JP2007309194A - 蒸気タービンプラント - Google Patents

Abstract

【課題】高蒸気条件である蒸気タービンプラントでも、抽気に伴うタービントリップの発生を避けてタービンの運転継続を第１としつつ、抽気蒸気の安定的な供給を可能とする抽気制御を行えるようにする。
【解決手段】蒸気タービンの中間段で主蒸気の一部を抽気し、抽気蒸気を需要先に供給する抽気系を備え、抽気状態を制御する抽気制御システムを備えた蒸気タービンプラントについて、抽気系に、抽気蒸気流量計と抽気蒸気止め弁を設け、抽気蒸気の流量に関して警報流量と抽気蒸気停止流量を制限流量値として設定でき、抽気蒸気流量計からの抽気蒸気流量計測値が警報流量に達した場合に警報を出し、警報の一定時間後に抽気蒸気止め弁を一定の開度として抽気蒸気流量を制限した状態とし、抽気蒸気流量を制限した状態で抽気蒸気流量が増大し、抽気蒸気流量計測値が抽気蒸気停止流量に達した場合に抽気蒸気止め弁を全閉として抽気を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービンプラントに係り、特に蒸気タービンの中間段で主蒸気の一部を抽気し、その抽気蒸気を需要先に供給するようにされている抽気蒸気タービンプラントにおける抽気の制御に関する。

蒸気タービンプラントでは、その複数の段落を有する蒸気タービンにおける中間段から主蒸気の一部を抽気し、その抽気蒸気を蒸気需要先（例えば給水加熱器や脱気器などのタービン補器類、あるいは発電プラントにおける暖房プロセスや自家用発電プラントが付属する工場の各種プロセスなど）に供給するようになっているのが一般的である。このように蒸気タービンの中間段から蒸気を抽気することには、蒸気タービンの減圧作用を利用して蒸気需要先で必要な圧力の蒸気を得るという意味などがある。

こうした抽気蒸気タービンプラントには、抽気に基づくタービントリップの問題がある。図３に示すのは、抽気の構造と抽気による段落間差圧の関係である。図に見られるように、中間段から抽気がなされることにより、段落間差圧が大きくなる。このような抽気構造において抽気蒸気需要量が異常に増大するなどして抽気蒸気流量が一定以上になると、タービンの蒸気流入部と抽気蒸気供給管接続のタービン段落の間での圧力差が大きくなり過ぎる。段落間差圧は、タービン翼にタービン下流側へ引っ張られる状態の応力を発生させる。したがって段落間差圧が一定以上に大きくなると、その段落間差圧による応力がタービン翼の設計強度を上回ってタービン翼を損傷するようなことになりかねない。そこで、タービン翼損傷という事態を避けるために従来では、タービン初段後圧力計と抽気蒸気圧力計でタービン段落間差圧を監視し、これがある所定の制限値を上回った場合、タービンをトリップさせるようにしているのが一般的であった。

発電用などとして用いられる抽気蒸気タービンプラントでは、タービントリップによる蒸気タービンの停止は大きな経済的損失を伴う。このためできればタービントリップを避けることのできるような抽気制御が望まれる。またその一方で、抽気制御においては需要先への安定的な抽気蒸気の供給も重要となる。こうした課題に応える技術として特許文献１に開示の技術が知られている。

特許文献１に開示の蒸気タービンプラントの運転方法は、抽気蒸気の流量を計測する流量計、抽気蒸気の抽気流量を制御する抽気蒸気加減弁、抽気蒸気の抽気を停止させる抽気蒸気止め弁、タービンへの蒸気流入部での蒸気圧力を検出するタービン初段後圧力計、及び抽気蒸気の圧力を検出する抽気蒸気圧力計を備えた蒸気タービンプラントを運転対象としている。そして通常状態では、抽気蒸気流量計による計測値と抽気蒸気需要計画量に基づいて抽気蒸気加減弁の開度をフィードバック制御する。その一方で、タービン初段後圧力計と抽気蒸気圧力計それぞれによる計測値の差分をタービン初段後圧力と抽気蒸気圧力の圧力差として常時監視しており、その圧力差が予め設定してある規定値を超えた場合には、タービンに危険がおよぶとして抽気蒸気加減弁と抽気蒸気止め弁のいずれか一方、又は両方を全閉にして抽気を停止し、これによりタービンをトリップさせる事態を回避できるようにしている。

なお、蒸気タービンにおける抽気に関しては、特許文献１の他にも例えば特許文献２〜６などに開示の例が知れている。

特開２０００−２５７４０５号公報 特開平７−１８０５０７号公報 特開平１０−１１０６０２号公報 特開平７−３４８０９号公報 特開２０００−１６１００９号公報 特開平８−３１２３０９号公報

上記特許文献１における蒸気タービンプラントの運転方法は、抽気に伴うタービントリップの発生を避けてタービンの運転継続を第１としつつ、抽気蒸気の安定的な供給を可能とするという点で優れている。しかし、この技術には一定の条件を必要とする。その１つは、弁開度を連続的に設定でき、それにより蒸気の抽気流量を連続的に可変できる抽気蒸気加減弁を蒸気タービンプラントが備えていることである。

他の１つは、蒸気タービンプラントにおける蒸気条件が、タービン初段後圧力と抽気蒸気圧力の圧力差を抽気蒸気量の過剰についての有効な指標とすることのできる蒸気条件である場合、つまり蒸気タービンプラントに供給される主蒸気が一定以下の圧力である場合ということである。図４に示すのは、Ｓｉチャートであり、蒸気条件とタービン膨張線、それにタービンの抽気点（抽気位置）とタービン熱応力制限値の差と蒸気条件の関係を表している。図に見られるように、蒸気条件が変わるとタービン膨張線が変化する。すなわち低蒸気条件である場合にはタービン膨張線ｅであるが、高蒸気条件となるとタービン膨張線ｇとなる。そうすると、タービン抽気点の蒸気条件とタービン翼応力制限条件の差が差ｆから差ｈへと小さくなる。この差ｆや差ｈは、上述のタービン初段後圧力と抽気蒸気圧力の圧力差に対応し、特許文献１における圧力差基準方式による制御を効果的に行うには、この圧力差を有効に検出できる必要がある。しかるに差ｈのように小さな差となってくると、圧力計が固有に有する計測誤差や制御における安全率を考慮して設定される圧力差の規定値が実測可能な圧力差以下となってしまい、圧力差基準方式による制御が困難となってしまう。このことから、圧力差基準方式による制御では蒸気条件が制約となり、蒸気タービンプラントに供給される主蒸気が一定以下の圧力である必要がある。

こうした条件は全ての蒸気タービンプラントで満足されるものでない。すなわちプラントコストをより重視することから、連続的な弁開度制御のための作動系などの付属設備を伴って高価となる抽気蒸気加減弁を省くことになる蒸気タービンプラントがある。また、近年は高効率化のために高蒸気条件（高圧力蒸気条件）を採用する場合も多くなってきており、タービン初段後圧力と抽気蒸気圧力の圧力差を抽気蒸気量過剰の指標とすることのできない蒸気条件となる場合も増えてきている。

本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、抽気蒸気加減弁のような高機能で高価である弁装置を備えず、また圧力差基準方式による制御が困難な高蒸気条件である蒸気タービンプラントであっても、抽気に伴うタービントリップの発生を避けてタービンの運転継続を第１としつつ、抽気蒸気の安定的な供給を可能とする抽気制御を行えるようにすることを課題とする。

本発明では、上記課題を解決するため、抽気蒸気流量計で計測される抽気蒸気流量計測値のみを抽気状態の指標とし、その抽気蒸気流量計測値に基づいて抽気蒸気止め弁の制御などを行うように抽気制御システムを構成することを要旨としている。

具体的には、蒸気タービンの中間段で主蒸気の一部を抽気し、その抽気蒸気を需要先に供給する抽気系を備えるとともに、前記抽気系による抽気状態を制御する抽気制御システムを備えた蒸気タービンプラントにおいて、前記抽気系は、抽気蒸気流量計と抽気蒸気止め弁が設けられ、前記抽気制御システムは、前記抽気蒸気の流量に関して警報流量と抽気蒸気停止流量を制限流量値として設定できるようにされ、前記抽気蒸気流量計からの抽気蒸気流量計測値が前記警報流量に達した場合には警報を出すとともに、その警報の一定時間後に前記抽気蒸気止め弁に開度指令を送って前記抽気蒸気止め弁を一定の開度として抽気蒸気流量を制限した状態とし、また前記抽気蒸気流量を制限した状態でさらに前記抽気蒸気流量が増大し、前記抽気蒸気流量計測値が前記抽気蒸気停止流量に達した場合には前記抽気蒸気止め弁に全閉指令を送って前記抽気蒸気止め弁を全閉として抽気を停止するようにされていることを特徴としている。

このように、抽気蒸気流量計で計測される抽気蒸気流量計測値のみを抽気状態の指標とし、その抽気蒸気流量計測値に基づいて抽気蒸気止め弁の制御などを行うように抽気制御システムを構成したことにより、抽気蒸気加減弁のような高機能で高価である弁装置を備えず、また圧力差基準方式による制御が困難な高蒸気条件である蒸気タービンプラントについて、抽気に伴うタービントリップの発生を有効に避けてタービンの運転継続を第１としつつ、抽気蒸気の安定的な供給が可能となる。

こうした蒸気タービンプラントは、簡易な構造の抽気蒸気止め弁でも有効な抽気制御が可能となる。したがって前記抽気蒸気止め弁として、全閉状態、全開状態及び前記一定の開度状態である中間開度状態の３つの弁状態のいずれかを選択的にとれるようにされている抽気蒸気止め弁を用いるようにするのが好ましい。

このような簡易な構造の抽気蒸気止め弁で抽気制御を行うようにすることにより、弁装置に要するコストを低減でき、それだけ蒸気タービンプラントの低コスト化を図れることになる。

また上記のような蒸気タービンプラントについては、前記抽気制御システムは、前記制限流量値を設定する制限流量値設定手段を備えており、前記制限流量値設定手段は、前記蒸気タービンにおける主蒸気流量、タービン出力及びタービン初段後圧力のいずれかを抽気流量パラメータとし、この抽気流量パラメータと前記抽気蒸気流量計測値に基づいて前記制限流量値を設定するように構成された制限流量値設定手段を前記抽気制御システムに設け、この制限流量値設定手段により前記制限流量値を設定するようにするのが好ましい。

このようにすることにより、主蒸気流量に対する抽気蒸気流量の許容範囲を最大限に使った抽気とすることができ、抽気蒸気のより安定的な供給を可能となる。

以上のような本発明によれば、抽気蒸気加減弁のような高機能で高価である弁装置を備えず、また圧力差基準方式による制御が困難な高蒸気条件である蒸気タービンプラントであっても、抽気に伴うタービントリップの発生を避けてタービンの運転継続を第１としつつ、抽気蒸気の安定的な供給を可能とする抽気制御を行えるようになる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１に、一実施形態による抽気蒸気タービンプラントの構成を系統図として示す。本実施形態の抽気蒸気タービンプラントは、発電用であり、抽気蒸気タービン１に発電機２が接続されている。抽気蒸気タービン１は、高圧タービン１ａと再熱タービン１ｂで構成されており、これらタービン１ａ、１ｂのそれぞれに抽気系３（３ａ、３ｂ）が設けられている。ここで、抽気系３を２系統の抽気系３ａ、３ｂとしてあるのは、主蒸気の圧力状態に応じて抽気系３ａと３ｂを使い分けることで、より安定的な抽気蒸気供給をなせるようにするためである。すなわち、通常状態では抽気系３ｂにより抽気蒸気の供給を行い、主蒸気の圧力が一定以下に低下した場合には抽気系３ａと３ｂを併用することで抽気蒸気供給の安定性を高めるものである。

抽気系３は、抽気蒸気タービン１（高圧タービン１ａ、再熱タービン１ｂ）の中間段に接続された抽気蒸気供給管４（４ａ、４ｂ）、抽気蒸気供給管４の途中に設けられた抽気蒸気流量計５（５ａ、５ｂ）、及び同じく抽気蒸気供給管４の途中に設けられた抽気蒸気止め弁６（６ａ、６ｂ）を備えた構成とされ、抽気制御システム７による制御の下で抽気蒸気需要先８に抽気蒸気を供給するようにされている。

抽気蒸気流量計５は、抽気蒸気供給管４を流れる抽気蒸気の流量を計測し、その計測値を抽気制御システム７に入力させる。

抽気蒸気止め弁６は、例えば電動モータで弁の開閉駆動をなし、全閉状態、全開状態及び所定の中間開度状態という３つの弁状態のいずれかをとれるだけの簡易な構造とされた低コストな弁装置であり、その３つの弁状態により抽気系３における抽気状態を設定する。

抽気制御システム７は、流量計５による抽気蒸気流量計測値に基づいて抽気蒸気止め弁６を制御する。そのために抽気制御システム７は、１例として図２に示すように構成される。図２の例の抽気制御システム７は、制限流量値設定手段１１、比較手段１２、及び開度指令／警報指令生成手段１３を備えている。

制限流量値設定手段１１は、抽気蒸気流量計測値Ｄ１と抽気流量パラメータＤ２に基づいて警報流量Ｄ３と抽気蒸気停止流量Ｄ４の２つの制限流量値を設定する。抽気流量パラメータＤ２には、抽気蒸気タービン１に供給される主蒸気の流量やそれに同値であるタービン出力あるいはタービン初段後圧力が用いられる。そのために、主蒸気流量などを計測する機器が設けられることになるが、それらの図示は省略してある。このように主蒸気流量などの抽気流量パラメータＤ２と抽気蒸気流量から制限流量値を設定するのは、抽気蒸気タービン１における許容抽気蒸気量が主蒸気流量に相関するからである。すなわち抽気蒸気タービン１における段落間差圧は主蒸気流量に相関し、主蒸気流量が少ないと段落間差圧も小さくなることから、それだけ許容抽気蒸気量の割合を大きくすることができ、したがって制限流量値を主蒸気流量などに連動させることにより、許容範囲を最大限まで使った抽気を行うことができるからである。

比較手段１２は、抽気蒸気流量計測値Ｄ１を警報流量Ｄ３や抽気蒸気停止流量Ｄ４と比較し、その比較結果Ｄ５を開度指令／警報指令生成手段１３に出力する。

開度指令／警報指令生成手段１３は、比較結果Ｄ５に基づいて抽気蒸気止め弁６に対する開度指令Ｄ６を生成させ、また警報装置９（図１）への警報指令Ｄ７を生成させる。

こうした抽気制御システム７による制御の下で、通常の抽気状態では抽気蒸気止め弁６は全開状態にされて抽気が行われ、抽気蒸気需要先８の蒸気需要に応じた抽気蒸気流量の抽気がなされている。この状態で抽気蒸気流量が増大し流量計５からの抽気蒸気流量計測値Ｄ１が警報流量に達すると、抽気制御システム７は、警報指令Ｄ７を出力して警報装置９に警報を出させ、抽気蒸気流量が過大状態にあるので抽気蒸気流量を制限するか、又は停止する可能性のあることを抽気蒸気需要先８に知らせる。抽気蒸気流量過大警報が発せられて一定時間（抽気蒸気需要先８が抽気蒸気流量の制限や停止への適切な対応処置をとるのに要する時間程度の時間）が過ぎても抽気蒸気流量計測値が警報流量に達していると、抽気制御システム７は抽気蒸気止め弁６に開度指令Ｄ６として中間開度指令の信号を送る。これにより抽気蒸気止め弁６は中間開度となり、抽気蒸気流量が適度に制限された状態になる。

抽気蒸気止め弁６を中間開度とした状態でもさらに抽気蒸気流量が増大し、抽気蒸気流量計測値Ｄ１が抽気蒸気停止流量に達すると、抽気制御システム７は抽気蒸気止め弁６に開度指令Ｄ６として全閉指令の信号を送って抽気蒸気止め弁６を全閉とし、抽気を停止させる。

以上のように、本発明では、抽気制御に関して警報流量と抽気蒸気停止流量の２つの制限流量値を設定し、抽気蒸気流量が警報流量を越えるようになった場合には抽気蒸気需要先に警報を発して予告した後、抽気蒸気止め弁６を中間開度とすることで適度な抽気制限をなし、またその状態でさらに抽気蒸気流量が増大して抽気蒸気停止流量を越えるようになった場合には抽気蒸気止め弁６を全閉として抽気を停止するようにしている。このような抽気制御によれば、抽気蒸気加減弁のような高機能で高価である弁装置を備えず、また圧力差基準方式による制御が困難な高蒸気条件である蒸気タービンプラントであっても、抽気に伴うタービントリップの発生を有効に避けてタービンの運転継続を第１としつつ、抽気蒸気の安定的な供給が可能となる。

一実施形態による抽気蒸気タービンプラントの系統構成を示す図である。 抽気制御システムの構成を示す図である。 抽気構造と抽気による段落間差圧の関係を示す図である。 蒸気条件とタービン膨張線、それにタービンの抽気点とタービン熱応力制限値の差と蒸気条件の関係を示す図である。

符号の説明

１ 抽気蒸気タービン
３（３ａ、３ｂ） 抽気系
４（４ａ、４ｂ） 抽気蒸気供給管
５（５ａ、５ｂ） 抽気蒸気流量計
６（６ａ、６ｂ） 抽気蒸気止め弁
７ 抽気制御システム
８ 抽気蒸気需要先
９ 警報装置
１１ 制限流量値設定手段

Claims (3)

1. 蒸気タービンの中間段で主蒸気の一部を抽気し、その抽気蒸気を需要先に供給する抽気系を備えるとともに、前記抽気系による抽気状態を制御する抽気制御システムを備えた蒸気タービンプラントにおいて、
   前記抽気系は、抽気蒸気流量計と抽気蒸気止め弁が設けられ、前記抽気制御システムは、前記抽気蒸気の流量に関して警報流量と抽気蒸気停止流量を制限流量値として設定できるようにされ、前記抽気蒸気流量計からの抽気蒸気流量計測値が前記警報流量に達した場合には警報を出すとともに、その警報の一定時間後に前記抽気蒸気止め弁に開度指令を送って前記抽気蒸気止め弁を一定の開度として抽気蒸気流量を制限した状態とし、また前記抽気蒸気流量を制限した状態でさらに前記抽気蒸気流量が増大し、前記抽気蒸気流量計測値が前記抽気蒸気停止流量に達した場合には前記抽気蒸気止め弁に全閉指令を送って前記抽気蒸気止め弁を全閉として抽気を停止するようにされていることを特徴とする蒸気タービンプラント。
2. 前記抽気蒸気止め弁は、全閉状態、全開状態及び前記一定の開度状態である中間開度状態の３つの弁状態のいずれかを選択的にとれるようにされているものであることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンプラント。
3. 前記抽気制御システムは、前記制限流量値を設定する制限流量値設定手段を備えており、前記制限流量値設定手段は、前記蒸気タービンにおける主蒸気流量、タービン出力及びタービン初段後圧力のいずれかを抽気流量パラメータとし、この抽気流量パラメータと前記抽気蒸気流量計測値に基づいて前記制限流量値を設定するようにされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蒸気タービンプラント。

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