JP4352453B2 - コジェネレーションシステム - Google Patents

Description

この発明は、燃焼機器を有する発電機と、前記燃焼機器から排出される排ガスの排熱を回収する排ガスボイラとを備えるコジェネレーションシステム（熱電併給システムともいう。）に関する。

一般に、コジェネレーションシステムにおいては、前記燃焼機器の排ガス中に尿素水などの還元剤を注入し、この還元剤を触媒反応器上で排気ガス中のＮＯxと反応させ、ＮＯxを窒素と水とに分解することにより、排ガスボイラからのＮＯxの流出を防止することが行われる。こうした従来のコジェネレーションシステムにおいては、還元剤の注入量が前記発電機の出力を変数として制御されるために、季節変動の影響を受けて、還元剤注入量を精度良く実際のＮＯx発生量に追随させることができないという課題があった。

この課題を解決するために、前記還元剤注入量の補正を行うことが提案されている（特許文献１参照）。この補正方法は、つぎのようなものである。前記発電機の定格運転時のＮＯx濃度を測定し、この測定濃度と特定条件下のＮＯx濃度との差に対し、前記発電機により定まる固定の定数を乗算して補正値を求め、この補正値を前記還元剤注入量に加算して補正を行う。

特開２００３−１２６６５２号公報

この発明は、特許文献１に記載の発明のさらなる改良に関するものであって、発電機の部分負荷に対しても精度良く還元剤の注入量の補正を行うことを課題としている。

この発明は、前記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、燃焼機器を有する発電機と、前記燃焼機器から排出される排ガスの排熱を回収する排ガスボイラと、前記燃焼機器の下流側に設けられる触媒反応器と、前記触媒反応器上流側の排ガスへ還元剤を注入する還元剤注入器と、排ガスのＮＯx濃度を検出するＮＯx濃度検出手段と、前記発電機の発電量に応じて定める還元剤注入量を前記ＮＯx濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度に基づき前記発電機の定格負荷時および部分負荷時に補正する制御器とを備え、
前記制御器は、前記発電機の発電量Ｐに応じた第一注入量Ｇ１に下記補正率ａを乗算することにより前記補正を行うことを特徴としている。
ａ＝△ＧＣ／△ＧＰ＝（ＧＣ１−ＧＰ０）／（ＧＰ１−ＧＰ０）
計画ＮＯx低減量△ＧＰ＝（特定の条件下におけるＮＯx濃度ＧＰ１）−（前記触媒反応器３通過後の目標ＮＯx濃度ＧＰ０）
実際ＮＯx低減量△ＧＣ＝（前記ＮＯx濃度検出手段１４により検出されるＮＯx濃度ＧＣ１）−（前記目標ＮＯx濃度ＧＰ０）

請求項１に記載の発明によれば、前記発電機の部分負荷時においても当該部分負荷時に前記ＮＯx濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度に応じて変化する注入量補正を行うので、前記発電器の部分負荷時において前記発電機の定格負荷時のＮＯx濃度に基づき注入
量補正を行うものと比較して、部分負荷時においても精度良く還元剤注入量の補正が行われる。また、前記補正率ａを前記のように設定することにより、実際のＮＯx濃度と目標ＮＯx濃度とを加味した精度の良い注入量の補正が可能となる。

請求項２に記載の発明は、燃焼機器を有する発電機と、前記燃焼機器から排出される排ガスの排熱を回収する排ガスボイラと、前記燃焼機器の下流側に設けられる触媒反応器と、前記触媒反応器上流側の排ガスへ還元剤を注入する還元剤注入器と、排ガスのＮＯx濃度を検出するＮＯx濃度検出手段と、前記発電機の発電量に応じて定める還元剤注入量を、補正する制御器とを備え、
前記制御器は、前記発電機の定格負荷から所定部分負荷までの還元剤注入量を、前記発電量Ｐに応じて変化する第一注入量信号Ｇ１と前記ＮＯx濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度に基づき、つぎの式１に示される還元剤の第二注入量Ｇ２となるように補正するとともに、
前記所定部分負荷未満では、式１の補正値ＧＸを、前記所定部分負荷となった時点の検出ＮＯx濃度に基づく補正値ＧＸ０として補正することを特徴としている。
Ｇ２＝Ｇ１＋ＧＸ………………………式１
但し、ＧＸ＝ｋ×（ＧＣ１−ＧＰ１），
ＧＰ１：計画ＮＯx濃度，
ＧＣ１：ＮＯx濃度センサ１４により検出されるＮＯx濃度
ｋ：定数

請求項２に記載の発明によれば、前記発電機の部分負荷時においても当該部分負荷時の前記ＮＯx濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度に基づいて注入量補正を行うので、前記発電機の部分負荷時において前記発電機の定格負荷時のＮＯx濃度に基づき注入量補正
を行うものと比較して、部分負荷時においても精度良く還元剤注入量の補正が行われる。また、前記発電機の負荷が定格負荷から所定部分負荷までにおいては、検出ＮＯx濃度に基づく補正値ＧＸにより補正され、所定部分負荷未満の部分負荷時には、前記所定部分負荷となった時点の検出ＮＯx濃度に基づく補正値ＧＸ０により補正され、前記所定部分負荷未満の部分負荷においても、定格時のＮＯx濃度ではなく、部分負荷時のＮＯx濃度の変化を反映した補正がなされる。

この発明によれば、前記発電機の部分負荷において、精度良く還元剤注入量を制御することができる。

つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この発明の実施の形態は、燃焼機器を有する発電機と、前記燃焼機器から排出される排ガスの排熱を回収する排ガスボイラとを備えるコジェネレーションシステムに適用される。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１について説明する。この実施の形態１は、燃焼機器を有する発電機と、前記燃焼機器から排出される排ガスの排熱を回収する排ガスボイラと、前記燃焼機器の下流側に設けられる触媒反応器と、前記触媒反応器上流側の排ガスへ還元剤を注入する還元剤注入器と、前記触媒反応器上流側の排ガスのＮＯx濃度を検出するＮＯx濃度検出手段と、前記発電機の発電量（負荷）に応じて定める還元剤注入量を前記ＮＯx濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度に基づき前記発電機の定格負荷時および部分負荷時に補正する制御器とを備えることを特徴としている。

この実施の形態１においては、前記燃焼機器から排出される排ガスに対して前記還元剤注入器から還元剤が注入される。そして、この還元剤が前記触媒反応器上で排ガス中のＮＯxと反応して、ＮＯxが窒素と水に分解される。前記還元剤の注入量は、前記制御器により、前記発電機の発電量に応じて定める還元剤注入量に基づき制御される。そして、前記発電機の定格負荷（１００％負荷）時および部分負荷（たとえば９５％負荷時）ともに、ＮＯx濃度が変化すると、前記ＮＯx濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度に基づき、補正値が求められ、注入量が補正される。

この実施の形態１において、前記発電機は、好ましくは、季節変動によりＮＯx濃度変化が大きいガスエンジンを燃焼機器として有するものとするが、ガスタービン，ディーゼルエンジンなどの燃焼機器を有するものとすることができる。

また、前記排ガスボイラは、蒸気ボイラ，温水ボイラのいずれであっても良く、前記燃焼機器から排出される排ガスの熱を回収するものであれば、種類、形式を問わない。

また、前記触媒反応器は、尿素水，アンモニア，重炭酸アンモニウムなどの還元剤と排ガス中のＮＯxとの反応を促進させるものであれば、種類を問わない。前記触媒反応器の設置位置は、前記燃焼機器と前記排ガスボイラとの間の排ガス通路中，前記排ガスボイラの中に形成される排ガス通路中，前記排ガスボイラから排出される排ガスが流通する排ガス通路中のいずれであってもよい。この場合、前記脱硝反応器の設置位置に応じて排ガス温度が異なるので、その排ガス温度に適したＮＯx分解触媒を用いる。

また、前記還元剤注入器は、少なくとも還元剤を前記触媒反応器の上流側に注入するノズルとこのノズルへ還元剤を圧力をかけて供給するポンプとを含む。この実施の形態においては、前記ノズルおよび前記ポンプは、特定の構成のものに限定されるものではない。
前記還元剤注入器による還元剤の注入量の制御は、前記ポンプのストローク数制御によって実施される。

前記ＮＯx濃度検出器は、前記触媒反応器の上流側の排ガス中のＮＯx濃度を検出するものであればよく、特定の構成のものに限定されるものではなく、周知のセンサが用いられる。

前記制御器は、前記発電機から発電量の信号および前記ＮＯx濃度検出器からの検出信号を入力し、前記発電機の発電量Ｐに応じた第一注入量Ｇ１をベースとして制御し、このベース値Ｇ１に補正値ＧＸを加算して、前記還元剤注入器による還元剤注入量Ｇを補正出力する。前記第一注入量Ｇ１は、前記発電量Ｐの関数として関数発生器にて導出するか、前記発電量に対する注入量をテーブルとして前記制御器のメモリに記憶して、利用する。前記補正値ＧＸは、前記ＮＯx濃度検出手段による検出濃度に応じて変化する（異なる）値となるように，演算回路により演算される。

前記補正値ＧＸは、好ましくは、実際ＮＯx低減量△ＧＣに比例する値とする。前記実
際ＮＯx低減量△ＧＣとは、前記濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度ＧＣ１から前記触媒反応器通過後の計画ＮＯx濃度ＧＰ１を差し引いた値である。すなわち、補正ＧＸは、次式で表現される。

ＧＸ＝ｋ×（ＧＣ１−ＧＰ１）
但し、ｋは定数である。

前記補正値ＧＸをこのように設定することにより、前記発電機の定格負荷および部分負荷時において、それぞれの負荷時に測定したＮＯx濃度に基づいた注入量の補正が可能となる。

さらに、前記制御器による補正は、前記第一注入量Ｇ１に補正値ＧＸを加算することにより行っているが、前記第一注入量Ｇ１に補正率ａを乗算することにより行うように構成することができる。

前記補正率ａは、好ましくは、計画ＮＯx濃度低減量△ＧＰ対する実際ＮＯx低減量△ＧＣの比率に比例する値とする。前記計画ＮＯx低減量△ＧＰとは、特定の条件（計画）下
におけるＮＯx濃度ＧＰ１から前記触媒反応器通過後の目標ＮＯx濃度ＧＰ０（低減目標とするＮＯx濃度）を差し引いた値である。また，前記実際ＮＯx低減量△ＧＣとは、前記濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度ＧＣ１から前記目標ＮＯx濃度ＧＰ０を差し引いた値である。すなわち、補正率ａは、次式で表現される。

ａ＝△ＧＣ／△ＧＰ＝（ＧＣ１−ＧＰ０）／（ＧＰ１−ＧＰ０）

前記補正率ａをこのように設定することにより、実際のＮＯx濃度と目標ＮＯx濃度とを加味した精度の良い注入量の補正が可能となる。

以上のように、この実施の形態１によれば、前記発電機の定格負荷時および部分負荷時ともに、実際のＮＯx濃度の変化を加味した還元剤の注入量の補正が行われる。その結果、前記発電機の負荷が変化しても精度の高い還元剤注入量制御を行うことができる。

この発明は、前記実施の形態１に限定されるものではなく、つぎの実施の形態２を含む。

（実施の形態２）
この実施の形態２は、燃焼機器を有する発電機と、前記燃焼機器から排出される排ガスの排熱を回収する排ガスボイラと、前記燃焼機器の下流側に設けられる触媒反応器と、前記触媒反応器上流側の排ガスへ還元剤を注入する還元剤注入器と、前記触媒反応器上流側の排ガスのＮＯx濃度を検出するＮＯx濃度検出手段と、前記発電機の発電量（負荷）に応じて定める還元剤注入量を、前記発電機の定格負荷時前記ＮＯx濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度に基づき補正し、部分負荷時当該部分負荷時のＮＯx濃度に基づく固定値で補正する制御器とを備えることを特徴としている。

この実施の形態２において、前記実施の形態１と異なるのは、前記発電機の発電量に応じて定める還元剤注入量を、前記発電機の定格負荷時前記ＮＯx濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度に基づき補正し、部分負荷時当該部分負荷となった時のＮＯx濃度に基づく固定値で補正する点である。以下、前記実施の形態１と異なる部分のみ説明するが、同じ部分ついての説明を省略する。

この実施の形態２においては、前記発電機の定格負荷時には、前記ＮＯx濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度に基づく補正が行われ、部分負荷時には当該部分負荷となった時のＮＯx濃度に基づく固定値で補正が行われる。

以上のように、この実施の形態２によれば、前記発電機の部分負荷時には当該部分負荷となった時のＮＯx濃度に基づく固定値で補正が行われるので、精度の高い還元剤注入量制御を行うことができる。

さらに、前記の実施の形態１，２は、つぎの脱硝方法の実施の形態３，４を含む。

（実施の形態３）
この実施の形態３は、前記実施の形態１により実現される脱硝方法であって、発電機の燃焼機器から排出される排ガスへ還元剤を注入し、脱硝反応器にて排ガス中のＮＯxを分解するコジェネレーションシステムの排ガス脱硝方法において、前記発電機の発電量に応じて定める還元剤注入量を前記発電機の負荷の変化に応じて前記ＮＯx濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度に基づき前記発電機の定格負荷時および部分負荷時に補正することを特徴としている。

（実施の形態４）
この実施の形態４は、前記実施の形態２により実現される脱硝方法であって、発電機の燃焼機器から排出される排ガスへ還元剤を注入し、脱硝反応器にて排ガス中のＮＯxを分解するコジェネレーションシステムの排ガス脱硝方法において、前記発電機の発電量に応じて定める還元剤注入量を、前記発電機の定格負荷時前記ＮＯx濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度に基づき補正し、部分負荷時当該部分負荷時のＮＯx濃度に基づく固定値で補正することを特徴としている。

以下、前記実施の形態１に対応するこの発明の具体的実施例１を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、実施例１の概略構成図であり、図２は、同実施例１の電気的ブロック回路図である。

前記実施例１は、コジェネレーションシステムであり、主たる構成要素は、発電機１，発電機１の排ガスから排熱を回収する排ガスボイラ２，還元剤としての尿素水ＮＨ₃を用いて排ガス中のＮＯxを分解する触媒反応器３，尿素水を注入する還元剤注入器４である。

前記発電機１は、燃焼機器としてのガスエンジン５と発電部６を有する。ガスエンジン５には、吸気通路７を備える。

前記触媒反応器３は、前記ガスエンジン５と前記排ガスボイラ２との間の第一排ガス通路８に設けられる。前記触媒反応器３は、約４００℃〜４５０℃の排ガス温度領域において、尿素水とＮＯxの反応を促進し、ＮＯxを窒素と水とに分解する機能を有する。

前記還元剤注入器４は、注入ノズル９と、この注入ノズル９へ還元剤流路１０を介して接続され、還元剤貯留タンク（図示省略）から前記注入ノズル９へ供給する電磁式のポンプ１１とを有する。

前記排ガスボイラ２には、熱回収後の排ガスを大気へ放出するための第二排ガス通路１２を有している。

前記ポンプ１１は、制御器１３により制御される。前記制御器１３は、前記触媒反応器３の上流側の第一排ガス通路８における排ガスのＮＯx濃度検出手段としてのＮＯx濃度センサ１４の検出濃度信号ＧＣ１と前記発電機１の発電量信号Ｐとを入力し、つぎの式に示
される還元剤の第二注入量Ｇ２となるように前記ポンプ１１を制御する。
Ｇ２＝Ｇ１＋ＧＸ………………………式１
但し、ＧＸ＝ｋ×（ＧＣ１−ＧＰ１），
ＧＰ１：計画ＮＯx濃度，
ＧＣ１：ＮＯx濃度センサ１４により検出されるＮＯx濃度
ｋ：定数

前記制御器１３による還元剤注入量の制御は、図２の処理ブロック図により実現される。図２において、前記発電機１の発電量信号Ｐは、比率演算回路１５へ入力され、前記発電量Ｐに応じて変化する第一注入量信号Ｇ１を発生する。また、前記発電量信号Ｐは、関数発生回路１６へも入力され、前記特定条件下におけるＮＯx濃度信号ＧＰ１を
発生する。

一方、前記ＮＯx濃度センサ１４にて検出されたＮＯx濃度信号ＧＣ１は、減算回路１７へ入力され、計画ＮＯx濃度ＧＣ１との差分の信号△ＧＣ（＝ＧＣ１−ＧＰ１）が出力される。この信号△ＧＣは、補正値演算回路１８へ入力され、ここで前記補正値ＧＸが生成され、加算回路１９へ入力される。前記加算回路１９においては、Ｇ１＋ＧＸの演算がなされ、前記ポンプ１１を制御するための還元剤の第二注入量信号Ｇ２が出力される。この第二注入量信号Ｇ２は、前記制御器１３の一部を構成するポンプ制御部（図示省略）へ送信され、前記ポンプ１１による注入量を制御する。

つぎに、上記構成の実施例１の作用を説明する。前記燃焼機器５から排出されるＮＯx濃度が季節変動により変化する。その変化は、前記発電機１の負荷，すなわち発電量Ｐの変化に対して、前記ＧＣ１との差が一様となるように（一定値となるように）変化するものではない。

ＮＯx濃度が、このように変化した場合、その変化は、前記△Ｇとして把握され、補正値ＧＸとして、前記補正値演算回路１８から出力される。しかも、前記発電機１が定格負荷，９５％などのの部分負荷のいずれであっても、ＮＯx濃度の変化を反映した補正値ＧＸにより補正がなされる。

以下、前記実施の形態２に対応するこの発明の具体的実施例２を図面に基づいて詳細に説明する。図３は、実施例２の電気的ブロック回路図である。

この実施例２において、前記実施例１と異なる構成のみ説明し、同じ構成については同一符号を付して省略する。

実施例２において、前記実施例１と異なるのは、補正値ＧＸが、前記発電機１の定格負荷時は、検出ＮＯx濃度に基づく検出ＮＯx濃度に対して変化する補正値となり、９５％未満の部分負荷時は、９５％負荷となった時点での検出濃度に基づく固定値ＧＸ０となる点である。

具体的に前記の異なる部分を説明するに、図３において、補正値ＧＸを算出する補正値演算回路２１を設けた点である。注入量補正演算回路２１は、補正演算回路２２と自動／手動切替回路２３とを含む。前記補正演算回路２２は、前記実施例１の関数発生回路１６と前記第一減算回路１７と補正値演算回路１８の機能を含む。前記自動／手動切替回路２３は、前記発電機１の負荷に応じて、その出力をＮＯx濃度に対して変化する補正値ＧＸと前記固定値ＧＸ０とに切り替える回路の機能を有する。すなわち、前記自動／手動切替回路２３が前記発電量信号Ｐに基づいて、定格負荷と判定すると前記補正値演算回路２１からＮＯx濃度の変化に基づく前記実施例１と同様の補正値ＧＸを出力し、９５％の部分負荷と判定すると、当該９５％部分負荷となった時点の検出ＮＯx濃度に基づく補正値ＧＸ０を記憶し、９５％未満の部分負荷では固定の補正値ＧＸ０を出力し続ける。定格負荷から９５％部分負荷は、定格負荷時と同様にＮＯx濃度の変化に基づく前記実施例１と同様の補正値ＧＸを出力する。

前記構成の実施例２の作用を説明する。ＮＯx濃度が前記実施例１において記載のように変化した場合、前記発電機１の負荷が定格負荷から９５％負荷においては、検出ＮＯx濃度に基づく補正値ＧＸとして、前記補正値演算回路２１から出力される。また、９５％未満の部分負荷時には、固定の補正値ＧＸ０として力される。こうして、９５％未満の部分負荷においても、定格時のＮＯx濃度ではなく、部分負荷時のＮＯx濃度の変化を反映した補正がなされる。

本発明の実施例１の概略構成を示す説明図である。 同実施例１のブロック的回路構成を示す説明図である。 本発明の実施例２のブロック的回路構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 発電機
２ 排ガスボイラ
３ 脱硝反応器
４ 還元剤注入器
５ 燃焼機器
１４ ＮＯx濃度センサ

Claims (2)

1. 燃焼機器５を有する発電機１と、前記燃焼機器５から排出される排ガスの排熱を回収する排ガスボイラ２と、前記燃焼機器５の下流側に設けられる触媒反応器３と、前記触媒反応器３上流側の排ガスへ還元剤を注入する還元剤注入器４と、排ガスのＮＯx濃度を検出するＮＯx濃度検出手段１４と、前記発電機１の発電量に応じて定める還元剤注入量を前記ＮＯx濃度検出手段により検出されるＮＯx濃度に基づき前記発電機１の定格負荷時および部分負荷時に補正する制御器１３とを備え、
   前記制御器１３は、前記発電機１の発電量Ｐに応じた第一注入量Ｇ１に下記補正率ａを乗算することにより前記補正を行うことを特徴とするコジェネレーションシステム。
   ａ＝△ＧＣ／△ＧＰ＝（ＧＣ１−ＧＰ０）／（ＧＰ１−ＧＰ０）
   計画ＮＯx低減量△ＧＰ＝（特定の条件下におけるＮＯx濃度ＧＰ１）−（前記触媒反応器３通過後の目標ＮＯx濃度ＧＰ０）
   実際ＮＯx低減量△ＧＣ＝（前記ＮＯx濃度検出手段１４により検出されるＮＯx濃度ＧＣ１）−（前記目標ＮＯx濃度ＧＰ０）
2. 燃焼機器を有する発電機１と、前記燃焼機器５から排出される排ガスの排熱を回収する排ガスボイラ２と、前記燃焼機器５の下流側に設けられる触媒反応器３と、前記触媒反応器３上流側の排ガスへ還元剤を注入する還元剤注入器４と、排ガスのＮＯx濃度を検出するＮＯx濃度検出手段１４と、前記発電機１の発電量に応じて定める還元剤注入量を、補正する制御器１３とを備え、
   前記制御器１３は、前記発電機１の定格負荷から所定部分負荷までの還元剤注入量を、前記発電量Ｐに応じて変化する第一注入量信号Ｇ１と前記ＮＯx濃度検出手段１４により検出されるＮＯx濃度に基づき、つぎの式１に示される還元剤の第二注入量Ｇ２となるように補正するとともに、
   前記所定部分負荷未満では、式１の補正値ＧＸを、前記所定部分負荷となった時点の検出ＮＯx濃度に基づく補正値ＧＸ０として補正することを特徴とするコジェネレーションシステム。
   Ｇ２＝Ｇ１＋ＧＸ………………………式１
   但し、ＧＸ＝ｋ×（ＧＣ１−ＧＰ１），
   ＧＰ１：計画ＮＯx濃度，
   ＧＣ１：ＮＯx濃度センサ１４により検出されるＮＯx濃度
   ｋ：定数

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