特許 6396599 主制御装置として熱応力制御装置を備えるタービン制御ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6396599

(24)【登録日】2018年9月7日

(45)【発行日】2018年9月26日

(54)【発明の名称】主制御装置として熱応力制御装置を備えるタービン制御ユニット

(51)【国際特許分類】

   F01D 19/00 20060101AFI20180913BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20180913BHJP

   F02C 9/00 20060101ALI20180913BHJP

   F01K 13/02 20060101ALI20180913BHJP

   F01D 17/08 20060101ALI20180913BHJP

【ＦＩ】

   F01D19/00 M

   F01D19/00 N

   F01D25/00 V

   F01D25/00 N

   F02C9/00 A

   F01K13/02 B

   F01D17/08 B

【請求項の数】9

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-541158(P2017-541158)

(86)(22)【出願日】2015年10月5日

(65)【公表番号】特表2017-532503(P2017-532503A)

(43)【公表日】2017年11月2日

(86)【国際出願番号】EP2015072926

(87)【国際公開番号】WO2016066376

(87)【国際公開日】20160506

【審査請求日】2017年6月22日

(31)【優先権主張番号】14190471.4

(32)【優先日】2014年10月27日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】508008865

【氏名又は名称】シーメンス アクティエンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】マルティン・ベンナウアー

(72)【発明者】

【氏名】マティアス・ホイエ

(72)【発明者】

【氏名】マルティン・オフェイ

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ・シンドラー

【審査官】 北村 亮

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５７−０００３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１５８８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１０６３０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７７９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−３１７４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−０２８８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３２６５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２５７９２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３０３２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２６０２８４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ １９／００

Ｆ０１Ｄ １７／０８

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｆ０１Ｋ １３／０２

Ｆ０２Ｃ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

タービン（６，８，１０）を制御するためのタービン制御ユニット（１）であって、
主制御装置（２）および内部制御装置（３）を有するカスケード制御装置として具現化され、
前記主制御装置が熱応力にさらされる構成要素の温度のための熱応力制御装置（２）であり、
前記タービン制御ユニット（１）は、高圧タービン（６）、中圧タービン（８）、および低圧タービン（１０）を個別に制御するよう設計されることを特徴とする、タービン制御ユニット。

【請求項2】

タービン制御装置が内部制御装置として存在することを特徴とする、請求項１に記載のタービン制御ユニット。

【請求項3】

前記熱応力制御装置（２）に対する少なくとも１つの設定値を予め定義するために熱応力計算ユニット（４）が存在することを特徴とする、請求項１または２に記載のタービン制御ユニット。

【請求項4】

所望の経時的な温度上昇を超えないように前記タービン（６，８，１０）の制御を保証するように前記熱応力制御装置（２）が設計されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービン制御ユニット。

【請求項5】

温度差によって生じる熱応力を回避するように前記熱応力制御装置（２）が設計されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービン制御ユニット。

【請求項6】

作動弁（１２，１３，１４）の位置を制御することができる位置制御装置（１１）のための設定値を生成するようにタービン出力レベルの前記内部制御装置（３）が設計されることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一項に記載のタービン制御ユニット。

【請求項7】

高圧タービン（６）および／または中圧タービン（８）の様々な位置に温度センサ（５，７）が取り付けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のタービン制御ユニット。

【請求項8】

主制御装置（２）および内部制御装置（３）を備えるカスケード制御装置を有するタービン（６，８，１０）を制御する方法であって、
前記主制御装置が前記タービン（６，８，１０）の熱応力を検出し、かつ前記タービン（６，８，１０）の不所望の熱応力が回避されるような設定値を前記内部制御装置（３）に送り、
高圧タービン（６）、中圧タービン（８）、および低圧タービン（１０）が個別に制御される方法。

【請求項9】

前記主制御装置（２）が経時的な温度上昇によって前記タービン（６，８，１０）の熱応力を検出し、かつ前記熱応力が生じていることを決定し、過度に高い熱応力の場合には、前記タービン（６，８，１０）の出力の増加を低減させるための設定値が前記内部制御装置（３）に送られ、熱応力が所望の範囲内である場合には、前記出力の増加を維持することができる設定値が送られ、および熱応力が閾値より小さい場合には、出力の増加を増大することができる設定値が送られることを特徴とする、請求項８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

タービン、特に蒸気タービンが始動する際には、構成要素の損傷を回避するために温度の過度に急速な上昇を回避しなければならない。したがって、熱応力にさらされる構成要素の温度は、監視される。温度または温度の上昇が設定値を越える場合、タービン出力レベル制御装置が作動して、電力の増加を停止する。場合によっては、この結果、タービンの始動中に遅延が生じる。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、始動中、停止中、および負荷が変化する期間の最大負荷速度および負荷軽減速度において蒸気タービンの構成要素の熱応力を制御する方法および装置を提示している。複数の予め選択された各タービン構成要素の負荷速度は、監視され、導出された変数から計算され、制御のために最も低い速度が選択される。同時に、応力を低減する必要性に応じてタービンの蒸気動作運転モードが部分アーク運転モードまたは全アーク運転モードのいずれかに自動的に向けられる。

【0003】

特許文献２は、タービン発電機の全ての運転フェースで制御および監視を可能にするために、従来のアナログ電気油圧制御システムと対話的に協働するマイクロコンピュータ部分システムの階層を有する蒸気タービン発電機の監視制御システムを提示している。

【0004】

特許文献３は、現在の時間に基づいて予測期間中にタービンローターにおける未来に決定される熱応力を予測するための最適始動制御ユニットを有するタービン始動制御装置を提示しており、タービン加速率および負荷増加率が制御変数として使用される。

【0005】

特許文献４は、タービン排ガスの熱から蒸気が生成され、およびこのように生成された蒸気によって運転される蒸気タービンに供給される、ガスタービンシステムおよび蒸発器の複合発電所の運転方法を提示している。ガスタービンシステムへの入口は、蒸発器または蒸気タービンの状態に基づいて制御される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】英国特許出願公開第２０７４７５７号明細書

【特許文献2】米国特許第４，２０８，０６０号明細書

【特許文献3】米国特許出願公開第２００６／２３３６３７号明細書

【特許文献4】米国特許第５，０４４，１５２号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の目的は、これら遅延を可能なかぎり回避するか、少なくとも低減すると同時に、構成要素の損傷を防ぐことである。この目的は、特に独立請求項によって達成される。従属請求項は、好都合な発展的を定めるものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明によると、タービンを制御するための、特にタービンの始動を制御するためのタービン制御ユニットが提案され、それはカスケード制御装置として実現される。

【0009】

当該分野は一般的であるように、カスケード制御装置は、少なくとも２つの制御回路が一方が他方の内部に接続された制御装置であると理解されている。これに関連して、主制御装置と呼ばれる外部制御回路が存在する。これは、従属制御回路といわれる内部制御回路のための設定値を予め定義するか、または少なくとも影響を与えることを目的とする。

【0010】

熱応力にさらされる構成要素の温度のための熱応力制御装置が主制御装置として存在する。したがって主制御装置は、過度の熱応力を回避するように内部制御回路のための設定値を予め定義するかまたは影響を与える機能を有する。これまでタービン出力レベルのための制御装置によって通常鳥タービンを始動する場合、電力、より明確には電力の増加は制御される。過度の熱応力を回避するために、温度は測定され、過度の熱応力が発生する場合に始動が停止される。したがって電力の増加は、中断される。これにより構成要素の過度の熱応力は回避できるが、タービンが所望の出力レベルに達するまでに待機する必要がある。

【0011】

一方、本発明により提供されるように、熱応力にさらされる構成要素の温度のために主制御装置として熱応力制御装置が設けられる場合、許容熱応力を大きくすることができる。これはつまり、例えばタービンの出力の増加が始まる場合に、構成要素の許容熱応力を越えない限り、高くなるように選択される。したがって、より迅速に出力を増加することができ、かつより迅速に所望のタービン出力レベルに達することができる。

【0012】

主制御装置として実現される熱応力制御装置に加えて、内部制御装置が常に存在する。熱応力制御装置は、許容熱応力を越えないようにタービンを確実に制御するために、適切な設定値を内部制御装置に伝達する。

【0013】

本発明は、熱応力、特に始動時の熱応力が重要な課題である蒸気タービンを特に対象としている。しかし、本発明がまた例えばガスタービンにおいて使用されることも除外しない。

【0014】

１つの重要な実施形態において、内部制御装置は、タービン制御装置であり、特にタービン出力レベルの制御装置である。このようなタービン制御装置は、従来技術において既知であり、タービン、特にタービンの始動時に制御するのに非常に適している。この場合、熱応力制御装置は、タービンの出力レベルに対する設定値を内部制御装置に伝達する。以下により詳細に説明するように、これはまた、出力の増加に対する設定値とすることができる。

【0015】

主な用途は、確かにタービンの始動である。しかし、例えば全負荷運転モードにおいても、主制御装置として実現される熱応力制御装置によって過熱を回避することが考えられる。

【0016】

熱応力制御装置に少なくとも１つの設定値を予め定義するために、熱応力計算ユニットが通常存在する。熱応力計算ユニットは、通常データベースに記憶されたデータに基づいて温度の上昇が許容されるかどうかを計算する。

【0017】

１つの重要な実施形態において、熱応力制御装置は、時間経過とともに所望の温度上昇、つまり、単位時間当たりの一定の温度上昇を超えないようなタービンの制御を保証するように設計される。通常、特にタービンの始動時に、絶対温度を超えないことが重要である。本明細書では、もちろん超えてはならない温度があることに留意する必要がある。しかし、許容できない材料応力を回避するために、始動プロセス中に、温度が急上昇しないことが重要である。したがって、熱応力制御装置は、通常温度が急上昇しないことを保証しなければならない。

【0018】

既に述べた熱応力計算ユニットに戻ると、熱応力計算ユニットは、検出された温度の値およびそれらの時系列から温度の上昇を推論できることを意味している。さらに、この温度の上昇は、記憶されたデータと比較することができる。これにより、温度上昇が増加するか、温度上昇を減少すべきか、このままにすべきであるかを決定することができる。この情報を熱応力制御装置に伝達することができる。熱応力制御装置は、この情報から内部制御装置のための適切な設定値を生成することができる。

【0019】

一実施形態において、熱応力制御装置は、温度差によって生じる熱応力を回避するように設計される。場合によっては、熱応力は、また１つの構成要素内の異なる温度から、または様々な構成要素間の異なる温度から発生する。したがって、例えば加熱の結果タービンブレードが膨張し、ゆるやかな加熱によりタービンハウジングがよりゆっくり膨張する場合に問題となる。したがって、場合によっては熱応力を引き起こす温度を検出し、制御によって回避することが必要である。

【0020】

一実施形態において、タービン出力レベルの制御装置が作動弁の位置を制御する位置制御装置のための設定値を生成するよう設計される。作動弁は、それぞれ流れる蒸気の量に大きく影響するため、出力レベルまたは電力タービンの出力プロファイルに影響する。したがってこの実施形態において、タービン制御ユニットは、二重カスケードである。第１の例における熱応力制御装置は、タービン出力レベルの制御装置のための設定値を生成する上位の主制御装置として存在する。タービン出力レベルの制御装置は、今度は位置制御装置のための設定値を生成する。

【0021】

一実施形態において、タービン制御ユニットは、部分タービン、特に高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンを個別に制御するよう設計される。これにより、特に熱応力が異なることにより出力レベルが異なるように増加させることができるということを可能にする。確かに、完全に独立した制御は、通常実行することができない。異なる蒸気経路を使用することができても、蒸気が高圧タービンから中圧タービンへ、中圧タービンから低圧タービンへ流れるという周辺条件から個々の部分タービンの出力レベルの一定の依存関係が生じ得る。それにもかかわらず、個々の部分タービンを個別に制御することができることが基本的に好都合である。これにより、例えば不所望の熱応力を回避するために部分タービンの出力レベルをよりゆっくり増加させながら別の部分タービンの出力レベルをより迅速に増加することができる。

【0022】

一実施形態において、温度センサがタービン、特に高圧タービンおよび／または中圧タービンの様々な位置に取り付けられる。高圧タービンおよび中圧タービンは、より大きな熱応力にさらされる構成要素であり、そのため温度センサが特に必要となる。もちろん多くの場合、低圧タービンに温度センサを取り付けることも適切である。

【0023】

本発明はまた、主制御装置および内部制御装置を備えるカスケード制御装置を有するタービンを制御する方法に関し、主制御装置は、タービンの熱応力を検出するとともに、タービンの不所望の熱応力が回避されるような設定値を内部制御装置に伝達する。方法のさらなる説明は、ここでは示さない。上述の方法を実行するために使用されるタービン制御ユニットに関する説明を参照されたい。

【0024】

方法の一実施形態において、主制御装置が経時的な温度上昇、つまり単位時間当たりの温度上昇によってタービンの熱応力を検出し、それにより生じる熱応力を決定し、熱応力が過度に高い場合に、タービンの出力の増加を低減するために設定値が内部制御装置に伝達され、熱応力が所望の範囲内である場合には、出力の増加を維持することができる設定値が伝達され、熱応力が閾値より小さい場合には、出力の増加を増大させることができる設定値が伝達される。過度に高い熱応力とは、ここでは熱応力が既に許容できないくらい高いということを意味しないことは明らかである。過度に高い熱応力とは、単に制御のための制限値を超えているという意味である。制御は、許容できない高い熱応力を回避するよう意図されている。この制御は、許容できない高い熱応力を生じることのないタービンの急速な始動を可能にする。

【0025】

さらなる詳細は、タービン制御ユニットを概略的に示す図を参照して説明される。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】タービン 制御 ユニットを概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0027】

タービン制御ユニット１が示されている。熱応力制御装置２は、主制御装置として機能し、設定値をタービン出力レベルの制御装置として具現化されている内部制御装置３に送る。応力計算ユニット４が熱応力制御装置２の上流に接続されている。前記熱応力計算ユニット４は、高圧タービン６のための温度センサ５、および中圧タービン８のための温度センサ７からの信号を評価する。図では概略的に１つの温度センサのみを示しているが、実際には複数の温度センサが適切である。熱応力計算ユニット４は、記憶されたデータを用いて温度センサ５および７の信号から高圧タービン６、中圧タービン８および低圧タービン１０の熱応力を決定する。本明細書において、特に経時的な温度上昇が考慮され、この上昇は、過度に高い熱応力を回避するために高すぎてはならない。

【0028】

熱応力計算ユニット４は、熱応力を増加させるか、同じままでいいか、または減少させるべきかを熱応力制御装置２と通信する。これに応じて、熱応力制御装置２は、適切な設定値をタービン出力レベルの制御装置３に送り、この設定値に応じて、タービンの出力レベルの上昇を低減すべきか、増大すべきか、または一定に保つべきかが決定される。これは、高圧タービン６、中圧タービン８および低圧タービン１０に対して個別に実行される。

【0029】

タービン出力レベルの制御装置３は、対応する設定値を位置制御装置１１に送る。位置制御装置１１は、送られた設定値に基づいて、高圧タービン６への蒸気の供給に影響を与える生蒸気作動弁１２の位置、中圧タービン８への蒸気の供給に影響を与える遮断作動弁１３の位置、および低圧タービン１０への蒸気の供給に影響を与える供給蒸気弁１４の位置を制御する。

【0030】

位置測定器１５が生蒸気作動弁１２に、位置測定器１６が遮断作動弁１３に、および位置測定器１７が供給蒸気弁１４に配置されている。位置測定器１５，１６および１７は、値を位置制御装置１１に送る。したがって、位置制御装置１１は、生蒸気作動弁１２、遮断作動弁１３および供給蒸気弁１４の位置がそれぞれ所望の値をとっているかどうか、または開閉が必要かどうかに関する情報を有している。

【0031】

この点において、簡略化された蒸気回路の詳細を簡単に説明する。低圧タービン１０から来る湿った蒸気は、凝縮器１８で凝縮される。ここで作られた水は、給水ポンプ１９によって蒸気発生器２０に供給される。前記蒸気発生器２０から蒸気が生蒸気作動弁１２を通り高圧タービン６に向かう。高圧タービンからの蒸気は、再熱器２６で加熱される。蒸気は、再熱器２６から遮断作動弁１３を通り、中圧タービン８へ流れる。中圧タービン８内でくつろいだ後、蒸気は、低圧タービン１０へ流れる。本明細書において、蒸気発生器２０から来る蒸気は、供給蒸気弁１４の開度に応じて追加することができる。

【0032】

高圧タービン６、中圧タービン８および低圧タービン１０は、共に発電機２１を駆動する。前記発電機２１の出力レベルは、出力計２２で測定され、タービン出力レベルの制御装置３に送られる。さらに、回転速度計２３が設けられ、タービンおよび発電機２１の回転速度をタービン出力レベルの制御装置３に供給する。

【0033】

圧力計２４が流れ方向において生蒸気作動弁１２の下流に、圧力計２５が遮断作動弁１３の下流に、および圧力計２７が供給蒸気弁１４の下流に設けられている。それぞれ検出された圧力値は、タービン出力レベルの制御装置３に送られる。

【0034】

本発明は、好ましい例示的な実施形態によって示され、詳細に説明されたが、本発明は、開示例に限定されず、本発明の保護範囲を逸脱することなく、これらから当業者によって他の変化形を得ることができる。

【符号の説明】

【0035】

１ タービン制御ユニット
２ 熱応力制御装置
３ 内部制御装置
４ 熱応力計算ユニット
５，７ 温度センサ
６ 高圧タービン
７ 温度センサ
８ 中圧タービン
１０ 低圧タービン
１１ 位置制御装置
１２ 生蒸気作動弁
１３ 遮断作動弁
１４ 供給蒸気弁
１５，１６，１７ 位置測定器
１８ 凝縮器
１９ 給水ポンプ
２０ 蒸気発生器
２１ 発電機
２２ 出力計
２３ 回転速度計
２４，２５，２７ 圧力計
２６ 再熱器

【図1】