JP2007231808A - 火力発電プラントのプラント効率算出装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 火力発電プラントのプラント効率を精度良く算出することである。
【解決手段】 ボイラ効率算出手段１１は燃料を燃焼させるボイラのボイラ効率を損失法で算出し、タービン効率算出手段１２はボイラからの蒸気で駆動される蒸気タービンのタービン効率をヒートバランス解析法で算出する。そして、プラント効率算出手段１３は、ボイラ効率算出手段１１で算出されたボイラ効率とタービン効率算出手段１３で算出されたタービン効率とを乗算して火力発電プラントのプラント効率を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、火力発電プラントのプラント効率を算出する火力発電プラントのプラント効率算出装置及び方法に関する。

火力発電プラントにおいては、エネルギーの有効活用からプラント効率の管理が行われている。火力発電プラントの性能は、発電機出力／燃料発熱量・燃料使用量という入出熱法で管理されている。一方、エネルギーの多様化や採掘年数の長さから、燃料として石炭を使用する石炭火力発電プラントが注目されている。石炭火力発電プラントにおいても、エネルギーの有効活用からプラント効率の管理が行われており、発電機出力／石炭発熱量・燃料使用量という入出熱法で管理されている。

いま、石炭火力発電プラントのプラント効率をη_P、石炭エネルギーをＥ_f、発電機出力をＷとすると、（１）式で石炭火力発電プラントの性能を管理している。

η_P＝Ｗ／Ｅ_f …（１）
発電機出力Ｗは出力検出器で精度良く計測できるが、入熱量に対応する石炭エネルギーＥ_fを精度良く把握することが難しい。石炭はその性状によって発熱量が異なり、水分の含み具合によっても発熱量が異なるので、石炭の発熱量を把握することが難しく、石炭発熱量・燃料使用量を精度良く把握することができない。つまり、石炭エネルギーＥ_fを精度良く把握することが難しいので、その誤差も大きくなることがある。バイオマス燃料の場合も石炭と同様に、バイオマス燃料発熱量・燃料使用量を精度良く把握することができない。

一方、ボイラ効率η_Bとタービン効率η_Tとをそれぞれ求めて、これらを乗算してプラント効率をη_Pを入出熱法で求めることも考えられる。ボイラ効率η_Bは（２）式で示され、タービン効率（タービン室効率）η_Tは（３）式で示される。なおＥ_sはボイラで発生した蒸気エネルギー、Ｗ_Tはタービン出力である。

η_B＝Ｅ_s／Ｅ_f …（２）
η_T＝Ｗ_T／Ｅ_s …（３）
すなわち、ボイラ効率η_Bは、（２）式に示すように、ボイラで発生した蒸気エネルギーＥ_sを燃料エネルギーである石炭エネルギーＥ_fで除算して求められ、タービン効率η_Tは、（３）式に示すように、タービン出力Ｗ_Tをタービンに流入する蒸気エネルギーＥ_sで除算して求められる。そして、（２）式のボイラ効率η_Bと（３）式のタービン効率η_Tとを乗算して、（１）式のプラント効率をη_Pを得る。

蒸気エネルギーＥ_sは、（４）式に示すように、蒸気流量Ｑ_sと蒸気のエンタルピーｈ_sとを乗算して求められる。

Ｅ_s＝Ｑ_s・ｈ_s …（４）
蒸気のエンタルピーｈ_sは蒸気温度及び蒸気圧力に基づいて算出されるので、比較的精度の良い値が得られる。一方、蒸気流量Ｑ_sは流量検出器で検出された値を使用しており、この蒸気流量Ｑ_sの検出精度は良くない。従って、蒸気エネルギーＥ_sは誤差が大きくなることがある。

ここで、火力発電プラントの各機器について熱入出力に関する計測を行い、得られた計測データの中で高精度と認められるデータに基づいて当該機器についてのヒートバランス計算を行い、高精度計測データおよびヒートバランスを基準値として低精度と認められる計測データの収束計算を行い、これによりプラント全体のヒートバランスを決定するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−２２９８２０号公報

しかし、特許文献１のものは、予め求めた機器の性能が熱効率に与える寄与度と決定されたヒートバランスとに基づいて、熱効率劣化要因機器を特定するものであり、燃料として、性状により発熱量が異なる石炭やバイオマス燃料を使用する火力発電プラントのプラント効率を精度良く算出するようにしたものではない。

前述したように、性状により発熱量が異なる燃料を使用する火力発電プラントのプラント性能（＝発電機出力／燃料発熱量・燃料使用量）は、燃料発熱量・燃料使用量のばらつきが大きいので、精度良く把握することができない。

図５は、石炭火力発電プラントの運転時間の経過に沿って（１）式に基づいて計算したプラント効率のグラフである。石炭火力発電プラントのプラント効率の設計値を時点Ｔ０に示しており、約（Ａ１＋３．２５）％である。そして、運開時の時点Ｔ１で（１）式に基づいてプラント効率を計算すると約（Ａ１＋０．４９）％、さらに時間が経過した時点Ｔ２で計算すると約（Ａ１＋１．４）％、さらに時間が経過した時点Ｔ３で計算すると約（Ａ１＋２．３５）％となる。時点Ｔ１からプラント効率η_Pが向上するという特性となっており、運転を継続した後の方がプラント効率η_Pがいいという結果であり、このようなことは実際には起こりえない。

図６は、蒸気タービンを構成する各タービン、すなわち、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、低圧蒸気タービンのタービン内部効率をヒートバランス法によって求めたグラフである。図６に示すように、高圧蒸気タービンの内部効率η_HP、中圧蒸気タービンの内部効率η_IP、低圧蒸気タービンの内部効率η_LP はいずれも時点Ｔ０の設計値と比較して各時点Ｔ１〜Ｔ３で３〜５％程度低下しており、こちらの方が実際の結果に近い。

高圧蒸気タービンの内部効率η_HP、中圧蒸気タービンの内部効率η_IP、低圧蒸気タービンの内部効率η_LP は基本的に（５）式により算出する。ｈ_inはタービン入口の蒸気のエンタルピー、ｈ_outはタービン出口の蒸気のエンタルピー、ｈ_adは断熱変化時のタービン出口の蒸気のエンタルピーである。

η＝（ｈ_in−ｈ_out）／（ｈ_in−ｈ_ad） …（５）
図７は、タービン入口圧力Ｐ_in及びタービン出口圧力Ｐ_outをパラメータとしたときのエンタルピーｈとエントロピーｓとの特性図である。Ｆ１（Ｐ_in）はタービン入口圧力特性曲線、Ｆ２（Ｐ_out）はタービン入口圧力特性曲線であり予め計算で求められている。

いま、タービン入口のエンタルピーがｈ_inでありタービン出口のエンタルピーがｈ_outであるとする。このときの断熱変化時のタービン出口のエンタルピーｈ_adは、図７に示すように、タービン入口のエントロピーとタービン出口のエントロピーとがｓ１で同一あるときのタービン出口のエンタルピーとなる。

ｈ_inはタービン入口蒸気圧力及びタービン入口蒸気温度から計算可能であり、ｈ_outはタービン出口蒸気圧力及びタービン出口蒸気温度から計算可能である。ただし、低圧タービンに関してはタービン出口蒸気の乾き度等が必要になる。ｈ_adはタービン入口蒸気圧力、タービン入口蒸気温度、タービン出口蒸気圧力等圧線Ｆ２（Ｐ_out）から計算可能である。従って、タービン入口蒸気圧力及びタービン入口蒸気温度、タービン出口蒸気圧力及びタービン出口蒸気温度、そして、低圧タービンに関してはタービン出口蒸気の乾き度が分かれば、そのタービンの内部効率ηは計算で求めることができる。

なお、低圧タービンについては、タービン出口蒸気乾き度を検出する検出器が設けられていないので、発電機出力Ｗに見合うようにヒートバランス計算により低圧蒸気タービンの内部効率η_LP を算出する。

このように、（５）式で計算した高圧蒸気タービンの内部効率η_ＨＰ、中圧蒸気タービンの内部効率η_IP、低圧蒸気タービンの内部効率η_LP は、設計値と比較して低い値でほぼ安定して推移している。これに対して、（１）式で計算したプラント効率η_P は時間の経過とともに向上したという結果は、石炭発熱量・燃料使用量（石炭エネルギーＥ_f）のばらつきや蒸気流量Ｑ_sのばらつきが原因であると考えられる。

本発明の目的は、火力発電プラントのプラント効率を精度良く算出できる火力発電プラントのプラント効率算出装置及び方法を提供することである。

請求項１の発明に係わる火力発電プラントのプラント効率算出装置は、ボイラのボイラ効率を損失法で算出するボイラ効率算出手段と、前記ボイラからの蒸気で駆動される蒸気タービンのタービン効率をヒートバランス解析法で算出するタービン効率算出手段と、前記ボイラ効率算出手段で算出されたボイラ効率と前記タービン効率算出手段で算出されたタービン効率とを乗算して火力発電プラントのプラント効率を算出するプラント効率算出手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる火力発電プラントのプラント効率算出装置は、請求項１の発明において、前記火力発電プラントは、燃料としてボイラで石炭を燃焼させる石炭火力発電プラントであることを特徴とする。

請求項３の発明に係わる火力発電プラントのプラント効率算出装置は、請求項１または２の発明において、前記タービン効率算出手段は、蒸気タービンの入口出口のエンタルピーに基づいてタービン効率を計算することを特徴とする。

請求項４の発明に係わる火力発電プラントのプラント効率算出方法は、ボイラのボイラ効率を損失法で算出し、前記ボイラからの蒸気で駆動される蒸気タービンのタービン効率をヒートバランス解析法で算出し、算出されたボイラ効率と算出されたタービン効率とを乗算して火力発電プラントのプラント効率を算出することを特徴とする。

本発明によれば、ボイラ効率を入出熱法よりも精度の良い損失法で算出するとともに、蒸気タービンのタービン効率を入出熱法よりも精度の良いヒートバランス解析法で算出して、これら算出されたボイラ効率とタービン効率とを乗算してプラント効率を算出するので、火力発電プラントのプラント効率の精度が向上する。特に、性状により発熱量が異なる燃料を使用する火力発電プラントのプラント効率の精度が向上する。従って、火力発電プラントの性能管理の精度が向上し的確なメンテナンスができる。また、的確なメンテナンスができることからプラント効率を向上させることができ、同じ発電出力を得るのに燃料を削減でき、火力発電プラントの運転のコストを下げることができる。

図１は本発明の実施の形態に係わるプラント効率算出装置のブロック構成図である。以下、性状により発熱量が異なる燃料を使用する火力発電プラントとして、石炭火力発電プラントを例にとりプラント効率の管理を説明する。

図１において、ボイラ効率算出手段１１は、石炭エネルギーＥ_f及び煙突から出て行く排出エネルギーＥ_c を入力し、燃料として石炭を燃焼させるボイラのボイラ効率η_Bを損失法で算出するものである。なお、石炭エネルギーＥ_f及び煙突から出て行く排出エネルギーＥ_c は別の演算手段で算出して求めたものを用いる。損失法によるボイラ効率η_Bは（６）式で算出される。

η_B＝（Ｅ_f−Ｅ_c）／Ｅ_f＝１−Ｅ_c／Ｅ_f …（６）
Ｅ_fは石炭エネルギー、Ｅ_c は主に煙突から出て行く損失エネルギーである。（６）式から分かるように、ボイラ効率η_Bはボイラの燃焼排ガスによる熱損失の割合（Ｅ_c／Ｅ_f ）を１００％から差引いて求められる。

煙突から出て行く排出エネルギーＥ_c は計算で比較的精度良く算出でき、また、燃焼排ガスによる熱損失の割合（Ｅ_c／Ｅ_f ）は、通常、石炭エネルギーＥ_f全体の１０％以下である。従って、燃焼排ガスによる熱損失の割合（Ｅ_c／Ｅ_f ）がボイラ効率η_Bに与える影響は比較的小さく、石炭エネルギーＥ_fの精度が良くない場合であっても、ボイラ効率η_Bを精度良く算出できる。このように、本発明の実施の形態では、精度の良い損失法でボイラ効率η_Bを算出する。

図２は損失法で算出したボイラ効率η_B1と入出熱法で算出したボイラ効率η_B2とのグラフである。石炭火力発電プラントのボイラ効率の設計値を時点Ｔ０に示しており、約（Ｘ１＋５．７５）％である。損失法で算出したボイラ効率η_B1は、運開時の時点Ｔ１で約（Ｘ１＋６．７）％、さらに時間が経過した時点Ｔ２で約（Ｘ１＋６．７）％、さらに時間が経過した時点Ｔ３で約（Ｘ１＋６．４）％であり、設計値と比較して多少高めの値で安定して推移している。運開時の時点Ｔ１では設計値より多少高めの値であり多少向上して、時点Ｔ２からボイラ効率η_B1が多少低下するという特性となっている。

一方、入出熱法で算出したボイラ効率η_B2は、運開時の時点Ｔ１で約（Ｘ１＋１．５）％、さらに時間が経過した時点Ｔ２で約（Ａ１＋１．３）％、さらに時間が経過した時点Ｔ３で約（Ａ１＋１）％となる。運開時の時点Ｔ１からボイラ効率η_B1は設計値よりもかなり低い値で推移する特性となっている。

通常、運転を開始して直後にボイラ効率η_Bがその設計値から大きく低下することは実際には起こりえないことであるので、設計値よりもやや大きい損失法で算出したボイラ効率η_B1の方が入出熱法で算出したボイラ効率η_B2より、真値に近い値を示していると判断できる。

次に、タービン効率算出手段１２は、タービン入口の蒸気のエンタルピーｈ_in及びタービン出口の蒸気のエンタルピーｈ_outを入力し、ボイラからの蒸気で駆動される蒸気タービンのタービン効率η_Tをヒートバランス解析法で算出するものである。なお、タービン入口の蒸気のエンタルピーｈ_in及びタービン出口の蒸気のエンタルピーｈ_outは別の演算手段で算出して求めたものを用いる。タービン入口の蒸気のエンタルピーｈ_inはタービンの入口蒸気温度及び入口蒸気圧力に基づいて精度良く計算で求めることができ、タービン出口の蒸気のエンタルピーｈ_outもタービンの出口蒸気温度及び出口蒸気圧力に基づいて精度良く計算で求めることができる。

ヒートバランス解析法では、流量検出器の検出精度が良くない蒸気流量Ｑ_sを検出精度の良いプロセス量を用いて算出し、最終的に精度の良いタービン効率η_Tを求める。タービン効率η_Tは（３）式で示されるように、η_T＝Ｗ_T／Ｅ_s である。また、蒸気タービンに流入する蒸気エネルギーＥ_sは（４）式で示される。（４）式の蒸気のエンタルピーｈ_sはタービンに流入する蒸気であるので、ｈ_s＝ｈ_inである。従って、（４）式のｈ_sにｈ_inを代入すると（７）式が得られる。

Ｅ_s＝Ｑ_s・ｈ_in …（７）
この（７）式の蒸気流量Ｑ_sは、流量検出器の検出精度が良くないので、（８）式及び（９）式により蒸気流量Ｑ_sを計算で求める。

Ｗ_T＝Ｑ_s・（ｈ_in−ｈ_out） …（８）
Ｑ_s＝Ｗ_T／（ｈ_in−ｈ_out） …（９）
この（７）式で求めた蒸気流量Ｑ_sを（７）式に代入して蒸気タービンに流入する蒸気エネルギーＥ_sを求めると、（１０）式となる。

Ｅ_s＝Ｗ_T・｛ｈ_in／（ｈ_in−ｈ_out）｝ …（１０）
そして、この（１０）式で得られた蒸気タービンに流入する蒸気エネルギーＥ_sを（３）式に代入し、タービン効率η_Tを求めると、（１１）式となる。

η_T＝（ｈ_in−ｈ_out）／ｈ_in …（１１）
このように、ヒートバランス解析法を用いて、精度が良くない蒸気流量Ｑ_sを検出精度の良いプロセス量を用いて算出して最終的に精度の良いタービン効率η_Tを求めるには、タービン入口の蒸気のエンタルピーｈ_in及びタービン出口の蒸気のエンタルピーｈ_outを入力し、（１１）式を用いて計算する。これにより、精度の良いタービン効率η_Tを得ることができる。

以上の述べたモデルは、タービン抽気等を考慮しない単純化したモデルであるが、タービン抽気を無視できない場合には、タービン抽気分の蒸気量を考慮に入れることになる。その場合は、多少複雑な計算をすることになる。

図３はヒートバランス解析法で算出したタービン効率（タービン室効率）η_T1と入出熱法で算出したタービン効率η_T2とのグラフである。石炭火力発電プラントのタービン室効率の設計値を時点Ｔ０に示しており、約（Ｘ２＋２．８４）％である。ヒートバランス解析法で算出したタービン効率η_T1は、運開時の時点Ｔ１で約（Ｘ２＋１．１０）％、さらに時間が経過した時点Ｔ２で約（Ｘ２＋１．２０）％、さらに時間が経過した時点Ｔ３で約（Ｘ２＋１．１２）％であり、運開時からタービン効率η_T1が多少低下するという特性となっている。

一方、入出熱法で算出したタービン効率η_T2は、時点Ｔ０から所定時間経過後の時点Ｔ１で約（Ｘ２＋２．８１）％、さらに時間が経過した時点Ｔ２で約（Ｘ２＋２．８０）％、さらに時間が経過した時点Ｔ３で約（Ｘ２＋２．５５）％であり、設計値と比較してタービン効率η_T2はほぼ同じ値で推移するという特性となっている。

図６に示す高圧タービン効率、中圧タービン効率、低圧タービン効率は、設計値よりかなり低いため、タービン室効率を設計値より低いと考えられることから、ヒートバランス解析法で算出したタービン効率（タービン室効率）η_T1が入出熱法で算出したタービン効率（タービン室効率）η_T2より、真値に近い値を示していると判断できる。

プラント効率算出手段１３は、ボイラ効率算出手段１１で損失法で算出したボイラ効率η_Bと、タービン効率算出手段１２でヒートバランス解析法で算出されたタービン効率η_Tとを入力し、これらボイラ効率η_Bとタービン効率η_Tとを乗算して石炭火力発電プラントのプラント効率η_Pを算出する。そして、例えば、表示装置やプリンタ等の出力装置１４に出力する。

図４は、本発明の実施の形態で求めたプラント効率η_P1と従来例で求めたプラント効率η_P2とのグラフである。なお、従来例で求めたプラント効率η_P2は図５に示したグラフと同じである。前述したように、従来例で求めたプラント効率η_P2は、運開時から急激に低下して、時点Ｔ１からボイラ効率η_B1が多少低下するという特性となっている。

一方、本発明の実施の形態で求めたプラント効率η_P1は、設計値である時点Ｔ０、運開時の時点Ｔ１で約（Ａ１＋２．２）％、さらに時間が経過した時点Ｔ２で約（Ａ１＋２．３）％、さらに時間が経過した時点Ｔ３で約（Ａ１＋２．０５）％となる。設計値と比較してプラント効率η_P がやや低い値で推移する特性となる。

従来例では、設定値と比較して運開時はかなり低いプラント効率であり、そこから時間とともに急激に上昇するということは、実際には起こりえないことであるので、本発明の実施の形態によるプラント効率η_P の方が従来例で求めたプラント効率η_Pより、真値に近い値を示していると判断できる。

本発明の実施の形態によれば、ボイラ効率η_Bは誤差の大きい石炭発熱量・燃料使用量の影響を受けにくい損失法で計算し、また、タービン効率η_Tは誤差の大きな蒸気流量Ｑ_sを算出してヒートバランス解析法でタービン効率η_Tを算出するので、ボイラ効率η_B及びタービン効率η_Tともに精度が向上し、これら精度が向上したボイラ効率η_B及びタービン効率η_Tを乗算してプラント効率η_P を求めるので、得られたプラント効率η_P も精度が向上する。これにより、火力発電プラントの性能管理の精度が向上し的確なメンテナンスができ、さらには燃料の削減が可能となりコストダウンも図ることができる。

以上の説明では、性状により発熱量が異なる燃料を使用する火力発電プラントとして、石炭火力発電プラントについて説明したが、バイオマス燃料を使用する火力発電プラントや、石油や天然ガスを燃料として使用する火力発電プラントにも適用できる。

本発明の実施の形態に係わるプラント効率算出装置のブロック構成図。 本発明の実施の形態で求めたボイラ効率η_B1と従来例で求めたボイラ効率η_B2とのグラフ。 本発明の実施の形態で求めたタービン効率（タービン室効率）η_T1と従来例で求めたタービン効率η_T2とのグラフ。 本発明の実施の形態で求めたプラント効率η_P1と従来例で求めたプラント効率η_P2とのグラフ。 従来例で求めたプラント効率のグラフ。 蒸気タービンを構成する各タービンのタービン内部効率をヒートバランス法によって求めたグラフ。 タービン入口圧力Ｐ_in及びタービン出口圧力Ｐ_outをパラメータとしたときのエンタルピーｈとエントロピーｓとの特性図。

符号の説明

１１…ボイラ効率算出手段、１２…タービン効率算出手段、１３…プラント効率算出手段、１４…出力装置

Claims (4)

1. ボイラのボイラ効率を損失法で算出するボイラ効率算出手段と、前記ボイラからの蒸気で駆動される蒸気タービンのタービン効率をヒートバランス解析法で算出するタービン効率算出手段と、前記ボイラ効率算出手段で算出されたボイラ効率と前記タービン効率算出手段で算出されたタービン効率とを乗算して火力発電プラントのプラント効率を算出するプラント効率算出手段とを備えたことを特徴とする火力発電プラントのプラント効率算出装置。
2. 前記火力発電プラントは、燃料としてボイラで石炭を燃焼させる石炭火力発電プラントであることを特徴とする請求項１記載の火力発電プラントのプラント効率算出装置。
3. 前記タービン効率算出手段は、蒸気タービン入口の蒸気のエンタルピー及び蒸気タービン出口の蒸気のエンタルピーに基づいてタービン効率を計算することを特徴とする請求項１または２記載の火力発電プラントのプラント効率算出装置。
4. ボイラのボイラ効率を損失法で算出し、前記ボイラからの蒸気で駆動される蒸気タービンのタービン効率をヒートバランス解析法で算出し、算出されたボイラ効率と算出されたタービン効率とを乗算して火力発電プラントのプラント効率を算出することを特徴とする火力発電プラントのプラント効率算出方法。
   

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