JPH0471122B2

JPH0471122B2 -

Info

Publication number: JPH0471122B2
Application number: JP5256383A
Authority: JP
Inventors: Hisanori Myagaki; Toshihiko Azuma; Akio Kajita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-03-30
Filing date: 1983-03-30
Publication date: 1992-11-12
Also published as: JPS59180203A

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕本発明は、ボイラの応力監視方法に係る。特に
頻繁な起動停止や負荷変化運用が要求される中間
負荷運用のボイラプラントの応力監視および寿命
管理に好適なボイラ応力監視方法に関する。〔発明の背景〕ボイラの運転に際しては、起動停止及び負荷変
化時に２次過熱器出口ヘツド管寄などの厚肉耐圧
部の特にノズルコーナ部には、内部流体の温度と
メタル温度との差に基づき熱応力が発生し、この
為疲労寿命が消費される。また定格運転中には、
内部流体の圧力による内圧応力に起因するクリー
ブ破断寿命が問題となる。従つて、ボイラの寿命
を適切に管理するためには、短期的には、運転中
の熱応力を周期的に把握できると共に、長期的に
は過去の運転を通しての累積寿命消費を何時でも
要求時点において把握できることが不可欠であ
る。特に、要求は急速かつ頻繁なプラント起動停
止と大幅かつ急激な負荷変化運用が課せられてい
る中間負荷運用ボイラプラントでは、切実であ
る。従来は、ボイラ運転中に熱応力を短周期で把握
監視する方法はなく、寿命管理に関して第１図に
示すように、内部流体温度変化率と変化幅をパラ
メータとして、ある代表的な運転パターンについ
て静的な寿命消費線図を予め作成しておきこれに
基づいて寿命消費量を積算管理する方法が用いら
れている。しかし、従来の方法によれば本線図を
作成した時の運転条件（例えば、流体の流量、圧
力など）と適用時の条件が異なる場合にはメタル
温度への伝熱が異なるなどにより誤差が生ずる。
これをなくするため、種々の流量、圧力をパラメ
ータとして何種も線図を設けるという考え方もあ
るが、多様な運転条件が考えられるため現実的に
は実現不可能である。従つて、該寿命消費線図に
基づいて１回の起動に対する寿命消費量を規定
し、これに対応した流体温度変化率を決めても運
転条件が寿命消費線図の条件と異なると寿命消費
の上から極端に安全側のこともあるし、極端に危
険サイドになることもあり得る。上述のように従来の方法によれば、一回の起動
に許される寿命消費を効果的に使つた急速起動や
許容応力を忠実に守つた大幅かつ急速な負荷運用
を実現することは困難であつた。〔発明の目的〕本発明の目的は、熱応力を運転中に迅速かつ高
精度で推定し、これに基づいて寿命消費量を求め
るとともにボイラプラントの最適な運用を可能と
する信頼性の高いボイラ応力監視方法を提供する
にある。〔発明の概要〕検出器故障に起因するシステムダウンによる信
頼性の低下を防ぐためには、出来るだけ少ない検
出信号によつて熱応力を計算できることが望まし
い。また、応力監視点におけるプラント機器の状
態やプロセス量の特性に応じた精度の高い熱応力
計算が望まれる。これらの点を鑑みて、本発明の
一態様においては、(1)厚肉耐圧部メタル内の温度
分布を該厚肉耐圧部メタル外面に取りつけた温度
検出器信号と内部流体とメタルとの境界面の熱伝
達率とこれに基づく熱収支とに基づいて計算する
方式を主とするが、(2)プラント負荷ランピング以
前またはその直後の運転条件下においては、内部
流体が厚肉耐圧部を流れ始めたばかりであり内部
流体の状態が未だ不安定であるので、該厚肉耐圧
部メタルの内面近傍に取り付けた温度検出器信号
と外面取り付けの上記温度検出器信号に基づいて
前記温度分布を計算することを特徴とする。ま
た、(3)プラント負荷ランピング許可条件が成立
し、ランピング開始した後の主蒸気流量の多い領
域では、前述(2)の方法で計算した最終の温度分布
を初期値として、前述(1)の熱伝達率計算による方
法に計算方式を切り替えること、(4)上記２つの計
算方式それぞれに必要な検出器信号を診断し、検
出器信号が異常の場合には、検出器が正常な方の
計算方式に切替えてメタル温度分布計算を続行す
ることを特徴とする。〔発明の実施例〕以下、本発明を具体的な実施例に基づき更に詳
細に説明する。第２図は、本発明の実施例であり、デイジタル
計算機を用いたボイラ応力監視装置１００とボイ
ラプラントからの関連入力信号との関係を示した
ものである。この第２図において、ボイラ応力監視装置１０
０は、デイジタル計算機１０１、警報表示器１０
２、CRT表示装置１０３、タイプライタ１０４、
およびハードコピー装置１０５より構成される。
デイジタル計算機１０１は、主蒸気圧力Ｐ、主蒸
気流量Ｇ、主蒸気温度T_f、および２次過熱器出
口ヘツダ管寄２０５の内面メタル温度T_Mi、外面
メタル温度T_Meを基に、１次過熱器出口蒸気温度
T_S、１次過熱器バイパス弁開度BV₁、２次過熱
器バイパス弁開度BV₂の信号状態を計算の条件と
して該２次過熱器出口ヘツダ管寄２０５のノズル
コーナNcの熱応力と寿命消費量を所定の周期で
計算し、熱応力については、警報表示器１０２に
警報時にその旨を表示し、CRT表示装置１０３
に関連情報を表示する一方、タイプライタ１０４
にそれを印字する。また、CRT表示装置１０３
には、熱応力計算値のトレンドグラフ表示や数値
表示、起動停止１回当りの寿命消費量データや累
積寿命消費量データを表示し、タイプライタ１０
４には、上記トレンド表示以外のデータをそれぞ
れオペレータの要求に応じて表示及び印字する。
CRT表示装置１０３に表示されたトレンドグラ
フ表示などの情報は、ハードコピー装置１０５に
よつて要求に応じて記録できる。つぎに、第２図におけるボイラプラント部につ
いて説明する。図は、UPタイプの貫流ボイラの
関連部分を示したもので、バーナ２０７の点火後
定格負荷に達するまでの運転モードは、起動バイ
パス運転と貫流運転の２つに分れる。両運転モー
ドの関係を第３図に示す。以下、第２図と第３図
を用いて運転について説明する。まず、起動バイ
パス運転は、第３図に示すように軽油バーナ点火
からタービン蒸気加減弁を開き始める以前の運転
をさす。第２図において給水は、ボイラ２００の
節炭器２０１によつて予熱され、水壁２０２で加
熱される。そして、加熱流体は、１次過熱器バイ
パス弁１からおよび１次過熱器２０３を通つて２
次過熱器バイパス弁２からそれぞれフラツシユタ
ンク２０６へ導びかれ、蒸気は、フラツシユタン
ク発生蒸気通気弁５を通つて２次過熱器２０４へ
通気される。制御としては第３図に示すように１
次過熱器の入口流体温度を燃料の調節によつて、
予め決めた変化率で昇温し、所定の温度（図では
320℃）まで制御する。この運転モードでは、タ
ービン蒸気加減弁は閉じているので２次過熱器出
口ヘツダ管寄２０５には蒸気は流れないが温度は
上昇して行く。つぎに、貫流運転は、過熱器減圧弁前弁３と過
熱器減圧弁４を開けて、２次過熱器２０４に蒸気
を流し、昇圧を行いタービン蒸気加減弁３０１の
開度調節によつてタービンの昇速を行う。タービ
ンが定格回転数に達すると発電機の併入を行い、
１次過熱機入口流体温度制御から主蒸気温度制御
に移行する。そして初負荷を保持した状態で軽、
重油バーナの切替を行い負荷ランピングの条件が
整うよう燃料を調節する。負荷ランピングの条件
が成立すると１次過熱器バイパス弁１、２次過熱
器バイパス弁２およびフラツシユタンク蒸気通気
弁５を閉じ、タービン蒸気加減弁３０１と主蒸気
温度制御により負荷ランピングを行い主蒸気圧力
Ｐ、温度T_fを定格値まで上昇させる。以上説明したように、２次過熱器出口ヘツダ管
寄２０５の内部流体はタービン昇速開始時点から
流れ始め負荷ランピング開始条件成立で始めて安
定となり、それ以前は、不安定である。従つて軽
油バーナ点火からタービン昇速までの過程を含め
てランピング開始までは、内部流体の状態から該
２次過熱器２０４の出口ヘツダ管寄２０５のメタ
ル温度分布を推定することは精度上問題がある。
負荷ランピング開始条件成立後は、この問題はな
くなる。第４図は、ボイラ応力監視装置１００の処理を
ブロツクで表わしたものである。本図を用いて、
その動作を説明する。まず、第１メタル温度計算
部１０は、メタル内面温度検出器信号T_Mi及びメ
タル外面温度検出器信号T_Mpを境界条件とし、初
めて計算を実行する場合初期温度分布をメタル外
面温度T_Mpに等しいと置く初期化部２１の出力
を、すでに記憶部２０に温度分布計算結果が蓄え
られている場合はそれを入力パラメータとしてメ
タル温度分布を計算し、切替部１３を介して、メ
タル温度の計算結果を記憶部２０に蓄える。つぎ
にこのメタル温度分布に基づいて、熱応力計算部
１５で熱応力を計算する。寿命計算部１６では、
この熱応力と内部流体圧力に基づいて内圧応力計
算部２２で計算した内圧応力に基づいて寿命計算
を行う。次に、第２メタル温度計算部１１は、メ
タル外面温度検出器信号T_Mpと内部流体の温度
T_f、圧力Ｐ、流量Ｇに基づいて熱伝達率計算部
１２で計算した熱伝達率を用いたメタルと流体間
の熱収支の関係と前述のように初期化部２１また
は、記憶部２０による温度分布をもとにメタル温
度分布を計算し、切替部１３を介して記憶部２０
にその計算結果を蓄える。以下の計算は、前述通
りである。第１メタル温度計算部１０は、軽油バーナ点火
から負荷ランピング開始までの間で使用され、１
次過熱器出口温度T_S、合計燃料流量FF、１次過
熱器バイパス弁開度BV₁、２次過熱器バイパス弁
開度BV₂の各々を負荷ランピング許可条件判定部
１４でチエツクする。ここで条件成立していれば
第２メタル温度計算部１１へ切替えられる。この
時初期温度分布としては、記憶部２０の値が設定
される。なお、特殊な場合として診断回路２４、
または２５でいずれかの検出器の異常が検出され
た時には、切替部１３に切替指令を出しもう一方
のメタル温度計算部に計算を切替えるようにす
る。なお、警報処理部１７は、警報設定部２２の設
定値と計算値を比較し、警報表示器１０２に警報
表示を行う。CRT表示処理部１８は、熱応力計
算結果や関連データや寿命計算結果のCRT表示
装置１０３への表示処理を行う。タイプライタ１
９は、警報発生時のデータやオペレータから要求
があつた時に熱応力や寿命消費データを印字す
る。つぎに、第１メタル温度計算部１０におけるメ
タル温度分布計算の方法について説明する。２次過熱器出口ヘツド管寄２０５を第５図に示
すように無限円筒とみなし、軸方向への温度分布
は生じないものとして、メタル内の温度分布を次
式で表現する。１／α ∂T／∂t＝∂²T／∂r²＋１／ｒ ∂T／
∂r…… Ｔ（ａ、ｔ）＝T_Mi(t) …… Ｔ（ｂ、ｔ）＝T_Mp(t) …… 但し、 α：熱拡散率Ｔ：中心より半径ｒ、時刻ｔのメタル温度 T_Mi：メタル内面（ｒ＝ａ）の時刻ｔのメタル温
度計測値 T_Mp：メタル外面（ｒ＝ｂ）の時刻ｔのメタル温
度計測値式〜をデイジタル計算機で計算するため、
第６図に示すようにメタルを半径方向にＮ分割
し、各分割点のメタル温度T_i(j)を求めるように、
分割単位長さをΔr、温度分布の計算周期をΔtと
して差分形式に変換する。この変換の様子を第７図に示す。第７図におい
て、７０は、メタル内面近傍の温度T_Mi(j)〜メタ
ル外面の温度T_Mp(j)までのデータを記憶している
テーブルである。なお、(j)は、時刻ｊにおけるデ
ータであることを示す。７１は、このデータを入
力し、差分形式に変換する変換部である。７２
は、変換部７１の変換結果を記憶するテーブルで
ある。７０には、T_Mi(j)、T₁(j)、T₂(j)、…T_k-2(j)、
T_k-1(j)、T_k(j)、T_k+1(j)、…T_N-1(j)、T_Np(j)のデ
ータが記憶される。ここで、T_Mi(j)はメタル内面
近傍の時刻ｊの温度、T_Mp(j)はメタル外面の時刻
ｊの温度、T_i(j)はメタルの分割点ｉ（ｉ＝１、２、
…ｋ−２、ｋ−１、ｋ、Ｋ＋１、…Ｎ−１）の時
刻ｊにおける温度を示す。この７０のデータは、
変換部７１にて差分形式に変換される。すなわ
ち、 T₀（ｊ＋１）＝T_Mi(j) BT₀（ｊ＋１）−AT₁（ｊ＋１）＋T₂（ｊ＋１）＝−BT₀(j)＋CT₁(j)−T₂(j) 〓 BT_k-1（ｊ＋１）−AT_k（ｊ＋１）＋T_k+1（ｊ＋１）＝−BT_k-1(j)＋CT_k(j)−T_k+1(j) 〓 −Ｂ／ＡT_N-2（ｊ−１）＋T_N-1（ｊ＋１）−１／ＡT_N（
ｊ＋１）＝Ｂ／ＡT_N-2(j)−Ｃ／ＡT_N-1(j)＋１／ＡT_N(j
) となる。ただし、Ａ＝｛１／（Δr）²＋１／αΔt｝／１／2Δr（１／
Δr＋１／2r）Ｂ＝１／2Δr＋（１／Δr−１／2r）／１／2Δr（１
／Δr＋１／2r）Ｃ＝｛１／（Δr）²−１／αΔt｝／１／2Δr（１／
Δr＋１／2r） T_Mi(j)：メタル内面近傍の時刻ｊの温度 T_Mp(j)：メタル外面の時刻ｊの温度 T_i(j)：メタルの分割点ｉの時刻ｊの温度 Δt：サンプリング周期 α：熱拡散率 Δr：メタルの半径方向分割単位長さｒ：円筒中心からの距離この変換の結果は、テーブル７２として記憶さ
れる。つぎに、第２メタル温度計算部１１におけるメ
タル温度分布計算の方法を熱伝達率計算部１２と
合せて説明する。この部分では、メタル内の温度
分布を次式で表現する。１／α ∂T／∂r＝∂²T／∂r²＋１／ｒ ∂T／∂r……
−λ・∂T／∂r｜_rna＝ｈ（T_f−T₀） …… Ｔ（ｂ、ｔ）＝T_Mp(t) …… 但し、 λ：メタル熱伝導率ｈ：熱伝達率 T_f：内部流体温度＝T_f(t) T₀：メタル内面メタル温度計算値式〜を第１メタル温度計算部１０における
と同様にして差分形式に変換すると第８図に示す
ようになる。第８図において、８０は変換前のデ
ータを記憶するテーブルであり、８１は差分形式
に変換する変換部である。８２は変換後のデータ
を記憶するテーブルである。８０に記憶されたデ
ータは、変換部８１で次のように変換される。す
なわち、 −Ｂ・Ｄ／Ａ＋Ｂ・ＤTf（ｊ＋１）＋T₀（ｊ＋
１）−１＋Ｂ／Ａ＋Ｂ・ＤT₁（ｊ＋１）＝Ｂ・Ｄ／Ａ＋Ｂ・ＤT_f(j)−Ｃ＋Ｂ・Ｄ／Ａ
＋Ｂ・ＤT₀(j)＋１＋Ｂ／Ａ＋Ｂ・ＤT₁(j) Ｂ・T₀（ｊ＋１）−Ａ・T₁（ｊ＋１）＋T₂（ｊ＋１）＝−BT₀(j)＋Ｃ・T₁(j)−T₂(j) 〓Ｂ・T_k-1（ｊ＋１）−AT_k（ｊ＋１）＋T_k+1（ｊ＋
１）＝−BT_k-1(j)＋Ｃ・T_k(j)−T_k+1(j) Ｂ・T_k（ｊ＋１）−Ａ・T_k+1（ｊ＋１）＋T_k+2（ｊ＋
１）＝−Ｂ・T_k(j)＋Ｃ・T_k+1(j)−T_k+2(j) 〓 −Ｂ／ＡT_N-2（ｊ＋１）＋T_N-1（ｊ＋１）−１／ＡT_Mp
（ｊ＋１）＝Ｂ／ＡT_N-2(j)−Ｃ／ＡT_N-1(j)＋１／ＡT_M
p(j) なお、ここで、Ａ＝｛１／（Δr）²＋１／α′Δt｝／１／Δr（１／
Δr＋１／2r）Ｂ＝１／2Δr＋（１／Δr−１／2r）／１／2Δr（１
／Δr＋１／2r）Ｃ＝｛１／（Δr）²−１／α′Δt｝／１／2Δr（１
／Δr＋１／2r）Ｄ＝2hδr／λ T_f(j)：内部流体の時刻ｊの温度 T_i(j)：メタルの分割点ｉの時刻ｊの温度 T_M(j)：メタル外面の時刻ｊの温度 α′：熱拡散率 λ：熱伝導率ｈ：熱伝達率 Δr：メタルの円筒分割単位長さｒ：円筒中心からの距離つぎに、熱伝達率ｈは、次式に基づいて計算す
る。ｗ＝Ｇ・ｖ／Ｓ …… Ｓ＝π／４a² …… R_p＝ｗ・2a／ν …… ｈ＝0.023・R_p ^0.8・P_r ^0.4・Ｋ／2a …… ここでｗ：蒸気流速Ｇ：内部流体流量ｖ：比容積（温度T_fと圧力Ｐの関数）Ｓ：流路断面積 R_p：レイノズル数 ν：動粘性係数（温度T_fと圧力Ｐの関数）Ｋ：熱伝導率（温度T_fと圧力Ｐの関数） P_r：プラントル数（温度T_fと圧力Ｐの関数）ａ：内半径つぎに熱応力計算部１５における熱応力計算法について説明する。円筒中心より半径ｒの点の時刻ｔにおける熱応
力を極座標表示による次式を用いて半径方向熱応
力σ_r（ｒ、ｔ）、周方向熱応力σ〓（ｒ、ｔ）軸方向
熱応力σ_z（ｒ、ｔ）とすると、これらを次式によ
り計算する。 σ_r（ｒ、ｔ）＝Eα′／１−ν｛１／b²a²（１−a²／r²）∫^b _aＴ（ｒ、ｔ）rdr−１／r²∫^r _aＴ（ｒ、ｔ）rdr｝
…… σ〓（ｒ、ｔ）＝Eα′／１−ν｛１／b²a²（１＋a²／r
²）∫^b _aＴ（ｒ、ｔ）rdr−１／r²∫^r _aＴ（ｒ、ｔ）rdr
−Ｔ（ｒ、ｔ）｝…… σ_z（ｒ、ｔ）＝Eα′／１−ν｛２／b²a²∫^b _aＴ（ｒ、
ｔ）rdr−Ｔ（ｒ、ｔ）｝…… ただし、Ｅ：ヤング率 α′：線膨張率 ν：ポアソン比（＝一定）ヤング率Ｅと線膨張率α′は、メタル温度分布計
算値に基づいてメタル体積平均温度を求め、これ
をパラメータとして予め記憶された定数テーブル
より選びだす。熱応力が最も厳しいのは、メタル内面すなわち
ｒ＝ａ（第６図では、分割点０に相当する。）の点
であり、上記式において、ｒ＝ａと置いた次式よ
り計算する。 σ_r（ａ、ｔ）＝０ …… σ〓（ａ、ｔ）＝Eα′／１−ν＝｛２／b²a²∫^b _aＴ（
ｒ、ｔ）rdr−Ｔ（ａ、ｔ）｝…… σ_z（ａ、ｔ）＝Eα′／１−ν｛２／b²a²∫^b _aＴ（ｒ、
ｔ）rdr−Ｔ（ａ、ｔ）｝…… ここでσ_r（ａ、ｒ）＝０、σ〓（ａ、ｔ）＝σ_z（ａ
、
ｔ）の関係が成り立つのでメタル円筒内一般部の
熱応力は、σ〓（ａ、ｔ）を代表値として評価する。次表に、負荷ランピング開始の許可条件例を示
す。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ボイラプラントの多様かつ広
範囲の運転モード及び条件に対応して、熱応力、
内圧応力およびこれらに基づく寿命消費量を運転
中に迅速かつ高精度で推定することが可能とな
る。ボイラプラントの安全を確保しつつ大幅かつ
急速な負荷運用を可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の寿命管理方法の説明図、第２
図は、本発明の実施例、第３図は、運転モード切
替条件の説明図、第４図は、本発明の処理方法の
説明図、第５図、第６図、第７図、第８図は、メ
タル温度分布計算方法の説明図を示す。１００……ボイラ応力監視装置、１０１……デ
イジタル計算機、１０２……警報表示器、１０３
……LRT表示装置、１０４……タイプライタ、
１０５……ハードコピー、２００……ボイラ、２
０１……節炭器、２０２……水壁、２０３……１
次過熱器、２０４……２次過熱器、２０５……２
次過熱器出口ヘツダ管寄、２０６……フラツシユ
タンク、２０７……バーナ、３００……タービ
ン、３０１……タービン蒸気加減弁、４００……
復水器、１……１次過熱器バイパス弁、２……２
次過熱器バイパス弁、３……過熱器減圧弁前弁、
４……過熱器減圧弁、５……フラツシユタンク発
生蒸気通気弁、６……過熱器止弁、７……フラツ
シユタンク蒸気ダンプ弁、Ｐ……主蒸気圧力、
FF……全燃料量、Ｇ……主蒸気流量、T_f……主
蒸気温度、T_S……１次過熱器出口蒸気温度、T_Mi
……２次過熱器出口ヘツダ管寄内面メタル温度、
T_Mp……２次過熱器出口ヘツダ管寄外面メタル温
度、BV₁……１次過熱器バイパス弁開度、BV₂…
…２次過熱器バイパス弁開度、Nc……ノズルコ
ーナ部。

Claims

【特許請求の範囲】１ボイラプラントの厚肉耐圧部の熱応力をボイ
ラプラント運転中に計算するボイラ応力監視方法
において、熱応力計算に必要な該耐圧部のメタル
温度分布を、プラント起動開始から主蒸気流量の
少ない負荷ランピング条件成立以前またはその直
後は該耐圧部メタル内面と外面に取付けた温度検
出器信号に基づいて、推定計算するようにしたこ
とを特徴とするボイラ応力監視方法。２ボイラプラントの厚肉耐圧部の熱応力をボイ
ラプラント運転中に計算するボイラ応力監視方法
において、熱応力計算に必要な該耐圧部のメタル
温度分布をプラント起動開始から主蒸気流量の少
ない負荷ランピング条件成立以前または、その直
後は該耐圧部メタル内面と外面に取付けた温度検
出器信号に基づいて、推定計算し、負荷ランピン
グ開始以後主蒸気流量の多い領域では、上記耐圧
部メタル外面に取付けた温度検出器信号と、該耐
圧部内部流体とメタル内面との境界面の熱伝達率
とこれに基づく熱収支とに基づいて、推定計算す
るようにしたことを特徴とするボイラ応力監視方
法。３特許請求の範囲第２項記載のボイラ応力監視
方法において、メタル温度分布計算に必要な前記
検出器信号を診断し、検出信号が異常の場合に
は、検出器が正常な方のメタル温度分布計算モデ
ルに切替えてメタル温度分布計算を続行すること
を特徴とするボイラ応力監視方法。