(57)【要約】【課題】  蒸気タービン（Ｔ）の運転を制御するシステム（１０）。【解決手段】  センサ（１２）が、タービンの段（Ｓ１〜Ｓｎ）内の動圧レベル変動を測定する。センサからの信号（Ｐｓ）が、周波数ベース信号（Ｆｓ）に変換される。コンパレータ（１６）が、周波数ベース信号（Ｆｓ）により表された様々な周波数における圧力レベルを警報及びトリップ信号限界値の両方を含む限界値マトリックスと比較する。この制御システムは、比較が警報限界値を超えたことを示した場合には蒸気タービンの操作員に警報を与え、或いはトリップ信号限界値を超えた場合には蒸気タービンをオフラインにする。これは、蒸気タービンに対する損傷を防止するために行われる。しかしながら、該制御システムは、センサにより検知される流体力学的外乱又は不安定性が全く起こらなかった場合には蒸気タービンを運転状態に維持する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン（Ｔ）の運転を過度に制限することなく該タービンのブレード（Ｂ）の流体力学的保護を行うように該蒸気タービンの運転を制御するための制御システム（１０）であって、
前記タービンの段（Ｓ１〜Ｓｎ）内の動圧レベル変動を検知するセンサ手段（１２）と、
前記センサ手段からの信号（Ｐｓ）を周波数ベース信号（Ｆｓ）に変換する手段（１３、１４）と、
前記周波数ベース信号（Ｆｓ）により表された様々な周波数における圧力レベルを警報及びトリップ信号限界値の両方を含む限界値マトリックスと比較する手段（１６）と、
を含み、
前記比較が警報限界値を超えたことを示した場合には該蒸気タービンの操作員に警報を与え、或いは前記トリップ信号限界値を超えた場合には該蒸気タービンに対する損傷を防止するために該蒸気タービンをオフラインにするが、前記センサ手段により検知される流体力学的外乱又は不安定性が全く起こらなかった場合には該蒸気タービンを運転状態に維持する、
ことを特徴とする制御システム。
【請求項２】
前記センサ手段が、前記タービン段の周りに取付けられた複数の動圧レベルセンサ（１２ａ又は１２ｂ）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記比較する手段が、前記周波数ベース信号が入力として加えられるコンパレータ（１６）を含み、前記コンパレータが、前記周波数ベース信号により表された様々な周波数における圧力レベルを警報及びトリップ信号限界値の両方を含む限界値マトリックスと比較することを特徴とする、請求項１に記載の制御システム。
【請求項４】
前記センサ手段が、前記タービンの最終段（Ｓｎ）の周りに取付けられた３つの動圧レベルセンサを含み、各センサが、前記コンパレータにより用いられる前記周波数ベース信号に変換される信号（Ｐｓ）を提供し、前記コンパレータが前記センサの１つの故障による保護応答を防止するために３−２選論理を用いていることを特徴とする、請求項３に記載の制御システム。
【請求項５】
前記警報及びトリップ信号限界値が、特定周波数範囲の関数として設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の制御システム。
【請求項６】
タービン（Ｔ）の運転を過度に制限することなく該タービンのブレード（Ｂ）に流体力学的保護を行うように該蒸気タービンの運転を該タービン内部の背圧状態の関数として監視する方法であって、
前記タービンの段（Ｓ１〜Ｓｎ）内の動圧レベル変動を検知して、該動圧レベル変動を表す信号（Ｐｓ）を生成する段階と、
前記段内の検知された動圧変動を表す前記信号（Ｐｓ）を周波数ベース信号（Ｆｓ）に変換する段階と、
前記周波数ベース信号（Ｆｓ）により表された様々な周波数における圧力レベルを警報及びトリップ信号限界値の両方を含む限界値マトリックスと比較する段階と、
前記比較が警報限界値を超えたことを示した場合には該蒸気タービンの操作員に警報を与え、前記トリップ信号限界値を超えた場合には該蒸気タービンに対する損傷を防止するために該蒸気タービンをオフラインにし、或いは前記センサ手段により検知される流体力学的外乱又は不安定性が全く起こらなかった場合には該蒸気タービンを運転状態に維持する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記警報及びトリップ信号限界値が、特定周波数範囲の関数として設定されていることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記動圧レベル変動を検知する段階が、センサ手段（１６）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記センサ手段が、該タービンの前記最終段（Ｓｎ）の周りに取付けられた３つの動圧レベルセンサを含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記段内の動圧レベル変動を表す前記信号（Ｐｓ）が、アナログ信号であり、また手段（１３、１４）が、この信号を前記周波数ベース信号に変換するために設けられていることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲温度及び／又は復水器冷却性能の変動に対して蒸気タービンの運転適応性を向上させるための制御システム及び方法に関する。これらの変動は、システムの排気又は背圧を変化させることにより蒸気タービンに影響を与える。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンは、高圧高温の蒸気を受け入れ、該蒸気は、静止及び可動のノズル及びブレード（「バケット」）の列を通して膨張し、熱エネルギーを機械（回転）エネルギーに変換する。蒸気タービンを発電機と組合せることで、電気エネルギーを発生させることができる。図１は、代表的な蒸気タービン発電プラントを示す。図１に示すように、蒸気タービンＴは、その上にブレードすなわちバケットＢが取付けられたロータＲを回転させることにより発電機Ｇを駆動する。タービンは一般的に、段Ｓｎが最終段となっている一連の段Ｓ１〜Ｓｎから構成される。タービンへの蒸気流れは、制御弁Ｖを介して行われ、また蒸気は、ノズル又はダイアフラムＮによってバケットに向けられる。冷却媒体（空気又は循環する水）が、復水器Ｃを通して供給される。ガスタービンと蒸気タービンの両方を含み、複合装置を構成することが普通の方法であることが、当業者には知られている。蒸気タービン用の蒸気は、ガスタービン排気中の熱エネルギーにより生成されるため、このような構成は、極めて高い効率を有する。
【０００３】
蒸気タービンは、復水型又は非復水型のどちらかである。復水型の蒸気タービンの場合は、推奨される排気圧は、タービンの最終段の設計及び排熱エネルギーを受け入れる復水器Ｃの能力により定まる。復水器の冷却性能は、システムがタービンＴにおける最大の蒸気膨張を達成することができない結果になるかどうかを制限する要因になる可能性がある。このような制限は、暑い日中（空冷式復水器の場合）又は十分な冷却水がない期間（水冷式復水器の場合）には特に深刻である。一般的に、これらは、電力需要が最大でかつ電気の販売価格が最高である時期と同じ時期であるので、これら制限は、これらの期間の間に最もよく公表される。更に、制限された冷却性能の結果として、より高い背圧を生じ、そのことにより、背圧レベルが許容可能な限界値内に回復するまで発電プラントの電気出力を削減せざるを得なくなる可能性がある。
【０００４】
多くの場合、プラントの操作員は、ピーク需要期の間には発電需要のために、推奨されるよりも高い背圧で運転することを試みることになる。しかしながら、推奨されるよりも高い背圧で継続運転すると、流体力学的不安定性による高サイクル疲労破壊の可能性を著しく高めるようなブレード応答を生じさせることになる。正常よりも高い背圧でたとえ短期間でも運転すると、回復不能の累積したブレード疲労を生じる可能性があり、それにより、タービンを修理のために現場使用からはずすことが必要となる場合がある。蒸気タービン発電プラントの標準的な背圧範囲は、水冷式復水器を用いる場合に、およそ１．０から３．０インチＨｇである。空冷式復水器を備える装置の場合には、この範囲は、３．０から５．５インチＨｇに増大する。ほぼ一定の蒸気流れの場合、限界冷却又は高周囲温度を受ける日中において、背圧は、これらのレベルの２倍にも増大する可能性がある。
【０００５】
より高い背圧での運転は、蒸気タービンがその設計性能の範囲外で作動する結果になるので、安全でない状態でタービンが運転されるのを防止するために、フィードバックシステムがタービンＴ内に設けられる。フィードバックは、警報表示とタービンＴを「オフライン」にするトリップ設定点との組合せを含む。具体的には、排気又は背圧が増大すると、蒸気流れの入射角は、最適角から著しく逸れる。このことにより、タービン内部に流れの剥離が生じ、それが結果として高いバケット励振、振動応答、及びバケット破損の可能性をもたらす。現在、トリップ設定点は、確立された一般運転規則に従って測定された静背圧に基づいている。保護構成により、ブレードの失速、フラッタ、及びバフェティングのような流体力学的不安定性が防止される。
【０００６】
現在、蒸気タービン用の制御システムは、流体力学的不安定性を防止するために、背圧についての一定の設定点を用いている。推奨される設定点は、タービンの種類、ブレード設計、及びブレードの大きさに基づいている。このような制御システムの欠点は、警報及びトリッピングに対する設定点が、単に静圧レベルのみに基づいており、従って、控え目なものになりがちであることである。タービン排気圧を制限することは、流れの外乱又は流体力学的不安定性により誘起される高いブレード又はバケットサイクルにおける破損の可能性を最小する。図２は、代表的な制御システムＳの概略図を示す。ここでは、設定点は通常、排気流れ速度の関数であり、標準値は４から１０インチＨｇまでの真空度で変化する。警報は、これらの限界値に近づくと開始されて、背圧を低下させるために適当な処置を取るように操作員に警告する。操作員は、例えば負荷を減少させるか、又は復水器冷却を増大させることができる。しかしながら、背圧が低下しない場合には、背圧の更なる増大（１から３インチＨｇの間ほどの）により、保護システムが蒸気タービンをトリップさせて該タービンをオフラインにすることになる。図３は、通常適用される制御スケジュールを示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現在、広い背圧範囲にわたって、特に高い背圧において運転することができる蒸気タービンに対する必要性がある。問題は、背圧保護を行う改良型の手段により復水型蒸気タービンにおける許容可能な運転範囲を増大させることである。過度にタービンの運転性能を制限することなく、蒸気タービンブレードに対して流体力学的保護を行うこともまた重要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、排気圧が大気圧以下又は真空状態に維持された復水型蒸気タービンを目的としている。前述のように、典型的な運転背圧は、約１から５インチＨｇの真空度の範囲にある。本発明の制御システムは、蒸気タービンの運転を制御する。センサが、タービンの最終段内の動圧レベル変動を測定する。センサ信号は、周波数ベース信号に変換され、コンパレータが、周波数ベース信号により表された様々な周波数における圧力レベルを、警報及びトリップ信号限界値を含む限界値マトリックスと比較する。制御システムは、比較が警報限界値を超えたことを示した場合には蒸気タービンの操作員に警報を与え、或いはトリップ信号限界値を超えた場合には蒸気タービンをオフラインにする。これは、蒸気タービンに対する損傷を防止するために行われる。しかしながら、該制御システムは、センサにより検知される流体力学的外乱又は不安定性が全く起こらなかった場合には蒸気タービンを運転状態に維持する。
【０００９】
このような解決方法により、結果として生じる局部的動圧脈動により測定されるような許容不能な応力振幅が起きる場合にのみ保護動作が始動する状態で、タービンが広い背圧範囲にわたって運転されることが可能になり、広い背圧範囲にわたる蒸気タービンの運転適応性をもたらす。より大きな運転適応性をもたらすことにより、プラント操作員は、今や、より高い復水器圧力下において全プラント能力で発電することが可能になる。これは通常、ピーク電力需要の時でかつより高電力価格の時に起こるので、ユーザは、その需要を満たすために適当な電力を供給することができるだけでなく発電からより大きい利益をも実現できる。
【００１０】
更に、本発明は、継続運転に対してだけでなく一過性事象に対しても利点をもたらす。例えば、ガス及び蒸気タービン複合プラントにおける一過性の負荷遮断（ブレーカのオフ事象）の間、蒸気流れはタービンに流れ続けるが、発電機はエネルギーを電力に変換できないような数分間の時間がある。蒸気タービンは、運転を持続するが、それは、タービンの制御システムにより通常許される速度より僅かに高い速度で運転される。この時、復水器背圧は、現在の制御スケジュールでは装置をトリップさせる（復水器Ｃの大きさ及び余剰の冷却性能の大きさに応じて）と思われるレベルにまで上昇する。本発明による動圧センサを用いることで、実際に流体力学的外乱又は不安定性が全く起こらなかったと仮定して、今やトリップすることなく継続運転が可能になる。負荷遮断を引き起こした問題が解決された時、システムは、同期され、発電機ブレーカが再び閉じられて、プラントは現場使用に復帰されることができる。
【００１１】
本発明の上述及び他の目的、特徴及び利点と共に本発明の現時点で好ましい実施形態が、添付の図面に関連する以下の説明を読むことにより一層明白になるであろう。
【００１２】
添付の図面は、本明細書の一部を形成する。
【００１３】
対応する参照符号は、図面の幾つかの図を通して対応する部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の詳細な説明は、本発明を例示として示すものであって、限定するものとして示すものではない。この説明は、当業者が本発明を実施しかつ利用することを可能にするのは明らかであり、本発明を実施する最良の形態であると現在考えられるものを含む本発明の幾つかの実施形態、改良、変更、変形、及び用法を述べる。
【００１５】
本発明によりかつ図４に示すように、本発明の蒸気タービン制御システムが、全体を符号１０で表されている。本発明によると、１つ又はそれ以上の動圧センサすなわちプローブ１２が、タービンＴの最終段Ｓｎを含むブレードＢの周辺部の周りに配置される。図７に符号１２ａ及び１２ｂで示すような変換器が、タービンの運転の間にタービンのこの領域における圧力レベル又は振幅を検出する。センサは動圧センサであるので、該センサは、タービンブレードに損傷を生じさせる流体力学的不安定性を検出する。
【００１６】
圧力センサの出力は、制御システム１０への入力として供給される。図５において、プロットは、時間の経過と共にセンサ１２により測定された動圧の例示的な出力を表す。時間依存型圧力信号Ｐｓが、図５に示す型のアナログ信号として送信される。このセンサ信号は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１３に供給され、該ＡＤＣ１３において、入力がデジタル信号Ｄｓに変換され、該信号Ｄｓが、スペクトルアナライザ（ＳＡ）１４への入力として供給される。ここで、次にこの信号は周波数ベース信号Ｆｓに変換される。この目的のために一般的に適用されるアルゴリズムは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）である。図６は、圧力対周波数の代表的な出力を示す。
【００１７】
次ぎに、タービン制御システム１０は、アナライザ１４から周波数ベース信号Ｆｓを受け取り、該周波数ベース信号Ｆｓをコンパレータ（ＣＯＭＰ）１６への入力として供給する。コンパレータ１６は、様々な周波数における圧力レベル（信号Ｆｓにより表される）をコンパレータ内部に蓄積された、警報及びトリップ信号限界値の両方を含む限界値マトリックスと比較する。本発明の１つの実施形態では、システム１０は、単一の動圧レベルセンサ１２を利用する。この実施形態では、警報は、タービンの最終段Ｓｎ内の圧力レベルが、例えばおよそ０．５ｐｓｉを超えた場合に始動するように設定することができる。この制御システムでは、トリップ設定点は、タービンブレードＢに対して保護を行うことに基づいて決定することができ、例えば０．７５ｐｓｉに設定することができる。
【００１８】
この解決方法に対する拡大適用として、より大きい運転周波数を得るために、警報及びトリップ設定点は、特定周波数範囲の関数として設定される。タービン設計者は通常、タービン内で用いられるブレードＢの共振周波数を決定する。共通の関心事である特定モードは、第１の接線方向モードと第１の軸方向揺動モードとを含む。これらの両方共が、図６に示されている。次ぎに、制御スケジュールが、以下の通りに定められることができる。
【００１９】
【表１】
2004211704.tif 000003
【００２０】
これらのレベルは、参考値にすぎないことは当業者には明らかであろう。タービン設計者は、実際の設定点限界値を、材料特性、共振特性、励振源、及び減衰効果を含む多数の要因に基づいて定めることになる。
【００２１】
第２の実施形態では、高い信頼性を得るために、多数の動圧センサ１２が、タービン段Ｓｎの周囲の周りに配置される。この場合、センサの１つの故障による保護応答を防止するために３−２選タイプ論理が用いられる。センサは、最終タービン段Ｓｎのブレードの位置と一致する軸方向位置においてタービンフード１６の周囲の周りに形成された圧力ポート１４内に取付けられる。図７に示すように、センサは、市販されているが、該センサをタービンフードに取付けるためのねじ継手（符号２２で示すような）を有する。
【００２２】
上記のことからみて、本発明の幾つかの目的が達成され、また他の有利な結果が得られることが分かるであろう。本発明の技術的範囲から逸脱することなく上記の構成に様々な変更を加えることが可能であるので、上記の説明中に含まれるか又は添付の図面に示される全ての事柄は、例示としてであって限定する意味ではないと解釈されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】蒸気タービンを単純化して表した図。
【図２】タービン用の制御システムを単純化して表した図。
【図３】制御システムに用いられる従来型の背圧制御スケジュールを示す図。
【図４】タービンの運転を制御するための本発明の制御システムを表す図。
【図５】アナログ信号として表された測定動圧信号を示すグラフ。
【図６】動圧スペクトルを示すグラフ。
【図７】本発明の制御システムで用いられる型の動圧センサの斜視図。
【符号の説明】
【００２４】
１２  動圧センサ
１３  アナログ・デジタル変換器
１４  スペクトルアナライザ
１６  コンパレータ
Ｂ  ブレード
Ｇ  発電機
Ｎ  ノズル
Ｒ  ロータ
Ｓ１〜Ｓｎ  タービン段
Ｔ  タービン
Ｖ  制御弁
Ｐｓ  センサからの信号
Ｄｓ  デジタル信号
Ｆｓ  周波数ベース信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004211704.tif 000007
【図５】
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【図６】
2004211704.tif 000009
【図７】
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【外国語明細書】
2004211704000001.pdf