JP5202731B2 - 貫流排熱回収ボイラの運転方法ならびに強制貫流排熱回収ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、複数の伝熱面を有する貫流ボイラを運転するための、給水質量流量Ｍ（ベクトル、以下同じ。）を調整するための装置に給水質量流量Ｍの目標値Ｍｓ（ベクトル、以下同じ。）が供給される方法に関する。更に、本発明は、この方法を実施するための強制貫流ボイラに関する。

貫流ボイラにおいては、１つの蒸発器伝熱面を共に形成する複数のボイラ管の加熱は、ボイラ管内の流動媒体を１回の貫流で完全に蒸発させる。流動媒体（通常は水）は、蒸発前にたいていは蒸発器伝熱面の流動媒体回路の前段に接続されている予熱器（一般にはエコノマイザとも呼ばれる。）に供給され、そこで予熱される。

貫流ボイラの運転状態及びそれに関連した実際のボイラ出力に依存して、蒸発器伝熱面への給水質量流量が調節される。負荷変動時には蒸発器流量を蒸発器伝熱面への熱流入にできるだけ同期して変化させるべきである。なぜなら、さもなければ、蒸発器伝熱面の出口における流動媒体の比エンタルピとそれの目標値との間に偏差が生じるのを確実に回避することができないからである。比エンタルピのこのような願わしくない偏差は、ボイラから出る生蒸気の温度調節を阻害し、その上に材料に高い負担を招き、それにともなってボイラの寿命低下をもたらす。

比エンタルピの目標値からの偏差及びそれにより生じる願わしくない大きな温度変動を、ボイラのあらゆる運転状態において、従って過渡状態においても、或いは負荷変動時にも、できるだけ少なくするためには、給水流量制御装置が、いわゆる予測的すなわち予想的な設計様式にて構成されているとよい。この場合に、特に負荷変動時にも、必要な給水目標値が現在の実際の運転状態又は直近の未来に予期される運転状態に依存して供給されるべきである。

必要とされる給水量の予測計算によって給水流量が調節される貫流ボイラは公知である（例えば、特許文献１参照）。これは、計算方法の基礎として蒸発器伝熱面の熱流収支を用い、この熱流収支の中に、特に蒸発器伝熱面入口における給水質量流量を加え入れたものである。この場合に給水質量流量の目標値は、実際に蒸発器伝熱面において熱ガスから流動媒体へ伝達される熱流と、所望の生蒸気状態を考慮して予め与えられる蒸発器伝熱面における流動媒体の目標エンタルピ上昇との比から予め与えられる。

しかし実際には、蒸発器伝熱面入口の直ぐ近くでの給水質量流量の測定は、技術的に費用がかかり、しかもあらゆる運転状態において確実に実施できるというわけではない。そこで代わりに予熱器入口における給水質量流量が測定されて給水量計算の中に取り込まれるが、しかし、その予熱器入口における給水質量流量は、あらゆる場合に蒸発器伝熱面入口における給水質量流量に等しいというわけではない。

特に負荷変動時においてとりわけ要求に即して給水質量流量の目標値を設定する際に上記に起因した不正確さを防止するために、予測式の質量流量調節の代替構想において、給水流量制御装置のための入力量の１つとして予熱器入口における給水密度を考慮することが公知である（例えば、特許文献２参照）。

予測式の質量流量調節に関する上記の両コンセプトは、主入力量としてボイラ出力の目標値を基礎としている。このボイラ出力の目標値から、記憶された相関関係に基づいて、かつ特に前もって得られた較正測定又は基準測定を参照することにより、本来の目標値決定に影響を及ぼす特性値が算定される。しかし、これは、全体として、燃焼式ボイラにおいて普通に存在するような十分に安定したかつ明確に１つの燃焼出力に起因するとみなせるシステム特性を前提とする。例えば前段に接続されたガスタービンの燃焼排ガスから熱を回収するための排熱回収ボイラとして貫流ボイラを設計する場合のような他のシステムでは、この種の関係が存在しない。しかも、排熱回収ボイラとして接続されたこの種のシステムの場合には、直接に燃焼されるボイラにおけると同じ尺度で燃焼出力を自由なパラメータとして使用することができない。なぜならば、排熱回収ボイラとしての接続構成の場合に通常は、ガスタービンの運転が、設備全体の制御ための最重要基準とみなされ、その他の構成要素はガスタービンのシステム状態に順応させられるからである。

この認識を考慮すべく、貫流排熱回収ボイラのための更に改善された予測式の質量流量調節が提案されている（出願公開されていない特許文献３）。このコンセプトは、特に燃焼排ガス回路の前段に接続された過熱器伝熱面を含めた蒸発器の熱流収支についての給水量の予測制御計算が予め考慮されている。こうして燃焼排ガス回路に存在する熱供給のための好都合の条件のもとで常に需要に適合した蒸発器流量を設定することができる。この場合には、給水質量流量の比較的小さな補正のために、上位に置かれて緩やかに作用するエンタルピ調節器が設けられている。

欧州特許第０６３９２５３号明細書 国際公開第２００６／００５７０８号パンフレット 欧州特許出願第０７０２３０８１号明細書

本発明の基礎を成す課題は、予測式の給水又は質量流量調節の品質を更に改善し、特に負荷変動時に蒸発器出口における流動媒体のエンタルピを極めて安定に保つことができる上記様式のボイラの運転のための方法を提供することにある。しかも、特に、前記…のコンセプトを、それの開示内容を明確に一緒に取り込むこと（参考文献の結合）によって、更に改善しようとするものである。更に、この方法を実施するのに好適な強制貫流ボイラを提供しようとするものである。

方法に関して、この課題は、本発明によれば、給水質量流量のための目標値を作成する際に、１つ又は複数の予熱器伝熱面の入口における流動媒体の密度の時間微分に特有の補正値と、１つ又は複数の蒸発器伝熱面の入口におけるエンタルピの時間微分に特有の補正値とを考慮することによって解決される。

本発明は、給水質量流量の適切な目標値を求める際に常に重要と思われる補正値を一緒に考慮することによって、給水質量流量を調整する際の制御特性に関して、貫流ボイラの予測式の質量流量調節の既存のコンセプトを改善することができるという考えに基づいている。貫流ボイラの運転時における特に負荷変動又はその他の過渡過程の際に、この種の過程で流動媒体の比体積が変わることを考慮すべきである。例えば温度変化による流動媒体のこの比体積変化から、その結果として、ボイラの当該伝熱面へのもしくは当該伝熱面からの暫定的すなわち一時的な液体回路又は流動媒体回路での蓄積又は払出し作用が生じる。温度変化による液体又は流動媒体の密度変化に起因するこの種の蓄積作用が、それぞれの伝熱面の出口において質量流量変動を引き起こすので、それぞれの伝熱面から流出する質量流量は、流入する質量流量と等しくなく、特に給水ポンプによって運ばれる質量流量とは等しくない。従って、この種の事情のもとでは、それぞれの伝熱面を通る流量と、給水ポンプによって運ばれる質量流量とがもはや互いに同期進行しないので、この種の事情のもとでは、蒸発器出口において望ましくないエンタルピ変動を覚悟すべきである。これらの作用を、更に改善された予測式の質量流量調節において予防するためには、給水調節において補償のための適切な補正項を用意すべきである。このために非常に適切な手段として、特に、それぞれの伝熱面の入口における流動媒体のエンタルピ又は密度のような、時間微分に適したパラメータが把握される。

有利な実施形態では、この種のやり方で、貫流ボイラの予熱器伝熱面における液体回路の蓄積又は払出し作用が評価される。特に排熱回収ボイラにおける予熱器伝熱面すなわちエコノマイザ伝熱面内の水又は流動媒体の一般に比較的大きい体積を考慮すると、そこに存在する流動媒体の密度変化が蒸発器流量に、従って蒸発器出口エンタルピに比較的重大な影響を及ぼすので、給水質量流量の適切な目標値を求める際にこの作用を適切に考慮して補償することが非常に有効である。

給水質量流量の目標値を求める際に考慮されるべき補正値は、それぞれの伝熱面の入口と出口とにおける流動媒体の密度の時間微分に対して特有の特性値を考慮することによって作成するのが有利である。特に、それぞれの予熱器伝熱面すなわちエコノマイザ伝熱面の入口と出口とにおける温度及び圧力の適切な測定によって、予熱器内の液体又は媒体の平均密度の定義及び算定をすることができる。この場合には、線形の圧力分布を基礎とするのが目的に適している。そのようなやり方で求められた予熱器内の流動媒体の平均密度の変化から、それに続いて、液体回路の蓄積又は払出し作用に特有の特性値を求めることができる。例えば負荷変動時に予熱器伝熱面への熱供給がもしも低下したならば、そこに一時的に流動媒体が蓄積される。従って、給水ポンプの搬送流量が一定である場合には、予熱器伝熱面の出口又は後段に接続された蒸発器伝熱面入口における質量流量が低下する。給水質量流量の目標値に対する相応の補正信号によって、補償のために、好ましくは給水質量ポンプの搬送流量が一時的に高められるので、蒸発器入口における給水質量流量が、従って結果として蒸発器出口におけるエンタルピも、ほぼ一定に保たれ得る。

しかるに、蒸発器自体における液体回路の蓄積及び払出し作用によって生じる蒸発器流量の変動を適切に検出するためには、次のことを考慮すべきである。即ち、一般的には蒸発器において２相混合の形で水と蒸気とが並行して出現することによって、その結果として生じる混合物密度の強い非線形性のゆえに、一般的に流動媒体の代表的に好適な平均密度を定義できないことである。しかも蒸発器においては、過渡過程の間、蒸発開始場所の局所的な変動を覚悟しなければならず、このことは流動媒体の平均密度の適切な定義をますます困難にする。

それにもかかわらず本来の蒸発器伝熱面の領域においても過渡過程による媒体回路の蓄積及び払出し経過に適切に応答できるためには、補正値を提供する際に蒸発器入口エンタルピの変化も適切に考慮することが好ましい。この場合に、流動媒体の冷えに基づく蒸発器入口におけるエンタルピが低下すると、蒸発器流量を低減しかつ直接的に蒸発器出口エンタルピの上昇に結びつく蓄積作用が生じることが前提となっている。

過渡的な作用を検出するために用意された流動媒体のエンタルピ又は密度の時間微分の検出は、適切な微分要素により行なわれることが好ましく、この微分要素の入力側には、例えばそれぞれの測定個所での流動媒体の温度及び圧力のような適切なパラメータ又は測定値が入力される。この微分要素は、「ＤＴ１要素」とも呼ばれるいわゆる「微分要素（Derivative Element）」として構成されているのが好ましい。その特性によれば、この種の「微分要素（Derivative Element）」は、制御技術関数「１−遅れ要素」に相当し、遅れ要素の方は「１−ｅ^-t/T」に相当する特性を有する。これは全体として、次第に減衰する指数関数に相当する「微分要素（Derivative Element）」の特性に帰着する。

予熱器伝熱面における蓄積及び払出し作用を考慮する際に、予熱器伝熱面の入口もしくは出口における（適切に測定された圧力値及び温度値によって計算された）密度の経過を評価するためには、この種の「ＤＴ１要素」を使用するのが有利である。その際に発生する給水質量流量のための補正信号は、特にその都度の「ＤＴ１要素」のために適切なゲイン及び適切な時定数が選定されるならば、予熱器伝熱面における液体回路の蓄積作用を非常に効果的に補償することができる。その際に「ＤＴ１要素」のゲインに対しては予熱器伝熱面の完全な媒体容積、即ち予熱器伝熱面内の全体の水容積を選定し、時定数には予熱器伝熱面を通る流動媒体の通過時間の半分を選定するのが有利である。特に有利な実施形態では、時定数が貫流ボイラの実際の負荷状態に応じて調整され、その際に、貫流ボイラの負荷が少ない場合には予熱器伝熱面を通る流動媒体の通過時間が相応に増大するという事情を考慮することが好ましい。

特に有利な発展形態においては、給水質量流量の目標値が、実際に蒸発器伝熱面において熱ガスから流動媒体に伝達される熱流と、所望の生蒸気状態を考慮して予め与えられた蒸発器伝熱面における流動媒体の目標エンタルピ上昇との比に基づいて設定され、その際に熱ガスから流動媒体へ伝達される熱流が、蒸発器出口における熱ガスの実際の温度に特有の温度特性値と熱ガスの実際の質量流量に特有の質量流量特性値とを考慮して求められる。

このやり方で、設備の実際状態に指向して要求に応じた所要給水量の予測制御計算が、蒸発器の熱流収支に基づいて可能にされており、これは場合によっては随意的に後続の過熱器伝熱面を一緒に加え得る。その際に、蒸発器入口における熱ガスの実際の温度に特有の温度特性値は、特に次のことを可能にする。即ち、実際の質量流量に特有の質量流量特性値に基づいて算定可能である蒸発器出口における熱ガスエンタルピを考慮して、蒸発器入口における熱ガスエンタルピの非常に信頼性のある特性値、つまり需要に即した特性値を求めることを可能にし、それゆえに熱ガスから給水への実際の熱供給又は熱伝達を、非常に信頼性をもって需要に即して求めることを可能にする。これから、その予め与えられた目標エンタルピ上昇、即ち所望の生蒸気パラメータを考慮して求めた蒸発器出口における流動媒体の目標エンタルピと、例えば圧力及び温度のような適切な測定値から求めた蒸発器入口における実際エンタルピとの差を考慮して、蒸発器伝熱面における流動媒体の所望の目標エンタルピ上昇を求めることができ、これらの大きさの比から、このために適した給水質量流量の目標値を算定することができる。

蒸発器に入る熱ガスの適切な定量的記述のための特有の温度特性値及び／又は特有の質量流量特性値としては、実際の状態を非常によく表わしている特性値が考慮されるとよい。この種の特性値は、実際に存在する測定データに基づいて適切に求められ、特に記憶されている記憶特性値を参照して適切に提供されるとよい。しかし、好ましくは特有の温度特性値及び／又は特有の質量流量特性値として、それぞれ実際に検出される測定値が考慮されることによって、熱流収支の非常に信頼性のある評価が可能にされ、それにより非常に正確に予め計算された給水目標値を求めることができる。

熱ガスから流動媒体へ伝達される熱流は、本質的な入力量として蒸発器入口と蒸発器出口との間の熱ガスのエンタルピ差に基づく熱流収支により求めるのが有利である。非常に信頼性のある特性値計算のために、他の有利な実施形態では、更に次のことも考慮される。即ち、このエンタルピ差によって表現される蒸発器伝熱面の通過時における燃焼排ガスのエネルギ含有量低下が、一方では蒸発器伝熱面内での流動媒体におけるエンタルピ上昇をもたらし、他方では蒸発器の構成部分における、つまり特にボイラ管及びその他の金属製の構成要素におけるエネルギ蓄積及び／又は払出し作用ももたらすことである。蒸発器伝熱面内において実際に流動媒体に伝達されるエンタルピ差の非常に信頼性のある算定のために、金属物体内における熱エネルギ蓄積及び／又は払出しというこの観点が、特有の補正値として適切に考慮され、これにより熱ガスのエンタルピ差が適切に補正される。

熱ガスのエンタルピ差を求める際に、蒸発器出口における熱ガスの実際のエンタルピが次によって考慮されると有利である。即ち、このエンタルピ差が蒸発器入口における流動媒体の圧力に基づいて、熱ガスの実際の質量流量に特有の質量流量特性値を考慮して求められると有利である。好ましくは測定値の形で存在し、しかし代替として間接的に他のパラメータを介して、記憶された相関関係又はその他の特性値を参照して算定することもできる質量流量特性値が、先ずいわゆるボイラの「ピンチポイント」、即ち燃焼排ガスの出口温度と蒸発器入口における流動媒体の沸騰温度との間の温度差に換算される。この温度差が蒸発器入口における圧力に基づいて求められた流動媒体の沸騰温度に加算され、この和から蒸発器出口における熱ガスのエンタルピが求められるのが有利である。

蒸発器伝熱面における流動媒体のエンタルピ上昇目標値の算定は、一方では、蒸発器入口における流動媒体の例えば圧力及び温度のような適切な測定値に基づいて算定された実際エンタルピを用いて行なわれる。付加的に、蒸発器出口における所望の蒸気状態、例えば指定された蒸気パラメータ又は蒸気含有量に依存して、もしくはこれを考慮し、かつ蒸発器伝熱面の出口における流動媒体の実際の圧力を考慮して、蒸発器出口における流動媒体のエンタルピの目標値が設定される。

貫流ボイラは、いわゆる「ベンソン制御モード」で運転することができる。通常「ベンソン制御モード」では、蒸発器伝熱面の出口において流動媒体の過熱が行なわれる。しかし、このモードでは、蒸発器伝熱面の後段に接続された水タンクの過剰供給をせざるを得ないことがあり、後続の伝熱面に部分的になおも気化されていない流動媒体が供給されることがあるので、後続の伝熱面においてはじめて流動媒体の完全気化が行なわれる。この種のモードにおいては、特に所望の蒸気パラメータとして、流動媒体の飽和温度より例えば３５℃の予め与えられた温度差だけ高い蒸発器出口における流動媒体の目標温度を設定することができる。特にボイラのこの種の運転方法では、蒸発器伝熱面の後段に接続されている過熱器伝熱面に付設された噴射冷却器の実際の運転状態を次によって考慮すること、即ち噴射冷却器の冷却要求をシステムにおける適切な給水過剰供給に移行することが望ましい。このためには、蒸発器伝熱面の出口における流動媒体のエンタルピ目標値を設定する際に、蒸発器伝熱面の後段に接続されている噴射冷却器における実際の冷却要求を考慮するのが有利である。従って、噴射冷却器における付加的な冷却要求を特に少なくすることができるように、できる限り給水流量の適切な設定によって生蒸気温度目標値が到達されるべきである。逆に、低すぎる生蒸気温度が確認される場合についても、蒸発器出口における流動媒体のエンタルピ目標値が適切に高められので、そのようなやり方で変更された給水質量流量の目標値を介して、それ相応に少なく計量された給水量が供給される。

代替として、ボイラは、いわゆる「レベル制御モード」においても運転することができる。このモードでは、蒸発器伝熱面の後段に接続されている貯水タンクにおける液面レベルが変化して再調節されるが、貯水タンクの過剰供給はできるだけ回避されるべきである。その際に貯水タンク内の液面レベルはできる限り予め与えられた目標範囲に保たれ、有利な実施形態では、給水質量流量の目標値のために、貯水タンク内の液面の実際レベルとこれに割り当てられた目標値との間の偏差に応じた液面レベル補正値が考慮される。

強制貫流ボイラに関して、前記課題は、給水質量流量を調整するための装置に付設されている給水流量制御装置が、上述の方法に基づいて給水質量流量の目標値を設定するように設計されていることによって解決される。この場合に、強制貫流ボイラは、特別に有利なやり方では、熱ガス回路において付設のガスタービン設備からの排ガスを受け入れる排熱回収ボイラとして構成されている。

本発明により得られる利点は、とりわけ貫流ボイラの１つ又は複数の伝熱面の入口における流動媒体のエンタルピ又は密度の時間微分を考慮することによって、予測式の質量流量調節の際に求められる給水質量流量の目標値の補正が可能にされ、その調節の際に、場合によっては伝熱面における、特に予熱器伝熱面における液体回路又は流動媒体回路の蓄積又は払出し過程を適切に考慮に入れることができることにある。従って、特にこの種の蓄積又は払出し過程を計算に入れなければならない負荷変動又はその他の過渡過程の発生時に、給水質量流量のための需要に即した目標値の定性的に非常に価値の高い算定が可能にされている。

図１は付設の給水流量制御装置を備えた強制貫流ボイラを概略的に示すブロック図である。

図面に基づいて本発明の実施例を更に詳細に説明する。

図１による強制貫流ボイラ１は、流動媒体として用意されている給水のためのエコノマイザとも呼ばれる予熱伝熱面２を有し、これは詳しくは図示されていない煙道内に存在する。予熱伝熱面２には、流動媒体回路において、前段に給水ポンプ３が接続され、後段に蒸発器伝熱面４が接続されている。蒸発器伝熱面４は、その出力側において、流動媒体回路において貯水タンク６を介して複数の後段の過熱器伝熱面８，１０，１２に接続されている。貯水タンク６は、特に水分離器または分離容器として構成されていてもよい。過熱器伝熱面８，１０，１２は、それらの側で蒸気温度等を適合化するために複数の噴射冷却器１４，１６を備えることができる。強制貫流ボイラ１は、排熱回収ボイラすなわち排熱回収蒸気発生器として構成されている。これらの伝熱面、即ち、特に予熱伝熱面２、蒸発器伝熱面４ならびに過熱器伝熱面８，１０，１２は、熱ガス回路において付設のガスタービン設備からの排ガスを受け入れる熱ガス通路内に配置されている。

強制貫流ボイラ１は、給水を調節して受け入れるように設計されている。このために、給水ポンプ３の後段にサーボモータ２０によって制御される制御弁２２が接続されているので、制御弁２２の適切な制御により、給水ポンプ３から予熱器２の方向に運ばれる給水量すなわち給水質量流量が調整可能である。供給される給水質量流量の実際の特性値を求めるために、制御弁２２の後段には、給水管を通る給水質量流量Ｍを求めるための測定装置２４が接続されている。サーボモータ２０は、調節要素２８を介して制御される。調節要素２８は、入力側において、データ線３０を介して導かれる給水質量流量Ｍの目標値Ｍｓと、測定装置２４を介して求められた給水質量流量Ｍの現在の実際値とを受け入れる。これらの両信号間の差形成によって調節器２８に調整要求が伝達されるので、実際値が目標値から外れた際には制御弁２２の相応の調整がサーボモータ２０の操作を介して行なわれる。

給水質量流量の予測的ないし予想的な、或いは未来又は現在の要求に指向した調整のやり方で給水質量流量Ｍの非常に要求に即した目標値Ｍｓを求めるために、データ線３０の入力側は、給水質量流量Ｍの目標値Ｍｓを設定すべく設計された給水流量制御装置３２に接続されている。この給水流量制御装置３２は、蒸発器伝熱面４における熱流収支に基づいて給水質量流量Ｍの目標値Ｍｓを求めるべく設計されている。給水質量流量Ｍの目標値Ｍｓは、実際に蒸発器伝熱面４において熱ガスから流動媒体へ伝達される熱流と、所望の生蒸気状態を考慮して予め与えられる蒸発器伝熱面４における流動媒体の目標エンタルピ上昇との比に基づいて予め与えられる。排熱回収ボイラとしての構成形態での強制貫流ボイラ１のために熱収支そのものに基づいて給水質量流量の目標値を供給するというこの種の構想の利用は、この実施例では、特に、蒸発器入口における熱ガスの実際の温度に特有の温度特性値と、熱ガスの実際の質量流量に特有の質量流量特性値とを考慮して、熱ガスから流動媒体へ伝達される熱流を求めることによって達成されている。

このために給水流量制御装置３２は割算要素３４を有し、この割算要素３４には、分子入力として、実際に蒸発器伝熱面４において熱ガスから流動媒体へ伝達される熱流の適切な特性値が導入され、分母入力として、所望の生蒸気状態を考慮して適切に予め与えられる蒸発器伝熱面４における流動媒体の所望の目標エンタルピ上昇の特性値が導入される。分子側では、割算要素３４が入力側において関数モジュール３６に接続されていて、この関数モジュール３６は、入力された蒸発器入口における熱ガスの実際の温度に特有の供給温度特性値に基づいて、出力値として、蒸発器入口における熱ガスのエンタルピ値を出力する。この実施例においては、温度特性値として、蒸発器入口における熱ガスの実際の温度に特有の測定値が供給される。蒸発器入口における熱ガスのエンタルピに特有の特性値が減算要素３８に出力され、減算要素３８において、この特性値から、関数モジュール４０によって供給される蒸発器出口における熱ガスのエンタルピの特性値が差し引かれる。

蒸発器出口における熱ガスのエンタルピを求めるために、関数要素４０の入力側に、加算要素４２によって形成された２つの温度値の和が導入される。一方では、入力側を圧力センサ４６に接続されている関数要素４４を介して、蒸発器入口における流動媒体の圧力に基づいて求められた流動媒体の飽和温度が考慮される。他方では、他の関数要素５０から熱ガスの実際の質量流量に特有の質量流量特性値を入力される関数要素４８を介して、いわゆる「ピンチポイント」、つまり熱ガスの質量流量から求められる温度差、即ち、蒸発器出口における熱ガス温度から蒸発器入口における流動媒体の沸騰温度を差し引いた温度差が考慮される。従って、加算要素４２により加算されるこれらの両温度成分から、関数モジュール４０によって、場合によっては適切なテーブル、ダイアグラムなどの参照により、蒸発器出口における熱ガスのエンタルピが提供される。従って、減算要素３８は、その出力側において、熱ガスのエンタルピ差またはエンタルピ収支、すなわち蒸発器入口における熱ガスエンタルピと蒸発器出口における熱ガスエンタルピとの差を供給する。

このエンタルピ差が乗算要素５２に伝達され、乗算器５２には、更に実際に検出される測定値として存在することができる質量流量特性値が同様に供給される。従って、乗算要素５２は出力側において、燃焼排ガスから蒸発器伝熱面４に放出される熱出力の特性値を供給する。

熱ガスから放出されるこの熱出力に基づいて実際に流動媒体に伝達される熱流を求めるために、先ず、蒸発器伝熱面４の構成要素、特に金属物体における熱蓄積及び／又は払出し作用に関する補正が用意されている。このために熱ガスから放出される熱出力の上記特性値が先ず減算要素５４に導入され、そこで蒸発器構成部分における熱蓄積又は払出しに特有の補正値が差し引かれる。この補正値は関数要素５６から供給される。関数要素５６はその入力側において、蒸発器伝熱面４の金属物体の平均温度値を求める他の関数要素５８の出力値を受け入れる。このためにこの関数要素５８の入力側が貯水タンク６内に配置された圧力センサ６０に接続されているので、この関数要素５８は、金属物体の平均温度を、貯水タンク６内の流動媒体の圧力に基づいて、例えばこの圧力に付属する沸騰温度と同一視することによって求めることができる。

従って、減算要素５４は、出力側において、熱ガスから放出される熱出力から蒸発器伝熱面４の金属内に蓄積された熱出力だけ減らした値、即ち流動媒体に放出された熱出力に特有の特性値を発生する。

この特性値は割算要素３４において分子入力として使用され、そこにおいてこの分子入力は分母入力によって割算される。分母入力は、所望の生蒸気状態を考慮して予め与えられる蒸発器伝熱面４における流動媒体の目標エンタルピ上昇に相当するので、この割算すなわちこの比から給水質量流量Ｍの目標値Ｍｓを形成することができる。分母入力、即ち水−蒸気回路又は流動媒体回路における所望の目標エンタルピ上昇の特性値を供給するために、割算要素３４が入力側において減算要素７０に接続されている。減算要素７０は、関数要素７２から供給される特性値、即ち蒸発器出口における流動媒体のエンタルピの所望の目標値に関する特性値を入力される。更に減算要素７０は、入力側において、関数モジュール７４から供給される特性値、即ち蒸発器入口における流動媒体の現在のエンタルピの実際値を受け入れ、この実際値が、減算要素７０において、蒸発器出口におけるエンタルピの目標値に関する上記特性値から差し引かれる。関数モジュール７４の入力側は、蒸発器入口における実際エンタルピに関する上記特性値を形成するために、圧力センサ４６と温度センサ７６とに接続されている。従って、減算要素７０における差形成によって、所望の生蒸気状態に依存して蒸発器伝熱面４内の流動媒体にもたらすべきエンタルピ上昇を求めて、これを割算器３４における分母入力として使用することができる。

強制貫流ボイラ１は、貯水タンク６内の液面レベルが調節されるいわゆる「レベル制御モード」での運転のために設計されていてもよく、この「レベル制御モード」での運転の際には、蒸発器伝熱面４の貯水タンク６の後段に接続された過熱器伝熱面８，１０，１２には蒸気のみが供給され、蒸発器出口側でまだ一緒に運ばれてくる水は貯水タンク６において分離される。しかし、この実施例においては、強制貫流ボイラ１が、いわゆる「ベンソン制御モード」での運転のために設計されていて、この「ベンソン制御モード」での運転では、水分離器としても設けられている貯水タンク６の過剰供給が可能であり、流動媒体の完全蒸発は後段の過熱伝熱面８，１０，１２において初めて可能である。このベンソン制御モードの場合には、蒸発器出口における流動媒体のエンタルピの目標値を出力すべき関数要素７２が、入力側において一方では、圧力センサ６０によって求められる水分離器６内の圧力実際値を受け入れる。更に、関数モジュール７２の入力側には他の関数モジュール９０が前置接続されている。この関数モジュール９０は、圧力センサ６０によって求められた貯水タンク６内の実際圧力から、格納されている関数特性又は所望の生蒸気状態に基づいて、貯水タンク６内の流動媒体の温度のための適切な目標値を求める。例えば、「ベンソン制御モード」での設備運転のために、温度目標値として、次の温度値が格納されている。この温度値は測定された圧力における流動媒体の飽和温度に、例えば３５℃の最小過熱予定温度を加えたものに相当する。関数モジュール７２が、この温度目標値から実際の圧力値を考慮して蒸発器出口における流動媒体のエンタルピのための上記目標値を求める。

この実施例においては、関数モジュール７２によって供給される主として流動媒体自体の特性を指向したこの目標値が、引き続いて後段の加算要素９２において他の補正値だけなおも変更される。関数モジュール９４から供給されるこの補正値は、主として微調整関数の様式にて、所望の生蒸気状態を考慮して本来的に望まれる生蒸気温度と、実際に確認された生蒸気温度との間の偏差を考慮する。この種の偏差は、特に次のことによって表面化し得る。即ち、高すぎる生蒸気温度の場合に噴射冷却器１４，１６において冷却要求が生じ、それゆえ噴射冷却器１４，１６への冷媒注入が必要であることによって表面化し得る。噴射冷却器１４，１６でこの種の質量流量が確認された場合に、この冷却要求を噴射冷却器１４，１６から解除して高められた給水供給へ移行させることに、関数モジュール９４の設計意図がある。従って、それに応じて噴射冷却器１４，１６において冷却要求が確認される際には、冷却要求を最小限に抑えるべく、関数モジュール９４において、蒸発器出口における流動媒体の所望のエンタルピが低下させられる。その他の場合、即ち低すぎる生蒸気温度が確認される場合には、関数モジュール９４から供給される補正値及び加算モジュール９２におけるそれの加算によってエンタルピ目標値が高められる。

安全のために、強制貫流ボイラ１の給水流量制御装置３２は、なおも、後続接続された直接的な制御ループを含む。この制御ループでは、関数モジュール１００において、貯水タンク６内の測定値に基づいて蒸発器出口における流動媒体のエンタルピの実際値が求められて、差動モジュール１０２において所望のエンタルピ、即ち目標エンタルピ値と比較される。この場合に差動モジュール１０２における差形成によって、目標値と実際値との偏差が確認され、この偏差が後段の調節器１０４を介して、加算要素１０６において、割算器３４から供給される給水質量流量の目標値に重畳される。この重畳は適切に時間的に遅れさせてかつ減衰して行なうので、この制御介入は必要な場合にだけ、すなわち過大な制御偏差の場合にだけ行なわれる。

強制貫流ボイラの予測的な質量流量制御における制御特性を更に改善するために、給水質量流量Ｍの目標値Ｍｓを作成する際に、適切な測定個所における流動媒体のエンタルピ及び密度の値の時間微分を表す補正値Ｋが考慮される。このために加算要素１０６から出力される中間値が別の加算要素１０８に供給され、そこにおいてその中間値に補正値Ｋが重畳される。

その際に、補正値Ｋのための成分、即ち被加数を求めるために、予熱器伝熱面２の入口における流動媒体の密度特性値を求めるために設けられた関数モジュール１１０の入力側が一方では、予熱器伝熱面２の入口領域内に配置された圧力センサ１１２と、同様に予熱器伝熱面２の入口領域に配置された温度センサ１１４とに接続されている。関数モジュール１１０が、これらのセンサから供給される測定値に基づいて、予熱器伝熱面２の入口領域における液体又は流動媒体の密度特性値を求め、この特性値が後続接続された加算要素１１６に出力される。他方では他の関数モジュール１１８が入力側を圧力センサ４６及び温度センサ７６に接続されていて、これらのセンサによって供給される測定値から、予熱器伝熱面２の出口側における液体又は流動媒体の密度特性値を求める。この密度特性値は関数モジュール１１８から同様に加算要素１１６に出力される。

加算要素１１６は、到来する両密度特性値からなる和を、後続接続された割算要素１２０に出力する。割算要素１２０において前記の和が分母としての係数２によって割算される。従って、割算器１２０は、出力側において、予熱器伝熱面２における液体又は流動媒体の平均密度に特有の特性値を供給する。この特性値は後続接続された微分要素１２２に導入される。

微分要素１２２は、いわゆる「微分要素（Derivative Element）」又は「ＤＴ１要素」として構成されていて、割算器１２０から供給される液体又は流動媒体の密度特性値の時間微分に特有の特性値を出力値として供給し、この時間微分に特有の特性値が、後続接続された減算要素１２４に出力される。

付加的に他の微分要素１２６が設けられていて、この微分要素１２６の入力は、関数モジュール７４によって発生された蒸発器入口における実際エンタルピに特有の特性値である。従って、同様に「微分要素（Derivative Element）」又は「ＤＴ１要素」として構成されている微分要素１２６は、蒸発器伝熱面４の入口におけるエンタルピの時間微分に特有の特性値を供給する。

この特性値が、減算要素１２４において、微分要素１２２から供給される流動媒体の密度値の時間微分に特有の特性値から差し引かれる。それにともなって減算要素１２４は、予熱器伝熱面２の入口における流動媒体の密度の時間微分に関する成分と、予熱器伝熱面２の出口における流動媒体の密度の時間微分に関する成分と、蒸発器伝熱面４の入口における流動媒体のエンタルピの時間微分に関する成分とから線形合成された出力値を供給する。従って、上記成分からなるこの補正値には、前記時間微分を介して、過渡過程又は負荷変動の際の予熱器伝熱面２内及び／又は蒸発器伝熱面４内における液体の蓄積又は払出し作用が考慮されている。この補正値は、加算要素１０８において、給水質量流量密度のための目標値に重畳される。

１ 強制貫流ボイラ
２ 予熱器
３ 給水ポンプ
４ 蒸発器伝熱面
６ 貯水タンク
８ 過熱器伝熱面
１０ 過熱器伝熱面
１２ 過熱器伝熱面
１４ 噴射冷却器
１６ 噴射冷却器
２０ サーボモータ
２２ 制御弁
２４ 測定装置
３０ データ線
３２ 給水流量制御装置
３４ 割算要素
３６ 関数モジュール
３８ 減算要素
４０ 関数モジュール
４２ 加算要素
４４ 関数要素
４６ 圧力センサ
４８ 関数要素
５０ 関数要素
５２ 乗算要素
５４ 減算要素
５６ 関数要素
５８ 関数要素
６０ 圧力センサ
７０ 減算要素
７２ 関数要素
７４ 関数モジュール
７６ 温度センサ
９０ 関数モジュール
９２ 加算モジュール
９４ 関数モジュール
１００ 関数モジュール
１０２ 差動モジュール
１０４ 調節器
１０６ 加算要素
１０８ 加算要素
１１０ 関数モジュール
１１２ 圧力センサ
１１４ 温度センサ
１１６ 加算要素
１１８ 関数モジュール
１２０ 割算要素
１２２ 微分要素
１２４ 減算要素
１２６ 微分要素

Claims (11)

1. 複数の伝熱面（４）と流動媒体回路前段に接続された複数の予熱器伝熱面（２）とを備えた貫流排熱回収ボイラを運転するための方法であって、給水質量流量（Ｍ）を調整するための装置に給水質量流量（Ｍ）の目標値（Ｍｓ）が供給され、給水質量流量（Ｍ）の目標値（Ｍｓ）を作成する際に、１つ又は複数の予熱器伝熱面（２）の入口における流動媒体の密度の時間微分に特有の補正値（Ｋ）と、１つ又は複数の蒸発器伝熱面（４）の入口におけるエンタルピの時間微分に特有の補正値とが考慮される方法。
2. 前記補正値（Ｋ）が、１つの伝熱面（２，４）の入口と出口とにおける流動媒体の密度の時間微分に特有の特性値の和に基づいて作成される請求項１記載の方法。
3. １つの予熱器伝熱面（２）における流動媒体の密度の時間微分が評価される請求項２記載の方法。
4. 前記時間微分が、それぞれ微分要素（１２２，１２６）により求められる請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. １つの予熱器伝熱面（２）に割り当てられた微分要素（１２２）が、その予熱器伝熱面（２）における流動媒体の総体積に対応する増幅係数にて作動させられる請求項４記載の方法。
6. １つの予熱器伝熱面（２）に割り当てられた微分要素（１２２）が、その予熱器伝熱面（２）を通る流動媒体の通過時間の約半分に相当する時定数にて作動させられる請求項４又は５記載の方法。
7. 給水質量流量（Ｍ）の目標値（Ｍｓ）が、実際に蒸発器伝熱面（４）において熱ガスから流動媒体へ伝達される熱流と、所望の生蒸気状態を考慮して予め与えられた蒸発器伝熱面（４）における流動媒体の目標エンタルピ上昇との比に基づいて設定され、熱ガスから流動媒体へ伝達される熱流が、蒸発器入口における熱ガスの実際の温度に特有の温度特性値と熱ガスの実際の質量流量に特有の質量流量特性値とを考慮して求められる請求項１乃至６の１つに記載の方法。
8. 特有の温度特性値及び特有の質量流量特性値としてそれぞれ１つの実際の測定値が考慮される請求項７記載の方法。
9. 熱ガスから流動媒体へ伝達される熱流が、蒸発器入口と蒸発器出口との間の熱ガスのエンタルピ差に基づいて求められる請求項７又は８記載の方法。
10. 蒸発器伝熱面（４）と、これの流動媒体回路前段に接続された予熱器伝熱面（２）と、給水質量流量（Ｍ）の目標値（Ｍｓ）に基づいて制御される給水質量流量（Ｍ）を調整するための装置とを備え、目標値（Ｍｓ）を設定するための付設の給水流量制御装置（３２）が請求項１乃至９の１つに記載の方法に基づいて設計されている強制貫流排熱回収ボイラ。
11. 熱ガス回路において付設のガスタービン設備からの排ガスを受け入れる請求項１０記載の強制貫流排熱回収ボイラ。

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