JPS5950002B2 - 蒸気温度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はボイラ過熱器の出口側の蒸気温度を制御する蒸
気温度制御装置の改良に関する。

従来ボイラ過熱器の出口側の蒸気温度を所定の値に制御
するには、蒸気温度の設定値と検出値の偏差を算出し、
この偏差を零にするようにＰＩＤ（比例・積分・微分動
作）調節計によりスプレィ量を決定してスプレィ式過熱
低減器を操作し、蒸気温度を制御している。

第１図はかかる従来の蒸気温度制御装置を示すものであ
る。

すなわち、第１図に示すようにボイラ蒸気系１の中途に
設けられた過熱器２の出口側に蒸気ＳＴの温度検出端ａ
を設けて蒸気温度を検出し、この蒸気温度検出値Ｓ８と
蒸気温度設定値Ｓｏとを比較器３により比較してその偏
差を算出し、ＰＩＤ調節計４に加える。

このＰＩＤ調節計４では蒸気温度の設定値Ｓ。

と検出値Ｓａの偏差を零にするようにスプレィ量を決定
し、このスプレィ量に応した信号によりスプレィ系統５
に設けられたバルブ６を制御する。

このバルブ６の制御により過熱器２の入口側の蒸気系１
に設けられたスプレィ式過熱低減器７に対してスプレィ
水ＳＰを供給し蒸気温度を制御するようにしている。

しかしこのような蒸気温度制御装置においては過熱器２
の入口側の蒸気温度の変化によりその出口側の蒸気温度
が変化すると、この変化は過熱器２での遅れ特性や温度
検出端ａでの検出遅れにより、かなり遅れて比較器３に
蒸気温度検出値Ｓ８が加えられる。

このためこの蒸気温度検出値Ｓａを用いて前述したよう
にスプレィ量を決定してスプレィ式過熱低減器７を操作
しても効果的な制御ができない。

そこで最近ではより効果的な制御を行なうため、蒸気温
度制御装置として次のような制御方式を採用している。

まず第１の方式は第１図において前述した各構成要素に
加えて図示点線で示す如く過熱低減器７に上流側に温度
検出端すを設けてスプレィ前の蒸気温度を検出し、この
検出値Ｓｂを係数器８に加えて所定の係数を乗じ、これ
をＰＩＤ調節計４の出力とともに加算器９により加算し
、その加算出力によりバルブ６を制御してフィードフォ
ワード的にスプレィ量を操作するようにしたものである
。

しかしこの第１の方式を採用してもボイラの負荷変動に
より蒸気流量が変化すると蒸気温度が変化してしまう。

また第２の方式は第１図において前述した第１の方式に
よる各構成要素に加えて図示一点鎖線で示す如く過熱器
２の出口側の蒸気系１に蒸気流量検出器１０を設けて蒸
気流量に応じた信号Ｓｃを係数器または関数発生器１１
に加えてこの係数器または関数発生器１１より定常特性
から決められた蒸気流量に見合うスプレィ量を算出して
出力を得、この出力をＰＩＤ調節計４の出力と係数器８
の出力とともに加算器９により加算し、この加算出力に
よりバルブ６を制御してスプレィ量を操作するようにし
たものである。

この場合、蒸気温度は蒸気流量のみならずボイラ入熱量
が変化しても変る。

そこでボイラ入熱量を蒸気量に平衡して変化させれば、
この変動は顕著には現われなくなる。

しかし、ボイラ入熱量を蒸気量に平衡して変化させ、負
荷要求量の変更により蒸気流量を変えると、蒸気圧力が
直ちに変動する。

このためこの圧力変動を補償するには蒸気流量変化の微
分信号も用いて、ボイラ入熱量を操作すればよい。

しかし第２の方式にかかる手段を講じても負荷要求量変
化の過渡時において、蒸気量とボイラ入熱量の間に不平
衡が生じ、蒸気温度を変動させてしまう。

さらに第３の方式は第２の方式の欠点をおぎなうため、
ボイラ入熱量と蒸気量の不平衡量に比例したスプレィ量
を算出し、これを第１図に示した加算器９に加算し、そ
の加算出力によりバルブ６を制御してスプレィ量を操作
するようにしたものである。

したがって、この第３の方式において、ボイラ入熱量と
蒸気量の不平衡量が蒸気温度の変動にもたらす動特性と
、スプレィ量変化による蒸気温度変化の動特性が一致し
ていれば、不平衡による蒸気温度の変動を補償できる。

しかし、一般には両者の動特性は異っており、定常状態
では不平衡による蒸気温度の偏差を零にすることができ
ても、動特性の差によって過渡状態においては蒸気温度
か゛変動する。

このためこの第３の方式は、蒸気量とボイラ入熱量との
間に定常的に不平衡か゛ある場合には有効であっても、
負荷要求量の変更によって生じる不平衡による蒸気温度
変動を補償する方式としては、あまり有効ではない。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、蒸
気流量変更時に過渡的に生じる蒸気流量とボイラ入熱量
の不平衡によって生じる蒸気温度の変動を発生しないよ
うにスプレィ量の操作を効果的に制御することができる
蒸気温度制御装置を提供することを目的とする。

以下本発明の一実施例を図面を参照して説明するにあた
り、まずボイラ入熱量と蒸気量の概念について述べる。

ボイラは重油や可燃性ガスや石炭などの燃料を燃焼させ
、水を蒸発し、蒸気を発生することを目的とした装置で
あり、ボイラへ供給した熱量に見合う量および温度・圧
力の蒸気を発生する。

すなわち、供給熱量が増せば、発生する蒸気量が増加し
、温度・圧力が上昇する。

逆に供給熱量を減らせば発生する蒸気量が減少し、温度
・圧力が低下する。

なお、ボイラ入熱量とは、ボイラに供給した熱量を意味
し、この量は、燃料流量に比例し、流量計で測定した燃
料流量の検出値や、指令値で代表させることができる。

ボイラで発生した蒸気は、蒸気タービンに導かれ発電に
使用されたり、工場内で各種用途に使用される。

したがって、電力需要や工場内での蒸気需要量に応じた
蒸気を発生することがボイラに課されており、蒸気量が
ボイラの出力でもあり、ボイラに課された負荷量でもあ
る。

またボイラから出る蒸気量は、蒸気管に設けられた蒸気
弁を開閉することにより調節できるようになっている。

したがって、蒸気量は負荷要求量や蒸気弁の開度や流量
計で測定した蒸気流量検出値で代表させることか゛でき
る。

第２図は本発明の要部となる蒸気温度制御器１２の構成
を示すもので、この蒸気温度制御器１２はボイラ入熱量
相当信号Ｓｄと蒸気量相相当信号Ｓｅが入力される関数
要素付減算要素１３とこの減算要素１３から得られる出
力Ｓ、が加えられる動特性補償用伝達特性要素１４から
なり、この伝達特性要素１４の出力Ｓｇは第１図に示す
加算器９に加えられるものである。

ここで各要素の機能について述べる。

関数要素付減算要素１３は燃焼指令値や燃料流量検出値
などのボイラ入熱量に相当する信号Ｓｄと、負荷要求量
または蒸気弁開度あるいは蒸気流量検出値などの蒸気量
に相当する信号Ｓｅを受信すると、両者間の不平衡量を
算出し、これを差信号Ｓｆとして発信する。

動特性補償用伝達特性要素１４はこの差信号Ｓｆを特性
変換し、スプレィ量信号Ｓ、を発信する。

このスプレィ量信号Ｓｇは、第１図に示した従来方式の
制御器で決定されたスプレィ量信号とともに加算器９に
より加算され実際のスプレィ操作量となる。

ところで、関数要素付減算要素１３は、その時の入力蒸
気流量に平衡するボイラ大人熱量を関数発生要素で算出
し、人力されたボイラ入熱量からこの値を引き、差信号
を発信するものである。

また、その時の入力ボイラ入熱量に平衡する蒸気量を関
数発生器で算出し、この値から入力された蒸気量を引き
差信号を発信するものである。

なお、蒸気量に平衡したボイラ入熱量が比例関係であれ
ば、関数要素は所定の比率係数を乗じる係数要素でよい
。

また動特性補償用伝達特性要素１４は、蒸気量とボイラ
入熱量との不平衡によって生じる蒸気温度の伝達特性Ｇ
、（Ｓ）と（Ｓニラプラス演算子）、スプレィ量の変化
によって生じる蒸気温度変化の伝達特性Ｇ２（Ｓ）の特
性の違いを補償するもので、伝達関数表現で なる伝達特性をもった要素である。

なお、Ｇ（Ｓ）の特性が複雑な場合には、簡略化した近
似特性の要素を用いてもよい。

また、微分作用が強い場合には、微分特性を弱めた近似
特性の要素を用いてもよい。

この場合には、ボイラ入熱量と蒸気量との不平衡による
蒸気温度の変動を完全には補償できないが、動特性補償
を実施しない場合に較べて大幅に変動を押えることが可
能である。

次に本発明の作用を具体例を用いて説明する。

ボイラ入熱量と蒸気量の不平衡による蒸気温度への伝達
特性（２）式で与えられる。

すなわち、遅れ時定数２分の１次遅れ特性である。

またプロセスゲイン１／４０は、ボイラ入熱量と蒸気量
の不平衡量が燃料流量換算で４０ｋｌ／ｓｅｃのとき、
蒸気温度が１℃の変化することを意味している。

ここで、上記（２）式は本発明を実施したボイラの特性
を調査して得たもので、平衡状態でボイラ入熱量だけを
ステップ状に変化させたところ第３図ａに示すような応
答が得られた。

ステップ入力量とこの応答図の最終値の大きさの比から
プロセスゲイン１／４０を、またステップ入力を加えて
からこの応答図で最終値の６３．２％に達するまでの時
間から遅れ時間２分を見出して（２）式を求めたもので
ある。

また、スプレィ量変化による蒸気温度への伝達特性は（
３）式で与えられる。

ここで、上記（３）式は前述同様にボイラの特性を調査
して得たもので、スプレィ量をステップ状に変化させた
ところ第３図すに示すような応答が得られた。

そこで、この図から前述同様にして（３）式％式％ すなわち、遅れ時定数１分の３次遅れ特性である。

また、プロセスゲイン−５は、スプレィ量をＱ、 ２ｔ
／ｈｒ増加させたとき、蒸気温度が一１℃変化すること
を意味している。

第３図１〕に、スプレィ量をＱ、 ２ｔ／ｈｒステツプ
状に増加させたときの蒸気温度の変化状況を示す。

したがって、このプロセスに適用する蒸気温度制御器１
２の動特性補償伝達特性要素１４の伝達特性Ｇ （Ｓ）
は（１）式から（４）式となる。

ここで不平衡が、燃料量換算で４０ｋｌ／ｈｆだけステ
ゝンプ状に発生したとき、蒸気温度変動の動特性は（２
）式から次式のようになり、この変動波形を第３図ａに
示す。

すなわち、なんら制御しなければ、この波形状に蒸気温
度が乱れ、１℃の定常偏差が発生する。

この変動を補償するため、不平衡発生と同時にスプレィ
量を０．２ｔ／ｈステツプ状に増加させると、蒸気温度
の変化は、第３図ａと第３図すの波形を加え合せた第３
図Ｃの形状となり、式で表わせば（５）式と（３）式か
ら（６）式となる。

すなわち定常偏差は零となるが、過渡的な変動を補償で
きず、不平衡量が大きくなるにしたがいそれに比例して
変動の山が高くなる。

しかるに、上記した蒸気温度制御器１２を用いれば、燃
料量換算で４０ｋｌ／ｈｒの差信号（不平衡量）が発生
したとき、次式の特性のスプレィ量を発信し、（４）式
から（７）式となる。

このスプレィ量信号がもたらす蒸気温度の変化特性は、
（３）式と（７）式から次式となる。

これは（５）式で符号を反転したものであり、（５）式
と（８）式を加算すると零となる。

すなわち、蒸気量とボイラ入熱量の不平衡によって生じ
る温度変動を完全に打消し、過渡時においても温度変動
を零にすることができる。

この時の状態を第３図Ｃに示す。

次に、動特性補償伝達要素１４として近似特性、例えば
、（９）式の特性の要素を用いた場合について述べる。

前述と同様に、４０ｋｌ／ｈｒの不平衡が発生した時、
本制御器が発信する操作量は（９）式から次式となる。

これの、蒸気温度への影響分は（３）式と（１０）式か
ら次式で現わされる。

したがって、不平衡発生時に本制御器を用いて制御した
状態での蒸気温度の変動特性は（５）式と（Ｍ）式から
なる。

この場合、変動を完全には補償できないが、動特性補償
をしない第３図Ｃの変動波形のピーク値を低く押えるこ
とができる。

なお、スプレィ式過熱低減器７の出口蒸気温度を制御す
るマイナー制御ループが設けられている場合には加算器
９の出力は、一旦このマイナー制御ループの目標値を変
化させ、間接的にスプレー量を操作する。

この場合、動特性補償伝達要素１４の伝達特性Ｇ （Ｓ
）を決定するのに使用するＧ２（Ｓ）としては、近似的
なスプレィ量信号である加算器９の出力変化に対する過
熱器出口蒸気温度ａの変化特性とすることもある。

従って、第１図に示すボイラ蒸気温度制御系において、
負荷要求指令により蒸気流量を変えると、蒸気圧力が変
動する。

この変動を迅速に回復させるためには、蒸気流量変化の
微分信号も用いてボイラ入熱量を変化させる。

このため、過渡状態においてボイラ入熱量と蒸気量の平
衡が崩れ、蒸気温度の変動を発生させる。

すなわち、蒸気圧力に注目すれば、蒸気量の変化の過渡
時においてボイラ入熱量を急激に変化させ、意図的に蒸
気量とボイラ入熱量を不平衡とすることにより蒸気圧力
の制御性は向上するが、蒸気温度は大きく変動する。

逆に、蒸気温度に注目すれば蒸気量と平衡をとりなから
ボイラ入熱量を変更すれば、蒸気温度の制御性は向上す
るが、蒸気量変化により変動した蒸気圧力を所定の値に
整定させるのに時間がかかる。

このため従来方式では、蒸気圧力変動と蒸気温度変動の
妥協点に制御器の制御パラメータを調整せざるを得なか
った。

しかるに、本発明では第２図に示すような蒸気温度制御
器１２を用いてその出力Ｓｇを第１図に示す制御系の加
算器９に加えることにより、蒸気圧力制御とは独立して
、蒸気量とボイラ入熱量との不平衡によって生じる蒸気
温度の変動を補償することができる。

したがって、蒸気温度の変動を考慮しながら蒸気圧力制
御の妥協点を探す必要はなく、蒸気圧力の制御性だけを
考えて自由にボイラ入熱量を操作することができる。

この結果、蒸気量変更時に、蒸気温度と蒸気圧力の両者
に発生する変動を、同時に良好に制御することが可能と
なり、急激な電力要求量の変化に対して追従性の良いボ
イラプラン１〜とすることが可能となる。

以上述べたように本発明によれば、蒸気流量変更時に過
渡的に生じる蒸気流量とボイラ入熱量の不平衡によって
生じる蒸気温度の変動を発生しないようにスプレィ量の
操作を効果的に制御することができる蒸気温度制御装置
が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の蒸気温度制御装置を説明するための系統
図、第２図は本発明の一実施例における蒸気温度制御器
の構成図、第３図は第２図の蒸気温度制御器による蒸気
温度変動を説明するための波形図である。 １・・・蒸気系、２・・・過熱器、３・・・比較器、４
・・・ＰＩＤ調節計、５・・・スプレィ系、６・・・バ
ルブ、７・・・スプレィ式過熱低減器、８・・・係数器
、９・・・加算器、１０・・・蒸気流量検出器、１１・
・・係数器または関数発生器、１２・・・蒸気温度制御
器、１３・・・関数要素付減算要素、１４・・・動特性
補償伝達特性要素。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 過熱器およびこの過熱器の入口側にスプレィ式加熱
   低減器を設けたボイラ蒸気系の前記過熱器の出口側の蒸
   気温度および蒸気量と前記スプレィ式過熱低減器の入口
   側の蒸気温度をそれぞれ検出して演算によりスプレィ量
   を求め、このスプレィ量により前記スプレィ式過熱低減
   器を操作して前記過熱器の出口側の蒸気温度を予定の値
   に制御するようにした蒸気温度制御装置において、ボイ
   ラ入熱量に相当する信号と蒸気量に相当する信号とを入
   力し両者間の不平衡量を算出する関数要素付減算要素と
   、この減算要素から出力される差信号を入力とし前記ボ
   イラ入熱量と蒸気量の不平衡による蒸気温度変動への伝
   達特性とスプレィ量変化による蒸気温度変化への伝達特
   性の違いを補償する伝達特性とを有してスプレィ量を発
   信する動特性補償用伝達特性要素と、この動特性補償用
   伝達特性要素の出力を前記過熱器の出口側蒸気温度より
   演算して求められたスプレィ量に加算する加算要素とか
   らなる蒸気温度制御装置。