JP5322871B2 - ドラム形ボイラ水位制御装置及びドラム形ボイラ水位制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、安定的に水位を制御可能なドラム形ボイラ水位制御装置及びドラム形ボイラ水位制御方法に関する。

火力プラント等で用いられるドラム形ボイラのドラム水位制御では、いわゆる３要素制御と呼ばれる制御方法が用いられる。

この制御方法は、主蒸気量、給水流量、ドラムレベルの各値を用いて給水流量の制御指令値を出力する制御方法である。この制御方法においては、安定運転点で運転中はマスバランスが成り立つため、主蒸気量と給水流量が等しくなり、水位偏差を補償するように給水流量が制御される。一方、過渡運転点では、主蒸気量と給水流量に偏差が生ずるため、この偏差と水位偏差を補償するように給水流量が制御される。

しかし、供給燃料、給水流量、圧力等の急激な変化時にはドラム内で発生消滅する気泡に起因する水位変動により、水位制御の安定性が十分でない場合がある。

従来の３要素制御の問題点を補う制御装置として以下のものがある。

特許文献１記載の蒸気ドラム水位制御装置は、蒸気流量の急変を検出したとき、一定期間給水流量制御器の出力を一定値に保持することによって水位の異常な上昇低下を防止している。

また、特許文献２記載のボイラドラムの水位制御装置は、蒸気流量からボイラドラムの水位変動までの動特性を打ち消す伝達関数が設定された補償関数回路を設けることにより、ボイラドラム水位制御の性能を改善している。

更に、特許文献３記載のドラムボイラの給水制御装置は、ボイラ負荷が急激に低下したとき、その低下直前に検出されたボイラ運転値に基づいてドラムレベルの回復と安定化をより短時間で実現できるボイラへの給水流量を算出し、この給水流量に基づいてボイラへの給水制御を行うことにより、急激な負荷低下が生じてもドラムレベルの変化を最小にしている。

即ち、上記の文献記載の制御装置では、従来の３要素制御に一定の機能を付加することにより、安定度を向上させることが行われている。

特開２００１−２０１００５号公報 特開２００７−１７０８１４号公報 特開２０００−２９７９０２号公報

背景技術で示したように、供給燃料、給水流量、圧力等の急激な変化時にはドラム内で発生消滅する気泡に起因する水位変動により、水位制御の安定性が十分でない場合があることが知られている。

ドラム内で気泡が発生消滅理由は以下の３種類に分類できる。

第一に、給水による気泡の発生消滅がある。給水流量が変化した場合、給水温度が一定であれば、ドラムの加熱量と主蒸気流量がバランスする運転点に変化するまでドラム内での気泡量が変化する。また、給水流量が一定で給水温度が変化した場合、相対的に低温の給水により気泡が減少し、水位低下が見られることが知られている。

第二に、ドラム加熱量の変化による気泡の発生消滅がある。加熱量が急激に減少した場合、蒸発量が減って気泡の発生が抑えられ、水位は低下する。その後、蒸発量が抑えられることから主蒸気流量が低下し、給水が一定のままであれば水位は上昇する。実際には３要素制御が働くため、給水流量が低下し、水位は設定値に戻る。

第三に、主蒸気流量の変化による気泡の発生消滅がある。主蒸気流量が増加する場合、ドラムの圧力が減少するため気泡の発生量が増加し、水位が上昇する。その後、燃料流量と給水流量が増加し、新たなバランス点に達して安定する。

以上のように考えると、ドラム内で発生消滅する気泡に起因する水位変動は、ドラムにおける入出力エネルギの過渡的なアンバランスによって発生し、その後、３要素制御等の制御により設定値に制御されることが分かる。

しかしながら、上記の特許文献１〜３記載の水位制御装置は、従来の３要素制御に、更にそれぞれ想定したシナリオに基づいて経験的に個別の機能を付加したものに過ぎない。このため、それぞれの装置で想定したシナリオが複合的に発生した場合や、給水温度の低下など想定外のシナリオに対しては、正しく動作することが保証されない。

従って、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ボイラの構造に基づいた一般的な制御を行うことにより、給水温度の低下などの想定外のシナリオが発生した場合においても、安定的に水位を制御可能なドラム形ボイラ水位制御装置及びドラム形ボイラの水位制御方法を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明のドラム形ボイラ水位制御装置は、給水管の内部を流れる給水の流量と前記給水のエンタルピとから給水エネルギを算出する給水エネルギ算出手段と、ドラムの加熱量を算出するドラム加熱量算出手段と、主蒸気の流量と主蒸気のエンタルピとから主蒸気エネルギを算出する主蒸気エネルギ算出手段と、前記給水エネルギと前記ドラムの加熱量とを加算し、前記主蒸気エネルギを減算して、ドラム内部の入出力エネルギの差を算出する入出力エネルギ差分算出手段と、前記入出力エネルギの差に基づき水位設定値を算出する水位設定値算出手段と、前記水位設定値を目標値として給水流量の制御を行う給水流量制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明のドラム形ボイラ水位制御装置は、給水管の内部を流れる給水流量を測定する流量計と、給水温度を測定する温度計と、前記流量計及び前記温度計の測定値から給水エネルギを算出する給水エネルギ算出手段と、ドラムの加熱量を算出するドラム加熱量算出手段と、主蒸気の流量を測定するための主蒸気流量測定手段と、前記主蒸気流量から主蒸気エネルギを算出する主蒸気エネルギ算出手段と、前記給水エネルギと前記ドラムの加熱量とを加算し、前記主蒸気エネルギを減算して、ドラム内部の入出力エネルギの差を算出する入出力エネルギ差分算出手段と、前記入出力エネルギの差に基づき水位設定値を算出する水位設定値算出手段と、前記水位設定値を目標値として給水流量の制御を行う給水流量制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明のドラム形ボイラ水位制御装置は、ドラムの内部の圧力を測定するドラム圧力計と、給水管の内部を流れる給水流量を測定する流量計と、給水温度を測定する温度計と、前記温度計の測定値から算出した給水エネルギの変化量と前記ドラム圧力計の測定値から算出したドラム主蒸気エンタルピとの差分を計算する差分計算手段と、前記流量計の出力である給水流量をドラム加熱量で除する演算を行う商算手段と、前記差分計算手段からの出力に、前記商算手段からの出力を乗ずる演算を行う乗算手段と、前記乗算手段からの出力のうち変化分を算出する減算手段と、前記減算手段からの変化分に基づき水位設定値を算出する水位設定値算出手段と、前記水位設定値を目標値として給水流量の制御を行う給水流量制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明のドラム形ボイラ水位制御方法は、給水管の内部を流れる給水の流量と前記給水のエンタルピとから給水エネルギを算出する給水エネルギ算出工程と、ドラムの加熱量を算出するドラム加熱量算出工程と、主蒸気の流量と主蒸気のエンタルピとから主蒸気エネルギを算出する主蒸気エネルギ算出工程と、前記給水エネルギと前記ドラムの加熱量とを加算し、前記主蒸気エネルギを減算して、ドラム内部の入出力エネルギの差を算出する入出力エネルギ差分算出工程と、前記入出力エネルギの差に基づき水位設定値を算出する水位設定値算出工程と、前記水位設定値を目標値として給水流量の制御を行う給水流量制御工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、給水温度の低下などの想定外のシナリオが発生した場合においても、安定的に水位を制御することが可能になる。

本発明に係るドラム形ボイラ水位制御装置の第１の実施の形態を示す制御系統図。 本発明に係るドラム形ボイラ水位制御装置の第２の実施の形態を示す制御系統図。

以下、本発明に係るドラム形ボイラ水位制御装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係るドラム形ボイラ水位制御装置の第１の実施の形態の制御系統図を示す。

本実施の形態に係るドラム形ボイラ装置１０は、蒸気発生源としてのドラム１と、そのドラム１へ給水を行う給水管２２と、ドラム１内の水から蒸発した蒸気を供給先（例えば蒸気タービン）に供給する主蒸気管４１とを備えている。

ドラム１には、ドラム１内の水位を測定する水位計２とドラム１内の圧力を測定するドラム圧力計３が設置されている。

また、給水管２２には、その給水管２２内を流れる給水流量を制御するボイラ給水ポンプ２４及びボイラ給水ポンプ用電動機２７が設けられ、その下流側には、給水流量を測定する流量計２６、給水温度を測定する温度計２５がそれぞれ設置されている。また、流量計２６と温度計２５との間には、ドラム１から排出されるガスから熱を回収して給水の予熱に利用するエコノマイザ２３が配されている。

一方、主蒸気管４１には、主蒸気の圧力を測定するための圧力計４２が設置されている。

なお、圧力計４２や温度計２５等のセンサの設置箇所や台数はプラントによって異なるため、本実施の形態では標準的なケースについて示している。センサが設置されていない箇所は、他のセンサの測定値を用いることができる。

本実施の形態に係るドラム形ボイラ装置１０は、さらに、図中点線で示される従来の３要素型制御回路１５と、実線で示される入出力エネルギ考慮型制御回路１７とを備え、これらの制御回路はスイッチ１００によって切り替えられる。

３要素型制御回路１５は、主蒸気管４１に設けられた圧力計４２で測定された圧力から主蒸気流量に変換するための関数装置１０３と、水位計２で測定された水位と水位設定器１０１の偏差が入力されるＰＩＤコントローラ１０２と、関数装置１０３及び流量計２６の測定値の偏差とＰＩＤコントローラ１０２の偏差が入力されるＰＩＤコントローラ１０４とを有している。

次に、スイッチ１００を図１に示すように水位設定器１０１側に接続して、３要素型制御回路１５を動作させた場合を説明する。

先ず、水位計２で測定された水位と水位設定器１０１の偏差がＰＩＤコントローラ１０２に入力される。また、圧力計４２で測定された圧力は、関数装置１０３で主蒸気流量に変換される。関数装置１０３と流量計２６の測定値の偏差と、ＰＩＤコントローラ１０２の偏差はＰＩＤコントローラ１０４に入力され、ＰＩＤコントローラ１０４の制御指令値に基づき、ＢＦＰ用電動機２７が制御される。この結果、ＢＦＰ２４より給水管２２を流れる給水流量が変化し、ドラム水位の制御が行われる。

一方、入出力エネルギ考慮型制御回路１７は、給水管２２の系統において、温度計２５の下流側に、温度計２５で測定された給水温度をエンタルピに変換する関数装置２０１と、流量計２６で測定された給水流量と関数装置２０１から出力されたエンタルピ（またはその近似値）を乗算して給水エネルギを算出する乗算器２０２と、遅れ回路を示す関数装置２０３及び減算器２０４とを備えている（給水エネルギ算出手段１７ａ）。

また、燃料流量系統においては、燃料の単位当たりの発熱量に対して燃料流量を乗算してドラム加熱量を出力する関数装置２０５と、遅れ回路を示す関数装置２０６及び減算器２０７とを備えている（ドラム加熱量算出手段１７ｂ）。

また、ドラム圧力系統において、ドラム圧力計３の下流側に、ドラム圧力計３で測定された圧力に基づき主蒸気のエンタルピを出力する関数装置２０８と、関数装置１０３の出力と関数装置２０８の出力を乗じて主蒸気エネルギを出力する乗算器２０９と、遅れ回路を示す関数装置２１０及び減算器２１１とを備えている（主蒸気エネルギ算出手段１７ｃ）。

更に、この入出力エネルギ考慮型制御回路１７は、減算器２０４及び減算器２０７の下流に設けられ、これらから出力された信号を加算する加算器２１２と、減算器２１１及び加算器２１２からの信号を加算し、ドラム内部の入出力エネルギの変化を出力する加算器２１３と（以上、ドラム内部の入出力エネルギ差分算出手段１７ｄ）、加算器２１３の出力を増幅するゲイン２１４と、スイッチ１００とゲイン２１４の間に設置され、水位設定値の変化量を制限するリミッタ９９と、水位設定器１０１とを備えている。

次に、スイッチ１００を図中水平位置に切り替えて、水位設定値を可変にすることで入出力エネルギ考慮型制御回路１７を動作させた場合を説明する。

先ず、温度計２５で測定された給水温度は、関数装置２０１を経由することで給水エンタルピに変換される。この給水エンタルピに給水流量を乗算することによって給水エネルギが算出される。給水エンタルピは、一般に、給水温度と圧力から計算される。給水圧力は、推定値を用いても良いし、近似的に一定圧力を仮定しても良いし、図示していない圧力計を設置して測定値を用いても良い。本実施の形態では、給水エンタルピの算出に際し、温度計２５で測定した給水温度を用いた。また、温度計２５はエコノマイザ２３の後段に設置されているが、温度計２５が設置されていない場合は、他の温度計の測定値とエコノマイザの収熱から計算するなどしても良い。

また、流量計２６で測定された給水流量と関数装置２０１から出力されたエンタルピ（またはその近似値）は乗算器２０２に入力される。関数装置２０１から出力された単位量に流量計２６で測定された給水流量を乗ずることにより、乗算器２０２の出力は給水エネルギ量を示す値となる。関数装置２０３は遅れ回路を示しており、減算器２０４の出力は給水エネルギの変化量である（給水エネルギ算出手段１７ａ参照）。

関数装置２０５は、燃料流量を入力とし、ドラム加熱量を出力する。関数装置２０６は遅れ回路を示しており、減算器２０７の出力は、ドラム加熱量の変化量が出力である（ドラム加熱量算出手段１７ｂ参照）。

関数装置２０８は、ドラム圧力計３で測定された圧力に基づき、主蒸気エンタルピを出力する。この主蒸気エンタルピに主蒸気流量を乗算することによって主蒸気エネルギが算出される。主蒸気エンタルピは、一般に、主蒸気温度又は主蒸気圧力から計算されるが、本実施の形態ではドラム圧力計３で測定された圧力から計算した。ボイラ内の主蒸気は通常飽和状態にあるため、関数装置２０８では、飽和蒸気表に基づいて計算を行えばよい。また、主蒸気流量は、圧力計４２で測定された主蒸気圧力から計算した。従って、関数装置１０３の出力と関数装置２０８の出力を乗算器２０９で乗ずることで、主蒸気エネルギが出力される。関数装置２１０は遅れ回路を示しており、減算器２１１の出力は主蒸気エネルギの変化量である（主蒸気エネルギ算出手段１７ｃ参照）。

加算器２１２、加算器２１３により、上記の信号が加算されることで、加算器２１３の出力はドラム内部の入出力エネルギの変化を示す（ドラム内部の入出力エネルギ差分算出手段１７ｄ参照）。ドラム内部の入出力エネルギが増加した場合、気泡が増加して水位が上昇し、ドラム内部の入出力エネルギが減少した場合、水位が低下する。

加算器２１３の出力はゲイン２１４により増幅され、スイッチ１００を経由することで、従来の３要素制御における水位設定値となる。スイッチ１００とゲイン２１４の間にはリミッタ９９が設置されており、リミッタ９９の上下限を設定することで、水位設定値の変化量を制限することができる。

結局、ドラム内部の入出力エネルギの変化に基づき、水位設定値が変化する。水位設定値の変化は実際のドラム水位変化を模擬する変化であるため、ＰＩＤコントローラ１０２及びＰＩＤコントローラ１０４からなる従来の３要素制御は、回路構成の前提であるマスバランスの変化に基づく制御が行われる。

この結果、ドラム内で発生消滅する気泡に起因する水位変動に対して、より安定な制御回路が構築できる。

従って、本実施形態によれば、従来の想定されたシナリオによる水位の制御のみならず、給水温度の低下などの想定外のシナリオが発生した場合においても、安定的に水位を制御することが可能になる。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明に係るドラム形ボイラの水位制御装置の第２の実施の形態の制御系統図を示す。なお、第１の実施の形態の構成と同一箇所は同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態に係るドラム形ボイラ装置２０は、第１の実施の形態と同様の構造を有する、ドラム１、給水管２２、及び主蒸気管４１を備えている。また、第１の実施の形態と同様に、図中点線で示される従来の３要素型制御回路１５を備えている。

しかし、本実施の形態に係るドラム形ボイラ装置２０は、入出力エネルギ考慮型制御回路１７の代わりに、実線で示される入出力エネルギ考慮型制御回路１８を備えている。

入出力エネルギ考慮型制御回路１８は、給水管２２の系統において、温度計２５の下流側に、第１の実施の形態と同様の関数装置２０１を備えている。

また、燃料流量系統には、燃料流量を入力としドラム加熱量を出力する、第１の実施の形態と同様の関数装置２０５を備えている。

また、ドラム圧力系統において、ドラム圧力計３の下流側に、ドラム圧力計３で測定された圧力に基づき主蒸気のエンタルピを出力する、第１の実施の形態と同様の関数装置２０８と、関数装置２０１から出力される給水のエンタルピと関数装置２０８から出力されるドラム主蒸気のエンタルピの差分を計算する減算器２５１とを備えている。

また、この入出力エネルギ考慮型制御回路１８は、流量センサ２６の出力である給水流量を関数装置２０５の出力であるドラム加熱量で除する演算を行う商算器２５０と、減算器２５１の出力に商算器２５０の出力を乗ずる演算を行う乗算器２５２と、遅れ演算を行う関数装置２５３と、乗算器２５２の出力のうち変化分を得る減算器２５４と、減算器２５４の出力を増幅するゲイン２１４と、スイッチ１００及びゲイン２１４の間に設置され、水位設定値の変化量を制限するリミッタ９９と、水位設定器１０１とを備えている。

このように構成された第２の実施の形態に係るドラム形ボイラ装置２０において、スイッチ１００を図２に示すように水位設定器１０１側に接続して、３要素型制御回路１５を動作させた場合は、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

次に、スイッチ１００を図中水平位置に切り替えて、水位設定値を可変にすることで入出力エネルギ考慮型制御回路１８を動作させた場合を説明する。

先ず、温度計２５で測定された給水温度は、関数装置２０１を経由することでエンタルピに変換される。また、関数装置２０８は、ドラム圧力計３で測定された圧力に基づき、主蒸気のエンタルピを出力する。

次に、減算器２５１が、給水のエンタルピとドラムの主蒸気エンタルピの差分を計算する。一方、商算器２５０が、流量センサ２６の出力である給水流量を、関数装置２０５の出力であるドラム加熱量で除する演算を行う。

更に、乗算器２５２では、減算器２５１の出力に商算器２５０の出力を乗ずる演算を行う。次に、遅れ演算を行う関数装置２５３の出力と入力を減算することで、減算器２５４は乗算器２５２出力のうち変化分を得る。この変化分は、ゲイン２１４により増幅され、スイッチ１００を経由することで、従来の３要素制御の設定値となる。スイッチとゲイン２１４の間にはリミッタが設置されており、リミッタの上下限を設定することで、水位設定値の変化量を制限することができる。

結局、ドラム内部の入出力エネルギの変化に基づき水位設定値が変化する。水位設定値の変化は実際のドラム水位変化を模擬する変化であるため、ＰＩＤコントローラ１０２及びＰＩＤコントローラ１０４からなる従来の３要素制御は、回路構成の前提であるマスバランスの変化に基づく制御が行われる。

この結果、ドラム内で発生消滅する気泡に起因する水位変動に対してより安定な制御回路が構築できる。

従って、本実施形態によれば、従来の想定されたシナリオによる水位の制御のみならず、給水温度の低下などの想定外のシナリオが発生した場合においても、安定的に水位を制御することが可能になる。

１：ドラム、２：水位計、３：ドラム圧力計、１０：ドラム形ボイラ装置、１５：３要素型制御回路、１７：入出力エネルギ考慮型制御回路、１７ａ：給水エネルギ算出手段、１７ｂ：ドラム加熱量算出手段、１７ｃ：主蒸気エネルギ算出手段、１７ｄ：ドラム内部の入出力エネルギ差分算出手段、１８：入出力エネルギ考慮型制御回路、２０：ドラム形ボイラ装置、２２：給水管、２４：ボイラ給水ポンプ、２５：温度計、２６：流量計、２７：ボイラ給水ポンプ用電動機、４１：主蒸気管、４２：圧力計、９９：リミッタ、１００：スイッチ、１０１：水位設定器、１０２、１０４：コントローラ（給水流量制御手段）、１０３、２０１、２０３、２０５、２０６、２０８、２５３：関数装置、２０２、２０９：乗算器、２０４、２０７、２１１：減算器、２１２、２１３：加算器、２１０：遅れ回路、２１４：ゲイン（水位設定値算出手段）、２５０：商算器（商算手段）、２５１：減算器（差分計算手段）、２５２：乗算器（乗算手段）、２５４：減算器（減算手段）

Claims (6)

1. 給水管の内部を流れる給水の流量と前記給水のエンタルピとから給水エネルギを算出する給水エネルギ算出手段と、
   ドラムの加熱量を算出するドラム加熱量算出手段と、
   主蒸気の流量と主蒸気のエンタルピとから主蒸気エネルギを算出する主蒸気エネルギ算出手段と、
   前記給水エネルギと前記ドラムの加熱量とを加算し、前記主蒸気エネルギを減算して、ドラム内部の入出力エネルギの差を算出する入出力エネルギ差分算出手段と、
   前記入出力エネルギの差に基づき水位設定値を算出する水位設定値算出手段と、
   前記水位設定値を目標値として給水流量の制御を行う給水流量制御手段と、
   を備えることを特徴とするドラム形ボイラ水位制御装置。
2. 給水管の内部を流れる給水流量を測定する流量計と、
   給水温度を測定する温度計と、
   前記流量計及び前記温度計の測定値から給水エネルギを算出する給水エネルギ算出手段と、
   ドラムの加熱量を算出するドラム加熱量算出手段と、
   主蒸気の流量を測定するための主蒸気流量測定手段と、
   前記主蒸気流量から主蒸気エネルギを算出する主蒸気エネルギ算出手段と、
   前記給水エネルギと前記ドラムの加熱量とを加算し、前記主蒸気エネルギを減算して、ドラム内部の入出力エネルギの差を算出する入出力エネルギ差分算出手段と、
   前記入出力エネルギの差に基づき水位設定値を算出する水位設定値算出手段と、
   前記水位設定値を目標値として給水流量の制御を行う給水流量制御手段と、
   を備えることを特徴とするドラム形ボイラ水位制御装置。
3. 前記入出力エネルギの差に基づき算出された水位設定値の可変量に対して、この可変量を制限するリミッタを設けたことを特徴とする請求項２記載のドラム形ボイラ水位制御装置。
4. ドラムの内部の圧力を測定するドラム圧力計と、
   給水管の内部を流れる給水流量を測定する流量計と、
   給水温度を測定する温度計と、
   前記温度計の測定値から算出した給水エネルギの変化量と前記ドラム圧力計の測定値から算出したドラム主蒸気エンタルピとの差分を計算する差分計算手段と、
   前記流量計の出力である給水流量をドラム加熱量で除する演算を行う商算手段と、
   前記差分計算手段からの出力に、前記商算手段からの出力を乗ずる演算を行う乗算手段と、
   前記乗算手段からの出力のうち変化分を算出する減算手段と、
   前記減算手段からの変化分に基づき水位設定値を算出する水位設定値算出手段と、
   前記水位設定値を目標値として給水流量の制御を行う給水流量制御手段と、
   を備えることを特徴とするドラム形ボイラ水位制御装置。
5. 前記減算手段によって算出された水位設定値の可変量に対して、この可変量を制限するリミッタを設けたことを特徴とする請求項４記載のドラム形ボイラ水位制御装置。
6. 給水管の内部を流れる給水の流量と前記給水のエンタルピとから給水エネルギを算出する給水エネルギ算出工程と、
   ドラムの加熱量を算出するドラム加熱量算出工程と、
   主蒸気の流量と主蒸気のエンタルピとから主蒸気エネルギを算出する主蒸気エネルギ算出工程と、
   前記給水エネルギと前記ドラムの加熱量とを加算し、前記主蒸気エネルギを減算して、ドラム内部の入出力エネルギの差を算出する入出力エネルギ差分算出工程と、
   前記入出力エネルギの差に基づき水位設定値を算出する水位設定値算出工程と、
   前記水位設定値を目標値として給水流量の制御を行う給水流量制御工程と、
   を備えることを特徴とするドラム形ボイラ水位制御方法。

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