JP2565142B2 - プラント自動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の利用分野】本発明は、火力発電プラントの自動
制御装置のシステム構成に係り、特に系統間の相互干渉
を軽減し系統単位分散制御システムの適用に好適なプラ
ント自動制御装置に関する。

【０００２】

【発明の背景】まず、火力発電プラントの概略構成につ
いて、図２を参照して説明する。図において１はボイ
ラ、２はタービン、３は発電機、４は給水ポンプ、５は
スプレ弁、６は燃料弁、７は押込通風ファン、８はガス
再循環ファンである。

【０００３】さらに図中３０１は燃焼排ガスにより燃焼
用空気を予熱する空気予熱器、302はバーナ部であり各
段毎に空燃比を調整して炉内脱硝を行うシステムであ
る。３０３はＷ／Ｂ入口空気ダンパであり各バーナ段の
燃焼用空気量を調整するものである。３０４はＧＭガス
ダンパであり燃焼用空気に注入する燃焼排ガス量を調整
するものである。３０５は１次ガスダンパでありバーナ
部に直接注入する燃焼排ガス量を調整するものである。
３０６は復水器、３０７は低圧給水加熱器、３０８は脱
気器、３０９は給水弁、３１０は高圧給水加熱器、３１
１は蒸発器、３１２は１次過熱器、３１３は第１段減温
器、３１４は２次過熱器、３１５は第２段減温器、３１
６は３次過熱器、３１７は再熱器である。また３３０は
タービン入口加減弁である。これをボイラ状態量に応じ
て系統に分類すると燃焼プロセス９，水蒸気プロセス１
０，燃料プロセス１１，通風プロセス１２の４つに分け
られる。

【０００４】図３に係る従来システムの制御装置例を示
す。図において２０は図２の発電プラント、２１はプラ
ント自動制御装置である。２２はプラントを構成する種
々のＯＮ−ＯＦＦ制御補機のインターロック制御を行う
補体リレー盤、２３はバーナの点消火制御を行うバーナ
制御装置、２４は主タービンの調速制御を行う主タービ
ン制御装置、２５は給水ポンプ駆動用タービン制御装置
である。プラント自動制御装置２１は複数のマイクロコ
ントローラ３１〜３５によりハイアラーキ構成とされ
る。このうち、３１はマスタコントローラでありプラン
トの総合出力の制御と各コントローラ３２〜３５への指
令値を作成している。４０は中央給電所からのプラント
への負荷指令である。４１はこの指令に負荷変化率，上
下限等の制限を加えて負荷指令Ｌ_d を作る回路である。
４２は減算器であり前述の負荷指令Ｌ_d と４３の発電量
を比較する。その出力は比例積分演算器４４に入力さ
れ、その出力は後述するインターロックにより切替えら
れる切替器４５を介して主タービン制御装置２４に与え
られ図２のタービン入口加減弁３３０を制御する。４６
は主蒸気圧力（ボイラ出口圧力）検出器であり減算器４
７，設定器４８で設定された値と比較されその偏差出力
は比例積分演算器４９に入力される。４９の出力Ｌ_p は
負荷指令Ｌ_d と加算器５０にて加算されボイラ入力指令
Ｌ_B となる。また比例積分演算器４９の出力４は切替器
４５を介して主タービン制御装置２４に与えられる。切
替器４５はプラントの運転モードにより切替えられる。
すなわち主蒸気圧力を主タービン入力加減弁３３０で制
御するタービン追従モードでは切替器４５の出力は比例
積分演算器４９からの入力となる。通常の協調モードで
は切替器４５の出力は比例積分演算器４４からの入力と
なる。加算器５０の出力であるボイラ入力指令Ｌ_B は給
水コントローラ３２に与えられ給水指令となり、一方関
数発生器５１に入力される。この関数発生器５１は給水
量に対する燃料量をプログラムしたものでありその出力
は燃料量指令Ｌ_F となる。５２は主蒸気温度検出器であ
り減算器５３で設定器５４で設定された値と比較されそ
の偏差は比例積分器５５に入力され主蒸気温度補正指令
Ｌ_T となる。一方この偏差は図２のスプレ弁５を操作す
る為主蒸気温度コントローラ３３に与えられる。比例積
分器５５の出力は加算器５６により関数発生器５１の出
力と加算され修正された燃料量指令値Ｌ_FAとなる。５７
は関数発生器であり燃料量に対する最適空気量Ｌ_A をプ
ログラムする。５８は燃焼排ガス中の残存Ｏ₂ 濃度の検
出器であり、関数発生器５９により燃料量に応じてプロ
グラムされた設定値と減算器６０で比較され、その偏差
は比例積分演算器６１に入力される。比例積分演算器６
１の出力は乗算器６２に入力され修正された空気量指令
値Ｌ_AAとなる。６３はボイラに供給される合計空気流量
検出器であり減算器６４で指令値Ｌ_AAと比較され、その
偏差出力は比例積分演算器６５に入力される。比例積分
演算器６５の出力は各バーナ段毎の空気量指令値の補正
信号Ｌ_ABとなり各バーナ段毎の空気量制御コントローラ
34ａ〜３４ｎに与えられる。また減算器６４の出力であ
る空気量偏差は通風制御コントローラ３５に与えられ
る。

【０００５】次に各コントローラ３２〜３５について説
明する。

【０００６】３２は給水コントローラである。６６はボ
イラへの合計給水流量の検出器であり減算器６７で指令
値Ｌ_B と比較されその偏差出力は比例積分器６８に入力
される。比例積分器６８の出力は各給水ポンプ４への流
量指令Ｌ_w となる。６９は給水ポンプの流量検出器であ
り、減算器７０で設定値Ｌ_w と比較されその偏差出力は
比例積分器７１に入力される。比例積分器７１の出力は
各ポンプの指令となり給水ポンプ駆動用タービン制御装
置２５ａ，２５ｂを介して給水ポンプタービン４ａ，４
ｂに、また給水弁３０９に与えられる。

【０００７】３３は温度コントローラである。ここで７
２はボイラ炉内脱硝の為のＭバーナ燃料弁６ｂとＰバー
ナ燃料弁６ｂの燃料量配分を行う回路である。７３はＭ
バーナ燃料弁６ｂ側の燃料流量検出器であり減算器７４
で比較され、その偏差出力は比例積分器７７に入力され
てＭバーナ流量弁６ｂの操作信号となる。７５はＰバー
ナ燃料弁６ａ側の燃料流量検出器であり減算器７６と比
較され、その偏差出力は比例積分器７８に入力されてＰ
バーナ流量弁６ａの操作信号となる。またコントローラ
３３において７８は比例演算器であり減算器５３の出力
である主蒸気温度偏差を入力し図２の減温器３１３，３
１５の出口温度の設定値を得る。８０は減温器出口温度
検出器であり減算器８１で設定値と比較され、その偏差
出力は比例積分器８２に入力され図２スプレ弁５の操作
信号となる。８３は加算器であり合計燃料流量である。

【０００８】３４ａ〜３４ｎは各バーナ段毎の空気流量
制御コントローラである。ここでは３４ａを例にとり説
明する。８４は当該バーナ段の点火中バーナ本数の全点
火中バーナに対する比率信号である。８５は乗算器であ
り、この比率信号８４と加算器８３の出力（総燃料）よ
り当該バーナ段の燃料量を計算するものである。８６は
関数発生器であり、当該バーナ段の燃料流量より同バー
ナ段の空気量をプログラムする。８７は乗算器であり比
例積分器６５の出力の合計空気流量補正信号Ｌ_ABにより
当該バーナ段の空気量指令値を修正するものである。８
８は当該バーナ段の空気流量検出器であり減算器８９と
比較され、その偏差出力は比例積分器９０に入力されて
当該バーナ段の空気量を制御するＷ／Ｂ入口ダンパ３０
３の操作信号となる。まだ、９１は関数発生器であり当
該バーナ段の空気量に対応した排ガス混合流量をプログ
ラムするものである。９２は当該バーナ段の空気に混合
する排ガス流量検出器であり減算器９３と比較され、そ
の偏差は比例積分器９４に入力され排ガスの混合量を制
御するＧＭダンパ３０４の操作信号となる。９５は関数
発生器であり当該バーナ段の空気量に対応した１次ガス
流量をプログラムするものである。９６は当該バーナ段
のバーナに注入される排ガス（１次ガス）の流量検出器
であり、減算器９７にて設定値と比較され、その偏差は
比例積分器９８に入力され、１次ガスダンパ３０５の操
作信号となる。

【０００９】３５は通風制御コントローラである。９９
は関数発生器であり合計空気流量指令Ｌ_AAから押込通風
ファンの出口ドラフト設定をプログラムするものであ
る。１００は押込通風ファンの出口ドラフト検出器であ
り、減算器１０１で比較されその偏差出力は切替器１０
２を介して比例積分器１０３に入力され、更に負荷配分
回路１０４によりの押込通風ファン（７ａ，７ｂ）の動
翼操作信号となる。１０２の切替器は押込通風ファンの
制御モードを切替えるものであり、通常は、減算器１０
１からの入力を出力してファン出口ドラフト制御を行い
プラント起動時には減算器６５からの入力を出力し合計
空気流量の制御を行うものである。１０５は関数発生器
であり合計空気流量指令Ｌ_AAからガス再循環ファンの出
口ドラフト設定をプログラムするものである。１０６は
ガス再循環ファン出口ドラフトの検出器であり減算器１
０７と比較され、その偏差出力は比例積分器１０８に入
力され更に負荷配分回路１０９によりガス再循環ファン
（８ａ，８ｂ）の入口ダンパの操作信号となる。

【００１０】以上に述べたように従来のプラント自動制
御装置は複数台のマイクロコントローラから構成され、
コントローラ故障時の危険分散が図られていたが、図か
ら判かるようにマスタコントローラ３１の制御範囲が大
きく、マスタコントローラ３１故障時には発電量の制御
のみならず、主蒸気圧力，主蒸気温度，排ガスＯ₂,合計
空気流量の主要制御量の制御が不可能となりシステムに
対する波及効果が大きいのでマスタコントローラ３１は
２重化しなければならないという問題があった。

【００１１】また、マスタコントローラ３１以外のコン
トローラ３２〜３５は給水，温度，空気，通風と分散さ
れているが、これらサブループコントローラの制御対象
範囲が大きくコントローラ故障がプロセス全体に波及す
る為、これらのコントローラも２重化または、Ｎ：１バ
ックアップ等の冗長化が必要であった。

【００１２】サブループコントローラの機能分担は、制
御対象を中心とし決めており、例えば主蒸気温度制御の
場合、主蒸気温度制御はマスタコントローラ３１が分担
し、その制御操作量である燃料流量弁６ａ，６ｂとＳＨ
スプレ弁５は温度コントローラ３３の範囲となる。とこ
ろで図２に示すように元来プラントの系統機器単位分散
構成形態より燃料流量弁６ａ，６ｂは燃料プロセスに属
し、ＳＨスプレ弁５は水蒸気プロセスに属するが、これ
らを制御対象によって分類しているため温度コントロー
ラ３３の故障が燃料プロセスと水蒸気プロセスの２系統
に影響を与える欠点があった。

【００１３】排ガスＯ₂ 濃度制御の場合は、排ガスＯ₂
濃度制御はマスタコントローラ３１が分担し、その制御
操作量である各段の空気制御は各バーナ段単位に設けた
空気量コントローラ３４ａ〜３４ｎにより行われる。と
ころで各バーナ段の空気量制御と関連の深いバーナの点
消火制御は別のバーナ制御装置２３に分担させていた。
このため、各段バーナコントローラ相互の信号取合い
や、バーナ制御装置２３との取合いが増大するばかり
か、これら相互間の調整制御が極めて複雑になる欠点が
あった。

【００１４】なお、このような従来システムの構成例と
して日立評論，ＶＯＬ６５，Ｎo.９（１９８３−９）
ｐ．６０３〜６０８の６０５ページ図４にシステム構成
例，６０６ページ図７に基本制御ブロック線図を示す。

【００１５】

【発明の目的】本発明の目的は、以上に述べた様に火力
発電プラントの制御において、プラントの系統に対応し
て最も相互の関連が少なく独立性の高い制御方法の実現
により設計が容易で、共通部の多重化を必要としないプ
ラント自動制御装置を提供することにある。

【００１６】

【発明の概要】本発明の特徴は、マスタコントローラの
制御範囲を負荷制御と主蒸気圧力の制御だけとし、主蒸
気温度制御，排ガスＯ₂ 制御，合計空気流量制御を各
々、プロセスの系統と対応して設けられる系統コントロ
ーラに分担させ、マスタコントローラからは各々の系統
コントローラに対してボイラ入力指令だけを与える方式
としたことである。このシステムの特徴は、マスタコン
トローラのボイラ入力指令にもとづき各々のプロセス系
統は独立に制御される点である。即ちプロセス相互間の
結合が疎で相互干渉の少ない構成としシステム全体の耐
力強化を図りマスタコントローラの２重化を不要とし制
御の簡素化を可能ならしめたことである。

【００１７】また、系統コントローラは下位の機器コン
トローラに指令を与えるが、機器コントローラは各系統
内でＮ：１設計ができるため設計の標準化ができ設計の
簡素化が可能となる。系統コントローラは各々の機器コ
ントローラに対して指令を与えるだけでよく各機器の負
荷配分制御に専念すればよく制御方式も簡潔にできる。

【００１８】

【発明の実施例】以下、本発明の一実施例を図１により
説明する。

【００１９】図１は本発明のプラント自動制御装置の制
御ブロック図である。図中２０１はマスタコントロー
ラ、２０２は水蒸気プロセス系統コントローラ、２０３
は燃料プロセス系統コントローラ、２０４は燃焼プロセ
スコントローラ、２０５は通風プロセスコントローラで
ある。これら２０１〜２０５は系統レベルのコントロー
ラである。また、２０６は主タービンの調速制御コント
ローラ、２０７は給水ポンプ制御コントローラ、２０８
は２次ＳＨスプレ制御コントローラ、２０９は１次ＳＨ
スプレ制御コントローラ、２１０はＭバーナ燃料流量制
御コントローラ、２１１はＰバーナ燃料流量コントロー
ラ、２１２は各バーナ段毎の空気・ガス流量制御とバー
ナ制御を行うコントローラ、２１３は押込通風ファン制
御コントローラ、２１４はガス再循環制御コントローラ
である。これらの２０６〜２１４は機器コントローラで
ある。図１のマスタコントローラ２０１内の記号４１〜
４５及び、４７〜５０のものは図３と同じである。この
コントローラの働きは図３と同じなのでその説明を省略
する。加算器５０の出力は中央給電所からのプラント負
荷指令Ｌ_d に主蒸気圧力の偏差による修正信号Ｌ_p を加
えたボイラ入力指令Ｌ_B であり各系統コントローラ２０
２〜２０５に与えられる。

【００２０】次に、水蒸気プロセスコントローラ２０２
において、２１５は関数発生器であり、加算機器５０の
出力であるボイラ入力指令Ｌ_B より給水流量指令を作る
ようにプログラムされている。２１６は減算器であり給
水流量６６を指令値（関数発生器２１５の出力）と比較
しその偏差を比例積分演算器２１７に与える。比例積分
演算器２１７の出力は給水ポンプ流量指令Ｌ_w であり、
負荷配分制御回路218により各給水ポンプ制御コントロ
ーラ２０７に分配され２０７の出力により給水ポンプ用
タービン４ａ，４ｂ、給水弁３０９が制御される。この
水蒸気プロセスコントローラ２０２において２１９は関
数発生器でありボイラ入力指令Ｌ_B より主蒸気温度の設
定値をプログラムするものである。２２０は減算器であ
り主蒸気温度５２と設定値（関数発生器２１９の出力）
を比較しその偏差を比例積分演算器２２１に与える。２
２２はボイラ入力指令Ｌ_B から第２段減温器３１５の出
口温度の設定値をプログラムするものである。２２３は
加算器でありこの出力は関数発生器２２２出力に主蒸気
温度偏差からの修正信号（比例積分演算器２２１出力）
を加えた第２段減温器３１５の出口温度設定信号であり
減温器出口温度コントローラ２０８に与えられ２０８の
出力によりスプレイ弁５を介して第２段減温器３１５へ
の注水量が制御される。

【００２１】また同コントローラ２０２において２２４
は関数発生器でありボイラ入力指令Ｌ_B から２次ＳＨ
（図２中の３１４）出口温度の設定をプログラムするも
のである。２２５は主蒸気温度の偏差による第２段減温
器３１５の出口温度の修正量（比例積分演算器２２１の
出力）によって２次ＳＨ出口温度の設定値（関数発生器
２２４の出力）に修正を加え、第１段スプレ３１３と第
２段スプレ３１５のバランスをとる補正回路である。２
２６は２次ＳＨ３１４の出口温度であり減算器２２７に
て補正回路２２５からの設定値と比較されその偏差は比
例積分演算器２２８に与えられる。２２９はボイラ入力
指令Ｌ_B から第１段減温器３１３の出力温度の設定をプ
ログラムする関数発生器である。２３０は加算器であ
り、関数発生器２２９の出力に２次ＳＨ出口温度の偏差
からの修正信号（比例積分器228の出力）を加えて第１
段減温器出口温度の設定を作り減温器出口温度コントロ
ーラ２０９に与える。２０９の出力によりスプレ弁５を
介して第１段減温器３１３への注水量が制御される。

【００２２】燃料プロセス制御コントローラ２０３にお
いて、２３１はボイラ入力指令Ｌ_Bから燃料流量指令Ｌ
_F をプログラムする関数発生器である。２３３は第１段
減温器３１３の出口温度の設定値の修正量（比例積分演
算器２２８出力）からコンスタントスプレ制御の補正を
行う回路である。２３４はＭバーナ燃料弁６ｂとＰバー
ナ燃料弁６ａの燃料指令配分を行う回路である。２３５
は減算器でありＭバーナの燃料流量７３と燃料配分回路
２３４からの指令値を比較し更に比例積分演算器２３６
によりＭバーナの燃料流量制御コントローラ２１０への
制御指令を作る。また２３７は減算器でありＰバーナ燃
料流量９５と指令値を比較し比例積分演算器２３８によ
りＰバーナの燃料流量コントローラ２１１への制御指令
を作る。燃焼プロセスコントローラ２０４において、２
３９はボイラ入力指令Ｌ_B から空気流量指令Ｌ_A をプロ
グラムする関数発生器である。２４０はボイラ入力指令
Ｌ_B から排ガスＯ₂ 濃度の設定値をプログラムする関数
発生器、２４１は減算器であり排ガスＯ₂ 濃度５８と関
数発生器２４０からの設定値を比較し比例積分演算器２
４２に入力し補正回路２４３により空気流量指令値Ｌ_A
に修正を加え修正空気流量指令Ｌ_AAを得る。２４４は減
算器であり合計空気流量６３と指令値を比較し比例積分
器２４５に入力し各バーナ段毎の空気流量補正値を作り
各バーナ段毎の空気・ガス流量制御コントローラ２１２
に与える。２１２の出力により、Ｗ／Ｂ入口空気ダンパ
３０３，ＧＭダンパ３０４，１次ガスダンパ３０５が夫
々制御される。２４７はボイラ入力指令Ｌ_B から最適バ
ーナ本数とパターンを求めて各段のバーナの本数制御を
行う回路である。２４８は各バーナの点消火時の空気量
と燃料のアンバランス発生を防止する為の回路である。

【００２３】通風プロセスコントローラ２０５におい
て、２４９はボイラ入力指令Ｌ_B から押込通風ファン７
の出口ドラフトの設定値をプログラムする関数発生器で
ある。２５０は減算器であり押込通風ファン７の出口ド
ラフト１００と設定値を比較し比例積分演算器２５１に
より押込通風ファン７の動翼の指令を作成し、負荷配分
回路２５２を介して押込通風ファンコントローラ２１３
に指令を与える。２１３の出力によりファン７ａ，７ｂ
が制御される。２５３はボイラ入力指令Ｌ_B よりガス再
循環ファン８の出口ドラフトの設定値をプログラムする
関数発生器である。２５４は減算器でありガス再循環フ
ァン出口ドラフト１０６と設定値を比較し比例積分演算
器２５５によりガス再循環ファン８の入口ダンパの開度
指令を作成し、負荷配分回路２５６を介してガス再循環
ファンコントローラ２１４に指令を与える。２１４の出
力によりファン８ａ，８ｂが制御される。

【００２４】本実施例の効果を以下に述べる。

【００２５】マスタコントローラの制御対象範囲が負荷
制御と主蒸気圧力制御だけとなり、各系統コントローラ
にはボイラ入力指令のみを与え、各系統コントローラ
は、ボイラ入力指令を与えられると各々の系統を独立し
て制御することが可能となり、ひいてはマスタコントロ
ーラの２重化を不要とする。

【００２６】系統コントローラはマスタコントローラか
らボイラ入力指令を受け、分担する系統の制御に専念
し、他の系統との相互干渉の少ない系統単位に独立した
制御システムの構築が可能となった。また各系統コント
ローラの下位には機器コントローラを分散配置し機器の
直接制御を担当させる為、系統コントローラは、機器コ
ントローラに指令を与えるだけでよく、各機器の負荷配
分制御だけの簡潔な構成となる。また機器コントローラ
により機器制御の独立性が確保され、系統コントローラ
の多重化は不要である。

【００２７】機器コントローラは、系統内では複数の同
一機器が存在する為、１台の設計がＮ台分に適用できる
Ｎ：１設計が可能で設計の標準化，簡素化が実現でき
る。

【００２８】各バーナ段毎の空気・ガス流量制御とバー
ナ制御を同一のコントローラに合体したので相互の信号
取合いが大幅に削減できた。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、火力発電プラントの制
御において、プラントの系統機器単位に最も相互の関連
が少なく、独立性の高い制御方法が実現できる。

【００３０】すなわち、マスタコントローラは、負荷制
御と主蒸気圧力制御を担当し、各系統コントローラには
ボイラ入力指令のみを与える。各系統コントローラはボ
イラ入力指令から当該系統の独立した制御を行い、その
下位に設けられた機器コントローラの負荷配分制御を行
う。機器コントローラは各系統内でＮ：１設計ができ標
準設計が可能である。この為、マスタコントローラや系
統コントローラを冗長化することなく信頼性の高い、し
かも設計が容易な制御システムが構築できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例。

【図２】火力発電プラント全体構成図。

【図３】従来システムを示す。

【符号の説明】

２０１…マスタコントローラ、２０２…水蒸気プロセス
系統コントローラ、２０３…燃料プロセス系統コントロ
ーラ、２０４…燃焼プロセス系統コントローラ、２０５
…通風プロセス系統コントローラ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも水・蒸気プロセス系統，燃料プ
   ロセス系統，燃焼プロセス系統及び前記各系統において
   動作する機器を有する発電プラントを制御するプラント
   自動制御装置において、 負荷要求及び主蒸気圧力の検出値に基づいて、ボイラ入
   力指令信号を作成して出力する手段と、 前記水・蒸気プロセス系統上に設置された水・蒸気系統
   機器の操作に関するプロセス量の目標信号を、前記ボイ
   ラ入力指令信号及び前記水・蒸気プロセスに関する複数
   の物理量の検出値に基づいて作成し、かつ前記水・蒸気
   系統機器に対する操作信号として出力する第１の制御手
   段と、 前記燃料プロセス系統上に設置された燃料系統機器の操
   作に関するプロセス量の目標信号を、前記ボイラ入力指
   令信号及び前記燃料プロセスに関する複数の物理量の検
   出値に基づいて作成し、かつ前記燃料系統機器に対する
   操作信号として出力する第２の制御手段と、 前記燃焼プロセス系統上に設置された燃焼系統機器の操
   作に関するプロセス量の目標信号を、前記ボイラ入力指
   令信号及び前記燃焼プロセスに関する複数の物理量の検
   出値に基づいて作成し、かつ前記燃焼系統機器に対する
   操作信号として出力する第３の制御手段とを設け、 前記第１乃至第３の制御手段のそれぞれは、他の制御手
   段とは独立して前記目標信号を作成し、かつ前記操作信
   号を出力するように構成したことを特徴とするプラント
   自動制御装置。