JP3709263B2

JP3709263B2 - ボイラの制御方法およびボイラ

Info

Publication number: JP3709263B2
Application number: JP21196497A
Authority: JP
Inventors: 健二芝田; 真人上西
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1997-08-06
Filing date: 1997-08-06
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2017-08-06
Also published as: JPH1151306A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電用蒸気タービン等に蒸気を供給するためのボイラの制御方法およびボイラに係り、特に大きい負荷変化率に対応することができるボイラの制御方法およびボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラは発電用蒸気タービン等に蒸気を供給するための装置である。このようなボイラを図５，６により説明する。図５は代表的な貫流ボイラの主蒸気系の水・蒸気系統図、図６は従来の貫流ボイラの制御系統図の一部を示す図である。図５で、図示しない供給源から供給された水はバルブ１を経て節炭器２に入る。節炭器２で加温された水の一部は火炉入口連絡管３に、また残りはスプレ配管２２に流入する。なお、以下、火炉入口連絡管３に流入する水をボイラ水、また、スプレ配管２２に流入する水をスプレ水という。
【０００３】
ボイラ水は火炉水壁４で加熱される間に大部分が蒸気になり、蒸気と水（以下、火炉水壁出口水という。）が混在した流体は火炉出口連絡管５を経て気水分離器６に入る。そして、気水分離器６において蒸気と水に分離され、水は図示しない経路を通り、節炭器２の入口に戻る。また、蒸気は、一次過熱器入口連絡管７→一次過熱器８→一次減温器入口連絡管９→一次減温器１０→二次過熱器入口連絡管１１→二次過熱器１２→二次減温器入口連絡管１３→二次減温器１４→三次過熱器入口連絡管１５→三次過熱器１６→三次減温器入口連絡管１７→三次減温器１８→四次（最終）過熱器入口連絡管１９→四次（最終）過熱器２０→主蒸気管２１を経て図示しない高圧タービンに供給される。なお、蒸気は、上記経路における一次過熱器８、二次過熱器１２、三次過熱器１６および四次過熱器２０において加熱される。
【０００４】
また、スプレ水は、一次スプレ水量調節弁２３、二次スプレ水量調節弁２４、および三次スプレ水量調節弁２５によりそれぞれ流量を調整され、一次減温器１０、二次減温器１４および三次減温器１８の内部に配置された図示しないスプレにより霧状にされて蒸気に付加され、蒸気の温度を調節する。なお、スプレ水は常時ある一定量が各減温器の内部に供給されるように計画されており（コンスタントスプレともいう。）、通常、定格負荷において安定状態にある時のスプレ水量は、一次減温器１０と二次減温器１４と三次減温器１８の合計で主蒸気管２１を流れる蒸気（以下、主蒸気という。）の量の１０％程度である。また、一次減温器１０、二次減温器１４、三次減温器１８のスプレ水量は、主蒸気の量に対してそれぞれ４％、３％、３％の割合で配分され、この数値をスプレ配分という。
【０００５】
ところで、スプレ配分を大きくするとボイラとしての制御裕度を高くできる。しかし、以下の理由により上記のスプレ配分が選択されている。すなわち、ボイラ水とスプレ水の水量の和が一定であるとき、スプレ水の量を増せばボイラ水の量は減少する。この結果、燃焼条件、すなわち火炉の発熱量が同一という条件のもとでは、ボイラ水の量が少くなることにより火炉水壁４で発生する蒸気の量は減少し、蒸気の温度は上昇する。このため、一次過熱器入口連絡管７等の配管および一次過熱器８、一次減温器１０等の容器を構成する金属材料（以下、メタルという。）等は高温強度に優れた材料を採用しなければならない。しかし、高温強度に優れた金属材料は高価である。そこで、メタルの温度上昇値を所定の値以下に抑え、実用的な材料を使用できるようにしている。
【０００６】
また、制御性の点から、一次スプレ水量調節弁２３、二次スプレ水量調節弁２４および三次スプレ水量調節弁２５の仕様として定格負荷（１００％負荷）時のスプレ水量の２倍の水量を流すことができるものを採用している。すなわち、定格負荷において安定な運転状態にあるときの各スプレ水量調節弁の開度は略５０％である。ここで、ボイラに取り入れる水の量、すなわち、バルブ１を通る水量は負荷の大きさとほぼ線形の関係にある。そこで、中間負荷（定格負荷未満の負荷）における各スプレ水量調節弁の開度を定格負荷の場合と同一にすると、例えば５０％負荷において安定なときのスプレ水の量は定格負荷の約半分になり、制御裕度が定格負荷の時と同等になる。そこで、中間負荷におけるスプレ配分も定格負荷と同じ値に設定するようにしている。この結果、中間負荷においても、当該負荷で安定な状態の時のスプレ水の量の２倍の量まで流すことができる。
【０００７】
次に、図６により、一次スプレ水量調節弁２３、二次スプレ水量調節弁２４および三次スプレ水量調節弁２５のスプレ配分がそれぞれ４％、３％、３％であり、ボイラがほぼ安定状態にあるときの一次スプレ水量調節弁２３の制御手順について説明する。なお、貫流ボイラの場合、構造上伝熱面積あたりの保有水量がきわめて少なく、負荷変動によって大きい圧力変動が生じやすい。そこで、バルブ１、各スプレ水量調節弁および燃料供給量は自動制御されるように構成されている。また、制御装置Ｎには、予め知られている十分長い時間運転した時に収束する各過熱器の入口温度および出口温度の値が目標値として入力されている。
【０００８】
制御装置Ｎは、先ず二次過熱器１２の出口温度計３１の出力と、負荷の大きさを表すＭＷＤ信号（負荷要求信号、この場合は１００％）に基づいて関数で設定される二次過熱器１２の出口温度目標値設定器３２の出力とを比較する。そして、両者の差である偏差信号３３をＰＩＤ調節器３４で演算して二次過熱器補正信号３５とする。この二次過熱器補正信号３５を二次過熱器１２の入口温度計画値設定器３６の出力に加算し、二次過熱器入口温度設定信号３７とする。次に、二次過熱器入口温度設定信号３７と、一次減温器１０の出口温度計３８の出力を比較し、両者の差である偏差信号３９をＰＩＤ調節器４０で演算してスプレ水量補正信号４１とする。そして、このスプレ水量補正信号４１をＭＷＤ信号に基づいて関数器４２で設定されるスプレ水量設定信号４３に加算し、一次スプレ水量調節弁開度指令４４にして一次スプレ水量調節弁２３を調節する。なお、二次スプレ水量調節弁２４および三次スプレ水量調節弁２５も上記と同様の制御が行われる。この結果、蒸気の温度を一定に保つことができ、高圧タービンの出力を安定なものにできる。
【０００９】
次に、図７により負荷変化率３％／ｍｉｎで定格負荷から５０％負荷に移行させる場合について説明する。なお、スプレ配分は、上記の場合と同じである。先ず、制御装置Ｎに負荷変化率３％／ｍｉｎと、５０％負荷において収束する各過熱器の入口温度および出口温度を計画値（目標値）として入力する。すると、制御装置Ｎは先ず単位時間ごとの各過熱器の入口温度および出口温度を演算し、各部の温度が上記演算で求めた温度になるように、各スプレ水量調節弁の開度を調節する。図７はこの場合における主蒸気温度偏差、一次過熱器出口温度および三次スプレ弁の開度の時間の経過に伴う変化を示す図である。同図から明らかなように、主蒸気温度偏差はメタルの熱応力上の制限から設けられている主蒸気温度偏差許容値の＋８°Ｃよりも小さい＋３〜−１０°Ｃの範囲で変化しており、上記のスプレ配分で適切な運転がされたことが分かる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
近年の電力需要の特徴は、日中の時刻による電力消費量の落差が拡大していることであり、発電設備には従来に増して高効率な運用と、負荷変化により高速に対応することが要求されている。そこで、スプレ配分を上記と同じ値にしておき、負荷変化率８％／ｍｉｎで定格負荷から５０％負荷に移行させたところ、図８に示す結果になった。同図から明らかなように、主蒸気温度偏差は＋１３〜−２５°Ｃの範囲で変化し、主蒸気温度偏差許容値の＋８℃を上回った。また、三次スプレは全開（１００％）や全閉（０％）を生じた。各スプレ水量調節弁が全閉になると、各減温器の温度は上昇し、次にスプレ水が流れて急冷されることにより発生する熱応力によって、最悪の場合は破損する。したがって、このボイラは負荷変化率８％ｍｉｎで運転することはできず、効率の良い運用ができないことになる。なお、容量が大きいスプレを採用すれば、主蒸気温度の制御裕度を拡大することができる。しかし、大きな容量を有するスプレは高価であり、ボイラの価格上昇を招く。
【００１１】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、上記のボイラであっても大きい負荷変化率に対応することができるボイラの制御方法およびボイラを提供するにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明者は、ボイラの熱収支を検討した。いま、火炉水壁４や、各過熱器等の容器（以下、バンクという。）に入るガスの顕熱をＱ_GIN、バンクに入る蒸気の顕熱をＱ_LIN、バンクから出るガスの顕熱をＱ_GOUT、バンクから出る蒸気の顕熱をＱ_LOUT、バンクの熱容量をＣ_M、バンクの温度をＴ_Mとすると、バンクのヒートバランスは、式（１）で表される。
Ｑ_GIN＋Ｑ_LIN−Ｑ_GOUT−Ｑ_LOUT＝Ｃ_M・ｄＴ_M／ｄｔ ………（１）
また、伝熱速度から、蒸気温度をＴ_L、管内側総括伝熱係数をｈとすると、バンク温度Ｔ_Mは式（２）を満たす必要がある。
Ｑ_LOUT−Ｑ_LIN＝ｈ・（Ｔ_M−Ｔ_L） ………（２）
静定時、すなわちある負荷で十分長い時間ボイラを運転すると、上記式２の左辺および右辺のｈは一定値になる。また、蒸気温度Ｔ_Lも目標値になるから、バンク温度Ｔ_Mはおのずから所定の値になる。ここで、中間負荷においては、火炉水壁４、各過熱器および節炭器２のヒートフラックス（熱貫流率）が低下するから、各部の蒸気温度は定格負荷の時よりも低下する。そこで、定格負荷および５０％負荷における火炉水壁４の中間部、上部および一次過熱器８のバンクのメタル温度を測定したところ、図３に示す結果が得られた。同図から明らかなように、定格負荷と５０％負荷とでは、火炉水壁４の中間部で６０°Ｃ、上部で７０°Ｃ、一次過熱器８で６０°Ｃ程度の差があった。
【００１３】
ところで、負荷が変化する際、蒸気が接触する各部の配管および容器（以下、これらをまとめて蒸気通路という。）は、負荷が大きくなる時には蒸気の温度差に蒸気通路の熱容量を乗じた値の熱量を吸収し、負荷が小さくなる時には同じだけの熱量を蒸気側に放出する。この熱量は、そのまま負荷変化の際の遅れとなって現われる。すなわち、負荷変化率を８％／ｍｉｎにした時に主蒸気温度偏差が主蒸気温度偏差許容値を超えたのは、蒸気通路が吸収・放出する熱量が大きいためであると考えられる。したがって、ボイラを効率良く運用するためには蒸気通路が保有する熱量の影響を抑えればよい。
【００１４】
上記の目的を達成するため、第１の手段は、予め負荷に応じてボイラに取り入れる水の量と、主蒸気の量に対するスプレ水の比率であるスプレ配分とを定めておくボイラの制御方法において、中間負荷における前記スプレ配分を、火炉水壁出口水の流量が最小貫流流量を下回らない範囲で、定格負荷における前記スプレ配分よりも高くすることを特徴とする。
【００１５】
また、第２の手段は、予め負荷に応じてボイラに取り入れる水の量と、主蒸気の量に対するスプレ水の比率であるスプレ配分とを定めておくボイラの制御方法において、中間負荷における前記スプレ配分を、火炉水壁出口水の流量が最小貫流流量以上かつスプレ水の流量が当該流量を調節するスプレ水量調節弁を全開にするときの流量以内の範囲で、定格負荷における前記スプレ配分よりも高くすることを特徴とする。
【００１６】
さらに、第３の手段は、予め負荷に応じてボイラに取り入れる水の量と、主蒸気の量に対するスプレ水の比率であるスプレ配分とを制御装置に入力するようにしたボイラにおいて、記憶装置を設け、火炉水壁出口水の流量が最小貫流流量以上かつスプレ水の流量が当該流量を調節するスプレ水量調節弁を全開にするときの流量以内の範囲で、蒸気通路の温度を定格負荷における蒸気通路の温度に近付けることができる前記スプレ配分を中間負荷毎に予め求めて前記記憶装置に記憶させ、前記制御装置は入力された中間負荷から前記スプレ配分を前記記憶装置に記憶された当該中間負荷における前記スプレ配分にするように構成したことを特徴とする。
【００１７】
なお、ボイラの制御において、中間負荷は例えば制御目標値を４０％→６０％→８０％のごとく、スキップするように切り換えて制御され、従って中間負荷毎にスプレ配分を設定することは可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る貫流ボイラの制御系統図の一部で、一次スプレ水量調節弁２３の制御を説明するための図である。なお、図５，６と同じものあるいは機能が同じものは同一符号を付して説明を省略する。また、主蒸気系の水・蒸気系統図は上記図５と同じである。５０は記憶装置で、制御装置Ｎに接続されている。そして、記憶装置５０には、中間負荷の大きさ毎に予め求めた以下を満足するスプレ配分、すなわち、火炉水壁出口水の流量が最小貫流流量以上かつスプレ水の流量が当該流量を調節するスプレ水量調節弁を全開にするときの流量以内の範囲で、蒸気通路の温度を定格負荷における蒸気通路の温度に近付けることができるスプレ配分（例えば５０％負荷におけるスプレ配分は７％、３％、３％）が記憶されている。なお、定格負荷のスプレ配分は上記従来の場合と同様、４％、３％、３％が記憶されている。
【００１９】
以下、本実施の形態における動作を説明する。例えば、５０％負荷の場合、制御装置Ｎに負荷の値５０％を入力する。すると、制御装置Ｎはバルブ１の開度を設定すると共に、記憶装置５０を参照して一次スプレ水量調節弁２３、二次スプレ水量調節弁２４、および三次スプレ水量調節弁２５の開度を調整し、スプレ配分をそれぞれ７％、３％、３％にする。なお、以下の動作は上記従来技術と同一であるから説明を省略する。５０％負荷時は定格負荷時に比べてヒートフラックスが低下し、火炉水壁４、節炭器２、一次過熱器８、二次過熱器１２、三次過熱器１６、四次過熱器２０において、ボイラ水あるいは蒸気が受け取る熱量は小さい。しかし、定格負荷の時に比べてボイラ水の割合が約３％少ないため、火炉水壁４から一次過熱器８を流れる蒸気の流量が減少し、各部の温度は図２に示すものとなる。図から明らかなように、定格負荷および５０％負荷の温度差は火炉水壁４で中間部が２０°Ｃ、上部で１８°Ｃ、一次過熱器８で１８°Ｃ程度であり、従来よりもはるかに温度差が縮まっている。
【００２０】
次に、負荷変化率を８％／ｍｉｎで定格負荷から５０％負荷まで変化させる場合について説明する。先ず、制御装置Ｎに変化率８％／ｍｉｎと、５０％負荷時に収束する各過熱器の入口温度および出口温度を計画値（目標値）として入力する。すると、制御装置Ｎは記憶装置５０を参照して５０％負荷におけるスプレ配分である７％、３％、３％を記憶すると共に、単位時間ごとの各過熱器の入口温度、出口温度および一次スプレ水量調節弁２３の開度を演算する。そして、８％／ｍｉｎの割合でバルブ１を閉めると共に、各部の温度が上記演算で求めた温度になるように、各スプレ水量調節弁（この場合は、スプレ配分が４％から７％に移行する一次水量調節弁２３）の開度をスプレ配分に応じて調節する。そして、最終的なスプレ配分を７％、３％、３％にする。図４はこの時の各部の温度を示すものである。図から明らかなように、主蒸気温度偏差は＋７°Ｃ〜−１２°Ｃの範囲に入っており、主蒸気温度偏差許容値内である。また、三次スプレ水量調節弁２５の全開および全閉も発生していない。すなわち、５０％負荷における蒸気温度を、定格負荷における蒸気温度に近づけるようにして、蒸気通路の温度の変化幅を小さくした効果が明らかである。
【００２１】
本実施の形態では、記憶装置５０を設けたから、負荷変化率、例えば８％／ｍｉｎと目標とする中間負荷の値を入力するだけでスプレ配分が自動的に決定でき、操作が容易である。
【００２２】
なお、上記では、一次スプレ水の配分を大きくする場合について説明したが、二次スプレ水あるいは三次スプレ水のスプレ配分を高くしても良い。すなわち、中間負荷の大きさが小さくなるにつれて各部のヒートフラックスが小さくなり、各部の温度変化幅は大きくなる。そこで、中間負荷の大きさが小さく（例えば３０％）、火炉水壁４から二次過熱器８に至る蒸気通路の温度低下を抑えようとする時には一次スプレ水の代りに二次スプレ水のスプレ配分を大きくし、火炉水壁４から三次過熱器１６に至る蒸気通路の温度低下を抑えようとする時には一次スプレ水または二次スプレ水の代りに三次スプレ水のスプレ配分を大きくすればよい。また、一次スプレ水、二次スプレ水、三次スプレ水の総てあるいはいずれか２つのスプレ配分を大きくしてもよい。ただし、いずれの場合も、危険防止のため、火炉水壁出口水の流量が最小貫流流量を下回るほどスプレ配分を大きくしてはならない。また、スプレ配分はスプレ水量調節弁が全開のときの流量以内にする必要があることはいうまでもない。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、予め負荷に応じてボイラに取り入れる水の量と、主蒸気の量に対するスプレ水の比率であるスプレ配分とを定めておくボイラの制御方法において、中間負荷における前記スプレ配分を火炉水壁出口水の流量が最小貫流流量を下回らない範囲で定格負荷における前記スプレ配分よりも高くすることにより、蒸気通路の温度を蒸気通路の温度が最も高くなる定格負荷時の温度にできるだけ近付け、蒸気温度に対する蒸気通路に蓄えられた熱量の影響を抑える。この結果、大きい負荷変化率に対応することができ、例えば発電設備を高効率に運用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る貫流ボイラの制御系統図の一部を示す図である。
【図２】本発明における定格負荷時および５０％負荷時の各部の温度を示す図である。
【図３】従来の定格負荷時および５０％負荷時の各部の温度を示す図である。
【図４】本発明における定格負荷から５０％負荷まで負荷変化率８％／ｍｉｎで変化させた時の各部の状態を示す図である。
【図５】貫流ボイラの主蒸気系の水・蒸気系統図である。
【図６】従来の貫流ボイラの制御系統図の一部を示す図である。
【図７】従来の定格負荷から５０％負荷まで負荷変化率３％／ｍｉｎで変化させた時の各部の状態を示す図である。
【図８】従来の定格負荷から５０％負荷まで負荷変化率８％／ｍｉｎで負荷を変化させた時の各部の状態を示す図である。
【符号の説明】
４火炉水壁
８一次過熱器
１０一次減温器
１２二次過熱器
１４二次減温器
１６三次過熱器
１８三次減温器
２０四次過熱器
２２スプレ配管
２３一次スプレ水量調節弁
２４二次スプレ水量調節弁
２５三次スプレ水量調節弁
５０記憶装置

Claims

予め負荷に応じてボイラに取り入れる水の量と、主蒸気の量に対するスプレ水の比率であるスプレ配分とを定めておくボイラの制御方法において、中間負荷における前記スプレ配分を、火炉水壁出口水の流量が最小貫流流量を下回らない範囲で、定格負荷における前記スプレ配分よりも高くすることを特徴とするボイラの制御方法。
予め負荷に応じてボイラに取り入れる水の量と、主蒸気の量に対するスプレ水の比率であるスプレ配分とを定めておくボイラの制御方法において、中間負荷における前記スプレ配分を、火炉水壁出口水の流量が最小貫流流量以上かつスプレ水の流量が当該流量を調節するスプレ水量調節弁を全開にするときの流量以内の範囲で、定格負荷における前記スプレ配分よりも高くすることを特徴とするボイラの制御方法。
予め負荷に応じてボイラに取り入れる水の量と、主蒸気の量に対するスプレ水の比率であるスプレ配分とを制御装置に入力するようにしたボイラにおいて、記憶装置を設け、火炉水壁出口水の流量が最小貫流流量以上かつスプレ水の流量が当該流量を調節するスプレ水量調節弁を全開にするときの流量以内の範囲で、蒸気通路の温度を定格負荷における蒸気通路の温度に近付けることができる前記スプレ配分を中間負荷毎に予め求めて前記記憶装置に記憶させ、前記制御装置は入力された中間負荷から前記スプレ配分を前記記憶装置に記憶された当該中間負荷における前記スプレ配分にするように構成したことを特徴とするボイラ。