JP4127856B2 - タービンの負荷切替過程を調節するためのタービン制御装置および方法 - Google Patents

Description

本発明はタービン、特に蒸気タービンの負荷切替過程を、負荷切替過程の間の最大許容可能な材料ストレスを考慮に入れて調節するためのタービン制御装置および方法に関する。
論文“タービン始動のためのディジタル計算機制御システム”、N.Honda,Fh.Kavano,J.Matsumura、Hitachi Review、第２７巻、第７号／１９７８に蒸気タービンの加速された始動プロセスを実行するための方法が記載されている。始動過程はその際に制御量としての熱的ストレスを介して調節される。これらの制御量は予め計算され、またタービン回転数の上昇および負荷出力のための発電機へのタービンの連結のための制御量としての役割をする。始動過程は多くの小さい時間ステップに分割され、その際に各々の時間ステップに対してタービン軸に沿う温度分布が偏微分方程式を解くことにより解かれる。それから計算された熱的ストレスが許容される範囲内であれば、付属の信号が、タービンが軸の回転速度が高められる加速段階にあるか、またはタービンが発電機に連結されそして所望の出力に高められる出力連結段階にあるかに関係して、タービン回転数調節装置または出力調節装置に伝達される。本方法およびそれに付属の計算機システムは、特定の始動頻度に対して許容可能な材料ストレスを考慮に入れて、可能なかぎり短い始動時間を達成する役割をする。
論文“発電所タービンに対する温度制御装置”、P.Martinほか、ＢＷＫ、第３６巻、第１２号／１９８４には、選択されたタービン部分のストレスの監視を行う装置が記載されている。この装置により、材料の疲労がタービンの期待すべき作動時間にわたって臨界的な値以下にとどまるように、タービンの各々の始動過程の調節が行われる。その際に、タービンがその使用継続時間の間に約４，０００の始動過程を通過し、それらのうち約３，０００がホットスタート、７００がウォームスタート、また３００がコールドスタートであることが前提とされる。調節装置に対しては目標出力および目標-出力トランジェントが予め与えられている。測定された回転数を考慮に入れて、蒸気から回転子材料への熱伝達が、それから回転子のなかの温度分布が、またそれから再び熱的および機械的なストレスの重畳としてのストレス値が決定される。回転子および弁ケースのなかの全ストレスから疲労度部分がクリープ-およびひずみ切替ストレスから計算され、また全疲労度として合計され、それが毎日記録にとどめられる。計算されたストレスは始動プロセスの調節のために用いられ、その際に目標-温度トランジェントが制限として予め与えられる。
論文“蒸気タービンを熱的に監視するためのタービン制御計算機”、E.GelleriおよびF.Zerrmayr、Ｓｉｅｍｅｎｓ-Ｅｎｅｒｇｉｅｔｅｃｈｎｉｋ４、第２号／１９８２には、始動-および出力変更速度が材料疲労を考慮に入れてコントロールされ、また同時に惹起された材料疲労が検出されるタービン制御計算機が記載されている。熱的ストレスに対する尺度としては構成部分の平均的な温度Ｔmと表面温度Ｔlとの間の差が用いられる。異なる始動-および停止過程に、また固定圧力で作動するタービンの出力変化の際に調節を適合させるため、速い変化、中間の変化および遅い変化に相応する３種類の調節モードが用意されている。モードに応じて最大許容温度差（Ｔm−Ｔl）が平均的な温度Ｔmに関係して予め定められている。タービン制御計算機によりそれぞれ現在の温度差が決定され、またそれから最大許容温度差に対する余裕の大きさが計算される。その瞬間の余裕の大きさを求めることとならんで、余裕の大きさの期待すべき経過の予測も実行される。これらの両方の値から、回転数および出力に対する目標値設定を介して始動-および負荷速度を早期に変更し、またそれによってプラントの動特性への適合を達成する指令量が形成される。始動-または停止過程ならびに出力変更過程を調節するための作動に随伴して、タービンの正確な検査を必要とする時点にいつ達するかが適時にかつ予測的に求められ得るように、寿命の使い果たしがひずみ切替疲労から計算される。始動モード“標準”はまさに確実にタービンの４．０００の負荷切替が可能であるこのような始動モードに相応する。始動モード“急速”は約８００の可能な負荷切替に相応するより高い負荷に通じ、また始動モード“緩速”はより低い材料疲労に通ずるので、この際には約１０．０００の負荷切替が確実に可能である。
本発明の課題は、タービンの負荷切替過程を調節するためのタービン制御装置であって、負荷切替過程の間の最大許容可能な材料ストレスを考慮に入れて、電気エネルギー発生のための作動上の要求に相応してタービンの作動条件をフレキシブルに変更し得るタービン制御装置を提供することである。さらに本発明の課題は、タービンの負荷切替過程を調節するための相応の方法を提供することである。
タービン制御装置に向けられている課題は、本発明によれば請求の範囲１の特徴により、またタービンの負荷切替過程を調節するための方法に向けられている課題は本発明によれば請求の範囲６の特徴により解決される。
タービン制御装置ならびに方法の有利な実施態様は従属する請求の範囲にあげられている。
本発明によるタービン制御装置の利点は、物理的な限界値を考慮に入れてタービンセットの始動および停止ならびに出力変更のための望まれる時間が間接的または直接的に予め定められることである。
時間量を供給するため入力装置、選択装置、が設けられていてよい。これには負荷切替過程の継続時間を可変に設定するための量が供給可能であり、この量は特に既に継続時間自体であってよい。負荷切替過程の実行のために、好ましくは、各々の負荷切替過程に対して個別にフレキシブルに設定可能な継続時間が決定される。継続時間は自由に選ばれ得る、すなわち各々の物理的に有意義な値をとり得る。それは無段階的に各々の物理的かつ作動的に有意義な値に設定され得る。こうしてオペレータ側で要求に応じて、特に必要な電気エネルギーの用意を考慮に入れて、初期状態から目的状態への負荷切替に対する継続時間が設定され得る。始動-または停止過程ならびに出力変更過程であってよい負荷切替過程を調節するために、継続時間の設定のもとに、初期状態を去ってから目的状態に達するまでの継続時間中の時間の関数として求められるタービン制御量が制限ユニットのなかで決定される。このタービン制御量は予め選ばれた継続時間（始動時間、停止時間、負荷変更時間）とならんで、好ましくは初期状態の時点での出発温度および目的状態の時点での終了温度、構成部分ジオメトリ、使用される材料、蒸気状態および温度レベルにも関係する。タービン制御量の決定と共にたとえば始動の際にウォームアップ回転数から定格回転数への上昇、それに続いての同期化および最小出力受入れに対するステッピング規範の決定が行われる。そのためにタービン回転数、蒸気圧力、温度および出力のようなタービンパラメータがタービン制御量を介して目標値関数の助けをかりて変更（調節、制御）される。
タービン制御装置は、さらに、それぞれ負荷切替過程を調節および／または制御するためにタービンの操作端と接続され得る調節ユニットおよび／または制御ユニットを有する。蒸気タービンでは、操作端は、好ましくは高温蒸気の供給量を設定する弁である。
タービン制御装置は、好ましくはタービン制御量に相応して実行すべき負荷切替過程の材料疲労を求める疲労ユニットを有する。疲労ユニットは追加的な材料疲労を前もって計算する。この材料疲労およびタービンのなお望まれる作動継続時間を手がかりにして手動または自動的に、負荷切替過程が実際に望まれる継続時間のなかで実行されるべきか否かが決定される。そのために期待すべき材料疲労が好ましくはたとえば画像スクリーン、プリンタなどのような出力媒体を介して表示される。疲労ユニットは、好ましくは負荷切替過程が実際に望まれる継続時間のなかで実行されたときに材料疲労を求める役割をもする。追加的な材料疲労の値は同じく相応の出力媒体を介して表示され、また記憶媒体、特に計算機システムの記憶媒体、のなかに記憶される。こうして各時点で材料の疲労、従ってまたタービンの残存作動寿命に関する１つの情報が知られる。これによりその後の負荷切替過程がそれぞれ再び相応にフレキシブルに予め選び得る継続時間により実行される。その場合、既に材料の疲労が高い際には材料をいたわった負荷切替が実行され（長い継続時間）、またはなお十分に大きい余裕がある際には速い負荷切替（短い継続時間）が実行される。
実際のストレスを求めるためにタービン制御装置は、好ましくはタービンの圧力値または温度値のようなシステム値を供給さるストレスユニットを有する。このストレスユニットは疲労ユニットおよび（または）制限ユニットと接続されている。ストレスユニットのなかで処理または伝達されるシステム値は制限ユニットに供給され、それによってタービン制御量の目標値と実際値との間の比較が行われ、また相応の偏差の際には調節干渉、すなわち操作端の作動が行われる。疲労ユニットのなかではシステム値を手がかりにして、前記のように記憶または指示される追加的な材料疲労が求められる。
タービン制御量は、好ましくは材料疲労に対する１つの尺度である。材料疲労は負荷切替過程の間ほぼ一定に保たれる。タービン制御量はその際に、たとえば前記の論文“蒸気タービンを熱的に監視するためのタービン制御計算機”に記載されているように、特にタービン軸またはタービンケースの平均的な構成部分温度と表面構成部分温度との間の温度差であってよい。タービン制御量に対する制限値の設定により、一方では負荷切替過程の間の材料ストレスが臨界的な限度以下にとどまること、また他方では温度ひずみが必要な範囲内にとどまり、従ってたとえばタービンの２つの構成要素の間の遊びの橋絡ならびに湾曲が避けられることが保証される。
ストレスユニットのなかで、好ましくはタービンの種々の個所および種々の構成部分（タービン軸、弁、ボイラーなど）におけるシステム値が決定される。これによりタービンの種々の構成部分に対して発生された疲労部分がそれぞれ分離されて疲労ユニットのなかで検出され、またそれからタービンまたは個々の構成部分の全疲労が求められ、また記憶される。
タービン制御装置全体または個々のユニットが計算機プログラムとして、電子的な構成部分として、または回路として、またマイクロプロセッサの上に存在し得ることは理解される。
以下、蒸気タービンの負荷切替過程を調節および／または制御するためのタービン制御装置および方法の実施例を図面により一層詳細に説明する。
図１はタービン制御装置を有する蒸気タービンの概要図である。
図２は負荷切替過程の継続時間中のタービン軸における温度分布を示す図である。
図１には、接続されている発電機１３およびタービン制御装置１を有する蒸気タービンの概要が示されている。タービン制御装置１には、矢印２０により示されているように、負荷切替過程の所望の継続時間ｔVに対する信号または量２０が（たとえば入力装置を介して）供給される。継続時間ｔVに相応する信号は制限ユニット３に導かれる。制限ユニット３のなかで、制限ユニット３と接続されている疲労ユニット４からのデータを考慮に入れて、初期状態Ａから目的状態Ｚへの調節が実行可能であるように、そのつどのタービン制御量ＶＡＲの決定が継続時間ｔVに関係して行われる。このことは拡大されて図に示されている。タービン制御量ＶＡＲは弁ケース、タービンケースおよびタービン軸のような種々の監視すべき構成部分に対して形成され、またそのつどの表面の温度Ｔ0とそのつどの構成部分の統合された平均的な温度Ｔmとの間の温度差を表す。各々のタービン制御量ＶＡＲは、両方の温度間の温度差（Ｔ0−Ｔm）として熱応力または熱的ひずみに対する１つの尺度、またこうして切替ストレス疲労に対する１つの尺度を表す。タービン制御量ＶＡＲは継続時間ｔVを介して、全継続時間ｔVの間に一定の疲労、従ってまた疲労の一定の増大が生ずるように求められる。図２は平均的な温度Ｔmが表面温度Ｔ0よりも小さい始動過程に対する経過を示す。停止過程（図示されていない）の際には平均的な温度Ｔmが表面温度Ｔ0よりも大きい。
制限ユニット３は疲労ユニット４と接続されており、後者にタービン制御量ＶＡＲの前もって決定された値が供給される。疲労ユニット４のなかで、負荷切替過程により惹起された追加的な疲労の前もっての計算が行われる。この追加的な疲労は疲労ユニット４と接続されている追加的な出力媒体１１にも表示される。出力媒体１１はたとえば、タービン７を含む発電所の（図示されていない）制御盤のなかに配置されているモニターであってよい。
タービン制御量ＶＡＲと構成部分の測定された温度差（Ｔ0−Ｔm）との間の差値は目標値指令関数ユニット２に供給される。この差（Ｔ0−Ｔm）に相応して、目標値指令関数ユニット２のなかで許容し得る回転数-および出力変化が求められる。そこからタービン回転数および出力を変更するための信号が調節ユニット５に到達し、それを介してタービンの操作端６、特に蒸気弁が駆動される。タービン制御量ＶＡＲに相応してこうしてタービン７への蒸気の供給量が設定され、それによって間接的に特にタービン軸の表面温度Ｔ0および平均的な温度Ｔmの調節も行われる。タービン７のシステム値、特に蒸気温度、構成部分温度ならびに蒸気圧力は図示されていない測定要素、たとえば熱伝対、により検出され、また温度測定装置のなかに受け入れられる。この温度測定ユニット９はストレスユニット８と接続されており、またこれに求められたシステム値を伝達する。ストレスユニット８のなかでシステム値の評価、特にタービン軸の表面温度Ｔ0および平均的な温度Ｔmの計算が行われる。これらの値は制限ユニット３および／または疲労ユニット４に伝達される。制限ユニット３のなかで、タービン制御量ＶＡＲの前もって特に制限ユニット３のなかで決定された目標値とストレスユニット８のなかで求められた実際値との間の比較が行われる。実際値と目標値との間に偏差が存在する際には、目標値指令関数を用いて相応の操作干渉が操作端６のなかで行われる。疲労ユニット４のなかでストレスユニット８の値から追加的な疲労、すなわち材料疲労が実際に実行された負荷切替過程により決定される。この疲労は一方では出力媒体１１の上に指示され、また他方では場合によってはタービン７の追加的なシステム値と共に記憶媒体１０、特に計算機設備の固定値メモリまたは他のデータ担体のなかに記憶される。
本発明は、タービン制御装置が時間オリエンテッドに、特に始動時間オリエンテッドに動作し、その際に負荷切替過程の継続時間が無段階的に最大許容材料負荷の範囲内で設定可能であることにより優れている。負荷切替過程を所望の時間ｔVのなかで設定する可能性により、負荷切替過程が時間的に特に有利に準備要求に適合し得る。さらにタービン制御装置は予測的かつ常に最新の寿命監視を可能にする。監視されるタービン構成部分の進行する疲労が一貫して検出される。

Claims (8)

1. タービン（７）の負荷切替過程を調節するための制限ユニット（３）を備えたタービン制御装置（１）において、前記制限ユニットに負荷切替過程の継続時間（ｔV）を可変に設定するための量が供給され、また前記制限ユニット内で継続時間中に負荷切替過程を実行するためのタービン制御量（ＶＡＲ）の決定が、最大許容材料ストレスを考慮に入れて行われるように構成され、さらに、調節ユニット（５）を有し、この調節ユニットにタービン制御量（ＶＡＲ）の現在の値が供給されるように構成され、かつ前記調節ユニット（５）が負荷切替過程を調節するためのタービン（７）の操作端（６）と接続されていることを特徴とするタービン制御装置（１）。
2. 疲労ユニット（４）を有し、それがタービン制御量（ＶＡＲ）に相応して実行すべき負荷切替過程の材料疲労を前もって求める役割をすることを特徴とする請求項１記載のタービン制御装置（１）。
3. ストレスユニット（８）を有し、それにタービン（７）の圧力または温度のようなシステム値が供給され得ることおよび当該ユニット（８）が疲労ユニット（４）および／または制限ユニット（３）と接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン制御装置（１）。
4. 疲労ユニット（４）が記憶媒体（１０）および／または出力媒体（１１）と接続されていることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載のタービン制御装置（１）。
5. 制限ユニット（３）のなかで負荷切替過程を実行するためのタービン制御量（ＶＡＲ）の決定が、それが材料疲労に対する１つの尺度、特に材料疲労を特徴付ける温度差であるように行われ、また材料疲労が負荷切替過程の間はほぼ一定にとどまるように行われることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載のタービン制御装置（１）。
6. 継続時間（ｔV）のなかで実行すべきタービン（７）の負荷切替過程を調節するためならびに材料疲労を求めるための方法において、プロセス-および材料パラメータを考慮に入れて、前もって負荷切替過程の間に生ずる材料疲労を特徴付けるタービン制御量（ＶＡＲ）が決定され、またタービン調節が、タービン（７）が継続時間（ｔV）のなかで１つの初期状態（Ａ）から１つの目的状態（Ｚ）へ移されるように、継続時間（ｔV）の間にタービン制御量（ＶＡＲ）を介して実行され、さらに前記タービン制御量（ＶＡＲ）が、材料疲労が継続時間（ｔV）にわたって本質的に一定に保たれるように決定されることを特徴とする方法。
7. タービン回転数、蒸気圧力、温度または出力のような少なくとも１つのタービンパラメータが、タービン制御量（ＶＡＲ）の取り入れにより調節されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 負荷切替過程により期待すべき材料疲労が前もって指示されることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。

Images