JP3784408B2 - タービン設備の運転特性の診断および予測方法および装置 - Google Patents

Description

本発明はタービン設備、たとえば蒸気またはガスタービン設備の運転特性の診断および予測のための方法および装置に関する。
このようなタービン設備は所与の周辺条件または運転パラメータのもとに運転され、また設備の能力が測定技術的に検出される。たとえば蒸気タービンは産業設備における圧縮機または発電機を駆動するために設置され、また変動する運転状態において、すなわち特定の蒸気状態（蒸気圧力および蒸気温度）において種々の蒸気量で運転される。運転の際に計画された運転データからの実際の運転パラメータとの偏差が生ずると、このことが測定値に反映される。その際に通常、以前の時点で求められた測定データとの実際の運転パラメータの直接的な比較は行われない。その理由は、設備の運転を全体的に乱すことなしには、同一の運転状態を実際の能力を決定するために何度も利用することをほとんど許さないような運転条件の変動である。さらに、周辺条件、すなわち蒸気タービンが運転される個々の運転パラメータが最初の始動期間の周辺条件から偏差すると、専ら実際の測定値に基づく設備状態に関する評価は多くの仮定および大きい不正確さと結び付くことになる。
本発明の課題は、このようなタービン設備の運転特性の診断および予測のための方法であって、計画された運転データからの個々の運転パラメータまたは周辺条件が偏差している際にもタービン設備の特性を再現し得る方法を提供することにある。このことはまたこの方法を実施するために適した装置で簡単な手段により達成されなければならない。
方法に関するこの課題は、本発明によれば、運転パラメータの設定の際に別の運転パラメータが設備特有の量から計算された設備モデルを用いて求められることにより解決される。
設備のモデル作成はたとえばタービンおよび発電機から構成されるそのつどのターボセットのタービン羽根および他の設備構成部分の形状および材料のような設計および製造データに基づいている。タービン、場合によっては使用される歯車装置および発電機のすべての必要な特徴量は部分負荷特性の顧慮のもとに、好ましくはソフトウェアにより実現される計算に統合されている。
診断に関しては本方法は実際の運転パラメータとタービン設備の計算されたモデルデータとの比較を可能にし、またこうしてモデル計算の予期される運転データと実際のパラメータとの偏差を指示する。従って、有利なことにこのような偏差を決定するために実際に測定された運転状態が計算された目標値と比較され、その際に目標値の計算のために少なくとも１つの測定技術的に検出された運転パラメータが予め与えられる。この実際に測定された運転状態ならびに計算された目標値は同時に指示される。
予測に関しては本方法は所望の周辺条件または運転パラメータを予め与えることを可能にし、その際に所望の周辺条件へのモデル化されたタービン設備の反応が計算される。このことは有利なことに、産業設備、たとえば製紙設備にタービン設備を結び付けることを可能にする。予め与えられる運転パラメータはこうして手動で選択される値または測定値であってよい。
装置に関する前記の課題は、本発明によれば、設備特有の特徴量から求められた設備モデルに対するモデルメモリと、個々の運転パラメータを計算するための計算機モジュールとを含んでいることにより解決される。その際に計算は設備モデルを用いて、また少なくとも１つの運転パラメータを予め与えることにより行われる。
タービン設備の設備特有の特徴量または設計データに基づく設備モデルは有利なことに一回の計算過程で作成され、また計算プログラムとしてモデルメモリに格納される。これらの設計データを変更または交換し得るように、有利なことに設計データバンクが設備特有の特徴量を格納するために設けられている。
計算機モジュールの入力側に診断のために個々の測定値を、また予測のために手動で予め与えられる運転パラメータを供給し得るように、本装置の実施態様では操作モジュールが設けられている。この操作モジュールを介して実際の測定値が入力され、または選択された運転パラメータが予め与えられる。
本発明により達成される利点は特に、たとい予め与えられた周辺条件または運転パラメータ、たとえば実際の蒸気状態がタービン設備の設計の際に利用された運転データと合致しないとしても、設備モデルを用いての個々の運転パラメータの計算によりタービン設備の特性が決定され得ることにある。運転パラメータを手動により予め与える際には、たとい手動で予め与えられた運転パラメータがオンライン運転中の実際の運転パラメータに対して偏差するとしても、変化する運転パラメータへのタービン設備の反応の予測が可能である。それぞれ測定された運転パラメータまたは状態と計算された運転パラメータまたは状態との比較により決定され得る偏差から、エラー源が診断され得る。すなわち、このような偏差から測定装置技術のエラーまたは蒸気タービン設備の変化、たとえばタービン羽根の錆びの形成が推定され得る。
本発明の実施例を図面により一層詳細に説明する。
図１は蒸気タービン設備に対する診断および予測装置のブロック図、
図２は図１による装置のモデル計算機の動作の仕方を示すフローダイアグラムである。
図１に概要を示されている蒸気タービン設備１は多段の蒸気タービン２および復水器４と歯車装置８を介して蒸気タービン２により駆動される発電機６とを含んでいる。実施例として示されているのは、高圧部分２ａおよび低圧部分２ｂを有する復水タービンである。低圧部分２ｂは入力側で、弁１２が挿入されている蒸気管１０を介して高圧部分２ａと接続されている。低圧部分２ｂは出力側で、すなわち蒸気排出側で、排出蒸気管１４を介して復水器４と接続されている。蒸気タービン２の高圧部分２ａの入口１６には、弁１８が挿入されている生蒸気管１７が開口している。高圧部分２ａは抽出管１９およびブリード管２０を設けられており、それらを介してそれぞれ蒸気が蒸気タービン２の種々の段から抽出され得る。
タービン設備１はタービン設備１が運転される周辺条件または運転パラメータを測定値ＭＷ１ないしＭＷ４として与える測定個所ｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_n、（ｎ＝１ないし４）を有する。こうして運転パラメータとして蒸気の圧力ｐ、温度Ｔおよび蒸気量Ｑが蒸気管１４、１７、１９および２０において測定され得る。
同じく復水器４は復水器４が運転される運転パラメータを測定値ＭＷ５として与える測定個所Ｋを有する。発電機６は発電機電流Ｉおよび発電機電圧Ｕを測定するため発電機６が運転される運転パラメータ、すなわち発電機または端子電力Ｐを測定値ＭＷ６として与える測定個所Ｉ、Ｕを有する。
測定値ＭＷ１ないしＭＷ６はデータ線またはデータバス２１に供給される。データバス２１はデータ処理装置２２と接続されている。装置２２はタービン設備の運転特性を診断する役割、すなわちオンライン運転中に設備状態を決定する役割をする。それは同じく予め与えられた運転パラメータｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_nおよび／またはＰのもとでタービン設備１の特性を予測する、すなわち先見的に求める役割をする。
予計算の可能なかぎり高い質を達成するため、設備特有の特徴データまたは特徴量ＫＧから求められた設備モデルの、蒸気タービン２の実際の運転状態へのサイクリックに能動化される適応が行われる。そのために装置２２の設計データバンク２４にたとえば軸直径、横断面、間隙の大きさおよびプロフィルのような個々のタービンデータの特徴量ＫＧが格納されている。すなわち、蒸気タービン２、復水器４、発電機６および場合によっては歯車装置８のすべての既知の機械的構造データがそこに特徴量ＫＧとして記憶されている。特徴量ＫＧは操作モジュール２６を介していつでも、たとえば始動の際またはタービン設備１の増強の際に入力、交換または変更され得る。
特徴量ＫＧに基づいて一回の計算過程により設備構成要素２、４および６のモデルが作成され、また計算プログラムとしてモデルメモリ２８に格納される。モデルメモリ２８は計算機モジュール３０により実行されるモデル計算の一部である。タービン設備１に歯車装置８が使用されているかぎり、これはモデル計算において顧慮される。
部分負荷範囲に対してまたタービン設備１の実際の運転状態と無関係に実行され得るオンライン解析の際に、操作モジュール２６を介して実際の運転状態を求めるためには診断ＤＧが、また変更された周辺条件のもとでタービン設備１の特性を予測するためには予測ＰＧが選択される。このことは図面中にスイッチ３２により示されている。
装置２２の操作モジュール２６を用いて診断ＤＧが選択されると、測定値ＭＷ１ないしＭＷ６が計算機モジュール３０で実行されるモデル計算に供給される。データ入力モジュール３４を介してタービン設備１の特性が予測されるべき周辺条件または運転パラメータｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_nおよび／またはＰが手動で予め与えられ得る。操作モジュール２６を用いて予測ＰＧが選択されると、この手動で予め与えられた周辺条件または運転パラメータが計算機モジュール３０で実行されるモデル計算に供給される。
以下、図２によるフローダイアグラムによりモデル計算を説明する。
計算機モジュールまたはモデル計算機３０は手動による操作命令の後にモデル計算を開始する（開始値）。その際にタービン設備１のモデリングのためにモデル計算は設計データバンクに存在している特徴量ＫＧにアクセスする。その際に蒸気タービン２、発電機６および復水タービンの場合には復水器４ならびに場合によっては使用される歯車装置８に対するすべての必要な特徴量ＫＧが、特にタービン設備１の部分負荷特性を考慮に入れて、モデル計算に統合される。こうしてたとえば歯車装置８および発電機６の出力および効率特性曲線もタービンモデルで定められ、またモデルメモリ２８に格納される。モデル計算は目的にかなった仕方で計算プログラムにより、すなわちソフトウェアにより実現されている。
蒸気タービン２の各段において発生される出力はそこを支配している蒸気状態、すなわち蒸気圧力ｐおよび蒸気温度Ｔに関係して求められる。その際に生蒸気管１７、排出蒸気管１４、抽出管１９、およびブリード管２０からのすべての蒸気量Ｑ_nがモデル計算に入れられる。計算機モジュール３０を用いて蒸気タービン２の圧力経過が計算され、また反復する計算過程によりタービン設備１の所与の条件に適合される。
モデル計算は、それに種々の経路でアクセスし得るように設計されている。その背景は、タービンモデルが蒸気タービン２の特性を決定するためにも、ガスタービンの特性を決定するためにも、種々の周辺条件のもとで、また種々の運転パラメータに対して利用されることである。特定のタービン出力または端子電力Ｐをモデル計算により予め計算するため、運転パラメータとしてたとえば蒸気タービン２に供給される蒸気量Ｑ₁および付属の蒸気状態、すなわち蒸気圧力ｐ₁および／または蒸気温度Ｔ₁が定められる。
他の場合には運転パラメータとしてタービン出力または端子電力Ｐが定められていてよく、またモデル計算により蒸気タービン２により必要とされる蒸気量Ｑ₁を計算することが要求される。許容差および経年変化現象に対するパラメータを入力することによりその際にタービン設備１の実際の状態へのモデル計算の適合が行われるので、予測計算の際にタービン設備１のこの実際の状態がアクセスされ得る。
モデル計算の際には先ず蒸気タービン２の個々の段における蒸気圧力ｐおよび蒸気温度Ｔのような蒸気状態に関係して損失の計算が行われる。特徴量ＫＧの利用のもとに続いて蒸気タービン２の個々の段における理論的熱効率が計算される。各段の理論的熱効率の計算は個々の段における蒸気状態ｐ、Ｔに関係して行われる。理論的熱効率とは熱利用の理論的に可能な最適を意味する。理論的熱効率は計算された損失だけ減ぜられ、またこれからいわゆるフォワード計算で各段の有効効率が求められる。その際にタービン入口から蒸気の流れの方向に排出蒸気管１４における蒸気排出側まで段ごとに効率が計算される。１つの段（たとえば第３の段）のそれぞれ求められた有効効率は後続の段（たとえば第４の段）における蒸気状態ｐ、Ｔを決定する。求められた蒸気状態ｐ、Ｔは再びこの後続の段（第４の段）における効率の計算に対して決定的であり、また計算後に、後続の段（たとえば第５の段）に再び影響するに蒸気状態ｐ、Ｔに通ずる（以下同様）。有効効率のこの計算はタービン入口１６から蒸気排出側まで、すなわち低圧部分２ｂの出口まで相い続く順序ですべてのタービン段において行われる。フォワード計算の間に生蒸気管１７、排出蒸気管１４、抽出管１９およびブリード管２０からのすべての蒸気量Ｑ_nがそこをそれぞれ支配している蒸気状態ｐ_n、Ｔ_nに関係して顧慮される。効率計算の間に求められた蒸気状態ｐ_n、Ｔ_nから、蒸気排出側に向かって計算された背圧に降下する蒸気タービン２の個々の段の後の蒸気圧力が判明する。
しかし、設備の所与の条件に基づいて蒸気タービン２は、排出蒸気圧力から偏差する設備特有に定められた排出蒸気圧力ｐ₄をも供給し得る。設備特有に定められた排出蒸気圧力ｐ₄はたとえば予測ＰＧの際にも運転パラメータとして手動で予め与えられ得る。計算された排出蒸気圧力から設備特有に定められたまたは測定された排出蒸気圧力ｐ₄が偏差する場合に対してはバックワード計算により算術的に差の照会処理により、フォワード計算が蒸気タービン２において偏差する圧力経過に重畳していたことが認められる。
バックワード計算の際には蒸気排出側から出発して蒸気入口１６までの蒸気タービン２に蓄積した圧力または圧力経過が計算される。バックワード計算の間に生蒸気管１７の蒸気量Ｑ₁、およびブリード管２０の蒸気量Ｑ₂、抽出管１９の蒸気量Ｑ₃および排出蒸気管１４の蒸気量Ｑ₄がそこをそれぞれ支配する蒸気圧力ｐ₁、ｐ₂、ｐ₃またはｐ₄および蒸気温度Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ₃またはＴ₄に関係して新たに計算される。その際に蒸気タービン２のガスケットにおいて流出する蒸気量も蒸気タービン２に流入する蒸気量Ｑ₁と蒸気タービン２から取り出される蒸気量Ｑ₂、Ｑ₃およびＱ₄との間の比較から求められる。導管１４、１７、１９および２０の蒸気量Ｑ_nが新たに求められているならば、新たにフォワード計算が開始される。フォワード計算およびバックワード計算の交互の実行は、計算された排出蒸気圧力ｐ₄と測定された排出蒸気圧力ｐ₄との間の決定可能な小さい偏差が確認されるまで行われる。その後に、反復する計算過程の制御された打ち切りが行われる。反復方法は設定可能な最大の偏差の際にも自動的に終了され得る。
蒸気タービン２の段ごとの、またたとえばタービン調節弁に場合によっては生ずる損失を考慮に入れた計算された蒸気量Ｑ_nおよび計算された効率から、個々の段の出力の和からタービン出力、従ってまた端子電力Ｐが計算される。それに対して、予め与えられたタービン出力または端子電力Ｐにおいてタービン入口１６における必要な蒸気量Ｑ₁が計算されるべきであれば、反復方法がフォワード計算およびバックワード計算を、予め与えられた所与の全タービン出力が達成されるまで、上記のように交互に実行する。
モデル計算が終了すると、計算結果がスクリーンシステム３６上に指示される。スクリーンシステム３６を介して実際の測定値ＭＷ１ないしＭＷ６および予測ＰＧの場合に予め与えられた運転パラメータｐ、Ｔ、Ｑおよび／またはＰならびに相応の計算された運転パラメータが呼び出し可能である。その際に２つのダイアグラム３７および３８が利用される。
ダイアグラム３７は、蒸気タービン設備１においてモデル計算により決定された作動点４１を有する蒸気消費曲線４０と測定値ＭＷ１ないしＭＷ６から求められた作動点４２が示されている消費ダイアグラムである。
ダイアグラム３８は、蒸気タービンならびに測定個所ｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_n（ｎ＝１、２、３、４）および指示領域４４ないし４８の場所的対応付けをシンボルで示す設備流れ図である。指示領域４４では排出蒸気パラメータが、指示領域４５では抽出パラメータが、指示領域４６ではブリードパラメータが、指示領域４７では生蒸気パラメータが指示される。指示領域４８では発電機６における端子電力Ｐが指示される。各指示領域４４ないし４８は予め与えられた運転パラメータｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_n、Ｐ、相応に計算された運転パラメータｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_n、Ｐおよび共通の運転パラメータｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_n、Ｐを指示するために分割されている。
両ダイアグラム３７および３８を用いて、診断の場合には、偏差を求めるためモデル計算によるタービン設備１の比較が可能である。予測の場合には、相応の指示領域４４ないし４８に指示される運転パラメータｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_nまたはＰを予め与える際に、設備特有の特徴量ＫＧから求められた設備モデルを用いて計算された別の運転パラメータｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_nまたはＰが相応の指示領域４４ないし４８に指示されるので、タービン設備１の反応が明らかになる。
たとえば発電機６における端子電力Ｐが予め与えられるならば、タービン設備１のすべての他の運転パラメータｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_nがタービンモデルによるモデル計算により計算される。ダイアグラム３８では次いで指示領域４８において測定された端子電力Ｐ、端子電力に対する予め与えられる運転パラメータおよび端子電力に対する計算された値が指示される。相応に、蒸気圧力ｐ_n、蒸気温度Ｔ_nおよび蒸気量Ｑ_nに対する測定された運転パラメータおよび計算された運転パラメータが場所的に対応付けられて相応の指示領域４４ないし４７に指示される。さらに、横軸に端子電力Ｐ、縦軸に生蒸気量Ｑ₁が記入されているダイアグラム３７の選択の際には、蒸気消費曲線４０に計算された作動点４１が示されており、また測定された作動点４２が示されている。測定された生蒸気量Ｑ₁および計算された生蒸気量Ｑ₁ならびに測定された端子電力Ｐおよび計算された端子電力Ｐがさらに指示領域４９または５０に指示される。実施例におけるように、測定された運転パラメータと計算された運転パラメータとの間の差が判明すれば、測定装置技術における誤差または蒸気タービン設備１の変化がその原因であり得る。ダイアグラム３８を用いてのパラメータ比較は、測定装置技術またはたとえば蒸気タービン２の変化が存在しているかどうかについての情報を与える。たとえば、測定された運転パラメータはタービンの羽根における積層物の形成を示す。測定されたタービン出力または端子電力Ｐと計算されたタービン出力または端子電力Ｐとの間の直接的な比較は、出力の差が生じていること、またはエネルギー発生が小さいことを明らかにする。このような情報は蒸気タービン設備１の運転者が点検のための正しい時点を決定する際の助けとなる。
それに対して、製造により条件付けられる蒸気タービン２における運転パラメータｐ_n、Ｔ_nまたはＱ_nの変化が考慮されるならば、蒸気タービン２への影響を知ることが運転者にとって重要である。運転者によりいま操作モジュール２６を介して新しい運転パラメータｐ_n、Ｔ_nまたはＱ_nが予め与えられ得る。そのつどの運転パラメータの場所的対応付けおよび許容運転範囲はダイアグラム３８に指示される。所望の運転パラメータを予め与えた後にモデル計算が開始されると、秒のオーダーの短い時間中に、計算された運転パラメータの可視化ならびに予計算された作動点４１の表示がダイアグラム３７で行われる。製造により条件付けられる運転パラメータの変化およびそれらの蒸気タービン２への影響がこうして予め計算可能である。その際に運転パラメータｐ_n、Ｔ_m、Ｑ_nおよび／またはＰがなおフリースペースを許すならば、タービン設備１の部分負荷特性が可変の運転パラメータのもとでも調節技術的なコンセプトに入り得る。
以上に説明した診断および予測装置２２は有利なことに蒸気タービン設備１の既存の運転技術に組み入ることができる。

Claims (4)

1. 設備特有の特徴量（ＫＧ）から設備モデル（３０）が求められ、
   設備モデル（３０）に運転パラメータ（ｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_n、Ｐ）が予め与えられ、また
   設備モデル（３０）を用いて少なくとも１つの別の運転パラメータ（ｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_n、Ｐ）が求められるタービン設備の運転特性の診断および予測方法において、
   偏差を確認するため実際に測定された運転状態（４２）が計算された目標値（４１）と比較され、その際に目標値（４１）を計算するため少なくとも１つの測定技術的に検出された運転パラメータ（ｐ _n 、Ｔ _n 、Ｑ _n 、Ｐ）が予め与えられることを特徴とする方法。
2. 実際に測定された運転状態（４２）および計算された目標値（４１）が同時に表示されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. タービン設備（１）の特性を予め計算するため少なくとも１つの運転パラメータ（ｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_n、Ｐ）が手動で予め与えられることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 予め計算された運転パラメータ（ｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_n、Ｐ）および相応の測定技術的に検出された運転パラメータ（ｐ_n、Ｔ_n、Ｑ_n、Ｐ）が同時に指示されることを特徴とする請求項３記載の方法。

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