JP2653798B2 - ボイラおよびタービンプラントの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はボイラおよびタービンプラントの制御装置に
係り、特にタービン入口蒸気温度を適正値に保ち負荷変
化を円滑に行なうことができるボイラおよびタービンプ
ラントの制御装置に関する。

〔従来の技術〕

第５図は、従来技術によるボイラ制御装置の一例を示
す。以下、装置の動作を概説する。

ボイラ給水はポンプ51から吐出され、流調弁52を経て
蒸発器54で蒸気となる。蒸気はさらに過熱器56を経て過
熱された後、その流量を調節する加減弁59を経て、蒸気
供給先のタービン60へ流入する。タービン60は回転軸を
発電機62に結ばれており、加減弁59は発電機60の出力を
制御するよう駆動される。ボイラが供給する蒸気の温度
および圧力は、いわゆる蒸気条件として一般に過熱器56
出口の値で規定され、当該圧力は弁52による給水流量操
作、当該温度は弁67によるバーナ69への燃料供給量操作
でそれぞれ制御される。さらに、バーナ69への燃料量に
よる蒸気温度制御は応答が遅いため、過熱器減温器55に
より定常的に注水を行ない、過渡的な蒸気温度変動に
は、弁64により当該注水量を操作して対処する。

以上に述べたボイラ装置に適用する従来技術の制御装
置の構成は第５図に示すとおりであって、その目的は前
述のボイラ蒸気条件を規定値に維持しつつ、負荷指令１
に従って発電機62により所定出力を発電させることであ
る。

負荷指令信号１は変化率制限器２により信号３で設定
される変化率以内に抑えられる。すなわち信号１が急激
に変化しても、信号３が例えば３％／分を与えれば、３
％／分の勾配で信号４は、信号１の変化後の値に向けて
変化し、また、信号３が０％／分の設定であれば、信号
４は現在値を維持する。したがって信号４は、発電設備
としての追従可能性を考慮した負荷指令であり、タービ
ン加減弁駆動信号８は比例・積分動作により、発電量検
出器63による実測信号５と、信号４と一致させるように
補正されながら出力される。

ボイラへの給水は負荷指令４に対応し関数要素９で基
本値を与え、給水量と弁59による蒸気抜出量のバランス
は、ただちに蒸気圧力検出器58による信号10に反映する
ため、主蒸気圧力設定信号12との偏差を比例・積分要素
14に通して得た負荷水比補正信号15を加えボイラ入力指
令信号17を得る。信号17はボイラの総給水量指令値に相
当するため、ボイラ給水量検出器53、過熱器注水量検出
器65より得た信号を加えボイラ総給水量信号21を得た
後、信号17との偏差を比例・積分要素23に通した給水流
調弁駆動信号24で弁52を操作する。これは、弁64は後述
するように蒸気温度制御の目的で制御され、信号17によ
る指令とは無関係に動くため、過熱器注水管70の通過流
量変動分も合わせて弁52操作で吸収するためである。

ボイラへの燃料投入量はボイラ総給水量に対応する信
号17に対応して関数要素25で基本値を与え、燃料と給水
のアンバランスは蒸気温度検出器57による信号26に反映
するため、主蒸気温度設定信号28との偏差を比例・積分
要素31に通して得た水燃比補正信号47を加え合わせて燃
料指令信号33とする。燃料流調弁駆動信号37は比例・積
分動作で、検出器68で実測した燃料供給量信号34を信号
33と一致させるように補正されながら出力される。ま
た、過熱器注水弁駆動信号42は前述のように、応答の遅
い燃料量による蒸気温度制御を補完するために、定常的
な注水量を与える関数要素38の出力を温度偏差30の比例
動作で得た過熱器注水比補正信号40を加えた過熱器注水
弁駆動信号42で操作される。

タービン熱応力監視装置44（例えば天日、外：ロータ
熱応力によるタービン自動制御装置：火力原子力発電Vo
l29 No.5pp437〜482、昭55−６）は直接状態量を計測で
きないタービンロータについて、検出器61で得るロータ
周辺の蒸気温度信号43を用い、熱伝達特性からロータ表
面温度を、また、この表面温度に基づき熱伝導特性から
ロータ内温度分布を算出し、これにより熱応力値信号45
を出力する。信号45が規定値を超えると関数要素46は変
化率制限信号３を０とし、第５図の設備はいわゆる負荷
定値制御の状態となる。

以上に述べた従来技術は貫流ボイラ（第５図の下段に
示した系統が典型的）の制御系統として定着しており、
ベンソンボイラの貫流運転時にも同一の回路で対応でき
る。ドラムボイラおよびベンソンボイラの再循環運転時
の制御回路は第５図のものと多少異なるが、少なくとも
タービン加減弁59および過熱器注水弁64に関する制御法
は第５図と同一であり、以下の議論は同様に適用でき
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述したように第５図の設備の負荷制御は弁59による
蒸気抜出量調節によって実施するが、その際弁59によっ
て圧力降下と温度降下が生じる。前者の圧力降下自体は
タービン60へ流入する蒸気量を調節するために必然的に
生じるもので、それ自体問題ないが、副次的に生じる蒸
気温度降下は以下述べる理由でタービン60に熱応力を発
生させる原因になり問題である。

蒸気温度降下は弁59出入口で蒸気の持つエンタルピ
（含熱量）はほとんど変化しなくても、圧力が変われば
温度が変化することによる。言い換えれば圧力降下に伴
って蒸気が膨脹する際、蒸気の行なった仕事分だけ内部
エネルギーが低下して温度が下がると考えればよい。し
かしながら温度の降下幅は弁59の絞り込みが大きい領域
では100℃程度に達する場合があり、これは機械学会発
行の蒸気表等で、等エンタルピで圧力降下した場合を参
照すれば容易に確かめることができる。

第５図の制御回路において、過熱器56出口蒸気温度、
圧力はいわゆる蒸気条件として制御され、従来技術にお
いて、５％／分程度の高負荷変化率下で、蒸気温度偏差
±５℃程度を実現することは困難ではない。しかしなが
ら負荷変化に伴う弁59の開度変化により、弁59通過後の
タービン60入口の蒸気温度は軽く数十℃のオーダーで変
動し、タービンロータに深刻な熱応力を発生させるので
ある。

タービン熱応力監視装置44は、上述の観点からタービ
ンロータの信頼性を確保するために設置されているが、
負荷変化中しばしば熱応力値45が大となり、加減弁59の
開度変化を抑えるため、要素46および２による負荷変化
率制限または負荷定値機能が作動し、負荷変化のための
所要時間が延長され、発電設備の運用性能が阻害される
問題があった。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明は上記問題点を解決するためになされたもの
で、タービンの熱応力値で調整した負荷指令信号とプラ
ントの実測出力信号との偏差信号に基づきタービン入口
加減弁を駆動する装置と、ボイラ給水量に過熱器注水量
を加算した値とボイラ入力指令値との偏差信号に基づき
ボイラ給水流量調整弁を駆動する装置と、主蒸気温度設
定信号と主蒸気温度測定値との偏差信号により補正され
た燃料指令信号と実測燃料量とにより燃料流量調整弁を
駆動する装置と、主蒸気温度設定信号と主蒸気温度測定
値との偏差に基づき過熱器注水弁を駆動する装置とを備
えたボイラおよびタービンプラントの制御装置におい
て、タービン入口加減弁の開度と同弁入口の蒸気温度お
よび蒸気圧力に基づき前記加減弁通過時の蒸気温度降下
量を算出する装置と、同装置の算出値に基づき前記主蒸
気温度設定信号を補正する装置とを設けたことを特徴と
するボイラおよびタービンプラントの制御装置である。

〔作用〕

一般に弁による圧力損失は弁開度によって決まるCV値
と通過流体の流量および物性値（比容積、粘性係数等）
により決定される。タービン加減弁59の場合、通過流量
に関しては後流側のタービン60と一体に扱えるが、この
種のプラントの設計条件では弁59入口圧力とタービン60
排気圧力の差は充分に大きく、いわゆる臨界差圧条件を
超えており、かかる通過流量はタービン60の排気条件に
よらず弁59の開度および入口蒸気圧力、物性値（ことに
比容積）により支配される。

ここで蒸気物性値は、蒸気温度、圧力により一意に決
まる（例えば機械学会発行蒸気表を参照すれば求められ
る）ことに着目すれば、上述の関係により、弁59通過流
量は蒸気温度、圧力弁開度（蒸気の通過断面積）の関数
であり、同様に弁59の圧力損失および弁59出力圧力もま
た、この三者の関数となる。

弁59およびタービン60へ到る管路の熱容量により若干
の遅れは伴うが、タービン60入口蒸気温度は弁59入口蒸
気と等エンタルピ（等含熱量）で、弁59出口圧力に対応
する温度値となる。この場合も蒸気温度、圧力、エンタ
ルピの相互関係は蒸気表等により容易に求めることがで
き、結局、タービン60入口蒸気温度も同様に弁59開度、
弁入口蒸気圧力、温度の関数となる。さらに、良好に蒸
気条件を制御されたボイラ装置では、弁59入口蒸気圧力
は定数とみなせる場合もあり、その際は少なくとも弁59
開度と弁59入口蒸気温度をを取り込めればタービン60入
口蒸気温度が求められる。

以上の方法は単に、タービン60入口蒸気温度を直接測
定する必要がないということに加え、タービン60入口温
度を例えば熱電対で計測した場合のような、検出端（サ
ーモウェル等を含む）の熱容量により本質的に検出遅れ
を伴う問題が回避できるし、前述の弁59およびタービン
60へ到る管路の熱容量による遅れの影響も含めて、当該
温度が収束する値をただちに知ることができる長所があ
る。

本発明では、かかるタービン59入口蒸気温度推定値の
変動を抑制するように蒸気温度制御を行なうが、制御技
術上、種々の遅れの影響を受けた直接測定値よりも、対
象の収束値を予め知って制御する手法（予見制御）が非
常に有効であることは明らかである。

〔実施例〕

第１図は、本発明の実施例を示すボイラ制御装置の制
御系統図である。図において、第５図に示した制御対象
たる発電設備および従来技術による制御装置と同一の部
分には同一の符号を付し、説明を省略している。本実施
例においては、第５図の従来技術の制御装置中の主蒸気
温度設定信号28を与える信号設定要素27を、加減弁開度
信号８、主蒸気圧力信号10、主蒸気温度信号26を入力し
て、蒸気温度設定値102を出力する蒸気温度設定値算出
器101に取り換えた構成となっている。

第２図は、かかる算出器101の内部の詳細を示したも
のである。第２図に示すように、蒸気表参照要素111は
蒸気圧力信号10、蒸気温度信号26を受け、弁59入口の蒸
気についての比容積信号112およびエンタルピ信号113を
得る。当該要素111は例えば蒸気表テーブルを内蔵し、
これを補間計算してもよいし、蒸気状態近似式を組込
み、これを計算することでも実現できる。

弁特性関数要素114は蒸気圧力信号10、弁59の開度信
号８を受けて、前述したように、弁59とタービン60を一
括した圧力−流量特性から弁59通過流量を求め、次に通
過流量から弁差圧を算出して圧力損失信号115として出
力する。本要素もテーブルの補間または特性近似式の計
算により実現できる。

信号減算要素116は信号10から信号115を差し引き弁出
口圧力信号117を得る。蒸気表参照要素118は要素111と
同様な手法で、弁59入口と等エンタルピで弁59出口圧力
に対応する蒸気温度信号119を得る。

信号減算要素120は信号26から信号119を引き、弁59に
よる温度降下幅信号121を出力する。信号設定要素122は
弁59出口（タービン60入口）にとって望ましい蒸気温度
設定値123を与える。通常はこの値を一定値とするが、
例えば起動時のようにタービン60が冷却しているときは
低い温度設定から徐々に所定の値に増加させる。

信号加算要素124は、かかる設定値123に弁59による温
度降下分信号121を上乗せして、過熱器56出口としての
蒸気温度設定信号102を出力する。信号102を受けて、以
後は従来技術と同様の構成にて蒸気温度制御を行なえば
本実施例が成立する。

本実施例特有の効果は、第５図の従来技術の制御装置
中の要素27の部分を変更するのみで、弁59の開度変化の
いかんにかかわらず、タービン60入口蒸気温度を所定値
に制御することができる点である。

第３図および第４図は本発明の他の実施例を示す制御
系統図である。第５図に示した制御対象たる発電設備、
従来技術による制御装置および第１図、第２図に示した
本発明の実施例と同一の部分には同一の符号を付し、説
明を省略している。

本実施例は、第３図に示すように第５図の従来技術の
制御装置中の蒸気温度偏差信号30を与える要素27および
要素29の部分を信号８、信号10および信号26を入力し
て、蒸気温度偏差信号152を出力する蒸気温度補正量算
出器151に取り替えた構成である。

第４図は、かかる算出器151の内部の詳細を示したも
のである。本例では従来装置と同様に過熱器56出口（弁
59入口）蒸気温度信号26と弁入口温度設定要素154で与
えられる設定値155を信号減算要素156に与えて弁入口温
度偏差信号157を得る。一方、信号119で得られた弁59出
口側の蒸気温度推定値についても、対応して弁出口温度
設定器168により設定値163を与え、同様に弁出口温度偏
差信号153を得る。偏差重み設定要素158は０〜１の範囲
の偏差重み信号159を与え、これは要素160および161に
より１から信号158を差し引いた偏差重み補信号162とす
る。信号159と信号165、および信号157と162はそれぞれ
乗算されて信号166、信号164になり、両者は加算されて
蒸気温度偏差信号152が得られる。信号152を従来技術に
おける信号30と代替し、以後従来技術の制御装置と同様
の手法で蒸気温度制御を行なえば本実施例が成立する。

本実施例特有の効果は信号159の値を１とすれば第１
図に示した本発明の実施例と同一の機能となり、弁59開
度変化いかんにかかわらずタービン入口蒸気温度制御を
行なう。また信号159の値を０とすれば第５図に示した
従来技術の制御装置と同様に過熱器56出口蒸気温度制御
を行ない、信号159の値を０〜１で連続的に可変するこ
とによりタービン60入口と過熱器56出口それぞれの蒸気
温度偏差を重視する割合（重み）を任意に設定できる。
この機能は第１図の実施例が、タービン入口蒸気温度制
御に際し、弁59の開度変化に伴う蒸気温度変動をすべて
過熱器56出口温度設定にしわよせするため、場合によっ
ては過熱器56出口蒸気温度変動で、当該部位の熱応力が
問題となる場合も発生する可能性がある点に対処して、
状況に応じタービン60と過熱器56とで熱応力発生に関し
厳しい側の蒸気温度変動低減（すなわち蒸気温度制御）
を優先するように重み信号159の値を設定できる。本信
号159の設定は設備の試運転時または、起動操作開始前
に固定値で与えてもよいし、設備運用中に熱応力値３等
に従い状況に応じて設定値を変化させてもよい。

一般に厚肉構造物の熱応力による寿命消費は、熱応力
値がある限度を超えると急激に増加する傾向があるの
で、本例のように設備系統中のいずれかの部位に温度変
動が避けられない場合、その変動幅を複数部位に分散し
て、各部の熱応力値を下げることは、設備全体の寿命消
費を低減する際に非常に効果的である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、タービン入口加減弁を通過する際の
蒸気温度降下量が予測できるので、適正なタービン入口
温度になるように、ボイラ出口蒸気温度の設定が可能と
なり、タービンの負荷変化を円滑に行なうことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例説明図、第２図は、第
１図における蒸気温度設定値算出器の詳細図、第３図
は、本発明の第２の実施例説明図、第４図は、第３図中
の蒸気温度補正量算出器の詳細図、第５図は、従来技術
になるボイラおよびタービンプラントの制御装置説明図
である。 １……負荷指令信号、８……タービン入口加減弁駆動信
号、10……主蒸気圧力信号、12……主蒸気圧力設定信
号、15……負荷・水比補正信号、17……ボイラ入力指令
信号、18……ボイラ給水量信号、19……過熱器注水量信
号、24……給水流量調整弁駆動信号、26……主蒸気温度
測定信号、33……燃料指令信号、34……燃料供給量信
号、37……燃料流量調整弁駆動信号、40……過熱器注水
比補正信号、42……過熱器注水弁駆動信号、52……ボイ
ラ給水流量調整弁、54……蒸発器、55……過熱器減温
器、56……過熱器、59……タービン入口加減弁、60……
蒸気タービン、62……発電機、63……発電量検出器、64
……過熱器注水弁、67……燃料流量調整弁、69……バー
ナ、101……蒸気温度設定値算出器、102……蒸気温度設
定信号。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】タービンの熱応力値で調整した負荷指令信
   号とプラントの実測出力信号との偏差信号に基づきター
   ビン入口加減弁を駆動する装置と、ボイラ給水量に過熱
   器注水量を加算した値とボイラ入力指令値との偏差信号
   に基づきボイラ給水流量調整弁を駆動する装置と、主蒸
   気温度設定信号と主蒸気温度測定値との偏差信号により
   補正された燃料指令信号と実測燃料量とにより燃料流量
   調整弁を駆動する装置と、主蒸気温度設定信号と主蒸気
   温度測定値との偏差に基づき過熱器注水弁を駆動する装
   置とを備えたボイラおよびタービンプラントの制御装置
   において、タービン入口加減弁の開度と同弁入口の蒸気
   温度および蒸気圧力に基づき前記加減弁通過時の蒸気温
   度降下量を算出する装置と、同装置の算出値に基づき前
   記主蒸気温度設定信号を補正する装置とを設けたことを
   特徴とするボイラおよびタービンプラントの制御装置。