壁出口の蒸気温度の所望の値を設定、またはメタル温度設定器によって酸素燃焼ボイラの水壁の水管のメタル温度の所望の値を設定し、
ボイラ出口酸素濃度検出器によって前記第２群の測定センサによる測定値に基づき酸素燃焼ボイラ出口の酸素濃度を検出し、酸素濃度設定器によってボイラ出口酸素濃度の所望の値を設定し、ボイラ出口酸素濃度検出器で検出した酸素燃焼ボイラ出口の酸素濃度の検出値と酸素濃度設定器で設定されたボイラ出口酸素濃度の設定値に基づいて酸素供給量制御器によって前記酸素分離装置の運転を調節する指令信号を演算し、この酸素供給量制御器で演算した指令信号によって酸素燃焼ボイラ出口の酸素濃度が所望の設定酸素濃度となるように酸素分離装置から供給される酸素の供給量を調節することを特徴とする酸素燃焼ボイラの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ２回収を目的とした石炭火力発電プラントに係わり、特に石炭火力発電プラントのＣＯ２回収に好適な酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策として、温室効果ガスの一つであるＣＯ２（二酸化炭素）の排出削減の取り組みが世界的に実施されている。火力発電所はＣＯ２の排出量が多い設備の一つであり、特に炭素含有量が多く燃焼排ガス中にＣＯ２を多量に発生させる石炭を燃焼する石炭ボイラを備えた石炭火力発電プラントは発電量当りのＣＯ２排出量が最も多く、早急なＣＯ２削減対策が要望されている。
【０００３】
石炭火力発電プラントのＣＯ２削減対策としては、発電の高効率化に加えて、石炭ボイラでの燃焼によって発生した燃焼排ガス中からＣＯ２の分離・回収が挙げられる。
【０００４】
ＣＯ２の分離・回収とは、石炭火力発電プラントで発生した燃焼排ガス中からＣＯ２のみを取り出して圧縮・液化し、パイプライン等を通してこの液化させたＣＯ２を地下深部等に貯留させる方式である。
【０００５】
石炭火力発電プラントに適用される燃焼排ガス中のＣＯ２分離・回収の方法としては、（１）燃焼前回収、（２）燃焼後回収、（３）酸素燃焼、の三種類に大別できる。
【０００６】
（１）の燃焼前回収方式とは、石炭と水蒸気の反応によって得られるＨ２（水素）とＣＯ２の混合ガスから物理吸収法等によってＣＯ２を回収し、残りのＨ２を燃料として使用する方法である。燃料がＨ２であれば、燃焼してもＣＯ２は発生しない。
【０００７】
（２）の燃焼後回収方式とは、通常の空気中での石炭燃焼（空気燃焼と呼ぶ）で得られる燃焼排ガスから膜分離法等によりＣＯ２を回収する方法である。この場合、燃焼排ガスの主要成分は、空気に含まれるＮ２（窒素）と燃焼で発生したＣＯ２であり、これらを分離してＣＯ２のみを回収する。
【０００８】
上記した二つのＣＯ２分離・回収の方式に対し、（３）の酸素燃焼方式とは、空気から酸素を分離し、分離させた純酸素を石炭ボイラに供給して燃料の石炭を燃焼させて前記石炭ボイラを酸素燃焼ボイラとして使用するように構成したものであり、この酸素燃焼ボイラで石炭を燃焼して生成した燃焼排ガス（主要成分はＣＯ２）の一部と純酸素とを混合させた混合ガスを支燃ガスとして酸素燃焼ボイラに供給して石炭を燃焼させる方式である。
【０００９】
ところで空気燃焼ボイラで発生した燃焼排ガスには窒素（Ｎ２）が多く含まれるので、空気燃焼ボイラから排出される排ガスから二酸化炭素（ＣＯ２）を分離する処理が必要となるが、酸素燃焼ボイラで発生した燃焼排ガスは成分のほとんどがＣＯ２であるため、排ガスからＣＯ２の分離処理をしないで、そのままＣＯ２を回収できる。
【００１０】
この酸素燃焼ボイラに供給する支燃ガスとして酸素にＣＯ２を混合させるのは、石炭ボイラ内で燃焼する火炎温度を抑制するためである。
【００１１】
石炭ボイラに酸素のみを供給して微粉炭を燃焼させる燃焼（純酸素燃焼）では石炭ボイラ内で燃焼する火炎温度が高くなるので、ボイラ材料として高価な耐熱鋼が必要となる点、また、石炭ボイラに設置されたバーナでの支燃ガスの吹き出し流速が低下して火炎形成が困難になる点から、石炭ボイラでは純酸素燃焼は実施されていない。
【００１２】
石炭ボイラを空気燃焼から酸素燃焼に改造する場合に、酸素燃焼での熱吸収量のバランスが空気燃焼での熱吸収量のバランスを再現できるのであれば、伝熱面積変更のための改造が不要になり、ボイラの改造コストを大幅に抑制することができる。
【００１３】
ここで、酸素燃焼ボイラは酸素と混合する燃焼排ガスの量を変えて支燃ガスの酸素濃度を調整することで、熱交換器の熱吸収量のバランスやボイラ全体の収熱量を変えることができるので、これを利用して空気燃焼と近い状態を作り出す制御方式を採用することが考えられる。
【００１４】
例えば、特開２００７−１４７１６２号公報に記載された石炭ボイラを酸素燃焼させる酸素燃焼ボイラの制御方式では、あらかじめ負荷要求に応じたボイラ収熱量の目標値を設定し、収熱量の実測値が目標値となるように排ガス循環量を制御することにより、支燃ガスの酸素濃度を調整している。
【００１５】
ここでの目標値は、既存の空気燃焼ボイラにおいて定められた目標の収熱量と同等になるように設定している。さらに、酸素供給量についても、負荷要求に対応した設定値を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−１４７１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、前記特開２００７−１４７１６２号公報に記載された石炭ボイラを酸素燃焼させる酸素燃焼ボイラの制御方式では、ボイラ負荷に応じて石炭ボイラに供給する酸素量を設定値となるように制御すると共に、ボイラ収熱量が既存の空気燃焼ボイラと同等となるように排ガス循環量を制御している。このため、石炭ボイラに供給する酸素濃度が変更されると、前記したように、ボイラ全体の収熱量のみならず、ボイラを構成する各熱交換器の収熱量のバランスも変わってくる。
【００１８】
そこで、ボイラ収熱量のみを制御の指標として、これが既存の空気燃焼ボイラと同等の目標値を満たすように石炭ボイラに供給する酸素濃度を上昇させるよう制御した場合、各熱交換器の収熱バランスが空気燃焼条件の場合と大きく異なる状況に陥ることが考えられる。しかも、一部の熱交換器で、空気燃焼の状態よりも収熱量が過大となれば、材料の耐熱性の限界点を超えてしまい、材料の損傷に至る可能性がある。
【００１９】
特に、経年劣化によって石炭ボイラの収熱効率が低下した場合には、このボイラ収熱効率の低下を補うために供給する酸素濃度は増加する方向に制御されるので、火炉のガス温度もそれに合わせて上昇することにより火炉での収熱量が増加し、材料の熱的な損傷がさらに進行することになる。
【００２０】
本発明の目的は、既存の空気燃焼ボイラとして運用している石炭ボイラを酸素燃焼ボイラとして運用した場合に、改造に要する費用が抑制でき、高温ガスによる酸素燃焼ボイラの損傷を防止して長期に亘って安定して運転可能な信頼性の高い酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の酸素燃焼ボイラは、空気から分離した酸素と、燃料の石炭を燃焼して蒸気需要設備に供給する蒸気を発生させたボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部とを混合し、石炭を燃焼させる支燃ガスとして該ボイラに供給するように構成した酸素燃焼ボイラにおいて、空気を分離して酸素を製造する酸素分離装置を設け、前記酸素分離装置で製造された酸素を該酸素燃焼ボイラに導く酸素供給系統を配設し、酸素燃焼ボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部を該酸素燃焼ボイラに導く再循環系統を配設し、前記再循環系統に排ガスを送給する再循環ファンを設け、前記酸素燃焼ボイラの火炉または水壁の複数ある各熱交換器に蒸気温度、流量、圧力を測定する測定センサをそれぞれ設置し、酸素燃焼ボイラに供給する燃料の指令信号を演算する燃料流量制御器と、前記測定センサによる測定値に基づいて火炉または水壁の複数ある各熱交換器で蒸気が得た収熱量を演算する火炉収熱量演算器と、燃料流量制御器の指令信号に応じて火炉収熱量の所望の値を設定する収熱量設定器と、火炉収熱量演算器で演算した火炉または水壁の複数ある各熱交換器の収熱量の演算値と収熱量設定器で設定された収熱量の設定値に基づいて前記再循環ファンの運転を調節する指令信号を出力する排ガス流量制御器をそれぞれ備えた制御装置を設置したことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の酸素燃焼ボイラは、空気から分離した酸素と、燃料の石炭を燃焼して蒸気需要設備に供給する蒸気を発生させたボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部とを混合し、石炭を燃焼させる支燃ガスとして該ボイラに供給するように構成した酸素燃焼ボイラにおいて、空気を分離して酸素を製造する酸素分離装置を設け、前記酸素分離装置で製造された酸素を該酸素燃焼ボイラに導く酸素供給系統を配設し、酸素燃焼ボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部を該酸素燃焼ボイラに導く再循環系統を配設し、前記再循環系統に排ガスを送給する再循環ファンを設け、前記酸素燃焼ボイラの複数ある各熱交換器の水壁出口に蒸気温度を測定する温度センサ、または酸素燃焼ボイラの複数ある各熱交換器の水壁に代表水管のメタル温度を測定するメタル温度センサを設置し、酸素燃焼ボイラに供給する燃料の指令信号を演算する燃料流量制御器と、燃料流量制御器の指令信号に応じて酸素燃焼ボイラの水壁出口の蒸気温度の所望の値を設定する蒸気温度設定器または酸素燃焼ボイラの水壁の水管のメタル温度の所望の値を設定するメタル温度設定器と、前記蒸気温度設定器の温度設定値と温度センサで測定した複数ある各熱交換器の水壁出口の蒸気温度に基づいて、またはメタル温度設定器のメタル温度設定値とメタル温度センサで測定した複数ある各熱交換器の水壁の代表水管のメタル温度に基づいて、前記再循環ファンの運転を調節する指令信号を出力する排ガス流量制御器をそれぞれ備えた制御装置を設置したことを特徴とする。
【００２３】
本発明の酸素燃焼ボイラの制御方法は、空気から分離した酸素と、燃料の石炭を燃焼して蒸気需要設備に供給する蒸気を発生させたボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部とを混合し、石炭を燃焼させる支燃ガスとして該ボイラに供給するように構成した酸素燃焼ボイラの制御方法において、ボイラに供給される支援ガスとして混合される酸素は酸素分離装置によって空気から分離して製造し、製造された酸素は酸素供給系統を通じて該酸素燃焼ボイラに導き、ボイラに供給される支援ガスとして混合される排ガスは該ボイラから排出された排ガスの一部は再循環ファンによって再循環系統を通じて該酸素燃焼ボイラに送給し、この酸素分離装置で製造された酸素と再循環ファンから送給された排ガスとを混合した支援ガスを酸素燃焼ボイラに供給して該酸素燃焼ボイラでの石炭の燃焼に使用し、測定センサによって酸素燃焼ボイラの火炉または水壁の複数ある各熱交換器の蒸気温度、流量、圧力を測定し、制御装置にそれぞれ設置された、燃料流量制御器によって酸素燃焼ボイラに供給する燃料の指令信号を演算し、火炉収熱量演算器によって前記測定センサの測定値に基づいて火炉または水壁の複数ある各熱交換器で蒸気が得た収熱量を演算し、燃料流量制御器の指令信号に応じて収熱量設定器によって火炉収熱量の所望の値を設定し、火炉収熱量演算器で演算した火炉または水壁の複数ある各熱交換器の収熱量の演算値と収熱量設定器で設定された収熱量の設定値に基づいて排ガス流量制御器によって前記再循環ファンの運転を調節する指令信号を演算し、この排ガス流量制御器で演算した指令信号によって火炉または水壁の収熱量が所望の設定収熱量となるように再循環ファンから供給される排ガスの供給量を調節することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の酸素燃焼ボイラの制御方法は、空気から分離した酸素と、燃料の石炭を燃焼して蒸気需要設備に供給する蒸気を発生させたボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部とを混合し、石炭を燃焼させる支燃ガスとして該ボイラに供給するように構成した酸素燃焼ボイラの制御方法において、ボイラに供給される支援ガスとして混合される酸素は酸素分離装置によって空気から分離して製造し、製造された酸素は酸素供給系統を通じて該酸素燃焼ボイラに導き、ボイラに供給される支援ガスとして混合される排ガスは該ボイラから排出された排ガスの一部を再循環ファンによって再循環系統を通じて該酸素燃焼ボイラに送給し、この酸素分離装置で製造された酸素と再循環ファンから送給された排ガスとを混合した支援ガスを酸素燃焼ボイラに供給して該酸素燃焼ボイラでの石炭の燃焼に使用し、測定センサによって酸素燃焼ボイラの複数ある各熱交換器の水壁出口の蒸気温度を測定、またはメタル温度センサによって酸素燃焼ボイラの複数ある各熱交換器の水壁の代表水管のメタル温度を測定し、制御装置にそれぞれ設置された、燃料流量制御器によって酸素燃焼ボイラに供給する燃料の指令信号を演算し、温度設定器によって燃料流量制御器の指令信号に応じて酸素燃焼ボイラの水壁出口の蒸気温度の所望の値を設定、または酸素燃焼ボイラの水壁の水管のメタル温度の所望の値を設定し、蒸気温度設定器の温度設定値と温度センサで測定した複数ある各熱交換器の水壁出口の蒸気温度に基づいて、またはメタル温度設定器のメタル温度設定値とメタル温度センサで測定した複数ある各熱交換器の水壁の水管のメタル温度に基づいて排ガス流量制御器によって再循環ファンの運転を調節する指令信号を演算し、この排ガス流量制御器で演算した指令信号によって酸素燃焼ボイラの水壁出口の蒸気温度が所望の設定蒸気温度、または酸素燃焼ボイラの水壁の水管のメタル温度の値が所望の設定メタル温度となるように再循環ファンから供給される排ガスの供給量を調節することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、既存の空気燃焼ボイラとして運用している石炭ボイラを酸素燃焼ボイ
ラとして運用した場合に、改造に要する費用が抑制でき、高温ガスによる酸素燃焼ボイラの損傷を防止して長期に亘って安定して運転可能な信頼性の高い酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施例である酸素燃焼ボイラを備えた石炭火力発電プラントを示す概略構成図。
【図２】図１に記載した第１実施例の酸素燃焼ボイラの構成を示す概略断面図。
【図３】図１に記載した第１実施例の酸素燃焼ボイラを制御する制御装置の構成を示す制御ブロック図。
【図４】図３に記載した制御装置の構成要素である排ガス循環量制御器の構成を示す制御ブロック図。
【図５】図３に記載した制御装置の構成要素である酸素供給量制御器の構成を示す制御ブロック図。
【図６】本発明の第２実施例である酸素燃焼ボイラを備えた石炭火力発電プラントを示す概略構成図。
【図７】図６に記載した第２実施例の酸素燃焼ボイラを制御する制御装置の構成を示す制御ブロック図。
【図８】本発明の第３実施例である酸素燃焼ボイラを備えた石炭火力発電プラントを示す概略構成図。
【図９】図８に記載した第３実施例の酸素燃焼ボイラを制御する制御装置の構成を示す制御ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施例である酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法について図面を参照して以下に説明する。
【実施例１】
【００２８】
本発明の第１実施例である酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法について図１乃至図５を用いて以下に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の第１実施例である酸素燃焼ボイラを有するＣＯ２回収に好適な石炭火力発電プラントの構成を示す概略図である。
【００３０】
図１に示した本発明の第１実施例の酸素燃焼ボイラを有する石炭火力発電プラントは、微粉炭を燃料として、石炭ボイラにて別途供給された酸素によって微粉炭を燃焼させる酸素燃焼ボイラ１を備えている。前記酸素燃焼ボイラ１は微粉炭を燃料とし、空気を供給して微粉炭を燃焼させる通常の空気燃焼ボイラと構造は同じである。
【００３１】
前記酸素燃焼ボイラ１は、燃料である石炭を石炭供給装置２で粉砕して微粉炭にして、この微粉炭を石炭供給装置２から石炭供給系統３を通じて酸素燃焼ボイラ１に供給して、別途供給された酸素と共に燃焼させる。
【００３２】
前記酸素燃焼ボイラ１で燃料の微粉炭を酸素と共に燃焼して発生した燃焼排ガスは、酸素燃焼ボイラ１から排ガスとして酸素燃焼ボイラ１の下流に設置された脱硝装置４に排ガス系統４１を通じて導入され、酸素燃焼ボイラ１から排出した排ガス中に含まれた窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を所望の値になるように低減させる。
【００３３】
脱硝装置４を流下した排ガスは、脱硝装置４の下流に設置された酸素予熱器５に排ガス系統４１を通じて導入され、この酸素予熱器５にて流下する排ガスの熱を利用して酸素燃焼ボイラ１に供給するガスを加熱する。
【００３４】
酸素予熱器５を流下した排ガスは、酸素予熱器５の下流に設置された集塵装置６に排ガス系統４１を通じて導入され、この集塵装置６にて排ガス中に含まれた粉塵を除去する。
【００３５】
更に集塵装置６を流下した排ガスは、集塵装置６の下流に設置された脱硫装置７に排ガス系統４１を通じて導入され、この脱硫装置７にて排ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）の濃度を所望の値になるように低減する。
【００３６】
前記酸素燃焼ボイラ１には該酸素燃焼ボイラ１の内部を流下する燃焼排ガスによって加熱されて蒸気を発生させる複数の熱交換器（図示せず）が設置されている。
【００３７】
そして酸素燃焼ボイラ１の前記熱交換器で発生した高圧の高温蒸気は、酸素燃焼ボイラ１から蒸気系統３１を通じて蒸気需要設備である蒸気タービン設備５０を構成する高圧蒸気タービン８に供給され、該高圧蒸気タービン８を駆動する。酸素燃焼ボイラ１から高圧蒸気タービン８に供給される高圧の蒸気流量は蒸気系統３１に設置された加減弁１０によって制御される。
【００３８】
高圧蒸気タービン８を駆動して排出された蒸気は、蒸気系統３３を通じて酸素燃焼ボイラ１に設置された熱交換器に供給され、該酸素燃焼ボイラ１の内部を流下する燃焼排ガスによって前記熱交換器で再度加熱された低圧の高温蒸気を酸素燃焼ボイラ１から蒸気系統３２を通じて蒸気タービン設備５０を構成する低圧蒸気タービン９に供給され、該低圧蒸気タービン９を駆動する。
【００３９】
前記蒸気タービン設備５０には高圧蒸気タービン８及び低圧蒸気タービン９の駆動によって回転され発電する発電機１１が設置されている。そして低圧蒸気タービン９を駆動して排出された蒸気は蒸気系統３４を通じて復水器１２に流入し、この復水器１２で冷却されて復水となる。
【００４０】
復水器１２で復水となった復水は、給水系統３５に設置された給水ポンプ１３によって昇圧され、前記酸素燃焼ボイラ１の図示していない熱交換器に給水として供給される。
【００４１】
前記酸素燃焼ボイラ１のガス出口部分には、図２に示すようにプラントの状態量である燃焼排ガスのガス温度を計測するための排ガス温度センサ１４ａと、排ガスの酸素の濃度を計測するための排ガス組成センサ１４ｂが設置されている。そして酸素燃焼ボイラ１を備えた石炭火力発電プラントには、種々の制御を行う制御装置１５０が設置されている。
【００４２】
ここで、実際の石炭火力発電プラントでは、状態量を測定する各種のセンサは酸素燃焼ボイラ以外の主要の機器にも設置されており、前記制御装置１５０では石炭火力発電プラントを構成する主要の機器に設置された各種センサから測定されたプラントの状態量に基づいて前記主要機器を動作させる制御信号を送信して石炭火力発電プラントの運転の制御を行っている。
【００４３】
尚、図１に示した本実施例の石炭火力発電プラントは、酸素燃焼ボイラ１の動作と関連のある構成を中心に図示したもので、他の構成は省略している。
【００４４】
また、上記に説明した石炭火力発電プラントを構成する主要機器は、通常の空気燃焼ボイラを備えた石炭火力発電プラントにも備えられた機器である（酸素予熱器５については、通常の石炭火力発電プラントでは空気燃焼ボイラに供給する空気を加熱するので空気予熱器と呼ばれる）。
【００４５】
本実施例の酸素燃焼ボイラ１を備えた石炭火力発電プラントにおいて、通常の空気燃焼ボイラを備えた石炭火力発電プラントと異なる構成は、図１に示すように、排ガス中のＣＯ２を分離して回収するために必要な機器である冷却除湿装置２１及び二酸化炭素液化設備２２が設置されている。
【００４６】
即ち、脱硫装置７を流下した排ガスを冷却して水分を取り除く冷却除湿装置２１が該脱硫装置７の下流側の排ガス系統４１に設置されており、冷却除湿装置２１を流下した脱塵・脱硝・脱硫・除湿工程を経た排ガス（主にＣＯ２）は、冷却除湿装置２１の下流に設置された二酸化炭素液化設備２２に排ガス系統４１を通じて導入され、この二酸化炭素液化設備２２にて排ガス中のＣＯ２を分離して圧縮・液化する。
【００４７】
二酸化炭素液化設備２２による圧縮・液化によって液化されたＣＯ２は、二酸化炭素液化設備２２から二酸化炭素回収系統４２を通って図示していない貯留施設へ運ばれて貯留される。
【００４８】
更に、通常の空気燃焼ボイラを酸素燃焼ボイラ１に改造するために必要な設備として、本実施例においては、大気から取り入れた空気から酸素（Ｏ２）と窒素（Ｎ２）を分離する酸素分離装置２３が酸素燃焼ボイラ１の上流側に設置されており、この酸素分離装置２３で分離した酸素が酸素供給系統２４を通じて前記酸素燃焼ボイラ１に供給され、再循環系統２５を通じて再循環する排ガスと混合した支援ガスとして、石炭供給系統３から供給された微粉炭を酸素燃焼ボイラ１の内部で燃焼させる。
【００４９】
酸素分離装置２３で分離された純酸素、又は酸素（僅かではあるが不純物として窒素等も含む）を供給する酸素供給系統２４は酸素予熱器５を経由して酸素燃焼ボイラ１に供給するように構成されているので、前記純酸素または酸素は、排ガス系統４１を流下する排ガスによって酸素予熱器５で加熱した後に、該酸素供給系統２４を通じて酸素燃焼ボイラ１へ供給して部粉炭の燃焼に使用される。また、酸素分離装置２３にて空気から酸素を取り除いた後のガス（主にＮ２）は系外へ排出される。
【００５０】
本実施例の酸素燃焼ボイラ１を備えた石炭火力発電プラントにおいては、通常の空気燃焼ボイラを酸素燃焼ボイラ１に改造するために必要な設備として、集塵装置６と脱硫装置７との間の排ガス系統４１から分岐して排ガスの一部を導き、酸素燃焼ボイラ１に再循環させる再循環系統２５を設置している。この再循環系統２５には再循環ファン２６を設置して、排ガス系統４１から分岐した排ガスの一部を再循環する排ガスとして酸素燃焼ボイラ１に送り込むように構成されている。
【００５１】
そして本実施例の酸素燃焼ボイラ１を備えた石炭火力発電プラントにおいては、通常の空気燃焼ボイラを酸素燃焼ボイラ１に改造するために必要な設備として、制御装置１５０が設置されている。この制御装置１５０の詳細な構成については後述する。
【００５２】
本実施例の酸素燃焼ボイラ１では、前記再循環系統２５は酸素予熱器５を経由して酸素燃焼ボイラ１に供給するように構成されているので、この再循環排ガスは酸素予熱器５にて排ガス系統４１を流下する排ガスによって加熱された後に前記再循環系統２５を通じて酸素燃焼ボイラ１へ供給され、酸素供給系統２４を通じて供給された酸素と混合した支援ガスとして、石炭供給系統３から供給された微粉炭を酸素燃焼ボイラ１の内部で燃焼させる。
【００５３】
前記したように酸素燃焼ボイラ１に供給される支燃ガスは、酸素供給系統２４から供給された純酸素と再循環系統２５を通じて供給された再循環排ガスとの混合ガスである。
【００５４】
前記制御装置１５０では、純酸素の供給量を該制御装置１５０で演算した指令信号によって酸素分離装置２３の稼動を制御することにより調整し、一方、排ガス循環量を該制御装置１５０で演算した指令信号によって再循環ファン２６の回転数を制御することにより調整して、純酸素と循環排ガスとを混合した支燃ガスに含まれる酸素濃度を所望の値になるように制御する。
【００５５】
酸素燃焼ボイラ１に供給される支燃ガスとしての供給量は、純酸素の供給量と循環排ガス量との合計値となる。また、支燃ガスに含まれる酸素は、酸素分離装置２３から供給される酸素に加えて、循環排ガス中に僅かながら残存する酸素とを合わせた量が酸素燃焼ボイラ１に供給されることになる。
【００５６】
酸素燃焼ボイラ１に供給される支燃ガスの酸素濃度を増やすは、酸素分離装置２３の稼動を制御して純酸素の供給量を増やすか、または、再循環ファン２６の回転数を制御して排ガス循環量を減らすことにより実施される。
【００５７】
一方、酸素燃焼ボイラ１に供給される燃料である石炭の供給量は、石炭供給装置２の運転を制御することにより調整される。
【００５８】
以上に述べた制御装置１５０による制御によって、酸素燃焼ボイラ１における燃焼状態を制御するためのパラメータである酸素供給量、排ガス循環量、石炭供給量の調節が行われる。
【００５９】
本実施例の酸素燃焼ボイラを備えた石炭火力発電プラントの酸素燃焼ボイラ１に供給する支燃ガスの酸素濃度の制御では、酸素燃焼ボイラ１に供給する燃料(石炭)の流量に加えて、酸素燃焼ボイラ１の一部の熱交換器、例えば、火炉１ａの部分でセンサの計測値を用いて蒸気が得た収熱量を計算し、この収熱量の計算値を基に支燃ガスの酸素濃度を制御する。
【００６０】
本実施例の酸素燃焼ボイラを備えた石炭火力発電プラントにおける微粉炭を燃焼させる酸素燃焼ボイラ１は、図２に示すように火炉１ａと後部伝熱面１ｂとの境界２０１の位置が火炉出口１ｃであり、この境界２０１の上流側を火炉１ａ、下流側を後部伝熱面１ｂと呼ぶ。
【００６１】
火炉１ａの下部には燃焼用バーナ１０１が設置されており、この燃焼用バーナ１０１から供給した微粉炭と、酸素及び再循環排ガスとが混合した支援ガスとが燃焼して高温の燃焼ガスを発生させる。
【００６２】
高温の燃焼ガスは酸素燃焼ボイラ１内にそれぞれ設置され、水管で構成された複数の熱交換器を流れる蒸気への伝熱を行いながら火炉１ａ内をボイラ出口１ｃの方向に向かって流下する構造になっている。
【００６３】
前記火炉１ａの下部壁面にはスパイラル管１０２と呼ばれる水管がスパイラル状に配設されおり、火炉１ａの上部壁面にはオープンパス管１０３と呼ばれる水管が垂直状に配設されている。これらのスパイラル管１０２とオープンパス管１０３とを合わせて水壁と呼ばれる。
【００６４】
また、図２に示した後部伝熱面１ｂ側の壁面にもケージ壁と呼ばれる水管１０４が設置されている。前記水壁やケージ壁が壁面に設置された水管であるのに対し、酸素燃焼ボイラ１の内部には水管から構成された複数の熱交換器が設置されている。
【００６５】
これらの熱交換器のうち、２次過熱器１１１は火炉１ａの天井から吊り下げられて配置されている。また、２次過熱器１１１の下流側には、３次過熱器１１２、再熱器１１３、１次過熱器１１４、及び節炭器１１５の各熱交換器が燃焼ガスの流下方向に沿って順次配設されている。
【００６６】
本実施例の酸素燃焼ボイラ１を備えた石炭火力発電プラントにおいて、酸素燃焼ボイラ１に酸素供給系統２４から供給される純酸素と再循環系統２５を通じて供給される再循環排ガスとが混合した支燃ガスの酸素濃度を調整することで、前記した各熱交換器の熱吸収量のバランスが変わるのは、対流伝熱・輻射伝熱と呼ばれる伝熱形態が関係している。
【００６７】
対流伝熱とは、高温の燃焼ガスと水管との接触面において両者の温度差によって熱が移動する伝熱現象をいう。一方、輻射伝熱とは、高温の燃焼ガスから発せられた電磁波が水管で吸収され、これが熱エネルギーに変換することによって熱が移動する現象である。
【００６８】
前記ボイラでの燃焼ガスから熱交換器への伝熱には、常に対流伝熱と輻射伝熱の両方が作用している。このとき、火炉１ａのように燃焼ガスが高温の領域であれば輻射伝熱による伝熱が支配的であり、後部伝熱面１ｂのように燃焼ガスが比較的低温の領域であれば対流伝熱による伝熱が支配的となる。これは、輻射伝熱による伝熱量がガス温度の４乗に比例するという物理的な性質があるためである。
【００６９】
このため、酸素燃焼ボイラ１において、再循環系統２５を通じて酸素燃焼ボイラ１に供給される排ガス循環量を減らすことによって支燃ガスに含まれる酸素濃度を高くすると、火炉１ａ内の火炎温度が高くなるので火炉１ａでの輻射伝熱量が大きくなり、火炉１ａ側の熱吸収量が増加する。
【００７０】
一方、再循環系統２５を通じて酸素燃焼ボイラ１に供給される排ガス循環量が少なくなると、酸素燃焼ボイラ１を流れるガス流量が低下してガス流速の低下をもたらす。このとき、前記した対流伝熱は、ガス流速が低下すると伝熱量が低くなるという物理的な性質がある。
【００７１】
したがって、再循環系統２５を通じて酸素燃焼ボイラ１に供給される排ガス循環量を減らして支燃ガスに含まれる酸素濃度を高くすると、対流伝熱が支配的な後部伝熱面１ｂでの熱吸収量が低下することになる。
【００７２】
つまり、酸素燃焼ボイラ１では、酸素燃焼ボイラ１に供給される排ガス循環量を減らして支燃ガスに含まれる酸素濃度を高くすると、輻射伝熱が支配的な火炉１ａ側の熱吸収量が増加し、一方、対流伝熱が支配的な後部伝熱面１ｂ側の熱吸収量が低下する傾向にある。
【００７３】
また、酸素燃焼ボイラ１に供給される排ガス循環量を増やして支燃ガスに含まれる酸素濃度を低くした場合は、この逆に作用する。
【００７４】
以上に述べた現象から、酸素燃焼ボイラ１に供給される支援ガスに含まれる酸素濃度を調整することによって、酸素燃焼ボイラ１に設置された熱交換器の熱吸収量のバランスを変えることができる。
【００７５】
また、火炉１ａ側と後部伝熱面１ｂ側とを合わせたボイラ全体の収熱量については、一般的な空気燃焼ボイラの構成の場合、排ガス循環量を減らして酸素濃度を高くした方がボイラ全体の収熱量が増加する傾向にある。これは、ガス温度が高い方が伝熱効率が高いためである。
【００７６】
空気で微粉炭を燃焼させていた既存の空気燃焼ボイラを酸素で微粉炭を燃焼させる酸素燃焼ボイラ１に改造する場合、改造コストの観点から言えば、酸素燃焼にした場合でも、空気燃焼における各熱交換器の熱吸収量のバランスをそのまま再現できるのが好ましい。なぜなら、ボイラの設計段階において、各熱交換器の熱吸収量のバランス（水管内の蒸気温度と圧力、水管外のガス温度）を踏まえて、熱交換器の材料選定を行っているからである。
【００７７】
ボイラに設置される熱交換器は、高温になる領域では耐熱性に優れた高価な材料を使用し、比較的低温の領域では耐熱的にはそれほど優れていない低価格の材料を使用する。このため、既存の空気燃焼ボイラを酸素燃焼ボイラに改造することで酸素燃焼の熱吸収のバランスが空気燃焼での熱吸収のバランスから大きく変化する場合には、設計段階で材料の選定基準となった温度等の条件が変わるので、そのままでは材料の耐熱的な観点から運転できなくなる事態が予想される。
【００７８】
このような場合に対応するためには、酸素燃焼ボイラ１に備えられる各熱交換器で、材料の使用限界温度以下となるように、伝熱面積を変更する改造を行う（具体的には水管を追加したり、削除したりする）ことが考えられるが、この改造には相当のコストを要することが推測される。
【００７９】
そこで、石炭火力発電プラントに備えた本実施例の酸素燃焼ボイラ１においては、酸素燃焼ボイラ１に供給する燃料の供給量に加えて、図２の火炉１ａに設置したセンサの計測値を用いて制御装置１５０にて蒸気が得た収熱量を計算し、この収熱量の計算値を基に酸素燃焼ボイラ１に供給する支燃ガスの酸素濃度を制御する。
【００８０】
前記制御装置１５０の構成について詳細に説明すると、この制御装置１５０には該制御装置１５０を構成する制御器及び演算器として、図３に示すように火炉１ａの収熱量を演算する火炉収熱量演算器１５１が設置されており、この火炉収熱量演算器１５１によって、火炉１ａ側に位置する各熱交換器に設置した入口温度センサ１４ｃ、出口温度センサ１４ｄ、圧力センサ１４ｅ、流量センサ１４ｆの各種センサで計測された各計測値に基づいて、火炉１ａで蒸気が得た収熱量を演算する。
【００８１】
図２に示した酸素燃焼ボイラ１の例では、火炉１ａに設置された熱交換器としては、水壁１０２及び１０３と、２次過熱器１１１が該当する。
【００８２】
前記火炉収熱量演算器１５１には、下記した（１）式と（２）式の各演算式の関数が備えられており、これら演算式の（１）式及び（２）式に基づいて、前記各種センサで計測された計測値を用いて各熱交換器の収熱量の総和を演算して、火炉１ａで蒸気が得た収熱量を求める。
【００８３】
まず、演算式の（１）式に基づいて、火炉１ａに設置された各熱交換器の水壁１０２、１０３、及び２次過熱器１１１に設けた入口温度センサ１４ｃ、または出口温度センサ１４ｄ、及び圧力センサ１４ｅの計測値を用いて、各熱交換器の入口蒸気エンタルピーまたは出口蒸気エンタルピーを演算する。
【００８４】
次に、演算式の（２）式に基づいて、火炉１ａに設置された各熱交換器の水壁１０２、１０３、及び２次過熱器１１１での収熱量を演算子してその総和を求めることにより、火炉１ａの収熱量を演算する。
【００８５】
【数１】
0005417068.tif 000002
【００８６】
演算式の（１）式において、Ｈｉ：熱交換器ｉの蒸気エンタルピー、ｆ：蒸気の温度と圧力からエンタルピーに変換する関数、Ｔｉ：熱交換器ｉの蒸気温度、Ｐｉ：熱交換器ｉの蒸気圧力、である。
【００８７】
【数２】
0005417068.tif 000003
【００８８】
演算式の（２）式において、Ｑ：火炉の収熱量、Ｆｉ：熱交換器ｉの蒸気流量、Ｈｏｕｔ，ｉ：熱交換器ｉの出口蒸気エンタルピー、Ｈｉｎ，ｉ：熱交換器ｉの入口蒸気エンタルピー、である。
【００８９】
本実施例の酸素燃焼ボイラ１の制御を行う制御装置１５０には、該制御装置１５０を構成する制御器及び演算器として、更に、酸素燃焼ボイラ１に供給する燃料が所望の燃料流量となるように石炭供給装置２の駆動状態を調節する指令信号を演算して該石炭供給装置２に対して出力する燃料流量制御器１５４と、所望の排ガス再循環量となるように再循環ファン２６の駆動状態を調節する指令信号を演算して該再循環ファン２６に対して出力する排ガス再循環量制御器１６０とが設置されている。
【００９０】
前記排ガス再循環量制御器１６０は、図４に示したように、排ガス再循環量の指令信号を演算するために２つの信号を取り込む。前記信号の一つは、制御装置１５０に設置された燃料流量制御器１５４が演算して出力する燃料流量の指令信号１６４である。
【００９１】
そして前記信号の他の一つは、前記火炉収熱量演算器１５１で演算し出力した火炉収熱量と、制御装置１５０に設置された燃料流量制御器１５４で演算して出力した燃料流量の指令信号に応じて火炉収熱量の設定値を演算する収熱量設定器１５２が出力した設定値とを取り込んで比較し、両者の偏差を出力する比較演算器１５３の偏差信号１６５である。
【００９２】
前記排ガス再循環量制御器１６０では、燃料流量制御器１５４から出力した燃料流量の指令信号１６４を該排ガス再循環量制御器１６０に設置された関数発生器１６１が取り込み、排ガス再循環量の指令信号１６６を演算する。
【００９３】
さらに、比較演算器１５３から出力した火炉収熱量の演算値と設定値との偏差信号１６５を該排ガス再循環量制御器１６０に設置されたＰＩ制御器１６２が取り込み、排ガス再循環量の補正信号１６７を演算して出力する。
【００９４】
次に、前記排ガス再循環量制御器１６０に設置された加算器１６３で排ガス再循環量の指令信号１６６と補正信号１６７とが加算されて、火炉収熱量に応じて補正された最終的な排ガス再循環量の指令信号１６８を再循環ファン２６に出力する。
【００９５】
これらの演算は、演算式の式（３）〜式（５）に基づいて処理される。
【００９６】
演算式の式（３）は、排ガス再循環量制御器１６０に設置された関数発生器１６１に備えられた関数における演算方法を表す。演算式の式（３）では、燃料流量と排ガス再循環量との対応関係を示す変換関数を基に、燃料流量の指令信号から排ガス再循環量の指令信号を演算する。変換関数は、あらかじめ設定しておく。
【００９７】
演算式の式（４）は、排ガス再循環量制御器１６０に設置されたＰＩ制御器１６２に備えられた関数における演算方法を表す。演算式の式（４）では、火炉収熱量の演算値と設定値との偏差信号を基に、火炉収熱量が設定値に追従するための排ガス再循環量の補正信号を演算する。
【００９８】
このとき、比例ゲイン及び積分ゲインはあらかじめ設定しておく。
【００９９】
演算式の式（５）は、排ガス再循環量制御器１６０に設置された加算器１６３での演算方法を表す。燃料流量の指令信号から演算した排ガス再循環量の指令信号に対して火炉収熱量の偏差信号に応じた補正信号を加算して、最終的な排ガス再循環量の指令信号を演算する。
【０１００】
【数３】
0005417068.tif 000004
【０１０１】
演算式の（３）式において、ｙ１(ｔ)：時刻ｔにおける排ガス再循環量の指令信号、Ｆ１：燃料流量の指令信号から排ガス再循環量の指令信号への変換関数、ｘ１(ｔ)：時刻ｔにおける燃料流量の指令信号、である。
【０１０２】
【数４】
0005417068.tif 000005
【０１０３】
演算式の（４）式において、Δｙ(ｔ)：時刻ｔにおける火炉収熱量に応じた排ガス再循環量の補正信号、ＫＰ：ＰＩ制御の比例ゲイン、ＫＩ：ＰＩ制御の積分ゲイン、ｘ２(ｔ)：時刻ｔにおける火炉収熱量の演算値と設定値との偏差信号、である。
【０１０４】
【数５】
0005417068.tif 000006
【０１０５】
演算式の（５）式において、ｙ(ｔ)：時刻ｔにおける火炉収熱量で補正された排ガス再循環量の指令信号、ｙ１(ｔ)：時刻ｔにおける燃料流量に応じた排ガス再循環量の指令信号、Δｙ(ｔ)：時刻ｔにおける火炉収熱量に応じた排ガス再循環量の補正信号、である。
【０１０６】
また、本実施例の酸素燃焼ボイラ１の制御を行う制御装置１５０には、該制御装置１５０を構成する制御器及び演算器として、更に、所望の酸素供給量となるように酸素分離装置２３の駆動状態を調節する指令信号を出力する酸素供給量制御器１７０が設置されている。
【０１０７】
前記酸素供給量制御器１７０は、図５に示したように、酸素供給量の指令信号を演算するために２つの信号を取り込む。前記信号の一つは、制御装置１５０に設置された燃料流量制御器１５４が演算して出力する燃料流量の指令信号１７４である。この指令信号１７４は前記燃料流量の指令信号１６４と同値である。
【０１０８】
そして前記信号の他の一つは、前記排ガス温度センサ１４ａが計測したボイラ出口１ｃでのガス温度と前記排ガス組成センサ１４ｂが計測した排ガス組成の排ガス組成とを取り込んで、制御装置１５０に設置されたボイラ出口酸素濃度検出器１５７にて検出した酸素濃度と、燃料流量制御器１５４から出力した燃料流量の指令信号に応じてボイラ出口酸素濃度の設定値を演算する酸素濃度設定器１５８から出力した設定値を取り込んで比較し、両者の偏差を出力する比較演算器１５９の偏差信号１７５である。
【０１０９】
前記酸素供給量制御器１７０では、燃料流量制御器１５４から出力した燃料流量の指令信号１７４を該酸素供給量制御器１７０に設置された関数発生器１７１が取り込み、酸素供給量の指令信号１６６を演算する。
【０１１０】
さらに、比較演算器１７３から出力したボイラ出口酸素濃度の検出値と設定値との偏差信号１７５を該酸素供給量制御器１７０に設置されたＰＩ制御器１７２が取り込み、酸素供給量の補正信号１７７を演算して出力する。
【０１１１】
次に、該酸素供給量制御器１７０に設置された加算器１７３で酸素供給量の指令信号１７６と補正信号１７７とが加算されて、ボイラ出口酸素濃度に応じて補正された最終的な酸素供給量の指令信号１７８を酸素分離装置２３に出力する。
【０１１２】
酸素供給量制御器１７０での演算処理における演算式は、前記排ガス再循環量制御器１６０における演算式の式（３）〜式（５）に基づく演算と同様であり、変換関数、比例ゲイン、積分ゲインは酸素供給量の演算に適した関数及び値をあらかじめ設定しておく。
【０１１３】
次に、本実施例の酸素燃焼ボイラ１による火炉収熱量の制御について以下に説明する。
【０１１４】
図１乃至図５に示した本実施例の酸素燃焼ボイラ１における制御装置１５０において、火炉１ａの収熱量の制御は次のように行われる。
【０１１５】
まず、酸素燃焼ボイラ１を構成する火炉１ａの各熱交換器１０２、１０３、１１１に設置された入口温度センサ１４ｃ、出口温度センサ１４ｄ、圧力センサ１４ｅ、流量センサ１４ｆによって測定された各測定値に基づき、制御装置１５０に設置した火炉収熱量演算器１５１によって火炉１ａの各熱交換器１０２、１０３、１１１にて蒸気が得た収熱量を計算する。
【０１１６】
そして制御装置１５０に設置した比較演算器１５３によって、前記火炉収熱量演算器１５１で計算した火炉集熱量と、収熱量設定器１５３の設定収熱量とを比較して、火炉収熱量演算器１５１で計算した火炉収熱量の計算値が、制御装置１５０の収熱量設定器１５２で設定された収熱量設定値よりも低い場合には、前記比較演算器１５３で比較した偏差信号に基づいた指令信号によって制御装置１５０に設置した排ガス再循環量制御器１６０を次のように制御する。
【０１１７】
即ち、排ガス再循環量制御器１６０から出力される指令信号によって再循環系統２５に設置された再循環ファン２６の駆動を弱めるように操作して該再循環系統２５を流通する排ガスの循環量を減少させ、酸素燃焼ボイラ１に供給する支燃ガスに含まれる酸素濃度を増加して、火炉１ａの収熱量を所望の値となるように制御する。
【０１１８】
また、前記比較演算器１５３から出力する指令信号によって、前記火炉収熱量演算器１５１で計算した火炉集熱量が、収熱量設定器１５２で設定された収熱量設定値よりも高い場合には、前記比較演算器１５３で比較した偏差信号に基づいた指令信号によって制御装置１５０に設置した排ガス再循環量制御器１６０を次のように制御する。
【０１１９】
即ち、排ガス再循環量制御器１６０から出力される指令信号によって再循環系統２５に設置された再循環ファン２６の駆動を強めるように操作して該再循環系統２５を流通する排ガスの循環量を増加させ、酸素燃焼ボイラ１に供給する支燃ガスに含まれる酸素濃度を減少させて、火炉１ａの収熱量を所望の値となるように制御する。
【０１２０】
次に、本実施例の酸素燃焼ボイラ１による補完的なボイラ出口の酸素濃度の制御について以下に説明する。
【０１２１】
図１乃至図５に示した本実施例の酸素燃焼ボイラ１における制御装置１５０において、ボイラ出口１ｃの酸素濃度の補完的な制御は次のように行われる。
【０１２２】
ボイラ出口１ｃに設置された排ガス温度センサ１４ａと排ガス組成センサ１４ｂの測定値に基づき、制御装置１５０に設置したボイラ出口の酸素濃度検出器１５７にてボイラ出口１ｃの酸素濃度値を検出する。
【０１２３】
そして制御装置１５０に設置した比較演算器１５９によって酸素濃度検出器１５７で検出したボイラ出口１ｃの酸素濃度値と酸素濃度設定器１５８で設定された酸素濃度設定値とを比較して、酸素濃度検出器１５７で検出したボイラ出口１ｃの酸素濃度の実測値が酸素濃度設定器１５８で設定された酸素濃度設定値よりも低い場合には、比較演算器１５９で比較した偏差信号に基づく指令信号によって制御装置１５０に設置した酸素供給量制御器１７０を次のように制御する。
【０１２４】
即ち、酸素供給量制御器１７０から出力される指令信号によって酸素供給装置２３の稼動が増加するように操作して、前記酸素供給装置２３から酸素供給系統２４を通じて酸素燃焼ボイラ１に供給する酸素の供給量を増加させて、ボイラ出口１ｃの酸素濃度が所定の濃度となるように制御する。
【０１２５】
また、前記比較演算器１５９によって酸素濃度検出器１５７で検出したボイラ出口１ｄの酸素濃度の実測値が酸素濃度設定器１５８で設定された酸素濃度設定値よりも高い場合には、比較演算器１５９で比較した偏差信号に基づく指令信号によって制御装置１５０に設置した酸素供給量制御器１７０を次のように制御する。
【０１２６】
即ち、酸素供給量制御器１７０から出力される指令信号によって酸素供給装置２３の稼動が減少するように操作して、前記酸素供給装置２３から酸素供給系統２４を通じて酸素燃焼ボイラ１に供給する酸素供給量を減少させて、ボイラ出口１ｃの酸素濃度を所定の濃度となるように制御する。
【０１２７】
上述した本発明の実施例である酸素燃焼ボイラ１による火炉収熱量の制御では、火炉１ａの収熱量を基準として排ガス循環量を制御したが、輻射伝熱の影響がより大きい範囲に絞った部分の収熱量、例えば、火炉１ａの水壁１０２、１０３のみの収熱量を基準として排ガス循環量を制御することも考えられる。
【０１２８】
この場合は、上述した制御において、火炉１ａを水壁に置き換えれば同様の装置構成で酸素燃焼ボイラ１を制御することができる。
【０１２９】
上述した本発明の実施例である酸素燃焼ボイラによれば、既存の空気燃焼ボイラとして運用している石炭ボイラを、酸素燃焼ボイラとして運用した場合に改造に要する費用が抑制でき、高温ガスによる酸素燃焼ボイラの損傷を防止して長期に亘って安定して運転可能な信頼性の高い酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法が実現できる。
【実施例２】
【０１３０】
次に、本発明の第２実施例である酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法について図６及び図７を用いて以下に説明する。
【０１３１】
図６は、本発明の第２実施例である酸素燃焼ボイラを有するＣＯ２回収に好適な石炭火力発電プラントの構成を示す概略図である。
【０１３２】
本発明の第２実施例の酸素燃焼ボイラ１は、図１乃至図５に示した本発明の第２実施例の酸素燃焼ボイラ１と基本的な構成は実質的に同一であるので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１３３】
図６及び図７に示した本発明の第２実施例の酸素燃焼ボイラ１では、図１乃至図５に示した第１実施例の酸素燃焼ボイラと比較して、制御に使用するセンサを少なくして構成した点が相違している。
【０１３４】
即ち、第１実施例の酸素燃焼ボイラ１における排ガス循環量の制御では、火炉１ａまたは水壁１０２及び１０３の収熱量を計算するために計測に使用するセンサは入口温度センサ１４ｃ、圧力センサ１４ｅ、出口温度センサ１４ｄ、流量センサ１４ｆであったが、第２実施例の酸素燃焼ボイラ１における排ガス循環量の制御では、計測に使用するセンサとして火炉１ａの水壁１０３の出口に設置した出口温度センサ１４ｄのみを使用する。
【０１３５】
次に、第２実施例の酸素燃焼ボイラ１において、第１実施例の酸素燃焼ボイラ１と異なっている制御装置１５０の構成、及び、排ガス循環量の制御について説明する。
【０１３６】
図７は、図６に示した本発明の第２実施例の酸素燃焼ボイラ１における制御装置１５０の構成を示している。
【０１３７】
図７に示した本発明の第２実施例である酸素燃焼ボイラ１の制御装置１５０の構成においては、図３に示された第１実施例の酸素燃焼ボイラ１における制御装置１５０と比較して、火炉収熱量演算器１５１が備えられていないこと、収熱量設定器１５２が蒸気温度設定器２５２ａに置き換えられていること、制御装置１５０に取り込むセンサの情報が少なくなっていることが相違しているが、その他の構成は第１実施例の制御装置１５０と同一である。
【０１３８】
また、図３に示した第１実施例の制御装置１５０では、火炉１ａまたは水壁１０２及び１０３に設置した温度、圧力、流量を計測する各種センサの計測値に基づいて、火炉１ａまたは水壁１０２及び１０３の収熱量を演算し、この演算した収熱量の値とその設定値とを比較して排ガス循環量の制御信号を補正している。
【０１３９】
これに対して、第２実施例の制御装置１５０では、火炉１ａの水壁１０２及び１０３の出口に設置した温度センサの計測値と、この計測点に対応した設定値を比較して排ガス循環量の制御信号を補正するように構成されている。
【０１４０】
ところで、前述した図３に示した第１実施例の制御装置１５０では、火炉１ａの水壁１０２及び１０３の収熱量を演算するに際して、センサで計測された蒸気の温度と圧力を用いてエンタルピー(単位質量あたりの熱量)を求め、このエンタルピーの値とセンサで計測された蒸気流量の計測値を用いて熱量を演算している。
【０１４１】
このとき、火炉１ａの水壁１０２及び１０３の入口の蒸気温度が一定で、かつ、蒸気の流量及び圧力が、運転条件(発電機出力の要求値、石炭供給量など)に応じて、給水制御装置により決められた値に制御されるとすれば、前記第１実施例の制御装置１５０において排ガス循環量の制御に必要な収熱量の計測値と設定値の比較に係る処理は、水壁１０２及び１０３の出口蒸気温度の計測値と設定値を比較することで代用できる。
【０１４２】
そこで、図６及び図７に示した第２実施例の制御装置１５０において、該制御装置１５０に設置した比較演算器１５３によって、火炉１ａの水壁１０２及び１０３の出口に設置した温度センサ１４ｄの計測値と、制御装置１５０の燃料流量制御器１５４から出力した燃料流量の指令信号に応じて水壁出口温度の設定値を演算して設定する、制御装置１５０に設置した蒸気温度設定器２５２ａから出力した蒸気温度設定値とを取り込んで比較し、両者の偏差を出力して再循環ファン２６の運転を調節する排ガス再循環量制御器１６０を制御するように構成した。
【０１４３】
次に、第２実施例の酸素燃焼ボイラ１における火炉１ａの水壁１０２及び１０３の出口の蒸気温度の制御について以下に説明する。
【０１４４】
図６及び図７に示した第２実施例である酸素燃焼ボイラ１の制御装置１５０において、火炉１ａの水壁１０２及び１０３の出口蒸気温度の制御は次のように行われる。
【０１４５】
まず、火炉１ａの水壁１０２及び１０３に設置された出口温度センサ１４ｄの測定値に基づき、制御装置１５０の比較演算器１５３によって前記出口温度センサ１４ｄの測定値と蒸気温度設定器２５２ａの設定収熱量とを比較して、出口温度センサ１４ｄの測定値が蒸気温度設定器２５２ａで設定された蒸気温度設定値よりも低い場合には、比較演算器１５３で比較した偏差信号に基づいて排ガス再循環量制御器１６０から指令信号を出力して再循環系統２５に設けた再循環ファン２６の駆動を弱めるように操作して再循環系統２５を流通する排ガスの循環量を減少させ、酸素燃焼ボイラ１に供給する支燃ガスに含まれる酸素濃度を増加して、火炉１ａの水壁１０２及び１０３の出口温度センサ１４ｄで測定される出口蒸気温度が所望の値になるように制御する。
【０１４６】
また、前記比較演算器１５３による比較によって出口温度センサ１４ｄの測定値が蒸気温度設定器２５２ａで設定された蒸気温度設定値よりも高い場合には、比較演算器１５３で比較した偏差信号に基づいて排ガス再循環量制御器１６０から指令信号を出力して再循環系統２５に設けた再循環ファン２６の駆動を強めるように操作して再循環系統２５を流通する排ガスの循環量を増加させ、酸素燃焼ボイラ１に供給する支燃ガスに含まれる酸素濃度を減少させて、火炉１ａの水壁１０２及び１０３の出口蒸気温度が所望の値になるように制御する。
【０１４７】
上述した本発明の実施例によれば、火炉または水壁の収熱量を演算することなく、水壁出口に設置した温度センサの計測値のみを用いて、排ガス再循環量を制御するので、第１実施例に比べて簡便な装置及び方法で、長期に亘って安定して運転可能な信頼性の高い酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法が実現できる。
【実施例３】
【０１４８】
次に、本発明の第３実施例である酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法について図８及び図９を用いて以下に説明する。
【０１４９】
図８は、本発明の第３実施例である酸素燃焼ボイラを有するＣＯ２回収に好適な石炭火力発電プラントの構成を示す概略図である。
【０１５０】
本発明の第３実施例の酸素燃焼ボイラ１は、図６及び図７に示した本発明の第２実施例の酸素燃焼ボイラ１と基本的な構成は実質的に同一であるので、両者に共通した構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１５１】
図８及び図９に示した本発明の第３実施例の酸素燃焼ボイラ１では、図６及び図７に示した第２実施例の酸素燃焼ボイラと比較して、火炉１ａの水壁１０２及び１０３の出口に設置した温度センサ１４ｄの替わりに、火炉１ａの水壁１０２又は１０３の代表水管にメタル温度を測定するメタル温度センサ１４ｇを設置した点が相違している。
【０１５２】
次に、第３実施例の酸素燃焼ボイラ１における火炉１ａを構成する水壁１０２又は１０３の水管のメタル温度の制御について以下に説明する。
【０１５３】
図８及び図９に示した第３実施例の制御装置１５０において、該制御装置１５０に設置した比較演算器１５３によって、火炉１ａの水壁１０２又は１０３の代表水管に設置されたメタル温度センサ１４ｇの測定値と、制御装置１５０の燃料流量制御器１５４から出力した燃料流量の指令信号に応じて火炉１ａの水壁１０２又は１０３のメタル温度を演算して設定する、制御装置１５０に設置したメタル温度設定器２５２ｂから出力したメタル温度設定値とを取り込んで比較し、両者の偏差を出力して再循環ファン２６の運転を調節する排ガス再循環量制御器１６０を制御するように構成した。
【０１５４】
そして、メタル口温度センサ１４ｇの測定値がメタル温度設定器２５２ｂで設定されたメタル温度設定値よりも低い場合には、比較演算器１５３で比較した偏差信号に基づいて排ガス再循環量制御器１６０から指令信号を出力して再循環系統２５に設けた再循環ファン２６の駆動を弱めるように操作して再循環系統２５を流通する排ガスの循環量を減少させ、酸素燃焼ボイラ１に供給する支燃ガスに含まれる酸素濃度を増加して、火炉１ａの水壁１０２又は１０３の代表水管で測定されるメタル温度センサ１４ｇのメタル温度が所望の値になるように制御する。
【０１５５】
また、メタル口温度センサ１４ｇの測定値がメタル温度設定器２５２ｂで設定されたメタル温度設定値よりも高い場合には、比較演算器１５３で比較した偏差信号に基づいて排ガス再循環量制御器１６０から指令信号を出力して再循環系統２５に設けた再循環ファン２６の駆動を強めるように操作して再循環系統２５を流通する排ガスの循環量を増加させ、酸素燃焼ボイラ１に供給する支燃ガスに含まれる酸素濃度を減少して、火炉１ａの水壁１０２又は１０３の代表水管で測定されるメタル温度センサ１４ｇのメタル温度が所望の値になるように制御する。
【０１５６】
本実施例における排ガス循環流量の制御で使用する火炉１ａの水壁１０２又は１０３の代表水管に設置されるメタル温度センサ１４ｇは、例えば、火炉１ａの水壁１０２又は１０３を構成する水管の中で最もメタル温度が高くなる場所に設置すればよい。
【０１５７】
このようにメタル温度センサ１４ｇを設置して制御装置１５０で制御することにより、火炉１ａの水壁１０２又は１０３が昇温する最大メタル温度が水壁材料の耐熱性に基づく制限値を超えないように制御することが可能となり、材料過熱による火炉１ａの水壁１０２又は１０３の損傷を防止することができる。
【０１５８】
また、火炉１ａの水壁１０２又は１０３で加熱する蒸気温度を所望の値に制御する場合には、火炉１ａ内で燃焼した燃焼ガスによって発生した熱が火炉１ａの水壁１０２又は１０３の水管のメタルに伝熱し、さらに、その熱が水管内の蒸気に伝熱した後に蒸気温度が変化するので、火炉１ａ内の燃焼状態が変化してから、その影響が蒸気温度に現れるまでの時間の遅れが大きくなる。
【０１５９】
そこで、本実施例の酸素燃焼ボイラ１のように、メタル温度センサ１４ｇを火炉１ａの水壁１０２又は１０３の代表水管に設置して、直接、水管のメタル温度を測定したメタル温度の測定値を用いて排ガス循環流量を制御すれば、前記の時間の遅れが短くなり、火炉１ａ内の燃焼状態の変化に対する制御の追従性を向上させることが出来る。
【０１６０】
上述した本発明の実施例である酸素燃焼ボイラによれば、既存の空気燃焼ボイラとして運用している石炭ボイラを、酸素燃焼ボイラとして運用した場合に改造に要する費用が抑制でき、高温ガスによる酸素燃焼ボイラの損傷を防止して長期に亘って安定して運転可能な信頼性の高い酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１６１】
本発明は石炭火力発電プラントのＣＯ２回収に好適な酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラの制御方法に適用できる。
【符号の説明】
【０１６２】
１：酸素燃焼ボイラ、１ａ：火炉、２：石炭供給装置、３：石炭供給系統、４：脱硝装置、５：酸素予熱器、６：集塵装置、７：脱硫装置、８：高圧蒸気タービン、９：低圧蒸気タービン、１０：加減弁、１１：発電機、１２：復水器、１３：給水ポンプ、１４ａ：排ガス温度センサ、１４ｂ：排ガス組成センサ、１４ｃ：入口温度センサ、１４ｄ：出口温度センサ、１４ｅ：圧力センサ、１４ｆ：流量センサ、１４g：メタル温度センサ、２１：冷却除湿装置、２２：二酸化炭素液化装置、２３：酸素分離装置、２４：酸素供給系統、２５：再循環系統、２６：再循環ファン、３１、３２、３３、３４：蒸気系統、３５：給水系統、４１：排ガス系統、４２：二酸化炭素回収系統、５０：蒸気タービン設備、１０２、１０３：水壁、１５０：制御装置、１５１：火炉収熱量演算器、１５２：収熱量設定器、１５３、１５９：比較演算器、１５４：燃料流量制御器、１５７：ボイラ出口酸素濃度検出器、１５８、１５９：酸素濃度設定器、１６０：排ガス再循環量制御器、１６１、１７１：関数発生器、１６２、１７２：ＰＩ制御器、１６３、１７３：加算器、１７０：酸素供給量制御器、１７２：、２５２ａ：蒸気温度設定器、２５２ｂ：メタル温度設定器。
【図１】
0005417068.tif 000007
【図２】
0005417068.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005417068.tif 000013
【図８】
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【図９】
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