蒸汽涡轮机发电设备的制作方法

蒸汽涡轮机发电设备的制作方法
【专利摘要】一种蒸汽涡轮机发电设备，能够以良好精度预先控制多个热影响量来高效率启动。其具备：针对应答延迟时间较短的基础热影响量，基于调整装置(12、14)的操作量计算预测期间内的值的基础热影响量预测装置(32)；基于基础热影响量预测装置(32)计算出的预测值计算调整装置(12、14)的基准目标操作量的基准目标操作量计算装置(33)；针对其他热影响量，基于该预测期间内的基准目标操作量计算对应预测期间内的值的热影响量预测装置(35a、35b)；基于热影响量预测装置(35a、35b)计算出的预测值，计算调整装置(12、14)的其他目标操作量的其他目标操作量计算装置(36a、36b)；按照从基准目标操作量和其他目标操作量中选择的值，将指令值输出给调整装置(12、14)的控制信号输出装置(40～43)。
【专利说明】蒸汽涡轮机发电设备

【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种蒸汽涡轮机发电设备。

【背景技术】
[0002]为了抑制由于以风力发电和太阳能发电为代表的可再生能源接入电力系统导致的系统电力稳定性下降，要求蒸汽涡轮机发电设备的启动时间进一步缩短。然而，蒸汽涡轮机启动时蒸汽的温度和流量急剧上升，其结果是涡轮机转子的表面与内部相比升温更剧烈，半径方向上的温度梯度变大，热应力增大。过大的热应力可能导致涡轮机转子的寿命缩短。另外，蒸汽的温度变化较大时，涡轮机转子与机壳之间由于热容量差异会产生热膨胀差。随着这个热膨胀差变大，旋转的涡轮机转子与静止的机壳会发生接触、造成损伤。因此，蒸汽涡轮机需要采取启动控制，使得涡轮机转子的热应力、与机壳之间的热膨胀差不超过极限值(参照专利文献I至3等)。
[0003]蒸汽的状态量变化时，在蒸汽涡轮机的转子和机壳等上，热应力和热膨胀差等多个热影响量会发生变化。然而，热影响量的种类不同使得对于蒸汽状态量的变化的应答迟延时间不同，例如与热膨胀差相比，热应力的应答延迟时间较短。因此，基于热应力的预测值控制设备时，热膨胀差可能变化得较晚而超过极限值。相反，基于热膨胀差的预测值控制设备时，需要预测相对于当前时刻更长时间之后的未来时刻的值，因此预测精度会下降。
[0004]专利文献1:日本特许4208397号
[0005]专利文献2:日本特许4723884号
[0006]专利文献3:日本特开2009-281248号公报


【发明内容】

[0007]本发明是针对以上情况提出的，其目的在于提供一种能够以良好精度预先控制多个热影响量来高效率启动的蒸汽涡轮机发电设备。
[0008]为了达到上述目的，本发明提供一种蒸汽涡轮机发电设备，具备:热源装置，其以热源介质将低温流体加热，生成高温流体；蒸汽产生装置，其通过所述热源装置中生成的高温流体产生蒸汽；蒸汽涡轮机，其用由所述蒸汽产生装置产生的蒸汽驱动；发电机，其将所述蒸汽涡轮机的旋转动力转换为电力；调整装置，其调整设备负荷；以及蒸汽涡轮机启动控制装置，其预测所述蒸汽涡轮机中的蒸汽状态量的变化导致的热影响量，并基于该预测值控制所述调整装置，所述蒸汽涡轮机启动控制装置具备:基础热影响量预测装置，其针对相对蒸汽状态量的变化的应答延迟时间较短的基础热影响量，基于所述调整装置的操作量计算所述基础热影响量用的预测期间内的值；基准目标操作量计算装置，其计算所述调整装置的基准目标操作量，使得所述基础影响量预测装置计算出的预测值不超过对应的极限值；其他热影响量预测装置、其针对比所述基础热影响量的应答延迟时间更长的其他热影响量，基于该预测期间内的所述基准目标操作量计算所述其他热影响量用的预测期间内的值；其他目标操作量计算装置，其计算所述调整装置的其他目标操作量，使得所述其他热影响量预测装置计算出的预测值不超过对应的极限值；以及控制信号输出装置，其按照从所述基准目标操作量与所述其他目标操作量中选择的值向所述调整装置输出指令值。
[0009]根据本发明，能够以良好精度预先控制多个热影响量来高效率启动。

【专利附图】

【附图说明】
[0010]图1是本发明的第I实施方式涉及的蒸汽涡轮机发电设备的概要结构图。
[0011]图2是说明本发明的第I实施方式涉及的蒸汽涡轮机发电设备的启动控制步骤的流程图。
[0012]图3是本发明的第I实施方式涉及的蒸汽涡轮机发电设备的启动控制步骤的补充说明图。
[0013]图4是本发明的第2实施方式涉及的蒸汽涡轮机发电设备的概要结构图。
[0014]图5是表示本发明的第2实施方式涉及的蒸汽涡轮机发电设备的启动控制步骤的流程图。
[0015]图6是本发明的第3实施方式涉及的蒸汽涡轮机发电设备的概要结构图。
[0016]符号说明
[0017]I 热源装置
[0018]2 蒸汽产生装置
[0019]3 蒸汽涡轮机
[0020]4 发电机
[0021]12 热源介质量调整装置
[0022]14 低温流体量调整装置
[0023]15 主蒸汽控制阀(调整装置)
[0024]31 蒸汽涡轮机启动控制装置
[0025]32、32a、32b基础热影响量预测装置
[0026]33、33a、33b基准目标操作量计算装置
[0027]35a、35b 其他热影响量预测装置
[0028]36a、36b 其他目标操作量计算装置
[0029]40至43 控制信号输出装置
[0030]46 设备仿真器

【具体实施方式】
[0031 ] 以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[0032](第I实施方式)
[0033]1.蒸汽涡轮机发电设备
[0034]图1是本发明的第I实施方式涉及的蒸汽涡轮机发电设备的概要结构图。
[0035]该图所示的蒸汽涡轮机发电设备具备热源装置1、蒸汽产生装置2、蒸汽涡轮机3、发电机4、热源介质调整装置12、低温流体调整装置14、蒸汽涡轮机启动控制装置31。本实施方式中，以热源装置I为燃气涡轮机的情况(即蒸汽涡轮机发电设备为联合循环发电设备的情况)为例进行说明。
[0036]热源装置I中，低温流体(本例中为与燃料一起被燃烧的空气)由热源介质(本例中为气体燃料、液体燃料、含氢燃料等燃料)中保有的热量加热，作为高温流体(本例中为驱动燃气涡轮机的燃烧气体)向蒸汽产生装置2供给。蒸汽产生装置2 (本例中为排热回收锅炉)中，通过与热源装置I中生成的高温流体的保有热的热交换将给水加热，产生蒸汽。然后，由蒸汽产生装置2中产生的蒸汽驱动蒸汽涡轮机3。在蒸汽涡轮机3上同轴连结了发电机4，蒸汽涡轮机3的旋转驱动力由发电机4转换为电力。发电机4的发电输出例如输出给电力系统(图中未显示)。
[0037]热源介质量调整装置12 (本例中为燃料调整阀)被设置在向热源装置I供给热源介质的路径中，由该热源介质量调整装置12调整向热源装置I供给的热源介质量。低温流体量调整装置14(本例中为IGV(inlet guide vane，进口导流叶片))被设置在向热源装置I供给低温流体的路径中，由该低温流体量调整装置14调整向热源装置I供给的低温流体量。调整装置12、14作为调整蒸汽涡轮机发电设备的设备负荷的调整装置发挥作用。以上调整装置12、14分别具备操作量测量器11、13，由操作量测量器11、13测量调整装置12、14的操作量(本例中为阀开度)。操作量测量器11、13测量到的调整装置12、14的操作量被输入给蒸汽涡轮机启动控制装置31。
[0038]另外，在将蒸汽产生装置2与蒸汽涡轮机3连接的主蒸汽配管上设有调整向蒸汽涡轮机3供给的蒸汽流量的主蒸汽控制阀15。将蒸汽产生装置2中产生的蒸汽的一部分排出到其他系统的旁路系统从主蒸汽配管分支。旁路系统的分支位置在蒸汽产生装置2和主蒸汽控制阀15之间。在该旁路系统中设有用于调整旁路流量的旁路阀16。另外，在主蒸汽配管中的旁路系统的分支位置的下游侧(蒸汽涡轮机3侧)的位置设有压力计17以及温度计18。压力计17以及温度计18分别测量流过主蒸汽配管的主流蒸汽的压力以及温度，输出给蒸汽涡轮机启动控制装置31。另外，主蒸汽控制阀15以及旁路阀16也可以作为调整蒸汽涡轮机发电设备的设备负荷的调整装置发挥作用。
[0039]2.蒸汽涡轮机启动控制装置
[0040]蒸汽涡轮机启动控制装置31是预测蒸汽涡轮机3中蒸汽状态量的变化导致的热影响量，并基于该预测值控制调整装置12、14的装置。该蒸汽涡轮机启动控制装置31包含操作量存储装置19、状态量存储装置20、基础热影响量预测装置32、基准目标操作量设定装置33、基准目标操作量代入装置34、其他热影响量预测装置35a、35b、其他目标操作量设定装置36a、36b、目标操作量确定装置39以及控制信号输出装置40至43的各要素。以下依次对各要素进行说明。
[0041](I)操作量存储装置
[0042]操作量存储装置19，输入由操作量测量器11、12测量出的调整装置12、14的操作量，与时刻信息一起按时间序列存储。
[0043](2)状态量存储装置
[0044]状态量存储装置20，输入由压力计17以及温度计18测量出的主流蒸汽的压力以及温度，与时刻信息一起按时间序列存储。
[0045](3)基础热影响量预测装置
[0046]基础热影响量预测装置32中，在蒸汽涡轮机发电设备的启动运行时，输入从操作量存储装置19中读取的调整装置12、14的操作量的测量值、以及从状态量存储装置20中读取的主流蒸汽的压力以及温度的测量值。然后，基于调整装置12、14的操作量，对蒸汽涡轮机3的热影响量的从当前时刻起经过设定期间后的未来的值进行预测，将预测值输出给基准目标操作量设定装置33 (本例中为燃气涡轮机控制装置)。还有，基于主流蒸汽的压力以及温度的测量值计算当前的热影响量，同样输出给基准目标操作量设定装置33。
[0047]上述的设定期间是指最大预测期间(后述)或设定得比其更长的期间。另外，热影响量是指启动运行时加在蒸汽涡轮机3的涡轮机转子上的热应力、涡轮机转子以及将其容纳的机壳的轴方向的热膨胀差等、由于启动时的蒸汽温度或蒸汽压力等的急剧上升而在蒸汽涡轮机3上产生的状态量变化。以下，简称“热应力”时是指加在涡轮机转子上的热应力，简称“热膨胀差”时是指涡轮机转子以及机壳的轴方向的热膨胀差。另外，上述的预测期间作为包含从控制调整装置12、14、主蒸汽控制阀15以及旁路阀16来使主流蒸汽的蒸汽条件发生变化开始到蒸汽涡轮机3的热影响量发生变化为止的应答延迟时间在内的时间，是应答延迟时间或设定得比其更长的时间。预测期间因热影响量的种类而不同。例如，由于传热延迟等造成热应力开始变化的所需时间比由于传热延迟等造成热膨胀差开始产生的所需时间短。
[0048]基础热影响量预测装置32中，将蒸汽涡轮机启动控制装置31作为预测对象的热影响量中应答迟延时间最短的作为预测对象。以下，将基础热影响量预测装置32中预测计算的热影响量称为“基础热影响量”，本实施方式中举例说明以热应力作为基础热影响量的情况。另外，将用于预测基础热影响量而设定的预测期间称为“基准预测期间”，由于在蒸汽涡轮机启动控制装置31作为预测对象的热影响量中基础热影响量的应答迟延时间最短，因此在各热影响量的预测期间中基准预测期间为最短。
[0049]利用基础热影响量预测装置32计算热应力的步骤如下面Al至A4。
[0050].步骤 Al
[0051]调整装置12、14的操作量与对热源装置I的热源介质与低温流体的供给量对应，因此与热源装置I的热负荷状态密切相关。所以首先基于由操作量测量器11、13测量出的调整装置12、14的操作量，计算从热源装置I经由蒸汽产生装置2到蒸汽涡轮机3的热与物质的传播过程，基于该计算结果计算设定期间后的蒸汽涡轮机3的入口蒸汽的流量、压力、温度等设备状态量。在预测演算时，例如若假定当前的热源介质量和低温流体量的变化率(即调整装置12、14、主蒸汽控制阀15以及旁路阀16的操作量的变化率)从当前时刻开始到设定期间后的时刻为止不发生变化，将变化的预想模式限定为一种，则可以简便地根据操作量测量器11、13的测量值计算设定期间后的设备状态量。
[0052]这时，若基于压力计17以及温度计18的测量值修正基于操作量测量器11、13的测量值预测的设备状态量，则预测精度进一步提高。例如，伴随设备的使用，蒸汽压力以及蒸汽温度的预测值和测量值之间可能产生一定的相关关系。预测值相对于测量值偏高或偏低一定值或者比例来计算等。将这样的相关关系以关系式或者表格的形式存储在基础热影响量预测装置32的存储区域内，按照上述相关关系，基于压力计17以及温度计18的测量值修正以上述步骤计算出的预测值。
[0053].步骤 A2
[0054]然后，基于步骤Al的计算结果，考虑蒸汽涡轮机3在初段的压力下降，计算蒸汽涡轮机3在各段的压力、温度、传热系数等。
[0055].步骤 A3
[0056]基于步骤A2的计算结果，通过对涡轮机转子的蒸汽的传热计算来计算涡轮机转子的半径方向上的温度分布。
[0057].步骤 A4
[0058]最后，基于步骤A3的计算结果，通过使用线性膨胀系数、杨氏模量、泊松比等的材料学定律计算设定期间后的热应力。
[0059]基础热影响量预测装置32按照上述步骤以预定的采样周期计算基础热影响量，并依次输出给基准目标操作量设定装置33。
[0060](4)基准目标操作量设定装置
[0061]在基准目标操作量设定装置33中，存储从基础热影响量预测装置32依次输入的基础热影响量的预测值以及当前值。然后，使用从基础热影响量预测装置32输入的基准预测期间内的时间序列数据，计算调整装置12、14的基准目标操作量，使得基础热影响量在蒸汽涡轮机发电设备的启动过程中不超过其极限值(设定值)。例如计算基准目标操作量的值，使得对基础热影响量计算的预测值(例如基准预测期间内的时间序列数据的峰值)与极限值的差缩小。同时，计算主蒸汽控制阀15以及旁路阀16的基准目标操作量，使得基础热影响量的当前值接近极限值。这里计算的基准目标操作量被输出给基准目标操作量代入装置34。另外，基准目标操作量设定装置33中，以基础热影响量的采样周期错开时间依次计算基准目标操作量，依次输出给基准目标操作量代入装置34。
[0062](5)基准目标操作量代入装置
[0063]基准目标操作量代入装置34中存储依次输入的基准目标操作量，累积到最大预测期间内的基准目标操作量后，将该部分的基准目标操作量的时间序列数据并列地输出给其他热影响量预测装置35a、35b。这里所说的最大预测期间是指对于蒸汽涡轮机启动控制装置31作为预测对象的热影响量中应答迟延时间最长的量所设定的预测期间。与基础热影响量预测装置32不同，其他热影响量预测装置35a、35b中不输入操作量测量器11、13测量的调整装置12、14的操作量，而是输入由基准目标操作量设定装置33计算出的调整装置12、14的基准目标操作量。
[0064](6)其他热影响量预测装置
[0065]其他热影响量预测装置35a、35b对于基础热影响量以外的热影响量中作为对象的量计算对应的预测期间内的预测值。当然，其他热影响量预测装置35a中预测计算的热影响量与基准热影响量相比应答延迟时间较长，对应的预测期间也比基准预测期间长。另夕卜，其他热影响量预测装置35b中预测计算的热影响量与其他热影响量预测装置35a中预测计算的热影响量相比应答延迟时间较长，对应的预测期间也相应更长。因此，蒸汽涡轮机启动控制装置31中预测计算的热影响量有2种时，其他热影响量预测装置35b中使用的预测期间为最大预测期间。但是，其他热影响量预测装置35a、35b中预测的热影响量的应答延迟时间的长短关系并没有技术性含义，相反也没有问题。
[0066]其他热影响量预测装置35a、35b基于代入的最大预测期间内的基准目标操作量的时间序列数据(预测期间比最大预测期间短的情况下则为最大预测期间的开始阶段的预测期间内的时间序列数据)，计算对应的预测期间内的各热影响量的预测值的时间序列数据，分别输出给其他目标操作量设定装置36a、36b。除了作为基础的操作量不是测量值而是计算值以外，预测值的计算方法与基础热影响量的预测计算相同，可以针对各热影响量应用公知的计算方法。另外，与基础热影响量的预测值相同，其他热影响量预测装置35a、35b中也可以使用压力计17以及温度计18的测量值修正预测值。另外，对于各热影响量也基于主流蒸汽的压力以及温度的测量值计算当前值，同样分别输出给其他目标操作量设定装置 36a、36b。
[0067]例如，利用其他热影响量预测装置35a预测计算热膨胀差时，其计算步骤如以下步骤BI至B5所示。
[0068].步骤 BI
[0069]与计算热应力的情况相同，计算设定期间后的蒸汽涡轮机3的入口蒸汽的流量、压力、温度等。
[0070].步骤 B2
[0071]基于步骤BI的计算结果，考虑涡轮机转子与机壳各部位的压力下降，计算涡轮机转子与机壳各部位的压力、温度、传热系数等。
[0072].步骤 B3
[0073]基于步骤B2的计算结果，通过传热计算来计算涡轮机转子与机壳在涡轮机轴方向上分割的各部位的温度。
[0074].步骤 B4
[0075]基于步骤B3的计算结果，计算涡轮机转子与机壳各部位在轴方向上的热膨胀量。
[0076].步骤 B5
[0077]基于步骤B4的计算结果，按照例如使用线性膨胀系数的材料学定律计算涡轮机转子与机壳在设定期间后的热膨胀差。
[0078](7)其他目标操作量设定装置
[0079]其他目标操作量设定装置36a、36b中，基于从其他热影响量预测装置35a、35b输入的各预测期间内的数据，分别计算并设定使各热影响量的预测值接近各阈值的调整装置12、14的目标操作量。同时，针对各热影响量分别计算使当前值接近极限值的主蒸汽控制阀15以及旁路阀16的目标操作量。计算方法与基准目标操作量相同。
[0080](8)目标操作量确定装置
[0081]目标操作量确定装置39中，从目标操作量设定装置33、36a、36b中设定的各目标操作量中选择满足各热影响量全部不超过阈值的条件的设定，确定为输出的目标操作量。这里，例如通过低值选择来选择目标操作量。另外，图1中举例说明了经由基准目标操作量代入装置34将基准目标操作量作为一个选项输入给目标操作量确定装置39的结构，由于其他目标操作量设定装置36a、36b中计算的目标操作量是以基准目标操作量为基础来计算的，因此必然满足基础热影响量不超过阈值的条件。所以，可以将基准目标操作量从输入给目标操作量确定装置39的选项中排除。
[0082](9)控制信号输出装置
[0083]控制信号输出装置40至43按照从基准目标操作量与其他目标操作量中选择的值将指令值输出给调整装置12、14、主蒸汽控制阀15以及旁路阀16。目标操作量确定装置39选择的目标操作量中，分别将对热源介质调整装置12的目标操作量输出给控制信号输出装置40，将对低温流体调整装置14的目标操作量输出给控制信号输出装置41，将对主蒸汽控制阀15的目标操作量输出给控制信号输出装置43，将对旁路阀16的目标操作量输出给控制信号输出装置42。
[0084]控制信号输出装置40中，基于输入的目标操作量计算对热源介质调整装置12的指令值，输出给热源介质调整装置12。对热源介质调整装置12的指令值由数表化的机器特性决定。在本实施方式中，例如基于满足燃气涡轮机负荷指令(MWD)的燃料流量计算指令值。其结果是，在热源介质调整装置12中通过PID控制来调整操作量，使得由操作量测量器11测量的操作量接近目标操作量。
[0085]而控制信号输出装置41中，基于输入的目标操作量计算对低温流体调整装置14的指令值，输出给低温流体调整装置14。对低温流体调整装置14的指令值也由数表化的机器特性决定。在本实施方式中，例如基于满足燃气涡轮机转速指令的空气流量计算指令值。其结果是，在低温流体调整装置14中通过PID控制来调整操作量，使得由操作量测量器13测量的操作量接近目标操作量。
[0086]控制信号输出部42、43中也同样基于输入的目标操作量计算对旁路阀16以及主蒸汽控制阀15的指令值，分别输出给旁路阀16以及主蒸汽控制阀15。其结果是，在旁路阀16以及主蒸汽控制阀15中通过PID控制来调整操作量，使得操作量测量器(图中未显示)测量的操作量接近目标操作量。
[0087]3.启动控制步骤
[0088]图2是表示由蒸汽涡轮机启动控制装置31对蒸汽涡轮机发电设备进行启动控制的步骤的流程图。图3是其补充说明图。
[0089]?工序 101、工序 102
[0090]图2所示的工序101、工序102是由基础热影响量预测装置32执行的步骤，即基础热影响量的预测数据的采样步骤(参照图3中(i))。也就是说，蒸汽涡轮机启动控制装置31在蒸汽涡轮机发电设备启动时开始该图的步骤，首先由基础热影响量预测装置32计算设定期间后的设备状态量，由设备状态量预测计算设定期间后的基础热影响量(工序S101)o另外，还基于主流蒸汽的压力以及温度的测量值计算基础热影响量的当前值。关于设备状态量的计算步骤、热影响量的计算步骤如上所述。另外，本实施方式中为了简化处理，如上所述限定为调整装置12、14的操作量以当前的变化率线性推移的设想模式，来计算基础热影响量(本例中为热应力)。然后，在计算基础热影响量后，接着判定是否已从处理开始(START)经过了基准预测期间(工序S102)，直到经过基准预测期间为止重复工序S101、S102，以一定周期(工程S101、S102的处理周期)对基础热影响量的预测值以及当前值进行采样。
[0091]?工序 103
[0092]工序S103是由基准目标操作量设定装置33执行的步骤，即根据基础热影响量计算并设定基准目标操作量的步骤(参照图3中(ii))。具体来说，在对基准预测期间内的基础热影响量的预测值采样后，计算并设定使基准预测期间内的基础热影响量的预测值(例如时间序列数据的峰值)接近极限值的调整装置12、14的目标操作量。对于主蒸汽控制阀15以及旁路阀16的目标操作量，以使基础热影响量的当前值接近极限值的方式计算并设定。
[0093]?工序 S104、S105
[0094]工序S104、S105是由基准目标操作量代入装置34执行的步骤，即对于作为其他热影响量的预测计算的基础的最大预测期间内的基准目标操作量的预测值继续采样，代入其他热影响量预测装置35a、35b内的步骤(参照图3中(iii))。具体来说，基准目标操作量代入装置34判定从处理开始(START)是否已经过最大预测期间(工序S104)，对最大预测期间内的基准目标操作量的预测值采样。由此，把后续输入的基准目标操作量加上已输入的基准预测期间内的基准目标操作量而得的最大预测期间内的基准目标操作量的时间序列数据，作为热影响量的预测计算的基础，输出给其他热影响量预测装置35a、35b (工序S104)。
[0095].工序 S106a、S106b
[0096]工序S106a、S106b是由其他热影响量预测装置35a、35b执行的步骤，即基于基准目标操作量对对应的热影响量进行预测计算的步骤。例如在其他热影响量预测装置35a中预测期间比最大预测期间短，因此基于输入的基准目标操作量的时间序列数据在开头的对应预测期间内的值计算对应预测期间内的热影响量的预测值的时间序列数据(参照图3中(iv))0在其他热影响量预测装置35b中预测期间与最大预测期间相等，因此基于输入的全部期间内的基准目标操作量的值计算最大预测期间内的热影响量的预测值的时间序列数据。热影响量的预测计算方法如前述。另外，还基于主流蒸汽的压力以及温度的测量值计算出当前值。
[0097]?工序 S107a、S107b
[0098]工序S107a、S107b是由其他目标操作量设定装置36a、36b执行的步骤，即基于对应的热影响量的预测值的时间序列数据，计算并设定使各热影响量的预测值接近极限值的调整装置12、14的目标操作量的步骤。关于主蒸汽控制阀15以及旁路阀16的目标操作量也计算并设定。这些目标操作量的计算步骤与基准目标操作量的计算步骤相同。
[0099].工序 S108
[0100]工序S108是由目标操作量确定装置39执行的步骤，即选择满足各热影响量的极限的目标操作量，输出给控制信号输出装置40至43的步骤。步骤的内容如前述，例如从其他目标操作量设定装置36a、36b计算的两个目标操作量中通过低值选择来确定最终的目标操作量。图2所示的步骤中，选项里没有包括基准目标操作量，但由于其他目标操作量设定装置36a、36b计算的目标操作量是以基准目标操作量为基础计算的，因此二者择其一也能获得与选项中包括基础热影响量的情况同样的结果。
[0101]?工序 S109
[0102]工序S109是由控制信号输出装置40至43执行的步骤，即按照输入的目标操作量将指令值输出给调整装置12、14、主蒸汽控制阀15以及旁路阀16的步骤。步骤的内容如前述。由此流入蒸汽涡轮机3的主流蒸汽的温度以及流量得到预先控制，能够避免各种热影响量此后达到极限值。
[0103]这里，执行图2所示的步骤的程序以目标操作量的决定周期，有多个按时间差运行。因此，通过按时间差运行的各程序，以目标操作量的决定周期重新将指令值提供给调整装置12、14、主蒸汽控制阀15以及旁路阀16。由此，以在比热影响量的应答延迟时间以上的长度的预测期间内的热影响量的预测数据为基础的指令值，以比预测期间更短的周期提供给调整装置12、14、主蒸汽控制阀15以及旁路阀16。
[0104]通过重复执行以上步骤，蒸汽产生装置2的蒸汽产生量得到预先控制。
[0105]另外，在本实施例中，把各目标操作量设定装置所决定的设备操作量设为热源介质量指令值和主蒸汽流量指令值，但也可以设为其中某一方。
[0106]4.效果
[0107]根据本实施方式，能够获得以下效果。
[0108](I)蒸汽涡轮机高速启动
[0109]根据本实施方式，能够通过控制对于蒸汽产生装置2的前级的热源装置I的热源介质量以及低温流体量中的至少一方，控制蒸汽产生装置2的蒸汽产生量以及温度。例如通过操作热源介质调整装置12来调整热源介质量，主要可以控制蒸汽温度。这是因为蒸汽温度是随着向蒸汽产生装置2供给的高温流体的温度而变化的。另外，通过操作低温流体调整装置14来调整低温流体量，主要可以控制蒸汽流量。这是因为通过调节低温流体量，高温流体量得到调整，蒸汽产生装置2中的蒸汽产生量发生变化。
[0110]这样，蒸汽的流量以及温度二者作为与热应力和热膨胀差等热影响量密切相关的物理量可以调整，因此可以根据蒸汽涡轮机3的状态灵活控制蒸汽流量以及蒸汽温度，以恰当的方法使得蒸汽涡轮机3高速启动。
[0111]另外，由于可以增加蒸汽产生量本身，因此例如与只通过主蒸汽控制阀15控制主流蒸汽的流量的情况相比，能够增加减少蒸汽产生量本身，因此蒸汽条件的调整范围较宽。这也有助于高速启动 。
[0112](2)抑制能量损失
[0113]本实施方式中能够调整蒸汽产生装置2中的蒸汽产生量本身，因此能够根据运行状况灵活控制蒸汽温度和蒸汽产生量。所以，若非必要情况下无需通过旁路阀16将已经产生的蒸汽的多余部分排出到其他系统，能够抑制这部分的能量损失。
[0114](3)提高预先控制的精度
[0115]对于多个热影响量分别设定与应答延迟时间对应的预测期间，基于各预测期间内的热影响量决定目标操作量。由于可以预见到此后各热影响量的变化来决定操作量，因此对于蒸汽涡轮机启动运行时成为问题的多个热影响量，可以包括应答延迟时间长的热影响量来提高预先控制的精度。特别地，对在多个热影响量中应答延迟时间最短的基础热影响量进行预测计算，将有望获得较高计算精度的基准目标操作量为基础，对应答延迟时间长的热影响量进行预测计算，由此，对于应答延迟时间长的热影响量也能够高精度地预测计笪
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[0116](4)通过将调整装置12、14对热源装置I的控制与主蒸汽控制阀15的控制联合，能够进一步提高对热影响量的目标值的追踪性。例如只通过调整装置12、14控制热源装置1，根据上述控制方式也能控制热影响量以满足极限值。但是，在由于设备运行条件或机器状态而导致出现外部干扰时，热影响量的控制精度可能下降。针对这种情况，本实施方式中除了决定调整装置12、14的目标操作量以使得热影响量的预测值接近极限值以外，还决定主蒸汽控制阀15的目标操作量以使当前的热影响量的计算值接近极限值。这样，通过在基于预测值的热源装置I的预先控制上附加基于当前值的主蒸汽控制阀15的控制，能够提高对热影响量的目标值的追踪性。
[0117](第2实施方式)
[0118]图4是本发明的第2实施方式涉及的蒸汽涡轮机发电设备的概要结构图。在该图中对于与第I实施方式相同的部分与之前附图标注相同符号，并省略说明。
[0119]如该图所示，本实施方式与第I实施方式的不同点在于选择多种基础热影响量，针对多种基础热影响量各具备一组基础热影响量预测装置以及基准目标操作量计算装置。具体来说，本实施方式中的蒸汽涡轮机启动控制装置31具备基础热影响量预测装置32a、32b以及基准目标操作量计算装置33a、33b。基础热影响量预测装置32a、32b中分别根据调整装置12、14的操作量预测计算作为对象的热影响量，基准目标操作量计算装置33a、33b中分别根据基础热影响量预测装置32a、32b计算出的预测值计算调整装置12、14的基准目标操作量。另外，根据作为对象的热影响量的当前值计算主蒸汽控制阀15以及旁路阀16的基准目标操作量。这些量的计算方法与第I实施方式中基准目标操作量的计算方法相同。
[0120]并且，本实施方式中，将基准目标操作量计算装置33a、33b中计算的种类不同的基础热影响量涉及的多个基准目标操作量输入到基准目标操作量代入装置34中，选择一个目标操作量。选择方法例如是低值选择。然后，将选择的基准目标操作量的最大预测期间内的时间序列数据输出给其他热影响量预测装置35a、35b。
[0121]这里，基础热影响量预测装置32a、32b预测的热影响量比其他热影响量预测装置35a、35b预测的热影响量应答延迟时间短，这一点与第I实施方式相同。也就是说，多个基础热影响量预测装置32a、32b预测的热影响量中应答延迟时间最长的热影响量与多个其他热影响量预测装置35a、35b预测的热影响量中应答延迟时间最短的热影响量相比，应答延迟时间更短。
[0122]其他结构与第I实施方式相同。
[0123]图5是表示本实施方式中蒸汽涡轮机启动控制装置31对蒸汽涡轮机发电设备的启动控制步骤的流程图。
[0124]如该图所示，本实施方式中，处理开始(START)后，与多个热影响量有关的对应的预测期间内的预测计算(工序S101a、S101b、S102a、S102b)、以及调整装置12、14的基准目标操作量的设定(工序S103a、S103b)由基础热影响量预测装置32a、32b以及基准目标操作量计算装置33a、33b并列执行。工序SlOla至S103a的步骤、以及工序SlOlb至S103b的步骤分别与第I实施方式中的工序SlOl至S103(参照图2)的工序相同。然后，配合主蒸汽控制阀15以及旁路阀16的基准目标操作量，分别采样最大预测期间内的值后(工序S104)，由基准目标操作量代入装置34选择某个基准目标操作量，输出给其他热影响量预测装置35a、35b (工序S105)。之后的工序S106至S109与第I实施方式(参照图2)相同。
[0125]这样，将应答延迟时间最短的(与其他热影响量相比更短)一组热影响量作为基础热影响量，从分别计算的基准目标操作量中选择一个合适的目标操作量，由此，基准操作量的妥善性得到提高，通过以此为基础预测其他热影响量，能够进一步提高热影响量的控制的精度。
[0126](第3实施方式)
[0127]图6是本发明的第3实施方式涉及的蒸汽涡轮机发电设备的概要结构图。在该图中对于与已说明的实施方式相同的部分与之前附图标注相同符号，并省略说明。
[0128]本实施方式与之前说明的各实施方式不同点在于并不是现实的蒸汽涡轮机发电设备，而是将蒸汽涡轮机启动控制装置31连接在模拟蒸汽涡轮机发电设备特性的设备仿真器46上。蒸汽涡轮机启动控制装置31与第I实施方式相同，但也可以应用第2实施方式的蒸汽涡轮机启动控制装置。
[0129]本实施方式中，通过设备仿真器46与蒸汽涡轮机启动控制装置31之间发送接收信号，对蒸汽涡轮机启动控制装置31计算的启动运行期间内对于调整装置12、14的指令值进行采样。具体来说，从蒸汽涡轮机启动控制装置31输出的对于设想了调整装置12、14、主蒸汽控制阀15以及旁路阀16 (均参照图1)的虚拟调整装置的各指令值输入给设备仿真器46。设备仿真器46是将热力学公式和传热公式、流体力学公式等组合而构建的程序。对于蒸汽涡轮机启动控制装置31，设备仿真器46计算的至少相当于调整装置12、14中一方的虚拟调整装置的操作量，与计算出的主流蒸汽的压力以及温度中至少一方一起输入。除了发送接收信号的对象是设备仿真器46以外，蒸汽涡轮机启动控制装置31的结构和控制步骤与第I实施方式相同。
[0130]本实施方式中，通过将这样计算的各指令值的时间经过数据在蒸汽涡轮机启动运行开始起到结束为止的期间积累，能够基于积累的数据制作实际的蒸汽涡轮机发电设备的计划启动曲线。还可以将制作的计划启动曲线的值作为指令值，运用实际的蒸汽涡轮机发电设备。
[0131](其他)
[0132]在以上的各实施方式中举例说明了将其他热影响量设定为2种的情况，但也可以将其他热影响量设为I种或3种以上。同样地，对基础热影响量设定为I种或2种的情况进行了举例说明，但基础热影响量也可以设为3种以上。只要满足应答延迟时间的长短关系，基础热影响量与其他热影响量的分类数可以任意设定。
[0133]另外，以上举例说明了作为测量主流蒸汽的状态量的装置，设置了压力计17以及温度计18的情况，根据计算方法，在热影响量的计算及修正中不需要双方的值的情况下，可以省略压力计17或温度计18。
[0134]另外，以上对将发明应用于联合循环发电设备的情况举例进行了说明，而本发明可以应用于以蒸汽动力发电设备、太阳能发电设备为代表的包含蒸汽涡轮机的全部发电设备上。设备的启动步骤是相同的。
[0135]例如，在蒸汽动力发电设备中应用本发明时，热源介质对应煤炭和天然气，低温流体对应空气和氧气，调整装置12、14对应燃料调整阀，热源装置I对应锅炉中的火炉，高温流体对应燃烧气体，蒸汽产生装置2对应锅炉中的传热部(蒸汽产生部)，基准目标操作量设定装置33对应锅炉负荷控制装置。
[0136]在太阳能发电设备上应用本发明时，热源介质相当于太阳光，热源介质调整装置12相当于集热面板的驱动装置，热源装置I相当于集热面板，操作量测量器11相当于集热面板的朝向和角度的测量器，低温流体以及高温流体相当于油和高温溶媒盐等转换太阳热能并保存的介质，低温流体调整装置14相当于油流量调整阀，基准目标操作量设定装置33相当于集热量控制装置。
[0137]另外，也可以将输入预测计算装置32的上述蒸汽压力、蒸汽温度、燃料流量，仅设为蒸汽压力或者蒸汽温度来实施热应力的预测计算。
[0138]进一步地，作为设备状态量，除了流入蒸汽涡轮机3的蒸汽(入口蒸汽)的温度、压力以及流量以外，也可以包含出口蒸汽的压力、温度以及流量等。通过增加设备状态量的信息的种类，热影响量的预测精度可以提高。另外，用于热影响量的预测计算的调整装置12,14的操作量中使用了操作量测量器11、13的测量值，但也可以考虑使用输出给调整装置12、14的指令值。
【权利要求】
1.一种蒸汽涡轮机发电设备，其特征在于，具备: 热源装置，其以热源介质将低温流体加热，生成高温流体； 蒸汽产生装置，其通过所述热源装置中生成的高温流体产生蒸汽； 蒸汽涡轮机，其用由所述蒸汽产生装置产生的蒸汽驱动； 发电机，其将所述蒸汽涡轮机的旋转动力转换为电力； 调整装置，其调整设备负荷；以及 蒸汽涡轮机启动控制装置，其预测所述蒸汽涡轮机中的蒸汽状态量的变化导致的热影响量，并基于该预测值控制所述调整装置， 所述蒸汽涡轮机启动控制装置具备: 基础热影响量预测装置，其针对相对蒸汽状态量的变化的应答延迟时间较短的基础热影响量，基于所述调整装置的操作量计算所述基础热影响量用的预测期间内的值； 基准目标操作量计算装置，其计算所述调整装置的基准目标操作量，使得所述基础影响量预测装置计算出的预测值不超过对应的极限值； 其他热影响量预测装置，其针对比所述基础热影响量的应答延迟时间更长的其他热影响量，基于该预测期间内的所述基准目标操作量计算所述其他热影响量用的预测期间内的值； 其他目标操作量计算装置，其计算所述调整装置的其他目标操作量，使得所述其他热影响量预测装置计算出的预测值不超过对应的极限值；以及 控制信号输出装置，其按照从所述基准目标操作量与所述其他目标操作量中选择的值向所述调整装置输出指令值。
2.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机发电设备，其特征在于， 所述调整装置包含: 热源介质量调整装置，其调整向所述热源装置供给的热源介质量；以及 主蒸汽控制阀，其调整向所述蒸汽涡轮机供给的主流蒸汽的流量， 控制所述热介质量调整装置，使得所述热影响量的预测值接近对应的极限值， 控制所述主蒸汽控制阀，使得所述热影响量的当前值接近对应的极限值。
3.根据权利要求1或2所述的蒸汽涡轮机发电设备，其特征在于， 选择多种所述其他热影响量，针对所述多个其他热影响量各具备一组所述其他热影响量预测装置以及所述其他目标操作量计算装置。
4.根据权利要求3所述的蒸汽涡轮机发电设备，其特征在于， 选择多种所述基础热影响量，针对所述多个基础热影响量各具备一组所述基础热影响量预测装置以及所述基准目标操作量计算装置。
5.一种计划启动曲线规划系统，其特征在于，具备: 权利要求1所述的蒸汽涡轮机启动控制装置；以及 设备仿真器，作为一种模拟所述蒸汽涡轮机发电设备的特性的设备仿真器，其与所述蒸汽涡轮机启动控制装置之间发送接收信号，对所述蒸汽涡轮机启动控制装置中计算出的启动运行期间内针对所述调整装置的指令值进行采样。
【文档编号】F01D19/02GK104074562SQ201310529584
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年3月27日
【发明者】吉田泰浩, 吉田卓弥, 矢敷达朗, 野村健一郎, 山中和典, 富泽雅昭, 高桥佑一, 铃木文之 申请人:株式会社日立制作所