JP2002250271A

JP2002250271A - 地熱発電用蒸気タービンのスケール付着監視システム

Info

Publication number: JP2002250271A
Application number: JP2001048366A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Tanioka; 正義谷岡
Original assignee: Toshiba Engineering Corp
Current assignee: Toshiba Engineering Corp
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-09-06

Abstract

(57)【要約】【課題】地熱発電プラントにおける蒸気タービンの運転
中の監視強化を図る。【解決手段】地下から噴出する天然蒸気を蒸気タービン
に導いて運転する地熱発電用蒸気タービンにおいて、タ
ービンノズル１３のノズル板２０へのスケール・噴出物
の付着量の増加に伴ってノズル出口圧力が経時的に低下
してタービン出力が低下することを、タービン運転中に
監視するスケール監視システム。監視要素として、予め
ノズルの前後圧力差とそのノズル板へのスケール・噴出
物の付着進捗度との関係に基づいて警報値又はトリップ
値を設定しておき、この警報値又はトリップ値を基準と
して蒸気タービン運転中におけるノズル板へのスケール
・噴出物の付着を監視し、かつ対応する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は地熱発電用蒸気ター
ビンのスケール付着監視システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】地熱発電は近年の環境問題への対応か
ら、クリーンエネルギーとしてその重要性が再認識され
つつあり、今後とも世界的に開発の促進が期待されてい
る。

【０００３】一方、その開発は地質調査、地震探査、テ
ストポーリングなどを始めとする基礎的な調査から本格
的蒸気・熱水生産井のボーリング、発電プラントの建設
に至るまでに多大な年月と費用が必要とされ、容易なも
のではない。さらに、開発地点の包蔵する地熱エネルギ
ー量から、単機出力容量も自ずから限界があり、現時点
において我が国では６５ＭＷ、世界的にも１１０ＭＷが
最大容量機となっている。このような背景から、地熱発
電プラントの発電コストは火力・原子力発電と比べて割
高なものとなっており、発電コストの引き下げを図るべ
く極力稼働率、出力を高く保つことが要請されている。

【０００４】また、地熱発電設備は地熱特有の諸問題に
対処することも要請されている。具体的には「使用材料
の腐食（コロージョン）」や「応力腐食割れ」、「ドレ
ンアタックエロージョン」、あるいは「蒸気タービン羽
根・ノズル等の蒸気通路部へのスケール付着、蒸気・熱
水生産井からの噴出物の蒸気タービンヘの流入」などで
ある。

【０００５】周知の通り、地熱発電プラントは地下から
噴出する天然蒸気をセパレータ（気水分離器）経由にて
そのまま蒸気タービンに導き運転する蒸気卓越型プラン
トと、熱水と蒸気の混合流体をセパレータにて蒸気と熱
水に分離して蒸気のみを蒸気タービンに導き運転する熱
水卓越型プラントがある。熱水卓越型プラントには、気
水分離器で単純に蒸気と熱水に分離して蒸気のみをター
ビンに導き発電するシングルフラッシュタイプと、セパ
レータにて分離した蒸気をタービンに導く他に、分離し
た熱水をさらにフラッシャー（減圧器）に導き、そのフ
ラッシュ蒸気についてもタービンに導き発電を行うダブ
ルフラッシュタイプとがある。

【０００６】いずれの地熱発電プラントにおいても蒸気
中には多量のガス（通常、炭酸ガスが殆どであるが硫化
水素、塩素などの強い腐食性を持つガスもある）や、ス
ケール付着成分（炭酸カルシュウムＣａＣＯ_３、シリカ
ＳｉＯ_２などの不純物）が溶融しており、さらに地殻か
らの固形物（土砂や小さな岩石など）なども含まれてい
る。また、蒸気タービン入口の蒸気条件も湿り度１％前
後、圧力０．３５〜０．６ＭＰａ、温度１５０〜１６５
℃程度と過熱度の少ない殆ど飽和に近いものとなってい
る。

【０００７】このため地熱発電用蒸気タービンはこれら
の厳しい運転環境に配慮して、通常、腐食（コロージョ
ン）・エロージョン、応力腐食割れ等に強い使用材料の
選定や、羽根・ノズル等の機器構造上の配慮（例えば応
力腐食割れを防止するためにシャープなエッジ構造部分
をなくす等）あるいはドレンアタック防止構造の採用
（例えば蒸気通路部の外壁にドレンキャッチャーを取り
付ける）等の設計上の考慮がなされている。

【０００８】しかしながら、運転中のノズル、羽根への
スケールの付着に関しては、スケールが付着した時の設
計上の強度的な考慮は行われてはいるが、避けることが
できない地熱特有の現象となっておりプラント運用上の
基本的な要件として監視・対応方法の改善が望まれてい
る。

【０００９】即ち、スケールの付着は地熱蒸気タービン
の宿命ともいうべき特徴の一つであるが、運転中は、蒸
気タービンに導かれた地熱蒸気が各段落で仕事を行う過
程で蒸気圧力、温度が次第に低下し、これに伴い蒸気中
に溶融していたスケール付着成分（ＣａＣＯ_３、ＳｉＯ
_２など）が析出して、ノズル・羽根等に付着するもので
あり、避け難い現象である。このスケール付着量は通
常、運転時間の経過と共に次第に増加して行く。そして
一般的にはこのスケール付着量は運転時間と略比例して
増加するケースが多い。しかしながら天然蒸気による運
転であることから蒸気タービン入口の蒸気条件（流量、
圧力、温度）も変動しているため、必ずしもこれに当て
はまらない。

【００１０】ノズルヘのスケールの付着量が増加すると
ノズルスロート部の面積が狭まり、計画蒸気流量が確保
できなくなることからタービンの出力は低下する。さら
にノズル・羽根に極端なスケールの付着が発生すると、
静止部（ノズル）と回転部（羽根）とが接触して所謂ラ
ビング現象を発生させる場合がある。このラビング現象
は承知の通り蒸気タービンに大振動の発生をもたらし、
運転の継続が困難となるものである。

【００１１】また、スケールの付着に伴う翼前後の圧力
差（差圧）の増加は翼応力の増加をもたらし、翼折損等
の重大事故に発展する場合もあるので、多量のスケール
の付着は好ましくない。

【００１２】従来、蒸気タービンの羽根、ノズルヘのス
ケール付着監視については特段の考慮はなされていな
い。運転員が時々各段落の圧力変動や発電機の出力低下
状況を指示計で確認する程度である。一般的には、ある
運転時間の経過を以って（運転間隔で）、スケールが多
量に付着したものと類推してタービンを停止し、予備ロ
ータ・ノズルヘの交換作業、または運転機のホーニング
装置によるスケール落とし、あるいはハンマー・タガネ
を用いた手作業によるスケール落とし作業を行ってい
る。

【００１３】また、地熱発電用蒸気・熱水は一般に、地
下に多孔質の地層の割れ目（フラクチャー）などがあっ
て熱水の貯留層があり、かつ地層付近でそれを閉じ込め
る役目をなすキャップロック地層のある地熱地帯にボー
リングして、蒸気・熱水を取り出している事も知られて
いる。

【００１４】蒸気・熱水の生産井は通常、地下５００〜
２０００ｍ程度の深さまで掘削して、例えば先端部は６
インチ程度のスリットを有するケーシングパイプを挿入
して蒸気・熱水を取り出せるようにし、その上部には
８、１１、１６インチのケーシングパイプを接続して、
その周りをセメントグラウトで固定する構造が採用され
ている。

【００１５】このセメントグラウトは地熱地帯特有のフ
ラクチャーを有する地質構造によって、希ではあるが時
折地層内に流出する。流出したセメントグラウトは、そ
のまま地層内に逸出するケースと、ケーシングパイプの
蒸気・熱水取り入れ部のスリットを通りセパレータ経由
で蒸気タービンに持ち込まれるケースとがある。蒸気タ
ービンに持ち込まれるケースは、地熱発電特有の突発的
トラブルの発生と位置づけることができるが、セパレー
タ、蒸気溜では容量的に処理しきれない噴出物の噴出を
見るケースがあり、それがそのまま蒸気タービンに持ち
込まれることがある。

【００１６】蒸気タービンにセメントグラウト等の噴出
物が持ち込まれた場合には比較的短時間でノズル、羽根
に付着・堆積して、極端な場合にはノズルスロート部の
閉塞やノズル・羽根間の間隙を塞ぐような状態となる。
このような状態になるとセメントグラウト等の噴出物が
回転する羽根に接触して、羽根に急激にブレーキを掛け
るような格好となり、羽根に掛かるブレーキカ（応力）
によって羽根が変形したり、レーシングワイヤ、シュラ
ウド等の回転構造物が飛散・変形したり、さらにはこれ
に伴うノズル板の損傷等の大事故に発展する。

【００１７】このようなケースでは初段ノズル前・後の
圧力差（差圧）は比較的短時間で上昇することとなる
が、運転員が常に圧力指示計の監視を行っている訳では
なく、見落とされることが往々にしてある。最終的な蒸
気タービンの保護は、回転部と静止部のへビィラビング
による振動大によって運転員のタービントリップ操作あ
るいは振動大インターロック保護装置によるトリップ動
作により行われることとなるが、タービンに大きな損傷
が発生してからの対応となり、１ステップ遅れた対応と
いうことができる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上述した通り、現状に
おける地熱発電プラントは、蒸気タービンの羽根・ノズ
ルヘのスケール付着については、運転継続時間（運転間
隔）からスケール付着量を予測して対応を図ること、ま
た通常運転中は運転員による間欠的な圧力指示計や発電
機出力指示計などを確認する監視方法がとられているこ
とから、通常運転中のスケール付着によるラビング振動
の発生と機器損傷に発展する可能性を有した状況にある
ことが判る。さらには蒸気・熱水生産井側で突発的に発
生するセメントグラウト等、地中からの噴出物の蒸気タ
ービンヘの流入についての監視も略無防備状態に近いと
言え、蒸気タービンの重大事故への発展が懸念されると
ころである。

【００１９】本発明はかかる従来技術の不具合を解決す
べくなされたものであり、地熱発電用蒸気タービンの通
常運転中の監視の強化を図り、機器へのスケール付着状
況あるいは地中からの噴出物付着状況から、ラビング・
損傷のトラブルに発展することが予測される状況に至っ
た時に警報を発報して、運転員に知らしめ、蒸気タービ
ンの速やかな停止とそれに引き続く予備ロータ・ノズル
ヘの交換作業、あるいは運転機の羽根・ノズル等に付着
したスケール・噴出物除去作業の実施を促す監視システ
ムの提供を行うものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１に係る発明では、地下から噴出する天然
蒸気を蒸気タービンに導いて運転する地熱発電用蒸気タ
ービンにおいて、タービンノズルのノズル板へのスケー
ル・噴出物の付着量の増加に伴ってノズル出口圧力が経
時的に低下してタービン出力が低下することを、タービ
ン運転中に監視するスケール監視システムであって、当
該監視要素として、予め前記ノズルの前後圧力差とその
ノズル板へのスケール・噴出物の付着進捗度との関係に
基づいて警報値又はトリップ値を設定しておき、この警
報値又はトリップ値を基準として蒸気タービン運転中に
おけるノズル板へのスケール・噴出物の付着を監視し、
かつ対応することを特徴とする地熱発電用蒸気タービン
のスケール付着監視システムを提供する。

【００２１】請求項２に係る発明では、地下から噴出す
る天然蒸気を蒸気タービンに導いて運転する地熱発電用
蒸気タービンにおいて、タービンノズルのノズル板への
スケール・噴出物の付着量の増加に伴ってノズル出口圧
力が経時的に低下してタービン出力が低下することを、
タービン運転中に監視するスケール監視システムであっ
て、当該監視要素として、予め前記ノズルの前後圧力差
が一定時間内に高まった場合にノズル板へのスケール・
噴出物の付着による異常状態発生として報知するための
警報値又はトリップ値を設定しておき、この警報値又は
トリップ値を基準として蒸気タービン運転中におけるノ
ズル板へのスケール・噴出物の付着を監視し、かつ対応
することを特徴とする地熱発電用蒸気タービンのスケー
ル付着監視システムを提供する。

【００２２】請求項３に係る発明では、地下から噴出す
る天然蒸気を蒸気タービンに導いて運転する地熱発電用
蒸気タービンにおいて、タービンノズルのノズル板への
スケール・噴出物の付着量の増加に伴ってノズル出口圧
力が経時的に低下してタービン出力が低下することを、
タービン運転中に監視するスケール監視システムであっ
て、当該監視要素として、予め前記ノズルの前後圧力差
とそのノズル板へのスケール・噴出物の付着進捗度との
関係に基づいて警報値またはトリップ値を設定するとと
もに、前記ノズルの前後圧力差が一定時間内に高まった
場合にノズル板へのスケール・噴出物の付着による異常
状態発生として報知するための警報値又はトリップ値を
設定しておき、これらの警報値またはトリップ値を基準
として蒸気タービン運転中におけるノズル板へのスケー
ル・噴出物の付着を監視し、かつ対応することを特徴と
する地熱発電用蒸気タービンのスケール付着監視システ
ムを提供する。

【００２３】請求項４に係る発明では、請求項１から３
までのいずれかに記載の地熱発電用蒸気タービンのスケ
ール付着監視システムにおいて、タービン運転中におけ
るタービン損傷及び内部効率低下を監視し、かつ対応す
る手段は、視覚的警報手段、聴覚的警報手段、運転制御
手段の少なくともいずれかであることを特徴とする地熱
発電用蒸気タービンのスケール付着監視システムを提供
する。

【００２４】請求項５に係る発明では、請求項１から４
までのいずれかに記載の地熱発電用蒸気タービンのスケ
ール付着監視システムにおける監視要素、警報値、トリ
ップ値それらの図形処理データ、タービン運転中におけ
るタービン損傷及び内部効率低下を監視し、かつ対応す
る手段への指令データを格納したことを特徴とするフロ
ッピーディスク、光ディスクその他の記憶装置を提供す
る。

【００２５】本発明に係る地熱発電用蒸気タービンのス
ケール付着監視システムの提供によって、地熱発電プラ
ントの稼働率向上に寄与できると共に、蒸気タービンの
重大事故の発生を未然に防止してプラントの安定的な運
転が可能となる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に従って詳細に説明する。

【００２７】図１は代表的な地熱発電用蒸気タービンの
組立断面図である。なお、本組立断面図は蒸気卓越型プ
ラントにおける（２０ＭＷ級の）蒸気タービンの例であ
り、４段落構成となっているが、本発明による実施形態
はタービンの形式に限定されることなく、あらゆる形式
においても適用することができる。

【００２８】図１に示すように、本実施形態の蒸気ター
ビン１においてはケーシング２内に設けられたタービン
ロータ３が第１軸受４および第２軸受５によって支持さ
れている。そして、蒸気供給側に設けられた図示しない
主蒸気止め弁、蒸気加減弁を経た主蒸気ａは、主蒸気管
６からタービン下部２ケ所のタービン入口７より高圧蒸
気室８に流入する。高圧蒸気室８はタービン上下全周に
リング形状となっており、この高圧蒸気室８の後流側に
はノズルリングとノズル板とで構成する初段ノズル９が
設置されている。この初段ノズル９のノズル板はタービ
ンロータ３の初段動翼１０の回転平面に対して規定角度
（１５〜２５度程度）が得られるよう配列されており、
初段動翼１０に主蒸気ａを噴射して速度エネルギを与え
ている。

【００２９】このような地熱発電用蒸気タービン１にお
いて、本実施形態では基本的に、初段ノズル９のノズル
板へのスケール・噴出物の付着量の増加に伴ってノズル
出口圧力が経時的に低下してタービン出力が低下するこ
とを、タービン運転中に監視できるようにしたものであ
る。即ち、監視要素として、予め初段ノズル９の前後圧
力差とそのノズル板へのスケール・噴出物の付着進捗度
との関係に基づいて警報値またはトリップ値を設定する
とともに、初段ノズル９の前後圧力差が一定時間内に高
まった場合にノズル板へのスケール・噴出物の付着によ
る異常状態発生として報知するための警報値又はトリッ
プ値を設定しておき、これらの警報値またはトリップ値
を基準として蒸気タービン１の運転中におけるノズル板
へのスケール・噴出物の付着を監視し、かつ対応するも
のである。

【００３０】具体的に説明すると、本実施形態に用いる
初段ノズル前・後圧力については、タービン入口７の高
圧蒸気室８の圧力を初段ノズル前圧力とし、ノズル板出
口後の蒸気圧力（即ち初段動翼１０前の蒸気圧力）を初
段ノズル後圧力としている。

【００３１】そして、これらの初段ノズル前・後圧力を
検出するためにケーシング２に、新たに初段ノズル前圧
力検出管１１と初段ノズル後圧力検出管１２とが付設さ
れている。なお、これらに類する検出管が指示計器用と
して既に設置されているプラントにおいては、その検出
座を共用し分岐検出配管を新たに設置して、本監視シス
テム用としての検出装置を新規に設置することは可能で
ある。また圧力検出器が設置されている場合には、圧力
検出器の出力信号を本監視システム用として分岐・使用
することも可能である。

【００３２】図２（ａ）〜（ｃ）はノズル１３の構造説
明図および流入スケールのノズル板への付着状態説明図
である。

【００３３】図２（ａ）は４段ノズルを例示している。
この図２（ａ）に示すように、ノズル１３は下半ノズル
１４と上半ノズル１５とからなり、第１段ノズル（初段
ノズル）９に続いて第２，第３，第４ノズル１６，１
７，１８と並んでいる。これら各段のノズルは初段ノズ
ル９に代表的に符号を付したように、ノズルリング１９
とノズル板２０とで構成される。

【００３４】図２（ｂ）はノズル板２０の拡大図であ
り、図２（ｃ）はノズル板２０のノズルスロート部説明
図である。ノズルスロート部とは、ノズル蒸気通路部の
うちで最も狭い部分をいい、図２（ｃ）に斜線で示した
部分をスロート面積と称する。

【００３５】蒸気タービン運転中のノズル板２０へのス
ケールの付着は通常、ノズル板２０の背・腹側に全面的
に付着することが多く、各段落とも共通的に付着する。
特に温度低下の著しい段落においてスケールが多量に付
着する傾向が見られる。

【００３６】スケール付着量は一般的には運転時間と略
比例して増加する傾向が多いが、地熱蒸気・熱水の噴出
状態（流量、圧力、温度）は変動しており、必ずしも比
例しない。スケール付着量の増加につれてノズルスロー
ト面積も次第に狭まり、これにより計画蒸気流量が流せ
なくなることから、タービンの出力は低下する。

【００３７】ノズル板２０へのスケールの付着と共に下
流側の動翼についてもスケールが付着するが、スケール
の付着量が多量となると、極端なケースではノズル１３
と動翼（羽根）、即ち静止部と回転部が接触して所謂ラ
ビング現象を発生させる。本現象は蒸気タービン１に大
振動の発生をもたらし、場合によっては動翼他の損傷等
を招くことがある。従ってこの様な状態に至った時に
は、直ちに蒸気タービン１を停止させねばならない。

【００３８】ノズル板２０へのスケール付着量の増加に
つれてノズルスロート面積が次第に狭まる。これによっ
て運転中のノズル出口圧力も次第に低下する。この間ノ
ズル入口圧力は殆ど変化しない。即ちこの状態変化とし
てはノズル前・後圧力差（差圧）が次第に拡大して上昇
することとなる。本発明はこのような経時的な状態変化
を捕えることに着目した監視システムの提供を行い不測
のトラブルを未然に防止し、蒸気タービンの安全な運転
に寄与するものである。

【００３９】蒸気・熱水生産井側で突発的に発生するセ
メントグラウト等の噴出物が蒸気タービン１に持ち込ま
れた場合には、ノズルスロート部を比較的短時間で閉塞
させる。またノズルスロート部を通過してノズル下流側
の動翼との間隙を閉塞させる場合もある。このようなケ
ースではノズル前・後圧力差（差圧）は急速に拡大・上
昇し、その状態で運転を継続した場合には前述して説明
した通り、機器の損傷を伴う大事故に発展する。

【００４０】本実施形態では、このような短期的な状態
変化を捕らえることに着目した監視システムの提供を行
い、不測のトラブルを未然に防止して蒸気タービンの安
全な運転に寄与するものである。

【００４１】図３は「初段ノズルスケール・噴出物付着
状況監視カーブ」を示すものであり、これが本発明に適
用し、地熱発電用蒸気タービンのスケール付着監視シス
テムにソフトウエアとして制作し、入力するものであ
る。監視カーブは２種類あり、双方についてソフトウエ
アとして制作して入力する。

【００４２】図３（ａ）は「初段ノズル前・後圧力差
（差圧）−初段ノズルスケール・噴出物付着進捗度監視
カーブ」を示している。このカーブは、蒸気タービンの
運転に伴う初段ノズルヘのスケールおよび噴出物の付着
状態を監視することを目的としたものである。この図３
（ａ）のタテ軸は「初段ノズル前・後圧力差（差圧）；
（Ｋｐａ）」を示し、上方向が高く、下方向が低い。ヨ
コ軸は「初段ノズルスケール・噴出物付着進捗度；
（％）」であり、右方向が「スケール・噴出物の付着量
大」を示す。

【００４３】監視カーブでは各運転負荷（１００％、７
５％、５０％、２５％）毎に「初段ノズルスケール・噴
出物付着進捗度」に対応する「初段ノズル前後圧力差
（差圧）」の関係を設定しており、それぞれの運転負荷
毎に「正常点；ＮＯ」、「警報点；ＡＬ」、「トリップ
点；ＴＲ」を設定する。

【００４４】例えば、１００％運転負荷においては、
「スケール・噴出物付着進捗度」が０％の状態にある
「初段ノズル前・後圧力差（差圧）ＮＯ１」を「正常点
ＮＯ」とする。初段ノズル９ヘのスケール・噴出物の付
着が進捗して、「スケール・噴出物付着進捗度」がＸ％
に相当するＡ点を「警報点」とし、この点の「初段ノズ
ル前・後圧力差（差圧）Ａ１」を「警報設定値」として
警報を発報して運転員に異常を知らしめる。この「警報
設定値」の設定は例えばタービンの出力が異常に低下す
るスケール・噴出物の付着量における「初段ノズル前・
後圧力差（差圧）」として定めることができる。

【００４５】ノズルヘのスケール・噴出物の付着がさら
に進捗して、「スケール・噴出物付着進捗度」がＹ％に
相当するＢ点を「トリップ点」とし、この点の「初段ノ
ズル前・後圧力差（差圧）Ｔ１」を「トリップ警報設定
値」として警報を発報して運転員に異常を知らしめ、タ
ービンを速やかに停止・開放・点検して予備ロータ・ノ
ズルヘの交換作業、あるいは運転機の羽根・ノズル等に
付着したスケール・噴出物の除去作業を行うことを促
す。

【００４６】この「トリップ警報設定値」の設定は例え
ばラビング振動を発生させる恐れのあるスケール・噴出
物の付着量に若干余裕を持たせたスケール・噴出物の付
着量における「初段ノズル前・後圧力差（差圧）」とし
て定めることができる。

【００４７】同様に他運転負荷についても、「正常点；
ＮＯ」、「警報点；ＡＬ」、「トリップ点：ＴＲ」の設
定を行う。７５％、５０％負荷についての記載は省略し
ているが２５％負荷では「スケール・噴出物付着進捗
度」が０％；「正常点」はＮＯ４の「初段ノズル前・後
圧力差（差圧）」とする。ノズルヘのスケール・噴出物
の付着が進捗して、「スケール・噴出物付着進捗度」が
Ｘ％に相当するＧ点を「警報点」とし、この点の「初段
ノズル前・後圧力差（差圧）Ａ４」を「警報設定値」と
して警報を発報して運転員に異常を知らしめる。

【００４８】初段ノズル９ヘのスケール・噴出物の付着
がさらに進捗して、「スケール・噴出物付着進捗度」が
Ｙ％に相当するＨ点を「トリップ点」とし、この点に相
当する「初段ノズル前・後圧力差（差圧）Ｔ４」を「ト
リップ警報設定値」として警報を発報して運転員に異常
を知らしめ、タービンを速やかに停止・開放・点検して
引き続く作業を実施することを促すこととしている。

【００４９】図３（ｂ）は「初段ノズル前・後圧力差
（差圧）変化量監視カーブ」を示している。このカーブ
は、主に蒸気・熱水生産井側で突発的に発生するセメン
トグラウト等の噴出物が蒸気タービンに持ち込まれたこ
とを早期に検知する目的で設置するものである。この図
３（ｂ）のタテ軸は「初段ノズル前・後圧力差（差
圧）；Ｋｐａ」を示し、上方向が高く、下方向が低い。
ヨコ軸は「時間；Ｓｅｃ」である。即ち、単位時間当た
りの「初段ノズル前後圧力（差圧）の変化量」を監視す
るものであり、「Ｋｐａ／Ｓｅｃ」にて監視を行い、異
常事態の早期検出を行う。１００％、７５％、５０％、
２５％の各運転負荷毎に本監視カーブを設け、それぞれ
の各運転負荷において「初段ノズル前・後圧力差（差
圧）」の「正常点；Ｎ」、単位時間当たりにノズルに噴
出物が付着して「警報点；ＰＡＮ１〜ＰＡＮ４」に至っ
た時の「初段ノズル前・後圧力差（差圧）Ｑ１〜Ｑ４」
を警報設定値、単位時間当りにノズルに噴出物が付着し
て「トリップ点；ＰＴＲ１〜ＰＴＲ４」に至った時の初
段「ノズル前・後圧力差（差圧）Ｒ１〜Ｒ４」を「トリ
ップ警報設定値」として設定する。

【００５０】なお、各運転負荷における「初段ノズル前
・後圧力差（差圧）」の「正常点：Ｎ」は、定常の運転
中におけるスケールの付着を考慮して基本的に「初段ノ
ズル前・後圧力差（差圧）」の急激な変化が発生する前
の現在運転負荷における「運転値」として設定する。即
ち現在の「運転圧力差（初段ノズル前・後圧力差（差
圧））」をベース値として単位時間当たりの「初段ノズ
ル前・後圧力差（差圧）」の変化量を監視するものであ
る。

【００５１】前述した通り、蒸気・熱水生産井側で突発
的に発生するセメントグラウト等の噴出物が蒸気タービ
ン１に持ち込まれると、ノズルスロート部を比較的短時
聞で閉塞させるため、「初段ノズル前・後圧力差（差
圧）」は急速に上昇する。このような状態の変化は図３
（ａ）で説明した「初段ノズル前・後圧力差（差圧）−
初段ノズルスケール・噴出物付着進捗度監視カーブ」で
も捕えることは可能であるが、突発的に発生する緊急事
態を短時間で早期に把握することが可能な本監視カーブ
を設置することによって検出精度の向上を図るものであ
る。

【００５２】なお、図３（ａ），（ｂ）の説明におい
て、「警報点・トリップ点」を設定して警報を発報する
運転負荷の区分を便宜的に１００％、７５％、５０％、
２５％としているが、運転負荷の区分は任意に行うこと
ができ、かつ区分した運転負荷の中間におけるそれぞれ
の負荷における警報を発報する設定値は、便宜的に区分
した各運転負荷における設定値の延長線上に設定される
ことになることは言うまでもない。

【００５３】図４は蒸気卓越型の代表的な地熱発電所の
系統図である。

【００５４】タービンサイクルは復水を回収してボイラ
に戻す必要がないため、蒸気消費量の少ない単純復水サ
イクルとなっている。

【００５５】蒸気生産井（孔口）２１を出た蒸気は生産
井近傍に設置された孔口スチームセパレータ２２におい
て熱水・湿分の分離、除去が行われる。この孔口セパレ
ータ２２以降で点検・修理などを行う場合にはサイレン
サ入口弁２４−１を開いて蒸気生産井出口止め弁２３を
閉鎖し、サイレンサ２４−２より大気中に蒸気を全量放
出する。各蒸気生産井２１からの噴気蒸気は発電所近傍
に設置される蒸気溜２５に集められる。蒸気溜２５には
タービントリップ等の緊急時に蒸気管系の異常な圧力上
昇を防止するためバネ式逃し弁２６、電動逃し弁２７が
設置されている。通常、電動逃し弁２７がプラント起動
・停止用として使用され、バネ式逃し弁２６は圧力逃し
のための最終的なバックアップ用として機能する。

【００５６】蒸気溜２５を出た蒸気はタービン前スチー
ムセパレータ２８において湿分の分離が行われる。湿り
度は通常、このタービン前スチームセパレータ２８の入
口で７〜８％、出口で１％程度となっている。

【００５７】タービン前スチームセパレータ２８の出口
蒸気は主蒸気管２９により主蒸気止め弁３０、蒸気加減
弁３１を経由して蒸気タービン１に導かれ、蒸気タービ
ン１を回転し、直結する発電機３３にて機械エネルギを
電気エネルギに変換する。

【００５８】蒸気タービン１にて仕事をした蒸気（排
気）は直接接触式復水器３４において冷却水３５ａによ
り冷却され、封水槽３５、温水ポンプ槽３６、揚水ポン
プ３７経由にて冷却塔３８に戻される。冷却塔３８にて
冷却された冷却水は冷却水ポンプ３９にて汲み上げら
れ、再度直接接触式復水器３４を始めとする冷却水の必
要なサイクル内の機器、油冷却器４０、空気冷却器４
１、第１段エゼクタ用クーラ４２、第２段エゼクタ用ク
ーラ４３などに供給される。冷却水３５が不足する場合
は河川水４４をメイクアップ水として使用する。また冷
却塔３８の余剰水はオーバフロー４５としてサイクル外
に排出される。

【００５９】なお、蒸気タービン１の排気圧力は直接接
触式復水器３４に接続する第１段エゼクタ４６、第２段
エゼクタ４７により確保され、この作動蒸気は主蒸気管
２９より分岐した主蒸気によっている。呼び水エゼクタ
４８Ａ、４８Ｂは揚水ポンプ３７、冷却水ポンプ３９の
起動用として設置されており、この作動蒸気も主蒸気管
２９より分岐した主蒸気が使用されている。スチームシ
ール用エゼクタ４９の作動蒸気も主蒸気となっている。

【００６０】図５は地熱発電用蒸気タービンのスケール
付着監視システムを示す系統構成図である。以下その構
成、機能について説明する。

【００６１】本システムは図４にて説明した蒸気卓越型
の代表的な地熱発電所並びに図示していない熱水卓越型
の地熱発電所に設置して蒸気タービンの運転中の監視装
置として使用する。

【００６２】蒸気タービン１には初段ノズル前圧力を検
出する圧力検出器５０（ＰＸ−１）および初段ノズル後
圧力を検出する圧力検出器５１（ＰＸ−２）を設置す
る。この圧力検出器５０、５１の出力信号５０−１、５
１−１は電子計算機などで構成する地熱発電用蒸気ター
ビンのスケール付着監視装置５２に入力せしめる。

【００６３】一方、このスケール付着監視装置５２には
図３（ａ）に示した「初段ノズル前・後圧力差（差圧）
−初段ノズルスケール・噴出物付着進捗度監視カーブ」
および図（ｂ）に示した「初段ノズル前・後圧力差（差
圧）変化量監視カーブ」並びにそれぞれのカーブにおい
て警報を発報する「警報設定値」、「トリップ設定値」
を予めソフトウエアとして制作して入力せしめる。

【００６４】このスケール付着監視装置５２では制作し
入力せしめた前記監視カーブソフトウエア（警報設定
値、トリップ設定値を含む）によって次の機能１，２を
実行する。

【００６５】（機能１）プラント状態信号、即ちスケー
ル付着監視装置５２に入力している「初段ノズル前・後
圧力信号５０−１、５１−１」に応動して前記２種類の
それぞれの監視カーブを作成する。そして作成したそれ
ぞれの監視カーブを制御盤あるいはオペレータデスク等
５４に設置された監視表示装置５５、５６に表示すべ
く、画面表示用信号５３−１、５３−２の出力を行い監
視カーブを表示する。一応、監視表示装置５５には画面
表示信号５３−１により図３（ａ）の監視カーブを、ま
た監視表示装置５６には画面表示信号５３−２により図
３（ｂ）の監視カーブを表示させることとしているが、
表示装置への画面表示信号は任意に入れ替えることが可
能であることは言うまでもない。

【００６６】（機能２）加えて、前記２種類の監視カー
ブのソフトウエアにおいて各々設定されている「警報設
定値」、「トリップ設定値」によって、入力しているプ
ラント状態信号５０−１、５１−１がその警報設定値状
態およびトリップ設定値状態に至った時には、それを判
断して監視表示装置５５、５６および警報表示装置５
７、５８に警報表示信号５３Ａ−１、５３−Ａ２および
トリップ警報信号５３Ｂ−１、５３−Ｂ２の出力を行い
警報を表示する。併せてこの２種類の警報表示信号を制
御盤あるいはオペレータデスクに設置されているブザー
等の音響装置５９に出力して音響装置５９を鳴動させ
る。

【００６７】この警報表示に関わるそれぞれのソフトウ
エアにおける機能の詳細を以下に説明する。

【００６８】（Ａ）まず、図３（ａ）に示した「初段ノ
ズル前・後圧力差（差圧）−初段ノズルスケール・噴出
物付着進捗度監視カーブ」のソフトウエアでは各運転負
荷毎に「正常点；ＮＯ」、「警報点；ＡＬ」、「トリッ
プ点；ＴＲ」に相当する「初段ノズル前後圧力差（差
圧）」の設定値が設定されている。例えば１００％負荷
の運転において、運転時間の経過と共に初段ノズル９ヘ
のスケール付着量が増加、あるいは蒸気・熱水生産井か
らの噴出物が蒸気タービン１に持ち込まれ初段ノズル９
ヘの噴出物の付着量が増加して、付着進捗度がＸ％の警
報点に至った時、即ち１００％負荷ではＡ点に相当する
「初段ノズル前・後圧力差（差圧）Ａ１」の「警報設定
値」に至った時に、監視表示装置５５と警報表示装置５
７に警報表示信号５３Ａ−１を出力して警報表示を行い
（例えば監視表示装置５５では「ノズルスケール付着
大」というような赤字の点滅表示と監視カーブ上の警報
点の点滅表示を、また警報表示装置５７でも「ノズルス
ケール付着大」と文字が記載された表示窓のランプを点
滅させる）、併せて本信号５３Ａ−１により制御盤ある
いはオペレータデスク等５４に取り付けられているブザ
ー等の音響装置５９を鳴動させ、運転員に注意を喚起す
る。

【００６９】初段ノズルヘのスケール・噴出物の付着が
さらに増加して、「付着進捗度Ｙ％」のトリップ警報
点、即ち（１００％負荷では）Ｂ点に相当する「初段ノ
ズル前・後圧力差（差圧）Ｔ１」の「トリップ警報設定
値」に至った時に、監視表示装置５５と警報表示装置５
８にトリップ警報表示信号５３Ｂ−１を出力してトリッ
プ警報表示を行い（例えば監視表示装置５５では「ノズ
ルスケール付着過大トリップ指示」というような赤字の
点滅表示と監視カーブ上のトリップ警報点の点滅表示
を、また警報表示装置５８でも「ノズルスケール付着過
大トリップ指示」と文字が記載された表示窓のランプを
点滅させる）、併せて本信号５３Ｂ−１により制御盤あ
るいはオペレータデスク等に取り付けられているブザー
等の音響装置５９を鳴動させ、運転員に注意を喚起す
る。

【００７０】（Ｂ）次に、図３（ｂ）に示した「初段ノ
ズル前・後圧力差（差圧）変化量監視カーブ」のソフト
ウエアでは各運転負荷毎に「正常点；Ｎ」、「警報点；
ＰＡＮ１〜ＰＡＮ４」、「トリップ点；ＰＴＲ１〜ＰＴ
Ｒ４」に相当する「初段ノズル前・後圧力差（差圧）」
の設定値が設定されている。

【００７１】例えば１００％運転負荷において蒸気・熱
水生産井からの噴出物が蒸気タービンに持ち込まれる
と、初段ノズル９のノズルスロート部を比較的短時間で
閉塞させることとなり、「初段ノズル前・後圧力差（差
圧）」は急速に上昇する。単位時間当り（例えば１Ｓｅ
ｃ）の「初段ノズル前・後圧力差（差圧）」の変化量が
大きく、「現在運転値；Ｎ点」より「ＰＡＮ１点」に相
当する「初段ノズル前・後圧力差（差圧）Ｑ１」の「警
報設定値」に至った時に、監視表示装置５６と警報表示
装置５７に警報表示信号５３Ａ−２を出力して警報表示
を行い（例えば監視表示装置５６では「ノズルスケール
付着大」というような赤字の点滅表示と監視カーブ上の
警報点の点滅表示を、また警報表示装置５７でも「ノズ
ルスケール付着大」と文字が記載された表示窓のランプ
を点滅させる。）、併せて本信号５３Ａ−２により制御
盤あるいはオペレータデスク等５４に取り付けられてい
るブザー等の音響装置５９を鳴動させ、運転員に注意を
喚起する。

【００７２】単位時間（例えば１Ｓｅｃ）当りの「初段
ノズル前・後圧力差（差圧）」の変化量が「警報点ＰＡ
Ｎ」を越えてさらに大きく、「現在運転値；Ｎ点」より
「ＰＴＲ１点」に相当する「初段ノズル前・後圧力差
（差圧）Ｒ１」の「トリップ警報設定値」に至った時
に、監視表示装置５６と警報表示装置５８に「トリップ
警報信号５３Ｂ−２」を出力してトリップ警報表示を行
い（例えば監視表示装置５６では「ノズルスケール付着
過大トリップ指示」というような赤字の点滅表示と監視
カーブ上のトリップ警報点の点滅表示を、また警報表示
装置５８でも「ノズルスケール付着過大トリップ指示」
と文字が記載された表示窓のランプを点滅させる）、併
せて本信号５３Ｂ−２により制御盤あるいはオペレータ
デスク等５４に取り付けられているブザー等の音響装置
５９を鳴動させ、運転員に注意を喚起する。

【００７３】なお、図３（ａ）および図３（ｂ）の監視
カーブにおける警報表示に関わるソフトウエアの説明に
おいて、それぞれの監視カーブソフトウエアからの「警
報点警報出力」、「トリップ警報点警報出力」を状態別
に区分して同一の警報表示装置を共用することとしてい
るが（即ち単純警報：ノズルスケール付着大は警報専用
の同一の警報表示装置５７に、またプラントトリップに
繋がる「重大警報；ノズルスケール付着過大トリップ指
示」はトリップ指示警報専用の同一の警報表示装置５８
に表示させることとしているが）、図３（ａ）および図
３（ｂ）のそれぞれの監視カーブ毎に独立して警報表示
装置を設置してもよい。

【００７４】以上説明した如く、本実施形態による地熱
発電用蒸気タービンのスケール付着監視システムの提供
によって、地熱発電プラントにおける蒸気タービンの運
転中の監視強化を図ることができる。特に蒸気・熱水生
産井側にて突発的に発生するセメントグラウトなどの噴
出物が蒸気タービンに持ち込まれたことを速やかに検知
することが可能となったことから、重大事故への発展を
未然に防止することができる。また通常運転中の経時的
なスケール付着状況を定量的に表示・把握できるため、
計画的な予備ロータ・ノズルヘの取り替え作業あるいは
運転機のスケール落とし作業の実施が可能となり、プラ
ントの効率的な運用に寄与すると共に重大事故への発展
を未然に防止することができる。

【００７５】なお、以上の実施形態においては、監視要
素として、図３（ａ）に示した初段ノズル９の前後圧力
差とそのノズル板２０へのスケール・噴出物の付着進捗
度との関係に基づく警報値またはトリップ値と、図３
（ｂ）に示した初段ノズル９の前後圧力差が一定時間内
に高まった場合にノズル板２０へのスケール・噴出物の
付着による異常状態発生として報知するための警報値又
はトリップ値とを共に用いたが、本発明ではこれに限ら
ず。上記図３（ａ）または（ｂ）に示した基準のいずれ
か一方のみを用いた構成とすることもできる。

【００７６】また、タービン運転中におけるタービン損
傷及び内部効率低下を監視し、かつ対応する手段は、視
覚的警報手段、聴覚的警報手段、運転制御手段の少なく
ともいずれかであればよい。

【００７７】さらに本発明においては、上記システムに
おける監視要素、警報値、トリップ値それらの図形処理
データ、タービン運転中におけるタービン損傷及び内部
効率低下を監視し、かつ対応する手段への指令データを
フロッピーディスク、光ディスクその他の記憶装置に格
納し、複数のシステムで汎用できる構成とする事が可能
である。

【００７８】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明に係る地熱発
電用蒸気タービンのスケール付着監視システムによれ
ば、地熱発電プラントにおける蒸気タービンの運転中の
監視強化を図ることができる。特に蒸気・熱水生産井側
にて突発的に発生するセメントグラウトなどの噴出物が
蒸気タービンに持ち込まれたことを速やかに検知するこ
とが可能となったことから、重大事故への発展を未然に
防止することができる。また通常運転中の経時的なスケ
ール付着状況を定量的に表示・把握できるため、計画的
な予備ロータ・ノズルヘの取り替え作業あるいは運転機
のスケール落とし作業の実施が可能となり、プラントの
効率的な運用に寄与すると共に重大事故への発展を未然
に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を説明するもので、地熱発
電用蒸気タービンの構成を示す断面図。

【図２】本発明の一実施形態を説明するもので、（ａ）
は、ノズル構成を示す分解斜視図、（ｂ）はノズル板を
示す斜視図、（ｃ）はノズルスローと部を示す斜視図。

【図３】本発明の一実施形態を説明するもので、（ａ）
は「初段ノズル前・後圧力差（差圧）−初段ノズルスケ
ール・噴出物付着進捗度監視カーブ」を示す特性図、
（ｂ）は「初段ノズル前・後圧力差（差圧）変化量監視
カーブ」を示す特性図。

【図４】本発明の一実施形態を説明するもので、地熱発
電プラントを示す系統図。

【図５】本発明の一実施形態を説明するもので、前記プ
ラントに適用した地熱発電用蒸気タービンスケール付着
監視システムを示す系統図。

【符号の説明】

ａ主蒸気１蒸気タービン２ケーシング３タービンロータ４第１軸受５第２軸受６主蒸気管７タービン入口８高圧蒸気室９初段ノズル１０初段動翼１１初段ノズル前圧力検出管１２初段ノズル後圧力検出管１３ノズル１４下半ノズル１５上半ノズル１６，１７，１８第２，第３，第４ノズル１９ノズルリング２０ノズル板２１蒸気生産井（孔口）２２孔口スチームセパレータ２３蒸気生産井出口止め弁２４−１サイレンサ入口弁２４−２サイレンサ２５蒸気溜２６バネ式逃し弁２７電動逃し弁２８タービン前スチームセパレータ２９主蒸気管３０主蒸気止め弁３１蒸気加減弁３３発電機３４直接接触式復水器３５ａ冷却水３５射水槽、３６温水ポンプ槽３７揚水ポンプ３８冷却塔３９冷却水ポンプ４０油冷却器４１空気冷却器４２第１段エゼクタ用クーラ４３第２段エゼクタ用クーラ４４河川水４５オーバフロー４６第１段エゼクタ４７第２段エゼクタ４８Ａ、４８Ｂ呼び水エゼクタ４９スチームシール用エゼクタ５０圧力検出器５１圧力検出器５２スケール付着監視装置５３−１、５３−２画面表示用信号５３Ａ−１、５３−Ａ２警報表示信号５３Ｂ−１、５３−Ｂ２トリップ警報信号５４オペレータデスク等５５監視表示装置５６監視表示装置５７、５８警報表示装置５９音響装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】地下から噴出する天然蒸気を蒸気タービ
ンに導いて運転する地熱発電用蒸気タービンにおいて、
タービンノズルのノズル板へのスケール・噴出物の付着
量の増加に伴ってノズル出口圧力が経時的に低下してタ
ービン出力が低下することを、タービン運転中に監視す
るスケール監視システムであって、当該監視要素とし
て、予め前記ノズルの前後圧力差とそのノズル板へのス
ケール・噴出物の付着進捗度との関係に基づいて警報値
又はトリップ値を設定しておき、この警報値又はトリッ
プ値を基準として蒸気タービン運転中におけるノズル板
へのスケール・噴出物の付着を監視し、かつ対応するこ
とを特徴とする地熱発電用蒸気タービンのスケール付着
監視システム。
【請求項２】地下から噴出する天然蒸気を蒸気タービ
ンに導いて運転する地熱発電用蒸気タービンにおいて、
タービンノズルのノズル板へのスケール・噴出物の付着
量の増加に伴ってノズル出口圧力が経時的に低下してタ
ービン出力が低下することを、タービン運転中に監視す
るスケール監視システムであって、当該監視要素とし
て、予め前記ノズルの前後圧力差が一定時間内に高まっ
た場合にノズル板へのスケール・噴出物の付着による異
常状態発生として報知するための警報値又はトリップ値
を設定しておき、この警報値又はトリップ値を基準とし
て蒸気タービン運転中におけるノズル板へのスケール・
噴出物の付着を監視し、かつ対応することを特徴とする
地熱発電用蒸気タービンのスケール付着監視システム。
【請求項３】地下から噴出する天然蒸気を蒸気タービ
ンに導いて運転する地熱発電用蒸気タービンにおいて、
タービンノズルのノズル板へのスケール・噴出物の付着
量の増加に伴ってノズル出口圧力が経時的に低下してタ
ービン出力が低下することを、タービン運転中に監視す
るスケール監視システムであって、当該監視要素とし
て、予め前記ノズルの前後圧力差とそのノズル板へのス
ケール・噴出物の付着進捗度との関係に基づいて警報値
またはトリップ値を設定するとともに、前記ノズルの前
後圧力差が一定時間内に高まった場合にノズル板へのス
ケール・噴出物の付着による異常状態発生として報知す
るための警報値又はトリップ値を設定しておき、これら
の警報値またはトリップ値を基準として蒸気タービン運
転中におけるノズル板へのスケール・噴出物の付着を監
視し、かつ対応することを特徴とする地熱発電用蒸気タ
ービンのスケール付着監視システム。
【請求項４】請求項１から３までのいずれかに記載の
地熱発電用蒸気タービンのスケール付着監視システムに
おいて、タービン運転中におけるタービン損傷及び内部
効率低下を監視し、かつ対応する手段は、視覚的警報手
段、聴覚的警報手段、運転制御手段の少なくともいずれ
かであることを特徴とする地熱発電用蒸気タービンのス
ケール付着監視システム。
【請求項５】請求項１から４までのいずれかに記載の
地熱発電用蒸気タービンのスケール付着監視システムに
おける監視要素、警報値、トリップ値それらの図形処理
データ、タービン運転中におけるタービン損傷及び内部
効率低下を監視し、かつ対応する手段への指令データを
格納したことを特徴とするフロッピー（登録商標）ディ
スク、光ディスクその他の記憶装置。