(57)【要約】  燃焼システムは、燃焼室と、燃料および空気が燃焼室に提供されて燃焼する燃焼室の複数の燃料導入位置と、各燃料導入位置に関連する流体流制御装置であって、各流体流制御装置は、各燃料導入位置に供給される空気の量を変えるように制御可能である流体流制御装置と、燃焼システムの複数の運転パラメータを監視するように構成された複数の検知装置と、各流体流制御装置を制御して各燃料導入位置に供給される空気の量を他の燃料導入位置に供給される空気の量とは無関係に制御し、燃焼室に提供される過剰空気を最小限に抑えるために複数の運転パラメータの少なくとも１つに応じて、すべての他の空気導入位置に提供される空気の量を制御するように構成された制御ユニットとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼システム（１０）であって、
燃焼室と、
燃料および空気が前記燃焼室に提供されて燃焼する前記燃焼室の複数の燃料導入位置と、
各燃料導入位置に関連する流体流制御装置（３０）であって、各流体流制御装置（３０）は、各燃料導入位置に供給される空気の量を変えるように制御可能である流体流制御装置（３０）と、
前記燃焼システム（１０）の複数の運転パラメータを監視するように構成された複数の検知装置と、
各流体流制御装置（３０）を制御して各燃料導入位置に供給される前記空気の量を他の燃料導入位置に供給される空気の量とは無関係に制御し、前記燃焼室に提供される過剰空気を最小限に抑えるために前記複数の運転パラメータの少なくとも１つに応じて、すべての他の空気導入位置に提供される前記空気の量を制御するように構成された制御ユニット（１００）と
を含む、燃焼システム（１０）。
【請求項２】
前記複数の検知装置が、前記制御ユニット（１００）と通信する少なくとも１つの火炎走査装置（３２）を含み、前記少なくとも１つの火炎走査装置（３２）が、各燃料導入位置における前記燃料と前記空気の化学量論比を決定するように構成され、
前記少なくとも１つの運転パラメータが、各燃料導入位置における前記化学量論比である、
請求項１に記載の燃焼システム（１０）。
【請求項３】
前記複数の運転パラメータが、各燃料導入位置における空気と燃料の比、火炎温度、火球安定性、煙道ガス温度、煙道ガス種、フライアッシュ中の未燃炭素の量、煙道ガス中の酸素濃度、フライアッシュ中の炭素、圧力降下、不透明度、および燃焼室壁状態の少なくとも１つを含む、
請求項１に記載の燃焼システム（１０）。
【請求項４】
前記少なくとも１つの運転パラメータが、各燃料導入位置に関連する空気と燃料の比である、
請求項３に記載の燃焼システム（１０）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの運転パラメータが、前記フライアッシュ中の前記未燃炭素の量を含む、
請求項３に記載の燃焼システム（１０）。
【請求項６】
前記制御ユニット（１００）が、
前記フライアッシュ中の前記未燃炭素の量が閾値レベルを超える場合、
煙道ガス中の二酸化炭素の量が閾値レベルを超える場合、または
前記火球安定性が閾値の範囲外である場合、
前記燃料導入位置の少なくとも１つに提供される前記空気の前記量を増加させるように前記流体流制御装置（３０）の少なくとも１つを制御するように構成される、
請求項５に記載の燃焼システム（１０）。
【請求項７】
前記複数の検知装置が、少なくとも、
各燃料導入位置における空気と燃料の比を決定するように構成された火炎走査装置（３２）と、
火球安定性を評価するための火炎安定性モニタ（３４）と、
前記燃焼システム（１０）の煙道ガス通路の断面における煙道ガス温度をマッピングするための温度マッピング装置（３６）と、
前記煙道ガス中の複数のガス種を測定および評価するための光学監視装置（４０）と、
前記フライアッシュ中の未燃炭素の量を測定するための検知装置と、
前記燃焼システム（１０）のスタックを出る前記煙道ガス中の微粒子の量を測定する不透明度監視装置と、
前記煙道ガス中の酸素の量を監視するための常磁性センサ（４４）と、
石炭分析計と
を含む、請求項３乃至６のいずれか１項に記載の燃焼システム（１０）。
【請求項８】
前記複数の燃料導入位置の各燃料導入位置が、バーナアセンブリ（１４）を含む、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃焼システム（１０）。
【請求項９】
微粉炭を前記燃料導入位置の各々に供給するための、前記燃料導入位置の各々と流体連通する粉砕機（１６）
をさらに含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃焼システム（１０）。
【請求項１０】
前記燃焼室が、Ｔ燃焼ボイラ、壁燃焼ボイラ、循環流動床（ＣＦＢ）ボイラ、バブリング流動床（ＢＦＢ）ボイラ、ストーカボイラ、バイオマスボイラ用のサスペンションバーナ、ダッチオーブン、ハイブリッドサスペンション火格子ボイラ、火管ボイラ、キルン、焼却炉、燃焼ヒータおよびガラス炉のいずれかの一部である、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃焼システム（１０）。
【請求項１１】
燃焼システム（１０）を制御する方法であって、
複数の燃料導入位置で燃料および空気を燃焼室に導入するステップと、
前記燃焼システム（１０）の複数の運転パラメータを監視するステップと、
前記複数の運転パラメータの少なくとも１つに応じて、前記燃料導入位置の各々で前記燃焼室に供給される空気の量を個別に制御することによって前記燃焼室に提供される過剰空気の量を最小限に抑えるステップと
を含む、方法。
【請求項１２】
前記複数の運転パラメータを監視するステップが、前記燃料導入位置の各々における空気と燃料の化学量論比を決定することを含み、
前記少なくとも１つの運転パラメータが、前記燃料導入位置の各々における空気と燃料の前記化学量論比である、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の運転パラメータが、少なくとも、各燃料導入位置における空気と燃料の比、ならびに火炎温度、火球安定性、煙道ガス温度、煙道ガス種、フライアッシュ中の未燃炭素の量、煙道ガス中の酸素濃度、圧力降下、不透明度、および燃焼室壁状態の少なくとも１つを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の運転パラメータが、少なくとも前記フライアッシュ中の前記未燃炭素の量を含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記フライアッシュ中の前記未燃炭素の量が閾値レベルを超える場合、前記燃料導入位置の少なくとも１つに提供される空気の量を増加させるステップ
をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記燃焼システム（１０）が、少なくとも、
各燃料導入位置における空気と燃料の比を決定するように構成された火炎走査装置（３２）と、
火球安定性を評価するための火炎安定性モニタ（３４）と、
前記燃焼システム（１０）の煙道ガス通路の断面における煙道ガス温度をマッピングするための温度マッピング装置（３６）と、
前記煙道ガス中の複数のガス種を測定および評価するための光学監視装置（４０）と、
前記フライアッシュ中の未燃炭素の量を測定するための検知装置と、
前記燃焼システム（１０）のスタックを出る前記煙道ガス中の微粒子の量を測定する不透明度監視装置と、
前記煙道ガス中の酸素の量を監視するための常磁性センサ（４４）と、
石炭分析計と
を含む、請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
石炭を粉砕機（１６）で微粉砕するステップと、
前記微粉炭を前記燃料導入位置の各々に供給するステップと
をさらに含む、請求項１１乃至１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
ボイラ（１２）であって、
燃焼室と、
燃料を前記燃焼室に導入して燃焼するための前記燃焼室の複数の燃料導入位置と、
複数の流体流制御装置（３０）であって、各流体流制御装置（３０）は、前記ボイラ（１２）に供給される空気の量を変えるように制御可能である流体流制御装置（３０）と、
燃焼システム（１０）の複数の運転パラメータを監視するように構成された複数の検知装置と、
前記燃焼室に提供される過剰空気の量を連続的に最適化するために前記複数の運転パラメータの少なくとも１つに応じて、前記ボイラ（１２）に供給される前記空気の前記量を制御するように構成された制御ユニット（１００）と
を含む、ボイラ（１２）。
【請求項１９】
前記複数の検知装置が、前記制御ユニット（１００）と通信する少なくとも１つの火炎走査装置（３２）を含み、前記少なくとも１つの火炎走査装置（３２）が、各燃料導入位置における前記燃料と前記空気の化学量論比を決定するように構成され、
前記少なくとも１つの運転パラメータが、各燃料導入位置における前記化学量論比である、
請求項１８に記載のボイラ（１２）。
【請求項２０】
前記複数の運転パラメータが、各燃料導入位置における空気と燃料の比、火炎温度、火球安定性、煙道ガス温度、煙道ガス種、フライアッシュ中の未燃炭素の量、煙道ガス中の酸素濃度、フライアッシュ中の炭素、圧力降下、不透明度、および燃焼室壁状態の少なくとも１つを含む、
請求項１８に記載のボイラ（１２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、燃焼システムに関し、より具体的には、ボイラ、炉および燃焼ヒータ用の燃焼システムの制御および性能を最適化するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラは、典型的には、燃料を燃焼させて熱を生成し、蒸気を発生させる炉を含む。燃料の燃焼は、水などの液体を加熱して気化させるために使用される熱エネルギーまたは熱を生じさせ、それが蒸気を作り出す。生成した蒸気は、タービンを駆動して電気を生成するため、または他の目的のために熱を提供するように使用することができる。微粉炭などの化石燃料は、ボイラ用の多くの燃焼システムで使用される典型的な燃料である。例えば、空気燃焼微粉炭ボイラでは、大気が炉に供給され、微粉炭と混合されて燃焼する。酸素燃焼微粉炭ボイラでは、高濃度の酸素が炉に供給され、微粉炭と混合されて燃焼する。
【０００３】
当技術分野で知られているように、燃焼のためにノズルまたはバーナに導入される際の燃料と空気の適切な混合は、燃焼システムの効率的かつクリーンな運転にとって不可欠である。完全な燃焼条件下および理想的な混合条件下では、理論的には、すべての燃料をゼロパーセントの過剰空気と反応させることが可能である。すべての燃料を過剰空気なしで燃焼させる燃料に対する空気／酸素の理想的な比は、化学量論比と呼ばれる。しかしながら、実際には、完全な混合および温度条件は決して達成されず、燃料の完全燃焼を確実にするために一定量の過剰空気の使用を必要とする。特に、過剰空気が燃焼プロセスに加えられない場合、未燃炭素、煤煙、煙、および一酸化炭素の排出は、さらなる排出量および伝熱面の汚れを生じさせる可能性がある。安全性の観点から、過剰空気を適切に制御することは、火炎の不安定性および他の危険を減少させる。既存の燃焼システムは、広範囲の燃焼燃料を用いてすべての潜在的な負荷および燃焼条件にわたって信頼性のある運転を確実にするために、２０〜３０％の過剰空気を使用することがある。
【０００４】
実用的な観点からは過剰空気が必要であるが、過剰空気が多すぎると、ボイラ効率を低下させる可能性がある。したがって、理想的な燃焼を達成し、少なすぎる過剰空気に関連する燃焼問題を防止するために最適量の過剰空気を提供することと、効率を低下させてＮＯｘ排出量を増加させる多すぎる過剰空気を提供しないこととの間のバランスが見出されなければならない。
【０００５】
上記を考慮して、効率を最大にするために可能な限り低い過剰空気条件を継続的に求める一方、排出量を最小限に抑えるために最適なメインバーナゾーンの化学量論を維持しながら、運転および安全性を保持するために必要な多数のリアルタイム運転プロセスの制約を守るボイラ用の燃焼システムを制御するためのシステムおよび方法が必要である。
【発明の概要】
【０００６】
一実施形態では、燃焼システムが提供される。燃焼システムは、燃焼室と、燃料および空気が燃焼室に提供されて燃焼する燃焼室の複数の燃料導入位置と、各燃料導入位置に関連する流体流制御装置であって、各流体流制御装置は、各燃料導入位置に供給される空気の量を変えるように制御可能である流体流制御装置と、燃焼システムの複数の運転パラメータを監視するように構成された複数の検知装置と、各流体流制御装置を制御して各燃料導入位置に供給される空気の量を他の燃料導入位置に供給される空気の量とは無関係に制御し、燃焼室に提供される過剰空気を最小限に抑えるために複数の運転パラメータの少なくとも１つに応じて、すべての他の空気導入位置に提供される空気の量を制御するように構成された制御ユニットとを含む。
【０００７】
別の実施形態では、燃焼システムを制御する方法が提供される。方法は、複数の燃料導入位置で燃料および空気を燃焼室に導入するステップと、燃焼システムの複数の運転パラメータを監視するステップと、複数の運転パラメータの少なくとも１つに応じて、燃料導入位置の各々で燃焼室に供給される空気の量を個別に制御することによって燃焼室に提供される過剰空気の量を最小限に抑えるステップとを含む。
【０００８】
さらに別の実施形態では、ボイラが提供される。ボイラは、燃焼室と、燃料を燃焼室に導入して燃焼するための燃焼室の複数の燃料導入位置と、複数の流体流制御装置であって、各流体流制御装置は、ボイラに供給される空気の量を変えるように制御可能である流体流制御装置と、燃焼システムの複数の運転パラメータを監視するように構成された複数の検知装置と、燃焼室に提供される過剰空気の量を連続的に最適化するために複数の運転パラメータの少なくとも１つに応じて、ボイラに供給される空気の量を制御するように構成された制御ユニットとを含む。
【０００９】
本発明は、非限定的な実施形態の以下の説明を、添付の図面を参照して読むことにより、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による燃焼システムの簡略概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、図１の燃焼システムの接線方向燃焼ボイラの概略図である。
【図３】図１の燃焼システムのコントローラの制御ルーチンの概略図である。
【図４】本発明の一実施形態による、コントローラによって行われる階層的制御を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下では、本発明の例示的な実施形態を詳細に参照し、それらの例は添付の図面に例示されている。可能な限り、図面全体を通して、同一の符号は同一の部分または類似の部分を指す。本発明の実施形態は燃焼システムでの使用に適しているが、一般に、説明を明確にするために微粉炭発電所での使用などの微粉炭ボイラが選択されている。他の燃焼システムは、限定はしないが、石炭、石油およびガスを含む広範囲の燃料を利用する他の種類のボイラ、炉および燃焼ヒータを含んでもよい。例えば、企図されるボイラは、限定はしないが、Ｔ燃焼および壁燃焼微粉炭ボイラの両方、循環流動床（ＣＦＢ）およびバブリング流動床（ＢＦＢ）ボイラ、ストーカボイラ、バイオマスボイラ用のサスペンションバーナ、ダッチオーブンボイラ、ハイブリッドサスペンション火格子ボイラ、ならびに火管ボイラを含んでもよい。加えて、他の燃焼システムは、限定はしないが、キルン、焼却炉、燃焼ヒータおよびガラス炉燃焼システムを含んでもよい。
【００１２】
本明細書で使用する場合、「電気通信」または「電気的に結合された」は、特定の構成要素が直接的または間接的な電気接続による直接的または間接的なシグナリングを通して互いに通信するように構成されるということを意味する。本明細書で使用する場合、「機械的に結合された」は、構成要素間でトルクを伝達するために必要な力を支えることが可能な任意の結合方法を指す。本明細書で使用する場合、「運転可能に結合された」は、直接的または間接的であり得る接続を指す。この接続は、必ずしも機械的な取り付けである必要はない。
【００１３】
本発明の実施形態は、システム効率を最大にするために可能な限り低い過剰空気条件を継続的に求める一方、同時に排出量を最小限に抑えるために最適なメインバーナゾーンの化学量論を維持しながら、運転および安全性を保持するために必要な多数のリアルタイム運転プロセスの制約を守る燃焼システムならびにその方法および制御方式に関する。燃焼システムは、燃焼室と、燃料および空気が燃焼室に提供されて燃焼する燃焼室の複数の燃料導入位置と、各燃料導入位置に関連する流体流制御装置であって、各流体流制御装置は、各燃料導入位置に供給される空気の量を変えるように制御可能である流体流制御装置と、燃焼システムの複数の運転パラメータを監視するように構成された複数の検知装置と、燃焼室に提供される過剰空気を最小限に抑えるために複数の運転パラメータの少なくとも１つに応じて、燃料導入位置の各々に供給される空気の量を個別に制御するように構成された制御ユニットとを含む。特に、制御ユニットは、各空気導入位置に提供される空気の量を個別に制御し、燃焼プロセスの過剰レベルの空気を連続的な運転ベースでリアルタイムで連続的に最適化するように構成される。
【００１４】
図１は、ボイラ１２を有する燃焼システム１０を示す。ボイラ１２は、接線方向燃焼ボイラ（Ｔ燃焼ボイラとしても知られる）または壁燃焼ボイラであり得る。Ｔ燃焼は、ボイラ炉の隅に位置した燃料流入区画を有するバーナアセンブリを利用するという点で壁燃焼とは異なり、炉の横断面の大部分を占める回転火球を生成する。他方、壁燃焼は、ボイラの側面に垂直なバーナアセンブリを利用する。
【００１５】
図２は、接線方向燃焼ボイラ１２を示す。接線方向燃焼ボイラは、長方形の断面を有し、隅に配置された燃料導入位置を画定するバーナアセンブリ１４を有する。燃料および空気は、バーナアセンブリ１４および／またはそれに関連するノズルを介してボイラ１２に導入され、炉の中心に位置し、直径がゼロより大きい仮想円に接線方向に向けられる。これにより、炉の横断面の大部分を占める回転火球が生成される。燃料と空気の混合は、流れが炉容積内で合流して回転を生成するまで制限される。
【００１６】
さらに図１を参照すると、燃焼システム１０は、例えば、石炭などの燃料を所望の程度の細かさに粉砕するように構成される粉砕機１６などの燃料源を含む。微粉炭は、粉砕機１６からボイラ１２に送られる。空気源１８は、一次または燃焼空気をボイラ１２に供給し、以下に詳細に説明するように、そこで燃料と混合されて燃焼する。ボイラ１２が酸素燃焼ボイラである場合、空気源１８は、入ってくる空気流から、または直接大気から酸素を抽出する空気分離ユニットであり得る。
【００１７】
図１に示すように、ボイラ１２は、灰を除去することができるメインバーナゾーン２２の下に位置したホッパーゾーン２０と、空気および空気と燃料の混合物がボイラ１２に導入されるメインバーナゾーン２２（ウィンドボックスとも呼ばれる）と、メインバーナゾーン２２で燃焼されなかった空気または燃料を燃焼させるバーンアウトゾーン２４と、例えば、蒸気を過熱してタービンを駆動し、電気を生成することができる過熱ゾーン２６と、水を蒸気ドラムまたは混合球（図示せず）に入る前に予熱することができるエコノマイザゾーン２８とを含む。ボイラ１２内での一次空気との燃料の燃焼は、最終的に処理されてエコノマイザゾーン２８から下流のスタックを通して排出される煙道ガスの流れを発生する。本明細書で使用する場合、「下流」などの方向は、煙道ガス流の一般的な方向を意味する。同様に、「上流」という用語は、「下流」の方向とは反対であり、煙道ガス流の方向の反対に向かう。
【００１８】
図１および図２に示すように、燃焼システム１０は、以下に詳細に説明するように、燃焼プロセスおよびそれによる低過剰空気運転に関する結果を監視および制御するためのセンサ、アクチュエータおよび監視装置のアレイを含む。例えば、燃焼システム１０は、燃焼用の一次空気をバーナアセンブリ１４に関連する各燃料導入ノズルに供給する導管に関連する複数の流体流制御装置３０を含むことができる。一実施形態では、流体流制御装置３０は、各バーナアセンブリ１４に関連する各燃料導入ノズルに提供される空気の量を変えるように調整することができる、電気作動式空気ダンパとすることができる。図２に示すように、ボイラ１２の各隅は、各バーナアセンブリ１４の各燃料導入ノズルに関連するそれぞれの流体流制御装置３０を含む。ボイラ１２はまた、炉の周囲の様々な空間位置に他の個別に制御可能な空気ダンパまたは流体流制御装置（図示せず）を含んでもよい。流量制御装置３０の各々は、各ノズル位置に対して所望の空気／燃料比および火炎温度が達成されることを確実にするために燃焼制御ユニット１００によって個別に制御可能である。
【００１９】
燃焼システム１０はまた、各個別の燃料導入ノズルまたはバーナアセンブリ１４に関連する火炎走査装置３２を含むことができる。火炎走査装置３２は、メインバーナゾーン２２内のそれぞれのノズル位置で局所化学量論（空気／燃料比）を評価するように構成される。各ノズル位置で空気および燃料のそれぞれの量を検出することに加えて、火炎走査装置３２はまた、各バーナアセンブリ１４に隣接する火炎温度を検知するように構成される。火炎走査装置３２は、以下に詳細に説明するように、燃焼プロセスを制御する際に使用するために、測定された化学量論パラメータおよび検出された温度を制御ユニット１００に通信するために燃焼制御ユニットに電気的に接続されるか、または通信可能に結合される。一実施形態では、火炎走査装置３２は、代わりに、各ノズル位置における局所化学量論および温度を個別に監視および検出するように構成される単一の火炎スキャナであり得る。
【００２０】
さらに図１を参照すると、燃焼システム１０はまた、例えばバーンアウトゾーン２４の真上に位置した火炎安定性モニタ３４を含むことができる。火炎安定性モニタ３４は、同様に、制御ユニット１００に電気的または通信可能に結合されてもよく、ボイラ１２内の火球安定性を測定または評価するように構成される。火炎安定性モニタ３４は、後述するように、低過剰空気制御および低負荷ターンダウン運転を達成するために使用される燃焼安定性の決定を可能にするためのフィードバックを提供する。加えて、火炎特性（例えば、温度）を監視および評価するために、２Ｄ光学火炎スキャナ４６も上部炉内に配置することができる。
【００２１】
一実施形態では、システム１０は、例えば、ボイラ１２のバックパス３８の断面における煙道ガス温度をマッピングするための２Ｄ音響温度マッピング装置などの温度マッピング装置３６をさらに含むことができる。
【００２２】
図１はまた、温度マッピング装置３６から下流かつエコノマイザセクション２８から上流のボイラ１２のバックパス３８に監視装置４０が取り付けられていることを示している。一実施形態では、監視装置４０は、例えば、チューナブルダイオードレーザ煙道ガス監視装置などのレーザベースの監視装置である。監視装置４０は、例えば、バックパス３８によって画定された煙道ガスダクトの一部を通過することができる１つまたは複数の光学源を含むことができる。光学源は、バックパス３８内の煙道ガスを通過し、対応する複数の検出器（図示せず）によって検出される光学ビームを提供する。ビームが煙道ガスを通過すると、煙道ガス内の成分に特徴的な様々な波長の吸収が行われる。光学源はプロセッサに結合され、受信された光学信号の特徴付けを行い、煙道ガス中の物質の成分、それらの濃度および他の物理的性質またはパラメータを識別する。他の実施形態では、そのような分析は、燃焼制御ユニット１００によって内部的に実行されてもよい。
【００２３】
一実施形態では、監視装置４０は、バックパス３８内の一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、水銀（Ｈｇ）、二酸化硫黄（ＳＯ２）、三酸化硫黄（ＳＯ３）、二酸化窒素（ＮＯ２）、一酸化窒素（ＮＯ）および酸素（Ｏ２）などのガス種の測定および評価用に構成される。ＳＯ２およびＳＯ３は、まとめてＳＯｘと呼ばれる。同様に、ＮＯ２およびＮＯは、まとめてＮＯｘと呼ばれる。
【００２４】
エコノマイザセクション２８から下流では、燃焼システム１０は、バックパス３８内のフライアッシュ中の未燃炭素の量を測定するための装置またはセンサ４２をさらに含むことができる。装置４２は、監視装置４０と同様に、レーザベースの検出装置とすることができるが、本発明のより広い観点から逸脱することなく、フライアッシュ中の炭素の量を検出することが可能な他の種類の装置も利用することができる。装置４２は、測定された未燃炭素の量を示すデータを送信するために、制御ユニット１００に同様に電気的または通信可能に結合されてもよい。
【００２５】
また、図１に示すように、煙道ガス内の酸素の濃度を監視するために、スタックへの出口内に配置されたセンサ４４を利用することができる。一実施形態では、センサ４４は、常磁性センサとすることができる。センサ４４は、検出された酸素濃度を制御ユニット１００に中継するために制御ユニット１００に通信可能に結合されてもよい。本明細書で説明するセンサおよび監視装置のアレイは、例えば、一酸化炭素および他の排出量、酸素分布、フライアッシュ中の炭素、火球安定性などを検出するために利用することができるが、様々な他のセンサおよび監視装置もまた、ボイラ１２内の様々な位置間の圧力降下、ボイラ内の様々な位置の温度、熱流束および炉壁状態を測定するために利用することができる。例えば、一実施形態では、スタックは、スタックを出る煙道ガス内の微粒子の量または濃度を決定する際に使用するための、微粒子によって背景（すなわち、青空）の可視性がどの程度低下するかを評価する不透明度モニタを用いて構成することができる。加えて、図１に示すように、ボイラ１２は、熱流束、炉壁の腐食および／または堆積物の堆積を評価するための１つまたは複数の炉壁状態センサ４６を含むことができる。
【００２６】
運転中、燃焼のために所定の比の燃料および空気がバーナアセンブリ１４の各々に提供される。燃料／空気混合物が炉内で燃焼して煙道ガスが生成されると、燃焼プロセスおよび煙道ガスが監視される。特に、上述したように、また図３に示すように、火球および火炎の様々なパラメータ、炉の壁の状態、ならびに煙道ガスの様々なパラメータが検知および監視される。これらのパラメータは、燃焼制御ユニット１００に送信または通信され、そこでパラメータは、メモリに記憶されてプロセッサによって行われる制御アルゴリズムに従って分析および処理される。
【００２７】
制御ユニット１００は、１０２および１０４にそれぞれ示すように、１つまたは複数の監視された燃焼および煙道ガスパラメータならびに炉壁状態に応じて、ボイラ１２に提供される燃料および／またはボイラ１２に提供される空気を制御するように構成される。本明細書で使用する場合、監視されたパラメータおよび状態は、まとめてボイラの「運転パラメータ」と呼ばれる。例えば、一実施形態では、制御ユニット１００は、各バーナアセンブリ１４および／またはボイラ１２のメインバーナゾーン２２、ホッパーゾーン２０およびバーンアウトゾーン２４の周囲の他のダンパ装置に関連する流体流制御装置３０を制御し、排出量を所定の閾値レベルより下に維持し（あらゆる低過剰空気燃焼条件から生じ得る他の望ましくない結果を回避しつつ）、かつ運転性能を閾値レベルより上に維持しながら、効率を最大にするようにボイラ１２に提供される過剰空気を減らそうと試み続けるように構成される。特に、制御ユニット１００は、ダンパ装置１２を制御してボイラ１２に提供される過剰空気の量を最小限に抑え、各バーナアセンブリ１４に関連する各個別の燃料ノズルに関連するメインバーナゾーンの局所化学量論を制御する（すなわち、所望の空気／燃料比が各々すべてのノズル位置について達成されることを確実にする）ように構成される。このようにして、高ＣＯ排出量、フライアッシュ中の高未燃炭素、高不透明度、高圧力降下などのような機器、プロセスまたは環境に対する他の問題を引き起こすことなく、全体の過剰空気レベルをその最適なプラント熱速度レベルまで下げることができる。上記に関連して、制御ユニット１００は、固有のパラメータ測定値に基づいて空気／燃料比をバランスさせるために各燃料位置で空気を同時に制御するようにさらに構成される。
【００２８】
本明細書で説明される運転および制御手法は、複数のセンサ駆動型フィードバックおよびモデルベースの燃焼制御ユニット１００に基づいている。上述したように、燃焼制御ユニット１００は、プロセスアクチュエータを駆動し、利用される特定の燃料および他の測定されたプロセス条件、例えば、フライアッシュ中の未燃炭素、炉出口温度、排出プロファイル、腐食速度などを考慮して、可能な最小の過剰空気運転条件を見出す。
【００２９】
一実施形態では、運転パラメータは、限定はしないが、煙道ガス中の一酸化炭素含有量、フライアッシュ中の炭素、オンライン石炭性質、石炭流量バランス、バックパス中の酸素含有量、煙道ガス中のガス種、炉温度、空気ヒータバスケットの状態、吊り下げセクションの汚れ、石炭接触水分、同じくメインバーナゾーンの火炎スキャナ、火炎安定性センサ、ミルセンサ、メインバーナゾーンの水壁腐食アドバイザ、スートブロワアドバイザ、フライアッシュ抵抗率センサ、一次空気および強制通風ファンヘルスモニタ、二酸化硫黄露点センサ、ミル内ヘルスモニタ、管外径腐食プローブ、水壁管漏れセンサ、ならびにミルおよび空気ヒータの火災検出器などの様々なセンサおよび監視装置からの他のフィードバックを含んでもよい。
【００３０】
一実施形態では、第１の制御レベルにおいて、制御ユニット１００は、各ノズル／バーナアセンブリ１４に関連する光学火炎スキャナ３２からの測定信号に応じて、各燃料ノズルにおける空気／燃料比を正確に制御するように構成される。特に、火炎スキャナ３２は、各燃料ノズル１４における燃料／空気比を測定し、この情報を制御ユニット１００に提供するように構成される。次いで、制御ユニット１００は、各燃料ノズルに関連する個別のダンパ３０を調整し、各燃料ノズルにおける空気／燃料比を互いに一致させる（すなわち、それらがすべて同じになるように）ように構成される。
【００３１】
第２の制御レベルにおいて、制御ユニット１００は次に、各局所燃料ノズル／バーナアセンブリ１４に関連する個別のダンパ３０（例えば、各Ｔ燃焼ボイラ高さにおいて）、ならびにボイラ１２の他のダンパアセンブリを調整し、メインバーナゾーン２２内の過剰空気を最適化し（最小限に抑え）てボイラ効率を最大にすることができる。この第２の制御レベルでは、各バーナアセンブリ１４およびボイラ１２の他の空間位置における空気の量を調整しながら、制御ユニット１００は、センサ入力およびセンサ制約とを同時に利用し、排出量および他の運転上の制約または閾値を超えないようにする。
【００３２】
例えば、メインバーナゾーン２２に提供される過剰空気の量を減少させる際に、センサ４２によってフライアッシュ中で検出された未燃炭素の量がメモリに記憶された閾値を超える場合、これは過剰空気が過剰に減少したことを制御ユニット１００に示すことができる（メインバーナゾーン２２に提供された燃料のすべてが燃焼されていないことを示す）。次いで、制御ユニット１００は、流量制御装置３０を通じて過剰空気を増加させ、続いて、検出された未燃炭素の量が許容レベル内になるまで、個別の空気ダンパ３０の制御を通じて各ノズル１４における空気／燃料比を再調整することができる。
【００３３】
同様に、ボイラ効率を高めるためにメインバーナゾーン２２に提供される過剰空気の量を減少させると、一酸化炭素排出量が閾値レベルを超える場合、これは燃料のすべてを燃焼させるのに十分な空気が存在しないことを示すことができる。次に、制御ユニット１００は、一酸化炭素測定値が許容レベル内になるまで、個別の空気ダンパ３０を制御することによって上述のように過剰空気を増加させることができる。この制御ルーチンは、他のセンサフィードバック、または複数のセンサフィードバックに基づいて実施することができる。このようにして、制御ユニット１００に提供される複数のセンサおよび測定信号は、燃焼プロセスのリアルタイム制御（複数の監視されたパラメータに応じた過剰空気のリアルタイム制御を含む）を可能にする。
【００３４】
図４を参照すると、一実施形態における、本発明の一実施形態によるセンサ優先順位チャート４００が示されている。一実施形態では、制御ユニット１００は、チャート４００に従って、監視された運転パラメータを所定の閾値内に保つためにセンサフィードバックを優先させるようにプログラムすることができる。例えば、図に示すように、センサ４４によって測定されるような酸素レベルを保つことは、監視装置４０によって測定されるような一酸化炭素レベルを保つことよりも優先されない。図に示されるように、この階層的制御は、３つ以上の優先順位レベル、例えば、最高優先順位レベル４１０、中優先順位レベル４１２および最低優先順位レベル４１４に分類されてもよい。
【００３５】
上述したように、燃焼システムおよびその制御ユニットは、システム効率を最大にするために可能な限り低い過剰空気条件を継続的に求める（すなわち、総空気量の削減を達成する）一方、同時に排出量を最小限に抑えるために最適なメインバーナゾーンの化学量論を維持しながら、運転および安全性（すなわち、個々の空気バランス）を保持するために必要な多数のリアルタイム運転プロセスの制約を守る。特に、制御ユニットは、各空気導入位置に提供される空気の量を個別に制御し、燃焼プロセスの過剰レベルの空気を連続的な運転ベースでリアルタイムで連続的に最適化するように構成される。非常に多くの運転パラメータを監視し、個別のバーナレベルで燃焼を制御することによって、利用されるあらゆる特定の種類の燃料（または燃料内の変動）に対して、ならびにすべての負荷およびシフトにおいて、低過剰空気運転および目標出力を達成することができる。
【００３６】
本発明によって提供される燃焼システムおよびその制御は、経済的、排出量および運転上の利益をもたらす。特に、局所バーナレベルで化学量論比を最適化し、過剰空気を最小限に抑えることによって、燃料の節約および排出量の削減を達成することができる。燃焼システムは、個別のバーナレベルで正確に燃焼を制御することによってメインバーナゾーンの排出量制御を行う。例えば、過剰空気レベルが業界で一般的な公称１５％〜２０％から５％だけ単純に減少している場合でさえも、運転中の各ボイラについて大幅な節約が実現され得る。これらのコスト節約は、より少ない過剰空気運転から直接生じるより少ない量の生成物ガスの結果として達成することができる。より低いガス流量は、必要な空気品質制御機器用のファンおよびポンプを含む、下流の機器を運転するのに必要とされる補助動力の量を減少させる。補助動力の減少は、所与の生産レベルを達成するためのより少ない燃料および蒸気の必要性に言い換えられ、それはさらに、燃料要件をさらに減少させて効率を増加させる。
【００３７】
従来の大気汚染物質の排出量削減は、より低い燃料要件から生じる。加えて、より少ない過剰空気は、より低いＮＯｘ形成およびより低いＳＯ３形成をもたらす。より低いＮＯｘ排出量は、下流の機器におけるＮＯｘを減少させるために、アンモニアのような添加剤の必要性をさらに減少させる。同様に、より低いＳＯ３レベルは、下流の機器が受ける腐食の量を減少させる。
【００３８】
運転上の節約に加えて、本発明の燃焼システムは、新しいプラントまたはボイラの設計および構造における資本コストの節約をもたらす。特に、本明細書に開示される制御システムを用いて、最初からより低い過剰空気レベルのための計画機器を設計することが可能である。
【００３９】
本発明の燃焼システムは、燃焼プロセスをより正確に制御し、過剰空気を最小に連続的に駆動してシステム効率を最大にするためにコントローラによって利用される多数の運転パラメータのリアルタイム監視を可能にするが、本発明は、この点に関してそれほど限定されない。特に、様々なセンサフィードバックは、リアルタイムの燃焼プロセス制御に使用されることに加えて、プロセスおよび機器の資産性能および保守評価のための診断および予測分析に使用するために記憶および編集することができる。すなわち、様々なセンサおよび測定装置から得られたデータは、機器およびプロセス性能を評価および分析することができるように中央コントローラなどに記憶または送信することができる。例えば、センサフィードバックは、保守、修理および／または交換のスケジューリングに使用するために機器の健全性を評価するように利用することができる。
【００４０】
一実施形態では、燃焼システムが提供される。燃焼システムは、燃焼室と、燃料および空気が燃焼室に提供されて燃焼する燃焼室の複数の燃料導入位置と、各燃料導入位置に関連する流体流制御装置であって、各流体流制御装置は、各燃料導入位置に供給される空気の量を変えるように制御可能である流体流制御装置と、燃焼システムの複数の運転パラメータを監視するように構成された複数の検知装置と、各流体流制御装置を制御して各燃料導入位置に供給される空気の量を他の燃料導入位置に供給される空気の量とは無関係に制御し、燃焼室に提供される過剰空気を最小限に抑えるために複数の運転パラメータの少なくとも１つに応じて、すべての他の空気導入位置に提供される空気の量を制御するように構成された制御ユニットとを含む。
【００４１】
一実施形態では、複数の検知装置は、制御ユニットと通信する少なくとも１つの火炎走査装置を含み、少なくとも１つの火炎走査装置は、各燃料導入位置における燃料と空気の化学量論比を決定するように構成される。少なくとも１つの運転パラメータは、各燃料導入位置における化学量論比である。一実施形態では、複数の運転パラメータは、各燃料導入位置における空気／燃料比、火炎温度、火球安定性、煙道ガス温度、煙道ガス種、フライアッシュ中の未燃炭素の量、煙道ガス中の酸素濃度、圧力降下、不透明度、および燃焼室壁状態の少なくとも１つを含む。一実施形態では、少なくとも１つの運転パラメータは、各燃料導入位置に関連する空気／燃料比である。一実施形態では、少なくとも１つの運転パラメータは、フライアッシュ中の未燃炭素の量を含む。一実施形態では、制御ユニットは、フライアッシュ中の未燃炭素の量が閾値レベルを超える場合、燃料導入位置の少なくとも１つに提供される空気の量を増加させるように流体流制御装置の少なくとも１つを制御するように構成される。一実施形態では、複数の検知装置は、少なくとも、各燃料導入位置における空気／燃料比を決定するように構成された火炎走査装置と、火球安定性を評価するための火炎安定性モニタと、燃焼システムの煙道ガス通路の断面における煙道ガス温度をマッピングするための温度マッピング装置と、煙道ガス中の複数のガス種を測定および評価するための光学監視装置と、フライアッシュ中の未燃炭素の量を測定するための検知装置と、燃焼システムのスタックを出る煙道ガス中の微粒子の量を測定する不透明度監視装置とを含む。一実施形態では、複数の燃料導入位置の各燃料導入位置は、バーナアセンブリを含む。一実施形態では、燃焼システムはまた、微粉炭を燃料導入位置の各々に供給するための、燃料導入位置の各々と流体連通する粉砕機を含んでもよい。
【００４２】
別の実施形態では、燃焼システムを制御する方法が提供される。方法は、複数の燃料導入位置で燃料および空気を燃焼室に導入するステップと、燃焼システムの複数の運転パラメータを監視するステップと、複数の運転パラメータの少なくとも１つに応じて、燃料導入位置の各々で燃焼室に供給される空気の量を個別に制御することによって燃焼室に提供される過剰空気の量を最小限に抑えるステップとを含む。一実施形態では、複数の運転パラメータを監視するステップは、燃料導入位置の各々における空気と燃料の化学量論比を決定することを含み、少なくとも１つの運転パラメータは、燃料導入位置の各々における空気と燃料の化学量論比である。一実施形態では、複数の運転パラメータは、少なくとも、各燃料導入位置における空気／燃料比、ならびに火炎温度、火球安定性、煙道ガス温度、煙道ガス種、フライアッシュ中の未燃炭素の量、煙道ガス中の酸素濃度、圧力降下、不透明度、および燃焼室壁状態の少なくとも１つを含む。一実施形態では、複数の運転パラメータは、少なくともフライアッシュ中の未燃炭素の量を含む。一実施形態では、方法はまた、フライアッシュ中の未燃炭素の量が閾値レベルを超える場合、燃料導入位置の少なくとも１つに提供される空気の量を増加させるステップを含んでもよい。一実施形態では、燃焼システムは、少なくとも、各燃料導入位置における空気／燃料比を決定するように構成された火炎走査装置と、火球安定性を評価するための火炎安定性モニタと、燃焼システムの煙道ガス通路の断面における煙道ガス温度をマッピングするための温度マッピング装置と、煙道ガス中の複数のガス種を測定および評価するための光学監視装置と、フライアッシュ中の未燃炭素の量を測定するための検知装置と、燃焼システムのスタックを出る煙道ガス中の微粒子の量を測定する不透明度監視装置とを含む。一実施形態では、方法は、石炭を粉砕機で微粉砕し、微粉炭を燃料導入位置の各々に供給することを含んでもよい。
【００４３】
さらに別の実施形態では、ボイラが提供される。ボイラは、燃焼室と、燃料を燃焼室に導入して燃焼するための燃焼室の複数の燃料導入位置と、複数の流体流制御装置であって、各流体流制御装置は、ボイラに供給される空気の量を変えるように制御可能である流体流制御装置と、燃焼システムの複数の運転パラメータを監視するように構成された複数の検知装置と、燃焼室に提供される過剰空気の量を連続的に最適化するために複数の運転パラメータの少なくとも１つに応じて、ボイラに供給される空気の量を制御するように構成された制御ユニットとを含む。一実施形態では、複数の検知装置は、制御ユニットと通信する少なくとも１つの火炎走査装置を含み、少なくとも１つの火炎走査装置は、各燃料導入位置における燃料と空気の化学量論比を決定するように構成される。少なくとも１つの運転パラメータは、各燃料導入位置における化学量論比であってもよい。一実施形態では、複数の運転パラメータは、各燃料導入位置における空気／燃料比、火炎温度、火球安定性、煙道ガス温度、煙道ガス種、フライアッシュ中の未燃炭素の量、煙道ガス中の酸素濃度、圧力降下、不透明度、および燃焼室壁状態の少なくとも１つを含む。一実施形態では、複数の検知装置は、少なくとも、各燃料導入位置における空気／燃料比を決定するように構成された火炎走査装置と、火球安定性を評価するための火炎安定性モニタと、ボイラの煙道ガス通路の断面における煙道ガス温度をマッピングするための温度マッピング装置と、煙道ガス中の複数のガス種を測定および評価するための光学監視装置と、フライアッシュ中の未燃炭素の量を測定するための検知装置と、ボイラのスタックを出る煙道ガス中の微粒子の量を測定する不透明度監視装置とを含む。
【００４４】
本明細書で使用する場合、単数形で列挙され、「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」という語で始まる要素またはステップは、特に明記しない限り、前記要素またはステップの複数形を除外しないものとして理解されるべきである。さらに、本発明の「一実施形態」への言及は、記載した特徴も組み込んだ追加の実施形態の存在を除外するものと解釈されることを意図してはいない。さらに、明示的な反対の記載がない限り、特定の性質を有する要素または複数の要素を「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」実施形態は、その性質を有さない追加のそのような要素を含んでもよい。
【００４５】
本明細書では、本発明の幾つかの実施形態を最良の形態を含めて開示するために、また、任意の装置またはシステムの製作および使用、および組み込まれた任意の方法の実行を含めて当業者が本発明の実施形態を実践することを可能にするために実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の実施例を含み得る。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。
【符号の説明】
【００４６】
１０  燃焼システム
１２  ボイラ、ダンパ装置
１４  バーナアセンブリ、燃料ノズル
１６  粉砕機
１８  空気源
２０  ホッパーゾーン
２２  メインバーナゾーン
２４  バーンアウトゾーン
２６  過熱ゾーン
２８  エコノマイザゾーン、エコノマイザセクション
３０  流体流制御装置、流量制御装置、空気ダンパ
３２  火炎走査装置、光学火炎スキャナ
３４  火炎安定性モニタ
３６  温度マッピング装置
３８  バックパス
４０  監視装置
４２  装置、センサ
４４  センサ
４６  ２Ｄ光学火炎スキャナ、炉壁状態センサ
１００  燃焼制御ユニット
１０２  燃料制御
１０４  空気制御
４００  センサ優先順位チャート
４１０  最高優先順位レベル
４１２  中優先順位レベル
４１４  最低優先順位レベル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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