JP6245738B2

JP6245738B2 - 蒸気タービンの起動制御装置及び起動方法

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Publication number: JP6245738B2
Application number: JP2013229571A
Authority: JP
Inventors: 矢敷　達朗; 達朗矢敷; 幸徳片桐; 吉田　卓弥; 卓弥吉田; 川田　みゆき; みゆき川田; 泰浩吉田; 恩敬金; 野村　健一郎; 健一郎野村; 和典山中; 文之鈴木; 典宏弥永
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: JP2015090091A; CN104612762A; US20150121872A1; US9863283B2; CN104612762B; EP2871334B1; EP2871334A1

Description

本発明は、蒸気タービンの起動制御装置及び起動方法に関する。

風力発電や太陽光発電に代表される再生可能エネルギーを用いた発電プラントでは再生可能エネルギーから得られる発電量が季節、天候等により大きく変動する。そのため、蒸気タービンを備えたこの種の発電プラントには発電量の変動を抑制し発電プラントを安定化させるべく起動時間の更なる短縮が求められている。

発電プラントの起動時では、蒸気タービンに流入する蒸気の温度や流量が急激に上昇するためタービンロータの表面が内部に比較して急激に昇温する。その結果、タービンロータの半径方向の温度勾配が大きくなりタービンロータの熱応力が増大する。過大な熱応力はタービンロータの寿命を縮め得るため、増大した熱応力が予め設定された制限値を超えないように起動制御を行う必要がある。

この種の起動制御方法として、現時刻から未来に亘る一定期間の熱応力を予測計算し、熱応力を制限値内に抑えるようにプラント操作量を決定することにより、蒸気タービンを高速起動するものがある（特許文献１等を参照）。

特開２００９−２８１２４８号公報

蒸気タービンの起動停止サイクルの過程でタービンロータに発生する熱応力により、タービンロータには低サイクル熱疲労が蓄積される。蓄積した低サイクル疲労がタービンロータ材料の限界値を超えると、タービンロータにクラックが生じる可能性があり、タービンロータ等を交換するといった処置をする必要がある。各起動停止サイクルの過程でタービンロータに蓄積される低サイクル熱疲労は、熱応力によるタービンロータ寿命の減少分、すなわち、寿命消費量と定義することができる。この寿命消費量は低サイクル熱疲労によってタービンロータにクラックが発生する時を１００％としている。

制限値は一般的に上述した寿命消費量に基づき決定される。すなわち、制限値は、蒸気タービンの各起動モードに対して、一回の起動によるタービンロータの寿命消費量が寿命消費量計画値を超えないように決定される。しかしながら、運用計画時とプラント運転時とでは各起動モードの一年間の起動回数や一回の起動によるタービンロータの寿命消費量に差異が生じる場合がある。プラント運用計画時に決定された制限値はプラントの運用実績が反映されていないため、このような場合には制限値が過小な値となってプラント起動に時間を要したり、逆に過大な値となって想定以上に寿命消費量が大きくなる場合があり、熱応力を制限値内に保ってプラントを安全かつ高速に起動できない可能性がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、プラントの運用実績を考慮した上で熱応力を制限値内に保ってプラントを安全かつ高速に起動できる蒸気タービンの起動制御装置と起動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、熱源媒体で低温流体を加熱して高温流体を生成する熱源装置と、高温流体により蒸気を発生させる蒸気発生装置と、蒸気で駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンの駆動力を電力に変換する発電機と、プラント負荷を調整する調整装置と、プラント状態量を計測する計測器とを備えた蒸気タービン発電プラントの蒸気タービン起動制御装置であって、計測器の計測値に基づき蒸気タービンのタービンロータ寿命消費量を計算する寿命消費量計算装置と、タービンロータ寿命消費量を記憶する寿命消費量記憶装置と、タービンロータの熱応力制限値を更新するタイミングを決定する熱応力制限値更新タイミング決定装置と、熱応力制限値を更新するタイミングにて、前回の熱応力制限値を更新したタイミング以降のタービンロータ寿命消費量を積算して、タービンロータ寿命消費量積算値を計算する寿命消費量積算値計算装置と、タービンロータ寿命消費量積算値に基づき次回の熱応力制限値を更新するタイミングまでのタービンロータ寿命消費量計画値を設定する寿命消費量計画値設定装置と、タービンロータ寿命消費量計画値に基づき熱応力制限値を計算して更新する熱応力制限値計算装置と、熱応力制限値に基づき熱応力制限値を超えないようにプラント指令値を計算するプラント指令値計算装置とを備える。

本発明によれば、プラントの運用実績を考慮した上で熱応力を制限値内に保ってプラントを安全かつ高速に起動できる。

本発明の第１実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの概略構成図である。本発明の第１実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの寿命消費量計画値設定装置の詳細を表すブロック図である。本発明の第１実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの蒸気タービン起動制御装置における熱応力制限値の更新手順を示したフローチャートである。本発明の第１実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの寿命消費量計画値設定装置で設定される、起動モードごとの次回期間での寿命消費量計画値を設定した例を示した図である。本発明の第２実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの概略構成図である。本発明の第２実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの寿命消費量計画値設定装置のブロック図である。本発明の第２実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの寿命消費量計画値設定装置で設定される、起動モードごとの次回期間での寿命消費量計画値の例を示した図である。本発明の第３実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの概略構成図である。本発明の第３実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの寿命消費量計画値設定装置のブロック図である。本発明の第３実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの寿命消費量計画値設定装置で設定される、起動モードごとの次回期間での寿命消費量計画値の例を示した図である。タービンロータに発生する熱応力とタービンロータの寿命消費量との関係を表した図である。プラント運用計画時における、各起動モード一回の運転あたりの寿命消費量計画値の設定例を示した図である。

＜第１実施形態＞
（構成）
図１は本発明の第１実施形態に係る蒸気タービン発電プラント１００の概略構成図である。なお、本実施形態では、蒸気タービンの各起動モードについて、前回の運転終了後から今回の運転開始までの蒸気タービンの停止時間の長さにより、その時間が短い方からホットスタート、ウォームスタート、コールドスタートと適宜称する。例えば、停止時間Ｔ１未満の起動開始がホットスタート、停止時間Ｔ１以上Ｔ２（＞Ｔ１）未満の起動開始がウォームスタート、Ｔ２以上の起動開始がコールドスタートである（Ｔ１、Ｔ２は設定値）。また、起動開始時の蒸気タービンのメタル温度で起動モードを区分しても良い。また、本実施形態では、蒸気タービンの部品に作用する熱応力に対して安全面や部品の寿命等を考慮して設定した制限値を熱応力制限値と適宜称する。

図１に示すように、蒸気タービン発電プラント１００は熱源装置１、蒸気発生装置２、蒸気タービン３、発電機４、熱源媒体量調整装置１４、主蒸気加減弁１５、及び蒸気タービン起動制御装置２１を備えている。本実施形態では、熱源装置１がガスタービンである場合（つまり蒸気タービン発電プラントがコンバインドサイクル発電プラントである場合）を例に挙げて説明する。

熱源装置１は熱源媒体５（本実施形態ではガス燃料、液体燃料、水素含有燃料等の燃料）に保有される熱量により低温流体６（本実施形態では燃料とともに燃焼される空気）を加熱し高温流体７（本実施形態ではガスタービンを駆動した燃焼ガス）を生成して蒸気発生装置２に供給する。蒸気発生装置２（本実施形態では排熱回収ボイラ）は熱源装置１で生成された高温流体７の保有熱との熱交換により給水を加熱して蒸気８を生成する。蒸気タービン３は蒸気発生装置２で発生した蒸気８によって駆動する。蒸気タービン３には温度計１３が設けられており、蒸気タービン３の初段のケーシング等のメタル温度を計測する。発電機４は蒸気タービン３と同軸に連結され、蒸気タービン３の駆動力を電力に変換する。発電機４の電力は例えば電力系統（不図示）に供給される。

熱源媒体量調整装置１４（本実施形態では燃料調整弁）は熱源装置１に対する熱源媒体５の供給経路に設けられ、熱源装置１に供給される熱源媒体量を調整する。すなわち、熱源媒体量調整装置１４は蒸気タービン発電プラント１００のプラント負荷、ここでは蒸気タービン発電プラント１００に入力されるエネルギー量を調整する調整装置として機能する。また、熱源媒体５の供給経路における熱源媒体量調整装置１４の熱源媒体５の流れ方向の下流側には流量計１１が設けられている。流量計１１は熱源装置１に対する熱源媒体５の供給量を計測する。

主蒸気加減弁１５は蒸気発生装置２と蒸気タービン３とを接続する主蒸気配管に設けられ、蒸気タービン３に供給される蒸気８の流量を調整する。すなわち、主蒸気加減弁１５は蒸気タービン発電プラント１００のプラント負荷、ここでは蒸気タービン３の作動媒体量を調整する調整装置として機能し得る。また、主蒸気配管における主蒸気加減弁１５の蒸気８の流れ方向の下流側（蒸気タービン３側）には圧力計１２が設けられている。圧力計１２は主蒸気配管を流れる蒸気（主流蒸気）８の圧力を計測する。

蒸気タービン起動制御装置２１には蒸気タービン発電プラント１００のプラント状態量、例えば蒸気タービン発電プラント１００の構成要素や作動媒体の温度や圧力、流量等の状態量を示す各種計測値が計測値データ１６として入力される。本実施形態では、流量計１１で計測された熱源媒体５の供給量、圧力計１２で計測された蒸気８の圧力、温度計１３で計測された蒸気タービン３の初段のメタル温度が計測値データ１６として蒸気タービン起動制御装置２１に入力される。なお、タービンロータに生じる熱応力の計算に必要な値は計算方法によって異なり得るので、これら以外の計測値をプラント状態量としてさらに蒸気タービン起動制御装置２１に入力する場合もある。例えば、主蒸気加減弁１５の蒸気８の流れ方向の下流側（蒸気タービン３側）の位置に温度計を設け、主蒸気配管を流れる蒸気８の温度を計測して蒸気タービン起動制御装置２１に入力する場合もある。蒸気タービン起動制御装置２１は、計測値データ１６に基づき蒸気タービン発電プラント１００を制御するための指令値をプラント指令値１７として出力する。本実施形態では、熱源媒体量調整装置１４に対する熱源媒体調整指令値、及び主蒸気加減弁１５に対する主蒸気加減指令値がプラント指令値１７として蒸気タービン起動制御装置２１から出力される。

蒸気タービン起動制御装置２１は、寿命消費量計算装置２２、寿命消費量記憶装置２３、熱応力制限値更新タイミング決定装置２４、寿命消費量積算値計算装置２５、寿命消費量計画値設定装置２６、熱応力制限値計算装置２７、及びプラント指令値計算装置２８等の構成要素を備えている。各構成要素について次に順次説明していく。

寿命消費量計算装置２２は、入力された計測値データ１６に基づき、一回の起動によるタービンロータの寿命消費量（タービンロータ寿命消費量）ＬＣを計算する。ここでは、まず、圧力計１２で計測された主蒸気配管を流れる蒸気８の圧力、温度系１３で計測された蒸気タービン３の第１段メタル温度に基づき、タービンロータへの伝熱計算によりタービンロータの半径方向の温度分布が計算される。次に、タービンロータの線膨張率、ヤング率、ポアソン比等を用いた材料力学計算によってタービンロータの熱応力が計算される。このようにして計算された毎時刻の熱応力に基づき、一回の起動過程におけるタービンロータの熱応力ピーク値σｍａｘが計算される。ここでいう毎時刻の熱応力とは、蒸気タービン起動制御装置２１による演算サイクル毎の熱応力の計算値をいう。ここで、寿命消費量ＬＣは熱応力ピーク値σｍａｘの関数で表すことができる（図１１を参照）。図１１はタービンロータに発生する熱応力とタービンロータの寿命消費量との関係を表した図である。図１１に示すように、タービンロータの寿命消費量は蒸気タービンの起動開始から運転停止までの一サイクルの間に発生する熱応力ピーク値σｍａｘの関数である。蒸気タービン３０に流入する蒸気の温度及び圧力（計測値データ１６）からタービンロータの熱応力を所定の計算周期で計算し、蒸気タービン３０の起動開始から運転停止までの最大値σｍａｘを算出することにより、図１１の関数から一回の起動によるタービンロータの寿命消費量ＬＣを求めることができる。従って、σｍａｘの関数を寿命消費量計算装置２２の記憶領域（不図示）に格納しておけば、当該記憶領域から読み出した関数を基に、熱応力ピーク値σｍａｘより寿命消費量ＬＣを計算することができる。

寿命消費量記憶装置２３は、寿命消費量計算装置２２で計算された一回の起動によるタービンロータの寿命消費量ＬＣをハードディスク等の記憶装置に記憶する。

熱応力制限値更新タイミング決定装置２４は、熱応力制限値を更新するタイミングを決定する。更新するタイミングは、例えば、一定時間運転後の定期点検時である。以降、前々回の熱応力制限値更新タイミングから前回の熱応力制限値更新タイミングまでの期間を前回期間、前回の熱応力制限値更新タイミングから次回の熱応力制限値更新タイミングまでの期間を次回期間と呼ぶ。熱応力制限値更新タイミング決定装置２４には計時するタイマ（不図示）が備えられており、例えば前回の熱応力制限値を更新するタイミングからの経過時間が設定時間に達したら前回期間から次回期間に期間を切り換える。本実施形態では、次回期間の時間間隔は前回期間と同一の時間間隔とする。これら期間は蒸気タービン発電プラント１００の起動開始から運転停止までのサイクルを少なくとも１サイクル含むこととする。

寿命消費量積算値計算装置２５は、熱応力制限値更新タイミング決定装置２４で決定されるタイミングにて、寿命消費量記憶装置２３に記憶されている一回の起動によるタービンロータの寿命消費量ＬＣに基づき前回期間に属する寿命消費量ＬＣを、起動モードごとに、すなわちホットスタート、ウォームスタート、コールドスタートごとに積算し、前回期間でのタービンロータの寿命消費量積算値（タービンロータ寿命消費量積算値）を計算する。

寿命消費量計画値設定装置２６は、前回期間でのタービンロータの寿命消費量積算値に基づき、プラント運用計画時において、各起動モードの一年間の起動回数と、プラント運用年数に対する各起動モードの寿命消費量計画値を想定することにより、各起動モードについて、次回期間での一回の運転あたりの寿命消費量計画値（タービンロータ寿命消費量計画値）ＬＣ０を設定する。寿命消費量計画値設定装置２６の詳細については図２乃至図４を用いて後述する。

熱応力制限値計算装置２７は、次回期間でのタービンロータの寿命消費量計画値ＬＣ０に基づき、各起動モードについて、タービンロータの熱応力制限値を計算し、更新する。熱応力制限値は、各起動モードに対して、一回の起動によるタービンロータの寿命消費量が寿命消費量計画値を超えないように、すなわちＬＣ≦ＬＣ０となるように決定される。具体的には、熱応力制限値は、熱応力−寿命消費量曲線３００（図１１を参照）より、寿命消費量計画値ＬＣ０に対応するσｍａｘ０を求めることにより計算される。

プラント指令値計算装置２８は計測値データ１６に基づきプラント指令値１７を決定し熱源媒体量調整装置１４及び主蒸気加減弁１５に出力する。前述したように、本実施形態ではプラント指令値１７は熱源媒体調整指令値及び主蒸気加減指令値であり、熱源媒体量調整装置１４及び主蒸気加減弁１５の操作量（本実施形態では弁開度）はこの熱源媒体調整指令値及び主蒸気加減指令値に応じて例えばＰＩＤ制御によって調整される。このとき、プラント指令値計算装置２８には低値選択器（不図示）が備えられており、計測値データ１６を基にして計算した指令値と熱応力制限値計算装置２７から入力された熱応力制限値のうち値の小さい方がプラント指令値１７として選択される。従って、タービンロータの熱応力が熱応力制限値計算装置２７で設定された熱応力制限値内に抑えられる。

図２は寿命消費量計画値設定装置２６の詳細を表すブロック図である。

図２に示すように、寿命消費量計画値設定装置２６は寿命消費量偏差計算装置２９及び寿命消費量計画値計算装置３０を備えている。各装置について次に順次説明していく。

寿命消費量偏差計算装置２９は、寿命消費量積算値計算装置２５で計算された、起動モードごとの前回期間でのタービンロータの寿命消費量積算値に基づき起動モードごとの寿命消費量偏差を計算する。寿命消費量偏差は、前回期間の寿命消費量計画値より寿命消費量積算値を差し引くことにより計算される。

寿命消費量計画値計算装置３０は、寿命消費量偏差に基づき起動モードごとの次回期間での寿命消費量計画値を計算する。次回期間での寿命消費量計画値は、前回期間での寿命消費量計画値に寿命消費量偏差を加えることにより計算される。

（動作）
次に、蒸気タービン起動制御装置２１の熱応力制限値の更新手順について図３を参照して説明する。

図３に示すように、寿命消費量計算装置２２に計測データ１６が入力される（Ｓ１０１）。寿命消費量計算装置２２は、入力された計測値データ１６に基づき一回の起動によるタービンロータの寿命消費量ＬＣを計算し（Ｓ１０２）、寿命消費量記憶装置２３に出力する。寿命消費量記憶装置２３は、入力された一回の起動によるタービンロータの寿命消費量ＬＣをハードディスク等の記憶装置に記憶する（Ｓ１０３）。熱応力制限値更新タイミング決定装置２４は、熱応力制限値を更新するタイミングに達したか否かを判断し、熱応力制限値を更新するタイミングに達している場合には寿命消費量積算値計算装置２５に対し信号を出力する（Ｓ１０４）。なお、熱応力制限値を更新するタイミングに達していない場合にはＳ１０１まで戻り、再びＳ１０１−１０３の処理が行われる。寿命消費量積算値計算装置２５は、入力されたタイミングにて、寿命消費量記憶装置２３に記憶されている一回の起動によるタービンロータの寿命消費量ＬＣに基づき前回期間に属する寿命消費量ＬＣを、起動モードごとに積算し、前回期間でのタービンロータの寿命消費量積算値を計算する（Ｓ１０５）。そして、寿命消費量積算値計算装置２５はこれを寿命消費量計画値設定装置２６の寿命消費量偏差計算装置２９に出力する。

寿命消費量偏差計算装置２９は、寿命消費量積算値計算装置２５で計算された、起動モードごとの前回期間でのタービンロータの寿命消費量積算値に基づき起動モードごとの寿命消費量偏差を計算し（Ｓ１０６）、寿命消費量計画値計算装置３０に出力する。寿命消費量計画値計算装置３０は、寿命消費量偏差に基づき起動モードごとの次回期間での寿命消費量計画値を計算し（Ｓ１０７）、熱応力制限値計算装置２７に出力する。

熱応力制限値計算装置２７は、入力された次回期間でのタービンロータの寿命消費量計画値ＬＣ０に基づき、各起動モードに対する、タービンロータの熱応力制限値を計算し、更新する（Ｓ１０８）。そして、熱応力制限値計算装置２７はこれをプラント指令値計算装置２８に出力し、図３に示す手順は終了する（Ｓ１０９）。そして、蒸気タービン発電プラント１００の稼働中、蒸気タービン起動制御装置２１は以上の手順を繰り返し実行する。

プラント指令値計算装置２８は、計測値データ１６を基に指令値を計算しつつ、熱応力制限値計算装置２７から入力された熱応力制限値と比較して小さい方の値をプラント指令値１７として熱源媒体量調整装置１４及び主蒸気加減弁１５に出力する。

（効果）
図１２はプラント運用計画時における、各起動モード一回の運転あたりの寿命消費量計画値の一般的な設定例を示した図である。

図１２の例では、ホットスタート、ウォームスタート、コールドスタートの一年間の起動回数をそれぞれ１００回、１５回、２回とし、プラント運用年数３０年に対する各起動モードの寿命消費量計画値をそれぞれ３５％、３５％、５％と想定して、これより各起動モードの寿命消費量計画値ＬＣ０をそれぞれ０．０１２％、０．０７８％、０．０８３％と設定している。そして、各起動モードに対して、一回の起動によるタービンロータの寿命消費量がそれぞれ０．０１２％、０．０７８％、０．０８３％を超えないように、起動制御における熱応力に対する制限値が決定される。このように、プラントの運用実績を考慮することなく計画時に設定した制限値がプラント運用年数（ここでは３０年）を通して採用されるのが通常であった。

図４は寿命消費量計画値設定装置２６で設定される、起動モードごとの次回期間での寿命消費量計画値を設定した例を示した図である。

図４において、２行目は一年間あたりの起動回数５０、３行目は前回期間での積算寿命消費量５１、４行目は前回期間での寿命消費量計画値５２、５行目は前回期間での起動一回あたりの寿命消費量計画値５３、６行目は前回期間での寿命消費量偏差５４、７行目は次回期間での寿命消費量計画値５５、８行目は次回期間での起動一回あたりの寿命消費量計画値５６を示している。また、図４に示す例では、前回期間と次回期間の時間間隔は２年間としている。前回期間での寿命消費量計画値５２より前回期間での積算寿命消費量５１を差し引くことにより、前回期間での寿命消費量偏差５４が得られる。さらに、前回期間での寿命消費量計画値５２に前回期間での寿命消費量偏差５４を加えることにより、次回期間での寿命消費量計画値５５が得られる。また、前回期間での起動一回あたりの寿命消費量計画値５３、次回期間での起動一回あたりの寿命消費量計画値５６は、前回期間での寿命消費量計画値５２、次回期間での寿命消費量計画値５５を、各起動モードに対する２年間の起動回数でそれぞれ割ることにより計算される。

図４に示す例では、ホットスタート、ウォームスタートでは前回期間において寿命消費量計画値より寿命消費量積算値の方が小さいため、寿命消費量偏差は正値となり、次回期間の寿命消費量計画値は前回期間よりも大きくなる。一方、コールドスタートでは前回期間において寿命消費量計画値より寿命消費量積算値の方が大きいため、寿命消費量偏差は負値となり、次回期間の寿命消費量計画値は前回期間よりも小さくなる。前回期間での起動一回あたりの寿命消費量計画値５３と、次回期間での起動一回あたりの寿命消費量計画値５６とを比較すると、ホットスタート、ウォームスタートでは、次回期間の方が大きくなっている。起動一回あたりの寿命消費量計画値が大きくなると、図１１に示す熱応力−寿命消費量曲線３００より、タービンロータの熱応力制限値も大きくなり、プラントをより高速に起動することができる。一方、コールドスタートでは、次回期間の方が小さくなっており、タービンロータの熱応力制限値も小さくなるので、プラントの起動により時間がかかることとなる。しかしながら、コールドスタートにおける寿命消費量を抑えることができる。

上述した通り、本実施形態では運転実績に基づいて得られる寿命消費量積算値が寿命消費量計画値より小さい場合は、その偏差を余裕として今後の寿命消費量計画値に加えることにより、タービンロータの熱応力制限値を大きく設定することができ、プラントをより高速に起動することができる。一方、寿命消費量積算値が寿命消費量計画値より大きい場合は、その偏差を今後の寿命消費量計画値より差し引くことにより、タービンロータの熱応力制限値を小さく設定し、寿命消費量を抑えて起動することができる。その結果、プラントの運用実績を考慮した上で熱応力を制限値内に保ってプラントを安全かつ高速に起動することができる。

＜第２実施形態＞
図５は本実施形態に係る蒸気タービン発電プラント１０１の概略構成図である。図５において、上記第１実施形態と同等の部分については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

（構成）
本実施形態は、起動モードに重み付けをして次回期間での寿命消費量計画値を設定する点で第１実施形態と異なる。具体的には、図５に示すように、蒸気タービン起動制御装置２１が寿命消費量偏差配分比入力装置１００を更に備え、寿命消費量計画値設定装置１２６が、寿命消費量積算値計算装置２５の出力に加えて寿命消費量偏差配分比入力装置１００の出力値を入力としている。以下では、寿命消費量偏差配分比入力装置１００及び寿命消費量計画値設定装置１２６について説明する。

寿命消費量偏差配分比入力装置１００は、各起動モードへの寿命消費量偏差の配分比を格納する。寿命消費量偏差の配分比とは、運用状況等を適宜考慮して操作者が入力設定した値であり、その設定によって各起動モードに割り振られる寿命消費量が変化する。つまり、配分比の設定によって起動モード毎の重み付けをすることができる。

図６は寿命消費量計画値設定装置１２６のブロック図である。図６に示すように、本実施形態に係る寿命消費量計画値設定装置１２６は、寿命消費量偏差計算装置２９、寿命消費量偏差配分値計算装置１００及び寿命消費量偏差配分値計算装置１０１を備えている。本実施形態においては寿命消費量計画値計算装置１３０は、寿命消費量偏差配分値計算装置１０１の出力値を基に起動モード毎の次回期間での寿命消費量計画値を計算する（後述）。

その他の点は第１実施形態と同様である。

（動作）
次に、寿命消費量計画値設定装置１２６の動作について説明する。寿命消費量計画値設定装置１２６以外の処理内容は第１実施形態と同様である。

図６に示すように、寿命消費量計画値設定装置１２６の寿命消費量偏差配分値計算装置１０１は、寿命消費量偏差計算装置２９より出力される前回期間の寿命消費量偏差と、寿命消費量偏差配分比入力装置１００より入力される配分比（タービンロータ寿命消費量偏差配分比）に基づき、各起動モードへの寿命消費量偏差配分値を計算する。そして、寿命消費量偏差配分値計算装置１０１はこの寿命消費量偏差配分値を寿命消費量計画値計算装置１３０に出力する。各起動モードの寿命消費量偏差をLCMG_ｉ、配分比をω_ｉ、寿命消費量偏差配分値をDLC_ｉとすると（ｉ＝１がホットスタート、ｉ＝２がウォームスタート、ｉ＝３がコールドスタートを表す）、寿命消費量偏差配分値DLC_ｉは以下の式により計算される。

ω_T =ω_１＋ω_２＋ω_３・・・（式１６０）
LCMG_T = MAX(LCMG_１,０)＋MAX(LCMG_２,０)＋MAX(LCMG_３,０)・・・（式１６１）
DLC_ｉ= MＩN(LCMG_ｉ,０)＋LCMG_T ×ω_ｉ/ω_T・・・（式１６２）

寿命消費量計画値計算装置１３０は、寿命消費量偏差配分値計算装置１０１から入力された寿命消費量偏差配分値などに基づき、起動モード毎の次回期間での寿命消費量計画値を計算する。そして、寿命消費量計画値計算装置１３０はこの寿命消費量計画値を熱応力制限値計算装置２７に出力する。次回期間での寿命消費量計画値は、前回期間での寿命消費量計画値に寿命消費量偏差配分値を加えることにより計算される。

図７は寿命消費量計画値設定装置１２６で設定される、起動モードごとの次回期間での寿命消費量計画値の例を示した図である。

図７において、７行目は各起動モードへの寿命消費量偏差配分比１５０、８行目は寿命消費量偏差配分値１５１を示している。それ以外は、図４と同様である。寿命消費量偏差配分値１５１は、寿命消費量偏差配分値計算装置１０１によって前回期間での寿命消費量偏差５４と寿命消費量偏差配分比１５０に基づき、式１６０−１６２により計算される。さらに、前回期間での寿命消費量計画値５２に寿命消費量偏差配分値１５１を加えることにより、次回期間での寿命消費量計画値５５が得られる。

図７に示す例では、次回期間のウォームスタートの起動時間を短くするために、ホットスタート、ウォームスタート、コールドスタートに対する偏差配分比を０：１：０とし、前回期間の寿命消費量偏差の全てを次回期間のウォームスタートに割り振っている。その結果、図４に示す例と比較して、ウォームスタートでの次回期間での起動一回あたりの寿命消費量計画値５６は大きくなっている。従って、ウォームスタートでのタービンロータの熱応力制限値も大きくなり、プラントをより高速に起動することができる。一方、ホットスタートでの次回期間での起動一回あたりの寿命消費量計画値５６は図４に示す例と比較して小さくなり、図７に示す例における前回期間での起動一回あたりの寿命消費量計画値５３と同じ値となっている。これにより、ホットスタートでのタービンロータの熱応力制限値は、前回期間と同じ値となり、プラントの起動時間も同じとなる。

（効果）
上記構成により、本実施形態では第１実施形態で得られる各効果に加えて、次の効果が得られる。

本実施形態では、各起動モードに対する偏差配分比を入力し、これを基に計算した偏差配分値に基づき次回期間の寿命消費量計画値を決定している。そのため、起動モードに優先順位をつけて、プラントの運用実績を考慮した上で、熱応力を制限値内に保ってプラントを安全かつ高速に起動することができる。

＜第３実施形態＞
図８は本実施形態に係る蒸気タービン発電プラント１０２の概略構成図である。図８において、上記第２実施形態と同等の部分については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

（構成）
本実施形態は、次回期間での１年間の起動回数を指定して、次回期間での寿命消費量計画値を設定する点で第２実施形態と異なる。具体的には、図８に示すように、蒸気タービン起動制御装置２１は、起動回数入力装置２００を新たに要素として含み、寿命消費量計画値設定装置２２６が、寿命消費量積算値計算装置２５及び寿命消費量偏差配分比入力装置１００の出力値に加えて起動回数入力装置２００の出力値を入力としている。以下では、起動回数入力装置２００及び寿命消費量計画値設定装置２２６について説明する。

起動回数入力装置２００は、次回期間中の１年間当たりの各起動モードの予定起動回数を格納している。これら回数は操作者により入力設定された値である。

図９は寿命消費量計画値設定装置２２６のブロック図である。図９に示すように、寿命消費量計画値設定装置２２６は、寿命消費量偏差計算装置２２９、寿命消費量偏差配分値計算装置２０１、及び寿命消費量計画値計算装置１３０を備えている。寿命消費量偏差計算装置２２９は起動モードごとの寿命消費量偏差を計算する。寿命消費量偏差配分値計算装置２０１は各起動モードへの寿命消費量偏差配分値を計算する。

その他の点は第２実施形態と同様である。

（動作）
次に、寿命消費量計画値設定装置２２６の動作について説明する。寿命消費量計画値設定装置２２６以外の処理内容は第２実施形態と同様である。

寿命消費量偏差計算装置２２９は、寿命消費量積算値計算装置２５で計算された起動モードごとの前回期間でのタービンロータの寿命消費量積算値と、起動回数入力装置２００から入力された各起動モードに対する次回期間での１年間の起動回数とに基づいて、起動モードごとの寿命消費量偏差を計算する。寿命消費量偏差計算装置２２９は、この寿命消費量偏差を寿命消費量偏差配分値計算装置２０１に出力する。前回期間での寿命消費量偏差は、前回期間の寿命消費量計画値より寿命消費量積算値を差し引くことにより計算される。また、次回期間での１年間の起動回数NSC_ｉが、前回期間での１年間の起動回数NSP_ｉより減少することにより生じる寿命消費量偏差LCMGS_ｉは、前回期間での寿命消費量計画値をLC０_ｉとして、以下の式により計算される。

LCMGS_ｉ＝ LC０_ｉ x MAX (NSP_ｉ−NSC_ｉ,０) / NSP_ｉ・・・（式２６０）

寿命消費量偏差配分値計算装置２０１は、寿命消費量偏差計算装置２２９から出力される前回期間の寿命消費量偏差と、寿命消費量偏差配分比入力装置１００より入力される配分比に基づき、各起動モードへの寿命消費量偏差配分値を計算する。配分値DLC_ｉは以下の式により計算される。

LCMGS_T = LCMGS_１＋LCMGS_２＋LCMGS_３・・・（式２６１）
DLC_ｉ= MＩＮ(LCMG_ｉ,０)＋(LCMG_T＋LCMG_T) ×ω_ｉ/ω_T・・・（式２６２）

式２６２において、ω_TとLCMG_Tは、それぞれ式１６０、１６１において計算される要素である。

図１０は寿命消費量計画値設定装置２２６で設定される、起動モードごとの次回期間での寿命消費量計画値の例を示した図である。

図１０において、７行目は次回期間での１年間の起動回数２５０、８行目は起動回数減少により生じる寿命消費量偏差２５２、１０行目は寿命消費量偏差配分値２５１を示している。それ以外は、図７と同様である。

起動回数減少により生じる寿命消費量偏差２５２は、前回期間での１年間の起動回数５０、次回期間での１年間の起動回数２５０、前回期間での寿命消費量計画値５２に基づき、式２６０により計算される。また、寿命消費量偏差配分値２５１は、前回期間での寿命消費量偏差５４、起動回数減少による寿命消費量偏差２５２、寿命消費量偏差配分比１５０に基づき、式１６０、１６１、２６１、２６２より計算される。さらに、前回期間での寿命消費量計画値５２に寿命消費量偏差配分値２５１を加えることにより、次回期間での寿命消費量計画値５５が得られる。

図１０に示す例では、１年間の起動回数が、ホットスタートでは１００回から８０回に変更され、ウォームスタートでは１５回から３０回に変更されている。ウォームスタートでは、起動回数が増えることにより起動一回あたりの寿命消費量は減少するが、前回期間の寿命消費量偏差と、ホットスタートの起動回数が減少することにより生じる寿命消費量偏差とが次回期間のウォームスタートに割り振られる。その結果、図７に示す例と比較して、ウォームスタートでの次回期間での起動一回あたりの寿命消費量計画値５６は更に大きくなる。従って、ウォームスタートでのタービンロータの熱応力制限値も大きくなり、プラントをより高速に起動することができる。

（効果）
上記構成により、本実施形態では前述した各実施形態で得られる各効果に加えて、次の効果が得られる。

本実施形態では１年間の起動回数を変更したことにより生じる寿命消費量偏差を次回期間での寿命消費量計画値に反映している。従って、次回期間での１年間の起動回数を指定し、かつ、起動モードに優先順位をつけて、プラントの運用実績を考慮した上で、熱応力を制限値内に保ってプラントを安全かつ高速に起動することができる。

＜その他＞
本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除及び置換をすることも可能である。

各実施形態において、熱応力制限値更新タイミング決定装置２４が熱応力制限値を更新するタイミングを一定時間運転後の定期点検時として説明した。しかしながら、本発明の本質的効果はプラントの運用実績を考慮した上で熱応力を制限値内に保ってプラントを安全かつ高速に起動することであり、この本質的効果を得る限りにおいては熱応力制限値を更新するタイミングは必ずしも限定されない。例えば、熱応力制限値を更新するタイミングを前回の熱応力制限値更新タイミングからのタービンロータの寿命消費量の積算値が予め設定した値を超えた場合としてもよい。また、熱応力制限値を更新するタイミングを一定時間運転後の定期点検時、及び前回の熱応力制限値更新タイミングからのタービンロータの寿命消費量の積算値が予め設定した値を超えた場合としても良い。

また、各実施形態において、本発明をコンバインドサイクル発電プラントに適用した場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明はコンバインドサイクル発電プラントに限らず、例えば汽力発電プラントや太陽熱発電プラントに代表される蒸気タービンを包含する発電プラントの全てに本発明は適用可能であり、プラントの起動手順はコンバインドサイクル発電プラントに適用した場合と同様である。

本発明を汽力発電プラントに適用した場合、例えば熱源媒体５には石炭や天然ガス、低温流体には空気や酸素、熱源媒体調整装置１４には燃料調整弁、熱源装置１にはボイラ中の火炉、高温流体には燃焼ガス、蒸気発生装置２にはボイラ中の伝熱部（蒸気発生部）を採用することができる。

本発明を太陽熱発電プラントに適用した場合、例えば熱源媒体５には太陽光、熱源媒体調整装置１４には集熱パネルの駆動装置、熱源装置１には集熱パネル、低温流体及び高温流体には油や高温溶媒塩等の太陽熱エネルギーを変換して保有する媒体を採用することができる。

１熱源装置
２蒸気発生装置
３蒸気タービン
４発電機
１４、１５調整装置
１１、１２計測器
２２寿命消費量計算装置
２３寿命消費量記憶装置
２４熱応力制限値更新タイミング決定装置
２５寿命消費量積算値計算装置
２６寿命消費量計画値設定装置
２７熱応力制限値計算装置
２８プラント指令値計算装置
１００、１０１、１０２蒸気タービン発電プラント

Claims

熱源媒体で低温流体を加熱して高温流体を生成する熱源装置と、
前記高温流体により蒸気を発生させる蒸気発生装置と、
前記蒸気で駆動する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンの駆動力を電力に変換する発電機と、
プラント負荷を調整する調整装置と、
プラント状態量を計測する計測器とを備えた蒸気タービン発電プラントの蒸気タービン起動制御装置であって、
前記計測器の計測値に基づき前記蒸気タービンのタービンロータ寿命消費量を計算する寿命消費量計算装置と、
前記タービンロータ寿命消費量を記憶する寿命消費量記憶装置と、
前記タービンロータの熱応力制限値を更新するタイミングを決定する熱応力制限値更新タイミング決定装置と、
前記熱応力制限値を更新するタイミングにて、前回の熱応力制限値を更新したタイミング以降の前記タービンロータ寿命消費量を積算して、タービンロータ寿命消費量積算値を計算する寿命消費量積算値計算装置と、
前記タービンロータ寿命消費量積算値に基づき次回の熱応力制限値を更新するタイミングまでのタービンロータ寿命消費量計画値を設定する寿命消費量計画値設定装置と、
前記タービンロータ寿命消費量計画値に基づき前記熱応力制限値を計算して更新する熱応力制限値計算装置と、
前記熱応力制限値に基づき前記熱応力制限値を超えないようにプラント指令値を計算するプラント指令値計算装置とを備えたことを特徴とする蒸気タービン起動制御装置。
請求項１に記載の蒸気タービン起動制御装置において、
前々回の熱応力制限値を更新したタイミングから前回の熱応力制限値を更新したタイミングまでの期間における前記タービンロータ寿命消費量積算値と前記タービンロータ寿命消費量計画値との偏差についての前記蒸気タービンの各起動モードに対する配分比であるタービンロータ寿命消費量偏差配分比を入力する寿命消費量偏差配分比入力装置を更に備え、
前記寿命消費量計画値設定装置は、前記タービンロータ寿命消費量偏差配分比、及び前記タービンロータ寿命消費量積算値に基づき、次回の熱応力制限値を更新するタイミングまでのタービンロータ寿命消費量計画値を設定することを特徴とする蒸気タービン起動制御装置。
請求項２に記載の蒸気タービン起動制御装置において、
各起動モードの予定起動回数を入力する起動回数入力装置を更に備え、
前記寿命消費量計画値設定装置は、前記予定起動回数、前記タービンロータ寿命消費量偏差配分比、及び前記タービンロータ寿命消費量積算値に基づき、次回の熱応力制限値を更新するタイミングまでのタービンロータ寿命消費量計画値を設定することを特徴とする蒸気タービン起動制御装置。
熱源媒体で低温流体を加熱して高温流体を生成する熱源装置と、
前記高温流体により蒸気を発生させる蒸気発生装置と、
前記蒸気で駆動する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンの駆動力を電力に変換する発電機と、
プラント負荷を調整する調整装置と、
プラント状態量を計測する計測器とを備えた蒸気タービン発電プラントの起動方法であって、
前記計測器の計測値に基づき前記蒸気タービンのタービンロータ寿命消費量を計算し、
前記タービンロータ寿命消費量を記憶し、
前記タービンロータの熱応力制限値を更新するタイミングを決定し、
前記熱応力制限値を更新するタイミングにて、前回の熱応力制限値を更新したタイミング以降のタービンロータ寿命消費量を積算して、タービンロータ寿命消費量積算値を計算し、
前記タービンロータ寿命消費量積算値に基づき次回の熱応力制限値を更新するタイミングまでのタービンロータ寿命消費量計画値を設定し、
前記タービンロータ寿命消費量計画値を基に前記熱応力制限値を計算して更新し、
前記熱応力制限値に基づき前記熱応力制限値を超えないようにプラント指令値を計算することを特徴とする蒸気タービン発電プラントの起動方法。
請求項４に記載の蒸気タービン発電プラントの起動方法において、
前々回の熱応力制限値を更新したタイミングから前回の熱応力制限値を更新したタイミングまでの期間における前記タービンロータ寿命消費量積算値と前記タービンロータ寿命消費量計画値との偏差についての前記タービンロータの各起動モードに対する配分比であるタービンロータ寿命消費量偏差配分比を入力し、
次回の熱応力制限値を更新するタイミングまでのタービンロータ寿命消費量計画値を前記タービンロータ寿命消費量偏差配分比、及び前記タービンロータ寿命消費量積算値に基づき設定することを特徴とする蒸気タービン発電プラントの起動方法。
請求項５に記載の蒸気タービン発電プラントの起動方法において、
各起動モードの予定起動回数を入力し、
次回の熱応力制限値を更新するタイミングまでの前記タービンロータ寿命消費量計画値を前記予定起動回数、前記タービンロータ寿命消費量偏差配分比、及び前記タービンロータ寿命消費量積算値に基づき設定することを特徴とする蒸気タービン発電プラントの起動方法。