JP5970368B2

JP5970368B2 - ボイラ制御装置

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Publication number: JP5970368B2
Application number: JP2012283857A
Authority: JP
Inventors: 林　喜治; 喜治林; 孝朗関合; 深井　雅之; 雅之深井; 徹赤津; 洋人武内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: JP2014126305A

Description

本発明はボイラ制御装置に関する。

発電プラントに使用される燃料の中で、石炭は世界中に広く分布し、価格も安く、安定している。このため、今後も石炭火力発電は電力の安定供給に重要な役割を果たすことが期待されている。しかしながら、石炭火力は、LNGや石油などを燃料とする他方式の火力発電に比べて、発電量当たりの二酸化炭素の排出量が最も多い。このため、石炭火力プラントは、燃料消費量削減による発電コスト低減という経済面、及び、二酸化炭素排出量の削減という環境面の両観点から高効率化が求められている。

ボイラにおいて燃料消費量を削減するには、幾つかの方法がある。一つは、蒸気の高温化・高圧化などボイラ構造を改良することによる高効率化である。また、一つは、特に石炭ボイラの場合、燃焼制御の最適化により、未燃分を低減する方法である。ボイラの各個所に設置された空気用のポートから投入される空気の流量・流速を調整し、ＮＯｘ・ＣＯなどの環境規制物質の排出量を抑えながら、石炭の燃焼率を向上させる。一方、制御によって燃料消費量を削減する別の方法としては、特に、負荷変化時において、燃料投入量を最適化することにより燃料消費量を抑える方法がある。

一般的なボイラでは、燃料流量に対する発電出力への応答は、遅れ時間が非常に大きくなる。これは、ボイラ内のチューブメタルの重量が非常に大きく、メタル温度の上昇に時間を要すること、また、出力上昇に応じて蒸気圧力も上昇させる変圧運転を行うので、負荷上昇時にはボイラの保有水量が増え、多くの熱量が必要になることによる。通常運転時においては、燃料流量は、蒸気温度の設定値偏差に対してフィードバック制御を行うことで制御する。これに対し、負荷上昇時には、フィードバック制御に加えて、前記した応答の遅れを補償するため、先行的に燃料を多く投入する制御を行う。この先行制御信号をＢＩＲ(Boiler Input Regulator、ボイラ入力加速信号)と呼び、特に、燃料流量に対するＢＩＲを燃料ＢＩＲと呼ぶ。また、燃料ＢＩＲに応じて、給水流量や空気流量なども先行制御を行い、同様に給水ＢＩＲ、空気ＢＩＲと呼ぶ。通常、これらのＢＩＲ信号の波形は、ボイラの試運転時において、試運転員が負荷上昇時の出力や温度の変動を見ながら、調整して決定している。したがって、負荷変化における負荷帯が同じであれば、つまり、500MWから750MWへの上昇、750MWから1000MWへの上昇など、負荷変化パターンが同じであれば、ＢＩＲ信号の波形は同じになる。このとき、ＢＩＲ信号の波形を決定する着眼点は、制御偏差が最小となるようにすることであり、温度や圧力変動を極力抑えた制御を実現するように調整されていた。

燃料ＢＩＲを調整する際の評価基準について、従来の信号変動の抑制に加えて、燃料消費量の最小化という観点からＢＩＲの最適化を図ることが考えられる。つまり、燃料ＢＩＲを最適化することにより、過剰な燃料投入を抑えて、燃料消費量を低減する。この方法として、特開2003-295905に記載された制御方法が挙げられる。この制御方法では、試運転時に調整される燃料ＢＩＲ信号に対して、蒸気温度などの制御偏差が許容値の範囲に収まり、かつ、燃料消費量が最小となるように、燃料ＢＩＲ信号に対して補正値を乗じている。補正値の決定は、シミュレータにより求める方法もあるし、あるいは、実機で補正値を変えて得られた運転データにより求める方法もあると記載している。

特開２００３−２９５９０５号公報

以上のように、特許文献１では燃料ＢＩＲに補正処理を加えることにより、燃料流量の削減を図っている。ただし、特許文献１では、シミュレーションデータまたは実機データを用いて、補正値をあらかじめ決定しておく必要がある。このため、シミュレーションデータを使用する場合は、シミュレーション誤差による影響を受ける。また、実機データを使用する場合は、補正値と燃料消費量の特性カーブを得るために、同じ負荷変化パターンで補正値を変えた幾つかの条件で実機を運転する必要がある。プラントによっては、このような試験的な運転ができない場合もある。また、ボイラの経年劣化によって、最適な補正値も変わっていくため、定期的に補正値を決めるための試験運転を行う必要がある。

さらに、前記した公知例では、燃料ＢＩＲの補正値は、調整によって更新した後は固定値である。負荷変化の間に補正値が逐次変化していく処理は想定していない。つまり、燃料ＢＩＲ信号を補正して信号の波形を変えたとしても、補正前の波形に対して、燃料流量の方向に縮尺または拡大をした波形しか得られない。したがって、補正による燃料消費量の低減幅は、補正前の波形に大きく依存する。

そこで本発明は、燃料ＢＩＲ信号の最適化が図られ、負荷変化時における燃料消費量を低減できると共に、蒸気温度の変動も抑制することができるボイラ制御装置を提供する。

上記課題を解決するために本発明のボイラ制御装置は、ボイラの負荷変化時に、ボイラの応答遅れを補償するために先行的に燃料を投入する燃料流量の先行制御信号を作成するボイラ制御装置において、ボイラでの計測値を基に、該先行制御信号を補正することを特徴とする。

本発明によれば、燃料ＢＩＲ信号の最適化が図られ、負荷変化時における燃料消費量を低減できると共に、蒸気温度の変動も抑制することができる。

本発明の第一実施例であるボイラ制御装置の制御ロジック。設定値計算器におけるボイラ出口ガス温度設定値の計算方法。燃料ＢＩＲ補正時の燃料ＢＩＲとボイラ出口ガス温度の例。燃料ＢＩＲ制御に関する支援システム画面。本発明のボイラ制御装置を含むプラント全体の概略図。本発明の第二実施例であるボイラ制御装置の制御ロジック。本発明の第一実施例と第二実施例を組み合わせたときの制御ロジック。本発明の第三実施例であるボイラ制御装置の制御ロジック。

本発明によるボイラ制御装置の構成について図面を参照して以下に説明する。

図５は、本発明の一実施例であるボイラ制御装置を含むプラント全体の概略図である。１がボイラ制御装置である。２が石炭火力プラントである。ただし、図に示す石炭火力プラントでは、ボイラのみを示し、蒸気タービン、発電機、給水加熱器などの他の機器は省略している。２０１がボイラ、２０２が石炭を粉砕するミルである。また、２０３は燃料流量を計測するセンサ、２０４は蒸気タービンに送る主蒸気温度を計測するセンサ、２０５はボイラ出口ガス温度を計測するセンサ、２０６はスートブロワの動作を計測するセンサである。また、３は運転員がプラントを監視制御するためのモニタである。

図１は、ボイラ制御装置に実装する制御ロジックを示す概略図である。ただし、この図では、燃料流量のデマンドを決定するロジックの主要部分のみを示している。図１に示す制御ロジックで示すように、燃料流量デマンドはＢＩＤ信号(Boiler Input Demand、ボイラ入力指令)を基に決定する。最初に、ＢＩＤ信号の決定方法を説明する。

電力会社は、電力系統内の電力需要を監視し、各発電所へ発電量を指示する中央給電指令所を有している。中央給電指令所からプラントに届く負荷指令は発電出力の最終目標値である。これに対し、プラントの制御装置内で、発電機器の負荷変化率の制約を考慮しながら決定した発電量指令値をＭＷＤ(Mega Watt Demand)と呼ぶ。前記したように、ボイラは応答の遅れが大きい。ボイラの負荷変化率はガスタービンなどの応答の早い発電機器よりも低く抑えられて、発電量が緩やかに上昇するようなＭＷＤが決定される。次に、ＭＷＤから前記したＢＩＤを決定する。ボイラでは発電量を増加させる場合、ボイラ出口の主蒸気温度は一定となるよう制御し、これに対し、主蒸気の流量と圧力は増加させる。主蒸気流量は弁の開度によって調整する。主蒸気圧力はボイラへの給水を主蒸気よりも多くすることで増加させる。このため、給水の増加による必要熱量の増加を考慮し、ＭＷＤに対して圧力の制御偏差のＰＩ制御(比例・積分制御)出力を加算した信号をＢＩＤとする。

図１で示されているＢＩＤ信号を入力として、関数発生器１０１では燃料流量のデマンド値を出力する。また、主蒸気温度の計測値を入力として、減算器１０２で制御偏差を求め、ＰＩ制御器１０３の入力とする。加算器１０４では、関数発生器１０１で出力した燃料流量デマンドに、ＰＩ制御器１０３の出力を加算し、主蒸気温度の制御偏差に応じた燃料流量デマンドの補正を行う。次に、加算器１０５で燃料ＢＩＲを加算し、最終的な燃料流量デマンドとなる。燃料ＢＩＲは負荷変化時のみに加算するものであり、一定負荷では０である。

加算器１０５で燃料流量デマンドに加算する燃料ＢＩＲは、あらかじめ調整された燃料ＢＩＲマスタ信号に対し、乗算器１０６において、燃料ＢＩＲ補正器１１が出力した補正値を乗じることにより求める。

次に、燃料ＢＩＲ補正器１１での処理を説明する。第一の実施例になる装置では、ボイラ出口ガス温度の計測値を用いて燃料ＢＩＲの補正値を求める。燃料ＢＩＲ補正器１１は、ボイラ出口ガス温度の計測値を取りこみ、減算器１１１で制御偏差を求める。このとき、ボイラ出口ガス温度の設定値は、設定値計算器１１２で求める。

図２に、設定値計算器１１２での処理の概要を示した。図２（ａ）で示すように、設定値計算器では、負荷指令値からＭＷＤのトレンドを求める。次に、ＭＷＤに一次遅れ処理を行い、ボイラ出口ガス温度設定値のトレンド(規格化値)を求める。ここで、一次遅れの時定数はボイラの動特性を基にあらかじめ決めておく。次に、図２（ｂ）で示すように、設定値のトレンドの開始温度が現在のボイラ出口ガス温度の計測値になるように、また、最終目標値が負荷とスートブロワに応じた直近のボイラ出口ガス温度の計測値になるように変換する。負荷によって排ガス温度は変わるのに加え、経年劣化によっても変わり、さらに、スートブロワによっても変わるためである。ボイラが経年劣化し、伝熱性能が劣化すると、排ガス温度は高くなる傾向にある。また、スートブロワとは、伝熱管に付着した灰を除去するため、蒸気を噴射する装置である。スートブロワの噴射直後は、伝熱性能が向上し、排ガス温度は低下する傾向にある。以上に述べた排ガス温度の変化特性を踏まえ、負荷とスートブロワに応じて、直近のボイラ出口ガス温度を図１に示す計測値ＤＢ（データベース）１１３から取りだす。計測値ＤＢ１１３では、発電出力、スートブロワからの経過時間、ボイラ出口ガス温度の計測値が格納されており、ボイラ出口ガス温度の変化傾向が把握できるようになっている。

以上の処理で求めたボイラ出口ガス温度の設定値と計測値との偏差は、ＰＩ制御器１１４に取り込まれ、ボイラ出口ガス温度の計測値が設定値に追従するような補正値を出力する。次いで、リミッター１１５で、ＰＩ制御器が出力した補正値に対して、上・下限の処理を行い、最終的な燃料ＢＩＲ補正値となる。リミッターは、燃料ＢＩＲが過大あるいは過小になって、ボイラの運転を不安定にしないように調整する機能をもつ。このように燃料流量の先行制御信号であるＢＩＲの補正値に上限または下限の少なくとも一方の処理を行うことにより、ボイラを安定に運転することができる。

図３に、燃料ＢＩＲに補正処理を行った例を示す。図３（ａ）は燃料ＢＩＲ信号の補正の有無による信号波形の比較である。補正によって、燃料ＢＩＲ信号は小さくなる方向に変わっている。つまり、補正値は１００％より小さい値であることが分かる。また、（ｂ）に補正の有無でのボイラ出口ガス温度を比較した。補正がない場合、ボイラ出口ガス温度はオーバーシュートしている。つまり、排ガス損失（排ガスによってボイラの系外に排出されるガス熱量による損失）が過大となっており、燃料消費量の増加をもたらす。これに対し、燃料ＢＩＲの補正を行うことで、ボイラ出口ガス温度のオーバーシュートは改善し、排ガス損失を減らすことができる。

図４に、燃料ＢＩＲ制御に関する運転員の支援画面を示す。これは、前記の図５に示したモニタ３に表示される。３０１、３０２は燃料ＢＩＲ補正処理の実行のＯＮ／ＯＦＦを制御するためのボタンである。これにより補正処理の動作のＯＮ／ＯＦＦを設定できる。３０３は予想される燃料削減量の推定値である。３０４は燃料流量のトレンドである。３０５は燃料ＢＩＲの補正の有無を比較したトレンドである。３０６はボイラ出口ガス温度の設定値と計測値を比較したトレンドである。３０７は主蒸気温度のトレンドである。これらの情報を提供することにより、燃料ＢＩＲの補正制御による効果や、プラントへの影響を把握することができる。

以上に示した本実施例の装置では、ボイラの負荷変化時に先行的に燃料を投入するための信号である燃料ＢＩＲに対し、ボイラ出口ガス温度の計測値を用いて補正処理を行うことで、燃料消費量を抑えた運転を行うことができる。これにより、発電コストが低減するので、経済的メリットが得られる。また、これまで、燃料ＢＩＲは試運転時に負荷変化時の温度変動を見ながら調整しており、熟練作業員の経験に依存する面があった。さらに、燃料ＢＩＲは試運転時に調整した波形を使用するため、経年劣化などでボイラの状態が変わった場合、その都度、再度調整する作業が必要になっていた。これに対し、本実施例の装置では、ボイラの計測値を基に、現在の状態に応じて最適になるように燃料ＢＩＲが自動的に補正される。このため、試運転における燃料ＢＩＲの調整作業の負担を減らすことができる。さらに、ボイラの計測値を基に、現在の状態に応じて最適化された燃料ＢＩＲを使用することによって、負荷変化時の蒸気温度の変動を低減でき、プラントの安全性と信頼性が向上できるメリットもある。

図６は、本発明の一実施例であるボイラ制御装置に実装する制御ロジックを示す概略図である。図１の実施例１における制御ロジックの中で、燃料ＢＩＲ補正器１１の処理のみが異なる。このため、本実施例を示す図６では、燃料ＢＩＲ補正器のみを示している。

第一実施例ではボイラ出口ガス温度を基に、燃料ＢＩＲの補正処理を行っていた。これに対し、第二実施例ではボイラ出口ガスＯ₂濃度を基に補正処理を行う。

図６に示す制御ロジックでは、減算器５１１によりボイラ出口ガスＯ₂濃度の制御偏差を求める。ボイラ出口ガスＯ₂濃度の制御設定値は設定値計算器５１２で求める。設定値の演算方法は、実施例１と同様である。負荷指令値からＭＷＤを求め、これに一次遅れ処理を行う。次いで、計測値ＤＢ５１３に格納した負荷とボイラ出口ガスＯ₂濃度のデータを用いて、負荷の最終目標値に応じて規格化する。

ボイラ出口ガスＯ₂濃度の制御偏差はＰＩ制御器５１４に取り込まれ、ボイラ出口ガスＯ₂濃度の計算値が設定値に追従するような補正値を出力する。次いで、リミッター５１５で、ＰＩ制御器が出力した補正値に上・下限の処理を行い、最終的な燃料ＢＩＲ補正信号とする。

以上が実施例２になる装置における燃料ＢＩＲ補正器の処理内容である。これは、実施例１におけるボイラ出口ガス温度による燃料ＢＩＲ補正器の代わりに用いてもよい。また、図７に示すように、ボイラ出口ガス温度による燃料ＢＩＲ補正器１１とボイラ出口ガスＯ₂濃度による燃料ＢＩＲ補正器５１を連結して、両者で燃料ＢＩＲの補正処理を行ってもよい。

以上に示した本実施例になる装置では、ボイラ出口ガスのＯ₂濃度を用いて燃料ＢＩＲの最適化を図っている。燃料が過剰な場合、Ｏ₂濃度は低下傾向を示すので、この情報を用いて燃料ＢＩＲを補正することにより、燃料ＢＩＲの最適化処理が実現できる。また、Ｏ₂濃度以外にも、ＣＯ濃度も燃料の過不足を示す指標となる。したがって、ＣＯ濃度で燃料ＢＩＲを補正する方法もある。この場合の装置の構成は、前記した図６で、Ｏ₂濃度をＣＯ濃度に置き換えればよい。

以上のように、ボイラ出口ガスから得られる計測情報として、温度に加えて、Ｏ₂濃度、ＣＯ濃度などのガス組成を利用することにより、燃料ＢＩＲの補正処理の信頼性が向上する。

図８は、本発明の一実施例であるボイラ制御装置に実装する制御ロジックを示す概略図である。図１の実施例１における制御ロジックの中で、燃料ＢＩＲ補正器１１の処理のみが異なる。このため、本実施例を示す図８では、燃料ＢＩＲ補正器のみを示している。

実施例１または実施例２ではボイラ出口ガスの情報を基に、燃料ＢＩＲの補正処理を行っていた。これに対し、本実施例ではボイラ収熱量を基に補正処理を行う。ただし、ボイラ収熱量を直接計測することはできない。蒸気の流量、温度、圧力から計算する。ボイラ収熱量は式（１）で計算する。

Ｑ(kW)はボイラ収熱量である。また、Ｈはエンタルピー(kJ/kg)、Ｆは流量(kg/s)、Ｔは温度(℃)、Ｐは圧力(MPa)を表す。ここでfは温度、圧力からエンタルピーに換算する蒸気関数である。エンタルピーは計測できないので、温度、圧力の計測値から計算で求める。添え字は、ＭＳが主蒸気(ボイラ出口)、ＳＥＰが気水分離器、ＦＷがボイラ給水を表す。

図８に示す制御ロジックでは、ボイラ収熱量計算器４１６で、前記の式１を用いてボイラ収熱量を計算する。次いで、減算器４１１によりボイラ収熱量の制御偏差を求める。ボイラ収熱量の制御設定値は設定値計算器４１２で求める。設定値の演算方法は、実施例１と同様である。負荷指令値からＭＷＤを求め、これに一次遅れ処理を行う。次いで、計測値ＤＢ４１３に格納した負荷とボイラ収熱量のデータを用いて、負荷の最終目標値に応じて規格化する。

ボイラ収熱量の制御偏差はＰＩ制御器４１４に取り込まれ、ボイラ収熱量の計算値が設定値に追従するような補正値を出力する。次いで、リミッター４１５で、ＰＩ制御器が出力した補正値に上・下限の処理を行い、最終的な燃料ＢＩＲ補正信号とする。

以上が実施例３になる装置における燃料ＢＩＲ補正器の処理内容である。これは、実施例１におけるボイラ出口ガス温度による燃料ＢＩＲ補正器の代わりに用いてもよい。また、実施例２で説明したように、ボイラ収熱量による燃料ＢＩＲ補正器４１を、実施例１や実施例２で示した他の補正器と連結して、複数の補正器で燃料ＢＩＲの補正処理を行ってもよい。

以上に示した本実施例になる装置では、実施例１や実施例２がガス側の情報を使用しているのに対し、蒸気側の情報を用いて燃料ＢＩＲの最適化を図っている。必要となる燃料流量はボイラ収熱量によって決まる。本実施例では、その情報を直接使用して燃料ＢＩＲの波形を補正しており、信頼性が向上できる。さらに、実施例１や実施例２のボイラ出口ガスと、本実施例のボイラ収熱量の両者を用いて、燃料ＢＩＲを補正することもでき、信頼性が向上できる。

各実施例の装置によれば、ボイラの計測値を用いて、燃料ＢＩＲ信号の補正値を逐次計算し、燃料ＢＩＲ信号を補正して、最終的な燃料ＢＩＲ信号の波形を作成することができる。これにより、燃料ＢＩＲ信号の最適化が図られ、負荷変化時における燃料消費量を低減できると共に、蒸気温度の変動も抑制することができる。また、負荷変化における制御性能が、試運転時に決定する燃料ＢIＲのマスタ信号にあまり依存しない。これにより、燃料ＢＩＲ信号の調整が試運転作業員の熟練度に頼ることがなくなり、作業員の負担を減らすことができる。また、ボイラの燃料としては、石炭のみではなく、ガスや石油でも同様の方法が適用できる。

各実施例では、ボイラの負荷変化時に、ボイラの応答遅れを補償するために先行的に燃料を投入する燃料流量の先行制御信号である燃料ＢＩＲを作成するボイラ制御装置において、ボイラでの計測値を基に、先行制御信号である燃料ＢＩＲを補正している。そうすることにより、燃料ＢＩＲ信号の最適化が図られ、負荷変化時における燃料消費量を低減できると共に、蒸気温度の変動も抑制することができる。

燃料ＢＩＲは、より詳細に説明すると、計測値に対応する設定値を設け、設定値と計測値との偏差を用いて、燃料ＢＩＲの補正値を求め、燃料ＢＩＲのマスタ信号に補正値を乗じて作成されている。また各実施例中において計測値は、ボイラ出口ガスの温度、Ｏ₂濃度、もしくはＣＯ濃度、またはボイラ収熱量の何れかである。ボイラ収熱量は蒸気の温度、圧力、及び流量から計算することができる。

設定値は発電出力目標値である負荷指令値から、設定値計算器１１２により求められる。各実施例のボイラ制御装置は、計測値に加え、発電出力の計測値またはスートブロア履歴の少なくとも一方を格納するデータベースを備えている。設定値はこのデータベースに格納された計測値等のデータを用いて発電出力目標値である負荷指令値に対応するように計算される。

１ボイラ制御装置
２石炭火力プラント
３モニタ
１１燃料ＢＩＲ補正器
４１燃料ＢＩＲ補正器
５１燃料ＢＩＲ補正器
１０１関数発生器
１０２減算器
１０３ＰＩ制御器
１０４加算器
１０５加算器
１０６乗算器
１０７乗算器
１１１減算器
１１２設定値計算器
１１３計測値ＤＢ
１１４ＰＩ制御器
１１５リミッター
２０１ボイラ
２０２石炭を粉砕するミル
２０３燃料流量を計測するセンサ
２０４主蒸気温度を計測するセンサ
２０５ボイラ出口ガス温度を計測するセンサ
２０６スートブロワの動作を計測するセンサ
４１１減算器
４１２設定計算器
４１３計測値ＤＢ
４１４ＰＩ制御器
４１５リミッター
４１６ボイラ収熱量計算器
５１１減算器
５１２設定計算器
５１３計測値ＤＢ
５１４ＰＩ制御器
５１５リミッター

Claims

ボイラの負荷変化時に、ボイラの応答遅れを補償するために先行的に燃料を投入する燃料流量の先行制御信号を作成するボイラ制御装置において、
ボイラでの計測値に対応する設定値を設け、該設定値と該計測値との偏差を用いて、先行制御信号の補正値を求め、先行制御信号のマスタ信号に該補正値を乗じて該先行制御信号を作成し、該設定値は、負荷変化時における燃料消費量が、該先行制御信号を補正しない場合に比べて低くなるように逐次設定することを特徴とするボイラ制御装置。
請求項１に記載のボイラ制御装置において、
該計測値はボイラ出口ガスの温度、Ｏ₂濃度、もしくはＣＯ濃度、またはボイラ収熱量の何れかであることを特徴とするボイラ制御装置。
請求項１又は２の何れかに記載のボイラ制御装置において、
該設定値を発電出力目標値から作成することを特徴とするボイラ制御装置。
請求項１から３の何れかに記載のボイラ制御装置において、
前記計測値と、発電出力の計測値またはスートブロワ履歴を格納するデータベースを備え、
該設定値を、該データベースに格納されたデータを用いて発電出力目標値に対応するように計算することを特徴とするボイラ制御装置。
請求項２に記載のボイラ制御装置において、
該ボイラ収熱量は蒸気の温度、圧力、及び流量から計算することを特徴とするボイラ制御装置。
請求項１から請求項５の何れかに記載のボイラ制御装置において、
該燃料流量の先行制御信号の補正値に上限または下限の少なくとも一方の処理を行うことを特徴とするボイラ制御装置。