JP5965143B2 - ターボ機械のシャットダウン方法 - Google Patents

Description

本発明は、広義にはターボ機械に関し、特にシャットダウンフェーズ中の蒸気タービンの運転の柔軟性を高める方法に関する。

蒸気タービンは、発電プラント、発熱システム、船舶用推進システムその他の発熱・動力用途に常用されている。蒸気タービンは、通例、所定の圧力範囲内で作動する１以上のセクションを含む。例えば、高圧（ＨＰ）セクション、及び再熱又は中圧（ＩＰ）セクションが挙げられる。これらのセクション内に収容される回転部品は一般に軸方向シャフト上に装着される。一般に、制御弁及びインタセプト弁で、それぞれＨＰセクション及びＩＰセクションを通る蒸気流を制御する。

蒸気タービンの通常運転には、始動と負荷とシャットダウンの３つの異なるフェーズがある。始動フェーズは、回転部品が回転し始め、蒸気がすべてのセクションに流れるまでの運転フェーズ初期とみなすことができる。一般に、始動フェーズは、特定の負荷では終了しない。負荷運転フェーズは、蒸気タービンの出力がほぼ所望の負荷（例えば、特に限定されないが、定格負荷）になるまでセクションに流入する蒸気の量が増大する運転フェーズとみなすことができる。シャットダウンフェーズは、蒸気タービン負荷が下がり、各セクションへの蒸気の流れが徐々に止まり、回転部品が装着されたロータがターニングギア速度まで減速する運転フェーズとみなすことができる。

カスケード蒸気バイパスシステムを備える蒸気タービンのシャットダウンフェーズには、独特な運転特性が強いられることがあり、スラスト軸受を過荷重にするおそれがある。従来のシャットダウン方式では、ＨＰ前進流モードが終了するまでＨＰセクションとＩＰセクションの間で流れを均衡させる流れ均衡（flow-balancing）プロセスが用いられることがある。前進流は、ＨＰセクションを前方に流れる蒸気とみなすことができる。ＨＰ前進流モードの間は、ＨＰセクションとＩＰセクションを流れる蒸気流は完全に均衡している。ここで、流量は典型的には運転中の再熱（ＲＨ）圧力に依存する。

従来のシャットダウン方式には幾つかの短所がある。流れ均衡法は、競合する物理的要件を有効に管理することができない。ここで、たった１つの物理的要件又はパラメータが、蒸気タービン全体の運転を制限することもある。さらに、ＨＰ前進流モードの終了時機の決定が問題となることもある。シャットダウンプロセスでＨＰ前進流モードの終了が早いと、流量が高くなりスラスト荷重を増大させるおそれがある。シャットダウンプロセスでＨＰ前進流モードの終了が遅いと、おそらくはＲＨ圧力の問題のため、ＨＰセクション排気温度が望ましくないほど高くなるおそれがある。

これらの問題は、シャットダウンフェーズ中の運転の柔軟性を低下させ、機械部品の大型化を必要とし、蒸気タービンの正味出力を低減させるおそれがある。そこで、シャットダウンフェーズ中の蒸気タービンの運転柔軟性を向上させる方法及びシステムが望まれている。

米国特許第５３６１５８５号明細書

本発明の一実施形態では、ターボ機械（１０２）のシャットダウンフェーズ中の蒸気流を低減する方法（４００）を提供するが、当該方法は、少なくとも第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）と、第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）内に部分的に配置されたロータ（１１５）とを備えるターボ機械（１０２）を準備する段階と、第１のセクション（１１０）への蒸気流を制御するように構成された第１の弁（１１６）と、第２のセクション（１１２）への蒸気流を制御するように構成された第２の弁（１１８）とを設ける段階と、ターボ機械（１０２）への負荷が低下するときに始まるシャットダウンフェーズであって、各セクション（１１０，１１２）への蒸気流が徐々に停止してロータ（１１５）がターニングギア速度まで減速するシャットダウンフェーズでターボ機械（１０２）が作動しているか否かを判定する段階（４２０）と、ターボ機械（１０２）の各セクション（１１０，１１２）の運転限界を近似した許容タービン運転領域（ＡＴＯＳ）（２１４）であって、各セクション（１１０，１１２）を流れる蒸気流、各セクション（１１０，１１２）のスラスト限界、及び排気ウィンデージ限界の少なくとも１つからのデータが組み込まれたＡＴＯＳ（２１４）を決定する段階（４３０）と、シャットダウンフェーズに関する物理的パラメータのＡＴＯＳ（２１４）内での許容範囲を決定する段階と、第１のセクション（１１０）に流入する蒸気流を低減するため第１の弁（１１６）を調節する段階であって、該調節が前記物理的パラメータの許容範囲によって部分的に制限される段階と、第２のセクション（１１２）に流入する蒸気流を低減するため第２の弁（１１８）を調節する段階であって、該調節が前記物理的パラメータの許容範囲によって部分的に制限される段階とを含んでおり、ＡＴＯＳ（２１４）が、第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）の運転限界をリアルタイムで拡張し、シャットダウンフェーズ中のターボ機械（１０２）の第１のセクション（１１０）と第２のセクション（１１２）の間の不均衡蒸気流を許容する。

ターボ機械（１０２）は、蒸気タービン（１０２）を含むことができる。さらに、ある実施形態では、蒸気タービン（１０２）は、カスケード蒸気バイパスシステム（１２０）と一体化された向流タービンを含む。

物理的パラメータは、軸方向スラスト、ロータ応力、蒸気温度、蒸気圧力、排気ウィンデージ限界の少なくとも１つを含むことができる。物理的パラメータの値は、第１のセクション（１１０）又は第２のセクション（１１２）の少なくとも１つへの蒸気流を独立して制御するように構成された伝達関数アルゴリズムによって決定される。

伝達関数アルゴリズムは、ＡＴＯＳ（２１４）に基づいて蒸気流を制限することができる。ある実施形態では、伝達関数アルゴリズムは、シャットダウンプロセス中の蒸気タービン（１０２）の運転領域を決定することができ、運転領域はＨＰセクション（１１０）及びＩＰセクション（１１２）の現作動範囲を決定する。

ある実施形態では、本方法（４００）はさらに、ＨＰセクション（１１０）及びＩＰセクション（１１２）の現作動範囲に基づいて第１の弁（１１６）及び第２の弁（１１８）の所望のストロークを調整するステップを含むことができる。

シャットダウンプロセスは複数のステージを含み、各ステージが現作動範囲によって部分的に決定される。ある実施形態では、複数のステージは、以下のａ〜ｅを含む。
ａ．シャットダウン開始からステージＡ：この期間は、蒸気タービン（１０２）の初期シャットダウンを含んでおり、全蒸気流はＨＰセクション（１１０）とＩＰセクション（１１２）との間で実質的に均衡している。
ｂ．ステージＡからステージＢ：ＨＰセクション（１１０）及びＩＰセクション（１１２）に流入する蒸気流が低減し、蒸気流はＨＰセクション（１１０）とＩＰセクション（１１２）との間で均衡している。
ｃ．ステージＢからステージＣ：ＨＰセクション（１１０）に流入する蒸気流はほぼ一定速度に維持され、ＩＰセクション（１１２）に流入する蒸気流はＩＰセクション（１１２）の現作動範囲まで減少する。
ｄ．ステージＣからステージＤ：ＨＰセクション（１１０）に流入する蒸気流が止まり、ＩＰセクション（１１２）に流入する蒸気流がほぼ一定速度に維持される。
ｅ．ステージＤからシャットダウンの完了：ＩＰセクション（１１２）に流入する蒸気流が止まる。

ある実施形態では、ターボ機械のシャットダウンフェーズ中の蒸気流を低減する方法を提供するが、本方法は、少なくとも第１のセクション及び第２のセクションと、第１のセクション及び第２のセクション内に部分的に配置されたロータとを備えるターボ機械を準備する段階と、第１のセクションへの蒸気流を制御するように構成された第１の弁と、第２のセクションへの蒸気流を制御するように構成された第２の弁とを設ける段階と、オペレータがシャットダウンフェーズを開始したときに始まり、ターボ機械への負荷が低下し、各セクションへの蒸気流が徐々に停止してロータがターニングギア速度まで減速したときに終るシャットダウンフェーズでターボ機械が作動しているか否かを判定する段階と、ターボ機械の各セクションの運転限界を近似するため、特に限定されないが、各セクションを流れる蒸気流、各セクションのスラスト限界、及び排気ウィンデージ限界の少なくとも１つに関するデータが組み込まれた許容タービン運転領域（ＡＴＯＳ）を決定する段階と、シャットダウンフェーズに関する物理的パラメータのＡＴＯＳ内での許容範囲を決定する段階と、第１のセクションに流入する蒸気流を低減するため第１の弁を調節する段階であって、該調節が前記物理的パラメータの許容範囲によって部分的に制限される段階と、第２のセクションに流入する蒸気流を低減するため第２の弁を調節する段階であって、該調節が前記物理的パラメータの許容範囲によって部分的に制限される段階とを含んでおり、ＡＴＯＳが、第１のセクション及び第２のセクションの運転限界をリアルタイムで拡張し、シャットダウンフェーズ中のターボ機械の第１のセクションと第２のセクションとの間の不均衡蒸気流を許容する。

本発明の別の実施形態では、シャットダウンプロセス中に蒸気流を蒸気タービンのセクション間に独立して割り当てる方法を提供するが、本方法は、ＨＰセクションと、ＩＰセクションと、ＨＰ及びＩＰセクション内に部分的に配置されたロータとを有する蒸気タービンを備える発電プラントを準備する段階と、第１のセクションに流入する蒸気流を制御するように構成された第１の弁と、第２のセクションに流入する蒸気流を制御するように構成された第２の弁とを設ける段階と、蒸気タービンがシャットダウンフェーズで作動しているか否かを判定する段階と、ターボ機械の各セクションの運転限界を近似するため、各セクションを流れる蒸気流、各セクションのスラスト限界、及び排気ウィンデージ限界の少なくとも１つに関するデータが組み込まれた許容タービン運転領域（ＡＴＯＳ）を決定する段階と、第１のセクション又は第２のセクションの少なくとも１つに関する物理的パラメータのＡＴＯＳ内での許容範囲を決定する段階と、物理的パラメータのＡＴＯＳ内での許容範囲に基づいて第１及び第２の弁の弁ストロークの範囲を生成する段階と、
ＨＰセクションに流入する蒸気流を低減するため第１の弁を調節する段階であって、該調節が第１の弁の弁ストローク理の範囲を制限する段階と、ＩＰセクションに流入する蒸気流を低減するため第２の弁を調節する段階であって、該調節が第２の弁の弁ストローク理の範囲を制限する段階とを含んでおり、上記物理的パラメータによって、蒸気タービンのシャットダウンフェーズ中に、ＨＰ及びＩＰセクションへの蒸気流を分配することができる。

本発明の一実施形態を実施できる発電プラント施設を示す概略図。 公知のシャットダウン法による、ＡＴＯＳ環境での蒸気タービンのＩＰセクション流とＨＰセクション流との関係及びＲＨ圧力とＨＰセクション流との関係を示すグラフ。 公知のシャットダウン方法による、ＡＴＯＳ環境での蒸気タービンのＩＰセクション流とＨＰセクション流との関係及びＲＨ圧力とＨＰセクション流との関係を示す別のグラフ。 本発明の一実施形態によってＡＴＯＳ内で蒸気流を制御する方法の一例を示すフローチャート。 ＩＰセクション流とＨＰセクション流との関係及びＲＨ圧力とＨＰセクション流との関係を示すグラフであり、本発明の一実施形態によるＡＴＯＳ内で蒸気タービンの作動性を高める方法を例示する。

本発明は、シャットダウンフェーズの際の蒸気タービンの運転柔軟性が拡がるという技術的効果を有する。蒸気タービンの運転に際して、本発明では、各セクションの許容タービン運転領域（ＡＴＯＳ；allowable turbine operating space）を決定する。次に、本発明では、蒸気タービンをシャットダウンするときに、現ＡＴＯＳに基づいて各タービンセクションに流入する蒸気を減らすことができる。この際、各タービンセクションに流入する蒸気流の量は、他のタービンセクションに流入する蒸気流の量に依存しない。

以下の好ましい実施形態に関する詳細な説明では、図面を参照するが、図面は本発明の特定の実施形態を例示したものである。異なる構造及び動作を有する他の実施形態は、本発明の技術的範囲から逸脱するものではない。

本明細書では説明の便宜上特定の用語を用いる場合があるが、これらは、本発明を限定するものではない。例えば、「上側」、「下側」、「左側」、「右側」、「前部」、「後部」、「頂部」、「底部」、「水平方向」、「垂直方向」、「上流」、「下流」、「前方」、「後方」などの用語は、図に示す構成を説明するためのものにすぎない。実際、本発明の実施形態の１以上の要素は、任意の方向に配向することができ、別途記載しない限り、このような変形形態を包含する。

本明細書では、詳細な例示的実施形態を開示している。しかしながら、本明細書に開示した特定の構造的且つ機能的詳細は、単に例示的実施形態を説明する目的で示したにすぎない。しかしながら、例示的実施形態は、多くの別の形態として具現化することができ、本明細書に記載した実施形態のみに限定されると解釈してはならない。

従って、例示的な実施形態は様々な変形及び代替形態が可能であるが、その実施形態を例証として図面に示し且つ本明細書で詳細に説明する。しかしながら、開示した特定の形態に例示的な実施形態を限定する意図はなく、逆に例示的な実施形態は、該例示的な実施形態の技術的範囲内にあるすべての変形形態、均等形態、及び代替形態を保護すべきである点は理解されたい。

第１、第２、その他の用語は、本明細書で様々な要素を説明するのに用いることができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきでないことは理解されるであろう。これらの用語は、単に、ある要素を別の要素と区別するのに使用される。例えば、第１の要素は、例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、第２の要素と呼ぶことができ、同様に第２の要素は第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で使用される用語「及び／又は」とは、記載したもののすべての組合せを含む。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。本明細書で用いる場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。さらに、本明細書で用いる場合の「含む」、「含んでいる」、「備える」及び／又は「備えている」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び／又は構成部品の存在を特定するが、１以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び／或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。

本発明は、様々な蒸気タービンなどに適用することができる。本発明の一実施形態は、単一蒸気タービン又は複数の蒸気タービンに適用することができる。以下の検討は、向流構成及びカスケード蒸気バイパスシステムを有する蒸気タービンに関するものであるが、本発明の実施形態は、これらの構成に限定されるのもではない。本発明の実施形態は、非向流式及び／又はカスケード蒸気バイパスシステムを備えていない他の実施形態にも適用し得る。

ここで、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、特に限定されないが、発電プラント施設のような、施設１００の蒸気タービン１０２を示す概略図である。図１は、蒸気タービン１０２、再熱ユニット１０４、制御システム１０６、及び発電器１０８を有する施設１００を示している。

図１に示すように、蒸気タービン１０２は、第１のセクション１１０、第２のセクション１１２、及びカスケード接続蒸気バイパスシステム１２０を含むことができる。本発明の種々の実施形態では、蒸気タービン１０２の第１のセクション１１０及び第２のセクション１１２は、高圧（ＨＰ）セクション１１０及び中圧（ＩＰ）セクション１１２とすることができる。本発明の他の種々の実施形態では、ＨＰセクション１１０はまた、ハウジング１１０と呼ぶことができ、ＩＰセクション１１２はまた、追加ハウジング１１２と呼ぶことができる。さらに、蒸気タービン１０２はまた、第３のセクション１１４を含むことができる。本発明の一実施形態では、第３のセクション１１４は、低圧（ＬＰ）セクション１１４とすることができる。蒸気タービン１０２はまた、蒸気タービン１０２のセクション１１０、１１２及び１１４内に配置できるロータ１１５を含むことができる。本発明の一実施形態では、ロータ１１５の周りの流路は、セクション１１０、１１２及び１１４間で蒸気が流体連通するようにしてもよい。

蒸気タービン１０２は、第１のセクション１１０及び第２のセクション１１２にそれぞれ流入する蒸気流を制御するための第１の弁１１６及び第２の弁１１８を含むことができる。本発明の種々の実施形態では、第１の弁１１６及び第２の弁１１８は、ＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２にそれぞれ流入する蒸気流を制御するための制御弁１１６及びインタセプト弁１１８とすることができる。

図２及び図３は、ＡＴＯＳ環境で見た公知のシャットダウン方法の潜在的問題を示す概略図である。均衡流は、蒸気タービン１０２をシャットダウンするときに、各セクション１１０、１１２に同量の蒸気流を供給しようとする方法及び／又は制御原理とみなすことができる。本発明の実施形態は、均衡流量法を置き換えて、蒸気タービン１０２の運転限界を拡張することを図る。蒸気タービン１０２の作動中に、制御システム１０６でＡＴＯＳを決定することができる。ＡＴＯＳは、蒸気タービン１０２の現在の運転限界とみなすことができる。ＡＴＯＳが変化すると、本発明の実施形態は、弁１１６、１１８の位置を調整して、セクション１１０、１１２への蒸気流の量を変えることができる。

図面を検討し且つこれに対応してＡＴＯＳに関して議論する際には、以下のことを考慮すべきである。すべての図は、特定の蒸気タービン１０２構成に関連することができる非限定的な実施例とみなすべきである。さらに、各図の数値域は、例示にすぎない。図は、時間の長さを反映していないこともあり、蒸気タービン１０２は各々の限定的境界で作動することも又は限定的境界を超えることもある。ＡＴＯＳは、蒸気タービン１０２を作動できる領域とみなすべきである。以下で検討し例示する各ＡＴＯＳ境界は、一定又は限定的境界とみなすべきではない。ＡＴＯＳ及びその関連境界は、変動する動的な作動環境とみなすべきである。この環境は、蒸気タービン１０２の構成、運転フェーズ、境界条件、及び機械的部品並びに設計によって部分的に決まる。ＡＴＯＳ及びその境界の他の方向、形状、大きさ、及びサイズは、図示していないが、本発明の実施形態の性質及び範囲の外にあるものではない。従って、図に示すようなＡＴＯＳ及びその境界の方向、大きさ、形状、及びサイズは、非限定的な実施例の例示にすぎない。

図２は、公知のシャットダウン方法による、ＡＴＯＳ環境での蒸気タービンのＩＰセクション流とＨＰセクション流との関係、及びＲＨ圧力とＨＰセクション流との関係を示すグラフ２００である。図２は、本発明の一実施形態による、蒸気タービン１０２のＡＴＯＳ２１４の非限定的な実施例を示す。ここで、ＡＴＯＳ境界は、線２−６（直線１−２と５−６の交差の組合せ）及び直線３−４である。直線１−２は、ＩＰ／ＬＰスラスト線とみなすことができ、軸方向スラストを限度内に維持するための最大許容ＩＰセクション流をＨＰセクション流の関数として示す。直線３−４は、ＨＰスラスト線とみなすことができ、軸方向スラストを限度内に維持するための最大許容ＨＰセクション流をＩＰセクション流の関数として示す。直線５−６は、ＨＰセクション排気ウィンデージ線とみなすことができ、ＨＰセクションの排気で望ましくない高温を防ぐための最大許容ＲＨ圧力をＨＰセクション流の関数として示す。

Ｘ軸はＨＰセクション１１０を流れる蒸気流を示す。左側Ｙ軸はＩＰセクション１１２を流れる蒸気流を示し、右側Ｙ軸はＲＨ圧力を示す。点Ａ、Ｂ及びＣを通過する自然圧力線２０２は、上記で検討したように均衡流れ方式を示している。

スラスト線１−２及び３−４は、対向するＨＰ及びＩＰセクション１１０、１１２を流れる蒸気流の関数である。線１−２及び３−４は、望ましくない高い軸方向スラスト荷重を生じるまでの特定の蒸気タービン１０２が耐え得る許容な流れ不均衡を表すことができる。これらの線の実際の形状及び関連の値は、とりわけ、各セクション１１０、１１２の熱力学的設計及び関連のスラスト軸受のサイズによって決まる。最先端の蒸気タービン設計は、軸方向スラスト力を増大させ、許容な流れの不均衡を制限し、ＡＴＯＳ２１４を低減することができる。同様に、スラスト軸受サイズが増大すると、より大きな流れ不均衡が許容され、ＡＴＯＳ２１４が増大する可能性がある。

ＨＰセクション排気ウィンデージ線である線５−６は、ＲＨ圧力及びＨＰ入口蒸気温度の関数として、ＨＰセクション１１０の後段における望ましくない高温を防ぐのに必要な最小ＨＰ流量の関数とすることができる。ＲＨ圧力がより高くなるほど、ＨＰセクション排気における圧力をより高くすることができる。これは、所与の流量及び所与のＨＰ入口蒸気温度において、ＨＰセクション１１０を通る圧力比を低下させる可能性がある。これはまた、ＨＰ排気温度を上昇させる可能性がある。同様に、より高いＨＰ入口蒸気温度はまた、所与のＲＨ圧力での所与の蒸気流量において、ＨＰセクション排気蒸気温度を上昇させる可能性がある。

一部の蒸気タービン１０２の運転中、ＲＨ圧力が高い入口蒸気温度を有する所望の条件よりも高い圧力に達すると、ＨＰセクション排気温度が材料固有の限界値に接近する可能性がある。しかしながら、蒸気タービン１０２が低い入口蒸気温度で作動すると、ＲＨ圧力が高い場合でも高温のＨＰセクション排気温度となる可能性が低くなる。ここで、ＨＰ入口蒸気のエンタルピーは、温度の低下と共に有意に小さくなる。従って、ＨＰセクションウィンデージの考慮は、これに限定するものではないが、ＨＰ入口蒸気温度が高い場合など、特定の条件に限定することができる。

上記で検討したように、線１−２、３−４、及び５−６は、所与の作動条件にてＡＴＯＳ２１４を定めることができる境界である。これらの線は本質的に動的である。従って、図２に示す範囲は、単に非限定的な実施例の例証にすぎない。蒸気タービン１０２が公知の方法でシャットダウン中であると、蒸気は、ＨＰ及びＩＰセクション１１０、１１２に流れ、これらは点ＡとＣの間でほぼ等しい。次に、点Ｃでは、蒸気タービン１０２は、ＨＰ前進流モードから外に移動することができる。ここで制御弁１１２は閉鎖される。図２は、点Ｄにおいて、ＨＰ前進流モードから外に移動した後、ＩＰ流が所望の範囲を上回ることができることを示している。

図２はまた、右Ｙ軸に隣接した矢印で示されるように、ＩＰセクション１１２を通る流れが低減されたときにＲＨ圧力が低下する条件を示している。しかしながら、図３に示すように、ＲＨ圧力の低下は、ＩＰセクション１１２を流れる蒸気流の低減とは一致しない場合がある。

図３は、公知のシャットダウン方法による、ＡＴＯＳ環境での蒸気タービンのＩＰセクション流とＨＰセクション流との関係及びＲＨ圧力とＨＰセクション流との関係を示す別のグラフ３００である。ここで、ＲＨ圧力の低下は、ＩＰセクション１１２を流れる蒸気流の低減とは一致しない。ここで、ＨＰ及びＩＰセクション１１０、１１２を流れる蒸気流は、蒸気タービン１０２が点Ａから点Ｃまで無負荷であるときに比較的均衡している。次に、点Ｃにおいて、蒸気タービン１０２は、ＨＰ前進流モードから外に移動することができる。ここで、制御弁１１２は閉鎖される。図３は、点Ｄにおいて、ＨＰ前進流モードから外に移動した後、ＩＰ流が所望の範囲内に存在することができることを示している。しかしながら、均衡流方式の下で、ＨＰ流が点Ｃから点Ｄに低減されたときに、ＲＨ圧力が１００％の前後に残存する可能性がある。このＨＰ流の低減は、直線５−６により示されるように、ＨＰセクション排気口にて高温を防ぐのに必要な最小流よりも小さくなる可能性がある。従って、ＲＨ圧力が望ましくないほど高温のままである場合、ＨＰ流が点Ｂから点Ｃまで低下するときに、ＨＰセクション排気温度が増大する。

図４及び図５は、ＡＴＯＳ２１４を用いて、シャットダウン中の各セクション１１０、１１２の作動性を拡張する方法を示す概略図である。本発明の一実施形態では、ＡＴＯＳは、シャットダウン中のＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２を通る蒸気の結合解除を可能にする。本質的に、本発明の実施形態は、蒸気流を各セクションに分割し、均衡流方法を組み込まない。これにより、スラスト軸受の過負荷及びＨＰセクション１１０の排気の過剰加熱の可能性を低減することができる。

本発明の実施形態は、ＡＴＯＳ２１４をリアルタイムで決定し、運転の柔軟性を拡大することができる。実際的には、各ＡＴＯＳ境界は、特定の蒸気タービン１０２のＡＴＯＳ２１４を定める物理的パラメータとみなすことができる。物理的パラメータは、特に限定されないが、軸方向スラスト、ロータ応力、蒸気温度、蒸気圧力、排気ウィンデージ限界を含むことができる。区域２０４、２０６、及び２０８は、蒸気タービン１０２の運転が排気温度及び／又はスラストの好ましい限度を超える可能性がある領域を示している。

図４は、本発明の一実施形態による、ＡＴＯＳ内の蒸気流を制御する方法４００の一例を示すフローチャートである。検討したように、本発明の実施形態は、シャットダウンフェーズ中に蒸気流を管理するために不均衡流法を導入する。ここで、各セクション１１０、１１２に流入する蒸気流は、蒸気タービン１０２の運転限界及び柔軟性を拡張するよう意図的に不均衡にされる。これは、各セクション１１０、１１２に流入する蒸気量をリアルタイムで独立に制御することによって達成することができる。方法４００は、蒸気タービンを作動させる制御システム１０６と一体化することができる。

方法４００は、第１の弁１１６及び第２の弁１１８を制御して、第１のセクション１１０及び第２のセクション１１２それぞれを流れる蒸気流を制御することができる。本発明の種々の実施形態では、第１の弁１１６及び第２の弁１１８は、上記で検討したように、ＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２をそれぞれ通る蒸気流を制御する制御弁１１６及びインタセプト弁１１８とすることができる。

ステップ４１０において、方法４００は、蒸気タービン１０２のどの運転フェーズであるかを判定することができる。上記で検討したように、蒸気タービン１０２は、通常、始動、負荷状態、及びシャットダウンの３つの別個で且つ重なり合う段階で運転している。

ステップ４２０において、方法４００は、蒸気タービン１０２がシャットダウンフェーズにおいて運転しているか否かを判定することができる。ここでは、方法４００は、蒸気タービン１０２を作動させる制御システム１０６からの作動データ又は運転データを受け取ることができる。このデータは、特に限定されないが、弁１１６、１１８の位置を含むことができる。蒸気タービン１０２がシャットダウンフェーズで運転している場合、方法４００は、ステップ４３０に進むことができ、そうでない場合には、方法４００はステップ４１０に戻ることができる。

ステップ４３０において、方法４００は、現在のＡＴＯＳ２１４を決定することができる。ここで、方法４００は、上述のように、ＡＴＯＳ境界に関連した現在データを受け取ることができる。方法４００は、ＡＴＯＳ境界に関連した物理的パラメータに関するデータを受け取ることができる。このデータは、許容な又は好ましい限度及び境界と比較することができる。例えば、特に限定されないが、ＡＴＯＳ境界は、軸方向スラスト及び／又はＨＰセクション１１０の排気温度を含むことができる。ここで、方法４００は、現在の運転条件下での現在の軸方向スラストと許容軸方向スラストとを決定することができる。

本発明の代替の実施形態では、方法４００は、ＡＴＯＳ２１４を計算又は決定するための伝達関数、アルゴリズムなどを組み込むことができる。

ステップ４４０において、方法４００は、蒸気タービン１０２の第１のセクション１１０の少なくとも１つに関する物理的パラメータの許容範囲を決定することができる。物理的パラメータは、特に限定されないが、運転上の制約条件及び／又は物理的制約条件を含むことができる。これらの制約条件は、特に限定されないが、軸方向スラスト、ロータ応力、蒸気温度、蒸気圧力、ＨＰセクション排気ウィンデージ限界を含むことができる。次いで、方法４００は、物理的パラメータの許容範囲に基づいて第１の弁１１６の弁ストロークの範囲を生成することができる。

ステップ４５０において、方法４００は、第１の弁１１６を変更し、蒸気タービン１０２の第１のセクション１１０への蒸気流を許容することができる。方法４００は、物理的パラメータの許容範囲に基づいて第１の弁１１６を変更することができる。

ステップ４６０において、方法４００は、蒸気タービン１０２の第２のセクション１１２の少なくとも１つに関する物理的パラメータの許容範囲を決定することができる。物理的パラメータは、特に限定されないが、運転上の制約条件及び／又は物理的制約条件を含むことができる。これらの制約条件は、特に限定されないが、軸方向スラスト、ロータ応力、蒸気温度、蒸気圧力、ＨＰセクション排気ウィンデージ限界を含むことができる。次いで、方法４００は、物理的パラメータの許容範囲に基づいて第２の弁１１８の弁ストロークの範囲を生成することができる。

ステップ４７０において、方法４００は、第２の弁１１８を変更し、蒸気タービン１０２の第２のセクション１１２への蒸気流を許容することができる。方法４００は、物理的パラメータの許容範囲に基づいて第２の弁１１８を変更することができる。

本発明の実施形態は、ＡＴＯＳ２１４を境界付ける物理的パラメータの変化をリアルタイムで決定することができる。従って、ステップ４５０及び４７０が完了した後、方法４００は、ステップ４１０に戻ることができる。

図５は、ＩＰセクション流とＨＰセクション流との関係及びＲＨ圧力とＨＰセクション流との関係を示すグラフ５００であり、本発明の一実施形態によるＡＴＯＳ２１４内で蒸気タービン１０２の作動性を高める方法を例示する。

本質的に、図５は、図４の方法を適用した起こり得る結果を示している。上記で検討したように、本発明の実施形態は、シャットダウンフェーズにおける不均衡流手法を提供する。この手法は、現在のＡＴＯＳ２１４に基づいて各セクション１１０、１１２に対する許容な蒸気流を決定する。

図３と同様に、Ｘ軸はＨＰセクション１１０を流れる蒸気流を示す。左側Ｙ軸はＩＰセクション１１２を流れる蒸気流を示し、右側Ｙ軸は再熱圧力を示す。直線２０２は、図２で検討したように自然圧力線を示す。本発明の一実施形態では、伝達関数、アルゴリズムなどは、決定されたＡＴＯＳ２１４に基づいてＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２に関する物理的パラメータの現作動範囲を決定することができる。上記で検討したように、線１−２、３−４及び５−６は、所与の作動条件下でのＡＴＯＳ２１４を定めることができる境界である。これらの線は本質的に動的である。本発明の実施形態は、ＡＴＯＳ２１４をリアルタイムで決定し、運転の柔軟性を拡大することができる。実際的には、各ＡＴＯＳ境界は、特定の蒸気タービン１０２のＡＴＯＳ２１４を定める物理的パラメータとみなすことができる。

使用時には、本発明の実施形態は、複数段を含むことができる蒸気タービン１０２に対し新規のシャットダウンフェーズ方法を提供する。本発明の一実施形態では、各段は、少なくとも部分的には、現在のＡＴＯＳ境界に基づくことができる。

上記で検討したように、図５に関して検討し図示した数値域は、非限定的な実施例を例示するためのものにすぎない。各ＡＴＯＳ境界は、固定又は限定の境界とみなすべきではない。ＡＴＯＳ２１４及びその関連境界は、変動する動的な作動環境とみなすべきであり、この環境は、一部には、各蒸気タービン１０２の構成、運転フェーズ、境界条件、及び機械的部品並びに設計によって決定される。従って、ＡＴＯＳ２１４及びその境界の方向、大きさ、形状、及びサイズは、以下で検討するように、非限定的な実施例の例示にすぎない。図５には図示していない、ＡＴＯＳ２１４及びその境界の他の方向、形状、大きさ、及びサイズは、本発明の実施形態の性質及び範囲の外にあるものではない。

以下では、シャットダウンフェーズ中に使用する際の本発明の一実施形態の非限定的な実施例を説明する。本発明の一実施形態では、蒸気タービン１０２のシャットダウンプロセスは、点ＡからＤとして５に示すような複数の段階を含むことができる。

点Ａにおいて、蒸気タービン１０２は、ベース負荷で作動することができる。ここで、ＨＰ及びＩＰセクション１１０、１１２を流れる蒸気流は、実質的に等しいとすることができる。上記で検討したように、蒸気がＨＰ及びＩＰセクション１１０、１１２を通って流れたとしても、ＲＨ圧力は、同じ割合では減少しない場合がある。例えば、特に限定されないが、ＲＨ圧力の大きさは、図５に矢印で示すように、シャットダウンフェーズ全体を通じて実質的に一定のままになることができる。点ＡとＢとの間では、ＨＰ及びＩＰセクション１１０、１１２間の蒸気流は、中間点に達するまではほぼ等しい割合で減少することができる。図５に示すように、ＨＰ及びＩＰセクション１１０、１１２に流入する蒸気流は、ほぼ６８％まで減少する可能性がある。

点Ｂでは、分割流方式が、有意に異なる割合でＨＰ及びＩＰセクション１１０、１１２に流入する蒸気流を低減することができる。ＡＴＯＳ２１４に関連する１以上の物理的パラメータを用いて、ＨＰ及びＩＰセクション１１０、１１２に流入する蒸気流の許容範囲を決定することができる。ここで、ＲＨ圧力は、シャットダウンフェーズ中は望ましくない高い圧力のままであり、従って、点ＢにおけるＸ軸上の値に等しい値であるＨＰセクション流を必要とする。

点Ｂから点Ｃでは、ＩＰセクション１１２に流入する蒸気流は、有意に低下することができるが、ＨＰセクション１１０に流入する蒸気流は実質的に一定のままである。ここで、これらのセクション１１０、１１２に流入する蒸気流の大きさは、１以上の物理的パラメータによって制約される場合がある。本発明の実施形態は、ＨＰセクション蒸気流が低減又は存在しないときにＩＰ方向のスラスト軸受の過負荷を阻止することができる。本発明の他の実施形態は、ＩＰセクション蒸気流が低減又は存在しないときにＨＰ方向のスラスト軸受の過負荷を阻止することができる。

点Ｃでは、ＨＰセクション１１０に流入する蒸気流は、最小所要値に維持することができる。これは、高いＲＨ圧力と関連付けることができる、高いＨＰセクション排気温度を阻止することができる。図５に示すように、点Ｃにおいて、ＨＰセクション１１０に流入する蒸気流は、ほぼ６８％とすることができ、他方、ＩＰセクション１１２に流入する蒸気流は、直線５−６付近のレベルまで、およそ２０％に低減することができる。

点Ｄでは、ＨＰセクション１１０に流入する蒸気流は、実質的に停止することができる。ここで、ＩＰセクション１１２に流入する蒸気流は、実質的に一定のままになることができるので、制御弁１１６は閉鎖することができる。

点Ｅでは、ＩＰセクション１１２に流入する蒸気流は、実質的に停止することができる。ここで、インタセプト弁１１８は閉鎖することができる。点Ｅは、シャットダウンフェーズの終了を示している。

本発明の実施形態は、物理的パラメータ及びＡＴＯＳ２１４のリアルタイムの決定を利用して記載している。各セクションに流入できる蒸気の許容な量を決定することで、スラスト軸受の過負荷が阻止され、また、高いＨＰセクション排気温度に対して保護することができる。

本明細書では特定の実施形態を図示し且つ説明してきたが、図示した特定の実施形態は、同一の目的を達成するために考えられるあらゆる構成と置き換えることができること、また本発明は他の環境でのその他の用途も有することを理解されたい。本出願は、本発明のあらゆる改造及び変更を保護することを意図している。提出した特許請求の範囲は、本発明の技術的範囲を本明細書に記載した特定の実施形態に限定することを一切意図するものではない。

１００ 施設
１０２ ターボ機械、蒸気タービン
１０４ 再熱ユニット
１０６ 制御システム
１０８ 発電器
１１０ ＨＰタービンセクション、第１のセクション
１１２ ＩＰタービンセクション、第２のセクション
１１５ ロータ
１１４ ＬＰタービンセクション、第３のセクション
１１６ 制御弁、第１の弁
１１８ インタセプト弁、第２の弁
１２０ カスケード接続バイパスシステム
２００ グラフ
２０２ 自然圧力ライン
２１４ ＡＴＯＳ
３００ グラフ
３０４， ３０６， ３０８ 領域
４００ 方法
５００ グラフ
５０４， ５０６， ５０８ 領域

Claims (10)

1. ターボ機械（１０２）のシャットダウンフェーズ中の蒸気流を低減する方法（４００）であって、
   （ａ）少なくとも第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）と、第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）内に部分的に配置されたロータ（１１５）とを備えるターボ機械（１０２）を準備する段階と、
   （ｂ）第１のセクション（１１０）への蒸気流を制御するように構成された第１の弁（１１６）と、第２のセクション（１１２）への蒸気流を制御するように構成された第２の弁（１１８）とを設ける段階と、
   （ｃ）前記ターボ機械（１０２）への負荷が低下するときに始まるシャットダウンフェーズであって、各セクション（１１０，１１２）への蒸気流が徐々に停止して前記ロータ（１１５）がターニングギア速度まで減速するシャットダウンフェーズで前記ターボ機械（１０２）が作動しているか否かを判定する段階（４２０）と、
   （ｄ）前記ターボ機械（１０２）の各セクション（１１０，１１２）の運転限界を近似した許容タービン運転領域（ＡＴＯＳ）（２１４）であって、各セクション（１１０，１１２）を流れる蒸気流、各セクション（１１０，１１２）のスラスト限界、及び排気ウィンデージ限界の少なくとも１つからのデータが組み込まれたＡＴＯＳ（２１４）を決定する段階（４３０）と、
   （ｅ）前記シャットダウンフェーズに関する物理的パラメータのＡＴＯＳ（２１４）内での許容範囲を決定する段階と、
   （ｆ）第１のセクション（１１０）に流入する蒸気流を低減するため第１の弁（１１６）を調節する段階であって、該調節が前記物理的パラメータの許容範囲によって部分的に制限される段階と、
   （ｇ）第２のセクション（１１２）に流入する蒸気流を低減するため第２の弁（１１８）を調節する段階であって、該調節が前記物理的パラメータの許容範囲によって部分的に制限される段階と
   を含んでおり、前記ＡＴＯＳ（２１４）が、第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）の運転限界をリアルタイムで拡張し、前記シャットダウンフェーズ中のターボ機械（１０２）の第１のセクション（１１０）と第２のセクション（１１２）との間の不均衡蒸気流を許容する、方法。
2. 前記ターボ機械（１０２）が蒸気タービン（１０２）を含む、請求項１記載の方法（４００）。
3. 前記蒸気タービン（１０２）が、カスケード蒸気バイパスシステム（１２０）と一体化された向流タービンを含む、請求項２記載の方法（４００）。
4. 前記物理的パラメータが、軸方向スラスト、ロータ応力、蒸気温度、蒸気圧力、又は排気ウィンデージ限界の少なくとも１つを含む、請求項３記載の方法（４００）。
5. 前記物理的パラメータの値が、第１のセクション（１１０）又は第２のセクション（１１２）の少なくとも１つへの蒸気流を独立して制御するように構成された伝達関数アルゴリズムによって決定される、請求項４記載の方法（４００）。
6. 前記伝達関数アルゴリズムがＡＴＯＳ（２１４）に基づいて蒸気流を制限する、請求項５記載の方法（４００）。
7. 前記伝達関数アルゴリズムが、前記シャットダウンプロセス中に前記蒸気タービン（１０２）の運転領域を決定し、該運転領域が、前記ＨＰセクション（１１０）及び前記ＩＰセクション（１１２）の現作動範囲を決定する、請求項６記載の方法（４００）。
8. 前記ＨＰセクション（１１０）及び前記ＩＰセクション（１１２）の現作動範囲に基づいて第１の弁（１１６）及び第２の弁（１１８）の所望のストロークを調整する段階をさらに含む、請求項７記載の方法（４００）。
9. 前記シャットダウンプロセスが複数のステージを含み、各ステージが現作動範囲によって部分的に決定される、請求項８記載の方法（４００）。
10. 前記複数のステージが、
    前記蒸気タービン（１０２）の初期シャットダウンを含み、全蒸気流が前記ＨＰセクション（１１０）とＩＰセクション（１１２）との間で実質的に均衡している、シャットダウン開始からステージＡまでと、
    前記ＨＰセクション（１１０）及び前記ＩＰセクション（１１２）に流入する蒸気流が低減され、蒸気流が前記ＨＰセクション（１１０）とＩＰセクション（１１２）との間で均衡しる、ステージＡからステージＢと、
    前記ＨＰセクション（１１０）に流入する蒸気流がほぼ一定の割合に維持され、前記ＩＰセクション（１１２）に流入する蒸気流が、前記ＩＰセクション（１１２）の現作動範囲まで減少される、ステージＢからステージＣと、
    前記ＨＰセクション（１１０）に流入する蒸気流が停止し、前記ＩＰセクション（１１２）に流入する蒸気流が、ほぼ一定の割合に維持される、ステージＣからステージＤと、
    前記ＩＰセクション（１１２）に流入する蒸気流が停止する、ステージＤからシャットダウンの完了までと
    を含む、請求項９記載の方法（４００）。