JP2010014114A - 蒸気タービン過負荷バルブ及びそれに関連する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービン運転システムを提供する。
【解決手段】本蒸気タービン運転システムは、少なくとも高圧タービンセクション及び低圧セクションと、ボイラから高圧タービンセクションに蒸気を流入させるように構成された１以上の制御バルブと、低圧セクションから排出された蒸気を受けかつ該蒸気を液体に転換するように構成された凝縮器と、凝縮器から液体を受け、該液体を高圧セクションからの蒸気により熱交換器を介して加熱しかつ該加熱液体をボイラに還流させるように構成されたトップヒータと、１以上の制御バルブを迂回してトップヒータに直接蒸気を供給するように構成されたバイパス過負荷バルブとを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高負荷での運転のためにタービン供給予備力を使用して蒸気タービンを作動させることに関する。

発電産業で使用するタイプの大型蒸気タービンは、公称定格能力を超える幾らかの付加的な負荷能力、すなわち一般に「保証ポイント」と呼ばれる運転ポイントを備えるように大まかに設計される。公称定格能力は、出力に関して述べたものであり、通常は、この条件は、全開以下の開度の１以上の制御バルブで達成されて、制御バルブを全開にすることによって付加的な能力が得られるさせる。タービン設計が全開の蒸気流入バルブで公称定格能力が発生するようにされている場合には、そのポイントにおけるタービン効率は、エネルギー利用又は熱消費率に関して大幅に改善されることになる。しかしながら、制御バルブが全開の場合には、それによって蒸気タービンの供給予備力を得ることができる手段に制約が生じる。

全開の制御バルブで公称定格能力が生じる場合におけるタービンで過剰能力を達成する１つの公知の方法は、バイパスバルブを設け、それによって制御バルブを迂回してタービンの後方低圧段に余分な蒸気を流すことである。この方法（過去に使用されていたような）は、３つの欠点を有する。第１に、タービン制御システム内にバイパスバルブを統合することが必要であり、実際には流入制御バルブとの間で制御かつ調整した方法で絞る付加的な制御バルブとして該バイパスバルブを製作するこが必要であると考えられてきた。このことは、制御システムを大幅に複雑なものにしている。第２に、絞りタイプのバイパスバルブについての発電産業の増分規定要件を満たすためには、制御バルブとバイパスバルブとの間に幾らかのオーバラップを設けることが必要であった。言い換えると、制御バルブが全開になる前に、バイパスバルブを開放し始めることが必要になる。このことは、その公称定格能力におけるタービンの効率を低下させる。第３に、そのようなバイパスバルブの小さな容量の故に、タービンを該タービンが連結された電力システムにおける周波数制御に関与させるためには、大きなバルブストローク運動を必要とする。この大きな運動により、大きな摩耗が生じ、バルブの早期損傷を招く。

別の方法では、バイパス過負荷バルブを使用して、迂回又はバイパス蒸気を下流タービン段内に再導入することにより、タービン制御システムに対して大きな変更を加えずにタービンの供給予備力を得る。この方法は、本願出願人の米国特許第４４０３４７６号に記載されている。

米国特許第４４０３４７６号明細書 米国特許第３０９７４８８号明細書

本明細書に開示した例示的だが非限定的な実施形態では、ボイラによって供給されかつ蒸気タービン入口の上流に位置する過負荷バルブに向かって送給された蒸気は、下流タービン段ではなくてトップヒータに向け直される。

従って、１つの態様では、本発明は、蒸気タービン運転システムに関し、本蒸気タービン運転システムは、少なくとも高圧タービンセクション及び低圧セクションと、ボイラから高圧タービンセクションに蒸気を流入させるように構成された１以上の制御バルブと、低圧セクションから排出された蒸気を受けかつ該蒸気を液体に転換するように構成された凝縮器と、凝縮器から液体を受け、該液体を高圧セクションからの蒸気により熱交換器を介して加熱しかつ該加熱液体をボイラに還流させるように構成されたトップヒータと、１以上の制御バルブを迂回してトップヒータに直接蒸気を供給するように構成されたバイパス過負荷バルブとを含む。

さらに別の態様では、本発明は、連結負荷に動力を送給しかつ蒸気発生源から蒸気を受ける蒸気タービンであって、該タービンのより高圧段への蒸気の流入を制御する１以上の制御バルブを有しまた蒸気源から蒸気を受けるように連結されたバイパス過負荷バルブを有する蒸気タービンを運転する方法に関し、本方法は、（ａ）バイパス過負荷バルブを閉鎖状態に維持しながら、タービンに蒸気を流入させるように制御バルブを制御可能に位置決めして、事前選択した出力負荷を持続させるステップと、（ｂ）バイパス過負荷バルブを少なくとも部分的に開放するステップと、（ｃ）バイパス過負荷バルブを通って流れる蒸気をトップヒータに還流させるステップとを含む。

その中でタービンが公知の構成によるバイパス過負荷バルブを利用している蒸気タービン発電プラントの簡易概略図。 図１と同様であるが、本明細書に開示した例示的だが非限定的な実施形態の主題を組入れるように修正した簡易概略図。

図１の発電プラントでは、ボイラ１０は、高圧蒸気源として働き、高圧（ＨＰ）セクション１４、中圧（ＩＰ）セクション１６及び低圧（ＬＰ）セクション１８を備えた再熱蒸気タービンを駆動するための駆動流体を供給する。タービンセクション１４、１６及び１８は、シャフト２２によって互いにまた発電機２０に直列に結合されるように示しているが、その他の結合構成も使用することができる。さらに、本明細書に開示した本発明は、ＩＰセクションを有しない非再熱タービンに対しても同様にかつ良好に適用されることが分かるであろう。

ボイラからの蒸気流路は、蒸気導管２４を通してのものであり、蒸気導管２４から蒸気を取り出して、１以上の流入制御バルブ（複数のバルブを参照符号２５〜２８で示している）を通してＨＰタービン１４に流すことができる。各制御バルブ２５〜２８は、部分流入構成としての円周方向配置ノズルアークを通してか又は単一流入構成としての第１段ノズルの前方の単一スペースへかのいずれかで蒸気をＨＰセクション１４に吐出するように連結される。これらの構成の両方とも、当技術分野ではよく知られている。さらに、部分流入構成の場合におけるタービンの制御バルブは、蒸気が集合均一円周方向パターンとしてＨＰセクション１４に流入して、タービンが単一流入タービンと同様に作動するさせる完全アークモードで同時に作動させるか、或いは蒸気が最初は１以上のノズルアークに流入し、その後タービン負荷が増大するにつれて順次その他のノズルアークに流入する部分アークモードで連続的に作動させるかのいずれかで作動させることができる。

ＨＰセクション１４から排出された蒸気は、再熱器を通って流れ、再熱器において、蒸気の温度を上昇させる。その後、再熱器からの蒸気は、ＩＰセクション１６に流れ、次にクロスオーバ導管３２を通してＬＰセクション１８に流れる。ＬＰセクション１８から排出された蒸気は、凝縮器３４に流れ、凝縮器３４は、流体の状態を気体すなわち蒸気から液体すなわち水に変化させる。水は次に、ボイラに還流し、ボイラにおいて、水は、蒸気に変化して戻り、１以上の流入制御バルブを通ってタービンに還流する。

蒸気タービンの制御は、非常に複雑かつ面倒なプロセスであるが、タービンが本質的に定常状態で運転している場合には、主要な考慮事項は、タービンの速度及び負荷を維持することである。図１を参照すると、これらの変数は、フィードバック制御システム３８によって制御され、フィードバック制御システム３８は、タービン１２により多くの又はより少ない蒸気が流入するように制御バルブ２５〜２８を位置決めする（すなわち、その開度を決定する）。そのような制御システムは、よく知られており、例えば制御システム３８は、米国特許第３０９７４８８号によって開示されているタイプのものとすることができる。

実際には、あらゆるタービンは、公称定格能力を超える出力を発生する供給予備力を備えるように設計される。制御バルブがその限界つまり全開位置に達した後にタービンから付加的な出力を得るために、蒸気供給導管２４と再熱器３０の前方の再熱ポイントとの間にバイパス過負荷バルブ４０が連結される。バイパス過負荷バルブ４０の制御のために、公称定格能力よりも負荷需要が大きい時にはいつでも、該バルブ４０を開放するように作動させる単純開放−閉鎖（手動又は自動）制御装置４２が設けられる。過負荷バルブ４０を手動で作動させるために、単純スイッチ構成を使用することができ、またバルブ４０は、制御バルブ２５〜２８が全開した時はいつでも運転要員の自由裁量で開放させることができる。

例えば、制御バルブ２５〜２８が全開しておりかつタービン１２がその公称定格能力で運転している状態では、続いてバイパス過負荷バルブ４０を開放することによって、付加的な出力が得られる。このことは、多量の蒸気がタービンのより高圧セクションを迂回しかつ再熱器３０の低温側に流入するのを可能にする。しかしながら、それに代えて、過負荷バルブ４０を通るバイパス蒸気は、点線４４で示すように高圧セクション１４の低圧段に流入させることができる。いずれのケースでも、タービン内への全蒸気流量の増大が生じ、それを維持した場合には、タービン１２がより大きな出力を発生することが可能になる。

次に、同様な参照符号を利用しているが接頭文字「１」を付して対応する構成要素を示している図２を参照すると、ボイラ１１０から過負荷バルブ１４０に向かって迂回させた蒸気は、図１の構成におけるように下流タービンに向け直されるのではなくて、管路４６を介してタービントップヒータ４８に向け直される。従って、ＨＰセクション１１４からトップヒータ４８への流入蒸気（又は、ＨＰタービン膨張における途中位置から抽出された蒸気）及び管路４６を介してトップヒータに流入するバイパス蒸気は、混合して、凝縮器１３４からの液体凝縮物を加熱する。加熱凝縮物はボイラ１１０に還流し、ボイラ１１０において、加熱凝縮物は蒸気に転換されて戻りかつタービンに再循環されるが、一方、ＨＰセクション１１４及び管路４６からの今は低温になった蒸気は、単にトップヒータからドレンされる。過負荷バルブは、あらゆる好適な公知の制御装置によって、つまり絞り方式で徐々に増加する（単純なオン／オフ作動ではなくて）ように開放及び／又は閉鎖させ、従ってサイクル条件に一層応答した状態にすることができる。

この例示的だが非限定的な構成は、より多くの従来型の構成に関連する問題点を解決する。例えば、この構成は、通常は非常に高価である蒸気タービン内の別の制御段の必要性を排除する。蒸気をトップヒータに直接バイパスさせることはまた、蒸気通路が中断されるのを防止する。本構成はまた、バイパス流が蒸気通路に流入するポイントにおいて熱ひずみを引き起こす、タービン構造体内の温度不一致に関連する問題点を排除する。熱ひずみは、回転及び固定構成要素間に大きな間隙を生じて、蒸気漏洩を増加させかつ効率を低下させるおそれがある。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０、１１０ ボイラ
１２、１１２ 蒸気タービン
１４、１１４ 高圧（ＨＰ）セクション
１６、１１６ 中圧（ＩＰ）セクション
１８、１１８ 低圧（ＬＰ）セクション
２０、１２０ 発電機
２２、１２２ シャフト
２４、１２４ 蒸気導管
２５〜２８、１２５〜１２８ 制御バルブ
３０、１３０ 再熱器
３２、１３２ クロスオーバ導管
３４、１３４ 凝縮器
３８ 制御システム
４０、１４０ バイパス過負荷バルブ
４２ 制御装置
４６ 管路
４８ トップヒータ

Claims (9)

1. 少なくとも高圧タービンセクション（１１４）及び低圧セクション（１１８）と、ボイラ（１１０）から前記高圧タービンセクションに蒸気を流入させるように構成された１以上の制御バルブ（１２５〜１２８）と、前記低圧セクション（１１８）から排出された蒸気を受けかつ該蒸気を液体に転換するように構成された凝縮器（１３４）と、前記凝縮器（１３４）から液体を受け、該液体を前記高圧セクション（１１４）からの蒸気により熱交換器を介して加熱しかつ該加熱液体を前記ボイラ（１１０）に還流させるように構成されたトップヒータ（４８）と
   を備える蒸気タービン運転システムであって、前記１以上の制御バルブを迂回して前記トップヒータ（４８）に直接蒸気を供給するように構成されたバイパス過負荷バルブ（１４０）をさらに含む、運転システム。
2. 前記バイパス過負荷バルブ（１４０）からの蒸気及び前記高圧タービンセクション（１１４）からの蒸気が、前記トップヒータ（４８）からドレンされる、請求項１記載の運転システム。
3. 前記バイパス過負荷バルブ（１４０）が、開放及び閉鎖位置間で移動可能である、請求項１記載の運転システム。
4. 前記バイパス過負荷バルブ（１４０）が、絞り方式で徐々に増加するように移動可能である、請求項３記載の運転システム。
5. 前記バイパス過負荷バルブ（１４０）が、運転要員の自由裁量で手動により移動可能である、請求項３記載の運転システム。
6. 前記バイパス過負荷バルブ（１４０）が、タービン負荷を示す信号に応じて自動的に移動可能である、請求項３記載の運転システム。
7. 連結負荷に動力を送給しかつ蒸気発生源から蒸気を受ける蒸気タービン（１１２）であって、該タービンのより高圧段への蒸気の流入を制御する１以上の制御バルブ（１２５〜１２８）と、該タービンから排出された蒸気を受けかつ該蒸気を液体に転換するように構成された凝縮器（１３４）と、前記蒸気源から蒸気を受けるように連結されたバイパス過負荷バルブ（１４０）とを有する蒸気タービンを運転する方法であって、
   （ａ）前記バイパス過負荷バルブ（１４０）を閉鎖状態に維持しながら、前記タービンに蒸気を流入させるように前記制御バルブ（１２５〜１２８）を制御可能に位置決めして、事前選択した出力負荷を持続させるステップと、
   （ｂ）前記バイパス過負荷バルブ（１４０）を少なくとも部分的に開放するステップと、
   （ｃ）前記バイパス及びヒート過負荷バルブ（１４０）を通って流れる蒸気を、前記凝縮器からの液体を受けるように構成されたトップヒータ（４８）に還流させるステップと
   を含む方法。
8. 前記バイパス過負荷バルブ（１４０）が、運転要員の自由裁量で手動により開放及び閉鎖される、請求項７記載の方法。
9. 前記バイパス過負荷バルブ（１４０）が、タービン負荷を示す信号に応じて自動的に開放及び閉鎖される、請求項７記載の方法。

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