JP5185398B2 - 液位検出装置を有する凝縮蒸気タービンおよび液位の制御方法 - Google Patents

Description

凝縮蒸気タービンにおいては、蒸気状の作動流体は、タービンを貫流した後少なくとも部分的には復水される。このような復水作動流体は、復水貯蔵タンクで中間貯蔵され、当該復水貯蔵タンクから、好適には復水ポンプによって排出される。

このとき、復水貯蔵タンクの溢れもドレーン排出も、かつそれに伴う復水ポンプのドライランニングも、防止しなくてはならない。そのために、復水貯蔵タンク内の復水作動流体の液位高さを、下限値と上限値との間に留める液位制御が必要である。そのような液位制御には、実値として、復水貯蔵タンクに目下存在する、復水作動流体の液位高さが必要である。

特許文献１から、そのような復水液位制御が原則的に知られている。当該印刷物は、目下存在する液位高さの検出に関して説明していない。それは、同様に凝縮蒸気タービンを扱っている特許文献２からも、明らかになっていない。

社内での実践から、液位測定には、復水作動流体の水面を浮遊し、当該作動流体の測地的高さをたとえば電磁的あるいは光学的に測定する浮体を用いることが、これまでに知られている。しかしながらそのような浮体は、精密かつ比較的高価な部材であって、すでに運転開始時あるいは運転中にしばしば損傷を受ける。この高価な部材の交換には、取り付け・取り外しに費用がかかり、場合によっては、当該部材に接続されている測定ユニットの較正のし直しも必要となり、それによって凝縮蒸気タービンのそれに応じた停止時間が生じる。

独国特許出願公開第４０２２５４４号明細書 独国特許第２８１６６３６号明細書

それゆえ本発明の課題は、復水貯蔵タンク内の、凝縮蒸気タービンの復水作動流体の液位高さを、容易かつ確実に検出することである。

この課題を解決するために、請求項１のおいて書きに記載の凝縮蒸気タービンが、請求項１の特徴によって改良されている。請求項７は、それに応じた制御方法を特許請求する。

本発明に記載の凝縮蒸気タービンは、当該凝縮蒸気タービンの復水作動流体を貯蔵するための復水貯蔵タンクを備えている。作動流体とは、特に水もしくは水蒸気のことである。凝縮蒸気タービンはさらに、復水貯蔵タンク内の液位を検出するための液位検出装置を備えている。

このために液位検出装置は、復水貯蔵タンク内の第１の測地的高さの、復水作動流体の第１圧力Ｐ１を検出するための第１圧力検出装置および、復水貯蔵タンク内のより高い第２の測地的高さ上方の第２圧力Ｐ０を検出するための第２圧力検出装置を備えている。

第１の高さは好ましくは、復水貯蔵タンクの最下底面と、復水貯蔵タンクの最小液位高さとの間の領域で選択されており、その結果第１圧力検出装置は、復水貯蔵タンクの下部領域における復水作動流体の圧力を検出する。

好適には第２の高さは、最大液位高さ、好ましくは最大液位高さの上方に設定されており、有利には蒸気領域に設けられており、その結果第２圧力検出装置は通常の場合、復水貯蔵タンク内の復水作動流体の上に隣接する圧力を検出する。当該第２圧力は、特に（復水貯蔵タンクが周辺に対して開かれている場合）周辺の圧力あるいは（復水貯蔵タンクが閉じられている場合）凝縮蒸気タービンの排出蒸気内に保たれている圧力であってよい。

本発明に従って分析装置は、第１圧力と第２圧力との圧力差ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ０を形成する。この圧力差は、復水貯蔵タンクの底面にのしかかっている作動流体の柱から結果として生じ、そのため液位高さと比例している。より詳細には、液位高さｈに適用されるのは、以下の式である。

このとき、ρは復水作動流体の密度を表し、ｇはおよそ９，８１ｍ／ｓ^２となる重力加速度を表す。

分析装置は、前述の関係に基づいて液位高さと対応する、この圧力差に応じた出力信号を出力する。当該出力信号はたとえば、圧力差に比例するアナログ信号であってよい。特に圧力差は、上で挙げられた公式に応じて液位高さに換算され得、かつ出力信号として電流信号もしくは電圧信号が出力され得、当該信号の大きさは、この液位高さに比例する。選択的には、圧力検出装置および／あるいは分析装置は、デジタル信号も出力できる。

分析装置から出力された出力信号は、絶対的液位高さに比例してもよい。同様にここでは、特定の離散化段階における液位高さを示す離散信号であってよい。比例出力信号も離散出力信号も、絶対的液位高さを示すことができるかあるいは、たとえば最小液位高さと最大液位高さとの間の領域で計測され得る。当該液位検出装置によって、液位高さは容易かつ確実な方法で検出される。

好ましい実施形態においては、復水貯蔵タンクは沈静槽と連通しており、第１圧力検出装置および／あるいは第２圧力検出装置は、当該沈静槽内の圧力を検出する。沈静槽はこのとき、スロットル部を介して復水貯蔵タンクと連通してよく、その結果復水貯蔵タンク内の復水作動流体の揺れはフィルタにかけられ、沈静槽内では復水作動流体は、ほぼ均一の水位を有する。これは有利には、液位検出装置によって検出された液位高さの揺れを和らげる。この揺れは、復水貯蔵タンク内に貯蔵された、復水作動流体の量の実際の変化に基づくものではなく、たとえば水位に当たる排出蒸気によって帰納され得るように、復水貯蔵タンク内の復水作動流体の水位の撹乱、あるいは同様のものから生じる。

特に好ましい実施形態においては、第１圧力検出装置および／あるいは第２圧力検出装置は、検出面にかかる圧力をアナログあるいはデジタルの電気信号もしくは電圧信号に変換する圧力測定変換器を備えている。そのような圧力測定変換器は、標準的な部材として費用があまりかからない。好ましくは圧力測定変換器はフランジ接続を有しており、当該フランジ接続によって圧力測定変換器の検出面は、圧力測定位置で復水貯蔵タンクもしくは沈静槽と容易に接続可能であり、当該復水貯蔵タンクもしくは沈静槽は、この目的のために対応するカウンターフランジを有していてよい。

有利なことに、このような圧力測定変換器は、より頑丈にも形成され得る。特に、圧力測定変換器には、可動部材が備えられている必要はない。さらなる利点は、故障の際には圧力測定変換器そのものを交換するだけでよく、凝縮蒸気タービンの、それに伴う耐久時間について、製造業者の元での較正のし直しがなくなる。

そのような圧力測定変換器は、これまでに知られている、浮体による検出と少なくとも同様の精度、好ましくはより高い精度を発揮することもできる。

復水貯蔵タンクにおける液位高さは通常の場合、下限値と上限値との間に保たれなくてはならない。好ましい実施形態においては、本発明に係る凝縮蒸気タービンはそのために復水ポンプを備えており、当該復水ポンプは、復水作動流体を復水貯蔵タンクから搬送し、かつ分析装置からの出力信号を受信する液位制御装置によって作動される。このとき液位制御装置は、出力信号に応じて復水ポンプの搬送体積を変えることができる。そのために液位制御装置においては、たとえば出力信号、時間ごとの当該出力信号の変化および／あるいは時間ごとの当該出力信号の積分に比例して、搬送体積があらかじめ設定され得る。

それゆえ、液位が落ちると、液位制御装置が復水ポンプの搬送体積を減少させ、その結果復水貯蔵タンクから排出される復水作動流体はより少なくなり、復水貯蔵タンクのドレーン排出と復水ポンプのドライランニングが防止される。逆に復水貯蔵タンク内の液位が上がると、液位制御装置は復水ポンプの搬送体積を増加させ、復水貯蔵タンクが溢れるのを防ぐ。

付加的あるいは選択的に、復水貯蔵タンク内の液位制御装置は、復水貯蔵タンク内の液位を下限値と上限値との間に保つために、さらなる復水作動流体、たとえば真水あるいは同様のものを供給することができる。

本発明のさらなる利点、特徴、課題は、従属請求項と、次に記載される実施例とからもたらされる。そのために、部分的に概略化されて示される唯一の図は以下である。

本発明の実施例に基づく、復水貯蔵タンクと、凝縮蒸気タービンの液位制御装置とである。

図１は、復水貯蔵タンク１と、凝縮蒸気タービン（残りは図示されず）の液位制御装置４とを示している。

凝縮蒸気タービンから出た排出蒸気は、冷却器１１によって復水され、復水作動流体１０として復水貯蔵タンク１の底面に溜まる。復水作動流体１０は、たとえば再び循環プロセスに供給されるために、当該復水貯蔵タンク１から復水ポンプ９によって搬送され得る。

図１において実線で表されている復水作動流体１０の水位は、供給される排出蒸気、冷却器１１から滴下する復水作動流体などによって、撹乱される。それゆえ復水貯蔵タンク１は、第１導管７と第２導管８とを介して沈静槽５と接続されており、その際第１導管７は復水貯蔵タンク１の底面近くで復水貯蔵タンク１と連通しており、第２導管８は実線で表された最大液位高さより上で復水貯蔵タンク１と連通している。第１導管７と第２導管８とには、封鎖部品もしくは封鎖機構７ａもしくは８ａ（あるいは、図示されていない変形例では、オリフィス）が設けられており、その結果復水貯蔵タンク１内の圧力の揺れはフィルタにかけられ、沈静槽５に存在する復水作動流体は、ほとんど撹乱されない水位、つまり一定の液位高さを備える。前述の撹乱によって引き起こされる圧力の揺れは、それによって、液位高さの変化として誤って検出されることが少なくなる。

連通する管の原則に基づけば、沈静槽５においては、復水作動流体１０の（撹乱されない）水位は、復水貯蔵タンク１内の水位と測地的高さが同じである。図１においては、実施例でまさに示されている、最大液位高さｈ４に相当する水位の他に、例としてさらなる液位高さｈ１からｈ３までが記入されており、最下段の液位高さｈ１は同時に、最小許容限度の液位高さを表している。

第１圧力測定交換器２は、フランジ接続を介して沈静槽５の底部と接続されており、かつ液位制御装置４に実装された分析装置（図示されず）に電圧信号を出力する。当該電圧信号は、第１圧力測定交換器２によって検出された、沈静槽５の底面にかかる復水作動流体１０の圧力Ｐ１に比例する。

第２圧力測定変換器３は、フランジ接続を介して最大液位高さｈ４の上方で復水貯蔵タンク１と接続されており、かつ分析装置に電圧信号を出力する。当該電圧信号は、復水貯蔵タンク１内と、それに相当して沈静槽５内の復水作動流体上方に隣接する圧力Ｐ０に比例する。

分析装置は、圧力差ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ０を形成し、そこから以下に示す公式に従って、沈静槽５と復水貯蔵タンク１とにある液位高さを算出する。

分析装置は、相当する出力信号を液位制御装置４に出力する。これは同様に、アナログ信号あるいはデジタル信号であってよい。出力信号は、連続的であっても、離散化されていてもよい。特に、出力信号は、あらかじめ設定された離散化段階における液位高さｈを、ｈ１、ｈ２、ｈ３あるいはｈ４と示し得る。

実施例においては、出力信号は、液位検出装置によって検出された液位高さｈに比例する連続信号である。液位制御装置４は、比例積分差動（ＰＩＤ）制御器を備えており、当該制御器にはこの出力信号が実値として届く。ＰＩＤ制御器は、この出力信号に応じて、復水ポンプ９の搬送量を制御し、復水ポンプは、液位高さが低いもしくは下降している場合には、復水貯蔵タンク１から復水作動流体１０をより少なく排出し、液位高さが高いもしくは上昇している場合には、復水貯蔵タンク１から復水作動流体１０をより多く排出するようになる。

実施例においては、復水貯蔵タンク１の最下底面と沈静槽５との最下底面とは、ほぼ同じ測地的高さにある。それによって、沈静槽５において測定された液位高さは、復水貯蔵タンク１にある液位高さに相当する。しかしながら沈静槽５の底面は、復水貯蔵タンク１の底面の下方に設けられていてもよく、その結果沈静槽５内にあるもしくは検出された液位高さと、復水貯蔵タンク１内にあるもしくは制御されるべき液位高さとの間で一定のオフセットが存在する。同様に、沈静槽５の最下底面は、測地的に、復水貯蔵タンク１の最下底面より上に設けられていてよい。しかしながら沈静槽５の最下底面は常に、復水貯蔵タンク１内の最小液位高さｈ１の下方に備えられていなくてはならず、その結果たとえ最小液位高さであっても、第１圧力測定変換器２は圧力Ｐ１を検出する。当該圧力Ｐ１は、第２圧力測定変換器３によって検出された第２圧力Ｐ０とは、沈静槽５の底面にのしかかっている、復水作動流体の液体の柱ゆえに異なり、圧力差が形成されることになる。

他の場合では液位高さの変化として誤って解釈されるであろう圧力の揺れをフィルタにかけるために、第１圧力測定変換器および／あるいは第２圧力測定変換器に前置して、オリフィスが備えられていてよい。

１ 復水貯蔵タンク
２ 第１圧力測定変換器
３ 第２圧力測定変換器
４ 液位制御装置
５ 沈静槽
７ 第１導管
７ａ 封鎖部品／封鎖機構
８ 第２導管
８ａ 封鎖部品／封鎖機構
９ 復水ポンプ
１０ 復水作動流体
１１ 冷却器
ｈ 液位高さ
Ｐ０ 第２圧力
Ｐ１ 第１圧力

Claims (8)

1. 凝縮蒸気タービンであって、
   該凝縮蒸気タービンの復水作動流体（１０）を貯蔵するための復水貯蔵タンク（１）と、
   該復水貯蔵タンク内の液位を検出するための液位検出装置とを有する凝縮蒸気タービンにおいて、
   前記液位検出装置は、前記復水貯蔵タンク内の第１の高さの、前記復水作動流体（１０）の第１圧力（Ｐ１）を検出するための第１圧力検出装置（２）と、
   前記復水貯蔵タンク内の第２の高さ上方の第２圧力（Ｐ０）を検出するための第２圧力検出装置（３）と、
   第１圧力と第２圧力との圧力差（ΔＰ）を形成しかつ該圧力差に対応する出力信号を出力するための分析装置とを備えていることを特徴とする凝縮蒸気タービン。
2. 凝縮蒸気タービンであって、前記復水貯蔵タンク（１）と連通する沈静槽（５）をさらに備えており、かつ前記第１圧力検出装置および／あるいは前記第２圧力検出装置（２，３）が、前記沈静槽内の圧力を検出することを特徴とする請求項１に記載の凝縮蒸気タービン。
3. 前記沈静槽は、第１導管（７）と、該第１導管より上に設けられている第２導管（８）とを介して前記復水貯蔵タンクと連通していることを特徴とする請求項２に記載の凝縮蒸気タービン。
4. 前記第１導管および／あるいは前記第２導管には、封鎖機構（７ａ、８ａ）および／あるいはスロットル部、特にオリフィスが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の凝縮蒸気タービン。
5. 前記第１圧力検出装置および／あるいは前記第２圧力検出装置は、圧力測定変換器を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の凝縮蒸気タービン。
6. 凝縮蒸気タービンであって、前記復水貯蔵タンクからの搬送を行う復水ポンプ（９）と、液位制御装置（４）とをさらに備えており、該液位制御装置は前記分析装置からの出力信号を受信し、液位を制御するために、該出力信号に応じて前記復水ポンプを駆動することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の凝縮蒸気タービン。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の凝縮蒸気タービンの復水貯蔵タンク（１）内の液位を制御するための方法であって、
   （ａ）前記復水貯蔵タンク内の第１の高さの、前記復水作動流体の前記第１圧力（Ｐ１）を、前記第１圧力検出装置（２）によって検出する段階と、
   （ｂ）前記復水貯蔵タンク内の第２の高さ上方の前記第２圧力（Ｐ０）を、前記第２圧力検出装置（３）によって検出する段階と、
   （ｃ）第１圧力と第２圧力との圧力差（ΔＰ）を、前記分析装置によって形成する段階と、
   （ｄ）前記圧力差に対応する出力信号を、液位制御装置（４）に出力する段階と、
   （ｅ）前記出力信号に応じて、復水作動流体（１０）の、前記復水貯蔵タンク（１）への供給および／あるいは該復水貯蔵タンク（１）からの排出を制御する段階とを有する方法。
8. 段階（ｅ）において前記液位制御装置が、出力信号に応じて復水ポンプ（９）を駆動することを特徴とする請求項７に記載の方法。

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