JPH0152642B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、発電プラントなどのように熱サイク
ルが構成されるプラントの機器の異常を早期に検
出し、診断するプラントの異常診断装置に関す
る。

以下、本発明を火力発電プラントを例として説
明する。

従来装置では、火力発電プラントのタービン、
ボイラ、発電機、その他各種補機について、温
度、圧力、流量、水位、電圧、電流などのプラン
ト状態量がこれらに許容される制限値内にあるか
否か常時監視され、これらのプラント状態量が制
限値を逸脱したとき、その旨の警報がただちに発
せられて異常を予告されるが、この警報制限値は
上記機器の損傷を防止することを目的として設定
されているため、制限値そのものにかなりの余裕
がとられ、このため警報が発せられた場合であつ
ても機器が必ずしも異常とは限らない。

このように、従来装置では、警報監視が異常状
態となるおそれが生じたときに行なわれたため、
正確に機器の異常を検知することが困難であり、
また上記異常の原因分析を行なう機能に欠けてい
たので、正確な異常内容を把握することが不可能
であり、このため、誤つたプラント操作が行なわ
れるおそれがあつた。

特に、従来では、蒸気発生装置（以下ボイラと
いう）については、ボイラチユーブメタルの温度
上昇に関しての警報が用意されているのみであ
り、ボイラチユーブの漏えいや伝熱面の汚染によ
る性能劣化などについての監視が行なわれていな
かつた。このため従来では、ボイラチユーブに対
する監視が十分に行なわれていなかつた。

本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、ボイラチユーブに対する監
視が十分に行なえ、誤つたプラント操作が行なわ
れることがないプラントの異常診断装置を提供す
ることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、熱力学
の第２法則に従い、蒸気発生装置内の熱交換部出
入口のエントロピをもとにその熱交換の際におけ
る無効エネルギを求め、該無効エネルギの変化量
若しくは変化速度によりチユーブ漏えいの有無を
判定するプラントの異常診断装置において、蒸気
発生装置各部の状態量を検出する検出器の誤差、
蒸気発生装置の性能劣化などに基づく誤検出をエ
ネルギバランス、質量バランス及びエントロピバ
ランスの相互関係に基づいて判定することを特徴
とする。

以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説
明する。

第１図には本発明装置が用いられる火力発電プ
ラントのスケルトン図が示されている。第１図に
おいて、ボイラ１で発生した蒸気は主蒸気管１８
を介して高圧タービン２に供給され、ここで蒸気
のエネルギの一部が発電機４を駆動するための回
転機械エネルギに変換される。高圧タービン２に
仕事を与えた蒸気は低温再熱蒸気管１９を介して
再熱器１６に供給されて再び加熱され、高温再熱
蒸気管２０を介して再熱タービン３に供給され、
再び発電機４を駆動する。再熱タービン３に仕事
を与えた蒸気は排気されて復水器５に供給され、
復水器５で海水などの冷却水によつて冷却されて
復水とされる。この復水は復水ポンプ６によりポ
ンプアツプされ、復水交換器７、空気抽出器８お
よびグランドコンデンサ９の各熱交換器により熱
回収される。そしてこの復水は低圧給水加熱器１
０、脱気器１１で加熱され、ボイラ給水ポンプ１
２で昇圧される。ボイラ給水ポンプ１２の給水は
高圧給水加熱器１３に供給されて更に温度が上げ
られ、主給水管２１を介してボイラ１に供給され
る。

上記の高圧給水加熱器１３、脱気器１１、低圧
給水加熱器１０はいずれもタービン２，３の抽気
により加熱される。またボイラ１は燃料調節弁１
７でコントロールされた燃料が支えられている燃
料バーナ１４により蒸気を発生させることができ
る。すなわち、給水はこの燃料バーナ１４の燃焼
による輻射熱で蒸気となり、過熱器１５で過熱さ
れタービン２に送られる。

本発明装置が用いられる火力発電プラントの概
要は以上の通りであるが、本実施例の説明を詳細
に行なうために、更に具体的なプラントの例をこ
こでとりあげる。

第２図には500MWの火力発電プラントが示さ
れており、同図にはボイラ、タービン、その他補
機等の各部における正常状態での温度、圧力、流
量が示されている。そして、同図において、流量
はKg／Ｈ、圧力はKg／cm²、温度は℃、エントロピ
はKcal／Kgの単位であつて、それぞれＧ、Ｐ、
゜、Ｈにて示されている。

また、同図において、４０，４１はそれぞれ中
圧、低圧タービン、４２は給水ポンプ用タービ
ン、４３は重油加熱器、４４はＳ・Ｓ・Ｒ、４５
は空気予熱器、４６はドレンクーラ、４７はドレ
ンポンプ、４８はブースタポンプである。

なお、第２図で示されている各状態量は容易に
計測されるものであつて、異常診断装置の情報量
となり得るものである。

以下、本発明の実施例装置を上記第２図の熱平
衡線図に示されたボイラ１について説明する。第
３図は第２図のボイラ１まわり（流体側）の状態
量を示したものであり、ボイラ１入口の給水１０
０の圧力は282.2a^tａ、温度は285.2℃であり、こ
の給水１００のエンタルピを蒸気表から求めると
299.9Kcal／Kgとなる。ボイラ１出口の主蒸気２
００の圧力は254.9a^tａ、温度は543.0℃であり、
この蒸気２００のエンタルピを蒸気表から求める
と791.6Kcal／Kgとなる。

ボイラ１の再熱器１６の入口蒸気３００は高圧
タービン２排気のもどりであるため、高圧タービ
ン２排気条件に左右され、圧力は44.6a^tａ、温度
は301.1℃であり、この蒸気３００のエンタルピ
を蒸気表から求めると705.1Kcal／Kgとなる。そ
して、再熱器１６出口蒸気４００は再熱器１６で
の流量抵抗を受けるため、圧力は42.8a^tａ、温度
は541.0℃であり、この蒸気４００のエンタルピ
を蒸気表から求めると844.6Kcal／Kgとなる。

また、ボイラ１の過熱器１５を通る主蒸気２０
０流量は1604655Kg／Ｈ、また、そして再熱器１
６を通る再熱蒸気４００流量は1283576Kg／Ｈで
ある。

このような第３図のボイラ１について計測され
た圧力、温度から蒸気表によりエンタルピが容易
に求められるので、別に計測された主蒸気流量
（給水流量からフローバランスにより計算して求
めることもできる）及びフローバランス計算から
求められた再熱蒸気流量から容易にボイラ１での
発生熱量を次式により求めることができる。

ボイラの発生熱量＝主蒸気流量× （主蒸気エンタルピ−給水エンタルピ） ＋再熱蒸気流量×（再熱器出口蒸気エンタルピ −再熱器入口蒸気エンタルピ） ＝1604655×（791.6−299.9）＋1283576 ×（844.6−705.1）＝968067715.5Kcal／Ｈ ……(1) 熱力学の第２法則、すなわち、一つの熱源から
の熱を温度の降下を生ずることなく、また他にな
んら変化を及ぼすことなく継続して仕事に変換す
る運動は不可能であるという法則は、別の見方を
すれば、他になんらの変化を及ぼすことなく熱交
換を行なうことは不可能であるということとな
る。このような見方からして、第３図において計
測された、圧力、温度からエントロピ（Kcal／
Kgと〓を蒸気表にて求められたもものが第４図に
示されている。ここで、上記法則から第４図にお
けるボイラ１の熱交換においてもエネルギ損失な
く熱交換を行なうことができないことになる。

ボイラ１の伝熱面で行なわれる熱交換でのエネ
ルギ損失（無効エネルギ）は次式で求めることが
できる。

エネルギ損失（無効エネルギ） ＝_o 〓ⁱ⁼¹ （G_2i×T_2i−G_1i×T_1i） ×（t₀＋273.16）／KW（Kcal／KWH）……(2) ここで、Ｇ：流量（Kg／Ｈ） Ｔ：流体のエントロピ（Kcal／Kg〓） KW：発電機出力（kWH） t₀：ベースとなる温度（第２図では
33.1℃）（℃） サフイツクスｉ：ボイラ伝熱面の数 ２：出口側 １：入口側 上記(2)式に基づいて第４図におけるボイラ１で
の熱交換によるエネルギ損失（無効エネルギ
ΔQ）は以下のように求めることができる。

ΔQ＝｛1604655×（1.4695−0.7288） ＋1283576×（1.7159−1.5072）｝ ×（33.1＋273.16／500000）≒892.1Kcal／kWH ……(3) このようにして求められたエネルギ損失ΔQ＝
892.1（Kcal／kWH）はボイラ１が正常な状態あ
つても熱交換動作において発生する損失エネルギ
と等しくなる。

ところで、第３図の示すボイラ１は実際にはい
くつかの伝熱面を有している。第５図には実際の
ボイラ１の構成が示され、ボイラ１に供給される
給水１００は節炭器２２でボイラ１の排ガスと熱
交換され、次いでウオータウオール２３で燃料の
燃焼輻射熱を受けて蒸気とされる。そしてその蒸
気は過熱器１５ａで過熱蒸気とされ、さらに過熱
器１５ｂで所定の温度まで過熱され蒸気２００と
される。尚減温器２５はボイラ１出口の主蒸気２
００温度が所定の温度にコントロールするための
もので、一種の温度調節器であり、その減温水は
節炭器２２の入口給水１００が用いられている。

第６図には第５図ボイラ１が正常状態であると
きの流体の圧力、温度の特性が示されており、同
図において、流体の圧力、温度からエントロピを
蒸気表から求め、これらから各伝熱面におけるエ
ネルギ損失（ΔQn）がΔQ_N1〜ΔQ_N5として示され
ている。尚、ここでエネルギ損失ΔQ_Nは前述の(2)
式から計算の結果求められている。

ここでボイラ１の過熱器１５ａのチユーブに穴
が生じてその炉内に蒸気が噴出する漏えい事故が
発生した場合を考える。この場合、ボイラ１内部
の各伝熱面の出入口における正常状態に対するこ
の異常状態の温度特性が第７図に示されている。

第７図は過熱器１５ａから30000Kg／Ｈの蒸気
漏えい事故が発生した場合についての様子を示し
たものであり、ボイラ１の入熱（燃料の有するエ
ネルギ）がほぼ一定である（発電機４の出力が一
定であると考えられるため）ことから、過熱器１
５ａの上流側の流体は漏えい蒸気相当量（30000
Kg／Ｈ）分だけ多くなり、流体の圧力、温度が変
化する。

このときの状態量と各伝熱面でのエネルギ損失
（ΔQ_L）が第７図に示され、第７図において、蒸
気漏えい分30000Kg／Ｈのエネルギ損失ΔQ_L30は、 ΔQ_L30＝漏えい蒸気流量×蒸気エントロピ ×（273.16＋漏えい蒸気温度／発電機出力） ＝30000×1.2464×（273.16＋4100／500000） ≒51.1Kcal／kWH ……(4) となる。尚、その他のエネルギ損失の計算は前述
の(2)式によつて求められている。

しかし上記漏えいは実際には計測することがで
きないので、その実際の漏えい量が30000Kg／Ｈ
あつてもこれが全て主蒸気流量として流出したも
と考えられ、このような状態での各伝熱面におけ
るエネルギ損失は第８図に示されたようになる。

そこで第８図のエネルギ損失を第６図の正常状
態のものとそれぞれ比較すると、以下のようにな
る。

ΔQ_L′−ΔQ_N／ΔQ_N＝741.6−728.0／728.0→ 1.9％ ΔQ_L1−ΔQ_N1／ΔQ_N1＝103.6−103.2／103.2→ 0.4％ ΔQ_L2′−ΔQ_N2／ΔQ_N2＝372.8−368.1／368.1→ 1.3％ ΔQ_L3′−ΔQ_N3／ΔQ_N3＝105.0−99.0／99.0→ 6.1％ ΔQ_L4′−ΔQ_N4／ΔQ_N4＝1.0−1.5／1.5→33.3％ ΔQ_L5′−ΔQ_N5／ΔQ_N5＝159.2−156.3／156.3→ 1.9％ このように、ΔQ_L3′とΔQ_L4′のエネルギ損失が
全エネルギ損失の変化に比べて大きく変化してい
ることが理解される。すなわち、ΔQ_L3′が大きく
変化していることから過熱器１５ａに損失が発生
しており、またΔQ_L4′が減少方向に変化している
ことは減温器２５を通過する蒸気流量を実際のも
のより多く見込んだことを表わしている。このこ
とから過熱器１５ａで蒸気漏えいが発生したこと
を容易に検知できる。

また減温機２５まわりのエネルギ損失が現実に
はあり得ない現象（蒸気漏えい発生にもかかわら
ずエネルギ損失が減少している）となつているの
はあきらかに主蒸気流量が実際よりも多い（別に
減温水量が少なく計測した場合もこのような結果
になるが、計測誤差からしてこちらの方の影響は
少ない）とみたためである。そこで、主蒸気流量
がどれだけ多く見込まれていたかをこの現象から
逆算してみると以下のようになる。

｛（1570469−ｘ）×（1.3105−1.3332） ＋64186×（1.3105−0.7288）｝ ×（33.1＋273.16／500000）＝1.5 ｘ（多く見込んだ流量）≒33551（Kg／Ｈ） このとき、求められたｘはほぼ蒸気漏えい量に
相当している。

以上の説明からあきらかなように、前述(2)式よ
り求められたエネルギ損失（ΔQ_L1）と正常値の
それ（ΔQ_N1）とを比較し、その偏差量によりボ
イラ１内部からの蒸気あるいは給水の漏えいの有
無を判定することができる。

以下本実施例で行なわれるこの判定の様子を第
９図、第１０図に基づいて説明する。

第９図はボイラ１の各伝熱面でのエネルギ損失
（前述(2)式から求められたもの）の区分を示して
おり、ここで求められたΔQ_Liを基に第１０図に
示される診断アルゴリズムにより正常時のΔQ_Ni
との偏差で前記漏えいの発生が検出される。すな
わち、第１０図において、ボイラ１伝熱面部の各
ゾーンで正常時のエネルギ損失（ΔQ_Ni）と現時
点で求められたエネルギ損失（ΔQ_Li）との偏差
の割合（ａ／ｂ）が求められ、これがボイラ１の
トータルのエネルギ損失偏差割合に対して大きく
変化しているかがチエツクされ、大きく変化して
いる場合に漏えいが発生したという判定が行なわ
れる。

この様にボイラ１のトータルのエネルギ損失偏
差割合との比較を行なつたのは、ボイラ１の汚
れ、性能劣化の影響を取り除くためであり、各ゾ
ーンでの偏差割合により診断を行なつたのは検出
器の誤差の影響を取り除くためである。尚、第１
０図における正常時のエネルギ損失を求める信号
発生器２８は第１１図に示すような特性を有して
いる。

ボイラ１での蒸気、給水の漏えいは急速に拡大
するので、前述(2)式から求められたエネルギ損失
と正常時のそれとの偏差割合が求められ、更にそ
の偏差割合の変化率が求められ、第１０図の漏え
い検出ロジツクで偏差割合が変化率割合によれ
ば、異常検出を早急に行なうことが可能となる。
そして偏差割合を基にした診断結果と偏差割合の
変化率を基にした診断結果のいずれかが行なわれ
たときに検出を行ない、偏差割合を基とした診断
結果と偏差割合を基にした診断結果とが双方とも
行なわれたときに検出を行なうことにより、それ
ぞれ検出の早期化と検出の確実化を図ることがで
きる。

以上のようにしてボイラチユーブの漏えいを検
出することができるが、ボイラ１の各ゾーンでの
流体の圧力、温度又はここを流れる流体流量が正
確に測定されなければ正しい漏えいの検出を行な
うことができない。

まず、上記圧力の計測であるが、第１２図にお
ける各ゾーンでの圧力損失はそこを流れる流体の
流速とに次式の関係がある。

ΔPi∝Gi² ……(5) ここでΔP：圧力損失（a^tａ） Ｇ：流量（Kg／Ｈ） サフイツクスｉはゾーンを示す。

したがつて、各ゾーンでの圧力損失が上記関係
にあるか否かをチエツクすることにより、それぞ
れの検出点での圧力P₁〜P₆の診断を行なうこと
ができる。この診断アルゴリズムが第１３図に示
されており、第１３図において、正常時の定格状
態での給水流量G_Nとそのときの各ゾーンでの圧
力損失ΔP_N〜ΔP_N45を基に、現在の給水流量G_L及
び各ゾーンでの圧力損失ΔP_L〜ΔP_L45の比をとり、
（G_L／G_N）²に一定の許容値±γを考慮した許容幅
を求め、これと各ゾーンでの圧力損失比
（ΔP_L1／ΔP_N1……）を比較し、この圧力損失比が
許容範囲外であるときにそのゾーンに関する圧力
検出に異常があると判断する。このように第１３
図のアルゴリズムにより圧力検出が診断される。

次に流量の計測であるが、給水流量の計測に誤
差があるときには上記圧力検出の異常診断に大き
な影響を与え、このため、複数の圧力検出の異常
を誤診断することになる（流量、圧力バランス）。
したがつて、P₁〜P₆の圧力検出に２以上の異常
が同時に検出された場合は第１４図に示されるよ
うに給水流量の検出に異常があると判断される。

そして温度の計測であるが、これについてはエ
ントロピバランスから異常が検出される。すなわ
ち、第９図において、ボイラ１の各伝熱面でのエ
ネルギ損失ΔQ_Liを基に、第１５図に示される第
１２図における各点での流体温度T₁〜T₆の検出
異常を求めるものであり、正常時のΔQ_Niと実測
エネルギ損失ΔQ_Liとの偏差の割合（ａ／ｂ）を
求め、これがボイラ１のトータルのエネルギ損失
偏差割合に対し、各ゾーンのそれが大きく負の方
向に変化しているかをチエツクし、大きく変化し
ている場合には温度検出に異常があるという診断
が行なわれる。このようにボイラ１のトータルの
エネルギ損失偏差割合との比較を行なつたのは、
ボイラ１の汚れや性能劣化の影響を取り除くため
である。

本実施例では、以上のようにして圧力、温度な
どの検出の異常を診断し、この検出に問題が無い
ことを常に確認しながら第１６図に示されたフロ
ーチヤートに従つてボイラチユーブ漏えいの診断
が行なわれ、圧力検出、流量検出、温度検出に異
常がないかを常に監視し、ボイラチユーブ漏えい
の診断を行なう。

以上説明したように、本発明によれば、ボイラ
チユーブに対する監視が十分に行なうことがで
き、誤つたプラント操作を生じさせることがな
い。

なお、本発明装置に電子計算機を用いることが
好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は火力発電プラントの機能を示すスケル
トン図、第２図は火力プラントの熱平衡線図、第
３図、第４図、第６図、第７図及び第８図はボイ
ラまわりの状態値を示す状態線図、第５図、第９
図及び第１２図はボイラ内部の流れ図、第１０図
ａ及び第１０図ｂは診断アルゴリズム図、第１１
図は信号発生器の特性図、第１３図は圧力検出の
異常診断アルゴリズム図、第１４図は流量検出の
異常診断アルゴリズム図、第１５図ａ及び同図ｂ
は温度検出の異常診断アルゴリズム図、第１６図
はボイラ診断のフローチヤート図である。 １……ボイラ、１５……過熱器、１６……再熱
器、２２……節炭器、２３……ウオータウオー
ル、２５……減温器、２８……信号発生機、２９
……加算器、３０……割算器、３１……掛算器、
３２……判定器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 熱力学の第２法則に従い、蒸気発生装置内の
   熱交換部出入口のエントロピをもとにその熱交換
   の際における無効エネルギを求め、該無効エネル
   ギの変化量若しくは変化速度により蒸気発生装置
   のチユーブ漏えいの有無を判定するプラントの異
   常診断装置において、蒸気発生装置各部の状態量
   を検出する検出器の誤差、蒸気発生装置の性能劣
   化などに基づく誤検出をエネルギバランス、質量
   バランス及びエントロピバランスの相互関係に基
   づいて判定することを特徴とするプラントの異常
   診断装置。