JP2006257925A - タービン起動制御装置およびその起動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、直接の操作量を変数としてタービンロータの熱応力を予測し、この予測熱応力から最適化計算を行なって、タービンの最適起動制御の精度を向上させ、精度と信頼性の高い操作量を得ることができるタービン起動制御装置およびその起動制御方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るタービン起動制御装置は、タービンへ流入する蒸気量またはガス量を制御弁で調節制御するものである。タービン起動制御装置１０は、直接の操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率を変数として、現在時刻から未来に亘る予測区間のタービンロータに発生する熱応力を予測し、この予測熱応力を規定値以下に抑えながらタービン起動時間が最短となる予測区間における操作量最適推移パターンを所定制御周期毎に計算し、前記操作量最適推移パターンの現在時刻における値を、実際の最適操作量として決定する最適起動制御手段と、この最適起動制御手段からの最適操作量を入力して前記制御弁を駆動制御する回転数・負荷制御手段とを備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タービンロータの熱応力を規定値以下に抑えつつタービンを最短時間で最適起動させることができるタービン起動制御装置およびその起動制御方法に関する。

一般に、蒸気タービンの起動時には、流入蒸気温度の上昇および蒸気流量の増大による蒸気・ロータ間の熱伝達率の向上に従ってタービンロータの表面メタル温度が上昇する。タービンロータの内部は、ロータ表面からの熱伝導によって表面温度より遅れて温度上昇する。このため、タービンロータの内部で温度分布に偏差が現われ、熱応力が発生する。過大な熱応力は、タービンロータの寿命を著しく縮めてしまうので、発生熱応力の値は適正値以下に抑えなければならない。

一方、近年、発電用プラントでは、急速かつ頻繁な起動停止運用が蒸気タービンに要求されている。必要以上の急速なタービン起動は、過大な熱応力をタービンロータに発生させる虞がある。したがって、蒸気タービン起動時には、タービンロータの熱応力を制限値（規定値）以内に抑制しつつ１回の起動に対するロータ寿命消費も適正にするようなタービン起動制御が要求される。

また、蒸気タービンの１回の起動に対する寿命消費は、その時の熱応力のピークの大きさと回数により定量的に把握が行なえることが知られている。

タービンロータの熱応力を規定値以下に制限して蒸気タービンの起動時間が最短になるように蒸気タービンの起動を制御する装置が、特開平９−３１７４０４号公報（特許文献１）に記載されている。

このタービン起動制御装置は、蒸気タービンを最適起動させるために、最適パターン演算手段、熱応力予測手段、パターン修正手段および操作量調整手段を備え、最適パターン演算手段と熱応力予測手段とパターン修正手段で算出された計算値が操作量調整手段の設定値となるようなカスケード構成となっている。

従来のタービン起動制御装置は、予測熱応力に基づき算出された最適なロータ表面温度推移パターンを設定値として、タービンロータの表面温度等のプラント状態量の実測値を上記設定値に合わせるように、操作量調整手段で操作量をフィードバック計算する熱応力予測起動制御機能を備え、操作量調整手段からの操作量に基づきタービン制御装置により流量調節弁を駆動制御し、蒸気タービンの起動制御を行なっている。

従来のタービン起動制御装置においては、最適計算の対象がタービンロータの第一段メタル温度等のプラント状態量であり、最終的な操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率を、計算するために、操作量調整手段を具備している。しかし、プラント状態量の偏差から操作量（タービン昇速率・負荷上昇率）を決定するのが困難であり、満足する最適化性能が得られない可能性がある。

操作量調整手段による操作量の決定には、Ｐ制御あるいはＰＩ制御が一般的に想定されるが、プラント状態量の偏差から最終的な操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率を算出する制御ゲインの決定を理論的に決定することが困難である。

このため、操作量調整手段で算出された操作量に基づき、タービン制御装置で制御弁を駆動制御させる蒸気タービンの起動制御では、プラント状態量を最適化計算で求められたプラント状態量設定値に時間遅れなく一致させることが困難であり、タービンの最短時間起動という当初の目的を充分に達成することが難しいという課題があった。

また、従来のタービン起動制御装置では、現在から未来の所定の予測区間のプラント状態量の最適推移パターンを最適パターン演算手段で計算し、算出された最適推移パターンの中から現在時刻における算出値（設定値）を操作量調整手段での操作量の決定に用いている。このため、最適パターン演算手段における最適化計算は、現在時刻から将来に亘る予測区間での各時刻ステップのプラント状態量を変数とした計算であり、予測区間がｍステップあればｍ変数最適化問題を計算することになる。多変数最適化の計算は、計算負荷（計算量）が非常に多くなり、計算量の多さから製品化への適用、すなわち実際のタービン制御装置への適用が困難であるという課題が存在した。

本発明は、上述した課題を考慮してなされたもので、直接操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率を変数としてタービンロータの熱応力予測を行ない、この予測熱応力に基づき最適化計算を行ない、タービンの最適起動制御の精度向上を図るとともに、精度と信頼性の高い操作量を得ることができるタービン起動制御装置およびその起動制御方法を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、タービン昇速率・負荷上昇率を一定と仮定した最適化計算により、最適化計算の変数を少なくして最適化計算を簡素化し、最適操作量を少ない計算量で迅速に得ることができるタービン起動制御装置およびその起動制御方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、予め定めた複数点のタービン昇速率・負荷上昇率について予測熱応力の最大値を計算し、線形補間により最適なタービン昇速率・負荷上昇率を逆算することで、繰返し計算を用いず、ストレートフォワードな確定計算で精度の高い準最適解の操作量を得ることができるタービン起動制御装置およびその起動制御方法を提供することにある。

本発明に係るタービン起動制御装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、タービンへ流入する蒸気量またはガス量を制御弁で調節制御するタービン起動制御装置において、直接の操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率を変数として、現在時刻から未来に亘る予測区間のタービンロータに発生する熱応力を予測し、この予測熱応力を規定値以下に抑えながらタービン起動時間が最短となる予測区間における操作量最適推移パターンを所定制御周期毎に計算し、前記操作量最適推移パターンの現在時刻における値を、実際の最適操作量として決定する最適起動制御手段と、この最適起動制御手段からの最適操作量を入力して前記制御弁を駆動制御する回転数・負荷制御手段とを備えたものである。

また、上述した課題を解決するために、本発明に係るタービン起動制御装置は、請求項２に記載したように、前記最適起動制御手段は、タービン昇速率・負荷上昇率の直接の操作量を変数として現在から未来に亘る予測区間の熱伝達率を予測する熱伝達率予測手段と、この熱伝達率予測手段からの予測熱伝達率および現在時刻の実測された第一段メタル温度から予測区間の第一段メタル温度変化率を予測する第一段メタル温度予測手段と、第一段メタル温度予測手段の予測第一段メタル温度変化率から予測区間におけるタービンロータに発生する熱応力を予測する熱応力予測手段と、発電用プラントの運転条件の制約の下で、予測熱応力を規定値以下に抑えながらタービン起動時間が最短となる予測区間における操作量最適推移パターンを所定制御周期毎に計算する最適化計算手段とを有し、前記最適化計算手段は、操作量最適推移パターンの現在時刻における値を実際の最適操作量として決定するように設置したものであり、また、請求項３に記載したように、前記最適起動制御手段は、現在から未来の所定の予測区間における第一段蒸気温度を予測する第一段蒸気温度予測手段をさらに有するものである。

さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係るタービン起動制御装置は、請求項４に記載したように、前記最適起動制御手段は、熱伝達率予測手段と、第一段メタル温度予測手段と、熱応力予測手段と、最適化計算手段とから閉じた最適化計算サイクルを構成し、前記最適化計算手段は、操作量最適推移パターンの現在時刻における操作量を最適タービン昇速率・最適負荷上昇率として回転数・負荷制御手段に出力するように設定したものであり、また、請求項５に記載したように、前記最適起動制御手段に備えられる最適化計算手段は、予測区間における操作量のタービン昇速率・負荷上昇率を一定と仮定し、最適化計算手段における最適化計算の変数を減少させ、最適化計算を簡素化したものであり、さらに、請求項６に記載したように、前記最適起動制御手段は、熱応力予測手段における操作量に基づく熱伝達率予測モデルを制御周期毎のプラント実測値に基づいて適応させる熱伝達率予測モデル修正手段を備えたものである。

さらにまた、上述した課題を解決するために、本発明に係るタービン起動制御装置は、請求項７に記載したように、前記最適起動制御手段の出力側に最適起動制御補正手段を設け、この最適起動制御補正手段は、発電プラント運転条件の制約の下で、最適起動制御手段で考慮されていないプラント制約条件を入力して、前記最適起動制御手段で計算された最適操作量またはプラント起動スケジュールを補正するように設定したものである。

一方、本発明に係るタービン起動制御方法は、上述した課題を解決するために、請求項８に記載したように、タービンへ流入する蒸気量またはガス量を制御弁で調節制御するタービン起動制御方法において、仮定した操作量に対して現在時刻から未来に亘る予測区間のタービンロータに発生する熱応力を予測する熱応力予測ステップと、上記予測熱応力をプラント運転条件の制約条件の下で規定値以下に抑えながら操作量最適推移パターンを所定の制御周期毎に計算する最適化計算ステップとを備え、この最適化計算ステップでは、操作量最適推移パターンの現在時刻における値を実際の最適操作量として決定する方法である。

また、上述した課題を解決するために、本発明に係るタービン起動制御方法は、請求項
９に記載したように、前記最適化計算ステップからの最適化過程における操作量と実測されたプラント状態量とから予測区間の熱伝達率を予測する熱伝達率予測ステップと、この予測熱伝達率と実測された第一段メタル温度から予測区間における第一段メタル温度を予測する第一段メタル温度予測ステップとをさらに備え、第一段メタル温度予測ステップからの予測第一段メタル温度変化率を受けて熱応力予測ステップで、タービンロータの熱応力を予測させ、予測熱応力から操作量最適推移パターンを所定制御周期毎に計算する最適化計算ステップを繰り返し、最適化計算サイクルを構成する方法であり、さらに、請求項１０に記載したように、前記最適化計算ステップでは、予測区間における操作量を一定と仮定し、最適化計算の変数を減少させ、最適化計算を簡素化する方法であり、請求項１１に記載したように、前記熱伝達率予測ステップは、操作量に基づく熱伝達率予測モデルを制御周期毎のプラント実測値に基づいて適応させる予測モデル修正ステップを有する方法である。

他方、本発明に係るタービン起動制御装置は、上述した課題を解決するために、請求項１２に記載したように、タービンへ流入する蒸気量またはガス量を調節制御する制御弁を有するタービン起動制御装置において、予め仮定した複数点の操作量に対して予測区間における予測熱応力値を計算する熱応力予測手段と、この熱応力予測手段による予測熱応力の最大値から、プラント運転条件の制約の下で規定値以下に抑えながらタービン起動時間が最短となる最適操作量をストレートフォワードな確定演算で近似的に計算する近似最適化計算手段とを有する最適起動制御手段を備えたものである。

また、本発明に係るタービン起動制御方法は、上述した課題を解決するために、請求項１３に記載したように、タービンへ流入する蒸気量またはガス量を調節制御する制御弁を有するタービン起動制御方法において、予め仮定した複数点の操作量に対して予測区間における予測熱応力値を計算する熱応力予測ステップと、この予測熱応力の最大値から、プラント運転条件の制約の下で規定値以下に抑えながらタービン起動時間が最短となる最適操作量をストレートフォワードな確定演算で制御周期毎に近似的に計算する近似最適化計算手段とを備え、この近似最適計算ステップとは、制御周期毎に近似的に計算される最適操作量を最適タービン昇速率・負荷上昇率として出力する方法である。

本発明に係るタービン起動制御装置およびその起動制御方法は、操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率を変数としてタービンロータに発生する熱応力を予測し、予測熱応力を規定値以下に抑えつつ最短のタービン起動時間を実現することができ、タービンの最適起動制御の精度を向上させ、精度と信頼性の高い操作量を得ることができる。

また、本発明に係るタービン起動制御装置およびその起動制御方法は、タービン昇速率・負荷上昇率を予測区間で一定と仮定した最適化計算により、最適化計算の変数を少なくして計算を簡素化し、最適操作量を少ない計算量で迅速に得ることができる。

さらに、本発明に係るタービン起動制御装置およびその起動制御方法は、予め定めた複数点のタービン昇速率・負荷上昇率について予測熱応力の計算を行ない、その結果に基づき線形補間で最適なタービン昇速率・負荷上昇率を逆算することで、精度の高い準最適解の操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率を得るものである。

本発明に係るタービン起動制御装置およびその起動制御方法の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係るタービン起動制御装置の一実施形態を示す構成図である。タービン起動制御装置１０は、蒸気タービン１１あるいはガスタービンを最適起動させるための制御装置である。ここに、最適起動とは、タービンロータの熱応力を規定値以下に抑えつつタービン起動時間が最短になるような起動制御をいう。

蒸気タービン１１の蒸気入口には、図示しないボイラ等の蒸気発生装置からの主蒸気を案内する主蒸気管１２が接続されており、この主蒸気管１２の途中に制御弁として流量調節弁１３が設けられている。この流量調節弁１３は、タービン起動制御装置１０により駆動制御され、蒸気タービン１１を最適起動させるように制御している。

また、蒸気タービン１１は発電機１５に連結され、蒸気タービン１１の駆動により発電機１５を回転駆動させ、必要な電力が得られるようになっている。蒸気タービン１１の回転数および発電機１５の負荷制御は、タービン起動制御装置１０により行なわれる。

タービン起動制御装置１０は、蒸気タービン１１（またはガスタービン）に流入する主蒸気流量（またはガス流量）を調節する制御弁を調節制御し、蒸気タービン１１および発電機１５の回転数・負荷制御を行なっている。

タービン起動制御装置１０は、プラント状態量から計算された最適なタービン昇速率・負荷上昇率を出力する最適起動制御手段１７と、このタービン昇速率・負荷上昇率に基づき制御弁の弁制御を行なって回転数・負荷制御を行なう回転数・負荷制御手段１８とを有する。

最適起動制御手段１７は、蒸気タービン１１（またはガスタービン）のタービンロータに発生する熱応力を規定値以下に抑えながら、最短の起動時間を実現するための最適なタービン昇速率・負荷上昇率を、主蒸気圧力Ｐｍｓ、主蒸気温度Ｔｍｓ、タービン回転数ω、発電機負荷ＭＷ等のプラント状態量から計算して求めており、繰返し計算で求められた最適操作量である最適なタービン昇速率・負荷上昇率は弁駆動制御手段である回転数・負荷制御手段１８に出力される。

回転数・負荷制御手段１８は、最適なタービン昇速率・負荷上昇率の信号を入力して、制御弁である流量調節弁１３を駆動制御し、タービン回転数および発電機負荷制御を行なうようになっている。

ここで、タービン昇速率はタービンロータのロータ回転数の変化率であり、負荷上昇率は、発電機負荷の負荷変化率である。

また、タービン起動制御装置１０に備えられる最適起動制御手段１７は、現在のプラント状態量Ｐｍｓ，Ｔｍｓから未来の所定の予測区間における第一段蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）（ｊ＝１，２，…，ｍ）を予測する第一段蒸気温度予測手段２１と、第一段蒸気温度Ｔｓからタービンロータの第一段メタル温度への熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）を予測する熱伝達率予測手段２２と、第一段蒸気温度Ｔｓ、熱伝達率ｈｆおよび実測された第一段メタル温度Ｔｍｅｔから予測区間における第一段メタル温度Ｔｍｅｔ（ｋ＋ｊ）を予測する第一段メタル温度予測手段２３と、このメタル温度予測手段２３で計算された予測第一段メタル温度Ｔｍｅｔ（ｋ＋ｊ）の変化率ΔＴｍｅｔから予測区間のタービンロータに発生する熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）を予測する熱応力予測手段２４と、この予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）から操作量の最適化計算を行なって最適化推移パターンを求め、この最適化推移パターンの現在時刻における操作量の値を最適タービン昇速率Δωｏｐｔおよび最適負荷上昇率ΔＭＷｏｐｔとして出力する最適化計算手段２５とから構成される。

最適起動制御手段１７の第一段蒸気温度予測手段２１は、発電プラントのプラント状態量である主蒸気圧力Ｐｍｓおよび主蒸気温度Ｔｍｓの計測値を入力して、予測区間における第一段蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）を計算にて予測するようになっている。

また、熱伝達率予測手段２２は、蒸気タービン１１のタービン回転数ωおよび発電機負荷ＭＷの実測値を入力し、最適化計算手段２５から予測区間における仮定の操作量である最適化過程でのタービン昇速率パターンΔωおよび負荷上昇率パターンΔＭＷにより、第一段蒸気温度Ｔｓからタービンロータの第一段メタル温度Ｔｍｅｔへの熱伝達率ｈｆを予測している。

さらに、第一段メタル温度予測手段２３は、計測値である第一段メタル温度Ｔｍｅｔを入力し、第一段蒸気温度予測手段２１で予測された第一段蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および熱伝達率予測手段２２で予測された熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）から、予測区間の第一段メタル温度Ｔｍｅｔ（ｋ＋ｊ）を予測し、予測第一段メタル温度変化率ΔＴｍｅｔを計算している。

さらにまた、熱応力予測手段２４は、タービンロータに発生する予測区間の熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）を予測しており、この熱応力予測手段２４からの予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）から操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率パターンを繰返し最適化計算する最適化計算手段２５で最適化推移パターンを算出している。最適化計算手段２５は、最適化推移パターンから現在時刻における値を最適操作量である最適タービン昇速率Δωｏｐｔおよび最適負荷上昇率ΔＭＷｏｐｔとして回転数・負荷制御手段１８に出力している。

回転数・負荷制御手段１８は、制御弁である流量調節弁１３のバルブ制御手段として機能し、最適タービン昇速率Δωｏｐｔおよび最適負荷上昇率ΔＭＷｏｐｔを最適操作量とし、この最適操作量に基づいて流量調節弁１３の駆動制御、すなわち弁開度調節制御を行なっている。

最適化計算手段２５は、操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率最適化の過程で、最適化過程のタービン昇速率パターンΔωおよび負荷上昇率パターンΔＭＷを熱伝達率予測手段２２にフィードバックし、この熱伝達率予測手段２２で予測区間における熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）を予測し、第一段メタル温度予測手段２３で予測第一段メタル温度変化率ΔＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）を計算し、また、熱応力予測手段２４により予測第一段メタル温度変化率ΔＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）から予測区間の熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）を予測し、この予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）を入力する最適化計算手段２５で操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率パターンを求める最適化計算が繰返し行なわれる。この最適化計算（制御）サイクルにより、最適化計算手段２５は、操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率パターン化を最適化し、最適推移パターンを算出している。

最適化計算手段２５は、最適推移パターンにおける現在時刻の値を、最適処理後のタービン昇速率（すなわち最適タービン昇速率Δωｏｐｔ）、および負荷上昇率（すなわち最適負荷上昇率ΔＭＷｏｐｔ）として回転数・負荷制御手段１８に出力している。その際、最適化計算手段２５から回転数・負荷制御手段１８に出力される出力周期を１制御周期と設定する。この場合の１制御周期は、最適化計算手段２５から回転数・負荷制御手段１８に出力される頻度を複数の最適化制御サイクル毎に行なってもよい。通常、１制御周期、例えば１分は複数の最適化計算サイクルの繰返しにより得られる最適値更新周期である。

次に、タービン起動制御装置１０における最適起動制御手段１７の具体的計算方法を、発電機併入前のタービン昇速率の最適化を例に採って説明する。

（ａ）第一段蒸気温度予測手段２１
最適起動制御手段１７の第一段蒸気温度予測手段２１における第一段蒸気温度Ｔｓは、発電プラント固有の関数として主蒸気圧力Ｐｍｓおよび主蒸気温度Ｔｍｓの２変数関数で推定され、（１）式で表わされる。

今、現在時刻の第一段蒸気温度をＴｓ（ｋ）、前回時刻における第一段蒸気温度をＴｓ（ｋ−１）とすると、第一段蒸気温度の変化率ΔＴｓは、

で表わされる。この（２）式より、予測区間における１制御周期当りの第一段蒸気温度変化率ΔＴｓを計算することができる。

この計算結果を参考にして、現在から未来の所定の予測区間ｍの各ステップにおける予測第一段蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）（ｊ＝１，２，…ｍ）を予測すると、予測第一段蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）は（３）式で表わされる。

（３）式から、予測第一段蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）は、最適化変数である操作量のタービン昇速率Δω、負荷上昇率ΔＭＷに対して定数で表わされることが分かる。すなわち、第一段蒸気温度予測手段２１は最適化計算サイクルの外に設置され、操作量であるタービン昇速率Δω・負荷上昇率ΔＭＷに対して独立しており、定数として機能する。

（ｂ）熱伝達率予測手段２２
第一段蒸気温度Ｔｓから第一段メタル温度Ｔｍｅｔへの熱伝達率ｈｆは、次式の熱伝達方程式により定義される。

ところで、熱伝達率モデルの一例としてタービン回転数ωの比例モデルを仮定すると、現在時刻における熱伝達率ｈｆ（ｋ）は、
［数５］
ｈｆ（ｋ）＝αω（ｋ） ……（５）
但し、ω（ｋ）：現在時刻におけるタービン回転数、
α：比例定数
で表わされる。

（５）式を参考にして、現在時刻のタービン回転数ω（ｋ）および予測区間における（設計変数である）タービン昇速率Δω（ｋ＋ｊ）（但し、ｊ＝０，１，２，…，ｍ−１）に対して、予測区間の熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）（但し、ｊ＝０，１，２，…，ｍ）を予測すると、ｈｆ（ｋ＋ｊ）は次式で表わされる。

但し、タービン回転数ωは、定格回転数ω_ＲＡＴＥで頭打ちとなるために、次のように修正することができる。

（ｃ）第一段メタル温度予測手段２３
第一段蒸気温度予測手段２１からの予測第一段蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ），熱伝達率予測手段２２からの予測熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）および現在時刻の第一段メタル温度Ｔ_ｍｅｔ（ｋ）から、（４）式で表わされる熱伝達方程式を用いて、予測区間の第一段メタル温度Ｔ_ｍｅｔ（ｋ＋ｊ）（ｊ＝１，２，…，ｍ）を計算すると、予測第一段メタル温度Ｔ_ｍｅｔ（ｋ＋ｊ）は、次式で予測することができる。

この（８）式から１ステップ（１制御周期）間の第一段メタル温度変化率をΔＴ_ｍｅｔ（ｋ＋ｊ）とすると、この第一段メタル温度変化率ΔＴ_ｍｅｔ（ｋ＋ｊ）は、

この（９）式から、予測区間の１ステップ当りの第一段メタル温度変化率ΔＴ_ｍｅｔ（ｋ＋ｊ）は、（１０）式で総合的に表すことができる。

（ｄ）熱応力予測手段２４
現在時刻ｋにおけるタービンロータに発生するロータ表面熱応力計算式は、タービンロータを無限長の円筒（無限円筒）と仮定して半径方向の熱分布のみを考慮する。タービンロータを半径方向に例えば１０分割し、１制御周期をさらに１０分割したモデルを用いると、タービンロータの回転体における熱応力を求める式は、次式の状態空間モデルで表わされる。

ここで、（１１）式および（１２）式におけるＸｅ（ｋ），ΔＴ_ｍｅｔ（ｋ）およびＡｅ，Ｂｅ，Ｃｅは、

さらに、（１３）式における各定数、変数は、次式のように表わされる。

（１３）式および（１４）式における各定数、変数は次の通りである。

Ｔ_ｍｅｔ（ｋ）：サンプル時刻ｋの第一段メタル温度
Ｔ_ｊ（ｋ）：サンプル時刻ｋの第ｊ分割目のロータ内部温度
σｓ（ｋ）：サンプル時刻ｋのロータ表面熱応力
Ｃ（ｊ），Ｄ（ｊ）：ロータメッシュ係数
Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｅ_Ｋ：ロータ材料・外形・熱伝達係数
Ｒ_ｏ：ロータ外形半径
ΔＲ：ロータ外形半径／分割数（１０）

式（１１）および式（１２）で表される熱応力計算式から現在時刻ｋに対して未来のｍステップ先までの熱応力を予測する熱応力予測モデルは次式の状態空間モデルで表わされる。

（１５）式が第一段メタル温度変化予測ベクトル［ΔＴ_ｍｅｔ］を入力とする熱応力予測モデルである。

第一段メタル温度予測手段２３で求めた予測区間の予測第一段メタル温度変化率ΔＴ_ｍｅｔ（ｋ＋ｊ）（ｊ＝１，２，…，ｍ）から（１５）式を用いて予測区間での予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）（ｊ＝１，２，…，ｍ）を計算することができる。

（ｅ）最適化計算手段２５
熱伝達予測手段２２で予測区間の熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）（ｊ＝１，２，…，ｍ）を表わす（６）式、第一段メタル温度予測手段２３で計算された予測区間での予測第一段メタル温度変化率ΔＴ_ｍｅｔ（ｋ＋ｊ）を表わす（１０）式、および熱応力予測手段２４で予測区間の熱応力予測モデルを表わす（１５）式から、予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）は、操作量である予測区間におけるタービン昇速率パターンΔω（ｋ＋ｊ）（ｊ＝０，１，２，…，ｍ−１）の非線形関数で表されることがわかる。

最適化計算手段２５では、発電プラント起動中のタービンロータに発生する熱応力をある規定値以下に抑えつつ最短の起動時間を実現するタービン昇速率パターンを求める最適化問題を次のように定式化している。

制約条件：ある与えられた熱応力規定値σ_ｍａｘに対して次式を満足させる。

また、必要に応じて操作量に上下限値を設ける。

ここで、操作量下限値Δω_ｍｉｎは、タービンロータのクリティカル回転数域か否かによって一例として次のように切り替える。

（１）クリティカル回転数域のとき、操作量下限値Δω_ｍｉｎは、

（２）クリティカル回転数域以外のとき、

これにより、クリティカル回転数域ではタービン昇速率はＨＯＬＤされず必ず値Δω_ｍｉｎ以上のタービン昇速率とすることができる。蒸気タービンの定格回転数を例えば３６００ｒｐｍとするとクリティカル回転数域は９００ｒｐｍ〜３３００ｒｐｍの範囲である。

最適化計算手段２５では、予測区間におけるタービン昇速率パターンΔω（ｋ＋ｊ）（ｊ＝０，１，２，…，ｍ−１）の最適化を図るために、

この最適化は、ｍ変数非線形最適化問題であり、準Ｎｅｗｔｏｎ法によるライン探索等の手法により解くことができる。

最終的には、先頭の最適操作量Δω（ｋ）を現在時刻ｋにおける最適タービン昇速率として決定し、最適タービン昇速率信号Δωｏｐｔを回転数・負荷制御手段１８に出力する。

最適化計算手段２５は、予測区間におけるタービン昇速率パターン（および発電機負荷上昇率パターン）の最適化を定式化して計算することができる。この定式化において、設計変数Δω（ｋ＋ｊ）（ｊ＝０，１，２，…，ｍ−１）に対して予測区間での各ステップにおけるタービン昇速率が常に一定という次式の拘束条件を付加させる態様をとることができる。

（１９）式によれば、予測区間におけるタービン昇速率パターン（および発電負荷上昇率パターン）の最適化問題は、ｍ変数最適化から１変数最適化へと大幅に簡略化させることができ、タービン起動制御装置１０を実機に実装する上で有利になる。

タービン起動のシミュレーション結果から、多変数での最適化計算結果のほとんどが予測区間において全ての操作量が等しいという結論が得られたので、多変数最適化計算が不要であることを知見した。

このタービン起動制御装置においては、１変数最適化により最適化計算を行なうことができるので、計算量が少なく、最適化計算が大幅に簡素化され、実機への適用上有利となる。

次に、タービン起動制御装置の作用を説明する。

このタービン起動制御装置１０を作動させて発電用プラントを起動させる。発電用プラントの起動は、最適起動制御手段１７により行なわれる。

最適起動制御手段１７の立上げにより、第一段蒸気温度予測手段２１が駆動され、この第一段蒸気温度予測手段２１は、現在時刻ｋの主蒸気圧力Ｐｍｓおよび主蒸気温度Ｔｍｓの実測値を入力し、現在から将来（未来）に亘る予測区間の第一段蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）（ｊ＝１，２，…，ｍ）を予測し、この予測第一段蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）を第一段メタル温度予測手段２３に出力する。

一方、熱伝達率予測手段２２は、仮定された操作量である予測区間でのタービン昇速率・負荷上昇率パターンの初期値を適当に設定し、現在のタービン回転数ω（ｋ）、発電機負荷ＭＷ（ｋ）の実測値から予測区間での熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）を予測し、この予測熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）を第一段メタル温度予測手段２３に出力する。

次に、第一段メタル温度予測手段２３は、予測第一段蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）と予測熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）とから実測された蒸気タービン１１の第一段メタル温度Ｔｍｅｔを入力し、予測区間での第一段メタル温度Ｔｍｅｔ（ｋ＋ｊ）を計算する。

第一段メタル温度予測手段２３で計算された予測第一段メタル温度Ｔｍｅｔ（ｋ＋ｊ）およびその変化率ΔＴｍｅｔを熱応力予測手段２４に入力させ、この熱応力予測手段２４で予測区間における予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）を計算する。

最適化計算手段２５では、最適化過程でのタービン昇速率パターンΔω、発電機負荷上昇率パターンΔＭＷを熱伝達率予測手段２２にフィードバックさせ、第一段メタル温度予測手段２３および熱応力予測手段２４からなる最適化循環サイクル内を循環させ、熱応力予測計算を繰返して反復させ、最適解を収束させる。

そして、最適解が収束した後、現在時刻ｋの操作量を最適タービン昇速率・負荷上昇率として回転数・負荷制御手段１８に出力する。

回転数・負荷制御手段１８は、制御弁である流量調節弁１３を駆動制御させる弁駆動制御手段として機能し、最適タービン昇速率・負荷上昇率信号に基づいて流量調節弁１３の弁開度を制御している。

最適起動制御手段１７は、最適化計算手段２５により、予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）の最大値が規定値σｍａｘ以下の制約条件の下で、操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率パターンにおける目的関数が最大となる最適な操作量を検索する熱応力予測計算を繰り返し、一連の繰返し計算が１制御周期毎に逐次行なわれる。

また、予測区間における操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率を一定と仮定すると、最適化計算を多変数から１変数に簡略化しながら、１制御周期毎に、前述と同様な方法で実施できる。

このタービン起動制御装置１０においては、タービンロータに発生する熱応力を、定められた規定値以下に抑えつつ、最短のタービン起動時間で蒸気タービンを安定的かつスムーズに起動させることができる。

図２および３は、このタービン起動制御装置１０を用いて、予測区間における（操作量である）タービン昇速率・負荷上昇率を一定と仮定し、最適化計算を１変数に簡略化したときの、熱応力予測起動の起動特性を示す。

図２において、符号Ａは、タービン起動制御装置１０による熱応力予測起動制御を行なったときのタービン回転数の起動特性を、符号Ｂは、発電機負荷の起動特性をそれぞれ示す。いずれも、従来のタービン起動制御装置におけるタービン回転数の起動特性曲線ａや発電機負荷起動特性曲線ｂで表わされる蒸気タービン発電機より、起動時間が大幅に短縮され、蒸気タービン発電機の起動特性が大幅に改善されていることが分かる。

また、図３から、タービン起動制御装置１０で蒸気タービンの起動制御を行なっても、タービンロータの中心孔およびロータ表面側の熱応力変化曲線Ｃ，Ｄは従来のタービン起動制御装置のタービンロータの中心孔およびロータ表面側熱応力変化曲線ｃ，ｄと比べて発生熱応力の最大値はほとんど変化がない。このとき、ロータ表面熱応力の規定値は、例えば−２４．７２ｋｇ／ｍｍ^２に設定した。

このタービン起動制御装置１０におけるタービン起動制御は次のようにして行なわれる。

タービン起動制御装置１０の最適起動制御手段１７の立上げにより、最適起動制御手段１７は、熱伝達率予測ステップ、第一段メタル温度予測ステップ、熱応力予測ステップおよび最適化計算ステップを繰り返す最適化計算サイクルを繰り返す。

熱伝達率予測ステップでは仮定した操作量あるいは最適化過程における操作量としてのタービン昇速率Δω・負荷上昇率ΔＭＷに対して、実測されたプラント状態量（タービン回転数ω，発電機負荷ＭＷ）から現在時刻から未来に亘る予測区間の熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）を予測する。

第一段メタル温度予測ステップは、熱伝達率予測手段２２からの予測熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）、第一段蒸気温度予測手段２１からの予測第一段蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および第一段メタル温度の実測値Ｔｍｅｔを入力して予測区間の第一段メタル温度Ｔｍｅｔ（ｋ＋ｊ）を予測し、その１ステップ当りの変化率ΔＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）を加熱応力予測ステップに出力し、熱応力予測ステップでは予測区間のタービンロータに発生する熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）を予測している。

さらに、最適化計算ステップでは、熱応力予測手段２４からの熱応力をプラント運転条件の制約の下で規定値以下に抑えながら操作量最適推移パターンを所定の制御周期毎に計算しており、最適化計算ステップでは、操作量最適推移パターンの現在時刻における値を実際の最適操作量として決定し、最適化計算手段２５から操作量最適推移パターンの現在時刻（ｋ）における操作量の値を、最適操作量である最適タービン昇速率Δωｏｐｔ・負荷上昇率ΔＭＷｏｐｔの信号として回転数・負荷制御手段１８に出力している。回転数・負荷制御手段１８は、最適操作量の信号を入力して制御弁である流量調節弁１３を調節制御している。

図４および図５は、本発明に係るタービン起動制御装置およびその起動制御方法の第２実施形態を示すものである。

第２実施形態に示されたタービン起動制御装置１０Ａは、第１実施形態のタービン起動制御装置１０の最適起動制御手段１７に備えられる最適化計算手段２５を近似最適化計算手段２７に置換させたものであり、他の構成および作用は、第１実施形態に示されたタービン起動制御装置１０と実質的に異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

図４に示されたタービン起動制御装置１０Ａには、回転数・負荷制御手段１８に最適操作量Δωｏｐｔ，ΔＭＷｏｐｔを出力する最適起動制御手段１７Ａに、近似最適化計算手段２７が最適化計算手段２５に置換する形で備えられる。最適起動制御手段１７Ａは、最適な操作量を算出するために、不定回数の最適化計算サイクルを繰り返すことなく、すなわち繰返し計算ループを形成することなく、ストレートフォワードな演算で近似的な最適操作量Δωｏｐｔ，ΔＭＷｏｐｔを算出し、所定のタイミング（制御周期）で回転数・負荷制御手段１８に出力している。

最適起動制御手段１７Ａは、予め設定した数点の操作量であるタービン昇速率Δω，負荷上昇率ΔＭＷに対して、熱伝達率予測手段２２および第一段メタル温度予測手段２３を経て熱応力予測手段２４により予測区間の予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）の最大値σｓｍａｘが計算される。

熱応力予測手段２４で算出された予測熱応力σｓの最大値σｓｍａｘから近似最適化計算手段２７は、予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）の最大値σｓｍａｘが規定値以下の条件を満たす操作量の最大値を、線形補間等の手法で近似的に算出し、この操作量の最大値を最適操作量（最適タービン昇速率Δωｏｐｔ，最適負荷上昇率ΔＭＷｏｐｔ）として回転数・負荷制御手段１８に出力している。

最適起動制御手段１７Ａにおける最適操作量の算出手順の一例を説明する。

最適起動制御手段１７Ａでは、初めに複数点、例えば５点の操作量を設定し、予め設定されたタービン昇速率Δωを、
［数２１］
Δω_ｍｉｎ＜Δω_１＜Δω_２＜Δω_３＜Δω_ｍａｘ
の５点とし、各タービン昇速率Δωに対して、熱伝達率予測手段２２および第一段メタル温度予測手段２３を経て熱応力予測手段２４で予測区間の熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）を予測し、予測熱応力の最大値σｓｍａｘを求める。

各タービン昇速率Δωに対して計算した予測区間の熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）の最大値σｓｍａｘを、それぞれ
σｓ_ｍａｘ（Δω_ｍｉｎ），σｓ_ｍａｘ（Δω_１），σｓ_ｍａｘ（Δω_２），σｓ_ｍａｘ（Δω_３），σｓ_ｍａｘ（Δω_ｍａｘ）
とすると、
予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）の最大値σｓｍａｘから近似最適化計算手段２７により最適操作量Δωｏｐｔ・ΔＭＷｏｐｔを近似的に算出することができる。

最適操作量Δωｏｐｔ・ΔＭＷｏｐｔを近似的に算出する近似最適化計算手段２７のフローチャートの一例を図５に示す。

この近似最適化計算手段２７では、予測区間の予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）の最大値σｓｍａｘから、回転数・負荷制御手段１８（図１参照）への出力値である最適操作量Δωｏｐｔ・ΔＭＷｏｐｔを、操作量最適化の過程で不定回数の最適化計算サイクルを繰り返すことなく、ストレートフォワードな演算で算出することができる。

図５に示されるフローチャートでは、予め設定した数点の操作量であるタービン昇速率Δωに対し、熱伝達率予測手段２２および第一段メタル温度予測手段２３を経て熱応力予測手段２４により予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）の最大値σｓｍａｘがそれぞれ計算される。

各設定点における予測熱応力の最大値σｓｍａｘ（Δω_ｍａｘ，Δω_３，Δω_２，Δω_１，Δω_ｍｉｎ）に基づいて、近似最適化計算手段２７は、線形補間により予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）の最大値が規定値σｍａｘ以下の条件を満たしつつ最短の起動時間を実現する近似的な最適操作量Δωｏｐｔ・ΔＭＷｏｐｔを、各制御周期毎に算出して回転数・負荷制御手段１８（図１参照）に出力する。

このタービン起動制御装置１０Ａにおいては、タービン起動の最適化の過程で、最適な操作量（最適タービン昇速率、最適負荷上昇率）を不定回数の最適化計算サイクルを繰り返すことなく計算することができ、操作量最適化をストレートフォワードな演算で近似的に実現できる。

このタービン起動制御装置１０Ａにおけるタービン起動制御は、第１実施形態で示されたタービン起動制御装置１０の最適化計算ステップを近似最適化計算ステップと置換することにより行なわれる。

近似最適化計算ステップでは、熱応力予測手段２４の熱応力予測ステップにおいて予測された予測熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）の最大値から、プラント運転条件の制約の下で規定値以下に抑えながらタービン起動時間が最短となる最適操作量をストレートフォワードな確定演算で制御周期毎に近似的に計算し、この近似最適操作量を最適タービン昇速率Δωｏｐｔ・負荷上昇率ΔＭＷｏｐｔとして回転数・負荷制御手段１８に出力し、回転数・負荷制御手段１８はこの近似最適解である近似最適操作量に基づいて制御弁１３を駆動制御し、弁開度を調節制御してタービン起動制御を行なっている。

また、このタービン起動制御装置１０Ａにおけるタービン起動制御では、近似最適化計算手段２７から熱伝達率予測手段２２に最適化過程における操作量（タービン昇速率Δω，負荷上昇率ΔＭＷ）が出力されることがなく、熱伝達率予測手段２２には、仮定操作量である予め設定されたタービン昇速率Δω，負荷上昇率ΔＭＷが信号入力される。

図６は、本発明に係るタービン起動制御装置およびその起動制御方法の第３実施形態を示すものである。

第３実施形態に示されたタービン起動制御装置１０Ｂは、第１実施形態に示されたタービン起動制御装置１０の最適起動制御手段１７に熱伝達率予測モデル修正手段２８を付設したものであり、他の構成および作用は第１実施形態のタービン起動制御装置１０と実質的に異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

図６に示されたタービン起動制御装置１０Ｂは、第１実施形態の最適起動制御手段１７に熱伝達率予測モデル修正手段２８を付加して新しい最適起動制御手段１７Ｂとしたものである。

この最適起動制御手段１７Ｂは、熱伝達率予測手段２２で用いられる熱伝達率ｈｆの操作量を変数とする予測モデルを、逐次修正したものである。熱伝達率予測モデル修正手段２８は、熱伝達率予測手段２２で用いられる熱伝達率ｈｆの操作量の予測モデルを、制御周期毎の第一段メタル温度Ｔｍｅｔ等のプラント状態量の実測値に基づき、逐次修正したものである。

熱伝達率予測モデル修正手段２８におけるモデル修正手順の具体例を、（５）式にしめされるタービン回転数ωの比例モデルを用いて説明する。

前回時刻（ｋ−１）での第一段蒸気温度Ｔｓ（ｋ−１）、第一段メタル温度Ｔｍｅｔ（ｋ−１）および現在時刻ｋでの第一段メタル温度実測値Ｔｍｅｔ（ｋ）に対して、現在時刻ｋでの熱伝達率ｈｆ（ｋ）を、次式のように逆算的に実測値ベースで計算する。

この式から、熱伝達率予測モデル係数αは、次式で表わされる。

［数２３］
α＝ｈｆ（ｋ）／ω（ｋ） ……（２１）
但し、ｈｆ（ｋ）：現在時刻ｋでの熱伝達率
ω（ｋ）：現在時刻ｋでのタービン回転数
である。

実際のタービン回転数の比例モデルは、タービン回転数により変化するので、制御周期毎に逆算的に実測値ベースから現在時刻ｋでの熱伝達率ｈｆ（ｋ）を精度よく算出し、精度の高いモデル係数α値を用いて熱伝達率予測モデルの精度を維持している。

ただ、蒸気温度がタービンロータ側に充分に熱伝達され、ミスマッチ温度の絶対値が小さくなると、（２０）式の右辺の分母は限りなくゼロとなって０除算に近付き、精度が悪化する。このため、ミスマッチ温度の絶対値がある所要値以下になったら、現在時刻ｋの熱伝達率ｈｆ（ｋ）の計算を中止し、熱伝達率予測モデル係数αは、前回時刻（ｋ−１）の値を保持するように設定する。

ミスマッチ温度の絶対値が小さくなったら、熱伝達率ｈｆ（ｋ）の大きさは、第一段メタル温度Ｔｍｅｔの変化ΔＴｍｅｔに対して意味を持たなくなり、熱応力予測の精度に寄与しない。

このタービン起動制御装置１０Ｂにおいては、最適起動制御手段１７Ｂに熱伝達率予測モデル修正手段２８を付加し、この熱伝達率予測モデル修正手段２８により、プラント状態量（Ｐｍｓ，Ｔｍｓ，ω，ＭＷ，Ｔｍｅｔ）の実測値ベースで熱伝達率予測モデルの係数αが制御周期毎に修正され、熱伝達率予測モデルの精度を維持できる。

このように、タービン起動制御装置１０Ｂは、最適起動制御手段１７Ｂに、熱伝達率予測モデル修正手段２８を備えて、この熱伝達率予測モデル修正手段２８により、熱応力予測に用いる熱伝達率予測モデルの精度を、プラント状態量の実測値に基づき、リアルタイムに更新させることができ、熱応力予測精度を向上させることができる。

この結果、最適起動制御手段１７Ｂの最適化計算手段２５では、熱応力予測手段２４からの予測区間における熱応力σｓを、その最大値σｓｍａｘが規定値σｍａｘ以下に抑えながら最短のタービン起動時間を実現させることができ、タービン最適起動制御の精度を向上させることができる。

図７および図８は、本発明に係るタービン起動制御装置およびその起動方法の第４実施形態を示すものである。

第４実施形態に示されたタービン起動制御装置１０Ｃは、第１実施形態のタービン起動制御装置１０に備えられた最適起動制御手段１７と回転数・負荷制御手段１８の間に、最適起動制御補正手段３０を設けたものである。この際、最適起動制御手段１７は、図４に示された最適起動制御手段１７Ａであっても、また、図６に示された最適起動制御手段１７Ｂであってもよい。図７に示されたタービン起動制御装置１０Ｃにおいて、第１実施形態に示されたタービン起動制御装置１０と同じ構成および作用には、同じ符号を付して説明を省略する。

このタービン起動制御装置１０Ｃは、前述したタービン起動制御装置１０（１０Ａ，１０Ｂ）の最適起動制御手段１７（１７Ａ，１７Ｂ）から独立した最適起動制御補正手段３０を付加したものである。

第４実施形態に示されたタービン起動制御装置１０Ｃは、最適起動制御手段１７の最適化計算過程では考慮しにくい発電プラント固有の制約条件を最適起動制御補正手段３０として独立した構成とし、発電プラント固有の制約条件を考慮したタービン最適起動制御を実施したものである。

このタービン起動制御装置１０Ｃは、最適起動制御手段１７の最適化計算過程で考慮されなかった発電プラント固有の起動に関わる制約条件に基づき、最適起動制御手段１７が出力した最適な操作量である最適タービン昇速率・最適負荷上昇率、または、起動スケジュールを、最適起動補正手段３０で変更制御させるものである。

最適起動制御手段１７とは独立的に設けられる最適起動制御補正手段３０における補正ロジックの一例を図８に示す。

蒸気タービン１１は、その機械的共振点での振動増加を避けるために共振点付近の回転数域（クリティカル回転数域）（定格回転数を３６００ｒｐｍとしたとき、例えば９００ｒｐｍ〜３３００ｒｐｍの回転域）ではタービン回転数のＨＯＬＤを禁止し、クリティカル回転数域ではある一定以上のタービン昇速率で昇速させなければならない、という制約条件がある。

蒸気タービン１１では、タービン起動時にクリティカル回転数域通過時は、この回転数域以外の時に比べて熱応力を規定値以下に抑えるという点で最適変数であるタービン昇速率に対してより厳しい条件となる。

第１実施形態に示されたタービン起動制御装置１０においても、最適化制御手段１７の最適化計算過程においても、操作量の下限値の切替という形で、タービン昇速に関する制約条件を取り込んでいる。

しかし、最適起動制御手段１７の最適化計算過程でタービン昇速に関する制約条件を厳密に組み込むと、操作量の下限値切替条件が、操作量自体の関数となって計算量が増加するため最適化問題処理が大幅に難しくなる。

図７および図８に示すタービン起動制御装置１０Ｃにおいては、タービン昇速に関する制約条件をタービン起動制御に反映させるために、最適起動制御手段１７からの出力側に最適起動制御補正手段３０を独立して設け、この最適起動制御補正手段３０により「ＣＲＩＴＩＣＡＬ ＳＰＥＥＤ ＰＥＲＭＩＴ」条件を図８（Ａ）に示すように構成している。

「ＣＲＩＴＩＣＡＬ ＳＰＥＥＤ ＰＥＲＭＩＴ」条件は、クリティカル回転数域通過直前に判定され、図８（Ａ）に示すように、許可のときは、そのままタービン昇速を継続し、不許可のときは、許可条件が成立するまで、タービン回転数を、クリティカル回転数域到達前の状態でＨＯＬＤする。

同様に、発電機１５の併入直後から初負荷の低負荷域では、発電機併入直後の不安定性から負荷上昇ＨＯＬＤを禁止する制約条件に対応して、図８（Ｂ）に示す発電機系統併入許可条件、いわゆる「５２Ｇ ＯＮ ＰＥＲＭＩＴ」条件を、最適起動制御補正手段３０として構成している。

このタービン起動制御装置１０Ｃにおいては、最適起動制御手段１７の出力側に最適起動制御補正手段３０を設け、この最適起動制御補正手段３０により、最適起動制御手段１７で計算された（最適操作条件である）最適タービン昇速率・最適負荷上昇率等の起動スケジュールを、発電プラント固有の起動に関わる制約条件に基づいて補正し、変更制御して最終的なタービン起動制御が行なわれる。

このため、タービン起動制御装置１０Ｃの最適起動制御手段１７の最適化計算過程で考慮しにくい発電プラント固有の制約条件を、独立構成された最適起動制御補正手段３０で考慮し、この最適起動制御補正手段３０は最適起動制御手段１７からの最適操作量（最適タービン昇速率および最適負荷上昇率）を、発電プラント固有の制約条件に基づき補正し、最終的な最適操作量として回転数・負荷制御手段１８（図１参照）に出力している。

このように、最適起動制御補正手段３０を最適起動制御手段１７の出力側に独立して構成させ、最適起動制御補正手段３０により、最適起動制御手段１７から出力される最適タービン昇速率・最適負荷上昇率等の起動スケジュールを、その出力側で発電プラント固有の制約条件に基づいて補正し、変更制御させることで、発電プラント固有の制約条件を考慮したタービン最適起動制御を実現することができる。

なお、本発明のタービン起動制御装置の実施形態では、蒸気タービンの起動に適用した例を示したが、このタービン起動制御装置は、ガスタービンに適用することもでき、さらに、コンバインドサイクル発電プラントにも適用できる。蒸気タービンに代えてガスタービンにこの発明を適用する場合には、プラント状態量として主蒸気流量や主蒸気温度に代えて燃焼ガス流量やガス温度が用いられる。

本発明に係るタービン起動制御装置およびその起動制御方法の第１実施形態を示すもので、タービン起動制御装置の全体構成を示す図。 図１に示されたタービン起動制御装置によるタービン起動制御特性を従来のタービン駆動制御装置によるタービン駆動制御特性と比較して示す図。 図２に対応するタービンロータの発生熱応力の特性を従来の特性と比較して示す図。 本発明に係るタービン起動制御装置およびその起動制御方法の第２実施形態を示すもので、タービン起動制御装置に備えられる最適起動制御手段の構成を示すブロック図。 図４の最適起動制御手段を構成する近似最適計算手段のフローチャート。 本発明に係るタービン起動制御装置およびその起動制御方法の第３実施形態を示すもので、タービン起動制御装置に備えられる最適起動制御手段の構成を示すブロック図。 本発明に係るタービン起動制御装置およびその起動制御方法の第４実施形態を示すもので、タービン起動制御装置の構成を示すブロック図。 図７における最適起動制御補正手段における具体的なロジック例を示す図。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ タービン起動制御装置
１１ 蒸気タービン
１２ 主蒸気管
１３ 流量調節弁（制御弁）
１５ 発電機
１７，１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ 最適起動制御手段
１８ 回転数・負荷制御手段（弁駆動制御手段）
２１ 第一段蒸気温度予測手段
２２ 熱伝達率予測手段
２３ 第一段メタル温度予測手段
２４ 熱応力予測手段
２５ 最適化計算手段
２７ 近似最適化計算手段
２８ 熱伝達率予測モデル修正手段
３０ 最適起動制御補正手段

Claims (13)

1. タービンへ流入する蒸気量またはガス量を制御弁で調節制御するタービン起動制御装置において、
   直接の操作量であるタービン昇速率・負荷上昇率を変数として、現在時刻から未来に亘る予測区間のタービンロータに発生する熱応力を予測し、この予測熱応力を規定値以下に抑えながらタービン起動時間が最短となる予測区間における操作量最適推移パターンを所定制御周期毎に計算し、前記操作量最適推移パターンの現在時刻における値を、実際の最適操作量として決定する最適起動制御手段と、
   この最適起動制御手段からの最適操作量を入力して前記制御弁を作動制御する回転数・負荷制御手段とを備えたことを特徴とするタービン起動制御装置。
2. 前記最適起動制御手段は、
   タービン昇速率・負荷上昇率の直接の操作量を変数として現在から未来に亘る予測区間の熱伝達率を予測する熱伝達率予測手段と、
   この熱伝達率予測手段からの予測熱伝達率および現在時刻の実測された第一段メタル温度から予測区間の第一段メタル温度変化率を予測する第一段メタル温度予測手段と、
   第一段メタル温度予測手段の予測第一段メタル温度変化率から予測区間におけるタービンロータに発生する熱応力を予測する熱応力予測手段と、
   発電用プラントの運転条件の制約の下で、予測熱応力を規定値以下に抑えながらタービン起動時間が最短となる予測区間における操作量最適推移パターンを所定制御周期毎に計算する最適化計算手段とを有し、
   前記最適化計算手段は、操作量最適推移パターンの現在時刻における値を実際の最適操作量として決定するように設置した請求項１に記載のタービン起動制御装置。
3. 前記最適起動制御手段は、現在から未来の所定の予測区間における第一段蒸気温度を予測する第一段蒸気温度予測手段をさらに有する請求項２に記載のタービン起動制御装置。
4. 前記最適起動制御手段は、熱伝達率予測手段と、第一段メタル温度予測手段と、熱応力予測手段と、最適化計算手段とから閉じた最適化計算サイクルを構成し、
   前記最適化計算手段は、操作量最適推移パターンの現在時刻における操作量を最適タービン昇速率・最適負荷上昇率として回転数・負荷制御手段に出力するように設定した請求項２記載のタービン起動制御装置。
5. 前記最適起動制御手段に備えられる最適化計算手段は、予測区間における操作量のタービン昇速率・負荷上昇率を一定と仮定し、最適化計算手段における最適化計算の変数を減少させ、最適化計算を簡素化した請求項２または４に記載のタービン起動制御装置。
6. 前記最適起動制御手段は、熱応力予測手段における操作量に基づく熱伝達率予測モデルを制御周期毎のプラント実測値に基づいて適応させる熱伝達率予測モデル修正手段を備えた請求項２ないし５のいずれかにに記載のタービン起動制御装置。
7. 前記最適起動制御手段の出力側に最適起動制御補正手段を設け、
   この最適起動制御補正手段は、発電プラント運転条件の制約の下で、最適起動制御手段で考慮されていないプラント制約条件を入力して、前記最適起動制御手段で計算された最適操作量またはプラント起動スケジュールを補正するように設定した請求項１ないし６のいずれかに記載のタービン起動制御装置。
8. タービンへ流入する蒸気量またはガス量を制御弁で調節制御するタービン起動制御方法において、
   仮定した操作量に対して現在時刻から未来に亘る予測区間のタービンロータに発生する熱応力を予測する熱応力予測ステップと、
   上記予測熱応力をプラント運転条件の制約条件の下で規定値以下に抑えながら操作量最適推移パターンを所定の制御周期毎に計算する最適化計算ステップとを備え、
   この最適化計算ステップでは、操作量最適推移パターンの現在時刻における値を実際の最適操作量として決定することを特徴とするタービン起動制御方法。
9. 前記最適化計算ステップからの最適化過程における操作量と実測されたプラント状態量とから予測区間の熱伝達率を予測する熱伝達率予測ステップと、
   この予測熱伝達率と実測された第一段メタル温度から予測区間における第一段メタル温度を予測する第一段メタル温度予測ステップとをさらに備え、
   第一段メタル温度予測ステップからの予測第一段メタル温度変化率を受けて熱応力予測ステップで、タービンロータの熱応力を予測させ、予測熱応力から操作量最適推移パターンを所定制御周期毎に計算する最適化計算ステップを繰り返し、最適化計算サイクルを構成する請求項８に記載のタービン起動制御方法。
10. 前記最適化計算ステップでは、予測区間における操作量を一定と仮定し、最適化計算の変数を減少させ、最適化計算を簡素化する請求項８または９に記載のタービン起動制御方法。
11. 前記熱伝達率予測ステップは、操作量に基づく熱伝達率予測モデルを制御周期毎のプラント実測値に基づいて適応させる予測モデル修正ステップを有する請求項９に記載のタービン起動制御方法。
12. タービンへ流入する蒸気量またはガス量を調節制御する制御弁を有するタービン起動制御装置において、
    予め仮定した複数点の操作量に対して予測区間における予測熱応力値を計算する熱応力予測手段と、
    この熱応力予測手段による予測熱応力の最大値から、プラント運転条件の制約の下で規定値以下に抑えながらタービン起動時間が最短となる最適操作量をストレートフォワードな確定演算で近似的に計算する近似最適化計算手段とを有する最適起動制御手段を備えたことを特徴とするタービン起動制御装置。
13. タービンへ流入する蒸気量またはガス量を調節制御する制御弁を有するタービン起動制御方法において、
    予め仮定した複数点の操作量に対して予測区間における予測熱応力値を計算する熱応力予測ステップと、
    この予測熱応力の最大値から、プラント運転条件の制約の下で規定値以下に抑えながらタービン起動時間が最短となる最適操作量をストレートフォワードな確定演算で制御周期毎に近似的に計算する近似最適化計算手段とを備え、
    この近似最適計算ステップとは、制御周期毎に近似的に計算される最適操作量を最適タービン昇速率・負荷上昇率として出力することを特徴とするタービン起動制御方法。

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