JP2931152B2 - ボイラの再熱蒸気温度制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボイラの再熱蒸気温度
制御方法に係り、特に高速負荷変動時における再熱蒸気
温度の変化幅を規定値以内に抑えるのに好適なボイラの
再熱蒸気温度制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の変圧ベンソンボイラの流
動系統を示す図である。図において、給水ポンプ２０に
よって昇圧された給水は、給水流量調整弁２１を通過
し、節炭器２２および水冷壁２３を経て熱を吸収した
後、気水分離器２４に流入し、該気水分離器２４におい
て、気水が分離され、水は貯水タンク２５を通り、再循
環ポンプ３５によって再循環される。一方蒸気は、１次
過熱器２６、２次過熱器２８および３次過熱器３０で過
熱され、１次スプレ流量調整弁２７および２次スプレ流
量調整弁２９を流れる給水によって温度調整されて所定
の温度となった後、高圧タービン３１に供給される。高
圧タービン３１で仕事を終えた蒸気の大部分は、再熱器
３２で再熱され、中・低圧タービン３４に供給される。

【０００３】このような変圧ベンソンボイラでは、負荷
が高くなって水冷壁２３の出口で給水の蒸発が完了する
と、気水分離器２４には蒸気のみが供給されるようにな
る。したがって、このような場合には、再循環ポンプ３
５が停止されて、水／蒸気系統は貫流運転となる。この
貫流運転状態では、負荷に応じて、給水量を変えて蒸気
圧力を図６に示すように制御（すなわち変圧運転）する
と、低負荷時のプラント効率を改善することができる。
しかし貫流運転時には、高負荷変化率で運用すると、タ
ービン入口の蒸気温度が変動しやすく、この変動幅が設
定値に対して大きい場合には、タービンの寿命消費が大
きくなったり、プラント効率が低下するなどの問題があ
る。

【０００４】貫流運転時の主蒸気系統の蒸気温度、すな
わち主蒸気温度は、基本的には、給水流量と燃料流量の
比、水・燃比を一定に維持することによって制御するこ
とができる。図６に示した蒸気圧力の制御は、給水量の
増減により達成されるが、給水流量に対する蒸気圧力の
応答は比較的早いので、容易に蒸気圧力を設定値、すな
わち、図６に示した変圧パターンに制御することができ
る。したがって、主蒸気温度、すなわち高圧タービン入
口蒸気温度の制御性は、燃料流量の制御方式によって決
まってくることになる。

【０００５】従来の燃料流量の制御方法を図７によって
説明する。負荷要求信号３を基に関数発生器６ｂによっ
て静特性上から決定される先行値信号１４ａと、負荷要
求信号３を微分器８で微分した動的先行信号１５とを加
算器９ａで加算して燃料先行値信号１６を求め、これを
加算器９ｂに入力する。１次過熱器出口蒸気温度計２の
出力信号と、負荷要求信号３から関数発生器６ａによっ
て決められる１次過熱器出口蒸気温度の設定値信号１７
とを引算器７ｂで比較し、この偏差信号１８ａを調節計
１０ａで信号処理してフィードバック信号２００ａと
し、これを加熱器９ｂで前記加算器９ａの出力信号１６
に加算する。この加算器９ｂの出力信号は燃料流量のデ
マンド信号１９であり、この燃料流量のデマンド信号１
９と燃料流量計１の出力信号を引算器７ａで偏差信号１
８ｂとし、この偏差信号１８ｂを調節計１０ｂで信号処
理し、この調節計１０ｂの出力信号にもとづいて燃料流
量調整弁１１を開閉することにより燃料流量が調整され
ていた。この水・燃比の調整だけで主蒸気温度が設定値
に維持されない場合には、１次スプレ流量調整弁２７ま
たは２次スプレ流量調整弁２９を用いて過熱器入口に供
給する低エンタルピの給水量を増減することにより、調
整していた。

【０００６】また、再熱蒸気温度の制御は次のように行
われていた。すなわち、再熱器出口蒸気温度計４の出力
信号と再熱器出口蒸気温度設定信号器５の出力信号との
間の偏差信号１８ｃを引算器７ｃで求め、これを調節計
１０ｃで信号処理してフィードバック信号２００ｂと
し、これを加算器９ｃに入力し、他方、負荷要求信号３
にもとづいて、関数発生器６ｃで先行値信号１４ｂ（関
数発生器６ｃの出力信号）を求め、これを上記加算器９
ｃに入力して前記フィードバック信号２００ｂ（調節計
１０ｃの出力信号）と加算してガス再循環流量デマンド
信号２０１を求める。このガス再循環流量デマンド信号
２０１にもとづいて、ガス再循環ファン１２のダンパ制
御を行って、ガス再循環量を調整することにより、再熱
蒸気温度を設定値に維持するようにしていた。

【０００７】しかしながら、このような従来の制御方法
では、以下のような問題があった。すなわち、例えば高
速で負荷降下させる場合には、図６に示すように、蒸気
圧力も急速に低下する。このとき、火炉水冷壁２３は大
きな熱容量を有しているために水冷壁３のメタル温度は
急速には低下しないので、水冷壁出口の蒸気温度は、図
８に示したように、静的な値よりも上昇する。このた
め、１次過熱器出口蒸気温度計２の出力信号も静的な値
よりも上昇するので、調節計１０ａの出力信号であるフ
ィードバック信号２００ａは負の値となり、燃料流量は
低下することになる。このように、燃料流量が静的なバ
ランス値よりも低下すると、再熱器３２の入口ガス温度
が低下し、再熱器３２の熱吸収量の低下によって、再熱
器出口蒸気温度計４の出力信号すなわち、中・低圧ター
ビン入口蒸気温度が低下することになる。

【０００８】図９はボイラの伝熱器の配置例を示したも
のであり、再熱器３２出口蒸気温度は、通常ガス再循環
流量によって制御されるが、再熱蒸気温度の低下が大き
い場合には、ガス再循環流量を大きくするためのガス再
循環ファンの容量が過大となり、この動力の増加も問題
となっていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の燃
料流量制御による再熱蒸気温度制御方法は、高速負荷変
動時における再熱器出口蒸気温度の変動が大きくなって
設定値の近傍に維持することが難しいという点について
配慮がされておらず、中・低圧タービンの寿命消費が大
きくなるという問題があった。また、場合によっては、
ガス再循環ファンの容量が過大になるという問題があっ
た。

【００１０】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を
解決し、高速負荷変動時であっても再熱器出口蒸気温度
の変動を小さくすることができるボイラの再熱蒸気温度
制御方法を提供するとこにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、再熱器出口
蒸気温度の変動に応じて、燃料供給量を補正できる制御
回路を用いることにより達成される。すなわち、本発明
は、過熱器および再熱器を有する変圧ベンソンボイラの
再熱蒸気温度制御方法において、ボイラの負荷要求信号
を基に決定される先行値信号と前記負荷要求信号を微分
した動的先行信号とを加算した燃料先行値信号と、１次
過熱器出口蒸気温度計の出力信号と１次過熱器出口蒸気
温度の設定値信号との偏差信号から求められるフィード
バック信号と、再熱器出口蒸気温度計の出力信号と該再
熱器出口蒸気温度の設定値信号との偏差信号および偏差
の変化率信号を基に求められる補正信号とからなる燃料
流量デマンド信号と燃料流量計の出力信号とを比較し、
その偏差信号に基いて燃料流量調整弁を制御して燃料流
量を調整することを特徴とするボイラの再熱蒸気温度制
御方法に関する。

【００１２】本発明において、燃料流量デマンド信号の
一構成要素である補正信号は、ファジィ推論を適用して
求める。すなわち、再熱器出口蒸気温度計の出力信号と
再熱器出口蒸気温度の設定値信号との偏差信号および偏
差の変化率信号に基いてファジィ制御器を用い、ファジ
ィ信号として求められる。

【００１３】

【作用】再熱器出口蒸気温度のその設定値に対する偏差
および偏差の時間的変化率に対応して、ファジィ推論を
適用して燃料供給量を増減してやれば、例えば再熱蒸気
温度が設定値に対して低下し、その低下が継続する傾向
にある場合には、燃料供給量が増加するように動作す
る。これによって、再熱器入口のガス温度が上昇し、再
熱器の熱吸収量は増加するので、再熱器出口蒸気温度は
上昇し、設定値から大きくはずれることがなくなる。

【００１４】このとき、１次過熱器出口温度は上昇する
ことになるが、この上昇分は１次スプレおよび２次スプ
レによって主蒸気温度への外乱は小さくできるので、主
蒸気温度の制御性を損なうことがない。本発明であるボ
イラの再熱蒸気温度制御方法の具体的実施例を図１に示
す。図において、従来の制御方法（図７）と異なる部分
は、再熱器出口蒸気温度計４の出力信号と再熱器出口蒸
気温度設定信号器５の出力信号の間の偏差信号１８ｃを
引算器７ｃで求め、この偏差信号１８ｃおよび偏差の変
化率信号（偏差信号１８ｃの変化率信号）にもとづい
て、ファジィ制御器１３で信号処理したファジィ補正信
号２０２を加算器９ｂに加算した点にある。

【００１５】全体の燃料流量デマンドは、負荷要求信号
３から静的バランス値によって決定される関数発生器６
ｂの出力信号である先行値信号１４、負荷要求信号３の
微分値によって決定される微分器８の出力信号である動
的先行信号１５とを加算器９ｂで加算した燃料先行値信
号１６と、１次過熱器出口蒸気温度計２の出力信号と、
負荷要求信号３によって決まる関数発生器６ａの出力信
号である１次過熱器出口蒸気温度の設定値信号１７との
間の偏差信号１８ａにもとづくフィードバック処理信号
２００ａ（調節計１０ａの出力信号）、さらに前述し
た、再熱器出口蒸気温度の設定値に対する偏差信号１８
ｃおよび偏差の変化率信号（偏差信号１８ｃの変化率信
号）にもとづくファジィ制御器１３によるファジィ補正
信号２０２より構成される。

【００１６】このように構成される全体の燃料流量デマ
ンドは、加算器９ｂの出力信号１９となり、このデマン
ド信号１９と燃料流量計１の出力信号を引算器７ａで偏
差信号１８ｂとし、この偏差信号を調節計１０ｂで処理
した出力信号に基いて、燃料流量調整弁１１を開閉する
ことにより、燃料流量が調整される。一方、ガス再循環
流量は、再熱器出口蒸気温度計４の出力信号と再熱器出
口蒸気温度設定信号器５の出力信号との偏差信号１８ｃ
を調節計１０ｃで信号処理したフィードバック信号２０
０ｂと、負荷要求信号３から関数発生器６ｃで決まる先
行値信号１４ｂとを加算器９ｃで加算して、ガス再循環
量デマンド信号２０１とし、これによってガス再循環フ
ァン１２のダンパを制御して調節される。

【００１７】次に、ボイラが高速負荷変化率で負荷降下
した場合の制御方法の作用を説明する。前述したよう
に、変圧ベンソンボイラでは、負荷降下時、水冷壁２３
の大きな熱容量効果と蒸気圧力が低下していくために、
１次過熱器出口蒸気温度計２の出力信号は１次過熱器出
口蒸気温度の設定値信号１７よりも上昇するので、調節
計１０ａの出力信号２００ａは負の大きな値となる。負
荷降下時であるため、微分器８の出力信号である動的先
行信号１５は負となり、ベースとなる燃料流量デマンド
信号である加算器９ａの出力信号１６は、静的にバラン
スするべき燃料流量よりも少ない信号となる。

【００１８】したがって、上記の２つの燃料流量デマン
ド信号の合計信号は、静的バランス値より小さい値とな
り、この効果によって燃料流量が減少した場合には、再
熱器入口ガス温度の低下に伴う再熱器熱吸収量の減少に
より、再熱器出口蒸気温度４の出力信号は再熱器出口蒸
気温度設定信号器５の出力信号よりも低下する。この偏
差信号１８ｃに対して、ファジィ制御器１３は以下のよ
うに作用する。

【００１９】再熱蒸気温度の設定値に対する偏差信号を
ｅ_n 、温度偏差の変化を△ｅ_n とすると、 ｅ_n ＝（θ_set −θ_n ）／ｋ …（１） △ｅ_n ＝ｅ_n −ｅ_n-1 ＝（θ_n-1 −θ_n ）／ｋ …（２） ここに、θ_set ：再熱蒸気温度設定値、θ_n ：ｎ時刻点
における再熱蒸気温度、ｋ：規格化定数。

【００２０】ｅ_n および△ｅ_n のメンバシップ関数を図
２に示す。図の記号の意味を以下に示す。ＮＢ：負で大
きい、ＮＭ：負でやや大きい、ＮＳ：負で小さい、Ｚ
Ｏ：ほぼ零である、ＰＳ：正で小さい、ＰＭ：正でやや
大きい、ＰＢ：正で大きい。ｅ_n とΔｅ_n の状況によ
り、補正すべき燃料流量の増分Ｈ_n を決定する制御則の
例を図３に示す。

【００２１】図において、例えば もしｅ_n ＝ＰＳで、△ｅ_n ＝ＮＭならＨ_n ＝ＮＳのよう
に読み、これを制御ルールと呼ぶ。具体的に操作量の基
本増分を決定する方法を図４に示す。図では２つの制御
ルール（ルール１とルール２）を例として示し、温度偏
差の代表量をＸ、偏差の変化の代表量をＹとする。Ｘ＝
Ｘ′、Ｙ＝Ｙ′の値に関するファジィ集合をルール１に
ついてＡ₁ 、Ｂ₁とし、ルール２についてＡ₂ 、Ｂ₂ と
する。ルール１から決まる操作量の増分のファジィ集合
をＣ₁ 、ルール２に対応するものをＣ₂ とし、それぞれ
のメンバシップ関数をμC₁、μC₂とする。このとき、ル
ール１から ｗ₁ ＝Ｍｉｎ｛μA₁（Ｘ′）、μB₂（Ｙ′）｝…（３） ルール２から ｗ₂ ＝Ｍｉｎ｛μA₂（Ｘ′）、μB₂（Ｙ′）｝…（４） ｗ₁ とｗ₂ を使用して、ルール１とルール２を満たす操
作量の基本増分のメンバシップ関数μC ^* を μC ^* ＝Ｍａｘ｛ｗ₁ μC₁、ｗ₂μC₂｝ …（５） このμC ^* の重心座標Ｚ^* を、図４を参照して次式で計
算する。

【００２２】

【数１】

【００２３】この値Ｚ^* を操作量の基本増分Ｈとする。
実際には、Ｘ′をＹ′の値に対して４つの制御ルールが
関与しているが同様の手順でＨを決定する。したがっ
て、現在の操作量をＵn とするとき、次の時点（ｎ＋
１）における操作量Ｕ_n+1 を Ｕ_n+1 ＝Ｕ_n ＋Ｋ・Ｈ_n …（７） ここに、Ｋ：制御ゲイン、Ｈn ：操作量の増分 このようにして、ファジィ制御器１３では、（１）〜
（７）式に示した演算をサンプリング時間ごとに実施
し、燃料流量デマンド補正信号を加算器９ｂに入力す
る。このファジィ制御器１３では、あたかもプラントを
熟知したベテランの運転員のノウハウをもとに燃料供給
料を決定できるので、再熱器出口蒸気温度計４の出力信
号は設定値の近傍に維持される。

【００２４】このとき、１次過熱器出口蒸気温度計２の
出力信号は増加するが、この増加が主蒸気温度計３３の
出力信号に及ぼす影響は、１次スプレ流量調整弁２７お
よび２次スプレ流量調整弁２９の制御により吸収でき
る。したがって、本実施例によれば、高速負荷変化時に
おいても、主蒸気温度計３３の出力信号および再熱器出
口蒸気温度計４の出力信号をそれぞれの設定値の近傍に
維持できるので、高圧タービン３１および中・低圧ター
ビン３４の寿命消費を低減できるという効果がある。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、高速負荷変化時におい
ても、再熱器出口蒸気温度にもとづいて、ファジィ推論
を適用して燃料供給量を決定しているので、あたかもプ
ラントの挙動を熟知したベテランの運転員のように燃料
供給量を操作でき、再熱器出口蒸気温度を設定値近傍に
維持できるとともに、主蒸気温度はスプレにより設定値
近傍に維持できる。

【００２６】このとき再熱器スプレを使用しなくても、
燃料流量により再熱器出口蒸気温度を良好に制御するこ
とができるので、プラント効率の低下を生ずることな
く、高圧タービンおよび中・低圧タービンの寿命消費を
低減できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明であるボイラの再熱蒸気温度制
御方法の一実施例を示す制御系統図である。

【図２】図２は、メンバシップ関数の説明図である。

【図３】図３は、制御ルールの一例を示す説明図であ
る。

【図４】図４は、ファジィ推論の原理を示す説明図であ
る。

【図５】図５は、変圧ベンソンボイラの流動系統図であ
る。

【図６】図６は、変圧ベンソンボイラにおける変圧パタ
ーンを示す説明図である。

【図７】図７は、従来技術におけるボイラの再熱蒸気温
度制御方法を示す制御系統図である。

【図８】図８は、変圧ベンソンボイラの負荷変動時にお
ける圧力および温度の挙動を示す説明図である。

【図９】図９は、ボイラの伝熱器配置の一例を示す説明
図である。

【符号の説明】

１…燃料流量計、２…１次過熱器出口蒸気温度計、３…
負荷要求信号、４…再熱器出口蒸気温度計、５…再熱器
出口蒸気温度設定信号器、６…関数発生器、７…引算
器、８…微分器、９…加算器、１０…調節計、１１…燃
料流量調整弁、１２…ガス再循環ファン、１３…ファジ
ィ制御器、１４…先行値信号、１５…動的先行信号、１
６…燃料先行値信号、１７…１次過熱器出口蒸気温度の
設定値信号、１８…偏差信号、１９…燃料流量のデマン
ド信号、２０…給水ポンプ、２１…給水流量調整弁、２
２…節炭器、２３…水冷管、２４…気水分離器、２５…
貯水タンク、２６…１次過熱器、２７…１次スプレ流量
調整弁、２８…２次過熱器、２９…２次スプレ流量調整
弁、３０…３次過熱器、３１…高圧タービン、３２再熱
器、３３…主蒸気温度計、３４…中・低圧タービン、３
５…再循環ポンプ、２００…フィードバック信号、２０
１…ガス再循環デマンド信号、２０２…ファジィ補正信
号。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 過熱器および再熱器を有する変圧ベンソ
   ンボイラの再熱蒸気温度制御方法において、ボイラの負
   荷要求信号を基に決定される先行値信号と前記負荷要求
   信号を微分した動的先行信号とを加算した燃料先行値信
   号と、１次過熱器出口蒸気温度計の出力信号と１次過熱
   器出口蒸気温度の設定値信号との偏差信号から求められ
   るフィードバック信号と、再熱器出口蒸気温度計の出力
   信号と該再熱器出口蒸気温度の設定値信号との偏差信号
   および偏差の変化率信号を基に求められる補正信号とか
   らなる燃料流量デマンド信号と燃料流量計の出力信号と
   を比較し、その偏差信号に基いて燃料流量調整弁を制御
   して燃料流量を調整することを特徴とするボイラの再熱
   蒸気温度制御方法。