(57)【要約】【課題】蒸発器出口乾き度を一定に維持させることにより給水から過熱蒸気生成に至る加熱経路上での流動性が不安定になるのを防止し、かつ蒸発器部材の焼損を防止できる貫流型廃熱回収ボイラを提供すること。【解決手段】ガスタービンの負荷指令３２が増加／減少する場合に一時的に蒸気弁３６の開度を減／増する制御を行う乾き度制御装置３７を備える。乾き度制御装置３７は、前記ガスタービンの負荷指令３２から蒸気圧力の静特性を求める関数発生器４０と、該関数発生器４０の出力である蒸気圧力の静特性に対して一次遅れを発生させる一次遅れ回路４１と、該一次遅れ回路４１の出力と蒸気圧力との差に応じて蒸気弁３６開度を制御するＰＩＤ制御器（蒸気圧力制御器）４４とを備えている。【選択図】      図１
2004301366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
他の装置から排出された排ガスを導くケーシング内に、給水を受けて該給水を予熱する節炭器と、該節炭器からの前記給水を加熱して蒸気を発生させる蒸発器と、該蒸発器からの前記蒸気を更に加熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、蒸気圧力を調節する蒸気弁とを備えた貫流型廃熱回収ボイラにおいて、
前記過熱蒸気の温度に基づいて前記蒸発器出口における蒸気の乾き度の変動を抑えるように前記給水流量を制御する給水制御装置と、
蒸気圧力の変動を静特性よりも抑えることにより前記蒸発器出口乾き度の過渡的変動幅を抑える乾き度制御装置とを備えていることを特徴とする貫流型廃熱回収ボイラ。
【請求項２】
請求項１に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、
前記他の装置としてガスタービンが設けられ、
前記乾き度制御装置は、該ガスタービンの負荷指令が増加／減少する場合に一時的に前記蒸気弁の開度を減／増する制御を行うことを特徴とする貫流型廃熱回収ボイラ。
【請求項３】
請求項２に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、
前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンの負荷指令から蒸気圧力の静特性を求める関数発生器と、該関数発生器の出力である蒸気圧力の静特性に対して一次遅れを発生させる一次遅れ回路と、該一次遅れ回路の出力と蒸気圧力との差に応じて蒸気弁開度を制御する蒸気圧力制御器とを備えていることを特徴とする貫流型廃熱回収ボイラ。
【請求項４】
請求項２に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、
前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンの負荷指令が増加／減少している間蒸気弁開度を増加／減少させ、前記負荷指令の増加／減少が終了した後再び元の蒸気弁開度に戻す制御を行うことを特徴とする貫流型廃熱回収ボイラ。
【請求項５】
請求項２または４に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、
前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンが負荷上昇中、負荷下降中、および、負荷一定のそれぞれの状態に応じた所定の蒸気弁開度目標値を設定する切り替えスイッチと、該目標値に向けて所定のレートで変化する値を出力する速度制限器と、該速度制限器の出力値と前記蒸気弁の規定開度指令とを加算して蒸気弁開度指令値とする加算器とを備えていることを特徴とする貫流型廃熱回収ボイラ。
【請求項６】
請求項２に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、
前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンの負荷指令が増加／減少している間蒸気弁開度を増加／減少させ、前記負荷指令の増加／減少が終了した後、所定時間経過後に再び元の蒸気弁開度に戻す制御を行うことを特徴とする貫流型廃熱回収ボイラ。
【請求項７】
請求項２または６に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、
前記乾き度制御装置は、ＯＦＦとなるタイミングを遅らせたガスタービンの負荷上昇中信号または降下中信号を出力とするＯＦＦディレイ回路と、該ＯＦＦディレイ回路の出力の状態に応じた所定の蒸気弁開度目標値を設定する目標値設定切り替えスイッチと、該目標値に向けて所定の変化レートで変化する値を出力する速度制限器と、該速度制限器に対して前記ＯＦＦディレイ回路の出力に応じた変化レートを与える変化レート切り替えスイッチと、前記速度制限器の出力値と前記蒸気弁の規定開度指令とを加算して蒸気弁開度指令値とする加算器とを備えていることを特徴とする貫流型廃熱回収ボイラ。
【請求項８】
請求項１に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、
前記乾き度制御装置は、ガスタービンの負荷指令が変化した場合に前記給水制御装置によって制御される給水量を一時的に増減させることで蒸発器出口乾き度の変動を抑えることを特徴とする貫流型廃熱回収ボイラ。
【請求項９】
請求項８に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、
前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンの負荷指令から蒸気圧力の静特性を求める関数発生器と、該関数発生器の出力である蒸気圧力の静特性に対して一次遅れを発生させる一次遅れ回路と、該一次遅れ回路の出力と蒸気圧力との差に応じて給水量増減信号を出力する制御器とを備えていることを特徴とする貫流型廃熱回収ボイラ。
【請求項１０】
請求項８に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、
前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンの負荷指令が増加／減少している間、前記給水制御装置の出力である給水流量指令値を増加／減少させ、前記負荷指令の増加／減少が終了した後再び元の給水流量指令値に戻す制御を行うことを特徴とする貫流型廃熱回収ボイラ。
【請求項１１】
請求項８または１０に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、
前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンが負荷上昇中、負荷下降中、および、負荷一定のそれぞれの状態に応じた所定の給水増減目標値を設定する切り替えスイッチと、該目標値に向けて所定のレートで変化する値を出力する速度制限器と、該速度制限器の出力値と前記給水制御装置の出力とを加算して給水流量指令値とする加算器とを備えていることを特徴とする貫流型廃熱回収ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貫流型廃熱回収ボイラに係わり、特にガスタービン等から排出されるガスの熱を利用して過熱蒸気を生成する貫流型廃熱回収ボイラにおける制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３に貫流型廃熱回収ボイラの概略構成について示した。図において、符号１はガスタービン、符号２は貫流型廃熱回収ボイラである。
ガスタービン１は、空気を圧縮する空気圧縮機３，圧縮された空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器４，燃焼器４で燃焼して膨張したガスが導入されて駆動するタービン５、後述する貫流型廃熱回収ボイラ２からの蒸気が導入されるタービン６、および、タービン５およびタービン６の回転エネルギーから発電を行う発電機７を備えている。燃焼器４にはガバナ弁８を介して燃料が供給されている。このガバナ弁８は、負荷指令（発電装置指令）が入力されることにより、その指令値に応じた開度に調節されるようになっている。
貫流型廃熱回収ボイラ２は、下方から上方へ向かってガスタービン１の排気ガスＧを導くケーシング１１と、該ケーシング１１内に上から下に向かって順番に配置された節炭器２０、蒸発器２１及び過熱器２２と、ケーシング１１の外部に設置されて節炭器２０に給水Ｗを供給する給水ポンプ１５とを備えて構成される。節炭器２０、蒸発器２１および過熱器２２は、お互いの接続部を介して連続した流路をなすように構成されている。
節炭器２０は給水Ｗをその内部に通して予熱する役目をなし、また、蒸発器２１は、節炭器２０からの給水Ｗを加熱して蒸気Ｓを蒸発させる役目をなし、過熱器２２は、蒸発器２１からの蒸気Ｓを更に加熱して過熱蒸気ＳＳを生成する役目をなす。
【０００３】
貫流型廃熱回収ボイラでは、通常の廃熱回収ボイラと相違して、コスト削減の目的にて汽水分離を行うドラムを設けていない。このため、蒸発器２１出口は飽和温度を維持するとともに、過熱器２２には多量のドレン（飽和水）を流入させてはならない。蒸発器２１出口が過熱蒸気に至った場合には蒸発器２１の材質上の問題が、また、逆に蒸発器２１出口の乾き度が小さい場合、過多の飽和水が過熱器２２に流入して流動不安定の問題が発生する。
【０００４】
このため、特願２００２−１７１７６５記載の技術では、給水流量を制御することで、蒸発器出口の乾き度が一定値となるようにしている。
図１４は当該貫流型廃熱回収ボイラの制御系である。節炭器２０は、３つの節炭器２０ａ、２０ｂ、２０ｃからなり、過熱器２２は、３つの過熱器２２ａ、２２ｂ、２２ｃからなる。
本貫流型廃熱回収ボイラには、給水制御装置２５として、以下の構成が設けられている。符号３１は、過熱器２２ａの出口蒸気温度を検出する温度検出手段である。また、符号３３は、ガバナ弁８（図１３参照）への負荷指令３２に基づく蒸気温度設定を算出する関数演算器（蒸気温度設定算出器）である。符号３４は、温度検出手段３１により検出された蒸気温度と、関数演算器３３により算出された蒸気温度設定との偏差を計算する偏差演算器である。この偏差演算器３４により算出された偏差は、符号３５で示したＰＩＤ制御器に与えられ、このＰＩＤ制御器３５は、過熱器２２ａの出口蒸気温度を蒸気温度設定にコントロールするように給水流量指令を給水ポンプ１５に出力するものである。給水ポンプ１５においては、ポンプ回転数またはポンプ出口に設置される給水制御弁の開度を制御することによってＰＩＤ制御器３５の出力に見合う給水量をボイラに供給するものである。すなわち、与えられた給水流量指令に追従する機能を含んだものであり、制御機能または制御装置を含んでいる。
関数演算器３３で算出される蒸気温度設定は、予め決められた負荷におけるガス側と水・蒸気側との熱バランスにて、過熱器２２ａを通過する間の蒸気から過熱蒸気への温度上昇を見越した蒸気温度設定である。（関数演算器３３にて計算に用いられる関数は、予め設定計画および燃焼試験により準備される関数である。）
また、符号３６は高圧蒸気弁であり、異常時やプラント起動、停止時を除いて蒸気圧力は特に制御することなく成り行き任せであり、高圧蒸気弁３６は規定開度Ｚ％で一定のままである。
なお、上記の給水制御装置は高圧系に限らず、中圧系及び低圧系にも適用可能である。
【０００５】
【特許文献１】
特公平８−２３４０６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成された従来の貫流型廃熱回収ボイラにおいては、過熱器２２ａ出口における蒸気温度と蒸気温度設定とを比較し、給水ポンプ１５を制御することにより、蒸発器２１の出口における乾き度を制御している。
すなわち、蒸発器２１出口での乾き度を直接計測する手段はないため、事前に過熱器２２ａでの吸収熱量を求め、蒸発器出口乾き度を一定とする、負荷指令３２に対する過熱器２２ａ出口温度設定の関数を作成し、本温度が得られるよう給水流量を制御しているのである。この過熱器２２ａでの吸収熱量は、いくつかのボイラ負荷に於いて実機の静特性データ等から静特性として求める。
過熱器２２ａ出口温度による給水流量制御の最も一般的で汎用的な制御法はＰＩＤ制御である。
【０００７】
本従来技術では、静特性的に過熱器２２ａでの加熱量を関数化し、負荷指令が変動した場合に過熱器２２ａで適切な加熱量となるように給水量を制御している。しかし、例えば負荷が降下すると蒸気圧力が減少するため、蒸発器２１での飽和温度も減少する。このとき蒸発器２１の鋼材温度は熱容量のためにすぐには変動せず、静特性より多くの熱が流体側に移動する。この結果蒸発器出口の乾き度は一時的に上昇する。すなわち、蒸発器出口の温度が変化したのちに過熱蒸気の温度が遅れて変化し、この間乾き度は変動してしまう。
もしこの一次過熱器２２ａにおける吸収熱量の静特性と動特性とが一致する場合でも、実際には給水ポンプ１５の動作遅れに伴う制御のハンチング現象防止のため、給水制御のＰＩＤパラメータを十分大きくすることはできない。
以上のように、従来の給水流量による蒸発器出口の乾き度制御にはさらなる精度上改善の余地がある。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、蒸発器出口乾き度を一定に維持させることにより給水から過熱蒸気生成に至る加熱経路上での流動性が不安定になるのを防止し、かつ蒸発器部材の焼損を防止できる貫流型廃熱回収ボイラを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、他の装置から排出された排ガスを導くケーシング内に、給水を受けて該給水を予熱する節炭器と、該節炭器からの前記給水を加熱して蒸気を発生させる蒸発器と、該蒸発器からの前記蒸気を更に加熱して過熱蒸気を生成する過熱器と、蒸気圧力を調節する蒸気弁とを備えた貫流型廃熱回収ボイラにおいて、前記過熱蒸気の温度に基づいて前記蒸発器出口における蒸気の乾き度の変動を抑えるように前記給水流量を制御する給水制御装置と、蒸気圧力の変動を静特性よりも抑えることにより前記蒸発器出口乾き度の過渡的変動幅を抑える乾き度制御装置とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
貫流型廃熱回収ボイラでは、他の装置の排ガス熱量（例えば他の装置がガスタービンである場合、ガスタービン負荷）が降下する場合は蒸気圧力は減少し、蒸発器での飽和温度も減少する。このとき蒸発器の鋼材温度は熱容量のためすぐに降下せず、静特性より多くの熱が流体側に移動する。この結果蒸発器出口の乾き度は一時的に上昇する。本発明では、負荷降下時に蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より高くすることで、この一時的な乾き度の上昇を抑え、蒸発器出口乾き度の過渡的変動幅を従来より軽減させる。負荷が増加する場合はその反対の操作により蒸発器出口乾き度の過渡的変動幅を軽減させる。
また、給水制御装置としては、図１４の従来技術の例のように、過熱蒸気の温度を検出する温度検出手段と、前記他の装置としてのガスタービンの負荷指令に基づいた蒸気温度設定を算出する蒸気温度設定算出器と、前記過熱蒸気温度と蒸気温度設定との偏差に基づいて給水流量指令を生成する制御器とを備え、該給水流量指令に基づいて前記給水流量が制御される構成とすることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、前記他の装置としてガスタービンが設けられ、前記乾き度制御装置は、該ガスタービンの負荷指令が増加／減少する場合に一時的に前記蒸気弁の開度を減／増する制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
ガスタービンの負荷指令が降下する場合は蒸気弁開度を減とする。これにより蒸気圧力すなわち飽和温度が静特性より増加する。ガスタービン負荷指令が上昇する場合は蒸気弁開度を増とする。これにより蒸気圧力すなわち飽和温度が静特性より減少する。これにより蒸発器出口乾き度の負荷変化時の一時的な上昇・降下が軽減する。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンの負荷指令から蒸気圧力の静特性を求める関数発生器と、該関数発生器の出力である蒸気圧力の静特性に対して一次遅れを発生させる一次遅れ回路と、該一次遅れ回路の出力と蒸気圧力との差に応じて蒸気弁開度を制御する蒸気圧力制御器とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
関数発生器によってガスタービン負荷指令から蒸気圧力の静特性が与えられ、一次遅れ回路により、負荷降下中の蒸気圧力は静特性より高く、また負荷上昇中の蒸気圧力は低く維持される。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンの負荷指令が増加／減少している間蒸気弁開度を増加／減少させ、前記負荷指令の増加／減少が終了した後再び元の蒸気弁開度に戻す制御を行うことを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、ガスタービンの負荷指令が降下している間、蒸気弁開度を徐々に減少させる。これにより蒸気圧力すなわち飽和温度が静特性より増加する。負荷降下が終了後、蒸気弁開度を徐々に増加させて元の開度に戻す。ガスタービン負荷指令が上昇している間は蒸気弁開度を徐々に増とする。負荷降下が終了後、蒸気弁開度を徐々に減少させて元の開度に戻す。これにより蒸気圧力すなわち飽和温度が静特性より減少する。したがって蒸発器出口乾き度の負荷変化時の一時的な上昇・降下が軽減する。
なお、蒸気弁開度を増加／減少させる際のレートと元に戻す際のレートは必ずしも一定でなくてもよく、変動するレートでもよい。またそれぞれ異なるレートであってもよい。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項２または４に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンが負荷上昇中、負荷下降中、および、負荷一定のそれぞれの状態に応じた所定の蒸気弁開度目標値を設定する切り替えスイッチと、該目標値に向けて所定のレートで変化する値を出力する速度制限器と、該速度制限器の出力値と前記蒸気弁の規定開度指令とを加算して蒸気弁開度指令値とする加算器とを備えていることを特徴とする。
【００１８】
この発明においては、例えばガスタービンが負荷上昇中は＋α％、負荷下降中は−α％、負荷一定では０％が速度制限器に入力されるようにする。速度制限器は与えられた入力値を目標値として所定レートで増加または減少する値を出力する。加算器において速度制限器の出力と規定開度指令（例えばＺ％）とが足し合わされて蒸気弁に与えられる。
これにより、負荷降下中では蒸気弁開度は負荷降下前のＺ％から、負荷降下と同時にＺ−α％に向かって減少し、負荷静定と同時にＺ％に向かって増加する。逆に、負荷上昇中においては、蒸気弁開度は負荷上昇前のＺ％から、負荷上昇と同時にＺ＋α％に向かって増加し、負荷静定と同時にＺ％に向かって減少する。この蒸気弁の動作により、負荷降下中には蒸気圧力は静特性より高く、負荷上昇中には蒸気圧力は静特性より低く維持される。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項２に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンの負荷指令が増加／減少している間蒸気弁開度を増加／減少させ、前記負荷指令の増加／減少が終了した後、所定時間経過後に再び元の蒸気弁開度に戻す制御を行うことを特徴とする。
【００２０】
本発明においては、ガスタービンの負荷指令が降下している間は蒸気弁開度を徐々に減少させる。負荷降下が完了後、一定時間開度保持後に蒸気弁開度を徐々に規定開度に戻す。これにより蒸気圧力すなわち飽和温度が静特性より増加する。ガスタービン負荷指令が上昇している間は蒸気弁開度を徐々に増とし、負荷上昇が完了後、一定時間開度保持後に蒸気弁開度を徐々に規定開度に戻す。これにより蒸気圧力すなわち飽和温度が静特性より減少する。これにより蒸発器出口乾き度の負荷変化時の一時的な上昇・降下が軽減する。
蒸気弁開度を増加／減少させる際のレートと元に戻す際のレートについてそれぞれ適切な値を選択すれば、蒸発器出口乾き度の変動をより効果的に抑えることができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項２または６に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、前記乾き度制御装置は、ＯＦＦとなるタイミングを遅らせたガスタービンの負荷上昇中信号または降下中信号を出力とするＯＦＦディレイ回路と、該ＯＦＦディレイ回路の出力の状態に応じた所定の蒸気弁開度目標値を設定する目標値設定切り替えスイッチと、該目標値に向けて所定の変化レートで変化する値を出力する速度制限器と、該速度制限器に対して前記ＯＦＦディレイ回路の出力に応じた変化レートを与える変化レート切り替えスイッチと、前記速度制限器の出力値と前記蒸気弁の規定開度指令とを加算して蒸気弁開度指令値とする加算器とを備えていることを特徴とする。
【００２２】
この発明においては、ＯＦＦディレイ回路により以下の例のような蒸気弁開度目標値が速度制限器に入力される。
「ガスタービンの負荷上昇開始から負荷上昇終了後所定時間経過まで」は＋α％、「ガスタービンの負荷降下開始から負荷降下終了後所定時間経過まで」は−α％、「上記以外の状態」では０％が速度制限器に入力される。
速度制限器は与えられた入力値を目標値として所定レートで増加または減少する値を出力する。加算器において速度制限器の出力と規定開度指令（例えばＺ％）と足し合わされて蒸気弁に与えられる。
これにより、負荷降下中では蒸気弁開度は負荷降下前のＺ％から、負荷降下と同時にＺ−α％に向かって減少し、負荷降下が完了後、一定時間開度保持後に蒸気弁開度はＺ％に向かって増加する。逆に、負荷上昇中においては、蒸気弁開度は負荷上昇前のＺ％から、負荷上昇と同時にＺ＋α％に向かって増加し、負荷上昇が完了後、一定時間開度保持後に蒸気弁開度はＺ％に向かって減少する。この蒸気弁の動作により、負荷降下中には蒸気圧力は静特性より高く、負荷上昇中には蒸気圧力は静特性より低く維持される。
さらに変化レート切り替えスイッチの作用により、ＯＦＦディレイ回路の出力に応じて蒸気弁開度を増加／減少させる際のレートと元に戻す際のレートについてそれぞれ適切な値を選択することができる。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、前記乾き度制御装置は、ガスタービンの負荷指令が変化した場合に前記給水制御装置によって制御される給水量を一時的に増減させることで蒸発器出口乾き度の変動を抑えることを特徴とする。
【００２４】
本発明においては、給水流量を変化させることによって蒸気圧力の変動を静特性よりも抑える。すなわち、負荷上昇時には給水流量を給水制御装置出力より減少させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より減少させる。また負荷降下時には給水流量を給水制御装置出力より増加させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より増加させる。これにより蒸発器出口乾き度の負荷変化時の一時的な上昇／降下が軽減される。
【００２５】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンの負荷指令から蒸気圧力の静特性を求める関数発生器と、該関数発生器の出力である蒸気圧力の静特性に対して一次遅れを発生させる一次遅れ回路と、該一次遅れ回路の出力と蒸気圧力との差に応じて給水量増減信号を出力する制御器とを備えていることを特徴とする。
【００２６】
関数発生器によってガスタービン負荷指令から蒸気圧力の静特性が与えられ、一次遅れ回路により、負荷降下中の蒸気圧力は静特性より高く、また負荷上昇中の蒸気圧力は低く維持される。
【００２７】
請求項１０に記載の発明は、請求項８に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンの負荷指令が増加／減少している間、前記給水制御装置の出力である給水流量指令値を増加／減少させ、前記負荷指令の増加／減少が終了した後再び元の給水流量指令値に戻す制御を行うことを特徴とする。
【００２８】
本発明においては、ガスタービンの負荷指令が降下している間は給水流量指令値に対して徐々に増加する増加分を加える。負荷降下が終了した後は給水流量指令に加えられていた増加分を徐々に減少させる。これにより蒸気圧力すなわち飽和温度が静特性より増加する。ガスタービン負荷指令が上昇している間は、給水流量指令値に対して徐々に減少する減少分を加える。負荷上昇が終了した後は給水流量指令に加えられていた減少分を徐々に増加させる。これにより蒸気圧力すなわち飽和温度が静特性より減少する。これにより蒸発器出口乾き度の負荷変化時の一時的な上昇・降下が軽減する。
なお、給水流量指令値を増加／減少させる際のレートと元に戻す際のレートは必ずしも一定でなくてもよく、変動するレートでもよい。またそれぞれ異なるレートであってもよい。
【００２９】
請求項１１に記載の発明は、請求項８または１０に記載の貫流型廃熱回収ボイラにおいて、前記乾き度制御装置は、前記ガスタービンが負荷上昇中、負荷下降中、および、負荷一定のそれぞれの状態に応じた所定の給水増減目標値を設定する切り替えスイッチと、該目標値に向けて所定のレートで変化する値を出力する速度制限器と、該速度制限器の出力値と前記給水制御装置の出力とを加算して給水流量指令値とする加算器とを備えていることを特徴とする。
【００３０】
この発明においては、例えばガスタービンが負荷上昇中は−γＴ／Ｈ、負荷下降中は＋γＴ／Ｈ、負荷一定では０Ｔ／Ｈが速度制限器に入力されるようにする。速度制限器は与えられた入力値を目標値として所定レートで減少または増加する値を出力する。加算器において速度制限器の出力と給水制御装置の出力とが足し合わされて蒸気弁に与えられる。
これにより、負荷降下中では給水流量は所定レートで「給水制御装置の出力＋γＴ／Ｈ」に向かって増加し、負荷静定と同時に給水制御装置の出力に向かって所定レートで減少する。逆に、負荷上昇中においては、所定レートで「給水制御装置の出力−γＴ／Ｈ」に向かって減少し、負荷静定と同時に給水制御装置の出力に向かって所定レートで増加する。この動作により、負荷降下中には蒸気圧力は静特性より高く、負荷上昇中には蒸気圧力は静特性より低く維持される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、上記従来の貫流型廃熱回収ボイラと同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略した。また、以下の各実施形態では高圧系について記載しているが、中圧系および低圧系にもそれぞれ適用できる。
【００３２】
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態として示した貫流型廃熱回収ボイラの構成図である。本実施形態においては、従来の制御系に加えて、高圧蒸気弁３６にて高圧蒸気圧力をＰＩＤ制御する乾き度制御装置３７を備えている。
乾き度制御装置３７は以下の構成を備えている。符号４０は負荷指令３２の出力信号を入力信号とする関数発生器、符号４１は関数発生器４０の出力信号を入力とする一次遅れ回路、符号４２は一方の入力を一次遅れ回路４１の出力信号とし、他方の入力信号を圧力検出器４３により検出された過熱器２２出口の高圧蒸気圧力とする減算器である。また、符号４４は減算器４２の出力信号を入力とするＰＩＤ制御器（蒸気圧力制御器）である。関数発生器４０は、高圧蒸気圧力の静特性を与える関数であり、一次遅れ回路４１を設けることにより、負荷降下中の高圧蒸気圧力は静特性より高く、また負荷上昇中の高圧蒸気圧力は低く維持することができる。
本構成によれば、関数発生器４０によって負荷指令３２から高圧蒸気圧力の静特性が与えられ、一次遅れ回路４１により静特性に対する遅れが与えられる。そして減算器４２において高圧蒸気圧力との差が求められ、この差に基づいてＰＩＤ制御回路４４が高圧蒸気弁３６に高圧蒸気開度指令値を与え、高圧蒸気の圧力が制御される。
【００３３】
貫流型廃熱回収ボイラでは、負荷が降下する場合は蒸気圧力は減少し、蒸発器２１での飽和温度も減少する。このとき蒸発器２１の鋼材温度は熱容量のためすぐに降下せず、静特性より多くの熱が流体側に移動する。この結果従来においては蒸発器２１出口の乾き度は一時的に上昇する。
本実施形態においては、負荷降下時に蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より高くし、この一時的な乾き度の上昇を抑えることにより、蒸発器２１出口乾き度の過渡的変動幅を従来より軽減させることができる。負荷が増加する場合はその反対の操作により蒸発器出口乾き度の過渡的変動幅を軽減させることができる。
すなわち、負荷上昇時には蒸気弁３６を規定開度より増加させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より減少させる。また負荷降下時には蒸気弁３６を規定開度より減少させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より増加させる。このようにして蒸発器２１出口乾き度の負荷変化時の一時的な上昇／降下を軽減できる。
【００３４】
図２〜図５は本実施形態による効果を検証するため実施した計算機シミュレーション結果である。図２は発電機負荷指令変化量、図３は高圧蒸気弁開度変化量、図４は高圧蒸気圧力変化量、図５は蒸発器出口乾き度変化量である。
図６は従来技術によるシミュレーションに用いた制御系、図７は本実施形態によるシミュレーションに用いた制御系である。本シミュレーションでは蒸発器出口乾き度が計測できるものとして、図６の従来技術の制御系に対して本実施形態の乾き度制御装置３７を付加した制御系（図７）をシミュレーションしたが、効果の検証に対してこの実機との相違は本質ではない。図６および図７では、減算器３８により蒸発器出口乾き度と乾き度設定値Ｙ％との差を求め、この差に基づいてＰＩＤ制御装置３９が給水バルブ１５に給水流量指令を与えて給水制御するように構成されている。従来の制御系による給水制御のＰＩＤパラメータと本実施形態での給水制御のＰＩＤパラメータの値は同一である。
図２〜図５中の（０）は従来の制御系のシミュレーション結果、（１）は第１実施形態のシミュレーション結果である。図５の（０）と（１）の比較より蒸発器出口乾き度の変化量は従来に比べ第１実施形態では約３／４に軽減されていることがわかる。
【００３５】
以上のように、本実施形態においては蒸発器２１出口の乾き度の変動を抑えることで、給水から過熱蒸気生成に至る加熱経路上での流動性が不安定になるのを防止し、かつ蒸発器部材の焼損を防止することができる。
【００３６】
＜第２実施形態＞
図８は本発明の第２実施形態に係る貫流型廃熱回収ボイラである。本実施形態においても従来の制御系が併用されるが従来の制御部の記載は割愛している。
本実施形態においては乾き度制御装置４５として、以下の構成を備えている。符号４６，４７はそれぞれガスタービンの負荷上昇中信号と負荷下降中信号が入力され、これら入力値に応じて出力値が切り替えられる切り替えスイッチであり、符号４８は入力された値を目標値として一定レートで変化する値を出力する速度制限器である。また符号４９は加算器である。
切り替えスイッチ４６は、＋α％と０％の二つの定数が入力され、負荷上昇中の信号がＯＮの場合はａ側が選択されて＋α％が出力される。また、ＯＦＦの場合はｂ側が選択されて０％が出力される。切り替えスイッチ４６の出力が次段の切り替えスイッチ４７のｂ側へ入力される。切り替えスイッチ４７のａ側には定数−α％が入力されている。この切り替えスイッチ４７では、負荷降下中の信号がＯＮの時ａ側が選択され、ＯＦＦの時はｂ側が選択される。この切り替えスイッチ４７の出力が速度制限器４８に対して目標値として入力される。速度制限器４８の出力信号が加算器４９にて定数Ｚ％に足し合わされ、その出力が高圧蒸気弁３６の開度指令値となる。定数Ｚ％は従来例で用いられている規定開度である。
【００３７】
本実施形態においては、例えば負荷降下中では速度制限器４８の出力は−α％に向けて一定レートで減少し、負荷が静定したと同時に速度制限器４８の出力は同じレートで０％まで戻る。したがって、高圧蒸気弁開度は負荷降下前のＺ％から、負荷降下と同時にＺ−α％に向かって減少し、負荷静定と同時にＺ％に向かって増加する。逆に、負荷上昇中においては、高圧蒸気弁開度は負荷上昇前のＺ％から、負荷上昇と同時にＺ＋α％に向かって増加し、負荷静定と同時にＺ％に向かって減少する。この高圧蒸気弁の動作により、負荷降下中に高圧蒸気圧力を静特性より高く、負荷上昇中には高圧蒸気圧力を静特性より低く維持することができる。
【００３８】
本実施形態においても第１実施形態と同様に計算機シミュレーションを行った。図示は省略したが、図６に示した従来の制御系に対して本実施形態の乾き度制御装置４５を適用した制御系をシミュレーションした。従来の制御系による給水制御のＰＩＤパラメータと本実施形態での給水制御のＰＩＤパラメータの値は同一である。
図２〜図５の（２）は本実施形態のシミュレーション結果である。図５からわかるように、第１実施形態と同様に蒸発器出口乾き度の変化量は従来に比べ約３／４に軽減されていることがわかる。
【００３９】
このように、本実施形態においては負荷上昇時には蒸気弁３６を規定開度より増加させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より減少させる。また負荷降下時には蒸気弁３６を規定開度より減少させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より増加させる。このようにして蒸発器２１出口乾き度の負荷変化時の一時的な上昇／降下を軽減できる。
以上のように、本実施形態においては蒸発器２１出口の乾き度の変動を抑えることで、給水から過熱蒸気生成に至る加熱経路上での流動性が不安定になるのを防止し、かつ蒸発器部材の焼損を防止することができる。
【００４０】
＜第３実施形態＞
図９に示したものは第３実施形態に係る貫流型廃熱回収ボイラである。本実施形態でも従来の制御器が併用されるが従来の制御部の記載は割愛している。
本実施形態においては乾き度制御装置５０として、以下の構成を備えている。上記第２実施形態と同様に、２カ所の切り替えスイッチ（目標値設定切り替えスイッチ）４６，４７と速度制限器４８、および加算器４９を備えている。これらは第２実施形態と全く同一であるので説明を省略する。またこれらの入力信号も第２実施形態とほぼ同一である。上記第２実施形態との相違点は２カ所の切り替えスイッチ４６，４７の切り替え条件と速度制限器４８のレートを条件により変えている点である。
負荷上昇中の信号、および、負荷降下中の信号は、それぞれＯＦＦディレイ回路５１，５２を経て切り替えスイッチ４６，４７の入力信号として入力されている。また、ＯＦＦディレイ回路５１，５２の出力はＯＲ回路５３に入力され、ＯＲ回路５３出力が変化レート切り替えスイッチ５４に入力される。変化レート切り替えスイッチ５４には、定数β１及びβ２が入力され、ＯＲ回路５３の出力信号がＯＮの時β１が、またＯＦＦの時β２が選択され、速度制限器４８に対して出力信号の変化レートを与える。
【００４１】
本実施形態においては、例えば負荷降下中では速度制限器４８の出力は−α％に向けて一定レートβ１で減少し、負荷が静定した後、ＯＦＦディレイ回路５２によって与えられた所定ディレイ後にレートβ２で０％まで戻る。したがって、高圧蒸気弁開度は負荷降下前のＺ％から、負荷降下と同時にＺ−α％に向かってレートβ１で減少し、負荷静定後、所定ディレイ後にＺ％に向かってレートβ２で増加する。逆に、負荷上昇中においては、高圧蒸気弁開度は負荷上昇前のＺ％から、負荷上昇と同時にＺ＋α％に向かってレートβ１で増加し、負荷静定後、ＯＦＦディレイ回路５１によって与えられた所定ディレイ後にＺ％に向かってレートβ２で減少する。
すなわち、ＯＦＦディレイ回路５１，５２により負荷降下・上昇が完了後、一定時間開度保持後に高圧蒸気弁開度を規定開度に戻すとともに、高圧蒸気弁の規定開度に戻るレートと、負荷降下・上昇中の開度増減レートとを適切なレートに変えることにより、蒸発器出口乾き度の変動をより効果的に抑えたものである。
【００４２】
本実施形態においても第１実施形態と同様に計算機シミュレーションを行った。図示は省略したが、図６に示した従来の制御系に対して本実施形態の乾き度制御装置５０を適用した制御系についてシミュレーションした。従来の制御系による給水制御のＰＩＤパラメータと本実施形態での給水制御のＰＩＤパラメータの値は同一である。
図２〜図５の（３）は本実施形態のシミュレーション結果である。図５において、第２実施形態のシミュレーション結果（２）では負荷降下の終了時点（１０分）より蒸発器出口乾き度が上昇していることがわかる。これは負荷降下終了後の高圧蒸気弁開度の復帰が早すぎ、したがって圧力低下が早すぎるためである。本実施形態でのシミュレーション結果（３）では、蒸発器出口乾き度の変化量の最大値は従来に比べ約１／２に軽減されていることがわかる。また、負荷静定後の蒸発器出口乾き度変動のアンダーシュート量も減少していることがわかる。
【００４３】
このように、本実施形態においては負荷上昇時には蒸気弁３６を規定開度より増加させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より減少させる。また負荷降下時には蒸気弁３６を規定開度より減少させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より増加させる。このようにして蒸発器２１出口乾き度の負荷変化時の一時的な上昇／降下を軽減できる。
以上のように、本実施形態においては蒸発器２１出口の乾き度の変動を抑えることで、給水から過熱蒸気生成に至る加熱経路上での流動性が不安定になるのを防止し、かつ蒸発器部材の焼損を防止することができる。
【００４４】
＜第４実施形態＞
図１０は第４実施形態としての貫流型廃熱回収ボイラである。上記第１〜第３実施形態の貫流型廃熱回収ボイラが高圧蒸気弁開度制御により高圧蒸気圧力を操作したのに対して、本実施形態では給水流量を制御して高圧蒸気圧力を操作するものである。
本実施形態においては乾き度制御装置５５として、以下の構成を備えている。本実施形態では上記第１実施形態と同様に関数発生器４０，一次遅れ回路４１，、減算器４２、および圧力検出器４３を備えており、共通する部分については同一の符号を用いて説明を省略する。図において、符号５６は減算器４２の出力である高圧蒸気圧力偏差に対して比例制御する比例制御器（制御器）であり、符号５７は比例制御器５６の出力信号と、従来の給水流量指令を算出しているＰＩＤ制御器３５の出力信号とを加算する加算器である。加算器５７の出力が給水流量指令となって給水ポンプ１５に与えられ、給水量が制御される。また高圧蒸気圧力弁３６には規定開度のＺ％が与えられている。
【００４５】
本実施形態においては負荷上昇時には給水流量を従来のＰＩＤ制御器３５出力より減少させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より減少させる。また負荷降下時には給水流量を従来のＰＩＤ制御器３５より増加させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より増加させる。これにより蒸発器２１出口乾き度の負荷変化時の一時的な上昇／降下を軽減できる。
以上のように、本実施形態においては蒸発器２１出口の乾き度の変動を抑えることで、給水から過熱蒸気生成に至る加熱経路上での流動性が不安定になるのを防止し、かつ蒸発器部材の焼損を防止することができる。また、蒸気圧力を下げないことにより発電出力に与える影響が少ない。
【００４６】
＜第５実施形態＞
図１１に示したものは第５実施形態に係る貫流型廃熱回収ボイラである。本実施形態においては乾き度制御装置５８として、負荷上昇中信号および負荷降下中信号がそれぞれ入力される切り替えスイッチ５９，６０と、入力された値を目標値として一定レートで変化する値を出力する速度制限器６１と、該速度制限器６１の出力とＰＩＤ制御器３５の出力とを加算する加算器６２とを備えている。
上段の切り替えスイッチ５９には二つの定数０Ｔ／Ｈと−γＴ／Ｈの信号が入力される。この切り替えスイッチ５９は負荷上昇中の信号がＯＮのときはａ側の−γＴ／Ｈを、ＯＦＦのときはｂ側の０Ｔ／Ｈを出力する。上段の切り替えスイッチ５９の出力が下段の切り替えスイッチ６０のｂ側に入力される。切り替えスイッチ６０のａ側には＋γＴ／Ｈが入力される。この切り替えスイッチ６０は、負荷降下中の信号がＯＮのときａ側の＋γＴ／Ｈを、ＯＦＦのとき上段の切り替えスイッチ５９の出力信号を出力する。下段の切り替えスイッチ６０の出力が速度制限器６１に入力され、速度制限器６１の出力が従来の給水流量指令であるＰＩＤ制御器３５の出力とともに加算器６２に入力され、加算器６２の出力が給水流量指令となって給水ポンプ１５に与えられ、給水量が制御される。
このように構成されていることにより、本実施形態においては、負荷降下中では給水流量は所定レートで「ＰＩＤ制御器３５の出力＋γＴ／Ｈ」に向かって増加し、負荷静定と同時にＰＩＤ制御器３５の出力に向かって所定レートで減少する。逆に、負荷上昇中においては、所定レートで「ＰＩＤ制御器３５の出力−γＴ／Ｈ」に向かって減少し、負荷静定と同時にＰＩＤ制御器３５の出力に向かって所定レートで増加する。この動作により、負荷降下中には蒸気圧力は静特性より高く、負荷上昇中には蒸気圧力は静特性より低く維持される。
【００４７】
このように、本実施形態においては負荷上昇時には給水流量を従来のＰＩＤ制御器３５出力より減少させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より減少させる。また負荷降下時には給水流量を従来のＰＩＤ制御器３５より増加させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より増加させる。これにより蒸発器２１出口乾き度の負荷変化時の一時的な上昇／降下を軽減できる。
以上のように、本実施形態においては蒸発器２１出口の乾き度の変動を抑えることで、給水から過熱蒸気生成に至る加熱経路上での流動性が不安定になるのを防止し、かつ蒸発器部材の焼損を防止することができる。また、蒸気圧力を下げないことにより発電出力に与える影響が少ない。
【００４８】
なお、上記各実施形態においては、以下の特徴を有する。
高圧蒸気弁の操作により高圧タービン蒸気流量が変化するが、例えば高圧蒸気弁が規定開度より減少した場合、高圧蒸気圧力が上昇するため、結局高圧タービン蒸気流量の流動はさほど大きくはならない。
また、圧力設定値や強制増減操作は負荷静定時には元に戻し、結果従来の制御と何ら変化がないため、負荷静定後の高圧蒸気弁開度や給水流量、および高圧蒸気圧力、発電機出力の各状態量は従来の状態量と全く同一である。
第４、５実施形態は、従来の給水流量による過熱器２２ａ出口蒸気温度制御に、蒸気圧力制御の補正が加わる形である。従来の制御方式では負荷降下時の蒸発器出口乾き度は一時的な上昇、また負荷増加時の蒸発器出口乾き度は一時的な減少となる。これに対して、第４，５実施形態においては蒸気圧力を操作する目的で給水流量を制御するが、負荷降下時には給水流量は従来の方式より増加の方向であり、また負荷増加時には給水流量は従来の方式より減少の方向であり、いずれも従来の制御による給水流量を助成する方向である（従来の制御の外乱とはならない）。
【００４９】
また、以上の各実施形態は図１４の制御系に対して本発明を適用しているが、本発明を適用する従来の制御系はこれに限定されるものではない。たとえば、図１２の制御系に対して適用しても良い。
符号６５は負荷指令に基づいて給水先行設定を算出する関数演算器である。この関数演算器６５は、予め決められた負荷におけるガス側と水・蒸気側との熱バランスにて、蒸発器２１出口にて適切な乾き度になる給水流量を算出する。（本設定は、予め設計計画および燃焼試験等により準備される関数である。）
また、給水先行設定は、加算器６６にてＰＩＤ制御器３５で算出された給水流量指令と足し合わされた後、図１４の制御系と同様に給水ポンプ１５に出力される。
本回路によって、負荷に見合った給水がボイラに対してなされ、図１４における温度偏差のずれを修正するように、制御器３５が動く。したがって、制御器３５の制御感度（ゲイン）を大きくすることができ、温度変化に対する追従性がより向上してより安定したボイラの運転が可能となる。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば以下の効果を得ることができる。
請求項１に記載の発明によれば、蒸発器出口乾き度の過渡的変動幅を抑えることにより、給水から過熱蒸気生成に至る加熱経路上での流動性が不安定になるのを防止し、かつ蒸発器部材の焼損を防止することができる。
請求項２〜７の発明によれば、負荷上昇時には蒸気弁を規定開度より増加させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より減少させる。また負荷降下時には蒸気弁を規定開度より減少させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より増加させることにより蒸発器出口乾き度の負荷変化時の一時的な上昇／降下を軽減できる。したがって給水から過熱蒸気生成に至る加熱経路上での流動性が不安定になるのを防止し、かつ蒸発器部材の焼損を防止することができる。
請求項８〜１１の発明によれば、負荷上昇時には給水流量を従来の過熱器出口蒸気温度制御器出力より減少させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より減少させる。また負荷降下時には給水流量を従来の過熱器出口蒸気温度制御器出力より増加させることにより、蒸気圧力すなわち飽和温度を静特性より増加させる。これによって蒸発器出口乾き度の負荷変化時の一時的な上昇／降下を軽減できる。したがって給水から過熱蒸気生成に至る加熱経路上での流動性が不安定になるのを防止し、かつ蒸発器部材の焼損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態として示した貫流型廃熱回収ボイラの制御系を示した図である。
【図２】各実施形態の計算機シミュレーション結果であり、発電機負荷指令変化量について示した図である。
【図３】各実施形態の計算機シミュレーション結果であり、高圧蒸気弁開度変化量について示した図である。
【図４】各実施形態の計算機シミュレーション結果であり、高圧蒸気圧力変化量について示した図である。
【図５】各実施形態の計算機シミュレーション結果であり、蒸発器出口乾き度変化量について示した図である。
【図６】計算機シミュレーションに用いた従来の制御系である。
【図７】計算機シミュレーションに用いた第１実施形態に相当する制御系である。
【図８】本発明の第２実施形態として示した貫流型廃熱回収ボイラの制御系を示した図である。
【図９】本発明の第３実施形態として示した貫流型廃熱回収ボイラの制御系を示した図である。
【図１０】本発明の第４実施形態として示した貫流型廃熱回収ボイラの制御系を示した図である。
【図１１】本発明の第５実施形態として示した貫流型廃熱回収ボイラの制御系を示した図である。
【図１２】本発明の各実施形態の変形例として適用可能な従来の貫流型廃熱回収ボイラの制御系を示した図である。
【図１３】ガスタービンと、従来の貫流型廃熱回収ボイラの構成とを示した概略図である。
【図１４】従来の貫流型廃熱回収ボイラの制御系について示した図である。
【符号の説明】
３２  負荷指令
３６  高圧蒸気弁
３７  乾き度制御装置
４０  関数発生器
４１  一次遅れ回路
４２  減算器
４４  ＰＩＤ制御器
４５  乾き度制御装置
４６、４７  切り替えスイッチ（目標値設定切り替えスイッチ）
４８  速度制限器
４９  加算器
５０  乾き度制御装置
５１、５２  ＯＦＦディレイ回路
５４  変化レート切り替えスイッチ
５５  乾き度制御装置
５６  比例制御器
５９，６０  切り替えスイッチ
６１  速度制限器
６２  加算器
【図１】
2004301366.tif 000003
【図２】
2004301366.tif 000004
【図３】
2004301366.tif 000005
【図４】
2004301366.tif 000006
【図５】
2004301366.tif 000007
【図６】
2004301366.tif 000008
【図７】
2004301366.tif 000009
【図８】
2004301366.tif 000010
【図９】
2004301366.tif 000011
【図１０】
2004301366.tif 000012
【図１１】
2004301366.tif 000013
【図１２】
2004301366.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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