JP5033429B2 - ボイラ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電や各種プラント設備などで使用されているボイラ設備を制御するボイラ制御装置に関する。

従来のボイラ制御装置としては、特許文献１に記載の“蒸気発生装置”がある。特許文献１の技術では、蒸気圧力、蒸気流量を検出するとともに、蒸気圧力検出値と蒸気圧力設定値とを比較して蒸気圧力調節信号を得ている。そして、得られた圧力調節信号によりボイラに供給される熱量を制御して蒸気圧力を設定値と一致させるようにしている。また、検出した蒸気流量を設定した蒸気流量−効率特性と対比して現状の蒸気流量に対応した効率を演算し、蒸気圧力調節信号を演算された効率で除算することにより操作信号を得るようにしている。

また、他の従来例としては、特許文献２に記載の“ボイラの蒸気圧力制御装置”がある。特許文献２の技術では、燃料供給量と、蒸気圧力量と、給水流量及び蒸気流量の各信号を同定装置に導入して最適なＰＩＤゲインを決定し、このゲインに基づいてＰＩＤ演算器をチューニングするようにしている。

そして、上述した従来のボイラ制御装置では、蒸気圧力を調整した際に圧力の検出端で検出されるまでの時間遅れを補償するために先行補正回路を使用して、外乱要素である負荷側の蒸気流量が増加したとき、燃焼量を増加させ、逆に蒸気流量が減少したとき、燃焼量を減少させて、蒸気圧力を一定に保つようにしている。また、蒸気温度については、注水流量を調節することにより所定の値に制御するようにしている。
特開昭６０−２００００３号公報 特開平８−２３３２０５号公報

しかしながら、このような従来のボイラ制御装置では、負荷側の蒸気使用量を一定とした場合、蒸気温度が上昇して注水流量を増加させると、負荷一定にも拘わらず蒸気流量が増加し、蒸気圧力が上昇すると同時に先行補正回路が燃焼量の増加を指令することとなる。その結果、過渡的に、蒸気圧力が高いにも拘わらず、燃焼量を増加させ、更に蒸気圧力を上昇させてしまうという問題があった．
本発明は上記の事情に鑑み、注水流量が急激に増加または減少した場合でも、ボイラ蒸気圧力を安定化させることができるボイラ制御装置を提供することを目的としている。

また、請求項２では、蒸気流量が減少した場合にも、ボイラ蒸気圧力を安定化させることができるボイラ制御装置を提供することを目的としている。

また、請求項３では、注水流量が急激に減少した場合にも、ボイラ蒸気圧力を安定化させることができるボイラ制御装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明は、請求項１では、ボイラ蒸気発生部と、このボイラ蒸気発生部で発生した蒸気を過熱する過熱器と、この過熱器で過熱された蒸気に水を注水して所定の蒸気温度となるように調整して負荷に供給する注水装置とを備えたボイラ設備の蒸気圧力、及び蒸気温度を制御するボイラ制御装置において、前記負荷に供給される蒸気圧力を検出して得られる蒸気圧力検出信号に基づき、蒸気圧力を設定圧力と一致させるのに必要な燃焼量を演算して燃焼量信号を生成する蒸気圧力制御演算手段と、前記負荷に供給される蒸気流量を検出して得られる蒸気流量検出信号と前記注水装置に注水される注水流量を検出して得られる注水流量検出信号との差を演算して負荷の蒸気使用量信号を生成する蒸気使用量演算手段と、この蒸気使用量演算手段で生成された前記蒸気使用量信号を前記蒸気圧力制御演算手段で得られる燃焼量信号と加算して蒸気圧力を安定化させた燃焼量信号を生成する加算手段とを備えたことを特徴としている。

また、請求項２では、ボイラ蒸気発生部と、このボイラ蒸気発生部で発生した蒸気を過熱する過熱器と、この過熱器で過熱された蒸気に水を注水して所定の蒸気温度となるように調整して負荷に供給する注水装置とを備えたボイラ設備の蒸気圧力、及び蒸気温度を制御するボイラ制御装置において、前記負荷に供給される蒸気圧力を検出して得られる蒸気圧力検出信号に基づき、蒸気圧力を設定圧力と一致させるのに必要な燃焼量を演算して燃焼量信号を生成する蒸気圧力制御演算手段と、前記負荷に供給される蒸気流量を検出して得られる蒸気流量検出信号と前記注水装置に注水される注水流量を検出して得られる注水流量検出信号との差を演算して負荷の蒸気使用量信号を生成する蒸気使用量演算手段と、この蒸気使用量演算手段で生成された前記蒸気使用量信号を前記蒸気圧力制御演算手段で得られる燃焼量信号と加算して蒸気圧力を安定化させた燃焼量信号を生成する加算手段と、前記注水流量検出信号の変化分を抽出して変化分信号を生成する注水流量変化分演算手段と、前記注水流量検出信号と、前記注水流量変化分演算手段で得られた変化分信号との差分信号を求める注水流量差分演算手段と、前記加算手段から出力される燃料量信号から前記注水流量差分演算手段で生成された差分信号を減算して新たな燃焼量信号を生成する減算手段とを備えたことを特徴としている。

請求項１は、後述する第１の実施形態に対応し、請求項２は第２の実施形態に対応する。

本発明によれば、注水流量が増加した場合、蒸気流量が減少した場合等にあっても、ボイラ蒸気圧力を安定化させることができる。

〈第１の実施形態〉
図１は本発明に係るボイラ制御装置が使用されるボイラシステムを示す概略構成図、図２は本発明に係るボイラ制御装置の第１の実施形態を示すブロック図である。

図１、図２に示すように、ボイラシステムは、蒸気を発生して負荷側に供給するボイラ設備２（図１参照）と、ボイラ設備２を制御するボイラ制御装置３ａ（図２参照）とを備えており、ボイラ制御装置３ａによってボイラ設備２を制御し、指定された蒸気圧力、及び蒸気温度を持つ蒸気を発生して負荷に供給する。

ボイラ設備２は、燃焼装置で得られた熱で水を加熱して蒸気を発生するボイラ蒸気発生部４と、ボイラ蒸気発生部４で得られた蒸気を過熱する過熱器５と、過熱器５で過熱された蒸気に水を注水して所定の蒸気温度となるように調整する注水装置６と、注水装置６に供給される水の流量を検出して注水流量検出信号“Ｆｓｐ”を出力する流量検出器７と、入力された操作量“ＭＶ”に応じて弁開度を調節して注水装置６に供給される注水流量を制御する注水流量調節弁８と、注水装置６で減温された蒸気を過熱して所定温度にして負荷側に供給する過熱器９と、負荷側に供給される蒸気の流量を検出して蒸気流量検出信号“Ｆｓ”を出力する流量検出器１０と、負荷側に供給される蒸気の温度を検出して蒸気温度検出信号“Ｔｓ”を出力する温度検出器１１と、負荷側に供給される蒸気の圧力を検出して蒸気圧力検出信号“Ｐｓ”を出力する圧力検出器１２とを備えている。

ボイラ制御装置３ａは、図２に示すように、注水流量調節弁８の操作量“ＭＶ”を演算する操作量演算部２１と、負荷の蒸気使用量信号“Ｆｓｓ”を演算する流量差演算部２２と、燃焼装置の燃焼量を調整する燃焼量演算部２３とを備えている。

操作量演算部２１は、ボイラ設備２から供給される蒸気温度検出信号“Ｔｓ”で示される蒸気温度と予め設定されている設定温度とを比較してＰＩＤ演算（比例演算／積分演算／微分演算）を行い、蒸気温度を設定温度にするのに必要な注水流量目標値“Ｆｓｖ”を生成する蒸気温度制御演算器２４と、蒸気温度制御演算器２４から出力される注水流量目標値“Ｆｓｖ”と注水流量検出信号“Ｆｓｐ”とを比較してＰＩＤ演算を行い、操作量“ＭＶ”を生成し、ボイラ設備２に供給する注水流量制御演算器２５とを備えている。

また、流量差演算部２２は、ボイラ設備２から供給される蒸気流量検出信号“Ｆｓ”と注水流量検出信号“Ｆｓｐ”との差を演算して負荷の蒸気使用量信号“Ｆｓｓ”を生成する減算器２６を備えている。

燃焼量演算部２３は、ボイラ設備２から供給される蒸気圧力検出信号“Ｐｓ”で示される蒸気圧力と予め設定されている設定圧力とを比較してＰＩＤ演算を行い、蒸気圧力を設定圧力にするのに必要な燃焼量を生成する蒸気圧力制御演算器２７と、蒸気圧力制御演算器２７から出力される燃焼量と流量差演算部２２から出力される負荷の蒸気使用量信号“Ｆｓｓ”とを加算して、負荷側に供給される蒸気の流量などが急変したとき、先行的に燃焼量を加減させる加算器２８とを備えている。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。

ボイラ蒸気発生部４は、燃焼装置によって得られた熱で加熱されて、蒸気を発生させる。注水流量調節弁８は、入力された操作量“ＭＶ”に応じて、注水装置６に注水される水の流量を調整する。そして、２つの過熱器５、９、１つの注水装置６によって、指定された温度、指定された蒸気圧の蒸気を生成して、負荷に供給する。また、この動作と並行し、各流量検出器７、１０、温度検出器１１、圧力検出器１２によって、注水装置６に供給される水の流量、負荷に供給される蒸気の流量、温度、圧力を検出して、注水流量検出信号“Ｆｓｐ”、蒸気流量検出信号“Ｆｓ”、蒸気温度検出信号“Ｔｓ”、蒸気圧力検出信号“Ｐｓ”をボイラ制御装置３ａに供給する。

ボイラ制御装置３ａは、ボイラ設備２から供給される注水流量検出信号“Ｆｓｐ”、蒸気流量検出信号“Ｆｓ”、蒸気温度検出信号“Ｔｓ”、蒸気圧力検出信号“Ｐｓ”などの各検出信号を入力する一方、操作量“ＭＶ”を生成してボイラ設備２の注水流量調節弁８を調整するとともに、燃焼装置の燃焼量を調整する。これにより、負荷側の蒸気流量が減少した場合にも、また注水流量が増加した場合にも、さらに注水流量が急激に減少した場合にも、一定圧力の蒸気を発生させている。

この場合、操作量演算部２１は、操作量“ＭＶ”を生成してボイラ設備２の注水流量調節弁８を調整することにより、ボイラ設備２で生成される蒸気の温度が設定温度より高いときには、注水装置６の注入水の流量を増加させて、蒸気の温度を下げる。また、ボイラ設備２で生成される蒸気の温度が設定温度より低いときには、注入水の流量を減少させて、蒸気の温度を上げるようにする。

流量差演算部２２は、ボイラ設備２から供給される蒸気流量検出信号“Ｆｓ”と、注水流量検出信号“Ｆｓｐ”との差を演算して、負荷の蒸気使用量信号“Ｆｓｓ”を生成し、燃焼量演算部２３に供給する。

燃焼量演算部２３は、ボイラ設備２から負荷側に供給される蒸気の圧力が高いときには、燃焼量を小さくして、蒸気の圧力を下げる。また、注水量が急激に増加したときには、燃焼量を小さくして、蒸気の圧力が急激に上がらないようにする。

図３のＡ部は、負荷端の蒸気流量が一定であるにも拘わらず注水流量が変化した場合の燃料量の応答を示している。（ｂ）に示すように、注水流量検出信号“Ｆｓｐ”が増加すると、（ａ）に示すように、その増加分だけ蒸気流量検出信号“Ｆｓ”が増加する。従来技術の場合、（ｃ）に示すように、蒸気流量検出信号“Ｆｓ”の増加に連れて本来増加させる必要がない燃焼量も増加してしまい、注水流量検出信号“Ｆｓｐ”が一定値に戻った後、圧力制御ＰＩＤ演算により元の値に戻るような不自然な制御が行われてしまう。これに対して、第１の実施形態の制御では、（ｃ）のＡ部に示されるように、注水流量検出信号“Ｆｓｐ”が増加した場合には、むしろ燃焼量を僅かに下げるような制御が行われ、注水流量検出信号“Ｆｓｐ”が一定値に戻ったときに滑らかに元の値に戻るような制御が実行されるのである。

このように第１の実施形態によれば、流量差演算部２２によって、ボイラ設備２から供給される蒸気流量検出信号“Ｆｓ”と、注水流量検出信号“Ｆｓｐ”との差を演算して、負荷の蒸気使用量信号“Ｆｓｓ”を生成するとともに、燃焼量演算部１６の加算器２３によって、蒸気圧力制御演算器２２から出力される燃焼量に負荷の蒸気使用量信号“Ｆｓｓ”を加算するようにしているので、注水流量が増加した場合にも、また蒸気流量が減少した場合にも、ボイラ蒸気圧力を安定化させることができる。

〈第２の実施形態〉
図４は本発明に係るボイラ制御装置の第２の実施形態を示すブロック図である。なお、図１に示した第１の実施形態と同一構成部分には同一符号を付してその説明は省略する。

この図に示すボイラ制御装置３ｂが、図１に示したボイラ制御装置３ａと異なる点は、操作量“ＭＶ”を演算する操作量演算部２１と、負荷の蒸気使用量信号“Ｆｓｓ”を演算する流量差演算部２２と、燃焼装置の燃焼量を調整する燃焼量演算部２３とに加えて、変化分信号“Ｆｓｐｄ”を演算する注水流量変化分演算部３１を備えたことにある。

注水流量変化分演算部３１は、予め設定されている下記（１）式で示す遅れ式を用いて、ボイラ設備２から供給される注水流量検出信号“Ｆｓｐ”を遅延させて、遅れ注水流量検出信号“Ｆｓｐｄ”を生成する注水流量遅れ演算器３２と、注水流量遅れ演算器３２から出力される遅れ注水流量検出信号“Ｆｓｐｄ”とボイラ設備２から供給される注水流量検出信号“Ｆｓｐ”との差を演算して注水流量検出信号“Ｆｓｐ”の変化分を示す変化分信号“Ｆ’ｓｐ”を生成する減算器３３とを備えている。

（１＋Ｔｐｓ）／（１＋Ｔｄｓ）…（１）
但し、Ｔｐ：プロセス時定数、Ｔｄ：外乱時定数、ｓ：ラプラス演算子
燃焼量演算部２３は、ボイラ設備２から供給される蒸気圧力検出信号“Ｐｓ”で示される蒸気圧力と予め設定されている設定圧力とを比較してＰＩＤ演算を行い、蒸気圧力を設定圧力にするのに必要な燃焼量を生成する蒸気圧力制御演算器２７と、蒸気圧力制御演算器２７から出力される燃焼量と流量差演算部２２から出力される負荷の蒸気使用量信号“Ｆｓｓ”とを加算して、負荷側に供給される蒸気の流量などが急変したとき、先行的に燃焼量を加減させる加算器２８と、加算器２８から出力される注水流量補正済みの燃焼量と注水流量変化分演算部３１から出力される変化分信号“Ｆ’ｓｐ”との差を演算して、注水流量などが急変しても、蒸気圧力が急変しないようにさせる減算器３４とを備えている。

次に、第２の実施形態の作用を第１の実施形態と相違する部分を中心に説明する。

操作量演算部２１は、操作量“ＭＶ”を生成してボイラ設備２の注水流量調節弁８を調整することにより、ボイラ設備２で生成される蒸気の温度が設定温度より高いときには、注水装置６の注入水の流量を増加させて、蒸気の温度を下げる。また、ボイラ設備２で生成される蒸気の温度が設定温度より低いときには、注入水の流量を減少させて、蒸気の温度を上げるようにする。

流量差演算部２２は、ボイラ設備２から供給される蒸気流量検出信号“Ｆｓ”と、注水流量検出信号“Ｆｓｐ”との差を演算して、負荷の蒸気使用量信号“Ｆｓｓ”を生成し、燃焼量演算部２３に供給する。

注水流量変化分演算部３１は、ボイラ設備２から供給される注水流量検出信号“Ｆｓｐ”の変化分を示す変化分信号“Ｆｓｐｄ”を生成して、燃焼量演算部２３に供給する。

燃焼量演算部２３は、ボイラ設備２から負荷側に供給される蒸気の圧力が高いときには、燃焼量を小さくして、蒸気の圧力を下げる。また、注水量が急激に増加したときには、燃焼量を小さくして、蒸気の圧力が急激に上がらないようにする。

図３のＢ部は、注水流量が一定であるにも拘わらず負荷端の蒸気流量が変化した場合の燃焼量の応答を示している。この実施形態では、図３のＢ部に示すように、ボイラ設備２から負荷側に供給される蒸気の流量が減少したときなどに、燃焼量を小さくして、蒸気の圧力が高くならないように制御している。

すなわち、この実施形態では、注水流量の増加分を蒸気圧力制御ｌから減算することにより、注水が急膨張し蒸気となって蒸気圧力を上昇させる方向に働くが、先行的に燃焼量を減少させ、圧力上昇を少なくしている。逆に、注水流量の減少分を蒸気圧力制御から減算することにより、注水が急膨張し蒸気となって蒸気圧力を低下させる方向に働くが、先行的に燃焼量を増加させ圧力低下を少なくしている。

このように第２の実施形態によれば、流量差演算部２２によって、ボイラ設備２から供給される蒸気流量検出信号“Ｆｓ”、注水流量検出信号“Ｆｓｐ”の差を演算して、負荷の蒸気使用量信号“Ｆｓｓ”を生成するとともに、燃焼量演算部１６の加算器２３によって、蒸気圧力制御演算器２７から出力される燃焼量に負荷の蒸気使用量信号“Ｆｓｓ”を加算する処理に加え、注水流量変化分演算部３１によって、ボイラ設備２から供給される注水流量検出信号“Ｆｓｐ”の変化分を示す変化分信号“Ｆｓｐｄ”を生成し、減算器３４によって、蒸気圧力制御演算器２７を介して加算器２８で得られた燃焼量から変化分信号“Ｆｓｐｄ”を減算するようにしているので、注水流量が急激に減少した場合にも、ボイラ蒸気圧力を一定値に安定化させることができる。

本発明に係るボイラ制御装置の制御対象となるボイラ設備を示す概略構成図である。 本発明に係るボイラ制御装置の第１の実施形態を示すブロック図である。 本発明に係るボイラ制御装置の動作例を示すグラフである。 本発明に係るボイラ制御装置の第２の実施形態を示すブロック図である。

符号の説明

２：ボイラ設備
３ａ，３ｂ：ボイラ制御装置
４：ボイラ蒸気発生部
５：過熱器
６：注水装置
７：流量検出器
８：注水流量調節弁
９：過熱器
１０：流量検出器
１１：温度検出器
１２：圧力検出器
２１：操作量演算部
２２：流量差演算部
２３：燃焼量演算部
２４：蒸気温度制御演算器
２５：注水流量制御演算器
２６：減算器
２７：蒸気圧力制御演算器
２８：加算器
３１：注水流量変化分演算部
３２：注水流量遅れ演算器
３３：減算器
３４：減算器

Claims (2)

1. ボイラ蒸気発生部と、このボイラ蒸気発生部で発生した蒸気を過熱する過熱器と、この過熱器で過熱された蒸気に水を注水して所定の蒸気温度となるように調整して負荷に供給する注水装置とを備えたボイラ設備の蒸気圧力、及び蒸気温度を制御するボイラ制御装置において、
   前記負荷に供給される蒸気圧力を検出して得られる蒸気圧力検出信号に基づき、蒸気圧力を設定圧力と一致させるのに必要な燃焼量を演算して燃焼量信号を生成する蒸気圧力制御演算手段と、
   前記負荷に供給される蒸気流量を検出して得られる蒸気流量検出信号と前記注水装置に注水される注水流量を検出して得られる注水流量検出信号との差を演算して負荷の蒸気使用量信号を生成する蒸気使用量演算手段と、
   この蒸気使用量演算手段で生成された前記蒸気使用量信号を前記蒸気圧力制御演算手段で得られる燃焼量信号と加算して蒸気圧力を安定化させた燃焼量信号を生成する加算手段と
   を備えたことを特徴とするボイラ制御装置。
2. ボイラ蒸気発生部と、このボイラ蒸気発生部で発生した蒸気を過熱する過熱器と、この過熱器で過熱された蒸気に水を注水して所定の蒸気温度となるように調整して負荷に供給する注水装置とを備えたボイラ設備の蒸気圧力、及び蒸気温度を制御するボイラ制御装置において、
   前記負荷に供給される蒸気圧力を検出して得られる蒸気圧力検出信号に基づき、蒸気圧力を設定圧力と一致させるのに必要な燃焼量を演算して燃焼量信号を生成する蒸気圧力制御演算手段と、
   前記負荷に供給される蒸気流量を検出して得られる蒸気流量検出信号と前記注水装置に注水される注水流量を検出して得られる注水流量検出信号との差を演算して負荷の蒸気使用量信号を生成する蒸気使用量演算手段と、
   この蒸気使用量演算手段で生成された前記蒸気使用量信号を前記蒸気圧力制御演算手段で得られる燃焼量信号と加算して蒸気圧力を安定化させた燃焼量信号を生成する加算手段と、
   前記注水流量検出信号の変化分を抽出して変化分信号を生成する注水流量変化分演算手段と、
   前記注水流量検出信号と、前記注水流量変化分演算手段で得られた変化分信号との差分信号を求める注水流量差分演算手段と、
   前記加算手段から出力される燃料量信号から前記注水流量差分演算手段で生成された差分信号を減算して新たな燃焼量信号を生成する減算手段と
   を備えたことを特徴とするボイラ制御装置。

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