JP2011007428A

JP2011007428A - ボイラの運転継続方法

Info

Publication number: JP2011007428A
Application number: JP2009151821A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kunima; 順一国馬; Tsutomu Murakami; 務村上
Original assignee: Hitachi High Tech Control Systems Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Control Systems Corp
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-01-13

Abstract

【課題】１台のボイラの蒸発系において制御用センサに異常が発生した場合にも、ボイラの運転を継続可能とする方法を提供する。
【解決手段】給水流量調節弁を備えた給水管と、蒸気供給管と、複数個の制御用センサと、制御装置とを含み、蒸気を供給するボイラの運転継続方法であって、前記複数個の制御用センサのうち、いずれかが故障した場合に、正常に機能している前記制御用センサからの信号を用いて前記制御装置で演算処理を行い、前記給水流量調節弁の操作量を出力することにより前記給水流量調節弁の開度を調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラの運転継続方法に関する。

結晶缶を用いる製糖プロセスは、原料の溶解、精製糖液の濃縮、糖液の結晶化などの工程を有し、これらを実施するための結晶缶に蒸気を供給する工程が必要不可欠である。

このため、何らかの条件によりボイラがシャットダウンし、蒸気の供給が停止すると、即、製糖プロセスを停止せざるを得なくなり、損害が大きい。

ボイラを常に安定運転するためには、計装設備を用いた自動制御が重要である。

ボイラの運転における異常時の対応策は、通常、次のようなものが考えられている。

１）計器を複数台設置し、計器異常時は、バックアップ計器に切り替える。

２）計器異常時はボイラを緊急停止する。

３）複数台のボイラを準備し、異常時は正常なボイラを用いて運転を継続する。

特許文献１には、複数台のボイラを設置し、これらのボイラの運転台数を負荷の状況に応じ予め設定した優先順位にしたがって制御し、前記ボイラに異常が発生したとき、この異常発生ボイラの優先順位を下位に下げるとともに、異常発生ボイラが複数台あるとき、異常の内容に応じて異常発生ボイラ間で新たな優先順位を設定することを特徴とするボイラの異常発生時における自動台数制御方法が開示されている。

特開平９−４２６０３号公報

本発明の目的は、ボイラの蒸発系において制御用センサに異常が発生した場合にも、ボイラの運転を継続可能とする方法を提供することにある。

本発明のボイラの運転継続方法は、給水流量調節弁を備えた給水管と、蒸気供給管と、複数個の制御用センサと、制御装置とを含み、蒸気を供給するボイラの運転継続方法であって、前記複数個の制御用センサのうち、いずれかが故障した場合に、正常に機能している前記制御用センサからの信号を用いて前記制御装置で演算処理を行い、前記給水流量調節弁の操作量を出力することにより前記給水流量調節弁の開度を調節することを特徴とする。

本発明によれば、ボイラの蒸発系において制御用センサに異常が発生した場合にも、ボイラの運転を継続することができる。

また、本発明によれば、制御用センサが故障した場合でも、ボイラの運転を停止することなく、また、ボイラから蒸気の供給を受ける装置も停止することなく、制御用センサの修理を行うことができる。

本発明の製糖工場用ボイラの制御システムを示す概略構成図である。単要素運転制御システムを示す概略構成図である。三要素運転制御システムを示す概略構成図である。本発明の三要素運転制御から単要素運転制御への切り替え手順を示すフローチャート及び各計器の状態を示す正面図である。通常運転時の給水流量と蒸気流量との関係を示すグラフである。ドラム液面計に異常が生じた際の制御システムの切り替え前後を示す概略構成図である。

本発明は、製糖工場などで用いるボイラ計器に異常が生じた際にボイラ運転を継続する方法に関する。

本発明の目的は、（１）蒸気流量計が故障した場合、（２）給水流量計が故障した場合、（３）ドラム液面計が故障した場合、或いは、上記の計器（制御用センサ）が複数個故障した場合等、ボイラの蒸発系において異常が発生した場合に、バンプレスでボイラの運転を継続可能とする方法を提供することにある。

ここで、制御用センサの故障とは、制御用センサ本体又は制御用センサの出力信号の配線（出力信号線）の故障であり、制御装置に制御用センサの正確な検出値が入力されない状態をいう。上記の配線には、制御装置の入力部の端子も含まれる。

また、「正常に機能している」とは、制御用センサ本体及び制御用センサの出力信号の配線（出力信号線）が制御装置に制御用センサの正確な検出値を送っている状態をいう。

本発明のボイラの運転継続方法においては、前記制御装置に入力される前記制御用センサの検出値が上限値を超えたこと、若しくは下限値を超えたこと、又は前記検出値の変化率リミッタの上限値を超えたことにより、前記制御用センサの故障の検出を行うことを特徴とする。

本発明のボイラの運転継続方法においては、前記ボイラが１台であることを特徴とする。ここで、「ボイラが１台である」とは、プラント等への上記の供給源としてのボイラが複数台併存するのではなく、１台のみで運転していることをいう。

本発明のボイラの運転継続方法においては、前記複数個の制御用センサが、ドラム液面計、給水流量計及び蒸気流量計を含むことを特徴とする。

本発明のボイラの運転継続方法においては、前記ドラム液面計が故障した場合に、前記給水流量計及び／又は前記蒸気流量計からの信号を用いて前記演算処理を行うことを特徴とする。

本発明のボイラの運転継続方法においては、前記給水流量計が故障した場合に、前記ドラム液面計及び／又は前記蒸気流量計からの信号を用いて前記演算処理を行うことを特徴とする。

本発明のボイラの運転継続方法においては、前記蒸気流量計が故障した場合に、前記ドラム液面計及び／又は前記給水流量計からの信号を用いて前記演算処理を行うことを特徴とする。

本発明のボイラの運転継続方法は、前記ドラム液面計が故障した場合に、前記ドラム液面計から前記制御装置への信号を遮断する工程と、前記制御装置に蒸気発生効率を入力する工程と、前記蒸気流量計からの入力と前記蒸気発生効率とを組み合わせる工程とを含むことを特徴とする。

本発明のボイラの運転継続方法は、前記演算処理に次式を用いることを特徴とする。

（給水流量設定値）＝（蒸気流量の平均値）／（蒸気発生効率）
本発明のボイラの運転継続方法は、故障した前記制御用センサから前記制御装置への信号を遮断する工程と、正常に機能している前記制御用センサからの信号を複数組み合わせて前記演算処理を行う工程とを含むことを特徴とする。

本発明のボイラの修理方法は、給水流量調節弁を備えた給水管と、蒸気供給管と、複数個の制御用センサと、制御装置とを含み、蒸気を供給するボイラの修理方法であって、前記複数個の制御用センサのうち、いずれかが故障した場合に、正常に機能している前記制御用センサからの信号を用いて前記制御装置で演算処理を行い、前記給水流量調節弁の操作量を出力することにより前記給水流量調節弁の開度を調節するとともに、前記故障した制御用センサを修理することを特徴とする。

本発明のボイラの修理方法においては、前記故障した制御用センサを設置した配管の前後に設けたバルブを閉とし、前記故障した制御用センサを修理することを特徴とする。

本発明は、１台のボイラであっても、下記の工程により運転を継続可能とするものである。

（１）蒸気流量計が故障した場合、異常を検出し、三要素運転から二要素運転又は単要素運転にバンプレスで切り替えを行って運転を継続する。

（２）給水流量計が故障した場合、蒸気流量計と同様に、異常を検出し、三要素運転から二要素運転又は単要素運転にバンプレスで切り替えを行って運転を継続する。

（３）ドラム液面計が故障した場合、ドラム液面計の代わりの制御用センサ（蒸気流量計及び給水流量計）を用いて運転を継続する。

以下、本発明の制御システムの構成について図を用いて説明する。

図１は、本発明の製糖工場用ボイラを制御するためのハード構成を示したものである。

本図において、ボイラの制御システムは、ドラム液面計４１を有するボイラドラム４０、制御装置３０及び監視装置１０を含む構成となっている。制御装置３０は、制御用通信回線２０を介して監視装置１０と接続されている。ボイラドラム４０への給水量は、給水流量計４３により検出し、制御装置３０から制御信号を送られる給水流量調節弁４２により調節される。ボイラドラム４０から発生する蒸気の量は蒸気流量計４４により検出する。

ボイラの制御は、燃焼系と蒸発系とに大別することができる。

本実施例においては、ドラム液面計４１、給水流量計４３及び蒸気流量計４４が制御用センサである。

燃焼系（図示せず）は、重油・ガス・微粉炭等の燃料を空気と混合してボイラ内で燃焼させ、水管を加熱する制御系である。

燃焼系では、空気と燃料との比率、すなわち空燃比の制御が重要である。一般には、排気ガス中のＯ_２濃度（酸素濃度）を監視し、エアーリッチとなるように制御されている。

燃焼制御系に不具合が生じた場合、排ガス中のＯ_２濃度計（酸素濃度計）、監視カメラ（ＩＴＶ）による炎、炉内温度又は発生蒸気圧力等を監視することによりオペレータの手動運転が可能となる。

蒸発制御系は、給水ポンプ（Ｂ．Ｆ．Ｐ）によりドラムに張り込まれた水を、水管を通して加熱し、水蒸気を発生させるための制御系である。

蒸発系は、ドラム水位計、給水流量計及び発生した蒸気を製糖プロセス工程に供給するための蒸気流量で構成されている。

蒸発系の制御方法には、単要素制御及び三要素制御に大別されている。

単要素制御（単要素運転制御とも呼ぶ。）は、ドラム水位を検出し、その液位を一定になるように、液位調節計により、直接、給水調節弁を制御する方法である。

図２は、単要素運転制御システムを示す概略構成図である。

本図において、ボイラの制御システムは、ドラム液面計４１で検出される液面の高さを示す信号を、ドラム液面計入力処理部５１、ドラム液面計演算処理部５２及びドラム液面計出力処理部５３で処理し、給水流量調節弁４２に制御信号を送るようになっている。

本図は、立ち上げ運転時並びに給水流量計４３及び／又は蒸気流量計４４が故障した状態を示すものでもある。

三要素制御（三要素運転制御とも呼ぶ。）は、ドラム液位制御をするために、液面計、給水流量計及び蒸気流量計の三要素を使用して制御する方法である。

図３は、三要素運転制御システムを示す概略構成図である。

本図において、ボイラの制御システムは、ドラム液面計４１で検出される液面の高さを示す信号をドラム液面計入力処理部５１、ドラム液面計演算処理部５２及びドラム液面計出力処理部５３で処理する回路、給水流量計４３で検出される信号を給水流量計入力処理部６１、給水流量計演算処理部６２及び給水流量計出力処理部６３で処理する回路、並びに蒸気流量計４４で検出される信号を蒸気流量計演算処理部７１で処理する回路を有する。

ドラム液面計出力処理部５３の信号は、蒸気流量計演算処理部７１からの信号とともに給水流量設定値演算処理部６４で処理されて給水流量計演算処理部６２に送られ、給水流量計出力処理部６３で処理されて給水流量調節弁４２に制御信号を送られるようになっている。これにより、給水流量調節弁４２の開度を調節する。

本図における三要素運転制御システムは、ドラム液位が変化してから給水流量を変動させるのではなく、蒸気流量計４４で検出される蒸気流量の変動によって液位が変化する前に給水流量を制御する、いわゆるフィードフォワード制御である。

ボイラの運転開始時は、発電や製糖プラントの各所で立ち上げ時に加熱するために大量の蒸気を使用することから、系全体が不安定であり、単要素制御で運転をする。

立ち上げが完了し、定常運転状態となれば、蒸気使用量も安定するので、ボイラの運転状態が、安定した時点で単要素制御から三要素制御に切り替えて運転を行う。

つぎに、計器異常の検出、三要素制御から単要素制御へのバンプレス切り替え、及び計器異常時の対応について説明する。

（計器異常の検出）
計器の特性から、例えば、下記のような計器の異常が生じた場合に運転状態の切り替えを行う。

（１）プラス側に振り切れる。すなわち、制御装置に入力される制御用センサの検出値が上限値を超えた状態である。

（２）マイナス側に振り切れる。すなわち、制御装置に入力される制御用センサの検出値が下限値を超えた状態である。

（３）急激な値（制御用センサの検出値）の変化となり、検出値の変化率リミッタに引っかかる。すなわち、検出値の変化率リミッタの上限値を超える。

（三要素制御から単要素制御へのバンプレス切り替え）
図４は、本発明の三要素運転制御から単要素運転制御への切り替え手順を示すフローチャート及び各計器の状態を示す正面図である。

上記の計器異常を検出し、蒸気流量計及び／又は給水流量計の故障と判断した場合、三要素制御から単要素制御に切り替えを行う。切り替え時には、調節弁を緩やかに変化させて外乱を防止する必要がある。すなわち、バンプレスに切り替える手法を実現しなければならない。

これについては下記の手順にて実現できる。以下、ＰＶは現在値、ＳＶは目標値、ＭＶは出力操作量をそれぞれ表す。

（１）ドラム液面計ＭＶを給水流量計ＳＶから切り離す。

（２）給水流量計ＭＶをドラム液面計ＭＶとする。

（３）給水流量計ＰＶを給水流量計ＳＶにトラッキングする。

（４）給水流量調節弁の出力をドラム液面計出力に接続する。

ここで、バンプレスとは、切り替えたときに、操作変数の値が変化しないようになっていることをいう。

図５は、通常運転時の給水流量と蒸気流量との関係を示すグラフである。

本図においては、給水流量ＰＶ及び蒸気流量ＰＶの経時変化を示してある。また、ドラム液面ＰＶ及びドラム液面ＳＶも併せて示してある。

本図より、ドラム液面計の故障の場合、ボイラが安定運転状態となった時（すなわち、通常運転時）、（蒸気流量）≦（給水流量）であり、その差〔（蒸気流量）−（給水流量）〕は、わずかであることが分かる。

ここで、ボイラの蒸気発生効率（Ｅｆ）を次式のように定義する。なお、蒸気発生効率は蒸気発生係数と呼んでもよい。

（蒸気発生効率（Ｅｆ））＝（蒸気流量の平均値）／（給水流量の平均値）
つまり、ボイラが安定運転の状態で、ドラム液面計が異常となった場合、下記演算式から給水流量の設定値を算出して設定すれば、引き続き給水流量の制御の継続が可能となる。

（給水流量設定値）＝（蒸気流量の平均値）／（蒸気発生効率（Ｅｆ））
なお、蒸気発生効率（Ｅｆ）もわずかに変動することから、検出器交換までのわずかな時間とＩＴＶによるレベル監視をしながらの運転することで考慮することが望ましい。

図６は、ドラム液面計に異常が生じた際の制御システムの切り替え前後を示す概略構成図である。図６上段は、制御システムの切り替え前の状態を示すものであり、図３と同様に三要素運転制御を行っている状態である。図６下段は、制御システムの切り替え後の状態を示すものであり、二要素運転制御を行っている状態である。

図６下段においては、ドラム液面計４１に異常が生じ、図６上段に示すドラム液面計入力処理部５１、ドラム液面計演算処理部５２及びドラム液面計出力処理部５３が処理を行えない状態となっている。このため、図６下段においては、ドラム液面計出力処理部５３の出力信号の代わりに蒸気発生効率７２を用いて蒸気流量計演算処理部７１の信号と併せて乗算処理部７３に入力し、その出力信号を給水流量計演算処理部６２に入力している。

また、図示していないが、ドラム液面計４１を設置した配管の前後に２個のバルブを設けてもよい。これにより、ドラム液面計４１が故障した場合でも、上記の２個のバルブを閉とし、ボイラの運転を停止することなく、また、ボイラから蒸気の供給を受ける装置も停止することなく、ドラム液面計４１の修理を行うことができる。

さらに、図示していないが、給水流量計４３及び蒸気流量計４４を設置した配管の前後にそれぞれ２個のバルブを設けるとともに、上記の２個のバルブの上流側及び下流側を直接接続する配管（バイパス）を設けてもよい。これにより、給水流量計４３及び／又は蒸気流量計４４が故障した場合でも、上記の２個のバルブを閉とし、ボイラの運転を停止することなく、また、ボイラから蒸気の供給を受ける装置も停止することなく、給水流量計４３及び／又は蒸気流量計４４の修理を行うことができる。

なお、いずれかの制御用センサが故障した場合であって、制御用センサの表示部が正常であるにもかかわらず、制御用センサの出力信号が正常でない場合には、監視カメラ（ＩＴＶ）又は目視により制御用センサの表示部を監視することにより、蒸気発生効率（Ｅｆ）又は給水流量設定値の値を手動で調節し、ボイラの運転を継続するとともに、制御用センサ又はその信号線の修理を行ってもよい。例えば、ドラム液面計４１の液面が目視可能な場合、この液面の変化に応じて蒸気発生効率（Ｅｆ）を調節すればよい。

１０：監視装置、２０：制御用通信回線、３０：制御装置、４０：ボイラドラム、４１：ドラム液面計、４２：給水流量調節弁、４３：給水流量計、４４：蒸気流量計、５１：ドラム液面計入力処理部、５２：ドラム液面計演算処理部、５３：ドラム液面計出力処理部、６１：給水流量計入力処理部、６２：給水流量計演算処理部、６３：給水流量計出力処理部、６４：給水流量設定値演算処理部、７１：蒸気流量計演算処理部、７２：蒸気発生効率、７３：乗算処理部。

Claims

給水流量調節弁を備えた給水管と、蒸気供給管と、複数個の制御用センサと、制御装置とを含み、蒸気を供給するボイラの運転継続方法であって、前記複数個の制御用センサのうち、いずれかが故障した場合に、正常に機能している前記制御用センサからの信号を用いて前記制御装置で演算処理を行い、前記給水流量調節弁の操作量を出力することにより前記給水流量調節弁の開度を調節することを特徴とするボイラの運転継続方法。
前記制御装置に入力される前記制御用センサの検出値が上限値を超えたこと、若しくは下限値を超えたこと、又は前記検出値の変化率リミッタの上限値を超えたことにより、前記制御用センサの故障の検出を行うことを特徴とする請求項１記載のボイラの運転継続方法。
前記ボイラが１台であることを特徴とする請求項１又は２に記載のボイラの運転継続方法。
前記複数個の制御用センサが、ドラム液面計、給水流量計及び蒸気流量計を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のボイラの運転継続方法。
前記ドラム液面計が故障した場合に、前記給水流量計及び／又は前記蒸気流量計からの信号を用いて前記演算処理を行うことを特徴とする請求項４記載のボイラの運転継続方法。
前記給水流量計が故障した場合に、前記ドラム液面計及び／又は前記蒸気流量計からの信号を用いて前記演算処理を行うことを特徴とする請求項４記載のボイラの運転継続方法。
前記蒸気流量計が故障した場合に、前記ドラム液面計及び／又は前記給水流量計からの信号を用いて前記演算処理を行うことを特徴とする請求項４記載のボイラの運転継続方法。
前記ドラム液面計が故障した場合に、前記ドラム液面計から前記制御装置への信号を遮断する工程と、前記制御装置に蒸気発生効率を入力する工程と、前記蒸気流量計からの入力と前記蒸気発生効率とを組み合わせる工程とを含むことを特徴とする請求項５記載のボイラの運転継続方法。
前記演算処理に次式を用いることを特徴とする請求項８記載のボイラの運転継続方法。
（給水流量設定値）＝（蒸気流量の平均値）／（蒸気発生効率）
故障した前記制御用センサから前記制御装置への信号を遮断する工程と、正常に機能している前記制御用センサからの信号を複数組み合わせて前記演算処理を行う工程とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のボイラの運転継続方法。
給水流量調節弁を備えた給水管と、蒸気供給管と、複数個の制御用センサと、制御装置とを含み、蒸気を供給するボイラの修理方法であって、前記複数個の制御用センサのうち、いずれかが故障した場合に、正常に機能している前記制御用センサからの信号を用いて前記制御装置で演算処理を行い、前記給水流量調節弁の操作量を出力することにより前記給水流量調節弁の開度を調節するとともに、前記故障した制御用センサを修理することを特徴とするボイラの修理方法。
前記故障した制御用センサを設置した配管の前後に設けたバルブを閉とし、前記故障した制御用センサを修理することを特徴とする請求項１１記載のボイラの修理方法。