JPH08338604A - 微粉炭ボイラの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速の負荷変化に対応する制御を容易に行う
ことができる微粉炭ボイラの制御装置を提供する。 【構成】 ０．１〜１秒程度の周期で必要な下位ループ
のフィードバック信号には、一次遅れ要素５１による模
擬信号５２を用い、該信号の精度が低下する分、５〜１
０秒周期でモデルを動かして、加速信号算出部のパラメ
ータを調整し、該加速信号に反映させて模擬信号５２の
精度低下に係わる制御特性の悪化を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微粉炭焚きボイラの制
御装置に係わり、特に高速の負荷変化に際しても、ボイ
ラの蒸気圧力や温度を良好に追従させるに好適な制御装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、微粉炭製造設備と、当該設備が
算出する微粉炭を燃焼させるボイラ装置、及び、従来技
術による制御装置を図示したものである。

【０００３】原料炭１を供給する給炭機２は、速度信号
３に従って原料炭運搬速度を加減され、信号３に比例す
る原料炭を微粉炭製造設備のホッパ４に与える。

【０００４】原料炭１は、電動機５により回転され、混
合手段６をなすターンテーブル上に落下し、後述する分
級手段による捕集炭１１，１３と混合され、保有炭７と
なる。

【０００５】保有炭７は、遠心力により粉砕手段８をな
す前述のターンテーブルの外周に置かれたローラにより
粉砕され、該外周を吹き上げる搬送空気９に乗り、需要
先に輸送される。この時、該粉砕手段８の外側には粉炭
による流動層１０が形成されている。

【０００６】次に、搬送空気９に乗った粉炭は、重力と
のバンランスにより、大粒径の粒子が前述の混合手段６
へ再循環する重力分級捕集炭１１の流れを生じさせる。
また、比較的粒径が小さく該重力分級を通過した粉炭
は、ベーン１２により旋回を受けて遠心力により粒径が
大なる粒子が同様に再循環する遠心力分級捕集炭１３の
流れを生じる。

【０００７】このような２段の分級手段を通過した、粒
径が小さい石炭は、微粉炭輸送管１４を経てボイラ装置
に送られ、燃焼により火炎１５を形成する。

【０００８】該ボイラ装置にあっては、給水１６は、ド
ラム１７に供給され、下降管１８を下り、火炎１５を取
り囲む水冷壁１９を上昇する間に気水混合物に変わり、
ライザ２０を通って、ドラム１７に入り、気相は分離さ
れてドラム１７上部に蓄えられた後、蒸気供給ラインを
通る蒸気２１として重要先に供給される。

【０００９】この時、供給蒸気２１と水冷壁１９におけ
る発生蒸気の質量バランスは、ドラム７の圧力変動とし
て検知可能であり、該圧力を計測した蒸気圧力信号３１
は、該微粉炭量と後者が増加すれば前者も増加する意味
において単調な関係である。ドラムボイラを制御する場
合、かかる単調な関係より、蒸気２１の供給量の要求値
（以下、負荷指令３２と言う）の関数で定まる蒸気圧力
設定値３４と、ドラム１７の圧力信号３１を比較して得
た圧力偏差信号３６を比例積分要素３７で処理して、給
炭機速度信号３を得るのが基本的な構成である。

【００１０】昨今は、負荷指令３２に応じて、蒸気圧力
目標信号３４の値を大きく変化させる変圧運転が一般化
しており、また、負荷指令の変化率も大変急速になって
おり、制御性を改善するため、従来技術においても種々
の工夫がなされている。

【００１１】例えば、各負荷ごとに予想される定常時の
粉砕設備出口石炭量を与える静的先行信号４０（一般に
燃料プログラムと言う）は、急速な負荷指令３２の変化
に対し、比例積分要素３７の積分作用のみで各負荷の定
常石炭量をバランスさせると追従性が悪い（積分作用の
追従性を上げようとするとハンチングの危険があるの
で、追従性に限界が生じる）ため、該信号４０で概ねの
バランスを取り、前述の積分作用は緩慢に該バランスの
ずれを補正する作用に位置づけて制御特性の改善を図っ
ている。

【００１２】また、動的先行信号４３（一般に加速信号
と言う）において、変圧運転で蒸気圧力の上昇する期間
は、蒸気密度の変化でドラムや水冷壁等の保有水が増加
したり、蒸気の飽和温度の変化でドラムや水冷壁等のメ
タル温度が上昇することに伴う、過渡的な入熱増加分
や、種々の操作端やプラント状態量の追従遅れ特性を補
償しており、当該補償は負荷変化率に依存するため、負
荷指令信号３２の不完全微分（微分＋１次遅れの特性を
有し、雑音を含む信号を入力しても問題が小さい）要素
４１で処理して算出する。

【００１３】信号４０，４３は共に、制御偏差３６が発
生する以前に操作量を補正する機能であり、制御偏差３
６が発生しない限り操作量が変化しない比例積分調節要
素の欠点を補っている。

【００１４】以上の回路で得た燃料投入量指令（ミル出
炭量指令４７）に従い、油、ガス焚きボイラでは、それ
ぞれ、流量調節弁またはダンパを操作すれば良好な高速
負荷変化性能が得られるが、微粉炭焚きボイラでは、微
粉炭製造設備の遅れが大きいため、従来技術において
は、カスケード制御系（遅れの大きい系を駆動する下位
の制御ループを構成し、上位の制御ループの指令値に追
従させる。；具体的には図５の信号４７を発生する以前
が上位ループ、以後が下位ループである）を構成して対
処している。

【００１５】微粉炭製造設備にカスケード制御を適用す
るに当たり、従来技術による図５の装置では、当該設備
が生産する微粉炭量を安定にオンライン計測する手段は
現在実用化されていない（バーナに供給される燃料量が
オンライン計測可能な油、ガス焚きボイラと決定的に異
なる点である）ため、当該粉砕設備の応答を一次遅れ特
性で近似し、給炭量計測信号５０から該設備出口の微粉
炭量の模擬信号５２を得て、指令信号４７との偏差で補
正信号５５を作成し、指令信号４７に基づく先行信号５
６と合わせて、給炭機速度信号３を得る方式としてい
る。

【００１６】しかしながら、上述のカスケード系の効果
は、微粉炭製造設備出口の微粉炭流量の把握精度で決ま
るため、図５の構成では性能的に不十分な場合が多く、
発明者らによる解決技術（特開平１−３０２０２１号公
報；微粉炭焚きボイラ制御装置）も提案されてきた。

【００１７】これは図６に示す構成であって、図５の制
御装置では、一次遅れ要素５１で得た微粉炭製造設備出
口の流量信号を、製造設備内のメカニズムに忠実なモデ
ル５８に取り替え、該設備出炭量の推定精度を向上させ
ている。図５の方式の限界と図６の方式の効果は上記公
開公報に紹介してある。

【００１８】以上の説明はドラムボイラを中心とした
が、貫流ボイラでは微粉炭流量の過不足は、水燃比の変
動を介して蒸気温度変動に影響するため、信号３１を蒸
気温度信号に置き換えればよい。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】図６に示した、特開平
１−３０２０２１号公報による制御装置は、本質的な方
法であるが、オンライン制御ループ中に動特性モデルの
出力信号を参照するため、該モデル５８は０．１〜１秒
程度の周期で動作させなければならない。これは、殊に
推定信号のごとく、動特性モデルが下位ループのフィー
ドバック信号の役割を担う場合、計算機周期が大である
と、１回当たりのフィードバック信号の変化量が大であ
って、操作端開度（給炭機速度）の突変を招くし、操作
端の変化の影響も次の周期まで制御に反映されないから
である。特開平１−３０２０２１号公報に必要な０．１
〜１秒程度の周期は、現在の計算機の技術水準からは格
別高度な数字ではないが、安価な計算機を用いると、負
担が大きくなる。

【００２０】本発明は、このような背景に鑑みてなされ
たものであり、高速の負荷変化に対応する制御を容易に
行うことができる微粉炭ボイラの制御装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】図６の装置にあって、カ
スケード制御ループにおいて、偏差信号５３に寄与する
推定信号５９として、動特性モデル５８を用いるのでは
なく、加速信号の算出パラメータ（感度、継続時間等）
として動特性モデルを用いれば、該モデルは５〜１０秒
程度の起動周期で十分実用になる。

【００２２】即ち、０．１〜１秒程度の周期で必要な下
位ループのフィードバック信号には、図５の装置と同様
に、一次遅れ要素５１による模擬信号５２を用い、該信
号の精度が低下する分、５〜１０秒周期でモデルを動か
して、加速信号算出部のパラメータを調整し、該加速信
号に反映させて模擬信号５２の精度低下に係わる制御特
性の悪化を補正するのである。

【００２３】

【作用】加速信号算出部と言えども、フィードバックル
ープ内と同様に該信号の突変を招いては問題が生じるの
で、本発明では５〜１０秒周期で得られる動特性モデル
による微粉炭製造設備出口微粉炭量推定に係わる補正
は、加速信号の感度、振幅制限、継続時間等のパラメー
タ調節によっている。

【００２４】当該パラメータは、５〜１０秒周期で変化
しても、加速信号自身は、１秒以下の周期で計算するこ
とが可能である。

【００２５】

【実施例】本発明に適用する微粉炭製造設備の動特性モ
デルとしては前述の特開平１−３０２０２１号公報に記
載したモデルでもよいが、粒度分布を僅か４つの変数
（上記公開公報の実施例の手法では３０程度の粒度分布
のサンプル点を用いていた）で模擬可能で、高精度、低
計算量で済む例を、本発明者は、平成３年１２月１３日
に計測自動制御学会中国支部学術講演会にて講演してい
る。

【００２６】（粉砕機内の粉体流量と粒度分布） （Ａ）粒度分布の表記 断面を微小時間に通過する粒子中、粒径ξ以下なる質量
割合により粒度分布が定義可能で、その密度関数をｇ
（ξ）と表記し、適宜に場所を示す添字を付加する。サ
ンプルされた静止状態の質量粒度分布密度ｆ（ξ）との
関係は質量流量Ｑを用いて次式となる。

【００２７】

【数１】

【００２８】（Ｂ）粉砕機構 粉砕前後の諸量にそれぞれ、添字ｆｐ，ｏｐを与える
と、粒度分布について次の関係がある。

【００２９】

【数２】

【００３０】ここに、粒径ξを対数軸にとると、条件付
確率密度ｇ（ｏｐ｜ｆｐ）はＡｕｓｔｉｎらの解明した
粉砕分布定数と一致し、これをｓとする。

【００３１】

【数３】

【００３２】質量流量については、粉砕機構内で蓄積は
無いと仮定して次式を得る。

【００３３】

【数４】

【００３４】（Ｃ）分級機構 第ｊ番目の分級機構について、各「粒子の通過」は互い
に独立事象であって、Θ（ｊ）をインジケータとすれ
ば、実験により解明されている分級効率Ｃ（ｊ）（ξ）
と次の関係がある。

【００３５】

【数５】

【００３６】

【数６】

【００３７】分級入口炭、循環炭、及び通過炭に係わる
諸量にそれぞれ、添字ｆｊ，ｒｊ，ｏｊを与えると、ベ
イズ定理により粒度分布密度の次の表式を得る。

【００３８】

【数７】

【００３９】

【数８】

【００４０】ここに、

【００４１】

【数９】

【００４２】分級機構周辺の流量は次の通り求められ
る。

【００４３】

【数１０】

【００４４】

【数１１】

【００４５】（Ｄ）混合機構 分級機構（ｊ＝０，・・・，ｎ）からの循環炭と、原料
炭（添字ｆｂ）とを混合して流出炭（添字ｏｂ）となす
機構を考える。ここで、混合機構保有炭Ｇ（ｂ）とＱ
（ｏｂ）との間に次の関係を仮定する。

【００４６】

【数１２】

【００４７】Ｐは粒径と独立とし、この仮定を正当化す
るため、混合機構と続く粉砕機構の間に仮想的な分級機
構（ｊ＝０）を設けて、Ａｕｓｔｉｎらの解明したξに
依存する粉砕速度定数を考慮する。

【００４８】ここで、（１）と（１２）着目し、混合に
より粒径は変化しないと考えて、（ξ，ξ＋ｄξ）に属
する粒子のマスバランス式が得られる。

【００４９】

【数１３】

【００５０】（粒度分布キュムラントによるモデル記
述） （Ａ）分布密度のパラメタライズ Θが分布密度ｇ（ξ）に従う時、λ，ρで基準化（アフ
ィン変換）したモーメントを考える。

【００５１】

【数１４】

【００５２】この時、キュムラントβ（ｋ）（λ，ρ）
が対応して求められる。本モデルでは分布密度を次の４
パラメータで整理する。

【００５３】

【数１５】

【００５４】

【数１６】

【００５５】

【数１７】

【００５６】これらより一意にエッジワース展開係数α
（ｋ）が求まり、分布密度を具体的に表示できる。

【００５７】

【数１８】

【００５８】ここにｐ（ξ；μ，σ）はガウス分布、ｈ
（ｋ）はｋ次のエルミート多項式である。

【００５９】（Ｂ）粉砕機構 （３）を（２）に代入すると重量積分であって、キュム
ラントの和に帰着し、以下を得る。

【００６０】

【数１９】

【００６１】

【数２０】

【００６２】

【数２１】

【００６３】

【数２２】

【００６４】ここに添字に付き、ｓは粉砕分布定数を、
それ以外は各粒度分布密度ｇを指す。さらに、μ（ｏ
ｐ）、σ（ｏｐ）、β（３）〔μ（ｏｐ）、σ（ｏ
ｐ）〕、β（４）〔μ（ｏｐ）、σ（ｏｐ）〕は（１
５）〜（１７）及び次式を用いて計算できる。

【００６５】

【数２３】

【００６６】（Ｃ）分級機構 ｃ（ｊ）（ξ）は適当なγ（ｍｊ）、λ（ｍｊ）、ρ
（ｍｊ）を用いて近似できる。

【００６７】

【数２４】

【００６８】ｇ（ｉｊ）（ξ）は（１８）型式であり、
（７），（１０）より循環炭の諸量が具体的に求められ
る。

【００６９】

【数２５】

【００７０】ここに次の関係がある。

【００７１】

【数２６】

【００７２】

【数２７】

【００７３】

【数２８】

【００７４】また、α（ｏｒｊｍｋ）は次式にエルミー
ト多項式の加法定理を適用し、係数を整理して得られ
る。

【００７５】

【数２９】

【００７６】（２５）は分布密度の重み付き混合であ
り、添字ｍについてα（ｏｒｊｍｋ）からｖ（ｋ）〔λ
（ｍｒｊ）、ρ（ｍｒｊ）〕が一意に求まり、同一λ、
ρのｖ（ｋ）は重み付き加算が可能だから、結局（２
３）、（１５）〜（１７）を用いてμ（ｒｊ）、σ（ｒ
ｊ）、β（３）〔μ（ｒｊ）、σ（ｒｊ）〕、β（４）
〔μ（ｒｊ）、σ（ｒｊ）〕が計算できる。添字ｏｊの
通過炭についても同様の議論である。

【００７７】（Ｄ）混合機構 適当に選んだλ（ｂ）、ρ（ｂ）で基準化すると、（１
３）よりｖ（ｋｏｂ）についての微分方程式を得る。

【００７８】

【数３０】

【００７９】（２３）、（１５）〜（１７）を適用すれ
ば、一般にμ、σ、β（３）（μ，σ）、β（４）
（μ，σ）とｖ（ｋ）（λ，ρ）の相互変換が可能だか
ら、（Ｂ）、（Ｃ）の結論を代入して（３０）を解くこ
とができる。

【００８０】図１は本発明の第１の実施例を示すもので
あって、部品番号１００番台を付した部位以外は、従来
技術による図５と同様であるので、同一の部分の説明は
省略する。

【００８１】動特性モデル１０９は、原料炭供給量を信
号５０で知って、１０秒周期で微粉炭製造設備出口の微
粉炭流量を詳細に求め、信号１１０を得る。該信号１１
０は負荷指令３２の現在値、変化率から要素（ミル出炭
所要量算出器）１１９で得られる現時点の所要微粉炭量
と比較され、両者の偏差がミル出炭量偏差推定信号１１
５の変化傾向（符号、変化率）を知って、これに応じて
パラメータ補正量を関数要素１１８で求める。

【００８２】該パラメータ補正量は１０秒周期でしか更
新されないため、ホールド要素１１２を設けて値を維持
する。

【００８３】パラメータ付き関数要素１２０は従来技術
による図５、図６の関数要素４２と同様の機能である
が、該関数内の振幅制限値パラメータを加減でき、加速
信号４３の高さの最大値を微粉炭製造設備の追従状況に
応じて加減できる。

【００８４】図２は本発明の第２の実施例を示すもので
あり、部品番号１０３，１０６，１１１で構成される部
分を除き、図１と同一思想、同一構成である。

【００８５】本実施例では、要素（ミル出炭所要量将来
値算出器）１０３により、現在の負荷指令変化率１０２
が継続する前提で、数分後の微粉炭所要量１０４を求
め、微粉炭製造設備出口の動特性モデルによる推定値
（ミル出炭量推定信号）１１０も要素（ミル出炭量推定
値算出器）１１１で放物線近似で外挿して、数分先の設
備出炭量推定値１０５を求め、数分先の偏差を打ち消す
ようにパラメータ補正信号１１３を得る。

【００８６】図３は本発明の第３の実施例を示すもので
あり、ホールド手段１１２の出力信号の取り扱い以外は
図１に示す第１の実施例と同様である。

【００８７】本実施例では従来技術による図５の制御装
置の指令信号４７を発生する上位のループは改造せず、
下位ループに動的先行信号１２６を与える構成とし、該
動的先行信号１２６で一次遅れ要素５１による微粉炭製
造設備出口の微粉炭流量の推定誤差に係わる制御偏差を
補正する構成である。

【００８８】図４は本発明の第４の実施例を示すもので
あり、パラメータ補正信号１２５の算出を図２に示す第
２の実施例と同様の構成で行い、該パラメータ補正の適
用を図３に示す第３の実施例と同様にした構成である。

【００８９】なお、１は原料炭、２２は蒸気圧力検出
器、２３は給炭量検出器、３３は蒸気圧力設定要素、３
５は信号減算要素、３８は蒸気圧力補正信号、３９は関
数要素、４４は信号加算要素、４５は給炭量先行信号、
４６は信号加算要素、４８は関数要素、４９は信号減算
要素、５３はミル出炭量偏差信号、５４は比例積分調節
要素、１０１は不完全微分要素、１０６は信号減算要
素、１０７はミル出炭量偏差将来値信号、１０８は関数
要素、１１４は信号減算要素、１１６は不完全微分要
素、１１７はミル出炭量偏差傾向信号、１２１はミル出
炭所要量指令信号、１２２は不完全微分要素、１２３は
ミル出炭量指令変化率信号、１２４はパラメータ付き関
数要素である。

【００９０】

【発明の効果】本発明によれば、微粉炭製造設備の動特
定モデルが５〜１０秒の周期で実行可能程度の比較的低
速の計算機を用いても、高速の負荷変化に際して、良好
な蒸気圧力、温度の追従を要する微粉炭焚きボイラの制
御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る微粉炭ボイラ全体
の系統図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係る微粉炭ボイラ全体
の系統図である。

【図３】本発明の第３の実施例に係る微粉炭ボイラ全体
の系統図である。

【図４】本発明の第４の実施例に係る微粉炭ボイラ全体
の系統図である。

【図５】従来例に係る微粉炭ボイラ全体の系統図であ
る。

【図６】他の従来例に係る微粉炭ボイラ全体の系統図で
ある。

【符号の説明】

１０１ 不完全微分要素 １０３ ミル出炭所要量将来値算出器 １０８ 関数要素 １０６ 信号減算要素 １０９ ミル動特性モデル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料炭供給量を加減できる微粉炭製造設
   備と、該設備が生産する微粉炭を燃焼し、需要先に蒸気
   を供給するボイラ設備との制御装置であって、 少なくとも、重要先への蒸気供給量と相関するボイラ負
   荷指令信号と、ボイラ内の適当な部位の蒸気圧力または
   蒸気温度の計測信号を入力して、前記微粉炭製造設備へ
   の原料炭供給量を加減するための操作信号を算出するに
   当たり、 前記負荷指令信号を別途設定されたパラメータに従って
   処理する先行信号成分の第１の演算部と、 前記蒸気圧力または蒸気温度信号を処理する補正信号成
   分の第２の演算部と、 前記微粉炭製造設備への原料炭供給量から、該微粉炭製
   造設備出口の微粉炭流量を推定する第３の演算部と、 を設け、 第３の演算部による推定値と、少なくともボイラ設備の
   現時点での微粉炭製造設備出口の所要微粉炭量を比較し
   て得られた偏差について、該偏差の変化傾向に応じて、
   前記第１の演算部のパラメータを自動的に調節する機能
   を付加したことを特徴とする微粉炭ボイラの制御装置。
2. 【請求項２】 原料炭供給量を加減できる微粉炭製造設
   備と、該設備が生産する微粉炭を燃焼し、需要先に蒸気
   を供給するボイラ設備との制御装置であって、 少なくとも、重要先への蒸気供給量と相関するボイラ負
   荷指令信号と、ボイラ内の適当な部位の蒸気圧力または
   蒸気温度の計測信号を入力して、前記微粉炭製造設備へ
   の原料炭供給量を加減するための操作信号を算出するに
   当たり、 前記負荷指令信号を別途設定されたパラメータに従って
   処理する先行信号成分の第１の演算部と、 前記蒸気圧力または蒸気温度信号を処理する補正信号成
   分の第２の演算部と、 前記微粉炭製造設備への原料炭供給量から、該微粉炭製
   造設備出口の将来の微粉炭流量を推定する第３の演算部
   と、 を設け、 第３の演算部による将来の推定値と、少なくともボイラ
   設備の微粉炭製造設備出口の将来の所要微粉炭量を比較
   して得られた偏差について、該偏差の変化傾向に応じ
   て、前記第１の演算部のパラメータを自動的に調節する
   機能を付加したことを特徴とする微粉炭ボイラの制御装
   置。
3. 【請求項３】 原料炭供給量を加減できる微粉炭製造設
   備出口の微粉炭流量指令値に基づき、該設備への原料炭
   供給量の操作信号を算出する制御装置にあって、 前記微粉炭量指令値を別途設定されたパラメータに従っ
   て処理する先行信号成分の第１の演算部を設け、該先行
   信号を前記操作信号に加えると共に、 前記微粉炭製造設備への原料炭供給量から、該微粉炭製
   造設備出口の微粉炭流量を推定する第２の演算部を設
   け、 該第２の演算部による推定値と、現時点での微粉炭製造
   設備出口の所要微粉炭量指令値を比較して得られた偏差
   について、該偏差の変化傾向に応じて、前記第１の演算
   部のパラメータを自動的に調節する機能を付加したこと
   を特徴とする微粉炭ボイラの制御装置。
4. 【請求項４】 原料炭供給量を加減できる微粉炭製造設
   備と、該設備が生産する微粉炭を燃焼し、需要先に蒸気
   を供給するボイラ設備との制御装置であって、 少なくとも、重要先への蒸気供給量と相関するボイラ負
   荷指令信号を入力して、前記微粉炭製造設備出口の微粉
   炭流量指令値を求め、当該指令値から原料炭供給量を加
   減するための操作信号を算出するに当たり、 前記微粉炭流量指令値を別途設定定されたパラメータに
   従って処理する先行信号成分の第１の演算部を設け、該
   先行信号を前記操作信号に加えると共に、 前記微粉炭製造設備への原料炭供給量から、該微粉炭製
   造設備出口の将来の微粉炭流量を推定する第２の演算部
   を設け、 該第２の演算部による将来の推定値と、微粉炭製造設備
   出口の将来の所要微粉炭量予測値を比較して得られた偏
   差に応じて、前記第１の演算部のパラメータを自動的に
   調節する機能を付加したことを特徴とする微粉炭ボイラ
   の制御装置。