JPH0217683B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、蒸気タービン・発電機のような高速
回転機械の軸振動を測定監視する振動監視装置に
係り、特に地震発生時において不必要にタービン
トリツプ等が起らないようにしたタービン振動監
視装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

発電プラント等で使用される蒸気タービン等の
高速回転機械の運転において最も重要なことは、
その軸振動を全ての運転状態において適正なレベ
ルに抑えることである。

ところで、軸振動過大の徴候は、タービン起動
時や負荷変化時に現われることが多く、振動は一
般的な数多くの運転監視項目のなかでも特に厳重
な監視が要求されているものの一つである。

また、原子力発電プラントは大容量化の進展と
ともに、日本国内のベースロードとしての重要な
役割を担つているため、その主要機器であるター
ビン・発電機等の回転機械の信頼性向上が一段と
強く要求されるに至つている。したがつて、回転
機械の信頼性の指標である振動の計測は極めて重
要であり、そこで使用される振動計も信頼性の高
いものでなくてはならない。同様に振動計をセン
サーとする振動監視装置も高信頼性を有するもの
でなくてはならず、例えば振動計の誤動作等で蒸
気タービンが緊急停止するようなことがあれば、
社会生活に困難を与えることは必至であり、振動
監視装置の構成には十分な注意が必要である。

このような観点から、火力発電プラントおよび
原子力発電プラントで用いられている蒸気タービ
ン発電機には、タービンロータ、発電機ロータの
軸振動を常時監視し、その振動振幅値が或値以上
になると警報を発して運転員にその異常を知らせ
る自動警報装置、或は振動振幅値がさらに大きく
なつて設定値以上になると、蒸気タービンの入口
蒸気止め弁を急閉させることによつて自動的にト
リツプ（運転停止）させる自動トリツプ装置が安
全上設置されている。

第１図は、タービン発電機の一般的な振動計測
点を示す図であつて、高圧タービンロータ１、低
圧タービンロータ２、および発電機ロータ３は、
一本の軸系としてフランジ結合され、各ロータ胴
部の前後のジヤーナル部４において軸受５によつ
て支承されている。

ところで、上記軸受５に第２図に示すように通
常振動計６が装着されている。すなわち、基礎台
７上に設置された軸受台８に上記振動計６の外筒
９が固着されている。上記外筒９内にはバネ１０
によつて軸受５内に付勢された検出杆１１が同心
状に設けられ、その検出杆１１の先端がジヤーナ
ル部４に圧接され、さらに上記検出杆１１の基端
に検出器１２が装着されている。

しかして、ジヤーナル部４が振動すると、それ
に接触している検出杆１１によりその振動が検出
器１２に伝達される。上述の如き接触型の振動計
６では、検出器１２は普通速度計或は加速度計で
構成されているため、ジヤーナル部４の絶対振動
を検出杆１１を介して速度或は加速度として検出
することができる。そこで、上記振動計６からの
出力は積分器１３により積分され変位信号に変換
される。なお、振動計６の型式としては軸受台８
とジヤーナル部４との相対変位の変化を直接検出
できる変位計を使つた非接触型のものもある。と
ころで、上記変位信号は整流器１４により整流さ
れ、変位の絶対値である振動振幅変化に変化され
た後比較判断装置１５に入力される。

上記比較判断装置１５には振幅信号を予め定め
られた振動制限値すなわち警報値或は停止値と比
較する演算回路が組込まれており、ジヤーナル部
４の振動振幅が警報値以上になると、警報装置１
６に警報信号を出力し、さらに振動が増大し停止
値以上になると、トリツプ装置１７に停止信号を
出力する。そこで警報装置１６或はトリツプ装置
１７は、それぞれ上記比較判断装置１５の出力に
応じて警報を発して運転員に異常を知らせ、或は
タービン発電機をトリツプさせる。

上記比較判断装置１５は、各軸受５に装着され
た振動計６に対応して設けられており、各比較判
断装置１５の出力信号が第３図に示すようにそれ
ぞれ共通の警報装置１６およびトリツプ装置１７
に入力されるようにしてあり、一つの振動監視装
置が構成されている。

このようなタービンにおける振動監視装置は、
ロータの不釣合振動、ラビング、オイルホイツ
プ、スチームホワール等のタービン発電機自身の
内的要因に起因して発生する振動に対して、ター
ビン発電機を保護し、安全性を向上させることが
主目的となつている。ところが、振動計６は第２
図のように取付けられた絶対振動計であるため
に、ジヤーナル部４が振動したときのみならず、
軸受台８を含めた全体が振動しても、その振動を
感知することになる。このような現象は相当に大
きな外力が作用しない限り発生しないけれども、
無視し得ない場合として地震時等がある。

ところで、一般に軸受台８は、第４図に示すよ
うに、基礎台７に固定されており、その基礎台７
はマツト１８上に据付けられ、さらにそのマツト
１８は地盤１９上に載置されている。したがつ
て、地震が発生すると、その振動は地盤１９より
マツト１８に伝わり、さらに基礎台７を介して軸
受台８およびジヤーナル部４が加振される。

このタービン・発電機とタービン基礎台からな
る振動系をモデル化すると、第５図に示すよう
に、第１図における高圧タービンロータ１、低圧
タービンロータ２、および発電機ロータ３の合計
質量に相当する質量２０と、タービン・発電機基
礎台７の剛性に相当するバネ２１と、減衰項を代
表するダンパー２２とからなる一般的なバネ質量
系に置きかえることができる。上記ロータの合計
質量に相当する質量をＭ、バネ２１のバネ定数を
Ｋ、ダンパー２２のダンピング係数をＤとする
と、マツト１８に付加される外力x₁＝A₀sinωtに
対するタービン。発電機の応答は、入力振幅A₀
に対する応答振幅A₂の比率で表わすと、次に示
すようになる。

ここで、η＝ω₀／ω ω₀：タービン発電機を含む基礎台系の固有振動
数 減衰が小さい系であると、地震波が有する周波
数成分と基礎台系の固有振動数が一致した場合、
すなわちη＝１の場合、基礎台の上に載つている
タービン発電機の振動は大きくなる。その加振力
は、基礎台７の振動特性に依つても異なるが、マ
ツト１８での加振力の２〜５倍程度にまで達する
ことがある。また、振動計６は軸受台８全体が振
動しても、その振動変位を感知するようになつて
いるため、地震のような外力が基礎台に働いて
も、その振動変位量が停止値に達した時には、や
はりトリツプ装置１７に停止信号を出し蒸気ター
ビンがトリツプすることになる。

振動変位と加速度の関係は次式で表わされる。

δ＝α×9800／（2πf）² ………(2) ここで、 δ：振動変位 α：加速度 ｆ：周波数 この式からわかるように、小さい加速度であつ
ても周波数が低い場合には大きな変位が生じる。
例えば、加速度が0.05G、周波数が５Hzとすると
その変位は0.5mmとなる。前述のように、基礎台
を伝わることによつて地震波は増幅されて軸受台
７に入力されるが、例えばその振動応答倍率が２
であると、マツト１８が0.025Gの地震動で加振
されるとき、軸受台７は0.05Gで加振され、その
変位が0.5mmまで増幅されることになる。したが
つて、これが停止値を越えていれば、比較判断装
置１５は停止信号を出力し、蒸気タービンはトリ
ツプしてしまう。地震波には多くの周波数が含ま
れ、(1)式からわかるようにそれぞれの周波数によ
つて振幅応答倍率も異なるため、このような単純
な計算では十分ではないが、この検討結果は少な
くとも0.025G程度の小さな地震が生じても蒸気
タービンがトリツプし、プラントからの送電が停
止するという可能性を示すものである。

以上は、振動計６が地震波或は増幅された地震
波を軸受台８を介して直接感知してトリツプに至
る場合であるが、このほかこの地震波が軸受台８
への加振力となり軸受５とロータジヤーナル４と
の間に強制外部変位を与えた結果として誘起され
る一時的な大振幅によりトリツプ値に至る場合が
ある。

前者に対してはそれに対処するための技術が確
立されているが、後者の現象は最近の事例解析に
より明らかになつたものであり、前者に対する処
置が完全であつたとしても依然として地震による
不用意なタービントリツプの可能性が残つている
ことになる。一方、ベースロードを担つている大
容量タービン・発電機が不必要にトリツプした場
合には、電力系統に及ぼす影響が極めて大きく、
広域全停電事故に発展して、社会的混乱を招く。

したがつて、例え地震時といえどもそれによつ
て発生する軸振動現象に的確に対処できるような
タービン振動監視装置が要望されるようになつ
た。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点に鑑み、地震の発生によ
つて不必要にタービントリツプが生ずることがな
く、タービントリツプの機会を必要最小限にとど
めることができるようにしたタービン振動監視装
置を得ることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は回転軸の振動を連続的に検出する振動
検出装置と、その振動検出装置より検出された振
動信号を予め定められた振動制限値と比較し、上
記振動信号が振動制限値を超えた場合に、ユニツ
トを自動的に停止させるためのトリツプ信号を出
力する比較判断装置と、そのトリツプ信号を入力
してユニツトを自動停止させる自動トリツプ装置
を有するタービン振動監視装置において、地震を
検知する装置を設けるとともに、上記比較判断装
置に、地震発生時に地震検知装置から出力される
地震信号によつて、上記振動制限値を通常運転用
の振動制限値からそれより高位の地震時振動制限
値に切替える切替手段を設けたことを特徴とする
ものであり、地震発生時に不必要なタービントリ
ツプが生じないようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、第６図乃至第１５図を参照して本発明の
実施例について説明する。なお、図中前記従来装
置と同一部分には同一符号を付しその詳細な説明
は省略する。

第６図は本発明のタービン振動監視装置の概略
系統図であつて、各比較判断装置１５には振動計
６からの信号ばかりでなく、別に併設された地震
検知装置２３から出力された地震信号も入力され
るようにしてあり、上記地震信号によつて比較判
断装置１５の振動制限値が、通常運転用振動制限
値から地震時振動制限値に切替わるようにしてあ
る。

すなわち、第７図は比較判断装置に使用される
一般的な通常振動制限値の構成例を示す図であ
り、振動振幅値の或るレベルに対して異常状態の
発生を運転員に告げるための警報値２４、異常の
進行によりユニツトを停止すべき振幅値に達した
ことを告げ自動トリツプ装置１７にトリツプ信号
を出力するトリツプ値２５、および場合によつて
は停止値に達してもトリツプ信号が出力しない誤
動作時に対処するためのバツクアツプトリツプ値
２６から構成されている。そこで、振動振幅値が
大きくなりトリツプ値２５以上になり、或はバツ
クアツプトリツプ値まで達すると、第８図ａ或は
第８図ｂに示すように、タイマー２７を経てユニ
ツトトリツプ信号が出力されてユニツトのトリツ
プが行なわれる。

これに対し、本発明においては第９図ａおよび
ｂに示すように、地震検知装置２３から発生され
た地震信号によつて、比較判断装置１５の通常運
転制限値である振動大トリツプ値２５が殺され、
それより高位のバツクアツプトリツプ値２６のみ
が残される。しかして、地震が発生した場合にお
いても、振動振幅がバツクアツプトリツプ値以下
の場合には自動トリツプ装置１７が作動すること
はなく、不必要なタービントリツプが生ずること
が防止される。

また、第１０図ａ，ｂに示すように、地震信号
によつて振動大トリツプ値２５とバツクアツプト
リツプ値２６の両方を殺し、それらより高位レベ
ルの地震時トリツプ値２８に振動制限値を切替え
るようにしても、同様の効果を奏する。

なお、上記のいずれの方式を採用するかは、バ
ツクアツプトリツプ値２６の設定方法如何によつ
て決定すべきもので、それが振動大トリツプ値２
５の単純なバツクアツプとしてそれよりもわずか
に上のレベルに設定されるならば、第１０図ａの
ように、それよりも上位のタービン発電機軸受の
強度限界から定まる地震時トリツプ値２８を設け
るべきである。一方、バツクアツプトリツプ値２
６が初めから軸受強度限界をベースに設定されて
いるならば、第９図ａに示すように単純に通常運
転制限値である振動大トリツプ値２５を殺すよう
にするだけでよい。

ところで、上述の如き制限値の切替えは、上述
のように地震検出装置２７からの地震信号で行な
つてよいが、第１１図および第１２図に示すよう
に、地震検知装置２７からの地震信号と、振動計
６からの振動大信号の両方が出力されたときに制
限値の切替えを行なうようにしてもよい。この場
合の振動大の信号は振動大トリツプ値２５よりも
低い任意の値が選定できるが、通常運転制限値で
ある振動大警報値２４を使用することが最も実際
的である。しかして、振動が警報値以下に納まつ
た時点、或は地震が納まつた時点で、自動的に通
常運転用の制限値にもどることになるとともに、
地震検知装置の誤動作を防止することが可能とな
る。

なお、前記地震検知装置２３は地震計を使用
し、或一定振幅以上の地震で地震信号を出力する
ようにしてもよいし、感震計を使用して一定強度
の地震で地震信号を得るようにしてもよい。さら
にこれらの地震検知装置２３は第１３図の如くタ
ービン発電機基礎台７のマツト１８に設置しても
よく、第１４図に示すように上記基礎台７に設置
してもよい。第１３図のようにマツト１８に設置
すれば、発生する地震の強度に関係づけられた設
定が可能であるが、第１４図のように基礎台７に
設置する場合には、振動応答倍率を考慮した設定
が必要になる。ただし、後者の場合軸受５の強度
に関連づけた設定値にできるという利点がある。

また、上記実施例においては地震計等からなる
地震検知装置を設けたものを示したが、地震発生
時においては、タービン・発電機軸系の軸方向に
配設された複数個の軸受の振動計が特に遠く離れ
たものでも同時に振動大現象を示すことから、各
軸受にそれぞれ設けられた振動計により第１５図
ａのように２つの軸受の振動が振動大警報値に達
した時、或は第１５図ｂのように３つの軸受の振
動が振動大警報値に達した時に信号が出力される
ようにし、これによつて地震発生を検知しその出
力信号を地震信号としてもよい。

ところで、比較判断装置における通常運転用振
動制限値は、前述の如くロータ系の不均合振動、
ラビング、オイルホイツプ、スチームホワール等
の内的要因に起因する振動増加に対して、蒸気タ
ービン・発電機を保護することを目的とし、通常
振動レベルからの上昇傾向をできる限り早期に発
見するために、ロータ系を支承する軸受の強度限
界よりもずつと低目に設定されるのが普通であ
る。すなわち、一般的に大振動の危険性は回転部
と静止部の接触にあり、ロータの局部加熱の結果
として生じるロータの熱曲り現象によつてその傾
向が発散性を帯びてくるため、通常運転用振動制
限値はできるだけ低く設定されている。

これに対し、地震時におけるロータ系の応答
は、第５図のような振動系が安定位置から強制外
部変位を与えられた場合に相当するが、通常の設
計によるタービン・発電機軸系の振動特性は剛性
が極めて高く、ロータ系と軸受および軸受台は一
体となつて動くことが解明されている。このよう
な場合には、振動計が地震動を検出しないように
振動計側で処置すればよいが、地震動がそのまま
ロータと軸受との相対振動として現われる場合
は、第５図で示される振動系の固有振動数が８〜
10Hzといわれる地震の卓越周波数に比較的近い場
合であり、このときロータは一時的ではあるが、
地震波と固有振動数に相当する周波数の重畳され
た波形を有し、通常運転用振動大トリツプ値を超
えるような大振動を惹き起すことになる。このよ
うな例は４極機の大容量蒸気タービン・発電機で
見られ、定格回転数が1500或は1800rpmのユニツ
トであることから、12〜15Hz近辺に固有振動数を
もつことが多く、したがつて地震の影響を大きく
受け易いことになる。

ところが、地震時の大振動は、振幅値としては
軸受間隙に匹敵するほどの大きさになることもあ
るけれども、その周波数は地震波動の周波数ある
いは系の固有振動数であることから、定格回転周
波数よりも十分低いという特徴を有する。したが
つて、この振動によつてラビングを生じたとして
も、回転同期成分を有しないためにロータの局部
加熱には結びつかず、曲りには至らない。このよ
うに地震波によつて励起される大振動は、地震動
が収束すれば収束することとなり、発散性の振動
現象に発展する恐れは殆どなく、極めて安定な性
質を有するということができる。そのため、この
場合安全運転の限界を与えるものはロータ系を支
承する軸受側の強度で与えられ、それを基準とし
て設定された振動制限値で監視すればよいことと
なる。すなわち、地震波によつて起こされる大振
動に対して前述のように低い値に設定されている
通常運転用振動制限値を適用する必要はない。

このようなことから、本発明のように振動制限
値を地震発生に応じて地震時用振動制限値に切替
えてもその安全性には何ら問題はなく、この切替
によつて地震発生と同時にタービンがトリツプす
ることを防止でき、不必要なタービントリツプの
発生をなくすことができる。

すなわち、今４極機ユニツトである大容量原子
力タービンの場合を考えると、通常運転用制限値
であるトリツプ値は25/100mmに設定されている
が、軸受強度限界からこれを定めると35/100mm或
はそれ以上の振幅値まで許容することができ、十
分余裕をもつて地震によるトリツプを避けること
が可能となる。また、万一、地震動の最中に発散
性の振動に発展することがあつたとしても、前述
の如く地震の収束に前後して地震時振動制限値が
通常運転用制限値に自動的に戻るために、その時
点で自動トリツプ装置が作動し、それ以上の振動
増大を防止することができ、機器本体に損傷を及
ぼす恐れは全く無い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明においては地震発
生時にその地震信号によつてタービン振動監視装
置における比較判断装置の振動制限値を通常運転
用の振動制限値からそれより高位の地震時振動制
限値に切替えるようにしたので、地震動による軸
振動増加に対して、不用意なトリツプ作動を防ぎ
機器の強度上の設計限界近くまで運転を継続する
ことができる。したがつて、ほんのちよつとした
地震でタービン発電機がトリツプすることがなく
なり、運転耐用性を著るしく向上させることがで
き、より一層安定した電力供給を行なうことがで
き、大電力ストツプによる混乱を未然に防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はタービンの軸系の説明図、第２図は振
動監視装置の振動計の軸受への取付構造説明図、
第３図は従来のタービン振動監視装置の概略系統
図、第４図は基礎台を含めたタービン発電機の軸
受部における縦断面図、第５図は第４図の装置の
振動系をモデル化した図、第６図は本発明の振動
監視装置の概略系統図、第７図はタービン振動監
視装置の振動制限値の説明図、第８図ａおよびｂ
はそれぞれ従来の振動監視の考え方を示すブロツ
ク図、第９図ａ、第１０図ａ、第１１図ａ、第１
２図ａはそれぞれ本発明の作動説明図、第９図
ｂ、第１０図ｂ、第１１図ｂ、第１２図ｂはそれ
ぞれ本発明の振動監視の考え方を示すブロツク
図、第１３図および第１４図はそれぞれ地震検知
装置の設置状態説明図、第１５図ａおよびｂはそ
れぞれ地震検知手段として振動計そのものを使用
する場合の考え方を示すブロツク図である。 １……高圧タービンロータ、２……低圧タービ
ンロータ、３……発電機ロータ、５……軸受、６
……振動計、７……基礎台、８……軸受台、１５
……比較判断装置、１６……警報装置、１７……
トリツプ装置、２３……地震検知装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転軸の振動を連続的に検出する振動検出装
   置と、その振動検出装置により検出された振動信
   号を予め定められた振動制限値と比較し、上記振
   動信号が振動制限値を越えた場合にユニツトを自
   動的に停止させるためのトリツプ信号を出力する
   比較判断装置と、そのトリツプ信号を入力してユ
   ニツトを自動停止させる自動トリツプ装置を有す
   るタービン振動監視装置において、地震を検知す
   る装置を設けるとともに、上記比較判断装置に、
   地震発生時に地震検知装置から出力される地震信
   号によつて、上記振動制限値を通常運転用の振動
   制限値からそれより高位の地震時振動制限値に切
   替える切替手段を設けたことを特徴とする、ター
   ビン振動監視装置。 ２ 地震検知装置は、タービン基礎地盤或いはタ
   ービン基礎台上に配置された地震計或いは感震計
   であることを特徴とする、特許請求の範囲第１項
   記載のタービン振動監視装置。 ３ 通常運転用振動制限値から地震時振動制限値
   への切替えは、振動検出装置からの振動大信号
   と、地震検知装置からの地震信号の両信号が出力
   されている時に行われることを特徴とする、特許
   請求の範囲第１項記載のタービン振動監視装置。 ４ 地震検知装置は、タービン発電機の複数の軸
   受にそれぞれ装着された振動計からなり、複数の
   振動計からの振動大信号をもつて地震信号とする
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の
   タービン振動監視装置。