JP6743525B2 - ボイラシステム - Google Patents

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  • Control Of Steam Boilers And Waste-Gas Boilers (AREA)

Description

本発明は、連続制御ボイラからなるボイラ群を有するボイラシステムに関する。
最近、天然ガス、石油、LPガス等を燃料として、エンジン、タービン、燃料電池等の方式により発電し、その際に生じる廃熱を利用して蒸気を生成するコージェネシステムや水管ボイラ等の大規模ボイラシステムの補助用途又はそのバックアップとして、燃焼率を連続的に変更可能な連続制御ボイラからなるボイラ群を利用するケースがある。大規模ボイラシステムが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というものである。
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)。
特開2014−115070号公報
しかしながら、連続制御ボイラ及び台数制御装置から構成されるボイラシステムは、ボイラ群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機能を備えておらず、このままでは一定の出力蒸気量を維持するという要求を満たすことはできない。
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。
本発明は、ユーザのニーズに応じて、一定の出力蒸気量を維持させる制御及びヘッダ圧力値に基いた出力蒸気量の制御の両方に対応できる連続制御ボイラシステムを提供することを目的とする。
本発明は、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、前記複数のボイラには、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に関する。
また、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ようにしてもよい。
また、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ようにしてもよい。
また、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ようにしてもよい。
また、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ようにしてもよい。
本発明によれば、ユーザのニーズに応じて、一定の出力蒸気量を維持させる制御及びヘッダ圧力値に基いた出力蒸気量の制御の両方に対応できる連続制御ボイラシステムを提供することができる。すなわち、出力蒸気量に対して上限出力蒸気量を設定するとともに、台数制御装置に対して設定される目標圧力値を高く設定することで、ボイラ群の出力蒸気量の合計値が上限出力蒸気量(一定の出力蒸気量)となるようにすることができる。また、ヘッダ圧力値が大きく上昇した場合は、ヘッダ圧力値に基いて出力蒸気量を減少させることができる。
本実施形態に係るボイラシステム1の概略を示す図である。 本実施形態のボイラ群の概略を示す図である。 本実施形態の制御部の構成を示す機能ブロック図である。 本実施形態の燃焼台数算出部の処理の一例を示す図である。 本実施形態の燃焼台数算出部の処理の一例を示す図である。 本実施形態の燃焼台数算出部の処理の一例を示す図である。 本実施形態の制御部の動作例を示すフローチャートである。 本実施形態の制御部の動作例を示すフローチャートである。 本実施形態の制御部の動作例を示すフローチャートである。
以下、本発明のボイラシステムの好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態は、一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限定されない。
[第1実施形態]
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。
ボイラ20は、図1に示すように、燃焼が行われるボイラ本体21と、ボイラ20の燃焼状態を制御するローカル制御部22を備える。
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。
ボイラ群2は、蒸気使用設備18に供給する蒸気を生成する。
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。
蒸気圧センサ7は、信号線13を介して、台数制御装置3に電気的に接続されている。蒸気圧センサ7は、蒸気ヘッダ6の内部の蒸気圧値(以下「ヘッダ圧力値」という)を測定し、測定した蒸気圧に係る信号(蒸気圧信号)を、信号線13を介して台数制御装置3に送信する。
台数制御装置3は、信号線16を介して、複数のボイラ20と電気的に接続されている。この台数制御装置3は、蒸気圧センサ7により測定されるヘッダ圧力値に基づいて、各ボイラ20の燃焼状態を制御する。
以上のボイラシステム1は、ボイラ群2で発生させた蒸気を、蒸気ヘッダ6を介して、蒸気使用設備18に供給可能とされている。
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。
具体的には、蒸気使用設備18の需要の増大により蒸気消費量が増加し、蒸気ヘッダ6に供給される出力蒸気量が不足すれば、ヘッダ圧力値が減少する。一方、蒸気使用設備18の需要の低下により蒸気消費量が減少し、蒸気ヘッダ6に供給される出力蒸気量が過剰になれば、ヘッダ圧力値が増加する。台数制御装置3は、ヘッダ圧力値の変動に基づいて、蒸気消費量の変動をモニターする。そして、台数制御装置3は、ヘッダ圧力値に基づき算出した目標蒸気量分の蒸気を生成するように各ボイラ20の燃焼量を制御する。
[連続制御ボイラ20]
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。
また、燃焼量を連続的に制御するとは、ローカル制御部22における演算や信号がデジタル方式とされて段階的に取り扱われる場合(例えば、ボイラ20の出力(燃焼量)が1%刻みで制御される場合)であっても、事実上連続的に出力を制御可能な場合を含む。
本実施形態では、ボイラ20の燃焼停止状態S0と最小燃焼状態S1との間の燃焼状態の変更は、ボイラ20(バーナ)の燃焼をオン/オフすることで制御される。そして、最小燃焼状態S1から最大燃焼状態S2の範囲においては、燃焼量が連続的に制御可能となっている。
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。
単位蒸気量Uは、ボイラ20の最大燃焼状態S2における蒸気量(最大蒸気量)に応じて適宜設定できるが、ボイラシステム1における出力蒸気量の必要蒸気量に対する追従性を向上させる観点から、連続制御ボイラ20の最大蒸気量の0.1%〜20%に設定されることが好ましく、1%〜10%に設定されることがより好ましい。
(エコ運転ゾーン)
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。
(優先順位)
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。
次に、台数制御装置3の構成について詳細に説明する。台数制御装置3は、図1に示すように、制御部4と記憶部5とを備える。
制御部4は、信号線16を介してボイラ20に各種の指示を送信したり、各ボイラ20から各種のデータを受信したりして、ボイラ20の燃焼状態及び運転台数の制御を実行する。各ボイラ20は、台数制御装置3から燃焼状態の変更指示の信号を受けると、その指示に従って該当するボイラ20の燃焼量を制御する。制御部4の詳細な構成については後述する。
記憶部5は、各ボイラ20に送信された指示に関する情報、各ボイラ20から受信した燃焼状態に関する情報、各ボイラ20の単位蒸気量Uの設定に関する情報、複数のボイラ20の優先順位の設定に関する情報、優先順位の変更(ローテーション)に関する設定の情報、各ボイラ20のエコ運転ゾーン(ボイラ効率が高い燃焼率の範囲)に関する情報、及び後述する上限設定部により設定される上限出力蒸気量等を記憶する。
次に、制御部4の構成についてさらに詳細に説明する。
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。
必要蒸気量算出部41は、ヘッダ圧力値に基づいて必要蒸気量を算出する。具体的には、必要蒸気量算出部41は、ヘッダ圧力値が目標圧力値に一致するように、所定周期毎に、例えば公知の位置形PID(又は位置形PI)アルゴリズム又は速度形PID(又は速度形PI)アルゴリズムにより算出される現時点の必要蒸気量MVを算出する。
例えば、必要蒸気量算出部41は、必要蒸気量MVを、下記の式(1)に基づいて算出することができる。
必要蒸気量MV
=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)
ここで、必要蒸気量MVを構成する各成分は、下記の式(2)〜(4)により算出される。
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。
偏差積分出力(PID_EI)=PID_EI+ PID_E/積分時間(秒)
・・・(3)
偏差微分出力(PID_ED)=
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)
以上のように、必要蒸気量算出部41は、例えば式(2)〜(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(指示蒸気量)を算出することができる。
上限設定部42は、ボイラ群2により出力される蒸気量である出力蒸気量の上限値となる上限出力蒸気量MVupを設定することができる。
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MV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。
燃焼台数算出部43は、上限出力蒸気量MVupが設定される場合に、エコ運転条件を満たすことのできるボイラ20の燃焼台数を算出する。ここで、エコ運転条件とは、上限出力蒸気量MVupを出力するためにボイラ群2に含まれる各ボイラ20に均等に燃焼率を割り振った場合に、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ことを指す。
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。
燃焼台数算出部43の処理の一例について、図4A〜図4Cを参照して説明する。
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。
ボイラ20をエコ運転ゾーンで燃焼させることを前提とする場合、例えば、図4Bに示すように、制御台数に応じて、出力可能蒸気量がおのずと決定される。
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。
また、設定される上限出力蒸気量MVupが11200kg/h以上12600kg/h以下の場合には、複数の選択肢(3台又は4台いずれも各ボイラの燃焼率がそれぞれエコ運転ゾーンの範囲内に収まる)が存在する。このような場合、燃焼台数算出部43は、燃焼台数を抑制する場合には燃焼台数を3台、燃焼台数を過剰にする場合は燃焼台数を4台として算出する。
このようにして、図4Cに示すように、上限出力蒸気量MVupに対して設定可能な選択肢を算出することができる。ここで、上限出力蒸気量MVupを5000kg/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ように燃焼台数を算出することができない。このため、燃焼台数を抑制する場合は1台、又は燃焼台数を過剰にする場合には2台が選択肢として挙げられる。
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。
制御対象ボイラ設定部44は、燃焼台数算出部43により算出された燃焼台数分のボイラ20を制御対象ボイラとして設定する。具体的には、制御対象ボイラ設定部44は、優先順位の高いボイラから順番に制御対象ボイラとして設定する。
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MVの蒸気を生成するようにボイラ群2の出力を制御する。すなわち、出力制御部45は、ボイラ20の燃焼率を連続的に制御することで、ボイラ群2が出力する蒸気量を要求蒸気量に追従させる。
出力制御部45は、その後、必要蒸気量算出部41により算出された必要蒸気量MVが上限出力蒸気量MVupを上回ると、上限出力蒸気量MVupの蒸気を生成するように制御対象ボイラを燃焼させる。
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MVが上限出力蒸気量MVupを超える場合、現時点の必要蒸気量MV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。
出力制御部45は、さらに優先順位設定部46により各ボイラ20の優先順位が変更されると、燃焼停止状態にあったボイラ20のうち、優先順位の高いボイラ20を燃焼させるように制御する。このとき、燃焼停止状態にあった優先順位の高いボイラは最小燃焼状態S1(例えば、最大燃焼率の20%の燃焼量における燃焼状態)で立ち上がる。
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。
出力制御部45は、通常、燃焼量の変更をトリガーにして、各ボイラ20の燃焼率を均一化するように構成されている。しかしながら、仮に、出力制御部45による出力蒸気量が第1時間を超えて上限出力蒸気量MVupとなる場合、燃焼量の変更をトリガーにして、各ボイラ20の燃焼率を均一化することはできなくなる。
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MV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。
なお、各ボイラ20のエコ運転ゾーンの範囲が異なる場合、次のように制御することで、すべてのボイラ20のエコ運転ゾーンの範囲内に燃焼率が収まるようにすることができる(例えば、特許文献1参照)。
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。
優先順位設定部46は、ボイラ群2に含まれる各ボイラ20の優先順位の設定及び変更を行う。複数のボイラの稼動状態に偏りが生じないように、優先順位設定部46は、ボイラシステム1において、優先順位を定期的に(例えば、24時間毎に)変更して、複数のボイラの稼動状態の均一化を図っている。
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。
次に、本実施形態における制御部4による制御の一連の流れについて図5A〜図5Cを参照しながら説明する。図5A〜図5Cは、制御部4の処理内容を示すフローチャート図である。
<制御対象ボイラの設定>
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。
ステップST2において、制御部4(燃焼台数算出部43)により、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ボイラ20の燃焼台数を算出する。
ステップST3において、制御部4(燃焼台数算出部43)は、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場合、ステップST5に移る。存在する場合、ステップST4に進む。
ステップST4において、制御部4(燃焼台数算出部43)は、台数の選択肢が複数ある場合、ステップST5に移る。台数の選択肢が1個の場合、ステップST6に移る。
ステップST5において、制御部4(燃焼台数算出部43)は、予め指定される燃焼台数前提条件に基づいて、1つの選択肢を選択する。
ステップST6において、制御部4(制御対象ボイラ設定部44)は、燃焼台数算出部43により算出された燃焼台数分のボイラ20を制御対象ボイラとして設定する。
次に図5Bを参照しながら出力蒸気量の制御について説明する。
<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MVを算出する。
ステップST8において、制御部4(必要蒸気量算出部41)は、必要蒸気量MVが上限出力蒸気量MVupを上回るか否か、を判定する。上回る場合(Yesの場合)、ステップST9に移る。上回らない場合(Noの場合)、ステップ10に移る。
ステップST9において、制御部4(出力制御部45)は、必要蒸気量MVを上限出力蒸気量MVupに置き換える。
ステップST10において、制御部4(出力制御部45)は、必要蒸気量MVの蒸気を生成するように制御対象ボイラを燃焼させる。
ステップST11において、制御部4(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MVが上限出力蒸気量MVupを上回る状態が第1時間を超えて継続したか否か、を判定する。第1時間を超えて継続している場合(Yesの場合)、ステップST12に移る。第1時間を超えて継続していない場合(Noの場合)、ステップST13に移る。
次に図5Cを参照しながら、燃焼ボイラの燃焼率の均一化及び燃焼ボイラのローテーションについて、説明する。
<燃焼ボイラの燃焼率の均一化及び燃焼ボイラのローテーション>
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。
ステップST13において、制御部4(優先順位設定部46)は、前回の優先順位変更から、所定時間(例えば24時間)が経過したか否か、を判定する。所定時間が経過した場合(Yesの場合)、ステップST14に移る。所定時間が経過していない場合(Noの場合)、ステップST7に移る。
ステップST14において、制御部4(優先順位設定部46)は、各ボイラ20の優先順位を変更する。
ステップST15において、制御部4(出力制御部45)は、燃焼停止状態にあったボイラ20のうち、優先順位の高いボイラ20を燃焼させるように制御する。
ステップST16において、制御部4(出力制御部45)は、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制御する。
その後、ステップST7に移る。
以上説明した本実施形態のボイラシステム1によれば、以下のような効果を奏する。
本実施形態のボイラシステム1に係る制御部4は、ヘッダ圧力値に基づいて必要蒸気量MVを算出する必要蒸気量算出部41と、必要蒸気量算出部41により算出された必要蒸気量MVの蒸気を生成するようにボイラ群2の出力を制御する出力制御部45と、ボイラ群2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MVupを設定する上限設定部42と、を備え、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MVが上限出力蒸気量MVupを上回った場合に、上限出力蒸気量MVupの蒸気を生成するように制御対象ボイラ20を燃焼させる。
これにより、ボイラシステム1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提供することができる。
また、燃焼台数算出部43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、燃焼台数前提条件に基づいて燃焼台数を算出する。
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。
また出力制御部45は、さらに、必要蒸気量算出部41により算出された必要蒸気量MV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の燃焼率を均一化する。
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。
また、制御部4は、さらに、ボイラ群2に含まれる各ボイラ20の優先順位の設定及び変更を行う優先順位設定部46を備え、出力制御部45は、優先順位設定部46により各ボイラ20の優先順位が変更されると、燃焼停止状態にあるボイラ20のうち、優先順位の高いボイラ20の燃焼を開始させる。
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。
以上、好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
[変形例1]
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。
[変形例2]
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。
[変形例3]
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。
[変形例4]
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。
1 ボイラシステム
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)

  1. 燃焼率を連続的に変更して燃焼可能な、複数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、
    前記複数のボイラには、
    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、
    予め設定された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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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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