JP2003521623A - タービンの運転方法及びタービンプラント - Google Patents

タービンの運転方法及びタービンプラント

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    • F05D2270/303—Temperature
    • F05D2270/3032—Temperature excessive temperatures, e.g. caused by overheating

Abstract

(57)【要約】 タービン（４）の熱負荷を許容範囲に保ち、タービン（４）の損傷や障害を回避するために、タービン（４）に供給される媒体、特に生蒸気の温度（Ｔ）の時間当りの変化を監視する。そして温度（Ｔ）の変化率が許容できる最大温度勾配（ｄＴ／ｄｔ（ｍａｘ））を越えたときは、タービン（４）への生蒸気の供給を自動的に急速閉鎖する。最大温度勾配は、タービン（４）の負荷状態に応じて変更可能であり、負荷率の上昇に伴って該勾配を小さく設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明はタービンの運転方法及びタービンプラントに関する。
【０００２】 産業プラント、例えば発電プラントにおいては、タービンを駆動するためにこ
れに気相の媒体が供給される。タービンは、通常電気エネルギーを発生する発電
機と接続されるか、例えば圧縮機又はポンプを駆動する。蒸気タービンの場合気
相の媒体は生蒸気である。この生蒸気は、タービンに供給される前に、タービン
に前置されたボイラーで加熱される。
【０００３】 全体のタービンプラント及び特にタービンはある一定の温度、例えば５２０℃
に設計されている。ある一定の温度範囲、例えば４５０〜５５０℃を越えると運
転障害やタービンの損傷に至ることがある。生蒸気の温度の変動は多くの原因、
例えば生蒸気を加熱する燃料の品質の変動或いはボイラー範囲又はボイラー温度
制御の問題に帰せられる。
【０００４】 タービンを保護するために、今日、設定された温度範囲を離れたときに、生蒸
気の供給を遮断する。
【０００５】 本発明の課題は、温度の影響によるタービンの損傷或いは障害を回避するター
ビンの運転方法並びにタービンプラントを提供することにある。
【０００６】 この課題は、本発明によれば、気相の媒体が供給されるタービン、特に蒸気タ
ービンの運転方法において、この媒体の温度の時間的変化を監視するタービンの
運転方法により解決される。
【０００７】 温度の変化を監視する、即ち温度勾配の経過を観察するのは、余りに急速な温
度変化は、たとえそれが絶対限界値の間の許される温度範囲にあるとしても、タ
ービンの損傷を来たし得るという考えを基礎にしている。何故なら、余りに急速
な温度変化、即ち温度の跳躍が発生すると、場合により、特にタービン効率に不
利に作用し、事情によっては亀裂や材料破壊を来すと言う材料問題が発生するか
らである。本発明によれば、温度が設定の絶対限界値を越えるかどうかを監視す
るだけの従来の方法に較べて、明らかに改善された保護作用が得られる。
【０００８】 温度変化の監視は、それ故、余りに大きい或いは急激な温度変化の際に既に、
適当な予防対策を取る可能性を開くものである。
【０００９】 特に、温度の時間的変化に対する尺度としての最大温度勾配を越えた際、ター
ビンへの媒体の供給を、急速閉鎖を行うことで中断するとよい。従ってこの方法
では、ある一定の温度変化を許容する。この値を特に長期にわたり越える場合、
過大な熱負荷からタービンを保護すべく生蒸気の供給を遮断する。
【００１０】 好適な構成では、最大許容温度勾配はタービンの負荷状態に関連し、即ち特に
負荷の増大と共に最大許容温度勾配が小さくなるよう設定する。この場合、低負
荷状態では生蒸気からタービンの材料への熱伝達は、特に生蒸気の低密度と低速
に基づき小さいという考えから出発している。従って、低負荷状態では、より高
い温度勾配を生じても、タービン損傷の危険はない。
【００１１】 更に、温度変化の監視に加えて、タービンへの媒体の供給は、温度が絶対限界
値を越えた際に中断するのが目的に適っている。それ故、生蒸気の温度が変動す
ることを許容する絶対温度範囲が定まる。
【００１２】 監視に係る煩雑さを減らすため、生蒸気の実際温度の現在値を周期的に照会す
るとよい。温度変化と温度勾配は、順次生ずる現在値の比較で求められる。
【００１３】 特に有利な構成では、現在値に関連して、温度経過と共に変化するが、最高で
も最大温度勾配の枠内にある動的限界値を規定する。それ故、動的限界値を設定
することでその温度変動が許される温度範囲が特定される。この動的な処理にお
いて、許される温度変化、例えば起動の際の連続的な上昇を考慮する。これによ
り保護作用が誤って作動する危険を回避できる。
【００１４】 温度変化は両方向で起るので、下部と上部の動的限界値を設定すべきである。
その場合、これら限界値は、一定の温度値だけ現在値から離れるように設定する
のがよい。この一定の温度値は、それ故異常な温度変化が発生しない限り、現在
値と上部又は下部動的限界値との間の固定の温度範囲を表す。即ち、最大許容温
度勾配を越える温度勾配が発生すると、現在値と動的限界値の間隔がすぐに、そ
れが最後に限界値を越える迄に減少する。この現在値カーブは、それ故最大温度
勾配を越えたときに動的限界値のカーブと交差する。
【００１５】 動的限界値の超過は、許容されない温度変化の指標として有効に利用され、そ
してタービンへの媒体の供給が中断される。
【００１６】 保護作用が、例えば短時間の電気的作用により、余りに早く作動するのを回避
するため、動的或いは絶対限界値を越えた後タービンへの媒体の供給は、動的又
は絶対限界値が少なくとも１つの更なるコントロール照会周期の後にもなお越え
ているときに初めて中断される。即ち、少なくとも１つの更なるコントロール照
会周期が終わるのを待ち、ある程度の時間的バッファを与える。
【００１７】 この場合、動的又は絶対限界値を越えた後は、照会サイクルを短縮する、即ち
温度測定をより短い時間間隔で繰り返すのがよい。これにより温度の照会頻度が
その必要性に適合する。即ち通常の経過では、温度を比較的希に、危険な経過で
は温度をより頻繁に照会する。
【００１８】 目的に合った構成では、タービンの起動時及び／又は温度監視において誤謬が
あった後に、生蒸気温度の新たに測定された最初の現在値を動的限界値の検出に
利用する。これにより温度変化の監視を備えた保護作用が保証され、例えばター
ビンの遮断前に測定した最後の現在値を記憶し、動的限界値の決定に利用するこ
とを回避できる。何となれば、これはタービンを改めて起動する際、記憶された
現在値が実際の現在値から明らかにずれていても、強制的に保護作用が働き、こ
の結果生蒸気の供給を遮断することになるからである。保護作用の開始基準とし
て、発電機用タービンの場合、発電機の遮断器の閉成、駆動タービンの場合は最
小駆動回転数の超過を利用するとよい。
【００１９】 運転要員に、異常な温度変化で起り得る危険を指摘するために、現在値が動的
及び／又は絶対限界値に近づいた時点で既に警告通知を発するとよい。この警告
通知は、特に現在値が所定の間隔迄限界値の１つに近づいたときに発する。この
警告通知は、例えば音響及び／又は光により行う。
【００２０】 保護作用をできるだけ適時に作動させるため、媒体の温度経過はタービンへの
媒体の入口前、即ち特にタービンに前置したボイラーの範囲又は所謂蒸気収集タ
ンクの直後で監視する。許容できない温度変化の場合、従って急速閉鎖は、余り
に低温又は高温の蒸気がタービンに達する前に行う。
【００２１】 この保護、即ちタービンへの媒体供給の停止は、特にタービンが所定の負荷の
下で作動しているときに初めて実行するのがよい。この結果、保護作用は特にタ
ービンの起動時には実行されない。この場合及び低負荷運転では温度変化による
損傷の危険は小さいので、安全性が損なわれることはない。
【００２２】 プラントに関する本発明の課題は、気相媒体で作動するタービン、媒体温度を
検出する温度センサ及び温度経過を求め、最大温度勾配を越えた際タービンへの
媒体の供給を中断する保護装置を備えたタービンプラントにより解決される。
【００２３】 本発明による方法に関し説明した利点及び目的に合った構成は、それぞれその
内容に応じて、このタービンプラントにも適用される。
【００２４】 本発明の実施例を図について詳しく説明する。 図１のタービンプラント２は、タービン４、特に蒸気タービンと、これに軸６
を介して接続され、電気エネルギーを発生する発電機８とを含む。タービン４は
気相媒体、特に生蒸気で駆動される。生蒸気はボイラー１０で生成され、そこか
ら蒸気配管１２を経てタービン４に導入される。蒸気配管１２は弁１４、特に急
速閉鎖弁により遮断可能である。タービンプラント２は、更に、保護装置１６と
温度センサ１８を備え、該センサは、図１の実施例ではボイラー１０の範囲の直
近で蒸気配管１２に直接取り付けられている。保護装置１６は、データ伝送線２
０を経て温度センサ１８に、制御線２２を経て弁１４につながっている。必要な
場合、この制御線２２を経て急速閉鎖を行い、タービンを保護する。
【００２５】 温度センサ１８は、生蒸気の温度Ｔの現在値Ｉを検出する。測定された現在値
Ｉは保護装置１６に伝送され、そこで記憶・評価される。現在値Ｉは保護装置１
６により周期的に照会され、その照会サイクルの周期は例えば６秒である。かく
して保護装置１６により検出された生蒸気の温度Ｔの時間的経過が、好適には表
示装置２４、特に画像スクリーンやデジタル測定器により光学的に表示される。
時間経過中に測定された現在値Ｉの変化に応じて、即ち測定された現在値Ｉから
求めた温度勾配ｄＴ／ｄｔに関連して、保護装置１６は、弁１４を操作するか否
かを決定する。操作要の場合には、急速閉鎖を行い、タービン４への生蒸気の供
給を断つ。弁１４の急速閉鎖は、タービンを、例えば大きな温度変化による亀裂
発生等の熱障害から保護するのに役立つ。更にこの急速閉鎖は、測定した現在値
Ｉが絶対限界値を下回り或いは上回るときにも行われる。このような温度Ｔの監
視で、タービン４に対する高度の保護が行われる。
【００２６】 測定した現在値Ｉが生蒸気の実際の温度Ｔにできるだけ一致するように、温度
センサ１８として高速熱電対を用いる。この熱電対は、その金属接点が蒸気配管
１２の所謂埋め込み管の直近に設けられる点で優れている。測定した現在値Ｉと
実際の温度Ｔとの、システム上の測定誤差による差は、保護装置１６により自動
的に修正するとよい。以下では、簡単化のため、測定した現在値Ｉは実際の温度
Ｔに一致することを前提として説明する。
【００２７】 保護装置１６内の内部決定プロセスを、以下図２〜５を参照して詳しく説明す
る。これら図は、各々時間ｔに対する温度Ｔを示す。この図は、全体で３つの温
度経過、即ち生蒸気の温度Ｔのカーブ２８と、上部限界値カーブ３０及び下部限
界値カーブ３２を示す。温度カーブ２８は、保護装置１６で検出した多数の個別
の現在値Ｉにより形成され、その中の１つを例として図示している。測定した各
現在値Ｉに、上部動的限界値ＯＧと下部動的限界値ＵＧが対応する。個々の各動
的限界値ＯＧ、ＵＧは、両動的限界値カーブ３０、３２を形成している。
【００２８】 生蒸気の温度Ｔを監視するため、各照会サイクルにおいて、測定した現在値Ｉ
を動的限界値ＯＧ、ＵＧと比較する作業を行う。 事例Ａ：現在値Ｉは上部限界値ＯＧより小さいか下部限界値ＵＧより大きい。こ の場合動的限界値ＯＧ、ＵＧが新たに設定される。
【００２９】 これは、上部限界値ＯＧの場合、一方で新たに測定した現在値Ｉを特定の変化
値Ｘに加算することで行う。他方従来の限界値ＯＧは変化値Ｙだけ高められる。
【００３０】 新たな上部限界値ＯＧを求めるべく、次に現在値Ｉと温度値Ｘの和（Ｉ＋Ｘ）
を従来の上部限界値ＯＧと変化値Ｙの和（ＯＧ＋Ｙ）と互いに比較する。低い方
の和の値を新しい上部限界値ＯＧとして定義する。
【００３１】 同様に下部限界値ＵＧの決定は、温度値Ｘを現在値Ｉから、変化値Ｙを下部限
界値ＵＧから引き、大きい方の値を新しい下部限界値ＵＧとして規定すると言う
条件で行う。
【００３２】 変化値Ｙは、その際生蒸気の温度Ｔの最大許容温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｍａｘ）
により決定される。そして変化値Ｙの変化ｄＹ／ｄｔは、実際最大温度勾配ｄＴ
／ｄｔに一致する。最大許容温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｍａｘ）として例えば３Ｋ／
分の値が使用される。特に６秒の照会サイクルにおいて、これは照会サイクル当
り０、３Ｋに相当する。従ってこの場合の変化値Ｙは０、３Ｋである。
【００３３】 この基準に従って求めた限界値カーブ３０、３２は、温度カーブ２８がその中
で変化することができ、しかも急速閉鎖が起ることのない許された温度幅３４を
与える。この温度幅３４は動的であり、温度カーブ２８の経過を追随する。ただ
非常に急速でかつ連続的な温度変化の場合にのみ、温度カーブ２８は許容温度幅
３４から逸脱する。この結果、現在値Ｉが上部限界値ＯＧ以上又は下部限界値Ｕ
Ｇ以下になる事例Ｂが生ずる。この場合、ある制御段階の後で弁１４の急速閉鎖
を自動的に行うとよい。これについては、個々に図３で詳細に説明する。
【００３４】 図２の温度カーブ２８は２つの不連続位置を持ち、それ以外では水平に走って
いる。ここで温度Ｔは、一方で突発的に上昇し、他方で突発的に下降している。
上昇後、温度カーブ２８は先ず上部の動的限界値カーブ３０に近づく。一方、カ
ーブ３０は上述のアルゴリズムに従って漸次より高い温度値に向かって変化し、
最後に再び温度値Ｘだけ温度カーブ２８から離れる。上部限界値カーブ３０の上
昇は、変化値ｄＹ／ｄｔの時間経過により定まる。上部限界値カーブ３０とは異
なり、下部限界値カーブ３２は温度カーブ２８の跳躍を直接追従する、即ち、下
部限界値カーブ３２も同様に跳躍する。これは、新しい下部限界値ＵＧの算出に
は温度値Ｘを減じた現在値Ｉが基準であることの結果である。逆方向の跳躍、即
ち温度カーブ２８の突発的な下降時には、今度は、下部限界値カーブ３２が次第
により低い温度値に移動し、上部限界値カーブ３０は突然に引き下げられるとい
う条件で、限界値カーブ３０、３２についても同じことが言える。
【００３５】 図３により事例Ｂ、即ち保護作用の働きを説明するが、この場合、温度カーブ
２８は４つの部分範囲に分かれている。この部分範囲で温度勾配ｄＴ／ｄｔは次
第に大きくなり、第四の部分範囲で３Ｋ／分の最大温度勾配ｄＴ／ｄｔを越える
。図示のとおり、限界値カーブ３０、３２は先ず温度値Ｘの間隔を維持しながら
温度勾配２８を追従し、温度勾配ｄＴ／ｄｔは第四の部分範囲で非常に大きくな
る。温度カーブ２８は、その場合、温度幅３４から逸脱し、下部限界値カーブ３
２に時点ｔ１で交わる。これが起ると、直ちに照会サイクルは例えば６秒から２
秒に短縮される。好ましくは３つの他の短いサイクル後になお現在値Ｉが限界値
カーブ３２の下にあると、時点ｔ２において急速閉鎖が行われる。この短い照会
サイクルのコントロールサイクルを待つことで、単一の現象では、例えば測定誤
差や他の電気的影響では、急速閉鎖が起ることはない。
【００３６】 図４及び５は、その他の代表的な温度経過２８を限界値カーブ３０及び３２の
経過と共に示す。図５に示すように、温度カーブ２８の繰り返し起る突発的な変
化により、温度幅３４は直ちに狭くなる。温度カーブ２８が再び連続的な経過を
取るようになって初めて、温度幅３４は広がり、限界値カーブ３０、３２が温度
カーブ２８から温度値Ｘだけ間隔を置く。
【００３７】 図５には、動的限界値カーブ３０、３２に加えて、上部絶対限界値ＯＡ及び下
部絶対限界値ＵＡを太線で書き込んである。図５から更に分かるように、温度カ
ーブ２８は上部限界値ＯＡを示す水平線と時点ｔ３で交差し、これにより急速閉
鎖の作動が行われる。従って、温度勾配ｄＴ／ｄｔを監視する他に、保護装置１
６により、生蒸気の温度Ｔが絶対限界値ＯＡ及びＵＡをそれぞれ越え又は下回っ
ているかも監視する。
【００３８】 図６によれば、最大温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｍａｘ）は負荷率Ｌの増大につれ減
少する。特に最大温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｍａｘ）は、非常に低い負荷状態Ｌでは
凡そ１０Ｋ／分であり、全負荷運転時に直線的に約３Ｋ／分に降下する。負荷状
態Ｌは、図６に０と１の間の相対量として示してある。この最大温度勾配ｄＴ／
ｄｔ（ｍａｘ）の関係は、低負荷運転では生蒸気からタービン４への熱伝達が全
負荷運転の場合よりも少ないから、安全性を犠牲にすることなく可能である。特
に簡単化した構成では、最大温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｍａｘ）を最小値に、負荷率
と無関係に設定している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 タービンプラントを、大幅に簡略化したブロック図で模式的に示す。
【図２】 生蒸気温度経過の１つの例を対応する動的限界値と共に図表で示す。
【図３】 生蒸気温度経過の異なる例を対応する動的限界値と共に図表で示す。
【図４】 生蒸気温度経過の更に異なる例を対応する動的限界値と共に図表で示す。
【図５】 生蒸気温度経過の更に異なる例を対応する動的限界値と共に図表で示す。
【図６】 最大許容温度勾配とタービンの負荷率の関係を図表で示す。
【符号の説明】
２ タービンプラント ４ タービン ６ 軸 ８ 発電機 １０ ボイラー １２ 蒸気配管 １４ 急速閉鎖弁 １６ 保護装置 １８ 温度センサ ２０ データ伝送線 ２２ 制御線 ２８ 温度カーブ ３０ 上部動的限界値カーブ ３２ 下部動的限界値カーブ ３４ 温度幅 ＯＧ 上部動的限界値 ＵＧ 下部動的限界値 ＯＡ 上部絶対限界値 ＵＡ 下部絶対限界値 Ｘ 温度値 ｄＴ／ｄｔ 温度勾配

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】気相の媒体が供給されるタービン、特に蒸気タービンの運転方
    法において、媒体温度（Ｔ）の時間的変化を監視するタービンの運転方法。
  2. 【請求項２】最大温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｍａｘ）を越えたとき、タービンへ
    の媒体の供給を中断する請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】最大許容温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｍａｘ）を、タービン（４）の
    負荷状態（Ｌ）に関係して、特に負荷状態（Ｌ）の上昇と共に最大許容温度勾配
    （ｄＴ／ｄｔ（ｍａｘ））が小さくなるよう設定する請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】温度（Ｔ）に関する絶対限界値（ＯＡ、ＵＡ）を越えた際、タ
    ービン（４）への媒体の供給を中断する請求項１から３の１つに記載の方法。
  5. 【請求項５】実際温度（Ｔ）の現在値（Ｉ）を周期的に照会する請求項１か
    ら４の１つに記載の方法。
  6. 【請求項６】実際温度（Ｔ）の現在値（Ｉ）に応じて、温度経過と共に変化
    するが、最高でも最大許容温度勾配（ｄＴ／ｄｔ（ｍａｘ））の範囲にある動的
    限界値（ＵＧ、ＯＧ）を設定する請求項２から５の１つに記載の方法。
  7. 【請求項７】下部動的限界値（ＵＧ）と上部動的限界値（ＯＧ）とを設定す
    る請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】動的限界値（ＵＧ、ＯＧ）を、現在値（Ｉ）から一定の温度値
    （Ｘ）だけ間を置いて設定する請求項６又は７記載の方法。
  9. 【請求項９】動的限界値（ＵＧ、ＯＧ）を越えた後タービン（４）への媒体
    の供給を中断する請求項６から８の１つに記載の方法。
  10. 【請求項１０】動的限界値（ＵＧ、ＯＧ）又は絶対限界値（ＵＡ、ＯＡ）を
    越えた後タービン（４）への媒体の供給を、動的限界値（ＵＧ、ＯＧ）又は絶対
    限界値（ＵＡ、ＯＡ）が、少なくとも１つの別のコントロール照会サイクル後に
    もなお越えているときに初めて中断する請求項４又は９記載の方法
  11. 【請求項１１】動的限界値（ＵＧ、ＯＧ）又は絶対限界値（ＵＡ、ＯＡ）を
    越えたとき照会サイクルを短縮する請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】タービン（４）の起動時及び／又は温度経過の監視において
    誤りがあった後、新たに測定した最初の現在値（Ｉ）を動的限界値（ＵＧ、ＯＧ
    ）を求めるために利用する請求項６から１１の１つに記載の方法。
  13. 【請求項１３】現在値（Ｉ）が動的限界値（ＵＧ、ＯＧ）及び／又は絶対限
    界値（ＵＡ、ＯＡ）に近づいたとき警告通知を発する請求項４又は請求項６から
    １１の１つに記載の方法。
  14. 【請求項１４】媒体の温度経過をタービン（４）の入口前、特にタービン（
    ４）に前置したボイラー（１０）の範囲で監視する請求項１から１３の１つに記
    載の方法。
  15. 【請求項１５】タービン（４）への媒体の供給を、タービン（４）が所定の
    負荷状態（２）を越えて動作するときに初めて阻止可能とする請求項２から１４
    の１つに記載の方法。
  16. 【請求項１６】気相の媒体で作動するタービン（４）、媒体の温度（Ｔ）を
    検出する温度センサ（１８）及び温度経過を求めかつ最大温度勾配（ｄＴ／ｄｔ
    （ｍａｘ））を越えたときのタービン（４）への媒体の供給を中断する保護装置
    （１６）を備えたタービンプラント。
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