JP2000179804A - ボイラドラムの水位制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボイラドラム水位制御の性能を改善する。 【解決手段】 水位設定と水位検出４との水位偏差をな
くす水位制御器１２と蒸気流量５に給水流量２を追従さ
せる給水流量制御器１４を有する三要素式水位制御器Ａ
１と、水位偏差をなくす水位制御器１２を有する単要素
式水位制御Ａ２と頻繁な切り替えを避けるためのヒステ
リシスコンパレータ１７により切り替えられるＡ１，Ａ
２の切替器１６を設け、蒸気流量５が小さい場合は切替
器１６をＡ２側にして単要素式水位制御で給水調節３を
行い、蒸気流量５が大きい場合は切替器１６をＡ１側に
して三要素式水位制御する。蒸気流量が多い通常時は三
要素水位制御となり、蒸気流量が少ない場合は蒸気流量
計５及び給水流量計２を用いない単要素式水位制御とな
るので、制御性能が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ボイラドラムの
水位制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水管ボイラの水位の時定数は小さく、蒸
発量と給水量のバランスが僅かに崩れても水位は大きく
変動する。このため水位のみを検出して水位制御器によ
り給水量を調節して水位を一定に保つ単要素式水位制御
では負荷が変化しても水位が変化しないと給水量が調節
されず、広範囲の負荷変動に対して水位を一定に保つこ
とは困難である。

【０００３】上記単要素式水位制御の問題点は、蒸気流
量に給水流量を追従させボイラ内の物質収支を一定に保
つ機能を制御器に付加することで対策が図られ、二要素
式水位制御、三要素式水位制御といった方法が採用され
る。

【０００４】また、ボイラ水位は物質収支によって決ま
る水位応答の他に、ボイラ圧力や熱量の変動によりボイ
ラ内の保有水が泡立ち、蒸気流量が増大した場合に水位
が増大する、逆応答現象が現れ、水位の制御性能を悪化
させる。

【０００５】従来二要素式水位制御例を図５に示す。ボ
イラドラム１の水位制御は、水位設定値と水位計４から
の水位検出値との偏差を偏差検出５１で検出し、その偏
差を水位制御器５２で演算増幅し、その出力に蒸気流量
計５からの蒸気流量値を加算器５４で加算し給水調節弁
３の制御指令とすることでボイラドラムの水位を制御し
ている。

【０００６】次に従来三要素式水位制御例を図６に示
す。このボイラドラムの水位制御は、偏差検出器５１で
検出した水位偏差を水位制御器５２で演算増幅し、その
出力に蒸気流量計５からの蒸気流量値と給水流量計２で
検出した給水流量値とを加算器５５で図示の極性で加算
し、その加算器の出力を給水流量機器５６で演算増幅し
給水調節弁３の制御指令することでボイラドラムの水位
を制御している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来図５の二要素
式水位制御は、給水流量の補正機能がないため給水調節
弁の流量特性の非線形性により蒸気流量と給水流量が等
しくなることは補償されない。そのため下記のような課
題がある。

【０００８】（１）給水流量が蒸気流量に完全に追従し
ないので、ボイラ内の物質収支を一定に保つことが補償
されず、水位の時定数が小さい場合には十分な制御性能
を得られない。 （２）水位逆応答により負荷変動や熱量の変動により水
位の制御性能が悪化する。

【０００９】また、上記従来図６の三要素水位制御は、
給水調節弁３の非線形特性に係わらず、給水流量が蒸気
流量に追従するため、より水位の時定数が小さい水管ボ
イラに対して用いられるが、下記のような課題がある。

【００１０】（１）給水流制御を行うことにより給水流
量計の異常などにより正確な給水流量が検出不可能とな
った場合に制御不能となる。 （２）プラントの立ち上げ時など蒸気流量及び給水流量
が共に少ない場合には、流量計は正確な検出が困難であ
り制御性能が悪化する。

【００１１】（３）水位の逆応答により負荷変動や熱量
の変動により水位の制御性能が悪化する。

【００１２】この発明は、上記課題に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、制御性能がよいボ
イラドラムの水位制御装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明のボイラドラム
の水位制御装置は、水位検出値を一定に保つ水位制御器
の内側に、蒸気流量検出値に給水流量検出値を追従させ
るように制御する三要素式水位制御器と、水位計による
検水値を一定に保つように給水調節弁を制御する水位制
御器からなる単要素式水位制御器と、蒸気流量検出値が
大きい場合前記三要素式水位制御器による制御とし、蒸
気流量検水値が小さい場合前記単要素式水位制御器によ
る制御に切り替える切替手段とを有するものである。

【００１４】または、水位の設定値と検出値との偏差を
ＰＩＤ演算し給水調節指令を出力するＰＩＤ制御器と、
給水流量検出値をゲイン倍して蒸気流量検出値から引
き、前記ＰＩＤ制御器の出力に加算する回路と、蒸気流
量検出値が入力しその値が小さい場合前記ＰＩＤ制御器
の出力に加算する信号のゲインを小さくする関数回路
と、蒸気流量検出値が入力しその値が小さい場合前記Ｐ
ＩＤ制御器に入力する水位偏差のゲインを大きくする関
数回路とを有するものである。

【００１５】または、水位の設定値と検出値との偏差を
ＰＩＤ演算し、給水調節指令を出力するＰＩＤ制御器
と、給水流量検出値をゲイン倍して蒸気流量検出値から
引き前記ＰＩＤ制御器の特性の逆の特性を有する逆特性
回路で等価変換を行いリミッタを介して前記ＰＩＤ制御
器に入力する水位偏差に加算する回路と、蒸気流量検出
値が入力しその値が小さい場合前記水位偏差に加える信
号のゲインを小さくする関数回路と、蒸気流量検出値が
入力しその値が小さい場合前記ＰＩＤ制御器に入力信号
のゲインを大きくする関数回路とを有するものである。

【００１６】あるいは、給水調節弁を制御して水位制御
をするボイラドラム水位制御装置において、蒸気流量検
出値から水位変動までの動特性を打ち消す伝達関数が設
定された関数回路と、この関数回路に接続されたデッド
バンド回路と、このデッドバンド回路の出力を滑らかに
するフィルタと、このフィルタに接続されたリミッタ
と、このリミッタの出力を給水制御弁を制御する給水流
量指令から減算する回路とからなるフィードフォワード
回路を設けたものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態について図
面を用いて説明する。

【００１８】実施の形態１ 図１に実施の形態１にかかるボイラドラムの水位制御ブ
ロック図を示す。図中、１はボイラドラム、２は給水流
量計、３は給水調節弁、４はボイラドラムの水位計、５
は蒸気流量計、Ａ１（１１〜１４）は三要素式水位制御
器、Ａ２（１１，１５）は単要素式水位制御器、１６は
三要素式水位制御出力と単要素式水位出力を切り替えて
給水調節弁３に出力する切替器、１７は蒸気流量計５の
出力により動作し切替器１６を制御するヒステリシスコ
ンパレータを示す。

【００１９】三要素式水位制御器Ａ１はボイラドラム水
位設定値と水位計４からの水位検出値との偏差を検出す
る水位偏差検出器１１と、この水位偏差を演算増幅する
第１の水位制御器１２と、この制御器の出力に給水流量
計２からの給水流量値と蒸気流量計５からの蒸気流量値
を図示の極性で加算する加算器１３及びこの加算出力演
算増幅して給水調節弁３を制御するための給水流量制御
器１４で構成されている。

【００２０】また、単要素式水位制御器Ａ２は、上記水
位偏差検出器１１と、この水位偏差を演算増幅して給水
調節弁３を制御するための第２の水位制御器１５で構成
されている。

【００２１】ヒステリシスコンパレータ１７は上記流量
計５の出力が所定のレベルＱを越えると切替器１６を三
要素式水位制御器Ａ１側に切り替え、蒸気流量計５の出
力が（Ｑ−ΔＱ）以下になると切替器１６を単要素式水
位制御器Ａ２側に切り替えるようにヒステリシス特性で
動作し切替器１６を制御する。

【００２２】なお、制御器Ａ１，Ａ２が切り替わった時
の急激な操作量の変化をなくすため、単要素式水位制御
を行っている場合には、制御器Ａ１の水位制御器１２の
演算値をゼロにホールドし、給水流量制御器１４の演算
値を制御器Ａ１の水位制御器１５の出力と等しくなるよ
うにする。また切替器１６により三要素式水位制御を行
っているときは、水位制御器１５の演算値を給水流量制
御器１４の出力と等しくなるようにする。

【００２３】実施の形態１によれば、蒸気流量及び給水
流量が多い場合には三要素式水位制御器Ａ１で制御し、
蒸気流量及び給水流量が少ない場合には蒸気流量計５及
び給水流量計２を用いない単要素式水位制御器Ａ２で制
御するように切り替えられるので、制御性能の向上が可
能となる。

【００２４】また、切替器１６はヒステリシス特性を有
するコンパレータ１７で切り替えるので、蒸気流量の変
動による頻繁な制御器Ａ１，Ａ２の切り替えを避けるこ
とができる。

【００２５】実施の形態２ 図２に実施の形態２にかかるボイラドラム水位制御ブロ
ック図を示す。図２において、２１はボイラドラム水位
設定値と水位計４からの水位検出値との偏差を検出する
水位偏差検出器、２２は蒸気流量計５からの蒸気流量の
高調波成分を除去するフィルタ、２３，２４は単要素式
水位制御と三要素式水位制御の切り換えをするための折
れ線関数器である。

【００２６】折れ線関数器２３は蒸気流量が０の場合に
縦軸の値を所定の値Ｋとし、蒸気流量が定常状態の値以
上で１となるように構成され、折れ線関数器２４は蒸気
流量が０の場合に縦軸の値を零とし、蒸気流量が定常状
態の値以上で１となるように構成されている。

【００２７】２５は偏差検出器２１からの水位偏差と折
れ線関数器２３の出力を掛ける乗算器、２６はこの乗算
器の出力をＰＩＤ演算するＰＩＤ制御器である。

【００２８】また、２７は蒸気流量計５からの蒸気流量
値をゲインＫ１倍するゲイン回路、２８は蒸気流量計５
からの蒸気流量値からゲイン回路２７でゲインＫ１倍さ
れた蒸気流量値との差をとる減算器、２９は折れ線関数
器２４の出力と加算器２８の出力とを掛ける乗算器、３
０はＰＩＤ制御器２６の出力に乗算器２９の出力を加え
て給水調整弁３の制御指令を出力する加算器である。

【００２９】上記実施の形態１（図１）では、三要素式
水位制御において給水流量計の異常等により正確な給水
流量検出が不可能となった場合に制御不能となる問題点
は解決されない。また、ボイラの水位制御に対して制御
器が３台（１２，１４，１５）存在することにより操作
員に判りづらい構成となっている。また、蒸気流量が設
定したヒステリシス特性の範囲を頻繁に越えて変動する
場合には、制御器の切り替えが頻繁となり、給水調節弁
に対する操作量の急変が頻繁に起こることになる。

【００３０】実施の形態２は、図１の三要素式水位制御
の給水流量制御回路１４の部分をゲイン回路２７を用い
たゲインフィードバックの制御構成としたので、図１の
流量制御器１４が不要となる。ゲイン回路２７のゲイン
を、加算器３０から出力される給水調節弁３の開度指令
値から給水流量までの定常ゲインが１倍となるように設
定すると、回路２７，２８は流量補償回路として機能
し、図２の回路は三要素式水位制御に相当する制御構成
となる。またゲイン回路２７のゲインを０にすると、一
要素少なくなり二要素式水位制御に相当する制御構成と
なる。

【００３１】さらに、蒸気流量はフィルタ２２によって
高調波成分のノイズを除去した後、折れ線関数器２３，
２４の横軸を与える。折れ線関数２４では、蒸気流量が
ゼロの場合に縦軸の値を０とし、蒸気流量が定常状態の
値以上で１とするので、折れ線関数２４の出力を加算器
２８から出力される補償量に乗算器６で掛け合わせるこ
とにより、蒸気流量が少ない場合には蒸気流量及び給水
流量による補償のない単要素式水位制御が実現し、蒸気
流量が多い場合には蒸気流量及び給水流量に補償のある
三要素式水位制御を実現する。

【００３２】また、折れ線関数器２３の出力ＰＩＤ制御
器２６の偏差入力に乗算器２５により掛け合わせること
により、蒸気量が少ない場合には単要素式水位制御の制
御ゲインが高くなり水位への追従速度が速くなり、蒸気
流量が多い場合には三要素式水位制御における水位制御
の制御ゲインが低くなり水位への追従速度が遅くなり、
主に給水流量を蒸発流量に追従させる制御となる。

【００３３】以上の制御構成により、制御器１台のみで
実施の形態１の単要素式水位制御と三要素式水位制御か
らなる制御器の機能を実現し、また、単要素式水位と三
要素式水位制御の切り替えを折れ線関数で行うことによ
り、給水調節弁に対する操作量の急変は起こらなくな
る。

【００３４】また、図１の給水流量制御器１４を取り除
いたことにより、給水流量計または蒸気流量計に異常が
生じ、正確な流量の計測が不可能となった場合でも制御
不可能となることはない。

【００３５】実施の形態３ 図３に実施の形態３にかかるボイラドラム水位制御ブロ
ック図を示す。

【００３６】３１はボイラドラムの水位設定値と水位計
４からの水位検出値との偏差を検出する偏差検出器、３
２は給水流量計２からの給水流量をゲイン倍するゲイン
回路、３３は蒸気流量計５からの蒸気流量とゲイン回路
の出力とを図示の極性で加算する加算器、３４は水位制
御器４２の逆特性を有する逆特性回路、３５は逆特性回
路３４の出力を制限するリミッタである。

【００３７】また、３６は蒸気流量計５からの蒸気流量
の高調波成分を除去するフィルタ、３７，３８はフィル
タ２２からの蒸気流量を図示の特性で出力させる折れ線
関数器、３９は上記リミッタ３５の出力と折れ線関数器
３７の出力とを掛ける乗算器、４０は偏差検出器３１か
らの水位偏差に乗算器３９の出力を加算する加算器であ
る。

【００３８】また、４１は加算器４０の出力に折れ線関
数器３８の出力を掛ける乗算器、４２は乗算器４１から
の出力をＰＩＤ演算し給水調節弁３の制御指令を出力す
るＰＩＤ制御器である。

【００３９】上記実施の形態２（図２）では給水流量計
２または蒸気流量計５に異常が生じた場合、制御の安定
性は確保されるが、流量計の指示値が０％または１００
％にホールドされた場合に、これがそのまま給水調節弁
３に対する操作量となり急激な流量変化を生じることと
なる。このような現象を避けるため補償量に対してリミ
ッタを設定することを目的とする制御性能を達すること
ができないことから不可能となる。

【００４０】実施の形態３では、加算器４０により補償
量の加え合わせ点を水位の設定とするための等価変換を
行い制御器４１の逆特性を有する逆特性回路３４を挿入
し、これにより補償量に対してリミッタ３５を設けても
目的とする制御性能を大幅に損なうことなく流量計２，
５の異常による検出値のホールドが生じても水位の変動
を抑えることが可能となる。なお、折れ線関数による制
御器の切り替えは、上記実施の形態２と同様の方法で行
う。

【００４１】実施の形態４ ボイラドラムの水位変動特性は、蒸気流量の急変による
物質収支とは逆の応答が存在し、三要素式水位制御によ
り物質収支を補償しても水位の変動を生じることとな
る。特にごみ焼却炉のように燃焼状態が不安定でボイラ
に対して供給される熱量の変動が激しい場合には、蒸気
流量の変動が大きくなり、よって水位の変動も大きくな
る。同様に負荷変動が大きく蒸気流量が変動する場合も
同様な現象が起こる。

【００４２】実施の形態４は、蒸気水位の逆応答を打ち
消すようにフィード補償を行う。

【００４３】図４に実施の形態４にかかるボイラドラム
水位制御ブロック図を示す。４３は三要素式水位制御
器、（４４〜４８）はフィードフォワード補償回路であ
る。水位制御器４３はボイラドラム水位設定値と水位計
４からの水位検出値との偏差を演算増幅し、その出力に
蒸気流量計５からの蒸気流量値を加え、給水流量計２か
らの給水流量値を引いて給水調節弁６の開度指令値であ
る操作量を出力するように構成されている。

【００４４】フィードフォワード補償回路（４４〜４
８）は、蒸気流量計５からの蒸気流量が入力する、蒸気
流量からボイラドラムの水位変動までの動特性を打ち消
す伝達関数が設定された補償関数回路４４と、この回路
からの補償量を蒸気流量の変化率が大きく水位の変動が
大きい場合に限り通すデッドバンド回路４５と、このデ
ッドバンドの回路から補償量がデッドバンドを越えた場
合に急激に補償量が出力しないようにするフィルタ４６
と、このフィルタの出力を制限するリミッタ４７と、上
記水位制御器４３からの給水調節弁３の開度指令値であ
る操作量からリミッタ４７からの補償量を引き操作量に
フィードフォワード補償を加える加算器４８で構成され
ている。

【００４５】実施の形態４は、補償関数回路４４に蒸気
流量から水位変動までの動特性を打ち消す伝達関数が設
定されているので、水位変動が抑制される。そしてデッ
ドバンド回路４５により蒸気流量の変化率が大きく水位
の変動が大きい場合に限りフィードフォワード補償回路
が作動することになるので、蒸気流量が安定している場
合の給水調節弁３の操作量の動作頻度を抑制可能とな
る。

【００４６】また、デッドバンド回路４５のデッドバン
ドを越える急激な補償量はフィルタ４６により滑らかに
されるので、応答が滑らかとなる。また蒸気流量計５の
検出異常が生じた場合、リミッタ４７により補償量に制
限が加えられる。

【００４７】よって蒸気流量の急変時においても水位の
逆応答を原因とした水位変動を抑制し制御性能が向上す
る。

【００４８】なお、実施の形態は三要素式水位制御にフ
ィードフォワード補償回路を設けたものとなっている
が、このフィードフォワード補償回路は実施の形態１〜
３の水位制御装置や従来の三要素式，二要素式，単要素
式の水位制御装置などにも適用可能である。

【００４９】

【発明の効果】この発明は、上述のとおり構成されてい
るので、以下に記載する効果を奏する。

【００５０】（１）請求項１の発明は、蒸気流量及び給
水流量が少なく流量計により正確な流量の検水ができな
い状態では単要素式水位制御を行い、蒸気流量及び給水
流量が増加した場合は三要素式水位制御を行うので、プ
ラントの立ち上げ時においても水位を安定に制御するこ
とが可能である。

【００５１】（２）請求項２及び３の発明、制御器の台
数が１台で三要素式制御と二要素式制御の長所を生かし
た制御ができると共に、制御の切り替えを折れ線関数に
より連続に切り替えることができるので、操作量の急変
を抑えることができる。

【００５２】（３）請求項３の発明は、給水流量を蒸気
流量に追従させる補償量を水位の設定値に加え合わせる
ことにより上記（２）の効果を保持したままリミッタに
より給水流量計や蒸気流量計の異常による操作量の急変
を抑制することができるので、安全性がより高い制御が
可能となる。

【００５３】（４）請求項４の発明は、請求項１ないし
３の水位制御又は三要素式，二要素式，単要素式などの
水位制御に適用可能であり、蒸気流量の変動を起因とし
た物質収支とは逆の水位変動を抑制し制御性能を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１にかかるボイラドラムの水位制御
ブロック図。

【図２】実施の形態２にかかるボイラドラムの水位制御
ブロック図。

【図３】実施の形態３にかかるボイラドラムの水位制御
ブロック図。

【図４】実施の形態４にかかるボイラドラムの水位制御
ブロック図。

【図５】従来例にかかる二要素式水位制御ブロック図。

【図６】従来例にかかる三要素式水位制御ブロック図。

【符号の説明】

１…ボイラドラム ２…給水流量計 ３…給水調節弁 ４…水位計 ５…蒸気流量計 １１，２１，３７，５１…水位偏差検出器 １２，１５，４３，５２…水位制御器 １４，５６…給水流量制御器 １６…切替器 １７…ヒステリシスコンパレータ ２２，３６，４６…フィルタ ２３，２４，３７，３８…折れ線関数器 ２６，４２…ＰＩＤ制御器 ２７，３２，５３…ゲイン回路 ３４…制御器の逆関数特性回路 ３５，４７…リミッタ ４４…蒸気流量から水位変動までの動特性を打ち消す補
償関数回路。 ４５…デッドバンド回路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水位検出値を一定に保つ水位制御器の内
   側に、蒸気流量検出値に給水流量検出値を追従させるよ
   うに制御する給水流量制御器を置き給水調節弁を操作す
   る三要素式水位制御器と、 水位検水値を一定に保つように給水調節弁を制御する水
   位制御器からなる単要素式水位制御器と、 蒸気流量検出値が大きい場合前記三要素式水位制御器に
   よる制御とし、蒸気流量検水値が小さい場合前記単要素
   式水位制御器による制御に切り替える切替手段と、を有
   することを特徴とするボイラドラムの水位制御装置。
2. 【請求項２】 水位の設定値と検出値との偏差をＰＩＤ
   演算し給水調節指令を出力するＰＩＤ制御器と、 給水流量検出値をゲイン倍して蒸気流量検出値から引
   き、前記ＰＩＤ制御器の出力に加算する回路と、 蒸気流量検出値が入力しその値が小さい場合前記ＰＩＤ
   制御器の出力に加算する信号のゲインを小さくする関数
   回路と、 蒸気流量検出値が入力しその値が小さい場合前記ＰＩＤ
   制御器に入力する水位偏差のゲインを大きくする関数回
   路と、を有することを特徴とするボイラドラムの水位制
   御装置。
3. 【請求項３】 水位の設定値と検出値との偏差をＰＩＤ
   演算し、給水調節指令を出力するＰＩＤ制御器と、 給水流量検出値をゲイン倍して蒸気流量検出値から引き
   前記ＰＩＤ制御器の特性の逆の特性を有する逆特性回路
   で等価変換を行い、リミッタを介して前記ＰＩＤ制御器
   に入力する水位偏差に加算する回路と、 蒸気流量検出値が入力しその値が小さい場合前記水位偏
   差に加える信号のゲインを小さくする関数回路と、 蒸気流量検出値が入力しその値が小さい場合前記ＰＩＤ
   制御器に入力する信号のゲインを大きくする関数回路
   と、を有することを特徴とするボイラドラムの水位制御
   装置。
4. 【請求項４】 給水調節弁を制御して水位制御をするボ
   イラドラム水位制御装置において、 蒸気流量検出値から水位変動までの動特性を打ち消す伝
   達関数が設定された関数回路と、この関数回路に接続さ
   れたデッドバンド回路と、 このデッドバンド回路の出力を滑らかにするフィルタ
   と、 このフィルタに接続されたリミッタと、 このリミッタの出力を給水調節弁を制御する給水流量指
   令から減算する回路と、からなるフィードフォワード回
   路を設けたことを特徴とするボイラドラムの水位制御装
   置。