JP2005121024A - シェル及びロータ熱応力を制限するために蒸気タービン入口流を制御する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、タービンロータを有する蒸気タービンを通る蒸気流を制御する方法を提供する。
【解決手段】 本方法においては、最大熱伝達率（１８）が、タービンロータにおける熱応力計算値に基づいて求められる。最大蒸気流量（２０）は、最大熱伝達率に基づいて計算することができる。蒸気タービンを通る実蒸気流量は測定され、タービン入口弁（２８）が、実蒸気流量と最大蒸気流量との間の差に基づいて制御される。この方法では、始動時間を最小にしかつ作動性を最大にしながら熱応力を許容レベルに制限するように、蒸気タービンへの蒸気流を制御することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、蒸気タービンの制御及び性能に関し、より具体的には、タービンシェル及びロータの制御した加熱を用いることによってライフサイクル応力を限度値内に維持しながら蒸気タービンのローディング及びアンローディングを行う制御アルゴリズム及びシステムに関する。

発電用蒸気タービンは、大径のロータ及び厚肉のシェルを有する。ロータは、ローディング及びアンローディングの間に遠心荷重及び熱膨張の結果として応力を受ける。各始動／停止サイクルの間に、ロータ及びシェルは低サイクル疲労を蓄積する。蓄積した低サイクル疲労が材料の限界値を超えると、割れが発生する可能性があり、装置は交換しなければならなくなる。各始動サイクルの間に蓄積される低サイクル疲労損傷のレベルは、その始動サイクルにおけるピーク応力経歴の関数である。タービン入口蒸気温度及び流量により、メタル温度変化率、従ってシェル及びロータ内の熱応力が決まる。

蒸気タービンにおける熱応力を制御する現在の方法は、一般的にはタービン入口付近のシェルメタル温度測定値の関数としてロータ応力を推定することを伴う。応力推定が低サイクル疲労限界値に近づくと、蒸気タービン入口弁の開口率を減少させる。この方法についての欠点は、熱過渡から１０〜１５分後にピーク応力が発生することである。時間遅れがこのように長いので、高応力サイクルを防止するためには、蒸気流量を非常に低くすることが必要となる。このことにより、タービンの作動性が制限されかつ始動時間が長くなる。

従って、開始時間を最小にしかつ作動性を最大にしながら熱応力を許容レベルに制限するように、蒸気タービンへの蒸気流の制御を行うことが望ましいと言える。

本発明の例示的な実施形態では、タービンロータを有する蒸気タービンを通る蒸気流を制御する方法は、（ａ）タービンロータにおける熱応力計算値に基づいて最大熱伝達率を求める段階と、（ｂ）最大熱伝達率に基づいて最大蒸気流量を計算する段階と、（ｃ）蒸気タービンを通る実蒸気流量を測定する段階と、（ｄ）実蒸気流量と最大蒸気流量との間の差に基づいてタービン入口弁を制御する段階とを含む。

本発明の別の例示的な実施形態では、タービンロータを有する蒸気タービンを運転する方法は、（ａ）タービンロータにおける熱応力に関するパラメータに基づいて最大蒸気流量を計算する段階と、（ｂ）蒸気タービンを通る実蒸気流量を測定する段階と、（ｃ）実蒸気流量と最大蒸気流量との間の差に基づいてタービン入口弁を制御する段階とを含む。

本発明のさらに別の例示的な実施形態では、タービンロータを有する蒸気タービンを通る蒸気流を制御するための制御システムは、入口蒸気温度とシェル内部表面温度が近似しているものとしてのロータ表面温度とを測定する第１及び第２の温度測定装置を含む。第１及び第２の圧力測定装置は、入口蒸気圧力と出口蒸気圧力とを測定する。制御装置は、第１及び第２の温度測定装置と第１及び第２の圧力測定装置とに連絡し、タービンロータにおける（１）ロータ表面温度と近似ロータボア温度との間の差と（２）平均ロータ温度とによる熱応力計算値に基づいて求められたロータ表面応力及びロータボア応力に従って最大熱伝達率を求める。制御装置は、（ｉ）最大熱伝達率に基づいて最大蒸気流量を計算し、（ｉｉ）入口蒸気圧力、入口蒸気温度及び出口蒸気圧力に基づいて蒸気タービンを通る実蒸気流量を求め、かつ（ｉｉｉ）実蒸気流量と最大蒸気流量との間の差に基づいてタービン入口弁を制御する。

蒸気タービンのような火力発電プラントは、燃料を燃焼して熱を生成するボイラを有する。発電プラントでは、熱エネルギーを金属パイプに伝えて、パイプ内の水が沸騰して蒸気になるまで水を加熱する。蒸気は、高圧下でタービンに供給される。タービンは、或る角度で曲げられた複数のブレード又はバケットを有する。蒸気がバケットに当たると、バケットは、該バケットの下端に取り付けられたタービンシャフトを回転させる。タービンシャフトが回転すると、発電機が機械的回転エネルギーを電気に変換する。

発電機は、ワイヤ又はコイルが巻かれた固定リングの内部に磁石を有する。発電機内部の磁石が回転すると、電流がワイヤ内に生じ、従って機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。

蒸気タービン内の熱伝達は、蒸気タービン入口制御弁の調節によりタービンへの蒸気流を調整することによって制御される。後でより詳細に述べるように、蒸気流量は、入口蒸気温度と蒸気タービンシェル及びロータにおける熱応力を制限する適当な熱伝達率をもたらすシェルメタル温度とに基づいて決定することができる。タービン入口蒸気圧力、入口蒸気温度及びタービン出口圧力を用いて蒸気タービン流量を計算し、この蒸気タービン流量を制御ループの測定フィードバックとして用いることができる。

蒸気タービンのローディング率は、ロータ内部の温度勾配によって生じる最大許容応力によって制限される。図１は、ロータ断面１０の例示的な概略図である。ボア熱応力は、

によって与えられ、ここで、Ｅは弾性係数であり、αは熱膨張係数であり、またνはポアソン比である。Ｔ_ＡＶＧ１２はロータ平均メタル温度であり、またＴ_ＢＯＲＥ１４はロータボアメタル温度である。熱膨張係数は、材質依存性でありかつロータ平均温度１２の関数である。弾性係数は、材質依存性でありかつボア温度１４の関数である。
Ｅ＝ＥＭＯＤ０−Ｔ_ＢＯＲＥ・ＥＭＯＤ１
α＝α_０＋Ｔ_ＡＶＧ・α_１
ここで、上記の等式におけるＥＭＯＤ０、ＥＭＯＤ１、α_０及びα_１は、定数である。計算されたボア熱応力を許容ボア応力で除算して、パーセントで表した正規化ボア応力が得られる。

表面歪みは、
ε＝α（Ｔ_ＭＴＬ−Ｔ_ＡＶＧ）
によって得られ、ここで、αは熱膨張係数であり、またＴ_ＭＴＬはロータシェル温度１６である。Ｔ_ＭＴＬは、蒸気タービンシェルの内部表面に取り付けられた熱電対によって測定される。ロータ表面又はボア温度を直接測定するのは実用的ではない。Ｔ_ＢＯＲＥ及びＴ_ＡＶＧは、ロータの熱モデルを用いて計算され／近似され、ここで、Ｔ_ＭＴＬは境界条件である。

フックの法則を用いて、表面応力は、
σ_ｓ＝Ｅε．
により得ることができる。

表面応力は、許容表面応力に対して正規化される。許容表面応力は、熱応力集中係数によって決まり、ローディングの場合とアンローディング場合とで異なる。

上記の等式が示すように、表面応力及びボア応力は両方とも関係する表面温度（Ｔ_ＭＴＬ１６又はＴ_ＢＯＲＥ１４）と平均ロータ温度（Ｔ_ＡＶＧ）１２との間の温度差に比例する。

円筒体の場合の熱伝達率は、

である。

熱応力はロータ内部の温度差に比例すること、及びその温度差は熱伝達率ｑ１８に比例することは公知であるので、熱伝達率１８を制御することによって熱応力を制御することが可能である。温度勾配による応力が許容表面及びボア応力になるように最大熱伝達率Ｑｍａｘを計算することができる。熱伝達率は、温度差（Ｔｓｔｍ−ＴＭＴＬ）及び蒸気流量の関数である。従って、図３を参照すると、最大蒸気流量Ｗｍａｘは、最大熱伝達率Ｑｍａｘ、蒸気温度Ｔｓｔｍ及び蒸気タービンメタル温度ＴＭＴＬに基づいて計算することができる。

ここで、Ｗ_１ｒ＝定格入口流量（ｌｂｍ／ｓｅｃ）
Ｑ_ｍａｘ＝最大熱伝達率
Ｔ_ｓｔｍ＝入口蒸気温度（Ｆ）
Ｔ_ＭＴＬ＝シェル温度（Ｆ）
ｋ１＝同調定数
ｋ２＝同調定数
メタル温度が蒸気温度に近づくにつれて、温度差（Ｔ_ｓｔｍ−Ｔ_ＭＴＬ）は減少し、所定のＱ_ｍａｘに対してより大きい蒸気流量が可能になる。

制御ループの場合、図２及び図３を参照すると、蒸気タービンを通る蒸気流量２０を計算することができる。下記の等式を用いて、入口蒸気圧力Ｐ１、２２、入口蒸気温度Ｔ１、２４、及び出口蒸気圧力Ｐ２、２６に基づいて蒸気流量を計算する。

ただし、

ρ_１ｒ＝ｆ（Ｐ_１ｒ，Ｔ_１ｒ）
ここで、Ｐ_１ｒは定格入口圧力（ＰＳＩＡ）であり、Ｐ_２ｒは定格出口圧力（ＰＳＩＡ）であり、Ｔ_１ｒは定格入口温度（Ｆ）であり、またＷ_１ｒは定格入口流量（ｌｂｍ／ｓｅｃ）である。定格蒸気条件、Ｐ_１ｒ、Ｐ_２ｒ、Ｔ_１ｒ、Ｗ_１ｒは、本発明を適用した特定のタービンの場合には定格出力時に起こる。一般的には、定格出力は、タービンの正常全負荷出力である。これらの蒸気条件は、蒸気タービン熱力学エンジニアによって蒸気タービンの設計時に決定される。この定格蒸気条件を用いて定数を計算し、次ぎにこの定数を用いて定格以外の作動ポイントにおける蒸気タービン流量を求めることができる。

蒸気流量Ｗ１は、上記により設定値が最大蒸気流量Ｗ_ｍａｘになっている比例プラス積分制御装置３０に対するフィードバックとなる。制御装置の出力は、蒸気タービン入口制御弁２８の位置を指令する。

入口蒸気温度及びシェルメタル温度の関数として蒸気タービン入口制御弁を制御することによって、加熱率によって許容レベルを超える熱応力が生じることがないようにして、蒸気の最大量をタービンに導入することができる。その上、示差膨張又は半径方向間隙のような応力以外の因子により、蒸気タービンの負荷率が制限される可能性がある。そのような場合には、本制御システム及び方法により、タービン加熱率を制御し、従って示差膨張を制限し、半径方向間隙を制御することが可能になる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、むしろ逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等の構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

タービンロータの概略断面図。 様々なセンサを含むタービンの概略図。 制御システム及び方法を示す概略制御ダイヤグラム。

符号の説明

１０ ロータ断面
１２ 平均ロータ温度
１４ ロータボア温度
１６ ロータシェル温度
１８ 熱伝達率
２０ 入口蒸気
２８ 蒸気タービン入口制御弁

Claims (10)

1. タービンロータを有する蒸気タービンを通る蒸気流を制御する方法であって、
   （ａ）前記タービンロータにおける熱応力計算値に基づいて最大熱伝達率（１８）を求める段階と、
   （ｂ）前記最大熱伝達率に基づいて最大蒸気流量（２０）を計算する段階と、
   （ｃ）前記蒸気タービンを通る実蒸気流量を測定する段階と、
   （ｄ）前記実蒸気流量と前記最大蒸気流量との間の差に基づいてタービン入口弁（２８）を制御する段階と、
   を含む方法。
2. 前記段階（ａ）が、（１）ロータ表面温度（１６）とロータボア温度（１４）との間の差と（２）平均ロータ温度（１２）とに基づいて、ロータ表面応力及びロータボア応力を求めることによって実行される、請求項１記載の方法。
3. 前記段階（ｂ）が、前記最大熱伝達率（Ｑ_ｍａｘ）、蒸気温度（Ｔ_ｓｔｍ）及びタービンメタル温度（Ｔ_ＭＴＬ）に基づいて最大蒸気流量（Ｗ_ｍａｘ）を計算することによって実行される、請求項２記載の方法。
4. 前記段階（ｂ）が、下記の関係に従って前記最大蒸気流量（Ｗ_ｍａｘ）を計算することによって実行され、該関係は、
   

   

   であり、ここで、Ｗ_１ｒは定格入口流量（ｌｂｍ／ｓｅｃ）であり、またｋ１及びｋ２は同調定数である、請求項３記載の方法。
5. 前記段階（ｂ）が、前記最大熱伝達率（Ｑ_ｍａｘ）、蒸気温度（Ｔ_ｓｔｍ）及びタービンメタル温度（Ｔ_ＭＴＬ）に基づいて最大蒸気流量（Ｗ_ｍａｘ）を計算することによって実行される、請求項１記載の方法。
6. タービンロータを有する蒸気タービンを運転する方法であって、
   （ａ）前記タービンロータにおける熱応力に関するパラメータに基づいて最大蒸気流量（２０）を計算する段階と、
   （ｂ）前記蒸気タービンを通る実蒸気流量を測定する段階と、
   （ｃ）前記実蒸気流量と前記最大蒸気流量との間の差に基づいてタービン入口弁（２８）を制御する段階と、
   を含む方法。
7. 前記段階（ａ）における熱応力に関するパラメータが、（１）ロータ表面温度（１６）とロータボア温度（１４）との間の差と（２）平均ロータ温度（１２）とに基づいて求められたロータ表面応力及びロータボア応力を含む、請求項６記載の方法。
8. 前記段階（ａ）が、最大熱伝達率（Ｑ_ｍａｘ）、蒸気温度（Ｔ_ｓｔｍ）及びタービンメタル温度（Ｔ_ＭＴＬ）に基づいて前記最大蒸気流量（Ｗ_ｍａｘ）を計算することによって実行される、請求項７記載の方法。
9. 前記段階（ａ）が、下記の関係に従って前記最大蒸気流量（Ｗ_ｍａｘ）を計算することによって実行され、該関係は、
   

   

   であり、ここで、Ｗ_１ｒは定格入口流量（ｌｂｍ／ｓｅｃ）であり、またｋ１及びｋ２は同調定数である、請求項８記載の方法。
10. タービンロータを有する蒸気タービンを通る蒸気流を制御するための制御システムであって、
    入口蒸気温度（２４）を測定する第１の温度測定装置と、
    シェル内部表面温度（１６）が近似しているものとしてロータ表面温度を測定する第２の温度測定装置と、
    入口蒸気圧力（２２）を測定する第１の圧力測定装置と、
    出口蒸気圧力（２６）を測定する第２の圧力測定装置と、
    前記第１及び第２の温度測定装置と前記第１及び第２の圧力測定装置とに連絡し、タービンロータにおける（１）ロータ表面温度と近似ロータボア温度との間の差と（２）平均ロータ温度とによる熱応力計算値に基づいて求められたロータ表面応力及びロータボア応力に従って最大熱伝達率（１８）を求める制御装置（３０）と、
    を含み、
    前記制御装置が、前記最大熱伝達率に基づいて最大蒸気流量を計算し、入口蒸気圧力、入口蒸気温度及び出口蒸気圧力に基づいて蒸気タービンを通る実蒸気流量を求め、かつ前記実蒸気流量と前記最大蒸気流量との間の差に基づいてタービン入口弁を制御する、
    制御システム。

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