JP4528693B2 - 蒸気タービン発電プラントとその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン発電プラントと制御方法に係り、特に、抽気蒸気流量が変動するときのタービン翼に加わる負荷を考慮した蒸気タービン発電プラントと制御方法に関する。

発電用蒸気タービンは高温、高圧の蒸気により駆動され、且つ高速で回転するため、高い信頼性が要求される。また、高効率での運用を要求されるため、抽気条件等実際のタービンの運用条件に合わせた設計がなされている。

通常の蒸気タービンでは、抽気蒸気は給水加熱器の熱源として使用される等、決められた条件の元で運用される。このため、蒸気タービン本体を駆動する蒸気の運用条件は一定となり、設計条件に近い状態での運用が行われる。

一方、発電所内或いは近隣の施設にプロセス蒸気を必要とする場合、蒸気タービンより抽気した蒸気をプロセス蒸気として使用することがある。蒸気タービンから抽気した蒸気をプロセス蒸気として使用すれば、蒸気タービン駆動用のボイラの他にプロセス蒸気用のボイラを使用せずに済む。

しかし、蒸気タービンの抽気を発電所内或いは近隣の施設にプロセス蒸気として供給する場合、需要元の要求に応じて抽気蒸気流量を増加させすぎるとタービン出口での圧力が降下し、各段での差圧が大きくなる問題がある。また、抽気蒸気を発電所内又は近隣の設備に供給するプラントでは、需要先設備の運転・停止等の状況によっては要求蒸気量が変化する場合がある。このため、蒸気タービンを駆動する蒸気の運用条件に変動が生じ、設計条件と異なる条件で運用される可能性がある。

抽気蒸気流量が増加しても、設計的に許容される抽気蒸気流量であれば、問題なく蒸気タービンを駆動し、発電運転を継続することが可能であるが、許容流量を超えて抽気蒸気流量を増加した場合、抽気後の蒸気流量が減少することにより、抽気段より前の段落での蒸気タービンの各段の差圧が設計条件より大きくなる。その場合、各段落での翼負荷が設計条件より上昇し、翼に作用する力が大きくなるため、最悪の場合、翼に作用する力がタービン翼の強度を越え、破損に至る可能性がある。

図２はタービン出口にて抽気した場合の、タービン内部での圧力降下を模式的に示している。タービン出口にて蒸気を抽気した場合、タービン出口圧力が抽気しない場合よりも降下する。このため、蒸気タービンの後段になるに従い、抽気しない場合よりも段間差圧は大きくなる。

最終段は直径が最も大きく、遠心力が最大になることから応力条件が厳しくなるので、最終段での段間差圧と翼への影響について考える。

抽気無しの条件では最終段翼に作用する差圧は図２中のΔＰとなる。これが抽気ありの場合、ΔＰ’となる。抽気無しの条件でのΔＰよりも抽気有りの条件でのΔＰ’の方が大きくなる。この差圧の上昇はそのまま翼に作用する応力の上昇を意味する。

特許文献１には、抽気蒸気流量の増加に伴う断間差圧の上昇によりタービン翼に加わる応力が過大になるのを防ぐために、蒸気タービンへの流入主蒸気圧力と抽気蒸気圧力の差が予め定めた規定値を超えた場合、抽気蒸気止め弁若しくは抽気蒸気加減弁のいずれか一方、若しくは両方を全閉する方法が開示されている。また、抽気蒸気過大警報点を抽気蒸気圧力または抽気蒸気流量でタービン出力の関数として設定し、警報点到達で抽気蒸気加減弁の開度を絞る方法も、併せて示されている。

特開２０００―２５７４０５号公報（第３，４頁、図１）

タービン翼に加わる応力は、タービン翼前後の差圧で決まるが、タービン翼の強度、つまり許容応力は、タービン翼の温度によって変動する。上記従来の技術では、タービン翼に加わる応力について考慮されているが、タービン翼の強度、つまり許容応力は、タービン翼の温度によって変動する点については考慮されておらず、いわば、タービンの安全側で抽気蒸気を制限する。このため、場合によっては、抽気蒸気を制限しなくてもよい場合に抽気蒸気の供給を制限し、需要側に蒸気不足を感じさせる惧れがあった。

本発明の課題は、蒸気タービンからの抽気蒸気を他の設備に供給する場合に、タービン翼前後差圧の増加によってタービン翼に加わる応力が許容値を超えて上昇することを防止するとともに、他の設備への抽気蒸気供給をできるだけ制限しないようにすることである。

上記課題は、蒸気タービンから抽気流量調整弁を介して抽気し、抽気蒸気を他の設備に供給する場合に、発電量、抽気段前後の圧力差を入力として抽気流量調整弁の開度を制御することにより、解決される。

抽気段前後の圧力差は、それを測定する計測器を設けて求めてもよいし、供給蒸気、抽気蒸気、排気の各蒸気条件を計測する計測器を設け、計測結果を入力として蒸気タービン各段落の性能計算を行って抽気段前後の差圧を求めるようにしてもよい。

タービン翼の強度は温度条件によって異なり、タービンの温度状態は蒸気流量、すなわち発電量に影響される。発電量はまた、タービン翼に加わる応力にもタービンを回転させる力として影響する。すなわち、翼前後の圧力差により翼に応力が加わるが、この応力に対する許容幅はそのときの発電量に影響される。したがって、発電量に対応して圧力差の許容範囲を予め設定しておき、タービン運転中に発電量を測定するとともに抽気段前後の差圧を求め、求めた圧力差と、測定した発電量に対応する圧力差の許容範囲を対比し、測定した圧力差が許容範囲を超えたとき、抽気流量調整弁の開度を低減させることで、抽気によるタービン出口圧力の低下に起因する抽気段の差圧上昇を防ぐことが可能になる。

上述のように、タービン翼の温度条件を考慮した圧力差の許容範囲を設定し、この許容範囲に基づいて抽気流量調整弁の開度を制御することで、タービン翼前後差圧によってタービン翼に加わる応力が許容値を超えて上昇することを防止するとともに、他の設備への抽気蒸気供給をできるだけ停止しないようにすることが可能になる。

本発明によれば、蒸気タービンからの抽気蒸気を他の設備に供給する場合に、タービン翼前後差圧によってタービン翼に加わる応力が許容値を超えて上昇することを防止するとともに、他の設備への抽気蒸気供給をできるだけ停止しないようにすることが可能になる。

＜実施の形態１＞
以下、本発明の実施の形態に係る蒸気タービン発電プラントの抽気流量制御について、図面を参照して説明する。図１に本発明が適用される蒸気タービン発電プラントの要部構成を示す。図示の蒸気タービン発電プラントは、蒸気を生成するボイラ１と、ボイラ１に上流端が接続された主蒸気管１０と、主蒸気管１０の下流端に蒸気入口を接続して設けられた蒸気タービン３と、蒸気タービン３に駆動される図示されていない発電機と、主蒸気管１０に介装された遠隔制御可能な主蒸気加減弁２および図示されていない主蒸気止弁と、蒸気タービン３の排気出口と復水器９を接続する排気管１１と、復水器９の復水出口とボイラ１を接続する給水管１２と、排気管１１に分岐して設けられた抽気管１３と、抽気管１３に介装された遠隔制御可能な抽気流量調節弁４と、排気出口の排気管圧力を検出する出口圧力計６と、蒸気タービン３の蒸気入口圧力を検出する入口圧力計５と、蒸気タービン内部の段間差圧を監視する図示されていない計測器と、前記主蒸気加減弁２、抽気流量調節弁４、入口圧力計５、及び出口圧力計６に接続されたコントローラ７とを含んで構成されている。

抽気管１３の下流端は、発電所内、又は近隣の工場等の設備に連結され、蒸気タービンからの抽気蒸気は、プロセス蒸気として抽気流量調節弁４により制御しつつ供給される。

制御装置であるコントローラ７はメモリを備えたマイクロコンピュータで構成され、蒸気タービン内部の段間差圧を監視する計測器、発電機出力を監視する計測器および入口圧力計５、出口圧力計６などの計測器からの信号を取込み、演算を行って、抽気流量調節弁４、主蒸気加減弁２の開度制御を行なう。

蒸気タービン出口での圧力降下は、抽気蒸気流量が多いほど大きくなり、これに伴って抽気段までの段間差圧も大きくなる。このため、抽気蒸気流量を増加させた場合、各段での翼に作用する応力は上昇する。最も段間差圧の上昇幅が大きい最終段では、翼の半径が大きいことも加わり、応力条件が最も厳しくなる。

応力が許容範囲を超えることを防止するために、抽気段前後で蒸気圧力が計測され、圧力条件、すなわち抽気段前後の差圧が設計上許容範囲内であるかどうかがコントローラ７により監視される。また、発電する電力量によっても圧力条件の許容範囲が変わるため、コントローラ７は発電状況すなわち発電機出力も監視する。

発電機出力を監視するのは、発電量に応じて、蒸気タービンに供給される蒸気流量が変化することによる。つまり、発電量が少ない運転条件では供給する蒸気流量も少なく、発電量が増えるに従い供給蒸気流量が増加する。このため、その時の発電量に応じて蒸気タービン内での蒸気の膨張による圧力・温度降下は変化する。また、発電量が大きく、したがって蒸気流量が多い運転条件では、タービン各段での仕事量が多く、翼に作用する応力も低負荷の場合よりも大きくなるので、翼の強度上の余裕は高負荷運転時のほうが小さくなる。よって、抽気流量の増加による段間差圧上昇に起因する、翼に作用する応力上昇に対する翼強度の余裕は、高負荷運転時の方が小さくなる。

コントローラ７の前記メモリには、発電量に対応して設定されたタービン各段落の差圧の許容範囲が格納されており、計測された発電量と段落の圧力条件とはコントローラ７に取込まれ、あらかじめ前記メモリに格納された許容条件の範囲内にあるかどうかが確認される。計測された発電量と段落の圧力条件が、許容条件の限界に近い場合は、コントローラ７は、蒸気タービンからの抽気蒸気流量をそれ以上増加させないよう、抽気流量調節弁４の開度を制限し、許容条件の範囲を超える場合には、抽気蒸気流量を減少させるよう、抽気流量調節弁４の開度を低下させるよう制御する。

この場合、蒸気タービン各段落での温度が異なるから、例えば発電量に対する蒸気タービン各段落での圧力条件の許容値を関数化してコントローラ７に取り込んでおくことで、制御が容易になる。

抽気蒸気の使用先の要求蒸気量が極端に少なくなった場合も、許容される蒸気タービンの運転条件から逸脱する場合がある。この場合、抽気蒸気を図示されていないバイパス管によりバイパスさせ、図示されていない復水器、またはボイラの再熱器や過熱器等に供給することで最低抽気蒸気流量を確保する必要がある。このような場合も、段落の圧力条件、発電量をコントローラ７に取り込み、設定された許容範囲と対比することで、抽気蒸気流量が過少であることが検出される。抽気蒸気流量が過少であることが検出されたら、コントローラ７は、抽気流量調節弁４や前記図示されていないバイパス管に介装された弁の開度を制御して最低抽気蒸気流量を確保し、蒸気タービンを保護する。

＜実施の形態２＞
本実施の形態が前記実施の形態１と異なるのは、計測器で段間差圧を直接測定する代わりに、コントローラ７に、ボイラ１から供給される蒸気の流量、圧力、温度等の蒸気条件と抽気蒸気の流量、圧力、温度等の蒸気条件及び排気の蒸気条件を取込み、蒸気タービン内部の各段落における性能計算を行って抽気段の差圧、温度条件、応力などを求めるように構成した点である。このような性能計算は周知の技術であるので、計算の説明は省略する。また、他の構成は前記実施の形態１と同じであるので説明を省略する。

コントローラ７は、この性能計算で得られた結果が、予め設定された許容範囲内に収まるように、抽気流量調整弁４の開度制御を行う。これにより、蒸気タービンの運転を優先するとともに、抽気蒸気の供給要求量にできるだけ対応しつつ、蒸気タービン保護を行うことが可能である。

通常の蒸気タービン発電プラントの運転方法では、運転時の蒸気条件を制御装置に取込んで各段での性能計算を行なうことはしていない。これは、供給される蒸気の圧力、温度の条件を監視し、設計条件から実測された蒸気条件が逸脱していなければ蒸気タービン内部での各段での圧力、温度は想定可能であり、この条件に合うように各段落の設計を行っているからである。

一方、抽気蒸気流量を蒸気需要先の要求により変化させる場合、抽気蒸気流量条件を想定される数通りの条件に決めないと、蒸気タービンの設計条件を決めることができない。このため、需要先の要求条件が限定されることとなる。

そこで、蒸気需要先の要求蒸気流量に応じて抽気蒸気流量を制御する場合でも、実際の蒸気タービンの運転条件、すなわち、蒸気タービン入口、出口の蒸気圧力、蒸気流量、入口蒸気温度、抽気蒸気圧力をコントローラ７に取込み、これを元に各段落での性能計算を行って抽気運転時の蒸気タービン内部での圧力、温度条件を計算し、得られた圧力、温度条件が予め設定された許容範囲内に収まるように抽気流量調整弁４の開度を制御することで、段落前後差圧の上昇により翼に作用する応力が許容値を超えて上昇するのを防止する。

以上説明したように、計測器とコントローラ７により運転状況を監視し、前記演算結果が予め設定された許容範囲内に収まるように抽気流量調節弁４の開度を制御することで、蒸気タービンの翼に過大な応力が加わるのを避けるとともに、抽気蒸気の需要先の要求にできるだけ応じる抽気流量制御が可能となる。

本発明の実施の形態に係る蒸気タービン発電プラントの全体構成を示す系統図である。 抽気によるタービン出口圧力低下の例を示す模式図である。

符号の説明

１ ボイラ
２ 蒸気加減弁
３ 蒸気タービン
４ 抽気流量調整弁
５ 入口圧力計
６ 出口圧力計
７ コントローラ
８ 蒸気需要先
９ 復水器
１０ 主蒸気管
１１ 排気管
１２ 給水管
１３ 抽気管

Claims (6)

1. 蒸気タービンにより発電機を駆動するとともに、前記蒸気タービンから抽気流量調節弁を介して抽気する蒸気タービン発電プラントの制御方法であって、抽気段前後の蒸気圧力と発電量を測定し、前記測定値を入力として抽気流量調節弁の開度を制御する手順を有してなる蒸気タービン発電プラントの制御方法。
2. 請求項１記載の蒸気タービン発電プラントの制御方法において、蒸気タービンに供給される蒸気の蒸気条件、蒸気タービンからの抽気蒸気の蒸気条件、及び排気の蒸気条件を測定し、得られた測定値を入力として蒸気タービン各段落の性能計算を行って抽気段前後の蒸気圧力を求めることを特徴とする蒸気タービン発電プラントの制御方法。
3. 請求項１または２記載の蒸気タービン発電プラントの制御方法において、発電量に対応して抽気段前後の圧力差の許容範囲が予め設定され、前記圧力差の測定値と前記測定された発電量に対応して設定された圧力差の許容範囲が対比され、圧力差の測定値が圧力差の許容範囲を超えたとき、抽気流量調節弁の開度が低減されることを特徴とする蒸気タービン発電プラントの制御方法。
4. 蒸気タービンにより駆動される発電機と、前記蒸気タービンから抽気流量調節弁を介して抽気された蒸気を当該発電プラント内及びまたは当該発電プラント外の施設に供給する抽気管と、前記抽気流量調節弁の開度を制御する制御装置とを有してなり、前記制御装置は、抽気段前後の蒸気圧力と発電量の測定値を入力として抽気流量調節弁の開度を制御するよう構成されている蒸気タービン発電プラント。
5. 請求項４記載の蒸気タービン発電プラントにおいて、抽気段前後の蒸気圧力の圧力差と発電量を測定する計測器を有し、前記制御装置は、発電量に対応して設定された抽気段前後の圧力差の許容範囲が格納された記憶手段を含んで構成されているとともに、前記測定された発電量に対応して設定された圧力差の許容範囲と前記圧力差の測定値とを対比し、圧力差の測定値が圧力差の許容範囲を超えたとき、抽気流量調節弁の開度を低減させるように構成されていることを特徴とする蒸気タービン発電プラント。
6. 請求項４記載の蒸気タービン発電プラントにおいて、蒸気タービンに供給される蒸気の蒸気条件、蒸気タービンからの抽気蒸気の蒸気条件、排気の蒸気条件及び発電量を測定する測定手段を有し、前記制御装置は、発電量に対応して設定された抽気段前後の圧力差の許容範囲が格納された記憶手段を含んで構成されているとともに、得られた測定値を入力として蒸気タービン各段落の性能計算を行って抽気段前後の圧力差を求め、前記測定された発電量に対応して設定された圧力差の許容範囲と前記圧力差の測定値とを対比し、圧力差の測定値が圧力差の許容範囲を超えたとき、抽気流量調節弁の開度を低減させるように構成されていることを特徴とする蒸気タービン発電プラント。
   

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