JPH0263121B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は再循環ガスフアンを持たないボイラの
再熱蒸気温度制御に係り、特にバーナ段ごとに燃
料及び空気の配分を変えることにより再熱蒸気温
度を制御する方式にて、空気流量制御に再熱蒸気
温度制御を含めたボイラ再熱蒸気温度制御方式に
関する。

〔発明の背景〕

火力発電所用ボイラにおいて、その蒸気温度は
タービンや蒸気配管の保護などの面より、各負荷
帯の広い範囲に亘つて、規定温度にあることが望
ましい。そのため過熱器、再熱器への伝熱量を加
減したり、あるいは、減温器を利用して蒸気温度
の制御を行つている。即ち第５図に示すとおり給
水ポンプ２によつてボイラに供給された給水は燃
料調節弁１５を介し供給されて燃料と、押し込み
送風器１７を介し空気予熱器１６にて予熱され空
気ダンパ１４によりバーナへ供給された空気との
燃焼ガスを利用し、煙道１に設けられた節炭器３
で予熱されドラム４にはいる。ドラム４で発生し
た蒸気は一次過熱器５及び二次温熱器７におい
て、過熱蒸気となり、高圧タービン８に送られ
る。またプラント効率向上のため高圧タービンの
排気蒸気を再びボイラ再熱器１０に送り再加熱し
ている。ドラム４にて発生した蒸気は、一次過熱
器５と二次加熱器の間に設置された減温器６への
注水量を増減させることにより、高圧タービン入
口蒸気温度（主蒸気温度）が定格値になるよう制
御される。一方再熱蒸気は再熱器を通過するガス
量を調整することにより中圧タービン１１の入口
蒸気温度（再熱蒸気温度）を規定値に制御してい
る。即ち、煙道ガス量を再循環ガスフアン（以下
GRFと略す）１３を介してその一部を火炉内に
再循環させるようにし、この再循環ガス量を増や
すことにより再熱器の熱吸収量を増大させて再熱
器温度を上昇させる。逆に再循環ガス量を低減さ
せることにより再熱蒸気温度を低減するように制
御している。ところで再熱蒸気温度を規定値に制
御するために再循環ガス量を変化させると一次過
熱器５や二次過熱器７の通過ガス量も変化し、こ
れらの過熱器の熱吸収量が変化しこの結果主蒸気
温度も変化するなど、主蒸気温度プロセス系への
外乱となつていた。

以上の通り、従来の再熱蒸気温度制御方式で
は、GRF１３が不可欠でありこのためプラント
の建設費用が増大するだけでなく、GRFの運転
動力などによりプラントの効率の低下を招いてい
た。また再循環ガス量の変化により主蒸気温度も
変動するという欠点があつた。

ところで再熱蒸気温度（T_RH）は再熱器通過ガ
ス量（Q_G）、再熱器入口ガス温度（T_G）、再熱器
内を流れる蒸気量（G_S）の関数であり次式で表
わされる。

T_RH＝Ｋ・Q_G・T_G・ｆ（Q_S） … 但し、Ｋは比例定数 従つて前記の欠点をなくす手段としては、式
において、過熱器通過ガス流量（Q_G）を変える
代りに再熱器入口ガス温度（T_G）を変えること
ができれば再熱蒸気温度を制御出来る点に着眼し
て、次の発明（特開昭59−9412）が発明された。
これは上記欠点をなくすためボイラ本体としては
第２図に示すようにガス再循環ラインを止め、
上・中・下段と燃料及び空気を各段ごとに制御す
る。

１８，１９，２０は各段の燃料調節弁であり、
２１，２２，２３はそれぞれ各段の空気ダンパで
ある。この様なバーナ構成において、上・中・下
段の燃料配分比を変え、炉内での熱吸収分布を変
え再熱器入口ガス温度を調節することにより過熱
器及び再熱器の熱吸収量を調整して再熱蒸気温度
を規定値に保つ訳である。

上記バーナ構成においての、再熱蒸気温度制御
を以下、第４図をもとに説明する。

ボイラデマンド指令２９は負荷で定まる所定の
蒸気量と実際の蒸気量との差の蒸気量を補正した
現在必要とする蒸気量を得るための燃料量の信号
でありこれにより必要蒸気量を確保する。５１２
は再熱蒸気温度補正信号である。再熱蒸気温度補
正信号５１２はボイラデマンドより関数発生器３
６により決まる再熱蒸気温度の目標値と実際の再
熱蒸気温度５０１との温度差を減算器３７により
求めその偏差を補正すべく比例積分器３８により
補正量を求める。

本補正信号は上段及び下段バーナに対しバイア
ス的に印加する。即ち、再熱蒸気温度５０１が目
標値より高い場合には、上段バーナの燃料配分を
少なくし、逆に低い場合には、上段バーナの燃料
配分を多くする。この様にして、炉内の熱吸収分
布を変えることによつて再熱蒸気温度の制御を行
うものであつた。

また、式において、再熱蒸気温度の制御を行
う他の要因として、過熱器通過ガス流量（Q_G）
があるが、本ボイラにおいては、GRFがないた
めに、空気流量制御に、再熱蒸気温度制御の要素
をもたせている。以下第３図第６−１図、第６−
２図をもとに説明する。

一般に、火力発電所用ボイラにおいて、燃料、
空気及びO₂濃度については第６−１図の様な関
係がある。すなわち、低負荷においては、ボイラ
火炉容積に比べ炎（バーナ本数）が少ないため
に、火炉内にて燃焼を安定させるために、空気を
多く送り込み、炉内の最低ガス量を確保してい
る。そのために低負荷には、O₂濃度が高くなつ
ている。

従つて、負荷とともに増加する燃料に対して
O₂濃度を、第６−１図の様に運用するために燃
料に対する空気流量は第６−２図の様な関係があ
る。

実際のプラントではバーナの燃焼状態から決ま
る。第７図に示したガスO₂下限値７４に対して
最適燃焼ポイント７３は上に設定されておりこの
ポイントでの燃焼が最大エンタルピのポイントと
なる。また、ガスO₂下限値以下になると、黒煙
を発し不完全燃焼となる。

空気流量制御系においては第３図に示すよう
に、各段の空気流量信号より、関数発生器３１，
３２，３３にて、空気流量に見合つた燃料流量信
号に変換しその信号と各段の実燃料流量信号との
偏差を減算器３１１，３１２，３１３にて求め比
例・積分演算器３０１，３０２，３０３にて、各
段の空気流量を制御する。

このような回路において、各関数発生器３１，
３２，３３の空燃比率が常に一致していれば、
O₂濃度も各負荷にて図６−１の如く一致するが、
ボイラ特性の経時変化に対しても、常に、O₂濃
度を、計画値にて運用するためにO₂の補正を加
える必要がある。さらにO₂濃度のずれは、燃焼
の安定や、プラント効率に大きく影響するため
に、常にO₂濃度を計画値にて運用することが、
ボイラ制御においては大きく特性を左右する。

O₂補正においては、節炭器出口のガスO₂計検
出値と、各負荷より関数発生器３０４にて求めた
O₂設定値との偏差により、比例・積分演算器３
０５で比例積分演算した結果で、各段の空気流量
より求めた燃料流量に対して、乗算器３０６，３
０７，３０８にて補正を加える。

すなわち、O₂濃度が、設定より高い場合には、
比例・積分演算器３０５の出力はマイナス側に転
じ各段の空気流量より求めた燃料流量をこの比
例・積分演算器の出力に見合つた分だけ、見かけ
上多く補正する。従つて、実燃料流量との偏差は
その分比例−積分器の出力を少なくする方向に動
く。そのために、空気流量は絞られ、O₂濃度を
下げる方向に動くものである。

この様な、空気流量のO₂補正回路において、
GRFのないボイラにては、再熱空気温度の補正
を追加し、空気流量制御系に再熱蒸気温度制御を
取り入れている。以下その回路について説明す
る。再熱蒸気温度を決める要因として式のQ_G
すなわち過熱器通過ガス流量があるために、前記
O₂設定を再熱蒸気温度の偏差にて変える。

再熱蒸気温度の設定値と再熱蒸気温度の偏差を
減算器３２１にて算出し、その偏差を比例・積分
器３２２にて比例・積分演算し補正量を求めO₂
の設定値に対し、補正量を加算器３２３にて加え
るものである。従つて、本補正にては、第８図に
示すように再熱蒸気温度80が設定値82より高い場
合には、O₂の設定を下げる方向図中８１（ガス
流量を減らす方向）に動き、その設定とO₂検出
値により比例・積分演算したのちに、空気流量よ
り求めた燃料流量に対し補正を加えるために、
O₂検出器の応答遅れなどもあり、再熱蒸気温度
の修正動作が遅れる等の問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、GRFを持たないボイラにお
いて、再熱蒸気温度を上・中・下段バーナの燃料
配分比を変えることにより行なう制御方式におい
て、空燃比制御の補正系としてO₂の制御系と再
熱蒸気温度の制御系をもち、負荷変化時は再熱蒸
気温度の偏差で補正し、定状状態ではO₂で補正
することにより、負荷変化時の再熱蒸気温度制御
に好適な空燃比制御を提供することにある。

〔発明の概要〕

火力発電用ボイラにおいて再熱蒸気温度を制御
する場合には、ボイラガス温度を変える要因と、
ガス流量を変える方法があるが、GRFを持たな
いボイラにては、ガス流量を変える方法として空
気流量制御しかなく、そのために、O₂補正と再
熱蒸気温度による補正を負荷変化時と静定状態に
分けて補正することにより、再熱蒸気温度制御性
を向上させる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図に従い説明する。

第１図は、空燃比制御において、再熱蒸気温度
と排ガスO₂による補正回路を設けたものである。

負荷が一定の定状状態においては、負荷指令１
００により関数発生器１０１により排ガスO₂の
設定値を与え、排ガスO₂検出値１０３との偏差
により比例演算器１０４により比例演算した排ガ
スO₂による補正値１０５を求める。各段の空気
流量信号（上段空気流量２１０、中段空気流量２
２０、下段空気流量２３０）より、関数発生器３
１，３２，３３にて各段の空気流量に見合つた燃
料流量ベースの信号に換算して実燃料流量との偏
差にて空気流量を制御するものである。この各段
の空気流量より求めた燃料流量信号に対し、上記
排ガスO₂による補正信号を、乗算器３０６，３
０７，３０８にて乗算して、排ガスO₂の設定値
とのずれだけ、見かけ上、各段の実空気流量より
求めた燃料流量ベースの信号を増減させて補正す
る。

この補正された各段の燃料流量ベースの信号と
各段の実燃料流量信号との偏差を減算器３１１，
３１２，３１３にて求める。この各段の偏差よ
り、比例・積分演算器３０１，３０２，３０３に
て比例積分演算した値により、各段の空気流量を
決定するものである。

この時、排ガスO₂の設定値は、最適燃焼ポイ
ントに設定してあり、燃焼効率が最大の排ガス
O₂になるべき空気流量が制御される。

一方、負荷変化時においては、空燃比制御に対
する補正が、再熱空気温度により行なわれる。

ここで、燃料流量に対する再熱蒸気温度へのプ
ロセス応答性と、空気流量に対する再熱蒸気温度
へのプロセス応答性を比較すると、第９図に示す
ごとく、空気流量に対する再熱蒸気温度への影響
の方が一般的に早い。従つて、負荷変化時におい
ては空気流量すなわち排ガス流量にて再熱蒸気温
度の制御をした方が有効といえる。

すなわち、負荷変化時においては、再熱蒸気温
度検出値より、再熱蒸気温度予測部１１０にて空
気流量に対する再熱蒸気温度の時定数分だけ先を
予測した、再熱蒸気温度と設定値との偏差を減算
器１０６にて求め、この偏差より、比例・積分演
算器１０７にて比例積分演算した値１０９と、さ
らに負荷指令の変化率を微分演算器１０８により
微分演算にて求め、この微分波形を、負荷指令上
昇及び下降時にてその波形にリミツトを加える信
号制限器１１１，１１２にて制限を加える。この
制限が、空気流量に対して負荷変化時に補正を加
える量である。さらに上記信号制限器にて制限を
加えられた信号に対し、負荷上昇時と下降時にあ
る変化率、すなわち、負荷変化開始及び終了時に
おける、前記補正量まで達する時間を、設定し、
この空気流量に対しての、オーバー、アンダーア
クシヨン信号１１６を、前記比例積分演算の値１
０９と加算器１０５にて加算して空燃比制御に対
しての補正信号１２０を求め、前記各段の空気流
量より求めた燃料流量ベースに換算した信号に乗
算器３０６，３０７，３０８にて補正を加える。

ここで、空燃比制御に対し、負荷変化時にては
再熱蒸気温度にて補正を加えるために、従来の
O₂設定に対してバイアスを加える方式とは異な
り、最適燃焼ポイントから大きくずれる可能性が
あるがこの負荷変化中においては、排ガスO₂下
限値７４より低O₂にならないように、空燃比補
正に対し下限値を設ける。すなわち、負荷指令よ
り関数発生器１１７にて、排ガスO₂下限値を設
定し、この設定値と排ガスO₂検出値１０３との
偏差を演算器１１８にて求め、その偏差より比
例・積分演算器１１９にて比例積分演算した値に
て、前記再熱蒸気温度より求めた空燃比制御に対
しての補正信号１２０と、高値選択器１２２にて
いかなる場合も下限値を与えるものである。

この様に、負荷変化時に空燃比制御に対して、
再熱蒸気温度より補正を加えるに当たり排ガス
O₂下限値の制限を設けることにより、燃焼不安
定領域に至ることを防ぎ、黒煙の発生等をおさえ
るものである。

また負荷変化時と定状状態の時の空燃比制御に
対しての切換えを行うアナログ信号切換回路１２
２の切換えタイミングにおいては、前記オーバー
アンダーアクシヨン信号１１６や、燃料指令にお
けるオーバーアンダーフアイアリング信号が零に
なつた条件、及び、負荷変化後、定常状態に入つ
て再熱蒸気温度が落ちついた（再熱蒸気温度の傾
きが零になつた条件などで切換えるインターロツ
クを設けることにより行う。

次に、第１０図に再熱蒸気温度にて空燃比制御
に補正を加える場合に、再熱蒸気温度の偏差方向
によつては上・下段の空気流量に加える補正分の
比率を変化させる回路を設けた例を示す。

再熱蒸気温度の予測値が設定値よりも低い場合
においては、上・中・下段の空気流量は前記再熱
蒸気温度による空燃比制御への補正が、増側に働
きかけるが、さらにその各段への空気流量に対し
ては、下段側の空気流量を増やした方が効果的で
あるために、上段側の空気流量の増し分に比べて
下段側の増分を大きくしていくものである。

すなわち、再熱蒸気温度の予測値と設定値との
偏差により、関数発生器２０１，２０２にて、そ
の偏差信号の大きさにより、上・下段に対しての
空燃比率を算出し、上・下段の空気流量より求め
た燃料流量ベースの信号に対し、再熱蒸気温度に
よる補正がかかつた信号に対して、乗算器２０
３，２０４にて補正をさらに加えるものである。
本乗算器の補正も、前記負荷変化時と定常状態の
時の空燃比制御に対しての切換えを行うアナログ
信号切換回路１２１と同様のタイミングにて、補
正量を、定常状態時に“１”にする切換回路２０
５，206を設け、本補正は負荷変化時のみに有効
とするものである。

図１１−１上段空気流量に対する、偏差信号の
大きさによる空燃比率を示し、図１１−２に下段
空気流量に対する偏差信号の大きさによる空燃比
率を示す。

本補正回路により、再熱蒸気温度の補正を上・
下段バーナに対して積極的に加えることによりさ
らに再熱蒸気温度制御性を向上することができ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、負荷変化中は、排ガスO₂制
御よりも優先して、再熱蒸気温度が目標設定値に
なるように空燃比を制御し、定常状態では、排ガ
スO₂制御により空燃比を制御することにより、
従来の再熱蒸気温度偏差信号により、上・中・下
段のバーナ燃料配分比を制御する方式において、
負荷変化時の再熱蒸気温度の応答性が大巾に改善
でき、再熱蒸気温度特性が数倍改善できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の空燃比制御系統図、第２図は
GRFのないボイラ本体図、第３図は空燃比制御
系統図、第４図は燃料制御系統図、第５図は従来
のボイラ本体図、第６図は燃料・空気特性カー
ブ、第７図、第８図は排ガスO₂特性、第９図は
再熱蒸気温度応答特性、第１０図は空燃比制御系
統、第１１図は上下段バーナに対する空燃比特
性。 １０……再熱器、４……ドラム、１３……再循
環ガスフアン、１０２……排ガスO₂検出値、５
０１……再熱蒸気温度、２１０……上段空気流
量、２２０……中段空気流量、２３０……下段空
気流量。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 火力発電所のボイラの燃焼バーナを上・中・
   下段に配置し上・中・下段の燃料配分を変えるこ
   とにより、ボイラの再熱器の熱吸量を調整し再熱
   蒸気温度を制御する方式と、燃焼バーナを通過す
   る燃料と空気流量の比率（空燃比）を調整しボイ
   ラ出口の排ガスの酸素濃度（ガスO₂）を負荷に
   見合つた規定値に制御する方式を具備したところ
   のボイラ自動制御装置において、負荷変化中は、
   前記ガスO₂制御よりも優先して再熱蒸気温度が
   目標設定値になるように空燃比を制御するように
   し、定常状態では上記再熱蒸気温度制御よりも優
   先してガスO₂制御により空燃比を制御するよう
   にしたことを特徴とするボイラ自動制御装置。 ２ 特許請求の範囲１において、ボイラの排ガス
   O₂の下限値を発電量指令値の関数で設定し、該
   ガスO₂がいかなる場合においても、この下限値
   以下にならないよう空燃比を制御しボイラの燃焼
   安定を最優先に行わせしめるようにしたことを特
   徴とするボイラ自動制御方式。 ３ 特許請求の範囲１において、負荷変化中の再
   熱蒸気温度の予測値と目標値との偏差により空燃
   比を制御する第１の手段と、発電量指令値の微分
   信号により先行的に空燃比を制御する第２の手段
   を具備させたことを特徴とするボイラ自動制御方
   式。 ４ 特許請求の範囲１において負荷変化中のバー
   ナの上中下段の空燃比配分を再熱蒸気予測値と設
   定値との偏差信号の大きさにより変えるようにし
   再熱蒸気温度の予測値が設定値よりも低い場合は
   燃料に対する空気の比率（空燃比）を上段バーナ
   側を小さく、下段バーナ側を大きくし逆に再熱蒸
   気温度予測値が設定値よりも高い場合は該空燃比
   を上段バーナ側を大きくし下段側を小さくしたこ
   とを特徴としたところのボイラ自動制御方式。 ５ 特許請求の範囲１において、負荷変化中と定
   常状態との条件で空燃比制御方式を切換えている
   が、この切換タイミングを負荷変化中や負荷変化
   率などのプラントの運転条件により変えられるよ
   うにしたことを特徴とするボイラ自動制御方式。