JP6255795B2 - ボイラシステム - Google Patents
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まず、第1実施形態に係るボイラシステム1の全体構成につき、図1を参照しながら説明する。ボイラシステム1は、一つ以上の段階値制御ボイラ20A及び一つ以上の比例制御ボイラ20Bを含むボイラ群2と、これら複数のボイラにおいて生成された蒸気を集合させる蒸気ヘッダ6と、この蒸気ヘッダ6の内部の圧力を測定する蒸気圧センサ7と、ボイラ群2の燃焼状態を制御する制御部4を有する台数制御装置3と、を備える。
蒸気ヘッダ6は、蒸気管11を介してボイラ群2を構成する複数のボイラ20A及び20Bに接続されている。この蒸気ヘッダ6の下流側は、蒸気管12を介して蒸気使用設備18に接続されている。
蒸気ヘッダ6は、ボイラ群2で生成された蒸気を集合させて貯留することにより、複数のボイラ20A及び20Bの相互の圧力差及び圧力変動を調整し、圧力が調整された蒸気を蒸気使用設備18に供給する。
ボイラシステム1において要求される負荷(要求負荷)は、蒸気使用設備18における蒸気消費量である。台数制御装置3は、この蒸気消費量の変動に対応して生じる蒸気ヘッダ6の内部の蒸気圧の変動を、蒸気圧センサ7が測定する蒸気ヘッダ6の内部の蒸気圧(物理量)に基づいて算出し、ボイラ群2を構成する各ボイラ20A及び20Bの燃焼状態を制御する。
本実施形態のボイラ群2は、3台の段階値制御ボイラ20Aと、2台の比例制御ボイラ20Bとからなり、3台の段階値制御ボイラ20Aは段階値制御ボイラ群2Aを構成し、2台の比例制御ボイラは比例制御ボイラ群2Bを構成する。
段階値制御ボイラ20Aとは、燃焼を選択的にオン/オフしたり、又は炎の大きさを調整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。
1)燃焼停止位置(第1燃焼位置:0%)
2)低燃焼位置L(第2燃焼位置:例えば最大燃焼量の5〜35%で設定される、第1実施形態では20%)
3)中燃焼位置M(第3燃焼位置:例えば最大燃焼量の40〜70%で設定される、第1実施形態では45%)
4)高燃焼位置H(第4燃焼位置:100%(最大燃焼量))。
後述する段階値制御ボイラ制御部43(図4参照)は、設定された優先順位に従い段階値制御ボイラ20Aの燃焼量を制御することで、段階値制御ボイラ群2Aから出力する蒸気量を制御する。
図5(B)には、図5(A)に示した燃焼パターンAに従って制御される1号機ボイラから3号機ボイラの各燃焼位置に対応して、段階値制御ボイラ群2Aが生成する蒸気量(S0〜S9)を示している。
図6(B)には、図6(A)に示した燃焼パターンに従って制御される1号機ボイラから3号機ボイラの各燃焼位置に対応して、段階値制御ボイラ群2Aが生成する蒸気量(S‘0〜S’9)を示している。
段階値制御ボイラ20Aは、複数の段階的な燃焼位置で燃焼するところ、それぞれの燃焼位置でボイラ効率(段階値制御ボイラ20Aの熱効率)が異なる。図3に示すように、本実施形態の段階値制御ボイラ20Aでは、複数の燃焼位置のうち燃焼させる上で最も燃焼効率の良い燃焼位置(エコ燃焼位置)が中燃焼位置に設定されている。燃焼パターンAに基づいて段階値制御ボイラ20Aの燃焼状態を制御する場合、図6に示すように、生成蒸気量S6に対応する燃焼位置がエコ燃焼位置となる。なお、燃焼パターンBに基づいて段階値制御ボイラ20Aの燃焼状態を制御する場合については、図11で後述する。
比例制御ボイラ20Bとは、少なくとも、最小燃焼状態V1(例えば、最大燃焼率の20%の燃焼量における燃焼状態)から最大燃焼状態V2の範囲で、燃焼量が連続的に制御可能とされているボイラである。比例制御ボイラ20Bは、例えば、燃料をバーナに供給するバルブや、燃焼用空気を供給するバルブの開度(燃焼比)を制御することにより、燃焼量を調整するようになっている。
より具体的には、複数の比例制御ボイラ20Bそれぞれには、変動可能な蒸気量の単位である単位蒸気量Uが設定されている。これにより、比例制御ボイラ20Bは、最小燃焼状態V1から最大燃焼状態V2の範囲においては、単位蒸気量U単位で、蒸気量を変更可能となっている。
なお、本実施形態では、比例制御ボイラ制御部は、蒸気消費量が増加して燃焼させる比例制御ボイラ20Bの台数を増加させる場合には、予め設定された優先順位の高い比例制御ボイラ20Bから順に燃焼を開始させる。そして、燃焼率を増加させる場合には、優先順位の高い順に比例制御ボイラ20Bを選択することとする。また、比例制御ボイラ制御部は、蒸気消費量が減少して燃焼させる比例制御ボイラ20Bの台数を減少させる場合には、予め設定された優先順位の低い比例制御ボイラ20Bから順に燃焼を停止させる。そして、燃焼率を減少させる場合には、優先順位の低い順に比例制御ボイラ20Bを選択することとしている。
比例制御ボイラ20Bは、最小燃焼状態V1から最大燃焼状態V2の範囲で燃焼率を連続的に変更することができるが、燃焼率によってボイラ効率(比例制御ボイラ20Bの熱効率)が異なる。そこで、ボイラ効率が所定値(例えば、97%)よりも高くなる燃焼率の範囲をエコ運転ゾーンとして設定する。このエコ運転ゾーンは、比例制御ボイラ20Bを燃焼させる上で最も好ましい燃焼率の範囲である。
図3を参照すると、比例制御ボイラ群2Bの4号機及び5号機ボイラは、燃焼率40%から60%の範囲にエコ運転ゾーンが設定されている。
また、記憶部5には、各段階値制御ボイラ20A(1号機、2号機、及び3号機)の燃焼位置に対応して当該燃焼位置における各段階値制御ボイラ20Aの生成蒸気量と、燃焼パターンに従って制御される段階値制御ボイラ1号機から3号機の各燃焼位置に対応して、段階値制御ボイラ群2Aが生成する蒸気量と、を格納するデータテーブルを備える。
PID要求蒸気量=偏差比例出力(P制御)+偏差積分出力(I制御)+偏差微分出力(D制御) ・・・式(1)
偏差比例出力(PID_E)=PID_K×(目標蒸気圧力値−現在の蒸気圧力値)
・・・式(2)
ここで、PID_K(比例ゲイン)は、単位圧力偏差(1kgf/cm2又は1MPa)当たりのボイラ出力(蒸気量)である。
・・・式(3)
偏差微分出力(PID_ED)=
PID_K×(1秒前の蒸気圧力値−現在の蒸気圧力値)×微分時間(秒)
・・・式(4)
そして、成分割り当て部42は、偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量と算出された段階値制御ボイラ群2Aの出力蒸気量との差である不足蒸気量、蒸気量算出部41により算出した偏差比例出力制御量に応じた要求蒸気量、及び蒸気量算出部41により算出した偏差微分出力制御量に応じた要求蒸気量を比例制御ボイラ群2Bに割り当てる。
初めに、図7を参照して、ボイラシステム1における圧力制御の概要について説明する。ボイラシステム1では、蒸気ヘッダ6の蒸気圧力値が目標蒸気圧力値となるように、PIDアルゴリズムにより制御量(PID要求蒸気量)を算出する。このPID要求蒸気量は、P成分、I成分、及びD成分を含むことになるものの、それぞれの成分は、ボイラシステム1の運転状況に応じて変化する。
なお、偏差微分出力制御に応じた要求蒸気量(D成分)は、必要に応じて適宜算出されるものの、PID制御に応じた要求蒸気量の中に占める割合は比較的低い。
また、偏差微分出力制御に応じた要求蒸気量(D成分)は、必要に応じて適宜算出されるものの、PID制御に応じた要求蒸気量の中に占める割合は比較的低い。
すなわち、燃焼パターンAでは、各段階値制御ボイラ20Aの燃焼量(燃焼位置)が略均一になるように制御を行う。この燃焼パターンAでは、図5(B)に示すように、段階値制御ボイラ群2Aから生成される蒸気量は、生成蒸気量S0からS9となる。
また、燃焼パターンBでは、優先順位の高い段階値制御ボイラ20Aを高燃焼位置まで燃焼させた後に、優先順位の低い段階値制御ボイラ20Aを燃焼させる。この燃焼パターンBでは、図6(B)に示すように、段階値制御ボイラ群2Aから生成される蒸気量は、生成蒸気量S’0からS’9となる。
なお、偏差比例出力制御量に応じた要求蒸気量(Pn)又は偏差微分出力制御量に応じた要求蒸気量(Dn)は、正の値又は負の値を取り得ることから、正の値を取るときは縦軸の上方に記載し、負の値を取るときは縦軸の下方に記載する。
また、燃焼パターンAに従って制御される段階値制御ボイラ1号機から3号機の各燃焼位置に対応して、段階値制御ボイラ群2Aが生成する蒸気量(S0〜S9)を記載した。
時間T1からT3においては、蒸気ヘッダ6の蒸気圧値が0kg/cm2の状態(例えば、システムの起動時)から運転をスタート(0圧起動)させたときのPID要求蒸気量の概略を示す。また、時間T4からT6においては、目標下方期におけるPID要求蒸気量の概略を示す。時間T7からT9にかけては、目標上方期における概略を示す。
時間T4からT6にかけての目標下方期において、偏差比例出力制御量に応じた要求蒸気量(P成分)は正の値となり、偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量(I成分)は、それまでに累積された正の積分量の影響により緩やかに増加する。
時間T7からT9にかけての目標上方期において、偏差比例出力制御量に応じた要求蒸気量(P成分)は負の値となり、偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量(I成分)は、それまでに累積された負の積分量の影響により緩やかに減少する。
時間T1においては、過去に累積された偏差積分出力制御量が含まれない。そのため、PID制御量に応じた要求蒸気量は、偏差比例出力制御量に応じた要求蒸気量(P成分)が主要な成分となる。0圧起動時のような過去に累積された偏差積分出力制御量が含まれない場合は、段階値制御ボイラ群2Aが偏差比例出力制御量に応じた要求蒸気量(P成分)をフォローするように構成する。こうすることで、0圧起動時に段階値制御ボイラ群2Aは速やかに燃焼停止位置から低燃焼位置に移行する。そして、運転開始からしばらくの間、目標蒸気圧力値と蒸気ヘッダ6の蒸気圧値との偏差が正の積分値として蓄積され、偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量(I成分)が算出されるときに、段階値制御ボイラ群2Aは、偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量(I成分)に対して速やかに追従することができる。
なお、P成分又はD成分は、正の値又は負の値を取り得ることから、正の値を取るときは縦軸の上方に記載し、負の値を取るときは縦軸の下方に記載する。
また、燃焼パターンBに従って制御される段階値制御ボイラ1号機から3号機の各燃焼位置に対応して、段階値制御ボイラ群2Aが生成する蒸気量(S´0〜S´9)を記載した。
図9(A)には、時間T1からT3においては、蒸気ヘッダ6の蒸気圧値が0kg/cm2の状態(例えば、システムの起動時)から運転をスタート(0圧起動)させたときのPID要求蒸気量の概略を示す。また、図9(B)には、時間T4からT6においては、目標下方期におけるPID要求蒸気量の概略を示す。図9(C)には、時間T7からT9にかけては、目標上方期における概略を示す。
図9は、段階値制御ボイラ群2Aが図6(A)記載の燃焼パターンBに基づいて制御されていること以外、図8と同じである。そして、時間T1からT9における、蒸気量算出部41、成分割り当て部42、段階値制御ボイラ制御部43、及び比例制御ボイラ制御部44の動作は、上記図8を参照して説明した動作と基本的に同じである。
なお、P成分又はD成分は、正の値又は負の値を取り得ることから、正の値を取るときは縦軸の上方に記載し、負の値を取るときは縦軸の下方に記載する。
また、燃焼パターンAに従ってエコ燃焼制御される段階値制御ボイラ1号機から3号機の各燃焼位置に対応して、段階値制御ボイラ群2Aが生成する蒸気量(S0〜S6)を記載した。
時間T1からT3においては、蒸気ヘッダ6の蒸気圧値が0kg/cm2の状態(例えば、システムの起動時)から運転をスタート(0圧起動)させたときのPID要求蒸気量の概略を示す。また、時間T4からT6においては、目標下方期におけるPID要求蒸気量の概略を示す。時間T7からT9にかけては、目標上方期における概略を示す。
時間T4からT7にかけての目標下方期において、偏差比例出力制御量に応じた要求蒸気量(P成分)は正の値となり、偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量(I成分)は、それまでに累積された正の積分量の影響により緩やかに増加する。
第2実施形態のボイラシステム1における、燃焼パターンBに基づく段階値制御ボイラ群2Aの燃焼制御方法は、図10における生成蒸気量S0からS10をS´0からS´6に読み替えることで理解することができる。
これにより、段階値制御ボイラ20Aに対しても、PI制御又はPID制御を適用することができ、圧力の安定性が確保される。また、負荷変動があった場合であっても、段階値制御ボイラ群2Aをベース用として一定の燃焼位置で燃焼させることができ、比例制御ボイラ群2Bにより負荷変動に対応した出力を行うことができる。その結果、段階値制御ボイラ20A及び比例制御ボイラ20Bそれぞれの優位性を生かした台数制御を行うことができる。
これにより、段階値制御ボイラ群2Aは大きな負荷をフォローすることができ、ボイラシステム1の出力の安定性が確保される。
これにより、段階値制御ボイラ群2Aを効率よく燃焼することができるため、ボイラシステム1の燃焼の効率性が確保される。
これにより、0圧起動時に段階値制御ボイラ群2Aは速やかに燃焼停止位置から低燃焼位置に移行することができる。そして、偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量(I成分)が算出されるときに、段階値制御ボイラ群2Aは、偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量(I成分)に対して速やかに追従することができる。また、段階値制御ボイラの起動時・起蒸時のバックアップ要求に対して、比例制御ボイラ群2Bで対応することができるため、スムーズな燃焼量移行と圧力の安定性が確保される。
例えば、上記実施形態においては、3台の段階値制御ボイラ20Aと2台の比例制御ボイラ20Bとを備え、3台の段階値制御ボイラ20Aの低燃焼位置Lにおける増減量、高燃焼位置Hにおける増減量、燃焼能力、エコ運転ゾーンが等しい場合について説明したが、これに限られず、段階値制御ボイラ20Aの台数、起動優先順位、各段階値制御ボイラ20Aの燃焼位置における燃焼量、エコ運転ゾーン、最大燃焼量としての燃焼能力が異なる場合、及び比例制御ボイラ20Bの台数、起動優先順位、各比例制御ボイラ20Bの最小燃焼量、単位蒸気量、エコ運転ゾーン、最大燃焼量としての燃焼能力が異なる場合にも適用可能である。
また、上記実施形態においては、予め設定された目標蒸気圧力値、蒸気圧センサ7で測定された蒸気ヘッダ6の蒸気圧力値等に基づいて、PIDアルゴリズムによりPID要求蒸気量を算出したが、PIDアルゴリズムに替えてPIアルゴリズムにより算出してもよい。
2 ボイラ群
20A 段階値制御ボイラ
20B 比例制御ボイラ
3 台数制御装置
4 制御部
5 記憶部
6 蒸気ヘッダ
7 蒸気圧センサ
Claims (4)
- 一つ以上の段階値制御ボイラと、一つ以上の比例制御ボイラとからなり、負荷機器に蒸気を供給するボイラ群と、
前記ボイラ群において生成された蒸気を集合させる蒸気集合部と、
前記蒸気集合部の内部の蒸気圧を測定する蒸気圧測定手段と、
前記蒸気圧測定手段で測定した蒸気圧力値が、予め設定された目標蒸気圧力値となるように、PIアルゴリズム又はPIDアルゴリズムにより演算された制御量に基づいて前記ボイラ群の燃焼量を制御する台数制御手段と、を備え、
前記台数制御手段は、
前記PIアルゴリズム又はPIDアルゴリズムにより、少なくとも偏差比例出力制御量に応じた要求蒸気量、及び偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量を算出する蒸気量算出部と、
前記蒸気量算出部により算出された前記偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量の全部又は一部を前記段階値制御ボイラに割り当て、前記偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量の前記段階値制御ボイラに割り当てた後の残り、及び前記蒸気量算出部により算出した偏差比例出力制御量に応じた要求蒸気量を前記比例制御ボイラに割り当てる成分割り当て部と、
割り当てられた要求蒸気量に基づいて、前記比例制御ボイラの燃焼率を制御する比例制御ボイラ制御部と、
割り当てられた要求蒸気量に基づいて、前記段階値制御ボイラの燃焼率を制御する段階値制御ボイラ制御部と、を備える、
ボイラシステム。
- 前記成分割り当て部は、前記蒸気量算出部により算出した前記偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量の全部又は一部のうち、前記段階値制御ボイラで出力できる最大の値を前記段階値制御ボイラ制御部に割り当て、前記偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量の前記段階値制御ボイラ制御部に割り当てた後の残り、及び前記蒸気量算出部により算出した偏差比例出力制御量に応じた要求蒸気量を前記比例制御ボイラ制御部に割り当てる、
請求項1に記載のボイラシステム。
- 前記成分割り当て部は、前記蒸気量算出部により算出した前記偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量の全部又は一部のうち、前記段階値制御ボイラが最も効率よく燃焼する燃焼位置に相当する値を前記段階値制御ボイラ制御部に割り当て、前記偏差積分出力制御量に応じた要求蒸気量の前記段階値制御ボイラ制御部に割り当てた後の残り、及び前記蒸気量算出部により算出した偏差比例出力制御量に応じた要求蒸気量を前記比例制御ボイラ制御部に割り当てる、
請求項1に記載のボイラシステム。
- 前記成分割り当て部は、前記偏差積分出力制御量の蓄積がない場合、前記蒸気量算出部により算出した偏差比例出力制御量に応じた要求蒸気量を前記段階値制御ボイラ制御部に割り当てる、
請求項1又は3のいずれかに記載のボイラシステム。
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