JP2018132284A - 流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流動層ボイラおよびタービンの協調制御を可能とする流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置を提供する。【解決手段】協調制御運転装置は、電力需要に基づいて設定される設定主蒸気圧力および実主蒸気圧力に基づいて、流動層ボイラへの燃料供給量に関連する命令を決定する燃料供給量決定部と、実発電出力および電力需要に基づいて、流動層ボイラの側からタービンへ供給する主蒸気の圧力を調整する蒸気加減弁を操作するための命令パラメータセットを決定する操作命令決定部と、を備え、操作命令決定部は、電力需要と実発電出力との偏差に基づいて実発電出力からの発電出力の目標操作量を決定する操作量決定部と、命令パラメータセットに含まれる命令パラメータであるパルス幅あるいはサイクルタイムの少なくとも一方を、目標操作量に基づいて決定する命令パラメータ決定部と、を有する。【選択図】 図２

Description

本開示は、流動層ボイラおよびタービンを備えた発電システムの協調制御に関する。

従来から、ボイラでの燃料の燃焼による熱で熱交換器（伝熱管など）を介して生成した蒸気（主蒸気）によりタービンを駆動して発電を行う発電システムが知られており、電力需要に応じて、タービンへ供給する主蒸気の圧力などを蒸気加減弁で制御し、また、ボイラへの燃料の供給量を制御することにより運転される（特許文献１〜３参照）。この種の発電システムの運転制御方式としては、一般に、ボイラ追従方式、タービン追従方式、および、これらの両者の利点を兼ね備えるボイラ・タービン協調制御方式が知られている。ボイラ追従方式では、電力需要に応じたオペレータによる発電出力（タービン速度または発電機負荷）の操作量にあわせ、ガバナ（調速機）が蒸気加減弁を制御（操作）することによりタービン速度または発電機負荷が操作され、これによって変化した主蒸気の圧力に追従してボイラへの燃料供給が自動で行われる。タービン追従方式では、電力需要に応じてオペレータがボイラへの燃料供給を制御し、これによって変化した主蒸気の圧力に追従して蒸気加減弁の制御が自動で行われる。ボイラ・タービン協調制御方式は、上述した蒸気加減弁の制御およびボイラへの燃料供給の制御が電力需要に応じて自動で行われる方式であり、ボイラ安定限界内で要求発電電力に対して迅速に蒸気加減弁が動くと同時に、電力需要に応じてボイラ負荷（燃料供給量）を変える。このため、良好な負荷追従性を得られ、化石燃料（石炭、石炭、天然ガスなど）といった燃料の性状が比較的安定している石炭焚き火力発電プラントで採用されている。

ところで、近年、化石燃料の代替としてリサイクル燃料を用いた環境適合性に優れた流動層ボイラが広く用いられている。流動層ボイラは、燃焼室の底に充填した流動材（媒体）を流動状態にして流動層（流動床）を形成し、この流動層に投入された燃料を瞬時に乾燥、焼却するものである。また、リサイクル燃料としては、間伐材、一般廃材を原料とした木材チップ（木質バイオマス）などが用いられるが、個々の燃料片毎に水分量、かさ密度など性状が異なると共に、例えば、木質チップでは水分量が少ないもので２０％、多いもので７０％になるなど、性状のばらつきも大きい。このため、流動層ボイラへの燃料供給から燃焼に至るまでのタイミングや、一定量に対する発熱量が供給した燃料に応じて変動し、化石燃料を用いるボイラに比べると、流動層ボイラの出力（燃焼）の変動は大きい。このため、流動層ボイラでタービンを駆動する流動層ボイラ発電システムでは、ボイラの時定数とタービンの時定数との違いが大きいこともあり、ボイラ・タービン協調制御方式での運転は不向きとされ、ボイラ追従方式、あるいは、タービン追従方式のいずれかの運転方式で運転されているのが現状となる。

特許第５６５９９７３号 特開２０１３−１８１７０１号公報 特開２０１３−１３３９８８号公報

上述したように、流動層ボイラでの燃料の燃焼を通して生成した主蒸気によりタービンを駆動し、電力需要に応じた発電を行う流動層ボイラ発電システムの運転は、ボイラ追従方式あるいはタービン追従方式で行われている。つまり、流動層ボイラ発電システムの運転をボイラ・タービン協調制御方式で行うものは従来存在しておらず、流動層ボイラ発電システムにおいて協調制御運転が可能となれば、流動層ボイラ発電システムにおいてボイラ追従方式およびタービン追従方式の両方の利点を享受することが可能となる。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、流動層ボイラおよびタービンの協調制御を可能とする流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置は、
流動層ボイラでの燃料の燃焼を通して生成した主蒸気によりタービンを駆動し、電力需要に応じた発電を行う流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置であって、
前記電力需要を受信する電力需要受信部と、
前記電力需要、および前記主蒸気の実際の圧力である実主蒸気圧力を取得し、前記電力需要に基づいて設定される設定主蒸気圧力および前記実主蒸気圧力に基づいて、前記流動層ボイラへの燃料供給量に関連する命令を決定する燃料供給量決定部と、
前記電力需要、および前記タービンの駆動により実際に発電される実発電出力を取得し、前記実発電出力および前記電力需要に基づいて、前記流動層ボイラの側から前記タービンへ供給する前記主蒸気の圧力を調整する蒸気加減弁を操作するための命令パラメータセットを決定する操作命令決定部と、を備え、
前記操作命令決定部は、
前記電力需要と前記実発電出力との偏差に基づいて、前記実発電出力からの発電出力の目標操作量を決定する目標操作量決定部と、
前記命令パラメータセットに含まれる命令パラメータである、１命令当たりの前記発電出力の操作量である単位操作量を規定するパルス幅、あるいは前記１命令の繰り返し周期を規定するサイクルタイムの少なくとも一方を、前記目標操作量に基づいて決定する命令パラメータ決定部と、を有する。

一般に、流動層ボイラは、燃料の種類及び性状（水分量、かさ密度、発熱量など）のばらつきが大きい例えば木質バイオマスなどを燃料とするため燃焼の変動が大きい。このため、流動層ボイラでタービンを駆動する流動層ボイラ発電システムでは、流動層ボイラへの燃料供給の制御および蒸気加減弁の制御を電力需要に応じて自動で行う協調制御は行われず、電力需要に応じて発電出力を手動で操作したことに伴って行われる蒸気加減弁の制御の結果生じる圧力変化に追従して自動で燃料供給を行うボイラ追従運転、あるいは、電力需要に応じて燃料供給を手動で制御した結果の圧力変化に追従して自動で蒸気加減弁の制御を行うタービン追従運転のいずれかの運転モードで運転されていた。

上記（１）の構成によれば、電力需要と実発電出力との偏差に基づいて決定した発電出力の目標操作量を、一気に蒸気加減弁に反映させるのではなく、パルス幅とサイクルタイムとを含む命令パラメータセットによって発電出力の操作を小刻みに行うことで、目標操作量を分割して少しずつ蒸気加減弁に反映させると共に、パルス幅とサイクルタイムの少なくとも一方を目標操作量に応じて決定するように構成される。これによって、水分量などの性状のばらつきが大きく燃焼が不安定な燃料を用いる流動層ボイラへの燃料供給と、蒸気加減弁の制御とを電力需要に基づいて行っても（協調制御）、流動層ボイラでの燃焼変動に伴う実主蒸気圧力の変動によるタービンへの影響を抑制することができる。したがって、流動層ボイラ発電システムを安定的に自動で制御することができ、流動層ボイラとタービンとの協調制御を実現することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記命令パラメータ決定部は、前記目標操作量が大きくなるほど、前記サイクルタイムが短くなるように決定する。
上記（２）の構成によれば、発電出力の目標操作量が大きくなるほど、単位操作量の実行頻度が多くされることで、目標操作量を蒸気加減弁に反映するのに過度に時間を要するような事態を回避することができ、電力需要への実発電出力の追従性を良好に保ちつつ、流動層ボイラを安定的に自動で制御することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記命令パラメータ決定部は、前記目標操作量から前記サイクルタイムを算出するためのサイクルタイム算出関数を有し、
前記サイクルタイム算出関数において、前記目標操作量が第１所定値より小さい第１領域での傾きは、前記第１所定値以上の第２領域での傾きよりも大きい。
上記（３）の構成によれば、指数関数的なサイクルタイム算出関数を用いることにより、電力需要への実発電出力の追従性を良好に保ちつつ、流動層ボイラを安定的に自動で制御することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（３）の構成において、
前記命令パラメータ決定部は、前記目標操作量が大きくなるほど前記パルス幅が大きくなるように決定する。
上記（４）の構成によれば、発電出力の目標操作量が大きくなるほど、単位操作量が大きくなり、目標操作量を蒸気加減弁に反映するのに過度に時間を要するような事態を回避することができ、電力需要への実発電出力の追従性を良好に保ちつつ、流動層ボイラを安定的に自動で制御することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記命令パラメータ決定部は、前記目標操作量から前記パルス幅を算出するためのパルス幅算出関数を有し、
前記パルス幅算出関数は、前記目標操作量が正の値または負の値となる少なくとも一方の場合において、前記目標操作量の絶対値が第２所定値よりも大きい範囲では、前記目標操作量の絶対値が大きくなるほど前記パルス幅を大きく算出し、前記目標操作量の絶対値が前記第２所定値以下の範囲では前記パルス幅は所定の固定値を算出する。
上記（５）の構成によれば、電力需要への実発電出力の追従性を良好に保ちつつ、流動層ボイラを安定的に自動で制御することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）の構成において、
前記目標操作量決定部は、前記偏差の絶対値が所定の設定値よりも大きい場合には、前記偏差が大きくなるほど前記目標操作量が大きくなるように決定し、前記偏差の絶対値が前記設定値以下の場合には、前記目標操作量を０にする。
上記（６）の構成によれば、電力需要と実発電出力との偏差の大きさに応じて決定される目標操作量に対して、偏差が０でなくても発電出力が実発電出力から操作されないことによって蒸気加減弁が操作されない不感帯領域が設けられる。タービンへ供給される主蒸気Ｓの圧力、流量などは、蒸気加減弁の操作に対して敏感に反応するところ、上述したような不感帯領域を設けることにより、流動層ボイラの燃焼変動の影響によって過大に変動するのを抑制することができ、タービンに対して安定した主蒸気Ｓを供給することができ、タービンに供給する主蒸気の安定化を図ることができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）の構成において、
前記操作命令決定部によって決定された前記命令パラメータセットに基づいて前記蒸気加減弁を操作するタービンマスタと、
前記タービンマスタによる前記蒸気加減弁の操作に伴う前記実主蒸気圧力を監視する圧力監視部と、をさらに備え、
前記圧力監視部は、前記実主蒸気圧力が所定の上限閾値を超えた場合あるいは所定の下限閾値を下回った場合には、前記タービンマスタに通知する。
上記（７）の構成によれば、実主蒸気圧力の変化が過度に大きい場合や小さい場合に、その旨をタービンマスタに通知することができる。これによって、タービンマスタが例えば蒸気加減弁の操作を停止するといった処理を行うことが可能となり、このような処理を行うことにより、実主蒸気圧力の急激な変化を抑制し、タービンの運転を安定的することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（７）の構成において、
前記燃料は、種類、性状、発熱量、水分量またはかさ密度の少なくとも１つを含む燃料の性状がばらつく固形燃料である。

このような固形燃料は、例えばバイオマス燃料などが挙げられる。例えば木質バイオマスでは、各々のチップ毎に水分量が２０％〜７０％というように大きく異なり、かさ密度なども異なる。水分量などが異なると、流動層ボイラに供給された時点から実際に燃焼するまでに要する時間が異なり、かさ密度が異なると発熱量が異なるなど、燃料性状のばらつきは、流動層ボイラの燃焼状態を大きく変動させる。
上記（８）の構成によれば、このような固形燃料を燃料とした場合であっても、流動層ボイラを安定的に自動で制御することができ、流動層ボイラとタービンとの協調制御を実現することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、流動層ボイラおよびタービンの協調制御を可能とする流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置が提供される。

本発明の一実施形態に係る協調制御運転装置を備える流動層ボイラ発電システムの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置の機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係るサイクルタイム算出関数を示す図である。 本発明の一実施形態に係るパルス幅算出関数を示す図である。 本発明の一実施形態に係る目標操作量算出関数を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る協調制御運転装置１を備える流動層ボイラ発電システム９の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、流動層ボイラ発電システム９は、流動層ボイラ５での燃料Ｆの燃焼を通して生成した主蒸気Ｓによりタービン６を駆動し、電力需要Ｄ（メガワットデマンド（ＭＷＤ）あるいはキロワットデマンド（ＫＷＤ）など）に応じた発電を行う発電システムである。より具体的には、燃料Ｆを流動層ボイラ５に供給して燃焼させて、伝熱管（不図示）などを流れる流体を加熱し、主蒸気Ｓを生成する。生成した主蒸気Ｓは、主蒸気管５１に設けられた蒸気加減弁７による圧力、流量等の調整を受けながら、主蒸気管５１を通ってタービン６へ供給されるようになっており、主蒸気Ｓをタービン６に供給することによりタービン６を回転駆動する。タービン６の回転軸は例えば減速機およびカップリングを介して発電機６２に接続されており、タービン６の回転駆動により発電機６２を駆動させて、発電機出力（後述する実発電出力Ｗ）を得る。流動層ボイラ５へ供給する燃料Ｆは、後述するように、木質バイオマスといったリサイクル燃料であり、このような燃料Ｆを用いる流動層ボイラ５の出力（燃焼）の変動は大きい。

また、流動層ボイラ発電システム９は協調制御運転装置１を備えている。協調制御運転装置１は、流動層ボイラ発電システム９の運転をボイラ・タービン協調制御方式により行うことが可能な装置である。また、協調制御運転装置１は、主蒸気Ｓの圧力（後述する実主蒸気圧力Ｐ）および発電機出力を監視しつつ、オペレータなどによって設定された電力需要Ｄ（則ち負荷）に基づいて、流動層ボイラ５への燃料供給と、ガバナ７Ａへの蒸速度指令または負荷指令（速度／負荷指令）のガバナ７Ａへの出力を通した蒸気加減弁７の弁開度の制御によるタービン６の回転数の制御と、を行う。図１に示される実施形態では、協調制御運転装置１は、主蒸気管５１における蒸気加減弁７の上流側（流動層ボイラ５の側）に設置された圧力検出手段（図１では圧力計５２）、および、発電機６２の発電機出力を検出可能な発電出力検出手段（図１では電力計６３）にそれぞれ接続されており、圧力計５２および電力計６３の検出値がそれぞれ入力されることにより主蒸気Ｓの圧力および発電機出力の監視が可能となっている。また、協調制御運転装置１は、燃料供給調節装置５３およびガバナ７Ａにそれぞれ接続されており、燃料供給調節装置５３に対して指令信号を送信することにより、流動層ボイラ５への燃料供給を制御する。他方、ガバナ７Ａに対しては、後述するようにして決定した速度／負荷指令信号（命令パラメータセットＩ）を送信することにより、ガバナ７Ａを介した蒸気加減弁７の制御を行う。

以下、流動層ボイラ発電システム９の協調制御運転装置１（以下、単に、協調制御運転装置１という。）について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る流動層ボイラ発電システム９の協調制御運転装置１の機能ブロック図である。図２に示されるように、協調制御運転装置１は、電力需要受信部１１と、燃料供給量決定部２と、操作命令決定部３と、を備える。なお、幾つかの実施形態では、協調制御運転装置１はコンピュータで構成されていても良く、図示しないＣＰＵ（プロセッサ）や、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリ（記憶装置）、燃料供給調節装置５３やガバナ７Ａとのインタフェースを備えている。そして、主記憶装置にロードされたプログラムの命令に従ってＣＰＵが動作（データの演算など）することで、上記の各機能部を実現する。他の幾つかの実施形態では、協調制御運転装置１は、例えば各機能部をそれぞれ論理回路で実現することで、ハードウェア的に構成されていても良い。各機能について説明する。

電力需要受信部１１は、電力需要Ｄを受信する。換言すれば、電力需要受信部１１は、オペレータなどにより入力される電力需要Ｄの設定値を装置内部（プログラム、回路）に取り込む。また、電力需要受信部１１は、燃料供給量決定部２および操作命令決定部３にそれぞれ接続されており、後述するような燃料供給量および発電出力の目標操作量Ｏｐの決定に際して用いるために、これらの機能部に対して受信した電力需要Ｄを送信する。

燃料供給量決定部２は、電力需要受信部１１から電力需要Ｄを受信する共に、圧力計５２などによって検出される主蒸気Ｓの実際の圧力である実主蒸気圧力Ｐを取得する。そして、燃料供給量決定部２は、電力需要Ｄに基づいて設定される設定主蒸気圧力Ｐｃおよび実主蒸気圧力Ｐに基づいて、流動層ボイラ５への燃料Ｆの燃料供給量に関連する命令を決定する。図２に示される実施形態では、燃料供給量決定部２は、主蒸気圧力設定部２１と、信号減算部２２と、ＰＩ制御部２３（Ｐ＋Ｉ）と、信号加算器２４と、を備えており、この順序で直列に接続されたこれらの機能部によって上記命令を決定し、燃料供給量決定部２（信号加算器２４）に接続されたボイラマスタ２７へ送信する。ボイラマスタ２７は、受信した上記命令に基づいて決定した流動層ボイラ５への燃料Ｆの供給量に基づいて、流動層ボイラ５が電力需要Ｄに見合った蒸気を発生するように燃料供給調節装置５３の弁開度を制御して流動層ボイラ５への燃料供給を制御する。この際、流動層ボイラ５において不同膨張が生じない限界の負荷変化率を超えない範囲で燃料供給が行われる。

より詳細には、図２に示される実施形態において、主蒸気圧力設定部２１は、電力需要受信部１１に接続されており、電力需要受信部１１から入力された電力需要Ｄを設定主蒸気圧力Ｐｃに変換し、設定主蒸気圧力Ｐｃを信号減算部２２に送信する。具体的には、電力需要Ｄと設定主蒸気圧力Ｐｃとの関係を規定した所定の関数（Ｆ（Ｄ））などを用いて、電力需要受信部１１から受信した電力需要Ｄを設定主蒸気圧力Ｐｃに変換しても良い（図２参照）。信号減算部２２は、主蒸気圧力設定部２１からの設定主蒸気圧力Ｐｃと共に、圧力計５２などによって検出された実主蒸気圧力Ｐをそれぞれ受信する。そして、設定主蒸気圧力Ｐｃと実主蒸気圧力Ｐとの偏差（例えばＰｃ−Ｐ。以下、適宜、圧力偏差Ｐｄという。）を演算した後、圧力偏差ＰｄをＰＩ制御部２３に送信する。ＰＩ制御部２３は、信号減算部２２から受信した圧力偏差Ｐｄが０になるようにＰＩ制御する機能部であり、圧力偏差Ｐｄの大きさに比例するように増加または減少させるべき電力を演算し、その演算結果を信号加算器２４に送信する。信号加算器２４は、電力需要受信部１１とも接続されており、電力需要受信部１１からの電力需要ＤとＰＩ制御部２３からの演算結果を加算することにより、流動層ボイラ５へのボイラマスタ指令を決定する。

操作命令決定部３は、電力需要Ｄ、およびタービン６の駆動により実際に発電される実発電出力Ｗを取得し、実発電出力Ｗおよび電力需要Ｄに基づいて、流動層ボイラ５の側からタービン６へ供給する主蒸気Ｓの圧力、流量を調整する蒸気加減弁７を操作するための命令パラメータセットＩを決定する。より具体的には、図２に示されるように、操作命令決定部３は、電力需要Ｄと実発電出力Ｗとの偏差（例えばＤ−Ｗ。以下、適宜、出力偏差Ｗｄという。）に基づいて、電力需要Ｄを満たすように実発電出力Ｗを変化させるのに必要な、実発電出力Ｗからの発電出力の目標操作量Ｏｐを決定する目標操作量決定部３２と、命令パラメータセットＩに含まれる命令パラメータである、１命令当たりの発電出力の操作量である単位操作量を規定するパルス幅Ｉｐ、あるいは１命令の繰り返し周期を規定するサイクルタイムＩｃの少なくとも一方を、目標操作量Ｏｐに基づいて決定する命令パラメータ決定部３４と、を備える。そして、図１〜図２に示される実施形態では、上記のサイクルタイムＩｃの周期でパルス幅Ｉｐに対応する発電出力の操作量（単位操作量）がガバナ７Ａに指令される。そして、ガバナ７Ａは、この操作量が入力されるたびに、その操作量に対応する発電出力を実現するように、蒸気加減弁７の弁開度を制御することで、操作量を蒸気加減弁７に反映させる。これによって、目標操作量Ｏｐが少しずつ蒸気加減弁７に反映される。なお、目標操作量Ｏｐは、上記の単位操作量よりも大きい値となる。

図２に示される実施形態では、操作命令決定部３は、信号減算部３１と、目標操作量決定部３２と、信号選択器３３と、命令パラメータ決定部３４と、を備えており、この順序で直列に接続されたこれらの機能部によって命令パラメータセットＩを決定し、操作命令決定部３（命令パラメータ決定部３４）に接続されたタービンマスタ３７へ送信する。

より詳細には、操作命令決定部３はおいて、信号減算部３１は、電力需要受信部１１からの電力需要Ｄと、電力計６３などによって検出された実発電出力Ｗを受信し、これらに基づいて出力偏差Ｗｄを演算し、目標操作量決定部３２に対して送信する。目標操作量決定部３２は、信号減算部３１から入力された出力偏差Ｗｄに基づいて目標操作量Ｏｐを演算し、この目標操作量Ｏｐを信号選択器３３に送信する。具体的には、出力偏差Ｗｄと上記の目標操作量Ｏｐとの関係を規定した所定の関数（Ｆｏ（Ｗｄ））などを用いて、出力偏差Ｗｄから目標操作量Ｏｐを演算しても良い（図２参照）。信号選択器３３は、前述した燃料供給量決定部２の信号減算部２２とも接続されており、この信号減算部２２からの出力を考慮して決められる上下限値と、目標操作量決定部３２から入力された目標操作量Ｏｐとを比較する。その結果、目標操作量Ｏｐが上記の上下限値の範囲内に収まっている場合には、目標操作量Ｏｐを命令パラメータ決定部３４に送信し、目標操作量Ｏｐが上記の上下限値の範囲外にある場合には、目標操作量Ｏｐに近い方となる上限値あるいは下限値を命令パラメータ決定部３４に送信するようになっている。

そして、操作命令決定部３は、上述した機能部によって決定した命令パラメータセットＩを、タービンマスタ３７（蒸気加減弁操作実行部）へ送信する。タービンマスタ３７は命令パラメータセットＩに基づいてガバナ７Ａを操作する役割を担い、受信した命令パラメータセットＩに基づいて、ガバナ７Ａに対して、所定の弁開度といった単位操作量（パルス幅Ｉｐ）だけ動かすための操作命令を所定の周期（サイクルタイムＩｃ）で繰り返し実行する。このように、タービンマスタ３７が命令パラメータセットＩに基づいてガバナ７Ａを操作（制御）することによって、例えば目標操作量Ｏｐが発電出力をより大きくするものである場合には、目標操作量Ｏｐに向けて時間の経過に従って段階的に蒸気加減弁７の開度が大きくされていく。逆に、例えば目標操作量Ｏｐが発電出力をより小さくするものである場合には、目標操作量Ｏｐに向けて時間の経過に従って段階的に蒸気加減弁７の開度が小さくされていく。

つまり、上記の構成によれば、電力需要Ｄと実発電出力Ｗとの偏差に基づいて決定した目標操作量Ｏｐを、一気に蒸気加減弁７に反映させるのではなく、パルス幅ＩｐとサイクルタイムＩｃとを含む命令パラメータセットＩによって発電出力の操作を小刻みに行うことで、目標操作量Ｏｐを分割して少しずつ蒸気加減弁７に反映させると共に、パルス幅ＩｐとサイクルタイムＩｃの少なくとも一方を目標操作量Ｏｐに応じて決定するように構成される。これによって、水分量などの性状のばらつきが大きく燃焼が不安定な燃料Ｆを用いる流動層ボイラ５への燃料供給と、蒸気加減弁７の制御（操作）とを電力需要Ｄに基づいて行っても（協調制御）、流動層ボイラ５での燃焼変動に伴う実主蒸気圧力Ｐの変動によるタービン６への影響を抑制することができる。したがって、流動層ボイラ発電システム９を安定的に自動で制御することができ、流動層ボイラ５とタービン６との協調制御を実現することができる。

なお、タービンマスタ３７によるガバナ７Ａの制御や、ボイラマスタ２７による燃料供給調節装置５３の制御によって、タービン６に供給される実主蒸気圧力Ｐや主蒸気流量ＳＡ、実発電出力Ｗは変化するが、燃料供給量決定部２や操作命令決定部３の各々による上述した決定を所定の周期などの所定のタイミングで行うことにより、実主蒸気圧力Ｐや実発電出力Ｗの変化を上述した決定に反映させることができる。流動層ボイラ５では、燃料Ｆの性状のばらつきに起因して、燃料供給から燃焼に至るまでのタイミングや一定量に対する発熱量などが、供給した燃料に応じて定まらないのが通常である。ところが、所定の周期で上述した決定を行うことで、燃料Ｆの性状のばらつきに起因して、タービン６へ供給する主蒸気Ｓの圧力、主蒸気流量ＳＡなどが過大に変動することや、流動層ボイラ５における不同膨張のおそれが生じるほどの負荷が変化することの防止を図ることができる。

次に、上述した操作命令決定部３に関する幾つかの実施形態について、図３〜図５を用いて説明する。図３は、本発明の一実施形態に係るサイクルタイム算出関数Ｆｃを示す図である。図４は、本発明の一実施形態に係るパルス幅算出関数Ｆｐを示す図である。また、図５は、本発明の一実施形態に係る目標操作量算出関数Ｆｏを示す図である。

幾つかの実施形態では、命令パラメータ決定部３４は、目標操作量Ｏｐが大きくなるほど、サイクルタイムＩｃが短くなるように決定する。換言すれば、目標操作量Ｏｐが大きくなるほど、単位操作量の実行頻度が多くされる。これによって、目標操作量Ｏｐを蒸気加減弁７に反映するのに過度に時間を要するような事態を回避することができ、電力需要Ｄへの実発電出力Ｗの追従性を良好に保ちつつ、流動層ボイラ５を安定的に自動で制御することができる。

より具体的には、幾つかの実施形態では、図２に示されるように、命令パラメータ決定部３４は、目標操作量ＯｐからサイクルタイムＩｃを算出するためのサイクルタイム算出関数Ｆｃを有している。つまり、サイクルタイム算出関数Ｆｃは目標操作量Ｏｐの関数であり（Ｆｃ（Ｏｐ））、命令パラメータ決定部３４が利用可能なように、協調制御運転装置１のメモリに保持されている。そして、図３に示されるように、このサイクルタイム算出関数Ｆｃにおいて、目標操作量Ｏｐが、任意の値となる第１所定値Ｖａより小さい第１領域（Ｏｐ＜Ｖａ）での傾きは、第１所定値Ｖａ以上の第２領域（Ｏｐ≧Ｖａ）での傾きよりも大きくなっていても良い。傾きは、サイクルタイム算出関数Ｆｃの任意の目標操作量Ｏｐにおける接線と横軸とのなす角度であり、サイクルタイム算出関数Ｆｃは、上述した傾きの関係となる第１所定値Ｖａを有している。換言すれば、サイクルタイム算出関数Ｆｃは指数関数的な関数となっており、このようなサイクルタイム算出関数Ｆｃを用いることにより、電力需要Ｄへの実発電出力Ｗの追従性を良好に保ちつつ、流動層ボイラ５を安定的に自動で制御することができる。

また、幾つかの実施形態では、命令パラメータ決定部３４は、目標操作量Ｏｐが大きくなるほどパルス幅Ｉｐが大きくなるように決定する。換言すれば、目標操作量Ｏｐが大きくなるほど、単位操作量が大きくなり、目標操作量Ｏｐを蒸気加減弁７に反映するのに過度に時間を要するような事態を回避することができ、電力需要Ｄへの実発電出力Ｗの追従性を良好に保ちつつ、流動層ボイラ５を安定的に自動で制御することができる。

より具体的には、幾つかの実施形態では、図２に示されるように、命令パラメータ決定部３４は、目標操作量Ｏｐからパルス幅Ｉｐを算出するためのパルス幅算出関数Ｆｐを有している。つまり、パルス幅算出関数Ｆｐは目標操作量Ｏｐの関数でありＦｐ（Ｏｐ）、命令パラメータ決定部３４が利用可能なように、協調制御運転装置１のメモリに保持されている。そして、図４に示されるように、パルス幅算出関数Ｆｐは、目標操作量Ｏｐが正の値または負の値となる少なくとも一方の場合において、目標操作量Ｏｐの絶対値が第２所定値Ｖｂよりも大きい範囲（｜Ｏｐ｜＞Ｖｂ）では、目標操作量Ｏｐの絶対値が大きくなるほどパルス幅Ｉｐを大きく算出し、目標操作量Ｏｐの絶対値が第２所定値Ｖｂ以下の範囲ではパルス幅Ｉｐは所定の固定値を算出するようになっていても良い。

図４に示される実施形態では、パルス幅算出関数Ｆｐは、目標操作量Ｏｐ（横軸）が０より大きい正の値となる正の領域（ＯＰ＞０）においては、目標操作量Ｏｐが所定の正の値（第２所定値Ｖｂ）までは所定の値（固定値）でパルス幅Ｉｐを算出し、所定の正の値よりも大きくなると目標操作量Ｏｐに比例して大きくなるようにパルス幅Ｉｐを算出するようになっている。他方、パルス幅算出関数Ｆｐは、目標操作量Ｏｐが０より小さい負の値となる負の領域（ＯＰ＜０）においてパルス幅Ｉｐは、目標操作量Ｏｐ（横軸）が所定の負の値（第２所定値Ｖｂ）までは所定の値（固定値）でパルス幅Ｉｐを算出し、所定の負の値よりも小さくなると目標操作量Ｏｐが小さくなるのに比例して大きくなるようにパルス幅Ｉｐを算出するようになっている。

なお、図４に示される実施形態では、パルス幅算出関数Ｆｐにおいて、目標操作量Ｏｐの正の領域（Ｏｐ＞０）と負の領域（Ｏｐ＜０）の各々が有する傾きが変化する所定の値（第２所定値Ｖｂ）は同じとなっている。ただし、本実施形態に本発明は限定されず、他の幾つかの実施形態では、上記の正の領域における第２所定値Ｖｂと、負の領域における第２所定値Ｖｂとは、異なる値であっても良い。

上記の構成によれば、電力需要Ｄへの実発電出力Ｗの追従性を良好に保ちつつ、流動層ボイラ５を安定的に自動で制御することができる。

また、幾つかの実施形態では、図５に示されるように、目標操作量決定部３２は、電力需要Ｄと実発電出力Ｗとの偏差（出力偏差Ｗｄ）の絶対値が設定値Ｖｄよりも大きい場合には、上記の出力偏差Ｗｄが大きくなるほど目標操作量Ｏｐが大きくなるように決定し、上記の出力偏差Ｗｄの絶対値が設定値Ｖｄ以下の場合には、目標操作量Ｏｐを０にする。つまり、目標操作量決定部３２は、出力偏差Ｗｄが０よりも大きくても設定値Ｖｄ以下の場合（０＜｜Ｗｄ｜＜Ｖｄ）には発電出力が実発電出力を操作は行わないことで、ガバナ７Ａによる蒸気加減弁７の操作を行わず、現状を維持するようになっており、出力偏差Ｗｄに対する不感帯領域を有している。

図２に示される実施形態では、目標操作量決定部３２は、協調制御運転装置１のメモリに保持されている目標操作量算出関数Ｆｏ（図５参照）を用いて、出力偏差Ｗｄから目標操作量Ｏｐを算出するようになっている。また、出力偏差Ｗｄを電力需要Ｄ−実発電出力Ｗとして計算する場合には、出力偏差Ｗｄが正値の場合（Ｗｄ＞０）における上記の設定値Ｖｄと、負値の場合（Ｗｄ＜０）における上記の設定値Ｖｄとは同じ値となっているが、他の幾つかの実施形態では両者が同じ値でなくても良い。

上記の構成によれば、電力需要Ｄと実発電出力Ｗとの偏差（出力偏差Ｗｄ）の大きさに応じて決定される目標操作量Ｏｐに対して、出力偏差Ｗｄがあっても、発電出力が実発電出力Ｗから操作されないことによってガバナ７Ａによる蒸気加減弁７の操作が行われない不感帯領域が設けられる。タービン６へ供給される主蒸気Ｓの圧力、流量などは、蒸気加減弁７の操作に対して敏感に反応するところ、上述したような不感帯領域を設けることにより、流動層ボイラ５の燃焼変動の影響によって過大に変動するのを抑制することができ、タービン６に供給する主蒸気Ｓの安定化を図ることができる。

また、幾つかの実施形態では、協調制御運転装置１は、上述したタービンマスタ３７と、タービンマスタ３７による、ガバナ７Ａを介した蒸気加減弁７の操作に伴う実主蒸気圧力Ｐを監視する圧力監視部３８と、をさらに備える。そして、圧力監視部３８は、実主蒸気圧力Ｐが所定の上限閾値を超えた場合あるいは所定の下限閾値を下回った場合には、タービンマスタに通知する。つまり、上記の構成によれば、実主蒸気圧力Ｐの変化が過度に大きい場合や小さい場合に、その旨をタービンマスタ３７に通知することができる。これによって、タービンマスタ３７が例えばガバナ７Ａの操作を停止するといった処理を行うことが可能となり、このような処理を行うことにより、実主蒸気圧力Ｐの急激な変化を抑制し、タービン６の運転を安定的することができる。

その他、上述した実施形態において、幾つかの実施形態では、流動層ボイラ５に供給される燃料Ｆは、発熱量、水分量またはかさ密度の少なくとも１つを含む燃料Ｆの性状がばらつく固形燃料である。より具体的には、燃料Ｆは、燃料Ｆの集合から複数回サンプリングした燃料Ｆについて性状を比較すると、例えば標準偏差などのばらつきを示す統計値が化石燃料のものよりも大きい。このような固形燃料は、例えばリサイクル燃料であり、廃タイヤや、廃プラスチックを含むＲＰＦ、低品位炭、バーク、一般廃棄物（生活ごみ）、産業廃棄物（建築廃材含）、汚泥、バイオマス燃料などが挙げられる。例えばバイオマス燃料である木質バイオマスは、各々のチップ毎に水分量が２０％〜７０％というように大きく異なり、かさ密度なども異なる。水分量が異なると、流動層ボイラ５に供給された時点から実際に燃焼するまでに要する時間が異なり、かさ密度が異なると発熱量が異なるなど、燃料性状のばらつきは、流動層ボイラの燃焼状態を大きく変動させる。しかしながら、上述した実施形態では、このような固形燃料を燃料Ｆとした場合であっても、流動層ボイラ５を安定的に自動で制御することができ、流動層ボイラ５とタービン６との協調制御を実現することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

１ 協調制御運転装置
１１ 電力需要受信部
２ 燃料供給量決定部
２１ 主蒸気圧力設定部
２２ 信号減算部
２３ 制御部
２４ 信号加算器
２７ ボイラマスタ
３ 操作命令決定部
３１ 信号減算部
３２ 目標操作量決定部
３３ 信号選択器
３４ 命令パラメータ決定部
３７ タービンマスタ
３８ 圧力監視部
５ 流動層ボイラ
５１ 主蒸気管
５２ 圧力計
５３ 燃料供給調節装置
６ タービン
６２ 発電機
６３ 電力計
７ 蒸気加減弁
７Ａ ガバナ
９ 流動層ボイラ発電システム
Ｄ 電力需要
Ｆ 燃料
Ｓ 主蒸気
ＳＡ 主蒸気流量
Ｐ 実主蒸気圧力
Ｐｃ 設定主蒸気圧力
Ｐｄ 圧力偏差
Ｗ 実発電出力
Ｗｄ 出力偏差
Ｏｐ 目標操作量
Ｉ 命令パラメータセット
Ｉｃ サイクルタイム
Ｉｐ パルス幅
Ｆｃ サイクルタイム算出関数
Ｆｏ 目標操作量算出関数
Ｆｐ パルス幅算出関数
Ｖａ 第１所定値
Ｖｂ 第２所定値
Ｖｄ 設定値

Claims (8)

1. 流動層ボイラでの燃料の燃焼を通して生成した主蒸気によりタービンを駆動し、電力需要に応じた発電を行う流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置であって、
   前記電力需要を受信する電力需要受信部と、
   前記電力需要、および前記主蒸気の実際の圧力である実主蒸気圧力を取得し、前記電力需要に基づいて設定される設定主蒸気圧力および前記実主蒸気圧力に基づいて、前記流動層ボイラへの燃料供給量に関連する命令を決定する燃料供給量決定部と、
   前記電力需要、および前記タービンの駆動により実際に発電される実発電出力を取得し、前記実発電出力および前記電力需要に基づいて、前記流動層ボイラの側から前記タービンへ供給する前記主蒸気の圧力を調整する蒸気加減弁を操作するための命令パラメータセットを決定する操作命令決定部と、を備え、
   前記操作命令決定部は、
   前記電力需要と前記実発電出力との偏差に基づいて、前記実発電出力からの発電出力の目標操作量を決定する目標操作量決定部と、
   前記命令パラメータセットに含まれる命令パラメータである、１命令当たりの前記発電出力の操作量である単位操作量を規定するパルス幅、あるいは前記１命令の繰り返し周期を規定するサイクルタイムの少なくとも一方を、前記目標操作量に基づいて決定する命令パラメータ決定部と、を有することを特徴とする流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置。
2. 前記命令パラメータ決定部は、前記目標操作量が大きくなるほど、前記サイクルタイムが短くなるように決定することを特徴とする請求項１に記載の流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置。
3. 前記命令パラメータ決定部は、前記目標操作量から前記サイクルタイムを算出するためのサイクルタイム算出関数を有し、
   前記サイクルタイム算出関数において、前記目標操作量が第１所定値より小さい第１領域での傾きは、前記第１所定値以上の第２領域での傾きよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置。
4. 前記命令パラメータ決定部は、前記目標操作量が大きくなるほど前記パルス幅が大きくなるように決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置。
5. 前記命令パラメータ決定部は、前記目標操作量から前記パルス幅を算出するためのパルス幅算出関数を有し、
   前記パルス幅算出関数は、前記目標操作量が正の値または負の値となる少なくとも一方の場合において、前記目標操作量の絶対値が第２所定値よりも大きい範囲では、前記目標操作量の絶対値が大きくなるほど前記パルス幅を大きく算出し、前記目標操作量の絶対値が前記第２所定値以下の範囲では前記パルス幅は所定の固定値を算出することを特徴とする請求項４に記載の流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置。
6. 前記目標操作量決定部は、前記偏差の絶対値が所定の設定値よりも大きい場合には、前記偏差が大きくなるほど前記目標操作量が大きくなるように決定し、前記偏差の絶対値が前記設定値以下の場合には、前記目標操作量を０にすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置。
7. 前記操作命令決定部によって決定された前記命令パラメータセットに基づいて前記蒸気加減弁を操作するタービンマスタと、
   前記タービンマスタによる前記蒸気加減弁の操作に伴う前記実主蒸気圧力を監視する圧力監視部と、をさらに備え、
   前記圧力監視部は、前記実主蒸気圧力が所定の上限閾値を超えた場合あるいは所定の下限閾値を下回った場合には、前記タービンマスタに通知することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置。
8. 前記燃料は、種類、性状、発熱量、水分量またはかさ密度の少なくとも１つを含む燃料の性状がばらつく固形燃料であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の流動層ボイラ発電システムの協調制御運転装置。

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