JP3673017B2

JP3673017B2 - Steam turbine start control device

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Publication number: JP3673017B2
Application number: JP12877696A
Authority: JP
Inventors: 昭祐中井; 政志中本; 真司林; 敦行筧
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-05-23
Filing date: 1996-05-23
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2016-05-23
Also published as: JPH09317404A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラー、蒸気タービン、蒸気流量調節弁およびその弁開度を制御するタービン制御装置を少なくとも有するプラントの蒸気タービン起動制御装置に係り、特に発電用中間負荷運転プラント等、急速かつ頻繁な起動停止運用が要求されるようなプラントの蒸気タービン起動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、蒸気タービンの起動時には、流入蒸気温度の上昇、および蒸気流量増大による蒸気・ロータ間の熱伝達率の向上に従って、タービンロータの表面メタル温度が上昇する。そして、タービンロータの内部はロータ表面からの熱伝導によって表面温度より遅れて温度上昇するため、タービンロータの内部で温度分布に偏差が現れ、熱応力が発生する。このとき、過大な熱応力はタービンロータの寿命を著しく縮めてしまうので、発生熱応力の値は適正値に抑えられなければならない。また、蒸気タービンの１回の起動に対する寿命消費はその時の熱応力のピークの大きさと回数により定量的把握が行なえることが知られている。
【０００３】
ところで、近年、発電用プラントでは、急速かつ頻繁な起動停止運用が蒸気タービンに要求されている。必要以上の急速な起動は、過大な熱応力をタービンロータに発生さる虞がある。したがって、蒸気タービン起動時には上記熱応力を制限値以内に抑制し、かつ１回の起動に対するロータ寿命消費も適正にするような起動方法が必要である。
【０００４】
次に、従来の蒸気タービンの起動方法の一例を示す。
【０００５】
一般に、蒸気タービン起動時に、熱応力的に最も厳しい状況下にあるのは、高圧タービン第１段後、および再熱部第１段後の各ロータ表面部分である。そして、運転中にタービンロータに発生している熱応力の値を実測することは一般的に非常に困難であるため、ロータ内部のメタル温度を伝熱計算により求め、その温度分布から熱応力の値を推定する。
【０００６】
伝熱計算には、ロータの表面温度を計測する必要があるが、運転中にロータ表面温度を計測することは、困難である。しかしながら、ロータ表面温度は、ケーシング内面メタル温度にほぼ等しく、代替が可能であることが知られている。したがって、以下、ロータ表面温度は、蒸気タービンのケーシング内面ルタル温度の計測値で代替するものとし、計測可能な量であるとして扱う。
【０００７】
そして、従来の蒸気タービンの起動方法では、図５に示すような起動スケジュールに沿って蒸気タービンの自動起動を行なう。つまり、起動開始から定格回転数になるまでは、回転数が指令値に等しくなるように回転数制御を行なう。蒸気タービンが定格回転数に達した後、このタービンにより駆動される発電機が負荷をとり始めると、負荷を指令値に等しくするように、負荷制御が行なわれる。
【０００８】
このように、図５中に折れ線で示されたような回転数と負荷の指令値のスケジュールに沿って蒸気タービンを制御し、起動を行なう。このスケジュールを決定するパラメータは昇速率、つまり、ロータ回転数の変化率と、負荷上昇率、つまり、負荷の変化率と、ヒートソーク時間、つまり、負荷や回転数を保持する時間である。発生熱応力の値を規定値に抑えるため、これらのパラメータを適当な値に定める必要がある。
【０００９】
これらのパラメータの値はミスマッチチャートにより決定される。ミスマッチチャートでは、起動時の主蒸気温度から求めた高圧第１段蒸気温度を推定値とし、この推定値と、高圧第１段落後のケーシング内面メタル温度計測値との温度差であるミスマッチ温度から昇速率、負荷上昇率等の全てのパラメータを幾つかのパターンから選出することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の蒸気タービン起動制御装置では、タービン起動時に、有限個のパターンから起動スケジュールを選択する方法により行なっている。このため、タービンロータの最大熱応力が規定されている時に、必ずしも起動時間が最短になるような起動スケジュールを構成できず、この意味で最適な制御ではなかった。なお、以下、タービンロータの熱応力がその規定値以下に制限されているときに、起動時間が最短になるような起動を最適な起動と表現する。
【００１１】
また、タービン起動開始時に全ての起動スケジュールを決定してしまうため、ボイラー条件等の変化により蒸気条件が変化した場合、その変化に対応して起動スケジュールを調整することができない。このため、タービンロータに発生する熱応力は、起動時に予測した値と大きく異なる値をとることがあり、場合によっては過大な熱応力が発生する可能性もあるという課題があった。
【００１２】
さらに、従来の方法では、起動中のボイラー条件の変化を予め正確に予測することが困難であるので、予測値と実際の値の不確定性を考慮し、余裕をもった起動スケジュールを作成する必要があった。このような理由からも、起動完了まで必要以上に長い時間を要していた。
【００１３】
そこで本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、タービンロータの熱応力を規定値以下に抑えつつ、蒸気タービンを最小時間で起動できるうえに、ボイラー条件の変化等環境変化に対応することができる蒸気タービン起動制御装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ボイラーから蒸気タービンへ流入される蒸気流入量を制御する調節弁の開度を操作量に対応して制御するタービン制御装置を有するプラントについて、所定の予測時間区間内で上記タービンのロータに発生する熱応力を予測する熱応力予測手段と、上記予測熱応力を規定値以下に抑えると共に、上記プラントの運転条件を満足させ、かつ上記タービンの起動時間が最小となるように上記操作量の最適推移パターンを所定周期毎に算出すると共に、その最適推移パターンのうちの現時刻での値を実際の操作量として上記タービン制御装置に与える最適パターン演算手段と、を具備していることを特徴とする。
【００１５】
本請求項１によれば、最適パターン演算手段により、タービンロータの予測熱応力が規定値以下であることと、プラントの運転条件を満足させることと、タービンの起動時間が最小となることを全て満足させる操作量の最適推移パターンを線形計画法等で算出し、この最適推移パターンの操作量に基づいて調節弁を開度制御するので、タービンロータの熱応力を規定値以下に抑えつつ、タービンを最小時間で起動することができる。
【００１６】
また、上記操作量の最適推移パターンを求める演算を所定の周期毎に繰り返すので、ボイラーの蒸気条件等が急変した場合でも、常にその環境変化に対応した最適起動を行なうことができる。
【００１７】
請求項２の発明は、ボイラーから蒸気タービンへ流入される蒸気流入量を制御する調節弁の開度を操作量に対応して制御するタービン制御装置を有するプラントについて、所定の予測時間区間内で上記タービンのロータに発生する熱応力を予測する熱応力予測手段と、上記予測熱応力を規定値以下に抑えると共に、上記プラントの運転条件を満足させ、かつ上記タービンの起動時間が最小となるように操作量の最適推移パターンを所定周期毎に算出する最適パターン演算手段と、上記最適推移パターンのうちの現時刻での値を状態量の設定値として設定し、これに対応する状態量の測定値をこの設定値と比較し、これら両者の偏差が解消するように上記操作量を所定の制御周期毎に調整して上記タービン制御装置に与える操作量調整手段と、を具備していることを特徴とする。
【００１８】
本請求項２によれば、上記請求項１の発明と同様の作用効果を有するうえに、操作量調整手段により、操作量の最適推移パターンの現在値と、これに対応する測定値との偏差を解消させるように最適推移パターンをフィードバック制御するので、種々の不確定要素やモデル化誤差の影響を低減し、起動制御精度を向上させることができる。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項２記載の操作量調整手段を、最適推移パターンのうちの現時刻での変化率を状態量の変化率設定値として設定し、これに対応する状態量の測定値をこの設定値と比較し、これら両者の偏差が解消するように操作量を所定の制御周期毎に調整して上記タービン制御装置に与える操作量調整手段に、置換したことを特徴とする。
【００２０】
本請求項３によれば、上記請求項２の発明とほぼ同様に操作量調整手段により、操作量の最適推移パターンをフィードバック制御するので、請求項２の発明と同様の作用効果を奏することができる。
【００２１】
請求項４の発明は、ボイラーから蒸気タービンへ流入される蒸気流入量を制御する調節弁の開度を操作量に対応して制御するタービン制御装置を有するプラントについて、所定の予測時間区間内で上記タービンのロータに発生する熱応力を予測する熱応力予測手段と、上記予測熱応力を規定値以下に抑えると共に、上記プラントの運転条件の一部を満足させ、かつ上記タービンの起動時間が最小となるように上記操作量の最適推移パターンを所定周期毎に算出する最適パターン演算手段と、上記最適推移パターンを上記最適化で考慮した以外の運転上の制約条件を満足させるように修正すると共に、この修正パターンのうちの現時刻での値を実際の操作量として所定の制御周期毎に上記タービン制御装置に与えるパターン修正手段と、を具備していることを特徴とする。
【００２２】
本請求項４によれば、プラントの種々の運転条件のうち、最適パターン演算手段により容易に演算することができる一部をこの最適パターン演算手段で演算させ、この制約条件以外の特定の制御条件を満足させるようにパターン修正手段により上記最適推移パターンを修正するので、パターン演算手段での演算の速度と精度とを共に高めることができる。
【００２３】
請求項５の発明は、ボイラーから蒸気タービンへ流入される蒸気流入量を制御する調節弁の開度を操作量に対応して制御するタービン制御装置を有するプラントについて、所定の予測時間区間内で上記タービンのロータに発生する熱応力を予測する熱応力予測手段と、上記予測熱応力を規定値以下に抑えると共に、上記プラントの運転条件の一部を満足させ、かつ上記タービンの起動時間が最小となるように上記操作量の最適推移パターンを所定周期毎に算出する最適パターン演算手段と、上記最適推移パターンを上記最適化で考慮した以外の運転上の制約条件を満足させるように修正するパターン修正手段と、この修正パターンのうちの現時刻での値を状態量の設定値として設定し、これに対応する測定値をこの設定値と比較し、これら両者の偏差が解消するように操作量を所定の制御周期毎に調整して上記タービン制御装置に与える操作量調整手段と、を具備していることを特徴とする。
【００２４】
本請求項５によれば、上記請求項４の発明とほぼ同様の作用効果を有するうえに、修正パターンの現在値と、これに対応する測定値との偏差を解消させるように修正パターンをフィードバック制御するので、種々の不確定要素やモデル化誤差の影響を低減し、起動制御精度を向上させることができる。
【００２５】
請求項６の発明は、請求項５記載の操作量調整手段を、上記修正パターンのうちの現時刻での変化率を状態量の変化率設定値として設定し、これに対応する状態量の測定値をこの設定値と比較し、これら両者の偏差が解消するように操作量を所定の制御周期毎に調整して上記タービン制御装置に与える操作量調整手段に、置換したことを特徴とする。
【００２６】
本請求項６によれば、上記請求項５の発明とほぼ同様に操作量の修正パターンをフィードバック制御するので、請求項５の発明とほぼ同様の作用効果を奏することができる。
【００２７】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の蒸気タービン起動制御装置において、操作量を調整する際は、予め設定した操作量データテーブルから、算出された操作量を超えない範囲での最大の近似値を選択し、その選択値をタービン制御装置に与える操作量とする手段、を具備していることを特徴とする。
【００２８】
本請求項７によれば、操作量の算出値は各作動条件により複雑な変化となるが、その算出値の近似値を、データテーブルの最も不都合のない数種の値で代表させているので、複雑化を避けることができると共に、昇速率と負荷上昇率を操作量とする従来のタービン制御装置に適用させることができる。
【００２９】
請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱応力予測手段を、タービンロータの寿命消費またはタービンロータ内部の温度差の最大値の少なくとも一方を予測する手段に、置換したことを特徴とする。
【００３０】
本請求項８によれば、タービンロータの寿命消費またはタービンロータ内部の温度差の最大値の少なくとも一方の予測によっても、熱応力予測とほぼ同様にタービンロータの健全性ないし信頼性を評価することができる。
【００３１】
請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の蒸気タービン起動制御装置において、起動時間を最小にする条件を、所定時間後のタービンロータメタル温度最大、タービンロータメタル温度変化率最大、蒸気流量最大、蒸気流量の変化率最大の各条件のうちの少なくともいずれかに置換することを特徴とする。
【００３２】
本請求項９によれば、蒸気タービンの起動時間を直接評価することが困難であるときは、タービンロータメタル温度最大、その変化率最大、蒸気流量最大、その変化率最大の少なくともいずれかにより起動時間を評価することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図４を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図１〜図４中、同一または相当部分には同一符号を付している。
【００３４】
図１は本発明の第１実施形態の全体構成を示すブロック図であり、この図において、蒸気タービン起動制御装置１は蒸気タービン２を最適起動させるための制御装置である。
【００３５】
この蒸気タービン２を有するプラントＰは蒸気タービン２の蒸気入口に主蒸気管３を介して図示しないボイラー出口を接続し、この主蒸気管３の途中に介在された蒸気流量調節弁４と、その開度を操作量５に応じて制御する既存のタービン制御装置６と、蒸気タービン２の実際のプラント状態量を測定するセンサーＴとを具備している。
【００３６】
蒸気タービン起動制御装置１は、このタービン制御装置６に入力される操作量５を制御して蒸気タービン２を最適起動させるために、最適パターン演算手段７、熱応力予測手段８、パターン修正手段９および操作量調整手段１０を具備している。
【００３７】
蒸気タービン起動制御装置１は、最適パターン演算手段７と熱応力予測手段８とパターン修正手段９で算出された値が操作量調整手段１０の設定値となるようなカスケード構成となっている。
【００３８】
熱応力予測手段８はロータ表面温度等のプラント状態量を入力とし、将来のある期間に亘って蒸気タービン２のロータ（以下タービンロータという）に発生する熱応力を予測するものであり、数学モデルの熱応力予測モデル１１を構築するものである。この熱応力予測モデル１１を用いると、現在から未来の所定の予測区間に亘るモデル入力（プラント状態量）を仮定したとき、その区間内に発生する熱応力を計算することができる。
【００３９】
逆に、熱応力予測手段８の出力である予測熱応力に対して、それが規定値を超えないという制限を設定したとき、起動時間が最小になるようなプラント状態量の推移パターンを計算することができる。
【００４０】
最適パターン演算手段７では、このようなプラント状態量最適推移パターン１２を最適化手法により計算する。最適推移パターン通りにプラント状態量が変化した場合、熱応力が規定値以下で、なおかつ起動時間が最小になるような、最適な起動が実現される。
【００４１】
一般的に最適パターン演算手段７では、数理計画法を利用し、熱応力予測モデル１１による予測熱応力計算を繰り返し行なうことにより、最適な推移パターンを探索する方法が用いられるが、その他の手法によって最適推移パターンを計算する場合もある。
【００４２】
一方、プラントＰには、「回転数・負荷設定値が単調増加であること」や「昇速率・負荷上昇率あるいは規定値以下であること」等のような幾つかの運転上の制約条件が存在する。最適パターン演算手段７では、これらの制約条件を考慮して最適化演算を行なわなければならない。これらの制約条件のうち、最適パターン演算手段７で容易に取り扱うことができない特定の制約条件が存在する場合、この特定の制約条件以外の制約条件を最適パターン演算手段７でまず最適演算を行い、プラント状態量最適推移パターンを出力する。パターン修正手段９はこのプラント状態量最適推移パターンを特定制約条件を満足するように修正する。こうして得られた状態量の推移パターンは、全ての運転上の制約条件を満たす、準最適なパターンとなっている。
【００４３】
上記各演算は、所定の制御周期毎に繰り返され、常に最適な状態量パターンが計算される。このため、図示しないボイラーの蒸気条件等環境が急変した場合でも、その環境変化に応じた最適な推移パターンを得ることができる。
【００４４】
パターン修正手段９で修正されたプラント状態量最適推移パターン１２は、プラント状態量設定値１３として比較部１４に操作量調整手段１０のための設定値データとして与えられる。
【００４５】
比較部１４は蒸気タービン２の制御の結果得られたプラント状態量測定値１５を、パターン修正手段９で得られたプラント状態量設定値１３と比較し、その偏差を求めて操作量調整手段１０に与えられる。
【００４６】
操作量調整手段１０は比較部１４で得られたプラント状態量偏差をゼロにするための操作量５を演算し、これを既存のタービン制御装置６に与える。タービン制御装置６は与えられた操作量５に基づいて蒸気流量調節弁４の開度を制御して蒸気タービン２の状態量、例えば昇速率や負荷上昇率をフィードバック制御する。
【００４７】
以上のルーチンによりプラント状態量はパターン修正手段９により修正されたプラント状態量設定値１３に従って推移し、熱応力が規定値以下で、かつ最短時間起動という意味で最適な蒸気タービン２の起動を行なうことができる。
【００４８】
図２は本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図であり、この蒸気タービン起動制御装置１Ａは上記第１実施形態におけるプラント状態量として蒸気タービン２のロータ表面温度を使用する点に特徴がある。
【００４９】
つまり、蒸気タービン２のロータの温度分布に基づくロータ熱応力計算は、一般的にタービンロータの形状が無限円筒に近似可能であるため、ロータ表面熱応力δs とロータボア熱応力δb とを次の数（１）式で表されることが知られている。
【００５０】
【数１】

【００５１】
一方、タービンロータ内部の温度分布はロータ軸方向の分布を無視し、半径方向のみの一次元熱伝達問題で近似できる。この熱伝達微分方程式を解くために様々な手法が提案されているが、差分法による計算方法を用いるのが一般的である。
【００５２】
ロータの表面温度を入力とすると、差分法による監視熱応力演算は、次の数（２）式の線形数学モデルで表現することが可能である。
【００５３】
式中のロータ表面温度Ｔn をプラント運転中に実測することは非常に困難であるが、この値は第１段落後のケーシングメタル温度とほぼ等しく、通常はこれで代替できることが知られている。よってロータ表面温度は計測可能であるとして以下の説明を続ける。
【００５４】
実際にはロータ表面温度の代りに第１段落後のケーシングメタル温度を用いる。
【００５５】
次の数（２）式の線形数学モデルを変形すると、熱応力予測モデル１１Ａは下記の数（３）式に示すように導出できる。
【００５６】
【数２】

【００５７】
【数３】

【００５８】
熱応力予測手段８Ａにより算出された熱応力予測モデル１１Ａは、未来のある区間のロータ表面温度変化を仮定したとき、その区間に発生する熱応力の値を計算する機能を有する。
【００５９】
最適パターン演算手段７Ａでは、この熱応力予測モデル１１Ａを用いることにより、熱応力の値を規定値以下に抑えつつ、起動時間が最短になるような、未来のロータ表面温度の最適推移パターン１２Ａを算出する。算出方法は、線形計画法が利用できる。そのときの制約条件は「予測区間内の熱応力の値が規定値を超えないこと」であり、評価関数は「起動時間が最小」である。起動時間を直接評価することが困難であるときは、起動時間最短化を、「ある時間区間内のロータ温度の最高化」という条件に置き換えて計算を行なう。例えば、制約条件と評価関数とを次の数（４）式のように設定する。
【００６０】
【数４】

【００６１】
また、ボイラーの蒸気条件は刻々と変化していくので、常に最適なロータ表面温度推移パターンを求めるために、この最適化計算はある制御周期毎に行なう。
【００６２】
一方、プラント運転には、「昇速率・負荷上昇率はある値以下でなければならない」や、「回転数・負荷設定値は単調増加しなければならない」等の数々の制約条件が存在する。この制約条件を満たしながら、ロータ表面温度最適推移パターン１２Ａを最適化演算によって算出する。このとき、特定の制約条件を最適化演算を行なった後、算出されたロータ表面温度の最適推移パターン１２Ａに対して、特定の制約条件を満足するように、パターン修正手段９Ａにてパターン修正を行なう。ここでは、「回転数・負荷設定値が単調増加する」ための修正について、以下、図３を参照して説明する。
【００６３】
蒸気タービン２の回転数と負荷は蒸気流量に比例するので、上記の制約条件は「蒸気流量が単調増加すること」と等価である。また蒸気・ロータ間の熱伝達率を考えると、その値は蒸気流量に対して単調増加関数となっている。したがって、「熱伝達率が単調増加する」ようにロータ表面温度推移パターンを修正すればよい。
【００６４】
ロータ表面温度の推移パターンから、熱伝達率の推移パターンを算出する。この熱伝達率の推移パターンを単調増加するように修正する。ここで注意する点は、図３にも示すように制御に用いるのは推移パターンのうちのｋ＋１時刻の値のみである点である。なお、ここでｋは現在時刻を示す。最適推移パターンを単調増加するように頭切りして修正したとき、熱伝達率のｋ＋１時刻の値は予測区間内での最小値になっている。よって、熱伝達率の推移パターンのうち、予測区間内での最小値を設定値とする。この熱伝達設定値からロータ表面温度を逆に算出する。これをロータ表面温度設定値１３Ａとする。
【００６５】
操作量調整手段１０Ａでは、ロータ表面温度測定値１５Ａと、ロータ表面温度設定値１３Ａを比較部１４Ａで比較させ、両者を一致させるように操作量５Ａの昇速率・負荷上昇率を調節する。蒸気タービン２の昇速中は、昇速率を調節し、定格回転数に達した後は負荷上昇率を調節する。
【００６６】
これにより、プラント状態量はパターン修正手段９Ａで算出された、運転条件を満足する準最適な推移パターンに従って変化するので、タービンロータの熱応力の値を規定値以下に抑えつつ、起動時間が最短な起動を行なうことができる。
【００６７】
また、ボイラ条件の変化等によって、蒸気条件が変化した場合でも、最適パターン演算手段７Ａによってその時に最適なロータ表面温度推移パターンを常時算出するので、ボイラー等環境の変化に柔軟に対応できる。
【００６８】
図４は本発明の第３の実施形態の構成を示すブロック図であり、この蒸気タービン起動制御装置１Ｂは上記第２の実施形態に差分演算手段２０を設けた点に特徴がある。
【００６９】
つまり、差分演算手段２０は最適なロータ表面温度の推移パターンから現在時刻のロータ表面温度変化２１を算出する。そして、プラント状態量の設定値として、ロータ表面温度変化２１を用いる。ロータ表面温度変化設定値１３Ｂと実際の表面温度測定値から計算されるロータ表面温度変化２１を比較部１４Ｂで比較し、両者を一致させるように操作量５Ａである昇速率と、負荷上昇率を操作量調整手段１０Ａで調節する。その調節のアルゴリズムは例えば、次の数（５）式に従うものを用いる。
【００７０】
【数５】

【００７１】
なお、本発明は昇速率と負荷上昇率のデータテーブルを使用してもよい。つまり、上記各実施例において、昇速率・負荷上昇率を算出した後、予め別に用意した昇速率・負荷上昇率のデータテーブルから算出値を超えない範囲で一番近い値を選択し、操作量５Ａとして用いる。例えば、昇速率に対して、０，６０，１２０，１８０，２４０，３６０ rpm／min というデータテーブルが用意されており、昇速率の算出値が１５５ rpm／min のときは、その算出値を超えないテーブル内の最大値１２０ rpm／min をテーブルルックアップして実際の操作量５Ａとしてタービン制御装置６に与えてもよい。
【００７２】
以上説明したように、各実施形態によれば、プラント状態量の設定値と実際の測定値との偏差をゼロにするようにフィードバック制御するので、様々な不確定要素やモデル化誤差の影響を低減することができる。
【００７３】
また、ボイラー条件等の急変が起こった場合でも、その環境変化に応じたプラント状態の最適推移パターンを毎周期毎に再計算し、更新するので、蒸気タービン２を常に最適起動することができる。
【００７４】
また、蒸気タービンの起動時には複数のタービンロータに発生する熱応力が問題になるときがあるが、一般の火力発電所においても、高圧タービンと中圧タービンの両方のロータに発生する熱応力が問題になる。このよなう場合、本実施形態によれば、問題になるタービンロータそれぞれに対して熱応力予測モデルを構築し、状態量の最適推移パターン計算も双方の予測モデルに従って行ない、同じ現時刻において、それぞれに対してプラント状態量の設定値を算出し、それに応じた昇速率・負荷上昇率を計算する。そして、蒸気タービン２の実際の起動時に用いる昇速率または負荷上昇率は、それらの値の最小値を用いる。このような、保守的な選択を行なうことによって、複数のタービンに発生する熱応力を全て規定値以下に抑えることができる。
【００７５】
また、複数の蒸気タービン２の熱応力予測モデル１１に対して、それぞれ異なった値の熱応力規定値を設定し、最適化演算を行なうことも可能である。これによって、異なる箇所の熱応力と規定値をタービン部材や形状の違い等から決定される適正値に設定することが可能となる。
【００７６】
そして、本発明の他の変形例としては、既存のタービン制御装置６への融合を容易にするために、上記各実施形態では、昇速率・負荷上昇率の値を調節する場合について説明したが、本発明では、蒸気流量を直接制御したり、回転数や負荷の設定値を変更することとしても同様であり、本質的には変りはない。
【００７７】
また、タービンロータの熱応力の最大値からロータの寿命消費率は即座に計算可能である。よって熱応力予測モデルの代りにロータ寿命消費、またはタービンロータ内部の温度差の最大値の少なくとも一方を予測する予測モデルを構築し、その規定値を設定してもよい。
【００７８】
さらに、上記各実施形態では、熱応力予測モデルとして線形数学モデルを用い、線形計画法により最適プラント状態量推移パターンを算出したが、熱応力予測モデルとしては非線形な数学モデルを用いることも可能である。この場合、最適プラント状態量推移パターンを算出するための最適化手法としては、公知の種々の非線形最適化手法を用いることができる。
【００７９】
さらにまた、最適プラント状態量推移パターンの計算周期と操作量調整の制御周期とを異なった値に設定することも可能である。
【００８０】
また、蒸気タービン２の起動時間を最小にする条件を直接評価することが困難であるときは、所定時間後のロータメタル温度最大、その変化率最大、蒸気流量最大、その変化率最大のうちの少なくともいずれかの条件に置換して計算してもよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、最適パターン演算手段により、タービンロータの予測熱応力が規定値以下であることと、プラントの運転条件を満足させることと、タービンの起動時間が最小となることを全て満足させる操作量の最適推移パターンを線形計画法等で算出し、この最適推移パターンの操作量に基づいて調節弁を開度制御するので、タービンロータの熱応力を規定値以下に抑えつつ、タービンを最小時間で起動することができる。
【００８２】
また、上記操作量の最適推移パターンを求める演算を所定の周期毎に繰り返すので、ボイラーの蒸気条件等が急変した場合でも、常にその環境変化に対応した最適起動を行なうことができる。
【００８３】
請求項２の発明によれば、上記請求項１の発明と同様の作用効果を有するうえに、操作量調整手段により、操作量の最適推移パターンの現在値と、これに対応する規定値との偏差を解消させるように最適推移パターンをフィードバック制御するので、種々の不確定要素やモデル化誤差の影響を低減し、起動制御精度を向上させることができる。
【００８４】
請求項３の発明によれば、上記請求項２の発明とほぼ同様に操作量制御手段により、操作量の最適推移パターンをフィードバック制御するので、請求項２の発明と同様の作用効果を奏することができる。
【００８５】
請求項４の発明によれば、プラントの種々の運転条件のうち、最適パターン演算手段により容易に演算することができる一部をこの最適パターン演算手段で演算させ、この制約条件以外の特定の制御条件を満足させるようにパターン修正手段により上記最適推移パターンを修正するので、パターン演算手段での演算の速度と精度とを共に高めることができる。
【００８６】
請求項５の発明によれば、上記請求項４の発明とほぼ同様の作用効果を有するうえに、修正パターンの現在値と、これに対応する測定値との偏差を解消させるように修正パターンをフィードバック制御するので、種々の不確定要素やモデル化誤差の影響を低減し、起動制御精度を向上させることができる。
【００８７】
請求項６の発明によれば、上記請求項５の発明とほぼ同様に操作量の修正パターンをフィードバック制御するので、請求項５の発明とほぼ同様の作用効果を奏することができる。
【００８８】
請求項７の発明によれば、操作量の算出値は各作動条件により複雑な変化となるが、その算出値の近似値を、データテーブルの最も不都合のない数種の値で代表させているので、複雑化を避けることができると共に、昇速率と負荷上昇率を操作量とする従来の制御装置に適用させることができる。
【００８９】
請求項８の発明によれば、タービンロータの寿命消費またはタービンロータ内部の温度差の最大値の少なくとも一方の予測によっても、熱応力予測とほぼ同様にタービンロータの健全性ないし信頼性を評価することができる。
【００９０】
請求項９の発明によれば、蒸気タービンの起動時間を直接評価することが困難であるときは、タービンロータメタル温度最大、その変化率最大、蒸気流量最大、その変化率最大の少なくともいずれかにより起動時間を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るタービン起動制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るタービン起動制御装置の構成を示すブロック図。
【図３】図２で示すパターン修正手段の機能を示す概念図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るタービン起動制御装置の構成を示すブロック図。
【図５】従来技術によるタービン起動スケジュールの一例を示す図。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ蒸気タービン起動制御装置
２蒸気タービン
３主蒸気管
４蒸気流量調節弁
５，５Ａ操作量
６タービン制御装置
７，７Ａ最適パターン演算手段
８，８Ａ熱応力予測手段
９，９Ａパターン修正手段
１０，１０Ａ操作量調整手段
１１，１１Ａ熱応力予測モデル
１２プラント状態量最適推移パターン
１２Ａロータ表面温度最適推移パターン
１３プラント状態量設定値
１３Ａロータ表面温度設定値
１３Ｂロータ表面温度変化設定値
１４，１４Ａ，１４Ｂ加算部
１５プラント状態量測定値
１５Ａロータ表面温度測定値
２０差分演算手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a steam turbine start-up control device for a plant having at least a boiler, a steam turbine, a steam flow rate control valve and a turbine control device for controlling the valve opening degree, and particularly, a rapid and frequent operation such as an intermediate load operation plant for power generation. The present invention relates to a steam turbine start control device for a plant in which start / stop operation is required.
[0002]
[Prior art]
Generally, when the steam turbine is started, the surface metal temperature of the turbine rotor rises according to the rise of the incoming steam temperature and the improvement of the heat transfer coefficient between the steam and the rotor due to the increase of the steam flow rate. And since the temperature inside the turbine rotor rises later than the surface temperature due to heat conduction from the rotor surface, a deviation appears in the temperature distribution inside the turbine rotor, and thermal stress is generated. At this time, since excessive thermal stress significantly shortens the life of the turbine rotor, the value of the generated thermal stress must be suppressed to an appropriate value. In addition, it is known that the lifetime consumption for one start-up of the steam turbine can be quantitatively grasped by the magnitude and the number of thermal stress peaks at that time.
[0003]
By the way, in recent years, rapid and frequent start / stop operations are required for steam turbines in power generation plants. Unnecessary rapid start-up may generate excessive thermal stress in the turbine rotor. Therefore, there is a need for a start-up method that suppresses the thermal stress within the limit value at the start of the steam turbine and also makes the rotor life consumption appropriate for one start-up.
[0004]
Next, an example of a conventional method for starting a steam turbine will be described.
[0005]
Generally, at the start of the steam turbine, under the most severe conditions in terms of thermal stress, each rotor surface portion after the first stage of the high-pressure turbine and after the first stage of the reheat section. Since it is generally very difficult to actually measure the value of the thermal stress generated in the turbine rotor during operation, the metal temperature inside the rotor is obtained by heat transfer calculation, and the thermal stress is calculated from the temperature distribution. Estimate the value.
[0006]
In the heat transfer calculation, it is necessary to measure the rotor surface temperature, but it is difficult to measure the rotor surface temperature during operation. However, it is known that the rotor surface temperature is approximately equal to the casing inner surface metal temperature and can be substituted. Therefore, hereinafter, the rotor surface temperature is assumed to be replaced by the measured value of the casing inner surface rutal temperature of the steam turbine, and is treated as a measurable amount.
[0007]
In the conventional steam turbine starting method, the steam turbine is automatically started in accordance with a start schedule as shown in FIG. In other words, the rotation speed control is performed so that the rotation speed becomes equal to the command value from the start to the rated rotation speed. When the generator driven by the turbine starts to take a load after the steam turbine reaches the rated speed, load control is performed so that the load becomes equal to the command value.
[0008]
In this way, the steam turbine is controlled and started in accordance with the schedule of the rotational speed and the load command value as shown by the broken line in FIG. The parameters that determine this schedule are the speed increase rate, that is, the rate of change of the rotor speed, the load increase rate, that is, the rate of change of the load, and the heat soak time, that is, the time for holding the load and the speed. In order to suppress the value of the generated thermal stress to a specified value, it is necessary to set these parameters to appropriate values.
[0009]
The values of these parameters are determined by a mismatch chart. In the mismatch chart, the high-pressure first stage steam temperature obtained from the main steam temperature at start-up is an estimated value, and from this mismatch value, which is the temperature difference between the estimated value and the measured value of the casing inner surface metal temperature after the first high-pressure stage. All parameters such as speed increase rate and load increase rate can be selected from several patterns.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional steam turbine start control device, the start schedule is selected from a finite number of patterns when the turbine is started. For this reason, when the maximum thermal stress of the turbine rotor is defined, it is not always possible to configure a start-up schedule that minimizes the start-up time. In this sense, the control is not optimal. Hereinafter, the start-up that minimizes the start-up time when the thermal stress of the turbine rotor is limited to the specified value or less is expressed as the optimum start-up.
[0011]
In addition, since all start schedules are determined at the start of turbine start-up, if the steam conditions change due to changes in boiler conditions, the start schedule cannot be adjusted in response to the changes. For this reason, the thermal stress which generate | occur | produces in a turbine rotor may take the value greatly different from the value estimated at the time of starting, and the subject that an excessive thermal stress might generate | occur | produce depending on the case occurred.
[0012]
Furthermore, with the conventional method, it is difficult to accurately predict changes in boiler conditions during startup, so a startup schedule with a margin is created in consideration of the uncertainty between the predicted value and the actual value. There was a need. For this reason, it took a longer time than necessary to complete the startup.
[0013]
Therefore, the present invention has been made in consideration of such circumstances, and the purpose thereof is to suppress the thermal stress of the turbine rotor to a specified value or less and to start the steam turbine in a minimum time, and to change the boiler conditions, etc. An object of the present invention is to provide a steam turbine start control device that can cope with environmental changes.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, there is provided a plant having a turbine control device that controls an opening degree of a control valve that controls a steam inflow amount flowing from a boiler into a steam turbine in accordance with an operation amount, within a predetermined predicted time interval. Thermal stress prediction means for predicting thermal stress generated in the turbine rotor, and suppressing the predicted thermal stress below a specified value, satisfying the operating conditions of the plant, and minimizing the startup time of the turbine And calculating an optimum transition pattern of the manipulated variable for each predetermined period, and providing an optimum pattern computing means for giving the value at the current time of the optimum transition pattern as an actual manipulated variable to the turbine control device. It is characterized by.
[0015]
According to the first aspect of the present invention, the optimum pattern calculation means that the predicted thermal stress of the turbine rotor is less than the specified value, that the operating conditions of the plant are satisfied, and that the startup time of the turbine is minimized. The optimal transition pattern of the operation amount to be satisfied is calculated by linear programming or the like, and the opening of the control valve is controlled based on the operation amount of this optimal transition pattern. Can be activated in a minimum amount of time.
[0016]
In addition, since the calculation for obtaining the optimum transition pattern of the manipulated variable is repeated every predetermined cycle, optimum startup corresponding to the environmental change can always be performed even when the boiler steam conditions change suddenly.
[0017]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a plant having a turbine control device that controls an opening degree of a control valve that controls an amount of steam flowing into a steam turbine from a boiler in accordance with an operation amount, within a predetermined predicted time interval. Thermal stress prediction means for predicting thermal stress generated in the turbine rotor, and suppressing the predicted thermal stress below a specified value, satisfying the operating conditions of the plant, and minimizing the startup time of the turbine The optimum pattern calculation means for calculating the optimum transition pattern of the manipulated variable for each predetermined period and the value at the current time in the optimum transition pattern is set as the set value of the state quantity, and the corresponding state quantity is measured. A manipulated variable adjusting means for comparing the value with the set value and adjusting the manipulated variable for each predetermined control period so as to eliminate the deviation between the two, and supplying the manipulated variable to the turbine control device; Characterized in that it comprises.
[0018]
According to the second aspect, in addition to having the same effect as the invention of the first aspect, the operation amount adjusting means makes a deviation between the current value of the optimum transition pattern of the operation amount and the measurement value corresponding thereto. Since the optimum transition pattern is feedback-controlled so as to eliminate the problem, the influence of various uncertain elements and modeling errors can be reduced, and the startup control accuracy can be improved.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, the manipulated variable adjusting means according to the second aspect sets the change rate at the current time in the optimum transition pattern as a change rate setting value of the state variable, and measures the state variable corresponding thereto. The value is compared with the set value, and the manipulated variable is replaced with manipulated variable adjusting means for adjusting the manipulated variable for each predetermined control period so as to eliminate the deviation between the two values and supplying it to the turbine control device.
[0020]
According to the present invention, since the optimum transition pattern of the manipulated variable is feedback-controlled by the manipulated variable adjusting means in substantially the same manner as the invention of the above-described claim 2, the same effect as that of the invention of claim 2 can be achieved. it can.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a plant having a turbine control device for controlling an opening degree of a control valve for controlling a steam inflow amount flowing from a boiler to a steam turbine in accordance with an operation amount, within a predetermined predicted time interval. Thermal stress prediction means for predicting thermal stress generated in the rotor of the turbine, and suppressing the predicted thermal stress below a specified value, satisfying some of the operating conditions of the plant, and minimizing the startup time of the turbine And an optimum pattern calculation means for calculating the optimum transition pattern of the manipulated variable for each predetermined period so as to satisfy the operational constraint conditions other than those considered in the optimization Pattern correction means for giving the value at the current time of the correction pattern as an actual operation amount to the turbine control device every predetermined control period, And wherein the are.
[0022]
According to the present invention, among the various operating conditions of the plant, a part that can be easily calculated by the optimum pattern calculating means is calculated by the optimum pattern calculating means, and specific control conditions other than the constraint conditions are calculated. Pattern correction means to satisfyBySince the optimum transition pattern is corrected, it is possible to increase both the speed and accuracy of the calculation by the pattern calculation means.
[0023]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a plant having a turbine control device that controls an opening degree of a control valve that controls an amount of steam flowing into a steam turbine from a boiler in accordance with an operation amount, within a predetermined predicted time interval. Thermal stress prediction means for predicting thermal stress generated in the rotor of the turbine, and suppressing the predicted thermal stress below a specified value, satisfying some of the operating conditions of the plant, and minimizing the startup time of the turbine An optimum pattern calculation means for calculating the optimum transition pattern of the manipulated variable for each predetermined period so as to satisfy, and a pattern for correcting the optimum transition pattern so as to satisfy operational constraints other than those considered in the optimization The correction means and the value of the correction pattern at the current time are set as the state quantity set values, and the corresponding measured values are compared with the set values. An operation amount so that the deviation is eliminated in the adjusted every predetermined control cycle, characterized in that it comprises a an operation amount adjusting means for giving to the turbine controller.
[0024]
According to the fifth aspect of the present invention, the correction pattern is fed back so as to eliminate the deviation between the current value of the correction pattern and the measurement value corresponding to the same effect as the invention of the fourth aspect. Since the control is performed, the influence of various uncertain elements and modeling errors can be reduced, and the startup control accuracy can be improved.
[0025]
According to a sixth aspect of the present invention, the manipulated variable adjusting means according to the fifth aspect sets the change rate at the current time among the correction patterns as a change rate set value of the state variable, and measures the state variable corresponding thereto. The value is compared with the set value, and the manipulated variable is replaced with manipulated variable adjusting means for adjusting the manipulated variable for each predetermined control period so as to eliminate the deviation between the two values and supplying it to the turbine control device.
[0026]
According to the sixth aspect of the present invention, since the manipulated variable correction pattern is feedback-controlled in substantially the same manner as the fifth aspect of the invention, the same effect as that of the fifth aspect of the invention can be achieved.
[0027]
The invention according to claim 7 is the steam turbine start control device according to any one of claims 1 to 6, wherein when the operation amount is adjusted, the operation amount calculated from the operation amount data table set in advance is used. Means for selecting a maximum approximate value within a range not exceeding and setting the selected value as an operation amount to be given to the turbine control device.
[0028]
According to the seventh aspect, the calculated value of the manipulated variable varies in a complicated manner depending on each operating condition, but the approximate value of the calculated value is represented by several kinds of values that are least inconvenient in the data table. Further, it is possible to avoid complication and to apply to a conventional turbine control apparatus in which the speed increase rate and the load increase rate are manipulated.
[0029]
The invention according to claim 8 provides the means for predicting at least one of the lifetime consumption of the turbine rotor or the maximum value of the temperature difference inside the turbine rotor, as the thermal stress prediction means according to any one of claims 1 to 7, It is characterized by being replaced.
[0030]
According to the present invention, the soundness or reliability of the turbine rotor can be evaluated almost in the same manner as the thermal stress prediction by predicting at least one of the lifetime consumption of the turbine rotor or the maximum value of the temperature difference inside the turbine rotor. Can do.
[0031]
The invention according to claim 9 is the steam turbine start control device according to any one of claims 1 to 8, wherein the conditions for minimizing the start time are the maximum turbine rotor metal temperature and the turbine rotor metal temperature after a predetermined time. It is characterized by substituting for at least one of the conditions of maximum change rate, maximum steam flow rate, and maximum change rate of steam flow rate.
[0032]
According to claim 9, when it is difficult to directly evaluate the start-up time of the steam turbine, the start-up is performed by at least one of the maximum turbine rotor metal temperature, the maximum change rate, the maximum steam flow rate, and the maximum change rate. Time can be evaluated.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
[0034]
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the first embodiment of the present invention. In this figure, a steam turbine start control device 1 is a control device for optimally starting a steam turbine 2.
[0035]
A plant P having this steam turbine 2 connects a boiler outlet (not shown) to a steam inlet of the steam turbine 2 via a main steam pipe 3, a steam flow rate adjusting valve 4 interposed in the middle of the main steam pipe 3, An existing turbine control device 6 that controls the opening degree according to the operation amount 5 and a sensor T that measures the actual plant state amount of the steam turbine 2 are provided.
[0036]
The steam turbine start control device 1 controls an operation amount 5 input to the turbine control device 6 to optimally start the steam turbine 2, so that an optimum pattern calculation means 7, thermal stress prediction means 8, and pattern correction means 9 are used. And an operation amount adjusting means 10.
[0037]
The steam turbine activation control device 1 has a cascade configuration in which the values calculated by the optimum pattern calculation means 7, the thermal stress prediction means 8, and the pattern correction means 9 become the set values of the operation amount adjustment means 10.
[0038]
The thermal stress prediction means 8 receives plant state quantities such as the rotor surface temperature and the like, and predicts thermal stress generated in the rotor of the steam turbine 2 (hereinafter referred to as turbine rotor) over a certain period in the future. The thermal stress prediction model 11 is constructed. When this thermal stress prediction model 11 is used, when a model input (plant state quantity) over a predetermined prediction section from the present to the future is assumed, the thermal stress generated in the section can be calculated.
[0039]
On the contrary, the transition pattern of the plant state quantity is calculated so that the startup time is minimized when the restriction that the predicted thermal stress that is the output of the thermal stress prediction means 8 does not exceed the specified value is set. be able to.
[0040]
The optimum pattern calculation means 7 calculates such a plant state quantity optimum transition pattern 12 by an optimization method. When the plant state quantity changes according to the optimum transition pattern, the optimum startup is realized such that the thermal stress is below the specified value and the startup time is minimized.
[0041]
In general, the optimum pattern calculation means 7 uses a method of searching for an optimum transition pattern by repeatedly performing the predicted thermal stress calculation by the thermal stress prediction model 11 using mathematical programming, but by other methods. An optimal transition pattern may be calculated.
[0042]
On the other hand, the plant P has some operational constraints such as “the rotation speed / load setting value is monotonically increasing”, “speed increase rate / load increase rate or less than a specified value”, and the like. Exists. The optimum pattern calculation means 7 must perform an optimization calculation in consideration of these constraint conditions. Among these constraint conditions, when there is a specific constraint condition that cannot be easily handled by the optimal pattern calculation means 7, the optimal pattern calculation means 7 first performs an optimal calculation for a constraint condition other than this specific constraint condition, The plant state quantity optimum transition pattern is output. The pattern correction means 9 corrects this plant state quantity optimum transition pattern so as to satisfy the specific constraint conditions. The transition pattern of the state quantity obtained in this way is a sub-optimal pattern that satisfies all the operational constraints.
[0043]
Each of the above operations is repeated every predetermined control cycle, and an optimal state quantity pattern is always calculated. For this reason, even when an environment such as a steam condition of a boiler (not shown) suddenly changes, an optimum transition pattern according to the environmental change can be obtained.
[0044]
The plant state quantity optimum transition pattern 12 corrected by the pattern correction unit 9 is given as set value data for the operation amount adjusting unit 10 to the comparison unit 14 as the plant state quantity set value 13.
[0045]
The comparison unit 14 compares the plant state quantity measurement value 15 obtained as a result of the control of the steam turbine 2 with the plant state quantity set value 13 obtained by the pattern correction means 9, obtains a deviation thereof, and operates the operation amount adjustment means 10. Given to.
[0046]
The operation amount adjusting means 10 calculates an operation amount 5 for making the plant state amount deviation obtained by the comparison unit 14 zero, and supplies this to the existing turbine control device 6. The turbine control device 6 controls the opening degree of the steam flow rate control valve 4 based on the given operation amount 5 and feedback-controls the state quantity of the steam turbine 2, for example, the speed increase rate and the load increase rate.
[0047]
By the above routine, the plant state quantity changes in accordance with the plant state quantity set value 13 corrected by the pattern correcting means 9, and the optimum startup of the steam turbine 2 is performed in the sense that the thermal stress is equal to or less than the specified value and starts for the shortest time. be able to.
[0048]
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the second embodiment of the present invention. This steam turbine start control device 1A uses the rotor surface temperature of the steam turbine 2 as the plant state quantity in the first embodiment. There are features.
[0049]
In other words, since the rotor thermal stress calculation based on the temperature distribution of the rotor of the steam turbine 2 can generally approximate the shape of the turbine rotor to an infinite cylinder, the rotor surface thermal stress δs and the rotor bore thermal stress δb are It is known that it is expressed by equation (1).
[0050]
[Expression 1]

[0051]
On the other hand, the temperature distribution inside the turbine rotor can be approximated by a one-dimensional heat transfer problem only in the radial direction, ignoring the distribution in the rotor axial direction. Various methods have been proposed to solve this heat transfer differential equation, but a calculation method based on a difference method is generally used.
[0052]
When the surface temperature of the rotor is input, the monitoring thermal stress calculation by the difference method can be expressed by a linear mathematical model of the following equation (2).
[0053]
Although it is very difficult to actually measure the rotor surface temperature Tn in the equation during plant operation, it is known that this value is almost equal to the casing metal temperature after the first stage, and this can usually be substituted. Therefore, the following description will be continued assuming that the rotor surface temperature can be measured.
[0054]
Actually, the casing metal temperature after the first paragraph is used instead of the rotor surface temperature.
[0055]
When the linear mathematical model of the following equation (2) is deformed, the thermal stress prediction model 11A can be derived as shown in the following equation (3).
[0056]
[Expression 2]

[0057]
[Equation 3]

[0058]
The thermal stress prediction model 11A calculated by the thermal stress prediction means 8A has a function of calculating the value of thermal stress generated in a section when assuming a rotor surface temperature change in a section in the future.
[0059]
The optimum pattern calculation means 7A uses the thermal stress prediction model 11A to obtain an optimum transition pattern 12A of the future rotor surface temperature that minimizes the startup time while keeping the thermal stress value below a specified value. calculate. As a calculation method, linear programming can be used. The constraint condition at that time is “the value of the thermal stress in the prediction interval does not exceed the specified value”, and the evaluation function is “minimum start-up time”. When it is difficult to directly evaluate the start-up time, the calculation is performed by replacing the start-up time minimization with the condition of “maximization of the rotor temperature within a certain time interval”. For example, the constraint condition and the evaluation function are set as in the following equation (4).
[0060]
[Expression 4]

[0061]
Further, since the steam condition of the boiler changes every moment, this optimization calculation is performed at every certain control cycle in order to always obtain the optimum rotor surface temperature transition pattern.
[0062]
On the other hand, there are a number of constraints in plant operation, such as “the speed increase rate / load increase rate must be below a certain value” and “the rotation speed / load set value must increase monotonously”. The rotor surface temperature optimum transition pattern 12A is calculated by the optimization calculation while satisfying this constraint condition. At this time, after performing the optimization operation for the specific constraint condition, the pattern correction means 9A performs pattern correction so as to satisfy the specific constraint condition with respect to the calculated optimal transition pattern 12A of the rotor surface temperature. Do. Here, the correction for “the rotational speed / load set value monotonously increases” will be described below with reference to FIG. 3.
[0063]
Since the rotation speed and load of the steam turbine 2 are proportional to the steam flow rate, the above constraint is equivalent to “the steam flow rate increasing monotonously”. Considering the heat transfer coefficient between the steam and rotor, the value is a monotonically increasing function with respect to the steam flow rate. Therefore, the rotor surface temperature transition pattern may be corrected so that “the heat transfer coefficient increases monotonously”.
[0064]
A transition pattern of the heat transfer coefficient is calculated from the transition pattern of the rotor surface temperature. The transition pattern of the heat transfer coefficient is corrected so as to increase monotonously. The point to be noted here is that only the value at the time k + 1 in the transition pattern is used for the control as shown in FIG. Here, k indicates the current time. When the optimum transition pattern is truncated and corrected so as to increase monotonically, the value of the heat transfer coefficient at time k + 1 is the minimum value in the prediction interval. Therefore, among the transition patterns of the heat transfer coefficient, the minimum value within the prediction interval is set as the set value. The rotor surface temperature is calculated in reverse from this heat transfer set value. This is the rotor surface temperature set value 13A.
[0065]
In the operation amount adjusting means 10A, the rotor surface temperature measurement value 15A and the rotor surface temperature set value 13A are compared by the comparison unit 14A, and the speed increase rate / load increase rate of the operation amount 5A are adjusted so that they match. During the speed increase of the steam turbine 2, the speed increase rate is adjusted, and after the rated speed is reached, the load increase rate is adjusted.
[0066]
As a result, the plant state quantity changes in accordance with the sub-optimal transition pattern that satisfies the operating conditions calculated by the pattern correction means 9A. Therefore, the startup time is minimized while keeping the thermal stress value of the turbine rotor below a specified value. Can be activated.
[0067]
Even when the steam conditions change due to changes in boiler conditions, etc., the optimum rotor surface temperature transition pattern at that time is always calculated by the optimum pattern calculation means 7A, so that it is possible to flexibly cope with changes in the environment such as boilers.
[0068]
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the third embodiment of the present invention. This steam turbine start control device 1B is characterized in that a difference calculation means 20 is provided in the second embodiment.
[0069]
That is, the difference calculating means 20 calculates the rotor surface temperature change 21 at the current time from the optimal rotor surface temperature transition pattern. Then, the rotor surface temperature change 21 is used as the set value of the plant state quantity. The rotor surface temperature change setting value 13B and the rotor surface temperature change 21 calculated from the actual surface temperature measurement value are compared by the comparison unit 14B, and the speed increase rate and the load increase rate, which are the operation amount 5A, are set so as to match them. Adjustment is performed by the operation amount adjusting means 10A. As the adjustment algorithm, for example, an algorithm according to the following equation (5) is used.
[0070]
[Equation 5]

[0071]
In the present invention, a data table of the rate of increase and the rate of increase in load may be used. That is, in each of the above embodiments, after calculating the acceleration rate / load increase rate, select the closest value within a range not exceeding the calculated value from the data table of the acceleration rate / load increase rate prepared separately in advance, and the operation amount Used as 5A. For example, a data table of 0, 60, 120, 180, 240, 360 rpm / min is prepared for the acceleration rate, and when the calculated value of the acceleration rate is 155 rpm / min, the calculated value is exceeded. The maximum value 120 rpm / min in a table that is not present may be looked up and given to the turbine controller 6 as the actual manipulated variable 5A.
[0072]
As described above, according to each embodiment, feedback control is performed so that the deviation between the set value of the plant state quantity and the actual measurement value becomes zero, so that the effects of various uncertain elements and modeling errors are affected. Can be reduced.
[0073]
Even when a sudden change occurs in the boiler conditions or the like, the optimum transition pattern of the plant state corresponding to the environmental change is recalculated and updated every cycle, so that the steam turbine 2 can always be optimally started.
[0074]
In addition, thermal stress generated in multiple turbine rotors may become a problem when starting up a steam turbine. However, thermal stress generated in both high-pressure and medium-pressure turbine rotors is also a problem in general thermal power plants. become. In such a case, according to the present embodiment, a thermal stress prediction model is constructed for each turbine rotor in question, and an optimal transition pattern calculation of the state quantity is performed according to both prediction models, and at the same current time, The set value of the plant state quantity is calculated for each, and the speed increase rate / load increase rate is calculated accordingly. And the minimum value of those values is used for the speed increase rate or load increase rate used at the time of actual start-up of the steam turbine 2. By making such a conservative selection, all the thermal stresses generated in the plurality of turbines can be suppressed to a specified value or less.
[0075]
It is also possible to perform optimization calculations by setting different values of thermal stress prescribed values for the thermal stress prediction models 11 of the plurality of steam turbines 2. This makes it possible to set the thermal stress and the specified value at different locations to appropriate values determined from differences in turbine members and shapes.
[0076]
And as another modification of this invention, in order to make the fusion | combination to the existing turbine control apparatus 6 easy, in said each embodiment, although the case where the value of a speed increase rate and a load increase rate was adjusted was demonstrated. In the present invention, it is the same as directly controlling the steam flow rate or changing the set value of the rotation speed or the load, and there is essentially no change.
[0077]
Further, the life consumption rate of the rotor can be calculated immediately from the maximum value of the thermal stress of the turbine rotor. Therefore, instead of the thermal stress prediction model, a prediction model that predicts at least one of the rotor life consumption or the maximum value of the temperature difference inside the turbine rotor may be constructed, and the specified value may be set.
[0078]
Furthermore, in each of the above embodiments, a linear mathematical model is used as the thermal stress prediction model, and the optimal plant state quantity transition pattern is calculated by linear programming. However, a nonlinear mathematical model can also be used as the thermal stress prediction model. is there. In this case, various known nonlinear optimization methods can be used as the optimization method for calculating the optimum plant state quantity transition pattern.
[0079]
Furthermore, the calculation cycle of the optimum plant state quantity transition pattern and the control cycle of the manipulated variable adjustment can be set to different values.
[0080]
When it is difficult to directly evaluate the conditions for minimizing the start-up time of the steam turbine 2, the rotor metal temperature after a predetermined time, the maximum change rate, the maximum steam flow rate, the maximum change rate You may calculate by substituting at least one of conditions.
[0081]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the invention, the optimum pattern calculation means allows the predicted thermal stress of the turbine rotor to be not more than the specified value, satisfies the plant operating conditions, and the turbine startup time. The optimal transition pattern of the manipulated variable that satisfies all of the minimum is calculated by linear programming, etc., and the control valve opening is controlled based on the manipulated variable of this optimal transition pattern, so the thermal stress of the turbine rotor is specified The turbine can be started in a minimum time while keeping below the value.it can.
[0082]
In addition, since the calculation for obtaining the optimum transition pattern of the manipulated variable is repeated every predetermined cycle, optimum startup corresponding to the environmental change can always be performed even when the boiler steam conditions change suddenly.
[0083]
According to the invention of claim 2, in addition to having the same effect as that of the invention of claim 1 above, the operation amount adjusting means uses the current value of the optimum transition pattern of the operation amount and the specified value corresponding thereto. Since the optimum transition pattern is feedback-controlled so as to eliminate the deviation, the influence of various uncertain elements and modeling errors can be reduced, and the startup control accuracy can be improved.
[0084]
According to the invention of claim 3, since the optimum transition pattern of the operation amount is feedback-controlled by the operation amount control means in substantially the same manner as the invention of claim 2, the same effect as the invention of claim 2 is achieved. Can do.
[0085]
According to the invention of claim 4, among the various operating conditions of the plant, a part that can be easily calculated by the optimal pattern calculation means is calculated by the optimal pattern calculation means, and specific control other than the constraint conditions Pattern correction means to satisfy the conditionsBySince the optimum transition pattern is corrected, it is possible to increase both the speed and accuracy of the calculation by the pattern calculation means.
[0086]
According to the fifth aspect of the present invention, the correction pattern is provided so as to eliminate the deviation between the current value of the correction pattern and the measurement value corresponding to the same effect as the invention of the fourth aspect. Since feedback control is performed, the influence of various uncertain elements and modeling errors can be reduced, and the startup control accuracy can be improved.
[0087]
According to the sixth aspect of the invention, since the manipulated variable correction pattern is feedback-controlled in substantially the same manner as the fifth aspect of the invention, the same effects as the fifth aspect of the invention can be achieved.
[0088]
According to the invention of claim 7, the calculated value of the manipulated variable varies in a complicated manner depending on each operating condition, but the approximate value of the calculated value is represented by several kinds of values that are least inconvenient in the data table. Therefore, it is possible to avoid complications and to apply to a conventional control apparatus in which the speed increase rate and the load increase rate are manipulated.
[0089]
According to the eighth aspect of the present invention, the soundness or reliability of the turbine rotor is evaluated almost in the same manner as the thermal stress prediction by predicting at least one of the lifetime consumption of the turbine rotor or the maximum value of the temperature difference inside the turbine rotor. be able to.
[0090]
According to the ninth aspect of the present invention, when it is difficult to directly evaluate the start-up time of the steam turbine, at least one of the maximum turbine rotor metal temperature, the maximum change rate, the maximum steam flow rate, and the maximum change rate. The startup time can be evaluated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a turbine start control device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a turbine start control device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the function of pattern correction means shown in FIG.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a turbine start control device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a turbine startup schedule according to the prior art.
[Explanation of symbols]
1,1A, 1B Steam turbine start control device
2 Steam turbine
3 Main steam pipe
4 Steam flow control valve
5,5A manipulated variable
6 Turbine controller
7,7A Optimal pattern calculation means
8,8A Thermal stress prediction means
9,9A Pattern correction means
10, 10A operation amount adjusting means
11, 11A Thermal stress prediction model
12 Plant state quantity optimal transition pattern
12A Rotor surface temperature optimal transition pattern
13 Plant state quantity set value
13A Rotor surface temperature setting value
13B Rotor surface temperature change set value
14, 14A, 14B Adder
15 Plant state quantity measurement
15A Rotor surface temperature measurement
20 Difference calculation means

Claims

Generated in the rotor of the turbine within a predetermined predicted time interval for a plant having a turbine control device that controls the opening of a control valve that controls the amount of steam flowing into the steam turbine from the boiler according to the manipulated variable Thermal stress prediction means for predicting thermal stress;
While calculating the predicted thermal stress below a specified value, satisfying the operating conditions of the plant, and calculating the optimum transition pattern of the manipulated variable for each predetermined period so that the startup time of the turbine is minimized, An optimum pattern calculating means for giving the value at the current time of the optimum transition pattern to the turbine control device as an actual operation amount;
A steam turbine start control device comprising:

Generated in the rotor of the turbine within a predetermined predicted time interval for a plant having a turbine control device that controls the opening of a control valve that controls the amount of steam flowing into the steam turbine from the boiler according to the manipulated variable Thermal stress prediction means for predicting thermal stress;
Optimal pattern calculation that suppresses the predicted thermal stress below a specified value, satisfies the operating conditions of the plant, and calculates the optimal transition pattern of the manipulated variable at predetermined intervals so that the turbine startup time is minimized. And the value at the current time in the optimum transition pattern is set as the set value of the state quantity, and the measured value of the corresponding state quantity is compared with this set value so that the deviation between them is eliminated. And a manipulated variable adjusting means for adjusting the manipulated variable for each predetermined control cycle and supplying the manipulated variable to the turbine controller.

The operation amount adjusting means according to claim 2,
The change rate at the current time in the optimal transition pattern is set as the change rate setting value of the state quantity, and the measurement value of the corresponding state quantity is compared with this set value so that the deviation between these two is eliminated. In the operation amount adjusting means for adjusting the operation amount for each predetermined control cycle and giving it to the turbine control device,
A steam turbine start control device characterized by being replaced.

Generated in the rotor of the turbine within a predetermined predicted time interval for a plant having a turbine control device that controls the opening of a control valve that controls the amount of steam flowing into the steam turbine from the boiler according to the manipulated variable Thermal stress prediction means for predicting thermal stress;
The optimum transition pattern of the manipulated variable is calculated at predetermined intervals so that the predicted thermal stress is suppressed to a predetermined value or less, a part of the operation condition of the plant is satisfied, and the startup time of the turbine is minimized. Optimal pattern computing means;
The optimal transition pattern is corrected so as to satisfy the operational constraints other than those considered in the optimization, and the value at the current time in the correction pattern is used as the actual operation amount for each predetermined control cycle. Pattern correction means for the turbine control device;
A steam turbine start control device comprising:

Generated in the rotor of the turbine within a predetermined predicted time interval for a plant having a turbine control device that controls the opening of a control valve that controls the amount of steam flowing into the steam turbine from the boiler according to the manipulated variable Thermal stress prediction means for predicting thermal stress;
The optimum transition pattern of the manipulated variable is calculated at predetermined intervals so that the predicted thermal stress is suppressed to a predetermined value or less, a part of the operation condition of the plant is satisfied, and the startup time of the turbine is minimized. Optimal pattern computing means;
Pattern correction means for correcting the optimal transition pattern so as to satisfy operational constraints other than those considered in the optimization;
The value at the current time in the correction pattern is set as the set value of the state quantity, the corresponding measured value is compared with this set value, and the manipulated variable is controlled in a predetermined manner so that the deviation between the two is eliminated. An operation amount adjusting means that adjusts every cycle and gives the turbine control device;
A steam turbine start control device comprising:

The operation amount adjusting means according to claim 5,
Set the change rate at the current time in the above correction pattern as the change rate setting value of the state quantity, compare the measured value of the corresponding state quantity with this set value, and eliminate the deviation between these two In the operation amount adjusting means for adjusting the operation amount for each predetermined control cycle and giving it to the turbine control device,
A steam turbine start control device characterized by being replaced.

In the steam turbine starting control device according to any one of claims 1 to 6,
When adjusting the operation amount, a means for selecting the maximum approximate value within a range not exceeding the calculated operation amount from a preset operation amount data table, and setting the selected value as the operation amount to be given to the turbine controller ,
A steam turbine start control device comprising:

The thermal stress prediction means according to any one of claims 1 to 7,
As a means for predicting at least one of the lifetime consumption of the turbine rotor or the maximum value of the temperature difference inside the turbine rotor,
A steam turbine start control device characterized by being replaced.

In the steam turbine starting control device according to any one of claims 1 to 8,
Replace the conditions that minimize the start-up time with at least one of the following conditions: maximum turbine rotor metal temperature, maximum turbine rotor metal temperature change rate, maximum steam flow rate, maximum steam flow rate change rate A steam turbine start control device.