JP6341072B2 - ボイラシステム - Google Patents
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Description
従来、蒸気消費量の変動に対してヘッダ圧力を目標圧力に保つため、ボイラで発生すべ
き蒸気量をPIアルゴリズム又はPIDアルゴリズムにより制御(以下、「PI又はPID制御」ともいう)する手法を用いたボイラシステムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、複数のボイラを備えるボイラシステムでは、ボイラを台数制御対象外のボイラ(以下、「手動運転ボイラ」ともいう)として運転員の手動により燃焼量を制御する場合がある。これに対して、台数制御対象となるボイラを、「自動運転ボイラ」という。
なお、ボイラが手動運転になる要因としては、例えば、台数制御装置とボイラとの間で通信不良が発生し、台数制御装置からボイラに対する台数制御信号が不通になった場合、台数制御装置に障害が発生し、台数制御装置が正常に動作できなくなった場合、ヘッダ圧力が下がり過ぎて、バックアップ用に設けられた圧力スイッチが働き、全台のボイラに手動運転指令が出る場合、及びヘッダ圧力を測定する蒸気圧センサに障害が発生し、全台のボイラに手動運転指令が出る場合等が挙げられる。
これは、ボイラ燃焼中は配管内において圧損が発生することにより、ヘッダ圧力がボイラ圧力よりも低くなるため、手動運転ボイラのボイラ圧力設定において、ボイラ圧力を実際の圧損以上に高めに設定する傾向があることによる。このような場合、全台のボイラを手動運転している状態では、ヘッダ圧力が目標圧力よりも高めに推移することとなる。
本発明は、ボイラ群を手動運転している状態で、ボイラ群を自動運転に復帰した場合に、自動運転復帰直後にヘッダ圧力が目標圧力を大幅に下回ることなく、目標圧力に収束させて、圧力の安定性を向上できるボイラシステムを提供することを目的とする。
以下、図面を参照して、本発明の第1実施形態に係るボイラシステム1について説明する。図1は、ボイラシステム1の概略を示す図である。
なお、ボイラシステム1は、複数台の連続制御ボイラ、すなわち燃焼量を連続的に変更して燃焼可能な複数台のボイラからなるとしているが、これに制限されない。複数台の段階値制御ボイラからなるボイラシステム1、又は連続制御ボイラ及び段階値制御ボイラが混在するボイラシステム1にも本発明は適用される。
ボイラ群2は、負荷機器としての蒸気使用設備18に供給する蒸気を生成する。
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。台数制御時においては、この蒸気消費量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が測定する蒸気ヘッダ6の内部の蒸気圧(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の燃焼量を制御する。
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。
尚、出力蒸気量とは、ボイラ群2により出力される蒸気量を示し、この出力蒸気量は、複数のボイラ20それぞれから出力される蒸気量の合計値により表される。
ローカル制御部22は、蒸気消費量に応じてボイラ20の燃焼状態を変更させる。具体的には、ローカル制御部22は、信号線16を介して台数制御装置3から送信される制御信号又は運転者の手動操作により入力された制御信号に基づいて、ボイラ20の燃焼状態を制御する。また、ローカル制御部22は、台数制御装置3で用いられる信号を、信号線16を介して台数制御装置3に送信する。台数制御装置3で用いられる信号としては、ボイラ20の実際の燃焼状態、及びその他のデータ等が挙げられる。
台数制御装置3は、蒸気圧センサ7からの蒸気圧信号に基づいて、要求負荷に応じたボイラ群2の目標蒸気量、及び目標蒸気量に対応する各ボイラ20の燃焼状態を算出し、各ボイラ20(ローカル制御部22)に台数制御信号を送信する。この台数制御装置3は、図1に示すように、記憶部5と制御部4とを備え、信号線16を介して各ボイラ20に電気的に接続されている。
制御部4の詳細な構成については後述する。
また、記憶部5は、後述する全台待機部41の機能のキャンセル終了に係る設定条件として、第1時間及び第2時間を記憶することができる。
図3に示すように、制御部4は、全台待機部41と、制御対象切換部42と、全台待機機能制御部43と、必要蒸気量算出部44と、出力制御部45と、を含んで構成される。
また、全台待機部41は、ヘッダ圧力が制御上限圧力値を超える値から下降している場合において、ヘッダ圧力値が制御上限圧力値を下回っても、制御上限圧力値から制御上限圧力ディファレンシャルを減算した値(以下「第1閾値」ともいう)以上であるときは、依然としてすべてのボイラ20の燃焼を停止したままとすることができる。
すなわち、全台待機部41は、後述する全台待機機能制御部43により、その機能のキャンセルが終了され、その機能を有効にされた場合に、蒸気圧センサ7により測定されるヘッダ圧力値が、第1閾値以上であるときは、すべてのボイラ20の燃焼を停止したままとすることができる。
なお、全台待機機能制御部43は、制御対象切換部42によりボイラ群2が手動運転状態から自動運転状態に切り換えられた場合において、全台待機部41の機能をキャンセルするようにしてもよい。
そうすることで、ボイラ群2を手動運転している状態で、ボイラ群2が手動運転から自動運転に切り替わった直後の全台待機を回避することができる。
より具体的には、例えば1秒毎にヘッダ圧力値の変化値を算出し、1秒ごとのヘッダ圧力値の変化値が第1時間(例えば5秒間)増加している場合、ヘッダ圧力値が上昇し続けていると判断し、全台待機部41の機能を有効にする。
そうすることで、ヘッダ圧力値が制御上限圧力値を超えて上昇し続けている場合に、全台待機部41の機能が有効となり、燃焼しているすべてのボイラ20の燃焼が停止され、ヘッダ圧力を減少させることができる。
なお、第1時間は5秒に限定されない。必要に応じて、適宜、設定することができる。
こうすることで、第2時間を経過しても、ヘッダ圧力値が第1閾値以上となる場合には、全台待機部41の機能が有効となり、全台待機部41は、燃焼しているすべてのボイラ20の燃焼を停止することができる。
MVn=MVn−1+ΔMVn ・・・(1)
式(1)において、MVn:現時点の必要蒸気量(今回必要蒸気量)、MVn−1:前回の制御周期時点の必要蒸気量(前回必要蒸気量)、ΔMVn:前回から今回までの必要蒸気量変化分である。ここで、添字nは、繰り返し演算の演算回数(n回目:n=1,2,…,Nの正の整数値)を示す。
速度形演算は、制御周期毎に前回から今回までの必要蒸気量変化分ΔMVnのみを計算し、これに前回必要蒸気量MVn−1を加算して、今回必要蒸気量MVnを計算する方法である。
これに対して、制御周期毎に今回必要蒸気量MVnを直接計算するPID制御アルゴリズムは、位置形演算と言う。
ΔMVn=ΔPn+ΔIn+ΔDn ・・・(2)
式(2)において、ΔPn:P制御出力(変化分)、ΔIn:I制御出力(変化分)、ΔDn:D制御出力(変化分)であり、それぞれ下記の式(3)〜(5)により求められる。
ΔPn=KP×(en−en−1) ・・・(3)
ΔIn=KP×(Δt/TI)×en ・・・(4)
ΔDn=KP×(TD/Δt)×(en−2en−1+en−2) ・・・(5)
式(3)〜(5)において、Δt:制御周期、KP:比例ゲイン、TI:積分時間、TD:微分時間、en:現時点の偏差量、en−1:前回の制御周期時点の偏差量、en−2:前々回の制御周期時点の偏差量である。
現時点の偏差量enは、目標圧力値SVと、蒸気圧センサ7で測定されたヘッダ圧力値PVとの差であって、下記の式(6)により求められる。
en=SV−PV ・・・(6)
そして、必要蒸気量算出部44は、式(1)のように、前回必要蒸気量MVn−1に必要蒸気量変化分ΔMVnを加算して、今回必要蒸気量MVnを計算する。
必要蒸気量算出部44は、制御対象切換部42によりボイラ群2が手動運転状態から自動運転状態に切り換えられ、当該切り換え時点におけるヘッダ圧力値が制御上限圧力値を超えている場合、現時点の必要蒸気量MVnの初回(n=1)の算出処理において、現時点の必要蒸気量MVnとして、前記切り換え時点又は前記初回の算出処理の実行時点に燃焼しているすべての前記ボイラにより出力されている出力蒸気量の合計値を設定する。
その後、今回必要蒸気量MVnは、前回必要蒸気量MVn−1に前回から今回までの必要蒸気量変化分ΔMVnを加算することで、算出することができる。
ヘッダ圧力値が目標圧力値を大きく上回っている場合は、積分制御の働きにより必要蒸気量(MV)を減少させる動作となるため、必要蒸気量(MV)は、前記切り換え時点又は前記初回の算出処理の実行時点に燃焼しているすべての前記ボイラにより出力されている出力蒸気量の合計値から減少させるように算出されることになる。
すなわち、必要蒸気量算出部44は、現時点の必要蒸気量MVnを、前記切り換え時点又は前記初回の算出処理の実行時点に燃焼しているすべての前記ボイラにより出力されている出力蒸気量の合計値から始めて、その値を減少させるように算出され、後述する出力制御部45は、出力蒸気量を減少させるように動作することになる。
そうすることで、ヘッダ圧力値を下降させることが期待できる。
なお、必要蒸気量算出部44は、現時点の必要蒸気量MVnの初回(n=1)の算出処理において、前回の必要蒸気量MVn−1として、前記切り換え時点又は前記初回の算出処理の実行時点に燃焼しているすべての前記ボイラにより出力されている出力蒸気量の合計値を設定するようにしてもよい。
その後、ステップST7に移る。
その後、ステップST12に移る、
より具体的には、ステップ18において、ヘッダ圧力値が依然として第1閾値以上の場合、全台待機部41は、全台待機指示を出力する。
その後、ヘッダ圧力値が第1閾値を下回る時点において、ボイラに対して燃焼指示が出され、必要蒸気量算出部44は、今回必要蒸気量MVnを、前回必要蒸気量MVn−1に必要蒸気量変化分ΔMVnを加算して算出し、出力制御部42は、必要蒸気量算出部44が算出した今回必要蒸気量MVnに基づいてボイラ20の燃焼状態(燃焼量)を制御する。
前述したとおり、従来の台数制御を実施した場合、図6に示すように、ボイラ群が手動運転から自動運転に復帰した時点(t1)のヘッダ圧力値が、全台待機となる制限上限圧力値を超えていた場合、全台待機部41は、即時に全台待機指示を出力する。
そうすることで、ボイラ群2は、全台待機となり、ヘッダ圧力が急激に低下する。
その後、ヘッダ圧力値が制御上限圧力よりも制御上限圧力ディファレンシャル分下回る時点(t2)において、ボイラに対して燃焼指示が出される。
しかしながら、一旦待機状態となったボイラが給蒸を開始するまでの遅延(T)があるため、(t2+T)時点よりも後の時点(t3)において、ヘッダ圧力は目標圧力を大幅に下回る。
このように、従来の台数制御を実施した場合、圧力安定性が低下してしまう事象が発生する。
これに対して、第1実施形態に係る台数制御を実施した場合、図7に示すように、ボイラ群2が手動運転から自動運転に復帰した時点(t1)のヘッダ圧力値が、全台待機となる制限上限圧力値を超えているときは、全台待機機能制御部43は、全台待機部41の機能をキャンセルする。
必要蒸気量算出部44は、現時点の必要蒸気量MVnの初回(n=1)の算出処理において、(i)現時点の必要蒸気量MVnとして、又は(ii)前回の必要蒸気量MVn−1として、前記切り換え時点又は前記初回の算出処理の実行時点に燃焼しているすべての前記ボイラにより出力されている出力蒸気量の合計値を設定する。その後、必要蒸気量算出部44は、前回必要蒸気量MVn−1に必要蒸気量変化分ΔMVnを加算して、今回必要蒸気量MVnを計算する。
そうすることで、ヘッダ圧力値が目標圧力値を大きく上回っていることから、積分制御の働きにより必要蒸気量(MV)を減少させる動作となるため、必要蒸気量算出部44は、今回必要蒸気量を、前記切り換え時点又は前記初回の算出処理の実行時点に燃焼しているすべての前記ボイラにより出力されている出力蒸気量の合計値から始めて、その値を減少させるように算出し、出力制御部45は、出力蒸気量を減少させるように動作する。
こうすることで、手動運転から自動運転に切り換わった直後の全台待機を回避することができ、自動運転復帰直後のヘッダ圧力の安定性を向上することができる。
ところが、図7に示すように、t2時点において、ヘッダ圧力値は依然として制御上限圧力値を超えている場合、全台待機部41は、即時に全台待機指示を出力する。
そうすることで、ボイラ群2は、全台待機となり、ヘッダ圧力が低下する。その後、ヘッダ圧力値が第1閾値を下回る時点(t3)において、ボイラに対して燃焼指示が出されるように動作する。
こうすることで、キャンセル時間経過後に、ヘッダ圧力値が依然として制御上限圧力値を超えている場合には、全台待機部41の機能が有効となることから、ヘッダ圧力を下降させることができる。
第1実施形態に係る制御を実施した場合において、キャンセル時間経過までに、ヘッダ圧力値が第1閾値を下回る場合について、図8を参照して説明する。
図8に示すように、ボイラ群2が手動運転から自動運転に復帰した時点(t1)のヘッダ圧力値が、全台待機となる制限上限圧力値を超えていた場合、全台待機機能制御部43は、全台待機部41の機能をキャンセルする。
必要蒸気量算出部44は、現時点の必要蒸気量MVnの初回(n=1)の算出処理において、(i)現時点の必要蒸気量MVnとして、又は(ii)前回の必要蒸気量MVn−1として、前記切り換え時点又は前記初回の算出処理の実行時点に燃焼しているすべての前記ボイラにより出力されている出力蒸気量の合計値を設定する。その後、必要蒸気量算出部44は、前回必要蒸気量MVn−1に必要蒸気量変化分ΔMVnを加算して、今回必要蒸気量MVnを計算する。
そうすることで、ヘッダ圧力値が目標圧力値を大きく上回っていることから、積分制御の働きにより必要蒸気量(MV)を減少させる動作となるため、必要蒸気量算出部44は、現時点の必要蒸気量MVnを、前記切り換え時点又は前記初回の算出処理の実行時点に燃焼しているすべての前記ボイラにより出力されている出力蒸気量の合計値から始めて、その値を減少させるように算出され、出力制御部45は、出力蒸気量を減少させるように動作する。
こうすることで、手動運転から自動運転に切り換わった直後の全台待機を回避することができ、自動運転復帰直後のヘッダ圧力の安定性を向上することができる。
その後、図8に示すように、ヘッダ圧力値が目標圧力値を上回っていることから、積分制御の働きにより必要蒸気量(MV)を減少させる動作となるため、必要蒸気量算出部44は、現時点の必要蒸気量MVnを、t2時点の燃焼しているすべてのボイラ20により出力されている出力蒸気量の合計値よりも減少させるように算出され、出力制御部45は、出力蒸気量を減少させるように動作することになる。
こうすることで、ヘッダ圧力を目標圧力に収束させて、圧力の安定性を向上することができる。
第1実施形態のボイラシステム1においては、ボイラ群2が手動運転から自動運転に復帰した場合、全台待機機能制御部43は、全台待機部41の機能をキャンセルする。その際、必要蒸気量算出部44は、現時点の必要蒸気量MVnの初回(n=1)の算出処理において、(i)現時点の必要蒸気量MVnとして、又は(ii)前回の必要蒸気量MVn−1として、前記切り換え時点又は前記初回の算出処理の実行時点に燃焼しているすべての前記ボイラにより出力されている出力蒸気量の合計値を設定する。その後、必要蒸気量算出部44は、前回必要蒸気量MVn−1に必要蒸気量変化分ΔMVnを加算して、今回必要蒸気量MVnを計算する。
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(蒸気集合部)
7 蒸気圧センサ(蒸気圧測定手段)
18 蒸気使用設備(負荷機器)
20 ボイラ
41 全台待機部
42 制御対象切換部
43 全台待機機能制御部
44 必要蒸気量算出部
45 出力制御部
Claims (5)
- 燃焼率を変更して燃焼可能な複数のボイラからなり、負荷機器に蒸気を供給するボイラ群と、
前記ボイラ群により生成された蒸気が集合する蒸気ヘッダと、
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、
前記蒸気圧測定手段により測定される前記ヘッダ圧力値が予め設定された目標圧力値と一致するように、前記ボイラ群の燃焼状態を制御する制御部と、
を備えるボイラシステムであって、
前記制御部は、
前記目標圧力値より大きな値である制御上限圧力値を予め設定し、前記蒸気圧測定手段により測定される前記ヘッダ圧力値が前記制御上限圧力値を超える場合、燃焼しているすべての前記ボイラの燃焼を停止する全台待機部と、
前記ボイラ群を前記制御部の制御対象外である手動運転状態から、前記制御部の制御に復旧し、自動運転状態に切り換える、制御対象切換部と、
前記制御対象切換部により前記ボイラ群が前記手動運転状態から前記自動運転状態に切り換えられた場合、前記全台待機部の機能をキャンセルする全台待機機能制御部と、
前記ヘッダ圧力値を前記目標圧力値に保つように、現時点の必要蒸気量MVnを速度形PIアルゴリズム又は速度形PIDアルゴリズムにより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現時点の必要蒸気量MVnを発生させるよう前記複数のボイラの燃焼状態を制御する出力制御部と、
を備え、
前記必要蒸気量算出部は、前記制御対象切換部により前記ボイラ群が前記手動運転状態から前記自動運転状態に切り換えられ、且つ当該切り換え時点における前記ヘッダ圧力値が前記制御上限圧力値を超えている場合、現時点の必要蒸気量MVnの初回(n=1)の算出処理において、(i)現時点の必要蒸気量MVnとして、又は(ii)前回の必要蒸気量MVn−1として、前記切り換え時点又は前記初回の算出処理の実行時点に燃焼しているすべての前記ボイラにより出力されている出力蒸気量の合計値を設定する、ボイラシステム。 - 前記全台待機機能制御部は、前記全台待機部の機能のキャンセルを開始してから予め設定された第1時間経過するまで、前記ヘッダ圧力値が上昇し続けている場合、前記全台待機部の機能のキャンセルを終了し、当該全台待機部の機能を有効にする、請求項1に記載のボイラシステム。
- 前記全台待機機能制御部は、前記全台待機部の機能のキャンセルを開始してから予め設定された第2時間を経過した場合、前記全台待機部の機能のキャンセルを終了し、前記全台待機部の機能を有効にする、請求項1又は請求項2に記載のボイラシステム。
- 前記制御部は、前記目標圧力値よりも大きく、前記制御上限圧力値より小さな値となる第1閾値を予め設定し、前記全台待機部は、その機能のキャンセルが終了されてその機能が有効になった場合に、前記蒸気圧測定手段により測定される前記ヘッダ圧力値が前記第1閾値以上であるときは、燃焼しているすべての前記ボイラの燃焼を停止する、請求項3に記載のボイラシステム。
- 前記全台待機機能制御部は、前記全台待機部の機能のキャンセルを開始してから前記第2時間を経過するまでに、前記ヘッダ圧力値が前記第1閾値を下回った場合、前記全台待機部の機能のキャンセルを終了し、当該全台待機部の機能を有効にする、請求項4に記載のボイラシステム。
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