(57)【要約】【課題】ねじり剛性を精度良く算出するとともに、その精度良く算出されたねじり剛性に基づいて原動機出力を精度良く求めることである。【解決手段】複数台の原動機で駆動される回転体の端部に連結された負荷を駆動するプラントの負荷近傍位置の回転体のねじれ角をねじれ角計測器２２で計測し、第１のねじり剛性算出手段２４は負荷近傍位置の回転体のねじれ角に基づいて負荷近傍位置における回転体のねじり剛性を算出し、横弾性係数算出手段２５は負荷近傍位置における回転体のねじり剛性に基づいて回転体の横弾性係数を算出する。そして、第２のねじり剛性算出手段２６は横弾性係数算出手段２５で算出された回転体の横弾性係数を用いて原動機間位置における回転体のねじり剛性を算出する。【選択図】  図１
2007240421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数台の原動機で回転体に回転力を与え前記回転体の端部に連結された負荷を駆動するプラントの前記負荷近傍位置の回転体のねじれ角を計測するねじれ角計測器と、前記ねじれ角計測器で計測された負荷近傍位置の回転体のねじれ角及び前記プラントの負荷出力に基づいて負荷近傍位置における回転体のねじり剛性を算出する第１のねじり剛性算出手段と、前記第１のねじり剛性算出手段で算出された負荷近傍位置における回転体のねじり剛性に基づいて負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を算出する横弾性係数算出手段と、前記横弾性係数算出手段で算出された負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を用いて原動機間位置における回転体のねじり剛性を算出する第２のねじり剛性算出手段とを備えたことを特徴とする回転体のねじり剛性演算装置。
【請求項２】
複数台の原動機で回転体に回転力を与え前記回転体の端部に連結された負荷を駆動するプラントの前記負荷近傍位置の回転体のねじれ角を計測する第１のねじれ角計測器と、複数台の原動機のいずれかの原動機間位置の回転体のねじれ角を計測する第２のねじれ角計測器と、前記第１のねじれ角計測器で計測された負荷近傍位置の回転体のねじれ角及び前記プラントの負荷出力に基づいて負荷近傍位置における回転体のねじり剛性を算出する第１のねじり剛性算出手段と、前記第１のねじり剛性算出手段で算出された負荷近傍位置における回転体のねじり剛性に基づいて負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を算出する横弾性係数算出手段と、前記横弾性係数算出手段で算出された負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を用いて原動機間位置における回転体のねじり剛性を算出する第２のねじり剛性算出手段と、前記第２のねじれ角計測器で計測された原動機間位置の回転体のねじれ角及び前記第２のねじり剛性算出手段で算出された原動機間位置における回転体のねじり剛性に基づいて原動機間位置の前段の原動機の出力を算出する原動機出力算出手段とを備えたことを特徴とする原動機出力演算装置。
【請求項３】
複数台の原動機で回転体に回転力を与え前記回転体の端部に連結された負荷を駆動するプラントの前記負荷近傍位置の回転体のねじれ角を計測し、計測した負荷近傍位置の回転体のねじれ角及び前記プラントの負荷出力に基づいて負荷近傍位置における回転体のねじり剛性を算出し、算出した負荷近傍位置における回転体のねじり剛性に基づいて負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を算出し、算出した負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を用いて原動機間位置における回転体のねじり剛性を算出することを特徴とする回転体のねじり剛性演算方法。
【請求項４】
複数台の原動機で回転体に回転力を与え前記回転体の端部に連結された負荷を駆動するプラントの前記負荷近傍位置の回転体のねじれ角を計測するとともに複数台の原動機のいずれかの原動機間位置の回転体のねじれ角を計測し、計測した負荷近傍位置の回転体のねじれ角及び前記プラントの負荷出力に基づいて負荷近傍位置における回転体のねじり剛性を算出し、算出した負荷近傍位置における回転体のねじり剛性に基づいて負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を算出し、算出した負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を用いて原動機間位置における回転体のねじり剛性を算出し、計測した原動機間位置の回転体のねじれ角及び算出した原動機間位置における回転体のねじり剛性に基づいて原動機間位置の前段の原動機の出力を算出することを特徴とする原動機出力演算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数台の原動機で回転力が与えられ負荷を駆動する回転体のねじり剛性を求める回転体のねじり剛性演算装置、回転体のねじり剛性演算装置で演算されたねじり剛性に基づいて原動機出力を求める原動機出力演算装置及びこれらの方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラントや原子力発電プラントにおいて、原動機であるタービンの出力を個別に計測する場合、タービンを駆動する駆動軸（回転体）のねじり計測によってタービン出力（負荷出力）を計算している。例えば、回転体のねじり計測によってタービン出力を計算するものとしては、回転体の軸方向の異なる位置に１対の反射体を設け、両反射体にレーザ光を照射して両反射体からの反射光を検出し、反射光の周期的な強弱に基づいて回転体の回転周期を求め、両反射体からの反射光の遅れ時間（回転体のねじり）に基づいて回転体のトルクを検出するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、回転体のねじり計測によってタービン出力を計算するタービン出力装置の一例のブロック構成図である。レーザ光出力装置１１から出力されたレーザ光は、光送受信装置１２を介して回転体１３の表面に照射される。回転体１３の表面には軸方向に間隔を保って一対の反射体１４ａ、１４ｂが設けられ、光送受信装置１２から照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する。反射体１４ａ、１４ｂには、例えば、レーザ光を反射する部分とレーザ光を吸収する部分とがバーコード状に形成された反射パターンを有し、レーザ光が照射されたときその反射パターンに従った反射光が発生する。反射板１４ａ、１４ｂを含む回転体１３の表面で反射した反射光は光送受信装置１２で受信され、その反射光強度は光検知装置１５ａ、１５ｂで検出されてねじれ角算出部１６に入力される。
【０００４】
ねじれ角算出部１６は両反射体からの反射光の遅れ時間ｔdに基づいて（１）式によりねじれ角θを算出する。（１）式中のＴは回転体の回転周期である。
【数１】
2007240421.tif 000003
【０００５】
そして、トルク算出部１７は、（１）式で求めたねじれ角θと、回転体のねじり剛性Ｋとから（２）式によりトルクτを計算する。
【数２】
2007240421.tif 000004
【０００６】
さらに、出力算出部１８は、（２）式で求めたトルクτと回転体１３の回転数Ｎとから（３）式によりタービン出力ＷTを算出する。
【数３】
2007240421.tif 000005
【０００７】
このように、回転体のねじり計測によってタービン出力Ｗを求めるには、（３）式に示すように、回転体のねじり剛性Ｋが必要となる。この回転体のねじり剛性Ｋは回転体（タービン駆動軸）を発電プラントから持ち出して検定するか、もしくはコンピュータ解析で求めるようにしている。コンピュータ解析では、例えば回転体のねじり剛性ＫをＦＥＭ解析（有限要素法）で求めている。
【特許文献１】特開２００２−２２５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、回転体のねじり剛性Ｋは、回転体（タービン駆動軸）を持ち出して検定する場合は、タービンを分解して行うことになるので時間がかかり、またコストがかかる。一方、コンピュータ解析によって求める場合は精度の点で問題がある。
【０００９】
回転体のねじり剛性Ｋは回転体が円筒の場合には（４）式で示される。（４）式中のＧは回転体の材料の横弾性係数、ＺPは回転体の断面二次モーメント、Ｌはねじり計測区間長（両反射体の距離）、ｄは回転体の直径である。
【数４】
2007240421.tif 000006
【００１０】
すなわち、ねじり剛性Ｋを算出するには、回転体（タービン駆動軸）の材料固有の横弾性係数Ｇが必要となるが、この横弾性係数Ｇを精度良く把握することは困難である。これは、横弾性係数Ｇは、例えば同じステンレスであっても構成成分比の微小な相違や焼き入れ時間の相違等により異なってくるからである。
【００１１】
図５は、コンピュータ解析で求めたねじり剛性Ｋによって算出した発電プラント出力Ｗcと、発電機出力検出器で計測した発電プラント出力Ｗgとのグラフである。図５では、時点ｔ１から負荷を取り始め、時点ｔ２で定格出力ＰRとなった場合を示している。図５から分かるように、コンピュータ解析で求めたねじり剛性Ｋによって算出した発電プラント出力Ｗcと、発電機出力検出器で計測した発電プラント出力Ｗgとは誤差が生じている。この誤差は横弾性係数Ｇの誤差によるねじり剛性Ｋの誤差であると考えられる。
【００１２】
本発明の目的は、ねじり剛性を精度良く算出することができる回転体のねじり剛性演算装置、その回転体のねじり剛性演算装置で演算されたねじり剛性に基づいて原動機出力を精度良く求めることができる原動機出力演算装置及びこれらの方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１の発明に係わる回転体のねじり剛性演算装置は、複数台の原動機で回転体に回転力を与え前記回転体の端部に連結された負荷を駆動するプラントの前記負荷近傍位置の回転体のねじれ角を計測するねじれ角計測器と、前記ねじれ角計測器で計測された負荷近傍位置の回転体のねじれ角に基づいて負荷近傍位置における回転体のねじり剛性を算出する第１のねじり剛性算出手段と、前記第１のねじり剛性算出手段で算出された負荷近傍位置における回転体のねじり剛性に基づいて負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を算出する横弾性係数算出手段と、前記横弾性係数算出手段で算出された負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を用いて原動機間位置における回転体のねじり剛性を算出する第２のねじり剛性算出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明に係わる原動機出力演算装置は、回転体のねじり剛性演算装置は、複数台の原動機で回転体に回転力を与え前記回転体の端部に連結された負荷を駆動するプラントの前記負荷近傍位置の回転体のねじれ角を計測する第１のねじれ角計測器と、複数台の原動機のいずれかの原動機間位置の回転体のねじれ角を計測する第２のねじれ角計測器と、前記第１のねじれ角計測器で計測された負荷近傍位置の回転体のねじれ角に基づいて負荷近傍位置における回転体のねじり剛性を算出する第１のねじり剛性算出手段と、前記第１のねじり剛性算出手段で算出された負荷近傍位置における回転体のねじり剛性に基づいて負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を算出する横弾性係数算出手段と、前記横弾性係数算出手段で算出された負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を用いて原動機間位置における回転体のねじり剛性を算出する第２のねじり剛性算出手段と、前記第２のねじれ角計測器で計測された原動機間位置の回転体のねじれ角及び前記第２のねじり剛性算出手段で算出された原動機間位置における回転体のねじり剛性に基づいて原動機間位置の前段の原動機の出力を算出する原動機出力算出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明に係わる回転体のねじり剛性演算方法は、複数台の原動機で回転体に回転力を与え前記回転体の端部に連結された負荷を駆動するプラントの前記負荷近傍位置の回転体のねじれ角を計測し、計測した負荷近傍位置の回転体のねじれ角に基づいて負荷近傍位置における回転体のねじり剛性を算出し、算出した負荷近傍位置における回転体のねじり剛性に基づいて負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を算出し、算出した負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を用いて原動機間位置における回転体のねじり剛性を算出することを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明に係わる原動機出力演算方法は、複数台の原動機で回転体に回転力を与え前記回転体の端部に連結された負荷を駆動するプラントの前記負荷近傍位置の回転体のねじれ角を計測するとともに複数台の原動機のいずれかの原動機間位置の回転体のねじれ角を計測し、計測した負荷近傍位置の回転体のねじれ角に基づいて負荷近傍位置における回転体のねじり剛性を算出し、算出した負荷近傍位置における回転体のねじり剛性に基づいて負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を算出し、算出した負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を用いて原動機間位置における回転体のねじり剛性を算出し、計測した原動機間位置の回転体のねじれ角及び算出した原動機間位置における回転体のねじり剛性に基づいて原動機間位置の前段の原動機の出力を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、精度良く計測されるプラントの負荷出力及び負荷近傍位置の回転体のねじれ角に基づいて負荷近傍位置における回転体のねじり剛性を精度良く算出し、その精度の良い負荷近傍位置における回転体のねじり剛性に基づいて負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を算出するので、精度の良い横弾性係数を得ることができる。そして、その精度の良い負荷近傍位置における回転体の横弾性係数を用いて原動機間位置における回転体のねじり剛性を算出するので、算出された原動機間位置における回転体のねじり剛性も精度が向上する。また、精度の良い回転体のねじり剛性を用いて原動機間位置の前段の原動機の出力を算出するので、算出された原動機出力も精度が向上する。
【００１８】
これにより、プラントの性能管理の精度が向上し的確なメンテナンスが可能となり、さらには効率向上による燃料の削減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる回転体のねじり剛性演算装置のブロック構成図である。図１では、原動機は蒸気タービンであり負荷は発電機である発電プラントを示している。蒸気タービンは、１台の高圧タービン１９と３台の低圧タービン２０ａ、２０ｂ、２０ｃとからなり、これらで発電機２１を駆動するように構成されている。
【００２０】
高圧タービン１９の左端の駆動軸を１軸、右端の駆動軸を２軸、以下同様に、低圧タービン２０ａの左端の駆動軸を３軸、右端の駆動軸を４軸…と称呼することにすると、低圧タービン２０ｃの右端の駆動軸は８軸となる。この８軸は負荷である発電機２１に最も近接した軸であり、この８軸にねじれ角計測器２２が設けられている。ねじれ角計測器２２は、発電機を駆動する８軸のねじれ角θ8を計測するものであり、前述したように、回転体（駆動軸）１３の表面の軸方向に間隔を保って配置された一対の反射体からの反射光の遅れ時間ｔdに基づいて（１）式により８軸のねじれ角θ8を算出する。
【００２１】
ねじれ角計測器２２で得られた８軸のねじれ角θ8は、演算処理装置２３の第１のねじり剛性算出手段２４に入力され、８軸におけるねじり剛性Ｋ8が求められる。第１のねじり剛性算出手段２４は、ねじれ角計測器２２で得られた８軸のねじれ角θ8、駆動軸の回転数（タービン回転数）Ｎ、発電機出力Ｗを入力し、（３）式のθに８軸のねじれ角θ8を、（３）式のＷTに８軸の出力である発電機出力Ｗを代入して、８軸のねじり剛性Ｋ8を算出する。なお、駆動軸の回転数（タービン回転数）Ｎは各軸（１軸〜８軸）の位置に関係なくＮで一定である。第１のねじり剛性算出手段２４で算出される８軸のねじり剛性Ｋ8は（５）式で示される。
【数５】
2007240421.tif 000007
【００２２】
第１のねじり剛性算出手段２４で算出される８軸のねじり剛性Ｋ8は精度の良いものである。これは、発電機出力Ｗは出力検出器で精度良く計測されるものであり、８軸のねじれ角θ8は発電機２１の近傍で測定したものであるから誤差が少なく、８軸のねじり剛性Ｋ8は、これら誤差の少ない発電機出力Ｗ及び８軸のねじれ角θ8を用いて算出されたものであるからである。
【００２３】
次に、第１のねじり剛性算出手段２４で算出された８軸のねじり剛性Ｋ8は、横弾性係数算出手段２５に入力され、８軸における横弾性係数Ｇ8が算出される。横弾性係数算出手段２５は、第１のねじり剛性算出手段２４で算出された８軸のねじり剛性Ｋ8、及び８軸における駆動軸の断面二次モーメントＺP8、８軸におけるねじり計測区間長（両反射体の距離）Ｌ8、８軸における駆動軸の直径ｄ8をそれぞれ（４）式に代入して、８軸における横弾性係数Ｇ8を算出する。横弾性係数算出手段２５で算出される８軸の横弾性係数Ｇ8は、（６）式で示される。
【数６】
2007240421.tif 000008
【００２４】
この横弾性係数算出手段２５で算出された８軸の横弾性係数Ｇ8は、精度の良いものである。これは、第１のねじり剛性算出手段２４で算出される精度の良い８軸のねじり剛性Ｋ8を用いて算出したものであるからである。
【００２５】
横弾性係数算出手段２５で算出された８軸の横弾性係数Ｇ8は、第２のねじり剛性算出手段２６に入力される。第２のねじり剛性算出手段２６は、タービン間位置における駆動軸のねじり剛性をもとめるものであり、例えば高圧タービン１９と低圧タービン１２ａとの間の３軸のねじり剛性Ｋ3を求める。
【００２６】
３軸のねじり剛性Ｋ3は、軸の横弾性係数をＧ3、３軸における駆動軸の断面二次モーメントをＺP3、３軸におけるねじり計測区間長（両反射体の距離）をＬ3、３軸における駆動軸の直径をｄ3とし、これらを（４）式に代入すると、（７）式で示される。
【数７】
2007240421.tif 000009
【００２７】
ここで、タービン駆動軸（１軸〜８軸）は同じ材質で製造されているので、１軸〜８軸のいずれの位置でも横弾性係数Ｇはほぼ同じである。つまり、８軸の横弾性係数Ｇ8と３軸の横弾性係数Ｇ3とはほぼ同じであるので、（７）式のＧ3にＧ8を代入し、さらにＧ8に（４）式を代入すると、３軸のねじり剛性Ｋ3は（８）式で示される。
【数８】
2007240421.tif 000010
【００２８】
３軸のねじり剛性Ｋ3は、（８）式から分かるように、３軸における駆動軸の断面二次モーメントＺP3、３軸におけるねじり計測区間長（両反射体の距離）Ｌ3、３軸における駆動軸の直径ｄ3、８軸における駆動軸の断面二次モーメントＺP8、８軸におけるねじり計測区間長（両反射体の距離）Ｌ8、８軸における駆動軸の直径ｄ8、発電機出力Ｗ、駆動軸の回転数Ｎ、８軸のねじれ角θ8から計算で求められる。これらの諸量は、いずれも精度よく計測でき、また計算できるものであるので、３軸のねじり剛性Ｋ3も精度良く計算できる。そして、第２のねじり剛性算出手段２６で算出された３軸のねじり剛性Ｋ3は、例えば、表示装置やプリンタ等の出力装置２７に出力される。
【００２９】
第１の実施の形態によれば、精度良く計測される発電機出力及び発電機近傍位置のタービン駆動軸（８軸）のねじり剛性Ｋ8を精度良く算出し、その精度の良い８軸のねじり剛性Ｋ8に基づいてタービン駆動軸の横弾性係数Ｇを算出するので、精度の良い横弾性係数Ｇを得ることができる。そして、その精度の良い横弾性係数Ｇを用いて、タービン駆動軸上の他の位置（例えば３軸）における駆動軸のねじり剛性Ｋ3を算出するので、算出された３軸のねじり剛性Ｋ3も精度よく算出できる。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態に係わる原動機出力演算装置のブロック構成図である。図１に示した第１の実施の形態の回転体のねじり剛性演算装置に対し、第２のねじれ角計測器２８を追加して設け、また、演算処理装置２３に原動機出力算出手段２９を追加して設け、原動機出力演算装置を構成したものである。図１と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３１】
演算処理装置２３の原動機出力算出手段２９は、第２のねじれ角計測器２８で計測された３軸のねじれ角θ3、第２のねじり剛性算出手段２６で算出された３軸におけるねじり剛性Ｋ3、タービン駆動軸の回転数Ｎを入力し、３軸の前段のタービンである高圧タービン１１の出力ＷHPを（９）式により算出する。
【数９】
2007240421.tif 000011
【００３２】
高圧タービン１１の出力ＷHPは、（９）式から分かるように、３軸における駆動軸の断面二次モーメントＺP3、３軸におけるねじり計測区間長（両反射体の距離）Ｌ3、３軸における駆動軸の直径ｄ3、８軸における駆動軸の断面二次モーメントＺP8、８軸におけるねじり計測区間長（両反射体の距離）Ｌ8、８軸における駆動軸の直径ｄ8、発電機出力Ｗ、駆動軸の回転数Ｎ、８軸のねじれ角θ8、３軸のねじれ角θ3から計算で求められる。
【００３３】
これらの諸量は、いずれも精度よく計測でき、また計算できるものであるので、高圧タービン１１の出力ＷHPも精度良く計算できる。そして、原動機出力算出手段２９で算出された高圧タービン１１の出力ＷHPは、例えば、表示装置やプリンタ等の出力装置２７に出力される。
【００３４】
図３は、本発明の第２の実施の形態で求めた発電プラント出力Ｗcと、発電機出力検出器で計測した発電プラント出力Ｗgとのグラフである。図３では、時点ｔ１から負荷を取り始め、時点ｔ２で定格出力ＰRとなった場合を示している。図３から分かるように、第２の実施の形態で求めた発電プラント出力Ｗcと、発電機出力検出器で計測した発電プラント出力Ｗgとは特性がほとんど一致し、横弾性係数Ｇの誤差によるねじり剛性Ｋの誤差の影響を大幅に抑制できている。
【００３５】
第２の実施の形態によれば、また、精度の良い回転体のねじり剛性Ｋ3を用いて３軸の前段の高圧タービン１１の出力ＷHPを算出するので、算出された高圧タービン１１の出力ＷHPも精度が向上する。これにより、プラントの性能管理の精度が向上し的確なメンテナンスが可能となり、さらには効率向上による燃料の削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる回転体のねじり剛性演算装置のブロック構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係わる原動機出力演算装置のブロック構成図。
【図３】本発明の第２の実施の形態で求めた発電プラント出力Ｗcと発電機出力検出器で計測した発電プラント出力Ｗｇとのグラフ。
【図４】回転体のねじり計測によってタービン出力を計算するタービン出力装置の一例のブロック構成図。
【図５】従来のコンピュータ解析で求めたねじり剛性Ｋによって算出した発電プラント出力Ｗcと発電機出力検出器で計測した発電プラント出力Ｗｇとのグラフ。
【符号の説明】
【００３７】
１１…レーザ光出力装置、１２…光送受信装置、１３…回転体、１４…反射体、１５…光検知装置、１６…ねじれ角算出部、１７…トルク算出部、１８…出力算出部、１９…高圧タービン、２０…低圧タービン、２１…発電機、２２…ねじれ角計測器、２３…演算処理装置、２４…第１のねじり剛性算出手段、２５…横弾性係数算出手段、２６…第２のねじり剛性算出手段、２７…出力装置
【図１】
2007240421.tif 000012
【図２】
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【図３】
2007240421.tif 000014
【図４】
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【図５】
2007240421.tif 000016