JP7778658B2 - Steam turbine creep deformation evaluation device, method, and program - Google Patents
Steam turbine creep deformation evaluation device, method, and programInfo
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Description
本発明の実施形態は、大きな出力変動を伴う発電計画で運用される蒸気タービンにおけるノズルダイヤフラムのクリープ変形評価技術に関する。 An embodiment of the present invention relates to a technology for evaluating creep deformation of nozzle diaphragms in steam turbines operated in power generation plans involving large output fluctuations.
これまで火力発電は、エネルギー効率が高い定格運転で連続発電を行うベースロード運転が主体であった。しかし近年の火力発電は、太陽光や風力といった再生可能エネルギー発電の出力変動の調整役としての要請が高まってきている。このため近年の火力発電は、エネルギー効率の低い部分負荷運転を行うケースが増え、起動停止の回数も増加してきている。 Until now, thermal power plants have mainly operated as baseload plants, generating electricity continuously at rated power, which is highly energy efficient. However, in recent years, there has been a growing demand for thermal power plants to adjust to output fluctuations from renewable energy sources such as solar and wind power. As a result, thermal power plants have increasingly been operating at partial loads, which is less energy efficient, and the number of starts and stops has also increased.
ところで、火力発電プラントの主要構成である蒸気タービンや制御弁、ボイラーなどは、運転に伴い各部位に損傷や劣化が発生・蓄積し、発電性能の低下や損傷リスクが増大することが知られている。このような損傷の一つとして、各種部品のクリープ変形及びこれに伴うき裂発生が挙げられる。クリープ変形とは、金属材料が融点の半分程度の温度環境下で使用される際に、金属材料の耐力以下の低い応力においても時間に伴い徐々に永久変形が生じ、最終的にき裂が生じ金属が破断する現象である。 It is known that damage and deterioration occur and accumulate in various parts of thermal power plants, such as steam turbines, control valves, and boilers, during operation, resulting in a decline in power generation performance and an increased risk of damage. One example of this damage is creep deformation of various parts and the resulting cracking. Creep deformation is a phenomenon in which, when metallic materials are used in a temperature environment at approximately half their melting point, they gradually undergo permanent deformation over time, even at low stress levels below the material's yield strength, eventually causing cracks and the metal to fracture.
このようなクリープ変形に関し、蒸気タービンの保守管理で重要視される部品として、500℃以上の蒸気が吹き付けられるノズルダイヤフラムが挙げられる。その理由は、ノズルダイヤフラムと隣接する動翼やロータの間隙が、蒸気のリークを防ぐため可能な範囲で狭く設計されているためである。 With regard to creep deformation, one component that is considered important in the maintenance and management of steam turbines is the nozzle diaphragm, which is exposed to steam at temperatures of over 500°C. This is because the gaps between the nozzle diaphragm and the adjacent moving blades and rotor are designed to be as narrow as possible to prevent steam leakage.
もし、ノズルダイヤフラムのクリープ変形が一定量に達すると、隣接する動翼やそれを保持するロータなどの回転体に接触し、部品の損傷・飛散などを引き起こし、火力発電プラントが計画外停止してしまう。 If the creep deformation of the nozzle diaphragm reaches a certain level, it will come into contact with adjacent rotor blades and the rotor that holds them, causing damage and scattering of parts, resulting in an unplanned shutdown of the thermal power plant.
そこで、ノズルダイヤフラムと回転体の接触を防ぐために、このノズルダイヤフラムのクリープ変形量をデータベースや運転データなどから予測したり、また定期検査の際に変形量を計測したりするなどの保守管理が従来から行われている。 To prevent contact between the nozzle diaphragm and the rotating body, maintenance management has traditionally been carried out by predicting the amount of creep deformation of the nozzle diaphragm from databases and operating data, and measuring the amount of deformation during regular inspections.
近年の火力発電プラントは、上述したように出力変動の調整役として、起動停止や部分負荷運転が繰り返される。このため、ノズルダイヤフラムのクリープ変形に伴う損傷リスクの評価がより困難となっている。従来から行われているノズルダイヤフラムのクリープ変形量の保守管理は、ベースロード運転であることを前提にシミュレーションしたものであった。 As mentioned above, modern thermal power plants undergo repeated start-stops and partial load operation to adjust for output fluctuations. This makes it more difficult to assess the risk of damage associated with creep deformation of the nozzle diaphragm. Conventional maintenance management of nozzle diaphragm creep deformation has been based on simulations assuming baseload operation.
ベースロード運転では、プラント効率が最大となる定格出力近辺で運転されるケースが多い。このようなケースで各ノズルダイヤフラムが晒される温度や圧力等(以下、「運転状態量」と称す)は、タービン設計時に精緻な評価および最適化が行なわれている。さらに運転中のタービン出力変動も少ないことから運転状態量の変動も考慮する必要が無い。このため、ベースロード運転でのノズルダイヤフラムの変形量は、設計情報と運転履歴から容易にシミュレーションすることができた。 In baseload operation, plants are often operated near their rated output, where plant efficiency is at its maximum. In such cases, the temperatures, pressures, etc. to which each nozzle diaphragm is exposed (hereinafter referred to as "operating state variables") are meticulously evaluated and optimized during turbine design. Furthermore, because fluctuations in turbine output during operation are small, there is no need to consider fluctuations in operating state variables. For this reason, the amount of nozzle diaphragm deformation during baseload operation could be easily simulated using design information and operating history.
一方で、部分負荷運転や起動停止が増えると、設計点を外れた運転が増える。さらに、設計時に想定していない温度・圧力にノズルダイヤフラムが長時間晒されたり運転状態量が変動したりする状況も増える。このために、ノズルダイヤフラムのクリープ変形に関する従来のデータベースやシミュレーションを、一日のうち起動停止が何回も繰り返され部分負荷運転も広く実施される近年の火力発電プラントに、そのまま適用させることはできなかった。 On the other hand, as partial load operation and start-stops increase, operation outside the design point also increases. Furthermore, there are also more situations where the nozzle diaphragm is exposed to temperatures and pressures not anticipated during design for long periods of time, and where operating state variables fluctuate. For this reason, conventional databases and simulations regarding nozzle diaphragm creep deformation could not be applied directly to modern thermal power plants, where start-stops are repeated multiple times a day and partial load operation is widely practiced.
ところで、ノズルダイヤフラムのクリープ変形の管理手段として、最も一般的な手法は、プラント停止時に蒸気タービンを分解してノズルダイヤフラムを取り出し、その歪み(変形)を直接計測する手法である。しかし、ノズルダイヤフラムは、蒸気タービン内部に複数個配置されており、これらを全て取り出すにはタービンを分割する必要がある。さらに、動翼間に配された個々のノズルダイヤフラムを分解するのは手間がかかることに加え、さらにノズルダイヤフラム下半側を取り出すためにロータをタービンから吊り出す作業も必要となる。 The most common method for managing creep deformation of nozzle diaphragms is to disassemble the steam turbine when the plant is shut down, remove the nozzle diaphragm, and directly measure its strain (deformation). However, there are multiple nozzle diaphragms located inside the steam turbine, and removing them all requires disassembling the turbine. Furthermore, not only is it time-consuming to disassemble the individual nozzle diaphragms located between the rotor blades, but it also requires the rotor to be lifted out of the turbine in order to remove the lower half of the nozzle diaphragm.
このため、この手法は最も変形量を精緻に計測できるため、信頼性の高い手法ではあるが、計測に手間(LT)とコストがかかり、さらに定検工期が長くなり発電コストが増加する課題があった。また、タービンの運転中にノズルダイヤフラムとロータの間隙を計測する手法なども検討されてきたが、そのような計測機器をセッティングすることも、特殊環境下で高い信頼性を長時間にわたり維持することも、困難であった。 For this reason, this method is highly reliable as it can measure deformation with the greatest precision, but it also requires time (LT) and costs to perform measurements, and has the drawback of lengthening the period for regular inspections and increasing power generation costs. Additionally, methods have been considered for measuring the gap between the nozzle diaphragm and rotor while the turbine is operating, but it is difficult to set up such measuring equipment and to maintain high reliability over long periods of time in special environments.
他方において、タービン運転中における各種センサの検出データから求めたノズルダイヤフラムの運転状態量を用い、その変形量を逐次推定することも検討されている。一般的に、適切な運転状態量を計算するには、タービン入口、出口および内部における熱収支計算が必要となる。しかし、熱収支計算で求める運転状態量は変数項が多いため、一義的に求めるのが困難で探索計算などが必要となり、計算負荷が膨大となる。このため、運転中の検出データを取得しながら逐次計算することは、計算周期が長くなり、変動する運転状態量への追従性が低下する課題があった。 On the other hand, studies are also being conducted to sequentially estimate the deformation amount of the nozzle diaphragm using operating state variables obtained from detection data from various sensors during turbine operation. Generally, calculating the appropriate operating state variables requires heat balance calculations at the turbine inlet, outlet, and inside. However, because the operating state variables obtained in heat balance calculations have many variable terms, it is difficult to determine them uniquely, and search calculations are required, resulting in a huge computational load. For this reason, performing sequential calculations while obtaining detection data during operation poses the problem of long calculation cycles and reduced ability to track fluctuating operating state variables.
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、大きな出力変動を伴う発電計画で運用される蒸気タービンにおけるノズルダイヤフラムのクリープ変形挙動を、優れた追従性で逐次評価する技術を提供することを目的とする。 Embodiments of the present invention have been made in consideration of these circumstances, and aim to provide technology that sequentially evaluates, with excellent tracking capability, the creep deformation behavior of nozzle diaphragms in steam turbines operated in power generation plans involving large output fluctuations.
実施形態に係る蒸気タービンのクリープ変形評価装置において、蒸気タービン又はその周辺部に設置された複数のセンサの各々から検出データを取得する取得部と、前記検出データに基づいて前記蒸気タービンにおけるノズルダイヤフラムの運転状態量の最適解を計算する第1計算部と、前記検出データに基づいて前記運転状態量の近似解を前記最適解よりも短周期で計算する第2計算部と、前記最適解に基づいて前記近似解を計算する近似式を更新する更新部と、前記近似解に基づいて前記ノズルダイヤフラムのクリープ変形速度を演算する演算部と、前記蒸気タービンの運転計画に基づいて前記クリープ変形速度から前記ノズルダイヤフラムの変形量を推定する推定部と、を備える。 The steam turbine creep deformation evaluation device according to the embodiment includes an acquisition unit that acquires detection data from each of a plurality of sensors installed on the steam turbine or its periphery; a first calculation unit that calculates an optimal solution for an operating state variable of a nozzle diaphragm in the steam turbine based on the detection data; a second calculation unit that calculates an approximate solution for the operating state variable based on the detection data at a shorter period than the optimal solution; an update unit that updates an approximation formula that calculates the approximate solution based on the optimal solution; a calculation unit that calculates the creep deformation rate of the nozzle diaphragm based on the approximate solution; and an estimation unit that estimates the deformation amount of the nozzle diaphragm from the creep deformation rate based on an operation plan for the steam turbine.
本発明の実施形態において、大きな出力変動を伴う発電計画で運用される蒸気タービンにおけるノズルダイヤフラムのクリープ変形挙動を、優れた追従性で逐次評価する技術が提供される。 An embodiment of the present invention provides a technology that sequentially evaluates, with excellent tracking capability, the creep deformation behavior of nozzle diaphragms in steam turbines operated under power generation plans involving large output fluctuations.
(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図1は本発明の第1実施形態に係る蒸気タービンのクリープ変形評価装置10A(10)(以下、単に「評価装置10A」という)のブロック図である。
(First embodiment)
1 is a block diagram of a steam turbine creep deformation evaluation device 10A (10) (hereinafter simply referred to as "evaluation device 10A") according to a first embodiment of the present invention.
このように評価装置10Aは、蒸気タービン20又はその周辺部に設置された複数のセンサ21(211,212…21n)の各々から検出データx(x1,x2…xn)を取得する取得部15と、検出データxに基づいて蒸気タービン20におけるノズルダイヤフラムの運転状態量の最適解φ1を計算する第1計算部11と、検出データxに基づいて運転状態量の近似解φ2を最適解φ1よりも短周期で計算する第2計算部12と、最適解φ1に基づいて近似解φ2を計算する近似式f(x)を更新する更新部16と、近似解φ2に基づいてノズルダイヤフラムのクリープ変形速度Vを演算する演算部17と、蒸気タービン20の運転計画28に基づいてクリープ変形速度Vからノズルダイヤフラムの変形量Dを推定する推定部18と、を備えている。 As described above, the evaluation device 10A includes an acquisition unit 15 that acquires detection data x ( x1 , x2 , ... xn ) from each of a plurality of sensors 21 ( 211 , 212 , ... 21n ) installed on the steam turbine 20 or its periphery, a first calculation unit 11 that calculates an optimal solution φ1 of the operating state quantity of the nozzle diaphragm in the steam turbine 20 based on the detection data x, a second calculation unit 12 that calculates an approximate solution φ2 of the operating state quantity based on the detection data x at a shorter period than the optimal solution φ1 , an update unit 16 that updates an approximate equation f(x) that calculates the approximate solution φ2 based on the optimal solution φ1 , a calculation unit 17 that calculates the creep deformation rate V of the nozzle diaphragm based on the approximate solution φ2 , and an estimation unit 18 that estimates the deformation amount D of the nozzle diaphragm from the creep deformation rate V based on an operation plan 28 of the steam turbine 20.
ノズルダイヤフラム(図示略)とは、蒸気タービン20に複数列配置される動翼の各段落間に設置される部品である。そしてノズルダイヤフラムは、ロータ表面に配された動翼に対向するように、円周状に複数のノズル板(静翼板)が配置されている。 A nozzle diaphragm (not shown) is a component installed between each stage of the multiple rows of rotor blades arranged in the steam turbine 20. The nozzle diaphragm has multiple nozzle plates (stationary blade plates) arranged circumferentially so as to face the rotor blades arranged on the rotor surface.
さらに、これらノズル板の内周側および外周側は、内輪および外輪と呼ばれるリング状の構造物で保持されている。そして、ノズル板と内輪および外輪は、溶接などで固定され、0度および180度位置にて分割できる構造を持っている。ノズルダイヤフラムは、このような分割構造を持ち、上下よりロータを挟み込むように設置されることで、ロータに植え込まれた動翼の各段落間に、設置可能となっている。 Furthermore, the inner and outer peripheries of these nozzle plates are held in place by ring-shaped structures called inner and outer rings. The nozzle plates and inner and outer rings are fixed together by welding or other methods, and have a structure that allows them to be separated at 0-degree and 180-degree positions. The nozzle diaphragm has this type of separate structure, and is installed so that it sandwiches the rotor from above and below, allowing it to be installed between each stage of moving blades embedded in the rotor.
ノズルダイヤフラムは、上流側の動翼を通過した蒸気がそのノズル板の間を通過するように設計され、下流側の動翼に蒸気を適切な流速で導く機能を持っている。このような機能を持つために、ノズルダイヤフラムの上流側と下流側では蒸気に圧力差が生じる。さらにノズルダイヤフラムは、高温域で使用されるため、タービンケーシングに保持された外輪側との圧力差により、内輪側が蒸気下流側に傾くクリープ変形が生じ易い。 Nozzle diaphragms are designed to allow steam that has passed through the upstream rotor blades to pass between the nozzle plates, and have the function of directing the steam to the downstream rotor blades at an appropriate flow rate. Due to this function, a pressure difference occurs in the steam between the upstream and downstream sides of the nozzle diaphragm. Furthermore, because nozzle diaphragms are used in high-temperature regions, the pressure difference with the outer ring side held in the turbine casing makes them prone to creep deformation, in which the inner ring side tilts toward the downstream steam side.
センサ21は、蒸気タービン20又はその周辺部に複数設置されており、蒸気タービン20の蒸気入口側および蒸気出口側の温度・圧力や抽気温度・圧力といった検出データxを出力する。またこれ以外にセンサ21は、蒸気弁前後の温度・圧力といった検出データx、取り付け先であるタービンケーシングや蒸気弁ケーシングの検出データxも出力する。また、センサ21は、例えば発電機出力などの発電所内の蒸気タービン20以外の機器(図示略)に設置されたものも含み、それら機器における検出データxも出力する。 Sensors 21 are installed in multiple locations on or around the steam turbine 20, and output detection data x such as the temperature and pressure on the steam inlet and steam outlet sides of the steam turbine 20, and the temperature and pressure of extracted steam. In addition to this, sensors 21 also output detection data x such as the temperature and pressure before and after the steam valve, and detection data x of the turbine casing and steam valve casing to which they are attached. Sensors 21 also include those installed on equipment (not shown) other than the steam turbine 20 within the power plant, such as generator output, and output detection data x for these pieces of equipment.
取得部15は、複数のセンサ21の各々から時々刻々と連続的に出力される検出データxを、適切なサンプリング周波数で逐次的に取得する。蒸気タービン20を停止状態から起動させると、過渡状態を経て、発電出力が一定になる定常状態に移行する。さらに蒸気タービン20は、出力調整の要請を受けて、ある定常状態から別の定常状態に移行したり停止されたりする場合もある。このような場合も、過渡状態を経ることになる。また移行後の定常状態も、エネルギー効率が高い定格運転とエネルギー効率の低い部分負荷運転とに運転状態が大きく分類される。 The acquisition unit 15 sequentially acquires, at an appropriate sampling frequency, the detection data x that is continuously output from each of the multiple sensors 21. When the steam turbine 20 is started from a stopped state, it passes through a transient state and then transitions to a steady state in which the power generation output becomes constant. Furthermore, in response to a request for output adjustment, the steam turbine 20 may transition from one steady state to another steady state or be stopped. In such cases, it also passes through a transient state. Furthermore, the steady state after the transition can be broadly classified into rated operation, which is highly energy efficient, and partial load operation, which is less energy efficient.
このように蒸気タービン20の運転状態が頻繁に変動することで、ノズルダイヤフラムが被るクリープ変形速度も変動することになる。このため、取得部15で取得される検出データxは、ノズルダイヤフラムにおけるクリープ変形の挙動に直接反映する情報であるといえる。なお、これら検出データxは、後工程で適切に処理されるよう、取得部15において平均化およびノイズ除去といった補正が施される。 As the operating state of the steam turbine 20 fluctuates frequently in this way, the creep deformation rate experienced by the nozzle diaphragm also fluctuates. For this reason, the detection data x acquired by the acquisition unit 15 can be said to be information that directly reflects the behavior of creep deformation in the nozzle diaphragm. Furthermore, this detection data x is subjected to corrections such as averaging and noise removal in the acquisition unit 15 so that it can be appropriately processed in subsequent processes.
第1計算部11は、これら検出データxに基づいて蒸気タービン20のヒートバランスを計算する。ここで、ヒートバランスとは、蒸気タービン20の構成要素(ノズルダイヤフラムを含む)の各々における熱エネルギーの分布状態を示したものである。 The first calculation unit 11 calculates the heat balance of the steam turbine 20 based on this detection data x. Here, the heat balance indicates the distribution of thermal energy in each of the components of the steam turbine 20 (including the nozzle diaphragm).
つまり第1計算部11は、これら構成要素のうち少なくともノズルダイヤフラムに関与する温度、圧力、エンタルピー、流量等といった検出データxに基づいて、運転状態量の最適解φ1を計算し出力する。なお、このようなノズルダイヤフラムの運転状態量の最適解φ1の計算手法は、蒸気タービン20のヒートバランスに基づくことに限定されることはなく、他の計算手法に基づいてもよい。 That is, the first calculation unit 11 calculates and outputs the optimal solution φ 1 of the operation state quantity based on the detected data x such as temperature, pressure, enthalpy, flow rate, etc., which are related to at least the nozzle diaphragm among these components. Note that the calculation method for the optimal solution φ 1 of the operation state quantity of the nozzle diaphragm is not limited to being based on the heat balance of the steam turbine 20, and may be based on other calculation methods.
第1計算部11では、具体的に、蒸気タービン20の入口側および出口側に設置された温度センサ21等が出力する検出データxに基づいて、蒸気タービン20の各段落におけるヒートバランスを収支計算にて求める。ところで、これら熱収支計算で求める運転状態量は変数項が多いため、一義的に求めるのが困難である。このため探索計算などが必要となるが、運転中に常に取得される検出データに対して都度探索計算を行うと、計算負荷が膨大となる。このため、最適解φ1の計算周期は長く、運転状態量が変動する場合、追従性は低下する。 Specifically, the first calculation unit 11 calculates the heat balance at each stage of the steam turbine 20 by heat balance calculation based on the detected data x output by temperature sensors 21 and the like installed on the inlet and outlet sides of the steam turbine 20. However, since the operating state variables calculated by these heat balance calculations have many variable terms, it is difficult to uniquely calculate them. Therefore, search calculations are required, but performing search calculations each time on the detected data constantly acquired during operation would result in an enormous computational load. Therefore, the calculation cycle for the optimal solution φ1 is long, and tracking performance deteriorates when the operating state variables fluctuate.
第2計算部12は、次の式(1)のように、検出データx(x1,x2…,xn)を変数とした多項式であらわされる近似式f(x)により、運転状態量の近似解φ2を、最適解φ1よりも短周期で計算する。なお、第2計算部12で適用される近似式f(x)は、式(1)に特に限定されない。 The second calculation unit 12 calculates an approximate solution φ2 of the operating state quantity at a shorter period than the optimal solution φ1 using an approximate equation f(x) expressed as a polynomial with detected data x ( x1 , x2 ..., xn ) as a variable, as in the following equation ( 1 ). Note that the approximate equation f(x) applied by the second calculation unit 12 is not particularly limited to equation (1).
φ2=f(x)=f(x1,x2…,xn)
=A0+A1・x1+A2・x2+・・・+An・xn ・・・(1)
Ai:定数、xi:検出データ(i=1~n)
φ 2 =f(x)=f(x 1 ,x 2 …,x n )
=A 0 +A 1・x 1 +A 2・x 2 +...+A n・x n ...(1)
A i : constant, x i : detected data (i = 1 to n)
ところで、最適解φ1の計算基礎となる検出データxの中には逐次的な検出が困難なものがあり、限られた検出データxを選択して運転状態量の近似解φ2を計算する場合がある。第2計算部12では、この近似式f(x)を読み込むことで、計算負荷をかけずに運転状態量の近似解φ2を、最適解φ1よりも短周期で計算する。 Incidentally, some of the detected data x that form the calculation basis for the optimal solution φ1 are difficult to detect sequentially, and so there are cases where limited detected data x are selected to calculate the approximate solution φ2 of the operating state quantity. By reading this approximate formula f(x), the second calculation unit 12 calculates the approximate solution φ2 of the operating state quantity in a shorter period than the optimal solution φ1 without imposing a calculation load.
更新部16は、同じタイミングで取得された検出データxから計算された運転状態量の最適解φ1と近似解φ2を対比し、両者が一致するように近似式f(x)を更新する。上記の式(1)のような、多項式で表される近似式f(x)では、係数Aiが更新される。また、対比される最適解φ1と近似解φ2の一致/不一致の判断は、閾値を用いる場合があり、最適解φ1が計算されたタイミングで「一致」の判断がなされれば、近似式f(x)は更新されない場合もある。 The update unit 16 compares the optimal solution φ1 and the approximate solution φ2 of the driving state quantity calculated from the detection data x acquired at the same timing, and updates the approximate formula f(x) so that the two match. In the approximate formula f(x) expressed as a polynomial such as the above formula (1), the coefficient Ai is updated. Furthermore, a threshold value may be used to determine whether the compared optimal solution φ1 and approximate solution φ2 match, and if a "match" is determined at the timing when the optimal solution φ1 is calculated, the approximate formula f(x) may not be updated.
演算部17は、ノズルダイヤフラムの設計情報Kとその運転状態量の近似解φ2とに基づいてそのクリープ変形速度Vを演算する。もしくは、ノズルダイヤフラムの運転状態量φとクリープ変形速度Vとのデータセットを構築し、演算部17は、入力した任意の運転状態量の近似解φ2に対し、対応するクリープ変形速度Vを出力するようにしてもよい。なお、ここで演算されるクリープ変形速度Vは、蒸気タービン20の回転軸に沿う方向成分のみでよい。 The calculation unit 17 calculates the creep deformation rate V based on the design information K of the nozzle diaphragm and the approximate solution φ2 of its operating state quantity. Alternatively, a data set of the operating state quantity φ of the nozzle diaphragm and the creep deformation rate V may be constructed, and the calculation unit 17 may output the corresponding creep deformation rate V for any input approximate solution φ2 of the operating state quantity. Note that the creep deformation rate V calculated here may only be a component in the direction along the rotation axis of the steam turbine 20.
推定部18は、演算部17から出力されるクリープ変形速度Vを実時間で積分していくことにより、ノズルダイヤフラムの現時刻における変形量Dを推定することができる。さらに、蒸気タービン20の運転計画28から推定される運転時間とクリープ変形速度Vとからノズルダイヤフラムの将来的な変形量Dも推定することができる。なおここで運転計画28とは、例えば、設備稼働率や平均出力、起動停止回数頻度等である。 The estimation unit 18 can estimate the deformation amount D of the nozzle diaphragm at the current time by integrating the creep deformation rate V output from the calculation unit 17 in real time. Furthermore, the future deformation amount D of the nozzle diaphragm can also be estimated from the operating time and creep deformation rate V estimated from the operation plan 28 of the steam turbine 20. The operation plan 28 here refers to, for example, the equipment availability rate, average output, start-up and shutdown frequency, etc.
表示部19では(図4参照)、蒸気タービン20の運転時間tに対するノズルダイヤフラムのクリープ変形量Dを表示する。ここで、実時間で演算されるクリープ変形速度Vに基づいて、現時刻におけるクリープ変形量Dが「演算実績」として示される。さらに、運転計画28に基づいて、将来におけるクリープ変形量Dが「将来予測(修正前)」として示される。 The display unit 19 (see Figure 4) displays the creep deformation amount D of the nozzle diaphragm versus the operating time t of the steam turbine 20. Here, the creep deformation amount D at the current time is displayed as "calculated results" based on the creep deformation rate V calculated in real time. Furthermore, the creep deformation amount D in the future is displayed as "future prediction (before correction)" based on the operation plan 28.
このように、現時刻の「演算実績」と「将来予測」におけるクリープ変形量Dに基づいて、間隙の余裕度が少なく設計されているノズルダイヤフラムに対し、有効な保守推奨時期を提示することができる。 In this way, based on the creep deformation amount D in the current "calculated results" and "future predictions," it is possible to present effective maintenance recommendations for nozzle diaphragms designed with a small margin of clearance.
(第2実施形態)
次に図2を参照して本発明における第2実施形態について説明する。図2は第2実施形態に係る蒸気タービンのクリープ変形評価装置10B(10)(以下、単に「評価装置10B」という)のブロック図である。なお、図2において図1と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 2. Fig. 2 is a block diagram of a steam turbine creep deformation evaluation device 10B (10) (hereinafter simply referred to as "evaluation device 10B") according to the second embodiment. In Fig. 2, parts having the same configuration or function as those in Fig. 1 are designated by the same reference numerals, and duplicated explanations will be omitted.
第2実施形態の評価装置10Bは、第1実施形態の評価装置10Aと同様に、検出データxの取得部15と、運転状態量の最適解φ1の第1計算部11と、その近似解φ2の第2計算部12と、近似式f(x)の更新部16と、クリープ変形速度Vの演算部17と、ノズルダイヤフラムの変形量Dの推定部18と、を備えている。 The evaluation device 10B of the second embodiment, like the evaluation device 10A of the first embodiment, includes an acquisition unit 15 for detection data x, a first calculation unit 11 for an optimal solution φ 1 of the operating state quantity, a second calculation unit 12 for an approximate solution φ 2 thereof, an update unit 16 for the approximate equation f(x), a calculation unit 17 for the creep deformation rate V, and an estimation unit 18 for the deformation amount D of the nozzle diaphragm.
そして第2実施形態の評価装置10Bでは、演算部17においてクリープ変形速度Vが、運転状態量の近似解φ2から導かれるノズルダイヤフラムの等価応力σに基づいて演算される。さらにノズルダイヤフラムを実測した実測値27と推定部18で推定したクリープ変形量Dとに基づいて、クリープ変形速度Vの演算式Gを修正する修正部29を備える。 In the evaluation device 10B of the second embodiment, the creep deformation rate V is calculated in the calculation unit 17 based on the equivalent stress σ of the nozzle diaphragm derived from the approximate solution φ2 of the operating state quantity. Furthermore, the evaluation device 10B includes a correction unit 29 that corrects the calculation formula G for the creep deformation rate V based on the actual measurement value 27 of the nozzle diaphragm and the creep deformation amount D estimated by the estimation unit 18.
図3はノズルダイヤフラムに作用する等価応力σとクリープ変形速度Vとの関係を示すグラフである。このグラフは、評価対象のノズルダイヤフラムに限定されず共通の素材で構成される構造物に対し普遍的に適用できるように作成されたものである。 Figure 3 is a graph showing the relationship between the equivalent stress σ acting on the nozzle diaphragm and the creep deformation rate V. This graph was created so that it can be universally applied to structures made of common materials, not just the nozzle diaphragm being evaluated.
演算部17は、運転状態量の近似解φ2から導かれるノズルダイヤフラムの等価応力σに基づいて、クリープ変形速度Vを演算する。すなわち、この演算部17は、ノズルダイヤフラムの運転状態量の近似解φ2及び設計情報Kを、下記の式(2)に示す関数式g(φ,K)に入力し、このノズルダイヤフラムに発生する等価応力σを演算する。 The calculation unit 17 calculates the creep deformation rate V based on the equivalent stress σ of the nozzle diaphragm derived from the approximate solution φ2 of the operating state quantity. That is, the calculation unit 17 inputs the approximate solution φ2 of the operating state quantity of the nozzle diaphragm and design information K into the function formula g(φ, K) shown in the following equation (2), and calculates the equivalent stress σ generated in the nozzle diaphragm.
さらに、この等価応力σは、ノズルダイヤフラムのクリープ変形挙動を元にクリープ変形量を代表する応力として弾性論または弾性クリープ論を用いて、下記の式(3)に示す演算式G(φ,K,σ)を決定する。これら理論式を用いて等価応力σの演算式G(φ,K,σ)を求めるのが困難な場合、予め有限要素法などを用いて求めることも可能である。 Furthermore, this equivalent stress σ is determined using the theory of elasticity or elastic creep theory as a stress representative of the amount of creep deformation based on the creep deformation behavior of the nozzle diaphragm, and the calculation formula G(φ, K, σ) shown in equation (3) below is determined. If it is difficult to determine the calculation formula G(φ, K, σ) for the equivalent stress σ using these theoretical formulas, it can also be determined in advance using the finite element method, etc.
等価応力σ=g(φ,K) ・・・(2)
クリープ変形速度V=G(φ,K,σ)=A・σB ・・・(3)
ここでA,Bはφ,Kで決まる定数である。ノズルダイヤフラムの変形を仮定し、前述の等価応力σを求める関数gと同様、弾性論又は弾性クリープ論から定めてもよいし、有限要素法などを用いて定めてもよい。修正部29は、上記の式(3)のような演算式Gでは、係数A,Bを更新する。
Equivalent stress σ = g (φ, K) ... (2)
Creep deformation speed V = G (φ, K, σ) = A・σ B ... (3)
Here, A and B are constants determined by φ and K. Assuming deformation of the nozzle diaphragm, similar to the function g for determining the equivalent stress σ described above, these may be determined from the theory of elasticity or elastic creep theory, or may be determined using the finite element method, etc. The correction unit 29 updates the coefficients A and B in the calculation formula G such as the above formula (3).
なお、本実施形態ではクリープ変形速度Vの演算式Gを等価応力σのべき乗則で求めているが、これ以外の演算式も適用可能である。ノズルダイヤフラムの形状はプラントごと、タービン段落ごとに異なるため、各ノズルに適した演算式を適用可能である。これらいずれの演算式においても、式中に使用する定数はφ,Kより求まる。また、第2実施形態は、第1実施形態の構成が具備されることを前提に説明されているが、更新部16を設けず、第1計算部11及び第2計算部12のいずれか一方のみが設けられている態様も取り得る。 In this embodiment, the calculation formula G for the creep deformation rate V is calculated using the power law of the equivalent stress σ, but other calculation formulas are also applicable. Because the shape of the nozzle diaphragm differs for each plant and each turbine stage, a calculation formula appropriate for each nozzle can be applied. In all of these calculation formulas, the constants used in the formula are determined from φ and K. Furthermore, while the second embodiment has been described assuming that the configuration of the first embodiment is provided, it is also possible to adopt a configuration in which the update unit 16 is not provided and only one of the first calculation unit 11 and the second calculation unit 12 is provided.
図4はノズルダイヤフラムのクリープ変形量Dの将来予測を示すクリープ変形リスクの評価グラフである。修正部29の機能により、クリープ変形量Dの推定値26がノズルダイヤフラムの実測値27に一致するよう演算式Gが修正されるため、クリープ変形の将来予測(修正後)を正確に評価できる。 Figure 4 is a creep deformation risk assessment graph showing future predictions of the creep deformation amount D of the nozzle diaphragm. The correction unit 29 corrects the calculation formula G so that the estimated value 26 of the creep deformation amount D matches the actual measured value 27 of the nozzle diaphragm, allowing for an accurate evaluation of the future predictions of creep deformation (after correction).
つまり、蒸気タービン20の停止時に実施した目視点検等の実測値27の情報を反映し、将来予測の精度を向上させることができる。予め推定部18から出力されたクリープ変形量Dの推定値26と点検による実測値27とのズレを定量化し、そのズレに応じて将来のクリープ変形予測線を矢印で示すように修正することができる。なお、修正部29に入力される実測値27は、実際に点検して得られた値に限定されず、仮想的に設定した値も含まれる。 In other words, the accuracy of future predictions can be improved by reflecting information on actual measurement values 27, such as those obtained through visual inspections conducted when the steam turbine 20 is shut down. The deviation between the estimated value 26 of the creep deformation amount D output in advance from the estimation unit 18 and the actual measurement value 27 obtained through inspection can be quantified, and the future creep deformation prediction line can be corrected in accordance with this deviation, as shown by the arrow. Note that the actual measurement values 27 input to the correction unit 29 are not limited to values obtained through actual inspections, but can also include hypothetical values set.
図5のフローチャートに基づいて(適宜、図2参照)、実施形態に係る蒸気タービンのクリープ変形評価方法の工程、及び蒸気タービンのクリープ変形評価プログラムのアルゴリズムを説明する。 Based on the flowchart in Figure 5 (and also referring to Figure 2 as appropriate), the steps of the steam turbine creep deformation evaluation method according to the embodiment and the algorithm of the steam turbine creep deformation evaluation program will be explained.
まず、運転状態量の近似解φ2を求める近似式f(x)及びクリープ変形速度Vを演算する演算式Gを初期設定する(S11)。そして、蒸気タービン20又はその周辺部に設置された複数のセンサ21(211,212…21n)の各々から検出データx(x1,x2…xn)を取得する(S12)。 First, an approximate equation f(x) for finding an approximate solution φ2 of the operational state quantity and an arithmetic equation G for calculating the creep deformation rate V are initialized (S11). Then, detection data x ( x1 , x2, ... xn ) are acquired from each of a plurality of sensors 21 ( 211 , 212 , ... 21n ) installed on the steam turbine 20 or its periphery (S12).
次に、近似式f(x)を呼び出して(S13)、検出データxに基づいて運転状態量の近似解φ2を計算する(S14)。なお、この(S13,S14)と並行して検出データxに基づいて蒸気タービン20のヒートバランスが計算され(S15)、ノズルダイヤフラムの運転状態量の最適解φ1が計算される(S16)。 Next, the approximate equation f(x) is called (S13), and an approximate solution φ2 of the operational state quantity is calculated based on the detected data x (S14). In parallel with these steps (S13, S14), the heat balance of the steam turbine 20 is calculated based on the detected data x (S15), and an optimal solution φ1 of the operational state quantity of the nozzle diaphragm is calculated (S16).
そして、出力された最適解φ1に基づいて(S17,YES)、近似式f(x)が更新される(S18)。なお最適解φ1の計算時間は近似解φ2の計算時間よりも長周期であるため、(S13)の呼び出し頻度に比べ、(S18)の更新頻度は少ないことになる。 Then, based on the output optimal solution φ 1 (S17, YES), the approximate formula f(x) is updated (S18). Note that since the calculation time for the optimal solution φ 1 is longer than the calculation time for the approximate solution φ 2 , the update frequency of (S18) is lower than the call frequency of (S13).
次に、演算式Gを呼び出して(S19)、近似解φ1に基づいてノズルダイヤフラムのクリープ変形速度Vを演算する(S20)。さらに、このクリープ変形速度Vからノズルダイヤフラムの変形量Dを推定する(S21)。ここでノズルダイヤフラムの実測値27(仮想的な場合も含む)が新規獲得されていれば(S22、YES)、ノズルダイヤフラムの実測値と推定値が一致するように演算式Gを修正し(S23)、(S19)~(S21)が再実行される。 Next, the calculation formula G is called (S19), and the creep deformation rate V of the nozzle diaphragm is calculated based on the approximate solution φ1 (S20). Furthermore, the deformation amount D of the nozzle diaphragm is estimated from this creep deformation rate V (S21). If a new actual measurement value 27 of the nozzle diaphragm (including a hypothetical value) has been acquired here (S22, YES), the calculation formula G is corrected (S23) so that the actual measurement value of the nozzle diaphragm and the estimated value match, and steps (S19) to (S21) are executed again.
そしてノズルダイヤフラムの実測値の新規獲得が無ければ(S22、NO)、推定したノズルダイヤフラムの変形量Dを出力する(S24)。そして、タービンの運転が終了するまで、(S12)~(S24)のフローを繰り返す(S25、NO、YES、END)。 If no new actual measurement values of the nozzle diaphragm have been acquired (S22, NO), the estimated nozzle diaphragm deformation amount D is output (S24). Then, steps (S12) to (S24) are repeated until turbine operation ends (S25, NO, YES, END).
以上述べた少なくともひとつの実施形態の蒸気タービンのクリープ変形評価装置によれば、計算周期が短い運転状態量の近似解の近似式を計算周期が長い最適解で更新することで、大きな出力変動を伴う発電計画で運用される蒸気タービンにおけるノズルダイヤフラムのクリープ変形挙動を、優れた追従性で逐次評価することが可能となる。 According to at least one embodiment of the steam turbine creep deformation evaluation device described above, by updating the approximate equation for the approximate solution of the operating state quantity with a short calculation cycle with an optimal solution with a long calculation cycle, it becomes possible to sequentially evaluate the creep deformation behavior of the nozzle diaphragm in a steam turbine operated under a power generation plan involving large output fluctuations with excellent tracking capability.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 While several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments may be embodied in a variety of other forms, and various omissions, substitutions, modifications, and combinations may be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are within the scope of the invention and its equivalents as defined in the claims, as well as the scope and spirit of the invention.
以上説明した蒸気タービンのクリープ変形評価装置は、専用のチップ、FPGA(Field Programmable Gate Array)、GPU(Graphics Processing Unit)、又はCPU(Central Processing Unit)などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)などの記憶装置と、HDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信I/Fとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。このため蒸気タービンのクリープ変形評価装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、蒸気タービンのクリープ変形評価プログラムにより動作させることが可能である The steam turbine creep deformation evaluation device described above includes a control device with a highly integrated processor, such as a dedicated chip, FPGA (Field Programmable Gate Array), GPU (Graphics Processing Unit), or CPU (Central Processing Unit), storage devices such as ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory), external storage devices such as HDD (Hard Disk Drive) and SSD (Solid State Drive), display devices such as a monitor, input devices such as a mouse and keyboard, and a communication interface. This allows for hardware configuration using a standard computer. Therefore, the components of the steam turbine creep deformation evaluation device can also be implemented using a computer processor and can be operated by a steam turbine creep deformation evaluation program.
また蒸気タービンのクリープ変形評価プログラムは、ROM等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでCD-ROM、CD-R、メモリカード、DVD、フレキシブルディスク(FD)等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。 The steam turbine creep deformation evaluation program may be provided pre-installed in a ROM or the like. Alternatively, the program may be provided stored in an installable or executable file format on a computer-readable storage medium such as a CD-ROM, CD-R, memory card, DVD, or flexible disk (FD).
また、本実施形態に係る蒸気タービンのクリープ変形評価プログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしてもよい。また、蒸気タービンのクリープ変形評価装置は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワーク又は専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。 The steam turbine creep deformation evaluation program according to this embodiment may also be stored on a computer connected to a network such as the Internet and provided by downloading it via the network. The steam turbine creep deformation evaluation device may also be configured by combining separate modules that independently perform the functions of their components and interconnect them via a network or dedicated lines.
10(10A,10B)…クリープ変形評価装置、11…第1計算部、12…第2計算部、15…取得部、16…更新部、17…演算部、18…推定部、19…表示部、20…蒸気タービン、21(211,212…21n)…センサ、26…推定値、27…実測値、28…運転計画、29…修正部、x(x1,x2…xn)…検出データ、f…近似式、G…演算式、φ1…運転状態量の最適解、φ2…運転状態量の近似解、σ…等価応力、K…設計情報、V…クリープ変形速度(変形速度)、D…クリープ変形量(変形量)。 10 (10A, 10B)...Creep deformation evaluation device, 11...First calculation unit, 12...Second calculation unit, 15...Acquisition unit, 16...Update unit, 17...Calculation unit, 18...Estimation unit, 19...Display unit, 20...Steam turbine, 21 (21 1 , 21 2 ...21 n )...Sensor, 26...Estimated value, 27...Actual measurement value, 28...Operation plan, 29...Correction unit, x (x 1 , x 2 ...x n )...Detection data, f...Approximation formula, G...Calculation formula, φ 1 ...Optimal solution of operating state quantity, φ 2 ...Approximation solution of operating state quantity, σ...Equivalent stress, K...Design information, V...Creep deformation rate (deformation rate), D...Creep deformation amount (deformation amount).
Claims (7)
前記検出データに基づいて、前記蒸気タービンにおけるノズルダイヤフラムの運転状態量の最適解を計算する第1計算部と、
前記検出データに基づいて、前記運転状態量の近似解を前記最適解よりも短周期で計算する第2計算部と、
前記最適解に基づいて、前記近似解を計算する近似式を更新する更新部と、
前記近似解に基づいて、前記ノズルダイヤフラムのクリープ変形速度を演算する演算部と、
前記蒸気タービンの運転計画に基づいて、前記クリープ変形速度から前記ノズルダイヤフラムの変形量を推定する推定部と、を備える蒸気タービンのクリープ変形評価装置。 an acquisition unit that acquires detection data from each of a plurality of sensors installed in the steam turbine or its periphery;
a first calculation unit that calculates an optimal solution for an operating state quantity of a nozzle diaphragm in the steam turbine based on the detection data;
a second calculation unit that calculates an approximate solution of the operating state quantity at a shorter period than the optimal solution based on the detection data;
an update unit that updates an approximation formula for calculating the approximate solution based on the optimal solution;
a calculation unit that calculates a creep deformation rate of the nozzle diaphragm based on the approximate solution;
an estimation unit that estimates a deformation amount of the nozzle diaphragm from the creep deformation rate based on an operation plan of the steam turbine.
前記センサは、前記蒸気タービンの蒸気入口側、出口側及び抽気管の少なくとも一つに設置されたものであって、
前記第1計算部は、前記検出データに基づく前記蒸気タービンのヒートバランスの計算結果から前記最適解を得る蒸気タービンのクリープ変形評価装置。 2. The steam turbine creep deformation evaluation device according to claim 1,
The sensor is installed on at least one of a steam inlet side, an outlet side, and an extraction pipe of the steam turbine,
The first calculation unit is a steam turbine creep deformation evaluation device that obtains the optimal solution from a calculation result of the heat balance of the steam turbine based on the detection data.
前記近似式は、前記検出データを変数とした多項式であらわされ、
前記更新部は、前記近似式の係数を更新する蒸気タービンのクリープ変形評価装置。 3. The steam turbine creep deformation evaluation device according to claim 1,
the approximation formula is expressed by a polynomial with the detection data as a variable,
The update unit updates the coefficients of the approximation equation.
前記クリープ変形速度は、前記運転状態量の前記近似解から導かれる前記ノズルダイヤフラムの等価応力に基づいて演算される蒸気タービンのクリープ変形評価装置。 3. The steam turbine creep deformation evaluation device according to claim 1,
The creep deformation evaluation device for a steam turbine, wherein the creep deformation rate is calculated based on an equivalent stress of the nozzle diaphragm derived from the approximate solution of the operational state quantity.
前記ノズルダイヤフラムの実測値と推定された前記変形量とに基づいて、前記クリープ変形速度の演算式を修正する修正部を備える蒸気タービンのクリープ変形評価装置。 5. The steam turbine creep deformation evaluation device according to claim 4,
The creep deformation evaluation device for a steam turbine includes a correction unit that corrects the calculation formula for the creep deformation rate based on the actual measurement value of the nozzle diaphragm and the estimated deformation amount.
前記検出データに基づいて、前記蒸気タービンにおけるノズルダイヤフラムの運転状態量の最適解を計算するステップと、
前記検出データに基づいて、前記運転状態量の近似解を前記最適解よりも短周期で計算するステップと、
前記最適解に基づいて、前記近似解を計算する近似式を更新するステップと、
前記近似解に基づいて、前記ノズルダイヤフラムのクリープ変形速度を演算するステップと、
前記蒸気タービンの運転計画に基づいて、前記クリープ変形速度から前記ノズルダイヤフラムの変形量を推定するステップと、を含む蒸気タービンのクリープ変形評価方法。 acquiring detection data from each of a plurality of sensors installed on or around the steam turbine;
calculating an optimal solution for an operating state quantity of a nozzle diaphragm in the steam turbine based on the detection data;
calculating an approximate solution of the operational state quantity at a shorter period than the optimum solution based on the detection data;
updating an approximation formula for calculating the approximate solution based on the optimal solution;
calculating a creep deformation rate of the nozzle diaphragm based on the approximate solution;
and estimating a deformation amount of the nozzle diaphragm from the creep deformation rate based on an operation plan of the steam turbine.
蒸気タービン又はその周辺部に設置された複数のセンサの各々から検出データを取得するステップ、
前記検出データに基づいて、前記蒸気タービンにおけるノズルダイヤフラムの運転状態量の最適解を計算するステップ、
前記検出データに基づいて、前記運転状態量の近似解を前記最適解よりも短周期で計算するステップ、
前記最適解に基づいて、前記近似解を計算する近似式を更新するステップ、
前記近似解に基づいて、前記ノズルダイヤフラムのクリープ変形速度を演算するステップ、
前記蒸気タービンの運転計画に基づいて、前記クリープ変形速度から前記ノズルダイヤフラムの変形量を推定するステップ、を実行させる蒸気タービンのクリープ変形評価プログラム。 On the computer,
acquiring detection data from each of a plurality of sensors installed on or around the steam turbine;
calculating an optimal solution for an operating state quantity of a nozzle diaphragm in the steam turbine based on the detection data;
calculating an approximate solution of the operational state quantity at a shorter period than the optimum solution based on the detection data;
updating an approximation formula for calculating the approximate solution based on the optimal solution;
calculating a creep deformation rate of the nozzle diaphragm based on the approximate solution;
a creep deformation evaluation program for a steam turbine that executes a step of estimating a deformation amount of the nozzle diaphragm from the creep deformation rate based on an operation plan of the steam turbine.
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