JP2021092175A - タービン監視システムおよびタービン監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンの動翼の浸食量を適切に評価することが可能なタービン監視システムおよびタービン監視方法を提供する。【解決手段】一の実施形態によれば、タービン監視システムは、蒸気タービン１２，１４，１５に導入されるまたは前記蒸気タービンから排出された蒸気、または前記蒸気タービンから排出された前記蒸気から得られた水の物理量を検知し、前記物理量の検知結果を出力する１つ以上の計測器２２，２３，２４を備える。前記システムはさらに、前記１つ以上の計測器から出力された前記検知結果に基づいて、前記蒸気タービンの動翼の水滴による浸食量を演算する演算部２１ｂを備える。前記システムはさらに、前記演算部により演算された前記浸食量に基づく情報を表示する表示部２１ｃを備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、タービン監視システムおよびタービン監視方法に関する。

発電プラントで使用される蒸気タービンの低圧段落においては、作動流体である蒸気が膨張する過程で蒸気の温度および圧力が低くなるため、蒸気流路内で蒸気の一部が凝縮し湿分となる。

図１１は、従来の蒸気タービンの問題を説明するための断面図である。この蒸気タービンは、例えば低圧タービンである。図１１(ａ)および図１１(ｂ)は、低圧タービンの異なる断面を示している。

図１１(ａ)および図１１(ｂ)は、静翼１とこの静翼１の下流に配置された動翼２との対で構成される低圧タービン最終段落と、これと同様の構成をもつ最終段落の前段落の静翼３と動翼４とを示している。図１１(ａ)および図１１(ｂ)は、これらの静翼１、３および動翼２、４を含む領域において、蒸気および液滴（水滴）の軌跡を模式的に示している。

図１１(ａ)において、作動流体である蒸気は、流線Ｌ１で示すような軌跡をたどるのに対し、最終段落の前段落までに発生した湿分は、水滴の形態をとっており、動翼４の翼後縁端５から遠心力によって流線Ｌ２のように静翼１のダイヤフラム外輪６側へ飛散する。

これらの水滴は、静翼１に付着すると、静翼１の表面で水膜ＤＬを形成しながら表面上を後縁に向かって流れ、タービンノズルの翼後縁端７に達すると再び水滴となって飛散する。その後、水滴は動翼２の翼前縁端８周辺に衝突する。

図１１(ｂ)は、水滴の絶対速度Ｖ１と、水滴の相対速度Ｖ２と、蒸気の周速Ｕとを示している。図１１(ｂ)に示すように、静翼１の翼後縁端７から飛散した水滴の絶対速度Ｖ１は、蒸気の周速Ｕに比べて遅く、動翼２に到達するまでに十分に加速されない。そのため、水滴は周速Ｕに近い相対速度Ｖ２で動翼２の翼前縁端８の背側に衝突することになる。この液滴と動翼２の衝突により、動翼２の翼前縁端８の浸食が発生する。

図１２は、従来の蒸気タービンの問題を説明するためのグラフである。図１２は、一般的な浸食率（ｄＥ／ｄｔ）と経過時間（ｔ）との関係を示している。

浸食率が変化する期間は、大きく潜伏期間、加速期間、減速期間、および安定期間の４つに分類される。潜伏期間では、材料（例えば動翼２）の顕著な重量減は生じないが、多くの水滴が衝突することにより衝突面近傍に疲労による損傷が累積され、疲労亀裂が形成される。加速期間では、潜伏期間に材料内部に蓄積された疲労が破壊現象となって現れ、急速に浸食率が増加する。減速期間では、浸食率が急速に減少し、安定期間では、浸食率がある一定値となる。

安定期間における浸食量Ｅは、時間ｔに対して線形変化する特性として、例えば以下の式（１）で表される。
Ｅ＝ａ＋ｂｔ ・・・（１）
ここで、ａは材料特性である。式（１）を時間微分することにより、単位時間当たりの浸食量Ｅである浸食率ｄＥ／ｄｔは、以下の式（２）で表される。
ｄＥ／ｄｔ＝ｂ ・・・（２）
ここで、ｂは通常、水滴の衝突速度、水滴径、水量（水滴個数）、および材料特性の関数となっており、例えば以下の式（３）で表される。
ｂ＝Ｃ１×Ｖ^ｐ１×ｄ^ｑ１×Ｎ ・・・（３）
ここで、Ｃ１、ｐ１、およびｑ１は材料定数であり、Ｖは衝突速度を表し、ｄは水滴径を表し、Ｎは水滴個数を表す。

最終段落の浸食は蒸気タービンの信頼性に悪影響を及ぼすため、予め浸食量を予測することが望ましい。そこで、蒸気タービンの設計段階では、蒸気タービンの運転状態を想定した上で、上記のような理論に基づいて浸食量を予測することが一般的である。

特開２０１６−７０２７２号公報

日本機械学会論文集（Ａ編）、５９巻５６７号（１９９３−１１）、第２６４〜２６９頁、"金属"材料の液滴エロージョン評価

近年における再生可能エネルギーの利用の拡大により、蒸気タービンは調整用火力の位置づけが強まり、運用の多様化（部分負荷運転や起動停止）が求められている。運用の多様化により、蒸気タービンの最終段落の動翼入口の状態量も、様々な条件で変動することになる。そのため、前述した衝突速度や水滴個数も、プラントの運用に応じて時事刻々と変化することが想定される。よって、蒸気タービンの設計段階において浸食量を予測することが難しくなると考えられる。

そこで、本発明の実施形態は、蒸気タービンの動翼の浸食量を適切に評価することが可能なタービン監視システムおよびタービン監視方法を提供することを課題とする。

一の実施形態によれば、タービン監視システムは、蒸気タービンに導入されるまたは前記蒸気タービンから排出された蒸気、または前記蒸気タービンから排出された前記蒸気から得られた水の物理量を検知し、前記物理量の検知結果を出力する１つ以上の計測器を備える。前記システムはさらに、前記１つ以上の計測器から出力された前記検知結果に基づいて、前記蒸気タービンの動翼の水滴による浸食量を演算する演算部を備える。前記システムはさらに、前記演算部により演算された前記浸食量に基づく情報を表示する表示部を備える。

第１実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。 第１実施形態のタービン監視システムの動作を説明するためのフローチャートである。 第１実施形態の変形例の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。 第２実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。 第２実施形態のタービン監視システムの動作を説明するためのフローチャートである。 第２実施形態の変形例の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。 第３実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。 第３実施形態の蒸気タービンの動作を説明するための断面図である。 第３実施形態のタービン監視システムの動作を説明するためのフローチャートである。 第３実施形態の変形例の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。 従来の蒸気タービンの問題を説明するための断面図である。 従来の蒸気タービンの問題を説明するためのグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１から図１０や前述の図１１および図１２において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。

図１の蒸気タービンプラントは、再熱型プラントであり、ボイラ１１と、高圧（ＨＰ）タービン１２と、再熱器１３と、中圧（ＩＰ）タービン１４と、本開示の蒸気タービンの例である低圧（ＬＰ）タービン１５と、発電機１６と、復水器１７と、蒸気流路Ｐ１からＰ５と、給水流路Ｐ６とを備えている。

図１の蒸気タービンプラントはさらに、蒸気タービンの運転を監視するためのタービン監視システムの構成要素として、タービン監視装置２１と、入口温度計測器２２と、入口圧力計測器２３と、出口圧力計測器２４とを備えている。タービン監視装置２１は、記憶部２１ａと、演算部２１ｂと、表示部２１ｃとを備えている。図１に点線で示す流量計測器２５、入口温度計測器２６、および入口圧力計測器２７については後述する。

ボイラ１１は、水を加熱して蒸気を生成し、その蒸気を蒸気流路Ｐ１に排出する。高圧タービン１２は、蒸気流路Ｐ１から導入された蒸気で駆動され、この蒸気を蒸気流路Ｐ２に排出する。再熱器１３は、蒸気流路Ｐ２から導入された蒸気を加熱（再熱）し、この蒸気を蒸気流路Ｐ３に排出する。中圧タービン１４は、蒸気流路Ｐ３から導入された蒸気で駆動され、この蒸気を蒸気流路Ｐ４に排出する。低圧タービン１５は、蒸気流路Ｐ４から導入された蒸気で駆動され、この蒸気を蒸気流路Ｐ５に排出する。発電機１６は、高圧タービン１２、中圧タービン１４、および低圧タービン１５により駆動されることで発電を行う。復水器１７は、蒸気流路Ｐ５から導入された蒸気を冷却して水に戻し、この水（復水）を給水流路Ｐ６に排出する。ボイラ１１は、給水流路Ｐ６から導入された水（給水）を加熱して蒸気を生成し、この蒸気を上述のように蒸気流路Ｐ１に排出する。このようにして、蒸気タービンプラント内を蒸気および水が循環する。

タービン監視装置２１は、蒸気タービンの運転を監視するための装置である。タービン監視装置２１の例は、ＰＣ（Personal Conputer）などのコンピュータや、制御盤などの制御装置である。タービン監視装置２１の詳細については、後述する。

入口温度計測器２２は、低圧タービン１５に導入される蒸気の温度を検知し、この温度の検知結果をタービン監視装置２１に出力する。具体的には、入口温度計測器２２は、低圧タービン１５の最初段静翼の上流に設置された入口配管（蒸気流路Ｐ４）に設けられており、低圧タービン１５の入口における蒸気の温度を検知する。入口温度計測器２２は例えば、熱電対を備えており、温度を計測する流れ場に設置された熱電対の温接点からの熱起電流を配線（例えば補償導線）を介して記憶部２１ａに出力する。なお、低圧タービン１５の入口とは、最初段のタービン段落の入口をいう。

入口圧力計測器２３は、低圧タービン１５に導入される蒸気の圧力を検知し、この圧力の検知結果をタービン監視装置２１に出力する。具体的には、入口圧力計測器２３は、低圧タービン１５の最初段静翼の上流に設置された入口配管（蒸気流路Ｐ４）に設けられており、低圧タービン１５の入口における蒸気の圧力を検知する。入口圧力計測器２３は例えば、圧力導管と圧力センサとを備えており、圧力を計測する流れ場に設置された圧力導管からの圧力を圧力センサにより検知し、検知した圧力を示す出力信号を記憶部２１ａに出力する。

出口圧力計測器２４は、低圧タービン１５から排出された蒸気の圧力を検知し、この圧力の検知結果をタービン監視装置２１に出力する。具体的には、出口圧力計測器２４は、低圧タービン１５の最終段動翼の下流に設置された出口配管（蒸気流路Ｐ５）に設けられており、低圧タービン１５の出口における蒸気の圧力を検知する。出口圧力計測器２４は例えば、圧力導管と圧力センサとを備えており、圧力を計測する流れ場に設置された圧力導管からの圧力を圧力センサにより検知し、検知した圧力を示す出力信号を記憶部２１ａに出力する。なお、低圧タービン１５の出口とは、最終段のタービン段落の出口をいう。

記憶部２１ａは、入口温度計測器２２から出力された入口蒸気温度の検知結果と、入口圧力計測器２３から出力された入口蒸気圧力の検知結果と、出口圧力計測器２４から出力された出口蒸気圧力の検知結果とを記憶する。本実施形態の記憶部２１ａは、低圧タービン１５が運転されると、入口温度計測器２２からの出力信号（熱起電流）と、入口温度計測器２３からの出力信号と、出口圧力計測器２４からの出力信号とを、タービン監視装置２１の入出力部を介して受け取り、これらの出力信号をある一定の運転時間で平均化して演算部２１ｂに出力する。

演算部２１ｂは、入口温度計測器２２から出力された入口蒸気温度の検知結果と、入口圧力計測器２３から出力された入口蒸気圧力の検知結果と、出口圧力計測器２４から出力された出口蒸気圧力の検知結果とに基づいて、低圧タービン１５の動翼の水滴による浸食量を演算する。本実施形態の演算部２１ｂは、記憶部２１ｂから出力された信号に基づいて、低圧タービン１５の最終段落の動翼２（図１１を参照）の水滴による浸食量を演算する。演算部２１ｂは例えば、プロセッサおよびコンピュータプログラムにより実現されており、プロセッサにより実行されたコンピュータプログラムが、記憶部２１ｂからの信号や種々のデータに基づいて浸食量を演算する。

表示部２１ｃは、演算部２１ｂにより演算された浸食量に基づく情報を表示する。表示部２１ｃは例えば、ＬＣＤ（Liquid Cristal Display）などのディスプレイや、ランプなどのインジケータに、このような情報を表示する。表示部２１ｃは、タービン監視装置２１のディスプレイやインジケータに当該情報を表示してもよいし、タービン監視装置２１に有線または無線で接続された別の装置のディスプレイやインジケータに当該情報を表示してもよい。

本実施形態の表示部２１ｃは、当該情報として、浸食量、または浸食量に基づく警報を表示する。浸食量を表示する場合には、表示部２１ｃは、演算部２１ｂにより演算された浸食量を数値で表示してもよいし、演算部２１ｂにより演算された浸食量をグラフや表で表示してもよい。この際、表示部２１ｃは、この浸食量を、タービン監視装置２１内または別の装置内にあらかじめ保存された浸食量の基準値と共に表示してもよい。これにより例えば、タービン監視システムの管理者に動翼の修理や交換を促すことができる。また、表示部２１ｃは、浸食量が基準値を越えた場合に、タービン監視システムの管理者に動翼の修理や交換を促すための警報をディスプレイやインジケータに表示してもよい。警報の例は、ディスプレイに表示されるメッセージや、インジケータにおける赤ランプの点灯などである。

本実施形態のタービン監視システムは、蒸気タービンとして低圧タービン１５を監視する。理由は、低圧タービン１５では一般に、下流側のタービン段落において蒸気条件が湿り蒸気となり、浸食の発生が問題となるからである。ただし、本実施形態のタービン監視システムは、低圧タービン１５以外の蒸気タービンを監視してもよい。

低圧タービン１５は、蒸気流路Ｐ４から蒸気を導入する。低圧タービン１５のタービン段落で膨張仕事をした蒸気は、低圧タービン１５の最終段落の動翼２の下流側に設けられた排気室を通り、蒸気流路Ｐ５に排出される。蒸気流路Ｐ５に排出された蒸気は、復水器１７に導入されて水に戻る。低圧タービン１５は、高圧タービン１２や中圧タービン１４と共に発電機１６に回転軸で接続され、これらのタービン内の蒸気の膨張仕事は、発電機１６の電気出力として取り出される。

図２は、第１実施形態のタービン監視システムの動作を説明するためのフローチャートである。図２は、演算部２１ｂによる演算の流れを示している。

まず、記憶部２１ａから入力したタービン入口圧力、タービン入口温度、およびタービン出口圧力（Ｓ１）に基づき、低圧タービン１５の最終段動翼入口における蒸気の流量、湿り度、圧力、および流速（Ｓ２）を演算する。本実施形態では、演算部２１ｂに流体解析または一次元蒸気計算のプログラムを格納しておいて、入口圧力、入口温度、および出口圧力を境界条件として、最終段動翼入口の流量、湿り度、圧力、および流速を算出してもよい。また、本実施形態では、演算部２１ｂの計算容量や負荷を軽減するために、実運転で想定される条件の流体解析または一次元蒸気計算を予め網羅的に実行しておいて、上記のインプットとアウトプットとの関係を近似関数として格納しておいてもよい。

次に、最終段動翼入口の流量、湿り度、圧力、および流速から、最終段動翼入口における蒸気中の水量（水滴個数）、水滴径、および水滴衝突速度（Ｓ３）を演算する。水量は、上記の流量と湿り度とを基に計算する。水滴径Ｄは、圧力ρ、流速Ｗ、およびウェーバー数Ｗｅσを用いて、以下の式（４）により計算する。
Ｄ＝Ｗｅσ／（ρＷ^２） ・・・（４）

ウェーバー数Ｗｅσは、蒸気の慣性力と水滴の表面張力との比を表す無次元数である。圧力ρが高くなるにつれ水滴径Ｄは小さくなる。

水滴の衝突速度は、上記の流速と水滴径から水滴の軌道計算によって算出する。水滴径が大きいほど蒸気によって水滴が加速されにくくなり、蒸気と水滴の速度差が大きくなるため、水滴の動翼への衝突速度は大きくなる。本実施形態では、演算部２１ｂに水滴の軌道解析プログラムを格納しておいて、水滴の衝突速度を算出してもよい。また、本実施形態では、演算部２１ｂの計算容量や負荷を軽減するために、実運転で想定される条件で網羅的に軌道計算を実行しておいて、演算部２１ｂに上記のインプットとアウトプットとの関係を近似関数として格納しておいてもよい。

一方、最終段動翼の材料特性および補正係数（Ｓ４）は、演算部２１ｂに予め格納しておく。水滴衝突速度、水量、水滴径、動翼材料特性、および補正係数から、式（２）で示される最終段動翼の浸食率ｄＥ／ｄｔ（Ｓ５）を評価した上で、ある一定の時間範囲Δｔにおける浸食量ΔＥを、以下の式（５）を用いて算出する。
ΔＥ＝ｄＥ／ｄｔ×Δｔ ・・・（５）

浸食量Ｅ（Ｓ６）は、浸食率ｄＥ／ｄｔに基づいて算出される。具体的には、式（５）を用いて演算したΔＥを、蒸気タービンプラントの運転時間に渡って積算していくことにより、浸食量Ｅが算出される。すなわち、浸食率ｄＥ／ｄｔを積算することで、浸食量Ｅが算出される。これにより、これまでの低圧タービン１５の運用を反映した最終段の浸食量Ｅを評価することができる。なお、低圧タービン１５のタービン入口圧力、タービン入口温度、およびタービン出口圧力によって浸食率ｄＥ／ｄｔも大きく違うため、低圧タービン１５の状態量変化の頻度に応じてΔｔを適切に設定することにより、浸食量Ｅの評価精度を上げることができる。

ここで、本実施形態のタービン監視システムの利点について説明する。

上述のように、近年における再生可能エネルギーの利用の拡大により、蒸気タービンは調整用火力の位置づけが強まり、運用の多様化（部分負荷運転や起動停止）が求められている。運用の多様化により、蒸気タービンの最終段落の動翼入口の状態量も、様々な条件で変動することになる。そのため、前述した衝突速度や水滴個数も、プラントの運用に応じて時事刻々と変化することが想定される。よって、蒸気タービンの設計段階において浸食量を予測することが難しくなると考えられる。

そこで、本実施形態では、時々刻々と変化するプラント運用に対応して、タービンプラント運転中にリアルタイムに最終段動翼の浸食率を演算し、運転時間に渡って浸食率を積算することによって浸食量を算出する。よって、本実施形態によれば、実際の運用を反映した最終段動翼の浸食量を高精度で評価することが可能となる。これにより、最終段の交換時期や修理時期を的確に検出および予測することが可能となり、浸食による羽根飛散を未然に防止してプラントの信頼性を向上させることが可能となる。

以下、本実施形態のタービン監視システムの種々の変形例について説明する。以下の説明は、後述する第２および第３実施形態にも適用可能である。

本実施形態では、浸食率ｄＥ／ｄｔを積算して浸食量Ｅを算出しているが、その他の方法で浸食量Ｅを算出してもよい。例えば、浸食率ｄＥ／ｄｔから積算以外の方法で浸食量Ｅを算出してもよいし、タービン入口圧力、タービン入口温度、およびタービン出口圧力から浸食率ｄＥ／ｄｔを算出せずに浸食量Ｅを算出してもよい。

また、本実施形態では、入口温度計測器２２からのタービン入口温度と、入口圧力計測器２３からのタービン入口圧力と、出口圧力計測器２４からのタービン出口圧力とに基づいて浸食量を算出しているが、以下の例のようにその他の物理量から浸食量を算出してもよい。

第１の例では、入口温度計測器２２からのタービン入口温度と、入口圧力計測器２３からのタービン入口圧力とを用いるが、出口圧力計測器２４からのタービン出口圧力は用いずに、浸食量を算出する。例えば、低圧タービン１５の最終段動翼の流路面積が最小となるスロート部でチョークが発生し、タービン出口で圧力が変化しても最終段動翼入口の状態量が一定である場合がある。この場合には、出口圧力計測器２４からのタービン出口圧力を用いずに、浸食量を算出することができる。

第２の例では、入口温度計測器２２からのタービン入口温度と、図１に示す流量計測器２５からの給水流量と、出口圧力計測器２４からのタービン出口圧力とを用いて、浸食量を算出する。流量計測器２５は、低圧タービン１５から排出された蒸気から得られた水の流量を検知し、この流量の検知結果をタービン監視装置２１に出力する。具体的には、流量計測器２５は、復水器１７の下流に設置された給水配管（給水流路Ｐ６）に設けられており、復水器１７の出口における給水の流量を検知する。流量計測器２５は例えば、検知した流量を示す出力信号を記憶部２１ａに出力する。最終段動翼入口の流量、湿り度、圧力、および流速は、タービン入口圧力の代わりに給水流量を用いても算出できるため、本例では給水流量を用いている。

第３の例では、入口温度計測器２２からのタービン入口温度と、流量計測器２５からの給水流量とを用いるが、出口圧力計測器２４からのタービン出口圧力は用いずに、浸食量を算出する。例えば、低圧タービン１５の最終段動翼の流路面積が最小となるスロート部でチョークが発生し、タービン出口で圧力が変化しても最終段動翼入口の状態量が一定である場合がある。この場合には、出口圧力計測器２４からのタービン出口圧力を用いずに、浸食量を算出することができる。

以上の４種類の手法では、２種類または３種類の物理量を用いているが、浸食量を演算可能であれば、１種類の物理量のみを用いてもよいし、４種類以上の物理量を用いてもよい。よって、浸食量の演算のためにタービン監視装置２１に検知結果を出力する計測器の個数は、１つでもよいし、４つ以上でもよい。

また、以上の４種類の手法において、入口温度計測器２２は、図１に示す入口温度計測器２６に置き換えてもよいし、入口圧力計測器２３は、図１に示す入口圧力計測器２７に置き換えてもよい。理由は、中圧タービン１４に導入される蒸気の物理量から、低圧タービン１５に導入される蒸気の物理量を評価できるからである。なお、入口温度計測器２６および入口圧力計測器２７の構造や動作は、蒸気配管Ｐ４ではなく蒸気配管Ｐ３に設置されている以外、入口温度計測器２２と入口圧力計測器２３と同じである。

図３は、第１実施形態の変形例の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。

図３の蒸気タービンプラントは、非再熱型プラントであり、再熱器１３を備えていない点と、蒸気流路Ｐ２およびＰ３が蒸気流路Ｐ７に置き換えられている点が、図１の蒸気タービンプラントと相違している。本変形例では、高圧タービン１２は、蒸気流路Ｐ１から導入された蒸気で駆動され、この蒸気を蒸気流路Ｐ７に排出する。中圧タービン１４は、蒸気流路Ｐ７から導入された蒸気で駆動され、この蒸気を蒸気流路Ｐ４に排出する。

上述の４種類の手法において、入口温度計測器２２は、図３に示す入口温度計測器２８に置き換えてもよいし、入口圧力計測器２３は、図３に示す入口圧力計測器２９に置き換えてもよい。理由は、本変形例では高圧タービン１２から排出された蒸気が再熱器１３で再熱されないため、高圧タービン１２に導入される蒸気の物理量から、低圧タービン１５に導入される蒸気の物理量を評価できるからである。なお、入口温度計測器２８および入口圧力計測器２９の構造や動作は、蒸気配管Ｐ４ではなく蒸気配管Ｐ７に設置されている以外、入口温度計測器２２と入口圧力計測器２３と同じである。

以上のように、本実施形態では、入口温度計測器２２、入口圧力計測器２３、および出口圧力計測器２４から出力された検知結果に基づいて低圧タービン１５の動翼の浸食量を演算し、演算された浸食量に基づく情報を表示する。よって、本実施形態によれば、低圧タービン１５の動翼の浸食量を適切に評価することが可能となる。

以下、第２および第３実施形態の蒸気タービンプラントについて説明する。以下の説明では、第１実施形態の蒸気タービンプラントとの相違点を中心に説明し、第１実施形態の蒸気タービンプラントとの共通点については説明を省略する。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。

図４の蒸気タービンプラントは、再熱型プラントであり、図１に示す構成要素に加え、給水加熱器３１、３３と、抽気バルブ３２、３４と、抽気検出器４１と、蒸気流路Ｐ１１およびＰ１２とを備えている。図４に点線で示す抽気検出器４２については後述する。

蒸気流路Ｐ１１は、低圧タービン１５の蒸気通路部の中間部に接続され、低圧タービン１５の中間段から蒸気を抽気する抽気配管である。給水加熱器３１は、給水流路Ｐ６に設置されており、給水流路Ｐ６を流れる給水を、蒸気流路Ｐ１１からの抽気蒸気により加熱する。抽気バルブ３２は、蒸気流路Ｐ１１に設置されており、蒸気流路Ｐ１１を流れる蒸気を調節するために使用される。抽気バルブ３２がオン（開）になると、低圧タービン１５から蒸気が抽気され、抽気バルブ３２がオフ（閉）になると、低圧タービン１５からの蒸気の抽気が停止される。抽気バルブ３２は、本開示の抽気装置の例である。

蒸気流路Ｐ１２は、中圧タービン１４の蒸気通路部の中間部に接続され、中圧タービン１４の中間段から蒸気を抽気する抽気配管である。給水加熱器３３は、給水流路Ｐ６に設置されており、給水流路Ｐ６を流れる給水を、蒸気流路Ｐ１２からの抽気蒸気により加熱する。抽気バルブ３４は、蒸気流路Ｐ１２に設置されており、蒸気流路Ｐ１２を流れる蒸気を調節するために使用される。抽気バルブ３４がオン（開）になると、中圧タービン１４から蒸気が抽気され、抽気バルブ３４がオフ（閉）になると、中圧タービン１４からの蒸気の抽気が停止される。抽気バルブ３４は、本開示の抽気装置の例である。

抽気検出器４１は、抽気バルブ３２の動作を検出し、抽気バルブ３２の動作の検出結果をタービン監視装置２１に出力する。本実施形態の抽気検出器４１は、抽気バルブ３２の開度を検出可能であり、抽気バルブ３２が開いている場合にはオンの出力信号を、抽気バルブ３２が閉じている場合にはオフの出力信号を記憶部２１ａに出力する。

記憶部２１ａは、入口蒸気温度、入口蒸気圧力、および出口蒸気圧力の検知結果を記憶すると共に、抽気検出器４１から出力された抽気バルブ３２のオン／オフの検出結果を記憶する。

演算部２１ｂは、入口蒸気温度、入口蒸気圧力、および出口蒸気圧力の検知結果と、抽気検出器４１から出力された抽気バルブ３２のオン／オフの検出結果とに基づいて、低圧タービン１５の動翼の水滴による浸食量を演算する。

図５は、第２実施形態のタービン監視システムの動作を説明するためのフローチャートである。図２は、演算部２１ｂによる演算の流れを示している。

図５の演算の流れは、図２の演算の流れと同様である。ただし、本実施形態では、記憶部２１ａから入力したタービン入口圧力、タービン入口温度、タービン出口圧力、および抽気オン／オフ信号（Ｓ１）に基づき、低圧タービン１５の最終段動翼入口における蒸気の流量、湿り度、圧力、および流速（Ｓ２）を演算している。抽気がオフの場合のＳ２の演算結果は、第１実施形態の場合と同じである。一方、抽気がオンの場合には、抽気した蒸気流量の分だけ最終段動翼入口の蒸気流量が減少し、最終段動翼入口の蒸気圧力も減少する。これにより、低圧タービン１５からの抽気の有無を考慮して浸食量を評価することで、浸食量の評価精度を向上させることが可能となる。

なお、入口温度計測器２２は、図４に示す入口温度計測器２６に置き換えてもよいし、入口圧力計測器２３は、図４に示す入口圧力計測器２７に置き換えてもよい。この場合、本実施形態の蒸気タービンプラントは、抽気検出器４１だけでなく抽気検出器４２も備えることが望ましい。抽気検出器４２は、抽気バルブ３４の動作を検出し、抽気バルブ３４の動作の検出結果をタービン監視装置２１に出力する。本実施形態の抽気検出器４２は、抽気バルブ３４の開度を検出可能であり、抽気バルブ３４が開いている場合にはオンの出力信号を、抽気バルブ３４が閉じている場合にはオフの出力信号を記憶部２１ａに出力する。この場合、演算部２１ｂは、入口蒸気温度、入口蒸気圧力、および出口蒸気圧力の検知結果と、抽気検出器４１、４２から出力された抽気バルブ３２、３４のオン／オフの検出結果とに基づいて、低圧タービン１５の動翼の水滴による浸食量を演算する。これにより、中圧および低圧タービン１４、１５からの抽気の有無を考慮して浸食量を評価することで、浸食量の評価精度を向上させることが可能となる。

図６は、第２実施形態の変形例の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。

図６の蒸気タービンプラントは、非再熱型プラントであり、再熱器１３を備えていない点と、蒸気流路Ｐ２およびＰ３が蒸気流路Ｐ７に置き換えられている点が、図４の蒸気タービンプラントと相違している。図６の蒸気タービンプラントはさらに、給水加熱器３５と、抽気バルブ３６と、蒸気流路Ｐ１３とを備えている。

蒸気流路Ｐ１３は、高圧タービン１２の蒸気通路部の中間部に接続され、高圧タービン１２の中間段から蒸気を抽気する抽気配管である。給水加熱器３５は、給水流路Ｐ６に設置されており、給水流路Ｐ６を流れる給水を、蒸気流路Ｐ１３からの抽気蒸気により加熱する。抽気バルブ３６は、蒸気流路Ｐ１３に設置されており、蒸気流路Ｐ１３を流れる蒸気を調節するために使用される。抽気バルブ３６がオン（開）になると、高圧タービン１２から蒸気が抽気され、抽気バルブ３６がオフ（閉）になると、高圧タービン１２からの蒸気の抽気が停止される。抽気バルブ３６は、本開示の抽気装置の例である。

本変形例では、入口温度計測器２２は、図６に示す入口温度計測器２８に置き換えてもよいし、入口圧力計測器２３は、図６に示す入口圧力計測器２９に置き換えてもよい。この場合、本変形例の蒸気タービンプラントは、抽気検出器４１、４２だけでなく抽気検出器４３も備えることが望ましい。抽気検出器４３は、抽気バルブ３６の動作を検出し、抽気バルブ３６の動作の検出結果をタービン監視装置２１に出力する。本変形例の抽気検出器４３は、抽気バルブ３６の開度を検出可能であり、抽気バルブ３６が開いている場合にはオンの出力信号を、抽気バルブ３６が閉じている場合にはオフの出力信号を記憶部２１ａに出力する。この場合、演算部２１ｂは、入口蒸気温度、入口蒸気圧力、および出口蒸気圧力の検知結果と、抽気検出器４１、４２、４３から出力された抽気バルブ３２、３４、３６のオン／オフの検出結果とに基づいて、低圧タービン１５の動翼の水滴による浸食量を演算する。これにより、高圧、中圧、および低圧タービン１２、１４、１５からの抽気の有無を考慮して浸食量を評価することで、浸食量の評価精度を向上させることが可能となる。

以上のように、本実施形態では、入口温度計測器２２、入口圧力計測器２３、および出口圧力計測器２４から出力された検知結果と、抽気検出器４１から出力された検出結果とに基づいて低圧タービン１５の動翼の浸食量を演算し、演算された浸食量に基づく情報を表示する。よって、本実施形態によれば、低圧タービン１５の動翼の浸食量を、抽気も考慮して適切に評価することが可能となる。

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。

図７の蒸気タービンプラントは、再熱型プラントであり、図４に示す構成要素に加え、排気室スプレー３７と、冷却水バルブ３８と、スプレー検出器４４と、冷却水流路Ｐ１４とを備えている。

冷却水流路Ｐ１４は、低圧タービン１５に冷却水を供給するための配管である。排気室スプレー３７は、低圧タービン１５の最終段動翼の下流に設けられた排気室内に、冷却水流路Ｐ１４からの冷却水（スプレー水）を供給する。低圧タービン１５の最終段動翼を通過する蒸気流量が小さく、動翼のかき回し損失により排気室温度が過度に上昇してしまう場合に、排気室スプレー３７をオンとすることで排気室温度を下げることができる。冷却水バルブ３８は、蒸気流路Ｐ１４に設置されており、蒸気流路Ｐ１４を流れる冷却水を調節するために使用される。冷却水バルブ３８がオン（開）になると、低圧タービン１５に冷却水が供給され、冷却水バルブ３８がオフ（閉）になると、低圧タービン１５への冷却水の供給が停止される。

スプレー検出器４４は、冷却水バルブ３８の動作を検出し、冷却水バルブ３８の動作の検出結果をタービン監視装置２１に出力する。本実施形態のスプレー検出器４４は、冷却水バルブ３８の開度を検出可能であり、冷却水バルブ３８が開いている場合にはオンの出力信号を、冷却水バルブ３８が閉じている場合にはオフの出力信号を記憶部２１ａに出力する。

記憶部２１ａは、入口蒸気温度、入口蒸気圧力、および出口蒸気圧力の検知結果を記憶すると共に、抽気検出器４１から出力された抽気バルブ３２のオン／オフの検出結果と、スプレー検出器４４から出力された冷却水バルブ３８のオン／オフの検出結果とを記憶する。

演算部２１ｂは、入口蒸気温度、入口蒸気圧力、および出口蒸気圧力の検知結果と、抽気検出器４１から出力された抽気バルブ３２のオン／オフの検出結果と、スプレー検出器４４から出力された冷却水バルブ３８のオン／オフの検出結果とに基づいて、低圧タービン１５の動翼の水滴による浸食量を演算する。この際、演算部２１ｂは、低圧タービン１５内の蒸気に起因する水滴と、排気室スプレー３７からのスプレー水に起因する水滴とによる動翼の浸食量を演算する。

図８は、第３実施形態の蒸気タービン（低圧タービン１５）の動作を説明するための断面図である。図８は、図１１(ａ)に対応する断面を示している。

最終段落の動翼２を通過する蒸気流量が小さい場合には、図８に示すように、最終段落に排気室からの逆流を伴う流れ場となる。曲線Ｌ３は、この場合に排気室スプレー３７から噴霧された水滴の流れを示している。排気室スプレー３７から噴霧された水滴は、蒸気の流線Ｌ１に沿って最終段落内に動翼２の根本側から逆流し、最終段落内で蒸気の流線Ｌ１に沿って半径方向外側に流れる。よって、排気室スプレー３７から噴霧された水滴は、動翼２の前縁に衝突することになり、動翼２は浸食される。

すなわち、本実施形態の動翼２は、低圧タービン１５内の蒸気に起因する水滴により浸食されるだけでなく、排気室スプレー３７からのスプレー水に起因する水滴により浸食される。そこで、本実施形態では、これら２種類の水滴を考慮に入れて、低圧タービン１５の動翼２の浸食量を演算する。

図９は、第３実施形態のタービン監視システムの動作を説明するためのフローチャートである。図９は、演算部２１ｂによる演算の流れを示している。

演算部２１ｂは、図９のＳ１１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、およびＳ５に関する処理を、図５の場合と同様に実行する。

一方、演算部２１ｂは、記憶部２１ａから入力したスプレーオン／オフ信号（Ｓ１２）に基づき、スプレーに起因する水滴に関し、最終段動翼入口における水量（水滴個数）、水滴径、および水滴衝突速度（Ｓ１３）を演算する。なお、本実施形態では、排気室スプレー３７から噴霧される水滴の個数および径を、演算部２１ｂに格納しておいてもよい。また、本実施形態では、排気室スプレー３７から噴霧される水滴の個数および径を基に水滴の軌道計算を予め実施し、排気室スプレー３７から噴霧する液滴の動翼２への衝突速度を演算部２１ｂに格納しておいてもよい。

次に、排気室スプレー３７の水滴の水量、水滴径、および水滴衝突速度と、最終段動翼の動翼材料特性および補正係数（Ｓ１４）から、排気室スプレー３７による最終段動翼の浸食率ｄＥ／ｄｔ（Ｓ１５）を、上述の式（２）を用いて評価する。なお、Ｓ１４の動翼材料特性および補正係数は、Ｓ４の動翼材料特性および補正係数と同じものである。

次に、排気室スプレー２７の噴霧時間Δｔの間における、排気室スプレー３７の水滴による浸食量ΔＥを、以下の式（６）を用いて算出する。
ΔＥ＝ｄＥ／ｄｔ×Δｔ ・・・（６）

本実施形態の浸食量Ｅ（Ｓ６）は、作動蒸気に含まれる水滴による浸食量と、排気室スプレー３７による侵食量とを足し合わせることにより算出される。例えば、式（５）を用いて演算したΔＥを、蒸気タービンプラントの運転時間に渡って積算していくことで、前者の浸食量が算出され、式（６）を用いて演算したΔＥを、蒸気タービンプラントの運転時間に渡って積算していくことで、後者の浸食量が算出される。そして、前者の浸食量と後者の浸食量とを足し合わせることで、トータルの浸食量Ｅを算出することができる。本実施形態によれば、低圧タービン１５内での排気室スプレー３７のオン／オフの影響を考慮して浸食量を評価することで、浸食量の評価精度を向上させることが可能となる。

なお、入口温度計測器２２は、図７に示す入口温度計測器２６に置き換えてもよいし、入口圧力計測器２３は、図７に示す入口圧力計測器２７に置き換えてもよい。この場合、本実施形態の蒸気タービンプラントは、第２実施形態と同様に、抽気検出器４１だけでなく抽気検出器４２も備えることが望ましい。この場合、演算部２１ｂは、入口蒸気温度、入口蒸気圧力、および出口蒸気圧力の検知結果と、検出器４１、４２、４４から出力されたバルブ３２、３４、３８のオン／オフの検出結果とに基づいて、低圧タービン１５の動翼の水滴による浸食量を演算する。これにより、中圧および低圧タービン１４、１５からの抽気の有無を考慮して浸食量を評価することで、浸食量の評価精度を向上させることが可能となる。

図１０は、第３実施形態の変形例の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。

図１０の蒸気タービンプラントは、非再熱型プラントであり、再熱器１３を備えていない点と、蒸気流路Ｐ２およびＰ３が蒸気流路Ｐ７に置き換えられている点が、図７の蒸気タービンプラントと相違している。図１０の蒸気タービンプラントはさらに、第２実施形態の変形例と同様に、給水加熱器３５と、抽気バルブ３６と、蒸気流路Ｐ１３とを備えている。

本変形例では、入口温度計測器２２は、図１０に示す入口温度計測器２８に置き換えてもよいし、入口圧力計測器２３は、図１０に示す入口圧力計測器２９に置き換えてもよい。この場合、本変形例の蒸気タービンプラントは、第２実施形態の変形例と同様に、抽気検出器４１、４２だけでなく抽気検出器４３も備えることが望ましい。この場合、演算部２１ｂは、入口蒸気温度、入口蒸気圧力、および出口蒸気圧力の検知結果と、検出器４１、４２、４３、４４から出力されたバルブ３２、３４、３６、３８のオン／オフの検出結果とに基づいて、低圧タービン１５の動翼の水滴による浸食量を演算する。これにより、高圧、中圧、および低圧タービン１２、１４、１５からの抽気の有無を考慮して浸食量を評価することで、浸食量の評価精度を向上させることが可能となる。

以上のように、本実施形態では、入口温度計測器２２、入口圧力計測器２３、および出口圧力計測器２４から出力された検知結果と、検出器４１、４４から出力された検出結果とに基づいて低圧タービン１５の動翼の浸食量を演算し、演算された浸食量に基づく情報を表示する。よって、本実施形態によれば、低圧タービン１５の動翼の浸食量を、抽気およびスプレーも考慮して適切に評価することが可能となる。

なお、本実施形態では、第２実施形態の蒸気タービンプラントに排気室スプレー２７やスプレー検出器４４を設けているが、代わりに第１実施形態の蒸気タービンプラントに排気室スプレー２７やスプレー検出器４４を設けてもよい。すなわち、本実施形態の蒸気タービンプラントは、給水加熱器３１、抽気バルブ３２、抽気検出器４１等を備えていなくてもよい。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムおよび方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムおよび方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：タービン最終段落の静翼、２：タービン最終段落の動翼、
３：タービン最終段落の前段落の静翼、４：タービン最終段落の前段落の動翼、
５：翼後縁端、６：ダイヤフラム外輪、７：翼後縁端、８：翼前縁端、
１１：ボイラ、１２：高圧タービン、１３：再熱器、１４：中圧タービン、
１５：低圧タービン、１６：発電機、１７：復水器、
２１：タービン監視装置、２１ａ：記憶部、２１ｂ：演算部、２１ｃ：表示部、
２２：入口温度計測器、２３：入口圧力計測器、２４：出口圧力計測器、
２５：流量計測器、２６：入口温度計測器、２７：入口圧力計測器、
２８：入口温度計測器、２９：入口圧力計測器、
３１、３３、３５：給水加熱器、３２、３４、３６：抽気バルブ、
３７：排気室スプレー、３８：冷却水バルブ、
４１、４２、４３：抽気検出器、４４：スプレー検出器

Claims (12)

1. 蒸気タービンに導入されるまたは前記蒸気タービンから排出された蒸気、または前記蒸気タービンから排出された前記蒸気から得られた水の物理量を検知し、前記物理量の検知結果を出力する１つ以上の計測器と、
   前記１つ以上の計測器から出力された前記検知結果に基づいて、前記蒸気タービンの動翼の水滴による浸食量を演算する演算部と、
   前記演算部により演算された前記浸食量に基づく情報を表示する表示部と、
   を備えるタービン監視システム。
2. 前記演算部は、前記動翼の水滴による単位時間当たりの前記浸食量である浸食率を演算し、前記浸食率に基づいて前記浸食量を演算する、請求項１に記載のタービン監視システム。
3. 前記演算部は、前記蒸気タービンの運転時間に渡って前記浸食率を積算することで、前記浸食量を演算する、請求項２に記載のタービン監視システム。
4. 前記演算部は、前記蒸気タービンの最終段落の前記動翼の水滴による前記浸食量を演算する、請求項１から３のいずれか１項に記載のタービン監視システム。
5. 前記１つ以上の計測器は、
   前記蒸気タービンに導入される前記蒸気の温度を検知する温度計測器と、
   前記蒸気タービンに導入される前記蒸気の圧力を検知する第１圧力計測器とを備える、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のタービン監視システム。
6. 前記１つ以上の計測器は、
   前記蒸気タービンに導入される前記蒸気の温度を検知する温度計測器と、
   前記蒸気タービンから排出された前記蒸気から得られた前記水の流量を検知する流量計測器とを備える、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のタービン監視システム。
7. 前記１つ以上の計測器はさらに、
   前記蒸気タービンから排出された前記蒸気の圧力を検知する第２圧力計測器を備える、
   請求項５または６に記載のタービン監視システム。
8. 前記表示部は、前記浸食量、または前記浸食量に基づく警報を表示する、請求項１から７のいずれか１項に記載のタービン監視システム。
9. 前記蒸気タービンは、高圧タービン、中圧タービン、および低圧タービンを備えるプラントに設けられており、前記蒸気タービンは前記低圧タービンである、請求項１から８のいずれか１項に記載のタービン監視システム。
10. さらに、前記蒸気タービンまたは別の蒸気タービンから蒸気を抽気する抽気装置の動作を検出し、前記抽気装置の動作の検出結果を出力する抽気検出器を備え、
    前記演算部は、前記１つ以上の計測器から出力された前記検知結果と、前記抽気検出器から出力された前記検出結果とに基づいて、前記浸食量を演算する、
    請求項１から９のいずれか１項に記載のタービン監視システム。
11. さらに、前記蒸気タービンの排気室内に水を供給する排気室スプレーの動作を検出し、前記排気室スプレーの動作の検出結果を出力するスプレー検出器を備え、
    前記演算部は、前記１つ以上の計測器から出力された前記検知結果と、前記スプレー検出器から出力された前記検出結果とに基づいて、前記蒸気タービン内の前記蒸気に起因する水滴と、前記排気室スプレーからの前記水に起因する水滴とによる前記動翼の前記浸食量を演算する、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載のタービン監視システム。
12. 蒸気タービンに導入されるまたは前記蒸気タービンから排出された蒸気、または前記蒸気タービンから排出された前記蒸気から得られた水の物理量を１つ以上の計測器により検知し、前記物理量の検知結果を前記１つ以上の計測器から出力し、
    前記１つ以上の計測器から出力された前記検知結果に基づいて、前記蒸気タービンの動翼の水滴による浸食量を演算部により演算し、
    前記演算部により演算された前記浸食量に基づく情報を表示部により表示する、
    ことを含むタービン監視方法。

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