JPS63682B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はボイラの昇圧制御装置に係り、特にボ
イラ起動時間の短縮を可能ならしめるために、気
水分離器の熱応力を考慮したボイラ急速昇圧制御
装置に関する。

ベース負荷運転を基調とする原子力発電プラン
トの設備容量の増大、水力及び中小容量火力発電
プラントの設備容量比の低下、負荷率の低下など
にみられる電力需給の構造変化に伴ない、新鋭大
容量火力発電プラントに対してもミドル負荷運用
の要請が高まつてきた。

このミドル負荷運用で重視されるものの１つと
して起動時間が上げられる。すなわち大容量プラ
ントでありながら中容量並の短時間起動をいかに
実現するかが重要となる。これと同時に起動損失
も重要な評価基準となる。

起動時間および起動損失を左右するものの１つ
としてタービン通気前のボイラ昇圧制御特性があ
る。

従来のボイラ昇圧制御装置について説明する前
に、第１図により代表的なプラント構成と各系統
について概説する。

復水器１５で復水された水は復水ポンプ１６に
より脱気器１７に導びかれ、脱気された水は低圧
給水加熱器１８で加熱された給水ポンプ１９で加
圧され高圧給水加熱器２０に導びかれ加熱され
る。

ここを出た給水は節炭器１に入り燃焼ガスで加
熱され水壁２に入り、蒸発を開始する。ボイラ起
動時および低負荷域では水壁出口の蒸気は気水混
合状態であり気水分離器３で気水分離され、水分
は貯水槽４に入り、乾き蒸気分は過熱器６に導か
れ過熱蒸気すなわち、主蒸気となりタービンに導
かれる。タービン通気前は主蒸気の貯水槽の水は
再循環ポンプ５により再び節炭器１に導かれる。

圧力および温度が所定値に達するまではバイパ
ス弁２１を介して主蒸気を再熱気１４に導いて再
熱器１４の焼損を防止する。再熱器を冷却した蒸
気はスピルオーバ弁２２を介して復水器１５に導
かれる。主蒸気の圧力および温度がタービン通気
条件に達した後は主塞止弁７を開らき、主蒸気を
高圧タービン８に流入させタービンの昇速を開始
する。本図はクロスコンパウンド形のタービンを
示しており、１次側として高圧タービン８、低圧
タービン９および発電機１０から成り、２次側と
して中圧タービン１１、低圧タービン１２および
発電機１３から成る。高圧タービン８を出た蒸気
は再熱圧力以上になると逆止弁２４を通過して再
熱器１４に流入する。ベンチレーシヨン弁２３は
高圧タービン８の出口蒸気圧力を所定値以下に抑
えて、高圧タービン８での風損過熱を防止するた
めのものである。再熱器１４を出た蒸気はインタ
セプト弁２５を介して中圧タービン１１に流入
し、２次側発電機１３の駆動に寄与し、両低圧タ
ービン９，１２に流入する。両低圧タービンで仕
事をした蒸気は復水器１５に流入し復水される。

このように気水分離器３を有するプラントでは
起動時の主蒸気圧力昇圧に伴ない気水分離器圧力
も昇圧されるため第２図に示すように圧力Ｐで定
まる飽和温度T_SATの特性曲線３０に従つて気水分
離器内の流体温度が変化する。この飽和温度の変
化速度（以下飽和温度変化率と称する）は気水分
離器３の厚肉メタル部に発生する熱応力の大きさ
と相関が大であり、飽和温度変化率が大きいほど
発生熱応力は大きくなる。すなわち、気水分離器
３の熱応力を許容値以下に抑えるためには昇圧時
の圧力変化速度（以下圧力変化率と称する）を制
限しなければならない。

いま、圧力Ｐに於ける飽和温度変化率の集合を
α（Ｐ）とし、 α（Ｐ）＝（dT_SAT／dt）_P ……(1) と表記し、飽和温度変化率制限値をα_Lとすれば、
圧力Ｐに於ける許容圧力変化率β（Ｐ）は β（Ｐ）＝M_ax（dP／dt｜α（Ｐ）α_L） ……(2) で表わされ、第３図に示す特性曲線３１が得られ
る。この特性は飽和温度変化率制限値α_Lが一定の
条件のもとでも圧力レベルにより許容しうる圧力
変化率が異なることを意味し、圧力が高いほど許
容圧力変化率は大きくすることができる。

従来の主蒸気圧力昇圧方式について第４，５，
６，７，８図を用いて説明する。

従来方式に於ける１つの方法としては第４図に
示すように、主蒸気の目標圧力設定器３５で設定
した目標値P_MSrに実際の主蒸気圧力P_MSを一致さ
せるためにP_MSrとP_MSの偏差信号ΔPを求め、この
ΔPを比例積分調節器３７に入力し、この出力信
号をバイパス弁２１の目標開度信号として弁操作
器３８に与える方法をとつていた。この方法では
第５図に示すように、ボイラ点火時（t₀）から水
壁２の加熱を開始し、t₁にて蒸発開始し、P_MS
P_MSrとなるt₂で初めてバイパス弁による実質的な
圧力制御がなされる。

したがつてそれまでは投入燃料量により昇圧特
性が決められるが、ボイラ起動時には投入燃料量
が少なく、ボイラの圧力応答も遅いため、起動過
程で燃料量の調節による圧力変化率の制御は困難
である。そこで一般的にはタービン通気までは一
定燃料もしくは一定パターンの燃料投入が行われ
るが、たとえば同一投入燃料量であつてもボイラ
停止期間の長短により昇圧特性が異なるため許容
昇圧曲線P_MSrpに接近した昇圧特性を得るための
投入燃料量の決定は困難である。第５図は投入燃
料量が理想的な値より多すぎた場合を示し、前述
の許容圧力変化率から定まる昇圧曲線P_MSrpより
急速に昇圧されるため気水分離の熱疲労による寿
命消費が大きい。また第６図は投入燃料量が少な
すぎた場合を示し、ゆつくりと昇圧されるために
プラント起動時間が長くなる。

さらに第４図の方式では、目標値P_MSrと実圧力
P_MSの偏差が大きい状態から起動するのでP_MSrに
対するP_MSのオーバーシユート量が大きく、かつ
振動を発生するため、流動不安定や圧力変動を生
じ、水壁２での膜沸騰や節炭器１での自己蒸発を
起こす危険があつた。

また、従来方式に於ける第２の方法としては第
７図に示すように、主蒸気の圧力変化率設定器４
０で目標圧力変化率を設定し、これを積分器４２
に入力し、ランプ信号を発生させ、この信号を主
蒸気圧力の目標値P_MSrとし、主蒸気圧力検出器４
１で検出した実圧力P_MSとの偏差ΔPを前速の第１
の方法と同様に比例積分調節器４３に入力し、バ
イパス弁２１の操作器４４に目標開度を与える方
式がある。この方式では第４図の方式に較べれば
オーバーシユート量は減少し、またランプ信号に
より昇圧特性を規制するのでたとえ投入燃料量が
多すぎても昇圧が著しく急速に行われることはな
い。しかしながら、一般的には第８図に示すよう
に蒸発開始からある時刻（t₂）まではバイパス弁
を全閉したときの自然昇圧特性に比べて目標値
P_MSrが高すぎ、その後は投入燃料通に比較して昇
圧を抑えぎみになる。したがつて目標値P_MSrに対
する主蒸気圧力P_MSの変動やオーバーシユートは
残り、これにより部分的には急速な昇圧が行われ
て気水分離器に熱疲労が生じる。また投入燃料量
の割に昇圧速度を抑えることにより蒸発点が低く
なり、低温の蒸気が多量に発生するために過蒸気
６を逆に冷却すること、起動時間が長くなるこ
と、多量の蒸気をバイパス弁２１を介して復水器
に捨てるため起動損失が大きくなること、またバ
イパス系統を大容量のものとする必要があること
などの欠点がある。

そこで、本発明の目的はボイラの昇圧制御装置
において、前記従来方式の欠点を無くし、敏速か
つ安定な昇圧によるプラント起動時間の短縮およ
び起動損失の低減を可能にするとともに、気水分
離器の熱応力管理の徹底と水壁での蒸発安定化に
よる安全性の向上を可能ならしめるボイラの昇圧
制御装置を提供するにある。

本発明はボイラ昇圧時の圧力変化率を制限する
主要因が気水分離器における熱応力であることに
着目した発明である。即ち、気水混合蒸気（湿り
蒸気）の温度は常に圧力で定まる飽和温度とな
り、言いかえれば、圧力変化が直接温度変化とな
つて表われるため、気水分離器の温度検出により
気水分離器にかかる熱応力を算出し、算出された
熱応力が許容値を越えないようにバイパス弁を制
御して昇圧を行なうものである。

第９，１０図を用いて本発明の実施例について
説明する。まず気水分離器３の熱応力を求めるた
めに、気水分離器内外壁メタル温度T_IN，T_OUTを
温度検出器５０，５１で検出し、T_INの一次遅れ
特性としてメタル平均温度T_Mを算出し、このT_M
からT_INおよびT_OUTをそれぞれ減算器５３，５４
で減算し、それぞれΔT₁，ΔT₂を求める。これら
に、それぞれ気水分離器の内面および外面の応力
特性に合致した比例係数を係数器５５，５６で掛
けて内面応力σ_INおよび外面応力σ_OUTを求める。
σ_INとσ_OUTの絶対値の大きい方を選択するために、
それぞれ絶対他演算器５７，５８を介して絶対値
｜σ_IN｜，｜σ_OUT｜を求め、高値選択器５９にて大
きな方を選択し、これを｜σ_MAX｜とする。応力制
御の余裕値としてバイパス応力σ_Bをバイアス設定
器６０で設定し、｜σ_MAX｜＋σ_Bの値と応力許容値
設定器６９で設定された値σ_Lとの偏差Δσを減算
器６２で求め、これを比例積分演算器６７に入力
する。この比例積分演算器６７はバイパス弁２１
の操作器６８に弁開度指令を与えて、弁開度を調
節させる。このようにして、許容応力値を最大限
に利用して主蒸気圧力の昇圧を図るが、主蒸気圧
力P_MSが目標値P_MSZに達したことを比較器７０で
検出し、比較器７０は一度P_MSP_MSZの条件が得
られた場合切替器６３に切替信号を発生させて応
力制御モードから主蒸気圧力制御モードに移行
し、昇圧制御を完了する。

本発明の実施例では、熱応力の算出に、気水分
離器の内外壁温度と平均温度から応力を求める方
法としているが、このほかにも、種々の方法が考
えられる。

変形例としては、単純に内外壁温度との差が応
力に比例することを利用した方法、内壁温度から
厚み方向の温度分布を推定し、応力を求める方
法、内面熱伝達率と推定蒸気温度から同上の厚み
方向の温度分布を推定し、応力を求める方法、内
壁と中間と外壁の３箇所の温度を実測して中間の
温度を本実施例での平均温度に見立てる方法、温
度を一際実測せず、圧力から飽和温度を推定し、
これを内壁温度と見做して厚み方向の温度分布を
推定する方法、ストレインゲージで直接応力を測
定する方法、などがあり実施可能である。

本発明の第１の効果は、気水分離器に発生する
熱応力を高精度に許容値以下に抑えた最大可能な
圧力変化率で昇圧が可能となるため、プラント起
動時間を大幅に短縮できることである。

以下にその理由を述べる。本発明においては、
気水分離器の熱応力を算出し、この算出された熱
応力と許容値との偏差に応じた比例積分調節器の
出力信号でバイパス弁の開度を調節し、熱応力偏
差に余裕が大きい場合はバイパス弁を閉じる方向
に操作して圧力上昇率を高め、余裕が小さい場合
はバイパス弁を開く方向に操作して圧力上昇率を
抑えるように動作する。すなわち、本発明の本質
は、気水分離器の温度検出値を用いて熱応力を逐
次算出し、これが許容値を越えないようにバイパ
ス弁で圧力制御を行ない、許容値を最大限に利用
するための最大可能圧力変化率を逐次決定するこ
とにある。従来のように、圧力の目標値を定めて
これに対して昇圧制御を行なう場合に比べて、発
生熱応力をより直接的に監視制御できるので、そ
れだけプラントの起動時間の短縮が可能である。

本発明の第２の効果は、昇圧過程で圧力を速か
に目標値にまで到達できるため、水壁での安定な
流動が得られ、膜沸騰の危険から解放され、ま
た、節炭器での自己蒸発を防止できることであ
る。

本発明の第３の効果は、従来方式よりも急速な
圧力上昇が可能となるため、水壁での蒸発点が高
くなり、それだけ高温の蒸気が発生するため、過
熱器を蒸気により逆冷却することなく、タービン
通気温度まで速かに昇温されるため、プラント起
動時間もそれだけ短縮されることである。

本発明の第４の効果は、従来方式よりも急速な
圧力上昇が可能となるため、昇圧過程での蒸発量
が抑えられるため、バイパス弁を介して復水器に
捨る蒸気量すなわち熱量を最小限にすることがで
き、それだけ起動損失を低減することができる。

本発明の第５の効果は、上記理由によりバイパ
ス流量を減少できるため、バイパス系統の容量す
なわち寸法を小さくできるため、プラント建設費
を低減できることである。

本発明の第６の効果は、従来方式とちがつて熱
応力を直接監視制御する方式となつている。熱応
力の制御精度が高上し安全性の高いプラント運用
が可能となることである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発発明を適用するボイラ急速昇圧制
御装置の制御対象である火力発電プラントの全体
構成を概説するためのもの。第２図は圧力と飽和
温度の関係を示すもの。第３図は気水分離器の許
容熱応力から定まる蒸気温度変化率にに対応した
許容圧力変化率を圧力の関数で表示したもの。第
４図はボイラ昇圧制御装置の第１の従来方式を示
す。第５，６図は第４図に示す第１の従来方式に
よる昇圧特性であり、後者は前者よりも投入燃料
料量を小さく抑えたものである。第７図はボイラ
昇圧制御装置の第２の従来方式を示す。第８図は
第７図に示す第２の従来方式による昇圧特性であ
る。第９図は本発明のバイパス弁によるボイラ急
速昇圧制御装置の実施例を具体的に説明するため
のもの。第１０図は本発明の第９図に示すバイパ
ス弁による昇圧制御装置による昇圧特性を示すも
のである。 １……節炭器、２……水壁、３……気水分離
器、４……節水槽、５……再循環ポンプ、６……
過熱器、７……主塞止弁、８……高圧タービン、
９…１次側低圧タービン、１０……１次側発電
機、１１……中圧タービン、１２……２次側低圧
タービン、１３……２次側発電機、１４……再熱
器、１５……復水器、１６……復水ポンプ、１７
……脱気器、１８……低圧給水加熱器、１９……
給水ポンプ、２０……高圧給水加熱器、２１……
バイパス弁、２２……スピルオーバ弁、２３……
ベンチレーシヨン弁、２４……逆止弁、２５……
インターセプト弁、５０……温度検出器、５１…
…温度検出器、５２……平均温度演算器、５３…
…減算器、５４……減算器、５５……係数器、５
６……係数器、５７……絶対値演算器、５８……
絶対値演算器、５９……高値選択器、６０……バ
イアス設定器、６１……加算器、６２…減算器、
６３……切替器、６４……圧力目標値設定器、６
５……圧力検出器、６６……減算器、６７……比
例積分演算器、６８……弁操作器、６９……応力
許容値設定器、７０……比較器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 蒸気発生器と、該蒸気発生器で発生した気水
   混合蒸気を気水分離する気水分離器と、気水分離
   器からの主蒸気のタービンへの流入量を規制する
   手段としての主塞止弁を少なくとも途中に有する
   主蒸気系と、前記主塞止弁の上流側から分岐し、
   前記タービンをバイパスする蒸気量を規制する手
   段としこのバイパス弁を途中に有するタービンバ
   イパス系と、前記タービンの起動前に前記バイパ
   ス弁の開度調節を行つて前記主蒸気を昇圧する昇
   圧制御装置とを含むものにおいて、前記気水分離
   器の熱応力検出器と熱応力許容値信号発生器と、
   前記熱応力検出器で検出した熱応力信号と熱応力
   許容値信号発生器から出力される熱応力許容信号
   との偏差を演算する減算器と、該減算器から出力
   される偏差信号を比例積分する比例積分調節器
   と、該比例積分調節器からの信号を受けて前記バ
   イパス弁の開度を調節する弁操作器を有すること
   を特徴とするボイラ急速昇圧制御装置。