JP2015022535A - 燃焼制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】空気流量プロセスと燃料流量プロセスとが異なる無駄時間を持ち、かつ燃焼要求レベルが急変するような過渡状態でも、空気流量と燃料流量との比率を設定比率の近傍に維持する。【解決手段】実施形態によれば、燃焼制御装置は、比率設定器12と、第1及び第2の制御ループ10,11と、第1及び第2の動的フィードフォワード補償器13,14とを具備する。比率設定器は、調整されるべき空気流量と燃料流量との比率を設定する。第1の制御ループは空気流量プロセスを含み、第2の制御ループは燃料流量プロセスを含む。第1及び第2の動的フィードフォワード補償器は、マスター信号Mの示す燃焼要求レベルの変化に対する第1及び第2の制御ループの応答性に関連する空気流量プロセス及び燃料流量プロセスの無駄時間を補償する。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、空気流量と燃料流量との比率を調整するのに動的フィードフォワード補償を適用する燃焼制御装置に関する。
一般に燃焼炉では、燃焼制御装置の制御により、空気と燃料とが、ある比率で当該燃焼炉のバーナーに供給される。これにより燃焼炉は、空気と混合された燃料を燃焼させて、熱量を得る。
空気と燃料との比率、例えば燃料(燃料流量)に対する空気(空気流量)の比率には、最適な範囲が存在する。もし、この比率が減少して空気が不足するならば、不完全燃焼を招く。不完全燃焼は、黒煙や一酸化炭素(CO)の発生を招く。これに対し、上記比率が増加して空気が過剰となるならば、酸化窒素(NOx)や酸化硫黄(SOx)の発生を招く。しかも、上記比率が最適な範囲にないならば、燃焼炉におけるエネルギー変換効率が低下して操業コストの増大を招く。
このため、燃焼制御装置において上記比率を最適に保つ制御は重要であり、従来から様々な工夫がなされてきている。燃焼制御装置における代表的な制御方法として以下の3つが知られている。
第1は、比率制御と呼ばれる方法である。第2は、比率制御方法が改良されたクロスリミット制御と呼ばれる方法である。第3は、クロスリミット制御(より詳細には、シングルクロスリミット制御)が改良されたダブルクロスリミット制御と呼ばれる方法である。
第1ないし第3の制御方法は、燃焼を要求するマスター信号に追従するように、燃料流量に対する空気流量の比率を設定された比率に保ちつつ、当該空気流量及び燃料流量を制御する点で共通する。この制御のために、空気流量及び燃料流量(より詳細には、空気流量及び燃料流量それぞれの実測値)がフィードバックされる。マスター信号は、燃焼を要求するだけでなく、燃焼要求(燃焼量)の程度(つまり燃焼要求レベル)を指定する。
これら3つの制御方法のいずれにおいても、マスター信号が急変する過渡状態では、燃料流量に対する空気流量の比率(つまり実比率)は、設定比率とは大きく異なることが知られている。そこで、フィードバック型補償器を用いることにより上述の過渡状態における実比率を改善する制御方法も提案されている。
特開2002−215204号公報 特許第3904905号公報
しかし、フィードバック型補償器を用いる方法であっても、空気流量のプロセスと燃料流量のプロセスとがそれぞれ異なる無駄時間を持つ場合は、上述の過渡状態における実比率は、依然として設定比率とは大きく異なる。しかも、空気流量のプロセスの無駄時間と燃料流量のプロセスの無駄時間とが異なるケースは、実際のプラントにおいては少なくない。
例えば、燃料が気体でない場合、空気流量プロセスと燃料流量プロセスとで無駄時間が異なる。つまり、空気が気体であるのに対し、燃料が液体であるか、或いは燃料が微粉炭のような粉体である場合に、上述の無駄時間が異なる。また、プラント設備の配管長や配管系等の物理的制約がある場合にも、上述の無駄時間が異なる。
本発明が解決しようとする課題は、空気流量プロセスと燃料流量プロセスとが異なる無駄時間を持ち、かつ燃焼要求レベルが急変するような過渡状態でも、空気流量と燃料流量との比率が設定比率の近傍となるように両流量を制御することができる燃焼制御装置を提供することにある。
実施形態によれば空気流量と燃料流量との比率を調整するための燃焼制御装置が提供される。前記燃焼制御装置は、比率設定器と、第1の制御ループと、第2の制御ループと、第1の動的フィードフォワード補償器と、第2の動的フィードフォワード補償器とを具備する。前記比率設定器は、前記調整されるべき比率を設定する。前記第1の制御ループは、空気流量プロセスと、第1のフィードバック制御器とを含む。前記空気流量プロセスは、燃焼炉に空気を供給する。前記第1のフィードバック制御器は、前記空気流量及び前記燃料流量それぞれの目標値である第1及び第2の設定値のうちの前記第1の設定値に対して前記空気流量が追従するように、前記空気流量プロセスを制御する。前記第1及び第2の設定値は、前記燃焼炉における燃焼を要求するマスター信号の示す燃焼要求レベルの変化に応じて前記設定比率で変化する。前記第2の制御ループは、燃料流量プロセスと、第2のフィードバック制御器とを含む。前記燃料流量プロセスは、前記燃焼炉に燃料を供給する。前記第2のフィードバック制御器は、前記第2の設定値に対して前記燃料流量が追従するように、前記燃料流量プロセスを制御する。前記第1の動的フィードフォワード補償器は、前記燃焼要求レベルの変化に対する前記第1の制御ループの応答性に関連する前記空気流量プロセスの第1の無駄時間を補償する。前記第2の動的フィードフォワード補償器は、前記燃焼要求レベルの変化に対する前記第2の制御ループの応答性に関連する前記燃料流量プロセスの第2の無駄時間を補償する。
第1の実施形態に係る燃焼制御装置の構成を示すブロック図。 第2の実施形態に係る燃焼制御装置の構成を示すブロック図。 第3の実施形態に係る燃焼制御装置の構成を示すブロック図。
以下、種々の実施の形態につき図面を参照して説明する。
[第1の実施形態]
図1は第1の実施形態に係る燃焼制御装置の構成を示すブロック図である。この燃焼制御装置は、燃焼炉に供給される空気及び燃料の量を制御する。燃焼炉としては、例えば、ボイラー炉、熱風炉、再熱炉、加熱炉、焼却炉等が知られている。また、燃料としては、例えば、石炭(粉体)、石油(液体)、ガス(気体)の1種以上が用いられる。
図1に示される燃焼制御装置は、マスター信号Mに追従するように、燃料流量PV1に対する空気流量PV0の比率PV0/PV1を予め定められた比率に保ちつつ、当該空気流量PV0及び燃料流量PV1を制御する。マスター信号Mは、燃焼制御装置の入力であり、燃焼炉における燃焼を要求する燃焼要求信号である。より詳細に述べるならば、マスター信号Mは、燃焼要求の程度(つまり燃焼要求レベル)を指定する。空気流量PV0及び燃料流量PV1は、燃焼制御装置の出力であり、それぞれ空気流量プロセス値及び燃料流量プロセス値と呼ばれる。第1の実施形態において、空気流量PV0及び燃料流量PV1は、それぞれ空気流量の第1の調整範囲及び燃料流量の第2の調整範囲に対応するパーセント(%)値で表される。具体例を挙げるならば、PV0=0(%)は第1の調整範囲の下限の空気流量(空気流量の%値)を示し、PV0=100(%)は第1の調整範囲の上限の空気流量(空気流量の%値)を示す。同様に、PV1=0(%)は第2の調整範囲の下限の燃料流量(燃料流量の%値)を示し、PV1=100(%)は第2の調整範囲の上限の燃料流量(燃料流量の%値)を示す。これは、後述する第2及び第3の実施形態においても同様である。
図1に示される燃焼制御装置は、比率制御法を適用する従来の燃焼制御装置と同様に、制御ループ10及び11と、比率設定器12とを備えている。この燃焼制御装置が、従来の燃焼制御装置と相違する点は、図1において破線の枠F1で囲まれた構成、つまり動的フィードフォワード補償器(以下、DFF補償器と称する)13及び14を備えていることにある。つまり図1に示される燃焼制御装置は、フィードフォワード型補償法及び比率制御法を組み合わせた燃焼制御方法(以下、フィードフォワード補償型比率制御法と称する)を適用する。
フィードフォワード補償型比率制御法を適用する図1に示す燃焼制御装置において、制御ループ10は、制御対象としての空気流量のプロセス(供給プロセス)101に対応し、当該プロセス101とフィードバック制御器102とを含む。つまり制御ループ10は、空気系の制御ループ(第1の制御ループ)である。制御ループ11は、制御対象としての燃料流量のプロセス(供給プロセス)111に対応し、当該プロセス111とフィードバック制御器112とを含む。つまり制御ループ11は、燃料系の制御ループ(第2の制御ループ)である。以下の説明では、プロセス101及び111を、それぞれ空気流量プロセス101及び燃料流量プロセス111と称することもある。
フィードバック制御器(第1のフィードバック制御器)102は、空気流量PV0(つまり、プロセス101から供給される空気の流量)が目標値(第1の目標値)SV0に追従(一致)するように、プロセス101をフィードバック制御する。すなわちフィードバック制御器102は、空気流量PV0が目標値(つまり、空気流量目標値)SV0に追従するように、プロセス101に与えられるべき操作量MV0を当該空気流量PV0に基づいて制御する。
フィードバック制御器(第2のフィードバック制御器)112は、燃料流量PV1(つまり、プロセス111から供給される燃料の流量)が目標値(第2の目標値)SV1に追従するように、プロセス111をフィードバック制御する。すなわちフィードバック制御器112は、燃料流量PV1が目標値(つまり、燃料流量目標値)SV1に追従するように、プロセス111に与えられるべき操作量MV1を当該燃料流量PV1に基づいて制御する。
目標値SV0及びSV1は、マスター信号Mの示す燃焼要求レベルの変化に対応し、かつ燃料流量PV1に対する空気流量PV0の比率PV0/PV1を予め定められた比率に保つのに必要な値に設定される。つまり目標値SV0及びSV1は、燃焼要求レベルの変化に応じて、前記予め定められた比率で変化する。以下の説明では、目標値SV0を設定値(第1の設定値)SV0と称し、目標値SV1を設定値(第2の設定値)SV1と称する。
比率設定器12は、燃料流量PV1に対する空気流量PV0の比率(つまり実比率)PV0/PV1を前記予め定められた比率に設定する。より詳細に述べるならば、比率設定器12は、実比率PV0/PV1が前記予め定められた比率(つまり、設定比率)に維持された状態で、空気流量PV0及び燃料流量PV1がマスター信号Mに追従するように、設定値SV0及びSV1の少なくとも一方に対応する指令値を生成する。第1の実施形態では、マスター信号Mは、設定値(燃料流量設定値)SV1に対応する第2の指令値として用いられる。このため比率設定器12は、マスター信号Mに基づいて、設定値(空気流量設定値)SV0に対応する第1の指令値を生成する。より詳細に述べるならば、比率設定器12は定数倍器を用いて構成されており、マスター信号Mに定数βμを乗じることにより第1の指令値を生成する。
定数βμは、燃料流量に対する空気流量の予め設定された比率を示す。ここで、βは空気/燃料レンジ変換係数であり、μは空気比である。
空気/燃料レンジ変換係数βは、マスター信号Mが設定値SV1(つまり、燃料系の制御ループ11の設定値SV1)に対応する第2の指令値として用いられる第1の実施形態では、燃料流量の調整範囲を基準に、空気流量の調整範囲を正規化するための係数である。ここで、空気流量の調整範囲が0ないしS0ノルマル立方メートル/時間(Nm3/h)であるものとする。また、燃料がガスの場合の燃料流量の調整範囲が0ないしS1ノルマル立方メートル/時間(Nm3/h)であるものとする。この場合、空気/燃料レンジ変換係数βは、β=S1×A/S0のように表される。ここでAは単位燃料を燃焼させるに必要な理論空気量である。
空気比μは、一定量の燃料を完全に燃焼させるために理論上必要な空気量(つまり、理論的空気量)に対する、当該一定量の燃料を完全に燃焼させるために実際に必要となる空気量の比率を指す。
上述したように、第1の実施形態では、マスター信号Mが第2の指令値として用いられる。この場合、比率設定器12が、定数(設定比率)βμをマスター信号Mに乗じることにより第1の指令値を生成する機能に加えて、当該マスター信号Mを第2の指令値として出力(生成)する機能を有しているとみなすこともできる。なお、第1の実施形態とは逆に、マスター信号Mが第1の指令値として用いられても構わない。この場合、定数1/βμをマスター信号Mに乗じることにより第2の指令値を生成する比率設定器を、比率設定器12に代えて用いれば良い。要するに、マスター信号Mの示す燃焼要求レベルの変化に応じて設定値SV0及びSV1が前記設定比率で変化するような第1及び第2の指令値が用いられれば良い。
従来技術では、比率設定器12の出力が設定値SV0として制御ループ10(より詳細には、制御ループ10のフィードバック制御器102)に与えられる。また従来技術では、マスター信号Mが設定値SV1として制御ループ11(より詳細には、制御ループ11のフィードバック制御器112)に与えられる。
これに対して第1の実施形態では、比率設定器12の出力が設定値SV0に対応する第1の指令値としてDFF補償器13に与えられる。またマスター信号Mが、設定値SV1に対応する第2の指令値としてDFF補償器14に与えられる。DFF補償器13及び14は、マスター信号Mの示す燃焼要求レベルの変化(つまり、第1及び第2の指令値の変化)を一種の外乱と見なして動作して、当該燃焼要求レベルの変化を補償する。つまり、DFF補償器13及び14は、燃焼要求レベルの変化に対する制御ループ10及び11の応答性を補償する。より詳細に述べるならば、DFF補償器13及び14は、燃焼要求レベルの変化に対する応答性に関連する、制御ループ10及び11(より詳細には、制御ループ10及び11のプロセス101及び111)それぞれの無駄時間(第1及び第2の無駄時間)を補償する。そのためDFF補償器13及び14は、それぞれ、後述する伝達関数C0(s)及びC1(s)を有し、マスター信号Mの示す燃焼要求レベルの変化に応じて制御ループ10及び11の設定値SV0及びSV1を動的に増加または減少する。
マスター信号Mを入力、空気流量PV0を出力とする伝達関数は、次式(1)
βμC0(s)G0(s) ----(1)
で表される。ここで、C0(s)はDFF補償器13の伝達関数、G0(s)は制御ループ10の伝達関数である。
マスター信号Mを入力、燃料流量PV1を出力とする伝達関数は、次式(2)
1(s)G1(s) ----(2)
で表される。ここで、C1(s)はDFF補償器14の伝達関数、G1(s)は制御ループ11の伝達関数である。
もし、C0(s)G0(s)=C1(s)G1(s)の条件が成立するならば、空気流量PV0と燃料流量PV1とは常に一定の比率(設定比率)βμで制御できることがわかる。
0(s)、つまり制御ループ10の伝達関数は、フィードバック制御器102が、空気流量プロセス101に対してP(比例)I(積分)D(微分)制御のようなフィードバック制御を施した結果を表す。このフィードバック制御は、具体的には次のように行われる。フィードバック制御器102は、当該制御器102の設定値SV0に対して、空気流量(空気流量プロセス値)PV0がゲイン1で追従するように、当該制御器102のパラメータを調整する。したがってG0(s)は、近似的に次式(3)で表される。
Figure 2015022535
ここでL0及びT0は、制御ループ10(より詳細には、制御ループ10の空気流量プロセス101)のそれぞれ無駄時間(第1の無駄時間)及び一次遅れ時間を示す。無駄時間L0及び一次遅れ時間T0は、制御ループ10の応答性に関連し、プラントの実運転時に測定可能な固有値である。
1(s)、つまり制御ループ11の伝達関数は、フィードバック制御器112が、燃料流量プロセス111に対してPID制御のようなフィードバック制御を施した結果を表す。このフィードバック制御は、具体的には次のように行われる。フィードバック制御器112は、当該制御器112の設定値SV1に対して、燃料流量(燃料流量プロセス値)PV1がゲイン1で追従するように、当該制御器112のパラメータを調整する。したがってG1(s)は、近似的に次式(4)で表される。
Figure 2015022535
ここでL1及びT1は、制御ループ11(より詳細には、制御ループ11の燃料流量プロセス111)のそれぞれ無駄時間(第2の無駄時間)及び一次遅れ時間を示す。無駄時間L1及び一次遅れ時間T1は、制御ループ11の応答性に関連し、プラントの実運転時に測定可能な固有値である。
DFF補償器13及び14の定数(伝達関数)は、以下に述べるように、制御ループ10の無駄時間L0及び一次遅れ時間T0と、制御ループ11の無駄時間L1及び一次遅れ時間T1とに基づいて一意に決定される。
0(s)G0(s)=C1(s)G1(s)の条件を満足するC0(s)及びC1(s)(つまり、DFF補償器13及び14の伝達関数C0(s)及びC1(s))は、それぞれ次式(5)及び(6)で与えられる。
Figure 2015022535
ここで、式(5)におけるexp(−(max(L0,L1)−L0)s)は、C0(s)の無駄時間要素であり、“max(L0,L1)−L0”を無駄時間として含む。つまり、C0(s)の無駄時間要素は、max(L0,L1)とL0との差分を無駄時間として含む。max(L0,L1)は、L0及びL1のうちの大きい値(第3の無駄時間)を指す。
同様に、式(6)におけるexp(−(max(L0,L1)−L1)s)は、C1(s)の無駄時間要素であり、“max(L0,L1)−L1”を無駄時間として含む。つまり、C1(s)の無駄時間要素は、max(L0,L1)とL1との差分を無駄時間として含む。
xは、比率制御全体の一次遅れ時間を指定する値であり、次式(7)
min(T0,T1)<Tx<max(T0,T1) ----(7)
で示される条件を満足する値である。ここでmin(T0,T1)は、T0及びT1のうち小さい値を指す。max(T0,T1)は、上述のmax(L0,L1)と同様である。したがって、T0がT1よりも小さいならば、TxはT0よりも大きくT1よりも小さい値である。また、T0がT1よりも大きいならば、TxはT1よりも大きくT0よりも小さい値である。つまりTxはT0とT1との間の値である。
式(3),(4),(5)及び(6)を使用するならば、式(1)で示される伝達関数βμC0(s)G0(s)及び式(2)で示される伝達関数C1(s)G1(s)は、それぞれ次式(8)及び(9)で表わされる。
Figure 2015022535
式(5)及び(6)で示される伝達関数C0(s)及びC1(s)が適用された場合、式(8)及び(9)から明らかなように、C0(s)G0(s)=C1(s)G1(s)の条件は成立する。よって、第1の実施形態に係る燃焼制御装置は、空気流量プロセス101と燃料流量プロセス111とがそれぞれ異なる無駄時間を持ち、かつ燃焼要求レベルが急変するような過渡状態においても、フィードフォワード補償型比率制御により、常に空気流量PV0と燃料流量PV1とを設定比率βμの近傍で制御することができる。
なお、C0(s)G0(s)とC1(s)G1(s)との関係に関し、C0(s)G0(s)=C1(s)G1(s)以外の条件を用いることも可能である。例えば、C0(s)G0(s)とC1(s)G1(s)とがほぼ等しいという条件(C0(s)G0(s)≒C1(s)G1(s))を用いても構わない。つまり、C0(s)G0(s)とC1(s)G1(s)とが許容される範囲で等しくなるように、C0(s)及びC1(s)が設定されても構わない。
<第2の実施形態>
図2は第2の実施形態に係る燃焼制御装置の構成を示すブロック図である。図2において、図1と等価な要素には同一参照番号を付して、詳細な説明を省略する。図2に示す燃焼制御装置は、フィードフォワード型補償法及びクロスリミット制御法を組み合わせた燃焼制御方法(以下、フィードフォワード補償型クロスリミット制御法と称する)を適用する。
フィードフォワード補償型クロスリミット制御法を適用する図2に示す燃焼制御装置は、クロスリミット制御法を適用する従来の燃焼制御装置と同様に、制御ループ10及び11と、比率設定器12とに加えて、定数倍器20と、高レベルセレクタ(以下、Hセレクタと称する)21と、低レベルセレクタ(以下、Lセレクタと称する)22とを備えている。この燃焼制御装置が、従来の燃焼制御装置と相違する点は、図2において破線の枠F2で囲まれた構成、つまりDFF(動的フィードフォワード)補償器13及び14と、切り替え器(以下、SWと称する)23及び24と、判定器25とを更に備えていることにある。
定数倍器20は、空気流量PV0を定数倍する。具体的には、定数倍器20は、空気流量PV0に定数1/βμを乗じることにより、設定値SV1に対応する指令値PV0/βμを生成する。
Hセレクタ21及びLセレクタ22は、それぞれ第1及び第2のクロスリミット制御器として機能する。すなわちHセレクタ21は、マスター信号M(マスター信号Mの示す燃焼要求レベル)または燃料流量PV1のうちレベルが高い方を、設定値SV0に対応する指令値として選択する。一方、Lセレクタ22は、マスター信号M(マスター信号Mの示す燃焼要求レベル)または指令値PV0/βμのうちレベルが低い方を、設定値SV1に対応する指令値として選択する。
ここで、図2に示す燃焼制御装置に与えられるマスター信号Mの示す燃焼要求レベルが上昇したものとする。つまり、マスター信号Mにより燃焼増が要求されたものとする。しかも、M>PV1で、かつM>PV0/βμであるものとする。M>PV1の場合、Hセレクタ21は、マスター信号Mを、設定値SV0に対応する指令値として選択する。これに対してLセレクタ22は、M>PV0/βμであることから、PV0/βμ(つまり、定数倍器20の出力)を、設定値SV1に対応する指令値として選択する。
このように燃焼増が要求された場合、Hセレクタ21は、空気流量に関してクロスリミット制御により燃焼増の要求を優先することで、制御ループ10における空気流量PV0の増加を先行させる。一方、Lセレクタ22は、空気流量(実空気流量)PV0の増加に燃料流量PV1(制御ループ11)を追従させる。つまり燃焼増が要求された場合、クロスリミット制御により、まず空気流量PV0が増加し、当該空気流量PV0の増加に追従して燃料流量PV1が増加する。
逆に、マスター信号Mの示す燃焼要求レベルが低下したものとする。つまり、マスター信号Mにより燃焼減が要求されたものとする。しかも、M<PV1で、かつM<PV0/βμであるものとする。この場合、Lセレクタ22は、マスター信号Mを、設定値SV1に対応する指令値として選択する。これに対してHセレクタ21は、M<PV1であることから、燃料流量PV1を、設定値SV1に対応する指令値として選択する。
このように燃焼減が要求された場合、Lセレクタ22は、燃料流量に関してクロスリミット制御により燃焼減の要求を優先することで、制御ループ11における燃料流量PV1の減少を先行させる。一方、Hセレクタ21は、燃料流量(実燃料流量)PV1の減少に空気流量PV0(制御ループ10)を追従させる。つまり燃焼減が要求された場合、クロスリミット制御により、まず燃料流量PV1が減少し、当該燃料流量PV1の減少に追従して空気流量PV0が減少する。
このような、クロスリミット制御による“先行−追従”を適用した場合、過渡的には空気過剰を招き、かつ応答速度も比較的遅い。しかし第2の実施形態では、“先行−追従”の手法は後述する切り替え条件SCが不成立の場合に適用される。このような状態で、“先行−追従”の手法の適用により図2に示す燃焼制御装置をより安全サイドで動作させることは、たとえプロセスの特性変化やフィードバック制御調整不足等が発生したとしても有益である。
SW23は、DFF補償器13の出力とHセレクタ21の出力とを切り替え信号qに応じて切り替える。より詳細に述べるならば、SW23は、DFF補償器13の出力またはHセレクタ21の出力のいずれか一方を切り替え信号qに応じて比率設定器12の入力側に切り替える。つまりSW23は、DFF補償器13の出力またはHセレクタ21の出力のいずれか一方を切り替え信号qに応じて選択する。
SW24は、DFF補償器14の出力とLセレクタ22の出力とを切り替え信号qに応じて切り替える。より詳細に述べるならば、SW24は、DFF補償器14の出力またはLセレクタ22の出力のいずれか一方を切り替え信号qに応じて制御ループ11(フィードバック制御器112)の入力側に切り替える。つまりSW23は、DFF補償器14の出力またはLセレクタ22の出力のいずれか一方を切り替え信号qに応じて選択する。
第2の実施形態において、SW23及び24は、切り替え信号qが第1のレベルHの場合、それぞれDFF補償器13及び14の出力を選択する。またSW23及び24は、切り替え信号qが第2のレベルLの場合、それぞれHセレクタ21及びLセレクタ22の出力を選択する。
切り替え信号qは、判定器25によって生成される。判定器25は、定数倍器20の出力PV0/βμ及び制御ループ11の出力PV1に基づいて、SW23及び24の切り替え条件SCが成立したか否かを判定する。この切り替え条件SCは次式(10)
(1−K)βμPV1<PV0<(1+K)βμPV1 ----(10)
で示される。ここで、Kは空気流量の許容誤差係数である。許容誤差係数Kは、プロセス毎の燃焼運転方針に依存するが、例えば0.1程度である。
式(10)から明らかなように、切り替え条件SCは、空気流量(空気流量の%値)PV0が、(1−K)βμPV1を上回り、かつ(1+K)βμPV1を下回る場合に成立する。つまり切り替え条件SCは、空気流量(燃料流量の%値)PV0が、燃料流量(燃料流量の%値)PV1を基準とする許容誤差の範囲(つまり許容範囲)に入っている場合に成立する。切り替え条件SCが成立したか否かを判定することは、燃料流量PV1に対する空気流量PV0の比率(つまり実比率)PV0/PV1の観点からは、当該実比率PV0/PV1が、設定比率βμの許容誤差の範囲(許容範囲)に入っているか否かを判定することと等価である。判定器25は、切り替え条件SCが成立したか否かに応じて、第1のレベルHまたは第2のレベルLの切り替え信号qを生成する。
もし、切り替え条件SCが成立しているならば、判定器25は実比率PV0/PV1が設定比率βμの許容範囲に入っているものとして、第1のレベルHの切り替え信号qを生成する。これに対して切り替え条件SCが成立していないならば、判定器25は実比率PV0/PV1が設定比率βμの許容範囲から外れているものとして、第2のレベルLの切り替え信号qを生成する。
SW23及び24は、切り替え信号qが第1のレベルHである場合、それぞれDFF補償器13及び14を選択する。すると図2に示される燃焼制御装置は、第1の実施形態と同様のフィードフォワード型補償による燃焼制御を実行する。このように第2の実施形態においては、切り替え条件SCが成立している場合、燃焼制御装置はフィードフォワード型補償に基づく燃焼制御(比率制御)を実行する。つまり、実比率PV0/PV1(または空気流量PV0)が設定比率βμの許容範囲(または燃料流量PV1を基準とする許容範囲)に入っているならば、燃焼制御装置はフィードフォワード型補償に基づく燃焼制御を実行する。これにより第2の実施形態によれば、切り替え条件SCが成立しているならば、燃焼要求レベルが急変するような過渡状態においても、第1の実施形態と同様に、フィードフォワード補償型比率制御により、常に空気流量PV0と燃料流量PV1とを設定比率βμの近傍で制御することができる。
一方、切り替え信号qが第2のレベルLである場合、SW23及び24は、それぞれHセレクタ21及びLセレクタ22を選択する。すると、図2に示される燃焼制御装置は、従来のクロスリミット制御と同様の燃焼制御を実行する。このように第2の実施形態においては、切り替え条件SCが成立していない場合、燃焼制御装置はクロスリミット制御に基づく燃焼制御を実行する。よって第2の実施形態によれば、実比率が許容範囲から外れるような状況でも、クロスリミット制御の適用により燃焼に関して安全性を確保することができる。
<第3の実施形態>
図3は第3の実施形態に係る燃焼制御装置の構成を示すブロック図である。図3において、図2と等価な要素には同一参照番号を付して、詳細な説明を省略する。図3に示す燃焼制御装置は、フィードフォワード型補償法及びダブルクロスリミット制御法を組み合わせた燃焼制御方法(以下、フィードフォワード補償型ダブルクロスリミット制御法と称する)を適用する。
フィードフォワード補償型ダブルクロスリミット制御法を適用する図3に示す燃焼制御装置は、ダブルクロスリミット制御法を適用する従来の燃焼制御装置と同様に、制御ループ10及び11と、比率設定器12とに加えて、定数倍器20と、定数倍器201ないし204と、中間レベルセレクタ(以下、MEDセレクタと称する)210及び220とを備えている。この燃焼制御装置が、従来の燃焼制御装置と相違する点は、図3において破線の枠F3で囲まれた構成、つまりDFF(動的フィードフォワード)補償器13及び14と、切り替え器(以下、SWと称する)230及び240と、判定器250とを更に備えていることにある。
定数倍器201は定数倍器20の出力(PV0/βμ)を定数倍する。具体的には、定数倍器201は、定数倍器20の出力(PV0/βμ)に定数1+K1を乗じることにより、設定値SV1に対応する指令値(1+K1)PV0/βμを生成する。K1は、燃焼要求レベル上昇時の発煙限界を示す設定値である。発煙限界とは、黒煙や一酸化炭素の発生を招く空気量不足の限界を指す。
定数倍器202は燃料流量(燃料流量の%値)PV1を定数倍する。具体的には、定数倍器202は、燃料流量PV1に定数1−K2を乗じることにより、設定値SV0に対応する指令値(1−K2)PV1を生成する。K2は、燃焼要求レベル低下時の発煙限界を示す設定値である。
定数倍器203は定数倍器20の出力(PV0/βμ)を定数倍する。具体的には、定数倍器203は、定数倍器20の出力(PV0/βμ)に定数1−K3を乗じることにより、設定値SV1に対応する指令値(1−K3)PV0/βμを生成する。K3は、燃焼要求レベル低下時の空気過剰限界を示す設定値である。空気過剰限界とは、酸化窒素や酸化硫黄の発生を招く空気量過剰の限界を指す。
定数倍器204は燃料流量PV1を定数倍する。具体的には、定数倍器204は、燃料流量PV1に定数1+K4を乗じることにより、設定値SV0に対応する指令値(1+K4)PV1を生成する。K4は、燃焼要求レベル上昇時の空気過剰限界を示す設定値である。
MEDセレクタ210は、第1のダブルクロスリミット制御器として機能する。すなわちMEDセレクタ210は、マスター信号Mが変化しても、設定値(空気流量設定値)SV0(より詳細には、設定値SV0に対応する指令値)を燃料流量(実燃料流量)PV1に対して許容される範囲に制限するように動作する。そのためMEDセレクタ210は、マスター信号M(マスター信号Mの示す燃焼要求レベル)、定数倍器202の出力(1−K2)PV1、及び定数倍器204の出力(1+K4)PV1のうち、レベルが2番目に高い方(つまり、最も高くなく、かつ最も低くない方)を、設定値SV0に対応する指令値(実指令値)として選択する。
MEDセレクタ220は第2のダブルクロスリミット制御器として機能する。すなわちMEDセレクタ220は、マスター信号Mが変化しても、設定値(燃料流量設定値)SV1を空気流量(実空気流量)PV0に対して許容される範囲に制限するように動作する。そのためMEDセレクタ220は、マスター信号M(マスター信号Mの示す燃焼要求レベル)、定数倍器201の出力(1+K1)PV0/βμ、及び定数倍器203の出力(1−K3)PV0/βμのうち、レベルが2番目に高い方(つまり、最も高くなく、かつ最も低くない方)を、設定値SV1に対応する指令値(実指令値)として選択する。
このように図3に示される燃焼制御装置は、ダブルクロスリミット制御を適用する。これにより燃焼制御装置は、マスター信号Mが変化しても、設定値SV0を燃料流量PV1に対して許容される範囲に制限し、かつ設定値SV1を空気流量PV0に対して許容される範囲に制限する。
ダブルクロスリミット制御が適用された場合、燃焼制御の応答速度は、過渡的にはクロスリミット制御よりも遅くなる。しかし第3の実施形態では、ダブルクロスリミット制御は、後述する切り替え条件SC1及びSC2が不成立の場合に適用される。このような状態で、ダブルクロスリミット制御の適用により図3に示す燃焼制御装置をより安全サイドで動作させることは、たとえプロセスの特性変化やフィードバック制御調整不足等が発生したとしても有益である。
SW230は、DFF補償器13の出力またはMEDセレクタ210の出力のいずれか一方を切り替え信号q0に応じて比率設定器12の入力側に切り替える。つまりSW230は、DFF補償器13の出力またはMEDセレクタ210の出力のいずれか一方を切り替え信号q0に応じて選択する。
SW240は、DFF補償器14の出力またはMEDセレクタ220の出力のいずれか一方を切り替え信号q1に応じて制御ループ11(フィードバック制御器112)の入力側に切り替える。つまりSW240は、DFF補償器14の出力またはMEDセレクタ220の出力のいずれか一方を切り替え信号q1に応じて選択する。
第3の実施形態において、SW230及び240は、切り替え信号q0及びq1が第1のレベルHの場合、それぞれDFF補償器13及び14の出力を選択する。またSW230及び240は、切り替え信号q0及びq1が第2のレベルLの場合、それぞれMEDセレクタ210及び220の出力を選択する。
切り替え信号q0及びq1は、判定器250によって生成される。判定器250は、定数倍器20の出力PV0/βμ及び制御ループ11の出力PV1に基づいて、SW230の切り替え条件SC1及びSW240の切り替え条件SC2が成立したか否かを判定する。切り替え条件SC1及びSC2は、それぞれ次式(11)及び(12)
(1−K2)βμPV1<PV0<(1+K4)βμPV1 ----(11)
(1−K3)PV0<βμPV1<(1+K1)PV0 ----(12)
で示される。
式(11)から明らかなように、切り替え条件SC1は、空気流量(空気流量の%値)PV0が、(1−K2)βμPV1を上回り、かつ(1+K4)βμPV1を下回る場合に成立する。つまり、切り替え条件SC1は、空気流量(空気流量の%値)PV0が、燃料流量(燃料流量の%値)PV1を基準とする許容範囲に入っている場合に成立する。
(1−K2)βμPV1は、設定値K2(つまり、燃焼要求レベル低下時の発煙限界の設定値K2)と設定比率βμと燃料流量PV1とで決まる。この(1−K2)βμPV1は、燃焼要求レベル低下時において空気流量PV0が燃料流量PV1と比較して相対的に少ない場合に、実比率PV0/PV1を許容範囲に保ちつつ、発煙を回避することが可能な空気流量の下限値を示す。つまり、(1−K2)βμPV1は、燃料流量PV1を基準とする場合の空気流量PV0の許容範囲(以下、第1の許容範囲と称する)の下限値を示す。この第1の許容範囲の下限値は、燃焼要求レベル低下時の発煙限界に対応する。
ここで、(1−K2)βμに着目するならば、当該(1−K2)βμは、燃料流量PV1を基準とする場合の実比率PV0/PV1の許容範囲の下限値を示す。この許容範囲は第1の許容範囲に相当し、当該許容範囲の下限値は燃焼要求レベル低下時の発煙限界に対応する。
一方、(1+K4)βμPV1は、設定値K4(つまり、燃焼要求レベル上昇時の空気過剰限界の設定値K4)と設定比率βμと燃料流量PV1とで決まる。この(1+K4)βμPV1は、燃焼要求レベル上昇時において空気流量PV0が燃料流量PV1と比較して相対的に多い場合に、実比率PV0/PV1を許容範囲に保ちつつ、酸化窒素や酸化硫黄の発生を回避することが可能な空気流量の上限値を示す。つまり、(1+K4)βμPV1は、第1の許容範囲の上限値を示す。この第1の許容範囲の上限値は、燃焼要求レベル上昇時の空気過剰限界に対応する。
ここで、(1+K4)βμに着目するならば、当該(1+K4)βμは、燃料流量PV1を基準とする場合の実比率PV0/PV1の許容範囲の上限値を示す。この許容範囲は第1の許容範囲に相当し、当該許容範囲の上限値は燃焼要求レベル上昇時の空気過剰限界に対応する。以下の説明では、燃料流量PV1を基準とする場合の実比率PV0/PV1の許容範囲も第1の許容範囲と称する。
以上の説明から明らかなように、切り替え条件SC1が成立したか否かを判定することは、燃料流量PV1を基準とする空気流量PV0(または、実比率PV0/PV1)の観点からは、当該空気流量PV0(実比率PV0/PV1)が第1の許容範囲に入っているか否かを判定することと等価である。切り替え条件SC1は、燃料流量PV1を基準とする空気流量PV0(実比率PV0/PV1)が第1の許容範囲に入っている場合に成立する。
式(12)から明らかなように、切り替え条件SC2は、燃料流量(燃料流量の%値)PV1のβμ倍の値βμPV1が、(1−K3)PV0を上回り、かつ(1+K1)PV0を下回る場合に成立する。つまり、切り替え条件SC2は、燃料流量(燃料流量の%値)PV1が、空気流量(空気流量の%値)PV0を基準とする許容範囲に入っている場合に成立する。
(1−K3)PV0は、設定値K3(つまり、燃焼要求レベル低下時の空気過剰限界の設定値K3)と空気流量PV0とで決まる。この(1−K3)PV0は、燃焼要求レベル低下時において燃料流量PV1が空気流量PV0と比較して相対的に少ない場合に、実比率PV0/PV1を許容範囲に保ちつつ、酸化窒素や酸化硫黄の発生を回避することが可能な燃料流量の下限値(より詳細には、燃料流量の下限値のβμ倍の値)を示す。つまり、(1−K3)PV0は、空気流量PV0を基準とする場合の燃料流量PV1の許容範囲(以下、第2の許容範囲と称する)の下限値を示す。この第2の許容範囲の下限値は、燃焼要求レベル低下時の空気過剰限界に対応する。
ここで、βμ/(1−K3)に着目するならば、当該βμ/(1−K3)は、空気流量PV0を基準とする場合の実比率PV0/PV1の許容範囲の上限値を示す。この許容範囲は第2の許容範囲に相当し、当該許容範囲の上限値は、燃焼要求レベル低下時の空気過剰限界に対応する。
一方、(1+K1)PV0は、設定値K1(つまり、燃焼要求レベル上昇時の発煙限界の設定値K1)と空気流量PV0とで決まる。この(1+K1)PV0は、燃焼要求レベル上昇時において燃料流量PV1が空気流量PV0と比較して相対的に多い場合に、実比率PV0/PV1を許容範囲に保ちつつ、発煙を回避することが可能な燃料流量の上限値(より詳細には、燃料流量の上限値のβμ倍の値)を示す。つまり(1+K1)PV0は、第2の許容範囲の上限値を示す。この第2の許容範囲の上限値は、燃焼要求レベル上昇時の発煙限界に対応する。
ここで、βμ/(1+K1)に着目するならば、当該βμ/(1+K1)は、空気流量PV0を基準とする場合の実比率PV0/PV1の許容範囲の下限値を示す。この許容範囲は第2の許容範囲に相当し、当該許容範囲の下限値は、燃焼要求レベル上昇時の発煙限界に対応する。以下の説明では、燃料流量PV0を基準とする場合の実比率PV0/PV1の許容範囲も第2の許容範囲と称する。
以上の説明から明らかなように、切り替え条件SC2が成立したか否かを判定することは、空気流量PV0を基準とする燃料流量PV1(または、実比率PV0/PV1)の観点からは、当該燃料流量PV1(実比率PV0/PV1)が第2の許容範囲に入っているか否かを判定することと等価である。切り替え条件SC2は、空気流量PV0を基準とする燃料流量PV1(実比率PV0/PV1)が第2の許容範囲に入っている場合に成立する。
判定器250は、切り替え条件SC1が成立したか否かに応じて、第1のレベルHまたは第2のレベルLの切り替え信号q0を生成する。判定器250はまた、切り替え条件SC2が成立したか否かに応じて、第1のレベルHまたは第2のレベルLの切り替え信号q1を生成する。
SW230及び240は、それぞれ切り替え信号q0及びq1が第1のレベルHである場合、DFF補償器13及び14を選択する。すると図3に示される燃焼制御装置は、第1の実施形態と同様のフィードフォワード型補償による燃焼制御(比率制御)を実行する。このように燃焼制御装置は、切り替え条件SC1及びSC2がいずれも成立している場合、空気系及び燃料系の両方でフィードフォワード型補償に基づく燃焼制御を実行する。よって第3の実施形態によれば、空気流量PV0及び燃料流量PV1(実比率PV0/PV1)が第1及び第2の許容範囲に入っているならば、燃焼要求レベルが急変するような過渡状態においても、空気流量PV0と燃料流量PV1とを比率βμで制御することができる。
一方、切り替え信号q0が第2のレベルLである場合、SW230はMEDセレクタ210を選択する。これにより図3に示される燃焼制御装置は、ダブルクロスリミット制御を用いて空気系を制御する。同様に、切り替え信号q1が第2のレベルLである場合、SW240はMEDセレクタ220を選択する。これにより燃焼制御装置は、ダブルクロスリミット制御を用いて燃料系を制御する。このように燃焼制御装置は、切り替え条件SC1及びSC2がいずれも不成立の場合、空気系及び燃料系の両方でダブルクロスリミット制御に基づく燃焼制御を実行する。よって第3の実施形態によれば、空気流量PV0及び燃料流量PV1(実比率PV0/PV1)が第1及び第2の許容範囲から外れるような状況でも、ダブルクロスリミット制御の適用により燃焼に関して安全性を確保することができる。
上述の第1ないし第3の実施形態では、フィードフォワード型補償のためにDFF補償器13及び14が共通に用いられる。DFF補償器13及び14の定数(伝達関数)は、それぞれ、プラントの実運転時に測定可能な無駄時間L0及び一次遅れ時間T0の対、及び無駄時間L1及び一次遅れ時間T1の対に基づいて一意に決定される。このように第1ないし第3の実施形態に係る燃焼制御装置は明確な最適調整則を持つ。よって第1ないし第3の実施形態によれば、いずれも、実プロセスの運用への導入が容易な燃焼制御装置を提供することができる。
以上説明した少なくとも1つの実施形態によれば、空気流量プロセスと燃料流量プロセスとが異なる無駄時間を持ち、かつ燃焼要求レベルが急変するような過渡状態でも、空気流量と燃料流量との比率が設定比率の近傍となるように両流量を制御することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10…制御ループ(第1の制御ループ)、11…制御ループ(第2の制御ループ)、12…比率設定器、13…動的フィードフォワード(DFF)補償器(第1の動的フィードフォワード補償器)、14…動的フィードフォワード(DFF)補償器(第2の動的フィードフォワード補償器)、20,201〜204…定数倍器、21…高レベルセレクタ(Hセレクタ、第1のクロスリミット制御器)、22…低レベルセレクタ(Lセレクタ、第2のクロスリミット制御器)、23,230…切り替え器(SW、第1の切り替え器)、24,240…切り替え器(SW、第2の切り替え器)、25,250…判定器、101…プロセス(空気流量プロセス)、102…フィードバック制御器(第1のフィードバック制御器)、111…プロセス(燃料流量プロセス)、112…フィードバック制御器(第2のフィードバック制御器)、210…中間レベルセレクタ(MEDセレクタ、第1のダブルクロスリミット制御器)、220…中間レベルセレクタ(MEDセレクタ、第2のダブルクロスリミット制御器)、M…マスター信号、SV0…目標値(空気流量目標値、設定値、第1の設定値)、SV1…目標値(燃料流量目標値、設定値、第2の設定値)、PV0…空気流量、PV1…燃料流量。

Claims (5)

  1. 空気流量と燃料流量との比率を調整するための燃焼制御装置において、
    前記調整されるべき比率を設定する比率設定器と、
    燃焼炉に空気を供給する空気流量プロセスと、前記燃焼炉における燃焼を要求するマスター信号の示す燃焼要求レベルの変化に応じて前記設定比率で変化する前記空気流量及び前記燃料流量それぞれの目標値である第1及び第2の設定値のうちの前記第1の設定値に対して前記空気流量が追従するように、前記空気流量プロセスを制御する第1のフィードバック制御器とを含む第1の制御ループと、
    前記燃焼炉に燃料を供給する燃料流量プロセスと、前記第2の設定値に対して前記燃料流量が追従するように、前記燃料流量プロセスを制御する第2のフィードバック制御器とを含む第2の制御ループと、
    前記燃焼要求レベルの変化に対する前記第1の制御ループの応答性に関連する前記空気流量プロセスの第1の無駄時間を補償する第1の動的フィードフォワード補償器と、
    前記燃焼要求レベルの変化に対する前記第2の制御ループの応答性に関連する前記燃料流量プロセスの第2の無駄時間を補償する第2の動的フィードフォワード補償器と
    を具備する燃焼制御装置。
  2. 前記第1の動的フィードフォワード補償器の伝達関数C0(s)と前記第1の制御ループの伝達関数G0(s)との積C0(s)G0(s)と、前記第2の動的フィードフォワード補償器の伝達関数C1(s)と前記第2の制御ループの伝達関数G1(s)との積C1(s)G1(s)とが、ほぼ等しくなるように、前記伝達関数C0(s)及びC1(s)が設定される請求項1記載の燃焼制御装置。
  3. 前記前記伝達関数C0(s)は、前記第1の無駄時間及び前記第2の無駄時間のうちの大きい値である第3の無駄時間と前記第1の無駄時間との差分を無駄時間として含む無駄時間要素を有し、
    前記伝達関数C1(s)は、前記第3の無駄時間と前記第2の無駄時間との差分を無駄時間として含む無駄時間要素を有する
    請求項2記載の燃焼制御装置。
  4. 前記マスター信号によって燃焼増が要求された場合、前記空気流量に関して前記燃焼増の要求を優先することで、前記空気流量の増加を先行させ、前記マスター信号によって燃焼減が要求された場合、前記燃料流量の減少に前記第1の制御ループを追従させる第1のクロスリミット制御器と、
    前記マスター信号によって前記燃焼減が要求された場合、前記燃料流量に関して前記燃焼減の要求を優先することで、前記燃料流量の減少を先行させ、前記マスター信号によって前記燃焼増が要求された場合、前記空気流量の増加に前記第2の制御ループを追従させる第2のクロスリミット制御器と、
    前記空気流量と前記燃料流量との比率である実比率が許容範囲に入っているかに応じて、前記第1の動的フィードフォワード補償器の出力または前記第1のクロスリミット制御器の出力のいずれか一方を選択する第1の切り替え器と、
    前記実比率が前記許容範囲に入っているかに応じて、前記第2の動的フィードフォワード補償器の出力または前記第2のクロスリミット制御器の出力のいずれか一方を選択する第2の切り替え器と
    を更に具備する請求項1記載の燃焼制御装置。
  5. 前記第1の設定値を前記燃料流量に対して許容される範囲に制限する第1のダブルクロスリミット制御器と、
    前記第2の設定値を前記空気流量に対して許容される範囲に制限する第2のダブルクロスリミット制御器と、
    前記空気流量が前記燃料流量を基準とする第1の許容範囲に入っているかに応じて、前記第1の動的フィードフォワード補償器の出力または前記第1のダブルクロスリミット制御器の出力のいずれか一方を選択する第1の切り替え器と、
    前記燃料流量が前記空気流量を基準とする第2の許容範囲に入っているかに応じて、前記第2の動的フィードフォワード補償器の出力または前記第2のダブルクロスリミット制御器の出力のいずれか一方を選択する第2の切り替え器と
    を更に具備する請求項1記載の燃焼制御装置。
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