JP4993503B2 - 蒸気タービンの出力増強方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン、蒸気タービンプラントシステム及び蒸気タービンの出力増強方法に関し、さらに詳しくは、高圧部と低圧部とが一体化された高低圧一体型の蒸気タービン、蒸気タービンプラントシステム及び蒸気タービンの出力増強方法に関する。

蒸気タービンは、高温高圧の蒸気をロータシャフトに取り付けられたブレードに噴き付けることによりロータシャフトを回転させ、それによって回転エネルギを生み出す動力装置である。ブレードは車室内に収容されたロータシャフトの軸方向に沿って多段にわたって取り付けられており、噴出される蒸気を効率よく利用できるように構成されている。また、ブレードにはロータシャフトに取り付けられ、ノズルから噴出された蒸気を受けてロータシャフトを回転させる動翼と、ノズルから噴出する蒸気の流れを変えて動翼に蒸気が効率よく当たるようにするための静翼があり、ノズルから噴出された蒸気は静翼によって効率的に動翼に誘導されて回転エネルギに変換される。そして、この回転エネルギは発電機や船舶を駆動させるための動力源として多方面で利用されている。そして、蒸気タービンは熱効率が高く、また、駆動音も静かで排気もきれいなので環境的にも好ましい機関といわれている。

発電設備において利用される大型の蒸気タービンは、一般に、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンの３つのタービンによって構成され、蒸気の力を高圧、中圧、低圧の順にブレードで受けることによって効率よくロータシャフトを回転させ、ロータシャフトと連結された発電機を駆動することによって電気を発電するようになっている。また、近年ではガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせたコンバインドサイクル発電による発電が行なわれている。一方、発電プラントの小型化と構造を簡略化するために小中型の蒸気タービンでは高圧部と低圧部を一体化した単体室構造の高低圧一体型蒸気タービンが利用される。このような高低圧一体型蒸気タービンについては、例えば、特許文献１（特開２００２−３３９０３６号公報）及び特許文献２（特開２００１−３２９８０１号公報）に示されている。

高圧部と低圧部を一体化して単体室構造とされた従来の高低圧一体型タービンとしては、例えば、図５に示すものがある。図示された従来の高低圧一体型タービンは、ケーシング６の両側部に配置された軸受け１２によって回転可能に軸支されたロータシャフト３を備え、ロータシャフト３にはブレード４が軸方向に１３段にわたって取り付けられており、高温高圧の蒸気は蒸気入口１から蒸気コントロールバルブ５を介して導入され、蒸気出口２から排出されるようになっている。蒸気入口１側から蒸気の進行方向に向かって８段まではブレード４も短く高圧部Ｈとなっており、９段から１３段まではブレード４が次第に長くなった低圧部Ｌとされている。

高圧部と低圧部とを一体化した高低圧一体型タービンの場合、蒸気入口１側では高温高圧の蒸気に曝されるが、最終側に近づくにつれて蒸気の温度と圧力が低下し、体積が大幅に膨張した蒸気に曝されることとなる。そのため、高圧部Ｈではブレード４の長さも短く、タービンロータにかかる応力も比較的小さいが、低圧部Ｌではブレード４の長さを長くする等により多量の蒸気の力を効果的に受け止める必要がある。そのため、高圧部Ｈでは高温強度が要求されるのに対して低圧部Ｌでは低圧部Ｌを構成する各部材の機械的強度が要求される。

一方、蒸気タービンの高出力化や効率化については種々検討されており、例えば、特許文献３乃至５などによって各種の手段が提案されている。

特開２００２−３３９０３６号公報 特開２００１−３２９８０１号公報 特開２００６−１６１６９８号公報 特開２００５−３０７９８６号公報 特開２００１−２２１０１２号公報

上述したように、蒸気の排気損失を低減するため最終段に至るまでの低圧部Ｌのブレード４は相対的に大きく形成されており、導入可能な蒸気の圧力や温度は低圧部Ｌの機械的強度によって左右される。そのため、高圧部Ｈのブレード４には耐え得る圧力であっても低圧部Ｌでは耐えられない場合があった。そのため、図４に示すように、高圧部Ｈには高圧蒸気の導入（例えば、８０ｔ／ｈ）が可能である場合であっても低圧部Ｌにとって過剰となる蒸気は予め排除（例えば、−１５ｔ／ｈ）した後、高圧部Ｈへ導入（例えば、６５ｔ／ｈ）していた。

しかし、ボイラの供給能力があり、しかも、高圧部Ｈでは高圧蒸気の導入に十分耐える強度があるにもかかわらず発生した蒸気の一部を捨ててからタービンに導入するのはエネルギの有効利用の観点から好ましくない。そのため、高圧蒸気に耐え得るように低圧部Ｌのケーシングを二重構造としたり、ブレードを機械的強度を有する材質に変更することも考えられるが、これには多大なコストがかり、費用対効果の観点からも必ずしも有利とはいえない場合がある。

そこで、本発明は、高圧部と低圧部とを一体化させた高低圧一体型タービンの能力を最大限まで上昇させ、過剰の蒸気エネルギを有効利用することにより出力の増強を図ることが可能な蒸気タービン、蒸気タービンプラントシステム及び蒸気タービンの出力増強方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に記載の本発明は、高圧部と低圧部とが一体化され、高圧部側に設けられた蒸気入口から導入した蒸気を低圧部側に設けた蒸気出口から排出することによって動作する高低圧一体型の蒸気タービンの出力増強方法において、蒸気は、金属製錬設備の廃熱ボイラの熱で純水を加熱することにより発生させた蒸気であり、蒸気タービンの高圧部側の所定箇所に圧力検出器及び蒸気抜口を設けると共に、低圧部にとって過剰となる蒸気を蒸気抜口から排気する圧力調整弁を設け、高圧部の定格圧力の範囲内であって、且つ、蒸気コントロールバルブによって圧力調整した高温高圧の蒸気であって低圧部にとって過剰となる蒸気を高圧部に導入して高圧部での高負荷運転を行うと共に、圧力検出器によって検出された蒸気圧が低圧部にとって過剰となる蒸気圧として予め設定された所定の圧力を超える場合には過剰分の蒸気を蒸気抜口を介して排気し、低圧部の許容範囲を超える過剰の蒸気が低圧部内に流れ込まないようにしてから導入する一方、高圧部から低圧部に至る蒸気圧が低圧部の許容範囲内の場合には圧力調整弁を開くことなく蒸気を低圧部内に導入することで出力の増強を図ることを特徴とする。

本発明に係る蒸気タービンの出力増強方法によれば、大掛かりな改造を行なうことなく高低圧一体型の蒸気タービンの出力を増大させることができるという効果がある。それによって、従来の余剰蒸気を系外に放出することなくさらに出力を約１０％以上アップさせることができるという効果がある。

以下、本発明に係る蒸気タービンの出力増強方法について図面を参照しつつ以下詳細に説明する。図１は本発明に係る蒸気タービンの出力増強方法を実施するための蒸気タービンの一実施形態の側面断面図である。

図示された蒸気タービンは高低圧一体型の蒸気タービンであり、概略として、ケーシング６と、ケーシング６の両側部に配置された軸受け１２、１２によって回転可能に軸支されたロータシャフト３を備えており、ロータシャフト３にはブレード４が軸方向に１３段にわたって取り付けられている。ケーシング６には高温高圧の蒸気を導入する蒸気入口１が設けられており、高温高圧の蒸気は蒸気コントロールバルブ５を介して蒸気入口１から導入されるようになっている。蒸気入口１側から蒸気の進行方向に向かって初段から８段まではブレード４も短く高温高圧に耐え得る高圧部Ｈとなっており、９段から最終段まではブレード４が次第に長くなった低圧部Ｌとされている。そして最終段の後方（図における右側）の低圧部Ｌに蒸気出口２が設けられており、蒸気入口１から導入された蒸気は蒸気出口２から排出されるようになっている。ここで、高温高圧の蒸気は、転炉、自溶炉などを備えた金属錬設備に設けられた廃熱ボイラからの熱を利用して純水を加熱することにより発生させるようになっており、金属製錬設備の操業により発生する高熱の有効利用を図っている。

高圧部Ｈから低圧部Ｌに至る手前の所定箇所、すなわち、本実施形態では高圧部Ｈ側の６段と７段のブレード４の間に蒸気抜口２０が設けられており、蒸気抜口２０には図示しない圧力調整弁が取り付けられている。さらに、６段と７段のブレード４の間にはそこを流れる蒸気の圧力を計測するための図示しない圧力検出器が取り付けられている。これにより、低圧部Ｌにとって過剰となる蒸気圧として予め設定された所定の圧力を超える蒸気圧が検出された場合には過剰分の蒸気を蒸気抜口２０を介して排気し、低圧部Ｌの許容範囲を超える過剰の蒸気が低圧部Ｌ内に流れ込まないように制御が行なわれるようになっている。かかる構成により、高圧蒸気を高圧部Ｈに導入することが可能となり、蒸気を無駄にすることなく高圧部Ｈの能力を有効に引き出すと共に、低圧部Ｌでは過剰な蒸気が流れ込まないので低圧部Ｌのケーシング６を二重構造としたり、ブレード４の機械的強度を高めた材質に変更するなどを行うことなく全体の出力の増強を図ることができる。

次に、本発明に係る蒸気タービンの出力増強方法について上述した高低圧一体型の蒸気タービンの動作と共に説明する。図２に示すように、高温高圧の蒸気は、高圧レシーバ３１を経て蒸気コントロールバルブ５によって圧力調整された後、蒸気入口１から蒸気タービンＳＴに導入される。尚、蒸気は、転炉、自溶炉などの金属錬設備３０に備えられた廃熱ボイラからの高熱によって純水を加熱することにより発生させている。蒸気タービンＳＴの蒸気入口１側の高圧部Ｈに導入された蒸気は、初段から順次ブレード４を回転させながら後段に向かって進行する。そして、６段と７段の間に設けられた圧力検出器２７によりそこを通過する蒸気の圧力が計測され、低圧部Ｌ許容範囲を超える蒸気圧が検出された場合には圧力調整弁３５を開いて過剰分の蒸気を蒸気抜口２０からサイレンサ３６を介して排気し、低圧部Ｌの許容範囲を超える過剰の蒸気が低圧部Ｌ内に流れ込むのを防止する。もちろん、低圧部Ｌの許容範囲内の蒸気圧の場合には圧力調整弁３５を開くことなく蒸気を低圧部Ｌ内に導入するように制御が行なわれる。そして、低圧部Ｌへ導入された蒸気は蒸気出口２から排出されて復水器３７から純水タンク３８へ送られる。

比較例

図４に示す比較例の蒸気タービンＳＴは、低圧部Ｌ側の材質強度の影響により６５ｔ／ｈしか蒸気を流すことができない。これに対してタービン入口の能力は８０ｔ／ｈである。そのため、低圧部Ｌ側の流量制限により予め１５ｔ／ｈの蒸気を蒸気タービン入口側で放出してから６５ｔ／ｈの蒸気を蒸気タービンＳＴに導入していた。その際の出力は１１，０００ｋＷであった。

図３に示す実施例の蒸気タービンは、比較例の蒸気タービンの６段と７段の間に蒸気抜口２０、圧力検出器２７、圧力調整弁３５（図２参照）を設け、高圧部Ｈから低圧部Ｌに至る蒸気の圧力を調整可能とした。そして、８０ｔｏｎ／ｈの蒸気を導入（導入時圧力：約３．０ＭＰａ）して初段から６段までを通した後、１５ｔｏｎ／ｈ分の蒸気を蒸気抜口２０から放出（蒸気抜口からの排気圧力：０．２５〜０．４２ＭＰａ）するようにした。その結果、出力は１２，５８０ｋＷとなった。そして、発電能力は比較例に比べて最大１，５８０ｋＷの発電増となった。

以上のように、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能であることはいうまでもない。

本発明に係る蒸気タービンの出力増強方法を実施するための蒸気タービンの一実施形態の側面断面図である。 図１の蒸気タービンの動作系統を示すブロック図である。 実施例の蒸気タービンの概要を示す説明図である。 比較例の蒸気タービンの概要を示す説明図である。 従来の蒸気タービンの一実施形態の側面断面図である。

符号の説明

ＳＴ 蒸気タービン
Ｌ 低圧部
Ｈ 高圧部
１ 蒸気入口
２ 蒸気出口
４ ブレード
５ 蒸気コントロールバルブ
６ ケーシングｚ
１２ 軸受け
２０ 蒸気抜口
３０ 銅錬設備
３１ 高圧レシーバ
３５ 圧力調整弁
３６ サイレンサ
３７ 復水器
３８ 純水タンク

Claims (1)

1. 高圧部と低圧部とが一体化され、前記高圧部側に設けられた蒸気入口から導入した蒸気を前記低圧部側に設けた蒸気出口から排出することによって動作する高低圧一体型の蒸気タービンの出力増強方法において、
   前記蒸気は、金属製錬設備の廃熱ボイラの熱で純水を加熱することにより発生させた蒸気であり、
   前記蒸気タービンの前記高圧部側の所定箇所に圧力検出器及び前記蒸気抜口を設けると共に、前記低圧部にとって過剰となる蒸気を前記蒸気抜口から排気する圧力調整弁を設け、前記高圧部の定格圧力の範囲内であって、且つ、蒸気コントロールバルブによって圧力調整した高温高圧の蒸気であって前記低圧部にとって過剰となる蒸気を当該高圧部に導入して当該高圧部での高負荷運転を行うと共に、前記圧力検出器によって検出された蒸気圧が当該低圧部にとって過剰となる蒸気圧として予め設定された所定の圧力を超える場合には過剰分の蒸気を前記蒸気抜口を介して排気し、前記低圧部の許容範囲を超える過剰の蒸気が当該低圧部内に流れ込まないようにしてから導入する一方、前記高圧部から前記低圧部に至る蒸気圧が前記低圧部の許容範囲内の場合には前記圧力調整弁を開くことなく蒸気を低圧部内に導入することで出力の増強を図ることを特徴とする蒸気タービンの出力増強方法。

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