JPH076602B2 - ボイラー温度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、ボイラー温度制御装置に関し、さらに詳し
く言うと、たとえば発電プラント等に設置されると共に
前段過熱器と最終過熱器とを備えたボイラーにおける、
前記最終過熱器から出て来る高温高圧の蒸気温度を正確
に制御することのできるボイラー温度制御装置に関す
る。

［従来の技術および発明が解決する課題］ 発電プラントは、ボイラーたとえば貫流型ボイラーで発
生した高温高圧の蒸気で発電タービンを回転させて発電
を行なっている。

この貫流型ボイラーでは、火炉水冷壁で発生した蒸気を
前段過熱器および最終過熱器でさらに高温高圧の蒸気に
する。

従来、前記最終過熱器の出口におけるこの高温高圧の蒸
気温度は、通常、燃料の流量の制御、および、前段過熱
器と最終過熱器との間に介装された過熱器減温器からの
冷却スプレーの流量の制御のいずれかあるいは両方によ
り、制御される。

燃料の流量の制御は、例えばフィードバック制御によ
り、次のようにして行なわれる。たとえば、第６図に示
すように、給水流量指令信号１を関数発生器２に入力
し、この関数発生器２により、最終過熱器の出口におけ
る蒸気温度が目標設定値になるように、燃料の基準流量
を指示する基準流量指令信号３が出力される。一方、最
終過熱器の出口における蒸気温度を検出した蒸気温度検
出信号４および蒸気温度の前記目標設定値を示す設定値
信号５が減算器６に入力されてその偏差が求められ、減
算器から出力される前記偏差７をPI演算器８に入力し
て、前記偏差７が零になるように比例・積分演算し、補
正信号９を出力する。前記基準流量指令信号３とこの補
正信号９とが加算器10に入力され、加算器10から、燃料
の流量を指示する燃料流量指令信号11が、燃料流量制御
器12に出力され、この燃料流量制御器12からの制御信号
13により、燃料の流量を調節する燃料流量調節弁14の駆
動手段15に出力され、これによって、燃料の流量が調整
される。

前記冷却スプレーの流量制御はたとえば次のようにして
行なわれる。たとえば、第７図に示すように、最終過熱
器の出口蒸気温度16と最終過熱器出口温度についての目
標設定値17とを減算器18に入力してその偏差19を算出
し、その偏差19をPI演算器20に入力してその偏差が零に
なるように比例・積分演算して、過熱器減温器の出口に
おける蒸気温度についての設定値21を作成し、その設定
値21と実際の過熱器減温器の出口における蒸気温度22と
を減算器23に入力してその偏差24を求め、さらにその偏
差24をPI演算器25に入力してその偏差が零になるように
比例・積分演算し、前段過熱器から最終過熱器に送る蒸
気に注入する冷却スプレーの注入量を指示する制御信号
26を出力する。この制御信号26は、注入量を調節するス
プレー調節弁35の駆動手段27に出力され、これによっ
て、冷却スプレーの注入量が調整される。

この制御方式の基本は、最終過熱器の出口における蒸気
温度を検出してから燃料の流量や前記冷却スプレーの注
入量を制御するフィードバック制御であるが、燃料の流
量や冷却スプレーの注入量の変化に対する蒸気温度の変
化は、応答時定数が長くて、しかも大きな無駄時間を含
むので、発電プラントにおける急速、かつ大幅な負荷変
動に対して最終過熱器の出口における蒸気温度を正確に
制御することができない。

そこで、応答時定数が長く、かつ大きな無駄時間要素を
含むようなプロセスでは、制御量に対して先行的に変化
するプロセス状態量に基ずく先行制御が有効であるとし
て、たとえば、燃料の流量の制御については、第８図に
示すように、プロセス状態量の微分値信号28と第６図に
示す補正信号９とを加算器29に入力することにより、プ
ロセス状態量の変化により将来的に発生する状態を補正
した制御信号9Aを第６図における加算器10に出力するよ
うにしている。なお、第８図において、30で示すのはプ
ロセス状態量を示す信号を微分する微分器である。ま
た、冷却スプレーの注入量の制御については、第９図に
示すように、プロセス状態量の微分値信号28と第７図に
示す制御信号26とを加算器29に入力することにより、プ
ロセス状態量の変化により将来的に発生する状態を補正
した制御信号26Aを第７図における駆動手段27に出力す
るようにしている。なお、第９図において、30で示すの
はプロセス状態量を示す信号を微分する微分器である。

このような最終過熱器の出口蒸気温度は、プロセス状態
量の微分値信号を用いることにより、ある程度正確な制
御を図ることができる。

しかしながら、微分値信号はフィードバック制御動作と
は拮抗する信号で、この微分値信号自体をプロセスの動
特性と正確に一致させ、制御偏差を常に零になるように
加算することができれば何ら問題にならないのである
が、実際上このような微分値信号を作成することは極め
て困難である。先行制御は将来のプロセスの動きを予測
しながらの制御であり、一方、フィードバック制御は現
状のプロセスの動きに追随する制御であるから、この先
行制御とフィードバック制御とは互いに拮抗し合うので
ある。この拮抗を避けるためには、先行制御を弱くさざ
るを得ず、そうすると、先行制御を設ける意味が希薄に
なる。

［前記課題を解決するための手段］ 前記課題を解決するためのこの発明は、燃料の燃焼によ
りボイラー水を加熱することにより発生する蒸気を前段
過熱器と最終過熱器とでさらに過熱して高温高圧の蒸気
を発生するボイラーに設けられると共に、前記高温高圧
の蒸気の温度をフィードバック制御するフィードバック
制御部を備えたボイラー温度制御装置において、最終過
熱器の出口における蒸気温度に対して先行して変化する
プロセス状態量に対して１回目の微分を行い、１回目の
微分によって得られた信号の負の部分をカットした信号
に対して２回目の微分を行い、２回目の微分の結果得ら
れた信号の正の部分と、１回目の微分によって得られた
信号の正の部分をカットした信号に対して２回目の微分
を行い、２回目の微分の結果得られた信号の負の部分と
を加算してなる先行信号と前記フィードバック制御部か
ら出力される信号とを加算した制御信号を入力して燃料
供給量を制御する燃料供給制御部とを備えてなることを
特徴とするボイラー温度制御装置であり、 燃料の燃焼によりボイラー水を加熱することにより発生
する蒸気を前段過熱器と最終過熱器とでさらに過熱して
高温高圧の蒸気を発生するボイラーに設けられると共
に、前記高温高圧の蒸気の温度をフィードバック制御す
るフィードバック制御部を備えたボイラー温度制御装置
において、最終過熱器の出口における蒸気温度に対して
先行して変化するプロセス状態量に対して１回目の微分
を行い、１回目の微分によって得られた信号の負の部分
をカットした信号に対して２回目の微分を行い、２回目
の微分の結果得られた信号の正の部分と、１回目の微分
によって得られた信号の正の部分をカットした信号に対
して２回目の微分を行い、２回目の微分の結果得られた
信号の負の部分とを加算してなる先行信号と前記フィー
ドバック制御部から出力される信号とを加算した制御信
号を入力して、前記前段過熱器と最終過熱器との間に設
けられた過熱器減温器のスプレー量を制御するスプレー
量制御部とを有することを特徴とするボイラー温度制御
装置であり、 燃料の燃焼によりボイラー水を加熱することにより発生
する蒸気を前段過熱器と最終過熱器とでさらに過熱して
高温高圧の蒸気を発生するボイラーに設けられると共
に、前記高温高圧の蒸気の温度をフィードバック制御す
るフィードバック制御部を備えたボイラー温度制御装置
において、最終過熱器の出口における蒸気温度に対して
先行して変化するプロセス状態量に対して１回目の微分
を行い、１回目の微分によって得られた信号の負の部分
をカットした信号に対して２回目の微分を行い、２回目
の微分の結果得られた信号の正の部分と、１回目の微分
によって得られた信号の正の部分をカットした信号に対
して２回目の微分を行い、２回目の微分の結果得られた
信号の負の部分とを加算してなる先行信号と前記フィー
ドバック制御部から出力される信号とを加算した制御信
号を入力して、燃料供給量を制御する燃料供給制御部、
および前記前段過熱器と最終過熱器との間に設けられた
過熱器減温器のスプレー量を制御するスプレー量制御部
を有することを特徴とするボイラー温度制御装置であ
る。

［作用］ 前記構成によると、微分演算器で形成されたところの、
最終過熱器の出口における蒸気温度に対して先行して変
化するプロセス状態量に対して１回目の微分を行い、１
回目の微分によって得られた信号の負の部分をカットし
た信号に対して２回目の微分を行い、２回目の微分の結
果得られた信号の正の部分と、１回目の微分によって得
られた信号の正の部分をカットした信号に対して２回目
の微分を行い、２回目の微分の結果得られた信号の負の
部分とを加算してなる先行信号は、プロセス状態量の変
化発生時点からそのプロセス状態量の変化に基すくプロ
セス変動の応答までの期間において、フィードバック制
御信号と拮抗しないので、フィードバック制御への影響
を最小にしつつ、先行信号による先行制御をより強く有
効に動作させることができる。

［実施例］ （実施例１） 第１図は請求項１に記載の発明の一実施例としてのボイ
ラー温度制御装置を示すブロック図であり、第２図は前
記ボイラー温度制御装置を組み込んだ一例としての貫流
型ボイラー装置である。

第２図に示す貫流型ボイラー装置は、たとえば火力発電
プラントに設置されることのある装置である。

このボイラー装置にあっては、給水装置51から給水され
たボイラー水は火炉52の内部に設置された火炉水冷壁53
内に導入され、火炉水冷壁53内のボイラー水はバーナー
54により過熱され、火炉水冷壁53内で気化して蒸気にな
る。気化した蒸気は、火炉52内に配置された前段過熱器
56および最終過熱器57に送られてさらに高温高圧の蒸気
になってから、最終過熱器57の出口から発電タービン58
に誘導される。また、ボイラー装置には、最終過熱器57
の出口における蒸気温度を制御するために、前段過熱器
56から最終過熱器57へと蒸気を移送する配管途中に、過
熱器減温器59が介装され、スプレー調節弁60により、過
熱器減温器59により前記配管中に注入する冷却スプレー
の注入量が調節される。

このボイラー温度制御装置は、第１図に示すように、基
準流量指令部61と、フィードバック制御部62と、先行信
号制御部63と、燃料供給制御部64とを有する。

前記基準流量指令部61は、従来のと同様に、給水流量指
令信号を関数発生器に入力し、この関数発生器により、
最終過熱器57の出口における蒸気温度が設定値になるよ
うに、燃料の基準流量を指示する基準流量指令信号３を
出力する構成を有する。

フィードバック制御部62は、従来のと同様に、最終過熱
器57の出口における蒸気温度を検出した蒸気温度検出信
号４および蒸気温度検出信号４の目標設定値を示す設定
値信号５が減算器６に入力されてその偏差７が求めら
れ、減算器６から出力される前記偏差７をPI演算器８に
入力して、前記偏差７が零になるように比例・積分演算
し、補正信号９を出力する構成を有する。

先行信号制御部63は、最終過熱器57の出口における蒸気
温度検出信号４に対して先行して変化するプロセス状態
量65たとえば前段過熱器56の入口温度または過熱器減算
器59の入口温度を示す信号に対して１回目の微分を行
い、１回目の微分によって得られた信号の負の部分をカ
ットした信号に対して２回目の微分を行い、２回目の微
分の結果得られた信号の正の部分と、１回目の微分によ
って得られた信号の正の部分をカットした信号に対して
２回目の微分を行い、２回目の微分の結果得られた信号
の負の部分とを加算してなる先行信号66を出力する２回
微分器67を備える。

この２回微分器67は、第３図に示すように、プロセス状
態量65を入力してこれを微分する第１回微分器67aと、
第１回微分器67aから出力された第１回微分信号Ｂを０
と比較して正の微分値を選択する第１高選択器67bと、
第１高選択器67bから出力される正の微分信号Ｃをさら
に微分する第２回第１微分器67cと、第２回第１微分器6
7cから出力される信号Ｄを０と比較して正の信号Ｅを選
択する第２高選択器67dと、前記第１回微分信号Ｂを０
と比較して負を選択する第１低選択器67eと、第１低選
択器67eから出力さされる負の微分信号Ｆをさらに微分
する第２回第２微分器67fと、第２回第２微分器67fから
出力される信号Ｇを０と比較して負の信号Ｈを選択する
第２低選択器67gと、前記第２高選択器67dから出力され
る正の信号Ｅと前記第２低選択器67gから出力される負
の信号Ｈとを加算する加算器67hとを備えて構成され
る。

燃料供給制御部64は、第１図に示すように、前記フィー
ドバック制御部62から出力される補正信号９と前記２回
微分器67から出力される２回微分信号Ｉ（先行信号66）
とを加算する第１加算器68と、この第１加算器68から出
力される加算信号69および前記基準流量指令部61から出
力される基準流量指令信号３とを加算する第２加算器70
と、この第２加算器70から出力される燃料流量指令信号
71を入力して制御信号72を出力する燃料流量制御器12と
を備えて構成される。

上記構成のボイラー温度制御装置においては、従来と同
様にして、給水流量指令信号１を関数発生器２に入力
し、この関数発生器２により、最終過熱器57の出口にお
ける蒸気温度検出信号４が設定値になるように、燃料の
基準流量を指示する基準流量指令信号３が出力される。

一方、最終過熱器57の出口における蒸気温度を検出した
蒸気温度検出信号４および蒸気温度の目標設定値を示す
設定値信号５が減算器６に入力されてその偏差７が求め
られ、減算器６から出力される前記偏差７をPI演算器８
に入力して、前記偏差７が零になるように比例・積分演
算し、補正信号９を出力する。

この火力発電プラントが定常運転状態にあるときには、
プロセス状態量65の変化が無視可能な程度であるので、
前記補正信号９は前記第１加算器68を経由してもそのま
ま第２加算器70に入力する。

ところが、火力発電量の増加操作を開始すると、燃料供
給量およびボイラー水の供給量が増加することになり、
プロセス状態量65として、前段過熱器56の入口温度ある
いは過熱器減温器59の入口温度が大きく変動することに
なる。

そこで、プロセス状態量65たとえば過熱器減温器59の入
口温度を示す信号を２回微分器67に入力し、第４図に示
すように、この２回微分器67において、前記プロセス状
態量65が第１回微分器67aで微分されて第１回微分信号
Ｂになり、この第１回微分信号Ｂは第１高選択器67bで
負信号をカットされて信号Ｃになり、信号Ｃはさらに第
２回第１微分器67cで微分されて信号Ｄになり、この信
号Ｄは第２高選択器67dでさらに負部分をカットして正
の微分信号Ｅになる。一方、前記第１回微分信号Ｂは同
時に第１低選択器67eで正信号をカットされて信号Ｆに
なり、信号Ｆはさらに第２回第２微分器67fで微分され
て信号Ｇになり、この信号Ｇは第２低選択器67fでさら
に負部分をカットして正の微分信号Ｈになる。そして信
号Ｅと信号Ｈとは加算器67hで加算されて２回微分信号
Ｉに形成される。

この２回微分信号Ｉは、第１加算器68で、前記フィード
バック制御部62から出力される補正信号９と加算されて
第２加算器70に出力され、第２加算器70でさらに基準流
量指令信号３とを加算して、この第２加算器70から出力
される燃料流量指令信号71を入力する燃料流量制御器12
により、燃料流量調整弁14の駆動手段15を制御して燃料
供給量を調整する。

その結果、従来であれば、プロセス状態量65として、前
段過熱器56の入口温度あるいは過熱器減温器59の入口温
度が第５図における曲線ａのように変化すると、一定時
間後に最終過熱器57の出口温度も曲線ｂのように遅れて
変化するのであるが、この実施例では、１回微分信号Ｂ
をさらに微分して得られた２回微分信号Ｉを加算するの
で、２回微分信号Ｉが加算されている期間中は先行制御
が強調され、２回微分信号Ｉが零である期間中はフィー
ドバック信号が強調され、その結果としてフィードバッ
ク信号である補正信号９とこの２回微分信号Ｉとが強く
拮抗せずに燃料流量を調節することができる。

（実施例２） この実施例は本願請求項２に対応する実施例である。

この実施例では、過熱器減温器59における冷却スプレー
量がプロセス状態量65に応じて調整される。

このボイラー温度制御装置は、第７図に示すフィードバ
ック制御部と駆動手段27との間に、前記実施例１におけ
るのと同じ構成の先行制御部63から出力される２回微分
信号Ｉと前記フィードバック制御部から出力される制御
信号26とを加算する加算器を介在させて構成される。

冷却スプレーの制御は、前記実施例１における燃料流量
の制御と同様にして行なわれる。

（実施例３） この実施例は本願請求項３に対応する実施例である。

この実施例では、過熱器減温器59における冷却スプレー
量と燃料供給量とがプロセス状態量65に応じて調整され
る。

このボイラー温度制御装置は、第７図に示すフィードバ
ック制御部と駆動手段27との間に、前記実施例１におけ
るのと同じ構成の先行制御部63から出力される２回微分
信号Ｉと前記フィードバック制御部から出力される制御
信号26とを加算する加算器を介在させてなる第１制御部
と、前記１図に示す構成の第２制御部とで構成すること
ができる。

燃料供給量の制御と過熱器減温器の冷却スプレー量との
両方を制御することにより、プロセス状態量の急激な変
化に正確に追随して、最終過熱器の出口における蒸気の
温度を制御することができる。

［発明の効果］ この発明によると、フィードバック制御機能を損なわず
に先行制御をすることができ、応答時定数が長くかつ多
くの無駄時間要素を有するボイラーの蒸気温度制御を迅
速に、かつ状態変化に追随して正確に実行することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１に記載の発明の一実施例としてのボイ
ラー温度制御装置を示すブロック図であり、第２図は前
記ボイラー温度制御装置を組み込んだ一例としての貫流
型ボイラー装置であり、第３図は前記実施例における２
回微分器を示すブロック図であり、第４図はプロセス状
態量を示す信号が前記２回微分器で２回微分信号に整形
されるまでの信号波形の変化を示すタイムチャートであ
り、第５図はこの実施例装置の動作を示すタイムチャー
トであり、第６図〜第９図は従来のボイラー温度制御装
置を示すブロック図である。 56……前段過熱器、57……最終過熱器、62……フィード
バック制御部、65……プロセス状態量、66……先行信
号、64……燃料供給制御部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料の燃焼によりボイラー水を加熱するこ
   とにより発生する蒸気を前段過熱器と最終過熱器とでさ
   らに過熱して高温高圧の蒸気を発生するボイラーに設け
   られると共に、前記高温高圧の蒸気の温度をフィードバ
   ック制御するフィードバック制御部を備えたボイラー温
   度制御装置において、最終過熱器の出口における蒸気温
   度に対して先行して変化するプロセス状態量に対して１
   回目の微分を行い、１回目の微分によって得られた信号
   の負の部分をカットした信号に対して２回目の微分を行
   い、２回目の微分の結果得られた信号の正の部分と、１
   回目の微分によって得られた信号の正の部分をカットし
   た信号に対して２回目の微分を行い、２回目の微分の結
   果得られた信号の負の部分とを加算してなる先行信号と
   前記フィードバック制御部から出力される信号とを加算
   した制御信号を入力して燃料供給量を制御する燃料供給
   制御装置を備えてなることを特徴とするボイラー温度制
   御装置。
2. 【請求項２】燃料の燃焼によりボイラー水を加熱するこ
   とにより発生する蒸気を前段過熱器と最終過熱器とでさ
   らに過熱して高温高圧の蒸気を発生するボイラーに設け
   られると共に、前記高温高圧の蒸気の温度をフィードバ
   ック制御するフィードバック制御部を備えたボイラー温
   度制御装置において、最終過熱器の出口における蒸気温
   度に対して先行して変化するプロセス状態量に対して１
   回目の微分を行い、１回目の微分によって得られた信号
   の負の部分をカットした信号に対して２回目の微分を行
   い、２回目の微分の結果得られた信号の正の部分と、１
   回目の微分によって得られた信号の正の部分をカットし
   た信号に対して２回目の微分を行い、２回目の微分の結
   果得られた信号の負の部分とを加算してなる先行信号と
   前記フィードバック制御部から出力される信号とを加算
   した制御信号を入力して、前記前段過熱器と最終過熱器
   との間に設けられた過熱器減温器のスプレー量を制御す
   るスプレー量制御装置を有することを特徴とするボイラ
   ー温度制御装置。
3. 【請求項３】燃料の燃焼によりボイラー水を加熱するこ
   とにより発生する蒸気を前段過熱器と最終過熱器とでさ
   らに過熱して高温高圧の蒸気を発生するボイラーに設け
   られると共に、前記高温高圧の蒸気の温度をフィードバ
   ック制御するフィードバック制御部を備えたボイラー温
   度制御装置において、最終過熱器の出口における蒸気温
   度に対して先行して変化するプロセス状態量に対して１
   回目の微分を行い、１回目の微分によって得られた信号
   の負の部分をカットした信号に対して２回目の微分を行
   い、２回目の微分の結果得られた信号の正の部分と、１
   回目の微分によって得られた信号の正の部分をカットし
   た信号に対して２回目の微分を行い、２回目の微分の結
   果得られた信号の負の部分とを加算してなる先行信号と
   前記フィードバック制御部から出力される信号とを加算
   した制御信号を入力して、燃料供給量を制御する燃料供
   給制御装置、および前記前段過熱器と最終過熱器との間
   に設けられた過熱器減温器のスプレー量を制御するスプ
   レー量制御装置を有することを特徴とするボイラー温度
   制御装置。
4. 【請求項４】前記ボイラーが貫流型ボイラーである前記
   請求項１ないし３に記載のボイラー温度制御装置。
5. 【請求項５】前記ボイラーがドラム型ボイラーである前
   記請求項２に記載のボイラー温度制御装置。