特許 7427154 固体燃料ベースの燃焼プロセスのフィードバック制御を改善するための動的熱発生計算

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-26

(45)【発行日】2024-02-05

(54)【発明の名称】固体燃料ベースの燃焼プロセスのフィードバック制御を改善するための動的熱発生計算

(51)【国際特許分類】

   F23N 5/00 20060101AFI20240129BHJP

   F22B 35/00 20060101ALI20240129BHJP

   F23G 5/50 20060101ALI20240129BHJP

【ＦＩ】

F23N5/00 G

F22B35/00 Z

F23G5/50 H

F23G5/50 L

F23N5/00 C

F23N5/00 T

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2020535279

(86)(22)【出願日】2018-09-11

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-01-21

(86)【国際出願番号】 CA2018051119

(87)【国際公開番号】W WO2019046972

(87)【国際公開日】2019-03-14

【審査請求日】2021-06-22

(31)【優先権主張番号】62/557,120

(32)【優先日】2017-09-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】523475365

【氏名又は名称】エネロ インヴェンションズ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100168871

【弁理士】

【氏名又は名称】岩上 健

(72)【発明者】

【氏名】ジャンヴィエ ブノワ

【審査官】古川 峻弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－０１０２５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９６５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－０９１４０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２７３７３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２３Ｎ ５／００

Ｆ２２Ｂ ３５／００

Ｆ２３Ｇ ５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体燃料ベースの燃焼プロセスを調節するための方法であって、
仮想センサで、少なくとも２つのセンサ値に基づき固体燃料ベースの熱発生器のための現在の瞬間熱発生量を決定する段階と、
前記現在の瞬間熱発生量を、蒸気流量及び蒸気ドラム圧力を含むセンサ値を得るように構成された低速コントローラから得た現在の燃焼速度要求と比較する段階と、
前記現在の瞬間熱発生量が前記現在の燃焼速度要求より低い場合、前記熱発生器のアンダーファイア空気流を増加させ、前記現在の瞬間熱発生量が前記現在の燃焼速度要求を上回る場合、前記熱発生器のアンダーファイア空気流を減少させる段階と、
を含む方法。

【請求項2】

前記現在の瞬間熱発生量は、前記熱発生器で生成された蒸気流量及び前記熱発生器の圧力変化に基づく、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記現在の瞬間熱発生量は、前記熱発生器から排出される燃焼排ガスの組成、前記熱発生器の温度プロフィール、前記熱発生器内の第１の地点と第２の地点との間で測定された熱伝達の差、及び前記熱発生器に関連した水ドラムのパラメータのうちの少なくとも１つにさらに基づく、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記現在の瞬間熱発生量が前記現在の燃焼速度要求と一致しない場合、前記熱発生器のオーバーファイア空気流を調整する段階をさらに含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

前記現在の瞬間熱発生量が前記現在の燃焼速度要求と一致しない場合、前記熱発生器への燃料流量を調整する段階をさらに含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

前記現在の瞬間熱発生量が前記現在の燃焼速度要求と一致しない場合、前記熱発生器の火格子の振動速度を調整する段階をさらに含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

前記現在の瞬間熱発生量を前記現在の燃焼速度要求と比較する段階は、前記現在の瞬間熱発生量と前記現在の燃焼速度要求との差が所定の許容差を超えているか否かを判定する段階を含み、
前記現在の燃焼速度要求と一致していない前記現在の瞬間熱発生量は、前記所定の許容差を超える差分を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

後続の燃焼速度要求を受け取る段階と、
後続の瞬間熱発生量を決定する段階と、
前記後続の瞬間熱発生量を前記後続の燃焼速度要求と比較する段階と、
前記後続の瞬間熱発生量が前記後続の現在の燃焼速度要求と一致しない場合、前記熱発生器の前記アンダーファイア空気流を調整する段階と、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記後続の瞬間熱発生量を決定する段階は、少なくとも１つの先に決定された前記瞬間熱発生量にさらに基づく、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

固体燃料ベースの燃焼プロセスを調節するためのシステムであって、
処理ユニットと、
非一時的コンピュータ可読メモリと、
を備え、前記非一時的コンピュータ可読メモリは、
仮想センサで、少なくとも２つのセンサ値に基づき固体燃料ベースの熱発生器のための現在の瞬間熱発生量を決定し、
前記現在の瞬間熱発生量を、蒸気流量及び蒸気ドラム圧力を含むセンサ値を得るように構成された低速コントローラから得た現在の燃焼速度要求と比較し、
前記現在の瞬間熱発生量が前記現在の燃焼速度要求より低い場合、前記熱発生器のアンダーファイア空気流を増加させ、前記現在の瞬間熱発生量が前記現在の燃焼速度要求を上回る場合、前記熱発生器のアンダーファイア空気流を減少させる、
ために、前記処理ユニットで実行可能なプログラム命令を記憶する、システム。

【請求項11】

前記現在の瞬間熱発生量は、前記熱発生器で生成される蒸気流量及び前記熱発生器の圧力に基づく、請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記現在の瞬間熱発生量は、前記熱発生器から排出される燃焼排ガスの組成、前記熱発生器の温度プロフィール、前記熱発生器内の第１の地点と第２の地点との間で測定された熱伝達の差、及び前記熱発生器に関連した水ドラムのパラメータのうちの少なくとも１つにさらに基づく、請求項１１に記載のシステム。

【請求項13】

前記プログラム命令は、前記現在の瞬間熱発生量が前記現在の燃焼速度要求と一致しない場合、前記熱発生器のオーバーファイア空気流を調整するためにさらに実行可能である、請求項１０から１２のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項14】

前記プログラム命令は、前記現在の瞬間熱発生量が前記現在の燃焼速度要求と一致しない場合、前記熱発生器への燃料流量を調整するためにさらに実行可能である、請求項１０から１３のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項15】

前記プログラム命令は、前記現在の瞬間熱発生量が前記現在の燃焼速度要求と一致しない場合、前記熱発生器の火格子の振動速度を調整するためにさらに実行可能である、請求項１０から１４のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項16】

前記現在の瞬間熱発生量を前記現在の燃焼速度要求と比較する段階は、前記現在の瞬間熱発生量と前記現在の燃焼速度要求との差が所定の許容差を超えているか否かを判定する段階を含み、
前記現在の燃焼速度要求と一致していない前記現在の瞬間熱発生量は、前記所定の許容差を超える差分を含む、請求項１０から１５のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項17】

前記プログラム命令は、
後続の燃焼速度要求を受け取り、
後続の瞬間熱発生量を決定し、
前記後続の瞬間熱発生量を前記後続の燃焼速度要求と比較し、
前記後続の瞬間熱発生量が前記後続の現在の燃焼速度要求と一致しない場合、前記熱発生器の前記アンダーファイア空気流を調整するためにさらに実行可能である、請求項１０に記載のシステム。

【請求項18】

前記後続の瞬間熱発生量の決定は、少なくとも１つの先に決定された前記瞬間熱発生量にさらに基づく、請求項１７に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願）
本出願は、米国特許法１１９条（ｅ）の下での２０１７年９月１１日出願の米国仮出願番号６２／５５７，１２０の優先権を主張し、その開示内容は引用により本明細書に組み込まれている。

【0002】

（技術分野）
本開示は熱発生器に関し、より具体的にはバイオマスベースの熱発生器の制御に関する。

【背景技術】

【0003】

バイオマス、廃棄物、又は石炭などの固体燃料は、長い間エネルギー発生のための燃料の供給源として用いられてきた。従来、固体燃料は、密閉又は半密閉空間で燃焼され、固体燃料の燃焼は熱の形態のエネルギーを発生する。最近、グリーンエネルギー、エネルギー効率、及び廃棄物削減に向けた取り組みは、固体燃料ベースのエネルギー発生の復活につながっている。最新の固体燃料熱発生器は、炉又は他の筐体の中で固体燃料を燃焼し、燃焼及び熱分解によって生じる熱を利用して蒸気を発生させる。蒸気は、熱をヒートシンクに伝達するために又はタービンを通して発電するために使用され、又は他の有効仕事を生み出すために使用される。

【0004】

固体燃料特有の特性により、固体燃料の燃焼プロセスは、多少不規則であり予測不可能である。実際には、密接なガス／空気混合に起因して燃焼反応が迅速な気体燃料とは異なり、固体燃料燃焼は、様々な水分含有量、密度、表面積／体積の比率、露出した燃料／空気表面積、化学組成などの程度によって緩慢であり予測可能性に劣る。加えて、熱発生器の中への固体燃料の供給プロセスは、多くの場合不規則であり、熱生成における急増又は急減につながる場合がある。これらの特性は、時間と共に変化し、典型的には、センサで正確に測定することができず、燃焼プロセス全体にわたって変化することになり、熱発生を所望の目標値に維持することを非常に難しくする。これらの難しい燃焼ダイナミックスに起因して、従来の固体燃料熱発生器の制御方式は、熱発生器への固体燃料の燃料入力を調節することによって熱発生変動に対応するように設計される。燃料入力の調節は、熱発生の緩慢な補正につながり、発生器の熱発生を目標値に維持するのを極め難しくし、システムが蒸気凝縮、蒸気通気、及び追加ガス燃焼などの、全プロセス熱バランスを得るための他の高速アクチュエータに依存することを強いる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従って、固体燃料熱発生器の制御を改善する必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示は、固体燃料ベースの燃焼プロセスを調節するための方法及びシステムを記載する。

【0007】

広義の態様によれば、固体燃料ベースの燃焼プロセスを調節するための方法が提供される。固体燃料ベースの熱発生器のための現在の瞬間熱発生量は、仮想センサで決定される。現在の瞬間熱発生量は、現在の燃焼速度要求と比較される。現在の瞬間熱発生量が現在の燃焼速度要求と一致しない場合、熱発生器のアンダーファイア空気流が調整される。

【0008】

一部の実施形態において、現在の瞬間熱発生量は、熱発生器から発生する蒸気流量及び熱発生器の圧力変化に基づく。

【0009】

一部の実施形態において、現在の瞬間熱発生量は、さらに熱発生器から発生する燃焼排ガスの組成、熱発生器の温度プロフィール、熱発生器内の第１の地点と第２の地点との間で測定された熱伝達の差、及び熱発生器に関連する水ドラムのパラメータのうちの少なくとも１つに基づく。

【0010】

一部の実施形態において、本方法は、変動レベルが現在の燃焼要求と一致しない場合、熱発生器のオーバーファイア空気流を調整する段階をさらに含む。

【0011】

一部の実施形態において、本方法は、変動レベルが現在の燃焼要求と一致しない場合、熱発生器への燃料流量を調整する段階をさら含む。

【0012】

一部の実施形態において、本方法は、変動レベルが現在の燃焼要求と一致しない場合、熱発生器の火格子の振動速度を調整する段階をさらに含む。

【0013】

一部の実施形態において、現在の瞬間熱発生量を現在の燃焼速度要求と比較する段階は、現在の瞬間熱発生量が所定の許容差を超えるか否かを判定する段階を含み、現在の燃焼速度要求と一致しない現在の瞬間熱発生量は、所定の許容差を超える差分を含む。

【0014】

一部の実施形態において、本方法は、燃焼速度要求を受け取る段階をさらに含む。

【0015】

一部の実施形態において、本方法は、後続の燃焼速度要求を受け取る段階と、後続の瞬間熱発生量を決定する段階と、後続の瞬間熱発生量を後続の燃焼速度要求と比較する段階と、後続の瞬間熱発生量が後続の現在の燃焼要求と一致しない場合、熱発生器のアンダーファイア空気流を調整する段階と、をさらに含む。

【0016】

一部の実施形態において、瞬間熱発生量を決定する段階は、少なくとも１つの事前に決定された瞬間熱発生量にさらに基づく。

【0017】

別の広義の態様によれば、固体燃料ベースの燃焼プロセスを調節するためのシステムが提供される。システムは、処理ユニット及び非一時的コンピュータ可読メモリを含む。コンピュータ可読メモリは、仮想センサで固体燃料ベースの熱発生器の現在の瞬間熱発生量を決定し、現在の瞬間熱発生量を現在の燃焼速度要求と比較し、現在の瞬間熱発生量が現在の燃焼速度要求と一致しない場合、熱発生器のアンダーファイア空気流を調整するために、処理ユニットによって実行可能なプログラム命令を記憶する。

【0018】

一部の実施形態において、現在の瞬間熱発生量は、熱発生器から発生する蒸気流量及び熱発生器の圧力に基づく。

【0019】

一部の実施形態において、現在の瞬間熱発生量は、熱発生器から発生する燃焼排ガスの組成、熱発生器の温度プロフィール、熱発生器内の第１の地点と第２の地点との間で測定された熱伝達の差、及び熱発生器に関連する水ドラムのパラメータのうちの少なくとも１つにさらに基づく。

【0020】

一部の実施形態において、プログラム命令は、変動レベルが現在の燃焼速度要求と一致しない場合、熱発生器のオーバーファイア空気流を調整するためにさらに実行可能である。

【0021】

一部の実施形態において、プログラム命令は、変動レベルが現在の燃焼速度要求と一致しない場合、熱発生器への燃料流量を調整するためにさらに実行可能である。

【0022】

一部の実施形態において、プログラム命令は、変動レベルが現在の燃焼速度要求と一致しない場合、熱発生器の火格子の振動速度を調整するためにさらに実行可能である。

【0023】

一部の実施形態において、現在の瞬間熱発生量を現在の燃焼速度要求と比較する段階は、現在の瞬間熱発生量が所定の許容差を超えるか否かを判定する段階を含み、現在の燃焼速度要求と一致しない現在の瞬間熱発生量は、所定の許容差を超える差分を含む。

【0024】

一部の実施形態において、プログラム命令は、燃焼速度要求を受け取るためにさらに実行可能である。

【0025】

一部の実施形態において、プログラム命令は、後続の燃焼速度要求を受け取り、後続の瞬間熱発生量を決定し、後続の瞬間熱発生量を後続の燃焼速度要求と比較し、後続の瞬間熱発生量が後続の現在の燃焼速度要求と一致しない場合、熱発生器のアンダーファイア空気流を調整するためにさらに実行可能である。

【0026】

一部の実施形態において、後続の瞬間熱発生量の決定は、少なくとも１つの事前に決定された瞬間熱発生量にさらに基づく。

【0027】

本明細書で説明するシステム、デバイス、及び方法の特徴は、種々の組み合わせで用いることができ、種々の組み合わせでシステム及びコンピュータ可読記憶媒体に用いることもできる。

【0028】

本明細書で説明する実施形態のさらさる特徴及び利点は、添付の図面と組み合わせて以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】例示的な固体燃料熱発生器システムの図である。

【図2】実施形態による固体燃料ベースの燃焼プロセスを調節するための制御システムの図である。

【図3】例示的な演算システムのブロック図である。

【図4】図１の固体燃料熱発生器システムのための例示的な制御システムのブロック図である。

【図5】一実施形態による固体燃料ベースの燃焼プロセスを調節するための例示的な方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0030】

添付の図面全体にわたって、同様の特徴部は、同様の参照番号によって識別されることに留意されたい。

【0031】

図１を参照すると、固体燃料熱発生器システム１００が示されている。固体燃料熱発生器システム１００は、固体燃料１０２の燃焼を行うように機能し、それによって熱１０４を発生させる。固体燃料熱発生器システム１００は、炉１１０、ボイラー１２０、及び蒸気供給システム１３０を含む。炉１１０及びボイラー１２０は結合され、固体燃料１０２の燃焼によって炉１１０内で発生する熱がボイラー１２０の中の水を加熱して蒸気を発生させるようになっている。

【0032】

ボイラー１２０は、ボイラードラム１２２を含み、ボイラードラム１２２は、炉１１０の加熱作用による蒸気生成のための水を備える。また、ボイラー１２０は蒸気出口１２４を含み、ボイラードラム１２０内に生成された蒸気は、蒸気出口１２４を通ってボイラードラム１２２から流出する。ボイラー１２０及び蒸気供給システム１３０は、ボイラー１２０内で生成された蒸気が蒸気出口１２４を通って蒸気供給システム１３０に向かって送られるように結合される。次に、蒸気供給システム１３０は、固体燃料熱発生器システム１００で生成された蒸気をタービン又は他の蒸気ベースのエネルギー消費機器に送る。上記の説明は主として蒸気ボイラーに焦点を合わせているが、本明細書で説明するシステム及び方法は、温水ボイラー又は何らかの他の適切な種類のボイラーにも適用できること留意されたい。

【0033】

炉１１０は、実質的に密閉構造体であり、円筒形、長方形、矩形、又は何らかの他の適切な形状とすることができる。炉１１０は、何らかの適切な耐熱材料、例えば炭素鋼で作ることができる。炉１１０は、固体燃料１０２が例えばコンベアベルト１０６によって炉１１０に供給される開口部をその中に定める。コンベアベルト１０６は、燃焼のために炉１１０に向かって固体燃料１０２を輸送するように構成される。コンベアベルト１０６は、固体燃料を輸送し、これを例えば炉１１０中の開口部を用いて炉１１０内に堆積するための何らかの適切な機構とすることができる。コンベアベルト１０６は、何らかの適切な機構を用いて固体燃料１０２を入手することができ、何らかの適切な様式で固体燃料の貯蔵分と相互作用することができる。燃料を炉１１０に供給するための他の手法を検討できることに留意されたい。

【0034】

炉１１０は、表面格子１１２、例えば、燃焼のために固体燃料１０２がその上に置かれる火格子を内部に配置する。表面格子１１２は、炉１１０の全幅に広がることができ、炉１１０の床に対して何らかの適切な傾斜で角度を成すことができる。表面格子１１２は、何らかの適切な耐熱材料、例えば鋼で作ることができ、冷却用の空気又は水を使用する冷却システムを備えることができる。一部の実施形態において、表面格子１１２は、その中に１又は２以上の開口又は孔を定め、ここを通って空気又は他の酸化剤成分を固体燃料１０２の真下に向けることができる。一部の実施形態において、表面格子１１２は、１又は２以上のモータ又は類似の要素に結合され、これは表面格子１１２で動きを引き起こす。例えば、モータは、表面格子１１２の速度を調整すること及び／又は表面格子１１２に振動運動を与えることができ、これにより固体燃料１０２を表面格子１１２に沿って移動させることができる。一部の他の実施形態において、表面格子１１２は動かない。

【0035】

また、炉１１０は、典型的には、少なくともアンダーファイア空気入口１１４及び随意的にオーバーファイア空気入口１１６を含む２又は３以上の空気入口を有する。空気入口１１４、１１６は、空気又は他の酸化成分を炉１１０に供給するように構成され、それによって固体燃料１０２の燃焼を助ける。アンダーファイア空気入口１１４は、表面格子１１２の下又はその内部、従って固体燃料１０２の燃焼プロセスの高さより下又はほぼ同じ高さの何らかの適切な場所に配置することができる。一部の実施形態において、アンダーファイア空気入口１１４は、表面格子１１２に実質的に直接影響を与える。オーバーファイア空気入口１１６は、固体燃料１０２の燃焼プロセスの上の何らかの適切な場所に配置することができる。一部の実施形態において、入口１１４、１１６の各々は、一連の空気入口である。例えば、オーバーファイア空気入口１１６は、炉１１０内の様々な位置に配置される複数の空気入口を含むことができる。一部の実施形態において、空気入口１１４、１１６は、炉１１０の中への空気流を調整するために、手動式又は自動式とすることができるダンパを備える。一部の実施形態において、オーバーファイア空気入口１１６は省略される。

【0036】

また、炉１１０は、少なくとも燃焼排ガス出口１１８を含む１又は２以上の空気出口を有する。燃焼排ガス出口１１８は、総称して「燃焼排ガス」と呼ばれる固体燃料１０２の燃焼によって生じる煙霧及び他のガスのための排出経路を提供して、炉１１０から排出する。一部の実施形態において、燃焼排ガス出口１１８は、燃焼排ガスを外部環境に通気する。一部の他の実施形態において、燃焼排ガス出口１１８は、燃焼排ガスを後続の処理ステージ又はシステムに排出する。例えば、燃焼排ガスの一部又は全ては、別の熱回収プロセスの一部として用いられる。別の実施例では、燃焼排ガスは、外部環境に排出される前に、その中に見出される特定の化学物質又は微粒子を除去するように処理される。一部の実施形態において、燃焼排ガス出口１１８は、炉１１０の周りの種々の位置に配置される複数の燃焼排ガス出口である。

【0037】

複数のセンサ１４０が固体燃料熱発生器システム１００内及びその近くに配置される。センサ１４０を用いて、炉１１０、ボイラー１２０、及び蒸気供給システム１３０を含む、固体燃料熱発生器システム１００の構成要素の特性に関する種々のデータ点を監視、測定、及び制御する。センサ１４０の一部は、燃料入力特性を推測するために、熱入力対出力バランスの変化を測定するために、表面格子１１２の特性、例えば、火格子１１２の基部と炉１１０との間の差圧、表面格子１１２の又は表面格子１１２の近くの温度などを測定することによって表面格子１１２上の固体燃料１０２の相対高さを監視するために使用することができる。センサ１４０の一部を用いて、ボイラードラム１２２中の圧力レベル、蒸気出口１２４を通る蒸気の流量などを測定することができる。さらに他のタイプのセンサが考慮される。

【0038】

また、固体燃料熱発生器システム１００は、センサ１４０、及び、例えば、固体燃料熱発生器システム１００の１又は２以上のオペレータが用いる制御インタフェースである他の入力で収集した情報に基づいて、固体燃料熱発生器システム１００の作動を調整する制御システム１５０を備える。一部の実施形態において、制御システム１５０は、センサ１４０に通信可能に接続されて、センサから固体燃料熱発生器システム１００の特性に関するデータを取得する。他の実施形態において、センサ１４０は、制御インタフェース又は別のハイレベル中央コントローラに通信可能に接続され、これは次に必要な情報を制御システム１５０に提供する。

【0039】

制御システム１５０は、蒸気に関する所望レベルの要求に基づいて、実質的に安定した一定割合でボイラー１２０に蒸気を発生させることを目的として、固体燃料熱発生器システム１００の作動を調整する。ボイラー１２０による安定した制御可能な蒸気発生は、蒸気供給システム１３０への安定した蒸気送出を意味する。これは、結果として、蒸気供給システム１３０が利用できる蒸気量が、固体燃料熱発生器１００の能力に制約されず、様々なタービン及びヒートシンクで規定される総蒸気要求に従うことを意味する。これを行うには、制御システム１５０は、炉１１０内の燃焼プロセスを変更し、瞬間熱発生量（ＩＨＲ：Instantaneous Heat Release）を目標値に維持して何らかの制御されていない熱発生変動を軽減するように構成される。

【0040】

図２を参照して、固体燃料ベースの燃焼プロセスを調節するための制御システム２００の概略図が示されている。制御システム２００は、例えば、制御システム１５０の実施構成とすることができる。制御システム２００は、低速コントローラ２０２、ＩＨＲ仮想センサ２０４、高速コントローラ２０６、及びセットポイント調整器２０８を含む。

【0041】

低速コントローラ２０２は、センサ１４０のうちの１又は２以上から第１セットのセンサ値を得るよう構成され、蒸気流量、蒸気ドラム圧力などを含むことができる。低速コントローラ２０２は、例えば、蒸気圧に基づいて蒸気ヘッダシステム１３０のエネルギーレベルを測定する。

【0042】

ＩＨＲ仮想センサ２０４は、第１セットのセンサ値に基づいて低速コントローラ２０２から炉１１０のための現在の燃焼速度要求（firing rate demand）を受け取る。一部の実施形態において、現在の燃焼速度要求は、炉１１０のためのＩＨＲに関する必要値として規定される。炉１１０のＩＨＲ要求は、炉１１０内で固体燃料１０２の燃焼によって生じることになる瞬間的な熱発生量の総必要量である。

【0043】

ＩＨＲ仮想センサ２０４は、センサ１４０のうちの１又は２以上から第２セットのセンサ値を得るよう構成され、炉温度、炉圧力、燃焼排ガス組成、ドラム温度、ドラム圧力などを含むことができる。一部の実施形態において、ＩＨＲ仮想センサ２０４は、第２セットのセンサ値に基づいて炉１１０に関するプロセスＩＨＲの推定値を計算する。

【0044】

ＩＨＲを測定又は推定するために、ＩＨＲ仮想センサ２０４を用いて、センサ１４０から受け取ったものを含む、様々な情報に基づいて現在のＩＨＲの値を生成する。一部の実施形態において、ＩＨＲ仮想センサ２０４は、ボイラー１２０からの蒸気流量及びボイラードラム１２２の圧力に基づいてＩＨＲを決定する。例えば、ＩＨＲは以下の式で表すことができる。

【数1】

式中Ｆ_steamはボイラー１２０の蒸気消費率（steaming rate）であり（例えば、ある時間にわたる質量単位）、Ｋは所定の定数であり、ｄＰ_drum／ｄｔは、ボイラードラム１２２に関する圧力差である（例えば、ある時間にわたる圧力単位）。一部の実施形態において、Ｋは、例えば、蒸気供給システム１３０におけるボイラー１２０の下流の圧力変化よって生じる蒸気消費率の何らかの変動が、熱発生変化の正しくない表示として捨てられるように選択される。例えば、１又は２以上の非線形パラメータを有し、変数及び変数の変化率が動的に組み合わされる、ＩＨＲに関する複雑な式を用いることができる。別の実施例では、仮想センサ内でニューラルネットワーク又は他の機械学習システムを用いて、低速コントローラ２０２が受け取った目標ＩＨＲに基づく１又は２以上の制御変数として用いることができる、ＩＨＲに関するプロセス値を計算及び推定する。

【0045】

一部の実施形態において、ＩＨＲ仮想センサ２０４は、追加情報を用いてＩＨＲを決定する。例えば、燃焼排ガス出口１１８に排出された燃焼排ガスの化学組成、例えばその中のＯ₂の濃度は、ＩＨＲ仮想センサ２０４の付加的要因として用いられる。別の実施例では、表面格子１１２の温度及び／又は表面格子１１２上の固体燃料１０２の質量分布は、ＩＨＲ仮想センサ２０４の付加的要因として用いられる。同様に他の要因は、上述の要因のいずれかを含むＩＨＲ仮想センサ２０４を補う又は増強するのに用いることができる。

【0046】

高速コントローラ２０６は、低速コントローラ２０２からの現在の燃焼速度要求及びＩＨＲ仮想センサ２０４からのＩＨＲを受け取るよう構成される。一部の実施形態において、高速コントローラは、例えば、少なくとも５秒よりも速い実行速度で実質的にリアルタイムに作動するよう構成される。一部の実施形態において、燃焼速度要求は、炉１１０のＩＨＲの必要値を表している。燃焼速度要求及びＩＨＲは、何らかの適切なフォーマットで提供することができ、何らかの適切な有線又は無線手段を介して第２のコントローラが受け取ることができる。一部の実施形態において、第２のコントローラは、デフォルトの燃焼速度要求が提供され、これは、例えば、空気流及び燃料入力の変化に対する蒸気圧及び蒸気流量の長い応答時間に起因して実質的に不変であり、結果的にステップ２０２及び２０４はスキップすることができる。

【0047】

また、高速コントローラ２０６は、ＩＨＲ仮想センサ２０４から取得したＩＨＲを低速コントローラ２０２から取得した現在の燃焼速度要求と比較するよう構成される。炉１１０内で燃焼プロセスが起こると、燃焼速度要求に対するＩＨＲの変化が生じ、その変化は直接測定するのが難しいか又は実行不可能な様々な要因に起因する可能性がある。しかしながら、固体燃料熱発生器システム１００全体にわたって測定可能な結果は、仮想センサによりＩＨＲ及び／又はＩＨＲの変化を決定又は推定するための代理（proxy）としての機能を果たすことができる。一部の実施形態において、高速コントローラ２０６はまた、ＩＨＲの変化を投影するために及び／又はＩＨＲの１又は２以上の過去値に基づいてＩＨＲの傾向を規定するよう構成される。

【0048】

例えば、ＩＨＲの変化は、例えば、表面格子１１２の燃焼部位から燃焼排ガス出口１１８の燃焼排ガスまでの、燃焼排ガス組成（Ｈ₂Ｏ、過剰なＯ₂、ＣＯ、ＮＯ_X濃度など）及び炉温度プロフィールの変化をもたらす。加えて、熱伝達の差は、例えば、燃焼排ガスを用いる後続の蒸気加熱器、エコノマイザ、空気加熱器、又は他の熱交換器などの要素でのエネルギーバランス計算を通して観察することができる。

【0049】

加えて、ＩＨＲの変化は、ボイラー１２０内のいくつかの測定可能な結果、例えば、ボイラードラム１２２内の圧力及び／又は温度、ボイラー１２０の蒸気生成率、及びボイラードラム１２２内の水位の変化をもたらす。例えば、ＩＨＲの増加は、ボイラードラム１２２に入っているいくらかの水を蒸発させることになり、ボイラードラム１２２内の蒸気レベルの測定可能な増加、ドラムボイラー１２２の加圧状態の変化、並びにボイラー１２０による蒸気率（steaming rate）の増加を引き起こす。反対に、熱発生の減少はボイラードラム１２２を減圧し、バンク内の蒸気量の突然の減少に起因するボイラードラム１２２内の水位の低減を引き起こし、ボイラー１２０の蒸気率を減少させる。

【0050】

一部の実施形態において、高速コントローラ２０６はまた、現在のＩＨＲを少なくとも１つの事前に決定されたＩＨＲと比較する。一部の実施形態において、この比較は、事前に測定したＩＨＲに対する現在のＩＨＲの相対的な変動に関して測定される。他の実施形態において、この比較は、事前に測定したＩＨＲに対する現在のＩＨＲの絶対的な変動に関して測定される。さらに他の比較が考慮される。

【0051】

セットポイント調整器２０８は、第２のコントローラによって実行されるＩＨＲと現在の燃焼速度要求との間の比較又は何らかの他の適切な要因に基づいて、アンダーファイア空気入口１１４から供給されるアンダーファイア空気流を調整するための命令を高速コントローラ２０６から受け取るよう構成される。アンダーファイア空気流を調整することによって、固体燃料１０２の燃焼プロセスが変化し、それによってＩＨＲの偏差を補償するようにＩＨＲを調整する。

【0052】

例えば、高速コントローラ２０６がＩＨＲは現在の燃焼速度要求（例えば、第１のコントローラによって決定される）よりも低いと判定すると、アンダーファイア空気流は急速に増加し、固体燃料１０２の中により多くの空気を押し込み、これは燃焼反応及び熱発生の増加をもたらすことになる。反対に、ＩＨＲが燃焼速度要求（例えば、第１のコントローラによって決定される）を上回る場合、アンダーファイア空気流は急速に減少して固体燃料１０２へ流れる酸素量が減少し、それによって炉内の燃焼が抑制される。

【0053】

一部の実施形態において、ＩＨＲの所定の許容差は、高速コントローラ２０６に許容される。例えば、現在のＩＨＲが現在の燃焼速度要求から所定の許容差を超えて逸脱する場合、ＩＨＲは、アンダーファイア空気流の調整を必要とすると見なされるに過ぎない。所定の許容差は、パーセント偏差、複数の標準偏差、又は何らかの他の適切な値とすることができる。

【0054】

随意的に、セットポイント調整器２０８は、現在のＩＨＲに基づいて固体燃料熱発生器システム１００の１又は２以上の他の作動特性を調整するよう構成される。これは、オーバーファイア空気入口１１６から供給されるオーバーファイア空気流量の調整、炉１１０への固体燃料１０２の流量、及び／又は変動レベルが現在の燃焼速度要求と一致しない場合の表面格子１１２の移動速度の調整を含むことができる。例えば、表面格子１１２が火格子である場合、火格子の振動速度は、セットポイント調整器２０８によって調整される。別の実施例では、オーバーファイア空気入口１１６がリサイクル燃焼排ガス入口を含む場合、リサイクル燃焼排ガスの流量は、セットポイント調整器２０８によって調整される。さらに他の実施形態が考慮される。

【0055】

一部の実施形態において、固体燃料熱発生器システム１００のアンダーファイア空気流１１６及び随意的に他の作動特性は、ＩＨＲ及び／又は現在の燃焼速度要求の変化に応答して実質的に連続的に調整される。制御システム２００は、ＩＨＲ及び／又は現在の燃焼速度要求のさらなる変化に応答して炉１１０の種々のセットポイントを繰り返し調整するよう構成される。例えば、後続の燃焼速度要求を取得することができ、制御システム２００は、ＩＨＲのさらなる変化に基づいて、固体燃料熱発生器システム１００のアンダーファイア空気流及び随意的に他の作動特性をさらに調整する。ＩＨＲの変化は、燃料燃焼プロセスの変化に続いて生じ、さらにセットポイント調整器２０８が実行する一部の調整によって生じる。

【0056】

一部の実施形態において、制御システム２００は、何らかの適切な時間間隔で定期的に作動する。例えば、制御システム２００の作動は、１秒当たり数回、毎秒、数秒毎、１分当たり数回、毎分、数分毎、１時間当たり数回、毎時、数時間毎、１日当たり数回、又は何らかの他の適切な間隔で繰り返される。一部の他の実施形態において、制御システム２００は、種々の作動を行う要求を受け取ることに応答して又は何らかの他の適切なトリガに応答して作動する。

【0057】

一部の実施形態において、事前に決定されたＩＨＲと現在のＩＨＲとの間の最小時間遅延が設定される。時間遅延を用いてプロセス変量１４０を無視又はフィルター処理して、現在の変動レベルを決定する際に入力変数としてプロセス変量を使用するために、プロセス変量を確認して異常値を排除することができる。

【0058】

制御システム２００は、ＩＨＲの変動に基づいて、アンダーファイア空気入口１１４から供給されるアンダーファイア空気流及び随意的に他の作動パラメータを調整することによって、バイオマス燃焼システム１００の熱発生を安定化するために利用することができる高速フィードバックループを提供する。本方法２００は、蒸気生成の短期変動を低減することができる。一部の実施形態において、本方法２００は、例えば、２分未満の閉ループ時定数を保持して固体燃料熱発生器システム１００の作動を数分スケールで調整するのに用いられる。

【0059】

図３を参照して、制御システム１５０及び２００は、処理ユニット３１２とコンピュータ実行可能な命令３１６を記憶するメモリ３１４とを含む演算デバイス３１０によって実装することができる。処理ユニット３１２は、制御システム１５０及び２００の機能を実装するように一連のステップを実行させるように構成された何らかの適切なデバイスを含むことができ、命令３１６は、演算デバイス３１０又は他のプログラム可能な装置によって実行されると、本明細書に記載の方法で規定された機能／動作／ステップが実行されるようにすることができる。処理ユニット３１２は、例えば、各種の汎用マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラ、デジタル信号処理（ＤＳＰ）プロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、再構成可能なプロセッサ、他の適切にプログラムされた又はプログラム可能な論理回路、或いはこれらの何らかの組み合わせを含むことができる。

【0060】

メモリ３１４は、何らかの適切な公知の記憶媒体又は他の機械可読記憶媒体を含むことができる。メモリ３１４は、例えば、限定されるものではないが、電子、磁気、光学、電磁、赤外線、又は半導体システム、装置、又はデバイス、或いは上記の何らかの適切な組み合わせといった、非一時的コンピュータ可読記憶媒体を含むことができる。メモリ３１４は、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤＲＯＭ）、電気光学メモリ、磁気光学メモリ、消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＰＲＯＭ）及び電気的に消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、強誘電体ＲＡＭなどの、デバイスの内部又は外部のいずれかに位置する何らかの種類のコンピュータメモリの適切な組み合わせを含むことができる。メモリ３１４は、処理ユニット３１２によって実行可能なコンピュータ実行可能な命令３１６を検索可能に記憶するのに適切な何らかの記憶手段（例えば、デバイス）を含むことができる。

【0061】

各種タイプのコンピュータシステム及び論理的アプローチは、必要に応じて使用することができることに留意されたい。これは、ファジー論理、偏差、モデル予測コントローラ、適応ＰＩＤ制御などを含む。加えて、監視及び非監視神経ネットワークなどを含む何らかの適切なタイプの機械学習又は人工知能システムを用いることができる。

【0062】

図４を参照して、制御システム１５０の実施形態は、センサ１４０、制御インタフェース４０２、及びデータベース又は他の記憶手段４０４とインタフェース接続するように構成される。センサ１４０は、固体燃料熱発生器システム１００の作動特性に関する情報を取得するように、並びに制御システム１５０及び随意的な制御インタフェース４０２に情報を提供するように構成される。制御インタフェース４０２は、制御システム１５０に燃焼速度要求並びに随意的にセンサ１４０からの情報を提供するよう構成される。データベース４０４は、事前に決定されたＩＨＲ、過去の制御動作の配列を格納する、現在のＩＨＲを受け取って格納する、及び制御システム１５０に事前に決定されたＩＨＲを提供するよう構成される。

【0063】

制御システム１５０は、ＩＨＲモジュール４１０及び調整モジュール４２０を含む。調整モジュール４２０は、各々が固体燃料熱発生器システムの特定の要素の作動を調整するよう構成された複数のユニットを備えることができる。例えば、調整モジュール４２０は、アンダーファイア空気入口１１４を通るアンダーファイア空気流量を制御するアンダーファイアフローユニット４２２と、オーバーファイア空気入口１１６を通るオーバーファイア空気流量を制御するオーバーファイアフローユニット４２４と、炉１１０への固体燃料１０６の流量を制御する燃料フローユニット４２６と、表面格子１１２の移動を制御する表面制御ユニット４２８とを含む。他の実施例では、調整モジュール４２０は、必要に応じてより少ないユニット又は追加のユニットを含むことができる。

【0064】

ＩＨＲモジュール４１０は、随意的に、例えば制御インタフェース４０２から現在の燃焼速度要求を受け取るように構成される。変動モジュール４１０は、何らかの適切な有線又は無線通信経路上で何らかの適切なフォーマットで現在の燃焼速度要求を受け取ることができる。

【0065】

また、ＩＨＲモジュール４１０は、現在のＩＨＲ及び事前に決定されたＩＨＲを決定するよう構成される。ＩＨＲモジュール４１０は、センサ１４０及び／又は制御インタフェース４０２から受け取った情報を用いて現在のＩＨＲを決定し、随意的にデータベース４０４から事前に決定されたＩＨＲを取得する。次に、ＩＨＲモジュール４１０は、現在の燃焼速度要求を現在のＩＨＲと、必要に応じて何らかの他の値と比較する。

【0066】

現在のＩＨＲが現在の燃焼速度要求と一致しない場合、ＩＨＲモジュール４１０は調整モジュール４２０に指示を送り、調整モジュール４２０に命令してアンダーファイア空気流を調整する。調整モジュール４２０は、アンダーファイアエアユニット４２２によって、ステップ２０８のように、変動モジュール４１０から受け取った指示に応答してアンダーファイア空気流を調整する。

【0067】

随意的に、ＩＨＲモジュール４１０から調整モジュール４２０への指示はまた、調整モジュール４２０に命令して固体燃料熱発生器システム１００の他の作動パラメータを調整する。次に、調整モジュール４２０は、適切なユニット４２４、４２６、４２８によって固体燃料熱発生器システム１００の作動パラメータの変化をもたらす。例えば、調整モジュール４２０は、オーバーファイアフローユニット４２４によってオーバーファイア空気流の変化をもたらす。別の実施例では、調整モジュール４２０は、表面制御ユニット４２８によって炉１１０の火格子の振動速度の変化をもたらす。

【0068】

図５を参照して、一部の実施形態において、ＩＨＲ仮想センサ２０４及び高速コントローラ２０６は、協働して方法５００を実施する。他の実施形態において、本方法５００は、より多い又はより少ない構成要素によって実施されることに留意されたい。

【0069】

ステップ５０２において、随意的に、現在の燃焼速度要求を受け取る。ステップ５０４において、ＩＨＲを仮想センサで決定する。ステップ５０６において、ＩＨＲを現在の燃焼速度要求と比較する。ステップ５０８において、アンダーファイア空気流を瞬間熱発生量が現在の燃焼速度要求に一致しない場合に調整する。ステップ５１０において、瞬間熱発生量が現在の燃焼速度要求に一致しない場合にオーバーファイア空気流、燃料流量、及び表面の移動速度のうちの少なくとも１つを調整する。

【0070】

本明細書に記載の固体燃料ベースの燃焼プロセスを調節するための方法及びシステムは、高レベル手順又はオブジェクト指向プログラミング又はスクリプト言語、又は機能ブロック論理、又はラダー論理、又は状態ベースのアルゴリズム、或いはこれらを組み合わせたもので実装して、コンピュータシステム（例えば演算デバイス３１０）と通信する又はその作動を助けることができる。もしくは、本明細書に記載の固体燃料ベースの燃焼プロセスを調節するための方法及びシステムは、アセンブリ言語又は機械言語で実施することができる。この言語は、コンパイラ又はインタープリタ型言語とすることができる。本明細書に記載の固体燃料ベースのエネルギーを発生するための方法及びシステムを実施するためのプログラムコードは、記憶媒体又はデバイス、例えば、ＲＯＭ、磁気ディスク、光ディスク、フラッシュドライブ、又は何らかの他の適切な記憶媒体又はデバイスに記憶することができる。プログラムコードは、記憶媒体又はデバイスがコンピュータによって読み出されて本明細書に記載の手順を実行する場合、コンピュータを構成して作動させるための汎用又は専用のプログラム可能なコンピュータによって読み出すことができる。また、本明細書に記載の固体燃料ベースの燃焼プロセスを調節するための方法及びシステムの実施形態は、記憶されたコンピュータプログラムを有する非一時的コンピュータ可読媒体によって実施されると考えることができる。コンピュータプログラムはコンピュータ可読命令を含むことができ、これは、本明細書に記載の機能を実行するためにコンピュータが、より具体的にはコンピュータの少なくとも１つの処理ユニットが特定の事前に決定された様式で作動されるようにする。

【0071】

コンピュータ可読命令は、１又は２以上のコンピュータ又は他のデバイスによって実行するプログラムモジュールを含む、多くの形態とすることができる。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行する又は特定の抽象データタイプを実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造を含む。典型的には、プログラムモジュールの機能は、種々の実施形態において必要に応じて組み合わせること又は分散することができる。

【0072】

本明細書に記載の固体燃料ベースの燃焼プロセスを調節するための方法及びシステムの種々の態様は、単独で、組み合わせて、又は上述の実施形態で具体的に検討されていない種々の構成で使用することができるので、これら適用において、上記の説明に記載した又は図面に示した構成要素の詳細及び構成に限定されない。例えば、１つの実施形態で説明する態様は、他の実施形態で説明する態様と何らかの様式で組み合わせることができる。特定の実施形態が図示及び説明されているが、当業者にはより広範な態様の本発明から逸脱することなく変更及び修正を行い得ることが明らかであろう。以下の特許請求の範囲は、実施例に記載した好ましい実施形態によって制限されるべきでなく、全体として、説明と一致する最も広範な合理的解釈を考慮すべきである。

【符号の説明】

【0073】

１００ 固体燃料熱発生器システム
１０２ 固体燃料
１０４ 熱
１０６ コンベアベルト
１１０ 炉
１１２ 表面格子
１１４ アンダーファイア空気入口
１１６ オーバーファイア空気入口
１１８ 燃焼排ガス出口
１２０ ボイラー
１２２ ボイラードラム
１２４ 蒸気出口
１４０ センサ
１５０ 制御システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】