(57)【要約】【課題】  ボイラ内の空気あるいは燃焼ガスの流量あるいは圧力を規定値に制御するボイラ自動制御装置において、従来技術の制御性能を維持しつつ、更にインバータによる省エネ効果を発揮するのに好適なボイラ自動制御装置，制御方法、及びボイラシステムを提供することにある。【解決手段】  上記課題は、ボイラ内に送られる流体の物理量を検出し、前記流体の物理量を規定値に制御する物理量指令を作成し、前記流体の物理量と前記物理量指令との偏差を計算し、前記偏差に基づいて前記流体量を制御するボイラ自動制御方法であって、前記偏差が所定値より低いときの方が、前記偏差が所定値より高いときよりも高い変化率で前記流体の物理量を制御することによって解決される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラに流体を送る通風機と、
前記通風機を通る流体量を調節する流量調節操作端と、
前記通風機のモータの動力となるインバータと、
前記流体の物理量を検出する検出部と、
前記流体の物理量と、前記ボイラへ供給される燃料量から算出した物理量指令との偏差を計算する減算部と、
前記物理量指令に基づいて前記インバータへの制御指令を算出するインバータ指令演算部と、
前記偏差に基づいて前記流量調節操作端への制御指令を作成する流量調節操作端指令演算部を有し、
前記流量調節操作端指令演算部は、前記偏差が所定値よりも高いときと、前記偏差が所定値よりも低いときとでは、前記偏差が所定値よりも低いときの方が、前記偏差に対し高い変化率で制御することを特徴とするボイラ自動制御装置。
【請求項２】
請求項１において、前記インバータへの制御指令は前記偏差の比例積分演算により作成されることを特徴とするボイラ自動制御装置。
【請求項３】
請求項１において、前記流量調節操作端への制御指令は前記流量調節操作端指令演算部が発する関数に比例ゲインを乗じて作成されることを特徴とするボイラ自動制御装置。
【請求項４】
請求項１記載のボイラ自動制御装置において、さらに前記インバータの変化率を制限する変化率制限器を有する事を特徴とするボイラ自動制御装置。
【請求項５】
請求項１において、前記流量調節操作端指令演算部は前記偏差が前記設定値より大きいときは前記流量調節操作端を全開にすることを特徴とするボイラ自動制御装置。
【請求項６】
請求項１または請求項５において、前記設定値は負の値に定める事を特徴とするボイラ自動制御装置。
【請求項７】
ボイラと、
ボイラに燃焼ガスまたは空気を送る通風機と、
前記通風機を通る燃焼ガス量または空気量を調節する流量調節操作端と、
前記通風機を駆動するモータと、
前記モータの動力となるインバータと、
前記燃焼ガスまたは空気の物理量を検出する検出部と、
前記燃焼ガスまたは空気の物理量と、前記ボイラへ供給される燃料量から算出した物理量指令との偏差を計算する減算部と、
前記物理量指令に基づいて前記インバータへの制御指令を算出するインバータ指令演算部と、
前記偏差に基づいて前記流量調節操作端への制御指令を作成する流量調節操作端指令演算部を有し、
前記偏差が所定値よりも高いときは、前記インバータによって前記通風機を制御し、
前記偏差が所定値よりも低いときは、前記インバータと前記流量調節操作端によって前記通風機を制御することを特徴とするボイラシステム。
【請求項８】
ボイラ内に送られる流体の物理量を検出し、
前記流体の物理量を規定値に制御する物理量指令を作成し、
前記流体の物理量と前記物理量指令との偏差を計算し、
前記偏差に基づいて前記流体量を制御するボイラ自動制御方法であって、
前記偏差が所定値より低いときの方が、前記偏差が所定値より高いときよりも高い変化率で前記流体の物理量を制御することを特徴とするボイラ自動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラ自動制御装置，制御方法、及びボイラシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラントはボイラで高温高圧の蒸気を発生させ蒸気タービンを回転させる事で発電を行っている。従来はボイラシステムにおける通風機の動力として商用周波数電源が用いられ、通風機のモータ出力（回転数）は通常運転状態では一定で駆動させていた。そのためボイラの火炉内圧力等の制御は、通風機を通る流体（空気あるいは燃焼ガス）の流量を調節する流量調節操作端によって行っている。しかし従来技術では、火力発電用の大容量通風気にインバータ（周波数変換装置）を適用した場合について考慮されておらず、火炉内の圧力制御とインバータによる通風機モータ出力制御を確立できないという問題があった。
【０００３】
上記課題を解決するために例えば特許文献１では、比例積分演算によって前記流量調節操作端を制御し、ボイラ負荷に応じたプログラムにより通風機モータのインバータ出力を制御する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特許第３９４１４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記技術は、入口ベーンを例とする流量調節操作端により、インバータ出力が追従できないような空気流量の過渡的な変化に増方向及び減方向共に対応できるよう保障している。そのため通常運転時は、流量調節操作端の開度を常時一定開度絞っているため、その分通風機のモータ出力を高くする必要がありエネルギーを消費するという問題があった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑み、通風気のモータ出力の抑制に好適なボイラ自動制御装置，制御方法、及びボイラシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は、ボイラ内に送られる流体の物理量を検出し、前記流体の物理量を規定値に制御する物理量指令を作成し、前記流体の物理量と前記物理量指令との偏差を計算し、前記偏差に基づいて前記流体量を制御するボイラ自動制御方法であって、前記偏差が所定値より低いときの方が、前記偏差が所定値より高いときよりも高い変化率で前記流体の物理量を制御することで解決される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、通風器モータの回転数を低減することができるので、その分モータ動力であるインバータの出力を抑制することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
【００１０】
図１は、本発明を適用する火力発電プラントのボイラと制御装置の構成を示す。火力発電プラントのボイラ及び制御装置は、燃料を燃焼させ熱交換により蒸気を発生させる火炉１と、火炉１に燃焼用の空気を送風する押込通風機２（以下「ＦＤＦ」と略す。）と、ＦＤＦ２の動力であるＦＤＦモータ３と、ＦＤＦ２が送風する空気量を調節するＦＤＦ入口ベーン４とＦＤＦ入口ベーン４を駆動させるＦＤＦ入口ベーンコントロールドライブ４１と、煙突５と、火炉１へ送風される空気流量を検出する空気流量検出器６と、ＦＤＦモータ３の回転数を制御するインバータ装置７と、ボイラのプロセス量の総合的な制御を行うボイラ自動制御装置８から構成される。
【００１１】
尚、本実施形態では火力発電プラントの押込通風機にインバータを適用した場合について説明するため、ボイラの煙風道系統が１系統のみで、かつ、通風機が押込通風機のみで構成される簡単なボイラ系統で説明するが、この例の他に燃焼ガスを排出するための誘引通風機や石炭を燃料とするボイラでは微粉炭搬送用空気を送風する一次通風機を備えた構成や、煙風道系統を２系統具備した構成が考えられる。本発明による制御装置は、前記のような構成のボイラにおける各通風機の制御にも適用可能である。
【００１２】
次に、図１に示した各要素の機能について説明する。火炉１はＦＤＦ２から送られた燃焼用空気を取り込み、燃料を燃焼させることにより高温高圧の蒸気を発生させ、図示しない蒸気タービンを回転させる。煙突５は火炉１で燃焼により発生した排ガスを排出する。空気流量検出器６は火炉１へ送風される空気流量を検出し空気流量信号１１をボイラ自動制御装置８へ送る。
【００１３】
ここで火炉１内に送られる空気量は、火炉１に投入される燃料の燃焼に必要な量に、かつ排ガス中の酸素濃度が規定値となるように制御されなければならない。図示しない空気流量指令計算部は前記規定値になるように、火炉１に投入される燃料量と煙突５から排出される排ガスの酸素濃度から空気流量指令１４を算出しボイラ自動制御装置８へ送る。
【００１４】
ボイラ自動制御装置８は、空気流量検出器６から送られた空気流量信号１１と空気流量指令計算部から送られた空気流量指令１４からボイラ自動制御装置８に内蔵される制御演算回路の演算結果に基づきＦＤＦ入口ベーン開度指令１８とＦＤＦ回転数指令１３を演算し、それぞれＦＤＦ入口ベーンコントロールドライブ４１及びインバータ装置７へ送る。尚、ボイラ自動制御装置８は、上記の他にも発電機出力や蒸気温度・圧力などの制御も行う装置であるが、ここでは本発明に関連する機能のみ説明する。
【００１５】
ＦＤＦコントロールドライブ４１は、ボイラ自動制御装置８から送られたＦＤＦ入口ベーン開度指令１２に基づきＦＤＦ入口ベーン４を駆動させる。ＦＤＦ入口ベーン４はＦＤＦ２から送風される空気量を調節する操作端であり、ＦＤＦコントロールドライブ４１により駆動され、ＦＤＦ２を通る空気量を制御する。
【００１６】
一方、ＦＤＦ２から送風される空気量は、インバータ装置７によってＦＤＦモータ３の回転数を増減させることによっても調節することができる。インバータ装置７は、ボイラ自動制御装置８から送られたＦＤＦ回転数指令１３に基づきインバータ出力を調節し、ＦＤＦモータ３の回転数（周波数）がボイラ自動制御装置８からのＦＤＦ回転数指令１３と同じになるように制御する。ＦＤＦモータ３はインバータ装置７の動力により駆動しＦＤＦ２のファンを駆動させＦＤＦ２から送風される空気量を制御する。
【００１７】
ＦＤＦ２は、ＦＤＦ入口ベーン４とＦＤＦモータ３によって火炉１へ送られる空気量を規定値に調節し、火炉１に投入される燃料の燃焼に必要な量に、かつ排ガス中の酸素濃度が規定値となるように制御する。
【００１８】
次に、同じく図１により本発明によるボイラ自動制御装置８の詳細制御機能を説明する。減算器８０１は、空気流量検出器６から入力される空気流量信号１１（ＰＶ）と、火炉１に投入される燃料および排ガス中の酸素濃度から算出される空気流量指令（以下、ＡＦＤ）１４（ＳＶ）から、空気流量偏差信号１５（ＳＶ−ＰＶ）を算出する。
【００１９】
ここで空気流量偏差信号１５は２つの信号演算に用いられる。一方は比例積分演算器８０４に送られ、比例積分演算機８０４は空気量偏差信号１５について比例積分演算を行ってＦＤＦ回転数制御信号１７（Ｋ２×（ＳＶ−ＰＶ）＋Ｋ３×∫（ＳＶ−ＰＶ）ｄｔ）を作成し変化率制限器８０５に送る。このとき、比例積分演算器８０４は積分項∫（ＳＶ−ＰＶ）ｄｔによってボイラの制御中継続して積算を行う。
【００２０】
ここでインバータ出力の変化率はインバータ装置７の特性により決まり、インバータの動作可能範囲以上の変化率でＦＤＦ回転数指令をインバータ装置に与えてもインバータ出力が追従できない。そのためインバータ装置７への指令は、インバータ装置７の動作可能範囲に制限される必要がある。変化率制限器８０５はそのために設けられ、比例積分演算器８０４から送られたＦＤＦ回転数指令１７の変化率がインバータ装置７の動作可能範囲未満であれば処理をせず、ＦＤＦ回転数指令１７の変化率がインバータ装置７の動作可能範囲以上であればインバータ装置７の動作可能範囲以下に信号を制限し、最終的なＦＤＦ回転数指令１３をインバータ装置７へ送る。
【００２１】
もう一方の信号演算に用いられる空気流量偏差信号１５は、関数発生器８０２に送られる。関数発生器８０２は、関数ｆｘに空気流量偏差信号（ＳＶ−ＰＶ）１５を入力値ｘとして入力し、ＦＤＦ入口ベーン制御信号１６（ｆ（ＳＶ−ＰＶ））を比例ゲイン乗算部８０３に出力する。関数発生器８０２が発生させる関数ｆ（ｘ）を下記に示す。
【００２２】
ｘ＜ａのとき  ｆ（ｘ）＝ｘ＋ｂ          …式（１）
ａ≦ｘのとき  ｆ（ｘ）＝１００          …式（２）
【００２３】
但し、ａ，ｂは定数であり、特にａは負の値に定める。減算器８０１で算出された空気流量偏差信号１５（ＳＶ−ＰＶ）を関数発生器８０２に入力値ｘとして入力し、関数発生器８０２はＦＤＦ入口ベーン制御信号１６（ｆ（ＳＶ−ＰＶ））を出力する。但し、関数発生器８０２の出力はＦＤＦベーン開度全開を１００％ととする百分率（％）を表わす。ここで、ｘ＜ａのときの関数ｆ（ｘ）としてｘの一次関数を用いているが、これに限らず例えば二次関数以上のものや指数関数，階段関数であってもかまわない。
【００２４】
関数発生器８０２の空気量偏差信号１５の入力値に対するＦＤＦ入口ベーン制御信号１６の出力値をグラフ１９（横軸：空気量偏差信号１５，縦軸：ＦＤＦ入口ベーン制御信号１６）に示す。グラフ１９に示すように空気流量偏差信号１５がプラスすなわち空気不足の時は１００％すなわちＦＤＦ入口ベーンを全開とするような信号を出力し、空気流量偏差信号１５がマイナスすなわち空気過多の時は空気流量偏差１５に応じてＦＤＦ入口ベーン開度を絞らせるような信号を出力するように設定する。
【００２５】
尚、関数発生器８０２の出力値は空気流量偏差信号１５がある程度のマイナス値ａ未満にならないと１００％を下回らないように設定されているが、これは空気流量偏差信号１５が０近辺の小さなマイナス値の場合にＦＤＦ入口ベーンとＦＤＦ回転数が両方動作して干渉し合い空気流量が不安定になることを防ぐために、このような場合はＦＤＦ入口ベーンの動作を固定してＦＤＦ回転数制御のみにより最終的に空気流量偏差信号１５を０にする動作をさせることを意図したものである。
【００２６】
比例ゲイン乗算部８０３は、関数発生器８０２から送られたＦＤＦ入口ベーン制御信号１６に比例ゲインを乗じてＦＤＦ入口ベーン開度指令１２を作成し開度指令制限器８０６に送る。ここで比例ゲインは、空気流量偏差１５がａ未満時のベーン開度の変化率を決定するものであり通常一定で運転を行うが、オンラインで変更することも可能である。
【００２７】
その後開度指令制限器８０６は、ベーンへの開度指令を上限１００％に制限し最終的なＦＤＦ入口ベーン開度指令１８を作成しインバータ装置７へ送る。つまり、比例ゲインを乗じることで作成されたＦＤＦ入口ベーン開度指令１２が１００％未満の場合は処理を行わず、１００％以上の場合は開度指令制限器８０６によりベーンへの開度指令を１００％に制限し、最終的なＦＤＦベーン開度指令１８が作成される。
【００２８】
以上のような本発明による制御は、ＦＤＦ回転数制御により空気流量の比例積分制御を行って空気流量が規定値に制御されることを保証し、ＦＤＦ入口ベーンは通常は全開状態として空気過多が著しくなった場合のみ開度を絞って空気流量を規定値に速やかに戻すことを実現している。
【００２９】
本発明は入口ベーンを基本的には全開運用としその分ＦＤＦの回転数を下げることで消費電力を低減して省エネ効果が向上する効果があるが、この制御方式が成立する背景について基本的な考え方を説明する。火力プラントの運転パターンとしては大きく分けて、通常の負荷運用である起動，停止，負荷上昇，負荷降下と、緊急時の負荷運用であるランバック（例えばファンやポンプ等のプラント構成機器が故障等で運転できなくなり、残った健全な機器のみで運転できる最大負荷まで急速に負荷降下させる運転），ＦＣＢ（系統事故等で発電所を系統から切り離した際プラントを停止させず、復旧後の系統への再並列を速やかに実施できるように発電所内負荷まで急速に負荷降下させ運転を継続すること）等がある。
【００３０】
このうち、通常の負荷運用では最大でも５％／分程度の負荷変化速度である。一方、緊急時の負荷運用では１００％／分程度の負荷変化速度で出力を絞り込む。いずれの場合にも、空気流量は発電所の負荷変化速度に合わせて増減させる必要があるが、インバータ出力の動作可能速度は入口ベーンの動作可能速度よりも遅い。そのため従来技術では、入口ベーンを例とする流量調節操作端を常時一定開度絞ることにより、インバータ出力が追従できないような空気流量の過渡的な変化に増方向及び減方向共に対応できるよう保障している。
【００３１】
しかしながら、インバータ出力の増方向の動作可能速度は、プラント負荷運用で考えられる最大速度の５％／分よりも充分速いことが普通である。但し、減方向はプラント負荷運用で考えられる最大速度の１００％／分よりもはるかに遅く、また入口ベーンの動作可能速度よりも数倍以上遅いため、空気流量を急速に絞り込む際には入口ベーンによる制御が不可欠となる。以上のことから、入口ベーンは増側には常時制御代を確保しておく必要はなく、必要な際に減側に動作させれば良いということが言え、これが本発明の考え方の基本である。
【００３２】
次に図２で火力プラントの代表的な運転パターンを示しながら本発明による制御の効果を参考例による制御と比較して説明する。但し参考例のＦＤＦ回転数指令は空気流量指令に基づきプログラムされており、最終的に変化率制限器によりインバータの動作可能速度に制限され作成されるものとする。また参考例のＦＤＦ入口ベーン開度指令は、減算器により算出された空気量偏差信号から比例積分演算を行いＦＤＦ入口ベーン開度指令が作成されることとする。
【００３３】
図２では、通常の負荷運用例として負荷上昇の際の空気流量制御の挙動と、緊急時の負荷運用例としてＦＣＢの際の空気流量制御の挙動を、上図に参考例、下図に本発明として示す。但し横軸は時間を表わし、ｔ１からｔ２で通常の負荷上昇運転を行い、ｔ２からｔ３で負荷一定運転後、ｔ３でＦＣＢが発生したとする。また、ｔ１からｔ２及びｔ２からｔ３での運用時は、空気流量偏差信号１５（ＳＶ−ＰＶ）の値は式（１），式（２）で示すａ以上であるとし、ｔ３でＦＣＢが発生し空気流量偏差信号１５（ＳＶ−ＰＶ）の値は式（１），式（２）で示すａ未満になったとする。
【００３４】
空気流量指令は基本的にプラントの負荷指令と同様の動作となる。この空気流量指令に追従するようにＦＤＦ入口ベーンとＦＤＦ回転数を制御する。
【００３５】
参考例では、ｔ１からｔ２及びｔ２からｔ３での運用時、ＦＤＦ入口ベーンが空気流量偏差を０にするように常時制御しており制御代を確保するためにＦＤＦ入口ベーン開度指令を開度８０％程度に保っている。この時、ＦＤＦ回転数指令は空気流量指令に基づきプログラムされており空気流量指令に合わせて動く。しかし、ｔ３でＦＣＢが発生すると、急速な空気流量指令の絞り込みにインバータが追従できないため、変化率制限器により動作可能範囲に制限されにＦＤＦ回転数指令が作成される。従って、一時的は確実に空気流量過多となるためＦＤＦ入口ベーンが大きく絞り込んで空気流量を制御する。
【００３６】
一方下図で示す本発明では、ｔ１からｔ２での通常の負荷上昇運転時、空気量偏差信号１５（ＳＶ−ＰＶ）は式（２）でしめすａ以上であるため、式（２）よりＦＤＦ入口ベーン開度指令は１００％、つまり全開に保たれる。前述したように通常の負荷運用時は、ＦＤＦ回転数制御のみによる制御で十分追従可能な範囲であるため、インバータによるＦＤＦ回転数制御のみにより空気流量偏差信号１５を０にするよう制御している。
【００３７】
またｔ２からｔ３の負荷一定運用時も同様に、空気量偏差信号１５（ＳＶ−ＰＶ）は式（２）でしめすａ以上であるため、式（２）よりＦＤＦ入口ベーン開度指令１２は１００％に保たれ、ＦＤＦ回転数制御のみにより空気流量偏差信号１５を０になるよう制御している。
【００３８】
ここでｔ１からｔ２及びｔ２からｔ３での運用時における本発明と参考例でのＦＤＦ入口ベーン開度指令及びＦＤＦ回転数指令の比較を行う。図２下図に点線で示す参考例でのＦＤＦ入口ベーン開度指令及びＦＤＦ回転数指令と比べ本発明では、通常の負荷上昇運用時及び負荷一定運用時においてＦＤＦ入口ベーン開度指令は１００％に保たれているため、その分ＦＤＦ回転数指令１３を低く抑える事が可能となっている。
【００３９】
通常の負荷運用後ｔ３でＦＣＢが発生すると、急速な負荷降下によりインバータの追従可能範囲を超えるため、ＦＤＦ回転数指令１３は変化率制限器８０５により動作可能範囲に制限される。この時、空気流量偏差信号１５（ＳＶ−ＰＶ）の値は式（１）で示すａ未満となるため、式（１）より空気流量偏差信号１５（ＳＶ−ＰＶ）に基づいてＦＤＦ入口ベーン開度指令１２を１００％以下に絞り込む。
【００４０】
その後、空気流量偏差信号１５（ＳＶ−ＰＶ）が式（１）及び（２）で示すａ以上の値となりＦＤＦ回転数のみによる制御で十分追従可能な範囲になると、ＦＤＦ入口ベーン開度指令１２を再び１００％に保つ。
【００４１】
ｔ３以降でも同様に本発明と参考例でのＦＤＦ入口ベーン開度指令及びＦＤＦ回転数指令を比較すると、本発明ではＦＤＦ入口ベーン開度指令が１００％から絞り込みを始めているためＦＤＦ回転数指令をその分低く抑える事が可能となっている。
【００４２】
このように本発明によって、図２で示す全ての時間領域においてＦＤＦ回転数を低く抑えることができ、その分ＦＤＦ消費電力を低減することが可能となる。
【００４３】
以上述べたように本実施形態では、ボイラに流体を送る通風機と、前記通風機を通る流体量を調節する流量調節操作端と、前記通風機のモータの動力となるインバータと、前記流体の物理量を検出する検出部と、前記流体の物理量と、前記ボイラへ供給される燃料量から算出した物理量指令との偏差を計算する減算部と、前記物理量指令に基づいて前記インバータへの制御指令を算出するインバータ指令演算部と、前記偏差に基づいて前記流量調節操作端への制御指令を作成する流量調節操作端指令演算部を有し、前記流量調節操作端指令演算部は、前記偏差が所定値よりも高いときと、前記偏差が所定値よりも低いときとでは、前記偏差が所定値よりも低いときの方が、前記偏差に対し高い変化率で制御することによって、ＦＤＦ回転数を低く抑えることができるのでインバータによる省エネ効果が最大限に発揮できる。また、インバータによるＦＤＦ回転数制御では追従できないような急速な流量の絞り込みの必要がある場合には流量調節操作端が適切に絞り込むため、従来技術と同様の流量制御性能を維持することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態における火力発電プラントのボイラと制御装置の構成図である。
【図２】本発明と参考例における制御の比較図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  火炉
２  押込通風機（ＦＤＦ）
３  ＦＤＦモータ
４  ＦＤＦ入口ベーン
５  煙突
６  空気流量検出器
７  インバータ装置
８  ボイラ自動制御装置
１１  空気流量信号
１２  ＦＤＦ入口ベーン開度指令
１３  ＦＤＦ回転数指令
１４  空気流量指令（ＡＦＤ）
４１  ＦＤＦ入口ベーンコントロールドライブ
【図１】
2010121893.tif 000003
【図２】
2010121893.tif 000004