ボイラ制御装置のボイラ動特性整形装置およびボイラ制御方法
【課題】ガバナで発電出力を、燃料で主蒸気圧力を、給水流量で１次過熱器入口エンタルピを、互いに影響されずにそれぞれ独立に最適に制御することを可能とするようにボイラの動特性を整形すること。
【解決手段】主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御装置であって、発電出力の偏差５２、主蒸気圧力の偏差６２、及び１次過熱器入口エンタルピの偏差７２がそれぞれガバナの開度、ボイラ投入の燃料量、及び給水の流量を操作する制御ループを形成し、さらに、３つの偏差が３つの操作量に互いに外乱を及ぼさないように補償要素１０１１，１０１２，１０２１，１０２２，１０３１，１０３２を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形すること。
【解決手段】主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御装置であって、発電出力の偏差５２、主蒸気圧力の偏差６２、及び１次過熱器入口エンタルピの偏差７２がそれぞれガバナの開度、ボイラ投入の燃料量、及び給水の流量を操作する制御ループを形成し、さらに、３つの偏差が３つの操作量に互いに外乱を及ぼさないように補償要素１０１１，１０１２，１０２１，１０２２，１０３１，１０３２を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラの制御装置に係わり、特に、高負荷変化率における発電出力と蒸気圧力と蒸気温度の追従性能を同時に向上させるに適したボイラの動特性整形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のボイラにおける蒸気圧力制御を含む制御装置について、図１０と図１１を用いて説明する。図１０は従来のボイラ・タービン系における発電出力、主蒸気圧力、主蒸気温度の制御装置全般を示すブロック図である。図１１は従来のボイラ・タービン系における制御装置の信号系統を示す図である。以下の説明は、本発明の実施形態に係るボイラの動特性整形装置の前提となる技術である。
【０００３】
図１０において、給水はポンプ１１によりボイラに導入され、節炭器１２を経て水壁１４以降に流入する。分岐点２２でその一部は１次スプレ２３、２次スプレ２４として使われる。水壁１４は火炉１３中にあり、燃料の燃焼により昇温された燃焼ガスから流体への熱移動によって水が加熱される。加熱された水はケージ１５、汽水分離器１６を経て蒸気となり、図示例では、１次過熱器１７、２次過熱器１８および３次過熱器１９にて順次に過熱蒸気発生がなされる。過熱蒸気はガバナ２０を経てタービン２１（図１０では高圧タービンのみ示す）にて発電を行った上で、さらに再熱ループ（図１０では不図示）に流入する。
【０００４】
一方、ボイラ・タービン系の制御について説明すると、負荷要求ＭＷＤ５０により関数発生器Ｆｘを介して主蒸気圧力６０と１次過熱器入口エンタルピ７０の設定値がそれぞれ生成される。これら３つの要求又は設定値に追従すべき量は、それぞれ発電出力５１（高圧タービン側のみ図示）、主蒸気圧力６１及び１次過熱器入口エンタルピ７１である。これらの要求又は設定値と追従すべきプロセス量との差を符号５２，６２および７２として表す。すなわち、負荷要求５０から発電出力５１を減算した偏差が５２、主蒸気圧力設定６０から主蒸気圧力６１を減算した偏差が６２、また１次過熱器入口エンタルピ設定値７０から１次過熱器入口エンタルピ７１を減算した偏差が７２である。
【０００５】
これらの偏差５２，６２及び７２は、それぞれの信号伝達の後流側にあるＰＩ制御器５３，６３及び７３に適切な無次元化の上で入力され、フィードバック調節量１１１，１１２及び１１３が算定される。発電出力偏差のＰＩ調節値１１１はガバナ２０への指令信号となってガバナ２０の開度を操作する。また、主蒸気圧力偏差のＰＩ調節量１１２は、負荷要求５０と加算されボイラ入力指令（ＢＩＤ）２００となる。このＢＩＤ２００は一方では関数発生器Ｆｘにより給水流量の先行信号２０１を、また一方では同様の関数発生器Ｆｘにより燃料流量の指令値２０２を、それぞれ生成する。給水流量先行信号２０１は、１次過熱器入口エンタルピ偏差のＰＩ調節値１１３と加算され、給水流量の指令信号３０１となって給水ポンプ１１の駆動操作を指示する。また、燃料流量の指令値２０２は、火炉１３への燃料流量の投入操作を指示する。
【０００６】
ここで、制御系の信号の流れに着目して図示したものが図１１である。すなわち、図１１はフィードバック調節量がボイラ・タービン系にどのように作用し、どのような結果を出力するか、に着目したものである。図１１において、ボイラ・タービン系２０００は、フィードバック調節量１１１，１１２および１１３を入力して、発電出力５１、主蒸気圧力６１および１次過熱器入口エンタルピ７１を出力するブロック２０００として表されている。
【０００７】
図１１の構成によると、発電出力偏差の調節量１１１は、ボイラ・タービン系２０００中にて経路２０１１により発電出力５１に作用し、経路２０１２により主蒸気圧力６１に作用し、さらに、経路２０１３により１次過熱器入口エンタルピ７１に作用する。すなわち、本来制御したい経路は調節量１１１から経路２０１１を経て経路５１に至る経路であるが、それのみならず、ガバナの操作によって得られる調節量１１１によって本来変動することが望ましくはない主蒸気圧力６１、１次過熱器入口エンタルピ７１への経路も存在する。ここで、ガバナ開度大／小により主蒸気圧力が下降／上昇という物理特性が自明であるため、調節量１１１から主蒸気圧力６１の経路２０１２の結合は強い。一方、ガバナ開度の大小が直接にエンタルピに効果を持つことはないため、経路２０１３は弱い結合しか持たない。
【０００８】
また、主蒸気圧力偏差のフィードバック調節量１１２はボイラ入力ＢＩＤ２００を決めるため、燃料と給水あるいは空気量の変化を引き起こす。このため調節量１１２の変化は圧力とエンタルピいずれにも強い作用を及ぼし、このため経路２０２２，２０２３はいずれも強い結合を持つ。さらに、圧力とエンタルピの増減により蒸気流量の増減が導かれ、このためこれらの物理量の定性的には積である発電出力も影響を受ける。したがって、２次的な効果ではあるが、調節量１１２から発電出力５１への経路２０２１の結合も無視できない。
【０００９】
また、フィードバック調節量１１３は給水流量を決めるため、対応する出力である１次過熱器エンタルピ７１のみならず、発電出力５１にも主蒸気圧力６１にも強い影響を及ぼす。すなわち、経路２０３１，２０３２と２０３３はいずれも強い作用あるいは結合を持つ。
【００１０】
また、蒸気発生器における蒸気圧力と蒸気温度に対する制御装置の従来技術として、例えば、特許文献１に示す制御装置が提案されている。この特許文献１によると、燃料の燃焼が出力目標に対して遅延すること、また、供給水質量流量が蒸発器伝熱面を通過するに際しての時間遅れ、の両者に対して、制御装置内の２つの遅延要素を用いることによって補正しようとする技術が開示されている。
【特許文献１】特許第２５６３０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、図１１に示す従来技術においては、フィードバック調節量１１１，１１２，１１３が発電出力５１，主蒸気圧力６１及び１次過熱器入口エンタルピ７１に及ぼす相互影響が制御系に取り入れられていないため、上述したとおり、望ましくない変動が、調節量１１１から主蒸気圧力６１と１次過熱器入口エンタルピ７１、調節量１１２から発電出力５１と１次過熱器入口エンタルピ７１、また、調節量１１３から発電出力５１と主蒸気圧力６１の経路上に発生する。
【００１２】
この結果として、１次過熱器入口エンタルピ７１を設定７０に追従することが、主蒸気圧力６１を設定６０に追従されることへの外乱として作用することになる。他の経路が互いに外乱として作用することも自明である。このような互いに外乱として作用する制御ループが並存する場合には、それぞれの制御ループを最適化することが非常に困難になる、すなわち、制御定数の最適化の手法として確立しているものは、操作量も制御出力もいずれも１個の場合に限定されている。このため、各ループの制御定数をどのように設定するかの指針を立てることが困難になる。このため、たとえば発電出力、主蒸気圧力と主蒸気温度の負荷変動下での同時最適化が非常に困難になるという課題が生じる。
【００１３】
また、上記の特許文献１の技術においては、給水でセパレータ出口エンタルピひいては主蒸気温度を制御する一方で、蒸気圧力は燃料操作によって制御されることが開示されている。このため、蒸気圧力制御にとっては、２つの課題が発生する。すなわち、一つは、蒸気圧力制御にとって主蒸気温度の給水制御ループが外乱になること、もう一つは、燃料操作が原理的に遅い応答となることである。要は、特許文献１では、発電出力の制御、蒸気温度の制御及び蒸気圧力の制御において、互いの制御の関連性に着目した全体制御に対する観点の配慮に欠けている。しかも、蒸発器内部での蒸発の様態は負荷に依存した２相流となるため、１次もしくは２次遅れのパラメータ値が固定される場合にあっては時間遅れの模擬精度が悪化するという課題が生じ得る。
【００１４】
本発明の目的は、ガバナで発電出力を、燃料で主蒸気圧力を、さらに給水流量で１次過熱器入口エンタルピ（主蒸気温度）を、互いに影響されずにそれぞれ独立に最適に制御することが可能となるボイラ制御装置の動特性整形装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御装置であって、前記発電出力の偏差、前記主蒸気圧力の偏差、及び前記１次過熱器入口エンタルピの偏差がそれぞれ前記ガバナの開度、前記ボイラ投入の燃料量、及び前記給水の流量を操作する制御ループを形成し、さらに、前記３つの偏差が前記３つの操作量に互いに外乱を及ぼさないように補償要素を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形する構成とする。
【００１６】
また、主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御装置であって、前記発電出力の偏差、前記主蒸気圧力の偏差、前記１次過熱器入口エンタルピの偏差がそれぞれ前記ガバナの開度、前記ボイラ投入の燃料量、前記給水の流量を操作する制御ループを形成し、前記３つの偏差のいずれか２以上の偏差の組み合わせが入力され、且つ前記ガバナの開度指令、前記ボイラへの燃料指令、前記給水の流量指令のいずれか２以上の前記入力に対応した指令の組み合わせが出力されるボイラ動特性整形装置を設け、前記ボイラ動特性整形装置から出力される２以上の指令に互いに外乱を及ぼさないように補償要素を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形する構成とする。
【００１７】
また、前記ボイラ制御装置の動特性整形装置において、前記ボイラ動特性整形装置に入力される２つの偏差を選択し、前記選択された偏差から補償要素により演算された演算値を非選択の偏差に加算して出力する構成とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、給水で蒸気温度を制御し温度応答を向上させる制御装置において蒸気圧力および発電出力への外乱を抑制できる。同様に、発電出力を調整するガバナに因る蒸気圧力とエンタルピへの制御ループへの外乱と、給水流量に因る発電出力と蒸気圧力への制御ループへの外乱を抑制できる。これによって発電出力を蒸気圧力、蒸気温度と同時に最適に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態に係るボイラ制御装置におけるボイラ動特性整形装置について、図面を参照しながら以下説明する。図１は本発明の実施形態に係るボイラ・タービン系における発電出力、主蒸気圧力、主蒸気温度に関する制御装置の全体構成を示すブロック図である。図２は本実施形態に係るボイラ・タービン系における制御装置の信号系統を示す図である。
【００２０】
本発明の実施形態を示す図１について、従来技術を図示した図１０との相違点を説明し、図１０との共通点については図１０の説明を援用する。発電出力のフィードバック調整量１１１、主蒸気圧力のフィードバック調整量１１２及び１次過熱器入口エンタルピのフィードバック調整量１１３はボイラ動特性整形装置１０００に入力され、演算処理がされた後に、信号１０１，１０２及び１０３が出力される。これらの信号出力は、それぞれ、ガバナ開度指令１０１として作用し、また、ボイラ入力のフィードバック成分１０２として負荷要求５０と加算され、ボイラ入力指令２００として作用し、さらに、給水流量のフィードバック成分１０３として先行値２０１と加算されて給水流量指令３０１として作用する。
【００２１】
次に、本実施形態に関するボイラ動特性整形装置１０００とボイラ・タービン系２０００における信号系統を示す図２を用いて、ボイラ動特性整形装置の機能乃至作用について説明する。図２において、ボイラ動特性整形装置１０００には６個の補償要素１０１１，１０１２，１０２１，１０２２，１０３１，１０３２が設けられている。発電出力偏差のフィードバック調整量１１１は、従来技術にあってはそのままガバナ開度指令として作用するが、本実施形態にあっては、この調整量１１１に１０１１と１０１２という二つの補償要素からの出力が加算されて信号１０１となって、ボイラ動特性整形装置１０００から出力し、ボイラ・タービン系２０００にガバナ開度指令として作用する。図２に示した二つの補償要素はＤｐＢとＤｐＦであるが、まず、ＤｐＢは主蒸気圧力偏差のフィードバック調整量１１２を入力とし、次に、ＤｐＦは１次過熱器入口エンタルピ偏差のフィードバック調整量１１３を入力とする。すなわち、フィードバック調整量１１２から発電出力への影響すなわち外乱と、フィードバック調整量１１３から発電出力への影響すなわち外乱とを、二つの補償要素ＤｐＢ，ＤｐＦを介することで除去している。
【００２２】
同様に、ＤＢｐ１０２１とＤＢＦ１０２２は、主蒸気圧力偏差のフィードバック調整量１１２から主蒸気圧力への信号の伝達経路に発生する外乱を除去する。また、ＤＦｐ１０３１とＤＦＢ１０３２は１次過熱器入口エンタルピ偏差のフィードバック調整量１１３から１次過熱器入口エンタルピへの信号の伝達経路に発生する外乱を除去する。
【００２３】
以上説明した補償要素ＤｐＢ１０１１からＤＦＢ１０３２の構成と作用について、補償要素ＤｐＢ１０１１を代表的な例として説明する。まずはじめに、補償要素ＤｐＢとの比較のため、従来技術と本実施形態においても適用されるＰＩ制御器５３の機能乃至作用について図５を用いて説明する。図５は本実施形態に適用される、制御偏差に対するＰＩ制御装置の動作特性を示す図である。図５において、符号５０１は制御偏差であり、図２の偏差５２，６２，７２に相当する量である。この制御偏差５０１がＰＩ制御器５０２に入力され、次の演算がされて出力５０３が算出される。
【００２４】
５０３＝ＰＩ×制御偏差＝Ｋ×（１＋１／Ｔｓ）×５０１
ここで、Ｋは比例定数（無次元量）、Ｔは積分定数（時間の次元を持つ）でありそれぞれ試運転結果と実績値を勘案して設定される。また、ｓはラプラス変換に現れるラプラス変数である。
【００２５】
同様に、図６は本実施形態に係るボイラ動特性整形装置内の補償要素ＤｐＢの動作特性を示す図である。ここで留意すべきは、補償要素ＤｐＢが次式に示すようにラプラス変数の多項式の比であって、
６０３＝（Ｄ１ｓ２＋Ｄ２ｓ＋Ｄ３）／（Ｅ１ｓ３＋Ｅ２ｓ２＋Ｅ３ｓ＋Ｅ４）×６０１
となることである。このラプラス変数の多項式の次数は補償要素により異なることもあり（上記式の例では分子の次数は２次で分母の次数は３次である）、上記の多項式は一例である。補償要素ＤｐＢ６０２の分子のＤ１〜Ｄ３と分母のＥ１〜Ｅ４は試運転結果を用い、図２に示す発電出力へのフィードバック調整量１１２と１１３の影響、また、主蒸気圧力へのフィードバック調整量１１１と１１３の影響、さらに、１次過熱器入口エンタルピへのフィードバック要素１１１と１１２の影響、のいずれもが除去される条件から一意的に設定される。このとき同時に、補償要素ＤｐＢ以外の５個の補償要素についても図６に相当した形で算出される。
【００２６】
本実施形態の特徴を表す補償要素について敷衍して説明すると、図１０に示すボイラ・タービン系の制御装置に、図１と図２に示す補償要素を設けたボイラ動特性整形装置１０００を組み込んでおき、すなわち、補償要素のラプラス変数多項式の分子のＤ１〜Ｄ３と分母のＥ１〜Ｅ４について運転実績や経験値に基づいて初期値を定めておき、この補償要素を適用した試運転を実施する。図２に示す各制御ループの制御偏差５２，６２，７２を変化させて、他の制御ループへの影響を検出しながら、他への影響がなるべく少なくなるＤ１〜Ｄ３とＥ１〜Ｅ４を設定していく。
【００２７】
実際には、ボイラ・タービン系の試運転結果を用いる代わりに、ボイラ・タービン系のシミュレーションを用いて実施し、補償要素のＤ１〜Ｄ３とＥ１〜Ｅ４を設定してもよい。さらに、シミュレーションの結果と実機の試運転結果とを比べて差異があれば、シミュレーションの補正を行うようにしてもよい。
【００２８】
また、図２においては、発電出力偏差５２、主蒸気圧力偏差６２、１次過熱器入口エンタルピ偏差（主蒸気温度偏差）の３つの制御ループが互いに他の制御ループからの影響を除去する（外乱となる部分を除去する）ボイラ動特性整形装置について図示しているが、これに限らず、ボイラ動特性整形装置への入力が、発電出力偏差、主蒸気圧力偏差、主蒸気温度偏差のいずれか２以上の組み合わせであり、前記ボイラ動特性整形装置からの出力が、ガバナ開度指令、ボイラ入力指令、給水流量指令のいずれか２以上の組み合わせであってもよい。例えば、ボイラ動特性整形装置への入力を２つ選択し、選択された２つの入力から補償要素により演算された演算値を非選択の入力に加算して出力するボイラ動特性整形装置としてもよい。
【００２９】
上述したようなフィードバック調整量の除去について、簡単化のために、図２に示す３入力３出力の代わりに、２入力２出力のモデル系を用いてその概念を説明すると以下のようになる。図７は本実施形態に関するボイラ動特性整形装置を説明するための２入力２出力モデル系の信号系統を示す図である。
【００３０】
図７に示すモデル系によると、出力ｙ１（７１１）がその設定値ｙ１ｓｖ（７０１）に追従するように偏差ｅ１（７２１）をＰＩ調節した操作量７３１と、出力ｙ２（７１２）がその設定値ｙ２ｓｖ（７０２）に追従するように偏差ｅ２（７２２）をＰＩ調節した操作量７３２が、最終的に系７００に入力されるように構成されている。その系７００の前に補償要素Ｄ２１（８０１）とＤ１２（８０２）からなる動特性整形装置８００が設けられている。
【００３１】
次に、図８と図９を用いて、図７に示す設定値ｙ１ｓｖのみをステップ上昇させた場合に、そのステップ上昇の影響が出力７１１と出力７１２にどのように及ぶかについてモデル系の各部位における操作量又は出力をもとに以下説明する。設定値ｙ１ｓｖをステップ上昇させた時のトレンド（特性、傾向）を図８に示す。図８は図７に示すモデル系における第１の制御ループｙ１の信号波形を示す図である。図８（ａ）の操作量７３１は系７００に作用して図８（ｅ）の出力７５１を生成するが、一方で同じ操作量７３１は図８（ｂ）から（ｃ）に補償要素Ｄ１２（８０２）により変換され、系７００への作用結果が図８（ｆ）の出力７５４のとおりとなる。図８の（ｅ）と（ｆ）の総和（出力７５１＋出力７５４）がｙ１の出力であり、その出力は図８（ｄ）に示す実線のとおりであって、破線で示す設定値ｙ１ｓｖによく追従している。
【００３２】
一方、図７に示すモデル系におけるもう一つの出力ｙ２は、図９に示すとおりのトレンドとなる。図９は図７に示すモデル系における第２の制御ループｙ２の信号波形を示す図である。すなわち、図９で（ａ）（ｂ）（ｃ）は図８のものと全く同一の量の再提示であるが、図９（ａ）又は（ｂ）の操作入力は系７００において図９（ｅ）の出力７５３のトレンドを生成する。一方で、補償要素Ｄ１２で変換された信号（ｃ）は系７００に作用して図９（ｆ）の出力７５２を生成する。図９の（ｅ）と（ｆ）のトレンドの総和（出力７５２＋出力７５３）が出力ｙ２であって、この出力は図９（ｄ）の実線又は破線の通り、ほぼゼロを保持する。これによって、ｙ１ｓｖの設定変更による外乱がｙ２には及んでいないことが判る。全く同様に、補償要素Ｄ２１（８０１）を前置きしているためｙ２ｓｖの設定変更に対しても同様の傾向が得られている。
【００３３】
次に、上述した機能を有する補償要素１０１１，１０１２，１０２１，１０２２，１０３１，１０３２によって構成されるボイラ動特性整形装置を設置することで、ボイラの負荷変化下の性能が向上する例を図３と図４に示す。図３は本実施形態に係るボイラ制御装置における３つの制御ループの負荷上昇時の制御偏差を従来技術との比較で説明する図である。図４は本実施形態に係るボイラ制御装置における３つの制御ループの負荷下降時の制御偏差を従来技術との比較で説明する図である。
【００３４】
図３と図４において、（ａ）〜（ｃ）が従来技術、（ｄ）〜（ｆ）が本実施形態の構成を適用したときの負荷変化下のトレンド（特性）である。図３が負荷上昇、図４が負荷下降のトレンドである。（ａ）と（ｄ）は発電出力偏差５２を、（ｂ）と（ｅ）は主蒸気圧力偏差６２を示す。また、（ｃ）と（ｆ）は１次過熱器入口エンタルピ偏差７２を示す。また、物理量は時間を除いてすべて無次元化したものである。
【００３５】
図３と図４に示すトレンド（特性、傾向）を参照すると、本実施形態に係るボイラ動特性整形装置を採用することによって、偏差が飛躍的に低減せられていることが分かる。すなわち、図３と図４に示す（ａ）（ｂ）（ｃ）における従来技術では、ΔＰやΔＴが＋側又は−側の一方に偏って偏差が現れるのに対して、本実施形態では変動はあるがその偏差は平均的には零となっている。
【００３６】
以上説明したように、本発明の実施形態に係るボイラ制御装置のボイラ動特性整形装置の特徴は、各制御ループ（発電出力、主蒸気圧力、１次過熱器入口エンタルピ（主蒸気温度））の相互に外乱となる部分を除去することである。これにより、発電出力偏差のフィードバック調整量はガバナを介して発電出力のみを操作し、また、主蒸気圧力偏差のフィードバック調整量はボイラ入力を介して主蒸気圧力のみを操作し、さらに、１次過熱器入口エンタルピ偏差のフィードバック調整量は給水流量を介して１次過熱器入口エンタルピを操作し、この３つの操作が互いに他に外乱を及ぼすことなく行えることになる。このような制御系の構成を行えば、各ループの制御定数は、１入力１出力系の制御定数の確立された調整ルールを適用して、最適化を行うことが可能となる。
【００３７】
換言すると、本実施形態によれば、ガバナで発電出力を、またボイラ入力で主蒸気圧力を、さらに給水流量で１次過熱器入口エンタルピを、それぞれ独立に最適に制御することができる。したがって、ガバナ操作の圧力制御への外乱、ボイラ入力の発電出力あるいは１次過熱器入口エンタルピへの外乱、さらに給水操作の発電出力あるいは圧力制御への外乱が抑制されているため、発電出力、主蒸気圧力とエンタルピの応答性、制御性は飛躍的に向上し、これらの負荷変化下での追従性の両立を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係るボイラ・タービン系における発電出力、主蒸気圧力、主蒸気温度に関する制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態に係るボイラ・タービン系における制御装置の信号系統を示す図である。
【図３】本実施形態に係るボイラ制御装置における３つの制御ループの負荷上昇時の制御偏差を従来技術との比較で説明する図である。
【図４】本実施形態に係るボイラ制御装置における３つの制御ループの負荷下降時の制御偏差を従来技術との比較で説明する図である。
【図５】本実施形態に適用される、制御偏差に対するＰＩ制御装置の動作特性を示す図である。
【図６】本実施形態に関するボイラ動特性整形装置内の補償要素ＤｐＢの動作特性を示す図である。
【図７】本実施形態に関するボイラ動特性整形装置を説明するための２入力２出力モデル系の信号系統を示す図である。
【図８】図７に示すモデル系における第１制御ループの信号波形を示す図である。
【図９】図７に示すモデル系における第２制御ループの信号波形を示す図である。
【図１０】従来のボイラ・タービン系における発電出力、主蒸気圧力、主蒸気温度の制御装置全般を示すブロック図である。
【図１１】従来のボイラ・タービン系における制御装置の信号系統を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１ 給水ポンプ
１７ １次過熱器
２０ ガバナ
２１ タービン
５０ 負荷要求
５１ 発電出力
５２ 発電出力偏差
６０ 主蒸気圧力設定値
６１ 主蒸気圧力
６２ 主蒸気圧力偏差
７０ １次過熱器入口エンタルピ設定値
７１ １次過熱器入口エンタルピ
７２ １次過熱器入口エンタルピ偏差
１１１ 発電出力偏差のＰＩ調整量
１１２ 主蒸気圧力偏差のＰＩ調整量
１１３ １次過熱器入口エンタルピ偏差のＰＩ調整量
２００ ボイラ入力指令
２０１ 給水流量先行信号
２０２ 燃料流量指令値
３０１ 給水流量指令信号
１０００ ボイラ動特性整形装置
１０１１，１０１２，１０２１，１０２２，１０３１，１０３２ 補償要素
２０００ ボイラ・タービン系
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラの制御装置に係わり、特に、高負荷変化率における発電出力と蒸気圧力と蒸気温度の追従性能を同時に向上させるに適したボイラの動特性整形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のボイラにおける蒸気圧力制御を含む制御装置について、図１０と図１１を用いて説明する。図１０は従来のボイラ・タービン系における発電出力、主蒸気圧力、主蒸気温度の制御装置全般を示すブロック図である。図１１は従来のボイラ・タービン系における制御装置の信号系統を示す図である。以下の説明は、本発明の実施形態に係るボイラの動特性整形装置の前提となる技術である。
【０００３】
図１０において、給水はポンプ１１によりボイラに導入され、節炭器１２を経て水壁１４以降に流入する。分岐点２２でその一部は１次スプレ２３、２次スプレ２４として使われる。水壁１４は火炉１３中にあり、燃料の燃焼により昇温された燃焼ガスから流体への熱移動によって水が加熱される。加熱された水はケージ１５、汽水分離器１６を経て蒸気となり、図示例では、１次過熱器１７、２次過熱器１８および３次過熱器１９にて順次に過熱蒸気発生がなされる。過熱蒸気はガバナ２０を経てタービン２１（図１０では高圧タービンのみ示す）にて発電を行った上で、さらに再熱ループ（図１０では不図示）に流入する。
【０００４】
一方、ボイラ・タービン系の制御について説明すると、負荷要求ＭＷＤ５０により関数発生器Ｆｘを介して主蒸気圧力６０と１次過熱器入口エンタルピ７０の設定値がそれぞれ生成される。これら３つの要求又は設定値に追従すべき量は、それぞれ発電出力５１（高圧タービン側のみ図示）、主蒸気圧力６１及び１次過熱器入口エンタルピ７１である。これらの要求又は設定値と追従すべきプロセス量との差を符号５２，６２および７２として表す。すなわち、負荷要求５０から発電出力５１を減算した偏差が５２、主蒸気圧力設定６０から主蒸気圧力６１を減算した偏差が６２、また１次過熱器入口エンタルピ設定値７０から１次過熱器入口エンタルピ７１を減算した偏差が７２である。
【０００５】
これらの偏差５２，６２及び７２は、それぞれの信号伝達の後流側にあるＰＩ制御器５３，６３及び７３に適切な無次元化の上で入力され、フィードバック調節量１１１，１１２及び１１３が算定される。発電出力偏差のＰＩ調節値１１１はガバナ２０への指令信号となってガバナ２０の開度を操作する。また、主蒸気圧力偏差のＰＩ調節量１１２は、負荷要求５０と加算されボイラ入力指令（ＢＩＤ）２００となる。このＢＩＤ２００は一方では関数発生器Ｆｘにより給水流量の先行信号２０１を、また一方では同様の関数発生器Ｆｘにより燃料流量の指令値２０２を、それぞれ生成する。給水流量先行信号２０１は、１次過熱器入口エンタルピ偏差のＰＩ調節値１１３と加算され、給水流量の指令信号３０１となって給水ポンプ１１の駆動操作を指示する。また、燃料流量の指令値２０２は、火炉１３への燃料流量の投入操作を指示する。
【０００６】
ここで、制御系の信号の流れに着目して図示したものが図１１である。すなわち、図１１はフィードバック調節量がボイラ・タービン系にどのように作用し、どのような結果を出力するか、に着目したものである。図１１において、ボイラ・タービン系２０００は、フィードバック調節量１１１，１１２および１１３を入力して、発電出力５１、主蒸気圧力６１および１次過熱器入口エンタルピ７１を出力するブロック２０００として表されている。
【０００７】
図１１の構成によると、発電出力偏差の調節量１１１は、ボイラ・タービン系２０００中にて経路２０１１により発電出力５１に作用し、経路２０１２により主蒸気圧力６１に作用し、さらに、経路２０１３により１次過熱器入口エンタルピ７１に作用する。すなわち、本来制御したい経路は調節量１１１から経路２０１１を経て経路５１に至る経路であるが、それのみならず、ガバナの操作によって得られる調節量１１１によって本来変動することが望ましくはない主蒸気圧力６１、１次過熱器入口エンタルピ７１への経路も存在する。ここで、ガバナ開度大／小により主蒸気圧力が下降／上昇という物理特性が自明であるため、調節量１１１から主蒸気圧力６１の経路２０１２の結合は強い。一方、ガバナ開度の大小が直接にエンタルピに効果を持つことはないため、経路２０１３は弱い結合しか持たない。
【０００８】
また、主蒸気圧力偏差のフィードバック調節量１１２はボイラ入力ＢＩＤ２００を決めるため、燃料と給水あるいは空気量の変化を引き起こす。このため調節量１１２の変化は圧力とエンタルピいずれにも強い作用を及ぼし、このため経路２０２２，２０２３はいずれも強い結合を持つ。さらに、圧力とエンタルピの増減により蒸気流量の増減が導かれ、このためこれらの物理量の定性的には積である発電出力も影響を受ける。したがって、２次的な効果ではあるが、調節量１１２から発電出力５１への経路２０２１の結合も無視できない。
【０００９】
また、フィードバック調節量１１３は給水流量を決めるため、対応する出力である１次過熱器エンタルピ７１のみならず、発電出力５１にも主蒸気圧力６１にも強い影響を及ぼす。すなわち、経路２０３１，２０３２と２０３３はいずれも強い作用あるいは結合を持つ。
【００１０】
また、蒸気発生器における蒸気圧力と蒸気温度に対する制御装置の従来技術として、例えば、特許文献１に示す制御装置が提案されている。この特許文献１によると、燃料の燃焼が出力目標に対して遅延すること、また、供給水質量流量が蒸発器伝熱面を通過するに際しての時間遅れ、の両者に対して、制御装置内の２つの遅延要素を用いることによって補正しようとする技術が開示されている。
【特許文献１】特許第２５６３０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、図１１に示す従来技術においては、フィードバック調節量１１１，１１２，１１３が発電出力５１，主蒸気圧力６１及び１次過熱器入口エンタルピ７１に及ぼす相互影響が制御系に取り入れられていないため、上述したとおり、望ましくない変動が、調節量１１１から主蒸気圧力６１と１次過熱器入口エンタルピ７１、調節量１１２から発電出力５１と１次過熱器入口エンタルピ７１、また、調節量１１３から発電出力５１と主蒸気圧力６１の経路上に発生する。
【００１２】
この結果として、１次過熱器入口エンタルピ７１を設定７０に追従することが、主蒸気圧力６１を設定６０に追従されることへの外乱として作用することになる。他の経路が互いに外乱として作用することも自明である。このような互いに外乱として作用する制御ループが並存する場合には、それぞれの制御ループを最適化することが非常に困難になる、すなわち、制御定数の最適化の手法として確立しているものは、操作量も制御出力もいずれも１個の場合に限定されている。このため、各ループの制御定数をどのように設定するかの指針を立てることが困難になる。このため、たとえば発電出力、主蒸気圧力と主蒸気温度の負荷変動下での同時最適化が非常に困難になるという課題が生じる。
【００１３】
また、上記の特許文献１の技術においては、給水でセパレータ出口エンタルピひいては主蒸気温度を制御する一方で、蒸気圧力は燃料操作によって制御されることが開示されている。このため、蒸気圧力制御にとっては、２つの課題が発生する。すなわち、一つは、蒸気圧力制御にとって主蒸気温度の給水制御ループが外乱になること、もう一つは、燃料操作が原理的に遅い応答となることである。要は、特許文献１では、発電出力の制御、蒸気温度の制御及び蒸気圧力の制御において、互いの制御の関連性に着目した全体制御に対する観点の配慮に欠けている。しかも、蒸発器内部での蒸発の様態は負荷に依存した２相流となるため、１次もしくは２次遅れのパラメータ値が固定される場合にあっては時間遅れの模擬精度が悪化するという課題が生じ得る。
【００１４】
本発明の目的は、ガバナで発電出力を、燃料で主蒸気圧力を、さらに給水流量で１次過熱器入口エンタルピ（主蒸気温度）を、互いに影響されずにそれぞれ独立に最適に制御することが可能となるボイラ制御装置の動特性整形装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御装置であって、前記発電出力の偏差、前記主蒸気圧力の偏差、及び前記１次過熱器入口エンタルピの偏差がそれぞれ前記ガバナの開度、前記ボイラ投入の燃料量、及び前記給水の流量を操作する制御ループを形成し、さらに、前記３つの偏差が前記３つの操作量に互いに外乱を及ぼさないように補償要素を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形する構成とする。
【００１６】
また、主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御装置であって、前記発電出力の偏差、前記主蒸気圧力の偏差、前記１次過熱器入口エンタルピの偏差がそれぞれ前記ガバナの開度、前記ボイラ投入の燃料量、前記給水の流量を操作する制御ループを形成し、前記３つの偏差のいずれか２以上の偏差の組み合わせが入力され、且つ前記ガバナの開度指令、前記ボイラへの燃料指令、前記給水の流量指令のいずれか２以上の前記入力に対応した指令の組み合わせが出力されるボイラ動特性整形装置を設け、前記ボイラ動特性整形装置から出力される２以上の指令に互いに外乱を及ぼさないように補償要素を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形する構成とする。
【００１７】
また、前記ボイラ制御装置の動特性整形装置において、前記ボイラ動特性整形装置に入力される２つの偏差を選択し、前記選択された偏差から補償要素により演算された演算値を非選択の偏差に加算して出力する構成とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、給水で蒸気温度を制御し温度応答を向上させる制御装置において蒸気圧力および発電出力への外乱を抑制できる。同様に、発電出力を調整するガバナに因る蒸気圧力とエンタルピへの制御ループへの外乱と、給水流量に因る発電出力と蒸気圧力への制御ループへの外乱を抑制できる。これによって発電出力を蒸気圧力、蒸気温度と同時に最適に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態に係るボイラ制御装置におけるボイラ動特性整形装置について、図面を参照しながら以下説明する。図１は本発明の実施形態に係るボイラ・タービン系における発電出力、主蒸気圧力、主蒸気温度に関する制御装置の全体構成を示すブロック図である。図２は本実施形態に係るボイラ・タービン系における制御装置の信号系統を示す図である。
【００２０】
本発明の実施形態を示す図１について、従来技術を図示した図１０との相違点を説明し、図１０との共通点については図１０の説明を援用する。発電出力のフィードバック調整量１１１、主蒸気圧力のフィードバック調整量１１２及び１次過熱器入口エンタルピのフィードバック調整量１１３はボイラ動特性整形装置１０００に入力され、演算処理がされた後に、信号１０１，１０２及び１０３が出力される。これらの信号出力は、それぞれ、ガバナ開度指令１０１として作用し、また、ボイラ入力のフィードバック成分１０２として負荷要求５０と加算され、ボイラ入力指令２００として作用し、さらに、給水流量のフィードバック成分１０３として先行値２０１と加算されて給水流量指令３０１として作用する。
【００２１】
次に、本実施形態に関するボイラ動特性整形装置１０００とボイラ・タービン系２０００における信号系統を示す図２を用いて、ボイラ動特性整形装置の機能乃至作用について説明する。図２において、ボイラ動特性整形装置１０００には６個の補償要素１０１１，１０１２，１０２１，１０２２，１０３１，１０３２が設けられている。発電出力偏差のフィードバック調整量１１１は、従来技術にあってはそのままガバナ開度指令として作用するが、本実施形態にあっては、この調整量１１１に１０１１と１０１２という二つの補償要素からの出力が加算されて信号１０１となって、ボイラ動特性整形装置１０００から出力し、ボイラ・タービン系２０００にガバナ開度指令として作用する。図２に示した二つの補償要素はＤｐＢとＤｐＦであるが、まず、ＤｐＢは主蒸気圧力偏差のフィードバック調整量１１２を入力とし、次に、ＤｐＦは１次過熱器入口エンタルピ偏差のフィードバック調整量１１３を入力とする。すなわち、フィードバック調整量１１２から発電出力への影響すなわち外乱と、フィードバック調整量１１３から発電出力への影響すなわち外乱とを、二つの補償要素ＤｐＢ，ＤｐＦを介することで除去している。
【００２２】
同様に、ＤＢｐ１０２１とＤＢＦ１０２２は、主蒸気圧力偏差のフィードバック調整量１１２から主蒸気圧力への信号の伝達経路に発生する外乱を除去する。また、ＤＦｐ１０３１とＤＦＢ１０３２は１次過熱器入口エンタルピ偏差のフィードバック調整量１１３から１次過熱器入口エンタルピへの信号の伝達経路に発生する外乱を除去する。
【００２３】
以上説明した補償要素ＤｐＢ１０１１からＤＦＢ１０３２の構成と作用について、補償要素ＤｐＢ１０１１を代表的な例として説明する。まずはじめに、補償要素ＤｐＢとの比較のため、従来技術と本実施形態においても適用されるＰＩ制御器５３の機能乃至作用について図５を用いて説明する。図５は本実施形態に適用される、制御偏差に対するＰＩ制御装置の動作特性を示す図である。図５において、符号５０１は制御偏差であり、図２の偏差５２，６２，７２に相当する量である。この制御偏差５０１がＰＩ制御器５０２に入力され、次の演算がされて出力５０３が算出される。
【００２４】
５０３＝ＰＩ×制御偏差＝Ｋ×（１＋１／Ｔｓ）×５０１
ここで、Ｋは比例定数（無次元量）、Ｔは積分定数（時間の次元を持つ）でありそれぞれ試運転結果と実績値を勘案して設定される。また、ｓはラプラス変換に現れるラプラス変数である。
【００２５】
同様に、図６は本実施形態に係るボイラ動特性整形装置内の補償要素ＤｐＢの動作特性を示す図である。ここで留意すべきは、補償要素ＤｐＢが次式に示すようにラプラス変数の多項式の比であって、
６０３＝（Ｄ１ｓ２＋Ｄ２ｓ＋Ｄ３）／（Ｅ１ｓ３＋Ｅ２ｓ２＋Ｅ３ｓ＋Ｅ４）×６０１
となることである。このラプラス変数の多項式の次数は補償要素により異なることもあり（上記式の例では分子の次数は２次で分母の次数は３次である）、上記の多項式は一例である。補償要素ＤｐＢ６０２の分子のＤ１〜Ｄ３と分母のＥ１〜Ｅ４は試運転結果を用い、図２に示す発電出力へのフィードバック調整量１１２と１１３の影響、また、主蒸気圧力へのフィードバック調整量１１１と１１３の影響、さらに、１次過熱器入口エンタルピへのフィードバック要素１１１と１１２の影響、のいずれもが除去される条件から一意的に設定される。このとき同時に、補償要素ＤｐＢ以外の５個の補償要素についても図６に相当した形で算出される。
【００２６】
本実施形態の特徴を表す補償要素について敷衍して説明すると、図１０に示すボイラ・タービン系の制御装置に、図１と図２に示す補償要素を設けたボイラ動特性整形装置１０００を組み込んでおき、すなわち、補償要素のラプラス変数多項式の分子のＤ１〜Ｄ３と分母のＥ１〜Ｅ４について運転実績や経験値に基づいて初期値を定めておき、この補償要素を適用した試運転を実施する。図２に示す各制御ループの制御偏差５２，６２，７２を変化させて、他の制御ループへの影響を検出しながら、他への影響がなるべく少なくなるＤ１〜Ｄ３とＥ１〜Ｅ４を設定していく。
【００２７】
実際には、ボイラ・タービン系の試運転結果を用いる代わりに、ボイラ・タービン系のシミュレーションを用いて実施し、補償要素のＤ１〜Ｄ３とＥ１〜Ｅ４を設定してもよい。さらに、シミュレーションの結果と実機の試運転結果とを比べて差異があれば、シミュレーションの補正を行うようにしてもよい。
【００２８】
また、図２においては、発電出力偏差５２、主蒸気圧力偏差６２、１次過熱器入口エンタルピ偏差（主蒸気温度偏差）の３つの制御ループが互いに他の制御ループからの影響を除去する（外乱となる部分を除去する）ボイラ動特性整形装置について図示しているが、これに限らず、ボイラ動特性整形装置への入力が、発電出力偏差、主蒸気圧力偏差、主蒸気温度偏差のいずれか２以上の組み合わせであり、前記ボイラ動特性整形装置からの出力が、ガバナ開度指令、ボイラ入力指令、給水流量指令のいずれか２以上の組み合わせであってもよい。例えば、ボイラ動特性整形装置への入力を２つ選択し、選択された２つの入力から補償要素により演算された演算値を非選択の入力に加算して出力するボイラ動特性整形装置としてもよい。
【００２９】
上述したようなフィードバック調整量の除去について、簡単化のために、図２に示す３入力３出力の代わりに、２入力２出力のモデル系を用いてその概念を説明すると以下のようになる。図７は本実施形態に関するボイラ動特性整形装置を説明するための２入力２出力モデル系の信号系統を示す図である。
【００３０】
図７に示すモデル系によると、出力ｙ１（７１１）がその設定値ｙ１ｓｖ（７０１）に追従するように偏差ｅ１（７２１）をＰＩ調節した操作量７３１と、出力ｙ２（７１２）がその設定値ｙ２ｓｖ（７０２）に追従するように偏差ｅ２（７２２）をＰＩ調節した操作量７３２が、最終的に系７００に入力されるように構成されている。その系７００の前に補償要素Ｄ２１（８０１）とＤ１２（８０２）からなる動特性整形装置８００が設けられている。
【００３１】
次に、図８と図９を用いて、図７に示す設定値ｙ１ｓｖのみをステップ上昇させた場合に、そのステップ上昇の影響が出力７１１と出力７１２にどのように及ぶかについてモデル系の各部位における操作量又は出力をもとに以下説明する。設定値ｙ１ｓｖをステップ上昇させた時のトレンド（特性、傾向）を図８に示す。図８は図７に示すモデル系における第１の制御ループｙ１の信号波形を示す図である。図８（ａ）の操作量７３１は系７００に作用して図８（ｅ）の出力７５１を生成するが、一方で同じ操作量７３１は図８（ｂ）から（ｃ）に補償要素Ｄ１２（８０２）により変換され、系７００への作用結果が図８（ｆ）の出力７５４のとおりとなる。図８の（ｅ）と（ｆ）の総和（出力７５１＋出力７５４）がｙ１の出力であり、その出力は図８（ｄ）に示す実線のとおりであって、破線で示す設定値ｙ１ｓｖによく追従している。
【００３２】
一方、図７に示すモデル系におけるもう一つの出力ｙ２は、図９に示すとおりのトレンドとなる。図９は図７に示すモデル系における第２の制御ループｙ２の信号波形を示す図である。すなわち、図９で（ａ）（ｂ）（ｃ）は図８のものと全く同一の量の再提示であるが、図９（ａ）又は（ｂ）の操作入力は系７００において図９（ｅ）の出力７５３のトレンドを生成する。一方で、補償要素Ｄ１２で変換された信号（ｃ）は系７００に作用して図９（ｆ）の出力７５２を生成する。図９の（ｅ）と（ｆ）のトレンドの総和（出力７５２＋出力７５３）が出力ｙ２であって、この出力は図９（ｄ）の実線又は破線の通り、ほぼゼロを保持する。これによって、ｙ１ｓｖの設定変更による外乱がｙ２には及んでいないことが判る。全く同様に、補償要素Ｄ２１（８０１）を前置きしているためｙ２ｓｖの設定変更に対しても同様の傾向が得られている。
【００３３】
次に、上述した機能を有する補償要素１０１１，１０１２，１０２１，１０２２，１０３１，１０３２によって構成されるボイラ動特性整形装置を設置することで、ボイラの負荷変化下の性能が向上する例を図３と図４に示す。図３は本実施形態に係るボイラ制御装置における３つの制御ループの負荷上昇時の制御偏差を従来技術との比較で説明する図である。図４は本実施形態に係るボイラ制御装置における３つの制御ループの負荷下降時の制御偏差を従来技術との比較で説明する図である。
【００３４】
図３と図４において、（ａ）〜（ｃ）が従来技術、（ｄ）〜（ｆ）が本実施形態の構成を適用したときの負荷変化下のトレンド（特性）である。図３が負荷上昇、図４が負荷下降のトレンドである。（ａ）と（ｄ）は発電出力偏差５２を、（ｂ）と（ｅ）は主蒸気圧力偏差６２を示す。また、（ｃ）と（ｆ）は１次過熱器入口エンタルピ偏差７２を示す。また、物理量は時間を除いてすべて無次元化したものである。
【００３５】
図３と図４に示すトレンド（特性、傾向）を参照すると、本実施形態に係るボイラ動特性整形装置を採用することによって、偏差が飛躍的に低減せられていることが分かる。すなわち、図３と図４に示す（ａ）（ｂ）（ｃ）における従来技術では、ΔＰやΔＴが＋側又は−側の一方に偏って偏差が現れるのに対して、本実施形態では変動はあるがその偏差は平均的には零となっている。
【００３６】
以上説明したように、本発明の実施形態に係るボイラ制御装置のボイラ動特性整形装置の特徴は、各制御ループ（発電出力、主蒸気圧力、１次過熱器入口エンタルピ（主蒸気温度））の相互に外乱となる部分を除去することである。これにより、発電出力偏差のフィードバック調整量はガバナを介して発電出力のみを操作し、また、主蒸気圧力偏差のフィードバック調整量はボイラ入力を介して主蒸気圧力のみを操作し、さらに、１次過熱器入口エンタルピ偏差のフィードバック調整量は給水流量を介して１次過熱器入口エンタルピを操作し、この３つの操作が互いに他に外乱を及ぼすことなく行えることになる。このような制御系の構成を行えば、各ループの制御定数は、１入力１出力系の制御定数の確立された調整ルールを適用して、最適化を行うことが可能となる。
【００３７】
換言すると、本実施形態によれば、ガバナで発電出力を、またボイラ入力で主蒸気圧力を、さらに給水流量で１次過熱器入口エンタルピを、それぞれ独立に最適に制御することができる。したがって、ガバナ操作の圧力制御への外乱、ボイラ入力の発電出力あるいは１次過熱器入口エンタルピへの外乱、さらに給水操作の発電出力あるいは圧力制御への外乱が抑制されているため、発電出力、主蒸気圧力とエンタルピの応答性、制御性は飛躍的に向上し、これらの負荷変化下での追従性の両立を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係るボイラ・タービン系における発電出力、主蒸気圧力、主蒸気温度に関する制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態に係るボイラ・タービン系における制御装置の信号系統を示す図である。
【図３】本実施形態に係るボイラ制御装置における３つの制御ループの負荷上昇時の制御偏差を従来技術との比較で説明する図である。
【図４】本実施形態に係るボイラ制御装置における３つの制御ループの負荷下降時の制御偏差を従来技術との比較で説明する図である。
【図５】本実施形態に適用される、制御偏差に対するＰＩ制御装置の動作特性を示す図である。
【図６】本実施形態に関するボイラ動特性整形装置内の補償要素ＤｐＢの動作特性を示す図である。
【図７】本実施形態に関するボイラ動特性整形装置を説明するための２入力２出力モデル系の信号系統を示す図である。
【図８】図７に示すモデル系における第１制御ループの信号波形を示す図である。
【図９】図７に示すモデル系における第２制御ループの信号波形を示す図である。
【図１０】従来のボイラ・タービン系における発電出力、主蒸気圧力、主蒸気温度の制御装置全般を示すブロック図である。
【図１１】従来のボイラ・タービン系における制御装置の信号系統を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１ 給水ポンプ
１７ １次過熱器
２０ ガバナ
２１ タービン
５０ 負荷要求
５１ 発電出力
５２ 発電出力偏差
６０ 主蒸気圧力設定値
６１ 主蒸気圧力
６２ 主蒸気圧力偏差
７０ １次過熱器入口エンタルピ設定値
７１ １次過熱器入口エンタルピ
７２ １次過熱器入口エンタルピ偏差
１１１ 発電出力偏差のＰＩ調整量
１１２ 主蒸気圧力偏差のＰＩ調整量
１１３ １次過熱器入口エンタルピ偏差のＰＩ調整量
２００ ボイラ入力指令
２０１ 給水流量先行信号
２０２ 燃料流量指令値
３０１ 給水流量指令信号
１０００ ボイラ動特性整形装置
１０１１，１０１２，１０２１，１０２２，１０３１，１０３２ 補償要素
２０００ ボイラ・タービン系
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御装置であって、
前記発電出力の偏差、前記主蒸気圧力の偏差、及び前記１次過熱器入口エンタルピの偏差がそれぞれ前記ガバナの開度、前記ボイラ投入の燃料量、及び前記給水の流量を操作する制御ループを形成し、さらに、前記３つの偏差が前記３つの操作量に互いに外乱を及ぼさないように補償要素を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形する
ことを特徴とするボイラ制御装置の動特性整形装置。
【請求項２】
主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御装置であって、
前記発電出力の偏差、前記主蒸気圧力の偏差、前記１次過熱器入口エンタルピの偏差がそれぞれ前記ガバナの開度、前記ボイラ投入の燃料量、前記給水の流量を操作する制御ループを形成し、
前記３つの偏差のいずれか２以上の偏差の組み合わせが入力され、且つ前記ガバナの開度指令、前記ボイラへの燃料指令、前記給水の流量指令のいずれか２以上の前記入力に対応した指令の組み合わせが出力されるボイラ動特性整形装置を設け、
前記ボイラ動特性整形装置から出力される２以上の指令に互いに外乱を及ぼさないように補償要素を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形する
ことを特徴とするボイラ制御装置の動特性整形装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記ボイラ動特性整形装置に入力される２つの偏差を選択し、前記選択された偏差から補償要素により演算された演算値を非選択の偏差に加算して出力する
ことを特徴とするボイラ制御装置のボイラ動特性整形装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記選択された２つの入力が前記主蒸気圧力偏差と前記１次過熱器入口エンタルピ偏差であり、前記主蒸気圧力偏差から補償要素により演算された演算値および前記１次過熱器入口エンタルピ偏差から補償要素により演算された演算値を前記発電出力偏差に加算して出力する
ことを特徴とするボイラ制御装置のボイラ動特性整形装置。
【請求項５】
請求項３において、
前記選択された２つの入力が前記発電出力偏差と前記１次過熱器入口エンタルピ偏差であり、前記発電出力偏差から補償要素により演算された演算値および前記１次過熱器入口エンタルピ偏差から補償要素により演算された演算値を前記主蒸気圧力偏差に加算して出力する
ことを特徴とするボイラ動特性整形装置。
【請求項６】
請求項３において、
前記選択された２つの入力が前記発電出力偏差と前記主蒸気圧力偏差であり、前記発電出力偏差から補償要素により演算された演算値および前記主蒸気圧力偏差から補償要素により演算された演算値を前記１次過熱器入口エンタルピ偏差に加算して出力する
ことを特徴とするボイラ制御装置のボイラ動特性整形装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１つの請求項において、
前記補償要素はラプラス変数の多項式からなら演算手段を有することを特徴とするボイラ制御装置のボイラ動特性整形装置。
【請求項８】
主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御方法において、
前記発電出力の偏差、前記主蒸気圧力の偏差、及び前記１次過熱器入口エンタルピの偏差がそれぞれ前記ガバナの開度、前記ボイラ投入の燃料量、及び前記給水の流量を操作するとともに、前記３つの偏差が前記３つの操作量に互いに外乱を及ぼさないように補償要素を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形する
ことを特徴とするボイラの制御方法。
【請求項９】
主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御方法であって、
前記発電出力の偏差、前記主蒸気圧力の偏差、前記１次過熱器入口エンタルピの偏差の３つの偏差のいずれか２以上の偏差の組み合わせが入力され、前記ガバナの開度指令、前記ボイラへの燃料指令、前記給水の流量指令のいずれか２以上の前記入力に対応した指令に互いに外乱を及ぼさないように補償要素を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形して出力する
ことを特徴とするボイラ制御方法。
【請求項１】
主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御装置であって、
前記発電出力の偏差、前記主蒸気圧力の偏差、及び前記１次過熱器入口エンタルピの偏差がそれぞれ前記ガバナの開度、前記ボイラ投入の燃料量、及び前記給水の流量を操作する制御ループを形成し、さらに、前記３つの偏差が前記３つの操作量に互いに外乱を及ぼさないように補償要素を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形する
ことを特徴とするボイラ制御装置の動特性整形装置。
【請求項２】
主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御装置であって、
前記発電出力の偏差、前記主蒸気圧力の偏差、前記１次過熱器入口エンタルピの偏差がそれぞれ前記ガバナの開度、前記ボイラ投入の燃料量、前記給水の流量を操作する制御ループを形成し、
前記３つの偏差のいずれか２以上の偏差の組み合わせが入力され、且つ前記ガバナの開度指令、前記ボイラへの燃料指令、前記給水の流量指令のいずれか２以上の前記入力に対応した指令の組み合わせが出力されるボイラ動特性整形装置を設け、
前記ボイラ動特性整形装置から出力される２以上の指令に互いに外乱を及ぼさないように補償要素を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形する
ことを特徴とするボイラ制御装置の動特性整形装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記ボイラ動特性整形装置に入力される２つの偏差を選択し、前記選択された偏差から補償要素により演算された演算値を非選択の偏差に加算して出力する
ことを特徴とするボイラ制御装置のボイラ動特性整形装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記選択された２つの入力が前記主蒸気圧力偏差と前記１次過熱器入口エンタルピ偏差であり、前記主蒸気圧力偏差から補償要素により演算された演算値および前記１次過熱器入口エンタルピ偏差から補償要素により演算された演算値を前記発電出力偏差に加算して出力する
ことを特徴とするボイラ制御装置のボイラ動特性整形装置。
【請求項５】
請求項３において、
前記選択された２つの入力が前記発電出力偏差と前記１次過熱器入口エンタルピ偏差であり、前記発電出力偏差から補償要素により演算された演算値および前記１次過熱器入口エンタルピ偏差から補償要素により演算された演算値を前記主蒸気圧力偏差に加算して出力する
ことを特徴とするボイラ動特性整形装置。
【請求項６】
請求項３において、
前記選択された２つの入力が前記発電出力偏差と前記主蒸気圧力偏差であり、前記発電出力偏差から補償要素により演算された演算値および前記主蒸気圧力偏差から補償要素により演算された演算値を前記１次過熱器入口エンタルピ偏差に加算して出力する
ことを特徴とするボイラ制御装置のボイラ動特性整形装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１つの請求項において、
前記補償要素はラプラス変数の多項式からなら演算手段を有することを特徴とするボイラ制御装置のボイラ動特性整形装置。
【請求項８】
主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御方法において、
前記発電出力の偏差、前記主蒸気圧力の偏差、及び前記１次過熱器入口エンタルピの偏差がそれぞれ前記ガバナの開度、前記ボイラ投入の燃料量、及び前記給水の流量を操作するとともに、前記３つの偏差が前記３つの操作量に互いに外乱を及ぼさないように補償要素を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形する
ことを特徴とするボイラの制御方法。
【請求項９】
主蒸気経路に設けたガバナで発電出力を制御し、ボイラに投入する燃料で主蒸気圧力を制御し、ボイラへの給水で１次過熱器入口エンタルピを制御するボイラの制御方法であって、
前記発電出力の偏差、前記主蒸気圧力の偏差、前記１次過熱器入口エンタルピの偏差の３つの偏差のいずれか２以上の偏差の組み合わせが入力され、前記ガバナの開度指令、前記ボイラへの燃料指令、前記給水の流量指令のいずれか２以上の前記入力に対応した指令に互いに外乱を及ぼさないように補償要素を互いの制御ループに設けてボイラの動特性を整形して出力する
ことを特徴とするボイラ制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−８５４４２（Ｐ２００９−８５４４２Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５２１２０（Ｐ２００７−２５２１２０）
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
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