JP2019178182A - 石炭調湿設備の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集塵炉布での結露や粉塵の漏洩を抑制し、且つ、消費電力量を低減しつつ、石炭の水分量を良好に制御可能な石炭調湿設備の制御方法及び制御装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る石炭調湿設備の制御方法は、キャリアガスと共に水分や粉塵を設備外に排出する集塵機を備え、蒸気によって間接加熱されたキャリアガスを用いて装入石炭を乾燥させる石炭調湿設備の制御方法であって、装入石炭の水分量を所定の水分量にするために必要なキャリアガスの流量を必要キャリアガス流量として算出し、算出された必要キャリアガス流量に従って石炭調湿設備に供給するキャリアガスの流量を制御すると共に、キャリアガスの流量に応じて集塵機の風量を制御するステップを含むことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、キャリアガスと共に水分や粉塵を設備外に排出する集塵機を備え、蒸気によって間接加熱されたキャリアガスを用いて装入石炭を乾燥させる石炭調湿設備の制御方法及び制御装置に関する。

特許文献１には、石炭調湿設備での調湿炭の水分制御を良好に保ちつつ消費エネルギーを低減することを目的として、石炭調湿設備の物質収支及び熱収支を演算し、演算結果に基づいて石炭調湿設備に供給する蒸気量を制御する方法が記載されている。

特開平６−１０８０５８号公報

特許文献１には、石炭調湿設備において熱及び水分の媒体として用いられるキャリアガスの供給速度と、キャリアガスと共に水分や粉塵を設備外に排出する集塵機の風量とに関する効率的な制御方法は開示、示唆されていない。例えば石炭調湿設備に供給する蒸気量に応じてキャリアガスの流量を増減させることは可能であるが、キャリアガスの流量を増減させた場合、石炭調湿設備の出口でのキャリアガスの温度及び水分量が変化する。このため、必要な集塵機の風量はキャリアガスの流量に応じて一様には定まらず、集塵機の風量が過小である場合、乾燥効率が低下したり、集塵炉布での結露が発生したり、粉塵が漏洩する等の不具合が発生し得る。一方、集塵機の風量が過大である場合には、集塵機の排風ファンの電力コストの上昇のみならず、排熱、すなわち無効熱量が上昇する不具合が発生し得る。中でも、集塵機の風量不足による集塵炉布での結露や粉塵の漏洩は石炭調湿設備の操業停止に繋がるので、このような不具合を確実に回避するために集塵機の風量は高めに設定されており、電力が過剰に消費されているのが現状である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、集塵炉布での結露や粉塵の漏洩を抑制し、且つ、消費電力量を低減しつつ、石炭の水分量を良好に制御可能な石炭調湿設備の制御方法及び制御装置を提供することである。

本発明に係る石炭調湿設備の制御方法は、キャリアガスと共に水分や粉塵を設備外に排出する集塵機を備え、蒸気によって間接加熱されたキャリアガスを用いて装入石炭を乾燥させる石炭調湿設備の制御方法であって、装入石炭の水分量を所定の水分量にするために必要なキャリアガスの流量を必要キャリアガス流量として算出し、算出された必要キャリアガス流量に従って石炭調湿設備に供給するキャリアガスの流量を制御すると共に、キャリアガスの流量に応じて前記集塵機の風量を制御するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る石炭調湿設備の制御方法は、上記発明において、装入石炭の水分量及び装入量に応じて前記必要キャリアガス流量及び前記集塵機の風量を変化させることを特徴とする。

本発明に係る石炭調湿設備の制御装置は、キャリアガスと共に水分や粉塵を設備外に排出する集塵機を備え、蒸気によって間接加熱されたキャリアガスを用いて装入石炭を乾燥させる石炭調湿設備の制御装置であって、装入石炭の水分量を所定の水分量にするために必要なキャリアガスの流量を必要キャリアガス流量として算出し、算出された必要キャリアガス流量に従って石炭調湿設備に供給するキャリアガスの流量を制御すると共に、キャリアガスの流量に応じて前記集塵機の風量を制御する手段を備えることを特徴とする。

本発明に係る石炭調湿設備の制御方法及び制御装置によれば、装入石炭の水分量及び装入量に応じてキャリアガスの流量及び集塵機の風量を制御するので、集塵炉布での結露や粉塵の漏洩を抑制し、且つ、消費電力量を低減しつつ、装入石炭の水分量を良好に制御することができる。

図１は、本発明の一実施形態である石炭調湿設備の制御装置及び制御方法が適用される石炭調湿設備の構成を示す模式図である。 図２は、本発明の一実施形態である石炭調湿設備の制御方法の流れを示すフローチャートである。 図３は、装入石炭の装入量の変化に対する必要キャリアガス流量及び必要排ガス流量の変化を示す図である。 図４は、装入石炭の装入量の変化に対する補正係数の変化を示す図である。 図５は、装入石炭の水分率の変化に対する必要キャリアガス流量及び必要排ガス流量の変化を示す図である。 図６は、装入石炭の水分率の変化に対する補正係数の変化を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である石炭調湿設備の制御装置及び制御方法について説明する。

まず、図１を参照して、本発明の一実施形態である石炭調湿設備の制御装置及び制御方法が適用される石炭調湿設備の構成について説明する。

〔石炭調湿設備の構成〕
図１は、本発明の一実施形態である石炭調湿設備の制御装置及び制御方法が適用される石炭調湿設備の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である石炭調湿設備の制御装置及び制御方法が適用される石炭調湿設備１は、乾燥ドラム１１、駆動装置１２、蒸気供給源１３、送風機１４、集塵機１５、集塵ファン（排風ファン）１６、及び煙突１７を主な構成要素として備えている。

乾燥ドラム１１は、円筒形状の部材によって構成され、石炭装入口１１ａ側が石炭排出口１１ｂ側より鉛直方向上方に位置するように水平方向に対して斜めに配置されている。また、乾燥ドラム１１の内部には図示しない複数の蒸気配管が配列されている。駆動装置１２は、乾燥ドラム１１の軸方向を回転軸方向として乾燥ドラム１を回転する装置である。蒸気供給源１３は、乾燥ドラム１１内の図示しない複数の蒸気配管の内部に蒸気を供給する装置である。

送風機１４は、乾燥ドラム１１の石炭装入口１１ａ側に設けられたキャリアガス供給口１１ｃから乾燥ドラム１１の内部にキャリアガス（エアー）を供給する装置である。集塵機１５は、乾燥ドラム１１の石炭排出口１１ｂ側に設けられたキャリアガス排出口１１ｄから排出されたキャリアガス（排ガス）中に含まれる水分や粉塵を除去した後に集塵ファン１６側にキャリアガスを排出する装置である。集塵ファン１６は、キャリアガス排出口１１ｄから集塵機１５に向けてキャリアガスを吸引すると共に、煙突１７を介して集塵機１５から排出されたキャリアガスを外部に排出する装置である。

このような構成を有する石炭調湿設備１において石炭の水分量を調整する際には、まず、蒸気供給源１３が乾燥ドラム１１内の蒸気配管の内部に蒸気を供給すると共に、送風機１４が乾燥ドラム１１内にキャリアガスを導入する。これにより、キャリアガスは、蒸気配管内の蒸気と熱交換することによって間接加熱される。次に、駆動装置１２によって乾燥ドラム１１を回転させながら、ベルトコンベア２１を利用して石炭装入口１１ａから乾燥ドラム１１内に石炭ＷＣを装入する。乾燥ドラム１１内に装入された石炭（装入石炭）ＷＣは、キャリアガスによって加熱されることによって所定の水分量に調整される。そして、所定の水分量に調整された石炭（排出石炭）ＤＣは、ベルトコンベア２２を利用して石炭排出口１１ｂを介して乾燥ドラム１１の外に排出される。

〔制御系の構成〕
次に、図１を参照して、上記石炭調湿設備１の制御系の構成について説明する。

図１に示すように、石炭調湿設備１の制御系は、秤量機３１、入側水分計３２、秤量機３３、出側水分計３４、インバータ装置３５、及び制御装置３６を備えている。

秤量機３１は、装入石炭ＷＣの装入量Ｗ［ｔ／ｈｒ］を測定し、装入石炭ＷＣの装入量Ｗ［ｔ／ｈｒ］を示す電気信号を制御装置３６に出力する装置である。

入側水分計３２は、装入石炭ＷＣの水分率Ｈ１［％−ＷＢ］を測定し、装入石炭ＷＣの水分率Ｈ１［％−ＷＢ］を示す電気信号を制御装置３６に出力する装置である。

秤量機３３は、排出石炭ＤＣの排出量［ｔ／ｈｒ］を測定し、排出石炭ＤＣの排出量［ｔ／ｈｒ］を示す電気信号を制御装置３６に出力する装置である。

出側水分計３４は、排出石炭ＤＣの水分率Ｈ２［％−ＷＢ］を測定し、排出石炭ＤＣの水分率Ｈ２［％−ＷＢ］を示す電気信号を制御装置３６に出力する装置である。

インバータ装置３５は、制御装置３６からの制御信号に基づいて集塵ファン１６の回転数を制御することにより集塵機１５の風量を制御する装置である。

制御装置３６は、ＤＣＳ（Distributed Control System）等の制御装置によって構成され、石炭調湿設備１全体の動作を制御する。

〔石炭調湿設備の制御方法〕
次に、本発明の一実施形態である石炭調湿設備の制御方法について説明する。

本発明の発明者は、キャリアガス排出口１１ｄにおけるキャリアガスの湿度（出口ガス湿度）が一定となるように各種測定値に基づいてキャリアガス供給口１１ｃから供給されるキャリアガスの必要流量（必要キャリアガス流量）を計算し、制御されたキャリアガス流量に基づいて集塵機１５の風量（必要排ガス流量）を調整すれば消費電力を低減できると考え、必要キャリアガス風量の算出を試みた。具体的には、まず、集塵炉布での結露を回避するために出口ガス湿度を規定値以下とする観点から、出口ガス湿度Ｄを結露限界により定まる上限値Ｄｃとすることによって、結露を回避できる最低限のキャリアガスの流量を計算した。詳しくは、以下に示す数式（１）を用いてキャリアガス流量の増減調整の必要量ｄＸを計算し、キャリアガス流量の実績値Ｘ［Ｎｍ^３／ｈｒ］を流量Ｘ＋ｄＸに調整する操作を行ない、出口ガス湿度Ｄの測定値が上限値Ｄｃよりも低い場合はキャリアガスの流量を減らし、出口ガス湿度Ｄの測定値が上限値Ｄｃよりも高い場合にはキャリアガスの流量を増加させた。なお、出口ガス湿度Ｄの上限値Ｄｃは、公知の飽和水蒸気量の計算値から求めた値であり、温度によって定まる値である。

ところが、この方式では、出口ガス湿度Ｄが収束せずに発散する不具合が多発したため、結露を回避するために必要排ガス流量を高く設定せざるを得なかった。これは、キャリアガスの流量が変化するとキャリアガスの温度も変化し、飽和水蒸気量と水蒸気発生量が変化することが原因であると考えられる。そこで、本発明の発明者は、キャリアガスの温度の変化を予測し、予測されたキャリアガスの温度から飽和水蒸気量を計算し、飽和水蒸気量に応じて水蒸気発生量が変化することを必要キャリアガス流量の計算に反映させた。具体的には、以下に示す数式（２）を用いてキャリアガスの流量を調整した後のキャリアガス排出口１１ｄにおけるキャリアガスの温度Ｔ’を推定し、以下に示す数式（３），（４）を用いてキャリアガスの流量の調整前後におけるキャリアガスの飽和水蒸気量Ｖ，Ｖ’を推定する。そして、キャリアガスの温度Ｔ’及び飽和水蒸気量Ｖ，Ｖ’を以下に示す数式（５）に代入することによって水蒸気発生量の変化を反映した必要キャリアガス流量Ｘ’［Ｎｍ^３／ｈｒ］を算出した。

なお、数式（２）中、Ｔは、キャリアガスの流量を調整する前のキャリアガス排出口１１ｄにおけるキャリアガスの温度［℃］を示す。また、数式（３），（４）において、Ｖはキャリアガスの流量調整前におけるキャリアガスの飽和水蒸気量［ｋｇ／Ｎｍ^３］を示し、Ｖ’はキャリアガスの流量調整後におけるキャリアガスの飽和水蒸気量［ｋｇ／Ｎｍ^３］を示す。

しかしながら、この方式によれば、出口ガス湿度Ｄが収束せずに発散する不具合は減少したものの、解消には至らなかった。これは、装入石炭ＷＣ中の水分の蒸発は必ずしもキャリアガスの飽和水蒸気量に依存する蒸発反応律速ではなく、装入石炭ＷＣの装入速度や形状及び乾燥ドラム１１内の流動状況の変動に応じて、熱量の供給速度や装入石炭ＷＣ内部の水分の移動速度等の律速因子が変化するためであると考えられる。すなわち、乾燥ドラム１１内でのキャリアガスの滞留時間は装入石炭ＷＣの滞留時間に比べて極めて短いため、キャリアガス排出口１１ｄにおけるキャリアガスの温度や湿度は短時間の律速因子の変化にも敏感に反応する。しかしながら、これは石炭排出口１１ｂでの排出石炭ＤＣの乾燥度合を反映しているとは言い難く、必要キャリアガス流量の計算に用いることは不適当である。

そこで、本発明の発明者は、キャリアガス排出口１１ｄにおけるキャリアガスの湿度の測定値は計算に用いずに、キャリアガスによって乾燥ドラム１１外に排出されるべき水分量、すなわち装入石炭ＷＣと排出石炭ＤＣの水分量差と装入石炭量から必要キャリアガス流量を計算することを着想した。図２は、本発明の一実施形態である石炭調湿設備の制御方法の流れを示すフローチャートである。図２に示すように、本発明の一実施形態である石炭調湿設備の制御方法では、まず、制御装置３６が、秤量機３１、入側水分計３２、及び出側水分計３４の測定値を用いて、以下に示す数式（６），（７）により装入石炭ＷＣの水分量Ａ［ｔ／ｈｒ］及び排出石炭ＤＣの水分量Ｂ［ｔ／ｈｒ］を算出する（ステップＳ１）。ここで、数式（６），（７）中、Ｈ１は装入石炭ＷＣの水分率［％−ＷＢ］、Ｈ２は排出石炭ＤＣの水分率［％−ＷＢ］、Ｗは装入石炭の装入量［ｔ／ｈｒ］を示す。

次に、制御装置３６は、以下に示す数式（８），（９）を用いて必要キャリアガス流量Ｘ［Ｎｍ^３／ｈｒ］及び必要排ガス流量Ｙ［Ｎｍ^３／ｈｒ］を算出する（ステップＳ２）。ここで、数式（８）中、Ｃはキャリアガス供給口１１ｃにおけるキャリアガスの湿度［％］を示し、Ｄはキャリアガス排出口１１ｄにおけるキャリアガスの湿度を示す。キャリアガスの湿度Ｃ，Ｄは、測定値ではなく固定の目標値とすることにより、必要キャリアガス流量Ｘ及び必要排ガス必要流量Ｙを自律的に収束させる効果が得られる。

次に、制御装置３６は、算出された必要排ガス流量Ｙに基づいて集塵ファン１６の必要回転数ｒ［ｒｐｍ］を算出する（ステップＳ３）。具体的には、集塵機１５の定格集塵風量をＺ［Ｎｍ^３／ｈｒ］とし、定格集塵風量Ｚに必要な集塵ブロア１６の回転数を定格回転数Ｒ［ｒｐｍ］とする。そして、定格集塵風量Ｚに対する必要排ガス流量Ｙの比率（以下、補正係数αと表記）が集塵ファン１６の必要回転数となるため、集塵ファン１６の必要回転数ｒ［ｒｐｍ］を以下に示す数式（１０），（１１）により求める。なお、最低排風量を設定する必要がある場合には、補正係数αに下限値を設けるとよい。

そして最後に、制御装置３６は、算出された必要回転数ｒに応じた回転数指令をインバータ装置３５に出力することによって、集塵ファン１６の回転数を必要回転数ｒに制御する（ステップＳ４）。これにより、装入石炭ＷＣの水分量に応じて集塵ファン１６の回転数が制御されるので、必要排ガス流量に応じて集塵機１５の風量を変化させ、消費電力を低減できる。

本実施例では、まず、装入石炭ＷＣの水分率Ｈ１を１１．２［％−ＷＢ］、排出石炭ＤＣの水分率Ｈ２を７．８［％−ＷＢ］として、装入石炭ＷＣの装入量Ｗの変化（１００〜４１０［ｔ／ｈｒ］）に対する必要キャリアガス流量Ｘ及び必要排ガス流量Ｙの変化を評価した。また、装入石炭ＷＣの装入量Ｗを４１０［ｔ／ｈｒ］、排ガス流量を定格集塵風量Ｚとして、装入石炭ＷＣの装入量Ｗの変化（１００〜４１０［ｔ／ｈｒ］）に対する補正係数αの変化を評価した。評価結果をそれぞれ図３（ａ），（ｂ）及び図４に示す。図３（ａ），（ｂ）及び図４に示すように、装入石炭ＷＣの装入量Ｗが減れば、必要キャリアガス流量Ｘ、必要排ガス流量Ｙ、及び補正係数αも下がり、その分だけ、集塵ファン１６の回転数を下げられることが確認された。

次に、排出石炭ＤＣの水分率Ｈ２を７．８［％−ＷＢ］、装入石炭ＷＣの装入量Ｗを４１０［ｔ／ｈｒ］としたときの、装入石炭ＷＣの水分率Ｈ１の変化（９〜１１．２［％−ＷＢ］）に対する必要キャリアガス流量Ｘ及び必要排ガス流量Ｙの変化を評価した。また、装入石炭ＷＣの水分率Ｈ１を１１．２［％−ＷＢ］で必要排ガス流量Ｙを定格集塵風量Ｚとしたときの、装入石炭ＷＣの水分率Ｈ１の変化（９〜１１．２［％−ＷＢ］）に対する補正係数αの変化を評価した。評価結果をそれぞれ図５（ａ），（ｂ）及び図６に示す。図５（ａ），（ｂ）及び図６に示すように、装入石炭ＷＣの装入量Ｗと同様に、装入石炭ＷＣの水分率Ｈ１が下がれば、必要キャリアガス流量Ｘ、必要排ガス流量Ｙ、及び補正係数αも下がり、その分だけ集塵ファン１６の回転数を下げられることが確認された。これにより、集塵ファン１６の回転数を下げた分だけ消費電力の低減を図ることができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 石炭調湿設備
１１ 乾燥ドラム
１１ａ 石炭装入口
１１ｂ 石炭排出口
１１ｃ キャリアガス供給口
１１ｄ キャリアガス排出口
１２ 駆動装置
１３ 蒸気供給源
１４ 送風機
１５ 集塵機
１６ 集塵ファン（排風ファン）
１７ 煙突
３１，３３ 秤量機
３２ 入側水分計
３４ 出側水分計
３５ インバータ装置
３６ 制御装置

Claims (3)

1. キャリアガスと共に水分や粉塵を設備外に排出する集塵機を備え、蒸気によって間接加熱されたキャリアガスを用いて装入石炭を乾燥させる石炭調湿設備の制御方法であって、
   装入石炭の水分量を所定の水分量にするために必要なキャリアガスの流量を必要キャリアガス流量として算出し、算出された必要キャリアガス流量に従って石炭調湿設備に供給するキャリアガスの流量を制御すると共に、キャリアガスの流量に応じて前記集塵機の風量を制御するステップを含むことを特徴とする石炭調湿設備の制御方法。
2. 請求項１に記載の石炭調湿設備の制御方法であって、
   装入石炭の水分量及び装入量に応じて前記必要キャリアガス流量及び前記集塵機の風量を変化させることを特徴とする石炭調湿設備の制御方法。
3. キャリアガスと共に水分や粉塵を設備外に排出する集塵機を備え、蒸気によって間接加熱されたキャリアガスを用いて装入石炭を乾燥させる石炭調湿設備の制御装置であって、
   装入石炭の水分量を所定の水分量にするために必要なキャリアガスの流量を必要キャリアガス流量として算出し、算出された必要キャリアガス流量に従って石炭調湿設備に供給するキャリアガスの流量を制御すると共に、キャリアガスの流量に応じて前記集塵機の風量を制御する手段を備えることを特徴とする石炭調湿設備の制御装置。

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