JPH083757B2 - 蒸気加減弁の開度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は蒸気タービンプラントに設けられる蒸気加減
弁の制御装置に係り、特に蒸気加減弁の異常振動発生防
止に有効な蒸気加減弁の開度制御装置に関する。

（従来の技術） 第３図に多段蒸気タービンを用いた火力発電プラント
のサイクル構成例を示している。

蒸気タービン１は高圧タービン２、中圧タービン３お
び低圧タービン４を有し、その出力軸５に発電機６が連
結されている。そして、ボイラ７で発生した主蒸気が主
蒸気管８を介して高圧タービン２に流入した後、戻し管
９を介してボイラ７に戻されて再び高温に加熱され、再
熱蒸気となって再熱蒸気管10を介して中圧タービン３に
流入し、その後、連絡配管11を介して低圧タービン４に
流入し、復水器12で復水となり、給水管13を介して給水
ポンプ13aによりボイラ７に再び供給されるようになっ
ている。

このような閉サイクル構成において、主蒸気管８には
主蒸気止め弁14および蒸気加減弁15が設けられ、また再
熱蒸気管10には再熱蒸気止め弁16およびインターセプト
弁17が設けられている。

主蒸気止め弁14および再熱蒸気止め弁16はタービン１
の危急時に閉動して蒸気の流通を遮断する保安用の弁で
あり、通常は開となっている。また、インターセプト弁
17はタービン１の回転数が所定値以上に過速された場合
に主蒸気止め弁14や再熱蒸気止め弁16に先立って閉動す
る先行非常用の弁であり、これも通常は開となってい
る。

これに対し、蒸気加減弁15は蒸気タービンの回転数ま
たは出力を所定値に精度よく制御するために通常運転
中、継続使用され、蒸気流量の加減を行なう。したがっ
て、蒸気加減弁15は高温、高圧蒸気に晒され、苛酷な条
件の下で使用されることになる。特に近年、原子力発電
プラントの稼動率が高くなり、その占有率が増大するに
つれて、一般の火力発電プラントは負荷調整用として運
用されることが多くなっている。この場合、運用負荷に
ついては中央給電指令に従うため、火力発電プラントの
蒸気加減弁の使用条件は、さらに苛酷さを増している。

一方、蒸気加減弁は弁全開時の圧力損失を極力少なく
することが望まれることから、一般にボール弁タイプの
ものが多く採用されている。ところが、このタイプの弁
は絞り度を大きくした場合に弁振動が大きくなる傾向が
ある。第４図はその一例を示している。弁開度（弁リフ
ト／弁シート径）が0.05〜0.07の付近で弁振動がピーク
となることが認められる。このような弁振動が生じる原
因は、弁座と弁体とで形成される蒸気通路部のうち、最
小通路面積部つまりスロート部において不安定な衝撃波
が発生し、これによって蒸気流れが乱されるためと考え
られる。

このような弁振動が上述した苛酷な使用条件下で継続
されると、弁各部の摩耗が促進されたり、場合によって
は弁棒が破損するなどして、タービン制御に支障をきた
すおそれがある。

ところで、蒸気タービンの初段落のノズル部への蒸気
供給部は周方向に複数、例えば４室に区分され、蒸気加
減弁はこれらに対応して複数、例えば４個並列に設置さ
れ、主蒸気は周方向で一定の領域毎に区分して供給され
るようになっている。このような弁の開閉駆動方式とし
ては、全ての弁を同時に開閉する１アドミッション方式
と、各弁毎に順次に開閉する多アドミッション方式（４
弁の場合は４アドミッション方式）と、これらの折衷方
式（４弁の場合は２または３アドミッション方式）とが
ある。

１アドミッション方式によると初段落のノズルの全周
に亘って均一な温度分布が得られるため、この方式は熱
応力低減を望む場合に多く採用される。

多アドミッション方式によると弁の絞り損失が少ない
ため、この方式はタービン効率を重視する場合に多く採
用される。

折衷方式はタービン効率と熱応力低減要求度の軽重に
応じて採用される。

第５図は多アドミッション方式の場合の弁開度と弁振
動との関係を例示したものである。図示の如く、各弁の
弁開度が所定値になる度に弁振動値のピークが表われ
る。このため、多アドミッション方式の場合は多くの負
荷域で弁振動が発生することから、特に運用が困難にな
る。

（発明が解決しようとする問題点） 従来では蒸気タービンへの蒸気供給部に並列に設けら
れた複数の蒸気加減弁のうち、各蒸気加減弁毎に順次開
度制御する場合、各蒸気加減弁が異常振動域で使用され
る可能性がある。このような状態での連続使用が行なわ
れると、弁の摺動部が摩耗したり、弁棒が折損するな
ど、タービン制御上の支障が生じる問題がある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、蒸気タービンへの蒸気供給部に並列に設け
られた複数の蒸気加減弁のうち、各蒸気加減弁毎に順次
開度制御する多アドミッション方式の蒸気加減弁の開度
制御装置において、前記蒸気タービンの運転条件に基づ
いて前記蒸気加減弁の開度を設定する開度設定手段と、
その開度設定値による弁開度に基づいて蒸気加減弁の弁
振動値を見出す弁振動値見出手段と、これにより見出さ
れた各弁振動値が異常振動値か否か判断し、異常振動値
と判断された場合にその蒸気加減弁の弁振動値が小さく
なる方向に修正開度を設定する修正開度設定手段と、開
度修正された蒸気加減弁で生じる蒸気流量の過不足分を
吸収するために他の蒸気加減弁に補正開度を設定する補
正開度設定手段とを有することを特徴とする。

（作用） 蒸気タービンの運転中、弁振動値見出手段により、常
時各蒸気加減弁の弁振動値が見出される。そして、その
弁振動値は修正開度設定手段によって異常振動値か否か
判断され、異常振動値と判断された場合には修正開度が
設定され、この蒸気加減弁の開度は弁振動値が小さくな
る方向に修正される。したがって、蒸気加減弁の異常振
動が防止され、常に安全な開度で弁使用が行なわれる。

また、修正開度に設定された各蒸気加減弁で生じる蒸
気流量の過不足分は、補正開度設定手段で設定される他
の蒸気加減弁の補正開度によって吸収される。なお、こ
の補正開度が設定される蒸気加減弁に対しても、前記同
様に弁振動値の見出および開度修正が行なわれ、異常振
動が防止される。

したがって、蒸気タービンへの蒸気供給量は全体とし
て設定値通りに維持されつつ、各蒸気加減弁の異常振動
領域での使用が避けられ、常に安定した運用が可能とな
る。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図および第２図を参照
して説明する。

まず、第１図によって全体構成を説明する。

蒸気タービンへの蒸気供給部に複数、例えば４個並列
に設けたボール弁タイプの蒸気加減弁21a〜21dを制御対
象としている。

蒸気タービンの運転条件に基づいて蒸気加減弁21a〜2
1dの開度を設定する開度設定手段として、タービン出力
設定器22および負荷設定器23を設けている。このタービ
ン出力設定器22から出力されるタービン出力信号101
と、負荷設定器23から出力される負荷設定信号102と
が、加減算器24で演算され、その結果出力される偏差信
号103が増幅器25で増幅され、加減弁開度指令信号104が
出力される。

加減弁開度指令信号104は各蒸気加減弁21a〜21dへの
共通指令信号である。この加減弁開度指令信号104が、
蒸気加減弁21a〜21dに対応する加算器26a〜26dにそれぞ
れ入力されるとともに、異常振動防止装置50に入力され
る。異常振動防止装置50は弁振動値見出手段、修正開度
設定手段および補正開度設定手段等からなり、個々の蒸
気加減弁21a〜21d毎の開度設定のためのバイアス信号10
5a〜105dを加算器26a〜26dにそれぞれ出力する。なお、
この異常振動防止装置50については、後に詳述する。

各加算器26a〜26dでは、入力される加減算開度指令信
号104と各バイアス信号105a〜105dとに基づいて演算が
行なわれ、各蒸気加減弁21a〜21d毎に対応する個別開度
指令信号106a〜106dが出力される。

個別開度指令信号106a〜106dは、弁開度特性アンプ27
a〜27dにそれぞれ入力され、各蒸気加減弁21a〜21dに応
じた開度特性、例えば開動タイミング等が設定される。
そして、各弁開度特性アンプ27a〜27dから弁開度設定信
号107a〜107dがそれぞれ出力される。

一方、各蒸気加減弁21a〜21dには弁体の実開度を検出
する位置検知器28a〜28dが設けてあり、この各位置検知
器28a〜28dから弁位置信号108a〜108dが出力される。

弁位置信号108a〜108dは弁開度設定信号107a〜107dと
ともに加減算器29a〜29dにそれぞれ入力され、この各加
減算器29a〜29dで各弁体の実開度と設定開度との偏差が
求められ、弁開度偏差信号109a〜109dがそれぞれ出力さ
れる。

弁開度偏差信号109a〜109dはサーボアンプ30a〜30dで
それぞれ増幅され、その増幅されたサーボ弁電気信号11
0a〜110dが蒸気加減弁駆動用の油筒（図示せず）のサー
ボ弁31a〜31dにそれぞれ入力される。ここで、電／油変
換が行なわれ、各蒸気加減弁21a〜21dが油圧信号111a〜
111dに基づいてそれぞれ開閉操作される。

次に、第２図によって異常振動防止装置について説明
する。

異常振動防止装置50は前記のように、弁振動見出手段
32、修正開度設定手段33および補正開度設定手段34から
なる。

弁振動見出手段32は加減弁開度指令信号104に基づく
各蒸気加減弁21a〜21dの開度に対応する弁振動値を見出
すもので、この実施例では、弁開度と弁棒振動との関係
から求められた振動特性データに基づいて、加減弁開度
指令信号104に対応する弁棒振動値の予測を行なう弁棒
振動値予測手段としている。この弁振動見出手段32は弁
開度演算器35と、弁棒振動値予測装置36とからなる。弁
開度演算器35では、加減弁開度指令信号104によって与
えられる負荷量に基づいて弁棒リフト量が演算され、そ
れにより弁開度演算信号201が出力される。また、弁棒
振動値予測装置36では、弁開度演算信号201に基づき、
弁開度（弁リフト／弁シート径）と弁棒振動値との関係
データから弁棒振動値予測が行なわれ、弁棒振動値予測
信号202が出力される。

修正開度設定手段33は、弁棒振動値が異常振動値か否
か判断し、異常振動値と判断された蒸気加減弁21a〜21d
の開度を通常振動領域までシフトする修正開度を設定す
るもので、この実施例では弁棒振動応力計算器37、弁棒
アンバランス力計算器38、弁棒静応力計算器39、弁棒疲
労強度評価装置40、比較器41およびバイアス演算器41か
らなる。

弁棒振動応力計算器37には弁棒振動値予測信号202が
入力され、予測される弁棒振動値に基づいて、弁棒にど
れだけの振動応力が発生するか計算され、その結果とし
て弁棒振動応力信号203が出力される。また、弁棒アン
バランス力計算器38には弁開度演算信号201が入力さ
れ、予測される弁開度に対応して弁棒に作用する蒸気圧
に基づく弁棒アンバランス力が求められ、それに基づく
弁棒アンバランス力信号204が出力される。この弁棒ア
ンバランス力信号204が弁棒静応力計算器39に入力さ
れ、弁棒アンバランス力に基づいて弁棒に生じる静応力
が計算され、その計算値が弁棒静応力信号205として出
力される。

弁棒振動応力信号203と弁棒静応力信号205とは弁棒疲
労強度評価装置40に入力され、振動応力と静応力との全
応力（σall）が求められ、その値が弁棒疲労強度評価
信号206として出力される。

この弁棒疲労強度評価信号206が比較器41に入力さ
れ、全応力が許容応力（σact）と比較され、全応力が
許容応力よりも小さい旨（σact−σall＞０）の信号20
7または全応力が許容応力以上である旨（σact−σall
≦０）の信号208のいずれかが出力される。

そして、この各出力信号207,208がバイアス演算器41a
に入力され、バイアス値の演算が行なわれる。全応力が
許容応力よりも小さいときは、バイアス信号105aのバイ
アス値はゼロであり、加減弁開度指令信号104は修正さ
れない。全応力が許容応力以上となるときは、これを修
正するために必要な弁開度に基づくバイアス値αが演算
され、バイアス信号105aによって加減弁開度指令信号10
4が修正される。なお、バイアス値αに対応する弁開度
指令信号修正信号209が弁開度演算器35にフィードバッ
クされるようになっている。

また、補正開度設定手段34は、修正される蒸気加減弁
（以上の説明では21a）で生じる蒸気流量の過不足分を
除去するために次の蒸気加減弁（ここでは21b）の補正
開度を設定し、その補正開度信号210を出力するもので
ある。この補正開度信号210は、次の蒸気加減弁21bに対
応する弁開度演算器（第２図では省略）に入力される。
そして、その蒸気加減弁に対応する弁振動値見出手段、
修正開度設定手段および補正開度設定手段（いずれも図
示省略）でも前記同様の機能が行なわれ、さらにその後
段でも順次同様の機能が行なわれる。

このような構成によれば、各蒸気加減弁21a〜21dの開
度要求に応じた弁棒振動値が予め予測され、それに基づ
く応力演算結果に基づいて弁振動が許容応力の範囲内と
なるように開度制御されるため、蒸気加減弁の弁棒が折
損するなどのおそれが除去され、運転時のプラント信頼
性が確保できる。

なお、前記実施例では、加減弁開度指令信号104に基
づいて振動値を予測し、これにより弁棒評価を行なうよ
うにしたが、弁振動見出手段を各蒸気加減弁の実際振動
値を検出する振動検出器とし、その振動値により作用応
力を評価するようにしてもよい。このような構成にすれ
ば、実測値を入力とするので、制御精度を向上させるこ
とができる。

また、前記実施例では、修正開度を振動応力と静応力
との論理演算に基づいて行なうようにしたが、これに代
え、修正開度設定手段として、予め弁棒振動応力を評価
して、連続使用を避けるべき弁開度域、例えば弁棒リフ
ト域を設定しておき、この弁リフト域との照合によって
バイアス値を調整するようにしてもよい。

このような構成にすれば、予め求められた連続使用が
許容される弁開度域の中から修正開度が選定されること
になるから、演算回路構成が簡略化される。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、蒸気加減弁の設定開
度に対応して弁振動値を見出し、それが異常振動値と判
断された場合には弁開度を振動値が小さくなる方向に修
正するとともに、その修正による蒸気流量の過不足分を
他の蒸気加減弁で修正するようにしたので、蒸気加減弁
が異常振動域で使用されることが避けられ、振動に基づ
く弁の摺動部の摩耗や弁棒破損が防止または抑制でき、
タービン制御上の信頼性向上が図れるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は上記
実施例の機能ブロック図、第３図は本発明の対象となる
蒸気タービンプラントの構成例を示す図、第４図および
第５図はそれぞれ弁開度と弁振動との関係を示す特性図
である。 21a〜21d……蒸気加減弁、22,23……開度設定手段（タ
ービン出力設定器、負荷設定器）、32……弁振動見出手
段、33……修正開度設定手段、34……補正開度設定手
段。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蒸気タービンへの蒸気供給部に並列に設け
   られた複数の蒸気加減弁のうち、蒸気加減弁毎に順次開
   度制御する多アドミッション方式の蒸気加減弁の開度制
   御装置において、前記蒸気タービンの運転条件に基づい
   て前記蒸気加減弁の開度を設定する開度設定手段と、そ
   の開度設定値による弁開度に基づいて蒸気加減弁の弁振
   動値を見出す弁振動値見出手段と、これにより見出され
   た各弁振動値が異常振動値か否か判断し、異常振動値と
   判断された場合にその蒸気加減弁の弁振動値が小さくな
   る方向に修正開度を設定する修正開度設定手段と、開度
   修正された蒸気加減弁で生じる蒸気流量の過不足分を吸
   収するために他の蒸気加減弁に補正開度を設定する補正
   開度設定手段とを有することを特徴とする蒸気加減弁の
   開度制御装置。
2. 【請求項２】弁振動値見出手段は、弁開度と弁振動値と
   の関係から予め求められた振動特性データに基づいて、
   開度指令に対応する弁振動値の予測を行なう弁振動値予
   測手段である特許請求の範囲第１項記載の蒸気加減弁の
   開度制御装置。
3. 【請求項３】修正開度設定手段は弁振動値予測手段によ
   って予測された振動値に基づいて弁応力を求める応力計
   算器と、求められた応力が許容値の範囲内であるか否か
   判断する比較器とを有し、応力が許容値を超えた場合に
   修正開度を設定するものである特許請求の範囲第２項記
   載の蒸気加減弁の開度制御装置。
4. 【請求項４】弁振動値見出手段は各蒸気加減弁の実際の
   振動値を検出する振動検出器である特許請求の範囲第１
   項記載の蒸気加減弁の開度制御装置。
5. 【請求項５】修正開度設定手段は、予め評価された連続
   使用を避けるべき弁開度域との照合によって修正開度を
   設定するものである特許請求の範囲第１項記載の蒸気加
   減弁の開度制御装置。