JP2015090132A - 蒸気タービンプラント起動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラント初期状態量に柔軟に対応して、蒸気タービンを高速に起動することができる蒸気タービンプラント制御装置を提供する。【解決手段】熱源媒体で低温流体を加熱して高温流体を生成する熱源装置１と、高温流体との熱交換により蒸気を発生させる蒸気発生設備２と、蒸気で駆動する蒸気タービン３と、プラント操作量を調整する調整装置１１、１２、１３、１４、１５とを備えた蒸気タービンプラントの起動制御装置２１において、蒸気タービン３の起動制御に用いる少なくとも一つの制約条件について予測値を計算する予測部２２と、プラント状態量の初期値に基づいて蒸気タービン３の起動制御に用いる起動制御パラメータを計算する起動制御パラメータ設定手段３２と、予測値と起動制御パラメータとに基づき制約条件が予め決定された制限値を超えないようプラント操作量を決定するプラント操作量計算部２３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービンプラント起動制御装置に関する。

風力発電や太陽光発電に代表される再生可能エネルギーを用いた発電プラントでは再生可能エネルギーから得られる発電量が季節、天候等により大きく変動する。そのため、蒸気タービンを備えたこの種の発電プラントには発電量の変動を抑制し発電プラントを安定化させるべく、起動時間の短縮（高速起動）が求められている。

蒸気タービンの起動では、蒸気タービンに流入する蒸気の温度や流量が急激に上昇するためタービンロータの表面が内部に比較して急速に昇温する。その結果、タービンロータの表面と内部との温度差による応力（熱応力）が増大する。過大な熱応力はタービンロータの寿命を縮め得るため、増大した熱応力を予め定められた制限値内に収める必要がある。また、蒸気タービンの起動では、タービンロータ及びタービンロータを収納するケーシングは高温の蒸気にさらされることにより加熱され、熱膨張により特にタービン軸方向に伸びる（熱伸び）。タービンロータとケーシングは構造と熱容量が異なるため、タービンロータの熱伸びとケーシングの熱伸びには差（熱伸び差）が生じる。この熱伸び差が大きくなると、回転体であるタービンロータと静止体であるケーシングとが接触して損傷する可能性があるため、熱伸び差を予め定められた制限値内に収める必要がある。このように、蒸気タービンの起動にはいくつかの制約条件が存在するため、これらの制約条件を満たすように起動制御を行う必要がある。

この種の起動制御方法として、発電プラントの停止後経過時間、すなわち発電プラントが停止してからの経過時間の長さに応じて起動モードを決定し、起動モード毎に予め決定された起動スケジュールに基づき起動制御を行うものがある（非特許文献１等を参照）。また、熱応力発生の抑制を目的に、計測された蒸気タービン段落のケーシングメタル温度に基づきガスタービンと蒸気タービンの起動制御を行うものがある（特許文献１等を参照）。また、起動時間を優先するパターンや効率を優先するパターン等の複数の起動パターンを備え、起動毎のニーズに応じて起動パターンを切り替えるものがある（非特許文献２、特許文献２等を参照）。また、予め蒸気タービンに供給される温度の上昇率を規定し、この温度の上昇率に基づきプラントを制御するものがある（非特許文献３等を参照）。また、現在時刻から未来に亘る一定期間の熱応力や熱伸び差を予測計算し、予測熱応力を制限値内に抑えながら蒸気タービンを高速起動する起動スケジュールを得るものがある（非特許文献４、特許文献３、４、５等を参照）。

平賀昭二：「火力発電所の自動起動装置」，日立評論，48巻，6号 763-767pp. (1966) L.Balling：Fast cycling and rapid start-up: new generation of plants achieves impressive results, Modern Power Systems, January(2010) C.Ruchti et al.：Combined Cycle Power Plants as ideal solution to balance grid fluctuations, Kraftwerkstechnisches Kolloquium, TU Dresden, 18-19, September (2011) 松本茂他２名：熱応力予測によるタービン最適起動技術、火力原子力発電, Vol.61, No.9 p.798-803 (2010/9)

特許4208397号公報 特許4885199号公報 特許4723884号公報 特開2009-281248号公報 特開2011-111959号公報

非特許文献１には、プラントの停止後経過時間に応じて起動モードをコールドスタート、ウォームスタート、ホットスタート、ベリーホットスタートの４種類に割り振る起動制御方法が例示されている。各起動モードでは、蒸気タービンの回転数の上昇速度、蒸気タービンの回転数の上昇速度を一定値に保持する時間（ヒートソーク時間）、初期負荷、負荷を変化させずに一定値に保持する時間（負荷保持時間）及び負荷の単位時間あたりの変化率（負荷変化率）等が予め決定されており、これらに基づいて定められた起動スケジュールに従い起動制御が行われる。その結果、熱応力や熱伸び差等の制約条件を制限値以下に抑えた起動制御が可能となる。しかしながら、この起動スケジュールは一般的に、蒸気タービンにおける各種状態量や操作量の変動を考慮し、制約条件に対して十分な余裕が得られるように定められている。プラントの停止後経過時間によって起動開始時の蒸気タービンメタル温度に差があるため、同じ起動モードでも、特に停止後経過時間が短いほど起動スケジュールに必要以上に余裕が生じてしまい、起動時間が十分に短縮されない。

特許文献５には、将来の熱応力をプラント状態予測回路により予測計算し、この予測熱応力が規定値以下になるよう蒸気タービンの昇速率と負荷上昇率を算出し、起動スケジュールを得る起動制御方法が開示されている。この場合、起動時間短縮を実現する上で精度と信頼性の高い操作量の算出が可能となる。しかし、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力や温度については予め時間トレンドを規定しており、これら状態量をどのように定めればよいかについては示されていない。

さらにその他先行技術文献でも、熱応力を制限値以下に抑えてプラントを起動制御する技術が開示されているが、いずれも予め定められた起動モードに従った起動スケジュールないしはパラメータを有することが前提となっている。つまり、限られたパターンでしか起動できないため、起動の度に異なる停止後経過時間等のプラント初期状態量に柔軟に対応して最も効率的かつ迅速に起動制御する方法であるとは言い難い。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、プラント初期状態量に柔軟に対応して、蒸気タービンを高速に起動することができる蒸気タービンプラントの起動制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、例えば熱応力や熱伸び差を含む起動に関わる制約条件を予測計算し、蒸気タービンへの蒸気を生成する系統を含めたプラント全体を統括的に制御することで、プラント初期状態量に応じて蒸気タービンを高速に起動する制御方法と制御装置を提供する。この際、制約条件の予測値に基づき要求プラント操作量を決定するのに用いられる制御パラメータや、起動スケジュールに関する制御設定値等の起動制御パラメータの値が、起動前の蒸気タービン所定部位の温度（初期メタル温度）や停止後経過時間等のプラント初期状態量に応じて連続的に計算される。これにより、起動モードに依存することなく起動時間を更に短縮することができる。

本発明によれば、様々なプラント初期状態量に応じて蒸気タービンを高速に起動することができる。

本発明の第１実施形態に係る発電プラントの概略図である。 本発明の第１実施形態における制約条件の予測値の補正の概念を示す図である。 本発明の第１実施形態における制約条件の予測値の補正手順を示すフローチャートである。 起動スケジュールの一例であって、本発明の第１実施形態に係る起動制御パラメータ計算回路で計算される起動制御パラメータを説明する図である。 起動スケジュールにおける発電プラントの停止後経過時間と所要起動時間との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る発電プラントの概略図である。 本発明の第３実施形態に係る装置の構成、及びその内部の計算の流れを示す図であって、オペレータが起動スケジュールを取得するまでの計算手順を示す図である。 起動完了時刻、起動開始時刻、停止後経過時間、及び所要起動時間の関係を示す図である。

＜第１実施形態＞
（構成）
図１は本実施形態に係る発電プラント１００の概略図である。図１に示すように、発電プラント１００は蒸気タービンプラント５０と起動制御装置２１とで構成されている。以下、蒸気タービンプラント５０及び起動制御装置２１について説明する。

１．蒸気タービンプラント
図１に示すように、蒸気タービンプラント５０は熱源装置１、蒸気発生設備２、蒸気タービン３、発電機４、熱源媒体量操作部１１、低温流体量操作部１２、主蒸気加減弁１３、バイパス弁１４、及び減温器１５を備えている。

熱源装置１は熱源媒体に保有される熱量を用いて低温流体を加熱し高温流体を生成して蒸気発生設備２に供給する。蒸気発生設備２は内部に熱交換器を備え、熱源装置１で生成された高温流体の保有熱との熱交換により給水を加熱して蒸気を発生させる。蒸気タービン３は蒸気発生装置２で発生した蒸気によって駆動する。発電機４は蒸気タービン３に連結され、蒸気タービン３の駆動力を電力に変換する。発電機４の電力は例えば不図示の電力系統に供給される。

熱源装置１に対する熱源媒体の供給経路には熱源媒体量操作部１１が設けられている。熱源媒体量操作部１１は、熱源装置１に供給される熱源媒体量を調節して熱源装置１で生成される高温流体の保有熱量を操作する。熱源装置１に対する低温流体の供給経路には低温流体量操作部１２が設けられている。低温流体量操作部１２は熱源装置１に供給される低温流体の流量を調節して、熱源装置１から蒸気発生設備２に供給される高温流体の流量を操作する。蒸気発生装置２と蒸気タービン３とを接続し、蒸気発生設備２から蒸気を導き出す蒸気配管系統には主蒸気加減弁１３が設けられている。主蒸気加減弁１３は蒸気タービン３に供給される蒸気流量を操作する。蒸気発生設備２の蒸気配管系統から分岐し、蒸気配管系統を流れる蒸気を他系統へ排出するバイパス系統にはバイパス弁１４が設けられている。バイパス弁１４はバイパス系統を流れる蒸気の流量（バイパス流量）を制御する。蒸気発生設備２の内部には減温器１５が設けられている。減温器１５は蒸気発生設備２で生成された蒸気を減温する。上述の熱源媒体量操作部１１、低温流体量操作部１２、主蒸気加減弁１３、バイパス弁１４、及び減温器１５はプラント操作量（後述する）を調整する調整装置として機能する。

起動制御装置２１には発電プラント１００のプラント操作量及びプラント状態量が入力される。起動制御装置２１に入力されるプラント操作量の入力値としては、例えば前述した調整装置の操作量を示す各種計測値がある。起動制御装置２１に入力されるプラント状態量の入力値としては、蒸気タービンプラント５０のプラント状態量、例えば蒸気タービンプラント５０の構成要素や作動媒体の温度や圧力、流量等の状態量を示す各種計測値がある。本実施形態では、熱源媒体量操作部１１や低温流体量操作部１２、主蒸気加減弁１３、バイパス弁１４、減温器１５等の操作量を示す計測値がプラント操作量の入力値として、主蒸気温度や圧力、流量、蒸気タービンメタル温度等のプラント状態量を示す計測値がプラント状態量の入力値として、それぞれ起動制御装置２１に入力される。

２．起動制御装置
起動制御装置２１では、第一に上述したプラント操作量の入力値及びプラント状態量の入力値に基づき、蒸気タービン３の起動制御に用いる少なくとも一つの制約条件について予測値（制約条件の予測値）が計算される。制約条件には、蒸気タービン３のタービンロータの表面と内部との温度差による熱応力（以下、タービンロータの熱応力という）、及び蒸気タービン３のタービンロータと蒸気タービン３を収納する容器（以下、車室という）との熱伸び差（以下、タービンロータの熱伸び差という）に関する制約条件の少なくとも一方が含まれる。このタービンロータの熱応力及びタービンロータの熱伸び差以外に、例えば車室の熱変形（半径方向や周方向の変位）及び車室内外壁の温度差等、他の制約条件の少なくとも一つを加えることもできる。第二に、制約条件の予測値に基づき各調整装置の操作量（調整装置に対する指令値）が計算される。制約条件の予測値に基づき各調整装置の操作量を計算することで、例えばフィードバック制御のような現在の計測値に基づき調整装置の各構成要素の操作量を計算する場合に比べて、時定数（入力に対する応答の遅れ）が大きな現象（制約条件）を好適に推移させることができる。

以上の機能を果たすために、起動制御装置２１は、予測部２２、プラント操作量計算部２３、起動制御パラメータ計算回路（起動制御パラメータ設定手段）３２、及び指令値出力回路（熱源媒体量操作状態計算回路４１、低温流体量操作状態計算回路４２、主蒸気加減弁操作状態計算回路４３、バイパス弁操作状態計算回路４４、及び減温器操作状態計算回路４５）を備えている。各構成要素について次に順次説明していく。

２−１．予測部
予測部２２は、上述したプラント操作量の入力値及びプラント状態量の入力値に基づき、蒸気タービン３の起動制御に用いる少なくとも一つの制約条件について予測値を計算する。予測部２２は、プラント状態量予測計算回路２４と、第１の制約条件予測計算回路２５、第２の制約条件予測計算回路２６、及び第３の制約条件予測計算回路２７を備えている。

２−１−１．プラント状態量予測計算回路
プラント状態量予測計算回路２４には、不図示の検出器により計測されたプラント操作量の計測値及びプラント状態量の計測値が、プラント操作量の入力値及びプラント状態量の入力値として入力される。プラント状態量予測計算回路２４は、入力されたプラント操作量の計測値及びプラント状態量の計測値に基づき、設定された予測期間にわたる将来のプラント状態量の予測値を計算する。この予測期間は、後述する第１の予測期間、第２の予測期間、第３の予測期間等の各制約条件に対して個別に設定された予測期間のうち最長の期間よりも長くなるよう設定される。

プラント起動時に制約条件の予測値を計算する方法には、公知の制御工学的なモデル予測制御手法や、制約条件に関わる物理現象についての公知の熱力学的、流体力学的、伝熱工学的な計算モデル式に将来のプラント運転条件を入力して計算する予測手法、将来のプラント操作量の変化率を現在のメタル温度差等のプロセス値とのテーブルを参照して取得する方法、現在の変化率を予測期間にわたって外挿する方法等、公知の任意の予測手法を用いることができる。

プラント状態量予測計算回路２４で計算されるプラント状態量の予測値とは、蒸気タービン入口の主蒸気の圧力、流量、温度や蒸気タービン初段後の圧力、流量、温度、熱伝達率等、各制約条件の値の推定に必要なプラント各部の熱的状態を表す物理量をいう。この物理量の計算には、公知の自然科学法則や工学に基づくどのような手法を用いてもよい。以下に計算手法の例を示す。

・蒸気タービン入口の主蒸気の蒸気条件の計算手法（手順Ａ１）
熱源媒体量操作部１１と低温流体量操作部１２の操作量に基づき、熱源装置１から蒸気発生装置２を介して蒸気タービン３に供給される熱と物質の伝播過程を公知のエネルギーバランスの式やマスバランスの式から計算し、蒸気タービン入口の流量と温度、エンタルピを計算する。そして、蒸気タービン入口の流量や温度を用いて、音速流れにおける流量計算の式に基づき定格の圧力値を補正して圧力を計算する。

・蒸気タービン初段後の蒸気条件の計算手法（手順Ａ２）
上述した蒸気タービン入口の主蒸気の圧力から蒸気タービン初段後の圧力損失を減算して蒸気タービン初段後の圧力を得る。この圧力損失はプラント特有の蒸気タービン設計情報に基づき計算される。また、上述した蒸気タービン入口の主蒸気の流量から他系統への蒸気の流入出量を加減算して蒸気タービン初段後の流量を得る。この蒸気タービン初段後の圧力と上述した蒸気タービン入口のエンタルピに基づき、蒸気物性の計算関数（蒸気表）を参照して蒸気タービン初段後の温度を計算される。蒸気の流速とロータ回転速度の合成流速と、動粘性係数に基づき、公知の熱伝達率計算の式により蒸気タービン初段後の蒸気−ロータ間の熱伝達率を計算する。この動粘性係数は、蒸気タービン初段後の圧力と温度から、蒸気表を参照することで計算される。

２−１−２．制約条件予測計算回路
第１の制約条件予測計算回路２５、第２の制約条件予測計算回路２６、及び第３の制約条件予測計算回路２７は、プラント状態量予測計算回路２４で計算されたプラント状態量の予測値を基に、設定された予測期間にわたってそれぞれ対応する制約条件の予測値を計算する。

各制約条件予測計算回路２５〜２７に対して設定する予測期間は、対応する制約条件について例えば熱源媒体や蒸気状態量の変化に対する経時変化の追従性（応答時間）に応じた長さに設定されている。本実施形態では、各制約条件予測計算回路２５〜２７に対して設定する予測期間をそれぞれ第１の予測期間、第２の予測期間及び第３の予測期間とする。

前述のように、蒸気タービン３の起動制御に用いる制約条件は、タービンロータの熱応力やタービンロータの熱伸び差、車室の熱変形、車室内外壁の温度差等の蒸気タービンの起動に関わる構造体内部の温度差やメタル温度に起因するものが多く、上述の手順Ａ２の計算結果に基づき、蒸気からメタルへの伝熱計算によりメタルの内部の温度分布を計算することにより得られる。例えば、タービンロータの熱応力は、蒸気からタービンロータへの伝熱計算によりタービンロータの半径方向の温度分布が計算され、線膨張率、ヤング率、ポアソン比等を用いた材料工学則に基づき計算される。タービンロータの熱伸び差は、蒸気からタービンロータ及び車室への伝熱計算によりタービンロータの軸方向に分割した蒸気タービンの各部位の温度が計算され、線膨張率を用いた材料工学則に基づき計算される。車室の熱変形は、蒸気から車室及び車室の軸、半径及び周方向の伝熱計算により車室内部の温度分布が計算され、線膨張率、ヤング率、ポアソン比等を用いた材料工学則に基づき計算される。車室の内外壁温度差は、蒸気から車室及び車室の軸、半径方向の伝熱計算により車室の半径方向の温度分布が計算されることで得られる。

さらに、各制約条件予測計算回路２５〜２７はプラント状態量の実績値（計測値、及び計測値に基づく算出値を含む）に基づき、制約条件の予測値を補正する。以下、実績値に基づき制約条件の予測値を補正する手順について、図２及び図３を参照して説明する。図２は制約条件の予測値の補正の概念を示す図である。図２では、実時刻は現在時刻を指し、予測計算進行点と記された箇所まで制約条件の予測値の計算が進行した状態を示している。図３は制約条件の予測値の補正手順を示すフローチャートである。なお、以下では、実績値に基づき制約条件の予測値を補正する手順をタービンロータの熱応力の制約条件を例にして説明する。

図２及び図３に示すように、各制約条件予測計算回路２５〜２７は、不図示の検出器を介して、実時刻までの蒸気条件やメタル温度等のプラント状態量の計測値を取得する（Ｓ１）。各制約条件予測計算回路２５〜２７は、プラント状態量の計測値に基づき熱応力の実績値を計算する（Ｓ２）。一方、各制約条件予測計算回路２５〜２７は、実時刻より先行して予測計算進行点までのタービンロータの熱応力の予測値を計算する（Ｓ３）。次に、各制約条件予測計算回路２５〜２７は実時刻におけるタービンロータの熱応力の実績値と予測値との偏差Δδを計算し（Ｓ４）、実時刻以降に計算されるタービンロータの熱応力の予測値をタービンロータの熱応力の実績値との偏差Δδを少なくするように補正する（Ｓ５）。そして、各制約条件予測計算回路２５〜２７は、プラントの起動完了条件が満足しているかどうか、すなわちプラントの起動が完了したかどうかを判断する（Ｓ６）。プラントの起動完了条件が満足している場合には、Ｓ１〜Ｓ５の手順を終了する。一方、プラントの起動完了条件が満足していない場合には、Ｓ１〜Ｓ５の手順が繰り返し実行される。なお、図２及び図３ではタービンロータの熱応力の実績値に応じて予測値を補正する手順を例示したが、タービンロータの熱伸び差、車室の熱変形、又は車室内外壁の温度差等の他の制約条件の予測値について補正を行ってもよく、又は蒸気温度、蒸気圧力、若しくは蒸気タービン所定部位メタル温度等のプラント状態量の予測値について補正を行ってもよい。補正方法はいずれの場合も同様である。また、上述の説明ではタービンロータの熱応力の予測値が実績値に応じて補正される場合を例示したが、タービンロータの熱応力の計測値に応じて補正されてもよい。

２−２．起動制御パラメータ計算回路
起動制御パラメータ計算回路３２は、プラント状態量の初期値（プラント初期状態量）に基づいて蒸気タービン３の起動制御に用いる起動制御パラメータを計算する。プラント初期状態量はプラント起動初期（起動運転開始時）のプラント状態量であり、例えば、起動初期の蒸気タービン入口車室やタービンロータ等のメタル温度（初期メタル温度）、又はタービンロータの熱応力値もしくは熱伸びの値、又はタービンロータの熱伸び差もしくは車室の内外壁温度差等の蒸気タービンの各部位間の温度差等のように計測値に基づき直接的に評価可能な状態量だけでなく、停止後経過時間のように間接的に状態を評価可能な状態量も用いられ得る。例えばメタル温度のように計測器を用いて直接計測できる状態量を用いる場合、より正確に初期状態を推定することが可能となる。一方、例えば熱応力等のように計測値に基づく算出値のように間接的に得られる状態量を用いる場合、目的の状態量を直接計測する専用の計測器を設ける必要がないため設備コストを減らすことができる。

起動制御パラメータは、制約条件の予測値に基づき要求プラント操作量（後述する）を決定するのに用いるパラメータや、起動スケジュールに関する制御設定値である。この起動制御パラメータについて図４を参照して説明する。図４は起動スケジュールの一例であって、起動制御パラメータ計算回路３２で計算される起動制御パラメータを説明する図である。

起動制御パラメータの例としては、制約条件の予測値と制限値との差Δσに基づき、熱源装置の負荷が単位時間あたりに変化するレート（負荷変化率）を計算する関数f（Δσ，a）のパラメータa、熱源装置の負荷を変化させずに一定値に保つ時間（負荷保持時間）を計算する関数f（Δσ，b）のパラメータb、蒸気タービンの回転数上昇速度（昇速率）を計算する関数ｆ（Δσ，c）のパラメータc、蒸気タービンの回転数や負荷等の状態を一定に保つ時間（ヒートソーク時間）を計算する関数f（Δσ，d）のパラメータd、及び蒸気タービンの負荷変化率を計算する関数ｆ（Δσ，e）のパラメータe等がある。パラメータa〜eはそれぞれ関数f（Δσ，a）、f（Δσ，b）、ｆ（Δσ，c）、f（Δσ，d）、ｆ（Δσ，e）に含まれる係数等である。関数f（Δσ，a）、f（Δσ，b）、ｆ（Δσ，c）、f（Δσ，d）、ｆ（Δσ，e）は、制約条件毎に用意されている。例えば、負荷変化率の関数f（Δσ，a）は制約条件毎に用意されていて、パラメータaは制約条件毎に関数f（Δσ，a）から求めることができる。関数f（Δσ，a）、f（Δσ，b）、ｆ（Δσ，c）、f（Δσ，d）、ｆ（Δσ，e）は、起動制御パラメータ計算回路３２に格納されていて、起動制御パラメータ計算回路３２は入力されたプラント初期状態量を基にΔσを算出し、目的の起動制御パラメータを所望の関数から算出する。これら関数は、プラント初期状態量がプラント起動完了の状態に近いほど、起動時間を短縮する方向に起動制御パラメータを計算するように構築されている。例えば、メタル温度について言えば、初期値が高い値であるほど、熱源装置１の負荷変化率が大きくなるようパラメータaの値が計算され、負荷保持時間が短くなるようパラメータbの値が計算される。パラメータc, d, eについても同様である。なお、関数の代わりに、例えばプラント初期状態量と起動制御パラメータとの関係テーブルを起動制御パラメータ計算回路３２に格納しておき、このテーブルを参照して、与えられたプラント初期状態量に対応した起動制御パラメータを決定する構成としてもよい。一方、起動スケジュールに関する制御設定値の例として、蒸気タービン通気温度vやヒートソーク回転数w、ヒートソーク負荷x、熱源装置を負荷保持する負荷y等がある。上記ではこれら各起動制御パラメータを、a, b,・・・vのようにそれぞれ１つの変数として示したが、a₁, a₂・・・,b₁, b₂・・・, v₁, v₂・・・のように複数の変数としてもよい。

２−３．プラント操作量計算部
プラント操作量計算部２３は、予測部２２で計算された制約条件の予測値と起動制御パラメータ計算回路３２で計算された起動制御パラメータとに基づき制約条件が予め決定された制限値を超えないよう要求プラント操作量を決定する。プラント操作量計算部２３は、第１の要求操作量計算回路２８、第２の要求操作量計算回路２９、第３の要求操作量計算回路３０及び低値選択装置３１を備える。

２−３−１．要求操作量計算回路
第１の要求操作量計算回路２８は第１の制約条件予測計算回路２５で計算された制約条件の予測値と、起動制御パラメータ計算回路３２で設定された起動制御パラメータとに基づき、制約条件が予め設定された制限値を超えないよう指令値出力回路４１〜４５に対する各要求プラント操作量を計算する。第１の制約条件予測計算回路２５及び起動制御パラメータ計算回路３２から第１の要求操作量計算回路２８に入力される値は、対応する制約条件（例えば熱応力）について計算された値である。つまり、第１の制約条件予測計算回路２５から入力される値は例えば熱応力の予測値であり、起動制御パラメータ計算回路３２から入力される値は例えば熱応力についての制限値と予測値との差Δσを変数とする例えば負荷変化率の関数から求められた起動制御パラメータ（この場合a）である。第１の要求操作量計算回路２８と同じく、第２の要求操作量計算回路２９、第３の要求操作量計算回路３０も、それぞれ第２の制約条件予測計算回路２６、第３の制約条件予測計算回路２７で計算された制約条件の予測値と起動制御パラメータ計算回路３２で対応する制約条件について計算された起動制御パラメータとに基づいて、対応する制約条件が制限値を超えないよう指令値出力回路４１〜４５に対する各要求プラント操作量を計算する。これら要求プラント操作量は先の各関数に従って制限値を限度として計算される値である。従ってその項目としては、蒸気タービンの昇速率やヒートソーク時間、負荷変化率、熱源装置の負荷変化率や負荷保持時間等がある。要求操作量計算回路２８〜３０のそれぞれにおいて、要求プラント操作量の計算に用いられる起動制御パラメータは複数であってもよい。つまり、要求操作量計算回路２８〜３０のそれぞれにおいて、指令値出力回路４１〜４５に対する要求プラント操作量が複数組計算される構成である。要求プラント操作量は、Δσが大きければプラント操作量の変化率を大きく、Δσが小さければプラント操作量の変化率を小さくするよう計算される。

２−３−２．低値選択装置
低値選択装置３１は、要求操作量計算回路２８〜３０が計算した指令値出力回路４１〜４５に対する各要求プラント操作量を入力し、指令値出力回路４１〜４５のそれぞれに対して、複数の要求プラント操作量の中から最小値を選択し、選択した要求プラント操作量をそれぞれ調整装置４１〜４５に出力する。

２−４．指令値出力回路
熱源媒体量操作状態計算回路４１、低温流体量操作状態計算回路４２、主蒸気加減弁操作状態計算回路４３、バイパス弁操作状態計算回路４４、減温器操作状態計算回路４５は、低値選択装置３１から入力された要求プラント操作量を基に、この要求プラント操作量を満足するようにそれぞれ熱源媒体量操作部１１、低温流体量操作部１２、主蒸気加減弁１３、バイパス弁１４、減温部１５に対するプラント操作量の指令値（操作状態指令値）を算出する。熱源媒体量操作状態計算回路４１、低温流体量操作状態計算回路４２、主蒸気加減弁操作状態計算回路４３、バイパス弁操作状態計算回路４４、減温器操作状態計算回路４５は、算出したプラント操作量の指令値をそれぞれ熱源媒体量操作部１１、低温流体量操作部１２、主蒸気加減弁１３、バイパス弁１４、減温部１５に出力する。

（効果）
（１）蒸気タービンの起動の高速化
本実施形態では、起動制御パラメータがプラント初期状態量に応じて設定され、この起動制御パラメータに基づき熱源装置１や蒸気タービン３等の起動スケジュールが予測制御により調整される。すなわち、本実施形態に係る起動制御装置２１では、起動制御パラメータ及び起動スケジュールをプラント初期状態量に応じて柔軟に設定することができる。従って、様々なプラント初期状態量に応じて蒸気タービンを高速に起動することができる。

図５は、起動スケジュールにおける発電プラント１００の停止後経過時間と所要起動時間との関係を示す図である。横軸は停止後経過時間、縦軸は所要起動時間を示している。起動運転開始時がＡ未満の場合の起動モードをホット起動、Ａ以上Ｂ未満の場合をウォーム起動、Ｂ以上の場合をコールド起動と呼ぶ。Ａ、Ｂ（Ａ＜Ｂ）は設定値である。図５において、点線は起動スケジュール及び起動制御パラメータの双方を起動モード依存とした比較例１を示している。比較例１では、停止後経過時間によって起動モードが決まる。同一起動モードでは、停止後経過時間によらず、所要起動時間は一律に設定されるため、起動制御パラメータはモード毎に統一され、起動スケジュールも起動モードが同じであれば同じである。破線は起動スケジュールを予測制御により調整し、起動制御パラメータを起動モード依存とした比較例２を示している。この場合、停止後経過時間で起動モードが決まる点では比較例１と同様であるが、同一起動モードでも停止後経過時間が短いほど所要起動時間が短い起動スジュールが算出される。予測制御による効果である。しかし、起動制御パラメータについては、起動モードが同じであれば停止後経過時間によらず一律に設定されるため、各起動モードの境界で起動制御パラメータの変更に起因する不連続点が生じる。従って、いずれの比較例においても各起動モードで停止後経過時間が短いほど起動スケジュールに必要以上の余裕が生じている。

それに対し、実線は本実施形態で説明したモードレス起動を採用した場合を示している。本実施形態では起動モードの概念がなく（モードレス起動）、起動制御パラメータがプラント初期状態量に応じて連続的に変化するため、所要起動時間と停止後経過時間との関係線が屈曲することなく（角をもつことなく）なめらかに連続的につながった線になる。このように、本実施形態では、制約条件の制限値に対する必要以上の余裕を排除することができるので、信頼性、計画性の双方について妥当性の高い起動スケジュールを立てることができ、プラントをより安全かつ高速に起動することができる。なお、図５の横軸を、例えば初期メタル温度など他のプラント初期状態量に置き換えても同様の結果が得られる。

また、本実施形態では、各制約条件予測計算回路２５〜２７が手順（Ｓ１）〜（Ｓ６）に基づいてタービンロータの熱応力の予測値を実績値に応じて補正する。そのため、タービンロータの熱応力の予測精度がより向上し、発電プラントをより安全に起動することができる。また、タービンロータの熱応力の予測値の誤差を考慮して、制約条件の制限値に対してマージン（余裕代）を設けている場合にも、予測精度を向上させることでマージンを減少させ、起動時間をより短縮することができる。

＜第２実施形態＞
図６は起動制御装置２１を用いた起動スケジュール策定システム５３の概略図である。図６において、上記第１実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

（構成）
本実施形態は、蒸気タービンプラント５０に代えてプラント状態予測回路５を備える点で第１実施形態と異なる。具体的には、図６に示すように、起動スケジュール策定システム５３は起動制御装置２１と、蒸気タービンプラント５０の特性を模擬したプラント状態予測回路５とを備える。各構成要素について次に順次説明していく。

１．プラント状態予測回路
プラント状態予測回路５はシミュレータの一種であり、蒸気タービンプラントを構成する熱源装置、蒸気発生設備、蒸気タービン等といった各構成要素に対応する複数の計算部を備えている。各計算部は、対応する構成要素の圧力や流量を公知の流体力学の式から計算する圧力・流量計算モデル、プラントの構造体−作動流体間のエネルギーバランスを公知の熱力学の式や伝熱の式から計算する温度計算モデル等を組み合わせて構築されている。

プラント状態予測回路５の各構成要素は、起動制御装置２１の指令値出力回路（熱源媒体量操作状態計算回路４１、低温流体量操作状態計算回路４２、主蒸気加減弁操作状態計算回路４３、バイパス弁操作状態計算回路４４、及び減温器操作状態計算回路４５）から出力されたプラント操作量の指令値を入力し、上述の計算モデルを用いてプラント操作量及びプラント状態量を模擬計算する。起動制御装置２１からのプラント操作量の指令値は、例えばプラント状態量の初期値として任意の値を入力することで得られる。

２．起動制御装置
起動制御装置２１は、プラント状態予測回路５で模擬計算されたプラント操作量及びプラント状態量を入力し、第１実施形態と同様、プラント操作量及びプラント状態量に基づき制約条件の予測値を計算し、制約条件の予測値と起動制御パラメータとに基づき指令値出力回路４１〜４５に対する要求プラント操作量を決定する。この起動制御装置２１は第１実施形態で説明したものと同じであるが、蒸気タービンプラント５０に接続したものであっても、蒸気タービンプラント５０とは独立したものであっても構わない。

起動スケジュール策定システム５３は、上述のようにして計算された各プラント操作量やプラント状態量を、プラントの起動開始から起動完了までの期間にわたって経時的に不図示の記憶部に蓄積し、プラントの計画起動スケジュールを生成する。

（効果）
上記構成により、本実施形態では前述した第１実施形態で得られる起動スケジュールを模擬することができるので、プラントの計画起動スケジュールを予め作成し、プラントをこのスケジュールに基づき起動することができる。そのため、第１実施形態と同様の効果に加え、プラントの電力系統への併入時刻や起動完了時刻等の情報をオペレータが事前に入手可能であり、プラント起動計画と電力系統との調整を効率よく実施できるといった効果も得られる。

＜第３実施形態＞
本実施形態で例示する起動計画策定支援システム６０は、実際のプラントの起動タイムスケジュール策定に際して、前回のプラント停止時刻と次回のプラント起動完了目標時刻とが与えられた場合に、プラントをどのように起動すればよいかについて起動計画を生成するための起動スケジュール策定システム５３の具体的適用例である。

図７は起動スケジュール策定システム５３を用いた起動計画策定支援システム６０の構成を内部の計算手順と併せて示す図である。図７において、上記第２実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

（構成）
図７に示すように、起動計画策定支援システム６０はユーザインターフェース５１、プラント初期状態計算回路５２、起動スケジュール策定システム５３、及び出力装置５４を備える。各構成要素について次に順次説明していく。

１．ユーザインターフェース
ユーザインタフェース５１には、前回のプラント停止時刻、及び次回のプラント起動完了目標時刻が入力される。これら入力情報は例えばオペレータによって入力され、ユーザインタフェース５１を介してプラント初期状態計算回路５２に出力される。

２．プラント初期状態計算回路
プラント初期状態計算回路５２は、ユーザインタフェース５１を介して入力された情報に基づきプラント初期状態量を計算する。プラント初期状態計算回路５２によるプラント初期状態量の計算手順を図７を参照して説明する。

・手順Ｂ１
まず、プラント初期状態計算回路５２は起動開始時刻の初期値を計算する。計算方法としては、現在時刻又はユーザインタフェース５１に入力された次回のプラント起動完了目標時刻を初期値として用いる方法がある。計算された起動開始時刻の初期値は、起動開始時刻として起動開始時間計算回路５２に備えられた不図示の記憶領域に蓄積される。初期値が計算されることで、以下の手順によって起動開始時刻が繰り返し計算によって順次更新されていく。

・手順Ｂ２
続いて、プラント初期状態計算回路５２は、起動開始時間計算回路５２の記憶領域に蓄積された起動開始時刻と、ユーザインタフェース５１に入力されたプラント停止時刻との差から、停止後経過時間を計算する。

・手順Ｂ３
続いて、プラント初期状態計算回路５２は、計算した停止後経過時間に基づき所要起動時間を計算する。所要起動時間は、例えば図５に示した停止後経過時間と所要起動時間との関係に基づき計算される。停止後経過時間と所要起動時間の関係は起動スケジュール策定システム５３の起動制御装置２１から取得することができる。予めプラント初期状態計算回路５２に、この停止後経過時間と所要起動時間の関係をテーブルとして格納しておいても良い。

・手順Ｂ４
続いて、プラント初期状態計算回路５２は、ユーザインタフェース５１に入力された次回のプラント起動完了目標時刻から手順Ｂ３で計算された所要起動時間を差し引いて、起動開始時刻を逆算する。この起動開始時刻は起動開始時間計算回路５２の不図示の記憶領域に再度蓄積され、最新の起動開始時刻として更新される。

・手順Ｂ５
続いて、プラント初期状態計算回路５２は、記憶領域に蓄積された最新の起動開始時刻と、前回の（二番目に新しい）起動開始時刻との差が予め定めた規定時間か否か判断する。この差が規定時間を超過している場合には手順Ｂ２から手順Ｂ４までの操作が繰り返される。一方、この差が規定時間未満となった場合には、手順Ｂ６に手順が移る。

・手順Ｂ６
プラント初期状態計算回路５２は、手順Ｂ２で計算された停止後経過時間に基づき、初期メタル温度等のプラント初期状態量を計算する。初期メタル温度は、例えば停止後経過時間と初期メタル温度のテーブルに基づき計算される。このテーブルは、例えば蒸気タービンのメタル容量や大気への放熱量等、プラント特性によって予め計算され、プラント初期状態計算回路５２に格納されている。

上述の手順で計算されたプラント初期状態量は、起動スケジュール策定システム５３に入力される。

ここで、図８は、起動完了時刻、起動開始時刻、停止後経過時間、及び所要起動時間の関係を示す図である。図８において、点線は停止後経過時間に応じた初期メタル温度の推移を示しており、初期メタル温度はプラントの停止後経過時間が増加するほど低下する。実線は停止後経過時間に応じた所要起動時間を示しており、所要起動時間は初期メタル温度が低下するほど増加する。図８の実線を、入力が停止後経過時間で出力が所要起動時間である所要起動時間増加関数と呼ぶ。ある起動開始時刻を仮定した場合、前回停止時刻との差が停止後経過時間となるので、これを所要起動時間増加関数に代入して得られる値t₁が所要起動時間である。一方、前回停止時刻から起動完了時刻までの時間から停止後経過時間を差引いて得られる値t₂も所要起動時間である。なお、本実施形態では起動開始時刻の計算手順として上記の手順Ｂ１〜Ｂ５を例示したが、このt₁とt₂の数値が等しくなるような起動開始時刻の計算方法であれば、どのような手法を用いてもよい。

３．起動スケジュール策定システム
起動スケジュール策定システム５３は、第２実施形態で説明した通り、プラント初期状態量を入力として起動スケジュールを生成する。

４．出力装置
出力装置５４は、次回起動における停止後経過時間（つまり起動運転開始時刻）と所要起動時間等の、起動スケジュール策定システム５３による策定内容を表示する。出力態様は表示出力に限らず、音声出力、印刷出力等、他の態様でも構わない。

（効果）
上記構成により、本実施形態では前述した各実施形態で得られる各効果に加えて、次の効果が得られる。

本実施形態では、オペレータが次回のプラント起動完了目標時刻等を指定すると、これを満たすような停止後経過時間と所要起動時間の組み合わせが保有されたテーブルに基づき繰り返し計算される。そのため、所要起動時間、及びそれに対応した起動タイムスケジュールを事前に取得することが可能となる。従って、電力系統における所望の発電時刻を遵守することができる起動タイムスケジュールを生成することができる。

また、本実施形態では、オペレータは出力装置５４の出力により起動スケジュール策定システム５３による策定内容を確認することができる。そのため、オペレータは安全面、効率面等を勘案し、運転スケジュールの妥当性を検討することができる。

＜その他＞
本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除及び置換をすることも可能である。

例えば、蒸気タービンプラント５０が熱源媒体量操作部１１、低温流体量操作部１２、主蒸気加減弁１３、バイパス弁１４、及び減温器１５を調整装置として有する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明の本質的効果は様々なプラント初期状態量に応じて制約条件を満たしつつ蒸気タービンプラント５０を高速に起動することであり、この本質的効果を得る限りにおいては、例示した全ての調整装置が必ずしも必要なわけではない。例えば、蒸気タービン発電プラント５０の態様に応じて選択された少なくとも一つの調整装置が備わっていればよい。

また、起動制御装置２１に蒸気タービンプラント５０のプラント操作量及びプラント状態量が入力される場合を例に挙げて説明した。しかしながら、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、例えば、プラント操作量及びプラント状態量のうち少なくとも一つが起動制御装置２１に入力される構成もあり得る。

また、予測部２２が３つの制約条件予測計算回路２５〜２７を備える場合を例に挙げて説明した。しかしながら、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、上記構成に限定されない。予測部２２の制約条件予測計算回路は考慮対象とする制約条件の数によるものであり、少なくとも一つ備わっていればよい。要求操作量計算回路（２８〜３０）についても同様である。

また、本発明に係る起動制御装置は、コンバインドサイクル発電プラント、汽力発電プラント、及び太陽熱発電プラント等の蒸気タービンを備えるプラント全てに適用可能である。

例えば、本発明に係る起動制御装置をコンバインドサイクル発電プラントに適用する場合、図１において熱源媒体には天然ガス・水素等の燃料ガス、熱源媒体量操作部１１には燃料ガス調節弁、低温流体には空気、低温流体量操作部１２には入口案内翼、熱源装置１にはガスタービン、高温流体にはガスタービン排ガス、蒸気発生設備２には排熱回収ボイラを採用することができる。

また、本発明に係る起動制御装置を汽力発電プラントに適用する場合、図１において熱源媒体には石炭や天然ガス、熱源媒体量操作部１１には燃料調節弁、低温流体には空気や酸素、低温流体量操作部１２には空気流量調節弁、熱源装置１にはボイラ中の火炉、高温流体には燃焼ガス、蒸気発生設備２にはボイラ中の伝熱部（蒸気発生部）を採用することができる。

また、本発明に係る起動制御装置を太陽熱発電プラントに適用する場合、図１において熱源媒体には太陽光、熱源媒体量操作部１１には集熱パネルの駆動装置、低温流体及び高温流体には油や高温溶媒塩等の太陽熱エネルギを変換して保有している媒体、低温流体量操作部１２はに油や高温溶媒塩等の流量調節弁、熱源装置１には集熱パネル、蒸気発生設備２には高温流体との熱交換により給水を蒸気へと加熱する設備を採用することができる。

また、本発明に係る起動制御装置を燃料電池と蒸気タービンを組み合わせた発電プラントに適用する場合、図１において熱源媒体には一酸化炭素・水素等の燃料ガス、熱源媒体量操作部１１には燃料ガス調節弁、低温流体には空気、低温流体量操作部１２には空気調節弁、熱源装置１には燃料電池、高温流体には燃料電池排ガス、蒸気発生設備２には排熱回収ボイラを採用することができる。

１ 熱源装置
２ 蒸気発生設備
３ 蒸気タービン
１１、１２、１３、１４、１５ 調整装置
２１ 起動制御装置
２２ 予測部
２３ プラント操作量計算部
３２ 起動制御パラメータ設定手段

Claims (13)

1. 熱源媒体で低温流体を加熱して高温流体を生成する熱源装置と、
   前記高温流体との熱交換により蒸気を発生させる蒸気発生設備と、
   前記蒸気で駆動する蒸気タービンと、
   プラント操作量を調整する調整装置とを備えた蒸気タービンプラントの起動制御装置において、
   前記蒸気タービンの起動制御に用いる少なくとも一つの制約条件について予測値を計算する予測部と、
   プラント状態量の初期値に基づいて前記蒸気タービンの起動制御に用いる起動制御パラメータを計算する起動制御パラメータ設定手段と、
   前記予測部で計算された制約条件の前記予測値と前記起動制御パラメータ設定手段で演算された前記起動制御パラメータとに基づき前記制約条件が予め決定された制限値を超えないよう前記プラント操作量を決定するプラント操作量計算部とを備えたことを特徴とする起動制御装置。
2. 請求項１に記載の起動制御装置において、
   前記調整装置は、前記熱源装置に供給される熱源媒体量を調節して前記高温流体が保有する熱量を操作する熱源媒体量操作部と、前記低温流体の流量を調節して前記熱源装置から前記蒸気発生設備に供給される前記高温流体の流量を操作する低温流体量操作部とを含むことを特徴とする起動制御装置。
3. 請求項１に記載の起動制御装置において、
   前記制約条件は熱応力及び熱伸び差の制約条件の少なくとも一方を含むことを特徴とする起動制御装置。
4. 請求項３に記載の起動制御装置において、
   前記制約条件は車室の熱変形及び車室内外壁の温度差の制約条件の少なくとも一方をさらに含むことを特徴とする起動制御装置。
5. 請求項１に記載の起動制御装置において、
   前記プラント状態量は、蒸気タービン所定部位の温度と、前記蒸気タービンの停止後経過時間とを含み、前記初期値は前記蒸気タービンの起動前におけるプラント状態量であることを特徴とする起動制御装置。
6. 請求項１に記載の起動制御装置において、
   前記予測部は、前記プラント操作量及びプラント状態量に基づき将来のプラント状態量の予測値を計算するプラント状態量予測計算回路と、前記プラント状態量予測計算回路で計算された前記プラント状態量の予測値を基に制約条件の予測値を計算する制約条件予測計算回路とをさらに備え、
   前記プラント操作量計算部は、前記制約条件予測計算回路で計算された前記制約条件の予測値と前記起動制御パラメータ設定手段で演算された前記起動制御パラメータとに基づき前記制約条件が予め決定された制限値を超えないように要求プラント操作量を計算する要求操作量計算回路と、前記要求操作量計算回路で計算された複数の前記要求プラント操作量のうち最小値の要求プラント操作量を選択する低値選択装置とを備えたことを特徴とする起動制御装置。
7. 請求項６に記載の起動制御装置において、
   前記プラント状態量の予測値は前記蒸気タービンに流入する前記蒸気の状態量又は前記蒸気タービンのメタル温度を含むことを特徴とする起動制御装置。
8. 請求項６に記載の起動制御装置において、
   前記予測部は前記プラント状態量の予測値又は前記制約条件の予測値の経時データと実績値との偏差を計算し、前記プラント状態量の予測値又は前記制約条件の予測値を前記偏差に基づき補正することを特徴とする起動制御装置。
9. 請求項８に記載の起動制御装置において、
   前記実績値は、前記プラント状態量又は前記制約条件を含むことを特徴とする起動制御装置。
10. 請求項６に記載の起動制御装置と、
    前記蒸気タービンプラントの特性を模擬したプラント状態予測回路とを備え、
    前記起動制御装置により計算された前記プラント操作量を前記プラント状態予測回路に入力し、前記プラント状態予測回路は計算されたプラント状態量又は制約条件の経時データと前記プラント操作量の経時データとを前記蒸気タービンプラントの起動開始から起動完了までの期間にわたり記憶領域に蓄積することを特徴とする起動スケジュール策定システム。
11. プラント起動完了目標時刻が入力されるユーザインタフェースと、
    前記ユーザインタフェースに入力された前記プラント起動完了目標時刻に基づき前記プラント状態量の初期値を計算するプラント初期状態計算回路と、
    前記プラントの起動前に、前記プラント初期状態計算回路で計算された前記プラント状態量の初期値を取得し、前記蒸気タービンプラントの起動開始時刻、所要起動時間、及び起動スケジュールを生成する請求項６に記載の起動スケジュール策定システムと、
    前記プラント初期状態計算回路で計算された前記プラント状態量の初期値と前記起動スケジュール策定システムで生成された前記所要起動時間との関係を出力する出力装置とを備えることを特徴とする起動計画策定支援システム。
12. 請求項１１に記載の起動計画策定支援システムにおいて、
    前記所要起動時間は前記プラント状態量の初期値に対して連続的な関数として表されることを特徴とする起動計画策定支援システム。
13. 請求項１に記載の起動制御装置と、
    熱源媒体で低温流体を加熱して高温流体を生成する熱源装置と、
    前記高温流体との熱交換により蒸気を発生させる蒸気発生設備と、
    前記蒸気で駆動する蒸気タービンと、
    前記蒸気タービンの駆動力を電力に変換する発電機とを備えることを特徴とする発電プラント。

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