WO2015008497A1 - 燃焼制御装置 - Google Patents

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WO2015008497A1
WO2015008497A1 PCT/JP2014/050411 JP2014050411W WO2015008497A1 WO 2015008497 A1 WO2015008497 A1 WO 2015008497A1 JP 2014050411 W JP2014050411 W JP 2014050411W WO 2015008497 A1 WO2015008497 A1 WO 2015008497A1
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WO
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flow rate
combustion
air flow
fuel flow
ratio
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PCT/JP2014/050411
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English (en)
French (fr)
Inventor
肇 垂石
Original Assignee
株式会社 東芝
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Publication date
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Priority to AU2014291501A priority patent/AU2014291501B2/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • F23N2223/34—Signal processing; Details thereof with feedforward processing

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a combustion control apparatus that applies dynamic feedforward compensation to adjust the ratio of air flow rate to fuel flow rate.
  • a combustion furnace air and fuel are supplied to a burner of the combustion furnace at a certain ratio under the control of a combustion control device. As a result, the combustion furnace burns the fuel mixed with air to obtain heat.
  • the ratio of air to fuel for example, the ratio of air (air flow rate) to fuel (fuel flow rate). If this ratio decreases and there is a lack of air, incomplete combustion will result. Incomplete combustion leads to the generation of black smoke and carbon monoxide (CO). On the other hand, if the ratio increases and air becomes excessive, generation of nitrogen oxide (NOx) and sulfur oxide (SOx) is caused. And if the said ratio is not in the optimal range, the energy conversion efficiency in a combustion furnace will fall and it will cause the increase in operating cost.
  • air air flow rate
  • fuel fuel flow rate
  • the first is a method called ratio control.
  • the second is a method called cross limit control in which the ratio control method is improved.
  • the third is a method called double cross limit control in which cross limit control (more specifically, single cross limit control) is improved.
  • the first to third control methods are common in that the air flow rate and the fuel flow rate are controlled while keeping the ratio of the air flow rate to the fuel flow rate at a set ratio so as to follow the master signal that requires combustion. To do.
  • an air flow rate and a fuel flow rate (more specifically, measured values of the air flow rate and the fuel flow rate) are fed back.
  • the master signal not only requires combustion, but also specifies the degree of combustion demand (combustion amount) (that is, the combustion demand level).
  • the dead time is different between the air flow rate process and the fuel flow rate process. That is, when the air is a gas and the fuel is a liquid or the fuel is a powder such as pulverized coal, the above-described dead time is different. Also, the above-mentioned dead time is different when there are physical restrictions such as the piping length of the plant equipment and the piping system.
  • the problem to be solved by the present invention is that the ratio between the air flow rate and the fuel flow rate is the set ratio even in a transient state where the air flow rate process and the fuel flow rate process have different dead times and the combustion demand level changes suddenly.
  • An object of the present invention is to provide a combustion control device capable of controlling both flow rates so as to be close to each other.
  • a combustion control device for adjusting a ratio between an air flow rate and a fuel flow rate.
  • the combustion control device includes a ratio setting device, a first control loop, a second control loop, a first dynamic feedforward compensator, and a second dynamic feedforward compensator.
  • the ratio setter sets the ratio to be adjusted.
  • the first control loop includes an air flow process and a first feedback controller.
  • the air flow process supplies air to the combustion furnace.
  • the first feedback controller is configured so that the air flow follows the first set value of first and second set values that are target values of the air flow rate and the fuel flow rate, respectively. Controlling the air flow process.
  • the first and second set values change at the set ratio in accordance with a change in the required combustion level indicated by a master signal requesting combustion in the combustion furnace.
  • the second control loop includes a fuel flow process and a second feedback controller.
  • the fuel flow process supplies fuel to the combustion furnace.
  • the second feedback controller controls the fuel flow rate process so that the fuel flow rate follows the second set value.
  • the first dynamic feedforward compensator compensates for a first dead time of the air flow process associated with the responsiveness of the first control loop to changes in the demanded combustion level.
  • the second dynamic feedforward compensator compensates for a second dead time of the fuel flow process associated with the responsiveness of the second control loop to changes in the combustion demand level.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a combustion control device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a combustion control apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of a combustion control apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an example of a combustion control apparatus according to the first embodiment.
  • This combustion control device controls the amount of air and fuel supplied to the combustion furnace.
  • the combustion furnace for example, a boiler furnace, a hot air furnace, a reheating furnace, a heating furnace, an incinerator, and the like are known.
  • the fuel for example, one or more of coal (powder), petroleum (liquid), and gas (gas) are used.
  • the master signal M is an input of the combustion control device, and is a combustion request signal for requesting combustion in the combustion furnace. More specifically, the master signal M specifies the degree of combustion demand (ie, combustion demand level).
  • the air flow rate PV 0 and the fuel flow rate PV 1 are outputs of the combustion control device, and are called an air flow rate process value and a fuel flow rate process value, respectively.
  • the air flow rate PV 0 and the fuel flow rate PV 1 are expressed as percentage (%) values corresponding to the first adjustment range of the air flow rate and the second adjustment range of the fuel flow rate, respectively.
  • Air flow rate (% value of air flow rate).
  • PV 1 100 (%) indicates the upper limit fuel flow rate of the second adjustment range (%). (% Value of fuel flow rate).
  • (% Value of fuel flow rate) The same applies to the second and third embodiments described later.
  • combustion control apparatus 1 is provided with control loops 10 and 11 and a ratio setting device 12 in the same manner as the conventional combustion control apparatus to which the ratio control method is applied.
  • This combustion control device is different from the conventional combustion control device in that a configuration surrounded by a broken line F1 in FIG. 1, that is, dynamic feedforward compensators (hereinafter referred to as DFF compensators) 13 and 14 is provided. It is in preparation. That is, the combustion control apparatus shown in FIG. 1 applies a combustion control method (hereinafter referred to as a feedforward compensation ratio control method) that combines a feedforward compensation method and a ratio control method.
  • a combustion control method hereinafter referred to as a feedforward compensation ratio control method
  • the control loop 10 corresponds to the air flow rate process (supply process) 101 as a control target, and the process 101, the feedback controller 102, including. That is, the control loop 10 is an air system control loop (first control loop).
  • the control loop 11 corresponds to a fuel flow rate process (supply process) 111 as a control target, and includes the process 111 and a feedback controller 112. That is, the control loop 11 is a fuel system control loop (second control loop).
  • the processes 101 and 111 may be referred to as an air flow process 101 and a fuel flow process 111, respectively.
  • the feedback controller (first feedback controller) 102 causes the air flow rate PV 0 (that is, the flow rate of air supplied from the process 101) to follow (match) the target value (first target value) SV 0.
  • the process 101 is feedback-controlled. That feedback controller 102, an air flow rate PV 0 is the target value (i.e., air flow rate target value) so as to follow the SV 0, control the manipulated variable MV 0 to be applied to the process 101 based on the air flow rate PV 0 To do.
  • the feedback controller (second feedback controller) 112 is configured so that the fuel flow rate PV 1 (that is, the flow rate of the fuel supplied from the process 111) follows the target value (second target value) SV 1. 111 is feedback-controlled. That feedback controller 112, the fuel flow rate PV 1 is the target value (i.e., the fuel flow rate target value) so as to follow the SV 1, controls the operation amount MV 1 to be applied to the process 111 based on the fuel flow rate PV 1 To do.
  • Target value SV 0 and SV 1 corresponds to change in the combustion required level indicated by the master signal M, and to keep the ratio PV 0 / PV 1 of the air flow rate PV 0 to a predetermined ratio of fuel flow rate PV 1 Set to the required value. That is, the target values SV 0 and SV 1 change at the predetermined ratio according to the change in the combustion demand level.
  • the target value SV 0 is referred to as a set value (first set value) SV 0
  • the target value SV 1 is referred to as a set value (second set value) SV 1 .
  • the ratio setter 12 sets the ratio of the air flow rate PV 0 to the fuel flow rate PV 1 (that is, the actual ratio) PV 0 / PV 1 to the predetermined ratio. More specifically, the ratio setting unit 12 determines that the air flow rate PV 0 and the fuel flow rate PV 1 are in a state where the actual ratio PV 0 / PV 1 is maintained at the predetermined ratio (that is, the set ratio).
  • a command value corresponding to at least one of the set values SV 0 and SV 1 is generated so as to follow the master signal M.
  • the master signal M is used as a second command value corresponding to the set value (fuel flow rate set value) SV 1 .
  • the ratio setter 12 generates a first command value corresponding to the set value (air flow rate set value) SV 0 based on the master signal M. More specifically, the ratio setting unit 12 is configured by using a constant multiplier, and generates a first command value by multiplying the master signal M by a constant ⁇ .
  • the constant ⁇ indicates a preset ratio of the air flow rate to the fuel flow rate.
  • ⁇ is an air / fuel range conversion coefficient
  • ⁇ is an air ratio.
  • the air / fuel range conversion factor beta, set value SV 1 master signal M (that is, the set value SV 1 control loop 11 of the fuel system)
  • This is a coefficient for normalizing the adjustment range of the air flow rate based on the adjustment range of the fuel flow rate.
  • the adjustment range of the air flow rate is 0 to S 0 normal cubic meter / hour (Nm 3 / h).
  • the adjustment range of the fuel flow rate when the fuel is gas is 0 to S 1 normal cubic meter / hour (Nm 3 / h).
  • A is the theoretical air amount necessary for burning the unit fuel.
  • the air ratio ⁇ is the air actually required to completely burn a certain amount of fuel relative to the theoretically necessary amount of air (that is, the theoretical amount of air) to completely burn a certain amount of fuel. Refers to the ratio of quantities.
  • the master signal M is used as the second command value.
  • the ratio setting device 12 outputs (generates) the master signal M as the second command value in addition to the function of generating the first command value by multiplying the master signal M by the constant (setting ratio) ⁇ . ).
  • the master signal M may be used as the first command value.
  • a ratio setting device that generates the second command value by multiplying the master signal M by the constant 1 / ⁇ may be used in place of the ratio setting device 12.
  • the first and second command values may be used such that the set values SV 0 and SV 1 change at the set ratio in accordance with the change in the required combustion level indicated by the master signal M.
  • the output of the ratio setter 12 (more specifically, the feedback controller 102 of the control loop 10) control loop 10 as the set value SV 0 given.
  • the master signal M (more specifically, the feedback controller 112 of the control loop 11) control loop 11 as the set value SV 1 given.
  • the output of the ratio setter 12 is given to the DFF compensator 13 as the first command value corresponding to the set value SV 0 .
  • the master signal M is given to the DFF compensator 14 as a second command value corresponding to the set value SV 1 .
  • the DFF compensators 13 and 14 operate by regarding the change in the required combustion level indicated by the master signal M (that is, the change in the first and second command values) as a kind of disturbance, and the change in the required combustion level is detected. To compensate. That is, the DFF compensators 13 and 14 compensate for the responsiveness of the control loops 10 and 11 with respect to changes in the combustion demand level.
  • DFF compensators 13 and 14 are associated with control loops 10 and 11 (more specifically, processes 101 and 111 of control loops 10 and 11), respectively, associated with responsiveness to changes in combustion demand levels. Is wasted (first and second wasted time). Therefore, the DFF compensators 13 and 14 have transfer functions C 0 (s) and C 1 (s), respectively, which will be described later, and the control loops 10 and 11 are set according to the change in the required combustion level indicated by the master signal M.
  • the values SV 0 and SV 1 are dynamically increased or decreased.
  • a transfer function having the master signal M as input and the air flow rate PV 0 as output is expressed by Expression (1).
  • C 0 (s) is a transfer function of the DFF compensator 13
  • G 0 (s) is a transfer function of the control loop 10.
  • a transfer function having the master signal M as an input and the fuel flow rate PV 1 as an output is expressed by Expression (2).
  • C 1 (s) is a transfer function of the DFF compensator 14
  • G 1 (s) is a transfer function of the control loop 11.
  • G 0 (s) that is, the transfer function of the control loop 10 is a result of the feedback controller 102 performing feedback control such as P (proportional) I (integral) D (differential) control on the air flow rate process 101.
  • this feedback control is performed as follows.
  • the feedback controller 102 adjusts the parameters of the controller 102 such that the air flow rate (air flow rate process value) PV 0 follows the set value SV 0 of the controller 102 with a gain of 1. Therefore, G 0 (s) is approximately expressed by Expression (3).
  • L 0 and T 0 indicate the dead time (first dead time) and the first-order lag time of the control loop 10 (more specifically, the air flow rate process 101 of the control loop 10), respectively.
  • the dead time L 0 and the first-order delay time T 0 are eigenvalues related to the response of the control loop 10 and measurable during actual plant operation.
  • G 1 (s) that is, the transfer function of the control loop 11 represents the result of the feedback controller 112 performing feedback control such as PID control on the fuel flow rate process 111. Specifically, this feedback control is performed as follows.
  • the feedback controller 112 adjusts the parameter of the controller 112 so that the fuel flow rate (fuel flow rate process value) PV 1 follows with the gain 1 with respect to the set value SV 1 of the controller 112. Therefore, G 1 (s) is approximately expressed by Expression (4).
  • L 1 and T 1 indicate a dead time (second dead time) and a primary delay time of the control loop 11 (more specifically, the fuel flow rate process 111 of the control loop 11), respectively.
  • the dead time L 1 and the first order delay time T 1 are related to the response of the control loop 11 and are eigenvalues that can be measured during actual plant operation.
  • the constants (transfer functions) of the DFF compensators 13 and 14 are the dead time L 0 and first-order lag time T 0 of the control loop 10, and the dead time L 1 and first-order lag time T 1 of the control loop 11, respectively. And is uniquely determined based on the above.
  • exp ( ⁇ (max (L 0 , L 1 ) ⁇ L 0 ) s) in the equation (5) is a dead time element of C 0 (s), and “max (L 0 , L 1 ) ⁇ L 0 ′′ is included as a dead time. That is, the dead time element of C 0 (s) includes the difference between max (L 0 , L 1 ) and L 0 as the dead time.
  • max (L 0 , L 1 ) indicates a large value (third dead time) of L 0 and L 1 .
  • exp ( ⁇ (max (L 0 , L 1 ) ⁇ L 1 ) s) in the equation (6) is a dead time element of C 1 (s), and “max (L 0 , L 1 ) ⁇ L 1 ′′ is included as dead time. That is, the dead time element of C 1 (s) includes the difference between max (L 0 , L 1 ) and L 1 as the dead time.
  • T x is a value that specifies the first-order lag time of the entire ratio control, and is a value that satisfies the condition expressed by the equation (7).
  • min (T 0 , T 1 ) indicates a smaller value of T 0 and T 1 .
  • max (T 0 , T 1 ) is the same as the aforementioned max (L 0 , L 1 ). Therefore, if T 0 is smaller than T 1 , T x is a value larger than T 0 and smaller than T 1 . If T 0 is larger than T 1 , T x is larger than T 1 and smaller than T 0 . That is, T x is a value between T 0 and T 1 .
  • the combustion control apparatus is a feedforward compensation type even in a transient state in which the air flow rate process 101 and the fuel flow rate process 111 have different dead times and the combustion demand level changes suddenly.
  • the air flow rate PV 0 and the fuel flow rate PV 1 can always be controlled in the vicinity of the set ratio ⁇ .
  • C 0 (s) G 0 ( s) and C 1 (s) G 1 ( s) C 1 (s) other than G 1 (s)
  • C 0 (s) G 0 (s) C 1 (s) other than G 1 (s)
  • a condition that C 0 (s) G 0 (s) and C 1 (s) G 1 (s) are substantially equal C 0 (s) G 0 (s) ⁇ C 1 (s) G 1 (s )
  • C 0 (s) and C 1 (s) is set It doesn't matter.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of a combustion control apparatus according to the second embodiment. 2, elements equivalent to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the combustion control device shown in FIG. 2 applies a combustion control method (hereinafter referred to as a feedforward compensation cross limit control method) that combines a feed forward compensation method and a cross limit control method.
  • the combustion control apparatus shown in FIG. 2 to which the feedforward compensation type cross limit control method is applied is added to the control loops 10 and 11 and the ratio setting unit 12 in the same manner as the conventional combustion control apparatus to which the cross limit control method is applied.
  • a constant multiplier 20, a high level selector (hereinafter referred to as H selector) 21, and a low level selector (hereinafter referred to as L selector) 22 are provided.
  • the difference between this combustion control device and the conventional combustion control device is that the configuration surrounded by a broken-line frame F2 in FIG. 2, that is, DFF (dynamic feedforward) compensators 13 and 14, and a switcher (hereinafter referred to as “switching device”). (Referred to as SW) 23 and 24, and a determiner 25.
  • Constant multiplier 20 constant times the air flow rate PV 0. Specifically, the constant multiplier 20 generates a command value PV 0 / ⁇ corresponding to the set value SV 1 by multiplying the air flow rate PV 0 by a constant 1 / ⁇ .
  • the H selector 21 and the L selector 22 function as first and second cross limit controllers, respectively. That is, the H selector 21 selects the higher one of the master signal M (combustion request level indicated by the master signal M) or the fuel flow rate PV 1 as the command value corresponding to the set value SV 0 . On the other hand, the L selector 22 selects the lower one of the master signal M (combustion request level indicated by the master signal M) or the command value PV 0 / ⁇ as the command value corresponding to the set value SV 1 .
  • the H selector 21 prioritizes the increase in the air flow rate PV 0 in the control loop 10 by giving priority to the request for increase in combustion by the cross limit control with respect to the air flow rate.
  • the L selector 22 causes the fuel flow rate PV 1 (control loop 11) to follow the increase in the air flow rate (actual air flow rate) PV 0 . That is, when an increase in combustion is required, the air flow rate PV 0 first increases by cross limit control, and the fuel flow rate PV 1 increases following the increase in the air flow rate PV 0 .
  • the required combustion level indicated by the master signal M has decreased. That is, it is assumed that combustion reduction is requested by the master signal M.
  • M ⁇ PV 1 and M ⁇ PV 0 / ⁇ are assumed.
  • the L selector 22 selects the master signal M as a command value corresponding to the set value SV 1 .
  • the H selector 21 selects the fuel flow rate PV 1 as a command value corresponding to the set value SV 1 because M ⁇ PV 1 .
  • the L selector 22 prioritizes the reduction in fuel flow PV 1 in the control loop 11 by prioritizing the request for reduction in combustion by cross limit control with respect to the fuel flow.
  • the H selector 21 causes the air flow rate PV 0 (control loop 10) to follow the decrease in the fuel flow rate (actual fuel flow rate) PV 1 . That is, when a reduction in combustion is required, the fuel flow rate PV 1 is first reduced by cross limit control, and the air flow rate PV 0 is reduced following the decrease in the fuel flow rate PV 1 .
  • the “preceding-following” method is applied when a switching condition SC described later is not satisfied. In such a state, it is beneficial to operate the combustion control device shown in FIG. 2 on the safer side by applying the “preceding-following” method, even if process characteristics change or feedback control adjustment is insufficient. It is.
  • SW23 switches the output of the DFF compensator 13 and the output of the H selector 21 according to the switching signal q. More specifically, the SW 23 switches either the output of the DFF compensator 13 or the output of the H selector 21 to the input side of the ratio setting unit 12 according to the switching signal q. That is, the SW 23 selects either the output of the DFF compensator 13 or the output of the H selector 21 according to the switching signal q.
  • SW24 switches the output of the DFF compensator 14 and the output of the L selector 22 according to the switching signal q. More specifically, the SW 24 switches either the output of the DFF compensator 14 or the output of the L selector 22 to the input side of the control loop 11 (feedback controller 112) according to the switching signal q. That is, the SW 23 selects either the output of the DFF compensator 14 or the output of the L selector 22 according to the switching signal q.
  • the SWs 23 and 24 select the outputs of the DFF compensators 13 and 14, respectively. Further, the SWs 23 and 24 select the outputs of the H selector 21 and the L selector 22 respectively when the switching signal q is the second level L.
  • the switching signal q is generated by the determiner 25. Based on the output PV 0 / ⁇ of the constant multiplier 20 and the output PV 1 of the control loop 11, the determiner 25 determines whether the switching condition SC of the SWs 23 and 24 is satisfied. This switching condition SC is expressed by equation (10).
  • K is an allowable error coefficient of the air flow rate.
  • the allowable error coefficient K depends on the combustion operation policy for each process, but is about 0.1, for example.
  • the switching condition SC is, PV 0 (% value of the air flow) Air flow is established when the below (1-K) greater than BetamyuPV 1, and (1 + K) ⁇ PV 1 . That is, the switching condition SC is satisfied when the air flow rate (% value of the fuel flow rate) PV 0 is within the allowable error range (that is, the allowable range) based on the fuel flow rate (% value of the fuel flow rate) PV 1. To do.
  • the switching condition SC is satisfied is determined from the viewpoint of the ratio of the air flow rate PV 0 to the fuel flow rate PV 1 (that is, the actual ratio) PV 0 / PV 1 , the actual ratio PV 0 / PV 1 is This is equivalent to determining whether or not the set ratio ⁇ is within the allowable error range (allowable range).
  • the determiner 25 generates the switching signal q of the first level H or the second level L depending on whether or not the switching condition SC is satisfied.
  • the determination unit 25 If the switching condition SC is satisfied, the determination unit 25 generates the first level H switching signal q on the assumption that the actual ratio PV 0 / PV 1 is within the allowable range of the set ratio ⁇ . . On the other hand, if the switching condition SC is not satisfied, the determination unit 25 determines that the actual ratio PV 0 / PV 1 is out of the allowable range of the setting ratio ⁇ , and outputs the second level L switching signal q. Generate.
  • the SWs 23 and 24 select the DFF compensators 13 and 14, respectively, when the switching signal q is the first level H. Then, the combustion control apparatus shown in FIG. 2 executes combustion control by feedforward type compensation similar to that of the first embodiment.
  • the combustion control device executes combustion control (ratio control) based on feedforward type compensation. That is, if the actual ratio PV 0 / PV 1 (or the air flow rate PV 0 ) is within the allowable range of the set ratio ⁇ (or the allowable range based on the fuel flow rate PV 1 ), the combustion control device is a feedforward type. Combustion control based on compensation is executed.
  • the feedforward compensation type ratio control is performed.
  • the air flow rate PV 0 and the fuel flow rate PV 1 can always be controlled in the vicinity of the set ratio ⁇ .
  • the combustion control device shown in FIG. 2 executes the combustion control similar to the conventional cross limit control.
  • the combustion control device executes the combustion control based on the cross limit control. Therefore, according to the second embodiment, safety regarding combustion can be ensured by applying the cross limit control even in a situation where the actual ratio is out of the allowable range.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of a combustion control apparatus according to the third embodiment. 3, elements equivalent to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the combustion control apparatus shown in FIG. 3 applies a combustion control method (hereinafter referred to as a feedforward compensation type double cross limit control method) that combines a feed forward type compensation method and a double cross limit control method.
  • the combustion control apparatus shown in FIG. 3 to which the feedforward compensation type double cross limit control method is applied is similar to the conventional combustion control apparatus to which the double cross limit control method is applied, and the control loops 10 and 11, the ratio setting device 12, In addition, a constant multiplier 20, constant multipliers 201 to 204, and intermediate level selectors (hereinafter referred to as MED selectors) 210 and 220 are provided.
  • This combustion control device is different from the conventional combustion control device in that the configuration surrounded by a broken-line frame F3 in FIG. 3, that is, DFF (dynamic feedforward) compensators 13 and 14, and a switcher (hereinafter, referred to as a “switching device”) (Referred to as SW) 230 and 240, and a determination device 250.
  • the constant multiplier 201 multiplies the output (PV 0 / ⁇ ) of the constant multiplier 20 by a constant. Specifically, the constant multiplier 201 multiplies the output (PV 0 / ⁇ ) of the constant multiplier 20 by a constant 1 + K 1 to obtain a command value (1 + K 1 ) PV 0 / ⁇ corresponding to the set value SV 1.
  • K 1 is a set value indicating the smoke generation limit when the required combustion level increases.
  • the smoke emission limit refers to the limit of the shortage of air that leads to the generation of black smoke and carbon monoxide.
  • the constant multiplier 202 multiplies the fuel flow rate (% value of the fuel flow rate) PV 1 by a constant. Specifically, the constant multiplier 202 generates a command value (1-K 2 ) PV 1 corresponding to the set value SV 0 by multiplying the fuel flow rate PV 1 by a constant 1-K 2 .
  • K 2 is a set value indicating the smoke generation limit when the required combustion level is lowered.
  • the constant multiplier 203 multiplies the output (PV 0 / ⁇ ) of the constant multiplier 20 by a constant. Specifically, the constant multiplier 203 multiplies the output (PV 0 / ⁇ ) of the constant multiplier 20 by a constant 1-K 3, thereby giving a command value (1-K 3 ) PV corresponding to the set value SV 1.
  • Generate 0 / ⁇ . K 3 is a set value indicating the excess air limit when the required combustion level is lowered. The excess air limit refers to the limit of excess air amount that causes generation of nitric oxide and sulfur oxide.
  • the constant multiplier 204 multiplies the fuel flow rate PV 1 by a constant. Specifically, the constant multiplier 204 generates a command value (1 + K 4 ) PV 1 corresponding to the set value SV 0 by multiplying the fuel flow rate PV 1 by a constant 1 + K 4 .
  • K 4 is a set value indicating the excess air limit when the required combustion level increases.
  • the MED selector 210 functions as a first double cross limit controller. That is, even if the master signal M changes, the MED selector 210 changes the set value (air flow rate set value) SV 0 (more specifically, the command value corresponding to the set value SV 0 ) to the fuel flow rate (actual fuel flow rate) PV. Operates to limit the allowable range for 1 . Therefore, the MED selector 210 includes a master signal M (combustion request level indicated by the master signal M), an output (1-K 2 ) PV 1 of the constant multiplier 202, and an output (1 + K 4 ) PV 1 of the constant multiplier 204. The one with the second highest level (that is, the one that is not the highest and the lowest) is selected as the command value (actual command value) corresponding to the set value SV 0 .
  • the MED selector 220 functions as a second double cross limit controller. That is, even if the master signal M changes, the MED selector 220 operates so as to limit the set value (fuel flow rate set value) SV 1 to an allowable range for the air flow rate (actual air flow rate) PV 0 . Therefore, the MED selector 220 outputs the master signal M (combustion request level indicated by the master signal M), the output (1 + K 1 ) PV 0 / ⁇ of the constant multiplier 201, and the output (1-K 3 ) PV 0 of the constant multiplier 203. / ⁇ is selected as the command value (actual command value) corresponding to the set value SV 1 with the second highest level (that is, the lowest and lowest).
  • the combustion control device shown in FIG. 3 applies double cross limit control. As a result, even if the master signal M changes, the combustion control device limits the set value SV 0 to an allowable range for the fuel flow rate PV 1 and allows the set value SV 1 to be allowed for the air flow rate PV 0 . Limit to the range
  • the double cross limit control is applied when switching conditions SC1 and SC2 described later are not satisfied. In such a state, it is beneficial to operate the combustion control device shown in FIG. 3 on the safer side by applying double cross limit control even if a change in process characteristics, insufficient feedback control adjustment, or the like occurs.
  • SW 230 switches either the output of the DFF compensator 13 or the output of the MED selector 210 to the input side of the ratio setting unit 12 according to the switching signal q0. That is, the SW 230 selects either the output of the DFF compensator 13 or the output of the MED selector 210 according to the switching signal q0.
  • SW 240 switches either the output of DFF compensator 14 or the output of MED selector 220 to the input side of control loop 11 (feedback controller 112) according to switching signal q1. That is, the SW 240 selects either the output of the DFF compensator 14 or the output of the MED selector 220 according to the switching signal q1.
  • the SWs 230 and 240 select the outputs of the DFF compensators 13 and 14, respectively.
  • the SWs 230 and 240 select the outputs of the MED selectors 210 and 220, respectively, when the switching signals q0 and q1 are at the second level L.
  • the switching signals q0 and q1 are generated by the determiner 250. Based on the output PV 0 / ⁇ of the constant multiplier 20 and the output PV 1 of the control loop 11, the determiner 250 determines whether or not the switching condition SC1 of the SW 230 and the switching condition SC2 of the SW 240 are satisfied.
  • the switching conditions SC1 and SC2 are expressed by equations (11) and (12), respectively.
  • the switching condition SC1 when the air flow rate (percentage of the air flow) PV 0, the (1-K 2) greater than BetamyuPV 1, and (1 + K 4) below BetamyuPV 1 To establish. That is, the switching condition SC1 is satisfied when the air flow rate (% value of the air flow rate) PV 0 is within an allowable range based on the fuel flow rate (% value of the fuel flow rate) PV 1 .
  • (1-K 2) ⁇ PV 1 is set value K 2 (that is, the set value K 2 of the smoke limit during combustion required level reduction) determined by the preset ratio ⁇ and the fuel flow rate PV 1.
  • This (1-K 2 ) ⁇ PV 1 maintains the actual ratio PV 0 / PV 1 within an allowable range when the air flow rate PV 0 is relatively smaller than the fuel flow rate PV 1 when the required combustion level is lowered.
  • the lower limit of the air flow rate capable of avoiding smoke generation is shown. That is, (1 ⁇ K 2 ) ⁇ PV 1 indicates the lower limit value of the allowable range (hereinafter referred to as the first allowable range) of the air flow rate PV 0 when the fuel flow rate PV 1 is used as a reference.
  • the lower limit value of the first allowable range corresponds to the smoke generation limit when the required combustion level is lowered.
  • This permissible range corresponds to the first permissible range, and the lower limit value of the permissible range corresponds to the smoke generation limit when the required combustion level is lowered.
  • (1 + K 4) ⁇ PV 1 the set value K 4 (i.e., combustion requirements set value K 4 excess air limits at elevated levels) determined by the preset ratio ⁇ and the fuel flow rate PV 1.
  • This (1 + K 4 ) ⁇ PV 1 is oxidized while maintaining the actual ratio PV 0 / PV 1 within an allowable range when the air flow rate PV 0 is relatively large compared to the fuel flow rate PV 1 at the time when the required combustion level increases.
  • the upper limit of the air flow rate that can avoid the generation of nitrogen and sulfur oxide is shown. That is, (1 + K 4 ) ⁇ PV 1 indicates the upper limit value of the first allowable range.
  • the upper limit value of the first allowable range corresponds to the excess air limit when the required combustion level increases.
  • the (1 + K 4 ) ⁇ indicates the upper limit value of the allowable range of the actual ratio PV 0 / PV 1 when the fuel flow rate PV 1 is used as a reference.
  • This permissible range corresponds to the first permissible range
  • the upper limit value of the permissible range corresponds to the excess air limit when the required combustion level increases.
  • the allowable range of the actual ratio PV 0 / PV 1 when the fuel flow rate PV 1 is used as a reference is also referred to as a first allowable range.
  • the switching condition SC1 is satisfied is determined from the viewpoint of the air flow rate PV 0 (or the actual ratio PV 0 / PV 1 ) based on the fuel flow rate PV 1. Is equivalent to determining whether or not the air flow rate PV 0 (actual ratio PV 0 / PV 1 ) is within the first allowable range.
  • the switching condition SC1 is satisfied when the air flow rate PV 0 (actual ratio PV 0 / PV 1 ) based on the fuel flow rate PV 1 is within the first allowable range.
  • the switching condition SC2 is that the value ⁇ PV 1 ⁇ times the fuel flow rate (% value of the fuel flow rate) PV 1 exceeds (1 ⁇ K 3 ) PV 0 and (1 + K 1 ) is established in the case below the PV 0. That, switching condition SC2, the fuel flow rate (percentage of the fuel flow rate) PV 1 is satisfied when that contains the air flow rate (percentage of the air flow) PV 0 the allowable range with reference.
  • (1-K 3) PV 0 is determined by the set value K 3 (i.e., the set value K 3 excess air limits the time of combustion required level reduction) and the air flow rate PV 0.
  • This (1-K 3 ) PV 0 maintains the actual ratio PV 0 / PV 1 within an allowable range when the fuel flow rate PV 1 is relatively smaller than the air flow rate PV 0 when the required combustion level is reduced.
  • the lower limit value of the fuel flow rate that can avoid the generation of nitrogen oxide and sulfur oxide is shown.
  • (1-K 3 ) PV 0 indicates the lower limit value of the allowable range (hereinafter referred to as the second allowable range) of the fuel flow rate PV 1 when the air flow rate PV 0 is used as a reference.
  • the lower limit value of the second allowable range corresponds to the excess air limit when the required combustion level is lowered.
  • the ⁇ / (1-K 3 ) is the upper limit of the allowable range of the actual ratio PV 0 / PV 1 when the air flow rate PV 0 is used as a reference. Indicates the value.
  • This permissible range corresponds to the second permissible range, and the upper limit value of the permissible range corresponds to the excess air limit when the required combustion level is reduced.
  • (1 + K 1) PV 0 the setting values K 1 (i.e., the set value K 1 of the smoke limit during combustion requested level increase) and determined by the air flow rate PV 0.
  • This (1 + K 1 ) PV 0 is a smoke emission while maintaining the actual ratio PV 0 / PV 1 within an allowable range when the fuel flow rate PV 1 is relatively large compared to the air flow rate PV 0 when the required combustion level increases.
  • the upper limit value of the fuel flow rate (more specifically, a value that is ⁇ times the upper limit value of the fuel flow rate) is shown. That is, (1 + K 1 ) PV 0 indicates the upper limit value of the second allowable range.
  • the upper limit value of the second allowable range corresponds to the smoke generation limit when the required combustion level increases.
  • the ⁇ / (1 + K 1 ) indicates the lower limit value of the allowable range of the actual ratio PV 0 / PV 1 when the air flow rate PV 0 is used as a reference.
  • This permissible range corresponds to the second permissible range
  • the lower limit value of the permissible range corresponds to the smoke generation limit when the required combustion level increases.
  • the allowable range of the actual ratio PV 0 / PV 1 when the fuel flow rate PV 0 is used as a reference is also referred to as a second allowable range.
  • switching condition SC2 is satisfied is determined from the viewpoint of the fuel flow rate PV 1 (or the actual ratio PV 0 / PV 1 ) based on the air flow rate PV 0. Is equivalent to determining whether or not the fuel flow rate PV 1 (actual ratio PV 0 / PV 1 ) is within the second allowable range.
  • Switching condition SC2 is established when the fuel flow rate PV 1 relative to the air flow rate PV 0 (actual ratio PV 0 / PV 1) is in the second allowable range.
  • the determiner 250 generates the switching signal q0 of the first level H or the second level L depending on whether or not the switching condition SC1 is satisfied.
  • the determiner 250 also generates the switching signal q1 of the first level H or the second level L depending on whether or not the switching condition SC2 is satisfied.
  • the SWs 230 and 240 select the DFF compensators 13 and 14 when the switching signals q0 and q1 are at the first level H, respectively. Then, the combustion control device shown in FIG. 3 executes combustion control (ratio control) by feedforward type compensation similar to that of the first embodiment. As described above, when both the switching conditions SC1 and SC2 are satisfied, the combustion control device executes the combustion control based on the feedforward type compensation in both the air system and the fuel system. Therefore, according to the third embodiment, if the air flow rate PV 0 and the fuel flow rate PV 1 (actual ratio PV 0 / PV 1 ) are within the first and second allowable ranges, the required combustion level changes suddenly. Even in such a transient state, the air flow rate PV 0 and the fuel flow rate PV 1 can be controlled by the ratio ⁇ .
  • the combustion control device shown in FIG. 3 controls the air system using double cross limit control.
  • the switching signal q1 is at the second level L
  • the SW 240 selects the MED selector 220.
  • the combustion control device controls the fuel system using double cross limit control.
  • the combustion control device executes the combustion control based on the double cross limit control in both the air system and the fuel system when the switching conditions SC1 and SC2 are not satisfied.
  • the double cross limit control is applied. Therefore, safety regarding combustion can be ensured.
  • the DFF compensators 13 and 14 are commonly used for feedforward type compensation.
  • the constants (transfer functions) of the DFF compensators 13 and 14 are a pair of a dead time L 0 and a primary delay time T 0 that can be measured during actual operation of the plant, and a pair of a dead time L 1 and a primary delay time T 1 , respectively. Is uniquely determined based on Thus, the combustion control apparatus according to the first to third embodiments has a clear optimum adjustment rule. Therefore, according to the first to third embodiments, it is possible to provide a combustion control device that can be easily introduced into the operation of an actual process.
  • the ratio between the air flow rate and the fuel flow rate is set even in a transient state where the air flow rate process and the fuel flow rate process have different dead times and the combustion demand level suddenly changes. Both flow rates can be controlled to be close to the ratio.

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Abstract

　実施形態によれば、燃焼制御装置は、比率設定器と、第１及び第２の制御ループと、第１及び第２の動的フィードフォワード補償器とを具備する。比率設定器は、調整されるべき空気流量と燃料流量との比率を設定する。第１の制御ループは空気流量プロセスを含み、第２の制御ループは燃料流量プロセスを含む。第１及び第２の動的フィードフォワード補償器は、マスター信号の示す燃焼要求レベルの変化に対する第１及び第２の制御ループの応答性に関連する空気流量プロセス及び燃料流量プロセスの無駄時間を補償する。

Description

燃焼制御装置
　本発明の実施形態は、空気流量と燃料流量との比率を調整するのに動的フィードフォワード補償を適用する燃焼制御装置に関する。
　一般に燃焼炉では、燃焼制御装置の制御により、空気と燃料とが、ある比率で当該燃焼炉のバーナーに供給される。これにより燃焼炉は、空気と混合された燃料を燃焼させて、熱量を得る。
　空気と燃料との比率、例えば燃料（燃料流量）に対する空気（空気流量）の比率には、最適な範囲が存在する。もし、この比率が減少して空気が不足するならば、不完全燃焼を招く。不完全燃焼は、黒煙や一酸化炭素（ＣＯ）の発生を招く。これに対し、上記比率が増加して空気が過剰となるならば、酸化窒素（ＮＯｘ）や酸化硫黄（ＳＯｘ）の発生を招く。しかも、上記比率が最適な範囲にないならば、燃焼炉におけるエネルギー変換効率が低下して操業コストの増大を招く。
　このため、燃焼制御装置において上記比率を最適に保つ制御は重要であり、従来から様々な工夫がなされてきている。燃焼制御装置における代表的な制御方法として以下の３つが知られている。
　第１は、比率制御と呼ばれる方法である。第２は、比率制御方法が改良されたクロスリミット制御と呼ばれる方法である。第３は、クロスリミット制御（より詳細には、シングルクロスリミット制御）が改良されたダブルクロスリミット制御と呼ばれる方法である。
　第１ないし第３の制御方法は、燃焼を要求するマスター信号に追従するように、燃料流量に対する空気流量の比率を設定された比率に保ちつつ、当該空気流量及び燃料流量を制御する点で共通する。この制御のために、空気流量及び燃料流量（より詳細には、空気流量及び燃料流量それぞれの実測値）がフィードバックされる。マスター信号は、燃焼を要求するだけでなく、燃焼要求（燃焼量）の程度（つまり燃焼要求レベル）を指定する。
　これら３つの制御方法のいずれにおいても、マスター信号が急変する過渡状態では、燃料流量に対する空気流量の比率（つまり実比率）は、設定比率とは大きく異なることが知られている。そこで、フィードバック型補償器を用いることにより上述の過渡状態における実比率を改善する制御方法も提案されている。
特開２００２－２１５２０４号公報 特許第３９０４９０５号公報
　しかし、フィードバック型補償器を用いる方法であっても、空気流量のプロセスと燃料流量のプロセスとがそれぞれ異なる無駄時間を持つ場合は、上述の過渡状態における実比率は、依然として設定比率とは大きく異なる。しかも、空気流量のプロセスの無駄時間と燃料流量のプロセスの無駄時間とが異なるケースは、実際のプラントにおいては少なくない。
　例えば、燃料が気体でない場合、空気流量プロセスと燃料流量プロセスとで無駄時間が異なる。つまり、空気が気体であるのに対し、燃料が液体であるか、或いは燃料が微粉炭のような粉体である場合に、上述の無駄時間が異なる。また、プラント設備の配管長や配管系等の物理的制約がある場合にも、上述の無駄時間が異なる。
　本発明が解決しようとする課題は、空気流量プロセスと燃料流量プロセスとが異なる無駄時間を持ち、かつ燃焼要求レベルが急変するような過渡状態でも、空気流量と燃料流量との比率が設定比率の近傍となるように両流量を制御することができる燃焼制御装置を提供することにある。
　実施形態によれば空気流量と燃料流量との比率を調整するための燃焼制御装置が提供される。前記燃焼制御装置は、比率設定器と、第１の制御ループと、第２の制御ループと、第１の動的フィードフォワード補償器と、第２の動的フィードフォワード補償器とを具備する。前記比率設定器は、前記調整されるべき比率を設定する。前記第１の制御ループは、空気流量プロセスと、第１のフィードバック制御器とを含む。前記空気流量プロセスは、燃焼炉に空気を供給する。前記第１のフィードバック制御器は、前記空気流量及び前記燃料流量それぞれの目標値である第１及び第２の設定値のうちの前記第１の設定値に対して前記空気流量が追従するように、前記空気流量プロセスを制御する。前記第１及び第２の設定値は、前記燃焼炉における燃焼を要求するマスター信号の示す燃焼要求レベルの変化に応じて前記設定比率で変化する。前記第２の制御ループは、燃料流量プロセスと、第２のフィードバック制御器とを含む。前記燃料流量プロセスは、前記燃焼炉に燃料を供給する。前記第２のフィードバック制御器は、前記第２の設定値に対して前記燃料流量が追従するように、前記燃料流量プロセスを制御する。前記第１の動的フィードフォワード補償器は、前記燃焼要求レベルの変化に対する前記第１の制御ループの応答性に関連する前記空気流量プロセスの第１の無駄時間を補償する。前記第２の動的フィードフォワード補償器は、前記燃焼要求レベルの変化に対する前記第２の制御ループの応答性に関連する前記燃料流量プロセスの第２の無駄時間を補償する。
図１は、第１の実施形態に係る燃焼制御装置の一例を示すブロック図である。 図２は、第２の実施形態に係る燃焼制御装置の一例を示すブロック図である。 図３は、第３の実施形態に係る燃焼制御装置の一例を示すブロック図である。
　以下、種々の実施の形態につき図面を参照して説明する。　
　［第１の実施形態］
　図１は第１の実施形態に係る燃焼制御装置の一例を示すブロック図である。この燃焼制御装置は、燃焼炉に供給される空気及び燃料の量を制御する。燃焼炉としては、例えば、ボイラー炉、熱風炉、再熱炉、加熱炉、焼却炉等が知られている。また、燃料としては、例えば、石炭（粉体）、石油（液体）、ガス（気体）の１種以上が用いられる。
　図１に示される燃焼制御装置は、マスター信号Ｍに追従するように、燃料流量ＰＶ1に対する空気流量ＰＶ0の比率ＰＶ0／ＰＶ1を予め定められた比率に保ちつつ、当該空気流量ＰＶ0及び燃料流量ＰＶ1を制御する。マスター信号Ｍは、燃焼制御装置の入力であり、燃焼炉における燃焼を要求する燃焼要求信号である。より詳細に述べるならば、マスター信号Ｍは、燃焼要求の程度（つまり燃焼要求レベル）を指定する。空気流量ＰＶ0及び燃料流量ＰＶ1は、燃焼制御装置の出力であり、それぞれ空気流量プロセス値及び燃料流量プロセス値と呼ばれる。第１の実施形態において、空気流量ＰＶ0及び燃料流量ＰＶ1は、それぞれ空気流量の第１の調整範囲及び燃料流量の第２の調整範囲に対応するパーセント（％）値で表される。具体例を挙げるならば、ＰＶ0＝０（％）は第１の調整範囲の下限の空気流量（空気流量の％値）を示し、ＰＶ0＝１００（％）は第１の調整範囲の上限の空気流量（空気流量の％値）を示す。同様に、ＰＶ1＝０（％）は第２の調整範囲の下限の燃料流量（燃料流量の％値）を示し、ＰＶ1＝１００（％）は第２の調整範囲の上限の燃料流量（燃料流量の％値）を示す。これは、後述する第２及び第３の実施形態においても同様である。
　図１に示される燃焼制御装置は、比率制御法を適用する従来の燃焼制御装置と同様に、制御ループ１０及び１１と、比率設定器１２とを備えている。この燃焼制御装置が、従来の燃焼制御装置と相違する点は、図１において破線の枠Ｆ１で囲まれた構成、つまり動的フィードフォワード補償器（以下、ＤＦＦ補償器と称する）１３及び１４を備えていることにある。つまり図１に示される燃焼制御装置は、フィードフォワード型補償法及び比率制御法を組み合わせた燃焼制御方法（以下、フィードフォワード補償型比率制御法と称する）を適用する。
　フィードフォワード補償型比率制御法を適用する図１に示す燃焼制御装置において、制御ループ１０は、制御対象としての空気流量のプロセス（供給プロセス）１０１に対応し、当該プロセス１０１とフィードバック制御器１０２とを含む。つまり制御ループ１０は、空気系の制御ループ（第１の制御ループ）である。制御ループ１１は、制御対象としての燃料流量のプロセス（供給プロセス）１１１に対応し、当該プロセス１１１とフィードバック制御器１１２とを含む。つまり制御ループ１１は、燃料系の制御ループ（第２の制御ループ）である。以下の説明では、プロセス１０１及び１１１を、それぞれ空気流量プロセス１０１及び燃料流量プロセス１１１と称することもある。
　フィードバック制御器（第１のフィードバック制御器）１０２は、空気流量ＰＶ0（つまり、プロセス１０１から供給される空気の流量）が目標値（第１の目標値）ＳＶ0に追従（一致）するように、プロセス１０１をフィードバック制御する。すなわちフィードバック制御器１０２は、空気流量ＰＶ0が目標値（つまり、空気流量目標値）ＳＶ0に追従するように、プロセス１０１に与えられるべき操作量ＭＶ0を当該空気流量ＰＶ0に基づいて制御する。
　フィードバック制御器（第２のフィードバック制御器）１１２は、燃料流量ＰＶ1（つまり、プロセス１１１から供給される燃料の流量）が目標値（第２の目標値）ＳＶ1に追従するように、プロセス１１１をフィードバック制御する。すなわちフィードバック制御器１１２は、燃料流量ＰＶ1が目標値（つまり、燃料流量目標値）ＳＶ1に追従するように、プロセス１１１に与えられるべき操作量ＭＶ1を当該燃料流量ＰＶ1に基づいて制御する。
　目標値ＳＶ0及びＳＶ1は、マスター信号Ｍの示す燃焼要求レベルの変化に対応し、かつ燃料流量ＰＶ1に対する空気流量ＰＶ0の比率ＰＶ0／ＰＶ1を予め定められた比率に保つのに必要な値に設定される。つまり目標値ＳＶ0及びＳＶ1は、燃焼要求レベルの変化に応じて、前記予め定められた比率で変化する。以下の説明では、目標値ＳＶ0を設定値（第１の設定値）ＳＶ0と称し、目標値ＳＶ1を設定値（第２の設定値）ＳＶ1と称する。
　比率設定器１２は、燃料流量ＰＶ1に対する空気流量ＰＶ0の比率（つまり実比率）ＰＶ0／ＰＶ1を前記予め定められた比率に設定する。より詳細に述べるならば、比率設定器１２は、実比率ＰＶ0／ＰＶ1が前記予め定められた比率（つまり、設定比率）に維持された状態で、空気流量ＰＶ0及び燃料流量ＰＶ1がマスター信号Ｍに追従するように、設定値ＳＶ0及びＳＶ1の少なくとも一方に対応する指令値を生成する。第１の実施形態では、マスター信号Ｍは、設定値（燃料流量設定値）ＳＶ1に対応する第２の指令値として用いられる。このため比率設定器１２は、マスター信号Ｍに基づいて、設定値（空気流量設定値）ＳＶ0に対応する第１の指令値を生成する。より詳細に述べるならば、比率設定器１２は定数倍器を用いて構成されており、マスター信号Ｍに定数βμを乗じることにより第１の指令値を生成する。
　定数βμは、燃料流量に対する空気流量の予め設定された比率を示す。ここで、βは空気／燃料レンジ変換係数であり、μは空気比である。
　空気／燃料レンジ変換係数βは、マスター信号Ｍが設定値ＳＶ1（つまり、燃料系の制御ループ１１の設定値ＳＶ1）に対応する第２の指令値として用いられる第１の実施形態では、燃料流量の調整範囲を基準に、空気流量の調整範囲を正規化するための係数である。ここで、空気流量の調整範囲が０ないしＳ0ノルマル立方メートル／時間（Nm3/h）であるものとする。また、燃料がガスの場合の燃料流量の調整範囲が０ないしＳ1ノルマル立方メートル／時間（Nm3/h）であるものとする。この場合、空気／燃料レンジ変換係数βは、β＝Ｓ1×Ａ／Ｓ0のように表される。ここでＡは単位燃料を燃焼させるに必要な理論空気量である。
　空気比μは、一定量の燃料を完全に燃焼させるために理論上必要な空気量（つまり、理論的空気量）に対する、当該一定量の燃料を完全に燃焼させるために実際に必要となる空気量の比率を指す。
　上述したように、第１の実施形態では、マスター信号Ｍが第２の指令値として用いられる。この場合、比率設定器１２が、定数（設定比率）βμをマスター信号Ｍに乗じることにより第１の指令値を生成する機能に加えて、当該マスター信号Ｍを第２の指令値として出力（生成）する機能を有しているとみなすこともできる。なお、第１の実施形態とは逆に、マスター信号Ｍが第１の指令値として用いられても構わない。この場合、定数１／βμをマスター信号Ｍに乗じることにより第２の指令値を生成する比率設定器を、比率設定器１２に代えて用いれば良い。要するに、マスター信号Ｍの示す燃焼要求レベルの変化に応じて設定値ＳＶ0及びＳＶ1が前記設定比率で変化するような第１及び第２の指令値が用いられれば良い。
　従来技術では、比率設定器１２の出力が設定値ＳＶ0として制御ループ１０（より詳細には、制御ループ１０のフィードバック制御器１０２）に与えられる。また従来技術では、マスター信号Ｍが設定値ＳＶ1として制御ループ１１（より詳細には、制御ループ１１のフィードバック制御器１１２）に与えられる。
　これに対して第１の実施形態では、比率設定器１２の出力が設定値ＳＶ0に対応する第１の指令値としてＤＦＦ補償器１３に与えられる。またマスター信号Ｍが、設定値ＳＶ1に対応する第２の指令値としてＤＦＦ補償器１４に与えられる。ＤＦＦ補償器１３及び１４は、マスター信号Ｍの示す燃焼要求レベルの変化（つまり、第１及び第２の指令値の変化）を一種の外乱と見なして動作して、当該燃焼要求レベルの変化を補償する。つまり、ＤＦＦ補償器１３及び１４は、燃焼要求レベルの変化に対する制御ループ１０及び１１の応答性を補償する。より詳細に述べるならば、ＤＦＦ補償器１３及び１４は、燃焼要求レベルの変化に対する応答性に関連する、制御ループ１０及び１１（より詳細には、制御ループ１０及び１１のプロセス１０１及び１１１）それぞれの無駄時間（第１及び第２の無駄時間）を補償する。そのためＤＦＦ補償器１３及び１４は、それぞれ、後述する伝達関数Ｃ0(s)及びＣ1(s)を有し、マスター信号Ｍの示す燃焼要求レベルの変化に応じて制御ループ１０及び１１の設定値ＳＶ0及びＳＶ1を動的に増加または減少する。
　マスター信号Ｍを入力、空気流量ＰＶ0を出力とする伝達関数は、式（１）で表される。
　　βμＣ0(s)Ｇ0(s)　　　　　　　　　　　　　　　　　　----（１）
　ここで、Ｃ0(s)はＤＦＦ補償器１３の伝達関数、Ｇ0(s)は制御ループ１０の伝達関数である。
　マスター信号Ｍを入力、燃料流量ＰＶ1を出力とする伝達関数は、式（２）で表される。
　　Ｃ1(s)Ｇ1(s)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　----（２）
　ここで、Ｃ1(s)はＤＦＦ補償器１４の伝達関数、Ｇ1(s)は制御ループ１１の伝達関数である。
　もし、Ｃ0(s)Ｇ0(s)＝Ｃ1(s)Ｇ1(s)の条件が成立するならば、空気流量ＰＶ0と燃料流量ＰＶ1とは常に一定の比率（設定比率）βμで制御できることがわかる。
　Ｇ0(s)、つまり制御ループ１０の伝達関数は、フィードバック制御器１０２が、空気流量プロセス１０１に対してＰ（比例）Ｉ（積分）Ｄ（微分）制御のようなフィードバック制御を施した結果を表す。このフィードバック制御は、具体的には次のように行われる。フィードバック制御器１０２は、当該制御器１０２の設定値ＳＶ0に対して、空気流量（空気流量プロセス値）ＰＶ0がゲイン１で追従するように、当該制御器１０２のパラメータを調整する。したがってＧ0(s)は、近似的に式（３）で表される。　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここでＬ0及びＴ0は、制御ループ１０（より詳細には、制御ループ１０の空気流量プロセス１０１）のそれぞれ無駄時間（第１の無駄時間）及び一次遅れ時間を示す。無駄時間Ｌ0及び一次遅れ時間Ｔ0は、制御ループ１０の応答性に関連し、プラントの実運転時に測定可能な固有値である。
　Ｇ1(s)、つまり制御ループ１１の伝達関数は、フィードバック制御器１１２が、燃料流量プロセス１１１に対してＰＩＤ制御のようなフィードバック制御を施した結果を表す。このフィードバック制御は、具体的には次のように行われる。フィードバック制御器１１２は、当該制御器１１２の設定値ＳＶ1に対して、燃料流量（燃料流量プロセス値）ＰＶ1がゲイン１で追従するように、当該制御器１１２のパラメータを調整する。したがってＧ1(s)は、近似的に式（４）で表される。　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここでＬ1及びＴ1は、制御ループ１１（より詳細には、制御ループ１１の燃料流量プロセス１１１）のそれぞれ無駄時間（第２の無駄時間）及び一次遅れ時間を示す。無駄時間Ｌ1及び一次遅れ時間Ｔ1は、制御ループ１１の応答性に関連し、プラントの実運転時に測定可能な固有値である。
　ＤＦＦ補償器１３及び１４の定数（伝達関数）は、以下に述べるように、制御ループ１０の無駄時間Ｌ0及び一次遅れ時間Ｔ0と、制御ループ１１の無駄時間Ｌ1及び一次遅れ時間Ｔ1とに基づいて一意に決定される。
　Ｃ0(s)Ｇ0(s)＝Ｃ1(s)Ｇ1(s)の条件を満足するＣ0(s)及びＣ1(s)（つまり、ＤＦＦ補償器１３及び１４の伝達関数Ｃ0(s)及びＣ1(s)）は、それぞれ式（５）及び（６）で与えられる。　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、式（５）におけるｅｘｐ（－（ｍａｘ（Ｌ0，Ｌ1）－Ｌ0）ｓ）は、Ｃ0(s)の無駄時間要素であり、“ｍａｘ（Ｌ0，Ｌ1）－Ｌ0”を無駄時間として含む。つまり、Ｃ0 (s)の無駄時間要素は、ｍａｘ（Ｌ0，Ｌ1）とＬ0との差分を無駄時間として含む。ｍａｘ（Ｌ0，Ｌ1）は、Ｌ0及びＬ1のうちの大きい値（第３の無駄時間）を指す。
　同様に、式（６）におけるｅｘｐ（－（ｍａｘ（Ｌ0，Ｌ1）－Ｌ1）ｓ）は、Ｃ1(s)の無駄時間要素であり、“ｍａｘ（Ｌ0，Ｌ1）－Ｌ1”を無駄時間として含む。つまり、Ｃ1 (s)の無駄時間要素は、ｍａｘ（Ｌ0，Ｌ1）とＬ1との差分を無駄時間として含む。
　Ｔxは、比率制御全体の一次遅れ時間を指定する値であり、式（７）で示される条件を満足する値である。
　　ｍｉｎ（Ｔ0，Ｔ1）＜Ｔx＜ｍａｘ（Ｔ0，Ｔ1）　　　　 ----（７）
　ここでｍｉｎ（Ｔ0，Ｔ1）は、Ｔ0及びＴ1のうち小さい値を指す。ｍａｘ（Ｔ0，Ｔ1）は、上述のｍａｘ（Ｌ0，Ｌ1）と同様である。したがって、Ｔ0がＴ1よりも小さいならば、ＴxはＴ0よりも大きくＴ1よりも小さい値である。また、Ｔ0がＴ1よりも大きいならば、ＴxはＴ1よりも大きくＴ0よりも小さい値である。つまりＴxはＴ0とＴ1との間の値である。
　式（３），（４），（５）及び（６）を使用するならば、式（１）で示される伝達関数βμＣ0(s)Ｇ0(s)及び式（２）で示される伝達関数Ｃ1(s)Ｇ1(s)は、それぞれ式（８）及び（９）で表わされる。　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（５）及び（６）で示される伝達関数Ｃ0(s)及びＣ1(s)が適用された場合、式（８）及び（９）から明らかなように、Ｃ0(s)Ｇ0(s)＝Ｃ1(s)Ｇ1(s)の条件は成立する。よって、第１の実施形態に係る燃焼制御装置は、空気流量プロセス１０１と燃料流量プロセス１１１とがそれぞれ異なる無駄時間を持ち、かつ燃焼要求レベルが急変するような過渡状態においても、フィードフォワード補償型比率制御により、常に空気流量ＰＶ0と燃料流量ＰＶ1とを設定比率βμの近傍で制御することができる。
　なお、Ｃ0(s)Ｇ0(s)とＣ1(s)Ｇ1(s)との関係に関し、Ｃ0(s)Ｇ0(s)＝Ｃ1(s)Ｇ1(s)以外の条件を用いることも可能である。例えば、Ｃ0(s)Ｇ0(s)とＣ1(s)Ｇ1(s)とがほぼ等しいという条件（Ｃ0(s)Ｇ0(s)≒Ｃ1(s)Ｇ1(s)）を用いても構わない。つまり、Ｃ0(s)Ｇ0(s)とＣ1(s)Ｇ1(s)とが許容される範囲で等しくなるように、Ｃ0(s)及びＣ1(s)が設定されても構わない。
　＜第２の実施形態＞
　図２は第２の実施形態に係る燃焼制御装置の一例を示すブロック図である。図２において、図１と等価な要素には同一参照番号を付して、詳細な説明を省略する。図２に示す燃焼制御装置は、フィードフォワード型補償法及びクロスリミット制御法を組み合わせた燃焼制御方法（以下、フィードフォワード補償型クロスリミット制御法と称する）を適用する。
　フィードフォワード補償型クロスリミット制御法を適用する図２に示す燃焼制御装置は、クロスリミット制御法を適用する従来の燃焼制御装置と同様に、制御ループ１０及び１１と、比率設定器１２とに加えて、定数倍器２０と、高レベルセレクタ（以下、Ｈセレクタと称する）２１と、低レベルセレクタ（以下、Ｌセレクタと称する）２２とを備えている。この燃焼制御装置が、従来の燃焼制御装置と相違する点は、図２において破線の枠Ｆ２で囲まれた構成、つまりＤＦＦ（動的フィードフォワード）補償器１３及び１４と、切り替え器（以下、ＳＷと称する）２３及び２４と、判定器２５とを更に備えていることにある。
　定数倍器２０は、空気流量ＰＶ0を定数倍する。具体的には、定数倍器２０は、空気流量ＰＶ0に定数１／βμを乗じることにより、設定値ＳＶ1に対応する指令値ＰＶ0／βμを生成する。
　Ｈセレクタ２１及びＬセレクタ２２は、それぞれ第１及び第２のクロスリミット制御器として機能する。すなわちＨセレクタ２１は、マスター信号Ｍ（マスター信号Ｍの示す燃焼要求レベル）または燃料流量ＰＶ1のうちレベルが高い方を、設定値ＳＶ0に対応する指令値として選択する。一方、Ｌセレクタ２２は、マスター信号Ｍ（マスター信号Ｍの示す燃焼要求レベル）または指令値ＰＶ0／βμのうちレベルが低い方を、設定値ＳＶ1に対応する指令値として選択する。
　ここで、図２に示す燃焼制御装置に与えられるマスター信号Ｍの示す燃焼要求レベルが上昇したものとする。つまり、マスター信号Ｍにより燃焼増が要求されたものとする。しかも、Ｍ＞ＰＶ1で、かつＭ＞ＰＶ0/βμであるものとする。Ｍ＞ＰＶ1の場合、Ｈセレクタ２１は、マスター信号Ｍを、設定値ＳＶ0に対応する指令値として選択する。これに対してＬセレクタ２２は、Ｍ＞ＰＶ0/βμであることから、ＰＶ0/βμ（つまり、定数倍器２０の出力）を、設定値ＳＶ1に対応する指令値として選択する。
　このように燃焼増が要求された場合、Ｈセレクタ２１は、空気流量に関してクロスリミット制御により燃焼増の要求を優先することで、制御ループ１０における空気流量ＰＶ0の増加を先行させる。一方、Ｌセレクタ２２は、空気流量（実空気流量）ＰＶ0の増加に燃料流量ＰＶ1（制御ループ１１）を追従させる。つまり燃焼増が要求された場合、クロスリミット制御により、まず空気流量ＰＶ0が増加し、当該空気流量ＰＶ0の増加に追従して燃料流量ＰＶ1が増加する。
　逆に、マスター信号Ｍの示す燃焼要求レベルが低下したものとする。つまり、マスター信号Ｍにより燃焼減が要求されたものとする。しかも、Ｍ＜ＰＶ1で、かつＭ＜ＰＶ0／βμであるものとする。この場合、Ｌセレクタ２２は、マスター信号Ｍを、設定値ＳＶ1に対応する指令値として選択する。これに対してＨセレクタ２１は、Ｍ＜ＰＶ1であることから、燃料流量ＰＶ1を、設定値ＳＶ1に対応する指令値として選択する。
　このように燃焼減が要求された場合、Ｌセレクタ２２は、燃料流量に関してクロスリミット制御により燃焼減の要求を優先することで、制御ループ１１における燃料流量ＰＶ1の減少を先行させる。一方、Ｈセレクタ２１は、燃料流量（実燃料流量）ＰＶ1の減少に空気流量ＰＶ0（制御ループ１０）を追従させる。つまり燃焼減が要求された場合、クロスリミット制御により、まず燃料流量ＰＶ1が減少し、当該燃料流量ＰＶ1の減少に追従して空気流量ＰＶ0が減少する。
　このような、クロスリミット制御による“先行－追従”を適用した場合、過渡的には空気過剰を招き、かつ応答速度も比較的遅い。しかし第２の実施形態では、“先行－追従”の手法は後述する切り替え条件ＳＣが不成立の場合に適用される。このような状態で、“先行－追従”の手法の適用により図２に示す燃焼制御装置をより安全サイドで動作させることは、たとえプロセスの特性変化やフィードバック制御調整不足等が発生したとしても有益である。
　ＳＷ２３は、ＤＦＦ補償器１３の出力とＨセレクタ２１の出力とを切り替え信号ｑに応じて切り替える。より詳細に述べるならば、ＳＷ２３は、ＤＦＦ補償器１３の出力またはＨセレクタ２１の出力のいずれか一方を切り替え信号ｑに応じて比率設定器１２の入力側に切り替える。つまりＳＷ２３は、ＤＦＦ補償器１３の出力またはＨセレクタ２１の出力のいずれか一方を切り替え信号ｑに応じて選択する。
　ＳＷ２４は、ＤＦＦ補償器１４の出力とＬセレクタ２２の出力とを切り替え信号ｑに応じて切り替える。より詳細に述べるならば、ＳＷ２４は、ＤＦＦ補償器１４の出力またはＬセレクタ２２の出力のいずれか一方を切り替え信号ｑに応じて制御ループ１１（フィードバック制御器１１２）の入力側に切り替える。つまりＳＷ２３は、ＤＦＦ補償器１４の出力またはＬセレクタ２２の出力のいずれか一方を切り替え信号ｑに応じて選択する。
　第２の実施形態において、ＳＷ２３及び２４は、切り替え信号ｑが第１のレベルＨの場合、それぞれＤＦＦ補償器１３及び１４の出力を選択する。またＳＷ２３及び２４は、切り替え信号ｑが第２のレベルＬの場合、それぞれＨセレクタ２１及びＬセレクタ２２の出力を選択する。
　切り替え信号ｑは、判定器２５によって生成される。判定器２５は、定数倍器２０の出力ＰＶ0／βμ及び制御ループ１１の出力ＰＶ1に基づいて、ＳＷ２３及び２４の切り替え条件ＳＣが成立したか否かを判定する。この切り替え条件ＳＣは式（１０）で示される。
　　（１－Ｋ）βμＰＶ1＜ＰＶ0＜（１＋Ｋ）βμＰＶ1　　 ----（１０）
　ここで、Ｋは空気流量の許容誤差係数である。許容誤差係数Ｋは、プロセス毎の燃焼運転方針に依存するが、例えば０．１程度である。
　式（１０）から明らかなように、切り替え条件ＳＣは、空気流量（空気流量の％値）ＰＶ0が、（１－Ｋ）βμＰＶ1を上回り、かつ（１＋Ｋ）βμＰＶ1を下回る場合に成立する。つまり切り替え条件ＳＣは、空気流量（燃料流量の％値）ＰＶ0が、燃料流量（燃料流量の％値）ＰＶ1を基準とする許容誤差の範囲（つまり許容範囲）に入っている場合に成立する。切り替え条件ＳＣが成立したか否かを判定することは、燃料流量ＰＶ1に対する空気流量ＰＶ0の比率（つまり実比率）ＰＶ0／ＰＶ1の観点からは、当該実比率ＰＶ0／ＰＶ1が、設定比率βμの許容誤差の範囲（許容範囲）に入っているか否かを判定することと等価である。判定器２５は、切り替え条件ＳＣが成立したか否かに応じて、第１のレベルＨまたは第２のレベルＬの切り替え信号ｑを生成する。
　もし、切り替え条件ＳＣが成立しているならば、判定器２５は実比率ＰＶ0／ＰＶ1が設定比率βμの許容範囲に入っているものとして、第１のレベルＨの切り替え信号ｑを生成する。これに対して切り替え条件ＳＣが成立していないならば、判定器２５は実比率ＰＶ0／ＰＶ1が設定比率βμの許容範囲から外れているものとして、第２のレベルＬの切り替え信号ｑを生成する。
　ＳＷ２３及び２４は、切り替え信号ｑが第１のレベルＨである場合、それぞれＤＦＦ補償器１３及び１４を選択する。すると図２に示される燃焼制御装置は、第１の実施形態と同様のフィードフォワード型補償による燃焼制御を実行する。このように第２の実施形態においては、切り替え条件ＳＣが成立している場合、燃焼制御装置はフィードフォワード型補償に基づく燃焼制御（比率制御）を実行する。つまり、実比率ＰＶ0／ＰＶ1（または空気流量ＰＶ0）が設定比率βμの許容範囲（または燃料流量ＰＶ1を基準とする許容範囲）に入っているならば、燃焼制御装置はフィードフォワード型補償に基づく燃焼制御を実行する。これにより第２の実施形態によれば、切り替え条件ＳＣが成立しているならば、燃焼要求レベルが急変するような過渡状態においても、第１の実施形態と同様に、フィードフォワード補償型比率制御により、常に空気流量ＰＶ0と燃料流量ＰＶ1とを設定比率βμの近傍で制御することができる。
　一方、切り替え信号ｑが第２のレベルＬである場合、ＳＷ２３及び２４は、それぞれＨセレクタ２１及びＬセレクタ２２を選択する。すると、図２に示される燃焼制御装置は、従来のクロスリミット制御と同様の燃焼制御を実行する。このように第２の実施形態においては、切り替え条件ＳＣが成立していない場合、燃焼制御装置はクロスリミット制御に基づく燃焼制御を実行する。よって第２の実施形態によれば、実比率が許容範囲から外れるような状況でも、クロスリミット制御の適用により燃焼に関して安全性を確保することができる。
　＜第３の実施形態＞
　図３は第３の実施形態に係る燃焼制御装置の一例を示すブロック図である。図３において、図２と等価な要素には同一参照番号を付して、詳細な説明を省略する。図３に示す燃焼制御装置は、フィードフォワード型補償法及びダブルクロスリミット制御法を組み合わせた燃焼制御方法（以下、フィードフォワード補償型ダブルクロスリミット制御法と称する）を適用する。
　フィードフォワード補償型ダブルクロスリミット制御法を適用する図３に示す燃焼制御装置は、ダブルクロスリミット制御法を適用する従来の燃焼制御装置と同様に、制御ループ１０及び１１と、比率設定器１２とに加えて、定数倍器２０と、定数倍器２０１ないし２０４と、中間レベルセレクタ（以下、ＭＥＤセレクタと称する）２１０及び２２０とを備えている。この燃焼制御装置が、従来の燃焼制御装置と相違する点は、図３において破線の枠Ｆ３で囲まれた構成、つまりＤＦＦ（動的フィードフォワード）補償器１３及び１４と、切り替え器（以下、ＳＷと称する）２３０及び２４０と、判定器２５０とを更に備えていることにある。
　定数倍器２０１は定数倍器２０の出力（ＰＶ0／βμ）を定数倍する。具体的には、定数倍器２０１は、定数倍器２０の出力（ＰＶ0／βμ）に定数１＋Ｋ1を乗じることにより、設定値ＳＶ1に対応する指令値（１＋Ｋ1）ＰＶ0／βμを生成する。Ｋ1は、燃焼要求レベル上昇時の発煙限界を示す設定値である。発煙限界とは、黒煙や一酸化炭素の発生を招く空気量不足の限界を指す。
　定数倍器２０２は燃料流量（燃料流量の％値）ＰＶ1を定数倍する。具体的には、定数倍器２０２は、燃料流量ＰＶ1に定数１－Ｋ2を乗じることにより、設定値ＳＶ0に対応する指令値（１－Ｋ2）ＰＶ1を生成する。Ｋ2は、燃焼要求レベル低下時の発煙限界を示す設定値である。
　定数倍器２０３は定数倍器２０の出力（ＰＶ0／βμ）を定数倍する。具体的には、定数倍器２０３は、定数倍器２０の出力（ＰＶ0／βμ）に定数１－Ｋ3を乗じることにより、設定値ＳＶ1に対応する指令値（１－Ｋ3）ＰＶ0／βμを生成する。Ｋ3は、燃焼要求レベル低下時の空気過剰限界を示す設定値である。空気過剰限界とは、酸化窒素や酸化硫黄の発生を招く空気量過剰の限界を指す。
　定数倍器２０４は燃料流量ＰＶ1を定数倍する。具体的には、定数倍器２０４は、燃料流量ＰＶ1に定数１＋Ｋ4を乗じることにより、設定値ＳＶ0に対応する指令値（１＋Ｋ4）ＰＶ1を生成する。Ｋ4は、燃焼要求レベル上昇時の空気過剰限界を示す設定値である。
　ＭＥＤセレクタ２１０は、第１のダブルクロスリミット制御器として機能する。すなわちＭＥＤセレクタ２１０は、マスター信号Ｍが変化しても、設定値（空気流量設定値）ＳＶ0（より詳細には、設定値ＳＶ0に対応する指令値）を燃料流量（実燃料流量）ＰＶ1に対して許容される範囲に制限するように動作する。そのためＭＥＤセレクタ２１０は、マスター信号Ｍ（マスター信号Ｍの示す燃焼要求レベル）、定数倍器２０２の出力（１－Ｋ2）ＰＶ1、及び定数倍器２０４の出力（１＋Ｋ4）ＰＶ1のうち、レベルが２番目に高い方（つまり、最も高くなく、かつ最も低くない方）を、設定値ＳＶ0に対応する指令値（実指令値）として選択する。
　ＭＥＤセレクタ２２０は第２のダブルクロスリミット制御器として機能する。すなわちＭＥＤセレクタ２２０は、マスター信号Ｍが変化しても、設定値（燃料流量設定値）ＳＶ1を空気流量（実空気流量）ＰＶ0に対して許容される範囲に制限するように動作する。そのためＭＥＤセレクタ２２０は、マスター信号Ｍ（マスター信号Ｍの示す燃焼要求レベル）、定数倍器２０１の出力（１＋Ｋ1）ＰＶ0／βμ、及び定数倍器２０３の出力（１－Ｋ3）ＰＶ0／βμのうち、レベルが２番目に高い方（つまり、最も高くなく、かつ最も低くない方）を、設定値ＳＶ1に対応する指令値（実指令値）として選択する。
　このように図３に示される燃焼制御装置は、ダブルクロスリミット制御を適用する。これにより燃焼制御装置は、マスター信号Ｍが変化しても、設定値ＳＶ0を燃料流量ＰＶ1に対して許容される範囲に制限し、かつ設定値ＳＶ1を空気流量ＰＶ0に対して許容される範囲に制限する。
　ダブルクロスリミット制御が適用された場合、燃焼制御の応答速度は、過渡的にはクロスリミット制御よりも遅くなる。しかし第３の実施形態では、ダブルクロスリミット制御は、後述する切り替え条件ＳＣ１及びＳＣ２が不成立の場合に適用される。このような状態で、ダブルクロスリミット制御の適用により図３に示す燃焼制御装置をより安全サイドで動作させることは、たとえプロセスの特性変化やフィードバック制御調整不足等が発生したとしても有益である。
　ＳＷ２３０は、ＤＦＦ補償器１３の出力またはＭＥＤセレクタ２１０の出力のいずれか一方を切り替え信号ｑ０に応じて比率設定器１２の入力側に切り替える。つまりＳＷ２３０は、ＤＦＦ補償器１３の出力またはＭＥＤセレクタ２１０の出力のいずれか一方を切り替え信号ｑ０に応じて選択する。
　ＳＷ２４０は、ＤＦＦ補償器１４の出力またはＭＥＤセレクタ２２０の出力のいずれか一方を切り替え信号ｑ１に応じて制御ループ１１（フィードバック制御器１１２）の入力側に切り替える。つまりＳＷ２４０は、ＤＦＦ補償器１４の出力またはＭＥＤセレクタ２２０の出力のいずれか一方を切り替え信号ｑ１に応じて選択する。
　第３の実施形態において、ＳＷ２３０及び２４０は、切り替え信号ｑ０及びｑ１が第１のレベルＨの場合、それぞれＤＦＦ補償器１３及び１４の出力を選択する。またＳＷ２３０及び２４０は、切り替え信号ｑ０及びｑ１が第２のレベルＬの場合、それぞれＭＥＤセレクタ２１０及び２２０の出力を選択する。
　切り替え信号ｑ０及びｑ１は、判定器２５０によって生成される。判定器２５０は、定数倍器２０の出力ＰＶ0／βμ及び制御ループ１１の出力ＰＶ1に基づいて、ＳＷ２３０の切り替え条件ＳＣ１及びＳＷ２４０の切り替え条件ＳＣ２が成立したか否かを判定する。切り替え条件ＳＣ１及びＳＣ２は、それぞれ式（１１）及び（１２）で示される。
　　（１－Ｋ2）βμＰＶ1＜ＰＶ0＜（１＋Ｋ4）βμＰＶ1　 ----（１１）
　　（１－Ｋ3）ＰＶ0＜βμＰＶ1＜（１＋Ｋ1）ＰＶ0　　　 ----（１２）
　式（１１）から明らかなように、切り替え条件ＳＣ１は、空気流量（空気流量の％値）ＰＶ0が、（１－Ｋ2）βμＰＶ1を上回り、かつ（１＋Ｋ4）βμＰＶ1を下回る場合に成立する。つまり、切り替え条件ＳＣ１は、空気流量（空気流量の％値）ＰＶ0が、燃料流量（燃料流量の％値）ＰＶ1を基準とする許容範囲に入っている場合に成立する。
　（１－Ｋ2）βμＰＶ1は、設定値Ｋ2（つまり、燃焼要求レベル低下時の発煙限界の設定値Ｋ2）と設定比率βμと燃料流量ＰＶ1とで決まる。この（１－Ｋ2）βμＰＶ1は、燃焼要求レベル低下時において空気流量ＰＶ0が燃料流量ＰＶ1と比較して相対的に少ない場合に、実比率ＰＶ0／ＰＶ1を許容範囲に保ちつつ、発煙を回避することが可能な空気流量の下限値を示す。つまり、（１－Ｋ2）βμＰＶ1は、燃料流量ＰＶ1を基準とする場合の空気流量ＰＶ0の許容範囲（以下、第１の許容範囲と称する）の下限値を示す。この第１の許容範囲の下限値は、燃焼要求レベル低下時の発煙限界に対応する。
　ここで、（１－Ｋ2）βμに着目するならば、当該（１－Ｋ2）βμは、燃料流量ＰＶ1を基準とする場合の実比率ＰＶ0／ＰＶ1の許容範囲の下限値を示す。この許容範囲は第１の許容範囲に相当し、当該許容範囲の下限値は燃焼要求レベル低下時の発煙限界に対応する。
　一方、（１＋Ｋ4）βμＰＶ1は、設定値Ｋ4（つまり、燃焼要求レベル上昇時の空気過剰限界の設定値Ｋ4）と設定比率βμと燃料流量ＰＶ1とで決まる。この（１＋Ｋ4）βμＰＶ1は、燃焼要求レベル上昇時において空気流量ＰＶ0が燃料流量ＰＶ1と比較して相対的に多い場合に、実比率ＰＶ0／ＰＶ1を許容範囲に保ちつつ、酸化窒素や酸化硫黄の発生を回避することが可能な空気流量の上限値を示す。つまり、（１＋Ｋ4）βμＰＶ1は、第１の許容範囲の上限値を示す。この第１の許容範囲の上限値は、燃焼要求レベル上昇時の空気過剰限界に対応する。
　ここで、（１＋Ｋ4）βμに着目するならば、当該（１＋Ｋ4）βμは、燃料流量ＰＶ1を基準とする場合の実比率ＰＶ0／ＰＶ1の許容範囲の上限値を示す。この許容範囲は第１の許容範囲に相当し、当該許容範囲の上限値は燃焼要求レベル上昇時の空気過剰限界に対応する。以下の説明では、燃料流量ＰＶ1を基準とする場合の実比率ＰＶ0／ＰＶ1の許容範囲も第１の許容範囲と称する。
　以上の説明から明らかなように、切り替え条件ＳＣ１が成立したか否かを判定することは、燃料流量ＰＶ1を基準とする空気流量ＰＶ0（または、実比率ＰＶ0／ＰＶ1）の観点からは、当該空気流量ＰＶ0（実比率ＰＶ0／ＰＶ1）が第１の許容範囲に入っているか否かを判定することと等価である。切り替え条件ＳＣ１は、燃料流量ＰＶ1を基準とする空気流量ＰＶ0（実比率ＰＶ0／ＰＶ1）が第１の許容範囲に入っている場合に成立する。
　式（１２）から明らかなように、切り替え条件ＳＣ２は、燃料流量（燃料流量の％値）ＰＶ1のβμ倍の値βμＰＶ1が、（１－Ｋ3）ＰＶ0を上回り、かつ（１＋Ｋ1）ＰＶ0を下回る場合に成立する。つまり、切り替え条件ＳＣ２は、燃料流量（燃料流量の％値）ＰＶ1が、空気流量（空気流量の％値）ＰＶ0を基準とする許容範囲に入っている場合に成立する。
　（１－Ｋ3）ＰＶ0は、設定値Ｋ3（つまり、燃焼要求レベル低下時の空気過剰限界の設定値Ｋ3）と空気流量ＰＶ0とで決まる。この（１－Ｋ3）ＰＶ0は、燃焼要求レベル低下時において燃料流量ＰＶ1が空気流量ＰＶ0と比較して相対的に少ない場合に、実比率ＰＶ0／ＰＶ1を許容範囲に保ちつつ、酸化窒素や酸化硫黄の発生を回避することが可能な燃料流量の下限値（より詳細には、燃料流量の下限値のβμ倍の値）を示す。つまり、（１－Ｋ3）ＰＶ0は、空気流量ＰＶ0を基準とする場合の燃料流量ＰＶ1の許容範囲（以下、第２の許容範囲と称する）の下限値を示す。この第２の許容範囲の下限値は、燃焼要求レベル低下時の空気過剰限界に対応する。
　ここで、βμ／（１－Ｋ3）に着目するならば、当該βμ／（１－Ｋ3）は、空気流量ＰＶ0を基準とする場合の実比率ＰＶ0／ＰＶ1の許容範囲の上限値を示す。この許容範囲は第２の許容範囲に相当し、当該許容範囲の上限値は、燃焼要求レベル低下時の空気過剰限界に対応する。
　一方、（１＋Ｋ1）ＰＶ0は、設定値Ｋ1（つまり、燃焼要求レベル上昇時の発煙限界の設定値Ｋ1）と空気流量ＰＶ0とで決まる。この（１＋Ｋ1）ＰＶ0は、燃焼要求レベル上昇時において燃料流量ＰＶ1が空気流量ＰＶ0と比較して相対的に多い場合に、実比率ＰＶ0／ＰＶ1を許容範囲に保ちつつ、発煙を回避することが可能な燃料流量の上限値（より詳細には、燃料流量の上限値のβμ倍の値）を示す。つまり（１＋Ｋ1）ＰＶ0は、第２の許容範囲の上限値を示す。この第２の許容範囲の上限値は、燃焼要求レベル上昇時の発煙限界に対応する。
　ここで、βμ／（１＋Ｋ1）に着目するならば、当該βμ／（１＋Ｋ1）は、空気流量ＰＶ0を基準とする場合の実比率ＰＶ0／ＰＶ1の許容範囲の下限値を示す。この許容範囲は第２の許容範囲に相当し、当該許容範囲の下限値は、燃焼要求レベル上昇時の発煙限界に対応する。以下の説明では、燃料流量ＰＶ0を基準とする場合の実比率ＰＶ0／ＰＶ1の許容範囲も第２の許容範囲と称する。
　以上の説明から明らかなように、切り替え条件ＳＣ２が成立したか否かを判定することは、空気流量ＰＶ0を基準とする燃料流量ＰＶ1（または、実比率ＰＶ0／ＰＶ1）の観点からは、当該燃料流量ＰＶ1（実比率ＰＶ0／ＰＶ1）が第２の許容範囲に入っているか否かを判定することと等価である。切り替え条件ＳＣ２は、空気流量ＰＶ0を基準とする燃料流量ＰＶ1（実比率ＰＶ0／ＰＶ1）が第２の許容範囲に入っている場合に成立する。
　判定器２５０は、切り替え条件ＳＣ１が成立したか否かに応じて、第１のレベルＨまたは第２のレベルＬの切り替え信号ｑ０を生成する。判定器２５０はまた、切り替え条件ＳＣ２が成立したか否かに応じて、第１のレベルＨまたは第２のレベルＬの切り替え信号ｑ１を生成する。
　ＳＷ２３０及び２４０は、それぞれ切り替え信号ｑ０及びｑ１が第１のレベルＨである場合、ＤＦＦ補償器１３及び１４を選択する。すると図３に示される燃焼制御装置は、第１の実施形態と同様のフィードフォワード型補償による燃焼制御（比率制御）を実行する。このように燃焼制御装置は、切り替え条件ＳＣ１及びＳＣ２がいずれも成立している場合、空気系及び燃料系の両方でフィードフォワード型補償に基づく燃焼制御を実行する。よって第３の実施形態によれば、空気流量ＰＶ0及び燃料流量ＰＶ1（実比率ＰＶ0／ＰＶ1）が第１及び第２の許容範囲に入っているならば、燃焼要求レベルが急変するような過渡状態においても、空気流量ＰＶ0と燃料流量ＰＶ1とを比率βμで制御することができる。
　一方、切り替え信号ｑ０が第２のレベルＬである場合、ＳＷ２３０はＭＥＤセレクタ２１０を選択する。これにより図３に示される燃焼制御装置は、ダブルクロスリミット制御を用いて空気系を制御する。同様に、切り替え信号ｑ１が第２のレベルＬである場合、ＳＷ２４０はＭＥＤセレクタ２２０を選択する。これにより燃焼制御装置は、ダブルクロスリミット制御を用いて燃料系を制御する。このように燃焼制御装置は、切り替え条件ＳＣ１及びＳＣ２がいずれも不成立の場合、空気系及び燃料系の両方でダブルクロスリミット制御に基づく燃焼制御を実行する。よって第３の実施形態によれば、空気流量ＰＶ0及び燃料流量ＰＶ1（実比率ＰＶ0／ＰＶ1）が第１及び第２の許容範囲から外れるような状況でも、ダブルクロスリミット制御の適用により燃焼に関して安全性を確保することができる。
　上述の第１ないし第３の実施形態では、フィードフォワード型補償のためにＤＦＦ補償器１３及び１４が共通に用いられる。ＤＦＦ補償器１３及び１４の定数（伝達関数）は、それぞれ、プラントの実運転時に測定可能な無駄時間Ｌ0及び一次遅れ時間Ｔ0の対、及び無駄時間Ｌ1及び一次遅れ時間Ｔ1の対に基づいて一意に決定される。このように第１ないし第３の実施形態に係る燃焼制御装置は明確な最適調整則を持つ。よって第１ないし第３の実施形態によれば、いずれも、実プロセスの運用への導入が容易な燃焼制御装置を提供することができる。
　以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、空気流量プロセスと燃料流量プロセスとが異なる無駄時間を持ち、かつ燃焼要求レベルが急変するような過渡状態でも、空気流量と燃料流量との比率が設定比率の近傍となるように両流量を制御することができる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (5)

  1. 　空気流量と燃料流量との比率を調整するための燃焼制御装置において、
    　前記調整されるべき比率を設定する比率設定器と、
    　燃焼炉に空気を供給する空気流量プロセスと、前記空気流量プロセスを制御する第１のフィードバック制御器とを含む第１の制御ループと、
    　前記燃焼炉に燃料を供給する燃料流量プロセスと、前記燃料流量プロセスを制御する第２のフィードバック制御器とを含む第２の制御ループと、
    　前記燃焼要求レベルの変化に対する前記第１の制御ループの応答性に関連する前記空気流量プロセスの第１の無駄時間を補償する第１の動的フィードフォワード補償器と、
    　前記燃焼要求レベルの変化に対する前記第２の制御ループの応答性に関連する前記燃料流量プロセスの第２の無駄時間を補償する第２の動的フィードフォワード補償器とを具備し、
    　　前記第１のフィードバック制御器は、
    　前記燃焼炉における燃焼を要求するマスター信号の示す燃焼要求レベルの変化に応じて前記比率設定器により設定された比率で変化する前記空気流量及び前記燃料流量それぞれの目標値である第１及び第２の設定値のうちの前記第１の設定値に対して前記空気流量が追従するように、前記空気流量プロセスを制御し、
    　　前記第２のフィードバック制御器は、
    　前記第２の設定値に対して前記燃料流量が追従するように、前記燃料流量プロセスを制御することを特徴とする、燃焼制御装置。
  2. 　前記第１の動的フィードフォワード補償器の伝達関数Ｃ0(s)と前記第１の制御ループの伝達関数Ｇ0(s)との積Ｃ0(s)Ｇ0(s)と、前記第２の動的フィードフォワード補償器の伝達関数Ｃ1(s)と前記第２の制御ループの伝達関数Ｇ1(s)との積Ｃ1(s)Ｇ1(s)とが、ほぼ等しくなるように、前記伝達関数Ｃ0(s)及びＣ1(s)が設定される請求項１に記載の燃焼制御装置。
  3. 　前記伝達関数Ｃ0(s)は、前記第１の無駄時間及び前記第２の無駄時間のうちの大きい値である第３の無駄時間と前記第１の無駄時間との差分を無駄時間として含む無駄時間要素を有し、
    　前記伝達関数Ｃ1(s)は、前記第３の無駄時間と前記第２の無駄時間との差分を無駄時間として含む無駄時間要素を有する、請求項２に記載の燃焼制御装置。
  4. 　さらに、前記マスター信号によって燃焼増が要求された場合、前記空気流量に関して前記燃焼増の要求を優先することで、前記空気流量の増加を先行させ、前記マスター信号によって燃焼減が要求された場合、前記燃料流量の減少に前記第１の制御ループを追従させる第１のクロスリミット制御器と、
    　前記マスター信号によって前記燃焼減が要求された場合、前記燃料流量に関して前記燃焼減の要求を優先することで、前記燃料流量の減少を先行させ、前記マスター信号によって前記燃焼増が要求された場合、前記空気流量の増加に前記第２の制御ループを追従させる第２のクロスリミット制御器と、
    　前記空気流量と前記燃料流量との比率である実比率が許容範囲に入っているかに応じて、前記第１の動的フィードフォワード補償器の出力または前記第１のクロスリミット制御器の出力のいずれか一方を選択する第１の切り替え器と、
    　前記実比率が前記許容範囲に入っているかに応じて、前記第２の動的フィードフォワード補償器の出力または前記第２のクロスリミット制御器の出力のいずれか一方を選択する第２の切り替え器とを具備することを特徴とする、請求項１に記載の燃焼制御装置。
  5. 　さらに、前記第１の設定値を前記燃料流量に対して許容される範囲に制限する第１のダブルクロスリミット制御器と、
    　前記第２の設定値を前記空気流量に対して許容される範囲に制限する第２のダブルクロスリミット制御器と、
    　前記空気流量が前記燃料流量を基準とする第１の許容範囲に入っているかに応じて、前記第１の動的フィードフォワード補償器の出力または前記第１のダブルクロスリミット制御器の出力のいずれか一方を選択する第１の切り替え器と、
    　前記燃料流量が前記空気流量を基準とする第２の許容範囲に入っているかに応じて、前記第２の動的フィードフォワード補償器の出力または前記第２のダブルクロスリミット制御器の出力のいずれか一方を選択する第２の切り替え器と具備することを特徴とする、請求項１記載の燃焼制御装置。
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