JPH031562B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（発明の利用分野） 本発明は、ボイラの応力監視装置に係り、特
に、頻繁なプラントの起動停止や負荷変化運用が
要求される中間負荷運用のボイラプラントの応力
監視に好適なボイラ応力監視装置に関する。 （発明の背景） ボイラの運転に際して、特に、ボイラの起動停
止及び負荷変化時に、２次過熱器出口ヘツダ管寄
などの厚肉耐圧部の、特に内面ノズルコーナ部に
は、内部流体の温度とメタル温度との差に起因す
る熱応力が発生し、これが主因となつて疲労寿命
が消費される。 また、ボイラの定格運転中には、上記熱応力と
内部流体の圧力による内圧応力に起因するクリー
プ寿命消費が顕著となる。 従つて、ボイラプラントの安全運転を確保し、
その寿命消費を低減する為には、上述の如く寿命
消費が問題となるボイラ厚肉耐圧部に応力評価点
を設定し、この評価点について、熱応力、内圧応
力を総合した応力を監視し、過大な寿命消費を生
じないようにする必要がある。 熱応力計算では、評価点におけるメタルの平均
温度と内面温度との温度差を知る必要があるが、
その為にはメタル肉厚方向の温度分布を精度良く
計算する必要がある。 従来、上記メタル温度分布の計算方法として
は、特開昭59−115901号明細書に示されるよう
に、非定常メタル温度分布計算モデルに基づき、
評価点のメタル温度分布を (1) 評価点メタルの内面及び外面の温度計測値を
用いて計算する方法と、 (2) 内部流体の温度、圧力、流量の各計測値を用
いて内部流体からメタルへの熱伝達率を計算
し、伝熱量を求めて計算する方法がある。 前者の方法では、直接にメタル温度を計測する
為、温度分布の計算精度は良いが、温度検出器を
メタルに埋め込む必要があることと、検出器の断
線などによる信頼性の低下が懸念されることなど
の欠点がある。 一方、後者の方法は、上記の問題はないが、熱
伝達率の計算精度がメタル温度分布の計算結果に
大きく影響を与えるにも拘わらず、その計算精度
の確認手段がないという欠点がある。また、プラ
ント停止後のように評価点内部流体の流量が０に
なると、熱伝達率は０となり、内面メタル温度が
決定できないという欠点がある。 上述のように、従来の方法によれば、プラント
の起動から停止後に亘つて、ボイラ熱応力を高信
頼で精度良く計算し監視することができないとい
う問題がある。 （発明の目的） 本発明の目的は、従来の欠点を無くし、プラン
トと起動時から運転中はもちろんのこと、停止後
においても、高信頼性でかつ精度良く、応力を計
算することのできるボイラ応力監視装置を提供す
るにある。 （発明の概要） まず、検出器故障による信頼性低下を防ぐため
には、出来るだけ小数の検出信号に基づいて熱応
力が計算できることが望ましい。つぎに、評価点
のメタル温度分布は、内部流体の流量が運転フエ
ーズによつて流れたり流れなかつたりすることに
より、その特性が変化するので内部流体の流量に
応じた理論式を用いてメタル温度を計算すること
が精度向上の点で望ましい。さらに、より計算精
度を向上させるため、物理モデルで計算したメタ
ル温度分布計算結果を計測の容易な信号で補正す
ることが望ましい。 本発明は、以上の点に着眼し、(1)評価点におけ
る内部流体の状態に対応して、メタル温度計算の
物理モデルを切替えること、すなわち、内部流体
が流れていることを内部流体の流量、圧力で判定
し、その少なくとも一方の計測値が規定値未満の
時は、定常メタル温度分布計算モデルを用いるこ
とにより、また両方の計測値が共に規定値以上の
時は、非定常メタル温度分布計算モデルを用いる
ことにより、それぞれの状態に適応したメタル温
度分布を計算すること、(2)上記非定常メタルに温
度分布モデルでは、まず、内部流体の流量、圧
力、温度の計測値に基づいて、メタル温度分布を
計算し、この結果を外面メタル温度計測値を用い
て補正するように構成したことを特徴とする。 （発明の実施例） 以下、本発明を具体的な実施例に基づき詳細に
説明する。 第１図は、本発明の一実施例の概略構成図であ
り、応力評価点を２次過熱器出口管寄の内面ノズ
ルコーナ部に設定した例について、デイジタル計
算機１０１を用いたボイラ応力監視装置１００
と、ボイラプラントからの関連入力信号との関係
を示したものである。 まず最初に、第１図におけるボイラプラント部
について、その概略を説明する。この図は、UP
タイプの超臨海圧油焚き貫流ボイラの関連部分を
示したものである。 第２図に示すように、プラントの起動から停止
までの運転は、バーナ点火から過熱器止弁６の全
開までの「起動バイパス運転」と、それ以降、前
記過熱器止弁６を全閉して停止するまでの「貫流
運転」との２つのモードに分けられる。 まず、起動バイパス運転について説明する。 第１図に示すように、給水はボイラ２００の節
炭器２０１によつて予熱され、水壁２０２で加熱
される。そして加熱流体は、１次過熱器バイパス
弁１を介して直後に、あるいは１次過熱器２０３
で過熱された後、２次過熱器バイパス弁２を介し
て、それぞれフラツシユタンク２０６に導びかれ
る。 蒸気は、過熱器通気弁５および逆止弁５Ａを通
つて２次過熱器２０４に通気される。２次過熱器
２０４で過熱された蒸気は、出口ヘツダ管寄２０
５およびタービンバイパス弁７を通つて、フラツ
シユタンク２０６及び復水器４００に導びかれ、
主蒸気管２０をウオーミングする。 次に、フラツシユタンク２０６の圧力が所定の
圧力まで上昇したら、主塞止弁バイパス弁９を開
いて低圧タービン３００に通気し、タービン昇速
を行なう。低圧タービン３００が定格回転数（こ
の例では、3600rpm）に達したら同期併入し、フ
ラツシユタンク蒸気により初負荷をとる。 そして、一次過熱器２０３の出口流体オエンタ
ルピが、フラツシユタンク蒸気のエンタルピに等
しくなるように、２次過熱器バイパス弁２によつ
て、一次過熱器２０３の出口温度を規定値に制御
する。 タービン初負荷併入後、タービン負荷が規定負
荷に達したら、主塞止弁バイパス９による制御か
ら、主塞止弁８を全開して加減弁１０による制御
に切替えられる。 その後、負荷がある規定値以上になつたならば
過熱器減圧弁３を開き、２次過熱器２０４の入口
の圧力がフラツシユタンク運転圧力より高くなる
と、過熱器通気系統上の逆上弁５Ａ（過熱器通気
弁５の後流に設置される）により蒸気源は一次過
熱器２０３に切替えられる。 これと平行して２次過熱器バイパス弁２が自動
的に閉じられる。一方、過熱器通気弁５は、過熱
器止弁６の入口圧力が規定値以上になつたとき閉
じられる。つぎのステツプでは、負荷要求信号に
より過熱器減圧弁３を開き、負荷を、併入負荷か
ら約20％負荷まで立上げる。 過熱器止弁６は、負荷が20％に達すると、過熱
器減圧弁３が全開になるまでは段階的に徐開さ
れ、減圧弁３の全開後は連続的に開かれる。一
方、１次過熱器バイパス弁１は、上記操作に対応
して閉じられ、負荷が約25％で全閉する。 以上のように、過熱器止弁６が全開するまでを
起動バイパス運転と呼ぶ。 貫流運転（通常運転）は、過熱器止弁６が全開
した後の運転フエーズで、この場合の負荷は、プ
ラント停止までタービン加減弁１０によつて調節
される。 また、第１図において、ボイラ応力監視装置１
００は、デイジタル計算機１０１、警報表示器１
０２、アラームタイプライタ１０３、CRT表示
装置１０４、ハードコピー装置１０５、およびタ
イプライタ１０６から構成される。 デイジタル計算機１０１は、２次過熱器出口ヘ
ツダ管寄２０５の内部流体量計算用の各種プラン
トデータ（後で詳述する）D_a、外面メタル温度
T_MO、２次過熱器出口流体温度T_f、および圧力Ｐ
に基づいて、後で詳述するような手法で、２次過
熱器出口ヘツダ管寄２０５の一搬部（ノズルコー
ナ部NCを除く部分）内面における熱応力と内圧
応力を計算し、これらの結果を用いて該ノズルコ
ーナ部NCの主応力を計算する。 主応力が許容値を越えた場合には、警報表示器
１０２のランプを自動点灯し、アラームタイプラ
イタ１０３に警報印字する等の処理を行う一方、
自動的または要求に応じてCRT表示装置１０４
に関連情報を表示し、タイプライタ１０６に関連
情報を印字する。 また、CRT表示装置１０４には、主応力のト
レンドグラフ表示や数値表示を行なわせ、タイプ
ライタ１０６には、主応力やプラント情報を自動
的または、要求に応じて印字するようにすること
ができる。 さらに、CRT表示装置１０４に表示されたト
レンドグラフ表示などの情報は、ハードコピー装
置１０５で必要に応じて記録できる。 前述のように、２次過熱器２０４の出口ヘツダ
管寄２０５（以下、評価点と略称する）の内面ノ
ズルコーナNCには、プラント停止後にも応力が
発生するため、プラント起動から停止まではもち
ろんのこと、更に停止後も継続して、応力を監視
する必要がある。 その場合、評価点２０５のメタル温度分布は、
主蒸気管２０および水管２２に内部流体が流れて
いる場合は、非定常温度分布特性に従うが、内部
流体が流れていない場合は、定常温度分布特性に
従う。 このため、メタル温度分布を精度良く計算する
ためには、内部流体の状態に対応して計算モデル
を適切に切替える必要がある。 ところが、評価点２０５の内部における流体の
流量は、直接計測することができない。したがつ
て、本発明では、タービンの同期併入までは、タ
ービンバイパス弁７の開度や、２次過熱器２０４
の出口流体圧力とフラツシユタンク２０６の内圧
との差圧などから計算し、同期併入後は、タービ
ン負荷から計算することとしている。 以上に説明したように、２次過熱出口管寄すな
わち評価点２０５には、ボイラ点火後、過熱器通
気弁５のタービンバイパス弁７が開くまでは、内
部流体は流れない。それ故に、評価点２０５のメ
タル温度分布は、定常メタル温度分布計算モデル
にしたがつて計算する。 一方、上記両弁５および７が開いた後は過熱器
止弁６が閉じられるまで、評価点２０５には、内
部流体が流れるため、メタル温度分布は非定常メ
タル温度分布計算モデルにしたがつて計算する。
なお、非定常メタル温度分布計算では、内部流体
からメタルへの伝熱量を計算するため、内部流体
の流量を計算する必要がある。 第２図に示したように、同期併入までは、ター
ビンバイパス弁７の開度、主塞止弁前上部シート
ドレン弁１２の開閉、主蒸気管ドレン弁１１の開
度、及び初負荷をとるまでの低圧および中・高圧
タービン３００，３０２の昇速過程におけるター
ビン回転数Ｒを入力信号として、内部流体の流量
を計算する（第２図の流量計算１）。一方、併入
後は、タービン負荷MW（または発電機５００の
出力）を入力信号として前記流量を計算する（第
２図の流量計算２）。 第３図は、ボイラ応力監視装置１００の処理を
機能ブロツクで表わしたものである。本図を用い
て、プラント起動前にボイラ応力監視装置１００
の動作を開始させた場合について、その時点から
プラント起動、定常運転、停止以後の順に説明す
る。 まず、装置の動作を開始させた時、メタル温度
分布初期計算部１００１で、評価点２０５の内部
流体温度計測値T_fと外面メタル温度計測値T_MOを
用い、定常メタル温度分布計算モデル（後で詳述
する）に基づいて、評価点２０５のメタル温度分
布の初期値を計算する。 次に、バーナが点火されてプラントが起動され
ると、バーナ点火信号を検知し、モデル切替条件
判定部１００２を動作させ、評価点の内部流体の
圧力計測値Ｐと流量計算値Ｇを連続監視させる。 そして、第１図、第２図で説明したように、過
熱器通気弁５とタービンバイパス弁７が開いて評
価点２０５に内部流体が流れているかどうかを、
内部流体の圧力計測値Ｐおよび流量計算値Ｇの両
方が規定値以上になつたかどうかで判定する。 すなわち、流計計算値Ｇおよび計算値Ｐの少な
くとも一方が規定値未満の場合は、内部流体が流
れていないと判定し、定常メタル温度分布計算モ
デル１００３を動作させる。そして、切替セイツ
チＡ１００４をａ側、すなわち定常メタル温度分
布計算モデル側に切替えて、その計算結果をメタ
ル温度分布記憶部１００５に格納するようにす
る。 上記両計測値が共に規定値以上になつた場合に
は、非定常メタル温度分布計算モデル１００５を
動作させる。そして、切替スイツチ(A)１００４を
ｂ側、すなわち非定常メタル温度分布計算モデル
１００５側に切替えて、メタル温度分布記憶部１
００６には、その計算結果を蓄えるようにする。 非定常メタル温度分布計算では、まず最初に、
前述のように同期併入前と後とで異る計算方法に
より、各種プロセス量D_aを基に内部流体量計算
部１００７により計算した内部流体流量計算値Ｇ
と内部流体の温度と圧力の計算値T_f及びＰを用
いて、熱伝達率計算部１００８で、内部流体から
メタルへの熱伝達率を計算する。 つぎに、前記の熱伝達率を、後述の(4)式に代入
して得られる内面メタル境界条件に基づき、切替
スイツチ(B)１００９をｂ側に切替えて得られるメ
タル温度分布記憶部１００６の内容（定常メタル
温度分布計算モデル１００３による計算結果）を
初期温度分布として使用し、非定常メタル温度分
布計算モデル１００５でメタル温度分布を計算す
る。 さらに前記の計算結果を外面メタル温度計測値
T_MOで補正し、その補正結果を、スイツチ(A)１０
０４のｂ側入力を介してメタル温度分布記憶部１
００６に格納する。 プラント停止時は、第１図の過熱器止弁６が閉
じられて評価点２０５の内部流体が減少する。 前記内部流体の流量と圧力の少なくとも一方
が、規定値未満になつたことを、モデル切替条件
判定部１００２で検知すると、上記とは逆に、メ
タル温度分布計算モデルを、非定常メタル温度分
布計算モデル１００５から定常メタル温度分布計
算モデル１００３に切替える。 この時のメタル温度分布初期値としては、メタ
ル温度分布記憶部１００６の内容を、切替スイツ
チ(B)１００９をａ側に切替えて使用する。一方、
切替スイツチ(A)１００４もａ側に切替えて、定常
メタル温度分布計算モデル１００３の計算結果を
メタル温度分布記憶部１００６に格納する。 熱応力は、以上のようにして計算され、格納さ
れたメタル温度分布記憶部１００６の内容に基づ
いて、熱応力計算部１０１０で計算する。一方、
内圧応力は、内部流体の圧力計測値Ｐに基づい
て、内圧応力計算部１０１１で計算する。 以上のようにして求めた熱応力および内圧応力
の計算値から、主応力計算部１０１２で主応力を
計算する。 なお、警報処理部１０１３は、主応力の計算値
と設定値を比較し、主応力が設定値を超えた時に
警報表示器１０２やアラームタイプライタ１０３
に警報出力を行う。 CRT表示処理部１０１４は、主応力、熱応力、
内圧応力の計算結果や関連したプロセスデータな
どをCRT表示装置１０４に表示する。 印字処理部１０１５は、警報発生時のデータ、
オペレータが要求したデータ、定時記録データな
どをタイプライタ１０６に印字する。 以上では、本発明の概略動作について説明した
が、以下に、本発明の中心となるメタル温度分布
計算と応力計算の実施具体例について、さらに詳
細に説明する。 まず、何れも同じ計算式を使う、メタル温度分
布初期値計算部１００１と定常メタル温度計算モ
デル１００３について説明する。 ２次過熱器出口ヘツダ管寄、すなわち評価点２
０５を、第４図に示すような各部寸法をもつた無
限円筒とみなし、軸方向の温度分布は生じない−
換言すれば、その半径ｂ方向の温度分布は、軸方
向のどの位置でも同じてあると仮定する。 そして、第５図に示すように、評価点２０５に
おける半径方向Ｎ個のうち、ｉ番目の分割点のメ
タル温度T_i（ｉはＯ〜Ｎ）を、次の(1)式の定常温
度分布計算式を用いて計算する。 T_i＝Alnr_i＋Ｂ ……(1) ただし、 ここで、 r_i：円筒中心からの距離 ａ：円筒内半径 ｂ：円筒外半径 T_MO：外面メタル温度計測値 T_f：内部流体温度計測値 つぎに、非定常メタル温度計算モデルにおける
温度分布計算式について説明する。 上記と同様に、評価点２０５を無限円筒とみな
し、かつその軸方向の温度分布は生じないものと
仮定すると、半径方向の非定常メタル温度分布
は、次の(3)〜(5)式で計算される。 ∂T／∂t＝α′（∂²T／∂r²＋１／ｒ∂T／∂r）…
…(3) −λ・∂T／∂r｜_r=a＝ｈ（T_f−T_p）……(4) −λ・∂T／∂r｜_r=b＝Ｏ ……(5) ここで、 λ：メタルの熱伝導率 ｈ：内部流体からメタル内への熱伝達率 T_p：内面メタル温度計算値 なお、前記(4)式は、内部流体から評価点２０５
のメタルに伝達される熱量が、メタル内表面にお
ける温度勾配とメタルの熱伝導率との積に等しい
ことをあらわすものであり、また前記(5)式は、前
記メタル外表面では熱的に平衡状態にあることを
示すものである。 前記式(3)〜(5)をデイジタル計算機１０１で計算
するためには、定常温度分布計算の場合と同様
に、評価点メタルを半径方向にＮ分割し、各分割
点のメタル温度T_i(j)を求めるように、各分割単位
長さをΔr、温度分布の計算周期をΔtとして、第
６図に示す差分形式に変換することが必要であ
る。 第６図において、６０は交換前のデータを記憶
するテーブルであり、６１は差分形式に変換する
交換部である。また、６２は変換後のデータを記
憶するテーブルである。 ６０に記憶されたデータは、変換部６１で次の
(6)式のように変換される。すなわち、

【表】 …

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ボイラプラントの配管の所望個所に設定され
   た評価点における熱応力、内圧応力を検出し、前
   記両応力に基づいて主応力を監視するためのボイ
   ラ応力監視装置であつて、 配管メタルの外面温度および前記配管の内部流
   体温度に基づいて定常メタル温度分布を計算する
   手段と、 前記配管の内部流体の流量・圧力・温度に基づ
   いて非定常メタル温度分布を計算する手段と、 前記配管内部流体の状態に応じて、前記定常メ
   タル温度分布計算手段および非定常メタル温度分
   布計算手段の出力を選択切換えるモデル切替条件
   判定手段と、 前記のように選択された出力、すなわちメタル
   温度分布を記憶する手段と、 前記メタル温度分布記憶手段の記憶内容に基づ
   いて、前記評価点の熱応力を計算する手段と、 前記内部流体の圧力および配管メタルの寸法に
   基づいて内圧応力を計算する手段と、 前記応力および内圧応力に基づいて主応力を計
   算する手段とを具備したことを特徴とするボイラ
   応力監視装置。 ２ モデル切替条件判定手段は、前記内部流体の
   流量および圧力の両方が規定値以上のときに、非
   定常メタル温度分布計算手段の出力を選択するこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の
   ボイラ応力監視装置。 ３ 非定常メタル温度分布計算手段は、配管の内
   部流体の流量・圧力・温度に基づいて計算した非
   定常メタル温度分布を、評価点の外面メタル温度
   に基づいて補正する手段を含むことを特徴とする
   前記特許請求の範囲第１項または第２項記載のボ
   イラ応力監視装置。 ４ 前記非定常メタル温度分布計算手段の補正
   は、補正前および補正後のメタル温度分布の比較
   において、評価点のメタル内面での熱伝達率が一
   致し、かつ各々のメタル外面における温度が、外
   面メタル温度計測値に一致するように行なわれる
   ことを特徴とする前記特許請求の範囲第３項記載
   のボイラ応力監視装置。