JP5542974B2 - 大型蒸気タービンの起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、大型蒸気タービンの起動方法に関し、より詳細には、発電機に接続され、外部蒸気源から多量の蒸気を受け取り、特に、かかる蒸気源が蒸気制御システムの直接制御下にないような大型蒸気タービンの起動方法に関する。

以下の詳細な説明において、「タービン」の語は、水、蒸気またはガスなどの流体媒体によって結合される、ロータ部分およびステータ部分の力を有するロータリエンジンを指すために用いられる。特に本発明が関係するのは、タービンを通る蒸気流によって力結合される、動翼の放射状の配置と交互した、放射状に配置された固定静止翼または静翼を有する軸流式蒸気タービンである。

大型タービン、特に蒸気タービンにおいて、起動手順は非常に重要な作業とみなされる。蒸気タービンとはたとえば全負荷３００ＭＷ以上の電力出力用の大型蒸気タービンとみなされる。典型的には、このような蒸気タービンは、ケーシングやロータなどの巨大なメタル部分を有している。したがって、タービンの起動中に、たとえば、タービン内に供給される蒸気と、巨大なメタル部分との間の温度差によって危険な熱応力が生じないように注意しなければならない。熱応力および他の機械的パラメタについての制限により、蒸気タービン部分を有する発電プラントの高速な起動が難しいプロセスとなっている。

しかし、蒸気発電プラントまたは複合サイクル発電プラントが電力需給の変動に高速に応答しなければならないことから、蒸気タービンの起動時間を高速化する要求が増している。特に、出力変動のある、風力発電プラント、波力発電プラント、太陽光発電プラントなどの再生可能エネルギープラントの増加によって、従来の発電プラントの柔軟性よりも高いものが要求される。

したがって、起動プロセスを向上するための様々な方法を検討する多くの文献が存在することは驚くに当たらない。起動手順の課題に対する背景が記載された刊行物としては、たとえば、米国特許３９５９６３５、７５０６５１７、７９８００５３、国際出願公開ＷＯ２００６０３７４１７、および、本願出願人によるドイツ国特許出願公開ＤＥ１０１１６３８７（Ａ１）がある。

ＵＳ３９５９６３５ ＵＳ７５０６５１７ ＵＳ７９８００５３ ＷＯ２００６／０３７４１７ ＤＥ１０１１６３８７

多くの場合、提案される解決策には、限界応力や他のパラメタにより定められる閾値を避ける、測定値に直接なまたはモデルおよび予測を用いて間接的な、測定パラメタおよび制御値の設定に基づいた簡単なまたは複雑なフィードバック制御が含まれる。この従来技術の観点から、蒸気タービンの起動を制御するための、安定かつロバストな方法を提供するという課題が存在する。

本発明の一態様によれば、蒸気発生器から蒸気を受け取る蒸気タービンであって、かつ、発電機に接続されているロータと、蒸気タービンへの質量流量を制御するために、蒸気発生器と蒸気タービンとの間の蒸気導管に配置された蒸気入口弁の位置を少なくとも制御する蒸気タービン制御部とを有する蒸気タービンの起動を制御する方法が提供され、該方法は、
起動開始前に、起動開始時の蒸気タービンの状態および／またはオペレータにより選択された起動モードに基づいて、複数の設定点からなる起動シーケンスの所定の組を選択するステップであって、当該複数の設定点からなる起動シーケンスの組は、蒸気タービン制御部により制御されないパラメタと、蒸気タービン制御部により制御されるパラメタとを含む、ステップと、
起動シーケンスの所定の組に従って設定点から設定点へと開放点に達するまで蒸気タービンを進行させるために、蒸気タービン制御部を用いて、蒸気タービン制御部により制御されるパラメタを制御するステップと、
実際の／測定された設定点値が、開放点において、蒸気タービン制御部により制御されないパラメタに関する所定の設定点値と一致するまで、当該開放点において次の設定点への移行を遅延させるステップと、
を含む。

蒸気タービン制御部により典型的に制御可能なパラメタは、タービンのロータ速度および／またはタービンの負荷である。蒸気タービン制御部により典型的に直接制御可能ではないパラメタは蒸気温度および／または蒸気圧である。後者のパラメタは、蒸気タービン制御部とは異なる制御部、すなわち、ボイラ制御部により典型的には制御され、ボイラ制御部は、蒸気タービン制御部により要求または要請された値とは異なったように蒸気発生器の動作を制御可能である。

多くの発電プラントの動作において、蒸気タービン制御部に蒸気発生器を直接制御させることは不可能である。本明細書における直接制御とは、制御部が、設定点により定められるパラメタを直接的に変化させる弁やスイッチなどの装置の状態を制御するシステムであることを意味する。このような直接的な制御の典型的な例は閉ループ制御またはフィードバックループ制御である。

本発明にかかる起動プロセスは、最優先の状態が存在しない場合に基本的に決定性であると見なすことができるので、本方法は、選択されたシーケンスと関連する起動時間の出力も含む。

別の好ましい特徴は、予想設定点値を生じない、選択されたシーケンスの際に、熱応力監視の出力の処理を変化させることである。たとえば、応力監視は行われないままであり、あるいは、起動段階においてその出力が無視されたままである。

本発明の上述のまたは別の態様は、以下の詳細な説明および以下に挙げた図面から明らかとなる。

本発明の例示的実施形態について、以下、添付図面を参照して説明する。

蒸気タービンの起動プロセスに含まれる要素の概略図である。 本発明の一実施例にかかるパラメタ間の関係を表すブロック図である。 本発明の一実施例にかかる起動シーケンスパラメタの単純化したプロットである。 開放点における遅延を含む、図３Ａの起動シーケンスパラメタを示す。

以下、本発明の例示的実施形態について記載する。現代の発電プラントの複雑さから、記載は必然的に概略的なものであり、本発明の理解に役立つものと見なされる特定の点、および、より一般的な他の点に、より注目している。

図１に示されるように、蒸気タービン発電プラント１０は、少なくとも１つの蒸気発生器１１を有する。蒸気発生器１１は複合サイクル発電プラントの例では熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）であり、または、蒸気発電プラントの例ではボイラである。蒸気タービン発電プラント１０はさらに、少なくとも１つの蒸気タービン１２、または、蒸気タービンの組、たとえば、順に並んだ高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンの組を有する。導管１３は蒸気発生器１１を蒸気タービン１２への入口に接続している。導管１３は主入口弁または弁システム１４を有する。出口導管１５は蒸気タービンの出口を別のタービンと、あるいは、蒸気回収段または再利用段（図示せず）と接続している。

さらに図１に示されるように、制御システム１６はセンサ入力またはセンサ入力に基づく処理パラメタを受け取り、かつ、主入口弁１４に、その位置すなわちタービン１２への蒸気の質量流量を決定する制御信号を送ることができる。制御システム１６は、さらに、ロータ速度に関するパラメタの決定に用いられるセンサ１７と、蒸気温度に関するパラメタの決定に用いられるセンサ１８と、タービンの一部、特にロータにおける熱応力または機械応力に関するパラメタの決定に用いられるセンサまたは応力制御部１９と、に直接または間接的に接続されている。後者のセンサは、既知の方法によって応力を計算または予測するためのモデルに対する入力を供給する温度センサを含んでよい。

制御システム１６は、図１と、図２のブロック図と、図３Ａおよび３Ｂに記載の実施例とを参照して記載される動作ステップを実行するために用いられる。

本発明に記載の実施例において、起動手順は少なくとも２組の状態により選択される。第１の組の状態は起動モード選択２１であり、第２の組はタービン熱条件２２である。起動モード選択２１は、典型的には経済的判断に基づく外部要件をみたすために、発電プラントのオペレータによって設定される条件を意味する。この実施例では、起動モード選択２１は、高速起動と低速起動との間で選択される。タービン熱条件２２は、起動の計画開始時の、タービン１２の状態に応じて課される条件を表す条件の組を示す。これらの条件は、機械的故障、あるいは、タービンまたはタービンの一部の寿命の低減を避けるために設定される。この実施例において、タービン熱条件２２は、温度測定および／または動作履歴に基づいており、起動の計画開始時のタービン１２の熱状態の決定を含む。

この実施例では、起動モード選択２１およびタービン熱条件２２は、時間に対する設定点の起動シーケンスを定める。起動シーケンスは、基本的に、起動開始における状態から起動の終了までのタービンの所望の状態を定める。開始は、たとえば、タービン内への最初の流れの許可に関して、または、主制御弁の最初の開放に関して定義される。起動の終了は、たとえば、定格負荷においてタービンが動作する時間点として定義される。

典型的な起動シーケンスが図３Ａに示されている。この起動シーケンスはたとえばプロット３１、３２、３３を含み、これらは速度、負荷および（この実施例ではタービンの上流における）蒸気温度に関する起動中の設定点をそれぞれ表している。これらのプロットは例示を目的としたものに過ぎず、この実施例の実施形態において、制御システム１６の処理エンジンと関係しまたは他の方法で接続されたメモリに保存された表や関数などの種々の適した方法で表すことができることは、当業者には明らかである。したがって、このプロセスは、典型的には、離散的な時間ステップに分割され、その期間は制御部のサイクル速度に、あるいは、システム１６により新たな測定または制御パラメタが生成され保存される速度に依存する。そして、典型的な制御スキームの設定点が制御部の各サイクルに関する表またはリストで定められる場合、その期間は典型的には１秒未満である。開放点の以下の記載に関して、設定点のシーケンスは、連続的または準連続的とみなすことができる。

速度、負荷および蒸気温度の選択は、起動中のタービンを特徴付ける重要なパラメタと現在見なされるものに基づくことも明らかである。しかし、記載されるプロセスでは、有用と見なされる限り、たとえば蒸気圧などの他の重要なプロセスパラメタを表す、設定点のシーケンスの別の組または付加的なシーケンスを用いることができる。

速度、負荷および蒸気温度の起動シーケンスの中で、前者２つはタービン１２に接続された装置を制御することにより制御可能であり、後者は蒸気発生器１３の制御を必要とする。しかし、多くの既知の発電プラントでは、たとえばボイラ制御システムまたはＨＲＳＧ制御部が非常に制限されるので、蒸気タービン制御システム１６またはＳＴ制御部の制御のレベルは他の制御システムを上回る。にもかかわらず、両方の種類のシーケンスは図３Ａにより示されるような所定の起動シーケンスの組の一部であってよい。制御の観点から、その違いは、タービン制御システム１６が前者のシーケンス（本実施例では速度および負荷を含む）を内部フィードバック制御または当業者に既知の他の方法を介して直接制御可能なことである。

第２の種類の起動シーケンス（本実施例では蒸気温度または蒸気圧を含む）は、要求または観察されるのみで、蒸気タービン制御部により直接制御されない設定点のシーケンスである。図２の実施例において、蒸気温度の設定点は所望の値としてＨＲＳＧ制御部に送信可能であるが、別の蒸気タービン制御システム１６によって実行されない。蒸気タービン制御システム１６またはＳＴ制御部と、ボイラ制御システムまたはＨＲＳＧ制御部との両方を含む統合制御システムにおいて、シーケンス間のこの違いはなくなり、そして、制御システムによって全て直接制御可能な設定点のシーケンスにより置換可能である。

図３Ａには、複数の開放点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、…、Ｘがさらに示されており、これらは、起動されたタービンおよびその環境が、選択された起動シーケンスにより定められる設定点に達したと予測される時点を示している。定められた設定点値の他に、開放点は、無条件のまたは条件付きの遅延時間と、または、無条件のおよび条件付きの遅延時間の組み合わせとさらに関連づけられている。

起動シーケンス中の開放点の数は、ケーシングの損傷無く、選択された起動シーケンスにタービンが確実に従うようにするための最適化により基本的に決定される。定められた起動シーケンスに従う理想的なシステムでは、開放点は全く必要とされず、一方、非常に不安定なタービン環境では、たとえば、開放点は設定点自体と同じ時間軸に沿った密度で設定される。しかし、前者は実現困難であり、後者の場合は連続的フィードバックシステムに近づくが、これは定められた起動時間を提供することはできない。開放点の数は３〜３０の間または２〜２０の間または３〜１５の間またはさらには３〜１０の間で最良に設定されることがわかった。これら全ての場合で、開放点の数は、起動シーケンスを定める設定点の数の１／１０以下である。

離散的な開放点を用いることで、応力制御部１９の起動プロセスへのありうる介入を減らすことができる。通常起動の間、応力制御部１９は、定められた応力が、許容値に対して非常に余裕がある場合にのみ、主入口弁１４の位置を制御するよう構成されている。これは、タービンの部分への損傷を防ぐための、完全に優先的な条件として見ることができる。応力制御部が介入しかつ主入口弁１４の位置の直接制御を行う他の時点は、この実施例では、開放点に限られる。そして、開放点には、応力制御部が主入口弁１４の位置を制御可能とされる前に経過すべき待機期間が含まれる。

すなわち、開放点は、この設定点における所望のパラメタ値に対するテストと、選択された起動シーケンスに沿った進行が中断される待機期間を直接または間接的に定める条件と、に関係する、選択された設定点としてみることができる。

図３Ａの開放点Ｄは、同期後にタービンの負荷を開始するための開放であるが、たとえば、以下のように定義される。
（（ｔ＞＝ｔ（ｓｙｎｃｈ）＋ｔ（ｗａｉｔｌｏａｄ） かつ Ｔ（ＬＳ−ＳＰ）−ΔＴ＜Ｔ（ＬＳ）＜Ｔ（ＬＳ−ＳＰ）＋ΔＴ かつ Ｔ（ＨＲＳ−ＳＰ）−ΔＴ＜Ｔ（ＨＲＳ）＜Ｔ（ＨＲＳ−ＳＰ）＋ΔＴ））

開放点におけるこのテストは、測定された生の流れ温度Ｔ（ＬＳ）および再加熱流れ温度Ｔ（ＲＨＳ）を、許容範囲ΔＴ内で、所望の温度値Ｔ（ＬＳ−ＳＰ）およびＴ（ＨＲＳ−ＳＰ）に等しくするためのテストを定義するものである。この定義は、応力値に関連する代替的な条件を含んでもよい。条件の１つが当てはまる場合、開放され、定められたように起動が連続する。

図３Ａの開放点は、簡単な温度テスト点により近いものであるが、たとえば以下のように定義される。
（Ｔ（ＬＳ−ＲＧＲＡＤ）−ΔＴ＜Ｔ（ＬＳ）＜Ｔ（ＬＳ−ＲＧＲＡＤ）＋ΔＴ かつ Ｔ（ＬＳ−ＳＰ）＝Ｔ（ＬＳ−ＲＧＲＡＤ））

このテストは、測定された生流れ温度Ｔ（ＬＳ）を、生の流れ温度の設定点Ｔ（ＬＳ−ＳＰ）がＴ（ＬＳ−ＲＧＲＡＤ）に達したときの、目標値Ｔ（ＬＳ−ＲＧＲＡＤ）に対してテストするものである。また、これは応力値に関連する代替的条件を含みうる。

応力および初期時間遅延ｔ（遅延）に関する比較的広い範囲の許容値は、応力制御部１９が主入口弁１４の位置を効果的に制御する場合の、システム状態の可能性を制限するための両方に寄与する。そして、応力制御部１９がフィードバック制御の形で主入口弁１４の制御を行わない限り、制御システム１６は、最初に選択されるものの、起動シーケンスの前の部分の間に蓄積された各遅延に関する時間分おそらくシフトした起動シーケンスに従うよう構成されている。したがって、システムは全体として基本的に決定性に維持され、応力制御部を含む一定のフィードバックループにより制御されない。したがって、当初の起動時間＋すでに経過した開放点において蓄積された全ての実際の遅延として、制御システム１６は高精度で起動時間を予測できる。これは、その起動時間がしばしば起動プロセスの間の現在状態からの外挿のみである、既知のシステムにより提供される起動時間の推定と反対である。

かかる遅延の実施例が図３Ｂに示されており、これは、開放点Ｄにおいて遅延（「遅延」）が加えられた図３Ａの起動シーケンスを示している。遅延は、蒸気発生器１３により提供される実際の蒸気温度が、開放点Ｄにおける条件の組に従うよりも低い場合に生じる。実際の蒸気温度の曲線は遅延期間における線３３の曲線部分として示されている。

本発明は上記において純粋に例としてのみ記載され、修正は本発明の範囲内でなしうる。また、本発明は、記載されたまたは本明細書において明確なまたは示されたあるいは図面において明確なまたは示された任意の個々の特徴、ないしは、かかる特徴の任意の組み合わせないしはかかる特徴の一般化ないしはそれらの均等物にわたる組み合わせにおいて構成される。したがって、本発明の範囲は上述の例示的実施形態のいずれによっても限定されない。

明細書中に記載の各特徴は、図面を含めて、特記しない限り、同一物として機能する代替的特徴、等価物または同様の目的により置換可能である。

本明細書中に明確に記載しない限り、明細書全体の全ての従来技術の記載は、かかる従来技術が広く知られ、または当該分野における一般的な知識の一部を構成するものと認めるものではない。

１０ 蒸気タービン発電プラント、 １１ 蒸気発電機、 １３ 導管、 １４ 主入口弁または弁システム、 １５ 出口導管、 １７、１８、１９ センサ、 ２１ 起動モード選択、 ２２ タービン熱条件、 ３１ 速度に関する起動中の設定点のプロット、 ３２ 負荷に関する起動中の設定点のプロット、 ３３ 蒸気温度（入口）に関する起動中の設定点のプロット、 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、…、Ｘ 開放点、 遅延 開放点における遅延

Claims (9)

1. 蒸気発生器から蒸気を受け取る蒸気タービンであって、かつ、発電機に接続されているロータと、前記蒸気タービンへの質量流量を制御するために、前記蒸気発生器と前記蒸気タービンとの間の蒸気導管に配置された蒸気入口弁の位置を少なくとも制御する蒸気タービン制御部とを有する蒸気タービンの起動を制御する方法であって、
   起動開始前に、起動開始時の蒸気タービンの状態および／またはオペレータにより選択された起動モードに基づいて、複数の設定点からなる起動シーケンスの所定の組を選択するステップであって、当該複数の設定点からなる起動シーケンスの組は、前記蒸気タービン制御部により制御されないパラメタと、前記蒸気タービン制御部により制御されるパラメタとを含む、ステップと、
   前記起動シーケンスの所定の組に従って設定点から設定点へと開放点に達するまで前記蒸気タービンを進行させるために、前記蒸気タービン制御部を用いて、前記蒸気タービン制御部により制御されるパラメタを制御するステップと、
   実際の／測定された設定点値が、開放点において、前記蒸気タービン制御部により制御されないパラメタに関する所定の設定点値と一致するまで、当該開放点において次の設定点への移行を遅延させるステップと、
   を含む，ことを特徴とする方法。
2. 前記開放点の数は、前記設定点の１／１０以下である、請求項１記載の方法。
3. 起動中の前記開放点の数は３０未満である、請求項１記載の方法。
4. 前記複数の設定点からなる起動シーケンスの所定の組は、蒸気温度、蒸気圧、ロータ負荷およびロータ速度を表す値からなる１つ以上のシーケンスから選択される、複数の値からなる複数のシーケンス含む、請求項１記載の方法。
5. 前記蒸気温度および／または蒸気圧は、前記蒸気タービン制御部により直接制御されないパラメタである、請求項４記載の方法。
6. 前記蒸気タービンが進行した、前記複数の設定点からなる起動シーケンスの所定の組のうちの現在の設定点と、前記複数の設定点からなる起動シーケンスのうちの最後との間の時間差を用いて、システムにより現在の起動時間が生成される、請求項１記載の方法。
7. さらに、前記蒸気タービン内の応力を監視するために応力制御部を用い、かつ、前記蒸気タービン制御部によって、応力が所定の限界値を超えるまで、前記起動シーケンスの所定の組に従った設定点から設定点への前記蒸気タービンの進行の変化から前記応力制御部の出力を独立させる、請求項１記載の方法。
8. さらに、前記蒸気タービン内の応力を監視するために応力制御部を用い、かつ、その後の複数の開放点の間に、前記応力制御部の出力によって、応力が所定の限界値を超えた場合にのみ、前記起動シーケンスの所定の組に従った設定点から設定点への蒸気タービンの進行を変化させる、請求項１記載の方法。
9. 前記蒸気タービンの状態に基づく前記起動シーケンスの所定の組は、蒸気タービン制御部に接続されたメモリに数値の形態で保存されるか、または、所定の規則に従った前記起動シーケンスの所定の組を生成するための入力として起動開始時の前記蒸気タービンの状態および／または起動モードを用いて計算される、請求項１記載の方法。

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