JPS6365206A - ボイラ蒸気温度制御装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、ボイラより発生する蒸気の温度を一定に保つ
ためのボイラ蒸気温度制御装置に関する。

（従来の技術） 火力発電プラント等においては、蒸気過熱器の材質、タ
ービンの熱効率や熱応力などの面から、ボイラから発生
する蒸気の温度をできるだけ一定に保つことが要求され
る。この蒸気温度を一定に保つには、通常、蒸気過熱器
出口や蒸気再熱器出口の蒸気温度を検出し、その目標値
との偏差をＰＩＤ調節計に入力してＰＩＤ制御演算を行
ない、その出力によって蒸気過熱器あるいは蒸気再熱器
の蒸気通路の入口に設けられた減温器での水の噴射量を
調整するためのスプレー弁、あるいは、燃焼ガスの通過
する配管を２つに分岐し、それぞれに配置した蒸気過熱
器と蒸気再熱器へ送る燃焼ガス流量の配分を調整するた
めのガスダンパ、を操作するフィードバック制御が行な
われる。

ところが、従来のフィードバック制御方式では、蒸気温
度の変化を検出した後に修正動作を行なうため、追従性
が悪く、蒸気温度が緩やかで小幅に変動する場合はよい
が、急激で大幅に変動するときには、蒸気温度を所定の
温度範囲内に制御することができない問題があった。

そこで、蒸気温度の急激な変動に対して、蒸気流量ある
いは燃焼流量によるフィードフォワード制御を付加する
方法が考えられ、蒸気流量の変動により蒸気温度が変わ
る場合には、蒸気流量に基づくフィードフォワード制御
信号をＰＩＤ調節計の出力に加算し、また、燃料流量の
変動により蒸気温度が変わる場合には燃料流量に基づく
フィードフォワード制御信号をＰＩＤ調節計の出力に加
算して、スプレー弁あるいはガスダンパ等を操作し蒸気
温度を一定とする制御が行なわれていた。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、蒸気過熱器や蒸気再熱器に煤が付着する等によ
り吸熱効率が急激に変化する場合は、蒸気の吸熱量と蒸
気流量間の直接的関係がなくなる。また、燃料の単位重
量当りの発熱量に変動がある場合や、液体燃料等の燃料
を適宜ノズル等により供給して、炉内に堆積させて燃焼
させるおき燃焼方式によるボイラ等の場合には、蒸気過
熱器　ｊ− や蒸気再熱器における蒸気の吸熱量と供給した燃料流量
間の直接的関係がなくなる。従って、燃焼状態の変動あ
るいは吸熱部での煤の付着等による蒸気温度の急激な変
動に対しては、これら蒸気流量あるいは燃料流量に基づ
くフィードフォワード制御では効果が発揮できないとい
う問題点があった。

そこで本発明は、燃料の単位重量当りの発熱量が変動し
易く、しかもその発熱量をオンライン・リアルタイムで
測定できない燃料を使用するボイラ、あるいは燃料供給
量は測定できるがその時の供給量と燃焼量が必ずしも一
致しないおき燃焼方式のボイラ、さらにボイラからの発
熱量と蒸気との間の熱交換をするための蒸気過熱器や蒸
気再熱器において、煤が多量に付着あるいは剥離し吸熱
量の変化が生じ易いボイラ等に対し、燃料の燃焼状態あ
るいは煤等により、蒸気の吸熱量が急激に変化しても、
蒸気温度を所定温度範囲内となるように制御できるボイ
ラ蒸気温度制御装置を提供することを目的とする。

＝４− ［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） 本発明は、蒸気温度の変動に対し、その直接的要因であ
る蒸気過熱器や蒸気再熱器における蒸気の吸熱量に着目
し、吸熱量の変化を事前に告知する物理量を検出するた
めの吸熱量先行指標検出手段と、この吸熱量先行指標検
出手段の出力する先行指標信号に基づいて所定の制御演
算を行なうためのフィードフォワード制御演算手段と、
このフィードフォワード制御演算手段の出力するフィー
ドフォワード制御信号を従来の蒸気温度のフィードバッ
ク制御系に加算するための加算手段を設けたものである
。

（作用） 吸熱量先行指標検出手段の検出した吸熱量先行指標に応
じた適切な操作量のフィードフォワード制御を従来のフ
ィードバック制御に付加することにより、蒸気過熱器や
蒸気再熱器における蒸気の吸熱量が定常状態から急激に
変化しても、適宜その急激な変化に対応する進み遅れの
ない適切な操作量を各制御機器に送ることができ、蒸気
温度を所定の範囲内に制御することができる。

（実施例） 第１図に本発明の一実施例によるボイラ蒸気温度制御シ
ステム図を示す。

図示していない炉内から送られる燃焼ガスは、煙道部１
内に配置された蒸気過熱器あるいは蒸気再熱器（以下の
説明では蒸気過熱器を例にとって説明する）２を加熱し
たのち、排ガスとなって煙突３から大気へ放出される。

一方、図示していない汽水ドラムや蒸発管等から送られ
て来る蒸気は、減温器４を通り、蒸気過熱器２で燃焼ガ
スにより加熱され図示していないタービンへ送られる。

このようなボイラの蒸気系統において、蒸気の吸熱量の
変化によらず蒸気温度を所定温度範囲内に制御するため
、フィードバック制御手段５とフィードフォワード制御
演算手段６が設けられる。このフィードバック制御手段
５は、蒸気温度目標値ａと蒸気温度検出手段７から得ら
れる蒸気過熱器２の出口温度との偏差を算出する減算手
段５１と、その偏差をＰＩＤ演算するフィードバック制
御演算手段５２と、加算手段５３とから成る。一方、フ
ィードフォワード制御演算手段６は、蒸気過熱器２にお
ける蒸気の吸熱量の先行指標となる信号に後述するフィ
ードフォワード制御演算を施こし出力するよう構成され
る。このフィードフォワード制御演算手段６から得られ
る第２の操作信号ｄはフィードバック制御演算手段５２
から得られる第１の操作信号Ｃに加算手段５３により加
算されてスプレー弁８の操作信号ｆとなり、減温器４に
噴霧する水量が調節される。

このとき、フィードフォワード制御演算手段６に入力す
る蒸気加熱器吸熱量先行指標となる信号としては、ボイ
ラの特性に応じた下記の物理量を用いる。

（１）ボイラの排ガス濃度組成 燃料に不燃性の硫化物が含まれていて、単位重量当りの
不純物の重量が変動する場合、ボイラ排ガス中の亜硫酸
（Ｓｏ　２　）濃度も変動する。一方、蒸気の吸熱量に
ついては、燃料の硫化物含有量が増加すると、ボイラに
よる発熱量が減少し、蒸気過熱器２の管壁が吸収する熱
量が減少し、さらに遅れを伴って蒸気管内の蒸気の吸熱
量が減少し、蒸気温度が低下する。従って、不純物の純
度が一定でない燃料、例えば硫化物を含む燃料を使用し
ているボイラにおいては、ボイラ排ガス中のＳＯ２濃度
は、蒸気過熱器２における蒸気の吸熱量の有効な先行指
標となる。

また、おき燃焼方式によるボイラにおいて、炉内の燃焼
状態が悪化すると、ボイラ排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ
）濃度は上昇する。一方、ＳＯ２のときと同様に、炉内
の発熱量が低下すると蒸気の吸熱量も低下し、遅れを伴
って蒸気温度が低下する。

従って、ボイラ排ガス中のＣＯ濃度も、蒸気過熱器２に
おける蒸気の吸熱量の有効な先行指標となる。

これにより、例えばボイラ排ガス中のＳＯ２濃度を吸熱
量先行指標としたい場合は、排ガスＳＯ２濃度検出手段
９１を煙道部１に設け、得られる検出信号ｅをフィード
フォワード制御演算手段６に入力する。

（２）蒸気過熱器２の入口ガス温度 蒸気過熱器２の入口ガス温度は、炉内の燃料の燃焼状態
によって変動し、吸熱する管壁の温度と差を生じ、遅れ
を伴って蒸気の吸熱量を変動させ、続いて蒸気温度を変
動させる。従って、蒸気過熱器２０入口で測定したガス
温度は、それら各機器における蒸気の吸熱量の有効な先
行指標となる。

この蒸気過熱器２人ロガス温度を吸熱量先行指標とする
場合は、入口ガス温度検出手段９２を設け、得られる検
出信号をフィードフォワード制御演算手段６に入力する
。

（３）蒸気過熱器２の入口・出口ガス温度差蒸気過熱器
に付着する煤の量が経時変化やスートブローによる煤落
しなどによって変化すると、これらの個所で奪い去られ
るガスの熱量が変り、蒸気過熱器の入口ガス温度と出口
ガス温度には温度差が生じる。一方、ガスから蒸気へ伝
わる吸熱量は煤の量が変わると変化し、遅れを伴って蒸
気温度を変化させる。従って、蒸気過熱器２の入口と出
口のガス温度差は、そ九ら各機器における蒸気の吸熱量
の有効な先行指標となる。

このガス温度差を吸熱量先行指標とする場合は、出口ガ
ス温度検出手段９３を蒸気過熱器２のガス出口側に設け
、得られる検出信号と先の入口カス温度検出手段９２か
らの検出信号との偏差を減算手段９４で算出し、フィー
ドフォワード制御演算手段６へ入力する。

（４）蒸気過熱器２の入口・出口ドラフト差圧蒸気過熱
器２の入口・出口ガスのドラフト差圧は、これらの個所
に付着する煤の量によって変化する。

これは煤の量が少なければ、入口と出口のガス圧はほと
んど変わらずドラフト差圧は低いが、煤の量が多いと通
気性が悪く入口と出口のガス圧が変わりドラフト差圧が
高くなることによる。従って、このドラフト差圧も蒸気
過熱器における蒸気の吸熱量の有効な先行指標となる。

このドラフト差圧を吸熱量先行指標とする場合は、蒸気
過熱器２のガス入口側と出口側にそれぞれ入口ガス圧力
検出手段９５と出口ガス圧力検出手段９６を設け、それ
ぞれ得られる検出信号を減算手段９７に入力して偏差を
算出し、これをフィードフォワード制御演算手段６に入
力する。

今、蒸気温度のフィードバック制御中に、燃料中の硫化
物含有量変化が外乱として加わり、蒸気過熱器２を流れ
る蒸気の吸熱量が変化し、これにより蒸気温度が変動す
る場合を考える。この蒸気温度の変動を抑制するため、
蒸気の吸熱量先行指標として排ガスＳ０２濃度検出手段
９１から得られる検出信号をフィードフォワード制御演
算手段６に入力する。

上記フィードバック制御系においては、蒸気過熱器２の
出口に設けられた蒸気温度検出手段７からの蒸気温度す
と予め設定された蒸気温度目標値ａとの偏差をフィード
バック制御演算手段５２でＰＩＤ演算することにより第
１の操作信号−Ｃが得られる。この第１の操作信号Ｃを
加算手段５３にて一ヒ記フィードフォワード制御演算手
段６かへ得られる第２の操作信号ｄと加算し、スプレー
弁８の操作信号として、減温器４へ噴霧する水量を制御
する。これにより、蒸気温度は燃料中の硫化物含有量の
変動によらず一定に制御される。

即ち、吸熱量先行指標であるＳＯ２濃度変化をＸ（Ｓ）
、このＳＯ２濃度変化変化Ｓ）が蒸気過熱器２を介して
影響を及ぼす蒸気温度変化をＹ＋（Ｓ）、このときの蒸
気過熱器２の伝達関数をＧＮ（Ｓ）とすると、Ｙ　ｒ　
（Ｓ）　＝Ｇ　Ｎ　（ＳＩＸ（Ｓ）　　　　　　　　　
・・（１）が成立する。

一方、フィードフォワード制御演算手段６の伝達関数を
ＧＦ（Ｓ）、その出力がスプレー弁８．減温器４を介し
て影響を与える蒸気温度変化を’Ｉ’　２　（Ｓ）、そ
の間の伝達関数をＧｐ（Ｓ）とすると、Ｖ　２　（Ｓ）
　＝Ｇ　ｐ　（Ｓ）・Ｇ　Ｆ　（ＳＩＸ（Ｓ）　　　　
　−−（２）が成立する。

更に、ＳＯ２濃度変化変化（Ｓ）による総合的蒸気温度
をｙ（ｓ）とすると、ＳＯ２濃度変化変化Ｓ）と蒸気温
度Ｖ（Ｓ）との間は、第２図に示す伝達関数によって表
わすことができ、 Ｙ（Ｓ）　＝”！　１（Ｓ）　十Ｖ　２　（Ｓ）＝Ｇ　
＋＊　（Ｓ）・Ｘ（Ｓ）　＋Ｇ　ｐ　（ＳＩＧ　Ｆ　（
Ｓ）　・Ｘ（Ｓ）’＝　　［Ｇ　Ｎ　（Ｓ）　十Ｇ　ｐ
　（Ｓ）・Ｇ　Ｆ　（Ｓ）コ　・Ｘ（Ｓ）・（３） が得られる。

従って、フィードフォワード制御演算手段６の伝達関数
ＧＦ（Ｓ）を Ｇ　Ｆ　（Ｓ）　＝　−Ｇ　Ｎ　（Ｓ）／Ｇ　ｐ　（Ｓ
）　　　　　　・・・・・（４）に設定しておれば、常
にＶ（Ｓ）＝Ｏとなり、ＳＯ２濃度変化変化Ｓ）による
蒸気温度への影響を除くことができる。

このようにして、ＳＯ２濃度変化が外乱として加わり蒸
気温度が変動しようとするのをフィードフォワード制御
演算手段６を設けることにより、完全に抑制することが
できるようになる。

なお、現実には、フィードフォワード制御演算手段６の
伝達関数ＧＦ（Ｓ）を正確に−Ｇ　Ｎ　（Ｓ）／Ｇｐ（
Ｓ）に設定することは困難であり、実用上は−Ｋ（１＋
Ｔ　ＩＳ）／（１＋Ｔ　２Ｓ）のような位相進み遅れ伝
達関数を用いる。この場合、−Ｇ　Ｎ　（Ｓ）／Ｇｐ（
Ｓ）との誤差に起因して蒸気温度に微少の変動が生じる
が、これは従来の蒸気温度のフィードバック制御によっ
て充分抑制でき、蒸気過熱器２での蒸気の吸熱量を変動
させる外乱が生じても蒸気温度を十分一定に保つことが
できる。

このように、従来のフィードバック制御に、吸熱量先行
指標であるＳＯ２濃度に基づくフィードフォワード制御
信号を付加することにより、吸熱量が急激に変化したと
しても蒸気温度を一定に保つ安定した蒸気温度制御を行
なうことができる。

ところで、上記実施例では、吸熱量先行指標としてＳＯ
２濃度を用いた場合を例にとり説明したが、前述したよ
うにボイラ特性に応じてＣＯ濃度、蒸気過熱器２の入口
ガス温度、入口・出口ガス温度差、入口・出口ドラフト
差圧を単独あるいは組み合せで用いることができる。

例えば、吸熱量先行指標としてＣＯ濃度を用いた場合は
、燃焼状態の変化による蒸気温度への影響を除くことが
できる。即ち、燃焼状態が悪くなり蒸気温度が低下しよ
うとするとき、ｃｏ濃度は上昇する。そこで、このＣＯ
濃度信号をフィードフォワード制御演算手段６に加えて
その出力でスプレー弁８を操作し、減温器４への噴霧氷
量を減らすことにより、蒸気温度の低下を抑制し、一定
に保持することが可能となる。

同様にして、吸熱量先行指標として蒸気過熱器２の入口
ガス温度を用いた場合も、火炉での燃焼状態の変化によ
る蒸気温度への影響を除くことができる。

また、吸熱量先行指標として蒸気過熱器２の入口・出口
ガス温度差を用いることにより、蒸気過熱器２における
スートブローによる蒸気温度への影響を除くことができ
る。即ち、蒸気過熱器２に対するスートブローにより煤
が落されると蒸気温度が上昇しようとする。このとき、
蒸気過熱器２での吸熱量が増し入口・出口ガス温度差は
大きくなるので、これをフィードフォワード制御演算手
段６に入力し、スプレー弁８を操作して減温器４への噴
霧水量を増すことにより、蒸気温度の上昇を抑制するこ
とができる。

同様に、吸熱量先行指標として蒸気過熱器２のドラフト
差圧を用いることにより、この場合も蒸気過熱器２にお
けるスートブローによる蒸気温度の影響を除くことがで
きる。即ち、蒸気過熱器２に対するスートブローにより
煤が落されると蒸気温度が上昇しようとする。このとき
、燃焼ガスが流れ易くなりドラフト差圧は小さくなるの
で、この信号をフィードフォワード制御演算手段６に入
力し、その出力でスプレー弁８を操作して、減温器４へ
の噴霧水量を増すことにより、蒸気温度の上昇を抑制す
ることができる。

これらの吸熱量先行指標を組み合せで用いることにより
、燃焼状態の急激な変動と同時に吸熱部の煤の付着状態
の急激な変化のどちらに対しても対応することが可能と
なる。

なお、フィードフォワード制御演算手段６の伝達関数と
しては前述した一Ｋ（１＋ＴＩ・Ｓ）／（１十Ｔ２・Ｓ
）のような比例項＋不完全微分項よりなる特性ばかりで
なく、比例項を除いた不完全微分項だけの特性を用いて
、それをフィードバック制御手段５内の蒸気温度目標値
ラインあるいは操作出力ラインに加算するようにして、
蒸気過熱器２の吸熱量先行指標の値に変化があった場合
にだけ操作量に補正が加わるようにしても、蒸気温度を
一定　１ｂ　− に保つ制御を行なうことができる。

また、上記実施例では、蒸気過熱器２の出口蒸気温度を
一定に制御する場合を例にとり説明したが、蒸気再熱器
の出口蒸気温度も全く同様にして吸熱量の変動によらず
一定に制御し得ることは明らかである。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、燃料の単位発熱量が変動
し、しかもその発熱量をオンライン・リアルタイムで測
定できない燃料を使用するボイラや燃焼状態が一定しな
いおき燃焼方式のボイラ、あるいは蒸気過熱器に煤が付
着しゃすいボイラ等において、燃焼状態の変動や煤付着
状態の変化などの急激な外乱による蒸気の吸熱量の変動
に対し、蒸気の吸熱量の先行指標を検出し、適切な時期
に適切な操作量のフィードフォワード制御を加えること
により、蒸気温度を一定に保つことができ、制御性の良
好なボイラ蒸気温度制御装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すボイラ蒸気温度制御シ
ステム図、第２図は第１図の吸熱量先行指標と蒸気温度
との間の各伝達関数を示すブロックダイヤグラム図であ
る。 １・・・煙道部、２　　蒸気過熱器、３　　煙突、４・
・・減温器、５・・・　フィードバック制御手段、６・
・・フィードフォワード制御演算手段、７・・・蒸気温
度検出手段、８・・・スプレー弁、５１．９４・・・減
算手段、５２・・・フィードバック制御演算手段、５３
・・・加算手段、９１・・・排ガスＳ０２濃度検出手段
、９２・・・入口ガス温度検出手段、９３・・出口ガス
温度検出手段。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）スプレー弁を操作し減温器への噴霧水量を調節す
   ることにより蒸気温度を目標値に制御するボイラ蒸気温
   度制御装置において、目標値と実際の蒸気温度との偏差
   に基づき補償演算を行なって第１の操作信号を出力する
   フィードバック制御演算手段と、蒸気吸熱量の先行指標
   となる物理量を検出する吸熱量先行指標検出手段と、検
   出された吸熱量先行指標に基づき補償演算を行なって第
   ２の操作信号を出力するフィードフォワード制御演算手
   段と、前記第１の操作信号と第２の操作信号を加算して
   前記スプレー弁操作信号とする加算手段とを備えている
   ことを特徴とするボイラ蒸気温度制御装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載において、吸熱量の先
   行指標となる物理量として、ボイラ排ガスの組成濃度を
   用いることを特徴とするボイラ蒸気温度制御装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載において、吸熱量の指
   標となる物理量として、蒸気過熱部・蒸気再熱部の入口
   ガス温度を用いることを特徴とするボイラ蒸気温度制御
   装置。
4. （４）特許請求の範囲第１項記載において、吸熱量の先
   行指標となる物理量として、蒸気過熱部・蒸気再熱部の
   入口ガス温度と出口ガス温度のガス温度差を用いること
   を特徴とするボイラ蒸気温度制御装置。
5. （５）特許請求の範囲第１項記載において、吸熱量の先
   行指標となる物理量として、蒸気過熱部・蒸気再熱部の
   入口ガス圧力と出口ガス圧力のドラフト差圧を用いるこ
   とを特徴とするボイラ蒸気温度制御装置。