JP3481352B2 - 微粉炭ボイラの制御装置 - Google Patents
微粉炭ボイラの制御装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は微粉炭ボイラの制御装置
に係り、特に、燃焼中の水分の多少に拘らず良好なボイ
ラ運転特性を維持するための制御装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】図２に、従来より知られている微粉炭ボ
イラとその制御装置とを示す。本例の微粉炭ボイラは、
微粉炭製造設備１と、該微粉炭製造設備１に原料石炭２
を供給する給炭器３と、微粉炭製造設備１にて産出され
た微粉炭を燃焼する火炉４と、火炉４の炉壁を構成する
水壁５と、水壁５に給水する給水ポンプ６と、煙道７内
に配設され、給水ポンプ６の給水８を予熱する節炭器９
と、前記煙道７内に設けられた横置過熱器１０と、前記
火炉４の燃焼ガス１１にて過熱され、主蒸気１２を発生
する吊下過熱器１３と、排気１４の一部を前記火炉４内
に再循環させる再循環路１５とから主に構成されてい
る。 【０００３】前記微粉炭製造設備１には、搬送空気２１
の導入管２２が連通されており、該導入管２２内には、
搬送空気２１を圧送する搬送空気ファン２３と、搬送空
気２１の流量を規制する搬送空気ダンパ２４と、搬送空
気流量を測定するための絞り２７とが内装されている。
そして、該絞り２７には流量検出器２８が設定され、ま
た前記導入管２２の出口近傍には第１の温度検出器２９
が設定されている。また、該微粉炭製造設備１にて産出
された微粉炭を搬送空気２１と共に前記火炉４内に導く
管路３０には、第２の温度検出器３１が設定されてい
る。さらに、前記給炭器３には、原料石炭２の供給量を
推定する給炭量推定器３２が設定されている。前記火炉
４には、燃焼空気４１の導入管４２が連通されており、
該導入管４２内には、燃焼空気４１を圧送する燃焼空気
ファン４３と、燃焼空気４１の流量を規制する燃焼空気
ダンパ４４とが内装されている。前記再循環路１５内に
は、再循環ガス４５を圧送するガス再循環ファン４６
と、再循環ガス４５の流量を規制するガス再循環ダンパ
４７とが内装されている。 【０００４】一方、本例の制御装置は、燃焼中の水分の
多少に拘らず良好なボイラ運転特性を維持するための制
御装置であって、主として、石炭水分推定器５１と、補
正操作量算出器５２とから構成されている。石炭水分推
定器５１は、前記第２の温度検出器３１にて検出された
微粉炭製造設備１の出口温度信号６１と、前記給炭量推
定器３２にて求められた給炭量信号６２と、前記第１の
温度検出器２９にて求められた微粉炭製造設備１の入口
温度信号６３と、前記流量検出器２８にて求められた微
粉炭製造設備１の入口空気流量信号６４、それに第３の
温度検出器４８にて求められた微粉炭製造設備１の周囲
温度信号６５とを入力し、石炭水分量推定信号６６を出
力する。補正操作量算出器５２は、前記石炭水分量推定
信号６６を得て、前記給炭器３を制御する給炭器操作信
号７１と、前記燃焼空気導入管４２内に設けられた燃焼
空気ダンパ４４を制御するための燃焼空気操作信号７２
と、前記再循環路１２内に設けられたガス再循環ダンパ
４７を制御するためのガス再循環操作信号７３とを出力
する。 【０００５】微粉炭ボイラにおける燃料石炭中の水分量
は、単に燃料の低位発熱量、すなわち燃焼ガス中の水蒸
気が持ち去る熱量を除いたボイラが正味利用可能な発熱
量を低下させるのみならず、火炉４と燃焼ガス流路中の
過熱器１０，１３を有するボイラにあっては、両者の熱
吸収配分を変化させるため、適格に対処されなければな
らない。なお、低位発熱量の変化は単に燃料の増加によ
り補償できるが、熱吸収配分の変化は、水分による火炉
内燃焼温度変化や輻射伝熱係数の変化によりもたらされ
る現象であるため、燃焼空気４１の流量や再循環ガス４
５の流量を補正操作量算出器５２の算出値で操作して調
節しなければならないので複雑である。いずれにせよこ
れらの補償、調節には、石炭水分推定器５１により、燃
料中の水分量が正確に把握されなくてはならない。 【０００６】石炭水分推定器５１による燃料中の水分量
の算出は、微粉炭製造設備１が定常状態にある場合には
極めて容易に行なえる。即ち、周囲温度がＴc 〔℃〕の
環境下で、水分を含む総重量がｗc 〔ｋｇ／ｓ〕、総水
分がθ〔％〕の石炭が給炭器３から微粉炭粉砕設備１に
供給され、該微粉炭粉砕設備１に微粉炭の乾燥及び搬送
用の空気２１が流量ｗa 〔ｋｇ／ｓ〕、温度Ｔa 〔℃〕
で送風されているとする。このときに産出される微粉炭
の固気二相流の温度をＴo 〔℃〕とすれば、この状態に
おける固気二相流中の水蒸気は、Ｔo 〔℃〕における飽
和蒸気エンタルピｈ″(Ｔo )〔ｋｃａｌ／ｋｇ〕であっ
て、前述の供給される水分のエンタルピは、Ｔc 〔℃〕
における飽和水のエンタルピｈ′(Ｔc )〔ｋｃａｌ／ｋ
ｇ〕であるとみなしても大きな誤差は生じないから、系
が定常であると仮定すれば、エネルギバランス及びマス
バランスが代数式で記述できるので、次の式を得る。 【０００７】 【数１】 【０００８】ここに、空気及び石炭の比熱は、当該考察
の範囲では一定とみなしてよいので、それぞれＣc 〔ｋ
ｃａl／ｋｇ℃〕，Ｃa 〔ｋｃａl／ｋｇ℃〕として前出
の第（１）式を解けば、石炭中の水分量は次の第（２）
式で求められる。 【０００９】 【数２】【００１０】第（２）式中の変数Ｔo ，ｗc ，Ｔa ，ｗ
a ，Ｔc は、それぞれ前記した第２の温度検出器３１、
給炭量推定器３２、第１の温度検出器２９、流量検出器
２８、それに第３の温度検出器４８にて求められ、ま
た、ｈ″，ｈ′はその関数形を日本機械学会発行の蒸気
表より求められ、さらにＣa ，Ｃc は理科年表を参照す
れば値が得られるから、第（２）式より石炭中の水分量
θを容易に算出できる。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】前記した従来の水分量
算出法は、ボイラの運転条件が定常状態にある場合には
有効である。しかし、負荷変化を前提とするプラントに
おいては、給炭量ｗc 、空気量ｗa 、出口温度Ｔo 等の
諸量が時々刻々と変化し、何時間にわたってこれらの諸
量が一定値を維持するような運転方法はむしろ稀であ
る。したがって、従来技術による水分量算出法は、かか
るプラントに適用しても充分な効果が得られない。 【００１２】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであって、その目的は、定常状態のみならず非定常状
態における石炭中の水分量をも推定し、良好なボイラ運
転特性を維持できる制御装置を提供することにある。 【００１３】 【課題を解決するための手段】本発明は、前記の目的を
達成するため、微粉炭粉砕設備と、該微粉炭粉砕設備に
原料石炭を供給する給炭器と、前記微粉炭粉砕設備にて
産出された微粉炭を燃焼するボイラプラントとを有する
微粉炭ボイラに付設され、少なくとも前記微粉炭製造設
備の出口温度信号と、前記微粉炭粉砕設備に供給される
給炭量信号と、前記微粉炭製造設備の入口温度信号と、
前記微粉炭製造設備の入口空気流量信号と、前記微粉炭
ボイラの周囲温度信号とを入力して前記微粉炭製造設備
に供給される石炭中の水分量を算出し、前記給炭器並び
に前記ボイラプラントに導入される燃焼空気及び再循環
ガスの流量を制御する信号を出力する制御装置におい
て、前記微粉炭ボイラの動特性モデルに実機ボイラと同
一の各操作量を与えて、一定もしくは可変の周期ごとに
前記微粉炭製造設備に供給される石炭中の水分量を算出
し、各演算ごとにその算出値を記憶部に記憶し、前回の
算出値を参照して前記動特性モデルを記述する微分方程
式を解いて今回の算出値を求めるようにした。 【００１４】 【作用】動特性モデルとは、非定常状態を解析するため
の微分方程式で記述されるモデルであって、ある時点の
入力情報から直ちにその時点の一通りの解が得られる定
常状態の静特性モデルとは異なり、入力情報が同じであ
っても過去の履歴に依存して結果が異なることを特徴と
する。したがって、微粉炭ボイラの運転条件が時々刻々
と変化する場合にも、それに追従して現在時点の石炭中
の水分量を常時算出することができ、給炭器から微粉炭
製造設備への給炭量、ボイラプラントに導入される燃焼
空気の流量、それに再循環ガスの流量等を応答性良く制
御できる。なお、このような演算は、微分方程式を時間
についてディジタル化して計算機を用いて解くことを前
提とする限り、モデルを一定または可変の周期で実行
し、その際１周期前の諸計算結果を今回の計算に反映さ
せることにより実現できる。 【００１５】 【実施例】図１に、実施例に係る微粉炭ボイラ制御装置
の構成を示す。この図において、符号８１は石炭水分推
定器、符号８２は記憶器、ベクトルｘk ，ｕk は算出
値、ベクトルｘk-1 ，ｕk-1 は前回算出値を示し、その
他前出の図２と対応する部分には、それと同一の符号が
表示されている。 【００１６】次に、本発明の実施に必要な微粉炭ボイラ
の動特性モデルについて説明する。給炭器３から微粉炭
製造設備１に供給される原料石炭２の給炭量をｗc 〔ｋ
ｇ／ｓ〕、微粉炭製造設備１からの出炭量をｗo 〔ｋｇ
／ｓ〕、微粉炭製造設備１が保有する石炭の量をＷh
〔ｋｇ〕とすると、これらの間には次の関係がある。 【００１７】 【数３】 【００１８】出炭量Ｗo は、保有炭量Ｗh と比例関係に
あるので、比例定数ε〔１／ｓ〕を仮定して、 【００１９】 【数４】 【００２０】と考える。もちろん、上式は最も簡単な仮
定であって、例えば、発明者が発表した「キュムラント
統計量を用いた石炭粉砕機の動特性モデル」（平成３年
１２月１３日、計測自動制御学会中国支部学術講演会）
を用いれば、微粉炭粒度分布の変化が保有炭に及ぼす影
響をも考慮できる。 【００２１】次に、微粉炭製造設備１の出口管路３０を
構成する金属の温度をＴm 〔℃〕とすると、該金属は微
粉炭製造設備１から搬送される固気二相流から熱伝達率
αi〔ｋｃａｌ／ｍ2ｓ℃〕、伝熱面積Ａi 〔ｍ2〕で加
熱され、下式で表わされる熱量Ｑi 〔ｋｃａｌ／ｓ〕を
受ける。 【００２２】 【数５】【００２３】また該金属からは、周囲温度をＴc
〔℃〕、熱伝達率をαc 〔ｋｃａｌ／ｍ2℃〕、伝熱面
積をＡc としたとき、下式で表わされる熱量Ｑc 〔ｋｃ
ａｌ／ｓ〕の熱を周囲に拡散する。 【００２４】 【数６】 【００２５】したがって、該金属の質量Ｗm 〔ｋｇ〕、
比熱Ｃm 〔ｋｃａｌ／ｋｇ℃〕とすれば、次の熱収支が
成立する。 【００２６】 【数７】 【００２７】このとき、微粉炭製造設備１の内部の熱収
支は次の通りである。 【００２８】 【数８】 【００２９】尚、第（８）式の導出にあたっては、固気
二相流が均一であり、搬送空気２１は微粉炭製造設備１
内に蓄積されず、石炭中の水分は石炭に付随して移動
し、かつその割合ｘの変化は、天候及び石炭のロットに
依存するために、給炭量ｗc の変化に比して格段に変化
が遅いと仮定している。 【００３０】第（８）式の左辺は、前出の第（３）式及
び第（４）式を考慮すれば、次の通り変形できる。 【００３１】 【数９】 【００３２】これを第（８）式に適用すると下式を得
る。 【００３３】 【数１０】 【００３４】ここに、第（１０）式は、保有炭量Ｗｈの
影響を正しく評価しているが、表式上からは消去した形
式である。同様の処理は第（３）式及び第（４）式につ
いても可能で、このとき次式を得る。 【００３５】 【数１１】 【００３６】ここで、前出の第（５）式、第（６）式、
第（７）式を考慮すれば、本例の動特性モデルは次式に
帰着できる。 【００３７】 【数１２】 【００３８】 【数１３】 【００３９】 【数１４】 【００４０】以後は簡略化のため、第（１２）式の形式
で議論を進める。第（１２）式は、連続系のベクトル微
粉方程式であって、これを計算機で解く方法は種々ある
が、最も簡単なのは前進オイラー法である。これは、時
刻ｔk-1 において、ベクトルｘk-1 ＝ｘ（ｔk-1 ）、ベ
クトルｕk-1 ＝ｕ（ｔk-1 ）が既知であるとすれば、ｔ
k ＝ｔk-1 ＋Δｔ（Δｔ〔秒〕後）の状態は次式とな
る。なお、入力ｕ（ｔ）は計測できるから、考察の時点
以前は全て既知であるのに対し、ベクトルｘk-1，θk-1
は一般に全成分が計測できるとは限らないが、後述の
くり返し計算により当該仮定は正当化できる。 【００４１】 【数１５】 【００４２】第（１５）式は漸化式であり、前述したよ
うに、微粉炭製造設備１の定常時または停止時の、ベク
トルｘの各成分の把握が容易な時点の値を与えれば、以
後は第（１５）式を時間の経過と共にくり返し用いるこ
とにより、前述のベクトルｘk-1 は既知であるとの仮定
は正当化できる。第（１２）式を解く方法はこの他に
も、ルンゲ＝クッタ法、パディ近似法、後進オイラー
法、台形法等の種々の手段があるが、これらは複雑さと
引き換えに精度や数値計算の安定性を狙った位置づけに
あり、漸化式となる点では（１５）式と本質的に変わら
ない。 【００４３】ここで、ベクトルｘk の第１成分である微
粉炭製造設備１の固気二相流の温度Ｔo,k ＝Ｔo（ｔk）
が大きな計測ノイズなしで計測できたとする。このと
き、時点ｋにおいて、石炭の水分割合θk-1 は次のニュ
ートン＝ラプソン法により求められる。すなわち既知の
ベクトルｘk-1 ，ベクトルｕk-1 の下で、実測のＴo,k
が計算上の値Ｔo,k と一致するように未知パラメータθ
ｋを探索するのである。これは、 【００４４】 【数１６】 【００４５】とおき、 【００４６】 【数１７】【００４７】となるまで次式をくり返せばよい。 【００４８】 【数１８】 【００４９】ここに、第（１８）式の右辺第１項のスー
パースクリプト（ｌ）は、くり返し回数を表わし、収束
がｎ＋１回目に完了すれば、当該値をもって推定値とす
る。推定値は、 【００５０】 【数１９】 【００５１】で表せる。 【００５２】第（１８）式のくり返しの初期値は、 【００５３】 【数２０】 【００５４】とし、第（１８）式の右辺第２項の分子
は、次式の数値微分を用いれば良い。 【００５５】 【数２１】 【００５６】前述したように、以上の方法はＴo の計測
ノイズが大きい場合には良い結果が得られない。この場
合最も正統的な方法は、第（１２）式に未知パラメータ
θを含む拡張カルマン＝フィルターの理論を適用するこ
とである。ただし、この場合にあっても、モデルによる
計算値Ｔo が実測値Ｔo ＋Ｖ（Ｖ：観測ノイズ）に最も
近づく（最小２乗の意味）ことを規範としたθの推定で
あって、位置づけは第（１８）式の場合と変らない。当
該実測値と計測値が実測値と一致するよう変化させる趣
旨ではファジィ推論やニューラルネットの応用も考えら
れる。しかしいずれにせよ、動特性モデルで求めた予測
値が実測値と一致するよう未知パラメータを探索する点
では同一思想である。 【００５７】以下、図１の制御装置の動作について説明
する。 【００５８】本実施例の石炭水分推定器８１は、それぞ
れＴo,k ，ｗc,k ，Ｔa,k ，ｗa,k，Ｔc,k を、第２の
温度検出器３１にて検出された微粉炭製造設備１の出口
温度信号６１、給炭量推定器３２にて求められた給炭量
信号６２、第１の温度検出器２９にて求められた微粉炭
製造設備１の入口温度信号６３、流量検出器２８にて求
められた微粉炭製造設備１の入口空気流量信号６４、第
３の温度検出器４８にて求められた微粉炭製造設備１の
周囲温度信号６５として入力する。さらに、この石炭水
分推定器８１は、記憶器８２が記憶している前回の算出
値であるベクトルｘk-1 ，ｕk-1 をベクトル信号（複数
のスカラー信号を成分に持つ趣旨）として入力し、第
（１８）式の演算を前述した収束条件（第（１６）式）
を満足するまで繰り返す。当該収束が完了した段階で、
第（１６）式中のベクトルｘk （第（１５）式で算出さ
れる）は、実プラント内の挙動に合致した真値とみなさ
れ、信号６２，６３，６４，６５から求められたベクト
ルｕk （第（１３）式参照）と共に記憶器１３に送られ
記憶される。時間がさらにΔｔだけ経過した時点におい
ては、記憶器８２は前回入力した値をベクトルｘk-1 ，
ｕk-1 として再び石炭水分推定器８１に与える。以下同
様にして、時間Δｔごとに前記の演算及び記憶を繰り返
す。 【００５９】なお、前記実施例においては、信号６２，
６３，６４，６５を一旦記憶器８２に記憶した後、石炭
水分推定器８１にこれを読み出して使用しているが、信
号のサンプリングと石炭水分推定器８１の双方が計算機
上で処理される時刻には、１演算周期Δｔが経過する間
に若干の変動を生じるのが普通であるので、その程度に
よっては石炭水分推定器８１が入力した信号６２，６
３，６４，６５をベクトルｕk-1 とみなす方が良い場合
もある。この場合には、記憶器８２はベクトル信号ｕ
k ，ｕk-1 を取り扱う必要がないので、構成が少し簡略
になる。 【００６０】また、前記実施例においては、一定周期Δ
ｔごとに演算と記憶とを繰り返すが、微粉炭ボイラの運
転条件が定常状態あるいは定常状態とみなせる程度の非
定常状態にある場合には、給炭量Ｗc 、空気量Ｗa 、出
口温度Ｔo 等の諸量が時々刻々と変化する場合と同じ周
期でこれらの演算と記憶とを繰り返す必要はない。した
がって、微粉炭ボイラの運転条件等に応じて、演算及び
記憶の周期を可変とすることもできる。 【００６１】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
微粉炭製造設備が処理する石炭量ｗcや該粉炭製造設備
に導入される搬送空気流量ｗa 、それに微粉炭製造設備
の出口温度Ｔo 等が時々刻々変化する場合においても正
しく石炭中の水分割合θを算出することができるので、
より適格なボイラ操作が可能になる。
に係り、特に、燃焼中の水分の多少に拘らず良好なボイ
ラ運転特性を維持するための制御装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】図２に、従来より知られている微粉炭ボ
イラとその制御装置とを示す。本例の微粉炭ボイラは、
微粉炭製造設備１と、該微粉炭製造設備１に原料石炭２
を供給する給炭器３と、微粉炭製造設備１にて産出され
た微粉炭を燃焼する火炉４と、火炉４の炉壁を構成する
水壁５と、水壁５に給水する給水ポンプ６と、煙道７内
に配設され、給水ポンプ６の給水８を予熱する節炭器９
と、前記煙道７内に設けられた横置過熱器１０と、前記
火炉４の燃焼ガス１１にて過熱され、主蒸気１２を発生
する吊下過熱器１３と、排気１４の一部を前記火炉４内
に再循環させる再循環路１５とから主に構成されてい
る。 【０００３】前記微粉炭製造設備１には、搬送空気２１
の導入管２２が連通されており、該導入管２２内には、
搬送空気２１を圧送する搬送空気ファン２３と、搬送空
気２１の流量を規制する搬送空気ダンパ２４と、搬送空
気流量を測定するための絞り２７とが内装されている。
そして、該絞り２７には流量検出器２８が設定され、ま
た前記導入管２２の出口近傍には第１の温度検出器２９
が設定されている。また、該微粉炭製造設備１にて産出
された微粉炭を搬送空気２１と共に前記火炉４内に導く
管路３０には、第２の温度検出器３１が設定されてい
る。さらに、前記給炭器３には、原料石炭２の供給量を
推定する給炭量推定器３２が設定されている。前記火炉
４には、燃焼空気４１の導入管４２が連通されており、
該導入管４２内には、燃焼空気４１を圧送する燃焼空気
ファン４３と、燃焼空気４１の流量を規制する燃焼空気
ダンパ４４とが内装されている。前記再循環路１５内に
は、再循環ガス４５を圧送するガス再循環ファン４６
と、再循環ガス４５の流量を規制するガス再循環ダンパ
４７とが内装されている。 【０００４】一方、本例の制御装置は、燃焼中の水分の
多少に拘らず良好なボイラ運転特性を維持するための制
御装置であって、主として、石炭水分推定器５１と、補
正操作量算出器５２とから構成されている。石炭水分推
定器５１は、前記第２の温度検出器３１にて検出された
微粉炭製造設備１の出口温度信号６１と、前記給炭量推
定器３２にて求められた給炭量信号６２と、前記第１の
温度検出器２９にて求められた微粉炭製造設備１の入口
温度信号６３と、前記流量検出器２８にて求められた微
粉炭製造設備１の入口空気流量信号６４、それに第３の
温度検出器４８にて求められた微粉炭製造設備１の周囲
温度信号６５とを入力し、石炭水分量推定信号６６を出
力する。補正操作量算出器５２は、前記石炭水分量推定
信号６６を得て、前記給炭器３を制御する給炭器操作信
号７１と、前記燃焼空気導入管４２内に設けられた燃焼
空気ダンパ４４を制御するための燃焼空気操作信号７２
と、前記再循環路１２内に設けられたガス再循環ダンパ
４７を制御するためのガス再循環操作信号７３とを出力
する。 【０００５】微粉炭ボイラにおける燃料石炭中の水分量
は、単に燃料の低位発熱量、すなわち燃焼ガス中の水蒸
気が持ち去る熱量を除いたボイラが正味利用可能な発熱
量を低下させるのみならず、火炉４と燃焼ガス流路中の
過熱器１０，１３を有するボイラにあっては、両者の熱
吸収配分を変化させるため、適格に対処されなければな
らない。なお、低位発熱量の変化は単に燃料の増加によ
り補償できるが、熱吸収配分の変化は、水分による火炉
内燃焼温度変化や輻射伝熱係数の変化によりもたらされ
る現象であるため、燃焼空気４１の流量や再循環ガス４
５の流量を補正操作量算出器５２の算出値で操作して調
節しなければならないので複雑である。いずれにせよこ
れらの補償、調節には、石炭水分推定器５１により、燃
料中の水分量が正確に把握されなくてはならない。 【０００６】石炭水分推定器５１による燃料中の水分量
の算出は、微粉炭製造設備１が定常状態にある場合には
極めて容易に行なえる。即ち、周囲温度がＴc 〔℃〕の
環境下で、水分を含む総重量がｗc 〔ｋｇ／ｓ〕、総水
分がθ〔％〕の石炭が給炭器３から微粉炭粉砕設備１に
供給され、該微粉炭粉砕設備１に微粉炭の乾燥及び搬送
用の空気２１が流量ｗa 〔ｋｇ／ｓ〕、温度Ｔa 〔℃〕
で送風されているとする。このときに産出される微粉炭
の固気二相流の温度をＴo 〔℃〕とすれば、この状態に
おける固気二相流中の水蒸気は、Ｔo 〔℃〕における飽
和蒸気エンタルピｈ″(Ｔo )〔ｋｃａｌ／ｋｇ〕であっ
て、前述の供給される水分のエンタルピは、Ｔc 〔℃〕
における飽和水のエンタルピｈ′(Ｔc )〔ｋｃａｌ／ｋ
ｇ〕であるとみなしても大きな誤差は生じないから、系
が定常であると仮定すれば、エネルギバランス及びマス
バランスが代数式で記述できるので、次の式を得る。 【０００７】 【数１】 【０００８】ここに、空気及び石炭の比熱は、当該考察
の範囲では一定とみなしてよいので、それぞれＣc 〔ｋ
ｃａl／ｋｇ℃〕，Ｃa 〔ｋｃａl／ｋｇ℃〕として前出
の第（１）式を解けば、石炭中の水分量は次の第（２）
式で求められる。 【０００９】 【数２】【００１０】第（２）式中の変数Ｔo ，ｗc ，Ｔa ，ｗ
a ，Ｔc は、それぞれ前記した第２の温度検出器３１、
給炭量推定器３２、第１の温度検出器２９、流量検出器
２８、それに第３の温度検出器４８にて求められ、ま
た、ｈ″，ｈ′はその関数形を日本機械学会発行の蒸気
表より求められ、さらにＣa ，Ｃc は理科年表を参照す
れば値が得られるから、第（２）式より石炭中の水分量
θを容易に算出できる。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】前記した従来の水分量
算出法は、ボイラの運転条件が定常状態にある場合には
有効である。しかし、負荷変化を前提とするプラントに
おいては、給炭量ｗc 、空気量ｗa 、出口温度Ｔo 等の
諸量が時々刻々と変化し、何時間にわたってこれらの諸
量が一定値を維持するような運転方法はむしろ稀であ
る。したがって、従来技術による水分量算出法は、かか
るプラントに適用しても充分な効果が得られない。 【００１２】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであって、その目的は、定常状態のみならず非定常状
態における石炭中の水分量をも推定し、良好なボイラ運
転特性を維持できる制御装置を提供することにある。 【００１３】 【課題を解決するための手段】本発明は、前記の目的を
達成するため、微粉炭粉砕設備と、該微粉炭粉砕設備に
原料石炭を供給する給炭器と、前記微粉炭粉砕設備にて
産出された微粉炭を燃焼するボイラプラントとを有する
微粉炭ボイラに付設され、少なくとも前記微粉炭製造設
備の出口温度信号と、前記微粉炭粉砕設備に供給される
給炭量信号と、前記微粉炭製造設備の入口温度信号と、
前記微粉炭製造設備の入口空気流量信号と、前記微粉炭
ボイラの周囲温度信号とを入力して前記微粉炭製造設備
に供給される石炭中の水分量を算出し、前記給炭器並び
に前記ボイラプラントに導入される燃焼空気及び再循環
ガスの流量を制御する信号を出力する制御装置におい
て、前記微粉炭ボイラの動特性モデルに実機ボイラと同
一の各操作量を与えて、一定もしくは可変の周期ごとに
前記微粉炭製造設備に供給される石炭中の水分量を算出
し、各演算ごとにその算出値を記憶部に記憶し、前回の
算出値を参照して前記動特性モデルを記述する微分方程
式を解いて今回の算出値を求めるようにした。 【００１４】 【作用】動特性モデルとは、非定常状態を解析するため
の微分方程式で記述されるモデルであって、ある時点の
入力情報から直ちにその時点の一通りの解が得られる定
常状態の静特性モデルとは異なり、入力情報が同じであ
っても過去の履歴に依存して結果が異なることを特徴と
する。したがって、微粉炭ボイラの運転条件が時々刻々
と変化する場合にも、それに追従して現在時点の石炭中
の水分量を常時算出することができ、給炭器から微粉炭
製造設備への給炭量、ボイラプラントに導入される燃焼
空気の流量、それに再循環ガスの流量等を応答性良く制
御できる。なお、このような演算は、微分方程式を時間
についてディジタル化して計算機を用いて解くことを前
提とする限り、モデルを一定または可変の周期で実行
し、その際１周期前の諸計算結果を今回の計算に反映さ
せることにより実現できる。 【００１５】 【実施例】図１に、実施例に係る微粉炭ボイラ制御装置
の構成を示す。この図において、符号８１は石炭水分推
定器、符号８２は記憶器、ベクトルｘk ，ｕk は算出
値、ベクトルｘk-1 ，ｕk-1 は前回算出値を示し、その
他前出の図２と対応する部分には、それと同一の符号が
表示されている。 【００１６】次に、本発明の実施に必要な微粉炭ボイラ
の動特性モデルについて説明する。給炭器３から微粉炭
製造設備１に供給される原料石炭２の給炭量をｗc 〔ｋ
ｇ／ｓ〕、微粉炭製造設備１からの出炭量をｗo 〔ｋｇ
／ｓ〕、微粉炭製造設備１が保有する石炭の量をＷh
〔ｋｇ〕とすると、これらの間には次の関係がある。 【００１７】 【数３】 【００１８】出炭量Ｗo は、保有炭量Ｗh と比例関係に
あるので、比例定数ε〔１／ｓ〕を仮定して、 【００１９】 【数４】 【００２０】と考える。もちろん、上式は最も簡単な仮
定であって、例えば、発明者が発表した「キュムラント
統計量を用いた石炭粉砕機の動特性モデル」（平成３年
１２月１３日、計測自動制御学会中国支部学術講演会）
を用いれば、微粉炭粒度分布の変化が保有炭に及ぼす影
響をも考慮できる。 【００２１】次に、微粉炭製造設備１の出口管路３０を
構成する金属の温度をＴm 〔℃〕とすると、該金属は微
粉炭製造設備１から搬送される固気二相流から熱伝達率
αi〔ｋｃａｌ／ｍ2ｓ℃〕、伝熱面積Ａi 〔ｍ2〕で加
熱され、下式で表わされる熱量Ｑi 〔ｋｃａｌ／ｓ〕を
受ける。 【００２２】 【数５】【００２３】また該金属からは、周囲温度をＴc
〔℃〕、熱伝達率をαc 〔ｋｃａｌ／ｍ2℃〕、伝熱面
積をＡc としたとき、下式で表わされる熱量Ｑc 〔ｋｃ
ａｌ／ｓ〕の熱を周囲に拡散する。 【００２４】 【数６】 【００２５】したがって、該金属の質量Ｗm 〔ｋｇ〕、
比熱Ｃm 〔ｋｃａｌ／ｋｇ℃〕とすれば、次の熱収支が
成立する。 【００２６】 【数７】 【００２７】このとき、微粉炭製造設備１の内部の熱収
支は次の通りである。 【００２８】 【数８】 【００２９】尚、第（８）式の導出にあたっては、固気
二相流が均一であり、搬送空気２１は微粉炭製造設備１
内に蓄積されず、石炭中の水分は石炭に付随して移動
し、かつその割合ｘの変化は、天候及び石炭のロットに
依存するために、給炭量ｗc の変化に比して格段に変化
が遅いと仮定している。 【００３０】第（８）式の左辺は、前出の第（３）式及
び第（４）式を考慮すれば、次の通り変形できる。 【００３１】 【数９】 【００３２】これを第（８）式に適用すると下式を得
る。 【００３３】 【数１０】 【００３４】ここに、第（１０）式は、保有炭量Ｗｈの
影響を正しく評価しているが、表式上からは消去した形
式である。同様の処理は第（３）式及び第（４）式につ
いても可能で、このとき次式を得る。 【００３５】 【数１１】 【００３６】ここで、前出の第（５）式、第（６）式、
第（７）式を考慮すれば、本例の動特性モデルは次式に
帰着できる。 【００３７】 【数１２】 【００３８】 【数１３】 【００３９】 【数１４】 【００４０】以後は簡略化のため、第（１２）式の形式
で議論を進める。第（１２）式は、連続系のベクトル微
粉方程式であって、これを計算機で解く方法は種々ある
が、最も簡単なのは前進オイラー法である。これは、時
刻ｔk-1 において、ベクトルｘk-1 ＝ｘ（ｔk-1 ）、ベ
クトルｕk-1 ＝ｕ（ｔk-1 ）が既知であるとすれば、ｔ
k ＝ｔk-1 ＋Δｔ（Δｔ〔秒〕後）の状態は次式とな
る。なお、入力ｕ（ｔ）は計測できるから、考察の時点
以前は全て既知であるのに対し、ベクトルｘk-1，θk-1
は一般に全成分が計測できるとは限らないが、後述の
くり返し計算により当該仮定は正当化できる。 【００４１】 【数１５】 【００４２】第（１５）式は漸化式であり、前述したよ
うに、微粉炭製造設備１の定常時または停止時の、ベク
トルｘの各成分の把握が容易な時点の値を与えれば、以
後は第（１５）式を時間の経過と共にくり返し用いるこ
とにより、前述のベクトルｘk-1 は既知であるとの仮定
は正当化できる。第（１２）式を解く方法はこの他に
も、ルンゲ＝クッタ法、パディ近似法、後進オイラー
法、台形法等の種々の手段があるが、これらは複雑さと
引き換えに精度や数値計算の安定性を狙った位置づけに
あり、漸化式となる点では（１５）式と本質的に変わら
ない。 【００４３】ここで、ベクトルｘk の第１成分である微
粉炭製造設備１の固気二相流の温度Ｔo,k ＝Ｔo（ｔk）
が大きな計測ノイズなしで計測できたとする。このと
き、時点ｋにおいて、石炭の水分割合θk-1 は次のニュ
ートン＝ラプソン法により求められる。すなわち既知の
ベクトルｘk-1 ，ベクトルｕk-1 の下で、実測のＴo,k
が計算上の値Ｔo,k と一致するように未知パラメータθ
ｋを探索するのである。これは、 【００４４】 【数１６】 【００４５】とおき、 【００４６】 【数１７】【００４７】となるまで次式をくり返せばよい。 【００４８】 【数１８】 【００４９】ここに、第（１８）式の右辺第１項のスー
パースクリプト（ｌ）は、くり返し回数を表わし、収束
がｎ＋１回目に完了すれば、当該値をもって推定値とす
る。推定値は、 【００５０】 【数１９】 【００５１】で表せる。 【００５２】第（１８）式のくり返しの初期値は、 【００５３】 【数２０】 【００５４】とし、第（１８）式の右辺第２項の分子
は、次式の数値微分を用いれば良い。 【００５５】 【数２１】 【００５６】前述したように、以上の方法はＴo の計測
ノイズが大きい場合には良い結果が得られない。この場
合最も正統的な方法は、第（１２）式に未知パラメータ
θを含む拡張カルマン＝フィルターの理論を適用するこ
とである。ただし、この場合にあっても、モデルによる
計算値Ｔo が実測値Ｔo ＋Ｖ（Ｖ：観測ノイズ）に最も
近づく（最小２乗の意味）ことを規範としたθの推定で
あって、位置づけは第（１８）式の場合と変らない。当
該実測値と計測値が実測値と一致するよう変化させる趣
旨ではファジィ推論やニューラルネットの応用も考えら
れる。しかしいずれにせよ、動特性モデルで求めた予測
値が実測値と一致するよう未知パラメータを探索する点
では同一思想である。 【００５７】以下、図１の制御装置の動作について説明
する。 【００５８】本実施例の石炭水分推定器８１は、それぞ
れＴo,k ，ｗc,k ，Ｔa,k ，ｗa,k，Ｔc,k を、第２の
温度検出器３１にて検出された微粉炭製造設備１の出口
温度信号６１、給炭量推定器３２にて求められた給炭量
信号６２、第１の温度検出器２９にて求められた微粉炭
製造設備１の入口温度信号６３、流量検出器２８にて求
められた微粉炭製造設備１の入口空気流量信号６４、第
３の温度検出器４８にて求められた微粉炭製造設備１の
周囲温度信号６５として入力する。さらに、この石炭水
分推定器８１は、記憶器８２が記憶している前回の算出
値であるベクトルｘk-1 ，ｕk-1 をベクトル信号（複数
のスカラー信号を成分に持つ趣旨）として入力し、第
（１８）式の演算を前述した収束条件（第（１６）式）
を満足するまで繰り返す。当該収束が完了した段階で、
第（１６）式中のベクトルｘk （第（１５）式で算出さ
れる）は、実プラント内の挙動に合致した真値とみなさ
れ、信号６２，６３，６４，６５から求められたベクト
ルｕk （第（１３）式参照）と共に記憶器１３に送られ
記憶される。時間がさらにΔｔだけ経過した時点におい
ては、記憶器８２は前回入力した値をベクトルｘk-1 ，
ｕk-1 として再び石炭水分推定器８１に与える。以下同
様にして、時間Δｔごとに前記の演算及び記憶を繰り返
す。 【００５９】なお、前記実施例においては、信号６２，
６３，６４，６５を一旦記憶器８２に記憶した後、石炭
水分推定器８１にこれを読み出して使用しているが、信
号のサンプリングと石炭水分推定器８１の双方が計算機
上で処理される時刻には、１演算周期Δｔが経過する間
に若干の変動を生じるのが普通であるので、その程度に
よっては石炭水分推定器８１が入力した信号６２，６
３，６４，６５をベクトルｕk-1 とみなす方が良い場合
もある。この場合には、記憶器８２はベクトル信号ｕ
k ，ｕk-1 を取り扱う必要がないので、構成が少し簡略
になる。 【００６０】また、前記実施例においては、一定周期Δ
ｔごとに演算と記憶とを繰り返すが、微粉炭ボイラの運
転条件が定常状態あるいは定常状態とみなせる程度の非
定常状態にある場合には、給炭量Ｗc 、空気量Ｗa 、出
口温度Ｔo 等の諸量が時々刻々と変化する場合と同じ周
期でこれらの演算と記憶とを繰り返す必要はない。した
がって、微粉炭ボイラの運転条件等に応じて、演算及び
記憶の周期を可変とすることもできる。 【００６１】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
微粉炭製造設備が処理する石炭量ｗcや該粉炭製造設備
に導入される搬送空気流量ｗa 、それに微粉炭製造設備
の出口温度Ｔo 等が時々刻々変化する場合においても正
しく石炭中の水分割合θを算出することができるので、
より適格なボイラ操作が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例図である。
【図２】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１ 微粉炭粉砕設備
３ 給炭器
４ 火炉（ボイラプラント）
６１ 微粉炭製造設備の出口温度信号
６２ 微粉炭粉砕設備に供給される給炭量信号
６３ 微粉炭製造設備の入口温度信号
６４ 微粉炭製造設備の入口空気流量信号
６５ 微粉炭ボイラの周囲温度信号
７１ 給炭器操作信号
７２ 燃焼空気操作信号
７３ ガス再循環操作信号
８１ 石炭水分推定器
８２ 記憶器
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F23N 1/00
F23K 1/00
F23K 3/02
F22B 35/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 微粉炭粉砕設備と、該微粉炭粉砕設備に
原料石炭を供給する給炭器と、前記微粉炭粉砕設備にて
産出された微粉炭を燃焼するボイラプラントとを有する
微粉炭ボイラに付設され、少なくとも前記微粉炭製造設
備の出口温度信号と、前記微粉炭粉砕設備に供給される
給炭量信号と、前記微粉炭製造設備の入口温度信号と、
前記微粉炭製造設備の入口空気流量信号と、前記微粉炭
ボイラの周囲温度信号とを入力して前記微粉炭製造設備
に供給される石炭中の水分量を算出し、前記給炭器並び
に前記ボイラプラントに導入される燃焼空気及び再循環
ガスの流量を制御する信号を出力する制御装置におい
て、 前記微粉炭ボイラの動特性モデルに実機ボイラと同一の
各操作量を与えて一定もしくは可変の周期ごとに前記微
粉炭製造設備に供給される石炭中の水分量を算出し、各
演算ごとにその算出値を記憶部に記憶し、前回の算出値
を参照して前記動特性モデルを記述する微分方程式を解
いて今回の算出値を求めることを特徴とする微粉炭ボイ
ラの制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15034695A JP3481352B2 (ja) | 1995-06-16 | 1995-06-16 | 微粉炭ボイラの制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15034695A JP3481352B2 (ja) | 1995-06-16 | 1995-06-16 | 微粉炭ボイラの制御装置 |
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|---|---|
| JPH094839A JPH094839A (ja) | 1997-01-10 |
| JP3481352B2 true JP3481352B2 (ja) | 2003-12-22 |
Family
ID=15494990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15034695A Expired - Fee Related JP3481352B2 (ja) | 1995-06-16 | 1995-06-16 | 微粉炭ボイラの制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP3481352B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| CN103234219B (zh) * | 2013-04-24 | 2016-02-24 | 广东电网公司电力科学研究院 | 煤粉锅炉改变燃煤种类后的周界风量调整方法及系统 |
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1995
- 1995-06-16 JP JP15034695A patent/JP3481352B2/ja not_active Expired - Fee Related
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