JP5823302B2

JP5823302B2 - 蒸気タービン制御装置

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Description

本発明の実施形態は、蒸気タービン制御装置に関する。

蒸気タービン発電システムは、蒸気タービンに蒸気を送る主蒸気管に設けられた蒸気加減弁の開度とこの蒸気加減弁を通過する蒸気の流量との関係が、特性として線形性が保たれるように設計されている。

しかしながら、実際には、蒸気加減弁の開度を全開にする直前において、蒸気加減弁の開度の増加量に対し、蒸気の供給量を追従させることが難しくなる。この現象は、蒸気加減弁を開いていったときの弁内部の流路の開口面積よりも、蒸気加減弁の下流側につながる配管内の流路の開口面積のほうが、相対的に小さくなってしまうことなどが要因で起こる。

そこで、蒸気タービンの過負荷時の運転などを考慮し、蒸気過負荷弁を設けたバイパス管を配置する技術が提案されている。このバイパス管は、例えば、主蒸気管上から蒸気加減弁をバイパスして主蒸気管よりも蒸気タービンの低圧側に接続される。

特開２０１０−２４２６７３号公報特開２００６−１６１６９８号公報特開２０１０−１４１１４号公報特開平６−２５０４号公報

しかしながら、バイパス管から蒸気タービンの低圧側へ蒸気を供給することは、主蒸気管から蒸気を供給する場合と比べて、主蒸気管の蒸気吐出口からバイパス管の蒸気吐出口までの区間分、蒸気タービンに対して蒸気が行う仕事量が減少することを意味する。したがって、蒸気タービンを効率良く運転するためには、バイパス管上の蒸気過負荷弁の動作を適切に制御することが重要となる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、過負荷時においても、電力系統の安定性を確保することが可能である共に蒸気タービンの効率的な運転を実現できる蒸気タービン制御装置を提供することである。

実施の形態の蒸気タービン制御装置は、第１の弁、第２の弁、第１の弁制御部、第２の弁制御部及び弁制御調整部を備える。第１の弁は、蒸気タービンにつながる第１の蒸気供給路に設けられている。第２の弁は、第１の蒸気供給路上から第１の弁をバイパスして、第１の蒸気供給路よりも蒸気タービンの低圧側につながる第２の蒸気供給路に設けられている。第１の弁制御部は、蒸気タービンへ送る蒸気の流量を指示する流量情報に基づいて、第１の弁の開度を制御する。第２の弁制御部は、前記流量情報に基づいて第２の弁の開度を制御する。弁制御調整部は、第２の弁制御部による第２の弁の開度の制御に調整を加える。さらに、前記第２の弁制御部は、前記指示された蒸気の流量に対応する値を示す変数となる流量指令信号を前記流量情報として入力し前記流量指令信号の関数として前記第２の弁の開度に対応する値を示す弁開度信号を前記第２の弁側へ出力する第１の関数発生器を備える。また、前記弁制御調整部は、前記第１の関数発生器に入力される前記流量指令信号の値を外部からの入力操作に応じて調整する。

第１の実施形態に係る蒸気タービン制御装置を含む蒸気タービン発電システムの構成を示す系統図。図１の蒸気タービン制御装置の構成を示す機能ブロック図。蒸気加減弁の開度と主蒸気流量との関係を示す図。流量指令信号と蒸気加減弁の開度との関係を示す図。流量指令信号と蒸気過負荷弁の開度との関係を示す図。第２の実施形態に係る蒸気タービン制御装置の構成を示す機能ブロック図。蒸気過負荷弁側へ送信する弁開度信号のゲイン調整を説明するための図。第３の実施形態に係る蒸気タービン制御装置の構成を示す機能ブロック図。蒸気タービンの回転数偏差と蒸気過負荷弁の開き始めのタイミングとの関係を示す図。第４の実施形態に係る蒸気タービン制御装置の構成を示す機能ブロック図。蒸気タービンの電力系統負荷偏差と蒸気過負荷弁の開き始めのタイミングとの関係を示す図。他の蒸気タービン制御装置の構成を示す機能ブロック図。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
［第１の実施の形態］
図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン制御装置１１を含む蒸気タービン発電システム１は、ボイラ１０、第１の蒸気供給路として機能する主蒸気管８、第２の蒸気供給路として機能するバイパス管９、蒸気タービン３、蒸気再熱移送管２２、再熱器１２、再熱蒸気供給管１４、蒸気再供給管１７、並びに復水器２１を主に備えている。

また、蒸気タービン発電システム１は、回転数検出器１９、発電機１８及び電流検出器２０をさらに備えている。蒸気タービン３は、高圧タービン３ａ、中圧タービン３ｂ及び低圧タービン３ｃを有している。

図１に示すように、ボイラ１０は、例えば復水器２１から送られてきた水を加熱し、蒸気タービン３へ供給するための蒸気（主蒸気）を生成する。主蒸気管８は、ボイラ１０と高圧タービン３ａとの間をつなぐ配管である。主蒸気管８は、ボイラ１０で生成された蒸気を高圧タービン３ａの高圧側へ供給する流路を構成する。

主蒸気管８は、高圧タービン３ａの高圧側につながる手前で例えば４つに分岐する。４つに分岐した主蒸気管８の先端部（蒸気吐出口）は、高圧タービン３ａの高圧側を周回する方向に所定の間隔を空けてそれぞれ配置され、高圧タービン３ａの高圧側の互いに異なる位置から蒸気を吐出（流入）する。

図１に示すように、バイパス管９は、主蒸気管８上から、後述する蒸気加減弁５をバイパス（迂回）し、主蒸気管８よりも（主蒸気管８が高圧タービン３ａに接続される位置よりも）高圧タービン３ａの低圧側につながる配管である。バイパス管９は、蒸気タービン３の主に過負荷時において利用され、主蒸気管８内の蒸気を高圧タービン３ａの中圧部分へ供給する流路を構成する。

蒸気再熱移送管２２は、高圧タービン３ａの低圧側から排気された蒸気を再熱器１２に移送する。再熱器１２は、蒸気再熱移送管２２から送られてきた蒸気を再熱する。再熱蒸気供給管１４は、再熱された蒸気を中圧タービン３ｂの高圧側へ供給する。蒸気再供給管１７は、中圧タービン３ｂの低圧側から排気された蒸気を低圧タービン３ｃの高圧側へ供給する。復水器２１は、いわゆるコンデンサであり、低圧タービン３ｃの低圧側から排気された蒸気を冷却及び凝縮させ飽和液（水）に戻す。

図１に示すように、発電機１８は、蒸気タービン３の軸心に設けられた回転軸から、駆動力を受けて電力を発電する。回転数検出器１９は、蒸気タービン３の単位時間あたりの実際の回転数（実際の系統周波数）を検出する。電流検出器２０は、発電機１８に流れる電流の値を検出する。発電機１８を流れる電流値と発電機１８に加わる負荷とは比例関係にあるため、電流検出器２０は、発電機１８、つまり蒸気タービン３に加わる実際の負荷の検出に利用される。

また、図１、図２に示すように、蒸気タービン制御装置１１は、蒸気止め弁６、第１の弁としての蒸気加減弁５（５ａ…５ｎ）、第２の弁である蒸気過負荷弁（オーバーロードバルブ）７、再蒸気止め弁１５及びインターセプト弁１６、並びにこれらの弁の動作を制御するバルブ制御装置２を備えている。これに加えて、蒸気タービン制御装置１１は、減算器２６、増幅器２８及び加算器２９を備えている。これら減算器２６、増幅器２８及び加算器２９は、蒸気タービン３を一定の回転速度（設定回転数）に調速するための制御に利用される。

減算器２６は、図２に示すように、回転数検出器１９によって検出された蒸気タービン３の単位時間あたりの実回転数を取得する。また一方で、減算器２６は、蒸気タービン３において、予め設定された目標の設定回転数を設定回転数出力器（図示せず）から取得する。さらに、減算器２６は、取得した設定回転数から実回転数を減算して得た回転数偏差信号を増幅器２８に出力する。

増幅器２８は、入力した回転数偏差信号に速度調定率の逆数を乗算し、これによって増幅された回転数偏差信号を加算器２９に出力する。ここで、速度調定率とは、（調速器の設定を変えずに）蒸気タービン３の定常負荷を変えたときに、蒸気タービン３の定常回転数がどれくらい変化するかということを表す比率であり、一般的には５％又は４％といった値が適用される。したがって、増幅器２８には、速度調定率の逆数として、例えば２０又は２５などの値が設定されており、この値（ゲイン）が回転数偏差信号に乗算される。

加算器２９は、増幅器２８によって増幅された回転数偏差信号を入力する。また一方で、加算器２９は、負荷指令信号（負荷指令）を入力する。負荷指令信号は、電力の需要に応じて設定（計画）される蒸気タービン３の目標の負荷に対応した値を示す信号である。さらに、図２に示すように、加算器２９は、増幅された回転数偏差信号と上記の負荷指令信号とを加算して得た流量指令信号Ａをバルブ制御装置２側へ出力する。流量指令信号Ａは、ボイラ１０から蒸気タービン３へ送る蒸気の流量を指示するための流量情報となる。

図１に示すように、蒸気止め弁６は、主蒸気管８上に設けられており、バイパス管９が主蒸気管８上からバイパス（分岐）している位置よりも上流側に配置されている。蒸気止め弁６は、蒸気タービン３（高圧タービン３ａ）側への蒸気の流れを阻止することの可能な元栓として機能するバルブである。蒸気加減弁５（５ａ…５ｎ）は、主蒸気管８上に設けられており、バイパス管９が主蒸気管８上からバイパスしている位置よりも下流側に配置されている。より具体的には、高圧タービン３ａの手前で主蒸気管８本体から４つに分岐された配管上に、蒸気加減弁５ａ…５ｎがそれぞれ設置されている。

蒸気過負荷弁７は、バイパス管９上に配置されている。また、再蒸気止め弁１５は、再熱蒸気供給管１４上に設けられている。再蒸気止め弁１５は、中圧タービン３ｂ側への蒸気の流れを阻止することの可能なバルブである。インターセプト弁１６は、再熱蒸気供給管１４上に設けられており、再蒸気止め弁１５の位置よりも下流側に配置されている。再蒸気止め弁１５及び蒸気止め弁６の開閉動作は、バルブ制御装置２によって制御される。また、インターセプト弁１６は、その開度が例えば流量指令信号Ａに基づきバルブ制御装置２を介して制御される。

次に、蒸気加減弁５及び蒸気過負荷弁７の開度の制御について説明する。図２に示すように、本実施形態の蒸気タービン制御装置１１が備えるバルブ制御装置２は、第１の弁制御部としての弁制御部２５、第２の弁制御部である弁制御部２７、及び弁制御調整部３０をさらに備えている。なお、上述した蒸気加減弁５（５ａ…５ｎ）及び蒸気過負荷弁７には、内部の弁本体をリフトして（持ち上げて）開度を高めるリフト式の逆止弁などが適用されている。

弁制御部２５は、流量情報である流量指令信号Ａに基づいて蒸気加減弁５の開度を制御する。詳述すると、弁制御部２５は、上述した蒸気加減弁５ａ…５ｎ毎の開度を個別に制御するための複数の関数発生器２５ａ…２５ｎを備えている。個々の関数発生器２５ａ…２５ｎは、（流量情報として指示された）蒸気の流量に対応する値を示す変数である流量指令信号Ａを前記の流量情報としてそれぞれ入力する。

さらに、個々の関数発生器２５ａ…２５ｎは、入力された流量指令信号Ａの関数として蒸気加減弁５ａ…５ｎ毎の開度にそれぞれ対応する値を示す弁開度信号を蒸気加減弁５ａ…５ｎ側へ各々出力する。なお、関数発生器２５ａ…２５ｎがそれぞれ有する関数（関数式）は、全て同じあってもよいし、蒸気加減弁５ａ…５ｎ毎に固有の関数（関数式）であってもよい。

一方、弁制御部２７は、図２に示すように、前記の流量情報（流量指令信号Ａ）に基づいて、蒸気過負荷弁７の開度を制御する。弁制御部２７は、第１の関数発生器として機能する関数発生器２７ａを備えている。この関数発生器２７ａは、関数発生器２５ａ…２５ｎとは異なる関数（関数式）を有する。具体的には、関数発生器２７ａは、流量指令信号Ａを変数として入力する。さらに、関数発生器２７ａは、入力された流量指令信号Ａの関数として蒸気過負荷弁７の開度に対応する値を示す弁開度信号Ｂを蒸気過負荷弁７側へ出力する。

図３は、主蒸気管８に設けられた蒸気加減弁５の開度と主蒸気流量（主蒸気管８上の蒸気加減弁５内を通過する蒸気の流量）との関係を示している。蒸気加減弁５の開度と主蒸気流量との関係は、理想的な特性としては線形性が保たれるように設計されることが望ましい。ここで、図３中のＥは、蒸気加減弁５の開度が全開（ＶＷＯ：Valve Wide Open）になったときのポイントを示している。

また、Ｃは、上記の線形性が保てる限界点である。さらに、Ｄは、主蒸気管８の構造上、蒸気加減弁５を徐々に開けていったときの弁内部の流路の開口面積よりも、蒸気加減弁５の下流側につながる配管（主蒸気管８）内の流路の開口面積のほうが、相対的に小さくなってしまうポイントである。つまり、ポイントＣとポイントＤとの間の区間Ｆは、特性上、上記の線形性を保てない範囲である。また、ポイントＤとポイントＥとの間の区間Ｇは、上記の開口面積の大小関係から主蒸気流量が絞られる範囲（流量の上昇がほとんど得られない）範囲となる。

要するに、蒸気加減弁５の開度を全開にする直前においては、蒸気加減弁５の開度の増加量に対し、蒸気の供給量を追従させることが難しくなる。また、蒸気加減弁５を設置した主蒸気管８から蒸気タービン３内へ蒸気を供給し難い理由は、主蒸気管８の蒸気吐出口が、蒸気タービン３（高圧タービン３ａ）の高圧側に接続されていることも要因の一つである。なお、電力系統の周波数の変化や負荷の変化に対し、蒸気加減弁５を介した蒸気の供給量の追従性が低い場合、ブラックアウト（停電）などを引き起こす可能性も否定できない。そこで、図１に示すように、蒸気タービン発電システム１は、蒸気タービン３の過負荷時の運転などを考慮し、バイパス管９及び蒸気過負荷弁７が設置されている。

しかしながら、図１に示すように、主蒸気管８から蒸気タービン３（高圧タービン３ａ）の高圧側へ蒸気を供給する場合と比べ、バイパス管９から蒸気タービン３（高圧タービン３ａ）の、主蒸気管８による供給位置よりも低圧側へ蒸気を供給することは、主蒸気管８による蒸気供給位置の段落からバイパス管９による蒸気供給位置の段落までの区間分、蒸気タービン３に対して蒸気が行う仕事量が減少することを意味する。したがって、蒸気タービン３を効率良く運転するためには、バイパス管９上の蒸気過負荷弁７の動作を適切に制御することが重要となる。

そこで、図２に示すように、本実施形態の蒸気タービン制御装置１１には、上記した弁制御調整部３０がさらに設けられている。この弁制御調整部３０は、関数発生器２７ａを備えた弁制御部２７による蒸気過負荷弁７の開度の制御に調整を加える。より具体的には、弁制御調整部３０は、関数発生器２７ａに入力される流量指令信号Ａの値を外部からの入力操作に応じて調整する。

ここで、図４、図５に示すように、弁制御調整部３０による開度の制御の調整が未調整である場合には（初期設定では）、流量指令信号Ａ（流量情報）に基づいて蒸気加減弁５（蒸気加減弁５ａ…５ｎの全ての弁）を全開にする制御が弁制御部２５の関数発生器２５ａ…２５ｎによって行われたとき、弁制御部２７の関数発生器２７ａによって蒸気過負荷弁７を開き始める制御が行われる。

図４、図５では、流量指令信号Ａが値Ｐ０になったときに、蒸気加減弁５の開度（関数）Ｈ１が全開（ＶＷＯ）となり、このタイミングで蒸気過負荷弁７が開き始める（蒸気過負荷弁７の開度［関数］Ｈ２が増加し始める）ことを図示している。つまり、蒸気過負荷弁７によって蒸気の流れを制御されるバイパス管９は、蒸気タービン３（電力系統）の過負荷時において適用されることになる。

上記の過負荷時の制御を適切に行うために、弁制御調整部３０は、図２に示すように、加算指令部３１、減算指令部３２、積分器３３、増幅器３４及び加算器３５を備えている。加算指令部３１は、例えば蒸気タービン３の稼働状況を監視モニタなどで監視するオペレータが、所定の操作ボタンを押したときの入力操作を受け付ける。積分器３３は、操作ボタンを例えば押し続けている期間を計測し、この計測期間分、生成する信号の値を増加させる。一方、減算指令部３２は、上記操作ボタンとは別の操作ボタンが押されたときの入力操作を受け付ける。

積分器３３は、この別の操作ボタンを例えば押し続けている期間を計測し、この計測期間分、生成する信号の値を減少させる。増幅器３４は、積分器３３から出力された信号を、流量指令信号Ａのレベルと対応するレベルになるように増幅する。加算器３５は、増幅器３４で増幅された信号を、バイアス信号として流量指令信号Ａに加算する。

図４、図５に示すように、このようなバイアス信号を流量指令信号Ａに加算することで、蒸気加減弁５の開度Ｈ１が全開となるタイミングに対し、相対的に、蒸気過負荷弁７が開き始めるタイミングを（図５中に開度［関数］Ｈ３として図示されるように）、任意に操作することが可能となる。つまり、弁制御調整部３０による開度の制御の調整が未調整である場合には（初期設定では）、蒸気過負荷弁７は、図５に示すように、流量指令信号Ａが値Ｐ０を超えたときに開き始めるものの、上記のバイアス信号が加算されることで、流量指令信号Ａが値Ｐ０に満たない値Ｐ１を超えたときに開き始めることになる。

これにより、蒸気タービン３（電力系統）の過負荷時において、蒸気加減弁５の開度Ｈ１が全開となるタイミングに対し、相対的に、蒸気過負荷弁７が開き始めるタイミングを早めることが可能となる。例えば、図３に示したように、蒸気加減弁５の開度がポイントＣに対応する開度になったタイミングで、蒸気過負荷弁７が開き始めるように調整することなどが例示される。

ここで、入力操作に応じた弁制御調整部３０による図５中の関数Ｈ３の調整可能範囲について説明すると、図５中の関数Ｈ３を左側方向へシフト可能な範囲は、図１に示した蒸気タービン３を含む蒸気タービン発電システム１の実機を稼働させたときの稼働特性の実測値や、実機の経年劣化などを考慮して、適宜設定されている。この一方で、図５中の関数Ｈ３を右側方向へシフト可能な範囲は、関数Ｈ２と同じ位置になるように調整範囲が制約されている。弁制御調整部３０による調整範囲がこのように設定されていることで、過負荷時において蒸気過負荷弁７が開き始めるタイミングが遅延することが回避される。

既述したように、本実施形態の蒸気タービン制御装置１１では、過負荷時などの電力系統が安定しない場合には、弁制御調整部３０を用いて蒸気過負荷弁７を開くタイミングを早めるように調整することで、電力系統の安定性を高めることができる。この一方で、電力系統が安定しているときには、弁制御調整部３０により蒸気過負荷弁７を開くタイミングを遅らせるように調整することで、運転効率を極力低下させることのない蒸気タービン３の運転が実施される。したがって、蒸気タービン制御装置１１によれば、過負荷時においても、電力系統の安定性を確保することが可能であると共に蒸気タービンの効率的な運転を実現することができる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施形態を図６、図７に基づき説明する。なお、図６中において、図２に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態の蒸気タービン制御装置５１は、第１の実施形態の弁制御調整部３０に代えて弁制御調整部５２を備えている。弁制御調整部５２は、信号増幅減衰器（信号増幅減衰部）５３及びゲイン変更部５４を有している。信号増幅減衰器５３は、関数発生器２７ａから出力された弁開度信号Ｂを、設定されたゲインで増幅又は減衰させる。一方、ゲイン変更部５４は、信号増幅減衰器５３に設定されたゲインを、例えばオペレータなどによる外部からの入力操作に応じて変更する機能を有している。

ここで、図７は、蒸気過負荷弁７側へ送信される弁開度信号Ｂに対し、弁制御調整部５２によるゲイン調整を例示した図である。図７中の信号Ｇ０は、ゲイン未調整のオリジナルの弁開度信号Ｂであり、信号Ｇ１は、ゲイン調整により増幅された弁開度信号を示している。さらに、信号Ｇ２は、ゲイン調整により減衰された弁開度信号を示しており、範囲Ｇ３は、弁開度信号Ｂを増幅又は減衰させるためのゲインの調整（変更）範囲を示している。

上述したように、本実施形態の蒸気タービン制御装置５１では、流量指令信号Ａの関数として出力される弁開度信号Ｂ（蒸気過負荷弁７の開度を指示する信号）の増幅量及び減衰量を調整できるので、図４、図５に示したように、蒸気加減弁５が全開となるタイミングに対し、相対的に、蒸気過負荷弁７が開き始めるタイミングを調整することできる。

したがって、蒸気タービン制御装置５１によれば、過負荷時においても、電力系統の安定性を高めることが可能であり、しかも蒸気タービンを効率的に運転させることができる。具体的には、蒸気タービン制御装置５１では、蒸気過負荷弁７を適用した運転の際、例えば負荷ハンチングなどが生じて電力系統の負荷が不安定な状況になった場合でも、弁開度信号Ｂのゲイン調整によりこの状況に対処することができる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施形態を前述した図１、図４、図５に加え、図８、図９に基づき説明する。なお、図８中において、図２に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

図８に示すように、本実施形態の蒸気タービン制御装置７１は、第１の実施形態の弁制御調整部３０に代えて弁制御調整部７２を備えている。弁制御調整部７２は、設定回転数出力器７３、実回転数出力器７４、減算器７６、第２の関数発生器としての関数発生器７７、信号加算部としての加算器７８、及び関数変更部としての関数調整器７５を備えている。

減算器７６は、図８に示すように、第１の実施形態で説明した減算器２６への入力信号と同一の２種類の信号を入力する。つまり、実回転数出力器７４は、図１に示した回転数検出器１９によって検出された現状の蒸気タービン３の単位時間あたりの実回転数（系統周波数）を減算器７６に出力する。設定回転数出力器７３は、蒸気タービン３において、予め設定された目標の設定回転数（設定周波数）を減算器７６に出力する。減算器７６は、入力した設定回転数から実回転数を減算して得た回転数偏差信号（周波数［回転数］偏差）Ｒを関数発生器７７に出力する。

関数発生器７７は、実回転数と設定回転数との偏差に対応した値を示す上記の回転数偏差信号Ｒを変数として入力する。さらに、関数発生器７７は、回転数偏差信号Ｒの関数として、流量指令信号Ａの値を実質的に修正するための指令修正信号Ｓをバイアス信号として加算器７８に出力する。加算器７８は、関数発生器７７から出力された指令修正信号Ｓを、弁制御部２７の関数発生器２７ａに入力される流量指令信号Ａに加算する。

関数発生器７７に設定されている関数（関数式）は、図１に示した蒸気タービン３を含む蒸気タービン発電システム１の実機を稼働させたときの稼働特性の実測値や、実機の経年劣化などを考慮して設定されている。

本実施形態の蒸気タービン制御装置７１では、図８に示すように、回転数偏差信号Ｒの関数である指令修正信号Ｓを流量指令信号Ａに加算するので、図４、図５に示したように、蒸気加減弁５の開度Ｈ１が全開となるタイミングに対して、蒸気過負荷弁７が開き始める相対的なタイミングを（図５中に開度［関数］Ｈ３として図示されるように）、言わば自動調整することが可能となる。

つまり、指令修正信号Ｓが加算されていない状況では、蒸気過負荷弁７は、図５に示すように、流量指令信号Ａが値Ｐ０を超えたときに開き始めるものの、上記の指令修正信号Ｓが加算されることで、流量指令信号Ａが値Ｐ０に満たない値Ｐ１を超えたときに開き始めることになる。これにより、蒸気タービン３（電力系統）の過負荷時において、蒸気加減弁５の開度Ｈ１が全開となるタイミングに対し、蒸気過負荷弁７が開き始めるタイミングを相対的に早めることが可能となる。

図９は、蒸気加減弁５が全開となるタイミングに対する蒸気過負荷弁７の開き始めのタイミングと、蒸気タービン３の回転数偏差信号Ｒとの関係を示す図である。図９中のポイントＪ０、Ｊ１は、図５中のポイントＰ０、Ｐ１とそれぞれ対応する関係にある。また、図９中の特性Ｌ０は、関数発生器７７に予め設定された初期の関数（関数式）が適用された場合の上記開き始めのタイミングと回転数偏差信号Ｒとの対応関係を示したものである。

詳述すると、弁制御調整部７２を備えた蒸気タービン制御装置７１は、図９に示すように、回転数偏差信号Ｒが値Ｑ０を超えかつ値Ｑ１未満の範囲内では、回転数偏差信号Ｒの値が増加するほど（設定回転数に対し実回転数が少なくなるほど）、蒸気過負荷弁７の開き始めのタイミングを早めるように制御を行う。ここで、関数発生器７７は、電力系統が比較的安定している状況で出力され得る回転数偏差信号Ｒの値を考慮し、図９に示すように、回転数偏差信号Ｒの値が値Ｑ０以下である場合、蒸気過負荷弁７の開き始めのタイミングを早めないように、値が０の指令修正信号Ｓを出力する関数式が設定されている。

さらに、関数発生器７７は、バイパス管９を用いることによる蒸気タービン３の運転効率の低下を極力抑えるために、回転数偏差信号Ｒの値が値Ｑ１以上の場合、蒸気過負荷弁７の開き始めのタイミングをこれ以上早めないようにするために、一定の値の指令修正信号Ｓを出力する関数式が設定されている。

関数調整器７５は、関数発生器７７における変数としての回転数偏差信号Ｒと関数である指令修正信号Ｓとの対応関係（関数式）を、例えばオペレータなどによる外部からの入力操作に応じて変更（調整）する機能を有している。ここで、図９において、特性Ｌ１は、蒸気過負荷弁７の開き始めのタイミングを遅くするように関数式を変更した例示である。一方、特性Ｌ２は、蒸気過負荷弁７の開き始めのタイミングを早くするように関数式を変更した例であり、範囲Ｌ３は、開き始めのタイミングの調整（変更）範囲を示している。このような関数調整器７５を備えていることで、図１に示した蒸気タービン３を含む蒸気タービン発電システム１の現状の稼働特性などに合わせて、弁制御調整部７２による調整内容に補正を加えることができる。

既述したように、本実施形態の蒸気タービン制御装置７１によれば、過負荷時においても、電力系統の周波数変動に対する安定性を確保しつつ、蒸気タービンを効率良く運転させることができる。

［第４の実施の形態］
次に、第４の実施形態を、前述した図１、図４、図５、図８に加え、図１０、図１１に基づき説明する。なお、図１０中において、図８に示した第３の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

図１０に示すように、本実施形態の蒸気タービン制御装置８１は、図８に示した第３の実施形態の弁制御調整部７２に代えて弁制御調整部８２を備えている。弁制御調整部８２は、実負荷出力器８３、設定負荷出力器８４、減算器８６、第３の関数発生器としての関数発生器８７、第２の信号加算部である加算器８８、及び第２の関数変更部としての関数調整器８５を備えている。

実負荷出力器８３は、図１に示した電流検出器２０で検出される発電機１８を流れる現状の電流値と比例関係にある蒸気タービン３の現状の実負荷（実負荷に対応した値を示す実負荷信号）を減算器８６に出力する。一方、設定負荷出力器８４は、電力の需要に応じて設定（計画）される蒸気タービン３の目標の設定負荷（目標の設定負荷に対応した値を示す負荷指令信号）を減算器８６に出力する。減算器８６は、入力した現状の実負荷から目標の設定負荷を減算して得た負荷偏差信号Ｔを関数発生器８７に出力する。

関数発生器８７は、前記した現状の実負荷と目標の設定負荷との偏差に対応した値を示す上記負荷偏差信号Ｔを変数として入力する。さらに、関数発生器８７は、負荷偏差信号Ｔの関数として、流量指令信号Ａの値を実質的に修正するための指令修正信号（第２の指令修正信号）Ｕを加算器８８に出力する。加算器８８は、関数発生器８７から出力された指令修正信号Ｕを、弁制御部２７の関数発生器２７ａに入力される流量指令信号Ａに加算する。

関数発生器８７に設定されている関数（関数式）は、第３の実施形態の関数発生器７７と同様、図１に示した蒸気タービン発電システム１の実機を稼働させたときの稼働特性の実測値や実機の経年劣化などを考慮して設定されている。蒸気タービン制御装置８１では、図１０に示すように、負荷偏差信号Ｔの関数である指令修正信号Ｕを流量指令信号Ａに加算するので、図４、図５に示したように、蒸気加減弁５の開度Ｈ１が全開となるタイミングに対し、蒸気過負荷弁７が開き始める相対的なタイミングを（図５中に関数Ｈ３で示されるように）、自動調整することが可能となる。

図１１は、蒸気加減弁５が全開となるタイミングに対する蒸気過負荷弁７の開き始めのタイミングと、蒸気タービン３の負荷偏差信号Ｔとの関係を示す図である。図１１中のポイントＫ０、Ｋ１は、図５中のポインＰ０、Ｐ１とそれぞれ対応する関係にある。また、図９中の特性Ｍ０は、関数発生器８７に予め設定された初期の関数（関数式）が適用された場合の上記開き始めのタイミングと負荷偏差信号Ｔとの対応関係を示したものである。

詳述すると、弁制御調整部８２を備えた蒸気タービン制御装置８１は、図１１に示すように、負荷偏差信号Ｔが値Ｎ０を超えかつ値Ｎ１未満の範囲内では、負荷偏差信号Ｔの値が増加するほど（設定負荷［負荷指令］に対し実負荷が大きくなるほど）、蒸気過負荷弁７の開き始めのタイミングを早めるように制御を行う。

ここで、関数発生器８７は、電力系統が比較的安定している状況で出力され得る負荷偏差信号Ｔの値を考慮し、図１１に示すように、負荷偏差信号Ｔの値が値Ｎ０以下である場合、蒸気過負荷弁７の開き始めのタイミングを早めないように、値が０の指令修正信号Ｕを出力する関数式が設定されている。さらに、関数発生器８７は、蒸気タービン３の運転効率の低下を極力抑えるために、負荷偏差信号Ｔの値が値Ｎ１以上の場合、蒸気過負荷弁７の開き始めのタイミングをこれ以上早めないようにするために、一定の値の指令修正信号Ｕを出力する関数式が設定されている。

関数調整器８５は、関数発生器８７における変数としての負荷偏差信号Ｔと関数である指令修正信号Ｕとの対応関係（関数式）を、例えばオペレータなどによる外部からの入力操作に応じて変更（調整）する機能を有している。ここで、図１１において、特性Ｍ１は、蒸気過負荷弁７の開き始めのタイミングを遅くするように関数式を変更した例示である。一方、特性Ｍ２は、蒸気過負荷弁７の開き始めのタイミングを早くするように関数式を変更した例であり、範囲Ｍ３は、開き始めのタイミングの調整（変更）範囲を示している。このような関数調整器８５を備えていることで、図１に示した蒸気タービン発電システム１の現状の稼働特性などに合わせて、弁制御調整部８２による調整内容に補正を加えることができる。

上述したように、本実施形態の蒸気タービン制御装置８１によれば、過負荷時などにおいて、電力系統の負荷変動に対する安定性を確保できると共に、蒸気タービンの効率的な運転を実現することが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、図２に示した弁制御調整部３０と図６に示した弁制御調整部５２とを両方とも備えた蒸気タービン制御装置を構成してもよい。さらに例えば、図８に示した弁制御調整部７２（又は図１０に示した弁制御調整部８２）と、図６に示した弁制御調整部５２との両方を備えた蒸気タービン制御装置を構成することも可能である。

また、第１〜第４の実施形態では、主蒸気管８が蒸気タービン３（高圧タービン３ａ）へ接続される部分において、４つに分岐され、分岐された４つの配管に対して４つの蒸気加減弁が設けられる構成について例示した。この構成に代えて、例えば、主蒸気管が２つに分岐される構造であってもよいし、分岐されないまま１つの主蒸気管が蒸気タービンへ接続される構成であってもよい。これらの構成の場合、もちろん、主蒸気流量の制御するために、２つ又は単一の蒸気加減弁がそれぞれ配置されることになる。

さらに例えば、バイパス管及び蒸気過負荷弁を備えていない蒸気タービン発電システムに対しては、図１２に示すように、弁制御部２５による蒸気加減弁５の開度の制御に調整を加えることの可能な蒸気タービン制御装置９１を適用することも可能である。この蒸気タービン制御装置９１には、図２に示した弁制御調整部３０と同一構成の弁制御調整部９２が設けられている。弁制御調整部９２（の加算器３５）は、流量指令信号Ａが入力される関数発生器２５ｎの前段に配置されている。また、関数発生器２５ａ…２５ｎの全ての前段に弁制御調整部９２を配置してもよい。このような構成の蒸気タービン制御装置９１では、例えば、蒸気タービンの稼働状況を監視するオペレータの入力操作などを介して、蒸気加減弁５の開度の制御に調整を加えることができる。

１１，５１，７１，８１…蒸気タービン制御装置、３…蒸気タービン、３ａ…高圧タービン、３ｂ…中圧タービン、３ｃ…低圧タービン、５（５ａ…５ｎ）…蒸気加減弁、３…蒸気過負荷弁、８…主蒸気管、９…バイパス管、２５，２７…弁制御部、２７ａ，７７，８７…関数発生器、３０，５２，７２，８２…弁制御調整部、７８，８８…加算器、５３…信号増幅減算器、５４…ゲイン変更部、７３…設定回転数出力器、７４…実回転数出力器、７５，８５…関数調整器、８３…実負荷出力器、８４…設定負荷出力器、Ａ…流量指令信号、Ｂ…弁開度信号、Ｒ…回転数偏差信号、Ｓ，Ｕ…指令修正信号、Ｔ…負荷偏差信号。

Claims

蒸気タービンにつながる第１の蒸気供給路に設けられた第１の弁と、
前記第１の蒸気供給路上から前記第１の弁をバイパスして、前記第１の蒸気供給路よりも前記蒸気タービンの低圧側につながる第２の蒸気供給路に設けられた第２の弁と、
前記蒸気タービンへ送る蒸気の流量を指示する流量情報に基づいて、前記第１の弁の開度を制御する第１の弁制御部と、
前記流量情報に基づいて前記第２の弁の開度を制御する第２の弁制御部と、
前記第２の弁制御部による前記第２の弁の開度の制御に調整を加える弁制御調整部と、
を具備し、
前記第２の弁制御部は、前記指示された蒸気の流量に対応する値を示す変数となる流量指令信号を前記流量情報として入力し前記流量指令信号の関数として前記第２の弁の開度に対応する値を示す弁開度信号を前記第２の弁側へ出力する第１の関数発生器を備え、
前記弁制御調整部は、前記第１の関数発生器に入力される前記流量指令信号の値を外部からの入力操作に応じて調整する、蒸気タービン制御装置。
蒸気タービンにつながる第１の蒸気供給路に設けられた第１の弁と、
前記第１の蒸気供給路上から前記第１の弁をバイパスして、前記第１の蒸気供給路よりも前記蒸気タービンの低圧側につながる第２の蒸気供給路に設けられた第２の弁と、
前記蒸気タービンへ送る蒸気の流量を指示する流量情報に基づいて、前記第１の弁の開度を制御する第１の弁制御部と、
前記流量情報に基づいて前記第２の弁の開度を制御する第２の弁制御部と、
前記第２の弁制御部による前記第２の弁の開度の制御に調整を加える弁制御調整部と、
を具備し、
前記第２の弁制御部は、前記指示された蒸気の流量に対応する値を示す変数となる流量指令信号を前記流量情報として入力し前記流量指令信号の関数として前記第２の弁の開度に対応する値を示す弁開度信号を前記第２の弁側へ出力する第１の関数発生器を備え、
前記弁制御調整部は、
前記第１の関数発生器から出力された前記弁開度信号を、設定されたゲインで増幅又は減衰させる信号増幅減衰部と、
前記信号増幅減衰部に設定されたゲインを外部からの入力操作に応じて変更するゲイン変更部と、
を具備する蒸気タービン制御装置。
蒸気タービンにつながる第１の蒸気供給路に設けられた第１の弁と、
前記第１の蒸気供給路上から前記第１の弁をバイパスして、前記第１の蒸気供給路よりも前記蒸気タービンの低圧側につながる第２の蒸気供給路に設けられた第２の弁と、
前記蒸気タービンへ送る蒸気の流量を指示する流量情報に基づいて、前記第１の弁の開度を制御する第１の弁制御部と、
前記流量情報に基づいて前記第２の弁の開度を制御する第２の弁制御部と、
前記第２の弁制御部による前記第２の弁の開度の制御に調整を加える弁制御調整部と、
を具備し、
前記第２の弁制御部は、前記指示された蒸気の流量に対応する値を示す変数となる流量指令信号として前記流量情報を入力し前記流量指令信号の関数として前記第２の弁の開度に対応する値を示す弁開度信号を前記第２の弁側へ出力する第１の関数発生器を備え、
前記弁制御調整部は、
前記蒸気タービンの現状の回転数と設定された目標の回転数との偏差に対応した値を示す回転数偏差信号を変数として入力し前記回転数偏差信号の関数として前記流量指令信号の値を修正するための指令修正信号を出力する第２の関数発生器と、
前記第２の関数発生器から出力された指令修正信号を前記第１の関数発生器に入力される前記流量指令信号に加算する信号加算部と、
前記第２の関数発生器における変数と関数との対応関係を外部からの入力操作に応じて変更する関数変更部と、
を具備する蒸気タービン制御装置。
蒸気タービンにつながる第１の蒸気供給路に設けられた第１の弁と、
前記第１の蒸気供給路上から前記第１の弁をバイパスして、前記第１の蒸気供給路よりも前記蒸気タービンの低圧側につながる第２の蒸気供給路に設けられた第２の弁と、
前記蒸気タービンへ送る蒸気の流量を指示する流量情報に基づいて、前記第１の弁の開度を制御する第１の弁制御部と、
前記流量情報に基づいて前記第２の弁の開度を制御する第２の弁制御部と、
前記第２の弁制御部による前記第２の弁の開度の制御に調整を加える弁制御調整部と、
を具備し、
前記第２の弁制御部は、前記指示された蒸気の流量に対応する値を示す変数となる流量指令信号として前記流量情報を入力し前記流量指令信号の関数として前記第２の弁の開度に対応する値を示す弁開度信号を前記第２の弁側へ出力する第１の関数発生器を備え、
前記弁制御調整部は、
前記蒸気タービンの現状の負荷と設定された目標の負荷との偏差に対応した値を示す負荷偏差信号を変数として入力すると共に前記負荷偏差信号の関数として前記流量指令信号の値を修正するための第２の指令修正信号を出力する第３の関数発生器と、
前記第３の関数発生器から出力された前記第２の指令修正信号を前記第１の関数発生器に入力される前記流量指令信号に加算する第２の信号加算部と、
を備える蒸気タービン制御装置。
前記弁制御調整部は、前記第３の関数発生器における変数と関数との対応関係を外部からの入力操作に応じて変更する第２の関数変更部、
をさらに備える請求項４記載の蒸気タービン制御装置。
前記弁制御調整部による開度の制御の調整が未調整である場合には、前記流量情報に基づいて前記第１の弁を全開にする制御が前記第１の弁制御部によって行われたとき、前記第２の弁制御部によって前記第２の弁を開き始める制御が行われる、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の蒸気タービン制御装置。