JP2009511807A - 化石燃料式エネルギ発生設備の構成部品の寿命消費の検出方法と装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、化石燃料式エネルギ発生設備における個々の構成部品の実施すべき負荷切換過程に関する寿命消費を予知する方法に関し、負荷切換過程前に、エネルギ発生設備の状態を特徴づける実際特徴量を検出し、エネルギ発生設備の負荷切換過程を実現する運転段を予め設定し、その運転段および前記特徴量によって負荷切換時間を計算し、設定した運転段における個々の構成部品の少なくとも一部に対する予期寿命消費を計算することを特徴とする。本発明はまた、化石燃料式エネルギ発生設備における予期負荷切換時間を予知する方法に関し、負荷切換過程前に、エネルギ発生設備の状態を特徴づける実際特徴量を検出し、負荷切換後に個々の構成部品の所望の寿命消費を入力することによって、運転段および予期負荷切換時間を計算することを特徴とする。本発明は更に、上述ｎ方法を実施するための装置にも関する。

Description

本発明は、化石燃料式エネルギ発生設備における個々の構成部品の実施すべき負荷切換過程に関する寿命消費を予知する方法に関する。また本発明は、化石燃料式エネルギ発生設備における予期負荷切換時間を予知する方法に関する。更にまた本発明は、化石燃料式エネルギ発生設備における個々の構成部品の実施すべき負荷切換過程に関する寿命消費を予知しかつ化石燃料式エネルギ発生設備における予期負荷切換時間を予知するための装置に関する。

ガスタービン設備では、気体燃料或いは液体燃料、例えば天然ガス或いは石油が圧縮空気と混合され、燃焼される。加圧状態にある燃焼ガスは、ガスタービン設備のタービンに作動媒体として供給される。作動媒体は膨張しながらタービンを回転させ、その際、熱エネルギが機械仕事に、即ちタービン軸の回転に転換される。膨張済み作動媒体がガスタービン設備から排出される際、その作動媒体は代表的に５００〜６００℃の温度を有する。

ガス・蒸気複合タービン設備において、ガスタービン設備からの廃ガスとも呼ばれる膨張済み作動媒体は、蒸気タービンを駆動する蒸気を発生すべく使われる。そのため作動媒体は、ガスタービン設備の排気側に後置接続された廃熱ボイラに供給される。廃熱ボイラには管や管束の形態をした複数の伝熱面（加熱器）が配置されている。該伝熱面はまた蒸気タービン設備の水・蒸気回路に接続され、その水・蒸気回路は少なくとも１つ、通常は複数の圧力段を有する。

ガス・蒸気複合タービン設備を始動すべく、今日では、通常ガスタービン設備が始動され、その膨張済み作動媒体が蒸気タービン設備の廃熱ボイラに供給される。廃熱ボイラで発生された蒸気は、最初蒸気タービン設備のタービン部分に供給されず、バイパス装置を経てタービンを迂回され、蒸気を凝縮して水にする復水器に直接導かれる。水・蒸気回路の蒸気管ないしガスタービン設備のタービン部分に通ずる蒸気管において、所定の蒸気パラメータ、例えば所定の蒸気圧力と蒸気温度が維持されたときに初めて、蒸気タービンが接続（投入）される。蒸気パラメータの維持は、厚肉構造部品で発生し得る応力を低いレベルに抑えることを目的としている。ガスタービン設備の始動後、出力増大が行われ、これは蒸気系における圧力を上昇させる。ガスタービン設備が加速される負荷勾配に対する決定基準、即ちガスタービン設備の単位時間毎の出力上昇に対する決定基準は、廃熱ボイラの形態と構造様式並びに蒸気タービンの内部における設計限界に関係する。ガスタービン負荷の増大、従ってガスタービン設備から排出される廃ガスの温度ないし体積流量の増大に伴って、蒸気系における蒸気温度および圧力も増大される。

化石燃料式原動所、例えばガス・蒸気複合タービン設備の設計は、特に予期すべき総合負荷を基礎としている。例えば始動過程および停止過程或いは個々の負荷切換における負荷変動速度は、設計時、原動所の設計寿命の終わりに構成部品理論寿命が完全に利用し尽くされるように定められる。現実の実際寿命消費は寿命監視装置によって表示される。

電力市場の開発自由化に伴い、化石燃料式原動所をできるだけ短い始動時間で始動することが要求され、更に同じ観点の下で、化石燃料式原動所について負荷切換を実施することが要求される。今日の技術に応じ、化石燃料式原動所において負荷変動は、例えばボイラ、蒸気タービン或いはガスタービン等の設備における個々の構成部品の設計により決定された、例えば特に応力臨界構成部品の所定の許容限界に応じて実施される。該許容限界は自動装置に固定限界として記憶され、或いは同時に最適化装置を介して計算される。その例は燃焼式ボイラにおけるボイラ最適限界の計算である。しかし、最適化装置は負荷切換前の情報が得られず、従って、市場要求に関する例えば時間や寿命消費に能動的に影響を与えることもできない。しかし、負荷変動速度の各実際市場要求への適合によって、個々の構成部品の寿命消費は大きく影響を受ける。その結果、負荷切換が実施される場合に個々の構成部品のできるだけ少ない寿命消費が要求される。これは、化石燃料式原動所の始動時および負荷切換時における柔軟性を著しく高め、顧客の有用性に貢献し、これは正に自由化電力市場においてかかる設備の競合優位性に役立つ。

このことは、例えば欧州特許出願公告第０９３７１９４号明細書で、蒸気タービンに関し示されている。欧州特許出願公告第０９３７１９４号明細書は、時間設定を入力してタービンの負荷切換過程を制御するタービン制御装置を提案し、該タービン制御装置によって、最大許容材料応力を考慮に入れた状態で、電気エネルギを発生するための運転上の要件に応じたタービンの運転条件の柔軟な変更が達成される。負荷切換過程の制御に関し、欧州特許出願公告第０９３７１９４号明細書では、制限装置において時間幅を設定した状態でタービン制御量を決定し、該タービン制御量を、始動状態の開始と目標状態の到達との間の時間幅における時間の関数として求めている。また、タービン制御量に応じて実施すべき負荷切換過程の材料疲れが求められる。この結果追加的材料疲れを予め計算し、これにより、その材料疲れおよびなお望まれるタービンの継続運転時間を基に、負荷切換過程を実際に所望の時間幅で実施すべきか否かが、手動で、或いは自動的に決定できる。

本発明の課題は、化石燃料式エネルギ発生設備、例えばガス・蒸気複合タービン設備の柔軟性、特に運転柔軟性を一層向上する方法を提供することにある。本発明の他の課題は択一的なもう１つの方法を提供することにある。本発明の更に他の課題は、化石燃料式エネルギ発生設備の柔軟性を高めるための装置を提供することにある。この装置は、特に前記方法および択一的なもう１つの方法を実施するために適用される。

方法に関する課題は、本発明に基づき、化石燃料式エネルギ発生設備における個々の構成部品の実施すべき負荷切換過程に関する寿命消費を予知する方法において、負荷切換過程前に、エネルギ発生設備の状態を特徴づける実際特徴量を検出し、エネルギ発生設備の負荷切換過程を実現する運転段を予め設定し、その運転段および前記特徴量によって、負荷切換時間を計算し、設定した運転段における個々の構成部品の少なくとも一部に対する予報寿命消費を計算することによって解決される。

本発明は、厳しさが増した要件、例えば給電指令員の出力要求、高い燃料コスト或いは自由化された電力市場がもたらす電力販売価格に関し、化石燃料式エネルギ発生設備の運転様式ばかりか、正に負荷切換時の寿命消費も考慮せねばならないという認識に基づく。更にここでは、負荷切換時の構成部品の寿命消費が、主に設備を支配する実際状態に関係し、設備およびそこに存在する構成部品におけるその瞬間状態に関係するという認識に基づく。従って、化石燃料式エネルギ発生設備において、個々の構成部品の実施すべき負荷切換過程に関する寿命消費を予知すべく、状態を特徴づける量、例えば構成部品温度と系統圧力を負荷切換前に測定する。この特徴量は、例えば静止状態中のエネルギ発生設備の冷え状態や、負荷切換直前におけるエネルギ発生設備の実際運転状態に関係する。その特徴量の検出後、負荷切換過程を実現するエネルギ発生設備の運転段を予め設定する。この運転段は、例えば低速運転段、通常運転段或いは高速運転段、負荷切換段並びに目標値運転段、即ち設備の動力発生に関する出力設定値運転段を含む。しかし、許容公差内に置かれる他の運転段も考えられる。運転段の設定後および特徴量の検出後、例えばシミュレーションによって負荷切換時間を計算する。そのデータによって、いまや、設定した運転段における個々の構成部品の予報寿命消費を計算する。該計算は寿命監視装置により行う。本発明の方法により、負荷切換前に既に、個々の特に応力臨界構成部品の予期寿命消費を検出し、かつ運転段をそれに適合させ得る。この結果、化石燃料式エネルギ発生設備を厳しさが増した要件に適合させることができる。同様に、化石燃料式エネルギ発生設備の柔軟性の増大に伴い、負荷切換過程の金銭的評価および寿命消費節約運転段を認識できるので、一方で経営者側が、例えば安価な電力の供給により、自由化された電力市場における競合優位性を高めることができる。顧客の要求に合ったエネルギ発生設備の提供により、提供者（製造者）側も良好な結果が得られる。

本発明の方法は、個々の構成部品の寿命消費を予知するためだけでなく、予期燃料消費および／又は負荷切換中における予期出力発生のような他のプロセス量を予知するためにも利用すると特に有効である。従って、寿命消費の予知は、ここで特に考慮する、考え得るプロセス量に過ぎない。本発明は、寿命消費の代わりに或いはそれに加えて、上述した他のプロセス量を予知し考慮することも可能であり、その方法も含む。

或いは有利な実施態様では、設定される運転段の代わりに、所望の負荷切換時間および所望の目標出力、即ち出力設定値を入力する。これにより、設定された目標出力における個々の構成部品の少なくとも一部に対する予報寿命消費を計算する。ここでは例えばエネルギ発生設備の状態を特徴づける実際特徴量を考慮に入れ、シミュレーションにより、この所望の過程を相応した目標時間で正確に達成する必要な負荷変動限界が計算できる。この計算した負荷変動限界を記憶し、続いて新たな計算の基礎として利用する。

択一的なもう１つの方法に関する課題は、本発明に基づき、化石燃料式エネルギ発生設備における予期負荷切換時間を予知する方法において、負荷切換過程前に、エネルギ発生設備の状態を特徴づける実際特徴量を検出し、負荷切換後に個々の構成部品の所望の寿命消費を入力し、運転段および予期負荷切換時間を計算することで解決できる。

エネルギ発生設備の柔軟性を高めるための他の方法は、所望の寿命消費の入力により得られる。その際、負荷切換前に、エネルギ発生設備の状態を特徴づける実際特徴量を検出する。予知の結果として、予期される始動時間、停止時間ないし負荷切換時間が生ずる。計算した負荷変動限界を記憶し、続いて、新たな計算の基礎として利用する。

装置に関する課題は、本発明に基づき自動装置と計算装置と寿命監視装置とを有し、化石燃料式エネルギ発生設備における個々の構成部品の実施すべき負荷切換過程に関する寿命消費を予知するための装置において、自動装置がデータ交換のために計算装置に接続され、計算装置がデータ交換のために寿命監視装置に接続され、これにより、設定された運転段における個々の構成部品の少なくとも一部に対する予報寿命消費の計算が行われることにより解決される。この装置は、特に上述した方法並びに択一的なもう１つの方法を実施するために適用される。上述の方法の利点は前記装置においても生ずる。

本発明の他の特徴、特性および利点を、実施例の説明と従属請求項から明らかにする。

以下図を参照して本発明を詳細に説明する。図は実寸通りでなく概略的に示し、各図において同一部分には同一符号を付している。

図１に、化石燃料式エネルギ発生設備における個々の構成部品の実施すべき負荷切換過程に関する寿命消費を予知する方法を概略的に示す。この方法は、主に自動装置１と、手動入力装置２と、計算装置３と、寿命監視装置４と、出力装置５とを用いる。自動装置１は、本来の始動過程／停止過程ないし負荷切換の前に既に、そのエネルギ発生設備の状態を特徴づける実際特徴量を測定する。該特徴量は、設備の停止状態中における冷却状態ないし設備の始動直前、停止直前ないし負荷切換直前の実際の運転状態に関係する。その関連量は、例えば構成部品温度と系統圧力である。入力装置２を介して、例えば設備の低速運転、通常運転或いは高速運転並びに目標出力値に対する所定の運転段が設定される。その際、この設定は手動又は自動で行われる。次に、このデータは計算装置３に送られる。計算装置３は、一方で、例えば始動時間、停止時間又は負荷切換時間等の量を計算し、他方で同時に、始動過程／停止過程或いは負荷切換過程に関する種々のパラメータの経過をシミュレーションする。該パラメータは、例えば原動所プロセスの温度経過、圧力経過および質量流量経過である。自動装置１と入力装置２により計算装置３に伝えられたデータにより、計算装置３は例えば予期される始動時間、停止時間ないし負荷切換時間を、例えば始動過程／停止過程或いは負荷切換過程のシミュレーションにより計算する。これは、設備において考慮すべき、例えば温度上昇や圧力上昇等の許容限界を維持して行われる。その際計算装置３は寿命監視装置４に接続されている。計算装置３での計算結果基づき、同時に、設定した運転段で負荷切換過程を実施した際の個々の構成部品に対する予期寿命消費を計算する。その際寿命監視装置４は実際寿命消費データも考慮に入れる。続いて、予め設定した運転段での個々の構成部品の寿命消費を出力装置５で表示する。これは例えば原動所運転員が識別できる。続いて、原動所運転員は手動で、設定した運転段を維持するか、入力装置２を介して異なった運転段を設定するかを決定する。しかし、予め設定した指令を基に計算装置３が、設定した運転段が維持されるか否かを自動的に決定するように実行できる。

従って、この方法によれば、設備の本来の始動過程／停止過程ないし負荷切換の前に既に、始動時間／停止時間或いは負荷切換時間を維持した状態で、予期寿命消費に対する指令を発することができる。この本発明の方法は、寿命消費を予知する他に、その代わりに或いはそれに加えて、予期される燃料消費および／又は負荷切換中における予期出力発生を予知するためにも関与する。これにより、設備運転制御よりかなり良好な予報が可能となる。

図２は、ガス・蒸気複合タービン設備Ｔにおいて本発明の方法を適用した状態を示す。ここで、自動装置１は、エネルギ発生設備の状態を特徴づける設備の実際特徴量を測定する。該設備は、主に廃熱ボイラ１ａ、ガスタービン１ｂ、蒸気タービン１ｃおよび場合によってはボイラ（図示せず）である。ここで本発明の方法は、例えば設備の停止時にガスタービン１ｂがボイラ或いは蒸気タービン１ｃにおけるよりも速く冷えることを考慮している。入力装置２、例えばコンピュータを介して運転段が設定される。そのデータは計算装置３に伝えられる。計算装置３は、ガス・蒸気複合タービン設備全体の予期される始動時間／停止時間或いは負荷切換時間を計算し、この時間を、ガスタービン１ｂと蒸気タービン１ｃないし廃熱ボイラ１ａとボイラに割り振る。寿命監視装置４において、実際のガスタービン寿命消費４ｂおよび蒸気タービン寿命消費４ｃないし廃熱ボイラ寿命消費４ａが測定される。計算装置３での計算結果により、同時に、設定された運転段における負荷切換過程を実施する際の個々の構成部品に対する予期寿命消費が計算される。その結果、個々の構成部品の予期寿命消費が出力装置５で表示される。続いて、その結果に基づき、実際に設定された運転段が維持されるか変えられる。

本発明の新システムによって、原動所操作員ないし原動所運転員は、原動所における実際の要件に能動的に設備運転様式を合わせることができる。かかる要件は、例えば給電指令員からの給電要求、燃料費或いは電力販売価格から生ずる。また、操作員ないし原動所運転員は、設備の運転中に寿命消費に能動的に影響を与える能力を有し、従って、場合によっては期限に達した点検間隔を制御しおよびその原動所運転プランに合わせることができる。本発明の方法によって、原動所の始動過程／停止過程ないし負荷切換の前に既に、設備の実際状態を基礎として、予期過程をシミュレーションでき、そこから、例えば負荷切換中における個々の構成部品の予期寿命消費および／又は予期燃料消費および／又は出力発生のような関連プロセス量についての情報を得ることができる。これらの情報は、例えば始動過程／停止過程或いは負荷切換過程の金銭的評価をも可能とする。

更に、設備の柔軟性の増大に基づき、例えば運転が顧客の各要求内容に正確に適合した化石燃料式原動所、例えばガス・蒸気複合タービン設備を提供できるので、その設備の競合優位性が高まる。

本発明に基づく方法のブロック図。 ガス・蒸気複合タービン設備において本発明の方法を実施する装置の概略図。

符号の説明

１ａ 廃熱ボイラ、１ｂ ガスタービン、１ｃ 蒸気タービン、１ 自動装置、２ 入力装置、３ 計算装置、４ 寿命消費監視装置、５ 出力装置、Ｔ ガス・蒸気複合タービン設備

Claims (26)

1. 負荷切換過程前に、エネルギ発生設備の状態を特徴づける実際特徴量を検出し、
   エネルギ発生設備の負荷切換過程を実現する運転段を予め設定し、
   その運転段および前記特徴量によって、負荷切換時間を計算し、
   設定した運転段における個々の構成部品の少なくとも一部に対する予報寿命消費を計算する
   ことを特徴とする化石燃料式エネルギ発生設備における個々の構成部品の実施すべき負荷切換過程に関する寿命消費を予知する方法。
2. 設定した運転段の代わりに、所望の負荷切換時間および所望の目標時間を入力することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 特徴量が構成部品実際温度を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 特徴量が実際系統圧力を含むことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
5. 負荷切換によって始動過程を実施することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
6. 負荷切換によって停止過程を実施することを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法。
7. 負荷切換時間の計算をシミュレーションによって実施することを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
8. 予期寿命消費の計算によって、個々の構成部品の寿命消費制御を実施することを特徴とする請求項１から７の１つに記載の方法。
9. ガスタービン（１ｂ）、廃熱ボイラ（１ａ）、蒸気タービン（１ｃ）、ボイラ、発電機および変圧器の少なくとも１つを有するエネルギ発生設備において利用されることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の方法。
10. ガスタービン、蒸気タービン或いはガス・蒸気複合タービン設備（Ｔ）において利用されることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の方法。
11. 負荷切換過程前に、エネルギ発生設備の状態を特徴づける実際特徴量を検出し、
    負荷切換後に、個々の構成部品の所望の寿命消費を入力することによって、運転段および予期負荷切換時間を計算する
    ことを特徴とする化石燃料式エネルギ発生設備における予期負荷切換時間を予知する方法。
12. 自動装置（１）がデータ交換のために計算装置（３）に接続され、計算装置（３）がデータ交換のために寿命監視装置（４）に接続され、これにより、設定された運転段における個々の構成部品の少なくとも一部に対する予報寿命消費の計算が達成されることを特徴とする化石燃料式エネルギ発生設備における個々の構成部品の実施すべき負荷切換過程に関する寿命消費を予知するための装置。
13. 自動装置（１）が、エネルギ発生設備の状態を特徴づける実際特徴量を検出するために利用されることを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. 特徴量が、化石燃料式エネルギ発生設備における構成部品の少なくとも１つの部分の少なくとも１つの構成部品温度を含むことを特徴とする請求項１２又は１３記載の装置。
15. 特徴量が、化石燃料式エネルギ発生設備において発生する少なくとも１つの系統圧力を含むことを特徴とする請求項１２から１４の１つに記載の装置。
16. 自動装置（１）が、所望の運転段を入力するために設けられたことを特徴とする請求項１２から１５の１つに記載の装置。
17. 所望の運転段の入力が、自動で行われるか、操作員により手動で行われることを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. 計算装置（３）が化石燃料式エネルギ発生設備の始動時間の計算を含んでいることを特徴とする請求項１２から１７の１つに記載の装置。
19. 計算装置（３）が化石燃料式エネルギ発生設備の停止時間の計算を含んでいることを特徴とする請求項１２から１８の１つに記載の装置。
20. 計算装置（３）がシミュレーション装置を含むことを特徴とする請求項１２から１９の１つに記載の装置。
21. 入力装置（２）が、計算装置（３）とのデータ交換のために設けられていることを特徴とする請求項１２から２０の１つに記載の装置。
22. 出力装置（５）が、計算装置（３）とのデータ交換のために設けられていることを特徴とする請求項１２から２１の１つに記載の装置。
23. 出力装置（５）が、寿命監視装置（４）とのデータ交換のために設けられていることを特徴とする請求項１２から２２の１つに記載の装置。
24. 化石燃料式エネルギ発生設備の個々の構成部品が、ガスタービン（１ｂ）、廃熱ボイラ（１ａ）、蒸気タービン（１ｃ）、ボイラ、発電機および変圧器の少なくとも１つの構成部品であることを特徴とする請求項１２から２３の１つに記載の装置。
25. 請求項１２から２４の１つに記載の装置を備えていることを特徴とするエネルギ発生設備。
26. ガスタービン、蒸気タービン或いはガス・蒸気複合タービン設備（Ｔ）として形成されていることを特徴とする請求項２５記載のエネルギ発生設備。

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