JPH1122908A - ボイラの負荷変化制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 事業用ボイラの補機に能力上の制約がある場
合に、補機の能力を最大限に発揮させて増負荷変化をさ
せる負荷変化制御方法と装置を提供する。 【解決手段】 ボイラの増負荷時に、押込通風機や誘引
通風機等の特定のボイラ補機の能力が限界に近いことを
検出すると、増負荷変化率をそのボイラ補機の能力以内
で達成できるものに切り換えてボイラ操作信号を設定す
る。また、特定のボイラ補機に付設されるダンパの開度
信号を入力し、そのダンパの最大調整開度までの余裕が
所定の値より小さいことを検出したときはその偏差に対
して調整動作を算出する調節器５と、その調節器の操作
出力信号と負荷変化率設定信号とを比較して低値を選択
する低値選択器８と、低値選択器の出力により増負荷変
化率を設定する設定器を備えるボイラ負荷変化制御装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、予め定められたス
ケジュールに従って負荷変化をさせるように運用するボ
イラの制御方法と装置に関し、特に補機の保有する設備
能力に十分な余裕がない火力発電事業用ボイラに有効な
制御方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラは正常な運転のために多くの補機
を必要とする。たとえば、ボイラで生じた排煙は集塵機
を介して誘引通風機で誘引して脱硝装置を通して煙突か
ら大気中に放出する。また特に流動床ボイラの場合は、
さらに流動用空気を流動床に押し込んだり燃焼炉のパー
ジに使う空気を供給するための押込通風機が設けられ
る。また粉砕炭系統にも多くの補機が使用される。この
ようなボイラにおける運転状態を変更する場合、特に事
業用のボイラの運転状態をある負荷水準状態から他の負
荷水準に変化させる場合は、需要先から要請される負荷
変化率に従って出力を変化させる必要がある。この場合
に相互の整合性を維持しながら、関連する補機の運転状
態を変化パターンに合わせて推移させるように制御しな
ければならない。

【０００３】特に、ボイラを低負荷運転状態から高負荷
運転状態に一定の負荷変化率で増負荷させる場合、負荷
変化の推移をその負荷変化率に基づく変化パターンによ
りよく合致させ、またできるだけ速く新しい負荷状態に
整定させるため、定格運転時の燃料に対して過剰な燃料
を増負荷過程完了前に投入するオーバファイアと呼ばれ
る操作を行う必要がある。図３は、事業用ボイラにおい
て低負荷状態から高負荷状態への変化をするときの負荷
変化過程を表した運転状態推移図である。

【０００４】需要家から負荷水準の切換が要請される
と、それに適合した負荷変化率を持った出力変化パター
ンが設定される。この出力パターンを実現するためにボ
イラの制御特性を加味してボイラ入熱変化パターンが算
出される。ボイラには比較的大きな伝達遅れが存在する
ため出力パターンに対応する入熱変化パターンは予測制
御的な動きを必要とし、出力が変化始めるときにその変
化率より大きな変化を与える必要がある。また変化中は
出力パターンより先行して入熱変化をする。また、負荷
変化終了直前では、素速く新しい負荷水準に引き入れる
ため過剰に入熱量を与え、さらに負荷変化終了時点では
新しい負荷水準に整定するため入熱量を急激に減少させ
るようにする。

【０００５】このようなボイラ入熱変化パターンは出力
変化パターンに対して微分関数と１次遅れ関数を作用さ
せることにより得ることができる。この過剰操作は負荷
水準を切り上げるときにも切り下げるときにも同様に必
要となるが、負荷を切り上げる増負荷過程で用いられる
操作をオーバファイアという。通常、ボイラ補機の能力
はこのオーバファイアを見込んで選定されるが、経済性
を優先させたり既存の補機を流用したりする場合は、補
機能力がオーバファイアに対して十分な余裕を持たない
ときがある。

【０００６】例えば、誘引通風機の容量に余裕がない場
合、過剰負荷状態では入口ダンパの開度が最大開度設定
値を越えて通風量の制御が利かなくなり、計画通りの入
熱変化をすることができず出力変化パターンが達成でき
ない。また押込通風機との間の均衡を崩して炉内圧力が
上昇する。このように、こうしたケースで増負荷を行う
と負荷変化終盤付近で、能力に余裕のない補機に付属さ
せるダンパの開度が全開近くに達しても他の補機能力に
ついていけずに機器能力同士のバランスが崩れる。従っ
て、能力不足の補機の種類によっては、燃焼空気流量が
不足して黒煙が発生したり炉内圧力が過大になったりし
て、プラント運転に障害をもたらすことがある。

【０００７】このような事態になるのを避けるため、従
来は、図３に点線で示すように、能力が不足する補機に
着目して当該補機用のダンパ開度が全開とならぬよう
に、負荷変化を途中で一旦止めたり、負荷変化率を負荷
変化の過程で遅くしたりする運用で回避してきた。オー
バファイア量は負荷変化率や負荷変化幅、ボイラの各部
における温度などの状態により変化するため、負荷変化
を止めたり負荷変化率を緩めるタイミングを何時にする
かは経験的に決定していた。こうした決定方法では、フ
ァン入口ダンパの開度が全開に達して制御不能に陥らな
いようにするため、安全率を見込んで設定する必要があ
り補機能力を最大限まで活用した負荷変化過程を行わせ
ることはできなかった。また、最終的に新しい負荷水準
に整定するまでの時間も長くなりがちであった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の解決
しようとする課題は、補機に能力上の制約がある場合に
も、補機の能力を最大限に発揮させて増負荷変化をさせ
る負荷変化制御方法と装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のボイラ負荷変化制御方法は、ボイラの増負
荷時に、特定のボイラ補機の能力が限界に近いことを検
出すると、増負荷変化率をそのボイラ補機の能力以内で
達成できるものに切り換えてボイラ操作信号を設定する
ようにしたことを特徴とする。なお、対象とするボイラ
補機は押込通風機もしくは誘引通風機であってよい。

【００１０】また、上記課題を解決するため、ボイラの
負荷水準変更指令を受けると負荷変化率設定器から予め
決めた負荷変化率に基づいて発生される負荷変化指令信
号によりボイラ操作信号を発生するボイラ制御装置にお
いて用いられる本発明のボイラ負荷変化制御装置は、特
定のボイラ補機に付設されるダンパの開度信号を入力
し、そのダンパの最大調整開度までの余裕が所定の値よ
り小さいことを検出したときはその偏差に対して調整動
作を算出する調節器と、その調節器の操作出力信号と負
荷変化率設定信号とを比較して低値を選択する低値選択
器と、低値選択器の出力により増負荷変化率を設定する
制限器を備えることを特徴とする。なお、対象とするボ
イラ補機は押込通風機もしくは誘引通風機であってよ
い。また、低値選択器にさらにボイラ負荷上限制限に基
づく調整動作信号を入力して、これと調節器の操作出力
信号と負荷変化率設定器からの設定信号とを比較して低
値を選択するようにしてもよい。

【００１１】本発明のボイラ負荷変化制御方法によれ
ば、ボイラの増負荷過程でオーバファイアを必要とする
場合に、設計上余裕の少ない特定のボイラ補機、例えば
ボイラ煙道に設けた誘引通風機や流動床ボイラの場合の
流動用空気を供給する押込通風機などの能力が作動限界
に近いことを検出すると、上位の制御装置で発生される
増負荷変化率指令信号をそのボイラ補機の能力以内で達
成できる増負荷変化率に基づいた指令信号に切り換え
て、この取り替えられた増負荷変化率に合致するボイラ
操作信号を設定する。したがって、定格値に余裕のない
補機がその能力一杯の作動をするようにボイラ操作信号
を生成するから、他の補機との整合性を崩すことなく運
転することが可能で、補機同士のアンバランスの原因と
する黒煙の発生や炉内圧力の上昇などの障害も防ぐこと
ができる。また、ボイラ設備として制御上の律速となる
補機を可能な限り活用した速い整定が可能となる。

【００１２】また、本発明のボイラ負荷変化制御装置で
は、押込通風機あるいは誘引通風機等のボイラ補機に付
設されるダンパの開度信号を指標として利用するため、
ボイラ補機の現実の能力限界を間接的ながらオンライン
で検知することができる。さらに、調節器でダンパの最
大調整開度との偏差に対し調整演算を作用させて出力す
る操作出力信号と、上位制御器で負荷変更指令に基づい
て発生させる負荷変化率設定信号とを比較して小さい方
の値を選択し、ボイラ負荷変化制御のための増負荷変化
率とする。

【００１３】このため、能力余裕のない補機の能力が限
界に近い場合には、その補機の制御性を基準としてボイ
ラ設備の運転を行うことになり、その補機の能力一杯を
使った操業が可能になるばかりでなく、稼働する補機類
同士の運転整合性が崩れないので、異常な燃焼や危険な
運転を回避することができる。また、さらにボイラ負荷
上限制限に基づく調整動作信号を入力して、これら３個
の信号のうち最も小さい信号を選択して増負荷変化率と
すれば、他の要因により生じる可能性がある危険も回避
して、より安全性の高い操業が可能になる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るボイラ負荷変
化制御方法と装置を、図面を用い実施例に基づいて詳細
に説明する。本実施例は、特に事業用火力発電ボイラに
おいて主要な補機である誘引通風機が能力余裕の少ない
場合について、ボイラに対する負荷需要がある低水準状
態から定格一杯の高水準状態に変更されるときに用いた
ものである。図１は、本実施例のボイラ負荷変化制御方
法を用いて低負荷状態から高負荷状態への変化を行わせ
るときの負荷変化過程を表した運転状態推移図である。
また、図２は本実施例のボイラ負荷変化制御装置の主要
回路部分について示した回路図である。例えば負荷５０
％の低負荷状態から定格一杯の１００％負荷水準への切
換が需要家から要請されると、これに対応して所定の負
荷変化率を持った出力変化パターンがボイラ制御装置に
より設定され、この出力変化パターンを実現するための
ボイラ入熱変化パターンが負荷変化率設定器により算出
され、これに従ったボイラ操作指令が生成されて各要素
の制御装置に伝達され、ボイラ全体の制御が行われる。

【００１５】理想のボイラ入熱変化パターンは、図１に
太い点線で示したようにボイラの伝達特性を考慮して、
出力が変化始めるときにより大きな変化を与え、変化中
は出力パターンより先行して入熱変化をし、また、負荷
変化終了直前では過剰に入熱量を与え、さらに負荷変化
終了時点では入熱量を急激に減少させるようにしたオー
バファイアの形状を有する。ところが、本実施例では、
誘引通風機の容量が定常的な定格運転には十分である
が、このようなオーバファイア量を充足するためには能
力が不足している。したがって、オーバファイアによる
加速制御を行おうとすると、誘引通風機の入口ダンパ開
度が最大開度設定値を越えて、通風量または炉内圧力の
制御が利かなくなってしまうため、予定された出力変化
パターンは達成できない。

【００１６】そこで、本実施例のボイラ負荷変化制御方
法では、事業用ボイラの増負荷時において、誘引通風機
の入口ダンパがほぼ全開して誘引通風機の能力限界に近
づいた場合にこれを検出し、常態における増負荷変化率
設定部分に介入し、誘引通風機の能力範囲内であって制
御可能な限界的な負荷変化率に切り換えて、ボイラ入熱
変化パターンを形成させることにより、補機能力の制約
条件下で出力変化パターンにより近似させる出力変化を
行わせるようにする。このように構成された負荷変化制
御方法を用いると、ボイラ入熱変化パターンは誘引通風
機の能力限界近くに達するとその後はその能力限界に見
合った最高可能操業水準で推移するので、結局実際の出
力変化パターンは理想型に最も近い形で達成され、整定
までの時間も短いことになる。

【００１７】ここでは、誘引通風機の能力限界に達しつ
つあることを検出するために、誘引通風機の入口ダンパ
が適当な開度を有する間は誘引通風機の能力に余裕があ
るのに対して、入口ダンパが所定の最大開度を越えて全
開する場合は通風機の能力も限界を超えたことになるこ
とを利用する。しかも、入口ダンパの開度は通風機制御
装置からの開度指令値と対応するため、信号処理も容易
である。

【００１８】図２に示した本実施例の負荷変化制御方法
を実施するための負荷変化率設定回路は、増負荷変化時
に作動する主要部分について抽出して表したものであ
り、詳細は省略されている。負荷変化率設定回路は、１
対の誘引通風機のそれぞれに付設された入口ダンパの開
度を制御する開度指令信号を入力して、高値選択器１で
そのうちの高い方の値を選択し比較器２に入力して、開
度設定器３で設定される入口ダンパ開度制限値と比較す
る。入口ダンパ開度が制限値に所定の範囲以内に近づい
たときには偏差検出器４を働かせて調節器５を稼働状態
にする。

【００１９】調節器５は入口ダンパ開度と制限値との偏
差を入力して比例積分動作を作用させて通風機ダンパ開
度上限制限指令信号となる操作信号を出力する。調節器
５は出力リミッタ回路を付属しており、非動作期間には
上位制御装置から出力される負荷変化率に出力信号を待
機させておいて、調節動作開始時に動作遅れが生じない
ようにしておく。

【００２０】誘引通風機が容量限界に近い運転を強いら
れているときは調節器５が作動し、その出力信号は低値
選択器６に伝達される。低値選択器６には上位のボイラ
制御装置の負荷変化率設定器７で生成される負荷変化率
指令が入力されていて、調節器５の出力信号と負荷変化
率指令信号のうち小さい値を持つ方が出力される。調節
器５は補機ダンパ開度が増加する場合には調節器出力が
減少する方向に動作するので、低値選択器６は負荷変化
率設定器７からの増負荷変化率信号より値が小さくなっ
た調節器出力信号の方を選択して出力する。

【００２１】低値選択器６には、さらにボイラ負荷上限
制限のための指令値が入力されていてもよい。低値選択
器６の出力は増負荷変化率指令信号となって、ユニット
マスタの負荷変化率制限器８に供給される。ユニットマ
スタ負荷変化率制限器８は、ユニットに対する負荷変化
指令ＵＤと上記増負荷変化率指令信号に基づいて出力デ
マンド信号ＭＷＤを生成する。

【００２２】このように、プラントの増負荷変化率制限
器はこの低値選択器６により増負荷変化率が制限され、
オーバファイア量は減少方向に動作する。その結果、補
機ダンパ開度の増加は抑制されるか又は減少することに
なり、増負荷過程において補機ダンパ開度が全開になら
ないように負荷変化率が適切に制限されるとともに、ボ
イラ補機全体が均衡を保って動作するので、不足燃焼や
炉内圧力異常を防止することができる。

【００２３】なお、ボイラの最大入力を越える運転を行
うと設備的な無理が生じる。このような事態を回避する
ためボイラ負荷に上限を定め、その制限範囲内での運転
だけを許容するようにするボイラ負荷上限制限指令信号
を発生するボイラ制御装置がある。本実施例の負荷変化
率設定回路をこのような制御装置に用いる場合は、上記
の低値選択器６にボイラ負荷上限制限指令信号を入力し
て他の入力信号と比較し、最低の値を有する信号を出力
するようにすれば容易に目的を達成することができる。

【００２４】なお、補機ダンパ開度を計測値とし最大調
整開度を設定値とする調節器５は、補機ダンパに余裕の
ある状態では調節動作を行わせず調節器５の出力は負荷
変化率設定器７で算出される本来の増負荷変化率に一致
させておくようにしてもよい。このように補機の能力に
余裕がある場合には、低値選択器６の２つの入力信号は
同一の値になるため、増負荷過程においては負荷変化率
に関し制限を受けることはない。増負荷変化中に補機ダ
ンパの開度がこの最大調整開度設定値を上回りそうな状
態となったときには、この調節器５の調節動作を作動さ
せる。

【００２５】本実施例では、余裕の少ない補機が誘引通
風機である場合を対象としたが、これが押込通風機であ
っても、同様の構成により同様の作用効果が達成できる
ことはいうまでもない。また、本実施例では補機が能力
の上限近くに達したことを検出する手段として補機ダン
パの開度信号を使用しているが、補機の出力を直接測定
するなど他の指標を用いてもよいことはいうまでもな
い。なお、負荷を減少させる指令を受けたときに作動す
るために必要な処理回路を上記制御回路に付随させるこ
とが好ましく、そうすることにより制御回路が全体とし
て重複を避けた簡易な回路になることは改めて言うに及
ばない。

【００２６】

【発明の効果】以上詳細に説明した通り、この発明によ
れば、増負荷変化率はボイラ補機の能力を超えることな
くかつ最大限に活用されることとなり、炉内圧力や空燃
比に障害を与えることなく本来のプラント増負荷変化ス
ケジュール設定に対し最も修正の少ない負荷変化を実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のボイラ負荷変化制御方法を用いたとき
の低負荷状態から高負荷状態への負荷変化過程を表した
運転状態推移図である。

【図２】本発明のボイラ負荷変化制御装置の実施例にお
ける主要回路図である。

【図３】事業用ボイラにおける低負荷状態から高負荷状
態への従来の負荷変化過程を表した運転状態推移図であ
る。

【符号の説明】

１ 高値選択器 ２ 比較器 ３ 開度設定器 ４ 偏差検出器 ５ 調節器 ６ 低値選択器 ７ 負荷変化率設定器 ８ ユニットマスタ負荷変化率制限器

フロントページの続き (71)出願人 591195031 開発電気株式会社 東京都千代田区九段北４丁目２番５号 (72)発明者 角田 善正 東京都中央区銀座６丁目15番１号 電源開 発株式会社内 (72)発明者 神代 俊昌 東京都中央区銀座６丁目15番１号 電源開 発株式会社内 (72)発明者 伊藤 俊郎 東京都江東区南砂２丁目11番１号 川崎重 工業株式会社東京設計事務所内 (72)発明者 笠井 透 東京都中央区築地６丁目19番20号 株式会 社技術綜研内 (72)発明者 北村 宗靖 東京都千代田区九段北４丁目２番５号 開 発電気株式会社内 (72)発明者 藤田 克己 東京都千代田区九段北４丁目２番５号 開 発電気株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボイラの増負荷時に、特定のボイラ補機
   の能力が限界に近づいたことを検出している間は、該ボ
   イラ補機の能力以内で達成できる増負荷変化率に基づい
   てボイラ操作信号を設定するようにしたことを特徴とす
   るボイラ負荷変化制御方法。
2. 【請求項２】 前記特定のボイラ補機が押込通風機もし
   くは誘引通風機であることを特徴とする請求項１記載の
   ボイラ負荷変化制御方法。
3. 【請求項３】 ボイラの負荷水準変更指令を受けると負
   荷変化率設定器から予め決めた負荷変化率に基づいて発
   生される負荷変化指令信号によりボイラ操作信号を発生
   するボイラ制御装置において、 特定のボイラ補機に付設されるダンパの開度信号を入力
   し予め定めた該ダンパの最大調整開度に対する偏差が所
   定の値より小さいときに該偏差に対して調整動作を算出
   する調節器と、 該調節器の操作出力信号と前記負荷変化率設定器からの
   負荷変化率設定信号とを比較して低値を選択する低値選
   択器と、 該低値選択器の出力により増負荷変化率を設定する制限
   器を備えることを特徴とするボイラ負荷変化制御装置。
4. 【請求項４】 前記特定のボイラ補機が押込通風機もし
   くは誘引通風機であることを特徴とする請求項３記載の
   ボイラ負荷変化制御装置。
5. 【請求項５】 前記低値選択器にさらにボイラ負荷上限
   制限に基づく調整動作信号を入力して、前記調節器の操
   作出力信号と前記負荷変化率設定器からの設定信号とを
   比較して低値を選択することを特徴とする請求項３また
   は４記載のボイラ負荷変化制御装置。