JPH043801A - ボイラ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は種々の銘柄の異なる石炭を燃焼させるのに好適
なボイラ制御装置に係わる。

〔従来の技術〕

第３図に本発明の適用対象たるボイラ設備を構成する微
粉炭製造設備５６．５７、蒸気タービン１９．２３及び
発電機２５を示す。これらの設備類は第４図に示す従来
技術による制御装置を合わせ、トータルシステムとして
、第４図中の負荷指令信号１０１に追従する火力発電プ
ラントとして動作する。

以下、第３図、第４図に示すボイラ設備およびその制御
装置の概略を説明する。

ａ）現時点の発電電力信号２７が指令（負荷指令信号）
１０１に合致するようタービン加減弁１７の開度を変化
する。

すなわち、指令１０１が負荷増加を与えれば、実発電量
（発電電力信号）２７が追従するまで加減弁駆動信号１
８は比例積分調節作用により増加する。

ｂ）負荷指令１０１の増減に従い、負荷／水比を与える
関数１０４を介して給水指令１４７を得る。

しかしながら、火炉水壁５はボイラ内で最も強烈な輻射
伝熱を受けるので伝熱管を保護するため最低給水量を設
定要素１１２で与えて給水流量調節弁２を駆動する。

当該保護は、電熱管内の流速が低下すると急速に伝熱管
内面の熱伝達率が低下して、伝熱管が冷却されなくなる
のを防止する趣旨であって、ボイラの燃料量が運転状態
によって変化しても、管内流速確保の観点から一律に設
定され、後述のボイラの水／燃比の制御に優先して給水
を確保することに相当する。

Ｃ）ボイラの給水量が、かかる氷壁（火炉氷壁）５保護
のため、当該時点の負荷を維持するに必要な量以上供給
される場合は、燃料は負荷に応しで投入されるため、水
壁５出口は気水混合となり、気水分離器６により湿分が
ドレン７として回収される。通常、当該ドレンは図示し
てはいないが再循環ポンプでボイラ給水中に戻されたり
、熱交換器で給水を加熱した後、給水ポンプ１の前流へ
戻されたりするので、以下かかる運転状態を「循環モー
ド」と呼ぶ。逆に、負荷指令１０１に対応した給水が、
かかる設定（設定要素）１１２を上回る場合は、燃料も
指令１０１を反映するので、水壁５出口は乾いた蒸気と
なり、前述のようなドレンの再循環は発生しないため「
貫流モード」と呼ぶ。

信号切替要素１０７．１１５は共に「貫流モード」にお
いて、第４図に示す通りの信号を与え、「循環モード」
においては、矢印の側へ切り替わる。かかるモードの判
定は関数要素１０８が負荷指令により与えている。

ｄ）ボイラの主蒸気圧力は信号１６により入力され、負
荷指令１０１に応して関数１０５で与えられる設定値１
０６との偏差に応し「貫流モード」においては加算要素
１１０へ、「循環モード−１においては加算要素１１５
へ補正信号が与えられる。

これは、ボイラ蒸気圧力は基本的に保有蒸気の密度に依
存しており、圧力を上昇するには蒸発量を増加せねばな
らないが、「循環モード」では燃料指令１５１を増加す
れば蒸発量が増加するに対し、「貫流モード」では、氷
壁出口は既に乾き蒸気領域に入っているので、給水指令
１４７を増加すれば蒸発量が増加するからである。

ｅ）燃料量指令１５１は基本的には水／燃比関数１１３
で与えられ、前述したように「循環モード」では蒸気圧
力偏差に基づく補正信号１４９．を加え、「貫流モード
」では−次週熱器出口蒸気温度を与える信号５９の設定
値１４８との偏差により補正される。これは氷壁出口が
乾いた領域では燃料の過不足は蒸気温度に反映するから
である。指令１５１は運転中の微粉炭製造設備５６．５
７等の台数に応じて、設定１１８の値で割算され、該製
造設備１台あたりの給炭量を駆動信号２９．３６等によ
り調節する。

ｆ）空気流量指令４３は燃／空比関数１２５が与える値
を、節炭器４出口の廃ガス中の酸素濃度信号５１が設定
値に維持されるよう補正して求められる。

ｇ）主蒸気温度は信号１４で入力され、設定値１５３と
の偏差に応じて、過熱器減温器に注水して制御を行う、
この際、蒸気温度低下時の十分な注水量減らし代を確保
するため、ボイラ伝熱面配分は負荷に応した定常注水量
を前従に設計されており、かかる値は関数要素１３９で
与えられる。

ｈ）再熱蒸気温度は信号６１で入力され、設定値１５２
との偏差信号１５７に応じ、比例微分処理で信号１５６
を補正してガス再循環量を調節する。

ここで、要素１３０に積分作用を働かせないのは、後述
の信号４８による再熱蒸気温度制御の要素１４１による
積分作用の相互干渉を防くためである。

ガス再循環による再熱蒸気温度制御は吊下過熱器１２と
吊下再熱器２２の位置関係を利用している。

すなわち、燃焼ガスから熱交換器への伝熱の形態には「
輻射」と「（強制）対流」があるが、前者は絶対ガス温
度の４乗、後者はガス体積流量の０．６乗るこ比例する
ことが知られている。

よって、ガス高温側の過熱器１２の方が、ずっと「輻射
」を利用して所定の性能を得る設計になっており、同様
に再熱器２２は「対流」による伝熱の割合が高い。ここ
で、ガス再循環量を増加すると伝熱面１２．２２を通過
するガス量は増加するが、節炭器４出口の低温のガスが
火炉に混合される割合が増加するから、ガス温度は低下
する。

従って、ガス再循環の増加は「輻射」を減少させ、「対
流」を増加させるため、前者の割合が多い過熱器（吊下
過熱器１２）の熱吸収量が減少、再熱器（吊下再熱器２
２）が増加することになる。従って、偏差１５７に応じ
て、再熱器２２の熱吸収量を加減するメカニズムにより
再熱蒸気温度制御が可能となるが、かかる方式は本質的
に過熱器１２を通過する主蒸気の温度に外乱を与える。

しかしながら、主蒸気側は強力な温度制御手段である減
温器９への注水がプラント効率の低下をもたらすことな
く積極的に利用できるので、かかる外乱を吸収できて好
都合である。再熱器２２への注水は大幅なプラント効率
の低下を招き敬遠されるため、ガス再循環はボイラ出口
に近い吊下げ伝熱面の熱吸収を加減できる応答の早い制
御方法として位置づけられる。

ｉ）ガス再循環は上述のように再熱蒸気温度制御に有効
であるものの、火炉ホッパから排ガスを吹き込むため燃
焼への影響が避けられず、再循環過大で燃料不安定や未
燃分（すす）が増加するし、過小であると排ガス中に有
害な窒素酸化物が増大する。

従ってガス再循環ダンパは設定要素１３３，１３５の与
える上下限内でしか開閉できず、実際上過渡的な再熱蒸
気温度変動低減手段の位置づけとなる。主力の再熱蒸気
温度制御はガスダンパ４７゜４５でそれぞれ横置再熱器
２１、横置過熱器８の通過ガス量を偏差信号１５７に基
づき、言うならば再熱蒸気温度優先で配分し、主蒸気温
度への外乱は減温器９への注水で解消して対処すること
とする。以上の横置伝熱面ガスパスダンパによる制御は
燃焼への悪影響も無く、定常偏差解消に特別な通風機動
力増加も無い長所があるが、ボイラからの蒸気取出し位
置から遠い伝熱面で制御を行うため応答が遅いのが最大
の難点である。

従って、上述のガス再循環と組み合わせて、始めて良好
な再熱蒸気温度制御を実現できる。

第４図において、関数１４２は各負荷における再熱器ダ
ンパ駆動信号の基本位置を与え、減算器１４５は過熱器
ダンパ（ガスダンパ）４５を再熱器ダンパ（ガスダンパ
）４７と逆作動させるため、基準位置設定１４４から引
算を行う。

〔発明が解決しようとする課題〕

石炭は石油、ガス燃料と比較して揮発分割合、発熱量、
粉砕性、水分側合等において非常に広範囲な性状相違が
あり、第３図に示したボイラ設備で多炭種を燃焼させる
場合は次のような問題が生しる。

１−ａ）一般に揮発分の多い石炭は火炉内で早く燃焼し
、揮発分の少ない石炭はこの反対で、その発熱の分布は
火炉出口側に偏るから、火炉出口ガス温度の高低は揮発
分の大小と逆の相関（揮発分小ならば出口ガス温度高）
を持つ。一般に火炉熱吸収量について次式が成立する。

Ｑｗ　＝Ｃｔ　　−Ｇｙ　　Ｔｏ　　・Ｃｇ　　・（Ｇ
ｙ　十Ｑ、＋Ｇｒ）　　　　　　　　−（１） Ｑｏ　：単位時間あたりの火炉熱吸収量Ｃ１二単位投入
量あたりの燃料発熱量 Ｇｆ　二単位投入量あたりの燃料投入量Ｔ９　：火炉出
口ガス温度 Ｃ９：燃焼ガス平均ガス比熱 Ｇ１　：単位時間あたりの空気投入量 Ｇｒ　二単位時間あたりのガス再循環量ボイラの負荷が
同一であれば、燃料の性状によらずＣ２・ＧｔＯ値に大
差は無いが、Ｔ、の値に幅があるため、Ｑ、ばかなり異
なることが示される。これは、従来の技術の（ｃ）、　
　（ｄ）、　　（ｅ）項で述べた循環／貫流切替え制御
に悪影響を及ぼす。

すなわち、負荷指令１０１が同一ならばボイラ給水はほ
ぼ同程度になるが火炉の熱吸収が異なるため、火炉水壁
５出口が乾き蒸気に変わる負荷は燃料性状によりかなり
変化する。従来の技術で述べたように循環／貫流モード
の相違により制御装置の動作を切り替えなければならな
いが、もし実際の水壁５出口の湿り／乾きと一致しない
と以下のような不具合が生じる。

イ）実プラントが湿りであるにもかかわらず貫流モード
の制御を行った場合、蒸気圧力低下に対応する給水増加
は、氷壁出口を余計に湿らせて蒸発量が低下し、ますま
す蒸気圧力が低下する。

口）実プラントが乾きであるにもかかわらず循環モード
の制御を行った場合、蒸気圧力低下に対応する燃料増加
は、氷壁出口の蒸気温度を上昇するのみで、蒸発量は増
加せず、いたずらに蒸気温度制御に外乱を与えるのみで
ある。

よって、多炭種を燃焼するボイラではなんらか工夫をし
なければ関数要素１０８のように負荷のみで循環／貫流
モード切替えを行えない。

また、実プラントの湿り／乾きを検知する方法も乾き度
（飽和水と飽和蒸気の質量比）自体、直接に気水温合物
の温度、圧力等の測定容易な物理量に影響しないので実
現は難しい。

１−ｂ）前項で述べたように石炭が異なれば火炉出口ガ
ス温度が異なるし、燃料中の水分、水素分の相違は燃焼
ガス中の水蒸気の量を変化させ、過熱器、再熱器の輻射
伝熱にガス温度自体及び輻射パラメータの両面で影響を
与える。

以上のメカニズムの根拠は前項のｈ）に説明した通りで
ある。このような輻射／対流伝熱の相違割合の変化には
、ガス再循環量を調節するのが最も本質的ではあるが、
現状は前項のｉ）に述べたように良好な燃焼を維持する
ため、ガス再循環は上下限の中間程度の量で再熱蒸気温
度が規定値になるようにガスパスダンパを調節し、蒸気
温度変動発生時、ガスパスダンパによる制御が追従でき
ない過渡的な変動のみガス再循環変化に依存する制御フ
ィロソフィーを採用しなければならない。

よって、石炭の種類によってはガスパスダンパ４５．４
７の開度を全開あるいは簡閲近傍の極めて制御性の悪い
（応答の直線性が損なわれるし、感度も設計点からの隔
たりが大きい）領域で運用せざるを得ない場合がある。

もちろん、ダンパを全開、簡閲しても制御偏差が低減で
きない場合はプラントが性能数値を維持できないことに
なる。

〔課題を解決するための手段〕

ボイラ装置及びボイラ制御装置が良好に性能を発揮する
には、炭種によらず同一の負荷帯においては火炉出口ガ
ス温度が所定の値であることが要請されることは上述し
た通りである。

要するに本発明は推定もしくは実測した当該時点の火炉
出口ガス温度が負荷に応じて与えらる所定値になるよう
各バーナの燃料配分を調節することに帰着する。

火炉出口ガス温度の把握は公知のように熱電対、輻射光
、超音波伝搬速度等を用いて計測する手段、あるいは節
炭器４出ロガス温度を実測し、各伝熱面の水蒸気側の温
度、圧力、流量から火炉出口がら節炭器出口までの区間
において燃焼ガスが失った熱量を求めてガス温度陣下分
を算出し、これを節炭器４出ロガス温度に加えて火炉出
口ガス温度を維定する方法等がある。

〔作用〕

一般に火炉出口に遠い位置に設けられたバーナから発生
した燃焼ガスはど火炉内滞留中に輻射伝熱で氷壁に冷却
される程度が大である。

従って火炉出口ガス温度が所定の値より低いほど火炉出
口に近い位置で多めに燃焼させれば当該ガス温度差を解
消できる。

同様に高めのガス温度偏差があるときは出口から遠いバ
ーナを主体に燃焼することになるわけで、言い換えれば
、本発明は揮発分小で出口ガス温度が上がりやすく、氷
壁熱吸収が小さくなりやすい石炭はど滞留時間をかせく
バーナ燃料配分を実現させる作用を有することになる。

〔実施例〕

第１図に本発明の実施例を示す。これは第３図のボイラ
設備を制御対象としており、従来技術による第４図の制
御装置と組合わせて構成する。第３図及び第４図と同一
の部分には同一の番号を与え説明を省略する。さらに第
３図、第４図と同一部分で第１図における存在に誤解の
余地が無いと考えられる場合は第１図において記述を省
略した個所もある。

信号設定要素２０７は石炭の銘柄を与え、関数要素２０
９は負荷指令１０１と銘柄設定２０８を受けて、ボイラ
負荷に対して適切な火炉出口ガス温度を与える。これは
、石炭の化学成分（炭素と水素の割合）により、同一の
発熱を得る際の生成ガス量（言い換えれば燃焼に必要な
空気量）が異なるため、（１１式に示されるように火炉
熱吸収量を適正値に維持するには、炭種によって火炉出
口ガス温度設定を変化（生成ガス量の多い石炭には設定
を低めとする）させなければならないからである。

信号２０２はガス温度計による火炉出口ガス温度実測値
を与えるが、該信号は課題を解決するための手段の項に
述べた通り、直接の測定を行わない手段で把握して代用
しても良い。第一の演算手段２１１は以上の信号２０２
，２１０，２０８及び燃料指令１５１を受け、各バーナ
の最大容量及びターンダウン（バーナ逆火防止のための
流速確保による最低空気量、及び炭塵の爆発限界の石炭
／空気比等の観点で決まる、安全な運用が可能な最低の
燃料量）の範囲で燃料指令を分配する演算を行う。

第１の演算手段２１１の実施例を第２図に示す。

第２図において燃料指令１５１は単位時間あたりのトー
タル発熱量基準で与えられるので、炭種によって定まる
単位質量あたりの発熱量信号２９０により除して総微粉
炭量信号２９２とする。火炉出口ガス温度の指令は信号
２５４で与えられ、該指令温度及び炭種信号２０８に応
して定まる各バーナへの微粉炭基準傾斜配分信号２５５
を得る。

信号２５５はボイラ試運転調整の際に、各炭種について
、全負荷帯を通じて所定の燃料を与えた際、設計上の火
炉出口ガス温度を維持するには、火炉出口に近いバーナ
と遠いバーナでどの程度微粉炭を傾斜配分すればよいか
の傾向により関数２５４を決定して与える。もちろん、
実運用時点では試運転調整時と異なったボイラ運転状態
となるため、信号２５５のみでは一般に指令値に合致し
た運用は不可能なため、実測ガス温度２０２と指令２１
０との偏差に応じ、傾斜配分率が正ならば火炉出口に近
いバーナへの燃料を増やし、０ならば均等配分、負なら
火炉出口に遠いバーナへ増加配分することとし、実温度
２０２が高ならば配分率源、逆に指令２１０に到達でき
ないなら配分率増とする。該機能は炭種及び、偏差の程
度で配分率の補正幅が異なるため、関数２５２で信号２
５３を求め、基本信号２５５と加え合わせて傾斜配分率
２５７を得る。なお、以下の説明で該傾斜配分率の値を
ｄで表す。

微粉炭配分演算要素２５８〜２６１は個別に燃料を増減
するバーナの組数２ｎだけ用意し、最も火炉出口に近い
バーナから順に（１＋ｎｄ）／（２ｎ）、　　［１＋　
（ｎ−１）ｄ）／　（２ｎ）。

の重みを与える、逆に最も火炉出口に遠いバーナから順
に（１−ｎｄ）／　（２ｎ）、　　（１（ｎ　−１）　
　ｄ）　／　（２ｎ）　、　　−−−−−−、を与える
。

すなわち、要素２５８〜２６１は総微粉炭量２９２に以
上の配分計数を乗じる機能を有し、これらの配分計数の
和はｄの値によらず常に１となるから各バーナごとの微
粉炭量指令２６２〜２６５の和は常に総微粉炭量２９２
に合致するし、ｄの値により、目的とする傾斜配分が実
現する。

上述の通り各バーナには炭種によって定まる供給微粉炭
量の許容最大値２７７と最小値２７８が存在するため、
信号２６２〜２６５はかかる上下限制限を受けて、最終
的な指令値２１２，２８７゜２８８．２１３となる。

このとき該上下限制限を施すと信号のトータルが総量２
９２に合致しなくなるから、かかる上下限制限に係わる
過不足を要素２６６〜２６８にて算出し、最寄りのバー
ナに該過不足をしね寄せする。これは補正信号２６９〜
２７１を加算要素２６６〜２６８に与えて実現する。か
かる「しわ寄せ」により理想どおりの傾斜配分は実現で
きなくなるが、最寄りのバーナへしわ寄せする限り影響
は少ないし、かかる方法によれば、少なくともバーナの
上下限容量を考慮した上で許される最も理想に近い傾斜
配分が実現できる。

各バーナ個別の微粉炭量指令２１２，２１３はそれぞれ
実流量２０４，２０６と比較して偏差を０とするように
給炭フィーダ駆動信号２１６，２１７とする。その際、
石炭種別により粉砕性が異なり、偏差に対する補正量の
与え方が異なるため、該駆動信号を算出する第二の演算
手段２１４．２１５は炭種信号２０８を考慮する。

本実施例では実微粉炭量把握に計測手段２０３゜２０５
を用いている。これらは、超音波、マイクロ波等の透過
、反射を利用した装置で実現できるし、本出願人による
特願昭６３−１．３１３４２号「微粉炭ボイラ制御装置
」に示したミル出炭量同特性モデルにより推定する方法
でも良い。

〔発明の効果〕

本発明には次の効果がある。

■）石炭性状相違にかかわる火炉熱吸収特性相違により
、氷壁出口が乾き蒸気／湿り蒸気と切替わるプラント負
荷が変化することに基づく蒸気圧力制御の不具合が解消
できる。

２）石炭性状相違に係わる過熱器、再熱器における輻射
伝熱と対流伝熱の割合変化に基づく再熱蒸気温度制御操
作端が可変範囲の上下限に張り付いて制御性の著しく低
下する不具合が解消できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るボイラ設備のシステム
構成図、第２図は第１図中の第一の演算手段の詳細ブロ
ック図、第３図は本発明の対象となるボイラ設備のシス
テム構成図、第４図は従来例に係るボイラ制御装置のブ
ロック闇である。 ２１１・・・第一の演算手段。 ２０８２ＩＯ 第 図 １５／ ２／３ 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 蒸発管で囲まれ、個別またはグループ毎に燃料量を調節
   できる複数のバーナを設けた火炉と、火炉排ガス流路に
   設けられた蒸気の過熱器及び蒸気の再熱器とを有するボ
   イラ設備のボイラ制御装置において、使用燃料の銘柄ま
   たは分析データにより与えられるパラメータを用い、火
   炉出口排ガス温度の計測値または推定値、該温度設定値
   、当該時点のボイラトータル燃料量指令値を入力して、
   各バーナまたはバーナグループの燃料量指令値を算出す
   る第一の演算手段を有することを特徴とするボイラ制御
   装置。