(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラタービン発電機付きのストーカ式ごみ焼却プラントにおける燃焼制御方法において、
（ａ）記憶手段に時間に対応させて予め記憶されたボイラ出口の蒸気量設定値の中から、次の設定時点（次設定時点）の設定値を読み出すステップと、
（ｂ）読み出された次設定時点の蒸気量設定値が現在の設定時点（現設定時点）の蒸気量設定値と相違している場合、該次設定時点の蒸気量設定値を達成可能であるか否かを、現設定時点のごみ質及び焼却プラントの特性に基づいて判定するステップと、
（ｃ）読み出された次設定時点の蒸気量設定値を達成可能でない場合、予め定めた達成可能な臨界設定値を次設定時点の蒸気量設定値とするステップと、
（ｄ）次設定時点の蒸気量設定値を達成可能である場合、
焼却炉内の燃焼状況を検出するステップと、
次設定時点の蒸気量設定値及び現設定時点の蒸気量設定値、並びに、検出された焼却炉内の燃焼状況に応じて、ストーカの駆動速度を増大又は減少制御するストーカ駆動速度調整ステップと、
次設定時点の蒸気量設定値の現設定時点の蒸気量設定値からの偏差に基づいて、焼却炉への燃焼空気量をＰＩＤ制御する空気量調整ステップと
からなることを特徴とする燃焼制御方法。
【請求項２】
ボイラタービン発電機付きのストーカ式ごみ焼却プラントにおける燃焼制御方法において、
（ａ）記憶手段に時間に対応させて予め記憶されたボイラ出口の蒸気量設定値の中から、次設定時点の設定値を読み出すステップと、
（ｂ）読み出された次設定時点の蒸気量設定値が現設定時点の蒸気量設定値と相違している場合、該次設定時点の蒸気量設定値を達成可能であるか否かを、現設定時点のごみ質及び焼却プラントの特性に基づいて判定するステップと、
（ｃ）次設定時点の蒸気量設定値を達成可能でない場合、該設定値を変更し、かつ再度ステップ（ｂ）を実行するステップと、
（ｄ）次設定時点の蒸気量設定値を達成可能である場合、
焼却炉内の燃焼状況を検出するステップと、
次設定時点の蒸気量設定値及び現設定時点の蒸気量設定値、並びに、検出された焼却炉内の燃焼状況に応じて、ストーカの駆動速度を増大又は減少制御するストーカ駆動速度調整ステップと、
次設定時点の蒸気量設定値の現設定時点の蒸気量設定値からの偏差に基づいて、焼却炉への燃焼空気量をＰＩＤ制御する空気量調整ステップと
からなることを特徴とする燃焼制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃焼制御方法において、ステップ（ｂ）は、
次設定時点の蒸気量設定値の達成に必要なボイラへの必要供給熱量を算出するステップと、
算出された必要供給熱量と現在のごみ質のごみ発熱量とに基づいて、次設定時点の蒸気量設定値の達成に必要なごみの必要焼却量を算出するステップと、
算出されたごみの必要焼却量が供給可能であるか否かを判定するステップと
からなり、ごみの必要焼却量が発熱量に基づいた焼却炉の性能範囲に照合して供給可能である場合に、次設定時点の蒸気量設定値を達成可能であると判定することを特徴とする燃焼制御方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれかに記載の燃焼制御方法において、焼却炉内の燃焼状況を検出するステップは、焼却炉出口のＯ2濃度及び温度、燃焼完結点、ごみ層厚、及び燃焼空気量制御範囲を検出することを含んでいることを特徴とする燃焼制御方法。
【請求項５】
請求項１〜４いずれかに記載の燃焼制御方法において、ストーカの駆動速度調整ステップは、現設定時点と次設定時点との間のそれぞれの制御時点における蒸気量設定値を算出し、算出された次制御時点の蒸気量設定値と現制御時点の蒸気量設定値との比、現制御時点での焼却炉内の燃焼状況に応じて定まる係数、及び前制御時点で得られたストーカの駆動周期を乗算して得られた値となるように、現制御時点のストーカの駆動周期を変更することを特徴とする燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、ボイラタービン発電機（ＢＴＧ）付きのストーカ式ごみ焼却プラントに関し、特に、該焼却プラントにおいて、ボイラタービン発電機による発電量を需要等に応じて適切に可変制御することにより、エネルギの有効利用を図ることができるようにした燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ごみの燃焼によって生じる熱を利用して発電を行うＢＴＧ付きのごみ焼却プラントが開発され既に稼働しており、このようなごみ発電（サーマルリサイクル）は、循環型社会の構築を目指す上で極めて有効であることから、注目を集めているものである。該プラントにおいては、ＢＴＧからの発電量を安定化させるために、自動燃焼制御（ＡＣＣ）を行って、ボイラ出口での発生蒸気量（蒸気流量）を安定させている。なお、自動燃焼制御では、安定した発電を行うエネルギの有効利用とともに、ダイオキシン類等の有害ガスの抑制、及びプラントの長期安定運転をはかるため、多入力多出力の燃焼プロセスを実行してプラント系内の運転管理及び制御を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＢＴＧ付きのごみ焼却プラントにおいては、上記したように、ボイラ出口での発生蒸気量を安定化して発電機からの発電量の安定化をはかっているが、通常は、発電量及び発生蒸気量をほぼ一定に保つように自動燃焼制御している。しかしながら、今日の社会生活では、１日の中で昼間に電力消費が大きく夜間に小さくなっており、従来のように発電量を一定に保持するよう制御するだけでは、電力需要に見合ったものではなかった。したがって、廃熱のエネルギ効率をより向上させるために、１日の電力需要に合わせて発電量を変更することが必要となっている。
【０００４】
ごみ焼却プラントは比較的長い応答特性を有しており、投入されたごみが燃焼されるまでに約１時間を要する。また、ごみはピット内にて混合撹拌されてはいるものの、そのエネルギ成分は不均一なものであるため、系の安定化を図ることが制御目的であった。従って長期サイクルで発電量を変更させるために発生蒸気量の目標設定値を穏やかに変化させた場合には、発生蒸気量のプロセス値を目標設定値に十分に追従させることができるが、発生蒸気量の設定値を短期間に急激に変化させた場合には、従来例の制御方法によっては、ごみ焼却プラントの応答がそれに追従することが不可能であり、結局、急激な発電量設定値の変更には追従することができなかった。
本発明は、このような従来例の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＢＴＧ付きのストーカ式ごみ焼却プラントにおいて、安定かつ急激に発生蒸気量を変化させることを可能にし、もって電力需要に合致した発電量を得ることができるようにしてエネルギ効率を向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＢＴＧ付きのストーカ式ごみ焼却プラントにおいて、ボイラで発生される蒸気量の制御に供給熱量制御と実燃焼量制御という時定数の大きく異なる２つの制御系が混在しており、また、制御因子として、ストーカ７ａ〜７ｄによる焼却炉１内のごみの移送速度と焼却炉１内への空気供給量とを上げることができる点に着目し、発生蒸気量を短時間で大幅に変化させることができる燃焼制御方法を提供するものである。
【０００６】
そして、本発明のＢＴＧ付きのストーカ式ごみ焼却プラントの燃焼制御方法においては、
（ａ）記憶手段に時間に対応させて予め記憶されたボイラ出口の蒸気量設定値の中から、次設定時点の設定値を読み出すステップと、
（ｂ）読み出された次設定時点の蒸気量設定値が現設定時点の蒸気量設定値と相違している場合、該次設定時点の蒸気量設定値を達成可能であるか否かを、現設定時点のごみ質及び焼却プラントの特性に基づいて判定するステップと、
（ｃ）読み出された次設定時点の蒸気量設定値を達成可能でない場合、予め定めた達成可能な臨界設定値を次時点の蒸気量設定値とするステップと、
（ｄ）次設定時点の蒸気量設定値を達成可能である場合、
焼却炉内の燃焼状況を検出するステップと、
次設定時点の蒸気量設定値及び現設定時点の蒸気量設定値、並びに、検出された焼却炉内の燃焼状況に応じて、ストーカの駆動周期の増大又は減少を制御するストーカ駆動速度調整ステップと、
次設定時点の蒸気量設定値の現設定時点の蒸気量設定値からの偏差に基づいて、焼却炉への燃焼空気量をＰＩＤ制御する空気量調整ステップと
からなることを特徴としている。
【０００７】
本発明は、上記のステップ（ｃ）を、次設定時点の蒸気量設定値を達成可能でない場合、該設定値を変更し、かつ再度ステップ（ｂ）を実行するように、変更してもよい。
また、本発明の好適な実施例においては、ステップ（ｂ）は、次設定時点の蒸気量設定値の達成に必要なボイラへの必要供給熱量を算出するステップと、算出された必要供給熱量と現在のごみ質のごみ発熱量とに基づいて、次設定時点の蒸気量設定値の達成に必要なごみの必要焼却量を算出するステップと、算出されたごみの必要焼却量が供給可能であるか否かを判定するステップとからなり、ごみの必要焼却量が供給可能である場合に、次設定時点の蒸気量設定値を達成可能であると判定する。さらに、焼却炉内の燃焼状況を検出するステップは、好適には、焼却炉出口のＯ2濃度及び温度、燃焼完結点、及び燃焼空気量制御範囲を検出する。さらにまた、ストーカの駆動速度調整ステップは、現設定時点と次設定時点との間のそれぞれの制御時点における蒸気量設定値を演算し、得られた次制御時点の蒸気量値と現制御時点の蒸気量設定値との比、現制御時点での焼却炉内の燃焼状況に応じて定まる係数、及び前制御時点でのストーカの駆動周期を乗算して得られた値となるよう、現制御時点のストーカの駆動周期を変更する。
【０００８】
【発明の実施の態様】
本発明の燃焼制御方法を実施例を説明する前に、ＢＴＧ付きのストーカ式ごみ焼却プラントについて簡単に説明する。
図１は、汎用されているストーカ式ごみ焼却プラントの概略図を示しており、図１において、１は焼却炉、２は廃熱ボイラ、３はごみを収納しておくピット、４はホッパ、５はごみをピット３からホッパ４に移すためのクレーン、６はホッパ４の下部からごみを焼却炉１に押し出すための給じん装置である。焼却炉１は、図１の左側から、乾燥帯、燃焼１帯、燃焼２帯、後燃焼帯を含み、それぞれに設けられたストーカ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄによって焼却炉１内でごみを移送させるとともに、それぞれの下部に設けられた空気量調整バルブＢａ、Ｂｂ、Ｂｃ、Ｂｄを介して下部から空気が吹き上げ供給される。また、焼却炉１の出口からも空気が供給される。ごみ焼却後に残る灰は、灰排出路８から排出される。図示していないが、焼却プラントはまた、焼却によって生じる排ガス中のばいじん及びダイオキシン等の有害ガスを取り除く手段等も備えている。また、発電機も図示を省略している。
【０００９】
図１の焼却プラントはさらに、燃焼炉１の出口のガス温度（炉出口ガス温度）を測定する温度センサＳＴ、ボイラ出口の蒸気量を測定する蒸気量センサＳＱ、炉出口Ｏ2濃度センサＳＯ2及び、焼却炉内のごみの状態を監視するカメラからなり、燃焼完結点を検知する燃焼完結点画像処理装置ＳＤを備えている。また、図示していないが、さらに適宜の必要な位置に、温度センサ、Ｏ2濃度センサ、炉下圧力センサ等が設けられている。そして、これらセンサからの信号に基づいて、給じん装置６から焼却炉１へのごみ供給量、焼却炉１における乾燥帯及び各燃焼帯への空気供給量（下方からの空気供給量）及び焼却炉１の上方からの空気供給量、ストーカ７ａ〜７ｄによるごみの移送速度、炉温制御水（水噴霧量）、等が制御される。
更にまた、クレーン５には、１塊のごみの重量を測定するための重量センサＳＷが設けられており、測定されたごみの重量及びホッパ増加体積に基づいてごみの密度が演算され、そして、当該ごみが給じん装置６から供給されるときに、得られたごみ密度に応じて給じん量即ちごみ供給量がフィードフォワード制御される。
【００１０】
図１に示したストーカ式のごみ焼却プラントにおいて、蒸気量と線形関係にある発電電力を変更するための、本発明の燃焼制御方法について、図２のフローチャートを参照して説明する。なお、蒸気量の設定値Ｑsv（ｔ）は、図３（Ａ）に示すように、時点Ｔ1から△Ｔ（例えば、１時間）の間に所定値△Ｑだけ上昇し、その後、時点Ｔ2までその値Ｑsv（ｔ）＋△Ｑを保持し、そして、時点Ｔ2から△Ｔの間に所定値△Ｑだけ低下して元の蒸気量設定値Ｑsv（ｔ）に復帰するよう、設定されているものとする。
したがって、蒸気量設定値Ｑsv（ｔ）とほぼ線形関係にある発電量の設定値Ｗsv（ｔ）も、図３（Ｂ）に示すように、時点Ｔ1から△Ｔの間にＷsvから△Ｗだけ上昇し、時点Ｔ2までその値Ｗsv＋△Ｗを保持し、そして、時点Ｔ2から△Ｔの間に△Ｗだけ低下して元の発電量設定値Ｗsvに復帰するよう、制御されるものとする。
【００１１】
これらの蒸気量設定値Ｑsv（ｔ）は、時間の関数（例えば△Ｔ時間毎）として、予め記憶装置（不図示）に記憶されているものとする。また、蒸気量Ｑとその発生に必要な供給熱量Ｈｕとは、図４に示すような線形関係にあり、この関係を表す関数テーブル１は、予め記憶装置に記憶されているものとする。
【００１２】
図２の蒸気量変更処理フローは、時点Ｔ1にて、今回の蒸気量設定値と次回（△Ｔ時間後）の蒸気量設定値とが相違しているか否かを判定し、相違している場合に開始する。
処理フローが開始されると、ステップＳ１において、新しく更新されるべき蒸気量設定値、すなわち時点Ｔ1＋△Ｔにおける蒸気量設定値Ｑsv（ｔ）＝Ｑsv＋△Ｑが読み込まれ、ステップＳ２において、関数テーブル１を参照して該設定された蒸気量の発生に必要な供給熱量Ｈｕが算出される。そして、ステップＳ３において、関数テーブル２を参照して、ステップＳ２で算出された供給熱量Ｈｕを得るために現状で供給されているごみ質では、焼却ごみ量がどの程度必要であるかを表すごみの必要焼却量Ｖを演算する。
【００１３】
次に、ステップＳ４において、設定通りに蒸気量変更が可能であるか否かを判定する。この判定は、時点Ｔ1＋△Ｔにおいて必要なごみ必要焼却量Ｖがごみ発熱量Ｈｕからみて供給可能であるか否かだけではなく、単位時間当たりの蒸気量最大可能変化量△Ｑ／△Ｔを得ることが可能であるか否かを判定する。
設定通りの蒸気量変更が不可能である場合には、ステップＳ５において、オペレータに対して警報を発生し、かつステップＳ６において蒸気量設定値Ｑsv（ｔ）を所定量△ｑ（≪△Ｑ）だけ低下させ、そしてステップＳ２に戻り、そして、ステップＳ３、Ｓ４を繰り返す。なお、ステップＳ５における最初の判定において、ごみ必要焼却量の供給が不可能であると判定した場合、現在のごみ質及び焼却炉１の状況から発生可能な蒸気量の上限値（臨界値）を演算し、蒸気量設定値Ｑsv（ｔ）をその上限値に強制的に設定し、そして、ステップＳ７に進んでも良い。
【００１４】
設定通りの蒸気量変更が可能である場合には、ステップＳ５からステップＳ７に進み、焼却炉１内の燃焼状況を把握する。燃焼状況は、期間［Ｔ1，Ｔ1＋△Ｔ］におけるそれぞれの制御時点ｔi（ただし、ｉ＝０，１，２，……，ｎ、ｔ0＝Ｔ1、ｔn＝Ｔ1＋△Ｔ）おいて、炉出口温度センサＳＴ、炉出口Ｏ2濃度センサＳＯ2、燃焼完結点画像処理装置ＳＤや、乾燥帯、燃焼１帯、燃焼２帯、後燃焼帯への供給空気量、及びごみ層厚の演算データの制御可能な範囲に基づいて把握する。次にステップＳ８において、各センサからのデータをマトリックス及びファジールールに組み込み、現在の炉内熱量を、例えば、「多い−やや多い−適正−やや少ない−少ない」の５段階に判断し、制御時点ｔiにおける燃焼状況を表す補正係数ｋ（ｔi）を決定する。そして、得られた補正係数ｋ（ｔi）に基づいて、期間［Ｔ1，Ｔ1＋△Ｔ］における制御時点ｔiにおけるストーカ７ａ〜７ｄ毎の適切なストーカサイクルタイムＲ（ｔi）が演算され、それに基づいてストーカの駆動速度が変更される。なお、ストーカの駆動速度が、従来の自動燃焼制御によってもさらに制御されることは、勿論である。
【００１５】
ストーカサイクルタイムＲ（ｔi）の算出について、以下に説明する。
なお、制御時点ｔiは、例えば、１０分、１５分、２０分、３０分等の所定の時間間隔の一定周期に設定するか、または、時間が経過するに連れて時間間隔が大きくなるように設定しても良い。
また、制御時点ｔiにおける蒸気量設定値Ｑsv（ｔi）が、期間［Ｔ1，Ｔ1＋△Ｔ］において上昇すべき蒸気量設定値Ｑsv（ｔ）の傾き△Ｑ／△Ｔに（ｔi+1−ｔi）を乗算し、得られた値をＱsv（ｔi-1）に加算することにより、予め算出されているものとする。すなわち、
【数１】
Ｑsv（ｔi）
＝Ｑsv（ｔi-1）＋△Ｑ／△Ｔ・（ｔi+1−ｔi）                （１）
ただし、Ｑsv（ｔ0）＝Ｑsv（Ｔ1）
Ｑsv（ｔn）＝Ｑsv（Ｔ1＋△Ｔ）
【００１６】
制御時点ｔiにおけるストーカサイクルタイムＲ（ｔi）は、蒸気量設定値Ｑsv（ｔi）、Ｑsv（ｔi+1）、補正係数ｋ（ｔi）を用いて、以下の式により演算される。
【数２】
Ｒ（ｔi）
＝Ｒ（ｔi-1）・Ｑsv（ｔi+1）／Ｑsv（ｔi）・ｋ（ｔi）・α1    （２）
ただし、α1は、予め設定される係数であり、例えば、１．０±０．１の範囲の値に設定される。また、Ｒ（ｔ-1）＝Ｒ（Ｔ1）、Ｒ（ｔn）＝Ｒ（Ｔ1＋△Ｔ）＝Ｒ（ｔn-1）とする。
このようなして得られたストーカサイクルタイムＲ（ｔi）は、図３（Ｄ）に模式的に表されるように、段階的に増大されることになる。
【００１６】
また、ステップＳ８と同時にステップＳ９において、焼却炉へ供給すべき空気量設定値ＡＱsv（ｔ）が、蒸気量設定値Ｑsv（ｔ）に基づいてＰＩＤ制御により変更される。該空気量設定値は、例えば、図３（Ｃ）に示されるように変化する。ただし、蒸気量設定値についても従来の自動燃焼制御を行うが、その影響を無視して模式的に図示している。
【００１７】
発電量を低下させる期間［Ｔ2，Ｔ2＋△Ｔ］（図３）においても、図２の処理フローに従って実行されるが、ステップＳ６において、蒸気量設定値Ｑsv（ｔ）は所定量△ｑだけ増分される。また、期間［Ｔ2，Ｔ2＋△Ｔ］における制御時点ｔiのストーカサイクルタイムＲ（ｔi）は、以下の式に基づいて演算される。
【数３】
Ｒ（ｔi）
＝Ｒ（ｔi-1）・Ｑsv（ｔi+1）／Ｑsv（ｔi）・ｋ（ｔi）・α2    （３）
ただし、α2は、予め設定される係数であり、例えば、１．０±０．１の範囲の値に設定される。また、この期間［Ｔ2，Ｔ2＋△Ｔ］においては、
ｔ0＝Ｔ2
ｔn＝Ｔ2＋△Ｔ
Ｑsv（ｔ0）＝Ｑsv（Ｔ2）
Ｑsv（ｔn）＝Ｑsv（Ｔ2＋△Ｔ）
Ｒ（ｔ-1）＝Ｒ（Ｔ2）
Ｒ（ｔn）＝Ｒ（Ｔ2＋△Ｔ）＝Ｒ（ｔn-1）
である。
期間［Ｔ2，Ｔ2＋△Ｔ］における空気量設定値ＡＱsv（ｔ）は、例えば図３（Ｃ）に示されるように変化する。
【００１８】
図５は、本発明の燃焼制御方法を実際のごみ焼却プラントにおいて実行して得られたテスト結果のグラフ及び表を示している。この実機テストにおいては、図５（Ａ）のグラフにおいて細線で示すように、蒸気量設定値Ｑsv（ｔ）を、０時から７時までは１３．０ｔ／ｈで一定とし、７時から８時までの間に１３．０ｔ／ｈから１６．０ｔ／ｈに上昇させ、その後２２までは１６．０ｔ／ｈで一定とし、２２時から２３時の間に１６．０ｔ／ｈから１３．０ｔ／ｈに低下させ、２３時から２４時まで１３．０ｔ／ｈで一定となるように設定した。これに追従して、発電量設定値Ｗsv（ｔ）を、５（Ｂ）のグラフにおいて細線で示すように、４．１９ＭＷから４．８７ＭＷに上昇させ、その後２２時まで４．８７ＭＷで一定とし、２２時から２３時の間に４．８７ＭＷから４．１９ＭＷに低下させ、そして、２３時から２４時まで４．１９ＭＷで一定とした。
【００１９】
そして、実機テストの結果、得られた蒸気量プロセス値Ｑpv（ｔ）及び発電量プロセス値Ｗpv（ｔ）は、図５（Ａ）及び（Ｂ）のグラフに示すようになり、発電量プロセス値Ｗpv（ｔ）の平均が、ほぼ発電量設定値Ｗsv（ｔ）に合致している結果が得られた。さらに、この実機テストにおいては、図２のステップＳ３で演算された必要ごみ焼却量は、図５（Ｃ）の表に示すようになり、必要ごみ焼却量が変動しているにも拘わらず、所望の蒸気量プロセス値及び発電量プロセス値が得られた。
【００２０】
本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は該実施例に限定されるものではない。例えば、ストーカサイクルタイムＲ（ｔi）は、式（２）及び（３）以外の式によっても算出可能であり、例えば、Ｑ（ｔi）及びＱ（ｔi+1）等に基づいてＲ（ｔi）を段階的に増大又は減少させることができる関係を表す式であれば、採用することができる。
以上説明したように、本発明の燃焼制御方法によれば、１日等の短期サイクルで発生蒸気量の設定値を比較的大幅に変更しても、それに追随するプロセス値を得ることが可能となり、これにより、ボイラタービン発電機（ＢＴＧ）からの発電量を短期サイクルで変更することができる。したがって、昼夜の電力需要等に応じて、ＢＴＧ付きのごみ焼却プラントからの発電量を調節できるので、極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】汎用のボイラ付きのストーカ式焼却システムの概略図である。
【図２】本発明の燃焼制御方法を実行するためのフローチャートである。
【図３】本発明の燃焼制御方法を説明するための、蒸気量及び発電量の設定値、並びにストーカサイクルタイムの設定値の時間的変化を表したグラフである。
【図４】本発明の燃焼制御方法において用いられる、蒸気量と供給熱量との関係、及びごみ質と給熱量との関係を表すグラフである。
【図５】本発明の燃焼制御方法を実際にテストした結果を表すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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