JPS6228395B2

JPS6228395B2 -

Info

Publication number: JPS6228395B2
Application number: JP12110180A
Authority: JP
Inventors: Seiitsu Nikawara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-09-03
Filing date: 1980-09-03
Publication date: 1987-06-19
Also published as: JPS5747199A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は発電プラント等の熱サイクルで構成さ
れるプラントにおける熱交換器の異常を早期に検
出し、診断する熱交換器の診断装置に関する。

本発明は火力発電プラントに例をとつて以下に
説明する。

従来、火力発電所におけるタービン，ボイラ，
発電機および各種補機については温度，圧力，流
量，水位，電圧，電流などのようなプラント状態
量が、機器として許容される制限値内にあるか否
かを常時監視し、制限値を逸脱した時、即警報を
発して異常を予告しているが、この警報制限値は
機器損傷を防止することを目的としているため、
制限値そのものにかなり余裕を与えており、この
ため警報が発せられてもかならずしも機器異常と
は限らない。

この様に従来の警報監視は異常状態に近づいて
いることに主眼をおいているため、正確に異常を
キヤツチすることがむずかしく、また異常の原因
分析をする機能に欠けているため、正確な異常の
内容を把握できず、このため、無用なプラント操
作を行う可能性があつた。例えば熱交換器の一例
である高圧給水加熱器及び低圧水加熱器について
みると、器内水位高（あるいは低）の警報が用意
されているだけで、加熱器チユーブの漏洩や性能
劣化などについて監視されていない。

本発明の目的は熱力学の第２法則（一つの熱源
からの熱を温度の降下なく、また他になんら変化
を及ぼすことなく継続して仕事にかえる運動は不
可能である）を応用して熱交換器の各部の熱損失
を算出し、その熱損失の分布状況から異常を診断
することを特徴とする熱交換器の診断装置を提供
するにある。

本発明の熱交換器の診断装置は第１０図に図示
されているが、これを説明する前に、第１図を用
いて火力発電プラントのスケルトンを説明する。
第１図において、ボイラ１で発生した蒸気は主蒸
気管１８を通つて高圧タービン２に入り、ここで
蒸気の熱エネルギーの一部は発電機４をまわすた
めの回転機械エネルギーに変換される。高圧ター
ビン２で仕事をした蒸気は低温再熱蒸気管１９を
通り、再熱器１６で再び加熱され、高温再熱蒸気
管２０を通つて再熱タービン３に導かれ、再び仕
事をする。再熱タービン３で仕事をした蒸気は排
気として復水器５に入り、海水等の冷却水（図示
せず）によつて冷却されて水に復する。この復水
は復水ポンプ６によりポンプアツプされ、復水熱
交換器７、空気抽出器８およびグランドコンデン
サ９の各熱交換器を通つて熱回収を行い、低圧給
水加熱器１０，脱気器１１で復水の温度を上げ、
ボイラ給水ポンプ１２で昇圧された給水は高圧給
水加熱器１３で更に給水の温度を上げて主給水管
２１を通つてボイラ１に給水される。高圧給水加
熱器１３，脱気器１１および低圧給水加熱器１０
はいずれもタービンの抽出で加熱されるものであ
り、これらもまた熱交換器である。またボイラは
燃料調整弁１７でコントロールされた燃料が燃料
バーナ１４を通り火炉内で燃焼する。給水はこの
燃焼による熱を受けて蒸気となり、過熱器１５で
過熱されタービン２に送られる。このようなプラ
ントにおいて、プラントが正常な状態で運転され
ている場合の各部の状態量を示したのが第２図で
ある。第２図では、第１図で省略されたものも一
部示されている。例えば、３′，３″は夫々中圧タ
ービン、低圧タービン、２１はドレンクーラ、２
２はドレンポンプ、２３はブースタポンプ、２４
は給水ポンプ用タービン、２５は重油加熱器、２
６は空気加熱器、２７はS.S.R（スチームシール
レギユレータである。第２図は500MWを発電し
ているプラントの正常状態を示したもので、ボイ
ラ，タービン，補機等の各部における温度（１
゜：℃），圧力（Ｐ：Kg／cm²），流量（Ｇ：Kg／
Hr）およびエンタルピ（Ｈ：Kcal／Kg）が示さ
れている。ここで示されている状態量はエンタル
ピを別にすれば容易に計測できるものである。以
上の如き火力発電プラントにおける熱交換器の代
表例として第２図の熱平衡線図に示す最終段の高
圧給水加熱器１３について診断を行なう場合の本
発明の考え方について以下説明する。

本発明の一実施例を示す第１０図において、ブ
ロツク１０１は正常状態でのエネルギー損失（△
Ｑ）を求める回路であり、以下△Ｑを求める考え
方を説明する。

まず、第３図は第２図の最終段の高圧給水加熱
器１３まわりの状態量をぬき出したものである。
すなわち第３図の給水加熱器１３において、加熱
器の加熱蒸気の圧力は73.2Kg／cm²、温度363.5
℃であり、この蒸気のエンタルピを上記検出した
温度，圧力を用いて蒸気表から求めると
728.8Kcal／Kgとなる。加熱蒸気のドレンの圧
力は加熱器々内圧力とほぼ同じで69.6Kg／cm²、温
度は260.6℃であり、このドレンのエンタルピを
蒸気表から求めると271.6Kcal／Kgとなる。加熱
器への給水の温度は255.0℃で圧力は給水ポン
プ出口から押出されるため、ここでは289.9Kg／
cm²である。加熱器出口給水は温度285.2℃、圧
力はほぼ入口給水圧力に等しい。との所の給
水エンチルピは蒸気表からそれぞれ265.3Kcal／
Kg，299.7Kcal／Kgとなる。加熱器々内は圧力
69.6Kg／cm²で、内部は飽和水であるため温度は蒸
気表から求められ、284.1℃となる。

このように第３図において各点で計測された圧
力，温度から蒸気表によりエンタルピ（あるいは
温度）が容易に求められるので、別に計測された
給水流量1612676Kg／Hrをもとに下記式により容
易に加熱蒸気の流量Gsが求められる。

加熱蒸気流量Gs＝給水流量×（出口給水エンタルピ−入口給水エンタピ）／（加熱蒸気エンタルピ−ドレンエン
タルピ）＝１６１２６７６×（２９９．７−２６５．３）／（７２８．８−２７１．６）＝121339Kg／Hr
…(1) (1)式は公知のバランス式である。第４図は第３
図に示す給水加熱器における温度変化の様子を線
図で表わしたもので、図中の番号は第３図のそれ
に対応しており、給水加熱器内の水，蒸気の温度
分布が良くわかる。

一方、第３図における給水加熱器１３まわりの
状態の別の見方をしたのが第５図である。すなわ
ち第３図において計測されたと同じ圧力，温度か
らそのエントロピを蒸気表から求めたものを第５
図の（）内に示してある。本発明は熱力学の第
２法則（一つの熱源からの熱を温度の降下なく、
また他になんら変化を及ぼすことなく継続して仕
事にかえる運動は不可能である）に着目したもの
であり、これは別の見方をすると、他のなんらの
変化を及ぼすことなく熱交換をすることは不可能
ということである。従つて第５図における給水加
熱器での熱交換においても、エネルギ損失なく熱
交換は出来ないことになる。

第１０図のブロツク１０１の出力である給水加
熱器１３の熱交換でのエネルギ損失△Ｑは下記式
で求めることができる。

エネルギ損失△Ｑ＝｛（Gs×Ts−Gw×Tw）｝ ×（ｔｏ＋２７３．１６）／Ｋ^Ｗ（Kcal／Ｋ^WＨ
）…(2) ここで Gs：加熱蒸気流量（Kg／Hr） Gw：給水流量（Kg／Hr） Ts：加熱流体のエントロピ（Kcal／
Kg〓） Tw：給水のエントロピ（Kcal／〓）Ｋ^W：発電機出力（Ｋ^W） to：ベースとなる温度（第２図では復
水器出口給水温度33.1℃） (2)式をもとに第５図における給水加熱器１３で
の熱交換によるエネルギ損失（△Ｑ）を求めると
下記のようになる。

△Ｑ＝｛121339×（0.68898−1.5001）＋1612676×（0.72837−0.6650）｝ ×（３３．１＋２７３．１６）／５０００００ ≒2.31（Kcal／Ｋ^WＨ） ……(3) ここで求めたエネルギ損失△Ｑ＝2.31Kcal／Ｋ
^WＨは給水加熱器１３が正常な状態であつても、
熱交換動作において発生する損失エネルギであ
る。

第１０図ブロツク１０１は各負荷（給水流量）
のときのエネルギ損失△Ｑを出力するものであ
る。ブロツク１００の出力はエネルギ損失の基準
となるものであり、実際のエネルギ損失がこれと
相違すれば何らかの異常が発生したものと判断で
きる。これらの異常のうち、給水管に穴があき、
給水側（高圧）から蒸気あるいはドレン側（低
圧）に給水の漏えいが発生した場合、給水加熱器
出入口の温度特性が正常状態に対してどのように
変化するかを第７図に示した。

第７図ａは給水加熱器入口側給水管で漏えいが
発生した場合であり、第７図ｂは途中の給水管で
漏えいした場合、第７図ｃは出口側給水管で漏え
いが発生した場合のそれぞれにおいて、正常状態
（実線）からの変化を点線で示した。

ここで第７図ｃの場合を例にとつて、熱交換時
のエネルギ損失（△Ｑ）を求めてみる。第３図に
示す状態において、給水加熱器出口部において
20000Kg／Hrの漏えいが発生するとドレン温度は
おおよそ264.1℃に上がるが、事前の温度が260.6
℃のため温度による検出は困難である。

（１２１３３９×２６０．６＋２００００×２８５．２
／（１２１３３９＋２００００）≒264.1℃）この時の状態値は第８図に示すようになる。こ
こでエンタルピ，エントルピは蒸気表から求めら
れ夫々（）内に示すような値となる。第８図の
ような状態において給水加熱器出口側給水管から
の漏えい水が20000Kg／Hrであることがわかつて
いるとして、熱交換時のエネルギ損失（△Ｑ_LEA
_Ｋ）を第８図をもとに(2)式，(3)式の考え方により
計算すると次のようになる。

△Ｑ_LEAK＝｛（1592676×0.72837−1612676 ×0.6650＋（141339×0.69678 −121339×1.5001）｝×（３３．１＋２７３．１
６）／５０００００ ≒2.50（Kcal／Ｋ^WＨ） …(4) この△Ｑ_LEAKは給水加熱器が正常状態で熱交換
している場合のエネルギ損失△Ｑ（＝2.31Kcal／
Ｋ^WＨ）に比べ相対的に大きくなつており、これ
は給水管からの漏えいによる損失分が増えたため
であり、異常傾向がよくわかる。

しかしここに示した△Ｑ_LEAKは理論的に計算し
たものであり、実際問題としては、給水加熱器に
おける給水管からの漏えい量20000Kg／Hrを外部
で直接検出することがむずかしい。ちなみに、
20000Kg／Hrは、給水量の1.24％にしかあたらな
いため、計測誤差にかくれてしまい、測定器での
検出も困難である。このため漏えいが20000Kg／
Hrあつても給水加熱器まわりの計算される状態
量は第９図のようになる。

本発明では、漏えい量は検出できないが、ドレ
ン流量Ｇ_Dは検出可能であり、これは漏えい量を
も含む情報であることに着目した。ドレン流量Ｇ
_Dは実測可能であるが、それ以外にも第９図にお
いて給水加熱器ドレンは流量調整弁１００により
調整されていることから、この流量調整弁の開度
（Vp）、前後差圧（△Ｐ）から調整弁を通るドレ
ン流量（Ｇ_D）を下記式により求めることも出来
る。

Ｇ_D＝ｆ（Vp，△Ｐ） …(5) ここで流量調整弁の開度（Vp）及び弁の前後
差圧△Ｐは容易に測定できる。

第９図においてドレン流量が上記(5)式から
125000Kg／Hrと検出された（実際には第８図の
ように121339＋20000Kg／Hr）とした場合、この
時の熱交換時エネルギ損失（△Ｑ_LEAK″）を求め
ると △Ｑ_LEAK″＝｛1612676×（0.72837−0.6650）＋125000×（0.69678−1.5001）｝ ×（３３．１＋２７３．１６／５００００
０） ≒1.90（Kcal／Ｋ^WＨ） …(6) 但し、(6)式は漏えい量が不明のため給水加熱器
の出口給水流量は入口と同じとしている。

第９図においてドレン流量は実際には 121339＋20000＝141339Kg／Ｈあつたにもかかわらず、流量調整弁開度から求め
た流量が検出誤差により125000Kg／Ｈと少なく検
出されても、給水加熱器が正常な時のエネルギ損
失△Ｑ（＝2.31（Kcal／Ｋ^WＨ）と比較し(6)式で
求められた△Ｑ_LEAK″は大きく変化しており、正
常状態からはずれていることが容易に判定でき
る。ドレン流量が141339Kg／Hrの場合は△Ｑと
△Ｑ_LEAK″はもつとその差が大きくなる。すなわ
ち(5)，(6)式によりエネルギ損失を求める方法は(5)
式により求める流量に相当大きな誤差をもつてい
ても、わずかな流量変動を容易に判別でき、しか
も正常時でのドレン流量に対し、下記のように増
減の判定まですることができる。

△Ｑ＞△Ｑ_LEAK″の時は漏えい発生（ドレン流
量増加）。

△Ｑ＜△Ｑ_LEAK″の時はドレン流量減少ここでエネルギ損失の絶対値は特に意味を持つ
ものではない。なお、ドレン流量の計測は流量計
より行つてもよい。

第１０図の実施例１０２では求めたエネルギ損
失△Ｑ_LEAK″と正常時のそれ（△Ｑ）とを比較
し、その偏差により給水管からの漏えいの有無を
判定し、信号線l₁にドレン流量増加、かつ漏えい
発生の旨を出力する。△Ｑ−△Ｑ_LEAK″＜αのと
きは信号線l₃に漏えい以外の何らかの異常発生の
旨出力し、｜△Ｑ−△Ｑ_LEAK″｜≦−αのときは
信号線l₂に正常の旨出力する。信号線l₁の出力は
タイマ１０３を介して漏えい発生の報知に使用さ
れる。

なお給水加熱器の漏えいは急速に拡大して行く
のが普通であるため、(5)，(6)式から求めた△Ｑ_LE
_ＡＫ″の変化率を求め、第１０図の漏えい検出ロジ
ツクにｄ／ｄｔ（△Ｑ_LEAK″）＜−α′ による判定をもオア条件として加えることによ
り、検出を早くすることも出来る。

第１０図の以上の回路により漏えい発生を検知
するが、本発明ではこれ以外の異常あるいは異常
発生の要因である性能劣化をも以下の考えにより
検知する。

まず、本発明の実施例としてとりあげた給水加
熱器の性能はTD（ターミナル温度差），DC（ド
レン温度差）で代表される。従つてこのTD，DC
が正常状態でのそれと比較し著しく悪い（TD，
DCが正常値に比べ大きくなる）場合は性能劣化
が考えられる。性能劣化はチユーブにスケール附
着などで熱交換性能が低下したことを意味してお
り、この時にはTDが大きくなつたり、DCが大き
くなつたりあるいはTD，DCとも大きくなつたり
する形であらわれるので他の異常と区別して検知
できる。第６図に正常状態での給水加熱器の温度
特性を示す。第６図ａに示すTDはターミナル温
度差，DCはドレン出口温度差を表わしている
が、その特性は給水加熱器の給水流量（負荷）に
対し、第６図ｂ，ｃに示す通りの関係がある。従
つて、これらの関係を第１０図ブロツク１０４，
１０７に記憶しておいて基準値となし、一方これ
らの実際値TDa，DCaを実測し、夫々ブロツク１
０５，１０８において大小関係を比較する。そし
て、信号線l₄又はl₇に出力有りのときオア回路１
０６を介して検出器異常を出力する。信号線l₆又
はl₉に出力有りの時オア回路１１０を介して性能
劣化を出力する。

また、第９図のドレン調整弁１００の開度は負
荷（給水流量）によつてほぼ定まることからブロ
ツク１１１において弁１００の開度の基準値Vp
を準備し、実測開度VPaとの差をブロツク１１２
で求める。この場合に、信号線l₃とl₁₀に共に出力
有りをアンド回路１１５で検知しこの状態の継続
をタイム１１３で確認したときにはドレン調整弁
１００の異常と判断する。信号線l₁とl₁₂に出力有
りをアンド回路１１６で検知できた状態がタイマ
１１４で確認できるときにはドレン流量検出器異
常であり、この旨出力する。尚、信号線l₂，l₅，
l₈，l₁₁の出力は正常時のものであり、オア回路１
０９を介して正常の旨報知する。この第１０図の
実施例において、オア回路１０６又はタイマ１１
４の検出器異常の出力があるときにタイマ１０３
が漏えい検出しているときはタイマ１０３の出力
を阻止するのが良い。

第１０図は給水加熱器まわりの総合診断を示し
たが、ここで、α，β，γおよびδは検出誤差等
を考慮した判定のための裕度であり、給水加熱器
の運転状態によつて可変にしてもよい。勿論この
中の一部についての診断のみ行うことも出来る。
なお当然ながら本診断機能は計算機の中に組込む
ことが出来る。

本発明は給水加熱器に限らず、第４，６，７図
に示すような熱サイクルを持つ熱交換器には同様
に適用できる。

尚、本発明を実施するに際し、給水流量の測定
に大きな誤差があると、診断はそれだけ影響を受
けるが、ある程度の誤差量は第１０図における判
定値α，β，γ，δを調整することにより対処で
きる。さらに大きな測定誤差については別にリー
ズナブルチエツク（発電機出力との相関々係とか
主蒸気流量との関係などから誤差の程度を判定す
る）を行い、必要以上の誤差がある場合には測定
異常として処置し、診断処理を中断するのが良
い。勿論診断回路が異常になれば本発明は用をな
さなくなるので、自己診断機能を備え異常と判定
した場合は本発明の診断機能を中断させるのが良
い。

又、本発明の実施例としてとりあげた給水加熱
器の性能はTD（ターミナル温度差）、DC（ドレ
ン温度差）で代表される。従つてこのTD，DCが
正常状態でのそれと比較し著しく悪い（TD，DC
が正常値に比べ大きくなる）場合は性能劣化が考
えられる。性能劣化はチユーブにスケール附着な
どで熱交換性能が低下したことを意味しており、
この時にはTDが大きくなつたり、DCが大きくな
つたりあるいはTD，DCとも大きくなつたりする
形であらわれるので、他の異常と区別して検知で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は火力発電プラントの機能を示すスケル
トン図、第２図は火力プラントの熱平衡線図、第
３，５，８，９図は給水加熱器まわりの状態値を
示す状態線図、第４図は給水加熱器内の温度分布
図、第６，７図は給水加熱器の特性線図、第１０
図は異常診断装置の診断アルゴリズムを示すフロ
ー図である。１…ボイラ、２…高圧タービン、３…再熱ター
ビン、４…発電機、５…復水器、６…復水ポン
プ、７…復水熱交換器、８…空気抽出器、９…グ
ランドコンデンサ、１０…低圧給水加熱器、１１
…脱気器、１２…ボイラ給水ポンプ、１３…高圧
給水加熱器、１４…燃料バーナ、１５…過熱器、
１６…再熱器、１７…燃料調整弁、１８…排蒸気
管、１９…低温再熱蒸気管、２０…高温再熱蒸気
管、２１…主管水管。

Claims

【特許請求の範囲】１加熱材と被加熱材との間で間接接触で熱交換
を行なう熱交換器の異常を診断する熱交換器の診
断装置において、加熱材と被加熱材とが正常に熱交換を行なつて
いるときに熱交換器で生じるエネルギー損失を求
める第１の手段、熱交換器から排出された加熱材
の流量を検知する第２の手段、該第２の手段の出
力と、加熱材と被加熱材の状態量とを用いて加熱
材，被加熱材の夫々が所定の点において所有する
エントロピを導出するとともに、エントロピを介
して加熱材から被加熱材への熱交換に伴なう熱損
失を求める第３の手段、該第３の手段の出力と前
記第１の手段の出力との比較により熱交換器の異
常を検出する第４の手段とから構成されることを
特徴とする熱交換器の診断装置。２第１項記載の熱交換器の診断装置において、
第２の手段は熱交換器から排出された加熱材の流
量を調整弁の開度とその前後差圧とを用いて排出
された加熱材の流量を求めることを特徴とする熱
交換器の診断装置。