(57)【要約】【課題】窒素酸化物などを含有するガスにアンモニアを注入して汚染物質の含有量を減少させる際に、無駄時間に強いフィードバック制御ができるようにする。【解決手段】排ガス処理器制御装置２５に、排ガス処理器の内部状態量の時間変化をモデル化した動特性モデルを用いて、この内部状態量を推定した内部状態量推定値ｘｐを算出する内部状態推定手段４１と、内部状態量推定値ｘｐに状態フィードバックゲイン−ＫＳを乗じた状態フィードバック制御量ｕＳと、排出汚染物質量ｙの目標排出汚染物質量ｒからの偏差ｅを積分した値ｖに積分ゲイン−ＫＩを乗じた積分フィードバック制御量ｕＩとを足し合わせてフィードバック制御量ｕＢを算出するフィードバック制御量加算器４８と、を備える。アンモニア注入量ｕは、たとえばフィードバック制御量ｕＢにフィードフォーワード制御量ｕＷを加算して得られる。【選択図】図１
2008302318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスにアンモニアを注入してこの処理対象ガス中の前記汚染物質の含有量を減少させる排ガス処理器を制御する排ガス処理器制御装置において、
前記排ガス処理器のプロセス量、前記排ガス処理器から排出される排出ガスに含有される排出汚染物質量およびこの排出汚染物質量の目標値である目標排出汚染物質量を受信する手段と、
前記処理対象ガスに注入するアンモニア注入量を前記排ガス処理器に送信する手段と、
前記排出汚染物質量を決定する前記排ガス処理器の内部状態量の時間変化をモデル化した動特性モデルを用いて、この内部状態量を推定した内部状態量推定値を算出する内部状態推定手段と、
前記内部状態量推定値に状態フィードバックゲインを乗じた状態フィードバック制御量と、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差を積分した値に積分ゲインを乗じた積分フィードバック制御量とに基づいてフィードバック制御量を算出するフィードバック制御量算出手段と、
前記フィードバック制御量に基づいて前記アンモニア注入量を算出するアンモニア注入量算出手段と、
を有することを特徴とする排ガス処理器制御装置。
【請求項２】
前記アンモニア注入量を外部から入力する手段を備え、前記フィードバック制御量算出手段は、外部から前記アンモニア注入量が入力されている間は、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差を積分しないことを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理器制御装置。
【請求項３】
前記フィードバック制御量算出手段は、前記排ガス処理器の運転状態に応じて複数設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排ガス処理器制御装置。
【請求項４】
前記状態フィードバックゲインおよび前記積分ゲインは、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差、前記内部状態量および前記アンモニア注入量の少なくとも一つを用いた評価関数を最大化および最小化のいずれかとすることにより算出されることを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理器制御装置。
【請求項５】
前記評価関数は、無限区間の前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差の二乗和と無限区間の前記アンモニア注入量の二乗和との和であって、前記状態フィードバックゲインおよび前記積分ゲインはこの評価関数を用いた無限区間の最適レギュレータ理論によって算出されることを特徴とする請求項４に記載の排ガス処理器制御装置。
【請求項６】
前記評価関数は、有限区間の前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差の二乗和と有限区間の前記アンモニア注入量の二乗和との和であって、前記状態フィードバックゲインおよび前記積分ゲインはこの評価関数を用いた有限区間の最適レギュレータ理論によって算出されることを特徴とする請求項４に記載の排ガス処理器制御装置。
【請求項７】
有限区間の最適レギュレータ理論によって算出された前記状態フィードバックゲインおよび前記積分ゲインのうち、最初のステップの値のみを用いて制御を行うことを特徴とする請求項６に記載の排ガス処理器制御装置。
【請求項８】
前記排ガス処理器から排出される排出ガスに含有される排出アンモニア量およびこの排出アンモニア量の目標値である目標排出アンモニア量を受信する手段を備え、前記フィードバック制御量は状態フィードバック制御量と積分フィードバック制御量と前記排出アンモニア量の前記目標排出アンモニア量からの偏差を積分した値にアンモニア用積分ゲインを乗じたアンモニア偏差積分フィードバック制御量とを加算したものであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の排ガス処理器制御装置。
【請求項９】
前記状態フィードバックゲイン、前記積分ゲインおよびアンモニア用積分ゲインは、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差、前記排出アンモニア量の前記目標排出アンモニア量からの偏差、前記内部状態量および前記アンモニア注入量の少なくとも一つを用いた評価関数を最大化および最小化のいずれかとすることにより算出されることを特徴とする請求項８に記載の排ガス処理器制御装置。
【請求項１０】
前記排ガス処理器のプロセス量にフィードフォーワードゲインを乗じたフィードフォーワード制御量を算出するフィードフォーワード制御量算出手段を備え、前記アンモニア注入量算出手段は、前記フィードバック制御量と前記フィードフォーワード制御量とを加算した値を前記アンモニア注入量とすることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の排ガス処理器制御装置。
【請求項１１】
窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスにアンモニアを注入してこの処理対象ガス中の前記汚染物質の含有量を減少させる排ガス処理器と、
前記排ガス処理器のプロセス量、前記排ガス処理器から排出される排出ガスに含有される排出汚染物質量およびこの排出汚染物質量の目標値である目標排出汚染物質量を受信する手段と、前記処理対象ガスに注入するアンモニア注入量を前記排ガス処理器に送信する手段と、前記排出汚染物質量を決定する排ガス処理器の内部状態量の時間変化をモデル化した動特性モデルを用いて、この内部状態量を推定した内部状態量推定値を算出する内部状態推定手段と、前記内部状態量推定値に状態フィードバックゲインを乗じた状態フィードバック制御量と、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差を積分した値に積分ゲインを乗じた積分フィードバック制御量とに基づいてフィードバック制御量を算出するフィードバック制御量算出手段と、前記フィードバック制御量に基づいて前記アンモニア注入量を算出するアンモニア注入量算出手段と、を備えた排ガス処理器制御装置と、
を有することを特徴とする排ガス処理システム。
【請求項１２】
燃焼器と、
前記燃焼器から排出される窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスにアンモニアを注入してこの処理対象ガス中の前記汚染物質の含有量を減少させる排ガス処理器と、
前記排ガス処理器のプロセス量、前記排ガス処理器から排出される排出ガスに含有される排出汚染物質量およびこの排出汚染物質量の目標値である目標排出汚染物質量を受信する手段と、前記処理対象ガスに注入するアンモニア注入量を前記排ガス処理器に送信する手段と、前記排出汚染物質量を決定する排ガス処理器の内部状態量の時間変化をモデル化した動特性モデルを用いて、この内部状態量を推定した内部状態量推定値を算出する内部状態推定手段と、前記内部状態量推定値に状態フィードバックゲインを乗じた状態フィードバック制御量と、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差を積分した値に積分ゲインを乗じた積分フィードバック制御量とに基づいてフィードバック制御量を算出するフィードバック制御量算出手段と、前記フィードバック制御量に基づいて前記アンモニア注入量を算出するアンモニア注入量算出手段と、を備えた排ガス処理器制御装置と、
を有することを特徴とする排ガス処理システム付プラント。
【請求項１３】
窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスにアンモニアを注入してこの処理対象ガス中の前記汚染物質の含有量を減少させる排ガス処理器を制御する排ガス処理器の制御方法において、
前記排ガス処理器のプロセス量、前記排ガス処理器から排出される排出ガスに含有される排出汚染物質量およびこの排出汚染物質量の目標値である目標排出汚染物質量を受信する工程と、
前記処理対象ガスに注入するアンモニア注入量を前記排ガス処理器に送信する工程と、
前記排出汚染物質量を決定する前記排ガス処理器の内部状態量の時間変化をモデル化した動特性モデルを用いて、この内部状態量を推定した内部状態量推定値を算出する内部状態推定工程と、
前記内部状態量推定値に状態フィードバックゲインを乗じた状態フィードバック制御量と、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差を積分した値に積分ゲインを乗じた積分フィードバック制御量とに基づいてフィードバック制御量を算出するフィードバック制御量算出工程と、
前記フィードバック制御量に基づいて前記アンモニア注入量を算出するアンモニア注入量算出工程と、
を有することを特徴とする排ガス処理器の制御方法。
【請求項１４】
窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスにアンモニアを注入してこの処理対象ガス中の前記汚染物質の含有量を減少させる排ガス処理器を制御する排ガス処理器の制御プログラムにおいて、コンピュータに、
前記排ガス処理器のプロセス量、前記排ガス処理器から排出される排出ガスに含有される排出汚染物質量およびこの排出汚染物質量の目標値である目標排出汚染物質量を受信させる機能と、
前記処理対象ガスに注入するアンモニア注入量を前記排ガス処理器に送信させる機能と、
前記排出汚染物質量を決定する前記排ガス処理器の内部状態量の時間変化をモデル化した動特性モデルを用いて、この内部状態量を推定した内部状態量推定値を算出する機能と、
前記内部状態量推定値に状態フィードバックゲインを乗じた状態フィードバック制御量と、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差を積分した値に積分ゲインを乗じた積分フィードバック制御量とに基づいてフィードバック制御量を算出する機能と、
前記フィードバック制御量に基づいて前記アンモニア注入量を算出する機能と、
を実現させることを特徴とする排ガス処理器の制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラントのガスタービンなどの排ガスに含有される窒素酸化物などの汚染物質を減少させる排ガス処理器、その制御装置およびその排ガス処理器付きのプラント、並びに、排ガス処理器の制御方法および制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー需要の増加への対応は化石燃料に頼る傾向が強く、化石燃料によるエネルギー供給量が増大し、これに伴って二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量も増大している。このため、地球温暖化の危機が叫ばれ、ＣＯ２の排出量を地球規模で規制しようとする動きがでている。このような背景から、ガスタービンを備えた発電プラントにおいては、高効率が期待でき、その結果ＣＯ２の削減にもつながる、ガスタービンサイクルと蒸気タービンサイクルを組み合わせた複合発電プラントが期待されている。このような複合発電プラントは、たとえばガスタービン、その排ガスを熱源として蒸気を発生する排熱回収ボイラ、この発生蒸気を駆動蒸気とする蒸気タービンと、熱回収された排ガスを排気する煙突とを備えている。
【０００３】
このような複合発電プラントや、ガスタービン単独で発電を行う発電プラントなどにおいては、ＣＯ２の他に窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）を排出してしまう。ＮＯｘやＳＯｘは大気汚染物質であるため、その大気への放出が厳しく規制されている。このために排ガス流路中に脱硝装置や脱硫装置などを設置している場合がある。
【０００４】
このうち、脱硝装置における脱硝方法の一つとして、アンモニア注入系統より触媒部にアンモニアを吹きかけてアンモニアを活性化し、ＮＯｘと反応させてＮＯｘを無害の窒素ガスと水蒸気とに還元分解する方法がある。この方法は、一般的に触媒の温度特性により３００〜４００℃での反応効率がよいため、複合発電プラントにおいては、蒸発器と節炭器の間に設置される。なお、アンモニアも有害成分のため未反応のアンモニアが排出されることは極力抑えなければならない。また、排ガスに含有される硫黄酸化物も、このような脱硝装置と同様に、排ガス中にアンモニアを注入することにより減少させることができる。
【０００５】
このような排気ガスのアンモニアによる脱硝反応プロセスでは、以下のような点に考慮すべきである。
（１）アンモニアとＮＯｘとの反応は、触媒を介しての化学反応であり、排気ガスの温度・流量・圧力やアンモニア・ＮＯｘの濃度等の変動によって反応特性が非線形に変化する。したがって、異なるプラントの運転状態では、注入するアンモニア流量を同量変化させても脱硝反応プロセスで排出されるＮＯｘ量の変化は等しくならない。
（２）触媒部の入口・出口でのＮＯｘ濃度はガス分析計により常に測定されているが、ガス分析のため測定に要する無駄時間が非常に大きい（数十秒から数分程度）。
（３）大気中への排出ＮＯｘ量および排出アンモニア量には濃度規制あるいは流量規制がある。たとえば濃度規制の場合には、以下の制限を考慮しなければならない。
ａ．ある時刻における排出ＮＯｘ量が、瞬間排出量規制値を越えないこと。
ｂ．１時間の平均排出ＮＯｘ量が、移動時間平均規制値を越えないこと。
ｃ．ある時刻における排出アンモニア量が、瞬間排出量規制値を越えないこと。
ｄ．１時間の平均排出アンモニア量が、移動時間平均規制値を越えないこと。
なお、流量規制の場合には、上のａ．−ｄ．の規制値の単位を濃度の代わりに流量と置いたものになる。
【０００６】
ガスタービン排気ガスの脱硝制御としては、排出ＮＯｘ設定値と排出ＮＯｘ測定値の偏差に基づいてＰＩＤ制御などによりアンモニア流量を調整する方法がある。しかし、このようなＰＩＤ制御などによるフィードバック制御ではＮＯｘ測定に無駄時間の大きいシステムを安定かつ応答良く制御することは難しい。また、ガスタービン排気ガス中の発生ＮＯｘ量に変化が起こった場合でも、無駄時間分は変化を検知できないため、排出ＮＯｘ量に変化が表れてからアンモニア流量を操作しても、無駄時間分だけは排出ＮＯｘ量を変えられない。このため、フィードフォワード信号を活用することが試みられてきた。
【０００７】
たとえば、特許文献１に記載されているように、ガスタービンから発生するＮＯｘ量は、ガスタービンの燃料流量、吸入している空気の流量、温度などから推定できる。また、排出ＮＯｘ量がある値となるよう、触媒でのアンモニアとＮＯｘの反応特性から、発生するＮＯｘ量に対して注入するアンモニア流量を計算することができる。そこで、この推定した発生ＮＯｘ量をフィードフォワード信号としてアンモニア注入量を先行的に変化させ、脱硝制御性能の向上をはかることができる。また、たとえば特許文献２および特許文献３にも、制御性能を向上させるための技術が開示されている。
【特許文献１】特公平３−４２９３０号公報
【特許文献２】特許第３４１０８２３号公報
【特許文献３】特許第３５００２０８号公報
【非特許文献１】Karl J. Astrom、Bjorn Wittenmark、"Computer-Controlled Systems"、3rd Edition、米国、Prentice Hall、１９９７年、ｐ．４１３−４１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＰＩＤ制御などによるフィードバック制御では十分な制御性が得られないために、発生ＮＯｘ量を推定計算で求め、この発生ＮＯｘ推定値を用い、注入するアンモニア流量を反応特性から計算で求め、先行的に変えて制御性の向上をはかってきた。しかしながら、このような制御方法では、次のような問題がある。
（１）発生するＮＯｘ量は制御周期ごとに計測されたプロセス量を用いて推定され、注入するアンモニア流量の計算に用いられている。アンモニアはこの計算値を用いて、下位のアンモニア流量制御系で実際にプロセスに注入される。アンモニア流量制御系には時間遅れがあり、発生ＮＯｘ量の変化に対してアンモニア注入量は時間遅れをもって変化する。このため、発生ＮＯｘ量の変化時には、アンモニア注入量はアンバランスになり、排出ＮＯｘ量が変動する場合がある。
（２）発生ＮＯｘ推定値の精度がよくない場合には、先行的に注入するアンモニア流量にずれを生じる。このため排出ＮＯｘ量に変動を生じる場合がある。
（３）触媒でのアンモニアとＮＯｘの反応率が運転状態や経年変化などで変わるため、発生ＮＯｘ量に基づいて排出ＮＯｘ量を目標値とするアンモニア注入量の計算も、運転状態や経年変化によりずれを生じることがある。このため排出ＮＯｘ量に変動を生じる場合がある。
（４）排出ＮＯｘ量に規制値からずれを生じた場合に、無駄時間分はフィードバックが働かない。このため排出ＮＯｘ量を規制値に戻すためには時間がかかる。
（５）無駄時間のある制御対象であるため、ＰＩＤ制御などの制御方式ではフィードバックは強くかけられない。このため、排出ＮＯｘ量に目標値とずれが生じても、戻すためには長時間を要する場合がある。
【０００９】
このような問題点は、推定計算した発生ＮＯｘ量を用いた静特性的なフィードフォワード制御に強く依存した制御系を構成することによって起こるのである。すなわち、発生ＮＯｘ量について制御周期ごとに静特性として推定演算を行い、注入するアンモニア流量を静特性の値として推定計算する場合には、注入するアンモニアと発生したＮＯｘの触媒での反応の時間的なずれを考慮していない。このため、発生ＮＯｘ量の変動時には、排出ＮＯｘ量が目標値からの偏差を生じる。また、フィードバックによる制御の働きが弱いために、排出されるＮＯｘ量に目標値と偏差が生じても、目標値に戻すためには長時間を要する場合がある。
【００１０】
また、排ガス中の硫黄酸化物を減少させる場合にも、脱硝装置と同様の問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスにアンモニアを注入してこの処理対象ガス中の汚染物質の含有量を減少させる際に、無駄時間に強いフィードバック制御が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】
【００１２】
上述の目的を達成するため、本発明は、窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスにアンモニアを注入してこの処理対象ガス中の前記汚染物質の含有量を減少させる排ガス処理器を制御する排ガス処理器制御装置において、前記排ガス処理器のプロセス量、前記排ガス処理器から排出される排出ガスに含有される排出汚染物質量およびこの排出汚染物質量の目標値である目標排出汚染物質量を受信する手段と、前記処理対象ガスに注入するアンモニア注入量を前記排ガス処理器に送信する手段と、前記排出汚染物質量を決定する前記排ガス処理器の内部状態量の時間変化をモデル化した動特性モデルを用いて、この内部状態量を推定した内部状態量推定値を算出する内部状態推定手段と、前記内部状態量推定値に状態フィードバックゲインを乗じた状態フィードバック制御量と、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差を積分した値に積分ゲインを乗じた積分フィードバック制御量とに基づいてフィードバック制御量を算出するフィードバック制御量算出手段と、前記フィードバック制御量に基づいて前記アンモニア注入量を算出するアンモニア注入量算出手段と、を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、排ガス処理システムにおいて、窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスにアンモニアを注入してこの処理対象ガス中の前記汚染物質の含有量を減少させる排ガス処理器と、前記排ガス処理器のプロセス量、前記排ガス処理器から排出される排出ガスに含有される排出汚染物質量およびこの排出汚染物質量の目標値である目標排出汚染物質量を受信する手段と、前記処理対象ガスに注入するアンモニア注入量を前記排ガス処理器に送信する手段と、前記排出汚染物質量を決定する排ガス処理器の内部状態量の時間変化をモデル化した動特性モデルを用いて、この内部状態量を推定した内部状態量推定値を算出する内部状態推定手段と、前記内部状態量推定値に状態フィードバックゲインを乗じた状態フィードバック制御量と、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差を積分した値に積分ゲインを乗じた積分フィードバック制御量とに基づいてフィードバック制御量を算出するフィードバック制御量算出手段と、前記フィードバック制御量に基づいて前記アンモニア注入量を算出するアンモニア注入量算出手段と、を備えた排ガス処理器制御装置と、を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、排ガス処理システム付プラントにおいて、燃焼器と、前記燃焼器から排出される窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスにアンモニアを注入してこの処理対象ガス中の前記汚染物質の含有量を減少させる排ガス処理器と、前記排ガス処理器のプロセス量、前記排ガス処理器から排出される排出ガスに含有される排出汚染物質量およびこの排出汚染物質量の目標値である目標排出汚染物質量を受信する手段と、前記処理対象ガスに注入するアンモニア注入量を前記排ガス処理器に送信する手段と、前記排出汚染物質量を決定する排ガス処理器の内部状態量の時間変化をモデル化した動特性モデルを用いて、この内部状態量を推定した内部状態量推定値を算出する内部状態推定手段と、前記内部状態量推定値に状態フィードバックゲインを乗じた状態フィードバック制御量と、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差を積分した値に積分ゲインを乗じた積分フィードバック制御量とに基づいてフィードバック制御量を算出するフィードバック制御量算出手段と、前記フィードバック制御量に基づいて前記アンモニア注入量を算出するアンモニア注入量算出手段と、を備えた排ガス処理器制御装置と、を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスにアンモニアを注入してこの処理対象ガス中の前記汚染物質の含有量を減少させる排ガス処理器を制御する排ガス処理器の制御方法において、前記排ガス処理器のプロセス量、前記排ガス処理器から排出される排出ガスに含有される排出汚染物質量およびこの排出汚染物質量の目標値である目標排出汚染物質量を受信する工程と、前記処理対象ガスに注入するアンモニア注入量を前記排ガス処理器に送信する工程と、前記排出汚染物質量を決定する前記排ガス処理器の内部状態量の時間変化をモデル化した動特性モデルを用いて、この内部状態量を推定した内部状態量推定値を算出する内部状態推定工程と、前記内部状態量推定値に状態フィードバックゲインを乗じた状態フィードバック制御量と、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差を積分した値に積分ゲインを乗じた積分フィードバック制御量とに基づいてフィードバック制御量を算出するフィードバック制御量算出工程と、前記フィードバック制御量に基づいて前記アンモニア注入量を算出するアンモニア注入量算出工程と、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスにアンモニアを注入してこの処理対象ガス中の前記汚染物質の含有量を減少させる排ガス処理器を制御する排ガス処理器の制御プログラムにおいて、コンピュータに、前記排ガス処理器のプロセス量、前記排ガス処理器から排出される排出ガスに含有される排出汚染物質量およびこの排出汚染物質量の目標値である目標排出汚染物質量を受信させる機能と、前記処理対象ガスに注入するアンモニア注入量を前記排ガス処理器に送信させる機能と、前記排出汚染物質量を決定する前記排ガス処理器の内部状態量の時間変化をモデル化した動特性モデルを用いて、この内部状態量を推定した内部状態量推定値を算出する機能と、前記内部状態量推定値に状態フィードバックゲインを乗じた状態フィードバック制御量と、前記排出汚染物質量の前記目標排出汚染物質量からの偏差を積分した値に積分ゲインを乗じた積分フィードバック制御量とに基づいてフィードバック制御量を算出する機能と、前記フィードバック制御量に基づいて前記アンモニア注入量を算出する機能と、を実現させるとを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスにアンモニアを注入してこの処理対象ガス中の汚染物質の含有量を減少させる際に、無駄時間に強いフィードバック制御ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係る排ガス処理器制御装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１９】
［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る排ガス処理器制御装置の第１の実施の形態における制御対象の排ガス処理器を備えたプラントの例としての複合発電プラントのブロック図である。
【００２０】
この複合発電プラントは、ガスタービン１と、その排ガス２を熱源として蒸気を発生する排熱回収ボイラ３と、この発生蒸気を駆動蒸気とする蒸気タービン４と、熱回収された排ガスを排気する煙突５とを備えている。ガスタービン１は、導入空気６を加圧する空気圧縮機７と、加圧空気を燃料系統８から供給された燃料とともに燃焼する燃焼器９と、燃焼により生じた燃焼ガスにより作動されるタービン１０と、負荷をとる発電機１１とを備えている。
【００２１】
排熱回収ボイラ３は、排ガス２が流れる排ガスダクト１２の上流から下流に沿って、過熱器１３、蒸発器１４、排ガス処理器１５および節炭器１６を備えており、過熱器１３で生じた蒸気を蒸気配管１７により蒸気タービン４に供給している。蒸気タービン４は、排熱回収ボイラ３で発生した蒸気により作動されるタービン１８と、負荷をとる発電機１９と、タービン１８で仕事をした後の蒸気を復水する復水器２０とを備えている。
【００２２】
復水器２０からの復水は、給水配管２１により節炭器１６に導かれて加熱された後、蒸発器１４で蒸発され、この蒸気はさらに過熱器１３で加熱される。蒸発器１４において、給水は強制循環または温度差による自然循環をしながら、加熱・蒸発が行われる。
【００２３】
なお、ここで、ガスタービン１のタービン１０と蒸気タービン４のタービン１８は、それぞれ異なる発電機１１，１９に接続されているが、同一の発電機に接続してもよい。
【００２４】
排ガス処理器１５は、アンモニア注入器２３、触媒部２２およびアンモニア吹きつけ部２４を備えたアンモニア注入系統を有する、たとえば脱硝器である。アンモニア注入器２３から供給されるアンモニアは、アンモニア吹きつけ部２４から触媒部２２に吹きかけられ、触媒と接して活性化する。活性化したアンモニアは、排ガス２に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）と反応して、ＮＯｘの一部は、無害の窒素ガスと水蒸気に還元分解される。この反応は、触媒の温度特性により３００〜４００℃での効率がよいため、排ガス処理器１５は、蒸発器１４と節炭器１６の間に設置する。排ガス処理器１５には、この排ガス処理器１５を制御する排ガス処理器制御装置２５が接続されている。なお、本実施の形態では、汚染物質として主として窒素酸化物を対象として説明するが、排ガス２に含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）であっても、排ガス処理器１５と同様な構成のたとえば脱硫装置が用いられる。なお、図２では、本発明を適用するプラントとして複合発電プラントを例示したが、硫黄酸化物を除去する脱硫装置が設けられるプラントの場合、複合発電プラントではなく、石炭や重油焚きのボイラを備えるプラントであることが多い。
【００２５】
つまり、本実施の形態の排ガス処理器制御装置２５は、窒素酸化物および硫黄酸化物の少なくとも一方の汚染物質を含有する処理対象ガスに、アンモニアを注入してこの処理対象ガス中の汚染物質の含有量を減少させる排ガス処理器を制御するものである。
【００２６】
排ガス処理器１５は、処理対象ガスである排ガス２にアンモニアを注入して排ガス２に含有される汚染物質の量を減少させて排出する。排ガス処理器１５から排出される汚染物質の量（排出汚染物質量）は、排ガス２に注入されるアンモニアの量（アンモニア注入量）や、プロセス量などによって変化する。ここで、プロセス量とは、排ガス処理器１５の排ガス処理プロセスに関与する量であって、排ガス処理器１５が制御しない、あるいは、制御できない量である。プロセス量としては、たとえば、排ガス２に含有される汚染物質の量や燃焼温度などがある。
【００２７】
本実施の形態では、排ガス処理器１５の排ガス処理プロセスの動特性を表す動特性モデル、および、排ガス処理器１５の内部状態を示す内部状態量を導入する。この動特性モデルは、アンモニア注入量、プロセス量および内部状態量と、排出汚染物質量との関係を記述したモデルである。
【００２８】
脱硝プロセスなどの排ガス処理プロセスは、現実には非線形の特性を持つものであるが、近似的に線形時不変の動特性モデルで表すことができる。そこで、本実施の形態では、排ガス処理プロセスの動特性が、次に示す離散時間ｔの状態方程式で表されるとする。
ｘ（ｔ＋１）＝Ａｘ（ｔ）＋Ｂｕｕ（ｔ）＋Ｂｗｗ（ｔ）      …（１）
ｙ（ｔ）＝Ｃｘ（ｔ）                                      …（２）
ここで、
ｕ（ｔ）は、時刻ｔにおけるアンモニア注入量、
ｗ（ｔ）は、時刻ｔにおけるプロセス量、
ｘ（ｔ）は、時刻ｔにおける排ガス処理器の内部の状態を示す内部状態量、
ｙ（ｔ）は、時刻ｔにおける排出汚染物質量、
である。
【００２９】
本実施の形態において、ｕ（ｔ）およびｙ（ｔ）は、スカラー量である。ｘ（ｔ）はｎ次のベクトル量、ｗ（ｔ）はｍ次のベクトル量である。Ａはｎ行ｎ列の行列、Ｂｕはｎ行１列の行列、Ｂｗはｎ行ｍ列の行列、Ｃは１行ｎ列の行列である。ｘ（ｔ）は、特に物理的な意味合いを持っている必要はない。また、プロセス量ｗ（ｔ）として、排ガス２に含有されるたとえばＮＯｘなどの汚染物質の量の推定値である発生汚染物質量推定値を用いることとする。したがって、ｍは１である。
【００３０】
Ａ、ＢｕおよびＢｗは、排ガス処理器１５の実際の排ガス処理プロセスの動特性をよく表現するように定めた定数である。これらの定数は、たとえば計測器の特性、配管の長さ、システム設計などに基づいて物理的な因果関係から定めることができる。また、テスト信号に対する応答に基づいて定めることもできる。さらに、物理的な因果関係から定めた定数を、実際の応答に基づいて補正してもよい。
【００３１】
次に、この動特性モデルを用いて、アンモニア注入量ｕ（ｔ）を決定する方法について説明する。
【００３２】
図１は、本実施の形態における排ガス処理器制御装置のブロック図である。
【００３３】
排ガス処理器制御装置２５は、目標排出汚染物質量受信手段３１、排出汚染物質量受信手段３２およびプロセス量受信手段３３を備えている。目標排出汚染物質量受信手段３１は、排ガス処理器１５から排出される排ガスに含有される汚染物質量を所定の値以下になるように保つために、何らかの方法で与えられる目標排出汚染物質量ｒ（ｔ）を受信する。この目標排出汚染物質量ｒ（ｔ）は、時間の経過に伴って変化する値であってもよいし、一定値であってもよい。排出汚染物質量受信手段３２は、排ガス処理器１５から排出される排ガスに含有される汚染物質量の測定値ｙ（ｔ）を受信する。プロセス量受信手段３３は、プロセス量ｗ（ｔ）を受信する。
【００３４】
本実施の形態では、排ガス処理プロセスの動特性モデルの入力であるアンモニア注入量ｕ（ｔ）は、次式の通り、フィードフォーワード制御量ｕｗ（ｔ）とフィードバック制御量ｕＢ（ｔ）との和で表されるとする。
ｕ（ｔ）＝ｕｗ（ｔ）＋ｕＢ（ｔ）                                    …（３）
また、フィードフォーワード制御量ｕｗ（ｔ）は、プロセス量ｗ（ｔ）にフィードフォーワードゲインＫｗを乗じたものとする。すなわち、
ｕｗ（ｔ）＝Ｋｗｗ（ｔ）                                            …（４）
である。
【００３５】
フィードバック制御量ｕＢ（ｔ）は、状態フィードバック制御量ｕＳ（ｔ）と積分制御量ｕＩ（ｔ）との和として与えられるものとする。すなわち、
ｕＢ（ｔ）＝ｕＳ（ｔ）＋ｕＩ（ｔ）                                  …（５）
である。
【００３６】
状態フィードバック制御量ｕＳ（ｔ）は、内部状態量ｘ（ｔ）に、状態フィードバックゲイン−ＫＳを乗じて与えられるものとする。すなわち、
ｕＳ（ｔ）＝−ＫＳｘ（ｔ）                                          …（６）
である。
【００３７】
積分制御量ｕＩ（ｔ）は、排出汚染物質量ｙ（ｔ）の目標排出汚染物質量ｒ（ｔ）からの偏差ｅ（ｔ）を積分した値ｖ（ｔ）に、積分ゲイン−ＫＩを乗じて与えられるものとする。すなわち、
ｅ（ｔ）＝ｒ（ｔ）−ｙ（ｔ）                                        …（７）
ｖ（ｔ＋１）＝ｅ（ｔ）＋ｖ（ｔ）
＝ｒ（ｔ）−  ｙ（ｔ）＋ｖ（ｔ）
＝ｒ（ｔ）−Ｃｘ（ｔ）＋ｖ（ｔ）                        …（８）
ｕＩ（ｔ）＝−ＫＩｖ（ｔ）                                          …（９）
である。
【００３８】
式（１）から式（８）を用いると、排ガス処理器１５と排ガス処理器制御装置２５の全体の系は、次式によって表される。
【数１】
2008302318.tif 000003
ここで、Ｉは単位行列を表す。
また、
【数２】
2008302318.tif 000004
とおくと、次のように書ける。
ｘ'（ｔ＋１）＝Ａ'ｘ（ｔ）＋Ｂ'ｕＢ（ｔ）＋Ｆ'ｗ'（ｔ）        …（１２）
ｙ'（ｔ）＝Ｃ'ｘ'（ｔ）                                        …（１３）
【００３９】
次に、この系に現れるゲインを算出する方法について説明する。状態フィードバックゲイン−ＫＳ、および、積分ゲイン−ＫＩは、評価関数を導入して、たとえば無限区間の最適レギュレータ理論により求めることができる。評価関数は、偏差ｅ（ｔ）、内部状態変数ｘ（ｔ）およびアンモニア注入量ｕ（ｔ）の少なくとも一つを用いて表されるものであり、たとえば次式で与えられる。
【数３】
2008302318.tif 000005
ここで、ＱおよびＲは調整パラメータであり、Ｑはｎ行ｎ列の正定行列、Ｒは正の値を持つスカラー量である。
【００４０】
この評価関数Ｊ１を小さくするためには、内部状態量ｘ'およびフィードバック制御量ｕＢ（ｔ）が小さい値となればよい。この評価関数Ｊを最小化するフィードバックゲイン（−ＫＳおよび−ＫＩ）は、式（１５）で表される離散時間のリカッチ方程式の解Ｓを用いて、式（１６）のように与えられる。
Ａ'ＴＳＡ'−Ｓ−Ａ'ＴＳＢ'（Ｂ'ＴＳＢ'＋Ｒ）−１Ｂ'ＴＳＡ'＋Ｑ＝０
…（１５）
Ｋ＝［ＫＳ  ＫＩ］＝（Ｂ'ＴＳＢ'＋Ｒ）−１Ｂ'ＴＳＡ'              …（１６）
【００４１】
このようにして得られた状態フィードバックゲイン−ＫＳ、および、積分ゲイン−ＫＩを用いて、フィードバック制御量ｕＢ（ｔ）は決定される。このようなフィードバック制御は、定ゲイン−ＫＳ、−ＫＩで評価関数Ｊ１を最小化するという意味で最適制御則ということができる。
【００４２】
実際には、内部状態量ｘ（ｔ）は直接計測できないため、その値を推定する必要がある。そこで、次に、積分ゲインｘ（ｔ）を推定した内部状態量推定値ｘｐ（ｔ）を求める方法について説明する。
【００４３】
調整パラメータＬを導入し、内部状態量推定値ｘｐ（ｔ）を用いて、排ガス処理プロセスの動特性モデルを次のように表現する。
ｘｐ（ｔ＋１）＝Ａｘｐ（ｔ）＋Ｂｕｕ（ｔ）＋Ｂｗｗ（ｔ）
＋Ｌ｛ｙ（ｔ）−ｙｐ（ｔ）｝      …（１７）
ｙｐ（ｔ）＝Ｃｘｐ（ｔ）                                          …（１８）
ここで、ｙｐ（ｔ）は、内部状態量推定値ｘｐ（ｔ）を用いて計算される排出汚染物質量ｙ（ｔ）の推定値である。
【００４４】
調整パラメータＬは、Ａ−ＬＣが安定化するように決定する。たとえば（ＡＴ，ＣＴ）に対して、式（１９）で表されるリカッチ方程式を解いて得られる解Ｓ０を用いて、式（２０）のように調整パラメータＬを決定すると、Ａ−ＬＣが安定になる。
ＡＳ０ＡＴ−Ｓ０−ＡＳ０ＣＴ（ＣＳ０ＣＴ＋Ｒ０）−１ＣＳ０ＡＴ＋Ｑ０＝０
…（１９）
ＬＴ＝Ｋ０＝（ＣＳ０ＣＴ＋Ｒ０）−１ＣＳ０ＡＴ                    …（２０）
ここで、Ｑ０およびＲ０は調整パラメータであり、Ｑ０はｎ行ｎ列の正定行列、Ｒ０は正の値を持つスカラー量である。
【００４５】
このようにして求めた調整パラメータＬを使って排ガス処理プロセスの動特性モデルをを式（１７）および式（１８）のように表現する。このとき、内部状態量推定値ｘｐ（ｔ）は、真の内部状態ｘ（ｔ）に近づいていくので、内部状態量推定値ｘｐ（ｔ）を用いて排ガス処理プロセスの制御を行うことができる。つまり、排ガス処理器制御装置２５の内部では、たとえば式（６）の代わりに、次の式を用いて状態フィードバック制御量ｕＳ（ｔ）を求める。
ｕＳ（ｔ）＝−ＫＳｘ（ｔ）                                        …（２１）
【００４６】
このような制御を実現するために、排ガス処理器制御装置２５は、内部状態推定手段４１、状態フィードバックゲイン乗算器４２、減算器４３、積分器４４、積分ゲイン乗算器４７、フィードバック制御量加算器４８、フィードフォーワードゲイン乗算器４９およびフィードフォーワード制御量加算器５０を有している。
【００４７】
図３は、本実施の形態における排ガス処理器制御装置の制御の流れを示すフローチャートである。
【００４８】
排ガス処理器制御装置２５を用いる場合には、まず、上述のようにして状態フィードバックゲイン−ＫＳなどの各種ゲインを求め、排ガス処理器制御装置２５に設定する（工程Ｓ１）。次に、時刻を１進め（工程Ｓ２）、その時点での、排出汚染物質量の測定値ｙ（ｔ）、目標排出汚染物質量ｒ（ｔ）、プロセス量ｗ（ｔ）を、排出汚染物質量受信手段３２、目標排出汚染物質量受信手段３１およびプロセス量受信手段３３によって受信する（工程Ｓ３）。
【００４９】
次に、内部状態推定手段４１は、排出汚染物質量の測定値ｙ（ｔ）、プロセス量ｗ（ｔ）およびアンモニア注入量ｕ（ｔ）を用いて、内部状態量推定値ｘｐ（ｔ）を算出する。また、状態フィードバックゲイン乗算器４２は、内部状態量推定値ｘｐ（ｔ）に状態フィードバックゲイン−ＫＳを乗じて、状態フィードバック制御量ｕＳ（ｔ）を算出する（工程Ｓ４）。
【００５０】
一方、減算器４３は、目標排出汚染物質量ｒ（ｔ）から排出汚染物質量ｙ（ｔ）を減じて、偏差ｅ（ｔ）を算出する。積分器４４は、この偏差ｅ（ｔ）を時間方向に積分して、積分値ｖ（ｔ）を算出する。積分器４４は、たとえばシフトレジスタ（ｚ−１）４５および加算器４６によって実現される。積分ゲイン乗算器４７は、積分値ｖ（ｔ）に積分ゲイン−ＫＩを乗じて積分制御量ｕＩ（ｔ）を算出する（工程Ｓ５）。このようにして、排出汚染物質量ｙ（ｔ）と目標排出汚染物質量ｒ（ｔ）との偏差ｅ（ｔ）が０となるまで、すなわち、排出汚染物質量ｙ（ｔ）が目標排出汚染物質量ｒ（ｔ）に等しくなるまで、偏差ｅ（ｔ）を小さくする積分制御量ｕＩ（ｔ）が与えられる。なお、積分器の状態変数であるｖ（ｔ）は真の値が分かっているので、内部状態量ｘ（ｔ）のように状態推定は行う必要が無い。
【００５１】
その後、フィードバック制御量加算器４８は、積分制御量ｕＩ（ｔ）に状態フィードバック制御量ｕＳ（ｔ）を加えて、フィードバック制御量ｕＢ（ｔ）を算出する（工程Ｓ６）。
【００５２】
フィードフォーワードゲイン乗算器４９は、プロセス量ｗ（ｔ）にフィードフォーワードゲインＫｗを乗じて、フィードフォーワード制御量ｕｗ（ｔ）を算出する（工程Ｓ７）。フィードフォーワード制御量加算器５０は、フィードバック制御量ｕＢ（ｔ）にフィードフォーワード制御量ｕｗ（ｔ）を加えて、アンモニア注入量ｕ（ｔ）を算出する（工程Ｓ８）。
【００５３】
なお、フィードフォーワード制御量ｕｗ（ｔ）を０としても、排ガス処理プロセスの制御は可能である。このような制御は、たとえばフィードフォーワードゲインＫｗを０としたり、排ガス処理器制御装置２５からフィードフォーワードゲイン乗算器４９およびフィードフォーワード制御量加算器５０を削除することにより実現することができる。
【００５４】
このようにして得られたアンモニア注入量ｕ（ｔ）は、内部状態推定手段４１に伝達されて内部状態量推定値ｘｐ（ｔ）の算出に用いられるとともに、アンモニア注入量送信手段３４によって排ガス処理器１５に伝達されて排ガス処理プロセスの制御に用いられる。
【００５５】
次に、プラントの運転終了などによって、排ガス処理器１５の制御を終了するか否かを判定し（工程Ｓ９）、制御を終了するまで、工程Ｓ２から工程Ｓ８までが繰り返される。
【００５６】
なお、一台または複数のコンピューターに上述の機能を実現させるプログラムによって、この排ガス処理器制御装置２５を実現することもできる。
【００５７】
本実施の形態の排ガス処理器制御装置２５は、内部状態推定手段４１と、積分器４４などによってフィードバック制御量ｕＩを算出するフィードバック制御量算出手段とを有している。このため、動特性を考慮した強力なフィードバック制御をすることができ、無駄時間に強いフィードバック制御ができる。また、このフィードバック制御には、動特性を考慮したフィードバックゲインを用いているため、排ガス処理プロセスの制御の安定性および信頼性が向上する。
【００５８】
さらに、排ガス処理プロセスのプロセス量を用いたフィードフォーワード制御を効果的に組み合わせて用いることができるため、即応性に冨んだ排ガス処理プロセスの制御が可能である。また、フィードフォーワード制御量ｕｗ（ｔ）を内部状態推定手段４１で用いる場合には、内部状態量推定値ｘｐ（ｔ）の信頼性が高まり、より精度の高い制御が可能となる。
【００５９】
また、本実施の形態では、評価関数として偏差ｅ（ｔ）およびアンモニア注入量ｕ（ｔ）の両方について、無限区間における各々の二乗和を用いている。これにより無限区間の最適レギュレータ理論を適用することが可能となり、フィードバックゲインを算出することができる。無限区間の最適レギュレータ理論により得られる制御ゲインは、一定値であるため、エンドレスに使用することができる。また、無限区間の最適レギュレータ理論を用いて制御ゲインを算出することにより、排ガス処理プロセスの制御の安定性と素早い制御応答を実現することができる。
【００６０】
本実施の形態では、最適レギュレータ理論を適用する際に用いる動特性モデルとしてフィードフォワード制御量や積分器の存在まで考慮に入れた系に拡張した動特性モデルを用いている。これにより、状態フィードバックゲインに加えて積分ゲインが同時に得られるため、両者のパラメータに齟齬が無くなり，信頼性の高い脱硝制御を実現することができる。
【００６１】
また、フィードバックゲイン（−ＫＳおよび−ＫＩ）は、他の方法で求めることもできる。上述の説明では、無限ステップ先までを評価区間とした評価関数Ｊ１を用いてフィードバックゲインを決定しているが、たとえば有限Ｎステップ先までを評価区間とした次の評価関数Ｊ２を用いて決定することもできる。
【数４】
2008302318.tif 000006
【００６２】
この評価関数Ｊ２を最小化するフィードバックゲイン（−ＫＳおよび−ＫＩ）は、式（１８）の離散時間リカッチ方程式の解Ｓ（ｔ）を用いて、式（１９）のように与えられる。
Ｓ（ｔ）＝Ａ'ＴＳ（ｔ＋１）Ａ'＋Ｑ
−Ａ'ＴＳ（ｔ＋１）Ｂ'（Ｂ'ＴＳ（ｔ＋１）Ｂ'＋Ｒ）−１Ｂ'ＴＳ（ｔ＋１）Ａ'
…（２３）
Ｋ（ｔ）＝［ＫＳ（ｔ）  ＫＩ（ｔ）］
＝（Ｂ'ＴＳ（ｔ＋１）Ｂ'＋Ｒ）−１Ｂ'ＴＳ（ｔ＋１）Ａ'    …（２４）
なお、離散時間リカッチ方程式は、たとえば動的最適化（ダイナミック・プログラミング）によって解くことができる（たとえば非特許文献１参照）。
【００６３】
このようにして、有限区間の最適レギュレータ理論によって、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｎまでのフィードバックゲインが得られる。これらのフィードバックゲインを用いて、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｎまでの状態フィードバック量ｕＳ（ｔ）は、次のように与えられる。
ｕＳ（ｔ）    ＝−ＫＳ（ｔ）    ｘ（ｔ）
ｕＳ（ｔ＋１）＝−ＫＳ（ｔ＋１）ｘ（ｔ＋１）
ｕＳ（ｔ＋２）＝−ＫＳ（ｔ＋２）ｘ（ｔ＋２）                      …（２５）
： 
ｕＳ（ｔ＋Ｎ）＝−ＫＳ（ｔ＋Ｎ）ｘ（ｔ＋Ｎ）
同様に、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｎまでの積分制御量ｕＩ（ｔ）は、次のように与えられる。
ｕＩ（ｔ）    ＝−ＫＩ（ｔ）    ｖ（ｔ）
ｕＩ（ｔ＋１）＝−ＫＩ（ｔ＋１）ｖ（ｔ＋１）
ｕＩ（ｔ＋２）＝−ＫＩ（ｔ＋２）ｖ（ｔ＋２）                      …（２６）
： 
ｕＩ（ｔ＋Ｎ）＝−ＫＩ（ｔ＋Ｎ）ｖ（ｔ＋Ｎ）
【００６４】
式（２５）および式（２６）では、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｎまでの状態フィードバック制御量ｕＳ（ｔ）および積分制御量ｕＩ（ｔ）を算出するために、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｎまでの内部状態量ｘ（ｔ）および偏差ｅ（ｔ）を積分した値ｖ（ｔ）を用いている。ところで、式（１）の通りｕＢ（ｔ）＝ｕＳ（ｔ）＋ｕＩ（ｔ）であり、式（１１）の通りｘ'（ｔ＋ｋ）＝［ｘ（ｔ＋ｋ）  ｖ（ｔ＋ｋ）］Ｔであるから、式（２５）および式（２６）は次のように書くことができる。
ｕＢ（ｔ）    ＝−Ｋ（ｔ）    ｘ'（ｔ）
ｕＢ（ｔ＋１）＝−Ｋ（ｔ＋１）ｘ'（ｔ＋１）
＝−Ｋ（ｔ＋１）｛Ａ'ｘ'（ｔ）＋Ｂ'ｕＢ（ｔ）＋Ｆ'ｗ'（ｔ）｝
＝−Ｋ（ｔ＋１）｛Ａ'ｘ'（ｔ）−Ｂ'Ｋ（ｔ）ｘ'（ｔ）＋Ｆ'ｗ'（ｔ）｝
＝−Ｋ（ｔ＋１）｛Ａ'−Ｂ'Ｋ（ｔ）｝ｘ'（ｔ）−Ｋ（ｔ＋１）Ｆ'ｗ'（ｔ）
ｕＢ（ｔ＋２）＝
−Ｋ（ｔ＋２）｛Ａ'−Ｂ'Ｋ（ｔ＋１）｝｛Ａ'−Ｂ'Ｋ（ｔ）｝ｘ'（ｔ）
−Ｋ（ｔ＋２）Ｆ'ｗ'（ｔ＋１）
−Ｋ（ｔ＋２）｛Ａ'−Ｂ'Ｋ（ｔ＋１）｝Ｆ'ｗ'（ｔ）
：
ｕＢ（ｔ＋Ｎ）＝
−Ｋ（ｔ＋Ｎ）｛Ａ'−Ｂ'Ｋ（ｔ＋Ｎ−１）｝｛Ａ'−Ｂ'Ｋ（ｔ＋Ｎ−２）｝
・・・｛Ａ'−Ｂ'Ｋ（ｔ）｝ｘ'（ｔ）
−Ｋ（ｔ＋Ｎ）Ｆ'ｗ'（ｔ＋Ｎ−１）
−Ｋ（ｔ＋Ｎ）｛Ａ'−Ｂ'Ｋ（ｔ＋Ｎ−２）｝Ｆ'ｗ'（ｔ＋Ｎ−２）
−・・・
−Ｋ（ｔ＋Ｎ）｛Ａ'−Ｂ'Ｋ（ｔ＋Ｎ−２）｝・・・
｛Ａ'−Ｂ'Ｋ（ｔ）｝Ｆ'ｗ'（ｔ）
…（２７）
（２７）式では、将来の信号であるｗ'（ｔ＋ｋ），ｋ＝１，２，…，Ｎ−１が必要である。将来のｗ'（ｔ）が既知の場合は、それを使用する。将来のｗ'（ｔ）が未知の場合には、ｗ'（ｔ＋ｋ）＝ｗ'（ｔ），ｋ＝１，２，…，Ｎとすることにより、現在の値がそのまま将来も続くということになる。
【００６５】
以上により、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｎまでのフィードバック制御量ｕＢ（ｔ）は、時刻ｔにおける状態変数ｘ'（ｔ）と、時刻ｔにおいて計算可能なＫ（ｔ），Ｋ（ｔ＋１），…，Ｋ（ｔ＋Ｎ）を用いて算出できる。よって、時刻ｔにおいて、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｎまでのフィードバックゲインと制御入力を一度に決めることができる。このため、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｎの間の経過時間を周期として、この周期ごとに、状態フィードバックゲイン−ＫＳおよび積分ゲイン−ＫＩを切り替えて使っていくことができる。
【００６６】
このようにして、無限区間のみならず、有限区間の最適レギュレータ理論によっても、フィードバックゲインを得ることができ、有限区間の評価関数Ｊ２を最小化するという意味での最適制御を行うことができる。
【００６７】
さらに、フィードバックゲイン（−ＫＳおよび−ＫＩ）を、最小二乗法によって算出することもできる。
【００６８】
ここでは、評価関数Ｊ２（式（２２）参照）を、ベクトルと行列を用いて、次のように表現する。
Ｊ２＝ＸＴＱｎＸ＋ＵＴＲＵ                                        …（２８）
ここで、
【数５】
2008302318.tif 000007
である。また、式（１２）より、時刻ｔ＋１から時刻ｔ＋Ｎまでの状態変数ｘ'（ｔ）は、次のように表される。
【数６】
2008302318.tif 000008
【００６９】
これを、行列表現すると、次のようになる。
【数７】
2008302318.tif 000009
【００７０】
この式は、次のように書くことができる。
Ｘ＝Ａｎｘ'（ｔ）＋ＡｂＵ＋Ｆｗ                                …（２９）
ここで、Ａｎ、ＡｂおよびＦｗは次の式で定義されるものである。
【数８】
2008302318.tif 000010
【００７１】
式（２９）を式（２８）に代入すると、次のようになる。
Ｊ２＝ＸＴＱｎＸ＋ＵＴＲＵ
＝（Ａｎｘ'（ｔ）＋ＡｂＵ＋Ｆｗ）ＴＱｎ（Ａｎｘ'（ｔ）＋ＡｂＵ＋Ｆｗ）
＋ＵＴＲＵ
＝ＵＴ（ＡｂＴＱｎＡｂ＋Ｒ）Ｕ
＋（ｘ'（ｔ）ＴＡｎＴＱｎＡｂ＋ＦｗＴＱｎＡｂ）Ｕ
＋ＵＴ（ＡｂＴＱｎＦｗ＋ＡｂＴＱｎＡｎｘ'（ｔ））
＋ｘ'（ｔ）ＴＡｎＴＱｎＡｂｘ'（ｔ）
＋ｘ'（ｔ）ＴＡｎＴＱｎＦｗ＋ＦｗＴＱｎＡｎｘ'（ｔ）
＋ＦｗＴＱｎＦｗ
このＪ２を最小化するＵは、ＪをＵで偏微分した値として算出することができる。∂Ｊ２／∂Ｕ＝０を解いて、最適解Ｕ＝［ｕＢ（ｔ），ｕＢ（ｔ＋１），…，ｕＢ（ｔ＋Ｎ−１）］Ｔは、次のように得られる。
Ｕ＝−（ＡｂＴＱｎＡｂ＋Ｒ）−１（ＡｂＱｎＦｗ＋ＡｂＱｎＡｎｘ'（ｔ））
…（３０）
式（３０）で得られるｕＢ（ｔ），ｕＢ（ｔ＋１），…，ｕＢ（ｔ＋Ｎ−１）を用いて、アンモニア注入量ｕ（ｔ），ｕ（ｔ＋１），…，ｕ（ｔ＋Ｎ−１）が得られる。この式は、ｕＢ（ｔ），ｕＢ（ｔ＋１），…，ｕＢ（ｔ＋Ｎ）が、時刻ｔにおける内部状態量ｘ'（ｔ）と時刻ｔにおいて計算できるフィードバックゲインＫ（ｔ），Ｋ（ｔ＋１），…，Ｋ（ｔ＋Ｎ）によって計算できることを示している。つまり、時刻ｔにおいて、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｎまでのフィードバックゲインと制御入力を一度に決めることができる。このため、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｎの間の経過時間を周期として、この周期ごとに、状態フィードバックゲイン−ＫＳおよび積分ゲイン−ＫＩを切り替えて使っていくことができる。
【００７２】
また、上述の通り所定の時間の経過ごとに算出されるフィードバックゲインを、定ゲインとして取り扱うこともできる。
【００７３】
たとえば、フィードバック制御量ｕＢ（ｔ）は、式（２７）または式（３０）を用いて、時刻ｔにおいて、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｎまでの値が一度に求められる。そこで、時刻ｔにおいては、最初のｕＢ（ｔ）１つだけを制御に用い、次の時刻ｔ＋１では、ｔ＋１をｔと置き換えて、再度最初のｕＢ（ｔ）１つだけを制御に用いることとする。これを続けて行うことにより、得られたフィードバックゲインの列のうち、ｕＢ（ｔ）を算出する部分のみを用いることとなる。
【００７４】
具体的には、式（２５）および式（２６）または式（３０）の代わりに、次の式（３１）または式（３２）を用いる。
ｕ（ｔ）＝−Ｋ（ｔ）ｘ（ｔ）                                      …（３１）
Ｕ＝−［１  ０  …  ０］（ＡｂＴＱｎＡｂ＋Ｒ）ＡｂＴＱｎＡｎｘ（ｔ）
…（３２）
【００７５】
このようにして、フィードバックゲインとして、一定値を用いることができる。つまり、最適な制御ゲインを１種類だけ実装すれば良いこととなる。すなわち、所定の時間の経過ごとに算出されるフィードバックゲインを用いる制御アルゴリズムを、定ゲインの制御則にすることができ、取り扱いが容易になる。
【００７６】
［第２の実施の形態］
図４は、本発明に係る排ガス処理器制御装置の第２の実施の形態におけるブロック図である。
【００７７】
本実施の形態の排ガス処理器制御装置２５は、第１の実施の形態と同様に、たとえば複合発電プラントに設けられた、排ガス処理器１５を制御するものである。排ガス処理器制御装置２５は、目標排出汚染物質量受信手段３１、排出汚染物質量受信手段３２、プロセス量受信手段３３を備えている。
【００７８】
本実施の形態の排ガス処理器制御装置２５は、さらに、目標アンモニア排出量受信手段３６および排出アンモニア量受信手段３５を備えている。目標アンモニア排出量受信手段３６は、排ガス処理器１５から排出される排ガスに含有されるアンモニア量を所定の値以下になるように保つために、何らかの方法で与えられる目標アンモニア排出量ｒＡ（ｔ）を受信する。この目標アンモニア排出量ｒＡ（ｔ）は、時間の経過に伴って変化する値であってもよいし、一定値であってもよい。排出アンモニア量受信手段３５は、排ガス処理器１５から排出される排ガスに含有される排出アンモニア量の測定値ｙＡ（ｔ）を受信する。
【００７９】
この排ガス処理器制御装置２５は、目標アンモニア排出量ｒＡ（ｔ）および排出アンモニア量ｙＡ（ｔ）も制御に用いる。このため、排ガス処理器制御装置２５は、目標アンモニア排出量ｒＡ（ｔ）から目標アンモニア排出量ｒ（ｔ）を減じて、偏差ｅＡ（ｔ）を算出する減算器５２を備えている。また、この偏差ｅＡ（ｔ）にアンモニア用積分ゲイン−ＫＩＡを乗じてΔｕＡを算出するアンモニア用積分ゲイン乗算器５３を備えている。
【００８０】
また、積分ゲイン乗算器４７は、目標排出汚染物質量ｒ（ｔ）から排出汚染物質量ｙ（ｔ）を減じて得られる偏差ｅ（ｔ）が積分される前に、積分ゲイン−ＫＩを乗じてΔｕｃ（ｔ）を算出する。ΔｕＡとΔｕｃは、加算器５４によって足しあわされてΔｕＩとなり、積分器４４によって積分されてｕＩ（ｔ）となる。
【００８１】
内部状態推定手段４１は、排出アンモニア量ｙＡ（ｔ）も用いて、内部状態ｘ（ｔ）の推定値である内部状態量推定値ｘｐ（ｔ）を逐次算出する。
【００８２】
本実施の形態では、排ガス処理プロセスは、次に示す離散時間ｔの状態方程式で表される線形時不変の動特性を有するとする。
ｘ（ｔ＋１）＝Ａｘ（ｔ）＋Ｂｕｕ（ｔ）＋Ｂｗｗ（ｔ）            …（３３）
［ｙ（ｔ）  ｙＡ（ｔ）］Ｔ＝Ｃｘ（ｔ）                          …（３４）
ここで、ｙＡ（ｔ）は、時刻ｔにおける排出アンモニア量、である。なお、式（３３）および式（３４）に用いている記号は、第１の実施の形態と同様に、ベクトル量、スカラー量あるいは行列を表すものであるが、第１の実施の形態とそれぞれの次数は異なっている場合がある。
【００８３】
式（３３）および式（３４）で表される排ガス処理器１５の動特性モデルに、排ガス処理器制御装置２５の内部の積分器４４などを取り入れた拡大された系に対して、第１の実施の形態と同様に、式（１４）で表される評価関数Ｊ１を導入する。この評価関数Ｊ１を最小化する最適な制御則は、式（１５）で表される離散時間のリカッチ方程式の解Ｓを用いて次式で与えられるフィードバックゲインＫを用いることにより実現できる。
Ｋ＝［ＫＳ  ＫＩ  ＫＩＡ］＝（Ｂ'ＴＳＢ'＋Ｒ）−１Ｂ'ＴＳＡ'    …（３５）
ここで、得られた状態フィードバックゲイン−ＫＳ、積分ゲイン−ＫＩおよびアンモニア用積分ゲイン−ＫＩＡ、並びに、状態変数ｘ（ｔ）を用いて、状態フィードバック制御量ｕＳ（ｔ）と積分制御量ｕＩ（ｔ）は次のように与えられる。
ｕＳ（ｔ）＝−ＫＳｘ（ｔ）                                        …（３６）
Δｕｃ（ｔ）＝−ＫＩ｛ｒ（ｔ）−ｙ（ｔ）｝                        …（３７）
ΔｕＡ（ｔ）＝−ＫＩＡ｛ｒＡ（ｔ）−ｙＡ（ｔ）｝                  …（３８）
ｕＩ（ｔ＋１）＝ｕＩ（ｔ）＋Δｕｃ（ｔ）＋ΔｕＡ（ｔ）            …（３９）
このようなモデルを用いて、内部状態推定手段４１では内部状態量推定値ｘｐ（ｔ）を推定し、制御に用いる。このような制御は、評価関数Ｊ１を最小化するという意味で、最適制御則であるということができる。
【００８４】
このようにして、排出汚染物質量に加えて排出アンモニア量に関する動特性をも考慮した排ガス処理器制御装置２５のフィードバック制御を行う事ができる。これにより、排出汚染物質量のみならず、排出アンモニア量についても、それぞれの目標値にできるだけ近づくような，安定かつ信頼性の高い脱硝制御を行うことができる。
【００８５】
［第３の実施の形態］
図５は、本発明に係る排ガス処理器制御装置の第３の実施の形態におけるブロック図である。
【００８６】
本実施の形態の排ガス処理器制御装置２５は、第１の実施の形態の排ガス処理器制御装置を速度型構成とし、フィードバック制御の最後に積分器４４を移動させている。これに伴って、内部状態推定手段４１で推定された内部状態量推定値ｘｐ（ｔ）が状態フィードバックゲイン乗算器４２に送られる前に、差分器（１−ｚ−１）５６によって差分をとられてから、状態フィードバックゲイン−ＫＳを乗じてΔｕＳ（ｔ）が算出されるようにしている。
【００８７】
また、第５の実施の形態と同様に、目標排出汚染物質量ｒ（ｔ）から排出汚染物質量ｙ（ｔ）を減じて得られる偏差ｅ（ｔ）が積分される前に、積分ゲイン−ＫＩを乗じてΔｕＩ（ｔ）を算出する。ΔｕＳ（ｔ）とΔｕＩ（ｔ）は、加算器５７で足しあわされて、ΔｕＢ（ｔ）となる。この排ガス処理器制御装置２５は、信号選択器５５がなければ、第１の実施の形態の排ガス処理器制御装置と等価な制御演算を実現するものである。
【００８８】
信号選択器５５は、たとえば信号の切換スイッチであり、このスイッチを切り替えることにより、外部からアンモニア注入量を設定することができる。これにより、運転員がアンモニア注入量を強制的に設定することや、他の制御則によってアンモニア注入量を設定することなどを連続的に切り替えることが可能となる。また、この信号選択器５５として、上下限制限器を用いたり、中間量選択器などを用いることもできる。
【００８９】
また、この際、フィードバックゲインなどを用いて排出汚染物質量ｙ（ｔ）に基づいて決定したフィードバック制御量は、積分されることはない。このため、外部からアンモニア注入量を強制的に設定した後などに、この排ガス処理器制御措置２５による自動制御に切替えた際に、バンプレスに切り替わるようにできる。よって、切換後速やかに、的確な制御動作が実現される。
【００９０】
［第４の実施の形態］
図６は、本発明に係る排ガス処理器制御装置の第４の実施の形態における一部を拡大したブロック図である。
【００９１】
本実施の形態の排ガス処理器制御装置は、複数のフィードバック制御微分計算器６１と、信号選択器６２を有している。
【００９２】
汚染物質を含有する排ガスを発生させるガスタービン１は、その運転状態によって汚染物質の排出量が大きく異なる場合がある。そこで、排ガス処理器も、ガスタービン１の運転状態に合わせて動特性が異なるようにしている場合がある。あるいは、ガスタービン１の運転状態に対応して動特性が異なる場合がある。このような場合に、排ガス処理器１５の動特性を１つのモデルでモデル化することが困難な場合がある。
【００９３】
本実施の形態において、複数のフィードバック制御微分計算器６１は、たとえば、第３の実施の形態における内部状態推定手段４１、差分器５６、状態フィードバックゲイン乗算器４２、減算器４３、積分ゲイン乗算器４７、加算器５７をそれぞれ備えている。フィードバック制御微分計算器６１は、それぞれガスタービン１の異なる運転状態に対して適切な制御則が得られるようになっている。この適切な制御則は、ガスタービン１の運転状態に合わせてモデル化した排ガス処理器１５の動特性モデルと、適当な評価関数を用いたものである。状態フィードバックゲイン−ＫＳ、積分ゲイン−ＫＩは、ガスタービン１の運転状態ごとに、それぞれ動特性モデルおよび評価関数を用いて求めておく。
【００９４】
このフィードバック制御微分計算器６１は、それぞれΔｕＢ（ｔ）を計算する。これらのΔｕＢ（ｔ）のうち、信号選択器６２によってガスタービン１の運転状態に対して適切なΔｕＢ（ｔ）が選択され、そのΔｕＢ（ｔ）はシフトレジスタ４５を用いて積分されて、フィードバック制御量ｕＢ（ｔ）が算出される。
【００９５】
このように、本実施の形態の排ガス処理器制御装置は、ボイラやガスタービンなど、汚染物質を発生させる機器の運転状態によって一番適した制御則を随時選択できるように、切替えながら制御を行うものである。したがって、運転状態に対応したずれの少ない的確な脱硝制御などの排ガス処理制御を行うことができる。これにより、運転状態が大きく変化するプラントなどであっても、応答特性の良い排ガス処理器の制御を実現することができる。
【００９６】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明に係る排ガス処理器制御装置の第１の実施の形態におけるブロック図である。
【図２】本発明に係る排ガス処理器制御装置の第１の実施の形態における制御対象の脱硝器を備えたプラントの例としての複合発電プラントのブロック図である。
【図３】本発明に係る排ガス処理器制御装置の第１の実施の形態における制御の流れを示すフローチャートである。
【図４】本発明に係る排ガス処理器制御装置の第２の実施の形態におけるブロック図である。
【図５】本発明に係る排ガス処理器制御装置の第３の実施の形態におけるブロック図である。
【図６】本発明に係る排ガス処理器制御装置の第４の実施の形態におけるブロック図である。
【符号の説明】
【００９８】
１…ガスタービン、２…排ガス、３…排熱回収ボイラ、４…蒸気タービン、５…煙突、６…導入空気、７…空気圧縮機、８…燃料系統、９…燃焼器、１０…タービン、１１…発電機、１２…排ガスダクト、１３…過熱器、１４…蒸発器、１５…排ガス処理器、１６…節炭器、１７…蒸気配管、１８…タービン、１９…発電機、２０…復水器、２２…触媒部、２３…アンモニア注入器、２４…アンモニア吹きつけ部、２５…排ガス処理器制御装置、３１…目標排出汚染物質量受信手段、３２…排出汚染物質量受信手段、３３…プロセス量受信手段、３４…アンモニア注入量送信手段、３５…排出アンモニア量受信手段、３６…目標排出アンモニア量受信手段、４１…内部状態推定手段、４２…状態フィードバックゲイン乗算器、４３…減算器、４４…積分器、４５…シフトレジスタ、４６…加算器、４７…積分ゲイン乗算器、４８…フィードバック制御量加算器、４９…フィードフォーワードゲイン乗算器、５０…フィードフォーワード制御量加算器、５２…減算器、５３…アンモニア用積分ゲイン乗算器、５４…加算器、５５…信号選択器、５６…差分器、５７…加算器、６１…フィードバック制御微分計算器、６２…信号選択器
【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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【図６】
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