JP3941405B2 - ボイラ自動制御装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラ自動制御装置に係わり、特に、モータ動力としてインバータと商用周波数電源の両方を備え、切り替えによっていずれか一方の電源を用いる通風機を２系統有し、通風機を通る流体の流量を調節する流量調節操作端と通風機のモータ出力を制御するインバータ制御装置へのモータ出力制御指令により、ボイラ内の空気あるいは燃焼ガスの圧力を規定値に制御するボイラ自動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、火力発電プラント用の通風機の動力としては商用周波数電源が用いられ、通風機のモータ出力（回転数）は通常運転状態では一定である。したがって、ボイラ自動制御装置においては通風機を通過する流体（空気あるいは燃焼ガス）の流量を調節する操作端を制御することにより、ボイラの火炉内圧力等の制御を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、火力発電プラント用の大容量通風機にインバータ（周波数変換装置）を適用した場合について考慮されておらず、この場合の空気あるいは燃焼ガスの圧力制御とモータ出力制御方法が確立されていないという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、通風機にインバータを適用した火力発電プラントに適した空気あるいは燃焼ガスの圧力制御とモータ出力制御を行うのに好適なボイラ自動制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、モータ動力としてインバータと商用周波数電源の両方を備え、切り替えによっていずれか一方の電源を用いる通風機を２系統有し、前記通風機を通る流体の流量を調節する流量調節操作端への制御指令と前記通風機のモータ出力を制御するインバータ制御装置へのモータ出力制御指令により、火炉に空気を押込む押込通風機あるいは火炉から燃焼ガスを誘引する誘引送風機を、空気あるいは燃焼ガス圧力制御に関わるボイラ内の機器として制御するボイラ自動制御装置において、制御対象である空気あるいは燃焼ガスの圧力の制御について、制御演算回路の演算結果に基づき前記流量調節操作端への制御指令を作成すると共に前記モータ出力制御指令を作成する手段を有し、前記インバータと前記商用周波数電源の一方から他方へータ動力が切り替えられる際に、前記モータ動力として供給される動力が一時的に遮断されることに起因する自然減速にそって、前記流量調節操作端の開度を徐々に開いていく方向に制御されることによって、解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
【０００７】
図２は、本発明を適用する火力発電プラントと制御装置の構成を示す。火力発電プラントは、燃料を燃焼させ熱交換により蒸気を発生させる火炉１と、火炉１に燃焼用の空気を送風する押込通風機２（以下「ＦＤＦ」と略す。）と、火炉１から燃焼ガスを吸い出す誘引通風機３（以下「ＩＤＦ」と略す。）と、ＩＤＦ３の動力であるＩＤＦモータ４と、ＩＤＦ３が吸い出すガス量を調節するＩＤＦ入口ダンパ５と、煙突６と、火炉１内の圧力を検出する火炉圧力検出器７から構成される。また、ＩＤＦモータ４の電源は、主電源１１と、遮断器１２と、インバータ８及びインバータ電源用の遮断器１３及び遮断器１４と、商用周波数電源用の遮断器１５から構成される。
【０００８】
ここで、ＦＤＦ２、ＩＤＦ３、ＩＤＦモータ４、ＩＤＦ入口ダンパ５、インバータ８、遮断器１２、遮断器１３、遮断器１４、遮断器１５はそれぞれ２台ずつあり各々独立した系統を構成している（以下、それぞれの系統をＡ系及びＢ系と称する。）。
【０００９】
また、制御装置は、ボイラのプロセス量の総合的な制御を行うボイラ自動制御装置９と、インバータ８の出力制御を行うインバータ制御装置１０から構成される。尚、本実施形態では火力発電プラントの誘引通風機にインバータを適用した場合について説明するが、押込通風機や一次通風機（微粉炭搬送用空気を送風する装置）など、空気あるいは燃焼ガス圧力制御に関わる他の機器に適用した場合でも、本発明によるボイラ自動制御装置は適用可能である。
【００１０】
次に、図２に示した各要素の機能について説明する。
【００１１】
ＦＤＦ２から送られた空気は、火炉１で燃焼に用いられ燃焼ガスとなりＩＤＦ３により吸い出されて煙突６より排出される。ここで火炉１内の火炉圧力は、ボイラ保安上あるいは性能上の理由により規定値に制御されなければならない。この火炉圧力を制御するためにＩＤＦ３により吸い出されるガス量を調節する操作端がＩＤＦ入口ダンパ５である。
【００１２】
ボイラ自動制御装置９は、火炉圧力検出器７からの火炉圧力信号１６及びボイラ自動制御装置９に内蔵される制御演算回路の演算結果に基づきＩＤＦ入口ダンパ開度指令１７を出力しＩＤＦ入口ダンパ５を駆動して火炉圧力の制御を行う。さらに、ボイラ自動制御装置９は制御演算回路の演算結果に基づきＩＤＦ回転数指令１８を出力する。
【００１３】
ボイラ自動制御装置９は、上記の他にも発電機出力や蒸気温度・圧力などの制御も行う装置であるが、ここでは本発明に関連する機能のみ説明する。
【００１４】
インバータ制御装置１０は、ボイラ自動制御装置９からのＩＤＦ回転数指令１８に基づきインバータ出力指令１９を出力しインバータ８を制御して、ＩＤＦモータ４の回転数（周波数）がボイラ自動制御装置９からのＩＤＦ回転数指令１８と同じになるように制御する。
【００１５】
ＩＤＦモータ４の駆動電源は、交流商用周波数の主電源１１から遮断器１２を介し、遮断器１３、インバータ８、遮断器１４を介して供給される。但し、インバータ８やインバータ制御装置１０の故障等によりインバータ電源が使用不能となった場合には、遮断器１３及び遮断器１４を引き外して遮断器１５を投入し、電源供給ラインをインバータ側から商用周波数電源側へと切り替えるバックアップ機能を持つ。
【００１６】
次に、図１によりボイラ自動制御装置９の詳細制御機能を説明する。
【００１７】
通常のプラント運転時（Ａ系及びＢ系共にＩＤＦがインバータにより運転されており、かつ、ＩＤＦ入口ダンパおよびＩＤＦ回転数制御系が自動制御されている状態）においては、火炉圧力検出器７から入力される火炉圧力信号１６と火炉圧力の設定値から減算器９０１により火炉圧力偏差信号９５１を算出し、火炉圧力偏差信号９５１を比例積分演算器９０２により比例積分演算を行って火炉圧力制御信号９５２を作成する。
【００１８】
火炉圧力制御信号はＡ系及びＢ系の制御に用いられるが、下流の制御回路はＡ系及びＢ系とも同様であるため、図１ではＡ系の制御回路のみ図示している。火炉圧力制御信号９５２は信号切替器９０６を通った後、加算器９０７によりＩＤＦ入口ダンパ開度補正信号９５４を加えられて最終的なＩＤＦ入口ダンパ開度指令１７となり、このＩＤＦ入口ダンパ開度指令１７によりＩＤＦ入口ダンパ５が動作する。
【００１９】
一方、ボイラ入力指令（発電量に応じてボイラに投入する給水・燃料・空気量を規定する指令信号のことであり、以下「ＢＩＤ」と略す。）９５５に基づき関数発生器９１５により設定されたＩＤＦ回転数プログラム９５６は信号切替器９１７及び変化率制限器９１８を通った後、ＩＤＦ回転数指令１８としてインバータ制御装置１０に出力され、インバータ制御装置１０により制御演算が行われた後インバータ出力指令１９としてインバータ８の出力を制御し、ＩＤＦモータ４の回転数をボイラ自動制御装置からのＩＤＦ回転数指令１８の値に制御する。
【００２０】
以上のように、応答の速い火炉圧力制御をＩＤＦ入口ダンパにより行い、ＩＤＦ回転数制御はプログラム制御とすることにより、火炉圧力制御とＩＤＦ回転数制御の協調をとることができる。
【００２１】
ここで、ＩＤＦ入口ダンパ開度補正信号９５４について説明する。ＩＤＦ入口ダンパ開度補正信号９５４は、インバータ運転時のＩＤＦ入口ダンパ開度を設定された運用開度域に保つようにするためのものであり、ＢＩＤ９５５に基づき関数発生器９０８により設定されたＩＤＦ入口ダンパ開度補正プログラム９５７は信号切替器９１０、加算器９１１、信号切替器９１３及び変化率制限器９１４を通った後、加算器９０７により火炉圧力制御信号と加算されて最終的なＩＤＦ入口ダンパ開度指令１７となる。
【００２２】
加算器９１１で加算される開バイアス信号９５８は、インバータ８やインバータ制御装置１０の故障等によりインバータ電源が使用不能となった場合に遮断器１３及び遮断器１４を引き外して遮断器１５を投入し電源供給ラインをインバータ側から商用周波数電源側へと切り替えるが、遮断器１３及び遮断器１４を引き外して遮断器１５を投入する間はＩＤＦモータ４は自然減速となるので、この間の火炉圧力上昇を抑制するためにＩＤＦ入口ダンパ５を先行的に開させるためのものである。
【００２３】
逆に商用周波数電源側からインバータ側へと切り替える場合も同様である。開バイアス信号９５８は、上記の間は信号切替器９１２によりα％側が選択され、上記の間以外は０％側が選択される。
【００２４】
また、インバータ不使用時すなわち商用周波数電源によりＩＤＦモータ４を駆動している場合は、ＩＤＦ入口ダンパ開度補正信号９５４は不要であるため信号切替器９１３により０％側が選択される。
【００２５】
以上のように、ＩＤＦ入口ダンパ開度補正回路により、インバータ運転に適したＩＤＦ入口ダンパ開度で運用することができる。
【００２６】
プラント運転状況によってはＡ系あるいはＢ系のみを運転する状況、いわゆる通風系片系運転を行うことがある。この場合、ＢＩＤ９５５に基づき設定されるＩＤＦ回転数プログラムは通常のＡ系及びＢ系の両系運転時とは異なるものとする必要があるため、運転している側では、信号切替器９１７によりＢＩＤ９５５に基づき関数発生器９１６により設定された片系運転時ＩＤＦ回転数プログラム９５９が選択され、また、信号切替器９１０によりＢＩＤ９５５に基づき関数発生器９０９により設定された片系運転時ＩＤＦ入口ダンパ開度補正プログラム９６０が選択される。
【００２７】
以上のように、通風系片系運転用の制御回路を設けることにより、通風系片系運転の場合にも最適なＩＤＦ入口ダンパ及びＩＤＦ回転数制御を行うことができる。
【００２８】
Ａ系及びＢ系の２系統のＩＤＦのうち、一方がインバータによる運転、もう一方が商用周波数電源による運転の状態になった場合、火炉圧力制御のループゲインすなわちＩＤＦ入口ダンパ制御のループゲインはＡ系とＢ系とで異なる。
【００２９】
一方、火炉圧力信号及び火炉圧力制御の比例積分器はＡ系及びＢ系で共通であり、制御ループゲインの違いによる自動制御の不安定要因を除去するため、上記運転状態の場合は商用周波数電源により運転している系では、信号切替器９０６により信号切替器９０６自身の出力信号９５３側が選択される。すなわち、比例積分演算器９０２の出力である火炉圧力制御信号９５２はインバータ運転側でのみ有効となる。
【００３０】
以上のように、Ａ系及びＢ系の２系統のＩＤＦのうち、一方がインバータによる運転、もう一方が商用周波数電源による運転の状態になった場合においても、安定した火炉圧力制御を行うことができる。
【００３１】
また、比例積分演算器９０２のパラメータである制御ゲインは、信号切替器９０５により、Ａ系及びＢ系共に商用周波数電源による運転の場合あるいは一方が商用周波数電源による運転でもう一方が停止している状態の場合は信号発生器９０３の出力信号側が選択され、Ａ系及びＢ系共にインバータによる運転の場合あるいは一方がインバータによる運転でもう一方が停止している状態の場合はＢＩＤ９５５に基づき関数発生器９０４により設定された信号側が選択される。加えて、一方がインバータによる運転、もう一方が商用周波数電源による運転の状態の場合にも関数発生器９０４により設定された信号側が選択される。
【００３２】
以上のように、Ａ系及びＢ系の２系統のＩＤＦが、各々インバータによる運転あるいは商用周波数電源による運転のいずれの状態であっても安定した火炉圧力制御を行うことができる。
【００３３】
ここで、インバータ８やインバータ制御装置１０の故障等によりインバータ電源が使用不能となった場合に、遮断器１３及び遮断器１４を引き外して遮断器１５を投入し電源供給ラインをインバータ側から商用周波数電源側へと切り替える際のＩＤＦ入口ダンパ開度指令１７及びＩＤＦ回転数指令１８の動作について図３により説明する。
【００３４】
図３はＡ系及びＢ系共インバータ運転の状態から、Ａ系側がインバータ運転から商用周波数電源に切り替わる場合の例である。切り替え前の通常状態では、ＩＤＦ入口ダンパ開度指令１７は火炉圧力制御信号９５２とＩＤＦ入口ダンパ開度補正プログラム９５７を加算した信号である。Ａ系の遮断器１３及び遮断器１４が引き外されるとＡ系のＩＤＦモータ４は動力電源がなくなるため自然減速となる。
【００３５】
次にＡ系の遮断器１５が投入されるまでの間、ＩＤＦ入口ダンパ開度指令１７には開バイアス信号９５８が加算される。Ａ系の遮断器１５が投入され商用周波数電源による運転に切り替わった後は、ＩＤＦ入口ダンパ開度補正信号９５４は０％に向かって減少し、ＩＤＦ入口ダンパ開度指令１７は信号切替器９０６により保持されている信号９５３となる。尚、商用周波数電源による運転からインバータによる運転への切り替えの場合にも同様の制御動作が行われる。
【００３６】
以上のように、ＩＤＦの運転をインバータから商用周波数電源に、あるいはその逆に切り替えた際にもＩＤＦ回転数の変化に応じてＩＤＦ入口ダンパが適切に動作するので、火炉圧力の変動を最小限に抑制することができる。
【００３７】
以上述べたように、本実施形態では、火炉圧力制御をＩＤＦ入口ダンパにより行いＩＤＦ回転数制御はプログラム制御とする回路と、ＩＤＦ入口ダンパ開度補正回路と、通風系片系運転用の制御回路と、ＩＤＦがインバータ運転かあるいは商用周波数電源による運転かによる制御切り替え回路と、ＩＤＦの運転状態をインバータから商用周波数電源にあるいは商用周波数電源からインバータに切り替える際の制御指令補正回路を設けることにより、ＩＤＦにインバータを適用した火力発電プラントの火炉圧力とＩＤＦ回転数を最適に制御することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、以下のように通風機にインバータを適用した火力発電プラントに適した空気あるいは燃焼ガスの圧力制御とモータ出力制御を行うことができる。
【００３９】
制御対象である空気あるいは燃焼ガスの圧力の制御偏差による比例積分演算に基づいて流量調節操作端への制御指令を作成し、ボイラ負荷に応じたプログラムによりモータ出力制御指令を作成することにより、応答の速い圧力制御と応答の遅いモータ出力制御の協調をとることができる。
【００４０】
流量調節操作端への制御指令にボイラ負荷に応じたプログラムによるバイアスを加算することにより、インバータ運転による省エネ効果を発揮するのに適した流量調節操作端開度で運用することができる。
流量調節操作端への制御指令に通風機のモータ電源切り替え時はバイアスを加算することにより、電源切り替えの間の圧力変動を抑制することができる。
【００４１】
２系統の通風機のうち１系統のみの運転となった場合は流量調節操作端への制御指令に加算するボイラ負荷に応じたプログラム及びモータ出力制御指令を作成するボイラ負荷に応じたプログラムを切り替えることにより、片系運転の場合にも最適な流量調節操作端開度及びモータ出力に制御できる。
【００４２】
２系統の通風機のうち１系統がインバータ、残り１系統が商用周波数電源による運転となった場合は商用周波数電源による運転側の流量調節操作端への制御指令を作成する比例積分演算結果を保持することにより、一方がインバータによる運転、もう一方が商用周波数電源による運転の状態になった場合においても安定した圧力制御を行うことができる。
【００４３】
流量調節操作端への制御指令を作成する比例積分演算のパラメータを通風機のモータ電源がインバータか商用周波数電源かにより切り替えることにより、２系統の通風機が、各々インバータによる運転あるいは商用周波数電源による運転のいずれの状態であっても安定した圧力制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるボイラ自動制御装置の制御機能ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における火力発電プラントと制御装置の構成図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるインバータから商用周波数電源への電源切り替え時のボイラ自動制御装置の制御動作説明図である。
【符号の説明】
１．火炉
２．押込通風機（ＦＤＦ）
３．誘引通風機（ＩＤＦ）
４．ＩＤＦモータ
５．ＩＤＦ入口ダンパ
７．火炉圧力検出器
８．インバータ
９．ボイラ自動制御装置
１０．インバータ制御装置
１１．主電源
１６．火炉圧力信号
１７．ＩＤＦ入口ダンパ開度指令
１８．ＩＤＦ回転数指令
１９．インバータ出力指令

Claims (4)

1. モータ動力としてインバータと商用周波数電源の両方を備え、切り替えによっていずれか一方の電源を用いる通風機を２系統有し、前記通風機を通る流体の流量を調節する流量調節操作端への制御指令と前記通風機のモータ出力を制御するインバータ制御装置へのモータ出力制御指令により、火炉に空気を押込む押込通風機あるいは火炉から燃焼ガスを誘引する誘引送風機を、空気あるいは燃焼ガス圧力制御に関わるボイラ内の機器として制御するボイラ自動制御装置において、
   制御対象である空気あるいは燃焼ガスの圧力の制御について、制御演算回路によって、空気あるいは燃焼ガスの圧力を示す信号と設定信号とから算出した偏差信号について比例積分し、演算して生成した制御信号にボイラ負荷から算出した流量調節操作端開度補正信号を加算する演算結果に基づき前記流量調節操作端への制御指令を作成すると共に、前記ボイラ負荷から算出した前記モータ出力制御指令を作成する手段を有し、該出力制御指令を作成する手段は、前記インバータから前記商用周波数電源へモータ動力が切り替えられる際に、前記流量調節操作端への前記制御指令を、前記流量調節操作端開度補正信号に前記モータの自然減速開始時に、この自然減速開始に先行して、開バイアス信号を加算して生成した流量調整操作端開度補正信号を前記制御信号に加算することによって生成して、前記モータ動力として供給される動力が一時的に遮断されることに起因する自然減速にそって、前記流量調節操作端の開度を徐々に開いていく方向に制御され、商用周波数電源に切り替えた後のモータ回転数の変化に応じて、前記開バイアス信号が加算されて生成された流量調節操作端開度補正信号を零に近づけるよう制御することで前記流量調節操作端の開度が徐々に閉じていく方向に制御される、ことを特徴とするボイラ自動制御装置。
2. 請求項１において、前記２系統のうち１系統がインバータ、残り１系統が商用周波数電源による運転となった場合は商用周波数電源による運転側の系統については、前記流量調節操作端への制御指令を作成する比例積分演算結果を保持することを特徴とするボイラ自動制御装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記流量調節操作端への制御指令を作成する比例積分演算のパラメータである制御ゲインはモータ動力をインバータか商用周波数電源かにより切り替えることを特徴とするボイラ自動制御装置。
4. モータ動力としてインバータと商用周波数電源の両方を備え、切り替えによっていずれか一方の電源を用いる通風機を２系統有し、前記通風機を通る流体の流量を調節する流量調節操作端への制御指令と前記通風機のモータ出力を制御するインバータ制御装置へのモータ出力制御指令により、火炉に空気を押込む押込通風機あるいは火炉から燃焼ガスを誘引する誘引送風機を、空気あるいは燃焼ガス圧力制御に関わるボイラ内の機器として制御するボイラ自動制御装置によるボイラ自動制御方法において、
   制御対象である空気あるいは燃焼ガスの圧力の制御について、制御演算回路によって、空気あるいは燃焼ガスの圧力を示す信号と設定信号とから算出した偏差信号について比例積分し、演算して生成した制御信号にボイラ負荷から算出した流量調節操作端開度補正信号を加算する演算結果に基づき前記流量調節操作端への制御指令を作成すると共に、前記ボイラ負荷から算出した前記モータ出力制御指令を作成する手段によって、前記インバータから前記商用周波数電源へモータ動力が切り替えられる際に、前記流量調節操作端への前記制御指令を、前記流量調節操作端開度補正信号に前記モータの自然減速開始時に、この自然減速開始に先行して、開バイアス信号を加算して生成した流量調節操作端開度補正信号を前記制御信号に加算することによって生成して、前記モータ動力として供給される動力を一時的に遮断されることに起因する自然減速にそって、前記流量調節操作端の開度を徐々に開いていく方向に制御し、商用周波数電源に切り替えた後のモータ回転数の変化に応じて、前記開バイアス信号が加算されて生成された流量調節操作端開度補正信号を零 に近づけるよう制御することで前記流量調節操作端の開度が徐々に閉じていく方向に制御する、ことを特徴とするボイラ自動制御方法。

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