JP5292014B2 - 貫流型排熱回収ボイラおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、貫流型排熱回収ボイラに係り、特に安定した過熱度制御を行うのに好適な貫流型排熱回収ボイラの制御に関する。

排熱回収ボイラには自然循環型と貫流型が知られており、従来の自然循環型排熱回収ボイラの概要について図７と図８を用いて説明する。図７は特許文献１などに記載されている自然循環型排熱回収ボイラの概略構成図、図８はその排熱回収ボイラでのドラム水位制御の系統図である。

図７に示すように自然循環型排熱回収ボイラは、高温の排ガスＧが流通する煙道７０内に、その排ガスＧの流れ方向上流側から下流側に向けて過熱器５０、蒸発器４９、節炭器４７が設置されている。

給水ポンプ４６により供給された水は節炭器４７を通り、蒸気ドラム４８を経て蒸発器４９に送られる。その後、供給されたドラム水は蒸気ドラム４８と蒸発器４９内で自然循環し、蒸気ドラム４８で分離された蒸気は過熱器５０に送られ、そこで過熱された蒸気は蒸気タービン５１へ送られる。また、ガスタービン５２からの高温の排ガスＧはこの排熱回収ボイラの煙道７０に供給され、過熱器５０で蒸気を過熱し、蒸発器４９でボイラ水を蒸発し、さらに節炭器４７で水を加熱する構成になっている。図７に示すように、給水ポンプ４６と節炭器４７の間には給水流量調節弁３７が設置されている。

次にこの自然循環型排熱回収ボイラにおける起動過程での蒸気ドラム４８の水位制御について、図８を用いて説明する。

前記蒸気ドラム４８に設置したドラム水位発信器２９で検出したドラム水位測定値と予め設定されているドラム規定水位３１の差を減算器３２で求め、そこから出力された水位制御偏差値は比例積分微分調節器３３で比例・積分・微分処理される。処理された水位制御偏差値は加算器３４において蒸気流量計３０で検出された主蒸気流量を加算して、その結果を減算器３５に出力する。

減算器３５には給水流量計２８より検出された給水流量測定値が入力されて、前記加算器３４からの出力との偏差値が求められ、給水流量制御偏差値を出力する。この給水流量制御偏差値は比例積分調節器３６で比例・積分処理された後、制御指令として給水流量調節弁３７に入力されて、それの開度調節により給水流量を調節して蒸気ドラム４８の水位制御が行われていた。
特開２０００−１４６１０８号公報

従来の自然循環型排熱回収ボイラは前述のように、主蒸気流量計測値を給水流量指令の先行値として、蒸気ドラムの水位を安定に保つように給水流量を制御していた。自然循環型排熱回収ボイラの主蒸気流量はガスタービンからの入熱によって決まり、給水流量には影響されないため、給水流量から主蒸気流量への強い相関関係はない。

一方、貫流型排熱回収ボイラは、前記自然循環型排熱回収ボイラよりもプラント起動停止時間の短縮が図れるという特長を有している。これは自然循環型排熱回収ボイラで使用されていた肉厚の蒸気ドラムの代わりに薄肉の汽水分離器を使用することで、負荷上昇率に対する制限が緩和されることから、プラント起動停止時間の短縮につながっている。

貫流型排熱回収ボイラではプラント起動過程において水位制御を行った後、過熱度制御へと移行するが、過熱度制御が不安定であれば起動時間にも影響が出る。

貫流型排熱回収ボイラでは、貫流運転すなわち給水流量によって過熱度を制御する蒸発器出口過熱度制御を行う。貫流運転中、給水は蒸発器を通過する間にすべて蒸発を完了して蒸気となるため、給水流量から主蒸気流量への強い相関関係がある。貫流運転中、前記自然循環型排熱回収ボイラのドラム水位制御に使用していた主蒸気流量計測値を給水流量指令の先行値として使用した場合、制御装置側と機械本体側において以下に示す一巡ループが形成される。

すなわち、制御装置側において、主蒸気流量計測値（給水流量指令の先行値）と過熱度制御部出力による給水流量指令修正分によって給水流量指令値を算出し、前記給水流量指令値を基に機械本体側において給水流量を調整する。給水流量はガスタービンからの入熱よって蒸気（主蒸気流量）となり一連のループとなる。このループにおいて、主蒸気流量が増加すると給水流量指令値も増加し、増加した給水流量によって主蒸気流量も増加する。このように蒸気流量計測値を給水流量指令の先行値として用いた場合、制御装置側の演算周期ごとに加算または減算が繰り返されて値が一方向に走ってしまい、制御が不安定になる。

貫流型排熱回収ボイラの特長として高速起動停止が挙げられているが、前述のように過熱度制御が不安定となった場合には過熱度を確保できず水位制御に移行する恐れがあり、起動時間延長といった悪影響が懸念され、貫流型排熱回収ボイラの特長が十分に発揮されないという欠点がある。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、安定な過熱度制御を行うことができて高速起動が可能な貫流型排熱回収ボイラおよびその制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、
ガスタービンからの排ガスが流通する煙道内の前記排ガス流れ方向上流側に過熱器が配置され、その過熱器の排ガス流れ方向下流側に蒸発器が配置されて、
給水ポンプにより供給された給水が前記蒸発器で前記排ガスにより加熱されて蒸気と水の混合流体を生成し、その混合流体を汽水分離器で蒸気と水に分離して、分離された蒸気を前記過熱器で前記排ガスにより過熱する貫流型排熱回収ボイラにおいて、
前記汽水分離器の出口蒸気の過熱度を前記給水の流量によって制御するための制御偏差値を演算する制御偏差値演算手段と、
前記ガスタービンの負荷信号と大気温度から給水流量の先行値を演算するか、または、前記ガスタービンの燃料量指令信号と大気温度から給水流量の先行値を演算する先行値演算手段と、
その給水流量の先行値を前記制御偏差値に加算して過熱度制御時の給水流量指令信号を出力する加算手段と、
過熱度制御時の給水流量を測定する給水流量計と、
その測定された給水流量と前記給水流量指令信号の偏差値に基づいて給水流量調節弁の開度を調節する開度調節手段と
を備えたことを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記給水流量の先行値に、当該排熱回収ボイラの伝熱時間遅れ時定数を含めた値を加算する手段を設けたことを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は、
給水ポンプにより供給された給水を蒸発器でガスタービンからの排ガスにより加熱して蒸気と水の混合流体を生成し、その混合流体を汽水分離器で蒸気と水に分離して、分離された蒸気を過熱器で前記排ガスにより過熱する貫流型排熱回収ボイラの制御方法において、
前記汽水分離器の出口蒸気の過熱度を前記給水の流量によって制御する際、前記ガスタービンの負荷信号と大気温度から求まる値を給水流量の先行値として、または、前記ガスタービンの燃料量指令信号と大気温度から求まる値を給水流量の先行値として加算するものである。

本発明の第４の手段は前記第３の手段において、
前記給水流量の先行値に、当該排熱回収ボイラの伝熱時間遅れ時定数を含めた値を加算することを特徴とするものである。

貫流型排熱回収ボイラでは過熱度制御時は貫流運転となるが、その場合に給水流量から主蒸気流量への強い結合があり、そのために給水流量によって主蒸気流量が変動することがある。

本発明は前述のように主蒸気流量に依存しない給水流量指令の先行値が得られ、これに基づいて過熱度制御することにより、安定した過熱度制御を行うことができ、高速起動が可能な貫流型排熱回収ボイラおよびその制御方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る貫流型排熱回収ボイラの過熱度制御について、図面を参照しながら以下に詳細を示す。図１ないし図３は第１実施形態に係る貫流型排熱回収ボイラの制御系統図、図４は本発明の各実施形態に係る貫流型排熱回収ボイラの概略構成図である。

まず、本発明の実施形態に係る貫流型排熱回収ボイラの概要構成を図４とともに説明する。同図に示すようにガスタービン３８からの排ガスＧが流通する煙道７０内には、排ガスＧの流れ方向上流側から下流側に向けて過熱器４４、蒸発器４１ならびに節炭器４０が設置されている。給水ポンプ３９により供給された水が節炭器４０を通り、蒸発器４１に送られ、高温の排ガスＧによって蒸発器４１で水と蒸気の混合流体が生成されて、汽水分離器４２に供給される。

汽水分離器４２で分離された蒸気は過熱器４４に送られ、過熱された蒸気は蒸気タービン４５へ供給される。ガスタービン３８からの高温の排ガスＧは前記煙道７０を通る間に過熱器４４、蒸発器４１ならびに節炭器４０により熱が回収される。

なお、同図において破線で示されているように、汽水分離器４２から蒸発器４１の入口側に向けて再循環ライン４３が設けられている。この再循環ライン４３は貫流運転中でないときに使用されるラインで、汽水分離器４２で分離された飽和水が蒸発器４１に循環するシステムになっている。

同図に示されているように、給水ポンプ３９と節炭器４０の間には給水流量調節弁２７と給水流量計２３が付設され、汽水分離器４２の出口側には汽水分離器出口圧力計２と汽水分離器出口蒸気温度計３が付設されている。

図４に示す貫流型排熱回収ボイラの構成は、以降で述べる本発明の他の実施形態においても適用されるものである。

次に第１の実施形態に係る制御系統について説明する。図３は、給水流量を制御する制御系統全般のブロック図である。同図に示すようにこの制御ブロックは本発明の主体である過熱度制御部１００と、水位制御部２００と、制御切替部３００とから主に構成されている。

本発明の貫流型排熱回収ボイラの全般的な制御方式は、起動初期は前記水位制御部２００により汽水分離器４２の水位制御を行い、その後切替条件が揃った時点で、前記制御切替部３００により過熱度制御部１００に切り替えて貫流運転へ移行して蒸発器出口の過熱度を制御する方式となっている。

最初、水位制御部２００の機能について図２を用いて説明する。
汽水分離器４２の水位設定器８０によって設定された汽水分離器水位設定値８１と水位設定バイアス器８２によって設定された水位設定バイアス値８３が、加算器８４によって加算される。その加算値がアナログスイッチ８５を通り、変化率制限器８６に入力され、変化率制限器８６からは変化率制限された補正水位設定値８７が出力される。

一方、汽水分離器４２には水位測定器８８が付設されており、そこから出力される汽水分離器水位測定値８９と前記補正水位設定値８７が減算器９０で比較され、その比較結果が水位偏差値９１として出力される。この水位偏差値９１は比例積分微分調節器９３においてガスタービン負荷による制御ゲイン補正手段９２を用いて比例・積分・微分処理され、比例積分微分調節器９３から制御偏差値９４が出力される。

この制御偏差値９４は、蒸気流量計９５で計測された蒸気流量９６と加算器９７で加算され、加算器９７からは水位制御時の給水流量指令信号２０として、前記制御切替部３００を構成するアナログスイッチ２１に信号ｂとして印加される（図１参照）。

次に過熱度制御部１００の機能について図１を用いて説明する。
汽水分離器４２の出口側に圧力計２が設置されており（図４参照）、その圧力計２により測定された汽水分離器出口圧力測定値６０が関数発生器４に入力され、その圧力に対応した飽和蒸気温度７が算出される。この飽和蒸気温度７は加算器６により過熱度設定値５に加算され、得られた蒸気温度値６１はアナログスイッチ８に信号ａとして入力される。

アナログスイッチ８では過熱度制御時には信号a（蒸気温度値６１）が選択され、過熱度制御時に制限が有効になる変化率制限器９によって変化率が制限されて、その蒸気温度値６１が減算器１０に入力される。

汽水分離器４２の出口側に温度計３が設置され（図４参照）、その温度計３により測定された汽水分離器出口温度測定値６２が減算器１０に入力され、前記蒸気温度値６１と汽水分離器出口温度測定値６２に基づいて、減算器１０から温度制御偏差値６３を出力する。この温度制御偏差値６３は比例積分微分調節器１４で比例・積分・微分処理した後、制御偏差値６４として出力し、過熱度制御時の給水流量指令の先行値１５と前記制御偏差値６４が加算器１６で加算され、過熱度制御時の給水流量指令値１７としてアナログスイッチ２１に信号ａとして出力される。

なお、前記比例積分微分調節器１４では、過熱度制御時の給水流量指令の先行値１５を入力信号として制御ゲイン補正手段１３を用いて処理を行う。この過熱度制御時の給水流量指令の先行値１５の算出方法としては、ガスタービンの負荷指令信号又は燃焼量指令信号１を基にして関数発生器１１で信号を発生させ、その信号に一次遅れ要素（関数発生器）１２を作用させて、過熱度制御時の給水流量指令の先行値１５とする。前記関数発生器１１と一次遅れ要素１２の間には関数発生器１８が設けられており、関数発生器１８で発生した信号を過熱度制御時の給水流量の先行値の時定数５７として使用する。

過熱度制御時、アナログスイッチ２１は信号ａを選択し、前記過熱度制御時の給水流量指令値１７は給水流量上下限制限器２２で上下限値が制限される。

給水ポンプ３９の出口側には給水流量計２３が設置されており（図４参照）、その給水流量計２３による給水流量測定値６５と前記過熱度制御時給水流量指令値１７が減算器２４で比較減算され、減算器２４から給水流量偏差値６６を出力する。この給水流量偏差値６６は比例積分調節器２５で比例積分処理を行った後、自動/手動切替器２６を通過し、給水流量指令信号６７として給水流量調節弁２７に入力されて、弁開度調節に基づく過熱度制御時の給水流量調整がなされる。

請求項に記載されている汽水分離器の出口蒸気の過熱度を給水の流量によって制御するための制御偏差値を演算する制御偏差値演算手段は、本実施形態においては具体的に、汽水分離器出口圧力計２、関数発生器４、加算器６、アナログスイッチ８、変化制限器９、汽水分離器出口温度計３、減算器１０、比例積分微分調節器１４などで構成されている。

またガスタービンの負荷信号から給水流量の先行値を演算する先行値演算手段は具体的に、関数発生器１１、関数発生器１８、関数発生器（一次遅れ要素）１２などで構成されている。さらに給水流量調節弁の開度を調節する開度調節手段は、具体的には比例積分調節器２５で構成されている。

図５は、第２実施形態に係る貫流型排熱回収ボイラの制御系統図である。第１実施形態では図１に示すように、ガスタービンの負荷指令信号又は燃焼量指令信号１に基づいて、過熱度制御時の給水流量の先行値１５を算出した。

第２実施形態では図５に示すように、ガスタービンの負荷指令信号又は燃焼量指令信号１と温度計１９からの大気温度測定値５８とに基づいて、関数発生器５３、過熱度制御時の給水流量の先行値の時定数５７を発生する関数発生器１８、一次遅れ要素１２で過熱度制御時の給水流量の先行値１５を算出する。

図６は、第３実施形態に係る貫流型排熱回収ボイラの制御系統図である。本実施形態では、計測または計算により得られたガスタービン排ガス流量５４とガスタービン出口又は排熱回収ボイラ入口ガス温度５５とに基づいて、関数発生器５６、過熱度制御時の給水流量の先行値の時定数５７を発生する関数発生器１８、一次遅れ要素１２で過熱度制御時の給水流量の先行値１５を算出する。

なお、図５ならびに図６において、過熱度制御時給水流量指令の先行値１５を算出する系統以外は、前述した図１ないし図３に示した制御系統と同じであるから、それらの重複する説明は省略する。

本発明の第１の実施形態に係る貫流型排熱回収ボイラの制御系統図である。 本発明の実施形態に係る水位制御部の制御系統図である。 本発明の実施形態に係る制御系統全般のブロック図である。 本発明の実施形態に係る貫流型排熱回収ボイラの概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る貫流型排熱回収ボイラの制御系統図である。 本発明の第３の実施形態に係る貫流型排熱回収ボイラの制御系統図である。 従来の自然循環型排熱回収ボイラの概略構成図である。 その排熱回収ボイラの制御系統図である。

符号の説明

１：ガスタービンの負荷指令信号又は燃焼量指令信号、２：汽水分離器出口圧力計、３：汽水分離器出口蒸気温度計、４：関数発生器、５：過熱度設定値、６：加算器、７：飽和蒸気温度、８：アナログスイッチ、９：変化率制限器、１０：減算器、１１：関数発生器、１２：一次遅れ要素１２、１３：制御ゲイン補正手段、１４：比例積分微分調節器、１５：給水流量指令先行値、１６：加算器、１７：過熱度制御時の給水流量指令値、１８：関数発生器、１９：温度計、２０：水位制御時の給水流量指令値、２１：アナログスイッチ、２２：給水流量上下減制限器、２３：給水流量計、２４：減算器、２５：比例積分調節器、２６：自動/手動切替器、２７：水給水流量調節弁、２８：給水流量計、２９：ドラム水位発振器、３０：主蒸気流量計、３１：ドラム規定水位、３２：減算器、３３：比例積分微分調節器、３４：加算器、３５：減算器、３６：比例積分調節器、３７：給水流量調節弁、３８：ガスタービン、３９：給水ポンプ、４０：節炭器、４１：蒸発器、４２：汽水分離器、４３：再循環ライン、４４：過熱器、４５：蒸気タービン、４６：給水ポンプ、４７：節炭器、４８：蒸気ドラム、４９：蒸発器、５０：過熱器、５１：蒸気タービン、５２：ガスタービン、５３：関数発生器、５４：ガスタービン排ガス流量、５５：ガスタービン出口又は排熱回収ボイラ入口ガス温度、５８：関数発生器、５７：過熱度制御時給水流量の先行値の時定数、５８：大気温度測定値、６０：汽水分離器出口圧力測定値、６１：蒸気温度値、６２：汽水分離器出口温度測定値、６３：温度制御偏差値、６４：制御偏差値、６５：給水流量測定値、６６：給水流量偏差値、６７：給水流量指令信号、７０：煙道、１００：過熱度制御部、２００：水位制御部、３００：制御切替部、Ｇ：排ガス。

Claims (4)

1. ガスタービンからの排ガスが流通する煙道内の前記排ガス流れ方向上流側に過熱器が配置され、その過熱器の排ガス流れ方向下流側に蒸発器が配置されて、
   給水ポンプにより供給された給水が前記蒸発器で前記排ガスにより加熱されて蒸気と水の混合流体を生成し、その混合流体を汽水分離器で蒸気と水に分離して、分離された蒸気を前記過熱器で前記排ガスにより過熱する貫流型排熱回収ボイラにおいて、
   前記汽水分離器の出口蒸気の過熱度を前記給水の流量によって制御するための制御偏差値を演算する制御偏差値演算手段と、
   前記ガスタービンの負荷信号と大気温度から給水流量の先行値を演算するか、または、前記ガスタービンの燃料量指令信号と大気温度から給水流量の先行値を演算する先行値演算手段と、
   その給水流量の先行値を前記制御偏差値に加算して過熱度制御時の給水流量指令信号を出力する加算手段と、
   過熱度制御時の給水流量を測定する給水流量計と、
   その測定された給水流量と前記給水流量指令信号の偏差値に基づいて給水流量調節弁の開度を調節する開度調節手段と
   を備えたことを特徴とする貫流型排熱回収ボイラ。
2. 請求項1に記載の貫流型排熱回収ボイラにおいて、前記給水流量の先行値に、当該排熱回収ボイラの伝熱時間遅れ時定数を含めた値を加算する手段を設けたことを特徴とする貫流型排熱回収ボイラ。
3. 給水ポンプにより供給された給水を蒸発器でガスタービンからの排ガスにより加熱して蒸気と水の混合流体を生成し、その混合流体を汽水分離器で蒸気と水に分離して、分離された蒸気を過熱器で前記排ガスにより過熱する貫流型排熱回収ボイラの制御方法において、
   前記汽水分離器の出口蒸気の過熱度を前記給水の流量によって制御する際、前記ガスタービンの負荷信号と大気温度から求まる値を給水流量の先行値として、または、前記ガスタービンの燃料量指令信号と大気温度から求まる値を給水流量の先行値として加算することを特徴とする貫流型排熱回収ボイラの制御方法。
4. 請求項３に記載の貫流型排熱回収ボイラの制御方法において、前記給水流量の先行値に、当該排熱回収ボイラの伝熱時間遅れ時定数を含めた値を加算することを特徴とする貫流型排熱回収ボイラの制御方法。

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