JP2008069702A - 蒸気タービンの運転制御方法およびゴミ処理施設の発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸気タービンの排気量が定格に満たないとき同タービンをより適切に運転することのできる運転制御方法を提供し、さらには、そのような運転制御方法によって好ましい発電を行えるゴミ処理施設の発電装置を提供する。
【解決手段】 蒸気タービンの排気量が定格未満であるとき、復水器入口圧力を、同タービンの出力飽和能力線Ｘおよび復水器補機の限界能力線Ｙ（またはそれに近い制御線Ｙ’）に沿って低下させる。
【選択図】 図１

Description

請求項に係る発明は、排気量が定格に満たないときの蒸気タービンを適切に運転するための運転制御方法、および、発電用の蒸気タービンにそのような運転制御方法を採用するゴミ処理施設の発電装置に関するものである。

蒸気タービンを含む発電装置において発電を効率的に行うための制御方法に関しては、たとえば下記の特許文献１に記載がある。同文献１に記載された方法は、復水器に流入する蒸気量と外気温度とに対して、発電機の発電量と復水器ファンの消費電力との差として求められる発電効率が最大となるように器内圧力を決定して前述ファンを駆動するものである。
特開２００５−２７３６５５号公報

蒸気タービンを用いて発電する場合、蒸気タービン入口蒸気量や条件が同一な時、復水器入口圧力を低下させると蒸気が膨張し、発電量が増加することが一般的に知られている。しかし、タービンの設計点から一定量を超える圧力低下は、タービン翼と蒸気との間の相対速度が音速に達し、摩擦や衝撃波による損失が増大する。この蒸気が音速に達する境界はタービン出力飽和線と呼ばれる。同出力飽和線までの圧力低下は、タービン出力が増加する一方、同出力飽和線を下回る圧力低下は、発電量が低下することになる。

請求項に係る発明は、以上の点を考慮して、蒸気タービン部分負荷となる蒸気タービンの設計点以外の領域において、よりタービン運転効率の良い運転制御方法等を提供するものである。

請求項に係る発明である蒸気タービンの運転制御方法は、蒸気タービンの排気量（蒸気処理量）が定格に満たないとき、復水器入口圧力（同タービンの排気圧力に同じ）を、同タービンの出力飽和線を下回らない範囲で低下させる（定格運転時よりも低下させる）ことを特徴とする。
復水器能力線図（すなわち、特定の外気温のもとで復水器のファンを定格運転するときの復水器の蒸気処理量（横軸）と復水器入口圧力（縦軸）との関係を示す線図）にタービン出力飽和線を記入すると図１のようになる。図１中の線Ａw、Ａxおよび線Ａsは、外気温がそれぞれ１０℃・２０℃・３３．５℃のときの復水器能力線であり、線Ｘはタービン出力飽和線である。上記の運転制御方法は、たとえば、外気温が１０℃のとき、
・ 蒸気タービンの排気量が定格（乾き度１への換算蒸気処理量で約１１０ｔ／ｈ）であるときには図１中の点Ｎwで運転するものとして復水器入口圧力を設定し、
・ 蒸気タービンの排気量が定格未満である場合には、タービン出力飽和線である線Ｘを下回らない範囲で復水器入口圧力を低下させる
のである。なお、外気温が２０℃を超える場合には、復水器のファンの能力が及ばなくなるために実際の復水器入口圧力は上記のように設定する値よりも多少高くなる（たとえば外気温が２０℃のときは図中の線Ａxに沿った値になる）。

この運転制御方法によれば、蒸気タービンの排気量が定格に満たないとき、復水器入口圧力を下げるよう変圧制御を行って蒸気のボリュームを増やすので、同タービンの運転効率の低下を抑制することができる。すなわち、i)蒸気タービンの低負荷運転が行える蒸気量領域を広げ、タービンが不安定となる蒸気量を少なくすることができるとともに、ii)蒸気タービンの低負荷運転時に、蒸気がもっているエネルギーを有効に利用することができる。したがって、蒸気タービンが発電機を駆動するものである場合には、発電量を高く維持することが可能となる。
しかも、この運転制御方法では、タービンの出力飽和線を下回らない範囲で復水器入口圧力を低下させることから、前記のようにタービン翼と蒸気との間の相対速度が音速に達して摩擦や衝撃波による損失が大きくなるという事態が発生しない。そしてそのために、タービン運転効率が低下してかえって発電量が低下するようなことがない。

請求項に係る発明の運転制御方法は、蒸気タービンの排気量が定格に満たないとき、復水器入口圧力を、復水器補機（ファンまたはエゼクター等）の能力を超えない範囲で、（定格運転時よりも）低下させることとするのもよい。
復水器補機は、復水器入口圧力を特定の圧力にまで低下させることができるが、その能力には限界があり、たとえば図１における直線Ｙを限界能力線とする。したがって、蒸気タービンの排気量が定格未満であるとき復水器入口圧力を低下させるとしても、そうした能力（の限界）を超えて低下させることはできない。
ここに示した制御方法は、蒸気タービンの排気量が定格未満であるとき、復水器入口圧力を低下させるものの補機の限界能力線である図１中の直線Ｙ（またはそれと平行な、それに近い入口圧力を示す直線Ｙ’）を下回ることがないようにするものである。

発明の運転制御方法は、蒸気タービンの排気量が定格に満たないとき、復水器入口圧力を、同タービンの出力飽和能力線を下回らず復水器補機の能力をも超えない範囲で（定格運転時よりも）低下させることとするのが好ましい。
そうすれば、上記した二つの点で蒸気タービンを適切に運転することが可能である。すなわち、排気量が定格未満であるときタービン運転効率の低下を抑制することができる。

とくに、蒸気タービンの排気量が定格未満であり外気温が２０℃以下であるとき、復水器入口圧力を、同タービンの出力飽和能力線および復水器補機の限界能力線に沿って低下させることとするのがよい。たとえば、図１における線Ｘおよび線Ｙ（または線Ｙ’）に沿って復水器入口圧力を定めるのである。なお、ここでいう「沿って」には、線Ｘ・Ｙ（出力飽和能力線および復水器補機の限界能力線）の示す圧力に一致させる場合のみには限らず、多少の幅をもたせて、たとえば線Ｙに対する線Ｙ’のように５ｋＰａＡ（０．０５ａｔａ）程度だけ高めに（または同程度だけ低めに）同圧力を定める場合をも含む。
そのようにすれば、タービン運転効率の低下を避けながら、復水器入口圧力を最も低くすることになる。そのため、排気量が定格に満たないときタービン運転効率の低下を抑制するというメリットが、適切な範囲内で最大限にもたらされることとなる。なお、外気温が２０℃を超えるときは、前述のように、実際の復水器入口圧力は、上記のように定める値よりも多少高くなるのが一般である。

上記の運転制御方法は、蒸気タービンへの蒸気を、運転台数およびゴミ質が変化する複数台のゴミ焼却炉に接続された廃熱ボイラにより発生させる場合にとくに適している。たとえば、図２に示すゴミ処理施設に設けられた蒸気タービン１０の運転制御をなす場合に好適である。
運転台数およびゴミ質が変化する複数のゴミ焼却炉では、ゴミの量と質とによって発熱量が大幅に変動する。つまり、焼却炉の全数を運転して発熱量の高いゴミ質のゴミを焼却するという定格の運転を行う場合ばかりでなく、ゴミの量が少ないために１炉（１台の焼却炉）のみを運転し、しかもゴミが低発熱量のものである場合もある。前者に比べると後者の場合には、焼却炉からの発熱量は数分の一程度と小さく、したがって、廃熱ボイラで発生する蒸気量も蒸気タービンの排気量も大幅に少なくなる。
そのように蒸気タービンの排気量が大きく変動する用途においては、上述のように復水器入口圧力を適切な範囲で低下させることが重要であり有意義である。蒸気タービンの排気量が大幅に低下するとき、復水器入口圧力を下げることによって蒸気タービンの運転効率の低下を抑制することが望まれる。

上記の運転制御方法は、上記にしたがう復水器入口圧力を蒸気タービンの排気量に対応づけてあらかじめ設定しておき、
a)測定する蒸気タービンの排気量に応じ、または、
b)ゴミ焼却炉の運転台数およびゴミ質から予想される蒸気タービンの排気量に応じて、
設定した復水器入口圧力となるよう、復水器ファンの回転数制御を行うこととするとよい。
蒸気タービンの実機における運転では、適切な復水器入口圧力をこのようにあらかじめ設定しておくのが有利である。蒸気タービンの排気量等を測定するとともに、それらに応じたタービン出力飽和線または復水器補機の限界能力線に相当する復水器入口圧力をそのつど算出したうえで適切な復水器入口圧力を決定する−という制御をすることも可能だが、そうする場合よりも制御手段が簡単化され、制御コストが低くなるからである。
そして、上記a)またはb)によって蒸気タービンの排気量を把握したうえ、それに応じた適切な復水器入口圧力を上記した事前の設定により決定することとすれば、制御はきわめて容易に行われる。とくに上記b)のように蒸気タービンの排気量を予想するなら、当該排気量を測定する必要がないため、制御コストは一層に低減できる。

請求項に係るゴミ処理施設の発電装置は、発電用の蒸気タービンを、運転台数およびゴミ質が変化する複数のゴミ焼却炉と、それらの排ガスを導入する廃熱ボイラ、および復水器に接続していて、上記のいずれかに記載した運転制御方法によりその蒸気タービンを運転制御することを特徴とするものである。たとえば図２に示すゴミ処理施設の発電装置１は、上記の運転制御方法を実施する場合にはこの請求項に係る発電装置に該当する。
こうした発電装置では、運転台数およびゴミ質が変化する複数台のゴミ焼却炉において発熱量が大幅に変動するため、蒸気タービンの排気量も、定格に対して数分の一程度にまで小さくなることが珍しくない。しかしそのような場合にも、この発電装置なら、上記した運転制御方法により蒸気タービンを運転制御するので、タービン運転効率の低下を抑制しながら、蒸気タービンによる発電量を高く維持することが可能である。

請求項に係る蒸気タービンの運転制御方法によれば、同タービンの排気量が定格に満たないときにもタービン運転効率を高めに維持することができるとともに、衝撃波等に起因するタービン運転効率の低下を防止することができる。

蒸気タービンへの蒸気を、運転台数およびゴミ質が変化する複数のゴミ焼却炉に接続された廃熱ボイラにより発生させる場合には、蒸気タービンの排気量が定格から相当に少なくなることがあるので、とくに有意義である。また、蒸気タービンの排気圧力に対応づける復水器入口圧力をあらかじめ設定しておくと、制御に要するコストを下げられる。

請求項に係るゴミ処理施設の発電装置によれば、蒸気タービンの排気量が定格から相当に少なくなることがあるにもかかわらず、タービン運転効率の低下を防止しながら、発電効率を高く維持することができる。

発明の実施に関する形態を図１および図２に示す。図２は、ゴミ処理施設におけるゴミ焼却炉２とそのエネルギーを利用する蒸気タービン１０等とを含む発電装置１に関する系統図である。また図１は、図２の発電装置１に使用する復水器１２についての復水器能力線図に、図２の発電装置１における実際の運転点（運転時の蒸気量（乾き度１への換算蒸気処理量）と復水器入口圧力とを示す点）を記入した図である。

図２の発電装置１におけるゴミ処理施設では、ゴミ焼却炉２が３台あり、それらが各々廃熱ボイラ３に接続されており、さらにそのボイラ３による発生蒸気が発電機１１の駆動用蒸気タービン１０に送られるよう構成されている。図２において符号１２は復水器、符号１２ａは復水器１２用のファンを表す。また符号４は、蒸気タービン１０より抽気した蒸気の使用先を示し、符号６はボイラ給水ポンプである。

このような発電装置１においては、蒸気タービン１０に、蒸気量の幅広い変動に対応して発電を行うことが求められる。それはつぎのような理由による。まずゴミ処理施設は、安定した継続処理が求められることから、数年先のゴミの発生量を考慮して施設能力が定められている。そのため、最大蒸気処理量で設計・製作されることが多い蒸気タービン１０や復水器１１は、機器の寿命の大部分を部分負荷運転をされることがほとんどである。また、ゴミ処理量が増える数年先においても、焼却炉２の運転台数やゴミ質によって、ボイラ３による蒸気の発生量は大きく変動し得る。たとえば、ゴミの量に応じて１炉のみを運転しゴミ質も低発熱量である場合には、３炉すべてを運転して高発熱量のゴミを焼却する場合に比べると、蒸気発熱量は数分の一程度にすぎないものとなる。

廃棄物発電では、ゴミ処理施設の設置条件等により空冷式復水器が採用される場合が多く、そのため、一般的には復水器の冷却に空気が使用される。空気には、昼夜・四季を通じて温度が大きく変動するという特徴がある。そのような中、従来の復水器の制御としては、蒸気タービン排気蒸気量の最大値を所定の圧力に制御可能なように、復水器入口部に圧力計を取り付けて、その値を一定（図１中の制御線Ｗ）にする制御方法が実施されている。また、蒸気タービン排気蒸気量が少ない場合には、復水器のファンの回転数やファンの運転台数を変更して、復水器入口圧力が前述の値（図１中の線Ｗ上の値）に一定となるよう制御が行われている。このような制御方法では、蒸気タービン排気量が少ない部分負荷時には、蒸気タービンのタービン効率が低下している。また、蒸気タービン排気量が減少していくと、タービン内の蒸気充填量が減少し、タービン翼の振動が大きくなり安定連続運転が行えなくなる。

発明者らは、この課題を解決するために、蒸気タービン１０の部分負荷運転時における復水器１２の入口圧力を蒸気量に応じて変圧制御することとした。すなわち、ゴミ焼却炉２を３炉運転して高発熱量のゴミを焼却する場合（図１中の「３炉Ｈ」の場合。乾き度１への換算蒸気処理量は１１０ｔ／ｈ）を定格とし、それよりも排気蒸気量が少ない部分負荷運転時においては、復水器１２のうち使用されていない伝熱面積の裕度分を利用することにより、蒸気タービン１０で発電可能な蒸気領域を拡大させるのである。

具体的には、まず、図２の蒸気タービン１０について排気蒸気量（排気量）を測定し、その蒸気量をもとに、あらかじめ図１のように定めた線Ｘおよび線Ｙ’にしたがって復水器１２の入口圧力を設定することとした。蒸気タービン１０の排気蒸気量の測定は、図２の系統中、ボイラ３から蒸気タービン１０へ至る流路２１および蒸気タービン１０から使用先４（復水器１２以外）へ抽気される流路２２においてそれぞれ蒸気流量を測定し、両者の差として、流路２３より復水器１２へ至る排気蒸気量を算出する。図１中に示す線Ｘおよび線Ｙ’にしたがうとともにこうして求めた排気蒸気量に対応する点として、復水器１２の入口圧力を設定し、同圧力がその設定値になるようにファン１２ａの回転数を定めるのである。

たとえば、冬季において外気温が約１０℃（または２０℃以下）である場合、排気蒸気量が定格であるときは図１中の定格点Ｎwに合わせて復水器入口圧力を定める（１３ｋＰａＡとする）が、排気蒸気量が少ない部分負荷運転時には、線Ｘにしたがって復水器入口圧力を低下させ、さらに排気蒸気量が少なくなったときは線Ｙ’にしたがって一定の値（８．８ｋＰａＡ）にする。

上に述べた線Ｘは蒸気タービン１０のタービン出力飽和線である。復水器入口圧力をこれより低くした場合には、タービン翼と蒸気との相対速度が音速に達し、摩擦や衝撃波による損失が大きくなってタービン運転効率が低下する結果、圧力を下げても発電量は増加しなくなる。一方、線Ｙ’は、復水器１２の補機能力線（ファン１２ａなど補機の限界能力線）Ｙと平行な線（復水器入口圧力制御線）であり、線Ｙ上の各点に比べて約４ｋＰａＡだけ余裕をもたせた圧力を示すものである。この線Ｙ’にしたがう限りは復水器１２が長期間安定して機能し得ることになる。

外気温の高い夏季にも、復水器１２のファン１２ａは、復水器入口圧力を線Ｘおよび線Ｙ’上の設定値（目標値）にするよう制御運転される。ただし、図示のように外気温が３３．５℃になった場合など、約２０℃を超えた場合には、ファン１２ａをフル回転させても復水器入口圧力を線Ｘにしたがうまでには下げられなくなる。したがってその場合には、当該外気温における復水器能力線（たとえば線Ａs）にしたがって実際の復水器入口圧力が決まる。そしてタービン１０の排気蒸気量が定格に比べて相当に少ない場合には、復水器入口圧力は前述の線Ｙ’にしたがうこととなる。

線Ｙ’として補機能力線Ｙよりも多少高い圧力レベルを設定したことから、上記のように外気温が３３．５℃のときも、ゴミ焼却炉２を１台のみ運転して通常発熱量の基準ゴミを焼却する場合（図１中の「１炉Ｍ」の場合）には、復水器入口圧力を設定どおりの圧力にすることができる。

上記例のように図１中の線Ｘおよび線Ｙ’にしたがって復水器入口圧力を設定する場合には、発電可能な最少蒸気処理量（振動が発生するなど機器が不安定になり連続運転が不可能になる限度）を約２９ｔ／ｈにまで広げることが可能となった。これに対し、図１の線Ｗにしたがって復水器入口圧力を一定（１２．７ｋＰａＡ）にする従来の制御方法をとった場合には、発電可能な最少蒸気処理量は約３８ｔ／ｈにとどまった。

発明の実施に関する形態を示す図であって、発電装置に使用する復水器の能力線図に、発電装置における実際の運転点（運転時の蒸気量と復水器入口圧力とを示す点）を記入した図である。 発明の実施に関する形態を示す図であって、ゴミ処理施設におけるゴミ焼却炉とそれによるエネルギーを利用する蒸気タービン等と含む発電装置に関する系統図である。

符号の説明

Ａw・Ａx・Ａs 復水器能力線
Ｘ タービン出力飽和線
Ｙ 補機限界能力線
Ｙ’制御線
１ ゴミ焼却施設の発電装置
２ ゴミ焼却炉
３ 廃熱ボイラ
４ 低圧蒸気だめ
５ 脱気器給水ポンプ
６ 脱気器
７ 高圧蒸気だめ
８ ボイラ給水ポンプ
９ 復水タンク
１０ 蒸気タービン
１２ 復水器

Claims (7)

1. 蒸気タービンの排気量が定格に満たないとき、復水器入口圧力を、同タービンの出力飽和線を下回らない範囲で低下させることを特徴とする蒸気タービンの運転制御方法。
2. 蒸気タービンの排気量が定格に満たないとき、復水器入口圧力を、復水器補機の能力を超えない範囲で低下させることを特徴とする蒸気タービンの運転制御方法。
3. 蒸気タービンの排気量が定格に満たないとき、復水器入口圧力を、同タービンの出力飽和能力線を下回らず復水器補機の能力を超えることもない範囲で低下させることを特徴とする蒸気タービンの運転制御方法。
4. 蒸気タービンの排気量が定格未満であり外気温が２０℃以下であるとき、復水器入口圧力を、同タービンの出力飽和能力線および復水器補機の限界能力線に沿って低下させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載した蒸気タービンの運転制御方法。
5. 蒸気タービンへの蒸気を、運転台数およびゴミ質が変化する複数台のゴミ焼却炉に接続された廃熱ボイラにより発生させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載した蒸気タービンの運転制御方法。
6. 上記運転制御方法にしたがう復水器入口圧力を蒸気タービンの排気量に対応づけてあらかじめ設定しておき、
   測定もしくは計算により得られた蒸気タービンの排気量に応じ、または、ゴミ焼却炉の運転台数およびゴミ質から予想される蒸気タービンの排気量に応じて、設定した復水器入口圧力となるよう復水器ファンの回転数制御を行う
   ことを特徴とする請求項５に記載した蒸気タービンの運転制御方法。
7. 発電用の蒸気タービンが、運転台数およびゴミ質が変化する複数のゴミ焼却炉と、それらの排ガスを導入される廃熱ボイラ、および復水器に接続されていて、請求項１〜６のいずれかに記載した運転制御方法により運転制御されることを特徴とするゴミ処理施設の発電装置。
   

Images