JP4220309B2 - 蒸気タービン - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンに係り、特に高圧タービンや中圧タービンに供給される蒸気の高温化がなされても低圧タービンの構成部品に高い強度保証を維持させた蒸気タービンに関する。
【0002】
【従来の技術】
最近の蒸気タービンでは、プラント熱効率の向上の強化見直しの一環として主蒸気または再熱蒸気の高温化が検討されている。
【0003】
主蒸気または再熱蒸気の高温化は、ランキンサイクルの特性を巧みに利用するものであり、蒸気の温度を高くすればする程、プラントの出力および熱効率をより一層向上させることができるとされている。
【0004】
このため、蒸気タービンは、ひところの比較的低温、低圧の蒸気条件から主蒸気および再熱蒸気のそれぞれの温度を538℃/566℃または538℃/538℃の一段再熱にほぼ定着しつつある。
【0005】
しかし、最近のように、CO2やNOx等の汚染化合物による温暖化現象や環境破壊等が地球規模レベルでクローズアップされている今日、蒸気タービンの分野でも燃料の消費をより一層少なくさせて単機容量の増加とともにプラント熱効率を向上させる研究開発が進められており、その一つに高圧タービンに供給する主蒸気の温度を700℃以上にするか、あるいは中圧タービンに供給する再熱蒸気の温度を700℃以上とするかが提案されている。
【0006】
中圧タービンに温度700℃以上の再熱蒸気を供給する技術では、中圧タービンを第1中圧タービンと第2中圧タービンとに区分けし、区分けした第1中圧タービンをトップタービンとして配置し、第2中圧タービンをボトムタービンとして配置する従来のコンベンショナルな蒸気タービンに組み込んだものである(特許文献1参照)。
【0007】
第1中圧タービンをトップタービンとして配置した場合、試算によれば、プラント熱効率が50%以上であり、また、超高温の再熱蒸気を供給する割合には製造コストが比較的低コストであり、その成果が期待されている。
【0008】
【特許文献1】
特願2003−125672号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来、火力発電プラントでは、主蒸気温度または再熱蒸気温度が538℃〜566℃に対し、タービン構成部品、特にタービンロータ、タービンノズル、タービン動翼等の高温部品に改良された耐熱材を用いて高い強度を維持させていた。
【0010】
しかし、主蒸気または再熱蒸気の温度が700℃以上になると、改良された耐熱材では高い強度保証を維持させることが難しくなりつつある。
【0011】
また、高圧タービンにしても中圧タービンにしてもその入口圧力とその出口圧力との圧力比を変えずに、主蒸気または再熱蒸気の温度のみを超高温化させると、負荷(出力)変動運転如何によっては、低圧タービン出口側が湿り蒸気域になったり、乾き蒸気域になったり変動し、蒸気の状態変化を受けてタービン高温部品の強度に悪影響を与える等の問題があった。
【0012】
このため、蒸気タービンには、タービン構成部品の強度保証を高く維持できる新たな技術の実現化が求められており、その解決手段として蒸気による冷却の採用が進められている。
【0013】
しかし、蒸気冷却の採用と言えども、蒸気タービンにとって未開発の分野であり、試行錯誤を繰り返している。
【0014】
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、超高温の主蒸気または再熱蒸気に対処して低圧タービンのタービン構成部品に高い強度保証を維持させる蒸気タービンを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項1に記載したように、タービン系に、復水系および給水系を組み合せた蒸気タービンにおいて、前記タービン系の中圧タービンと低圧タービンとの接続部分に、前記給水系からの冷却媒体を供給する冷却媒体供給系を設けるとともに、この冷却媒体供給系に、前記中圧タービンから前記低圧タービンに供給する中圧タービン排気が乾き蒸気域のとき、前記接続部分に供給される前記冷却媒体を制御する制御手段を備えたものである。
【0016】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項2に記載したように、タービン系に、復水系および給水系を組み合せた蒸気タービンにおいて、前記タービン系の中圧タービンと低圧タービンとの接続部分に、前記復水系からの冷却媒体を供給する冷却媒体供給系を設けるとともに、この冷却媒体供給系に、前記中圧タービンから前記低圧タービンに供給する中圧タービン排気が乾き蒸気域のとき、前記接続部分に供給される前記冷却媒体を制御する制御手段を備えたものである。
【0017】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項3に記載したように、冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の脱気器出口側に接続させる構成にしたものである。
【0018】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項4に記載したように、冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の第1給水ポンプ出口側に接続させる構成にしたものである。
【0019】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項5に記載したように、冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の第2給水ポンプ出口側に接続させる構成にしたものである。
【0020】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項6に記載したように、冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の第4高圧給水加熱器出口側に接続させる構成にしたものである。
【0021】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項7に記載したように、冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を復水系の復水ポンプ出口側に接続させる構成にしたものである。
【0022】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項8に記載したように、冷却媒体供給系は、スプレイノズルを備えたものである。
【0023】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項9に記載したように、中圧タービンと低圧タービンとの接続部分は、連絡管であることを特徴とするものである。
【0024】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項10に記載したように、中圧タービンと低圧タービンとの接続部分は、前記中圧タービンの出口であることを特徴とするものである。
【0025】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項11に記載したように、中圧タービンと低圧タービンとの接続部分は、前記中圧タービンの最終段落の出口であることを特徴とするものである。
【0026】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項12に記載したように、制御手段は、タービン系の低圧タービンの入口側と出口側とのそれぞれに設けた検出器からの信号が予め定められた設定値を超えたとき、その偏差に基づいて、冷却媒体供給系に設けた調整弁に弁開閉演算信号を与え、冷却媒体の供給指令を出す演算制御部を備えたものである。
【0027】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項13に記載したように、検出器は、タービン系の低圧タービンに流入する中圧タービン排気および前記低圧タービンから出る低圧タービン排気の圧力、温度、湿り度のうち、いずれか一種を検出するものである。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る蒸気タービンの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【0029】
本実施形態に係る蒸気タービンは、タービン系1に復水系2と給水系3とを組み合せた構成になっている。
【0030】
タービン系1は、ボイラ4と、互いを軸結合させた高圧タービン5、中圧タービン6、低圧タービン7、発電機8を備え、ボイラ4から発生した主蒸気(駆動蒸気)を主蒸気管9を介して高圧タービン5に供給し、ここで膨張仕事をさせて動力を発生させ、膨張仕事を終えた高圧タービン排気を低温再熱管10を介してボイラ4内の再熱器11に供給し、再熱器11で熱エネルギを失った主蒸気を再熱させ、その再熱蒸気を高温再熱管12を介して中圧タービン6に供給している。
【0031】
また、タービン系1は、中圧タービン6に供給された再熱蒸気に膨張仕事をさせて動力を発生させ、膨張仕事を終えた中圧タービン排気を、例えばクロスオーバ管等の連絡管13を介して低圧タービン7に供給し、ここでも膨張仕事をさせて動力を発生させ、その動力で発電機8を駆動し、この間、膨張仕事を終えた低圧タービン排気を復水系2に供給している。
【0032】
一方、復水系2は、復水の流れに沿って順に、復水器14、復水ポンプ15、第1低圧給水加熱器16、第2低圧給水加熱器17、第3低圧給水加熱器18、第4低圧給水加熱器19を備え、低圧タービン7からの低圧タービン排気を復水器14で凝縮して復水にし、その復水を復水ポンプ15で圧送させ、第1〜第4低圧給水加熱器16,17,18,19で低圧タービン7からの低圧タービン抽気を熱源として順次、予熱(再生)させている。
【0033】
また、給水系3は、給水の流れに沿って順に、脱気器20、第1給水ポンプ21、第2給水ポンプ22、第1高圧給水加熱器23、第2高圧給水加熱器24、第3高圧給水加熱器25、第4高圧給水加熱器26を備え、脱気器20で復水系2の第4低圧給水加熱器19から供給される復水を、中圧タービン6からの中圧タービン抽気を熱源として加熱脱気させて給水にし、その給水を第1給水ポンプ21および第2給水ポンプ22で昇圧させ、第1〜第4高圧給水加熱器23,24,25,26で中圧タービン6からの中圧タービン抽気、高圧タービン5からの高圧タービン抽気および低温再熱管10からの抽気を熱源として順次予熱(再生)させた後、ボイラ4に戻している。
【0034】
また、給水系3は、脱気器20の出口側から分岐し、中圧タービン6と低圧タービン7とを互いに接続させる、例えばクロスオーバ管等の連絡管13に接続する冷却水供給系27を備え、脱気器20で復水系2からの復水を加熱脱気させた給水を、冷却水供給系27からスプレイノズル28を介して連絡管13を流れる中圧タービン排気にスプレイさせる構成になっている。なお、冷却水供給系27は、連絡管13に限らず、中圧タービン6の出口または、中圧タービン6の最終段落の出口に接続してもよい。
【0035】
冷却水供給系27は、調整弁29、演算制御部30、低圧タービン7の入口側および出口側のそれぞれに設けた検出器31a,31bを備え、各検出器31a,31bで検出した中圧タービン排気および低圧タービン7で膨張仕事を終えた低圧タービン排気のそれぞれの圧力、温度、湿り度のうち、いずれか一種の検出信号を演算制御部30に送り、ここで予め定められた設定値を超えた(乾き蒸気域)とき、その偏差に基づいて弁開閉信号を演算し、その演算信号を調整弁29に与えて弁を開閉させ、中圧タービン排気が乾き蒸気域になっているとき、スプレイノズル28から給水をスプレイし、湿り蒸気域に変更させる構成になっている。
【0036】
図3は、縦軸に連絡管13に冷却水としての給水を供給する流量を示し、横軸に低圧タービン7の出口温度を示す冷却媒体供給線図である。この冷却媒体供給線図において、低圧タービン7の低圧タービン排気の温度が予め定められた温度Tを超えて低圧タービン排気が乾き蒸気域に入ったとき、冷却水供給系27のスプレイノズル28からの給水が連絡管13に供給され、連絡管13を流れる中圧タービン排気を乾き蒸気域から湿り蒸気域に変更させている。
【0037】
なお、本実施形態は、中圧タービン排気を乾き蒸気域から湿り蒸気域に変更させる際、給水または復水を冷却水として用いたが、給水または復水に代えて蒸気を用いてもよい。蒸気を用いる場合、図3に示すように、流量が多くなるが、蒸気に含まれる気泡の粒径を制御することがない点で有利である。
【0038】
また、給水または復水を冷却水として用いる場合、給水または復水中に、例えば、気泡等の比較的大きな粒径の気体が含まれていることがあるが、冷却水供給系27からスプレイノズル28を介して連絡管13に給水を供給する際、スプレイノズル28には、図2に示すように、気泡の粒径を斜線で示す気泡の粒径の大きさまで細く砕く機構を備えているので、気泡の破裂に伴って発生する壊食等の心配はない。
【0039】
このように、本実施形態は、給水系2の脱気器20の出口側から分岐し、中圧タービン6と低圧タービン7とを互いに接続させる連絡管13に接続して冷却水供給系27を設けるとともに、中圧タービン6の中圧タービン排気が乾き蒸気域になっているとき、冷却水供給系27の調整弁29を開閉制御させ、連絡管13に流れる中圧タービン排気に冷却水を供給して湿り蒸気域に変更させる演算制御部30を備えたので、高圧タービン5に供給する主蒸気または中圧タービン6に供給する再熱蒸気を超高温化させても乾き蒸気域のまま低圧タービン7に供給することがなく、低圧タービン7の構成部品の強度保証を高く維持させることができる。
【0040】
なお、本実施形態は、中圧タービン6の中圧タービン排気が乾き蒸気域のとき、湿り蒸気域に変更させる冷却水を給水系3の脱気器20の出口側から取り出しているが、この例に限らず、例えば、図4に示すように、復水系2の復水ポンプ15の出口側から分岐して冷却水供給系27を設けてもよく、あるいは、例えば、図5および図6に示すように、給水系3の第1給水ポンプ21の出口側、あるいは第2給水ポンプ22の出口側から分岐して冷却水供給系27を設けてもよく、さらに、図7に示すように、給水系30の第4高圧給水加熱器26の出口側から分岐して冷却水供給系27を設けてもよい。
【0041】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る蒸気タービンは、給水系および復水系からのうち、いずれか一方からの冷却媒体を中圧タービンの最終段落出口、中圧タービンの出口および中圧タービンと低圧タービンとを互いに接続させる連絡管とのうち、いずれか一方に冷却媒体を供給する冷却媒体供給系を設けるとともに、中圧タービンの中圧タービン排気が乾き蒸気域になっているとき、冷却媒体供給系の調整弁を開閉制御させ、連絡管に流れる中圧タービン排気に冷却媒体を供給して湿り蒸気域に変更させる制御手段を備えたので、高圧タービンに供給する主蒸気または中圧タービンに供給する再熱蒸気を超高温化させても乾き蒸気域のまま低圧タービンに供給することがなく、低圧タービンの構成部品の強度保証を高く維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る蒸気タービンの第1実施形態を示す概略系統図。
【図2】本発明に係る蒸気タービンにおいて、冷却媒体を中圧タービン排気に供給する場合、冷却媒体に含まれる気泡の粒径と流速との関係を示す線図。
【図3】本発明に係る蒸気タービンにおいて、中圧タービン排気に冷却媒体を供給する冷却媒体供給線図。
【図4】本発明に係る蒸気タービンの第2実施形態を示す概略系統図。
【図5】本発明に係る蒸気タービンの第3実施形態を示す概略系統図。
【図6】本発明に係る蒸気タービンの第4実施形態を示す概略系統図。
【図7】本発明に係る蒸気タービンの第5実施形態を示す概略系統図。
【符号の説明】
1 タービン系
2 復水系
3 給水系
4 ボイラ
5 高圧タービン
6 中圧タービン
7 低圧タービン
8 発電機
9 主蒸気管
10 低温再熱管
11 再熱器
12 高温再熱管
13 連絡管
14 復水器
15 復水ポンプ
16 第1低圧給水加熱器
17 第2低圧給水加熱器
18 第3低圧給水加熱器
19 第4低圧給水加熱器
20 脱気器
21 第1給水ポンプ
22 第2給水ポンプ
23 第1高圧給水加熱器
24 第2高圧給水加熱器
25 第3高圧給水加熱器
26 第4高圧給水加熱器
27 冷却水供給系
28 スプレイノズル
29 調整弁
30 演算制御部
31a,31b 検出器
Claims (13)
- タービン系に、復水系および給水系を組み合せた蒸気タービンにおいて、前記タービン系の中圧タービンと低圧タービンとの接続部分に、前記給水系からの冷却媒体を供給する冷却媒体供給系を設けるとともに、この冷却媒体供給系に、前記中圧タービンから前記低圧タービンに供給する中圧タービン排気が乾き蒸気域のとき、前記接続部分に供給される前記冷却媒体を制御する制御手段を備えたことを特徴とする蒸気タービン。
- タービン系に、復水系および給水系を組み合せた蒸気タービンにおいて、前記タービン系の中圧タービンと低圧タービンとの接続部分に、前記復水系からの冷却媒体を供給する冷却媒体供給系を設けるとともに、この冷却媒体供給系に、前記中圧タービンから前記低圧タービンに供給する中圧タービン排気が乾き蒸気域のとき、前記接続部分に供給される前記冷却媒体を制御する制御手段を備えたことを特徴とする蒸気タービン。
- 冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の脱気器出口側に接続させる構成にしたことを特徴とする請求項1記載の蒸気タービン。
- 冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の第1給水ポンプ出口側に接続させる構成にしたことを特徴とする請求項1記載の蒸気タービン。
- 冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の第2給水ポンプ出口側に接続させる構成にしたことを特徴とする請求項1記載の蒸気タービン。
- 冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の第4高圧給水加熱器出口側に接続させる構成にしたことを特徴とする請求項1記載の蒸気タービン。
- 冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を復水系の復水ポンプ出口側に接続させる構成にしたことを特徴とする請求項2記載の蒸気タービン。
- 冷却媒体供給系は、スプレイノズルを備えたことを特徴とする請求項1〜7記載の蒸気タービン。
- 中圧タービンと低圧タービンとの接続部分は、連絡管であることを特徴とする請求項1または2記載の蒸気タービン。
- 中圧タービンと低圧タービンとの接続部分は、前記中圧タービンの出口であることを特徴とする請求項1または2記載の蒸気タービン。
- 中圧タービンと低圧タービンとの接続部分は、前記中圧タービンの最終段落の出口であることを特徴とする請求項1または2記載の蒸気タービン。
- 制御手段は、タービン系の低圧タービンの入口側と出口側とのそれぞれに設けた検出器からの信号が予め定められた設定値を超えたとき、その偏差に基づいて、冷却媒体供給系に設けた調整弁に弁開閉演算信号を与え、冷却媒体の供給指令を出す演算制御部を備えたことを特徴とする請求項1または2記載の蒸気タービン。
- 検出器は、タービン系の低圧タービンに流入する中圧タービン排気および前記低圧タービンから出る低圧タービン排気の圧力、温度、湿り度のうち、いずれか一種を検出することを特徴とする請求項12記載の蒸気タービン。
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