JPH0549883B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はボイラ負荷制御装置に係り、特にボイ
ラ各部の発生応力を監視しつつ負荷追従性を最適
に行なうボイラ負荷制御装置に関するものであ
る。

火力発電プラントは電力需要の要請によつて中
間負荷で運転されることが多く、この中間負荷運
転に伴なつて短時間内に、起動、停止あるいは急
速負荷変化が要求される状況にある。

この要求に対処するために中間負荷運転を行な
うと、タービンプラントではタービンロータ部、
ボイラプラントでは過熱器などの耐圧部の厚肉管
に発生する応力およびこれに伴う寿命消費が問題
となる。

従来、タービンプラントにおいては、タービン
寿命を保証しつつより早い起動、停止、急速負荷
変化を行なうことを目的に、ロータ部の熱応力を
予測したタービン制御システムが開発されてい
る。

タービンのロータ部では計画時に予想される運
用パターンから寿命消費を求め、これに基づいて
運用モード毎の応力制限値を定めている。そして
実際の運用では、タービンが負荷制御モードにあ
るか、速度制御モードにあるかに分けて、任意時
間先の蒸気状態を予測して発生応力を算出し、こ
れと予め計画した応力制限値を比較しつつ、応力
制限値を越えない範囲で最大の負荷変化率、最大
の昇速率を探索する。このようにして求めた負荷
変化率をALR（Automatic Load Regulator）設
定値とし、昇速率をASR（Automatic Speed
Regulator）設定値とする制御システムが用いら
れていた。

このように従来のタービンプラントで用いられ
ていた制御システムは以下に述べるような欠点が
あつた。

タービンプラントの応力制限値は、計画運用回
数と予想運用パターンから求める寿命消費によつ
て決められるために、実際の運用パターンが計画
時のものと異なつた場合には、応力制限値が厳し
いものであつたり、あるいは緩やかなものであつ
たりすることである。

また実際の運転においては、現時点までの総寿
命消費を積算していないために、それまでの運転
実績をそれ以後の運転に反映できない。

そして、タービンロータ部の発生応力予測に
は、ロータが回転体であることからメタル温度を
直接計測できないため、蒸気状態をもとに蒸気か
らメタルへの熱伝達率を推定して温度分布計算を
行ない発生応力を予測していた。そのために発生
応力の精度向上には自ずと限度がある。

しかしながら、ボイラプラントにおいては、過
熱器などのボイラ厚肉管は高温高圧の内圧機器で
あるために、メタル内外面の温度計測が直接行な
うことができるために発生応力を計算することが
できるので、発生応力の推定精度が一段と向上で
きる。

さらに、タービンのロータ部の寿命消費におい
ては、このロータ部に発生する繰返し熱応力によ
る疲労損傷が支配的であるために、熱応力の監視
と制御が主題となつているが、ボイラプラントで
は、高温高圧の内圧機器であるために、繰返し熱
応力による疲労に加え、クリープ寿命消費の占め
る割合が大きい。このために各種のボイラ材に関
するクリープ損傷データの蓄積と、オンラインで
のクリープ損傷の評価技術の確立がボイラのオン
ライン寿命管理システムを完成するためには不可
決である。

また、火力プラント全体の寿命消費の適正化を
行なうためには、ボイラ、タービンの両プラント
のそれぞれで発生応力、寿命消費の管理を行なう
と同時に、その間の協調制御が必要であるが、従
来はその協調制御は行なわれていなかつた。

すなわち、タービンの熱応力管理システムにお
いては、運転中に熱応力が過大になると、タービ
ンの負荷変化率を減少させるが、負荷変化率を零
（負荷保持）にしてもタービンの熱応力が十分減
少しないことが、特にプラント起動時に起る。こ
のような場合には、ボイラの昇温率（燃料変化
率）を低減させることが必要であり、ボイラ、タ
ービンの協調制御が必要である。

本発明はかかる従来の欠点を解消しようとする
もので、その目的とするところは、応力制限設定
値を基に負荷制御ができるボイラ負荷制御装置を
得ようとするものである。

本発明は前述の目的を達成するため、 ボイラ耐圧部からの計測値によつて現在応力値
を予測する現在応力値算出手段と、 予め計画した応力制限設定値を出力する応力制
限値設定手段と、 前記現在応力値と応力制限設定値を比較する比
較手段とを設け、 前記現在応力値と応力制限設定値を前記比較手
段によつて比較して、その応力制限設定値を越え
ない範囲で負荷変化率を得るように制御するよう
にしたものである。

以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第１図は本発明のボイラ負荷制御装置の概略系統
図、第２図は横軸に時間、縦軸に負荷変化率を示
す特性図、第３図は横軸に時間、縦軸に応力予測
値を示した特性図で、第２図は負荷変化率の変化
による応力予測値の変化を第３図に示す。第４図
は応力監視個所であるボイラ厚肉管の縦断面図、
第５図は第４図の−線断面における温度分布
算出のための円筒モデルの拡大図、第６図はメタ
ルの板厚方向における温度分布曲線図、第７図は
横軸に許容繰返し回数を示し、縦軸に応力片振幅
を示した設計疲労線図、第８図は横軸に時間、縦
軸に主応力差を示した主応力差発生の模式図、第
９図は横軸に時間、縦軸に応力を示したボイラ運
用時の発生応力模式図、第１０図は横軸に時間、
縦軸に緩和応力値を示した応力緩和線図、第１１
図は横軸に破断時間、縦軸に緩和応力値を示した
クリープ破断線図、第１２図は横軸に応力制限
値、縦軸に寿命消費を示した特性図である。

以下、第１図を用いてボイラ負荷制御装置の概
略について説明する。

ボイラの熱応力監視点の代表例として過熱器の
高温高圧蒸気管寄せ（ヘツダ）１のノズルコーナ
部２を例に説明するが、ボイラ全体ではこのよう
な熱応力監視点を複数個所設けてもよい。

ボイラの監視箇所の熱応力を求めるため、まず
ヘツダ１の内面、外面のメタル温度計測値３，４
をメタル内面温度検出器５によりメタル内面温度
６を、メタル外面温度検出器７によりメタル外面
温度８をそれぞれ検出し、この両信号６，８を温
度分布算出器９に加え、この両信号６，８をもと
にメタル厚み方向温度分布算出値１０を算出す
る。

一方、ヘツダ１内より圧力計測値１１を圧力検
出器１２で検出し、この圧力計測値１１を圧力検
出器１２より検出した蒸気圧力信号１３を現在応
力値算出器１４に加える。

この現在応力値算出器１４ではメタル厚み方向
温度分布算出値１０をもとに求めた熱応力と、圧
力検出器１２により検出した蒸気圧力信号１３を
もとに求めた内圧力を加えた現在応力値１５を算
出する。

寿命消費算出器１６では現在応力値１５をもと
に疲労およびクリープによる寿命消費算出値１７
を算出し、応力制限値設定器１８では監視箇所
毎、運転モード毎に計画毎に決めた寿命配分から
実際の運用での寿命消費算出値１７を差し引き、
残余寿命を算出し、さらに残余寿命および残余運
転回数から今後の運用モード１回あたりの許容寿
命消費を定め、この寿命消費をもたらすと予測さ
れる発生応力をヘツダ１の応力制限設定値１９と
して設定する。

この応力制限値設定器１８での応力制限設定値
１９は起動、停止の任意回数毎に更新できる仕組
になつている。

次に現在応力値１５と応力制限設定値１９を比
較器２０で比較し、この結果現在応力値１５が応
力制限設置値１９を越えるときには、負荷ホール
ド信号発生器２１より負荷ホールド信号２２を発
生し、ボイラ負荷制御器２３に送る。

一方、現在応力値１５が応力制限設定値１９以
下の場合には、ボイラの最適な負荷変化率（燃料
変化率、圧力変化率）を決定するために予め設定
された複数の負荷変化率の中から負荷変化率設定
器２４によつてその最大のものを負荷変化率設置
値２５として設定する。

つぎに、応力予測値算出器２６では第２図に示
すように負荷変化率設定値２５で運転した場合の
Δτ₁分後の発生応力予測値２７を算出する。な
お、Δτ₁は目標予測時間設定器２８の目標予測時
間２９として与えられる。

発生応力予測値２７と応力制限値１９を比較器
３０で比較し、発生応力予測値２７が応力制限値
１９以下であれば設定した負荷変化率設定値２５
が発生応力からみた最終負荷変化率３１として決
定される。しかし発生応力予測値２７を算出して
いく段階で発生応力予測値２７が応力制限値１９
を越えるならば負荷変化率設定器２４で一段階下
げた負荷変化率設定値２５を選定し、再度発生応
力予測値２７を算出して、前述と同様に、負荷変
化率設定器２４、負荷変化率設定値２５、応力予
測値算出器２６、発生応力予測値２７、比較器３
０のステツプを繰返す。

このように決められた最終負荷変化率３１とタ
ービン熱応力監視装置３２のタービン負荷変化率
制限設定値３３とを比較器３４で比較し、両者の
うち小さい方の値を最終負荷変化率３５として最
適負荷変化率設定器３６に設定し、その最適負荷
変化率設定値３７をボイラ負荷制御器２３へ送
る。

このように、第２図に示す所望の周期Δτ₂（＜
Δτ₁）間隔で繰返されるので、常時、発生応力を
監視しながら最適負荷変化率を決定することがで
きるのである。

次に、第２図および第３図を用いて、ボイラの
負荷変化率を決定する例について説明する。

第２図において負荷変化率Ａで現時点T₁まで
ボイラの運転を行つており、Δτ₁後の時刻T₂まで
同じ負荷変化率Ｂで運転したと仮定すれば応力予
測値は第３図の曲線Ｄとなり、時刻T₂では応力
制限値１９を越えることになる。

この場合、前述した如く第１図の負荷変化率設
定器２４で一段階下げた負荷変化率設定値２５を
選定して比較器３０までのステツプを繰り返すこ
とにより応力予測曲線が例えば第３図の曲線Ｅで
示すようなボイラ負荷変化率Ｃを決定するのであ
る。

一方、最近では、タービンプラントにも熱応力
監視制御装置３２が設置されるようになつてお
り、このタービン熱応力監視装置３２は、本来タ
ービン各部の熱応力が許容値以内になるようにタ
ービンの負荷変化率（蒸気量変化率）を制御する
ものであるが、特にボイラの起動時（昇温過程）
では、タービン負荷上昇率を零（負荷保持）にし
ても、蒸気温度上昇率を下げなければタービン熱
応力を許容値以下にできない場合がある。このよ
うなときには第１図に示すようにタービン熱応力
監視装置３２からタービン負荷変化率制限設定値
３３が送られてくる。このタービン負荷変化率制
限設定値３３が前述の負荷変化率Ｃ以下であれば
タービン負荷変化率設定値３３が最適ボイラ負荷
変化率として決定され、ボイラとタービンの協調
のとれた負荷制御が可能となる。

第４図はボイラのヘツダ１の拡大断面を示し、
ヘツダ１の応力集中部であるノズルコーナ部２に
注目し、発生応力および寿命消費を監視する。

このノズルコーナ部２の発生応力は、ヘツダ１
の円筒部の発生応力に、応力集中係数を乗じて求
めることができる。

円筒部熱応力は、円筒部の厚み方向温度分布よ
り求めるが、その温度分布は、円筒部の熱伝導方
式(1)式 １／ααT／αt＝α²T／αr²＋１／ααT／αr ……(1) α：メタル温度伝導度 Ｔ：メタル温度 ｔ：時間 ｒ：円筒中心からの距離 を、第５図に示す同心円筒にＮ等分に分割して接
点を等間隔にとり、差分化して解く。差分式は、
(2)式 １／αT_i,j+1−T_i,j／δt＝１／２｛T_i+1,j+1
−2T_i,j+1＋T_i-1,j+1／（δr）² ＋T_i+1,j−2T_i,j＋T_i-1,j／（δr）²｝＋１／2r｛T_i+1,
j+1−T_i-1,j+1／2δr＋T_i+1,j−T_i-1,j／2δr｝……(2)
ｉ：節点パラメータ ｊ：時間パラメータ で表わされ、（Ｎ−１）個の未知数T_N,j+1（Ｎ＝
１、２、……、ｎ−１）に対し、（Ｎ−１）個の
式が得られ、境界値T_p、_j+1、T_o,j+1は、メタル内
面および外面温度の現在計測値３，４であり、そ
れぞれのメタル内面温度信号６およびメタル外面
温度信号８により与えられる。

従つてメタル内部の厚み方向温度分布算出値１
０すなわちT_N,j+1（Ｎ＝１〜ｎ−１）を(2)式によ
り求めることができる。

その温度分布算出値１０の一例を第６図に示
す。ここで、３軸方向の熱応力、つまり半径方向
熱応力σrt、周方向熱応力σθt、軸方向熱応力σzt
はそれぞれ次式により求めることができる。

σ_rt＝Eα′／１−ν｛１／b²−a²（１−a²
／r²）∫^b _aTrdr−１／r²∫^bTrdr……(3) σ〓_t＝Eα′／１−ν｛１／b²−a²（１＋a²
／r²）∫^b _aTrdr＋１／r²∫^b _aTrdr−Ｔ｝……(4) σ_zt＝Eα′／１−ν｛２／b²−a²∫^b _aTrdr−Ｔ｝……(
5) ここで、 σ_rt：半径方向熱応力 Ｅ：ヤング率 σ〓_t：周方向熱応力 α′：線膨張率 σ_zt：軸方向熱応力 ν：ポアソン比 つぎに、内圧による３方向応力は(6)(7)(8)式によ
り得られる。

σ_rp＝−ｐ ……(6) σ〓_p＝Ｐ・D_i／2t＋ｐ／２ ……(7) σ_zp＝Ｐ・D_i／2t＋ｐ／２ ……(8) ここで、 σ_rp：半径方向内圧応力、 Ｐ：内圧 σ〓_p：周方向内圧応力 D_i：内径 σ_zp：軸方向内圧応力 ｔ：板厚 以上(3)〜(8)式は円筒一般部に発生する応力であ
り、ノズル等応力集中部に発生する応力は一般部
に発生する応力に応力集中係数を乗じて求める。
したがつて、ノズルコーナ部２に発生する現在応
力値１５の３方向応力は(9)〜〓で得られる。

σ_r＝K_rt・σ_rt＋K_rp・σ_rp ……(9) σ〓＝K〓_t・σ〓_t＋K〓_p・σ〓_p ……(10) σ_z＝K_zt・σ_zt＋K_zp・σ_zp ……〓 ここで、 K_rt：半径方向熱応力集中係数 K〓_t：周方向熱応力集中係数 K_zt：軸方向熱応力集中係数 K_rp：半径方向内圧応力集中係数 K〓_p：周方向内圧応力集中係数 K_zp：軸方向内圧応力集中係数 σ_r：半径方向合計応力 σ〓：周方向合計応力 σ_z：軸方向合計応力 つぎに寿命消費算出器１６では、現在応力値１
５をもとに疲労寿命消費およびクリープ寿命消費
を求める。

まず疲労寿命消費は、(9)〜〓式に基づき主応力
差を〓〜〓式より求める。

S₁＝σθ−σ_z ……〓 S₂＝σ_z−σ_r ……〓 S₃＝σ_r−σ〓 ……〓 つぎに３つの主応力差について応力振幅を求
め、第７図に示す設計疲労線図より疲労寿命消費
を計算する。第８図は、主応力差S₁の変動を示
し、応力振幅Z〓₁Z〓₂が求められる。S₂、S₃につい
ても同様にZ〓₁、Z〓₂……、Z〓₁、Z〓₂が求められる。

すなわち S₁につきZ〓₁、Z〓₂（Z〓₁＞Z〓₂） S₂につきZ〓₁、Z〓₂…（Z〓₁＞Z〓₂＞…） S₃につきZ〓₁、Z〓₂…（Z〓₁＞Z〓₂＞…） となり、応力片振幅H₁、H₂、……は(15)(16)式で得
る。

H₁＝max｛Z〓₁、Z〓₁、Z〓₁｝÷２ ……(15) H₂＝max｛Z〓₂、Z〓₂、Z〓₂｝÷２ ……(16) 応力片振幅H₁、H₂……および第７図設計疲労
線図から許容繰返回数N₁、N₂……を得られ、疲
労寿命消費φ_fは(17)式で求められる。

φ_f＝１／N₁−１／N₂＋… ……(17) 一方、クリープ寿命消費は、以下の手順で求め
る。第９図に、発生応力の模式図を示す。コール
ドスタート及びホツトスタート時熱応力の変動に
より発生応力は圧縮応力側に変動した後、定常運
転に入るに従い熱応力が小さくなり内圧応力によ
る引張り応力が主体となる。初期応力σ_iに達した
応力は時間経過とともに緩和してゆきσ(t)のよう
に変動する。そこで、時間をΔtに分割し、各区
間における緩和応力値σ(t)を第１０図に示す応力
緩和線図より求める。つぎに第１１図に示すクリ
ープ破断線図より緩和応力値σ(t)に対応する破断
時間t_r（σ(t)）を求める。

時間Δtの間のクリープ寿命消費はΔt／t_rで得ら
れ、１回の起動停止間でのクリープ寿命消費φ_cは
(14)式で求められる。

φ_C＝〓_T 〓^t=0 Δt／t_r ……(18) そして、寿命消費算出値２５は、一般に用いら
れている線形則式を用いて(19)式で求める。

φ＝φ_f＋φ_c ……(19) ここに、寿命消費算出は、起動停止間を１サイ
クルとして行ない積算を行なう。

応力制限値設定器１８では、計画時運用モード
毎の運用回数N^O _C（コールドスタート回数）、N^O _W
（ウオームスタート回数）、N^O _H（ホツトスタート回
数）とし、それに対応した寿命配分をφ^O _C、φ^O _W、
φ^O _Hとすると、計画時の各モード１回当りの許容
できる寿命消費は、それぞれ φ^O／_C／N^O／_C、φ^O／_W／N^O／_W、φ^O／_H／N^O／_H として与えられ、現在までの各モード毎の運用回
数をNⁱ _C、Nⁱ _W、Nⁱ _H、各モード毎の寿命消費合計を
φⁱ _tC、φⁱ _tW、φⁱ _tHとすると、今後の各モードの１回
の起動停止当りの許容寿命消費はそれぞれ（21）、
（22）、（23）式で得られる。

φⁱ _C＝φ^O／_C−φⁱ／_tC／N^O／_C−N^o／_c ……（21） φⁱ _w＝φ^o／_w−φⁱ／_tW／N^O／_W−Nⁱ／_w ……（22） φⁱ _H＝φ^O／_H φⁱ／_tH／N^O／_H Nⁱ／_H ……（23） つぎに、第１２図に示す応力制限値−寿命消費
線図より、許容寿命消費に対応する応力を応力制
限値１９とする。

また、第１図に示す実施例では現在応力値１５
の推定計算法として管内外面メタル温度計測値
３，４より求める方法を示しているが応用例とし
て、応力監視箇所に直接歪ゲージを取り付け発生
応力を直接計測する方法を採用しても同等の効果
を得ることができる。

以上述べたように本発明のボイラ負荷制御装置
によると、プラント運用に伴なう寿命消費を計画
的に行ない、予定した寿命を有効に使うことがで
きる。すなわち、予定した期間を信頼性、安全性
高く運転することが可能になり、経済性向上にも
つながる。さらに応力値をもとに負荷制御を行な
うために、応力制限のために過剰なマージンを見
込んだ緩やかな負荷制御を行なわなくてもよく負
荷追従性も良くなる。

新たに、本発明のようボイラ負荷制御を行なう
場合、ボイラが既設のものであつても、応力監視
箇所にメタルサーモカツプルなどを設置すればよ
く経済的である。

本発明は前述のような構成になつており、応力
制限設定値を基に負荷制御を行なうことができ、
負荷追従性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のボイラ負荷制御装置の概略系
統図、第２図は横軸に時間、縦軸に負荷変化率を
示す特性図、第３図は横軸に時間、縦軸に応力予
測値を示した特性図、第４図は応力監視個所であ
るボイラ厚肉管（ヘツダ）の縦断面図、第５図は
第４図の−線断面における温度分布算出のた
めの円筒モデルの拡大図、第６図はメタルの板厚
方向における温度分布曲線図、第７図は横軸に許
容繰返し回数を示し、縦軸に応力片振幅を示した
設計疲労線図、第８図は横軸に時間、縦軸に主応
力差を示した主応力差発生の模式図、第９図は横
軸に時間、縦軸に応力を示したボイラ運用時の発
生応力模式図、第１０図は横軸に時間、縦軸に緩
和応力値を示した応力緩和線図、第１１図は横軸
に破断時間、縦軸に緩和応力値を示したクリープ
破断線図、第１２図は横軸に応力制限値、縦軸に
寿命消費を示した特性図である。 １……ヘツダ、２……ノズルコーナ部、３，４
……温度計測値、１１……圧力計測値、１４……
現在応力値算出器、１５……現在応力値、１８…
…応力制限値設定器、１９……応力制限値、２０
……比較器、３５……最適負荷変化率。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ボイラ耐圧部からの計測値によつて現在応力
   値を予測する現在応力値算出手段と、 予め計画した応力制限設定値を出力する応力制
   限値設定手段と、 前記現在応力値と応力制限設定値を比較する比
   較手段とを設け、 前記現在応力値と応力制限設定値を前記比較手
   段によつて比較して、その応力制限設定値を越え
   ていない範囲でボイラ負荷変化率を得るように制
   御することを特徴とするボイラ負荷制御装置。