がんばれ、 ぼくらの石炭焚き変圧貫流ボイラ発電プラント！

～その特性は？制御は？～

三菱日立パワーシステムズ(株) 三宅 盛士

２０１６年 ３月１２日

2

目次

NO. 項 目 １～３ 火力発電が置かれている環境 ・・・・・・・・・・・・

４～６ 石炭焚き変圧貫流ボイラの特徴 ・・・・・・・・・・・・

７ 超臨界圧定圧および変圧貫流ボイラの変遷 ・・・・・・

８ ボイラ型式の分類 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・

９ 貫流ボイラの主な(２大)制御対象 ・・・・・・・・・・・・

１０ 貫流ボイラの主蒸気温度制御のバリエーション ・・・

１１ ドラム型ボイラの蒸気温度制御概念図 ・・・・・・・・・

１２～１３ 変圧貫流ボイラの水燃比制御概念図 ・・・・・・・・・

１４ 変圧貫流ボイラのエンタルピ制御概念図 ・・・・・・・・・

１５～１７ 各種制御方式の比較まとめ表 ・・・・・・・・・・・

１８～２０ 変圧貫流ボイラの動特性に注目しよう ・・・・・・・・

２１ ボイラステップ応答結果から言えること ・・・・・・・・

２２ 水燃比制御型ボイラの調整実績でも実は… ・・・・・

２３～２７ エンタルピ制御のアドバンテージ(非干渉補償) ・・・・

２８～３１ 応答の打消し合いは本当に成立するのだろうか？ ・・

３２～３３ 非干渉化パラメータ同定 ・・・・・・・・・・・・・

３４ ボイラ入力加速信号(BIR)調整の容易化 ・・・・・・・

３５ 実際のエンタルピ制御回路 ・・・・・・・・・・・・

３６ 過熱器スプレ制御とエンタルピ制御の連携 ・・・・・・

３７ 運転実績の例 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

３８～３９ 終わりに ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

スライドNO. 3～5

6～8

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11

12

13

14～15

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17～19

20～22

23

24

25～29

30～33

34～35

36

37

38

39

40～41

4

CO2排出量削減 ～ 高効率化、CCS(Carbon Capture System) 再生可能エネルギーの増加 ～ 太陽光、太陽熱、風力

電力需要変動への対応の負担増大 1. 高負荷変化率 2. 最低負荷低減

【出典：日本経済新聞2015.6.1】

国内電源構成比率の推移 (2030年は政府見通し)

２ 火力発電が置かれている環境 (2／3)

5

出典：Fraunhofer ISE, http://www.ise.fraunhofer.de

ドイツの週間発電量（2014）

ガス焚の大部分はほとんど停止 太陽光・風力は優遇

石炭が需給調整

ドイツでは石炭火力が需要変動への対応を支えている

水力 バイオ

原子力

褐炭

石炭 ガス

風力

太陽

３ 火力発電が置かれている環境 (3／3)

8

６ 石炭焚き変圧貫流ボイラの特徴 (3／3)

燃料が安い 燃料系の応答遅れ 火炉が大きくなりがち 熱容量が大きく熱応答遅れが大きい

石炭焚き (石油・ガスに比べて)

変圧 (定圧に比べて)

貫流 (トラム型に比べて)

部分負荷でのプラント効率が良い 負荷変化時のオーバー／アンダーファイアリング量が大 温度制御への外乱が大

運転圧力を上げることができる(超臨界圧) プラント効率を高くできる ドラム型に比べ熱容量が小さ目 熱応答遅れは相対的に小さい 圧力(負荷)制御と温度制御とが干渉し易く制御が難しい

12

燃料流量，給水流量のどちらを変化させても 水燃比を変えることができる。

例えば・・・

・ 給水流量を基準とし燃料流量増

または，燃料流量を基準とし給水流量減

【日本、米国など】

ボイラ入力(BID)＝給水流量を基準とし，

燃料流量変化による蒸気温度制御

10 貫流ボイラの主蒸気温度制御のバリエーション

WW SH

温度

（また比エンタルピ）

蒸発完了点

蒸気温度上昇 上流に移動

蒸発完了点変動

SH 主蒸気温度 給水流量

燃料流量

操作量

制御対象点

操作量 WW

圧力(MW)制御

温度制御 燃料流量

BID 給水流量

圧力(MW)制御

比エンタルピ制御

燃料流量 BID

給水流量

【ヨーロッパなど】

ボイラ入力(BID) ＝燃料流量を基準とし，

給水流量変化による蒸気温度制御

16

温度変動幅

水冷壁出口蒸気温度は 燃料流量で制御される

WW SH

主蒸気温度は 過熱器スプレ流量で

制御される

水冷壁入口 給水温度

主蒸気温度

水冷壁出口 蒸気温度

給水流量

動的な制御流れイメージ

過熱ゾーン 蒸発ゾーン

蒸気流量

蒸発完了点固定

給水流量

燃料流量

過熱器スプレ流量

過熱器スプレ流量

14 変圧貫流ボイラのエンタルピ制御概念図

制御で実施

変動をリセット

特徴

1. 水冷壁出口蒸気エンタルピが

制御され、SH入口温度の変動

が低減されるため、SH出口の

温度変動幅も低減される。

2. 主蒸気温度は、制御応答性の

良い過熱器スプレで(ガンガン)制御できる。

3. 上記１と２の機能分担がクリア

にできるので、コンスタントスプ

レ機能を無理なく構成できる。

4. 蒸発完了点の固定は制御で

実現するため理想通りにはい

かないが、制御応答性の良い

給水で制御するので効果的。

19

変圧貫流ボイラのエンタルピ制御 制御方法 変圧貫流ボイラの新型水燃比制御

さらに低い 制御干渉性 低い

水冷壁出口蒸気エンタルピ制御 給水流量 燃料流量 水冷壁出口蒸気温度制御

主蒸気温度制御 過熱器スプレ流量 主蒸気温度制御

系統図

過熱器スプレ流量

蒸発完了点固定

過熱ゾーン 蒸発ゾーン

WW SH

蒸気流量 給水流量

水冷壁出口 蒸気エンタルピ固定

燃料流量

主蒸気温度

WW SH

過熱器スプレ流量

蒸発完了点固定

過熱ゾーン 蒸発ゾーン

蒸気流量 給水流量

蒸気温度固定

燃料流量

主蒸気温度 水冷壁出口

17 各種制御方式の比較まとめ表 (3/3)

【エンタルピ制御と新型水燃比制御】

20

貫流ボイラ制御のバリエーションを紹

介しましたが、いったいどれが好まし

いやり方なんでしょうか・・・

まずは原点に帰って、貫流ボイラの

動特性に注目しましょう！

18 変圧貫流ボイラの動特性に注目しよう (1/3)

23

21 ボイラステップ応答結果から言えること

これらのステップ応答結果を踏まえて湧く疑問

圧力を制御するために給水をメインにしてきたコンセ

プトは正しかったのか？

給水を速く動かせば圧力制御は良好にできると考え

てなかったか？

そもそも、水燃比制御においてはBID＝給水流量指

令で「圧力は給水が制御するのだ！」ということを回

路構成上宣言している。その下で、燃料は温度制御

のために勝手に変えられてしまう。圧力、MWに効く

燃料をこんなにいとも簡単に変動させて良いのか？

このような疑問に対応すると自然な発想として…

圧力、MWに燃料が効くのなら、BID＝燃料流量指令

の構成をメインにしよう。

比エンタルピの応答性は給水による方が良かったの

だから、比エンタルピの制御は給水にやらせよう。

エンタルピ制御方式の採用

圧力(MW)制御

温度制御

燃料流量

BID 給水流量

圧力(MW)制御

比エンタルピ制御

燃料流量 BID

給水流量

WW SH

燃料流量

ガツン！

圧力、MW

グイッと！

給水流量 従来からの イメージ

27

S

PID

PID

S

S

G1(s)

燃焼指令

給水指令 蒸発器出口 エンタルピ

主蒸気圧力

主蒸気圧力設定

負荷指令 BID

蒸発器出口 エンタルピ設定

+

+

-

+

+ -

+ +

+

+

+

-

制御装置側 プロセス側

エンタルピ制御型制御の制御ループ間干渉と補償(1)

T =15～30sec

25 エンタルピ制御のアドバンテージ(非干渉補償)(3/5)

G1(s) = 制御回路で干渉を打ち消

す信号

29

S

PID

PID

S

S 燃焼指令

給水指令 蒸発器出口 エンタルピ

主蒸気圧力

主蒸気圧力設定

負荷指令 BID

蒸発器出口 エンタルピ設定

+

+

-

+

+ -

+ +

- + +

+

+

-

制御装置側 プロセス側

エンタルピ制御型制御の制御ループ間干渉と補償(2)

G2(s)

G1(s) 不完全微分形

27 エンタルピ制御のアドバンテージ(非干渉補償)(5/5)

G2(s) = この干渉影響は微分的

36

S

PID

PID

S

S

G2(s)

燃焼指令

給水指令 蒸発器出口 エンタルピ

主蒸気圧力

主蒸気圧力設定

負荷指令 BID

蒸発器出口 エンタルピ設定

+

+

-

+

+ -

+ +

- + +

+

+

-

制御装置側 プロセス側

負荷指令

燃料BIR

給水BIR

発電機出力

主蒸気温度 S

PID

PID

S

S

燃焼指令

給水指令

蒸気温度

主蒸気圧力

主蒸気圧力設定

負荷指令 BID

蒸気温度設定

+

+

-

+

+ -

+ +

+ +

+

-

制御装置側 プロセス側

MWと温度の仕上が

りを見てベテラン調整員がBIR波形を調整

芸術的！ 絵を描くよ

うに

水燃比制御型

エンタルピ制御型

水燃比制御型ではBIR波形を弄るごとに

新たな干渉影響が発生する。 エンタルピ制御型では、燃料、給水に個別

にBIRを投入せずBIDに作用させれば、非

干渉化機能が動特性にマッチした波形を

分配してくれる。

G1(s)

34 ボイラ入力加速信号(BIR)調整の容易化

37

ボイラ負荷相当の火炉水壁伝熱量

Qww(静特性)

圧力

Δ

蒸気表 h

Δ Σ f(x)

BID

PI ＞ ＜ ｜ ｜

÷ Σ × Δ f(x)

f(x)

f(x)

蒸気表 h

Σ

Δ

I ＞ ＜ ｜ ｜

火炉メタル熱容量、節炭器給水比

容積による熱吸収

量補正

＋ －

－ ＋

＋ －

＋ －

a b

蒸発器出口流体 ｴﾝﾀﾙﾋﾟ(静特性)

主蒸気流量 (静特性)

SHｽﾌﾟﾚｰ流量 (静特性)

節炭器出口給水 ｴﾝﾀﾙﾋﾟ(静特性)

kJ/s

蒸発器出口流体ｴﾝﾀﾙﾋﾟ制御目標値

給水流量 指令

a／b

kJ/kg

kg/s

火炉水壁伝熱量Qww

火炉水壁ｴﾝﾀﾙﾋﾟ上昇幅目標値hww +ﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸ制御分⊿h

火炉水壁エンタルピ上昇幅目標値

hww ﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸ制御分⊿h

基本式 給水流量指令Fww =

の演算結果で給水流量指令が決まる。

節炭器 火炉水壁 (蒸発器)

1次過熱器

2次過熱器 3次過熱器

35 実際のエンタルピ制御回路

温度 圧力 温度 Δ

Δ

f(x)

G1(s)

－

＋

温度

温度

－

＋ ｴﾝﾀﾙﾋﾟ設定Trim (第1段スプレの コンスタント機能)

3次遅れ

第1段スプレ 第2段スプレ 加減弁 高圧ﾀｰﾋﾞﾝ

G2(s)

微分+遅れ

Σ

燃焼量指令

38

Σ f(x) BID

I ＞ ＜ ｜ ｜

蒸発器出口流体 ｴﾝﾀﾙﾋﾟ(静特性)

蒸発器出口流体ｴﾝﾀﾙﾋﾟ制御目標値

節炭器 火炉水壁 (蒸発器)

1次過熱器

2次過熱器 3次過熱器

36 過熱器スプレ制御とエンタルピ制御の連携

T

Δ

Δ

f(x)

G1(s)

－

＋

－

＋

3次遅れ

第1段 スプレ

第2段 スプレ

加減弁 高圧ﾀｰﾋﾞﾝ

PI Σ

Δ

PI ＞ ＜ ｜ ｜

PI ＞ ＜ ｜ ｜

Δ Δ PI Σ

Δ f(x) Σ

ｴﾝﾀﾙﾋﾟ設定Trim (第1段スプレの コンスタント機能)

蒸発器出口

f(x)

T T

f(x)

f(x)

過熱器出口

－ ＋ V>

スプレ温度差の大小により蒸発器出口ｴﾝﾀﾙﾋﾟを下げ／上げ

3次SH入口＋規定値に制御

第2段スプレは、過熱器出口

温度を規定値に制御 第1段スプレは、2次過熱器

出口温度を3次過熱器入口

＋規定値に制御 蒸発器出口ｴﾝﾀﾙﾋﾟ設定の

Trim機能で第1段スプレ入口

／出口温度差を制御

第2段スプレが規定値に制御

－

＋

T

T

＋ －

これらの連携により温度制御応答性の良い過

熱器スプレのコンスタント化が図られ、常に適

切な制御シロが確保される。 またこの連携の結果、ボイラとして熱い／冷

たいの情報がエンタルピ制御に伝わり、適切

な燃料と水の比率が制御される。

40

エンタルピ制御の得失をまとめると・・・

38 終わりに (1/2)

⇒ 高負荷変化率と温度制御性の両立、試運転調整の容易化

【得】 圧力制御、温度（比エンタルピ）制御に動特性上、どちらかというと

相応しい操作対象（燃料、給水）が充てられている。 圧力制御と温度制御の非干渉化をより進めた方式である。

【失】 日本では未だ実績が乏しい。 一方、水燃比制御においては、設計～試運転に至る豊富経験、ノウ

ハウが蓄積されている。

⇒ 水燃比制御ファンが圧倒的多数（涙）

41

39 終わりに (2/2)

ボイラの動特性を良く知ろう。 ~ 先入観は禁物！ そのためには、使い勝手の良いプラント運転中のデジタルデータ収集

システムを持ちたい 新しいことにチャレンジ ~ もう目新しいことはないと諦めないで！ まだ見落としていることが有る。 やればもっとできるんだ！！

がんばれ、ぼくらの石炭焚き変圧貫流ボイラ発電プラント！

ぼくらの石炭焚き変圧貫流ボイラの制御に従事する者としては・・・