(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱硝装置における脱硝・吸着反応の非線形・動特性に基づく分布定数形システムの（Ａ）ＮＨ３  の層流境膜拡散マスバランス（触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度）、（Ｂ）ＮＯｘの層流境膜拡散マスバランス（触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度）、（Ｃ）気相ＮＨ３  マスバランス（微小な触媒の表面積における気相ＮＨ３  濃度の変化）、（Ｄ）気相ＮＯｘマスバランス（微小な触媒の表面積における気相ＮＯｘ濃度の変化）、前記（Ａ）を示す式と前記（Ｂ）を示す式それぞれの平均値を用いて集中定数化した（Ｅ）アンモニア吸着量マスバランス（微小時間におけるＮＨ３  吸着量の変化）、（Ａ）から（Ｅ）それぞれを示す式により導き出した脱硝入口アンモニア濃度を求める式に、同装置の排ガス流量、排ガス温度、入口ＮＯｘ濃度および出口ＮＯｘ濃度目標値を代入して脱硝入口アンモニア濃度を求め、脱硝入口アンモニア濃度に排ガス流量を乗じて必要なアンモニア注入量を求めてフィードフォワード制御により脱硝装置のアンモニア注入量制御を行うことを特徴とする脱硝装置のアンモニア注入量制御方法。
【請求項２】
前記（Ｂ）を示す式と前記（Ｄ）を示す式から、（ａ）λ（単位排ガス流量における触媒表面積）における気相ＮＯｘ濃度（ＮＢ（λ））を求める式と、脱硝入口ＮＯｘ濃度（ＮＢ（０））および脱硝出口ＮＯｘ濃度（ＮＢ（λend）＝ＮＢｒｅｆ）をパラメータとする（ｂ）ＮＨ３  吸着量（Ａ＊）を求める式を導き、前記（Ｅ）の微小時間におけるＮＨ３  吸着量ｄＡ＊／ｄｔは、今回求めたＡ＊ｔと前回求めたＡ＊ｔ−１から求めることを特徴とする請求項１に記載の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法。
【請求項３】
（ｃ）前記触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度の平均値（Ｎａｖ）は、前記（Ｂ）を示す式と前記（ａ）を示す式から導き、ＮＢ（０）およびＡ＊の値を代入して求め、
（ｄ）前記触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度はλの関数として前記（Ａ）を示す式と前記（Ｃ）を示す式から導き（ＡＢ（λ））、
前記触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度の平均値（Ａａｖ）は、前記（Ｅ）を示す式にＮａｖ，Ａ＊およびｄＡ＊／ｄｔを代入して求めるとともに、（ｅ）前記（Ａ）を示す式と前記（ｄ）を示す式により導き、この２つのＡａｖから脱硝装置入口におけるアンモニア濃度（ＡＢ（０））を求めることを特徴とする請求項２に記載の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法。
【請求項４】
前記（Ｅ）を示す式は、以下の式であることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法。
ｄＡ＊／ｄｔ＝Ａ＊（−Ｋ１・Ｎav−Ｋ３・Ａav）＋Ｐ・Ｋ３・Ａav
ただし、Ａ＊：ＮＨ３  吸着量（ｃｃ／ｍ２  ）、ｔ：時間のパラメータ、Ｎav：触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度の平均値（ｐｐｍ）、Ａav：触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度の平均値（ｐｐｍ）、Ｐ：複合サイト量＝触媒に吸着され得るＮＨ３  の最大値（ｃｃ／ｍ２  ）、Ｋ１，Ｋ３：比例定数（速度定数）。
【請求項５】
前記（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を示す式は、以下の式であることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法。
（Ａ）ＮＨ３  の層流境膜拡散マスバランス
ＡＳ＝（ＡＫ・ＡＢ）／｛Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）＋Ｋ４・εＡ＋ＡＫ｝ 
（Ｂ）ＮＯｘの層流境膜拡散マスバランス
ＮＳ＝（ＮＫ・ＮＢ＋Ｋ４・εＮ・ＡＳ）／（Ｋ１・Ａ＊＋ＮＫ） 
（Ｃ）気相ＮＨ３  マスバランス
ｄＡＢ／ｄＳ＝ＡＳ｛−Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）−Ｋ４・εＡ｝／Ｆ     
（Ｄ）気相ＮＯｘマスバランス
ｄＮＢ／ｄＳ＝（−Ｋ１・ＮＳ・Ａ＊＋Ｋ４・εＮ・ＡＳ）／Ｆ   
ただし、ＡＢ：気相ＮＨ３  濃度（ｐｐｍ）、ＮＢ：気相ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）、ＡＳ：触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度（ｐｐｍ）、ＮＳ：触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）、Ａav：ＡＳの平均値、Ｎav：ＮＳの平均値、Ａ＊：ＮＨ３  吸着量（ｃｃ／ｍ２  ）、Ｐ：複合サイト量＝触媒に吸着され得るＮＨ３  の最大値（ｃｃ／ｍ２  ）、Ｋ１，Ｋ３，Ｋ４：各種比例定数（速度定数）、εＡ，εＮ：ＮＨ3 燃焼速度補正係数、Ｆ：排ガス流量、ＡＫ，ＮＫ：境膜物質移動係数（ｍ３  ／ｍ２  ｈ）、ｔ：時間のパラメータ、Ｓ：触媒表面積のパラメータ。なお、ＡＢ、ＮＢ、ＡＳおよびＮＳは、それぞれＳ（すなわちλ）の関数である。
【請求項６】
初期値などが設定されて計算が開始されるステップと、出口ＮＯｘ濃度目標値ＮＢref と入口ＮＯｘ濃度値ＮＢ（０）とが取り込まれるステップと、脱硝装置からの排ガス温度Ｔおよび排ガス流量Ｆが取り込まれるステップと、触媒表面積Ｓtotal と前記排ガス流量Ｆとからλend が求められ、さらに、ＦとＴの関数であるＮＫおよびＡＫと、Ｔの関数であるＫ１、Ｋ３およびＰとが求められ、Ｋre＝Ｋ１・ＮＫ・Ａ＊／（Ｋ１・Ａ＊＋ＮＫ）およびＫad＝Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）・ＡＫ／｛Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）＋ＡＫ｝が計算されるステップと、下記の式（８）（＝（ｂ）を示す式）を用いて、必要なアンモニア吸着量Ａ＊が計算されるステップと、下記の式（９）（＝（ｃ）を示す式）を用いて、触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度平均値Ｎavが計算されるステップと、下記の式（10）を用いて、触媒表面付近の気相ＮＨ3 濃度平均値Ａavが計算されるステップと、下記の式(11)（＝（ｅ）を示す式）と式（１０）で求めたＡａｖを用いて、入口アンモニア濃度ＡＢ（０）が計算されるステップと、入口アンモニア濃度と排ガス流量との積ＡＢ（０）・Ｆによりアンモニア注入量が計算されるステップとを備えている請求項３記載の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法。
0003574889.tif 000010
ただし、脱硝出口でのλをλend （＝Ｓtotal ／Ｆ，Ｓtotal は触媒表面積を表す定数）、脱硝出口でのＮＢをＮＢref とする。
【請求項７】
前記排ガス流量、排ガス温度、入口ＮＯｘ濃度および求めたアンモニア注入量を用いて出口ＮＯｘ濃度予測値をシミュレーション計算し、得られた出口ＮＯｘ濃度予測値と出口ＮＯｘ濃度目標値とを比較して求めた補正値により補正アンモニア注入量を求め、この補正アンモニア注入量によってアンモニア注入量を補正することを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法。
【請求項８】
ガスタービンの出口に脱硝装置が設けられ、ガスタービンの定常運転時には、アンモニア注入量を出口ＮＯｘ濃度計測値と出口ＮＯｘ濃度目標値との偏差で補正するフィードバック制御を合わせて行うことを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法。
【請求項９】
脱硝装置における脱硝・吸着反応の非線形・動特性に基づく分布定数形システムの（Ａ）ＮＨ３  の層流境膜拡散マスバランス（触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度）、（Ｂ）ＮＯｘの層流境膜拡散マスバランス（触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度）、（Ｃ）気相ＮＨ３ マスバランス（微小な触媒の表面積における気相ＮＨ３  濃度の変化）、（Ｄ）気相ＮＯｘマスバランス（微小な触媒の表面積における気相ＮＯｘ濃度の変化）、前記（Ａ）を示す式と前記（Ｂ）を示す式それぞれの平均値を用いて集中定数化した（Ｅ）アンモニア吸着量マスバランス（微小時間におけるＮＨ３  吸着量の変化）、（Ａ）から（Ｅ）それぞれを示す式により導き出した脱硝入口アンモニア濃度を求める式に、同装置の排ガス流量、排ガス温度、入口ＮＯｘ濃度および出口ＮＯｘ濃度目標値を代入して脱硝入口アンモニア濃度を求めることを特徴とする脱硝入口アンモニア濃度演算方法。
【請求項１０】
排ガス流量、排ガス温度、入口ＮＯｘ濃度および出口ＮＯｘ濃度目標値を入力値としてアンモニア注入量を求めるアンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック(22)、出口ＮＯｘ濃度目標値および出口ＮＯｘ濃度予測値を入力値としてアンモニア注入量補正値を求める出口ＮＯｘ濃度補正ブロック(23)、ならびにＮＨ３  の層流境膜拡散マスバランス、ＮＯｘの層流境膜拡散マスバランス、気相ＮＨ３  マスバランス、気相ＮＯｘマスバランスおよびアンモニア吸着量マスバランスからなる式をリアルタイムでシミュレーションし出口ＮＯｘ濃度予測値を求めるシミュレーションブロック(24)を備え、タービンの起動時、停止時および定常運転時のアンモニア注入量を脱硝プロセスモデルに基づいたフィードフォワード演算で決定するアンモニア注入量制御系フィードフォワード部と、
出口ＮＯｘ濃度計測値と出口ＮＯｘ濃度目標値とを比較する出口ＮＯｘ濃度比較ブロック(25)を備え、タービンの定常運転時に、脱硝出口ＮＯｘ濃度をフィードバックしてフィードフォワード制御を補正するとともに、ガスタービン(1) の起動時および停止時には実施されないアンモニア注入量制御系フィードバック部とから構成されている脱硝装置のアンモニア注入量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスタービンの出口に設けられて排ガス中のＮＯｘを除去する脱硝装置において、還元剤であるアンモニアを先行注入するに際し、アンモニア注入量の適正値を確保するための制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンから排出されるＮＯｘ量は、起動・停止の過程や負荷変動によって過渡的に大きく変動するものであり、他方、脱硝装置は、脱硝・吸着反応という化学反応特有の非線形性・動特性をもっている。また、ＮＯｘ量を計測するＮＯｘ濃度分析計は、検出遅れ・サンプリングによるむだ時間を有している。そのため、脱硝出口ＮＯｘ濃度計測値のフィードバックによる制御は技術的に困難である。
【０００３】
したがって、従来の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法としては、ガスタービン出口の予測ＮＯｘ流量と脱硝出口の目標ＮＯｘ流量とから計算される脱硝率に基づいて、予め設定されたアンモニアモル比（アンモニア量／ＮＯｘ量）をテーブルから取り出し、アンモニアモル比と予測ＮＯｘ流量との積により必要なアンモニア注入量を求め、その信号を負荷変化信号などで補正するフィードフォワード制御を主体とし、これとフィードバック制御との組み合わせにより、アンモニア注入量を求めるというものが一般的であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法は、脱硝・吸着反応という化学反応特有の非線形性・動特性を考慮しないものであり、起動・停止の過程や負荷変動によってガスタービンから排出されるＮＯｘ量が過渡的に大きく変動する場合、たとえば起動時において排ガス温度が低温（２５０℃以下）となる場合には、脱硝装置の時定数（アンモニア注入ステップ応答送れ時間）が大きいために、脱硝出口濃度を常に所要値（数ｐｐｍ）以下に保つことが難しいという問題があった。また、脱硝出口濃度を所要値以下に保とうとすることにより、反応せずに棄てられるリークアンモニア量が多くなるという問題もあった。しかも、フィードフォワード制御により求められたアンモニア注入量が適正でないため、フィードバック制御がハンチングを起こすという問題もあった。
【０００５】
この発明の目的は、適正なアンモニア注入量を求めることにより、脱硝出口ＮＯｘ濃度を常に所要値以下に保つことができるとともに、リークアンモニア量はほとんど０とすることができる脱硝装置のアンモニア注入量制御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明による脱硝装置のアンモニア注入量制御方法は、脱硝装置における脱硝・吸着反応の非線形・動特性に基づく分布定数形システムの（Ａ）ＮＨ３  の層流境膜拡散マスバランス（触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度）、（Ｂ）ＮＯｘの層流境膜拡散マスバランス（触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度）、（Ｃ）気相ＮＨ３  マスバランス（微小な触媒の表面積における気相ＮＨ３  濃度の変化）、（Ｄ）気相ＮＯｘマスバランス（微小な触媒の表面積における気相ＮＯｘ濃度の変化）、前記（Ａ）を示す式と前記（Ｂ）を示す式それぞれの平均値を用いて集中定数化した（Ｅ）アンモニア吸着量マスバランス（微小時間におけるＮＨ３  吸着量の変化）、（Ａ）から（Ｅ）それぞれを示す式により導き出した脱硝入口アンモニア濃度を求める式に、同装置の排ガス流量、排ガス温度、入口ＮＯｘ濃度および出口ＮＯｘ濃度目標値を代入して脱硝入口アンモニア濃度を求め、脱硝入口アンモニア濃度に排ガス流量を乗じて必要なアンモニア注入量を求めてフィードフォワード制御により脱硝装置のアンモニア注入量制御を行うことを特徴とするものである。
【０００７】
この発明による脱硝装置のアンモニア注入量制御方法において、前記（Ｂ）を示す式と前記（Ｄ）を示す式から、（ａ）λ（単位排ガス流量における触媒表面積）における気相ＮＯｘ濃度（ＮＢ（λ））を求める式と、脱硝入口ＮＯｘ濃度（ＮＢ（０））および脱硝出口ＮＯｘ濃度（ＮＢ（λend）＝ＮＢｒｅｆ）をパラメータとする（ｂ）ＮＨ３  吸着量（Ａ＊）を求める式を導き、前記（Ｅ）の微小時間におけるＮＨ３  吸着量ｄＡ＊／ｄｔは、今回求めたＡ＊ｔと前回求めたＡ＊ｔ−１から求めることが好ましい。
【０００８】
また、（ｃ）前記触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度の平均値（Ｎａｖ）は、前記（Ｂ）を示す式と前記（ａ）を示す式から導き、ＮＢ（０）およびＡ＊の値を代入して求め、（ｄ）前記触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度はλの関数として前記（Ａ）を示す式と前記（Ｃ）を示す式から導き（ＡＢ（λ））、前記触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度の平均値（Ａａｖ）は、前記（Ｅ）を示す式にＮａｖ，Ａ＊およびｄＡ＊／ｄｔを代入して求めるとともに、（ｅ）前記（Ａ）を示す式と前記（ｄ）を示す式により導き、この２つのＡａｖから脱硝装置入口におけるアンモニア濃度（ＡＢ（０））を求めることがより好ましい。
【０００９】
さらにまた、前記（Ｅ）を示す式は、以下の式であることがより好ましい。
ｄＡ＊／ｄｔ＝Ａ＊（−Ｋ１・Ｎav−Ｋ３・Ａav）＋Ｐ・Ｋ３・Ａav
ただし、Ａ＊：ＮＨ３  吸着量（ｃｃ／ｍ２  ）、ｔ：時間のパラメータ、Ｎav：触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度の平均値（ｐｐｍ）、Ａav：触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度の平均値（ｐｐｍ）、Ｐ：複合サイト量＝触媒に吸着され得るＮＨ３  の最大値（ｃｃ／ｍ２  ）、Ｋ１，Ｋ３：比例定数（速度定数）。
さらにまた、前記（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を示す式は、以下の式であることがより好ましい。
（Ａ）ＮＨ３  の層流境膜拡散マスバランス
ＡＳ＝（ＡＫ・ＡＢ）／｛Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）＋Ｋ４・εＡ＋ＡＫ｝ 
（Ｂ）ＮＯｘの層流境膜拡散マスバランス
ＮＳ＝（ＮＫ・ＮＢ＋Ｋ４・εＮ・ＡＳ）／（Ｋ１・Ａ＊＋ＮＫ） 
（Ｃ）気相ＮＨ３  マスバランス
ｄＡＢ／ｄＳ＝ＡＳ｛−Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）−Ｋ４・εＡ｝／Ｆ     
（Ｄ）気相ＮＯｘマスバランス
ｄＮＢ／ｄＳ＝（−Ｋ１・ＮＳ・Ａ＊＋Ｋ４・εＮ・ＡＳ）／Ｆ   
ただし、ＡＢ：気相ＮＨ３  濃度（ｐｐｍ）、ＮＢ：気相ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）、ＡＳ：触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度（ｐｐｍ）、ＮＳ：触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）、Ａav：ＡＳの平均値、Ｎav：ＮＳの平均値、Ａ＊：ＮＨ３  吸着量（ｃｃ／ｍ２  ）、Ｐ：複合サイト量＝触媒に吸着され得るＮＨ３  の最大値（ｃｃ／ｍ２  ）、Ｋ１，Ｋ３，Ｋ４：各種比例定数（速度定数）、εＡ，εＮ：ＮＨ3 燃焼速度補正係数、Ｆ：排ガス流量、ＡＫ，ＮＫ：境膜物質移動係数（ｍ３  ／ｍ２  ｈ）、ｔ：時間のパラメータ、Ｓ：触媒表面積のパラメータ。なお、ＡＢ、ＮＢ、ＡＳおよびＮＳは、それぞれＳ（すなわちλ）の関数である。
【００１０】
この発明による脱硝装置のアンモニア注入量制御方法は、例えば、初期値などが設定されて計算が開始されるステップと、出口ＮＯｘ濃度目標値ＮＢref と入口ＮＯｘ濃度値ＮＢ（０）とが取り込まれるステップと、脱硝装置からの排ガス温度Ｔおよび排ガス流量Ｆが取り込まれるステップと、触媒表面積Ｓtotal と前記排ガス流量Ｆとからλend が求められ、さらに、ＦとＴの関数であるＮＫおよびＡＫと、Ｔの関数であるＫ１、Ｋ３およびＰとが求められ、Ｋre＝Ｋ１・ＮＫ・Ａ＊／（Ｋ１・Ａ＊＋ＮＫ）およびＫad＝Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）・ＡＫ／｛Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）＋ＡＫ｝が計算されるステップと、下記の式（８）（＝（ｂ）を示す式）を用いて、必要なアンモニア吸着量Ａ＊が計算されるステップと、下記の式（９）（＝（ｃ）を示す式）を用いて、触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度平均値Ｎavが計算されるステップと、下記の式（10）を用いて、触媒表面付近の気相ＮＨ3 濃度平均値Ａavが計算されるステップと、下記の式(11)（＝（ｅ）を示す式）と式（１０）で求めたＡａｖを用いて、入口アンモニア濃度ＡＢ（０）が計算されるステップと、入口アンモニア濃度と排ガス流量との積ＡＢ（０）・Ｆによりアンモニア注入量が計算されるステップとによって実施される。
0003574889.tif 000002
ただし、脱硝出口でのλをλend （＝Ｓtotal ／Ｆ，Ｓtotal は触媒表面積を表す定数）、脱硝出口でのＮＢをＮＢref とする。
【００１１】
この発明による脱硝装置のアンモニア注入量制御方法において、前記排ガス流量、排ガス温度、入口ＮＯｘ濃度および求めたアンモニア注入量を用いて出口ＮＯｘ濃度予測値をシミュレーション計算し、得られた出口ＮＯｘ濃度予測値と出口ＮＯｘ濃度目標値とを比較して求めた補正値により補正アンモニア注入量を求め、この補正アンモニア注入量によってアンモニア注入量を補正することが好ましい。ここで、求められた補正アンモニア注入量は、アンモニア注入量フィードフォワード信号として制御装置に向けて出力されるとともに、次のステップのシミュレーション計算のための「計算されたアンモニア注入量」として使用される。
【００１２】
脱硝装置の入口ＮＯｘ濃度としては、ガスタービンのプロセス量から計算される入口ＮＯｘ濃度予測値、脱硝装置入口に設けられたＮＯｘ濃度分析計による入口ＮＯｘ濃度計測値または入口ＮＯｘ濃度予測値および入口ＮＯｘ濃度計測値の両方を用いて求めた入口ＮＯｘ濃度補正値が、脱硝装置の仕様に応じて適宜使用される。
【００１３】
上記の発明において、ガスタービンの出口に脱硝装置が設けられ、ガスタービンの定常運転時には、アンモニア注入量を出口ＮＯｘ濃度計測値と出口ＮＯｘ濃度目標値との偏差で補正するフィードバック制御を合わせて行うことが好ましい。
【００１４】
この発明による脱硝入口アンモニア濃度演算方法は、脱硝装置における脱硝・吸着反応の非線形・動特性に基づく分布定数形システムの（Ａ）ＮＨ３  の層流境膜拡散マスバランス（触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度）、（Ｂ）ＮＯｘの層流境膜拡散マスバランス（触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度）、（Ｃ）気相ＮＨ３  マスバランス（微小な触媒の表面積における気相ＮＨ３  濃度の変化）、（Ｄ）気相ＮＯｘマスバランス（微小な触媒の表面積における気相ＮＯｘ濃度の変化）、前記（Ａ）を示す式と前記（Ｂ）を示す式それぞれの平均値を用いて集中定数化した（Ｅ）アンモニア吸着量マスバランス（微小時間におけるＮＨ３  吸着量の変化）、（Ａ）から（Ｅ）それぞれを示す式により導き出した脱硝入口アンモニア濃度を求める式に、同装置の排ガス流量、排ガス温度、入口ＮＯｘ濃度および出口ＮＯｘ濃度目標値を代入して脱硝入口アンモニア濃度を求めることを特徴とするものである。
【００１５】
この発明による脱硝装置のアンモニア注入量制御装置は、排ガス流量、排ガス温度、入口ＮＯｘ濃度および出口ＮＯｘ濃度目標値を入力値としてアンモニア注入量を求めるアンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック(22)、出口ＮＯｘ濃度目標値および出口ＮＯｘ濃度予測値を入力値としてアンモニア注入量補正値を求める出口ＮＯｘ濃度補正ブロック(23)、ならびにＮＨ３  の層流境膜拡散マスバランス、ＮＯｘの層流境膜拡散マスバランス、気相ＮＨ３  マスバランス、気相ＮＯｘマスバランスおよびアンモニア吸着量マスバランスからなる式をリアルタイムでシミュレーションし出口ＮＯｘ濃度予測値を求めるシミュレーションブロック(24)を備え、タービンの起動時、停止時および定常運転時のアンモニア注入量を脱硝プロセスモデルに基づいたフィードフォワード演算で決定するアンモニア注入量制御系フィードフォワード部と、出口ＮＯｘ濃度計測値と出口ＮＯｘ濃度目標値とを比較する出口ＮＯｘ濃度比較ブロック(25)を備え、タービンの定常運転時に、脱硝出口ＮＯｘ濃度をフィードバックしてフィードフォワード制御を補正するとともに、ガスタービン(1) の起動時および停止時には実施されないアンモニア注入量制御系フィードバック部とから構成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、この発明のアンモニア注入量制御方法が使用される脱硝プロセスのフローを示している。同図において、圧縮機(2) および燃焼器(3) によって駆動されるガスタービン(1) の出口に、排熱回収ボイラ用排ガス脱硝装置(4) が設けられている。この排ガス脱硝装置(4) においては、ガスタービン(1) の排ガス中に含まれるＮＯｘとアンモニア注入グリッド(5) から注入されたアンモニアとが、脱硝触媒(6) の存在下で反応して窒素と水とになって煙突(7) から排出されるとともに、これらに未反応のＮＯｘとアンモニアとが随伴する。脱硝装置(4) 入口および出口には、それぞれＮＯｘ濃度分析計(8)(9)が設けられている。アンモニアは、後述する制御方法に基づいた制御を行う制御装置(10)によりコントロールされており、アンモニア発生装置(11)で得られたものが圧力調整弁(12)および流量調整弁(13)などによりその流量を制御されて混合器(14)に至り、ここでファン(15)および流量調整弁(16)を介して導入された希釈用空気と混合されて、アンモニア注入グリッド(5) に送られている。
【００１８】
図２は、アンモニア注入量制御系のブロック図を示している。アンモニア注入量制御系は、入口ＮＯｘ濃度計測値および入口ＮＯｘ濃度予測値に基づいて入口ＮＯｘ濃度予測値を補正する入口ＮＯｘ濃度演算部(21)と、アンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック(22)、出口ＮＯｘ濃度補正ブロック(23)およびシミュレーションブロック(24)を備えたアンモニア注入量制御系フィードフォワード部（以下ＦＦ部という。）と、出口ＮＯｘ濃度比較ブロック(25)を備えたアンモニア注入量制御系フィードバック部（以下ＦＢ部という。）とから構成されている。
【００１９】
入口ＮＯｘ濃度演算部(21)は、フィードフォワード制御で使用される入口ＮＯｘ濃度の予測値を実際の入口ＮＯｘ濃度に近い値として求める部分である。ＦＦ部は、タービンの起動時、停止時および定常運転時のアンモニア注入量を脱硝プロセスモデルに基づいたフィードフォワード演算で決定するものである。また、ＦＢ部は、タービンの定常運転時に、脱硝出口ＮＯｘ濃度をフィードバックしてフィードフォワード制御を補正するものであり、ガスタービン(1) の起動時および停止時には、フィードバック制御は実施されないようになっている。
【００２０】
まず、図３を参照して、入口ＮＯｘ濃度演算部(21)の詳細を説明する。
【００２１】
入口ＮＯｘ濃度演算部(21)は、入口ＮＯｘ濃度予測値ｑを修正する修正信号ｎを出力する予測濃度修正ブロック(31)と、入口ＮＯｘ濃度演算部(21)で得られた入口ＮＯｘ濃度補正信号ｐをＮＯｘ濃度分析計(8) の特性に基づいて処理して出力信号ｒを出力する計測系特性ブロック(32)と、入口ＮＯｘ濃度分析計(8) の入口ＮＯｘ濃度計測値ｍと計測系特性ブロック(32)からの出力信号ｒとの差を求めてこれを誤差信号として予測濃度修正ブロック(31)に出力する減算器(33)と、予測濃度修正ブロック(31)からの修正信号ｎと入口ＮＯｘ濃度予測値ｑとの和を求めてこれを補正信号ｐとして出力する加算器(34)とを備えたフィードバック回路である。
【００２２】
入口ＮＯｘ濃度分析計(8) は、時間遅れおよびむだ時間を有しており、その特性は、伝達関数Ｇ（ｓ）＝ｅ−Ｌ・ｓ／（１＋Ｔ・ｓ）によって表すことができる。ここで、Ｌは計測システムのむだ時間で、Ｔは計測システムの遅れ時間である。
【００２３】
これに対応して、計測系特性ブロック(32)は、伝達関数
Ｇ（ｓ）＝ｅ−Ｌ′・ｓ／（１＋Ｔ′・ｓ）の特性をもつものとされている。ここで、むだ時間係数Ｌ′および遅れ時間係数Ｔ′は、実システムの係数の推測値である。ＮＯｘ濃度分析計(8) の特性は、たとえばそのメーカーによって異なるものであるが、どのメーカーのＮＯｘ濃度分析計(8) を用いても、その特性に計測系特性ブロック(32)を合わせることで、柔軟な対応が可能である。
【００２４】
予測濃度修正ブロック(31)は、たとえば、その伝達関数がＫｐである単純な比例ゲインで表される。このＫｐを十分大きくすることによって、誤差信号を０にすることができれば、入口実ＮＯｘ濃度ｋと入口ＮＯｘ濃度補正信号ｐとが等しくなり、この原理で入口実ＮＯｘ濃度ｋを推定することができる。すなわち、比例ゲインＫｐが十分大きければ、入口ＮＯｘ濃度予測値ｑは、修正信号ｎに比べて小さいので無視することができるから、システム全体の伝達関数は、分析計(8) の入力をラプラス変換したものをｋ（ｓ）、補正信号ｐをラプラス変換したものをｐ（ｓ）として、
0003574889.tif 000003
で表すことができる。したがって、ＬとＬ′とがほぼ等しくかつＴとＴ′とがほぼ等しい場合、システム全体としては、近似的に、伝達関数
0003574889.tif 000004
で表される特性をもつこととなる。なお、Ｋｐを大きくすればするほど、入口実ＮＯｘ濃度ｋと入口ＮＯｘ濃度補正信号ｐとがよく一致する。
【００２５】
こうして、入口ＮＯｘ濃度分析計(8) の計測値ｍと計測系特性ブロック(32)からの出力信号ｒとの差である誤差信号をほぼ０とすることにより、入口実ＮＯｘ濃度ｋに等しくなった入口ＮＯｘ濃度補正信号ｐは、ＦＦ部に出力される。なお、定常運転時には、入口ＮＯｘ濃度分析計(8) の計測値ｍを入口ＮＯｘ濃度補正信号ｐとして使用してもよい。
【００２６】
なお、予測濃度修正ブロック(31)においては、伝達関数をＫｐとした比例処理に代えて、比例処理と積分処理とを合わせて行うようにしてもよい。
【００２７】
次いで、ＦＦ部について詳述する。
【００２８】
同部のアンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック(22)は、排ガス流量・排ガス温度、入口ＮＯｘ濃度および出口ＮＯｘ濃度目標値を入力値として、アンモニア吸着量およびアンモニア注入量を求める部分である。また、同部の出口ＮＯｘ濃度補正ブロック(23)は、出口ＮＯｘ濃度目標値および出口ＮＯｘ濃度予測値を入力値として、アンモニア注入量補正値を求める部分である。アンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック(22)で得られたアンモニア注入量計算値と出口ＮＯｘ濃度補正ブロック(23)で得られたアンモニア注入量補正値とが加算器(26)で足し合わされ、得られたアンモニア注入量がアンモニア注入量ＦＦ信号として出力される。また、同部のシミュレーションブロック(24)は、排ガス流量・排ガス温度およびアンモニア注入量ＦＦ信号を入力値として、出口ＮＯｘ濃度補正ブロック(23)に入力される出口ＮＯｘ濃度予測値を出力する部分である。
【００２９】
ＦＦ部における演算は、脱硝プロセスがもっている脱硝・吸着反応という化学反応特有の非線形性・動特性に基づいて行われている。すなわち、脱硝プロセスは、ＮＨ３  の層流境膜拡散マスバランス（ＡＳ）、ＮＯｘの層流境膜拡散マスバランス（ＮＳ）、気相ＮＨ３  マスバランス、気相ＮＯｘマスバランスおよびアンモニア吸着量マスバランスからなる複雑な分布定数系システムであるが、その特性を以下のように集中定数化して考える。
【００３０】
（１）ＮＨ３  の層流境膜拡散マスバランス
ＡＳ＝（ＡＫ・ＡＢ）／｛Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）＋Ｋ４・εＡ＋ＡＫ｝  …（１）
（２）ＮＯｘの層流境膜拡散マスバランス
ＮＳ＝（ＮＫ・ＮＢ＋Ｋ４・εＮ・ＡＳ）／（Ｋ１・Ａ＊＋ＮＫ）  …（２）
（３）気相ＮＨ３  マスバランス
ｄＡＢ／ｄＳ＝ＡＳ｛−Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）−Ｋ４・εＡ｝／Ｆ      …（３）
（４）気相ＮＯｘマスバランス
ｄＮＢ／ｄＳ＝（−Ｋ１・ＮＳ・Ａ＊＋Ｋ４・εＮ・ＡＳ）／Ｆ    …（４）
（５）アンモニア吸着量マスバランス
ｄＡ＊／ｄｔ＝Ａ＊（−Ｋ１・Ｎav−Ｋ３・Ａav）＋Ｐ・Ｋ３・Ａav…（５）
上記（１）から（５）までの式において、ＡＢ：気相ＮＨ３  濃度（ｐｐｍ）、ＮＢ：気相ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）、ＡＳ：触媒表面付近の気相ＮＨ３  濃度（ｐｐｍ）、ＮＳ：触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）、Ａav：ＡＳの平均値、Ｎav：ＮＳの平均値、Ａ＊：ＮＨ３  吸着量（ｃｃ／ｍ２  ）、Ｐ：複合サイト量＝触媒に吸着され得るＮＨ３  の最大値（ｃｃ／ｍ２  ）、Ｋ１，Ｋ３，Ｋ４：各種比例定数（速度定数）、εＡ，εＮ：ＮＨ3 燃焼速度補正係数、Ｆ：排ガス流量、ＡＫ，ＮＫ：境膜物質移動係数（ｍ３  ／ｍ２  ｈ）、ｔ：時間のパラメータ、Ｓ：触媒表面積のパラメータをそれぞれ表している。なお、ＡＢ、ＮＢ、ＡＳおよびＮＳは、それぞれＳ（したがって後述のλ）の関数である。
【００３１】
そして、アンモニア吸着量・アンモニア注入量計算を行うときには、アンモニア燃焼項の影響を無視することとし、Ｋ４＝０とする。このとき、式（４）および式（２）より、
0003574889.tif 000005
が得られ、この微分方程式を解くことにより、
ＮＢ（λ）＝ＮＢ（０）・ｅｘｐ（−Ｋre・λ）                  …（６）
が得られる。
【００３２】
同様に、式（３）および式（１）より、
λ＝Ｓ／Ｆ、Ｋad＝Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）・ＡＫ／｛Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）＋ＡＫ｝として、ｄＡＢ（λ）／ｄλ＝−Ｋad・ＡＢ（λ）が得られ、この微分方程式を解くことにより、
ＡＢ（λ）＝ＡＢ（０）・ｅｘｐ（−Ｋad・λ）                  …（７）
が得られる。
【００３３】
脱硝出口でのλをλend （＝Ｓtotal ／Ｆ，Ｓtotal は触媒表面積を表す定数）、脱硝出口でのＮＢをＮＢref とすると、Ａ＊は、式（６）とＫre＝Ｋ１・ＮＫ・Ａ＊／（Ｋ１・Ａ＊＋ＮＫ）より、アンモニア吸着量Ａ＊は、
0003574889.tif 000006
と求まる。
【００３４】
式（２）は、
0003574889.tif 000007
これと式（６）より、ＮＳの平均値Ｎavは、
0003574889.tif 000008
となる。また、式（５）より、ＡＳの平均値Ａavは、
Ａav＝（Ｋ１・Ｎav・Ａ＊＋ｄＡ＊／ｄｔ）／｛Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）｝…（10）
と計算できる。ここで、前回のＡ＊＝Ａ＊ｔ−１  と今回のＡ＊＝Ａ＊ｔ  により、
ｄＡ＊／ｄｔ＝（Ａ＊ｔ  −Ａ＊ｔ−１  ）／Δｔが求められる。
【００３５】
一方、式（１）より得られる
ＡＳ（λ）＝（ＡＫ・ＡＢ（λ））／｛Ｋ３（Ｐ−Ａ＊）｝
と式（７）より、Ａav＝（１／λend ）∫０  λｅｎｄ  ＡＳ（λ）ｄλは、
0003574889.tif 000009
となる。式（11）と式（10）より、ＡＢ（０）、すなわち、脱硝入口アンモニア濃度が求まる。必要なアンモニア注入量は、ＡＢ（０）・Ｆにより求まる。上記式に基づいた計算がアンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック(22)において行われることにより、必要なアンモニア吸着量およびアンモニア注入量が求められる。
【００３６】
シミュレーションブロック(24)は、（１）から（５）までの式、または、ＮＨ３  の層流境膜拡散マスバランス（ＡＳ）、ＮＯｘの層流境膜拡散マスバランス（ＮＳ）、気相ＮＨ３  マスバランス、気相ＮＯｘマスバランスおよびアンモニア吸着量マスバランスからなる分布定数による微分方程式をリアルタイムに制御装置(10)内部でシミュレーションを実施するものであり、出口ＮＯｘ濃度補正ブロック(23)は、シミュレーション結果と出口ＮＯｘ濃度目標値との偏差を計算し、比例処理もしくは比例および積分処理を行い、アンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック(22)で得られたアンモニア注入量計算値を補正するものである。
【００３７】
次いで、図４を参照して、上記計算のフローチャートを説明する。
【００３８】
まず、Ａ＊の初期値などが設定されて計算が開始される（ステップ１）。次いで、出口ＮＯｘ濃度目標値ＮＢref と入口ＮＯｘ濃度値ＮＢ（０）とが取り込まれる（ステップ２）。ここで、入口ＮＯｘ濃度値ＮＢ（０）は、入口ＮＯｘ濃度演算部(21)において補正信号ｐとして求められた入口ＮＯｘ濃度補正値である。次いで、脱硝装置(4) からの排ガス温度Ｔおよび排ガス流量Ｆが取り込まれる（ステップ３）。次いで、触媒表面積Ｓtotal と前記排ガス流量Ｆとからλend が求められ、さらに、ＦとＴの関数であるＮＫおよびＡＫと、Ｔの関数であるＫ１、Ｋ３およびＰとが求められ、ＫreおよびＫadが計算される（ステップ４）。次いで、式（８）を用いて、必要なアンモニア吸着量Ａ＊が計算される（ステップ５）。Ａ＊は、このステップ５でのみ更新される。次いで、式（９）を用いて、触媒表面付近の気相ＮＯｘ濃度平均値Ｎavが計算される（ステップ６）。次いで、式（10）を用いて、触媒表面付近の気相ＮＨ3 濃度平均値Ａavが計算される（ステップ７）。次いで、式(11)を用いて、入口アンモニア濃度ＡＢ（０）が計算される（ステップ８）。次いで、入口アンモニア濃度と排ガス流量との積ＡＢ（０）・Ｆによりアンモニア注入量が計算される（ステップ９）。こうして、アンモニア注入量設定値を決めるためのアンモニア注入量ＦＦ信号が得られる（ステップ１０）。
【００３９】
ＦＦ部で得られたアンモニア注入量ＦＦ信号は、ＦＢ部から出力されたアンモニア注入量ＦＢ信号と加算器(27)により加算され、アンモニア注入量設定値として出力される。制御装置(10)のアンモニア流量制御部では、このアンモニア注入量設定値と実際のアンモニア流量の偏差をとり、ＰＩＤ制御を行い、バルブの開度を制御する。
【００４０】
ＦＢ部の出口ＮＯｘ濃度比較ブロック(25)は、定常運転時に、出口ＮＯｘ濃度目標値と脱硝装置(4) 出口のＮＯｘ濃度分析計(9) による出口ＮＯｘ濃度計測値とを比較し、その偏差に基づいた補正信号をアンモニア注入量ＦＢ信号として出力する部分であり、これにより、アンモニア注入量がより一層適切に制御される。ＦＢ部の制御方式としては、ＰＩＤ制御、Ｉ−ＰＤ制御、サンプル値ＰＩ制御またはスミスむだ時間補償によるフィードバック制御などの適宜な方式が採用される。
【００４１】
図５は、この発明の制御方法による制御結果（シミュレーション）を示している。同図において、脱硝入口ＮＯｘ濃度は、１１０分を経過したところあたりから増加し、１５０分経過までに２回のピークをもっているが、これに対して、脱硝入口ＮＨ３  濃度は、脱硝入口ＮＯｘ濃度増加開始以前の１００分経過時に１次ピークを示し、さらに、脱硝入口ＮＯｘ濃度１次ピーク以前の１２０分経過時に２次ピークを示し、また、脱硝入口ＮＯｘ濃度２次ピークとほぼ同時期に、３次ピークを示している。そして、脱硝入口ＮＯｘ濃度が減少してほぼ一定値で推移する時には、脱硝入口ＮＨ３  濃度もほぼ一定値で推移する。この結果、脱硝入口ＮＯｘ濃度の大幅な変動にかかわらず、脱硝出口ＮＯｘ濃度は低濃度で安定しており、また、脱硝出口ＮＨ３  濃度はほぼ０で安定している。すなわち、この発明のアンモニア注入量制御方法に基づいて、脱硝プロセスのもつ脱硝・吸着反応という化学反応特有の非線形性・動特性を補償することにより、起動・停止の過程や負荷変動によってガスタービンから排出されるＮＯｘ量が過渡的に大きく変動する場合（たとえば、排ガス温度が２５０℃以下の低温となる起動時）であっても、脱硝出口ＮＯｘ濃度を常に数ｐｐｍ以下に保つことができる。なお、排ガス温度が３５０℃程度になれば、少量のアンモニアで十分に脱硝することができるようになる。そして、いずれの場合でも、アンモニアの注入量は適正値に保たれ、リークアンモニア量をほとんど０とすることができる。
【００４２】
なお、上記において、入口ＮＯｘ濃度演算部(21)は、必須のものではなく、これを省略して、ＦＦ部に入力される入口ＮＯｘ濃度として、入口ＮＯｘ濃度分析計(8) により求めた入口濃度計測値または予測ＮＯｘ流量と排ガス流量の割り算で求めた入口ＮＯｘ濃度予測値を用いてもよい。この場合に、起動・停止時は、入口ＮＯｘ濃度予測値、定常運転時は、入口濃度計測値とする切換えが適宜行われる。
【００４３】
また、ＦＦ部は、アンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック(22)だけまたは出口ＮＯｘ濃度補正ブロック(23)およびシミュレーションブロック(24)だけの構成とすることもできる。アンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック(22)単独の場合は、アンモニア注入量補正値は０となり、アンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック(22)で得られたアンモニア注入量計算値がそのままアンモニア注入量ＦＦ信号となる。また、出口ＮＯｘ濃度補正ブロック(23)およびシミュレーションブロック(24)だけの構成の場合は、アンモニア注入量計算値が０となり、出口ＮＯｘ濃度補正ブロック(23)で得られたアンモニア注入量補正値がアンモニア注入量ＦＦ信号となる。いずれの場合でも、脱硝プロセスの特性に合わせたアンモニアの流量制御が行われるので、脱硝出口ＮＯｘ濃度を常に数ｐｐｍ以下に保つことができ、しかも、アンモニアの注入量が適正値に保たれるので、リークアンモニア量をほとんど０とすることができる。
【００４４】
【発明の効果】
第１〜第３の発明の脱硝装置のアンモニア注入量制御方法によると、脱硝プロセスの特性に合わせたアンモニアの流量制御を行われるので、脱硝出口ＮＯｘ濃度を常に所要値以下に保つことができ、しかも、アンモニアの注入量が適正値に保たれるので、リークアンモニア量をほとんど０とすることができる。
【００４５】
また、ガスタービンの定常運転時には、アンモニア注入量を出口ＮＯｘ濃度計測値と出口ＮＯｘ濃度目標値との偏差で補正するフィードバック制御を合わせて行うことにより、より精度の良いアンモニア注入量制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のアンモニア注入量制御方法が使用される脱硝プロセスを示すフロー図である。
【図２】この発明のアンモニア注入量制御方法を示すブロック図である。
【図３】入口ＮＯｘ濃度演算部を示すブロック図である。
【図４】アンモニア注入量制御系フィードフォワード部における演算ステップを示すフローチャートである。
【図５】この発明の制御方法による制御結果を示すシミュレーションのグラフである。
【符号の説明】
(4)     脱硝装置
(9)     出口ＮＯｘ濃度分析計
(10)    アンモニア注入量制御装置
(22)    アンモニア吸着量・アンモニア注入量計算ブロック
(23)    出口ＮＯｘ濃度補正ブロック
(24)    シミュレーションブロック
(25)    出口ＮＯｘ濃度比較ブロック
【図１】
0003574889.tif 000011
【図２】
0003574889.tif 000012
【図３】
0003574889.tif 000013
【図４】
0003574889.tif 000014
【図５】
0003574889.tif 000015