(57)【要約】【課題】排ガス循環系粉砕プラントにおけるミル出口温度を高精度に制御できるようにする。【解決手段】熱風を排ガスとして発生する熱ガス発生装置１０１と、粉砕後の原料を熱ガス発生装置１０１で発生する排ガスの流れに乗せて外部に放出する粉砕機１０５と、粉砕機１０５から排ガスの流れに乗って放出された粉砕後の原料を捕集する捕集機１０７と、捕集機を通過した排ガスを熱ガス発生装置１０１に送るための循環ファン１１３と、を有する排ガス循環系粉砕プラントにおいて、プラント全体を単一の蓄熱体と近似し、プラント全体の熱容量、プラントと外気との熱交換量に関する係数、及び単位時間あたりに投入する原料の量をパラメータとして用いる熱収支計算に基づいて、熱ガス発生装置１０１に供給する燃料ガスの量を操作して粉砕機１０５の出口温度であるミル出口温度を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱風を排ガスとして発生する熱ガス発生装置と、原料を粉砕し、粉砕後の原料を前記熱ガス発生装置で発生する排ガスの流れに乗せて外部に放出する粉砕機と、前記粉砕機から排ガスの流れに乗って放出された粉砕後の原料を捕集する捕集機と、前記捕集機を通過した排ガスを前記熱ガス発生装置に送るための循環ファンと、前記熱ガス発生装置、前記粉砕機、前記捕集機、及び前記循環ファンを前記排ガスが循環する経路と、前記粉砕機の出口温度であるミル出口温度を測定する温度計と、を有する排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御方法であって、
前記排ガス循環系粉砕プラント全体を単一の蓄熱体と近似し、前記排ガス循環系粉砕プラント全体の熱容量、前記排ガス循環系粉砕プラントと外気との熱交換量に関する係数、及び単位時間あたりに投入する原料の量をパラメータとして用いる熱収支計算に基づいて、前記熱ガス発生装置に供給する燃料ガスの量を操作してミル出口温度を制御することを特徴とする排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御方法。
【請求項２】
パラメータとして、以下のうち１つ以上をさらに用いることを特徴とする請求項１に記載の排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御方法。
・水、ガス、原料の比熱
・水の潜熱
・燃料ガスと空気の燃焼反応における理論空燃比
・燃料ガスと空気の燃焼反応における空気過剰率
・原料に含まれる水分割合
・粉砕後の原料に含まれる水分割合
・原料、注入ガス、大気の温度
・燃料ガスのカロリー
・前記循環ファンにおける動力熱
・前記排ガス循環系粉砕プラントに注入されるエアの流量
・前記排ガス循環系粉砕プラントに注入される窒素の流量
【請求項３】
前記排ガス循環系粉砕プラントと外気との熱交換量に関する係数について、前記粉砕機に原料を投入しない状態で前記熱ガス発生装置を停止し、さらに前記循環ファンの運転状態を維持して定常状態に移行した中で熱収支計算から同定した値を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御方法。
【請求項４】
前記排ガス循環系粉砕プラントの熱容量について、前記熱ガス発生装置から発生する排ガスによって前記粉砕機の内部を含む領域を予熱するヒートアップ工程において前記ミル出口温度が目標温度に到達するまでの時間、又は前記ヒートアップ後に熱ガス発生装置を停止させたときの前記ミル出口温度の降下速度から同定した値を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御方法。
【請求項５】
前記排ガス循環系粉砕プラントの熱収支計算に基づいてＰＩＤ制御パラメータを選定して、ＰＩＤ制御により燃料ガスの量を操作することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御方法。
【請求項６】
熱風を排ガスとして発生する熱ガス発生装置と、原料を粉砕し、粉砕後の原料を前記熱ガス発生装置で発生する排ガスの流れに乗せて外部に放出する粉砕機と、前記粉砕機から排ガスの流れに乗って放出された粉砕後の原料を捕集する捕集機と、前記捕集機を通過した排ガスを前記熱ガス発生装置に送るための循環ファンと、前記熱ガス発生装置、前記粉砕機、前記捕集機、及び前記循環ファンを前記排ガスが循環する経路と、前記粉砕機の出口温度であるミル出口温度を測定する温度計と、を有する排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御装置であって、
前記排ガス循環系粉砕プラント全体を単一の蓄熱体と近似し、前記排ガス循環系粉砕プラント全体の熱容量、前記排ガス循環系粉砕プラントと外気との熱交換量に関する係数、及び単位時間あたりに投入する原料の量をパラメータとして用いる熱収支計算に基づいて、前記熱ガス発生装置に供給する燃料ガスの量を操作してミル出口温度を制御する手段を備えたことを特徴とする排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御装置。
【請求項７】
熱風を排ガスとして発生する熱ガス発生装置と、原料を粉砕し、粉砕後の原料を前記熱ガス発生装置で発生する排ガスの流れに乗せて外部に放出する粉砕機と、前記粉砕機から排ガスの流れに乗って放出された粉砕後の原料を捕集する捕集機と、前記捕集機を通過した排ガスを前記熱ガス発生装置に送るための循環ファンと、前記熱ガス発生装置、前記粉砕機、前記捕集機、及び前記循環ファンを前記排ガスが循環する経路と、前記粉砕機の出口温度であるミル出口温度を測定する温度計と、を有する排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度を制御するためのプログラムであって、
前記排ガス循環系粉砕プラント全体を単一の蓄熱体と近似し、前記排ガス循環系粉砕プラント全体の熱容量、前記排ガス循環系粉砕プラントと外気との熱交換量に関する係数、及び単位時間あたりに投入する原料の量をパラメータとして用いる熱収支計算に基づいて、前記熱ガス発生装置に供給する燃料ガスの量を操作してミル出口温度を制御する処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、微粉炭やセメント等を製造するための粉砕プラントとして、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。
まず、燃料ガスと燃焼エアとを熱ガス発生装置に供給し、熱ガス発生装置において、熱風を排ガスとして発生させる。排ガスは、原料の粉砕を行う粉砕機の内部に供給される。粉砕機で粉砕された原料は、排ガスと共にバグフィルターに供給され、バグフィルターで捕集される。その後、排ガスは、循環ファンで昇圧されて循環ガスとして再び熱ガス発生装置に供給される。このように熱ガス発生装置で発生した排ガス（熱風）は、熱ガス発生装置から、粉砕機、バグフィルターを経由して熱ガス発生装置に循環される。以下の説明では、このような「粉砕プラント」を「排ガス循環系粉砕プラント」と称する。
【０００３】
このような排ガス循環系粉砕プラントでは、粉砕時には、原料を安定的に乾燥させるために、粉砕機の出口温度（ミル出口温度と呼ぶ）が、粉砕後の原料の目標温度になるように燃料ガスの流量を操作するフィードバック制御を行うことが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２１９５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
排ガス循環系粉砕プラントに用いられるガス・原料といった種々の環境変数は常に変動し、その変動によってミル出口温度も変動する。ミル出口温度が変動すると、その変動を補償しようとするフィードバック制御の働きにより、熱ガス発生装置の出力も変動する。熱ガス発生装置の出力が変動すると、それに従って粉砕機の入口の温度（ミル入口温度と呼ぶ）も変動する。また、ミル入口温度の平均値は、投入する原料の量が多いほど大きくなる。しかし、ミル入口温度には耐熱温度や原料の発火温度等の理由により温度上限があり、この上限を超えて運転を継続すると設備の寿命を縮めることになる。そのため、オペレータは、ミル入口温度の変動により温度上限を超えることを懸念して、投入する原料の量を増やすことができない。
【０００６】
ミル出口温度の変動を低減させることができればミル入口温度の変動も低減させることができ、結果として、原料を従来よりも多く投入することができる。ミル出口温度の変動を低減させる手段として、ミル出口温度制御の制御性能向上がある。
【０００７】
これに関する技術として、本出願人は、特願２０１２−２６８５１３号において、排ガス循環系粉砕プラントの定常時の熱収支・物質収支モデルから投入する原料の量の変化前後の熱ガス発生装置の定常負荷を求めておき、前記定常負荷に見合った制御出力をミル出口温度制御の演算結果に加算することを提案している。以後、これをフィードフォワード制御と呼ぶ。しかし、フィードフォワード制御は、投入する原料の量の変化に伴う温度変動のみを低減させるものであり、それ以外の外乱要因に対応できる制御方法ではない。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、排ガス循環系粉砕プラントにおけるミル出口温度を高精度に制御できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御方法は、熱風を排ガスとして発生する熱ガス発生装置と、原料を粉砕し、粉砕後の原料を前記熱ガス発生装置で発生する排ガスの流れに乗せて外部に放出する粉砕機と、前記粉砕機から排ガスの流れに乗って放出された粉砕後の原料を捕集する捕集機と、前記捕集機を通過した排ガスを前記熱ガス発生装置に送るための循環ファンと、前記熱ガス発生装置、前記粉砕機、前記捕集機、及び前記循環ファンを前記排ガスが循環する経路と、前記粉砕機の出口温度であるミル出口温度を測定する温度計と、を有する排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御方法であって、前記排ガス循環系粉砕プラント全体を単一の蓄熱体と近似し、前記排ガス循環系粉砕プラント全体の熱容量、前記排ガス循環系粉砕プラントと外気との熱交換量に関する係数、及び単位時間あたりに投入する原料の量をパラメータとして用いる熱収支計算に基づいて、前記熱ガス発生装置に供給する燃料ガスの量を操作してミル出口温度を制御することを特徴とする。
また、本発明の排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御方法の他の特徴とするところは、パラメータとして、以下のうち１つ以上をさらに用いる点にある。
・水、ガス、原料の比熱
・水の潜熱
・燃料ガスと空気の燃焼反応における理論空燃比
・燃料ガスと空気の燃焼反応における空気過剰率
・原料に含まれる水分割合
・粉砕後の原料に含まれる水分割合
・原料、注入ガス、大気の温度
・燃料ガスのカロリー
・前記循環ファンにおける動力熱
・前記排ガス循環系粉砕プラントに注入されるエアの流量
・前記排ガス循環系粉砕プラントに注入される窒素の流量
また、本発明の排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御方法の他の特徴とするところは、前記排ガス循環系粉砕プラントと外気との熱交換量に関する係数について、前記粉砕機に原料を投入しない状態で前記熱ガス発生装置を停止し、さらに前記循環ファンの運転状態を維持して定常状態に移行した中で熱収支計算から同定した値を用いることを特徴とする点にある。
また、本発明の排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御方法の他の特徴とするところは、前記排ガス循環系粉砕プラントの熱容量について、前記熱ガス発生装置から発生する排ガスによって前記粉砕機の内部を含む領域を予熱するヒートアップ工程において前記ミル出口温度が目標温度に到達するまでの時間、又は前記ヒートアップ後に熱ガス発生装置を停止させたときの前記ミル出口温度の降下速度から同定した値を用いる点にある。
また、本発明の排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御方法の他の特徴とするところは、前記排ガス循環系粉砕プラントの熱収支計算に基づいてＰＩＤ制御パラメータを選定して、ＰＩＤ制御により燃料ガスの量を操作する点にある。
本発明の排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御装置は、熱風を排ガスとして発生する熱ガス発生装置と、原料を粉砕し、粉砕後の原料を前記熱ガス発生装置で発生する排ガスの流れに乗せて外部に放出する粉砕機と、前記粉砕機から排ガスの流れに乗って放出された粉砕後の原料を捕集する捕集機と、前記捕集機を通過した排ガスを前記熱ガス発生装置に送るための循環ファンと、前記熱ガス発生装置、前記粉砕機、前記捕集機、及び前記循環ファンを前記排ガスが循環する経路と、前記粉砕機の出口温度であるミル出口温度を測定する温度計と、を有する排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度制御装置であって、前記排ガス循環系粉砕プラント全体を単一の蓄熱体と近似し、前記排ガス循環系粉砕プラント全体の熱容量、前記排ガス循環系粉砕プラントと外気との熱交換量に関する係数、及び単位時間あたりに投入する原料の量をパラメータとして用いる熱収支計算に基づいて、前記熱ガス発生装置に供給する燃料ガスの量を操作してミル出口温度を制御する手段を備えたことを特徴とする。
本発明のプログラムは、熱風を排ガスとして発生する熱ガス発生装置と、原料を粉砕し、粉砕後の原料を前記熱ガス発生装置で発生する排ガスの流れに乗せて外部に放出する粉砕機と、前記粉砕機から排ガスの流れに乗って放出された粉砕後の原料を捕集する捕集機と、前記捕集機を通過した排ガスを前記熱ガス発生装置に送るための循環ファンと、前記熱ガス発生装置、前記粉砕機、前記捕集機、及び前記循環ファンを前記排ガスが循環する経路と、前記粉砕機の出口温度であるミル出口温度を測定する温度計と、を有する排ガス循環系粉砕プラントのミル出口温度を制御するためのプログラムであって、前記排ガス循環系粉砕プラント全体を単一の蓄熱体と近似し、前記排ガス循環系粉砕プラント全体の熱容量、前記排ガス循環系粉砕プラントと外気との熱交換量に関する係数、及び単位時間あたりに投入する原料の量をパラメータとして用いる熱収支計算に基づいて、前記熱ガス発生装置に供給する燃料ガスの量を操作してミル出口温度を制御する処理をコンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、排ガス循環系粉砕プラントにおけるミル出口温度を高精度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態における排ガス循環系のＰＣＩプラントの構成を示す図である。
【図２】実施形態におけるミル出口温度制御装置の機能構成の一例を示す図である。
【図３】ミル出口温度計算値と、ミル出口温度実績と、バーナー負荷実績との関係を示す特性図である。
【図４】第１の実施例におけるミル出口温度計算値と、ミル出口温度実績と、バーナー負荷実績との関係を示す特性図である。
【図５】第２の実施例における給炭量と原料に含まれる水分割合との関係を示す特性図である。
【図６】第２の実施例におけるミル出口温度ＰＩＤ制御の比例帯と積分時間との関係を示す特性図である。
【図７】第２の実施例において従来のＰＩＤ制御でのミル出口温度を示す特性図である。
【図８】第２の実施例において本発明を適用したＰＩＤ制御でのミル出口温度を示す特性図である。
【図９】第２の実施例における給炭量が変化した場合のミル出口温度の目標値からのずれ量を示す特性図である。
【図１０】第２の実施例における原料の水分割合が変化した場合のミル出口温度の目標値からのずれ量を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
本実施形態では、排ガス循環系粉砕プラントが、高炉への微粉炭の吹込み（ＰＣＩ；Pulverized Coal Injection）を行うために石炭を粉砕する、排ガス循環系のＰＣＩプラントである場合を例に挙げて説明する。
図１は、排ガス循環系のＰＣＩプラント（以下、単にＰＣＩプラントと記す）の構成例を示す図である。図１において、各構成要素を繋ぐ実線は配管を示し、破線は信号の伝達経路を示す。また、矢印線は、配管内のガスや石炭の進行方向を示す。尚、ＰＣＩプラントの構成は、例えば特許文献１に記載の技術等の公知の技術で実現できるので、ここでは、各構成について簡単に説明し、詳細な説明を省略する。
【００１３】
図１において、熱ガス発生装置１０１は、一又は複数のバーナーを有し、燃料ガス及び燃焼エア（空気）をバーナーへの入力として、バーナーの空燃比を制御し、熱風を排ガスとして発生させる。排ガスの酸素濃度は略０（ゼロ）％である。本実施形態では、燃料ガスとしてＢＦＧ（Blast Furnace Gas）を利用する。空燃比制御は、後述するようにしてミル出口温度制御装置２００から送信されるバーナー負荷と、バーナーに供給されている燃料ガス及び燃焼エアの流量とを入力として、空燃比を制御（例えばフィードバック制御）して、バーナーに供給する燃料ガス・燃焼エアの流量を調整する弁の開度をそれぞれ調整することにより行われる。ここで、バーナー負荷とは、バーナーに供給できる燃料ガスの流量の最大値に対する、バーナーに供給する燃料ガスの流量の割合を示すものである。また、空燃比制御は、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）等を用いることにより公知の技術で実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
燃焼エアファン１０２は、熱ガス発生装置１０１に燃焼エアを送り込む。
【００１４】
バンカー１０３は、原料である石炭を貯蔵する。
給炭機１０４は、チェーンコンベアを有し、バンカー１０３内に貯蔵されている石炭をチェーンコンベアにより切り出してミル１０５に投入する。
ミル１０５は、給炭機１０４から投入された石炭を粉砕する粉砕機である。ミル１０５は、例えばロールミル１０５ａと粉砕テーブル１０５ｂとを有する。ミル１０５の上部から投入された石炭をロールミル１０５ａと粉砕テーブル１０５ｂとの間に供給する。回転している粉砕テーブル１０５ｂに対してロールミル１０５ａを押し付けながら回転させることにより、石炭は押し潰されて粉砕される。粉砕された石炭は、熱ガス発生装置１０１から供給された排ガスの流れにのって、ミル１０５の上部に供給され、分級機で分級された後、外部に放出される。以下の説明では、「ミル１０５から外部に放出された粉砕後の石炭」を必要に応じて「微粉炭」と称する。
【００１５】
シールエアファン１０６は、ミル１０５の内部（粉砕テーブル１０５ｂの軸受部）の隙間にシールエアを供給することにより、その隙間から外部に放出されようとする微粉炭を、熱ガス発生装置１０１から供給された排ガスの流れに押し戻す。ミル１０５の内部の圧力がシールエアの圧力未満になるように、シールエアの流速が定められる。このように、シールエアファン１０６は、粉砕テーブル１０５ｂの軸受部に微粉炭が進入し、その結果として、粉砕テーブル１０５ｂの軸受部の潤滑不良が起こることと、粉砕テーブル１０５ｂの軸受部から外部に放出されることとを防止する。
【００１６】
ミル出口温度計１１０は、ミル１０５の出口側の所定の位置における温度（配管内の微粉炭の温度）を測定する。以下の説明では、「ミル１０５の出口側の所定の位置における温度」を必要に応じて「ミル出口温度」と称する。
【００１７】
バグフィルター１０７は、ミル１０５から放出された微粉炭を、濾布を用いて捕集する濾過式の捕集機である。微粉炭以外の異物がバグフィルター１０７で捕集されることがある。
異物除去装置１０８は、バグフィルター１０７で捕集された異物を除去する。
リザーブタンク１０９は、異物除去装置１０８で異物が除去された微粉炭を貯蔵する。リザーブタンク１０９に貯蔵された微粉炭は、高炉の羽口から高炉の内部に吹き込まれる（微粉炭吹き込みが行われる）。
【００１８】
ベンチュリ管１１１は、バグフィルター１０７を通過した排ガスの流量を測定する。
ダンパー１１２は、バグフィルター１０７を通過した排ガスの流量を調整する。
循環ファン１１３は、ダンパー１１２を通過した排ガスを熱ガス発生装置１０１に循環させることができるように、排ガスを昇圧する。
煙突１１４は、循環ファン１１３により昇圧された排ガスの一部（放散ガス）を大気中に放出する。
放散系圧力調整弁１１５は、煙突１１４から大気中に放出される排ガスの圧力を調整する。
【００１９】
循環系圧力調整弁１１６は、循環ファン１１３により昇圧された排ガスのうち、煙突１１４を介して大気中に放出されずに熱ガス発生装置１０１に循環させる排ガスの圧力を調整する。このようにして、熱ガス発生装置１０１で発生した排ガスは、循環ガスとして再び熱ガス発生装置１０１に供給され、熱ガス発生装置１０１、ミル１０５、バグフィルター１０７、ベンチュリ管１１１、ダンパー１１２、循環ファン１１３、循環系圧力調整弁１１６、熱ガス発生装置１０１の経路を循環する。
【００２０】
本実施形態では、大気中の空気（希釈エア）を、ＰＣＩプラントに供給するようにしている。オリフィス流量計１１７は、この希釈エアの流量を調整する。エア流量調整弁１１８は、ＰＣＩプラントに供給されるエアの流量を調整する。希釈エアファン１１９は、エア流量調整弁１１８で流量が調整された希釈エアを昇圧し、希釈エアを熱ガス発生装置１０１の入側の配管に押し込む。これにより、循環ガスの酸素濃度を大きくすることができる。
【００２１】
従来、このようなＰＣＩプラントのミル出口温度制御は、ミル出口温度計１１０で測定されたミル出口温度に基づいてフィードバック制御により行われていた。本発明を適用した実施形態では、ＰＣＩプラント全体を単一の蓄熱体と近似し、ＰＣＩプラント全体（蓄熱体）の熱容量、及びＰＣＩプラントと外気との熱交換量に関する係数（放熱係数）を用いて、ＰＣＩプラントの状態に合わせたフィードバック制御を行う。
【００２２】
次に、ミル出口温度の動特性の導出方法について説明する。ここで動特性とは、単位時間あたりに投入する原料の量、すなわち給炭量から導出される、プロセスゲインとプロセス時定数からなる。
【００２３】
［ミル出口温度の動特性を導出する際の仮定］
本実施形態では、ミル出口温度の動特性を導出する際に、以下の条件を仮定した。
（ａ）  ＰＣＩプラント全体を単一の蓄熱体と考え、固有の熱容量を持つものとする。
（ｂ）  ＰＣＩプラント全体とＰＣＩプラント全体を取り巻く大気とが熱交換するものとし、その熱交換量は、ミル出口温度と大気の温度との差に放熱係数を乗じたものに等しいとする。
（ｃ）  ＰＣＩプラント全体の熱容量と大気との熱交換に用いられる放熱係数は常に一定とする。
（ｄ）  大気の温度は単一の値で表現する。
（ｅ）  熱の収支において非定常的なバランスを考慮し、ＰＣＩプラントに与えられる熱と消費される熱との差がＰＣＩプラント全体の熱容量の遅れを伴ってミル出口温度に表われるとする。
（ｆ）  原料（石炭）に含まれる水分の相変化に必要な熱量を、原料（石炭）から発生する水蒸気量を生成するのに必要な潜熱により計算する。
（ｇ）  燃料ガスの燃焼により発生する排ガスの流量を、簡単のため、燃料ガスの流量と燃焼エアの流量との和とする。
（ｈ）  循環ファン１１３における動力熱は、循環ガスにのみ寄与すると単純化する。
（ｉ）  ＰＣＩプラントの系内の温度及び放散ガスの温度は、ミル出口温度と等しいとする。
（ｊ）  燃料ガスは完全燃焼するものとし、過剰な燃焼エアはそのまま残るものとする。
【００２４】
［ミル出口温度の動特性導出のためのパラメータ］
本実施形態では、ミル出口温度制御の実現に最低限必要なパラメータとして、ミル出口温度、燃料ガス流量の他に、ミル出口温度の動特性導出のために給炭量を入力値として与える。給炭量は、操業に応じて任意の値に変更される。
また、以下のパラメータが固定値として与えられる。
・ＰＣＩプラント全体の熱容量
・ＰＣＩプラント全体の放熱係数
ＰＣＩプラント全体の熱容量及び放熱係数はプロセスごとに固有であり単一の値だが、物理的に求めることは困難であるため、後述するように同定実験により導出する。
【００２５】
その他のパラメータについては、設備や操業の内容に応じて適宜決定されてよい。以下に揚げるパラメータのうち１つ以上を用いるのが好ましい。
以下のパラメータが固定値として与えられる。
・比熱（水・ガス・原料（石炭））
・水の潜熱
・バーナーの理論空燃比（燃料ガスと空気の燃焼反応における理論空燃比）
・バーナーの空気過剰率（燃料ガスと空気の燃焼反応における空気過剰率）
【００２６】
また、以下のパラメータを環境条件として半固定値として与える。これらの値はセンサーからの計測値を与えるのが好ましいが、ＰＣＩプラントにおける平均的な値を与えてもよい。本実施形態では、ＰＣＩプラントにおける平均的な値を与えた。
・原料（石炭）に含まれる水分割合
・製品（微粉炭）に含まれる水分割合
・温度（原料・注入ガス・大気）
・燃料ガスの（単位量あたりの）カロリー
・進入エアの（単位時間あたりの）流量
・シールエアの（単位時間あたりの）流量
・循環ファン１１３における（単位時間あたりの）動力熱
【００２７】
また、以下のパラメータも環境条件として与える。これらの値はセンサーからの計測値を与えるのが好ましいが、ＰＣＩプラントにおける給炭量に応じた値を与えてもよい。本実施形態では、センサーからの計測値を与えた。
・希釈エアの（単位時間あたりの）流量
・放散ガスの（単位時間あたりの）流量
尚、水分割合や温度については、例えばサンプリングを行って予め求めておくことができる。バーナーの理論空気量は、燃料ガスの組成により変化するので、燃料ガスの組成に基づいて設定される。バーナーの過剰空気量の値を大きくすると、燃焼不良を防止することができるので、バーナーの過剰空気量は、この観点から適宜設定される。
【００２８】
［ＰＣＩプラントに与えられる熱量と消費される熱量との計算方法］
本実施形態では、ＰＣＩプラントに与えられる熱量と消費される熱量との差を、プラント全体の熱容量で除したものをミル出口温度変化量と定式化した。以下に、ＰＣＩプラントに与えられる熱量と消費される熱量との計算方法について説明する。
＜原料の加熱に必要な熱量の式＞
原料をミル出口温度まで加熱するのに必要な熱量ΔＱCOAL［ｋｃａｌ］を、以下の（１）式で表わす。
ΔＱCOAL＝原料の比熱×給炭量×１０００×（Ｔ−原料の温度）・・・（１）
給炭量の単位は［ｔｏｎ／ｈｒ］であり、ミル出口温度Ｔ［℃］は、ミル出口温度計１１０により計測される。前述したように、原料の比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ・℃］及び原料の温度［℃］は、環境条件として与えられるものである。
【００２９】
＜水の加熱に必要な熱量の式＞
石炭に含まれる水を製品の温度まで加熱するのに必要な熱量ΔＱ（顕熱）［ｋｃａｌ］を、以下の（２）式で表わす。
ΔＱ（顕熱）＝水の比熱×ＷＭ×（Ｔ−原料の温度）・・・（２）
前述したように、水の比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ・℃］は、環境条件として与えられるものである。
また、（２）式において、ＷＭは、石炭に含まれる水の単位時間当たりの重量［ｋｇ／ｈｒ］であり、以下の（２ａ）式で表わされる。
ＷＭ＝給炭量×１０００×原料に含まれる水分割合／（１００−原料に含まれる水分割合）・・・（２ａ）
前述したように、原料に含まれる水分割合［質量％］は、環境条件として与えられるものである。
【００３０】
＜原料に含まれる水の蒸発に必要な熱量の式＞
原料に含まれる水が蒸発するために必要な熱量ΔＱ（潜熱）［ｋｃａｌ］を、以下の（３）式で表わす。
ΔＱ（潜熱）＝水の潜熱×ＷＶ・・・（３）
前述したように、水の潜熱［ｋｃａｌ／ｋｇ］は、環境条件として与えられるものである。
また、（３）式において、ＷＶは、水蒸気として存在する水の単位時間当たりの重量［ｋｇ／ｈｒ］であり、以下の（３ａ）式で表わされる。
ＷＶ＝給炭量×１０００×｛原料に含まれる水分割合／（１００−原料に含まれる水分割合）−製品に含まれる水分割合／（１００−製品に含まれる水分割合）｝・・・（３ａ）
【００３１】
＜燃料ガスの燃焼により得られる熱量の式＞
燃料ガスの燃焼により発生する熱量ΔＱHGG［ｋｃａｌ］を、以下の（４）式で表わす。
ΔＱHGG＝燃料ガスのカロリー×燃料ガスの流量・・・（４）
前述したように、燃料ガスのカロリー［ｋｃａｌ／Ｎｍ3］は、環境条件として与えられるものである。燃料ガスの流量［Ｎｍ3／ｈｒ］は、決定変数である。
【００３２】
＜熱ガス発生装置１０１により消費される燃焼エアの流量の式＞
燃焼により消費される燃焼エアの流量［Ｎｍ3／ｈｒ］を、以下の（５）式で表わす。
燃焼エアの流量＝燃料ガスの流量×理論空燃比×空気過剰率・・・（５）
前述したように、理論空燃比［−］と空気過剰率［−］は、環境条件として与えられるものである。尚、燃焼ガス流量がセンサーを設置する等して計測できている場合は（５）式は不要であり、計測値を燃焼エアの流量とするのが好ましい。
【００３３】
＜熱ガス発生装置１０１より発生する排ガスの流量の式＞
燃料ガスの燃焼により発生する排ガスの流量［Ｎｍ3／ｈｒ］を、以下の（６）式で表わす。
排ガスの流量＝燃料ガスの流量＋燃焼エアの流量・・・（６）
実際には、排ガスの流量は、燃料ガスの流量と燃焼エアの流量との和よりも小さいが、これらの和として排ガスの流量を表現しても、大きな誤差は生じない。
【００３４】
＜循環ファン１１３における動力熱＞
循環ファン１１３における動力熱ΔＱFANは、前述したように、環境条件として固定値で与えられる。
【００３５】
＜ＰＣＩプラントと大気との熱交換＞
大気と熱交換によりＰＣＩプラントが失う熱量を、以下の（７）式によって表わす。
ΔＱloss＝放熱係数×（Ｔ−外気温）・・・（７）
【００３６】
［ＰＣＩプラントの熱収支式］
以上の（１）式〜（７）式により、以下の（８）式が、ＰＣＩプラントの熱収支式として得られる。
Ｃ×ｄＴ／ｄｔ＝（ΔＱHGG＋ΔＱFAN）−（ΣΔＱGAS（ｉ）＋ΔＱCOAL＋ΔＱ（顕熱）＋ΔＱ（潜熱）−ΔＱloss）・・・（８）
（８）式において、ＣはＰＣＩプラント全体の熱容量［ｋｃａｌ／℃］を、ｄＴ／ｄｔは単位時間［ｈｒ］あたりのミル出口温度の変化量を表わす。尚、右辺が、ＰＣＩプラントに与えられる熱量の合計とＰＣＩプラントで消費する熱量の合計との差であり、左辺が、前記熱量差がＰＣＩプラント全体の熱容量の遅れを伴ってミル出口温度の変化量となることを表わしている。
また、ΣΔＱGAS（ｉ）は、以下の（８ａ）式で表わされる。
ΣΔＱGAS（ｉ）＝Σ｛ガス（ｉ）の比熱×ガス（ｉ）の流量×（Ｔ−注入ガス（ｉ）の温度）｝・・・（８ａ）
ガス（ｉ）は、系内に注入されている全てのガスを指し、本実施形態においては燃料ガス、燃焼エア、希釈エア、進入エア、及びシールエアである。なお、窒素を使用することがあるが、本実施形態では、窒素は短時間・間欠的な使用のみのため、除外している。窒素の（単位時間あたりの）流量をパラメータに含めるようにしてもよい。
尚、前述したように、ガスの比熱［ｋｃａｌ／（Ｎｍ3×℃）］、注入ガスの温度、希釈エアの流量［Ｎｍ3／ｈｒ］、進入エアの流量［Ｎｍ3／ｈｒ］、及びシールエアの流量［Ｎｍ3／ｈｒ］は、環境条件として与えられる。
【００３７】
［放熱係数の同定方法］
ミル出口温度が定常値になるまで、給炭機１０４と熱ガス発生装置１０１を停止し、かつ循環ファン１１３の運転状態を維持する。このとき、ＰＣＩプラントに与えられる熱と消費される熱とは釣り合っているので、（８）式よりｄＴ／ｄｔ＝０とみなせる。また、給炭機１０４と熱ガス発生装置１０１は停止しているので、ΔＱHGG、ΔＱCOAL、ΔＱ（顕熱）、ΔＱ（潜熱）は０である。このときのＰＣＩプラントの熱収支は（９）式により表わされる。
０＝ΔＱFAN−ΣΔＱGAS（ｉ）＋ΔＱloss・・・（９）
【００３８】
（９）式において、不明な係数は放熱係数のみであるため、（９）式を方程式として解くことにより放熱係数を同定することができる。（９）式は、ミル出口温度の変化が無いので、プラント全体の熱容量の影響は無視でき、また、給炭機１０４を停止しているので、ミル出口温度を変動させる給炭量の変動や原料に含まれる水分割合の変動も無視できる。したがって、この同定方法は、放熱係数を一意かつ高精度に求めることができる。
ＰＣＩプラントと大気との熱交換量は、ΔＱ（潜熱）と比較して非常に小さいので、原料を粉砕しているときは熱収支計算における大きな因子とはならないが、逆に、以下に述べるヒートアップ中では原料が投入されないため、ＰＣＩプラントと大気との熱交換量は熱収支計算における大きな因子となりうる。そのため、放熱係数は予め同定し、熱収支計算に組み込む必要がある。
このようにミル１０５に原料を投入しない状態で熱ガス発生装置１０１を停止し、さらに循環ファン１１３の運転状態を維持して定常状態に移行した中で熱収支計算から放熱係数を同定する。
【００３９】
［ＰＣＩプラント全体の熱容量の同定方法］
放熱係数を同定した後に、ＰＣＩプラント全体の熱容量の同定を行う。給炭による外乱が無く、かつ、出口温度が変動するヒートアップ時のデータからＰＣＩプラント全体の熱容量Ｃを同定する。ＰＣＩプラントには、ヒートアップと呼ばれる、粉砕開始前にミル出口温度を目標温度まで予熱する工程がある。ヒートアップでは、給炭機１０４は停止しており、石炭は投入されない。一方、熱ガス発生装置１０１と循環ファン１１３は運転している。
このときのＰＣＩプラントの熱収支は、（１０）式により表わされる。
Ｃ×ｄＴ／ｄｔ＝（ΔＱHGG＋ΔＱFAN）−（ΣΔＱGAS（ｉ）−ΔＱloss）・・・（１０）
【００４０】
放熱係数の同定を行うことで、（１０）式のΔＱlossを導出することができるので、（１０）式における不明な係数はＰＣＩプラント全体の熱容量Ｃのみである。そこで、ＰＣＩプラント全体の熱容量を変えながら、（１０）式によって導かれる計算上のミル出口温度と実際にヒートアップを行ったときのミル出口温度実績との間で比較を行うことで、両者が一致するようなＰＣＩプラント全体の熱容量を同定することができる。本実施形態では、ＰＣＩプラント全体の熱容量の求め方として、ミル出口温度実績がヒートアップ時の目標温度に到達するまでの時間が実績データに最も近くなるようなＰＣＩプラント全体の熱容量を収束演算により求めた。それ以外の方法として、ヒートアップ中に熱ガス発生装置１０１を停止させたときのミル出口温度の降下速度からＰＣＩプラント全体の熱容量を求めてもよい。この同定方法は、予め放熱係数を同定しておくことによって不明な係数をプラント全体の熱容量のみとしていること、また、放熱係数の同定方法と同様に給炭機１０４を停止しているので、ミル出口温度を変動させる給炭量の変動や原料の水分割合の変動が無視できる。したがって、この同定方法は、プラント全体の熱容量を一意かつ高精度に求めることができる。
【００４１】
図３には、前述した方法により同定した放熱係数を用いて、ヒートアップ時のミル出口温度からＰＣＩプラント全体の熱容量Ｃを同定した結果を示す。図３において、３０１はバーナー負荷実績を示し、３０２はミル出口温度実績を示し、３０３はミル出口温度計算値を示す。燃料ガスの流量の実績に基づいて、前記ミル出口温度モデルからミル出口温度を計算した。そして、ミル出口温度実績が目標温度に到達するまでの時間と、ミル出口温度が目標温度に到達した後のミル出口温度の降下を評価し、ミル出口温度計算値が最もミル出口温度実績に近くなるようなＰＣＩプラント全体の熱容量Ｃを求めた。
【００４２】
［ミル出口温度動特性の導出］
前述の同定方法によって（８）式をラプラス変換し、燃料ガスの流量を入力、ミル出口温度を出力とした伝達関数に変形することで、本実施形態におけるミル出口温度動特性である、プロセスゲインＫとプロセス時定数τを導出する。（８）式の両辺をラプラス変換すると、（１１）式が得られる。
Ｔ＝Ｋ／（τ×ｓ＋１）×（燃料ガスの流量＋ｕst）・・・（１１）
このとき、プロセスゲインＫ、プロセス時定数τ、定数項ｕstは（１１ａ）〜（１１ｃ）のように表わされる。ＴGAS（ｉ）は、注入ガス（ｉ）の温度である。
Ｋ＝燃料ガスのカロリー／｛（ΣΔＱGAS（ｉ）／（Ｔ−ＴGAS（ｉ）））＋（ΔＱCOAL＋ΔＱ（顕熱））／（Ｔ−原料の温度）＋放熱係数）｝・・・（１１ａ）
τ＝ＰＣＩプラント全体の熱容量／（ΣΔＱGAS（ｉ）ＴGAS（ｉ）／（Ｔ−ＴGAS（ｉ））＋（ΔＱCOAL＋ΔＱ（顕熱））×原料の温度／（Ｔ−原料の温度）＋放熱係数・・・（１１ｂ）
ｕst＝｛（ΣΔＱGAS（ｉ）＋（ΔＱCOAL＋ΔＱ（顕熱））×原料の温度／（Ｔ−原料の温度））＋ΔＱFAN−ΔＱ（潜熱）−放熱係数×大気の温度｝／燃料ガスのカロリー・・・（１１ｃ）
【００４３】
以下、ミル出口温度制御装置２００の機能の一例を詳細に説明する。ミル出口温度制御装置２００は、ミル出口温度計１１０で測定されたミル出口温度を入力し、ミル出口温度の測定値の目標値に対する偏差を導出する。そして、導出した偏差に対してＰ動作、Ｉ動作、及びＤ動作を行って（すなわちＰＩＤ制御を行って）、導出した偏差が０（ゼロ）になるようなバーナー負荷を導出して熱ガス発生装置１０１に出力する。
従来のＰＩＤ制御はＰＩＤ制御パラメータが固定だが、本実施形態では、投入された原料の量（給炭量）と環境条件からミル出口温度動特性を導出し、その動特性に対応するＰＩＤパラメータを設定するためＰＩＤ制御パラメータが可変となる。
【００４４】
［ミル出口温度制御装置２００の機能構成］
図２は、ミル出口温度制御装置２００の機能構成の一例を示す図である。図２に示す各部は、例えばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）を用いることにより実現することができる。
【００４５】
ミル出口温度目標値記憶部２０１は、ミル出口温度の目標値を記憶する。このミル出口温度の目標値は、オペレータにより設定されるものである。
ミル出口温度偏差導出部２０２は、粉砕時のミル出口温度の目標値をミル出口温度目標値記憶部２０１から読み出す。そして、ミル出口温度偏差導出部２０２は、ミル出口温度の測定値から、粉砕時のミル出口温度の目標値を減算して、ミル出口温度の測定値の目標値に対する偏差を導出する。
ミル出口温度動特性導出部２０３は、現時刻の給炭量と環境条件に基づき、現時刻のミル出口温度の動特性を導出する。本実施形態では、燃料ガスの単位量変化によるミル出口温度の変化量の指標となるプロセスゲインと、燃料ガスの変化に対するミル出口温度の応答の遅れを表わす指標となるプロセス時定数との２つをミル出口温度の動特性とした。
【００４６】
ＰＩＤ制御パラメータ導出部２０４は、現時刻のミル出口温度の動特性をミル出口温度動特性導出部２０３から読み出して、そのミル出口温度の動特性に基づいて、ＰＩＤ制御パラメータを決定する。本実施形態では、最低給炭量におけるプロセスゲインとプロセス時定数とを基準とし、これよりもプロセスゲインが大きくなったら比例帯が大きく、プロセス時定数が大きくなったら積分時間が大きくなるような設定則を作成し、これに基づいてＰＩＤ制御パラメータを決定した。
ＰＩＤ制御部２０５は、ＰＩＤ制御パラメータ導出部２０４から現時刻のＰＩＤ制御パラメータを読み出し、ＰＩＤ制御パラメータを設定する。ミル出口温度偏差導出部２０２から出力されたバーナー負荷の導出指令を入力すると、当該バーナー負荷の導出指令と共に入力したミル出口温度の測定値の目標値に対する偏差を入力として、比例動作、積分動作、及び微分動作を行い、操作量としてバーナー負荷を導出してバーナー負荷出力部２０６に出力することを繰り返して、ミル出口温度の測定値を目標値に近づける制御（ＰＩＤ制御）を行う。
バーナー負荷出力部２０６は、バーナー負荷を熱ガス発生装置１０１に出力する。
【００４７】
（第１の実施例）
図４に示す実施例では、放熱係数とＰＣＩプラント全体の熱容量を用いて粉砕時のミル出口温度を模擬したものである。図４において、４０１はバーナー負荷実績を示し、４０２はミル出口温度実績を示し、４０３はミル出口温度計算値を示す。燃料ガスの流量の実績に基づいて、前記ミル出口温度モデルからミル出口温度を計算した結果、原料石炭投入時もミル出口温度計算値４０３はミル出口温度実績４０２とほぼ一致しており、ＰＣＩプラントミル出口温度モデルが妥当であることが示されている。
【００４８】
（第２の実施例）
図５〜図１０に示す実施例では、ＰＩＤ制御パラメータが固定である従来のＰＩＤ制御と、本発明を適用したＰＩＤ制御との比較を示したものである。
図５は、給炭量５０１と原料に含まれる水分割合５０２との変化を表わす。
図６は、図５と同じ時系列における、可変ＰＩＤ制御の比例帯６０１と積分時間６０２との変化を表わす。ここでは、ミル出口温度の動特性の導出の際に原料に含まれる水分をＰＣＩプラントにおける平均的な値としているため、ＰＩＤ制御パラメータは原料に含まれる水分割合の変化よって変化しない。
【００４９】
図７は、図５、図６と同じ時系列における、従来のＰＩＤ制御でのミル出口温度の変化を表わす。
図８は、図５、図６と同じ時系列における、本発明を適用したＰＩＤ制御でのミル出口温度の変化を表わす。
ＰＣＩプラントでは、高い給炭量で操業する場合はプロセスゲインが低くなるので、ＰＩＤ制御のゲインを高く設定しても安定性が維持される。そこで、本発明を適用することによって、高い給炭量時において従来のＰＩＤ制御よりもミル出口温度の変動が低減できている。図９に、給炭量が変化した場合のミル出口温度の目標値とのずれの最大値を比較したものを示す。また、図１０に、原料に含まれる水分割合が変化した場合のミル出口温度の目標値とのずれの最大値を比較したものを示す。いずれの場合も本発明を適用した方が小さくなっている。
【００５０】
以上説明した実施形態では、本発明を、排ガス循環系のＰＣＩプラントに適用したが、排ガス循環系のＰＣＩプラント以外の排ガス循環系粉砕プラントにも適用することができる。例えばセメントを製造するための排ガス循環系粉砕プラントにも本発明は適用可能である。
また、給炭量の設定値が変更されている間は、物質・熱収支モデルの計算に基づくフィードフォワード制御を行うことが好ましいが、必ずしも、この制御を行わなくてもよい。
また、上記実施形態では、ミル出口温度の制御手法としてＰＩＤ制御を適用したが、ミル出口温度の測定値を目標値に近づける制御であれば、他のどのような制御をでもよい。
【００５１】
本発明は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体及び前記プログラム等のコンピュータプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。
また、以上説明した実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０１：熱ガス発生装置、１０３：バンカー、１０４：給炭機、１０５：ミル、１０７：バグフィルター、１１０：ミル出口温度計、２００：ミル出口温度制御装置、２０１：ミル出口温度目標値記憶部、２０２：ミル出口温度偏差導出部、２０３：ミル出口温度動特性導出部、２０４：ＰＩＤ制御パラメータ導出部、２０５：ＰＩＤ制御部、２０６：バーナー負荷出力部
【図１】
2015104724.tif 000003
【図２】
2015104724.tif 000004
【図３】
2015104724.tif 000005
【図４】
2015104724.tif 000006
【図５】
2015104724.tif 000007
【図６】
2015104724.tif 000008
【図７】
2015104724.tif 000009
【図８】
2015104724.tif 000010
【図９】
2015104724.tif 000011
【図１０】
2015104724.tif 000012