(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭等の炭素を含有する燃料を燃焼させる火炉と、
前記火炉で発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービンと、
前記火炉から前記蒸気タービンへと前記蒸気を供給する蒸気配管と、
前記蒸気配管に直列に設けられたＮ次（Ｎは３以上の整数）の過熱器と、
前記前記蒸気配管に設けられ、前記Ｎ次の過熱器のうち、Ｎ次過熱器とＮ−１次過熱器との間に設けられたＮ−１次過熱低減器と、
前記火炉における燃料の発熱量と給水量との比である水燃比を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
前記火炉出口における過熱度を過熱度設定値に一致させるような第１水燃比指令を決定する第１演算手段と、
前記Ｎ−１次過熱低減器の入口温度と出口温度との偏差に基づいて前記過熱度設定値を補正する設定値補正手段と
を具備する発電システム。
【請求項２】
前記設定値補正手段は、前記Ｎ−１次過熱低減器の入口温度と出口温度との偏差を目標温度差に一致させるような補正値を算出し、該補正値を用いて前記過熱度設定値を補正する請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記目標温度差が前記蒸気タービンの要求負荷に応じて決定される請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記第１演算手段と前記設定値補正手段とを備え、第１水燃比指令を決定する第１制御手段と、
主蒸気温度を主蒸気温度設定値に一致させるような第２水燃比指令を決定する第２制御手段と、
前記第１水燃比指令及び前記第２水燃比指令の重み付け係数を決定するゲイン決定手段と、
前記第１制御手段によって決定された第１水燃比指令及び前記第２制御手段によって決定された第２水燃比指令並びに前記ゲイン決定手段によって決定された重み付け係数を用いて、最終的な水燃比指令を決定する水燃比決定手段と
を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項５】
高負荷帯においては、前記第１水燃比指令の重み付け係数よりも前記第２水燃比指令の重み付け係数の方が高く設定されており、
低負荷帯においては、前記第２水燃比指令の重み付け係数よりも前記第１水燃比指令の重み付け係数の方が高く設定されている請求項４に記載の発電システム。
【請求項６】
前記蒸気タービンよりも低い蒸気圧で駆動する低圧蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで利用された蒸気を再過熱して前記低圧蒸気タービンへ供給する再熱手段と、
前記火炉で発生した燃焼ガスの前記再熱手段への流入量を調整する流入量調整手段と
を備え、
前記流入量調整手段は、負荷降下時において、前記再熱手段へ流入させる燃焼ガス量の通過配分を定格運転時よりも増加させる請求項１から請求項５のいずれかに記載の発電システム。
【請求項７】
前記蒸気タービンよりも低い蒸気圧で駆動する低圧蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで利用された蒸気を再過熱して前記低圧蒸気タービンへ供給する再熱手段と、
前記蒸気配管に配置されている隣接する前記過熱器間に設けられた過熱低減器と、
前記火炉への給水ラインから分岐して前記過熱低減器へ送水するスプレー配管と、
前記スプレー配管に設けられ、前記過熱低減器へ供給されるスプレー量を調整するためのスプレー弁と
を備え、
前記制御手段は、
前記過熱低減器よりも蒸気流れ下流側に設けられた直近の前記過熱器の出口温度に基づいて、前記スプレー弁の開度を決定する開度決定手段と、
負荷降下時において、前記開度決定手段によって決定された前記スプレー弁の開度を増加させる開度補正手段と
を具備する請求項１から請求項５のいずれかに記載の発電システム。
【請求項８】
前記過熱低減器は、１次過熱器と２次過熱器との間に設けられている請求項７に記載の発電システム。
【請求項９】
前記蒸気タービンよりも低い蒸気圧で駆動する低圧蒸気タービンと、
前記蒸気タービンで利用された蒸気を再過熱して前記低圧蒸気タービンへ供給する再熱手段と
を備え、
前記第１演算手段は、負荷降下時において、前記火炉出口における過熱度を所定の時間遅れを持つように補正する補正手段を備え、補正後の該火炉出口における過熱度を前記過熱度設定値に一致させるような第１水燃比指令を決定する請求項１から請求項５のいずれかに記載の発電システム。
【請求項１０】
石炭等の炭素を含有する燃料を燃焼させる火炉と、前記火炉で発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービンと、前記火炉から前記蒸気タービンへと前記蒸気を供給する蒸気配管と、前記蒸気配管に直列に設けられたＮ次（Ｎは３以上の整数）の過熱器と、前記前記蒸気配管に設けられ、前記Ｎ次の過熱器のうち、Ｎ次過熱器とＮ−１次過熱器との間に設けられたＮ−１次過熱低減器と、前記火炉における燃料の発熱量と給水量との比である水燃比を制御する制御手段とを備える発電システムに適用される蒸気温度制御方法であって、
前記火炉出口における過熱度を過熱度設定値に一致させるような第１水燃比指令を決定する第１演算過程と、
前記Ｎ−１次過熱低減器の入口温度と出口温度との偏差に基づいて前記過熱度設定値を補正する設定値補正過程と
を含む発電システムの蒸気温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧貫流ボイラを有する発電システム及びその蒸気温度制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所等において、変圧貫流ボイラと水蒸気タービン（蒸気タービン）とを主な構成要素として備える発電システムが多く採用されている（例えば、特許文献１から３等）。この発電システムは、変圧貫流ボイラで発生させた蒸気を用いて蒸気タービンにより発電するものである。
【０００３】
例えば、特許文献１には、蒸気発生源である火炉において発生した蒸気が１次過熱器、１次過熱低減器、２次過熱器、２次過熱低減器、３次過熱器を経由することで温度調整され、蒸気タービンへ送られる発電システムが開示されている。
特許文献１に開示された発電システムでは、貫流運転中においては、１次過熱器の出口温度に基づく水燃比制御が行われるとともに、２次過熱器の出口温度に基づく１次過熱減温器のスプレー弁制御、及び、ボイラ出口（蒸気タービン入口）の蒸気温度（以下、この温度を「主蒸気温度」という。）に基づく２次過熱減温器のスプレー弁制御が行われる。また、起動バイパス運転中においては、主蒸気温度に基づいて水燃比制御が行われるとともに、１次過熱減温器のスプレー弁が全開とされ、主蒸気温度の偏差が大きい場合に二次過熱減温器のスプレー弁が開かれて燃料過多時の主蒸気温度変動が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−１２７８０６号公報
【特許文献２】特開平２−１６９９０２号公報
【特許文献３】特開平７−３１０９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、特許文献１にも開示されているように、火炉における水燃比制御は主蒸気温度に基づいて行われていた。しかしながら、この制御は応答性が悪いという欠点があった。そこで、近年、応答性の向上を目的として、火炉出口の過熱度を制御する新たな制御方法が提案されている。
【０００６】
しかしながら、この制御方法は、火炉の燃料としてガス、重油を用いる発電システムにおいては有効であるが、性状（発熱量等）の安定しない石炭等の炭素を含有する燃料を用いる場合には、所望の主蒸気温度を得ることが難しい。すなわち、石炭等の炭素を含有する燃料を用いる場合には、発熱量の変動に伴う火炉における燃焼状態の変化や、スラグが水冷壁や過熱器に付着することによる熱吸収率の変化等により、火炉出口や過熱器における過熱度が変動してしまう。従って、例えば、火炉出口における過熱度が制御できていたとしても、後段に続く過熱器の熱吸収特性が変化してしまうことにより、所望の主蒸気温度が得られないというおそれがあった。
【０００７】
特に、新たに提案されている制御方法では、火炉出口における過熱度を制御するものであるため、ボイラ出口での主蒸気温度は定格温度を確保できていても、火炉出口よりも下流側における過熱器の吸収熱量によっては、過熱低減器でのスプレーが所要量注入することができず、負荷上昇、下降時の蒸気温度制御偏差が増大する可能性がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、石炭等の炭素を含有する燃料を用いる貫流ボイラにおいて、蒸気温度制御の精度を向上させることのできる発電システム及びその蒸気温度制御方法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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、石炭等の炭素を含有する燃料を燃焼させる火炉と、前記火炉で発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービンと、前記火炉から前記蒸気タービンへと前記蒸気を供給する蒸気配管と、前記蒸気配管に直列に設けられたＮ次（Ｎは３以上の整数）の過熱器と、前記蒸気配管に設けられ、前記Ｎ次の過熱器のうち、Ｎ次過熱器とＮ−１次過熱器との間に設けられたＮ−１次過熱低減器と、前記火炉における燃料の発熱量と給水量との比である水燃比を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記火炉出口における過熱度を過熱度設定値に一致させるような第１水燃比指令を決定する第１演算手段と、前記Ｎ−１次過熱低減器の入口温度と出口温度との偏差に基づいて前記過熱度設定値を補正する設定値補正手段とを具備する発電システムを提供する。
【００１０】
本発明によれば、Ｎ次過熱器とＮ−１次過熱器との間に設けられたＮ−１次過熱低減器の入口温度と出口温度との偏差に基づいて火炉出口の過熱度設定値が補正される。これにより、火炉出口の過熱度をＮ−１次過熱低減器の入出力の温度差を考慮した過熱度に制御することができる。この結果、Ｎ−１次過熱低減器における温度差を十分に確保することができ、Ｎ−１次過熱低減器の減温調整に余裕を持たせることが可能となる。よって、Ｎ次過熱器の入口温度を適切な温度に調節することが可能となり、従来問題となっていた入熱不足を解消することができ、主蒸気温度を主蒸気温度設定値に一致させることが可能となる。
【００１１】
上記発電システムにおいて、前記設定値補正手段は、前記Ｎ−１次過熱低減器の入口温度と出口温度との偏差を目標温度差に一致させるような補正値を算出し、該補正値を用いて前記過熱度設定値を補正することとしてもよい。
【００１２】
上記構成によれば、Ｎ−１次過熱低減器の入口温度と出口温度との偏差を目標温度差に一致させるような補正値を用いて過熱度設定値を補正するので、Ｎ−１次過熱低減器の入口温度と出口温度との差を目標温度差に近づけることが可能となる。
【００１３】
上記発電システムにおいて、前記目標温度差が前記蒸気タービンの要求負荷に応じて決定されてもよい。
【００１４】
上記構成によれば、目標温度差が蒸気タービンの要求負荷に応じて決定されるので、Ｎ−１次過熱低減器の入口温度と出口温度との差を要求負荷に応じた適切な温度差に近づけることが可能となる。
【００１５】
上記発電システムにおいて、前記制御手段は、前記第１演算手段と前記設定値補正手段とを備え、第１水燃比指令を決定する第１制御手段と、主蒸気温度を主蒸気温度設定値に一致させるような第２水燃比指令を決定する第２制御手段と、前記第１水燃比指令及び前記第２水燃比指令の重み付け係数を決定するゲイン決定手段と、前記第１制御手段によって決定された第１水燃比指令及び前記第２制御手段によって決定された第２水燃比指令並びに前記ゲイン決定手段によって決定された重み付け係数を用いて、最終的な水燃比指令を決定する水燃比決定手段とを備えることとしてもよい。
【００１６】
このような構成によれば、第１制御手段により、火炉出口における過熱度を過熱度設定値に一致させるような第１水燃比指令が決定され、第２制御手段により、主蒸気温度を主蒸気温度設定値に一致させるような第２水燃比指令が決定される。そして、第１水燃比指令及び第２水燃比指令に対してゲイン決定手段によって決定された重み付け係数を用いることにより、最終的な水燃比指令が決定される。このように２つの制御手段を備えるので、運転状態に応じて第１水燃比指令、第２水燃比指令の重み付けを適切に変化させることによって、運転状態に合った適切な水燃比指令を得ることが可能となる。
【００１７】
上記発電システムにおいて、高負荷帯においては、前記第１水燃比指令の重み付け係数よりも前記第２水燃比指令の重み付け係数の方が高く設定されており、低負荷帯においては、前記第２水燃比指令の重み付け係数よりも前記第１水燃比指令の重み付け係数の方が高く設定されている。
【００１８】
一般的に、過熱器に流入される蒸気は過熱蒸気である必要がある。しかしながら、例えば、図１０に示すように、ボイラ出口主蒸気圧力が低くなる低負荷の領域では、火炉出口が飽和領域に入る可能性があり、過熱度を維持することが重要とされる。これに対し、ボイラ出口主蒸気圧力が高い高負荷の領域では、飽和領域から離れる方向に移動するため、湿り蒸気になる心配がなく、自然と過熱蒸気が得られることとなる。従って、このような負荷帯域では、過熱度制御の重要性が低くなる。よって、高負荷帯においては主蒸気温度に基づいて決定された第２水燃比指令の重み付け係数を大きな値とし、低負荷帯においては過熱度に基づいて決定された第１水燃比指令の重み付け係数を大きな値とすることによって、蒸気状態に応じた水燃比制御を行うことが可能となる。
【００１９】
上記発電システムは、前記蒸気タービンよりも低い蒸気圧で駆動する低圧蒸気タービンと、前記蒸気タービンで利用された蒸気を再過熱して前記低圧蒸気タービンへ供給する再熱手段と、前記火炉で発生した燃焼ガスの前記再熱手段への流入量を調整する流入量調整手段とを更に備え、前記流入量調整手段は、負荷降下時において、前記再熱手段へ流入させる燃焼ガスの通過配分を定格運転時よりも増加させることとしてもよい。
【００２０】
このように、負荷降下時においては、再熱手段へ流入させる燃焼ガスの通過配分を定格運転時よりも増加させるので、負荷降下時における再熱手段への吸収熱量を増加させることができ、再熱手段の出口における蒸気温度の低下を抑制することができる。
【００２１】
上記発電システムは、前記蒸気タービンよりも低い蒸気圧で駆動する低圧蒸気タービンと、前記蒸気タービンで利用された蒸気を再過熱して前記低圧蒸気タービンへ供給する再熱手段と、前記蒸気配管に配置されている隣接する前記過熱器間に設けられた過熱低減器と、前記火炉への給水ラインから分岐して前記過熱低減器へ送水するスプレー配管と、前記スプレー配管に設けられ、前記過熱低減器へ供給されるスプレー量を調整するためのスプレー弁とを備え、前記制御手段は、前記過熱低減器よりも蒸気流れ下流側に設けられた直近の前記過熱器の出口温度に基づいて、前記スプレー弁の開度を決定する開度決定手段と、負荷降下時において、前記開度決定手段によって決定された前記スプレー弁の開度を増加させる開度補正手段とを具備することとしてもよい。
【００２２】
このような構成によれば、負荷降下時においては、過熱低減器へ供給されるスプレー量を増加させるので、火炉への給水による流体通過流量は減少する。火炉の流体通過流量が減少すると、水燃比が増加し、火炉出口の過熱度を上げることができる。このようにして過熱度を上昇させることにより、過熱器側での熱吸収を抑制し、より多くの熱を再熱手段の方へ分配することが可能となる。これにより、負荷降下時における再熱手段の出口における蒸気温度の低下を抑制することができる。
【００２３】
上記発電システムにおいて、前記過熱低減器は、１次過熱器と２次過熱器との間に設けられているとよい。
【００２４】
１次過熱器と２次過熱器との間に設けられた過熱低減器は、火炉出口に最も近い過熱低減器であるといえる。火炉に近いほど、スプレー量を増加させることができるので、効果的に火炉への給水量を低減させ、水燃比を増加させることが可能となる。
【００２５】
上記発電システムは、前記蒸気タービンよりも低い蒸気圧で駆動する低圧蒸気タービンと、前記蒸気タービンで利用された蒸気を再過熱して前記低圧蒸気タービンへ供給する再熱手段とを備え、前記第１演算手段は、負荷降下時において、前記火炉出口における過熱度を所定の時間遅れを持つように補正する補正手段を備え、補正後の該火炉出口における過熱度を前記過熱度設定値に一致させるような第１水燃比指令を決定することとしてもよい。
【００２６】
このように、火炉出口の過熱度に所定の時間遅れを持たせることにより、火炉出口の過熱度が急激に落ち込むことを回避でき、要求負荷が低下してからある程度の期間は、要求負荷に対して高めの過熱度を維持することが可能となる。この結果、再熱温度が急激に低下することを防止することができ、再熱温度を緩やかに低下させることが可能となる。
【００２７】
本発明は、石炭等の炭素を含有する燃料を燃焼させる火炉と、前記火炉で発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービンと、前記火炉から前記蒸気タービンへと前記蒸気を供給する蒸気配管と、前記蒸気配管に直列に設けられたＮ次（Ｎは３以上の整数）の過熱器と、前記前記蒸気配管に設けられ、前記Ｎ次の過熱器のうち、Ｎ次過熱器とＮ−１次過熱器との間に設けられたＮ−１次過熱低減器と、前記火炉における燃料の発熱量と給水量との比である水燃比を制御する制御手段とを備える発電システムに適用される蒸気温度制御方法であって、前記火炉出口における過熱度を過熱度設定値に一致させるような第１水燃比指令を決定する第１演算過程と、前記Ｎ−１次過熱低減器の入口温度と出口温度との偏差に基づいて前記過熱度設定値を補正する設定値補正過程とを含む発電システムの蒸気温度制御方法を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、石炭等の炭素を含有する燃料を用いる貫流ボイラにおいて、蒸気温度制御の精度を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発電システムの構成を概略的に示した図である。
【図２】図１に示した蒸気温度制御装置が備える種々の機能のうち、水燃比制御に関する機能を展開して示した機能ブロック図である。
【図３】設定値補正部の制御ロジックの一例を示した図である。
【図４】第１演算部及び第２演算部の制御ロジックの一例を示した図である。
【図５】第１ゲイン決定部及び第２ゲイン決定部で用いられるゲイン関数の一例を示した図である。
【図６】火炉出口温度から主蒸気温度までの蒸気温度の変化の一例を示した図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る蒸気温度制御装置が備える種々の機能のうち、水燃比制御に関する機能を展開して示した機能ブロック図である。
【図８】第２水燃比指令決定部の制御ロジックの一例を示した図である。
【図９】第３ゲイン決定部及び第４ゲイン決定部で用いられるゲイン関数の一例を示した図である。
【図１０】ゲイン決定部によって決定される重み付け係数の根拠を説明するための図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る発電システムの構成を概略的に示した図である。
【図１２】本発明の第３実施形態において、再熱器の出口蒸気温度を所定の温度範囲内とするための手法を実現するための一構成例を示した制御ブロック図である。
【図１３】本発明の第３実施形態において、再熱器の出口蒸気温度を所定の温度範囲内とするための手法を実現するための一構成例を示した制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
〔第１実施形態〕
以下に、本発明の第１実施形態に係る発電システム及びその蒸気温度制御方法について、図面を参照して説明する。
図１において、発電システム１は、石炭等の炭素を含有する燃料を燃焼させる火炉２と、火炉２によって発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービン３と、発電システムにおける蒸気温度を制御する蒸気温度制御装置（制御手段）１０とを備えている。
火炉２から蒸気タービン３へと蒸気配管Ｌによって蒸気が供給されている。蒸気配管Ｌには、直列に設けられた１次過熱器４ａ、２次過熱器４ｂ、３次過熱器４ｃが設けられている。また、蒸気配管Ｌにおいて１次過熱器４ａと２次過熱器４ｂとの間には１次過熱低減器５ａが、２次過熱器４ｂと３次過熱器４ｃとの間には２次過熱低減器５ｂが設けられている。なお、ここではＮ次（Ｎ＝３）の過熱器を備えることとしたが、過熱器の段数については特に限定されず、３次以上の過熱器が設けられていればよい。また、少なくとも最終段の過熱器（Ｎ次過熱器）とその手前に設けられた過熱器（Ｎ−１次過熱器）との間には、Ｎ−１次過熱低減器（本実施形態では、２次過熱低減器５ｂ）が設けられるものとする。
【００３１】
このような発電システム１では、火炉２において、石炭等の炭素を含有する燃料を燃焼させると共に、後述する給水ポンプ１８を駆動させて火炉２の内部に設けられた水冷壁に流体を流通させることにより蒸気を発生させる。火炉２にて発生した蒸気は、１次過熱器４ａ、１次過熱低減器５ａ、２次過熱器４ｂ、２次過熱低減器５ｂ、３次過熱器４ｃへ順番に送られることにより、過熱と除熱が繰り返し行われ、蒸気温度が調整される。温度調整された蒸気は、ガバナ弁７を介して蒸気タービン３へ送られ、蒸気タービン３を駆動するために用いられる。
【００３２】
蒸気タービン３を駆動した後の蒸気は、復水器８へ導かれ、復水器８により水（液体）に戻される。復水器８にて発生した水は、復水ポンプ９によって低圧給水過熱器１０、脱気器１１の順にて圧送される。脱気器１１にて脱気された水は、ボイラ給水ポンプ１２によって高圧給水過熱器１３、節炭器１４の順にて圧送される。節炭器１４へ圧送された水は、その大部分が給水ポンプ１８によって火炉２へ導かれて再び蒸気として利用されるとともに、その水の一部が１次スプレー配管ＢＳ１及び２次スプレー配管ＢＳ２を介して１次過熱低減器５ａ及び２次過熱低減器５ｂにそれぞれ供給される。
【００３３】
１次スプレー配管ＢＳ１には１次スプレー弁１５ａが設けられ、１次スプレー弁１５ａの弁開度が制御されることにより１次過熱低減器５ａにおけるスプレー量が調整される。同様に、２次スプレー配管ＢＳ２には２次スプレー弁１５ｂが設けられ、この弁開度が制御されることにより２次過熱低減器５ｂにおけるスプレー量が調整される。
【００３４】
上記発電システム１において、最終段の過熱低減器、すなわち、２次過熱低減器５ｂの入口温度Ｔｉ及び出口温度Ｔｏは、温度センサ１６ａ、１６ｂによってそれぞれ計測され、計測値が蒸気温度制御装置１０に出力される。また、３次過熱器４ｃの出口蒸気温度、すなわち、主蒸気温度Ｔｍは温度センサ１６ｃによって計測され、その計測値が蒸気温度制御装置１０に出力される。更に、火炉出口における蒸気圧力Ｐｗ及び蒸気温度Ｔｗは、圧力センサ１６ｄ、温度センサ１６ｅによりそれぞれ計測され、計測値が上記温度制御装置１０に出力される。
【００３５】
蒸気温度制御装置１０は、各温度センサ、圧力センサから通知されたこれらの温度及び圧力を用いて、火炉２における水燃比の制御及び１次スプレー弁１５ａ並びに２次スプレー弁１５ｂの弁開度制御を行う。ここで、水燃比とは、燃料の発熱量（ｋｃａｌ）と給水量（ｔｏｎ／ｈ）との比率であり、例えば、以下の（１）式で定義される。
【００３６】
水燃比＝燃料の発熱量（ｋｃａｌ）／給水量（ｔｏｎ／ｈ）      （１）
【００３７】
蒸気温度制御部１０は、例えば、コンピュータであり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の主記憶装置、補助記憶装置を主な構成として備えている。補助記憶装置は、コンピュータ読取可能な記録媒体であり、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。この補助記憶装置には、各種プログラム（例えば、水燃比制御プログラム、１次スプレー弁の弁開度制御プログラム、及び２次スプレー弁の弁開度制御プログラム等）が格納されており、ＣＰＵが補助記憶装置から主記憶装置にプログラムを読み出し、実行することにより後述する種々の処理を実現させる。
【００３８】
図２は、蒸気温度制御装置１０が備える種々の機能のうち、水燃比制御に関する機能を展開して示した機能ブロック図である。
図２に示されるように、蒸気温度制御装置１０は、第１水燃比指令決定部２０を備えている。第１水燃比指令決定部２０は、設定値補正部２１と、第１演算部２２と、第２演算部２３とを主な構成として備えている。
【００３９】
設定値補正部２１は、２次過熱低減器５ｂの入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏとの偏差に基づいて、後述する第１演算部２２で用いられる過熱度設定値を補正する。具体的には、設定値補正部２１は、２次過熱低減器５ｂの入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏとの偏差を目標温度差に一致させるような補正値を算出し、該補正値によって過熱度設定値を補正する。ここで、目標温度差は、例えば、蒸気タービンの要求負荷に応じて決定され、例えば、要求負荷が高いほど大きな値に設定される。
【００４０】
第１演算部２２は、火炉出口の過熱度を過熱度設定値に一致させるような水燃比の第１制御指令を決定する。なお、ここで用いられる過熱度設定値は、上記設定値補正部２１によって補正された過熱度設定値である。火炉出口の過熱度は、例えば、火炉出口の蒸気温度Ｔｗ及び蒸気圧力Ｐｗ並びに等温線を有するモリエル線図（ｐ−ｈ線図）を用いて求めることができる。
【００４１】
第２演算部２３は、３次過熱器４ｃの出口温度、すなわち、主蒸気温度Ｔｍを予め設定されている主蒸気温度設定値に一致させるような水燃比の第２制御指令を決定する。なお、本実施形態において、第２演算部２３は、後述するように、省略することが可能である。
【００４２】
図３は、設定値補正部２１の制御ロジックの一例を示した図である。図３に示すように、設定値補正部２１は、２次過熱低減器５ｂの入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏが入力され、これらの偏差を算出する減算器３１と、蒸気タービンの要求負荷に応じた偏差目標値を決定する関数器３２と、減算器３１から出力された偏差から関数器３２によって決定された偏差目標値を減算する減算器３３とを主な構成として備えている。減算器３３によって算出された偏差は、遅延部３４、比例部３５を経由することにより、所定の遅延量とゲインが加えられて選択部３６に出力される。選択部３６は、比例部３５からの入力値が正（プラス）であれば、そのままの値を出力し、負（マイナス）であれば、ゼロを出力する。
【００４３】
選択部３６からの出力値は、乗算器３８に出力され、蒸気タービンの要求負荷に応じたゲインが乗算される。ここで、乗算されるゲインは、２次過熱低減器５ｂにおける温度差に基づく補正量を水燃比制御にどの程度効かせるかを決定づける、いわゆる重み付け係数に相当する。乗算器３８において重み付けがなされた偏差は、ＰＩ制御部３９を介して加算器４０に出力される。加算器４０では、予め設定されている火炉出口における過熱度設定値に、ＰＩ制御部３９からの補正値が加算されることにより、過熱度設定値が補正される。補正後の過熱度設定値は、第１演算部２２に出力されて利用される。
【００４４】
図４は、第１演算部２２及び第２演算部２３の制御ロジックの一例を示した図である。図４に示すように、第１演算部２２は、火炉出口の過熱度と設定値補正部２１によって補正された過熱度設定値との偏差を算出する減算器４１と、負荷が変化中であるか一定負荷の状態であるかによって異なるゲインを減算器４１の出力に乗算する乗算器４２と、負荷に応じたゲインを設定する第１ゲイン決定部４３と、第１ゲイン決定部４３において設定されたゲインを乗算器４２の出力に更に乗算する乗算器４４とを備えている。乗算器４４の出力は第１制御指令として後段の加算器４９に出力される。
第１ゲイン決定部４３において設定されるゲインは、重み付け係数を設定するためのものであり、本実施形態においては、図５に破線で示すように、要求負荷にかかわらず、常にゲインは１に設定されている。
【００４５】
第２演算部２３は、主蒸気温度Ｔｍと予め設定されている主蒸気温度設定値との偏差を算出する減算器４５、要求負荷が変化中であるか一定負荷の状態であるかによって異なるゲインを減算器４５の出力に乗算する乗算器４６と、負荷に応じたゲインを設定する第２ゲイン決定部４７と、第２ゲイン決定部４７において設定されたゲインを乗算器４６の出力に更に乗算する乗算器４８とを備えている。
第２ゲイン決定部４７において設定されるゲインは、重みづけ値を設定するためのものであり、本実施形態においては、図５に実線で示すように、要求負荷にかかわらず、常にゲインは０（ゼロ）に設定されている。したがって、第２演算部２３から出力される第２制御指令は常にゼロとなるため、この第２演算部２３については、省略することが可能である。
【００４６】
上記第１演算部２２によって決定された水燃比の第１制御指令と、第２演算部２３によって決定された水燃比の第２制御指令（＝０）とは、加算器４９において加算された後、乗算器５１において、蒸気タービンの要求負荷に応じたゲインが乗じられ、積分部５２を経て水燃比指令として出力される。
そして、この水燃比指令に基づいて、給水ポンプ１８の回転数及び石炭等の炭素を含有する燃料の供給流量が制御され、火炉出口における過熱度が調整されることとなる。
【００４７】
また、蒸気温度制御装置１０は、１次スプレー弁１５ａ、２次スプレー弁１５ｂの制御を行う。例えば、１次スプレー弁１５ａについては、２次過熱器４ｂの出口温度、すなわち、２次過熱低減器５ｂの入口温度Ｔｉが所定の温度になるように、弁開度を制御する。また、２次スプレー弁１５ｂについては、３次過熱器４ｃの出口温度、すなわち、主蒸気温度Ｔｍが予め設定されている所定の温度になるように、弁開度を制御する。
【００４８】
以上の通り、本実施形態に係る発電システム１及びその蒸気温度制御方法によれば、最終段の過熱低減器５ｂの入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏとの偏差が蒸気タービン３の要求負荷に応じて決定される所定の偏差設定値に一致するような補正量を求め、この補正量を用いて火炉出口の過熱度設定値を補正するので、火炉出口の過熱度を最終段の過熱低減器５ｂの入出力の温度差を考慮した過熱度に制御することができる。
これにより、図６に示すように、２次過熱低減器５ｂにおける温度差Ｔｄを十分に確保することができ、２次過熱低減器５ｂの減温調整に余裕を持たせることが可能となる。これにより、３次過熱器４ｃの入口温度を適切な温度に調節することが可能となり、過熱度制御での応答性の速い特徴に加え、発熱量の変動、負荷変化における減温調整に余裕を持たせることができ、主蒸気温度を主蒸気温度設定値に一致させることが可能となる。
更に、本実施形態によれば、火炉出口における過熱度をフィードバックさせて水燃比を制御するので、主蒸気温度をフィードバックさせて水燃比を制御する従来の手法と比べて応答性を向上させることができる。
【００４９】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る発電システム及びその蒸気温度制御方法について説明する。本実施形態に係る発電システムにおける蒸気温度制御装置２０´は、図７に示すように、図２に示した第１水燃比指令決定部２０に加えて、第２水燃比指令決定部６０及び水燃比決定部６５を備えている。第２水燃比指令決定部６０は、第３演算部６１、第４演算部６２、第５演算部６３を備えている。
第３演算部６１は火炉出口過熱度を過熱度設定値に一致させるような水燃比の第３制御指令を決定する。第４演算部６２は、主蒸気温度を主蒸気温度設定値に一致させるような水燃比の第４制御指令を決定する。第５演算部６３は、主蒸気温度を主蒸気温度設定値に一致させるような水燃比の第５制御指令を決定する。
水燃比決定部６５は、第１水燃比指令決定部２０からの第１水燃比指令と、第２水燃比指令決定部６０からの第２水燃比指令とを用いて、最終的な水燃比指令を決定する。
【００５０】
図８は、第２水燃比指令決定部６０の制御ロジックの一例を示した図である。
図８に示すように、第３演算部６１は、第１実施形態において図４を参照して説明した第１演算部２２と略同じ構成を備えているが、火炉出口の過熱度設定値として固定値が用いられる点、すなわち、設定値補正部２１（図３参照）によって過熱度設定値が補正されない点、及び、第１ゲイン決定部４３に代えて第３ゲイン決定部４３´が設けられている点で、図４に示した第１演算部２２と異なる。
【００５１】
図９に、第３ゲイン決定部４３´が用いるゲイン関数Ｆｘ３の一例を示す。図９において、横軸は負荷、縦軸はゲイン（重み付け係数）を示している。図９に実線で示されるように、第３ゲイン決定部４３´で用いられるゲイン関数Ｆｘ３は、負荷が低い領域ではゲインが相対的に高い値に設定され、負荷が高くなるほどゲインが減少するような関数とされている。
【００５２】
第４演算部６２は、第１実施形態において図４を参照して説明した第２演算部２３と略同じ構成を備えているが、第２ゲイン決定部４７に代えて第４ゲイン決定部４７´が設けられている点で、図４に示した第２演算部２３と異なる。第４ゲイン決定部４７´で用いられるゲイン関数Ｆｘ４は、例えば、図９に破線で示されるように、負荷が低い領域ではゲインが相対的に低い値に設定され、負荷が高くなるほど、ゲインが増加するような関数とされている。
【００５３】
第３演算部６１の出力である第３制御指令と、第４演算部６２の出力である第４制御指令とは加算器４９において加算され、乗算器５１において要求負荷に応じたゲインが乗じられ、積分器５２を経由して加算器７４に出力される。
【００５４】
第５演算部６３は、主蒸気温度と主蒸気温度設定値との偏差に対して比例微分制御を行う比例微分制御部７１、蒸気タービンの要求負荷に応じた重み付け係数であるゲインを設定する第５ゲイン決定部７２、第５ゲイン決定部７２によって設定されたゲインを比例微分制御部７１の出力に対して乗算する乗算器７３とを備えている。ここで、第５ゲイン決定部７２において参照されるゲイン関数は、例えば、高負荷帯では負荷変化率が高いため、ゲイン関数を高めに設定されている。乗算器７３の出力である第５制御指令は、加算器７４に出力され、第３演算部６１、第４演算部６２からの制御指令に加算される。加算後の制御指令は、第２水燃比指令として図７に示した水燃比決定部６５に出力される。
【００５５】
ここで、上述した第２水燃比指令決定部６０によれば、図９に示したように、負荷が０％から３０％までの領域においては、第３ゲイン決定部４３´において用いられるゲイン関数Ｆｘ３はゲイン＝０．９に設定され、一方、第４ゲイン決定部４７´において用いられるゲイン関数Ｆｘ４はゲイン＝０．１に設定されている。したがって、負荷が０％から３０％の領域においては、第３演算部６１による第３制御指令が大きく反映された第２水燃比指令が生成される。
【００５６】
これに対し、負荷が５０％以上の領域においては、第３ゲイン決定部４３´において用いられるゲイン関数Ｆｘ３はゲイン＝０に設定され、一方、第４ゲイン決定部４７´において用いられるゲイン関数Ｆｘ４はゲイン＝１．０に設定されている。したがって、負荷が５０％以上の領域においては、第４演算部６２による第４制御指令が大きく反映された第２水燃比指令が生成される。
【００５７】
また、負荷が３０％以上５０％未満の領域においては、第３ゲイン決定部４３´において用いられるゲイン関数Ｆｘ３のゲインは０．９から減少方向に推移し、他方、第４ゲイン決定部４７´において用いられるゲイン関数Ｆｘ４では、ゲインが０．１から増加方向に推移する。したがって、負荷が３０％以上５０％未満の領域においては、３０％に近い領域においては第３制御指令が第４制御指令よりも相対的に強く反映された第２水燃比指令となり、５０％に近い領域においては第４制御指令が第３制御指令よりも相対的に強く反映された第２水燃比指令となる。
【００５８】
このようにして決定された第２水燃比指令は水燃比決定部６５に出力される。水燃比決定部６５には、第１水燃比指令決定部２０によって決定された第１水燃比指令も入力される。水燃比決定部６５は、第１水燃比指令と第２水燃比指令とを加算したものを最終的な水燃比指令として出力する。
ここで、本実施形態においては、上述した第１ゲイン決定部４３、第３ゲイン決定部４３´、第２ゲイン決定部４７、第４ゲイン決定部４７´によってそれぞれの制御指令の重み付けを決定づけていることから、水燃比決定部６５においては、第１水燃比指令と第２水燃比指令とを加算することにより最終的な水燃比指令を決定している。このような態様に代えて、水燃比決定部６５において第１水燃比指令と第２水燃比指令とに重み付けを行うことで、最終的な水燃比指令を決定することとしてもよい。このように、火炉出口の過熱度に基づく水燃比制御の重み付け、及び、主蒸気温度に基づく水燃比制御の重み付けについては、各演算部の中において行うこととしても良いし、水燃比決定部６５において最終的に行うこととしてもよい。
【００５９】
上述したような本実施形態に係る蒸気温度制御装置１０´によれば、水燃比決定部６５から出力される水燃比指令は、負荷が３０％以下の領域では、火炉出口の過熱度に基づく水燃比制御が強く反映され、負荷が３０％以上５０％未満の領域では、負荷が徐々に大きくなるにつれ、火炉出口の過熱度に基づく水燃比制御から主蒸気温度に基づく水燃比制御に徐々に推移し、負荷が５０％以上の領域では、主蒸気温度に基づく水燃比制御が強く反映されることとなる。
【００６０】
次に、上述のような重み付けを行う根拠について図１０を参照して説明する。図１０は、一般的なモリエル線図（ｐ−ｈ図）を示した図である。例えば、貫流ボイラを有する発電システムでは、圧力領域は約８５［ｋＰａ］から約２４６［ｋＰａ］である。負荷が５０％以下となる負荷帯においては、エンタルピーによっては飽和蒸気の領域に入ってしまう可能性がある。火炉出口の蒸気が湿り蒸気になってしまった場合、過熱器には湿り蒸気が流入することとなり、運用上好ましくない。従って、火炉出口の蒸気は過熱蒸気であることが必要とされる。
このことから、飽和領域に入ってしまう可能性のある負荷帯においては、火炉出口の過熱度を重要視した制御を行い、飽和領域に入る可能性の少ない高負荷帯（負荷が約５０％以上の領域）においては、過熱度よりも主蒸気温度を重要視した制御を行うこととしている。
【００６１】
以上、本実施形態に係る発電システム及び蒸気温度制御方法によれば、飽和領域に入ってしまう可能性のある負荷帯（例えば、５０％以下の領域）においては火炉出口の過熱度が過熱度設定値に一致するような制御の重み付けを大きくし、負荷が上昇するにつれて、過熱度に基づく水燃比制御から主蒸気温度に基づく水燃比制御に移行させていく。そして、このような制御の切り替えを、重み付け係数を連続的に変化させることにより行うので、制御の切り替えをシームレスで行うことが可能となる。
【００６２】
なお、第２実施形態においては、第１水燃比指令決定部２０が設定値補正部２１、第１演算部２２、及び第２演算部２３を備え、第２水燃比指令決定部６０が第３演算部６１、第４演算部６２、第５演算部６３を備えていたが、このような構成に代えて、第１水燃比指令決定部２０からは主蒸気温度に基づく構成、すなわち、第２演算部２３を排除して、火炉出口の過熱度を過熱度設定値に一致させるような水燃比指令を決定する構成のみとし、第２水燃比指令決定部６０からは過熱度に基づく構成、すなわち、第３演算部６１を排除して、主蒸気温度を主蒸気温度設定値に一致させるような水燃比指令を決定する構成のみとしてもよい。このように、各水燃比指令決定部２０、６０の役割を完全に分断することで、水燃比指令の重み付けなどを簡素化することが可能となる。
【００６３】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る発電システム及びその蒸気温度制御方法について説明する。上述した第１実施形態に係る発電システムは１台の蒸気タービン３を有していたが、本実施形態に係る発電システムは、図１１に示すように、高圧蒸気タービン３ａと、低圧蒸気タービン３ｂとを備えている。この図において、図１と同一の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図１１に示すように、高圧蒸気タービン３ａで仕事を終えた蒸気は、再熱器１９へ導かれ、再熱器１９で再度過熱される。再熱器１９にて再度過熱された蒸気は、低圧蒸気タービン３ｂへ導かれ、低圧蒸気タービン３ｂを駆動するために用いられる。低圧蒸気タービン３ｂを駆動した後の蒸気は、復水器８へ導かれ、復水器８により水（液体）に戻される。
【００６４】
また、本実施形態における燃焼ガスサイクルでは、火炉２で生成された燃焼ガスは、水冷壁（図示略）、３次過熱器４ｃ、２次過熱器４ｂ、再熱器１９及び１次過熱器４ａの少なくともいずれか一方、節炭器１４を通り、その後、その一部が火炉２へ再循環される。ここで、再熱器１９及び１次過熱器４ａの燃焼ガス流れの上流側には、ガスダンパがそれぞれ設けられており、このダンパの開き具合を調整することで、再熱器１９と１次過熱器４ａとへ供給される燃料ガスの比率を変化させることができるようになっている。
【００６５】
また、節炭器１４の燃焼ガス流れの下流側には、入口ガスダンパが設けられており、この入口ガスダンパの開き具合を調整することで、再び火炉２へ再循環されるガス流量と大気に排出されるガス流量とを調整することが可能とされている。このように、再循環させるガス流量を調整することで、水冷壁、各過熱器４ｃ、４ｂ、４ａ及び再熱器１９における熱吸収量を調整することが可能となる。
【００６６】
このような構成を備える発電システムでは、上述した第１または第２実施形態に係る上記温度制御装置１０、１０´による水燃比制御が適用されるが、そのまま適用してしまうと、再熱器１９における過熱が不足し、再熱器１９の出口蒸気温度Ｔｓが予め定められている温度設定値から外れてしまうおそれがある。そこで、本実施形態においては、再熱器１９の出口蒸気温度Ｔｓを所定の温度範囲内とするために、以下の３つの手法をとることとしている。
【００６７】
〔過熱度設定の遅延調整〕
負荷降下時においては、火炉出口の過熱度を見かけ上、所定の時間遅れを持たせて低下させる。このように、火炉出口の過熱度に所定の時間遅れを持たせることにより、火炉出口の過熱度設定が急激に落ち込むことを回避でき、要求負荷が低下してからある程度の期間は、要求負荷に対して高めの過熱度を維持するように蒸気温度設定を緩やかに変化させることが可能となる。この結果、再熱温度が急激に低下することを防止することができ、負荷降下時の再熱温度の制御追従性を向上することが可能となる。
【００６８】
図１２は、火炉出口の過熱度に所定の時間遅れを持たせるための補正部の一構成例を示した図である。図１２に示すように、補正部８０は、関数器８１、遅延回路８２、選択部８３、及び偏差算出部８４を備えている。
関数器８１は、火炉出口蒸気圧力から該圧力における飽和温度を算出する。遅延回路８２は、関数器８１からの出力に所定の時間遅れを生じさせる。選択部８３は、関数器８１の出力及び遅延回路８２の出力が入力され、通常時においては関数器８１からの入力を出力し、負荷降下時においては遅延回路８２からの入力を出力する。偏差算出部８４は、火炉出口蒸気温度から選択部８３の出力を減算することにより、火炉出口の過熱度を算出する。
【００６９】
〔１次スプレー弁の調整〕
上述した第１実施形態、第２実施形態においては、１次スプレー弁１５ａは、２次過熱器４ｂの出口温度、すなわち、２次過熱低減器５ｂの入口温度Ｔｉが所定の温度になるように、弁開度を制御していた。本実施形態においては、このようにして決定される弁開度に対して所定の補正値を加算することで、１次スプレー弁１５ａの弁開度を開き気味に制御する。ここで、所定の補正値は、固定値でもよいし、要求負荷に応じて変更される値であってもよい。
【００７０】
１次スプレー弁１５ａの弁開度を増加させることで、火炉２に供給される給水を減少させることができる。火炉２への給水量を減少させると、水燃比が増加し、火炉出口における過熱度を要求負荷に応じて決定される過熱度よりも増加させることができる。これにより、負荷降下時における入熱量を増加させることができ、再熱器１９の出口蒸気温度Ｔｓの低下を防止することが可能となる。
【００７１】
図１３に、本態様を実現するための一構成例を示す。図１３は、１次スプレー弁１５ａの弁開度を補正する補正部９０の一構成例を示した図である。図１３に示すように、補正部９０は、通常時においては０％を出力し、負荷降下時においては第１演算部２２の乗算器４４（図４参照）の出力を選択して出力する選択部９１と、選択部９１からの出力を２次過熱器４ｂの出口蒸気温度偏差に加算する加算部９２とを備えている。加算部９２の出力は、１次スプレー弁開度指令を生成する指令生成部に出力され、ＰＩＤ制御等がされることにより、最終的に１次スプレー弁開度指令が生成される。
このように、負荷降下時においては、第１演算部２２の乗算器４４の出力を２次過熱器出口蒸気温度偏差に加算するので、１次スプレー弁１５ａの弁開度を増加させることが可能となる。
【００７２】
なお、１次スプレー弁１５ａに代えて２次スプレー弁１５ｂの弁開度を増加させることによっても対応することが可能であるが、１次スプレー弁１５ｂにより制御される１次過熱低減器５ａは、２次過熱低減器５ｂに加えて火炉２に近い位置に設置されているため、スプレー量を増加させた場合に蒸気温度に与える影響が小さい。従って、１次スプレー弁１５ａの弁開度を調整することでより高い効果を得ることができる。
【００７３】
〔再熱器へ供給される燃焼ガス量の調整〕
上述のように、再熱器１９及び１次過熱器４ａの燃焼ガス流れの上流側には、ガスダンパがそれぞれ設けられており、このダンパの開き具合を調整することで、再熱器１９と１次過熱器４ａへの燃料ガスの流入比率を変化させることができる。このことから、負荷降下時においては、再熱器１９のダンパを通常よりも開き気味に制御することで、再熱器１９への燃焼ガスの流入量を増加させる。これにより、再熱器１９における入熱量を大きく採ることができ、負荷降下時における再熱器１９の出口蒸気温度Ｔｓの低下を抑制することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１  発電システム
２  火炉
３  蒸気タービン
３ａ  高圧蒸気タービン
３ｂ  低圧蒸気タービン
４ａ  １次過熱器
４ｂ  ２次過熱器
４ｃ  ３次過熱器
５ａ  １次過熱低減器
５ｂ  ２次過熱低減器
１０、１０´  蒸気温度制御装置
１５ａ  １次スプレー弁
１５ｂ  ２次スプレー弁
１９  再熱器
２０  第１水燃比指令決定部
２１  設定値補正部
２２  第１演算部
２３  第２演算部
６０  第２水燃比指令決定部
６１  第３演算部
６２  第４演算部
６３  第５演算部
６５  水燃比決定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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