JP2013543574A - 蒸気タービンの短期間の出力増大を調節するための方法 - Google Patents

Abstract

１つの流路（２）を形成していて流れ媒体Ｍによって貫流される多数のエコノマイザ伝熱面、蒸発器伝熱面および過熱器伝熱面（４）を有する化石燃料ボイラ（１）を前置接続された蒸気タービンの出力増大を調節するための方法であって、流れ媒体Ｍが１つの圧力段において前記流路（２）から分岐して、流れ媒体回路において各圧力段の過熱器伝熱面（４）手前で該流路内に噴射され、流れ媒体回路において最後の過熱器伝熱面の出口温度の予め与えられた温度目標値からの偏差に特有の第１の特性値が、噴射される流れ媒体Ｍの量のための調節量として使用される方法は、蒸気プロス全体の効率を過大に損ねない。同時に、全体システムにおける追加の構造上の変更を許すことなく化石燃料ボイラの構造形態に関係なしに短期間の出力増大を可能にする。そのために、蒸気タービンの短期間の出力増大のために前記温度目標値が低減され、その温度目標値の低減の期間の間、前記特性値が偏差に対して一時的に過度に大きく高められる。
【選択図】図１

Description

本発明は、１つの流路を形成していて流れ媒体によって貫流される多数のエコノマイザ伝熱面、蒸発器伝熱面および過熱器伝熱面を有する化石燃料ボイラを前置接続された蒸気タービンの短期間の出力増大を調節するための方法であって、流れ媒体が１つの圧力段において前記流路から分岐して、流れ媒体回路において各圧力段の１つの過熱器伝熱面の手前で該流路内に噴射され、各圧力段の流れ媒体回路において最後の過熱器伝熱面の出口温度の予め与えられた温度目標値からの偏差に対応する特有の第１の特性値が、噴射される流れ媒体の量のための調節量として使用される方法に関する。

化石燃料ボイラは、化石燃料の燃焼によって発生させられる熱により、過熱蒸気を発生する。化石燃料ボイラは、大概は、主として発電に用いられる蒸気発電所において使用される。発生した蒸気は蒸気タービンに供給される。

蒸気タービンの複数の異なる圧力段と同様に、化石燃料ボイラも多数の圧力段を有し、各圧力段に含まれる水・蒸気混合物の熱的状態は異なっている。第１の（高）圧力段において、流れ媒体が、それの流路上で先ず、残留熱を流れ媒体の予熱に利用するエコノマイザを貫流し、次に蒸発器伝熱面および過熱器伝熱面の異なる段を貫流する。蒸発器において流れ媒体が蒸発させられ、次いで、場合によっては生じ得る残留水分が分離装置において分離され、その残りに含まれているの蒸気が過熱器において更に加熱される。それに次いで、過熱された蒸気が蒸気タービンの高圧部に流入し、そこで膨張させられ、ボイラの後続の圧力段に導入される。そこで蒸気が改めて過熱されて（中間過熱器）、蒸気タービンの次の圧力部に供給される。

外部の種々の影響のために、過熱器に伝達される熱出力は大きく変動され得る。従って、過熱温度を調節することが頻繁に必要である。通常これはたいてい個々の過熱器の前方又は後方での冷却のための給水噴射によって行われる。即ち、溢流配管が流れ媒体の主流から分岐して、個々の過熱器の前方又は後方に相応に配置された複数の噴射弁に通じている。その噴射は、一般に、過熱器出口における予め与えられた温度目標値からの温度偏差に特有の特性値により調節される。

最近の発電所では高効率のみならず、できるだけ柔軟な運転モードも要求される。これには短い起動時間および速い負荷変化速度のほかに、連系電力系統内における周波数擾乱の補償が可能であることも含まれる。これらの要求を満たすために、発電所は、数秒以内において、例えば５％以上の超過出力が供給可能でなければならない。

１つの発電所ブロックにおけるこの種の数秒範囲内の出力変化は、ボイラと蒸気タービンとの協調動作によってのみ可能である。このために化石燃料ボイラは、アキュムレータ、即ち蒸気アキュムレータ（燃料アキュムレータも）の利用、ならびに給水、噴射水、燃料および空気の操作量の高速変化により対応することができる。

これは、例えば、蒸気タービンの部分的に絞られたタービン弁又は所謂ステップバルブを開くことにより行うことができ、それによって蒸気タービンの手前の蒸気圧が低下させられる。それによって前置接続された化石燃料ボイラの蒸気アキュムレータから蒸気が放出されて、蒸気タービンに供給される。この措置によって数秒以内に出力増大が達成される。

しかし、予備出力の提供に備えてタービン弁を持続的に絞っておくことは、常に効率損失をもたらすので、経済的な運用のためには絞り度を必要最小限に保たねばならない。更に、化石燃料ボイラの幾つかの構造形態、例えば強制貫流ボイラは、場合によっては、例えば自然循環ボイラよりも著しく小さいアキュムレータ容積を有する。アキュムレータの大きさの相違は、上述の方法において、発電所ブロックの出力変化時の特性に影響する。

従って、本発明の課題は、蒸気プロス全体の効率を過大に損ねることなく、上記種類の化石燃料ボイラを前置接続された蒸気タービンの短期間の出力増大を調節するための方法を提供することにある。同時に、全体システムにおける付加的な構造変更なしに、化石燃料ボイラの構造形態に関係なく短期間の出力増大を可能にしなければならない。

この課題は、本発明によれば、蒸気タービンの短期間の出力増大のために温度目標値が低減され、その温度目標値の低減期間の間、前記特性値が偏差に対して一時的に過度に大きく高められることによって解決される。

本発明は、付加的な給水噴射が、短期間の迅速な出力変化に対して寄与することができるという考えに基づいている。

というのは、過熱器の領域内でのこの付加的な噴射によって、蒸気質量流量を一時的に高めることができるからである。しかし、通常の噴射制御を行う蒸気温度調節系を迂回して、噴射を作動させた場合、タービンの手前での蒸気温度の許容できないほど大きな低下を常に回避することができるとは限らない。更に、引き続いて必要とされる完全な蒸気温度調節を再作動させる際に、蒸気温度調節動作の多少なりとも強い乱れを考慮に入れなければならない。従って、これらの上記理由から、負荷運転中に作動する蒸気温度調節系を、短期間の出力増大を提供するためにも利用するのが有利である。従って、温度目標値が低減されることによって、その噴射が作動させられる。温度目標値の跳躍的変化が、対応する特性値を介して調節偏差の跳躍的変化という結果をもたらし、その調節偏差の跳躍的変化は、調節器に噴射調整弁の開度を変更するよう指示する。それゆえ、まさにこの措置によって、即ち温度目標値の急激な低減によって、蒸気タービンの出力増大を実現することができる。

しかし、この出力増大は、従って噴射質量流量も、できるだけ速やかに提供しなければならない。しかし、その際に調節システムの減衰特性が邪魔になり得る。その減衰特性は、噴射質量流量の過度の急変を防止し、このことは通常の負荷範囲における調節の安定性の理由からは望ましいことであっても、出力増大を速やかに提供しなければならない場合には望ましくない。従って、その調節は短期間の出力増大の場合に相応しいように適合化されなければならない。これは、非常に簡単な方法で、噴射質量流量のための調節信号を相応に強めること、しかも所望の短期間の出力増大の期間の間強めることによって可能である。そのために、流れ媒体回路において最後の過熱器伝熱面の出口温度の予め与えられた温度目標値からの偏差に特有の特性値が、温度目標値の低減期間の間、偏差に対して一時的に過度に大きく高められる。

上述の方法では、相応の調節システムにおいて、減算要素により所望の蒸気温度と測定された蒸気温度との間で目標値−実際値比較が行われる。使用される調節コンセプトに応じて、この信号は、これを引き続いて入力信号（調節偏差）として例えばＰＩ調節器に導く前に、なおもプロセスからの付加的な情報によってさらに変更することができる。流れ媒体の噴射位置の直後の温度、即ち最後の過熱器伝熱面の入口の温度を付加的に調節量として使用すると有利である。このような所謂２系統調節の場合には、調節器介入によって行われる噴射質量流量の急激な変化が抑制される。この状況下では高速の介入を目的として最適化された調節を、オーバーシュート防止によって安定化することができる。

しかし、噴射システムを介する即時予備出力の供給にとって、２系統調節の減衰作用はむしろ邪魔である。従って、２系統調節の場合には、上述のように特性値を強めて適合化することが非常に有利である。というのは、それによりもたらされる、予め与えられた目標値に対する実際温度の偏差の調節回路での作為的な増大は、最後の過熱器伝熱面の入口の温度、即ち噴射位置直後の温度により行われる後続の補正を２系統調節の場合には相対的により少なくするからである。それによって、より大きな調節偏差が存続し、このより大きな調節偏差が直ちにより強い調節応答、即ち噴射質量流量のより大きな増大をもたらす。これがこの場合に所望されていることである。しかし、この特性値は温度目標値の低減期間の間だけ一時的に過度に増大されるので、この過度の増大の影響はまた消え、蒸気温度をその目標値によって調整することが実際に可能となる。それゆえ、蒸気温度の容認できない低下を回避するという２系統調節の利点が依然として存在したままである。

好ましくは目標値からの温度偏差に特有の特性値を、この偏差と、温度目標値の時間的変化に特有の第２の特性値との和から形成するということによって、格別に簡単な方法で、特性値の一時的な増大を発生させることができる。特に有利な実施形態では、第２の特性値は、実質的に、温度目標値の時間的変化に或る増幅係数を掛けたものである。調節技術的には、これは、予め与えられた蒸気温度目標値を１次微分要素の入力信号として使用し、この要素の出力を適切に増幅した後に、伝熱面出口における測定温度と予め与えられた温度との差から減算することによって実現される。それによって、偏差の所望の作為的な増大が特に簡単に実現され、付加的な１次微分要素を介して噴射質量流量が極めて迅速に高められ、従って蒸気タービンにより付加的に解放される出力が極めて迅速に高められる。

この微分特性のおかげで、即ち目標値の時間的変化のみを考慮することにより、全体システムに対するこの種の調節の影響は経過時間にともなって減少する（減衰パルス）。これは、微分要素が調節偏差に対してそれ以上の影響を持たず、実際の温度が目標値により調整されることも達成できることを意味する。蒸気温度の目標値が変化しない場合（通常の負荷運転中では標準的なケースである）についても、この種の実施形態は残りの調節構成に全く影響を及ぼさない。従って、通常の負荷運転において、この付加的な微分要素を持つ調節構成とそれを持たない調節構成との間に蒸気温度調節の調節特性に相違は生じない。

有利な実施形態では、両特性値の一方のパラメータが設備特有に規定される。即ち、増幅度の大きさ、微分要素のパラメータなどは、個別の設備に基づいてそれ特有に決定されなければならない。これは、例えば、予めシミュレーション計算により、又は調節の試運転中に行うことができる。

有利な実施形態では、１つの流路を形成していて流れ媒体によって貫流される多数のエコノマイザ伝熱面、蒸発器伝熱面および過熱器伝熱面を有する化石燃料ボイラのための調節システムが、前記方法を実施するための手段を含む。他の有利な実施形態では、蒸気発電所用の化石燃料ボイラがこの種の調節システムを含み、そして蒸気発電所がこの種の化石燃料ボイラを含む。

本発明により得られる利点は、特に、噴射調節法を用いた蒸気温度目標値の的確な低減によって、噴射の下流側に置かれた金属物体内に蓄積された熱エネルギーを蒸気タービンの一時的な出力増大に利用することができることにある。上述の適合化された調節方法を使用するならば、蒸気温度目標値の急激な低減時にこの噴射システムによって本質的により迅速な出力増大を実現することができる。この方法は、各圧力段において、即ち生蒸気（高圧段）においても中間過熱（中圧段又は低圧段）においても、単独に又は組み合わせで適用可能である。

既存の蒸気温度調節システムへ組み込むことによって、温度調節の調節性能が良好であれば、低下された温度目標値に対して実際の温度が噴射機器の開放後に下回ったとしても、顕著に下回ることはない。それゆえ、タービン入口における許容できない過大な蒸気の温度低下は効果的に防止される。調節および調整のための投入・遮断プロセスも省略することができる。何故ならば、この調節システムは継続的に作動状態にしておくことができるからである。

更に、蒸気タービンの一時的な出力増大を提供するためのこの方法は、他の措置に依存しないので、例えば、蒸気タービンの出力増大をなおも強めるために、絞られたタービン弁が付加的に開かれてもよい。本方法の有効性は、これらの併用措置によっても大部分そのまま残されている。

ここで強調すべきは、付加的な出力に対する要求があらかじめ固く規定された場合に、この噴射システムを出力増大のために使用すれば、タービン弁の絞り度を低減できることである。所望の出力解放は、この状況下ではより少ない絞りにても、最も有利な場合には、完全に付加的な絞りなしにも達成可能である。従って、即時予備出力のために所望の出力解放が可能でなければならない設備を、通常の負荷運転時に比較的高い効率で運転することができ、運転コストが低減する。

結局、本発明による方法は、構造上の追加措置なしに、調節システム内に単に付加的なモジュールを備える又は実行することによっても実現することができる。それによって、追加コストなしに、より高い設備自由度および設備利用度が達成される。

本発明の実施例を図面に基づいて更に詳細に説明する。

図１は、即時出力解放に利用するための２系統調節式噴射調節システムの調節回路側の接続構成部分を備えた化石燃料ボイラの中圧部の流れ媒体回路を示す模式図である。 図２は、高負荷範囲において高圧蒸気、中間過熱蒸気および両圧力系それぞれでの蒸気の噴射増大によって化石燃料ボイラの即時予備出力を改善するためのシミュレーション結果を示すダイアグラムである。 図３は、低負荷範囲について高圧蒸気、中間過熱蒸気および両圧力系それぞれでの蒸気の噴射増大によって化石燃料ボイラの即時予備出力を改善するためのシミュレーション結果を示すダイアグラムである。

全図において同じ部分には同じ参照符号が付されている。

化石燃料ボイラ１のうち、図１には中圧部が例示されている。本発明は、勿論、他の圧力段にも適用可能である。図１は模式的に流れ媒体Ｍの流路２の一部、特に過熱器伝熱面４を示す。高温ガス通路内における個々の過熱器伝熱面４の空間的配置は、図示されていないが、さまざまである。図示された過熱器伝熱面４は、それぞれ多数の直列接続された伝熱面を代表しているが、図を見易くするために、細かく分けないで示されている。

流れ媒体Ｍは、蒸気タービンの高圧部における図１に示された部分への入口の手前において膨張させられる。流れ媒体Ｍは、任意選択的に、図示の部分に到達する前に図示されていない第１の過熱器伝熱面を経由することができる。最初に流れ媒体回路に噴射弁６が配置されている。ここで、より低温で蒸発させられていない流れ媒体Ｍを、化石燃料ボイラ１の中圧部の出口８における出口温度を調節するために噴射することができる。その噴射弁６に導入される流れ媒体Ｍの量は噴射調整弁１０を介して調整される。流れ媒体Ｍは、流路２において予め分岐した溢流配管１２を介して供給される。更に、流路２内には噴射調節のために複数の測定装置が設けられている。即ち、噴射弁６の後で、かつ、過熱器伝熱面４の手前に温度測定装置１４および圧力測定装置１６が設けられ、過熱器伝熱面４の後に温度測定装置１８が設けられている。

図１の残りの部分は噴射のための調節システム２０を示す。先ず、温度目標値が目標値設定器２２において設定される。この温度目標値は過熱器伝熱面４の後方の温度測定装置１８の出力と一緒に減算要素２４に導かれ、その減算要素２４において、過熱器伝熱面４の出口温度の目標値からの偏差が形成される。この偏差は加算要素２６において補正される。その補正は過熱器伝熱面４を貫流する際の温度変化の時間遅れをモデル化したものである。そのために、温度測定装置１４からの過熱器伝熱面４の入口温度が、時間遅れ動作をするＰＴｎ要素２８に導かれ、そのＰＴｎ要素の出力は加算要素２６の入力側に導かれる。加算要素２６の出力は最大値要素３０に導かれ、更なる過程で温度測定装置１４の信号と一緒に減算要素３２に導かれる。

最大値要素３０では、入力側において他のパラメータが考慮される。即ち、この温度が圧力に依存する沸騰温度に対して或る特定の間隔を持たなければならないことが考慮される。そのために圧力測定装置１６で測定された圧力が関数要素３４に導かれる。この関数要素３４は、この圧力に対応する流れ媒体Ｍの沸騰温度を出力する。加算要素３６において、設定器３８からの予め設定された定数が加算される。この定数は、例えば１０℃とすることができ、沸騰曲線に対する安全間隔を保証する。このようにして求められた最小温度が最大値要素３０に与えられる。最大値要素３０において求められた信号は、減算要素３２を介して、噴射調整弁１０を制御するためのＰＩ調節要素４０に導かれる。

この噴射システムを出口温度の調節のためだけでなく即時予備出力の供給のためにも利用可能にするために、この噴射システムは、蒸気タービンの短期間の出力増大を調節する方法を実施するための適切な手段を含む。そのために、先ず目標値設定器２２において温度目標値が低減され、これは噴射量の増大という結果をもたらす。しかし、これが直ちに出力増大をもたらすためには、ＰＩ調節要素４０の高速の制御応答が保証されていなければならない。しかし、温度目標値からの実際温度の発生した偏差は、その変化直後にＰＴｎ要素２８によって緩和される。

これを迅速な出力増大が望まれる場合に防止するために、温度目標値のための目標値設定器２２の信号が１次の微分要素（ＤＴ１）に導かれている。このためにＰＴ１要素４２の入力側に目標値設定器２２の信号が供給され、ＰＴ１要素４２の出力は目標値設定器２２の元の信号と一緒に減算要素４４に導かれ、その減算要素４４の出力が掛算要素４６に接続されており、この掛算要素４６が、設定器４８からの或る係数だけ、例えば１０倍だけ信号を増幅する。この信号は、加算要素５０により、減算要素２４から温度偏差信号に加えられる。目標値の変化時に、この接続構成部分は、ＰＴ１要素４２を介して、零とは異なる信号を発生し、その信号は掛算要素４６を介して増幅され、偏差に特有の特性値を作為的に過度に大きく増幅する。その際に接続構成部分ＰＴｎ要素２８のを介する信号は比較的小さく、ＰＩ調節要素４０のより高速な制御応答が強制される。こうして、速やかに蒸気量増大が達成され、後置接続された蒸気タービンの出力が高められる。

図２は、上述の調節方法の利用下でのシミュレーション結果を有するダイアグラムを示す。高圧段および中間過熱段又は中圧段を有する化石燃料ボイラの各段について、９５％負荷時に、目標値設定器２２の温度目標値を２０℃だけ急激に低減した後の全負荷に対する追加出力５２（パーセント表示）が、時間５４（単位：秒）に対して示されている。既に言及したように、ＰＴ１要素４２を有する上述の回路は、両段における偏差に特有の特性値を過度に大きく増幅するために使用することができる。曲線５６および５８は高圧段の変更に対する結果を示し、曲線６０および６２は中間過熱段の変更に対する結果を示し、曲線６４および６６は両段の変更に対する結果を示す。曲線５６，６０および６４は、それぞれＰＴ１要素４２なしの、即ち通常の調節システムの結果を示し、曲線５８，６２および６６は、それぞれ上述のように接続構成されたＰＴ１要素４２を用いた結果を示す。

図２において、曲線５８，６２および６６のそれぞれの最大値が、それぞれに対応する曲線５６，６０および６４の最大値よりも高くて、もっと左側に配置されていることが判る。それゆえ、付加的に解放される出力は、一方ではより高く、他方ではより速やかに供給可能である。中間過熱段の曲線６０，６２の場合には加速は小さいが、しかし、高圧段におけるよりも絶対的に低いレベルではあるにしても有意義な相対的な出力増大を認識することができる。

図３は、図２に対して僅かに変更されていて、４０％負荷についてシミュレートされた曲線５６，５８，６０，６２，６４，６６が示されており、残りのパラメータは全て図２と一致し、曲線５６，５８，６０，６２，６４，６６の意味も同じである。

ここでは、特に、変更されていない曲線５６，６０，６２は、図２におけるよりも著しく平坦な経過を呈し、即ちＰＩ調節要素４０の更に緩慢な制御応答が明白である。高圧段におけるＰＴ１要素４２の既述の接続構成によって、曲線５８の最大値は曲線５６のそれよりも更に左側にあり、かつ、より高く、従ってより高速のかつより高い出力増大が達成される。しかし、曲線５８は相対的に平坦なままである。

曲線６２で示された中間過熱段の変更は類似の特性を呈するが、付加的に目標値変化後約６０秒で比較的高い出力増大を呈し、この出力増大は、その後に急速に再び低下し、平坦な形状部の最大値に移行する。この出力増大は、両圧力段の変更時にも、曲線６４に対比する曲線６６に従って、相応に現れる。

この種の化石燃料ボイラ１を装備した蒸気発電所は、蒸気タービンの即時の出力解放により出力増大を速やかに達成することができる状態にあり、これは連系電力系統の周波数維持のために役立つ。通常の温度調節と並んで噴射機器を重複利用することによりこの予備出力を達成することによって、予備出力の提供に備えての蒸気タービン弁の継続的な絞りを低減又は完全に省略することもでき、それによって通常運転中に格別に高い効率が達成される。

１ 化石燃料ボイラ
２ 流路
４ 過熱器伝熱面
６ 噴射弁
８ 中圧段出口
１０ 噴射調整弁
１２ 溢流配管
１４ 温度測定装置
１６ 圧力測定装置
１８ 温度測定装置
２０ 調節システム
２２ 目標値設定器
２４ 減算要素
２６ 加算要素
２８ ＰＴｎ要素
３０ 最大値要素
３２ 減算要素
３４ 関数発生要素
３６ 加算要素
３８ 設定器
４０ ＰＩ調節要素
４２ ＰＴ１要素
４４ 減算要素
４６ 掛算要素
４８ 設定器
５０ 加算要素
５２ 全負荷に対する追加出力（パーセント）
５４ 時間（秒）
５６ 曲線
５８ 曲線
６０ 曲線
６２ 曲線
６４ 曲線
６６ 曲線
Ｍ 流れ媒体

ここでは、特に、変更されていない曲線５６，６０，６４は、図２におけるよりも著しく平坦な経過を呈し、即ちＰＩ調節要素４０の更に緩慢な制御応答が明白である。高圧段におけるＰＴ１要素４２の既述の接続構成によって、曲線５８の最大値は曲線５６のそれよりも更に左側にあり、かつ、より高く、従ってより高速のかつより高い出力増大が達成される。しかし、曲線５８は相対的に平坦なままである。

Claims (8)

1. １つの流路（２）を形成していて流れ媒体Ｍによって貫流される多数のエコノマイザ伝熱面、蒸発器伝熱面および過熱器伝熱面（４）を有する化石燃料ボイラ（１）を前置接続された蒸気タービンの出力増大を調節するための方法であって、
   流れ媒体Ｍが１つの圧力段において前記流路（２）から分岐して、流れ媒体回路において各圧力段の過熱器伝熱面（４）の手前で該流路内に噴射され、流れ媒体回路において各圧力段の最後の過熱器伝熱面の出口温度の予め与えられた温度目標値からの偏差に特有の第１の特性値が、噴射される流れ媒体Ｍの量のための調節量として使用され、
   蒸気タービンの短期間の出力増大のために前記温度目標値が低減され、その温度目標値の低減期間の間、前記特性値が偏差に対して一時的に過度に大きく高められる、蒸気タービンの出力増大を調節するための方法。
2. 流れ媒体Ｍの噴射位置の直後の温度が、噴射される流れ媒体Ｍの量のための調節量として付加的に使用される請求項１記載の方法。
3. 第１の特性値が、前記偏差と、前記温度目標値の時間的変化に特有の第２の特性値との和によって形成される請求項１又は２に記載の方法。
4. 第２の特性値が、実質的に、前記温度目標値の時間的変化に或る増幅係数を掛けたものである請求項３記載の方法。
5. 前記両特性値の一方のパラメータが設備特有に規定される請求項１乃至４のいずれか１つに記載の方法。
6. １つの流路（２）を形成していて流れ媒体Ｍによって貫流される多数のエコノマイザ伝熱面、蒸発器伝熱面および過熱器伝熱面（４）を有する化石燃料ボイラ（１）のための調節システム（２０）であって、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の方法を実施するための手段を備えた調節システム（２０）。
7. 請求項６記載の調節システム（２０）を有する蒸気発電所用の化石燃料ボイラ（１）。
8. 請求項７記載の化石燃料ボイラ（１）を有する蒸気発電所。

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