JP5108644B2 - ボイラ制御装置ならびにボイラ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラ制御装置ならびにボイラ制御方法に係り、特に高負荷変化率における発電出力、主蒸気圧力、蒸気のエンタルピなどの制御の追従性を同時に向上することが可能なボイラ制御装置ならびにボイラ制御方法に関する。

従来、蒸気発生器における蒸気圧力と蒸気温度に対する制御に関して特許文献１に記載された提案がある。この提案によると燃料の燃焼が出力目標値に対して遅延すること、また給水流量が蒸発器伝熱面を通過するに際しての時間遅れの両者に対して、制御装置内に２つの遅延要素を設けることによって補正しようとする技術が開示されている。

また、図８と図９は本発明者らが先に検討したボイラ制御装置を説明するための図で、図８はボイラ・タービン系における発電出力、主蒸気圧力、蒸気のエンタルピの制御装置全般を示すブロック図、図９はその制御装置の信号系統を示す図である。

図８に示すように、給水はポンプ１１によりボイラ装置に導入され、節炭器１２を経てその大部分は水壁１４に導かれ、給水の一部は分岐点２２から１次スプレ水２３ならびに２次スプレ水２４として使われる。水壁１４は火炉１３の外周壁を構成しており、水壁１４の中を通る水は燃料の燃焼により生成した燃焼ガスにより加熱される。これはケージ１５ならびに汽水分離器１６を経て蒸気となり、この例では１次過熱器１７、２次過熱器１８および３次過熱器１９で順次過熱されて過熱蒸気となる。

過熱蒸気はガバナ(ガス圧調整弁)２０を経て蒸気タービン２１(図中では高圧タービンのみ表示)に供給されて発電に寄与し、さらに再熱ループ(図示せず)に送られる。

このボイラ・タービン系の制御は、負荷要求信号（ＭＷＤ）５０に基づいて関数発生器（Ｆｘ）３０,３１により主蒸気圧力設定値６０と蒸気のエンタルピ設定値７０が生成される。前記負荷要求信号（ＭＷＤ）５０、主蒸気圧力設定値６０ならびに蒸気のエンタルピ設定値７０に追従すべき量は、発電出力値５１、主蒸気圧力値６１及び蒸気のエンタルピ値７１である。

前記負荷要求信号（ＭＷＤ）５０と発電出力値５１との出力偏差値５２は、減算器３２により求められる。主蒸気圧力設定値６０と主蒸気圧力値６１との主蒸気圧力偏差値６２は、減算器３３により求められる。蒸気のエンタルピ設定値７０と蒸気のエンタルピ値７１との蒸気のエンタルピ偏差値７２は、減算器３４により求められる。これら偏差値５２，６２，７２はＰＩ（微分・積分）制御器５３，６３，７３に、適切な無次元化の上で入力され、フィードバック調整量１１１，１１２，１１３が算定される。

このうち発電出力偏差値５２のフィードバック調整量１１１はガバナ２０への指令信号となり、ガバナ２０の開度調整を行う。

主蒸気圧力偏差値６２のフィードバック調整量１１２は加算器３５で負荷要求信号（ＭＷＤ）５０と加算されて、ボイラ入力指令信号（ＢＩＤ）２００となる。このボイラ入力指令信号（ＢＩＤ）２００は一方では関数発生器（Ｆｘ）３６により給水流量先行信号２０１を、また一方では関数発生器（Ｆｘ）３７により燃料流量指令信号２０２を、それぞれ生成する。給水流量先行信号２０１は加算ブロック３８で前記蒸気のエンタルピ偏差値７２のフィードバック調整量１１３と加算され、給水流量指令信号３０１となって給水ポンプ１１の駆動操作を指示する。前記燃料流量指令信号２０２は、火炉１３（バーナ）への燃料流量の投入操作を指示する。

図９は、前記制御系において前記フィードバック調整量がボイラ・タービン系にどのように作用し、どのような結果を出力するかを説明するための図である。

フィードバック調整量１１１，１１２，１１３を算定するプロセスは図８で説明した通りであるから、その説明は省略する。図９に示すようにボイラ・タービン系２００００は、ボイラ・タービン系への入力が出力に変換される過程を３種類の、一般的にはシステム系の出力と入力のラプラス変換の比で表される、伝達関数で表現したＧ１２，Ｇ２２，Ｇ３２のブロックとその３種類の伝達関数が影響を受け合うということを表現した加算ブロック４０を含むものを、ブロック様式で記載したものである。ボイラ・タービン系にはフィードバック調整量１１１，１１２，１１３が制御値として入力され、それらに基づいてボイラ・タービン系内では伝達関数Ｇ１２，Ｇ２２，Ｇ３２および加算ブロック４０で表現された入力から出力への変換が生じ、発電出力値５１、主蒸気圧力値６１ならびに蒸気のエンタルピ値７１がボイラ・タービン系の出力として現れる（図面を簡略にするため図９では代表例として主蒸気圧力値６１が出力されている状態を示している）。

主蒸気圧力値（Ｐｐｖ）６１を主蒸気圧力設定値（Ｐｓｅｔ）６０に追従制御するには、減算器３３により両者の主蒸気圧力偏差値６２を求め、その偏差値６２を基にしてＰＩ制御器６３によりフィードバック調整量１１２を得る。

このフィードバック調整量１１２がボイラ・タービン系２００００に入力されると、物理法則で規定された因果関係に沿って圧力変化値２５２２が発生する。すなわち前記フィードバック調整量１１２によりボイラ入力指令信号（ＢＩＤ）２００を得て、給水流量先行信号２０１と燃料流量指令信号２０２によりボイラ装置が制御されるから火炉１３内で圧力変化値２５２２が発生する。そしてこの圧力変化値２５２２がゼロに収束することで、主蒸気圧力設定値（Ｐｓｅｔ）６０が得られることになる。

ここで前記因果関係はシステム理論の用語で伝達関数と称されるものであり、前記フィードバック調整量１１２が伝達関数（Ｇ２２）２０２２に入力されて圧力変化値２５２２が得られる。この圧力変化値２５２２には、外乱としてガバナ２０のフィードバック調整量１１１が別の伝達関数（Ｇ１２）２０１２を経由した圧力変化値２５１２が加算ブロック４０で加算されるとともに、給水操作量のフィードバック調整量１１３がさらに別の伝達関数（Ｇ３２）２０３２を経由した圧力変化値２５３２も加算ブロック４０で加算される。

これらを直観的に示すと、まず伝達関数（Ｇ１２）２０１２を経由した圧力変化値２５１２の加算は、ガバナ２０の開度を絞れば主蒸気圧力が直ちに上昇し、逆に開放すれば主蒸気圧力が直ちに降下するという因果関係に基づくものである。伝達関数（Ｇ３２）２０３２を経由した圧力変化値２５３２の加算は、給水を多量に流せば主蒸気圧力はゆっくりと上昇し、逆動作では主蒸気圧力がゆっくりと降下するという因果関係に基づくものである。

ここでガバナ２０を動作するのは発電出力値（ＭＷ）５１を負荷要求信号（ＭＷＤ）５０に追従するためであり、また給水ポンプ１１を動作するのは蒸気のエンタルピ値７１を蒸気のエンタルピ設定値７０に追従するためである。
特表平７−５０２８０３号公報

前記特許文献１で提案された制御装置では、圧力制御への２つの外乱が発生する。その１つは、蒸気のエンタルピを給水操作で制御する際に、この給水操作が主蒸気圧力に影響することである。またガバナの開度は発電出力を設定に持っていくように操作されるが、このガバナ操作の主蒸気圧力への影響が、主蒸気圧力の本来の操作量であるところのボイラ入力によるよりも速いという時間的なミスマッチが存在することである。

図８に示すボイラ・タービン制御系で注意すべき点は、前述のようにガバナ２０の開度調整による主蒸気圧力の応答時間がボイラ入力操作による主蒸気圧力の応答時間より数倍程度速いことである。従ってガバナ２０が発電出力（ＭＷ）制御のために操作されると、その影響が直ちに主蒸気圧力に外乱として作用し、これを除去するためにはその動きを事前に予測し、逆外乱と逆方向に動く作用をボイラ入力から主蒸気圧力に印加しなければならない。しかるにボイラ入力でのそのような事前情報の利用は因果関係からは有り得ないことである。

この先に検討した制御系では前述の応答速度の差が考慮されていないため、主蒸気圧力値６１の外乱項のうち特にガバナ２０の操作に由来する圧力変化値２５１２の抑制が困難である。

また外乱項である圧力変化値２５３２の抑制も積極的には行われていない。このため発電出力値（ＭＷ）５１あるいは蒸気のエンタルピ値７１をそれぞれの設定値に追従させるための操作が主蒸気圧力値６１への外乱として作用し、主蒸気圧力を安定に制御するにはＰＩ制御を低いゲインで行わざるを得なくなる。そうすると主蒸気圧力の追従性が遅く、結果として発電出力値（ＭＷ）の追従性も遅くなり、発電出力値（ＭＷ）の偏差値を規定の範囲に守れない恐れが出てくる。

本発明の目的は、発電出力、主蒸気圧力、蒸気のエンタルピなどの制御の追従性を同時に向上することが可能なボイラ制御装置ならびにボイラ制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、ボイラに対する負荷要求信号と蒸気タービンからの発電出力値により演算された発電出力偏差値に基づいて、主蒸気経路に設けたガバナの開度を調整して前記蒸気タービンに供給する主蒸気流量を制御する第１の制御ループと、
前記負荷要求信号に基づいて演算された主蒸気圧力設定値と主蒸気圧力値により演算された主蒸気圧力偏差値に基づいて、バーナに投入する燃料流量を制御する第２の制御ループと、
前記負荷要求信号に基づいて演算された蒸気のエンタルピ設定値と蒸気のエンタルピ値により演算された蒸気のエンタルピ偏差値に基づいて、水壁に供給する給水流量を制御する第３の制御ループと、
ボイラの負荷変化率と制御仕様の入力値から正数パラメータを演算する正数パラメータ演算手段と、
前記発電出力偏差値、主蒸気圧力偏差値、蒸気のエンタルピ偏差値のうちの少なくとも２つの偏差値と前記正数パラメータを入力して、前記入力した偏差値に基づく少なくとも２つのボイラ操作量を出力するムダ時間補償手段とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
前記制御仕様の入力値が主蒸気許容圧力偏差値であることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１の手段において、
前記ムダ時間補償手段が第１の補償要素演算手段と第２の補償要素演算手段と加算手段を備え、
前記第１の補償要素演算手段に前記発電出力偏差値と前記正数パラメータが入力されて第１の出力信号を出力し、前記第２の補償要素演算手段に前記蒸気のエンタルピ偏差値が入力されて第２の出力信号を出力して、
前記第１の出力信号と第２の出力信号と主蒸気圧力偏差値を前記加算手段で加算して第３の出力信号を出力する構成になっていることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第３の手段において、
前記第１の補償要素演算手段が、不完全微分演算手段とムダ時間差設定手段と乗算手段と加算手段を備え、
前記発電出力偏差値と正数パラメータが前記不完全微分演算手段に入力されて、発電出力偏差値の不完全微分が遅れ時間によって演算され、
前記ムダ時間差設定手段に設定されている前記ガバナの操作による主蒸気圧力の応答のムダ時間とボイラ入力の操作による主蒸気圧力の応答のムダ時間の差と、前記不完全微分演算手段によって演算された発電出力偏差値の不完全微分が前記乗算手段により掛け算され、
その掛け算された値と前記発電出力偏差値が前記加算手段により加算されて微分結果値を出力する構成になっていることを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は、
ボイラに対する負荷要求信号と蒸気タービンからの発電出力値により演算された発電出力偏差値に基づいて、主蒸気経路に設けたガバナの開度を調整して前記蒸気タービンに供給する主蒸気流量を制御し、
前記負荷要求信号に基づいて演算された主蒸気圧力設定値と主蒸気圧力値により演算された主蒸気圧力偏差値に基づいて、バーナに投入する燃料流量を制御し、
前記負荷要求信号に基づいて演算された蒸気のエンタルピ設定値と蒸気のエンタルピ値により演算された蒸気のエンタルピ偏差値に基づいて、水壁に供給する給水流量を制御するとともに、
ボイラの負荷変化率と制御仕様の入力値から正数パラメータを演算し、
前記発電出力偏差値、主蒸気圧力偏差値、蒸気のエンタルピ偏差値のうちの少なくとも２つの偏差値と前記正数パラメータを入力して、前記入力した偏差値に基づく少なくとも２つのボイラ操作量を出力することを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は前記第５の手段において、
前記制御仕様の入力値が主蒸気許容圧力偏差値であることを特徴とするものである。

本発明の第７の手段は前記第５の手段において、
前記発電出力偏差値と前記正数パラメータを第１の補償要素演算手段に入力して第１の出力信号を出力し、
前記蒸気のエンタルピ偏差値に第２の補償要素演算手段に入力して第２の出力信号を出力して、
前記第１の出力信号と第２の出力信号と主蒸気圧力偏差値を加算して第３の出力信号を出力することを特徴とするものである。

本発明の第８の手段は前記第７の手段において、
前記発電出力偏差値と正数パラメータを不完全微分演算手段に入力して発電出力偏差値の不完全微分を遅れ時間によって演算し、
前記ガバナの操作による主蒸気圧力の応答のムダ時間とボイラ入力の操作による主蒸気圧力の応答のムダ時間の差と、前記不完全微分演算手段によって演算された発電出力偏差値の不完全微分を掛け算して、
その掛け算された値と前記発電出力偏差値を加算して微分結果値を出力することを特徴とするものである。

本発明の構成によれば、ボイラ入力で主蒸気圧力を制御する制御ループにおいて、ガバナからと給水流量からのバイアス成分が加算されるため、これらガバナと給水流量の変化に起因する圧力への外乱が除去される。このため主蒸気圧力を十分に大きなＰＩゲインを使ってボイラ入力で制御できる。従って、主蒸気圧力の応答性、制御性が飛躍的に向上し、これにより発電出力ならびに蒸気のエンタルピの追従性も同時に向上する。

また、発電出力偏差によるフィードバックが主蒸気に影響を与えないように必要とされる先行信号についても負荷変化率の高いとき以外ではバイアス量の上限が抑制されるため、操作のためのポンプや弁などのハード機器の損傷などが低減される。

本発明の核となる考え方は、ガバナ操作が他の操作量に比べて速い応答を引き起こす動作であることが、主蒸気圧力制御への外乱とならないような制御方法をとることにある。すなわちボイラ入力にガバナ操作量の変化をバイアスとして加算し、ガバナ操作により誘起される動作をキャンセルさせる。これによれば発電出力を制御するガバナ操作が圧力に外乱として作用することが抑制される。

また同時にバイアス量の初期操作量の最大値を制御するためにある正数パラメータγを導入し、これを負荷変化率と制御仕様入力値との関数として時々刻々に調整できるようにした。このようなバイアスの生成においては、ガバナ操作が主蒸気圧力に影響するまでの時間やボイラ入力が主蒸気圧力に影響するまでの時間、つまりそれぞれの制御ループのムダ時間を正確に求めておく必要があり、このムダ時間はステップ入力の下での実機応答特性から得られる。

本発明の基本は、圧力制御ループの外乱を除去すればよいことに立脚している。これにより、主蒸気圧力偏差のフィードバック調整量はボイラ入力を介して主蒸気圧力のみを操作できるようになる。このような構成をとることにより、圧力制御ループのＰＩ制御のゲインを十分に大きくすることが可能となり、主蒸気圧力設定値への追従性が向上し、結果として発電出力の追従性も向上する。

このような外乱除去のためには、ボイラ入力に外乱を相殺するような操作量バイアスを加算すればよい。すなわち、ボイラ入力のフィードバック量に、ガバナ起因のバイアス成分と給水起因のバイアス成分を加算すればよい。この際、ガバナの開度調整に伴う主蒸気圧力の応答がボイラ入力に伴う主蒸気圧力の応答の数倍も速いため、前記バイアスは前述の通りの事前予測的な補償を要求されるためバイアス生成の初期に大きく立ち上がる信号になる。

このような初期にピークを持つ信号は微分型と称されるが、この微分型信号が突変的にならないように、これをある正数パラメータγにより抑制する。この正数パラメータγは、ボイラ装置の負荷変化率と、対応する制御仕様の情報から例えばルックアップテーブルで算出する。

なお、本明細書で記述する「制御仕様の入力値」とは、例えば蒸気のエンタルピ偏差が＋Ａ〔℃〕〜−Ｂ〔℃〕、主蒸気圧力偏差が＋Ｃ〔ＭＰａ〕〜−Ｄ〔ＭＰａ〕、発電出力偏差が＋Ｅ〔％〕〜−Ｆ〔％〕、主蒸気許容圧力偏差値のようにボイラ・タービン系統を安全にかつ効率的に運転するために予め定められた制御上の規定値を示している。

次に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係るボイラ・タービン系における発電出力、主蒸気圧力、蒸気のエンタルピの制御装置全般を示すブロック図である。

図１に示すように、給水はポンプ１１によりボイラ装置に導入され、節炭器１２を経てその大部分は水壁１４に導かれ、給水の一部は分岐点２２から１次スプレ水２３ならびに２次スプレ水２４として使われる。水壁１４は火炉１３の外周壁を構成しており、水壁１４の中を通る水はバーナによる燃料の燃焼により生成した燃焼ガスにより加熱される。これはケージ１５ならびに汽水分離器１６を経て蒸気となり、本実施形態では１次過熱器１７、２次過熱器１８、３次過熱器１９で順次過熱されて過熱蒸気となる。

過熱蒸気は主蒸気経路に設けられたガバナ２０を通り蒸気タービン２１ (図中では高圧タービンのみ表示)に供給されて発電に寄与し、さらに再熱ループ(図示せず)に送られる。

ボイラ・タービン系の制御は、ボイラ装置に対する負荷要求信号（ＭＷＤ）５０に基づいて、関数発生器（Ｆｘ）３０,３１により主蒸気圧力設定値６０と蒸気のエンタルピ設定値（１次過熱器入口エンタルピ設定値）７０が生成される。前記負荷要求信号（ＭＷＤ）５０、主蒸気圧力設定値６０及び蒸気のエンタルピ設定値７０に追従すべき量は、実測された発電出力値５１、主蒸気圧力値６１及び蒸気のエンタルピ値７１である。

前記負荷要求信号（ＭＷＤ）５０と発電出力値５１との出力偏差値５２は、減算器３２により求められる。主蒸気圧力設定値６０と主蒸気圧力値６１との主蒸気圧力偏差値６２は、減算器３３により求められる。蒸気のエンタルピ設定値７０と蒸気のエンタルピ値７１との蒸気のエンタルピ偏差値７２は、減算器３４により求められる。これら偏差値５２，６２，７２はＰＩ制御器５３，６３，７３に、適切な無次元化の上で入力され、フィードバック調整量１１１，１１２，１１３が算定される。

発電出力のフィードバック調整量１１１、主蒸気圧力のフィードバック調整量１１２及び蒸気のエンタルピのフィードバック調整量１１３は、ボイラ動特性ムダ時間補償装置１０００に入力される。主蒸気圧力のフィードバック調整量１１２については演算処理後、新しく第３の出力信号１０２が得られる。フィードバック調整量１１１と１１３はボイラ動特性ムダ時間補償装置１０００中で前記第３の出力信号１０２を生成するために使われる。

その後発電出力のフィードバック調整量１１１と蒸気のエンタルピのフィードバック調整量１１３は、ボイラ動特性ムダ時間補償装置１０００からそのままで出力され、発電出力のフィードバック調整量１１１はガバナ２０への指令信号となり、ガバナ２０の開度調整を行う。

前記第３の出力信号１０２は加算器３５によりボイラ入力のフィードバック成分として負荷要求信号（ＭＷＤ）５０と加算されて、ボイラ入力指令信号（ＢＩＤ）２００となる。このボイラ入力指令信号（ＢＩＤ）２００は一方では関数発生器（Ｆｘ）３６により給水流量先行信号２０１を、また一方では関数発生器（Ｆｘ）３７により燃料流量指令信号２０２を、それぞれ生成する。

前記給水流量先行信号２０１は、加算ブロック３８により前記蒸気のエンタルピのフィードバック調整量１１３と加算され、給水流量指令信号３０１となって給水ポンプ１１の駆動操作を指示する。前記燃料流量指令信号２０２は、火炉１３（バーナ）への燃料流量の投入操作を指示する。

負荷要求信号（ＭＷＤ）５０に基づいて負荷変化率計算器(dL/dt)１１００で計算された負荷変化率１１１０と、制御仕様記憶手段１３００に記憶されているその時点で与えられる制御仕様指令信号１３１０がγ演算回路１５００に入力され、両者の入力情報に基づいて正数パラメータγ１５１０が演算される。そしてこの正数パラメータγ１５１０が、ボイラ動特性ムダ時間補償装置１０００に入力される。

図２は、ボイラ動特性ムダ時間補償装置１０００の構成とその周辺の入出力信号の流れを示す図である。なお、フィードバック調整量１１１，１１２，１１３を算定するプロセスは図１で説明した通りであるから、その説明は省略する。

本実施形態では、ボイラ動特性ムダ時間補償装置１０００は、第１の補償要素演算手段（ＤＢｐ）１０１２と第２の補償要素演算手段（ＤＢＦ）１０３２と加算ブロック３９を備えている。第１の補償要素演算手段（ＤＢｐ）１０１２には、発電出力のフィードバック調整量１１１と、γ演算回路１５００で得られた正数パラメータγ１５１０が入力されて第１の出力信号１５１２を得る。

第２の補償要素演算手段（ＤＢＦ）１０３２には、蒸気のエンタルピのフィードバック調整量１１３が入力されて第２の出力信号１５３２を得る。前記出力信号１５１２，１５３２は、加算ブロック３９により主蒸気圧力のフィードバック調整量１１２と加算され、ボイラ動特性ムダ時間補償装置１０００から第３の出力信号１０２として、ボイラ・タービン系２００００に入力される。

ボイラ・タービン系２００００は、第１の伝達関数（Ｇ１２）２０１２と第２の伝達関数（Ｇ２２）２０２２と第３の伝達関数（Ｇ３２）２０３２と加算ブロック４０を含むブロック図として表されている。

前記第３の出力信号１０２がボイラ・タービン系２００００に入力されるボイラ・タービン系２００００内の第２の伝達関数（Ｇ２２）２０２２により、物理法則で規定された因果関係に沿って圧力変化値２５２２が発生する。すなわち図１に示すように前記フィードバック調整量１１２によりボイラ入力指令信号（ＢＩＤ）２００を得て、給水流量先行信号２０１と燃料流量指令信号２０２によりボイラ装置が制御されるから火炉１３内で圧力変化値２５２２が発生する。そしてこの圧力変化値２５２２がゼロに収束することで、主蒸気圧力設定値（Ｐｓｅｔ）６０が得られることになる。

ここで前記因果関係はシステム理論の用語で伝達関数と称されるものであり、前記第３の出力信号１０２がボイラ・タービン系２００００に入力され、第２の伝達関数（Ｇ２２）２０２２により圧力変化値２５２２が得られる。この圧力変化値２５２２には、外乱としてガバナ２０のフィードバック調整量１１１から第１の伝達関数（Ｇ１２）２０１２により得られる圧力変化値２５１２が加算ブロック４０で加算されるとともに、給水操作量のフィードバック調整量１１３から第３の伝達関数（Ｇ３２）２０３２により得られる圧力変化値２５３２も加算される。

前記圧力変化値２５１２の加算は、ガバナ２０の開度を絞れば主蒸気圧力が直ちに上昇し、逆に開放すれば主蒸気圧力が直ちに降下するという因果関係に基づくものである。前記圧力変化値２５３２の加算は、給水を多量に流せば主蒸気圧力はゆっくりと上昇し、逆動作では主蒸気圧力がゆっくりと降下するという因果関係に基づくものである。

前記第１の補償要素演算手段（ＤＢｐ）１０１２では、ガバナの操作による主蒸気圧力の応答速度がボイラ入力の操作による主蒸気圧力の応答速度より数倍も速いという事情が考慮されており、この内容を図３と共に説明する。

図３に示すように第１の補償要素演算手段（ＤＢｐ）１０１２は、ムダ時間補償演算装置１５９０と操作量反転装置１５９５を備えている。この第１の補償要素演算手段（ＤＢｐ）１０１２には、発電出力のフィードバック調整量１１１とγ演算回路１５００で得られた正数パラメータγ１５１０が入力される。

そしてフィードバック調整量１１１がムダ時間補償演算装置１５９０において正数パラメータγ１５１０の値を考慮して微分演算され、その微分結果値１５１１が操作量反転装置１５９５に入力されて、最終的にはボイラ入力へのバイアス量としての第１の出力信号１５１２が得られる。

ここで「微分」の意味を図４で説明するが、この図は前記ムダ時間補償演算装置１５９０の詳細を示す図である。同図に示すようにムダ時間補償演算装置１５９０は、不完全微分演算回路１５９１、ムダ時間差設定部１５９２、乗算器１５９３および加算ブロック１５９４を備えている。

前記不完全微分演算回路１５９１により発電出力のフィードバック調整量１１１の不完全微分s/(１＋γs)が遅れ時間によって演算され、求められた値とムダ時間差設定部１５９２に予め設定されているムダ時間差Δτが乗算器１５９３で乗算され、その値とフィードバック調整量１１１が加算ブロック１５９４で加算されることにより微分結果値１５１１となる。これを計算式で示せば、下記のようになる。

(微分結果値1511)＝
(フィードバック調整量111)＋Δτ×s/(1+γs)×(フィードバック調整量111)
前記ムダ時間差Δτは、ガバナの操作による主蒸気圧力の応答のムダ時間τ２２からボイラ入力の操作による主蒸気圧力の応答のムダ時間τ１２を引いた値、すなわちΔτ=τ２２−τ１２である。通常、ムダ時間τ１２はムダ時間τ２２の１／２〜１／３程度でムダ時間τ２２に比べ小さいため、通常、ムダ時間差Δτ＞０の正値である。

図５は、ムダ時間補償演算装置１５９０の作用の詳細を時間トレンド（時間特性）として具体的に示す図である。

図中のａは発電出力のフィードバック調整量１１１の時間トレンドで、このフィードバック調整量１１１に基づいてガバナ２０の開度が調整されると、それは直ちに伝達関数（Ｇ１２）２０１２を経由して主蒸気の圧力変化値２５１２として現れる。これが図５に示す時間トレンドｂである。

一方、前記フィードバック調整量１１１は第１の補償要素演算手段（ＤＢｐ）１０１２に入力されて、ボイラ入力へのバイアスとしての第１の出力信号１５１２を得る。これが図５に示す時間トレンドｃである。

第１の出力信号１５１２は時間トレンドｃに示すように変換されるが、その圧力変動への加算量は時間トレンドｄに示す圧力変化値２５２２（図２参照）の一部であって、これは前記第１の出力信号１５１２すなわち時間トレンドｃを伝達関数（Ｇ２２）２５２２で変換した量である。

ところが時間トレンドｃにおいて時間初期に十分な先行値すなわち微分量が確保されていれば、対応して時間トレンドｂ（圧力変化値２５１２）と時間トレンドｃ（圧力変化値２５２２）の和は時間トレンドｅのようにほぼフラットになり、フィードバック調整量１１１からの圧力への影響が相殺されることになる。

ここで同様の相殺を第２の補償装置（ＤＢＦ）１０３２に対して示し、しかる後にこの第２の補償装置（ＤＢＦ）１０３２と対比して第１の補償装置（ＤＢｐ）１０１２が持つ問題点とその解決方法について次に説明する。

先ず、第２の補償装置（ＤＢＦ）１０３２の作用について図６を用いて説明する。最初にトリガ―として蒸気のエンタルピ偏差値７２のフィードバック調整量１１３の変化を考える。時間トレンドｆはそのフィードバック調整量１１３の変化を示すものであり、このフィードバック調整量１１３は給水ポンプ１１の駆動操作を指示する給水流量指令信号３０１に関与している。このフィードバック調整量１１３は、図２に示すように伝達関数（Ｇ３２）２０３２に入力され、圧力変化値２５３２を出力するが、この圧力変化値２５３２は時間トレンドｇのようにムダ時間τ３２を経てゆっくりと変化する。

この圧力変化値２５３２を相殺するために、一方で前記フィードバック調整量１１３を第２の補償装置（ＤＢＦ）１０３２に入力して、バイアス量である第２の出力信号１５３２を得る（時間トレンドｈ参照）。ここで注意すべきは、このバイアス量（第２の出力信号１５３２）を、τ３２−τ２２＝τＤ３２だけ遅らせて発生させることである。前記ムダ時間τ３２は前記圧力変化が生じるまでの時間、ムダ時間τ２２は前記バイアスが主蒸気圧力に影響するまでの時間、遅れ時間τＤ３２は第２の出力信号１５３２の遅れ時間である。

前記バイアス量（第２の出力信号１５３２）が主蒸気圧力に影響しはじめるのはバイアス発生から時間τ２２の後である。ところがバイアス量（第２の出力信号１５３２）はトリガであるフィードバック調整量１１３より時間τＤ３２だけ遅れて発生しているため、結局、バイアス量（第２の出力信号１５３２）が主蒸気圧力に影響するのはフィードバック調整量１１３の入力から、τＤ３２＋τ２２だけ後である（時間トレンドｉ参照）。この量は、τＤ３２＋τ２２＝（τ３２−τ２２）＋τ２２＝τ３２である。

そこで結局、ボイラ入力への給水からのバイアス量（第２の出力信号１５３２）による主蒸気圧力への影響は、フィードバック調整量１１３のトリガから時間τ２２だけ後ということになり、バイアス量（第２の出力信号１５３２）の大きさを適切に設定すれば、バイアス量（第２の出力信号１５３２）による圧力変化（時間トレンドｉ）が給水トリガ（フィードバック調整量１１３）による圧力変化（時間トレンドｇ）を相殺することができる。その相殺結果が、時間トレンドｊとして示されている。

この補償要素演算手段（ＤＢＦ）１０３２の作用で注目すべきは、給水による主蒸気圧力の影響がボイラ入力による主蒸気圧力の影響より遅くτ３２＞τ２２であり、このためτＤ３２＝τ３２−τ２２＞０となり、トリガを相殺するためのバイアスを時間的にトリガより後に発生することができたことである。

ところが図５に示すトレンドを有する補償要素演算手段（ＤＢｐ）１０１２にあっては対応する遅れ時間τＤ１２を計算すると、τＤ１２＝τ１２−τ２２＜０と負値になることが分かる。すなわち図５において、ガバナ２０のトリガとなるフィードバック調整量１１１（時間トレンドａ）による圧力変化（時間トレンドｂ）を相殺するためのバイアス信号（時間トレンドｃ）は、トリガ（時間トレンドａ）よりも先に発生しなければならない。

ところが前記トリガ（時間トレンドａ）の情報を得てバイアス信号（時間トレンドｃ）を発生するのであるから、前述のように予定調和的なバイアス信号を発生させることはできない。

そこで前記トリガの発生時点で直ちに非常に大きなバイアス信号を発生させ、予定調和的なバイアス信号が相殺しているであろう所の圧力変化（時間トレンドｄ）を打ち消すように働くことになる。これが補償要素演算手段（ＤＢｐ）１０１２における微分すなわち先行信号の意味であり、図５のバイアス信号（時間トレンドｃ）に見られるようにトリガ発生時点で非常に大きなバイアス信号（初期のピーク）を発生しなければならない。

ところが、このような非常に大きな信号が一時的にせよボイラ入力に加算されるということは、ボイラ入力によって給水や燃料の先行値が決まることを考えれば、給水あるいは燃料の操作端を非常に速くかつ大きく操作しなければならないことを意味し、例えばポンプや弁などのハード機器の操作端の損傷の観点から避けるべき事態である。

すなわち補償要素演算手段（ＤＢｐ）１０１２が有する問題は、バイアス信号をトリガが立つ時点で非常に速く大きく立ち上げなければならないことと、これにより主蒸気圧力への外乱を十分に除去すること、の矛盾する要素の両立の要求があることである。

この課題を解決するために、不完全微分のパラメータγを負荷変化率と制御仕様入力値によりタイムリーに設定する方法を図７と共に説明する。同図の上部には正数パラメータγ（横軸）と主蒸気圧力偏差ΔＰ（縦軸）との関係を、同図の下部には正数パラメータγ（横軸）とボイラ入力指令信号（ＢＩＤ）の振幅ΔＢＩＤ（縦軸）との関係を、それぞれ示している。

それぞれは負荷変化率ｄＬ/ｄｔ１、ｄＬ/ｄｔ２、ｄＬ/ｄｔ３の３レベルに対してプロットされており、ここでｄＬ/ｄｔ１は例えば５％／分の負荷変化率であり、ｄＬ/ｄｔ１＞ｄＬ/ｄｔ２＞ｄＬｄｔ３の順になっている。また上部の図で主蒸気許容圧力偏差ΔＰｓｐｅｃを示しているが、制御仕様とは主蒸気圧力偏差ΔＰが主蒸気許容圧力偏差ΔＰｓｐｅｃ以下であることを要求している。図１に示されている制御仕様記憶手段１３００には、主蒸気圧力偏差ΔＰ、主蒸気許容圧力偏差ΔＰｓｐｅｃならびに正数パラメータγの関係が予め記憶されている。

前記上部の図から明らかなように、例えば負荷変化率ｄＬ/ｄｔ１のように負荷変化率ｄＬ/ｄｔが高いほど正数パラメータγを大きく設定しないと、圧力偏差ΔＰがその主蒸気許容圧力偏差ΔＰｓｐｅｃを上回る恐れがある。

そこで本実施形態では、負荷変化率ｄＬ/ｄｔ１に対する正数パラメータγを、主蒸気許容圧力偏差ΔＰｓｐｅｃと負荷変化率ｄＬ/ｄｔ１の線が交わる点γ１にとる。他の負荷変化率ｄＬ/ｄｔ２、ｄＬ/ｄｔ３についても同様に点γ２あるいは点γ３をとる。

こうしておけば、特定の負荷変化率ｄＬ/ｄｔに対してやはり主蒸気許容圧力偏差ΔＰｓｐｅｃと交わる点をγに設定しておくことにより、必ず圧力偏差ΔＰは主蒸気許容圧力偏差ΔＰｓｐｅｃを上回ることがなく、予め設定されている制御仕様を充足することができる。

一方、例えば正数パラメータγ１にあってはボイラ入力の振幅ΔＢＩＤが正数パラメータγ２や正数パラメータγ３のときに比べて大きく、本発明のこの一実施例では、可能な限りボイラ入力指令信号（ＢＩＤ）の振幅ΔＢＩＤを同時に抑制することが考慮されている．
本発明によれば、給水で蒸気のエンタルピを制御し温度応答を向上させ、同時に燃料で主蒸気圧力を制御することで発電出力制御の同時達成を図るボイラ制御装置において、発電出力制御あるいは蒸気温度制御のためのフィードバック調整が圧力制御に印加することになる外乱を可能な限り抑制し、また同時に、調整量の初期突変を抑制することで操作端の機器の損傷についても可能な限り低減できるという効果がある。

本発明の実施形態に係るボイラ・タービン系における発電出力、主蒸気圧力、蒸気のエンタルピの制御装置全般を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るボイラ動特性ムダ時間補償装置の構成とその周辺の入出力信号の流れ、およびボイラ・タービン系統における伝達関数を示す図である。 本発明の実施形態に係る第１の補償要素演算手段（ＤＢｐ）の構成図である。 本発明の実施形態に係るムダ時間補償演算装置の構成図である。 そのムダ時間補償演算装置の作用の詳細を時間トレンドとして示す図である。 本発明の実施形態に係る第２の補償装置（ＤＢＦ）の作用を時間トレンドとして示す図である。 本発明の実施形態において不完全微分のパラメータγを負荷変化率と制御仕様によりタイムリーに設定する方法を説明するための図である。 先に検討したボイラ・タービン系における発電出力、主蒸気圧力、蒸気のエンタルピの制御装置全般を示すブロック図である。 そのボイラ・タービン系における制御装置の信号系統、およびボイラ・タービン系統における伝達関数を示す図である。

符号の説明

１１：給水ポンプ、１２：節炭器、１３：火炉、１４：水壁、１５：ケージ、１６：汽水分離器、１７：１次過熱器、１８：２次過熱器、１９：３次過熱器、２０：ガバナ、２１：蒸気タービン、２２：分岐点、２３：１次スプレ、２４：２次スプレ、３０：関数発生器、３１：関数発生器、３２：減算器、３３：減算器、３４：減算器、３５：加算器、３６：関数発生器、３７：関数発生器、３８：加算ブロック、３９：加算ブロック、４０：加算ブロック、５０：負荷要求信号、５１：発電出力値、５２：出力偏差値、５３：ＰＩ制御器、６０：主蒸気圧力設定値、６１：主蒸気圧力値、６２：主蒸気圧力偏差値、６３：ＰＩ制御器、７０：蒸気のエンタルピ設定値、７１：蒸気のエンタルピ値、７２：蒸気のエンタルピ偏差値、７３：ＰＩ制御器、１０２：第３の出力信号、１１１：発電出力のフィードバック調整量、１１２：主蒸気圧のフィードバック調整量、１１３：蒸気のエンタルピのフィードバック調整量、２００：ボイラ入力指令信号、２０１：給水流量先行信号、２０３：燃料流量指令信号、１０００：ボイラ動特性ムダ時間補償装置、１０１２：第１の補償要素演算手段、１０３２：第２の補償要素演算手段、１１００：負荷変化率計算器、１３００：制御仕様記憶手段、１３１０：制御仕様指令信号、１５００：γ演算回路、１５１０：正数パラメータ、１５１１：微分結果値、１５１２：第１の出力信号、１５３２：第２の出力信号、１５９０：ムダ時間補償演算装置、１５９１：不完全微分演算回路、１５９２：ムダ時間差設定部、１５９４：加算ブロック、２０００：ボイラ・タービン制御系統、２０１２、２０２２、２０３２：伝達関数、２５１２、２５２２、２５３２：圧力変化値。

Claims (8)

1. ボイラに対する負荷要求信号と蒸気タービンからの発電出力値により演算された発電出力偏差値に基づいて、主蒸気経路に設けたガバナの開度を調整して前記蒸気タービンに供給する主蒸気流量を制御する第１の制御ループと、
   前記負荷要求信号に基づいて演算された主蒸気圧力設定値と主蒸気圧力値により演算された主蒸気圧力偏差値に基づいて、バーナに投入する燃料流量を制御する第２の制御ループと、
   前記負荷要求信号に基づいて演算された蒸気のエンタルピ設定値と蒸気のエンタルピ値により演算された蒸気のエンタルピ偏差値に基づいて、水壁に供給する給水流量を制御する第３の制御ループと、
   ボイラの負荷変化率と制御仕様の入力値から正数パラメータを演算する正数パラメータ演算手段と、
   前記発電出力偏差値、主蒸気圧力偏差値、蒸気のエンタルピ偏差値のうちの少なくとも２つの偏差値と前記正数パラメータを入力して、前記入力した偏差値に基づく少なくとも２つのボイラ操作量を出力するムダ時間補償手段とを備えたことを特徴とするボイラ制御装置。
2. 請求項１に記載のボイラ制御装置において、
   前記制御仕様の入力値が主蒸気許容圧力偏差値であることを特徴とするボイラ制御装置。
3. 請求項１に記載のボイラ制御装置において、
   前記ムダ時間補償手段が第１の補償要素演算手段と第２の補償要素演算手段と加算手段を備え、
   前記第１の補償要素演算手段に前記発電出力偏差値と前記正数パラメータが入力されて第１の出力信号を出力し、前記第２の補償要素演算手段に前記蒸気のエンタルピ偏差値が入力されて第２の出力信号を出力して、
   前記第１の出力信号と第２の出力信号と主蒸気圧力偏差値を前記加算手段で加算して第３の出力信号を出力する構成になっていることを特徴とするボイラ制御装置。
4. 請求項３に記載のボイラ制御装置において、
   前記第１の補償要素演算手段が、不完全微分演算手段とムダ時間差設定手段と乗算手段と加算手段を備え、
   前記発電出力偏差値と正数パラメータが前記不完全微分演算手段に入力されて、発電出力偏差値の不完全微分が遅れ時間によって演算され、
   前記ムダ時間差設定手段に設定されている前記ガバナの操作による主蒸気圧力の応答のムダ時間とボイラ入力の操作による主蒸気圧力の応答のムダ時間の差と、前記不完全微分演算手段によって演算された発電出力偏差値の不完全微分が前記乗算手段により掛け算され、
   その掛け算された値と前記発電出力偏差値が前記加算手段により加算されて微分結果値を出力する構成になっていることを特徴とするボイラ制御装置。
5. ボイラに対する負荷要求信号と蒸気タービンからの発電出力値により演算された発電出力偏差値に基づいて、主蒸気経路に設けたガバナの開度を調整して前記蒸気タービンに供給する主蒸気流量を制御し、
   前記負荷要求信号に基づいて演算された主蒸気圧力設定値と主蒸気圧力値により演算された主蒸気圧力偏差値に基づいて、バーナに投入する燃料流量を制御し、
   前記負荷要求信号に基づいて演算された蒸気のエンタルピ設定値と蒸気のエンタルピ値により演算された蒸気のエンタルピ偏差値に基づいて、水壁に供給する給水流量を制御するとともに、
   ボイラの負荷変化率と制御仕様の入力値から正数パラメータを演算し、
   前記発電出力偏差値、主蒸気圧力偏差値、蒸気のエンタルピ偏差値のうちの少なくとも２つの偏差値と前記正数パラメータを入力して、前記入力した偏差値に基づく少なくとも２つのボイラ操作量を出力することを特徴とするボイラ制御方法。
6. 請求項５に記載のボイラ制御方法において、
   前記制御仕様の入力値が主蒸気許容圧力偏差値であることを特徴とするボイラ制御方法。
7. 請求項５に記載のボイラ制御方法において、
   前記発電出力偏差値と前記正数パラメータを第１の補償要素演算手段に入力して第１の出力信号を出力し、
   前記蒸気のエンタルピ偏差値に第２の補償要素演算手段に入力して第２の出力信号を出力して、
   前記第１の出力信号と第２の出力信号と主蒸気圧力偏差値を加算して第３の出力信号を出力することを特徴とするボイラ制御方法。
8. 請求項７に記載のボイラ制御方法において、
   前記発電出力偏差値と正数パラメータを不完全微分演算手段に入力して発電出力偏差値の不完全微分を遅れ時間によって演算し、
   前記ガバナの操作による主蒸気圧力の応答のムダ時間とボイラ入力の操作による主蒸気圧力の応答のムダ時間の差と、前記不完全微分演算手段によって演算された発電出力偏差値の不完全微分を掛け算して、
   その掛け算された値と前記発電出力偏差値を加算して微分結果値を出力することを特徴とするボイラ制御方法。

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