JP2008138973A - ボイラ制御装置及びボイラ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラの安定した運転を継続させることを目的とする。
【解決手段】ボイラ制御装置１は、ボイラ７の出口７ａの蒸気圧力を制御する装置である。この装置１は、２種類の燃料を所定の混合比率でボイラ７に供給する燃料供給部９と、燃料供給部９からボイラ７に供給されている燃料の供給パターンを検知するためのモード切替器１５ｃ，１７ｃと、ボイラ出口７ａの蒸気圧力が目標値になるように、ＰＩＤ制御により操作量を決定し、燃料供給部９の燃料供給量及びボイラ７への空気供給量を操作するボイラマスタ調節計３３と、燃料の供給パターンに基づいて、ボイラマスタ調節計３３で用いられるＰＩＤ制御用数式を切り替える数式設定部３７と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラの出口の蒸気圧力を一定に制御するボイラ制御装置及びボイラ制御方法に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のボイラの制御方法が知られている。この制御方法では、複数種類の各燃料が混焼されるボイラにおいて、ボイラからの排ガス中のＯ_２濃度検出値及び各燃料流量測定値から所定の数式で平均空気比を求め、この平均空気比が目標値になるように送入空気量を調整している。
特開昭５８−１０２０２４号公報

しかしながら、このような混焼ボイラにおいては、各燃料供給系の不具合により一部の燃料のボイラへの供給に異常が発生してしまう場合があり得る。この場合には、ボイラに供給される各燃料の混合比率が変化してしまう。特に、近年の火力発電所用のボイラでは、主燃料としてバイオマス燃料（例えば、建築廃材木屑、ペーパースラッジ等）、副燃料として石炭を使用した混焼運転が広く行われている。このような混焼運転のボイラにおいて、主燃料であるバイオマス燃料の供給が不具合により停止すると、制御に係るボイラ出口圧力が発散してしまう場合もあり、安定した運転を継続できないおそれが発生する。

このような問題に鑑み、本発明は、ボイラの安定した運転を継続させることを目的とする。

本発明のボイラ制御装置は、ボイラの出口の蒸気圧力を制御するボイラ制御装置において、複数種類の燃料を所定の混合比率でボイラに供給する燃料供給手段と、燃料供給手段からボイラに供給されている燃料の供給パターンを検知する供給パターン検知手段と、ボイラの出口の蒸気圧力が目標値になるように、所定の制御用数式に基づいて操作量を決定し、燃料供給手段の燃料供給量及びボイラへの空気供給量を操作する供給操作手段と、供給パターン検知手段で検知された供給パターンに基づいて、供給操作手段で用いられる制御用数式を切り替える数式切替手段と、を備えたことを特徴とする。

このボイラ制御装置では、ボイラの出口の蒸気圧力が目標値になるように、所定の制御用数式により操作量が決定され、その操作量で燃料供給手段の燃料供給量及びボイラへの空気供給量が操作されることで、ボイラ出口の蒸気圧力が一定に制御される。そして、このボイラ制御装置によれば、例えば燃料供給手段の異常によってボイラに供給される各燃料の供給パターンが変化してしまったとしても、供給パターン検知手段によって、ボイラに供給されている燃料の供給パターンが検知される。そして、検知された供給パターンに基づいて上記の制御用数式が切り替えられる。従って、燃料供給手段に不具合が発生した場合にも、それに対応して制御用数式が変化することで、ボイラ出口の上記圧力の制御を最適のものとすることができ、その結果、安定したボイラの運転が継続される。

また、制御用数式は、ボイラ出口の蒸気圧力をＰＩＤ制御するためのＰＩＤ制御用の数式であり、数式切替手段は、制御用数式のＰ定数、Ｉ定数及びＤ定数のうち少なくとも何れか１つを切り替えることとしてもよい。

また、供給パターン検知手段は、燃料供給手段の不具合の有無を検知し、当該不具合の有無に基づいて供給パターンを検知することとしてもよい。

また、本発明のボイラ制御方法は、ボイラの出口の蒸気圧力を制御するボイラ制御方法において、複数種類の燃料を所定の混合比率でボイラに供給する燃料供給ステップと、燃料供給ステップでボイラに供給されている燃料の供給パターンを検知する供給パターン検知ステップと、ボイラの出口の蒸気圧力が目標値になるように、制御用数式に基づいて操作量を決定し、燃料供給ステップにおける燃料投入量及びボイラへの空気供給量を操作する供給操作ステップと、供給パターン検知ステップで検知された供給パターンに基づいて、供給操作ステップで用いられる制御用数式を切り替える数式切替ステップと、を備えたことを特徴とする。

このボイラ制御方法では、ボイラの出口の蒸気圧力が目標値になるように、所定の制御用数式により操作量が決定され、その操作量で燃料供給手段の燃料供給量及びボイラへの空気供給量が操作されることで、ボイラ出口の蒸気圧力が一定に制御される。そして、このボイラ制御方法によれば、例えば燃料供給ステップの異常によってボイラに供給される各燃料の供給パターンが変化してしまったとしても、供給パターン検知ステップによって、ボイラに供給されている燃料の供給パターンが検知される。そして、検知された供給パターンに基づいて上記の制御用数式が切り替えられる。従って、燃料供給ステップで異常が発生した場合にも、それに対応して制御用数式が変化することで、ボイラ出口の上記圧力の制御を最適のものとすることができ、その結果、安定したボイラの運転が継続される。

本発明のボイラの制御装置及びボイラの制御方法によれば、ボイラの安定した運転を継続させることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るボイラ制御装置及びボイラ制御方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１に示す発電システム１００は、発電機３に接続されたタービン５に蒸気を供給するボイラ７を備えている。更に、発電システム１００は、ボイラ７に燃料を供給する燃料供給部（燃料供給手段）９とボイラ７に燃焼用の空気を送り込む空気供給部１１とを有するボイラ制御装置１を備えている。このボイラ７には、主燃料と副燃料との２種類の燃料が所定の混合比率で供給されて運転が行われる（燃料供給ステップ）。ここでは、主燃料として建築廃材木屑やペーパースラッジといったバイオマス燃料、副燃料として石炭が用いられ、混合比率は、両者の保有熱量比を勘案して、例えば、主燃料：副燃料＝７０：３０とされる。以下、このように主燃料と副燃料とが例えば７０：３０といった供給パターンで正常にボイラ７に供給される運転を、「混焼運転」と称する。

このような混焼運転を可能にするため、燃料供給部９は、上記主燃料をボイラ７に供給する主燃料供給部１５及び上記副燃料をボイラ７に供給する副燃料供給部１７を備えている。この主燃料供給部１５は、ボイラ７に主燃料を投入する主燃料投入部１５ａと、この主燃料投入部１５ａに駆動信号を送出して投入量を調整する主燃料調節計１５ｂとを備えている。また同様に、副燃料供給部１７は、ボイラ７に副燃料を投入する副燃料投入部１７ａと、この副燃料投入部１７ａに駆動信号を送出して投入量を調整する副燃料調節計１７ｂとを備えている。なお、主燃料投入部１５ａ、副燃料投入部１７ａとしては、例えば、燃料をボイラ７まで搬送するためのコンベアが用いられる。主燃料調節計１５ｂと副燃料調節計１７ｂとは、燃料マスタ設定器１９からの信号を受け、この信号に対応する駆動信号を発生して、それぞれ主燃料投入部１５ａ、副燃料投入部１７ａに送出する。

このような燃料供給部９の構成に基づき、燃料マスタ設定器１９による制御によって、主燃料投入部１５ａ及び副燃料投入部１７ａの駆動が調整可能であり、ボイラ７への主燃料及び副燃料の投入量を調整することができる。そして、燃料供給部９は、主燃料と副燃料とを所定の混合比率でボイラ７に供給することができる。

また、空気供給部１１は、ボイラ７に送る風を発生する送風機２１と、送風ラインＬ１上に設けられた流量調整弁２３とを備えている。この流量調整弁２３は、空気系調節計２７の駆動信号により駆動し、空気系調節計２７は空気量マスタ設定器２９からの信号に応じて上記駆動信号を送出する。このような空気供給部１１の構成に基づき、空気量マスタ設定器２９の制御によって、空気流量が調整され、ボイラ７への空気供給量が調整される。

また、この発電システム１００においては、ボイラ７の出口７ａの蒸気圧力（タービン入口主蒸気圧力）ＰＶを例えば９〜１０ＭＰａ程度で一定に制御する必要があるので、ボイラ制御装置１には、このような制御に関する処理を行うための処理部３１が設けられている。また、ボイラ出口７ａには圧力検出装置２３が設置されており、ボイラ出口７ａにおける蒸気圧力ＰＶが随時計測されている。また、上記処理部３１は、蒸気圧力ＰＶを予め設定された目標値ＳＶに一定に維持するようにＰＩＤ制御を行うボイラマスタ調整計（供給操作手段）３３を備えている。目標値ＳＶは、例えば、ユーザの入力により設定されボイラマスタ調整計３３に与えられる。

そして、このボイラマスタ調整計３３は、圧力検出装置２３から蒸気圧力ＰＶの計測値を随時得て、この計測値と目標値ＳＶとを比較してＰＩＤ制御用の数式を用いて操作量を算出し、算出された操作量をもって燃料マスタ設定器１９及び空気量マスタ設定器２９の操作を行う（供給操作ステップ）。燃料マスタ設定器１９が操作されることで、前述の通り、燃料投入部１５ａ，１７ａからボイラ７への各燃料供給量が調整され、空気量マスタ設定器２９が操作されることで、前述の通り、ボイラ７への空気供給量が調整される。そして、このような燃料供給量及び空気供給量の調整により、ボイラ７の燃焼状態が調整され、ボイラ出口７ａにおける蒸気圧力ＰＶが目標値ＳＶに近づくように調整される。以上の構成により、ボイラマスタ調節計３３によってボイラ出口７ａの蒸気圧力ＰＶがフィードバック制御され、蒸気圧力ＰＶが目標値ＳＶに一定に維持される。

このような発電システム１００においては、燃料供給部９の主燃料供給部１５に機器トラブル等が発生すると、ボイラ７への主燃料の供給が停止し、ボイラ７へ供給される燃料の１００％が副燃料となる場合がある。以下、このように副燃料のみがボイラ７に供給されるといった供給パターンでの運転を、「専焼運転」と称する。すなわち、この燃料供給部９においては、供給される燃料の混合比率が主燃料：副燃料＝７０：３０である燃料供給パターンと、供給される燃料の混合比率が主燃料：副燃料＝０：１００である燃料供給パターンといったように、燃料の混合比率が異なる２種類の供給パターンが存在することになる。ここで、主燃料であるバイオマス燃料はボイラ投入後の燃焼応答速度が速いが、副燃料である石炭は燃焼応答速度が遅い、といったように、主燃料と副燃料とでは、燃焼に関する性状が異なっている。従って、ボイラ７に供給される燃料の組成が変化すると、蒸気圧力ＰＶの上記フィードバック制御に用いられるＰＩＤ制御用の数式は、必ずしも最適な数式ではなくなってしまう。その結果、ボイラ出口７ａの蒸気圧力ＰＶが発散する場合もあり、ボイラ７の安定した制御が行われないおそれがある。

そこで、処理部３１は、ボイラマスタ調節計３３で用いられる上記ＰＩＤ制御用数式のＰ定数、Ｉ定数、Ｄ定数を設定する数式設定部（数式切替手段）３７を有している。そして、数式設定部３７は、燃料供給部９の不具合の有無に応じてＰ定数、Ｉ定数、Ｄ定数を切り替えて設定することが可能である（数式切替ステップ）。

このような機能を実現する数式設定部３７の具体的な構成について、図２を参照しながら説明する。数式設定部３７は、例えばユーザの入力により設定された送電電力設定Ｑ１と、現在のボイラ７の運転状態が「混焼運転」であるか「専焼運転」であるかを示す運転状態区分Ｑ２（詳細は後述する）と、を入力し、送電電力設定Ｑ１と運転状態区分Ｑ２とに基づいて上記のＰ定数、Ｉ定数、及びＤ定数を算出し、ボイラマスタ調節計３３に出力する機能を有している。

数式設定部３７は、上記ＰＩＤ制御用数式のＰ定数を算出するＰ定数算出部５１、Ｉ定数を算出するＩ定数算出部５３、及びＤ定数を算出するＤ定数算出部５５を備えている。Ｐ定数算出部５１は、第１演算部５７ａ、第２演算部５７ｂ及びトラッキング部５７ｃを有している。第１演算部５７ａには、送電電力設定Ｑ１が入力され、予め格納された第１折線関数Ｆ_１ｘから送電電力設定Ｑ１に対応するＰ定数を算出し、それぞれトラッキング部５７ｃに入力する。ここでは、ボイラ７の混焼運転に適したＰ定数が算出される。また、第２演算部５７ｂにも同様に、送電電力設定Ｑ１が入力され、予め格納された第２折線関数Ｆ_２ｘから送電電力設定Ｑ１に対応するＰ定数を算出し、それぞれトラッキング部５７ｃに入力する。ここでは、第１折線関数とは異なる第２折線関数が用いられているので、ボイラ７の専焼運転に適したＰ定数が算出される。なお、折線関数Ｆ_１ｘ、Ｆ_２ｘとは、タービン５で得られる電力と、その時のボイラ制御に用いられるＰ定数との関係を示す関数であり、一般に折れ線のグラフで表される。

このように２種類のＰ定数が入力されるトラッキング部５７ｃには、更に上記運転状態区分Ｑ２が入力されている。そして、トラッキング部５７ｃは、入力された運転状態区分Ｑ２が「混焼運転」である場合には、第１演算部５７ａからの混焼運転に適したＰ定数をボイラマスタ調節計３３に出力し、入力された運転状態区分Ｑ２が「専焼運転」である場合には、第２演算部５７ｂからの専焼運転に適したＰ定数をボイラマスタ調節計３３に出力する。

また、Ｉ定数算出部５３及びＤ定数算出部５５は、Ｐ定数算出部５１と同様の構成を有しているので、運転状態区分Ｑ２が「混焼運転」である場合には、混焼運転に適したＩ定数、Ｄ定数をそれぞれボイラマスタ調節計３３に出力し、運転状態区分Ｑ２が「専焼運転」である場合には、専焼運転に適したＩ定数、Ｄ定数をそれぞれボイラマスタ調節計３３に出力することができる。そして、ボイラマスタ調節計３３は、各定数算出部５１，５３，５５から入力されるＰ，Ｉ，Ｄ定数を採用したＰＩＤ制御により、ボイラ出口７ａの蒸気圧力の制御を行う。

続いて、上記運転状態区分Ｑ２が「混焼運転」、「専焼運転」の何れであるかを検知するための燃料供給部９の構成について説明する。

再び図１を参照すると、燃料供給部９の主燃料調節計１５ｂには、燃料マスタ設定器１９からの電気信号に従って動作する「カスケードモード」と燃料マスタ設定器１９の電気信号から独立して自動で動作する「オートモード」との２つの動作モードを切り替えるモード切替器１５ｃが設けられている。そして、主燃料調節計１５ｂは、発電システム１００の通常の運転中には「カスケードモード」で動作し、主燃料供給部１５に不具合が発生し主燃料の供給に支障が生じた場合には、「オートモード」に切り替えられる。なお、同様に、副燃料調節計１７ｂにも、「カスケードモード」と「オートモード」とを切替可能なモード切替器１７ｃが設けられている。

このようなモード切替器１５ｃが動作モードに応じた電気信号を数式設定部３７に対して出力することにより、数式設定部３７は、現在の運転状態区分Ｑ２が何れであるかを認識することができる。例えば、主燃料調節計１５ｂの動作モードが「カスケードモード」でない場合には、主燃料供給部１５の不具合発生によりボイラ７への主燃料の供給に支障が生じ、ボイラ７では専焼運転が行われていることを数式設定部３７が認識することができる。また、主燃料調節計１５ｂの動作モードが「カスケードモード」である場合には、数式設定部３７は、主燃料供給部１５が正常に動作しており、ボイラ７では混焼運転が行われていることを数式設定部３７が認識することができる（供給パターン検知ステップ）。このように、上記モード切替器１５ｃは、主燃料供給部１５の不具合の有無に基づいて、燃料の供給パターンが専焼運転に対応する主燃料：副燃料＝０：１００であるか、混焼運転に対応する主燃料：副燃料＝７０：３０であるかを検知する供給パターン検知手段として機能する。

以上のように、処理部３１が、数式設定部３７を備えることにより、運転状態区分Ｑ２に対応したＰ，Ｉ，Ｄ定数が自動的に選択されボイラマスタ調節計３３に出力される。従って、「混焼運転」の場合にも「専焼運転」の場合にも、ボイラマスタ調節計３３の制御ロジックにはその運転状態に対応して最適なＰＩＤ制御用の数式が自動的に設定される。その結果、例えば、ボイラ７の混焼運転が行われているときに、主燃料供給部１５の機器トラブル等により専焼運転に切り替わった場合や、逆に専焼運転から混焼運転に切り替わった場合にも、ボイラ出口７ａの蒸気圧力制御の切替えが系全体に影響を及ぼさないようにバンプレスに行われ、安定したボイラ制御が達成される。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、モード切替器１５ｃのモード設定によって、燃料供給部９に不具合の有無が認識され、ボイラ７に供給される燃料の供給パターンが混焼運転対応か専焼運転対応かを検知しているが、燃料が所定の混合比率で供給されているかどうかを検知するための他の手段を用いてもよい。また、燃料の供給パターンとしては、上記２種類の何れであるかを検知しているが、更に多種類の供給パターンが用いられてもよい。また、３種類以上の燃料を混合する混焼運転を行ってもよい。このような場合、数式設定部３７において各混合比率に対応した第１〜第ｎ演算部を設けることで、ボイラマスタ調節計３３で用いられる制御用数式も多段階に切り替えることができる。また、上記実施形態では、混焼運転の燃料の混合比率を主燃料：副燃料＝３０：７０としているが、混焼運転の燃料の混合比率はこれに限定されるものではなく、燃料の種類等によって適宜設定することが可能である。

本発明に係るボイラ制御装置及びボイラ制御方法が用いられる発電システムの一実施形態を示す図である。 図１の発電システムにおけるボイラ制御装置の詳細を示す図である。

符号の説明

１…ボイラ制御装置、７…ボイラ、７ａ…ボイラ出口、９…燃料供給部（燃料供給手段）、１５ｃ，１７ｃ…モード切替器（供給パターン検知手段）、３３…ボイラマスタ調節計（供給操作手段）、３７…数式設定部（数式切替手段）。

Claims (4)

1. ボイラの出口の蒸気圧力を一定に制御するボイラ制御装置において、
   複数種類の燃料を所定の混合比率で前記ボイラに供給する燃料供給手段と、
   前記燃料供給手段から前記ボイラに供給されている前記燃料の供給パターンを検知する供給パターン検知手段と、
   前記ボイラの出口の蒸気圧力が目標値になるように、所定の制御用数式に基づいて操作量を決定し、前記燃料供給手段の燃料供給量及び前記ボイラへの空気供給量を操作する供給操作手段と、
   前記供給パターン検知手段で検知された前記供給パターンに基づいて、前記供給操作手段で用いられる前記制御用数式を切り替える数式切替手段と、
   を備えたことを特徴とするボイラ制御装置。
2. 前記制御用数式は、前記ボイラ出口の蒸気圧力をＰＩＤ制御するためのＰＩＤ制御用の数式であり、
   前記数式切替手段は、前記制御用数式のＰ定数、Ｉ定数及びＤ定数のうち少なくとも何れか１つを切り替えることを特徴とする請求項１に記載のボイラ制御装置。
3. 前記供給パターン検知手段は、
   前記燃料供給手段の不具合の有無を検知し、当該不具合の有無に基づいて前記供給パターンを検知することを特徴とする請求項１又は２に記載のボイラ制御装置。
4. ボイラの出口の蒸気圧力を制御するボイラ制御方法において、
   複数種類の燃料を所定の混合比率で前記ボイラに供給する燃料供給ステップと、
   前記燃料供給ステップで前記ボイラに供給されている前記燃料の供給パターンを検知する供給パターン検知ステップと、
   前記ボイラの出口の蒸気圧力が目標値になるように、制御用数式に基づいて操作量を決定し、前記燃料供給ステップにおける燃料投入量及び前記ボイラへの空気供給量を操作する供給操作ステップと、
   前記供給パターン検知ステップで検知された前記供給パターンに基づいて、前記供給操作ステップで用いられる前記制御用数式を切り替える数式切替ステップと、を備えたことを特徴とするボイラ制御方法。

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