JPWO2011152108A1 - 復水器の性能管理方法、発電プラントの管理方法、管理システム、及びプログラム - Google Patents
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Abstract
発電プラント(10)における熱バランスから、復水器(40)の伝熱性能を示すKA値を取得し、KA値を用いて復水器の性能を評価する。
Description
本発明は、復水器の性能管理方法、発電プラントの管理方法、管理システム、及びプログラムに関する。
本願は、2010年5月31日に出願された日本出願2010−124677号に基づき優先権を主張しその内容をここに援用する。
本願は、2010年5月31日に出願された日本出願2010−124677号に基づき優先権を主張しその内容をここに援用する。
従来より、発電プラントの管理、特に復水器の性能管理において、評価指標として真空度が使用されている。真空度を用いた評価において、冷却媒体である海水又は空気の温度などを考慮した補正が行われる場合が多い。
復水器の性能管理において、真空度を用いた評価では、補正値の設定が複雑である。発電プラントにおいて、安定性の高い性能管理方法が望まれている。
本発明の態様は、復水器の性能を安定的に管理可能な方法を提供することを目的とする。別の目的は、発電プラントにおける安定的な管理方法及び管理システムを提供することにある。
本発明の態様に従えば、発電プラントに使用される復水器の性能を管理する方法であって、前記発電プラントにおける熱バランスから、前記復水器の伝熱性能を示すKA値を得ることと、前記KA値を用いて前記復水器の性能を評価することと、を含む復水器の性能管理方法が提供される。
本発明の別の態様に従えば、発電プラントを管理する方法であって、前記発電プラントの熱バランスから、復水器の伝熱性能を示すKA値を得ることと、前記KA値を用いて前記復水器の性能を評価することと、を含むことを特徴とする発電プラントの管理方法が提供される。
本発明の別の態様に従えば、発電プラントを管理するシステムであって、(1)前記発電プラントの熱バランスから、復水器の伝熱性能を示すKA値を得るとともに、(2)前記発電プラントにおける真空度を得る、装置と、前記KA値に関する情報と、前記真空度に関する情報とを出力する出力部と、を備える発電プラントの管理システムが提供される。
本発明の別の態様に従えば、発電プラントを管理するシステムのコンピュータに、前記発電プラントの熱バランスから、復水器の伝熱性能を示すKA値を得るステップと、前記KA値を用いて前記復水器の性能を評価するステップと、を実行させるためのプログラムが提供される。
本発明の別の態様に従えば、発電プラントを管理するシステムのコンピュータに、前記発電プラントの熱バランスから、復水器の伝熱性能を示すKA値を得るステップと、前記発電プラントにおける真空度を得るステップと、前記KA値に関する情報と、前記真空度に関する情報とに基づいて、前記復水器及び前記復水器以外の設備の少なくとも1つの性能低下を判断するステップと、を実行させるためのプログラムが提供される。
上記の性能管理方法によれば、発電プラントにおける熱バランスから求めたKA値を用いることで、復水器の性能を安定的に管理できる。また、上記の管理方法及び管理システムは、発電プラントの管理の安定化に貢献できる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、発電プラント10の概要を示す図である。
図1に示すように、発電プラント10は、ボイラ20と、発電機30と、復水器40と、計測装置60と、制御装置70とを備える。様々な形態の発電プラントが採用可能である。計測装置60は、復水器真空度など各種パラメータを計測することができる。制御装置70は、発電プラント10を統括的に制御することができる。
図1において、発電プラント10は、高圧タービン31、中圧タービン32、及び低圧タービン33を含む発電機30を備える蒸気タービンプラントである。抽気経路を設けるなど様々な変形が可能である。他の一例において、高圧タービン及び低圧タービンを備えた発電機と中圧タービン及び低圧タービンを備えた発電機とを備えた2機構成の蒸気タービンプラントを採用できる。また、発電プラント10は、ボイラ20に対して追加的又は代替的にヒートポンプを採用した加熱システムを採用できる。
図1に示す発電プラント10において、給水ポンプ50によって作動流体である水が昇圧される。ボイラ20において燃料が燃焼される。燃焼熱が水に伝わり、高圧蒸気が生成される。再熱部52において、高圧タービンを通過した蒸気が再熱される。再熱部52からの蒸気は、中圧タービン32及び低圧タービン33を通過する。各タービン31,32,33において、蒸気(作動流体)の圧力や運動エネルギーが回転運動のエネルギーに変換され、さらに発電機30において電気エネルギーに変換される。復水器40において、低圧タービン33からの蒸気(低圧の湿り蒸気)が冷却される。復水器40からの凝縮した水が再び給水ポンプ50に送られる。
復水器40において、作動流体(蒸気)と冷却媒体(冷却流体(空気、水、海水など))との間で熱交換がなされる。一例において、作動流体(蒸気)が流れるチャンバー内に、冷却媒体が流れる冷却管が配置された熱交換構造(熱交換器)が採用される(表面復水器、間接冷却式)。冷却媒体が冷却管を介して作動流体の熱を奪う。他の一例において、チャンバー内に供給された冷却水が作動流体(水蒸気)に直接的に接する熱交換構造(熱交換器)が採用される(直接接触式)。
一般に、蒸気タービン熱効率は復水器真空度に大きく影響される。真空度が高い(復水器圧力が低い)ほど、タービン熱効率が高い。なお、復水器の真空度は冷却媒体温度(海水温度、空気温度)が低い域では高真空を保ちやすく、高い域では真空度が悪化する(復水器圧力が上昇する)傾向にある。
復水器の性能(熱交換器の伝熱性能)が低下すると、冷却媒体温度の高低に関わらず、真空度が悪化することが知られている。例えば、復水器の冷却管内部に生物の付着等の汚れが付着することにより伝熱性能が低下する。このことから、復水器の性能管理において、評価指標として真空度が一般的に使用される。復水器のメンテナンスにおいて、復水器の冷却管内部に付着した汚れを除去するなどの処置が行われる。
一方、タービン性能が低下しても、真空度は悪化する。例えば、タービンの内部効率が低下すると、設計値よりも高いエンタルピの蒸気が復水器に流入し、これにより、冷却が不十分となって真空度が悪化する。
図2は、真空度の計測データをプロットした図である。計測データ(プロットされた点)又は基準値となる設計排気圧力曲線(実線で示す)は、冷却媒体温度などを考慮して補正可能である。図2に示すように、設計排気圧力曲線に対して計測データ(プロットされた点)が全般的に高圧力側(真空度悪化側)にシフトする場合がある。この場合、冷却管の汚れなどによる復水器性能低下を運転中に確認することは不可能であり、またタービン出口(復水器入口)における作動流体は湿り蒸気であることなどから、蒸気エンタルピを正確に把握するのは難しく、したがって、タービン性能の低下の影響を正確に考慮する事も困難である。つまり、図2に示す計測データから、復水器真空度の悪化が認められるものの、その原因が復水器の性能の低下にあるか、復水器以外の設備(タービンなど)の性能の低下にあるか、運転中に正確に判断するのは難しい。
ここで、復水器の性能(熱交換器の伝熱性能)は以下の式(1)で表される。KA:熱交換器の伝達性能[W/K]、W:熱交換器の交換熱量[W]、Tm:対数平均温度差[K]。
KA=W/Tm …(1)
対数平均温度差(Tm)は以下の式(2)で表される。
Tm=(Δt1−Δt2)/ln(Δt1−Δt2) …(2)
Δt1=復水器温度−冷却側出口温度
Δt2=復水器温度−冷却側入口温度
Δt1=復水器温度−冷却側出口温度
Δt2=復水器温度−冷却側入口温度
この場合、熱交換器の交換熱量(W)は以下の式(3)あるいは式(4)を用いて計算できる。
W=(hst−out−hsat−liq)・Gst …(3)
hst−out:タービン出口(復水器入口)蒸気エンタルピ[J/kg]
hsat−liq:復水器出口復水エンタルピ[J/kg]
Gst:蒸気流量[kg/s]
hst−out:タービン出口(復水器入口)蒸気エンタルピ[J/kg]
hsat−liq:復水器出口復水エンタルピ[J/kg]
Gst:蒸気流量[kg/s]
W=(hcool−out−hcool−in)・Gcool …(4)
hcool−out:冷却側出口エンタルピ[J/kg]
hcool−in:冷却側入口エンタルピ[J/kg]
Gcool:冷却側流量[kg/s]
hcool−out:冷却側出口エンタルピ[J/kg]
hcool−in:冷却側入口エンタルピ[J/kg]
Gcool:冷却側流量[kg/s]
しかしながら、式(3)や式(4)において、特にタービン出口の蒸気エンタルピ(hst−out)、及び冷却側流量(Gcool)の把握は困難である。そのため、式(3)や式(4)に基づき、熱交換器の交換熱量(W)を正確に算出するのは実際には難しい。
そこで、発電プラントにおける熱バランスに着目する。図1に示すように、発電プラント10の熱バランスにおいて、入熱はボイラ20からの受熱と再熱部52での受熱とを含み、出熱は発電機30の出力と復水器40の放熱とを含む。復水器40の放熱(交換熱量W)は以下の式(5)で表すことができる。
W=(hboiler_out−hboiler_in)・Gboiler
+(hreheater_out−hreheater_in)・Greheater
−Welec/ηelec …(5)
+(hreheater_out−hreheater_in)・Greheater
−Welec/ηelec …(5)
hboiler_out:ボイラ出口エンタルピ[J/kg]
hboiler_in:ボイラ入口エンタルピ[J/kg]
Gboiler:ボイラ流量[kg/s]
hreheater_out:再熱部出口エンタルピ[J/kg]
hreheater_in:再熱部入口エンタルピ[J/kg]
Greheater:再熱部流量[kg/s]
Welec:発電機出力[W=J/s]
ηelec:発電機効率[−]
hboiler_in:ボイラ入口エンタルピ[J/kg]
Gboiler:ボイラ流量[kg/s]
hreheater_out:再熱部出口エンタルピ[J/kg]
hreheater_in:再熱部入口エンタルピ[J/kg]
Greheater:再熱部流量[kg/s]
Welec:発電機出力[W=J/s]
ηelec:発電機効率[−]
式(1)、式(2)、及び式(5)に基づき、発電プラントにおける熱バランスから、復水器における熱交換器の伝熱性能を示すKA値を得ることができる。式(5)における各パラメータの値は比較的容易に計測できる。再熱部(再熱器)の受熱については、この流量をパラメータとして取得できないプラントの場合、代替的に、図3に示すような、設計値に基づいた性能曲線(出力−再熱部熱量曲線(再熱器熱量曲線)、近似曲線)から求めることもできる。
このように、発電プラントにおける熱バランスに着目することにより、復水器の伝熱性能を示すKA値を実際的に得ることができ、したがって、このKA値を用いて復水器の性能を正確に評価することができる。
図4は、熱バランスから求めたKA値の算出データをプロットした図である。図4では、基準値を示す基準線(実線で示す)の近傍に、算出データ(プロットされた点)が分布している。すなわち、復水器の伝熱性能は健全であり、復水器のメンテナンスは不要と判断できる。
復水器のメンテナンス要否を判断するための要素として、例えば、KA値の算出データについての基準値からの乖離度を用いることができる。例えば、乖離度が所定の閾値を超えた場合にはメンテナンスが必要と判断する。一例において、乖離度の閾値は、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、又は20%以上に設定できる。
代替的又は追加的に、復水器をメンテナンスした場合とメンテナンスしないで継続使用した場合との間で費用を比較し、その比較結果に基づいて復水器のメンテナンス要否を判断することができる。比較要素は、例えば、燃料費、メンテナンス費用、及び売電収益を含むことができる。発電プラントの燃料費は、熱バランスから求めたKA値に基づいて算出できる。
図5は、費用面からのメンテナンス要否の判断の一例を説明するための図である。図5に示すように、復水器をメンテナンスせず、発電を継続する場合、メンテナンスしないことによる燃料費の増加(費用(1))が想定される一方、継続運転による売電収益(収益(3))が想定される。復水器をメンテナンスする場合、メンテナンス費用(費用(2))が想定される一方、売電収益の低下(収益(4)、ゼロとなる場合もある。)が想定される。
図5に示す例において、収益(4)から費用(2)を差し引いた値に比べて、収益(3)から費用(1)を差し引いた値が大きい場合((3)−(1)>(4)−(2))、復水器をメンテナンスせず、発電を継続するという判断が考えられる。また、収益(4)から費用(2)を差し引いた値に比べて、収益(3)から費用(1)を差し引いた値が小さい場合((3)−(1)<(4)−(2))、復水器をメンテナンスするという判断が考えられる。また、収益(4)から費用(2)を差し引いた値に対して、収益(3)から費用(1)を差し引いた値が実質的に同じである場合((3)−(1)=(4)−(2))、メンテナンス要否について中立的な判断(どちらでもよい)が考えられる。
メンテナンス要否の適切な判断は、コスト削減、省エネルギー化、二酸化炭素排出量削減化に貢献できる。なお、メンテナンス要否の判断は、様々に変更できる。例えば、上記の比較要素に加えて、定期メンテナンスの時間的間隔、メンテナンス内容ごとの費用対効果、二酸化炭素排出対策費用などの様々な要素を適宜に考慮してメンテナンス要否を費用面から判断することができる。
ここで、前述したように、図2のような復水器真空度の計測データから、復水器真空度の悪化が認められた場合、その原因が復水器の性能の低下にあるか、復水器以外の設備の性能の低下にあるか、正確に判断するのは難しい。一方、図4に示すように、発電プラントの熱バランスから、実質的直接的に復水器の伝熱性能(KA値)を求めることができる。したがって、熱バランスから求めたKA値の算出データと、復水器真空度の計測データとの組み合わせに基づき、復水器以外の設備の性能の低下を把握することができる。復水器以外の設備として、主にタービンが挙げられる。
図6A、図6B、図6C、及び図6Dは、復水器真空度の計測データと、KA値の算出データとの組み合わせの例をそれぞれ示す。図6A−6Dにおいて、実線は基準線(設計値)、破線はプロットしたデータを示している。
図6Aに示す組み合わせ例において、KA値の算出データ及び復水器真空度の計測データがともに、基準線(設計値)上又はその近傍にプロットされている(基準値からの乖離が実質的に小さい)。この場合、復水器の性能、及び復水器以外の設備の性能は健全であると判断できる。
図6Bに示す組み合わせ例において、KA値の算出データ及び復水器真空度の計測データがともに、基準線(設計値)から比較的乖離している(悪化側にシフトしている)。乖離の度合いが両者の間で対応的である場合、主として復水器の性能が悪化していると判断できる。すなわち、KA値の算出データの乖離から、復水器の性能の悪化が想定され、この復水器性能の悪化は真空度の計測データにも反映される。乖離の度合いについて、KA値と真空度との間で関連付けが可能である。真空度の乖離の度合いがKA値の乖離の度合いから対応的に想定される程度の乖離であるなら、実質的に復水器の性能のみの悪化が想定され得る。
図6Cに示す組み合わせ例において、KA値の算出データが基準線(設計値)上又はその近傍にプロットされている(基準線からの乖離が実質的に小さい)のに対し、復水器真空度の計測データが基準線(設計値)から比較的乖離している(悪化側にシフトしている)。この場合、復水器の性能は健全であり、復水器以外の設備の性能が悪化していると判断できる。
図6Dに示す組み合わせ例において、KA値の算出データ及び復水器真空度の計測データがともに、基準線(設計値)から比較的乖離している(悪化側にシフトしている)。乖離の度合いがKA値に比べて真空度で大きい場合、復水器の性能悪化に加えて、復水器以外の設備の性能悪化が想定される。すなわち、この場合、復水器及び復水器以外の設備の両者の性能が悪化していると判断できる。
このように、真空度の基準値からの乖離と、KA値の基準値からの乖離とに基づいて、復水器に加え、復水器以外の設備の性能を評価することができる。この場合においても、発電プラント(復水器、タービンなどの復水器以外の設備)のメンテナンス要否を判断するための要素として、例えば、各データについての基準値からの乖離度を用いることができる。例えば、乖離度が所定の閾値を超えた場合にはメンテナンスが必要と判断する。一例において、乖離度の閾値は、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、又は20%以上に設定できる。
代替的又は追加的に、図5を用いて説明したように、発電プラント(復水器、タービンなどの復水器以外の設備)をメンテナンスした場合とメンテナンスしないで継続使用した場合との間で費用を比較し、その比較結果に基づいて復水器、及びタービンなどの復水器以外の設備のメンテナンス要否を判断することができる。
図7は、発電プラント管理システム100を示す模式図である。管理システム100は、計測装置60、入力装置127、制御装置70、及び出力装置(出力部)128を含む。図7において、計算装置120は、例えばコンピュータシステムである。計算装置120は、A/D変換器等の変換器123、CPU(演算処理手段)124、及びメモリ125等を有する。計測装置60からの各種パラメータの計測データが必要に応じて変換器123等で変換され、CPU124に取り込まれる。
本実施形態において、制御装置70は、(1)発電プラントの熱バランスから、復水器の伝熱性能を示すKA値を得るとともに、(2)発電プラントにおける真空度を得ることができる。また、制御装置70は、KA値に関する情報と、真空度に関する情報とに基づいて復水器及び復水器以外の設備の性能低下を判断することができる。
出力装置128は、表示装置及び/又は印刷装置を含むことができる。出力装置128は、入力されたデータに関する情報、及び計算に関する情報などを出力することができる。本実施形態において、出力装置128は、KA値に関する情報と、真空度に関する情報とを出力することができる。また、出力装置128は、KA値の基準値からの乖離を示す情報と、真空度の基準値からの乖離を示す情報と、を並べて表示又は印刷することができる。例えば、図6A−6Dに示したように、復水器真空度に関するデータがプロットされた図と、KA値に関するデータがプロットされた図とを並べて表示又は印刷することができる。あるいは、復水器真空度及びKA値について、基準値からデータの乖離度に関する数値を並べて表示又は印刷することができる。
KA値の基準値からの乖離を示す情報と、真空度の基準値からの乖離を示す情報とを並べて表示又は印刷することにより、性能低下の原因となった設備の特定が促進される。出力装置128からの出力形式は、様々に変更可能である。
なお、上記の各処理を実行するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、当該記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませることができる。
ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(例えばDRAM(Dynamic
Random Access Memory))のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
Random Access Memory))のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはない。
10:発電プラント10、20:ボイラ、30:発電機、40:復水器、31,32,33:タービン、52:再熱部、60:計測装置、70:制御装置、120:計算装置、124:CPU、128:出力装置、100:管理システム。
Claims (12)
- 発電プラントに使用される復水器の性能を管理する方法であって、
前記発電プラントにおける熱バランスから、前記復水器の伝熱性能を示すKA値を得ることと、
前記KA値を用いて前記復水器の性能を評価することと、
を含むことを特徴とする復水器の性能管理方法。 - 前記熱バランスは、ボイラからの受熱を含む入熱と、発電機の出力と復水器の放熱とを含む出熱との間のバランスに基づく、ことを特徴とする請求項1に記載の復水器の性能管理方法。
- 前記復水器をメンテナンスした場合とメンテナンスしないで継続使用した場合との間で費用を比較することと、
前記費用の比較結果に基づいて前記復水器のメンテナンスの要否を判断することと、
をさらに含む、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の復水器の性能管理方法。 - 前記費用の比較は、前記KA値に基づいて前記発電プラントの燃料費を算出することを含む、請求項3に記載の復水器の性能管理方法。
- 発電プラントを管理する方法であって、
前記発電プラントの熱バランスから、復水器の伝熱性能を示すKA値を得ることと、
前記KA値を用いて前記復水器の性能を評価することと、
を含むことを特徴とする発電プラントの管理方法。 - 前記発電プラントにおける真空度を得ることと、
前記真空度の基準値からの乖離と、前記KA値の基準値からの乖離とに基づいて、前記復水器以外の設備の性能を評価することと、
をさらに含む、ことを特徴とする請求項5に記載の発電プラントの管理方法。 - 前記発電プラントをメンテナンスした場合とメンテナンスしないで継続使用した場合との間で費用を比較することと、
前記費用の比較結果に基づいて前記発電プラントのメンテナンスの要否を判断することと、
をさらに含む、ことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の発電プラントの管理方法。 - 発電プラントを管理するシステムであって、
(1)前記発電プラントの熱バランスから、復水器の伝熱性能を示すKA値を得るとともに、(2)前記発電プラントにおける真空度を得る、装置と、
前記KA値に関する情報と、前記真空度に関する情報とを出力する出力部と、
を備えることを特徴とする発電プラントの管理システム。 - 前記出力部は、前記KA値の基準値からの乖離を示す情報と、前記真空度の基準値からの乖離を示す情報と、を並べて表示又は印刷すること、を特徴とする請求項7に記載の発電プラントの管理システム。
- 前記制御装置は、前記KA値に関する情報と、前記真空度に関する情報とに基づいて前記復水器及び前記復水器以外の設備の性能低下を判断する、ことを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の発電プラントの管理システム。
- 発電プラントを管理するシステムのコンピュータに、
前記発電プラントの熱バランスから、復水器の伝熱性能を示すKA値を得るステップと、
前記KA値を用いて前記復水器の性能を評価するステップと、
を実行させるためのプログラム。 - 発電プラントを管理するシステムのコンピュータに、
前記発電プラントの熱バランスから、復水器の伝熱性能を示すKA値を得るステップと、
前記発電プラントにおける真空度を得るステップと、
前記KA値に関する情報と、前記真空度に関する情報とに基づいて、前記復水器及び前記復水器以外の設備の少なくとも1つの性能低下を判断するステップと、
を実行させるためのプログラム。
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