JP6375954B2 - ボイラシステム - Google Patents
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Description
このため、2種類のボイラ群が、それぞれ個別に目標圧力値制御されている場合、通常は、片方のボイラ群をメイン的に燃焼させ(以下、「第1ボイラ群」ともいう)、もう片方のボイラ群が不足分を補うようにサブ的に燃焼させる(以下、「第2ボイラ群」ともいう)方法が一般的である。
そうすると、第2ボイラ群のヘッダ圧力値は、自身に予め設定されている目標圧力値を大きく上回るため、第2ボイラ群の燃焼量は基本的にゼロとなる。
このため、第1ボイラ群の目標圧力値を高く設定し、第2ボイラ群の目標圧力値を低く設定する場合においても、第2ボイラ群のボイラをある程度燃焼させておくことが望まれる。
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。
蒸気ヘッダ6は、蒸気管11を介してボイラ群2を構成する複数の連続制御ボイラ20A及び20B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、複数の連続制御ボイラ20A及び20B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。
第1実施形態のボイラ20A及び20Bは、負荷率を連続的に変更して燃焼可能な連続制御ボイラからなる。
連続制御ボイラとは、少なくとも、最小燃焼状態S1(例えば、最大燃焼量の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。連続制御ボイラは、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20A及び20B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20A及び20B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、第1ボイラ群2A及び第2ボイラ群2B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20A及び20B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。
図2に示すように、例えば、第1ボイラ群2Aのボイラ20Aの1号機〜3号機のそれぞれに「1」〜「3」の優先順位が割り当てられている場合、1号機の優先順位が最も高く、3号機の優先順位が最も低い。この優先順位は、通常の場合、後述の第1制御部4Aの制御により、所定の時間間隔(例えば、24時間間隔)で変更される。
同様に、第2ボイラ群2Bのボイラ20Bの4号機及び5号機のそれぞれに「1」及び「2」の優先順位が割り当てられている場合、4号機の優先順位が最も高く、5号機の優先順位が最も低い。この優先順位は、通常の場合、後述の第2制御部4Bの制御により、所定の時間間隔(例えば、24時間間隔)で変更される。
ローカル制御部22A及び22Bは、それぞれ蒸気消費量に応じてボイラ20A及び20Bの燃焼状態を変更させる。具体的には、ローカル制御部22A及び22Bは、それぞれ信号線16A及び16Bを介して台数制御装置3A及び3B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20A及び20Bの燃焼状態を制御する。また、ローカル制御部22A及び22Bは、それぞれ台数制御装置3で用いられる信号を、信号線16A及び16Bを介してそれぞれ台数制御装置3A及び3Bに送信する。台数制御装置3A及び3Bで用いられる信号としては、ボイラ20A及び20B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3A及び3Bは、蒸気圧センサ7からの蒸気圧信号に基づいて、要求負荷に応じた各ボイラ20A及び20Bの燃焼状態を算出し、各ボイラ20A及び20B(ローカル制御部22A及び22B)に台数制御信号を送信する。この台数制御装置3A及び3Bは、図1に示すように、それぞれ第1記憶部5A及び第2記憶部5Bと第1制御部4A及び第2制御部4Bとを備え、それぞれ信号線16A及び16Bを介して各ボイラ20A及び20Bに電気的に接続されている。
第1制御部4A及び第2制御部4Bの詳細な構成については後述する。
また、第1記憶部5Aには、蒸気圧センサ7により測定されるヘッダ圧力値PVに係る設定条件として、第1ボイラ群2Aの燃焼制御に係る第1目標圧力値P1を予め設定することができる。
また、第2記憶部5Bには、蒸気圧センサ7により測定されるヘッダ圧力値PVに係る設定条件として、第2ボイラ群2Bの燃焼制御に係る第2目標圧力値P2を予め設定することができる。
さらに、第2記憶部5Bには、第2ボイラ群2Bに予めベースロードに該当する一定蒸気量を設定するとともに、一定蒸気量を出力するための、第2ボイラ群2Bのボイラ20B毎の固定燃焼率及びボイラ台数を予め設定することができる。
そうすることで、後述するように、第2ボイラ群2Bの出力制御部41Aは、ヘッダ圧力値PVに基づいて算出される必要蒸気量MVnと第1蒸気量V1を比較することにより、必要蒸気量MVnに基づいて、第2ボイラ群2Bの燃焼状態を制御するか、又は第1蒸気量V1を出力するように、第2ボイラ群2Bにおける予め設定される台数のボイラを予め設定された固定燃焼率で燃焼させるかを判断することができる。
まず、第1制御部4Aについて説明する。
すなわち、第1制御部4Aは、ヘッダ圧力値PVと予め第1記憶部5Aに設定された第1ボイラ群2Aの第1目標圧力値P1との偏差に対して、所定のPIアルゴリズム又はPIDアルゴリズムに基づくフィードバック制御を行うことで、ヘッダ圧力値PVが第1目標圧力値P1となるために必要な蒸気量MVnを算出し、算出した蒸気量MVnを発生するように第1ボイラ群2Aを構成するボイラ20Aを制御する。
第1制御部4Aは、蒸気圧センサ7で測定されたヘッダ圧力値PV(フィードバック値)と予め設定された第1目標圧力値P1(設定値)との偏差がゼロとなるように、現時点の必要蒸気量MVnを、以下に示す速度形PIDアルゴリズムにより算出する。なお、速度形PIアルゴリズムについては、速度形PIDアルゴリズムにおいて、D制御出力(変化分)を省略したものであり、その説明は省略する。
MVn=MVn−1+ΔMVn ・・・・・・・・・・(式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 ・・・・・・・(式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)〜(式5)により求められる。
ΔPn=KP×(en−en−1) ・・・・・・・・・(式3)
ΔIn=KP×(Δt/TI)×en ・・・・・・・(式4)
ΔDn=KP×(TD/Δt)×(en−2en−1+en−2) ・・・(式5)
(式3)〜(式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、第1目標圧力値P1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=P1−PV ・・・・・・・・・・・・・・(式6)
そして、第1制御部4A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を計算することができる。
こうすることで、第1制御部4Aは、ヘッダ圧力値PVが第1目標圧力値P1となるために必要な蒸気量を算出し、算出した蒸気量を発生するように第1ボイラ群2Aを構成するボイラ20Aを制御する。
以上、連続制御ボイラ20Aからなる第1ボイラ群2Aを制御する第1制御部4Aについて説明した。
図3に示すように、第2制御部4Bは、必要蒸気量算出部41Bと、出力制御部42Bと、を含んで構成される。
なお、必要蒸気量算出部41BのPIアルゴリズム又はPIDアルゴリズムによる必要蒸気量の算出方法については、前述した第1制御部4AのPIアルゴリズム又はPIDアルゴリズムによる必要蒸気量の算出方法と同様であることから、説明は省略する。
また、出力制御部42Bは、必要蒸気量算出部41Bにより算出された必要蒸気量MVnが予め設定された第1蒸気量V1以上となる場合、必要蒸気量算出部41Bにより算出された必要蒸気量MVnを出力するように制御する。
そうすることで、全体負荷が低い場合であっても、第2ボイラ群2Bを一定量燃焼させることができるため、ボイラ缶体腐食を防止するとともに、第1ボイラ群2A及び第2ボイラ群2Bにおける負荷不均一を改善することができる。
前述したように、第2記憶部5Bに、第2ボイラ群2Bが、ベースロードに該当する第1蒸気量V1を出力するように、第2ボイラ群2Bのボイラ20B毎に、固定燃焼率を予め設定することができる。
第2制御部4Bは、必要蒸気量算出部41Bにより算出された必要蒸気量MVnが予め設定されたベースロードとなる第1蒸気量V1を下回る場合、出力制御部42Bにより第1蒸気量V1を出力するように、第2ボイラ群2Bにおける予め設定される台数のボイラを予め設定された固定燃焼率で燃焼させる。
また、必要蒸気量算出部41Bにより算出された必要蒸気量MVnが予め設定されたベースロードとなる第1蒸気量V1以上となる場合、第2制御部4Bは、出力制御部42Bにより、必要蒸気量算出部41Bにより算出された必要蒸気量MVnを出力するように制御する。
まず、図4を参照して、第1ボイラ群2Aにおける処理の流れを説明する。
より具体的には、第1制御部4Aは、制御周期毎に、ヘッダ圧力値PVと予め第1記憶部5Aに設定された第1ボイラ群2Aの第1目標圧力値P1との偏差に対して、所定のPIアルゴリズム又はPIDアルゴリズムに基づくフィードバック制御を行うことで、ヘッダ圧力値PVが第1目標圧力値P1となるために必要な蒸気量MVnを算出し、算出した蒸気量MVnを発生するように第1ボイラ群2Aを構成するボイラ20Aを制御する。
処理の前準備として、第2ボイラ群2Bに対して第2目標圧力値P2を設定し、第2記憶部5Bに記憶しておく。また、第2ボイラ群2Bに予めベースロードに該当する一定蒸気量(第1蒸気量V1)を設定するとともに、ベースロードに該当する第1蒸気量V1を出力するように、第2ボイラ群2Bのボイラ20B毎の固定燃焼率及びボイラ台数を設定し、第2記憶部5Bに記憶しておく。なお、第1蒸気量V1と固定燃焼率との関係について、第1蒸気量V1は、全台を燃焼させるのではなく、任意の台数を燃焼させることで生成されるように設定することができる。(以上、図示せず)。
ここで、図6の(B)〜(D)及び図7の(B)〜(D)ともに、縦軸を蒸気量、横軸を時間としている。したがって、図6及び図7における第1ボイラ群発生蒸気量は、第1ボイラ群に含まれるボイラの発生蒸気量の合計となる。また、第1ボイラ群発生蒸気量のMAXとは、第1ボイラ群に含まれるボイラの最大出力蒸気量の合計となる。図6及び図7における第2ボイラ群発生蒸気量についても同様である。
従来の台数制御を実施した場合、図6に示すように、全体負荷が低い場合(t0〜t1)、第1ボイラ群2Aはヘッダ圧力値PVが第1目標圧力値P1となるために必要な蒸気量を発生する。この間第2ボイラ群2Bは全台待機状態となる。
その後、全体負荷が上昇しても、t2までの間、第1ボイラ群2Aは、ヘッダ圧力値PVが第1目標圧力値P1となるために必要な蒸気量を自身の出力蒸気量で賄うことができる。この間、第2ボイラ群2Bは全台待機状態となる。
時刻t2以降、ヘッダ圧力値PVが第1目標圧力値P1となるために必要な蒸気量が第1ボイラ群2Aの出力可能な最大蒸気量Xを上回ると、ヘッダ圧力は低下するが、ヘッダ圧力値PVが閾値P以下になる時点(t3)まで、第2ボイラ群2Bは全台待機状態となる。
t3以降、依然として、使用蒸気量が第1ボイラ群2Aの出力可能な最大蒸気量Xを上回ることから、第1ボイラ群2Aは、自身の出力可能な最大蒸気量Xを出力し、第2ボイラ群2Bは、使用蒸気量の不足分を補う形で、ヘッダ圧力値PVが第2目標圧力値P2となるために必要な蒸気量を算出し、算出した蒸気量を発生する。
このように、従来の台数制御を実施した場合、使用蒸気量が第1ボイラ群2Aの出力可能な最大蒸気量Xを上回るまで、第2ボイラ群2Bは全台待機状態となる。
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、全体負荷が低い場合(t0〜t1)、第1ボイラ群2Aはヘッダ圧力値PVが第1目標圧力値P1を保つために必要な蒸気量を発生する。他方第2ボイラ群2Bは、必要蒸気量算出部41Bにより算出される必要蒸気量がゼロとなり、予め設定された第1蒸気量V1を下回ることから、出力制御部42Bにより第1蒸気量V1を出力する。
その後、全体負荷が上昇して、使用蒸気量が増加しても、t2〜t3までの間、第1ボイラ群2Aは、ヘッダ圧力値PVが第1目標圧力値P1を保つために必要な蒸気量を自身の出力蒸気量で賄うことができる。このため、第2ボイラ群2Bは依然として必要蒸気量算出部41Bにより算出される必要蒸気量がゼロとなり、予め設定された第1蒸気量V1を下回ることから、出力制御部42Bにより第1蒸気量V1を出力する。
t2以降、ヘッダ圧力値PVが第1目標圧力値P1となるために必要な蒸気量が第1ボイラ群2Aの出力可能な最大蒸気量Xを上回ると、ヘッダ圧力値PVが低下するが第2ボイラ群2Bは、ヘッダ圧力値PVが第2目標圧力値P2の近傍値となる時点(t3)まで、必要蒸気量算出部41Bにより算出される必要蒸気量が、予め設定された第1蒸気量V1を下回り、出力制御部42Bにより依然として第1蒸気量V1を出力する。
以降、依然として、使用蒸気量が第1ボイラ群2Aの出力可能な最大蒸気量Xを上回ることから、第1ボイラ群2Aは自身の出力可能な最大蒸気量Xを出力し、第2ボイラ群2Bは、必要蒸気量算出部41Bにより算出される必要蒸気量が第1蒸気量V1以上となる時点以降において、使用蒸気量の不足分を補う形で、ヘッダ圧力値PVが第2目標圧力値P2となるために必要な蒸気量を発生することとなる。
このように、第1実施形態に係る台数制御を実施した場合、使用蒸気量に関係なく第2ボイラ群2Bは、一定量以上、燃焼させることができる。
第1実施形態のボイラシステム1においては、第1ボイラ群2Aは、ヘッダ圧力値PVが予め設定された第1目標圧力値P1と一致するように、その燃焼状態をPI制御又はPID制御される。他方第2ボイラ群2Bは、ヘッダ圧力値PVが予め設定された、第1目標圧力値P1より小さな値となる第2目標圧力値P2と一致するように、PIアルゴリズム又はPIDアルゴリズムにより必要蒸気量MVnを算出する必要蒸気量算出部41Bと、必要蒸気量算出部41Aにより算出された必要蒸気量MVnに基づいて、第2ボイラ群2Bの燃焼状態を制御する出力制御部42Bと、を備え、出力制御部42Bは、必要蒸気量算出部41Bにより算出された必要蒸気量MVnが予め設定された第1蒸気量V1を下回る場合、第1蒸気量V1を出力するように、第2ボイラ群2Bにおける予め設定される台数のボイラを予め設定された固定燃焼率で燃焼させ、必要蒸気量が第1蒸気量V1以上となる場合、必要蒸気量MVnを出力するように、第2ボイラ群2Bの燃焼状態を制御する。
例えば、第1実施形態では、本発明を、3台のボイラ20Aからなる第1ボイラ群2A及び2台のボイラ20Bからなる第2ボイラ群2Bからなるボイラ群2を備えるボイラシステム1に適用したが、これに限らない。すなわち、本発明を、4台以上のボイラ20からなる第1ボイラ群を備えるボイラシステムに適用してもよく、また、1台又は2台のボイラからなる第1ボイラ群を備えるボイラシステムに適用してもよい。
同様に、本発明を、3台以上のボイラ20からなる第2ボイラ群を備えるボイラシステムに適用してもよく、また、1台のボイラからなる第2ボイラ群を備えるボイラシステムに適用してもよい。
2 ボイラ群
2A 第1ボイラ群
2B 第2ボイラ群
20 ボイラ
20A 連続制御ボイラ
20B 連続制御ボイラ
3A 台数制御装置
4A 第1制御部
5A 第1記憶部
3B 台数制御装置
4B 第2制御部
41B 必要蒸気量算出部
42B 出力制御部
5B 第2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)
Claims (4)
- 1つ以上のボイラからなる第1ボイラ群と、1つ以上のボイラからなる第2ボイラ群と、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、
前記ヘッダ圧力値が予め設定された第1目標圧力値と一致するように、前記第1ボイラ群の燃焼状態をPI制御又はPID制御する第1制御部と、
前記第2ボイラ群の燃焼状態を制御する第2制御部と、
を備えるボイラシステムであって、
前記第2制御部は、
前記蒸気圧測定手段により測定されるヘッダ圧力値が、予め設定された、前記第1目標圧力値より小さな値となる第2目標圧力値と一致するように、PIアルゴリズム又はPIDアルゴリズムにより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が予め設定された第1蒸気量を下回る場合、前記第1蒸気量を出力し、前記必要蒸気量が前記第1蒸気量以上となる場合、前記必要蒸気量を出力するように、前記第2ボイラ群の燃焼状態を制御する出力制御部と、を備えるボイラシステム。 - 前記出力制御部は、前記第1蒸気量を出力する場合、前記第2ボイラ群における予め設定される台数のボイラを予め設定された固定燃焼率で燃焼させる、請求項1に記載のボイラシステム。
- 前記固定燃焼率は、前記燃焼させるボイラの燃焼効率の最も高い燃焼率である、請求項2に記載のボイラシステム。
- 前記固定燃焼率は、前記燃焼させるボイラの最小燃焼率である、請求項2に記載のボイラシステム。
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