JP5092114B2 - 流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法に関し、特に炭種切替に伴い流動媒体の炉内流動性が変化した場合に、迅速かつ的確な対応操作を行うことにより、流動床ボイラを安定して運転することが可能な技術に関する。

流動床ボイラの一種である加圧流動床ボイラは、コンプレッサからの燃焼空気でボイラ内を加圧状態に保ちながら、石灰石を流動媒体（ＢＭ：ベッドマテリアル）とする流動層内にＣＷＰ（Coal Water Paste：石炭と石灰石と水とを混ぜた燃料）を投入して燃焼させるようにしたボイラである。

従来、このような加圧流動床ボイラを備えた火力発電所等では、環境に対する負荷を極力軽減するとともにエネルギー効率を高めて安定した操業を行うため、複数種類の原料炭を切り替えながら使用している。この際、原料炭の炭種毎に、含水量、発熱量、含有成分等が異なるため、加圧流動床ボイラへ供給される原料炭の炭種に応じて加圧流動床ボイラの運転を適切に管理する必要があった。

このような炭種管理方法として「バンカへの石炭供給方法および装置」（特開平８−２５８９６０号公報：特許文献１）に、異なる種類の石炭を混合させて燃料として使用する場合に、予め混炭ホッパで異なる種類の石炭を混合する工程をなくすことにより、省力化を図るようにした技術が開示されている。

この特許文献１に記載された「バンカへの石炭供給方法および装置」は、バンカユニット毎に石炭を供給するにあたって、複数系統設けたコンベアからそれぞれ異種類の石炭を予め定めた比率でバンカ別に供給し、各バンカからボイラへ投入する時点で総合的に燃料石炭を所定比率に混合することにより、混炭ホッパで石炭を混合する工程を省略するものである。

特開平８−２５８９６０号公報

ところで、加圧流動床ボイラへ供給する炭種が切り替わると、流動媒体の炉内流動性が変化することが知られている。そして、炭種切替に伴い流動媒体の炉内流動性が変化した場合には、安定した操業を行うために、流動媒体の炉内流動性が適切な管理値となるような対応操作を行う必要があった。

従来、流動媒体の炉内流動性を適切な管理値とするための対応操作に明確な基準はなく、熟練したオペレータの経験と勘に頼っている面があった。すなわち、炭種切替時に安定した操業を行うための監視項目および対応操作がオペレータにより異なることがあった。このようにオペレータ毎に異なった対応操作を行ったとしても、結果的に安定した操業を行うことができるが、さらに一層安定した操業を行うために、明確な基準を定めることが望まれていた。また、明確な基準に基づかずにオペレータの経験と勘に頼って操業を行った場合には、オペレータの監視負担や対応操作負担が増加するという問題があった。

なお、上記特許文献１に記載された「バンカへの石炭供給方法および装置」は、複数の炭種を混合して使用する際の省力化を目的としたものであり、安定操業を行うための明確な基準については何ら言及されていない。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、流動床ボイラにおいて投入する原料炭の種類を切り替えた際に、流動媒体の炉内流動性の管理基準を明確なものとすることにより、迅速かつ適切な対応操作を行って安定した操業を図ることができるとともに、オペレータの負担を軽減することが可能な流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法を提供することを目的とする。

本発明に係る流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を備えている。
すなわち、本発明に係る流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法は、流動床ボイラにおいて投入する原料炭の種類を切り替えた際に、流動媒体の炉内流動性を適切に管理するための方法であって、流動層の最大温度差を判断するステップと、流動層の平均温度差を判断するステップと、流動層の最大温度差および平均温度差の判断結果に基づいて、流動媒体の炉内流動性を適切な値に修正するステップと、を含むことを特徴とするものである。

ここで、前記流動媒体の炉内流動性を適切な値に修正するステップは、流動層の最大温度差に応じてそれぞれのＣＷＰポンプの流量調整を行うステップと、流動層の平均温度差に応じて火炉出口の酸素濃度の管理値調整を行うステップと、炉内の流動媒体量の調整を行うステップと、を含むことが好ましい。なお、ＣＷＰポンプとは、流動層内にＣＷＰ（Coal Water Paste：石炭と石灰石と水とを混ぜた燃料）を投入するためのポンプのことである。

また、前記炉内の流動媒体量の調整を行うステップは、ズリ濃度を判断するステップと、流動媒体タンクにおける流動媒体貯蔵量を判断するステップと、を含み、ズリ濃度および流動媒体タンクにおける流動媒体貯蔵量に応じて炉内の流動媒体量の調整を行うことが好ましい。

また、前記ズリ濃度を判断するステップにおいて、ズリ濃度が管理値から上昇していると判断された場合には、流動媒体の炉底抜出操作および流動媒体の供給操作を行うことにより、流動媒体の粒径を適切な値に修正し、前記流動媒体タンクにおける流動媒体貯蔵量を判断するステップにおいて、流動媒体貯蔵量が管理値よりも低いと判断された場合には、炉底抜出した流動媒体を分級し適正な粒径の流動媒体のみを流動媒体タンクにリサイクルするとともに、火炉に供給するＣＷＰ中の石灰石の割合を上昇させることにより、流動媒体の粒径を適切な値に修正することが好ましい。

本発明に係る流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法は、流動層の最大温度差と平均温度差を判断し、判断結果に基づいて所定の操作を行い、流動媒体の炉内流動性を適切な値に修正している。このため、流動媒体の炉内流動性の管理基準が明確なものとなり、流動床ボイラにおける炭種切替に応じて、迅速かつ適切な対応操作を行って安定した操業を図ることができるとともに、オペレータの負担を軽減することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法の実施形態を説明する。
本発明の実施形態に係る流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法は、例えば、加圧流動床複合発電方式(ＰＦＢＣ：Pressurized Fluidized Bed Combustion)を採用した発電プラントに適用される。

この発電プラントは、コンプレッサからの燃焼空気でボイラ内を加圧状態に保ちながら、石灰石を流動媒体（ＢＭ：ベッドマテリアル）とする流動層内にＣＷＰ（Coal Water Paste：石炭と石灰石と水とを混ぜた燃料）を投入することにより、ＣＷＰを効率よく燃焼させることができる。また、流動媒体に石灰石を採用することにより火炉内で脱硫することができるので、硫黄酸化物（ＳＯｘ）の発生を低く抑えることができる。さらに、流動層燃焼は、燃焼温度が低く抑えられる（約８７０℃）ため、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低く抑えることができる。

＜加圧流動床ボイラを備えた発電プラント＞
図２は、本発明の実施形態に係る流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法を適用する発電プラントの概略構成を示す模式図である。
本実施形態に係る流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法を適用する発電プラントは、図２に示すように、２つのボイラ１０，２０を備えており、ボイラ１０，２０の火炉１１，２１内にＣＷＰを投入して燃焼させ、熱交換により発生した蒸気を高圧タービン３１、中圧タービン３２、および低圧タービン３３に導いて各タービンを回転させることにより、発電機４１を駆動して電力を発生させる。低圧タービン３３を回転させた後の蒸気は、復水器５０により復水に戻され、再びボイラ１０，２０内へ導かれる。

また、ボイラ１０，２０内で発生した高圧ガスをガスタービン３４に導いてガスタービン３４を回転させることにより、発電機４２を駆動して電力を発生させる。さらに、高圧ガスは、ガスタービン３４に同軸に連結されたコンプレッサ３５を駆動して、燃焼空気をボイラ１０，２０へ供給するようになっている。

ボイラ１０，２０へ燃料を供給する燃料供給系統は、石炭を供給する石炭ホッパ６１と、石炭ホッパ６１から供給される石炭を粗粉砕する粗粉砕機６２と、粗粉砕機６２で粉砕された石炭粉を分級する分級機６３と、分級機６３で分級された石炭粉を中継する中継ホッパ６４と、粗粉砕機６２で粉砕された石炭粉に水を混入しながらさらに粉砕する微粉砕機６５と、石灰石を供給する石灰石ホッパ６６と、水、粗粉砕機６２で粉砕された石炭粉、微粉砕機６５で水を混入しながら粉砕された石炭ペースト、および石灰石を混練する混練機６７と、混練機６７で混練されたＣＷＰを一時貯留する燃料タンク６８と、燃料タンク６８から火炉１１，２１内へＣＷＰを送出する燃料ポンプ６９とを備えている。

２機のボイラ１０，２０は、それぞれ圧力容器１２，２２と、圧力容器１２，２２内に収容された火炉１１，２１とを備えており、火炉１１，２１内には水・蒸気管７１が挿通されている。復水器５０からの水・蒸気管７１は、まずＢ火炉２１内に導かれ、続いてＡ火炉１１内へ導かれて熱交換が行われ、汽水分離器７２へ導かれて蒸気と水とが分離される。汽水分離器７２からの水・蒸気管７１は、Ａ火炉１１、Ｂ火炉２１、Ａ火炉１１の順で引き回された後、高圧タービン３１へ導かれる。

高圧タービン３１は、水・蒸気管７１から供給される蒸気により回転する。高圧タービン３１を回転させた後の蒸気は、再びＢ火炉２１に導かれて再熱され、中圧タービン３２に導かれて中圧タービン３２を回転させ、さらに低圧タービン３３に導かれて低圧タービン３３を回転させる。高圧タービン３１、中圧タービン３２、および低圧タービン３３には、同軸に発電機４１が接続されており、各タービン３１，３２，３３が回転することにより発電機４１が駆動されて発電が行われる。

低圧タービン３３を回転させた蒸気は、復水器５０に導かれて復水に戻される。復水器５０内には、冷却水配管５１が配設されている。この冷却水配管５１には、深層取水した海水が導かれ、この海水は復水器５０内で熱交換を行った後に、再び海中に放流される。

復水器５０の下流側には、復水ポンプ７３、第１給水加熱器７４ａ、第２給水加熱器７４ｂ、第３給水加熱器７４ｃ、脱気器７５、給水ポンプ７６、第５給水加熱器７４ｄ、第６給水加熱器７４ｅが配設されており、復水の加熱および脱気を行うようになっている。また、復水器５０とボイラ１０，２０との間の復水給水配管７７は、後に詳述する排ガス系統に設けられた２つの排熱回収交換器９１，９３を通過し、排ガスとの間で熱交換を行うようになっている。

Ａ火炉１１およびＢ火炉２１の上部には排ガス配管８１が連通接続されており、各火炉１１，２１内で発生した高圧ガスをガスタービン３４へ供給するようになっている。また、各火炉１１，２１とガスタービン３４との間には、脱硝を行うための無触媒脱硝装置８２ａ，８２ｂ、煤塵を除去するための１次サイクロン８３ａ，８３ｂおよび２次サイクロン８４ａ，８４ｂが配設されている。なお、１次サイクロン８３ａ，８３ｂおよび２次サイクロン８４ａ，８４ｂで収集した煤塵は、灰クーラ８５ａ，８５ｂ，８６ａ，８６ｂを

ガスタービン３４には、発電機４２およびコンプレッサ３５が同軸に接続されており、ガスタービン３４が回転することにより、発電機４２を駆動して発電を行うとともに、コンプレッサ３５を駆動して燃焼空気をボイラ１０，２０内へ送り込むようになっている。
コンプレッサ３５には、プラント起動時にコンプレッサ３５を駆動してボイラ１０，２０へ燃焼空気を送るための起動用モータ４３が取り付けられている。
ガスタービン３４を回転させた後の排ガスは、第１の排熱回収熱交換器９１、脱硝を行うための脱硝装置９２、第２の排熱回収熱交換器９３、バグフィルタ９４を経て、煙突９５より大気中へ放散される。

Ａ火炉１１およびＢ火炉２１には、循環するＢＭを一時貯留するためのＢＭタンク１３，２３が連通接続されている。なお、図２に示す例では、ＢＭタンク１３，２３を各ボイラ１０，２０毎に１機ずつ設けているが、ＢＭタンク１３，２３を各ボイラ１０，２０毎に２機ずつ設けてもよい。また、各ボイラ１０，２０の上部には非常用温水タンク１４が配設されている。この非常用温水タンク１４は、ボイラ給水系統が停止した際に、ボイラ１０，２０内の残燃料が燃焼することにより水壁管等が損傷することを防止するための装置で、水頭圧によりボイラ１０，２０へ給水するようになっている。

Ａ火炉１１およびＢ火炉２１の下部には、各火炉１１，２１内の流動媒体を抜出するための流動媒体抜出管１０１が接続されており、抜出された流動媒体は灰クーラ１０２，１０３を経て灰処理装置へ送出される。また、Ａ火炉１１およびＢ火炉２１には、ボイラ１０，２０の起動時等に各火炉１１，２１内を加熱するための軽油が供給されるようになっている。

＜流動媒体の炉内流動性管理方法＞
次に、本発明の実施形態に係る流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法の手順を示すフローチャートである。

図１に示すように、炭種切替に伴って変化する流動媒体の炉内流動性を管理するには、まず初めに流動層の最大温度差に関する情報を取得するとともに（Ｓ１）、流動層の平均温度差に関する情報を取得する（Ｓ２）。
そして、流動層の最大温度差が管理値（例えば４０℃）から上昇しているか否かを判断し（Ｓ３）、流動層の最大温度差が管理値から上昇している場合には、それぞれのＣＷＰポンプの流量調整（バイアス調整）を行う（Ｓ４）。
また、流動層の平均温度差が管理値（例えば５０℃）から上昇しているか否かを判断し（Ｓ５）、流動層の平均温度差が管理値から上昇している場合には、火炉出口の酸素濃度の管理値調整（バイアス調整）を行う（Ｓ６）。

続いて、ズリ濃度が管理値から上昇しているか否か（ズリ濃度２％以上となっているか否か）を判断し（Ｓ７）、ズリ濃度が管理値から上昇している場合（ズリ濃度が２％以上となっている場合）には、流動媒体の炉底抜出操作（Ｓ８）および流動媒体の供給操作（Ｓ９）を行う。
続いて、流動媒体タンクにおける流動媒体貯蔵量が管理値よりも低下しているか否かを判断する（Ｓ１０）。ここで、流動媒体タンクにおける流動媒体貯蔵量が管理値よりも低下している場合には、炉底抜出した流動媒体のリサイクルを行うとともに（Ｓ１１）、火炉に供給するＣＷＰ中の石灰石の割合（Ｌ／Ｃ）を上昇させることにより（Ｓ１２）、流動媒体の粒径を適切な値に修正して、継続監視を行う。

なお、流動層の最大温度差および平均温度差が管理値の範囲内である場合には、適正な運転状態であるため、上述した操作を行うことなく継続監視を行う。また、ズリ濃度が管理値から上昇していない場合には、上述した流動媒体の炉底抜出操作（Ｓ８）および流動媒体の供給操作（Ｓ９）を行わずに、継続監視を行う。また、流動媒体タンクにおける流動媒体貯蔵量が管理値よりも低下していない場合には、炉底抜出した流動媒体のリサイクル操作（Ｓ１１）およびＣＷＰ中の石灰石の割合（Ｌ／Ｃ）変更操作（Ｓ１２）を行わずに、継続監視を行う。

＜監視項目＞
次に、本実施形態における具体的な監視項目について説明する。
本実施形態では、流動層の所定箇所における最大温度差に関して、管理値を４０℃以下とする。また、流動層の所定箇所における平均温度差に関して、管理値を５０℃以下とする。また、ズリ濃度の上昇判断要素として、ＢＭ粒径、ＣＷＰ流量、脱硫効率、層密度等を挙げることができる。すなわち、採取したＢＭの分析値においてズリ濃度が２％以上となった場合、ＣＷＰ流量が増加した場合、脱硫効率が低下した場合、層密度が低下した場合等に、ズリ濃度が上昇したと判断することができる。また、Ｌ／Ｃに関して、管理値を１２以下とする。

なお、流動層の最大温度差、平均温度差に関するデータは、火炉に設置された既存の温度計により取得することができる。また、上述した監視項目における具体的な数値は一例であり、流動床ボイラの規模や運転状況等に応じて適宜変更して実施できることは勿論である。

本発明に係る流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法は、例えば、発電プラント等に用いる加圧流動床ボイラにおいて炭種を切り替えることにより流動媒体の炉内流動性が変化した場合に、流動床ボイラを安定して運転する際に使用することができる。

本発明の実施形態に係る流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法を適用する発電プラントの概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１４ 非常用温水タンク
３１ 高圧タービン
３２ 中圧タービン
３３ 低圧タービン
３４ ガスタービン
３５ コンプレッサ
４１，４２ 発電機
４３ 起動用モータ
５０ 復水器
５１ 冷却水配管
６１ 石炭ホッパ
６２ 粗粉砕機
６３ 分級機
６４ 中継ホッパ
６５ 微粉砕機
６６ 石灰石ホッパ
６７ 混練機
６８ 燃料タンク
６９ 燃料ポンプ
７１ 水・蒸気管
７２ 汽水分離器
７３ 復水ポンプ
７４ａ〜７４ｅ 給水加熱器
７５ 脱気器
７６ 給水ポンプ
７７ 復水給水配管
８１ 排ガス配管
８２ａ，８２ｂ 無触媒脱硝装置
８３ａ，８３ｂ １次サイクロン
８４ａ，８４ｂ ２次サイクロン
８５ａ，８５ｂ，８６ａ，８６ｂ 灰クーラ
９１，９３ 排熱回収熱交換器
９２ 脱硝装置
９４ バグフィルタ
９５ 煙突
１０１ 流動媒体抜出管
１０２，１０３ 灰クーラ

Claims (2)

1. 流動床ボイラにおいて投入する原料炭の種類を切り替えた際に、流動媒体の炉内流動性を適切に管理するための方法であって、
   流動層の最大温度差を判断するステップと、
   流動層の平均温度差を判断するステップと、
   流動層の最大温度差および平均温度差の判断結果に基づいて、流動媒体の炉内流動性を適切な値に修正するステップとを含む流動床ボイラにおける炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法において、
   前記流動媒体の炉内流動性を適切な値に修正するステップは、
   流動層の最大温度差に応じてそれぞれのＣＷＰポンプの流量調整を行うステップと、
   流動層の平均温度差に応じて火炉出口の酸素濃度の管理値調整を行うステップと、
   炉内の流動媒体量の調整を行うステップとを有し、
   前記炉内の流動媒体量の調整を行うステップは、
   ズリ濃度を判断するステップと、
   流動媒体タンクにおける流動媒体貯蔵量を判断するステップとを含み、
   ズリ濃度および流動媒体タンクにおける流動媒体貯蔵量に応じて炉内の流動媒体量の調整を行うことを特徴とする炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法。
2. 前記ズリ濃度を判断するステップにおいて、ズリ濃度が管理値から上昇していると判断された場合には、流動媒体の炉底抜出操作および流動媒体の供給操作を行うことにより、流動媒体の粒径を適切な値に修正し、
   前記流動媒体タンクにおける流動媒体貯蔵量を判断するステップにおいて、流動媒体貯蔵量が管理値よりも低いと判断された場合には、炉底抜出した流動媒体を分級し適正な粒径の流動媒体のみを流動媒体タンクにリサイクルするとともに、火炉に供給するＣＷＰ中の石灰石の割合を上昇させることにより、流動媒体の粒径を適切な値に修正することを特徴とする請求項１に記載の炭種切替に伴う流動媒体の炉内流動性管理方法。

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