JP6926469B2 - ボイラシステム - Google Patents
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Description
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、通常、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)。
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出力蒸気量を一定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。
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を参照しながら説明する。図1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、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。
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。
また、蒸気ヘッダ6はボイラ群2とは別に、水管ボイラ等の大規模ボイラシステム(図示せず)に接続されており、通常時は当該大規模ボイラシステムが蒸気ヘッダ6の蒸気出力の大半を賄い、その不足分をボイラ群2が補う運用形態をとる。
連続制御ボイラ20は、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。
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。
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)及びボイラ効率が最も高くなる燃焼率(「エコ運転ポイント」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又はエコ運転ポイント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、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において、燃焼ボイラをエコ運転ゾーン又はエコ運転ポイントで燃焼させ続けるように制御することが好ましい。
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、優先順位の高いボイラの燃焼を優先させる。燃焼を開始させるボイラ20を選択する場合には、優先順位の高いボイラ20から順に燃焼を開始させる。
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。
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及びヘッダ圧力が所定範囲内を外れた場合に、各ボイラの燃焼量を補正するバックアップ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2に示すように、制御部4は、出力蒸気量設定部40と、燃焼台数算出部41と、制御対象ボイラ設定部42と、第1制御部43と、燃焼率算出部44と、優先順位設定部45と、を含んで構成される。
また、バックアップ制御モードを実現するため、制御部4は、ヘッダ圧力範囲設定部46と、必要蒸気量算出部47と、第2制御部48と、制御切換部49と、を備える。
また、燃焼台数算出部41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。
より具体的には、第1制御部43は、制御対象ボイラ20毎にボイラ圧力と給水温度に基づいて後述の燃焼率算出部44により算出された燃焼率に基づいて、制御対象ボイラ20の燃焼状態を制御する。
次に制御対象ボイラ20のボイラ圧力と給水温度に基づく燃焼率の算出(補正)について説明する。
実際蒸発量=(相当蒸発量×539)/(蒸気の全熱−給水の顕熱) (式1)
ここで、「539」は、大気圧で100℃の水を100℃の蒸気にする熱量(kcal/kg)を、「蒸気の全熱」は蒸気圧力によって決定される飽和蒸気(乾き度100%)が保有する熱量(kcal/kg)を、「給水の顕熱」は給水温度(℃)と同じ値の熱量(kcal/kg)を意味する。また、相当蒸発量は、ボイラ容量に燃焼率を積算した値に等しい。
本実施形態において、「蒸気の全熱」は、「蒸気テーブル」(仮称)によって管理されているものとする。
例えば、7000kg/hのボイラ容量を有するボイラを燃焼率32%で燃焼させた場合、相当蒸発量は、2240(=7000×0.32)kg/hとなる。
そして、蒸気圧力が0.7MPa、給水温度60℃、相当蒸発量2240kg/hとした場合、「蒸気の全熱」は660kcal/kg、「給水の顕熱」は60kcal/kgであることから、実際蒸発量は式1により次の値となる。
実際蒸発量=(2240×539)/(660−60)=2012kg/h
以上のように、燃焼率算出部44は、実際蒸発量(kg/h)を、相当蒸発量(又は燃焼率)、ボイラ圧力値、給水温度に基づいて算出する。
図3A及び図3Bにおいて、各ボイラ20のボイラ容量は7000kg/h、出力蒸気量は6000kg/h、制御対象ボイラ台数は3台とする。3台を1号機、2号機、3号機とする。
図3Aを参照すると、時刻t0及び時刻t1において1号機及び2号機の相当蒸発量を2240kg/h(燃焼率32%)のまま、3号機の相当蒸発量を2170kg/h(燃焼率31%)のままとしても実際蒸発量の合計は、6000kg/hに近い値を維持することがわかる。これに対して、時刻t2においては、3号機の燃焼率を1%あげることで、実際蒸発量の合計を、6000kg/hに近い値に維持できることがわかる。
図3Bを参照すると、時刻t0において1号機〜3号機の相当蒸発量を2240kg/h(燃焼率32%)とすると、各ボイラ20の実際蒸発量は1996kg/hとなり、実際蒸発量の合計が5987kg/hとなり、6000kg/hに近い値を維持することがわかる。これに対して、時刻t1において、1号機〜3号機の相当蒸発量を2240kg/h(燃焼率32%)とした場合、実際蒸発量の合計は、5890kg/hとなり、設定された出力蒸気量6000kg/hに対して110kg/h不足することがわかる。このため、1号機及び2号機の燃焼率を1%あげて、33%とすることで、実際蒸発量の合計が6012kg/hとなり、6000kg/hに近い値を維持できることがわかる。
以上のように、燃焼率算出部44により、制御対象ボイラ20のボイラ圧力、給水温度に基づいて、制御対象ボイラ20の燃焼率(又は出力蒸気量)を補正することにより、制御対象ボイラ20の給水温度、ボイラ圧力に影響されずに、出力蒸気量設定部40により設定された固定の出力蒸気量を出力することが可能となる。
台数制御部4は、優先順位設定部45によりボイラ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、その後、当該ボイラ20が所定の蒸気量を出力すると、優先順位の低いボイラの燃焼を停止させる。
これにより、ボイラ20を均等に燃焼させることができ、ボイラ20の故障率を低減させることができる。
これにより、ヘッダ圧力が所定範囲内を外れた場合、出力蒸気量をヘッダ圧力に基づく圧力制御に切り換えることにより、直ちにボイラシステム全体の圧力安定性を確保することができる。
図4Aを参照しながら制御対象ボイラの設定処理について説明する。
なお、優先順位設定部45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。また、ヘッダ圧力範囲設定部46により、ヘッダ圧力値の上限及び下限が予め設定されているものとする。
ステップST1において、制御部4(出力蒸気量設定部40)は、ボイラ群2により出力される蒸気量である一定の出力蒸気量を予め設定する。
<出力蒸気量一定制御>
ステップST11において、制御部4(制御切換部49)は、第1制御部43による燃焼制御を停止させ、第2制御部48によるボイラ群2の燃焼状態の制御を実行させる。
これにより、ヘッダ圧力やボイラ圧力に影響されない出力量一定制御を実現することができる。例えば、水管ボイラ等の大規模ボイラシステムをメインボイラ群とし、本実施形態のボイラシステム1をサブボイラ群とするボイラシステムにおいて、メインボイラ群による圧力制御がなされている場合に、本実施形態のボイラシステム1はサブボイラ群として圧力制御を行わずに、一定出力で固定燃焼させることが可能となる。
これにより、出力蒸気量を給水温度、ボイラ圧力に影響されずに、出力蒸気量設定部40により設定された固定の出力蒸気量を出力することができる。
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。
これにより、ボイラ20を均等に燃焼させることができ、ボイラ20の故障率を低減させることができる。
これにより、例えば、メインボイラである水管ボイラ等の大規模ボイラシステムに何らかの異常が発生したことでヘッダ圧力が所定範囲内を外れた場合、出力蒸気量をヘッダ圧力に基づく圧力制御に切り換えることにより、ボイラシステム全体の圧力安定性を確保することができる。
上記実施形態では、制御切換部49は、ヘッダ圧力値が、ヘッダ圧力範囲設定部46により予め設定された上限と下限の範囲を外れた場合に、第1制御部43によるボイラ群2の燃焼状態の制御を停止させて、第2制御部48によるボイラ群2の燃焼状態の制御を実行させたが、これに限らない。制御切換部49は、ヘッダ圧力値が、ヘッダ圧力範囲設定部46により予め設定された上限と下限の範囲を外れた場合に、全てのボイラ20を手動運転に切り替えるようにしてもよい。
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。
また、上記実施形態では、本発明を3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、又は4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。
また、上記実施形態では、必要蒸気量算出部47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。
上記実施形態において、制御部4は、出力蒸気量一定制御モードに加えて、ヘッダ圧力値が予め設定される目標値を維持するように燃焼制御する圧力制御モードを備えるようにしてもよい。
この場合、制御部4は例えば外部信号等により、出力蒸気量一定制御モードから圧力制御モードに、また逆に、圧力制御モードから出力蒸気量一定制御モードに変更するように構成してもよい。
これにより、ボイラシステム1を例えば水管ボイラ等のメインボイラの補助用途として、使用している場合にメインボイラの障害等により蒸気供給が必要となったとき、外部信号等で制御モードを出力蒸気量一定制御から圧力制御に変更することで、短時間で蒸気システムを復旧させることが可能となる。
2 ボイラ群
3 台数制御装置
4 制御部
40 出力蒸気量設定部
41 燃焼台数算出部
42 制御対象ボイラ設定部
43 第1制御部
44 燃焼率算出部
45 優先順位設定部
46 ヘッダ圧力範囲設定部
47 必要蒸気量算出部
48 第2制御部
49 制御切換部
5 記憶部
6 蒸気ヘッダ
7 蒸気圧センサ(ヘッダ圧力測定手段)
18 蒸気使用設備
20 ボイラ
21 ボイラ本体
22 ローカル制御部
23 給水温度測定部
24 蒸気圧センサ(ボイラ圧力測定部)
Claims (6)
- 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、
前記一台以上のボイラには、
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、
前記ボイラ群により出力される全出力蒸気量の合計値であって前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧であるヘッダ圧力値に影響されない一定の出力蒸気量を予め設定する出力蒸気量設定部と、
前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧であるヘッダ圧力値に影響されない前記一定の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、
前記ヘッダ圧力値に基づく圧力制御を行わずに、前記制御対象ボイラ設定部により設定された前記制御対象ボイラにより出力される全出力蒸気量の合計値が、前記蒸気ヘッダの内部の蒸気圧であるヘッダ圧力値に影響されない、前記出力蒸気量設定部により予め設定された一定の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設定部により設定された前記制御対象ボイラの燃焼状態を制御する第1制御部と、
を備える、ボイラシステム。 - 前記ボイラの内部の蒸気圧であるボイラ圧力値を測定するボイラ圧力測定手段と、
前記ボイラのボイラ本体へ供給される給水の温度である給水温度を測定する給水温度測定手段と、
前記給水温度と前記ボイラ圧力値とに基づいて、与えられた蒸気量を出力する燃焼率を算出する燃焼率算出部と、
を備え、
前記第1制御部は、さらに、
前記燃焼率算出部により算出された燃焼率に基づいて、前記制御対象ボイラの燃焼状態を制御する請求項1に記載のボイラシステム。 - 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又は請求項2に記載のボイラシステム。 - 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ヘッダ圧力測定手段と、
前記ヘッダ圧力値の上限及び下限を予め設定するヘッダ圧力範囲設定部と、
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燃焼状態を制御する第2制御部と、
前記ヘッダ圧力値が前記上限を上回った場合、又は前記下限を下回った場合に、前記第1制御部による前記ボイラ群の燃焼状態の制御を停止させて、前記第2制御部による前記ボイラ群の燃焼状態の制御を実行させる制御切換部と、を備える、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のボイラシステム。 - 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乃至請求項4のいずれか1項に記載のボイラシステム。 - 前記台数制御部は、
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5に記載のボイラシステム。
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