JP2517354B2 - 被修正スミス予測手段を使用する蒸気温度制御 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ （Ｉ）技術分野 本発明は、蒸気温度制御装置に関し、特に、装置負荷
に応答して変化する被同調変量が制御されるこの種の装
置に関する。ここで被同調変量とは制御を受ける変量を
いう。

［従来の技術］ ドラム様式ボイラでの蒸気温度制御はプロセスの設計
に組み込まれる時間遅れおよび時間遅延により困難であ
る。温度低減器噴霧場所ないし動作と２次過熱器から出
ていく蒸気の最終温度に対するその影響との間には時間
遅延が存する。時間遅れは蒸気それ自身および過熱器金
属の熱伝達特性によってもまた生ずる。

被制御媒体を前もって調整するのに開ループ予測（フ
ィードフォワード）方法が使用されるならば、（２分ま
たはそれ以上の）比較的長い時定数を有する任意の制御
がより安定な態様で動作する。さらに、中間制御点が有
用でありそしていくらか最終蒸気温度を予測するものな
らば、これら中間制御点はカスケード制御方法でも有用
である。ここで、中間制御点について説明する前に、フ
ィードフォワード制御技術とカスケード−フィードフォ
ワード制御技術において説明する。

フィードフォワード制御においては被操作変量はフィ
ードフォワード負荷とともに直接的に変化する。フィー
ドフォワード制御は一次変量を乱す状態を表わすフィー
ドフォワードインデックスと一次変量信号とを使用す
る。たとえば制御装置が一次変量信号とその設定点との
間の差分に比例−積分作用を与えるとする。比例−積分
作用を与えた結果得られる一次変量誤差信号とフィード
フォワードインデックス信号とを加え合わせたものが被
操作変量の変化を決定する。かくしてフィードフォワー
ドインデックスはフィードフォワード需要の任意の変化
を修正し、一次変量誤差は、プロセス時間応答またはフ
ィードフォワード需要の誤差またはプロセス特性の変化
による一次変量の任意の変化を修正する。フィードフォ
ワード制御はプロセス需要の変化を予測し、一次変量誤
差形成の前に修正作用を開始する。カスケード−フィー
ドフォワード制御は基本的にはプロセス乱れの影響をで
きるだけ最小限にするため付加される二次変量を有する
フィードフォワード制御と同様である。たとえば、一次
変量誤差信号とフィードフォワードインデックス信号と
を加え合わせたものが二次変量のための設定点を画定す
る。そしてこの設定点と二次変量との間の差分に対して
制御器が比例−積分作用を与え、被操作変量を調整す
る。蒸気中間制御点は、プロセス乱れの影響をできるだ
け最小限にするため付加されるこのカスケード−フィー
ドフォワード制御技術における二次変量をいう。

ほとんどすべてのドラム様式ボイラは、ボイラ負荷の
増加と共に一般的には上昇する被制御２次過熱器出口温
度分布（プロファイル）を有するよう設計される。設計
は通常、装置が50パーセントボイラ負荷よりも低い負荷
では必要な主蒸気出口温度に到達する必要がないような
設計でありそれゆえこれらの負荷では制御が行なわれな
い。上記の負荷を越えると、過度の過熱状態温度が噴霧
式温度低減器により低減される。

蒸気温度制御で普通に使用される古典的な制御技術
が、蒸気のフィードフォワード制御技術、P.I.D.（比例
積分微分）制御器を使用するフィードバック制御技術お
よびカスケード制御技術である。

時間遅延および時間遅れが原因で、標準のP.I.（比例
積分）制御器は同調が解除され緩慢でゆっくりした制御
を行なうかまたは非安定であるかのいずれかとなる。こ
こで同調が解除されるとは、設定点が非測定変量に応答
し変化されないようになされることを意味する。

応答時間特性は負荷と共に変化するので、制御調整手
段は高負荷設定と低負荷設定との間のある妥協点に設定
されるのが普通である。

低負荷で噴霧弁が閉成されているときに制御器が積分
動作を行なうのを回避するために、P.I.D.制御器が上向
き積分動作を行なうのが回避されるよう制御器制限が形
成される。ここで上向き積分動作とは、P.I.D.制御系の
積分動作を数学的に正の向きで実行することをいう。

こうして、古典的な制御装置は負荷とともに変化する
実時間遅延および制御同調動作変量という２つの重大な
問題を扱わない。制御同調動作変量とは、負荷とともに
変化しそれゆえ負荷とともに変化する変動制御設定点を
必要とする制御される変量を意味する。

［発明の概要］ 本発明は、長時間の遅延時間およびプロセス遅れを収
容する特別の制御を提供するため、蒸気温度制御で、時
間遅延制御技術（スミス予測手段、Smith Predictor）
および適応制御技術の使用により、従来の制御装置なら
びにその他のものに関連の上述の問題を解決するもので
ある。また、この制御は、チルチングバーナやガス再循
環や偏倚ダンパのような採用される種々の再熱温度制御
計測による変化や煤吹き動作および／または燃焼空気変
化による擾乱によって生ずる差分と負荷変動時間中の短
時間のプロセス変動に対して温度が応答するとき、ボイ
ラーの動力学を使用するものである。こうして、本発明
の一様相は、蒸気温度制御装置に、スミス予測手段（Sm
ith Pradictor）として知られる時間遅延制御装置を適
応させることである。スミス予測手段は、時間遅延補償
技術のうちでおそらく最もよく知られているものであ
る。スミス予測手段は、O.J.M.Smithにより1957年に開
発された。この技術は長い時間遅延を持つ系に対するモ
デルをベースにしたより良好な制御方法である。本技術
はプロセスの時間遅延に等しい遅れを有する純粋な時間
遅延要素を必要とし、これを実施する実用的なハードウ
ェアがなかったので、本技術は棚上げになされていた。
オンライン制御応用のためのディジタルコンピュータが
出現したとき、このスミス予測手段は再び見直され、多
くの応用において試されている。

本発明の別の様相は、蒸気温度制御装置のために適応
利得制御を選択することである。適応利得制御とは、利
得が誤差信号の大きさに依存して変化される制御をい
う。

本発明のさらに別の様相は、１次過熱器と２次過熱器
との間の過熱動作装置に注入される低減器噴霧物の使用
が含まれる応用で過熱温度を制御することである。

本発明のさらに別の様相は、複数過熱器の複数レベル
と複数の低減点とを有するボイラが含まれる応用で、過
熱温度を制御することである。低減点とは、過熱蒸気に
おいて発生される温度低減量を制御するための設定点を
いう。

［好ましい実施例の詳細な説明］ 図面は、従来より知られており参考のためにここに合
体される“Functional Diagramming of Instruments an
d Control Systems"と標題の付されたベイリーコントロ
ールズ社の刊行物で説明される機能ブロック図にて本発
明の好ましい実施例を図示するものである。また、適応
利得制御は、当技術分野で一般に知られそして参考のた
めにここに合体される“Adaptive Process Control Usi
ng Function Blocks"と標題の付されたベイリーコント
ロールズ社の技術誌TP81−５で説明されている。

図面を参照すると、第１図には、蒸気ドラム４に入
り、降水管６を通じてボイラー部８へ通過し、ここで蒸
気と水との混合物に変換される給水２を有する標準的な
ボイラーが図示されている。蒸気は、蒸気ドラム４で水
から分離されそして乾燥飽和蒸気10が１次過熱器12へ送
られる。１次過熱器からの過熱蒸気は噴霧式温度低減器
４により冷却されそして２次過熱器16へ送られる。過熱
蒸気18はタービン、プロセスのいずれかまたは両方に向
かう。

温度低減器噴霧場所ないし動作と２次過熱器から出て
いく最終蒸気に対するその影響との間には時間遅延があ
る。時間送れは、過熱貴金属と蒸気それ自身の熱伝達特
性によってもまた生ずる。

第２図では、温度低減器水流の変化に対する過熱蒸気
温度の標準的な応答が図示される。大きさと時間とが、
ボイラ設計および大きさおよび負荷定格に応じて変化
し、かくして実際の温度と水の流れとは定量化されな
い。図示の時間は、約４、000、000ポンド／時間（約1.
8×10⁶キログラム／時間）の主流流れを有し、約半分の
負荷で動作するボイラーについて標準的なものである。
全負荷では、時間応答はより迅速となり、その結果、む
だ時間（dead time）がより短いものとなりそして多少
の時間遅れの減少が生ずる。これらの変化が考慮されね
ばならない。

被制御媒体を前もって調整するのに開ループの予測
（フィードフォワード）方法が使用されるならば、（２
分またはそれ以上の）比較的長い時定数を有する任意の
制御がより安定な態様で動作する。さらに、中間制御点
が有用でありそしていくぶん最終蒸気温度を予測するも
のならば、これらは、カスケード制御方法でも有用であ
る。

ほとんどすべてのドラム様式ボイラは、ボイラ負荷の
増加と共に一般的には上昇する非制御２次過熱器出口温
度分布（プロファイル）を有するよう設計される。設計
は通常、装置が50パーセントボイラ負荷よりも低い任意
の負荷では必要な主蒸気出口温度に到達する必要がない
ような設計でありそれゆえこれらの負荷では制御は行な
われない。上記の負荷を越えると、過度の過熱状態の温
度が噴霧式温度低減器により低減される。

蒸気温度制御で普通に使用される古典的な制御技術
が、カスケード制御方法と、比例積分微分制御器を使用
するフィードバック制御とフィードフォワード制御方法
である。

第４図は、従来の蒸気温度制御を図示する。フィード
フォワード予測手段20が、負荷プログラム22で予想され
るある２次過熱器入り口予測温度に前もって調整する。
この予測は、所与のボイラー負荷に必要とされる燃焼割
合と実際の燃焼割合との間の差分24、すなわち第１の修
正手段により修正される。過剰の燃焼により温度が上昇
しそして燃焼の不足により温度は低下する。

同様の第２の修正手段26により、空気流れの増加に応
じてこれもまた温度を上昇させる過剰空気が考慮され
る。

第３の修正手段28により、過熱温度に影響を与え得る
任意の再熱温度制御が考慮される。

このフィードフォワード予測手段は、２次過熱器入り
口温度カスケード制御器30のために設定点を提供する。

いずれのフィードフォワードも完全ではないので、最
終的な仕上げまたは修正がフィードバック制御器32を通
じて過熱器出口温度から与えられる。

最終仕上げは、最終蒸気温度を所望される制定点と比
較する従来の比例積分微分（P.I.D.）制御器34を通じて
のものである。

第５図を参照すると、本発明の好ましい実施例を図示
する模式図が図示されている。

フィードフォワード予測手段38は、ある負荷40で予測
される２次過熱器入り口温度に前もって調整する。この
予測は、負荷に必要とされる燃焼割合と実際の燃焼割合
との間の差分42、すなわち第１の修正手段により修正さ
れる。過剰の燃焼により温度が上昇しそして燃焼の不足
により温度は低下する。同様の第２の修正手段44によ
り、空気流れの増加に応じてこれもまた温度を上昇させ
る過剰空気が考慮される。第３の修正手段46により、過
熱温度に影響を与え得る任意の再熱温度制御が考慮され
る。

このフィードフォワード予測手段38は、２次過熱器入
り口温度カスケード制御器48のために設定点を提供す
る。いずれのフィードフォワードも完全ではないので、
最終的な仕上げまたは修正がフィードバック修正制御器
50を通じて過熱器出口温度から与えられる。第２図に図
示される時間遅延および時間遅れにより、標準の比例積
分制御器の同調が解除され緩慢でゆっくりした制御が提
供されるかまたは非安定であるかのいずれかとなる（同
調が解除されるとは、設定点が被測定変量に応答し変化
されないようになされることを意味する）。かくして、
安定な制御と一緒に改善された応答制御を提供すべく時
間遅延制御器52が用意される。この時間遅延制御器52は
P.I.D.制御器の積分制御要素をいう。応答時間特性は負
荷と共に変化するので、時間遅延制御器52は応答制御器
54により同調が行われる。ここで同調が行われるとは、
設定点が被測定変量に応答して変化するようになされる
ことを意味する。

噴霧弁が低負荷で閉成されているときに時間遅延制御
器52が積分動作を行なうのを回避するために、時間遅延
制御器52が上向き積分動作を行なうのを回避するよう制
御器制限56が形成される。時間遅延制御器52には、第２
図に図示される時間遅延と同図に図示される１次時間遅
れとに整合するよう調整される時間遅延を含むプロセス
モデリング技術が合体される。ここでプロセスモデリン
グ技術とは時間遅延を変化するため経験的に導出される
模型ないし方程式を意味する。これら２つの時間定数
は、ボイラの蒸気発生割合とともに変化する時間定数に
適合すべく、負荷から適応制御器54を通じて外部調整可
能である。

一定の種々の修正および改善が、簡明さと理解のし易
さのためここでは割愛したけれども、これらは本発明の
技術思想の中に包含されるべきものである。たとえば、
解りやすくするために、温度低減器水流弁が図示され
た。しかし、本発明は、ダンパやこれと同様の種々の応
用により、チルチングバーナーや泥だめ低減器や飽和蒸
気凝縮器のような温度制御装置にもまた応用可能であ
る。ここで、泥だめ低減器とは、上部ドラムにおいて過
熱蒸気を冷却した後に、下方の（すなわち泥がたまる）
ドラム内に水やその他の不純物を集める２ドラム型ボイ
ラ系の下部ドラムのことを意味する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、標準的なボイラの模式図である。 第２図は、温度低減器水流の変化に対する過熱蒸気温度
の標準的な応答を図示するグラフ図である。 第３図は、非制御２次過熱器出口蒸気温度対パーセント
表示全負荷とのグラフ図である。 第４図は、標準的な蒸気温度制御装置の模式図である。 第５図は、本発明の蒸気温度制御装置の模式図である。 図中の各参照番号が示す主な名称を以下に挙げる。 2:給水 4:蒸気ドラム 8:ボイラ部 10:乾燥飽和蒸気 12:1次過熱器 14:温度低減器 16:2次過熱器 18:過熱蒸気 20:フィードフォワード予測手段 22:負荷プログラム 24:差分（第１の修正手段） 26:第２の修正手段 28:第３の修正手段 30:2次過熱器入り口温度カスケード制御器 32:フィードバック制御器 34:P.I.D.制御器 38:フィードフォワード予測手段 40:負荷 42:差分（第１の修正手段） 44:第２の修正手段 46:第３の修正手段 48:2次過熱器入り口温度カスケード制御器 50:フィードバック修正制御器 52:時間遅延制御器 54:適応制御器 56:制御器制限

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トマス・ディー・ラセル 米国テキサス州ジョージタウン、ノーウ ッド・ウエスト301 (72)発明者 トマス・ジェイ・シャイブ 米国オハイオ州チェスタランド、ウッド サイド・ドライブ12865 (72)発明者 ロバート・アール・ウォーカー 米国オハイオ州ユークリツド、サガモ ア・ロード2065 (56)参考文献 特開 昭61−99001（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】あるボイラ負荷で予測される２次過熱器入
   り口温度に前もって調整しそして２次過熱器入り口温度
   カスケード制御器設定点を発生するフィードフォワード
   予測手段と、 前記予測された入り口温度を、ボイラ負荷のために必要
   とされる燃焼割合と実際の燃焼割合との間の差分につい
   て修正する第１の修正手段と、 前記予測された入り口温度を、前記ボイラ負荷のための
   前記燃焼割合に必要とされる空気流量と実際の空気流量
   との間の差分について修正する第２の修正手段と、 前記予測された入り口温度を、過熱温度に影響を与え得
   る再熱温度制御について修正する第３の修正手段と、 最終修正のためのフィードバック修正制御手段と、 予測可能な中間プロセス制御点に対し迅速なプロセスル
   ープ応答を提供するため、前記入り口温度に応答するカ
   スケード制御手段と、 噴射弁とから構成され、 前記フィードバック修正制御手段は、前記噴射弁が低負
   荷で閉成されているときに上向き積分が回避されるよう
   低負荷制御器制限を有する時間遅延制御手段を具備し、
   前記時間遅延制御手段は当該ボイラの負荷変動に応じて
   適応制御手段により同調されることを特徴とする蒸気温
   度制御器。
2. 【請求項２】あるボイラ負荷で予測される２次過熱器入
   り口温度に前もって調整し、 ２次過熱器入り口温度カスケード制御器設定点を発生
   し、 前記予測された入り口温度を、当該ボイラ負荷に必要と
   される燃焼割合と実際の燃焼割合との間の差分について
   修正し、 前記予測された入り口温度を、前記ボイラ負荷のための
   燃焼割合に必要とされる空気流量と実際の空気流量との
   間の差分について修正し、 前記予測された入り口温度を、過熱温度に影響を与え得
   る再熱温度制御について修正し、 前記入り口温度の最終的なフィードバック修正を行い、 予測可能な中間プロセス制御点に対する迅速なプロセス
   ループ応答のために、前記入り口温度に対して迅速なプ
   ロセスループ応答を提供し、 噴霧弁が低負荷で閉成されているときに、上向き積分が
   回避されるよう低負荷制御器制限を有する時間遅延制御
   手段を具備するフィードバック修正制御手段を提供し、 適応利得制御を行い、前記時間遅延制御手段を前記ボイ
   ラの負荷変動に応じて同調させる段階とから構成される
   ボイラの蒸気温度制御方法。