JPS6350601B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、石炭焚火力発電所プラントの自動制
御に係り、主に石炭の種類による発熱量の変動を
プラントに外乱を与えることなく、適切に補正す
ることを可能にするボイラ制御装置に関する。

近年、代替エネルギー開発に基づくエネルギー
の多様化に伴い、石炭火力発電が注目を浴びてい
る。

ところで石炭は、その産出地等によりその性状
が非常に異なり発熱量も約4500Kcol／Kg〜
7500Kcol／Kgと大きな差がある。種々の銘柄炭
を使用したり、混焼する場合には、この発熱量の
変動が大きな問題となる。以下、従来の制御シス
テム及びその問題点について述べる。

第１図に、石炭焚火力発電所の概略構成図を示
す。石炭焚の場合でもボイラ８４、タービン８
５、発電機８６等の主機は重油焚の場合と同一で
あるが燃料系統の補機として石炭ミル９０、給炭
機９９等を有する点に特徴がある。プラント自動
制御装置８１はボイラ８４の主たる入力である給
水量、燃料量、空気量を調整し、その出力である
蒸気の温度、圧力を目標値に制御し、負荷要求値
に見合う蒸気をタービン８５に送り込みプラント
の総括制御を行なうものである。

第２図は、プラント自動制御装置８１の主たる
制御機能を示す制御系統図である。１０は負荷要
求信号であり、これと発電機出力検出器１１の出
力信号は減算器１２で比較され比例積分調節器１
３を介して第１図の主タービン加減弁１４を繰作
し負荷の調整を行なう。１５は主蒸気圧力設定
器、１６は主蒸気圧力検出器であり、これらの出
力は減算器１７で比較され比例積分調節器１８を
介して加算器１９で負荷要求信号１０と加算され
ボイラ入力指令２０となる。

２１は関数発生器でありボイラ入力指令２０を
負荷に見合つた給水量１０４に換算しその出力１
０４を低位信号選択器２２を介して給水流量検出
器２３の出力信号と減算器２４で比較し比例積分
調節器２５により第１図の給水弁２６を操作して
ボイラ給水の調整を行なう。

２７は関数発生器でありボイラ入力指令２０か
ら負荷に見合つた燃料量（燃料先行指令信号１０
１）への換算を行なう。主蒸気温度設定器２８の
出力は主蒸気温度検出器２９の出力と減算器３０
で比較され比例積分調節器３１を介して信号１１
２が作成され、信号１１２は加算器７０で燃料先
行指令信号１０１と加算される。加算信号１０６
は低位信号選択器３２，３３を介して燃料指令信
号１０２となる。

３４は石炭重量流量検出器でありその出力は発
熱量換算信号設定器３６の出力と乗算器３５によ
り乗算され、重油との混焼のときは重油流量検出
器３７の出力と加算器３８で加算され合計燃料流
量信号３９が求められる。燃料指令信号１０２及
び合計燃料流量信号３９は減算器４０で比較され
比例積分調節器４１を介し重油弁４２、給炭器速
度調節器４３を調節し燃料量の制御を行なう。給
炭器速度調節器４３は給炭器モータ８８を制御す
るものである。

４４は関数発生器であり燃料の目標信号１０８
を、これに見合つた空気量指令信号１０３への換
算を行なう。４５は燃焼排ガス中のO₂濃度の設
定器であり、排ガスO₂濃度検出器４６出力と減
算器４７で比較され、積分調節器４８を介し乗算
器４９により空気流量指令信号１０３の補正を行
なつて信号１０９を得、高位信号選択器５０を介
して空気流量検出器５１の出力と減算器５２で比
較され比例積分調節器５３でFDF入口ダンパ５
４を操作し空気流量の制御を行なう。

なお、第１図において８３は各種設定やプラン
ト状態の表示等を行なう操作卓、７は石炭、９２
はバーナ、９１は燃料供給管、９４はミル内のタ
ーンテーブル、９３はロール、９７はミル９０へ
の搬送用空気取り入れ口、９５，９６は空気フア
ン、９８は再循環ガスダンパである。

以上の如く、プラント自動制御装置８１はボイ
ラの主要な入力である給水、燃料、空気をバラン
スさせて制御を行なうが定常状態の各負荷に於け
る給水量、燃料量、空気量は個々のプラントで定
まつているので関数発生器２１，２７，４４に組
み込まれた先行制御が非常に有効である。負荷変
動中の過渡的な主蒸気圧力、主蒸気温度、排ガス
O₂の偏差は比例積分調節器１８，３１、積分調
節器４８で補正するように構成されている。

一方、プラントの重要な保護機能としてクロス
リミツト機能がある。これは、上記の如くボイラ
の各負荷に於いて、給水、燃料、空気をバランス
させるためには各量をどの程度とすればよいのか
が既知であるので、これらの間に定められた量以
上のアンバランスが生じた場合にそのアンバラン
ス量を制限して主機損傷の危険を回避する保護機
能である。これは第２図における関数発生器６
０，６１，６２，６３、信号選択器２２，３２，
３３，５０より構成される。以下、より具体的に
説明する。

まず関数発生器６０は合計燃料量信号３９を入
力とし、第３図に示す如く燃料量に見合う給水量
信号１０４（第３図の点線）に対し更に５％程度
高めの信号（第３図の実線）が出力されるように
設定されている。この回路により、本来は第３図
におけるＡ点で燃料と給水をバランスさせて運転
すべきところ燃料が異常に減少してＢ点のごとき
燃料不足状態となつた場合、低位信号選択器２２
によりクロスリミツト信号１０５が選択されるよ
うにし、これにより給水量を減少させてＣ点の運
転状態とし、給水／燃料のアンバランスによる蒸
気温度の低下に基づく主タービンへの湿り蒸気混
入を防止する。

関数発生器６１は給水流量検出器２３の出力を
入力し第４図に示す如く給水量に対する燃料量の
換算値信号（加算器７０の出力で、これを第４図
に点線で示す。）１０６に対し更に５％程度高め
の信号１０７（第４図の実線）が出力されるよう
に設定されている。この回路により本来は第４図
におけるＡ点で燃料と給水をバランスさせて運転
すべきところ給水が異常低下してＢ点のごとき給
水不足状態となつた場合、低位信号選択器３２に
よりクロスリミツト信号１０７が選択され、燃料
量を減少させてＣ点の運転状態とし、給水不足に
よるボイラメタルの異常な温度上昇を防止する。

関数発生器６２は空気流量検出器５１の出力を
入力し第５図に示す如く空気流量に対する燃料量
の換算値信号１０８（第５図点線）に対し更に５
％程度高めの信号（第５図実線）が出力されるよ
うに設定されている。常時は第５図におけるＡ点
で平衡運転しているが、空気量が異常低下して第
５図のＢ点の状態となつた場合に燃料量をＣ点ま
で減少させ空燃比を維持し黒煙の発生、バーナー
の失火等を防止する。

６３は合計燃料量信号３９を入力とする関数発
生器であり第６図に示す如く燃料量に対する空気
量の換算値信号１０９（第６図点線）に対し５％
程度低めの信号（第６図実線）が出力されるよう
設定されている。常時は第６図におけるＡ点で平
衡運転しているが、燃料の異常上昇によつて第６
図のＢ点の状態となつた場合に空気量を第６図の
Ｃ点まで増加させて空燃比を維持し、黒煙の発
生、バーナーの失火等を防止する。

従来の重油焚貫流ボイラに於いては、以上に述
べた先行制御、およびクロスリミツトの効果は非
常に大きいが燃料に石炭を用いた場合には、以下
に述べる理由でこれらの機能を十分活用できなく
なるという問題が生ずる。

すなわち、石炭は、その銘柄により性状が大き
く変動し特に発熱量の変化は著しく、170％程度
の変動がある。その為、関数発生器２７の出力で
ある燃料先行指令信号１０１だけでは、主蒸気の
温度を設定値に保持することが出来ず、定常状態
に於いても主蒸気温度の偏差信号を入力とする比
例積分調節器３１の積分値が零にならない為有効
に先行制御が行なえなくなる。

このことを第７図で具体的に説明する。第７図
は負荷Ｌと燃料量Ｆの関係を示しており、１０１
は石炭発熱量が規定値の場合の燃料先行指令信号
（第２図の関数発生器２７の出力）を示す。この
図で、石炭発熱量が一定のままなら、１０１で定
まる燃料量とすることで負荷を所定値に保てるは
ずであり、負荷がL₁のときには燃料量をF₁、負
荷L₂のときには燃料量をF₂とすればよい。

これに対し、実際には主蒸気温度が変動するた
めに、信号１０１に第２図の調節器３１の出力１
１２を加算して、目標燃料量とする。目標燃料量
とは第２図の信号１０６のことである。調節器３
１の出力は、主蒸気温度がその設定値に保たれて
いるときは本来零となるはずのものであるが、発
熱量の異なる石炭の使用により第７図における特
性１１１のような燃料が必要となつた場合には、
図中の斜線で示す部分の値を比例積分調節器３１
の積分器が記憶して補正する必要がある。例えば
負荷L₁では積分器は（F₁′−F₁）の値を蓄積して
いる。炭質の不均一な石炭火力プラントでは、こ
の補正量は常時発生しており、この状態で負荷が
L₂に移ると、先行信号１０１との加算により
B′点の燃料量F₂′に至るがこの場合特性１１１の
石炭を使用しているために燃料が不足であり、積
分器は更に（F₂″−F₂′）の信号を蓄積してはじめ
てプラントが定常状態に達する。これは、負荷を
L₁からL₂に移しても、すぐには所定の燃料量を
投入できないことを意味している。すなわち、負
荷L₁からL₂への変化に対し、燃料量はF₁′（A′点）
からF₂′（B′点）を経てF₂″（B″点）に至る。そし
て、B′点において主蒸気温度が低下してから比
例積分調節器３１がその出力１１２を変更しては
じめてB₂″点に到着する。このため応答が非常に
遅いという問題がある。また、主蒸気温度が安定
しないことになる。

一方、負荷をL₂からL₁に降下させた場合には、
先行信号だけではB″点からA″点に至り負荷L₁に
対して余分な燃料（F₁″−F₁′）が投入された結果
主蒸気温度が上昇し、やがて積分器の蓄積量が
A′に至つてプラントは定常状態に達するのであ
る。このように発熱量の変動は先行信号の効果を
損ねその制御性を劣化させるので、応答時定数が
長くフイードバツク制御ゲインを十分とれない温
度制御系では非常に大きな問題となる。

また、このように石炭の発熱量の変化に伴い第
２図の合計燃料量３９が大きく変化して、燃料か
ら給水に対するクロスリミツトの設定（関数発生
器６０）及び燃料から空気に対するクロスリミツ
トの設定（関数発生器６３）を適切に定めること
が困難であり、クロスリミツト保護機能が有効に
活用出来なくなるという問題がある。

この対策として第２図の石炭発熱量換算信号設
定器３６の係数を石炭銘柄に応じて手動で再設定
することが行なわれているが、多銘柄の混燃や、
同一銘柄内での変動もあり、また運用中に不規則
に発熱量が変動するので十分な対応は期待出来な
いという問題がある。

本発明の目的は、石炭焚火力発電所に於いて石
炭の種類の変化による発熱量の変動を検出して修
正することにより、常時先行制御を有効に活用し
十分な制御性を確保し得るプラント自動制御装置
を提供することにある。

本発明の特徴は、石炭の性状変化の中で最も制
御性に大きな影響を及ぼす発熱量の変動が、主蒸
気温度制御用比例積分調節器の積分器の出力とな
つて現われることに注目し、その値から石炭発熱
量を計算しシステムに外乱を与えること無く、自
動的に石炭発熱量換算係数を修正し、常に先行制
御による好適な制御性を得るようにしたのであ
る。

本発明の推奨される一実施例に於いては、負荷
変化中に於いても、発熱量変動を検出し最適な石
炭発熱量換算係数修正が可能であるように構成さ
れている。

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
第８図にて一点鎖線で囲んだ部分６０の本発明の
一実施例として第２図の従来回路に追加した補償
回路である。第８図中第２図と同一番号の要素は
第２図におけると同一機能を持つものである。

この補償回路の詳細動作は後述するとして、こ
の回路６０は２つの出力を与える。その１つは現
在使用している石炭の単位重量当たりの熱量（以
下単に熱量比という）に相当する信号２１５であ
り、乗算器３５において石炭重量流量検出器３４
の出力と乗算されボイラへ投入される石炭の有す
る総熱量を求められる。２つめは、積分器３１１
の出力を修正するための信号２１４と２０８であ
る。補償回路６０におけるこれらの出力信号によ
る補正動作は通常は実施されず、積分器３１１の
出力３０１が予想外に大きく変化したことをもつ
て実施される。

以下補償回路６０によつて説明する。まず、信
号２１５を決定する回路とその動作について述べ
る。第９図に示すように、補償回路６０の第１の
入力である負荷要求信号１０に応じて、基準信号
発生回路２０１は、発熱量補正を行なうための基
準信号３０２を作成する。基準信号３０２は負荷
要求信号１０の変化中とその直後において、それ
以外の時よりも絶対値が大きな値とされる。

第２の入力は、比例積分調節器３１内の積分器
３１１の出力３０１である。３０１は、仮りに、
発熱量の変動がなくても、第９図に３０１で示す
ように常時（負荷要求信号１０が一定のときで
も）微小変動しており、更に負荷変化時にはその
変動がほぼ負荷変化率に比例して増減する。本実
施例ではこのことに着目し基準信号発生回路２０
１は負荷要求信号が変化中である場合に、変化の
ない場合と比較してより大きくなるような信号、
すなわち第９図に３０２で示すような基準信号を
作成するようにしている。なお、負荷変化終了後
も３１１の出力３０１がほぼ零値に整定するのに
若干の時間遅れがあるので、基準値３０２は負荷
変化終了後は一定の変化率で定常時の値に引き戻
すようにされる。

第１０図は基準信号発生回路２０１の具体的な
実施例である。４０１は負荷要求信号１０を入力
しその変化率を計算し出力するものであり、従つ
て負荷変化中のみ出力する。４０２は入力信号の
絶対値を求めるもので、負荷増加時も負荷減少時
も正値出力を与える。４０３は信号検出器であ
り、４０２の出力が４０３内で設定した基準値に
なつた場合（負荷変化中）その出力が“１”とな
り通常は“０”を出力する。４０４は信号切替器
であり４０３の出力が“１”の場合“ａ”側の信
号を“０”の場合“ｂ”側の信号を通過させる。
４０６は定数設定器であり定常時の基準値S₁を作
成するものである。４０７は変化率制限器であり
４０３の出力が“１”の場合にはその出力値値を
瞬時に入力値一致させ、４０３の出力が“０”の
場合は“１”から“０”に変わる直前の値を出発
点として定められた変化率で入力信号に追従す
る。以上の回路により負荷要求信号１０に対応し
た基準信号３０２が得られる。なお、負荷要求信
号１０は負荷変化中には常に同じ変化率となるよ
うに保持されているので、負荷変化中の時の基準
信号３０２は一定値となる。

第８図の絶対値計算回路２０３は積分器３１１
の出力信号３０１の絶対値を求めるものであり、
２０４は積分器３０１の極性信号“＋１”又は
“−１”を判定し出力する。

２０５は減算器でありその出力３０３は積分器
３１１の出力３０１から基準信号３０２を減算し
たものである。

基準信号３０２及び基準信号からの偏差３０３
は各々第８図における乗算器２０６，２０７によ
り符号を付けられ２０８，２０９となる。２０９
は除算器２１１で石炭重量流量信号２１０で割ら
れた後減算器２１２において石炭発熱量換算信号
設定器３６の出力２１５を減算され２１３とな
る。

３６はいわゆるアナログメモリ要素であり第１
１図に示す如くインターロツク入力２１４が
“１”の場合その出力２１５は入力２１３に追従
する。入力２１４が“１”から“０”に切替わる
と、その直前の入力を出力値として保持する。イ
ンターロツク入力２１４は次のようにして決定さ
れる。

すなわち、第８図の２２４は信号検出器であ
り、積分器３１１の出力３０１が基準信号３０２
を越えたことを検出する。２２５はパルサーであ
り、プラント自動制御装置の基本演算周期の整数
倍の周期で同期したパルス列を発生し発熱量換算
係数の修正動作を行なうタイミングを決定する。

以上の回路により、信号２１５が決定される。
この動作について説明すると、まず第９図のよう
に積分器３１１の出力３０１の絶対値が基準信号
３０２よりも小さいとき、信号検出器２２４は不
動作であり、インターロツク入力２１４は“０”
である。このときアナログメモリ３６は自己の出
力を保持し続けており、発熱量換算係数の信号２
１５の修正は行なわれない。

これに対し、第１３図に示す場合には修正が行
なわれる。第１３図において、５０１は石炭発熱
量の変動を示す。時刻t₁からt₂のＴ間に石炭銘柄
の変動により発熱量が低下したとする。これに対
応して主蒸気温度が低下しその制御偏差に応じて
積分器３１１の出力３０１が増加し基準信号発生
回路２０１の発生した基準信号３０２を越える。
この時点で第８図の信号検出器２２４が基準信号
を越えた事を検出しその出力を“１”とする。
今、制御が自動であれば、パルサー２２５の出力
が“１”となつた時点で修正条件が成立する。こ
の時点がt₃でありこのタイミングで発熱量修正を
次の手順で行なう。

第１１図ａはアナログメモリ３６と減算器２１
２の回路を示し、同図ｂはその入出力波形を示
す。この図からも明らかなようにアナログメモリ
３６の出力２１５は、インターロツク入力２１４
が“０”のとき、そのときの出力を保持し続け、
インターロツク入力２１４が“１”となつたと
き、そのときの保持値に、そのときの入力信号２
１３を加減算する。例えば、時点t₄では、その保
持値215（t₃）にt₄の時点の入力値213（t₄）を加算
する。このようにして得られた新しい保持値215
（t₄）は、特点t₄における除算器２１１の出力値
である。このようにして、石炭発熱量の換算係数
が乗算器３５において修正される。

第８図の回路においては、以上のようにして、
信号２１５により乗算器３５において石炭重量流
量検出器３４の出力を修正する。例えば、低質の
石炭を使用したときには主蒸気温度が低下する結
果乗算器３５の出力は減少する方向に修正され
る。そして、減算器４０の出力が増加し燃料を増
大させることで所定の主蒸気温度を確保するよう
に作動する。これに対し、比例積分器３１の積分
器３１１の出力についてみると、主蒸気温度が定
格温度に回復し、主蒸気温度が定格温度より小と
なつて初めて減少しはじめる。このようにして、
いずれ積分器３１１の出力は零となるが、この間
は先行信号１０１と補償信号１１２の和信号によ
り燃料量と空気量が決定される。

ところで、第２図の制御装置の望ましい制御状
態は、先行信号によつてのみ各制御量が定められ
ることであり、経済的であることである。これに
対し、上記の状態は必ずしも経済的でないという
だけでなく、大きな補償信号１１２が長期間与え
られている結果前記のクロスリミツト機能の良好
な作動が容易でないということを意味する。この
点、燃焼量の補正は信号２１５によつて達成され
ているから、むしろ積分器３１１の出力３０１を
減少し補償後の信号３９に見合つたものとする必
要がある。

補償回路６０の第２の出力２０８は、上述の点
に鑑みて積分器３１１の出力を減少させるもの
で、第１２図に示すように積分器３１１は主蒸気
温度偏差信号２２１と乗算器２０６の出力２０８
とを入力し、切り替え信号２１４が“０”のとき
信号２２１を選択してこれを積分する。同図ｂは
積分器３１１の出力３０１と入力２２１，２０８
の関係を示すもので信号２１４が“０”のとき、
入力２２１を積分する。信号２１４が“１”のと
き、入力２２１を２０８に切り替え出力信号３０
１を入力２０８に一致させる。

補償回路６０の２つの出力信号２０８と２１５
は、タイミング信号２１４によつて同時に発生さ
れ低質石炭使用の場合、一方では積分信号３０１
とその基準値２０８の偏差によつて信号２１５を
用いて発熱量換算係数を減少せしめ、他方では同
じ積分信号３０１とその基準値２０８の偏差によ
つて信号２０８を用いて積分器３１１の出力を修
正する。

上記した様に本発明によれば、プラントに外乱
を与えること無く石炭発熱量換算係数（第８図２
１５）を石炭流量側で補正することにより負荷と
燃料量の関係を第７図の１０１に示す関係に保つ
ことが出来、常に先行技術を有効に作動させるこ
とが可能となるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は石炭焚火力発電所の概略構成を示す
図、第２図はプラント自動制御装置の主たる制御
機能を示す制御系統図、第３図から第６図は夫々
関数発生器６０，６１，６２，６３の設定状況を
示す図。第７図は石炭発熱量変動の為先行技術が
有効に行なえない様子を示す図、第８図は本発明
の一実施例を示す図、第９図は発熱量修正を行な
うか否かの判定を行なう為の基準信号を示す図、
第１０図は基準信号作成回路２０１の構成及び動
作説明図、第１１図はメモリ要素３６の動作説明
図、第１２図は積分器３１１の動作説明図、第１
３図は本発明の一実施例の動作説明図である。 ３１……主蒸気温度調節器、３１１……積分
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 負荷要求信号を主蒸気温度の設定値及び検出
   値の偏差に関する信号で補正して燃料要求信号を
   得、該燃料要求信号と検出した燃料信号との差に
   応じて燃料となる石炭量を定める手段を有する石
   炭焚火力発電所の制御装置において、 上記主蒸気温度偏差に関する信号及び負荷要求
   信号を取り込み、負荷要求信号の変化に基づいて
   所定の基準信号を作成する回路と、この基準信号
   と主蒸気温度偏差に関する信号との大小関係を比
   較し、主蒸気温度偏差が基準信号を超えた場合
   に、該主蒸気温度偏差が小となるように、上記石
   炭量を定める手段に対し、石炭量を補正する信号
   を出力する回路とを含む石炭量補正回路を具備す
   ることを特徴とする石炭焚火力発電所の制御装
   置。