JPH0765725B2 - 火力プラント自動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、火力プラント自動制御装置に係り、特に多変
数制御系のプラントの全体を表わすモデルを用いた予測
制御を行うに好適な火力プラント自動制御装置に関す
る。

〔従来技術〕

近年、電力需要の昼夜間格差、原子力プラントの増大に
伴ない、火力プラントにおいては、毎日起動停止、急速
負荷変化運転を強いられるようになつてきている。とこ
ろがボイラにおいては燃料変化に対する蒸気温度変化の
応答時間が十数分と長く、かつ負荷の大小により応答の
ゲイン及び時定数が大幅に変化するため、蒸気温度の制
御が難しく起動時間短縮、負荷変化率向上の大きな制約
となつていた。

かかる制約を解消するために、特開昭57−16719に記載
のように、制御装置にボイラの動特性モデルを内蔵し、
主蒸気温度の将来値を予測し、先行的に燃料を制御する
方式が提案されている。この場合、ボイラ内部の各信号
間の相互干渉を軽減するためには、上記の予測制御方式
をボイラ全体に適用するのが望ましい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところがボイラ全体をモデル化し、予測演算を実行する
場合、モデルの高次元化により演算時間の増大が問題と
なる。これは特に応答の遅い系についてはくり返し演算
の回数が増大し、負荷率の増加となるが、これを防ぐた
めサンプリング周期を長くすると高精度の予測信号が得
られないとの問題があつた。

本発明の目的は、大規模多変数系のプラントモデルを用
いた予測制御において、演算時間を増大させることなく
高精度の予測演算を実現する火力プラント自動制御装置
を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、複数の操作信
号、制御信号、測定信号をプラントモデルに取り込ん
で、該プラントモデルで演算して求めた予測信号によっ
て火力プラントを制御する火力プラント自動制御装置に
おいて、前記プラントモデルは、燃料系統モデル、水蒸
気系統モデル、通風系統モデル等に分割され、さらに前
記分割された各モデルの中は、応答の速いサブモデルと
応答の遅いサブモデルに細分されて、前記応答の速いサ
ブモデルが予測演算されたのちに、前記応答の遅いサブ
モデルが予測演算される構成であることを特徴としてい
る。

〔作用〕

本発明はプラントの操作信号が整定している場合、もし
くは操作信号の変化に対し、プラントの応答が十分長い
場合、プラントモデル予測演算のサンプリング周期を十
分長くしても、予測精度が低下しないことに着目し、こ
れを実現するためのプリントモデルを、燃料系統モデ
ル、水蒸気系統モデル、通風系統モデル等に分割し、さ
らに分割した各モデルの中を、応答性に基づいていくつ
かのサブモデルに細分することにより、各々のサブモデ
ルごとに、その応答時間に応じたサンプリング周期を選
定できるようにしたものである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。第２図は
本制御系の全体構成を示すブロック図である。

第２図においてプラント100の操作信号は制御装置101の
状態推定部102に入力され、これとプラント100の操作信
号U1により状態推定値が出力される。状態推定部102は
例えば特開昭57−16719などで記載されているカルマン
フイルタなどを用い、プラントのモデルに基づき構成さ
れる。この状態推定値は状態推定部で用いたと同じプラ
ントモデルを用いた予測計算部103で繰り返し計算を行
なうことにより、将来の予測値を計算している。この
予測値と目標値ｒを比較し制御演算部104において制
御演算を行ない先行的に制御を行つているものである。
ここで予測計算部103での予測値の計算においては予
測時間が長いとそれだけ繰り返し回数が多くなり演算時
間が長くなる。このためモデル規模が大きくなつた場
合、計算機の負荷率が高くなつてしまう。ところが予測
時間はプラントの応答時間と比例しているのでこれを短
かくすることができない。さて、プラントは例えばボイ
ラの場合蒸気発生部，過熱部などといつたいくつかのサ
ブプラントに分割され、サブプラント毎に応答時間が異
なる。

第１図はＮ個のサブプラント分割したボイラプラントモ
デルを示すブロツク図である。すなわち、プラントは10
0のうちのサブプラントは応答時間の長いプラントであ
り、サブプラント２は短いプラントであるとした場合、
サブプラント１については、操作信号U1が安定している
状態ではサンプリング周期を長くしても（通常の10倍程
度）正確な予測信号が得られる。つまり、繰り返し計算
のきざみを荒くしても良いということであるから、予測
演算の実行時間を短くすることができる。プラント１′
は応答の短い系であるからサンプリングを短かくしてお
り、第１図（ｂ）のように操作信号U1に対しT_Dだけ遅れ
た一点鎖線で示すU1を出力する。このT_Dの遅れはプラン
ト１のサンプリングを長くしても上記で説明したように
問題とならない。プラント２においては応答が速いため
上記で述べたようにきざみを長くすることはできない。

それでは、上記基本的事項を基に、本発明の一実施例を
火力発電プラントに適用した例について説明する。

まず、火力発電プラントの概略構成について、第５図を
参照して説明する。図において、81はボイラ、82はター
ビン、83は発電機、84は給水ポンプ、85はスプレ弁、86
は燃料弁、87は押込通風フアン、88はガス再循環フアン
である。これを系統に分類すると燃焼プロセス89、水蒸
気プロセス90、LNGガスプロセス91、通風プロセス92の
４つに分けられる。第６図は火力発電プラント全体構成
を示す構成図である。図中301は燃焼排ガスにより燃焼
用空気を予熱する空気予熱器、302はバーナ部であり各
段毎に空燃比を調整して炉内脱硝を行うシステムであ
る。303はW/B入口空気ダンパであり、各バーナ段の燃焼
用空気量を調整する。304はGMガスダンパであり、燃焼
用空気に注入する燃焼排ガス量を調整する。305は１次
ガスダンパでありバーナ部に直接注入する燃焼排ガス量
を調整する。306は復水器、307は低圧給水加熱器、308
は脱気器、309は給水弁、310は高圧給水加熱器、311は
蒸発器、312は１次過熱器、313は第一段減温器、314は
２次過熱器、315は第２段減温器、316は３次過熱器、31
7は再熱器である。

第７図はプラント自動制御装置の制御ブロツク図であ
る。図中201はマスタコントローラ、202は水蒸気プロセ
ス系統コントローラ、203は燃焼プロセスコントロー
ラ、205は通風プロセスコントローラである。これら201
〜205は系統レベルのコントローラである。

206は主タービンの調速制御コントローラ、207は給水ポ
ンプ制御コントローラ、208は２次SHスプレ制御コント
ローラ、209は１次SHスプレ制御コントローラ、210はｎ
バーナ燃料流量制御コントローラ、211は、ｐバーナ燃
料流量コントローラ、212は各バーナ段毎の空気，ガス
流量制御とバーナ制御を行うコントローラ、213は押込
通風フアン制御コントローラ214はガス再循環制御コン
トローラである。

これらの206〜214は機器コントローラである。加算器50
の出力は中央給電所からのプラント負荷指令に主蒸気圧
力の偏差による修正を加えたボイラ入力指令であり各系
統コントローラ202〜205に与えられる。

215は関数発生器であり、50の出力であるボイラ入力指
令より給水流量指令を作るようにプログラムされてい
る。216は減算器であり66の給水流量を指令値と比較し
その偏差を比例積分演算器217に与える。演算器217の出
力は給水ポンプ流量指令であり、負荷配分制御回路218
により各給水ポンプ制御コントローラ207に分配され
る。

219は関数発生器であり、加算器の出力ボイラ入力指令
より主蒸気温度の設定をプログラムするものである。22
0は減算器であり、主蒸気温度52と設定値を比較しその
偏差を比例積分演算器221に与える。

222はボイラ入力指令から第２段減温器出口温度の設定
値をプログラムするものである。223は加算器であつて
主蒸気温度偏差からの修正を加えた第２段積温器出口温
度設定であり、減温器出口温度コントローラ208に与え
る。

224は関数発生器であつてボイラ入力指令から２次SH出
口温度の設定をプログラムするものである。225は主蒸
気温度の偏差による第２段減温器出口温度の修正量から
２次SH出口温度の設定値に修正を加え第１段，第２段の
スプレ量のバランスをとる回路である。226は２次SH出
口温度であり227の減算器にて設定値と比較されその偏
差は比例積分演算器228に与えられる。229はボイラ入力
指令から第１段減量器出口温度の設定をプログラムする
関数発生器である。230は加算器であり２次SH出口温度
の偏差から修正を加えた第１段減温器出口温度の設定を
作り、減温器出口温度コントローラ209に与えられる。

231はボイラ入力指令から燃料流量指令をプログラムす
る関数発生器である。233は第１段減温器出口温度の設
定値の修正量からコンスタントプレイ制御の修正を行う
回路である。

234は、ＭバーナとＰバーナの燃料指令配分を行う回路
である。235は減算器であり、発生器73がＭバーナの燃
料流量と指令値を比較し、更に比例積分演算器236によ
りＭバーナの燃料流量制御コントローラ210への指令を
作る。

237は減算器であり、発生器75からのＰバーナ燃料流量
を指令値を比較し、比例積分演算器238により、Ｐバー
ナの燃料流量コントローラでへの指令を作る。

239はボイラ入力指令から空気流量指令をプログラムす
る関数発生器である。240はボイラ入力指令から排ガスO
₂濃度の設定値をプログラムする関数発生器である。241
は減算器であり、排ガスO₂濃度（58）と設定値を比較
し、比例積分演算器242に入力し、補正回路243により空
気流量指令値に修正を加える。244は減算器であり、合
計空気流量（63）と指令値を比較し、比例積分器245に
入力し、各バーナ段毎の空気流量補正値を作り、符号21
2の各バーナ段毎の空気，ガス流量制御とバーナ制御を
行うコントローラに与える。247はボイラ入力指令から
最適バーナ本数とパターンを求めて各段のバーナの本数
制御を行う回路である。248は各バーナの点消火時の空
気量と燃料のアンバランス発生を防止する為の回路であ
る。

249はボイラ入力指令から押込通風フアンの出口ドラフ
トの設定値をプログラムする関数発生器である。250は
減算器であり、押込通風フアン出口ドラフト（100a）と
設定値を比較し、比例積分演算器251により押込通風フ
アン動翼の指令を作成し、負荷配分回路252を介して押
込通風フアンコントローラ213に指令を与える。

253はボイラ入力指令よりガス再循環フアン出口ドラフ
トの設定値をプログラムする関数発生器である。254は
減算器であり、ガス循環フアン出口ドラフト1060と設定
値を比較し、比例積分演算器255によりガス再循環フア
ン入口ダンパの指令を作成し、負荷配分回路256を介し
てガス再循環フアンコントローラ214に指令を与える。

ここで、起動／停止及び負荷変化時、プロセス信号の変
動により運用の制限を生じる主蒸気温度制御については
制御性の向上を図る必要がある。すなわち、時定数の長
い主蒸気温度制御系に対しては、蒸気温度の変動に先立
つて減温器スプレ量，燃料流量を操作してやれば良い。
このため主蒸気温度の将来値を予測し、この予測値を元
に操作信号を出力するようにする。燃料弁，スプレ弁の
操作に対する主蒸気温度の変化は操作信号の変化から、
短い時定数で流量が変化し、その流量変化を受けて主蒸
気温度が変化することとなる。すなわち、第６図におい
て、SHスプレ弁85の操作によるSHスプレ流量の変化を第
３図（ａ）の操作端モデル１′で表わす。この操作端モ
デルは一般的にむだ時間と一次遅れで表わされる。燃料
弁86a,86bの操作による燃料の変化を第３図（ａ）の操
作モデル１で表わす。また第３図（）から判るように
主蒸気温度すなわちタービン２の入口温度は主に、燃料
流量,SHスプレー流量により決定されるため、これらの
関係をプラントモデル１で表現する。このプラントモデ
ル１はたとえば２次及び３次過熱器２ 4,316の物理モ
デル７で代表することができる。尚各部の信号の時間的
関係を第３図（ｂ）に示す。以上から操作端モデルは早
いサンプリング周期で演算し燃料流量,SHスプレー流量
が充分安定した時点からプラントモデル１における予測
演算を実施するが、この予測演算は時定数が長いため、
繰り返し演算のきざみを荒くし、短時間で予測値を計算
できることとなる。

以上のモデル演算の時間関係を第８図を用いて説明す
る。第８図において、C₁は第３図の操作端モデル１、C₂
は操作端モデル１′、C₃はプラントモデル１のモデル演
算タイミングを示す。第８図（ａ）は従来の例で全モデ
ル演算を同一サンプリング周期で実施しているものであ
り計算機の負荷率が高いことがわかる。第８図（ｂ）は
本発明による実施例であり、４回のサンプリングで操作
端モデル出力が収束し、その出力を用いてプラントモデ
ル１の演算を行うため、サンプリング周期がT₁からT₂に
延長でき、負荷率が大幅に低減できることを示してい
る。

一方ガスO₂信号は安定な燃焼と効率を維持する指標とし
て用いられるものであるが、燃料と空気量の比率により
素早く変化を生じるものであり、さらに炉内の状態によ
り信号のふらつきが大きく信号の正確な把握のために推
定処理を行なう。

ガスO₂信号は第６図の燃焼プロセス89により生ずるもの
である。すなわち、第４図のプラントモデル２は燃焼プ
ロセス９を模擬したものであり、主に燃料流量と空気流
量信号により決定される。このプラントモデル２の応答
は短いものであるため、主蒸気温度の予測のように長時
間の予測は不要であり、くり返し演算も少なくてすむた
め、サンプリング周期を特に長くとる必要はない。

以上で演算した主蒸気温度及びガスO₂信号の予測信号は
実際の制御系では第８図の主蒸気温度52、及びガスO₂信
号58に利用される。

タービン，給水系などについても同様にサンプラントに
分割し、応答時間に応じて、サンプリング周期を選択
し、計算機全体の負荷が高くならないようにすることが
可能である。

また以上の如くモデルを分割して予測を行うために各モ
デルを格納するマイクロコントローラ個個に分割して持
つことが可能である。すなわち第７図に示す制御系にお
いて、水蒸気プロセスコントローラ202には主蒸気温度
の予測モデルを、燃焼プロセスコントローラ203には、
ガスO₂の予測モデルを格納し、それぞれに予測演算を行
うことにより、処理性の高い制御系を実現することがで
きる。なお本実施例では第１図のプラント１′を操作端
モデル，プラント１をプラントモデルに割付けている
が、プラント１′は必ずしも操作端に限定されず、プラ
ント１に比べて応答の速いプロセスに相当する部分であ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、火力プラント全
体のモデルを、燃料系統モデル、水蒸気系統モデル、通
風系統モデル等に分割しているので、各系統間での信号
の取り合いが少なくなり、システムの簡素化を図ること
ができる。

また、応答の早いサブモデルの予測演算が終わってか
ら、応答の遅いサブモデルの予測演算が実行されるの
で、演算時間が短縮化され、正確な予測計算を短時間で
行うことができるとともに、各サブモデル毎の応答時間
に応じた最適なサンプリング周期を選定することができ
る。これによって、高速処理するハードウエアを特に用
意する必要もなくなり、経済的効果も大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るモデル分割構成例を示す図、第２
図は制御装置の全体的流れを説明するために示すブロツ
ク図、第３図及び第４図はモデル構成例を示す図、第５
図は火力プラントの概略構成を示す図、第６図は火力プ
ラントの全体構成を示す図、第７図はプラント制御装置
を示すブロツク図、第８図はその動作を説明するために
示す説明図である。 1,2,…,N……応答の遅いプラントサブモデル、 １′,2′，…,N′……応答の早いプラントモデル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の操作信号、制御信号、測定信号をプ
   ラントモデルに取り込んで、該プラントモデルで演算し
   て求めた予測信号によって火力プラントを制御する火力
   プラント自動制御装置において、 前記プラントモデルは、燃料系統モデル、水蒸気系統モ
   デル、通風系統モデル等に分割され、さらに前記分割さ
   れた各モデルの中は、応答の速いサブモデルと応答の遅
   いサブモデルに細分されて、前記応答の速いサブモデル
   が予測演算されたのちに、前記応答の遅いサブモデルが
   予測演算される構成であることを特徴とする火力プラン
   ト自動制御装置。