JPH0579603A - ボイラ制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】ボイラ負荷設定器１，変化率制限器２，変化率
制限器出力よりボイラ先行制御信号を求める手段２１，
先行制御継続期間を出力する手段２２，変化率制限器出
力を補正する手段１８，先行制御信号と補正された変化
率制限器出力の和を求める加算器３′，加算器出力より
ボイラ燃焼量を操作する燃焼量制御装置８よりなるボイ
ラ制御装置において、変化率制限器出力よりボイラ先行
制御信号を求める手段２１は、微分器１４と、微分器出
力を入力とし、微分器出力を補正する他の手段１８′と
からなり、先行制御継続期間を出力する手段２２は変化
率制限器２出力が負荷設定器１出力に達するむだ時間前
に先行制御継続期間を終了する。 【効果】ボイラ制御装置において、負荷設定値変更時に
おける主蒸気温度，主蒸気圧力など制御量の変動を最小
限に抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は火力発電所のボイラ自動
制御装置、特に、ボイラとタービンを協調的に制御する
ボイラ・タービン協調制御方式において、燃料流量，空
気流量，給水流量などの先行制御を行い起動停止時にお
ける主蒸気温度変化，主蒸気圧力変化などを最小限に抑
制することのできるボイラの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ主蒸気温度の変化はタービンに熱
応力等の悪影響を与えるため、常に一定値となるように
制御されることが好ましい。しかし、実際には起動停止
時や負荷調整時に主蒸気温度は大きく変動する。このた
めボイラ燃焼量（燃料流量及び空気流量）の先行制御に
よりこれらを抑制することが行われる。すなわち、現時
点でボイラ静特性から要求される燃焼量の他に、さらに
ボイラの応答性や蓄熱容量など動特性をも考慮した燃焼
量をボイラに先行的に供給する。この先行制御を実施す
ることにより、負荷調整時における主蒸気温度変化は最
小限に抑制され、過渡時の応答性を一段と向上させるこ
とができる。また、ボイラ主蒸気圧力はボイラの破壊を
防止するため許容範囲内に保持することが必要である。
このため、ボイラ本体には安全弁が装備してあり、主蒸
気圧力が最高使用圧力をこえると蒸気を大気中に放出す
るようになっている。しかし、安全弁の作動は大きな熱
損失となるため安全弁を用いずに主蒸気圧力を許容範囲
内に保つことが必要となる。このため、ボイラへの給水
流量の先行制御により起動停止時や負荷調整時における
主蒸気圧力の変動を抑制することが行われる。以下、ボ
イラ燃焼量の先行制御技術を中心に従来技術を説明す
る。

【０００３】代表的なボイラ制御装置、および、それに
用いられる先行制御技術に関する従来技術１を図１およ
び図２により説明する。図１は一般的なボイラ制御装置
を示した回路図である。同図において１は遠方の中央給
電指令所に設置される負荷設定器、２は変化率制限器、
３は加算器、４はタービン加減弁制御装置、５は主蒸気
圧力制御装置、６は主蒸気温度制御装置である。負荷設
定器１よりステップ関数として出力される負荷指令信号
は変化率制限器２によりランプ状信号に変換され、さら
に発電機出力１１との偏差をとられる。さらにタービン
加減弁制御装置４によりこの偏差に応じたタービン加減
弁操作量を出力する。また、主蒸気圧力制御装置５及び
主蒸気温度制御装置６は、主蒸気圧力９及び主蒸気温度
１０の各出力値をもとに給水量制御装置７，燃焼量（燃
料量及び空気量）制御装置８の各目標値（負荷変化に伴
い必要となる給水量及び燃焼量を補正）を出力する。さ
らに、給水量制御装置７及び燃焼量制御装置８はこの目
標値，変化率制限器２によりランプ状信号に変換された
負荷指令信号，給水量１２，燃焼量１３の各出力値をも
とに給水量操作装置及び燃焼量操作装置の各操作量を出
力する。この構成により、負荷設定器１の負荷設定値変
化に対しボイラはタービンとの協調をとるように制御さ
れる。

【０００４】図２はこのようなボイラ・タービン協調制
御方式におけるボイラ燃焼量の先行制御方法を示した従
来技術１の一例回路である。同図において（ａ）は従来
の一例回路を、また（ｂ）はその各部波形を示してい
る。次にその動作について説明する。まず、１は複数の
火力発電所を遠方より一括制御する中央給電指令所の負
荷設定器である。１の出力は同図ｂ１に示すような矩形
状のものであるから変化率制限器２を介して任意の負荷
変化率の台形状信号を得る（ｂ２）。１４は微分回路で
ある。１４の出力は２の出力を微分したものであるか
ら、同図ｂ１４に示すような負荷変化時間Ｔの矩形波と
なる。この矩形波は２の出力が変化している時間（ｔ１
−ｔ０）あるいは（ｔ３−ｔ２）、つまり、ボイラの負
荷指令変化時間を表している。２′は２と同様な負荷変
化率制限器で１４の出力の変化率を設定する。この２′
の出力値がボイラ燃焼量の先行制御量として用いられ、
加算器３′で主蒸気温度制御装置の出力値と加算され
る。この制御により、主蒸気温度の変動が防止できる。

【０００５】先行制御技術に関する従来技術２を図３に
より説明する。同図において（ａ）は従来の先行制御方
式の一例回路を、また（ｂ）はその各部の波形を示して
いる。同図において、１は負荷設定器、２及び２′は変
化率制限器、１５は乗算器、１４は微分器である。１
６，１６′及び１６″は関数発生器であり、変化率制限
器２を介して得られる負荷の値に応じた関数値を出力す
る。負荷設定器１の出力（ｂ１）は変化率制限器２で変
化率が制限され(ｂ２)加算器３に与えられる。一方、制
限器２の出力値は微分器１４及び関数発生器１６〜１
６″に与えられる。微分器は同図ｂ１４のような変化期
間を出力する。乗算器１５は関数発生器１６と微分器１
４の出力値を乗算する。乗算器出力は変化率制限器２′
で変化率を制限され、先行制御信号となる。変化率制限
器２′の変化率は、関数発生器１６′及び１６″によ
り、負荷の大きさが大なるほど負荷変化期間経過後の継
続時間を短く制限される。同図ｂ２′は負荷大の場合及
び負荷小の場合の先行制御信号である。この制御によ
り、負荷の大小にかかわらず主蒸気温度の変動が防止で
きる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来技術１によれば、
先行制御を行うことにより負荷増時あるいは負荷減時の
過渡時における主蒸気温度を最小限に抑制することがで
きる。さらに、従来技術２によれば、負荷指令の大きさ
に応じて先行制御の継続時間が変えられるので、どのよ
うな負荷領域でも負荷変動に対する主蒸気温度を抑制す
ることができる。しかし、両技術ともその調整（従来技
術１では変化率制限器２′の変化率設定。従来技術２で
は関数発生器１６〜１６″の設定。）は現場での調整員
の経験に大きく依存するものであり最適とは言い難い。
また、これらの調整は現場における調整員の大きな負担
となる。

【０００７】本発明の目的は、プラント（例えば燃焼量
を操作量とする主蒸気温度系）の動特性試験時に得られ
るプラントモデルから逆モデルを導出し、この逆モデル
をもとに先行制御信号を発生させること及び先行制御継
続時間の最適化により、最適な先行制御信号を得ると共
に、調整の必要の無い先行制御装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ボイラ負荷設
定器、前記ボイラ負荷設定器出力変更の際にこの出力を
時間の経過と共に変化する信号とするための変化率制限
器、前記変化率制限器出力より前記ボイラの先行制御信
号を求める手段、前記先行制御信号が前記ボイラに与え
られる先行制御信号継続期間を出力する手段、前記変化
率制限器出力を補正する手段、前記先行制御信号と前記
補正された変化率制限器出力とよりその和を求める加算
器、前記加算器出力によりボラの燃焼量（あるいは給水
量）を操作する燃焼量（あるいは給水量）操作装置より
なるボイラ制御装置において、前記ボイラの先行制御信
号を求める手段は、前記負荷変化率制限器出力が変化を
持続している期間を検出する第一の手段と、第一の手段
の出力を入力とし、第一の手段の出力を補正する第二の
手段とよりなり、前記先行制御信号継続期間を出力する
手段は、前記変化率制限器出力が前記負荷設定器出力に
達するボイラ応答特性のむだ時間前に先行制御信号継続
期間を終了することにより達成される。

【０００９】

【作用】以上の構成をとることにより、ボイラ制御装置
において負荷設定値変更時に主蒸気温度及び主蒸気圧力
の変動を最小限に抑制する作用がある。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例１を図４から図７を用
いて説明する。

【００１１】図４は本発明に依るボイラ制御装置の先行
制御方法を示した回路図、図５は本発明に依るボイラ制
御装置の先行制御方法における各部波形図、図６は本発
明に依るボイラ制御装置先行制御方法シミュレーション
に用いた回路図、図７は本発明による制御装置先行制御
方法のシミュレーション結果を示した図である。

【００１２】図４において、１から１３の各装置は図１
に示したボイラ制御装置におけるものと同様である。ま
た、１４は微分器、１８′は微分器１４の出力にある倍
率を乗じる倍率器、１５は乗算器であり、これらは先行
制御信号発生器２１を構成する。さらに、１５′は乗算
器、１９は常時ある定数を出力する定数発生器、１７及
び１７′は減算器、２０はその入力が正の時１を負の時
０を出力するスイッチであり、これらは先行制御継続時
間発生器２２を構成する。１８はその入力にある倍率を
乗じる倍率器である。

【００１３】次にその動作について説明する。最初に、
先行制御信号発生器２１の動作について説明する。負荷
設定器１は、図５の１に示したようにステップ状の負荷
指令信号を発生する。次に、負荷設定器１の出力を入力
とし変化率制限器２より変化率を制限された負荷指令信
号（図５の２）が出力される。変化率制限器２の出力は
タービン加減弁制御装置４に与えられ、発電機出力と比
較のうえタービン加減弁を制御する。また、変化率制限
器２出力は加算器３において主蒸気圧力制御装置５の出
力と加算され、主蒸気圧力を制御する。一方、変化率制
限器２出力は微分器１４に与えられる。微分器１４は図
５の１４のような変化期間を出力する。さらに、微分器
１４の出力は倍率器１８′によりゲインを補正された
後、乗算器１５に与えられる。乗算器１５は、先行制御
継続時間のみ１を発生する先行制御継続時間設定器２２
中のスイッチ２０の出力（図５の２０）とゲイン補正さ
れた微分器出力とを乗算し、その出力は先行制御信号と
して加算器３′に加算される。

【００１４】次に、先行制御継続時間設定器２２の動作
について説明する。先行制御継続時間設定器２２は負荷
設定器１より負荷指令信号が出力された後、先行制御を
継続する期間のみ１を出力し、負荷増あるいは負荷減期
間の終了する時刻（図５，ｔ１あるいはｔ４）の任意時
間前（図５，ｔ５あるいはｔ６）に０を出力し先行制御
を終了する機能を持つ。先行制御を終了する時刻は、負
荷増あるいは負荷減期間の終了する時刻の何分前(図
５，Ｔ２)かを指定し定数設定器１９に設定する。乗算
器１５′は定数設定器１９の出力と変化率設定器２の変
化率設定値とを乗算し、減算器１７に与える。減算器１
７は負荷設定器１の出力から乗算器１５′の出力を減
じ、先行制御を終了する負荷を算出して出力する。減算
器１７′は減算器１７の出力から変化率設定器２の出力
を減じて出力する。スイッチ２０はその入力である減算
器１７′出力が正の時１を負の時０を出力するスイッチ
であり、先行制御を終了する負荷に達した時点で０を出
力する。

【００１５】次に、倍率器１８，１８′及び定数発生器
１９の設定方法を図６により説明する。図６は主蒸気温
度を比例積分（ＰＩ）制御する系に負荷指令信号による
燃焼量が先行的に加えられる場合を示したものである。
同図において、２４はラプラス変換された制御対象の伝
達関数であり、操作量、すなわち、燃焼量に対する主蒸
気温度の応答を表す。２５は同じくラプラス変換された
制御対象の伝達関数であり、外乱、すなわち、負荷変更
に対する主蒸気温度の応答を表す。今、変化率制限器２
を介した負荷指令値をラプラス変換した値をＤで表し、
１８，２１及び２２を表す伝達関数をまとめラプラス変
換しＦで表すとき、伝達関数Ｆは次式を満足するように
導出するのが望ましい。

【００１６】

【数１】

【００１７】したがって、数１より関数Ｆは次式のよう
に求められる。

【００１８】

【数２】

【００１９】今、２４及び２５で表される伝達関数がそ
れぞれ数３及び数４のように表されるとき、数２は数５
で表される。

【００２０】

【数３】

【００２１】

【数４】

【００２２】

【数５】

【００２３】ここに、数３は制御対象を一次遅れ＋むだ
時間系で近似することを示し、Ｋは係数、Ｔは時定数、
Ｌはむだ時間、ｓはラプラス演算子を表す。さらに、数
５は近似的に次式で表される。

【００２４】

【数６】

【００２５】したがって、数６で表される伝達関数Ｆを
実現するためには、倍率器１８は１／Ｋ、倍率器１８′
は（Ｔ＋Ｌ）／Ｋのように設定すれば良いことが分か
る。ここで問題となるのは制御対象の伝達関数の導出、
すなわち数３の導出であるが、これはステップ応答法な
ど従来手法により達成できる。

【００２６】次に、定数発生器１９の設定方法、すなわ
ち先行制御継続時間の設定であるが、これは負荷変化期
間終了時刻のむだ時間Ｌ前に数６中の微分を含む項を０
とすると良いことがシミュレーションにより明らかにな
った。これにより、定数発生器１９はむだ時間Ｌと設定
すれば良いことが分かる。

【００２７】本発明によるボイラ制御装置の先行制御方
法のシミュレーション結果を図７に示した。（ａ）はＰ
Ｉ制御のみによる主蒸気温度変動のシミュレーション結
果を、（ｂ）はＰＩ制御に加え数６で表される先行制御
を行った場合における主蒸気温度変動のシミュレーショ
ン結果を、（ｃ）はＰＩ制御に加え数６で表される先行
制御を行い、さらに負荷変化期間終了時刻のむだ時間Ｌ
前に数６中の微分を含む項を０とした場合の主蒸気温度
変動のシミュレーション結果を示したものである。全図
を通し、横軸は時間を、縦軸は負荷指令（Ａ）、燃焼量
（Ｂ）及び主蒸気温度（Ｃ）の各値を示している。図
（ａ）よりＰＩ制御のみの場合、負荷変化期間開始時及
び負荷変化期間終了時において主蒸気温度が大きく変動
することが分かる。また、図（ｂ）よりＰＩ制御に加え
数６で表される先行制御を行った場合には、負荷変化期
間開始時及び負荷変化期間終了時における主蒸気温度変
動は図（ａ）に比較して低減されることが分かる。さら
に、図（ｃ）よりＰＩ制御に加え数６で表される先行制
御を行い、負荷変化期間終了時刻のむだ時間Ｌ前に数６
中の微分を含む項を０とした場合、主蒸気温度変動は図
（ａ）及び（ｂ）に比較し大幅に低減されることが分か
る。

【００２８】以上、実施例１に示したボイラ制御方式に
よれば、負荷変化時における主蒸気温度変動を大幅に抑
制することができる。

【００２９】次に、図８及び図９により本発明の実施例
２について説明する。図８は本発明に依るボイラ制御装
置の別の先行制御方法を示した回路図、図９は本発明に
依るボイラ制御装置の別の先行制御方法における各部波
形図を示したものである。

【００３０】図８において、１６３及び１６４は負荷の
大きさに応じた信号を出力する関数発生器である。

【００３１】実施例１に示したように、倍率器１８及び
１８′の倍率はステップ応答法等の方法により求めた制
御対象の伝達関数から求められる。しかし、制御対象の
伝達関数中の係数Ｋ，Ｔ及びＬは負荷の高低により変化
する。このため、これを定数とし固定した場合、全ての
負荷領域で十分な制御性を得ることは困難である。そこ
で、本例では関数発生器１６３及び１６４により負荷指
令信号の高低に応じ倍率器１８及び１８′の倍率を補正
し（図９）全ての負荷領域で十分な制御性を確保した例
である。

【００３２】次に、図１０により本発明の実施例３につ
いて説明する。図１０は本発明に依るボイラ制御装置の
さらに別の先行制御方法における先行制御信号発生器を
示したものである。本例において、１４は微分器、１
５′，１５″及び１５′′′は乗算器、１８′及び１
８″は倍率器、１６４及び１６４′は関数発生器、２
７，２７′は信号制限器であり、２７は入力が正の時の
み、２７′は入力が負の時のみその入力をそのまま出力
する。実施例２に示したように、制御対象の伝達関数中
の係数Ｋ，Ｔ及びＬは負荷の高低により変化する。さら
に、これらの係数は負荷上げ時と負荷下げ時では異なる
場合がある。そこで、本例では関数発生器164及び１６
４′により負荷上げ時と負荷下げ時で別々に、負荷指令
信号の高低に応じ倍率器１８′及び１８″の倍率を補正
し全ての負荷領域で十分な制御性を確保した例である。
また、図１０に示した回路と同様の方法により図４及び
図８中に示した倍率器１８の倍率も負荷上げ時と負荷下
げ時で別々に補正できる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、負荷変化時における主
蒸気温度変動を大幅に抑制することができる。また、本
先行制御方法は主蒸気温度制御のみならず蒸気圧力制
御，空燃費制御等にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的なボイラ制御装置を示したブロック図。

【図２】(ａ)ボイラ制御装置における従来の先行制御方
法を示した回路図、及び（ｂ）その各部波形図。

【図３】ボイラ制御装置における従来の別の先行制御方
法を示した回路図、及び（ｂ）その各部波形図。

【図４】本発明に依るボイラ制御装置の先行制御方法を
示した回路図。

【図５】本発明に依るボイラ制御装置の先行制御方法に
おける各部波形図。

【図６】本発明に依るボイラ制御装置先行制御方法シミ
ュレーションに用いた回路図。

【図７】本発明による制御装置先行制御方法のシミュレ
ーション結果を示した説明図。

【図８】本発明に依る別のボイラ制御装置の先行制御方
法を示した回路図。

【図９】本発明に依るボイラ制御装置の別の先行制御方
法における各部波形図。

【図１０】本発明にさらに依る別のボイラ制御装置の先
行制御方法を示した回路図。

【符号の説明】

１…負荷設定器、２…変化率制限器、３…加算器、４…
タービン加減弁制御装置、５…主蒸気圧力制御装置、６
…主蒸気温度制御装置、７…給水量制御装置、８…燃焼
量制御装置、９…主蒸気圧力、１０…主蒸気温度、１１
…発電機出力、１２…給水量、１３…燃焼量、１４…微
分器、１５…乗算器、１６，１６３，１６４…関数発生
器、１７…減算器、１８…倍率器、１９…定数発生器、
２０…スイッチ、２１…先行制御信号発生器、２２…先
行制御継続時間設定器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 亨 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ボイラ負荷設定器、前記ボイラ負荷設定器
   の出力変更の際にこの出力を時間の経過と共に変化する
   信号とするための変化率制限器、前記変化率制限器の出
   力より前記ボイラの先行制御信号を求める手段、前記先
   行制御信号が前記ボイラに与えられる先行制御信号継続
   期間を出力する手段、前記変化率制限器出力を補正する
   手段、前記先行制御信号と前記補正された変化率制限器
   出力とよりその和を求める加算器、前記加算器の出力に
   よりボイラの操作量を操作する制御装置よりなるボイラ
   制御装置において、前記ボイラの先行制御信号を求める
   手段は、前記負荷変化率制限器出力が変化を持続してい
   る期間を検出する第一の手段と、前記第一の手段の出力
   を入力とし、前記第一の手段の出力を補正する第二の手
   段とよりなり、前記先行制御信号の継続期間を出力する
   手段は、前記変化率制限器の出力が前記負荷設定器出力
   に達する任意時間前に先行制御信号継続期間を終了する
   ことを特徴とするボイラの制御装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記ボイラの先行制御
   信号を求める手段は、前記負荷変化率制限器出力が変化
   を持続している期間を検出する第一の手段と、前記第一
   の手段の出力を入力とし、前記第一の手段の出力を補正
   する第二の手段とよりなり、前記先行制御信号の継続期
   間を出力する手段は、前記変化率制限器の出力が前記負
   荷設定器出力に達するボイラ応答特性のむだ時間前に先
   行制御信号継続期間を終了するボイラの制御装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記変化率制限器の出
   力を補正する手段及び、前記第一の手段の出力を補正す
   る前記第二の手段の出力を負荷に応じて補正する手段を
   設けたボイラの制御装置。
4. 【請求項４】請求項１において、前記ボイラの先行制御
   信号を求める手段は、前記負荷変化率制限器の出力が変
   化を持続している期間を検出する第一の手段と、前記第
   一の手段の出力を入力とし、前記第一の手段の出力を補
   正する第二の手段とよりなり、前記第二の手段は負荷上
   昇時と負荷下降時で異なる補正を行うボイラの制御装
   置。
5. 【請求項５】ボイラ負荷設定器、前記ボイラ負荷設定器
   出力変更の際にこの出力を時間の経過と共に変化する信
   号とするための変化率制限器、前記変化率制限器出力よ
   り前記ボイラの先行制御信号を求める手段、前記先行制
   御信号が前記ボイラに与えられる先行制御信号継続期間
   を出力する手段、前記変化率制限器出力を補正する手
   段、前記先行制御信号と前記補正された変化率制限器出
   力とよりその和を求める加算器、前記加算器出力により
   ボイラの操作量を操作する制御装置よりなるボイラ制御
   装置において、前記ボイラの先行制御信号を求める手段
   は、前記負荷変化率制限器出力が変化を持続している期
   間を検出する第一の手段と、前記第一の手段の出力を入
   力とし、前記第一の手段の出力を補正する第二の手段と
   よりなり、前記先行制御信号の継続期間を出力する手段
   は、前記変化率制限器の出力が前記負荷設定器の出力に
   達する任意時間前に先行制御信号継続期間を終了するこ
   とを特徴とするボイラの制御方法。