(57)【要約】  本発明は、蒸気発生器の制御時に遅延を伴う制御対象を同定するための方法およびこの方法を実施するように形成された装置に関する。未知の時間変動的なＮ次遅延素子と既知の積分器とから成る蒸気発生器のモデル構造が設けられる。さらに、燃料質量流量の測定値、タービン蒸気質量流量の測定値、タービン蒸気質量流量の取り出し後に蒸気発生器の背後の蒸気アキュムレータ内に生じる主蒸気圧力の測定値が同定に使用される。オンラインで記録されたこれらの測定値とモデル構造とによって蒸気発生器出口の主蒸気質量流量が逆算される。こうしてＮ次遅延素子の入力量とその出力量が特定され、Ｎ次遅延素子の連続伝達関数のパラメータが推定法によってやはりオンラインで確定される。推定されたパラメータは次にＮ個の独立した時定数を有する遅延素子の時定数に換算される。次のステップではＮ個の独立した時定数の比較によって、所定のモデル構造の遅延素子について有意な時定数が確定される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気発生器の制御時に遅延を伴う制御対象を同定するための方法であって、以下のステップ、
蒸気発生器について制御技術的モデル構造（ＲＳ）が設けられ、このモデル構造が時間変動的なＮ次遅延素子（ＶＺＮ）を有するように設計されており、燃料質量流量（ｍＢｒ）が入力量としてこの遅延素子に送られ、この遅延素子が主蒸気質量流量（ｍＢｌｒ）を出力量として出力し、
遅延素子（ＶＺＮ）の背後に減算素子（ＳＵＢ）が配置されており、この減算素子内で主蒸気質量流量（ｍＢｌｒ）からタービン蒸気質量流量（ｍＴ）が減算され、次にこれら質量流量（ｍＢｌｒ、ｍＴ）の差が積分器（Ｉ）に供給され、積分器の出力量が主蒸気圧力（ｐＨＰ）を表し、
燃料質量流量（ｍＢｒ）の測定値と主蒸気圧力（ｐＨＰ）の測定値とタービン蒸気質量流量（ｍＴ）の測定値がオンラインで確定され、
主蒸気圧力（ｐＨＰ）の測定値とタービン蒸気質量流量（ｍＴ）の測定値とを基に、モデル構造（ＲＳ）を用いて、また積分器（Ｉ）の所定の時定数を考慮して、主蒸気質量流量（ｍＢｌｒ）が逆算され、
燃料質量流量（ｍＢｒ）の測定値と逆算された主蒸気質量流量（ｍＢｌｒ）とから推定法によって遅延素子（ＶＺＮ）の連続伝達関数（Ｇ（ｓ））のパラメータ（ａ１、ａ２、ａ３、ｂ０）がオンラインで確定され、かつＮ個の独立した時定数（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）を有する遅延素子（ＶＺＮ）の時定数に換算され、
蒸気発生器の制御中、時定数（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）が近似的に同一となる時間範囲が確定され、これら時定数（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）の値が遅延素子（ＶＺＮ）の時定数値として同定される
を含む方法。
【請求項２】
Ｎ次遅延素子（ＶＺＮ）が時間変動的な３次遅延素子（ＶＺ３）である請求項１記載の方法。
【請求項３】
燃料質量流量（ｍＢｒ）が増幅係数で乗算される請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
積分器（Ｉ）が時間変動的に形成されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
測定値が重み係数で乗算され、その際時間的に以前の測定値の重み係数が現在の測定値の重み係数よりも小さい請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
情報の態様の離散ルートフィルタ法を用いた連続伝達関数の再帰的最小２乗パラメータ推定が推定法として使用される請求項１ないし５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
蒸気発生器の制御時に遅延を伴う制御対象を同定するための装置であって、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法を実施するための少なくとも１つの計算ユニットを有する装置。
【請求項８】
遅延を伴う制御対象と請求項７により構成された装置とを有する蒸気発生器用制御装置（Ｒ）。
【請求項９】
コンピュータの記憶装置にロードされかつソフトウェアコード部を含むコンピュータプログラム製品であって、コンピュータで製品が実行されるとき請求項１ないし６のいずれか１つに記載のステップを実行するコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気発生器の制御時に遅延を伴う制御対象を同定するための方法およびこの方法を実施するように形成された装置に関する。本発明はさらに制御装置およびコンピュータプログラム製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
モデルに基づく制御の制御品質は、実プロセスの動特性がモデルによっていかに十分に写像されるのかに左右される。石炭火力発電所内のタービンを備えた蒸気発生器の場合、例えば微粉炭機、押込ファン、誘引ファン等のさまざまな組立体の非線形特性のゆえに、また特に石炭の原料品質の変動によって、システム全体の動特性は時間変動的である。さらに、汚れおよび摩耗の結果としてプロセス動力学が時間にわたって変化する。
【０００３】
このような時間変動プロセスを制御するために従来しばしば、広範囲な一連の実験において時間変動モデルから出発して主影響量に対するプロセス動力学の依存性が確定されるようにのみプロセスの動特性は考慮された。これらの情報は相応する特性曲線に格納され、これらの特性曲線はやはり制御プロセスに一緒に取り入れられた。汚れまたは摩耗によって動力学が時間にわたってゆっくり変化することはしばしば、費用のかかる現場サービス業務において、特定時間間隔で制御系を再三新たに調整することによって対処しなければならなかった。その際、制御品質はモデルの不正確さのゆえに常に限定されている。
【０００４】
時間変動プロセスを一層良好に制御できるようにするための他のアプローチは、プロセス内の実際の状況にモデルを適合させることにある。適応制御の場合、対象パラメータの変動によって引き起こされる変動するシステム特性はまず好適に検出され、こうして得られた情報を頼りに制御器パラメータの調整が行われる。いわゆる「セルフチューニング」適応法では、対象の入力量および出力量の測定からパラメータ変動が確定される。システムの時間変動量からシステムパラメータをこのように特定することが同定と称される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、蒸気発生器の制御時に改良された制御品質が達成されるように、遅延を伴った制御対象を同定するための方法を明示することである。本発明の課題はさらに、本発明に係る方法の実施を可能とする相応する装置を明示することである。本発明の他の課題は、制御対象の同定結果を使用する制御装置を明示することにある。さらに、コンピュータプログラム製品が明示されねばならない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これらの課題は独立請求項の特徴によって解決される。有利な諸構成はそれぞれ従属請求項に示してある。
【０００７】
本発明は有利なことに蒸気発生器の動的プロセスモデルのオンライン同定を可能とする。その際、時間変動的なＮ次遅延素子と積分器とから成る蒸気発生器のモデル構造が設けられる。測定値として、蒸気発生器に供給される燃料質量流量と、蒸気発生器の出口で取り出されるタービン蒸気質量流量と、タービン蒸気質量流量の取り出し後に蒸気発生器の背後の蒸気アキュムレータ内に生じる主蒸気圧力が使用される。オンラインで記録されるこれらの測定値によって蒸気発生器出口の主蒸気質量流量は、アクセス可能でなく、従って測定可能でもないので、計算される。こうしてＮ次遅延素子の入力量とその出力量が特定され、Ｎ次遅延素子の連続伝達関数のパラメータは推定法によってやはりオンラインで確定される。推定されたパラメータは次にＮ個の独立した時定数を有する遅延素子の時定数に換算される。次のステップではＮ個の時定数の比較によって個々の時定数の時間推移内で、時定数が近似的に同一となる領域が特定される。これらの領域の内部でＮ個の独立した時定数から、所定のモデル構造の遅延素子について同一の時定数を有するＮ次遅延素子の時定数が確定される。遅延素子の時定数が特定されたなら、蒸気発生器の動的モデル全体も同定されている。
【０００８】
本発明に係る方策により、連続伝達関数の時間変動パラメータはサンプル測定データから同定することができる。こうして実設備の特性にプロセスモデルを永続的に適応させることが可能となる。適応されたモデルは、特に原料品質の変動時および負荷変動時に比較的高い制御品質を発電所事業者に提供しかつエネルギー消費量、環境負荷および設備摩耗を減らすのに寄与する適応制御の基礎である。本発明の特別な利点は、永続的監視とパラメータ推定のオンライン実行とによって、励起不足時に、重要でない推定結果が上位の制御系に出力されることが避けられることにある。
【０００９】
本発明の１実施形態において有利には、燃料の発熱量と蒸気発生効率とから成る増幅係数が燃料質量流量に乗算される。これは、実プロセスに対する動的蒸気発生モデルの写像改善、従って制御品質の付加的改善を意味する。
【００１０】
本発明の他の１実施形態において測定値は重み係数で乗算され、その際時間的に以前の測定値の重み係数は現在の測定値の重み係数よりも小さい。このため例えば忘却係数が計算に取り入れられる。以前の他の測定データに基づく障害はこうして有利なことに避けられ、こうして本発明に係る方法の高い精度が達成される。
【００１１】
以下、図面に示した実施例に基づいて本発明が詳しく説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】蒸気発生器およびタービン用の制御対象のブロック図である。
【図２】燃料質量流量の測定値と計算された主蒸気質量流量とのオンライン推移の対比と、３次遅延素子について推定されたパラメータの例を示す。
【図３】制御装置の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を基に蒸気発生器の制御技術的構造モデルＲＳが明らかにされる。時間変動量と機能名称は好適な図形記号で示して構造線図へとまとめてある。
【００１４】
図面に制御対象ＲＳで表された蒸気発生器に入力量として燃料質量流量ｍＢｒが供給される。蒸気発生のために例えば微粉炭機内で微粉炭へと粉砕された石炭が燃焼させられ、これによりバーナの上方で管に通された給水が加熱されて蒸気となる。石炭の異なる発熱量は構造モデルＲＳにおいて増幅素子ＨＷによって考慮される。さらに各燃焼は、従って蒸気発生も、図１に独自のブロックηとして示すように異なる効率を有する。主として石炭品質に係るこれらの係数は、制御技術的観点から、燃料質量流量ｍＢｒの入力量に乗算される係数として考慮することができる。
【００１５】
微粉炭機、燃焼および蒸気発生の動特性はこの実施例において時間変動するＮ次遅延素子ＶＺＮによって近似的にモデル化される。既に述べたように、蒸気発生器の動特性は原料品質の変動のゆえに時間変動的である。
【００１６】
遅延素子ＶＺＮの出口で主蒸気質量流量ｍＢｌｒが排出される。主蒸気は次に蒸気アキュムレータまたはボイラに供給される。主蒸気からタービン蒸気質量流量ｍＴが取り出され、タービンに送られる。このため減算素子ＳＵＢが図１に書き込まれている。両方の質量流量ｍＢｌｒ、ｍＴの間の積分した差は蒸気アキュムレータ内の蒸気圧力ｐＨＰに比例しており、この蒸気圧力は主蒸気質量流量ｍＢｌｒとは異なり測定可能な量である。ここで与えられた構造モデルＲＳでは積分を行うために積分器Ｉが示してある。積分器は時間不変と前提される。蒸気ボイラの積分時定数ＴＩは既知と前提される。
【００１７】
発電する部分システムは制御対象ＲＳの一部でなく、ここでは補足物として示してあるにすぎない。部分システムは発電機とタービンを含む。操作量はタービン入口弁の弁位置ＶＥＮであり、この弁位置を介してタービンへの蒸気流が調節される。タービンと発電機はＰ素子とＰＴ１素子との並列回路によってモデル化されている。なぜならば、主蒸気の一部はタービンの高圧領域から発電機へと直接に達し、他の蒸気部分はタービン高圧領域の背後で再び蒸気ボイラに供給されるからである。従って、ＰＴ１素子は中間回路再熱器との関連でサイクルとなる。
【００１８】
蒸気を発生しかつ発電する部分システムはタービン蒸気質量流量ｍＴおよび蒸気圧力ｐＨＰを介して連結されている。弁ＶＥＮを開いてタービン蒸気質量流量を高めるとまず蒸気圧力が低下する。そのことからやはりタービン蒸気質量流量が低下し、こうして再び蒸気圧力ｐＨＰが高まる。さらに、タービン蒸気質量流量ｍＴは発生された電気出力ＥＬＬに比例しかつこれから計算で特定できることが基本的に妥当する。
【００１９】
蒸気発生器について図１で説明した制御対象モデルＲＳを基に次に蒸気発生器のオンライン同定時の処理様式が明らかとされる。
【００２０】
蒸気発生器の制御対象の同定とは基本的に、未知の遅延素子ＶＺＮの、蒸気発生器の動特性を表す伝達特性を特定することを意味している。遅延素子の伝達関数と時定数が特定されたなら、このプロセスは同定されている。遅延素子の伝達関数のパラメータを同定するために推定法が使用される。同時に、間違った推定結果が上位の制御系に出力されるのを防止するためにパラメータ推定の持続的監視を行わねばならない。
【００２１】
従って本発明に係るオンライン同定の基礎は、所定のモデル構造の他に、一定した時間ステップでサンプリングされた燃料質量流量ｍＢｒ、タービン蒸気質量流量ｍＴおよび主蒸気圧力ｐＨＰの測定値である。こうして実時間で同定が達成される。
【００２２】
遅延素子の伝達関数を特定するために、次のステップにおいて遅延素子ＶＺＮの入力量と出力量を特定しなければならない。入力量は燃料質量流量ｍＢｒ、出力量は主蒸気質量流量ｍＢｌｒである。しかし主蒸気質量流量ｍＢｌｒは一般に測定技術的に特定することが困難であり、それゆえに計算で再構成される。主蒸気質量流量ｍＢｌｒは、蒸気ボイラの積分時定数ＴＩが既知の場合、主蒸気圧力ｐＨＰおよびタービン蒸気質量流量ｍＴの測定可能な量から以下の如くに計算される（式中、ＴＡはサンプリング時間、ｋはサンプリングの実行時間パラメータである）：
【００２３】
【数１】
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【００２４】
図２には例示的に燃料質量流量ｍＢｒの測定可能な入力量の時間的推移が曲線１０に、計算した出力量ｍＢｌｒの時間的推移は曲線２０に示してある。その際、測定値は５秒ラスタで記録された。蒸気ボイラの８５秒の積分時定数でもって、蒸気発生器の出力量である仮想主蒸気質量流量ｍＢｌｒが計算された。
【００２５】
以下ではＮ次遅延素子ＶＺＮが例示的にＰＴ３素子と仮定される。
【００２６】
目的は、このステップにおいてＰＴ３素子の連続伝達関数
【００２７】
【数２】
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【００２８】
を特定することである。式中、Ｇ（ｓ）はＰＴ３素子の（ｓ伝達関数とも称される）ラプラス変換伝達関数、ｙ（ｓ）はプロセス出力信号、ｕ（ｓ）はプロセス入力信号、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は個々の独立した時定数、ａ１、ａ２、ａ３、ｂ０は推定法によって特定されるプロセスパラメータである。
【００２９】
この実施例では、情報の態様の離散ルートフィルタ法を用いた再帰的最小２乗パラメータ推定が使用される。同時に、時間的に以前の測定データの指数的に減少する重み付けが忘却係数によって行われる。このために不可欠な測定不能な入力量、出力量の導関数は状態変数フィルタを用いて確定される。
【００３０】
曲線１０、２０の実測定データからオンラインで推定されたｓ伝達関数のパラメータが図２に例示的に示してある。その際、曲線推移３０、４０、５０、６０は相応するパラメータａ３、ａ２、ａ１、ｂ０の時間的展開である。０．９９５の忘却係数を有する情報の態様の再帰的離散ルートフィルタ法が使用された。その際、燃料および主蒸気質量流量データ内の高周波雑音を効果的に抑制するために、状態変数フィルタには８０秒の時定数が選択された。
【００３１】
パラメータ推定を実行するために、予測誤差法等の別の公知の推定法または別のルートフィルタ法も基本的に使用することができる。
【００３２】
以下ではさらに、実際の対象では正確に同一の３つの時定数が存在することは決してないのではあるが、この実施例では蒸気発生器およびボイラの動特性が同一の時定数を有する３つの１次遅延素子の直列回路として記述されることに注意しなければならない。しかし３つの同一の時定数を求める要求は直接には満たすことができない。なぜならば、すべての再帰的パラメータ推定法は伝達関数のパラメータ（多項式係数）のみを推定し、時定数を推定するのではないからである。それにもかかわらずＰＴ３素子の時定数は、パラメータ推定に続いて、推定された独立した時定数から確定することができる。
【００３３】
離散パラメータａ１、ａ２、ａ３、ｂ０の推定実行後、離散パラメータはなお相応する時間連続的増幅および時定数に換算することができる。
【００３４】
伝達関数の上記方程式から、時定数に換算時に下記態様の非線形方程式系が得られる：
【００３５】
【数３】
2010507159.tif 000005
【００３６】
３つの時定数が同一であるとの簡素化した仮定Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔ３＝Ｔでもって、各パラメータからこれら３重の時定数の数値を計算することができる。３つの独立した時定数Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の間の差が小さい場合、この仮定は適切である。同一の時定数、つまり蒸気発生器の求めるＰＴ３素子の時定数を計算する３つの方策が続く：
【００３７】
【数４】
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【００３８】
これらの値を基に次に推定結果の有意性を特定することができる。
【００３９】
さらに、オンライン同定が問題となっており、システムパラメータを同定するために再帰推定器をいつでも作動させねばならないことに注意しなければならない。しかし励起不足時または過大な障害のとき推定器は有意義な推定パラメータを提供せず、従って有意義な時定数も提供しない。それゆえに、提供された推定結果の妥当性を検証しかつその妥当性について決定する監視セクションが不可欠である。そのためにさまざまなテスト判定基準が作成される。すべての判定基準が同時に満たされた場合にのみ、実際に計算された平均和時定数が受け入れられかつ出力される。
【００４０】
判定基準として例えば有意義なインターバル限界が明示される。すなわち、蒸気発生器の求める平均時定数がそれらの内部に存在してもよいインターバルの下限Ｔｍｉｎと上限Ｔｍａｘが明示される。
【００４１】
さらに、勾配特性を点検することができ、いわゆる予測誤差判定基準を応用することができる。こうして、遅延素子ＰＴ３の求める時定数について３つの独立した時定数の存在する事実が監視セクションで利用される。
【００４２】
このステップを純図形的に表すなら、３つの時定数Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の曲線推移が比較され、かつ上記判定基準によって点検され、時定数Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が近似的に同一である曲線推移範囲がこうして特定される。これらの範囲の内部で、３つの独立した時定数Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３から、所定のモデル構造の遅延素子について同一の時定数を有する３次遅延素子の時定数Ｔを確定することができ、これにより蒸気発生器の場合ここでプロセス全体が同定されている。
【００４３】
同定結果は、時間連続的モデルの態様で上位の制御系に転送される。したがって、この適応モデルは図３に示されているように、蒸気発生器およびタービンの適応制御系の一部である。
【００４４】
図３は制御装置Ｒの構造線図を示す。この制御装置に基準量ｗが供給される。制御装置の出力部から制御量ｘが出力される。制御装置の一部である単数または複数の計算ユニットＢＥにおいて蒸気発生器の制御について制御対象の同定が本発明に係る方法に従ってオンラインで計算される。
【符号の説明】
【００４５】
ａ１、ａ２、ａ３、ｂ０  パラメータ
Ｇ（ｓ）  伝達関数
Ｉ  積分器
ｍＢｌｒ  主蒸気質量流量
ｍＢｒ  燃料質量流量
ｍＴ  タービン蒸気質量流量
ｐＨＰ  主蒸気圧力
ＲＳ  モデル構造
ＳＵＢ  減算素子
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３  時定数
ＶＺＮ  Ｎ次遅延素子
【図１】
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2010507159.tif 000008
【図２】
2010507159.tif 000009
【図３】
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【国際調査報告】
2010507159.tif 000011
2010507159.tif 000012
2010507159.tif 000013
2010507159.tif 000014