JP3221738B2 - 変圧貫流ボイラの蒸気温度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は制御装置に係り、特に高
速負荷変動時における再熱蒸気温度の変化幅を規定値以
内に抑えるのに好適な変圧貫流ボイラの蒸気温度制御装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年急増する電力需要に応えるために大
容量の火力発電所が建設されているが、これらのボイラ
は部分負荷時においても高い発電効率を得るために、超
臨界圧から亜臨界圧へ変圧運転を行なうことが要求され
ている。

【０００３】これは最近の電力需要の特徴として、原子
力発電の伸びと共に、負荷の最大と最小の差も増大し、
火力発電はベースロード用から負荷調整用へと移行する
傾向にあるからである。

【０００４】つまり、火力発電はボイラ負荷が常に全負
荷で運転されるものは少なく、負荷を７５％負荷、５０
％負荷、２５％負荷へと負荷を上げ、下げして運転した
り、運転を停止するなど、いわゆる毎日起動停止（Ｄａ
ｉｌｙ Ｓｔａｒｔ Ｓｔｏｐ以下単にＤＳＳという）
運転を行なって中間負荷を担うのである。

【０００５】このように火力発電は部分負荷での運転が
増えた場合、負荷に応じて圧力を変化させて運転する、
いわゆる全負荷では超臨界圧域、部分負荷では亜臨界圧
域で運転するＤＳＳ運転を行なうことによって、部分負
荷での発電効率を数％向上させることができる。

【０００６】図２は変圧貫流ボイラの概略系統図、図３
は縦軸に蒸気圧力、横軸にボイラ負荷を示す特性曲線
図、図４は再熱蒸気温度の再熱蒸気温度制御系統図、図
５は燃料供給量の燃料制御系統図、図６はボイラの伝熱
面の配置を示す断面図である。

【０００７】図２および図６において、１は給水ポン
プ、２は給水流量調整弁、３は節炭器、４は水冷壁、５
は気水分離器で、これらによって給水系統６が形成され
ている。７は貯水タンク、８は再循環ポンプで、これら
によって再循環系統９が形成されている。１０は１次過
熱器、１１は２次過熱器、１２は３次過熱器で、これら
によって主蒸気系統１３が形成されている。１４は２次
過熱器スプレ流量調整弁、１５は３次過熱器スプレ流量
調整弁、１６は２次、３次スプレ配管、１７は高圧ター
ビン、１８は再熱器、１９は中・低圧タービン、２０は
燃料配管、２１は燃料流量調整弁、２２は燃料流量検出
器、２３は１次過熱器出口蒸気温度検出器、２４は再熱
器出口蒸気温度検出器、２５は主蒸気温度検出器であ
る。

【０００８】従来の変圧貫流ボイラの概略系統は図２に
示す様に、給水ポンプ１によって昇圧された給水は、給
水流量調整弁２を通って、節炭器３及び水冷壁４、気水
分離器５の給水系統６を通過して熱吸収を受け、気水分
離器５において、蒸気と水に分離され、水は貯水タンク
７を通り、再循環ポンプ８よりなる再循環系統９により
再循環される。一方、蒸気は、１次過熱器１０、２次過
熱器１１及び３次過熱器１２の主蒸気系統１３で過熱さ
れ、２次スプレ流量調整弁１４及び３次スプレ流量調整
弁１５を流れる２次、３次スプレ配管１６の給水によっ
て蒸気温度が調整され、所定の蒸気温度となった蒸気は
高圧タービン１７に供給される。高圧タービン１７で仕
事を終えた蒸気の大部分は、再熱器１８で再熱され、中
・低圧タービン１９に供給される。

【０００９】この変圧貫流ボイラは、負荷が高くなり、
水冷壁４の出口で蒸発が完了すると、気水分離器５には
蒸気のみが供給される。この場合には、再循環ポンプ８
の運転を停止し、水／蒸気系統は貫流運転となる。この
貫流運転状態では、負荷に応じて、給水量を変えて蒸気
圧力を図３に示すように制御すると、すなわち、変圧運
転すると低負荷時のプラント効率が改善できる。

【００１０】特に、貫流運転時には、高負荷変化率で運
用すると、タービン入口の蒸気温度が変動しやすく、こ
の変動幅が蒸気温度設定信号に対して大きい場合には、
タービンの寿命消費が大きくなること、また、プラント
効率の低下などが問題となる。

【００１１】貫流運転時の主蒸気系統１３の蒸気温度、
すなわち主蒸気温度の制御は、基本的には、給水流量と
燃料流量の比、すなわち水・燃比を一定に維持すること
である。図３に示した蒸気圧力の制御は、給水量の増減
により達成されるが、給水流量に対する蒸気圧力の応答
は比較的早いので、容易に蒸気圧力を設定値、すなわ
ち、図３に示した変圧パターンに制御可能である。

【００１２】このように、タービンの寿命消費を低減す
るためには、タービン入口蒸気温度すなわち主蒸気温度
検出器２５の主蒸気温度及び再熱器出口蒸気温度検出器
２４の再熱蒸気温度を設定信号近傍に維持することが必
要となる。このうち、一般的には、再熱蒸気温度の制御
の方が困難であるが、これは、プラント効率の低下を防
止するために、再熱器１８の入口ではスプレ水による蒸
気温度制御が使用できないためである。

【００１３】従来、再熱蒸気温度の制御に関しては、図
４に示すように、再熱器出口蒸気温度検出器２４の再熱
器出口蒸気温度検出信号２６と再熱器出口蒸気温度設定
器２７の再熱器出口蒸気温度設定信号２８との間の偏差
信号２９を引算器３０で求め、調節計３１で信号処理し
てフィードバック信号３２とし、加算器３３に入力す
る。

【００１４】一方、負荷要求設定器３４からの負荷要求
設定信号３５にもとづいて、関数発生器３６で先行設定
信号３７を求め、加算器３３で、フィードバック信号３
２（調節計３１の出力信号）と先行設定信号３７（関数
発生器３６の出力信号）を加算して、この制御信号３８
にもとづいて、ガス再循環ファン３９のダンパ制御によ
り、ガス再循環量を調整することにより、再熱蒸気温度
を再熱器出口蒸気温度設定信号２８に維持する。

【００１５】しかしながら、この制御方式では、以下の
ような問題が発生する。例えば、高速で負荷降下させる
場合には、図３に示すように、蒸気圧力も急速に低下す
る。このとき、火炉水冷壁４の熱容量が大きいために、
水冷壁４のメタル温度は急速には低下しないので、水冷
壁４の出口の蒸気温度は、静的な値よりも上昇する。こ
のため、１次過熱器１０の出口の１次過熱器出口蒸気温
度検出器２３の出力信号も静的な値よりも上昇するから
である。

【００１６】一方、燃料流量の制御は、図５に示したよ
うに負荷要求設定器３４からの負荷要求設定信号３５よ
り関数発生器４０によって、静特性上から決定される燃
料流量先行信号４１と、負荷要求設定信号３５を微分器
４２で微分した負荷変化率燃料流量先行信号４３を加算
器４４で加算した燃料流量補正先行信号４５を加算器４
６に入力する。加算器４６では、１次過熱器出口蒸気温
度検出器２３の蒸気温度検出信号４７と、負荷要求設定
器３４からの負荷要求設定信号３５から関数発生器４８
によって決められる１次過熱器出口蒸気温度設定信号４
９とを引算器５０で比較し、この偏差信号５１を調節計
５２で出力信号５３を処理し、前記加算器４４からの燃
料流量補正先行信号４５を加算する。この加算器４６の
出力信号は燃料流量デマンド信号５４であり、この燃料
流量デマンド信号５４と燃料流量検出器２２の燃料流量
検出信号５５を引算器５６で偏差信号５７とし、この偏
差信号５７を調節計５８で信号処理し、この調節計５８
の出力信号５９にもとづいて燃料流量調整弁２１を開、
閉することにより燃料流量を調整していた。

【００１７】従来、燃料流量の制御方式は、図５に示す
ように、高速負荷降下時に１次過熱器出口蒸気温度検出
器２３の蒸気温度検出信号４７が上昇すると、調節計５
２の出力信号５３は負の値となり、燃料流量は低下する
ことになる。このように、燃料流量が静的なバランス値
よりも低下すると、図６に示すように、再熱器１８の入
口ガス温度が低下し、再熱器１８の熱吸収量の低下によ
って、再熱器出口蒸気温度検出器２４の再熱器出口蒸気
温度検出信号２６、すなわち中・低圧タービン入口蒸気
温度が低下する。

【００１８】再熱器出口蒸気温度の制御は、図４に示し
たように、ガス再循環流量によって制御されるが、再熱
器蒸気温度の低下が大きい場合には、ガス再循環流量を
増加させるためのガス再循環ファン３９の容量が過大と
なり、この動力の増加が問題となり実用的ではない。こ
のように、従来の制御方式では、高速負荷変動時に、再
熱器出口蒸気温度を設定値の近傍に維持できず、中・低
圧タービンの寿命消費が大きくなるという点については
配慮されていなかった。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の蒸気温度制
御装置においては高速負荷変動時における再熱器出口蒸
気温度の変動が大きくなるという点について配慮がなさ
れておらず、中・低圧タービンの寿命消費が大きくなる
欠点があった。また、場合によっては、ガス再循環ファ
ンの容量が大容量化する問題があった。本発明は従来技
術の欠点を解消しようとするもので、その目的とすると
ころは、高速負荷変動時における再熱器出口蒸気温度の
変動を小さくすることができ、しかも中・低圧タービン
の寿命消費を少なくできる蒸気温度制御装置を提供する
ことにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の目的を達
成するために、再熱器出口蒸気温度検出器と再熱器出口
蒸気温度設定器の偏差信号から燃料流量フィードバック
補正信号を演算する燃料流量演算器と、燃料流量フィー
ドバック補正信号を加算する燃料流量加算器を燃料流量
制御系に設け、１次過熱器出口蒸気温度検出器と負荷要
求設定器の偏差信号からガス流量フィードバック補正信
号を演算するガス流量演算器と、ガス流量フィードバッ
ク補正信号を加算するガス流量加算器をガス再循環ファ
ン制御系に設け、燃料流量とガス流量のフィードバック
補正信号を加算するようにしたものである。

【００２１】

【作用】高速負荷降下時において、蒸気温度制御装置に
おいては、１次過熱器出口蒸気温度の上昇によって、燃
料供給量は静的なバランス値よりも減少するが、再熱蒸
気温度の低下によって、燃料供給量は増加方向に引きも
どされるように動作する。このとき、１次過熱器出口蒸
気温度の上昇によって、ガス再循環流量が増加し、火炉
水冷壁の熱吸収量を減少させるようになるので、１次過
熱器出口蒸気温度の上昇が緩和され、燃料供給量の絞り
込みが減少するように動作する。それによって、高速負
荷降下時における燃料供給量の絞り込みが小さくなり、
再熱器入口部の燃焼ガス温度の低下が抑制されるととも
に、ガス再循環流量の増加により、再熱器を通過するガ
ス流量が増加するので、再熱蒸気温度は設定値から大き
くはずれることがない。

【００２２】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明
する。図１は本発明の実施例に係るボイラの再熱蒸気温
度制御装置の制御系統図である。図１において、符号２
０から５９は従来のものと同一のものを示す。６０はガ
ス再循環ファン制御系、６１は燃料流量制御系、６２は
偏差信号２９から燃料流量フィードバック補正信号６３
を演算する燃料流量演算器、６４は燃料流量先行信号４
１、燃料流量動的先行信号４３、出力信号５３および燃
料流量フィードバック補正信号６３を加算する燃料流量
加算器、６５は偏差信号５１からガス流量フィードバッ
ク補正信号６６を演算するガス流量演算器、６７はフィ
ードバック信号３２、先行設定信号３７およびガス流量
フィードバック補正信号６６を加算するガス流量加算器
である。

【００２３】この様な構造において、図４および図５に
示す従来技術の蒸気温度制御装置と図１に示す本発明の
実施例に係る蒸気温度制御装置の異なる点は、ガス再循
環ファン制御系６０においては、１次過熱器出口蒸気温
度検出器２３の蒸気温度検出信号４７と負荷要求設定器
３４の１次過熱器蒸気温度設定信号４９との偏差信号５
１からガス流量フィードバック補正信号６６を演算する
ガス流量演算器６５、ガス流量加算器６７を設けるとと
もに、燃料流量制御系６１においては、再熱器出口蒸気
温度設定器２７の再熱器出口蒸気温度設定信号２８と再
熱器出口蒸気温度検出器２４の再熱器出口蒸気温度検出
信号２６との偏差信号２９から燃料流量フィードバック
補正信号６３を演算する燃料流量演算器６２、燃料流量
加算器６４を設けた点にある。

【００２４】まず、燃料流量制御系６１においては、負
荷要求設定器３４からの負荷要求設定信号３５から静的
バランス値によって決定される関数発生器４０の出力信
号である燃料流量先行信号４１、負荷要求設定器３４か
らの負荷要求設定信号３５の微分値によって決定される
微分器４２の出力信号である燃料流量動的先行信号４
３、１次過熱器出口蒸気温度検出器２３からの蒸気温度
検出信号４７と負荷要求設定器３４の負荷要求設定信号
３５によって決まる関数発生器４８の出力信号である１
次過熱器出口蒸気温度設定信号４９との間の偏差信号５
１にもとづく出力信号５３（調節計５２の出力信号５
３）、さらに、再熱器出口蒸気温度検出器２４からの再
熱器出口蒸気温度検出信号２６と再熱器出口蒸気温度設
定器２７の再熱器出口蒸気温度設定信号２８との間の偏
差信号２９にもとづく燃料流量フィードバック補正信号
６３より構成される。

【００２５】次に、ガス再循環ファン制御系６０におい
ては、負荷要求設定器３４からの負荷要求設定信号３５
から静的バランス値によって決定される関数発生器３６
の出力信号であるガス再循環流量先行信号３７、再熱器
出口蒸気温度検出器２４の再熱器出口蒸気温度検出信号
２６と再熱器出口蒸気温度設定器２７の再熱器出口蒸気
温度設定信号２８との間の偏差信号２９にもとづくフィ
ードバック信号３２（調節計３１の出力信号）、さら
に、１次過熱器出口蒸気温度検出器２３の蒸気温度検出
信号４７と負荷要求設定器３４の負荷要求設定信号３５
によって決まる関数発生器４８の出力信号である１次過
熱器出口蒸気温度設定信号４９との間の偏差信号５１に
もとづくガス流量フィードバック補正信号６６（ガス流
量演算器６５の出力信号）より構成される。

【００２６】ボイラが高負荷変化率で負荷降下した場合
の本発明になる蒸気温度制御装置の作用を以下に説明す
る。前述したように、変圧貫流ボイラでは、負荷降下
時、水冷壁４の大きな熱容量効果と減圧していく効果の
ために、１次過熱器出口蒸気温度検出器２３の蒸気温度
検出信号４７は１次過熱器出口蒸気温度設定信号４９よ
りも上昇するので、調節計５２の出力信号５３は負の大
きな値になろうとする。負荷効果時であるため、微分器
４２の燃料流量動的先行信号５３は負となり、燃料流量
デマンド信号５４は、静的にバランスすべき燃料流量
（関数発生器４０の出力信号）よりも減少しようとする
が、この燃料流量の低下は、再熱器入口燃焼ガス温度の
低下をもたらし、再熱器出口蒸気温度検出器２４の再熱
器出口蒸気温度検出信号２６が低下し、再熱器出口蒸気
温度設定器２７の再熱器出口蒸気温度設定信号２８より
も小さくなる。このため、燃料流量演算器６２の燃料流
量フィードバック補正信号６３は正の値となって、燃料
流量デマンド信号５４を増加させる。

【００２７】なお、再熱器出口蒸気温度検出器２４の再
熱器出口蒸気温度検出信号２６の低下によって、調節計
３１のフィードバック信号３２は増加するとともに、１
次過熱器出口蒸気温度検出器２３の蒸気温度検出信号４
７の増加によって、ガス流量演算器６５のガス流量フィ
ードバック補正信号６６も増加するように動作して、ガ
ス再循環ファン３９のダンパ開度は増加し、ガス再循環
流量が増加するので、火炉水冷壁４の熱吸収量は減少し
てくる。

【００２８】このため、火炉水冷壁４の下流側にある１
次過熱器出口蒸気温度検出器２３の蒸気温度検出信号４
７は減少する。したがって、調節計５２の出力信号５３
は、燃料供給量を増加させるように動作する。

【００２９】以上のように、本発明の制御方式では、燃
料供給量とガス再循環流量を協調をとって制御している
ので、高速負荷変化時においても、再熱器１８の熱吸収
量を適切に制御できるので、再熱蒸気温度を設定値近傍
に維持できる。このため、中・低圧タービンの寿命消費
を軽減できるという効果がある。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、高速負荷変動時であっ
ても再熱器出口蒸気温度の変動を小さくすることがで
き、中・低圧タービンの寿命消費を低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るボイラの再熱蒸気温度制
御装置の制御系統図である。

【図２】変圧貫流ボイラの概略系統図である。

【図３】縦軸に蒸気圧力、横軸にボイラ負荷を示す特性
曲線図である。

【図４】再熱蒸気温度の再熱蒸気温度制御系統図であ
る。

【図５】燃料供給量の制御系統図である。

【図６】ボイラの伝熱面の配置を示す断面図である。

【符号の説明】

２１ 燃料流量調整弁 ２２ 燃料流量検出器 ２３ １次過熱器蒸気温度検出器 ２４ 再熱器出口蒸気温度検出器 ２７ 再熱器出口蒸気温度設定器 ２９ 偏差信号 ３２ フィードバック信号 ３４ 負荷要求設定器 ３７ 先行設定信号 ３９ ガス再循環ファン ５１ 偏差信号 ５４ 燃料流量デマンド信号 ５５ 燃料流量検出信号 ６０ ガス再循環ファン制御系 ６１ 燃料流量制御系 ６２ 燃料流量演算器 ６３ 燃料流量フィードバック補正信号 ６４ 燃料流量加算器 ６５ ガス流量演算器 ６６ ガス流量フィードバック補正信号 ６７ ガス流量加算器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 再熱器出口蒸気温度検出器と再熱器出口
   蒸気温度設定器からのフィードバック信号と、フィード
   バック信号と負荷要求設定器からの先行設定信号との偏
   差によってガス再循環ファンを制御するガス再循環ファ
   ン制御系と、１次過熱器出口蒸気温度検出器と負荷要求
   設定器からの燃料流量デマンド信号と、燃料流量デマン
   ド信号と燃料流量検出器からの燃料流量検出信号との偏
   差によって燃料流量調整弁を制御する燃料流量制御系か
   らなる制御装置において、 前記再熱器出口蒸気温度検出器と再熱器出口蒸気温度設
   定器の偏差信号から燃料流量フィードバック補正信号を
   演算する燃料流量演算器と、燃料流量フィードバック補
   正信号を加算する燃料流量加算器を燃料流量制御系に設
   け、 １次過熱器出口蒸気温度検出器と負荷要求設定器の偏差
   信号からガス流量フィードバック補正信号を演算するガ
   ス流量演算器と、ガス流量フィードバック補正信号を加
   算するガス流量加算器をガス再循環ファン制御系に設
   け、フィードバック補正信号を加算するように構成した
   ことを特徴とする変圧貫流ボイラの蒸気温度制御装置。