JP3614751B2

JP3614751B2 - コンバインド発電プラントの熱効率診断方法および装置

Info

Publication number: JP3614751B2
Application number: JP2000078624A
Authority: JP
Inventors: 修一梅沢; 元帯川
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2020-03-21
Also published as: JP2001263006A; US20010034582A1; US6529849B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、既に運転されているコンバインド発電プラントについて熱効率の変動や劣化が生じたような場合に、熱効率劣化要因機器を明確に特定し、点検および補修等による熱効率の回復を適正に、かつ能率よく行えるコンバインド発電プラントの熱効率診断方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電プラントの熱効率は、燃料節約・発電コスト低減の双方の観点から、ますます注目視されている。実際に熱効率が変化した場合に、その原因がプラント中のどの機器にあるのか特定することは熱効率管理上重要である。
【０００３】
ここで、熱効率とは、発電プラントの性能を表す数値で、消費した燃料のエネルギーに対する発電した電力の比を示す。熱効率は以下の式で表される。
【０００４】
【数１】

【０００５】
この熱効率を向上させることにより、燃料消費量の節減につながる。そして、既設の発電プラントにおいては、日々の計測、そして定期的な性能試験によって、プラント全体、および各機器個別の性能管理が実施されており、プラントの運用・保守に反映されている。
【０００６】
ところで、火力発電プラントの中でも、１０年程前に初導入された最新鋭の主力ユニットであるコンバインドサイクル（Ｃ／Ｃ、ＡＣＣ）発電プラントは、高効率、高運用性を特徴とし、近年ますます利用率が高まっている。
【０００７】
しかしながら、運転開始後、１０年程度経過した現在、このコンバインド発電プラントにおいては、ユニットによっては効率が低下しているものがあり、その効率低下の原因判断により要因機器を特定し、その補修等を行うことが特に経済的な面から重要となっている。このような効率低下の原因を判断しようとする場合、コンバインドサイクル発電プラントの場合には、１ユニット中にガスタービン（ＧＴ）と蒸気タービン（ＳＴ）とが存在し、これらが一つの発電機に接続される構成となっているため、効率が低下した場合の原因がガスタービンまたは蒸気タービンのいずれかにあるのかの判断が非常に困難となっている。従来、ＧＴやＳＴの性能を個別に算出する手法は存在するが、後述するように計測データの誤差の影響が大きく精度に問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
コンバインド発電プラントの点検、補修等については、設備機器が大掛りであることから作業量が多く、要する機材、期間、人員、コスト等も多大なものとなる。このような大掛りな点検、補修は可能な限り高いプラント熱効率の回復結果が期待されるところであり、そのためには点検、補修箇所を特定する手段である熱効率診断によって効率劣化要因機器を従来に増して、一層明確に特定することが望まれる。これに対して上述したように、効率低下の原因がガスタービンまたは蒸気タービンのいずれかにあるかの判断が困難な状況のもとでは、コンピュータ処理を導入して熱効率診断しようとしても、それに費される設備、作業量、運用コスト等が膨大となり、また必ずしも高い診断精度が得にくいという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、熱効率診断を高精度で能率よく行え、かつ各機器個別の性能変化がプラント全体に与える影響を精度良く解析することができ、それにより点検・補修等による熱効率の回復が適切に行えるコンバインド発電プラントの熱効率診断方法および装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、コンバインド発電プラントの熱効率診断の精度向上を図る手法として、ヒートバランス解析を導入する。ヒートバランスとは、発電プラント全体における各機器毎の熱エネルギーや電気エネルギーの収支をいう。
【００１１】
発明者における種々の研究、試みの結果、プラント全ての機器について個別に性能計算を行うのではなく、発電プラントにおける各計測データを基に、プラント全体のヒートバランスを組んだとき整合性がとれているか検討を行うことにより、各計測データのクロスチェックが可能であることから、診断の精度向上が可能であるとの着想を得るに至った。
【００１２】
即ち、コンバインド発電プラントの機器についての熱入出力に関する計測データには精度面からのバラつきがある。例えば、現状のコンバインドサイクル発電プラントの熱効率管理の方法としては、ガスタービン設備全体、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）設備全体、蒸気タービン（ＳＴ）設備に関し、それぞれ個別に性能計算を行っている。発電所で計測された管理用データを基に、直接これらの主要設備の性能を計算する従来方法による精度評価を示すと、ガスタービン効率の精度誤差（ηＧＴ）が７．８％、排熱回収ボイラ効率の精度誤差（ηＨＲＳＧ）が３．２％、蒸気タービン効率の精度誤差（ηＳＴ）が１５．６％となっている。ところが、これらの精度は、通常起こり得るコンバインドサイクル発電プラントの熱効率の変化（２％程度）に対してその原因を診断するには十分といい難いことがわかった。その算出根拠を示すと、以下の通りである。
【００１３】
▲１▼ ガスタービン効率の精度は、算出式から両辺を微分して整理すると、
【数２】

となる。
【００１４】
▲２▼ 排熱回収ボイラ効率の精度は、算出式から両辺を微分して整理すると、
【数３】

となる。
【００１５】
▲３▼ 蒸気タービン効率の精度は、算出式から両辺を微分して整理すると、
【数４】

となる。
【００１６】
これらの誤差伝搬式から、ガスタービン効率の誤差要因の大半は、ガスタービン排ガス流量とガスタービン排ガス温度とによって占められていることがわかる。この影響は、蒸気タービンに対しては、ほぼ倍の誤差になって伝搬している。
【００１７】
本発明では、以上の点を考慮して、コンバインドサイクル発電プラントの効率が低下した際、その原因がガスタービンか蒸気タービンかについての判断の精度を向上させるために、ヒートバランス解析法による熱効率診断を採用する。
【００１８】
すなわち、現状の発電所に設置されている管理用の各温度、圧力、流量、電気出力等の計測データ、および高性能トルクセンサの計測データを用い、測定精度の高い発電機出力を基準データとして、プラントのヒートバランスを決定する。この際、診断のキー・パラメータであるが高精度計測が難しいパラメータ、例えばガスタービン排ガス流量（ＧＴ排ガス流量）およびガスタービン排ガス温度（ＧＴ排ガス温度）等のパラメータについては、計測精度範囲内で最適状態評価を行う。最適状態評価とは、プラントにおける各偏差が全体で最小になり、起こり得る確率が最大となるように状態を決定することをいう。確率を算出する関数としては、例えば各偏差の算出精度に基づいた正規分布関数、あるいは正規分布関数の積算形等を用いる。
【００１９】
プラント中における各偏差とは、以下のものをいう。
【００２０】
（１）蒸気タービン（ＳＴ）の設計効率偏差
蒸気タービンの性能試験時における効率は、設計値を上回ることはない。
【００２１】
（２）排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の設計伝熱性能偏差
排熱回収ボイラの性能試験時における効率は、設計値を上回ることはない。
【００２２】
（３）ガスタービン（ＧＴ）の効率偏差
ガスタービンの性能試験時における効率は、設計値を上回ることはない。
【００２３】
（４）排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の効率偏差
ＨＲＳＧ効率については、入出熱法による値と損失法による値とは、本来一致するはずである。
【００２４】
（５）各状態値（出力、温度等）の計算値および計測値の偏差
▲１▼ 入出熱法により計算されたＧＴおよびＳＴの出力値の偏差、およびトルクセンサによる同計測値の偏差
▲２▼ ＧＴ出口温度の最適値を用いて計算したＨＲＳＧ内部のガス温度の値および同計測値の偏差
▲３▼ ＧＴ排ガス流量の最適値を用いて計算した排ガスＯ２濃度の値および同計測値の偏差
▲４▼ ＧＴ排ガス流量の最適値および同計測値の偏差
▲５▼ ＧＴ排ガス温度の最適値および同計測値の偏差
これら▲１▼〜▲５▼の両値は、それぞれ本来一致するはずである。
【００２５】
コンバインドサイクル発電プラント熱効率診断の手順を要約すると、以下の通りである。
（１）発電プラントの計測データ（ＰＩＤ）をコンピュータに入力する。
（２）データの精度を考慮して収束計算を行うことによって、ヒートバランスを決定する。
（３）設計ベースのヒートバランスと現状のヒートバランスとを比較する。
（４）各機器の性能が熱効率に与える寄与度を分析する。
（５）熱効率劣化要因機器を特定する。
【００２６】
すなわち、請求項１の発明では、ガスタービン設備と蒸気タービン設備とを備えるコンバインド発電プラントの各機器について、温度、圧力、流量、電気出力等のエネルギ収支に関するパラメータの計測値ならびに各機器の設計値を収録しておき、前記パラメータのうち測定精度の高い機器の計測値についてはこれを基準データとして当該機器についてのヒートバランス計算を行う一方、診断のキー・パラメータであるが高精度計測が難しい機器の計測値についてはプラント全体で偏差が最小になり、かつ起こり得る確率が最大となる最適状態評価データを用いて決定し、この最適状態評価データおよび前記高精度の基準データを使用して計算を行うことにより高精度計測が難しい前記データを含めたプラント全体のヒートバランスを決定し、この決定した現状のヒートバランスを設計値に基づくヒートバランスと比較判定するとともに、各機器の性能が熱効率に与える寄与度を分析し、この寄与度と前記決定されたヒートバランスとに基づいて、熱効率劣化要因機器を特定することを特徴とするコンバインド発電プラントの熱効率診断方法を提供する。
【００２７】
請求項２の発明では、請求項１記載のコンバインド発電プラントの熱効率診断方法において、測定精度の高い機器の計測値として発電機出力を使用することを特徴とするコンバインド発電プラントの熱効率診断方法を提供する。
【００２８】
請求項３の発明では、請求項１または２記載のコンバインド発電プラントの熱効率診断方法において、診断のキー・パラメータであるが高精度計測が難しい機器の計測値として、ガスタービン排ガス流量およびガスタービン排ガス温度を使用することを特徴とするコンバインド発電プラントの熱効率診断方法を提供する。
【００２９】
請求項４の発明では、ガスタービン設備と蒸気タービン設備とを備えるコンバインド発電プラントの各機器について熱入出力に関する計測を行うセンサと、このセンサから出力された計測データを設計値および計算値とともに記憶するメモリと、前記計測データの中から予め高精度と認定されたデータを抽出し、その抽出されたデータに基づいて当該高精度データが得られる機器についてのヒートバランス計算を行うヒートバランス計算手段と、診断のキー・パラメータであるが高精度計測が難しい機器の計測値について偏差が最小になり、かつ起こり得る確率が最大となる最適状態評価データを用いて決定する最適状態評価手段と、この最適状態評価手段によって決定した最適状態評価データおよび前記高精度の基準データを使用して収束計算を行うことにより高精度計測が難しい前記機器を含めたプラント全体のヒートバランスを決定するプラント効率計算手段と、このプラント効率計算手段で決定した現状のヒートバランスを設計値に基づくヒートバランスと比較判定する比較判定手段と、前記各機器の性能が熱効率に与える寄与度を分析し、この寄与度と前記決定されたヒートバランスとに基づいて、熱効率劣化要因機器を特定する熱効率劣化要因機器特定手段とを備えたことを特徴とするコンバインド発電プラントの熱効率診断装置を提供する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコンバインド発電プラントの熱効率診断方法および装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態の診断対象として適用したコンバインド発電プラントは、ガスタービンおよび蒸気タービンが同一軸配置のおよそ１６０ＭＷ出力のプラントである。
【００３１】
図１は熱効率診断の対象となるコンバインド発電プラントの構成例を示す系統図である。この図１に示すように、本実施形態のコンバインド発電プラントは、ガスタービン設備１として、空気圧縮機２、燃焼器３およびガスタービン４等を備える。また、蒸気タービン設備５としてガスタービン４の排熱を利用する排熱回収ボイラ６、蒸気タービン７および復水器８等を備える。発電機９は、ガスタービン４および蒸気タービン７に同一の軸１０によって連結されている。
【００３２】
運転時には、空気圧縮機２で圧縮された空気を使用して燃料が燃焼器３において燃焼され、その燃焼ガスによってガスタービン４が駆動される。ガスタービン４から排出される排ガスは、排熱回収ボイラ６に供給される。排熱回収ボイラ６は、ガス供給部に低圧節炭器１１、低圧蒸発器１２、高圧節炭器１３、高圧蒸発器１４、過熱器１５等の熱交換機器および脱硝装置１６を有し、これらの熱交換機器において、復水器８から給水ポンプ１７を介して送給される給水を加熱して蒸気を発生させる。
【００３３】
発生した蒸気は、低圧ドラム１８および高圧ドラム１９で気水分離され、蒸気タービン７に供給されてこれを駆動する。そして、ガスタービン４および蒸気タービン７の動力によって発電機９が駆動され、発電が行われる。ガスタービン４および蒸気タービン７の出力比は約２：１であり、また燃料１００に対して排ガス熱量は約７０％であり、その排ガス熱量の割合を１００％から差し引いた約３０％がＧＴでの発電に利用される。ガスタービン４からの排ガス流量を計測する流量センサについては、±３．２％の計測誤差があり、また排ガス温度については±５℃の計測誤差があると一般にされている。これにより、ガスタービン効率計算上の誤差は、７〜８％と大きくなる。
【００３４】
なお、復水器８には補給水が供給され、また復水器８での熱交換は例えば冷却用海水によって行われる。排熱回収ボイラ６において熱交換に供された排ガスは、脱硝装置１６で浄化後、煙突２０から排出される。
【００３５】
次に、図２〜図４によって熱効率診断方法および装置について説明する。図２は本実施形態による熱効率診断装置を示すシステム構成図であり、図３は熱効率診断操作の手順を示すフローチャートである。図４は同診断を行う場合に使用する確率および偏差の例を示すグラフである。
【００３６】
図２に示すように、熱効率診断装置は熱効率に関する計測を行う複数のセンサ２１ａ…２１ｎと、これらのセンサ２１から計測データを取込んで処理を行うコンピュータシステム２２とを有する。コンピュータシステム２２は、Ａ−Ｄ変換器等の変換器２３、各種計算を行うＣＰＵ２４、必要な情報をアドレスに分けて記憶し、ＣＰＵ２４との間で通信を行うメモリ２５等を有するシステム本体２６と、このシステム本体２６に接続された入力装置２７および出力装置２８とを備えている。
【００３７】
各センサ２１ａ…２１ｎは、図１に示したコンバインド発電プラントのガスタービン設備１および蒸気タービン設備５の各熱入出部にそれぞれ配設されており、例えば圧縮機吸い込み空気流量、燃焼器出口排ガス温度、ガスタービン（ＧＴ）出口排ガス温度および流量、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）排ガス温度、蒸気タービン（ＳＴ）蒸気温度、発電機出力等を計測し、その計測データがコンピュータシステム２２に取込まれる。
【００３８】
これらの計測データのうち、圧縮機吸い込み空気流量、ＧＴ出口排ガス温度、ＳＴ内部効率等に関するデータには計測誤差が見込まれるため、本実施形態では圧縮機吸い込み空気流量およびＧＴ出口排ガス温度のデータについては誤差範囲を含ませ（圧縮機吸い込み空気流量については±３．２％、ＧＴ出口排ガス温度については±５℃）、またＳＴ内部効率については仮入力の形で、それぞれコンピュータシステム２２に取込まれ、一旦メモリ２５の各アドレスに記憶された後、ＣＰＵ２４において収束計算の対象とされる。
【００３９】
一方、直接的な熱入力データとして取込まれる発電機出力等については計測誤差が殆どなく、高精度データであることから、メモリ２５の各アドレスに確定値として記憶される。即ち、各タービン入出熱等のデータに基づいて、ＣＰＵ２４においてタービン内部のヒートバランス計算等が行われ、これらのヒートバランス計算値が、誤差含有または仮入力データの収束計算の基準値として使用される。
【００４０】
また、発電機出力の計測データは、仮入力等のデータによって求められた発電機出力の計算値が実際の出力に合致するか否かの比較基準値としてＣＰＵ２４に出力される。そして、この比較により発電機出力の計算値が実際の出力値と異なる場合には、初期に仮入力値に誤差が含まれていたと判断されることから、それらの誤差を除去する収束計算の基準値として、発電機出力計測データが適用される。
【００４１】
以上の計測データの誤差を考慮した収束計算により決定された値は、高精度と認められる各計測データとともに、メモリ２５の所定のアドレスに格納される。また、ＣＰＵ２４では以上のデータに基づいてタービン効率の計算が行われ、その計算結果もメモリ２５に格納される。
【００４２】
一方、ＣＰＵ２４では、ヒートバランスを決定する際、診断のキー・パラメータであるが高精度計測が難しいＧＴ排ガス流量およびＧＴ排ガス温度等のパラメータについては、計測精度範囲内で、プラントにおける各偏差が全体で最小になり、起こり得る確率が最大となるように状態を決定する最適状態評価を行う。確率を算出する関数としては、例えば各偏差の算出精度に基づいた正規分布関数、あるいは正規分布関数の積算形等を用いる。これらの関数については、図４を参照して後に説明する。
【００４３】
プラント中における各偏差については、ＳＴ設計効率偏差、ＨＲＳＧ設計伝熱性能偏差、ＧＴ設計効率偏差、ＨＲＳＧ効率偏差、入出熱法により計算されたＧＴおよびＳＴの出力値とトルクセンサによる計測値の偏差、ＧＴ出口温度の最適値を用いて計算したＨＲＳＧ内部のガス温度の値および計測値の偏差、ＧＴ排ガス流量の最適値を用いて計算した排ガスＯ_２濃度の値および計測値の偏差、ＧＴ排ガス流量の最適値および計測値の偏差、ＧＴ排ガス温度の最適値および計測値の偏差等が入力され、以上の全てのデータがメモリ２５内に保持される。
【００４４】
さらに、本実施形態においては、入力装置２６を介し、予め求められた各機器の性能がプラント全体の効率に与える寄与度についてＣＰＵ２４に入力されて計算され、メモリ２５内に格納されている。そして、この寄与度と、前述したヒートバランスに基づく各機器の熱効率の決定値との関係に基づいて、ＣＰＵ２４において熱効率劣化要因機器の特定が行われ、その結果がグラフ等の形で出力装置２７に出力できるようになっている。
【００４５】
なお、メモリ２５の別のアドレス中には、メーカによる設計段階でのヒートバランス計算値、および入出熱法あるいは熱損失法によって求められた他の各種データ等も格納され、ＣＰＵ２４で比較計算その他の作図、作表等が行えるようになっている。
【００４６】
本実施形態における解析手順中のヒートバランス作成は、コンピュータプログラムによって行った。これを図３のフローチャートにより説明する。
【００４７】
スタート後、コンピュータシステム２２に、空気圧縮機２の吸い込み空気流量計測値の入力が行われる（ステップ１０１）。この圧縮機吸い込み空気流量の計測値には計測誤差が含まれることから、本実施形態では±３．２％の計測誤差を設定し、その範囲内で任意の値を入力する。但し、この圧縮機吸い込み空気流量はガスタービン効率の計算上の基礎的要素であることから、後に収束計算によって誤差の解消を図る。
【００４８】
そして、この入力した吸い込み空気流量値を使用して、空気圧縮機２の内部効率および出力の計算（ステップ１０２）、および燃焼器３の出口排ガス温度の計算（ステップ１０３）が順次に行われる。
【００４９】
次に、ガスタービン４の出口排ガス温度の計測値が入力される（ステップ１０４）。このガスタービン出口排ガス温度の計測値にも計測誤差が含まれることから、本実施形態では±５℃の計測誤差を設定し、その範囲内で任意の値を入力する。但し、このガスタービン出口排ガス温度もガスタービン効率の計算上の基礎的要素であることから、後に収束計算によって誤差の解消を図る。
【００５０】
そして、この入力したガスタービン出口排ガス温度を使用して、ガスタービン４の内部効率および出力計算を行い（ステップ１０５）、次いで排熱回収ボイラ６の効率を、入出熱法および損失法によって計算する。なお、入出熱法は、排熱回収ボイラ６への排ガスによる入熱と、蒸気による出熱からボイラ室効率を計算する方法であり、測定された給水流量を用いる必要がある。上記の入出熱法の値は常設の給水流量計（給水流量基準）の測定値を用いている。また、熱損失法は、排ガスによる熱損失の割合を計算し、１００％からその割合を差引いてボイラ室効率を計算する方法である。
【００５１】
この後、高精度で計測される発電機９の出力計測値から、ステップ１０５で求めたガスタービン出力値を差引くことにより、蒸気タービン７の出力が求められる（ステップ１０７）。
【００５２】
また、コンピュータシステム２２には、蒸気タービン７の入口蒸気条件および復水器８の真空度の計測値が入力される（ステップ１０８）。そして、これらの値に基づき、蒸気タービン７の内部効率が仮入力される（ステップ１０９）。この蒸気タービン内部効率は誤差を含むものだからである。そして、この仮入力された値を使用して蒸気タービン出口における蒸気の持つエネルギ（ＥＬＥＰ）の決定（ステップ１１０）、排気損失の計算（ステップ１１１）、および蒸気タービン出力の計算が行なわれる（ステップ１１２）。
【００５３】
このようにして求めた蒸気タービン７の出力計算値と、計測値とは本来一致するはずであるから、これら両者の比較判断が行なわれ（ステップ１１３）、これら両方の値が一致するまでステップ１０９の操作が繰返される。これにより、ＳＴ内部効率の収束が行なわれ、最終的に蒸気タービン内部効率が決定される（ステップ１１４）。
【００５４】
一方、ステップ１０８で入力されたＳＴ入口蒸気条件および復水器真空度は、機器製作者により提示されたメーカー性能曲線にリンクされ（ステップ１０８’）、このメーカー性能曲線よっても蒸気タービン内部効率の設計効率が計算される（ステップ１１４’）。例えばステップ１１４で決定された計測値に基づく蒸気タービン効率は、ステップ１１４‘で計算された設計値に基づく蒸気タービン効率を超えることはないはずである。ガスタービン効率についても同様である。また、ボイラ効率については、入出熱法による算出値と損失法による算出値とが一致するはずである。
【００５５】
そこで最終的に、ステップ１１４で決定された計測値に基づく蒸気タービン効率と、ステップ１１４‘で計算された設計値に基づく蒸気タービン効率とを使用して、プラントについてのデータの各偏差が全体で最小になり、起こり得る確率が最大となるように状態を決定する最適状態評価（予測）が行なわれる（ステップ１１５）。すなわち、最適状態評価では、ＨＲＳＧ効率（入出熱法，損失法）の偏差、蒸気タービン設計効率偏差、ＨＲＳＧにおける過熱器（ＳＨ）の設計伝熱性能（ＫＡ値）偏差を考慮し、統計分析を行い、最大確率ポイントを決定する。
【００５６】
ここで最適状態でない場合には（Ｎｏ）、圧縮機吸い込み空気流量の入力値（ステップ１０１）およびガスタービン出口排ガス温度の入力値（ステップ１１４）における設定誤差を変化させ、これにより最適状態（Ｙｅｓ）となるまでこれらの値が収束される。
【００５７】
図４（ａ）〜（ｆ）は、最適状態評価を行う場合に使用する最大確率ポイントと各パラメータ偏差の相関を例示したものである。なお、この各確率密度関数の計算は、各パラメータの計測精度を考慮して決定した。同図（ａ）は排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）６の伝熱性能の偏差およびその確率（計算値）を示し、同図（ｂ）は蒸気タービン（ＳＴ）７の効率の偏差およびその確率（設計値）を示し、同図（ｃ）は加熱器（ＳＨ）１５のＫＡ値の偏差およびその確率（計算値）を示し、同図（ｄ）はガスタービン（ＧＴ）４の効率の偏差およびその確率（設計値）を示し、同図（ｅ）はガスタービン４の排ガス流量の偏差およびその確率（計測値）を示し、同図（ｆ）は排ガス温度の偏差およびその確率（計測値）を示している。本実施形態では、これらの図に示す偏差および確率の範囲で、各偏差が全体で最小になり、かつ起こり得る確率が最大となるように状態を決定するものである。
【００５８】
ここで、プラント全体の確率関数「Ｆ」は、各パラメータの確率関数による積の形で表現する。即ち、
【数５】
Ｆ＝ｆａ・ｆｂ・ｆｃ……
【００５９】
本実施形態では、実機の計測データを用いて解析を行う前に、まずヒートバランス作成プログラムによるヒートバランスの再現値がプラント設計ベースのヒートバランスと一致することを確認した。さらに入出熱法と熱損失法によるＨＲＳＧ効率の計算値が一致することも確認した。これらの結果を下記の表１に示す。
【００６０】
【表１】

【００６１】
次に、上述した最適状態評価を行う本実施形態による診断と、比較のために最適状態評価を行わない診断とを行った。その結果を、下記の表２に例示している。
【００６２】
【表２】

【００６３】
この表２に示すように、最適状態評価を行なわなず、計測されたＧＴ排ガス量およびＧＴ排ガス温度を用いて決定した比較例（直接入力計算）の場合には、ＳＴ効率、ＳＨ伝熱性能がそれぞれ設計値よりも１０％程度高い値を示した。その原因はデータの精度のばらつきをそのまま反映したものと考えられる。実際には、このような性能向上は起こりにくく、図４（ｂ），（ｃ）から明らかなように、計算された確率関数はほぼゼロとなる。
【００６４】
一方、これと同一データながら、上述した最適状態評価を用いた本実施形態による場合には、表２に示すように、従来法で設計値を大きく超えていたＳＴ効率、ＳＨ伝熱性能は、設計値付近の値を示しており、確率関数は大幅に向上している。すなわち、図４（ｂ），（ｃ）の範囲から設計値よりも１０％程度高い値は除去されることから、比較例のような性能向上とはならなかった。また、例えば排ガス流量については、偏差が−１％のとき、プラント全体の確率関数が最大となっている。これは、図４（ｅ）から明らかなように、偏差が−１％のときも、このパラメータの確率関数はあまり低下しないことに起因する。また、最適評価の流量が、測定値よりもマイナス側になったことについては、排ガス流量の算出に使用したベルマウス型流量計のベルマウスが経年的に汚れ、同じ流量でも差圧が増すために流量が大きめに測定され易いものと考えられる。このような最大確率を使用することによって本実施形態では、実態をよく反映したものとなる。
【００６５】
したがって、表２に示す解析結果により、ヒートバランスの最適状態評価を行うことで、データのばらつきの影響が大きく低減されることが確認された。
【００６６】
以上のように、本実施形態によれば、高精度の測定が可能である発電機出力をベースのデータとして、主要機器の性能診断に重要なキーパラメータでありながら、高精度測定が難しいＧＴ排ガス流量とＧＴ排ガス温度に対して最適状態評価を実施することによって、整合性のとれたヒートバランスを決定することができる。この結果、主要機器の性能計算の精度向上が可能となる。
【００６７】
次に、本実施形態では、予め求めた各機器の性能が熱効率に与える寄与度と前記決定されたヒートバランスとに基づいて、熱効率劣化要因機器を特定することを行った。即ち、各機器の影響係数を予め求めておき、得られた熱効率にその影響係数をそれぞれ乗じて各機器の寄与度を算出した。
【００６８】
図５は、プラント設置初期と一定期間運用した後の性能試験におけるプラント効率に対する各機器の寄与度を棒グラフで示したものである。
【００６９】
設置初期については、各左側の左上りハッチング部分、運用後については各右側の右上りハッチング部分で示してある。図５において、基準線（寄与度０％のライン）が設計ベースを表し、それより上側は熱効率上昇要因、下側は熱効率低下要因であることを示す。設置初期の解析結果によると、図５の各左側のハッチング部分に示したように、ガスタービンおよび蒸気タービン側が効率低下の原因機器であることが明らかになった。このような運用後の解析を基に、性能劣化部位の補修を行えば、プラント効率が顕著に回復することが考えられる。
【００７０】
次に本実施形態の効果について、経時的傾向解析による具体的データをもとに説明する。図６は、蒸気タービン（ＳＴ）内部効率性能履歴の比較を示す。図７は、
ガスタービン（ＧＴ）内部効率性能履歴の比較を示す。これらの図に示す履歴は、上記のコンバインド発電プラントについて、設置時から現在まで、およそ１０年間にわたる定期検査前後のデータに関して、最適状態評価を行う本発明による診断と、従来の入出熱法による診断とを行った場合についてのものである。
【００７１】
図６に示すように、蒸気タービン内部効率性能履歴の比較において、設計値はおよそ８７％で安定している。これに対し、入出熱法（生値）による値は８０％弱から１００％強の間で大きく変化する結果となった。しかし、このような大幅な効率の変動は通常考えにくい。一方、本発明による最適状態評価を行った場合の値は設計値以下の範囲であり、変動幅も３％程度と安定している。
【００７２】
なお、同図に示すように、第６回定期検査において効率向上対策としてタービン翼のホーニングを行ったが、この結果、予想される効率向上に対して、最適状態評価は妥当な値を示している。
【００７３】
また、図７に示すように、ガスタービン室効率性能履歴の比較においては、入出熱法による値は大きな変動を示すのに対し、本発明による最適状態評価の値は変動が小さく、安定している。第５回および第７回定期検査において効率向上対策としてタービン静翼の交換を行ったが、この結果予想される効率向上に対して最適状態評価は妥当な値を示している。また、入出熱法の値は、第７回定期検査において修理したにも拘らず、ガスタービン効率が低下するという結果を示している。
【００７４】
また、従来技術のもとでは図８に示すように蒸気タービン翼破損後の方が蒸気タービン性能が向上する等の矛盾が生じたのに対し、本発明の方法を適用した場合には図９に示すように蒸気タービン翼破損後には性能低下が示され、実機によく対応する。
【００７５】
このように、従来技術では蒸気タービン性能が設計値を上回ったり、排熱回収ボイラの偏差が大きい等の不具合な結果が生じるのに対し、本発明の場合には整合性のとれたヒートバランスの作成が可能であり、確率関数が大幅に向上する。
【００７６】
なお、出願人においては、ガスタービンと蒸気タービンとを同軸として発電機に連結した構成についての各タービンの出力を直接切り分けて計測することができる軸トルク計を既に提案している。このような軸トルクセンサの使用によってガスタービンと蒸気タービンとの出力を直接切り分けることが可能になった場合の主要機器性能の誤差評価を下記の表３に示す。
【００７７】
【表３】

【００７８】
この表３に示したように、軸トルクセンサ使用時の各性能の算出精度は、従来技術と比較して、桁違いに向上することがわかる。この算出根拠（蒸気タービン側カップリングで計測した場合）を以下に示す。
【００７９】
▲１▼ 蒸気タービン効率
ηＳＴ＝ＷＳＴ／Ｗｗｔｒ
このＳＴ効率の算出式から両辺を微分して整理すると、
【数６】

【００８０】
▲２▼ ガスタービン効率
ηＧＴ＝ＷＧＴ／ＷＬＮＧ
このＧＴ効率の算出式から両辺を微分して整理すると、
【数７】

【００８１】
▲３▼ 排熱回収ボイラ効率
【数８】

【００８２】
また、トルク計を使用した場合に、ヒートバランス解析の結果とトルク計の結果との比較データを、下記の表４に示す。
【００８３】
【表４】

【００８４】
上記表４により、ヒートバランス解析によって求めた蒸気タービン出力は、トルク計測によって求めた蒸気タービン出力と、各々の算出精度を考慮すると一致することがわかる。
【００８５】
また、従来技術の手法によって求めた蒸気タービン出力は、これら両者と１割程度異なる値となっていることもわかる。
【００８６】
なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、各種規模、型式のコンバインド発電プラント広く適用できるものである。
【００８７】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明によれば、最適状態評価を用いることにより熱効率低下要因部位の判別が容易になり、コンバインド発電プラントにおける熱効率診断のさらなる精度向上が図れるとともに、それが能率よく行え、かつ各機器個別の性能変化がプラント全体に与える影響を精度良く解析することができ、それにより点検・補修等による熱効率の回復が一層適切に行え、しかも経済的な面でも多大な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すもので、コンバインド発電プラントの熱効率診断の対象となるコンバインド発電プラントの構成例を示す系統図。
【図２】前記実施形態による熱効率診断装置を示すシステム構成図。
【図３】前記実施形態による熱効率診断装置を使用して熱効率診断を行う方法のうち、プラント効率計算を行う手順を示すフローチャート。
【図４】（ａ）〜（ｆ）は、前記実施形態で使用する偏差および確率関数を示すグラフ。
【図５】前記実施形態において、プラント設置初期と一定期間運用した後の性能試験におけるプラント効率に対する各機器の寄与度を示すグラフ。
【図６】前記実施形態の効果を示すもので、蒸気タービン内部効率性能履歴の比較を示すグラフ。
【図７】前記実施形態の効果を示すもので、ガスタービン内部効率性能履歴の比較を示すグラフ。
【図８】従来技術による翼破損前後の性能変化のデータを示すグラフ。
【図９】本発明による翼破損前後の性能変化のデータを示すグラフ。
【符号の説明】
１ガスタービン設備
２空気圧縮機
３燃焼器
４ガスタービン
５蒸気タービン設備
６排熱回収ボイラ
７蒸気タービン
８復水器
９発電機
１０軸
１１低圧節炭器
１２低圧蒸発器
１３高圧節炭器
１４高圧蒸発器
１５過熱器
１６脱硝装置
１７給水ポンプ
１８低圧ドラム
１９高圧ドラム
２０煙突
２１，２１ａ，…，２１ｎセンサ
２２コンピュータシステム
２３Ａ−Ｄ変換器等の変換器
２４ＣＰＵ
２５メモリ
２６システム本体
２７入力装置
２８出力装置

Claims

ガスタービン設備と蒸気タービン設備とを備えるコンバインド発電プラントの各機器について、温度、圧力、流量、電気出力等のエネルギ収支に関するパラメータの計測値ならびに各機器の設計値を収録しておき、前記パラメータのうち測定精度の高い機器の計測値についてはこれを基準データとして当該機器についてのヒートバランス計算を行う一方、診断のキー・パラメータであるが高精度計測が難しい機器の計測値についてはプラント全体で偏差が最小になり、かつ起こり得る確率が最大となる最適状態評価データを用いて決定し、この最適状態評価データおよび前記高精度の基準データを使用して計算を行うことにより高精度計測が難しい前記データを含めたプラント全体のヒートバランスを決定し、この決定した現状のヒートバランスを設計値に基づくヒートバランスと比較判定するとともに、各機器の性能が熱効率に与える寄与度を分析し、この寄与度と前記決定されたヒートバランスとに基づいて、熱効率劣化要因機器を特定することを特徴とするコンバインド発電プラントの熱効率診断方法。
請求項１記載のコンバインド発電プラントの熱効率診断方法において、測定精度の高い機器の計測値として発電機出力を使用することを特徴とするコンバインド発電プラントの熱効率診断方法。
請求項１または２記載のコンバインド発電プラントの熱効率診断方法において、診断のキー・パラメータであるが高精度計測が難しい機器の計測値として、ガスタービン排ガス流量およびガスタービン排ガス温度を使用することを特徴とするコンバインド発電プラントの熱効率診断方法。
ガスタービン設備と蒸気タービン設備とを備えるコンバインド発電プラントの各機器について熱入出力に関する計測を行うセンサと、このセンサから出力された計測データを設計値および計算値とともに記憶するメモリと、前記計測データの中から予め高精度と認定されたデータを抽出し、その抽出されたデータに基づいて当該高精度データが得られる機器についてのヒートバランス計算を行うヒートバランス計算手段と、診断のキー・パラメータであるが高精度計測が難しい機器の計測値について偏差が最小になり、かつ起こり得る確率が最大となる最適状態評価データを用いて決定する最適状態評価手段と、この最適状態評価手段によって決定した最適状態評価データおよび前記高精度の基準データを使用して収束計算を行うことにより高精度計測が難しい前記機器を含めたプラント全体のヒートバランスを決定するプラント効率計算手段と、このプラント効率計算手段で決定した現状のヒートバランスを設計値に基づくヒートバランスと比較判定する比較判定手段と、前記各機器の性能が熱効率に与える寄与度を分析し、この寄与度と前記決定されたヒートバランスとに基づいて、熱効率劣化要因機器を特定する熱効率劣化要因機器特定手段とを備えたことを特徴とするコンバインド発電プラントの熱効率診断装置。