JPH07167404A - 変圧運転ボイラ応力監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】変圧運転ボイラにおいて汽水分離器耐圧部の応
力に関連する情報をボイラ運転中にオンラインにて監視
すること。 【構成】変圧運転ボイラにおける通気中の汽水分離器に
印加される応力を求める手段と，前記応力に関連する情
報を前記変圧運転ボイラの運転中に表示出力する手段
（１０２）と，前記応力から該汽水分離器の寿命消費を
求める手段と，前記変圧運転ボイラの運転における前記
寿命消費を積算して累積寿命消費を求める手段とを有す
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボイラの応力監視装置
に係り、特に頻繁な起動停止や大幅な負荷変化が要求さ
れる中間負荷火力用に好適な変圧運転ボイラの応力監視
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱機器はその運転中（特に起動停止時）
に金属部に熱応力を発生し、熱応力の繰返しにより金属
部が疲労しやがてはこれを破壊することが知られてい
る。

【０００３】このため例えばタービンでは、ロータ第１
段後の金属部の応力を監視し、あるいはさらに寿命管理
の考えを取り入れ１回当りのタービンの起動停止に許容
される応力に沿ってタービンの速度・負荷の変化率を決
定することが行われている。係る応力の監視・制御は最
近になってボイラにも要求され初めてきており、例えば
定圧貫流ボイラでは二次過熱器出口管寄ヘッダの特に主
蒸気管用ノズルコーナー内面や再熱器出口管寄ヘッダノ
ズルコーナー内面等に最も過大な熱応力の発生すること
が知られている。

【０００４】ところで、最近の電力系統では原子力発電
比率の増大と昼夜の電力需要の大幅格差によって、火力
発電プラントは深夜起動停止と大幅かつ急速な負荷変動
を伴う中間負荷運用への転換を余儀なくされている。係
る中間負荷運転用のボイラとしては、起動停止時の燃料
等の損失の少ない変圧運転ボイラとするのが好適である
が、日又は週単位での起動停止を行うために、他のボイ
ラにも増して厳しい応力監視・制御が要求される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この変圧運転ボイラの
場合にも前記のノズルコーナーを応力監視点とせねばな
らないが、それ以外にも大応力が発生する部位のあるこ
とが判明した。

【０００６】これは、変圧運転ボイラの汽水分離器の耐
圧部であり、ここにおいて、プラントの起動停止運転時
に内部流体温度の変化率，変化幅共に著しく、負荷変化
中は、変圧運転の特徴である内圧の大幅な変動にさらさ
れる。従って起動時には特に耐圧部メタルと内部流体と
の間に生ずる温度差により熱応力が生ずる。特に構造の
複雑な蒸気入口ノズルコーナー内面では熱応力が大き
く、繰返し応力による疲労損傷も大きい。一方、定格運
転中は、該ノズルコーナー内面では起動時の残留応力と
内圧応力によるクリープ損傷が生ずる。また、負荷変化
中は、内圧変動により、繰返し応力が働き、頻繁かつ大
幅な負荷変動の場合疲労損傷も無視できない。

【０００７】以上のことから、本発明の目的は、変圧運
転ボイラに適用するに好適なボイラ熱応力監視装置を提
供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本願発明の特徴とするところは、変圧運転ボイラにお
ける通気中の汽水分離器に印加される応力を求める手段
と，前記応力から該汽水分離器の寿命消費を求める手段
と，前記変圧運転ボイラの運転における前記寿命消費を
積算して累積寿命消費を求める手段と，前記累積寿命消
費量と前記変圧運転ボイラの運転回転累計とから前記変
圧運転ボイラ運転の１サイクル当りの許容寿命消費量を
求める手段とを有することを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明によれば、１サイクル当りの許容寿命消
費量を求める手段を有しているので、残余のプラント起
動・停止運転の１サイクル当りの許容寿命消費が把握で
き、寿命消費配分を考慮に入れたボイラの運転スケジュ
ールを容易に立てることが可能となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例に基づいて説明する。

【００１１】図１は本発明の実施例であり、ディジタル
計算機を用いたボイラ熱応力監視装置１００とプラント
からの関連入力信号との関係を示したものである。

【００１２】この図１において、ボイラ熱応力監視装置
１００は、ディジタル計算機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。ディジタル
計算機１０１は、監視点である汽水分離器２０３の蒸気
圧力Ｐ，該蒸気流量Ｇ，該蒸気温度Ｔ_f および該監視点
の内面メタル温度Ｔ_M1，外面メタル温度Ｔ_M0を基に、該
ノズルコーナー内面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１０４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によって要求に
応じて記録できる。

【００１３】つぎに、図１におけるプラント部について
説明する。図は、変圧ベンソンボイラの関連部分を示し
たものである。プラントの運転モードは、バーナ２０９
の点火後定格負荷に達するまでの間、起動バイパス運転
と貫流運転の２つに分れる。起動バイパス運転は、バー
ナ点火からタービン蒸気加減弁３０１を開き始める以前
の運転を指す。図１において給水は、ボイラ２００の節
炭器２０１によって予熱され、水冷壁２０２で加熱され
る。そして、加熱流体は、汽水分離器２０３，貯水タン
ク２０７で蒸気Ｓ_F と水Ｗ_F に分離され、蒸気は、バイ
パス弁１からフラッシュタンク２０８，フラッシュタン
ク蒸気ダンプ弁２を介して復水器４００へダンプされる
一方、１次過熱器２０４，２次過熱器２０５，３次過熱
器２０６に通気され、昇温が行われる。

【００１４】つぎに貫流運転は、バイパス弁１とフラッ
シュタンク蒸気ダンプ弁２を閉じて、蒸気を１次，２
次，３次過熱器２０４，２０５，２０６を通じて流し、
タービン蒸気加減弁３０１の開度調節と主蒸気圧力設定
値調節によりタービン３００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負荷ランピン
グ条件が整うタービン蒸気加減弁３０１の開度を調節
し、最低圧力まで主蒸気圧力を上昇させる。その後は、
定格圧力まで、タービン蒸気加減弁３０１の開度と主蒸
気圧力設定値を負荷に対応して調節することにより負荷
制御を行う。

【００１５】以上説明したように、汽水分離器２０３に
は、起動バイパス運転，貫流運転を通じて蒸気が流れ、
特に起動時に内部流体とメタル温度との大きな温度差に
さらされると共に負荷変動に伴い内部流体の圧力が大き
く変化する為内圧応力が大きく変化する。

【００１６】図２は、本発明のボイラ熱応力監視装置１
００における処理手順を示すものである。

【００１７】この処理の中の熱応力，内圧応力，疲労寿
命消費，クリープ破断寿命消費の各計算部は、概略次の
ように行われる。

【００１８】まず、ステップ１０１においては、ボイラ
が運転中であるかどうかをバーナの点火信号の有無によ
って判定し、点火信号があればステップ１０２以下の処
理を実行する。

【００１９】ステップ１０２では後述のステップ１１４
のクリープ損傷寿命計算に必要な、クリープ保持時間カ
ウンタをリセットする。次にステップ１０３では、運転
回数、すなわち点火信号が入力された回数をカウント
し、この値を後述のステップ１１８の許容寿命計算に用
いる。ステップ１０４では、起動から停止までを１サイ
クルとしたとき、１サイクルの運転が終了したかどうか
を判定し、１サイクルが終了しなければ次の内面合計応
力計算ステップ１０５へ進み、終了であればステップ１
１７の合計寿命計算ステップへ進む。なお、このサイク
ルの判定は、例えばボイラの起動，停止時のように、温
度が上昇して安定した後、下降して安定する過程におけ
る温度変化率（温度勾配）の変化を検出することにより
成される。

【００２０】ステップ１０５において、評価点圧力部材
の内面合計応力が計算される。ここで、内面合計応力と
は、評価点での内部流体温度Ｔ_f，圧力Ｐ_f，流量Ｇ，外
面メタル温度Ｔ_Moより、半径方向，幅方向，周方向の内
圧応力と熱応力を求め、これら応力を合成して得られる
合成応力の事である。

【００２１】ステップ１０６において、ステップ１０５
で計算された内面合計応力が、許容応力を超えているか
否かを判定し、超えていればステップ１０７で警報表示
してステップ１０８に移行し、超えてなければ直接ステ
ップ１０８へ移行し、このステップ１０８において正常
応力値との偏差が表示される。

【００２２】このように、応力に関連する情報を表示出
力することにより、ボイラの運転が弾力的に行えるとい
う効果がある。すなわち、一般にボイラの応力監視は過
熱器または再熱器出口管寄において行われるが、これら
の部位では、負荷変化時には主蒸気温度がほぼ一定に制
御されるため、疲労寿命消費の度合いが小さい。これに
対し、汽水分離器においては負荷変化時にも疲労寿命消
費が大きい。

【００２３】したがって、汽水分離器の応力に関連する
情報を表示し、これを監視することにより、起動時にお
いて応力が大き過ぎれば昇温昇圧率を下げ、応力に余裕
があれば上げるなどの運用が行い得る。また、負荷変化
時にも、応力が大き過ぎれば負荷変化率や変化幅を小さ
くし、応力に余裕があれば大きくするなどの運用を行う
ことができ、フレキシブルな発電所運用が行えると共に
寿命消費を応力監視により、事前に制御することが可能
となる。

【００２４】ステップ１０９では、ステップ１０５で求
めた内面合計応力よりステップ109Aで内面主応力差を計
算し、続いてステップ１０９Ｂでその応力振幅に対応す
る設計疲労線向上の疲労寿命消費を推定演算する。

【００２５】ここで内面主応力差とは、半径方向，軸方
向，同方向における主応力を表わすものである。例え
ば、周方向と軸方向の合成応力差，軸方向と半径方向の
合成応力差，半径方向と周方向の合成応力差である。

【００２６】ステップ１１０は、ステップ１０９で計算
した内面主応力差より相当応力を計算する。この相当応
力は、上述した各主応力差の二乗平均値であり、ステッ
プ１１４のクリープ損傷寿命計算で用いる。

【００２７】ステップ１１１は、ステップ１０５で求め
た内面合計応力のうち内面周方向応力が引張方向か圧縮
方向かを判定する部分で、ステップ１１４のクリープ損
傷寿命計算へ進むための第１関門に相当する。ここにお
いて、前記内面周方向応力が圧縮方向に働く場合はその
時の相当応力を最大値として記憶するためにステップ１
１２へ、引張方向に働く場合はメタル温度がクリープ域
にあるか否か判断するステップ１１３へ移行する。

【００２８】ステップ１１２は、ステップ１１０で計算
した相当応力の最大値を求めこの時のメタルの平均温度
を記憶してステップ１０４へ戻る。ここで求めた最大値
はステップ１１４のクリープ損傷寿命計算で用いられ
る。

【００２９】ステップ１１３は、クリープ損傷寿命計算
１１４へ進むための第２関門で、メタル平均温度がクリ
ープ域判定のための設定値を超えたか否かを判定する。
メタル平均温度が初めて設定値を超えた場合は、クリー
プ保持時間カウンタをスタートさせ、ステップ１１４へ
移行し、超えない場合は、ステップ１０４へ戻る。

【００３０】ステップ１１５では、ステップ１１２で求
めた相当応力の最大値と、その時のメタル平均温度とを
用いて、予め記憶されている応力歪線図に基づいて、ク
リープ域に入った時点における評価点の応力（初期応
力）を計算する。

【００３１】初期応力は、該評価点は残留応力がない場
合には上述の相当応力となり、残留応力がある場合には
該残留応力と相当応力との和となる。

【００３２】ステップ１１６は、ステップ１１５で求め
た初期応力を出発点として、クリープ保持時間カウンタ
で示される現時点における応力値を、予め記憶されてい
る応力緩和曲線より求め、この応力値に基づいて予め記
憶されているクリープ破断曲線からクリープ損傷寿命消
費を推定する。

【００３３】なお、以上のステップ１１５，１１６は、
メタル温度が所定値より低くクリープ損傷が問題となら
ない場合は省略される。

【００３４】次にステップ１１７は、合計寿命消費を計
算するステップで、ステップ１０４から与えられる１サ
イクル終了判定により実行される。まず、ステップ１１
７Ａでは、ステップ１０９及び１１４で各々計算された
疲労寿命消費とクリープ寿命消費を加算して、今回サイ
クルの合計寿命消費量を計算する。ステップ１１７Ｂ
は、ボイラ運転開始後現在までの累積寿命消費量を計算
する。ステップ１１７Ｃは、今回サイクルの合計寿命消
費量と許容寿命消費量を比較し、許容値より大きい場合
はステップ１１７Ｄで警報表示を行い、許容値以下の場
合には直接ステップ１１７Ｅへ移行する。ステップ１１
７Ｅでは、合計寿命消費量と許容値との偏差を表示す
る。

【００３５】ステップ１１８は、１サイクル当りの許容
寿命消費量を更新する部分で、ステップ１０３で求めた
運転回数累計とステップ１１７Ａで求めた累積寿命消費
量とから残りの運転回数と余寿命を計算し、１サイクル
当りの許容寿命消費量を計算する。

【００３６】すなわち、汽水分離器の材質，構造等から
決定される寿命から、既に費やされた累積寿命消費量を
差引き、これを予め計画された運転回数から既運転回数
を差引いて得られた残りの運転回数で除することによ
り、一運転サイクル当りに許容される寿命消費量が算出
される。これにより、残余のプラント起動，停止運転の
１サイクル当りの許容寿命消費が把握でき、寿命消費配
分を考慮に入れたボイラの運転スケジュールを容易に立
てることができるという効果がある。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、安全かつ急速な変圧運
転ボイラの負荷運用を可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図である。

【図２】図１に図示した実施例の処理手順を示すフロー
チャートである。

【符号の説明】

１…バイパス弁、２…フラッシュタンク蒸気ダンプ弁、
１００…ボイラ熱応力監視装置、１０１…ディジタル計
算機、１０２…警報表示器、１０３…ＣＲＴ表示装置、
１０４…タイプライタ、１０５…ハードコピー、２００
…ボイラ、201…節炭器、２０２…水冷壁、２０３…汽
水分離器、２０４…１次過熱器、２０５…２次過熱器、
２０６…３次過熱器、２０７…貯水タンク、２０８…フ
ラッシュタンク、２０９…バーナ、３００…タービン、
３０１…タービン蒸気加減弁、４００…復水器、Ｐ…蒸
気圧力、Ｇ…蒸気流量、Ｔ_f …蒸気温度、ＭＳＰ…主蒸
気圧力、Ｔ_Mi…汽水分離器内面メタル温度、Ｔ_M0…汽水
分離器外面メタル温度、Ｎ_C …ノズルコーナー部、Ｓ_F
…蒸気、Ｗ_F …水。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】変圧運転ボイラにおける通気中の汽水分離
   器に印加される応力を求める手段と，前記応力から該汽
   水分離器の寿命消費を求める手段と，前記変圧運転ボイ
   ラの運転における前記寿命消費を積算して累積寿命消費
   を求める手段と，前記累積寿命消費量と前記変圧運転ボ
   イラの運転回転累計とから前記変圧運転ボイラ運転の１
   サイクル当りの許容寿命消費量を求める手段とを有する
   ことを特徴とする変圧運転ボイラ応力監視装置。