JPS6015201B2 - 被加熱流体の温度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は蒸気発生プラント等に適用される被加熱流体
系の温度制御装置の改良に関する。

原子炉等を熱源とし、同流型熱交換器を備えた蒸気発生
プラントとして、第１図に示されるものが知られている
。図中、１６は原子炉や中間熱交換器等の熱源で、加熱
流体を高温に加熱するところである。

ここで高温に加熱された加熱流体は配管２５を通じて蒸
気発生器に輸送される。この蒸気発生器は、過熱器１、
蒸発器２、およびこれらを連絡する配管２７，２８とで
構成され、輸送された加熱流体は過熱器１を経たのち、
配管２８を介して蒸発器２に送られる。一方、給水ポン
プ１４から給水管２３を通して蒸気発生器に水が供Ｖ給
される。この水は蒸発器２で加熱流体と熱交換して蒸気
を発生し、この蒸気は配管２７を介して過熱器１に送ら
れ、ここで加熱流体とさらに熱交換を行なって、過熱度
を高める。得られた過熱蒸気は蒸気配管２４を通してタ
ービン等の負荷機器に供給されるが、通常は蒸気配管２
４に設けられた圧力調節弁１５によって、所定の圧力値
に調整される。なお、蒸発器２で熱交換を終えた加熱流
体は低温となり、配管２６を通して再び熱源１６に戻さ
れる。上述した蒸気発生プラントは、蒸発器２の出口蒸
気温度に大変動が生ずると、材料強度および運転作業に
悪影響を及ぼすので、蒸気温度を適切に調節することが
必要である。

そのため、従来より以下に述べるような温度制御操作が
行なわれてきた。

要求負荷信号発生器３から発信された要求負荷信号は加
熱流体流量目標信号発生器１川こ受信され、同発生器１
０は加熱流体流量の制御目標値を部分負荷特性に合致し
て与え、加熱流体流量はＰＩＤ調節器１２（以下、Ｐ調
節器は比例動作、１調節器は積分動作、Ｄ調節器は微分
動作、Ｐｍ調節器はこれら動作の組合せ、による調節器
を示す）によって目標値に造値制御される。

同時に関数発生器２１によって、加熱流体流量と蒸気発
生器部分負荷特性上のバランスが保たれた給水流量目標
値が与えられ、給水流量はこの目標値に迫値制御される
。したがって、上述した温度制御操作においては、加熱
流体流量と給水流量は部分負荷特性上のバランスが常に
保たれ、蒸気発生器の入出熱のバランスを保つことが意
図されている。しかしながら、このような効果はつぎに
述べる理由によって限定された範囲に留まっている。第
３図は、１００％負荷時と１５％負荷時とを比較して、
蒸発器長手方向加熱流体ェンタルピ分布を例示したもの
であり、第４図は同様に２つの負荷時を比較して、水蒸
気ェンタルピの蒸発器長手方向分布を例示したものであ
る。これらの図に明らかなように、加熱流体と被加熱流
体の合熱量の分布は負荷に依存して変化するものであり
、伝熱管その他の構造材の含熱量も、同様に負荷に依存
して変化する。負荷変化の前後における蒸発器内容物の
含熱量が変化すれば蒸発器全体の保有熱量も変化しこの
変化量は、たとえば第３図、第４図に示す含熱量分布に
おいて蒸発器全容積にわたる積分値の、初期値と最終値
の差として容易に算出し得るものである。

この変化量を△Ｑとすると、通常は△Ｑ〉０であるため
、負荷急減前後の蒸発器保有熱量には大きな落差△Ｑ（
以下、余剰熱量と呼ぶ）が発生する。

この余剰熱量の存在によって、負荷急減直後における蒸
発器保有熱量は、整定状態いおける保有熱量に比較して
著しく過剰となる。

負荷減少後では、水／蒸気流量および加熱流体流量が減
少するので、余剰熱量は蒸発器から直ちに流出すること
ができない。結局、蒸発器内の余剰熱量は伝熱によって
加熱流体および構造材から水／蒸気側へ移動する。

したがって、水／蒸気側からみれば、熱供給を過剰に受
ける状態となるので、蒸発器出口蒸気温度が急激かつ大
幅に上昇するのである。これが、従来の大きな問題点で
あって、蒸発器の損傷の懸念が残されていた。また第１
図の装置によると、加熱流体の定常的な微少動変動なら
びに加熱流体流量検出器のノイズが、計器１１，２１，
６の経路を経て＆相進み要素２２に伝播するが、位相進
み要素２２は、これらの定常的微少変動を拡大して伝達
する煩向があるので、給水流量制御系に流量目標値の無
用な変動が伝達される。

その結果、給水流量に定常的な振動が生じ易く、これが
発生した場合には給水系機器が損傷をこうむる危険があ
った。この発明は上記事情を改善した被加熱流体の温度
制御装置を提供するものである。

すなわち、第１図に示す蒸気発生プラントを例にとれば
、負荷の急減の際にも蒸発器出口蒸気温度が激変せず、
蒸気発生器の継続運転が実施可能な、被加熱流体の温度
制御装置を提供するものである。この発明の温度制御装
置は、加熱流体系と被加熱流体系とが熱交換器を介して
熱交換関係に保持された装置において、加熱流体系に設
けられ基準信号を受けて加熱流体流量を制御する第１の
流量制御器と、被加熱流体系の前記熱交換器出口側に設
けられた温度偏差検出器と、この検出器と加熱流体系の
流量計とに夫々連絡され且つ遅れ補償器を含む被加熱流
体流量指令信号発生器と、被加熱流体系に設けられ位相
調節器を介して前記流量指令信号発生器に連絡された第
２の流量制御器とを、具備してなるものである。

以下、第２図を参照しながら、向流型熱交換器を備えた
蒸気発生プラントの実施例に基づいて、この発明を詳し
く説明する。

なお、給水、蒸気発生、過熱蒸気および加熱流体の挙動
については、第１図と同じなので、説明を省略する。

１０は、加熱流体の流量目標値関数発生器で、これは要
求出力信号３の信号を受けて、加熱流体流量調節器１２
の制御目標値を発生する。

この流量目標値１２は、流量検出器１１からの流量信号
がフィードバックされ、ＰＩＤ制御によってポンプ１３
の回転速度を操作する。関数発生器２１は流量検出器１
１からの加熱流体流量信号を受信することにより給水流
量目標信号を発信し、この信号に対して遅れ補償器３０
が遅れ補償を施す。蒸発器出口蒸気温度検出器４は蒸発
器２の出口蒸気温度を検出し、この検出信号と蒸発器出
口蒸気温度目標値発信器１７からの信号との偏差に応じ
て、温度調節器５がＰＩＤ制御動作を行ない、遅れ補償
器３０から発信される信号を加算器６で加算修正する。
進み補償器２２は加算器６の発信信号、つまり給水流量
目標信号に対し位相進み補償を施す。給水流量調節器７
は進み補償器２２の発信する目標信号に対し給水管流量
検出器８からの信号をフィードバックし、ＰＩＤ制御を
行なうことにより調節弁９を操作し、給水流量を調節す
る。遅れ補償器３０の伝達特性は、負荷急減時に生ずる
余剰熱量を除去するため、つぎに述べる方法によって選
定される。すなわち、この発明においては、余剰熱量が
発生した場合に、給水量を過剰に与えることにより水／
蒸気側への伝熱量を増やし、強制的に余剰熱量を除去す
るようにしている。その給水過剰投入分を×とすれば、
出口蒸気ェンタルピＨａを一定に保つための条件は、次
式で表わされる。

Ｘ（比‐Ｈｅ）＝△Ｑ ……‘１｝たゞし
、Ｘ ；給水過剰投入分〔ｋｇ〕 △Ｑ；余剰熱量〔ｋ ｃａｌ〕 Ｈａ；蒸発器出口蒸気ェンタルピ〔ｋｃａｌ／ｋ９〕Ｈ
ｅ；蒸発器入口蒸気ェンタルピ〔Ｋｃａｌ／ｋ９〕ここ
で、Ｈｅはほゞ一定であり、Ｈａを一定に保つような制
御を行なうことがこの発明の目的である。

所要のＸは次式で与えられる。

Ｘ＝△Ｑ／（比‐Ｈｅ） ……｛２’×は、
蒸発器出口ェンタルピが変動せぬよう時間的に配分を与
えて投入することが必要であって、この発明では給水流
量目標信号に遅れ補償を施すことにより、Ｘを発生させ
ている。

第５図はＸ発生の原理を示すものであり、図中、曲線イ
は急激な負荷減少に対応して部分負荷特性との静的なバ
ランスが保たれた、関数発生器２１による給水流量目標
値、曲線口は遅れ補償器３０の発信信号が与える給水流
量目標値である。

Ｘは、イと口の曲線に囲まれた面積によって発生させる
ことができる。たとえば、遅れ要素３０１こ一次遅れ１
／（１十丁。

Ｓ）を用いた場合は、丁ｏはつぎのようにして合理的に
決定される。ｔ Ｘノキ（Ｗｉ−Ｗｆ）ｅ‐行Ｄｄｔ ＝（Ｗｉ−Ｗｆ）丁。

．．？Ｄ＝Ｘ／（Ｗｊ−Ｗｆ） ．．．．．
．（３｝ただしＳ；プラス演算子 丁。

；時定数〔ｍｉｎ〕Ｗｉ：給水流量初期値〔ｋｇ／ｍｉ
ｎ〕 Ｗｆ；給水流量整定値〔ｋ９／ｍｉｎ〕 ｔ ；時間〔ｍ；ｎ〕 蒸発器出口蒸気温度は検出器４で検出され、調節器５を
用いたＰＩＤ制御によって、給水流量目標値を加算器６
において加算修正することにより、蒸気温度目標値発信
器１７の発信する温度目標値に制御される。

加算器６が発信する給水流量目標信号に追従した給水流
量を得るために、調節器７の制御動作遅れと、弁動作遅
れ、流量検出遅れ、給水流量遅れの総合した給水流量操
作遅れを補償するために、位相進み補償要素２２を使用
する。

進み補償要素２２の特性はつぎのようにして合理的に求
めることができる。各部遅れ特性は、流量目標値に対し
たとえば第６図のブロック線図の結合関係により、実流
量が流れる。

各要素はつぎの特性を有する。Ｓ ；プラス演算子 Ｇｐ；ＰＩＤ綱鰍Ｋｐ（１十古十Ｔ。

ｓ）ＧＶ；弁動作遅れ Ｇｆ；流動遅れ Ｇｍ；流量検出遅れ この系の総合伝達特性は ＧｐＧｖＧｆ Ｇｔ＝・十ＧｐＧｖＧｆＧｍ 補償要素２２の特性をＱとして総合伝達特性を１にする
ためには、つぎの特性に選べばよい。

ＧｔＣ℃＝１‐‐‐Ｑ：…：１十葦簾芋ｍ ‐‐‐‐
‐‐｛５）以上で明らかな如く、この発明の温度制御装
置によれば、加熱流体の実流量に対して、蒸気発生器部
分負荷特性上のバランスが保たれた給水流量が先行的に
与れられるので、入熱と出熱のバランスが常に保持され
る。

その結果、蒸発器出口蒸気温度の変動発生が最小限に抑
制されるという、効果がある。また、負荷が急激に減少
する際は、加熱流体の流量急減に対応する給水流量先行
目標値信号の減少に対し、所定の遅れ補償を施している
ため、給水流量は所定量だけ過剰に投入され、蒸発器内
部の余剰熱量が効率よく除去される。その結果、負荷急
減時にとかく発生し易かった蒸発器出口蒸気温度の急激
かつ大幅な上昇応答が、有効に防止されるという効果が
ある。とくに、加熱流体循環ポンプの故障等で加熱流体
流量が大幅かつ急激に変動した場合でも、加熱流体の実
流量とのバランスが保たれた給水流量が先行的に得られ
るため、蒸発器出口蒸気温度は設計値の範囲に抑制され
、蒸気発生器を安全かつ継続的に運転することができる
。さらに、計器１１，２１を経て伝播する加熱流体の定
常的な微少流動変動、加熱流体の流量検出器１１のノイ
ズに対しては、遅れ要素３０がフィルタ効果を発揮する
ため、給水流量制御系への伝播を防止することができる
。

なお、第２図に示した加算器６は、進み要素２２の次段
に配設することができ、その場合は蒸気温度ノイズ成分
あるいは温度検出ノイズが計器４，５，６の経路で伝播
しても、進み要素２２の存在によるノイズの拡大を防止
することができる。そして被加熱流体についても、水以
外の流体を適用することが可能である。以上により、こ
の発明はＦＢＲ用蒸発器過熱器分離型貫流式蒸気発生器
に限らず、熱交換器一般分野において工業的に大きな貢
献をするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は温度制御装置を組み込んだ従来の蒸気発生プラ
ントの構成図、第２図はこの発明の一実施例装置を組み
込んだ蒸気発生プラントの構成図である。 第３図は上記実施例において、蒸発器長手方向の温度流
体ェンタルピ分布を示す線図、第４図は同じく蒸発器長
手方向の水／蒸気ェンタルピ分布を示す線図、第５図は
この発明の効果を生む給水過剰投入分発生原理を示す線
図、第６図は給水流量操作遅れを補償するため「位相進
み補償要素の各部遅れ特性の結合関係を示すブロック線
図である。１・・・・・・過熱器、２・・・・・・蒸発
器、３……要求負荷信号発生器、４・・・・・・蒸発器
出口蒸気温度検出器、５・・・・・・蒸発器出口蒸気温
度ＰＩＤ調節器、６・・・…加算器、７・・・・・・給
水流量ＰＩＤ調節器、８・・・・・・給水流量検出器、
９・・・・・・給水調節弁、１０…・・・加熱流体流量
目標値関数発生器、１１・…・・加熱流体流量検出器、
１２・・・・・・加熱流体流量ＰＩＤ調節器、１３・・
・・・・加熱流体循環ポンプ「 亀４・・・・・・給水
ポンプ、１５…・・・出口弁「 １６・・・・・・加熱
流体加熱器または熱源、１７・・・・・・蒸発器出口蒸
気温度目標値発信器、２１・・・・・’給水流量目標値
関数発生器、２２…・・・位相進み補償器、２３・・・
…給水管、２４・・・…蒸気管、２５・・・・・・高温
加熱流体管、２６・・・・・・低温加熱流体管、２７・
・・・・・蒸気連絡管、２８・・・・・・加熱流体連絡
管、３０・・…・遅れ補償器。 第１図 第２図 第３図 第６図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 加熱流体系と被加熱流体系とが熱交換器を介して熱
   交換関係に保持された装置において、加熱流体系に設け
   られた基準信号を受けて加熱流体流量を制御する第１の
   流量制御器と、被加熱流体系の前記熱交換器出口側に設
   けられた温度偏差検出器と、この検出器と加熱流体系の
   流量計とに夫々連絡され且つ遅れ補償器を含む被加熱流
   体系流量指令信号発生器と、被加熱流体系に設けられ位
   相調節器を介して前記流量指令信号発生器に連絡された
   第２の流量制御器とを、具備してなることを特徴とする
   被加熱流体の温度制御装置。