JP4637943B2

JP4637943B2 - 加圧型流動層ボイラの制御方法

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Publication number: JP4637943B2
Application number: JP2008269883A
Authority: JP
Inventors: 徹哉岩瀬; 大輔岡田; 恭功山本; 修平秋元; 幸治友安
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2019-03-10
Also published as: JP2009041905A

Description

本発明は、水蒸気系統が貫流ボイラの形式を持つ加圧型流動層ボイラの蒸気温度を制御する方法に関する。

図７に従来の貫流ボイラの貫流運転中の主蒸気温度制御系統図を示し、図８に変圧貫流ボイラの系統図を示す。図８においてボイラ火炉壁７４は、水管を板状に連続溶接したメンブレン壁からなり、伝熱面を構成している。ボイラ火炉壁７４への給水は、まず、給水ポンプ７１から給水加熱器７２に送られて加熱された後、節炭器７３を経てボイラ火炉壁７４及び蒸発器７５に送られる。給水はボイラ火炉壁７４及び蒸発器７５で加熱されながら上昇し、ついには蒸気を生成する。
生成した蒸気は気水分離器７６、一次過熱器７７、過熱器過熱低減器７８及び二次過熱器８０を経て高圧タービン８２へ送られる。高圧タービン８２で仕事をした蒸気は再熱器過熱低減器８３及び再熱器８５を経て中圧タービン８７へ送られる。

また、過熱器過熱低減器７８と再熱器過熱低減器８３にはそれぞれ過熱器スプレ流量調節弁７９、８４により供給量を調整されたスプレ水により温度調整がなされる。なお、中圧タービン８７から排出される蒸気は図示しない復水器で熱回収され、給水系へ循環使用される。高圧タービン８２と中圧タービン８７の供給される各蒸気温度は温度計８１、８６で測定される。

図７の貫流ボイラの貫流運転中の主蒸気温度制御系統図に示すように、過渡的な主蒸気温度制御は過熱器スプレ注入により行うが、恒久的な主蒸気温度制御は水燃比制御（ボイラ給水量と燃料量の比率を制御する）で行われる。このとき、従来のボイラではボイラ給水量と燃料量の比率（水燃比）が所望の値になるよう燃料量を調節することにより水燃比を調節している。

燃料流量指令１０１は、ボイラ入力指令９１をボイラの静特性により決まるボイラ入力指令−燃料流量設定値特性を持つ関数発生器９５に入力され、その出力のベース燃料流量信号１０３に加算器９６においてスプレ量による補正を加えられ、さらに、加算器９７で主蒸気温度偏差９４による補正を加えられることにより作られる。

加算器９６において関数発生器９５の出力であるベース燃料流量信号１０３に加えられる補正は、過渡変化でスプレ流量が変化し、スプレ比率が計画値からずれたままでバランスしてしまった場合に、燃料流量を調節して元のスプレ比率に引き戻すための補正回路である。

この補正信号は、ボイラ静特性により決まる負荷指令−スプレ流量設定値特性を持つ関数発生器９８で、負荷指令９２に応じたスプレ流量設定値１０４を作り、関数発生器９８の出力であるスプレ流量設定値１０４とスプレ流量実測値９３から減算器９９の出力信号となるスプレ流量の偏差信号を関数発生器１０２で燃料流量補正信号に変換して、関数発生器９５の出力であるベース燃料流量信号１０３に加算器９６で加えられる。

また、加算器９７において加算器９６の出力信号に加えられる補正は、主蒸気温度を制御するために燃料流量を調節するための補正回路である。この補正回路は、主蒸気温度設定値と実測値との偏差である主蒸気温度偏差９４を比例積分器１００にて演算した出力信号を燃料流量補正信号として、加算器９７にて加算器９６の出力信号に加えられる。

上記のスプレ流量偏差および主蒸気温度偏差により補正を加えられた燃料流量指令信号１０１で、その時の負荷に応じたボイラ給水流量と主蒸気温度に対する適切な水燃比となるように燃料流量が調節されて、主蒸気温度が所望の値となるように制御される。
特開平０８−２００６０１号公報

図７に示す従来型の貫流ボイラの制御方法においては、燃料流量を変化させてから主蒸気温度が変化するまでの応答が加圧型流動層ボイラに比べて速いことから燃料流量で主蒸気温度を制御しているが、この従来型ボイラの技術を加圧型流動層ボイラに適用した場合においては、下記のような加圧型流動層ボイラ特有の問題点があった。

すなわち、加圧型流動層ボイラにおいても主蒸気温度制御は基本的に燃料流量を変化させて行うが、加圧型流動層ボイラの場合、粗粉炭、微粉炭、石炭石及び水を混合してペースト状にしたもの（以下ＣＷＰと呼ぶ）を燃料としており、燃料中の水分が多く（約２５〜３０ｗｔ％）、また石炭粒径の大きいものが含まれている理由から、微粉炭、石油、ガスなどを燃料とする従来型のボイラに比べて燃焼遅れが大きい（９０〜１２０秒程度）ことと、燃料流量が変化して流動層への入熱量が変わり、その結果として流動層温度が変化し、その後伝熱管温度が変化して蒸気温度が変化するため、時定数が大きく蒸気温度変化までの時間がかかる。そのため、燃料流量調節だけで主蒸気温度を制御しようとすると主蒸気温度に大きな応答遅れが生じ、素早い主蒸気温度制御応答を得ることが難しい。

特に、水燃比のバランスが崩れて主蒸気温度が上昇し始めた時には、燃料流量を減少させても流動層温度がすぐには下がらないため、主蒸気温度の上昇もすぐには抑えることができず、主蒸気温度がオーバーシュートしてしまい易く、場合によっては主蒸気温度が異常高となってボイラ緊急停止に至る可能性がある。

また、主蒸気温度を制御する方法として過熱器スプレを注入する方法があるが、過熱器スプレ注入量を増加させると水壁と蒸発器を通過する給水量が減り、かえって蒸発器の温度が上昇するため、過渡的にしか効果がなく、蒸発器の温度が上昇し過ぎると伝熱管損傷に至る可能性がある。

また、加圧型流動層ボイラは、炉内脱硫性能の維持や排ガスＮＯｘ発生量の抑制等の理由のために、流動層温度は常に規定温度範囲内に入るように制御されて運転しなければならない。このために、流動層温度の変動可能な温度範囲が狭く、それに伴い燃料流量の変化幅も制限されるため、流動層温度の変動幅を制限された状態での燃料流量調節だけによる素早い主蒸気温度制御応答を得ることが難しい。

そこで、本発明の課題は、上記の燃料流量の調節だけで水燃比のバランスを調節して主蒸気温度制御を行った場合の素早い主蒸気温度制御応答を得ることが難しい加圧型流動層ボイラの問題点を解消することにある。

本発明の上記課題は、下記方法によって達成される。貫流運転中の水燃比のバランスを調整することにより行う主蒸気温度制御において、主蒸気温度は、燃料流量の調節で制御することを基本として、燃料流量の調節だけでは加圧型流動層ボイラ特有の蒸気温度への応答遅れにより主蒸気温度を制御できなくなった緊急の場合のバックアップとして、主蒸気温度への応答がはやく、加圧型流動層ボイラ特有の炉内脱硫性能の維持や排ガスＮＯｘ発生量の抑制等の理由による層温度変化幅の制限にも影響されないボイラ給水流量を調節して抑制する。

加圧型流動層ボイラは、炉内脱硫性能の維持や排ガスＮＯｘ発生の抑制等の理由により、流動層温度は常に規定温度範囲内に入るように制御されて運転しなければならない。
主蒸気温度は、燃料流量と流動層高とボイラ給水流量のバランスにより決まることから、燃料流量と流動層高とボイラ給水流量が一定に制御された状態では、主蒸気温度および流動層温度は一定となる。燃料流量またはボイラ給水流量を変化させると、ボイラ給水に与えられる熱量に対するボイラ給水流量の比率、つまり水燃比が変化し、水燃比の変化に応じて主蒸気温度も変化する。

燃料流量で水燃比を変化させた場合、燃料の燃焼遅れが大きいことと、燃料流量が変化して流動層への入熱量が変わり、その結果として流動層温度が変化し、その後伝熱管温度が変化して蒸気温度が変化するため、時定数が大きく蒸気温度の変化までの時間がかかり、主蒸気温度に大きな応答遅れが生じてしまう。これに対して、ボイラ給水流量で水燃比を変化させた場合、ボイラに入力された後に主蒸気となって出ていくボイラ給水流量を直接変化させて水燃比を変化させるので、主蒸気温度への応答遅れの大きい燃料流量にて水燃比を変化させる場合よりも主蒸気温度変化の応答がはやい。

したがって、主蒸気温度制御は、ボイラ給水流量を調節して水燃比を変化させることによって素早い応答性で行うことができ、更に、加圧型流動層ボイラ特有の燃焼遅れによる主蒸気温度変化の応答遅れ、および炉内脱硫性能の維持や排ガスＮＯｘ発生抑制等の理由による流動層温度変化幅の制限に影響されることなく主蒸気温度を制御することができる。

しかし、ボイラ給水流量を変化させると主蒸気温度は素早く制御できるが、ボイラ給水流量を変化させると主蒸気流量も変化して蒸気タービン出力へも影響が出るため、本発明では、主蒸気温度は、燃料流量の調節により制御することを基本として、燃料流量の調節だけでは主蒸気温度への応答が遅く主蒸気温度を制御できなくなった緊急の場合のバックアップとして、ボイラ給水流量を調節して制御を行う。

すなわち、請求項１記載の発明は、水蒸気系統が貫流ボイラの形式を持つ伝熱管群を流動層内に配置した加圧型流動層ボイラの燃料流量と流動層高と伝熱管群へのボイラ給水流量のバランスにより決まる主蒸気温度を水燃比（ボイラ給水に与えられる熱量に対するボイラ給水流量の比率）を調節して制御する加圧型流動層ボイラの制御方法において、燃料流量調節で主蒸気温度を制御することを基本として、燃料流量調節では主蒸気温度への応答が遅く主蒸気温度を制御できなくなった緊急の場合のバックアップとして、主蒸気温度への応答が速いボイラ給水流量を調節して主蒸気温度を制御し、前記燃料流量の調節は、ボイラ入力指令信号により求められるベース燃料流量に対して、ボイラ入力指令信号により求められる主蒸気温度の設定値と測定値との偏差による補正を加えることで行い、前記ボイラ給水流量の調節は、ボイラ入力指令信号により求められるボイラ給水流量設定値と給水流量測定値との偏差に基づきベース給水流量を求め、前記主蒸気温度の設定値と測定値との偏差にボイラ入力指令信号により求められる主蒸気温度偏差補正信号を掛け合わせることで求められる補正を前記ベース給水流量に対して加えることで行う加圧型流動層ボイラの制御方法である。

本発明によれば、主蒸気温度制御において、燃料流量の調節だけで水燃比のバランスを変化させた場合の主蒸気温度への応答が遅く、燃料流量の調節だけでは主蒸気温度を制御できなくなった場合のバックアップとして、主蒸気温度への応答がはやく、加圧型流動層ボイラ特有の炉内脱硫性能の維持や排ガスＮＯｘ発生の抑制等の理由による流動層温度変化幅の制限に影響されないボイラ給水流量を調節することで素早く主蒸気温度を制御するため、主蒸気温度の制御性も向上する。

図１〜図６に本発明の実施の形態の加圧型流動層ボイラの主蒸気温度制御系の制御系統図と制御特性図を示す。
図１に示す主蒸気温度制御系の制御系統図において、ボイラ入力指令信号３２は、ボイラ静特性により決まる図４に示すようなボイラ入力指令−給水流量設定値特性を持つ関数発生器３８に入力され、その出力である給水流量設定値４４と給水流量測定値３１との偏差信号を減算器３４で作成し、減算器３４の出力である給水流量偏差信号を比例積分器３５に入力して演算し、その出力がベース給水ポンプ出力指令４５となる。ベース給水ポンプ出力指令４５は、加算器４２にて主蒸気温度偏差による補正を加えられ、加算器４２で出力が得られ、当該出力である給水ポンプ出力指令４６は自動／手動切替器４３を通って給水ポンプへ出力される。

比例積分器３５の出力であるベース給水ポンプ出力指令４５に加算器４２で加えられる補正は、主蒸気温度の設定値と測定値との間に偏差が生じた場合に給水ポンプ出力を変化させてボイラ給水流量を調節して主蒸気温度を制御するための補正回路である。

この補正回路はボイラ静特性より決まる図２に示すようなボイラ入力指令−主蒸気温度設定値特性を持つ関数発生器３６の出力信号である主蒸気温度設定値４７と主蒸気温度測定値３３の偏差信号を減算器３９で作成し、減算器３９の出力である主蒸気温度偏差信号は関数発生器４９に入力される。関数発生器４９は、図６に示すような主蒸気温度偏差に不感帯を設定する関数であり、ボイラ給水流量調節による主蒸気温度制御を燃料流量調節による主蒸気温度制御のバックアップとして使用する目的で主蒸気温度偏差が規定値以上にならないとボイラ給水流量による主蒸気温度を働かせないようにするためのものである。

関数発生器４９の出力は、関数発生器３７の出力であるゲイン補正信号４８を乗算器４０にて掛け合わせる。図３に示すようなボイラ入力指令−主蒸気温度偏差ゲイン補正信号特性を持つ関数発生器３７の出力であるゲイン補正信号４８を乗算器４０にて主蒸気温度偏差に掛け合わせて補正を行う理由は、ボイラ給水流量によって主蒸気温度偏差に対するボイラ給水流量への補正量を変化させないと負荷によってボイラ給水流量の補正量に対する主蒸気温度の変化量が変わってしまうためである。

乗算器４０の出力は、比例器４１に入力されて演算し、その出力が加算器４２にて比例積分器３５の出力であるベース給水ポンプ出力指令４５に加えられて、加算器４２の出力がボイラ給水ポンプ出力指令４６となり、自動／手動切替器４３を通ってボイラ給水ポンプへ出力される。比例器４１の比例係数は、ボイラ給水流量変化量に対する主蒸気温度変化幅の特性より求められた係数を使用する。

また、燃料流量の調節による主蒸気温度のために、ボイラ静特性により決まる図２に示すようなボイラ入力指令−主蒸気温度設定値特性を持つ関数発生器３６の出力信号である主蒸気温度設定値４７と主蒸気温度測定値３３の偏差信号を比例積分器５０で演算し、その出力が加算器５１においてボイラ静特性にて決まる図５に示すようなボイラ入力指令−ベース燃料供給ポンプ出力指令特性を持つ関数発生器５２の出力であるベース燃料供給ポンプ出力指令５３に主蒸気温度偏差による補正を加える。加算器５１で補正を加えられた燃料供給ポンプ出力指令は、自動／手動切替器５４を通って燃料供給ポンプへ出力される。

上記制御例は、加圧型流動層ボイラの主蒸気温度制御において、加圧型流動層ボイラ特有の燃料の燃焼遅れによる蒸気温度変化の応答遅れおよび炉内脱硫性能の維持や排ガスＮＯｘ発生抑制等による流動層温度の変動範囲の制限により燃料流量の調節だけでは主蒸気温度への応答が遅く、主蒸気温度を制御できなくなった緊急の場合のみのバックアップとしてボイラ給水流量を調節して主蒸気温度を制御するもので、ボイラ給水流量を調節することで加圧型流動層ボイラ特有の燃料の燃焼遅れによる蒸気温度変化の応答遅れ、および炉内脱硫性能の維持や排ガスＮＯｘ発生抑制等による流動層温度の変動可能温度範囲の制限に影響されることなく素早く主蒸気温度を制御することができる。

本発明の実施の形態の加圧流動層ボイラの主蒸気温度制御の構成図である。図１中の関数発生器３６のボイラ入力指令−主蒸気温度設定値特性の例を示す図である。図１中の関数発生器３７のボイラ入力指令−主蒸気温度偏差ゲイン補正信号特性の例を示す図である。図１中の関数発生器３８のボイラ入力指令−ボイラ給水流量設定値特性の例を示す図である。図１中の関数発生器５２のボイラ入力指令−燃料供給ポンプ出力指令特性の例を示す図である。図１中の関数発生器４９の主蒸気温度偏差の不感帯の特性の例を示す図である。従来の貫流ボイラの主蒸気温度制御方式を示す図である。従来の貫流ボイラの水蒸気系統の例を示す図である。

符号の説明

３１ボイラ給水流量３２、９１ボイラ入力指令
３３主蒸気温度測定値３４、３９、９９減算器
３５、５０、１００比例積分器
３６、３７、３８、４９、５２、９５、９８、１０２関数発生器
４０乗算器４１比例器
４２、５１加算器４３、５４自動／手動切替器
４４給水流量設定値４５ベース給水ポンプ出力指令
４６給水ポンプ出力指令４７主蒸気温度設定値
４８ゲイン補正信号５３ベース燃料ポンプ出力指令
７１給水ポンプ７２給水加熱器
７３節炭器７４ボイラ火炉壁
７５蒸発器７６気水分離器
７７一次過熱器７８過熱器過熱低減器
７９、８４過熱器スプレ流量調節弁
８０二次過熱器８１、８６温度計
８２高圧タービン８３再熱器過熱低減器
８５再熱器８７中圧タービン
９２負荷指令９３スプレ流量実測値
９４主蒸気温度偏差９６、９７加算器
１０１燃料流量指令１０３ベース燃料流量信号
１０４スプレ流量設定値

Claims

水蒸気系統が貫流ボイラの形式を持つ伝熱管群を流動層内に配置した加圧型流動層ボイラの燃料流量と流動層高と伝熱管群へのボイラ給水流量のバランスにより決まる主蒸気温度を水燃比（ボイラ給水に与えられる熱量に対するボイラ給水流量の比率）を調節して制御する加圧型流動層ボイラの制御方法において、
燃料流量調節で主蒸気温度を制御することを基本として、燃料流量調節では主蒸気温度への応答が遅く主蒸気温度を制御できなくなった緊急の場合のバックアップとして、主蒸気温度への応答が速いボイラ給水流量を調節して主蒸気温度を制御し、
前記燃料流量の調節は、ボイラ入力指令信号により求められるベース燃料流量に対して、ボイラ入力指令信号により求められる主蒸気温度の設定値と測定値との偏差による補正を加えることで行い、
前記ボイラ給水流量の調節は、ボイラ入力指令信号により求められるボイラ給水流量設定値と給水流量測定値との偏差に基づきベース給水流量を求め、前記主蒸気温度の設定値と測定値との偏差にボイラ入力指令信号により求められる主蒸気温度偏差補正信号を掛け合わせることで求められる補正を前記ベース給水流量に対して加えることで行うことを特徴とする加圧型流動層ボイラの制御方法。