JP2901085B2 - ボイラ制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は種々の銘柄の異なる石炭を燃焼させるのに好
適なボイラ制御装置に係わる。

〔従来の技術〕

第３図に本発明の適用対象たるボイラ設備を構成する
微粉炭製造設備56,57、蒸気タービン19,23及び発電機25
を示す。これらの設備類は第４図に示す従来技術による
制御装置を合わせ、トータルシステムとして、第４図中
の負荷指令信号101に追従する火力発電プラントとして
動作する。

以下、第３図、第４図に示すボイラ設備およびその制
御装置の概略を説明する。

ａ）現時点の発電電力信号27が指令（負荷指令信号）10
1に合致するようタービン加減弁17の開度を変化する。

すなわち、指令101が負荷増加を与えれば、実発電量
（発電電力信号）27が追従するまで加減弁駆動信号18は
比例積分調節作用により増加する。

ｂ）負荷指令101の増減に従い、負荷／水比を与える関
数104を介して給水指令147を得る。

しかしながら、火炉水壁５はボイラ内で最も強烈な輻
射伝熱を受けるので伝熱管を保護するため最低給水量を
設定要素112で与えて給水流量調節弁２を駆動する。

当該保護は、伝熱管内の流速が低下すると急速に伝熱
管内面の熱伝達率が低下して、伝熱管が冷却されなくな
るのを防止する趣旨であつて、ボイラの燃料量が運転状
態によつて変化しても、管内流速確保の観点から一律に
設定され、後述のボイラの水／燃比の制御に優先して給
水を確保することに相当する。

ｃ）ボイラの給水量が、かかる水壁（火炉水壁）５保護
のため、当該時点の負荷を維持するに必要な量以上供給
される場合は、燃料は負荷に応じて投入されるため、水
壁５出口は気水混合となり、気水分離器６により湿分が
ドレン７として回収される。通常、当該ドレンは図示し
てはいないが再循環ポンプでボイラ給水中に戻された
り、熱交換器で給水を加熱した後、給水ポンプ１の前流
へ戻されたりするので、以下かかる運転状態を「循環モ
ード」と呼ぶ。逆に、負荷指令101に対応した給水が、
かかる設定（設定要素）112を上回る場合は、燃料も指
令101を反映するので、水壁５出口は乾いた蒸気とな
り、前述のようなドレンの再循環は発生しないため「貫
流モード」と呼ぶ。

信号切替要素107,115は共に「貫流モード」におい
て、第４図に示す通りの信号を与え、「循環モード」に
おいては、矢印の側へ切り替わる。かかるモードの判定
は関数要素108が負荷指令により与えている。

ｄ）ボイラの主蒸気圧力は信号16により入力され、負荷
信号101に応じて関数105で与えられる設定値106との偏
差に応じ「貫流モード」においては加算要素110へ、
「循環モード」においては加算要素115へ補正信号が与
えられる。これは、ボイラ蒸気圧力は基本的に保有蒸気
の密度に依存しており、圧力を上昇するには蒸発量を増
加せねばならないが、「循環モード」では燃料指令151
を増加すれば蒸発量が増加するに対し、「貫流モード」
では、水壁出口は既に乾き蒸気領域に入つているので、
給水指令147を増加すれば蒸発量が増加するからであ
る。

ｅ）燃料量指令151は基本的には水／燃比関数113で与え
られ、前述したように「循環モード」では蒸気圧力偏差
に基づく補正信号149を加え、「貫流モード」では一次
過熱器出口蒸気温度を与える信号59の設定値148との偏
差により補正される。これは水壁出口が乾いた領域では
燃料の過不足は蒸気温度に反映するからである。指令15
1は運転中の微粉炭製造設備56,57等の台数に応じて、設
定118の値で割算され、該製造設備１台あたりの給炭量
を駆動信号29,36等により調節する。

ｆ）空気流量指令43は燃／空比関数125が与える値を、
節炭器４出口の廃ガス中の酸素濃度信号51が設定値に維
持されるよう補正して求められる。

ｇ）主蒸気温度は信号14で入力され、設定値153との偏
差に応じて、過熱器減温器に注水して制御を行う。この
際、蒸気温度低下時の十分な注水量減らし代を確保する
ため、ボイラ伝熱面配分は負荷に応じた定常注水量を前
提に設計されており、かかる値は関数要素139で与えら
れる。

ｈ）再熱蒸気温度は信号61で入力され、設定値152との
偏差信号157に応じ、比例微分処理で信号156を補正して
ガス再循環量を調節する。ここで、要素130に積分作用
を働かせないのは、後述の信号48による再熱蒸気温度制
御の要素141による積分作用の相互干渉を防ぐためであ
る。ガス再循環による再熱蒸気温度制御は吊下過熱器12
と吊下再熱器22の位置関係を利用している。

すなわち、燃焼ガスから熱交換器への伝熱の形態には
「輻射」と「（強制）対流」があるが、前者は絶対ガス
温度の４乗、後者はガス体積流量の0.6乗に比例するこ
とが知られている。

よつて、ガス高温側の過熱器12の方が、ずつと「輻
射」を利用して所定の性能を得る設計になつており、同
様に再熱器22は「対流」による伝熱の割合が高い。ここ
で、ガス再循環量を増加すると伝熱面12,22を通過する
ガス量は増加するが、節炭器４出口の低温のガスが火炉
に混合される割合が増加するから、ガス温度は低下す
る。従つて、ガス再循環の増加は「輻射」を減少させ、
「対流」を増加させるため、前者の割合が多い過熱器
（吊下過熱器12）の熱吸収量が減少、再熱器（吊下再熱
器22）が増加することになる。従つて、偏差157に応じ
て、再熱器22の熱吸収量を加減するメカニズムにより再
熱蒸気温度制御が可能となるが、かかる方式は本質的に
過熱器12を通過する主蒸気の温度に外乱を与える。

しかしながら、主蒸気側は強力な温度調節手段である
減温器９への注水がプラント効率の低下をもたらすこと
なく積極的に利用できるので、かかる外乱を吸収できて
好都合である。再熱器22への注水は大幅なプラント効率
の低下を招き敬遠されるため、ガス再循環はボイラ出口
に近い吊下げ伝熱面の熱吸収を加減できる応答の早い制
御方法として位置づけられる。

ｉ）ガス再循環は上述のように再熱蒸気温度制御に有効
であるものの、火炉ホツパから排ガスを吹き込むため燃
焼への影響が避けられず、再循環過大で燃料不安定や未
燃分（すす）が増加するし、過小であると排ガス中に有
害な窒素酸化物が増大する。

従つてガス再循環ダンパは設定要素133,135の与える
上下限内でしか開閉できず、実際上過渡的な再熱蒸気温
度変動低減手段の位置づけとなる。主力の再熱蒸気温度
制御はガスダンパ47,45でそれぞれ横置再熱器21、横置
過熱器８の通過ガス量を偏差信号157に基づき、言うな
らば再熱蒸気温度優先で配分し、主蒸気温度への外乱は
減温器９への注水で解消して対処することとする。以上
の横置伝熱面ガスパスダンパによる制御は燃焼への悪影
響も無く、定常偏差解消に特別な通風機動力増加も無い
長所があるが、ボイラからの蒸気取出し位置から遠い伝
熱面で制御を行うため応答が遅いのが最大の難点であ
る。

従つて、上述のガス再循環と組み合わせて、始めて良
好な再熱蒸気温度制御を実現できる。

第４図において、関数142は各負荷における再熱器ダ
ンパ駆動信号の基本位置を与え、減算器145は過熱器ダ
ンパ（ガスダンパ）45を再熱器ダンパ（ガスダンパ）47
と逆作動させるため、基準位置設定144から引算を行
う。

〔発明が解決しようとする課題〕

石炭は石油、ガス燃料と比較して揮発分割合、発熱
量、粉砕性、水分割合等において非常に広範囲な性状相
違があり、第３図に示したボイラ設備で多炭種を燃焼さ
せる場合は次のような問題が生じる。

１−ａ）一般に揮発分の多い石炭は火炉内で早く燃焼
し、揮発分の少ない石炭はこの反対で、その発熱の分布
は火炉出口側に偏るから、火炉出口ガス温度の高低は揮
発分の大小と逆の相関（揮発分小ならば出口ガス温度
高）を持つ。一般に火炉熱吸収量について次式が成立す
る。

Q_w＝C_f・G_f−T_g・C_g・（G_f＋G_a＋G_r） …（１） Q_w:単位時間あたりの火炉熱吸収量 C_f:単位投入量あたりの燃料発熱量 G_f:単位時間あたりの燃料投入量 T_g:火炉出口ガス温度 C_g:燃焼ガス平均ガス比熱 G_a:単位時間あたりの空気投入量 G_r:単位時間あたりのガス再循環量 ボイラの負荷が同一であれば、燃料の性状によらずC_f
・G_fの値に大差は無いが、T_gの値に幅があるため、Q_wは
かなり異なることが示される。これは、従来の技術の
（ｃ），（ｄ），（ｅ）項で述べた循環／貫流切替え制
御に悪影響を及ぼす。

すなわち、負荷指令101が同一ならばボイラ給水はほ
ぼ同程度になるが火炉の熱吸収が異なるため、火炉水壁
５出口が乾き蒸気に変わる負荷は燃料性状によりかなり
変化する。従来の技術で述べたように循環／貫流モード
の相違により制御装置の動作を切り替えなければならな
いが、もし実際の水壁５出口の湿り／乾きと一致しない
と以下のような不具合が生じる。

イ）実プラントが湿りであるのにもかかわらず貫流モー
ドの制御を行つた場合、蒸気圧力低下に対応する給水増
加は、水壁出口を余計に湿らせて蒸発量が低下し、ます
ます蒸気圧力が低下する。

ロ）実プラントが乾きであるにもかかわらず循環モード
の制御を行つた場合、蒸気圧力低下に対応する燃料増加
は、水壁出口の蒸気温度を上昇するのみで、蒸発量は増
加せず、いたずらに蒸気温度制御に外乱を与えるのみで
ある。

よつて、多炭種を燃焼するボイラではなんらか工夫を
しなければ関数要素108のように負荷のみで循環／貫流
モード切替えを行えない。

また、実プラントの湿り／乾きを検知する方法も乾き
度（飽和水と飽和蒸気の質量比）自体、直接に気水混合
物の温度、圧力等の測定容易な物理量に影響しないので
実現は難しい。

１−ｂ）前項で述べたように石炭が異なれば火炉出口ガ
ス温度が異なるし、燃料中の水分、水素分の相違は燃焼
ガス中の水蒸気の量を変化させ、過熱器、再熱器の輻射
伝熱にガス温度自体及び輻射パラメータの両面で影響を
与える。

以上のメカニズムの根拠は前項のｈ）に説明した通り
である。このような輻射／対流伝熱の相違割合の変化に
は、ガス再循環量を調節するのが最も本質的ではある
が、現状は前項のｉ）に述べたように良好な燃焼を維持
するため、ガス再循環は上下限の中間程度の量で再熱蒸
気温度が規定値になるようにガスパスダンパを調節し、
蒸気温度変動発生時、ガスパスダンパによる制御が追従
できない過渡的な変動のみガス再循環変化に依存する制
御フイロソフイーを採用しなければならない。

よつて、石炭の種類によつてはガスパスダンパ45,47
の開度を全開あるいは前閉近傍の極めて制御性の悪い
（応答の直線性が損なわれるし、感度も設計点からの隔
たりが大きい）領域で運用せざるを得ない場合がある。
もちろん、ダンパを全開、前閉しても制御偏差が低減で
きない場合はプラントが性能数値を維持できないことに
なる。

〔課題を解決するための手段〕

ボイラ装置及びボイラ制御装置が良好に性能を発揮す
るには、炭種によらず同一の負荷帯においては火炉出口
ガス温度が所定の値であることが要請されることは上述
した通りである。

要するに本発明は推定もしくは実測した当該時点の火
炉出口ガス温度が負荷に応じて与えられる所定値になる
よう各バーナの燃料配分を調節することに帰着する。

火炉出口ガス温度の把握は公知のように熱電対、輻射
光、超音波伝搬速度等を用いて計測する手段、あるいは
節炭器４出口ガス温度を実測し、各伝熱面の水蒸気側の
温度、圧力、流量から火炉出口から節炭器出口までの区
間において燃焼ガスが失つた熱量を求めてガス温度降下
分を算出し、これを節炭器４出口ガス温度に加えて火炉
出口ガス温度を推定する方法等がある。

〔作用〕

一般に火炉出口に遠い位置に設けられたバーナから発
生した燃焼ガスほど火炉内滞留中に輻射伝熱で水壁に冷
却される温度が大である。

従つて火炉出口ガス温度が所定の値より低いほど火炉
出口に近い位置で多めに燃焼させれば当該ガス温度差を
解消できる。

同様に高めのガス温度偏差があるときは出口から遠い
バーナを主体に燃焼することになるわけで、言い換えれ
ば、本発明は揮発分小で出口ガス温度が上がりやすく、
水壁熱吸収が小さくなりやすい石炭ほど滞留時間をかせ
ぐバーナ燃料配分を実現させる作用を有することにな
る。

〔実施例〕

第１図に本発明の実施例を示す。これは第３図のボイ
ラ設備を制御対象としており、従来技術による第４図の
制御装置と組合わせて構成する。第３図及び第４図と同
一の部分には同一の番号を与え説明を省略する。さらに
第３図、第４図と同一部分で第１図における存在に誤解
の余地が無いと考えられる場合は第１図において記述を
省略した個所もある。

信号設定要素207は石炭の銘柄を与え、関数要素209は
負荷指令101と銘柄設定208を受けて、ボイラ負荷に対し
て適切な火炉出口ガス温度210を与える。これは、石炭
の化学成分（石素と水素の割合）により、同一の発熱を
得る際の生成ガス量（言い換えれば燃焼に必要な空気
量）が異なるため、（１）式に示されるように火炉熱吸
収量を適正値に維持するには、炭種によつて火炉出口ガ
ス温度設定を変化（生成ガス量の多い石炭には設定を低
めとする）させなければならないからである。

信号202はガス温度計による火炉出口ガス温度実測値
を与えるが、該信号は課題を解決するための手段の項に
述べた通り、直接の測定を行わない手段で把握して代用
しても良い。第一の演算手段211は以上の信号202,210,2
08及び燃料指令151を受け、各バーナの再大容量及びタ
ーンダウン（バーナ逆火防止のための流速確保による最
低空気量、及び炭塵の爆発限界の石炭／空気比等の観点
で決まる、安全な運用が可能な最低の燃料量）の範囲で
燃料指令を分配する演算を行う。

第１の演算手段211の実施例を第２図に示す。

第２図において燃料指令151は単位時間あたりのトー
タル発熱量基準で与えられるので、炭種によつて定まる
単位質量あたりの発熱量信号290により除して総微粉炭
量信号292とする。火炉出口ガス温度の指令は信号254で
与えられ、該指令温度及び炭種信号208に応じて定まる
各バーナへの微粉炭基準傾斜配分信号255を得る。

信号255はボイラ試運転調整の際に、各炭種につい
て、全負荷帯を通じて所定の燃料を与えた際、設計上の
火炉出口ガス温度を維持するには、火炉出口に近いバー
ナと遠いバーナでどの程度微粉炭を傾斜配分すればよい
かの傾向により関数254を決定して与える。もちろん、
実運用時点では試運転調整時と異なつたボイラ運転状態
となるため、信号255のみでは一般に指令値に合致した
運用は不可能なため、実測ガス温度202と指令210との偏
差に応じ、傾斜配分率が正ならば火炉出口に近いバーナ
への燃料を増やし、０ならば均等配分、負なら火炉出口
に遠いバーナへ増加配分することとし、実温度202が高
ならば配分率減、逆に指令210に到達できないなら配分
率増とする。該機能は炭種及び、偏差の程度で配分率の
補正幅が異なるため、関数252で信号253を求め、基本信
号255と加え合わせて傾斜配分率257を得る。なお、以下
の説明で該傾斜配分率の値をｄで表す。

微分炭配分演算要素258〜261は個別に燃料を増減する
バーナの組数2nだけ用意し、最も火炉出口に近いバーナ
から順に（１＋nd）／（2n），〔１＋（ｎ−１）ｄ〕／
（2n），……，の重みを与える、逆に最も火炉出口に遠
いバーナから順に（１−nd）／（2n），〔１−（ｎ−
１）ｄ〕／（2n），……，を与える。

すなわち、要素258〜261は総微粉炭量292に以上の配
分計数を乗じる機能を有し、これらの配分計数の和はｄ
の値によらず常に１となるから各バーナごとの微粉炭量
指令262〜265の和は常に総微粉炭量292に合致するし、
ｄの値により、目的とする傾斜配分が実現する。

上述の通り各バーナには炭種によつて定まる供給微粉
炭量の許容最大値277と最小値278が存在するため、信号
262〜265はかかる上下限制限を受けて、最終的な指令値
212,287,288,213となる。

このとき該上下限制限を施すと信号のトータルが総量
292に合致しなくなるから、かかる上下限制限に関わる
過不足を要素266〜268にて算出し、最寄りのバーナに該
過不足をしわ寄せする。これは補正信号269〜271を加算
要素266〜268に与えて実現する。かかる「しわ寄せ」に
より理想どおりの傾斜配分は実現できなくなるが、最寄
りのバーナへしわ寄せする限り影響は少ないし、かかる
方法によれば、少なくともバーナの上下限容量を考慮し
た上で許される最も理想に近い傾斜配分が実現できる。

各バーナ個別の微粉炭量指令212,213はそれぞれ実流
量204,206と比較して偏差を０とするように給炭フイー
ダ駆動信号216,217とする。その際、石炭種別により粉
砕性が異なり、偏差に対する補正量の与え方が異なるた
め、該駆動信号を算出する第二の演算手段214,215は炭
種信号208を考慮する。

本実施例では実微粉炭量把握に計測手段203,205を用
いている。これは、超音波、マイクロ波等の透過、反射
を利用した装置で実現できるし、本出願人による特願昭
63−131342号「微粉炭ボイラ制御装置」に示したミル出
炭量同特性モデルにより推定する方法でも良い。

〔発明の効果〕

本発明には次の効果がある。

１）石炭性状相違にかかわる火炉熱吸収特性相違によ
り、水壁出口が乾き蒸気／湿り蒸気と切替わるプラント
負荷が変化することに基づく蒸気圧力制御の不具合が解
消できる。

２）石炭性状相違に係わる過熱器、再熱器における輻射
伝熱と対流伝熱の割合変化に基づく再熱蒸気温度制御操
作端が可変範囲の上下限に張り付いて制御性の著しく低
下する不具合が解消できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例に係るボイラ設備のシステム
構成図、第２図は第１図中の第一の演算手段の詳細ブロ
ック図、第３図は本発明の対象となるボイラ設備のシス
テム構成図、第４図は従来例に係るボイラ制御装置のブ
ロツク図である。 211……第一の演算手段。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蒸発管に囲まれ、個別またはグループ毎に
   燃料量を調節できる複数のバーナを設けた火炉と、火炉
   排ガス流路に設けられた蒸気の過熱器及び蒸気の再熱器
   とを有するボイラ設備のボイラ制御装置において、 使用燃料の銘柄または分析データにより与えられるパラ
   メータを用い、火炉出口排ガス温度の計測値または推定
   値、該温度設定値、当該時点のボイラトータル燃料量指
   令値を入力して、各バーナまたはバーナグループの燃料
   量指令値を算出する演算手段を有することを特徴とする
   ボイラ制御装置。
2. 【請求項２】請求項１記載において、前記各バーナまた
   はバーナグループに対する燃料量指令値の傾斜配分を演
   算する傾斜配分演算手段を有することを特徴とするボイ
   ラ制御装置。