JP5271380B2 - タービン制御弁試験のための流量補償 - Google Patents

Description

本発明はタービンに関し、詳細には、周期的動作試験中のタービン制御弁の閉じおよび再開によって引き起こされる流れの乱れを最小限に抑える方法に関し、詳細には、そのような流れの乱れを最小限に抑えるために制御弁位置を使用することに関する。

タービンについての必要な動作手順は、タービンで使用される平行入口流量制御弁の周期的動作試験（閉じおよび再開）を含む。試験は、タービン安全機構の操作性を確認するために行われる。そのような試験に伴う１つの問題は、周期的動作試験中のタービン制御弁の閉じおよび再開の結果としてのタービン蒸気ボイラ圧力の変化またはタービン出力の変化である。蒸気ボイラ圧力の変化またはタービン出力の変化は、タービン制御弁動作安全試験工程中に最小限に抑えなければならない。それが存在するとき、タービン入口圧力制御またはタービン出力フィードバックは、補償を達成するために、影響を受けてはならず、または変更されてはならない。

特開平9-189204号公報

入口圧力偏位を最小限に抑えるための既存のある方法は、比例調整器でのタービン入口圧力を使用する。入口圧力調整器設計は蒸気ボイラ設計によって定義および要求され、したがってそれを修正することができない。入口制御弁の動作試験中に生じる流れの変化によって引き起こされるタービン出力乱れを保証するのに使用される他の方法は、比例積分調整器での電力フィードバックの使用、または比例調整器でのタービンステージ圧力フィードバックの使用である。これらの方法はどちらも、入口圧力が変化することを許すので、これらの方法のいずれも、入口圧力問題に適用することができない。これらの方法の一部は、追加のプロセスパラメータの監視も含む。

本発明は、タービン制御弁動作安全試験工程中の蒸気ボイラ圧力変化またはタービン出力変化を最小限に抑える方法である。

本発明の方法は、制御弁位置をフィードバックとして使用して、周期的動作試験中のタービン制御弁の閉じおよび再開によって引き起こされる流れの乱れを最小限に抑える。いくつかの平行タービン入口流量制御弁を通る全質量流量を一定に保つことにより、蒸気発生器圧力が一定に保たれ、入口圧力調整器は入口制御弁試験中に影響を受けない。いくつかの平行タービン入口制御弁を通る全質量流量を一定に保つことにより、入口制御弁試験中のタービン出力変化が最小限に抑えられる。個々の平行弁の位置（弁棒リフトまたはストローク）は、入口制御弁位置の閉ループ制御のために使用されるので、既に存在している。本明細書で説明する方法を使用するとき、一定の全流量を維持するためには弁位置は十分であり、その結果性能が向上する。入口制御弁試験中の流れの乱れを低減するための、利用可能なまたは追加のプロセスパラメータの監視は不要である。

流れは、制御弁位置すなわち弁棒リフトに応じて決定される。弁試験中のいくつかの平行流量経路のうちの１つの閉じによる流量変化の結果、圧力を制御中のシステムの弁がＮ個からＮ−１個に変化する。Ｎ個の弁を有するシステム、およびＮ−１個の弁を有するシステムの各弁についての流量特性は、タービン設計工程中に決定される。したがって、流量特性は、全流量および個々の弁棒リフトに基づいて決定される。試験中ではない所与の弁について、ＮとＮ−１の条件間の流量リフト特性の差は既知である。この差が、試験中の弁の位置から導出されるＮ個の弁の全要求に基づいて、Ｎ−１個の各弁に対する全流量に加えられる。

様々な弁棒リフト値についての、Ｎ個の弁で制御するとき、およびＮ−１個の弁で制御するときの、システムに関する全流量特性を示すグラフである。このグラフは、Ｎ個とＮ−１個の状態の間の流量差も弁棒リフトの関数として示す。 タービンの入力制御弁を通る流れを制御する制御回路とタービン内に存在する合計Ｎ個の弁のうちの１つの弁についての流量制御回路とのインターフェースを示すブロック図である。 タービン内に存在する合計Ｎ個の弁のうちの１つの弁についての制御弁試験補償を備える例示的フロー制御回路のブロック図である。 ４つの弁を流れる質量流量と等しくなるために３つの弁に対して必要な追加の流量要求を示す制御弁試験流量補償のグラフである。 入口圧力調整器を用い、流量補償機能を用いない制御弁試験のグラフである。 入口圧力調整器と流量補償機能を用いる制御弁試験のグラフである。

本発明は、周期的動作試験中のタービン制御弁の閉じおよび再開によって引き起こされる流れの乱れを最小限に抑えるために、制御弁位置を補償機能へのフィードバックとして使用する方法である。本発明の方法によれば、Ｎ個の平行流量弁に関する全質量流量が、制御弁位置（弁棒リフト）の関数として計算される。弁試験中のＮ個の平行流量弁のうちの１つの閉じによる流量変化の結果、圧力を制御中のシステムの弁がＮ個からＮ−１個に変化する。Ｎ個の弁を有するシステム、およびＮ−１個の弁を有するシステムの各弁についての流量特性は、設計中に決定される。流量特性は全流量（弁）要求に基づく。試験中ではない所与の弁について、ＮとＮ−１の条件間の流量差は既知である。

図１は、Ｎ個とＮ−１個のタービン流量制御弁の間の流量特性の差を示すグラフ１０である。グラフ１０の底部の水平軸は、１時間当たりのポンド質量単位の流れを表す（ｌｂｍ／ｈｒ）。左側の垂直軸は、インチ単位の弁棒リフト（弁開口）を表し、右側の垂直軸は、弁が実現することのできる最大開口に対する弁開口の百分率（位置、％）を表す。グラフ１０の頂部の水平軸は、原子力電源から蒸気を得る蒸気タービンの出力の百分率（Ｒｘ出力、％）を表す。

曲線１２は、合計４つのタービン制御弁に関する全流量レベル（ｌｂｍ／ｈｒ）と弁棒リフト（インチ）との関係を示す。曲線１４は、制御弁のうちの１つが試験のために閉じられている場合の、４つのタービン制御弁のうちの３つに関する全流量レベルと弁棒リフトとの関係を示す。曲線１６は、４つのタービン制御弁に関する全質量流量と、制御弁のうちの１つが閉じられている場合のタービン制御弁の３つに関する全質量流量との実際の差を表す。したがって、例えば４つの弁の組の各制御弁が１”（２．５４ｃｍ）の弁棒リフトを有する場合、開いている４つのすべての弁に関する対応する流量は、約５．５Ｅ＋０６ｌｂｍ／ｈｒ（２．５Ｅ＋０６ｋｇ／ｈｒ）となる。逆に、４つの制御弁のうち１つが閉じられる場合、残りの３つの弁は、３つの各弁が１”（２．５４ｃｍ）の弁棒リフトを有するならば、対応する流量４．０Ｅ＋０６ｌｂｍ／ｈｒ（１．８Ｅ＋０６ｋｇ／ｈｒ）を生み出す。この差はグラフ１６に反映される。ここで、グラフ１６上の１”の弁棒リフトは、約１．５Ｅ＋０６ｌｂｍ／ｈｒ（０．６８Ｅ＋０６ｌｂｍ／ｈｒ）の流量差に対応する。

曲線１８は、第４弁が閉じられ、次いで再開されたときに流れの乱れを最小限にするために、開いたままの３つの制御弁の流量変化を制御するためのより適切な曲線を与えるための曲線１６の「平滑化」を表す。したがって、例えば４つの弁を通る流量が８．０Ｅ＋０６ｌｂｍ／ｈｒ（３．６Ｅ＋０６ｋｇ／ｈｒ）である場合、グラフ１０の曲線１２は、各弁が約１．４”（３．６ｃｍ）の弁棒リフトを有することを示す。次いで試験のために弁の１つが閉じられる場合、閉じた弁を通る流量の損失を補償するために、残りの３つの弁は、８．０Ｅ＋０６ｌｂｍ／ｈｒ（３．６Ｅ＋０６ｋｇ／ｈｒ）の流量を維持するために、１つの弁当たり約０．６”（１．５ｃｍ）の追加のリフトを必要とすることになる。曲線１８は、視覚的近似で、または回帰分析などの数学的手法を用いることによって得ることができる。

図２は、いくつかの平行タービン入口制御弁のそれぞれを通る質量流量を制御する方式を全体的に示すブロック図２０である。図２に示すように、タービン２２は、タービンの動作に関係するいくつかのプロセスセンサを含む。これらのセンサには、負荷センサ２４、速度センサ２６、および圧力センサ３０が含まれ、圧力センサ３０は、タービン２２へのプロセス流体の流れを制御する制御弁２８に接続される。センサ２４、２６、および３０の出力は、それぞれ入力２５、２７、および３１として、タービン２２の動作を制御するのに使用される負荷コントローラ３８、速度コントローラ３６、および圧力コントローラ３２に供給される。圧力コントローラ３２、速度コントローラ３６、および負荷コントローラ３８の各出力３４、３５、および４０があいまって、タービン２２のプロセッサコントローラ流量要求を構成する。出力３４、３５、および４０はセレクタ４２に供給され、それらがあいまって、タービン２２の入口への質量流量を実現する制御弁を通る流れを制御するためにプロセスコントローラによって使用される、選択された合計流量要求である出力４４を生成する。セレクタ４２の出力４４は「ＴＣＶ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ」と呼ばれ、弁に対する合計流量要求を効果的に確立して生成する信号である。通常動作では、ＴＣＶ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ信号は、ＴＣＶ基準を必要な弁位置に変換するための手段を含み、Ｖａｌｖｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｄｅｍａｎｄを確立する出力４９を生成する試験制御回路４８に供給される。出力４９は、弁サーボ位置ループ４７によって受け取られ、サーボ位置ループ４７は、弁２８のリフトの閉ループ位置制御を提供する。

タービン制御弁動作安全試験中の蒸気ボイラ圧力変化またはタービン出力変化を最小限に抑えるために、本発明は試験補償回路５０を使用する。この補償回路は、試験中のタービン制御弁２８の閉じおよび再開によって引き起こされる流れの乱れを最小限に抑えるために、制御弁位置をフィードバックとして使用して、平行制御弁を通る流れを調整することによって補償する。試験補償回路５０を図３により詳細に示す。本発明によれば、タービン２２を流れる質量流量を制御するのに使用されるいくつかの平行タービン入口制御弁の弁ごとに、試験制御回路４８および弁サーボ位置ループ４７と共に試験補償回路５０が複製される。この点で、図２に示すように、セレクタ４２の出力４４が、信号４１、４３、および４５としてそれぞれ制御弁２、３、およびＮに供給される。

図３は、平行タービン入口制御弁を流れる質量流量を制御するのに共通に使用される試験制御回路４８のより詳細なブロック図である。試験補償回路５０も図３により詳細に示す。具体的には、図３に示す回路５０Ａと５０Ｂがあいまって、図２に示す試験補償回路５０を構成する。

図３のブロック図５０Ａを参照すると、ＴＣＶ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅである信号４６が試験補償アレイ５２および加算回路５９に入力される。ＴＣＶ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅである信号は、タービン２２を通る全質量流量の所望のレベルを達成するための、平行入口制御弁のすべてについての質量流量要求を示す。試験補償アレイ５２は本質的に、制御弁の４番目が試験のために閉じられている場合に、試験されていない３つの入力制御弁に関する、ＴＣＶ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅによって要求される質量流量差を提供する「ルックアップテーブル」である。上述のように、所与のＴＣＶ基準について必要な流量補償は、図１に示す曲線１６および１８から来る。曲線１６および１８は、弁棒リフトの様々な値についての、３つのタービン制御弁と４つのタービン制御弁に関する全質量流量の差を示す。

図４は、試験補償アレイ５２によって実施される機能を効果的に表すグラフである。補償アレイである試験補償アレイ５２は、要求される質量流量（「ＴＣＶ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ」）に基づく。次いで試験補償アレイ５２は、図１に示すグラフ１８を斜めにして、図４のグラフ７５の曲線７４と似るようにする。グラフ７５の底部の水平軸は、試験補償アレイ５２に入力される、要求される質量流量（百分率単位の「ＴＣＶ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ」）を表す。左側の垂直軸は、試験補償アレイ５２から出力される流量補償（百分率単位）を表す。

試験補償アレイ５２の出力はサンプルおよび保持回路回路５４に供給され、サンプルおよび保持回路回路５４は、「ＣＶｘ Ｔｅｓｔ Ｓｔａｔｅ」と識別される信号５５を受け取る。「ＣＶｘ Ｔｅｓｔ Ｓｔａｔｅ」である信号は、試験スイッチ（図示せず）の活動化によって生成される論理「Ｔｒｕｅ／Ｆａｌｓｅ」信号であり、図３に示す回路４８によって制御される特定の入力弁（ここでは弁＃１）が試験モードであるかどうかを示す。「Ｆａｌｓｅ」（弁＃１が試験中ではないことを意味する）信号である場合、信号「ＣＶｘ Ｔｅｓｔ Ｓｔａｔｅ」は、サンプルおよび保持回路５４が試験補償アレイ５２の出力が乗算器回路５６内に通過させることを可能にする。サンプルおよび保持回路５４は、ＴＣＶ基準信号によって要求される質量流量に対する、試験中ではない３つの入力制御弁（弁＃１を含む）に関する流量補償を提供する。

乗算器回路５６には、「ＣＶｘ Ｃｏｍｐ Ｒｅｆ」と識別される第２信号７０も入力される。第２信号７０は、ブロック図５０Ｂの回路によって生成される。「ＣＶｘ Ｃｏｍｐ Ｒｅｆ」は、試験中ではない３つの弁に関する所与のＴＣＶ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅで必要とされる流量補償量である。

次に図５０Ｂを参照すると、「Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｆｒｏｍ ＣＶ Ｓｅｒｖｏ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ Ｆｏｒ ＣＶｍ」と識別される入力信号６０がリフト流量アレイ６２に入力される。信号「Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｆｒｏｍ ＣＶ Ｓｅｒｖｏ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ Ｆｏｒ ＣＶｍ」は、図３に示す回路４８および弁サーボ位置ループ（図２の４７）によって制御される弁（ここでは弁＃１）のリフト位置を示す動的信号である。リフト流量アレイ６２は本質的に、弁＃１の弁棒リフトに関する、制御弁の４番目が試験のために閉じられているときに、テスト中ではない３つの入力制御弁（弁＃１を含む）で使用する全流量要求値への変換である。上述のように、全流量要求値への変換は、図１に示す曲線１２から来る。曲線１２は、弁棒リフトの様々な値についての４つのタービン制御弁に関する全質量流量を示す。

サンプルおよび保持回路６４は、試験スイッチ（図示せず）の活動化によって生成される論理「Ｔｒｕｅ／Ｆａｌｓｅ」信号であり、図３に示す試験制御回路４８によって制御される特定の入力弁（ここでは＃１）を選択する、「ＣＶｍ Ｔｅｓｔ Ｓｅｌｅｃｔ」と識別される信号７１を受け取る。「ＣＶｍ Ｔｅｓｔ Ｓｅｌｅｃｔ」が「Ｆａｌｓｅ」である場合、サンプルおよび保持回路６４がリフト流量アレイ６２から除算器回路６６に流量要求値を渡すことを可能にする。ＣＶｍ Ｔｅｓｔ Ｓｅｌｅｃｔ」が「Ｔｒｕｅ」である場合、リフト流量アレイ６２からの流量要求値が保持され、除算器回路６６に渡される。リフト流量アレイ６２はまた、弁＃１などのそのような試験される弁の弁棒リフトが変化するときに、試験中ではない他の３つの入力制御弁に関する変化する流量要求信号を除算器回路６６に供給する。

除算器回路６６の分母「Ｂ」は、リフト流量アレイ６２からの流量要求値である。この値は、所与の弁の試験閉鎖中に同じままである。除算器回路６６の分子「Ａ」は、試験される弁が閉じ、再開するときに変化するリフト流量アレイ６２からの変化する流量要求値である。除算器回路６６の出力は、１（補償なしを意味する）で開始し、試験される弁が閉じるときに漸進的に０（１００％補償を意味する）に近づく分数である。

次いで、除算器回路６６の出力は加算回路６８に供給される。加算回路６８は、一定値「１」を有する基準信号である、「Ｋ Ｏｎｅ」と識別される入力信号も受け取る。除算器回路６６からの出力（当初は補償なしの１）が、加算回路６８で信号「Ｋ Ｏｎｅ」を構成する固定値「１」から減算される。試験中の所与の弁について、この減算により、試験中ではない弁の乗算器回路５６に供給される出力「０」が、信号「ＣＶｘ Ｃｏｍｐ Ｒｅｆ」として生成される。信号「ＣＶｘ Ｃｏｍｐ Ｒｅｆ」は０で始まり、試験される弁が閉じられるとき、除算器回路６６での分子「Ａ」が、試験される弁が閉じられ、次いで再開されるとき、試験される弁のリフト位置の値が変化するにつれて変化する。試験される弁が閉じられるときに除算器回路６６の出力が小さくなるにつれて、加算回路６８の出力は０から１に増加する。試験される弁が再開されるとき、加算回路６８の出力は１から０に減少する。加算回路６８の出力は「ＣＶｍ Ｃｏｍｐ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ」である出力信号７０であり、上述のように、これが乗算器回路５６に入力される。

上述のように、ＣＶｘ Ｃｏｍｐ Ｒｅｆは、試験中ではない３つの弁に対して必要な流量補償量の表示である。したがって、例えば弁＃４が試験中であり、弁＃４を完全に閉じることによって失われる質量流量を補償するために各弁＃１、２、３を１インチ（２．５４ｃｍ）から１と１／２インチ（３．８１ｃｍ）に開く必要がある場合、追加の１／２インチ（１．２７ｃｍ）のリフトは、弁＃４が閉じたときに弁１、２、および３についてのリフトを１”（２．５４ｃｍ）から１と１／２”（３．８１ｃｍ）まで移動することになる補償因子を掛けた流量補償値の結果である。したがって、弁＃４が閉じられたとき、各弁１、２、および３についての流量補償に、当初０で始まり、弁＃４が完全に閉じたときに１すなわち１００％まで増加する、変化する信号「ＣＶｘ Ｃｏｍｐ Ｒｅｆ」が掛けられる。

乗算器回路５６の出力が選択回路５８に供給される。選択回路５８は、一定値「０」を有する基準信号である第２信号「Ｋ Ｚｅｒｏ」と、基準信号「Ｋ Ｚｅｒｏ」または乗算器回路５６の出力が加算回路５９に供給されるかどうかを決定する弁試験制御回路４８からの第３信号も受け取る。加算回路５９では、選択回路５８の「０」出力または選択回路５８の弁棒リフト補償信号出力が信号「ＴＣＶ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ」と加算され、試験制御回路４８によって制御される弁＃１の弁棒リフトを決定する流量リフトアレイ７３に供給される。試験制御回路の論理は、それ自体以外の弁が試験中であるときにのみ、選択回路５８が乗算器回路５６の値を出力する。

本発明の方法およびシステムを試験するために、制御すべきタービンシステムを、数学的にモデル化し、熱力学的に正確であり、リアルタイムでシミュレートした。モデルシステムは、４つのノズルを通る流れを個々に制御する４つの平行制御弁を有するソースおよびシンクからなるものであった。シミュレートするシステムを、上述の本発明の制御システムの実施形態に接続した。制御システムは、上述の弁試験中の流量を補償するアルゴリズムを含むものであった。比較のために、制御システムを、流量補償を含み、流量補償を使用しないように構成した。全体の制御の方策は、比例調整器を使用して弁に先行する圧力の制御を必要とする。図５および６にそれぞれ示すように、本発明の制御弁試験補償制御の使用により、タービン入口メイン（スロットル）蒸気圧の圧力偏位が９５％減少した。図５は、本発明の流量補償を用いない制御弁動作試験の結果を示すグラフ８０であり、図６は、本発明の流量補償を用いた制御弁試験の結果を示すグラフ８２である。どちらの試験でも、弁＃３が試験のために閉じられる弁であった。弁＃３の位置を、図５と図６の両方に曲線８４として示し、弁＃３を当初開き、閉じ、次いで再開したときのシステムの蒸気圧の圧力変化を曲線８６に示す。各弁＃１、２、および４の位置を、図５と図６の両方にそれぞれ曲線８１、８３、および８５として示す。

本発明を現在のところ好ましい実施形態と考えられるものに関連して説明したが、本発明は開示の実施形態に限定されず、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

２２ タービン
２４ 負荷センサ
２６ 速度センサ
３０ 圧力センサ
３２ 圧力コントローラ
３６ 速度コントローラ
３８ 負荷コントローラ
４２ セレクタ
４７ 弁サーボ位置ループ
４８ 試験制御回路
５０ 試験補償回路
５２ 試験補償アレイ
５６ 乗算器回路
５８ 選択回路
５９ 加算回路
６２ リフト流量アレイ
６４ サンプルおよび保持回路
６６ 除算器回路
６８ 加算回路

Claims (2)

1. 定期的動作試験中の弁（２８）のうちの１つの閉じおよび再開によって引き起こされるＮ個の入力制御弁（２８）を含むタービン（２２）内の流れの乱れを低減するシステムであって、
   前記タービン（２２）によって要求される質量流量に対して、前記Ｎ個の入力制御弁（２８）のうちの動作試験中ではないＮ−１個のそれぞれについての初期弁棒リフト補償の表示を与える試験補償アレイ（５２）と、
   第１サンプルおよび保持回路（５４）がその対応する弁（２８）が試験中ではないという表示を検出したとき、前記試験補償アレイ（５２）によって出力された前記初期弁棒リフト補償をサンプリングする第１サンプルおよび保持回路（５４）と、
   前記試験弁（２８）が閉じ、再開するときに、前記弁棒リフト補償を加える割合を判定するための補償因子に基づいて、前記対応する弁（２８）に加える前記初期弁棒リフト補償の部分を求める乗算器回路（５６）と、
   前記対応する弁の初期リフト位置に基づいて、前記対応する弁（２８）に対する初期質量流量要求値を与える回路（６２）と、
   第２サンプルおよび保持回路（６４）が前記対応する弁（２８）が試験中ではないという表示を受け取ったときに、前記初期質量流量要求値をサンプリングする第２サンプルおよび保持回路（６４）と、
   変化する質量流量要求値を前記初期質量流量要求値で除算する除算器回路（６６）と、
   除算器回路（６６）の商を受け取って、前記試験弁（２８）が閉じ、再開するときの前記対応する弁（２８）に対する前記弁棒リフト補償の部分を決定する前記補償因子を生成する加算回路（６８）と
   を備え、
   それによって前記Ｎ−１個の弁（２８）を通る全質量流量が前記Ｎ個の弁（２８）を通る全質量流量とほぼ同じままとなるシステム。
2. 前記加算回路（６８）が所定の値の固定信号を受け取り、前記除算器回路（６６）の商を前記所定の値から減算して前記補償因子が求められる請求項１記載のシステム。
   

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