JPS5977009A - 原子力タ−ビンの保護方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、湿シ域で運転される蒸気タービンの応力管理
によるタービン保眼力法に関するものであって、特に原
子力用蒸気タービンのロータに発生する応力音制御、管
理して該蒸気タービンロータするのに好適なタービン促
成方法に関するものである。

〔従来技術〕

従来一般に、原子力タービンの負荷変化に伴うロータの
応力管理は、化カケ直接的に計測せずに第１図に示すよ
うな管理図表によって行っている。

同図において横軸は負荷率の変化量、縦軸は負荷変化に
要する最少時間全表わしており、示された４本の曲線ｕ
ン、（ロ）、ｅ９．に）は、それぞれ負荷変化の前後に
おける小さい方の負荷率が、０％、１０％、２０％、３
０％である場合のカーブである。

例えば２０％のカーブｐ−９は、負荷率が２０ス葱１ら
それ以上に増加する場合と、負荷率が減少して２０％に
なる場合との両方に用いられる。

ところが近年、原子力タービンによる発電プラントにお
いて、外線系統の故障時に一時的に所内単独運転を行な
うことが要望されるようになった。

所内単独運転は外線系統の負荷を切り離してプラント内
の消費電力のみｔまかなうもので、定格運転に比して著
しく軽負荷運転である。

この所内単独運転に入る際および正常運転に復元する際
、急激な負荷変化のためタービンロータに大きい熱応力
がかかり、ロータ寿命ケ消耗させる。また、原子力発電
プラントにおける正常の起動、停止、並びに計画外停止
、起動の頻度が増那する傾向にあり、これらによっても
ロータに熱応力を生じてロータ寿命を消耗する。更に、
将来、原子力発電プラントの中間負荷運転の要求が生じ
るものと予測され、これによってもロータの熱応力を生
抹てロータ寿命が消耗する。こうした碩情のもとに、原
子力タービンロータの応力管理の必要性が大きくなって
いる。

第２図は、蒸気タービンの負荷が変化する場合のタービ
ンロータの温度変化と応力変化の一例會示す図表である
。本図表の上半は温度を表わし、１は高圧第１段蒸気温
度、２はロータ表面温度、３はロータ中心孔温度である
。本図表の下半は応力を表わし、４はロータ中心孔応力
、５はロータ表面応力、６はロータ残留応力、７は圧縮
降伏点である。今、冷機起動の場合、すなわちロータ温
度はほぼ室温に等しく、高温の蒸気が流入する場合につ
いて説明する。まず、蒸気流入に伴い、破線て示したロ
ータ表面温度２け上昇し、同じく破線で示したロータ表
面応力５Ｆｉ圧縮応カケ生ずる。

ここで一番熱応力が高くなるのは、ディスクつけ根など
応力集中のある部分で、その応力はマイナス降伏点７會
越えて圧縮方向の塑性変形音生じさせる。その結果、定
常状態に移行した際、引張りの残留応力６會生ずる。一
方、この過程で一点鎖線で示したロータ中心孔温度３の
変化によって、実線で示したロータ表面と逆向きのロー
タ中心孔応力４を生じる。タービンを停止する際はロー
タ温度よりも蒸気温度１の方が急速に下降する。このと
きロータ表面応力５（破線）は点（ホ）のごとく引張シ
応力を生じ、ロータ中心孔圧力４（実線）は点（へ）の
ごとく圧縮応力を生じる。

このような熱応力の発生に対して、従来原子力タービン
では、前記第１図の曲線によシ負荷変化の許容変化中及
び時間を確保することでロータ応力を監視する方法ｔと
っていた。

従来の火力タービンでは、第３図に示すような応力管理
システムを構成し、タービン第１段後の蒸気圧力検出器
８の検出信号を熱応力演算器１０に入力させると共に、
蒸気温度検出器２６の検出信号をΔＴ演算器９全介して
上記の熱応力演算器１０に入力させ、上記と並行してロ
ータ回転数測定器１１の検出信号を遠心応力演算器１２
に入力させる。上記の熱応力演算器１０の演算結果と、
遠心応力演算器１２の演算結果とを合成応力演算器１３
に入力させて合成応カケ求め、その結果に基づいてクリ
ープ損耗演算器１５、およびロータ応力判定器１６によ
って状況判定を行ない、継続運転１７、又は弁調整１８
のいずれかを決める。

弁調整をする場合は調整指令信号１８ａによって弁開閉
器１９’に介して加減弁２５が開閉制御される。

上述のようなロータ応力の監視方法によって原子力ター
ビン全管理すると欠配の如き欠点がある。

欠点の一つは、第３図の監視システムによって第１図に
示した図表に基づく制御を行なうと、第１図に示された
負荷変化幅及び負荷変動幅では、実際運転の多岐にわた
る運転変化モード、特に事故時の負荷遮断又は前記所内
単独運転などの急激な負荷変化及び回転数変化に対する
応力管理が出来なかった。また、このような事故後の再
起動及び負荷上昇に対して、並びに所内単独運転後の負
荷上昇に対し、ロータの温度管理の精度が良くないため
必要以上時間を要したり、または通常の負荷変化曲線に
より応力過大となる危険性があった。

従来のロータ応力の監視方法のもうひとつの欠点は、原
子力タービンは湿り蒸気中で運転されることが多いので
、蒸気温度計も湿シ蒸気域にあり、熱応力が問題となる
急激な負荷変化並びに蒸気温度変化に対し、温度計指示
値が追従しきれず精度の高い応力管理を行なえないとい
う不具合にある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、原子力タービンの如く主として湿シ蒸
気で運転される蒸気タービンのロータの熱応力を高精度
で求めて精度の高い応力管理を行ない得る、原子力ター
ビンの保護方法ケ提供するにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため、本発明は原子力タービン等
の湿シ域にて運転される蒸気タービンにおいて、湿シ域
の圧力を検出し、この圧力から蒸気量にて一義的に決ま
る飽和温度とから、蒸気タービンロータの熱応力全算出
しロータの応力管理を行うものである。これにより蒸気
タービンに発生する熱応力を精度よく求めることが出来
るので、応力會常に規定値内に入れるよう正確な制御を
行うことが出来、以ってタービンを安全に運転させるこ
とが出来る。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の一実施例？第４図乃至第６図について説
明する。

第４図は原子力タービンのｉ　−ｓ線図である。

原子炉発生蒸気はＡ点に位置し、定格負荷では高圧ター
ビン入口は８点にある。高圧タービン内で仕事をするこ
とにより、高圧タービン出口は０点となる。、０点の蒸
気は湿分分離器によってエンタルピ（縦軸）が上昇し、
低圧タービン入口においてＤ点になる。そして低圧ター
ビン内で仕事ケして、同低圧タービン出口では排気圧カ
線ｅ上の点Ｅとなる。

部分負荷の場合は蒸気タービン入口蒸気量の減少により
、各段の圧力が低下し、前記Ｂ、Ｃ，Ｄ。

Ｅ点は各々Ｂｌ、ＣＩ、ＤＩ、Ｅ１点に移行する。

通常原子力タービンの最低負荷は定格の２５％である。

また蒸気タービンの各段落圧力が急激に低下する所内単
独運転時には所内負荷は３％程度と小さいが、原子炉側
にて給水流ｔｒｔ’に４０％程度要求するため高圧ター
ビン抽気量が多く、従って所内単独運転時には高圧ター
ビン入口流量が所内負荷に比べて比較的多く、高圧第１
段後は湿シ域の状態にある。すなわち回転数上昇または
降下時以外は高圧第１段後よシ低圧側の段落は湿シ域に
ある、 第５図に湿シ蒸気における圧力と飽和温度の関係を示す
。この図から明らかなように、段落が湿シ蒸気域にある
場合は、段落圧力が検出されれば蒸気表より段落の蒸気
温度は一義的に決定される特性がある。

以上述べたごとく、原子カタービンにおいてはそのほと
んどの負荷変化において高圧第１没後以降の段落は湿シ
蒸気域で運転されることから、湿シ蒸気での運転変化特
有の応力制御音する必要がある。つまシ、湿シ蒸気にお
ける温度計の温度変化は、湿シのために追随性が悪いの
で、乾き蒸気の場合のように急激な変化に追従しきれな
い。この問題を解決するために本発明方法は、段落の圧
力全検出することによシ、第５図で述べ几如く圧力から
飽和温度への換算を一義的に変換して、高精度でかつ追
従性よく蒸気温度を検出する。ただし、蒸気が過熱域に
ある場合は蒸気表による圧力→温度換算ができないので
、蒸気が過熱域にある場合（例えば起動における回転数
上昇中）においては、温度計にて蒸気温度を監視し、湿
り域へ移行時に湿シ度計ア該蒸気が湿り域にあることを
確認して検出圧力から温度換算することにより、蒸気温
度監視が可能である。

そこで、上述のような条件下で本発明の方法を適用して
ロータの応力管理全行うのであるが、段落圧力検出位置
として、高圧第１段後口部、高圧第１段後、高圧排気部
、低圧第１段後口部、低圧第１段後、低圧最終段前後等
が考えられ、る。

上記基本的考え刃金もとに本発明の方法を実施するため
に構成した応力管理システムのブロック図全第６図に示
す。この実施例は高圧第１没後全対象としたものである
。

従来技術によるタービン監視のために構成した応力管理
システムを示し几第３図と同一の図面参照番号を付した
高圧第１段後圧力検出器８、ΔＴ演算器９、ロータ熱応
力演算器１０１回転数測定器１１．ロータ遠心応力演算
器１２、合成応力演算器１３、運転時間計測器１４、ク
リープ損耗演算器１５、ロータ応力判定器１６、継続運
転１７．。

弁調整器１８、弁開閉器１９、加減弁２５、及び高圧筒
１段後温度検出器２６は従来技術における応力管理シス
テム（第３図）と同様乃至類似の構成部分である。

本発明方法を実施するために構成した応力管理システム
の一例（第６図）におけるシステム構成上の特徴は、仮
想線で示したＱ部分を付設したところにある。即ち、高
圧第１段後圧力検出器８によって検出された信号出方を
温度変換器２０に介して蒸気温度選定器２２に入力せし
める。上記の温度変換器２０は第５図に示した飽和蒸気
圧カ一温度カーブを記憶させてあって、入力された蒸気
圧力を温度に換算する機能上布している。上記の換算は
蒸気表によって行ってもよム。本発明において蒸気表と
は蒸気圧カ一温度カーブケ含む意である。

高圧第１段後の蒸気温度を検出する温度検出器２６の信
号出力も前記の蒸気温度選定器２２に入力せしめる。

更に、高圧第１段後の蒸気の湿シ度を検出する湿シ度検
出器２１ｉ設け、その信号出方を前記の蒸気温度選定器
２２に入力せしめる。

上記の蒸気温度選定器２２は湿υ度検出器２１の信号出
力會受け、これに基づいて次のように作動するように構
成しである。即ち、湿９度〉０のときは温度変換器２０
によって換算された蒸気温度ケ表わす信号ｔΔＴ演算器
９に与える。また、湿多度＝Ｏのときは温度検出器２６
で検出された蒸気温度を表わす信号音ΔＴ演算器９に与
える。

上記の蒸気温度選定器２２は比較演算機能も有する構造
とし、上に述べた温度変換器２ｏによる換算蒸気温度と
、温度検出器２６による実測蒸気温度とを比較して、比
較結果を記録器２４に記録させる。さらに、同蒸気温度
選定器２２は、湿り度検出器２１が湿シ蒸気状態である
ことケ検出している場合において、温度変換器２ｏによ
る算出温度と温度検出器２６による実測温度との偏差が
予め与えられた基準値ケ越えるとＧ報器２３乞作動せし
めるように構成しである。

次に、上述した第６図の管理システムを用いて本発明の
タービン保護方法を実施した一例を説明する。

高圧初段に設置された圧力検出器８、温度検出器２６及
び湿シ度検出器２１にて検出された高圧初段後の圧力ｐ
Ｈ温度Ｔ！及び湿シ度Ｍ１は、蒸気温度選定器２２にて
判定され選定さＫる。すなわち湿シ度ｈ４．＞ｏのとき
は圧力検出器にて検出された圧力Ｐ１′ｔ−蒸気表にて
換算した温度ＴＩＯ會高圧初段後没後度とし、湿シ度Ｍ
１＝０のときは温度検出器に−Ｃ検出された温度Ｔｌｋ
ｌ正高圧初段後度として選定する。

このようにして選定された初段後温度Ｔ１゜またはＴＩ
　と、初段後圧力Ｐ１よシロータ表面の熱伝達率を計算
し、演算器９で算出された温度変化ΔＴによシ熱応力演
算器１０にて熱応力σＴ？計算する。このようにして熱
応力σ↑を算出すると、これに基づいてロータの応力管
理を行うことができる。即ち、各時点におけるロータの
応力が許容応力を越えないように管理すること、並びに
、長期間の使用におけるロータの熱疲労の進行度を算定
して点検整備を行うことができる。

上述の実施例において杜、蒸気表によって換算した蒸気
温度に基づいてロータ温度を算出してロータの応力管理
を行ったが、同様にして蒸気表で換算した蒸気温度に基
づいてタービンケーシング温度を算出し、上記の算出ロ
ータ温度と算出ケーシング温度とのいずれか一方、若し
くは両方の変化からロータ応力管理方法うこともできる
。

〔発明の効果〕

以上説明したよう罠５本発明の原子カターピ／保護方法
は、蒸気タービンの蒸気圧力音検出し、上記の圧力を蒸
気表によって飽和蒸気温度に換算し、この温度に基づい
て当該蒸気タービンのロータ若しくはケーシング等の、
蒸気に接触する主要構成部材の温度を算定してタービン
ロータの応力管理を行なうことにより、主として湿り蒸
気で運転される蒸気タービンのロータの熱応力を高精度
で求めて精度の高い応力管理を行ない、蒸気タービンの
保役を図ることができるので、特に原子力タービンの保
護に好適である。

前記の実施例について述べたように、タービンの主要構
成部材であるタービンロータとタービンケーシングとの
内の少なくとも何れか一方の温度を算定し、これに基づ
いてロータの応力管理をすることができる。

前述の実施例について、更に詳細な応力管理方法を次罠
述べる。

回転数測定器１１よシ求められた回転数からロータ遠心
応力演算器１２にて遠心応力σｖｋ計算し先に計算し友
熱応力σＴとの合成応力σＦ＋σ↑ｔ５運転時間計測器
１４にて記憶し几運転時間よりクリープ損耗演算器１５
で４算したクリープ損耗勿考慮した一回あたりのあらか
じめ予定される応力を許容値として、ロータ応力判定器
１６で１比較判定し、合成応力が許容値以下ならば継続
運転指示１７に行ない、また合成応力が許容値以上であ
れば弁調節器１″８を通じ弁開閉器１９にてタービンの
回転数上昇または降下並びに負荷上昇または降下に応じ
て加減弁２５’ｌｉｒ調節することによシ、遠心応力及
び熱応力の調ａｔ計ると共に、運転時間計測器１４にて
計測された運転時間によシロータ寿命損耗量を積算し記
憶する。このようにしてロータの寿命損耗Ｊｌｔ−算出
すると残存耐用時間が高精度で推定できるので、適正な
時期に点検整備を行ない、無駄なくしかも完全に蒸気タ
ービンの保ａｔすることができる。

上記実施例のごとく、本発明ケ適用して算出した熱応力
と、回転数から算出した遠心応力との合力を求めて応力
管理上行なうと、実際条件と精密にシュミレートした応
力管理が可能となる。

さらに、前記の算出熱応力を稼動時間について積算する
と、ロータのクリープ痔命奮勘案し７を適正かつ精密な
応力管理ｔすることができる。

上記のごとく、長期的な寿命損耗を監視する他、稼動中
の各時点においてロータ応力が許容応力に対して如何な
る比率であるかｔ算定し、この比率が１００％を越えな
いように制御することも有効な保護手段であシ、これ全
自動的に制御すると無人的に応力管理ができる。

また、第６図に示した管理システムのように、１９度検
出器２１を設け、蒸気が湿り蒸気である場合には換算蒸
気温度を用い、蒸気が乾き蒸気である場合には実測蒸気
温度？用いて応力を算出して応力管理を行なうと、例え
は原子力蒸気タービンの起動における回転数上昇中など
のごとく蒸気条件が乾き状態になった場合にも適正な管
理ケすることができる。

第６図の管理システム図について説明したように、蒸気
圧力から換算した飽和蒸気温度と温度検出器によって直
接的に検出した蒸気温度とが、当該蒸気タービンの蒸気
が湿り蒸気である場合において一定値以上の偏差？生じ
たとき自動的にこれを記録し、又は警報する装置を設け
、上記の偏差が一定値以上になったときは何らかの異常
勿発生したものと判断すると、圧力や温度の検出器又は
演算器の異常？早期に発見することができる。

また、前述の実施例について説明したように、蒸気圧力
の検出及び蒸気温度の検出、並びに蒸気が湿り蒸気であ
るか乾き蒸気であるかの検出は、それぞれ、蒸気タービ
ンの高圧初段入口、高圧初段後、高圧排気部、低圧筒１
股入口、低圧第１段後、低圧最終段前、低圧最終段後、
及び中間段の内の少なくとも１個所において行なうと、
ロータ温度及び応力の算出を適正に演算することができ
る。

また、第６図に示した管理システムにおいて、湿り度検
出器２１の設置を省略し、予め設定したタービン出力値
と実際運転出力との比較によって蒸気の湿シ度を判定す
ることもできる。この方法を用いると湿シ度検出器２１
が不要となる、タービン保護システムの構成が簡単で安
価となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の原子力タービンの応力管理に用いられて
いる管理図表、第２図は蒸気温度変化に伴うロータ応力
の発生状態？示す図表、第３図は従来の火力タービンに
用いられている管理システム図、第４図は原子力タービ
ンのｉ　−ｓ線図、第５図は湿シ蒸気の圧力と飽和温度
との関係盆示す蒸気線図、第６図は本発明の原子力ター
ビンの保護方法ケ実施するために構成した蒸気タービン
管理システム図の一例である。 ■・・・高圧初段入口度、２・・・ロータ表面温度、３
・・・ロータ中心孔温度、４・・・ロータ中心孔応力、
５・・・ロータ表面応力、６・・・残留応力、７・・・
マイナス降伏点、８・・・高圧第１段後圧力検出器、９
・・・ΔＴ演算器、ｌＯ・・・ロータ熱応力演算器、１
１・・・回転数測定器、１２・・・ロータ遠心応力演算
器、１３・・・合成応力演算器、１４・・・運転時間計
測器、１５・・・クリープ損耗演算器、１６・・・ロー
タ応力判定器、エフ・・・継続運転、１８・・・弁調整
器　１９・・・弁開閉器、２０・・・圧力？飽和温度に
変換する変換器、２１・・・湿り度検出器、２２・・・
蒸気温度変化器、２３・・・警報器、２４・・・記録器
、２５・・・加減弁、２６・・・高圧筒１段後温度検出
器。 代理人　弁珂士　秋本正実 茅Ｉ目 罠符尖杷１０Ｉ隆頁荷七対すうメツ 茅２目 片用 ＄５目 蕉気圧力　０ムン 第６目 １７　　　／≦　　ｌσ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、蒸気タービンの蒸気圧力を検出し、上記の圧力を蒸
   気衣によって飽和温度に換算し、この温度に基づいて当
   該蒸気タービンの主要構成部材の温度を算定してタービ
   ンロータの応力管理を行なうこと全特徴とする原子力タ
   ービン保護方法。 ２　前記蒸気タービンの主要構成部材の温度は、これｔ
   ロータ温度とケーシング温度との内の少なくとも何れか
   一方とし、算定した主要構成部材の温度に基づいてロー
   タの熱応力を算出してロータの応力管理を行なうことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の原子力タービ
   ンの保護方法。 ３、前記のロータの熱応力に、同ロータの遠心応力？加
   算して合成応力？算出し、この合成応力に基づいてロー
   タの応力管理全行うことを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項に記載の原子力タービン保護方法。 ４、前記のロータ熱応力に基づくロータの応力管理は、
   上記の熱応力と当該蒸気タービンの運転継続時間とによ
   シロータのクリープ寿命を算出して行なうものであるこ
   と全特徴とする特許請求の範囲第２項又は同第３項に記
   載の原子カタービン保腰方法。 ５、前記のロータのへ力管理は、算出したロータ応力が
   許容応力會越えないように自動制御するものであること
   全特徴とする、特許請求の範囲第１項乃至第４項の内の
   何れか一つに記載の原子力タービンの保護方法。 ６、前記の算出熱応力に基づくロータの応力管理は、蒸
   気タービンの蒸気が湿シ蒸気であるか乾き蒸気であるか
   全勘案し、湿シ蒸気である場合には蒸気圧力から換算し
   た飽和蒸気温度に基づいてロータの応力算出上行ない、
   乾き蒸気である場合には温度検出器によって直接的に検
   出した蒸気温度に基づいてロータの応力算出を行なうも
   のであること全特徴とする、特許請求の範囲第１項乃至
   同第５項の内の何れか一つに記載の原子力タービンの保
   護方法。 ７、前記の蒸気圧力から換算した飽和蒸気温度と温度検
   出器によって直接的に検出した蒸気温度とが、当該蒸気
   タービンの蒸気が湿り蒸気である場合において一定値以
   上の偏差を生じたとき、異ｎが発生したものと判断する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の原子力
   タービンの保護方法。 ８、前記の蒸気圧力の検出及び蒸気温度の検出、並びに
   蒸気が湿シ蒸気であるか乾き蒸気であるかの検出は、そ
   れぞれ、蒸気タービンの高圧初段入口、高圧初段後、高
   圧排気部、低圧最終段後口、低圧第１段後、低圧最終段
   前、低圧最終段後、及び中間段の内の少なくとも１個所
   において行なうこと全特徴とする特許請求の範囲第６項
   又は同第７項に記載の原子力タービン保護方法。 ９、前記の、蒸気が湿シ蒸気であるか乾き蒸気であるか
   の判定は、予め設定したタービン出力値と実際運転出力
   との比較によって行なうこと？特徴とする、特許請求の
   範囲第６項又は同第７項に記載の原子力タービン保護方
   法。