(57)【要約】      （修正有）【課題】負荷運転プロセス中の蒸気タービンの運転融通性を拡張すること。【解決手段】ターボ機械の運転融通性を向上させる方法４００が提供される。ターボ機械は、第１のセクション及び第２のセクションと、該第１のセクション及び第２のセクション内に配置されるロータとを含むことができる。本方法４００は、第１のセクション及び／又は第２のセクションと関連する物理的パラメータの許容範囲を決定することができる。本方法４００は、第１のバルブ及び／又は第２のバルブを変更し、第１のセクション及び第２のセクションそれぞれへの蒸気流を可能にすることができ、当該変更は、物理的パラメータの許容範囲に基づいている。加えて、物理的パラメータは、本方法４００が、負荷運転プロセス中にターボ機械の第１のセクション及び第２のセクション間に独立して分配することを可能にする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷運転プロセス中にターボ機械（１０２）に流入する蒸気流を不均衡にする方法（４００）であって、
少なくとも第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）と、該第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）内に部分的に配置されるロータ（１１５）とを備えるターボ機械（１０２）を提供する段階と、
前記第１のセクション（１１０）への蒸気流を制御するよう構成された第１のバルブ（１１６）と、前記第２のセクション（１１２）への蒸気流を制御するよう構成された第２のバルブ（１１８）とを提供する段階と、
前記ターボ機械（１０２）が負荷運転段階で作動しているか否かを判定する段階（４２０）と、
前記ターボ機械（１０２）の各セクション（１１０、１１２）において運転境界に接近する許容タービン運転スペース（ＡＴＯＳ）（３０２）を決定する段階（４３０）と
を含み、前記ＡＴＯＳ（３０２）が、前記各セクション（１１０、１１２）を通る蒸気流、前記各セクション（１１０、１１２）のスラスト限界、及び排気ウィンデージ限界のうちの少なくとも１つに関するデータを組み込み、前記方法が更に、
前記前記第１のセクション（１１０）又は前記第２のセクション（１１２）の少なくとも１つに関連する物理的パラメータのＡＴＯＳ（３０２）内の許容範囲を決定する段階（４３０）と、
前記物理的パラメータの許容範囲によって部分的に制限される前記第１のバルブ（１１６）の変更を行って、前記第１のセクション（１１０）への蒸気流を制御する段階（４５０）と、
前記物理的パラメータの許容範囲によって部分的に制限される前記第２のバルブ（１１８）の変更を行って、前記第２のセクション（１１２）への蒸気流を可能にする段階（４７０）と
を含み、前記ＡＴＯＳ（３０２）が、リアルタイムで、前記第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）の運転境界を拡張し、前記負荷運転段階中の前記ターボ機械（１０２）の前記第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）間の不均衡蒸気流を可能にする、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
速度／負荷コマンドと前記物理的パラメータとの間の最小値を選択する段階を更に含み、前記最小値が、前記第１のバルブ（１１６）及び前記第２のバルブ（１１８）の所望のストロークを決定する、請求項１記載の方法（４００）。
【請求項３】
前記ターボ機械（１０２）が蒸気タービン（１０２）を含み、前記蒸気タービン（１０２）が、各々が少なくとも１つのバルブと一体化された複数のセクション（１１０、１１２）を含む、請求項２記載の方法（４００）。
【請求項４】
前記物理的パラメータが、ロータスラスト、ロータ応力、蒸気温度、蒸気圧力、又は排気ウィンデージ限界のうちの少なくとも１つを含む、請求項３記載の方法（４００）。
【請求項５】
前記物理的パラメータの値は、前記第１のセクション（１１０）又は第２のセクション（１１２）の少なくとも１つへの蒸気流を独立して制御するよう構成された伝達関数アルゴリズムにより決定される、請求項４記載の方法（４００）。
【請求項６】
前記伝達関数アルゴリズムが、ＡＴＯＳ（３０２）に基づいて前記蒸気流を制限する、請求項５記載の方法（４００）。
【請求項７】
前記伝達関数アルゴリズムが、前記負荷運転プロセス中の前記蒸気タービン（１０２）の運転スペースを決定し、該運転スペースが、ＨＰセクション（１１０）及びＩＰセクション（１１２）の現在の動作範囲を決定する、請求項６記載の方法（４００）。
【請求項８】
前記ＨＰセクション（１１０）及び前記ＩＰセクション（１１２）の現在の動作範囲に基づいて前記第１のバルブ（１１６）及び前記第２のバルブ（１１８）の所望のストロークを調整する段階を更に含む、請求項７記載の方法（４００）。
【請求項９】
前記負荷運転プロセスが複数の段階を含み、各段階が前記現在の動作範囲によって部分的に決定される、請求項８記載の方法（４００）。
【請求項１０】
前記複数の段階が、
前記ＨＰセクション（１１０）への蒸気流がほぼ一定の流量で維持され、前記ＩＰセクション（１１２）への蒸気流が前記ＩＰセクション（１１２）の現在の動作範囲まで増大される、段階Ａから段階Ｂと、
前記ＨＰセクション（１１０）への蒸気流が、前記ＨＰセクション（１１０）の現在の動作範囲まで増大され、前記ＩＰセクション（１１２）への蒸気流が、前記ＩＰセクション（１１２）の現在の動作範囲まで増大される、段階Ｂから段階Ｃと、
前記ＨＰセクション（１１０）への蒸気流が、前記ＨＰセクション（１１０）の現在の動作範囲まで増大され、前記ＩＰセクション（１１２）への蒸気流が、ほぼ全開流量まで増大される、段階Ｃから段階Ｄと、
前記ＨＰセクション（１１０）への蒸気流が、ほぼ全開流量まで増大され、前記ＩＰセクション（１１２）への蒸気流が、ほぼ全開流量まで増大される、段階Ｄからベース負荷と
のうちの少なくとも１つを含む、請求項９記載の方法（４００）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、ターボ機械に関し、より詳細には、負荷運転段階中の蒸気タービンの運転融通性を高める方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンは、発電プラント、熱発生システム、船舶用推進システム、及び他の熱電応用において一般的に使用されている。蒸気タービンは、通常、予め定められた圧力範囲内で作動する少なくとも１つのセクションを含む。該セクションは、高圧（ＨＰ）セクション、及び再熱又は中圧（ＩＰ）セクションを含むことができる。これらのセクション内に収容される回転要素は、一般的には、軸方向シャフト上に装着される。一般に、制御バルブ及びインタセプトバルブは、ＨＰセクション及びＩＰセクションをそれぞれ通る蒸気流を制御する。
【０００３】
蒸気タービンの通常運転は、３つの別個の段階、すなわち、始動、負荷運転、及びシャットダウンを含む。始動段階は、回転要素の回転が始まり、蒸気が全てのセクションを通って流れるまでの運転段階の開始とみなすことができる。一般に、始動段階は、特定負荷にて終了しない。負荷運転段階は、限定ではないが定格負荷のような、蒸気タービンの出力がほぼ所望の負荷になるまで、セクションに流入する蒸気の量が増大する運転段階とみなすことができる。シャットダウン段階は、蒸気タービン負荷が低下し、各セクションへの蒸気流が漸次的に停止して、回転要素が装着されたロータがターニングギア速度まで減速される運転段階とみなすことができる。
【０００４】
負荷運転段階中に蒸気タービンを運転する既知の方法に関して幾つかの問題がある。現在知られている方法は、不都合なことには控えめな場合がある。これらの方法は、競合する物理的要件を効果的に管理することはできない。ここで、単一の物理的要件又はパラメータは、蒸気タービン全体の運転を制限する可能性がある。これらの方法は、運転上の融通性を低下させ、より大きな機械的構成要素を必要とし、場合によっては、蒸気タービンによって供給される正味出力を低減させる可能性がある。従って、負荷運転段階中の蒸気タービンの運転融通性を向上させる方法及びシステムに対する要望がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，３６１，５８５号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本発明の一実施形態によれば、負荷運転プロセス中にターボ機械（１０２）に流入する蒸気流を不均衡にする方法（４００）であって、少なくとも第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）と、該第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）内に部分的に配置されるロータ（１１５）とを備えるターボ機械（１０２）を提供する段階と、第１のセクション（１１０）への蒸気流を制御するよう構成された第１のバルブ（１１６）と、第２のセクション（１１２）への蒸気流を制御するよう構成された第２のバルブ（１１８）と、を提供する段階と、ターボ機械（１０２）が負荷運転段階で作動しているか否かを判定する段階（４２０）と、ターボ機械（１０２）の各セクション（１１０、１１２）において運転境界に接近する許容タービン運転スペース（ＡＴＯＳ）（３０２）を決定する段階（４３０）と、を含み、ＡＴＯＳ（３０２）が、各セクション（１１０、１１２）を通る蒸気流、各セクション（１１０、１１２）のスラスト限界、及び排気ウィンデージ限界のうちの少なくとも１つに関するデータを組み込み、本方法が更に、第１のセクション（１１０）又は第２のセクション（１１２）の少なくとも１つに関連する物理的パラメータのＡＴＯＳ（３０２）内の許容範囲を決定する段階（４３０）と、物理的パラメータの許容範囲によって部分的に制限される第１のバルブ（１１６）の変更を行って、第１のセクション（１１０）への蒸気流を制御する段階（４５０）と、物理的パラメータの許容範囲によって部分的に制限される第２のバルブ（１１８）の変更を行って、第２のセクション（１１２）への蒸気流を可能にする段階（４７０）と、を含み、ＡＴＯＳ（３０２）が、リアルタイムで、第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）の運転境界を拡張し、負荷運転段階中のターボ機械（１０２）の第１のセクション（１１０）及び第２のセクション（１１２）間の不均衡蒸気流を可能にする。
【０００７】
請求項１の方法（４００）が更に、速度／負荷コマンドと物理的パラメータとの間の最小値を選択する段階を含むことができ、該最小値は、第１のバルブ（１１６）及び第２のバルブ（１１８）の所望のストロークを決定する。
【０００８】
ターボ機械（１０２）は、蒸気タービン（１０２）の形態を有することができ、蒸気タービン（１０２）は、各々が少なくとも１つのバルブと一体化された複数のセクション（１１０、１１２）を含む。
【０００９】
物理的パラメータは、ロータスラスト、ロータ応力、蒸気温度、蒸気圧力、又は排気ウィンデージ限界のうちの少なくとも１つを含むことができる。物理的パラメータの値は、第１のセクション（１１０）又は第２のセクション（１１２）の少なくとも１つへの蒸気流を独立して制御するよう構成された伝達関数アルゴリズムにより決定される。伝達関数アルゴリズムは、ＡＴＯＳ（３０２）に基づいて蒸気流を制限するよう機能することができる。伝達関数アルゴリズムは、負荷運転プロセス中の蒸気タービン（１０２）の運転スペースを決定することができ、該運転スペースは、ＨＰセクション（１１０）及びＩＰセクション（１１２）の現在の動作範囲を決定する。
【００１０】
本方法（４００）は、ＨＰセクション（１１０）及びＩＰセクション（１１２）の現在の動作範囲に基づいて第１のバルブ（１１６）及び第２のバルブ（１１８）の所望のストロークを調整することができる。
【００１１】
本発明の一実施形態において、負荷運転プロセスは、複数の段階を含むことができ、各段階は、現在の動作範囲によって部分的に決定される。
ここで、複数の段階は、ＨＰセクション（１１０）への蒸気流がほぼ一定の流量で維持され、ＩＰセクション（１１２）への蒸気流がＩＰセクション（１１２）の現在の動作範囲まで増大される、段階Ａから段階Ｂと、ＨＰセクション（１１０）への蒸気流がＨＰセクション（１１０）の現在の動作範囲まで増大され、ＩＰセクション（１１２）への蒸気流がＩＰセクション（１１２）の現在の動作範囲まで増大される、段階Ｂから段階Ｃと、ＨＰセクション（１１０）への蒸気流がＨＰセクション（１１０）の現在の動作範囲まで増大され、ＩＰセクション（１１２）への蒸気流がほぼ全開流量まで増大される、段階Ｃから段階Ｄと、ＨＰセクション（１１０）への蒸気流がほぼ全開流量まで増大され、ＩＰセクション（１１２）への蒸気流がほぼ全開流量まで増大される、段階Ｄからベース負荷と、のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態が作動できる発電プラント施設を示す概略図。
【図２】既知の蒸気流方式による、蒸気タービン用のＨＰセクション流に対するＩＰセクション流を示すグラフ。
【図３】本発明の一実施形態による、蒸気タービンのＡＴＯＳを示す、ＨＰセクション流に対するＩＰセクション流及びＨＰセクション流に対するＲＨ圧力のグラフ。
【図４】本発明の一実施形態による、ＡＴＯＳ内で蒸気流を制御する方法の１つの実施例を示すフローチャート。
【図５】本発明の一実施形態による、ＡＴＯＳ内で蒸気タービンの作動性を高める方法を例示する、ＨＰセクション流に対するＩＰセクション流及びＨＰセクション流に対するＲＨ圧力のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、蒸気タービンの各セクションの運転境界を拡張する技術的作用を有する。蒸気タービンが作動すると、本発明は、各タービンセクションの許容タービン運転スペース（ＡＴＯＳ）を決定する。次に、本発明は、ＡＴＯＳに基づいて負荷運転段階中に各タービンセクションに流入する蒸気を調整することができる。ここで各タービンセクションに流入する蒸気流の量は、別のタービンセクションに流入する蒸気流の量には依存しない。
【００１４】
好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、本発明の特有の実施形態を示す添付図面を参照して行う。異なる構造及び動作を有する他の実施形態は、本発明の技術的範囲から逸脱するものではない。
【００１５】
本明細書では便宜上特定の専門用語を用いる場合があるが、これは、本発明を限定するものと解釈すべきではない。例えば、「上側」、「下側」、「左側」、「右側」、「前部」、「後部」、「頂部」、「底部」、「水平方向」、「垂直方向」、「上流」、「下流」、「前方」、「後方」及び同様のもののような用語は、図に示す構成を単に記述しているに過ぎない。実際に、本発明の実施形態の１つ又は複数の要素は、あらゆる方向に配向することができ、従って、特に明記しない限り、この用語は、このような変形形態を含むものとして理解されたい。
【００１６】
本明細書では、詳細な例示的実施形態を開示している。しかしながら、本明細書に開示した特定の構造的かつ機能的詳細は、単に例示的実施形態を説明する目的で示したに過ぎない。しかしながら、例示的実施形態は、多くの別の形態として具現化することができ、本明細書に記載した実施形態のみに限定されると解釈してはならない。
【００１７】
従って、例示的な実施形態は様々な変形及び代替形態が可能であるが、その実施形態を例証として図面に示し且つ本明細書で詳細に説明する。しかしながら、開示した特定の形態に例示的な実施形態を限定する意図はなく、逆に例示的な実施形態は、該例示的な実施形態の技術的範囲内にある全ての変形形態、均等形態、及び代替形態を保護すべきである点は理解されたい。
【００１８】
第１、第２、その他の用語は、本明細書で様々な要素を説明するのに用いることができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきでないことは理解されるであろう。これらの用語は、単に、ある要素を別の要素と区別するのに使用される。例えば、第１の要素は、例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、第２の要素と呼ぶことができ、同様に第２の要素は第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で使用される用語「及び／又は」とは、関連する記載品目の１以上の何れか及び全ての組み合わせを含む。
【００１９】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。本明細書で用いる場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。更に、本明細書で用いる場合の「含む」、「含んでいる」、「備える」及び／又は「備えている」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び／又は構成部品の存在を特定するが、１以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び／或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。
【００２０】
本発明は、様々な蒸気タービン又は同様のものに適用することができる。本発明の一実施形態は、単一蒸気タービン又は複数の蒸気タービンに適用することができる。以下の検討は、対向流構成及びカスケード接続の蒸気バイパスシステムを有する蒸気タービンに関するものであるが、本発明の実施形態は、当該構成に限定されるのもではない。本発明の実施形態は、対向流でない他の実施形態に適用してもよい。
【００２１】
ここで、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、限定ではないが、発電プラント施設のような、施設１００に装備された蒸気タービン１０２を示す概略図である。図１は、蒸気タービン１０２、再熱ユニット１０４、制御システム１０６、及び発電器１０８を有する施設１００を示している。
【００２２】
図１に示すように、蒸気タービン１０２は、第１のセクション１１０及び第２のセクション１１２を含むことができる。本発明の種々の実施形態において、蒸気タービン１０２の第１のセクション１１０及び第２のセクション１１２は、ＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２とすることができる。本発明の他の種々の実施形態において、ＨＰセクション１１０はまた、ハウジング１１０と呼ぶことができ、ＩＰセクション１１２はまた、追加ハウジング１１２と呼ぶことができる。更に、蒸気タービン１０２はまた、第３のセクション１１４を含むことができる。本発明の一実施形態において、第３のセクション１１４は、低圧（ＬＰ）セクション１１４とすることができる。蒸気タービン１０２はまた、蒸気タービン１０２のセクション１１０、１１２、及び１１４内に配置することができるロータ１１５を含むことができる。本発明の一実施形態において、ロータ１１５の周りの流路は、セクション１１０、１１２、及び１１４間で蒸気が流体連通することを可能にすることができる。
【００２３】
蒸気タービン１０２は、第１のセクション１１０及び第２のセクション１１２にそれぞれ流入する蒸気流を制御するための第１のバルブ１１６及び第２のバルブ１１８を含むことができる。本発明の種々の実施形態において、第１のバルブ１１６及び第２のバルブ１１８は、ＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２にそれぞれ流入する蒸気流を制御するための制御バルブ１１６及びインタセプトバルブ１１８とすることができる。
【００２４】
蒸気タービン１０２の運転中、ＨＰセクション１１０から流出する蒸気は、再熱ユニット１０４を通って流れることができ、ここで、蒸気の温度は、ＩＰセクション１１２に流れる前に上昇する。続いて、図１に示すように、蒸気は、インタセプトバルブ１１８を介して再熱ユニット１０４から流出し、ＩＰセクション１１２及びＬＰセクション１１４に流入することができる。次に、蒸気は、ＩＰセクション１１２及びＬＰセクション１１４から流出し、凝縮器（図示せず）に流れることができる。
【００２５】
図２は、既知の蒸気流方式による、蒸気タービン１０２におけるＨＰセクション流に対するＩＰセクション流を示すグラフ２００である。Ｘ軸はＨＰセクション１１２を通る蒸気流を示し、Ｙ軸はＩＰセクション１１４を通る蒸気流を示している。直線２０２で示すように、既知の流れ方式は、セクション１１０、１１２間の蒸気流の均衡を得ようとする。これは通常、蒸気タービン１０２の負荷運転プロセス中にＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２を通る蒸気流を均等に維持することを伴う。点Ａ、Ｂ、及びＣを結ぶ直線２０２は、蒸気タービン１０２の負荷運転プロセス中のＩＰセクション１１２を通る蒸気流に対するＨＰセクション１１０を通る蒸気流の変動を表す。直線２０２は、ＨＰ及びＩＰセクション１１０、１１２とを通る均等又は均衡流を示す、自然圧力線とみなすことができる。
【００２６】
速度／負荷ガバナは、蒸気タービン１０２のセクションを通る所望の蒸気流に相当することができる速度／負荷コマンドを生成することができる。この後、速度／負荷コマンドは、制御バルブ１１６及びインタセプトバルブ１１８に提供することができる。この既知の均衡流方式は、直線２０２で示すように、蒸気タービン１０２の負荷運転プロセスの間維持することができる。ここで、速度／負荷コマンドは、負荷運転プロセス全体の間、制御バルブ１１６及びインタセプトバルブ１１８に提供することができる。
【００２７】
図３から図５は、本発明の一実施形態による、ＡＴＯＳを用いて各セクション１１０、１１２の運転可能スペースを拡張する方法を示す概略図である。検討するように、均衡流は、各セクション１１０、１１２に同じ量の蒸気流を提供するようにする方法及び／又は制御原理とみなすことができる。本発明の実施形態は、均衡流れ手法を置き換えて、蒸気タービン１０２の運転境界を拡張するよう努める。蒸気タービン１０２が作動すると、制御システム１０６は、ＡＴＯＳを決定することができる。ＡＴＯＳは、蒸気タービン１０２の現在の運転境界とみなすことができる。ＡＴＯＳが変化すると、本発明の実施形態は、バルブ１１６、１１８の位置を調整し、セクション１１０、１１２への蒸気流の量を変えることができる。
【００２８】
図面を検討し且つこれに対応してＡＴＯＳに関して議論する際に以下のことを考慮すべきである。全ての図は、特定の蒸気タービン１０２構成に関連することができる非限定的な実施例とみなすべきである。更に、各図の数値域は、例示を目的としたものに過ぎない。各図は、蒸気タービン１０２が各限界境界を作動又は移動する時間の長さを反映していない場合がある。ＡＴＯＳは、蒸気タービン１０２が作動できる領域と考えることができる。以下で検討し例示する各ＡＴＯＳ境界は、固定又は限定の境界とみなすべきではない。ＡＴＯＳ及び関連の境界は、変化し且つ動的な作動環境とみなすべきである。この環境は、一部には、蒸気タービン１０２の構成、運転段階、境界条件、及び機械的構成要素並びに設計によって決定される。ＡＴＯＳ及びその境界の他の方向、形状、大きさ、及びサイズは、図示していないが、本発明の実施形態の性質及び範囲の外にあるものではない。従って、図に示すようなＡＴＯＳ及びその境界の方向、大きさ、形状、及びサイズは、非限定的な実施例の例示に過ぎない。
【００２９】
図３は、本発明の一実施形態による、蒸気タービン１０２のＡＴＯＳを例示する、ＨＰセクション流に対するＩＰセクション流のグラフ３００である。図３は、本発明の一実施形態による、蒸気タービン１０２のＡＴＯＳ３０２の非限定的な実施例を示す。ここで、ＡＴＯＳ境界は、線２−６（直線１−２と５−６の交差の組み合わせ）及び直線３−４である。直線１−２は、ＩＰ／ＬＰスラスト線とみなすことができ、軸方向スラストを限度内に維持するための最大許容ＩＰセクション流をＨＰセクション流の関数として示している。直線３−４は、ＨＰスラスト線とみなすことができ、軸方向スラストを限度内に維持するための最大許容ＨＰセクション流をＩＰセクション流の関数として示している。直線５−６は、ＨＰセクション排気ウィンデージ線とみなすことができ、ＨＰセクションの排気において望ましくない高温を防ぐため最大許容ＲＨ圧力を示している。
【００３０】
Ｘ軸はＨＰセクション１１０を通る蒸気流を示す。左側Ｙ軸はＩＰセクション１１２を通る蒸気流を示し、右側Ｙ軸はＲＨ圧力を示す。点Ａ、Ｂ、及びＣを通過する自然圧力線２０２は、上記で検討したように均衡流れ方式を示している。
【００３１】
スラスト線１−２及び３−４は、対向するＨＰ及びＩＰセクション１１０、１１２を通る蒸気流の関数である。線１−２及び３−４は、望ましくない高い軸方向スラスト荷重を生じるまでの特定の蒸気タービン１０２が耐え得る許容な流れ不均衡を表すことができる。これらの線の実際の形状及び関連の値は、とりわけ、各セクション１１０、１１２の熱力学的設計及び関連のスラスト軸受のサイズによって決まる。最先端の蒸気タービン設計は、軸方向スラスト力を増大させ、許容な流れの不均衡を制限し、ＡＴＯＳ３０２を低減することができる。同様に、スラスト軸受サイズが増大すると、より大きな流れ不均衡が許容され、ＡＴＯＳ３０２が増大する可能性がある。
【００３２】
ＨＰセクション排気ウィンデージ線である線５−６は、ＲＨ圧力及びＨＰ入口蒸気温度の関数として、ＨＰセクション１１０の後段における望ましくない高温を防ぐのに必要な最小ＨＰ流量の関数とすることができる。ＲＨ圧力がより高くなるほど、ＨＰセクション排気における圧力をより高くすることができる。これは、所与の流量及び所与の入口蒸気温度において、ＨＰセクション１１０を通る圧力比を低下させる可能性がある。これはまた、ＨＰセクション排気温度を上昇させる可能性がある。同様に、より高いＨＰ入口蒸気温度はまた、所与のＲＨ圧力での所与の蒸気流量において、ＨＰセクション排気蒸気温度を上昇させる可能性がある。
【００３３】
一部の蒸気タービン１０２の運転中、ＲＨ圧力が高い入口蒸気温度を有する所望の条件よりも高い圧力に達すると、ＨＰセクション排気温度が材料固有の限界値に接近する可能性がある。しかしながら、蒸気タービン１０２が低い入口蒸気温度で作動すると、ＲＨ圧力が高い場合でも高温のＨＰセクション排気温度となる可能性が低くなる。ここで、ＨＰ入口蒸気のエンタルピーは、温度の低下と共に有意に小さくなる。従って、ＨＰセクションウィンデージの考慮は、これに限定するものではないが、蒸気温度が高い場合など、特定の条件に限定することができる。
【００３４】
上記で検討したように、線１−２、３−４、及び５−６は、所与の動作条件にてＡＴＯＳ３０２を定めることができる境界である。これらの線は本質的に動的である。本発明の実施形態は、ＡＴＯＳ３０２をリアルタイムで決定し、より大きな運転融通性を可能にすることができる。実際的には、各ＡＴＯＳ境界は、特定の蒸気タービン１０２のＡＴＯＳ３０２を定める物理的パラメータとみなすことができる。物理的パラメータは、限定ではないが、軸方向スラスト、ロータ応力、蒸気温度、蒸気圧力、ＨＰセクション排気ウィンデージ限界、又は同様のものを含むことができる。
【００３５】
図３に示すように、区域３０４、３０６、及び３０８は、蒸気タービン１０２の運転がＨＰセクション排気温度及び／又は軸方向スラストの好ましい限度を超える領域を示すことができる。本発明の一実施形態において、ＩＰセクション１１２を通る許容な蒸気流は、線１−２又は線５−６によって示される蒸気流の最小値として決定することができる。ここで、バルブストロークの範囲は、ＡＴＯＳ３０２に基づいて第１のバルブ１１６及び第２のバルブ１１８に対して生成することができる。図２と比較して、本発明の実施形態は、均衡流手法よりもＡＴＯＳ３０２の利用度をより大きくすることができる。
【００３６】
図４は、本発明の一実施形態による、ＡＴＯＳ内の蒸気流を制御する方法４００の１つの実施例を示すフローチャートである。検討したように、本発明の実施形態は、ＡＴＯＳ３０２の利用を増大させるために不均衡流法を導入する。ここで、各セクション１１０、１１２に流入する蒸気流は、蒸気タービン１０２の運転境界及び融通性を拡張するよう意図的に不均衡にされる。これは、各セクション１１０、１１２に流入する蒸気量をリアルタイムで独立に制御することによって達成することができる。方法４００は、蒸気タービン１０２を作動させる制御システムと一体化することができる。
【００３７】
方法４００は、第１のバルブ１１６及び第２のバルブ１１８を制御して、第１のセクション１１０及び第２のセクション１１２それぞれを通る蒸気流を制御することができる。本発明の種々の実施形態において、第１のバルブ１１６及び第２のバルブ１１８は、上記で検討したように、ＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２をそれぞれ通る蒸気流を制御する制御バルブ１１６及びインタセプトバルブ１１８とすることができる。
【００３８】
ステップ４１０において、方法４００は、蒸気タービン１０２の運転段階を判定することができる。上記で検討したように、蒸気タービン１０２は、通常、始動、負荷状態、及びシャットダウンの３つの別個で且つ重なり合う段階で運転している。本発明の実施形態は、負荷運転段階中に機能することができ、ここでは、限定ではないが定格負荷のような、蒸気タービンの出力がほぼ所望の負荷になるまで、セクションに流入する蒸気の量が増大する。
【００３９】
ステップ４２０において、方法４００は、蒸気タービン１０２が負荷運転段階において運転しているか否かを判定することができる。ここでは、方法４００は、蒸気タービン１０２を作動させる制御システム１０６からの作動データ又は運転データを受け取ることができる。このデータは、限定ではないが、発電器１０８の出力を含むことができる。蒸気タービン１０２が負荷運転段階で運転している場合、方法４００は、ステップ４３０に進むことができ、そうでない場合には、方法４００はステップ４１０に戻ることができる。
【００４０】
ステップ４３０において、方法４００は、現在のＡＴＯＳ３０２を決定することができる。ここで、方法４００は、上述のように、ＡＴＯＳ境界に関連した現在データを受け取ることができる。方法４００は、ＡＴＯＳ境界に関連した物理的パラメータに関するデータを受け取ることができる。このデータは、許容な又は好ましい限度及び境界と比較することができる。例えば、限定ではないが、ＡＴＯＳ境界は、軸方向スラストを含むことができる。ここで、方法４００は、現在の運転条件における現在の軸方向スラストと許容軸方向スラストとを決定することができる。
【００４１】
本発明の代替の実施形態において、方法４００は、ＡＴＯＳ３０２を計算又は決定するための伝達関数、アルゴリズム、又は同様のものを組み込むことができる。
【００４２】
ステップ４４０において、方法４００は、蒸気タービン１０２の第１のセクション１１０の少なくとも１つに関連する物理的パラメータの許容範囲を決定することができる。物理的パラメータは、限定ではないが、運転上の制約条件及び／又は物理的制約条件を含むことができる。これらの制約条件は、限定ではないが、軸方向スラスト、ロータ応力、蒸気温度、蒸気圧力、ＨＰセクション排気ウィンデージ限界、又は同様のものを含むことができる。次いで、方法４００は、物理的パラメータの許容範囲に基づき第１のバルブ１１６のバルブストロークの範囲を生成することができる。
【００４３】
ステップ４５０において、方法４００は、第１のバルブ１１６を変更し、蒸気タービン１０２の第１のセクション１１０への蒸気流を可能にすることができる。方法４００は、物理的パラメータの許容範囲に基づき第１のバルブ１１６を変更することができる。
【００４４】
ステップ４６０において、方法４００は、蒸気タービン１０２の第２のセクション１１２の少なくとも１つに関連する物理的パラメータの許容範囲を決定することができる。物理的パラメータは、限定ではないが、運転上の制約条件及び／又は物理的制約条件を含むことができる。これらの制約条件は、限定ではないが、軸方向スラスト、ロータ応力、蒸気温度、蒸気圧力、ＨＰセクション排気ウィンデージ限界、又は同様のものを含むことができる。次いで、方法４００は、物理的パラメータの許容範囲に基づき第２のバルブ１１８のバルブストロークの範囲を生成することができる。
【００４５】
ステップ４７０において、方法４００は、第２のバルブ１１８を変更し、蒸気タービン１０２の第２のセクション１１２への蒸気流を可能にすることができる。方法４００は、物理的パラメータの許容範囲に基づき第２のバルブ１１８を変更することができる。
【００４６】
本発明の実施形態は、ＡＴＯＳ３０２を境界付ける物理的パラメータの変化をリアルタイムで決定することができる。従って、ステップ４５０及び４７０が完了した後、方法４００は、ステップ４１０に戻ることができる。
【００４７】
図５は、本発明の一実施形態による、ＡＴＯＳ３０２内において、蒸気タービン１０２の作動性を高める方法を例示する、ＨＰセクション流に対するＩＰセクション流及びＨＰセクション流に対するＲＨ圧力のグラフ５００である。本質的に、図５は、図４の方法を適用した起こり得る結果を示している。上記で検討したように、本発明の実施形態は、不均衡流手法を提供し、本手法は、現在のＡＴＯＳ３０２に基づき各セクション１１０、１１２に対する許容な蒸気流を決定する。
【００４８】
図５に示すように、区域５０４、５０６、及び５０８は、蒸気タービン１０２の運転がＨＰセクション排気温度及び／又は軸方向スラストの好ましい限度を超えることができる領域を示すことができる。図３と同様に、Ｘ軸はＨＰセクション１１０を通る蒸気流を示す。左側Ｙ軸はＩＰセクション１１２を通る蒸気流を示し、右側Ｙ軸は再熱圧力を示す。直線２０２は、図２で検討したように自然圧力線を示す。本発明の一実施形態において、伝達関数、アルゴリズム、又は同様のものは、決定されたＡＴＯＳ３０２に基づきＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２に関連する物理的パラメータの現在の動作範囲を決定することができる。上記で検討したように、線１−２、３−４、及び５−６は、所与の動作条件におけるＡＴＯＳ３０２を定めることができる境界である。これらの線は本質的に動的である。本発明の実施形態は、ＡＴＯＳ３０２をリアルタイムで決定し、より大きな運転融通性を可能にすることができる。実際的には、各ＡＴＯＳ境界は、特定の蒸気タービン１０２のＡＴＯＳ３０２を定める物理的パラメータとみなすことができる。
【００４９】
使用時には、本発明の実施形態は、複数段を含むことができる蒸気タービン１０２に対し新規の負荷運転段階方法を提供する。本発明の一実施形態において、各段は、少なくとも部分的には、現在のＡＴＯＳ境界に基づくことができる。
【００５０】
上記で検討したように、図５に関して検討し図示した数値域は、非限定的な実施例の例示を目的としたものに過ぎない。各ＡＴＯＳ境界は、固定又は限定の境界とみなすべきではない。ＡＴＯＳ３０２及び関連の境界は、変化し且つ動的な作動環境とみなすべきであり、この環境は、一部には、各蒸気タービン１０２の構成、運転段階、境界条件、及び機械的構成要素並びに設計によって決定される。従って、ＡＴＯＳ３０２及びその境界の方向、大きさ、形状、及びサイズは、以下で検討するように、非限定的な実施例の例示に過ぎない。図５には図示していない、ＡＴＯＳ３０２及びその境界の他の方向、形状、大きさ、及びサイズは、本発明の実施形態の性質及び範囲の外にあるものではない。
【００５１】
以下では、負荷運転段階中に使用する際の本発明の一実施形態の非限定的な実施例を説明する。本発明の一実施形態において、蒸気タービン１０２の負荷運転プロセスは、領域５０２に示すように５つの段階を含むことができる。始動から段階Ａまでの第１の経路部分は、蒸気タービン１０２の初期負荷運転を含むことができる。本発明の一実施形態において、初期負荷運転後、ＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２を通る蒸気流は、約２５％とすることができる。
【００５２】
次に、段階Ａから段階Ｂまでは、ＨＰセクション１１０を通る蒸気流がほぼ一定の流量で維持されながら、ＩＰセクション１１２を通る蒸気流は、ＩＰセクション１１２の現在の動作範囲まで増大させることができる。本発明の一実施形態において、ＩＰセクション１１２を通る蒸気流は、約３７％まで増大することができ、境界はＡＴＯＳ３０２によって定められる。図３及び図５を比較して示すように、本発明の一実施形態は、出力の増大をもたらすことができる。図３の負荷運転経路は、ＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２を通る等しい蒸気流を組み込む。しかしながら、図５に示す本発明の一実施形態は、蒸気タービン１０２からの増大した出力をもたらすことができ、これはＩＰセクション１１２を通る追加の蒸気流によって結果として生じる。
【００５３】
次に、段階Ｂから段階Ｃまでは、ＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２を通る蒸気流は、現在のＡＴＯＳ３０２に基づいてそれぞれの動作範囲まで増大することができる。本発明の一実施形態において、ＨＰセクション１１０を通る蒸気流は，約５２％まで増大することができ、ＩＰセクション１１２を通る蒸気流は、約６８％まで増大することができ、これらはＡＴＯＳ３０２によって定めることができる。図３及び図５を比較して示すように、本発明の一実施形態は出力の増大をもたらすことができる。図３の負荷運転経路は、ＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２を通る等しい蒸気流を組み込む。しかしながら、図５に示す本発明の一実施形態は、蒸気タービン１０２からの増大した出力をもたらすことができ、これはＩＰセクション１１２を通る追加の蒸気流によって結果として生じる。
【００５４】
次に、段階Ｃから段階Ｄまでは、ＨＰセクション１１０を通る蒸気流は、ＨＰセクション１１０の現在の動作範囲まで増大することができ、ＩＰセクション１１２を通る蒸気流は、約１００％まで増大することができ、これらはＡＴＯＳ３０２により定められる境界とすることができる。本発明の一実施形態において、ＨＰセクション１１０を通る蒸気流は、約８２％まで増大することができる。図３及び図５を比較して示すように、本発明の一実施形態は出力の増大をもたらすことができる。図３の負荷運転経路は、ＨＰセクション１１０及びＩＰセクション１１２を通る等しい蒸気流を組み込む。しかしながら、図５に示す本発明の一実施形態は、蒸気タービン１０２からの増大した出力をもたらすことができ、これはＩＰセクション１１２を通る追加の蒸気流によって結果として生じる。
【００５５】
次に、段階Ｄからベース負荷までは、ＩＰセクション１１２を通る蒸気流を１００％にほぼ一定に維持しながら、ＨＰセクション１１０を通る蒸気流をほぼ１００％まで増大することができる。
【００５６】
ＩＰセクション１１２及びＬＰセクション１１４は、一部の蒸気タービン１０２に対する総出力の大半を生成することができる。従って、本発明の実施形態により教示される負荷経路Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄは、蒸気タービン１０２の出力を５％から１５％だけ増大することができる。加えて、本発明の実施形態は、蒸気タービン１０２によって生成される蒸気を利用し、廃棄物を低減し、過渡効率を改善することができる。
【００５７】
本明細書では特定の実施形態を図示しかつ説明してきたが、図示した特定の実施形態は、同一の目的を達成するために考えられるあらゆる構成と置き換えることができること、また本発明は他の環境におけるその他の用途も有することを理解されたい。本出願は、本発明のあらゆる改造及び変更を保護することを意図している。提出した特許請求の範囲は、本発明の技術的範囲を本明細書に記載した特定の実施形態に限定することを一切意図するものではない。
【符号の説明】
【００５８】
１００  施設
１０２  ターボ機械、蒸気タービン
１０４  再熱ユニット
１０６  制御システム
１０８  発電器
１１０  ＨＰタービンセクション、第１のセクション
１１２  ＩＰタービンセクション、第２のセクション
１１５  ロータ
１１４  ＬＰタービンセクション、第３のセクション
１１６  制御バルブ、第１のバルブ
１１８  インタセプトバルブ、第２のバルブ
２００  グラフ
２０２  自然圧力ライン
３００  グラフ
３０２  ＡＴＯＳ
３０４，  ３０６，  ３０８  領域
４００  方法
５００  グラフ
５０２  負荷運転段階領域
５０４，  ５０６，  ５０８  領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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