JP6209980B2

JP6209980B2 - ボイラ及びボイラシステム

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Publication number: JP6209980B2
Application number: JP2014013707A
Authority: JP
Inventors: 山田　和也; 和也山田
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: JP2015140966A

Description

本発明は、燃焼率を変更して燃焼可能なボイラ及びボイラシステムに関する。

蒸気を発生させる蒸気ボイラにおいて、蒸気が集められるヘッダの蒸気圧力が蒸気消費量の変動にかかわらず一定の目標圧力となるように、蒸気圧力のフィードバック制御を行うことでボイラの燃焼率を制御することが行われている。このフィードバック制御では、目標圧力とヘッダの蒸気圧力との偏差に比例ゲインを乗算した値を操作量（指示蒸気量）として算出し、この操作量に応じてボイラから指示蒸気量分の蒸気が発生するように、ボイラの燃焼状態を制御する。

このようなフィードバック制御では、圧力安定性を高めるために比例ゲインを適切に設定する必要がある。この点、特許文献１には、燃焼するボイラの台数に応じて圧力制御比例帯を調整するボイラの台数制御方法が開示されている。この台数制御方法によれば、ボイラの台数に応じて圧力制御比例帯が変更されるため、結果として、燃焼台数によって比例ゲインも変更されることになる。

特許第３８０８３０３号公報

ところで、特許文献１の台数制御方法では、ＰＢａ＝ＰＢ（１＋（Ｎｃ−１）Ｋ）により圧力制御比例帯（ＰＢａ）を算出するため、燃焼台数（Ｎｃ）が多いほど圧力制御比例帯（ＰＢａ）が広くなり、燃焼台数（Ｎｃ）が少ないほど圧力制御比例帯（ＰＢａ）が狭くなる。その結果、特許文献１の台数制御方法では、燃焼台数（Ｎｃ）が多い（高負荷時）ほど比例ゲインが低くなり、燃焼台数（Ｎｃ）が少ない（低負荷時）ほど比例ゲインが高くなる。

この点、比例ゲインを高く設定すると偏差に対して大きな操作量が算出され、比例ゲインを低く設定すると偏差に対して小さな操作量が算出される。そのため、特許文献１の台数制御方法のように、蒸気使用設備が多くの蒸気を使用している高負荷時に比例ゲインを低く設定すると、高負荷時に操作量が過少に算出され、負荷追従が遅れ高負荷時の圧力安定性が低下してしまう。同様に、蒸気使用設備があまり蒸気を使用しない低負荷時に比例ゲインを高く設定すると、低負荷時に操作量が過剰に算出され、ハンチング等の発生により低負荷時の圧力安定性が低下してしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、圧力安定性を高めることのできるフィードバック制御が可能なボイラ及びボイラシステムを提供することを目的とする。

本発明は、燃焼率を変更して燃焼可能なボイラであって、前記ボイラから出力される蒸気出力のフィードバック制御により前記ボイラの燃焼状態を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記ボイラの燃焼率を算出する燃焼率算出部と、前記フィードバック制御に用いる比例ゲインを、算出した前記燃焼率の対数に基づき調整する比例ゲイン調整部と、調整された比例ゲインに基づいて前記フィードバック制御により前記ボイラの燃焼状態を制御するフィードバック制御部と、を備えるボイラに関する。

また、前記燃焼率算出部は、該ボイラの最大使用蒸気量及び実際蒸気量に基いて前記燃焼率を算出することが好ましい。

また、前記燃焼率算出部は、前記実際蒸気量を、所定時間の移動平均値として算出することが好ましい。

また、本発明は、燃焼率を変更して燃焼可能な複数のボイラからなるボイラ群と、該ボイラ群から出力される蒸気出力のフィードバック制御により前記ボイラ群の燃焼状態を制御する制御部と、を備えるボイラシステムであって、前記制御部は、前記ボイラ群の燃焼率を算出する燃焼率算出部と、前記フィードバック制御に用いる比例ゲインを、算出した前記燃焼率の対数に基づき調整する比例ゲイン調整部と、調整された比例ゲインに基づいて前記フィードバック制御により前記ボイラ群の燃焼状態を制御するフィードバック制御部と、を備えるボイラシステムに関する。

また、前記燃焼率算出部は、前記ボイラ群の最大使用蒸気量及び実際蒸気量に基いて前記燃焼率を算出することが好ましい。

本発明のボイラ及びボイラシステムによれば、ボイラの燃焼率に応じて比例ゲインを適切に調整するため、圧力安定性を高められる。

本発明の実施形態に係るボイラの概略を示す図である。制御装置の構成を示す機能ブロック図である。制御装置の制御フローを示す説明図である。実際蒸気量と比例ゲイン（Ｋｐｃ）との関係を示す図である。

以下、本発明のボイラ及びボイラシステムの好ましい各実施形態について図面を参照しながら説明する。まず、本発明の第１実施形態に係るボイラについて説明する。
第１実施形態のボイラ１は、水を加熱して蒸気を生成する蒸気ボイラである。このボイラ１は、図１に示すように、缶体１０と、缶体１０に燃焼用空気を送り込む送風機２０と、缶体１０と送風機２０とを接続し燃焼用空気が流通する給気ダクト３０と、給気ダクト３０に配置されるダンパ４０と、給気ダクト３０に燃料ガスを供給する燃料供給装置５０と、缶体１０から排出される燃焼ガスが流通する排気筒６０と、缶体１０に水を供給する給水路（図示せず）と、ボイラ１の燃焼状態を制御する制御装置７０と、を備える。

缶体１０は、図１に示すように、ボイラ筐体１１と、複数の水管１２と、下部ヘッダ１３と、上部ヘッダ１４と、バーナ１５と、を備える。
ボイラ筐体１１は、缶体１０の外形を構成し、平面視矩形形状の直方体状に形成される。このボイラ筐体１１の長手方向の一端側に位置する第１側面１１ａには、給気口１６が形成され、ボイラ筐体１１の長手方向の他端側に位置する第２側面１１ｂには、排気口１７が形成される。

複数の水管１２は、ボイラ筐体１１の内部に上下方向に延びて配置されると共に、ボイラ筐体１１の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される。
下部ヘッダ１３は、ボイラ筐体１１の下部に配置される。下部ヘッダ１３には、複数の水管１２の下端部が接続される。

上部ヘッダ１４は、ボイラ筐体１１の上部に配置される。上部ヘッダ１４には、複数の水管１２の上端部が接続される。上部ヘッダ１４には、蒸気圧センサ１８が設けられる。
蒸気圧センサ１８は、信号線を介して、制御装置７０に電気的に接続されている。蒸気圧センサ１８は、上部ヘッダ１４の内部の蒸気圧力（ボイラ１で発生した蒸気の圧力）を測定し、測定した蒸気圧力に係る信号（蒸気圧信号）を制御装置７０に送信する。

バーナ１５は、給気口１６に配置される。
送風機２０は、ファン及びこのファンを回転させるモータを有する送風機本体２１と、ファン（モータ）の回転数を増減させるインバータ２２と、を備える。送風機２０は、インバータ２２に入力される周波数に応じて、ファンが所定の回転数で回転することで、缶体１０に燃焼用空気を送り込む。

給気ダクト３０は、上流側の端部が送風機２０に接続され、下流側の端部が給気口１６に接続される。給気ダクト３０は、送風機２０から送り込まれた燃焼用空気を缶体１０に供給する。
ダンパ４０は、給気ダクト３０の内部の燃焼用空気の流路を塞いだ閉状態と、この閉状態から９０度回転し、給気ダクト３０の内部の燃焼用空気の流路を開放した開状態との間で回転可能に配置される。

燃料供給装置５０は、ガス供給ライン５１と、このガス供給ラインに設けられる調整弁５２及びノズル５３と、を備える。
ガス供給ライン５１は、給気ダクト３０におけるダンパ４０が配置された位置よりも下流側に接続され、給気ダクト３０に燃料ガスを供給する。
調整弁５２は、給気ダクト３０に供給される燃料ガスの流通量を調整する。
ノズル５３は、ガス供給ライン５１の先端部に配置され、給気ダクト３０に燃料ガスを噴出する。

排気筒６０は、排気口１７に接続される。排気筒６０は、缶体１０の内部で燃料ガスが燃焼して生じた燃焼ガスを排出する。
制御装置７０は、制御部及び記憶部を備える装置であり、缶体１０への燃焼用空気の供給量及び燃焼ガスの供給量を制御することで、ボイラ１の燃焼状態（燃焼率）を制御し、ボイラ１による蒸気の生成量を調整する。

以上のボイラ１によれば、送風機２０により給気ダクト３０に送り込まれた燃焼用空気は、ガス供給ライン５１から供給された燃料ガスと混合され、燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスがバーナ１５から缶体１０の内部に噴出され、燃焼される。そして、バーナ１５による混合ガスの燃焼に伴って発生する熱により、下部ヘッダ１３から複数の水管１２の内部に供給された水が加熱され、蒸気が生成される。複数の水管１２の内部において生成された蒸気は、上部ヘッダ１４に集合された後、蒸気導出管（図示せず）を介して外部に導出される。また、混合ガスの燃焼により生じた燃焼ガスは、排気筒６０から外部に排出される。

次に、制御装置７０によるボイラ１の燃焼状態の制御の詳細について説明する。
制御装置７０は、ボイラ１が蒸気を供給する負荷機器による蒸気の消費量に応じて、ボイラ１の燃焼率を変更し、蒸気の生成量を調整する。ここで、負荷機器の需要の増大により要求負荷（蒸気消費量）が増加し、上部ヘッダ１４に供給される蒸気量（即ち、ボイラ１から発生する蒸気量（以下「出力蒸気量」と呼ぶことがある））が不足すれば、上部ヘッダ１４の内部の蒸気圧力が減少することになる。一方、負荷機器の需要の低下により要求負荷（蒸気消費量）が減少し、上部ヘッダ１４に供給される蒸気量が過剰になれば、上部ヘッダ１４の内部の蒸気圧力が増加することになる。従って、ボイラ１は、蒸気圧センサ１８により測定された蒸気圧力の変動に基づいて、要求負荷の変動をモニターすることができる。そして、制御装置７０は、予め設定された目標圧力と上部ヘッダ１４の蒸気圧力（ヘッダ圧力）とを比較することで、蒸気量の過不足を検知することができる。
そこで、制御装置７０では、負荷機器に応じて予め設定された目標圧力とヘッダ圧力との偏差に対して、所定のＰＩＤアルゴリズムに基づくフィードバック制御を行うことで、ヘッダ圧力が目標圧力となるために必要な蒸気量（操作量）を算出し、算出した蒸気量分の蒸気がボイラ１から出力されるようにボイラ１の燃焼状態を制御する。

ここで、本実施形態では、ボイラ１は、燃焼率を連続的に変更可能な比例制御ボイラにより構成される。比例制御ボイラとは、少なくとも、最小燃焼状態（例えば、最大燃焼量の２０％の燃焼率における燃焼状態）から最大燃焼状態の範囲で、燃焼率が連続的に制御可能とされているボイラである。
なお、燃焼率を連続的に変更するとは、燃焼率が０．１％〜２％刻み、好ましくは１％刻みで制御される場合であっても、事実上連続的に変更することに含まれる。

本実施形態では、ボイラ１の燃焼停止状態と最小燃焼状態との間の燃焼率の変更は、ボイラ１（バーナ）の燃焼をオン／オフすることで制御される。そして、最小燃焼状態から最大燃焼状態の範囲においては、燃焼率が連続的に制御可能となっている。
なお、以下においては、燃焼率を２０％〜１００％の範囲で連続的に変更可能なボイラ１における燃焼状態の制御について説明する。

図２は、制御装置７０の制御部の構成を示す機能ブロック図である。制御装置７０の制御部は、燃焼率算出部７１と、比例ゲイン調整部７２と、フィードバック制御部７３と、を含んで構成される。

燃焼率算出部７１は、ボイラ１の燃焼率を算出する。本実施形態では、燃焼率の算出は、ボイラ１の最大使用蒸気量及び実際蒸気量に基づいて行われる。ここで、最大使用蒸気量とは、最大燃焼状態における出力蒸気量を示す。また、実際蒸気量とは、操作量ではなく、出力蒸気量（ボイラ１から発生する蒸気量）を示す。この実際蒸気量は、過去の所定期間（例えば３０秒）の出力蒸気量の移動平均により求めることが好ましい。

比例ゲイン調整部７２は、ボイラ１の燃焼状態を制御するフィードバック制御に用いる比例ゲインを、算出したボイラ１の燃焼率の対数に基づいて調整する。詳細については、後述するが、比例ゲイン調整部７２は、ボイラ１の燃焼率が低いほど比例ゲインを低く調整し、ボイラ１の燃焼率が高いほど比例ゲインを高く調整する。

フィードバック制御部７３は、調整された比例ゲインに基づいてフィードバック制御によりボイラ１の燃焼状態を制御する。即ち、フィードバック制御部７３は、目標圧力とヘッダ圧力との偏差に対して、比例ゲインに基づく所定の演算を行うことで（Ｐ制御）、ヘッダ圧力が目標圧力となるために必要な蒸気量（操作量）を算出し、この操作量に基づいてボイラ１の燃焼状態を制御する。

続いて、図３を参照して制御装置７０の制御部の動作について説明する。図３は、制御装置７０の制御フローを示す説明図である。

初めに、燃焼率算出部７１がボイラ１の燃焼率を算出する。ここで、燃焼率算出部７１は、ボイラ１の実際蒸気量を、所定時間（例えば３０秒）の実際出力蒸気量の移動平均値から算出し、この算出した実際蒸気量と、設定値として記憶部に記憶された最大使用蒸気量と、に基づいて燃焼率を求める。
次いで、比例ゲイン調整部７２は、燃焼率算出部７１において算出された燃焼率に基いて、比例ゲイン（Ｋｐ）を補正する。ここで、比例ゲイン調整部７２は、まず、記憶部から設定に基づき算出された比例ゲイン（Ｋｐ）を読み出す。

なお、比例ゲイン（Ｋｐ）は、ボイラ１の燃焼率が１００％である場合の比例ゲインである。比例ゲイン（Ｋｐ）は、ボイラ１の最大蒸気量を比例帯及びフルスケール圧力から算出される制御幅で除算することで算出され、本実施形態では予め設定しておくものとする。
比例ゲイン（Ｋｐ）＝最大蒸気量／（比例帯×フルスケール圧力）
比例帯×フルスケール圧力＝制御幅

比例ゲイン（Ｋｐ）を記憶部から読み出すと、比例ゲイン調整部７２は、ボイラ１の燃焼率の対数（Ｌｏｇ_１０（Ｘ））、比例ゲイン（Ｋｐ）及び補正係数（Ｃｐ）に基づいて補正後の比例ゲイン（Ｋｐｃ）を算出する。

なお、Ｌｏｇ_１０（Ｘ）のＸは、燃焼率が０％の場合に１となり、燃焼率が１００％の場合に１０となるように実際蒸気量を１〜１０の範囲に置き換えた値とする。
具体的には、Ｘは、以下の式により算出される。
Ｘ＝（実際蒸気量×９／最大使用蒸気量）＋１
また、補正係数（Ｃｐ）は、０．１〜１．０までの間の任意の値であり、予め設定しておくものとする。

本実施形態では、補正後の比例ゲイン（Ｋｐｃ）は、以下の式により算出される。
Ｋｐｃ＝Ｋｐ｛Ｌｏｇ_１０（Ｘ）×（１―Ｃｐ）＋Ｃｐ｝
図４は、実際蒸気量と上記式を用いて算出された比例ゲイン（Ｋｐｃ）との関係を示す図である。
なお、ここでは、最大使用蒸気量を７００００ｋｇ／ｈ、比例帯を５％、フルスケール圧力を２．０ＭＰａ、補正係数（Ｃｐ）を０．２として、比例ゲイン（Ｋｐ）及び補正後の比例ゲイン（Ｋｐｃ）の算出を行った。

これにより、図４に示すように、比例ゲイン調整部７２は、ボイラ１の燃焼率が低いほど（実際蒸気量が低いほど）比例ゲイン（Ｋｐｃ）を低く調整し、ボイラ１の燃焼率が高いほど（実際蒸気量が高いほど）比例ゲイン（Ｋｐｃ）を高く調整することができる。また、燃焼率の対数に基いて比例ゲイン（Ｋｐ）を補正することで、燃焼率の低い領域においては補正後の比例ゲイン（Ｋｐｃ）の変化率を大きくでき、燃焼率の高い領域においては補正後の比例ゲイン（Ｋｐｃ）の変化率を小さくできる。

図３に戻り、ボイラ１の燃焼率に応じて比例ゲイン（Ｋｐ）を補正すると、フィードバック制御部７３は、目標圧力とヘッダ圧力との偏差と補正後の比例ゲイン（Ｋｐｃ）とから操作量（出力すべき蒸気量）を算出し、この操作量に基づいてボイラ１の燃焼状態を制御する。これにより、上部ヘッダ１４内の蒸気圧力が目標圧力と略一致するようにボイラ１の燃焼状態を制御することができる。

以上説明した第１実施形態のボイラ１によれば、以下のような効果を奏する。

本実施形態のボイラ１においては、目標圧力とヘッダ圧力との偏差に基づくフィードバック制御によりボイラ１の燃焼状態を制御するところ、フィードバック制御に用いる比例ゲイン（Ｋｐ）をボイラ１の燃焼率の対数に応じて調整する。具体的には、制御装置７０の制御部は、ボイラ１の燃焼率が低いほど比例ゲイン（Ｋｐｃ）を低く調整し、ボイラ１の燃焼率が高いほど比例ゲイン（Ｋｐｃ）を高く調整する。また、燃焼率の低い領域においては比例ゲイン（Ｋｐｃ）の変化率が大きくなるように、燃焼率の高い領域においては比例ゲイン（Ｋｐｃ）の変化率が小さくなるように調整する。
これにより、高負荷時には、目標圧力とヘッダ圧力との偏差に対して大きな操作量が算出されることになるため、早急な負荷追従を実現でき、圧力安定性が向上する。また、低負荷時には、目標圧力とヘッダ圧力との偏差に対して小さな操作量が算出されることになるため、制御の安定性が向上しハンチング等の発生を防止でき、圧力安定性が向上する。

また、燃焼率算出部７１は、ボイラ１の最大使用蒸気量及び実際蒸気量に基いて燃焼率を算出する。これにより、操作量ではなく実際蒸気量に基いて比例ゲインを補正できるので、ボイラ１の圧力安定性をより向上させられる。

また、燃焼率算出部７１は、実際蒸気量を、所定時間の出力蒸気量の移動平均値として算出する。これにより、出力蒸気量に短期的な急変動が生じた場合等にも、算出される実際蒸気量に急激な変動が生じることを抑制できるので、ボイラ１の圧力安定性を更に向上させられる。

次に、本発明の第２実施形態に係るボイラシステムについて説明する。第２実施形態のボイラシステムは、複数のボイラからなるボイラ群と、このボイラ群の燃焼状態を制御する制御部（台数制御装置）により構成されている点で、ボイラ単体からなる第１実施形態と異なる。
第２実施形態のボイラシステムによれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。即ち、第２実施形態のボイラシステムでは、台数制御装置がボイラ群の最大使用蒸気量及び実際蒸気量に基いてボイラ群としての燃焼率を算出し、この算出された燃焼率に基いて比例ゲインを調整する。

以上、本発明のボイラ１及びボイラシステムの好ましい各実施形態につき説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、上記実施形態ではフィードバック制御についてＰ制御についてのみ説明し、その他の制御（Ｉ制御及びＤ制御）についての詳細を省略している。この点、フィードバック制御部７３が実行するフィードバック制御は、Ｐ制御に限らずＰＩ制御やＰＩＤ制御等であってもよい。

また、上記実施形態では、比例ゲイン調整部７２は、以下の式により補正後の比例ゲイン（Ｋｐｃ）を算出したが、これに限らない。
Ｋｐｃ＝Ｋｐ｛Ｌｏｇ_１０（Ｘ）×（１―Ｃｐ）＋Ｃｐ｝
即ち、比例ゲイン調整部は、燃焼率の対数を用いた他の式により比例ゲイン（Ｋｐｃ）を算出してもよい。

また、上記実施形態では、燃焼率算出部７１は、操作量でなく実際蒸気量に基いて燃焼率を算出したが、これに限らない。即ち、燃焼率算出部は、例えば、ボイラの燃焼状態を制御する操作量に基づいて、ボイラ１の燃焼率を算出してもよい。

また、上記実施形態では、ボイラ１を比例制御ボイラにより構成することとしているが、ボイラ１は比例制御ボイラに限らず、段階値制御ボイラにより構成することとしてもよい。なお、段階値制御ボイラとは、複数の段階的な燃焼位置を有し、燃焼を選択的にオン／オフしたり、炎の大きさを調整したりすること等により燃焼量を制御して、選択された燃焼位置に応じて燃焼量を段階的に増減可能なボイラである。一例として、ボイラ１を、燃焼停止位置、低燃焼位置及び高燃焼位置の３位置を有する３位置ボイラにより、構成することとしてもよい。もちろん、ボイラ１は、３位置に限らず、任意のＮ位置の燃焼位置を有することとしてもよい。

１ボイラ
７０制御装置
７１燃焼率算出部
７２比例ゲイン調整部
７３フィードバック制御部

Claims

燃焼率を変更して燃焼可能なボイラであって、
前記ボイラから出力される蒸気出力のフィードバック制御により前記ボイラの燃焼状態を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記ボイラの燃焼率を算出する燃焼率算出部と、
前記フィードバック制御に用いる比例ゲインを、算出した前記燃焼率の対数に基づき調整する比例ゲイン調整部と、
調整された比例ゲインに基づいて前記フィードバック制御により前記ボイラの燃焼状態を制御するフィードバック制御部と、を備えるボイラ。
前記燃焼率算出部は、該ボイラの最大使用蒸気量及び実際蒸気量に基いて前記燃焼率を算出する請求項１に記載のボイラ。
前記燃焼率算出部は、前記実際蒸気量を、所定時間の移動平均値として算出する請求項２に記載のボイラ。
燃焼率を変更して燃焼可能な複数のボイラからなるボイラ群と、該ボイラ群から出力される蒸気出力のフィードバック制御により前記ボイラ群の燃焼状態を制御する制御部と、を備えるボイラシステムであって、
前記制御部は、
前記ボイラ群の燃焼率を算出する燃焼率算出部と、
前記フィードバック制御に用いる比例ゲインを、算出した前記燃焼率の対数に基づき調整する比例ゲイン調整部と、
調整された比例ゲインに基づいて前記フィードバック制御により前記ボイラ群の燃焼状態を制御するフィードバック制御部と、を備えるボイラシステム。
前記燃焼率算出部は、前記ボイラ群の最大使用蒸気量及び実際蒸気量に基いて前記燃焼率を算出する請求項４に記載のボイラシステム。
前記燃焼率算出部は、前記実際蒸気量を、所定時間の移動平均値として算出する請求項５に記載のボイラシステム。