JP4650425B2

JP4650425B2 - プロセス量計測方法及び装置

Info

Publication number: JP4650425B2
Application number: JP2006552849A
Authority: JP
Inventors: 修一梅沢; 純一岡田
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2025-11-14
Also published as: US7735359B2; US20080105061A1; JPWO2006075441A1; WO2006075441A1

Description

本発明は、原動機の出力やガスタービン入口空気流量等のプロセス量を計測するプロセス量計測方法及び装置に関する。

火力発電プラントは、発電コストの低減を図る上で熱効率の向上が図れており、高効率および高運用性を図る立場からコンバインドサイクル発電プラントが採用されている。コンバインドサイクル発電プラントでは、原動機としてガスタービンと蒸気タービンとを有し、ガスタービンと蒸気タービンとの双方で発電機を駆動するように構成されている。すなわち、燃焼器で燃料を燃焼させてガスタービンを駆動し、ガスタービンで仕事を終えた排ガスを排熱回収ボイラに導き、排熱回収ボイラで発生した蒸気で蒸気タービンを駆動するようにして高効率化が図られている。通常、コンバインドサイクル発電プラントは複数のユニットで構成され、各ユニットはそれぞれガスタービンと蒸気タービンとを有し、１台の発電機に接続される一軸型の構成になっている。

このような高効率のコンバインドサイクル発電プラントにおいても、熱効率管理上、熱効率が低下した原因を究明することは重要なことである。この場合、熱効率低下の原因がガスタービン側にあるのか蒸気タービン側にあるのか、あるいは他の主要構成機器にあるのかを把握することが必要となる。

コンバインドサイクル発電プラントの熱効率の変化原因を特定するために、ガスタービンや蒸気タービンのような原動機の駆動軸（回転体）のトルクを検出する光学的なトルク計測装置が開発されている。このトルク計測装置は、回転体の表面の軸方向に間隔を保って一対の反射体を配置し、一対の反射体が配置された回転体の表面にレーザ光を照射して反射光を受信し、一対の反射体からの反射光の遅れ時間を計測し、その一対の反射体からの反射光の遅れ時間に基づいて回転体のねじれ量を検出する。そして、さらに、このねじれ量に基づいて回転体のトルクを計測するものである（例えば、特許文献１参照）。

トルク計測装置で計測されたトルクは精度がよく、また、原動機のトルクは原動機出力に相当することから、ガスタービン出力や蒸気タービン出力等の原動機出力を精度よく測定できる。
特開２００２−２２５６４号公報（図１）

しかし、トルク計測装置は高価であることから、すべての原動機に設置するというわけにはいかない。そこで、トルク計測装置を設置した原動機からトルク計測装置を取り外し、別の原動機に取り付けて原動機のトルクを計測するようにしているが、トルク計測装置の着脱作業を伴うことから、すべての原動機のトルクを計測して原動機出力を得ることは大変な作業となる。

一方、火力発電プラントには運転データ計算機が設置されており、各種のプラントデータを収集している。例えば、ガスタービンに投入する燃料流量や空気流量、ガスタービンに連結された発電機の出力等のプロセス量を計測し、その計測したプロセス量に基づいて原動機の入出熱量を演算し、その原動機の入出熱量に基づいて原動機出力を計算して求めることも行われている。

しかし、この運転データ計算機により計算される原動機出力は、入出熱量の演算に必要となるプロセス量の計測精度が劣ることから精度に問題がある。例えば、原動機がガスタービンである場合には、ガスタービンに供給される空気流量の計測精度が劣ることから、ガスタービンの排ガスの熱量の演算に少なからずの誤差を生じ、原動機であるガスタービンの出力にも少なからずの誤差を含むことになる。従って、運転データ計算機により計算される原動機出力を、信頼性の高い値として採用することは好ましいことではない。

本発明の目的は、原動機出力やガスタービン入口空気流量を比較的簡単に精度よく計測できるプロセス量計測方法及び装置を提供することである。

請求項１の発明に係わるプロセス量計測方法は、原動機の出力軸の軸ねじれ量に基づいて原動機のトルクを計測し、計測したトルクに基づいて原動機出力を求め、一方、原動機の入出熱量に基づいて原動機出力を計算して求め、トルクに基づく原動機出力と入出熱量に基づく原動機出力との差分を予め求めておき、前記原動機の運転の際に、計算して求めた入出熱量に基づく原動機出力に前記差分を加算して原動機出力を求めることを特徴とする。

請求項２の発明に係わるプロセス量計測方法は、ガスタービンの出力軸の軸ねじれ量に基づいてガスタービンのトルクを計測し、計測したトルクに基づいてガスタービン出力を求め、トルクに基づくガスタービン出力に基づいてガスタービン入口空気流量を演算し、一方、ガスタービン入口空気流量を計測し、演算して求めたガスタービン入口空気流量と計測して得られたガスタービン入口空気流量との差分を予め求めておき、前記ガスタービンの運転の際に、計測して得られたガスタービン入口空気流量に前記差分を加算してガスタービン入口空気流量を求めることを特徴とする。

請求項３の発明に係わるプロセス量計測装置は、原動機のトルクを計測するトルク計測装置で計測したトルクを換算して得られた原動機出力と原動機の入出熱量に基づいて計算して得られた原動機出力との差分を予め記憶した記憶装置と、前記原動機の運転の際に、計算して求めた入出熱量に基づく原動機出力に前記差分を加算して原動機出力を求める原動機出力演算手段とを備えたことを特徴とする。

請求項４の発明に係わるプロセス量計測装置は、ガスタービンのトルクを計測するトルク計測装置で計測したトルクを換算して得られたガスタービン出力に基づいて求めたガスタービン入口空気流量と計測して得られたガスタービン入口空気流量との差分を予め記憶した記憶装置と、前記ガスタービンの運転の際に、計測して得られたガスタービン入口空気流量に前記差分を加算してガスタービン入口空気流量を求めるガスタービン入口空気流量演算手段を備えたことを特徴とする。

請求項１及び請求項３の発明によれば、原動機の運転の際に、計算して求めた入出熱量に基づく原動機出力に、トルクに基づく精度のよい原動機出力と入出熱量に基づく原動機出力との差分を加算して原動機出力を求めるので、比較的簡単に原動機出力を精度よく計測できる。これにより、原動機の性能解析の精度向上が可能となり、的確な補修に役立つと期待される。

請求項２及び請求項４の発明によれば、ガスタービンの運転の際に、計測して得られたガスタービン入口空気流量に、演算して求めた精度のよいガスタービン入口空気流量と計測して得られたガスタービン入口空気流量との差分を加算してガスタービン入口空気流量を求めるので、ガスタービン入口空気流量を精度よく計測できる。特に、ガスタービンがコンバインドサイクル発電プラントのガスタービンである場合には、ガスタービンの排ガス流量も精度よく演算できるので、次段の排熱回収ボイラの効率も精度よく計算できる。

本発明の第１の実施の形態に係わるプロセス量計測方法を実現するためのプロセス量計測装置のブロック構成図。本発明の第１の実施の形態におけるトルク計測装置で予め計測した原動機出力Ｗt（トルクに基づく原動機出力Ｗt）の一例を示すグラフ。本発明の第１の実施の形態における運転データ計算機で原動機の入熱量に基づいて計算して求めた原動機出力Ｗc（入出熱量に基づく原動機出力Ｗc）の一例を示すグラフ。本発明の第１の実施の形態におけるトルクに基づく原動機出力Ｗtと入出熱量に基づく原動機出力Ｗcとを重ねて表示したグラフ。本発明の第１の実施の形態における入出熱量に基づく原動機出力Ｗcにその差分ΔＷを加算して原動機出力Ｗを得た場合のグラフ。本発明の第２の実施の形態に係わるプロセス量計測方法を実現するためのプロセス量計測装置のブロック構成図。

符号の説明

１１…トルク計測装置、１２…運転データ計算機、１３…差分演算手段、１４…記憶装置、１５…原動機出力演算手段、１６…換算手段、１７…ガスタービン入口空気流量検出器、１８…差分演算手段、１９…記憶装置、２０…ガスタービン入口空気流量演算手段

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わるプロセス量計測方法を実現するためのプロセス量計測装置のブロック構成図である。トルク計測装置１１は原動機のトルクを計測し、その計測したトルクに基づいて原動機出力Ｗtを得るものである。このトルク計測装置１１による原動機出力Ｗtの誤差は約±０．５％であり、精度よく原動機出力Ｗtを計測できる。本発明の第１の実施の形態では、原動機の運転中にトルク計測装置１１を用いて予め原動機出力Ｗtを測定しておく。なお、このトルク計測装置１１による原動機出力Ｗtを計測した後は、トルク計測装置１１を原動機から取り外す。

一方、運転データ計算機１２は原動機の入出熱量に基づいて原動機出力Ｗcを計算して求めるものであり、本発明の第１の実施の形態では、この運転データ計算機１２により原動機の運転中の原動機出力Ｗc0を予め求めておく。この計算による原動機Ｗc0の誤差は約±７％であり、トルク計測装置１１により得られた原動機出力Ｗtよりも精度は劣るものである。そして、差分演算手段１３により、トルク計測装置１１で予め計測した原動機出力Ｗtと、運転データ計算機で予め計算して求めた原動機出力Ｗc0との差分ΔＷ（ΔＷ＝Ｗt−Ｗc0）を演算しておき、記憶装置１４にその差分ΔＷを予め記憶しておく。

この状態で、原動機の次の運転以降において、その運転の際に運転データ計算機１２で原動機の入出熱量に基づいて原動機出力Ｗcを計算する。原動機出力演算手段１５は、運転データ計算機１２で計算により求められた原動機出力Ｗcと、記憶装置１４に記憶された差分ΔＷとを加算して原動機出力Ｗを演算する。

図２は、トルク計測装置１１で予め計測した原動機出力Ｗt（トルクに基づく原動機出力Ｗt）の一例を示すグラフである。縦軸は原動機出力Ｗ［ＭＷ］、横軸は温度［℃］である。図２中の直線Ｌ１は原動機出力の設計値、直線Ｌ２はトルクに基づく原動機出力Ｗtの近似直線である。図２に示すように、原動機出力Ｗは温度とともに出力が低下する特性を有し、トルクに基づく原動機出力Ｗtの近似曲線Ｌ２は設計値Ｌ１に近い特性を示している。すなわち、温度に対して設計値Ｌ１とほぼ同じ傾きの特性を示しており、偏差（５ＭＷ）でマイナス方向にほぼ平行移動した特性を示している。

設計値Ｌ１が原動機出力Ｗの真値を表しているわけではないが、設計値Ｌ１に対し実際の原動機出力Ｗが所定比率以上の偏差が生じると、原動機の異常の可能性が高いと判断することにしているので、トルクに基づく原動機出力Ｗtが設計値Ｌ１に近い特性を示していることは、トルクに基づく原動機出力Ｗtが原動機出力の真値に近い値を示していることになる。

図３は、運転データ計算機１２で原動機の入熱量に基づいて計算して求めた原動機出力Ｗc（入出熱量に基づく原動機出力Ｗc）の一例を示すグラフであり、縦軸は原動機出力Ｗ［ＭＷ］、横軸は温度［℃］である。図３中の直線Ｌ１は原動機出力の設計値、直線Ｌ３は入出熱量に基づく原動機出力Ｗcの近似直線である。

図３から分かるように、入出熱量に基づく原動機出力Ｗcの近似直線Ｌ３は、温度に対して設計値Ｌ１とほぼ同じ傾きの特性を示しており、マイナス方向に偏差（１６ＭＷ）でほぼ平行移動した特性を示している。すなわち、入出熱量に基づく原動機出力Ｗcは、図２に示したトルクに基づく原動機出力Ｗtに対して、偏差が大きく傾きはほぼ同じ特性を示している。偏差の大きさが異なるのは、トルクに基づく原動機出力Ｗtの誤差は約±０．５％であり、入出熱量に基づく原動機出力Ｗcの誤差は約±７％であることによるものと考えられる。

図４は、トルクに基づく原動機出力Ｗtと入出熱量に基づく原動機出力Ｗcとを重ねて表示したグラフである。図４に示すように、入出熱量に基づく原動機出力Ｗcは大きな誤差を含むが、温度を関数とした場合には、トルクに基づく原動機出力Ｗtに対し、ほぼ一定量の誤差分をバイアスした形で得られる。近似直線Ｌ２、Ｌ３だけでなく、部分的な変化特性もほぼ同様であることが判明した。

そこで、本発明の第１の実施の形態では、ある一つの温度での、トルクに基づく原動機出力Ｗtと入出熱量に基づく原動機出力Ｗcとの差分ΔＷを取り、それ以降は、入出熱量に基づく原動機出力Ｗcにその差分ΔＷを加算して原動機出力Ｗを得るようにする。図４では、温度が１６℃近傍で得られたトルクに基づく原動機出力Ｗtと入出熱量に基づく原動機出力Ｗcとの差分ΔＷを求める場合を示している。

なお、一つ温度での差分ΔＷだけでなく、複数の異なる温度での差分ΔＷを取り、その平均差分ΔＷavを求め、その平均差分ΔＷavを入出熱量に基づく原動機出力Ｗcに加算し、原動機出力Ｗを得るようにしてもよい。この場合には、より真値に近い原動機出力を得ることができる。

図５は、入出熱量に基づく原動機出力Ｗcにその差分ΔＷを加算して原動機出力Ｗを得た場合のグラフである。入出熱量に基づく原動機出力Ｗcに差分ΔＷを加算して得られた原動機出力Ｗは、精度のよいトルクに基づく原動機出力Ｗtとほぼ同様の特性を示すので、運転データ計算機１２で計算して得られた原動機出力Ｗcに、予め求めておいた差分ΔＷを加算するだけで、精度のよい原動機出力Ｗを得ることができる。

ここで、原動機がコンバインドサイクル発電プラントのガスタービンや蒸気タービンである場合には、双方の原動機で１台の発電機を駆動するので、発電機出力からだけではいずれの原動機により駆動された出力であるのか明確に分からない。本発明の第１の実施の形態では、ガスタービン軸や蒸気タービン軸に予めトルク計測装置１１を設置して、ガスタービン出力や蒸気タービン出力を計測しておき、また、運転データ計算機１２でガスタービン出力や蒸気タービン出力を入出熱量に基づいて計算しておき、それらの差分ΔＷを記憶しておく。

そして、コンバインドサイクル発電プラントの運転の際に、ガスタービン出力や蒸気タービン出力を入出熱量に基づいて計算し、その計算により求めたガスタービン出力や蒸気タービン出力に各々の差分ΔＷを加算して、ガスタービン出力や蒸気タービン出力を求める。これにより、ガスタービン出力や蒸気タービン出力を精度よく得ることができる。また、原動機がエンジンである場合にも適用できる。

第１の実施の形態によれば、予めトルクに基づく精度のよい原動機出力Ｗtと入出熱量に基づく原動機出力Ｗc0との差分ΔＷを予め求めておき、原動機の運転の際に、計算して求めた入出熱量に基づく原動機出力Ｗcにその差分ΔＷを加算して原動機出力Ｗを求めるので、比較的簡単に原動機出力Ｗを精度よく計測できる。

次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図６は本発明の第２の実施の形態に係わるプロセス量計測方法を実現するためのプロセス量計測装置のブロック構成図である。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態における原動機出力に代えて、プロセス量としてガスタービン入口空気流量を求めるものである。

トルク計測装置１１は、前述したようにガスタービンのトルクを計測し、その計測したトルクに基づいてガスタービン出力Ｗgtを得るものである。このトルク計測装置１１によるガスタービン出力Ｗgtの誤差は約±０．５％であり、精度よくガスタービン出力Ｗgtを計測できる。本発明の第２の実施の形態では、ガスタービンの運転中にトルク計測装置１１を用いて予めガスタービン出力Ｗgtを測定しておき、計測した後は、トルク計測装置１１をガスタービンから取り外す。

そして、ガスタービン入口空気流量Ｇaircは、ガスタービン出力Ｗgtの関数で示されるので、換算手段１６により、トルク計測装置１１で測定されたガスタービン出力Ｗgtをガスタービン入口空気流量Ｇaircに換算し、予めガスタービン入口空気流量Ｇaircを求めておく。

一方、ガスタービンの運転中に、ガスタービン入口に設けられたガスタービン入口空気流量検出器１７により、ガスタービン入口空気流量Ｇairm0を予め求めておく。ガスタービン入口空気流量検出器１７により検出されたガスタービン入口空気流量Ｇairm0の誤差は約±３％以上であり、演算されたガスタービン入口空気流量Ｇaircよりも精度は劣るものである。これは、ガスタービン入口空気流量検出器１７は、ガスタービンの空気圧縮機の入口のベルマウス部分の差圧をガスタービン入口空気流量Ｇairとして検出しているからである。

そして、差分演算手段１８により、演算されたガスタービン入口空気流量Ｇaircと、検出されたガスタービン入口空気流量Ｇairm0との差分ΔＧair（ΔＧair＝Ｇairc−Ｇairm0）を予め演算しておき、記憶装置１９にその差分ΔＧairを予め記憶しておく。

この状態で、ガスタービンの次の運転以降において、その運転の際にガスタービン入口空気流量検出器１７でガスタービン入口空気流量Ｇairmを検出する。ガスタービン入口空気流量演算手段２０は、検出されたガスタービン入口空気流量Ｇairmと記憶装置１９に記憶された差分ΔＧairとを加算してガスタービン入口空気流量Ｇairを演算する。

次に、換算手段１６で演算されるガスタービン入口空気流量Ｇaircについて説明する。まず、ガスタービンのエネルギーの収支、すなわち、ガスタービン出力Ｗgtは（１）式で示される。

Ｗgt＝Ｗfuel＋Ｗair−Ｗgas …（１）
Ｗfuel：燃料流量の発電出力換算値
Ｗair：空気流量の発電出力換算値
Ｗgas：排熱ガスの発電出力換算値
Ｗgt：ガスタービン出力
また、燃料流量の発電出力換算値Ｗfuelは（２）式、ガスタービン入口空気流量Ｇairの発電出力換算値Ｗairは（３）式、ガスタービンの排熱ガス流量の発電出力換算値Ｗgasは（４）式、ガスタービンの排ガス流量Ｇgasは（５）式で示される。

Ｗfuel＝Ｇfuel・Ｔfuel・Ｃfuel …（２）
Ｗair＝Ｇair・Ｔair・Ｃair …（３）
Ｗgas＝Ｇgas・Ｔgas・Ｃgas …（４）
Ｇgas＝Ｇair＋Ｇfuel …（５）
Ｇfuel：燃料流量
Ｔfuel：燃料の温度
Ｃfuel：燃料の比熱
Ｇair：ガスタービン入口空気流量
Ｔair：空気温度
Ｃair：空気の比熱
Ｇgas：排ガス流量
Ｔgas：排ガス温度
Ｃgas：排ガスの比熱
次に、ガスタービン入口空気流量Ｇairを求める。（４）式に（５）式を代入し、さらに、（２）式、（３）式及び（４）式を（１）式に代入し、ガスタービン入口空気流量Ｇairを求めると（６）式が得られる。

Ｇair＝｛Ｗgt−（Ｔgas・Ｃgas＋Ｔfuel・Ｃfuel）・Ｇfuel｝／
（Ｔgas・Ｃgas−Ｔair・Ｃair） …（６）
この（６）式で得られたガスタービン入口空気流量Ｇairをガスタービン入口空気流量Ｇaircとして予め得ておく。

ここで、（５）式から分かるように、ガスタービンの排ガス流量Ｇgasは、空気流量Ｇairと燃料流量Ｇfuelとの合計であり、その比率は、空気流量Ｇairが約９５％、燃料流量Ｇfuelが約５％である。従って、排ガス流量Ｇgasは比率が約９５％の空気流量Ｇairに支配されているので、ガスタービンの排ガス流量Ｇgasは、空気流量Ｇairの誤差により大きな誤差を生じる。

また、ガスタービンの効率は約３０％であり、残りの約７０％は排ガスとして排出される。つまり、排熱ガスの発電出力換算値Ｗgasとタービン出力Ｗgtの比率は、約７０％対約３０％であることから、排ガス流量Ｇgasの誤差は、排熱ガスの発電出力換算値Ｗgasの誤差に大きく影響を与える。従って、ガスタービン入口空気流量Ｇairを精度よく得ておくことは、排ガス流量Ｇgasや排熱ガスの発電出力換算値Ｗgasを得る上で重要である。

特に、ガスタービンがコンバインドサイクル発電プラントのガスタービンである場合には、ガスタービンで仕事を終えた蒸気を排熱回収ボイラに供給して蒸気を発生させ、その蒸気で蒸気タービンを駆動するので、排熱ガスの発電出力換算値Ｗgasを精度よく得ることで、次段の排熱回収ボイラの効率も精度よく計算できる。

第２の実施の形態によれば、予め演算して求めた精度のよいガスタービン入口空気流量Ｇaircと、計測して得られたガスタービン入口空気流量Ｇairm0との差分ΔＧairを予め用意しておき、ガスタービンの運転の際に、計測して得られたガスタービン入口空気流量Ｇairmに差分ΔＧairを加算してガスタービン入口空気流量Ｇairを求めるので、比較的簡単にガスタービン入口空気流量Ｇairを精度よく計測できる。特に、ガスタービンがコンバインドサイクル発電プラントのガスタービンである場合には、ガスタービンの排ガス流量も精度よく演算できるので、次段の排熱回収ボイラの効率も精度よく計算できる。

産業上の利用分野

本発明は、コンバインドサイクル発電プラントのガスタービンや蒸気タービン、ガスタービンプラントのガスタービン等の原動機の熱機関の原動機の出力や入口空気流量等のプロセス量に適用できる。

Claims

原動機の出力軸の軸ねじれ量に基づいて原動機のトルクを計測し、計測したトルクに基づいて原動機出力を求め、一方、原動機の入出熱量に基づいて原動機出力を計算して求め、トルクに基づく原動機出力と入出熱量に基づく原動機出力との差分を予め求めておき、前記原動機の運転の際に、計算して求めた入出熱量に基づく原動機出力に前記差分を加算して原動機出力を求めることを特徴とするプロセス量計測方法。
ガスタービンの出力軸の軸ねじれ量に基づいてガスタービンのトルクを計測し、計測したトルクに基づいてガスタービン出力を求め、トルクに基づくガスタービン出力に基づいてガスタービン入口空気流量を演算し、一方、ガスタービン入口空気流量を計測し、演算して求めたガスタービン入口空気流量と計測して得られたガスタービン入口空気流量との差分を予め求めておき、前記ガスタービンの運転の際に、計測して得られたガスタービン入口空気流量に前記差分を加算してガスタービン入口空気流量を求めることを特徴とするプロセス量計測方法。
原動機のトルクを計測するトルク計測装置で計測したトルクを換算して得られた原動機出力と原動機の入出熱量に基づいて計算して得られた原動機出力との差分を予め記憶した記憶装置と、前記原動機の運転の際に、計算して求めた入出熱量に基づく原動機出力に前記差分を加算して原動機出力を求める原動機出力演算手段とを備えたことを特徴とするプロセス量計測装置。
ガスタービンのトルクを計測するトルク計測装置で計測したトルクを換算して得られたガスタービン出力に基づいて求めたガスタービン入口空気流量と計測して得られたガスタービン入口空気流量との差分を予め記憶した記憶装置と、前記ガスタービンの運転の際に、計測して得られたガスタービン入口空気流量に前記差分を加算してガスタービン入口空気流量を求めるガスタービン入口空気流量演算手段を備えたことを特徴とするプロセス量計測装置。