JP4453858B2 - 貫流ボイラの蒸気温度制御方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に主蒸気温度の安定性を高めるのに好適な貫流ボイラの蒸気温度制御方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の貫流ボイラの過熱蒸気温度制御機構図を図２に示す。蒸発器（火炉伝熱壁も含む）１と上流過熱器群２と最終過熱器５が順次配置された貫流ボイラの主幹系統において、上流過熱器群２と最終過熱器５の間に最終過熱低減器４が配置され、最終過熱器５の下流側には過熱低減器は設けられておらず、前記最終過熱低減器４で温度調節された蒸気がボイラ蒸気供給先装置（蒸気タービン等）７の蒸気の需要先の装置が設けられている。
【０００３】
従来の貫流ボイラの過熱蒸気温度制御は、最終過熱器出口蒸気温度計６の測定値とボイラ負荷指令５１に基づく関数発生器５２の出力値を減算器５３で減算して比例積分調節器５４で調節する積分動作を伴ったフィードバック制御により、燃料流量調節操作端３１を調節してバーナ３２での燃料の燃焼量を制御していた。
【０００４】
また、貫流ボイラ配管の主幹系統（水および蒸気系統）の蒸発器１と上流過熱器群２とを迂回して最終過熱低減器４に給水の一部を補水してスプレーノズルからスプレー水として供給する最終過熱低減器スプレー水配管８を設け、該スプレー水の流量調節操作端９の増減によりスプレー水流量を調節する構成としている。前記流量調節操作端９によるスプレー水流量の調節は最終過熱器出口蒸気温度計６の測定値を用いてボイラ負荷指令５１に基づく関数発生器５５の出力値を減算器５６で減算して比例積分調節器５７で調節する積分動作を伴ったフィードバック制御により行っている。
【０００５】
上記従来の技術では、最終過熱器出口蒸気温度（主蒸気温度）の変動を、まず蒸気中に直接スプレー水をスプレーすることから即効性の高い最終過熱低減器スプレー水の制御ループにより修正し、長期的には最終過熱器出口蒸気温度のバランス値を決める燃料流量制御ループにより、規定値に制御する考え方である。
【０００６】
すなわち、最終過熱器出口蒸気温度は、下流側の蒸気タービン等、蒸気の需要先が要求する温度範囲に調節されなければならないが、それには即効性のあるスプレー水が効果的である。しかしながら、上流側からの蒸気温度変動の要因が取り除かれたものではないため、何らかの調節が必要である。
【０００７】
具体的には、スプレー水を蒸発器１への給水の一部を抽水しているため、抽水を増やした場合には蒸発器１への給水が減少し、このためボイラの火炉内での燃料の燃焼によって発生した燃焼ガスと、その排ガスが流れる煙道部に配置された蒸発器１における熱吸収量が減少し、煙道部の上流側に配設された過熱器群２における熱吸収量が増大するため、最終過熱器出口蒸気温度は時間とともにスプレー水で調節する前の温度に戻ることになる。スプレー水を減少させた場合は、この逆である。
【０００８】
しかし、変化幅の大きい負荷変化などの主蒸気温度のバランスを崩す要因が継続的に作用し続ける場合は、主蒸気温度に即応性の高い過熱低減器スプレー水の制御ループに存在する積分調節器５７がこれを吸収し続け、その間見かけの主蒸気温度が変動しないため、最終的な主蒸気温度のバランスを決める燃料流量の修正は行われない。そして、スプレー水がゼロ（スプレー水を減少させた場合）、または、容量限度に到達した直後に積分調節器５７による吸収が行われなくなるため、主蒸気温度の急激な低下または上昇が起こり、その時点からは燃料流量の修正が行われるが、効き始めるのが遅いために手遅れとなり、主蒸気温度の大幅な低下または上昇を引き起こし、蒸気を需要する側の要求範囲外となり、重大事故を生じることにもつながる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の技術は、同じプロセス値である主蒸気温度から最終過熱低減器スプレー水制御ループと燃料流量制御ループという異なる２つの積分動作を伴うフィードバック制御ループを構成したことにより、変化幅の大きい負荷変化などが作用し続けると主蒸気温度の大幅な低下または上昇を引き起こすという問題があった。
【００１０】
本発明の課題は、最終過熱低減器スプレー水制御ループと燃料流量制御ループの変化幅の大きい負荷変化でも主蒸気温度を安定に制御する貫流ボイラの蒸気温度制御方法と制御装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した従来の技術の課題を解決するため、本発明は上記２つの制御ループがそれぞれ別のプロセス値を制御するような構成にした。すなわち、最終過熱器低減器スプレー水制御ループは最終過熱器出口蒸気温度（主蒸気温度）を制御し、燃料流量制御ループは最終過熱低減器の直前流側温度を制御する構成にした。
【００１２】
すなわち、本発明は次の（１）、（２）の構成からなる。
（１）複数の過熱器からなる上流過熱器群を直列配置し、該上流過熱器群の下流側に最終過熱器を配置し、該最終過熱器とその前流側の過熱器との間に、前記上流過熱器群の中の最上流側の過熱器より上流側の水供給配管から上流過熱器群をバイパスしてスプレー水を供給する最終過熱低減器を接続し、さらに前記上流過熱器群と最終過熱器を過熱するためのバーナに燃料を供給する燃料配管を備えた貫流ボイラの蒸気温度制御方法において、
最終過熱器の出口蒸気温度に基づいたフィードバック制御により、前記最終過熱低減器へ供給するスプレー水の流量を調節して、最終過熱器の出口蒸気温度を制御し、更に該最終過熱低減器と該最終過熱低減器の直前の過熱器との間の蒸気温度に基づいたフィードバック制御により、バーナへの燃料流量を調節して、最終過熱低減器前流側の蒸気温度を制御することを特徴とする貫流ボイラの蒸気温度制御方法である。
上記発明は、より具体的には、最終過熱器の出口蒸気温度とボイラ負荷指令値に対応する値との偏差に基づき最終過熱器の出口蒸気温度をフィードバック制御し、最終過熱低減器と該最終過熱低減器の直前の過熱器との間の蒸気温度とボイラ負荷指令値に対応する値との偏差に基づき最終過熱低減器前流側の蒸気温度をフィードバック制御するする方法である。
【００１３】
（２）配管に複数の過熱器が直列配置された上流過熱器群と、前記上流過熱器群の下流側に配置される最終過熱器と、該最終過熱器とその前流側の過熱器との間に、前記上流過熱器群の中の最上流側の過熱器より上流側から上流過熱器群をバイパスして接続されたスプレー水を供給する最終過熱低減器と、前記上流過熱器群と最終過熱器を過熱するための燃料配管と、その先端部に設けられたバーナとを備えた貫流ボイラの蒸気温度制御装置において、
最終過熱器の出口蒸気温度を測定する最終過熱器の出口蒸気温度計と、
ボイラ負荷指令値に基づいて関数を発生させる第一の関数発生器と、
前記最終過熱器の出口蒸気温度計の測定値と前記第一の関数発生器の出力値との偏差を演算する第一の減算器と、
該第一の減算器で得られた偏差値に基づき応答信号が発生する第一の調節器と、
該第一の調節器の出力値に基づき前記最終過熱低減器へ供給するスプレー水を増減させるスプレー水の流量調節操作端と、
前記最終過熱低減器と該最終過熱低減器の直前の過熱器との間の蒸気温度を測定する蒸気温度計と、
ボイラ負荷指令値に基づき関数を発生させる第二の関数発生器と、
前記最終過熱低減器と該最終過熱低減器の直前の過熱器との間の蒸気温度計の測定値と前記第二の関数発生器の出力値との偏差を演算する第二の減算器と、
該第二の減算器で得られた偏差値に基づき応答信号が発生する第二の調節器と、
該第二の調節器の出力値に基づき燃料配管に設けられた燃料供給量を調節する燃料流量調節操作端と、
を備えたことを特徴とする貫流ボイラの蒸気温度制御装置である。
【００１４】
なお、本発明において燃料流量制御ループの制御対象を単に過熱低減器の前流の上記温度とせずに、特に最終過熱低減器と該最終過熱低減器の直前の過熱器との間の蒸気温度としたのは、以下の理由を考慮したためである。
（ａ）主蒸気温度制御装置としての最終的な制御対象である最終過熱器出口に近い最終過熱低減器と該最終過熱低減器の直前の過熱器との間の蒸気温度を測定することで、流体経路の上流側に配置した過熱器で受けた制御外乱も含めて検知し、しかるべき制御動作によりこれを修正することができ、本発明の主蒸気温度の制御の目的により一層かなう。
（ｂ）過熱器を流れる蒸気には、温度が高い領域ほど比熱が低い（別の言い方をすると同じ比エンタルピ変動量に対して温度の変動幅が大きい）特性があるので、同じ熱的な外乱を受けても過熱器の後流側で測定した方が蒸気温度の変動を顕著に検知することができ、本発明の課題のように即効性が要求される場合については、制御対象としてより好都合である。
【００１５】
【作用】
本発明により、例えば加熱量が不足して蒸気温度が低下する傾向にあるとき、主蒸気温度は即効性のある過熱低減器スプレー水制御ループによってスプレー水を減少することにより制御され、安定に推移する。しかし、バーナによる加熱量が不足していることによる温度低下傾向に加えて、スプレー水が減少すると、その前流側の蒸気温度が低下するという貫流ボイラの特徴が合わさり、最終過熱低減器の直前流側の蒸気温度は低下するが、これを制御する燃料流量制御ループにより燃料流量が増加され、本質的な熱バランスの回復に寄与することができ、安定な主蒸気温度制御が期待できる。
また、加熱量が過剰で蒸気温度が上昇する傾向であるときは、この逆である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の貫流ボイラの過熱蒸気温度制御機構の実施の形態について図１と共に説明する。
図１では図２に示す従来の過熱蒸気温度制御機構と同様に、蒸発器１と上流過熱器群２と最終過熱器５が順次配置された貫流ボイラ配管の主幹系統において、上流過熱器群２と最終過熱器５の間に最終過熱低減器４が配置され、最終過熱器５の下流側には過熱低減器は設けられておらず、前記最終過熱低減器４で温度調節された蒸気がボイラ蒸気供給先装置（蒸気タービン等）７の蒸気の需要先の装置が設けられている。
【００１７】
上記過熱蒸気温度制御機構では、ボイラ負荷指令５１により関数発生器５５で定まる最終過熱器出口蒸気温度設定値と最終過熱器出口蒸気温度計６での測定温度とを減算器５６により突き合わせ、比例積分調節器５７により調節信号を発信し、その信号で最終過熱低減器スプレー水流量調節操作端９のポジションを操作する。最終過熱低減器スプレー水配管８を流れるスプレー水の流量は、その配管８の途中に設けた最終過熱低減器スプレー水流量調節操作端９の増減により調節され、最終過熱器５の前流側に設けられた最終過熱低減器４を通して主幹系統に注水され、蒸気温度の増減に寄与する。すなわち、先に述べたようにスプレー水の注水量が多くなると、一時的であるが最終過熱器出口蒸気温度計６で測定される最終過熱器出口蒸気温度を下げ、逆にスプレー水の注水量が少なくなると一時的に温度を上昇させる。
【００１８】
図１に示す過熱蒸気温度制御機構で図２に示す従来の過熱蒸気温度制御機構と異なる所は、上流過熱器群２と最終過熱低減器４の間に最終過熱低減器前流側温度計３を設けたことと、ボイラ負荷指令５１に基づく関数発生器５２の出力値と前記最終過熱低減器前流側温度計３で得られた測定値により減算器５３で減算処理して得られた偏差値に基づき比例積分調節器５４で積分動作を伴ったフィードバック制御により燃料流量調節操作端３１を調節してバーナ３２での燃料の燃焼量を制御することである。
【００１９】
図１に示す構成により、例えば負荷変化などで過熱蒸気温度が上昇する方向に外乱を生じたことを考えたとき、最終過熱器出口蒸気温度計６で測定される温度が上昇し、減算器５６の出力信号は相対的にプラス方向に動作し、それを受けて比例積分調節器５７は出力信号を増加する方向に動作する。この信号を受けて最終過熱低減器スプレー水流量調節操作端９の開度を増し、一時的には蒸気の冷却効果が効いて、最終過熱低減器４の後流側に位置する最終過熱器出口蒸気温度計６での測定温度は低下し、スプレー水による制御は遅れが少なく、応答性が良いことから、最終過熱器出口蒸気温度としては比較的速やかに前述の外乱によって上昇した値を元に戻すことができ、安定な制御が継続する。
【００２０】
一方、外乱により最終過熱器前流側温度計３での測定温度も上昇するが、更に最終過熱低減器スプレー水の増加で主幹系統を流れる蒸気流量が減少するので、最終過熱低減器前流側温度は更に上昇し、この温度上昇が顕著な形で検出できることになる。最終過熱低減器前流側温度計３での測定温度の信号が上昇し、減算器５３の出力信号は相対的にマイナス方向（減算器５３のプラス、マイナスの方向に注意）に動作し、それを受けて比例積分調節器５４は出力信号を減少する方向に動作する。この信号を受けて燃料流量調節操作端３１は燃料流量を絞り、バーナー３２の燃焼量が減じられ、蒸気温度の長期的なバランス変動を低減する方向に引き戻すように作用する。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、ボイラ熱バランスの変動を燃料流量制御ループが的確に捉え、動作することで、主蒸気温度の安定な制御に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の貫流ボイラの過熱蒸気温度制御機構を示す図である。
【図２】 従来技術による貫流ボイラの過熱蒸気温度制御機構を示す図である。
【符号の説明】
１ 蒸発器（火炉伝熱壁も含む） ２ 上流過熱器群
３ 最終過熱低減器前流側温度計 ４ 最終過熱低減器
５ 最終過熱器 ６ 最終過熱器出口蒸気温度計
７ ボイラ蒸気供給先装置（蒸気タービン等）
８ 最終過熱低減器スプレー水配管 ９ スプレー水の流量調節操作端
３１ 燃料流量調節操作端 ３２ バーナ
５１ ボイラ負荷指令 ５２、５５ 関数発生器
５３、５６ 減算器 ５４、５７ 比例積分調節器

Claims (3)

1. 複数の過熱器からなる上流過熱器群を直列配置し、該上流過熱器群の下流側に最終過熱器を配置し、該最終過熱器とその前流側の過熱器との間に、前記上流過熱器群の中の最上流側の過熱器より上流側の水供給配管から上流過熱器群をバイパスしてスプレー水を供給する最終過熱低減器を接続し、さらに前記上流過熱器群と最終過熱器を過熱するためのバーナに燃料を供給する燃料配管を備えた貫流ボイラの蒸気温度制御方法において、
   最終過熱器の出口蒸気温度に基づいたフィードバック制御により、前記最終過熱低減器へ供給するスプレー水の流量を調節して、最終過熱器の出口蒸気温度を制御し、更に該最終過熱低減器と該最終過熱低減器の直前の過熱器との間の蒸気温度に基づいたフィードバック制御により、バーナへの燃料流量を調節して、最終過熱低減器前流側の蒸気温度を制御することを特徴とする貫流ボイラの蒸気温度制御方法。
2. 最終過熱器の出口蒸気温度とボイラ負荷指令値に対応する値との偏差に基づき最終過熱器の出口蒸気温度をフィードバック制御し、最終過熱低減器と該最終過熱低減器の直前の過熱器との間の蒸気温度とボイラ負荷指令値に対応する値との偏差に基づき最終過熱低減器前流側の蒸気温度をフィードバック制御することを特徴とする請求項１記載の貫流ボイラの蒸気温度制御方法。
3. 配管に複数の過熱器が直列配置された上流過熱器群と、前記上流過熱器群の下流側に配置される最終過熱器と、該最終過熱器とその前流側の過熱器との間に、前記上流過熱器群の中の最上流側の過熱器より上流側から上流過熱器群をバイパスして接続されたスプレー水を供給する最終過熱低減器と、前記上流過熱器群と最終過熱器を過熱するための燃料配管と、その先端部に設けられたバーナとを備えた貫流ボイラの蒸気温度制御装置において、
   最終過熱器の出口蒸気温度を測定する最終過熱器の出口蒸気温度計と、
   ボイラ負荷指令値に基づいて関数を発生させる第一の関数発生器と、
   前記最終過熱器の出口蒸気温度計の測定値と前記第一の関数発生器の出力値との偏差を演算する第一の減算器と、
   該第一の減算器で得られた偏差値に基づき応答信号が発生する第一の調節器と、
   該第一の調節器の出力値に基づき前記最終過熱低減器へ供給するスプレー水を増減させるスプレー水の流量調節操作端と、
   前記最終過熱低減器と該最終過熱低減器の直前の過熱器との間の蒸気温度を測定する蒸気温度計と、
   ボイラ負荷指令値に基づき関数を発生させる第二の関数発生器と、
   前記最終過熱低減器と該最終過熱低減器の直前の過熱器との間の蒸気温度計の測定値と前記第二の関数発生器の出力値との偏差を演算する第二の減算器と、
   該第二の減算器で得られた偏差値に基づき応答信号が発生する第二の調節器と、
   該第二の調節器の出力値に基づき燃料配管に設けられた燃料供給量を調節する燃料流量調節操作端と、
   を備えたことを特徴とする貫流ボイラの蒸気温度制御装置。

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