JP2013148040A - 蒸気タービン制御装置および蒸気タービン制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンについて更に高い効率で運用可能にする。
【解決手段】タービンの設定回転数と実回転数の間の偏差値に速度調定率の逆数を積算した値を速度調定率演算部が出力する。タービンの負荷設定値を負荷設定部が出力する。タービンが起動された状態のときに、負荷設定値に関連付けて調定率補正係数が設定された調定率補正関数を用いて、負荷設定部から出力された負荷設定値に対応する調定率補正係数を調定率補正係数演算部が出力する。その速度調定率演算部が出力した値に、調定率補正係数演算部が出力した調定率補正係数を積算した値を調定率補正演算部が出力する。その調定率補正演算部が出力した値に負荷設定値を加算した値と、負荷制限値とのうちの低値を、蒸気加減弁の開度指令として低値優先回路部が出力する。
【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービン制御装置および蒸気タービン制御方法に関する。

蒸気タービンは、外燃機関であり、ボイラから供給される蒸気によってタービンの軸が回転し、発電機などの装置を駆動させる。

具体的には、蒸気タービンにおいては、蒸気がボイラから、主蒸気止め弁，蒸気加減弁を介して高圧タービンに供給される。そして、高圧タービンから排出された蒸気が、再熱器で再熱された後、再熱蒸気止め弁，インターセプト弁を介して、中圧タービンに供給される。そして、中圧タービンから排出された蒸気が、低圧タービンに供給される。その後、蒸気は、復水器で凝縮され、その復水がボイラに戻る。蒸気タービンでは、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンとにおいて、蒸気の仕事によってタービン軸が回転する。そして、その回転するタービン軸によって発電機が駆動し、その発電機から電力が系統に供給される。

蒸気タービンでは、蒸気加減弁を流れる蒸気の流量が最大流量に対して９０〜９５％であるときの負荷を、定格負荷としており、たとえば、この定格負荷を与えるように運転が行われる。また、最大流量で蒸気加減弁から蒸気を流すことで最大流量負荷を与えるように、運転が行われる。このような最大流量負荷運転は、バルブ・ワイド・オープン（Ｖａｌｖｅ Ｗｉｄｅ Ｏｐｅｎ（ＶＷＯ））と称される。たとえば、蒸気加減弁の弁開度指令（負荷設定）を１４０％とし、蒸気加減弁の開度を全開にすることで、バルブ・ワイド・オープンでの運転が行われる。このバルブ・ワイド・オープンでの運転は、蒸気の圧力損失が少なく、発電プラント効率を向上可能であるので、多く行われている。

蒸気タービンは、制御装置によって動作が制御される。具体的には、制御装置がタービンの回転数などに応じて蒸気加減弁の動作を制御することで、タービンへの蒸気の流量を調整し、安定な運転を実現している。たとえば、速度調定率が５％である場合には、タービンの実回転数が設定回転数に対して５％上昇したときに、蒸気加減弁の弁開度を１００％分、降下させる。すなわち、定格負荷の運転において、系統の事故などによって系統周波数（速度）が５％上昇したときには、無負荷になるように、蒸気加減弁の弁開度を制御して、実回転数を低下させている。この他に、運転の安定化のために、種々の制御が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００８−２３３７号公報

上記のような蒸気タービンの制御では、運転の安定化を十分に実現することが容易でない場合がある。特に、バルブ・ワイド・オープンでの運転において、系統周波数の変動や負荷しゃ断が生じた時のタービンの瞬時最大回転数について、好適に抑制することが容易でない。

このような事情で、蒸気タービンにおいては、さらに高い効率で運用することが容易でない場合がある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、蒸気タービンについて更に高い効率で運用可能な、蒸気タービン制御装置および蒸気タービン制御方法を提供することである。

本実施形態の蒸気タービン制御装置では、タービンの設定回転数と実回転数の間の偏差値に速度調定率の逆数を積算した値を速度調定率演算部が出力する。タービンの負荷設定値を負荷設定部が出力する。タービンが起動された状態のときに、負荷設定値に関連付けて調定率補正係数が設定された調定率補正関数を用いて、負荷設定部から出力された負荷設定値に対応する調定率補正係数を調定率補正係数演算部が出力する。その速度調定率演算部が出力した値に、調定率補正係数演算部が出力した調定率補正係数を積算した値を調定率補正演算部が出力する。その調定率補正演算部が出力した値に負荷設定値を加算した値と、負荷制限値とのうちの低値を、蒸気加減弁の開度指令として低値優先回路部が出力する。

本発明によれば、蒸気タービンの運転安定化を容易に実現可能な蒸気タービン制御装置および蒸気タービン制御方法を提供できる。

図１は、第１実施形態に係る蒸気タービンの全体構成について、要部を模式的に示す概念図である。 図２は、第１実施形態に係る蒸気加減弁の詳細構成について、要部を模式的に示す断面図である。 図３は、一般的な蒸気加減弁の流量特性線図を示す図である。 図４は、第１実施形態に係る蒸気タービン制御装置１４の詳細構成について、要部を模式的に示す概念図である。 図５は、第１実施形態に係る蒸気タービン制御装置において、調定率補正係数演算部で用いる調定率補正関数Ｋを示す図である。 図６は、第１実施形態に係る蒸気タービンにおける蒸気加減弁の流量特性線図を示す図である。 図７は、第２実施形態に係る蒸気タービン制御装置において、調定率補正係数演算部で用いる調定率補正関数Ｋを示す図である。 図８は、第３実施形態に係る蒸気タービン制御装置の要部を示す図である。 図９は、複数の蒸気加減弁を用いた場合の一般的な流量特性線図を示す図である。 図１０は、第３実施形態に係る蒸気タービン制御装置において、調定率補正係数演算部で用いる調定率補正関数Ｋを示す図である。 図１１は、第３実施形態において、複数の蒸気加減弁を用いた場合の流量特性線図を示す図である。 図１２は、第４実施形態に係る蒸気タービン制御装置において、調定率補正係数演算部で用いる調定率補正関数Ｋを示す図である。

実施形態について、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
［Ａ］構成等
［Ａ−１］蒸気タービンの全体について
図１は、第１実施形態に係る蒸気タービンの全体構成について、要部を模式的に示す概念図である。

蒸気タービンは、図１に示すように、ボイラ１、高圧タービン２、再熱器３、中圧タービン４、低圧タービン５、復水器６、および、発電機７を有する。蒸気タービンにおいて、ボイラ１と高圧タービン２との間は、主蒸気管８で接続されており、主蒸気管８には、主蒸気止め弁９と蒸気加減弁１０とが設けられている。再熱器３と中圧タービン４との間は、再熱蒸気管１１で接続されており、再熱蒸気止め弁１２とインターセプト弁１３とが設けられている。

図１に示すように、蒸気タービンにおいては、蒸気が、ボイラ１から、主蒸気止め弁９，蒸気加減弁１０を介して高圧タービン２に供給される。そして、高圧タービン２から排出された蒸気が、再熱器３で再熱された後、再熱蒸気止め弁１２，インターセプト弁１３を介して、中圧タービン４に供給される。そして、中圧タービン４から排出された蒸気が、低圧タービン５に供給される。その後、蒸気は、復水器６で凝縮され、図示を省略しているが、その復水は、浄化処理された後に、ボイラ１に戻される。蒸気タービンでは、高圧タービン２と中圧タービン４と低圧タービン５とにおいて、蒸気の仕事によりタービン軸が回転する。そして、その回転するタービン軸によって発電機７が駆動し、発電が実施され、その発電による電力が系統に供給される。

蒸気タービンは、上記の他に、蒸気タービン制御装置１４を有する。蒸気タービン制御装置１４は、たとえば、蒸気加減弁１０とインターセプト弁１３との動作を制御する。具体的には、蒸気タービン制御装置１４は、タービン回転数検出器１０１が検出した実回転数の信号を受け、その実回転数に応じて、蒸気加減弁１０の動作を制御する。また、蒸気タービン制御装置１４は、系統に事故が発生したとき、蒸気加減弁１０とインターセプト弁１３とが急速に閉塞して、ボイラ１から高圧タービン２に供給する蒸気を断つように制御する。

蒸気加減弁１０と蒸気タービン制御装置１４との詳細に関しては後述する。

［Ａ−２］蒸気加減弁１０の詳細について
図２は、第１実施形態に係る蒸気加減弁の詳細構成について、要部を模式的に示す断面図である。

蒸気加減弁１０は、図２に示すように、弁ケーシング１５，スリーブ１６，弁棒１７，弁体１８，駆動装置１９，および，弁座２０を有する。

蒸気加減弁１０において、弁ケーシング１５は、管状体であって、側部に蒸気入口２１が設けられ、底部に蒸気出口２２が設けられている。スリーブ１６は、弁ケーシング１５の内部に設けられている。弁棒１７は、弁ケーシング１５の内部において、スリーブ１６の上部を貫通するように設けられている。弁体１８は、弁ケーシング１５内において、スリーブ１６の内部に設置されており、上部が弁棒１７に接続されている。駆動装置１９は、弁ケーシング１５の外部において、弁棒１７に連結されており、弁棒１７を駆動し、弁体１８を上下方向にスライドさせる。弁座２０は、弁ケーシング１５の内部において、弁体１８の下方に設けられている。弁座２０は、弁体１８が下方にスライドしたときに弁体１８の底面に密接するように設けられている。

蒸気加減弁１０では、弁体１８と弁座２０との間の開度が駆動装置１９の動作によって調整されて、蒸気の流量が制御される。具体的には、弁ケーシング１５の内部において、弁体１８が上方に位置するとき、蒸気入口２１から蒸気出口２２へ蒸気が流れる。一方で、弁体１８が下方に位置して弁座２０に密着したとき、蒸気入口２１から蒸気出口２２への蒸気の流れは、止められる。

図３は、一般的な蒸気加減弁の流量特性線図を示す図である。図３において、縦軸は、流量Ｆであり、横軸は、負荷設定値Ｓ（弁開度指令）である。

図３に示すように、負荷設定値Ｓが大きくなって、蒸気加減弁の開度が広くなるに伴い、蒸気加減弁を通る蒸気の流量Ｆは、増加する。

ここでは、負荷設定値Ｓが無負荷から定格負荷に対応する値までの部分Ｒ１（たとえば、負荷設定値が０〜９５％の部分）では、流量Ｆが負荷設定値Ｓに比例して大きくなる。つまり、この部分Ｒ１では、負荷設定値Ｓに対して流量Ｆが増加する割合が一定値であって、線形（直線）である。

一方で、図３に示すように、負荷設定値Ｓが定格負荷に対応する値を超えて最大流量Ｆｍａｘになるまでの間の部分Ｒ２（たとえば、負荷設定値９５〜１４０％の部分）では、流量Ｆと負荷設定値Ｓとの間に比例関係が成立しない。この部分Ｒ２では、負荷設定値Ｓが無負荷から定格負荷に対応する値までの部分Ｒ１（たとえば、負荷設定値が０〜９５％の部分）よりも、流量Ｆの増加割合が小さい。つまり、この部分Ｒ２は、流量Ｆが増加する割合が、負荷設定値Ｓの増加に伴って減少しており、非線形（曲線）である。これは、弁座２０（図２参照）の下流側において、２次側圧力が高くなるために生ずる。

このように、一般的な蒸気加減弁１０の流量特性は、無負荷から定格負荷までの間は線形であり、定格負荷を超えると、非線形になる。

本実施形態では、蒸気加減弁１０は、たとえば、開度を全開にして運用される。

［Ａ−３］蒸気タービン制御装置１４の詳細について
図４は、第１実施形態に係る蒸気タービン制御装置１４の詳細構成について、要部を模式的に示す概念図である。

蒸気タービン制御装置１４は、図４に示すように、偏差演算部１４１，速度調定率演算部１４２，負荷設定部１５１，負荷制限部１６１，調定率補正係数演算部１７１，調定率補正演算部１７２，加算部１８１，および，低値優先回路部１９１を有している。蒸気タービン制御装置１４において、各部は演算器によって構成されている。蒸気タービン制御装置１４では、各部の演算器で演算処理を実施後、その演算処理で得た開度指令を蒸気加減弁１０へ出力し、タービンへ供給する蒸気の流量を調整する。蒸気タービン制御装置１４は、蒸気加減弁１０の開度を全開にして運用する蒸気タービンに用いられる。

蒸気タービン制御装置１４を構成する各部について順次説明する。

偏差演算部１４１は、図４に示すように、タービンの設定回転数Ｓ１０と実回転数Ｓ１１の間の偏差値Ｓ１２（＝Ｓ１０−Ｓ１１）を算出する。つまり、予め設定された設定回転数Ｓ１０と、タービン回転数検出器１０１（図１参照）によって検出された実回転数Ｓ１１との間において差分処理を行う。そして、偏差演算部１４１は、その差分処理で得た偏差値Ｓ１２を出力信号として速度調定率演算部１４２へ出力する。

速度調定率演算部１４２は、図４に示すように、偏差値Ｓ１２に速度調定率Ｓ２１の逆数を積算する。速度調定率Ｓ２１は、予め設定された値であって、たとえば、５％であり、この場合には、偏差値Ｓ１２に対して２０倍（＝１／０．０５）する。そして、速度調定率演算部１４２は、その積算により得た値Ｓ２２（＝Ｓ１２／Ｓ２１）を出力信号として調定率補正演算部１７２へ出力する。

負荷設定部１５１は、図４に示すように、設定されたタービンの負荷設定値Ｓ３２を、出力信号として出力する。たとえば、負荷設定部１５１は、負荷設定増減回路１５１ａからの出力信号Ｓ３１に基づいて、タービンの負荷設定値Ｓ３２を設定し、その設定した負荷設定値Ｓ３２を調定率補正係数演算部１７１，加算部１８１へ出力する。

負荷制限部１６１は、図４に示すように、負荷制限増減回路１６１ａの出力信号Ｓ７１に基づいて、負荷制限値Ｓ７２を出力信号として出力する。

調定率補正係数演算部１７１は、図４に示すように、負荷設定値Ｓ３２に関連付けて調定率補正係数Ｓ４１が設定された調定率補正関数Ｋを用いて、負荷設定部１５１から出力された負荷設定値Ｓ３２に対応する調定率補正係数Ｓ４１を出力する。つまり、調定率補正係数演算部１７１は、負荷設定部１５１から出力された負荷設定値Ｓ３２を受けた後に、調定率補正関数Ｋにおいて、その負荷設定値Ｓ３２に対応する調定率補正係数Ｓ４１を求める。そして、その求めた調定率補正係数Ｓ４１を調定率補正演算部１７２へ出力信号として出力する。

ここでは、調定率補正係数演算部１７１は、タービンが起動された状態のときに、上記の処理を実施する。すなわち、タービンの起動操作に合わせて接点１７３が閉じてオンされたときに、調定率補正係数演算部１７１は、負荷設定部１５１との間で通電し、上記の処理を実施する。一方で、負荷しゃ断が発生したときには、接点１７３が開いてオフ状態になり、調定率補正係数演算部１７１は、上記の処理が実施されない。
負荷しゃ断が発生し開いてオフ状態になった接点１７３は、系統への再同期併入操作の前に、接点１７３のリセット操作、すなわち、接点１７３を閉じてオン状態とされ、その後の負荷運転に供される。
また、接点１７３は、タービントリップ事象にて開いてオフ状態になり、次のタービンの起動操作が行われるまで、そのオフ状態が継続される。

図５は、第１実施形態に係る蒸気タービン制御装置において、調定率補正係数演算部で用いる調定率補正関数Ｋを示す図である。図５において、横軸は、負荷設定値Ｓ３２を示しており、縦軸は、調定率補正関数Ｓ４１を示している。

図５に示すように、調定率補正関数Ｋにおいて、調定率補正係数Ｓ４１は、負荷設定値Ｓ３２がゼロから定格負荷に対応する値までの部分Ｒ１よりも、定格負荷に対応する値を超えた部分Ｒ２の方が大きい値になるように設定されている。

また、調定率補正係数Ｓ４１は、負荷設定値Ｓ３２がゼロから定格負荷に対応する値を超えた範囲Ｒ１，Ｒ２に亘って、蒸気加減弁１０の流量が、負荷設定値Ｓ３２に対して比例関係になるように設定されている。

具体的には、負荷設定値Ｓ３２がゼロから定格負荷に対応する値までの部分Ｒ１については、図３に示したように、蒸気加減弁１０の流量Ｆと負荷設定値Ｓと間は、比例関係にある。このため、図５に示すように、この部分Ｒ１に関しては、調定率補正係数Ｓ４１は、一定値であり、たとえば、「１．０」に設定されている。

これに対して、負荷設定値Ｓ３２が定格負荷に対応する値を超えた部分Ｒ２においては、図３に示したように、蒸気加減弁１０の流量Ｆと負荷設定値Ｓと間は、比例関係にない。この部分Ｒ２では、負荷設定値Ｓの増加に伴って、流量Ｆは増加するが、その流量Ｆが増加する割合は、減少している。このため、図５に示すように、この部分Ｒ２に関しては、調定率補正係数Ｓ４１は、一定値でなく、負荷設定値Ｓの増加に伴って増加するように設定されている。また、調定率補正係数Ｓ４１の増加割合が、負荷設定値Ｓの増加に伴って大きくなるように設定されている。たとえば、負荷設定値Ｓ３２が定格負荷に対応する値（９５％）において、調定率補正係数Ｓ４１が「１．０」であったところから、調定率補正係数Ｓ４１が曲線を描いて増加し、負荷設定値Ｓ３２が「１００％」であるところで、「１．４」になるように設定されている。

よって、負荷設定部１５１から調定率補正係数演算部１７１へ出力された負荷設定値Ｓ３２が「９５％」の場合には、図５に示すように、調定率補正関数Ｋから、その「９５％」の負荷設定値Ｓ３２に対応する調定率補正係数Ｓ４１として、「１．０」が求められる。また、負荷設定部１５１から調定率補正係数演算部１７１へ出力された負荷設定値Ｓ３２が「１００％」の場合には、図５に示すように、調定率補正関数Ｋから、その「１００％」の負荷設定値Ｓ３２に対応する調定率補正係数Ｓ４１として、「１．４」が求められる。そして、その求められた調定率補正係数Ｓ４１は、調定率補正演算部１７２（図４）へ出力される。

ここで、図３に示した一般的な流量特性線図では、負荷設定値Ｓを「１４０％」として蒸気加減弁１０を全開にし、最大流量Ｆｍａｘを得るようにしていたが、本実施形態に係る蒸気タービン制御装置においては、負荷設定値Ｓ３２が、「１００％」で最大流量Ｆｍａｘを得ることができる（図６参照）。したがって、本実施形態では、負荷設定値Ｓ３２を「１００％」を超えた値に設定する必要がない。

調定率補正演算部１７２は、図４に示すように、速度調定率演算部１４２が出力した値Ｓ２２に、調定率補正係数演算部１７１が出力した調定率補正係数Ｓ４１を積算する。そして、その積算した値Ｓ５１（＝Ｓ２２×Ｓ４１）を加算部１８１へ出力信号として出力する。たとえば、「１．４」の調定率補正係数Ｓ４１が調定率補正係数演算部１７１から出力された場合には、速度調定率演算部１４２から出力された値Ｓ２２に「１．４」を積算し、その積算した値Ｓ５１を加算部１８１へ出力する。

加算部１８１は、図４に示すように、調定率補正演算部１７２が出力した値Ｓ５１と、負荷設定部１５１が出力した負荷設定値Ｓ３２とを加算する。そして、その加算した値Ｓ６１を低値優先回路部１９１へ出力信号として出力する。

低値優先回路部１９１は、図４に示すように、加算部１８１が出力した値Ｓ６１と、負荷制限値Ｓ７２とにおいて低い方の値を選択する。そして、その選択した低値（Ｓ６１またはＳ７２）を、蒸気加減弁１０の開度指令Ｓ８１として出力する。

蒸気タービンにおいては、負荷制限値Ｓ７２に基づいて、蒸気加減弁１０の開度が制御されたときには、負荷制限運転が実施される。これに対して、加算部１８１が出力した値Ｓ６１に基づいて、蒸気加減弁１０の開度が制御されたときには、調速運転が実施される。

図６は、第１実施形態に係る蒸気タービンにおける蒸気加減弁の流量特性線図を示す図である。図６において、縦軸は、流量Ｆであり、横軸は、負荷設定値Ｓ３２である。

蒸気加減弁１０へ上記の開度指令Ｓ８１を出力して蒸気加減弁１０の開度を制御しているので、図６に示すように、蒸気加減弁１０の流量は、負荷設定値Ｓ３２が定格負荷に対応する値を超えた範囲Ｒ２においても、負荷設定値Ｓ３２に対して比例関係になる。

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態の蒸気タービン制御装置１４は、まず、タービンの設定回転数Ｓ１０と実回転数Ｓ１１の間の偏差値Ｓ１２（＝Ｓ１０−Ｓ１１）に速度調定率Ｓ２１の逆数を積算した値Ｓ２２（＝Ｓ１２／Ｓ２１）を速度調定率演算部１４２が出力する。つぎに、タービンが起動された状態のときに、負荷設定値Ｓ３２に関連付けて調定率補正係数Ｓ４１が設定された調定率補正関数Ｋを用いて、負荷設定部１５１から出力された負荷設定値Ｓ３２に対応する調定率補正係数Ｓ４１を調定率補正係数演算部１７１が出力する。つぎに、速度調定率演算部１４２が出力した値Ｓ２２に、調定率補正係数演算部１７１が出力した調定率補正係数Ｓ４１を積算した値Ｓ５１（＝Ｓ２２×Ｓ４１）を、調定率補正演算部１７２が出力する。つぎに、調定率補正演算部１７２が出力した値Ｓ５１に負荷設定値Ｓ３２を加算した値Ｓ６１と、負荷制限値Ｓ７２とのうち、低い値を、蒸気加減弁１０の開度指令Ｓ８１として低値優先回路部１９１が出力する。

本実施形態では、調定率補正係数Ｓ４１は、負荷設定値Ｓ３２がゼロから定格負荷に対応する値までの部分Ｒ１よりも、定格負荷に対応する値を超えた部分Ｒ２の方が大きい値である。ここでは、調定率補正係数Ｓ４１は、負荷設定値Ｓ３２がゼロから定格負荷に対応する値を超えた範囲Ｒ１，Ｒ２に亘って、蒸気加減弁１０の流量が、負荷設定値Ｓ３２に対して比例関係になるように設定されている。

このため、本実施形態は、蒸気タービンについて更に高い効率で運用することができる。この理由について以下に説明する。

本実施形態の場合と異なり、速度調定率演算部１４２が出力した値Ｓ２２について調定率補正係数Ｓ４１で補正をしない場合において、最大負荷運転のように、負荷設定値Ｓ３２が定格負荷に対応する値を超えたときは、負荷設定値と流量との間が比例関係にない（図３参照）。このため、実回転数（系統周波数）が設定回転数に対して変動した場合に、十分に負荷を変動させるように開度を制御することが困難である。具体的には、実回転数（系統周波数）が設定回転数に対して２．５％分まで上昇しないとタービン負荷が、１０％分、低下しない。比例関係が成立する場合には、０．５％分の実回転数（系統周波数）の上昇で、タービン負荷が、１０％分、低下する。また、最大負荷運転の場合において、実回転数（系統周波数）が上昇した状態で負荷しゃ断が生じた場合には、タービンの瞬時最大回転数が大きくなる。よって、送電線系統が不安定な状態になる場合がある。

しかし、本実施形態の場合には、速度調定率演算部１４２が出力した値Ｓ２２について調定率補正係数Ｓ４１で補正をしているので、最大負荷運転のように、負荷設定値Ｓ３２が定格負荷に対応する値を超えた部分についても、負荷設定値と流量との間が比例関係にある（図６参照）。よって、実回転数（系統周波数）が設定回転数に対して変動した場合に、十分に負荷を変動させるように開度を制御可能であるので、系統を安定化できる。つまり、蒸気加減弁１０の開度が負荷の変化に追従して流量を遅れずに減少できる。また、本実施形態では、最大負荷運転のような負荷設定値Ｓ３２が定格負荷を超えた運転においても、系統を安定化可能であるので、蒸気タービンについて高い効率で運用可能である。

この他に、本実施形態では、負荷しゃ断が発生したとき、接点１７３が開いてオフ状態になると、負荷設定部１５１からの通電を遮断すると共に、瞬時に調定率補正計数演算部１７１は、無負荷状態である負荷設定値Ｓ３２がゼロの位置（０％位置）に戻るように動作する。このため、調定率補正係数演算部１７１の出力は、負荷設定値をゼロ位置（０％位置）の「１．０」の値を出力するように動作するので、調定率補正演算部１７２では、信号Ｓ２２に「１．０」の値を積算する。よって、タービンの瞬時最大回転数の上昇を抑制可能である。

なお、上記において設定した調定率補正関数Ｋは、例示したものであって、上述した値に限らない。蒸気加減弁の流量特性やタービン発電ユニットの運用に応じて、適宜、設定可能である。

また、上記の各演算部において積算する処理については、その処理順序を問わない。たとえば、予め定められた速度調定率Ｓ２１の逆数を積算する処理については、偏差値Ｓ１２に対して実施せずに、調定率補正係数演算部１７１の調定率補正関数Ｋに対して、予め積算させても良い。

＜第２実施形態＞
［Ａ］構成等
図７は、第２実施形態に係る蒸気タービン制御装置において、調定率補正係数演算部で用いる調定率補正関数Ｋを示す図である。図７において、横軸は、負荷設定値Ｓ３２を示しており、縦軸は、調定率補正関数Ｓ４１を示している。

本実施形態においては、図７に示すように、調定率補正関数Ｋが、第１実施形態の場合と異なる。本実施形態は、この点、および、これに関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、この実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略する。

図７に示すように、調定率補正関数Ｋにおいて、調定率補正係数Ｓ４１は、第１実施形態と同様に、負荷設定値Ｓ３２がゼロから定格負荷に対応する値までの部分Ｒ１よりも、定格負荷に対応する値を超えた部分Ｒ２の方が大きい。

しかし、第１実施形態と異なり、負荷設定値Ｓ３２がゼロから定格負荷に対応する値までの部分Ｒ１においては、調定率補正係数Ｓ４１は、図７に示すように、一定値でなく、負荷設定値Ｓ３２に比例して大きくなる。たとえば、負荷設定値Ｓ３２が０％において調定率補正係数Ｓ４１が「０．５」であるところから、調定率補正係数Ｓ４１が直線を描いて増加し、負荷設定値Ｓ３２が「９５％」であるところで、「１．０」になるように設定されている。

そして、図７に示すように、負荷設定値Ｓ３２が定格負荷に対応する値を超えた部分Ｒ２においては、第１実施形態の場合と同様に、調定率補正係数Ｓ４１は、一定値でなく、負荷設定値Ｓの増加に伴って増加する。

このため、本実施形態では、負荷設定部１５１から調定率補正係数演算部１７１へ出力された負荷設定値Ｓ３２が「５０％」の場合には、その「５０％」の負荷設定値Ｓ３２に対応する調定率補正係数Ｓ４１として、「０．７６３」が求められる。そして、その求められた調定率補正係数Ｓ４１は、調定率補正演算部１７２（図４）へ出力される。

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態の調定率補正関数Ｋは、負荷設定値Ｓ３２がゼロから定格負荷に対応する値までの部分Ｒ１において、調定率補正係数Ｓ４１が負荷設定値Ｓ３２の増加に伴って大きくなるように設定されている。

このため、本実施形態は、部分負荷運転を行う場合において系統の事故等によって実回転数（系統周波数）が設定回転数から上昇したときに、速度調定率に沿って負荷を低下させる場合に、その負荷の変化が大きくなることを抑制可能である。この理由について以下に説明する。

負荷設定値Ｓ３２が「５０％」に設定され、部分負荷運転を行う場合において、たとえば、実回転数（系統周波数）が設定回転数よりも、０．５％分、大きくなったとき、第１実施形態の場合には、タービンの負荷が、１０％分、減少する。このように、部分負荷運転の際に、負荷が一律に１０％分減少することは、負荷の変化が大きいため、好適でない。

しかしながら、本実施形態では、調定率補正係数Ｓ４１は、負荷設定値Ｓ３２がゼロから定格負荷に対応する値までの部分Ｒ１において、１より低い値から、負荷設定値Ｓ３２の増加に伴って大きくなる。よって、上記のように「５０％」の部分負荷運転を行う場合において、たとえば、０．５％分の実回転数（系統周波数）の上昇があったときは、第１実施形態の場合よりもタービンの負荷の減少が小さく、７．６３％分の負荷が減少する。

したがって、本実施形態では、部分負荷運転を行う場合において、負荷の変化が大きくなることを抑制可能であって、運転を安定化することができる。

なお、上記において設定した調定率補正関数Ｋは、例示したものであって、上述した値に限らない。蒸気加減弁の流量特性やタービン発電ユニットの運用に応じて適宜設定可能である。

また、本実施形態においては、部分負荷運転以外に、第１実施形態と同様に、最大流量負荷運転（バルブ・ワイド・オープンでの運転）を実施しても好適である。

＜第３実施形態＞
［Ａ］構成等
図８は、第３実施形態に係る蒸気タービン制御装置の要部を示す図である。図８に示すグラフにおいて、横軸は、時間（ｔ）を示し、縦軸は、弁の開度（Ｗ）を示している。

本実施形態においては、図８に示すように、弁開度関数部３４が設けられている。また、詳細については後述するが、ノズル調速方式を採用しているため、蒸気加減弁１０が複数であり、その複数の蒸気加減弁１０の開度が負荷設定値Ｓ３２に応じて順次全開になるように制御される。また、調定率補正関数Ｋが、第２実施形態の場合と異なる。本実施形態は、この点、および、これに関連する点を除き、第２実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、この実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略する。

弁開度関数部３４は、図８に示すように、低値優先回路部１９１（図４）から出力された開度指令Ｓ８１が入力される。また、弁開度関数部３４は、蒸気加減弁１０の数に対応するように、複数の弁開度関数器３４１〜３４４を有する。本実施形態では、蒸気加減弁１０が、たとえば、４つであって、弁開度関数部３４は、その蒸気加減弁１０の数に対応して、第１弁開度関数器３４１，第２弁開度関数器３４２，第３弁開度関数器３４３，および，第４弁開度関数器３４４の合計で４つの弁開度関数器を有する。

複数の弁開度関数器３４１〜３４４のそれぞれにおいては、低値優先回路部１９１（図４）から出力された開度指令Ｓ８１に基づいて、第１から第４の開度指令Ｓ９１〜Ｓ９４を求め、複数の弁開度関数器３４１〜３４４のそれぞれに出力する。ここでは、第１から第４の開度指令Ｓ９１〜Ｓ９４は、複数の蒸気加減弁１０の開度が負荷設定値に応じて順次全開になるように求められる。

具体的には、第１弁開度関数器３４１は、最初の開度（Ｗ）がゼロの状態から時間ｔに比例して開度（Ｗ）が大きくなり、第１の時点ｔ１以降において全開（Ｗａ）になるように、第１の開度指令Ｓ９１を求める。第２弁開度関数器３４２は、第１の時点ｔ１の開度（Ｗ）がゼロの状態から開度（Ｗ）が時間ｔに比例して大きくなり、第２の時点ｔ２以降において開度（Ｗ）が全開（Ｗａ）になるように、第２の開度指令Ｓ９２を求める。第３弁開度関数器３４３は、第２の時点ｔ２の開度（Ｗ）がゼロの状態から開度（Ｗ）が時間ｔに比例して大きくなり、第３の時点ｔ３以降において開度（Ｗ）が全開（Ｗａ）になるように、第３の開度指令Ｓ９３を求める。第４弁開度関数器３４４は、第３の時点ｔ３の開度（Ｗ）がゼロの状態から開度（Ｗ）が時間ｔに比例して大きくなり、第４の時点ｔ４において開度（Ｗ）が全開（Ｗａ）になるように、第４の開度指令Ｓ９４を求める。

図９は、複数の蒸気加減弁を用いた場合の一般的な流量特性線図を示す図である。図９において、縦軸は、流量Ｆであり、横軸は、負荷設定値Ｓ（弁開度指令）である。

図９に示すように、負荷設定値Ｓに従って、複数の蒸気加減弁１０の全体の開度が大きくなるに伴い、複数の蒸気加減弁１０を通る蒸気の全体の流量Ｆは、増加する。

図９に示すように、第１の開度指令Ｓ９１に基づいて、一の蒸気加減弁１０の開度が、開始時点ｔ０にてゼロの状態から時間ｔに比例して増加し、第１の時点ｔ１以降において全開になる。そして、第２の開度指令Ｓ９２に基づいて、他の一の蒸気加減弁１０の開度が、ゼロの状態から時間ｔに比例して増加し、第２の時点ｔ２以降において全開になる。そして、第３の開度指令Ｓ９３に基づいて、上記以外の一の蒸気加減弁１０の開度が、ゼロの状態から時間ｔに比例して増加し、第３の時点ｔ３以降において全開になる。そして、第４の開度指令Ｓ９４に基づいて、上記以外の一の蒸気加減弁１０の開度が、ゼロの状態から時間ｔに比例して増加し、第４の時点ｔ４において全開になる。このように、複数の蒸気加減弁１０のそれぞれの開度が、負荷設定値Ｓに応じて順次全開になるように、その複数の蒸気加減弁１０のそれぞれの動作が制御される。

図９に示すように、複数の蒸気加減弁１０のそれぞれにおいては、流量Ｆが負荷設定値Ｓに比例して大きくなる状態を経た後、流量Ｆが負荷設定値Ｓに比例せずに大きくなる状態になる。つまり、負荷設定値Ｓに対して流量Ｆが増加する割合が一定値である線形状態を経た後、流量Ｆが増加する割合が負荷設定値Ｓの増加に伴って減少する非線形状態になる。具体的には、開始時点ｔ０から第１の時点ｔ１よりも前の時点ｔ１ａまでの間は、流量Ｆが負荷設定値Ｓに比例して大きくなる。その後、その時点ｔ１ａから第１の時点ｔ１までの間は、流量Ｆが増加する割合が負荷設定値Ｓの増加に伴って減少する。その後においても、同様に推移する。この現象は、ノズルボックス毎に分割された複数の蒸気加減弁１０のそれぞれの弁座２０（図２参照）の下流側において、２次側圧力が高くなるために生ずる。

図１０は、第３実施形態に係る蒸気タービン制御装置において、調定率補正係数演算部で用いる調定率補正関数Ｋを示す図である。図１０において、横軸は、負荷設定値Ｓ３２を示しており、縦軸は、調定率補正関数Ｓ４１を示している。

図１０に示すように、調定率補正関数Ｋにおいて、調定率補正係数Ｓ４１は、負荷設定値Ｓ３２がゼロから定格負荷に対応する値までの部分Ｒ１が、第２実施形態の場合（図７参照）と異なる。

本実施形態では、図１０に示すように、負荷設定値Ｓ３２に応じて調定率補正係数Ｓ４１が増加する割合は、複数の蒸気加減弁１０のそれぞれにおいて、負荷設定値Ｓに対する流量Ｆの増加の割合が一定値である部分（ｔ０〜ｔ１ａの間など，図９参照）よりも、負荷設定値Ｓの増加に伴って減少する部分（ｔ１ａ〜ｔ１の間など，図９参照）において、大きくなるように設定されている。

図１１は、第３実施形態において、複数の蒸気加減弁を用いた場合の流量特性線図を示す図である。

本実施形態では、複数の蒸気加減弁１０のそれぞれへ上記の開度指令Ｓ９１〜Ｓ９４のそれぞれを順次出力して、複数の蒸気加減弁１０の開度を制御する。このため、図１１に示すように、複数の蒸気加減弁１０による流量は、負荷設定値Ｓ３２が定格負荷に対応する値以下の範囲Ｒ１、および、負荷設定値Ｓ３２が定格負荷に対応する値を超えた範囲Ｒ２において、負荷設定値Ｓ３２に対して比例関係になる。

ここで、図９に示した一般的な流量特性線図では、負荷設定値Ｓを「１４０％」として複数の蒸気加減弁１０を全開にし、最大流量Ｆｍａｘを得るようにしていたが、本実施形態では、負荷設定値Ｓ３２が、「１００％」で最大流量Ｆｍａｘを得ることができる（図１１参照）。したがって、本実施形態では、負荷設定値Ｓ３２を「１００％」を超えた値に設定する必要がない。この点は、第１実施形態の場合と同様である（図６参照）。

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態では、調定率補正関数Ｋは、負荷設定値Ｓに対する調定率補正係数Ｓ４１の増加割合について、負荷設定値Ｓに対する流量Ｆの増加の割合が一定値である部分よりも、負荷設定値Ｓの増加に伴って減少する部分で大きい。

このため、本実施形態では、部分負荷運転を安定化することができる。この理由について以下に説明する。

複数の蒸気加減弁１０において次の蒸気加減弁１０を開ける動作の開始前（ｔ１ａ〜ｔ１の間）は、図９で示したように、一般には、流量Ｆが負荷設定値Ｓに比例して大きくならず、流量Ｆが増加する割合が負荷設定値Ｓの増加に伴って減少する。このため、複数の蒸気加減弁１０のクラッキングポイント（たとえば、ｔ１，ｔ２，ｔ３のような次の蒸気加減弁１０の開き始め点）では、十分な流量でなく、負荷の制御を好適に実施することができない場合がある。

しかしながら、本実施形態では、調定率補正関数Ｋが上記の図１０のように設定されているので、次の蒸気加減弁１０を開ける動作の開始前（ｔ１ａ〜ｔ１の間）においても、流量Ｆが負荷設定値Ｓに比例して大きくなり（図１１参照）、複数の蒸気加減弁１０のクラッキングポイントにおいて、負荷設定値Ｓに対して比例して増加するので、十分な流量を得ることができる。よって、負荷の制御を好適に実施可能である。したがって、本実施形態では、部分負荷運転を安定化することができる。

なお、本実施形態においては、部分負荷運転以外に、他の実施形態と同様に、最大流量負荷運転（バルブ・ワイド・オープンでの運転）を実施しても好適である。

＜第４実施形態＞
［Ａ］構成等
図１２は、第４実施形態に係る蒸気タービン制御装置において、調定率補正係数演算部で用いる調定率補正関数Ｋを示す図である。図１２において、横軸は、負荷設定値が０％の無負荷状態において系統に同期併入する前におけるタービンの回転数について、定格回転数を１００％としたときの割合を示している。縦軸は、調定率補正関数Ｓ４１を示している。

本実施形態においては、負荷設定値Ｓ３２がゼロであって、系統に同期併入する前において蒸気タービンの回転開始から定格運転の回転数に到達するまでの間は、図１２に示す調定率補正関数Ｋを用いて制御を行う。本実施形態は、この点、および、これに関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、この実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略する。

図１２に示すように、負荷設定値がゼロであって系統に同期併入前の蒸気タービンの回転開始から定格運転の回転数に到達するまでの間においては、調定率補正関数Ｋの調定率補正係数Ｓ４１は、同期併入後よりも小さい一定値に設定されている。

具体的には、図５で示したように、系統に同期併入した後は、調定率補正関数Ｋの調定率補正係数Ｓ４１は、１．０以上である。これに対して、系統に同期併入する前においては、本実施形態では、図１２に示すように、調定率補正係数Ｓ４１は、「０．５」であって、一定値である。

このため、本実施形態において、系統に同期併入する前は、蒸気加減弁１０の開度を系統に同期併入した後よりも小さく開くように、開度指令Ｓ８１（図４参照）が出力される。具体的には、蒸気加減弁１０の開度は、第１実施形態の場合に対して、半分になる。

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態では、負荷設定値Ｓ３２がゼロであって、系統に同期併入する前で蒸気タービンの回転開始から定格運転の回転数に到達するまでの間においては、調定率補正関数Ｋの調定率補正係数Ｓ４１は、その同期併入後よりも小さい一定値である。

このため、本実施形態では、上記のように、系統に同期併入する前は同期併入後よりも蒸気加減弁１０の開度が小さいので、無負荷での運転を安定化することができる。

なお、本実施形態については、第１実施形態の場合と組みわせて実施される以外に、他の実施形態に組み合わせて実施しても好適である。その他、他の実施形態と組み合わせずに、上記の制御を実施するように構成しても良い。

また、図１２では、調定率補正係数Ｓ４１は、「０．５」の一定値であるが、これに限らない。調定率補正係数Ｓ４１については、低回転数域から定格回転数までの間、回転数の上昇に比例して増加するように傾斜させてもよい。この場合には、より低回転数域の運転について安定性が増す利点がある。

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

上述したように、最大流量負荷運転（バルブ・ワイド・オープンでの運転）以外の運転において実施可能である。

１４…蒸気タービン制御装置、１４１…偏差演算部、１４２…速度調定率演算部、１５１…負荷設定部、１７１…調定率補正係数演算部、１７２…調定率補正演算部、１７３…接点、１８１…加算部、１９１…低値優先回路部

Claims (12)

1. 蒸気加減弁の開度を制御して、タービンへ供給する蒸気の流量を調整する蒸気タービン制御装置であって、
   前記タービンの設定回転数と実回転数との間の偏差値に速度調定率の逆数を積算した値を出力する速度調定率演算部と、
   前記タービンの負荷設定値を出力する負荷設定部と、
   前記タービンが起動された状態のときに、前記負荷設定値に関連付けて調定率補正係数が設定された調定率補正関数を用いて、前記負荷設定部から出力された負荷設定値に対応する前記調定率補正係数を出力する調定率補正係数演算部と、
   前記速度調定率演算部が出力した値に、前記調定率補正係数演算部が出力した前記調定率補正係数を積算した値を出力する調定率補正演算部と、
   前記調定率補正演算部が出力した値に前記負荷設定値を加算した値と、負荷制限値とのうちの低値を、前記蒸気加減弁の開度指令として出力する低値優先回路部と
   を有する
   蒸気タービン制御装置。
2. 前記蒸気加減弁の開度を全開にして運用する蒸気タービンに用いられる、
   請求項１に記載の蒸気タービン制御装置。
3. 前記調定率補正関数において、前記調定率補正係数は、前記負荷設定値がゼロから定格負荷に対応する値までの部分よりも、前記定格負荷に対応する値を超えた部分の方が大きい値になるように設定されている、
   請求項１または２に記載の蒸気タービン制御装置。
4. 前記調定率補正関数において、前記調定率補正係数は、前記負荷設定値がゼロから定格負荷に対応する値までの部分において一定値である、
   請求項１から３のいずれかに記載の蒸気タービン制御装置。
5. 前記調定率補正関数において、前記調定率補正係数は、前記負荷設定値がゼロから定格負荷に対応する値までの部分において、前記負荷設定値の増加に伴って大きくなるように設定されている、
   請求項１から３のいずれかに記載の蒸気タービン制御装置。
6. 前記調定率補正関数において、前記調定率補正係数は、前記負荷設定値が定格負荷に対応する値を超えた部分において、前記負荷設定値の増加に伴って大きくなるように設定されている、
   請求項１から５のいずれかに記載の蒸気タービン制御装置。
7. 前記蒸気加減弁が複数であり、当該複数の蒸気加減弁の開度が前記負荷設定値に応じて順次全開になるように、当該複数の蒸気加減弁の動作を制御し、
   前記調定率補正関数は、前記複数の蒸気加減弁のそれぞれにおいて、前記負荷設定値に対する前記調定率補正係数の増加割合について、前記負荷設定値に対する流量の増加の割合が一定値である部分よりも、前記負荷設定値の増加に伴って流量が増加する割合が減少する部分で大きくなるように設定されている、
   請求項１から６のいずれかに記載の蒸気タービン制御装置。
8. 前記調定率補正関数において、前記調定率補正係数は、前記負荷設定値がゼロから前記定格負荷に対応する値を超えた範囲に亘って、前記蒸気加減弁の流量が、前記負荷設定値に対して比例関係になるように設定されている、
   請求項１から７のいずれかに記載の蒸気タービン制御装置。
9. 前記負荷設定値がゼロであって、系統に同期併入前の蒸気タービンの回転開始から定格運転の回転数に到達するまでの間においては、前記調定率補正関数の前記調定率補正係数は、同期併入後よりも小さい一定値に設定されている、
   請求項１から８のいずれかに記載の蒸気タービン制御装置。
10. 前記負荷設定値がゼロであって、系統に同期併入前の蒸気タービンの回転開始から定格運転の回転数に到達するまでの間においては、前記調定率補正関数の前記調定率補正係数は、同期併入後よりも小さく、前記回転数の増加に比例して大きくなるように設定されている、
    請求項１から８のいずれかに記載の蒸気タービン制御装置。
11. 前記負荷設定部と前記調定率補正係数演算部との間に接点を備えており、
    蒸気タービンが負荷遮断した時、前記接点が開き、前記負荷設定部から前記調定率補正係数演算部への通電を遮断すると共に、
    前記調定率補正係数演算部から前記調定率補正演算部に対して負荷設定値がゼロ位置の前記調定率補正係数を出力するように設定されている、
    請求項１から１０のいずれかに記載の蒸気タービン制御装置。
12. 蒸気加減弁の開度を制御して、タービンへ供給する蒸気の流量を調整する蒸気タービン制御方法であって、
    前記タービンの設定回転数と実回転数の間の偏差値に速度調定率の逆数を積算した値を出力する速度調定率演算ステップと、
    前記タービンの負荷設定値を出力する負荷設定ステップと、
    前記タービンが起動された状態のときに、前記負荷設定値に関連付けて調定率補正係数が設定された調定率補正関数を用いて、前記負荷設定ステップで出力された負荷設定値に対応する前記調定率補正係数を出力する調定率補正係数演算ステップと、
    前記速度調定率演算ステップで出力した値に、前記調定率補正係数演算ステップで出力した前記調定率補正係数を積算した値を出力する調定率補正演算ステップと、
    前記調定率補正演算ステップで出力した値に前記負荷設定値を加算した値と、負荷制限値とのうちの低値を、前記蒸気加減弁の開度指令として出力する低値選択ステップと
    を有する
    蒸気タービンの制御方法。

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