JP6330404B2 - ボイラシステム - Google Patents
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Description
全缶停止となった場合、ヘッダ圧力値は急激に下降し、PID演算により算出される必要蒸気量が過剰に確保される。このため、ボイラが燃焼を開始し、出力蒸気量が増加することにより、その後、ヘッダ圧力値は下降から上昇に転じる。そして、ヘッダ圧力値が上昇に転じた時点から必要蒸気量は減少し続けるが、その時点で必要蒸気量が過剰に確保されている。そして、出力蒸気量が必要蒸気量に追いついていないため、出力蒸気量は増加し続け、ヘッダ圧力値が増加し続ける。
この場合、ヘッダ圧力値の上昇を抑えきれずに再度、制御圧力上限を超えることにより全缶停止となり、ヘッダ圧力値が急降下する、ということを繰り返すおそれがある。
この繰り返しが発生した場合、ヘッダ圧力値が目標蒸気圧力値に収束せずに上下に変動する、いわゆるハンチング現象が発生し、継続する。
このようなハンチング現象は、出力蒸気量が大幅に不足することにより、ヘッダ圧力値が通常制御であれば到達しない下限圧力を下回った場合においても発生し得る。
以下、本発明の一実施形態に係るボイラシステムの第1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。ボイラシステム1は、複数(5台)のボイラ20を含むボイラ群2と、これら複数のボイラ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、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。
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の内部の蒸気圧力の変動に基づいて必要蒸気量を算出し、ボイラ群2を構成する各ボイラ20の燃焼状態を制御する。
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。
比例制御ボイラとは、少なくとも、最小燃焼状態S1(例えば、燃焼率の20%の燃焼状態)から最大燃焼状態S2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。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、燃焼率を調整するようになっている。
より具体的には、複数のボイラ20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、ボイラ20は、最小燃焼状態S1から最大燃焼状態S2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、出力蒸気量とは、ボイラ群2により出力される蒸気量を示し、この出力蒸気量は、複数のボイラ20それぞれから出力される蒸気量の合計値により表される。
ローカル制御部22は、要求負荷に応じてボイラ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から送信される台数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が挙げられる。
台数制御装置3は、蒸気圧センサ7からの蒸気圧力信号に基づいて、要求負荷に応じたボイラ群2の必要燃焼量、及び必要燃焼量に対応する各ボイラ20の燃焼状態を算出し、各ボイラ20(ローカル制御部22)に台数制御信号を送信する。この台数制御装置3は、図1に示すように、記憶部5と、制御部4と、を備える。
次に、制御部4の詳細な構成について説明する。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、ハンチング検出部43と、補正部44と、変動情報記録部45と、履歴情報解析部46と、を含んで構成される。
MVn = MVn−1 + ΔMVn ・・・(1)
ここで、Δtを制御周期、nを正の整数値としたとき、
MVn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、
MVn−1は制御周期(n−1)における前回必要蒸気量、
ΔMVnは制御周期毎の必要蒸気量変化分を表す。
速度型演算は、制御周期毎の必要蒸気量変化分ΔMVnのみを計算し、これに前回必要蒸気量MVn−1を加算して、今回必要蒸気量MVnを計算する方法である。
これに対して、制御周期毎に今回必要蒸気量MVnを直接計算するPID制御アルゴリズムは、位置型演算と言う。
ΔMVn = ΔPn+ΔIn+ΔDn ・・・(2)
ここで、ΔPnはP制御出力(変化分)を、
ΔInはI制御出力(変化分)を、
ΔDnはD制御出力(変化分)を表す。
ΔPn = KP*(en−en−1) ・・・(3)
ここで、KPは、比例ゲインを、
enは、式(4)に示すように、今回の目標蒸気圧力値SVn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PVnとの差(今回偏差量)を表す。
en = SVn−PVn ・・・(4)
ΔIn =KP*(Δt/TI)*en ・・・(5)
TIは積分時間を表す。
ΔDn = KP*(TD/Δt)*(en−2en−1+en−2)
・・・(6)
ここで、TDは微分時間を表す。
蒸気量算出部41は、式(1)のように、前回必要蒸気量MVn−1にΔMVnを加算して、今回必要蒸気量MVnを計算する。
なお、蒸気量算出部41は、必要蒸気量を算出するに際して、位置型演算によるPID制御アルゴリズムを適用してもよい。
ところで、制御部4は、PIアルゴリズム又はPIDアルゴリズムによる蒸気量の制御を行うに際して、圧力安定性を重要視する観点から、ヘッダ圧力値が通常制御であれば到達しない制御圧力上限を予め設けておき、例えば、蒸気使用設備の蒸気消費量(要求負荷)が急激に減少することで、ヘッダ圧力値が制限条件圧力を超えた場合に、全てのボイラを停止(以下、「全缶停止」ともいう)とする台数制御を行う。
これにより、ヘッダ圧力値の上昇を抑えきれずに再度、制限条件圧力を超えることにより全台待機となり、ヘッダ圧力値が急降下する、ということを繰り返す可能性が高い。
このような事象が発生すると、ヘッダ圧力値が目標蒸気圧力値に収束せずに上下に変動する、いわゆるハンチング現象が発生し、継続する。
このため、ヘッダ圧力値が、制御部4により複数のボイラ20が全缶停止される閾値として予め設定された制御圧力上限値と目標蒸気圧力値との間に第2制御圧力上限値を予め設定する。
制御圧力上限値 > 第2制御圧力上限値 >目標蒸気圧力値
擬似ハンチングを検出することで、ヘッダ圧力値が制御圧力上限値を超えて、全缶停止及びハンチングを起こすことを未然に防止することを可能にする。
ところで、制御部4は、PIDアルゴリズムによる蒸気量の制御を行うに際して、圧力安定性を高めるために積分時間を適切に設定する必要がある。
積分時間を長く設定すると、目標蒸気圧力値とヘッダ圧力値との偏差に対して、小さな操作量が算出され、積分時間を短く設定すると、目標蒸気圧力値とヘッダ圧力値との偏差に対して、大きな操作量が算出されることとなる。(式(3)、式(5)、式(6)、式(8)〜(10)等参照。)
このため、ハンチング検出部43が擬似ハンチングを検出した場合、後述するように、補正部44は、積分時間を長くなるように補正する。積分時間を長く補正することにより、結果として、操作量が過剰に算出されないように制御される。そうすることで、圧力変動の急激な上下動を抑制して、擬似ハンチング段階においてヘッダ圧力値を速やかに目標蒸気圧力値に収束させ、全缶停止又はハンチングの発生を回避する。
なお、第1の時間及び第1の回数については、ボイラシステムの特性に合わせて、適宜設定することができる。例えば、第1の回数を「1」に設定した場合、ハンチング検出部43は、蒸気ヘッダ6の内部の蒸気圧力値が、第2制御圧力上限値を超えるか、又は第2制御圧力上限値以上となることが発生したか否かを検出する。
補正時のパラメータとして、複数個のパラメータを備えるようにしてもよい。この場合、補正時のパラメータには、例えば補正番号を付与することにより識別することとし、補正番号1の補正時のパラメータにおける積分時間として例えば40秒を、補正番号2の補正時のパラメータにおける積分時間として例えば50秒を設定するように、所定の割合で積分時間を長くしたパラメータとすることができる。なお、通常時のパラメータについては、パラメータ識別番号を、便宜上、補正番号0として識別してもよい。
なお、ハンチング検出部が、予め設定した所定の時間(例えば、2分間)の間、擬似ハンチングを検出しなかった場合、補正部44は、補正時のパラメータ(補正番号2)を通常時のパラメータ(補正番号0)に戻すように構成することもできる。
このような場合には、通常時の積分時間を長くしておく方がよいという選択もあり得る。補正部44は、例えば、通常時のパラメータ使用時の擬似ハンチングの発生回数に基づいて、発生回数が所定の閾値を超える場合には、補正時のパラメータから通常時のパラメータに戻さないようにしてもよい。
同様に、変動情報記録部45は、補正部44により、積分時間を長くする補正を行った日時分秒等の時刻情報、及び補正前の積分時間の値と補正後の積分時間の値を履歴情報として記憶部5に記憶する。なお、補正前の積分時間の値と補正後の積分時間の値の代わりに、補正番号を記憶してもよい。
次に、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の制御の流れを示すフローチャートである。
ステップST1において、制御部4(補正部44)は、積分時間の値として通常時のパラメータ(補正番号0)を用いるように初期設定する。
この際、例えば、レジスタ、ビットメモリ等を用いたフラグデータを用意して、制御部4(補正部44)は、フラグデータに補正番号0をセットする。
なお、最大値に達している場合(Yes)に、変動情報記録部45は、補正パラメータが最大値に達している旨の履歴情報を記憶するとともに、アラーム情報(補正パラメータが最大値に達している状態である旨の警報)等を出力する。なお、アラーム情報として、警報や表示画面上一目でわかるような表示をすることが望ましい。
擬似ハンチングの発生を検出した場合(Yes)には、ステップST4に移る。擬似ハンチングの発生を検出しない場合(No)には、ステップST9に移る。
次に、図5を参照して、第1実施形態に係るPIDアルゴリズムを用いて圧力制御を実施した場合における、擬似ハンチング発生及び擬似ハンチング発生以降の、ヘッダ圧力値と必要蒸気量と実際の出力蒸気量の時間的変化について説明する。
図5には、第1実施形態に係るPIDアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合におけるヘッダ圧力値と必要蒸気量と実際の出力蒸気量との時間的推移が示されている。
また、通常時の積分時間を例えば30秒と設定している。そして、補正時の積分時間を40秒、第1の時間を60秒、第1の回数を4回、補正後に擬似ハンチングの発生を監視する所定の時間を2分と設定している。
なお、図5において、横軸は経過時間(秒)、左縦軸は蒸気圧力値(MPa)をそれぞれ示している。
経過時間t5において、補正部44は、現在のパラメータ(積分時間40秒)を補正前の通常時のパラメータ(積分時間30秒)に置き換えることで、PI制御方式又はPID制御方式における積分時間を通常時の値(30秒)に戻す補正を行う。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態については、主として、第1実施形態と異なる点を中心に説明し、第1実施形態と同様な構成については詳細な説明を省略する。第2実施形態において、特に説明しない点は、第1実施形態についての説明が適宜適用される。また、第2実施形態においても、第1実施形態と同様な効果が奏される。
ここで、第2制御帯下限値は、制御帯下限値の近傍の値であって、例えば、第2制御帯下限値と制御帯下限値との偏差の絶対値が、第1閾値となるように設定することができる。
経過時間t´5において、補正部44は、現在のパラメータ(積分時間40秒)を補正前の通常時のパラメータ(積分時間30秒)に置き換えることで、PI制御方式又はPID制御方式における積分時間を通常時の値(30秒)に戻す補正を行う。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。第3実施形態については、主として、第1実施形態と異なる点を中心に説明し、第1実施形態と同様な構成については詳細な説明を省略する。第3実施形態において、特に説明しない点は、第1実施形態についての説明が適宜適用される。また、第3実施形態においても、第1実施形態と同様な効果が奏される。
経過時間t´´5において、補正部44は、現在のパラメータ(積分時間40秒)を補正前の通常時のパラメータ(積分時間30秒)に置き換えることで、PI制御方式又はPID制御方式における積分時間を通常時の値(30秒)に戻す補正を行う。
第1実施形態〜第3実施形態に加えて、擬似ハンチング、第2の擬似ハンチング、及び第3の擬似ハンチングのうち、任意の2つ以上の擬似ハンチングを検出するようにすることができる。
これにより、第1実施形態に係るボイラシステム1は、ヘッダ圧力値が制御圧力上限値を超えて、全缶停止及びハンチングを起こすことを未然に防止することを可能にする。その結果、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。
これにより、第2実施形態に係るボイラシステム1は、ヘッダ圧力値が急激に制御帯下限値を下回って、ハンチングを起こすことを未然に防止することを可能にする。その結果、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。
これにより、第3実施形態に係るボイラシステム1は、ヘッダ圧力値が目標蒸気圧の上下に急激に変動して、ハンチングを起こすことを未然に防止することを可能にする。その結果、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。
これにより、第4実施形態に係るボイラシステム1においては、第1実施形態、第2実施形態、及び第3実施形態と同様に、ハンチングを起こすことを未然に防止することを可能にする。その結果、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。
今回必要蒸気量MVn
=比例制御出力(P制御)+積分制御出力(I制御)+微分制御出力(D制御)
・・・(8)
比例制御出力(MV_P)=PID_K×(目標蒸気圧力値−現在の蒸気圧力値)
・・・(9)
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。
・・・(10)
微分制御出力(MV_D)=
PID_K×(1秒前の蒸気圧力値−現在の蒸気圧力値)×微分時間(秒)
・・・(11)
2 ボイラ群
3 ボイラ制御装置
4 制御部
5 記憶部
6 蒸気ヘッダ
7 蒸気圧センサ
18 蒸気使用設備
20 ボイラ
41 蒸気量算出部
42 出力制御部
43 ハンチング検出部
44 補正部
45 変動情報記録部
46 履歴情報解析部
Claims (6)
- 燃焼率を変更して燃焼可能な複数のボイラからなり、負荷機器に蒸気を供給するボイラ群と、
該ボイラ群において生成された蒸気が集合する蒸気ヘッダと、
負荷機器からの要求負荷に応じて前記複数のボイラの燃焼状態を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
蒸気消費量の変動に対して該蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値を目標蒸気圧力値に保つように、必要蒸気量をPI制御方式又は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必要蒸気量を発生させるように、前記複数のボイラの燃焼状態を制御する出力制御部と、
ハンチングの起因となる可能性のある前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値の変動を擬似ハンチングとして検出するハンチング検出部と、
前記ハンチング検出部により、前記擬似ハンチングを検出した場合、PI制御方式又はPID制御方式における積分時間を長くする補正を行う補正部と、
PI制御方式又はPID制御方式における積分時間に関する複数のパラメータを記憶する記憶部と、を備え、
前記複数のパラメータは、nを2以上の任意の自然数として、(n+1)個のパラメータであって、0≦i<nとした場合、(i+1)番目のパラメータP i+1 の積分時間の値がi番目のパラメータP i の積分時間の値よりも大きくなるように設定され、
前記蒸気量算出部は、前記複数のパラメータのうち1つのパラメータにより設定される積分時間に基づくPI制御方式又はPID制御方式により必要蒸気量を算出し、
前記補正部は、前記蒸気量算出部において積分時間がi番目のパラメータP i (0≦i<n)により設定されている場合、(i+1)番目のパラメータP i+1 に置き換えることで積分時間を長くする補正を行い、前記蒸気量算出部において設定されているパラメータがn番目のパラメータP n の場合、補正パラメータが最大値に達している旨の履歴情報を記憶する、ボイラシステム。 - 前記補正部は、
積分時間を長くする補正を行った後、前記ハンチング検出部が、予め設定された所定の時間の間、前記擬似ハンチングを検出しなかった場合、PI制御方式又はPID制御方式における積分時間を補正前の値に戻す補正を行う、請求項1に記載のボイラシステム。 - 前記ハンチング検出部は、前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が、前記制御部が前記複数のボイラを全缶停止する閾値として予め設定された制御圧力上限値と前記目標蒸気圧力値との間に予め設定された第2制御圧力上限値を超える又は第2制御圧力上限値以上となる回数が、第1の時間の間に第1の回数以上発生する変動を擬似ハンチングとして検出する、請求項1又は請求項2に記載のボイラシステム。
- 前記ハンチング検出部は、前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が、制御帯下限値との偏差の絶対値が第1閾値以下となるように予め設定された第2制御帯下限値を下回る又は第2制御帯下限値以下となる回数が、第2の時間の間に、第2の回数以上発生する変動を擬似ハンチングとして検出する、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のボイラシステム。
- 前記ハンチング検出部は、前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が、前記目標蒸気圧力値を超える値から前記目標蒸気圧力値を下回る値に降下する際の圧力降下幅が予め設定された圧力降下幅値を超えるか、又は圧力降下幅値以上となる回数が、第3の時間の間に、第3の回数以上発生する変動を擬似ハンチングとして検出する、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載のボイラシステム。
- 前記制御部は、
前記ハンチング検出部により擬似ハンチングを検出した場合、当該擬似ハンチングに関する情報を記録する変動情報記録部を備える、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のボイラシステム。
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