特開 2024-62869 タービン監視システムおよびタービン監視方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024062869

(43)【公開日】2024-05-10

(54)【発明の名称】タービン監視システムおよびタービン監視方法

(51)【国際特許分類】

   F01D 25/00 20060101AFI20240501BHJP

   F01D 21/14 20060101ALI20240501BHJP

   F01D 21/00 20060101ALI20240501BHJP

   F01K 13/00 20060101ALI20240501BHJP

【ＦＩ】

F01D25/00 W

F01D25/00 V

F01D21/14 E

F01D21/00 W

F01K13/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022170998

(22)【出願日】2022-10-25

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）「２０２０年度～２０２２年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「カーボンリサイクル・次世代火力発電等技術開発／次世代火力発電基盤技術開発／石炭火力の負荷変動対応技術開発／タービン発電設備次世代保守技術開発」」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(72)【発明者】

【氏名】佃 知彦

(72)【発明者】

【氏名】河合 泰輝

(72)【発明者】

【氏名】兼平 祐己朗

(72)【発明者】

【氏名】田島 嗣久

【テーマコード（参考）】

3G071

【Ｆターム（参考）】

3G071AB01

3G071BA24

3G071FA01

3G071FA06

3G071GA06

3G071JA02

(57)【要約】

【課題】蒸気タービンの動翼の浸食量を適切に評価することが可能なタービン監視システムおよびタービン監視方法を提供する。
【解決手段】一の実施形態によれば、タービン監視システムは、蒸気タービンに導入される蒸気の温度を検知し、前記温度の検知結果を出力する温度計測器を備える。前記システムはさらに、前記蒸気タービンにより駆動される発電機の電気出力を検知し、前記電気出力の検知結果を出力する電気出力計測器を備える。前記システムはさらに、前記温度計測器から出力された前記温度の検知結果と、前記電気出力計測器から出力された前記電気出力の検知結果とに基づいて、前記蒸気タービンの動翼の水滴による浸食量を演算する演算部を備える。前記システムはさらに、前記演算部により演算された前記浸食量に基づく情報を出力する出力部を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

蒸気タービンに導入される蒸気の温度を検知し、前記温度の検知結果を出力する温度計測器と、
前記蒸気タービンにより駆動される発電機の電気出力を検知し、前記電気出力の検知結果を出力する電気出力計測器と、
前記温度計測器から出力された前記温度の検知結果と、前記電気出力計測器から出力された前記電気出力の検知結果とに基づいて、前記蒸気タービンの動翼の水滴による浸食量を演算する演算部と、
前記演算部により演算された前記浸食量に基づく情報を出力する出力部と、
を備えるタービン監視システム。

【請求項2】

前記演算部は、前記動翼の水滴による単位時間当たりの前記浸食量である浸食率を演算し、前記浸食率に基づいて前記浸食量を演算する、請求項１に記載のタービン監視システム。

【請求項3】

前記演算部は、前記蒸気タービンの運転時間に渡って前記浸食率を積算することで、前記浸食量を演算する、請求項２に記載のタービン監視システム。

【請求項4】

前記演算部は、前記蒸気タービンの最終段落の前記動翼の水滴による前記浸食量を演算する、請求項１に記載のタービン監視システム。

【請求項5】

前記出力部は、前記演算部により演算された前記浸食量に基づく情報を表示する、請求項１に記載のタービン監視システム。

【請求項6】

前記出力部は、前記浸食量、または前記浸食量に基づく警報を表示する、請求項５に記載のタービン監視システム。

【請求項7】

前記蒸気タービンから排出された蒸気の圧力を検知する圧力計測器をさらに備え、
前記演算部は、前記温度計測器から出力された前記温度の検知結果と、前記電気出力計測器から出力された前記電気出力の検知結果と、前記圧力計測器から出力された前記圧力の検知結果とに基づいて、前記浸食量を演算する、請求項１に記載のタービン監視システム。

【請求項8】

前記蒸気タービンは、前記発電機を駆動する高圧タービン、中圧タービン、および低圧タービンを備えるプラントに設けられており、前記蒸気タービンは、前記低圧タービンである、請求項１に記載のタービン監視システム。

【請求項9】

前記温度計測器は、前記高圧タービンと前記中圧タービンとの間の蒸気流路内の蒸気の温度を検知する、請求項８に記載のタービン監視システム。

【請求項10】

前記温度計測器は、前記中圧タービンと前記低圧タービンとの間の蒸気流路内の蒸気の温度を検知する、請求項８に記載のタービン監視システム。

【請求項11】

前記蒸気タービンから、または前記発電機を駆動する別の蒸気タービンから蒸気を抽気する抽気流路をさらに備える、請求項１に記載のタービン監視システム。

【請求項12】

前記抽気流路は、抽気された蒸気を復水器に排出する、請求項１１に記載のタービン監視システム。

【請求項13】

前記蒸気タービンに導入される蒸気を発生させるボイラと、
前記復水器から前記ボイラに至る給水流路に設けられたボイラ給水ポンプと、
をさらに備え、
前記抽気流路には、抽気された蒸気により駆動され、前記ボイラ給水ポンプを動作させて前記復水器からの水を昇圧し、昇圧した水を前記ボイラに供給するタービンが設けられている、請求項１２に記載のタービン監視システム。

【請求項14】

蒸気タービンに導入される蒸気の温度を温度計測器により検知し、前記温度の検知結果を前記温度計測器から出力し、
前記蒸気タービンにより駆動される発電機の電気出力を電気出力計測器により検知し、前記電気出力の検知結果を電気出力計測器から出力し、
前記温度計測器から出力された前記温度の検知結果と、前記電気出力計測器から出力された前記電気出力の検知結果とに基づいて、前記蒸気タービンの動翼の水滴による浸食量を演算部により演算し、
前記演算部により演算された前記浸食量に基づく情報を出力部により出力する、
ことを含むタービン監視方法。

【請求項15】

前記蒸気タービンから排出された蒸気の圧力を圧力計測器により検知することをさらに含み、
前記浸食量は、前記温度計測器から出力された前記温度の検知結果と、前記電気出力計測器から出力された前記電気出力の検知結果と、前記圧力計測器から出力された前記圧力の検知結果とに基づいて、前記演算部により演算される、請求項１４に記載のタービン監視方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、タービン監視システムおよびタービン監視方法に関する。

【背景技術】

【0002】

発電プラントで使用される蒸気タービンの低圧段落においては、作動流体である蒸気が膨張する過程で蒸気の温度および圧力が低くなるため、蒸気流路内で蒸気の一部が凝縮し湿分となる。

【0003】

図５は、従来の蒸気タービンの問題を説明するための断面図である。この蒸気タービンは、例えば低圧タービンである。図５(ａ)および図５(ｂ)は、低圧タービンの異なる断面を示している。

【0004】

図５(ａ)および図５(ｂ)は、静翼１とこの静翼１の下流に配置された動翼２との対で構成される低圧タービン最終段落と、これと同様の構成をもつ最終段落の前段落の静翼３と動翼４とを示している。図５(ａ)および図５(ｂ)は、これらの静翼１、３および動翼２、４を含む領域において、蒸気および液滴（水滴）の軌跡を模式的に示している。

【0005】

図５(ａ)において、作動流体である蒸気は、流線Ｌ１で示すような軌跡をたどるのに対し、最終段落の前段落までに発生した湿分は、水滴の形態をとっており、動翼４の翼後縁端５から遠心力によって流線Ｌ２のように静翼１のダイヤフラム外輪６側へ飛散する。

【0006】

これらの水滴は、静翼１に付着すると、静翼１の表面で水膜ＤＬを形成しながら表面上を後縁に向かって流れ、タービンノズルの翼後縁端７に達すると再び水滴となって飛散する。その後、水滴は動翼２の翼前縁端８周辺に衝突する。

【0007】

図５(ｂ)は、水滴の絶対速度Ｖ１と、水滴の相対速度Ｖ２と、蒸気の周速Ｕとを示している。図５(ｂ)に示すように、静翼１の翼後縁端７から飛散した水滴の絶対速度Ｖ１は、蒸気の周速Ｕに比べて遅く、動翼２に到達するまでに十分に加速されない。そのため、水滴は周速Ｕに近い相対速度Ｖ２で動翼２の翼前縁端８の背側に衝突することになる。この液滴と動翼２の衝突により、動翼２の翼前縁端８の浸食が発生する。

【0008】

図６は、従来の蒸気タービンの問題を説明するためのグラフである。図６は、一般的な浸食率（ｄＥ／ｄｔ）と経過時間（ｔ）との関係を示している。

【0009】

浸食率が変化する期間は、大きく潜伏期間、加速期間、減速期間、および安定期間の４つに分類される。潜伏期間では、材料（例えば動翼２）の顕著な重量減は生じないが、多くの水滴が衝突することにより衝突面近傍に疲労による損傷が累積され、疲労亀裂が形成される。加速期間では、潜伏期間に材料内部に蓄積された疲労が破壊現象となって現れ、急速に浸食率が増加する。減速期間では、浸食率が急速に減少し、安定期間では、浸食率がある一定値となる。

【0010】

安定期間における浸食量Ｅは、時間ｔに対して線形変化する特性として、例えば以下の式（１）で表される。
Ｅ＝ａ＋ｂｔ ・・・（１）

【0011】

ここで、ａは材料特性である。式（１）を時間微分することにより、単位時間当たりの浸食量Ｅである浸食率ｄＥ／ｄｔは、以下の式（２）で表される。
ｄＥ／ｄｔ＝ｂ ・・・（２）

【0012】

ここで、ｂは通常、水滴の衝突速度、水滴径、水量（水滴個数）、および材料特性の関数となっており、例えば以下の式（３）で表される。
ｂ＝Ｃ１×Ｖ^ｐ１×ｄ^ｑ１×Ｎ ・・・（３）

【0013】

ここで、Ｃ１、ｐ１、およびｑ１は材料定数であり、Ｖは衝突速度を表し、ｄは水滴径を表し、Ｎは水滴個数を表す。

【0014】

最終段落の浸食は蒸気タービンの信頼性に悪影響を及ぼすため、予め浸食量を予測することが望ましい。そこで、蒸気タービンの設計段階では、蒸気タービンの運転状態を想定した上で、上記のような理論に基づいて浸食量を予測することが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特開昭６１－２０７８０４号公報

【特許文献2】特開２０２１－９２１７５号公報

【特許文献3】特開２０１６－７０２７２号公報

【非特許文献】

【0016】

【非特許文献1】日本機械学会論文集（Ａ編）、５９巻５６７号（１９９３－１１）、第２６４～２６９頁、“金属”材料の液滴エロージョン評価

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

近年における再生可能エネルギーの利用の拡大により、蒸気タービンは調整用火力の位置づけが強まり、運用の多様化（部分負荷運転や起動停止）が求められている。運用の多様化により、蒸気タービンの最終段落の動翼入口の状態量も、様々な条件で変動することになる。そのため、前述した衝突速度や水滴個数も、プラントの運用に応じて時事刻々と変化することが想定される。よって、蒸気タービンの設計段階において浸食量を予測することが難しくなると考えられる。

【0018】

例えば、水滴を含む蒸気タービン中に光を出射し、水滴からの散乱光を受光し、散乱光の受光結果に基づいて、水滴による浸食量を演算することが考えられる。しかし、繊細な光学装置を高温の蒸気に晒すと、光学装置が経年的に破損するおそれがある。

【0019】

また、蒸気タービンの上流または下流を流れる蒸気や、この蒸気から得られた水の物理量（例えば温度、圧力、流量など）を検知し、物理量の検知結果に基づいて、水滴による浸食量を演算することが考えられる。しかし、この蒸気タービンや別の蒸気タービンから蒸気が抽気される場合に、正確な浸食量を演算できないおそれがある。

【0020】

そこで、本発明の実施形態は、蒸気タービンの動翼の浸食量を適切に評価することが可能なタービン監視システムおよびタービン監視方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0021】

一の実施形態によれば、タービン監視システムは、蒸気タービンに導入される蒸気の温度を検知し、前記温度の検知結果を出力する温度計測器を備える。前記システムはさらに、前記蒸気タービンにより駆動される発電機の電気出力を検知し、前記電気出力の検知結果を出力する電気出力計測器を備える。前記システムはさらに、前記温度計測器から出力された前記温度の検知結果と、前記電気出力計測器から出力された前記電気出力の検知結果とに基づいて、前記蒸気タービンの動翼の水滴による浸食量を演算する演算部を備える。前記システムはさらに、前記演算部により演算された前記浸食量に基づく情報を出力する出力部を備える。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】第１実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。

【図2】第１実施形態のタービン監視システムの動作を説明するためのフローチャートである。

【図3】第２実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。

【図4】第２実施形態のタービン監視システムの動作を説明するためのフローチャートである。

【図5】従来の蒸気タービンの問題を説明するための断面図である。

【図6】従来の蒸気タービンの問題を説明するためのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１～図４や前述の図５および図６において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0024】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。

【0025】

図１の蒸気タービンプラントは、再熱型プラントであり、ボイラ１１と、高圧（ＨＰ）タービン１２と、再熱器１３と、中圧（ＩＰ）タービン１４と、低圧（ＬＰ）タービン１５と、発電機１６と、復水器１７と、ＢＦＰ（Boiler Feed Pump）１８と、ＢＦＰＴ（Boiler Feed Pump Turbine）１９と、ＢＦＰＴ入口弁２０と、蒸気流路Ｐ１～Ｐ５と、抽気流路Ｐ６～Ｐ７と、給水流路Ｐ８とを備えている。低圧タービン１５は、本開示の「蒸気タービン」の例であり、高圧タービン１２および中圧タービン１４は、本開示の「別の蒸気タービン」の例であり、ＢＦＰＴ１９は、本開示の「タービン」の例である。

【0026】

図１の蒸気タービンプラントはさらに、蒸気タービンの運転を監視するためのタービン監視システムの構成要素として、タービン監視装置２１と、入口温度計測器２２と、電気出力計測器２３とを備えている。タービン監視装置２１は、記憶部２１ａと、演算部２１ｂと、出力部２１ｃとを備えている。図１に点線で示す入口温度計測器２４については、後述する。

【0027】

ボイラ１１は、水を加熱して蒸気を生成し、その蒸気を蒸気流路Ｐ１に排出する。高圧タービン１２は、蒸気流路Ｐ１から導入された蒸気で駆動され、この蒸気を蒸気流路Ｐ２に排出する。再熱器１３は、蒸気流路Ｐ２から導入された蒸気を加熱（再熱）し、この蒸気を蒸気流路Ｐ３に排出する。中圧タービン１４は、蒸気流路Ｐ３から導入された蒸気で駆動され、この蒸気を蒸気流路Ｐ４に排出する。低圧タービン１５は、蒸気流路Ｐ４から導入された蒸気で駆動され、この蒸気を蒸気流路Ｐ５に排出する。発電機１６は、高圧タービン１２、中圧タービン１４、および低圧タービン１５により駆動されることで発電を行う。

【0028】

復水器１７は、蒸気流路Ｐ５から導入された蒸気を冷却して水に戻し、この水（復水）を給水流路Ｐ８に排出する。ＢＦＰ１８（ボイラ供給ポンプ）は、給水流路Ｐ８に設けられている。ＢＦＰ１８は、給水流路Ｐ８内の水を昇圧し、昇圧された水をボイラ１１へと移送する。ボイラ１１は、給水流路Ｐ８から導入された水（給水）を加熱して蒸気を生成し、この蒸気を上述のように蒸気流路Ｐ１に排出する。このようにして、蒸気タービンプラント内を蒸気および水が循環する。

【0029】

ＢＦＰ１８は、不図示の電気モータにより駆動することが可能であり、かつ、ＢＦＰＴ１９により駆動することも可能である。よって、ＢＦＰ１８は、電気モータおよびＢＦＰＴ１９に連結することが可能である。発電機１６の電気出力が規定値よりも小さい場合には、ＢＦＰ１８は、電気モータにより駆動される。発電機１６の電気出力が規定値よりも大きい場合には、ＢＦＰ１８は、ＢＦＰＴ１９により駆動される。ＢＦＰ１８をＢＦＰＴ１９により駆動する場合には、ＢＦＰ１８を電気モータにより駆動する場合に比べて、蒸気タービンプラント内で消費されるエネルギー量を低減し、蒸気タービンプラントの効率を高めることができる。

【0030】

ＢＦＰＴ１９は、抽気流路Ｐ６と抽気流路Ｐ７との間に設けられている。ＢＦＰＴ入口弁２０は、抽気流路Ｐ６に設けられている。発電機１６の電気出力が規定値よりも大きくなると、ＢＦＰＴ入口弁２０が開き、中圧タービン１４から抽気された蒸気が抽気流路Ｐ６に流入する。ＢＦＰＴ１９は、抽気流路Ｐ６から導入された蒸気で駆動され、この蒸気を抽気流路Ｐ７に排出する。復水器１７は、抽気流路Ｐ７から導入された蒸気を冷却して水に戻し、この水（復水）を給水流路Ｐ８に排出する。抽気流路Ｐ７は、復水器１７内で蒸気流路Ｐ５と合流している。そのため、復水器１７から排出される水の量は、蒸気流路Ｐ５から復水器１７へと排出される蒸気から得られる水の量と、抽気流路Ｐ７から復水器１７へと排出される蒸気から得られる水の量との和となる。

【0031】

タービン監視装置２１は、蒸気タービンの運転を監視するための装置である。タービン監視装置２１の例は、ＰＣ（Personal Computer）などのコンピュータや、制御盤などの制御装置である。タービン監視装置２１は例えば、ＢＦＰ１８を電気モータにより駆動するかＢＦＰＴ１９により駆動するかを、発電機１６の電気出力と規定値とを比較することで制御する。タービン監視装置２１の詳細については、後述する。

【0032】

入口温度計測器２２は、中圧タービン１４に導入される蒸気の温度を検知し、この温度の検知結果をタービン監視装置２１に出力する。具体的には、入口温度計測器２２は、中圧タービン１４の最初段静翼の上流に設置された入口配管（蒸気流路Ｐ３）に設けられており、中圧タービン１４の入口における蒸気の温度を検知する。この蒸気は、中圧タービン１４から排出された後、低圧タービン１５にも導入される。入口温度計測器２２は例えば、熱電対を備えており、温度を計測する流れ場に設置された熱電対の温接点からの熱起電流を配線（例えば補償導線）を介して記憶部２１ａに出力する。なお、中圧タービン１４の入口とは、最初段のタービン段落の入口をいう。

【0033】

電気出力計測器２３は、発電機１６の電気出力を検知し、この電気出力の検知結果をタービン監視装置２１に出力する。後述するように、タービン監視装置２１は、上記の温度の検知結果と、上記の電気出力の検知結果とに基づいて、低圧タービン１５の動翼の水滴による浸食量を演算する。また、タービン監視装置２１は、上記の電気出力の検知結果に基づいて、ＢＦＰ１８を電気モータにより駆動するかＢＦＰＴ１９により駆動するかを制御する。後者の場合、電気出力の検知結果は、電気出力と規定値とを比較するために利用される。

【0034】

記憶部２１ａは、入口温度計測器２２から出力された入口蒸気温度の検知結果と、電気出力計測器２３から出力された電気出力の検知結果とを記憶する。本実施形態の記憶部２１ａは、低圧タービン１５が運転されると、入口温度計測器２２からの出力信号（熱起電流）と、電気出力計測器２３からの出力信号とを、タービン監視装置２１の入出力部を介して受け取り、これらの出力信号をある一定の運転時間で平均化して演算部２１ｂに出力する。

【0035】

演算部２１ｂは、入口温度計測器２２から出力された入口蒸気温度の検知結果と、電気出力計測器２３から出力された電気出力の検知結果とに基づいて、低圧タービン１５の動翼の水滴による浸食量を演算する。本実施形態の演算部２１ｂは、記憶部２１ａから出力された信号に基づいて、低圧タービン１５の最終段落の動翼２（図５を参照）の水滴による浸食量を演算する。演算部２１ｂは例えば、プロセッサおよびコンピュータプログラムにより実現されており、プロセッサにより実行されたコンピュータプログラムが、記憶部２１ｂからの信号や種々のデータに基づいて浸食量を演算する。

【0036】

出力部２１ｃは、演算部２１ｂにより演算された浸食量に基づく情報を出力する。出力部２１ｃは例えば、ＬＣＤ（Liquid Cristal Display）などのディスプレイや、ランプなどのインジケータに、このような情報を表示する。出力部２１ｃは、タービン監視装置２１のディスプレイやインジケータに当該情報を表示してもよいし、タービン監視装置２１に有線または無線で接続された別の装置のディスプレイやインジケータに当該情報を表示してもよい。

【0037】

本実施形態の出力部２１ｃは、当該情報として、浸食量、または浸食量に基づく警報を表示する。浸食量を表示する場合には、出力部２１ｃは、演算部２１ｂにより演算された浸食量を数値で表示してもよいし、演算部２１ｂにより演算された浸食量をグラフや表で表示してもよい。この際、出力部２１ｃは、この浸食量を、タービン監視装置２１内または別の装置内にあらかじめ保存された浸食量の基準値と共に表示してもよい。これにより例えば、タービン監視システムの管理者に動翼の修理や交換を促すことができる。また、出力部２１ｃは、浸食量が基準値を越えた場合に、タービン監視システムの管理者に動翼の修理や交換を促すための警報をディスプレイやインジケータに表示してもよい。警報の例は、ディスプレイに表示されるメッセージや、インジケータにおける赤ランプの点灯などである。

【0038】

出力部２１ｃは、当該情報を、表示以外の種々の態様で出力してもよい。例えば、当該情報は、ストレージ内に保存されてもよいし、メールとして配信されてもよいし、ネットワークを介して送信されてもよい。

【0039】

本実施形態のタービン監視システムは、蒸気タービンとして低圧タービン１５を監視する。理由は、低圧タービン１５では一般に、下流側のタービン段落において蒸気条件が湿り蒸気となり、浸食の発生が問題となるからである。ただし、本実施形態のタービン監視システムは、低圧タービン１５以外の蒸気タービンを監視してもよい。

【0040】

低圧タービン１５は、蒸気流路Ｐ４から蒸気を導入する。低圧タービン１５のタービン段落で膨張仕事をした蒸気は、低圧タービン１５の最終段落の動翼２の下流側に設けられた排気室を通り、蒸気流路Ｐ５に排出される。蒸気流路Ｐ５に排出された蒸気は、復水器１７に導入されて水に戻る。低圧タービン１５は、高圧タービン１２や中圧タービン１４と共に発電機１６に回転軸で接続され、これらのタービン内の蒸気の膨張仕事は、発電機１６の電気出力として取り出される。

【0041】

図２は、第１実施形態のタービン監視システムの動作を説明するためのフローチャートである。図２は、演算部２１ｂによる演算の流れを示している。

【0042】

まず、記憶部２１ａから入力した発電機電気出力およびタービン入口温度（Ｓ１）に基づき、低圧タービン１５の最終段動翼入口における蒸気の流量、湿り度、圧力、および流速（Ｓ２）を演算する。本実施形態では、演算部２１ｂに流体解析または一次元蒸気計算のプログラムを格納しておいて、電気出力および入口温度をインプットとして、最終段動翼入口の流量、湿り度、圧力、および流速を算出してもよい。また、本実施形態では、演算部２１ｂの計算容量や負荷を軽減するために、実運転で想定される条件の流体解析または一次元蒸気計算を予め網羅的に実行しておいて、上記のインプットとアウトプットとの関係を近似関数として格納しておいてもよい。

【0043】

次に、最終段動翼入口の流量、湿り度、圧力、および流速から、最終段動翼入口における蒸気中の水量（水滴個数）、水滴径、および水滴衝突速度（Ｓ３）を演算する。水量は、上記の流量と湿り度とを基に計算する。水滴径Ｄは、圧力ρ、流速Ｗ、およびウェーバー数Ｗｅσを用いて、以下の式（４）により計算する。
Ｄ＝Ｗｅσ／（ρＷ^２） ・・・（４）

【0044】

ウェーバー数Ｗｅσは、蒸気の慣性力と水滴の表面張力との比を表す無次元数である。圧力ρが高くなるにつれ水滴径Ｄは小さくなる。

【0045】

水滴の衝突速度は、上記の流速と水滴径から水滴の軌道計算によって算出する。水滴径が大きいほど蒸気によって水滴が加速されにくくなり、蒸気と水滴の速度差が大きくなるため、水滴の動翼への衝突速度は大きくなる。本実施形態では、演算部２１ｂに水滴の軌道解析プログラムを格納しておいて、水滴の衝突速度を算出してもよい。また、本実施形態では、演算部２１ｂの計算容量や負荷を軽減するために、実運転で想定される条件で網羅的に軌道計算を実行しておいて、演算部２１ｂに上記のインプットとアウトプットとの関係を近似関数として格納しておいてもよい。

【0046】

一方、最終段動翼の材料特性および補正係数（Ｓ４）は、演算部２１ｂに予め格納しておく。水滴衝突速度、水量、水滴径、動翼材料特性、および補正係数から、式（２）で示される最終段動翼の浸食率ｄＥ／ｄｔ（Ｓ５）を評価した上で、ある一定の時間範囲Δｔにおける浸食量ΔＥを、以下の式（５）を用いて算出する。
ΔＥ＝ｄＥ／ｄｔ×Δｔ ・・・（５）

【0047】

浸食量Ｅ（Ｓ６）は、浸食率ｄＥ／ｄｔに基づいて算出される。具体的には、式（５）を用いて演算したΔＥを、蒸気タービンプラントの運転時間に渡って積算していくことにより、浸食量Ｅが算出される。すなわち、浸食率ｄＥ／ｄｔを積算することで、浸食量Ｅが算出される。これにより、これまでの低圧タービン１５の運用を反映した最終段の浸食量Ｅを評価することができる。なお、発電機１６の電気出力や低圧タービン１５の入口蒸気温度によって浸食率ｄＥ／ｄｔも大きく違うため、発電機１６や低圧タービン１５の状態量変化の頻度に応じてΔｔを適切に設定することにより、浸食量Ｅの評価精度を上げることができる。

【0048】

ここで、本実施形態のタービン監視システムの利点について説明する。

【0049】

上述のように、近年における再生可能エネルギーの利用の拡大により、蒸気タービンは調整用火力の位置づけが強まり、運用の多様化（部分負荷運転や起動停止）が求められている。運用の多様化により、蒸気タービンの最終段落の動翼入口の状態量も、様々な条件で変動することになる。そのため、前述した衝突速度や水滴個数も、プラントの運用に応じて時事刻々と変化することが想定される。よって、蒸気タービンの設計段階において浸食量を予測することが難しくなると考えられる。

【0050】

そこで、本実施形態では、時々刻々と変化するプラント運用に対応して、タービンプラント運転中にリアルタイムに最終段動翼の浸食率を演算し、運転時間に渡って浸食率を積算することによって浸食量を算出する。よって、本実施形態によれば、実際の運用を反映した最終段動翼の浸食量を高精度で評価することが可能となる。これにより、最終段の交換時期や修理時期を的確に検出および予測することが可能となり、浸食による羽根飛散を未然に防止してプラントの信頼性を向上させることが可能となる。

【0051】

本実施形態のＢＦＰ１８は、発電機１６の電気出力が規定値よりも小さい場合には電気モータにより駆動され、発電機１６の電気出力が規定値よりも大きい場合にはＢＦＰＴ１９により駆動される。前者の場合には、ＢＦＰＴ入口弁２０が閉じられ、中圧タービン１４からの抽気が停止される。後者の場合には、ＢＦＰＴ入口弁２０が開かれ、中圧タービン１４からの抽気が実施される。運用の多様化により、発電機１６の電気出力が広範囲に変化し、前者の状態と後者の状態との切り替えが高頻度に行われることが考えられる。それに伴い、低圧タービン１５の最終段動翼を通過する蒸気の流量も、プラントの運用に応じて不連続に変化することが多くなると考えられる。

【0052】

例えば、最終段動翼の浸食率は、低圧タービン１５に導入される蒸気の温度と、低圧タービン１５から排出された蒸気から得られた水の流量と、に基づいて算出することが考えられる。これにより、この水の流量に基づいて、最終段動翼を通過する蒸気の流量を推定することが可能となる。この場合、この水の流量は、給水流路Ｐ８内の水の流量を流量計測器により検知することで、計測することが可能である。しかし、中圧タービン１４からの抽気が実施されている場合には、給水流路Ｐ８内の水は、低圧タービン１５から排出された蒸気から得られた水だけでなく、中圧タービン１４から抽気された蒸気から得られた水も含んでいる。よって、この場合には最終段動翼を通過する蒸気の流量を精度よく推定することができず、浸食率を精度よく算出することができない。

【0053】

また、最終段動翼の浸食率は、低圧タービン１５に導入される蒸気の温度と、低圧タービン１５に導入される蒸気の圧力と、に基づいて算出することが考えられる。これにより、この蒸気の圧力に基づいて、最終段動翼を通過する蒸気の流量を推定することが可能となる。しかし、この場合にも、この蒸気の流量の推定精度が抽気により悪化するおそれがあり、その結果、浸食率の算出精度が悪化するおそれがある。

【0054】

そこで、本実施形態では、最終段動翼の浸食率を、低圧タービン１５に導入される蒸気の温度と、発電機１６の電気出力とに基づいて算出する。これにより、この電気出力に基づいて、最終段動翼を通過する蒸気の流量を推定することが可能となる。この場合、中圧タービン１４から抽気される蒸気の量が変化すると、抽気される蒸気の量に応じて発電機１６の電気出力が変化する。その結果、抽気を考慮に入れて、最終段動翼を通過する蒸気の流量を推定することが可能となる。よって、本実施形態によれば、抽気が行われる場合でも、最終段動翼を通過する蒸気の流量を精度よく推定することが可能となり、浸食率を精度よく算出することが可能となる。

【0055】

以下、本実施形態のタービン監視システムの種々の変形例について説明する。以下の説明は、後述する第２実施形態にも適用可能である。

【0056】

本実施形態では、浸食率ｄＥ／ｄｔを積算して浸食量Ｅを算出しているが、その他の方法で浸食量Ｅを算出してもよい。例えば、浸食率ｄＥ／ｄｔから積算以外の方法で浸食量Ｅを算出してもよいし、発電機電気出力およびタービン入口温度から浸食率ｄＥ／ｄｔを算出せずに浸食量Ｅを算出してもよい。

【0057】

また、本実施形態の入口温度計測器２２は、図１に示す入口温度計測器２４に置き換えてもよい。入口温度計測器２４は、低圧タービン１５に導入される蒸気の温度を検知し、この温度の検知結果をタービン監視装置２１に出力する。具体的には、入口温度計測器２４は、低圧タービン１５の最初段静翼の上流に設置された入口配管（蒸気流路Ｐ４）に設けられており、低圧タービン１５の入口における蒸気の温度を検知する。入口温度計測器２４は例えば、熱電対を備えており、温度を計測する流れ場に設置された熱電対の温接点からの熱起電流を配線（例えば補償導線）を介して記憶部２１ａに出力する。なお、低圧タービン１５の入口とは、最初段のタービン段落の入口をいう。

【0058】

また、本実施形態の抽気流路Ｐ６は、中圧タービン１４ではなく、低圧タービン１５または高圧タービン１２に接続されていてもよい。この場合、抽気流路Ｐ６は、低圧タービン１５または高圧タービン１２から蒸気を抽気する。

【0059】

以上のように、本実施形態では、入口温度計測器２２および電気出力計測器２３から出力された検知結果に基づいて低圧タービン１５の動翼の浸食量を演算し、演算された浸食量に基づく情報を出力する。よって、本実施形態によれば、低圧タービン１５の動翼の浸食量を適切に評価することが可能となる。例えば、本実施形態によれば、いずれかの蒸気タービンから蒸気が抽気される場合でも、低圧タービン１５の最終段動翼の浸食量を精度よく評価することが可能となる。

【0060】

以下、第２実施形態の蒸気タービンプラントについて説明する。以下の説明では、第１実施形態の蒸気タービンプラントとの相違点を中心に説明し、第１実施形態の蒸気タービンプラントとの共通点については説明を省略する。

【0061】

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。

【0062】

図３の蒸気タービンプラントは、再熱型プラントであり、図１に示す構成要素に加え、出口圧力計測器２５を備えている。

【0063】

出口圧力計測器２５は、低圧タービン１５から排出された蒸気の圧力を検知し、この圧力の検知結果をタービン監視装置２１に出力する。具体的には、出口圧力計測器２５は、低圧タービン１５の最終段動翼の下流に設置された出口配管（蒸気流路Ｐ５）に設けられており、低圧タービン１５の出口における蒸気の圧力を検知する。出口圧力計測器２５は例えば、圧力導管と圧力センサとを備えており、圧力を計測する流れ場に設置された圧力導管からの圧力を圧力センサにより検知し、検知した圧力を示す出力信号を記憶部２１ａに出力する。なお、低圧タービン１５の出口とは、最終段のタービン段落の出口をいう。

【0064】

記憶部２１ａは、入口温度計測器２２から出力された入口蒸気温度の検知結果と、電気出力計測器２３から出力された電気出力の検知結果と、出口圧力計測器２５から出力された出口蒸気圧力の検知結果とを記憶する。本実施形態の記憶部２１ａは、蒸気タービンが運転されると、入口温度計測器２２からの出力信号（熱起電流）と、電気出力計測器２３からの出力信号と、出口圧力計測器２５から出力信号とを、タービン監視装置２１の入出力部を介して受け取り、これらの出力信号をある一定の運転時間で平均化して演算部２１ｂに出力する。

【0065】

演算部２１ｂは、入口温度計測器２２から出力された入口蒸気温度の検知結果と、電気出力計測器２３から出力された電気出力の検知結果と、出口圧力計測器２５から出力された出口蒸気圧力の検知結果とに基づいて、低圧タービン１５の動翼の水滴による浸食量を演算する。本実施形態の演算部２１ｂは、記憶部２１ｂから出力された信号に基づいて、低圧タービン１５の最終段落の動翼２（図５を参照）の水滴による浸食量を演算する。演算部２１ｂは例えば、プロセッサおよびコンピュータプログラムにより実現されており、プロセッサにより実行されたコンピュータプログラムが、記憶部２１ｂからの信号や種々のデータに基づいて浸食量を演算する。

【0066】

出力部２１ｃは、第１実施形態の場合と同様に、演算部２１ｂにより演算された浸食量に基づく情報を出力する。

【0067】

図４は、第２実施形態のタービン監視システムの動作を説明するためのフローチャートである。図４は、演算部２１ｂによる演算の流れを示している。

【0068】

図４の演算の流れは、図２の演算の流れと同様である。ただし、本実施形態では、記憶部２１ａから入力した発電機電気出力、タービン入口温度、およびタービン出口圧力（Ｓ１１）に基づき、低圧タービン１５の最終段動翼入口における蒸気の流量、湿り度、圧力、および流速（Ｓ２）を演算している。本実施形態では、演算部２１ｂに流体解析または一次元蒸気計算のプログラムを格納しておいて、電気出力、入口温度、および出口圧力をインプットとして、最終段動翼入口の流量、湿り度、圧力、および流速を算出してもよい。また、本実施形態では、演算部２１ｂの計算容量や負荷を軽減するために、実運転で想定される条件の流体解析または一次元蒸気計算を予め網羅的に実行しておいて、上記のインプットとアウトプットとの関係を近似関数として格納しておいてもよい。

【0069】

低圧タービン１５の出口における蒸気圧力（タービン出口圧力）が小さくなると、低圧タービン１５の蒸気の膨張仕事が大きくなる。よって、低圧タービン１５の出口における蒸気圧力が小さくなると、低圧タービン１５の出口における蒸気流量が変化しなくても、発電機１６の電気出力（発電機電気出力）が大きくなる。言い換えると、ある発電機電気出力を得るために必要な蒸気流量は、タービン出口圧力が小さくなるほど小さくなる。本実施形態によれば、タービン出口圧力を考慮に入れて浸食量を計算することで、このような発電機電気出力の特徴を浸食量の計算に反映させることが可能となる。

【0070】

以上のように、本実施形態では、入口温度計測器２２、電気出力計測器２３、および出口圧力計測器２５から出力された検知結果に基づいて低圧タービン１５の動翼の浸食量を演算し、演算された浸食量に基づく情報を出力する。よって、本実施形態によれば、低圧タービン１５の動翼の浸食量を適切に評価することが可能となる。例えば、本実施形態によれば、いずれかの蒸気タービンから蒸気が抽気される場合でも、低圧タービン１５の最終段動翼の浸食量を精度よく評価することが可能となる。また、本実施形態によれば、出口圧力計測器２５から出力された検知結果を考慮に入れて浸食量を計算することで、低圧タービン１５の最終段動翼の浸食量の評価精度を向上させることが可能となる。

【0071】

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムおよび方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムおよび方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

【符号の説明】

【0072】

１：タービン最終段落の静翼、２：タービン最終段落の動翼、
３：タービン最終段落の前段落の静翼、４：タービン最終段落の前段落の動翼、
５：翼後縁端、６：ダイヤフラム外輪、７：翼後縁端、８：翼前縁端、
１１：ボイラ、１２：高圧タービン、１３：再熱器、１４：中圧タービン、
１５：低圧タービン、１６：発電機、１７：復水器、
１８：ＢＦＰ、１９：ＢＦＰＴ、２０：ＢＦＰＴ入口弁、
２１：タービン監視装置、２１ａ：記憶部、２１ｂ：演算部、２１ｃ：出力部、
２２：入口温度計測器、２３：電気出力計測器、
２４：入口温度計測器、２５：出口圧力計測器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】