タービンシステムおよびタービンシステム起動制御方法
【課題】タービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を規定値以下に抑えてタービンを起動することができるタービンシステムを提供する。
【解決手段】本発明によるタービンシステム１は、車室２と、この車室２内に回転自在に取り付けられたタービンロータ３とを有するタービン４と、このタービン４の車室２の上流側に連結された主蒸気管５とを備えている。この主蒸気管５に、車室２に流入する蒸気の流量を調節する制御弁６が設けられ、タービンロータ３に発電機７が連結されている。また、制御弁６に、制御弁６を操作する操作量を求めて制御弁６を制御してタービン４を起動させる起動制御装置１０が接続されている。
【解決手段】本発明によるタービンシステム１は、車室２と、この車室２内に回転自在に取り付けられたタービンロータ３とを有するタービン４と、このタービン４の車室２の上流側に連結された主蒸気管５とを備えている。この主蒸気管５に、車室２に流入する蒸気の流量を調節する制御弁６が設けられ、タービンロータ３に発電機７が連結されている。また、制御弁６に、制御弁６を操作する操作量を求めて制御弁６を制御してタービン４を起動させる起動制御装置１０が接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車室と、この車室内に回転自在に取り付けられたタービンロータとを有するタービンを起動制御するタービンシステムおよびタービンシステム起動制御方法に係り、とりわけ、タービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を規定値以下に抑えてタービンを起動することができるタービンシステムおよびタービンシステム起動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、タービンを起動する際、タービンの車室に流入する蒸気の蒸気温度が上昇するとともに、この蒸気の蒸気流量が増大することにより、まず、タービンロータ表面の表面メタル温度が上昇する。その後、タービンロータ表面の熱が熱伝導によりタービンロータ内部に伝わる。このことにより、タービンロータ内部の内部メタル温度は、タービンロータ表面の表面メタル温度より遅れて温度上昇する。このため、タービンロータの表面と内部との間の温度分布に偏差が生じ、タービンロータに熱応力が発生する。この熱応力が大きい場合、タービンロータの寿命を著しく縮めてしまう場合がある。
【０００３】
そこで、タービンのタービンロータに発生する熱応力を規定値以下に抑えるとともにタービンの起動時間が最短になるようにタービンの起動を制御する装置が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００４】
このうち、特許文献１に記載の蒸気タービン起動制御装置においては、タービンロータの外周に配置された第一段落の第一段落メタル温度等が、予め登録した所定の推移パターンに沿って推移するように、タービンロータのタービン回転数の変化率を表すタービン昇速率および発電機の負荷の上昇率を表す負荷上昇率を求めてタービンの起動を制御している。
【０００５】
また、特許文献２に記載のタービン起動制御装置においては、タービンロータのタービン昇速率および発電機の負荷上昇率を一定と仮定して計算を行うことにより、計算の変数を少なくして計算を簡素化している。
【特許文献１】特開平９−３１７４０４号公報
【特許文献２】特開２００６−２５７９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながらタービンを起動する際、タービンロータとこのタービンロータを収納する車室との間に設けられた蒸気通路部を通過する蒸気の温度が上昇するとともに蒸気の流量が増大する。この場合、タービンロータおよび車室はいずれもタービンロータの長手軸方向に伸びる。ここで、タービンロータおよび車室は、素材および形状が各々異なる。このことにより、タービンロータの伸び量および車室の伸び量は異なるとともに、タービンロータの伸び量が変化する傾向および車室の伸び量が変化する傾向も異なる。このため、タービンロータの伸びと車室の伸びとの差である伸び差が大きくなり、最悪の場合タービンロータ側の回転部材が車室側の静止部材に接触することが考えられる。
【０００７】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、タービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を規定値以下に抑えてタービンを起動することができるタービンシステムおよびタービンシステム起動制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、車室と、この車室内に回転自在に取り付けられたタービンロータとを有するタービンと、このタービンの車室の上流側に連結された主蒸気管と、この主蒸気管に設けられ、車室に流入する蒸気の流量を調節する制御弁と、前記タービンロータに連結された発電機と、前記制御弁を制御してタービンを起動させる起動制御装置と、を備え、前記起動制御装置は、前記車室に流入する蒸気の蒸気条件、タービンロータのロータ温度および車室の車室温度に基づいて、所定の予測時間区間内にタービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を予測し、これら予測した熱応力および伸び差を規定値以下に抑えるように当該予測時間区間内における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンに基づいて制御弁の操作量を求める起動制御手段と、この起動制御手段により求められた制御弁の操作量に基づいて制御弁を駆動させる制御弁制御手段と、を有することを特徴とするタービンシステムである。
【０００９】
本発明は、タービンロータの外周にタービン動翼が設けられるとともに、車室内にタービンノズルが設けられ、当該タービンノズルとタービン動翼の一対で構成される段落を複数設けて蒸気通路部を形成し、起動制御装置の起動制御手段は、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落近傍の蒸気の第１段落蒸気温度および当該第１段落近傍の蒸気の熱伝達率を予測する第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段と、この第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落蒸気温度および熱伝達率と、第１段落の第１段落メタル温度とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率を予測する第１段落メタル温度予測手段と、この第１段落メタル温度予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率に基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにタービンロータに発生する熱応力を予測する熱応力予測手段と、前記車室に流入する蒸気の蒸気条件に基づいて当該予測時間区間内の各時間ステップにおける前記蒸気通路部を流れる蒸気の通路部蒸気温度および通路部蒸気流量を予測する通路部蒸気温度・流量予測手段と、この通路部蒸気温度・流量予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける通路部蒸気温度および通路部蒸気流量と、タービンロータのロータ温度とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率を予測するロータ温度予測手段と、通路部蒸気温度・流量予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける通路部蒸気温度および通路部蒸気流量と、車室の車室温度とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率を予測する車室温度予測手段と、ロータ温度予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率と、車室温度予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を予測する伸び差予測手段と、熱応力予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱応力と、伸び差予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける伸び差とを各々規定値以下に抑えるとともに、これらの熱応力と伸び差とに基づいて、当該予測時間区間内における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンのうち最初の時間ステップにおける操作量を制御弁の操作量として求める操作量算出手段と、を有することを特徴とするタービンシステムである。
【００１０】
本発明は、起動制御手段の第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段は、主蒸気管内の蒸気の管内蒸気圧力および管内蒸気温度と、タービンロータのタービン回転数と、発電機の発電機負荷と、起動制御手段の操作量算出手段において求められた当該予測時間区間内の各時間ステップにおける操作量推移パターンに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落蒸気温度および熱伝達率を予測することを特徴とするタービンシステムである。
【００１１】
本発明は、起動制御手段の通路部蒸気温度・流量予測手段は、主蒸気管内の蒸気の管内蒸気圧力、管内蒸気温度、および管内蒸気流量と、タービンロータのタービン回転数と、発電機の発電機負荷と、起動制御手段の操作量算出手段において求められた当該予測時間区間内の各時間ステップにおける操作量推移パターンに基づいて、通路部蒸気温度および通路部蒸気流量を予測することを特徴とするタービンシステムである。
【００１２】
本発明は、起動制御手段の熱応力予測手段は、予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるタービンロータに発生する熱応力に基づいて、タービンロータの寿命が消費されることに伴い消費される寿命を評価する機能を有することを特徴とするタービンシステムである。
【００１３】
本発明は、起動制御手段の操作量算出手段は、求められた当該予測時間区間内の各時間ステップにおける操作量推移パターンに基づいて、タービンロータを起動する際に消費する燃料の燃料消費コストを求める機能と、タービンを起動してから発電機により発電された電力を売ることができる運転状態になるまでの間に、売ることができない電力の売電喪失コストを求める機能とを有し、操作量算出手段において、更に、熱応力予測手段により求められた前記タービンロータにて消費される寿命と、操作量算出手段により求められた燃料消費コストと、売電喪失コストとに基づいて、当該予測時間区間における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算することを特徴とするタービンシステムである。
【００１４】
本発明は、起動制御手段の操作量算出手段は、実測された伸び差が規定値を超える場合、タービンロータのタービン回転数および発電機の負荷を、現在時間におけるタービン回転数および発電機の負荷に各々維持する機能を有することを特徴とするタービンシステムである。
【００１５】
本発明は、起動制御手段の操作量算出手段は、実測された伸び差が規定値を超える場合、タービンロータの回転を停止する機能を有することを特徴とするタービンシステムである。
【００１６】
本発明は、車室と、この車室内に回転自在に取り付けられたタービンロータとを有するタービンと、このタービンの車室の上流側に連結された主蒸気管と、この主蒸気管に設けられ、車室に流入する蒸気の流量を調節する制御弁と、前記タービンロータに連結された発電機と、前記制御弁を制御してタービンを起動させ、起動制御手段と制御弁制御手段とを有する起動制御装置とを備えたタービンシステムを起動するタービンシステム起動制御方法において、起動制御装置の起動制御手段により、前記車室に流入する蒸気の蒸気条件、タービンロータのロータ温度および車室の車室温度に基づいて、所定の予測時間区間内にタービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を予測し、これら予測した熱応力および伸び差を規定値以下に抑えるように当該予測時間区間内における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンに基づいて制御弁の操作量を求める工程と、起動制御装置の制御弁制御手段により、この起動制御手段により求められた制御弁の操作量に基づいて制御弁を駆動させる工程と、を有することを特徴とするタービンシステム起動制御方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、運転状況によらず、タービンロータに作用する熱応力およびタービンロータの伸びと車室の伸びとの差である伸び差を規定値以下に抑えながら迅速にタービンを起動させることができ、タービンの起動制御の精度を向上させることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の実施の形態
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ここで、図１乃至図３は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムを示す図である。このうち図１は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムの全体構成を示す図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムのタービンの構成を示す図である。また、図３（ａ）は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムを起動する際、管内蒸気圧力、管内蒸気温度、タービン回転数、および発電機負荷の推移を示す図であり、図３（ｂ）は、予測された熱応力の推移を示す図であり、図３（ｃ）は、予測された伸び差の推移を示す図である。
【００１９】
まず、図１および図２により、本発明によるタービンシステム１の全体構成について説明する。ここでタービンシステム１は、車室２と、この車室２内に回転自在に取り付けられたタービンロータ３とを有するタービン４を起動制御するためのものである。
【００２０】
図１および図２に示すようにタービンシステム１は、車室２と、この車室２内に回転自在に取り付けられたタービンロータ３とを有するタービン４と、一端がこの車室２の上流側に連結され、他端が図示しないボイラ等の蒸気発生装置に連結された主蒸気管５とを備えている。この主蒸気管５に、蒸気発生装置から車室２に流入する蒸気の流量を調節する制御弁６が設けられ、タービンロータ３に発電機７が連結されている。また、タービンロータ３の外周にタービン動翼８ａが設けられるとともに、車室２内にタービンノズル８ｂが設けられる。円周方向に亘り設けられたタービンノズル８ｂとタービン動翼８ａの一対が段落８を構成し、段落８は軸方向に複数設けられて蒸気通路部２ａを形成している。この各段落８のうち、車室２に接続された主蒸気管５に最も近い側である上流側に配置された、タービン動翼９ａとタービンノズル９ｂからなるものを第１段落９という。なお、車蒸気通路部２ａは、車室２とタービンロータ３との間の、特に蒸気が流れる部分を示す。
【００２１】
また、図１に示すように、制御弁６には、制御弁６を操作する操作量を求めて制御弁６を制御し、タービン４を起動させる起動制御装置１０が接続されている。
【００２２】
この起動制御装置１０は、所定の予測時間区間内にタービンロータ３に発生する熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）（ｊ＝１、２、・・・、ｍ）と、熱膨張による車室２の伸びとタービンロータ３の伸びとの差である伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）とを予測し、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける制御弁６の操作量推移パターンを求め、この操作量推移パターンに基づいて制御弁６の操作量を求める起動制御手段１１と、この起動制御手段１１により求められた操作量に基づいて制御弁７を駆動させる制御弁制御手段１２とを有している。ここで予測時間区間とは、現在時間ｋに対して、将来時間となるｋ＋１からｋ＋ｍの間に渡った時間区間をいう。
【００２３】
このうち起動制御手段１１は、タービンシステム１の状態量、すなわち蒸気条件、回転数、発電機負荷などに基づいて当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落９近傍の蒸気の第１段落蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および第１段落９近傍の蒸気の熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）を予測する第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３を有している。この第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３において第１段落蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）を予測する際、現在時間以前に実測された主蒸気管５内の蒸気条件である管内蒸気圧力Ｐｍｓおよび管内蒸気温度Ｔｍｓと、タービンロータ３のタービン回転数ｗと、発電機７の発電機負荷ＭＷと、後述する操作量算出手段２０により求められる制御弁６の操作量推移パターンとが用いられる。ここで操作量推移パターンは、タービンロータ３のタービン回転数ｗの変化率を示すタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）、および発電機７の負荷ＭＷの上昇率を示す負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）とで表される。この第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３において用いられるタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）は、後述する操作量算出手段２０により当該予測時間区間内の各時間ステップにおいて直前の繰り返し計算により求められた値となっている。
【００２４】
この第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３に、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率ｄＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）を予測する第１段落メタル温度予測手段１４が接続されている。この第１段落メタル温度予測手段１４において第１段落メタル温度変化率ｄＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）を予測する際、第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）と、現在時間以前に実測された第１段落９近傍のタービンロータ３の表面温度を示す第１段落メタル温度Ｔｍｅｔとが用いられる。
【００２５】
この第１段落メタル温度予測手段１４に、当該予測時間区間内の各時間ステップにタービンロータ３に発生する熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）を予測する熱応力予測手段１５が接続されている。この熱応力予測手段１５において熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）を予測する際、第１段落メタル温度予測手段１４により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率ｄＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）が用いられる。
【００２６】
また、起動制御手段１１は、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける蒸気通路部２ａを流れる蒸気の通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）およびこの蒸気の通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）を予測する通路部蒸気温度・流量予測手段１６を有している。この通路部蒸気温度・流量予測手段１６において通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）を予測する際、現在時間以前に実測された主蒸気管５内の蒸気条件である管内蒸気圧力Ｐｍｓ、管内蒸気温度Ｔｍｓ、および管内蒸気流量Ｆｌと、タービンロータ３のタービン回転数ｗと、発電機７の発電機負荷ＭＷと、後述する操作量算出手段２０により求められる制御弁６の操作量推移パターンとが用いられる。この通路部蒸気温度・流量予測手段１６において用いられるタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および発電機７の負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）は、上述したように、操作量算出手段２０において当該予測時間区間内の各時間ステップにおいて直前の繰り返し計算により求められた値となっている。
【００２７】
この通路部蒸気温度・流量予測手段１６に、当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率ｄＴｒ（ｋ＋ｊ）を予測するロータ温度予測手段１７が接続されている。このロータ温度予測手段１７においてロータ温度変化率ｄＴｒ（ｋ＋ｊ）を予測する際、通路部蒸気温度・流量予測手段１６により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）と、現在時間以前に実測されたタービンロータ３のロータ温度Ｔｒとが用いられる。なお、ロータ温度Ｔｒとして、タービンロータ３の例えば中心部分にて実測した温度に限らず、第１段落メタル温度Ｔｍｅｔの値を用いることも可能である。あるいは、ロータ温度Ｔｒを、ロータの形状・材質などを基に第１段落メタル温度Ｔｍｅｔや第１段落メタル温度変化率ｄＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）から推定した値とすることもできる。この場合、タービンロータ３の複数の箇所について推定した温度をそれぞれロータ温度Ｔｒとすることも可能となる。
【００２８】
また、通路部蒸気温度・流量予測手段１６に、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率ｄＴｃ（ｋ＋ｊ）を予測する車室温度予測手段１８が接続されている。この車室温度予測手段１８において車室温度変化率ｄＴｃ（ｋ＋ｊ）を予測する際、通路部蒸気温度・流量予測手段１６により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）と、現在時間以前に実測された車室２の車室温度Ｔｃとが用いられる。
【００２９】
また、ロータ温度予測手段１７および車室温度予測手段１８に、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱膨張による車室２の伸びとタービンロータ３の伸びとの差である伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）を予測する伸び差予測手段１９が接続されている。この伸び差予測手段１９において伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）を予測する際、ロータ温度予測手段１７により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率ｄＴｒ（ｋ＋ｊ）と、車室温度予測手段１８により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率ｄＴｃ（ｋ＋ｊ）とが用いられる。
【００３０】
さらに、熱応力予測手段１５および伸び差予測手段１９に、当該予測時間区間内における制御弁６の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンに基づいて、制御弁６の操作量を求める操作量算出手段２０が接続されている。この操作量算出手段２０において制御弁６の操作量を求める際、熱応力予測手段１５により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）と、伸び差予測手段１９により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）とを各々規定値以下に抑えるとともに、タービン４を起動する時間を最短にするように当該予測時間区間内における制御弁６の操作量推移パターンが時間ステップ毎に計算される。ここで、熱応力に対する規定値は、タービンロータ３の寿命を著しく低下させることがない所定の値であり、伸び差に対する規定値は、タービンロータ３側のタービン動翼８ａが車室２側のタービンノズル８ｂに接触することなく、タービン４を運転させることができる所定の値となっている。
【００３１】
また、操作量算出手段２０において、上述のようにして計算された操作量推移パターン、すなわちタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）のうち最初の時間ステップにおける昇速率ｄｗｏｐｔおよび負荷上昇率ｄＭＷｏｐｔが制御弁６の操作量として求められる。
【００３２】
また、この操作量算出手段２０は、現在時間に実測された伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）が規定値を超える場合、タービンロータ３のタービン回転数ｗおよび発電機７の負荷ＭＷを、現在時間におけるタービン回転数ｗおよび発電機７の負荷ＭＷに各々維持する機能を有している。
【００３３】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用、すなわち本発明によるタービンシステム起動制御方法について説明する。
【００３４】
停止しているタービン４を起動する場合、図１に示すように、まず、現在時間（ｋ）以前における主蒸気管５内の蒸気の蒸気条件である管内蒸気圧力Ｐｍｓ、管内蒸気温度Ｔｍｓ、および管内蒸気流量Ｆｌと、タービンロータ３のタービン回転数ｗ、発電機７の発電機負荷ＭＷと、第１段落９（図２参照）近傍のタービンロータ３の表面温度である第１段落メタル温度Ｔｍｅｔと、タービンロータ３のロータ温度Ｔｒと、車室の車室温度Ｔｃとがそれぞれプラント状態量として実測される。
【００３５】
次に、第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３において、実測された管内蒸気圧力Ｐｍｓ、管内蒸気温度Ｔｍｓ、タービン回転数ｗ、および発電機負荷ＭＷ、並びに後述する操作量算出手段２０により所定の予測時間区間内の各時間ステップにおいて直前の繰り返し計算により求められたタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）（ｊ＝１、２、・・・、ｍ）および負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）に基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落９近傍の蒸気の第１段落蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および第１段落９近傍の蒸気と第１段落９近傍のタービンロータ３表面との間の熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）が予測される。
【００３６】
次に、第１段落メタル温度予測手段１４において、第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３により予測された第１段落蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）と、実測された第１段落メタル温度Ｔｍｅｔとに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率ｄＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）が予測される。
【００３７】
次に、熱応力予測手段１５において、第１段落メタル温度予測手段１４により予測された第１段落メタル温度変化率ｄＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）に基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにタービンロータ３に発生する熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）が予測される。
【００３８】
上述した第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３により第１段落蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）が予測されることと並行して、通路部蒸気温度・流量予測手段１６において、実測された管内蒸気圧力Ｐｍｓ、管内蒸気温度Ｔｍｓ、タービン回転数ｗ、発電機負荷ＭＷ、および管内蒸気流量Ｆｌ、並びに後述する操作量算出手段２０により当該予測時間区間内の各時間ステップにおいて直前の繰り返し計算により求められたタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）に基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける蒸気通路部２ａを流れる蒸気の通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）およびこの蒸気の通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）が予測される。
【００３９】
次に、ロータ温度予測手段１７において、通路部蒸気温度・流量予測手段１６により予測された通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）と、実測されたロータ温度Ｔｒとに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率ｄＴｒ（ｋ＋ｊ）が予測される。
【００４０】
次に、この車室温度予測手段１８において、通路部蒸気温度・流量予測手段１６により予測された通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）と、実測された車室温度Ｔｃとに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率ｄＴｃ（ｋ＋ｊ）が予測される。
【００４１】
次に、伸び差予測手段１７において、ロータ温度予測手段１７により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率ｄＴｒ（ｋ＋ｊ）と、車室温度予測手段１８により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率ｄＴｃ（ｋ＋ｊ）とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱膨張による車室２の伸びとタービンロータ３の伸びとの差である伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）が予測される。この場合、まず、車室２の伸びが予測されるとともに、タービンロータ３の伸びが予測され、その後、この車室２の伸びとタービンロータ３の伸びとの差である伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）が求められる。
【００４２】
次に、操作量算出手段２０において、制御弁６の操作量が求められる。この場合、まず、熱応力予測手段１５により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）と、伸び差予測手段１９により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）とを各々規定値以下に抑えるとともに、これらの熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）と伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）とに基づいて、タービン４を起動する時間を最短にするように当該予測時間区間内における制御弁６の操作量推移パターン、すなわちタービンロータ３のタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および発電機７の負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）が時間ステップ毎に計算される。
【００４３】
次に、この操作量算出手段２０により計算されたタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）は、第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３および通路部蒸気温度・流量予測手段１６にフィードバックされ、次の繰り返し計算に用いられる。このようにして、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける上述した計算過程が、所定の条件を満たすまで繰り返し行われる。
【００４４】
繰り返し計算が終了した後、操作量算出手段２０において、当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）のうち最初の時間ステップ（ｋ＋１）における値に基づいて操作用タービン昇速率ｄｗｏｐｔおよび操作用負荷上昇率ｄＭＷｏｐｔが制御弁６の操作量として求められる。
【００４５】
次に、制御弁制御手段１２において、起動制御手段１１の操作量算出手段２０により制御弁６の操作量として求められた操作用タービン昇速率ｄｗｏｐｔおよび操作用負荷上昇率ｄＭＷｏｐｔに基づいて、制御弁６が駆動される。すなわち、この操作量に基づいて制御弁６の弁開度が調節され、図示しないボイラ等の蒸気発生装置から主蒸気管５および制御弁６を通って車室２に流入される蒸気の流量が調節される。
【００４６】
ここで、伸び差実測手段（図示せず）により現在時間以前に実測された伸び差が規定値を超える場合、操作量算出手段２０において、タービンロータ３のタービン回転数２および発電機７の負荷ＭＷが、現在時間におけるタービン回転数ｗおよび発電機の負荷ＭＷに各々維持される。この場合、予測された伸び差と規定値との比較だけではなく、実測された伸び差と規定値との比較をも行うことができ、タービンロータ３側のタービン動翼８ａが車室２側のタービンノズル８ｂに接触することを確実に防止することができる。
【００４７】
次に、車室２に流入した蒸気の圧力をタービンロータ３の外周に設けられた複数の段落８のタービン動翼８ａが受けてタービンロータ３が回転し、タービンロータ３に連結された発電機７が発電する。
【００４８】
その後、制御弁６の操作量として求められた操作用タービン昇速率ｄｗｏｐｔおよび操作用負荷上昇率ｄＭＷｏｐｔの時間ステップ（ｋ＋１）を現在時間に繰り上げて、上述した計算過程が新たな予測時間区間を設定して行われる。このようにして操作量算出手段２０において制御弁６の操作量推移パターンが順次更新され、この更新された操作量推移パターンに基づいて、制御弁６の操作量が制御されタービン４が起動して運転する。
【００４９】
上述のようにしてタービンを起動させた場合における主蒸気管５内の蒸気の管内蒸気圧力Ｐｍｓ、管内蒸気温度Ｔｍｓ、タービンロータ３のタービン回転数ｗ、および発電機７の発電機負荷ＭＷの推移を図３（ａ）に示す。また、予測された熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）の推移を図３（ｂ）に、予測された伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）の推移を図３（ｃ）に示す。図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、タービン４を起動する際、熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）および伸び差（ｋ＋ｊ）が、各々規定値以下に抑えられていることがわかる。
【００５０】
このように本実施の形態によれば、タービンロータ３の熱応力およびタービンロータ３の伸びと車室２の伸びとの差である伸び差を規定値以下に抑えながら、タービン４の起動時間を最短にすることができる。このことにより、タービンロータ３の寿命を著しく低下させることなく、かつタービンロータ３側のタービン動翼８ａが車室２側のタービンノズル８ｂに接触することなくタービン４を起動して運転させることができる。また、タービン４を起動させてから発電機７により発電された電力を売ることができる運転状態になるまでの時間を短くすることができる。このため、タービン４を起動させた後、得られた電力を売電する機会を喪失することを抑制することができる。
【００５１】
なお、本実施の形態においては、通路部蒸気温度・流量予測手段１６において通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）を求める際、実測された管内蒸気流量Ｆｌを用いているが、このことに限られることはなく、プラント状態量である制御弁６の入口の蒸気の圧力と、この制御弁６の弁開度とを実測して、この圧力と弁開度とを用いて管内蒸気流量Ｆｌを求めて、通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）を求めることもできる。
【００５２】
本発明の変形例
次に、本発明によるタービンシステムの変形例について説明する。本変形例は、実測された伸び差が規定値を超える場合タービンロータの回転を停止するものであり、他の構成は図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００５３】
本変形例によれば、伸び差実測手段（図示せず）により現在時間以前に実測された伸び差が規定値を超える場合、操作量算出手段２０により、タービンロータ３の回転が停止する。このことにより、タービンロータ３側のタービン動翼８ａが車室２側のタービンノズル８ｂに接触することを確実に防止することができる。
【００５４】
第２の実施の形態
次に、図４により、本発明の第２の実施の形態におけるタービンシステムについて説明する。ここで図４は、本発明の第２の実施の形態におけるタービンシステムにおいて、寿命消費コストと燃料消費コストと売電喪失コストとの関係を示した図である。
【００５５】
図４に示す第２の実施の形態において、タービンシステムは、操作量推移パターンを求める際、寿命消費コスト、燃料消費コスト、および売電喪失コストが考慮される点が異なるのみであり、他の構成は、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図４において、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５６】
本実施の形態における熱応力予測手段１５（図１参照）は、予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるタービンロータ３に発生する熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）に基づいて、タービンロータ３の寿命が消費されることに伴い消費される寿命を評価する機能を有している。すなわち、第１の実施の形態においては、タービンロータ３に発生すると予測される熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）が規定値以下になるように起動制御するものであったが、本実施の形態は、そもそもこの熱応力の規定値がタービンの寿命消費に基づいて定められている点に着目したものである。つまり、タービンシステム１において、起動時に発生する最大の熱応力は、タービンロータ３の寿命をある時間だけ縮めるものであるから、本実施の形態においては、熱応力の規定値を固定値として定めるのではなく、起動制御手段１１の熱応力予測手段１５内に熱応力の最大値と寿命消費の関係を規定する関数を持たせたことを特徴としている。そして、予め求められているタービンロータ３の寿命とタービンロータ３を交換する際のコストとの関係に基づいて、各時間ステップにおいて予測されるタービンロータ３の寿命消費に相当するコストが寿命消費コストとして算出される。
【００５７】
また、操作量算出手段２０（図１参照）は、制御弁６の操作量推移パターン、すなわち当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるタービン昇速率ｄＷ（ｋ＋ｊ）および発電機７の負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）に基づいて、タービンロータ３を起動する際に消費する燃料の燃料消費コストを求める機能を有している。さらに、操作量算出手段２０は、タービン４を起動してから発電機７により発電された電力を売ることができる運転状態になるまでの間に売ることができない電力の売電喪失コストを求める機能を有している。
【００５８】
本実施の形態においてタービン４を起動する際、タービン４の起動操作を行うオペレータは、寿命消費コストと、燃料消費コストと、売電喪失コストとの関係から、タービン４を起動する際の条件を選択する。すなわち、図４において、オペレータが、例えば、図４に示す被選択運転点における条件を選択する場合、この選択された条件に基づいて操作量算出手段２０により操作量推移パターンが算出される。
【００５９】
このように本実施の形態によれば、オペレータは、タービン４を起動する際、タービンロータ３の寿命が消費されることを抑えたいと考える場合には、寿命消費コストが抑制される条件を選択することができる。また、タービン４を起動する際の燃料の消費を抑えたいと考える場合には、燃料消費コストが抑制される条件を選択することができる。さらに、発電機７により発電された電力を売電機会を喪失することなく売電したいと考える場合には、売電喪失コストが抑制される条件を選択することができる。このため、タービン４を起動する際、タービンロータ３の熱応力およびタービンロータ３と車室２との伸び差を規定値以下に抑えながらタービン４の起動時間を最短にするとともに、寿命消費コスト、燃料消費コスト、および売電喪失コストとの関係から定められる起動条件を任意に選択して、タービン４を起動して運転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムの全体構成を示す図。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムのタービンの構成を示す図。
【図３】図３（ａ）は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムを起動する際、管内蒸気圧力、管内蒸気温度、タービン回転数、および発電機負荷の推移を示す図であり、図３（ｂ）は、予測された熱応力の推移を示す図であり、図３（ｃ）は、予測された伸び差の推移を示す図。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態におけるタービンシステムにおいて、寿命消費コストと燃料消費コストと売電喪失コストとの関係を示した図。
【符号の説明】
【００６１】
１ タービンシステム
２ 車室
２ａ 蒸気通路部
３ タービンロータ
４ タービン
５ 主蒸気管
６ 制御弁
７ 発電機
８ 段落
８ａ タービン動翼
８ｂ タービンノズル
９ 第１段落
９ａ タービン動翼
９ｂ タービンノズル
１０ 起動制御装置
１１ 起動制御手段
１２ 制御弁制御手段
１３ 第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段
１４ 第１段落メタル温度予測手段
１５ 熱応力予測手段
１６ 通路部蒸気温度・流量予測手段．
１７ ロータ温度予測手段
１８ 車室温度予測手段
１９ 伸び差予測手段
２０ 操作量算出手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車室と、この車室内に回転自在に取り付けられたタービンロータとを有するタービンを起動制御するタービンシステムおよびタービンシステム起動制御方法に係り、とりわけ、タービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を規定値以下に抑えてタービンを起動することができるタービンシステムおよびタービンシステム起動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、タービンを起動する際、タービンの車室に流入する蒸気の蒸気温度が上昇するとともに、この蒸気の蒸気流量が増大することにより、まず、タービンロータ表面の表面メタル温度が上昇する。その後、タービンロータ表面の熱が熱伝導によりタービンロータ内部に伝わる。このことにより、タービンロータ内部の内部メタル温度は、タービンロータ表面の表面メタル温度より遅れて温度上昇する。このため、タービンロータの表面と内部との間の温度分布に偏差が生じ、タービンロータに熱応力が発生する。この熱応力が大きい場合、タービンロータの寿命を著しく縮めてしまう場合がある。
【０００３】
そこで、タービンのタービンロータに発生する熱応力を規定値以下に抑えるとともにタービンの起動時間が最短になるようにタービンの起動を制御する装置が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００４】
このうち、特許文献１に記載の蒸気タービン起動制御装置においては、タービンロータの外周に配置された第一段落の第一段落メタル温度等が、予め登録した所定の推移パターンに沿って推移するように、タービンロータのタービン回転数の変化率を表すタービン昇速率および発電機の負荷の上昇率を表す負荷上昇率を求めてタービンの起動を制御している。
【０００５】
また、特許文献２に記載のタービン起動制御装置においては、タービンロータのタービン昇速率および発電機の負荷上昇率を一定と仮定して計算を行うことにより、計算の変数を少なくして計算を簡素化している。
【特許文献１】特開平９−３１７４０４号公報
【特許文献２】特開２００６−２５７９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながらタービンを起動する際、タービンロータとこのタービンロータを収納する車室との間に設けられた蒸気通路部を通過する蒸気の温度が上昇するとともに蒸気の流量が増大する。この場合、タービンロータおよび車室はいずれもタービンロータの長手軸方向に伸びる。ここで、タービンロータおよび車室は、素材および形状が各々異なる。このことにより、タービンロータの伸び量および車室の伸び量は異なるとともに、タービンロータの伸び量が変化する傾向および車室の伸び量が変化する傾向も異なる。このため、タービンロータの伸びと車室の伸びとの差である伸び差が大きくなり、最悪の場合タービンロータ側の回転部材が車室側の静止部材に接触することが考えられる。
【０００７】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、タービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を規定値以下に抑えてタービンを起動することができるタービンシステムおよびタービンシステム起動制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、車室と、この車室内に回転自在に取り付けられたタービンロータとを有するタービンと、このタービンの車室の上流側に連結された主蒸気管と、この主蒸気管に設けられ、車室に流入する蒸気の流量を調節する制御弁と、前記タービンロータに連結された発電機と、前記制御弁を制御してタービンを起動させる起動制御装置と、を備え、前記起動制御装置は、前記車室に流入する蒸気の蒸気条件、タービンロータのロータ温度および車室の車室温度に基づいて、所定の予測時間区間内にタービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を予測し、これら予測した熱応力および伸び差を規定値以下に抑えるように当該予測時間区間内における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンに基づいて制御弁の操作量を求める起動制御手段と、この起動制御手段により求められた制御弁の操作量に基づいて制御弁を駆動させる制御弁制御手段と、を有することを特徴とするタービンシステムである。
【０００９】
本発明は、タービンロータの外周にタービン動翼が設けられるとともに、車室内にタービンノズルが設けられ、当該タービンノズルとタービン動翼の一対で構成される段落を複数設けて蒸気通路部を形成し、起動制御装置の起動制御手段は、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落近傍の蒸気の第１段落蒸気温度および当該第１段落近傍の蒸気の熱伝達率を予測する第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段と、この第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落蒸気温度および熱伝達率と、第１段落の第１段落メタル温度とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率を予測する第１段落メタル温度予測手段と、この第１段落メタル温度予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率に基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにタービンロータに発生する熱応力を予測する熱応力予測手段と、前記車室に流入する蒸気の蒸気条件に基づいて当該予測時間区間内の各時間ステップにおける前記蒸気通路部を流れる蒸気の通路部蒸気温度および通路部蒸気流量を予測する通路部蒸気温度・流量予測手段と、この通路部蒸気温度・流量予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける通路部蒸気温度および通路部蒸気流量と、タービンロータのロータ温度とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率を予測するロータ温度予測手段と、通路部蒸気温度・流量予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける通路部蒸気温度および通路部蒸気流量と、車室の車室温度とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率を予測する車室温度予測手段と、ロータ温度予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率と、車室温度予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を予測する伸び差予測手段と、熱応力予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱応力と、伸び差予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける伸び差とを各々規定値以下に抑えるとともに、これらの熱応力と伸び差とに基づいて、当該予測時間区間内における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンのうち最初の時間ステップにおける操作量を制御弁の操作量として求める操作量算出手段と、を有することを特徴とするタービンシステムである。
【００１０】
本発明は、起動制御手段の第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段は、主蒸気管内の蒸気の管内蒸気圧力および管内蒸気温度と、タービンロータのタービン回転数と、発電機の発電機負荷と、起動制御手段の操作量算出手段において求められた当該予測時間区間内の各時間ステップにおける操作量推移パターンに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落蒸気温度および熱伝達率を予測することを特徴とするタービンシステムである。
【００１１】
本発明は、起動制御手段の通路部蒸気温度・流量予測手段は、主蒸気管内の蒸気の管内蒸気圧力、管内蒸気温度、および管内蒸気流量と、タービンロータのタービン回転数と、発電機の発電機負荷と、起動制御手段の操作量算出手段において求められた当該予測時間区間内の各時間ステップにおける操作量推移パターンに基づいて、通路部蒸気温度および通路部蒸気流量を予測することを特徴とするタービンシステムである。
【００１２】
本発明は、起動制御手段の熱応力予測手段は、予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるタービンロータに発生する熱応力に基づいて、タービンロータの寿命が消費されることに伴い消費される寿命を評価する機能を有することを特徴とするタービンシステムである。
【００１３】
本発明は、起動制御手段の操作量算出手段は、求められた当該予測時間区間内の各時間ステップにおける操作量推移パターンに基づいて、タービンロータを起動する際に消費する燃料の燃料消費コストを求める機能と、タービンを起動してから発電機により発電された電力を売ることができる運転状態になるまでの間に、売ることができない電力の売電喪失コストを求める機能とを有し、操作量算出手段において、更に、熱応力予測手段により求められた前記タービンロータにて消費される寿命と、操作量算出手段により求められた燃料消費コストと、売電喪失コストとに基づいて、当該予測時間区間における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算することを特徴とするタービンシステムである。
【００１４】
本発明は、起動制御手段の操作量算出手段は、実測された伸び差が規定値を超える場合、タービンロータのタービン回転数および発電機の負荷を、現在時間におけるタービン回転数および発電機の負荷に各々維持する機能を有することを特徴とするタービンシステムである。
【００１５】
本発明は、起動制御手段の操作量算出手段は、実測された伸び差が規定値を超える場合、タービンロータの回転を停止する機能を有することを特徴とするタービンシステムである。
【００１６】
本発明は、車室と、この車室内に回転自在に取り付けられたタービンロータとを有するタービンと、このタービンの車室の上流側に連結された主蒸気管と、この主蒸気管に設けられ、車室に流入する蒸気の流量を調節する制御弁と、前記タービンロータに連結された発電機と、前記制御弁を制御してタービンを起動させ、起動制御手段と制御弁制御手段とを有する起動制御装置とを備えたタービンシステムを起動するタービンシステム起動制御方法において、起動制御装置の起動制御手段により、前記車室に流入する蒸気の蒸気条件、タービンロータのロータ温度および車室の車室温度に基づいて、所定の予測時間区間内にタービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を予測し、これら予測した熱応力および伸び差を規定値以下に抑えるように当該予測時間区間内における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンに基づいて制御弁の操作量を求める工程と、起動制御装置の制御弁制御手段により、この起動制御手段により求められた制御弁の操作量に基づいて制御弁を駆動させる工程と、を有することを特徴とするタービンシステム起動制御方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、運転状況によらず、タービンロータに作用する熱応力およびタービンロータの伸びと車室の伸びとの差である伸び差を規定値以下に抑えながら迅速にタービンを起動させることができ、タービンの起動制御の精度を向上させることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の実施の形態
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ここで、図１乃至図３は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムを示す図である。このうち図１は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムの全体構成を示す図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムのタービンの構成を示す図である。また、図３（ａ）は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムを起動する際、管内蒸気圧力、管内蒸気温度、タービン回転数、および発電機負荷の推移を示す図であり、図３（ｂ）は、予測された熱応力の推移を示す図であり、図３（ｃ）は、予測された伸び差の推移を示す図である。
【００１９】
まず、図１および図２により、本発明によるタービンシステム１の全体構成について説明する。ここでタービンシステム１は、車室２と、この車室２内に回転自在に取り付けられたタービンロータ３とを有するタービン４を起動制御するためのものである。
【００２０】
図１および図２に示すようにタービンシステム１は、車室２と、この車室２内に回転自在に取り付けられたタービンロータ３とを有するタービン４と、一端がこの車室２の上流側に連結され、他端が図示しないボイラ等の蒸気発生装置に連結された主蒸気管５とを備えている。この主蒸気管５に、蒸気発生装置から車室２に流入する蒸気の流量を調節する制御弁６が設けられ、タービンロータ３に発電機７が連結されている。また、タービンロータ３の外周にタービン動翼８ａが設けられるとともに、車室２内にタービンノズル８ｂが設けられる。円周方向に亘り設けられたタービンノズル８ｂとタービン動翼８ａの一対が段落８を構成し、段落８は軸方向に複数設けられて蒸気通路部２ａを形成している。この各段落８のうち、車室２に接続された主蒸気管５に最も近い側である上流側に配置された、タービン動翼９ａとタービンノズル９ｂからなるものを第１段落９という。なお、車蒸気通路部２ａは、車室２とタービンロータ３との間の、特に蒸気が流れる部分を示す。
【００２１】
また、図１に示すように、制御弁６には、制御弁６を操作する操作量を求めて制御弁６を制御し、タービン４を起動させる起動制御装置１０が接続されている。
【００２２】
この起動制御装置１０は、所定の予測時間区間内にタービンロータ３に発生する熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）（ｊ＝１、２、・・・、ｍ）と、熱膨張による車室２の伸びとタービンロータ３の伸びとの差である伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）とを予測し、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける制御弁６の操作量推移パターンを求め、この操作量推移パターンに基づいて制御弁６の操作量を求める起動制御手段１１と、この起動制御手段１１により求められた操作量に基づいて制御弁７を駆動させる制御弁制御手段１２とを有している。ここで予測時間区間とは、現在時間ｋに対して、将来時間となるｋ＋１からｋ＋ｍの間に渡った時間区間をいう。
【００２３】
このうち起動制御手段１１は、タービンシステム１の状態量、すなわち蒸気条件、回転数、発電機負荷などに基づいて当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落９近傍の蒸気の第１段落蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および第１段落９近傍の蒸気の熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）を予測する第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３を有している。この第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３において第１段落蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）を予測する際、現在時間以前に実測された主蒸気管５内の蒸気条件である管内蒸気圧力Ｐｍｓおよび管内蒸気温度Ｔｍｓと、タービンロータ３のタービン回転数ｗと、発電機７の発電機負荷ＭＷと、後述する操作量算出手段２０により求められる制御弁６の操作量推移パターンとが用いられる。ここで操作量推移パターンは、タービンロータ３のタービン回転数ｗの変化率を示すタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）、および発電機７の負荷ＭＷの上昇率を示す負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）とで表される。この第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３において用いられるタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）は、後述する操作量算出手段２０により当該予測時間区間内の各時間ステップにおいて直前の繰り返し計算により求められた値となっている。
【００２４】
この第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３に、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率ｄＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）を予測する第１段落メタル温度予測手段１４が接続されている。この第１段落メタル温度予測手段１４において第１段落メタル温度変化率ｄＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）を予測する際、第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）と、現在時間以前に実測された第１段落９近傍のタービンロータ３の表面温度を示す第１段落メタル温度Ｔｍｅｔとが用いられる。
【００２５】
この第１段落メタル温度予測手段１４に、当該予測時間区間内の各時間ステップにタービンロータ３に発生する熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）を予測する熱応力予測手段１５が接続されている。この熱応力予測手段１５において熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）を予測する際、第１段落メタル温度予測手段１４により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率ｄＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）が用いられる。
【００２６】
また、起動制御手段１１は、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける蒸気通路部２ａを流れる蒸気の通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）およびこの蒸気の通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）を予測する通路部蒸気温度・流量予測手段１６を有している。この通路部蒸気温度・流量予測手段１６において通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）を予測する際、現在時間以前に実測された主蒸気管５内の蒸気条件である管内蒸気圧力Ｐｍｓ、管内蒸気温度Ｔｍｓ、および管内蒸気流量Ｆｌと、タービンロータ３のタービン回転数ｗと、発電機７の発電機負荷ＭＷと、後述する操作量算出手段２０により求められる制御弁６の操作量推移パターンとが用いられる。この通路部蒸気温度・流量予測手段１６において用いられるタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および発電機７の負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）は、上述したように、操作量算出手段２０において当該予測時間区間内の各時間ステップにおいて直前の繰り返し計算により求められた値となっている。
【００２７】
この通路部蒸気温度・流量予測手段１６に、当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率ｄＴｒ（ｋ＋ｊ）を予測するロータ温度予測手段１７が接続されている。このロータ温度予測手段１７においてロータ温度変化率ｄＴｒ（ｋ＋ｊ）を予測する際、通路部蒸気温度・流量予測手段１６により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）と、現在時間以前に実測されたタービンロータ３のロータ温度Ｔｒとが用いられる。なお、ロータ温度Ｔｒとして、タービンロータ３の例えば中心部分にて実測した温度に限らず、第１段落メタル温度Ｔｍｅｔの値を用いることも可能である。あるいは、ロータ温度Ｔｒを、ロータの形状・材質などを基に第１段落メタル温度Ｔｍｅｔや第１段落メタル温度変化率ｄＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）から推定した値とすることもできる。この場合、タービンロータ３の複数の箇所について推定した温度をそれぞれロータ温度Ｔｒとすることも可能となる。
【００２８】
また、通路部蒸気温度・流量予測手段１６に、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率ｄＴｃ（ｋ＋ｊ）を予測する車室温度予測手段１８が接続されている。この車室温度予測手段１８において車室温度変化率ｄＴｃ（ｋ＋ｊ）を予測する際、通路部蒸気温度・流量予測手段１６により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）と、現在時間以前に実測された車室２の車室温度Ｔｃとが用いられる。
【００２９】
また、ロータ温度予測手段１７および車室温度予測手段１８に、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱膨張による車室２の伸びとタービンロータ３の伸びとの差である伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）を予測する伸び差予測手段１９が接続されている。この伸び差予測手段１９において伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）を予測する際、ロータ温度予測手段１７により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率ｄＴｒ（ｋ＋ｊ）と、車室温度予測手段１８により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率ｄＴｃ（ｋ＋ｊ）とが用いられる。
【００３０】
さらに、熱応力予測手段１５および伸び差予測手段１９に、当該予測時間区間内における制御弁６の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンに基づいて、制御弁６の操作量を求める操作量算出手段２０が接続されている。この操作量算出手段２０において制御弁６の操作量を求める際、熱応力予測手段１５により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）と、伸び差予測手段１９により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）とを各々規定値以下に抑えるとともに、タービン４を起動する時間を最短にするように当該予測時間区間内における制御弁６の操作量推移パターンが時間ステップ毎に計算される。ここで、熱応力に対する規定値は、タービンロータ３の寿命を著しく低下させることがない所定の値であり、伸び差に対する規定値は、タービンロータ３側のタービン動翼８ａが車室２側のタービンノズル８ｂに接触することなく、タービン４を運転させることができる所定の値となっている。
【００３１】
また、操作量算出手段２０において、上述のようにして計算された操作量推移パターン、すなわちタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）のうち最初の時間ステップにおける昇速率ｄｗｏｐｔおよび負荷上昇率ｄＭＷｏｐｔが制御弁６の操作量として求められる。
【００３２】
また、この操作量算出手段２０は、現在時間に実測された伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）が規定値を超える場合、タービンロータ３のタービン回転数ｗおよび発電機７の負荷ＭＷを、現在時間におけるタービン回転数ｗおよび発電機７の負荷ＭＷに各々維持する機能を有している。
【００３３】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用、すなわち本発明によるタービンシステム起動制御方法について説明する。
【００３４】
停止しているタービン４を起動する場合、図１に示すように、まず、現在時間（ｋ）以前における主蒸気管５内の蒸気の蒸気条件である管内蒸気圧力Ｐｍｓ、管内蒸気温度Ｔｍｓ、および管内蒸気流量Ｆｌと、タービンロータ３のタービン回転数ｗ、発電機７の発電機負荷ＭＷと、第１段落９（図２参照）近傍のタービンロータ３の表面温度である第１段落メタル温度Ｔｍｅｔと、タービンロータ３のロータ温度Ｔｒと、車室の車室温度Ｔｃとがそれぞれプラント状態量として実測される。
【００３５】
次に、第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３において、実測された管内蒸気圧力Ｐｍｓ、管内蒸気温度Ｔｍｓ、タービン回転数ｗ、および発電機負荷ＭＷ、並びに後述する操作量算出手段２０により所定の予測時間区間内の各時間ステップにおいて直前の繰り返し計算により求められたタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）（ｊ＝１、２、・・・、ｍ）および負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）に基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落９近傍の蒸気の第１段落蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および第１段落９近傍の蒸気と第１段落９近傍のタービンロータ３表面との間の熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）が予測される。
【００３６】
次に、第１段落メタル温度予測手段１４において、第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３により予測された第１段落蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）と、実測された第１段落メタル温度Ｔｍｅｔとに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率ｄＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）が予測される。
【００３７】
次に、熱応力予測手段１５において、第１段落メタル温度予測手段１４により予測された第１段落メタル温度変化率ｄＴｍｅｔ（ｋ＋ｊ）に基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにタービンロータ３に発生する熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）が予測される。
【００３８】
上述した第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３により第１段落蒸気温度Ｔｓ（ｋ＋ｊ）および熱伝達率ｈｆ（ｋ＋ｊ）が予測されることと並行して、通路部蒸気温度・流量予測手段１６において、実測された管内蒸気圧力Ｐｍｓ、管内蒸気温度Ｔｍｓ、タービン回転数ｗ、発電機負荷ＭＷ、および管内蒸気流量Ｆｌ、並びに後述する操作量算出手段２０により当該予測時間区間内の各時間ステップにおいて直前の繰り返し計算により求められたタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）に基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける蒸気通路部２ａを流れる蒸気の通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）およびこの蒸気の通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）が予測される。
【００３９】
次に、ロータ温度予測手段１７において、通路部蒸気温度・流量予測手段１６により予測された通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）と、実測されたロータ温度Ｔｒとに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率ｄＴｒ（ｋ＋ｊ）が予測される。
【００４０】
次に、この車室温度予測手段１８において、通路部蒸気温度・流量予測手段１６により予測された通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）と、実測された車室温度Ｔｃとに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率ｄＴｃ（ｋ＋ｊ）が予測される。
【００４１】
次に、伸び差予測手段１７において、ロータ温度予測手段１７により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率ｄＴｒ（ｋ＋ｊ）と、車室温度予測手段１８により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率ｄＴｃ（ｋ＋ｊ）とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱膨張による車室２の伸びとタービンロータ３の伸びとの差である伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）が予測される。この場合、まず、車室２の伸びが予測されるとともに、タービンロータ３の伸びが予測され、その後、この車室２の伸びとタービンロータ３の伸びとの差である伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）が求められる。
【００４２】
次に、操作量算出手段２０において、制御弁６の操作量が求められる。この場合、まず、熱応力予測手段１５により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）と、伸び差予測手段１９により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）とを各々規定値以下に抑えるとともに、これらの熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）と伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）とに基づいて、タービン４を起動する時間を最短にするように当該予測時間区間内における制御弁６の操作量推移パターン、すなわちタービンロータ３のタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および発電機７の負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）が時間ステップ毎に計算される。
【００４３】
次に、この操作量算出手段２０により計算されたタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）は、第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段１３および通路部蒸気温度・流量予測手段１６にフィードバックされ、次の繰り返し計算に用いられる。このようにして、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける上述した計算過程が、所定の条件を満たすまで繰り返し行われる。
【００４４】
繰り返し計算が終了した後、操作量算出手段２０において、当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるタービン昇速率ｄｗ（ｋ＋ｊ）および負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）のうち最初の時間ステップ（ｋ＋１）における値に基づいて操作用タービン昇速率ｄｗｏｐｔおよび操作用負荷上昇率ｄＭＷｏｐｔが制御弁６の操作量として求められる。
【００４５】
次に、制御弁制御手段１２において、起動制御手段１１の操作量算出手段２０により制御弁６の操作量として求められた操作用タービン昇速率ｄｗｏｐｔおよび操作用負荷上昇率ｄＭＷｏｐｔに基づいて、制御弁６が駆動される。すなわち、この操作量に基づいて制御弁６の弁開度が調節され、図示しないボイラ等の蒸気発生装置から主蒸気管５および制御弁６を通って車室２に流入される蒸気の流量が調節される。
【００４６】
ここで、伸び差実測手段（図示せず）により現在時間以前に実測された伸び差が規定値を超える場合、操作量算出手段２０において、タービンロータ３のタービン回転数２および発電機７の負荷ＭＷが、現在時間におけるタービン回転数ｗおよび発電機の負荷ＭＷに各々維持される。この場合、予測された伸び差と規定値との比較だけではなく、実測された伸び差と規定値との比較をも行うことができ、タービンロータ３側のタービン動翼８ａが車室２側のタービンノズル８ｂに接触することを確実に防止することができる。
【００４７】
次に、車室２に流入した蒸気の圧力をタービンロータ３の外周に設けられた複数の段落８のタービン動翼８ａが受けてタービンロータ３が回転し、タービンロータ３に連結された発電機７が発電する。
【００４８】
その後、制御弁６の操作量として求められた操作用タービン昇速率ｄｗｏｐｔおよび操作用負荷上昇率ｄＭＷｏｐｔの時間ステップ（ｋ＋１）を現在時間に繰り上げて、上述した計算過程が新たな予測時間区間を設定して行われる。このようにして操作量算出手段２０において制御弁６の操作量推移パターンが順次更新され、この更新された操作量推移パターンに基づいて、制御弁６の操作量が制御されタービン４が起動して運転する。
【００４９】
上述のようにしてタービンを起動させた場合における主蒸気管５内の蒸気の管内蒸気圧力Ｐｍｓ、管内蒸気温度Ｔｍｓ、タービンロータ３のタービン回転数ｗ、および発電機７の発電機負荷ＭＷの推移を図３（ａ）に示す。また、予測された熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）の推移を図３（ｂ）に、予測された伸び差Ｅｘｓ（ｋ＋ｊ）の推移を図３（ｃ）に示す。図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、タービン４を起動する際、熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）および伸び差（ｋ＋ｊ）が、各々規定値以下に抑えられていることがわかる。
【００５０】
このように本実施の形態によれば、タービンロータ３の熱応力およびタービンロータ３の伸びと車室２の伸びとの差である伸び差を規定値以下に抑えながら、タービン４の起動時間を最短にすることができる。このことにより、タービンロータ３の寿命を著しく低下させることなく、かつタービンロータ３側のタービン動翼８ａが車室２側のタービンノズル８ｂに接触することなくタービン４を起動して運転させることができる。また、タービン４を起動させてから発電機７により発電された電力を売ることができる運転状態になるまでの時間を短くすることができる。このため、タービン４を起動させた後、得られた電力を売電する機会を喪失することを抑制することができる。
【００５１】
なお、本実施の形態においては、通路部蒸気温度・流量予測手段１６において通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）を求める際、実測された管内蒸気流量Ｆｌを用いているが、このことに限られることはなく、プラント状態量である制御弁６の入口の蒸気の圧力と、この制御弁６の弁開度とを実測して、この圧力と弁開度とを用いて管内蒸気流量Ｆｌを求めて、通路部蒸気温度Ｔｓｐ（ｋ＋ｊ）および通路部蒸気流量Ｑｓｐ（ｋ＋ｊ）を求めることもできる。
【００５２】
本発明の変形例
次に、本発明によるタービンシステムの変形例について説明する。本変形例は、実測された伸び差が規定値を超える場合タービンロータの回転を停止するものであり、他の構成は図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００５３】
本変形例によれば、伸び差実測手段（図示せず）により現在時間以前に実測された伸び差が規定値を超える場合、操作量算出手段２０により、タービンロータ３の回転が停止する。このことにより、タービンロータ３側のタービン動翼８ａが車室２側のタービンノズル８ｂに接触することを確実に防止することができる。
【００５４】
第２の実施の形態
次に、図４により、本発明の第２の実施の形態におけるタービンシステムについて説明する。ここで図４は、本発明の第２の実施の形態におけるタービンシステムにおいて、寿命消費コストと燃料消費コストと売電喪失コストとの関係を示した図である。
【００５５】
図４に示す第２の実施の形態において、タービンシステムは、操作量推移パターンを求める際、寿命消費コスト、燃料消費コスト、および売電喪失コストが考慮される点が異なるのみであり、他の構成は、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図４において、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５６】
本実施の形態における熱応力予測手段１５（図１参照）は、予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるタービンロータ３に発生する熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）に基づいて、タービンロータ３の寿命が消費されることに伴い消費される寿命を評価する機能を有している。すなわち、第１の実施の形態においては、タービンロータ３に発生すると予測される熱応力σｓ（ｋ＋ｊ）が規定値以下になるように起動制御するものであったが、本実施の形態は、そもそもこの熱応力の規定値がタービンの寿命消費に基づいて定められている点に着目したものである。つまり、タービンシステム１において、起動時に発生する最大の熱応力は、タービンロータ３の寿命をある時間だけ縮めるものであるから、本実施の形態においては、熱応力の規定値を固定値として定めるのではなく、起動制御手段１１の熱応力予測手段１５内に熱応力の最大値と寿命消費の関係を規定する関数を持たせたことを特徴としている。そして、予め求められているタービンロータ３の寿命とタービンロータ３を交換する際のコストとの関係に基づいて、各時間ステップにおいて予測されるタービンロータ３の寿命消費に相当するコストが寿命消費コストとして算出される。
【００５７】
また、操作量算出手段２０（図１参照）は、制御弁６の操作量推移パターン、すなわち当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるタービン昇速率ｄＷ（ｋ＋ｊ）および発電機７の負荷上昇率ｄＭＷ（ｋ＋ｊ）に基づいて、タービンロータ３を起動する際に消費する燃料の燃料消費コストを求める機能を有している。さらに、操作量算出手段２０は、タービン４を起動してから発電機７により発電された電力を売ることができる運転状態になるまでの間に売ることができない電力の売電喪失コストを求める機能を有している。
【００５８】
本実施の形態においてタービン４を起動する際、タービン４の起動操作を行うオペレータは、寿命消費コストと、燃料消費コストと、売電喪失コストとの関係から、タービン４を起動する際の条件を選択する。すなわち、図４において、オペレータが、例えば、図４に示す被選択運転点における条件を選択する場合、この選択された条件に基づいて操作量算出手段２０により操作量推移パターンが算出される。
【００５９】
このように本実施の形態によれば、オペレータは、タービン４を起動する際、タービンロータ３の寿命が消費されることを抑えたいと考える場合には、寿命消費コストが抑制される条件を選択することができる。また、タービン４を起動する際の燃料の消費を抑えたいと考える場合には、燃料消費コストが抑制される条件を選択することができる。さらに、発電機７により発電された電力を売電機会を喪失することなく売電したいと考える場合には、売電喪失コストが抑制される条件を選択することができる。このため、タービン４を起動する際、タービンロータ３の熱応力およびタービンロータ３と車室２との伸び差を規定値以下に抑えながらタービン４の起動時間を最短にするとともに、寿命消費コスト、燃料消費コスト、および売電喪失コストとの関係から定められる起動条件を任意に選択して、タービン４を起動して運転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムの全体構成を示す図。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムのタービンの構成を示す図。
【図３】図３（ａ）は、本発明の第１の実施の形態におけるタービンシステムを起動する際、管内蒸気圧力、管内蒸気温度、タービン回転数、および発電機負荷の推移を示す図であり、図３（ｂ）は、予測された熱応力の推移を示す図であり、図３（ｃ）は、予測された伸び差の推移を示す図。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態におけるタービンシステムにおいて、寿命消費コストと燃料消費コストと売電喪失コストとの関係を示した図。
【符号の説明】
【００６１】
１ タービンシステム
２ 車室
２ａ 蒸気通路部
３ タービンロータ
４ タービン
５ 主蒸気管
６ 制御弁
７ 発電機
８ 段落
８ａ タービン動翼
８ｂ タービンノズル
９ 第１段落
９ａ タービン動翼
９ｂ タービンノズル
１０ 起動制御装置
１１ 起動制御手段
１２ 制御弁制御手段
１３ 第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段
１４ 第１段落メタル温度予測手段
１５ 熱応力予測手段
１６ 通路部蒸気温度・流量予測手段．
１７ ロータ温度予測手段
１８ 車室温度予測手段
１９ 伸び差予測手段
２０ 操作量算出手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車室と、この車室内に回転自在に取り付けられたタービンロータとを有するタービンと、
このタービンの車室の上流側に連結された主蒸気管と、
この主蒸気管に設けられ、車室に流入する蒸気の流量を調節する制御弁と、
前記タービンロータに連結された発電機と、
前記制御弁を制御してタービンを起動させる起動制御装置と、を備え、
前記起動制御装置は、前記車室に流入する蒸気の蒸気条件、タービンロータのロータ温度および車室の車室温度に基づいて、所定の予測時間区間内にタービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を予測し、これら予測した熱応力および伸び差を規定値以下に抑えるように当該予測時間区間内における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンに基づいて制御弁の操作量を求める起動制御手段と、
この起動制御手段により求められた制御弁の操作量に基づいて制御弁を駆動させる制御弁制御手段と、を有することを特徴とするタービンシステム。
【請求項２】
タービンロータの外周にタービン動翼が設けられるとともに、車室内にタービンノズルが設けられ、当該タービンノズルとタービン動翼の一対で構成される段落を複数設けて蒸気通路部を形成し、
起動制御装置の起動制御手段は、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落近傍の蒸気の第１段落蒸気温度および当該第１段落近傍の蒸気の熱伝達率を予測する第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段と、
この第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落蒸気温度および熱伝達率と、第１段落の第１段落メタル温度とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率を予測する第１段落メタル温度予測手段と、
この第１段落メタル温度予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率に基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにタービンロータに発生する熱応力を予測する熱応力予測手段と、
前記車室に流入する蒸気の蒸気条件に基づいて当該予測時間区間内の各時間ステップにおける前記蒸気通路部を流れる蒸気の通路部蒸気温度および通路部蒸気流量を予測する通路部蒸気温度・流量予測手段と、
この通路部蒸気温度・流量予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける通路部蒸気温度および通路部蒸気流量と、タービンロータのロータ温度とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率を予測するロータ温度予測手段と、
通路部蒸気温度・流量予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける通路部蒸気温度および通路部蒸気流量と、車室の車室温度とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率を予測する車室温度予測手段と、
ロータ温度予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率と、車室温度予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を予測する伸び差予測手段と、
熱応力予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱応力と、伸び差予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける伸び差とを各々規定値以下に抑えるとともに、これらの熱応力と伸び差とに基づいて、当該予測時間区間内における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンのうち最初の時間ステップにおける操作量を制御弁の操作量として求める操作量算出手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載のタービンシステム。
【請求項３】
起動制御手段の第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段は、主蒸気管内の蒸気の管内蒸気圧力および管内蒸気温度と、タービンロータのタービン回転数と、発電機の発電機負荷と、起動制御手段の操作量算出手段において求められた当該予測時間区間内の各時間ステップにおける操作量推移パターンに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落蒸気温度および熱伝達率を予測することを特徴とする請求項２に記載のタービンシステム。
【請求項４】
起動制御手段の通路部蒸気温度・流量予測手段は、主蒸気管内の蒸気の管内蒸気圧力、管内蒸気温度、および管内蒸気流量と、タービンロータのタービン回転数と、発電機の発電機負荷と、起動制御手段の操作量算出手段において求められた当該予測時間区間内の各時間ステップにおける操作量推移パターンに基づいて、通路部蒸気温度および通路部蒸気流量を予測することを特徴とする請求項２または３に記載のタービンシステム。
【請求項５】
起動制御手段の熱応力予測手段は、予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるタービンロータに発生する熱応力に基づいて、タービンロータの寿命が消費されることに伴い消費される寿命を評価する機能を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のタービンシステム。
【請求項６】
起動制御手段の操作量算出手段は、求められた当該予測時間区間内の各時間ステップにおける操作量推移パターンに基づいて、タービンロータを起動する際に消費する燃料の燃料消費コストを求める機能と、タービンを起動してから発電機により発電された電力を売ることができる運転状態になるまでの間に、売ることができない電力の売電喪失コストを求める機能とを有し、
操作量算出手段において、更に、熱応力予測手段により求められた前記タービンロータにて消費される寿命と、操作量算出手段により求められた燃料消費コストと、売電喪失コストとに基づいて、当該予測時間区間における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算することを特徴とする請求項５に記載のタービンシステム。
【請求項７】
起動制御手段の操作量算出手段は、実測された伸び差が規定値を超える場合、タービンロータのタービン回転数および発電機の負荷を、現在時間におけるタービン回転数および発電機の負荷に各々維持する機能を有することを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載のタービンシステム。
【請求項８】
起動制御手段の操作量算出手段は、実測された伸び差が規定値を超える場合、タービンロータの回転を停止する機能を有することを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載のタービンシステム。
【請求項９】
車室と、この車室内に回転自在に取り付けられたタービンロータとを有するタービンと、このタービンの車室の上流側に連結された主蒸気管と、この主蒸気管に設けられ、車室に流入する蒸気の流量を調節する制御弁と、前記タービンロータに連結された発電機と、前記制御弁を制御してタービンを起動させ、起動制御手段と制御弁制御手段とを有する起動制御装置とを備えたタービンシステムを起動するタービンシステム起動制御方法において、
起動制御装置の起動制御手段により、前記車室に流入する蒸気の蒸気条件、タービンロータのロータ温度および車室の車室温度に基づいて、所定の予測時間区間内にタービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を予測し、これら予測した熱応力および伸び差を規定値以下に抑えるように当該予測時間区間内における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンに基づいて制御弁の操作量を求める工程と、
起動制御装置の制御弁制御手段により、この起動制御手段により求められた制御弁の操作量に基づいて制御弁を駆動させる工程と、を有することを特徴とするタービンシステム起動制御方法。
【請求項１】
車室と、この車室内に回転自在に取り付けられたタービンロータとを有するタービンと、
このタービンの車室の上流側に連結された主蒸気管と、
この主蒸気管に設けられ、車室に流入する蒸気の流量を調節する制御弁と、
前記タービンロータに連結された発電機と、
前記制御弁を制御してタービンを起動させる起動制御装置と、を備え、
前記起動制御装置は、前記車室に流入する蒸気の蒸気条件、タービンロータのロータ温度および車室の車室温度に基づいて、所定の予測時間区間内にタービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を予測し、これら予測した熱応力および伸び差を規定値以下に抑えるように当該予測時間区間内における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンに基づいて制御弁の操作量を求める起動制御手段と、
この起動制御手段により求められた制御弁の操作量に基づいて制御弁を駆動させる制御弁制御手段と、を有することを特徴とするタービンシステム。
【請求項２】
タービンロータの外周にタービン動翼が設けられるとともに、車室内にタービンノズルが設けられ、当該タービンノズルとタービン動翼の一対で構成される段落を複数設けて蒸気通路部を形成し、
起動制御装置の起動制御手段は、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落近傍の蒸気の第１段落蒸気温度および当該第１段落近傍の蒸気の熱伝達率を予測する第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段と、
この第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落蒸気温度および熱伝達率と、第１段落の第１段落メタル温度とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率を予測する第１段落メタル温度予測手段と、
この第１段落メタル温度予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落メタル温度変化率に基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにタービンロータに発生する熱応力を予測する熱応力予測手段と、
前記車室に流入する蒸気の蒸気条件に基づいて当該予測時間区間内の各時間ステップにおける前記蒸気通路部を流れる蒸気の通路部蒸気温度および通路部蒸気流量を予測する通路部蒸気温度・流量予測手段と、
この通路部蒸気温度・流量予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける通路部蒸気温度および通路部蒸気流量と、タービンロータのロータ温度とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率を予測するロータ温度予測手段と、
通路部蒸気温度・流量予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける通路部蒸気温度および通路部蒸気流量と、車室の車室温度とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率を予測する車室温度予測手段と、
ロータ温度予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるロータ温度変化率と、車室温度予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける車室温度変化率とに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を予測する伸び差予測手段と、
熱応力予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける熱応力と、伸び差予測手段により予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおける伸び差とを各々規定値以下に抑えるとともに、これらの熱応力と伸び差とに基づいて、当該予測時間区間内における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンのうち最初の時間ステップにおける操作量を制御弁の操作量として求める操作量算出手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載のタービンシステム。
【請求項３】
起動制御手段の第１段落蒸気温度・熱伝達率予測手段は、主蒸気管内の蒸気の管内蒸気圧力および管内蒸気温度と、タービンロータのタービン回転数と、発電機の発電機負荷と、起動制御手段の操作量算出手段において求められた当該予測時間区間内の各時間ステップにおける操作量推移パターンに基づいて、当該予測時間区間内の各時間ステップにおける第１段落蒸気温度および熱伝達率を予測することを特徴とする請求項２に記載のタービンシステム。
【請求項４】
起動制御手段の通路部蒸気温度・流量予測手段は、主蒸気管内の蒸気の管内蒸気圧力、管内蒸気温度、および管内蒸気流量と、タービンロータのタービン回転数と、発電機の発電機負荷と、起動制御手段の操作量算出手段において求められた当該予測時間区間内の各時間ステップにおける操作量推移パターンに基づいて、通路部蒸気温度および通路部蒸気流量を予測することを特徴とする請求項２または３に記載のタービンシステム。
【請求項５】
起動制御手段の熱応力予測手段は、予測された当該予測時間区間内の各時間ステップにおけるタービンロータに発生する熱応力に基づいて、タービンロータの寿命が消費されることに伴い消費される寿命を評価する機能を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のタービンシステム。
【請求項６】
起動制御手段の操作量算出手段は、求められた当該予測時間区間内の各時間ステップにおける操作量推移パターンに基づいて、タービンロータを起動する際に消費する燃料の燃料消費コストを求める機能と、タービンを起動してから発電機により発電された電力を売ることができる運転状態になるまでの間に、売ることができない電力の売電喪失コストを求める機能とを有し、
操作量算出手段において、更に、熱応力予測手段により求められた前記タービンロータにて消費される寿命と、操作量算出手段により求められた燃料消費コストと、売電喪失コストとに基づいて、当該予測時間区間における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算することを特徴とする請求項５に記載のタービンシステム。
【請求項７】
起動制御手段の操作量算出手段は、実測された伸び差が規定値を超える場合、タービンロータのタービン回転数および発電機の負荷を、現在時間におけるタービン回転数および発電機の負荷に各々維持する機能を有することを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載のタービンシステム。
【請求項８】
起動制御手段の操作量算出手段は、実測された伸び差が規定値を超える場合、タービンロータの回転を停止する機能を有することを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載のタービンシステム。
【請求項９】
車室と、この車室内に回転自在に取り付けられたタービンロータとを有するタービンと、このタービンの車室の上流側に連結された主蒸気管と、この主蒸気管に設けられ、車室に流入する蒸気の流量を調節する制御弁と、前記タービンロータに連結された発電機と、前記制御弁を制御してタービンを起動させ、起動制御手段と制御弁制御手段とを有する起動制御装置とを備えたタービンシステムを起動するタービンシステム起動制御方法において、
起動制御装置の起動制御手段により、前記車室に流入する蒸気の蒸気条件、タービンロータのロータ温度および車室の車室温度に基づいて、所定の予測時間区間内にタービンロータに発生する熱応力と、熱膨張による車室の伸びとタービンロータの伸びとの差である伸び差を予測し、これら予測した熱応力および伸び差を規定値以下に抑えるように当該予測時間区間内における制御弁の操作量推移パターンを時間ステップ毎に計算し、この操作量推移パターンに基づいて制御弁の操作量を求める工程と、
起動制御装置の制御弁制御手段により、この起動制御手段により求められた制御弁の操作量に基づいて制御弁を駆動させる工程と、を有することを特徴とするタービンシステム起動制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２８１２４８（Ｐ２００９−２８１２４８Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３３３６６（Ｐ２００８−１３３３６６）
【出願日】平成２０年５月２１日（２００８．５．２１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２１日（２００８．５．２１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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