JP2019108835A - 蒸気タービンプラント及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンの起動時間を短縮する事が可能な蒸気タービンプラント及びその運転方法を提供する。【解決手段】一の実施形態によれば、蒸気タービンプラントは、水から蒸気を発生させるボイラを具備する。前記プラントは更に、前記ボイラにて発生し、再熱器にて加熱されたまたは加熱されていない蒸気により回転駆動される第１蒸気タービンを具備する。前記プラントは更に、前記ボイラにて発生し、前記再熱器にて加熱されたまたは加熱されていない第１蒸気を、前記第１蒸気より低温の第２蒸気と、前記第１蒸気より高温の第３蒸気とに分離し、前記第２蒸気を前記第１蒸気タービン内の軸ロータの表面付近に供給して、前記軸ロータを前記第２蒸気により冷却する分離機構を具備する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービンプラント及びその運転方法に関する。

従来技術として、非再熱サイクルを構成する蒸気タービンプラントについて、図１１を用いて説明する。

図１１は、従来の蒸気タービンプラントの構成例を示す断面図である。図１１の蒸気タービンプラントは、ボイラ１と、蒸気タービン２と、復水器３と、ポンプ４とを具備している。

水１０１はポンプ４で搬送されボイラ１に流入する。水１０１はボイラ１にて加熱され高圧蒸気１０２に変化する。ボイラ１の加熱源は例えば化石燃料やガスタービン排気である。ボイラ１にて水１０１から発生した高圧蒸気１０２は蒸気タービン２に流入し、高圧高温の蒸気がより低圧低温の蒸気へ膨張しながら流通する事で、羽根車である膨張機を回転駆動させる。

蒸気タービン２から流出した蒸気タービン排気１０３は復水器３にて冷却され凝縮し水１０１に変化する。復水器３の冷却源は例えば海水である。蒸気タービン２の回転軸（図示せず）には発電機（図示せず）が接続されており、膨張機が発生させた軸動力を用いて発電機が発電する。なお、蒸気タービン２からの抽気蒸気を用いた給水加熱器にて水１０１を加熱する再生サイクルを構成してもよい。

別の従来技術として、再熱サイクルを構成する蒸気タービンプラントについて、図１２を用いて説明する。

図１２は、従来の蒸気タービンプラントの別の構成例を示す断面図である。図１２の蒸気タービンプラントは、ボイラ１と、復水器３と、ポンプ４と、高圧タービン５と、中圧タービン６と、低圧タービン７と、再熱器８とを具備している。

水１０１はポンプ４で搬送されボイラ１に流入する。水１０１はボイラ１にて加熱され高圧蒸気１０２に変化する。ボイラ１の加熱源は例えば化石燃料やガスタービン排気である。ボイラ１にて水１０１から発生した高圧蒸気１０２は高圧タービン５に流入し、高圧高温の蒸気がより低圧低温の蒸気へ膨張しながら流通する事で、羽根車である膨張機を回転駆動させる。

高圧タービン５から流出した高圧タービン排気１０４は再熱器８に流入する。高圧タービン排気１０４は再熱器８にて加熱され中圧蒸気１０５となる。再熱器８の加熱源は例えば化石燃料やガスタービン排気である。中圧蒸気１０５は中圧タービン６に流入し、高圧高温の蒸気がより低圧低温の蒸気へ膨張しながら流通する事で、羽根車である膨張機を回転させる。

中圧タービン６から流出した中圧タービン排気１０６は低圧タービン７に流入する。図１２における低圧タービン７は複流タービンであり、流入した中圧タービン排気１０６は対向する２方向に分岐し、高圧高温の蒸気がより低圧低温の蒸気へ膨張しながら流通する事で、羽根車である２個の膨張機を回転させる。

低圧タービン７から流出した２つの蒸気は合流し低圧タービン排気１０７となり、復水器３に流入し冷却され凝縮し水１０１に変化する。復水器３の冷却源は例えば海水である。高圧タービン５、中圧タービン６、及び低圧タービン７の共通の回転軸（図示せず）には発電機（図示せず）が接続されており、膨張機が発生させた軸動力を用いて発電機が発電する。

なお、高圧タービン５と中圧タービン６の回転軸と、低圧タービン７の回転軸とを分離して、これらの回転軸を別々の発電機に接続して発電してもよい。また、高圧タービン５と中圧タービン６は、図１２では一体化されているが、別体にしてもよい。また、高圧タービン５、中圧タービン６、及び低圧タービン７からの抽気蒸気を用いた給水加熱器にて水１０１を加熱する再生サイクルを構成してもよい。

次に、図１２の高圧タービン５と中圧タービン６について、図１３及び図１４を用いて説明する。

図１３は、従来の蒸気タービンの構造を示す断面図である。図１３の蒸気タービンは、高圧タービン５及び中圧タービン６により構成される高中圧一体型蒸気タービンであり、軸ロータ１１と、高圧内部ケーシング１３と、外部ケーシング１４と、高圧排気室１５と、中圧排気室１６と、主蒸気管１７と、再熱蒸気管１８と、ノズルボックス１９とを具備している。図１３では、軸ロータ１１に軸孔が設けられていないが、軸孔を設ける軸ロータ１１もある。図１３は更に、この高中圧タービンを構成する高圧初段動翼２１と、中圧初段静翼２２と、中圧初段動翼２３とを示している。軸ロータ１１、高圧初段動翼２１、中圧初段動翼２３等が、蒸気タービンの回転子（回転部）を構成しており、高圧内部ケーシング１３、外部ケーシング１４、中圧初段静翼２２等が、蒸気タービンの固定子（静止部）を構成している。固定子は、回転子を包囲するように設けられている。

高圧蒸気１０２は、主蒸気管１７から高圧タービン５に流入し、圧力と温度を低下させて膨張しながら、軸ロータ１１と動翼から構成されている羽根車を回転駆動させる。高圧蒸気１０２は高圧タービン５内を軸方向に流れて高圧排気室１５から流出し、再熱器８に流入して再熱蒸気１０５になる。

再熱蒸気１０５は、再熱蒸気管１８から中圧タービン６に流入し、圧力と温度を低下させて膨張しながら、軸ロータ１１と動翼から構成されている羽根車を回転駆動させる。再熱蒸気１０５は中圧タービン６内を軸方向に流れて中圧排気室１６から流出し、低圧タービン７に流入する。

図１４は、従来の蒸気タービンの構造を示す拡大断面図であり、具体的には、図１３の高中圧タービンの蒸気流入部付近を示す断面図である。図１４は、図１３に示す構成要素に加え、温度センサ（熱電対）２０と、高圧２段静翼２４と、高圧２段静翼内輪２５とを示している。

以下、高圧タービン５内の蒸気流について説明する。ノズルボックス１９内の高圧蒸気１０２は噴き出され高圧初段動翼２１を流通した後、高圧２段静翼２４に流入する。高圧２段静翼内輪２５の軸ロータ１１に対面している部分には、数枚の歯が設けられており、シール機能を持っているが、ここでは図示していない。図１４では、全ての静翼内輪について同様に歯を図示していない。

上述の蒸気タービンが通常運転に移行する前の起動運転時（起動時）に、流入蒸気量を徐々に増加させていくが、その際、流通する蒸気により軸ロータ１１は加熱される。まず軸ロータ１１の表面付近が温度上昇していき、中心付近は表面付近からの熱伝導により加熱され温度上昇していくので、中心付近は温度上昇がより遅い。

そして、軸ロータ１１は表面付近と中心付近ではそれぞれ、圧縮と引張の熱応力が発生する。ロータ表面熱応力は、ロータ表面温度とロータ体積平均温度との差異に比例すると近似してよいが、このロータ表面熱応力の絶対値が、ロータ材料により決まる寿命に関連する応力値である所定応力値より高くなる事がある。タービン起動時に、ロータ表面熱応力の絶対値が所定応力値より一旦高くなり、その後、所定応力値より低くなる挙動を１回以上示すので、少なくとも起動するたびに所定応力値を１回以上越える事がありうる。ロータ中心熱応力の絶対値も同様であり、タービン起動時に所定応力値を１回以上越える事がありうる。ロータ表面熱応力、ロータ中心熱応力それぞれの絶対値が所定応力値を越える通算回数が増えていくと、ロータ材料が強度的に保証できなくなる、即ちロータの余寿命が短くなる。

そのため、蒸気タービンの起動時に、流入蒸気量を徐々に増加させてタービン回転数をゼロから増加させる途中で一旦、流入蒸気量の増加を一定時間停止する。この間にロータ中心付近の温度上昇は続くが、表面付近では流入熱量より流出熱量が多いために温度が低下する。そして、表面付近と中心付近との温度差が小さくなりロータ表面温度とロータ体積平均温度との差も小さくなり、発生するロータ表面熱応力の絶対値は減り、発生するロータ中心熱応力の絶対値も同様に減る。ロータ表面熱応力、ロータ中心熱応力それぞれの絶対値がそれぞれの所定応力値を越える事なく低下した段階で、流入蒸気量の増加を再開し、タービン回転数を増加させる。

次の工程として、蒸気タービンが発電機と接続された後、流入蒸気量を徐々に増加させてタービン負荷をゼロから増加させる。この時にもまず、軸ロータ１１の表面付近が温度上昇していき、中心付近は表面付近からの熱伝導により加熱され温度上昇していく。ここで一旦、流入蒸気量の増加を一定時間停止する。この間にロータ中心付近の温度上昇は続くがロータ表面付近の温度は低下するので、回転数増加時と同様にロータ表面熱応力の絶対値は減り、ロータ中心熱応力の絶対値も同様に減る。ロータ表面熱応力、ロータ中心熱応力それぞれの絶対値がそれぞれの所定応力値を越える事なく低下した段階で、流入蒸気量の増加を再開し、タービン負荷を増加させる。

なお、図１３及び図１４に示す蒸気タービンにおいて、ロータ表面温度で最も高温である場所は、高圧タービン５の高圧初段動翼２１直後なので、熱応力が最大である場所がそこである。

また、蒸気タービンの起動時に蒸気タービンに蒸気を流入させると、熱容量の小さい回転部（軸ロータ１１など）が、熱容量の大きな静止部（高圧内部ケーシング１３など）より早く温度上昇するため、回転部の熱伸び量が静止部の熱伸び量より大きくなる。静止部と回転部の熱伸び差が大きいと、静止部と回転部が接触する可能性が高くなる。そこで、流入蒸気量の増加を一定時間停止している間に、静止部の温度上昇を進行させる事で熱伸び差を抑え、接触を防止している。

ところで近年、地域全体における発電量変動に対応するため、停止中の蒸気タービンを急速に起動したい、即ち、蒸気タービンの起動時間を短縮したいという要望がある。例えば、近年の太陽光発電の普及に伴い、地域全体における発電量が大きく変動するケースが増えており、発電量変動に対応する事へのニーズが高まっている。

特公平７−１２２４０３号公報 特許５６３４８６９号公報 特開昭５９−１３４３０７号公報 特開２０１４−１６３６５２号公報 特開２００５−９０７７１号公報

本発明の実施形態は、蒸気タービンの起動時間を短縮する事が可能な蒸気タービンプラント及びその運転方法を提供する事を課題とする。

一の実施形態によれば、蒸気タービンプラントは、水から蒸気を発生させるボイラを具備する。前記プラントは更に、前記ボイラにて発生し、再熱器にて加熱されたまたは加熱されていない蒸気により回転駆動される第１蒸気タービンを具備する。前記プラントは更に、前記ボイラにて発生し、前記再熱器にて加熱されたまたは加熱されていない第１蒸気を、前記第１蒸気より低温の第２蒸気と、前記第１蒸気より高温の第３蒸気とに分離し、前記第２蒸気を前記第１蒸気タービン内の軸ロータの表面付近に供給して、前記軸ロータを前記第２蒸気により冷却する分離機構を具備する。

第１実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。 第２実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。 第５実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。 第６実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。 第７実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。 第１実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。 第２実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。 第３実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。 第４実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。 第５実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。 従来の蒸気タービンプラントの構成例を示す断面図である。 従来の蒸気タービンプラントの別の構成例を示す断面図である。 従来の蒸気タービンの構造を示す断面図である。 従来の蒸気タービンの構造を示す拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。図６は、第１実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。前述の図に示す部位と同じ部位には同じ符号を付けて説明を省略し、従来技術と異なる事のみ説明する。

図１の蒸気タービンプラントは、再熱サイクルを構成しており、図１２に示す構成要素に加え、ボルテックスチューブ３１と、流量調節弁３２と、主蒸気弁３３と、バイパス蒸気弁３４とを具備している。図６の蒸気タービンは、高圧タービン５であり、図１３及び図１４に示す構成要素に加え、低温管３５を具備している。本実施形態の高圧タービン５と中圧タービン６はそれぞれ、第１及び第２蒸気タービンの例である。本実施形態のボルテックスチューブ３１及び低温管３５は、分離機構の例である。

本実施形態では、高圧蒸気１０２を、支流である第１分岐蒸気２０１と本流である第２分岐蒸気２０２とに分岐させる。第１分岐蒸気２０１は、流量調節弁３２を介してボルテックスチューブ３１に流入する。流量調節弁３２は、ボルテックスチューブ３１を使用するときに開放されて第１分岐蒸気２０１の流量調節用に使用され、ボルテックスチューブ３１を使用しないときに閉鎖される。

ボルテックスチューブ３１は、冷却用途を中心に広く使われている技術であり、例えば２１℃の大気を流入させ、−４７℃の気体と３５℃の気体に分離する事ができる。本実施形態のボルテックスチューブ３１は、第１分岐蒸気２０１を、第１分岐蒸気２０１より低温の低温蒸気２０３と、第１分岐蒸気２０１より高温の高温蒸気２０４とに分離する機能を有している。第１分岐蒸気２０１、低温蒸気２０３、高温蒸気２０４はそれぞれ、第１蒸気、第２蒸気、第３蒸気の例である。第１分岐蒸気２０１の温度を第１温度、低温蒸気２０３の温度を第２温度、高温蒸気２０４の温度を第３温度と呼ぶ事にする。ボルテックスチューブ３１は、エネルギーを消費する加熱器や冷却器を用いずに低温蒸気２０３を高温蒸気２０４を製造する事ができる。

ボルテックスチューブ３１は、２本のチューブに共通の入口と、一方のチューブに設けられた第１出口と、他方のチューブに設けられた第２出口とを有している。第１分岐蒸気２０１はこの入口からボルテックスチューブ３１に流入し、低温蒸気２０３と高温蒸気２０４はそれぞれ第１出口と第２出口から排出される。

低温蒸気２０３は、高圧タービン５に設けられた低温管３５（図６）に流入する。低温管３５は、高圧タービン５の固定子（静翼２４や静翼内輪２５など）に設けられた孔の中に設置されており、孔は高圧タービン５の表面から軸ロータ１１の表面付近の地点にまで達している。低温管３５の出口付近では、高圧タービン５内の蒸気や低温蒸気２０３が、低温管３５と高圧内部ケーシング１３との間に流入しないように、低温管３５の出口付近にシールを適切に施す事が望ましい。低温蒸気２０３は、低温管３５から軸ロータ１１の表面付近に流出する。

一方、第２分岐蒸気２０２の流路は、主蒸気２０６を移送する流路と、バイパス蒸気２０７を移送する流路とに分岐している。前者の流路には主蒸気弁３３が設けられ、後者の流路にはバイパス弁３４が設けられている。主蒸気２０６は高圧タービン５に流入し、バイパス蒸気２０７は高圧タービン５をバイパスする。通常は、主蒸気弁３３が全開され、バイパス弁３４が全閉されているが、高圧タービン５の起動前などには、主蒸気弁３３が閉鎖され、バイパス弁３４が開放される。

主蒸気２０６は、高圧タービン５に流入して軸方向に流通し、低温蒸気２０３は、高圧タービン５内で主蒸気２０６と合流する。主蒸気２０６は、動翼通過などにより高圧タービン５内で圧力が低下する。一方、低温蒸気２０３は、ボルテックスチューブ３１の圧力損失により圧力が低下する。本実施形態では、少なくとも流量調整弁３２が全開のときに低温管３５の出口における低温蒸気２０３の圧力が、この出口における主蒸気２０６の圧力より高くなるようなボルテックスチューブ３１を用いる。

図１では、高温蒸気２０４は高圧タービン排気１０４に合流し、合流後の蒸気は第１合流蒸気２０５となっている。しかしながら、高温蒸気２０４は、その他の場所で蒸気タービンプラント内の蒸気に合流してもよい。例えば、高温蒸気２０４は再熱器８の流出蒸気に流入させ、合流後の蒸気を中圧蒸気１０５としてもよい。

図１ではさらに、バイパス蒸気２０７は第１合流蒸気２０５に合流し、合流後の蒸気は第２合流蒸気２０８となっている。このように、本実施形態の高圧タービン排気１０４は第１合流蒸気２０５の一部になり、さらには第２合流蒸気２０８の一部となって再熱器８に流入する。第２合流蒸気２０８は再熱器８にて加熱され中圧蒸気１０５となる。

低温蒸気２０３は軸ロータ１１の表面付近に供給され、軸ロータ１１の表面は低温蒸気２０３により冷却される。図６のように、低温蒸気２０３を軸ロータ１１に吹き付けると、軸ロータ１１の冷却効果は上がる。軸ロータ１１は回転しているので、周方向の一部分のみが冷却されるのではなく一周全て均等に冷却されるので、軸ロータ１１の回転軸が変形する事はないし軸対称のままである。低温管３５は、複数本設けてもよい。

図６では、低温管３５の出口は高圧タービン５の高圧初段動翼２１の直後にあるので、軸ロータ１１において熱応力が最大である場所が冷却される。よって、起動時の流入蒸気量増加停止時間をこの冷却により短縮する事ができ、プラントの起動時間を短縮する事ができる。上記の冷却場所は、第１場所の例である。なお、本実施形態では、高圧タービン５の起動時など、軸ロータ１１の表面を冷却するときに流量調整弁３２を開く。一方、軸ロータ１１の表面を冷却しない場合には流量調整弁３２を閉じる。

なお、本実施形態では、ボイラ１の内部から蒸気を抜き出して、この蒸気をボルテックスチューブ３１に流入させてもよい。また、低温管３５は、高圧タービン５に設ける代わりに、図１１の蒸気タービン２に設けてもよい。これは、後述する第２〜第８実施形態でも同様である。

図１では、第２分岐蒸気２０２の流路が、主蒸気２０６を移送する流路と、バイパス蒸気２０７を移送する流路とに分岐している。この構成は、後述する図２〜図５にも適用してもよい。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。図７は、第２実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。前述の図に示す部位と同じ部位には同じ符号を付けて説明を省略し、従来技術や第１実施形態と異なる事のみ説明する。

図２の蒸気タービンプラントは、図１の蒸気タービンプラントと同様に、再熱サイクルを構成している。図７の蒸気タービンは、高圧タービン５であり、図６に示す構成要素に加え、高温管３６を具備している。本実施形態の高圧タービン５と中圧タービン６はそれぞれ、第１及び第２蒸気タービンの例である。本実施形態のボルテックスチューブ３１、低温管３５、及び高温管３６は、分離機構の例である。

第１実施形態では高温蒸気２０４を高圧タービン排気１０４に流入させているが、高圧タービン５の羽根車を駆動させる蒸気は流量低下しているので、羽根車を駆動させる蒸気の流路に高圧蒸気２０４を流入させ、羽根車を駆動させる蒸気を増やしたい。第２実施形態では、高温蒸気２０４を、羽根車を駆動させる蒸気の流路の一部を構成する固定子（静止部品）の流路側壁面付近に流入させる。静止部品は、図６では高圧内部ケーシング１３だが、部品構成によっては、静翼外輪１２や静翼内輪でもよい。

高温蒸気２０４は、高圧タービン５に設けられた高温管３６に流入する。ボルテックスチューブ３１からの高温蒸気２０４の排出流路から軸ロータ１１表面までは、高圧内部ケーシング１３や外部ケーシング１４などの各部品に孔を設けて高温管３６が設置されている。高温蒸気２０４の流出地点（高温管３６の出口）の蒸気や高温蒸気２０４が、高温管３６と高圧内部ケーシング１３の間に流入しないように、この地点付近にシールを適切に施す事が望ましい。

高温蒸気２０４は高圧内部ケーシング１３の内表面付近に流出し、高圧タービン５内に流入した第２分岐蒸気２０２と合流する。第２分岐蒸気２０２は、動翼通過などにより高圧タービン５内で圧力が低下する。一方、高温蒸気２０４は、ボルテックスチューブ３１の圧力損失により圧力が低下する。本実施形態では、少なくとも流量調整弁３２が全開のときに高温管３６の出口における高温蒸気２０４の圧力が、この出口における第２分岐蒸気２０２の圧力より高くなるようなボルテックスチューブ３１を用いる。

低温蒸気２０３の流入により軸ロータ１１の表面が冷却され、高温蒸気２０４の流入により高圧内部ケーシング１３の内表面が加熱される。即ち、回転部は冷却され静止部は加熱されているので、静止部と回転部の熱伸び差がより小さくなり、静止部と回転部が接触する可能性がより低くなる。

よって、従来は流入蒸気量の増加を一定時間停止している間に静止部の温度上昇を進行させる事で熱伸び差を抑えていたが、本実施形態によればこの時間を短縮できる。本実施形態によれば、高圧タービン５の起動時の流入蒸気量増加停止時間を短縮する事ができ、プラントの起動時間を短縮する事ができる。第２実施形態は第１実施形態の効果も持っており、第１実施形態の効果を強くする事になる。また、羽根車を駆動させる蒸気の流量は第１実施形態より増えている。

なお、高温管３６が１本のみだと、静止部の加熱は周方向で不均等であり、温度上昇が不均等になりやすいので、高温管３６を複数本設ける事が望ましい。本実施形態では、起動時など軸ロータ１１の表面を冷却する際に流量調整弁３２を開き、軸ロータ１１の表面を冷却しない場合は流量調整弁３２を閉じる。高温蒸気２０４の供給と供給停止も、この流量調整弁３２の開閉により制御される。

なお、低温管３５と高温管３６は、高圧タービン５に設ける代わりに、図１１の蒸気タービン２に設けてもよい。これは、後述する第３及び第４実施形態でも同様である。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。図８の蒸気タービンは、図２の蒸気タービンプラントに設置されているものとする。前述の図に示す部位と同じ部位には同じ符号を付けて説明を省略し、従来技術や第１及び第２実施形態と異なる事のみ説明する。

図８の蒸気タービンは、図７の蒸気タービンと同様に、高圧タービン５である。本実施形態の高圧タービン５と中圧タービン６はそれぞれ、第１及び第２蒸気タービンの例である。本実施形態のボルテックスチューブ３１、低温管３５、及び高温管３６は、分離機構の例である。

第２実施形態では高温蒸気２０４を羽根車を駆動させる蒸気の流路の一部を構成する静止部品の流路側壁面付近に流入させている。しかし、この部品は流通する蒸気により加熱されているので、加熱されていない場所を高温蒸気２０４を用いて加熱する方が静止部品の温度上昇は速い。そこで、高温蒸気２０４を高圧内部ケーシング１３と外部ケーシング１４との間の領域（間領域Ｒ）に流入させる。

図１３の高圧内部ケーシング１３は、高圧内部ケーシング１３と外部ケーシング１４とが嵌合するような形状になっている。しかし、これは軸方向断面一周に軸垂直面で仕切られているのではないため、間領域Ｒとは、高圧内部ケーシング１３と外部ケーシング１４に挟まれているどの領域でもよい。また、図８では高圧内部ケーシング１３の外表面付近に高温蒸気２０４を流出させているが、間領域Ｒの内部であればどこでもよい。間領域Ｒ内に高温蒸気２０４が流入すると、間領域Ｒ内の蒸気がこれにより温度上昇することで、高圧内部ケーシング１３と外部ケーシング１４が加熱される。なお、間領域Ｒは、高圧排気室１５と連通しているので袋小路ではない上、間領域Ｒ内の蒸気は高圧タービン最終段出口蒸気と同じ圧力である。

高温蒸気２０４は高圧タービン５に設けられた高温管３６に流入する。ボルテックスチューブ３１からの高温蒸気２０４の排出流路から高圧内部ケーシング１３の外表面付近までは、外部ケーシング１４に孔を設けて高温管３６が設置されている。高温蒸気２０４の流出地点の蒸気や高温蒸気２０４が高温管３６と外部ケーシング１４の間に流入しないように、この地点付近にシールを適切に施す事が望ましい。

高温蒸気２０４は間領域Ｒに流出し、間領域Ｒ内の蒸気と合流する。間領域Ｒ内の蒸気の圧力は充分低いので、ボルテックスチューブ３１が幾らかの圧力損失を持っていても、高温蒸気２０４の圧力は流出地点の第２分岐蒸気２０２の圧力より高い。

低温蒸気２０３の流入により軸ロータ１１の表面が冷却され、高温蒸気２０４の流入により高圧内部ケーシング１３の外表面が加熱される。即ち、回転部は冷却され静止部は加熱されているので、静止部と回転部の熱伸び差がより小さくなり、静止部と回転部が接触する可能性がより低くなる。

よって、従来は流入蒸気量の増加を一定時間停止している間に静止部の温度上昇を進行させる事で熱伸び差を抑えていたが、本実施形態によればこの時間を短縮できる。本実施形態によれば、高圧タービン５の起動時の流入蒸気量増加停止時間を短縮する事ができ、プラントの起動時間を短縮する事ができる。高圧内部ケーシング１３の内表面を加熱している第２実施形態よりも、本実施形態によれば効率的な温度上昇を実現できる。第３実施形態は第１実施形態の効果も持っており、第１実施形態の効果を強くする事になる。

なお、高温管３６が１本のみだと、静止部の加熱は周方向で不均等であり、温度上昇が不均等になりやすいので、高温管３６は複数本設ける事が望ましい。本実施形態では、起動時など軸ロータ１１の表面を冷却する際に流量調整弁３２を開き、軸ロータ１１の表面を冷却しない場合は流量調整弁３２を閉じる。高温蒸気２０４の供給と供給停止も、この流量調整弁３２の開閉により制御される。

（第４実施形態）
図９は、第４実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。図９の蒸気タービンは、図２の蒸気タービンプラントに設置されているものとする。前述の図に示す部位と同じ部位には同じ符号を付けて説明を省略し、従来技術や第１〜第３実施形態と異なる事のみ説明する。

図９の蒸気タービンは、図８の蒸気タービンと同様に、高圧タービン５である。本実施形態の高圧タービン５と中圧タービン６はそれぞれ、第１及び第２蒸気タービンの例である。本実施形態のボルテックスチューブ３１、低温管３５、及び高温管３６は、分離機構の例である。

第３実施形態では高温蒸気２０４を高圧内部ケーシング１３の外表面付近に流入させているが、第４実施形態では外部ケーシング１４の内表面付近に流入させて、外部ケーシング１４を加熱する。図８のように、高温蒸気２０４を外部ケーシング１４の内表面に吹き付けると、その加熱効果は上がる。外部ケーシング１４の容積が充分大きいタービンの場合は、外部ケーシング１４の熱容量が充分に大きいため静止部の温度上昇は進みにくいが、今回の加熱により温度上昇が進む。よって、静止部と回転部の熱伸び差はより小さくなり、第３実施形態と同様の効果が充分にある。

なお、高温管３６が１本のみだと、静止部の加熱は周方向で不均等であり、温度上昇が不均等になりやすいので、高温管３６を複数本設ける事が望ましい。また、高温蒸気２０４を外部ケーシング１４の内表面により吹き付けやすくするために、例えば、高温管３６の形状を出口付近においてＵ字型にしたり、高温管３６の出口の正面に高温蒸気２０４を留まらせるための邪魔板を設置しておいてもよい。

（第５実施形態）
図３は、第５実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。図１０は、第５実施形態の蒸気タービンの構造を示す断面図である。前述の図に示す部位と同じ部位には同じ符号を付けて説明を省略し、従来技術や第１〜第４実施形態と異なる事のみ説明する。

図３の蒸気タービンプラントは、図１及び図２の蒸気タービンプラントと同様に、再熱サイクルを構成している。図１０の蒸気タービンは、中圧タービン６であり、図１３、図１４、図５〜図９に示す構成要素に加え、中圧内部ケーシング３７を具備している。本実施形態の中圧タービン６と高圧タービン５はそれぞれ、第１及び第２蒸気タービンの例である。本実施形態のボルテックスチューブ３１及び低温管３５は、分離機構の例である。

低温蒸気２０３は中圧タービン６に設けられた低温管３５に流入する。ボルテックスチューブ３１からの低温蒸気２０３の排出流路から軸ロータ１１表面までは、静翼などの各部品に孔を設けて低温管３５が設置されている。低温蒸気２０３の流出地点の蒸気や低温蒸気２０３が、低温管３５と中圧内部ケーシング３７及び外部ケーシング１４との間に流入しないように、この地点付近にシールを適切に施す事が望ましい。

低温蒸気２０３は軸ロータ１１の表面付近に流出する。そして中圧蒸気１０５と合流するのだが、中圧蒸気１０５の圧力は高圧蒸気１０２より充分低いので、ボルテックスチューブ３１は幾らかの圧力損失を持っていても、低温蒸気２０３の圧力は流出地点の中圧蒸気１０５の圧力より高い。ただし、低温蒸気２０３が凝縮点より温度低下して水滴が発生しない事が望ましいので、激しく温度低下しないボルテックスチューブ３１を用いる。高圧蒸気１０２から第１分岐蒸気２０１を分岐した残りの第２分岐蒸気２０２は、高圧タービン５に流入する。

高温蒸気２０４は、図３では中圧タービン６の内部に流入しているが、図１０では図示の便宜上図示していない。高温蒸気２０４の流出地点は、第２実施形態と似たように羽根車を駆動させる蒸気の流路の一部を構成する静止部品の流路側壁面付近でもよいし、第３及び第４実施形態と似たように中圧内部ケーシング３７と外部ケーシング１４との間領域でもよい。また、高温蒸気２０４の流出地点は、図３とは異なるが第１実施形態のように高圧タービン排気１０４でもよいし、再熱器８の流出蒸気でもよい。

低温蒸気２０３の流入により軸ロータ１１表面は冷却される。図１０のように、低温蒸気２０３を吹き付けると、その冷却効果は上がる。軸ロータ１１は回転しているので、周方向の一部分のみを冷却されるのではなく一周全て均等に冷却されるので、軸ロータ１１の回転軸が変形する事はないし軸対称のままである。

ランキンサイクルの条件によっては、高圧タービン５の初段静翼前から２段動翼前までの軸方向位置よりも、中圧タービン６の中圧初段静翼２２前から中圧初段動翼２３前までの軸方向位置の方が、ロータ表面温度が高温である場合や同等に高温である場合がある。図１０ではその地点が冷却される。よって、中圧タービン６の起動時の流入蒸気量増加停止時間を短縮する事ができ、プラントの起動時間を短縮する事ができる。ここで、高圧タービン５の初段静翼前とは、この初段静翼の上流側を意味し、高圧タービン５の２段静翼前とは、この２段静翼の上流側を意味する。これは、中圧タービン６の中圧初段静翼２２前や中圧初段動翼２３前についても同様である。

なお、本実施形態では、起動時など軸ロータ１１の表面を冷却する際に流量調整弁３２を開き、軸ロータ１１の表面を冷却しない場合は流量調整弁３２を閉じる。高温蒸気２０４の供給と供給停止も、この流量調整弁３２の開閉により制御される。

（第６実施形態）
図４は、第６実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。前述の図に示す部位と同じ部位には同じ符号を付けて説明を省略し、従来技術や第１〜第５実施形態と異なる事のみ説明する。

図４の蒸気タービンプラントは、図１〜図３の蒸気タービンプラントと同様に、再熱サイクルを構成している。第６実施形態については、図４及び図１０を参照して説明する。本実施形態の中圧タービン６と高圧タービン５はそれぞれ、第１及び第２蒸気タービンの例である。本実施形態のボルテックスチューブ３１及び低温管３５は、分離機構の例である。

図１２に示す再熱サイクルにおいて、高圧タービン排気１０４から第３分岐蒸気２１１を分岐させて、流量調節弁３２を介して、ボルテックスチューブ３１に流入させる。ボルテックスチューブ３１に流入した第３分岐蒸気２１１は高温蒸気２０４と低温蒸気２０３に分離され、低温蒸気２０３は中圧タービン５に設けられた低温管３５に流入する。ボルテックスチューブ３１からの低温蒸気２０３の排出流路から軸ロータ１１の表面までは、中圧初段静翼２２などの各部品に孔を設けて低温管３５が設置されている。低温蒸気２０３の流出地点の蒸気や低温蒸気２０３が、低温管３５と中圧内部ケーシング１１及び外部ケーシング１４との間に流入しないように、この地点付近にシールを適切に施す事が望ましい。

低温蒸気２０３は軸ロータ１１の表面付近に流出する。そして、低温蒸気２０は中圧蒸気１０５と合流するのだが、中圧蒸気１０５の圧力は高圧タービン排気１０４より充分低いので、ボルテックスチューブ３１は幾らかの圧力損失を持っていても、低温蒸気２０３の圧力は流出地点の中圧蒸気１０５の圧力より高い。高圧タービン排気１０４から第３分岐蒸気２１１を分岐した残りの第４分岐蒸気２１２は、再熱器８に流入する。

高温蒸気２０４は、図３では中圧タービン６の内部に流入しているが、図１０では図示の便宜上図示していない。高温蒸気２０４の流出地点は、第２実施形態と似たように羽根車を駆動させる蒸気の流路の一部を構成する静止部品の流路側壁面付近でもよいし、第３及び第４実施形態と似たように中圧内部ケーシング３７と外部ケーシング１４との間領域でもよい。また、高温蒸気２０４の流出地点は、図３とは異なるが第１実施形態のように第４分岐蒸気２１２でもよいし、再熱器８の流出蒸気でもよい。

第６実施形態の構成は、第５実施形態の構成と同じ効果がある。さらに第５実施形態と比較し、第６実施形態ではボルテックスチューブ３１に流入する蒸気は低温なので、低温蒸気２０３もより低温になり、冷却作用が強くなる。第６実施形態には、第１及び第２実施形態と同様の構成を適用する事もできる。

（第７実施形態）
図５は、第７実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す模式図である。前述の図に示す部位と同じ部位には同じ符号を付けて説明を省略し、従来技術や第１〜第６実施形態と異なる事のみ説明する。

図５の蒸気タービンプラントは、図１〜図４の蒸気タービンプラントと同様に、再熱サイクルを構成している。第７実施形態については、図５及び図１０を参照して説明する。本実施形態の中圧タービン６と高圧タービン５はそれぞれ、第１及び第２蒸気タービンの例である。本実施形態のボルテックスチューブ３１及び低温管３５は、分離機構の例である。

図１２に示す再熱サイクルにおいて、中圧蒸気１０５から第５分岐蒸気２１３を分岐させて、流量調節弁３２を介して、ボルテックスチューブ３１に流入させる。ボルテックスチューブ３１に流入した第５分岐蒸気２１３は、高温蒸気２０４と低温蒸気２０３に分離され、低温蒸気２０３は中圧タービン５に設けられた低温管３５に流入する。ボルテックスチューブ３１からの低温蒸気２０３の排出流路から軸ロータ１１の表面までは、中圧初段静翼２２などの各部品に孔を設けて低温管３５が設置されている。低温蒸気２０３の流出地点の蒸気や低温蒸気２０３が、低温管３５と中圧内部ケーシング１１及び外部ケーシング１４との間に流入しないように、この地点付近にシールを適切に施す事が望ましい。

低温蒸気２０３は軸ロータ１１の表面付近に流出する。中圧蒸気１０５から第５分岐蒸気２１３を分岐した残りの第６分岐蒸気２１４は中圧タービン６に流入し、その後、低温蒸気２０３と合流する。第６分岐蒸気２１４は、動翼通過などにより中圧タービン６内で圧力が低下する。一方、低温蒸気２０３は、ボルテックスチューブ３１の圧力損失により圧力が低下する。本実施形態では、少なくとも流量調整弁３２が全開のときに低温管３５の出口における低温蒸気２０３の圧力が、この出口における第６分岐蒸気２１４の圧力より高くなるようなボルテックスチューブ３１を用いる。なお、高温蒸気２０４の詳細については、第６実施形態と同様である。

第７実施形態の構成は、第５実施形態の構成と同じ効果がある。第７実施形態には、第１及び第２実施形態と同様の構成を適用する事もできる。

（第８実施形態）
第８実施形態については、図１を参照して説明する。第８実施形態では、軸ロータ１１の表面温度を非接触計測する技術を第１〜第７実施形態に用いて、軸ロータ１１の表面温度を計測する。このような非接触計測は、例えば放射温度計を用いて実行可能である。

本実施形態では、軸ロータ１１の表面温度の計測結果が、放射温度計から、蒸気タービンプラントの運転を制御する制御装置（図示せず）に入力される。制御装置は、軸ロータ１１の表面温度の計測値があらかじめ定められた許容温度を越えないように、流量調整弁３２を開閉したり開度を調節し、ボルテックスチューブ３１に流入する蒸気の流量を制御する。

本実施形態によれば、低温蒸気２０３によるロータの冷却や高温蒸気２０４によるケーシングの加熱を適切に制御でき、蒸気タービンの起動が良好に実施できる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定する事を意図したものではない。本明細書で説明した新規なプラント及び方法は、その他の様々な形態で実施する事ができる。また、本明細書で説明したプラント及び方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行う事ができる。添付の特許請求の範囲及びこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：ボイラ、２：蒸気タービン、３：復水器、４：ポンプ、
５：高圧タービン、６：中圧タービン、７：低圧タービン、８：再熱器、
１１：軸ロータ、１２：静翼外輪、１３：高圧内部ケーシング、
１４：外部ケーシング、１５：高圧排気室、１６：中圧排気室、
１７：主蒸気管、１８：再熱蒸気管、１９：ノズルボックス、
２０：温度センサ（熱電対）、２１：高圧初段動翼、２２：中圧初段静翼、
２３：中圧初段動翼、２４：高圧２段静翼、２５：２段静翼内輪、
３１：ボルテックスチューブ、３２：流量調節弁、３３：主蒸気弁、
３４：バイパス蒸気弁、３５：低温管、３６：高温管、３７：中圧内部ケーシング、
１０１：水、１０２：高圧蒸気、１０３：蒸気タービン排気、
１０４：高圧タービン排気、１０５：中圧蒸気、１０６：中圧タービン排気、
１０７：低圧タービン排気、２０１：第１分岐蒸気、２０２：第２分岐蒸気、
２０３：低温蒸気、２０４：高温蒸気、２０５：第１合流蒸気、２０６：主蒸気、
２０７：バイパス蒸気、２０８：第２合流蒸気、２１１：第３分岐蒸気、
２１２：第４分岐蒸気、２１３：第５分岐蒸気、２１４：第６分岐蒸気

Claims (11)

1. 水から蒸気を発生させるボイラと、
   前記ボイラにて発生し、再熱器にて加熱されたまたは加熱されていない蒸気により回転駆動される第１蒸気タービンと、
   前記ボイラにて発生し、前記再熱器にて加熱されたまたは加熱されていない第１蒸気を、前記第１蒸気より低温の第２蒸気と、前記第１蒸気より高温の第３蒸気とに分離し、前記第２蒸気を前記第１蒸気タービン内の軸ロータの表面付近に供給して、前記軸ロータを前記第２蒸気により冷却する分離機構と、
   を具備する事を特徴とする蒸気タービンプラント。
2. 前記第１蒸気タービンから排出された蒸気を加熱する前記再熱器と、
   前記ボイラにて発生し、前記第１蒸気タービンを流通し、前記再熱器にて加熱された蒸気により回転駆動される第２蒸気タービンとを更に具備し、
   前記分離機構は、前記ボイラと前記第１蒸気タービンとの間の蒸気流路から抜き出された前記第１蒸気を、前記第２蒸気と前記第３蒸気とに分離する事を特徴とする、請求項１に記載の蒸気タービンプラント。
3. 前記ボイラにて発生した蒸気により回転駆動される第２蒸気タービンと、
   前記第２蒸気タービンから排出された蒸気を加熱する前記再熱器と、
   を更に具備し、
   前記第１蒸気タービンは、前記ボイラにて発生し、前記第２蒸気タービンを流通し、前記再熱器にて加熱された蒸気により回転駆動される事を特徴とする、請求項１に記載の蒸気タービンプラント。
4. 前記分離機構は、前記ボイラと前記第２蒸気タービンとの間の蒸気流路、前記第２蒸気タービンと前記再熱器との間の蒸気流路、または前記再熱器と前記第１蒸気タービンとの間の蒸気流路から抜き出された前記第１蒸気を、前記第２蒸気と前記第３蒸気とに分離する事を特徴とする、請求項３に記載の蒸気タービンプラント。
5. 前記分離機構は、前記軸ロータの第１場所に前記第２蒸気を供給し、
   前記第１場所の軸方向位置は、前記第１蒸気タービンの初段静翼前の位置、または前記第１蒸気タービンの初段静翼前から２段動翼前までの位置である事を特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の蒸気タービンプラント。
6. 前記分離機構は、前記第３蒸気を前記第１蒸気タービンに供給する事を特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の蒸気タービンプラント。
7. 前記分離機構は、前記第１蒸気タービン内の静止部を前記第３蒸気により加熱する事を特徴とする、請求項６に記載の蒸気タービンプラント。
8. 前記第１蒸気タービンの回転部を囲むケーシングは、内部ケーシングと外部ケーシングの二重構成になっており、
   前記分離機構は、前記第３蒸気を、前記内部ケーシングと前記外部ケーシングとの間の領域、前記内部ケーシングの外表面付近、または前記外部ケーシングの内表面付近に供給する事を特徴とする、請求項６または７に記載の蒸気タービンプラント。
9. 前記分離機構は、ボルテックスチューブを具備する事を特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の蒸気タービンプラント。
10. ボイラにて水から蒸気を発生させ、
    前記ボイラにて発生し、再熱器にて加熱されたまたは加熱されていない蒸気により第１蒸気タービンを回転駆動させ、
    前記ボイラにて発生し、前記再熱器にて加熱されたまたは加熱されていない第１蒸気を、分離機構により、前記第１温度より低温の第２蒸気と、前記第１温度より高温の第３蒸気とに分離し、前記第２蒸気を前記分離機構から前記第１蒸気タービン内の軸ロータに供給して、前記軸ロータを前記第２蒸気により冷却する、
    事を具備する事を特徴とする蒸気タービンプラントの運転方法。
11. 前記軸ロータの表面温度を計測し、前記表面温度の計測温度があらかじめ定められた許容温度を越えないように前記第１蒸気の流量を制御する事を特徴とする、請求項１０に記載の蒸気タービンプラントの運転方法。

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