蒸気タービン自動制 装置 - Hitachi200 日立評論 VO+.61No.3(1979-3) 電力系続...
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蒸気タービン自動制
U・D・C・[占81・532・5′27′135.4:る81.323-181.48〕‥る21.311.22-584-52ム21.1る5-253:539.319:536.41る
装置Automatic ControISYStem for Steam Turbine
火力発電所に中間負荷調整の役割が増加し,蒸気タービンをより安全に,より
速く起動できることが望まれている。日立製作所はこの要請に応ずるため,タービ
ンロータの熟応力を管理するタービン自動制御装置を開発した。この装置は,タ
ービンロータの熱応力を管理し最適なスケジュールで運転するもので,演算部には
HIDIC O8を採用して小形化を図り,また,専用のソフトウェア言語と保守ツール
により答易なプログラミングと容易な保守とを実現した。制御は昇速から連続負荷
運転までをシーケンシャルに行ない,その制御範囲により"HITASS”【100,同150
及び同200をシリーズ化している。
l】 緒 言
一最近,火力発電所は原子力発電所の増加とともに中間負荷
運用が要求され,プ煩繁な起動・停止を行なうようになってき
ており,蒸気タービンの運転面でも運転員の負担を軽減して,
より安全により速く起動することが要望されている。これら
の要請にこたえるため,マイクロコンビチータによりタービ
ンロータの熟応力を管理し,起動を制御する新シリーズのタ
ービン自動制御装置"HITASS''(HitaclliTurbineAuto-
matic Start・up System)を完成させた。
主な特長は次に述べるとおりである。
(1)タービンロータの熟応力を常時予測演算し,その演算結
果により最適な加速率,負荷変化率を決定することにより,
起動時間を短縮した安全な運転が可能である。
(2)主要演算部を日立マイクロコンピュータHIDIC O8に集
約し,装置を小形化した。
(3)FIF(Fillin the Form)方式とインタプリタ方式を併用
する専用のソフトウェア言語体系を用意し,ソフトウェアの
専門家でなくても容易に処理内容を理解することができる。
(4)タービン周りの補機の状態を常時モニタし,異常を発見
したときには項目ごとにオペレーターズコンソールパネル上
に表示する。また速度,負荷及び熟応力の現在値を数字表示
器に表示することにより,運転員が運転メ犬態を容易に把握す
ることができる。
(5)付属の保守ツールにより,コンピュータの専門家でなく
ても故障箇所をプリント板単位あるいは機能単位で知ること
ができる。
凶 制御機能
2.1 制御範囲
加減弁起動方式の蒸気タービンに対応した"HITASS''の
制御範囲を区‖に示す。タービンの起動過程を7ステップに
分割している。
第1のステップ「起動準備+では補機の状態を監視し,タ
ービンの起動に必要な条件がすべて満足されているかをチェ
ックしている。
第2のステップ「ラブチェック+では,"HITASS''はロー
ドリ ミットモータを開操作し,タービンを加速し,一定速度
を超えたらロードリ ミットモータにより蒸気加減弁を開き始
本田永信*
松本 弘**
射場大造*
久野勝邦***
福島弘一郎****
〃0れdα ∧bgαれ0占加
〟α′5山肌のJo 〟gγ05んg
Jムα βαよヱ∂
〟Jぶα托P 尺ム~ぶ比丘即氾J
凡ん伽ゴムfm ∬∂古cん上rる
起動準備ラ ブ
チェック昇 速 励磁 同期初負荷 負荷上昇 通常運転
速度
負荷
定格
速度
俳人
員標埠
負荷
制御モ
】
ド
プラント状態監視////// / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
熱応力耶
速度制御l/
揃速
同期併入
負荷制御//// //// // / / / / / / / ′ / / ′ / / /
御
////γ■/// ///// /// //// //// //////
l
シ
り1
ズ
"H汀ASS''-100 "H一丁ASS''一150``H】TASS''-200
図l"H=‾ASS”の制御範囲 制御範囲により,`■HITASS”-100,同
150,同200のシリーズがある。
め位置まで閉めて,タービンに蒸気がi売人しないようにする。
この操作後,運転員がタービンにラビングが発生していなし-
か聴音する。
第3のステップ「昇速+は,
する過程である。昇速過程で,
適な値がi塞択される。
第4のステップ「励磁+では,
制御系に励磁拝旨令を与える。
タービンを定格速度まで昇速
昇速率は熟応力管理によr)最
"HITASS''は発電機の界磁
第5のステップ「同期・初負荷+では,ガバナモータを使
用してタービン速度を定格速度を中心として,-一定の振幅,
周期で変化させる。同時に自動同期装置により同期点を検出
し,主しゃ断器の投入を指令する。
第6のステップ「負荷上昇+は,オペレーターズコンソー
ルパネルで設定した目標負荷への負荷上昇過程である。負荷
変化率は熟応力制御から最適な数値が選択される。発電機出
力が目標負荷に到達した後は「通常運転+となる。このステ
*
日立製作所大みか工場**
日立製作所日立研究所***
日立製作所日立工場****
日立製作所電力事業本部
41
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200 日立評論 VO+.61No.3(1979-3)
電力系続
オペレーターズ
コンソー・ル
パネル
「 二「負荷増減
負 荷
変化率
初負荷
昇速率
目標速度
熟応力
負荷制御 ■-H汀ASS事'制御盤
目標負荷設定
負荷変化率選択
初負荷選択
プログラム信号発生
+
牙系統側PT
自動同期装置
発電機側PT
揃庄
主し
CT入力
PT入力
電力変換器
P旧演算
揃速制御
速度スイング信号発生
+
PID演算
昇速制御
昇遠率選択
目標速度選択 ′
+
低値選択
(実速度)
P旧演算
加速度演算
熟応力使用/除外
注:略字説明
PT=計器用変圧器
P旧=比例・積分・微分
CT=計器用変流器
T=切換
熱応力計算
サーモカッブル
速度検出器
____ +
電動機駆動装置
ロードリミッ
高 圧
タービン
圧力検出器
加減弁 主蒸気止め弁
中 庄
タービン
甘
低圧夕一ピン
再熟器
図2 ``HlTASS”の制御系統 負荷制御,揃速制御,昇速制御及び熟応力計算は,マイクロコンピュータにより演算処‡里される。
ップでは,オペレ【クーズコンソ【ルパネルで設定したH標
負荷を目標に,熱応力制御でi窒択した負荷変化率で発電機出
力を制御する。
以上の制御ステップの範囲により"HITASS”-100,同150、
同200のシリーズがある。
図2に"HITASS''の制御系統を示す。
2.2 熟応力制御
蒸気タービンの起動時,及び負荷変化時には,タービンの
肉厚部に発生する熱応プJによる二度労,すなわち寿命消費率を
許容値以下に利手卸する必要がある。従来は,スケジュール‾方
式と呼ばれる■方式により昇速率及び暖機時間を決定した。こ
の方式は,起動前のケーシングメタルi息度,主蒸気条件を基
に,ボイラの昇i温パターン,昇圧パタⅥンを予測し起動に必
要なパラメータを起動前に決定する方式である。しかしこの
方式では,昇i息パターン,昇庄パターンが予定値よりずれる
ことを見込んで大きなマージンをとっているため,起動時間
は長くなりがちであった。
今回開発した熟応力制御は,タービンの運転状態がボイ
ラの動特性に与える影響をオンラインで記憶し,これで熱応
力の予測演算を行なって,昇速率及び負荷変化率を逐次最
適化させる制御方式である。着目する熱応力発生箇所は,高
中庄タービンとも高温・高速の漏れ蒸気にさらされる第1段
42
ポイラ
GM
lガバナlモータ
発電機
後ラビリンスパ・ノキン部のロ【タ表面,及びボーア(中心孔)
部である。
熟応力制御のフローを図3に示す。まずケーシング内外壁
のメタル子息度の実測値からロータの温度分布を推定し,初期
値とする。二の上軌作は-一度実行されるだけであるが,これ以降
に説明する各機能は‥走周期で動作する。方じ力値計算では,
一呪力三のタ【ビン入U蒸気条作の実測値をもとに,現在のロータのi温度分布,熟ん打力を計算する。またこのときタⅦビンの
運転ご状態に対して,蒸気条件がどのように変化したかを記憶
しておき,ニの結果を予測制御に利用する。
予測制御は,「現在応力を求める周期+の整数倍で実施され
るので,予測実施周期であれば予測制御処理のi充れを切り替
える。変化率仮定部ではタ【ビンの起動二状態に応じて,加速
率あるいは負荷変化率のどちらかを仮定する。仮定する変化
率は大きいものから順に仮定していく。また最大の変化率は,
現在の運転状態により制限されている。蒸気条件予測部では,
仮定した変化率で運転した場合蒸気条件がどのように変化す
るかを,前述の記憶結果をもとに予測する。次にこの予測蒸
気条件の下でのロータの温度分布,熱応力の予測値を求め
る。二の予測応力値がある時間先まで許容値を超えていなけ
れば,仮定した変化率を指令変化率として昇速制御,あるい
は負荷制御ブロックに指示する。しかし,予測応力が許容値
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蒸気タービン自動制御装置 201
1分周期
プラント入力値取込
初回演算?
NO
応力値計算
NO
応力は許容値内?
NO
保持指令
NO
予測実施周期?
YES
変化率仮定
蒸気条件予測
予測応力値計算
応力は許容値内?
YES YES
最適変化幸決定?
\
/
初期温度分布設定
応力値計算フロー
●‾「
仁第鳩後蒸気条件計算
熱伝達宰計算
ロータ内温度分布計算
ロータ表面応力
ロータボーア応力
+ __
計算
図3 熱応力制御フロー タービンロータを円筒とみなし,温度分布を
計算することにより,熟応力を求めている。
を超えていた場合には,再び変化率佃走部に戻って1ランク
′トさい変化率を似志して,前述の予測演算を実施する。)
現在応力値を■求める場合には蒸気条件に一呪在値を,予測応
力伯を求める場合には蒸乞て条件の予測値をそれぞれ入力して
演算させることにより求められるよう,応力伯計算フローは共
通のサブル【ナンとしている。ロータ応力を精ノ空良く求める
には,第1段後蒸気条件を止確に求めることが必要である。
昇速時とか,低負荷領域などの蒸気流量の′トさいときは計
1則器の測定誤差がi則定値に占める剖fナ(村村誤差)が大きくな
I),第1段後蒸気i温度,斥力を高相J空で測定することは困難
である。この問題を解f失するために,タービンの運転状態と
人l-+蒸気条件から一義的に第1段後蒸気条件を演算する方式
を採用している。
温度分布の更新計算では,ロータ内部の熟移動は半径方IFり
だけである‥i大元流とみなし,ロータを櫓数個の佃想円筒に
分割L,各円筒間の熟収支に着目し分布を求めている。ロー
タ応力は,?且度分布から計算できる。
田 ソフトウェア
ソフトウェアの全体構成を図4に示す。簡単にプログラミ
ングでき,容易に処理内容を理解できるよう同志部と可変部
とに大きく区分している。
制御処理内容の理解,変更には‾叶変部の各テーブルの記述
法だけを理解すれば十分である。可変部には,インタプリタ
方式とFIF方式と呼ばれる手法を併用Lている。インタプリ
夕方式は,約20種の演算要素を接続して,各種演算処理を実
行させる手法である。
アクションテーブル,クライテリアテーブル,オペレータ
ーズコンソ【ルテーブルは,あらかじめ決められたフオ〉「マ
、ソトに記号あるいは数字を記入することにより,コ】ディン
グ可能なFIF方式を採用している。
ブロック
チャート
解釈プログラム
(アセンブラ)
ー\ゝアクションテープル
クライテリア
テーブル
オペレーターズコンソール
テーブル
作業エリア
定数テーブル
固定
部
十可
変
部
㌔㌔去デ
ー
タ エ リ ア
図4 ソフトウェアの全体構成
式を併用Lている。
可変部はF==方式とインタプリタ方
田"HITASS”の構成と仕様
小HITASS''のシステム構成を図5に示す。
"HITASS†■は,中央制御盤に設置されるオペレ【ターズ
コンソール,制御盤及び保守ツⅥルから構成される。制御盤
の、H去は,幅650mm、奥行700mm,高さ2,300mm,2巾であ
り,従来のアナログ演算方式に比較して大幅なJ末面積の縮小
化を阿っている。
盤No.1にほ,日立マイクロコンビュ】タHIDIC O8,プロセ
ス人Hl力装置(PI/0)などを収納している。盤No.2には日動
同期装置,電動機駆動装置,補肋リレーなどを収納Lている。
オペレーターズコンソールパネルの上段はプラント状態の
監視表示部で,起動途中の必要なプラント条件のうちi満足し
ていない項Rを表示する。中央は目標ステ、ソプと制御ステッ
プを表示する起動シMケンス表示部である。下段には起動ス
ケンュー1ル表示などを設けている。
試運転及び左期ノ中二検での保守を谷易にするため,保=守ツー
表1 制御装置の仕様 "HITASS”-200の標準仕様を示す。
項 目 1 仕 様
演 算 部
形 式
メモリ
HIDIC O8
コアメモリ 32k言吾
語 長 16ビット十パリティ
入 出 力 部
形 式 H 7 6 0 0
入出力点数
(最大)
アナログ入力
アナログ出力
32点
8点
128点デ ィ ジ タ ル 入 力
メモリ付ディジタル入力 64点
デ ィ ジ タ ル 出 力 192点
パ ル ス 列 入 力 2点
形 式
機 能自動同期装置
パ ル ス 幅 出 力
S S-2
電 圧 平 衡
同 期 投 入
同 期 検 出
Z点
電動機駆動装置
盤寸
環境
方 式j パワートランジスタスイッチング方式
駆動対象ロードリミットモータ:DC直巻60W
ガバナモータ:DC直巷25W
)去 2面×幅650×高さ2′300×奥行700(mm)
条 件温 度:0、400c
〉五 度:川、90%
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202 日立評論 VO+.61No.3(19了9-3)
霊蒜プ「
シミュレータ.
コンソー・・ル
タイプライタ
タービン
シミュレータ
輝蒜紺
一一‾‾‾‾
注:CPU=中央処理装置
Pレ′0=プロセス入出力装置
補助盤
甘
剛
川
(u
V円
淫自動同期装置
電動機駆動装置
補助リレー
電力変換器
Lヱ
蒸気タービン
プラント状態
監視表示
帽
励礎装置
中央制御盤
動シーケンス
表示
起一動スケジュール
表示
発電機
図5 "HlTASS”のシステム構成 "HITASS”は制御盤,オペレーターズコンソール及び保守ツールから構成される。
ルを準備している。この保守、ソールは,コンピュータ用コン
ソール入出力機器であるタイプライタ,紙テープ読取器,保
守時に必要な各種信号を授受する保守用コンソール及び簡易
化されたタービンシミュレーータから構成されている。コンビュ
【タのハードウェアを保守するには,T/M(Test& Main-
3,0.00 r-■■一-t一一■一一---
J
堅
檻承
速度
負荷
40 80 120 160 200 240 280 320
時間(min)
ボーア応力制限値
中庄ロータボーア応力
-R竣
0
(∋
ヽ
ヽヽ
中圧ロータ表面応力
表面応力制限値
0 40 80 †20 160 200 240 280 320
時間(mm)
注:---一従来方式 一新方式
図6 起動シミュレー「ション結果 熱応力による新方式は,起動時間
を約25%短縮することが可能である。
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tenance Program)を利用して,タイプライタとの会話形式
によI)容易に故障箇所を発見できる。またタービン自動制御
装置としての各種機能は,シミュレータを利用することによ
り容易にチェックすることができる。
▲、HITASS''の仕様を表1にホす。
B シミュレーション結果
図6は,熟応力制御による起動のシミュレーション結果を
示すものである。これは48時間停止後の暖機起動のものであ
るが,各種起動条件でも,応力制限値を精度良く有効に利用
できることが確認できた。その結果,起動時問は従来のスケ
ジュール方式より,平均して約25%の短縮が可能となった。
また,負荷追従性に関しては,目標負荷を25%から100%に
変化させて,追従性が約35%向上することが確認できた。
【司 結 吉
日立マイクロコンビュ【タを利用し,タービンロmタ熟応力
を管理する新シリuズの"HITASS''について述べた。この
装置は,起動時間を短縮した安全な運転を実現するもので,
火力発電所の中間負荷運用など新しいニーズに応ずるものと
考える。
終わりに,この装置を完成するに当たり御協力をいただい
た関係各位に対し深謝の意を表わす次第である。
参考文献
1)丸【j+,ほか3名:火力発電所のディジタル技′術,日立評論,
59,283(昭52-4)
2)福島,ほか2名:大容量火力発電用タービン全自動起動・停
止装置,日立評論,58,213(昭51-3)