JPH08338603A - ボイラ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 負荷変化時の再熱蒸気温度変動を抑えること
ができるボイラ制御装置を提供する。 【構成】 各バーナへの燃料量、空気比を逐次入力する
オンライン稼動の火炉・水壁伝熱の動特性モデルを設
け、水壁出口の蒸気温度について、実測値と該モデルに
よる計算値の偏差に着目して、実測値が計算値より過大
な場合は、従前より、燃料比、もしくは火炉汚れが低下
して、火炉熱吸収が増加したと判断してバーナ空気比を
低下させる。逆の場合も同様である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微粉炭焚きボイラの制
御装置に係わり、特に多種多様な石炭を粉砕し、かつ、
該設備の経年変化に際しても、該ボイラの蒸気温度、圧
力について、常に良好な制御応答性を確保するに好適な
制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、微粉炭製造設備、当該設備が算
出する微粉炭を燃焼させるボイラ装置、及び、従来技術
による制御装置を図示したものである。

【０００３】原料炭１を供給する給炭機２は、速度信号
３に従って原料炭運搬速度を加減され、信号３に比例す
る原料炭を微粉炭製造設備のホッパ４に与える。

【０００４】原料炭１は、電動機５により回転され、混
合手段をなすターンテーブル６上に落下し、後述する分
級手段による捕集炭１１，１３と混合され、保有炭７と
なる。

【０００５】保有炭７は、遠心力により粉砕手段８をな
す前述のターンテーブルの外周に置かれたローラにより
粉砕され、該外周を吹き上げる搬送空気９に乗り、需要
先に輸送される。この時、該粉砕手段８の外側には粉炭
による流動層１０が形成されている。

【０００６】ここで、粉砕手段８の加圧力は指令信号６
４に応じて加圧装置７９により与えられる。加圧力が過
大であると粉砕機構の磨耗を早め、振動の原因にもな
り、逆に過小であると粉砕機の応答性（給炭量変化に対
する出口微粉炭量の追従状況）の悪化を招くため、適切
に調整する必要がある。

【０００７】次に、搬送空気９に乗った粉炭は、重力と
のバンランスにより、大粒径の粒子が前述の混合手段６
へ再循環する重力分級捕集炭１１の流れを生じさせる。
また、比較的粒径が小さく該重力分級を通過した粉炭
は、ベーン１２により旋回を受けて遠心力により粒径が
大なる粒子が同様に再循環する遠心力分級捕集炭１３の
流れを生じる。

【０００８】このような２段の分級手段を通過した、粒
径が小さい石炭は、微粉炭輸送管１４を経てボイラ装置
に送られ、燃焼により火炎１５を形成する。

【０００９】該ボイラ装置にあっては、汽缶給水１６
は、給水ポンプ３７から水壁１９に供給されて蒸気に変
化した後、過熱器連絡管２１を経て、過熱器２９により
過熱される。この従来例は再熱式タービンを用いた発電
プラントであって、過熱器２９を出た蒸気は、主蒸気８
７として高圧タービン８２に供給され、さらに、当該タ
ービン８２の排気である低温再熱蒸気８４は再熱器８５
で再過熱され、再熱蒸気８６として低圧タービン８３に
供給される。

【００１０】この時、本ボイラは貫流式であるから、定
常状態の主蒸気温度は燃料投入量で決まり（給水量はタ
ービンの発電量から定まるので蒸気温度制御のため変化
できない）、蒸気温度検出要素（主蒸気温度検出器）３
１の信号と、蒸気温度設定要素（信号設定器）２３によ
る蒸気温度目標値信号２４との偏差により、石炭粉砕機
への給炭量を調節する。

【００１１】さらに、燃料による主蒸気温度制御は応答
が遅いため、主蒸気温度制御偏差信号２６から比例要素
３５を用いて注水弁３６の開度を調整し、蒸気減温器３
０での注水による蒸気温度制御を行う。

【００１２】後者はタービン供給蒸気量一定のもとで実
施する必要があり、注水量の増加はやがて蒸気減温器３
０入口蒸気温度の上昇（水壁１９通過給水量の減少のた
め）により効果が低下するが、前述の燃料量による主蒸
気温度制御の応答遅れを補完する手段として常套されて
いる。

【００１３】一方、再熱蒸気８６の温度は、温度検出器
７３による温度信号７５と設定値９３との偏差９５に基
づき、比例積分調節器９６によりガス再循環９１の量を
変化させて調節する。これは、ボイラ出口排ガス８８を
再び火炉に戻す作用であり、再熱器８５を過熱するガス
量が変化（熱伝達率の変化）する作用を利用している。

【００１４】また、燃焼空気９９は、空気比調節ダンパ
１００によりエアレジスタ９７とアフタエアポート９８
に分割して燃焼に供される。これは、燃焼の際の窒素酸
化物の発生を低減するため、燃焼に必要な空気（理論空
気量程度）を分割して与えて、緩慢な燃焼を実現する作
用を有し、このうちエアレジスタ９７で与えられる空気
のバーナに与えられる燃料量に対する割合をバーナ空気
比と呼び、設定信号５６により適切に調節する。

【００１５】図６のボイラ装置は、原則として、タービ
ン８２，８３への任意の蒸気量供給を前提に運転し、要
素３５、要素９６を中核とする制御ループは、それぞ
れ、主蒸気温度、再熱蒸気温度を蒸気量に拘わらず一定
値に保持する制御を行う。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】図６のボイラ及びボイ
ラ制御装置は、ボイラや石炭粉砕機に汚れや磨耗が小さ
く、石炭の性状がほぼ一定であれば、良好に動作する。
しかしながら、これらのボイラの運転に好都合な条件が
崩れると後述する問題を生じる。

【００１７】石炭の性状には種々の要素があるが、粉砕
性指数と燃料比が以下の議論において重要である。前者
は当該値が大であれば容易に粉砕され、後者は石炭の固
定炭素と揮発分の比であって、当該値が大であれば燃焼
に時間を要する。これらの値は、炭種の銘柄が異なると
大きく相違するし、同一銘柄炭でもかなりのばらつきが
あることが知られている。

【００１８】図７はボイラの制御特性を支配すると言え
る「ミル応答時定数」及び「火炉水壁熱吸収量」につい
て、上述した粉砕性指数、粉砕機構の磨耗、燃料比、火
炉水壁の汚れの関係で示している。

【００１９】ここで、「ミル応答時定数」は、石炭粉砕
機へ供給される石炭量の変化に対する当該粉砕機がバー
ナへ供給する微粉炭量の変化が概略としては一次遅れ特
性であることに着目し、当該遅れの大きさとして定義す
る。該時定数は、粉砕性指数の減少、粉砕機構の磨耗の
進行と共に増加する。

【００２０】また、同一燃料流量の燃焼を行っても、燃
料比や火炉の汚れの増加と共に、「火炉水壁熱吸収量」
は減少し、燃焼ガスについて後流側の過熱器の熱吸収が
増加する。

【００２１】この時、「火炉出口ガス温度」は増加し、
同一燃料量の定常状態では、「火炉出口ガス温度」と
「火炉水壁熱吸収量」は互いに一方を知れば一意に他方
を求められるから、しばしば「火炉水壁熱吸収量」特性
は、把握の容易な「火炉出口ガス温度」特性として取り
扱われる。

【００２２】以上を前提として、図６のボイラ及びボイ
ラ制御装置には次の問題がある。

【００２３】ａ）燃料比の変化、火炉の汚れの進行によ
り、火炉水壁１９と過熱器２９、再熱器８５の熱吸収配
分が変化する。当該熱吸収バランスの変化につき、例え
ば、燃料比減少により燃焼が早くなり、火炉下部付近で
燃焼する微粉炭の割合が増加すると、火炉水壁１９全体
として熱吸収が増加し、過熱器２９、再熱器８５での熱
吸収が減少する。

【００２４】当該変化が負荷変化中に発生したケースを
シミュレーション解析した結果を図９に示す。

【００２５】この場合、注水という即応性のある蒸気温
度制御手段が用いられない再熱蒸気温度制御（再熱蒸気
への注水はプラントの効率低下を招くため）は深刻な影
響を受ける。

【００２６】ｂ）石炭の粉砕性指数、粉砕機構の磨耗の
進行により、石炭粉砕機の応答時定数が変化し、石炭粉
砕機入口の給炭量に対するバーナ１４への微粉炭供給量
の応答が変化する。

【００２７】当該変化が負荷変化中に発生したケースを
シミュレーション解析した結果を図８に示す。

【００２８】この場合、負荷上昇時には一般に蒸気圧力
が増加して、水壁１９の温度（水壁は蒸気圧力に対応す
る飽和温度であり、内部の気水混合物も水壁メタルも飽
和温度近傍である）を増加する必要があり、オーバーフ
ァイアリング（過渡的に燃料を過大投入）が実施され、
さらに該オーバーファイアリグに当たっては石炭粉砕機
の応答性を考慮して実施されねばならない。

【００２９】図８は石炭の粉砕性が向上（石炭粉砕機の
応答時定数が短縮）した場合で、変化前を基準に石炭粉
砕機への石炭供給を行うと、主蒸気温度が過大になる様
子が示されている。

【００３０】本発明は上記従来技術の欠点を解消し、負
荷変化時の再熱蒸気温度変動を抑えることができるボイ
ラ制御装置を提供することを目的とするものである。

【００３１】

【課題を解決するための手段】上記の問題点ａ）は下記
の１）項、ｂ）は２項により、それぞれ解決できる。要
するに、本発明のポイントは、オンライン稼動の動特性
モデルにより、火炉出口ガス温度、バーナ入口微粉炭流
量等の状態量の推定、及び、石炭の燃料比、粉砕性指
数、火炉の汚れ、微粉炭粉砕部の磨耗等の運転特性変動
要因（パラメータ）検出を行う。

【００３２】殊に後者の検出は、モデルのパラメータの
探索であり、予め仮定したパラメータ（燃料比、粉砕性
指数等）に基づき実測可能な物理量を算出し、当該値が
対応する実測値と一致しない際は逐次にパラメータを修
正し、両者の合致まで該修正を繰り返す手段による。

【００３３】１）当該時点の各バーナへの燃料量、空気
比を逐次入力するオンライン稼動の火炉・水壁伝熱の動
特性モデルを設け、水壁出口の蒸気温度について、実測
値と該モデルによる計算値の偏差に着目して、実測値が
計算値より過大な場合は、従前より、燃料比、もしくは
火炉汚れが低下して、火炉熱吸収が増加したと判断して
バーナ空気比を低下させる。逆の場合も同様である。

【００３４】２）当該時点の原料炭供給量、粉砕機構の
加圧力等の運転条件を逐次入力するオンライン稼動の石
炭粉砕機の動特性モデルを設け、該粉砕機の石炭粉砕機
構近傍において、搬送用空気により発生する差圧につい
て、実測値と該モデルによる計算値の偏差に着目して、
当該時点の石炭の粉砕性指数、粉砕機構の磨耗を検出
し、前者が減少または後者が増加した場合には、当該粉
砕機の粉砕機構の加圧力を増加する。逆の場合は該加圧
力を減少する。

【００３５】

【作用】上記手段１），２）の作用の詳細は下記の通り
である。これらの作用の中核は、上述で述べた通りプラ
ントモデルを用いて、直接的なオンライン計測手段では
把握できないプラント状態量の推定、運転特性変動要因
の検出に基づき、必要な操作を行う。

【００３６】１）燃料比、火炉の汚れが減少した場合
（水壁出口蒸気温度実測値が、従前に仮定した燃料比、
火炉の汚れに基づく計算値より上回った場合）、バーナ
空気比の低下を行い、火炉での燃焼を緩慢（ボイラ内の
伝熱をガス側について後流側に移行させる）にして火炉
出口ガス温度を上昇し、再熱器の熱吸収量を増加させ
る。これは、再熱蒸気温度の低下を防止する。これらの
状況をシミュレーション解析（本発明を適用する以外は
図９と同様の条件）した結果を図５に示す。逆の状況に
も同様に対処できる。

【００３７】２）石炭の粉砕性指数が上昇、または、粉
砕機構の磨耗が減少（ローラの交換等）した場合（これ
らの場合は実測の粉砕機差圧が、従前に仮定した粉砕
性、磨耗に基づき粉砕機動特性モデルで求めたミル差圧
算出値より下回るから、これを検知できる）は、粉砕機
構の加圧力を減少し、粉砕能力を適正化（磨耗、振動の
防止、バーナへの微粉炭供給量の過渡的な過剰を解消）
する作用がある。逆の場合は、該加圧力を上昇して、バ
ーナへの微粉炭供給量の過渡的な不足を解消する作用が
ある。

【００３８】図４は、本発明を適用する以外は図８と同
様の条件におけるシミュレーション解析であり、粉砕性
指数の上昇に際し、適切に粉砕機構の加圧力を減少し、
主蒸気温度の上昇を抑制できる状況が示されている。

【００３９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００４０】図１は本発明の実施例に係るボイラ装置の
系統図であり、従来技術による図６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６と共
通の構成部については説明を省略する。

【００４１】図１において、課題を解決するための手段
の項で述べた１），２）の手段は、対応して次の通り実
施される。

【００４２】１）燃焼制御部３８は、手段の１）項を実
施し、その詳細を図２に示す。

【００４３】動特性モデル４０は、当該時点の各バーナ
の微粉炭量推定信号６９（粉砕機動特性モデル５８によ
る）と、予め仮定した燃料比と火炉汚れ状況を合成した
信号４８に基づき、実験式等を併用した火炉内燃焼、輻
射の解析により、火炉出口ガス温度計算値５１を得る。

【００４４】さらに、該火炉出口ガス温度と各バーナの
微粉炭量、ガス再循環量８１から火炉の入熱を、排ガス
量と火炉出口ガス温度相当のガスのエンタルピから火炉
の出熱を求め、当該入出熱の差（水壁１９に吸収）か
ら、水壁出口の蒸気温度４９を算出する。

【００４５】燃料比推定器４３は、公知の拡張カルマン
フィルタの手法により求めた最適な係数（カルマンゲイ
ン）により、水壁出口の蒸気温度の計算値４９が実測値
信号４７より小であれば、先に仮定した信号４８が過大
評価であると結論し、これを低減する。

【００４６】燃料比推定器４３は、計算値４９が実測値
信号４７の関係が上述と逆であれば信号４８を増加し、
最終的に該信号４８を真値に収束させる。当該収束性
は、カルマンフィルタの手法により求めた最適な係数を
用いることにより、理論的に保証される。

【００４７】空気比指令算出器４４は、信号４８に基づ
きバーナの空気比指令信号５６を算出する。

【００４８】この際、燃料比推定器４３、及び、各バー
ナ入口最適微粉炭量算出器４４は、それぞれ、ファジィ
演算器やＰＩ調節器を適用することもできる。

【００４９】また、本実施例では、各バーナの微粉炭量
推定信号として、後述の粉砕機出炭量制御装置で求めた
計算値６９を適用しているが、当該値を実測できる場合
はこれを用いればよい。

【００５０】２）粉砕機出炭量制御装置３９は、手段の
２）項を実施し、その詳細を図３に示す。

【００５１】粉砕機動特性モデル５８は、当該時点に粉
砕機へ供給される石炭量を信号６５、粉砕機構加圧力を
信号６４として入力し、予め仮定した粉砕性指数減少と
粉砕機構の磨耗の進行を合成した信号６６に基づき、粉
砕機内の粉砕、分級、混合等の現象実験式等の解析によ
り、粉砕機構近傍の差圧計算値６７と、該粉砕機が担当
する単数または特定のグループに属する複数のバーナへ
供給する微粉炭量計算値６９を得る。

【００５２】粉砕性指数推定器６０は、公知の拡張カル
マンフィルタの手法により求めた最適な係数（カルマン
ゲイン）により、差圧計算値６７と実測値６３の差よ
り、負荷上昇時に計算値６７が実測値信号６３より大で
あるか、負荷下降時に計算値６７が実測値信号６３より
小であれば、計算値の位相が実測値より進んでおり、先
に仮定した信号６６が過大評価であると結論し、これを
低減する。

【００５３】燃料比推定器４３は、計算値６７が実測値
信号６３の関係が上述と逆であれば信号６６を増加し、
最終的に該信号６６を真値に収束させる。当該収束性
は、カルマンフィルタの手法により求めた最適な係数を
用いることにより、理論的に保証される。

【００５４】粉砕機最適微粉炭量算出器６２は、各バー
ナの微粉炭供給量目標信号５６により指令される該粉砕
機が担当する単数または特定のグループに属する複数の
バーナへ供給する微粉炭量７０と計算値６９の偏差と、
燃料比推定器４３で得た信号６６に基づき、これらに
「重み係数」を乗じて加算して、当該粉砕機への給炭量
指令信号６５、加圧力指令信号６４を算出する。

【００５５】当該「重み係数」の最適値は、粉砕機のモ
デルに公知の最適レギュレータの方法を適用して求めら
れる。該方法で当該「重み係数」を求めれば、公知のＬ
ＱＧ規範のもとで最適な制御特性が実現できる。

【００５６】さらに、粉砕性指数推定器６０、及び、粉
砕機最適微粉炭量算出器６２は、それぞれ、ファジィ演
算器やＰＩ調節器を適用することもできる。

【００５７】また、本実施例では、粉砕機への石炭供給
量信号６５、加圧力信号６４として、これらの駆動系
（給炭機フィーダー、粉砕機構の加圧器）の追従遅れ
は、指令に対し無視できる程度であるとみなして、簡単
にそれぞれの指令値信号をそのまま用いている。しか
し、当該値を実測できる場合は、これを用いればより正
確である。なお、符号２５は信号減算器、２７はＰＩ調
節器、２８は火炉出口燃焼ガス、３９は粉砕機制御部、
４１，４２は信号減算器、４５は信号設定器、４６は温
度検出器、５０は水壁出口蒸気温度算出偏差信号、５２
は火炉出口燃焼ガス温度指令信号、５３は燃料量指令信
号、５４は火炉出口燃焼ガス温度制御偏差信号、５５は
信号設定器、５９，６１は信号減算器、６８は粉砕機差
圧算出偏差信号、７１はバーナ入口微粉炭量制御偏差信
号、７４は主蒸気温度信号、７７は信号設定器、８０は
粉砕器差圧検出器、８９はガス再循環ダンパ、９０はガ
ス再循環ファン、９２は信号設定器である。

【００５８】

【発明の効果】本発明は以下の効果がある。

【００５９】１）燃料比の変化、火炉の汚れの進行によ
り、火炉水壁と過熱器、再熱器の熱吸収配分が変化し、
ことに負荷変化時の再熱蒸気温度変動が過大になる事態
を防止できる。

【００６０】２）石炭の粉砕性指数、または、粉砕機構
の磨耗が変化した場合、粉砕能力の適切な確保により、
磨耗進行の抑制、振動の低減と、粉砕機出炭量応答性向
上により、ことに負荷変化時の主蒸気温度変動が過大に
なる事態を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るボイラ装置全体の系統図
である。

【図２】図１のボイラ装置の燃焼制御部のブロック図で
ある。

【図３】図１のボイラ装置の粉砕機制御部のブロック図
である。

【図４】主蒸気温度制御についての本発明の作用を示す
特性図である。

【図５】再熱蒸気温度制御についての本発明の作用を示
す特性図である。

【図６】従来例に係るボイラ装置全体の系統図である。

【図７】運転特性変動要因の説明図である。

【図８】主蒸気温度制御についての従来技術の問題点を
示す特性図である。

【図９】再熱蒸気温度制御についての従来技術の問題点
を示す特性図である。

【符号の説明】

３８ 燃焼制御部 ３９ 粉砕機制御部 ４０ 火炉動特性モデル ４１，４２ 信号減算器 ４３ 燃料比推定器 ４４ 空気比指令算出器 ４７ 水壁出口蒸気温度実測信号 ４８ 燃料比推定信号 ４９ 水壁出口蒸気温度算出信号 ５０ 水壁出口蒸気温度算出偏差信号 ５２ 火炉出口燃焼ガス温度指令信号 ５６ 空気比指令信号 ５８ 粉砕機動特性モデル ５９，６１ 信号減算器 ６０ 粉砕性推定器 ６２ 粉砕機最適操作量算出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川瀬 隆世 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、該火炉を取り囲む水冷壁、該水冷
   壁で発生した蒸気を前記火炉の排ガス流路中で過熱して
   需要先へ供給する過熱器、該排ガス流路中で外部から受
   け入れた蒸気を再過熱して需要先へ供給する再熱器を有
   し、微粉炭供給量と空気供給量の比である空気比の調節
   手段を備えた微粉炭バーナを設けた貫流ボイラ装置にお
   いて、 少なくとも、前記水冷壁入口の給水流量、給水温度、前
   記バーナの微粉炭流量、空気比、微粉炭の燃料比の実測
   値または推定値を入力して、当該時点の前記火炉の出口
   の排ガス温度、水冷壁出口の蒸気温度を算出する火炉動
   特性モデルと、 少なくとも、水冷壁出口の蒸気温度について、前記火炉
   動特性モデルによる算出値と実測値との偏差から現時点
   での燃焼に供する微粉炭の燃料比を推定する燃料比推定
   器と、 を備え、該燃料比の推定値を入力して、前記微粉炭バー
   ナの空気比を調整することを特徴とするボイラ制御装
   置。
2. 【請求項２】 石炭保有部、該保有部と隣接する粉砕機
   溝、被粉砕炭の搬送空気の供給手段、搬送空気流路に沿
   って前記粉砕機構の前流部と後流部の特定部位間の差圧
   の検出手段、粉砕機構の加圧力の操作手段を有する石炭
   粉砕機において、 少なくとも、現時点の粉砕機への石炭供給量、粉砕機構
   の加圧力、供給された石炭の粉砕性指数の実測値または
   推定値を入力して、当該時点の粉砕機がバーナに供給す
   る微粉炭流量、前記特定部位間の差圧を算出する粉砕機
   動特性モデルと、 前記特定部位間の差圧について、粉砕機動特性モデルに
   よる算出値と前記差圧検出手段による実測値との偏差に
   より、現時点で粉砕中の石炭の粉砕性指数を推定する粉
   砕性推定器と、 を備え、粉砕性推定値を入力して加圧力を調節すること
   を特徴とするボイラ制御装置。