JPS5916484Y2 - Thermal stress strength fracture prevention device for turbine metal parts - Google Patents

Thermal stress strength fracture prevention device for turbine metal parts

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JPS5916484Y2
JPS5916484Y2 JP13786379U JP13786379U JPS5916484Y2 JP S5916484 Y2 JPS5916484 Y2 JP S5916484Y2 JP 13786379 U JP13786379 U JP 13786379U JP 13786379 U JP13786379 U JP 13786379U JP S5916484 Y2 JPS5916484 Y2 JP S5916484Y2
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JP
Japan
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turbine
load
thermal stress
signal
load change
Prior art date
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JP13786379U
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JPS5544099U (en
Inventor
美雄 佐藤
伸夫 栗原
雅夫 三宅
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株式会社日立製作所
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Publication date
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  • Control Of Turbines (AREA)

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、熱応力強度破壊防止装置に係り、特に大幅な
負荷変化が要求されるタービンに好適なタービン金属部
の熱応力強度破壊防止装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a thermal stress strength fracture prevention device, and particularly to a thermal stress strength fracture prevention device for turbine metal parts suitable for turbines that require large load changes.

従来におけるこの種タービン金属部の熱応力強度破壊防
止技術は、単に現時点におけるタービン金属部の温度か
ら熱応力を計算し、その計算した結果を用いてタービン
の負荷変化に対して制限を加えるといった程度のもので
あった。
Conventional technology for preventing thermal stress strength fractures of this kind of turbine metal parts has been limited to simply calculating thermal stress from the current temperature of the turbine metal parts and using the calculated results to limit changes in turbine load. It belonged to

従って、このような技術では、今後の熱応力がどの様に
変化していくかを知ることは難かしく、熱応力の最大値
を許容限界以内に抑えるためにはタービンは許容値から
かなりのマージンをもった運転にならざるを得なかった
Therefore, with this type of technology, it is difficult to know how thermal stress will change in the future, and in order to keep the maximum value of thermal stress within the permissible limit, the turbine must have a considerable margin from the permissible value. I had no choice but to drive with caution.

一方、火力発電所は、原子力発電所の増加に伴って、日
間負荷調整のために利用されることが予想される。
On the other hand, thermal power plants are expected to be used for daily load adjustment as the number of nuclear power plants increases.

この場合、火力発電所のタービンは、急激な負荷変更、
停止、起動がひんばんに行われることになり、熱応力の
問題が一層重要な課題となる。
In this case, the turbine of a thermal power plant is affected by sudden load changes,
As they will be stopped and started frequently, the issue of thermal stress will become even more important.

本考案は、上記問題点に対しなされたもので、負荷変化
時等の熱応力の変化を予測し、その変化が許容値を超え
ない様に制御することにより熱応力によるタービン金属
部の強度破壊を防止するタービン金属部の強度破壊防止
装置を提供することを目的とする。
This invention was made to solve the above problem, and it predicts changes in thermal stress due to changes in load and controls the strength of turbine metal parts due to thermal stress by controlling the change so that it does not exceed an allowable value. An object of the present invention is to provide a device for preventing strength destruction of a turbine metal part.

本考案の特徴は、負荷変化時において現在の負荷、主蒸
気温度、タービンケーシング内壁温度を検出し、それら
と負荷変化要求とから負荷変化率を求め、該負荷変化率
によってタービンの運転を行う如くしたことである。
The feature of this invention is that when the load changes, the current load, main steam temperature, and turbine casing inner wall temperature are detected, the load change rate is determined from these and the load change request, and the turbine is operated based on the load change rate. That's what I did.

以下図面により本考案を詳細に説明する。The present invention will be explained in detail below with reference to the drawings.

第1図は本考案の一実施例を示すブロック図面である。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.

この例ではタービンロータについて説明するが、これ以
外の例えばケーシングについても同様に本考案は実施で
きる。
In this example, a turbine rotor will be explained, but the present invention can be implemented similarly for other types of casings, for example.

図において、10は負荷実測値信号、11は主蒸気温度
実測値信号、12は主蒸気圧力実測値信号、14はター
ビンケーシング内壁温度信号、15はタービン第1段落
後の蒸気温度予測値信号、16はタービンロータの温度
分布信号、17は熱応力最大値リセット信号、18は熱
応力予測値の最大値信号、1つは負荷変化率設定信号を
示す。
In the figure, 10 is a load actual value signal, 11 is a main steam temperature actual value signal, 12 is a main steam pressure actual value signal, 14 is a turbine casing inner wall temperature signal, 15 is a steam temperature predicted value signal after the first stage of the turbine, Reference numeral 16 indicates a temperature distribution signal of the turbine rotor, 17 indicates a thermal stress maximum value reset signal, 18 indicates a maximum value signal of a predicted thermal stress value, and 1 indicates a load change rate setting signal.

また、30は、負荷実測値信号10と主蒸気温度実測値
信号11と主蒸気圧力実測値信号12と負荷変化率設定
信号19とからタービン第1段後の蒸気温度を時系列的
に予測する蒸気温度予測装置である。
Further, 30 predicts the steam temperature after the first stage of the turbine in time series from the load actual value signal 10, the main steam temperature actual value signal 11, the main steam pressure actual value signal 12, and the load change rate setting signal 19. This is a steam temperature prediction device.

31は、タービンケーシング内壁温度信号14からター
ビンロータの初期温度分布を推定し、負荷要求信号13
が発せられた時に熱応力最大値をノセットさせる信号を
発する温度分布推定装置である。
31 estimates the initial temperature distribution of the turbine rotor from the turbine casing inner wall temperature signal 14 and outputs the load request signal 13.
This is a temperature distribution estimating device that emits a signal that sets the maximum value of thermal stress when it is emitted.

32は、タービン第1段落後の蒸気温度予測値信号15
とタービンロータの温度分布信号16とから負荷変化に
よって生しる熱応力の最大値を予測する熱応力最大値予
測装置である。
32 is the steam temperature predicted value signal 15 after the first stage of the turbine.
This is a thermal stress maximum value prediction device that predicts the maximum value of thermal stress caused by a load change from the temperature distribution signal 16 of the turbine rotor and the turbine rotor.

23は、熱応力最大値信号18と許容最大熱応力とを比
較し、その差の程度によって負荷変化率の設定値を決定
する負荷変化率決定装置である。
23 is a load change rate determination device that compares the thermal stress maximum value signal 18 and the allowable maximum thermal stress and determines the set value of the load change rate based on the degree of the difference.

この様な構成における動作について次に説明する。The operation in such a configuration will be explained next.

まず、タービン第1段落後蒸気温度θ15、の予測につ
いて説明する。
First, prediction of the steam temperature θ15 after the first stage of the turbine will be explained.

第2図はθistを予測する一例を示すブロック図面で
ある。
FIG. 2 is a block diagram showing an example of predicting θist.

この第2図において、ブロック34では負荷変化量予測
演算装置で、負荷実測値信号10と目標負荷と負荷変化
率とから負荷変化量20を次式の演算により予測する。
In FIG. 2, in block 34, a load change amount prediction calculation device predicts a load change amount 20 from the actual load value signal 10, the target load, and the load change rate by calculating the following equation.

ここに、 L8 (i):現サンプル時の負荷実測値La(i+n
);現在よりnサンプル後の負荷予測値 Δt;サンプリング周期 LR;目標負荷 dLR;負荷変化率 t ブロック35では、主蒸気温度実測値信号11および主
蒸気圧力実測値信号12から蒸気衣を用いて主蒸気エン
タルピを求める。
Here, L8 (i): Actual load value La(i+n
); Predicted load value Δt after n samples from the current time; Sampling period LR; Target load dLR; Load change rate t In block 35, the main steam temperature actual measurement value signal 11 and the main steam pressure actual measurement value signal 12 are used to calculate the Find the main steam enthalpy.

ブロック36ではこのエンタルピとブロック34で求め
られた負荷変化予測値とからnサンプル後のタービン第
1段落後の蒸気温度θ+st、 (i+n)を求める。
In block 36, the steam temperature θ+st, (i+n) after the first stage of the turbine after n samples is determined from this enthalpy and the predicted load change value obtained in block 34.

エンタルピと負荷と蒸気温度の関係は、シミュレーショ
ンや過去のテ゛−夕の解析によって予め求め、それを記
憶しておく。
The relationship between enthalpy, load, and steam temperature is determined in advance by simulation or analysis of past data and stored.

次にタービンロータの温度分布の初期値推定を行なう温
度分布推定装置31の動作を説明する。
Next, the operation of the temperature distribution estimating device 31 that estimates the initial value of the temperature distribution of the turbine rotor will be explained.

この温度分布推定装置31では、ロータ内部の温度分布
を次の様な式で推定する。
This temperature distribution estimating device 31 estimates the temperature distribution inside the rotor using the following equation.

すなわち、ロータ内部の温度分布は、熱伝導式を円筒座
標で示した(3)式をロータの初期温度O′Cで表面の
蒸気温度θ1stを一定に保持したと仮定して解いた(
4)式によって得られる。
That is, the temperature distribution inside the rotor was solved by equation (3), which expresses the heat conduction equation in cylindrical coordinates, assuming that the initial temperature of the rotor is O'C and the surface steam temperature θ1st is held constant (
4) Obtained by Eq.

ここに、 λ;ロータ材の熱伝導率(kcal/mh’ C)C;
ロータ材の比熱(kcal/Kg’ C)r;ロータ材
の比重量(kg/m3) K;λ/cr温度伝達率(m2/h) h;kf/λ に、;表面熱伝達率(kcal/m2h ’ C)to
;θIStが一定になってからの時間(h)A : h
r (Biot数) α。
Here, λ; thermal conductivity of rotor material (kcal/mh'C);
Specific heat of rotor material (kcal/Kg' C) r; Specific weight of rotor material (kg/m3) K; λ/cr Temperature transfer coefficient (m2/h) h; /m2h 'C)to
; Time after θISt becomes constant (h) A: h
r (Biot number) α.

; A /ri3. :13nJ、 (A)−AJo
(A)=oの正の根JOr第1種零階ノBe5se
l関数 J1;第1種1階のBe5sel関数 次に熱応力予測値の最大値の求め方について述べる。
;A/ri3. :13nJ, (A)-AJo
(A) = positive root of o JOr first kind zero order Be5se
l function J1: Be5sel function of first order of type 1 Next, a method for determining the maximum value of the predicted thermal stress value will be described.

この求め方の一例をブロック図で示すのが第3図である
FIG. 3 is a block diagram showing an example of how to obtain this.

図において、37はタービンロータの温度分布の初期値
推定信号16とタービン第1段後の蒸気温度予測値信号
15を用いてロータ温度分布の予測をする温度分布計算
装置で゛ある。
In the figure, numeral 37 is a temperature distribution calculation device that predicts the rotor temperature distribution using the initial value estimation signal 16 of the temperature distribution of the turbine rotor and the steam temperature prediction value signal 15 after the first stage of the turbine.

このロータ温度分布の予測は、ロータを半径方向にm分
割し、分割された管状の温度特性を集中定数系とした場
合の動特性モチ゛ル式を計算することによって求める。
This prediction of the rotor temperature distribution is obtained by dividing the rotor into m parts in the radial direction and calculating a dynamic characteristic model equation when the temperature characteristics of the divided tubular shapes are treated as a lumped constant system.

すなわち、ここに、 Qsr+ +蒸気からロータへの伝熱量 Qr+、 rj+I +ロータの管状ブロックrjから
rt+1への伝熱量 Qrl 、 r2 :ロータの管状ブロックr、からr
2への伝熱量 Qrj−1+r4:ロータの管状ブロックrj 、への
伝熱量 この様にして求められたロータの温度分布は、温度分布
記憶装置38に記憶されると共に平均温度計算装置3つ
に出力される。
That is, here, Qsr+ + heat transfer amount from steam to rotor Qr+, rj+I + heat transfer amount from rotor tubular block rj to rt+1 Qrl, r2: rotor tubular block r, to r
2 Qrj-1+r4: Amount of heat transferred to the tubular block rj of the rotor The temperature distribution of the rotor determined in this manner is stored in the temperature distribution storage device 38 and output to three average temperature calculation devices. be done.

この平均温度計算装置3つでは、次式の如き要領でロー
タの体積平均温度Qrを計算する。
These three average temperature calculating devices calculate the volume average temperature Qr of the rotor using the following formula.

この様にして計算されたロータ体積平均温度25は熱応
力計算装置40に出力され、熱応力計算装置40ではこ
の入力によって熱応力(f、、6bを計算する。
The rotor volume average temperature 25 calculated in this manner is output to the thermal stress calculation device 40, and the thermal stress calculation device 40 calculates the thermal stress (f, , 6b) based on this input.

この計算は公知の次式に従う。E;ヤング率 β;ロータの熱膨張率 シ;ポアソン比 (10)、 (n)式によって求められた熱応力は信
号26として熱応力比較装置41に取込まれ、ここで前
回サンプリング時までの最大値と今回の熱応力を比較さ
れる。
This calculation follows the following well-known formula. E: Young's modulus β: coefficient of thermal expansion of the rotor C: Poisson's ratio (10) The thermal stress obtained by equation (n) is taken in as a signal 26 to the thermal stress comparator 41, where it compares the values up to the previous sampling. The maximum value and the current thermal stress are compared.

今回の値が前回までの最大値より大きい場合には今回の
値を最大値として記憶し、温度分布計算装置37に再計
算要求信号22を出力する。
If the current value is larger than the previous maximum value, the current value is stored as the maximum value and a recalculation request signal 22 is output to the temperature distribution calculation device 37.

温度分布計算装置37はその信号により温度分布を計算
し、それにより平均温度計算装置39が平均温度を計算
し、その平均温度により熱応力が計算される。
The temperature distribution calculation device 37 calculates the temperature distribution based on the signal, the average temperature calculation device 39 calculates the average temperature, and the thermal stress is calculated from the average temperature.

そして、再び熱応力比較装置41で前回までの最大値と
比較がなされる。
Then, the thermal stress comparator 41 again compares the maximum value up to the previous time.

今回の値が前回までの最大値と同じかあるいはそれ以下
になった場合には、前回までの最大値を熱応力最大値と
して出力する。
If the current value is equal to or less than the maximum value up to the previous time, the maximum value up to the previous time is output as the maximum thermal stress value.

なお、熱応力最大値リセット信号17が発せられている
場合には、前回までの計算値を無視し、今回の計算値を
最大値として再度計算する。
In addition, when the thermal stress maximum value reset signal 17 is issued, the calculated value up to the previous time is ignored, and the calculation is performed again using the current calculated value as the maximum value.

第3図の如き手法で求められた熱応力最大値(”Sma
X 、(5’bmax )は、負荷変化率設定装置23
(l取込まれ、許容最大熱応力(crsL、 Q’bl
−)と比較される。
The maximum thermal stress value ("Sma") obtained using the method shown in Figure 3
X, (5'bmax) is the load change rate setting device 23
(l incorporated, maximum allowable thermal stress (crsL, Q'bl
−) is compared with

そして、それによって負荷変化率」↓lの設定がなされ
る。
Then, the load change rate "↓l" is set accordingly.

3践1を求める計算式のd−yf、lを次t 式に示す。d-yf, l of the formula for calculating 1 is the following t As shown in Eq.

この様にして求められた新しい負荷変化率設定値を用い
て、再度θ1st (1+n)を求め、m1n(Q”
SL Q’smax 、 Q”bL ”bmaX
)≧0であることを確認すれば、常に熱応力を許容値以
内に収めることが可能である。
Using the new load change rate setting value found in this way, θ1st (1+n) is found again, and m1n(Q”
SL Q'smax, Q"bL"bmax
)≧0, it is possible to always keep the thermal stress within the allowable value.

以上詳細に説明した様に本考案は、熱応力がどの程度変
化するかを予め求め、その熱応力が許容値を超えない様
に負荷変化量を制限するので、タービン金属部の熱応力
が異常に大きくなって強度破壊を起こすことを防止でき
る。
As explained in detail above, the present invention determines in advance how much the thermal stress will change and limits the amount of load change so that the thermal stress does not exceed the allowable value. This can prevent the steel from becoming too large and causing strength failure.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本考案の一実施例を示すブロック図面、第2図
および第3図は第1図に示すブロックの内容を更に詳細
に示したブロック図面である。 30・・・蒸気温度予測装置、31・・・温度分布推定
装置、32・・・熱応力最大値予測装置、33・・・負
荷変化率決定装置、37・・・温度分布計算装置、38
・・・温度分布記憶装置、39・・・平均温度計算装置
、40・・・熱応力計算装置、41・・・熱応力比較装
置。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are block diagrams showing the contents of the blocks shown in FIG. 1 in more detail. 30... Steam temperature prediction device, 31... Temperature distribution estimation device, 32... Thermal stress maximum value prediction device, 33... Load change rate determination device, 37... Temperature distribution calculation device, 38
... Temperature distribution storage device, 39 ... Average temperature calculation device, 40 ... Thermal stress calculation device, 41 ... Thermal stress comparison device.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] タービンの負荷を検出する負荷検出器と、主蒸気温度を
検出する主蒸気温度検出器と、主蒸気の圧力を検出する
主蒸気圧力検出器と、前記タービンケーシング内壁温度
を検出するケーシング内壁温度検出器と、負荷変化要求
信号を設定する設定器とを具備し負荷変化時において前
記タービンの熱応力があらかじめ定められた許容値を超
えない範囲で運転制御をおこなうタービン金属部の強度
破壊防止装置において、前記負荷検出器の出力信号と前
記設定された負荷変化要求信号の設定器の出力信号を入
力信号とし負荷変化量予測値を演算する負荷変化量予測
演算装置と、前記主蒸気温度検出器の出力信号と前記主
蒸気圧力検出器の出力信号とから蒸気表を用いて主蒸気
エンタルピを求める手段と、前記負荷変化量予測演算装
置の出力信号と前記エンタルピを求める手段の出力信号
とを入力信号としてあらかじめ定められた時間後の前記
タービンの第1段落後の蒸気温度を予測する予測演算手
段と、前記タービンのケーシング内壁温度検出器の出力
信号と前記タービンの現時点において与えられた負荷要
求信号とから前記タービンの初期温度分布を推定演算す
る手段と、前記予測演算された前記タービンの第1段落
後の蒸気温度信号と前記演算された温度分布信号と前記
与えられた負荷要求信号とがら負荷変化によって生じる
熱応力の最大値を予測する手段と、前記予測された熱応
力の最大値とあらかじめ設定されている許容最大熱応力
との差の信号で現時点における負荷変化率を修正する手
段、とを具備し前記修正された負荷変化率で前記タービ
ンの負荷を制御することを特徴とするタービン金属部の
熱応力強度破壊防止装置。
A load detector that detects the load on the turbine, a main steam temperature detector that detects the main steam temperature, a main steam pressure detector that detects the pressure of the main steam, and a casing inner wall temperature detector that detects the inner wall temperature of the turbine casing. and a setting device for setting a load change request signal, and the device controls the operation within a range in which the thermal stress of the turbine does not exceed a predetermined allowable value when the load changes. , a load change amount prediction calculation device that calculates a load change amount predicted value using the output signal of the load detector and the output signal of the setter of the set load change request signal as input signals; means for determining main steam enthalpy from the output signal and the output signal of the main steam pressure detector using a steam table; and input signals for the output signal of the load change amount prediction calculation device and the output signal of the means for determining enthalpy. a prediction calculation means for predicting the steam temperature after the first stage of the turbine after a predetermined time; an output signal of a casing inner wall temperature detector of the turbine; and a load request signal given at the current moment of the turbine; means for estimating and calculating the initial temperature distribution of the turbine based on the predicted calculation of the steam temperature signal after the first stage of the turbine, the calculated temperature distribution signal, and the given load request signal according to a load change; The method includes means for predicting the maximum value of thermal stress that will occur, and means for correcting the current load change rate using a signal of the difference between the predicted maximum value of thermal stress and a preset allowable maximum thermal stress. and controlling the load of the turbine at the modified load change rate.
JP13786379U 1979-10-03 1979-10-03 Thermal stress strength fracture prevention device for turbine metal parts Expired JPS5916484Y2 (en)

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JPS5544099U JPS5544099U (en) 1980-03-22
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