JP3890355B2 - ボイラ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラントに用いられるボイラ制御装置に係り、特に、プラント出力変化時のボイラ入力量を制御し、ボイラ出口の蒸気圧力、蒸気温度を制御するボイラ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラ制御は、プラント出力指令値に追従して出力を調整すると同時に、給水、燃料などのボイラ入力量を調整してボイラ出口蒸気圧力、温度を規定値に制御するものである。
図３は、従来技術として一般的なボイラ制御回路の一例である。図３において、出力目標値３１から出力変化設定１１１に基づいて変化率制限器３６で作成した出力指令値ＭＷＤ１１０（以下、ＭＷＤと称す。）は、関数器３７を介してボイラ出口蒸気圧力ＭＳＰ３２（以下、ＭＳＰと称す。）との偏差信号（減算器３８）に基づく補正信号（ＰＩ３９）を加算（加算器３１０）することでボイラ入力指令値ＢＩＤ３３（以下、ＢＩＤと称す。）となる。このＢＩＤに基づいて関数発生器３１１で給水流量の目標値を作成し、また、関数発生器３１３で燃料流量の目標値を作成する。
ところで、プラント出力が変化する際は、ボイラの応答遅れによって過渡的にボイラ出口の蒸気圧力や蒸気温度が変動する。これを補償するために、プラント出力変化状態に応じて給水、燃料などのボイラ入力を先行的に操作するための役割を持つボイラ入力加速信号回路（以下、ＢＩＲと称す。）１９が設置されている。このＢＩＲ回路１９は、出力変化幅検出回路４１においてＭＷＤ１１０と出力目標値３１からプラント出力変化量である出力変化幅を求め、ＢＩＲ投入量計算ブロック４２において出力変化幅とプラント出力変化速度である出力変化率設定１１１とからＢＩＲ投入量を算出する。このＢＩＲ投入量はＢＩＲ変化率設定ブロック４３において投入時と戻し時の変化率を制限し、最終的なＢＩＲ信号４４を与えるのが一般的である。
そこで、関数発生器３１１の出力とＢＩＲ回路１９の出力３１８を加算器３１２で加算した給水流量目標値（ＷＦＤ）３４を給水制御系３１５に出力し、関数発生器３１３の出力とＢＩＲ回路１９の出力３１９を加算器３１４で加算した燃料流量目標値（ＦＦＤ）３４を燃料制御系３１６に出力する。なお、出力制御系３１７にはＭＷＤ１１０を出力する。
なお、ＢＩＲ回路に関する公知技術としては、図３に示した以外に特開平５−７１７０１号公報に開示されている。この公報には、不定、不規則なプラント出力運用形態に対応するために、出力目標値の一定期間内の変動量の平均値を求め、この平均値に基づいてＢＩＲを修正する手段が記載されている。
以上のＢＩＲ回路に関する従来技術に対し、図４、図５で示す出力運用形態における問題点を説明する。
図４は、プラントの出力変化パターンが定められておらず、最終的な出力目標値が不定であることが特徴の出力運用形態である。この運用では、出力目標値の小さな変化（出力変化幅Ｗｓ）が一回だけ来た場合は、ボイラ保有熱量の効果によりＭＳＰ変動が少ないため、ＢＩＲ投入は必要としない。一方、出力変化幅Ｗｓの小さな変化が数回にまたがって来た場合には、図中ａ点（ＷＬ＞Ｗｓ）までＭＷＤが変化した時点でＢＩＲを投入する必要があり、また、ｂ点までＭＷＤが変化した時点で更にＢＩＲを増やす必要がある。
しかし、従来技術では、「従来技術のＢＩＲ波形４４」に示すように、出力変化幅を判定してＢＩＲ投入量を決定できる。このため、小さな出力変化が１回の時はＢＩＲを投入しないようにできる。しかしながら、小さな出力変化が複数回続いた時は、小さな出力変化（出力変化幅Ｗｓ）としか判定できないため、ＢＩＲが投入されず、ＭＳＰが大きく変動するという問題点がある。
一方、特開平５−７１７０１号公報の従来技術では、出力目標値の一定期間内の変動量の平均値を指標としてＢＩＲを修正するが、この平均値は出力目標値が更新される周期によって大きさが左右される。このため、出力目標値の更新周期が一定であれば、正しい平均値が得られ、図４に示す適正なＢＩＲを与えることができる。これに対し、出力目標値の更新周期が一定でない出力運用形態の場合は正しい平均値が得られない。このため、小さな出力変化が複数回続いた時は図４に示す適正なＢＩＲを与えることができず、ＭＳＰが変動するという問題点がある。
図５は、図４と同様の出力運用形態において、一定方向の出力変化ではなく、出力目標値の増加と減少が連続で与えられた結果、ＭＷＤの変化が上昇継続中に降下方向へ反転したケースである。この運用では、図中ａ点、ｂ点までＭＷＤが変化した時点でＢＩＲを投入、増加してゆき、次にＭＷＤが反転し、ＭＷＤが変化した時点ｃまでに増ＢＩＲを即時リセットし、且つ、減ＢＩＲを投入する必要がある。
しかし、従来技術、特開平５−７１７０１号公報の従来技術ともに、「従来技術のＢＩＲ波形４４」に示すように、増ＢＩＲをリセットする側の変化率制限が動作することにより、余剰なＢＩＲが入ったままになるため、ＭＳＰが大きく変動するという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のＢＩＲ作成手段では、不規則なプラント出力運用形態において適切なＢＩＲを得ることが困難であり、プラント出力変化時にボイラの蒸気圧力、蒸気温度の制御性が低下するという問題がある。
そこで、本発明の課題は、不規則なプラント出力運用形態においても必要なＢＩＲを精度良く与え、ボイラ出口蒸気圧力、蒸気温度を良好に制御するに好適なボイラ制御装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、プラントの出力指令値に基づいてプラント出力変化の継続時間を作成する出力変化継続時間算出手段と、プラント出力変化率設定に応じてプラント出力変化の継続時間を補正する時間補正手段と、補正されたプラント出力変化の継続時間に基づいてボイラ入力量の補正量を決定するボイラ入力加速信号を生成する計算手段と、出力変化継続時間算出手段から出力されるプラント出力変化検出結果とボイラ入力量の補正量に基づいてボイラ入力加速信号の操作変化率を補正するボイラ入力加速信号の補正手段を備え、ボイラ入力量の制御信号を操作変化率補正後のボイラ入力加速信号によって補正し、最終的なボイラ入力量を決定する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明のボイラ制御装置の一実施形態を示す。図１において、ボイラ制御装置１１は、ＭＷＤ１１０を作成する出力指令作成ブロック１３と、ＭＷＤを受けて出力を制御する出力制御系１４と、ＭＷＤを受けてＢＩＤ３３を作成するボイラ入力制御ブロック１５と、ＢＩＤ３３とＢＩＲ回路１９で求めたＢＩＲ１１２を受けて給水、燃料を制御する給水制御系１６、燃料制御系１７及びその他制御系１８とから構成され、発電プラント１２に対して制御信号を出力する。ここで、ＢＩＲ回路１９は、以下の機能を持つブロックで構成される。出力上昇継続時間計算ブロック１２０と出力下降継続時間計算１２１は、ＭＷＤ１１０を受けて出力変化が継続している時間を作成する。ブロック１２０は、出力上昇継続時間１７０と出力上昇検出結果１７２を出力する。ブロック１２１は、出力降下継続時間１７１と出力降下検出結果１７３を出力する。上昇継続時間補正ブロック１３０と降下継続時間補正１３１は、出力変化率設定１１１に基づいてそれぞれ出力上昇継続時間１７０と出力降下継続時間１７１を補正する。増ＢＩＲ投入量計算ブロック１４０は、補正された出力上昇継続時間に基づいて増側のＢＩＲ投入量１７４を出力する。減ＢＩＲ投入量計算ブロック１４１は、補正された出力降下継続時間に基づいて減側のＢＩＲ投入量１７５を出力する。増ＢＩＲ変化率補正ブロック１５０は、出力降下検出結果１７３と減側ＢＩＲ投入量１７５に基づいて増側ＢＩＲ投入量１７４の変化率補正を行う。減ＢＩＲ変化率補正ブロック１５１は、出力上昇検出結果１７２と増側ＢＩＲ投入量１７４に基づいて減側ＢＩＲ投入量１７５の変化率補正を行う。ブロック１５０と１５１から出力された増側ＢＩＲ信号と減側ＢＩＲ信号は、加算器１６０で加算されてＢＩＲ１１２となる。
【０００６】
以下、ＢＩＲ回路１９の各構成要素の動作について、図２の具体的な構成手段を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明は、図１のＢＩＲ回路１９の各ブロック番号と対比した形で示している。
ブロック１２０は、ＭＷＤ１１０を微分器２０３で微分し、この出力をモニタリレーＭＲ２０４で監視することで出力上昇検出結果１７２を得る。これとブロック１２１で得た出力降下検出結果１７３の否定条件との論理積演算により出力上昇継続中を得る。出力上昇継続中であれば、信号切替器Ｔはｔ秒２０１側を選択する。選択されたｔ秒は変化率制限器２０５によって低速の変化率制限を受け、時間経過に従った所定の変化率で増加し、これが出力上昇継続時間１７０として与えられる。ここで、上記の出力上昇継続中の判定が喪失した場合は、信号切替器Ｔは０秒２０２側を選択する。選択された０秒は変化率制限器２０５によって高速の変化率制限を受け、出力上昇継続時間１７０は瞬時に０秒となる。このように、変化率制限器２０５は入力信号を切替える方向によって異なった変化率を設定できようになっている。
ブロック１２１は、ブロック１２０と同様の考え方によって動作するため、細部説明を省略するが、変化率制限器２０８から出力降下継続時間１７１が出力される。
以上のブロック１２０、１２１によれば、プラント出力変化量を出力変化の継続時間として把握できる。かつ、実際にプラント出力を動かしている出力指令値ＭＷＤに基づいて出力変化を検出するため、出力目標値のいかなるパターン変化にも影響されることなく、正確な出力変化継続時間を得られる。従って、電力会社毎に異なる出力運用形態に対して区別なく適用できる。
【０００７】
ブロック１３０は、出力変化率設定１１１に基づく関数発生器２０９の出力を乗算器２１０に与え、出力上昇継続時間１７０を補正する。補正の考え方は、出力変化率設定が大きいほど出力上昇継続時間を大きく補正し、出力変化率設定が小さいほど出力上昇継続時間を小さく補正する。
ブロック１３１は、ブロック１３０と同様の考え方によって動作するため、細部説明を省略するが、乗算器２１２からは補正された出力降下継続時間が出力される。
以上のブロック１３０、１３１によれば、出力変化率が変化した場合でも出力変化継続時間は、常に正確なプラント出力変化量として捉えることができる。
【０００８】
ブロック１４０は、上記の補正された出力上昇継続時間に基づいて関数発生器２１３により増側ＢＩＲ投入量１７４を作成する。関数発生器２１３には、出力上昇継続時間を横軸とし、増側ＢＩＲ投入量を縦軸とする任意の関係を設定する。
ここで、図６を用いて、ブロック１３０において出力変化率設定１１１により補正された出力上昇継続時間と、ブロック１４０の関数発生器２１３で得られる増側ＢＩＲ投入量との関係を説明する。図６において、ＢＩＲ（ＲＢ：基準変化率設定）は、任意に決定した基準変化率設定（ＲＢ）において関数発生器２１３に設定した関数を示している。ここで、出力変化率設定が基準変化率設定ＲＢの時に、実出力が変化する或る出力変化幅の時間をＴとすると、基準変化率設定の２倍の変化率（２・ＲＢ）の場合は０．５・Ｔとなる。このため出力変化率が２・ＲＢの時のＢＩＲ（２・ＲＢ）は基準変化率設定時のＢＩＲ（ＲＢ：基準変化率設定）よりも早い時点（０．５・Ｔ時点）で投入する必要がある。
この出力変化率によるＢＩＲ投入タイミングの調整は、変化率関数発生器２０９と乗算器２１０により実現させている。即ち、出力上昇継続時間を基準変化率設定時の２倍に補正し、この結果関数発生器２１３の横軸は２倍の速度で変化することになり、出力上昇を開始してからの時間経過で見たＢＩＲは、基準変化率設定におけるＢＩＲ（ＲＢ：基準変化率設定）をＢＩＲ（２・ＲＢ）方向へシフトした波形が得られる。同様の仕組みにより、出力変化率設定が基準変化率設定の０．５倍の変化率（０．５・ＲＢ）となった場合は、基準変化率設定におけるＢＩＲ（ＲＢ：基準変化率設定）をＢＩＲ（０．５・ＲＢ）方向へシフトした波形が得られる。
このように、関数発生器２１３は、唯一基準変化率設定におけるＢＩＲ投入関数を持つだけでよく、回路の簡素化が可能となる。
ブロック１４１は、ブロック１４０と同様の考え方によって動作するため、細部説明を省略するが、関数発生器２１４からは減側ＢＩＲ投入量１７５が出力される。
以上のブロック１３０，１３１と１４０，１４１の組み合わせによれば、関数発生器２１３、２１４は基準となる出力変化率の分だけ持てば良く、簡単な回路構成で様々な出力変化率に対応した適切なＢＩＲ投入量を求めることができる。また、関数発生器２１３、２１４の設定も簡単に決定することができる。すなわち、図４で示される目標ＢＩＲを得るには、基準の出力変化率でａ点、ｂ点に到達する時間を横軸とし、それぞれのＢＩＲ投入量を縦軸に設定すれば良い。
【０００９】
ブロック１５０は、増側ＢＩＲ投入量１７４に対し、変化率制限器２１８により増方向変化率と減方向変化率を設定する。ここで、増方向変化率は、変化率制限器２１８自身が持つ設定値として固定値を与える。一方、減方向変化率ＲＤは、出力変化の状況に応じて切替えられた低速２１６と高速２１７の変化率が外部から与えられる。すなわち、ブロック２０７からの出力降下検出結果１７３と、モニタリレー２１５による減側ＢＩＲ投入量１７５の動作検出結果との論理積出力がＯＮの時は、高速変化率２１７が選択されて変化率制限器２１８の減方向変化率として与えられる。こうすることにより、出力上昇中に出力変化方向が反転し、出力降下を始めた時点で零信号の位置にある増側ＢＩＲ投入量１７４が即時に変化率制限器２１８の出力になることから、余剰なＢＩＲがいつまでも残ることがない。
ブロック１５１は、ブロック１５０と同様の考え方によって動作するため、細部説明を省略するが、減側ＢＩＲ投入量１７５に対し、変化率制限器２２２により増方向変化率と減方向変化率を設定する。ここで、出力降下中に出力変化方向が反転し、出力上昇を始めた時点で零信号の位置にある減側ＢＩＲ投入量１７５が即時に変化率制限器２２２の出力になることから、余剰なＢＩＲがいつまでも残ることがない。
以上のブロック１５０、１５１によれば、図５の出力運用形態においてｃ点到達時点で減側ＢＩＲが投入されると同時に、増側ＢＩＲの減レートは高速側が選択されて即時にリセットされるため、蒸気圧力、蒸気温度を良好に制御することができる。このため、最も過酷な運転形態であるＡＦＣ運用プラントにおいて特に効果が得られる。
【００１０】
図４、図５に、本発明のＢＩＲ波形を示す。
図４は、上述したように、プラントの出力変化パターンが定められておらず、最終的な出力目標値が不定であることが特徴の出力運用形態であるが、この運用において、従来技術では、「従来技術のＢＩＲ波形４４」に示すように、小さな出力変化が複数回続いた時は、小さな出力変化（出力変化幅Ｗｓ）としか判定できないため、ＢＩＲが投入されず、ＭＳＰが大きく変動するという問題点があるに比し、本発明では、「本発明のＢＩＲ波形１１２」で示すように、出力変化幅Ｗｓの小さな変化が数回にまたがって来た場合には、図中ａ点（ＷＬ＞Ｗｓ）までＭＷＤが変化した時点でＢＩＲを投入し、また、ｂ点までＭＷＤが変化した時点で更にＢＩＲを増やすので、ＭＳＰの変動を抑制することができる。
また、図５は、上述したように、図４と同様の出力運用形態において、一定方向の出力変化ではなく、出力目標値の増加と減少が連続で与えられた結果、ＭＷＤの変化が上昇継続中に降下方向へ反転したケースであるが、この運用において、従来技術では、「従来技術のＢＩＲ波形４４」に示すように、ＭＷＤが反転し、図中ｃ点で増ＢＩＲをリセットする側の変化率制限が動作することにより、余剰なＢＩＲが入ったままになるため、ＭＳＰが大きく変動するという問題があるに比し、本発明では、「本発明のＢＩＲ波形１１２」で示すように、図中ａ点、ｂ点までＭＷＤが変化した時点でＢＩＲを投入、増加してゆき、次にＭＷＤが反転し、減ＢＩＲが投入されるべきｃ点までにＭＷＤが変化した時点で増ＢＩＲを即時リセットし、且つ、減ＢＩＲを投入するので、ＭＳＰの変動を抑制することができる。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、不定、不規則な出力運用形態をとる発電プラントにおいて、簡単な回路構成によって必要なＢＩＲを精度良く与えることができ、これによってプラント出力変化時のボイラ入力量を適正に制御することができ、ボイラ出口蒸気圧力、蒸気温度を規定値に保つように良好に制御することができる。
また、実際のプラント出力変化量に相当するプラント出力変化の継続時間を用いてＢＩＲ投入量を計算するので、出力目標値の変化パターンに関わらず必要なＢＩＲを得ることができ、従って如何なるプラント出力運用形態にも容易に適用可能である。
また、プラント出力変化率で出力変化の継続時間を補正するので、出力変化継続時間は常に実際の出力変化量相当に補正され、これにより出力変化率が変化してもＢＩＲ投入量を精度良く計算することができる。
また、プラント出力変化方向の反転と、反転した方向のＢＩＲ投入タイミングとを検出した時は、反転前に投入していたＢＩＲを即時にリセットするので、余剰なＢＩＲが残らずに必要なＢＩＲを瞬時に得ることができ、従って出力目標値が頻繁に反転する形態を持つＡＦＣ運用プラントなどに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のボイラ制御装置の一実施形態
【図２】本発明の具体的な構成手段を示すブロック図
【図３】従来技術としての一般的なボイラ制御回路の一例
【図４】本発明と従来技術による発電プラントにおける出力運用形態の一例
【図５】本発明と従来技術による発電プラントにおける出力運用形態の二例
【図６】本発明の出力変化率設定とＢＩＲ投入量との関係を示す説明図
【符号の説明】
１１…ボイラ制御装置、１２…発電プラント、１９…ＢＩＲ回路、１１０…ＭＷＤ、１１１…出力変化率設定、１１２…ＢＩＲ、１２０，１２１…出力変化継続時間計算ブロック、１３０，１３１…出力変化継続時間補正ブロック、１４０，１４１…ＢＩＲ投入量計算ブロック、１５０，１５１…ＢＩＲ変化率補正ブロック

Claims (4)

1. ボイラ入力指令に基づいて給水、燃料など複数のボイラ入力量を制御する発電プラントのボイラ制御装置において、前記プラントの出力指令値に基づいてプラント出力変化の継続時間を作成する出力変化継続時間算出手段と、プラント出力変化率設定に応じて前記プラント出力変化の継続時間を補正する時間補正手段と、前記補正されたプラント出力変化の継続時間に基づいて前記ボイラ入力量の補正量を決定するボイラ入力加速信号を生成する計算手段と、前記出力変化継続時間算出手段から出力されるプラント出力変化検出結果と前記ボイラ入力量の補正量に基づいて前記ボイラ入力加速信号の操作変化率を補正するボイラ入力加速信号の補正手段を備え、前記ボイラ入力量の制御信号を前記操作変化率補正後のボイラ入力加速信号によって補正し、最終的なボイラ入力量を決定することを特徴とするボイラ制御装置。
2. 請求項１において、前記出力変化継続時間算出手段は、変化率制限器を有し、入力される信号を切替える方向に応じて異なった前記プラント出力変化率を設定することを特徴とするボイラ制御装置。
3. 請求項１において、前記時間補正手段は、関数発生器を有し、前記プラント出力変化率設定に基づいて前記出力変化継続時間算出手段から出力される出力変化率設定が大きいほど前記プラント出力変化の継続時間を大きく補正し、前記変化率制限器から出力される出力変化率設定が小さいほど前記プラント出力変化の継続時間を小さく補正することを特徴とするボイラ制御装置。
4. 請求項１において、前記ボイラ入力加速信号の補正手段は、増方向変化率と減方向変化率を設定する変化率制限器を有し、前記プラント出力変化方向が反転し、出力降下を始めた時点で増側ボイラ入力加速信号を即時にリセットし、また、出力上昇を始めた時点で減側ボイラ入力加速信号を即時にリセットすることを特徴とするボイラ制御装置。

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