(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼率を変更して燃焼可能な１つ以上のボイラからなり、負荷機器に蒸気を供給するボイラ群と、
該ボイラ群において生成された蒸気が集合する蒸気ヘッダと、
負荷機器からの要求負荷に応じて前記１つ以上のボイラの燃焼状態を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
蒸気消費量の変動に対して該蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値を目標蒸気圧力値に保つように、ＰＩアルゴリズム又はＰＩＤアルゴリズムにより操作量を算出する操作量算出部と、
前記操作量算出部により算出された操作量に基づいて、前記１つ以上のボイラの燃焼状態を制御する出力制御部と、
前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が目標圧力値を超えていることを検出する第１検出部と、
前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が上昇傾向にあるか否かを検出する第２検出部と、を備え、
前記出力制御部は、前記操作量算出部により算出された操作量がゼロ以下となった場合、前記第１検出部により前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が目標圧力値を超えていることが検出され、前記第２検出部により前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が上昇傾向にあることが検出された場合、前記１つ以上のボイラを全て燃焼停止状態にすることを特徴とするボイラシステム。
【請求項２】
前記出力制御部は、前記操作量算出部により算出された操作量がゼロ以下となった場合、前記第１検出部により前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が目標圧力値を超えていないことが検出されるか、又は前記第２検出部により前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が上昇傾向でないことが検出された場合、前記１つ以上のボイラのうち、１つのボイラを最少燃焼状態にすることを特徴とする請求項１に記載のボイラシステム。
【請求項３】
前記最少燃焼状態は、燃焼率２０％の燃焼状態である、請求項２に記載のボイラシステム。
【請求項４】
前記制御部は、前記１つ以上のボイラを全て燃焼停止状態にする閾値として制御圧力上限値を予め設定し、
前記出力制御部は、前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が、前記制御圧力上限値を超えた場合、前記１つ以上のボイラを全て燃焼停止状態にすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のボイラシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気消費量に応じたボイラの燃焼量を、ＰＩ又はＰＩＤアルゴリズムにより制御するボイラシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボイラと、蒸気使用設備の蒸気消費量（要求負荷）に応じてボイラの燃焼量を制御する制御部と、を備えたボイラシステムが知られている。このようなボイラシステムでは、蒸気ヘッダの蒸気圧力（以下、「ヘッダ圧力」ともいう）が蒸気消費量の変動にかかわらず一定の目標蒸気圧力値となるように、蒸気消費量の変動に応じてボイラの燃焼量が制御される。従来、蒸気消費量の変動に対して蒸気ヘッダの蒸気圧力値を目標蒸気圧力値に保つため、ボイラで発生すべき蒸気量（以下、「指示蒸気量」ともいう）をＰＩＤアルゴリズムにより制御する手法を用いたボイラシステムが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−７３１０５号公報
【特許文献２】特許第３８０５６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＰＩＤ制御では、Ｐ制御、Ｉ制御、Ｄ制御それぞれで算出された操作量の合計値が、また、ＰＩ制御では、Ｐ制御、Ｉ制御それぞれで算出された操作量の合計値が、それぞれ最終的な操作量（「指示蒸気量」ともいう）となる。ボイラ台数制御をＰＩＤ制御（又はＰＩ制御）で実施する場合、ヘッダ圧力が目標圧力未満の状態であれば、Ｉ制御の操作量が増加し続け、逆にヘッダ圧力が目標圧力超過の状態であれば、Ｉ制御の操作量が減少し続ける。
負荷減少によりヘッダ圧力が目標圧力を超えると、それまでのＩ制御の操作量が残ることで燃焼ボイラを確保し続けることができるが、ヘッダ圧力が目標圧力を超えた状態が継続すると、次第にＩ制御の操作量が減少し続け、最終的には最終的な操作量が０以下となることで全ボイラが停止（以下「全缶停止」ともいう）することがある。
全缶停止となった場合、燃焼停止後の起動遅延によりヘッダ圧力が大きく低下し、ヘッダ圧力が不安定となる。
更に、この場合、ＰＩＤ演算（又はＰＩ演算）により算出されるＩ制御の操作量が過剰に確保される。その後、ボイラが燃焼を開始し、発生蒸気量が増加することにより、ヘッダ圧力値は下降から上昇に転じる。そして、ヘッダ圧力値が上昇に転じた時点から操作量（指示蒸気量）は減少し続けるが、その時点でＩ制御の操作量が過剰に確保されている。そして、発生蒸気量が操作量（指示蒸気量）に追いついていないため、発生蒸気量は増加し続け、ヘッダ圧力値が増加し続けることで、ヘッダ圧力値の上昇を抑えきれずに再度、制御圧力上限を超えることにより全缶停止となり、ヘッダ圧力値が急降下する、ということを繰り返すおそれがある。
この繰り返しが発生した場合、ヘッダ圧力値が目標蒸気圧力値に収束せずに上下に変動する、いわゆるハンチング現象が発生し、継続する可能性もある。
このように、低負荷時の圧力安定性確保の観点から、ヘッダ圧力が目標圧力を超えているとはいえ、ヘッダ圧力が下降傾向にある場合は、全缶停止ではなく、燃焼継続が望ましいといえる。
【０００５】
本発明は、急激な負荷減少時にオーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過した後、ヘッダ圧力が目標圧力を超えた状態で圧力下降に転じた場合において、ＰＩＤ演算（又はＰＩ演算）による操作量が０以下であっても、全缶停止となることを回避して、ヘッダ圧力値を速やかに目標蒸気圧値に収束させる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】
【０００６】
本発明は、燃焼率を変更して燃焼可能な１つ以上のボイラからなり、負荷機器に蒸気を供給するボイラ群と、該ボイラ群において生成された蒸気が集合する蒸気ヘッダと、負荷機器からの要求負荷に応じて前記１つ以上のボイラの燃焼状態を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、蒸気消費量の変動に対して該蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値を目標蒸気圧力値に保つように、ＰＩアルゴリズム又はＰＩＤアルゴリズムにより操作量を算出する操作量算出部と、前記操作量算出部により算出された操作量に基づいて、前記１つ以上のボイラの燃焼状態を制御する出力制御部と、前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が目標圧力値を超えていることを検出する第１検出部と、前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が上昇傾向にあるか否かを検出する第２検出部と、を備え、前記出力制御部は、前記操作量算出部により算出された操作量がゼロ以下となった場合、前記第１検出部により前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が目標圧力値を超えていることが検出され、前記第２検出部により前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が上昇傾向にあることが検出された場合、前記１つ以上のボイラを全て燃焼停止状態にすることを特徴とするボイラシステムに関する。
【０００７】
前記出力制御部は、前記操作量算出部により算出された操作量がゼロ以下となった場合、前記第１検出部により前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が目標圧力値を超えていないことが検出されるか、又は前記第２検出部により前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が上昇傾向でないことが検出された場合、前記１つ以上のボイラのうち、１つのボイラを最少燃焼状態にすることができる。
【０００８】
前記最少燃焼状態は、燃焼率２０％の燃焼状態であることが好ましい。
【０００９】
前記制御部は、前記１つ以上のボイラを全て燃焼停止状態にする閾値として制御圧力上限値を予め設定し、前記出力制御部は、前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧力値が、前記制御圧力上限値を超えた場合、前記１つ以上のボイラを全て燃焼停止状態にすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、急激な負荷減少時にオーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過した後、ヘッダ圧力が目標圧力を超えた状態で圧力下降に転じた場合において、ＰＩＤ演算（又はＰＩ演算）による操作量が０以下であっても、全缶停止となることを回避して、ヘッダ圧力値を速やかに目標蒸気圧値に収束させるボイラシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るボイラシステム１の概略構成図である。
【図２】ボイラ群の概略を示す図である。
【図３】制御部の構成を示す機能ブロック図である。
【図４】単体のボイラからなるボイラシステムをモデルとして、通常のＰＩＤアルゴリズムのみで圧力制御を実施した場合における蒸気圧力と蒸気量とを示すグラフである。
【図５】単体のボイラからなるボイラシステムをモデルとして、通常のＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御に加えて、本発明の一実施形態に係るＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合におけるヘッダ圧力値の時間的推移を示す図である。
【図６】単体のボイラからなるボイラシステムをモデルとして、通常のＰＩＤアルゴリズムのみで圧力制御を実施した場合における蒸気圧力と蒸気量とを示すグラフである。
【図７】単体のボイラからなるボイラシステムをモデルとして、通常のＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御に加えて、本発明の一実施形態に係るＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実施した場合におけるヘッダ圧力値の時間的推移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係るボイラシステムの好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
まず、本発明に係るボイラシステムの一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、一実施形態に係るボイラシステム１の概略構成図である。
【００１４】
本実施形態に係るボイラシステム１は、図１に示すように、５台のボイラ２０を含むボイラ群２と、ボイラ２０において生成された蒸気を集合させる蒸気ヘッダ６と、蒸気ヘッダ６の内部の圧力を測定する蒸気圧センサ７と、ボイラ群２の燃焼状態を制御する台数制御装置３と、を備える。
【００１５】
ボイラ群２は、５台のボイラ２０を含んで構成され、負荷機器としての蒸気使用設備１８に供給する蒸気を発生する。各ボイラ２０は、燃料の燃焼量に応じた蒸気（熱エネルギー）を発生する。すなわち、本実施形態のボイラ２０は、蒸気ボイラである。
【００１６】
ボイラ２０は、図１に示すように、燃焼が行われるボイラ本体２１と、ボイラ２０の燃焼状態を制御するローカル制御部２２と、を備える。
【００１７】
ローカル制御部２２は、蒸気消費量に応じてボイラ２０の燃焼状態を変更させる。具体的には、ローカル制御部２２は、信号線１６を介して台数制御装置３から送信される台数制御信号に基づいて、ボイラ２０の燃焼状態を制御する。台数制御信号については後述する。また、ローカル制御部２２は、台数制御装置３で用いられる信号を、信号線１６を介して台数制御装置３に送信する。台数制御装置３で用いられる信号としては、ボイラ２０の実際の燃焼状態、及びその他のデータ等が挙げられる。
【００１８】
蒸気ヘッダ６は、蒸気管１１を介してボイラ群２を構成する複数のボイラ２０に接続されている。蒸気ヘッダ６の下流側は、蒸気管１２を介して蒸気使用設備１８に接続されている。
【００１９】
蒸気ヘッダ６は、ボイラ群２で生成された蒸気を集合させて貯留する。蒸気ヘッダ６は、燃焼させる１又は複数のボイラ２０の相互の圧力差及び圧力変動を調整し、蒸気圧力値が一定（目標蒸気圧力値）に調整された蒸気を蒸気使用設備１８に供給する。
【００２０】
蒸気圧センサ７は、信号線１３を介して、台数制御装置３に電気的に接続されている。蒸気圧センサ７は、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値（以下、「ヘッダ圧力値」ともいう）を測定し、その蒸気圧力値に対応する蒸気圧信号を、信号線１３を介して台数制御装置３に送信する。
【００２１】
台数制御装置３は、信号線１６を介して、複数のボイラ２０と電気的に接続されている。台数制御装置３は、蒸気圧センサ７により測定される蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値に基づいて、各ボイラ２０の燃焼状態（燃焼量）を制御する。台数制御装置３については、後述する。
【００２２】
以上のように構成されたボイラシステム１では、ボイラ群２で発生させた蒸気が、蒸気ヘッダ６を介して蒸気使用設備１８に供給される。
【００２３】
ボイラシステム１において、ヘッダ圧力値は、蒸気使用設備１８における蒸気消費量（要求負荷）に応じて変動する。台数制御装置３（制御部４）は、ヘッダ圧力値（物理量）に基づいてＰＩＤアルゴリズムにより操作量（指示蒸気量）を算出する。言い換えると指示蒸気量とは、ヘッダ圧力値を目標蒸気圧力値にするために必要な蒸気量である。台数制御装置３は、算出された指示蒸気量に基づいてボイラ群２を構成する各ボイラ２０の燃焼量を制御する。これにより、各ボイラ２０から蒸気ヘッダ６に供給される蒸気量（以下、「発生蒸気量」ともいう）が調節されるため、ヘッダ圧力値を目標蒸気圧力値に近づけることができる。すなわち、蒸気消費量の変動に応じて、ヘッダ圧力値を一定の目標蒸気圧力値に保つことができる。
【００２４】
具体的には、蒸気使用設備１８の需要の増大により蒸気消費量が増加し、蒸気ヘッダ６に供給される発生蒸気量が不足すれば、ヘッダ圧力値が減少する。一方、蒸気使用設備１８の需要の低下により蒸気消費量が減少し、蒸気ヘッダ６に供給される発生蒸気量が過剰になれば、ヘッダ圧力値が増加する。台数制御装置３は、ヘッダ圧力値の変動に基づいて、蒸気消費量の変動をモニターする。そして、台数制御装置３は、ヘッダ圧力値に基づいて、蒸気使用設備１８の蒸気消費量に応じた指示蒸気量を算出し、蒸気ヘッダ６に、この指示蒸気量に対応した発生蒸気量が供給されるように各ボイラ２０の燃焼量を制御する。
【００２５】
本実施形態のボイラ２０は、燃焼量を連続的に増減可能に構成された連続制御ボイラからなる。
【００２６】
連続制御ボイラは、少なくとも、最小燃焼状態（例えば、最大燃焼量の２０％の燃焼量における燃焼状態）から最大燃焼状態までの範囲で、燃焼量を連続的に増減させることができる。連続制御ボイラは、例えば、燃料をバーナに供給するバルブや、燃焼用空気を供給するバルブの開度（燃焼比）を制御することにより、燃焼量を調整することができる。
【００２７】
次に、台数制御装置３の構成について詳細に説明する。台数制御装置３は、図３に示すように、制御手段としての制御部４と、記憶部５と、を備える。
【００２８】
制御部４は、信号線１６を介して各ボイラ２０に各種の指示を送信したり、各ボイラ２０から各種のデータを受信したりして、５台のボイラ２０の燃焼状態及び運転台数の制御を実行する。各ボイラ２０は、台数制御装置３から燃焼状態の変更指示の信号を受けると、その指示に従って該当するボイラ２０の燃焼量を制御する。制御部４の詳細な構成については後述する。
【００２９】
記憶部５は、各ボイラ２０に送信された指示に関する情報、各ボイラ２０から受信した燃焼状態に関する情報、各ボイラ２０の優先順位に関する情報、後述する指示蒸気量の算出に必要なデータ等を記憶する。
【００３０】
次に、制御部４の構成について更に詳細に説明する。図４に示すように、制御部４は、操作量算出部４１と、第１検出部４２と、第２検出部４３と、出力制御部４４と、を備える。
【００３１】
操作量算出部４１は、予め設定された目標蒸気圧力値、蒸気圧センサ７で測定されたヘッダ圧力値等に基づいて、操作量（指示蒸気量）を算出する。具体的には、操作量算出部４１は、蒸気圧センサ７で測定されたヘッダ圧力値が、予め設定された目標蒸気圧力値となるように、操作量（指示蒸気量）を、後述のＰＩＤアルゴリズムにより算出する。
【００３２】
操作量算出部４１は、操作量（指示蒸気量）を、下記の式（１）に基づいて算出する。
操作量（指示蒸気量）＝偏差比例出力（Ｐ制御）＋偏差積分出力（Ｉ制御）＋偏差微分出力（Ｄ制御）
・・・（１）
【００３３】
また、操作量（指示蒸気量）を構成する各成分は、下記の式（２）〜（４）により算出される。
偏差比例出力（ＰＩＤ＿Ｅ）＝ＰＩＤ＿Ｋ×（目標蒸気圧力値−現在の蒸気圧力値）
・・・（２）
ここで、ＰＩＤ＿Ｋ（比例ゲイン）は、単位圧力偏差（１ＭＰａ）当たりのボイラ出力（蒸気量）である。
【００３４】
比例帯Ｐｂと比例ゲインＫｐとの関係について簡単に触れておく。
例えば、比例帯Ｐｂと比例ゲインＫｐとの関係は以下の式で表すことができる。
比例ゲインＰＩＤ＿Ｋ  ＝  最大蒸気量／（比例帯Ｐｂ×フルスケール圧力）    
・・・（３）
なお、比例ゲインの値は、固定値ではなく、ボイラ２０の燃焼率に基づいて、例えば、ボイラ２０の燃焼率が低いほど、比例ゲインを小さくなるように調整することができる。
式（２）及び（３）から明らかなように、比例帯Ｐｂを大きく設定すると、比例ゲインが小さくなり、目標蒸気圧力値とヘッダ圧力値との偏差に対して、小さな操作量（指示蒸気量）が算出され、比例帯を小さく設定すると、比例ゲインが大きくなり、目標蒸気圧力値とヘッダ圧力値との偏差に対して、大きな操作量（指示蒸気量）が算出される。
【００３５】
偏差積分出力（ＰＩＤ＿ＥＩ）＝ＰＩＤ＿ＥＩ＋  ＰＩＤ＿Ｅ／積分時間（秒）
・・・（４）
式（４）から明らかなように、積分時間を長く設定すると、目標蒸気圧力値とヘッダ圧力値との偏差に対して、小さな操作量（指示蒸気量）が算出され、積分時間を短く設定すると、目標蒸気圧力値とヘッダ圧力値との偏差に対して、大きな操作量（指示蒸気量）が算出されることとなる。
【００３６】
偏差微分出力（ＰＩＤ＿ＥＤ）＝
ＰＩＤ＿Ｋ×（前回制御周期の蒸気圧力値−現在の蒸気圧力値）×微分時間（秒）
・・・（５）
【００３７】
本実施形態の操作量算出部４１は、上記式（２）、（４）、（５）で算出された各出力を合計することにより、操作量（指示蒸気量）を算出する。
【００３８】
操作量算出部４１において、ヘッダ圧力が目標圧力を超えた状態が継続すると、次第にＩ制御の操作量が減少し続け、最終的には最終的な操作量（すなわち、指示蒸気量）が０以下となる。
【００３９】
第１検出部４２は、蒸気圧センサ７で測定されたヘッダ圧力値が、予め設定された目標蒸気圧力値を超えているか否か、を検出する。例えば、第１検出部４２は、操作量算出部４１により算出される偏差比例出力（ＰＩＤ＿Ｅ）が負の値か否かを判定することで、ヘッダ圧力値が目標蒸気圧力値を超えているか否か、を検出することができる。
【００４０】
第２検出部４３は、蒸気圧センサ７で測定されたヘッダ圧力値が上昇傾向にあるか否かを検出する。
例えば、第２検出部４３は、操作量算出部４１により算出される偏差微分出力（ＰＩＤ＿ＥＤ）が負の値か否かを判定することで、ヘッダ圧力値が上昇傾向にあるか否かを検出することができる。
また、例えば、第２検出部４３は、操作量算出部４１により算出された偏差微分出力（ＰＩＤ＿ＥＤ）が、今回を含めて、所定の回数（例えば、今回、前回、及び前々回の合計３回）、負の値が継続したか否かを判定することで、ヘッダ圧力値が上昇傾向にあるか否か、を検出してもよい。なお、所定の回数は、適宜設定することができる。
また、例えば、第２検出部４３は、上記判定に加えて、ヘッダ圧力値の圧力勾配が所定の値以上か否かを判定することにより、ヘッダ圧力値が上昇傾向にあるか否かを判定するようにしてもよい。
なお、操作量算出部４１がＰＩアルゴリズムに基づく場合は、第２検出部４３は、（前回制御周期の蒸気圧力値−現在の蒸気圧力値）の値を算出することで、上記と同様に、ヘッダ圧力値が上昇傾向にあるか否かを検出することができる。
【００４１】
出力制御部４４は、操作量（指示蒸気量）に応じて必要な台数のボイラ２０を燃焼させる、いわゆる台数制御を実行する。具体的には、出力制御部４２は、蒸気消費量が増加して燃焼させるボイラ２０の台数を増加させる場合には、予め設定された優先順位の高いボイラ２０から順に燃焼を開始させる。また、出力制御部４２は、蒸気消費量が減少して燃焼させるボイラ２０の台数を減少させる場合には、予め設定された優先順位の低いボイラ２０から順に燃焼を停止させる。
【００４２】
出力制御部４４は、操作量算出部４１において、蒸気消費量に応じて算出された操作量（指示蒸気量）に基づいて、燃焼させるボイラ２０の台数を設定する。出力制御部４２は、記憶部５に記載されている優先順位に従って燃焼を開始又は停止するボイラ２０を設定するとともに、それらボイラ２０のローカル制御部２２に対して、台数制御信号（運転の開始又は停止）を出力する。これにより、燃焼させるボイラ２０から、操作量（指示蒸気量）に対応する蒸気量（発生蒸気量）が蒸気ヘッダ６に供給される。
【００４３】
出力制御部４４は、操作量算出部４１により算出された操作量（指示蒸気量）がゼロ以下となった場合、第１検出部４２により蒸気ヘッダ７の内部の蒸気圧力値が目標圧力値を超えていることが検出されるとともに、第２検出部４３により蒸気ヘッダ７の内部の蒸気圧力値が上昇傾向にあることが検出された場合、ボイラ群２のボイラを全て燃焼停止状態（以下、「全缶停止」ともいう）にする。
【００４４】
出力制御部４４は、操作量算出部４１により算出された操作量（指示蒸気量）がゼロ以下となった場合であっても、第１検出部４２により蒸気ヘッダ７の内部の蒸気圧力値が目標圧力値を超えていないことが検出されるか、又は第２検出部４３により蒸気ヘッダ７の内部の蒸気圧力値が上昇傾向でないことが検出された場合、全缶停止ではなく、ボイラ群２のうち１つのボイラを最少燃焼状態にする。最少燃焼状態は、例えば、燃焼率２０％の燃焼状態とすることができる。なお、最少燃焼状態を燃焼率何％の燃焼状態とするか、適宜設定することができる。
【００４５】
なお、出力制御部４４は、ボイラ群２のボイラを全て燃焼停止状態にする閾値として制御圧力上限値を予め設定し、出力制御部４４は、蒸気ヘッダ７の内部の蒸気圧力値が、制御圧力上限値を超えた場合、上記にかかわらずボイラ群２を全缶停止にする。
【００４６】
次に、制御部４の操作量算出部４１において、通常のＰＩＤアルゴリズムのみで圧力制御を実施した場合の比較例、及び本発明の一実施形態に係るＰＩＤアルゴリズムを実行した場合のシミュレーション計算の結果について、図４〜図７を参照して説明する。
【００４７】
図４及び図６は、単体のボイラからなるボイラシステムをモデルとして、通常のＰＩＤアルゴリズムのみで圧力制御を実行した場合における蒸気圧力と蒸気量のシミュレーション計算の結果を示すグラフである。図５及び図７は、単体のボイラからなるボイラシステムをモデルとして、本発明の一実施形態に係るＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御を実行した場合における蒸気圧力と蒸気量のシミュレーション計算の結果を示すグラフである。
【００４８】
図４〜図７における蒸気圧力と蒸気量のシミュレーション計算のためのシミュレーション条件は、目標蒸気圧力値を１．２ＭＰａ、比例帯を５％、微分時間を２秒とした。
なお、積分時間は、図４及び図５における蒸気圧力と蒸気量のシミュレーションにおいては、２０秒を設定し、図６及び図７における蒸気圧力と蒸気量のシミュレーションにおいては、１０秒を設定した。
したがって、図４及び図５における蒸気圧力と蒸気量のシミュレーション計算のための条件と、図６及び図７における蒸気圧力と蒸気量のシミュレーション計算のための条件とは、積分時間の設定値が異なる。
【００４９】
図４〜図７における蒸気圧力と蒸気量のシミュレーション計算のための要求蒸気量のパターンとしては、図４〜図７に示すとおり、経過時間３００秒〜３６０秒に至るまでの間に要求蒸気量が１４００ｋｇ／ｈから２４００ｋｇ／ｈに上昇し、６６０秒〜７２０秒に至るまでの間に要求蒸気量が２４００ｋｇ／ｈから１４００ｋｇ／ｈに下降するパターンと、経過時間１０２０秒〜１０８０秒に至るまでの間に要求蒸気量が１４００ｋｇ／ｈから３４００ｋｇ／ｈに上昇し、１３８０秒〜１４４０秒に至るまでの間に要求蒸気量が３４００ｋｇ／ｈから１４００ｋｇ／ｈに下降するパターンと、経過時間１７４０秒〜１８００秒に至るまでの間に要求蒸気量が１４００ｋｇ／ｈから４４００ｋｇ／ｈに上昇し、２１００秒〜２１６０秒に至るまでの間に要求蒸気量が４４００ｋｇ／ｈから１４００ｋｇ／ｈに下降するパターンと、経過時間２４６０秒〜２５２０秒に至るまでの間に要求蒸気量が１４００ｋｇ／ｈから５４００ｋｇ／ｈに上昇し、２８２０秒〜２８８０秒に至るまでの間に要求蒸気量が５４００ｋｇ／ｈから１４００ｋｇ／ｈに下降するパターンと、経過時間３１８０秒〜３２４０秒に至るまでの間に要求蒸気量が１４００ｋｇ／ｈから６０００ｋｇ／ｈに上昇し、３５４０秒〜３６００秒に至るまでの間に要求蒸気量が６０００ｋｇ／ｈから１４００ｋｇ／ｈに下降するパターンとを含むパターンを設定し、シミュレーション計算を実行した。
【００５０】
図４〜図７において、横軸は経過時間(秒）、右縦軸は蒸気量（ｔ／ｈ）、左縦軸は蒸気圧力値（ＭＰａ）をそれぞれ示している。また、図４〜図７において、太い実線は蒸気ヘッダ６の上記圧力値、破線は要求される蒸気量、細い実線は蒸気ヘッダ６に供給される発生蒸気量をそれぞれ表している。
【００５１】
次に、積分時間を２０秒に設定して、シミュレーションを実行したケースについて、図４及び図５を参照しながら説明する。
【００５２】
最初に、通常のＰＩＤアルゴリズムのみで圧力制御を実施した場合について、図４を参照しながら説明する。図４に示すように、経過時間０から経過時間２１００秒までの間、ボイラ２から蒸気ヘッダ６に供給される発生蒸気量は、要求蒸気量の変動に追従している。
【００５３】
一方、経過時間２１００秒から２１６０秒にかけて要求蒸気量が４４００ｋｇ／ｈから１４００ｋｇ／ｈに急激な減少が生じた際に、オーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過し、その後、２１６０秒後から圧力下降に転じている。しかし、依然として目標圧力を超えた状態であったために、Ｉ制御の操作量が減少し続け、最終的には操作量が０以下となり、２２００秒辺りで燃焼停止したと考えられる。その後、約２０秒間の燃焼停止後の起動遅延があり、２２２０秒以降に操作量（指示蒸気量）に対応する発生蒸気量を出力したと考えられる。その後、２３４０秒後には発生蒸気量は、要求蒸気量に収束し、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値も、目標蒸気圧力値の付近で収束している。
【００５４】
そして、２４６０秒から２５２０秒にかけて要求蒸気量が１４００ｋｇ／ｈから５４００ｋｇ／ｈに増加したが、２５２０秒から２８２０秒にかけて要求蒸気量が５４００ｋｇ／ｈと大きな要求蒸気量のまま一定の値を保ったことから、発生蒸気量は、要求蒸気量に収束し、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値も、目標蒸気圧力値の付近で収束している。
【００５５】
次に、経過時間２８２０秒から２８８０秒にかけて要求蒸気量が５４００ｋｇ／ｈから１４００ｋｇ／ｈに急激な減少が生じた際に、オーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過し、その後、２８８０秒後から圧力下降に転じている。しかし、依然として目標圧力を超えた状態であったために、Ｉ制御の操作量が減少し続け、最終的には操作量が０以下となり、２９１０秒辺りで燃焼停止したと考えられる。その後、約２０秒間の燃焼停止後の起動遅延があり、２９３０秒辺り以降に操作量（指示蒸気量）に対応する発生蒸気量を出力したと考えられる。その後、３０６０秒には発生蒸気量は、要求蒸気量に収束し、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値も、目標蒸気圧力値の付近で収束している。
【００５６】
以上のように、積分時間を２０秒に設定して、単体のボイラからなるボイラシステムをモデルとして、通常のＰＩＤアルゴリズムのみで圧力制御を実行した場合、圧力下降中の燃焼停止により、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値の急激な低下は発生し、一時的に圧力は不安定になったものの、ハンチング現象は発生していない。
【００５７】
一方、単体のボイラからなるボイラシステムをモデルとして、積分時間を２０秒に設定したシミュレーション条件の下、本発明の一実施形態に係るＰＩＤアルゴリズムを実行した場合、図５に示すように、経過時間２１００秒から２１６０秒にかけて要求蒸気量が４４００ｋｇ／ｈから１４００ｋｇ／ｈに急激な減少が生じた際に、オーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過し、その後、２１６０秒後から圧力下降に転じている。この際、目標圧力を超えた状態であったために、Ｉ制御の操作量が減少し続け、最終的には操作量が０以下となったと考えられる。しかしながら、この場合には、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値が下降傾向であったことから、燃焼停止とせずに、最小燃焼状態で継続燃焼させている。
このため、図４と比較すると、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値は緩やかな減少に留まり、目標蒸気圧力値の付近で安定していると認められる。
【００５８】
同様に、２８２０秒から２８８０秒にかけて要求蒸気量が５４００ｋｇ／ｈから１４００ｋｇ／ｈに急激な減少が生じた際に、オーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過し、その後、２８８０秒後から圧力下降に転じている。この際、目標圧力を超えた状態であったために、Ｉ制御の操作量が減少し続け、最終的には操作量が０以下となったと考えられるが、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値が下降傾向であることから、燃焼停止とせずに、最小燃焼状態で燃焼させている。
このため、図４と比較すると、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値は緩やかな減少に留まり、目標蒸気圧力値の付近で安定していると認められる。
【００５９】
このように、積分時間を２０秒に設定して、本発明の一実施形態に係るＰＩＤアルゴリズムを実行した場合、通常のＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御のみの場合に比べて、急激な負荷減少時にオーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過した後、ヘッダ圧力が目標圧力を超えた状態で圧力下降に転じた場合において、ＰＩＤ演算による操作量が０以下であっても、全缶停止とせずに、常時燃焼継続することにより、ハンチング現象も発生せず、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値を安定させることができると認められる。
【００６０】
次に、積分時間を１０秒に設定して、シミュレーションを実行したケースについて、図６及び図７を参照しながら説明する。積分時間を１０秒に設定したことから、積分時間を２０秒に設定して、シミュレーションを実行したケースをグラフ化した図４及び図５に比較して、目標蒸気圧力値とヘッダ圧力値との偏差に対して、大きな操作量が算出されることが認められる。
【００６１】
最初に、通常のＰＩＤアルゴリズムのみで圧力制御を実施した場合について、図６を参照しながら説明する。図６に示すように、経過時間２８２０秒から２８８０秒にかけて要求蒸気量が５４００ｋｇ／ｈから１４００ｋｇ／ｈに急激な減少が生じた際に、オーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過し、その後、２８８０秒後から圧力下降に転じている。しかし、依然として目標圧力を超えた状態であったために、Ｉ制御の操作量が減少し続け、最終的には操作量が０以下となり、２９１０秒辺りで燃焼停止したと考えられる。その後、約２０秒間の燃焼停止後の起動遅延があり、２９３０秒辺り以降に操作量（指示蒸気量）に対応する発生蒸気量を出力したと考えられる。しかし、燃焼停止となり、ヘッダ圧力値が急激に下降したことにより、ＰＩＤ演算により算出される操作量（指示蒸気量）が過剰に確保されるため、ボイラが燃焼を開始し、発生蒸気量が増加することにより、ヘッダ圧力値は下降から上昇に転じて、操作量（指示蒸気量）は減少し続けるが、その時点で操作量（指示蒸気量）が過剰に確保されているため、２９４０秒辺りまで発生蒸気量は増加し続け、２９６０秒辺りまでヘッダ圧力値が急激に増加し続けている。
その結果、ヘッダ圧力値の上昇を抑えきれずに再度、オーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過し、その後、圧力下降に転じ、その後再び燃焼停止となり、ヘッダ圧力値が急降下する、ということを繰り返す結果となり、２９４０秒から３１８０秒の間、ハンチング現象が発生したと認められる。
【００６２】
以上のように、積分時間を１０秒に設定して、単体のボイラからなるボイラシステムをモデルとして、通常のＰＩＤアルゴリズムのみで圧力制御を実行した場合、圧力下降中の燃焼停止により、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値の急激な低下が発生したことにより、操作量（指示蒸気量）が過剰に確保され、発生蒸気量は増加し続け、ヘッダ圧力値の上昇を抑えきれずに再度、オーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過し、その後、圧力下降に転じ、その後再び燃焼停止となり、ヘッダ圧力値が急降下するというハンチング現象が発生したと認められる。
【００６３】
一方、単体のボイラからなるボイラシステムをモデルとして、本発明の一実施形態に係るＰＩＤアルゴリズムを実行した場合、図７に示すように、経過時間２８２０秒から２８８０秒にかけて要求蒸気量が５４００ｋｇ／ｈから１４００ｋｇ／ｈに急激な減少が生じた際に、オーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過し、その後、２８８０秒秒後から圧力下降に転じている。この際、目標圧力を超えた状態であったために、Ｉ制御の操作量が減少し続け、最終的には操作量が０以下となったと考えられるが、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値が下降傾向であることから、燃焼停止とせずに、最小燃焼状態で燃焼させている。
このため、図６と比較すると、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値は緩やかな減少に留まり、目標蒸気圧力値の付近で安定していると認められる。
【００６４】
このように、本発明の一実施形態に係るＰＩＤアルゴリズムを実行した場合、積分時間として比較的小さな値１０秒を設定した場合であっても通常のＰＩＤアルゴリズムによる圧力制御のみの場合に比べて、急激な負荷減少時にオーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過した後、ヘッダ圧力が目標圧力を超えた状態で圧力下降に転じた場合において、ＰＩＤ演算による操作量が０以下であっても、全缶停止とせずに、常時燃焼継続することにより、ハンチング現象も発生せず、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値を安定させることができる。
【００６５】
以上のように、本発明の一実施形態に係るＰＩＤアルゴリズムを実行した場合、急激な負荷減少時にオーバーシュートによりヘッダ圧力が目標圧力を超過した後、ヘッダ圧力が目標圧力を超えた状態で圧力下降に転じた場合において、ＰＩＤ演算（又はＰＩ演算）による操作量が０以下であっても、全缶停止となることを回避して、ヘッダ圧力値を速やかに目標蒸気圧値に収束させることができる。
【００６６】
以上、本発明のボイラシステム１の好ましい一実施形態につき説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
【００６７】
上記実施形態では、本発明を、５台のボイラ２０からなるボイラ群２を備えるボイラシステムに適用したが、これに限らない。すなわち、本発明を、６台以上のボイラ２０又は４台以下のボイラ２０からなるボイラ群を備えるボイラシステムに適用してもよく、また、上述したシミュレーションのように、１台のボイラ単体の燃焼制御に適用してもよい。
また、上記実施形態では、５台のボイラ２０の全てを同一のボイラで構成することとしているが、これに限られるものではなく、ボイラ２０毎に容量が異なることとしてもよい。
また、上記実施形態のボイラ２０は、燃焼量を連続的に増減可能に構成された連続制御ボイラからなるとしたが、これに限られるものではない。ボイラ２０が、段階的な複数の燃焼位置で燃焼可能な段階値制御ボイラからなる場合にも適用できる。
【００６８】
また、上記実施形態では、操作算出部４１において、蒸気ヘッダ６の蒸気圧力値（物理量）に基づいてＰＩＤ（比例＋積分＋微分）アルゴリズムにより操作量（指示蒸気量）を算出する例について説明した。これに限らず、本発明は、ＰＩ（比例＋積分）アルゴリズムにより操作量（指示蒸気量）を算出する制御にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１  ボイラシステム
２  ボイラ群
３  台数制御装置
４  制御部
５  記憶部
６  蒸気ヘッダ
７  蒸気圧センサ
１８  蒸気使用設備
２０  ボイラ
４１  操作量算出部
４２  第１検出部
４３  第２検出部
４４  出力制御部
【図１】
0006337697.tif 000002
【図２】
0006337697.tif 000003
【図３】
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【図４】
0006337697.tif 000005
【図５】
0006337697.tif 000006
【図６】
0006337697.tif 000007
【図７】
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