JPS6011002A

JPS6011002A - ボイラ負荷制御装置

Info

Publication number: JPS6011002A
Application number: JP11620183A
Authority: JP
Inventors: 庫本　篤; 幸穂深山; 川野　滋祥; 程塚　国男; 森　修二; 笹渕　陽
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1983-06-29
Filing date: 1983-06-29
Publication date: 1985-01-21
Also published as: JPH0549883B2

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】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。

火力光゛畦プラントは電力需賛の要請によって中間負荷
で運転されることが多く、この中間負荷運転に伴なって
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′負性変化を行なう
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１ｆ！Ｅｅ比較し
、つり、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。このようにしてめた負荷変
化率をＡ　Ｌ　Ｒ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　’Ｌｏａｄ　
Ｒｅｇｕｌ、ａｔｏｒ）設定値とし、昇速率ｉ’Ａ　Ｓ
　Ｒ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ＳｐｅｅｄＲｅｇｕｌａｔ
ｏｒ　）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った。

タービンプラントの応力制限値は、計ＦｉＪＪ運用回数
と予想運用パターンからめる寿命消費によって決められ
るために、実際の運用パターンが計画時のものと異なっ
た場合には、応力制限値が厳しいものであったり、ある
いは緩やかなものであっ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針側できない
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性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って
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か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
ていなかった。

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。

本発明はかが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に、ボイラ耐圧部か
らの計測値によって現在応力値全予測する現在応力値算
出器と、予め計画した応力制限設定値を算出する応力制
限値設定器と、現在応力値と応力制限設定値を比較する
比較器とを設け、現在応力値と応力制限設定値を比較し
て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図の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凶のＸ−Ｘ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
区、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１１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（ヘッダ）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めるため、まずヘッダ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１ｏを算出
する。

一方、ヘッダ１内より圧力計測値１１を圧力検出器１２
で検出し、この圧力計側値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會もとにめた熱応力と、圧力検出器１２によ
り検出した蒸気圧力信号１３をもとにめた内圧力を加え
た現在応力値１５ヲ算出する。

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ヲ算出し、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
時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画され
る発生応力をへラダ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っている。

次に現在応力値１５と応力制限設定値１９を比較器加で
比較し、この結実現在応力値１５が応力制限設定値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ヲ発生し、ボイラ負荷制御器部に送
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冴によってその最大のもの
を負荷変化率設定値５として設定する。

つぎに、応力予測値算出器部では第２図に示すよつ九負
荷変化率設定値５で運転した場合の２１１分後の発生応
力予測値２７ヲ算出する。なお、Δτ菖は目標予測時間
設定器列の目標子側時間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３ｏで比
較し、発生応力予測値ｎ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５が発生応力かもみた最終負
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ヲ越えるならば負荷変化率設定値囚で一段階下
げた負荷変化率設定値５を選定し、再度発生応力予測値
２７ｆｔ算出して、前述と同様に、負荷変化率設定器冴
、負荷変化率設定値５、応力予測値算出器部、発生応力
予測値２７、比較器加のステップを繰返す。

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
とを比較器あで比較し、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
おへ送る。

このように、第２図に示す所望の周期Δτ、（〈Δτ、
）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Ｔ０までボイラの
運転を行っており、Δτ１後の時刻Ｔ、まで同じ負荷変
化率Ｂで運転したと仮定すれは応力予ａ＋＋、＋値は第
３凶の曲線りとなり、時刻Ｔ、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（第１図の負荷変化率設定器Ｕで
一段階下げた負荷変化率設定値２５を選定して比較器３
０までのステップｌＪｉリ−返すことＫ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っており、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
も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おが最適
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図はボイラのヘッダ１の拡大断面を示し、ヘッダ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、ヘッダ１の円筒部
の発生応力に、応力集中係数を乗じてめることができる
。

円筒部熱応力は、円筒部の厚み方向温度分布よりめるが
、その温度分布は、円筒部の熱伝導方式（１）式 α：メタル温度伝導度　Ｔ：メタル温度１２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％式％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Ｔｘ、ｊ＋１（Ｎ＝
Ｌ　２＋　”””　ｒ　”　１　）に対し、（Ｎ−１）
個の式が得られ、境界値Ｔ。、ｊ＋１．　Ｔｎ、　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。

従ってメタル内部の厚み方向温度分布算出値１゜すなわ
ちＴ）＋　＋　１＋ｘ　（Ｎ　＝　１〜ｎ　−１）を（
２）式によりめることができる。

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σｒ
ｔ、周方向熱応力σθｔ、軸方向熱応力σｚｔはそれぞ
れ次式によりめることができる。

・・・・・・・・・（３）・・・・・・・・・（４）ここで、σｒｔ：半径方向熱応力　Ｅ：ヤング率σθｔ
　：周方向熱応力　α′二腺膨張率σｚｔ：軸方向熱応
力　シ：ボアンン比つぎに、内圧による３方向応力は（
６）　（７）　（８）式により得られる。

σｒｐ”ｆ）　・・・・・・・・・・・・・・・（６）
ここで、σｒｐ：半径方向内圧応力、Ｐ：内圧σ６．二
層方向内圧応力　Ｄｉ＝ミニ内径セル軸方向内圧応力　ｔ：板厚以上（３）〜（８）式は円筒−股部に発生する応力であ
り、ノズル等応力集中部に発２生ず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める。したかって、
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）〜（１１）で得られる。

σｒ＝Ｋｒｔ−σｒｔ＋Ｋｒｐ”ａｒｐ　””’°−−
−−−−−−−°−（９）σθ＝にθ【＠σθを十にθ
ｐ＠σθｐ　曲・曲・・・曲・・αＯ）σｚ：Ｋｚｔ、
σｚｔ　十Ｋｚｐ　σｚｐ　゛°°四′″゛−−Ｑｌ）
ここで、Ｋｒｔ：　半径方向熱応力集中係数にθｔ：　
周方向熱応力集中係数Ｋｚｔ：　軸方向熱応力集中係数Ｋｒｐ：　半径方向内圧応力集中係数にθｐ：　周方向内圧応力集中係数Ｋｚｐ：　軸方向内圧応力集中係数 σｒ＝　半径方向合計応力 σθ：　周方向合計応力 σ２：　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１５ヲもと
に疲労寿命消費およびクリープ寿命消費をめる。

まず疲労寿命消費は、（９）〜（１１）式に基づき主応
力差ｅ　（１２）〜（１４）式よりめる。

Ｓｌ−σθ−σ２　・・・・・・曲・・・・・α２）Ｓ
！＝　σ２−　σｒ　・・・・・・・・・・・・・・・
α３）Ｓ、＝　σｒ−σθ　・・・・・・・・・・・・
・・・Ｑ４）つぎに３つの主応力差について応力振幅を
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Ｓ、の変動を示し、応力振幅
Ｚ１１Ｚ１２がめられる。Ｓ、　、　８３についても同
様に”Ｉ　ｒ　””２・・・・・・　ｚｌ：　、　ｚ−
がめられる。

すなわちＳ＋　Ｋ　ツ９５　Ｚ’＋　、　Ｚ’ｔ　（Ｚ’＋　＞
”’ｔ）Ｓ、　ＫツキＺ−、Ｚ”、−（Ｚ”、　）Ｚ’
、）　・）８３　Ｋ　ツーａ　ｚ、　、　’ｌ”ｌ　・
・’　（””ｔ　＞　”ｔ　＞　”’　）となり、応力
片振幅Ｈ，、Ｈ，、・・・・・・　は（１５）　（１６
）式％式％））応力片振幅Ｈ，、Ｈ，・・・・・・および第７凶設計疲
労線図から許容繰返回数Ｎ１．　Ｎ２・・・・・・を得
られ、疲労寿命消費φｆは０７）式でめられる。

一方、クリープ寿命消費は、以下の手順で不める。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
ホッ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σｉに達した応力は時間経過とともに緩和してゆきσ
（１）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（１）を第１０図に示す
応力緩和線図よりめる。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（１）に対応する破断時間ｔ
ｒ（σ（ｔ））をめる。

時間Δｔの間のクリープ寿命消費はΔｔ／ｌｒで得られ
、１回の起動停止間でのクリープ寿命消費φＣは（１８
）式でめられる。

そして、寿命消費算出値５は、一般に用いられている線
形側式を用いて（１９）式でめる。

φ−φｆ十φＣ・・・・・・・・・・・・・・・α９）
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ｎ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：（コールドスタート回数）、Ｎ：（ウオームス
タート回数）、Ｎ：（ホットスタート回数）とし、それ
に対応した寿命配分金φ：、φ；。

φ：　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、それぞれとして与えられ、現在までの各モード毎の運用口ａをＮ
′ｃ、　Ｎ−、Ｎ；、各モード毎の寿命消費合計をφ）
。、φ）１．φＩ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。

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の推定側
算法として管内外面メタル温度計測値３．４よりめる方
法を示しているが応用例として、応力監視箇所に直接歪
ゲージを取り付は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
ｙｆｅ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っても、応力監視箇所にメタルサ
ーモカッグルなどを設置すればよく経済的である。

本発明はボイラ酎圧部からの耐側値によって現在応力値
を予測する現在応力値算出器と、予め計画した応力制限
設定値を算出する応力制限値設定器と、現在応力値と応
力制限設定値を比較する比較器とを設け、現在応力値と
応力制限設定値を比較して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ことによって、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、餓
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（ヘッダ）の
縦断面図、第５凶は第４図のＸ−Ｘ線断面における温度
分布算出のだ　］めの円筒モデルの拡大図、第６凶はメ
タルの板厚方向における温度分布算出凶、第７Ｌ！！、
ｌ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１１１１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。ｌ・・・・・・ヘッダ、２・・曲ノズルコーナ部、３，
４・・・・・・温度計側値、１１・・面圧力計６１１ｊ
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、加四・・比較器、３５・
・・・・・最適負荷変化率。第１図２第２図第３図第４図第７図　第８図一言千客刊ｈ＆し圓挙廷第１２図

Claims

【特許請求の範囲】

ボイラ耐圧部からの計測値によって現在応力値を予測す
る現在応力値算出器と、予め計画した応力制限設定値を
算出する応力制限値設定器と、現在応力値と応力制限設
定値を比較する比較器とを設け、現在応力値と応力制限
設定値を比較して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こと全特徴とするボイラ負
荷制御装置。