JPH0665921B2 - ボイラ起動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ボイラ装置において、その起動を制御するボ
イラ起動制御装置に関する。

〔従来の技術〕

ボイラの起動は、始動準備終了後、燃料系統を運転して
バーナに点火し、ボイラの昇圧、昇温を開始する。この
場合、ボイラ装置の各部が過熱したり、厚肉部に過大な
熱応力が発生したりすることのないように、適切な起動
制御を行なう必要がある。以下、従来の起動手段を図に
より説明する。

第17図は従来のボイラ起動制御装置の系統図である。図
で、１はボイラ火炉炉壁を構成する水壁、２はバーナ、
３は水壁１へ給水を行なうボイラ給水ポンプである。４
は気水分離器であり、給水が水壁１で加熱されることに
より生じる気水混合物を蒸気と水分に分離する。５は気
水分離器４からの蒸気を過熱する過熱器、６は給水ポン
プ３からの給水を予熱する節炭器、７は発電機に連結さ
れるタービンである。８は過熱器５とタービン７との間
に介在し、過熱器５からタービン７への蒸気量を加減す
るタービン加減弁である。９は気水分離器４からの蒸気
をコンデンサ等へ逃がす過熱器バイパス弁である。この
過熱器バイパス弁９は、起動時に低温の蒸気が大量に過
熱器５に流入して過熱器５の出口の昇温を妨げている場
合に、そのような低温蒸気を逃がして過熱器５の過熱蒸
気量を減少させ、過熱器５の出口の蒸気温度を上昇させ
る機能を有する。10は過熱器５出口からの発生蒸気をコ
ンデンサ等へ逃がすタービンパイパス弁である。このタ
ービンバイパス弁10は、当該発生蒸気がタービン７に通
気可能な程度まで昇温、昇圧していない場合、発生蒸気
を逃がす機能を有し、さらに、タービン７へ通気後であ
っても、通気蒸気流量が小さい場合には、燃量投入量に
よる蒸気圧力制御が困難になるので、この領域において
発生蒸気を逃がすことにより蒸気圧力制御に寄与する機
能をも有する。

11は過熱器５からタービン７へ供給される蒸気の圧力を
検出する蒸気圧力検出器、12は当該蒸気の目標とする圧
力、即ち目標蒸気圧力を設定する蒸気圧力設定器、13は
蒸気圧力設定器12に設定された値と蒸気圧力検出器11で
検出された値との差を演算する減算器である。14,15は
減算器13で演算されて出力される圧力偏差信号を比例積
分する比例積分器である。16は関数発生器であり、蒸気
圧力検出器11で検出された値を入力し、この値に対応し
た予め定められている値を出力する。この関数発生器16
からの出力信号は、蒸気圧力を適圧とするためのタービ
ンバイパス弁10の開度を指令する開度指令信号となる。
17は同じく蒸気圧力検出器11で検出された値を入力し、
この値に対応した値を出力する関数発生器である。この
関数発生器17からの出力信号は、蒸気圧力を適圧とする
ための過熱器バイパス弁９の開度を指令する開度指令信
号となる。18は端子18a,18bおよび切換弁18cを備えた信
号切換器であり、端子18aは比例積分器14に、端子18bは
関数発生器16に、切換片18cはタービンバイパス弁10
に、それぞれ接続されている。19は高信号選択器であ
り、比例積分器15の出力信号と関数発生器17の出力信号
とを比較し、大きな方の信号を過熱器バイパス弁９に出
力する。20はバーナ２に対する燃料供給を制御する燃料
流量調節弁、21はバーナの点火本数に合わせて燃料流量
調節弁20の開度を設定する開度設定器である。

ここで、上記装置の動作を第18図(a)乃至(e)に示すタイ
ムチャートを参照しながら説明する。第18図(a)は時間
経過に対する燃料投入量の変化、第18図(b)は時間経過
に対する過熱器バイパス弁５の開度の変化、第18図(c)
は時間経過に対するタービンバイパス弁10の開度の変
化、第18図(d)は時間経過に対する蒸気圧力の変化、第1
8図(e)は時間経過に対する過熱器出口蒸気温度の変化を
示す。時刻t₀は点火時刻、時刻t₁は昇圧完了時刻、時刻
t₂は昇温完了時刻、時刻t₃はタービン通気時刻である。
又、p₀は初期蒸気圧力、p₁は昇圧目標値である。時刻t₀
における点火後、バーナ２の点火本数は段階的に増加さ
れ、これに応じて開度設定器21からの開度信号により燃
料流量調節弁20の開度が制御され、燃料投入量は第18図
(a)に示すように段階的に増加する。一方、信号切換器1
8は蒸気圧力が昇圧目標値p₁に達する以前には、その切
換片18cが端子18b側に切換えられた状態にある。したが
って、タービンバイパス弁10の開度は、蒸気圧力検出器
11で検出される蒸気圧力が昇圧目標値p₁に達するまで
は、その蒸気圧力に対応する関数発生器16の出力により
制御され、結局、当該蒸気圧力により一義的に決定され
る。そして、タービンバイパス弁10は第18図(c)に示す
ように、タービン通気時刻t₃以前には、増加する蒸気圧
力を逃がすようにその開度が制御される。又、蒸気圧力
が低い間は蒸気の飽和温度が低く、過熱器５に気水分離
器４から低温の蒸気が供給されるため、関数発生器16の
出力信号は過熱器バイパス弁９の開度を大きくする信号
となり、これにしたがって過熱器バイパス弁９の開度は
第18図(b)に示すように大きくなる。これにより、低温
の蒸気を逃がし、過熱器５を通過する蒸気量を減らして
過熱器５の出口蒸気温度を上昇させる。

蒸気圧力が昇圧目標値p₁に達した後には、信号切換器18
の切換弁18cは端子18a側に切換えられ、以後、タービン
バイパス弁10の開度は、蒸気圧力設定器12に設定された
昇圧目標値p₁と蒸気圧力検出器11で検出された実際の蒸
気圧力との圧力偏差信号を比例、積分した信号により、
第18図(c)に示すように制御される。さらに、昇圧完了
時刻t₁以後において、蒸気圧力がタービンバイパス弁10
で逃がしきれないように高くなった場合、比例積分器15
の出力信号も大きくなるので、高信号選択器19はその出
力信号を選択し、過熱器バイパス弁９の開度を増加して
蒸気を逃がし、蒸気圧力の上昇を抑える。

［発明が解決しようとする課題］ さて、このような従来装置には、以下に挙げる３つの問
題点がある。これを順に説明する。

(1) 従来装置では、最適の昇温、昇圧パターンの設定
が困難である。ここで、最適の昇温、昇圧パターンと
は、ボイラ装置における厚肉部の熱応力発生を抑えなが
ら、昇温、昇圧を最短時間で行なう起動態様をいう。と
ころで、一般に、ボイラ装置において最も重要な厚肉部
は過熱器５の出口ヘツダと気水分離器４（又はドラム）
であるので、最適の昇温、昇圧パターンとは、換言すれ
ば、過熱器５の出口ヘッダの熱応力に影響を与える過熱
器５の出口蒸気温度の変化率（以下、昇温率という。）
と、気水分離器４（又はドラム）の熱応力に飽和温度変
化を介して影響を与える蒸気圧力変化率（以下、昇圧率
という。）とを、発生熱応力の抑制上、許容される変化
率制限値いっぱいに維持する態様であるということがで
きる。

このような観点から、前述の従来装置をみると、従来装
置において、昇温率および昇圧率は関数発生器16,17の
設定により調整されることになるが、これらの設定を行
うためには、実缶の起動試験を繰返して決定する必要が
あり、多くの手数を要して面倒である。さらに、起動の
際、点火時刻t₀における蒸気圧力（初期圧力）が調整実
施時と異なる蒸気圧力である場合、計画の昇温率および
昇圧率からずれる事態を生じる。このようなずれの発生
を防ぐため、従来装置における関数発生器16,17は、ど
のような初期圧力での起動であっても、昇温、昇圧の過
程のどの段階においても昇温率、昇圧率が制限値を越え
ないことを目安として設定される。この結果、その昇
温、昇圧パターンは最適の昇温、昇圧パターンからは大
きく外れたものとなり、起動時間は最適な昇温、昇圧を
行なった場合と比べて可成り長い時間となる。

(2) 従来装置では、起動損失の低減が困難である。第1
7図に示すボイラ装置において、ある与えられた昇温
率、昇圧率で起動を行なう場合、燃料流量調節弁20を通
過させる投入燃料量、過熱器バイパス弁９の開度および
タービンバイパス弁10の開度の組合わせは一義的に決ま
るものではない。即ち、例えば多量の燃料をバーナ２に
投入して過熱器バイパス弁９およびタービンバイパス弁
10から多量の蒸気を抜き出す組合わせが存在する一方、
その逆の組合わせも存在するのである。これらの組合わ
せのうちで、与えられた昇温率、昇圧率を維持すること
ができるとともに燃料流量調節弁20の開度を最低とする
ことができる３者の組合わせが、同一起動時間を達成す
るうえで最も起動損失が少ない操作である。しかしなが
ら、従来装置では、過熱器バイパス弁９、タービンバイ
パス弁10および燃料流量調節弁20を協調して操作する機
能がないため、起動損失を低減させるには、開度設定器
21、関数発生器16,17をそれぞれ個別に調整する以外に
方法がない。そして、実際上、これらを、前述の最適な
昇温率、昇圧率を維持しつつ、しかも起動損失が最低に
なるように調整することは、ほとんど不可能に近いこと
である。

(3) 従来装置では、外乱等により昇温、昇圧パターン
が異常になっても、これを修正する修正動作は行なわれ
ない。即ち、従来装置では、昇温率、昇圧率がボイラ装
置の厚肉部の熱応力を支配する重要な状態量であるにも
かかわらず、これらを計測する手段をもたず、制御上野
放し状態にある。このため、例えば外乱等により、昇温
率、昇圧率が開度設定器20、関数発生器16,17の調整時
に計画されたパターンから外れてもこれを修正すること
はできないものである。したがって、このような面から
も、開度設定器20、関数発生器16,17の調整に際して
は、発生熱応力抑制上のマージンを見込んで、昇温率、
昇圧率を低めに計画する必要があり、起動時間短縮の阻
外要因となっている。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、上記従来の問題点を解決し、ボイラ起
動時において、ボイラ厚肉部に発生する熱応力を抑制し
つつ起動を短時間に完了させることができ、かつ、起動
損失を低減することができるボイラ起動制御装置を提供
するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、蒸気温度および
蒸気圧力を検出し、これらの値および昇圧目標値、昇温
目標値、飽和温度変化率制限値、昇温率制限値に基づい
てボイラの厚肉部の熱応力抑制に必要な蒸気温度変化率
目標値および蒸気圧力変化率目標値を演算し、これら各
目標値、蒸気温度および蒸気圧力に基づいて第１の弁
（過熱器バイパス弁）、第２の弁（タービンバイパス
弁）および第３の弁（燃料流量調節弁）の各操作量を演
算する手段を設けたことを特徴とし、さらに又、この特
徴に加えて、この演算により得られた操作量を蒸気温度
の変化率と蒸気圧力の変化率とに基づいて補正するよう
にしたことをも特徴とする。

［作用］ 第１の演算手段は、蒸気圧力、昇圧目標値および飽和温
度変化率制限値に基づいて昇圧目標値を、又、蒸気温
度、昇温目標値および昇温率制限値に基づいて昇温率目
標値を演算する。第２の演算手段は、第１の演算手段で
得られた昇圧率目標値および昇温率目標値と、測定され
た蒸気圧力および蒸気温度とに基づいて第１の弁（過熱
器バイパス弁）、第２の弁（タービンバイパス弁）およ
び第３の弁（燃料流量調節弁）の開度指令量を演算す
る。

さらに、補正手段により、蒸気温度の変化率および蒸気
圧力の変化率に基づいて上記開度指令量を補正する。

［実施例］ 以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例に係るボイラ起動制御装置の
系統図である。図で、第17図に示す部分と同一部分には
同一符号を付して説明を省略する。25は過熱器５からの
蒸気の温度を検出する蒸気温度検出器である。26は第18
図(d)に示す昇圧目標値p₁を設定する昇圧目標値設定
器、27は昇温完了時における過熱器５の出口蒸気温度を
設定する昇温目標値設定器である。28は気水分離器４の
厚肉部の熱応力を抑制するための飽和温度変化率制限値
を設定する飽和温度変化率制限値設定器、29は過熱器５
の出口ヘッダの厚肉部の熱応力を抑制するための昇温率
制限値を設定する昇温率制限値設定器である。30は変化
率目標値演算装置であり、蒸気圧力検出器11および蒸気
温度検出器25の検出値、各設定器26,27,28,29に設定さ
れた各設定値を入力し、これらの値に基づいて所定の演
算、制御を行なって得られた昇温率目標値信号ａおよび
昇圧率目標値信号ｂを出力する（この変化率目標値演算
装置30の構成および動作については後述する。なお、次
に述べる最適操作量演算装置40および補正操作量演算装
置60についても同じ。）。40は最適操作量演算装置であ
り、蒸気圧力検出器11および蒸気温度検出器25の検出値
と、変化率目標値演算装置30で得られた昇温目標値信号
ａおよび昇圧率目標値信号ｂとに基づき、かつ、所定の
数式にしたがって演算、制御を行ない、その結果得られ
た燃料流量調節弁開度指令信号c₂、過熱器バイパス弁開
度指令信号d₂およびタービンバイパス弁開度指令信号e₂
を出力する。

50は蒸気圧力検出器11の検出値を入力してこれを微分
し、実際の昇圧率を演算する微分器、51は微分器50で得
られた昇圧率と昇圧率目標値信号ｂとを比較し、その偏
差である昇圧率偏差信号ｆを出力する減算器である。
又、52は蒸気温度検出器25の検出値を入力してこれを微
分し、実際の昇温率を演算する微分器、53は微分器52で
得られた昇温率と昇温率目標値信号ａとを比較し、その
偏差である昇温率偏差信号ｇを出力する減算器である。
60は補正操作量演算装置であり、さきに入力した最適操
作量演算装置40からの各開度指令信号c₂,d₂,e₂を、偏差
信号f,gに基づき所定の演算、制御により補正し、補正
された開度指令信号c₂′,d₂′,e₂′を出力する。

次に、本実施例の動作を、変化率目標値演算装置30、最
適操作量演算装置40および補正操作量演算装置60の構成
および動作を説明することにより明らかにする。

まず、変化率目標値演算装置30の構成を第２図に示す系
統図により説明する。第２図で、第１図に示す部分と同
一部分には同一符号が付してある。31は蒸気圧力検出器
11の検出値と設定器26に設定された昇圧目標値との差を
演算する減算器、32は減算器31の出力信号に対応した値
を出力する関数発生器である。関数発生器32の特性が第
３図に示されている。33は蒸気圧力検出器11の検出値に
対応した値を出力する関数発生器であり、その特性は第
４図に示されている。34は設定器28に設定された飽和温
度変化率制限値と関数発生器33で求められた値とを乗算
する乗算器、35は乗算器34の値と関数発生器32で求めら
れた値のうち小さい方の値を選択して出力する低信号選
択器である。36は蒸気温度検出器25の検出値と設定器27
に設定された昇温目標値との差を演算する減算器、37は
減算器36の出力信号に対応した値を出力する関数発生
器、36は関数発生器37で求められた値と設定器29に設定
された昇温率制限値のうち小さい方の値を選択して出力
する低信号選択器である。関数発生器37の特性が第５図
に示されている。

次に変化率目標値演算装置30の動作を説明する。減算器
31から出力される値は、実際の蒸気圧力と昇圧目標値と
の差の値である圧力偏差信号である。この圧力偏差信号
は関数発生器32に入力され、関数発生器32からはこれに
対応した値が出力される。第３図に示す関数発生器32の
特性図から明らかなように、点火時点後で第18図(d)に
示すように蒸気圧力が昇圧目標値に遠い値にある場合、
圧力偏差信号は大きくなり、これに対応して関数発生器
32から出力される昇圧率基本目標値信号は大きくなる。
即ち、この場合、昇圧率目標値の基本となる昇圧率基本
目標値を可能な限り大きな変化率とし、これにより昇圧
時間を短かくしようとするものである。逆に、昇圧完了
時点に近づき、蒸気圧力が昇圧目標値に近くなって圧力
偏差信号が小さくなると、第３図の特性図に示すよう
に、昇圧率基本目標値信号は小さくなり、オーバーシュ
ートを防止する。

蒸気圧力検出器11の検出値は、関数発生器33にも入力さ
れ、これに対応して飽和温度変化率を圧力変化率に換算
した換算信号を出力する。この換算は設定器28に設定さ
れた飽和温度変化率制限値を圧力変化率制限値に換算す
るものであり、制御上、飽和温度に１対１で対応する蒸
気圧力に着目した方が制御の応答遅れが小さく、又、検
出器の分離能の点でも有利となるので行なわれるもので
ある。乗算器34からは換算された圧力変化率制限値信号
が出力される。低信号選択器35は関数発生器32から出力
される昇圧率基本目標値信号と乗算器34から出力される
圧力変化率制限信号とを比較し、安全のため低い方の値
を選択し、これを昇圧率目標値信号ｂとして出力する。

蒸気温度検出器25の検出値は減算器36に入力されて設定
器27に設定された昇温目標値との差が演算される。減算
器36から出力される温度偏差信号は関数発生器37に入力
され、関数発生器37は第５図に示す特性に従って昇温率
基本目標値を出力する。上記特性は、温度偏差が大きい
場合、即ち昇温完了時の昇圧目標値に対して蒸気温度が
遠い値にある場合、昇温率目標値の基本となる昇温率基
本目標値を可能な限り大きな変化率とし、これにより昇
温時間を短かくするものであり、逆に、蒸気温度が昇温
目標値に近づいて温度偏差が小さくなると、昇温率基本
目標値を小さくしてオーバーシュートを防止するもので
ある。低信号選択器38は関数発生器37から出力される昇
温率基本目標値信号と設定器29に設定された昇温率制限
値信号とを比較し、安全のため低い方の値を選択し、こ
れを昇温率目標値信号ａとして出力する。結局、変化率
目標値演算装置30は、最適の昇圧率、昇温率を求め、こ
れを昇圧率目標値信号ｂ、昇温率目標値信号ａとして出
力する。

次に、最適操作量演算装置40の構成を第６図に示す系統
図により説明する。図で、11,25はそれぞれ第３図に示
す蒸気圧力検出器、蒸気温度検出器である。41はプラン
ト特性演算部である。このプラント特性演算部41は、蒸
気圧力検出器11で検出された値と蒸気温度検出器25で検
出された値で与えられたボイラの状態において、変化率
目標値演算装置30で求められ、指令信号a,bとして出力
された昇温率目標値および昇圧率目標値を達成するため
の燃料投入量、過熱器バイパス弁通過流量、タービンバ
イパス弁通過流量を演算する。この演算については後述
する。42はプラント特性演算部41の燃料投入量信号c₁を
入力し、第７図に示す特性にしたがって燃料流量調節弁
の開度を求める関数発生器である。求められた開度は、
燃料流量調節弁開度指令信号c₂として出力される。43は
第８図に示すような過熱器バイパス弁９の圧力−流量特
性を備えた関数発生器であり、圧力検出器11の検出値を
入力し、特性にしたがってこれに対応した値を出力す
る。44はプラント特性演算部41から出力される過熱器バ
イパス弁通過流量信号d₁を入力し、これを関数発生器43
の出力で除する除算器である。45は第９図に示す特性を
備えた関数発生器であり、除算器44の信号を入力し、こ
れに対応して過熱器バイパス弁開度指令信号d₂を出力す
る。46は第10図に示すようなタービンバイパス弁10の圧
力−流量特性を備えた関数発生器であり、圧力検出器11
の検出値を入力し、前記特性にしたがってこれに対応し
た値を出力する。47はプラント特性演算部41から出力さ
れるタービンバイパス弁通過流量信号e₁を入力し、これ
を関数発生器46の出力で除する除算器である。48は第11
図に示す特性を備えた関数発生器であり、除算器47の信
号を入力し、これに対応してタービンバイパス弁開度指
令信号e₂を出力する。

ここで、最適操作量演算装置40の動作を説明するに先立
ち、プラント特性演算部41の演算について説明する。ま
ず、演算に用いる記号を次のように定義する。

A:過熱器５の伝熱面積〔m²〕 Ｇ_WW：水壁１への給水量〔kg／ｓ〕 Ｇ_e：水壁１の蒸発量〔kg／ｓ〕 ｈ′(P)：飽和水エンタルピ〔kcal／kg〕（Ｐの関数） ｈ″(P)：飽和蒸気エンタルピ〔kcal／kg〕（Ｐの関
数） Ｈ（P,T）：過熱器５の出口蒸気エンタルピ〔kcal／k
g〕（P,Tの関数） ：過熱器５の出口蒸気エンタルピ変化率〔kcal／kg
ｓ〕 Ｈ_i：過熱器５の入口蒸気エンタルピ〔kcal／kg〕 Ｈ_WW：水壁１の出口流体エンタルピ〔kcal／kg〕 Ｈ_ECO：節炭器６の出口給水エンタルピ〔kcal／kg〕 P:蒸気圧力〔kg／cm²abs〕 ：蒸気圧力変化率〔kg／cm^２ s〕 Ｑ(x)：水壁１の熱吸収量〔kcal／ｓ〕（ｘの関数） T:過熱器５の出口蒸気温度〔℃〕 ：過熱器５の出口蒸気温度変化率〔℃／ｓ〕 ν（P,T）：過熱器５内の蒸気平均比容積〔m³／kg〕 V:過熱器５内の容積〔m³〕 x:燃料投入量〔kg／ｓ〕 ｘ_min：燃料投入量下限値〔kg／ｓ〕 y:タービンバイパス弁10の通過蒸気量〔kg／ｓ〕 ｙ_min：タービンバイパス弁10の通過蒸気量最低値＝〔k
g／ｓ〕 z:過熱器バイパス弁９の通過蒸気量〔kg／ｓ〕 α：過熱器５の平均熱貫流率〔kcal／m² ｓ℃） Ｔ_H(x)：過熱器５の入口燃焼ガス温度〔℃〕（ｘの関
数） 蒸気温度のエンタルピに対する偏数分係数（P,Tの関
数） 上記各値のうち、過熱器５の伝熱面積Ａおよびその容積
Ｖはボイラの構造により決定され、水壁１への給水量Ｇ
_WW、燃料投入量下限値ｘ_min、タービンバイパス弁10の
通過蒸気量最低値ｙ_minは設計により定まる値である。
又、蒸気圧力Ｐおよび蒸気温度Ｔはそれぞれ蒸気圧力検
出器11および蒸気温度検出器25により検出される値であ
り、かつ、蒸気圧力変化率および蒸気温度変化率は
変化率目標値演算装置30からの出力信号a,bにより与え
られる。さらに、飽和水エンタルピｈ′(P)、飽和蒸気
エンタルピｈ″(P)、過熱器５の出口蒸気エンタルピＨ
（P,T）、過熱器５内の蒸気平均比容積ν（P,T）、偏微
分係数 はすべて蒸気圧力Ｐ、蒸気温度Ｔに基づき蒸気表を用い
て求めることができる。

さて、過熱器５の伝熱に関して以下の諸式が成立する。

本実施例において、過熱器バイパス弁９は気水分離器４
の出口に接続されているので、過熱器５の入口蒸気エン
タルピＨ_ｉは Ｈ_ｉ＝ｈ′(P) ……(3) なお、仮に過熱器バイパス弁９が過熱器５の中間に接続
されている場合にはその点の温度を検出し、これと蒸気
圧力Ｐから蒸気表を用いて当該エンタルピＨ_ｉを求める
ことができる。さらに、過熱器５の平均熱貫流率αは厳
密には燃焼ガス温度と燃焼ガス量の関数であり、両者と
も燃料投入量ｘの関数であるから、必要ならば上記平均
熱貫流率αを、燃料投入量の現在値を実測しその関数と
して与えてもよい。

上記(1)，(2)，(3)式より (4)式は次式のように書換えられる。

＝−K₁・ｙ＋K₂・Ｔ_Ｈ(x)−K₃ ……(5) ここで、K₁,K₂,K₃はモデルパラメータであり、 と定義する。

又、蒸気圧力と水壁１の伝熱については次の諸式が成立
する。

なお、節炭器６の出口給水エンタルピＨ_ECOは、起動時
においてはおおむね一定値であるが、要すれば節炭器６
の出口の給水温度を実測し、この値と蒸気圧Ｐとに基づ
いて蒸気表を用いて求めてもよい。

上記(9)，(10)，(11)式から (12)式は次式のように書換えられる。

＝K₄（ｙ−ｚ）＋K₅・Ｑ(x)−K₆ ……(13) ここで、K₄,K₅,E₆はモデルパラメータであり、 と定義する。そして(13)式より であり、この過熱器バイパス弁９の通過蒸気量ｚは、そ
の性質より ｚ≧０ ……(18) であるから(17)式を(18)式に代入すると、 ≦K₄・ｙ＋K₅・Ｑ(x)−K₆ ……(19) となる。

以上のことから、プラント特性演算部41の機能は以下の
数理計画法の問題を解くことに帰着する。

即ち、上記各式の制約条件を満足する最小の値ｘを求
め、その値ｘについて、上記(5)，(17)式から値y,zを求
めることになる。この問題の解を図により示すと第12図
のようになる。

第12図はプラント特性演算部の上記演算の解を示すグラ
フである。図で、横軸には燃料投入量ｘが、縦軸にはタ
ービンバイパス弁10の通過蒸気量ｙがとってある。図示
の直線B₁はタービンバイパス弁10の通過蒸気量の最低値
ｙ_minを示し、又、直線B₂は燃料投入量下限値ｘ_minを示
す。さらに、曲線B₃は(19)式を書換えた式 に相当する曲線であり、又、曲線B₄は(5)式を書換えた
式 に相当する曲線である。そして、上述の制約条件を満足
する解の集合は、曲線B₄上にあり、かつ、直線B₁,B₂お
よび曲線B₃に施された斜線内の領域に入る部分である。
この場合、求める最適の解は点Ｄに示される。

以上でプラント特性演算部41における演算の説明を終了
し、次に、最適操作量演算装置40の動作を、第13図に示
すフローチヤートを参照しながら説明する。まず、プラ
ント特性演算部41の演算は、値Ｔ_Ｈ(x)が上に凸の単調
増加関数であり、又、Ｑ(x)も変曲点（二次の微分係数
が０になる点）がたかだか１つの単調増加関数であるこ
とから第13図に示す手順により行なわれ、最適解を得る
ことができる。最初に、変化率目標値演算装置30により
得られた蒸気温度変化率および蒸気圧力変化率、蒸
気圧力検出器11で検出された値Ｐ、蒸気温度検出器25で
検出された値Ｔを入力する（手順S₁）。次に、値P,Tに
基き、(6)，(7)，(8)，(14)，(15)，(16)式によりパラ
メータK₁,K₂,K₃,K₄,K₅,K₆を算出する（手順S₂）。これ
らのパラメータを用いて次の連立方程式の解（x₀,y₀）
を求める（手順S₃）。

次いで、次の連立方程式のｉ個の解（x₁,y₁），（x₂,
y₂），……（ｘ_ｊ,y_ｊ）を求める（手順S₄）。

さらに、次の連立方程式の解（ｘ_ｊ＋１,y_ｊ＋１）を求
める（手順S₅）。

以上により解が求められると、次に、これらの解x₁,x₂
……ｘ_ｊ,x_ｊ＋１を小さい順に並べ替え、最小のものを
とり出してその添字をｎとし、値ｘ_ｎを作る。とり出さ
れた値ｘ_ｎは値ｘ_min以上であるか否か比較され（手順S
₇）、値ｘ_ｎが値ｘ_min未満であるときには、値x₁,x₂,…
…ｘ_ｊ,x_ｊ＋１のうち、手順S₆でとり出された値ｘ_ｎの
次に大きな値をとり出し、この値を新らたな値ｘ_ｎとす
る（手順S₈）。手順S₈でとり出された新らたな値ｘ_ｎは
再び値ｘ_minと比較される（手順S₇）。このように、値
ｘ_min以上の値ｘ_ｎが得られるまで手順S₇,S₈で繰返えさ
れる。このようにして、手順S₇で値ｘ_min以上における
最小の値ｘ_ｎが得られると、今度は、さきに得られた解
のうち、前記最小の値ｘ_ｎに対応する値ｙ、即ち値ｙ_ｎ
がとり出され、この値ｙ_ｎが値ｙ_minと比較される（手
順S₉）。値ｙ_ｎが値ｙ_min未満であれば、手順は再びさ
きの手順S₈に戻り、前記最小の値ｘ_ｎの次に大きな値が
とり出され、この値を新らしい値ｘ_ｎとして手順S₇,S₉
が繰返えされる。かくして、遂には、値ｘ_min以上であ
り、かつ、値ｙ_min以上である解のうち、値ｘが最小で
ある値ｘ_ｎとこれに対応する値ｙ_ｎが得られる。そこ
で、今度はこの解（ｘ_ｎ,y_ｎ）が次式を満足するか否か
の判断を行なう（手順S₁₀）。

手順S₁₀で上記関係が満たされていないとき判断された
場合には、再び手順S₈に戻り手順S₇,S₉,S₁₀を繰返え
す。そして、手順S₁₀で上記式の関係が満たされたと
き、手順はS₁₁に移り、次式の演算が実行される。

この演算により、最適の燃料投入量ｘ_ｎ，タービンバイ
パス弁10の通過蒸気量ｙ_ｎ，過熱器バイパス弁９の通過
蒸気量ｚが得られ、プラント特性演算部41からはこれら
の量ｘ_ｎ,z,y_ｎに応じた信号c₁,d₁,e₁が出力されること
になる。

ここで第６図に戻り、燃料投入量信号c₁は関数発生器42
に入力され、第７図に示す特性にしたがって燃料流量調
節弁20の開度指令値を出力する。この場合、燃料流量調
節弁20は、通常、当該調節弁20の前後の差圧が一定であ
ると考えて差支えないので、燃料投入量信号c₁を直接関
数発生器42に入力することにより燃料流量調節弁20の開
度指令信号c₂が得られる。一方、過熱器バイパス弁９お
よびタービンバイパス弁10は、昇圧にしたがって弁入口
圧が変化するため、各弁9,10の開度の換算に際してはこ
れを考慮する必要があり、このため、一旦それぞれの弁
9,10の圧力−流量特性を求めたうえで各弁の開度を求め
るようにする。即ち、蒸気圧力検出器11で検出された蒸
気圧力は関数発生器43に入力されることにより、第８図
に示す特性にしたがって、当該入力に対応する流量に変
換される。そこで、プラント特性演算部41で得られた過
熱器バイパス弁９の通過流量を、除算器44により前記変
換された流量で除算する。これにより、除算器44からは
過熱器バイパス弁９の必要なポート面積値が出力され
る。この面積値は関数発生器45に入力され、関数発生器
45からは第９図に示す特性にしたがって、当該ポート面
積を得るために必要な過熱器バイパス弁９の開度指令信
号d₂が出力される。全く同様様にして、関数発生器46か
らは第10図に示す特性に従って蒸気圧力に対応した流量
が出力され、除算器47において、プラント特性演算部41
から出力されるタービンバイパス弁通過流量信号e₁を当
該流量で除算し、得られたタービンバイパス弁10の必要
なポート面積値を関数発生器48に入力し、関数発生器48
からは第11図に示す特性にしたがって、当該ポート面積
を得るために必要なタービンバイパス弁10の開度指令信
号e₂が出力される。なお、このような最適操作量演算装
置40の演算結果を利用して、異常状態の警報信号を出力
することもでき、又、寿命予測の履歴データを得ること
もできる。

以上で、最適操作量演算装置40の構成および動作の説明
を終了し、最後に補正操作量演算装置60の構成および動
作を第14図に示す系統図および第15図に示す特性図によ
り説明する。補正操作量演算装置60では、最適操作量演
算装置40で得られた燃料流量調節弁20の開度指令信号
c₂,過熱器バイパス弁９の開度指令信号d₂およびタービ
ンバイパス弁10の開度指令信号e₂を、各弁20,9,10の実
際の開度に則した開度指令信号c₂′,d₂′,e₂′に補正す
る。そして、この補正は、蒸気圧力検出器11および蒸気
温度検出器25で検出された実際の蒸気圧力および蒸気温
度に基づく昇圧率偏差信号ｆおよび昇温率偏差信号ｇに
よりなされる。

ここで、これら昇圧率偏差信号ｆおよび昇温率偏差信号
ｇは、第１図に示す前述の微分器50,52および減算器51,
53により得られる。即ち、蒸気圧力検出器11の検出値は
微分器50に入力され、微分器50からは実際の昇圧率信号
が得られる。減算器51はこの昇圧率信号と変化率目標値
演算装置30からの昇圧率目標値信号ｂとを入力し、その
差の信号である昇圧率偏差信号ｆを出力する。同様にし
て、微分器52は蒸気温度検出器25で検出された蒸気温度
を入力して実際の昇温率信号を出力し、減算器53はこの
昇温率信号と変化率目標値演算装置30からの昇温率目標
値信号ａとを入力し、その差の信号である昇温率偏差信
号ｇを出力する。

第14図は補正操作量演算装置の系統図である。図で、6
1,62は昇圧率偏差信号ｆを入力してその比例積分値を出
力する比例積分器、63,64は昇温率偏差信号ｇを入力し
てその比例積分値を出力する比例積分器である。65は比
例積分器61,63の信号を入力して両者の差を出力する減
算器、66は過熱器バイパス弁９の開度指令信号d₂を減算
器65の信号で補正する加算器、67は比例積分器62,64の
信号を加算する加算器、68はタービンバイパス弁10の開
度指令信号e₂を加算器67の信号で補正する加算器であ
る。69は第15図に示す特性を備えた関数発生器であり、
加算器68の信号を入力してこれに対応した信号を出力す
る。70は燃料流量調節弁20の開度指令信号c₂を関数発生
器69の信号で補正する加算器である。

ここで、上記補正操作量演算装置60の動作を説明する。
さきの説明から明らかなように、最適操作量演算装置40
で得られた各開度指令信号c₂,d₂,e₂はいずれもプラント
特性を近似して求めたものであり、そのような開度指令
信号c₂,d₂,e₂を用いて実プラントを操作しても、所期の
動作にずれを生じるおそれがある。そこで、補正操作量
演算装置60では、演算された昇温率目標値、昇圧率目標
値と、実際の昇温率、昇圧率との偏差信号f,gを入力
し、この偏差を低減するように各弁の開度指令信号c₂,d
₂,e₂を補正しようとするものである。

ところで、一般に、タービンバイパス弁10を開けば昇温
率、昇圧率とも低下し、過熱器バイパス弁９を開けば昇
温率は上昇する一方、昇圧率は低下する。このことは、
昇温率偏差信号ｇ、昇圧率偏差信号ｆを低下させようと
する場合、１つの偏差信号で１つの弁を補正しようとす
ると、即ち、例えば昇温率偏差信号ｇで過熱器バイパス
弁９の開度を補正し、又、昇圧率偏差信号ｆでタービン
バイパス弁10の開度を補正しようとすると、必ず他方に
とって外乱になることを示している。この外乱を極力低
減させるためには、昇温率を低下させる場合には過熱器
バイパス弁９を閉じると同時にタービンバイパス弁10を
開いて各弁9,10のトータルの通過蒸気量を一定に保って
昇圧率に外乱を与えないようにする必要があり、又、逆
に昇圧率を低下させる場合にはタービンバイパス弁10を
開くと同時に過熱器バイパス弁９も開き、外乱による昇
温率の低下を補うようにする必要があるのである。第14
図に示す補正操作量演算装置60はこのようなことを考慮
して構成されている。

第14図において、過熱器バイパス弁９の開度指令信号d₂
の補正は次のようにして行なわれる。即ち、比例積分器
61から出力される昇圧率偏差信号ｆによる補正信号と比
例積分器63から出力される昇温率偏差信号ｇによる補正
信号とは減算器65に入力され、上述の理由により前者か
ら後者を減算することにより過熱器バイパス弁９の開度
の補正信号を得る。減算器65からの補正信号は加算器66
において開度指令信号d₂に加算され、加算器66からは過
熱器バイパス弁９の補正された開度指令信号d₂′が出力
される。又、タービンバイパス弁10の開度指令信号e₂の
補正は次のようにして行なわれる。即ち、比例積分器62
から出力される昇圧率偏差信号ｆによる補正信号と比例
積分器64から出力される昇温率偏差ｇによる補正信号と
は加算器67に入力され、上述の理由により両者を加算し
てタービンバイパス弁10の開度補正信号を得る。この加
算器67からの補正信号は加算器68において開度指令信号
e₂に加算され、加算器68からはタービンバイパス弁10の
補正された開度指令信号e₂′が出力される。

次に、燃料流量調節弁20の開度指令信号c₂の補正につい
て述べる。上記のようにして過熱器バイパス弁９および
タービンバイパス弁10の開度指令信号d₂,e₂を補正する
場合、燃料投入量も同時に補正を行なうと、補正動作ど
うしが干渉してしまう可能性がある。そこで、このよう
な干渉を避けるため、基本的には、燃料投入量は最適操
作量演算装置40で得られた開度指令信号c₂をそのまま用
いるようにし、ただ、タービンバイパス弁10の開度が極
端に大きな値および極端に小さな値になったときのみ燃
料投入量の減少又は増加を実行しようとするものであ
る。このような動作は第15図に示す関数発生器69の特性
により得られる。即ち、関数発生器69はタービンバイパ
ス弁10の実際の開度指令信号e₂′を入力し、この信号
e₂′が極端に大きいときのみおよび極端に小さいときの
み補正信号を出力し、加算器70において開度指令信号c₂
と加算することにより燃料流量調節弁20の補正された開
度指令信号c₂′を得る。

このようにして、補正操作量演算装置60で得られた開度
指令信号c₂′,d₂′,e₂′は、それぞれ燃料流量調節弁2
0、過熱器バイパス弁９、タービンバイパス弁10を実際
に操作する開度指令として出力される。

以上、本実施例の動作を、各部の構成、動作を説明する
ことにより説明したが、最後に、第１図に基づいて本実
施例の動作の概要をまとめると次のようになる。まず、
変化率目標値演算装置30は、蒸気圧力検出器11および蒸
気温度検出器25により検出された実測蒸気圧力および実
測蒸気温度を入力するとともに、各設定器26,27,28,29
に設定された値を入力する。そして、蒸気圧力、設定器
26に設定された昇圧目標値、および設定器28に設定され
た飽和温度変化率制限値（厚肉部である気水分離器４の
熱応力を考慮した値）に基づき昇圧率目標値信号ｂが演
算、出力され、又、蒸気温度、設定器27に設定された昇
温目標値、および設定器29に設定された昇温率制限値
（厚肉部である過熱器出口ヘツダの熱応力を考慮した
値）に基づき昇温率目標値信号ａが演算、出力される。

最適操作量演算装置40は、これら昇温率目標値信号ａ、
昇圧率目標値信号ｂ、実測蒸気圧力および実測蒸気温度
を入力し、これらの値およびプラント特性に基づき所要
の数式を導き、このような数式を解くことにより、厚肉
部の熱応力を抑制し、しかも起動完了を短時間で行なわ
せるとともに起動損失も低減させるための最適の燃料投
入量、過熱器バイパス弁通過流量およびタービンバイパ
ス弁通過流量を決定する。そして、これらの値はそれぞ
れ、燃料流量調節弁20の開度、過熱器バイパス弁９の開
度およびタービンバイパス弁10の開度に換算され、これ
らに応じた開度指令信号c₂,d₂,e₂が出力される。

微分器50,52は蒸気圧力検出器11と蒸気温度検出器25で
検出された蒸気圧力および蒸気温度の変化率即ち実際に
昇圧率および昇温率を出力する。これら昇圧率および昇
温率と、演算された昇圧率目標値信号ｂおよび昇温率目
標値信号ａとは減算器51,53で比較され、減算器51,53か
らはそれぞれ両者の差である昇圧率偏差信号ｆおよび昇
温率偏差信号ｇが出力される。

補正操作量演算装置60は、上記昇圧率偏差信号ｆおよび
昇温率偏差信号ｇに基づき、最適操作量演算装置40から
出力される各開度指令信号c₂,d₂,e₂を、外乱が生じない
ように補正し、補正された開度指令信号c₂′,d₂′,e₂′
を出力する。これら開度指令信号c₂′,d₂′,e₂′により
それぞれ燃料流量調節弁20、過熱器バイパス弁９、ター
ビンバイパス弁10が操作されて目的を達成する。

このように、本実施例では、蒸気圧力、蒸気温度、およ
び設定器に設定された昇圧目標値、昇温目標値、飽和温
度変化率制限値、昇温率制限値に基づいて昇温率目標
値、昇圧率目標値を演算し、これら昇温率目標値、昇圧
率目標値、および前記蒸気圧力、蒸気温度に基づいて燃
料流量調節弁、過熱器バイパス弁、タービンバイパス弁
の最適の開度指令値を演算し、これら各開度指令値を適
宜補正して前記各弁の開度を操作するようにしたので、
ボイラ起動時に、気水分離器や過熱器出口ヘツダに生じ
る熱応力を抑制しつつ起動を短時間で完了させることが
でき、かつ、起動損失を低減することができる。

第16図は本発明の他の実施例に係るボイラ起動制御装置
の一部の系統図である。図で、26は昇圧目標値設定器、
27は昇温目標値設定器、30は変化率目標値演算装置であ
り、これらは第１図に示すものと同じである。75,76は
それぞれ気水分離器４の厚肉部の内面メタル温度および
外面メタル温度を検出する温度検出器、77,78はそれぞ
れ過熱器出口ヘツダの厚肉部の内面メタル温度および外
面メタル温度を検出する温度検出器である。79は気水分
離器熱応力監視制御装置、80は過熱器出口ヘツダ熱応力
監視制御装置である。本実施例が第１の実施例と異なる
のは、第１の実施例が飽和温度変化率制限値および昇温
率制限値を設定器28,29に設定して変化率目標値演算装
置30に入力したのに対し、本実施例では、飽和温度変化
率制限値および昇温率制限値を他の手段により変化率目
標値演算装置30に入力するようにした点にある。そし
て、その他の構成、動作は第１の実施例と同一である。

温度検出器75,76で検出された気水分離器４の内面メタ
ル温度と外面メタル温度は制御装置79に入力される。制
御装置79はこれらの温度に基づいて、気水分離器４の厚
肉部に発生する熱応力を常時算出し、その発生した熱応
力に応じて適切な飽和温度変化率制限値を出力する。同
様に、温度検出器77,78で検出された過熱器出口ヘツダ
の内面メタル温度と外面メタル温度は制御装置80に入力
され、制御装置はこれらの温度に基づいて過熱器出口ヘ
ツダの厚肉部に発生する熱応力を常時算出し、その発生
した熱応力に応じて適切な昇温率制限値を出力する。

このように、本実施例では、さきの実施例における飽和
温度変化率制限値設定器に代えて、気水分離器の厚肉部
の内面メタル温度および外面メタル温度を検出する温度
検出器、および気水分離器熱応力監視制御装置を設け、
又、昇温率制限値設定器に代えて、過熱器出口ヘツダの
厚肉部の内面メタル温度および外面メタル温度を検出す
る温度検出器、および過熱器出口ヘツダ熱応力監視制御
装置を設けたので、さきの実施例と同じ効果を奏するば
かりでなく、熱応力に余裕がある場合にはより一層急速
な起動を可能とし、逆に熱応力が異常に高い場合には昇
温、昇圧を緩慢とする飽和温度変化率制限値および昇温
率制限値を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、検出された蒸気圧力お
よび蒸気温度、昇圧目標値、昇温目標値、飽和温度変化
率制限値、昇温率制限値に基づいて昇温率目標値および
昇圧率目標値を演算し、これら目標値および前記蒸気圧
力、蒸気温度に基づいて燃料供給量を制御する弁、過熱
器の蒸気をバイパスする弁、過熱器からの蒸気をその主
たる供給先以外へ抜出す弁の開度を演算し、さらにこの
開度を適正に補正するようにしたので、ボイラ厚肉部に
発生する熱応力を抑制しつつ、起動を短時間に完了させ
ることができ、かつ、起動損失を低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るボイラ起動制御装置の
系統図、第２図は第１図に示す変化率目標値演算装置の
系統図、第３図、第４図および第５図はそれぞれ第２図
に示す関数発生器の特性図、第６図は第１図に示す最適
操作量演算装置の系統図、第７図、第８図、第９図、第
10図および第11図は第６図に示す関数発生器の特性図、
第12図は第６図に示すプラント特性演算部の演算の解を
示すグラフ、第13図は第６図に示すプラント特性演算部
の動作を説明するフローチヤート、第14図は第１図に示
す補正操作量演算装置の系統図、第15図は第14図に示す
関数発生器の特性図、第16図は本発明の他の実施例に係
るボイラ起動装置の一部の系統図、第17図は従来のボイ
ラ起動制御装置の系統図、第18図(a)，(b)，(c)，(d)，
(e)はボイラ起動時の各部の量の変化を示すタイムチヤ
ートである。 ４……気水分離器、５……過熱器、７……タービン、９
……過熱器バイパス弁、10……タービンバイパス弁、11
……蒸気圧力検出器、20……燃料流量調節弁、26……昇
圧目標値設定器、27……昇温目標値設定器、28……飽和
温度変化率制限値、29……昇温率制限値、30……変化率
目標値演算装置、40……最適操作量演算装置、50,52…
…微分器、51,53……減算器、60……補正操作量演算装
置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】過熱器と、この過熱器の蒸気をバイパスす
   る第１の弁と、前記過熱器からの蒸気をその主たる供給
   先以外へ抜き出す第２の弁と、火炉への燃料供給量を制
   御する第３の弁とを備えたボイラにおいて、このボイラ
   の所定部における蒸気温度を検出する温度検出器と、前
   記所定部における蒸気圧力を検出する圧力検出器と、前
   記蒸気温度、前記蒸気圧力、昇圧目標値、昇温目標値、
   飽和温度変化率制限値、昇温率制限値に基づいて前記ボ
   イラの所定構造部の熱応力抑制に必要な蒸気温度変化率
   目標値および蒸気圧力変化率目標値を演算する第１の演
   算手段と、この第１の演算手段で得られた蒸気温度変化
   率目標値、蒸気圧力変化率目標値、前記蒸気温度および
   前記蒸気圧力に基づいて前記第１の弁、前記第２の弁お
   よび前記第３の弁の各操作量を演算する第２の演算手段
   とを設けたことを特徴とするボイラ起動制御装置。
2. 【請求項２】過熱器と、この過熱器の蒸気をバイパスす
   る第１の弁と、前記過熱器からの蒸気をその主たる供給
   先以外へ抜き出す第２の弁と、火炉への燃料供給量を制
   御する第３の弁とを備えたボイラにおいて、このボイラ
   の所定部における蒸気温度を検出する温度検出器と、前
   記所定部における蒸気圧力を検出する圧力検出器と、前
   記蒸気温度、前記蒸気圧力、昇圧目標値、昇温目標値、
   飽和温度変化率制限値、昇温率制限値に基づいて前記ボ
   イラの所定構造部の熱応力抑制に必要な蒸気温度変化率
   目標値および蒸気圧力変化率目標値を演算する第１の演
   算手段と、この第１の演算手段で得られた蒸気温度変化
   率目標値、蒸気圧力変化率目標値、前記蒸気温度および
   前記蒸気圧力に基づいて前記第１の弁、前記第２の弁お
   よび前記第３の弁の各操作量を演算する第２の演算手段
   と、この第２の演算手段で得られた各操作量を前記蒸気
   温度の変化率および前記蒸気圧力の変化率に基づいて補
   正する補正手段とを設けたことを特徴とするボイラ起動
   制御装置。