JPS5846644B2 - 蒸気タ−ビンの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、蒸気タービンの制御装置に関するもので、特
に地熱発電設備における蒸気タービンの起動時での制御
方式に係る。

火力発電設備における蒸気タービンの起動方式には、全
周噴射起動と部分噴射起動とがあり、前者の場合は主蒸
気止め弁による全周噴射起動と蒸気加減弁による全周噴
射起動とがある。

いずれの場合も、部分噴射によって生じる蒸気タービン
ケージングの熱応力を緩和させることを目的としている
ため、高温高圧の蒸気を用いる蒸気タービン設備の起動
方法として用いることが多い。

地熱発電設備における蒸気タービンの起動方式は、火力
発電設備とほぼ同じ方式をとる場合が多いが、この場合
、火力発電設備と目的を異とする。

地熱発電設備の場合、立地条件が悪いのが一般であり、
このため多くは自動化が進められており、蒸気タービン
設備においても自動起動を行なう場合が多い。

また、地熱発電設備の大容量化に伴い蒸気弁の容量も大
形化してきているため、蒸気加減弁は従来のボール弁に
変ってバタフライ弁が用いられている。

バタフライ弁は全閉状態においても弁の構造上どうして
も、ある程度の蒸気漏れを許容しなければならない。

このため、蒸気タービンの起動方法としてまず主蒸気止
め弁に内蔵してあるバイパス弁にて、火力発電設備にお
ける蒸気タービンの全周噴射起動と同じ方法にて起動し
、ある程度の負荷をとった後に主蒸気止め弁に内蔵しで
あるバイパス弁による全周噴射運転から、蒸気加減弁で
あるバクフライ弁による部分噴射運転へと切り替えてい
る。

しかし、地熱発電設備の大容量化に伴い、蒸気タービン
にある程度の負荷がか５るまで、主蒸気止め弁に内蔵さ
れたバイパス弁にて全周噴射運転を行なう場合に、二つ
のバイパス弁を流す蒸気量は大幅に増加し、大口径のバ
イパス弁を要することになり、主蒸気止め弁の構造上、
バイパス弁を内蔵できない場合も起こることになる。

また、地熱蒸気中には多くのガスが含まれていることも
あり、このガスによってもバイパス弁の口径を大きくす
る必要もあり、この場合も前記と同じように主蒸気止め
弁の構造上バイパス弁を内蔵できないことも起こること
になる。

さらに、バイパス弁の口径が大きくできない場合は、他
の主蒸気止め弁へもバイパス弁を内蔵しなければならな
いことになり、発電設備として大きなコストアップとな
る。

第１図は、地熱発電設備の概要を示す路線図である。

井戸Ａからの熱水は、セパレータ２によって蒸気と熱水
とに分離される。

蒸気は主蒸気止め弁３ａ 、３ｂ 、３ｃ 、３ｄを通
って蒸気加減弁４ａ。

４ｂ、４ｃ、４ｄに入り、蒸気タービンへの流入蒸気量
を制御される。

制御された蒸気はタービン５に入り、仕事をする。

仕事をした蒸気は復水器６へ流れ込み、復水される。

蒸気タービン５は発電機１を駆動し発電をする。

発電設備が大きくなると、主蒸気止め弁３ａ〜３ｄ、蒸
気加減弁４ａ〜４ｄともに大口径となるが、蒸気弁にお
いても構造上ある程度で制限されることになり、この場
合は蒸気弁の個数を増すことになり、バイパス内蔵の主
蒸気止め弁も増加することになる。

以上のことに鑑み、本発明は、主蒸気止め弁のバイパス
弁の口径をできるだけ小さくするとともに、昇速過程に
おいて全周噴射運転から部分噴射運転への切り替への自
動化を行ない、地熱発電設備に最適な蒸気タービンの制
御装置を提供することを目的とする。

第２図は、従来技術による地熱タービンにおける制御装
置のブロック線図である。

第２図中、主蒸気止め弁３、蒸気加減弁４とも１弁ずつ
記載しであるがこれは説明を簡単化するものであり、本
来は蒸気タービンの容量によってこの弁数は異なる。

第２図において、井戸Ａからの熱水はセパレータ２にて
熱水と蒸気に分離され、蒸気は主蒸気止め弁３、蒸気加
減弁４を介して蒸気タービン５に入り仕事をし、蒸気タ
ービン５の排気は復水器６にて復水される。

蒸気タービン５は発電機７を駆動して発電する。

タービンロータ８に直結した速。度検出用歯車９と、こ
れに対向して取付けである電磁ピックアップ１０によっ
て、タービンの回転数は周波数として検出される。

この周波数信号は周波数／電圧変換器１１によって、回
転数に比例したアナログ信号に変換される。

この回転数信号は自動起動回路１２の入力となる。

回転数信号の一方は、加算器１２ａによって自動起動設
定回転数信号１２ｂと比較し、速度誤差信号を作り出す
。

一方の回転数信号は微分器１２ｃにて微分したうえで加
算器１２ｄによって上昇率設定信号１２ｅと比較し、誤
差信号は積分器１２ｆにて積分し速度誤差信号を作り出
す。

加算器１２ａおよび積分器１２ｆの速度誤差信号は、低
値優先回路１２ｇにていずれか低い値を選択し、速度誤
差信号とする。

この速度誤差信号は加算器１３によって負荷設定器１４
の信号と加え合わせる。

加算器１３の出力は速度調定率回路１５によって負荷の
速度制御信号が作り出される。

負荷の速度制御信号の一方は、調定率変更回路１６を介
して加算器１１に入る。

負荷の速度制御信号の一方は、加算器１８の入力となる
。

主蒸気止め弁／蒸気加減弁切換バイアス回路１９の出力
は切替回路２０を介して、加算器１７．１８にバイアス
信号を加える。

主蒸気止め非運転の場合は加算器１８にバイアス信号を
加え、蒸気加減弁４を全開とし、蒸気加減弁運転の場合
は加算器１７にバイアス信号を加えることによって、主
蒸気止め弁３を全開とする。

加算器１７の出力は低値優先回路２１によって負荷制限
器２２からの制限信号と比較し、いずれか低い値が低値
優先回路２１の出力となる。

同様に、加算器１８の出力は低値優先回路２３にて負荷
制限器２２からの制限信号と比較し、いずれか低い値が
低値優先回路２３の出力となる。

低値優先回路２１の出力は加算器２４にて、弁位置開度
信号と比較する。

加算器２４の出力である弁開度位置誤差信号はパワーア
ンプ２５で電力増幅し、電油変換器２６の入力となる。

電油変換器２６の出力は主蒸気止め弁の油筒２７を操作
し、主蒸気止め弁３の開度を調整する。

また、復調器２９にてアナログ信号に変換して加算器２
４ヘフイードバツクされている。

一方、低値優先回路２３の出力は加算器３０にて蒸気加
減弁位置信号と比較し、誤差信号はパワーアンプ３１に
て電力増幅して、電油変換器３２の入力となる。

電油変換器３２の出力は蒸気加減弁油筒３３を操作して
、蒸気加減弁４の弁開度を調整する。

電油変換器３２の出力は差動トランス３４にて位置を検
出し、復調器３５にてアナログ信号に変換されて加算器
３０ヘフイードバツクされている。

第３図は、従来技術によるタービンの起動スケジュール
を示す図である。

第２図における主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替バイアス
１９を、蒸気加減弁側へ加えることによって蒸気加減弁
４は全開する。

第３図におけるａは蒸気加減弁の開度を示す。

時点ｔ。

にて蒸気ターピッを起動すると、第２図における自動起
動回路１２が作動して、主蒸気止め弁３が開き始める。

この状態を第３図のｂで示す。

主蒸気止め弁３の内蔵バイパス弁がｂに添って開くこと
によって、タービン回転数はＣのように上昇し、時点ｔ
１３にて定格回転数に達する。

ここで、発電機遮断器が併入され、回転数は一定となる
。

これにより、第２図における負荷の速度設定器１４を操
作し、主蒸気止め弁３の内蔵バイパス弁を開くことによ
って、タービン５の出力を増加する。

第３図ｄはタービンの出力を表わす。ある程度の負荷を
とった状態で、第２図の主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替
バイアス１９の加減弁側の量を減らして、蒸気加減弁４
を閉じてくる。

ある程度閉じた状態から、主蒸気止め弁側へのバイアス
量を増加し、主蒸気止め弁３を全開まで開く。

この点で主蒸気止め弁／蒸気加減弁の切替操作は完了す
る。

第３図のｔ３がその時点を示す。第４図は、本発明の一
実施例におけるブロック線図である。

第４図中における第２図と同一符号は、同一機能を示す
ものであり、細かい説明は省略する。

第４図において、タービンの回転数は検出歯車９と電磁
ピンクアップ１０および周波数／電圧変換器１１によっ
て、タービン回転数に比例したアナログ信号が作り出さ
れる。

このアナログ信号の一方は、自動起動設定回数信号１２
ｂと比較し、速度誤差信号を作り出す。

一方、アナログ信号を微分し、その信号と上昇率設定信
号１２ｅと比較したうえでこの信号を積分して作り出し
た速度誤差信号は、低値優先回路１２ｇによって選択さ
れる。

自動起動設定回転数信号１２ｂはタービン設備によって
異なる場合が多いが、一般には６弁全開” 、 ” １
０００ ｒｐｍ″、３０００ ｒｐｍ（定格）″等を設
けることが多い。

自動起動設定回転数信号１２ｂに実回転数が到達しない
状態においては、積分器１２ｆの出力が自動起動設定回
転数信号１２ｂとの比較信号より低いため、速度上昇率
設定信号１２ｅに従って、タービン実回転数は昇速する
。

実回転数力咄動設定回転数信号１２ｂまで達すると、低
値優先回路１２ｇは加算器１２ａの出力を優先させると
ともに、昇速機能を停止させる（図示せず）。

もう一方のアナログ信号は、加算器３６にて主蒸気止め
弁／蒸気加減弁切替信号３１と比較する。

加算器３６の出力は高値優先回路３８にて低値優先回路
１２ｇの出力である速度誤差信号と比較する。

主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号３７の大きさは、蒸
気加減弁４のバタフライ弁の蒸気のリーク量と、主蒸気
止め弁３に内蔵されるバイパス弁の容量によって決定さ
れるべきものであり、バイパス弁の容量はバタフライ弁
の蒸気のリーク量より大きくしなければならない。

これらのことを考慮し、バタフライ弁の蒸気のリーク量
で昇速するタービン回転数より高い位置で、バイパス弁
の容量によって昇速するタービン回転数より低い位置に
主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号３７をセットする。

ここで主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号設定器３７の
機能について付言する。

主蒸気止め弁３が全開し、蒸気加減弁（バタフライ弁）
４が全閉している状態で蒸気加減弁４からのリーク量に
よって蒸気タービン５が昇速スる回転数より高い設定回
転数であり、蒸気加減弁４が全開している状態で主蒸気
止め弁３に内蔵されたバイパス弁によって昇速できる蒸
気タービン５の回転数より低い設定回転数に、主蒸気止
め弁／蒸気加減弁切替信号設定器３１を設定する。

ところで、本発明の主旨は、主蒸気止め弁３に内蔵する
バイパス弁をできるだけ小さくし、しかもタービン起動
時の昇速について自動化を図ることにある。

従って、主蒸気止め弁３に内蔵するバイパス弁の大きさ
は、蒸気加減弁４が全閉している状態でのリーク量より
多少大きくすることになる。

それゆえ、主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号設定器３
１の設定値は、蒸気加減弁４が全閉している状態で蒸気
加減弁４からのリーク量によって蒸気タービン５が昇速
するタービン回転数となる。

一般に蒸気加減弁４のバタフライ弁のリーク量は、蒸気
タービン５に流入する蒸気量の約２％に相当し、タービ
ン回転数は定格回転数３００Ｏｒｐｍに対して１０００
ｒｐｍである。

蒸気加減弁４の速度制御系の速度調定率は通常４〜５％
であり、定格回転数３６０ Ｏｒｐｍの場合に主蒸気止
め弁／蒸気加減弁切替信号設定器３１の設定値に対して
１４４〜１８０ｒｐｍの回転数偏差があれば、蒸気加減
弁４は全開することになる。

タービン回転数が主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号設
定器３７の設定値に近づくまでは、加算器３６の出力が
自動起動回路１２（低値優先回路１２ｇ）の出力である
速度誤差信号に打ち勝って、高値優先回路３８の出力と
なる。

タービン回転数が主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号設
定器３７の設定値に近づ゛く（主蒸気止め弁／蒸気加減
弁切替信号設定器３１の設定値より定格回転数の４〜５
％低い値）と、加算器３６の出力は徐々に減少を始め、
主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号設定器３７の設定値
にタービン回転数が達すると、加算器３６の出力は零と
なる。

自動起動回路１２の出力は主蒸気止め弁の速度制御系へ
の入力信号と同じ信号でありかつ高値優先回路３８へ導
入されており、加算器３６の出力が零に達する前に高値
優先回路３８の出力は、自動起動回路１２の出力によっ
て制御されるごとになる。

従って主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号設定器３７の
設定値は、タービン起動時に全開位置（主蒸気止め弁／
蒸気加減弁切替回転数設定値）に設定すれば、それ以降
の設定変更の必要はない。

高値優先回路３８の出力は負荷の速度設定信号１４を加
えたうえで速度調定率に合った速度制御信号を作り出し
、負荷制限信号２２と比較したうえで、蒸気加減弁制御
回路である加算器３０、パワーアンプ３１、電油変換器
３２、蒸気加減弁油筒３３を操作して、蒸気加減弁の開
度を制御する。

一方、電油変換器３２の動きは差動トランス３４、復調
器３５によって検出され、加算器３０ヘフイードバツク
されて蒸気加減弁の開度位置を決定している。

低値優先回路１２ｇの出力である速度誤差信号の一方は
、加算器３９にて主蒸気止め弁全開信号４０が加えられ
る。

この主蒸気止め弁全開信号は、加算器３６の出力である
主蒸気止め弁３運転時における蒸気加減弁開度信号と、
低値優先回路１２ｇの出力である速度誤差信号とが等し
い点で、始めて加えられることになる。

この主蒸気止め弁全開信号によって、主蒸気止め弁運転
終了後主蒸気止め弁３を全開にする。

加算器３９の出力は速度調定率回路４１にて速度調定率
に添った速度制御信号を作り出す。

加算器２４、パワーアンプ２５、電油変換器２６、主蒸
気止め弁油筒２７、差動トランス２８、復調器２９は、
蒸気加減弁４における弁制御回路と同じ機能を有するも
のである。

主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号設定器３７は、電動
機４２駆動であり、負荷制限器２２の制限信号が零より
大きいことを電圧比較器４３にて検出し、電動機コント
ローラ４３ａに信号を与え、設定器３７を全開まで上げ
る。

全開に達したら電動機４２を停止する。

主蒸気止め弁全開信号設定器４０も電動機４４駆動であ
り、加算器３６の出力より低値優先回路１２ｇの出力が
大きくなったことを電圧比較器４５によって検出し、電
動機コントローラ４６に信号を与え設定器４０を全開と
する。

全開に達したら電動機４４を停止する。

以上が本発明における蒸気タービンの制御装置であるが
、第５図に従って、本発明の制御装置によって行なう自
動起動方法を説明する。

タービン起動前は負荷制限器が全閉しており、主蒸気止
め弁３、蒸気加減弁４ともに全閉である。

負荷制限器２２を全開することによって、第４図に示す
電圧比較器４３が働き、主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替
信号設定器３γは全開まで動くことによって、蒸気加減
弁４を表わすａは全開する。

時点ｔ。

にて自動起動装置が働き、主蒸気止め弁３のバイパス弁
が開きタービンの実回転数Ｃは、自動起動装置の速度上
昇率に従って上昇を開始する。

タービンの実回転数が主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信
号に近づいてくると、第４図における加算器３６の誤差
信号は小さくなり、蒸気加減弁４はａｌのように閉じて
くる。

第４図における低値優先回路１２ｇの速度誤差信号が加
算器３６の切替信号に等しいかそれより大きくなると、
高値優先回路３８の出力は速度誤差信号が優先し、蒸気
加減弁４をａ２のように制御する。

一方、第４図における加算器３６の出力より低値優先回
路１２ｇの出力である速度誤差信号が等しいか大きくな
ると、電圧比較器４５が働き、主蒸気止め弁全開信号設
定器４０は全開まで動く。

これによって主蒸気止め弁３はｂｌのように全開する。

さらにこれによって、主蒸気止め弁３運転から蒸気加減
弁４運転への切替は完了したことになり、自動起動装置
の昇速信号に従って蒸気加減弁４は制御され、蒸気ター
ビン５は定格回転数ｃ２に到達する。

この状態でタービン発電機７は併入操作を行ない、併入
後は第４図に示す負荷の速度設定器１４によって負荷速
度ｄを増加する。

以上のように本発明の蒸気タービンの制御装置を用いる
ことによって、主蒸気止め弁３あるいは主蒸気止め弁３
に内蔵するバイパス弁の口径を最小限小さくできるとと
もに、タービン昇速過程において、主蒸気止め弁３運転
から蒸気加減弁４運転へ自動的にかつスムースに切り替
えることができ、従来の技術に対して発電設備費の低下
と自動化を大幅に進めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は地熱発電設備の概要を示す路線図、第２図は従
来装置のブロック線図、第３図は従来の自動起動過程に
おける弁の動きを示す図、第４図は本発明の一実施例を
示すブロック線図、第５図は本発明の自動起動過程にお
ける弁の動きを示す図である。 ２・・・・・・セパレータ、３，３ａ〜３ｄ・・・・・
・主蒸気止め弁、４，４ａ〜４ｄ・・・・・・蒸気加減
弁、５・・・・・・蒸気タービン、６・・・・・・復水
器、７・・・・・・発電機、８・・・・・・タービンロ
ータ、９・・・・・・速度検出用歯車、１０・・・・・
・電磁ピックアップ、１１・・・・・・周波数／電圧変
換器、１２・・・・・・自動起動回路、１２ａ 、１２
ｄ。 １３．１７，１８，２４，３０，３６，３９・・・・・
・加算器、１２ｂ・・・・・山動起動設定回転数回路、
１２ｃ・・・・・・微分器、１２ｅ・・・・・・上昇率
設定回路、１２ｆ・・・・・・積分器、１２ｇ、２Ｌ２
３・・・・・・低値優先回路、１４・・、・・・・負荷
設定回路、１５，４１・・・・・・速度調定率回路、１
６・・・・・・調定率変更回路、１９・・・・・・主蒸
気止め弁／蒸気加減弁切換バイアス回路、２０・・・・
・・切替回路、２２・・・・・・負荷制限器、２５．３
１・・・・・・パワーアンプ、２６，３２・・・・・・
電油変換器、２γ・・・・・・主蒸気止め弁の油筒、２
８゜３４・・・・・・差動トランス、２９．３５・・・
・・・復調器、３３・・・・・・蒸気加減弁油筒、３７
・・・・・・主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号設定器
、３８・・・・・・高値優先回路、４０・・・・・・主
蒸気止め弁全開信号出力回路、４２．４４・・・・・・
電動機、４３，４５・・・・・一電圧比較器、４３ａ、
４６・・・・・・電動機コントローラ、Ａ・・・・・・
井戸、ａ 、 ａｌ 、 ａ２・・・・・・蒸気加減弁
の開度、ｂ。 ｂｌ、ｂ２・・・・・・主蒸気止め弁バイパス弁の開度
、Ｃ２Ｃ５、Ｃ２・・・・・・タービン実回転数、ｄ・
・・・・・タービン負荷、ｔｏ・・・・・・タービン自
動起動スタートの時点、ｔ１３・・・・・・定格回転数
到達で発電機併入の時点、ｔ１５・・・・・・蒸気加減
弁閉動作開始時点、ｔ２ ・・・・・・主蒸気止め非運
転から蒸気加減弁運転への切替開始時点、ｔ３・・・・
・・主蒸気止め非運転から蒸気加減弁運転への切替完了
時点、ｔ４・・・・・・定格回転数到達と発電機併入時
点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 主蒸気止め弁と蒸気加減弁の双方に自動起動機能を
   有する蒸気タービンの制御装置において、主蒸気止め弁
   の速度制御系と蒸気加減弁の速度制御系に自動起動制御
   信号を与える自動起動回路を設け、主蒸気止め弁による
   自動起動から蒸気加減弁による自動起動へ自動切替えを
   行なうために主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号設定器
   を備え、この主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号設定器
   の設定値とタービンの実回転数を比較する手段を設ける
   ことによって誤差信号を導出し、この誤差信号と前記自
   動起動回路からの速度誤差信号とを高値優先回路へ導入
   し、その高値優先回路の出力を前記蒸気加減弁の速度制
   御系に与え、前記自動起動回路の出力と、前記主蒸気止
   め弁／蒸気加減弁切替信号設定器の設定値と前記タービ
   ンの実回転数との偏差を比較する高圧比較器を設けると
   ともに、前記主蒸気止め弁の速度制御系での自動起動制
   御信号を与える前記自動起動回路の出力に前記主蒸気止
   め弁を全開にする主蒸気止め弁全開信号出力回路からの
   設定値を加える加算器を設け、その出力を前記主蒸気止
   め弁の速度制御系へ導入し、前記主蒸気止め弁全開信号
   出力回路は前記主蒸気止め弁によって自動起動している
   状態では零に設定され、前記自動起動回路の出力が前記
   主蒸気止め弁／蒸気加減弁切替信号設定と前記タービン
   の実回転数との偏差に等しいか、より大きくなったこと
   を条件に前記主蒸気止め弁全開信号出力回路の出力を零
   から全開に切替えることによって、低回転数では前記主
   蒸気止め弁で自動起動し、前記主蒸気止め弁／蒸気加減
   弁切替信号設定器の弁切替設定値以上のタービン回転数
   においては前記主蒸気止め弁の制御から前記蒸気加減弁
   の自動起動へと自動的に切替えて、前記蒸気加減弁にて
   定格回転数まで昇速するようにしたことを特徴とする蒸
   気タービンの制御装置。