JP2018151108A - ボイラ蒸気圧力調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧蒸気本管圧力が規定値以上になった場合、高圧蒸気本管の蒸気圧力を適正な範囲に復旧し、負荷設備の蒸気使用量急増等によっても系に接続されるボイラにドラムレベル高トリップを発生させず、蒸気圧力変動による負荷設備への操業影響を出さないようにすることができる、ボイラ蒸気圧力調整方法を提供する。【解決手段】全運転中ボイラの蒸気発生量が最低負荷になり、なおかつ、蒸気本管圧力が規定値以上になったことを検知する特異状態検知ステップと、該特異状態検知ステップで特異状態が発生した場合、圧力調整缶としたボイラ以外の主蒸気ブロー弁の優先順位を決定し、決定した優先順位に従って主蒸気ブロー弁開放指令を出力する主蒸気ブロー弁作動優先順位決定ステップと、蒸気本管圧力が規定値以内に復旧するまで、指令を受けた順に主蒸気ブロー弁を開放する主蒸気ブロー弁操作ステップと、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、蒸気発電プラントのボイラ蒸気圧力を調整するボイラ蒸気圧力調整方法に関するものである。

一般的に、蒸気発電プラントはボイラで蒸気を製造し、蒸気タービンを駆動して負荷設備を運転する構成となっているものが多い。負荷設備には、いろいろなタイプのものがあり、例えば、製鉄プラントにおいては、高炉送風機のような定負荷運転するものや、背圧発電機のように、ボイラで製造した高圧蒸気を低圧蒸気に変換して所内に供給するもので、各工場の操業によって負荷が不定期に変動するもの等がある。

そして、操業中に生じた負荷変動は、ボイラの圧力制御によって吸収されており、複数缶のボイラのうち、一番効率の悪いボイラを圧力調整缶として運用し、残りのボイラを固定負荷発生缶として運転し、全体の負荷調整を行なっている。

さらに、蒸気の需給バランスの崩れにより、ボイラの発生蒸気量が負荷設備での使用蒸気量を上回った場合には、ボイラの停止や、蒸気放散による負荷調整を行なう必要があった。

しかしながら、上記した負荷調整のために行なうボイラを停止する方法では、停止したボイラを再稼動するために人員と時間を要することとなり、連続的に蒸気使用設備の負荷変動を吸収して安定操業することが困難であった。

また、上記した負荷調整のために行なう蒸気放散による方法では、オペレーターが蒸気本管圧力を監視しながらの手動対応となるため、対応遅れによる蒸気本管圧力の変動や、無駄に蒸気放散をしてしまい、蒸気放散ロスを発生させるという問題があった。

蒸気の需給バランスをとるために、運転中のボイラ負荷を全て最低負荷にした場合であっても、発生蒸気が余剰となった場合には、高圧蒸気本管の蒸気圧力が高くなってしまう。この場合、蒸気放散等の適正なオペ介入を行なわなければ、負荷設備の蒸気使用量急増等によって、高圧蒸気本管の蒸気圧力が急激に低下した際には、圧力調整缶の圧力制御では系の圧力復旧が間に合わず（所謂、逆応答が起こり）、系に接続されるボイラにドラムレベル高によるトリップを発生させてしまうという恐れがあった。

本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであり、高圧蒸気本管圧力が規定値以上になった場合、高圧蒸気本管の蒸気圧力を適正な範囲に復旧し、負荷設備の蒸気使用量急増等によっても系に接続されるボイラにドラムレベル高トリップを発生させず、蒸気圧力変動による負荷設備への操業影響を出さないようにすることができる、ボイラ蒸気圧力調整方法を提供することを目的とする。

上記課題は、以下の発明によって解決できる。

［１］ 蒸気負荷設備を蒸気タービンで駆動する蒸気発電プラントにおけるボイラの蒸気圧力調整方法であって、
全運転中ボイラの蒸気発生量が最低負荷になり、なおかつ、蒸気本管圧力が規定値以上になったことを検知する特異状態検知ステップと、
該特異状態検知ステップで特異状態が発生した場合、圧力調整缶としたボイラ以外の主蒸気ブロー弁の優先順位を決定し、決定した優先順位に従って主蒸気ブロー弁開放指令を出力する主蒸気ブロー弁作動優先順位決定ステップと、
蒸気本管圧力が規定値以内に復旧するまで、指令を受けた順に主蒸気ブロー弁を開放する主蒸気ブロー弁操作ステップと、
を有することを特徴とするボイラの蒸気圧力調整方法。

本発明によれは、特異状態検知ステップ、主蒸気ブロー弁作動優先順位決定ステップ、および主蒸気ブロー弁操作ステップによって、蒸気本管圧力を適正な範囲に復旧させ、負荷設備の蒸気使用量急増等によっても、系に接続されるボイラにドラムレベル高トリップを発生させず、蒸気圧力変動による既存設備への操業影響を出さないようにすることが可能となった。

本発明を適用する蒸気発電プラントの設備構成例を示す図である。 本発明に係るボイラ蒸気圧力調整方法の主要処理フロー例を示す図である。 論理素子についての真理値表を示す図である。 特異状態検知ロジック(Step01)の詳細を示す図である。 主蒸気ブロー弁作動優先順位決定ロジック(Step02)の詳細を示す図である。 主蒸気ブロー弁操作ロジック(Step03)の詳細を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明を適用する蒸気発電プラントの設備構成例を示す図である。図中、１はボイラ、２は高圧蒸気レシーバー、３は高圧蒸気本管、４は復水蒸気タービン、５は高炉送風機、６は背圧蒸気タービン、７は発電機、８は復水器、９は復水ポンプ、１０は復水母管、１１は脱気器、１２は低圧給水母管、１３は給水ポンプ、１４は高圧給水母管、１５はガスタービン、１６は燃焼空気圧縮機、１７は燃料ガス圧縮機、１８はガスタービン発電機、１９は排熱回収ボイラ、２０は主蒸気流量計、２１は主蒸気圧力計、２２は主蒸気ブロー弁、２３は主蒸気ブロー弁開度計、および２４は逆止弁をそれぞれ表す。

この例では説明上、各装置および台数を限定的に記載してはいるものの、各装置および台数はこれに限定されるものではなく、蒸気負荷設備を蒸気タービンで駆動する蒸気発電プラントにおいて適宜変更が可能である。

燃料ガス、燃焼空気を燃料として複数のボイラ１で製造された高圧蒸気は、主蒸気流量計２０、主蒸気圧力計２１、主蒸気ブロー弁２２、主蒸気ブロー弁開度計２３、および逆止弁２４をそれぞれ配置した配管を経て、高圧蒸気レシーバー２に保持される。

そして、高圧蒸気レシーバー２に保持された高圧蒸気は、高圧蒸気本管３を経由して、復水蒸気タービン４や背圧蒸気タービン６を駆動し、高炉送風機５や発電機７の運転を行う。背圧蒸気タービン６に供給された蒸気は、発電機７を駆動して蒸気エネルギーの一部を発電量として回収し、減圧した蒸気を工場送気として工場内各所に供給する。

一方、復水蒸気タービン４に供給された蒸気は、復水器８で水に戻り、さらに復水ポンプ９によって復水母管１０へ供給される。その後、脱気器１１によって水分中の脱気処理を施した後、低圧給水母管１２を経て、給水ポンプ１３によって昇圧され、高圧給水母管１４に送られる。そして、高圧給水母管１４から再びボイラ１に給水されて、上述したように高圧蒸気を製造するようになる。

ここで、操業中に工場送気の蒸気負荷変動が発生した場合には、高圧蒸気レシーバーの圧力が変動し、それを補うために、複数のボイラの内、圧力調整用として決めた圧力調整缶の圧力制御が作動して、系の蒸気圧力を一定に保つように、蒸気発生量が変化する。

また、高圧蒸気本管３には、排熱回収ボイラ１９によって、高圧蒸気を受け入れているケースもある。このケースでは、燃料ガスを燃料ガス圧縮機１７で圧縮し、燃焼空気を燃焼空気圧縮機１６で圧縮し、それらをガスタービン１５で燃焼して、タービン駆動を行なう。ガスタービン発電機１８の発電を行なうとともに、ガスタービン１５より排出される排ガスで、排熱回収ボイラ１９と熱交換を行って、高圧蒸気を製造して、高圧蒸気本管３に受け入れるようになっている。

複数のボイラ１の出側には、それぞれ主蒸気流量計２０、主蒸気圧力計２１が設置されており、その後に、主蒸気ブロー弁２３がある。主蒸気ブロー弁２３には、主蒸気ブロー弁開度計２３が付帯している。その後に、逆止弁２４があり、この逆止弁２４を通過した蒸気が、高圧蒸気レシーバー２に供給される。

通常、ボイラを焚き上げた直後で、主蒸気圧力、温度が規定状態になっていないときは、主蒸気ブロー弁より、蒸気を放散しながら運転し、主蒸気温度、圧力が規定状態になったあとに、主蒸気ブロー弁を除々に閉操作することで、ボイラの発生蒸気が高圧蒸気レシーバーや高圧蒸気本管などを経て除々に系統へ併入されていく。

図２は、本発明に係るボイラ蒸気圧力調整方法の主要処理フロー例を示す図である。本発明は、大きくは、特異状態検知ロジック(Step01)、主蒸気ブロー弁作動優先順位決定ロジック(Step02)、および主蒸気ブロー弁操作ロジック(Step03)から成る。

先ず、特異状態検知ロジック(Step01)では、主蒸気ブロー弁による蒸気の需給バランスが崩れ、蒸気余り状態となっていることを検知する。次に、主蒸気ブロー弁作動優先順位決定ロジック(Step02)では、オペレーターが予め特異状態が発生した場合の、主蒸気ブロー弁を開放する固定負荷発生缶の作動優先順位を設定しておき、特異状態が発生した場合、その優先順位に従って、主蒸気ブロー弁操作ロジック(Step03)に主蒸気ブロー弁開放指令を出力する。そして、主蒸気ブロー弁操作ロジック(Step03)では、指令を受けた順に、主蒸気ブロー弁を、蒸気本管圧力が規定値以内に復旧するまで開放する処理を行う。

以上のロジックの詳細動作について、図３〜図６を用いて以下順に説明をする。図３は、論理素子についての真理値表を示す図であり、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴそれぞれの入出力論理を示している。図４〜図６は、論理素子記号を用いた回路として処理を示しているが、実装にあたっては、例えば、分散制御システムＤＣＳなどを使用したプログラム中の処理ステップとして処理内容を実現するようにしてもよい。

図４は、特異状態検知ロジック(Step01)の詳細を示す図である。ここでは、全運転中ボイラの蒸気発生量が、最低負荷になり、なおかつ、圧力調整缶の蒸気圧力が規定値以上になったことを検知する。ここで、ボイラの蒸気発生量が最低負荷とは、ボイラの性能である製品蒸気の温度、圧力を保ったまま、調整可能な蒸気発生量のうち、一番低い流量のことを言う。具体的には、各ボイラ毎にメーカー保証値として定められている値を指す。

先ず、図４の上段に示す全運転中ボイラ蒸気負荷最低状態検知回路の方では、各ボイラの主蒸気流量規定値以下と、ボイラ停止中のＮＯＴ（運転中）のＡＮＤ条件を検知し、タイマー時間経過後、当該ボイラが運転中であり、なおかつ、蒸気負荷が最低になっていることを検知する。その条件と、ボイラ停止中条件のＯＲをとることで、当該ボイラが停止中になった場合、本条件は、出力ビットが成立してキャンセルされる。全てのボイラに同様の回路を構築する。

次に、蒸気本管圧力規定値以上検知回路では、当該ボイラの圧力調整缶条件と、ボイラ停止中のＮＯＴ（運転中）条件と、主蒸気圧力規定値以上の３つの条件のＡＮＤ条件成立を検知し、タイマー時間経過後、当該ボイラが圧力調整缶であり、なおかつ、主蒸気圧力が規定以上になっていることを検知する。この条件と、ボイラ停止中条件と、ボイラ圧力調整缶のＮＯＴ条件のＯＲをとることで、当該ボイラが停止中や、固定負荷発生缶になった場合、本条件は、出力ビットが成立してキャンセルされる。全てのボイラに同様の回路を構築する。ここで、圧力調整缶の蒸気圧力＝蒸気本管圧力となっている。

上記までの全ての条件のＡＮＤ条件を取ることで、全運転中ボイラの蒸気発生量が、最低負荷になり、なおかつ、圧力調整缶の蒸気圧力が規定値以上になったことを検知することが可能となる。そして、主蒸気ブロー弁優先順位決定ロジック(Step02)に特異状態検知指令(A)を出力する。

図５は、主蒸気ブロー弁作動優先順位決定ロジック(Step02)の詳細を示す図である。ここでは、圧力調整缶としたボイラ以外の主蒸気ブロー弁を開放して蒸気本管圧力を規定値以内に復旧する際、操作する主蒸気ブロー弁の優先順位を決定し、決定した優先順位に従って、主蒸気ブロー弁開放指令を出力する。

ここでの優先順位は、基本的には、圧力調整缶以外の、運転中のボイラで、ボイラ効率の悪いものの優先順位を高くしておき、操業状態に合せて、優先順位を変更する。オペレーターが制御装置の画面より手入力する、または操業状態の変化に基づいて自動で変更するようにしても良い。

1B回路を用いて、ロジックの動作を説明する。当該ボイラの優先順位が１番であった場合、1B回路の最上段の丸１（テキスト１を円で囲った図形、以下、丸２、・・・丸ｎなども同様）のビットがＯＮし、特異状態検知ロジックからの(A)信号が出力されると、ＡＮＤ条件が成立し、この条件と、圧力調整缶のＮＯＴ条件と、ボイラ停止中のＮＯＴ条件の３つの条件のＡＮＤ条件の成立で、当該ボイラの主蒸気ブロー弁操作ロジックに、主蒸気ブロー弁開放指令（B11）を出力する。

丸１と(A)信号のＡＮＤ信号成立後、主蒸気ブロー弁の開放指令を出力すると同時に、主蒸気ブロー弁操作ロジックからのアンサー信号（B12）が成立することで、当該、主蒸気ブロー弁が開放完了したことを検知し、優先順位２番目の主蒸気ブロー弁に開放指令（2B2、3B2、・・・nB2）を出力する。

また、なんらかのトラブルで当該ボイラの主蒸気ブロー弁が開放処理を行なわず、アンサー信号が帰って来なかった場合は、タイマー時間後に、同様の処理を行なう。優先順位２番目の主蒸気ブロー弁には制御装置の画面より、丸２が入力された状態となっており、優先順位１番目の主蒸気ブロー弁より来る、主蒸気ブロー弁開放指令（2B2、3B2、・・・nB2）とのＡＮＤ条件が成立した主蒸気ブロー弁が、優先順位２番目の主蒸気ブロー弁として、主蒸気ブロー弁操作ロジックへ開放指令を出力する。このように動作して、n番目の主蒸気ブロー弁に開放指令を出力して、全動作が完了する。なお、動作の途中で蒸気本管圧力が規定値以内に復旧した場合、主蒸気ブロー弁の作動指令が欠落して、主蒸気ブロー弁開放動作は完了する。

図６は、主蒸気ブロー弁操作ロジック(Step03)の詳細を示す図である。当該回路は、最終的に主蒸気ブロー弁を動作させるものであり、1B回路を用いて、動作を説明する。

主蒸気ブロー弁作動優先順位決定ロジックより来る主蒸気ブロー弁開放指令（B11）を受けて、当該ボイラの主蒸気圧力が上限値以上である条件が成立しているときに、開放指令をセットする。この信号は、主蒸気圧力が主蒸気圧力基準値まで復帰したときに、リセットされる。従って、主蒸気圧力が高い状態が、復旧されるまでの間、セットされることになる。

次に、主蒸気圧力を調整するため、主蒸気ブロー弁調節計を設け、主蒸気圧力と、主蒸気圧力基準値に乖離が発生した場合、主蒸気ブロー弁を開放して、主蒸気圧力を基準値に復旧する仕組みを作っておき、当該指令がセットされている間のみ、主蒸気ブロー弁調節計を作動させ、主蒸気圧力の復旧動作を実施する。

このとき、当該ボイラの主蒸気ブロー弁だけでは、圧力復旧動作ができなかった場合、主蒸気ブロー弁の開度を監視しておき、主蒸気ブロー弁開度が規定値以上となった場合、当該ボイラだけでは蒸気本管の圧力調整ができないものと判断して、（B12）信号を、蒸気ブロー弁作動優先順位決定ロジックに返信することで、優先順位２番目の主蒸気ブロー弁が、開放動作を行なうようになる。

以上をまとめると、先ず、特異状態検知ロジック(Step01)では、全運転中ボイラの蒸気発生量が下限となり、なおかつ、蒸気本管圧力が規定以上となっている状態が規定時間継続したことを検知して、特異状態になったことを判断し、次に、主蒸気ブロー弁作動優先順位決定ロジック(Step02)によって、主蒸気ブロー弁を開放する固定負荷発生缶の優先順位を決定し、その優先順位に従って、主蒸気ブロー弁操作ロジックに主蒸気ブロー弁開放指令を出力し、さらに、主蒸気ブロー弁操作ロジック(Step03)で、主蒸気ブロー弁を、蒸気本管圧力が規定値以内に復旧するまで指令を受けた順に開放することで、蒸気本管圧力を規定値以内に保つことが可能となる。

また、圧力調整缶としたボイラ１缶の主蒸気ブロー操作だけでは、蒸気本管圧力が規定値以内に復旧しなかった場合、主蒸気ブロー弁優先順位決定ロジックに従い、２缶目、３缶目のボイラの主蒸気ブロー動作を実施して、蒸気本管圧力を規定値以内に復旧させることができる。

以上の３ロジック動作（ステップ）を連続的に実施することで、各ボイラの主蒸気ブロー弁を制御して、蒸気本管圧力を規定値以内に復旧することが可能となり、蒸気本管圧力を適正な範囲に保ち、負荷設備の蒸気使用量急増等によっても、系に接続されるボイラにドラムレベル高トリップを発生させず、蒸気圧力変動による既存設備への操業影響を出さないようにすることが可能となる。

１ ボイラ
２ 高圧蒸気レシーバー
３ 高圧蒸気本管
４ 復水蒸気タービン
５ 高炉送風機
６ 背圧蒸気タービン
７ 発電機
８ 復水器
９ 復水ポンプ
１０ 復水母管
１１ 脱気器
１２ 低圧給水母管
１３ 給水ポンプ
１４ 高圧給水母管
１５ ガスタービン
１６ 燃焼空気圧縮機
１７ 燃料ガス圧縮機
１８ ガスタービン発電機
１９ 排熱回収ボイラ
２０ 主蒸気流量計
２１ 主蒸気圧力計
２２ 主蒸気ブロー弁
２３ 主蒸気ブロー弁開度計
２４ 逆止弁

Claims (1)

1. 蒸気負荷設備を蒸気タービンで駆動する蒸気発電プラントにおけるボイラの蒸気圧力調整方法であって、
   全運転中ボイラの蒸気発生量が最低負荷になり、なおかつ、蒸気本管圧力が規定値以上になったことを検知する特異状態検知ステップと、
   該特異状態検知ステップで特異状態が発生した場合、圧力調整缶としたボイラ以外の主蒸気ブロー弁の優先順位を決定し、決定した優先順位に従って主蒸気ブロー弁開放指令を出力する主蒸気ブロー弁作動優先順位決定ステップと、
   蒸気本管圧力が規定値以内に復旧するまで、指令を受けた順に主蒸気ブロー弁を開放する主蒸気ブロー弁操作ステップと、
   を有することを特徴とするボイラの蒸気圧力調整方法。

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