(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気温度変化率目標値および蒸気圧力変化率目標値を設定する第１の手段と、蒸気温度変化率および蒸気圧力変化率を制御する第２の手段を有するボイラ装置において、少なくともこのボイラの所定部の蒸気温度および蒸気圧力を入力として、現在のボイラ状態で実現可能な、少なくとも蒸気温度変化率の上下限値と実現可能な蒸気圧力変化率の上下限値を算出し、第１の手段から出力された変化率目標値を、前記実現可能な変化率に基づいて修正し、前記第２の手段へ出力する第３の手段を設け、該第３の手段は実現可能な範囲内に修正された蒸気温度変化率も入力として実現可能な蒸気圧力変化率の上下限値の演算を行うことを特徴とするボイラ起動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ボイラ装置において、その起動を制御するボイラ起動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラの起動は起動準備完了後、バーナに点火し、ボイラの昇温、昇圧を開始する。この時、ボイラ装置の各部が過熱したり、肉厚部に過大な熱応力が発生したりすることのないように適切な制御を行う必要がある。一方、点火から通気、併入に至る間に投入される燃料は直接発電に寄与しないため、極力削減することが求められる。
前記のような要求を満たすための手段として、本出願人は特開昭６１−２４９０５号の発明などを提案している。図８は前記特開昭６１−２４９０５で提案した貫流ボイラ起動装置の系統図である。同図において、ボイラの火炉炉壁を構成する水壁１への給水はボイラ給水ポンプ３により行われ、節炭器６で予熱された後、バーナ２により加熱される。給水が水壁１で加熱されて気水分離器４で気水混合物が蒸気と水とに分離される。気水分離器４からの蒸気は過熱器５で加熱され、過熱蒸気によりタービン発電機７が駆動される。過熱器５とタービン発電機７の間に過熱器５からタービン発電機７への蒸気量を加減するタービン加減弁８が介在する。また、燃料流量調節弁９は火炉２に供給される燃料投入量を調整するものであり、過熱器バイパス弁１０は気水分離器４からの蒸気を、またタービンバイパス弁１１は過熱器５からの蒸気をそれぞれコンデンサ（図示せず）などに逃がすための弁である。
【０００３】
前記本発明者らの特許出願では、過熱器５からタービン発電機７へ供給される蒸気の圧力を検出する蒸気圧力検出器１２、当該蒸気の温度を検出する蒸気温度検出器１３、昇圧完了時における過熱器５からタービン発電機７へ供給される蒸気の圧力の目標値を設定する蒸気圧力目標値設定器１４、同じく昇温完了時における過熱器５からタービン発電機７へ供給される蒸気の温度の目標値を設定する蒸気温度目標値設定器１５、気水分離器４の肉厚部の熱応力を抑制するための飽和温度変化率制限値を設定する飽和温度変化率制限値設定器１６、過熱器５の出口ヘッダの肉厚部の熱応力を抑制するための過熱器出口蒸気温度変化率制限値を設定する過熱器出口蒸気温度変化率制限値設定器１７、該設定器１７からの入力をもとに、蒸気圧力変化率目標値ａと過熱器５の出口蒸気温度変化率目標値ｂを演算する変化率目標値演算器１８、前記目標値ａ、ｂを入力して、これらを実現する最少の燃料投入量とタービンバイパス弁１０通過蒸気流量および過熱器バイパス弁１１通過蒸気流量の組み合わせを演算し、さらに算出された各流量を得るために必要な燃料流量調節弁９、タービンバイパス弁１０および過熱器バイパス弁１１の各弁開度信号ｃ、ｄ、ｅをそれぞれ演算する最適操作量演算器１９を設けることを提案した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、変化率目標値演算器１８における、蒸気圧力変化率目標値ａおよび過熱器５出口蒸気温度変化率目標値ｂの算出は、昇圧完了時における蒸気圧力目標値と現在の蒸気圧力の差および昇温完了時の過熱器５出口蒸気温度目標値と現在の過熱器５出口蒸気温度の差および熱応力を抑制するための蒸気圧力制限値と飽和温度変化率制限値を考慮するのみであり、その演算結果である蒸気圧力変化率目標値ａと過熱器５出口蒸気温度変化率目標値ｂが、現在のプラント状態において実現可能であるという保証はなかった。このため、最適操作量演算器１９における演算が発散する、あるいは前記各種の弁の開度が負の値となるなどの物理的に不適切な演算結果が出力される可能性があった。
本発明の目的はボイラ起動制御において、蒸気圧力および蒸気温度の各変化率目標値に基づき制御する場合に、各変化率目標値が現在のボイラ状態で実現可能な範囲に納まるように修正し、後段に配置される最適操作量演算器の演算の安定化を図ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は次の構成によって達成される。
すなわち、蒸気温度変化率目標値および蒸気圧力変化率目標値を設定する第１の手段と、蒸気温度変化率および蒸気圧力変化率を制御する第２の手段を有するボイラ装置において、少なくともこのボイラの所定部の蒸気温度および蒸気圧力を入力として、現在のボイラ状態で実現可能な、少なくとも蒸気温度変化率の上下限値と実現可能な蒸気圧力変化率の上下限値を算出し、第１の手段から出力された変化率目標値を、前記実現可能な変化率に基づいて修正し、前記第２の手段へ出力する第３の手段を設け、該第３の手段は実現可能な範囲内に修正された蒸気温度変化率も入力として実現可能な蒸気圧力変化率の上下限値の演算を行うことを特徴とするボイラ起動制御装置である。
【０００６】
【作用】
本発明によれば、第３の手段により現在のボイラ状態で実現可能な蒸気圧力変化率の上下限値および蒸気温度変化率の上下限値を算出し、変化率目標値演算器からの出力である蒸気圧力変化率目標値と過熱器出口蒸気温度変化率目標値が、前記算出した現在のボイラ状態において実現可能な上下限値の範囲内にあるか否かを検査し、範囲外にある場合は、実現可能な変化率目標値の組み合わせとなるよう、第１の手段から出力された蒸気圧力、蒸気温度等の変化率目標値を、前記実現可能な変化率に基づいて修正し、蒸気圧力、蒸気温度等の変化率を制御する第２の手段へ出力する。こうして、蒸気圧力変化率目標値、蒸気温度変化率目標値等が、現在のプラント状態において実現可能であることが保証され、後段に配置される例えば燃料弁、過熱器バイパス弁、タービンバイパス弁等の最適操作量の演算の安定化が達成される。
このとき、第３の手段が実現可能な範囲内に修正された蒸気温度変化率も入力として実現可能な蒸気圧力変化率の上下限値の演算を行うことで、蒸気圧力変化率目標値と蒸気温度変化率目標値がそれぞれの実現可能な上下限値の間に矛盾が生じることがなくなる。
【０００７】
【実施例】
本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１に示す実施例において、図８と同じ機能を達成する部材には同一番号を付けてその説明を省略する。図１には、現在の発電機出力を検出する発電機出力検出器２０、タービン加減弁８の開度を検出するタービン加減弁開度検出器２１、燃焼装置の仕様によって定められる燃料流量の下限値を設定する燃料流量下限値設定器２２および次に述べる変化率目標値修正器３０を設けている。
変化率目標値修正器３０は変化率目標値演算器１８と最適操作量演算器１９の間に介在し、蒸気圧力検出器１２、蒸気温度検出器１３、発電機出力検出器２０、タービン加減弁開度検出器２１、燃料流量下限値設定器２２の出力に基づいて、後に述べる手順により、蒸気圧力変化率目標値ａと過熱器５出口蒸気温度変化率目標値ｂが現在のボイラ状態において実現可能な組み合わせとなるように、そのいずれか、あるいは両方を変更して最適操作量演算器１９へ出力するものである。
【０００８】
すなわち、変化率目標値修正器３０は現在のボイラ状態において実現可能な蒸気圧力変化率と過熱器５出口蒸気温度の範囲を求め、変化率目標値演算器１８の出力である蒸気圧力変化率目標値ａと過熱器５出口蒸気温度変化率目標値ｂが求めた範囲内にあるか否かを検討し、範囲内にない場合には、蒸気圧力変化率目標値ａと過熱器５出口蒸気温度変化率目標値ｂが現在のボイラ状態において実現可能な組み合わせとなるように、そのいずれか、あるいは両方を変更して最適操作量演算器１９へ出力する。変化率目標値修正器３０によって修正された蒸気圧力変化率目標値ａ’と過熱器５出口蒸気温度変化率目標値ｂ’は最適操作量演算器１９に入力され、該目標値ａ’、ｂ’を実現するための最適な操作量の組み合わせが算出される。変化率目標値ａ’およびｂ’の値は変化率目標値修正器３０によって実現可能な範囲内に保たれるため、最適操作量演算器１９では常に最適な操作量の組み合わせが算出される。
【０００９】
次に、変化率目標値修正器３０のアルゴリズムについて説明する。本出願人は特開昭６１−２４９０５号において前記の構造を持つボイラにおいて蒸気圧力変化率ｄＰ／ｄｔおよび過熱器５の出口蒸気温度変化率ｄＴ／ｄｔは次の式（１）と式（２）によりそれぞれ求められることを示した。
【数１】
0003544384.tif 000002
【００１０】
但し、式中の記号は以下のように定義する。
Ａ：過熱器の伝熱面積（ｍ２）
ＧＷＷ：水壁１への給水量（ｋｇ／ｓ）
Ｇｅ：水壁１の蒸発量（ｋｇ／ｓ）
ｈ’（Ｐ）：飽和水エンタルピ（ｋｃａｌ／ｋｇ）（Ｐの関数）
ｈ”（Ｐ）：飽和蒸気エンタルピ（ｋｃａｌ／ｋｇ）（Ｐの関数）
Ｈ（Ｐ，Ｔ）：過熱器５の出口蒸気エンタルピ（ｋｃａｌ／ｋｇ）（Ｐ，Ｔの関数）
ｄＨ／ｄｔ：過熱器５の出口蒸気エンタルピ変化率（ｋｃａｌ／ｋｇｓ）
Ｈｉ：過熱器５の入口蒸気エンタルピ（ｋｃａｌ／ｋｇ）
ＨＷＷ：水壁１の出口流体エンタルピ（ｋｃａｌ／ｋｇ）
ＨＥＣＯ：節炭器６の出口給水エンタルピ（ｋｃａｌ／ｋｇ）
Ｐ：蒸気圧力（ｋｇ／ｃｍ２）
ｄＰ／ｄｔ：蒸気圧力変化率（ｋｇ／ｃｍ２ｓ）
Ｑ（ｘ）：水壁１の熱吸収量（ｋｃａｌ／ｓ）（ｘの関数）
Ｔ：過熱器５の出口蒸気温度（℃）
ｄＴ／ｄｔ：過熱器５の出口蒸気温度変化率（℃／ｓ）
ｖ（Ｐ，Ｔ）：過熱器５内蒸気の平均比容積（ｍ３／ｋｇ）
Ｖ：過熱器５の内容積（ｍ３）
ｘ：燃料流量（ｋｇ／ｓ）
α：過熱器５の平均熱貫流率（ｋｃａｌ／ｍ２ｓ℃）
ＴＨ（ｘ）：過熱器５の入口燃焼ガス温度（℃）（ｘの関数）
Ｇａｌｌ：全蒸気流量（ｋｇ／ｓ）
ＧＳＨ：過熱器５の通過蒸気流量（ｋｇ／ｓ）
（∂Ｐ／∂γ）Ｐ，Ｔ：圧力Ｐ、温度ＴにおけるＰの比重γに対する偏微分係数
（∂Ｐ／∂γ）Ｐ，Ｔ：圧力Ｐ、温度ＴにおけるＴのエンタルピＨに対する偏微分係数
【００１１】
式（１）および式（２）で操作可能な量は燃料流量ｘ、全蒸気流量Ｇａｌｌ、過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨであり、これらに対して独立な、その他の値は全てプラントの仕様で定められる定数、あるいは計測により求められる量である。また、一般に燃料流量ｘの上限は負荷の関数として定められ、下限値は燃焼装置の仕様で定められる。
式（１）において、水壁１の熱吸収量Ｑ（ｘ）はその性質から燃料流量ｘに対して単調に増加することを考慮すると、蒸気圧力変化率ｄＰ／ｄｔは燃料流量ｘに対して単調に増加し、全蒸気流量Ｇａｌｌに対して単調に減少することが分かる。従って蒸気圧力変化率ｄＰ／ｄｔが最大となるのは、燃料流量ｘが最大で、かつ、全蒸気流量Ｇａｌｌが最小となる操作を行った場合である。
同様に式（２）において、過熱器５の入口燃焼ガス温度ＴＨ（ｘ）が燃料流量ｘに対して単調に増加することを考慮すると、過熱器５の出口蒸気温度変化率ｄＴ／ｄｔは燃料流量ｘに対して単調に増加し、過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨに対して単調に減少することが分かる。従って、過熱器５の出口蒸気温度変化率ｄＴ／ｄｔが最大となるのは燃料流量ｘが最大で、かつ、過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨが最小となる操作を行った場合であり、過熱器５の出口蒸気温度変化率ｄＴ／ｄｔが最小となるのは燃料流量ｘが最小で、かつ、過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨが最大となる操作を行った場合である。
【００１２】
ところで、全蒸気流量Ｇａｌｌおよび過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨは、それぞれ次式（３）、（４）のように定義される。
ＧＳＨ＝ＧＴＢ＋ＧＴＢｂｙｐａｓｓ                      （３）
Ｇａｌｌ＝ＧＳＨ＋ＧＳＨｂｙｐａｓｓ                    （４）
但し、式中の記号を以下のように定義する。
ＧＴＢ：タービン加減弁通過蒸気流量（ｋｇ／ｓ）
ＧＴＢｂｙｐａｓｓ：タービンバイパス弁通過蒸気流量（ｋｇ／ｓ）
ＧＳＨｂｙｐａｓｓ：過熱器バイパス弁通過蒸気流量（ｋｇ／ｓ）
ここでタービン加減弁通過蒸気流量ＧＴＢは発電機出力を制御するためにタービン側で独立に制御されるため、ボイラ起動制御装置において、制御対象とすることはできない。一方、タービンバイパス弁通過蒸気流量ＧＴＢｂｙｐａｓｓ、過熱器バイパス弁通過蒸気流量ＧＳＨｂｙｐａｓｓはそれぞれタービンバイパス弁１１、過熱器バイパス弁１０の操作により制御可能である。式（４）から明らかなように、全蒸気流量Ｇａｌｌと過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨは次の条件（５）を満たさなければならない。
Ｇａｌｌ＞ＧＳＨ                                      （５）
【００１３】
但し、最適操作量演算器１９における演算の合理性を保証するためには、この条件を燃料流量ｘの全域において満たす必要はなく、任意の一部分で満たせば十分である。燃料流量ｘが上限にある場合に該条件を満たすような蒸気圧力変化率ｄＰ／ｄｔを実現可能な該変化率ｄＰ／ｄｔの上限とする。すなわち、燃料流量ｘが上限値にある場合に、蒸気温度変化率目標値を満足する過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨを全蒸気流量Ｇａｌｌの下限値と見なし、式（１）に代入して得られる蒸気圧力変化率ｄＰ／ｄｔを、実現可能な該変化率ｄＰ／ｄｔの最大値とする。任意の燃料流量ｘに対する、修正後の蒸気温度変化率目標値を満足する過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨは式（２）を該通過蒸気流量ＧＳＨについて解き、過熱器５の出口蒸気温度変化率ｄＴ／ｄｔに修正後の蒸気温度変化率を、燃料流量ｘに燃料流量ｘの上限値を代入することで求められる。
【００１４】
以上のことを整理すると、実現可能な過熱器５の出口蒸気温度変化率ｄＴ／ｄｔの上限値は、最大の燃料流量ｘすなわち燃料流量ｘの上限値、および、最小の過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨ、すなわちタービンバイパス弁１１を全閉とした過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨ（＝ＧＴＢ）を式（２）に代入することにより求められ、同じく下限値は、最小の燃料流量ｘすなわち燃料流量ｘの下限値、および、最大の過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨ、すなわちタービンバイパス弁１１を全開とした場合の過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨを式（２）に代入することにより求められる。
一方、実現可能な蒸気圧力変化率ｄＰ／ｄｔの上限値は、実現可能な上下限値の範囲内に修正された蒸気温度変化率目標値を燃料流量ｘの上限値において満足する過熱器５の通過蒸気流量ＧＳＨを全蒸気流量Ｇａｌｌとし、最大の燃料流量ｘすなわち燃料流量ｘの上限値と共に式（１）に代入することにより求められ、同じく下限値は、最小の燃料流量ｘすなわち燃料流量ｘの下限値、および最大の全蒸気流量Ｇａｌｌすなわち過熱器バイパス弁１０、タービンバイパス弁１１を共に全開とした場合の全蒸気流量Ｇａｌｌを式（１）に代入することにより求められる。
【００１５】
以上のアルゴリズムに基づいて構成した変化率目標値修正器の系統図を図２に示す。関数発生器３１は図３に示す特性を備えた関数発生器であり、発電機出力検出器２０の出力を受けて、現時点で投入可能な燃料流量の上限値を出力する。関数発生器３２は図４に示す特性を備えていて、蒸気圧力検出器１２の出力を受けて、タービン加減弁８が全開の時に得られる蒸気流量を出力する。関数発生器３３は図５に示す特性を備えたものであり、タービン加減弁開度検出器２１の出力を受けて、タービン加減弁８の有効ポート面積比を出力する。また、乗算器３４は２つの関数発生器３２、３３の出力を乗算することにより、タービン加減弁８を通過する蒸気流量を算出する。関数発生器３５は図６に示す特性を備えており、蒸気圧力検出器１２の出力を受けて、タービンバイパス弁１１を全開にした場合にタービンバイパス弁１１を通過する蒸気の流量を出力する。関数発生器３６は図７に示す特性を備えたものであり、蒸気圧力検出器１２の出力を受けて、過熱器バイパス弁１０を全開した場合に過熱器バイパス弁１０を通過する蒸気の流量の合計を出力する。
【００１６】
蒸気温度変化率上下限値演算器３７は蒸気圧力検出器１２の検出値、過熱器出口蒸気温度検出器１３の検出値、関数発生器３１からの現時点で投入可能な燃料流量の上限値、燃料流量下限値設定器２２による設定値、乗算器３４から出力されるタービン加減弁通過蒸気流量、関数発生器３５から出力されるタービンバイパス弁１１全開時通過蒸気流量を入力として、式（２）に基づき、現在のボイラ状態で実現可能な、過熱器５出口における蒸気温度変化率の上限値および下限値を演算することができる。また範囲制限器３８は蒸気温度変化率上下限値演算器３７で算出された上下限値に基づいて、蒸気温度変化率目標値ｂが上下限値内に収まるように修正する。
【００１７】
蒸気圧力変化率上下限値演算器３９は蒸気圧力検出器１２の検出値、過熱器出口温度検出器１３の検出値、関数発生器３１からの現時点で投入可能な燃料流量の上限値、燃料流量下限値設定器２２による設定値、乗算器３４から出力されるタービン加減弁通過蒸気流量、関数発生器３５から出力されるタービンバイパス弁１１全開時通過蒸気流量、範囲制限器３８により実現可能な範囲内に修正された蒸気温度変化率目標値ｂ’を入力として、式（１）に基づき、現在のボイラ状態で実現可能な蒸気圧力変化率の上下限値を演算する。また、範囲制限器４０は蒸気圧力変化率上下限値演算器３９で算出された上下限値に基づいて、蒸気圧力変化率目標値ａが上下限値内に収まるように修正する。
【００１８】
以上により、変化率目標値修正器３０から出力される、修正された、蒸気圧力変化率目標値ａ’および蒸気温度変化率目標値ｂ’の組み合わせは、常に実現可能な範囲内に保たれる。こうして、最適操作量演算器１９における演算が発散したり、算出された操作量が、物理的に不可能な値となるなどの不都合な事態を防止し、確実に正しい解を得ることが保証され、燃料流量調節弁９、過熱器バイパス弁１０、タービンバイパス弁１１等の最適操作量の演算の安定化が達成される。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、最適操作量演算器に入力される、蒸気圧力変化率目標値、蒸気温度変化率目標値等は、それぞれの実現可能な上下限値の間に矛盾が生じることがなく、かつそれぞれ常に実現可能な値に保たれ、後段に配置される燃料弁、蒸気流量弁等の最適操作量の演算の安定化が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るボイラ起動制御装置の系統図。
【図２】図１に示す変化率目標値修正器３０の系統図。
【図３】図２に示す関数発生器３１の特性図。
【図４】図２に示す関数発生器３２の特性図。
【図５】図２に示す関数発生器３３の特性図。
【図６】図２に示す関数発生器３５の特性図。
【図７】図２に示す関数発生器３６の特性図。
【図８】従来技術によるボイラ起動制御装置の系統図。
【符号の説明】
１…水壁、２…バーナ、３…ボイラ給水ポンプ、４…気水分離器、
５…過熱器、６…節炭器、７…タービン発電機、８…タービン加減弁、
９…燃料流量調節弁、１０…過熱器バイパス弁、１１…タービンバイパス弁、
１２…蒸気圧力検出器、１３…蒸気温度検出器、
１４…蒸気圧力目標値設定器、１５…蒸気温度目標値設定器、
１６…飽和温度変化率制限値設定器、
１７…過熱器出口蒸気温度変化率制限値設定器、
１８…変化率目標値演算器、１９…最適操作量演算器
２０…発電機出力検出器、２１…タービン加減弁開度検出器、
２２…燃料流量下限値設定器、３０…変化率目標値修正器、
３１〜３３、３５、３６…関数発生器、３４…乗算器、
３７…蒸気温度変化率上下限値演算器、３８、４０…範囲制限器、
３９…蒸気圧力変化率上下限値演算器
【図１】
0003544384.tif 000003
【図２】
0003544384.tif 000004
【図３】
0003544384.tif 000005
【図４】
0003544384.tif 000006
【図５】
0003544384.tif 000007
【図６】
0003544384.tif 000008
【図７】
0003544384.tif 000009
【図８】
0003544384.tif 000010