JP2009127627A - 蒸気タービンの縮小負荷運転の改善のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービン（１０）の縮小負荷運転を改善するための装置及び方法を提供する。
【解決手段】本装置は、幾つかの低圧セクション（１５、１６）と、幾つかの低圧セクション（１５、１６）の少なくとも１つへの蒸気流量を制限するように作動可能な流量制御システム（１７）とを含むことができる。本方法は、幾つかの低圧セクション（１５、１６）を設けるステップと、幾つかの低圧セクション（１５、１６）の少なくとも１つへの蒸気流量を制限するように作動可能な流量制御システム（１７）を設けるステップと、負荷が所定値以下になった時に、幾つかの低圧セクション（１５、１６）の少なくとも１つへの蒸気流量を制限するように流量制御システム（１７）を作動させるステップとを含むことができる。
【選択図】 図１

Description

本出願は、総括的には蒸気タービンに関し、より具体的には、縮小負荷、部分負荷又は設計外運転条件における蒸気タービンの性能の改善に関する。

蒸気タービンは、加圧蒸気の熱エネルギーを回転機械作用に変換する機械装置である。熱効率を改善するために、大型蒸気タービンは一般的に、高圧セクション、中圧セクション及び低圧セクションのような幾つかのセクションを含む。各セクション内で、蒸気の膨張に複数の段を用いることができる。

大型蒸気タービンのセクションは、該タービンセクションを通しての蒸気の膨張から可能な最大エネルギー量の抽出を可能にするような様々な設計特性を有する。最初に高圧蒸気を蒸気タービンの高圧セクション内に導入することは一般的方法である。タービンの高圧セクションから流出した蒸気は次に、再熱器に導かれた後にタービンの低圧セクション内に導入され、低圧セクション内において膨張し続ける。多くのタービンでは、蒸気は、中圧セクションを通過した後に低圧セクション内に導入される。

各セクションの段を通して蒸気が膨張するとボリュームが増大するので、各段の環状空間面積は、増加させて蒸気の熱エネルギーを効率的に回転機械作用に変換するようにしなければならない。これは、段毎にタービンブレード又はバケットを長くすることによって、その上にブレードが取付けられたロータの直径を増大させることによって、２つ又はそれ以上の流路を並列に付加することによって、或いはそれらの組合せによって達成される。

タービンのセクションの２つの流路が並列である場合に、それは、複流セクションとして知られている。セクションの中央部分に流入する蒸気が分岐流路に遭遇する複流配列として構成されたセクションの１つ又はそれ以上を有することは一般的方法である。タービンセクションの１つのこの中央部分内への流入の後に、蒸気は、両方の流れがタービンシャフトを同一方向に回転させるように方向付けられた状態で対向する方向に流出する。従って、例えば頂部又は底部から流入した蒸気は、左方及び右方に向かって流出する。

単流又は複流低圧セクション設計の選択は、正常全負荷条件において低圧セクションを通って流れるように設計された蒸気のボリュームに応じて決めることができる。低圧蒸気路設計の最高性能は、低圧セクションの最終段バケットから流出する蒸気速度が約６００フィート／秒である時に達成することができる。これより低い又は高い速度は、蒸気タービンの性能を低下させる可能性がある。低圧セクションの流出速度を調整するために、最終段バケットの環状空間面積は、増加又は減少させることができる。しかしながら、蒸気流ボリュームが十分に大きい場合には、タービンブレードの長さ又はその上にブレードが取付けられたロータの直径を増大させることは、実施可能でないか又は望ましくないものとなる可能性がある。代わりに、低圧セクションの流出環状空間面積を増加させるために、複流セクション使用することができる。同様に、単一の複流低圧セクションが、適当な蒸気流出速度を達成するのに十分な環状空間面積を備えていない場合には、２つ又はそれ以上の複流低圧セクションを並列に使用することができる。幾つかの複流低圧セクションを有するタービンでは、該複流低圧セクションの各々に対して、ほぼ等しい蒸気流量の部分が導入されることになる。

蒸気タービンは、正常全負荷運転条件下で効率的に運転するように設計される。しかしながら、縮小電力需要のような一部の状況下では、経済的理由でタービンへの蒸気流量は減少される。流量が設計条件以下に減少した時に、蒸気タービンの低圧セクションの性能は、最終段バケットのハブにおける大きな剥離によって大幅に低下する可能性がある。排気フード性能もまた、減退する可能性がある。蒸気路効率低下及び排気フード性能不足によって、縮小負荷、低負荷又は設計外運転条件におけるタービン効率不良を引き起こすおそれがある。

従って、縮小負荷における蒸気タービンの運転を改善するための方法及び装置を提供することが望ましい。そのような方法及び装置は、そのような運転条件において蒸気タービンの効率を改善することができる。

１つの実施形態では、本出願は、縮小負荷で蒸気タービンを運転する方法を提供し、本方法は、幾つかの低圧セクションを設けるステップと、幾つかの低圧セクションの少なくとも１つへの蒸気流量を制限するように作動可能な流量制御システムを設けるステップと、負荷が所定値以下になった時に、幾つかの低圧セクションの少なくとも１つへの蒸気流量を制限するように流量制御システムを作動させるステップとを含む。

本出願の別の実施形態は、縮小負荷で蒸気タービンを運転する方法を提供し、本方法は、２つの蒸気流路を有する１つの複流低圧セクションを設けるステップと、２つの流路の少なくとも１つへの蒸気流量を制限するように作動可能な流量制御システムを設けるステップと、２つの流路の少なくとも１つへの蒸気流量を制限するように流量制御システムを作動させるステップとを含む。

本出願のさらに別の実施形態は、蒸気タービンを提供する。本蒸気タービンは、幾つかの低圧セクションと、幾つかの低圧セクションの少なくとも１つへの蒸気流量を制限するように作動可能な流量制御システムとを含む。

本出願のこれらの及びその他の特徴は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させて以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

次に個別の図を通して同じ参照符号が同様の要素を示す図面を参照すると、図１は、本出願の実施形態の蒸気タービン１０の概略図を示している。加圧蒸気が、例えばボイラのような蒸気源１１からタービン１０に供給される。蒸気を発生するためのエネルギー源は、それに限定されないが、化石燃料、原子力、地熱、太陽熱発電及びバイオマスエネルギー源を含むことができる。蒸気は最初に、タービン１０の高圧セクション１２に導入される。蒸気流は、タービン１０の高圧セクション１２から流出した後に、付加的熱エネルギーを加えることができる再熱器１３に流れることができる。他の実施形態では、蒸気は、付加的過熱を加えることができるボイラに戻すことができる。別の実施形態では、蒸気は、湿分分離器に導入して、タービンの高圧セクションにおいて蒸気内に形成されたあらゆる水分を除去することができる。さらに別の実施形態では、蒸気は、該蒸気流が再熱器１３から流出した後に、中圧セクションに流れることができる。

蒸気流が再熱器１３から流出した後に、クロスオーバ管１４により、蒸気流を第１の複流低圧セクション１５及び第２の複流低圧セクション１６に導くことができる。２つの低圧セクションの両方への蒸気流量を制限するように作動可能である流量制御システム１７を設けることができる。

流量制御システム１７は、第１の複流低圧セクション１５の入口に設置された第１の弁１８と、第２の複流低圧セクション１６の入口に設置された第２の弁１９とを含むことができる。特定の実施形態では、流量制御システム１７は、低圧セクションの少なくとも１つへの蒸気流路を閉鎖又は部分的に塞ぐことによって、幾つかの低圧セクションの少なくとも１つへの蒸気流量を調整、中断又は制御することができるあらゆる装置を含むことができる。例えば、流量制御システム１７は、バタフライ弁、ポペット弁、或いは蒸気流路を閉鎖又は変更するヒンジ付きリッド又はその他の可動部品を含むことができる。別の実施形態では、流量制御システム１７は、低圧セクションの１つの入口に配置された１つだけの弁を含むことができる。さらに別の実施形態では、流量制御システム１７は、第１の複流低圧セクション１５の入口と第２の複流低圧セクション１６の入口との間に配置された弁を含むことができる。

縮小負荷、低負荷又は設計外条件での運転中に、蒸気タービン１０の低圧セクションの性能は、大幅に低下する可能性がある。そのような条件におけるタービン効率を改善するために、流量制御システム１７は、幾つかの低圧セクションの少なくとも１つへの蒸気流量を制限するように作動可能である。蒸気流量が設計条件以下にすなわち所定値以下に減少した時に、流量制御システム１７は、２つの複流低圧セクションの少なくとも１つへの蒸気流量を制限することができる。流量が制限され始める所定の負荷は、特定の設計及び運転条件の関数である。一般的に、この負荷は、低圧セクションの全体出力が最大になるように選択される。

例えば、第２の弁１９は、第２の複流低圧セクション１６への流量を制限するように大幅に閉鎖することができる。特定の実施形態では、第２の複流低圧セクション１６内における乱流加熱（ｗｉｎｄａｇｅ ｈｅａｔｉｎｇ）を防止するために、十分な蒸気流量が第２の弁１９を通って流れるのを可能にすることができる。第２の複流低圧セクション１６への蒸気流量を制限することにより、第１の複流低圧セクション１５への流量の対応する増加を生じさせ、それによって第１の複流低圧セクション１５の効率を増大させることができる。第１の複流低圧セクション１５の効率の増大は、縮小負荷、低負荷又は設計外条件における蒸気タービン１０の低圧セクションの全体効率を増大させる。

特定の実施形態では、流量制御システム１７は、約５００フィート／秒〜約７００フィート／秒の低圧セクションからの蒸気流出速度を生じるのに十分な蒸気流量を低圧セクションの少なくとも１つに導くように作動することができる。特定の流速範囲は、全体としてタービン１０の寸法及び構成により変化させることができる。２つの複流低圧セクションを通る相対的蒸気流量は、流量制御システム１７を用いてタービン全体効率を最大にするように調整することができる。

蒸気は、第１の複流低圧セクション１５及び第２の複流低圧セクション１６の各流路端部から流出した後に、復水器２０に吐出するか又はその他で用いることができる。

図２は、本出願の実施形態による蒸気タービン２７の概略図を示している。図１の２つの複流低圧セクションの代わりに、図２の蒸気タービンは、３つの複流低圧セクションを有することができる。加圧蒸気は、蒸気源１１からタービン２７に供給される。蒸気は最初に、タービン２７の高圧セクション１２に導入される。蒸気流は、タービン２７の高圧セクション１２から流出した後に、付加的熱エネルギーが加えられる再熱器１３に流れることができる。蒸気流は、再熱器１３から流出した後に、クロスオーバ管１４により第１の複流低圧セクション１５、第２の複流低圧セクション１６及び第３の複流低圧セクション２１に導かれる。３つの低圧セクションの各々への蒸気流量を制限するように、流量制御システム１７を設けることができる。別の実施形態では、流量制御システム１７は、幾つかの低圧セクションの１つ又は２つへの蒸気流量を制限するようにのみ作動可能とすることができる。流量制御システム１７は、第１の複流低圧セクション１５の入口に設置された第１の弁１８と、第２の複流低圧セクション１６の入口設置された第２の弁１９と、第３の複流低圧セクション２１の入口に設置された第３の弁２２とを含むことができる。

縮小負荷、低負荷又は設計外条件での運転中に、流量制御システム１７は、３つの複流低圧セクションの少なくとも１つへの蒸気流量を制限する。例えば、第３の弁２２は、第３の複流低圧セクション２１への流量を制限するように大幅に閉鎖することができる。特定の実施形態では、第３の複流低圧セクション２１内における乱流加熱を防止するために、十分な蒸気流量が第３の弁２２を通って流れるのを可能にすることができる。第３の複流低圧セクション２１への蒸気流量を制限することにより、第１の複流低圧セクション１５及び第２の複流低圧セクション１６への流量の対応する増加を生じさせ、それによって第１の複流低圧セクション１５及び第２の複流低圧セクション１６の効率を増大させることができる。第１の複流低圧セクション１５及び第２の複流低圧セクション１６の効率の増大は、縮小負荷、低負荷又は設計外条件における蒸気タービン２７の低圧セクションの全体効率を増大させることができる。

別の実施形態では、第２の弁１９及び第３の弁２２の両方は、第２の複流低圧セクション１６及び第３の複流低圧セクション２１への流量を制限するように大幅に閉鎖することができる。特定の実施形態では、第２の複流低圧セクション１６及び第３の複流低圧セクション２１内における乱流加熱を防止するために、十分な蒸気流量が第２の弁１９及び第３の弁２２を通って流れるのを可能にすることができる。第２の複流低圧セクション１６及び第３の複流低圧セクション２１への蒸気流量を制限することにより、第１の複流低圧セクション１５への流量の対応する増加を生じさせ、それによって第１の複流低圧セクション１５の効率を増大させることができる。第１の複流低圧セクション１５の効率の増大は、縮小負荷、低負荷又は設計外条件における蒸気タービン２７の低圧セクションの全体効率を増大させることができる。

特定の実施形態では、流量制御システム１７は、約５００フィート／秒〜約７００フィート／秒の低圧セクションからの蒸気流出速度を生じるのに十分な蒸気流量を低圧セクションの少なくとも１つに導くように作動することができる。特定の流速範囲は、全体としてタービン２７の寸法及び構成により変化させることができる。３つの複流低圧セクションを通る相対的蒸気流量は、流量制御システム１７を用いてタービン全体効率を最大にするように調整することができる。蒸気は、第１の複流低圧セクション１５、第２の複流低圧セクション１６及び第３の複流低圧セクション２１の各流路端部から流出した後に、復水器２０に吐出するか又はその他で用いることができる。

図３は、本出願の実施形態による、１つの複流低圧セクションを有する蒸気タービン２８の概略図を示している。加圧蒸気は、蒸気源１１からタービン２８に供給することができる。蒸気は最初に、タービン２８の高圧セクション１２に導入される。蒸気流は、タービン２８の高圧セクション１２から流出した後に、付加的熱エネルギーが加えられる再熱器１３に流れることができる。蒸気流が再熱器１３から流出した後に、クロスオーバ管１４により、蒸気流を第１の複流低圧セクション１５に導くことができる。複流低圧セクション１５は、第１の蒸気流路２３と第２の蒸気流路２４とを有することができる。２つの流路の少なくとも１つへの蒸気流量を制限するために、流量制御システム１７を設けることができる。流量制御システム１７は、第１の流路２３の入口に設置された第１の弁２５と、第２の流路２４の入口に設置された第２の弁２６とを含むことができる。

縮小負荷、低負荷又は設計外条件での運転中に、流量制御システム１７は、２つの流路の少なくとも１つへの蒸気流量を制限する。例えば、第２の弁２６は、第２の流路２４への流量を制限するように大幅に閉鎖することができる。特定の実施形態では、第２の流路２４内における乱流加熱を防止するために、十分な蒸気流量が第２の弁２６を通って流れるのを可能にすることができる。第２の流路２４への蒸気流量を制限することにより、第１の流路２３への流量の対応する増加を生じさせ、それによって縮小負荷、低負荷又は設計外条件における第１の複流低圧セクション１５の全体効率を増大させることができる。

特定の実施形態では、流量制御システム１７は、約５００フィート／秒〜約７００フィート／秒の流路からの蒸気流出速度を生じるのに十分な蒸気流量を少なくとも１つの流路に導くように作動することができる。特定の流速範囲は、全体としてタービン２８の寸法及び構成により変化させることができる。２つの流路を通る相対的蒸気流量は、流量制御システム１７を用いてタービン全体効率を最大にするように調整することができる。蒸気は、第１の複流低圧セクション１５の各流路端部から流出した後に、復水器２０に吐出するか又はその他で用いることができる。

前述の説明は本出願の好ましい実施形態のみに関するものであること、及び本明細書では特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の全体的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

本明細書に記載した本出願の実施形態による、２つの複流低圧セクションを有する蒸気タービンの概略図。 本明細書に記載した本出願の実施形態による、３つの複流低圧セクションを有する蒸気タービンの概略図。 本明細書に記載した本出願の実施形態による、１つの複流低圧セクションを有する蒸気タービンの概略図。

符号の説明

１０ 蒸気タービン
１１ 蒸気源
１２ 高圧セクション
１３ 再熱器
１４ クロスオーバ管
１５ 第１の複流低圧セクション
１６ 第２の複流低圧セクション
１７ 流量制御システム
１８ 第１の弁
１９ 第２の弁
２０ 復水器
２１ 第３の複流低圧セクション
２２ 第３の弁
２３ 第１の蒸気流路
２４ 第２の蒸気流路
２５ 第１の弁
２６ 第２の弁
２７ 蒸気タービン
２８ 蒸気タービン

Claims (10)

1. 縮小負荷で蒸気タービン（１０）を運転する方法であって、
   複数の低圧セクション（１５、１６）を設けるステップと、
   前記複数の低圧セクション（１５、１６）の少なくとも１つ（１５）への蒸気流量を制限するように作動可能な流量制御システム（１７）を設けるステップと、
   負荷が所定値以下になった時に、前記複数の低圧セクション（１５、１６）の少なくとも１つ（１５）への蒸気流量を制限するように前記流量制御システム（１７）を作動させるステップと
   を含む方法。
2. 前記複数の低圧セクションを設けるステップが、２つの複流低圧セクション（１５、１６）を設けるステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記複数の低圧セクションを設けるステップが、３つの複流低圧セクション（１５、１６、２１）を設けるステップを含む、請求項１記載の方法。
4. 前記複数の低圧セクション（１５、１６）の少なくとも１つへの蒸気流量を制限するように作動可能な流量制御システム（１７）を設けるステップが、該複数の低圧セクション（１５、１６）の少なくとも１つの入口に配置された少なくとも１つの弁（１８）を設けるステップを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記複数の低圧セクション（１５、１６）の少なくとも１つへの蒸気流量を制限するように作動可能な流量制御システム（１７）を設けるステップが、第１の複流低圧セクション（１５）の入口と第２の複流低圧セクション（１６）の入り口との間に配置された弁（１８）を設けるステップを含む、請求項２記載の方法。
6. 前記複数の低圧セクション（１５、１６）の少なくとも１つへの蒸気流量を制限するように作動可能な流量制御システム（１７）を設けるステップが、第１の複流低圧セクション（１５）の入口に配置された第１の弁（１８）と第２の複流低圧セクション（１６）の入口に配置された第２の弁（１９）とを設けるステップを含む、請求項３記載の方法。
7. 複数の低圧セクション（１５、１６）と、
   前記複数の低圧セクション（１５、１６）の少なくとも１つ（１５）への蒸気流量を制限するように作動可能な流量制御システム（１７）と
   を含む蒸気タービン（１０）。
8. 前記流量制御システム（１７）が、前記複数の低圧セクション（１５、１６）の少なくとも１つ（１５）の入口に配置された少なくとも１つの弁（１８）を含む、請求項７記載の蒸気タービン。
9. 前記流量制御システム（１７）が、第１の複流低圧セクション（１５）の入口と第２の複流低圧セクション（１６）の入口との間に配置された弁（１８）を含む、請求項８記載の蒸気タービン。
10. 前記流量制御システム（１７）が、前記第１の複流低圧セクション（１５）の入口に配置された第１の弁（１８）と前記第２の複流低圧セクション（１６）の入口に配置された第２の弁（１９）とを含む、請求項９記載の蒸気タービン。

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