JP2010121916A - 液位制御システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気ドラム内に貯留された水の水位の制御性を向上させる。
【解決手段】本発明の液位制御システムの水位制御手段４２は、蒸気流量の検出信号（Ｓ３０）から関数演算器５０及び一次遅れ回路５４により汽水分離器１６内の保有水量を求め、保有水量を微分器５２により時間で微分することにより、汽水分離器１６の水の質量流量収支（汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率）に対応する信号（Ｓ３１）を求め、給水流量検出信号と蒸気流量検出信号の差分に信号（Ｓ３１）を加えて補正信号（Ｓ３２）を生成することにより、給水流量調節弁の弁開度指令信号（Ｓ３５）を適切に補正している。このように、従来考慮されていなかった蒸気ドラム内の水位に変動を与える要因を取り入れた制御を行うことで、蒸気ドラム内に貯留された水の水位の制御性を向上させることができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、液位制御システムに係り、特にボイラーで発生した蒸気及び液体を含む二相流体から液体を分離させる汽液分離器を内包する蒸気ドラム内に貯留される液体の液位を制御するシステムに関する。

火力発電所や原子力発電所などの発電所では、水などの液体をボイラーで加熱して蒸気を発生させ、その蒸気によりタービン・発電機を駆動して電力を得ているが、多くの場合、ボイラーで発生した蒸気には水（液体、ミスト）が含まれた二相流となっている。

一方、蒸気を利用するタービンは、タービンの健全性を確保するため、水が含まれていない乾燥した蒸気が必要である。このため、ボイラーで発生した二相流を蒸気ドラムに流入させ、蒸気ドラム内に設けられた汽水分離器により二相流から水を分離して、水が分離された蒸気をタービンに送ることが知られている。

汽水分離器で分離された水は蒸気ドラムに貯留される。また、タービンへ供給される蒸気流量とバランスするように、蒸気ドラムには復水器から給水ポンプにより水が供給される。蒸気ドラムに貯留された分離水及び復水器からの給水はボイラーに供給されるようになっている。

ここで、例えば発電所の電気出力が変更されたり、発電所の負荷が急激に低下、喪失したりするような場合には、蒸気ドラムからタービンに流れる蒸気の流量が急速に変化することから、給水流量と蒸気流量のバランスが崩れ、蒸気ドラム内の水量が変化して水位が変動する。

しかしながら、蒸気ドラム内の水位は、下記理由から、所定の範囲内に収める必要がある。
（１）水位が高くなると、汽水分離器の特性から、タービンに流入する蒸気に水分（ミスト）が多く含まれるようになってタービンを損傷させる可能性がある。
（２）水位が低くなると、ボイラー内で水から露出した部分が空焚き状態になってボイラーが損傷するおそれがある。

このため、特許文献１に記載されているように、蒸気ドラム内に貯留された水の水位、復水器から蒸気ドラムへの給水流量、及び蒸気ドラムからタービンへの蒸気流量を検出し、これら３つの信号要素に基づいて復水器からの給水流量を調節することにより、蒸気ドラム内の水位を所定のレベルに制御することが知られている。

特開平０５−２６５５６９号公報

ところで、特許文献１の技術は、蒸気ドラム内の水位の制御性をさらに向上させることについて改良の余地がある。

すなわち、特許文献１の技術は、蒸気ドラム内の水位の時間に対する変化率を、給水流量と蒸気流量の差（流量の収支）から求めるものである。しかし、これはあくまで蒸気ドラムの容器の壁を境界とした質量の収支であり、実際の水位は、給水流量と蒸気流量の収支以外の蒸気ドラムの内的要素によっても影響を受ける場合がある。

例えば、蒸気ドラム内には汽水分離器が設けられているが、この汽水分離器のドラム内の水面より上側に位置する領域に蓄えられる水量の変化により、ドラム内の水位は変動する。また、ボイラー及び蒸気ドラム内の水に含まれる気泡の体積の変化により、ドラム内の水位は変動する。

そこで、本発明は、蒸気ドラム内に貯留された液体の液位の制御性を向上させることを課題とする。

本発明の液位制御システムは、液体を沸騰させるボイラーと、このボイラーから流出した蒸気及び液体を含む二相流体から液体を分離して落下させる汽液分離器と、この汽液分離器を内包して設けられ、液体が分離された蒸気をタービンに供給するとともに内部に貯留された液体をボイラーに供給する蒸気ドラムと、復水器から蒸気ドラムに供給される給液の流量を調節可能な給液流量調節手段と、蒸気ドラム内に貯留された液体の液位を検出する液位計と、復水器から蒸気ドラムに供給される給液流量を検出する流量計と、蒸気ドラムからタービンに供給される蒸気流量を検出する流量計と、検出された液体の液位、給液流量、及び蒸気流量に基づいて給液流量調節手段により給液流量を制御する液位制御手段とを備えて構成される。

特に、上記課題を解決するため、本発明の液位制御手段は、汽液分離器に蓄えられる液量の変化率を求め、この求めた液量の変化率に基づいて給液流量調節手段による給液流量を補正することを特徴としている。

すなわち、汽液分離器に蓄えられる液量の変化率を求めることにより、蒸気ドラム内の液位の変動を把握することができるので、この液量の変化率に基づいて給液流量調節手段による給液流量を適切に補正することができる。

ここで、給液流量調節手段は、復水器から蒸気ドラムに給液を供給する給液ポンプの回転速度、及び給液の流量調節弁の弁開度の少なくとも一方の制御により、復水器から蒸気ドラムに供給される給液の流量を調節するものとすることができる。この場合、液位制御手段は、汽液分離器に蓄えられる液量の変化率を求め、この求めた液量の変化率に基づいて給液ポンプの回転速度、及び流量調節弁の弁開度の少なくとも一方を補正するよう構成することができる。

例えば汽液分離器に蓄えられる液量の変化率によりドラム内の液位が高くなることが検出されれば給液ポンプの回転速度を下げるか、流量調節弁の弁開度を絞って給水流量を減少させればよい。逆にドラム内の液位が低くなることが検出されれば給液ポンプの回転速度を上げるか、流量調節弁の弁開度を大きくして給水流量を増加させればよい。このように、蒸気ドラムに対する給水流量と蒸気流量の差（流量の収支）以外の蒸気ドラム内の液位を変動させる要因を取り入れて給水流量を調節することにより、蒸気ドラム内の液位の制御性すなわち安定性及び即応性を向上させることができる。

この場合において、ボイラーから汽液分離器へ流入する液体流量を検出する流量計と、汽液分離器から蒸気ドラムの液相部へ流出する液体流量を検出する流量計とを設けて、検出された汽液分離器へ流入する液体流量と汽液分離器から蒸気ドラムの液相部へ流出する液体流量及びタービンに供給される蒸気流量との差分に基づいて汽液分離器に蓄えられる液量の変化率、すなわち蒸気ドラムと汽液分離器との間の収支率を求めることができる。

また、汽液分離器内の液体の液位を検出する液位計を設けて、検出された汽液分離器内の液位に基づいて汽液分離器に蓄えられる液量を求め、この求めた液量に基づいて汽液分離器に蓄えられる液量の変化率を求めることができる。

また、流量計により検出された蒸気ドラムからタービンに供給される蒸気流量に基づいて汽液分離器に蓄えられる液量を求め、この求めた液量に基づいて汽液分離器に蓄えられる液量の変化率を求めることができる。この場合、液位計で検出された蒸気ドラム内に貯留された液体の液位に基づいて求めた汽液分離器に蓄えられる液量を補正することができる。

また、上記課題を解決するため、本発明の液位制御手段の他の態様は、ボイラー及び蒸気ドラム内の液体中の気泡の体積の変化率を求め、この求めた気泡の体積の変化率に基づいて給液流量調節手段による給液流量を補正することを特徴としている。

すなわち、ボイラー及び蒸気ドラム内の液体中の気泡の体積の変化率を求めることにより、蒸気ドラム内の液位の変動を把握することができるので、この気泡の体積の変化率に基づいて給液流量調節手段による給液流量を適切に補正することができる。給液流量調節手段を、給液ポンプの回転速度、及び給液の流量調節弁の弁開度の少なくとも一方の制御により、復水器から蒸気ドラムに供給される給液の流量を調節するものとした場合、例えば気泡の体積の変化率によりドラム内の液位が高くなることが検出されれば給液ポンプの回転速度を下げるか、流量調節弁の弁開度を絞って給水流量を減少させればよい。逆にドラム内の液位が低くなることが検出されれば給水ポンプの回転速度を上げるか、流量調節弁の弁開度を大きくして給水流量を増加させればよい。このように、蒸気ドラムに対する給水流量と蒸気流量の差（流量の収支）以外の蒸気ドラム内の液位を変動させる要因を取り入れて給水流量を調節することにより、蒸気ドラム内の液位の制御性を向上させることができる。

ボイラー及び蒸気ドラム内の液体中の気泡の体積の変化率は、ボイラーの熱源の熱工率に基づいて求めることができる。例えばボイラーが排ガス熱回収型ボイラーの場合、排ガスの熱回収前の温度を検出する温度計と、排ガスの熱回収後の温度を検出する温度計と、排ガスの流量を検出する流量計とを設け、検出した排ガスの熱回収前の温度、熱回収後の温度、及び排ガスの流量に基づいて排ガス熱の熱工率を求めることができる。

本発明によれば、蒸気ドラム内に貯留された液体の液位の制御性を向上させることができる。

以下、本発明を適用してなる液位制御システムの実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。まず、本実施形態の液位制御システムの基本構成について説明する。なお、本実施形態は、火力発電所に用いられる蒸気ドラムの液位制御システムを例に挙げて説明するが、これに限らず原子力発電所（原子炉内沸騰水型及び蒸気発生器を用いたもの）、核融合発電所、地熱発電所、ゴミ焼却発電所、太陽光熱発電所など、蒸気を発生させてタービン・発電機を駆動する発電所に適用することができる。

図１は、本実施形態の液位制御システムの基本構成を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態の液位制御システム１０は、例えば水などの液体を沸騰させるボイラー１２と、このボイラー１２で発生した蒸気及び水（液体）を含む二相流体を流入させる蒸気ドラム１４と、蒸気ドラム１４内に設けられた汽水分離器１６と、復水器１８から給水ポンプ２０を介して蒸気ドラム１４内に供給される給水の流量を調節可能な給液流量調節手段としての給水流量調節弁２２とを備えて構成される。なお、給水流量調節弁２２を設けずに、給液流量調節手段として給水ポンプ２０の回転速度を制御して給水の流量を調節することもできる。

ボイラー１２は、火炉２４から送られる排ガス２６の熱により水を沸騰させるものである。排ガス２６の流路には、一端を蒸気ドラム１４内に開口させた上昇管２８が設けられている。また、上昇管２８の他端は、蒸気ドラム１４の底部に一端を開口させた下降管３０の他端と連通している。これにより、蒸気ドラム１４内に貯留した水が下降管３０を介して上昇管２８に導かれ、上昇管２８内で排ガス２６により加熱されて沸騰し、上昇する二相流となって蒸気ドラム１４内へ流れる。

汽水分離器１６は、ボイラー１２から上昇管２８を介して流入する二相流体から水を分離して落下させるものである。汽水分離器１６により水が分離された蒸気は、蒸気ドラム１４の上部に一端を開口させた蒸気流路を介してタービン３２に供給され、タービン３２及び発電機３４を駆動する。一方、汽水分離器１６により分離されて落下した水は、復水器１８から供給される給水とともに蒸気ドラム１４内の所定の目標水位に水面を形成して貯留され、ボイラー１２での加熱量に応じた自然循環により下降管３０を介してボイラー１２に導かれる。

給水流量調節弁２２は、復水器１８から給水ポンプ２０を介して蒸気ドラム１４へ供給される給水の流量を調節するためのものであり、具体的には、蒸気ドラム１４からタービン３２へ供給される蒸気流量とバランスするように、蒸気ドラム１４に供給される給水流量を調節するものである。

ところで、蒸気ドラム１４内の水位は、下記理由から、所定の範囲内に収める必要がある。
（１）水位が高くなると、汽水分離器の特性から、タービンに流入する蒸気に水分（ミスト）が多く含まれるようになってタービンを損傷させる可能性がある。
（２）水位が低くなると、ボイラー内で水から露出した部分が空焚き状態になってボイラーが損傷するおそれがある。

しかし、例えば発電所の電気出力が変更されたり、発電所の負荷が急激に低下、喪失したりする場合、蒸気ドラム１４からタービン３２に流れる蒸気の流量が急速に変化することから、給水流量と蒸気流量のバランスが崩れ、蒸気ドラム１４内の水量が変化して水位が変動する。図２は、発電出力や負荷が大きく変化するような外乱が発生した場合の蒸気ドラム１４内の水位の時間変化の例を示したものである。図２に示すように、外乱が発生すると水位は大きく変動し、場合によっては設定された上限水位、及び下限水位を超えて変動することがある。なお、発電所の負荷が急激に低下する場合としては、燃料高速カットバック（ＦＣＢ：Ｆａｓｔ Ｃｕｔ Ｂａｃｋ又はボイラー入力急変絞込み制御）などがある。

そこで、本実施形態の液位制御システム１０は、蒸気ドラム１４内に貯留された水の水位を検出する水位計３６と、復水器１８から蒸気ドラム１４に供給される給液流量を検出する流量計３８と、蒸気ドラム１４からタービン３２に供給される蒸気流量を検出する流量計４０を備えており、水位計３６、流量計３８、及び流量計４０で検出された水位、給水流量、及び蒸気流量に基づいて給水流量調節弁２２の弁開度を制御する水位制御手段４２が設けられている。水位制御手段４２は、いわゆる３要素型水位制御を行なっている。

図３は、水位制御手段４２の演算アルゴリズムを説明する図である。図３に示すように、蒸気ドラム１４内の目標の水位（水位設定点）と水位計３６で検出された水位との偏差信号（Ｓ１）を求める。一方、給水流量検出信号と蒸気流量検出信号の差分信号（Ｓ２）を演算し、ゲインがＫの増幅器で増幅して信号（Ｓ３）を求める。偏差信号（Ｓ１）と信号（Ｓ３）の差分信号（Ｓ４）を比例積分演器で演算することにより、弁開度指令信号（Ｓ５）を求める。言い換えれば、蒸気ドラム内の目標水位と水位計３６で検出された蒸気ドラム１４内の水位との偏差を、給液流量と蒸気流量の差分に基づいて補正している。

なお、水位制御に蒸気ドラム１４に流入する給水流量の検出信号と、タービン３２へ流入する蒸気の流量の検出信号を用いているのは、制御の即応性を改善するためである。

ところで、蒸気ドラム１４内の水位は、図１に示すように、蒸気ドラム１４内の上部及び下部に孔を開けてその間に差圧計を設置し、その差圧計で測定した差圧から換算することにより測定する方法が多く用いられている。しかしながら、蒸気ドラム１４内では、液相部に対して水が給水ポンプ２０や汽水分離器１６から大量に注入されており、また、浮力を持つ気泡（ボイド）が内包され、浮上している。このため、蒸気ドラム１４の内部の水の流動や水位の変化が複雑となっており、測定される水位信号には本来の水位の情報に加え、高い周波域に及ぶノイズや揺らぎが持続的に重畳されている。

一方、比例積分演算で用いる比例ゲイン及び積分ゲインは、水位が安定且つ迅速に応答するように設定する必要がある。しかしながら、前述のように蒸気ドラム内の水位の挙動が複雑で、水位計測値が絶えず振動していることから、比例ゲインや積分ゲインに大きな値を設定するなどして即応性を優先させると、弁の開度や給水流量に加え、実際の水位も振動してしまうことから適当ではない。

このため、発電所の電気出力を急速に変更したり、発電所の負荷が急激に低下、或いは、喪失したりするような場合には、水位制御の応答が必ずしも十分ではなく、水位が所定の範囲を逸脱することも考えられる。この対策として、蒸気ドラム１４の水平自由断面積、すなわち蒸気ドラム１４のサイズを大きくすることが考えられるがドラムの小型化要求の観点から好ましくない。また、プラントの発電出力を高速で変化させることが困難になる。

ここで、蒸気ドラム１４内の水位は、ボイラー１２や蒸気ドラム１４内の水の量に対して正の相関がある。したがって、水位の時間に対する変化率は、ボイラー１２や蒸気ドラム１４内の水の量の時間に対する変化率、すなわち流量の収支と同等となる。このため、３要素水位制御の流量の差分の信号（Ｓ２）に、水位の時間に対する変化率に蒸気ドラム１４の水平自由断面積と水の質量密度を乗じた量を用いれば、水位に寄与する水の量の時間に対する変化率をより精度良く求めることができると考えられる。

しかしながら、実際には、前述のように、測定した水位信号にはノイズや揺らぎが持続的に重畳されていることから、その水位信号を時間で微分すると、微分した信号にスパイク状の信号が持続的に重畳される。このため、その信号を用いて水位制御演算を行うと、その弁開度指令信号が持続的に変動することから、弁の開度、給水流量、蒸気ドラムの水位が大きく変動し、適切な制御が行えない。また、ローパスフィルターによりノイズや揺らぎを減弱させることも考えられるが、制御の即応性が損なわれてしまい、前述のような制御を行う利点が無くなってしまうことから適当ではない。

本実施形態の液位制御システム１０は、前述のような３要素型水位制御を行うとともに、さらに蒸気ドラム１４内の水位の制御性を向上させるものである。ここで、前述のように、３要素型水位制御は、蒸気ドラム１４内の水位の時間に対する変化率を、給水流量と蒸気流量の差（流量の収支）から求めるものである。しかし、これはあくまで蒸気ドラム１４の容器の壁を境界とした質量の収支であり、実際の水位は、給水流量と蒸気流量の収支以外の蒸気ドラム１４の内的要素によっても影響を受ける場合がある。本実施形態の液位制御システム１０はこの点に着目してなされたものである。

給水流量と蒸気流量の収支以外の蒸気ドラム１４内の水位に影響をおよぼす蒸気ドラム１４の内的要素には、蒸気ドラム内に設けられている汽水分離器のドラム内の水面より上側に位置する領域に蓄えられる水量の変化が挙げられる。

図４は本実施形態の液位制御システム１０に用いられる汽水分離器１６の構成を示す図であり、図５は汽水分離器に流入する蒸気流量が変化した場合の汽水分離器内の水の量の変化を示す図である。図４に示すように、この場合の汽水分離器１６は、二相流体を螺旋状に上昇させて水を遠心分離させる旋回型汽水分離器として構成されている。

汽水分離器１６が旋回型の場合、ボイラー１２の上昇管２８を介して流入した二相流体は、図４に示すように、螺旋形のベーン４１の働きにより回転し、二相流の中の水は外側に、蒸気は中心付近に残り、両者は分離される。このため、中心付近にある蒸気は上方に抜け、水は遠心力のため汽水分離器１６の円筒の壁に拘束された後下降して蒸気ドラムに流入する。したがって、汽水分離器１６で分離された水は汽水分離器内に蓄えられることになる。

また、図５に示すように、汽水分離器１６へ流入する二相流体或いはタービン３２へ向かう蒸気の流量の増減に応じて、汽水分離器に蓄えられる保水量も増減する傾向にある。このため、例えば同流量が減少すると、汽水分離器１６内の水が蒸気ドラム１４の本体へ流出し、蒸気ドラム１４内の水位が上昇することになる。

したがって、汽水分離器１６から蒸気ドラム１４へ流入する水の流量を測定又は推定し、その信号を３要素制御の差分信号に加えれば、水位に寄与する水の量の時間に対する変化率をより精度良く求めることができることから、良好な水位制御が可能となる。そこで、本実施形態の水位制御手段４２は、汽水分離器１６に蓄えられる液量の変化率を求め、この求めた液量の変化率に基づいて給水流量調節弁２２の弁開度を補正することを特徴としている。以下、本実施形態の液位制御システム１０の特徴構成について各実施例を用いて説明する。

なお、本実施形態は、旋回型汽水分離器を例に挙げているが、これに限らず例えば蒸気ドラム内の二相流体の流路に設けられたスクリーン，スリットが形成された板，網などによって二相流体から水を分離して液相部へ落下させるものを用いることができる。要は、汽水分離器へ流入する二相流体の流量或いはタービンへ向かう蒸気の流量の増減に応じて、汽水分離器に蓄えられる保水量が増減するものであれば適用することができる。また、蒸気ドラム内に複数の汽水分離器が設けられる場合、各汽水分離器に対して各実施例を同様に適用することができる。

図６は、実施例１の液位制御システム１０の特徴部の構成を示すものである。実施例１では、旋回型の汽水分離器１６の入り口に二相流体の流量を計測する流量計４４が設けられ、水の排出口に流量計４６が設けられている。また、流量計４４，４６で計測された流量信号は水位制御手段４２に入力される。本実施例は、ボイラー１２から汽水分離器１６へ流入する液体流量と汽水分離器１６から蒸気ドラム１４の液相部へ流出する液体流量及びタービン３２に供給される蒸気流量との差分に基づいて汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率を求める実施例である。

水位制御手段４２は、蒸気ドラム１４内の目標の水位（水位設定点）と水位計３６で検出された水位との偏差信号（Ｓ１）を求める。一方、汽水分離器１６へ流入する液体流量と汽水分離器から蒸気ドラム１４の液相部へ流出する液体流量及びタービン３２に供給される蒸気流量との差分により、汽水分離器１６の水の質量流量収支（汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率）に対応する信号（Ｓ１０）を求める。給水流量検出信号と蒸気流量検出信号の差分に信号（Ｓ１０）を加えて補正信号（Ｓ１２）を求め、ゲインがＫの増幅器で増幅して信号（Ｓ１３）を求める。そして、偏差信号（Ｓ１）と信号（Ｓ１３）の差分信号（Ｓ１４）を比例積分演器で演算することにより、弁開度指令信号（Ｓ１５）を求める。

このように本実施例によれば、汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率を求めることにより、蒸気ドラム１４内の水位の時間に対する変化率を従来に比べてより正確に推定できる。蒸気ドラム１４内の水位の変動をより正確に把握することができるので、給液流量と蒸気流量の差分を補正して給水流量調節弁２２の弁開度を適切に補正することができる。

例えば、汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率により蒸気ドラム１４内の水位が高くなることが検出されれば弁開度を絞って給水流量を減少させればよい。逆に蒸気ドラム１４内の液位が低くなることが検出されれば弁開度を大きくして給水流量を増加させればよい。このように、蒸気ドラム１４に対する給水流量と蒸気流量の差（流量の収支）以外の蒸気ドラム１４内の液位を変動させる要因を取り入れて給水流量を調節することにより、蒸気ドラム１４内の水位の制御性を向上させることができる。したがって、発電出力や負荷が急激に大きく変化したような場合であっても、蒸気ドラム１４内の水位変動を抑制することが可能となる。

なお、本実施例及び以下の各実施例では、給水流量調節弁２２の弁開度の調節により給水流量の制御を行う例を示しているが、これに限らず、給水流量調節弁２２を設けず給水ポンプ２０の回転速度を調節して給水流量の制御を行うこともできる。例えば、汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率により蒸気ドラム１４内の水位が高くなることが検出されれば給水ポンプ２０の回転速度を下げて給水流量を減少させればよい。逆に蒸気ドラム１４内の液位が低くなることが検出されれば給水ポンプ２０の回転速度を上げて給水流量を増加させればよい。また、給水流量調節弁２２の弁開度の調節と給水ポンプ２０の回転速度の調節を適宜組み合わせて給水流量の制御を行うこともできる。

また、本実施例の変形例として、蒸気流量検出信号（タービン３２に供給される蒸気流量）を用いることなく、給水流量検出信号に、汽水分離器１６へ流入する液体流量と汽水分離器から蒸気ドラム１４の液相部へ流出する液体流量との差分を加えて補正信号（Ｓ１２）を求めることもできる。

図７は、実施例２の液位制御システム１０の特徴部の構成を示すものである。実施例２では、汽水分離器１６内に蓄えられる水の水位を検出する水位計４８が設けられている。また、水位計４８で計測された水位信号は水位制御手段４２に入力される。本実施例は、汽水分離器１６内の水位に基づいて汽水分離器１６に蓄えられる水量を求め、この求めた水量に基づいて汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率を求める実施例である。

水位制御手段４２は、蒸気ドラム１４内の目標の水位（水位設定点）と水位計３６で検出された水位との偏差信号（Ｓ１）を求める。一方、汽水分離器１６内の水位信号（Ｓ２０）から関数演算器５０により汽水分離器１６内の保有水量を求め、保有水量を微分器５２により時間で微分して汽水分離器１６の水の質量流量収支（汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率）に対応する信号（Ｓ２１）を求める。給水流量検出信号と蒸気流量検出信号の差分に信号（Ｓ２１）を加えて補正信号（Ｓ２２）を求め、ゲインがＫの増幅器で増幅して信号（Ｓ２３）を求める。そして、偏差信号（Ｓ１）と信号（Ｓ２３）の差分信号（Ｓ２４）を比例積分演器で演算することにより、弁開度指令信号（Ｓ２５）を求める。

なお、関数演算器５０は、汽水分離器１６内の水位と汽水分離器１６内の保有水量との相関を表すものであり、その相関特性は、あらかじめ流体解析や実験などで求めることにより設定することができる。

このように本実施例によれば、汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率を求めることにより、蒸気ドラム１４内の水位の時間に対する変化率を従来に比べてより正確に推定できる。蒸気ドラム１４内の水位の変動をより正確に把握することができるので、給液流量と蒸気流量の差分を補正して給水流量調節弁２２の弁開度を適切に補正することができる。

図８は、実施例３の液位制御システム１０の特徴部の構成を示すものである。本実施例は、流量計４０で検出される蒸気ドラム１４からタービン３２に供給される蒸気流量に基づいて汽水分離器１６に蓄えられる水量を求め、この求めた水量に基づいて汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率を求める実施例である。

水位制御手段４２は、蒸気ドラム１４内の目標の水位（水位設定点）と水位計３６で検出された水位との偏差信号（Ｓ１）を求める。一方、蒸気流量の検出信号（Ｓ３０）から関数演算器５０及び一次遅れ回路５４により汽水分離器１６内の保有水量を求め、保有水量を微分器５２により時間で微分して汽水分離器１６の水の質量流量収支（汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率）に対応する信号（Ｓ３１）を求める。給水流量検出信号と蒸気流量検出信号の差分に信号（Ｓ３１）を加えて補正信号（Ｓ３２）を求め、ゲインがＫの増幅器で増幅して信号（Ｓ３３）を求める。そして、偏差信号（Ｓ１）と信号（Ｓ３３）の差分信号（Ｓ３４）を比例積分演器で演算することにより、弁開度指令信号（Ｓ３５）を求める。

なお、関数演算器５０は、タービン３２へ供給される蒸気流量と汽水分離器１６内の保有水量との相関関係を表すものであり、その相関特性は、あらかじめ流体解析や実験などで求めることにより設定することができる。また、汽水分離器１６内の保有水量は、汽水分離器１６内の水が回転運動をしていることから、その蒸気流量に対する時間変化に対し、その慣性により遅れて変化するため、本実施例では、関数演算器５０で演算した体積を、一次遅れ回路５４で処理している。なお、その時定数は、あらかじめ流体解析や実験などで求めることにより設定することができる。

このように本実施例によれば、汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率を求めることにより、蒸気ドラム１４内の水位の時間に対する変化率を従来に比べてより正確に推定できる。蒸気ドラム１４内の水位の変動をより正確に把握することができるので、給液流量と蒸気流量の差分を補正して給水流量調節弁２２の弁開度を適切に補正することができる。さらに、本実施例は、従来の３要素型水位制御に対して新たな流量計や水位計などのセンサ類を設ける必要がない点で優れている。

図９は、実施例４の液位制御システム１０の特徴部の構成を示すものである。本実施例は、実施例３において、流量計４０で検出される蒸気ドラム１４からタービン３２に供給される蒸気流量に基づいて求められた汽水分離器１６に蓄えられる水量を、水位計３６で検出された蒸気ドラム内に貯留された水の水位に基づいて補正する実施例である。つまり、本実施例は、実施例３をベースに改良を加えたものである。

実施例３では、汽水分離器１６内の保有水量を蒸気流量から求めていた。しかしながら、その流量は汽水分離器１６の外側の水位からも影響を受ける。そこで、本実施例では、蒸気ドラム１４内の水位に基づいて蒸気流量に基づいて求められた汽水分離器１６内の保有水量を補正している。

水位制御手段４２は、蒸気ドラム１４内の目標の水位（水位設定点）と水位計３６で検出された水位との偏差信号（Ｓ１）を求める。一方、蒸気流量の検出信号（Ｓ４０）を関数演算器５０で演算した信号に対して、蒸気ドラム１４内の水位信号（Ｓ４０´）を関数演算器５０´で得られた信号を乗じて補正している。補正された信号を一次遅れ回路５４で演算して汽水分離器１６内の保有水量を求め、保有水量を微分器５２により時間で微分して汽水分離器１６の水の質量流量収支（汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率）に対応する信号（Ｓ４１）を求める。給水流量検出信号と蒸気流量検出信号の差分に信号（Ｓ４１）を加えて補正信号（Ｓ４２）を求め、ゲインがＫの増幅器で増幅して信号（Ｓ４３）を求める。そして、偏差信号（Ｓ１）と信号（Ｓ４３）の差分信号（Ｓ４４）を比例積分演器で演算することにより、弁開度指令信号（Ｓ４５）を求める。

なお、関数演算器５０は、タービン３２へ供給される蒸気流量と汽水分離器１６内の保有水量との相関関係を表すものであり、その相関特性は、あらかじめ流体解析や実験などで求めることにより設定することができる。また、関数演算器５０´は、蒸気ドラム１４内の水位と補正係数との相関関係を表すものであり、その相関特性は、あらかじめ流体解析や実験などで求めることにより設定することができる。

このように本実施例によれば、汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率を求めることにより、蒸気ドラム１４内の水位の時間に対する変化率を従来に比べてより正確に推定できる。蒸気ドラム１４内の水位の変動をより正確に把握することができるので、給液流量と蒸気流量の差分を補正して給水流量調節弁２２の弁開度を適切に補正することができる。さらに、本実施例は、従来の３要素型水位制御に対して新たな流量計や水位計などのセンサ類を設ける必要がない点で優れている。また、蒸気ドラム１４内の水位に基づく補正を行っているので、実施例３に比べて蒸気ドラム１４内の水位の時間に対する変化率を、より正確に推定できる。

ところで、給水流量と蒸気流量の収支以外の蒸気ドラム１４内の水位に影響をおよぼす蒸気ドラム１４の内的要素には、ボイラー１２及び蒸気ドラム１４内（水面より下側）にある蒸気の気泡の体積の変化が挙げられる。すなわち、ボイラー１２及び蒸気ドラム１４内では、水面より下側の領域に蒸気の気泡が混合されており、その量が増えて総体積が大きくなれば水位は上昇する。逆に気泡の量が減って総体積が小さくなれば水位は下降する。

この点に鑑みて、本実施例は、ボイラー１２及び蒸気ドラム１４内の水中の気泡の体積の変化率を求め、この求めた気泡の体積の変化率に基づいて給水流量調節弁２２の弁開度を補正するものである。より具体的には、気泡の総体積は、ボイラー１２の熱工率と正の相関があるため、ボイラー１２の熱工率に基づいて気泡の体積の変化率を求め、気泡の体積の変化率に基づいて給水流量調節弁２２の弁開度を補正するものである。

図１０は、実施例５の液位制御システム１０の特徴部の構成を示すものである。図１０に示すように、ボイラー１２の出入り口には温度計５６がそれぞれ設けられている。温度計５６はそれぞれ排ガスの熱回収前の温度と熱回収後の温度を計測する。また、ボイラー１２からの排ガス流量を測定する流量計５８が設けられている。なお、本実施例では、ボイラー１２として、内部で熱が発生しない排熱回収型蒸気ボイラーを想定している。温度計５６及び流量計５８で検出された排ガス温度及び排ガス流量は、水位制御手段４２にそれぞれ入力される。

水位制御手段４２は、蒸気ドラム１４内の目標の水位（水位設定点）と水位計３６で検出された水位との偏差信号（Ｓ１）を求める。一方、水位制御手段４２は、図１０及び以下に示す式に基づいてボイラー１２に入る熱工率を計算して熱工率に係る信号（Ｓ５０）を求める。
（熱工率）＝｛（ボイラー入口排ガス温度）−（ボイラー出口排ガス温度）｝・（排ガスの比熱容量）・（排ガスの体積流量）
なお、上記式にある排ガスの比熱容量は、排ガスの質量密度と定圧比熱の積である。

次に、ボイラー１２に入った熱の工率が変化した場合、発生する蒸気の流量が変化するには、ボイラー１２の材料の比熱などから時間を要する。このため、本実施例では、その遅れを模擬するため、ボイラー１２に入った熱工率に係る信号（Ｓ５０）に対し、一次遅れ回路５４で処理している。

ここで、ボイラー１２や蒸気ドラム１４内の気泡の体積（蒸気ドラム１４内の水面の下側にある蒸気の体積）は、ボイラー１２の熱工率が大きくなると増え、水位が上がる特性がある。このため、ボイラー１２に入った熱の効率から、ボイラー１２及び蒸気ドラム１４内の気泡の体積を関数演算器５０で計算する。なお、関数演算器５０の特性は、あらかじめ流体解析や実験などで求めることにより設定することができる。

次に、計算で求めた気泡の体積を微分器５２により微分時間で微分し、水の質量密度を乗じることにより、蒸気ドラム１４に流入する水の流量に対応する信号（Ｓ５１）を求める。給水流量検出信号と蒸気流量検出信号の差分に信号（Ｓ５１）を加えて補正信号（Ｓ５２）を求め、ゲインがＫの増幅器で増幅して信号（Ｓ５３）を求める。そして、偏差信号（Ｓ１）と信号（Ｓ５３）の差分信号（Ｓ５４）を比例積分演器で演算することにより、弁開度指令信号（Ｓ５５）を求める。

本実施例によれば、ボイラー１２及び蒸気ドラム１４内の水中の気泡の体積の変化率を求めることにより、蒸気ドラム１４内の水位の時間に対する変化率をより正確に推定できる。蒸気ドラム１４内の水位の変動を把握することができるので、この気泡の体積の変化率に基づいて給水流量調節弁２２の弁開度を適切に補正することができる。

例えば気泡の体積の変化率により蒸気ドラム１４内の液位が高くなることが検出されれば弁開度を絞って給水流量を減少させればよい。逆に蒸気ドラム１４内の液位が低くなることが検出されれば弁開度を大きくして給水流量を増加させればよい。このように、蒸気ドラム１４に対する給水流量と蒸気流量の差（流量の収支）以外の蒸気ドラム１４内の液位を変動させる要因を取り入れて給水流量を調節することにより、蒸気ドラム１４内の液位の制御性を向上させることができる。したがって、発電出力や負荷が急激に大きく変化したような場合であっても、蒸気ドラム１４内の水位変動を抑制することが可能となる。

なお、上記の熱工率の計測方法以外にも、ボイラー１２のバーナーへの燃料の流量から熱工率を推算することが可能である。また、原子力発電や核融合発電の場合には、中性子束のレベルを中性子検出器で検出すれば良い。ナトリウムを熱交換器の１次側に流し、２次側に水を供給して蒸気を得る高速（増殖）炉などの場合には、熱交換器の出入り口のナトリウムの温度の差と流量から熱工率を計算することが出来る。太陽光熱発電の場合には、ボイラー１２に照射される光の強さを用いればよい。ゴミ焼却発電所については、火力発電所の場合と同様である。

本実施形態の液位制御システムの基本構成を模式的に示す図である。 発電出力や負荷が大きく変化するような外乱が発生した場合の蒸気ドラム内の水位の時間変化の例を示した図である。 水位制御手段の演算アルゴリズムを説明する図である。 汽水分離器の構成を示す図である。 汽水分離器に流入する蒸気流量が変化した場合の汽水分離器内の水の量の変化を示す図である。 実施例１の液位制御システムの特徴部の構成を示すものである。 実施例２の液位制御システムの特徴部の構成を示すものである。 実施例３の液位制御システムの特徴部の構成を示すものである。 実施例４の液位制御システムの特徴部の構成を示すものである。 実施例５の液位制御システムの特徴部の構成を示すものである。

符号の説明

１０ 液位制御システム
１２ ボイラー
１４ 蒸気ドラム
１６ 汽水分離器
１８ 復水器
２０ 給水ポンプ
２２ 給水流量調節弁
２６ 排ガス
３２ タービン
３６，４８ 水位計
３８，４０，４４，４６，５８ 流量計
４２ 水位制御手段
５６ 温度計
Ｓ１ 蒸気ドラム１４内の目標の水位（水位設定点）と水位計３６で検出された水位との偏差信号
Ｓ１０，Ｓ２１，Ｓ３１，Ｓ４１，Ｓ５１ 汽水分離器１６の水の質量流量収支（汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率）に対応する信号
Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ３２，Ｓ４２，Ｓ５２ 給水流量検出信号と蒸気流量検出信号の差分に汽水分離器１６に蓄えられる水量の変化率を加えた補正信号
Ｓ１５，Ｓ２５，Ｓ３５，Ｓ４５，Ｓ５５ 弁開度指令信号

Claims (13)

1. 液体を沸騰させるボイラーと、該ボイラーから流出した蒸気及び液体を含む二相流体から液体を分離して落下させる汽液分離器と、該汽液分離器を内包して設けられ、前記液体が分離された蒸気をタービンに供給するとともに内部に貯留された液体を前記ボイラーに供給する蒸気ドラムと、復水器から前記蒸気ドラムに供給される給液の流量を調節可能な給液流量調節手段と、前記蒸気ドラム内に貯留された液体の液位を検出する液位計と、前記復水器から前記蒸気ドラムに供給される給液流量を検出する流量計と、前記蒸気ドラムからタービンに供給される蒸気流量を検出する流量計と、前記検出された液体の液位、給液流量、及び蒸気流量に基づいて前記給液流量調節手段により給液流量を制御する液位制御手段とを備える液位制御システムであって、
   前記液位制御手段は、前記汽液分離器に蓄えられる液量の変化率を求め、該求めた液量の変化率に基づいて前記給液流量調節手段による給液流量を補正することを特徴とする液位制御システム。
2. 前記給液流量調節手段は、前記復水器から前記蒸気ドラムに給液を供給する給液ポンプの回転速度、及び前記給液の流量調節弁の弁開度の少なくとも一方の制御により、前記復水器から前記蒸気ドラムに供給される給液の流量を調節するものであり、
   前記液位制御手段は、前記汽液分離器に蓄えられる液量の変化率を求め、該求めた液量の変化率に基づいて前記給液ポンプの回転速度、及び前記流量調節弁の弁開度の少なくとも一方を補正する請求項１の液位制御システム。
3. 前記ボイラーから前記汽液分離器へ流入する液体流量を検出する流量計と、前記汽液分離器から前記蒸気ドラムの液相部へ流出する液体流量を検出する流量計とを備え、
   前記液位制御手段は、前記検出された汽液分離器へ流入する液体流量と汽液分離器から蒸気ドラムの液相部へ流出する液体流量及び前記タービンに供給される蒸気流量との差分に基づいて前記汽液分離器に蓄えられる液量の変化率を求める請求項１の液位制御システム。
4. 前記汽液分離器内の液体の液位を検出する液位計を備え、
   前記液位制御手段は、前記検出された汽液分離器内の液位に基づいて前記汽液分離器に蓄えられる液量を求め、該求めた液量に基づいて前記汽液分離器に蓄えられる液量の変化率を求める請求項１の液位制御システム。
5. 前記液位制御手段は、前記流量計により検出された蒸気ドラムからタービンに供給される蒸気流量に基づいて前記汽液分離器に蓄えられる液量を求め、該求めた液量に基づいて前記汽液分離器に蓄えられる液量の変化率を求める請求項１の液位制御システム。
6. 前記液位制御手段は、前記液位計で検出された前記蒸気ドラム内に貯留された液体の液位に基づいて前記求めた汽液分離器に蓄えられる液量を補正する請求項５の液位制御システム。
7. 前記液位制御手段は、前記蒸気ドラム内の目標の液位と前記液位計で検出された蒸気ドラム内に貯留された液体の液位との偏差に応じて前記給液流量調節手段による給液流量を制御し、前記給液流量と蒸気流量の差分に基づいて前記偏差を補正するものであり、
   前記汽液分離器に蓄えられる液量の変化率に基づいて前記給液流量と蒸気流量の差分を補正する請求項１の液位制御システム。
8. 前記汽液分離器が、前記二相流体を螺旋状に上昇させて前記液体を遠心分離させる旋回型汽液分離器である請求項１の液位制御システム。
9. 液体を沸騰させるボイラーと、該ボイラーから流出した蒸気及び液体を含む二相流体から液体を分離して落下させる汽液分離器と、該汽液分離器を内包して設けられ、前記液体が分離された蒸気をタービンに供給するとともに内部に貯留された液体を前記ボイラーに供給する蒸気ドラムと、復水器から前記蒸気ドラムに供給される給液の流量を調節可能な給液流量調節手段と、前記蒸気ドラム内に貯留された液体の液位を検出する液位計と、前記復水器から前記蒸気ドラムに供給される給液流量を検出する流量計と、前記蒸気ドラムからタービンに供給される蒸気流量を検出する流量計と、前記検出された液体の液位、給液流量、及び蒸気流量に基づいて前記給液流量調節手段により給液流量を制御する液位制御手段とを備える液位制御システムであって、
   前記液位制御手段は、前記ボイラー及び前記蒸気ドラム内の液体中の気泡の体積の変化率を求め、該求めた気泡の体積の変化率に基づいて前記給液流量調節手段による給液流量を補正することを特徴とする液位制御システム。
10. 前記給液流量調節手段は、前記復水器から前記蒸気ドラムに給液を供給する給液ポンプの回転速度、及び前記給液の流量調節弁の弁開度の少なくとも一方の制御により、前記復水器から前記蒸気ドラムに供給される給液の流量を調節するものであり、
    前記液位制御手段は、前記ボイラー及び前記蒸気ドラム内の液体中の気泡の体積の変化率を求め、該求めた気泡の体積の変化率に基づいて前記給液ポンプの回転速度、及び前記流量調節弁の弁開度の少なくとも一方を補正する請求項９の液位制御システム。
11. 前記液位制御手段は、前記ボイラーの熱源の熱工率に基づいて前記ボイラー及び前記蒸気ドラム内の液体中の気泡の体積の変化率を求める請求項９の液位制御システム。
12. 前記ボイラーが排ガス熱回収型ボイラーであり、
    前記排ガスの熱回収前の温度を検出する温度計と、前記排ガスの熱回収後の温度を検出する温度計と、前記排ガスの流量を検出する流量計とを備え、
    前記液位制御手段は、前記検出した排ガスの熱回収前の温度、熱回収後の温度、及び排ガスの流量に基づいて前記排ガス熱の熱工率を求める請求項１１の液位制御システム。
13. 前記液位制御手段は、前記蒸気ドラム内の目標の液位と前記液位計で検出された蒸気ドラム内に貯留された液体の液位との偏差に応じて前記給液流量調節手段による給液流量を制御し、前記給液流量と蒸気流量の差分に基づいて前記偏差を補正するものであり、
    前記ボイラー及び前記蒸気ドラム内の液体中の気泡の体積の変化率に液体の質量密度を乗じて得られた結果に基づいて前記給液流量と蒸気流量の差分を補正する請求項９の液位制御システム。

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