JP2000303803A

JP2000303803A - 発電システム

Info

Publication number: JP2000303803A
Application number: JP11113243A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Maekawa; 宏明前川; Yoshihiko Takashima; 吉彦高島
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2000-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】エネルギーロスを小さくして熱を有効に活用
することができ、かつ、減温器の寿命を伸ばすことがで
きる発電システムを提供する。【解決手段】負荷変動率の高い運転状況下でも主蒸気
圧を一定範囲内に維持しながら、従来の発電プラントで
は無駄に排熱していた熱を回収して有効に利用するた
め、蒸気アキュムレータ３０が設けられている。バイパ
ス弁１５が開かれると、主蒸気配管１１内の高温・高圧
の蒸気が蒸気アキュムレータ３０へ供給され、蒸気が蓄
積される。また蒸気アキュムレータ３０には、復水ポン
プ１９によって、液化された３０℃程度の水が供給され
る。蒸気アキュムレータ３０内では、下層が水からなる
液相で、上層が蒸気から気相となっている。蒸気アキュ
ムレータ３０に蓄積された蒸気は、プロセス蒸気１８と
して、また、低圧給水加熱器２０における水の加熱に利
用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボイラから供給さ
れる高温・高圧の蒸気で蒸気タービンを回転させ、その
回転エネルギーを発電機にて電力に変換する発電システ
ムに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、石炭焚きボイラを有する従来の
発電プラントの、主として蒸気と水の経路を示した図で
ある。図３において、ボイラ１０は、７４μｍ程度に細
かく粉砕された石炭を燃焼して、その輻射熱や対流で得
た熱を給水に与えて沸騰・加熱させ、高温・高圧の蒸気
を発生させる石炭焚きボイラである。主蒸気配管１１
は、ボイラ１０において発生した蒸気を蒸気タービン１
２に導くための蒸気配管である。主蒸気配管１１内の蒸
気の温度、圧力は、例えば５４０℃、１００kg／cm ²程
度の高温・高圧である。

【０００３】ボイラ１０から主蒸気配管１１を通った高
温・高圧の蒸気が蒸気タービン１２に供給されると、多
数段の羽根が設けられたタービンが回転し、このタービ
ンと同軸に設けられた発電機１３を駆動する。これによ
って発電が行なわれ、ここで得られた電力は、例えば工
場の種々の設備に供給される。タービンの回転に使用さ
れた蒸気は、復水器１７によって凝縮され、後述の経路
を経て再びボイラ１０に供給される。また、蒸気タービ
ン１２に供給された蒸気の一部は、例えば隣接する工場
の種々の工程で加温用として使うため、２０kg／cm²程
度の圧力のプロセス蒸気１８として外部へ供給される。

【０００４】発電機１３の出力は、負荷変動によって大
きく変化する。発電機１３の出力が変動した場合は、そ
れに応じてボイラの出力も調節されるが、通常、ボイラ
にはかなり長い時定数があるため、負荷の変動に迅速に
追従でず、出力調節が遅れることが多い。特に、ボイラ
が石炭焚きボイラの場合は、その性質上、重油などを用
いるボイラに比べて、さらに負荷に対する追従性が低
く、３％ＭＣＲ／ＭＩＮ程度が限界である。

【０００５】発電機１３の出力が大きく低下した場合に
は、なんら圧力変動防止のめたの手段を設けないと、主
蒸気配管１１内の主蒸気の圧力は大幅に上昇し、発電機
１３の出力が上昇すると再び主蒸気の圧力は低下する。
このような主蒸気の圧力変動の繰り返しは、主蒸気配管
１１を始めとする各種設備の寿命低下の大きな要因とな
る。このため、１５０ＭＷクラスの発電プラントでは、
主蒸気の圧力変動を±８kg／cm²以内に抑えなければな
らないという要求がある。

【０００６】図３の発電プラントでは、この主蒸気の圧
力変動を防止するために、主蒸気配管１１にバイパス配
管１４が接続されている。このバイパス配管１４は、そ
の途中のタービンバイパス弁１５、減温器１６を経て、
復水器１７に達している。主蒸気配管１１内の圧力が制
御範囲を超えて高くなったときは、このタービンバイパ
ス弁１５を全開にする。これにより、主蒸気配管１１内
の蒸気をバイパス配管１４側へ逃がし、主蒸気配管１１
内の主蒸気の圧力を下げる。このとき、この５４０℃程
度の高温の蒸気は、減温器１６において、復水器１７か
らの水(復水ポンプ１９によって供給される)を利用して
２００℃程度に減温されたのち、復水器１７にダンプさ
れる。一方、主蒸気配管１１内の圧力が低下したとき
は、タービンバイパス弁１５を閉じる。このように、タ
ービンバイパス弁１５の開閉を制御することによって、
主蒸気配管１１内の圧力を一定範囲内に保つようにして
いる。

【０００７】復水器１７にダンプされた蒸気は、海水な
どの冷却媒体との間接熱交換によって凝縮され、水に戻
される。復水器１７によって凝縮された水は、復水ポン
プ１９によって低圧給水加熱器２０に供給される。熱交
換器でもある低圧給水加熱器２０には、蒸気タービン１
２の出口に近い側から抽気された蒸気(タービンを回す
仕事によって温度、圧力が低下した蒸気)が供給され、
復水ポンプ１９から送られてきた水を加熱する。ここで
加熱された水はボイラ給水ポンプ２１によって高圧給水
加熱器２２に送られる。高圧給水加熱器２２には、蒸気
タービン１２の入口に近い側から抽気された蒸気(高温
・高圧の蒸気)が供給され、ボイラ給水ポンプ２１から
送られてきた水を更に加熱する。このようにして加熱さ
れた水は、再びボイラ１０へ給水される。このように、
液化された水をボイラに供給する前に、低圧給水加熱器
２０及び高圧給水加熱器２２において加熱することによ
って、熱効率を高めることができる。

【０００８】また、復水器１７によって凝縮された水の
一部は、復水ポンプ１９によって減温器１６に供給さ
れ、バイパス配管１４を通ってきた高温の蒸気を減温す
るのに使われる。

【０００９】このように、バイパス配管とタービンバイ
パス弁を使って主蒸気配管内の圧力を調節する方法の一
例が、特開平３−７９９０１号公報(発明の名称「非常
時のボイラ出力調節方法」)に開示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図３に示し
た従来の発電プラントでは、主蒸気配管１１内の圧力が
高くなりすぎたときは、タービンバイパス弁１５を開く
ことによって圧力調節を行なうが、このとき高温・高圧
でエンタルピーの非常に高い蒸気が主蒸気配管１１から
バイパス配管１４側に流れる。この５４０℃程度の高温
の蒸気は、まったく仕事をせずに、最終的にはすべて復
水器１７によって液化され、３０℃程度の水に戻され
る。このため、エネルギーロスが非常に大きく、熱効率
が悪いという問題があった。また、このように復水器１
７における排熱量が大きいと冷却水として用いる海水の
温度が上昇するが、海水の温度上昇を、環境基準で定め
られた７℃以内に抑えるためには、復水器１７として規
模の大きなものを建設する必要がある。

【００１１】さらに、図３に示した減温器１６は、ター
ビンバイパス弁１５が閉じているときはその入り側の温
度は２００℃程度であるが、タービンバイパス弁１５が
開かれると、この部分の温度は５４０℃程度に急激に上
昇し、タービンバイパス弁１５が閉じられると再び２０
０℃程度に低下する。このような大きな温度変化が繰り
返されると、熱疲労によって減温器１６の寿命が大幅に
縮まるという問題があった。

【００１２】本発明は、このような技術的背景のもとに
なされたものであり、その目的は、エネルギーロスを小
さくして熱を有効に活用することができ、かつ、減温器
の寿命を伸ばすことができる発電システムを提供するこ
とである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、ボイラで得られた主蒸気
を、主蒸気配管を通して蒸気タービンに供給しその回転
エネルギーを発電機にて電力に変換するとともに、当該
発電機の駆動に使われた蒸気を復水器で凝縮する発電シ
ステムであって、タービンバイパス弁を有するバイパス
配管が前記主蒸気配管に接続され、前記タービンバイパ
ス弁によって前記主蒸気配管内の主蒸気の圧力調節が行
われる発電システムにおいて、前記タービンバイパス弁
の下流側に蒸気アキュムレータを設置し、前記タービン
バイパス弁が開かれたときにバイパスされてくる主蒸気
を当該蒸気アキュムレータに供給するとともに、前記復
水器で凝縮された水を前記蒸気アキュムレータに供給し
て前記主蒸気と混合し、前記蒸気アキュムレータから得
られる蒸気を、ボイラに供給される水の加熱に利用する
ことを特徴とする。

【００１４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記蒸気アキュムレータから得られる蒸気
を、さらにプロセス蒸気としても利用する手段を有する
ものである。

【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の発明において、前記蒸気アキュムレータから得られ
る蒸気を、減温器を通したあと前記復水器へ送る経路を
有するものである。

【００１６】請求項４記載の発明は、請求項１、２又は
３記載の発明において、前記ボイラは石炭焚きボイラで
ある。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の一形態に
ついて説明する。図１は、本発明の実施の一形態である
発電プラントを示した図であり、主として蒸気と水の経
路を示している。図２は、図１に示した発電プラントに
おいて主蒸気圧力が一定範囲に収まるよう制御する手順
を示したフローチャートである。なお、図１に示した発
電プラントも、図３のものと同様に石炭焚きボイラを備
えたものであり、図３と同一構成部分には同一符号を付
して、その詳しい説明を省略する。

【００１８】図１の発電プラントには、新たに蒸気アキ
ュムレータ３０が設けられている。この蒸気アキュムレ
ータ３０を設けた目的は、負荷変動率の高い運転状況下
でも主蒸気圧を一定範囲内に維持しながら、図３の従来
の発電プラントでは無駄に排熱していた熱を回収して有
効に利用することにある。

【００１９】タービンバイパス弁１５が開かれると、主
蒸気配管１１内の高温・高圧の蒸気が、バイパス配管１
４、タービンバイパス弁１５を通って蒸気アキュムレー
タ３０へ供給され、ここに蒸気が蓄積される。これによ
って、主蒸気配管１１内の蒸気の圧力調節が行われる。
蒸気アキュムレータ３０にはまた、復水ポンプ１９によ
って、凝縮された３０℃程度の水が供給される。復水ポ
ンプ１９から蒸気アキュムレータ３０につながる配管３
３に設けられた弁３４は、復水ポンプ１９から供給され
る水の量を調節して蒸気アキュムレータ３０の液面の上
下位置(水位)を制御するためのものである。蒸気アキュ
ムレータ３０内では、下層が水からなる液相で、上層が
蒸気から気相となっている。液相の表面水位は、タービ
ンバイパス弁１５を通って供給される蒸気量と復水ポン
プ１９から供給される水の量との熱バランスによって決
まる。

【００２０】蒸気アキュムレータ３０に蓄積された蒸気
は、二つの経路で利用される。一つは、プロセス蒸気１
８として隣接する工場における加温用等として利用する
用途である。図３に示した従来の発電プラントでは、蒸
気タービン１２から抽気した蒸気だけをプロセス蒸気１
８として使用していたが、本実施形態ではこれに加え、
蒸気アキュムレータ３０に蓄積された蒸気もプロセス蒸
気１８として利用する。これにより、蒸気タービン１２
から抽気する蒸気の量を少なく抑えることができ、その
分をタービンの回転に有効に活用することができる。

【００２１】蒸気アキュムレータ３０に蓄積された蒸気
のもう一つの用途は、配管３１、３２を介して行う低圧
給水加熱器２０への供給である。前述のように、低圧給
水加熱器２０及び高圧給水加熱器２２は、蒸気から液化
された水を、再びボイラに供給する前にある程度加熱す
ることによって熱効率を高めることを目的とした装置で
ある。このうち、低圧給水加熱器２０の方に蒸気アキュ
ムレータ３０から蒸気を供給することによって、ここで
水を加熱する作用を高めることができる。このように、
従来は、無駄に捨てられていたバイパス配管を通る蒸気
の熱を、蒸気アキュムレータ３０を設けることによっ
て、有効に活用することができる。

【００２２】さらに、本実施形態の蒸気アキュムレータ
３０は、その元々の機能である、発生する蒸気(蒸気ア
キュムレータ３０に供給される蒸気)と使用される蒸気
(蒸気アキュムレータ３０から引き出される蒸気)のアン
バランスを是正する機能をも備えている。すなわち、タ
ービンバイパス弁１５が開いて多くの主蒸気が蒸気アキ
ュムレータ３０に供給されているが、プロセス蒸気１８
としての要求、あるいは低圧給水加熱器２０からの蒸気
の要求がそれほど多くならないときは、蒸気をアキュム
レータに導入し、蒸気の圧力の上昇を吸収する。逆に、
タービンバイパス弁１５の開きが少なく蒸気アキュムレ
ータ３０に供給される蒸気の量が少ないときは、プロセ
ス蒸気１８及び低圧給水加熱器行配管３２への蒸気量を
減らして、アキュムレータ水位が当該最低水位を下まわ
らないようにする。

【００２３】もっとも、蒸気アキュムレータ３０からの
蒸気をプロセス蒸気１８として、または低圧給水加熱器
２０で用いる蒸気として用いるだけでは熱バランスが合
わない場合があるが、そのような場合は、余った蒸気
は、減温器１６を通して復水器１７へダンプされる。し
かしながら、その量は従来に比べて非常に少ない。この
ため、減温器１６を介して復水器１７に供給される蒸気
の量も少なくなり、冷却水として使われる海水の温度上
昇を低く抑えることができる。

【００２４】また、図３に示した従来の発電プラントで
は、前述のように、タービンバイパス弁１５が開いてい
るかどうかで、その入り側の温度が２００℃程度から５
４０℃程度の間で大きく変動し、このことが熱疲労によ
って減温器１６の寿命を縮める要因となっていた。これ
に対し、図１に示した本実施形態の発電プラントでは、
蒸気アキュムレータ３０に蓄積された蒸気が減温器１６
に供給される。蒸気アキュムレータ３０内の蒸気は飽和
蒸気となっており、圧力は２０kg／cm²程度で、温度は
２００℃〜２５０℃程度となる。したがって、減温器１
６の入り側の温度変動は従来に比べて非常に小さくな
り、そのため減温器１６の寿命を伸ばすことが可能とな
る。

【００２５】次に、図２を参照して、図１に示した本実
施形態の発電プラントにおいて主蒸気圧力を一定範囲に
収める制御の手順について説明する。なお、実際の制御
は、図示しない制御部が行なう。

【００２６】まず、通常の状態では、タービンバイパス
弁１５を閉じた状態で運転している(Step１０)。この状
態で、常時、主蒸気配管１１内の圧力を監視し、主蒸気
の圧力Ｐの上昇分が８kg／cm²を超えていないかどうか
を見ている(Step１１)。そして、圧力Ｐの上昇分が８kg
／cm²を超えていなければ、通常運転を継続する。一
方、圧力Ｐの上昇分が８kg／cm²を超えた場合には、タ
ービンバイパス弁１５を開き、主蒸気を、バイパス配管
１４を通して蒸気アキュムレータ３０へ供給する(Step
１２)。このとき、減温器１６への系統は遮断する。そ
して、復水ポンプ１９を駆動して復水器から得られた水
の蒸気アキュムレータ３０への供給を開始する(Step１
３)。このときの復水ポンプ１９の圧力は２０kg／cm²程
度とする。この復水ポンプからの３０℃前後の水によ
り、蒸気アキュムレータ３０内の水位が当該アキュムレ
ータの最高、最低レベル間に自動的に調整される。

【００２７】この状態で、主蒸気圧力が下がっていなけ
れば、タービンバイパス弁１５を開いた状態を継続する
が、一方で、タービンバイパス弁１５が開いているかど
うかを監視する(Step１４)。タービンバイパス弁１５が
閉じていれば、Step１０に戻る。そして、タービンバイ
パス弁１５が開いた状態のときは、蒸気アキュムレータ
３０内の圧力が所定の圧力(運転可能な最大圧力)以上に
なったかどうかを見る(Step１５)。このたとき、所定の
圧力以上になっていなければ、再びStep１４に戻る。一
方、所定の圧力以上になった場合には、減温器１６を通
る系統を開くとともに、プロセス蒸気１８としての供給
及び低圧給水加熱器２０への蒸気の供給を停止する(Ste
p１６)。そして、その結果、蒸気アキュムレータ３０内
の圧力が、上記所定の圧力以下になったかどうかを見て
(Step１７)、上記所定の圧力以下になった場合には、減
温器１６の系統を遮断し、低圧給水加熱器２０への蒸気
の供給を再開する(Step１８)。一方、上記所定の圧力以
下になっていない場合には、Step１４に戻る。

【００２８】本実施形態の発電プラントは、以上のよう
にして、主蒸気配管１１内の主蒸気の圧力を一定の範囲
内に保つ。しかも、タービンバイパス弁１５を通して逃
がした主蒸気のほとんどは蒸気アキュムレータ３０に蓄
積され、その熱が有効に利用されるので、熱効率が向上
する。

【００２９】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、その要旨の範囲内で種々の変更が可能で
あり、それらも本発明の技術的範囲に含まれる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
タービンバイパス弁の下流側に蒸気アキュムレータを設
置し、タービンバイパス弁が開かれたときにバイパスさ
れてくる主蒸気を当該蒸気アキュムレータに供給し、こ
れをボイラに供給される水の加熱に利用するようにした
ことによって、従来は、そのまま復水器に供給されてそ
の熱が無駄に排熱されていた主蒸気の熱を有効に活用す
ることができるので、熱効率が向上する。また、従来
は、タービンバイパス弁が開かれたときにバイパスされ
てくる主蒸気が直接減温器で減温されていたので、減熱
器の温度変化が激しく、熱疲労のために減温器の寿命が
短かかったが、本発明では、蒸気アキュムレータで温度
が下げられてから減温器に供給されるので、減温器の熱
疲労が少なく、減温器を長寿命化することができる。

【００３１】さらに、蒸気アキュムレータから得られる
蒸気を、プロセス蒸気としても利用するようにしたこと
により、蒸気をより有効に活用することができる。ま
た、蒸気アキュムレータから得られる蒸気を、減温器を
通したあと前記復水器へ送る経路を設けることにより、
熱バランスが合わない緊急時には、従来と同様に減温器
で減温し、復水器で液化して、緊急時に備えることがで
きる。

【００３２】以上のように、熱を有効に利用し、かつ、
主蒸気配管内の主蒸気の圧力変化を一定の範囲内に収め
ることができるので、本発明は、石炭焚きボイラのよう
に負荷追従性の低いボイラを備えた発電システムにも好
適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態である発電プラントの、
主として蒸気と水の経路を示した図である。

【図２】図１に示した発電プラントにおいて主蒸気圧力
が一定範囲に収まるよう制御する方法の手順を示したフ
ローチャートである。

【図３】従来の発電プラントの、主として蒸気と水の経
路を示した図である。

【符号の説明】

１０ボイラ１１主蒸気配管１２蒸気タービン１３発電機１４バイパス配管１５タービンバイパス弁１６減温器１７復水器１８プロセス蒸気１９復水ポンプ２０低圧給水加熱器２１ボイラ給水ポンプ２２高圧給水加熱器３０蒸気アキュムレータ３１，３２，３３配管３４弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ボイラで得られた主蒸気を、主蒸気配管
を通して蒸気タービンに供給しその回転エネルギーを発
電機にて電力に変換するとともに、当該発電機の駆動に
使われた蒸気を復水器で凝縮する発電システムであっ
て、タービンバイパス弁を有するバイパス配管が前記主
蒸気配管に接続され、前記タービンバイパス弁によって
前記主蒸気配管内の主蒸気の圧力調節が行われる発電シ
ステムにおいて、前記タービンバイパス弁の下流側に蒸気アキュムレータ
を設置し、前記タービンバイパス弁が開かれたときにバ
イパスされてくる主蒸気を当該蒸気アキュムレータに供
給するとともに、前記復水器で凝縮された水を前記蒸気
アキュムレータに供給して前記主蒸気と混合し、前記蒸
気アキュムレータから得られる蒸気を、ボイラに供給さ
れる水の加熱に利用することを特徴とする発電システ
ム。
【請求項２】前記蒸気アキュムレータから得られる蒸
気を、さらにプロセス蒸気としても利用する手段を有す
る請求項１記載の発電システム。
【請求項３】前記蒸気アキュムレータから得られる蒸
気を、減温器を通したあと前記復水器へ送る経路を有す
る請求項１又は２記載の発電システム。
【請求項４】前記ボイラは石炭焚きボイラである請求
項１、２又は３記載の発電システム。