JP2006170006A - 蒸気タービン発電システムおよび低圧タービンロータ - Google Patents
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Abstract
【課題】高圧タービン、中圧タービンの入口蒸気温度が高温の場合でも、高圧タービン、中圧タービンの段落数の増加を抑制して低圧タービンを作動できる蒸気タービン発電システムおよび低圧タービンロータを提供することを目的とする。
【解決手段】入口蒸気温度が中圧タービンで６５０〜７２０℃、低圧タービンで４１０〜４３０℃であり、低圧タービンロータが重量％で、Ｃ：０．２８以下、Ｓｉ：０．０３以下、Ｍｎ：０．０５以下、Ｃｒ：１．５〜２．０、Ｖ：０．０７〜０．１５、Ｍｏ：０．２５〜０．５、Ｎｉ：３．２５〜４．０を含有し、残部がＦｅ、不可避的不純物および不可避的ガスからなり、不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．００４以下、Ｓ：０．００２以下、Ｓｎ：０．０１以下、Ａｓ：０．００８以下、Ｓｂ：０．００５以下、Ａｌ：０．００８以下、Ｃｕ：０．１以下を含有する耐熱鋼で構成される。
【選択図】図１
【解決手段】入口蒸気温度が中圧タービンで６５０〜７２０℃、低圧タービンで４１０〜４３０℃であり、低圧タービンロータが重量％で、Ｃ：０．２８以下、Ｓｉ：０．０３以下、Ｍｎ：０．０５以下、Ｃｒ：１．５〜２．０、Ｖ：０．０７〜０．１５、Ｍｏ：０．２５〜０．５、Ｎｉ：３．２５〜４．０を含有し、残部がＦｅ、不可避的不純物および不可避的ガスからなり、不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．００４以下、Ｓ：０．００２以下、Ｓｎ：０．０１以下、Ａｓ：０．００８以下、Ｓｂ：０．００５以下、Ａｌ：０．００８以下、Ｃｕ：０．１以下を含有する耐熱鋼で構成される。
【選択図】図１
Description
本発明は、作動蒸気の温度が高温化された蒸気タービンを備える蒸気タービン発電システムおよび低圧タービンロータに関する。
蒸気タービン発電システムにおいては、一般的に、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンを備えている。ボイラから供給された高温高圧の作動蒸気は、高圧タービンに流入し、高圧翼段落で高圧タービンを回転させ、膨張仕事をした後に、高圧タービン外に排気される。高圧タービンから排気された作動蒸気は、中圧タービン、低圧タービンの順に供給され、各タービンを回転させ、膨張仕事をした後に、復水器へ排気されて復水される。
近年、熱効率の向上を図るために、高圧タービンの入口蒸気温度を高温化させた蒸気タービン発電システムが増加しており、蒸気タービンの入口と出口で作動蒸気の温度差が大きくなる傾向がある。従来の蒸気タービン発電システムにおいて、この温度差に対応するために、例えば、ロータ材料に高温用材料を適用した蒸気タービン（例えば、特許文献１−４参照。）や、蒸気タービンの蒸気入口部に冷却構造を適用した蒸気タービン（例えば、特許文献５〜６参照。）などが開示されている。
特開平０９−２８７４０２号公報
特開平０９−１９５７０１号公報
特開２００３−２７１９２号公報
特開２００４−３６４６９号公報
特開２０００−３２８９０４号公報
特開２００４−３６５２７号公報
上記したように、従来の蒸気タービン発電システムにおいて、低圧タービン入口における蒸気の温度は、例えば低圧タービンロータなどの材料の機械的強度特性が維持できる温度以下に設定されている。これは、従来の低圧タービンロータの材料が、この機械的強度特性を維持できる温度を超えると、経年的に著しい脆化あるいは場合によっては脆化と軟化の重畳を生じることが主な理由である。
したがって、蒸気タービン入口の作動蒸気温度を高温化させた場合には、高圧タービンと中圧タービンにおける膨張仕事量を増加させて、低圧タービン入口における作動蒸気の温度を、低圧タービンロータ材料の経年脆化あるいは経年軟化を抑制可能な温度まで低下させる必要があった。
その結果、高圧タービンと中圧タービンの翼段落数が増加し、タービン全体の寸法が増大するという問題があった。また、高圧タービンと中圧タービンの段落数を増加させると、高圧タービンおよび中圧タービンを支持する軸受間の距離が増加し、タービン振動の大きな原因となっていた。
本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、高圧タービンおよび中圧タービンの入口蒸気温度が高温となる場合においても、高圧タービンおよび中圧タービンの段落数の増加を抑制して低圧タービンを作動することができる蒸気タービン発電システムおよび低圧タービンロータを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の蒸気タービン発電システムは、高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンを備えた蒸気タービン発電システムにおいて、前記中圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃、前記低圧タービンの入口蒸気温度が４１０〜４３０℃であり、前記低圧タービンの低圧タービンロータが重量％で、Ｃ：０．２８以下、Ｓｉ：０．０３以下、Ｍｎ：０．０５以下、Ｃｒ：１．５〜２．０、Ｖ：０．０７〜０．１５、Ｍｏ：０．２５〜０．５、Ｎｉ：３．２５〜４．０を含有し、残部がＦｅ、不可避的不純物および不可避的ガスからなり、前記不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．００４以下、Ｓ：０．００２以下、Ｓｎ：０．０１以下、Ａｓ：０．００８以下、Ｓｂ：０．００５以下、Ａｌ：０．００８以下、Ｃｕ：０．１以下を含有する耐熱鋼で構成されることを特徴とする。
また、本発明の蒸気タービン発電システムは、高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンを備えた蒸気タービン発電システムにおいて、前記中圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃、前記低圧タービンの入口蒸気温度が４１０〜４３０℃であり、前記低圧タービンの低圧タービンロータが重量％で、Ｃ：０．２４〜０．２７、Ｓｉ：０．０３以下、Ｍｎ：０．０３以下、Ｃｒ：１．６〜１．８、Ｖ：０．１〜０．１５、Ｍｏ：０．４〜０．４５、Ｎｉ：３．５〜４．０を含有し、残部がＦｅ、不可避的不純物および不可避的ガスからなり、前記不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．００３以下、Ｓ：０．００１５以下、Ｓｎ：０．００５以下、Ａｓ：０．００６以下、Ｓｂ：０．００１５以下、Ａｌ：０．００５以下、Ｃｕ：０．０５以下を含有する耐熱鋼で構成されることを特徴とする。
これらの蒸気タービン発電システムによれば、中圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃と高温の場合でも、上記した化学組成を有する耐熱鋼で構成された低圧タービンロータを低圧タービンに備えることで、高圧タービンや中圧タービンの段落数の増加を抑制して、低圧タービンを作動することができる。
本発明の低圧タービンロータは、高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンを備え、前記中圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃、前記低圧タービンの入口蒸気温度が４１０〜４３０℃である蒸気タービン発電システムにおける前記低圧タービンの低圧タービンロータであって、重量％で、Ｃ：０．２８以下、Ｓｉ：０．０３以下、Ｍｎ：０．０５以下、Ｃｒ：１．５〜２．０、Ｖ：０．０７〜０．１５、Ｍｏ：０．２５〜０．５、Ｎｉ：３．２５〜４．０を含有し、残部がＦｅ、不可避的不純物および不可避的ガスからなり、前記不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．００４以下、Ｓ：０．００２以下、Ｓｎ：０．０１以下、Ａｓ：０．００８以下、Ｓｂ：０．００５以下、Ａｌ：０．００８以下、Ｃｕ：０．１以下を含有する耐熱鋼で構成されることを特徴とする。
また、本発明の低圧タービンロータは、高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンを備え、前記中圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃、前記低圧タービンの入口蒸気温度が４１０〜４３０℃である蒸気タービン発電システムにおける前記低圧タービンの低圧タービンロータであって、重量％で、Ｃ：０．２４〜０．２７、Ｓｉ：０．０３以下、Ｍｎ：０．０３以下、Ｃｒ：１．６〜１．８、Ｖ：０．１〜０．１５、Ｍｏ：０．４〜０．４５、Ｎｉ：３．５〜４．０を含有し、残部がＦｅ、不可避的不純物および不可避的ガスからなり、前記不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．００３以下、Ｓ：０．００１５以下、Ｓｎ：０．００５以下、Ａｓ：０．００６以下、Ｓｂ：０．００１５以下、Ａｌ：０．００５以下、Ｃｕ：０．０５以下を含有する耐熱鋼で構成されることを特徴とする。
これらの低圧タービンロータによれば、中圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃と高温の場合でも、上記した化学組成で低圧タービンロータを構成することで、高圧タービンや中圧タービンの段落数の増加を抑制して、低圧タービンを作動することができる。
本発明の蒸気タービン発電システムおよび低圧タービンロータによれば、高圧タービンおよび中圧タービンの入口蒸気温度が高温となる場合においても、高圧タービンおよび中圧タービンの段落数の増加を抑制して低圧タービンを作動することができる。
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンを備え、中圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃、低圧タービンの入口蒸気温度が４１０〜４３０℃である蒸気タービン発電システムの低圧タービンの低圧タービンロータを構成する耐熱鋼は、次に示す（Ｍ１）または（Ｍ２）の化学組成範囲の耐熱合金から条件に応じて適宜に選択される。ここで、高圧タービンの入口蒸気温度を６５０〜７２０℃に設定してもよい。なお、以下に示す化学組成の割合は、特に明記しない限り重量％とする。
高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンを備え、中圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃、低圧タービンの入口蒸気温度が４１０〜４３０℃である蒸気タービン発電システムの低圧タービンの低圧タービンロータを構成する耐熱鋼は、次に示す（Ｍ１）または（Ｍ２）の化学組成範囲の耐熱合金から条件に応じて適宜に選択される。ここで、高圧タービンの入口蒸気温度を６５０〜７２０℃に設定してもよい。なお、以下に示す化学組成の割合は、特に明記しない限り重量％とする。
（Ｍ１）Ｃ：０．２８以下、Ｓｉ：０．０３以下、Ｍｎ：０．０５以下、Ｃｒ：１．５〜２．０、Ｖ：０．０７〜０．１５、Ｍｏ：０．２５〜０．５、Ｎｉ：３．２５〜４．０を含有し、残部がＦｅ、不可避的不純物および不可避的ガスからなり、不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．００４以下、Ｓ：０．００２以下、Ｓｎ：０．０１以下、Ａｓ：０．００８以下、Ｓｂ：０．００５以下、Ａｌ：０．００８以下、Ｃｕ：０．１以下を含有する耐熱鋼。
（Ｍ２）Ｃ：０．２４〜０．２７、Ｓｉ：０．０３以下、Ｍｎ：０．０３以下、Ｃｒ：１．６〜１．８、Ｖ：０．１〜０．１５、Ｍｏ：０．４〜０．４５、Ｎｉ：３．５〜４．０を含有し、残部がＦｅ、不可避的不純物および不可避的ガスからなり、不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．００３以下、Ｓ：０．００１５以下、Ｓｎ：０．００５以下、Ａｓ：０．００６以下、Ｓｂ：０．００１５以下、Ａｌ：０．００５以下、Ｃｕ：０．０５以下を含有する耐熱鋼。
次に、本発明の耐熱鋼の各成分を上記した範囲内に限定した理由を説明する。
（１）Ｃ（炭素）
Ｃは、低圧タービンロータ素材のような大型鋼塊において、鋼塊表層部から中心部にかけての焼入れ性の確保とともに、析出強化に寄与する各種炭化物の構成元素として不可欠な元素である。本発明に係る耐熱鋼では、Ｃの含有率が０．２４％未満では上記した効果が小さく、０．２８％を超えると鋼塊凝固時の偏析傾向が高まる。これらの理由から、Ｃの含有率を０．２４〜０．２８％とした。また、より好適なＣの含有率は、０．２４〜０．２７％である。
Ｃは、低圧タービンロータ素材のような大型鋼塊において、鋼塊表層部から中心部にかけての焼入れ性の確保とともに、析出強化に寄与する各種炭化物の構成元素として不可欠な元素である。本発明に係る耐熱鋼では、Ｃの含有率が０．２４％未満では上記した効果が小さく、０．２８％を超えると鋼塊凝固時の偏析傾向が高まる。これらの理由から、Ｃの含有率を０．２４〜０．２８％とした。また、より好適なＣの含有率は、０．２４〜０．２７％である。
（２）Ｓｉ（ケイ素）
Ｓｉは、脱酸剤として有用であり、また、耐水蒸気酸化性を向上させ、少なくとも０．００５％以上の添加でその効果が発現する。しかし、その含有量が多い場合は、靭性の低下および経年的な脆化を促進するため、この観点からＳｉの含有量は可能な限り抑制されることが望ましい。また、本発明に係る耐熱鋼では、Ｓｉの含有率が０．０３％を超えると上記した効果が著しく低下する。これらの理由から、Ｓｉの含有率を０．００５〜０．０３％とした。
Ｓｉは、脱酸剤として有用であり、また、耐水蒸気酸化性を向上させ、少なくとも０．００５％以上の添加でその効果が発現する。しかし、その含有量が多い場合は、靭性の低下および経年的な脆化を促進するため、この観点からＳｉの含有量は可能な限り抑制されることが望ましい。また、本発明に係る耐熱鋼では、Ｓｉの含有率が０．０３％を超えると上記した効果が著しく低下する。これらの理由から、Ｓｉの含有率を０．００５〜０．０３％とした。
（３）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、脱硫剤として有用な元素であり、少なくとも０．００５％以上の添加でその効果が発現される。しかし、その含有量が多くなると硫化物の生成量が増加するとともに、クリープ強度が低下し、その硫化物の増加、クリープ強度の低下は、Ｍｎの含有率が０．０５％を超えると発現する。これらの理由から、Ｍｎの含有率を０．００５〜０．０５％とした。また、より好適なＭｎの含有率は、０．００５〜０．０３％である。
Ｍｎは、脱硫剤として有用な元素であり、少なくとも０．００５％以上の添加でその効果が発現される。しかし、その含有量が多くなると硫化物の生成量が増加するとともに、クリープ強度が低下し、その硫化物の増加、クリープ強度の低下は、Ｍｎの含有率が０．０５％を超えると発現する。これらの理由から、Ｍｎの含有率を０．００５〜０．０５％とした。また、より好適なＭｎの含有率は、０．００５〜０．０３％である。
（４）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、耐酸化性、耐食性に有効であるとともに、析出強化に寄与する炭窒化物の構成元素としても不可欠な元素である。Ｃｒの含有率が１．５％未満の場合には、焼戻し熱処理後の炭窒化物へのＣｒ移動量を確保できず、２．０％を超えると焼戻し軟化抵抗が低下し、所望の常温強度が確保できず、かつ、クリープ強度も低下する。これらの理由から、Ｃｒの含有率を１．５〜２．０％とした。また、より好適なＣｒの含有率は、１．６〜１．８％である。
Ｃｒは、耐酸化性、耐食性に有効であるとともに、析出強化に寄与する炭窒化物の構成元素としても不可欠な元素である。Ｃｒの含有率が１．５％未満の場合には、焼戻し熱処理後の炭窒化物へのＣｒ移動量を確保できず、２．０％を超えると焼戻し軟化抵抗が低下し、所望の常温強度が確保できず、かつ、クリープ強度も低下する。これらの理由から、Ｃｒの含有率を１．５〜２．０％とした。また、より好適なＣｒの含有率は、１．６〜１．８％である。
（５）Ｖ（バナジウム）
Ｖは、固溶強化および微細な炭窒化物の形成に寄与する。Ｖの含有率が０．０７％以上の場合に、微細析出物が十分に析出し母相の回復を抑制するが、０．１５％を超えると靭性の低下を招く。これらの理由から、Ｖの含有率を０．０７〜０．１５％とした。また、より好適なＶの含有率は、０．１〜０．１５％である。
Ｖは、固溶強化および微細な炭窒化物の形成に寄与する。Ｖの含有率が０．０７％以上の場合に、微細析出物が十分に析出し母相の回復を抑制するが、０．１５％を超えると靭性の低下を招く。これらの理由から、Ｖの含有率を０．０７〜０．１５％とした。また、より好適なＶの含有率は、０．１〜０．１５％である。
（６）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、固溶強化および炭窒化物の構成元素となり析出強化に寄与する。また、焼入れ性の向上にも寄与する。本発明に係る耐熱鋼では、Ｍｏの含有率が０．２５％以上の場合に、上記した効果が発揮されるが、０．５％を超えると靭性が低下するとともに大型鋼塊の成分偏析傾向が増大する。これらの理由から、Ｍｏの含有率を０．２５〜０．５％とした。また、より好適なＭｏの含有率は、０．４〜０．４５％である。
Ｍｏは、固溶強化および炭窒化物の構成元素となり析出強化に寄与する。また、焼入れ性の向上にも寄与する。本発明に係る耐熱鋼では、Ｍｏの含有率が０．２５％以上の場合に、上記した効果が発揮されるが、０．５％を超えると靭性が低下するとともに大型鋼塊の成分偏析傾向が増大する。これらの理由から、Ｍｏの含有率を０．２５〜０．５％とした。また、より好適なＭｏの含有率は、０．４〜０．４５％である。
（７）Ｎｉ（ニッケル）
Ｎｉは、焼入れ性および靭性を向上させる効果を有し、本発明に係る耐熱鋼では、Ｎｉの含有率が３．２５％以上でその効果が認められる。しかし、Ｎｉの含有率が４．０％を超えるとクリ−プ強度が低下する。これらの理由から、Ｎｉの含有率を３．２５〜４．０％とした。また、より好適なＮｉの含有率は、３．５〜４．０％である。
Ｎｉは、焼入れ性および靭性を向上させる効果を有し、本発明に係る耐熱鋼では、Ｎｉの含有率が３．２５％以上でその効果が認められる。しかし、Ｎｉの含有率が４．０％を超えるとクリ−プ強度が低下する。これらの理由から、Ｎｉの含有率を３．２５〜４．０％とした。また、より好適なＮｉの含有率は、３．５〜４．０％である。
（８）Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｓｎ（スズ）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）
これらの元素は、製鋼原料から不可避的に混入して、微量ながら粒界に偏析することにより靭性の低下や経年的な脆化の一因となる不可避的不純物である。そのため、工業的に可能な限り、これらの不可避的不純物の含有率を０％に近づけることが望ましい。
これらの元素は、製鋼原料から不可避的に混入して、微量ながら粒界に偏析することにより靭性の低下や経年的な脆化の一因となる不可避的不純物である。そのため、工業的に可能な限り、これらの不可避的不純物の含有率を０％に近づけることが望ましい。
これらの理由から、Ｐの含有率を０．００４％以下とし、より好適な含有率を０．００３％以下とした。また、Ｓの含有率を０．００２％以下とし、より好適な含有率を０．００１５％以下とした。さらに、Ｓｎの含有率を０．０１％以下とし、より好適な含有率を０．００５％以下とした。また、Ａｓの含有率を０．００８％以下とし、より好適な含有率を０．００６％以下とした。また、Ｓｂの含有率を０．００５％以下とし、より好適な含有率を０．００１５％以下とした。
（９）Ａｌ（アルミニウム）
Ａｌは、上記した（８）に示した元素と同様に、製鋼原料から不可避的に混入する不可避的不純物である。Ａｌは、脱酸剤としての効果を有する場合もあるが、本発明に係る耐熱鋼では、Ａｌの含有によって靭性の低下を招く。そのため、工業的に可能な限り、Ａｌの含有率を０％に近づけることが望ましい。これらの理由から、Ａｌの含有率を０．００８％以下とした。また、より好適なＡｌの含有率は、０．００５％以下である。
Ａｌは、上記した（８）に示した元素と同様に、製鋼原料から不可避的に混入する不可避的不純物である。Ａｌは、脱酸剤としての効果を有する場合もあるが、本発明に係る耐熱鋼では、Ａｌの含有によって靭性の低下を招く。そのため、工業的に可能な限り、Ａｌの含有率を０％に近づけることが望ましい。これらの理由から、Ａｌの含有率を０．００８％以下とした。また、より好適なＡｌの含有率は、０．００５％以下である。
（１０）Ｃｕ（銅）
Ｃｕは、上記した（８）および（９）に示した元素と同様に、製鋼原料から不可避的に混入する不可避的不純物である。Ｃｕは、その添加量によっては耐食性を高める効果を有するが、本発明に係る耐熱鋼では、Ｃｕの含有によって靭性の低下や経年的な脆化が生じる。そのため、工業的に可能な限り、Ｃｕの含有率を０％に近づけることが望ましい。これらの理由から、Ｃｕの含有率を０．１％以下とした。また、より好適なＣｕの含有率は、０．０５％以下である。
Ｃｕは、上記した（８）および（９）に示した元素と同様に、製鋼原料から不可避的に混入する不可避的不純物である。Ｃｕは、その添加量によっては耐食性を高める効果を有するが、本発明に係る耐熱鋼では、Ｃｕの含有によって靭性の低下や経年的な脆化が生じる。そのため、工業的に可能な限り、Ｃｕの含有率を０％に近づけることが望ましい。これらの理由から、Ｃｕの含有率を０．１％以下とした。また、より好適なＣｕの含有率は、０．０５％以下である。
（１１）Ｈ（水素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）
これらの元素は、製鋼中に不可避的に混入して、脆化の一因や非金属化合物の構成元素となる不可避的ガスである。そのため、工業的に可能な限り、これらの不可避的ガスの含有率を０％に近づけることが望ましい。
これらの元素は、製鋼中に不可避的に混入して、脆化の一因や非金属化合物の構成元素となる不可避的ガスである。そのため、工業的に可能な限り、これらの不可避的ガスの含有率を０％に近づけることが望ましい。
これらの理由から、Ｈの含有率を１．５ｐｐｍ以下とし、より好適な含有率を１．０ｐｐｍ以下とした。また、Ｏの含有率を３５ｐｐｍ以下とし、より好適な含有率を３０ｐｐｍ以下とした。さらに、Ｎの含有率を８０ｐｐｍ以下とし、より好適な含有率を６０ｐｐｍ以下とした。なお、上記した含有率（ｐｐｍ）は、重量ｐｐｍである。
なお、不可避的不純物には、上記した元素以外にも、耐熱鋼の機械的強度特性に影響を及ぼさない程度であれば、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｔｉ（チタン）などの元素を含んでもよいが、可能な限り０％に近づけることが望ましい。
上記したように、本発明に係る耐熱鋼では、不可避的不純物や不可避的ガスの含有量が極めて微量に制限されているため、この耐熱鋼で低圧タービンロータを構成した場合には、低圧タービン運転中の加熱によるこれらの元素の粒界偏析などの、経年的な脆化を誘発する金属組織上の変化を抑制することができる。このため、低圧タービンの入口蒸気温度が、例えば４１０℃以上であっても、長期間にわたって安定な運用が可能となる。なお、低圧タービンの入口蒸気温度が４３０℃を超える場合は、経年的なクリープ変形が進行するため、低圧タービンの入口蒸気温度の上限を４３０℃とした。
次に、本発明の第１の実施の形態の蒸気タービン発電システム１０について、図１を参照して説明する。
図１には、蒸気タービン発電システム１０の構成の概要が示されている。
蒸気タービン発電システム１０は、高圧タービン１１、中圧タービン１２、低圧タービン１３、発電機１４、復水器１５、ボイラ１６から主に構成されている。この蒸気タービン発電システム１０における低圧タービン１３の低圧タービンロータの材料には、後述する実施例１において高温環境下で長期間にわたり良好な機械的強度特性を有することが明らかにされた本発明に係る耐熱鋼が使用されている。
蒸気タービン発電システム１０は、高圧タービン１１、中圧タービン１２、低圧タービン１３、発電機１４、復水器１５、ボイラ１６から主に構成されている。この蒸気タービン発電システム１０における低圧タービン１３の低圧タービンロータの材料には、後述する実施例１において高温環境下で長期間にわたり良好な機械的強度特性を有することが明らかにされた本発明に係る耐熱鋼が使用されている。
まず、蒸気タービン発電システム１０の全体的な動作について説明する。
ボイラ１６で過熱されて流出する蒸気は、主蒸気管１７を通り、高圧タービン１１に流入する。高圧タービン１１の動翼を、例えば６段落で構成するとすれば、この蒸気は、高圧タービン１１で膨張仕事を行った後、第６段落出口から排気され、低温再熱管１８を通り、ボイラ１６に流入する。このボイラ１６において流入した蒸気を再熱し、再熱された蒸気は、高温再熱管１９を通り中圧タービン１２に流入する。
中圧タービン１２の動翼を、例えば６段落で構成するとすれば、この中圧タービン１２に流入して膨張仕事をした蒸気は、第６段落出口から排気され、クロスオーバー管２０を通り、低圧タービン１３に供給される。
低圧タービン１３に供給された蒸気は、膨張仕事をした後、復水器１５で復水され、ボイラ給水ポンプ２１で昇圧されてボイラ１６に還流される。ボイラ１６に還流された復水は、蒸気となり再び主蒸気管１７を通って高圧タービン１１に供給される。なお、発電機１４は、各蒸気タービンの膨張仕事によって回転駆動され発電する。
次に、図２を参照して低圧タービン１３について説明する。
図２は、低圧タービン１３の構造の一例を模式的に示している。
低圧タービン１３は、同じ構造を有する２基の低圧タービン部３０ａ、３０ｂがタンデム結合されている。それぞれの低圧タービン部３０ａ、３０ｂの動翼は、例えば６段であり、低圧タービン部３０ａと低圧タービン部３０ｂとがほぼ左右対称に構成されている。低圧タービン部３０ａ、３０ｂの周りには、低圧タービン内部ケーシング３１および低圧タービン外部ケーシング３２が設置され、低圧タービン部３０ａ、３０ｂの周りを二重に覆っている。また、低圧タービン１３の軸部には、低圧タービンロータ３３が設置され、中圧タービン１２や発電機１４と連結している。
低圧タービン１３は、同じ構造を有する２基の低圧タービン部３０ａ、３０ｂがタンデム結合されている。それぞれの低圧タービン部３０ａ、３０ｂの動翼は、例えば６段であり、低圧タービン部３０ａと低圧タービン部３０ｂとがほぼ左右対称に構成されている。低圧タービン部３０ａ、３０ｂの周りには、低圧タービン内部ケーシング３１および低圧タービン外部ケーシング３２が設置され、低圧タービン部３０ａ、３０ｂの周りを二重に覆っている。また、低圧タービン１３の軸部には、低圧タービンロータ３３が設置され、中圧タービン１２や発電機１４と連結している。
上記したように、この低圧タービンロータ３３は、後述する実施例１において高温環境下で長期間にわたり良好な機械的強度特性を有することが明らかにされた本発明に係る耐熱鋼が使用されているので、低圧タービン流入蒸気３４の温度を４１０〜４３０℃に設定することができる。
例えば、従来の蒸気タービン発電システムにおいて、高圧タービンの入口蒸気温度を６３０℃、中圧タービンの入口蒸気温度を７００℃とし、中圧タービンの出口蒸気温度および低圧タービンの入口蒸気温度を、従来の蒸気タービン発電システムと同等の約３６０℃に設定すると、高圧タービンの段落数を９段程度、中圧タービンの段落数を８段程度に設定しなければならない。そのため、高圧タービンおよび中圧タービンの軸方向のサイズが増大し、特に、高圧タービンおよび中圧タービンが一体型の蒸気タービンにおいては、軸振動の増大が懸念される。
しかしながら、本発明では、低圧タービン流入蒸気３４の温度を４１０〜４３０℃に設定することができ、例えば、中圧タービンの出口蒸気温度および低圧タービンの入口蒸気温度を約４２５℃に設定した場合には、高圧タービンおよび中圧タービンの段落数が共に６段程度となる。
このことから、高圧タービンおよび中圧タービンの入口蒸気温度が高温となる場合において、本発明の蒸気タービン発電システム１０では、高圧タービンおよび中圧タービンの段落数を従来の蒸気タービン発電システムの高圧タービンおよび中圧タービンの段落数よりも減少させることができる。これによって、高圧タービンおよび中圧タービンの軸方向のサイズの増大を防止することができ、高圧タービンと中圧タービンの軸受間距離を従来と同程度の約５３００ｍｍに設定することができる。また、高圧タービンと中圧タービンの軸受間距離を従来と同程度に設定することができるので、軸振動も従来程度となり、従来の軸振動より増大することはない。
（実施例１）
以下に、本発明の実施例について説明する。
以下に、本発明の実施例について説明する。
実施例１では、本発明の蒸気タービン発電システムにおける低圧タービンロータ材料が、高温環境下で長期間にわたり良好な機械的強度特性を有することを説明する。
表１には、低圧タービンロータの材料として用いられる鋼であり、実施例１で使用される鋼の化学組成を示す。表１に示された鋼のうち、鋼種Ｐ１および鋼種Ｐ２は、本発明に係わる化学組成範囲にある耐熱鋼であり、鋼種Ｃ１および鋼種Ｃ２は、その化学組成が本発明に係わる化学組成範囲にない比較例である。
調質熱処理が施された各鋼に、４００℃または４５０℃で５万時間の時効熱処理を施し、その後、ＪＩＳ４号２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片を用いてシャルピー衝撃試験を実施して、高温長時間加熱後の延性・脆性遷移温度を計測した。表２には、高温長時間加熱後の延性・脆性遷移温度と、初期状態における延性・脆性遷移温度との差（ΔＦＡＴＴ）を示し、さらに、各鋼について実施した５００℃−２００ＭＰａでのクリープ破断試験におけるクリープ破断時間を示す。
表２に示すように、本発明の化学組成範囲にある鋼種Ｐ１および鋼種Ｐ２の延性・脆性遷移温度は、加熱前の値と比べ最大でも２０℃の上昇に留まっているのに対し、比較例の鋼種Ｃ１および鋼種Ｃ２の延性・脆性遷移温度は、加熱前の値と比べ最大で２３０℃と大幅な上昇が認められた。
また、表２に示すように、本発明の化学組成範囲にある鋼種Ｐ１および鋼種Ｐ２におけるクリープ破断時間は、比較例の鋼種Ｃ１および鋼種Ｃ２におけるクリープ破断時間の２〜６倍程度となることが明らかになった。
以上の結果から、本発明の化学組成範囲にある低圧タービンロータ材料は、その化学組成範囲にない材料に比べ、高温長時間加熱後の脆化が大幅に抑制されるとともに、高温クリープ強度も上昇することがわかった。
これらのことから、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋼で構成された低圧タービンロータを備えた低圧タービンにおいて、低圧タービンの入口蒸気温度を４１０℃以上に高温化した場合でも、従来以上の優れた運用性を示すことが明確となった。さらに、本発明の低圧タービンの入口蒸気温度である、４１０〜４３０℃の場合において、十分に優れた運用性を示すことが明確となった。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態の蒸気タービン発電システムについて、図３を参照して説明する。
次に、本発明の第２の実施の形態の蒸気タービン発電システムについて、図３を参照して説明する。
第２の実施の形態の蒸気タービン発電システムは、第１の実施の形態の蒸気タービン発電システムの低圧タービン１３の蒸気入口部の構造のみが異なり、他の構成や低圧タービンのタービンロータの材料などは、第１の実施の形態の蒸気タービン発電システムと同じである。そこで、ここでは、第２の実施の形態の蒸気タービン発電システムにおける低圧タービン５０の蒸気入口部の構造について説明する。
図３は、低圧タービン５０の構造を模式的に示している。なお、第１の実施の形態の蒸気タービン発電システムの低圧タービン１３と同一の構成部には、同一の符号を付している。
低圧タービン５０は、同じ構造を有する２基の低圧タービン部３０ａ、３０ｂがタンデム結合されている。それぞれの低圧タービン部３０ａ、３０ｂの動翼は、例えば６段であり、低圧タービン部３０ａと低圧タービン部３０ｂとがほぼ左右対称に構成されている。低圧タービン部３０ａ、３０ｂの周りには、低圧タービン内部ケーシング３１および低圧タービン外部ケーシング３２が設置され、低圧タービン部３０ａ、３０ｂの周りを二重に覆っている。また、低圧タービン５０の軸部には、低圧タービンロータ３３が設置され、中圧タービン１２や発電機１４と連結している。
次に、低圧タービン５０の蒸気入口部の構造の一例について説明する。
低圧タービン部３０ａと低圧タービン部３０ｂとの間の低圧タービン外部ケーシング３２には、中圧タービン１２から排気された蒸気を低圧タービン５０に導くクロスオーバー管２０が接合されている。また、このクロスオーバー管２０の一部の周囲には、一端を低圧タービン外部ケーシング３２に接合された冷媒作動配管５１が配設されている。クロスオーバー管２０と冷媒作動配管５１とによって、２重管構造を成し、クロスオーバー管２０と冷媒作動配管５１との間隙によって、冷却手段として機能する冷媒の流路が形成されている。このクロスオーバー管２０と冷媒作動配管５１との間隙を冷媒が流れ、クロスオーバー管２０が接合された付近の低圧タービン外部ケーシング３２を冷却する。
なお、クロスオーバー管２０に沿って配設される冷媒作動配管５１の長さやクロスオーバー管２０と冷媒作動配管５１との間隔は、冷媒の種類、冷媒の流量、クロスオーバー管２０や冷媒作動配管５１を構成する材料の熱伝導率、クロスオーバー管２０を流れる蒸気の流量や温度などに基づいて、低圧タービン５０に流入する蒸気の温度が４１０〜４３０℃であっても、低圧タービン外部ケーシング３２の温度が、耐熱温度以上にならないように設定される。
ここで、冷媒として、例えば、圧縮空気などを用いることができる。例えば、冷媒として圧縮空気を用いた場合には、冷却後の圧縮空気は、大気中に放出される。
上記した低圧タービン５０の蒸気入口部の冷却構造を備えることで、従来の低圧タービンの入口蒸気温度よりも高温の蒸気が低圧タービン５０内に流入する場合でも、クロスオーバー管２０に接合される、蒸気入口部における低圧タービン外部ケーシング３２の材料を、従来の低圧タービン外部ケーシングの材料、例えば炭素鋼で形成することができる。そして、低圧タービンの寿命を従来と同等に設定することが可能となる。
１０…蒸気タービン発電設備、１１…高圧タービン、１２…中圧タービン、１３…低圧タービン、１４…発電機、１５…復水器、１６…ボイラ、１７…主蒸気管、１８…低温再熱管、１９…高温再熱管、２０…クロスオーバ管、２１…ボイラ給水ポンプ、３０ａ、３０ｂ…低圧タービン部、３１…低圧タービン内部ケーシング、３２…低圧タービン外部ケーシング、３３…低圧タービンロータ、３４…低圧タービン流入蒸気、５０…低圧タービン、５１…冷媒作動配管。
Claims (7)
- 高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンを備えた蒸気タービン発電システムにおいて、
前記中圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃、前記低圧タービンの入口蒸気温度が４１０〜４３０℃であり、
前記低圧タービンの低圧タービンロータが重量％で、
Ｃ：０．２８以下、Ｓｉ：０．０３以下、Ｍｎ：０．０５以下、Ｃｒ：１．５〜２．０、Ｖ：０．０７〜０．１５、Ｍｏ：０．２５〜０．５、Ｎｉ：３．２５〜４．０を含有し、残部がＦｅ、不可避的不純物および不可避的ガスからなり、
前記不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．００４以下、Ｓ：０．００２以下、Ｓｎ：０．０１以下、Ａｓ：０．００８以下、Ｓｂ：０．００５以下、Ａｌ：０．００８以下、Ｃｕ：０．１以下を含有する耐熱鋼で構成されることを特徴とする蒸気タービン発電システム。 - 高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンを備えた蒸気タービン発電システムにおいて、
前記中圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃、前記低圧タービンの入口蒸気温度が４１０〜４３０℃であり、
前記低圧タービンの低圧タービンロータが重量％で、
Ｃ：０．２４〜０．２７、Ｓｉ：０．０３以下、Ｍｎ：０．０３以下、Ｃｒ：１．６〜１．８、Ｖ：０．１〜０．１５、Ｍｏ：０．４〜０．４５、Ｎｉ：３．５〜４．０を含有し、残部がＦｅ、不可避的不純物および不可避的ガスからなり、
前記不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．００３以下、Ｓ：０．００１５以下、Ｓｎ：０．００５以下、Ａｓ：０．００６以下、Ｓｂ：０．００１５以下、Ａｌ：０．００５以下、Ｃｕ：０．０５以下を含有する耐熱鋼で構成されることを特徴とする蒸気タービン発電システム。 - 前記高圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃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発電システム。
- 前記低圧タービンの蒸気入口部における外部ケーシングを冷却する冷却手段を具備したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービン発電システム。
- 高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンを備え、前記中圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃、前記低圧タービンの入口蒸気温度が４１０〜４３０℃である蒸気タービン発電システムにおける前記低圧タービンの低圧タービンロータであって、
重量％で、Ｃ：０．２８以下、Ｓｉ：０．０３以下、Ｍｎ：０．０５以下、Ｃｒ：１．５〜２．０、Ｖ：０．０７〜０．１５、Ｍｏ：０．２５〜０．５、Ｎｉ：３．２５〜４．０を含有し、残部がＦｅ、不可避的不純物および不可避的ガスからなり、
前記不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．００４以下、Ｓ：０．００２以下、Ｓｎ：０．０１以下、Ａｓ：０．００８以下、Ｓｂ：０．００５以下、Ａｌ：０．００８以下、Ｃｕ：０．１以下を含有する耐熱鋼で構成されることを特徴とする低圧タービンロータ。 - 高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンを備え、前記中圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃、前記低圧タービンの入口蒸気温度が４１０〜４３０℃である蒸気タービン発電システムにおける前記低圧タービンの低圧タービンロータであって、
重量％で、Ｃ：０．２４〜０．２７、Ｓｉ：０．０３以下、Ｍｎ：０．０３以下、Ｃｒ：１．６〜１．８、Ｖ：０．１〜０．１５、Ｍｏ：０．４〜０．４５、Ｎｉ：３．５〜４．０を含有し、残部がＦｅ、不可避的不純物および不可避的ガスからなり、
前記不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．００３以下、Ｓ：０．００１５以下、Ｓｎ：０．００５以下、Ａｓ：０．００６以下、Ｓｂ：０．００１５以下、Ａｌ：０．００５以下、Ｃｕ：０．０５以下を含有する耐熱鋼で構成されることを特徴とする低圧タービンロータ。 - 前記高圧タービンの入口蒸気温度が６５０〜７２０℃であることを特徴とする請求項５または６記載の低圧タービンロータ。
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