JPH08338601A - ボイラ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 火炉ガス温度の過大／過小に係わる不具合に
対して適切な補正操作を行うことができるボイラ制御装
置を提供する。 【構成】 火炉ガス温度実測値と適当な基準値を比較
し、その偏差の変動の周波数に着目し、各火炉ガス温度
変動要因に対応する周波数帯ごとの成分（スペクトル）
により、バーナ燃焼状態、燃料量、スートブロワ時期、
オーバーファイアリングを調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボイラの制御装置に係
わり、特に多種多様な燃料を燃焼し、かつ、高速の負荷
変化時にあっても、常に該ボイラの過熱器、及び、再熱
器の蒸気温度の変動を低減するに好適な制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来技術によるボイラ装置と、そ
の制御回路の一例を示すものである。該ボイラ装置にあ
っては、給水１６は給水ポンプ３７から汽缶１７に供給
され、下降管１８を下り、ライザ２０を通って汽管１７
上部に蓄えられた後、過熱器連絡管２１を経て、過熱器
２９により過熱される。

【０００３】過熱器２９を出た蒸気は、蒸気供給ライン
３８より需要先に供給されるが、この時、蒸気温度検出
要素３１の信号と、蒸気温度設定要素３２による蒸気温
度目標値信号３３との偏差により、比例・積分要素３５
を用いて注水弁３６の開度を調整し、蒸気減温器３０で
の注水による蒸気温度制御を行う。

【０００４】一方、蒸気供給ライン３８の蒸気流量は少
量の注水弁３６による注水量を除けば、大半は火炉水壁
１９による蒸発により供給されるから、蒸気圧力は火炉
水壁１９の熱吸収量を支配する燃料流量調節弁９による
バーナ１１への燃料供給量を調節して蒸気圧力は制御で
きる。

【０００５】従って、蒸気圧力検出器２２の信号と蒸気
圧力設定信号２４の偏差２６をＰＩＤ調節器２７に与え
て燃料量補正信号１２となす。

【０００６】一般に、蒸気の需要先による蒸気量の抜き
出し量（以下、負荷という）の変化が緩慢であれば、以
上の構成により図３のボイラ装置において、要素３５、
要素２７を中核とする制御ループは、それぞれ、蒸気圧
力、温度を負荷に応じた所定値に保持する制御を良好に
実施できる。

【０００７】しかしながら、これらＰＩＤ調節器２７の
宿命として、該調節器２７の出力は制御偏差が発生しな
い限り変化することはない（負荷変化に応じて必要な燃
料量の増減をＰＩＤ調節器２７に求めれば、相応の制御
偏差を許容し、積分成分の変化を待たなければならな
い）から、負荷変化のように明らかに燃料量指令の変化
が必要な場合は、予め、負荷に応じた燃料量を負荷指令
１の関数要素２による静的先行信号５として与え、燃料
量変化分中のＰＩＤ調節器２７の負担を軽減して制御偏
差の拡大を避ける手法が常套されている。

【０００８】さらに、昨今、変圧運動と称し、負荷に応
じて蒸気圧力を変化させる運用が一般化しているが、こ
の場合、蒸気圧力の変化は飽和温度変化を伴い、汽缶１
７や水冷壁１９上部の内部流体温度やメタル温度を変化
させるので、当該熱量を賄うため、負荷上昇中は該変化
率に応じて過渡的な入熱増加（オーバーファイアリン
グ；負荷降下時の過渡的な入熱減少はアンダーファイア
リングという）を動的先行信号６で与え、同様に過渡的
燃料量変化分中のＰＩＤ調節器２７の負担を軽減して制
御偏差の拡大を避けている。

【０００９】即ち、基本的に負荷ごとの燃料量定常値は
静的先行信号５で、負荷変化時の燃料量の過不足は動的
先行信号６が担当し、補正信号１２は制御偏差が発生し
た際のバックアップと位置づける調整法にて、良好な負
荷変化性能の実現を目指している。

【００１０】図３のボイラ制御装置は、前述したよう
に、静的先行信号５、動的先行信号６が重要であるが、
前者が熱計算により容易に設定できるのに対し、後者は
解析的に実施することは困難である上、燃焼状況、火炉
水壁１９伝熱面の汚れ、燃料性状の変動（いわゆる燃料
比等の燃焼速度を与える性状等）に依存して最適な値が
変化する性質があるため、設定が難しい。

【００１１】しかも、熱容量の大きな汽缶１７や火炉水
壁１９上部の内部流体温度やメタル温度を、相対的に熱
容量の小さい燃焼ガスで変化させるのであるから、当該
効果に十分な動的先行信号（オーバー／アンダーファイ
アリングという）は火炉出口ガス２８の温度の大幅な変
化をもたらし、過熱器２９出口蒸気温度に外乱を与える
から、当該外乱が減温器３０への注水量の増減で吸収で
きる程度に収まるように配慮を要する。

【００１２】動的先行信号６を設定するに当たり、火炉
出口燃焼ガス２８の温度を計測できれば、動的先行信号
６の過不足を直ちに補正でき、極めて好都合である。

【００１３】しかし、ボイラ装置の火炉出口燃焼ガス２
８の温度は１２００℃程度となるが、当該温度の計測に
は熱電対を始めとする接触式計測は耐久力がなく、ま
た、強い輻射を受けて誤差を生じるため、実際上、音響
式ガス温度計測（音速のガス温度依存性に着目；非接触
式で空間的な平均温度が得られる）のみが有力な方法で
ある。

【００１４】本発明者は先願発明により、炉内雑音の悪
影響を受けにくい音響式ガス温度計測の信号処理法を提
供し、火炉出口燃焼ガス２８の温度の情報を反映したボ
イラ制御を可能とした。

【００１５】図４は当該未公開の先願発明の構成を示す
ものであり、これは、常時、ガス温度の計測値を基準値
と比較し、その偏差の正負、程度により燃焼状況、火炉
１９伝熱面の汚れ、燃料性状の変動を総合的に考慮して
前述の動的先行制御信号（オーバー／アンダーファイア
リングの程度）を決定する方式である。

【００１６】具体的には、音波信号送信装置１０１より
音波を発射し、これを受信装置１０２で受信して音波伝
播時間を求める。この受信装置１０２に本発明者による
信号処理法を適用している。音波伝播時間はガス温度算
出装置１０３にて音速とガス温度の関係に着目して火炉
ガス温度計測値θ（ｇ）を求める。

【００１７】一方、本例では、負荷指令信号１の値、及
び、これを微分要素３で処理した負荷指令変化率を二変
数関数要素１１９に与え、火炉ガス温度目標値信号１２
０を得た後、火炉ガス温度計測値θ（ｇ）との偏差に応
じ、ＰＩ調節器１２２により動的先行信号６を得る。言
い換えれば、本方式は最適なオーバー／アンダーファイ
アリングを火炉ガス温度の目標値１２０で管理し、燃焼
状況、火炉水壁１９伝熱面の汚れ、燃料性状の変動によ
り火炉ガス温度計測値θ（ｇ）が変動する悪影響を補正
して動的先行信号６を求める構成としてある。１２１は
信号減算要素である。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】図４に示す先願発明
は、従来技術による図３の装置に比べ、火炉ガス温度計
測値θ（ｇ）の変動の悪影響を補正する機能があり、そ
れなりの進歩性があって有効な発明である。しかしなが
ら、火炉ガス温度計測値θ（ｇ）の変動の補正に当た
り、本方式は全て現時点の動的先行信号６の増減（従っ
て、現時点の燃料投入量の増減）でのみ対処する点に性
能の限界がある。

【００１９】これは、火炉出口温度計測値θ（ｇ）の変
動原因が次の４つ考えられることから示される。

【００２０】１）バーナ操作端調整（燃焼空気量、エア
レジスタの空気配分等）による燃焼状況変動 ２）燃料流量偏差（燃料流量調節弁９通過流量の誤差、
または、石炭焚きならば石炭粉砕機の出炭量変動） ３）火炉伝熱面の汚れ状況の変動 ４）燃料性状（燃料の燃焼速度）による火炉内での発熱
量分布の変化 即ち、火炉ガス温度変動を単に現時点の燃料量で調整す
ると、実際は現時点の燃料量の過不足に起因しない火炉
ガス温度変動の場合、必然的に過熱器２７の熱吸収量の
過不足による蒸気温度変動等の不都合を招く。

【００２１】従って、図４の発明は火炉ガス温度計測値
θ（ｇ）の変動の悪影響を補正して蒸気圧力特性を改善
できる反面、蒸気温度変動等の副作用が避けられない場
合が問題となる。

【００２２】本発明はこのような背景に鑑みてなされた
ものであり、火炉ガス温度の過大／過小に係わる不具合
に対して適切な補正操作を行うことができるボイラ制御
装置を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は火炉ガス温度の
変動が原因により変動周期が異なることに着目し、これ
により次の通り対処する。

【００２４】１）燃焼状況による火炉ガス温度変動はバ
ーナ操作端調整により補正 ２）燃料流量偏差による火炉ガス温度変動は直ちに燃料
投入量を補正 ３）火炉伝熱面の汚れによる火炉ガス温度変動はスート
ブロワを起動 ４）燃料性状による火炉ガス温度変動はオーバー／アン
ダーファイアリング量算出時のパラメータを変更 即ち、火炉ガス温度実測値と適当な基準値を比較し、そ
の偏差の変動の周波数に着目し、各火炉ガス温度変動要
因に対応する周波数帯ごとの成分（スペクトル）によ
り、上記４項目に係わる補正量、スートブロワ起動頻度
を求める。

【００２５】

【作用】火炉ガス温度の変動周期は経験的に次の通り知
られている。

【００２６】１）燃焼状況による火炉ガス温度変動は数
秒以下の周期 ２）燃料流量偏差による火炉ガス温度変動は数１０秒程
度の周期 ３）火炉伝熱面の汚れによる火炉ガス温度変動は数１０
分程度の周期 ４）燃料性状による火炉ガス温度変動は数時間程度の周
期 従って、これらの周期を中心周波数（周期の逆数）とす
るバンドパスフィルタにより、火炉ガス温度実測値と適
当な基準値の偏差を周波数帯ごとの成分に分離して、各
成分ごとの変動状況により、課題を解決するための手段
に述べた対処を行う。

【００２７】

【実施例】図１は本発明の実施例に係るボイラ装置全体
の系統図を示すものであり、図４のボイラ制御装置に本
発明を適用した状況を示している。従って、図３、図４
と共通の構成部については説明を省略する。

【００２８】本実施例では、火炉ガス温度目標値信号１
２０の算出はパラメータ付き関数要素２０１を用いる。
これは、図３、図４中の二変数関数要素１１９と同一の
方式にて信号１２０を求めることを基本に、燃焼速度の
遅い燃料（燃料投入量変化に対する、火炉熱吸収量の応
答が遅い）を用いる際は、火炉ガス温度の変化幅を大き
く（オーバー／アンダーファイアリングを強化）するた
め、燃料性状パラメータを入力している。

【００２９】そして、本実施例では、信号減算要素１２
１で求めた火炉ガス温度目標値信号１２０と火炉ガス温
度計測値θ（ｇ）との偏差を偏差成分分離装置２０２に
与え、本装置内部では当該偏差を、数秒以下、数１０秒
程度、数１０分程度、数時間程度の周期の周波数成分に
分け、各成分ごとの変動状況により、順に、燃焼空気補
正信号２０３、燃料投入量補正信号２０４、スートブロ
ワ起動指令信号２０５、燃料性状パラメータ２０６を求
める。

【００３０】信号２０４，２０６については、それぞれ
加算要素７、関数要素２０１に加え、信号２０３，２０
５については、それぞれ図示していないバーナ１１の操
作端、スートブロワ装置へ与える。

【００３１】本実施例特有の長所は、偏差成分分離装置
２０２と該装置の出力信号２０３〜２０６に係わる部分
であり、それ以外は図４の制御装置と同一であり、図４
の制御装置からの移行が容易である。

【００３２】図２は本発明の他の実施例に係るボイラ装
置全体の系統図であり、従来技術による図３の制御装置
からの移行を前提としている。従って、図３の制御装置
と同一部分は同一の部品番号を与え、説明を省略する。

【００３３】本実施例では、オーバー／アンダーファイ
アリング量を与える図３の二変数関数要素をパラメータ
付きの要素２１２とし、図１の制御装置と同様に、燃焼
速度の遅い燃料を用いる際は、オーバー／アンダーファ
イアリングを強化する機構を持つ。

【００３４】また本実施例の最大の特徴は、実験式また
は動特性モデルを用いる火炉温度予測装置２０８によ
り、当該時点の燃料投入量、燃料性状（燃焼速度等）か
ら火炉ガス温度の予測値２０９を求め、これと火炉ガス
温度計測値θ（ｇ）との偏差により、偏差成分分離装置
２１１を用いて図１の装置と同様に信号２０３〜２０６
を得る構成にある。

【００３５】本実施例特有の効果は、図３の制御装置か
らの移行が容易であること、火炉ガス温度予測装置２０
８として、精密な動特性モデルを適用可能なので、より
高精度な制御が期待できることである。

【００３６】なお、８は燃料量指令信号、１０は燃料供
給ライン、１５は火炎、２３は信号設定器、２５は信号
減算器、３４は蒸気温度偏差信号、２０７は信号減算要
素、２１０は火炉ガス温度予測偏差である。

【００３７】

【発明の効果】本発明は以下の効果を奏する。

【００３８】１）火炉ガス温度の過大／過小に係わる不
具合に対して、その発生原因たるバーナ燃焼状態の不適
切、燃料量の過不足、伝熱面の汚れ、燃料性状とオーバ
ー／アンダーファイアリングの不整合の程度に応じ、適
切な補正操作が期待できる。従って、火炉ガス温度の過
大／過小の補正操作が副作用を及ぼすことがない。

【００３９】２）火炉ガス温度の予測手段として動特性
モデルの採用により、当該時点の操作と過去の履歴を考
慮でき、高精度な制御が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るボイラ装置全体の
系統図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係るボイラ装置全体の
系統図である。

【図３】従来例に係るボイラ装置全体の系統図である。

【図４】本発明者の先願に係るボイラ装置全体の系統図
である。

【符号の説明】

２０１ パラメータ付き二変数関数要素 ２０２ 偏差成分分離装置 ２０３ 燃焼空気補正信号 ２０４ 燃料投入量補正信号 ２０５ スートブロワ指令信号 ２０６ 燃料性状パラメータ ２０７ 信号減算要素 ２０８ 火炉ガス温度予測装置 ２０９ 火炉ガス温度予測値 ２１０ 火炉ガス温度予測偏差 ２１１ 偏差成分分離装置 ２１２ パラメータ付き二変数関数要素

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津村 俊一 広島県呉市宝町６番９号 バブコツク日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 下平 克己 広島県呉市宝町３番36号 バブコツク日立 株式会社呉研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 火炉ガス温度計測手段による計測値と、
   当該ガス温度の基準値との偏差について、その変動周期
   がそれぞれ数秒以下、数１０秒程度、数１０分程度、数
   時間程度の周波数成分を取り出し、これらの成分から順
   に燃焼状況、バーナ入口燃料量の変動、火炉伝熱面の汚
   れ、燃料性状の変動を推定する推定手段と、 これらの
   推定値から、順に、バーナ燃焼状態、燃料量、スートブ
   ロワ時期、オーバーファイアリングを調整する調整手段
   と、 を備えたことを特徴とするボイラ制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載において、火炉ガス温度の
   基準値算出手段として、少なくともバーナ入口燃料量を
   入力して火炉ガス温度を算出する動特性モデルを設けた
   ことを特徴とするボイラ制御装置。