(57)【要約】【課題】  主蒸気圧力，抽気流量，排気圧力の変化によりタービン内の蒸気条件(ヒートバランス)が異なる場合でも、主蒸気加減弁の開度と主蒸気圧力とを制御し、蒸気タービンの最適な効率を維持する蒸気タービン制御システムを提供する。【解決手段】  主蒸気圧力２を測定し、主蒸気加減弁３前後での圧力損失を計算し、その計算結果に基づき主蒸気加減弁３前後での圧力損失が最小となるように、主蒸気圧力２および主蒸気加減弁３の開度を制御する。  プロセス蒸気など抽気８がある場合は、抽気流量６を測定し、その抽気流量に応じてタービン内の蒸気条件(ヒートバランス)がどのように変化するかを再計算し、再計算結果に基づきその蒸気条件でのタービン効率が最大となるように主蒸気加減弁３の開度を調整するとともに、蒸気流量を制御する。  再計算時に排気圧力９の測定結果も入力すると、蒸気流量および主蒸気圧力のより効率的な制御が可能となる。【選択図】        図１
2007046504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力制御可能な少なくとも１つのボイラと、
前記ボイラからの蒸気で駆動される少なくとも１つの蒸気タービンと、
前記ボイラから前記蒸気タービンに流入する蒸気流量を制御する主蒸気加減弁と、
前記ボイラと前記主蒸気加減弁との間で主蒸気圧力を測定する圧力計と、
前記圧力計からの圧力に基づいて前記主蒸気加減弁の前後で発生する圧力損失を計算する圧力損失計算手段と、
前記圧力損失計算手段の出力に基づいて最適な前記主蒸気加減弁の開度を計算する主蒸気加減弁開度計算手段と、
前記圧力損失計算手段の出力に基づいて最適な主蒸気圧力を計算する主蒸気圧力計算手段とからなる蒸気タービン制御システム。
【請求項２】
圧力制御可能な少なくとも１つのボイラと、
前記ボイラからの蒸気で駆動される少なくとも１つの蒸気タービンと、
前記ボイラから前記蒸気タービンに流入する蒸気流量を制御する主蒸気加減弁と、
前記ボイラと前記主蒸気加減弁との間で主蒸気圧力を測定する圧力計と、
前記蒸気タービンの任意の段落から主にタービン回転以外の用途に利用される蒸気を導く抽気系統と、
前記抽気系統に設置され抽気蒸気流量を制御する抽気加減弁と、
抽気流量を測定する抽気流量計と、
前記圧力計からの圧力に基づいて前記主蒸気加減弁の前後で発生する圧力損失を計算する圧力損失計算手段と、
測定された主蒸気圧力および抽気流量により変化する蒸気タービン内の蒸気条件(ヒートバランス)を最適な状態に再計算するヒートバランス計算手段と、
前記圧力損失計算手段の出力に基づいて最適な前記主蒸気加減弁の開度を計算する主蒸気加減弁開度計算手段と、
前記圧力損失計算手段および前記ヒートバランス計算手段の出力に基づいて最適な主蒸気圧力を計算する主蒸気圧力計算手段とからなる蒸気タービン制御システム。
【請求項３】
圧力制御可能な少なくとも１つのボイラと、
前記ボイラからの蒸気で駆動される少なくとも１つの蒸気タービンと、
前記ボイラから前記蒸気タービンに流入する蒸気流量を制御する主蒸気加減弁と、
前記ボイラと前記主蒸気加減弁との間で主蒸気圧力を測定する圧力計と、
前記蒸気タービンの任意の段落から主にタービン回転以外の用途に利用される蒸気を導く抽気系統と、
前記抽気系統に設置され抽気蒸気流量を制御する抽気加減弁と、
抽気流量を測定する抽気流量計と、
前記蒸気タービンからの排気圧力を測定する排気圧力計と、
前記圧力計からの圧力に基づいて前記主蒸気加減弁の前後で発生する圧力損失を計算する圧力損失計算手段と、
測定された主蒸気圧力，抽気流量，排気圧力により変化する蒸気タービン内の蒸気条件(ヒートバランス)を最適な状態に再計算するヒートバランス計算手段と、
前記圧力損失計算手段の出力に基づいて最適な前記主蒸気加減弁の開度を計算する主蒸気加減弁開度計算手段と、
前記圧力損失計算手段および前記ヒートバランス計算手段の出力に基づいて最適な主蒸気圧力を計算する主蒸気圧力計算手段とからなる蒸気タービン制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービン制御システムに係り、特に、主蒸気加減の開度および／またはボイラからの蒸気圧力を制御し、蒸気タービンの効率を高める手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンプラントの一例として、圧力を制御可能なボイラと、蒸気流量を制御する４つの主蒸気加減弁と、抽気流量を制御する抽気加減弁と、主蒸気圧力，抽気圧力，排気圧力を測定するセンサとを備え、発電以外の用途に蒸気タービンからの抽気の一部を利用する蒸気タービン発電プラントの事例を説明する。
【０００３】
一般に、主蒸気加減弁は、起動にあわせて蒸気流量を制御し、通常運転状態になると、４つある主蒸気加減弁のうち、３つを全開とし１つを全閉として運転するように設計されている。この全閉している加減弁は、夏場などのタービン効率が低い場合に、蒸気流量を増加させ、必要な出力を確保することが主な目的である。
【０００４】
しかし、実際には、蒸気流量の制御しやすさの問題から、第１弁と第２弁とを全開とし、第３弁と第４弁とを中間開度として蒸気流量を制御している。この内第４弁は、その本来の目的から、開度は狭いので、圧力損失が大きかったり、ハンチングが発生したりするなどの問題がある。
【０００５】
また、蒸気タービンの効率は、ある条件の元で運転される場合に最適となるように計算されている。
【０００６】
しかし、前述のように蒸気タービンの回転以外の用途に利用される抽気がある場合には、抽気の有無および抽気流量により、抽気前後での圧力変化や、抽気段落以降の蒸気流量の変化や、圧力条件などの変化により、蒸気タービンは、必ずしも最適な効率のもとで運転されるとは限らない。
【０００７】
さらに、排気圧力の変化によっても蒸気タービン内の蒸気条件(ヒートバランス)は、変化する。この排気圧力は、例えば復水器を持つタービンなどでは、蒸気冷却に利用される海水の温度変化や、先に述べた抽気流量の変化などにも左右される。
【０００８】
なお、プラント運転中に主蒸気圧力設定値を自動補正し、上記加減弁の開度を自動補正し、上記加減弁の開度を動的に調整して調整試験期間を短縮し、しかも、プラントの運転効率を改善するボイラ制御装置が提案されている(例えば、特許文献１，特許文献２参照)。また、すべての運転域において、主蒸気加減弁の開度とその前後での圧力損失を最小にする制御方法が提案されている(例えば、特許文献２参照)。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３１６９９８号公報(第５〜７頁  図１〜図３)
【特許文献２】特開２００４−０１１６０８号公報(第４〜７頁  図１〜図３)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、主蒸気流量を制御する際に、主蒸気加減弁の開度のみで制御すると、その開度と流量特性との関係から、複数ある主蒸気加減弁のいくつかを中間開度で運転せざるを得ない。
【００１１】
一般に、管路内を流れる流体は、蒸気流速が大きいほどその圧力損失が大きい。したがって、特に制限が無い場合には、蒸気管の流路を最大にしておくことが、圧力損失低減効果が最大となり、結局はタービン効率を最高に高める。
【００１２】
蒸気タービンの回転以外の目的に利用される抽気に関しては、その利用目的により、抽気の有無の単純な切換え運転のみならず、抽気の流量を変化させて運転する場合もある。
【００１３】
したがって、抽気無しの状態で効率が最大となるように設計されたタービンにおいては、抽気して抽気段落以降の蒸気流量が変化すると、設計時の最適蒸気条件から外れた状態で運転されることになり、タービン効率は、必ずしも最大とはならない。
【００１４】
一方、抽気した状態でまたは一定流量だけ抽気している状態で効率が最大となるよう設計されたタービンにおいては、抽気していない状態での運転や、抽気蒸気流量が最大効率点の抽気流量と異なる場合には、同様に、タービンが、必ずしも最大効率で運転されるとは限らない。
【００１５】
また、排気圧力の変化も同様に影響し、タービン効率が最大となる設計点を外して運転される場合は、タービン設計時の最適な蒸気条件とは異なるので、必ずしもタービン効率が最適になるような状態で運転されるとは限らなかった。
【００１６】
本発明の課題は、主蒸気圧力，抽気流量，排気圧力の変化によりタービン内の蒸気条件(ヒートバランス)が異なる場合でも、主蒸気加減弁の開度と主蒸気圧力とを制御し、蒸気タービンの最適な効率を維持する蒸気タービン制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するために、圧力制御可能な少なくとも１つのボイラと、ボイラからの蒸気で駆動される少なくとも１つの蒸気タービンと、ボイラから蒸気タービンに流入する蒸気流量を制御する主蒸気加減弁と、ボイラと主蒸気加減弁との間で主蒸気圧力を測定する圧力計と、圧力計からの圧力に基づいて主蒸気加減弁の前後で発生する圧力損失を計算する圧力損失計算手段と、圧力損失計算手段の出力に基づいて最適な主蒸気加減弁の開度を計算する主蒸気加減弁開度計算手段と、圧力損失計算手段の出力に基づいて最適な主蒸気圧力を計算する主蒸気圧力計算手段とからなる蒸気タービン制御システムを提案する。
【００１８】
その結果、例えば４つある主蒸気加減弁の第１弁〜第２弁を全開、第４弁を全閉とし、第３弁のみを中間開度とすると、開度の狭い流路を通過する際の圧力損失を低減できる。
【００１９】
プロセス蒸気など抽気がある場合は、抽気流量を測定し、その抽気流量に応じてタービン内の蒸気条件(ヒートバランス)がどのように変化するかを再計算し、再計算結果に基づきその蒸気条件でのタービン効率が最大となるように主蒸気加減弁の開度を調整するとともに、蒸気流量を制御する。または、主蒸気圧力を制御し、最適な蒸気流量を確保する。
【００２０】
上記再計算時に排気圧力の測定結果も入力すると、蒸気流量および主蒸気圧力のより効率的な制御が可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、主蒸気加減弁の蒸気流量への制御しやすさを確保しつつ、圧力損失を最小にした状態で運転でき、タービン効率を高めるとともに、抽気の需要に見合った各々の状態で、最適なタービン効率で運転できる蒸気タービン制御システムが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、図１および図２を参照して、本発明による蒸気タービン制御システムの実施例を説明する。
【００２３】
図１は、本発明による蒸気タービン制御システムの一実施例の系統構成を示すブロック図である。本実施例の蒸気タービンプラントは、蒸気タービンの回転以外に利用される抽気系統を有する。
【００２４】
本実施例の蒸気タービン制御システムは、圧力制御可能なボイラ１と、ボイラ１の蒸気を利用して回転する蒸気タービン５と、ボイラ１と蒸気タービン５との間に設置され蒸気タービン５に流入する蒸気流量を制御する４つの主蒸気加減弁３と、主蒸気加減弁３とボイラ１との間に設置されボイラ１で発生した主蒸気圧を測定する主蒸気圧力計２と、蒸気タービン５の任意の段落から主にタービン回転以外の用途に利用される蒸気を導く抽気系統７と、抽気系統７に設置され抽気蒸気流量を制御する抽気加減弁８と、抽気流量を測定する抽気流量計６と、蒸気タービン５からの排気圧力を測定する排気圧力計９と、主蒸気圧力，主蒸気加減弁開度，抽気流量，排気圧力などを取り込み、主蒸気圧力および主蒸気加減弁の最適開度を計算し、主蒸気圧力および主蒸気加減弁の開度を制御し、タービン効率を最適な状態に保持する制御装置４とからなる。
【００２５】
図２は、図１の蒸気タービン制御システムを構成する制御装置の内部構成の一例を示すブロック図である。
【００２６】
制御装置４は、入力手段４１と、計算手段４２と、出力手段４３とからなる。
【００２７】
入力手段４１は、主蒸気圧力入力部１０と、抽気流量入力部１１と、排気圧力入力部１２とを含んでいる。
【００２８】
計算手段４２は、圧力損失計算手段１３と、ヒートバランス計算手段１４と、圧力損失計算結果およびヒートバランス計算結果に基づき最適な主蒸気加減弁開度を計算する主蒸気加減弁最適開度計算手段１５と、最適な主蒸気圧力を計算する主蒸気圧力計算手段１６と、主蒸気圧力および主蒸気加減弁開度のどちらでタービン流入蒸気量を制御するかを最終的に決定する制御対象決定手段１７とを含んでいる。
【００２９】
出力手段４３は、制御対象決定手段１７の出力により主蒸気加減弁への開度制御信号を出力する主蒸気加減弁最適開度出力部１８と、制御対象決定手段１７の出力により主蒸気圧力計算結果をボイラ側の図示しない制御手段に送る主蒸気圧力出力部１９とを含んでいる。
【００３０】
通常運転時、ボイラ１で発生した蒸気は、主蒸気加減弁３で流量を調整されつつ、蒸気タービン５内に流入し、蒸気タービン５を回転させる。
【００３１】
プラントとしてプロセス蒸気が必要である場合には、抽気加減弁８を開き、蒸気タービン側の制約内で抽気蒸気量を制御しつつ、抽気している。
≪定常運転状態≫
定常運転状態となった場合には、４つの主蒸気加減弁３は、蒸気流量の制御しやすさを確保するため、２つの主蒸気加減弁第１弁，第２弁を全開とし、第３弁は、制御しやすい範囲内で可能な限り開き、第４弁は、制御しやすい範囲で不足分の蒸気を供給できる分だけ開いている。
【００３２】
この状態で、ボイラ１からの主蒸気圧力を主蒸気圧力計２で測定し、その主蒸気圧力を主蒸気圧力入力部１０から制御装置４に取り込む。
【００３３】
制御装置４内の圧力損失計算手段１３は、取り込んだ圧力と主蒸気加減弁の開度とに基づいて、主蒸気加減弁前後での圧力損失を計算する。
【００３４】
さらに、主蒸気圧力計算手段１６は、第３弁を全開とし、第４弁を全閉にした場合に、主蒸気加減弁３後側の圧力が同一となるような主蒸気圧力を計算する。
【００３５】
主蒸気圧力計算手段１６は、その主蒸気圧力計算結果を制御対象決定手段１７に送る。
【００３６】
制御対象決定手段１７は、第３弁を全開とし、第４弁を全閉とした条件下で、主蒸気圧力を主蒸気圧力計算結果に合わせられるか否かすなわち制御可能か否かを判断する。
【００３７】
制御対象決定手段１７は、制御可能であると判断した場合は、主蒸気加減弁最適開度出力部１８に第３弁全開，第４弁全閉の指令信号を主蒸気加減弁の第３弁，第４弁に出力するように指示を出す。また、主蒸気圧力出力部１９には、その主蒸気圧力となるようにボイラ１側に蒸気を出力するように指示を出す。
【００３８】
主蒸気加減弁最適開度出力部１８は、制御対象決定手段１７の指示に従い、主蒸気加減弁３の第３弁，第４弁に全開，全閉の指令信号を出力する。主蒸気圧力出力部１９は、制御対象決定手段１７の指示に従い、ボイラ１に主蒸気圧力計算結果に合わせるように指令信号を出力する。
【００３９】
出力制御終了後、主蒸気圧力を再度測定し、主蒸気加減弁３の開度を用いて、主蒸気加減弁３前後の圧力損失を計算し、主蒸気加減弁３後側の圧力が必要圧力になっていることを確認する。
【００４０】
必要圧力になっていない場合には、主蒸気圧力計算〜主蒸気加減弁３前後での圧力損失計算を再度実施し、主蒸気圧力を制御し、主蒸気加減弁３後側の圧力が必要圧力となるまでフィードバック制御を継続する。
【００４１】
第３弁が全開状態，第４弁が全閉状態で、主蒸気加減弁３後側の圧力が必要圧力に制御されると、蒸気タービン５には最適かつ必要十分な蒸気流量が確保され、蒸気流量を制御可能な範囲内で、圧力損失を最小に押えた運転が維持される。
【００４２】
もし、この状態で、例えば、ボイラ１での主蒸気圧力制御時のエネルギー損失と、主蒸気加減弁３の前後での圧力損失とを比較したところ、この運転状態がプラント全体での運転状態として最適と判断されない場合には、主蒸気圧力と主蒸気加減弁開度とを制御し、要求される条件で最適な状態を維持できるようにする。
≪抽気運転状態≫
次に、蒸気タービンの回転駆動とともに、抽気が必要な場合について説明する。
【００４３】
ボイラ１で発生した主蒸気がタービン５を回転させている状態を基点として説明する。この時点では、主蒸気圧力と主蒸気加減弁開度は、定常運転状態として制御されている。
【００４４】
この状態で、蒸気タービンの回転駆動の他に蒸気の需要があると、抽気加減弁８が開かれ、抽気される。
【００４５】
この抽気運転状態では、タービン内の蒸気条件（ヒートバランス）が定常運転時の最適条件とは異なる。
【００４６】
そこで、抽気流量を抽気流量計６で測定し、抽気流量入力部１１から制御装置４に取り込む。
【００４７】
取り込まれた抽気流量は、既に入力されている主蒸気圧力とともに、圧力損失計算手段１３とヒートバランス計算手段１４とに送られ、主蒸気加減弁３前後の圧力損失およびタービン全体のヒートバランスが計算される。
【００４８】
圧力損失計算手段１３とヒートバランス計算手段１４とで計算された計算結果は、主蒸気加減弁開度計算手段１５と主蒸気圧力計算手段１６とに送られる。
【００４９】
圧力損失計算結果とヒートバランス計算結果を受取った主蒸気加減弁開度計算手段１５は、最適な主蒸気加減弁開度を計算し、圧力損失計算手段１３にフィードバックする。
【００５０】
圧力損失計算手段１３は、受取った主蒸気加減弁開度から、計算結果の主蒸気量を保持しつつ、主蒸気加減弁３の第３弁が全開となり第４弁が全閉となった場合の圧力計算損失を再度計算し、その計算結果を主蒸気圧力計算手段１６に送る。
【００５１】
主蒸気圧力計算手段１６は、受取った計算結果から、主蒸気加減弁の後側の圧力が第３弁全開，第４弁全閉の場合の圧力となるような、主蒸気圧力を計算する。
【００５２】
再計算結果は、主蒸気圧力出力部１９に送られ、ボイラ１側の主蒸気圧力制御信号としてボイラ１の制御手段に送られる。
≪排気圧力変化状態≫
次に、排気圧力が変化した場合について説明する。
【００５３】
排気圧力は、主蒸気圧力変化、抽気流量変化の他にも、種々の要因により発生する。ここでは、主蒸気圧力変化および抽気流量変化以外の要因で排気圧力が変化した場合について説明する。
【００５４】
ボイラ１で発生した主蒸気がタービン５を回転させている状態で、しかも、抽気されつつ運転している状態を基点として説明する。
【００５５】
主蒸気圧力と主蒸気加減弁開度については、抽気運転状態で制御しているとし、抽気流量が変化した場合の主蒸気圧力および主蒸気加減弁開度の制御についても、これまでの通り制御しているとする。
【００５６】
この状態で、何らかの理由により排気圧力が変化した場合には、タービン設計時に仮定しているタービン内の蒸気条件（ヒートバランス）が、最適条件とは異なった状態になる。
【００５７】
そこで、排気圧力計９で測定された排気圧力を排気圧力入力部１２から制御装置４内に取り込む。
【００５８】
この際、主蒸気圧力計２により測定された主蒸気圧力と、抽気流量計６により測定された抽気流量とは、制御装置４に取り込まれているものとする。
【００５９】
取り込まれた主蒸気圧力，抽気蒸気流量．排気圧力は、圧力損失計算手段１３とヒートバランス計算手段１４とに送られ、主蒸気加減弁３前後の圧力損失およびタービン全体のヒートバランスが計算される。
【００６０】
この場合も、抽気のある場合と同様の制御方法で運転される。
【００６１】
したがって、主蒸気加減弁の蒸気流量への制御しやすさを確保しつつ、圧力損失を最小にした状態で運転でき、タービン効率を高めるとともに、抽気の需要に見合った各々の状態で、最適なタービン効率で運転できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明による蒸気タービン制御システムの一実施例の系統構成を示すブロック図である。
【図２】図１の蒸気タービン制御システムを構成する制御装置の内部構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  ボイラ
２  主蒸気圧力計
３  主蒸気加減弁
４  制御装置
４１  入力手段
４２  計算手段
４３  出力手段
５  蒸気タービン
６  抽気流量計
７  抽気系統
８  抽気加減弁
９  排気圧力計
１０  主蒸気圧力入力部
１１  抽気流量入力部
１２  排気圧力入力部
１３  圧力損失計算手段
１４  ヒートバランス計算手段
１５  主蒸気加減弁最適開度計算手段
１６  主蒸気圧力計算手段
１７  制御対象決定手段
１８  主蒸気加減弁最適開度出力部
１９  主蒸気圧力出力部
【図１】
2007046504.tif 000003
【図２】
2007046504.tif 000004