JP2007170814A - ボイラドラムの水位制御装置 - Google Patents
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Abstract
【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3の開度指令値である操作量を出力する。フィードフォワード補償回路44〜48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を有し、この補償関数回路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。
【選択図】 図4
【解決手段】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3の開度指令値である操作量を出力する。フィードフォワード補償回路44〜48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を有し、この補償関数回路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。
【選択図】 図4
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
実開昭54−16902号公報
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。
(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。
(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。
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。
(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。
(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。
(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。
(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。
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。
この発明のボイラドラムの水位制御装置は、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。
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。
(1)請求項1の発明は、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。
(1)請求項1の発明は、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。
この発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、30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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、32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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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3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。
フィードフォワード補償回路(44〜48)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。
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。
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。
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。
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。
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
48…加算器
Claims (1)
- 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。
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