(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層の層高目標値と層高測定値との間の層高偏差が予め定めた最大値以上の際に層高操作を開始し、前記層高偏差が最小値以下の際に前記層高操作を停止し、該層高操作により層温又は蒸気温度よりなる状態温度を制御して蒸気タービン及びガスタービンを駆動する加圧流動層複合発電システムにおいて、層高操作開始時の状態温度と層高操作後の一定時間内の最小状態温度との間又は層高操作後より次回層高操作までの状態温度測定値と状態温度設定値との間の変化量を求める制御回路と、該変化量が予め設定した最大許容変化量を超えた際に、層高偏差の最大値又は最小値を変更して１回あたりの層高操作幅を小さくする制御回路とを有する制御装置を備えたことを特徴とする加圧流動層複合発電システム。
【請求項２】
流動層の層高目標値と層高測定値との間の層高偏差が予め設定した最大値以上の際に層高操作を開始し、前記層高偏差が最小値以下の際に前記層高操作を停止し、該層高操作により層温又は蒸気温度よりなる状態温度を制御して蒸気タービン及びガスタービンを駆動する加圧流動層複合発電システムの制御方法において、前記状態温度の測定値の経時変化を記録し、層高操作開始時の前記状態温度と層高操作後の一定時間内の最小状態温度との温度変化量を求め、該温度変化量が予め設定した最大許容変化量を超えた際に、前記層高偏差の最大値又は最小値を変更して１回あたりの層高操作幅を小さくすることを特徴とする加圧流動層複合発電システムの制御方法。
【請求項３】
流動層の層高目標値と層高測定値との間の層高偏差が予め定めた最大値以上の際に層高操作を開始し、前記層高偏差が最小値以下の際に前記層高操作を停止し、該層高操作により層温又は蒸気温度よりなる状態温度を制御して蒸気タービン及びガスタービンを駆動する加圧流動層複合発電システムの制御方法において、前記状態温度の測定値の経時変化を記録し、層高操作後より次回層高操作までの状態温度測定値と状態温度設定値との最大偏差を記憶し、該最大偏差が予め設定した最大許容変化量を超えた際に、前記層高偏差の最大値又は最小値を変更して１回あたりの層高操作幅を小さくすることを特徴とする加圧流動層複合発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加圧流動層ボイラを備えた複合発電システムに係り、特に流動層の層温又は蒸気温度を、層高操作により制御する加圧流動層複合発電システム及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の石炭を燃料とする発電システムの１つに、加圧雰囲気の流動層内で石炭を燃焼させ、蒸気タービンとガスタービンとを同時に駆動する加圧流動層複合発電（PFBC）システムがある。図７に加圧流動層複合発電システムの一例を示す。加圧流動層ボイラの火炉２８内では、分散板３０上の流動媒体粒子の層に燃焼空気ノズル３１から空気を供給して流動層３４とし、この流動層３４中で燃料４７を燃焼させる。流動層３４中の伝熱管３３内で蒸気を発生させ、この蒸気で蒸気タービン５２を駆動する。また、同時に火炉２８から発生する高温，高圧の燃焼排ガス３８によりガスタービン４９を駆動する。加圧流動層ボイラの負荷を増加する際は、流動層３４の層高を上げて伝熱管３３との接触面積を大きくし伝熱量を増加させる。そのため、流動媒体粒子（BM；Bed  Material）３６を流動媒体容器（BMタンク）３５からBM供給ライン４５を経て火炉２８へ投入する。また、負荷を減少するときは、流動層３４を形成する流動媒体粒子３６をBM抜き出しライン４６からBMタンク３５へ抜き出すことにより、層高を下げて接触面積を小さくし伝熱量を減少させる。
【０００３】
加圧流動層ボイラでは、蒸気への伝熱量を調節する操作量は、加圧流動層ボイラへの入熱量を調節する燃料供給量と、流動層から伝熱管への伝熱面積を調節する層高である。また、蒸気温度とともに、燃焼状態を良好に保つため層温も制御が必要な状態値となる。燃料供給量を増やすと層温及び蒸気温度が上昇し、燃料供給量を減らすと層温及び蒸気温度は下降する。層高を増加させると層温が下がり蒸気温度が上昇し、層高を減少させると層温が上がり蒸気温度が下降する。
【０００４】
従来のPFBCプラントの自動制御技術は、層高操作によって層温を制御する方法と、蒸気温度を制御する方法との２通りの制御方式があるが、図８に例として層温を層高操作によって制御する方法の制御回路を示した。流動層の層高設定値２は負荷指令の関数として決定され、この層高設定値２に対して、層温測定器３で測定された層温測定値と層温設定値との層温偏差５を０とするように修正が加えられた層高目標値９が決定される。層温を一定の温度帯に入るように制御する場合は、温度偏差がある温度幅内ならば層温偏差５を０として扱う不感帯を不感帯設定器６により設定する場合もある。層高操作は層高目標値９と層高測定器１０で測定した層高測定値との層高偏差１２を０とするように層高操作を行うが、流動媒体粒子を加圧された火炉内へ供給し、あるいは抜き出す層高操作は連続的に行うことが難しいため、偏差が一定値を超えると層高操作指令１４を発生し、偏差が一定値以下になると操作を停止するヒステリシス発生器１３を用いている。この層高操作指令１４に従って、火炉内へ流動媒体粒子を供給する流動媒体供給指令１５、又は流動媒体粒子を火炉から抜き出す流動媒体抜き出し指令１６が発信され、層高を操作する。図８に示すような制御回路により、層温を、設定した温度あるいは温度帯に制御する。
【０００５】
負荷上昇時は層高を増加させる操作を行うが、この時、火炉外のBMタンクに貯蔵されていた温度100℃以下のBMが、850〜900℃の流動層内へ投入されるため、層高操作時には層温が低下し、これに伴い蒸気温度も低下する。加圧流動層複合発電システムの安定運転上、蒸気温度は許容温度範囲内で制御する必要があり、そのためには層高操作時に層温が低下しても層温を一定温度以上に保つ必要がある。１回の層高操作時に投入されるBMの量、すなわち層高操作幅が大きいほど層温の低下幅は大きくなるため、層高操作を開始又は停止する層高偏差の幅（ヒステリシス幅）によって層温低下幅は決まる。通常、試運転データやシミュレーションによって適切な層高操作幅を決定し、制御回路設定値とするが、運転負荷や燃料性状の変化等によりプラントが予測したものと異なる動特性を示す場合がある。
【０００６】
図９に加圧流動層ボイラの負荷を上昇させた時の層高目標値と、層高、流動層温及び蒸気温度の測定値の経時変化を示した。ここでは、特性が分かりやすいよう層高による層温制御の回路を活かしていない状態を示している。１回目の層高操作で層温の低下幅が予想を超えて大きくなり、そのまま層温が低い温度帯を推移している。これによって、蒸気温度も大きく低下し許容温度範囲を超えたため、プラントは不安定な運転に陥った。
【０００７】
層温が低い温度で推移したのは、層高操作幅が予め設定された値で繰り返し実行されたためである。図１０に層高操作と、層温、蒸気温度及びBM操作の状況を並べて示した。従来の制御方法では、層高操作幅は毎回同じであり、層高目標値と層高測定値との偏差が操作開始層高偏差になるとBM供給用空気弁を開き、層高偏差が操作停止層高偏差になるとBM供給用空気弁を閉じる。層高操作幅が大きすぎる（層温低下幅が大きい）場合でも毎回同じ層高操作になるため、その都度、層温は低い温度となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の加圧流動層複合発電システムの制御方法にあっては、負荷上昇時は層高を増加させる操作を行うが、１回の層高操作時に投入されるBMの量、すなわち層高操作幅が大きいほど層温の低下幅は大きくなるため、試運転データやシミュレーションによって適切な層高操作幅を決定し、制御回路設定値とするが、運転負荷や燃料性状の変化等によりプラントが予測したものと異なる動特性を示す場合がある。
【０００９】
従来の層高操作幅は毎回同じであり、層高目標値と層高測定値との偏差が操作開始層高偏差になるとBM供給用空気弁を開き、操作停止層高偏差になるとBM供給用空気弁を閉じる。層高操作幅が大きすぎ、層温低下幅が大きい場合でも毎回同じ層高操作になるため、その都度、層温は低い温度となり温度の復旧に時間が掛る問題がある。
【００１０】
本発明の課題は、層高操作後の温度変化量が予め設定した最大許容変化量を超えた際に、１回あたりの層高操作量を小さくするようにした加圧流動層複合発電システム及びその制御方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を達成するため、本発明に係る加圧流動層複合発電システムにあっては、流動層の層高目標値と層高測定値との間の層高偏差が予め設定した最大値以上の際に層高操作を開始し、層高偏差が最小値以下の際に層高操作を停止し、層高操作により層温又は蒸気温度よりなる状態温度を制御して蒸気タービン及びガスタービンを駆動する加圧流動層複合発電システムにおいて、層高操作開始時の状態温度と層高操作後の一定時間内の最小状態温度との間又は層高操作後より次回層高操作までの状態温度測定値と状態温度設定値との間の変化量を求める制御回路と、変化量が予め設定した最大許容変化量を超えた際に、層高偏差の最大値又は最小値を変更して１回あたりの層高操作幅を小さくする制御回路とを有する制御装置を備えた。
【００１２】
また加圧流動層複合発電システムの第１の制御方法にあっては、流動層の層高目標値と層高測定値との間の層高偏差が予め定めた最大値以上の際に層高操作を開始し、層高偏差が最小値以下の際に層高操作を停止し、層高操作により層温又は蒸気温度よりなる状態温度を制御して蒸気タービン及びガスタービンを駆動する加圧流動層複合発電システムの制御方法において、状態温度の測定値の経時変化を記録し、層高操作開始時の状態温度と層高操作後の一定時間内の最小状態温度との温度変化量を求め、温度変化量が予め設定した最大許容変化量を超えた際に、層高偏差の最大値又は最小値を変更して１回あたりの層高操作幅を小さくする構成とした。
【００１３】
また第２の制御方法においては、状態温度の測定値の経時変化を記録し、層高操作後より次回層高操作までの状態温度測定値と状態温度設定値との最大偏差を記憶し、最大偏差が予め設定した最大許容変化量を超えた際に、層高偏差の最大値又は最小値を変更して１回あたりの層高操作幅を小さくする構成とした。
【００１４】
本発明によれば、層温測定値を経時的に記録し、記録された層温中の最低温度を判別し、この最低温度と層温目標値との偏差が、システム安定運転に必要な予め定めた値を超えた際は、層高操作幅の設定値を変更して層高操作幅を小さくすることにより、運転が安定される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１を参照しながら説明する。図１に示すように、負荷指令の関数として流動層の層高設定値２が関数発生器１により決定されるステップと、層高設定値２に対して層温測定器３で測定された層温と層温設定値との層温偏差５を０にするように修正が加えられて層高目標値９が決定されるステップと、層高目標値９と層高測定器１０で測定した層高測定値との間の層高偏差１２を減算器１１で計算するステップと、層高偏差１２が予め定めた最大値以上の際に層高操作指令１４をヒステリシス発生器１３より発生し層高操作を開始するステップと、層高偏差１２が最小値以下の際に層高操作指令１４をヒステリシス発生器１３より発生し層高操作を停止するステップと、層高操作指令１４に基づく層高操作により層温又は蒸気温度よりなる状態温度を制御するステップとを有し、蒸気タービン及びガスタービンを駆動する加圧流動層複合発電システムの制御方法であって、状態温度のうちの例えば層温を層温測定器３で測定した層温測定値の経時変化を層温変化記録装置１７に記録するステップと、層高操作開始時の層温測定値と層高操作後の一定時間内の最小層温測定値との間の温度変化量を減算器１９で求めるステップと、温度変化量が予め設定した最大許容変化量（温度変化設定値）を超えたことを減算器２０で計算するステップと、層高偏差の最大値又は最小値を変更して１回あたりの層高操作量をヒステリシス発生器１３により小さく修正するステップとを含む構成である。
【００１６】
本発明の他の実施例として、状態温度のうちの蒸気温度についても図２に示すように層温と同様に制御される。
【００１７】
つまり流動層の層高操作により層温又は蒸気温度を制御して蒸気タービン及びガスタービンを駆動する加圧流動層複合発電システムの制御方法であって、層高操作に伴い層温又は蒸気温度が設定値より低下した際、層温又は蒸気温度の低下を抑制するように層高操作幅を小さく修正して制御するものである。
【００１８】
図１に示す制御回路は、層温を層高によって制御する方法を示している。層高設定値２に層温偏差５による修正を加えた層高目標値９と、層高測定器１０で測定される実際の層高測定値との偏差をもとにヒステリシスを加えて層高操作を実行する回路は、図８に示す従来技術と同様である。ここで、本実施の形態の制御方法を実施するため、まず層温変化記録装置１７に層温測定器３で測定した層温測定値の経時変化を記録する。この記録は過去一定時間幅内の層温測定値を記録してもよい。記録された層温測定値の最低層温を最低値判定１８で選択し、この最低層温と層温設定値との間の層温偏差（温度変化量）を減算器１９で求める。減算器１９から出力される最大層温偏差と温度変化設定値との差を減算器２０で計算し、その結果を比例制御器２１を通して層高操作幅指令値２２として出力する。この回路により、最大層温偏差が温度変化設定値を超える場合は層高操作幅指令値２２が小さくなり、逆に最大層温偏差が温度変化設定値より小さい場合は層高操作幅指令値が大きくなる。層高操作幅指令値は、ヒステリシス発生器の層高の操作開始偏差、あるいは操作停止偏差の設定を変更し、層高操作幅指令２２に等しい層高操作幅（ヒステリシス幅）となるよう修正する。層高操作幅を小さくするには、層高操作を開始する層高目標値と層高測定値の偏差を小さくする、あるいは層高操作を停止する偏差を大きくする方法がある。
【００１９】
図３に本発明の他の実施の形態である制御回路を示す。図１に示す実施の形態では、層温測定値を経時記録し一定時間内の最大層温偏差を判定したのに対し、この他の実施の形態では１回の層高操作から次回の層高操作までの間の最大層高偏差を判定に用いる。層高設定値を層温偏差によって補正した層温目標値になるようにヒステリシスを加えた層高操作を行う点は図１の実施の形態と同じである。層高操作後より次回層高操作の間に測定された層温又は蒸気温度よりなる状態温度測定値と状態温度設定値との間の最大偏差を記憶し、最大偏差が予め設定した最大許容変化量を超えた際に、層高偏差の最大値又は最小値を変更して１回あたりの層高操作量を小さくする構成である。
【００２０】
すなわち層高操作後、層温偏差信号５は最大値選択器２５を経由して記憶器２４に格納される。次の測定時の層温偏差信号５は、前回の記憶器２４に格納された値と最大値判定器２５で比較され、大なる値が再び記憶器２４に格納される。この記録された最大偏差は、減算器２０で温度変化設定値と差を取り、比例制御器２１を通って層高操作幅指令値２２となる。この層高操作幅指令値２２によって層高操作幅を修正する点は図１に示す実施の形態と同じである。層高目標値９と層高測定値１０との層高偏差１２が層高操作開始偏差を超え、層高操作指令１４が発信されると、この信号を受けたリセットスイッチ２３が記憶器２４に格納された最大層温偏差値を消去する。これによって、層高操作から次回操作の間の最大層温偏差によって、層高操作幅を修正することができ、負荷変化中等層高操作毎に運転条件が変わる場合も、毎回操作ごとに層温低下幅を判定して、層高操作幅を修正することが可能になる。この他の実施の形態によれば、1回の層高操作後、次回の操作までの間の層温低下幅の最大値を判定基準とすることにより、負荷変化中のように層高操作機会ごとに運転条件が変わっていく場合にも早い対応が可能となる。
【００２１】
図３及び図４に本発明の他の実施の形態の制御回路を示す。ここでは、蒸気温度を層高操作によって制御する制御方式に本発明を適用している。図３は、図１の実施の形態と同じ制御回路において、層温の変わりに蒸気温度の偏差を判定基準に用いたものである。図４に示した他の実施の形態は、図２の他の実施の形態と同じ制御回路において、層温の代わりに蒸気温度の偏差を判定基準に用いたものである。
【００２２】
つぎに本発明の作用を説明する。層高を１回操作した際、層温低下幅が予想された値を上回った時、次回層高操作では層高操作幅を小さく修正するため、BM投入量が少なくなり、層温低下幅が小さく抑えられる。これにより、蒸気温度がプラント安定運転に必要な許容値を超えて低下することを防止することができる。図５に上記の手段を用いた場合の層温及び蒸気温度の特性を示した。層温及び蒸気温度が許容値を超えて低下する▲１▼の場合に対し、層高操作停止偏差を大きくした▲２▼及び操作開始偏差を小さくした▲３▼の場合では、１回の操作による層温低下幅が小さくなり、蒸気温度も下限許容値内で制御することが可能になっている。
【００２３】
本発明によれば、層高操作時の層温又は蒸気温度の異常低下を防止し、プラントの安定運転を保ち、あるいは安定化操作の時間短縮が可能となる。本発明の制御方法を、加圧流動層複合発電システムに適用した場合の、負荷上昇操作時の層高操作と層温又は蒸気温度の変化を図６に示した。１回目の層高操作で層温の低下幅が大きくなったため、層高操作幅を決定するヒステリシス幅が小さく修正され、２回目からは層高操作幅が小さくなっている。これにより、層温の大幅な低下が防ぐことができ、層温又は蒸気温度の大きな乱れはなくなり、層温は徐々に上昇していく。この効果で蒸気温度は許容範囲内で制御することが可能となった。また、負荷上昇に伴って層高が高くなり、同量のBM投入による層温低下幅が小さくなってくるのに伴って、１回の層高操作幅は順次大きくなり、層高目標への追従性も良くなっている。したがってプラント安定条件を保ちつつ、層高を操作することが容易になる。
【００２４】
つぎに図１〜図４に示すように、本発明の他の実施の形態として加圧流動層複合発電システムは、前記いずれか一つの加圧流動層複合発電システムの制御方法を用い、層高操作開始時の状態温度測定値と層高操作後の一定時間内の最小状態温度測定値との間又は層高操作後と次回層高操作との間で測定された状態温度測定値と状態温度設定値との間の温度変化量を求める制御回路と、温度変化量が予め設定した最大許容変化量を超えた際に、層高偏差の最大値又は最小値を変更して１回あたりの層高操作量を小さくする制御回路とを有する制御装置を備えた構成とする。この他の実施の形態によっても前記と同様な作用、効果を得ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、層高操作に伴い層温又は蒸気温度が設定値より低下した際、層高操作幅を小さく修正するため、層温又は蒸気温度の低下が抑制されるとともに、層高目標への追従性もよくなってシステムの安定条件を保ちつつ、層高を操作することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す制御回路の図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す制御回路の図である。
【図３】本発明の他の実施の形態を示す制御回路の図である。
【図４】本発明の他の実施の形態を示す制御回路の図である。
【図５】本発明を用いた加圧流動層複合発電システムの層高操作を説明する図である。
【図６】本発明を用いた加圧流動層複合発電プラントの運転状態を説明する図である。
【図７】加圧流動層複合発電システムの一例を示す図である。
【図８】従来技術の制御回路の一例を示す図である。
【図９】従来技術の加圧流動層複合発電システムの運転状態を説明する図である。
【図１０】従来技術の加圧流動層複合発電システムの層高操作を説明する図である。
【符号の説明】
１  関数発生器
２  層高設定値
３  層温測定器
４  減算器
５  層温偏差信号
６  不感帯設定器
７  比例積分制御器
８  加算器
９  層高目標値
１０  層高測定器
１１  減算器
１２  層高偏差信号
１３  ヒステリシス発生器
１４  層高操作指令
１５  流動媒体供給指令
１６  流動媒体抜き出し指令
１７  層温変化記録装置
１８  最低値判定器
１９  減算器
２０  減算器
２１  比例積分制御器
２２  層高操作幅指令値
２３  リセットスイッチ
２４  記憶器
２５  最大値判定器
２６  蒸気温度測定器
２７  層差圧測定器
２８  火炉
２９  圧力容器
３０  分散板
３１  燃焼空気ノズル
３２  ウィンドウボックス
３３  伝熱管
３４  流動層
３５  流動媒体容器
３６  流動媒体粒子
３７  サイクロン
３８  燃焼排ガス
３９  BM供給用空気弁
４０  BM供給用空気
４１  BM抜き出し空気弁
４２  BM抜き出し空気
４３  BM戻し空気弁
４４  BM戻し空気
４５  BM供給ライン
４６  BM抜き出しライン
４７  燃料
４８  圧縮器
４９  ガスタービン
５０  空気
５１  発電器
５２  蒸気タービン
５３  煙突
【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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