JPH01127805A - ボイラおよびタービンプラントの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はボイラおよびタービンプラントの制御装置に係
り、特にタービン入口蒸気温度を適正値に保ち負荷変化
を円滑に行なうことができるボイラおよびタービンプラ
ントの制御袋・置に関する。

〔従来の技術〕

第５図は、従来技術によるボイラ制御装置の一例を示す
、以下、装置の動作を概説する。

ボイラ給水はポンプ５１から吐出され、流調弁５２を経
て蒸発器５４で蒸気となる。蒸気はさらに過熱器５６を
経て過熱された後、その流量を調節する加減弁５９を経
て、蒸気供給先のタービン６０へ流入する。タービン６
０は回転軸を発電機６２に結ばれており、加減弁５９は
発電機６０の出力を制御するよう駆動される。ボイラが
供給する蒸気の温度および圧力は、いわゆる蒸気条件と
して一般に過熱器５６出口の値で規定され、当該圧力は
弁５２による給水流量操作、当該温度は弁６７によるバ
ーナ６９への燃料供給量操作でそれぞれ制御される。さ
らに、バーナ６９への燃料量による蒸気温度制御は応答
が遅いため、過熱器減温器５５により定常的に注水を行
ない、過渡的な蒸気温度変動には、弁６４により当該注
水量を操作して対処する。

以上に述べたボイラ装置に通用する従来技術の制御装置
の構成は第５図に示すとおりであって、その目的は前述
のボイラ蒸気条件を規定値に維持しつつ、負荷指令１に
従って発電機６２により所定出力を発電させることであ
る。

負荷指令信号１は変化率制限器２により信号３で設定さ
れる変化率以内に抑えられる。すなわち信号１が急激に
変化しても、信号３が例えば３％／分を与えれば、３％
／分の勾配で信号４は、信号１の変化後の値に向けて変
化し、また、信号３が０％／分の設定であれば、信号４
は現在値を維持する。したがって信号４は、発電設備と
しての追従可能性を考慮した負荷指令であり、タービン
加減弁駆動信号８は比例・積分動作により、発電量検出
器６３による実測信号５を、信号４と一致させるように
補正されながら出力される。

ボイラへの給水は負荷指令４に対応し関数要素９で基本
値を与え、給水量と弁５９による蒸気抜出量のバランス
は、ただちに蒸気圧力検出器５８による信号ｌＯに反映
するため、主蒸気圧力設定信号１２との偏差を比例・積
分要素１４に通して得た負荷水比補正信号１５を加えボ
イラ入力指令信号１７を得る。信号１７はボイラの総給
水量指令値に相当するため、ボイラ給水量検出器５３、
過熱器注水量検出器６５より得た信号を加えボイラ総給
水量信号２１を得た後、信号１７との偏差を比例・積分
要素２３に通した給水流調弁駆動信号２４で弁５２を操
作する。これは、弁６４は後述するように蒸気温度制御
の目的で制御され、信号１７による指令とは無関係に動
くため、過熱器注水管７０の通過流量変動分も合わせて
弁５２操作で吸収するためである。

ボイラへの燃料投入量はボイラ総給水量に対応する信号
１７に対応して関数要素２５で基本値を与え、燃料と給
水のアンバランスは蒸気温度検出器５７による信号２６
に反映するため、主蒸気温度設定信号２８との偏差を比
例・積分要素３１に通して得た水燃比補正信号４７を加
え合わせて燃料指令信号３３とする。燃料流調弁駆動信
号３７は比例・積分動作で、検出器６８で実測した燃料
供給量信号３４を信号３３と一致させるように補正され
ながら出力される。また、過熱器注水弁駆動信号４２は
前述のように、応答の遅い燃料量による蒸気温度制御を
補完するために、定常的な注水量を与える関数要素３８
の出力を温度偏差３０の比例動作で得た過熱器性水比補
正信号４０を加えた過熱器注水弁駆動信号４２で操作さ
れる。

タービン熱応力監視装置４４（例えば天日、外：ロータ
熱応力によるタービン自動制御装置：火力原子力発電Ｖ
ｏＪ２９　　階５ｐｐ４３７〜４８２、昭５５−６）は
直接状態量を計測できないタービンロータについて、検
出器６１で得るロータ周辺の蒸気温度信号４３を用い、
熱伝達特性からロータ表面温度を、また、この表面温度
に基づき熱伝導特性からロータ内温度分布を算出し、こ
れにより熱応力値信号４５を出力する。信号４５が規定
値を超えると関数要素４６は変化率制限信号３を０とし
、第５図の設備はいわゆる負荷定値制御の状態となる。

以上に述べた従来技術は貫流ボイラ（第５図の下段に示
した系統が典型的）の制御系統として定着しており、ペ
ンソンボイラのＭ流運転時にも同一の回路で対応できる
。ドラムボイラおよびペンソンボイラの再循環運転時の
制御回路は第５図のものと多少異なるが、少な（ともタ
ービン加減弁５９および過熱器注水弁６４に関する制御
法は第５図と同一であり、以下の議論は同様に適用でき
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述したように第５図の設備の負荷制御は弁５９による
蒸気抜出量調節によって実施するが、その陳弁５９によ
って圧力降下と温度降下が生じる。

前者の圧力降下自体はタービン６０へ流入する蒸気量を
調節するために必然的に生じるもので、それ自体問題な
いが、副次的に生じる蒸気温度降下は以下述べる理由で
タービン６０に熱応力を発生させる原因になり問題であ
る。

蒸気温度降下は弁５９出入口で蒸気の持つエンタルピ（
含熱量）はほとんど変化しなくても、圧力が変われば温
度が変化することによる。言い換えれば圧力降下に伴っ
て蒸気が膨張する際、蒸気の行なった仕事分だけ内部エ
ネルギーが低下して温度が下がると考えればよい。しか
しながら温度の降下幅は弁５９の絞り込みが大きい領域
では１００℃程度に達する場合があり、これは機械学会
発行の蒸気表等で、等エンタルピで圧力降下した場合を
参照すれば容易に確かめることができる。

第５図の制御回路において、過熱器５６出ロ蒸気温度、
圧力はいわゆる蒸気条件として制御され、従来技術にお
いて、５％／分程度の高負荷変化率下で、蒸気温度偏差
±５℃程度を実現することは困難ではない。しかしなが
ら負荷変化に伴う弁５９の開度変化により、弁５９通過
後のタービン６０人口の蒸気温度は軽く数十℃のオーダ
ーで変動し、タービンロータに深刻な熱応力を発生させ
るのである。

タービン熱応力監視装Ｍ４４は、上述の観点からタービ
ンロータの信頼性を確保するために設置されているが、
負荷変化中しばしば熱応力値４５が大となり、加減弁５
９の開度変化を抑えるため、要素４６および２による負
荷変化率制限または負荷定値機能が作動し、負荷変化の
ための所要時間が延長され、発電設備の運用性能が阻害
される問題があった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、
タービンの熱応力値で開整した負荷指令信号とプラント
の実測出力信号との偏差信号に基づきタービン入口加減
弁を駆動する装置と、ボイラ給水量に過熱器注水量を加
算した値とボイラ入力指令値との偏差信号に基づきボイ
ラ給水流ｆｆ１ｆｌｌ整弁を駆動する装置と、主蒸気温
度設定信号と主蒸気温度測定値との偏差信号により補正
された燃料指令信号と実測燃料量とにより燃料流量調整
弁を駆動する装置と、主蒸気温度設定信号と主蒸気温度
測定値との偏差に基づき過熱器注水弁を駆動する装置と
を備えたボイラおよびタービンプラントの制御装置にお
いて、タービン入口、加減弁の開度と同弁入口の蒸気温
度および蒸気圧力に基づき前記加減弁通過時の蒸気温度
降下量を算出する装置と、同装置の算出値に基づき前記
主蒸気温度設定信号を補正する装置とを設けたことを特
徴とするボイラおよびタービンプラントの制御装置であ
る。

〔作用〕

一般に弁による圧力損失は弁開度によって決まるＣＶ値
と通過流体の流量および物性値（比容積、粘性係数等）
により決定される。タービン加減弁５９の場合、通過流
量に関しては後流側のタービン６０と一体に扱えるが、
この種のプラントの設計条件では弁５９人口圧力とター
ビン６０排気圧力の差は充分に大きく、いわゆる臨界差
圧条件を超えており、かかる通過流量はタービン６０の
排気条件によらず弁５９の開度および入口蒸気圧力、物
性値（ことに比容積）により支配される。

ここで蒸気物性値は、蒸気温度、圧力により一意に決ま
る（例えば機械学会発行蒸気表を参照すれば求められる
）ことに着目すれば、上述の関係により、弁５９通過流
量は蒸気温度、圧力弁開度（蒸気の通過断面積）の関数
であり、同様に弁５９の圧力損失および弁５９出口圧力
もまた、この三者の関数となる。

弁５９およびタービン６０へ到る管路の熱容量により若
干の遅れは伴うが、タービン６０入口蒸気温度は弁５９
人口蒸気と等エンタルピ（等含熱量）で、弁５９出口圧
力に対応する温度値となる。

この場合も蒸気温度、圧力、エンタルピの相互関係は蒸
気表等により容易に求めることができ、結局、タービン
６０人口蒸気温度も同様に弁５９開度、弁入口蒸気圧力
、温度の関数となる。さらに、良好に蒸気条件を制御さ
れたボイラ装置では、弁５９人口蒸気圧力は定数とみな
せる場合もあり、その際は少なくとも弁５９開度と弁５
９人口蒸気温度をを取り込めればタービン６０入口蒸気
温度が求められる。

以上の方法は単に、タービン６０人口蒸気温度を直接測
定する必要がないということに加え、タービン６０人口
温度を例えば熱電対で計測した場合のような、検出端（
サーモウェル等を含む）の熱容量により本質的に検出遅
れを伴う問題が回避できるし、前述の弁５９およびター
ビン６ｏへ到る管路の熱容量による遅れの影響も含めて
、当該温度が収束する値をただちに知ることができる長
所がある。

本発明では、かかるタービン５９人口蒸気温度推定値の
変動を抑制するように蒸気温度制御を行なうが、制御技
術上、種々の遅れの影響を受けた直接測定値よりも、対
象の収束値を予め知って制御する手法（予見制御）が非
常に有効であることは明らかである。

〔実施例〕

第１図は、本発明の実施例を示すボイラ制御装置の制御
系統図である。図において、第５図に示した制御対象た
る発電設備および従来技術に２する制御装置と同一の部
分には同一の符号を付し、説明を省略している。本実施
例においては、第５図の従来技術の制御装置中の主蒸気
温度設定信号２８を与える信号設定要素２７を、加減弁
開度信号８、主蒸気圧力信号１０、主蒸気温度信号２６
を入力して、蒸気温度設定値１０２を出力する蒸気温度
設定値算出器１０１に取り換えた構成となっている。

第２図は、かかる算出器１０１の内部の詳細を示したも
のである。第２図に示すように、蒸気表参照要素１１１
は蒸気圧力信号１０、蒸気温度信号２６を受け、弁５９
人口の蒸気についての比容積信号１１２およびエンタル
ピ信号１１３をｆ！ｌ。

当該要素１１１は例えば蒸気表テーブルを内蔵し、これ
を補間計算してもよいし、蒸気状態近似式を組込み、こ
れを計算することでも実現できる。

弁特性関数要素１１４は蒸気圧力信号１０、弁５９の開
度信号８を受けて、前述したように、弁５９とタービン
６０を一括した圧力−流量特性から弁５９通過流量を求
め、次に通過流量から弁差圧を算出して圧力損失信号１
１５として出力する。

本要素もテーブルの補間または特性近似式の計算により
実現できる。

信号減算要素１１６は信号１０から信号１１５を差し引
き弁出口圧力信号１１７を得る。蒸気表参照要素１１８
は要素１１１と同様な手法で、弁５９人口と等エンタル
ピで弁５９出口圧力に対応する蒸気温度信号１１９を得
る。

信号減算要素１２０は信号２６から信号１１９を引き、
弁５９による温度降下幅信号１２１を出力する。信号設
定要素１２２は弁５９出口（タービン６０人口）にとっ
て望ましい蒸気温度設定値１２３を与える。通常はこの
値を一定値とするが、例えば起動時のようにタービン６
０が冷却しているときは低い温度設定から徐々に所定の
値に増加させる。

信号加算要素１２４は、かかる設定値１２３に弁５９に
よる温度降下分信号１２１を上乗せして、過熱器５６出
口としての蒸気温度設定信号１０２を出力する。信号１
０２を受けて、以後は従来技術と同様の構成にて蒸気温
度制御を行なえば本実施例が成立する。

本実施例特有の効果は、第５図の従来技術の制御装置中
の要素２７の部分を変更するのみで、弁５９の開度変化
のいかんにかかわらず、タービン６０人口蒸気温度を所
定値に制御することができる点である。

第３図および第４図は本発明の他の実施例を示す制御系
統図である。第５図に示した制御対象たる発電設備、従
来技術による制御装置および第１図、第２図に示した本
発明の実施例と同一の部分には同一の符号を付し、説明
を省略している。

本実施例は、第３図に示すように第５図の従来技術の制
御装置中の蒸気温度偏差信号３０を与える要素２７およ
び要素２９の部分を信号８、信号１０および信号２６を
入力して、蒸気温度偏差信号１５２を出力する蒸気温度
補正量算出器１５１に取り替えた構成である。

第６図は、かかる算出器１５１の内部の詳細を示したも
のである。本例では従来装置と同様に過熱器５６出口（
弁５９人口）蒸気温度信号２６と弁入口温度設定要素１
５４で与えられる設定値１５５を信号減算要素１５６に
与えて弁入口温度偏差信号１５７を得る。一方、信号１
１９で得られた弁５９出口側の蒸気温度推定値について
も、対応して弁出口温度設定器１６８により設定値１６
３を与え、同様に弁出口温度偏差信号１５３を得る。偏
差重み設定要素１５８はθ〜１の範囲の偏差重み信号１
５９を与え、これは要素１６０および１６１により１か
ら信号１５８を差し引いた偏差重み補信号１６２とする
。信号１５９と信号１６５、および信号１５７と１６２
はそれぞれ乗算されて信号１６６、信号１６４になり、
両者は加算されて蒸気温度偏差信号１５２が得られる。

信号１５２を従来技術における信号３０と代替し、以後
従来技術の制御装置と同様の手法で蒸気温度制御を行な
えば本実施例が成立する。

本実施例特有の効果は信号１５９の値を１とすれば第１
図に示した本発明の実施例と同一の機能となり、弁５９
開度変化いかんにかかわらずタービン入口蒸気温度制御
を行なう、また信号１５９の値をＯとすれば第５図に示
した従来技術の制御装置と同様に過熱器５６出ロ蒸気温
度制御を行ない、信号１５９の値を０〜１で連続的に可
変することによりタービン６０人口と過熱器５６出口そ
れぞれの蒸気温度偏差を重視する割合（重み）を任意に
設定できる。この機能は第１図の実施例が、タービン入
口蒸気温度制御に際し、弁５９の開度変化に伴う蒸気温
度変動をすべて過熱器５６出ロ温度設定にしわよせする
ため、場合によっては過熱器５６出ロ蒸気温度変動で、
当該部位の熱応力が問題となる場合も発生する可能性が
ある点に対処して、状況に応じタービン６０と過熱器５
６とで熱応力発生に関し厳しい側の蒸気温度変動低減（
すなわち蒸気温度制御）を優先するように重み信号１５
９の値を設定できる。本信号１５９の設定は設備の試運
転時または、起動操作開始前に固定値で与えてもよいし
、設備運用中に熱応力値３等に従い状況に応じて設定値
を変化させてもよい。

一般に厚肉構造物の熱応力による寿命消費は、熱応力値
がある限度を超えると急激に増加する傾向があるので、
本例のように設備系統中のいずれかの部位に温度変動が
避けられない場合、その変動幅を複数部位に分散して、
各部の熱応力値を下げることは、設備全体の寿命消費を
低減する際に非常に効果的である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、タービン入口加減弁を通過する際の蒸
気温度降下量が予測できるので、適正なタービン入口温
度になるように、ボイラ出口蒸気温度の設定が可能とな
り、タービンの負荷変化を円滑に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例説明図、第２図は、第
１図における蒸気温度設定値算出器の詳細図、第３図は
、本発明の第２の実施例説明図、第４図は、第３図中の
蒸気温度補正量算出器の詳細図、第５図は、従来技術に
なるボイラおよびタービンプラントの制御装置説明図で
ある。 １・・・負荷指令信号、８・・・タービン入口加減弁駆
動信号、１０・・・主蒸気圧力信号、１２・・・主蒸気
塩゛度設定信号、１５・・・負荷・水比補正信号、１７
・・・ボイラ入力指令信号、１８・・・ボイラ給水量信
号、１９・・・過熱器注水量信号、２４・・・給水流量
調整弁駆動信号、２６・・・主蒸気温度測定信号、３３
・・・燃料指令信号、３４・・・燃料供給量信号、３７
・・・燃料流量調整弁駆動信号、４０・・・過熱器性水
比補正信号、４２・・・過熱器゛注水弁駆動信号、５２
・・・ボイラ給水流量調整弁、５４・・・蒸発器、５５
・・・過熱器減温器、５６・・・過熱器、５９・・・タ
ービン入口加減弁、６０・・・蒸気タービン、６２・・
・発電機、６３・・・発電量検出器、６４・・・過熱器
注水弁、６７・・・燃料流量調整弁、６９・・・バーナ
、１０１・・・蒸気温度設定値算出器、１０２・・・蒸
気温度設定信号。 代理人　弁理士　川　北　武　長 １：負荷指令（ＬＩＤ）信号　　　　３６：比例項＋）
娶去３ｂ−棉“弓°＃、昇妥累 第１図 １１１：蒸気表参照要素 １１２：比容積信号 １１３：エンタルピ信号 １１４：弁特性関数要素 １１５：圧力損失信号 １１６：信号減算要素 １１了：弁出口圧力信号 １１８：蒸気表参照要素 １１９：弁出口温度信号 １２０：信号減算要素 １２Ｉ：温度降下幅信号 １２２：弁出口蒸気温度設定器 １２３：弁出口蒸気温度設定信号 １２４：信号加算要素 ゛１０１ １５３：弁出口温度偏差信号 １５４：弁入口温度設定要素 １５５：弁入口温度設定信号 １５６：信号減算要素 １５７：弁入口温度偏差信号 １５８：偏差重み設定要素 １５９：偏差重み信号 １６フ：定数要素 １６１：信号減算要素 １６２：偏差重み補信号 １６３：信号乗算要素 １６４：重みつき偏差信号 １６５：信号乗算要素 １６６：重みつき偏差信号 １６７：信号加算要素 １６８：弁出口温度設定器 １６９：弁出口温度設定器素 １了○：信号減算要素 第４　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. タービンの熱応力値で調整した負荷指令信号とプラント
   の実測出力信号との偏差信号に基づきタービン入口加減
   弁を駆動する装置と、ボイラ給水量に過熱器注水量を加
   算した値とボイラ入力指令値との偏差信号に基づきボイ
   ラ給水流量調整弁を駆動する装置と、主蒸気温度設定信
   号と主蒸気温度測定値との偏差信号により補正された燃
   料指令信号と実測燃料量とにより燃料流量調整弁を駆動
   する装置と、主蒸気温度設定信号と主蒸気温度測定値と
   の偏差に基づき過熱器注水弁を駆動する装置とを備えた
   ボイラおよびタービンプラントの制御装置において、タ
   ービン入口加減弁の開度と同弁入口の蒸気温度および蒸
   気圧力に基づき前記加減弁通過時の蒸気温度降下量を算
   出する装置と、同装置の算出値に基づき前記主蒸気温度
   設定信号を補正する装置とを設けたことを特徴とするボ
   イラおよびタービンプラントの制御装置。