JP2018004155A - ボイラシステム - Google Patents
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Abstract
Description
このような場合、大規模ボイラシステム側において、蒸気ヘッダの蒸気出力の大半を賄い、その不足分を連続制御ボイラが補う形式となる。このため、大規模ボイラシステム側で、蒸気ヘッダの内部の蒸気圧であるヘッダ圧力値に基づいて出力蒸気量の制御を行うケースが多い。その場合、補助用途に使用される連続制御ボイラは圧力制御を行わずに、一定の出力蒸気量を維持するように動作することが求められる。
他方、連続制御ボイラからなるボイラ群は台数制御装置を備え、ヘッダ圧力値に基づいて各連続制御ボイラの燃焼制御を行うように動作するように構成されている(例えば、特許文献1参照)。
他方、大規模ボイラシステムの保守時等には、大規模ボイラシステムを停止させることが必要となり、その際には、必要蒸気量をバックアップするために、ヘッダ圧力値に基づいて出力蒸気量の制御を行う機能はこれまでどおり必要となる。
このため、ヘッダ圧力値に基づいて出力蒸気量の制御を行うこれまでの機能に加えて、必要に応じて、圧力制御を行わずに全ボイラ出力蒸気量の合計値が一定の値となるように制御することができる連続制御ボイラシステムが求められている。
まず、第1実施形態に係るボイラシステム1の全体構成につき、図1及び図2を参照しながら説明する。図1及び図2に示すように、ボイラシステム1は、例えば、5台の連続制御ボイラ20により構成されるボイラ群2と、これら複数のボイラ20において生成された蒸気を集合させる蒸気ヘッダ6と、この蒸気ヘッダ6の内部の圧力を測定する蒸気圧センサ7と、ボイラ群2の燃焼状態を制御する制御部4を有する台数制御装置3と、を備える。
以下、連続制御ボイラ20をボイラ20という。特に断らない限り、ボイラ20は連続制御ボイラを指すものとする。
蒸気ヘッダ6は、蒸気管11を介してボイラ群2を構成する複数のボイラ20に接続されている。この蒸気ヘッダ6の下流側は、蒸気管12を介して蒸気使用設備18に接続されている。
蒸気ヘッダ6は、ボイラ群2で生成された蒸気を集合させて貯留することにより、複数のボイラ20の相互の圧力差及び圧力変動を調整し、圧力が調整された蒸気を蒸気使用設備18に供給する。
ボイラシステム1において要求される負荷(要求負荷)は、蒸気使用設備18における蒸気消費量である。台数制御装置3は、この蒸気消費量の変動に対応して生じる蒸気ヘッダ6の内部の蒸気圧の変動を、蒸気圧センサ7が測定するヘッダ圧力値(物理量)に基づいて算出し、ボイラ群2を構成する各ボイラ20の燃焼状態を制御する。
図2は、ボイラ群2の概略を示す図である。
連続制御ボイラ20は、図2に示すように、少なくとも、最小燃焼状態S1(例えば、最大燃焼率の20%の燃焼量における燃焼状態)から最大燃焼状態S2の範囲で、燃焼量が連続的に制御可能とされているボイラである。ボイラ20は、例えば、燃料をバーナに供給するバルブや、燃焼用空気を供給するバルブの開度(燃焼比)を制御することにより、燃焼量を調整するようになっている。
より具体的には、複数のボイラ20それぞれには、変動可能な蒸気量の単位である単位蒸気量Uが設定されている。これにより、ボイラ20は、最小燃焼状態S1から最大燃焼状態S2の範囲においては、単位蒸気量U単位で、蒸気量を変更可能となっている。
ボイラ20には、ボイラ効率が高い燃焼率の範囲(「エコ運転ゾーン」という)が設定されている。ボイラ20をこのエコ運転ゾーンで燃焼させ続けることで、ボイラ20を効率的に燃焼させることができる。
本実施形態のボイラシステム1においては、ヘッダ圧力値に基づいてボイラ群2の燃焼状態を制御し、出力蒸気量を出力する圧力制御モード、又はボイラ群2の出力蒸気量の合計値が一定の値となるように制御する出力蒸気量一定制御モードのいずれにおいても、燃焼ボイラをエコ運転ゾーンで燃焼させ続けるように制御することが好ましい。
また、ボイラ20にはそれぞれ優先順位が設定されている。例えば、蒸気消費量が増加した場合には、優先順位の高いボイラ20から順に燃焼率を増加させ、蒸気消費量が減少した場合には、優先順位の低いボイラ20から順に燃焼率を減少させるように設定することができる。
また、要求負荷が増加して燃焼させるボイラ20の台数を増加させる場合には、優先順位の高いボイラ20から順に燃焼を開始させ、要求負荷が減少して燃焼させるボイラ20の台数を減少させる場合には、優先順位の低いボイラ20から順に燃焼を停止させることができる。
このような場合、優先順位の高いボイラ20の稼動時間が長くなり、優先順位の低いボイラの稼動時間が短くなるため、複数のボイラ20の稼動状態に偏りが生じてしまう。そのため、ボイラシステム1においては、優先順位を定期的に(例えば、24時間毎に)変更して、複数のボイラ20の稼動状態の均一化を図っている。
本実施形態に係る制御部4は、ユーザのニーズに応じて、ボイラ群2の出力蒸気量の合計値が一定の値となるように制御する出力蒸気量一定制御モードを備える。
このような出力蒸気量一定制御モードを実現するため、図3に示すように、制御部4は、必要蒸気量算出部41と上限設定部42と、燃焼台数算出部43と、制御対象ボイラ設定部44と、出力制御部45と、優先順位設定部46と、を含んで構成される。
必要蒸気量MVn
=偏差比例出力(P制御)+偏差積分出力(I制御)+偏差微分出力(D制御)
・・・(1)
偏差比例出力(PID_E)=PID_K×(目標蒸気圧力値−現在の蒸気圧力値)
・・・(2)
ここで、PID_K(比例ゲイン)は、単位圧力偏差(1MPa)当たりのボイラ出力(蒸気量)である。
・・・(3)
PID_K×(前回制御周期の蒸気圧力値−現在の蒸気圧力値)×微分時間(秒)
・・・(4)
上限設定部42により、上限出力蒸気量MVupが設定される場合には、必要蒸気量算出部41により算出される現時点の必要蒸気量MVnが上限出力蒸気量MVupを超える場合であっても、上限出力蒸気量MVupが優先され、上限出力蒸気量MVupの蒸気が生成されるように制御される。
上限設定部42による上限出力蒸気量MVupの設定は、出力蒸気量のリミッタ値を設定する役割を担う。上限設定部42により上限出力蒸気量MVupが設定される場合には、ボイラ群2の出力蒸気量の合計値が最大で上限出力蒸気量MVupとなるように制御する出力蒸気量一定制御モードが提供される。
なお、燃焼台数算出部43は、燃焼台数の算出に際して、複数の選択肢が存在する場合(すなわち、各ボイラ20に均等に燃焼率を割り振ったときに、各ボイラ20の燃焼率がそれぞれエコ運転ゾーンの範囲内に収まる条件を満たす台数の選択肢が複数ある場合)又は選択肢が存在しない場合(すなわち、各ボイラ20に均等に燃焼率を割り振ったときに、各ボイラ20の燃焼率がそれぞれエコ運転ゾーンの範囲内に収まるようなボイラ台数が存在しない場合)に、予め設定される燃焼台数前提条件に基づいて燃焼台数を算出する。ここで、燃焼台数前提条件とは、燃焼台数を抑制するか、又は過剰にするかを予め指定するパラメータであって記憶部5に記憶させることができる。
これにより、燃焼台数を最小限にしたい場合、又は各ボイラの燃焼率を抑えたい場合等のユーザニーズに対応することができる。
図4Aに示すように、ボイラ1号機〜5号機は、それぞれ最大燃焼量7000kg/hのボイラとし、エコ運転ゾーンは、燃焼率40〜60%の範囲とする。
図4Bを参照すると、設定される上限出力蒸気量が4200kg/hを超え5600kg/hを下回る場合、各ボイラ20の燃焼率がそれぞれエコ運転ゾーンの範囲内に収まるように燃焼台数を算出することができない。
このような場合、燃焼台数の算出に際して、各ボイラ20の燃焼率がそれぞれエコ運転ゾーンの範囲内に収まる条件を満たす台数の選択肢が存在しないことから、燃焼台数を抑制するか、又は過剰にするかが予め指定される燃焼台数前提条件に基づいて、燃焼台数算出部43は、燃焼台数を算出することができる。すなわち、燃焼台数を抑制する場合には1台、燃焼台数を過剰にする場合は2台が算出される。
同様に、上限出力蒸気量MVupを12500kg/hとした場合、各ボイラ20の燃焼率がそれぞれエコ運転ゾーンの範囲内に収まる燃焼台数候補が2個算出することができる。このため、燃焼台数を抑制する場合は3台、又は燃焼台数を過剰にする場合には4台が選択肢として挙げられる。
このため、出力制御部45は、例えば必要蒸気量算出部41により算出される現時点の必要蒸気量MVnが上限出力蒸気量MVupを超える場合、現時点の必要蒸気量MVnを上限出力蒸気量MVupに置き換えたうえで、必要蒸気量(=MVup)の蒸気を生成するようにボイラ群2の出力を制御するようにしてもよい。
他方、出力制御部45は、制御対象ボイラ設定部44により設定された台数以上のボイラ20が燃焼状態となるため、優先順位が下位となるボイラ20を燃焼停止させるように動作することとなる。
このようにして、出力制御部45は、各ボイラ20の優先順位が変更される毎に、燃焼させるボイラ20のローテーションを行うことで、ボイラ群2に含まれるボイラを均等に燃焼させることができる。これにより、ボイラの故障率を低減させることができる。
このため、出力制御部45は、必要蒸気量算出部41により算出された必要蒸気量MVnが上限出力蒸気量MVupを上回った状態が予め設定される第1時間を超えて継続する場合、制御対象ボイラ20の燃焼率を強制的に均一化するように構成される。
これにより、上限出力蒸気量MVupを継続して出力する場合であっても、燃焼制御対象ボイラの燃焼率を均一化することができる。
一例として、必要蒸気量が出力蒸気量よりも大きな値となる場合、複数のエコ運転ゾーンのうち最も低い燃焼率の範囲に対応するエコ運転ゾーンに位置するボイラ20を選択して、当該ボイラ20の出力蒸気量を単位蒸気量U分増加させるように制御する。また、必要蒸気量が出力蒸気量よりも小さい値となる場合、複数のエコ運転ゾーンのうち最も高い燃焼率の範囲に対応するエコ運転ゾーンに位置するボイラ20を選択して、当該ボイラ20の出力蒸気量を単位蒸気量U分減少させるように制御する。
こうすることで、各ボイラ20のエコ運転ゾーンの範囲が異なる場合においても、燃焼対象ボイラをの燃焼率をエコ運転ゾーンの範囲内に収まるようにすることができる。
そうすることで、前述したように、出力制御部45は、各ボイラ20の優先順位が変更される毎に、燃焼させるボイラ20のローテーションを行うことで、ボイラ群2に含まれるボイラを均等に燃焼させることができる。これにより、ボイラの故障率を低減させることができる。
図5A〜図5Cに、台数制御装置3(制御部4)の処理内容を示す。
なお、優先順位設定部46により、ボイラ群2に含まれる各ボイラ20の優先順位が予め設定されているものとする。
図5Aを参照しながら制御対象ボイラの設定について説明する。
ステップST1において、制御部4(上限設定部42)により、上限出力蒸気量MVupを設定する。
<出力蒸気量の制御>
ステップST7において、制御部4(必要蒸気量算出部41)は、式(2)〜式(4)で算出された各出力を合計することにより、必要蒸気量MVnを算出する。
ステップST12において、制御部4(出力制御部45)は、制御対象ボイラ20の燃焼率を強制的に均一化する。例えば、制御部4(出力制御部45)は、複数のエコ運転ゾーンのうち最も低い燃焼率の範囲に対応するエコ運転ゾーンに位置するボイラ20を選択して、当該ボイラ20の出力蒸気量を単位蒸気量U分増加させるように制御する。逆に、複数のエコ運転ゾーンのうち最も高い燃焼率の範囲に対応するエコ運転ゾーンに位置するボイラ20を選択して、当該ボイラ20の出力蒸気量を単位蒸気量U分減少させるように制御する。
これにより、燃焼台数を最小限にしたい場合には燃焼台数前提条件に対して燃焼台数を抑制するように指定し、逆に各ボイラ20の燃焼率を抑えたい場合には燃焼台数前提条件に対して燃焼台数を増加するように指定することで、ユーザのニーズに対応することができる。
これにより、上限出力蒸気量MVupを継続して生成する場合であっても、制御対象ボイラ20の燃焼率を均一化できる。
これにより、優先順位が変更される毎に、燃焼させるボイラ20のローテーションを行うことで、ボイラ群2に含まれるボイラの稼動率を均等に燃焼させることができる。そうすることで、ボイラ20の故障率を低減させることができる。
一定の蒸気量を出力させる制御方法として、本実施形態とは別の制御方法を適用してもよい。すなわち、ボイラ群2の燃焼ボイラ20の燃焼率がそれぞれ100%と算出されるように、台数制御装置4に対して設定される目標圧力値を高く設定しておく。そうすることで、ボイラ群2の燃焼ボイラ20の燃焼率がそれぞれ100%と算出される。しかしながら、出力蒸気量に別途リミッタMVupが設定されていることで、出力制御部45は、ボイラ20を最大燃焼状態の燃焼率100%ではなく、MVupの蒸気量を出力するように制御される。
例えば、上記実施形態では、連続制御ボイラ20を、全て同一のボイラ容量としたが、これに限らない。すなわち、ボイラ20毎にその最小燃焼量、単位蒸気量、最大燃焼量としての燃焼能力が異なる場合にも適用可能である。
また、例えば、上記実施形態では、本発明を、5台の連続制御ボイラ20からなるボイラ群2を備えるボイラシステムに適用したが、これに限らない。すなわち、本発明を、2台〜4台、又は6台以上のボイラからなるボイラ群を備えるボイラシステムに適用してもよい。また、1台のボイラ単体に適用してもよい。
また、上記実施形態では、必要蒸気量算出部41において、蒸気ヘッダ6の蒸気圧力値(物理量)に基づいてPID(比例+積分+微分)アルゴリズムにより必要蒸気量(指示蒸気量)を算出する例について説明した。これに限らず、本発明は、PI(比例+積分)アルゴリズム又はP(比例)アルゴリズムにより必要蒸気量(指示蒸気量)を算出する制御にも適用することができる。
2 ボイラ群
3 台数制御装置
4 制御部
5 記憶部
6 蒸気ヘッダ
7 蒸気圧センサ(蒸気圧測定手段)
18 蒸気使用設備
20 ボイラ
41 必要蒸気量算出部
42 上限設定部
43 燃焼台数算出部
44 制御対象ボイラ設定部
45 出力制御部
46 優先順位設定部
Claims (5)
- 燃焼率を連続的に変更して燃焼可能な、一台以上のボイラからなるボイラ群と、
前記ボイラ群において生成された蒸気を集合させる蒸気ヘッダと、
前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧であるヘッダ圧力値を測定する蒸気圧測定手段と、
前記ヘッダ圧力値に基づいて前記ボイラ群の燃焼状態を制御する台数制御部と、
を備えるボイラシステムであって、
前記一台以上のボイラには、
ボイラ効率が所定値よりも高くなる燃焼率の範囲であるエコ運転ゾーンがそれぞれのボイラに対して設定され、
前記台数制御部は、
前記ヘッダ圧力値に基づいて必要蒸気量を算出する必要蒸気量算出部と、
前記必要蒸気量算出部により算出された必要蒸気量の蒸気を生成するように前記ボイラ群の出力を制御する出力制御部と、
前記ボイラ群により出力される蒸気量である出力蒸気量の上限値である上限出力蒸気量を設定する上限設定部と、
前記上限出力蒸気量を出力するために前記ボイラ群に含まれる各ボイラに均等に燃焼率を割り振った場合に、各ボイラの燃焼率がそれぞれ前記エコ運転ゾーンの範囲内に収まるように燃焼台数を算出する燃焼台数算出部と、
前記燃焼台数算出部により算出された燃焼台数分のボイラを制御対象ボイラとして設定する制御対象ボイラ設定部と、を備え、
前記出力制御部は、
前記必要蒸気量算出部により算出された必要蒸気量が前記上限出力蒸気量を上回った場合に、前記上限出力蒸気量の蒸気を生成するように前記制御対象ボイラを燃焼させるボイラシステム。 - 前記燃焼台数算出部は、
燃焼台数を抑制するか、又は過剰にするかを指定する燃焼台数前提条件を予め設定しておき、
燃焼台数の算出に際して、複数の選択肢が存在する場合又は選択肢が存在しない場合に、前記燃焼台数前提条件に基づいて燃焼台数を算出する請求項1に記載のボイラシステム。 - 前記出力制御部は、さらに、
前記必要蒸気量算出部により算出された必要蒸気量が前記上限出力蒸気量を上回った状態が予め設定される第1時間を超えて継続する場合、前記制御対象ボイラの燃焼率を均一化する請求項1又は請求項2に記載のボイラシステム。 - 前記台数制御部は、さらに、
前記ボイラ群に含まれる各ボイラの優先順位の設定及び変更を行う優先順位設定部を備え、
前記出力制御部は、
前記優先順位設定部により各ボイラの優先順位が変更されると、燃焼停止状態にあるボイラのうち、優先順位の高いボイラの燃焼を開始させる、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のボイラシステム。 - 前記出力制御部は、
前記優先順位設定部により各ボイラの優先順位が変更されると、燃焼状態にあるボイラのうち、優先順位の低いボイラの燃焼を停止させる、請求項4に記載のボイラシステム。
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