JP2008008522A - ボイラ燃料投入量の決定方法、ボイラ燃料制御装置及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数種燃料混合燃焼ボイラで、単位熱量変動がありその単位熱量qaが連続的に測定されない第1燃料と、単位熱量qbが既知の第2燃料とを少なくとも1種類以上ずつ含む混合燃料を燃焼させる場合において、フィードバック制御後の値を補正するための燃料補正係数ΣKを、3要素(第1、2、3補正係数Ka、Kb、Kc)に細分化することで、混焼率Fpの変更期間中(燃料切替時)に、第1燃料の単位熱量qaの差異に応じて燃料投入量を補正できるとともに、混焼率Fpの変化に伴うボイラ熱効率の差異に応じて燃料投入量を補正できる。
【選択図】図11
Description
ここで、Yは燃料投入量、Xは要求負荷量、kはボイラ効率(ボイラ熱効率)及び単位の変換値によって決まる値である。
以下に、本発明の実施の形態に係るボイラ燃料投入量の決定方法を説明するに先立ち、まず、本願発明者らが本発明に想到する基礎として開発した関連技術にかかるボイラ燃料投入量の決定方法について、図1〜図4を参照して説明する。なお、図1は、本発明の関連技術に係るボイラ燃料投入量の決定方法の説明図、図2は、同ボイラ燃料投入量の決定方法を実行するボイラ燃料制御装置の構成を示すブロック図、図3は、同ボイラ燃料制御装置のプログラム演算手段14を詳細に示すブロック図、図4は、同プログラム演算手段14のプログラム演算部17の動作を示すフロー図である。
(MWii)/(MWi)⇒(Ki)
(Ki)⇒(Ki1)
(Ki1)⇒(Kiε)
(MWi)/(MWt)=(MWr)⇒現在の負荷率
(MWm)/(MWt)=(MWmr)⇒最低負荷率
(MWx)/(MWt)=(MWxr)⇒部分負荷率
(MWr)−(MWmr)
(MWr)−(MWxr)
なお、上記した現在の負荷率とプログラム演算部17に入力された定数1との差も求める。
(MWr)−1
この定数1は最大負荷率((MWtr)=(MWt)/(MWt)=1)である。
まず、得られた{(MWr)−(MWxr)}の数値を、x2として設定する。設定したx2が、ステップS3′で、−r2≦x2≦+r2(r2=0.1)であれば、次のステップS4′へ進む。ここで、x2が上記した条件範囲を満足しなければ、この処理を終了(END)する。
{(Kiε3)−(Kiε1)}/{1−(MWmr)}・{(MWr)−(MWmr)}+(Kiε1)=(Kipg)
(Kipg)=(Kiε1)
MWmr≦MWr<MWxr1の場合:
(Kipg)={(Kiεx1)−(Kiε1)}/{(MWxr1)−(MWmr)}・{(MWr)−(MWmr)}+(Kiε1)
MWxr1≦MWr<MWxr2の場合:
(Kipg)={(Kiεx2)−(Kiεx1)}/{(MWxr2)−(MWxr1)}・{(MWr)−(MWxr1)}+(Kiεx1)
MWxr2≦MWr<MWxr3の場合:
(Kipg)={(Kiεx3)−(Kiεx2)}/{(MWxr3)−(MWxr2)}・{(MWr)−(MWxr2)}+(Kiεx2)
MWxr3≦MWr<1.0の場合:
(Kipg)={(Kiε3)−(Kiεx3)}/{1.00−(MWxr3)}・{(MWr)−(MWxr3)}+(Kiεx3)
1.0≦MWrの場合:
(Kipg)=(Kiε3)
以上のように、(Kiε)を使用して、現状のボイラ負荷に応じた燃料補正係数(Kipg)が得られる。
(Kiε)⇒(Kipg)
(Kipg)⇒(Kipgε)
なお、システム異常(エラー)時及びイニシャライズ(初期設定)時には、乗算部19への出力を切り替える切替部21に、係数リセットトリガが入力され、燃料補正係数(Kipgε)の代わりに、定数1が使用される。
(Kipgε)・(Fueli)=(Fuelii)
なお、算出された燃料補正係数(Kipgε)の代わりに定数1を使用する場合、補正後の燃料投入量(Fuelii)は、以下の式で決定される。
1・(Fueli)=(Fueli)=(Fuelii)
この求めた燃料投入量(Fuelii)だけ、ボイラに燃料を供給して、必要な主蒸気圧力を得て発電量を得る。なお、求めた燃料投入量(Fuelii)をボイラに投入した後は、ボイラの主蒸気圧力が測定され、この測定主蒸気圧力により、前記した手順を繰り返し行う。
また、発電量の変更に伴う入力要求蒸気量Aの変更継続中は、燃料補正係数を更新することなくそのまま使用し、入力要求負荷量Aの変更終了後から燃料補正係数を更新することが好ましい。これにより、変動因子を増やすことなく、発電量のばらつきを更に抑制できる。
また、このように、主蒸気圧力による補正値加算がほとんどなくなることにより、比例、微分、及び積分による修正加算動作、即ちPID制御部11による演算操作を減少でき、燃料過投入(燃料投入量の過多及び過少を含む。)が解消される。加えて、発電負荷の安定性も図れる。
従って、燃料投入量の過投入が解消されるに伴い、燃料の燃焼時に発生する排ガス量の低減に繋がるため、排出ガス規制の進む現在においては、環境保全に適した操業を実施できる。
要素1:ボイラ伝熱面の汚れやガスエアーヒータ等の熱交換器の劣化に伴うボイラ熱効率低下
要素2:単位熱量変動がある燃料(石炭等)の制御用の基準単位熱量と実際の単位熱量との差異
要素3:混焼率によるボイラ熱効率の差異
まず、本発明の第1の実施形態にかかるボイラ燃料投入量の決定方法が適用されるボイラと、このボイラで使用される燃料について説明する。本実施形態にかかるボイラは、少なくとも第1燃料と第2燃料とを含む複数種類の燃料を混合燃焼させて、この燃焼熱により蒸気を発生させる設備である。
この第1燃料としての石炭は、例えば、微粉炭機で微細粒子に粉砕されてボイラに供給されるが、その際、石炭の単位熱量(有効単位発熱量:実際に投入する際の熱量(J/ton−wet))は、常に一定なわけではなく、供給タイミングによって変動する。この石炭の単位熱量の変動の理由としては、(1)自然界でできた石炭は成分(工業分析、元素分析)が不安定なこと、(2)石炭ヤード等での石炭貯蔵中に、自然発熱による石炭劣化が発生し発熱量が変化すること、(3)石炭付着水分は、石炭管理状況に応じて石炭ヤード飛散防止用の散水や、雨天降水量により変化すること、石炭ヤードからの積み出し箇所により石炭付着水分が大きく異なること、などが挙げられる。
ΣK:第2燃料補正係数。上記3要素を全て含む総合補正係数である。
Ka:第1補正係数。ボイラに設けられた熱交換器の劣化(例えば、節炭器、水冷壁、過熱器等の熱交換器の伝熱面の汚れ、ガスエアーヒータ等の劣化)に伴うボイラの熱効率低下(上記要素1)を補正するための係数である。
Kb:第2補正係数。第1燃料(石炭等)の制御用基準単位熱量と、実際の単位熱量の差異(上記要素2)を補正するための係数である。
Kc:第3補正係数。混焼率によるボイラの熱効率の差異(上記要素3)を補正するための係数である。
qa:燃料Aの実単位熱量(有効単位熱量)
Qa:Ga×qa
qs:燃料Aの制御用の基準単位熱量(固定値)
Gb:燃料B(例:ガス)の流量指令値(実際の供給流量)
qb:燃料Bの実際の単位熱量
Qb:Gb×qb
ΣQ:全燃料の合計熱量(=Qa+Qb+…)
Fp:燃料A以外の燃料B、C、…の混焼率(例:ガス混焼率)
1−Fp:燃料Aの混焼率(例:石炭混焼率)
Σkipg:第1燃料補正係数
ΣK:第1燃料補正係数
Kc=∫(Fp) ・・・・・式(2)
1/Kc=Fp×(0.9228×Fp^-1.0334) ・・・・・式(3)
Fp<0.1のとき
1/Kc=1.0
なお、Fpが0.1未満のときには、上記式(3)に従うと、1/Kc<1.0となるため、0.1≦Fpの条件を加えた。また、ボイラの運転実績を考慮して、Fp≦0.5の条件を加えた。例えば、このようにして、式(2)、(3)に従い、混焼率Fpに応じた、混焼率Fpによるボイラ熱効率の差異を補正するための補正係数Kcを求めることができる。
Ka後=Kipg後/(Kb後×Kc後) ・・・・・式(6)
Kb後=Kipg後/(Ka後×Kc後) ・・・・・式(7)
「整定期間」とは、上記整定時点から、燃料B流量指令(又はボイラ負荷指令)が変更開始される時点までの期間である(図9のT2〜T3、T4〜T5、T6〜T7、T8〜T9、T11〜T12、T13〜T14、T16〜T17)。
「未整定期間」とは、燃料Bの流量指令(又はボイラ負荷指令)が変更された時点(即ち、混焼率の変更開始時点)から、上記整定時点までの期間である(図9のT3〜T4、T5〜T6、T7〜T8、T9〜T11、T12〜T13、T14〜T16、T17〜T18)。
「算出時点(☆マーク)」とは、上記燃料Bの流量変更(即ち、ボイラ負荷一定、かつ、混焼率変更)後の整定時点(□マーク)から、所定の設定時間経過後(例えば5分後)である。この算出時点で、補正係数Ka、Kb、Kc等が算出される。なお、この算出時点は、上記ボイラ負荷変更後の整定時点(■マーク)後には、設けられない。
「負荷変更期間」とは、ボイラ負荷指令の変更開始時点から、上記負荷変更後の整定時点までの期間である(図9の〜T2、T9〜T11、T14〜T16)。また、「負荷不変期間」とは、上記負荷変更後の整定時点から、次のボイラ負荷指令の変更開始時点までの期間(T2〜T9、T11〜T14、T16〜)である。
Kipg={(Kiεx−Kiε1)/(MWxr−MWmr)}×(MWr−MWmr)+Kiε1
Kipg={(Kiεx−Kiε1)/(MWxr−MWmr)}×(MWr−MWmr)+Kiε1
Fp=Qb/ΣQ=(Gb×qb)/(Qa’+Qb+…) ・・・・・式(8)
Kan={(Kax−Ka1)/(MWxr−MWmr)}×(MWr−MWmr)+Ka1
Kb後=Kipg後/(Ka後×Kc後) ・・・・・式(7)
qa=qs×(1−Fp)/(Kb後−Fp) ・・・・・式(9)
・熱量Bが制御用燃料でない場合
Fp(仮)=(Gb指令値×qb前)/燃料変更前の合計熱量ΣQ
・・・・・式(10)
・熱量Bが制御用燃料である場合
Fp(仮)=(燃料変更前の合計熱量ΣQ−Ga指令値×qa)/燃料変更前の合計熱量ΣQ ・・・・・式(11)
・熱量Bが制御用燃料でない場合
Fp(仮)=(Gb前×qb前)/(Ga指令値×qa+Gb前×qb前)
・・・・・式(12)
・熱量Bが制御用燃料である場合
Fp(仮)=(Gb指令値×qb前)/(Ga前×qa+Gb指令値×qb前)
・・・・・式(13)
Kc(仮)=∫(Fp(仮)) ・・・・・式(14)
Kb(仮)=(qs/qa)×(1−Fp(仮))+Fp(仮) ・・・式(15)
(a)上記ステップS32−2で算出された補正係数Ka、Kb、Kcを積算して、ΣKを算出する(ΣK=Kan×Kb×Kc)。
(b)当該算出したΣKにより合計熱量ΣQ後を、燃料変更後の合計熱量ΣQ後=ΣQ前×(ΣK/Kipg後)により再計算し、上記式(10)〜式(13)に従い、再度、混焼率Fpを算出する。
(c)再算出した混焼率Fpにより、上記式(2)に従い、変更後のKcを再算出する。
(d)この再算出したKcと上記単位熱量qaとを用いて、上記式(5)に従い、変更後のKbを再算出する。
(e)再算出したKb、Kcを用いてΣKを再算出する(ΣK=Kan×Kb×Kc)。
(f)上記(a)のΣKと上記(e)のΣKとの差が収束したときの結果、或いは、上記(a)〜(e)までの処理を所定の上限回数まで繰り返し計算したときの結果を、最終的なΣKとして決定する。
111 PID制御部
112 加算部
113 除算部
114 プログラム演算手段
115 一次遅れ補正部
116 移動平均算出部
117 プログラム演算部
118−1 第1変化率制限部
118−2 第2変化率制限部
119 乗算部
120 燃料投入量演算部
121 スイッチ部
122 トランスファーリレー
Claims (9)
- 単位熱量変動があり、かつ、当該単位熱量が連続的に測定されない第1燃料と、単位熱量が既知の第2燃料とを少なくとも含む複数種類の燃料を混合燃焼させたときの燃焼熱により蒸気を発生するボイラにおいて、入力要求負荷量に応じて前記ボイラへの燃料投入量を求め、当該求めた燃料投入量に応じて前記ボイラに前記複数種類の燃料をそれぞれ供給しつつ、前記ボイラで発生した蒸気圧力を測定し、当該測定蒸気圧力と設定蒸気圧力とに基づきフィードバック補正量を求め、当該フィードバック補正量に基づき前記ボイラへの燃料投入量を補正する、ボイラ燃料投入量の決定方法であって、
前記ボイラ要求負荷量および前記複数種類の燃料の混焼率が不変の安定期間では、
前記フィードバック補正後の値と前記フィードバック補正前の値との比又は差の値を逐次更新しつつ記憶し、当該記憶した複数の値から求めた第1燃料補正係数に基づいて、前記フィードバック補正後または補正前の値を補正し、
前記ボイラ要求負荷量または前記複数種類の燃料の混焼率の少なくともいずれかが変更される非安定期間では、
前記ボイラに設けられた熱交換器の劣化に伴う前記ボイラの熱効率低下を補正するための第1補正係数と、前記第1燃料の単位熱量の実単位熱量との差異を補正するための第2補正係数と、前記混焼率による前記ボイラの熱効率の差異を補正するための第3補正係数との積である第2燃料補正係数に基づいて、前記フィードバック補正後または補正前の値を補正し、
前記第3補正係数は、前記混焼率に基づき、予め設定された関係式に従い算出され、
前記第2補正係数については、前回の混焼率の変更時における当該変更前後の前記第1燃料の流量と、当該変更前後の前記第1燃料以外の燃料の流量及び単位熱量と、当該変更前後に算出された前記第3補正係数とに基づいて、前記第1燃料の単位熱量を算出することで、当該第1燃料の単位熱量と、前記前回の混焼率の変更後の混焼率とに基づいて、前記第2補正係数が算出され、
前記第1補正係数は、前記算出された第3補正係数と、前記算出された第2補正係数と、前記前回の混焼率の変更後の第1燃料補正係数とに基づいて算出されることを特徴とする、ボイラ燃料投入量の決定方法。 - 前記安定期間において、
前記算出された第1補正係数と、前記算出された第3補正係数と、前記安定期間において連続的に更新される第1燃料補正係数とに基づいて、前記第1燃料の単位熱量を連続的に算出しておき、
前記非安定期間において、
前記非安定期間に移行する直前に算出された前記第1燃料の単位熱量と、前記混焼率とに基づいて、前記第2補正係数を算出することを特徴とする、請求項1に記載のボイラ燃料投入量の決定方法。 - 前記非安定期間は、前記混焼率が変更開始された時点から、当該変更の終了後に所定時間経過した整定時点までの未整定期間であり、
前記安定期間は、前記整定時点から、前記混焼率が再び変更開始される時点までの整定期間であることを特徴とする、請求項1または2に記載のボイラ燃料投入量の決定方法。 - 前記第1補正係数は、前記整定時点から所定時間経過後に算出され、次回の整定時点まで同一の値で維持されることを特徴とする、請求項3に記載のボイラ燃料投入量の決定方法。
- 前記第1補正係数は、前記ボイラの負荷率ごとにそれぞれ算出されて、記憶手段に記憶され、
前記非安定期間では、前記記憶手段に記憶されている前記第1補正係数に基づいて、前記ボイラの実際の負荷率に応じた前記第1補正係数が算出されることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のボイラ燃料投入量の決定方法。 - 前記フィードバック補正は、前記ボイラの入力要求負荷量に対して行われ、
前記フィードバック補正前の値は、前記ボイラの入力要求負荷量であり、
前記フィードバック補正後の値は、当該入力要求負荷量をフィードバック補正した後の要求負荷量であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のボイラ燃料投入量の決定方法。 - 前記フィードバック補正は、前記ボイラの入力要求負荷量から求めた前記ボイラへの燃料投入量に対して行われ、
前記フィードバック補正前の値は、前記ボイラの入力要求負荷量から求めた燃料投入量であり、
前記フィードバック補正後の値は、当該燃料投入量をフィードバック補正した後の燃料投入量であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のボイラ燃料投入量の決定方法。 - 単位熱量変動があり、かつ、当該単位熱量が連続的に測定されない第1燃料と、単位熱量が既知の第2燃料とを少なくとも含む複数種類の燃料を混合燃焼させたときの燃焼熱により蒸気を発生するボイラにおいて、前記ボイラへの燃料投入量を制御するボイラ燃料制御装置であって、
入力要求負荷量に応じて前記ボイラへの燃料投入量を求める燃料投入量演算部と、
前記燃料投入量演算部により求められた燃料投入量に応じて、前記ボイラに前記複数種類の燃料をそれぞれ供給する燃料投入部と、
前記ボイラで発生した蒸気圧力を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された測定蒸気圧力と設定蒸気圧力とに基づきフィードバック補正量を求め、当該フィードバック補正量に基づき前記ボイラへーの燃料投入量を補正するフィードバック制御手段と、
前記フィードバック制御手段によるフィードバック補正後または補正前の値を補正する補正手段と、
を備え、
前記補正手段は、
前記ボイラ要求負荷量および前記複数種類の燃料の混焼率が不変の安定期間では、前記フィードバック補正後の値と当該フィードバック補正前の値との比又は差の値を逐次更新しつつ記憶し、当該記憶した複数の値から求めた第1燃料補正係数に基づいて、前記フィードバック補正後または補正前の値を補正し、
前記ボイラ要求負荷量または前記複数種類の燃料の混焼率の少なくともいずれかが変更される非安定期間では、前記ボイラに設けられた熱交換器の劣化に伴う前記ボイラの熱効率低下を補正するための第1補正係数と、前記第1燃料の単位熱量の実単位熱量との差異を補正するための第2補正係数と、前記混焼率による前記ボイラの熱効率の差異を補正するための第3補正係数との積である第2燃料補正係数に基づいて、前記フィードバック補正後または補正前の値を補正し、
前記補正手段は、
前記混焼率に基づき、予め設定された関係式に従い前記第3補正係数を算出し、
前回の混焼率の変更時における当該変更前後の前記第1燃料の流量と、当該変更前後の前記第1燃料以外の燃料の流量及び単位熱量と、当該変更前後に算出された前記第3補正係数とに基づいて、前記第1燃料の単位熱量を算出し、当該第1燃料の単位熱量と、前記前回の混焼率の変更後の混焼率とに基づいて、前記第2補正係数を算出し、
前記算出された第3補正係数と、前記算出された第2補正係数と、前記前回の混焼率の変更後の第1燃料補正係数とに基づいて、前記第1補正係数を算出することを特徴とする、ボイラ燃料制御装置。 - コンピュータを、請求項8に記載のボイラ燃料制御装置として機能させるためのプログラム。
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