JP7114808B2 - 強制貫流式排熱回収ボイラの給水制御 - Google Patents

Description

本発明は排熱回収ボイラとして形成された貫流ボイラの運転方法に関する。本発明は更に、本方法を実施するための強制貫流式ボイラに関する。

ベンソンボイラ（Benson－Verdampfer）に対する給水制御コンセプトは、基本的に、測定された複数のプロセス変数を用いた給水質量流量に対する予測制御信号の計算に、基づいている。このような予測制御信号は一般的には、制御ループの複数の既知の目標値もしくは外乱変数、または、それらの変化から計算され、最終的には調節器の出力信号により乗法的に補正される。それは目標値変更または外乱変数に対する調節器の反応を先取りし調節器の動特性を高めるので、蒸発器出口での所望の過熱（目標値）をプロセスの考えられるすべてのフェーズで可能な限り良好に調節することができる。ベンソンボイラが縦型構造の排熱回収ボイラで初めて使用されたとき、上述の調節器の介入を、既知の横型構造の場合よりも、設計的に著しく大きくしなければならないことが分かった。しかし、これにより制御ループの振動性も増大する。その結果、給水制御バルブの位置決め精度不足（例えば、ハードウェアの品質不良などによる）がさらに重要な意味を持つ。極端な場合には、さもなければ定常的なプラント運転において、かなり大きいオーダーの望ましくないプロセス残留変動が観測される。

ベンソン排熱回収ボイラに対する給水制御は、例えば特許文献１に開示されている。ここでは、廃熱ボイラとして接続されているボイラに対しても利用可能であり十分に信頼性のある予測的な質量流量制御が、排熱回収ボイラの特性に広範囲に及んで適合されることが見込まれることを、前提としている。この場合、特に以下の点を考慮に入れるべきである、すなわち、燃焼式ボイラの場合とは異なり、このケースでは、燃焼出力は基礎となる熱流収支について十分に信頼できる逆推論を可能にする適切なパラメータではない、ことを考慮に入れるべきである。この場合、廃熱ボイラと等価な変数の場合、即ち、実際のガスタービン出力の場合、または、これと相関するパラメータを用いて、更に別の、ガスタービン内部のパラメータが加わり得て、その結果、加熱ガスがボイラの煙道ガスダクトに入るときのエンタルピー状態に関する許容できない逆推論が生じ得る、ことを特に考慮すべきである。従って、必要な給水流量を求めるための基礎となる熱流収支においては、蒸発器入口における加熱ガス温度ならびに加熱ガスの質量流量などの、他の特に適切なパラメータに拠る必要がある。

さらに特許文献２は、蒸発器伝熱面の１つまたは複数の入口におけるエンタルピーの時間微分のために、複数の特性補正値が考慮されること、を開示している。

同様に特許文献３は太陽熱発電所で使用するために、給水質量流量の目標値を調節するために、１つまたは複数の伝熱面の入口における流れ媒体のエンタルピー、温度または密度の時間微分のための１つの特性補正値が考慮される方法を開示している。

特許文献４は、太陽熱蒸気発生器自体に加えて、この太陽熱蒸気発生器の運転方法であって給水質量流量の調節が予測的に制御される運転方法も特許請求している。この目的のために、ここでも、取り入れられた又は取り出された熱エネルギの蓄熱効果を補正する１つの補正値が使用される。

最後に、特許文献５も太陽熱で加熱される排熱回収ボイラを運転する方法を開示しており、この方法では給水質量流量を調節する装置に給水質量流量の目標値が供給され、この場合、１つの補正値が考慮され、当該補正値によって、１つまたは複数の伝熱面において取り入れられた又は取り出された熱エネルギの蓄熱効果を補正される。

この問題はベンソンボイラを最初に縦型排熱回収ボイラに使用した際に発生したので、この問題を解決するためのそれ以上の切っ掛けはない。特定のケースで選ばれた問題解決策は、調節器の増幅を再び若干小さくすることであった。しかしながら、このアプローチでは、与えられた境界条件によっては、より悪い、極端な場合には望ましくない、プラントの動作挙動をも受け入れなければならない。

欧州特許第２２１２６１８Ｂ１号明細書 欧州特許第２２９７５１８Ｂ１号明細書 独国特許出願公開第１０２０１００４０２１０Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０３４０４４Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２０１１００４２６３Ａ１号明細書

従って、本発明の課題は、排熱回収ボイラとして形成された貫流式ボイラの運転方法であって、改良された給水制御によりプラントの安定した動作挙動が得られる運転方法を提供することにある。さらに、本方法を実施するのに特に適した強制貫流式ボイラを提供する。

方法に関する本発明の課題は、複数の予熱器伝熱面を含む１つの予熱器と、これら予熱器伝熱面の下流に接続された複数の蒸発器伝熱面を含む１つの蒸発器とを備え、排熱回収ボイラとして形成された貫流式ボイラにおいて、給水質量流量を調整する装置に給水質量流量の目標値が供給され、この給水質量流量の目標値を作成する際に、これらの蒸発器伝熱面内の流体に伝達される排熱流が求められ、さらに、非定常的なプラント運転中に複数の蒸発器伝熱面内の流体の質量蓄積およびエネルギ蓄積が検出され、蒸発器内の質量蓄積の時間的な挙動が予熱器内の質量蓄積の時間的な挙動と連結され、蒸発器と予熱器における密度変化の比を用いてスケーリングが行われる、ことにより解決される。

以下のことを理解することが重要である。すなわち、本発明においては、比喩的な意味でのオブザーバが、流体粒子と結合されておりそれと共に蒸発器を通って流れるのではなく、このオブザーバは蒸発器を、流体が流入し流出する収支空間と見なしている。プラントの正常運転中は、プラント運転が定常的であるか非定常的であるかに関わらず、常に流体粒子は蒸発器入口から蒸発器出口までの途上でエネルギを吸収する。これとは異なり、本発明によるシステムの考察では、プラント（ボイラ）の定常的な運転時には、ボイラ内の特定場所において異なる時間に同じ温度および圧力が測定され、したがって、プロセスを記述する数式におけるこれに対応する項の時間微分はゼロになる。進歩性を有する本方法により、今や、ボイラの非定常的な運転におけるこれらのパラメータの時間的な変化が考慮に入れられる。この場合、これは勿論、エネルギまたは質量の蓄積にも、エネルギまたは質量の放出にも適用できる。

以下の方法を用いることで、すなわち、従来技術においては最も単純な場合に関して、蒸発器内の流体に伝達される熱流Ｑ_{Ｅｖ,ｆｌ}であって、排ガス中の熱流Ｑ_ＥＧから伝熱面パイプの壁材内の蓄熱Ｑ_S,Wを差し引いて得られるＱ_{Ｅｖ,ｆｌ}のみを考慮する予測制御信号を計算するアルゴリズムが、蒸発器における流体側の質量蓄積効果およびエネルギ蓄積効果の影響について拡張された方法を用いることで、予測制御信号の品質が、特に上述の縦型排熱回収ボイラの応用例に関してさらに改善され、その結果、調節器による必要な補正が最小化される。これにより調節器をより弱くパラメータ化できるので、上述した問題は発生せず、同時に、プラントの運転挙動に悪影響を及ぼすこともない。

好適には、質量蓄積およびエネルギ蓄積に対する複数の蓄積項が、複数の実際の測定値から決定される。これにより、格別に信頼性の高い熱流収支の評価が可能となり、従って、格別に正確に予計算された給水量目標値の算出が可能となる。

便宜的には、これらの実際の測定値は、予熱器入口における、予熱器出口または蒸発器入口における、ならびに、蒸発器出口における、圧力と温度である。

エネルギ蓄積の推定に必要な蒸発器内の流体の比エンタルピーを、蒸発エンタルピーと飽和エンタルピーの算術平均で近似すると有利である。

この場合、蒸発エンタルピーおよび飽和エンタルピーが蒸発器入口または蒸発器出口における少なくとも１つの圧力測定によって求められると、適切である。

給水質量流量の目標値を求めるための質量蓄積およびエネルギ蓄積に対する補正値は、好適には、蒸発器内の蒸発エンタルピーおよび飽和エンタルピーの時間微分、ならびに、予熱器内の流れ媒体の密度の時間微分、を考慮して決定される。密度に関しては、予熱器内の平均流体密度を、特に、それぞれの予熱器伝熱面の入口および出口において温度および圧力を適切に測定することによって、定義し、計算することができ、この場合、リニアな密度プロファイルを基礎とすると好適である。これにより、過渡的なプロセスで生じる質量蓄積効果を補正することができる。例えば、負荷変動時に蒸発器伝熱面への熱供給が低下すると、そこで流体が一時的に蓄積される。その結果、仮に給水ポンプの吐出流量が一定であるならば、伝熱面を出る際の質量流量は減少するであろう。このことは、今や、給水質量流量を一時的に増加させることで補正できる。

実際には、これらの時間的に変化する過程或いは時間微分は、有利には、第１および第２の微分要素により、好適にはＤＴ１要素により求められ、これらの要素に対して入力側で適切な複数の測定点にて温度および圧力などのパラメータが供給される。

この場合、質量蓄積を推定するための予熱器内の密度変化の時間的経過を記述する第１の微分要素に、複数の蒸発器伝熱面の流れ媒体の全体積に対応する増幅係数を作用させると有利である。

給水質量流量のための本発明によって生成される複数の補正信号は、それぞれのＤＴ１要素に対して適切な増幅率および時定数が選択されると、質量蓄積およびエネルギ蓄積の効果を特に有利に表すことができる。

第１の微分要素に、蒸発器を通る流れ媒体の貫流時間の略半分に相当する時定数を作用させると特に有利である。

また、エネルギ蓄積を推定するために、第２の微分要素に、５ｓ～４０ｓの間の時定数を作用させると有利である。

強制貫流式ボイラに関する上述の課題は、複数の蒸発器伝熱面および流れ媒体側でその上流側に接続された複数の予熱器伝熱面、ならびに、給水質量流量の目標値に基づき調整可能な給水質量流量を調整するための装置、を有する強制貫流式ボイラによって解決され、この目標値は本発明の方法により設計されている。

本発明により、調節器による予測制御信号の補正を著しく低減することができ、この調節器をより低い増幅でパラメータ化することができる。上述した、かなり大きいオーダーの望ましくないプロセス残留変動という問題は、これにより除去することができる。プラントの動作挙動は負の影響を受けない。

予測制御信号に対して（またはパラメータフィールド全体に対してさえ）、経験的に見出された複数の補正係数も考えられる。しかし、それらを見つけることは、多大な労力を意味する。これとは対照的に、ここに述べられた本発明は物理的アプローチに基づいており、これ以上のパラメータ化を必要としない。

本発明を図面を参照しながら一例としてより詳細に説明する。

給水質量流量を計算するためのアルゴリズムの略図を示す。 給水質量流量の目標値を計算するためのアルゴリズムにおける、測定変数、および、変更のためにそれらから導出された近似値の図を示し、これらは発電所自動化において実施されている。

図１は本発明により生じる、給水質量流量の目標値Ｍ_ＦＷを計算するためのアルゴリズムの変更を概略的に示す。ここでは、このアルゴリズムの本発明に関連する部分が破線の枠内に、従来技術が枠外に示されている。

これによれば、給水質量流量の目標値Ｍ_ＦＷは、蒸発器のための給水質量流量Ｍ_{Ｅｖ,ｉｎ}と予熱器に取り入れられた又は予熱器から取り出された質量流量Ｍ_Ｓ,Ｅとの和で構成され、係数ｆ_Ｃｔｒｌで補正されている。

蒸発器のための給水質量流量Ｍ_{Ｅｖ,ｉｎ}は、従来技術では、排ガスから蒸発器内の流体に伝達された熱流Ｑ_{Ｅｖ,ｆｌ}と蒸発器内のエンタルピー変化のための目標値Δｈ_{Ｅｖ,ｓｅｔ}の商として与えられる。また、蒸発器内の流体に伝達された熱流Ｑ_{Ｅｖ,ｆｌ}は、排ガス内の熱流Ｑ_ＥＧから伝熱面パイプの壁材料内の蓄熱Ｑ_Ｓ，Ｗを差し引いたものである。

本発明によれば、蒸発器内の流体に伝達された熱流に関する項は、更に２つの項によって追加および補正される。

第１の補正は蒸発器内の質量蓄積効果に関するものであり、第２の補正は蒸発器内のエネルギ蓄積効果に関するものである。

質量蓄積効果は図１の熱流においては、ｄＭ_Ｅｖ／ｄｔ（質量蓄積）とｈ_{Ｅｖ，ｏｕｔ，ｓｅｔ}(蒸発器出口でのエンタルピー）の積によって示されている。ｄＵ_Ｅｖ／ｄｔはエネルギ蓄積効果を表す。

これらの値は、本発明により適切に近似されるので、測定された複数のプロセス変数から決定することができる。

図２は、強制貫流式排熱回収ボイラにおけるこれらの測定量および測定点、ならびに、それらの処理を示す。

図２による強制貫流式排熱回収ボイラは、エコノマイザとも称される、流れ媒体として設けられた供給水のための、複数の予熱器伝熱面２を有する１つの予熱器１、および、これらの予熱器伝熱面２に流れ媒体側で下流に接続された複数の蒸発器伝熱面４を有する１つの蒸発器３を備えている。蒸発器３に続いて、対応する複数の過熱器伝熱面１３を有する１つの過熱器１２が設けられている。これらの伝熱面は、詳細には示されていないガス煙道内に配置されており、付設されたガスタービンプラントからの排ガスの作用を受ける。

既に述べたように、この強制貫流式ボイラは給水を制御して作用させるために構成されている。この目的のために給水ポンプ３１にはサーボモータ３２によって制御される絞り弁３３が下流に接続されており、これにより、絞り弁３３の適切な制御を介して、給水ポンプ３１によって予熱器１に向けて搬送される給水量または給水質量流量を調節することができる。供給された給水質量流量の実際の特性値を求めるために、絞り弁３３には、給水ライン３５を通る給水質量流量を求めるための測定装置３４が下流に接続されている。サーボモータ３２は調節器３６を介して制御され、この調節器３６は入力側で、データライン３７を介して供給される給水質量流量の目標値ＭＦＷ、および、測定装置３４を介して求められた最新の給水質量流量の実際値による作用を受けている。これら２つの信号の差を形成することによって調節器３６に、調整要求が送られ、その結果、実際値が目標値からはずれた場合には、モータ３２の制御を介して絞り弁３３がそれに応じて調整される。

予測的な、先を見越した、または、将来的または現在の必要量に基づいて定められた、給水質量流量を調節する方法で、特にニーズに即した給水質量流量の目標値Ｍ_ＦＷを算出するために、データライン３７は入力側で、給水質量流量の目標値Ｍ_ＦＷを与えるために設計された給水貫流調整装置３８に接続されている。これは、複数の蒸発器伝熱面４内の熱流収支に基づいて給水質量流量の目標値Ｍ_ＦＷを算出するように設計されており、この場合、給水質量流量の目標値Ｍ_ＦＷは以下のことによって算出される、すなわち、複数の蒸発器伝熱面４内の流体へ伝達される排熱流が特定されること、さらに、複数の蒸発器伝熱面４内の流体における質量蓄積およびエネルギ蓄積が考慮されることによって、算出される。図２は、完全性を犠牲にして、しかし分かりやすくするために、給水貫流調整装置３８における、給水質量流量目標値Ｍ_ＦＷの本発明による補正にとって重要な要素のみを示している。従来技術で知られている部分は図示されていない。

給水質量流量の目標値Ｍ_ＦＷを決定するための測定値は、圧力値および温度値であり、測定ポイントは予熱器入口５、予熱器出口６あるいは蒸発器入口７、ならびに、蒸発器出口８の領域にある。

これらの算出された測定値は関数要素１４、１５、１６、１７および１８で処理される。第１、第２および第３の関数要素１４、１５および１６によって、圧力および温度に関する複数の測定値から予熱器１および蒸発器３の複数の伝熱面の異なる位置における流体の密度が決定される。第４および第５の関数要素１７および１８は、測定された複数の圧力値から蒸発エンタルピーおよび飽和エンタルピーを提供する。

質量蓄積に対する蓄積項ｄＭ_Ｅｖ／ｄｔは、次のようにして近似される、すなわち、予熱器入口５および予熱器出口６で算出された密度から、まず、第１の加算器１９および第１の乗算器２０により平均値が作成され、次いで、この平均値が第１の微分器９において相応に選択された時定数を用いて更に処理され、そして、これに第２の乗算器２１において、複数の蒸発器伝熱面４内の流れ媒体の全体積Ｖ_Ｅｖに対応する増幅係数が作用される、ことにより近似される。

後続の第３の乗算器２２において、蒸発器３および予熱器１における流体の密度変化の比を用いて更なるスケーリングが行われ、この密度変化の比は第１および第２の減算器２３および２４、ならびに、第１の除算器２５を用いて、図２に示すように決定される。

エネルギ蓄積に対する蓄積項ｄＵ_Ｅｖ／ｄｔは、算出された複数のエンタルピーから第２の加算器２６および第４の乗算器２７を用いて平均値を作成することにより、近似される。この平均値は蒸発器３内の流体の比エンタルピーに対する良好な仮定である。

次に、エネルギ蓄積に対する蓄積項ｄＵ_Ｅｖ／ｄｔは二つの項の和によって決定される。その第１項は、以下のことによって算出される、すなわち、第２の微分器１０において蒸発器３内の流体の比エンタルピーを相応に選択された時定数を用いてさらに処理すること、および、第５の乗算器２８において最大および最小負荷時の蒸発器内の流体質量の平均値Ｍ_Ｅｖを掛けることによって、算出される。この平均値は、単純化のために、時間的に一定な値と見なされる。第２項は、蒸発器３内の流体の比エンタルピーに質量蓄積に対する蓄積項ｄＭ_Ｅｖ／ｄｔを乗じて算出される。これは第６の乗算器２９で行われる。

第３の加算器３０においてはこれらの二つの項が加算される。

これに対応するアルゴリズムは、給水制御の機能計画において、従って発電所自動化において、実装され得る。

Claims (11)

1. 複数の予熱器伝熱面（２）を含む１つの予熱器（１）と、これら予熱器伝熱面（２）に対して流れ媒体側で下流に接続された複数の蒸発器伝熱面（４）を含む１つの蒸発器（３）とを備え、排熱回収ボイラとして形成された貫流式ボイラを運転するための方法であって、給水質量流量を調整するための装置に前記給水質量流量用の目標値が供給され、この給水質量流量の目標値を作成する際に、前記複数の蒸発器伝熱面（４）内の流体に伝達された排熱流が求められ、さらに、非定常的なプラント運転の際に前記複数の蒸発器伝熱面（４）内の流体についての質量蓄積及びエネルギ蓄積が検出される方法において、
   前記蒸発器（３）内の質量蓄積の時間的な挙動が前記予熱器（１）内の質量蓄積の時間的な挙動と結合され、前記蒸発器（３）内での及び前記予熱器（１）内での密度変化の比を用いてスケーリングが行われることを特徴とする方法。
2. 前記質量蓄積および前記エネルギ蓄積に対する蓄積項が複数の実際の測定値から決定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の実際の測定値が、予熱器入口（５）における、予熱器出口（６）あるいは蒸発器入口（７）における、ならびに、蒸発器出口（８）における、圧力と温度である、請求項２に記載の方法。
4. 前記エネルギ蓄積の推定に必要な前記蒸発器（３）内の流体の比エンタルピーが、蒸発エンタルピーと飽和エンタルピーの算術平均値で近似される、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記蒸発エンタルピーおよび前記飽和エンタルピーが、蒸発器入口（７）または蒸発器出口（８）での少なくとも１つの圧力測定によって求められる、請求項４に記載の方法。
6. 前記蒸発器（３）内の蒸発エンタルピーおよび飽和エンタルピーの時間微分、ならびに、前記予熱器（１）内の流れ媒体の密度の時間微分が評価される、請求項５に記載の方法。
7. 前記時間微分が、第１および第２の微分器（９、１０）により求められる、請求項６に記載の方法。
8. 前記質量蓄積を推定するために、前記予熱器（１）内の密度変化の時間的経過を記述する第１の微分器（９）に、複数の前記蒸発器伝熱面（４）内の流れ媒体の全体積に対応する増幅係数を作用させる、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の微分器（９）に、前記蒸発器（３）を通る流れ媒体の貫流時間の略半分に相当する時定数を作用させる、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記エネルギ蓄積を推定するために、前記第２の微分器（１０）に、５秒～４０秒の間の時定数を作用させる、請求項７に記載の方法。
11. 複数の蒸発器伝熱面（４）および流れ媒体側で上流に接続された複数の予熱器伝熱面（２）を有し、また、給水質量流量を調節するための装置を有し、前記装置が給水質量流量用の目標値に基づき運転可能である、強制貫流式排熱回収ボイラ（１１）であって、前記目標値が請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法を用いて設計されている、強制貫流式排熱回収ボイラ（１１）。

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