JPH0830337A - 熱交換器制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 出力変化時においても、計画値に沿う温度変
化特性が得られる熱交換器制御システムを提供する。 【構成】 胴１の内部に伝熱管温度センサ２６を設け、
伝熱管２の金属温度Ｔmを伝送線２７を介して制御装置
１５へ送る。また、胴１の１次流体出口部に温度センサ
２４を設け、温度計測値Ｔ1aを伝送線２５を介して制御
装置１５へ送る。更に、胴１の２次流体の出口部分にも
温度センサ２８を設け、温度計測値Ｔ2aを伝送線２９を
介して制御装置１５へ送る。制御装置１５は、各センサ
２６，２４，２８により計測された伝熱管温度Ｔm 、１
次側出口温度Ｔ1a、２次側出口温度Ｔ2aを各々負帰還
し、これらを総合して１次流体の流量ｗ1 の設定値ｗ1
^* を算定する。この１次流体流量ｗ1 の設定値ｗ1 ^* に
基づいて１次流体の流量が制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、火力・原子力プラント
等において用いられる熱交換器制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、火力・原子力プラント等におい
て、冷却系等に設けられている熱交換器制御システム
は、図５及び図６に示すように構成されている。即ち、
制御対象の熱交換器は、図５に示すように胴１の中を１
次流体が流れ、伝熱管２の中を２次流体が流れる構成を
有し、１次流体と２次流体は伝熱管２を介在して熱交換
するようになっている。

【０００３】上記１次流体は、外部のポンプ３により送
り出され、配管４を通して胴１に流入し、胴１内で伝熱
管２を介して２次流体と熱交換した後で、配管５を通し
て流出する。２次流体は、ポンプ６により送り出され、
配管７を通して伝熱管２に流入する。この２次流体は、
伝熱管２を介して１次流体と熱交換した後に、配管８を
通して流出する。

【０００４】ここで制御装置１５は、１次流体の流量設
定値ｗ1 ^* を与え、伝送線１６を介して１次流量制御系
へ送る。１次流量制御系は、流量計９による流量信号ｗ
1 を伝送線１０を介してフィードバックし、減算器１１
に入力する。また、この減算器１１には、上記伝送線１
６を通して流量設定値ｗ1 ^* が入力され、次式（１）に
より流量の制御偏差Δｗ1 が計算される。

【０００５】 Δｗ1 ＝ｗ1 ^* −ｗ1 …（１） この（１）式により求めた制御偏差Δｗ1 は、伝送線１
２により制御器１３へ入力される。この制御器１３は、
（２）式に例示する周知の比例積分制御演算を行ない、
ポンプ速度設定信号Ｓ1 ^* を算出する。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、Ｋ1 ：比例ゲイン Ｔ1 ：積分定数 上記制御器１３により算出されたポンプ速度設定信号Ｓ
1 ^* は、伝送線１４を介してポンプ３に送られる。これ
によりポンプ３の速度がＳ1 に追従するように調節さ
れ、それに伴い胴内を流れる１次流体の流量が調節され
る。ポンプ速度の加減に関しては、周知の回転速度制御
で行なうことができるので、特に例示はしない。

【０００８】以上のように構成された流量制御系によれ
ば、公知の負帰還制御理論に基づき、１次流体の流量ｗ
1 は設定値ｗ1 ^* に常に一致するように制御される。次
に制御装置１５は、２次流量設定値ｗ2 ^* も与え、伝送
線２３を通して２次流体の流量制御系へ伝える。２次流
体の流量ｗ2 の制御は、前述の１次流体の制御と同様に
負帰還制御に基づいて行なわれ、流量ｗ2 は設定値ｗ2
^* に一致するように制御される。ここで２次流体流量ｗ
2 の制御系は、流量計１７、減算器１９、制御器２１並
びに伝送線２３，１８，２０，２２から構成される。

【０００９】上記のように従来の制御システムでは、上
記の流量設定値ｗ1 ^* ，ｗ2 ^* を制御装置１５により決
定して与えている。この制御装置１５の従来の代表的な
構成例を図６に示す。熱交換器の熱交換量の要求値を出
力設定Ｑ^* として設定器３０で与え、伝送線３１を介し
て関数発生器３２へ入力する。関数発生器３２では、１
次流体の流量ｗ1 の出力レベルＱの設定に対する計画値
ｗ1 を発生する。このようにして発生された流量設定値
ｗ1 ^* は、伝送線１６を通して流量制御系へ送られる。

【００１０】次に２次流体の流量設定値ｗ2 ^* も、１次
流体に関する方法と同様にして関数発生器３５で発生す
る。出力設定Ｑ^* は、伝送線３４を介して入力され、ま
た、関数発生器３５による設定値ｗ2 ^* は、伝送線２３
を通して流量制御系へ送られる。

【００１１】上記のようにして制御装置１５により流量
設定値ｗ1 ^* ，ｗ2 ^* が与えられると、前述の１次、２
次流体の各流量制御系の作用により、実際の流量ｗ1 と
ｗ2は設定値に一致するように制御される。熱交換器の
部分出力特性は、流量特性は図６、温度特性は図７に例
示されるものである。両図に示されるように静的な特性
は、出力Ｑの関数として一義的に定まる。従って、流量
ｗ1 とｗ2 及び入口温度を計画値に沿って与えるとき、
１次側出口温度Ｔ1a、伝熱管温度Ｔm 、２次側出口温度
Ｔ2aは計画値に一致する。

【００１２】従来の制御システムでは、上記の部分出力
特性に基づいて計画的な出力変化を行なっている。従来
の出力変化状況の一例として、ランプ状の出力減少のケ
ースを図８に示す。この図８では、横軸に時間、縦軸に
温度、流量をとり、１次側熱交換器入口温度Ｔ1e、２次
側熱交換器出口温度Ｔ2a、１次流体流量ｗ1 、２次流体
流量ｗ2 、１次側熱交換器出口温度Ｔ1aの変化について
示したものである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来の制御システムに
は、温度応答が計画値からずれるという問題があり、図
８に例示した出力変更特性にも現れている。図８の例で
は２次側の出口温度が計画値を上回っている。その原因
は、出力変化率が比較的に速い場合に、熱交換器の動的
特性が静的特性と異なることによる。

【００１４】熱交換器内部の温度分布形状は、出力に応
じて異なっており、このため出力が変化すると、各部の
温度レベルが変化する。その際に熱交換器が保有する熱
量の器外への放出、又は吸収が生じ、それが出口温度の
変動となって現出する。このために出力変化時の温度の
変化は、部分出力特性に沿う準定常的なものとはなら
ず、図８に示されるように計画線からはずれた軌跡をた
どる。

【００１５】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、上記の問題点を解消し、出力変化時においても、計
画値に沿う温度変化特性が得られる熱交換器制御システ
ムを提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る熱交換器制
御システムは、胴の中を流れる１次流体と伝熱管の中を
流れる２次流体との間で熱交換を行なう熱交換器と、２
次流体流量設定値に基づいて上記２次流体の流量を制御
する手段と、上記１次流体の出口部の温度を計測する第
１の温度センサと、上記伝熱管の温度を計測する第２の
温度センサと、上記２次流体の出口部分の温度を計測す
る第３の温度センサと、上記第１ないし第３の温度セン
サにより計測された１次側出口温度、伝熱管温度、２次
側出口温度を各々負帰還し、これらの負帰還量を総合し
て１次流体流量の設定値を算定する算定手段と、この算
定手段により算定された設定値に基づいて上記１次流体
の流量を制御する制御手段とを具備したことを特徴とす
る。

【００１７】

【作用】熱交換器の内部の温度変化が流動により伝播し
て出口部の温度変化として現れることから、内部の温度
変化を抑制するのが効果的なため、内部の温度の代表と
して中央部の伝熱管温度を検出し、その制御偏差を負帰
還する。

【００１８】加えて、１次流体出口部温度及び２次流体
出口部温度自身も制御偏差を負帰還する。以上３者の負
帰還量を総合することにより、１次流体流量を調節す
る。これにより熱交換器は、全体的に温度偏差が発生し
難くなり、計画値に良く追従した動的特性により出力変
更を行なうことができる。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。図１は本発明の一実施例に係る熱交換器制御シ
ステムの構成図、図２は制御装置部分の詳細を示す構成
図である。なお、図５に示した熱交換器制御システムと
同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【００２０】図１に示すように制御対象の熱交換器は、
胴１の中を１次流体が流れ、伝熱管２の中を２次流体が
流れる構成を有し、１次流体と２次流体は伝熱管２を介
して熱交換を行なう。

【００２１】上記１次流体は、外部のポンプ３により送
り出され、配管４を通して胴１に流入し、伝熱管２を介
して２次流体と熱交換した後で、配管５を通して流出す
る。２次流体は、ポンプ６により送り出され、配管７を
通して伝熱管２に流入する。伝熱管２を介して１次流体
と熱交換した後で、２次流体は配管８を通して流出す
る。

【００２２】そして、制御装置１５は、２次流体の流量
設定値ｗ2 ^* を伝送線２３を介して２次流通制御系へ送
る。２次流通制御系は、流量計１７による流量信号ｗ2
を伝送線１８を介して負帰還（フィードバック）し、減
算器１９により上記流量設定値ｗ2 ^* と流量信号ｗ2 と
の制御偏差Δｗ2 を求める。この制御偏差Δｗ2 は、伝
送線２０により制御器２１へ入力されて比例積分制御演
算が行なわれ、ポンプ速度設定信号Ｓ2 ^* が算出され
る。このポンプ速度設定信号Ｓ2 ^* に追従してポンプ６
の速度が調節され、それに伴い伝熱管２を流れる２次流
体の流量が調節される。

【００２３】また、制御装置１５は、１次流体の流量設
定値ｗ1 ^* を伝送線１６を通して１次流体の流量制御系
へ伝える。１次流体の流量制御系は、流量計９、減算器
１１、制御器１３並びに伝送線１０，１２，１４からな
り、１次流体流量ｗ1 の制御は、２次流量制御と同様に
負帰還制御理論に基づいて行なわれる。

【００２４】そして、本発明に係る熱交換器制御システ
ムでは、特に図１に示すように胴１の内部に伝熱管温度
センサ２６を設け、伝熱管２の金属温度Ｔm を伝送線２
７を介して制御装置１５へ送る。また、胴１の１次流体
出口部に温度センサ２４を設け、温度計測値Ｔ1aを伝送
線２５を介して制御装置１５へ送る。更に、胴１の２次
流体の出口部分にも温度センサ２８を設け、温度計測値
Ｔ2aを伝送線２９を介して制御装置１５へ送る。

【００２５】制御装置１５は、温度センサ２４により計
測された１次側出口温度Ｔ1a、伝熱管温度センサ２６に
より計測された伝熱管温度Ｔm 、温度センサ２８により
計測された２次側出口温度Ｔ2aを各々負帰還し、これら
を総合して１次流体の流量ｗ1 の設定値ｗ1 ^* を算定す
る。本実施例では、２次流体流量ｗ2 の設定値ｗ2
^*は、従来と同様に部分出力特性による計画値として設
定している。

【００２６】上記制御装置１５は、図２に示すように構
成される。２次流体量については、関数発生器３２で設
定し、伝送線２３により流量制御系へ伝える。１次流体
流量については、関数発生器３５による部分出力特性値
ｗ1 ^**を伝送線３６を介して加算器３７に入力し、これ
に修正量Ｄｗ1 を加算することにより修正して設定値ｗ
1 ^* を算出する。そして、この設定値ｗ1 ^* を伝送線１
６を介して１次流量制御系へ伝える。次式（２）は、上
記設定値ｗ1 ^* を算出するための式を示したものであ
る。

【００２７】 ｗ1 ^* ＝ｗ1 ^**＋Ｄｗ1 …（２） 上記修正量Ｄｗ1 は次のようにして求めている。出力設
定値Ｑ^* は設定器３０で与え、伝送線３８を介して関数
発生器３９に伝える。この関数発生器３９は、１次側出
口温度Ｔ1aの部分出力特性値Ｔ1a^* をＱ^* の関数として
発生し、伝送線４０を介して減算器４１へ入力する。ま
た、この減算器４１には、１次流体出口部の温度計測値
Ｔ1aを伝送線２５を介して入力し、次式により偏差ΔＴ
1aを算出する。

【００２８】 ΔＴ1a＝Ｔ1a^* −Ｔ1a …（３） 偏差ΔＴ1aは、伝送線４２を介して制限器４３へ入力さ
れ、制限を受けた後、伝送線４４を介して係数器４５へ
入力される。この係数器４５により係数ｋ1 を乗じた
後、伝送線４６を介して加算器６５へ入力する。これが
修正成分ｖ1 である。

【００２９】次に出力設定値Ｑ^* は、設定器３０から伝
送線４７を介して関数発生器４８へ伝える。この関数発
生器４８は、伝熱管温度Ｔm の部分出力特性値Ｔm ^* を
Ｑ^*の関数として発生し、伝送線４９を介して減算器５
０へ入力する。減算器５０へは、伝熱管温度センサ２６
による計測値Ｔm も伝送線２７を介して入力され、次式
により偏差ΔＴm が算出される。

【００３０】 ΔＴm ＝Ｔm ^* −Ｔm …（４） この偏差ΔＴm は、伝送線５１を介して制限器５２へ入
力され、制限を受けた後、伝送線５３を介して係数器５
４へ入力される。この係数器５４により係数ｋ2 乗じた
後、伝送線５５を介して加算器６５へ入力される。この
入力値が修正成分ｖ2 である。

【００３１】また、出力設定値Ｑ^* は伝送線５６を介し
て関数発生器５７へ伝えられる。この関数発生器５７
は、２次出口温度Ｔ2aの部分出力特性値Ｔ2a^* を出力設
定値Ｑ^* の関数として発生し、伝送線５８を介して減算
器５９へ入力される。この減算器５９には、２次出口温
度Ｔ2aも伝送線２９を介して入力され、次式（５）によ
り偏差ΔＴ2aが算出される。

【００３２】 ΔＴ2a＝Ｔ2a^* −Ｔ2a …（５） 上記偏差ΔＴ2aは、伝送線６０を介して制限器６１へ入
力されて制限を受けた後、伝送線６２を介して係数器６
３へ入力される。この係数器６３により係数ｋ3 を乗じ
た後、伝送線６４を介して加算器６５へ入力される。こ
の入力値が修正成分ｖ3 である。

【００３３】上記修正成分ｖ1 ，ｖ2 ，ｖ3 は、加算器
６５にて次式（６）に示すように加算されて操作量Ｄｗ
1 となり、伝送線６６を介して加算器３７へ伝えられ
る。 Ｄｗ1 ＝ｖ1 ＋ｖ2 ＋ｖ3 …（６） 本実施例の制御ロジック中でゲインｋ1 ，ｋ2 ，ｋ2 を
用いているが、その決定方法の一例を具体例として以下
に示す。熱交換器を図３に示すような熱交換モデルで表
すと、熱交換に関する動特性は熱収支を表す次の常微分
方程式で記述される。

【００３４】 Ｖ1 Ｇ1 Ｃ1 ｄＴ1a／ｄｔ＝−Ａ1 Ｕ1 ［（Ｔ1e＋Ｔ1a）／２−Ｔm ］ ＋ｗ1 Ｃ1 （Ｔ1e−Ｔ1a） …（７） Ｖm Ｇm Ｃm ｄＴm ／ｄｔ＝Ａ1 Ｕ1 ［（Ｔ1e＋Ｔ1a）／２−Ｔm ］ −Ａ2 Ｕ2 ［Ｔm −（Ｔ2e＋Ｔ2a）／２］ …（８） Ｖ2 Ｇ2 Ｃ2 ｄＴ2a／ｄｔ＝Ａ2 Ｕ2 ［Ｔm −（Ｔ2e＋Ｔ2a）／２］ ＋ｗ2 Ｃ2 （Ｔ2e−Ｔ2a） …（９） 但し、記号の意味は、ｔ…時間 Ｔ…温度 ｗ…流量 Ａ…伝熱面積 Ｕ…熱貫流率 Ｇ…比重量 Ｃ…比熱 Ｖ…容積 また添字は、１…１次側 ２…２次側 ｍ…伝熱管 ０…定常値 ｅ…入口 ａ…出口 上記（７）式〜（９）式までを線形化して整理すること
により、次に示す状態方程式表現、（１０）式〜（１
２）式が得られる。

【００３５】

【数２】

【００３６】但し、変数器号の前に付したＤは微小偏差
を示している。係数行列要素は、次の通りである。 ａ11＝Ａ1 Ｕ1 ／２Ｖ1 Ｇ1 Ｃ1 −ｗ10／Ｖ1 Ｇ1 …（１１−１） ａ12＝Ａ1 Ｕ1 ／Ｖ1 Ｇ1 Ｃ1 …（１１−２） ａ13＝０ …（１１−３） ａ21＝Ａ1 Ｕ1 ／２Ｖm Ｇm Ｃm …（１１−４） ａ22＝−（Ａ2 Ｕ2 ＋Ａ1 Ｕ1 ）／Ｖm Ｇm Ｃm …（１１−５） ａ23＝Ａ2 Ｕ2 ／２Ｖm Ｇm Ｃm …（１１−６） ａ31＝０ …（１１−７） ａ32＝Ａ2 Ｕ2 ／Ｖ2 Ｇ2 Ｃ2 …（１１−８） ａ33＝−Ａ2 Ｕ2 ／２Ｖ2 Ｇ2 Ｃ2 −ｗ20／Ｖ2 Ｇ2 ｝ …（１１−９） ｂ1 ＝（Ｔ1e0 −Ｔ1a0 ）／Ｖ1 Ｇ1 …（１２−１） ｂ2 ＝０ …（１２−２） ｂ3 ＝０ …（１２−３） 最適レギュレータ設計上の評価関数は、次式（１３）を
適用する。

【００３７】

【数３】

【００３８】最適レギュレータのフィードバックゲイン
行列Ｋは、リカッチ方程式を解いて得られることは周知
の通りであり、これを用いると、（１０）式〜（１３）
式の定式化の場合では、最適制御則は次式により計算さ
れる。

【００３９】

【数４】

【００４０】この（１４）式中のｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 を、
本実施例では好適なゲインとして適用できる。更に、図
２で示した１次流量設定値発生回路の中の係数器４５，
５４，６３で用いる各係数として、ｋ1 ，ｋ2 ，ｋ3 を
適用できる。

【００４１】このようにして構成した本発明の熱交換器
制御システムによれば、図４に制御結果の一例を示すよ
うに、熱交換器の１次側出口温度、伝熱管金属温度、及
び２次側出口温度のいずれに関しても制御偏差が発生し
ないように、１次流体流量ｗ1 が修正量Δｗ1 により適
切に調節され、計画に近い各温度の変更特性が得られ、
熱交換器の出力変更時の動的な特性が良好になる。上記
図４は、ランプ状の出力変更時における１次側熱交換器
入口温度Ｔ1e、２次側熱交換器出口温度Ｔ2a、伝熱管平
均温度Ｔm 、１次流体流量ｗ1 、２次流体流量ｗ2 、１
次側熱交換器出口温度Ｔ1a、１次流量修正操作量Δｗ1
の過渡応答特性を示したものである。

【００４２】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、計
画値に近い部分出力特性に沿った熱交換器各部の過渡変
化特性が得られ、出力変更時の温度変動を低減して熱交
換器を含むプラントの運転特性を向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る熱交換器制御システム
の構成図。

【図２】同実施例における制御装置の詳細を示構成図。

【図３】同実施例における熱交換モデルを示す図。

【図４】同実施例における制御特性を示す過渡応答図。

【図５】従来の熱交換器制御システムの構成図。

【図６】図５における制御装置の詳細を示す構成図。

【図７】図５における部分出力特性図。

【図８】従来の制御システムの制御特性を示す過渡応答
図。

【符号の説明】

１…胴、２…伝熱管、３…ポンプ、４，５…配管、６…
ポンプ、７，８…配管、９…流量計、１０，１２，１４
…伝送線、１１…減算器、１５…制御装置、１６，１８
…伝送線、１７…流量計、１９…減算器、２０，２１，
２２，２３…伝送線、２１…制御器、２４…温度セン
サ、２５，２７…伝送線，２６…伝熱管温度センサ、２
８…温度センサ、２９，３１…伝送線、３０…設定器、
３２，３５…関数発生器、３４，３６…伝送線、３７…
加算器、３８，４０…伝送線、３９…関数発生器、４１
…減算器、４２，４４…伝送線、４３…制限器、４５…
係数器、４６，４７，４９…伝送線、４８…関数発生
器、５０…減算器、５１，５３…伝送線、５２…制限
器、５４…係数器、５５，５６…伝送線、５７…関数発
生器、５８，６０…伝送線、５９…減算器、６１…制限
器、６２，６４，６６…伝送線、６３…係数器、６５…
加算器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 胴の中を流れる１次流体と伝熱管の中を
   流れる２次流体との間で熱交換を行なう熱交換器と、 ２次流体流量設定値に基づいて上記２次流体の流量を制
   御する手段と、 上記１次流体の出口部の温度を計測する第１の温度セン
   サと、 上記伝熱管の温度を計測する第２の温度センサと、 上記２次流体の出口部分の温度を計測する第３の温度セ
   ンサと、 上記第１ないし第３の温度センサにより計測された１次
   側出口温度、伝熱管温度、２次側出口温度を各々負帰還
   し、これらの負帰還量を総合して１次流体流量の設定値
   を算定する算定手段と、 この算定手段により算定された設定値に基づいて上記１
   次流体の流量を制御する制御手段とを具備したことを特
   徴とする熱交換器制御システム。