JPS63176902A - 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、ボイラ装置に係り、ことに起動時においてド
ラムもしくは気水分離器ドレンタンク水位を安定化する
に好適な制御装置に関する。

〔従来の技術〕

第４図は、気水分離器ドレンタンクを備えたボイラ装置
の系統図である。

ボイラ給水ポンプ１より給水加熱器２を通して供給され
た水は節炭器３．火炉水壁４で加熱され気水混合物とな
って気水分離器５に送られる。気水分離器５で分離され
たドレンは、気水分離器ドレンタンク６に貯えられ、再
循環ポンプ７により節炭器３の入口側に戻される（以下
これ乞ボイラ循環という）。ここで再循環流量調節弁８
は、ドレンタンク６の水位に応じてボイラ再循環量を調
節して、水位の変動を抑えるために設げられている。ド
レンタンクオーバーフロー弁９は、再循環流量調節弁８
が全開してもなおドレンタンク６の水位が下がらない場
合に用いられ、このオーバーフロー弁９を開いてドレン
な放出することによりドレンタンク６の水位を下げるこ
とができる。

ボイラ点火後、過熱器１０の出口蒸気が蒸気タービン１
３に通気可能な温度、圧力に昇温、昇圧されるまではタ
ービン加減弁１２が閉じ、過熱器１０から出た蒸気はタ
ービンバイパス弁１１を通って放出される。このとぎタ
ービンバイパス弁１１は蒸気圧力が一定となるようにそ
の通過量を調節し、いわゆる逃がし制御を行なう。また
この場合、過熱器１０の中間点または入口に蒸気を放出
する過熱器バイパス弁（図示せず）を設け、前記タービ
ンバイパス弁１１と併用して逃がし制御を行なう場合も
ある。

第５図は、火炉水壁４を構成する伝熱管１４の一部を模
式的に示した図で、図面に向かって左端が火炉水壁４の
入口側に、右側が火炉水壁４の出口側にそれぞれ相半し
ている。図中の１５は水、１６は気水混合物、１７は気
泡、矢印は流体の流れ方向をそれぞれ示している。

第６図は、第５図に示す伝熱管１４の各部位における内
部通過流体のエンタルピ（曲線１８）と。

ボイド率（曲線１９）を示している。ここでボイド率と
は気水混合物の気相と液相の体積比で、その重量比であ
る乾き度に対応する量である。

火炉水壁４の伝熱管１４を保護するため、伝熱管１４へ
の１本当りの給水量をある選任値以上に確保しなければ
ならない。火炉水壁４の全伝熱管の最低給水量を合計し
た値を火炉水壁保護最低給水量と呼んでいる。第４図に
示すボイラ給水流量調節弁４１は火炉水壁保護最低給水
量を確保するように調節されており、おおむね火炉水壁
保護最低給水量からボイラ再循環ｆｋを差し引いた給水
量ｔボイラに供給するように操作する。

第６図において、伝熱管１４内を通過する流体が完全に
熱平衡であれば、すなわち伝熱管１４内の流体の径方向
におげろ流体エンタルピが一様であれば、流体エンタル
ピがその時点の流体圧力における飽和エンタルピｈ′の
値を越える点（飽和水エンタルピ到達点）２０の前流側
には気泡は存在しない。ところが実際には、伝熱管１４
内を通過する流体の径方向における流体エンタルピは一
様でなく分布を有しているから、流体の平均エンタルピ
が飽和エンタルピｈ′を下回る飽和水エンタルピ到達点
２０の前渡側にも気泡が存在し、これをサブクール沸騰
と呼んでいろ。またこのことは気水分離器５から蒸気が
発生し得ることを示している。

第７図は、流体エンタルピと流体ボイド率との関係を示
す特性図で、前述のサブクール沸騰が発生しない場合の
熱平衡ボイド率２１と、サブクール沸騰が発生した場合
のボイド率１９をそれぞれ流体エンタルピの関数として
示している。

前者の熱平衡ボイド率２１は、周知の如く流体エンタル
ピより蒸気乾き度を求め、これｔその圧力における飽和
水と飽和蒸気の比容積を用いて体積比に換算すれば求め
られる。一方、後者のボイド率１９は、伝熱管１４が受
ける単位面積当りの熱量（熱負荷）や管内の流速に依存
して複雑になり、計算式としてはミロポルスキーの実験
式などが知られている。また、前者の値は後者の値を上
回らないこと、ならびにボイド率０．８以上の領域では
両者の値にはほとんど差がないことも知られている。

なお、第７図において２１は熱平衡ボイド率５２２はボ
イド率０．９到達点、２５はサブクール沸騰域を示して
いる。

第８図は、流体圧力における飽和水エンタルピと、伝熱
管内がほとんど気相に変わるボイド率がα９となるエン
タルピを蒸気衣（日本機械学会１９６８年版　蒸気衣参
考）より求めたものである。第８図のボイド率が０．９
となるエンタルピは熱平衡ボイド率として算出している
が、前述の理由圧よりサブクール沸騰の考慮を要する実
現象のボイド率０．９となるエンタルピとみなして良い
。

この図において飽和水エンタルピを示す曲線２３と、ボ
イド率０．９となるエンタルピを示す曲線２４との差は
、流体圧力１００ｋｇ／ｃ％ａ　ｂ　ｓでは１３１．４
ｋａｌ／ｋｌ？程度であるのに対して、流体圧力がｓ　
Ｏｋｇ／ｃｆｆｌａ　ｂ　Ｓ、　　２０に９／ｃｎ！ａ
　ｂ　ｓ、　　５ｋｐ／７ａｂｓと低下するのに従がっ
て、それぞれ８７、６５ｖ／ｋｇ、　　４２．６　ｒｗ
／ｋｇ、　　１１６　ｓｍ／ゆと低下し、流体圧力が１
　ｋｇ／ｃｒＡ　ａ　ｂ　ｓでは、わずか２．９２ｋａ
ｌ／ｋｇとなってしまう。

このような水の物理的性質により、従来のボイラ装置で
は次のような欠点を有している。

このような水の物理的性質により、従来のボイラ装置で
は次のような欠点を有している。

すなわち、火炉水壁４は多数並設された伝熱管１４内を
流れる流体について、圧力は瞬時に伝わるため一様と考
えてよいが、エンタルピは火炉内での伝熱管１４の位置
、あるいはバーナの点火や消火に伴う火炉水壁各部の熱
吸収分布の変化により、定常的にも、過渡的にも変化が
ある。特に流体圧力が低い領域では、わずかのエンタル
ピ上昇によりボイド率が大幅に上昇し、このことは伝熱
管１４内の流体圧力が低い領域で、熱吸収が偏って増加
する伝熱管群があると、その伝熱管群内の液相が急激に
押し出されて、気水分離器ドレンタンク６の水位を急速
に上昇させ、プロツペン現象と呼ばれる状態となる。

このプロツペン現象が生じると、気水分離器ドレンタン
ク６の水位制御系では、再循環流量調節弁８の開度な増
し、場合によってはドレンタンクオーバーフロー弁９も
併用して、気水分離器ドレンタンク６の水位を下げよう
とする。しかし、プロツベン現象はあくまでも火炉水壁
４（伝熱管１４）内の液相が押し出される一時的なもの
で、伝熱管１４内がほとんど気相になると、直ちに気水
分離器ドレンタンク６に流入するドレン量が減少し、水
位も急低下する。

ところが、この水位の急上昇後の急低下が次のような問
題をもたらす。すなわち第１に、再循環ポンプ７が蒸気
を吸込むとキャビテーションによりポンプが破壊される
ため、これ乞防ぐため急速に再循環流調弁８．ドレンタ
ンクオーバーフロー弁９をそれぞれ絞らなげればならな
い。また第２に、再循環流量調節弁８ｆｔ急に閉じるこ
とにより。

ゲイ２再循環量が急減し、火炉水壁４への給水量が低下
し、ボイラ給水流量調節弁４１を置ちに開いて給水しな
げればならない。このときの給水増加が間に合わず、火
炉水壁４への給水量が最低保獲給水量を下回り、ボイラ
装置を急停止することがしばしば起こる。

このようなことから以前よりボイラ装置では再循環流量
調節弁８、ドレンタンクオーバーフロー弁９、ボイラ給
水流量調節弁４１の急速操作を図るため、高価な急速弁
駆動装置を採用したり、制御装置の応答性を改善するな
どの工夫がなされていたが、これにも限度があり、結局
、起動時間の短縮を犠牲にして燃料投入量の制限を行な
わざるを得なかつ・た。

近年の民生用電力需要増大に伴う昼夜の電力消費量差の
拡大、ペースロードとして一定負荷を受は持つ原子力発
電プラントの増加の影響を受げて。

火力プラントの短時間起動性能の向上は不可欠となって
きているが、その実現のあい路となっている上述のブロ
ツベン現象を起動時の昇圧制御釦より解決する手段とし
て本発明者は既に「ボイラ装置」（特開５９−１４５９
２７号）を提案している。

白該発明の実施例を以下説明する。第９図は、実施例に
係るタービンバイパス弁１１の開度を制御する制御装置
の系統図である。火炉水壁４を構成する多数の伝熱管１
４は隣接するものどうしで各ヘッダによりまとめられて
おり、各出口側ヘッダには火炉水壁出口流体温度検出器
２６が付設されている。これら各温度検出器２６から出
力された温度信号は信号平均装置１４３により平均化さ
れ、その平均値が気水分離器５の圧力目標値！算出する
関数発生器２８に入力されろ。

この関数発生器２８は、第１０図に示すような特性曲線
を有している。すなわち、火炉水壁出口平均流体温度（
気水分離器入口流体温度）に対応する飽和蒸気圧力曲線
３４よりバイアス値５０だげ高い目の設定曲線３５が設
けられている。

一方、気水分離器５には気水分離器圧力検出器２７が付
設されており、この圧力検出器２７からの検出信号を減
算器２９に入力し、比例積分器３０により前記気水分離
器圧力検出器２７からの検出信号を前記関数発生器２８
から出力される目標値に一致させるプロツベン低減信号
３１を出力する。

信号３２はタービンバイパス弁１１の基本操作信号で、
この信号３２と前記ブロツベン低減信号３１とが低信号
選択器３３（入力され、低開度を与える操作信号が選択
されてタービンバイパス弁１１を操作する。すなわちこ
の制御装置により、気水分離器５の圧力は関数発生器２
８より算出される目標値と等しいか、それより高く維持
されるように制御される。

この制御装置により、気水分離器５の圧力をその入口平
均流体温度に対応する飽和圧力より高くする理由九つい
て次に説明する。

第１１図１８）、　Ｉｂ）は、本発明を適用しない場合
の火炉水壁４の出口側におけろ流体エンタルピと流体温
度の分布を模式的に示す図である。図中の曲線４４は流
体エンタルピ分布曲線、直線４７を１火炉水壁４の出口
側の流体平均温度に対応する飽和水エンタルピ、斜線の
領域４９は気泡の存在範囲。

曲線４５は火炉水ａ４の出口側におげろ流体温度分布、
直線４６は火炉水壁４の出口側における平均温度をそれ
ぞれ火炉水壁４の伝熱管１４との位置対応で示している
。

図に示すようにエンタルピ分布曲線４４が直線４８′ｔ
−越えると流体の熱平衡乾き度が正となる。

サブクール沸騰により飽和水エンタルピ４８よりもエン
タルピが少し低い範囲が気泡の存在範囲４９となる。こ
の場合、火炉水壁４からの蒸発が零になれば、それ以上
気水分離器の圧力Ｙ上昇することはできないが、サブク
ール沸騰が存在するので、気水分離器入口流体平均温度
に対応する飽和圧力より若干高目の圧力まで昇圧可能で
、この状態は火炉水壁４内の気泡はサブクールボイドの
みとなる。

従がってこのような状態を維持することにより、プロツ
ベン現象による悪影響を回避した起動が実現できるので
ある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上述べたように第９図に示す発明（特開５９−１４５
９２７号）はプロツペン現象対策として有効な発明であ
るが、以下に述べる未解決な問題点がある。

１）火炉水壁４出口流体エンタルピの分布特性相違が制
御に反映されない。

２）流体圧力の相違による流体物性値の相違が制御に反
映されにくい。

３）プラントウオーミング蒸気の確保が難しい。

１）項については、第１３図と第１４図に典形的な例を
示すように、平均温度４６は等しくても火炉水壁４出口
流体エンタルピの分布が異なり、それに従がってボイド
率の分布も異なる（第７図参照）Ｔ−め、半熱火炉水壁
４内の気泡体積総量には大きな差があって、プロツペン
現象対策の緊急性は全（違う状況であるにもかかわらず
、同一の制御動作が行なわれるということである。

２）項については、火炉水壁４出口の流体エンタルピ分
布が同一であったとしても、流体圧力が異なれば圧力に
依存する物性値相違により、火炉水壁４内の気泡体積総
量が異なるが、第９図の装置では、流体圧力の相違によ
り検出される気水分離器入口流体温度の範囲がだいたい
決定される（サブクール域であるため飽和温度よりやや
低い範囲となる）ことを利用し、検出温度毎に圧力バイ
アス５０”＆変化させて、物性値相違の問題に間接的に
対処できるのみである。この場合第１０図の圧力目標値
３５の設定は、上述の問題を考慮する必要があって面倒
である上、入口流体温度も当然。

圧力の影響以外の外乱（火炉水壁４の出ロエンタルビ分
布等）を受けるため、上述の問題の本質的な解決くはな
らない。

３）項については、ボイラ装置の起動時において、その
配管類等をウオーミングするため起動初期において少量
の蒸気をタービンバイパス弁１１等へ流し、ボイラ内に
蒸気流な作る必要があるが、第９図の装置では、そのよ
うな配慮なしにタービンバイパス弁１１が全閉となって
しまう場合がある。

〔問題点を解決するための手段〕

要するに本発明は、プロツベン現象は本質的に火炉水壁
４内の気泡の総体積に依存して発生し、またウオーミン
グ蒸気等の確保のために、当該総体積が適正量必要であ
ることに着目し、以下の手段でこれｔ検出し、蒸気圧力
を調節して、これを適正量に制御することにより問題解
決をはかるものである。

１）火炉水壁４の流体圧力、出口流体温度の空間分布を
計測する。

２）１）で得た情報により火炉水壁４出口流体温度がサ
ブクール域にある範囲のエンタルピ分布を算出し、出口
流体が飽和温度に達している範囲はサブクール域の分布
曲線の延長としてエンタルピ分布曲線を推定する。（第
２図参照）３）２）で得たエンタルピ分布より第７図を
用いてボイド率分布を求め、火炉水壁４内の気泡総体積
を算出する。

４）３）で得た気泡総体積が適正値となるよう圧力制御
操作端を駆動する。

〔作　用〕

ボイラ装置の起動において、プロツベン現象に伴う問題
が発生するのは、点火後から通気圧力に到達するまでの
昇圧初期で、前述したように飽和水と飽和蒸気の比容積
差が大で、わずかなエンタルピ上昇でボイド率が大幅に
上昇する低蒸気圧力領域に限られ、このよ５な昇圧初期
においてはウオーミングを除いてボイラ装置は蒸気を発
生する必要はないので火炉水壁４出口蒸気の乾き度（発
生蒸気量に比例する）をあまり大とする必要はない。

本発明は火炉水壁４出口の乾き度が太（エンタルピ高）
で火炉水壁４出口の流体エンタルピが全面的に飽和水エ
ンタルピを越えろと、その温度は飽和温度一定となる状
態に対しては、無条件で圧力を上昇するよう操作を指令
し、飽和条件の上昇により火炉水壁４出口の一部をサブ
クール状態に移行させることにより前述の手段２）を適
用可能とする。このような操作を行なうことは従来、無
益に排出していた発生蒸気を低減し、必要十分な蒸気発
生へ移行するという作用である。

〔発明の実施例〕

第１図に本発明の実施例を示す。従来技術と同様に火炉
水壁４出口の流体温度信号複数を入力し。

蒸気圧力信号と共に用いてエンタルピ分布推定値１０２
を算出するエンタルピ分布推定器１０１、エンタルピ分
布推定値１０２の信号群を受は流体圧力に依存する飽和
水、飽和蒸気の比容積を考慮して火炉水壁４内の気泡体
積推定値１０７を算出する気泡体積総量算出器１０３が
本発明の中心である。気泡体積推定値１０７は、ウオー
ミング蒸気必要量に応じて設定される目標値１０４と比
較され、その偏差のＰＩ制御で気泡体積が過大なら昇圧
力向く、過小な減圧方向にタービンバイパス弁１１の開
度をそれぞれ減、増する補正信号３１を発生する。なお
図中の１０５は信号減算器。

１０６は比例積分器である。

エンタルピ分布推定ｒ＃１０１は次の作用を行なう。

ｌ）圧力信号２７により対応する飽和温度を蒸気表より
求める。

２〕流体温度信号２６のうち１）で求めた飽和温度以下
の信号を選ぶ。

３）２）で選んだ温度信号に対応するエンタルピを圧力
信号２７の条件下で蒸気表を用いて求める。

４）３）で求めたエンタルピ信号なｈｊとしその信号の
検出点位置なｕｊとするとき信号の組（ｕＪｅ”Ｊ）で
適合する放物線を最小二乗法で求めろ。

すなわち下記の放物線 ｈ＝ａ　（ｕ−ｂ　）”　＋ｃ　　　　　　−＝（１）
を仮定し、信号の組（ｕＬｈｊ）によくあてはまるよう
ａ、ｂ、ｃを決定する。

この場合放物線よりだ円がよくあてはまる場合は次式を
用いてａ、ｂ、ｃを決定する。

ｈ＝、／７’：コ賢−−ｂ）”＋ｃ　　　・・・・・・
・・・（２）５）得られた（１）式または（２）式を用
いて、流体温度が飽和温度一定となっている検出点部分
のエンタルピを推定する。この信号１０２は推定値であ
ることからその値をｈＪとする。

気泡体積総量算出器１０３は次の作用を行なう。

工）圧力信号２７に対応する飽和水エンタルピ１１／。

飽和蒸気エンタルピｈ１．飽和水比容積ｙ／、飽和蒸気
比容積ｖ′を蒸気表により求める。

２）各検出点に相当する乾き度推定値ｘ）を下式３）各
検出点に相当するボイド率推定値ｄ″ｊを求める。

ここで（４）式は熱平衡ボイド率として計算を行なって
いるが、もし、サブクール沸騰を考慮したボイド率とし
て正確を期す際はｘ３にζロポルスキー実験式等を適用
すればよい、（赤用＝「気液二相流」：コロナ社機械工
学大系１１な参照）。

第２図ならびに第３図は流体温度ならびに流体エンタル
ピ特性図で、図中１０８は流体温度測定値、１０９は流
体エンタルピ算出値、１１０は流体エンタルピ推定値、
１１１はサブクール沸騰を考慮しない気泡存在範囲、１
１２はサブクール沸騰を考慮した気泡存在範囲、１１３
は飽和水エンタルピである。

〔発明の効果〕

本発明の適用により、プロツペン現象により起こる以下
の諸問題が解決できる。

ｌ）水位急上昇に伴５ドレンタンクオーバーフロー弁の
ドシン放出による熱損失が低減できる。

２）水位急低下による再循環ポンプのキャビテーション
が防げる。

３）水位急低下くよるボイラ再循環量の急減が抑制され
、火炉水壁保護給水量の不足が防止できる０ ４）プロツペン現象の発生により抑制されていた起動時
における燃料量の投入量制限、バーナパターンの制限が
緩和される。

５）上述１）〜４）の解決にあたり、火炉水壁４出ロ工
ンタルビ分布が変動しても適格な制御が行なえる。

６）上述１）〜４）の解決にあたり、流体圧力の影響が
適格に反映され、また、その反映にあたり、特別な調整
を要しない。

７）上述の１）〜４）の解決にあたり、起動初期のウオ
ーミング蒸気の確保を考慮した制御が行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るボイラ制御装置の要部ブ
ロック図、第２図ならびに第３図はその制御装置の動作
特性図、ＷＪ４図はボイラ装置のブロック図、第５図は
伝熱管内の気泡模式図、第６図は伝熱管内のエンタルピ
／ボイド率分布模式図。 Ｗ、７図はエンタルピとボイド率との関係特性図。 第８図は圧力とボイド率との関係％注図、第９図は従来
のボイラ制御装置のブロック図、第１０図は気水分離器
入口の流体温度と流体圧力との関係特性図、第１１図、
第１２図、第１３図ならびに第１４図は流体温度と流体
エンタルピの分布特注図である。 １０１・・・・・・エンタルピ分布推定器、１０２・・
・・・・エンタルピ分布推定値、１０３・・・・・・気
泡体積総量算出器、１０４・・・・・・気泡体積総量目
標値。 第１区 第２図 第３図 范４図 第７図 第８図 流体圧力１　ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓ　ｌ 第９図 第１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）火炉水壁の下流側に気水分離器、気水分離器ドレ
   ンタンクならびに蒸気抜き出し量調節弁を備え、前記火
   炉水壁の出口の複数箇所の流体温度を検出する温度検出
   器と、その温度検出器からの検出信号に基づいて前記蒸
   気抜出し量調節弁の開度を操作するボイラ制御装置にお
   いて、前記複数箇所の流体温度信号より前記火炉水壁内
   の気泡体積の総量を推定し、これを適正値に維持するよ
   うに前記調節弁開度を算出することを特徴とするボイラ
   制御装置。
2. （２）特許請求範囲第（１）項に記載のボイラ制御装置
   において、かかる複数箇所の流体温度信号の空間的分布
   形状から、当該火炉水壁出口流体のエンタルピ分布形状
   を推定し、これを用いて前記気泡体積の総量を算出する
   ことを特徴とするボイラ制御装置。