JP6255942B2 - ボイラシステム - Google Patents

Description

本発明は、燃焼率を変更して燃焼可能な複数ボイラを備えるボイラシステムに関する。

従来、蒸気使用設備の蒸気消費量（要求負荷）に応じて複数のボイラの燃焼量を制御する制御部を備えたボイラシステムが知られている。このようなボイラシステムでは、蒸気ヘッダの蒸気圧力（以下、「ヘッダ圧力」ともいう）が蒸気消費量の変動に係わらず目標圧力となるように、蒸気消費量の変動に応じてボイラの燃焼量が制御される。
従来、蒸気消費量の変動に対してヘッダ圧力を目標圧力に保つため、ボイラで発生すべき蒸気量をＰＩＤアルゴリズムにより制御（以下、「ＰＩＤ制御」ともいう）する手法を用いたボイラシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
一般にＰＩＤ制御で用いる演算には２つの演算方式がある。その１つは制御周期毎に全体の操作量ＭＶ_ｎを求めて出力する位置形演算方式である。他の１つは制御周期毎に操作量の今回変化量△ＭＶ_ｎを求めた後、この変化量に前回操作量ＭＶ_ｎ−１
を加えることにより、今回の操作量ＭＶ_ｎを求めて出力する速度形演算方式である。
特許文献１に記載されたＰＩＤ制御は、位置形演算方式により制御する位置形ＰＩＤ制御である。これに対して、速度形演算方式により制御する速度形ＰＩＤ制御を用いたボイラシステムも知られている。

特開２００２−７３１０５号公報

ここで、複数のボイラを備えるボイラシステムでは、制御部による制御対象となるボイラと、制御部による制御対象外のボイラと、が混在する場合がある。以下、制御部による制御対象となるボイラを、自動運転ボイラという。制御部による制御対象外のボイラは、運転員の手動により燃焼量が制御されるため、手動運転ボイラという。
一例として、ボイラシステムの点検時には、複数のボイラのうち点検対象となるボイラを制御部の制御から切り離すことで、ボイラシステム全体を停止することなく切り離されたボイラの点検や試運転等を行うこととしている。

一般的に、複数のボイラを備えるボイラシステムでは、制御部は、ＰＩＤアルゴリズムで算出した制御量ＭＶ_ｎを自動運転ボイラに割り振る。
したがって、自動運転ボイラと手動運転ボイラとが混在して稼動しているボイラシステムにおいては、自動運転ボイラの生成した蒸気と手動運転ボイラの生成した蒸気とが蒸気ヘッダに供給される。

特に、制御部が、速度形ＰＩＤアルゴリズムにより算出した必要蒸気量を自動運転ボイラに割り振る複数のボイラを備えるボイラシステム（以下、「速度形ＰＩＤアルゴリズムにより制御されるボイラシステム」ともいう）の場合、自動運転ボイラと手動運転ボイラとが混在した状態では、今回変化量△ＭＶ_ｎは、自動運転ボイラの生成した蒸気と手動運転ボイラの生成した蒸気とが供給された蒸気ヘッダのヘッダ圧力に基づいて算出される。そして、今回変化量△ＭＶ_ｎに前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１を加えることにより今回の必要蒸気量ＭＶ_ｎを求めて、自動運転ボイラに割り振る。すなわち、今回変化量△ＭＶ_ｎを自動運転ボイラに割り振ることで、蒸気ヘッダのヘッダ圧力が調節されるようになる。
したがって、速度形ＰＩＤアルゴリズムにより制御されるボイラシステムの場合、自動運転ボイラと手動運転ボイラとが混在した状態では、速度形演算により算出した今回制御量ＭＶ_ｎ（自動運転ボイラから発生させる必要蒸気量）と手動運転ボイラの生成した発生蒸気量とを加えた状態で、ヘッダ圧力が安定するように制御されることとなる。

しかしながら、速度形ＰＩＤアルゴリズムにより制御されるボイラシステムにおいて、自動運転ボイラと手動運転ボイラとが混在して稼動している状況で、出力蒸気量をそのままとして一部の自動運転ボイラを手動運転に切り換えた場合、今回制御量ＭＶ_ｎは、手動運転に切り換えられたボイラを除いた残りの自動運転ボイラに割り当てられる。このため、ボイラシステムの全出力蒸気量は、手動運転に切り換えられたボイラの出力する蒸気量分が増加することになり、ヘッダ圧力が上昇側に振れてしまい、圧力安定性が悪化してしまう。

逆に、速度形ＰＩＤアルゴリズムにより制御されるボイラシステムにおいて、自動運転ボイラと手動運転ボイラとが混在して稼動している状況で、手動運転ボイラを自動運転に切り換えた場合、今回制御量ＭＶ_ｎは、自動運転に切り換えられたボイラを新たに加えた自動運転ボイラ群に割り当てられる。このため、ボイラシステムの全出力蒸気量は、自動運転に切り換えられた手動運転ボイラの前回に出力した蒸気量分が減少することになり、ヘッダ圧力が下降側に振れてしまい、圧力安定性が悪化してしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、制御部が、速度形ＰＩＤアルゴリズムにより算出した必要蒸気量を自動運転ボイラに割り振る複数のボイラを備えるボイラシステムにおいて、複数ボイラのうちの自動運転ボイラの台数を変更した場合、圧力変動を抑制し、圧力安定性を維持させることができる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複数のボイラからなるボイラ群と、前記ボイラ群により生成された蒸気が集合する蒸気ヘッダと、要求負荷に応じて前記ボイラ群に含まれる、燃焼状態の制御対象となる自動運転ボイラ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、前記ボイラ群の自動運転ボイラを前記制御部の制御から切り離し、制御対象外の手動運転に切り換える、又は前記ボイラ群の手動運転ボイラを前記制御部の制御に復旧し、自動運転に切り換える、制御対象切換部と、蒸気消費量の変動に対して前記蒸気ヘッダの蒸気圧力値を目標蒸気圧力値に保つように、制御周期ｎにおいて前記自動運転ボイラから発生させる今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを、制御周期（ｎ−１）における前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１、及び制御周期毎の必要蒸気量変化分ΔＭＶ_ｎに基づいて速度形ＰＩＤ制御方式により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今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを発生させるよう、制御周期ｎにおける前記自動運転ボイラの燃焼状態を制御する出力制御部と、を備え、前記制御対象切換部が、自動運転ボイラを手動運転に切り換える場合、前記蒸気量算出部は前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に対して前記手動運転に切り換えられた自動運転ボイラが前回に出力した蒸気量を減算する補正を行い、前記制御対象切換部が、手動運転ボイラを自動運転に切り換える場合、前記蒸気量算出部は前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に対して前記自動運転に切り換えられた手動運転ボイラが前回出力した蒸気量を加算する補正を行う、ボイラシステムに関する。

また、前記制御対象切換部が、全てのボイラを手動運転から自動運転に切り換える場合、前記蒸気量算出部は前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に前記自動運転に切り換えられた全ての手動運転ボイラが前回に出力した蒸気量合計を代入する補正を行うことが好ましい。

本発明によれば、燃焼率を変更して燃焼可能な複数ボイラを備えるボイラシステムにおいて、複数ボイラのうちの自動運転ボイラの台数を変更した場合、ボイラシステム全体の圧力変動を抑制することができ、制御部の制御を安定化させることができ、結果、ボイラシステムの圧力安定性を向上させることができる。

実施形態１に係るボイラシステム１の概略構成図である。 ボイラ群の概略を示す図である。 制御部の構成を示す機能ブロック図である。 実施形態１に係るボイラシステム１のフィードバック制御の流れを示すフローチャートである。 図１に示すボイラシステム１をモデルとして、通常の速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合に、複数ボイラのうち一部の自動運転ボイラを手動運転に切り換えた場合の複数ボイラの燃焼状態の制御の概略を示す図である。 図１に示すボイラシステム１をモデルとして、実施形態１に係る速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合に、複数ボイラのうち一部の自動運転ボイラを手動運転に切り換えた場合の複数ボイラの燃焼状態の制御の概略を示す図である。 図１に示すボイラシステム１をモデルとして、通常の速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合に、複数ボイラのうち一部の手動運転ボイラを自動運転に切り換えた場合の前記複数ボイラの燃焼状態の制御の概略を示す図である。 図１に示すボイラシステム１をモデルとして、実施形態１に係る速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合に、複数ボイラのうち一部の手動運転ボイラを自動運転に切り換えた場合の複数ボイラの燃焼状態の制御の概略を示す図である。 図１に示すボイラシステム１をモデルとして、通常の速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合に、全てのボイラを手動運転から自動運転に切り換えた場合の前記複数ボイラの燃焼状態の制御の概略を示す図である。 図１に示すボイラシステム１をモデルとして、実施形態１に係る速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合に、全てのボイラを手動運転から自動運転に切り換えた場合の複数ボイラの燃焼状態の制御の概略を示す図である。

以下、本発明のボイラシステムの好ましい一実施形態について、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。図１は、本発明の一実施形態に係るボイラシステムの概略を示す図である。

ボイラシステム１は、図１に示すように、４台のボイラ２０を含むボイラ群２と、ボイラ２０において生成された蒸気を集合させる蒸気ヘッダ６と、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台数制御装置３と、を備える。

ボイラ群２は、複数のボイラ２０を含んで構成され、負荷機器としての蒸気使用設備１８に供給する蒸気を発生する。
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２０に接続されている。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。蒸気ヘッダ６は、燃焼させる１又は複数のボイラ２０の相互の圧力差及び圧力変動を調整し、圧力が一定に調整された蒸気を蒸気使用設備１８に供給する。

蒸気圧センサ７は、信号線１３を介して、台数制御装置３に電気的に接続されている。蒸気圧センサ７は、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力（ヘッダ圧力）を測定し、測定結果としての蒸気圧信号を、信号線１３を介して台数制御装置３に送信する。

台数制御装置３は、信号線１６を介して、複数のボイラ２０と電気的に接続されている。この台数制御装置３は、蒸気圧センサ７により測定される蒸気ヘッダ６の内部の蒸気圧力に基づいて、ボイラ２０の燃焼状態を制御する。
台数制御装置３の詳細については、後述する。

ここで、本実施形態１のボイラシステム１を構成する複数のボイラ２０について説明する。図２は、本実施形態１に係るボイラ群２の概略を示す図である。

本実施形態１のボイラ２０は、燃焼率を連続的に変更して燃焼可能な比例制御ボイラからなる。なお、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％の燃焼量における燃焼状態）から最大燃焼状態までの範囲で、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。
また、燃焼量を連続的に制御するとは、後述のローカル制御部２２における演算や信号がデジタル方式とされて段階的に取り扱われる場合（例えば、ボイラ２０の出力（燃焼量）が１％刻みで制御される場合）であっても、事実上連続的に出力を制御可能な場合を含む。

また、複数のボイラ２０には、それぞれ優先順位が設定されている。優先順位は、燃焼指示や燃焼停止指示を行うボイラ２０を選択するために用いられる。優先順位は、例えば整数値を用いて、数値が小さいほど優先順位が高くなるよう設定することができる。図２に示すように、ボイラ２０の１号機〜４号機のそれぞれに「１」〜「４」の優先順位が割り当てられている場合、１号機の優先順位が最も高く、４号機の優先順位が最も低い。この優先順位は、通常の場合、後述の制御部４の制御により、所定の時間間隔（例えば、２４時間間隔）で変更される。

複数のボイラ２０は、燃料の燃焼量に応じた蒸気を発生する蒸気ボイラである。複数のボイラ２０のそれぞれは、信号線１６を介して後述の台数制御装置３と電気的に接続され、台数制御装置３の制御により燃焼状態（燃焼量）が制御される。また、複数のボイラ２０のそれぞれは、運転者の操作により又は自動的に台数制御装置３の制御から切り離され、運転者の手動制御により燃焼状態が制御される。なお、本実施形態では、台数制御装置３の制御により燃焼状態が制御されるボイラ２０を自動運転ボイラと呼び、台数制御装置３の制御から切り離されたボイラ２０（すなわち、運転者の手動制御により燃焼状態が制御されるボイラ２０）を手動運転ボイラと呼ぶ。

ボイラ２０は、図１に示すように、燃焼が行われるボイラ本体２１と、ボイラ２０の燃焼状態を制御するローカル制御部２２と、を備える。
ローカル制御部２２は、蒸気消費量に応じてボイラ２０の燃焼状態を変更させる。具体的には、ローカル制御部２２は、信号線１６を介して台数制御装置３から送信される制御信号又は運転者の手動操作により入力された制御信号に基づいて、ボイラ２０の燃焼状態を制御する。また、ローカル制御部２２は、台数制御装置３で用いられる信号を、信号線１６を介して台数制御装置３に送信する。台数制御装置３で用いられる信号としては、ボイラ２０の実際の燃焼状態、及びその他のデータ等が挙げられる。

以上のように構成されたボイラシステム１では、ボイラ群２で発生させた蒸気が、蒸気ヘッダ６を介して蒸気使用設備１８に供給される。

ボイラシステム１において、ヘッダ圧力は、蒸気使用設備１８における蒸気消費量（要求負荷）に応じて変動する。台数制御装置３は、速度形ＰＩＤアルゴリズムによりヘッダ圧力を目標圧力にするために必要な蒸気量（必要蒸気量）を算出し、算出した蒸気量に基づいて自動運転ボイラの燃焼量（燃焼率）を制御する。これにより、自動運転ボイラから蒸気ヘッダ６に供給される蒸気量が調節されるため、ヘッダ圧力を目標圧力に近づけることができる。すなわち、台数制御装置３は、蒸気消費量の変動に対してヘッダ圧力を一定の目標圧力に保つことができる。速度形ＰＩＤアルゴリズムの詳細については、後述する。

次に、台数制御装置３の構成について詳細に説明する。台数制御装置３は、図１に示すように、制御部４と、記憶部５と、を備える。

制御部４は、信号線１６を介して自動運転ボイラに各種の指示を送信したり、各ボイラ２０から各種のデータを受信したりして、自動運転ボイラの燃焼状態及び運転台数の制御を実行する。各ボイラ２０は、台数制御装置３から燃焼状態の変更指示の信号を受けると、その指示に従って該当するボイラ２０の燃焼量を制御する。なお、制御部４は、信号線１６を介して自動運転ボイラのみならず、手動運転ボイラの燃焼状態に関する情報を受信する。
制御部４の詳細な構成については後述する。

記憶部５は、各ボイラ２０に送信された指示に関する情報、各ボイラ２０から受信した燃焼状態に関する情報、各ボイラ２０の優先順位に関する情報等を記憶する。こうすることで、記憶部５は、各ボイラ２０から出力される実際の蒸気量、及び各ボイラ２０それぞれから出力される蒸気量の合計値である実際の給蒸中ボイラにより出力されている出力蒸気量を記憶部５に記憶する。
記憶部は、レジスタを含み、各ボイラ２０から出力される実際の蒸気量等をレジスタに格納してもよい。

次に制御部４の詳細な構成について説明する。図３は、制御部４の機能構成を示すブロック図である。
図３に示すように、制御部４は、蒸気量算出部４１と、出力制御部４２と、制御対象切換部４３とを含んで構成される。

蒸気量算出部４１は、予め設定された目標蒸気圧力値ＳＶ、蒸気圧センサ７で測定された蒸気ヘッダ６の内部の蒸気圧力値ＰＶ等に基づいて、必要蒸気量を算出する。具体的には、蒸気量算出部４１は、蒸気圧センサ７で測定された蒸気ヘッダ６の内部の蒸気圧力値ＰＶが、予め設定された目標蒸気圧力値ＳＶとなるように、必要蒸気量を、後述の速度形ＰＩＤアルゴリズムにより算出する。

蒸気量算出部４１は、複数のボイラ２０から発生させる今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを、下記の速度形演算式（１）に基づいて算出する。

ＭＶ_ｎ ＝ ＭＶ_ｎ−１ ＋ ΔＭＶ_ｎ ・・・（１）
ここで、Δｔを制御周期、ｎを正の整数値としたとき、
ＭＶ_ｎは制御周期ｎ（起点ｔ０＋ｎ＊Δｔ）における複数のボイラ２０から発生させる今回必要蒸気量、
ＭＶ_ｎ−１は制御周期（ｎ−１）における前回必要蒸気量、
ΔＭＶ_ｎは制御周期毎の必要蒸気量変化分を表す。

速度形演算は、制御周期毎の必要蒸気量変化分ΔＭＶ_ｎのみを計算し、これに前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１を加算して、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを計算する方法である。

制御周期毎の必要蒸気量変化分ΔＭＶ_ｎは、下記の式（２）〜（６）に基づいて算出する。

ΔＭＶ_ｎ ＝ ΔＰ_ｎ＋ΔＩ_ｎ＋ΔＤ_ｎ ・・・（２）
ここで、ΔＰ_ｎはＰ制御出力(変化分)を、
ΔＩ_ｎはＩ制御出力(変化分)を、
ΔＤ_ｎはＤ制御出力(変化分)を表す。

ΔＰ_ｎ ＝ Ｋ_Ｐ＊（ｅ_ｎ−ｅ_ｎ−１） ・・・（３）
ここで、Ｋ_Ｐは、比例ゲインを、
ｅ_ｎは、式（４）に示すように、今回の目標蒸気圧力値ＳＶ_ｎと、蒸気圧センサ７で測定された蒸気ヘッダ６の内部の今回蒸気圧力値ＰＶ_ｎとの差（今回偏差量）を表す。

ｅ_ｎ ＝ ＳＶ_ｎ−ＰＶ_ｎ ・・・（４）

ΔＩ_ｎ ＝Ｋ_Ｐ＊(Δｔ／Ｔ_Ｉ)＊ｅ_ｎ ・・・（５）
Ｔ_Ｉは積分時間を表す。

ΔＤ_ｎ ＝ Ｋ_Ｐ＊(Ｔ_Ｄ／Δｔ)＊（ｅ_ｎ−２ｅ_ｎ−１＋ｅ_ｎ−２）
・・・（６）
ここで、Ｔ_Ｄは微分時間を表す。

蒸気量算出部４１は、式（３）、（５）、（６）で算出された各出力(変化分)を合計することにより、制御周期毎の必要蒸気量変化分ΔＭＶ_ｎを算出する。
蒸気量算出部４１は、式（１）のように、ΔＭＶ_ｎに前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１を加算して、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを計算する。

蒸気量算出部４１は、制御対象切換部４３が、自動運転ボイラを手動運転に切り換える場合、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを算出する際に用いる前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に対して手動運転に切り換えられた自動運転ボイラが前回に出力した蒸気量を減算する補正を行う。

また、蒸気量算出部４１は、制御対象切換部４３が、手動運転ボイラを自動運転に切り換える場合、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを算出する際に用いる前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に対して自動運転に切り換えられた手動運転ボイラが前回出力した蒸気量を加算する補正を行う。

また、蒸気量算出部４１は、制御対象切換部４３が、全てのボイラを手動運転から自動運転に切り換える場合、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを算出する際に用いる前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に自動運転に切り換えられた全ての手動運転ボイラが前回に出力した蒸気量合計を代入する補正を行う。

出力制御部４２は、蒸気量算出部４１により算出された今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを発生させるよう、制御周期ｎにおける自動運転ボイラの燃焼状態を制御する。
出力制御部４２は、蒸気量算出部４１が算出した今回必要蒸気量ＭＶ_ｎに基づいて自動運転ボイラ２０の燃焼状態（燃焼量）を制御する。すなわち、出力制御部４２は、ボイラ群２から必要蒸気量分の蒸気が発生するように各自動運転ボイラ２０の燃焼状態を制御する。

出力制御部４２は、蒸気量算出部４１により算出された必要蒸気量に基づいて、燃焼させる自動運転ボイラ２０の台数を設定する。出力制御部４２は、記憶部５に記載されている優先順位に従って燃焼を開始又は停止する自動運転ボイラ２０を設定すると共に、それら自動運転ボイラ２０のローカル制御部２２に対して、台数制御信号（運転の開始又は停止）を出力する。これにより、必要蒸気量分の蒸気が発生するように各自動運転ボイラ２０の燃焼状態を制御することで、手動運転ボイラの出力蒸気量と合わせて、必要蒸気量に対応する蒸気量（以下、「出力蒸気量」ともいう）が蒸気ヘッダ６に供給される。

制御対象切換部４３は、例えば、運転員の指示又は外部入力信号に基づいて、複数のボイラのうち一部の自動運転ボイラを前記制御部の制御から切り離し、制御対象外の手動運転に切り換える、又は前記複数のボイラのうち一部の手動運転ボイラを前記制御部の制御に復旧し、自動運転に切り換える。

（フィードバック制御の流れ）
次に、本実施形態１のボイラシステム１の動作について、図４を参照して説明する。図４は、ボイラシステム１のフィードバック制御の流れを示すフローチャートである。

前述したように、制御部４は、信号線１６を介して各ボイラ２０のローカル制御部２２から取得した各ボイラ２０から出力される実際の蒸気量、及び各ボイラそれぞれから出力される蒸気量の合計値である実際の給蒸中ボイラにより出力されている出力蒸気量を記憶部５に記憶している。

ボイラシステム１のフィードバック制御の流れは、次のとおりである。
ステップＳ１において、蒸気量算出部４１は、制御周期毎において、蒸気圧センサ７から送信された蒸気圧信号に基づいて、蒸気ヘッダ６の内部の蒸気圧力値(以下、「ヘッダ圧力ＰＶ」ともいう)を取得する。

ステップＳ２において、蒸気量算出部４１は、式（２）〜式（６）に基づいて、制御周期毎の必要蒸気量変化分ΔＭＶ_ｎを算出する。

ステップＳ３において、蒸気量算出部４１は、制御対象切換部４３による切り換えがあるか否かを判定する。切り換えがない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ１１へ移る。一方、切換がある場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ４へ移る。

ステップＳ４において、切り換えが、ボイラ群の一部の自動運転ボイラを制御対象外の手動運転に切り換える場合には、ステップＳ５へ移る。
切り換えが、ボイラ群の一部の手動運転ボイラを制御部の制御に復旧し、自動運転に切り換える場合には、ステップＳ７へ移る。
切り換えが、全てのボイラを手動運転から自動運転に切り換える場合には、ステップＳ９へ移る。
なお、制御対象切換部４３が、全てのボイラを自動運転から手動運転に切り換える場合は、図示しないが、ＰＩＤ制御は終了又は中断する。この際、ＰＩＤ制御は終了又は中断するものの、蒸気量算出部４１は、ヘッダ圧力を監視して偏差量ｅ_ｎを算出することを続行してもよい。

（自動運転ボイラを手動運転に切り換える）
ステップＳ５において、蒸気量算出部４１は、記憶部５から手動運転に切り換えられた自動運転ボイラが前回に出力した蒸気量Ｘ_ｎ−１を取得する。なお、手動運転に切り換えられた自動運転ボイラが複数ある場合は、手動運転に切り換えられた各自動運転ボイラが前回に出力した蒸気量の合計値をＸ_ｎ−１とする。

ステップＳ６において、蒸気量算出部４１は、前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１の値から、手動運転に切り換えられた自動運転ボイラが前回に出力した蒸気量Ｘ_ｎ−１を減算する補正を行う。これにより、蒸気量算出部４１は、補正された前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に基づいて今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを算出することができる。
その後、ステップＳ１１に移る。

（手動運転ボイラを自動運転に切り換える）
ステップＳ７において、蒸気量算出部４１は、記憶部５から自動運転に切り換えられた手動運転ボイラが前回に出力した蒸気量Ｙ_ｎ−１を取得する。なお、自動運転に切り換えられた手動運転ボイラが複数ある場合は、自動運転に切り換えられた手動運転ボイラが前回に出力した蒸気量の合計値をＹ_ｎ−１とする。

ステップＳ８において、蒸気量算出部４１は、前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１の値に、手動運転に切り換えられた自動運転ボイラが前回に出力した蒸気量Ｙ_ｎ−１を加算する補正を行う。これにより、蒸気量算出部４１は、補正された前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に基づいて今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを算出することができる。
その後、ステップＳ１１に移る。

（全てのボイラを手動運転から自動運転に切り換える）
ステップＳ９において、蒸気量算出部４１は、記憶部５から自動運転に切り換えられた各手動運転ボイラが前回に出力した蒸気量合計値Σ_ｎ−１を取得する。

ステップＳ１０において、蒸気量算出部４１は、前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に、自動運転に切り換えられた手動運転ボイラが前回に出力した蒸気量合計Σ_ｎ−１を代入する補正を行う。これにより、蒸気量算出部４１は、補正された前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に基づいて今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを算出することができる。
その後、ステップＳ１１に移る。

（今回必要蒸気量ＭＶ_ｎの算出）
ステップＳ１１において、蒸気量算出部４１は、式（１）に基づいて、制御周期毎の必要蒸気量変化分ΔＭＶ_ｎに前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１を加算して、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを算出する。
その後、ステップＳ１２に移る。

（今回必要制御量ＭＶ_ｎによる制御）
ステップＳ１２において、蒸気量算出部４１は、算出した今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを出力制御部４２に出力する。

ステップＳ１３において、出力制御部４２は、蒸気量算出部４１が算出した今回必要蒸気量ＭＶ_ｎに基づいて自動運転ボイラ２０の燃焼状態（燃焼量）を制御する。出力制御部４２は、ボイラ群２から必要蒸気量分の蒸気が発生するように各ボイラ２０の燃焼状態を制御する。
その後、ステップＳ１に戻る。

次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、通常の速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合と比較しながら、実施形態１に係る速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合に、複数ボイラのうち一部の自動運転ボイラを手動運転に切り換えた際の複数ボイラの燃焼状態の推移を説明する。

（自動運転→手動運転ボイラ変化時）
図５Ａは、４台のボイラ２０からなるボイラ群において、通常の速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合に、４号機を自動運転から手動運転に切り換えた場合の燃焼状態の推移を示す。切り換え前は、１号機から４号機はそれぞれ５０％の燃焼率で燃焼し、３５００ｋｇ／ｈの蒸気量を出力している状態で、必要蒸気量及び出力蒸気量は、ともに１４０００ｋｇ／ｈとなり、ヘッダ圧力が安定している。

この状態において、制御対象切換部４３が、４号機を制御対象から外し、３５００ｋｇ／ｈの蒸気量を出力する手動運転に切り換えた場合、制御部は、１号機から３号機を自動運転ボイラとして制御する。制御部は、通常の速度形ＰＩＤアルゴリズムにより、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを、４号機が自動運転状態であったときのボイラ群の前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１（１４０００ｋｇ／ｈ）に必要蒸気量変化分ΔＭＶ_ｎを加算して算出する。ヘッダ圧力が変化なしとして、ΔＭＶ_ｎ＝０とすると、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎは、１４０００ｋｇ／ｈとなる。

したがって、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎ（１４０００ｋｇ／ｈ）を１号機から３号機の自動運転ボイラに割り振ると、手動運転に切り替わった４号機の前回出力蒸気量（３５００ｋｇ／ｈ）を１号機〜３号機の自動運転ボイラが賄うことになる。このため、全体の出力蒸気量が１４０００ｋｇ／ｈから１７５００ｋｇ／ｈへと一気に増加してしまい、過剰出力となることで圧力上昇に至り、ヘッダ圧力が不安定になる。

これに対して、図５Ｂを参照して、ボイラシステム１が実施形態１に係る速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合の１号機から４号機の燃焼状態の推移を説明する。

制御対象切換部４３が、４号機を、制御対象から外し３５００ｋｇ／ｈの蒸気量を出力する手動運転に切り換えた場合、蒸気量算出部４１は、前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１を、４号機が自動運転状態であったときのボイラ群の前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１（１４０００ｋｇ／ｈ）から、手動運転に切り替わった４号機の出力蒸気量（３５００ｋｇ／ｈ）を減算して、１０５００ｋｇ／ｈに補正する。
そして、蒸気量算出部４１は、補正された前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に必要蒸気量変化分ΔＭＶ_ｎを加算して算出する。ヘッダ圧力が変化なしとして、ΔＭＶ_ｎ＝０とすると、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎは、１０５００ｋｇ／ｈとなる。

したがって、出力制御部４２は、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎ（１０５００ｋｇ／ｈ）を、１号機〜３号機の自動運転ボイラに割り振ることとなる。ボイラシステム１全体の出力蒸気量は、手動運転に切り換えた４号機の出力蒸気量（３５００ｋｇ／ｈ）を合算した量となる。このため、ボイラシステム１全体の出力蒸気量は、切り換え前と切り換え後とにおいて、一定となり、圧力変動を抑制することができる。

次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、通常の速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合と比較しながら、実施形態１に係る速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合に、複数ボイラのうち一部の手動運転ボイラを自動運転に切り換えた際の複数ボイラの燃焼状態の推移を説明する。

（手動運転→自動運転ボイラ変化時）
図６Ａは、４台のボイラ２０からなるボイラ群において、通常の速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御が実施した場合に、４号機を手動運転から自動運転に切り換えた場合の燃焼状態の制御の概略を示す。切り換え前において、１号機から３号機はそれぞれ５０％の燃焼率で燃焼し、３５００ｋｇ／ｈの蒸気量を出力し、４号機は７５％の燃焼率で燃焼し、４９００ｋｇ／ｈの蒸気量を出力している。この状態で、必要蒸気量は１０５００ｋｇ／ｈ、出力蒸気量は１５４００ｋｇ／ｈとなり、ヘッダ圧力が安定している。

この状態において、制御対象切換部４３が、４号機を自動運転に切り換えた場合、制御部は、１号機から４号機を自動運転ボイラとして制御する。制御部は、通常の速度形ＰＩＤアルゴリズムにより、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを、４号機が手動運転状態であったときのボイラ群の前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１（１０５００ｋｇ／ｈ）に必要蒸気量変化分ΔＭＶ_ｎを加算して算出する。ヘッダ圧力が変化なしとして、ΔＭＶ_ｎ＝０として、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎは、１０５００ｋｇ／ｈとなる。

したがって、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎ（１０５００ｋｇ／ｈ）を１号機から４号機の自動運転ボイラに割り振ると、前回は４号機を除く１号機から３号機に割り当てていた必要蒸気量１０５００ｋｇ／ｈを、今回は４号機にも割り振るため、全体の出力蒸気量が１５４００ｋｇ／ｈから１０５００ｋｇ／ｈへと一気に減少してしまい、不足出力となることで圧力下降に至り、ヘッダ圧力が不安定になる。

これに対して、図６Ｂを参照して、ボイラシステム１が実施形態１に係る速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合の１号機から４号機の燃焼状態の推移を説明する。

制御対象切換部４３が、４号機を手動運転から自動運転に切り換えた場合、蒸気量算出部４１は、前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１を、４号機が手動運転状態であったときのボイラ群の前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１（１０５００ｋｇ／ｈ）に、４号機の前回手動運転時の出力蒸気量（４９００ｋｇ／ｈ）を加算して、１５４００ｋｇ／ｈに補正する。
そして、蒸気量算出部４１は、補正された前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に必要蒸気量変化分ΔＭＶ_ｎを加算して算出する。ヘッダ圧力が変化なしとして、ΔＭＶ_ｎ＝０とすると、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎは、１５４００ｋｇ／ｈとなる。

したがって、出力制御部４２は、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎ（１５４００ｋｇ／ｈ）を、１号機から４号機の自動運転ボイラに割り振ることとなる。このため、ボイラシステム１全体の出力蒸気量は、切り換え前と切り換え後とにおいて、１５４００ｋｇ／ｈで一定となり、圧力変動を抑制できる。

次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、通常の速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合と比較しながら、実施形態１に係る速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合に、複数ボイラの全てのボイラを手動運転から自動運転に切り換えた際の複数ボイラの燃焼状態の推移を説明する。

（全てのボイラを手動運転から自動運転に切り換える時）
図７Ａは、４台のボイラ２０からなるボイラ群において、通常の速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御が実施した場合に、全てのボイラ２０を手動運転から自動運転に切り換える場合の燃焼状態の推移を示す。
切り換え前において、１号機から４号機は、それぞれ手動運転状態で燃焼し、１号機が４９００ｋｇ／ｈ、２号機が５２５０ｋｇ／ｈ、３号機が４５５０ｋｇ／ｈ、及び４号機が５６００ｋｇ／ｈの蒸気量を出力し、合計で、２０３００ｋｇ／ｈの蒸気量を出力している。なお、手動運転する場合は、一般的に圧力が高めで安定する傾向がある。
一括手動入力作動等により台数制御が効かずに全台手動運転が行われている場合、ＰＩＤ演算は停止している。したがって、各ボイラがそれぞれの判断により燃焼している状態で、全台を手動運転から自動運転に切り換えることにより速度形ＰＩＤ制御による自動運転を再開する場合、前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１をどのようにして算出するかという課題が生じる。
仮に、切り換え直後の今回必要蒸気量を、一般的な「位置形」と呼ばれるＰＩＤ演算式
ＭＶ_ｎ＝比例ゲイン×(目標圧力−現在圧力)で算出すると、圧力が大幅に下回っている場合は必要蒸気量が全台１００％燃焼時の蒸気量となるが、目標圧力近辺又は目標圧力を超えている場合は必要蒸気量が０となる。
したがって、手動運転状態で、ヘッダ圧力が目標圧力を超えた状態で自動運転に復旧した場合、必要蒸気量が０となるため、全台が停止することになる。
その結果、その後の圧力低下に追従できず、大幅な圧力低下を招くことになる。

これに対して、図７Ｂを参照して、ボイラシステム１が実施形態１に係る速度形ＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合の１号機から４号機の燃焼状態の推移を説明する。

まず、蒸気量算出部４１は、前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１を、全台を手動運転から自動運転に切り換える時点の１号機〜４号機のボイラの出力蒸気量合計値（２０３００ｋｇ／ｈ）を代入することで算出する。ヘッダ圧力が変化なしとして、ΔＭＶ_ｎ＝０として、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎは、２０３００ｋｇ／ｈとなる。

これにより、出力制御部４２は、切り換え時点の各ボイラ（１号機〜４号機）の出力蒸気量を起点に速度形ＰＩＤアルゴリズムを用いた台数制御を開始することができる。
このため、ボイラシステム１は、切り換え直後の出力変動、圧力変動を抑制できる。

以上説明した本実施形態のボイラシステム１によれば、以下のような効果を奏する。

（１）実施形態１に係る速度形ＰＩＤ制御方式を用いるボイラシステム１は、一部のボイラを自動運転から、手動運転に切り換えた場合、蒸気量算出部４１は、前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１から、手動運転に切り換えられたボイラの前回出力蒸気量を減算するように補正する。蒸気量算出部４１は、ΔＭＶ_ｎ＝０として、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを算出し、出力制御部４２は補正された今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを、手動運転に切り換えられたボイラを除く自動運転ボイラに割り振ることができる。その結果、図５Ａに示すボイラシステムのように、自動運転から手動運転に切り換えられたボイラから発生した蒸気量が過剰となり、ヘッダ圧力ＰＶ_ｎが制御量ＭＶ_ｎに基づく蒸気圧力に対して過剰になることを防止できる。
こうすることで、ボイラシステム１は、一部ボイラを自動運転から手動運転に切り換えた場合、ボイラシステム１全体の出力蒸気量は、切り換え前後において、一定となり、圧力変動を抑制でき、ボイラシステム１の圧力安定性を向上させることができる。

同様に、実施形態１に係る速度形ＰＩＤ制御方式を用いるボイラシステム１は、一部のボイラを手動運転から、自動運転に切り換えた場合、蒸気量算出部４１は、前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に、自動運転に切り換えられたボイラの前回出力蒸気量を加算するように補正する。蒸気量算出部４１は、ΔＭＶ_ｎ＝０として、今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを算出する。出力制御部４２は補正された今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを自動運転に切り換えられたボイラを含む自動運転ボイラに割り振ることができる。その結果、図６Ａに示すボイラシステムのように、手動運転から自動運転に切り換えられたボイラが前回発生した蒸気量が不足となり、ヘッダ圧力ＰＶ_ｎが制御量ＭＶ_ｎに基づく蒸気圧力に対して不足することを防止できる。
こうすることで、ボイラシステム１は一部ボイラを手動運転から自動運転に切り換えた場合、ボイラシステム１全体の出力蒸気量は、切り換え前後において、一定となり、圧力変動を抑制でき、ボイラシステム１の圧力安定性を向上させることができる。

（２）実施形態１に係る速度形ＰＩＤ制御方式を用いるボイラシステム１においては、全てのボイラを手動運転から自動運転に切り換える場合、蒸気量算出部４１は前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に自動運転に切り換えられた全ての手動運転ボイラが前回に出力した蒸気量合計を代入する補正を行う。その結果、図７Ａに示すボイラシステムのように、手動運転ボイラから発生した蒸気量が過剰となり、ヘッダ圧力ＰＶが制御量ＭＶに基づく蒸気圧力に対して過剰になることを防止できる。
こうすることで、複数のボイラ２０を備えるボイラシステム１は、全てのボイラを手動運転から自動運転に切り換える時点の各ボイラの出力蒸気量を起点に速度形ＰＩＤアルゴリズムを用いた台数制御を開始できるため、切り換え直後の出力変動、圧力変動を抑制でき、ボイラシステム１の圧力安定性を向上させることができる。

このように、実施形態１に係る速度形ＰＩＤ制御方式を用いるボイラシステム１は、複数ボイラ２０のうち一部の自動運転ボイラを手動運転に切り換えた場合、複数ボイラのうち一部の手動運転ボイラを自動運転に切り換えた場合、及び複数のボイラ２０を備えるボイラシステム１の全てのボイラ２０を手動運転から自動運転に切り換えた場合、何れの場合においても、圧力変動を抑制し、圧力安定性を維持させることができる。

以上、本発明のボイラシステム１の好ましい一実施形態につき説明したが、本発明は、上述の実施形態１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、実施形態１では、本発明を、４台のボイラ２０を備えるボイラシステムに適用したが、これに限らない。すなわち、本発明を、４台以上の複数ボイラを備えるボイラシステムに適用してもよく、また、３台以下の複数ボイラを備えるボイラシステムに適用してもよい。

また、実施形態１では、複数のボイラ２０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２０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、複数のボイラ２０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２０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 ボイラシステム
２ ボイラ群
２０ ボイラ
４ 制御部
４１ 蒸気量算出部
４２ 出力制御部
４３ 制御対象切換部

Claims (2)

1. 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、
   前記ボイラ群により生成された蒸気が集合する蒸気ヘッダと、
   要求負荷に応じて前記ボイラ群に含まれる、燃焼状態の制御対象となる自動運転ボイラ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、
   前記ボイラ群の自動運転ボイラを前記制御部の制御から切り離し、制御対象外の手動運転に切り換える、又は前記ボイラ群の手動運転ボイラを前記制御部の制御に復旧し、自動運転に切り換える、制御対象切換部と、
   蒸気消費量の変動に対して前記蒸気ヘッダの蒸気圧力値を目標蒸気圧力値に保つように、制御周期ｎにおいて前記自動運転ボイラから発生させる今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを、制御周期（ｎ−１）における前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１、及び制御周期毎の必要蒸気量変化分ΔＭＶ_ｎに基づいて速度形ＰＩＤ制御方式により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今回必要蒸気量ＭＶ_ｎを発生させるよう、制御周期ｎにおける前記自動運転ボイラの燃焼状態を制御する出力制御部と、を備え、
   前記制御対象切換部が、自動運転ボイラを手動運転に切り換える場合、前記蒸気量算出部は、前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に対して前記手動運転に切り換えられた自動運転ボイラが前回に出力した蒸気量を減算する補正を行い、
   前記制御対象切換部が、手動運転ボイラを自動運転に切り換える場合、前記蒸気量算出部は、前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に対して前記自動運転に切り換えられた手動運転ボイラが前回出力した蒸気量を加算する補正を行う、ボイラシステム。
2. 前記制御対象切換部が、全てのボイラを手動運転から自動運転に切り換える場合、前記蒸気量算出部は、前回必要蒸気量ＭＶ_ｎ−１に前記自動運転に切り換えられた全ての手動運転ボイラが前回に出力した蒸気量合計を代入する補正を行う、請求項１に記載のボイラシステム。
   

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