JP3972495B2

JP3972495B2 - ボイラドラムの水位制御装置

Info

Publication number: JP3972495B2
Application number: JP35235398A
Authority: JP
Inventors: 隆之田邊; 義則中野
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: JP2000179804A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ボイラドラムの水位制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水管ボイラの水位の時定数は小さく、蒸発量と給水量のバランスが僅かに崩れても水位は大きく変動する。このため水位のみを検出して水位制御器により給水量を調節して水位を一定に保つ単要素式水位制御では負荷が変化しても水位が変化しないと給水量が調節されず、広範囲の負荷変動に対して水位を一定に保つことは困難である。
【０００３】
上記単要素式水位制御の問題点は、蒸気流量に給水流量を追従させボイラ内の物質収支を一定に保つ機能を制御器に付加することで対策が図られ、二要素式水位制御、三要素式水位制御といった方法が採用される。
【０００４】
また、ボイラ水位は物質収支によって決まる水位応答の他に、ボイラ圧力や熱量の変動によりボイラ内の保有水が泡立ち、蒸気流量が増大した場合に水位が増大する、逆応答現象が現れ、水位の制御性能を悪化させる。
【０００５】
従来二要素式水位制御例を図５に示す。ボイラドラム１の水位制御は、水位設定値と水位計４からの水位検出値との偏差を偏差検出５１で検出し、その偏差を水位制御器５２で演算増幅し、その出力に蒸気流量計５からの蒸気流量値を加算器５４で加算し給水調節弁３の制御指令とすることでボイラドラムの水位を制御している。
【０００６】
次に従来三要素式水位制御例を図６に示す。このボイラドラムの水位制御は、偏差検出器５１で検出した水位偏差を水位制御器５２で演算増幅し、その出力に蒸気流量計５からの蒸気流量値と給水流量計２で検出した給水流量値とを加算器５５で図示の極性で加算し、その加算器の出力を給水流量機器５６で演算増幅し給水調節弁３の制御指令することでボイラドラムの水位を制御している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来図５の二要素式水位制御は、給水流量の補正機能がないため給水調節弁の流量特性の非線形性により蒸気流量と給水流量が等しくなることは補償されない。そのため下記のような課題がある。
【０００８】
（１）給水流量が蒸気流量に完全に追従しないので、ボイラ内の物質収支を一定に保つことが補償されず、水位の時定数が小さい場合には十分な制御性能を得られない。
（２）水位逆応答により負荷変動や熱量の変動により水位の制御性能が悪化する。
【０００９】
また、上記従来図６の三要素水位制御は、給水調節弁３の非線形特性に係わらず、給水流量が蒸気流量に追従するため、より水位の時定数が小さい水管ボイラに対して用いられるが、下記のような課題がある。
【００１０】
（１）給水流制御を行うことにより給水流量計の異常などにより正確な給水流量が検出不可能となった場合に制御不能となる。
（２）プラントの立ち上げ時など蒸気流量及び給水流量が共に少ない場合には、流量計は正確な検出が困難であり制御性能が悪化する。
【００１１】
（３）水位の逆応答により負荷変動や熱量の変動により水位の制御性能が悪化する。
【００１２】
この発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、制御性能がよいボイラドラムの水位制御装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明のボイラドラムの水位制御装置は、水位の設定値と検出値との偏差をＰＩＤ演算し給水調節指令を出力するＰＩＤ制御器と、給水流量検出値をゲイン倍して蒸気流量検出値から引き、前記ＰＩＤ制御器の出力に加算する回路と、蒸気流量検出値が入力しその値が小さい場合前記ＰＩＤ制御器の出力に加算する信号のゲインを小さくする関数回路と、蒸気流量検出値が入力しその値が小さい場合前記ＰＩＤ制御器に入力する水位偏差のゲインを大きくする関数回路とを有するものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１８】
実施の形態１
図１に実施の形態１にかかるボイラドラムの水位制御ブロック図を示す。図中、１はボイラドラム、２は給水流量計、３は給水調節弁、４はボイラドラムの水位計、５は蒸気流量計、Ａ１（１１〜１４）は三要素式水位制御器、Ａ２（１１，１５）は単要素式水位制御器、１６は三要素式水位制御出力と単要素式水位出力を切り替えて給水調節弁３に出力する切替器、１７は蒸気流量計５の出力により動作し切替器１６を制御するヒステリシスコンパレータを示す。
【００１９】
三要素式水位制御器Ａ１はボイラドラム水位設定値と水位計４からの水位検出値との偏差を検出する水位偏差検出器１１と、この水位偏差を演算増幅する第１の水位制御器１２と、この制御器の出力に給水流量計２からの給水流量値と蒸気流量計５からの蒸気流量値を図示の極性で加算する加算器１３及びこの加算出力演算増幅して給水調節弁３を制御するための給水流量制御器１４で構成されている。
【００２０】
また、単要素式水位制御器Ａ２は、上記水位偏差検出器１１と、この水位偏差を演算増幅して給水調節弁３を制御するための第２の水位制御器１５で構成されている。
【００２１】
ヒステリシスコンパレータ１７は上記流量計５の出力が所定のレベルＱを越えると切替器１６を三要素式水位制御器Ａ１側に切り替え、蒸気流量計５の出力が（Ｑ−ΔＱ）以下になると切替器１６を単要素式水位制御器Ａ２側に切り替えるようにヒステリシス特性で動作し切替器１６を制御する。
【００２２】
なお、制御器Ａ１，Ａ２が切り替わった時の急激な操作量の変化をなくすため、単要素式水位制御を行っている場合には、制御器Ａ１の水位制御器１２の演算値をゼロにホールドし、給水流量制御器１４の演算値を制御器Ａ１の水位制御器１５の出力と等しくなるようにする。また切替器１６により三要素式水位制御を行っているときは、水位制御器１５の演算値を給水流量制御器１４の出力と等しくなるようにする。
【００２３】
実施の形態１によれば、蒸気流量及び給水流量が多い場合には三要素式水位制御器Ａ１で制御し、蒸気流量及び給水流量が少ない場合には蒸気流量計５及び給水流量計２を用いない単要素式水位制御器Ａ２で制御するように切り替えられるので、制御性能の向上が可能となる。
【００２４】
また、切替器１６はヒステリシス特性を有するコンパレータ１７で切り替えるので、蒸気流量の変動による頻繁な制御器Ａ１，Ａ２の切り替えを避けることができる。
【００２５】
実施の形態２
図２に実施の形態２にかかるボイラドラム水位制御ブロック図を示す。図２において、２１はボイラドラム水位設定値と水位計４からの水位検出値との偏差を検出する水位偏差検出器、２２は蒸気流量計５からの蒸気流量の高調波成分を除去するフィルタ、２３，２４は単要素式水位制御と三要素式水位制御の切り換えをするための折れ線関数器である。
【００２６】
折れ線関数器２３は蒸気流量が０の場合に縦軸の値を所定の値Ｋとし、蒸気流量が定常状態の値以上で１となるように構成され、折れ線関数器２４は蒸気流量が０の場合に縦軸の値を零とし、蒸気流量が定常状態の値以上で１となるように構成されている。
【００２７】
２５は偏差検出器２１からの水位偏差と折れ線関数器２３の出力を掛ける乗算器、２６はこの乗算器の出力をＰＩＤ演算するＰＩＤ制御器である。
【００２８】
また、２７は蒸気流量計５からの蒸気流量値をゲインＫ１倍するゲイン回路、２８は蒸気流量計５からの蒸気流量値からゲイン回路２７でゲインＫ１倍された蒸気流量値との差をとる減算器、２９は折れ線関数器２４の出力と加算器２８の出力とを掛ける乗算器、３０はＰＩＤ制御器２６の出力に乗算器２９の出力を加えて給水調整弁３の制御指令を出力する加算器である。
【００２９】
上記実施の形態１（図１）では、三要素式水位制御において給水流量計の異常等により正確な給水流量検出が不可能となった場合に制御不能となる問題点は解決されない。また、ボイラの水位制御に対して制御器が３台（１２，１４，１５）存在することにより操作員に判りづらい構成となっている。また、蒸気流量が設定したヒステリシス特性の範囲を頻繁に越えて変動する場合には、制御器の切り替えが頻繁となり、給水調節弁に対する操作量の急変が頻繁に起こることになる。
【００３０】
実施の形態２は、図１の三要素式水位制御の給水流量制御回路１４の部分をゲイン回路２７を用いたゲインフィードバックの制御構成としたので、図１の流量制御器１４が不要となる。ゲイン回路２７のゲインを、加算器３０から出力される給水調節弁３の開度指令値から給水流量までの定常ゲインが１倍となるように設定すると、回路２７，２８は流量補償回路として機能し、図２の回路は三要素式水位制御に相当する制御構成となる。またゲイン回路２７のゲインを０にすると、一要素少なくなり二要素式水位制御に相当する制御構成となる。
【００３１】
さらに、蒸気流量はフィルタ２２によって高調波成分のノイズを除去した後、折れ線関数器２３，２４の横軸を与える。折れ線関数２４では、蒸気流量がゼロの場合に縦軸の値を０とし、蒸気流量が定常状態の値以上で１とするので、折れ線関数２４の出力を加算器２８から出力される補償量に乗算器６で掛け合わせることにより、蒸気流量が少ない場合には蒸気流量及び給水流量による補償のない単要素式水位制御が実現し、蒸気流量が多い場合には蒸気流量及び給水流量に補償のある三要素式水位制御を実現する。
【００３２】
また、折れ線関数器２３の出力ＰＩＤ制御器２６の偏差入力に乗算器２５により掛け合わせることにより、蒸気量が少ない場合には単要素式水位制御の制御ゲインが高くなり水位への追従速度が速くなり、蒸気流量が多い場合には三要素式水位制御における水位制御の制御ゲインが低くなり水位への追従速度が遅くなり、主に給水流量を蒸発流量に追従させる制御となる。
【００３３】
以上の制御構成により、制御器１台のみで実施の形態１の単要素式水位制御と三要素式水位制御からなる制御器の機能を実現し、また、単要素式水位と三要素式水位制御の切り替えを折れ線関数で行うことにより、給水調節弁に対する操作量の急変は起こらなくなる。
【００３４】
また、図１の給水流量制御器１４を取り除いたことにより、給水流量計または蒸気流量計に異常が生じ、正確な流量の計測が不可能となった場合でも制御不可能となることはない。
【００３５】
実施の形態３
図３に実施の形態３にかかるボイラドラム水位制御ブロック図を示す。
【００３６】
３１はボイラドラムの水位設定値と水位計４からの水位検出値との偏差を検出する偏差検出器、３２は給水流量計２からの給水流量をゲイン倍するゲイン回路、３３は蒸気流量計５からの蒸気流量とゲイン回路の出力とを図示の極性で加算する加算器、３４は水位制御器４２の逆特性を有する逆特性回路、３５は逆特性回路３４の出力を制限するリミッタである。
【００３７】
また、３６は蒸気流量計５からの蒸気流量の高調波成分を除去するフィルタ、３７，３８はフィルタ２２からの蒸気流量を図示の特性で出力させる折れ線関数器、３９は上記リミッタ３５の出力と折れ線関数器３７の出力とを掛ける乗算器、４０は偏差検出器３１からの水位偏差に乗算器３９の出力を加算する加算器である。
【００３８】
また、４１は加算器４０の出力に折れ線関数器３８の出力を掛ける乗算器、４２は乗算器４１からの出力をＰＩＤ演算し給水調節弁３の制御指令を出力するＰＩＤ制御器である。
【００３９】
上記実施の形態２（図２）では給水流量計２または蒸気流量計５に異常が生じた場合、制御の安定性は確保されるが、流量計の指示値が０％または１００％にホールドされた場合に、これがそのまま給水調節弁３に対する操作量となり急激な流量変化を生じることとなる。このような現象を避けるため補償量に対してリミッタを設定することを目的とする制御性能を達することができないことから不可能となる。
【００４０】
実施の形態３では、加算器４０により補償量の加え合わせ点を水位の設定とするための等価変換を行い制御器４１の逆特性を有する逆特性回路３４を挿入し、これにより補償量に対してリミッタ３５を設けても目的とする制御性能を大幅に損なうことなく流量計２，５の異常による検出値のホールドが生じても水位の変動を抑えることが可能となる。なお、折れ線関数による制御器の切り替えは、上記実施の形態２と同様の方法で行う。
【００４１】
実施の形態４
ボイラドラムの水位変動特性は、蒸気流量の急変による物質収支とは逆の応答が存在し、三要素式水位制御により物質収支を補償しても水位の変動を生じることとなる。特にごみ焼却炉のように燃焼状態が不安定でボイラに対して供給される熱量の変動が激しい場合には、蒸気流量の変動が大きくなり、よって水位の変動も大きくなる。同様に負荷変動が大きく蒸気流量が変動する場合も同様な現象が起こる。
【００４２】
実施の形態４は、蒸気水位の逆応答を打ち消すようにフィード補償を行う。
【００４３】
図４に実施の形態４にかかるボイラドラム水位制御ブロック図を示す。４３は三要素式水位制御器、（４４〜４８）はフィードフォワード補償回路である。水位制御器４３はボイラドラム水位設定値と水位計４からの水位検出値との偏差を演算増幅し、その出力に蒸気流量計５からの蒸気流量値を加え、給水流量計２からの給水流量値を引いて給水調節弁６の開度指令値である操作量を出力するように構成されている。
【００４４】
フィードフォワード補償回路（４４〜４８）は、蒸気流量計５からの蒸気流量が入力する、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４４と、この回路からの補償量を蒸気流量の変化率が大きく水位の変動が大きい場合に限り通すデッドバンド回路４５と、このデッドバンドの回路から補償量がデッドバンドを越えた場合に急激に補償量が出力しないようにするフィルタ４６と、このフィルタの出力を制限するリミッタ４７と、上記水位制御器４３からの給水調節弁３の開度指令値である操作量からリミッタ４７からの補償量を引き操作量にフィードフォワード補償を加える加算器４８で構成されている。
【００４５】
実施の形態４は、補償関数回路４４に蒸気流量から水位変動までの動特性を打ち消す伝達関数が設定されているので、水位変動が抑制される。そしてデッドバンド回路４５により蒸気流量の変化率が大きく水位の変動が大きい場合に限りフィードフォワード補償回路が作動することになるので、蒸気流量が安定している場合の給水調節弁３の操作量の動作頻度を抑制可能となる。
【００４６】
また、デッドバンド回路４５のデッドバンドを越える急激な補償量はフィルタ４６により滑らかにされるので、応答が滑らかとなる。また蒸気流量計５の検出異常が生じた場合、リミッタ４７により補償量に制限が加えられる。
【００４７】
よって蒸気流量の急変時においても水位の逆応答を原因とした水位変動を抑制し制御性能が向上する。
【００４８】
なお、実施の形態は三要素式水位制御にフィードフォワード補償回路を設けたものとなっているが、このフィードフォワード補償回路は実施の形態１〜３の水位制御装置や従来の三要素式，二要素式，単要素式の水位制御装置などにも適用可能である。
【００４９】
【発明の効果】
この発明は、上述のとおり構成されているので、以下に記載する効果を奏する。
【００５１】
（１）請求項１の発明、制御器の台数が１台で三要素式制御と二要素式制御の長所を生かした制御ができると共に、制御の切り替えを折れ線関数により連続に切り替えることができるので、操作量の急変を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかるボイラドラムの水位制御ブロック図。
【図２】実施の形態２にかかるボイラドラムの水位制御ブロック図。
【図３】実施の形態３にかかるボイラドラムの水位制御ブロック図。
【図４】実施の形態４にかかるボイラドラムの水位制御ブロック図。
【図５】従来例にかかる二要素式水位制御ブロック図。
【図６】従来例にかかる三要素式水位制御ブロック図。
【符号の説明】
１…ボイラドラム
２…給水流量計
３…給水調節弁
４…水位計
５…蒸気流量計
１１，２１，３７，５１…水位偏差検出器
１２，１５，４３，５２…水位制御器
１４，５６…給水流量制御器
１６…切替器
１７…ヒステリシスコンパレータ
２２，３６，４６…フィルタ
２３，２４，３７，３８…折れ線関数器
２６，４２…ＰＩＤ制御器
２７，３２，５３…ゲイン回路
３４…制御器の逆関数特性回路
３５，４７…リミッタ
４４…蒸気流量から水位変動までの動特性を打ち消す補償関数回路。
４５…デッドバンド回路。

Claims

水位の設定値と検出値との偏差をＰＩＤ演算し給水調節指令を出力するＰＩＤ制御器と、
給水流量検出値をゲイン倍して蒸気流量検出値から引き、前記ＰＩＤ制御器の出力に加算する回路と、
蒸気流量検出値が入力しその値が小さい場合前記ＰＩＤ制御器の出力に加算する信号のゲインを小さくする関数回路と、
蒸気流量検出値が入力しその値が小さい場合前記ＰＩＤ制御器に入力する水位偏差のゲインを大きくする関数回路と、
を有することを特徴とするボイラドラムの水位制御装置。