JP2009103344A - 舶用ボイラの蒸気温度制御方法及び制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 煙道13が再熱器パス14と過熱器パス15に分割され、過熱蒸気は緩熱器18に通す蒸気量およびスプレ減温器36のスプレ量で温度制御して高圧蒸気タービンに供給し、再熱蒸気は再燃器パス14の再燃ダンパ25の開度により温度制御して中・低圧蒸気タービンに供給する舶用ボイラに適用する蒸気温度制御方法であって、再熱蒸気温度が、過熱蒸気と再熱蒸気の定格温度の差に基づいて決まるバイアスを過熱蒸気温度の実測値に加えた温度を設定値として制御されることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
同じ構成のボイラが並列に2缶設置される場合もある。
一方、再熱蒸気は高圧蒸気タービンから環流する蒸気を再熱器パスに設置された再熱器で再熱して中圧・低圧蒸気タービンに供給するが、再熱蒸気温度は再熱器パスに設けられた再熱ダンパにより再熱器パスを流れる燃焼ガス量を調整することにより制御する。
しかし、再熱蒸気の温度を上昇させるため再熱ダンパの開度を大きくすれば、過熱器パスの燃焼ガス量が減少して主蒸気温度が低下し、逆に再熱蒸気の温度を低下させるため再熱ダンパの開度を小さくすれば、過熱器パスの燃焼ガス量が増加して主蒸気温度が上昇する。このように、主蒸気温度と再熱蒸気温度は相互に干渉する関係にあるため、制御が難しい。
定格温度にしたがってボイラ諸元や熱交換器仕様を決めているので、たとえば、主蒸気温度測定値より両者の定格温度の差だけ低い値を再熱蒸気温度の設定値として温度制御すれば、タービンはもとよりボイラ各部の熱ストレスも許容範囲に収まり、安全な運転ができる。
なお、ボイラ負荷が主蒸気の定格温度に対応する領域においては定格温度を設定値として主蒸気の温度制御をすることになる。
さらに、過熱器の間に減温器を配置し、通常の場合に緩熱器に通す蒸気量で制御し、主蒸気設定値に所定のバイアスを加えた温度を超えるときにスプレ減温器を用いて主蒸気の減温を行うようにすることもできる。
なお、緩熱器に通す蒸気流量を確実に制御するため、緩熱器に蒸気を供給する蒸気流量調節弁と緩熱器を迂回するバイパス流路に設けたバイパス流量調節弁が互いに逆方向に作動するように構成することができる。
本方式によれば、2基の蒸気温度において大きな温度差を生じることなく、減温量が最小になるので、全体としての効率が向上する。
また、ボイラの燃焼吸気量の変化から排ガス量の変動を算定する微分回路と、過熱ダンパ開度制御信号から微分回路出力信号を差し引いて出力する減算器を備え、微分回路の主蒸気温度変動予測値を用いて過熱ダンパ開度制御信号を調整して、過熱ダンパの開度調整をするようにしてもよい。
なお、バイアス温度を発生する関数発生器と、主蒸気温度設定値とバイアス温度を加算する加算器を備え、主蒸気温度設定値に対して所定温度だけ高いオーバーライド値をSHスプレ温度設定値としてボイラ出口における主蒸気温度制御器の比較器に入力するようにすることができる。
アスターン時など、ボイラ負荷が減少して主蒸気温度設定値を降下させたときは、SHスプレ温度設定値も降下する主蒸気温度設定値にスライドしてこれに所定温度だけ加えた温度にSHスプレ温度設定値を設定することが好ましい。
図1は本実施例における舶用ボイラ周辺の蒸気流れ図、図2は本実施例の舶用ボイラの再熱蒸気温度制御方法のブロック図、図3は再熱蒸気温度制御の設定温度を説明する線図、図4は本実施例の舶用ボイラの主蒸気温度制御方法のブロック図、図5は主蒸気温度制御の設定温度を説明する線図、図6は主蒸気のスプレ制御方法のブロック図、図7はスプレ制御温度制御の設定温度を説明する線図、図8は非再熱モードから再熱モードに切り換える手順を表すフローチャート、図9は再熱モードから非再熱モードに切り換える手順を表すフローチャートである。
本実施例において適用の対象とする舶用ボイラ1は、バーナ12が下向きに設置された燃焼室11に再熱器パス(RHパス)14と過熱器パス(SHパス)15に分かれた煙道13が設置された再熱ボイラである。
燃焼室11には、上部に蒸気ドラム16,下部に水ドラム17が設けられ、壁に設けられた図示しない蒸発管で結合されている。また、蒸発ドラム16あるいは水ドラム17に緩熱器18が組み込まれている。
高圧蒸気タービン2と中低圧蒸気タービン3は1軸を共有し、回転軸は推進器ギヤボックスに結合されてスクリューを駆動する。
また、非再熱モードでは、SHダンパ35は全開、再熱ダンパ25とRHプロテクションダンパ26は全閉、シールエアダンパ28は全開として再熱器パス14の上流端部でエアシールを行って再熱器パス14を閉止し、燃焼ガスの流通を遮断する。
再熱蒸気温度制御システムは、基本的には、中低圧蒸気タービン3に供給する再熱蒸気の温度を温度検出器51で検出し、高圧蒸気タービン2に供給する主蒸気の温度を温度検出器61で検出して、温度調節器52により再熱ダンパ駆動器53を駆動し再熱ダンパ25の開度を調整して、主蒸気温度から導出される再熱蒸気温度設定値との偏差が無くなるように制御するものである。
そこで、再熱蒸気温度は、常に主蒸気温度に対して約20℃低くなるように制御する、主蒸気・再熱蒸気温度差一定制御を基本とする。
蒸気温度に差が生じないようにするため、2缶の負荷はできるだけ均等になるように運用するが、主蒸気温度については低い方に合わせた設定値を使用するが、再熱蒸気温度については、2缶のうち低い方の主蒸気温度を基準にして2缶に共通の再熱蒸気温度設定値を生成して、大きな偏差が生じないようにする。
このため、第1ボイラと第2ボイラそれぞれの再熱蒸気温度制御器52に同じ設定値を与えるための共通回路を備えて、ボイラ運用の均衡を図ることが好ましい。
1隻の船舶に舶用ボイラが2基設けられた場合は、第1ボイラと第2ボイラそれぞれの再熱蒸気温度制御器に同じ設定値を与える共通回路110を備えて、ボイラ負荷の均衡を図る。
共通回路110の出力は再熱蒸気温度制御器52の設定器121に入力される。船舶に舶用ボイラが2基設けられた場合は、それぞれの再熱蒸気温度制御器に同じ設定値を与える。
燃焼空気量の測定値を入力して空気量の変動を検出して再熱蒸気温度の変化を先行して予測する微分回路124と減算器125を備え、制御器123の操作出力から空気量変動の影響量を差し引いた値を入力切換器126と自動手動切換器127を介して再熱ダンパコントロールドライブ53に供給し、再熱ダンパ25を駆動する。
共通回路110により、2缶の主蒸気温度測定値の低い方を選択し、これから20℃減じた値を遷移時における再熱蒸気温度の設定値とする。
最大負荷に対して所定割合以下の定格出力より低い領域においては、主蒸気温度は図中に実線で示すようにボイラの静特性に従って負荷が減少するにつれて温度も低下する。また、定格運転が可能な最大負荷に対して所定割合以上の負荷帯においては、主蒸気温度はその定格値565℃に安定し、再熱蒸気温度設定値は主蒸気定格温度に対して所定のバイアスだけ低い再熱蒸気定格温度545℃に安定させる。なお、再熱蒸気温度設定値は、リミッタ117によりRH定格値の545℃を大きく超えない545℃+αに制限される。
また、非再熱モード時には、再熱器パス14を閉止するので、たとえば200℃低温に設定することにより、過渡時には変化率制御器118を経て再熱蒸気温度設定値を徐々に減少させ、再熱ダンパ25を全閉にする。
主蒸気温度制御システムは、基本的には、主として内部緩熱器を流れる蒸気流量を調節することにより温度制御を行い、温度調節器62で緩熱器18で冷やされる蒸気量を調節する蒸気流量調節弁63の開度を調整して、温度検出器61で検出した主蒸気温度が所定の目標温度に合致するように制御するものである。
そこで、本実施例では、固定オリフィスに代えてバイパス流量調節弁64を設けることにより、蒸気流量調節弁63の入口と出口の間に十分な差圧を確保した。
温度調節器62は、バイパス路37に設けたバイパス流量調節弁64を蒸気流量調節弁63と反対方向に同時に駆動することにより、蒸気流量調節弁63を有効に作動させている。
舶用ボイラが2基設けられた場合に備えて、第1ボイラと第2ボイラそれぞれの主蒸気温度制御器に同じ設定値を与える共通回路130を設ける。
共通回路130は、第1ボイラの主蒸気温度と第2ボイラの主蒸気温度を入力して低い方の温度を選択する比較器131、たとえば10℃など適度なバイアスを発生する第1関数発生器132、比較器131から出力される主蒸気温度測定値と第1関数発生器132から出力されるバイアス温度を加える第1加算器133、ここでは565℃である定格主蒸気温度を発生する第2関数発生器134、550℃を発生する第3関数発生器135、第2関数発生器134と第3関数発生器135のうちひとつを出力する選択器136、加算器133の出力を選択器136の出力で上限制約するリミッタ137、設定温度の変化速度を制約して過激な蒸気温度変化を防止する変化率制限器138で構成される。
主蒸気温度制御器62は、入力部に比較器142を備え、温度検出器61から主蒸気温度信号を入力して設定器141の出力信号との偏差信号を制御器143に渡す。制御器143は、偏差について比例積分操作(PI)を施して適当な操作出力信号を生成する。
また、蒸気流量調節弁63とバイパス流量調節弁6は、制御器から切り離して手動調整する場合にも逆相動作をさせる必要があるので、信号変換器151は機械的に逆相変換させる機構を有するものであることが好ましい。
低負荷時には、共通回路130により、2缶の主蒸気温度測定値の低い方を選択し、これを基準としてたとえば10℃プラスのバイアスを持たせた値を遷移時における主蒸気温度の設定値とする。なお、高負荷状態において、主蒸気温度を定格温度に保持するためには、緩熱器に蒸気の一部を通すなどして減温する必要がある。
SHスプレ制御システムは、主蒸気温度が急激に上昇して緩熱器によっては熱量の吸収が十分でないときなどに、緊急的に利用されるものである。温度検出器61で検出した主蒸気温度が異常に上昇したときに、温度調節器71によりスプレ調節弁72を開いてスプレ減温器36で蒸気中に水をスプレして温度を急速に低減させて対処する。SHスプレ制御システムは、緩熱器による減温と比較すると応答性が優れている。
SHスプレ制御システムは緊急の場合に利用するものであるので、舶用ボイラが2基設けられた場合にも、第1ボイラと第2ボイラそれぞれ独立に設けられる。
SHスプレ制御システムは、常時はスプレ弁を閉止しておくために設定値に与える適度な温度差を生成する関数発生器161、ボイラ出口主蒸気温度設定値と関数発生器161の発生する温度差を入力して加える第1加算器162、第1加算器162から出力される設定値信号が所定の変化率を超えないように調整する変化率制限器163、変化率制限器163の出力を入力して制御器の設定値を生成する設定器164、温度検出器61で測定したボイラ出口主蒸気温度と設定値を入力して両者の偏差を算出する比較器165、偏差について比例積分操作(PI)を施して適当な操作信号を生成するSHスプレコントローラ166、再熱モードから非再熱モードに変換したことを表す信号を入力してSHスプレ調節弁72を駆動する信号を発生する乗算器167、SHスプレコントローラ166の操作信号と乗算器167からの駆動信号を加算する第2加算器168、第2加算器168から出力される操作信号と全閉指令信号のいずれかを出力する入力切換器169、自動手動切換器170、自動手動切換器170の出力により駆動されるSHスプレ調節弁72で構成される。
SHスプレ温度設定値は、主蒸気温度設定値に対してΔt℃高めのオーバーライド設定値とし、比較器165においてわずかなマイナス偏差を発生させることにより、通常時はSHスプレ調節弁72が全閉になるようにしている。
主蒸気温度が蒸気温度設定値を超えているときや急激に上昇してSHスプレ設定温度を超えたときなどには、SHスプレ調節弁72を開いて水を供給することにより、蒸気温度を急冷することができる。
蒸気温度が実際に上昇する前に先行的にSHスプレを吹いて過度の温度上昇を防止する。
また、再熱モードから非再熱モードへの緊急切換があると、過熱器パス側の收熱が急激に増加するため、一時的に主蒸気温度が過度に上昇することがある。このような蒸気温度の急上昇に備えて、先行的にSHスプレを吹いて過度の温度上昇を抑制することができる。
モード切替システムは、再熱器パス14のダンパ25,26,28と過熱器パス15のダンパ35を所定のシーケンスに従って操作することにより、定格運行など高出力が必要で再熱器パス14を生かして高負荷運転する再熱モードと、港内運行時など中低出力運転すれば足りるときに再熱器パスを閉止して運転する非再熱モードとの間で切り替えるものである。
非再熱モードから再熱モードに切り替える指令を受けると、シールエアダンパ28を閉止する指令を発生する(S1)。続いて、RHプロテクションダンパ26を解放する指令を発生して(S2)、再熱器パス14を開通させて、再熱ダンパ25の自動制御(CASモード)を開始する(S3)。
再熱モードから非再熱モードへの切替指令を受けると、再熱ダンパ25の制御モードがCASモードでないときは、CASモードに切り替え(S11)、共通回路110で作成されるCAS設定値を通常設定値から降温目標設定値に切り替え、さらに変化率制限器118により降温レートを規定する(S12)。再熱蒸気温度設定値が降下するにつれて再熱ダンパ25は開度を狭めていくので、再熱蒸気温度が十分低下するまで待機する(S13)。
再熱器パス14の煙道がRHプロテクションダンパ26で閉止され、さらに再熱ダンパ25との間がシール空気でシールされると、再熱モードから非再熱モードへの切替が完了する。
なお、上記共通回路、制御回路、シーケンス回路などは、電子計算機により構成されてもよいことはいうまでもない。
2 高圧蒸気タービン
3 中低圧蒸気タービン
11 燃焼室
12 バーナ
13 煙道
14 再熱器パス(RHパス)
15 過熱器パス(SHパス)
16 蒸気ドラム
17 水ドラム
18 緩熱器
21 節炭器
22 第1再熱器
23 第2再熱器
24 第3過熱器
25 再熱ダンパ
26 RHプロテクションダンパ
27 空気配管
28 シールエアダンパ
31 節炭器
32 第1過熱器
33 第2過熱器
34 第4過熱器
35 SHダンパ
36 スプレ減温器
37 バイパス流路
51 温度検出器
52 温度調節器
53 再熱ダンパ駆動器
61 温度検出器
62 温度調節器
63 蒸気流量調節弁
64 バイパス流量調節弁
71 温度調節器
72 スプレ調節弁
110 共通回路
111 比較器
112 第1関数発生器
113 第2関数発生器
114 第1加算器
115 第2加算器
116 選択器
117 リミッタ
118 変化率制限器
121 設定器
122 比較器
123 制御器
124 微分回路
125 減算器
126 入力切換器
127 自動手動切換器
130 共通回路
131 比較器
132 第1関数発生器
133 第1加算器
134 第2関数発生器
135 第3関数発生器
136 選択器
137 リミッタ
138 変化率制限器
141 設定器
142 比較器
143 制御器
144 演算装置
145 乗算器
146 微分回路
147 第2加算器
148 第3加算器
149 入力切換器
150 自動手動切換器
151 信号変換器
161 関数発生器
162 第1加算器
163 変化率制限器
164 設定器
165 比較器
166 SHスプレコントローラ
167 乗算器
168 第2加算器
169 入力切換器
170 自動手動切換器
Claims (10)
- 煙道が再熱器パスと過熱器パスに分割され、主蒸気は緩熱器に通す蒸気量またはスプレ量あるいはその両方で温度制御して高圧蒸気タービンに供給し、再熱蒸気は再熱器パスの再熱ダンパの開度により温度制御して中・低圧蒸気タービンに供給する舶用ボイラにおける蒸気温度制御方法であって、
主蒸気と再熱蒸気の定格温度の差に基づいて決まるバイアスを主蒸気温度の実測値に加えた温度を設定値として再熱蒸気温度を制御することを特徴とする
舶用ボイラの蒸気温度制御方法。 - ボイラ負荷が主蒸気の定格温度に対応する領域においては定格温度を設定値として主蒸気の温度制御をすると共に、
ボイラ負荷が主蒸気の定格温度以下に対応する領域においては定格温度を上限として所定のバイアスを主蒸気温度の実測値に加えた温度を設定値として主蒸気の温度制御をすることを特徴とする
請求項1記載の舶用ボイラ蒸気温度制御方法。 - 前記再熱器パスに設けた第3過熱器の出口から前記緩熱器を通って前記過熱器パスに設けた第4過熱器の入口に繋がる流路に設置した蒸気流量調節弁と、前記第3過熱器出口と前記第4過熱器入口を直接に繋いで前記緩熱器をバイパスするバイパス流路に設置したバイパス流量調節弁において、前記蒸気流量調節弁と前記バイパス流量調節弁を逆方向に作動させることにより主蒸気温度を制御する
請求項1または2記載の舶用ボイラ蒸気温度制御方法。 - 舶用ボイラが2基設けられていて、前記再熱蒸気温度の設定値は該2基の舶用ボイラのうち低い方の主蒸気温度を基準として生成され、該2基の舶用ボイラに共通に提供されることを特徴とする
請求項1記載の舶用ボイラ蒸気温度制御方法。 - 舶用ボイラが2基設けられていて、前記主蒸気温度の設定値は該2基の舶用ボイラのうち低い方の主蒸気温度を基準として生成され、該2基の舶用ボイラに共通に提供されることを特徴とする
請求項2から4のいずれかに記載の舶用ボイラ蒸気温度制御方法。 - 煙道が再熱器パスと過熱器パスに分割され、主蒸気は緩熱器に通す蒸気量またはスプレ量あるいはその両方で温度制御して高圧蒸気タービンに供給し、再熱蒸気は再熱器パスの再熱ダンパの開度により温度制御して中・低圧蒸気タービンに供給する舶用ボイラを2基備えた船舶に使用する舶用ボイラ蒸気温度制御装置であって、
2基の舶用ボイラの再熱蒸気温度制御装置の温度設定値を提供する共通回路であって、
前記2基のボイラにおける主蒸気温度の低い方を選択して出力する比較器と主蒸気と再熱蒸気の定格温度の差を設定することができる関数発生器と該比較器の出力と該関数発生器の出力を加算する加算器を備えて、
該加算器の出力を温度設定値として前記2基の舶用ボイラの再熱蒸気温度制御器の設定器に提供する第1の共通回路を備えることを特徴とする
舶用ボイラの蒸気温度制御装置。 - 前記第1共通回路は、さらに
前記加算器から得られる温度設定値に対して上限値を限る上限リミッタと、前回指令した前記温度設定値に対して変化率を制限する変化率制限器とを備えて、
前記算出された設定値に上限値と変化率を限る補正をかけて前記2基の舶用ボイラの再熱蒸気温度制御装置の温度設定値として提供することを特徴とする
請求項6記載の舶用ボイラの蒸気温度制御装置。 - 前記2基の舶用ボイラの主蒸気温度制御装置の温度設定値を提供する共通回路であって、
前記2基のボイラにおける主蒸気温度の低い方を選択して出力する第2の比較器と、所定のプラスバイアスを設定することができる第2の関数発生器と、該第2比較器の出力と該第2関数発生器の出力を加算する第2の加算器を備えて、
該第2加算器の出力を温度設定値として前記2基の舶用ボイラの主蒸気温度制御器の設定器に提供する第2の共通回路を備えることを特徴とする
請求項6または7記載の舶用ボイラの蒸気温度制御装置。 - 再熱ダンパの開度測定値を入力して過熱器パス側の燃焼ガス流量配分比率を算定する演算装置と、該演算装置の出力信号と燃焼空気流量測定値の乗算値を算出する乗算器と、微分器と加算器から構成され該乗算器の出力から主蒸気温度の変動を予測する変動推定器を備え、前記主蒸気温度の変動予測値を用いて主蒸気流量調節弁の開度制御信号を調整して、前記微分回路により燃焼空気量の変化から排ガス量の変動を計算し、前記減算器により主蒸気流量調節弁の制御信号を開度調整信号で調整して、主蒸気流量調節弁の開度調整をすることを特徴とする
請求項6から8のいずれかに記載の舶用ボイラの蒸気温度制御装置。 - バイアス温度を発生する関数発生器と、主蒸気温度設定値と該バイアス温度を加算する加算器を備え、該主蒸気温度設定値に対して所定温度高めのオーバーライド値をSHスプレ温度設定値としてボイラ出口における主蒸気温度制御器の比較器に入力することを特徴とする
請求項6から9のいずれかに記載の舶用ボイラの蒸気温度制御装置。
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