JP2010519452A - 多段蒸気タービンの運転方法 - Google Patents

Abstract

本発明は多段蒸気タービンの運転方法に関し、その蒸気タービン（４、５、６）は高温に対して適用され、ロータ（２７）が第１構成要素（３３）と第２構成要素（３４）を備えた溶接構造物として形成され、蒸気タービン（４、５、６）が軽負荷運転時や無負荷運転時にあるときその蒸気タービン（４、５、６）の中間段（１４）の下流に冷却材が供給される。これによって、蒸気タービン（４、５、６）の排気室部位における熱的負荷が低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、多段蒸気タービンの運転方法並びに多段蒸気タービンとボイラと冷却材供給路を有する蒸気原動所に関する。

最新の蒸気タービン設備の効率を向上するために、熱力学的理由から、生蒸気（主蒸気）温度を高めることが必要である。今日において蒸気タービンは、約６３０℃の生蒸気温度および約３００バールの生蒸気圧力に対して設計され製造されている。ロータと車室（ハウジング）に対する材料の選択は特に重要である。７００℃の生蒸気設計温度に対する耐熱材料としてニッケル基合金の採用が可能と思われる。従って、７００℃に適した蒸気タービンにおけるロータと車室はニッケル基合金で製造することができるが、これは非常に経費のかかる方式である。

高圧部分タービンにおいて蒸気入口室の周辺部位における材料は熱的に極めて大きく負荷される。高圧部分タービンの排気室において蒸気の温度と圧力はそれぞれ生蒸気の温度と圧力に比べて低い。従って、排気室における高価なニッケル基合金の使用は必ずしも必要でない。

従って、高圧部分タービンを異なった材料で作ることが普通である。即ち、例えばロータは溶接構造物として形成され、蒸気入口室にニッケル基合金が利用され、排気室には在来材料が利用されている。これは全体として安価な製造費を生じさせる。そのように製造された高圧部分タービンは運転中に生ずる負荷に耐えられる。もっとも、無負荷運転中ないし軽負荷（低出力）運転中における高圧部分タービンの排気室における蒸気温度は比較的高く、このために、在来材料は熱的に過大に負荷される。この問題は、入口室の熱的負荷を制限するために生蒸気温度を任意に低減することができないために特にホットスタート時に生ずる。

負荷降下時に蒸気の仕事容量を低下する方法が特許文献１に記載されており、その方法は生蒸気に注水ノズルを介して水を混入することにあり、これにより、蒸気の温度が下げられる。

高圧部分タービンは例えば軽負荷や高負荷のような種々の負荷条件に適した、複数の異なった材料で形成されることが望ましい。

ドイツ民主共和国特許第１４８３６７号明細書

本発明の課題は、蒸気タービンが安価に製造できる、蒸気タービンの運転方法および蒸気原動所を提供することにある。

この方法についての課題は、蒸気タービンに生蒸気が供給され、その中間段の下流に冷却材が供給される、多段蒸気タービンの運転方法によって解決される。

本発明は、無負荷運転時や軽負荷運転時に排気室部位が適切に冷却されることによって、高圧部分タービンの排気室部位が在来材料で製造できるという考えから出発している。これは本発明に基づいて、蒸気タービンにおける中間段の下流に冷却材が供給されることによって行われる。これによって、蒸気タービンにおいて中間段の下流の部位が冷却される。蒸気タービンにおける中間段の上流に存在する部位はニッケル基合金で作られ、排気室部位に採用される材料は、その排気室部位における温度がいまや的確に冷却されるので、在来材料が利用できる。

これによって、特許文献１における方式と異なって、生蒸気全部が注水によって冷却されるのではなく、蒸気タービンで既に膨張し幾分冷却した蒸気が冷却材によって更に冷却され、これによって、蒸気タービン内に存在する蒸気の温度の飛躍的低下が生ずる。

好適には、この冷却材は作動蒸気と水との混合体で形成される。

これは、閉じ込められた蒸気量が水の大きな蒸発熱によって激しい温度低下を受け、従って圧力低下も受けるので、適切な冷却材を供給するための比較的迅速で良好な方式である。

好適には、作動蒸気はボイラから取り出される。これによって、既存の蒸気原動所において、蒸気発生器とも呼ばれるボイラが簡単に作動蒸気を得るために容易に装備変更できる。

その代わりに、他の有利な実施態様において、作動蒸気はバイパス管を介して生蒸気供給管から分岐することができる。これは、ボイラからの直接分岐取出しと並んで、冷却材としての水の混入によって蒸気タービンで採用される適切な作動蒸気を用意するための他の単純で安価な方式であろう。

有利な実施態様において、冷却材は無負荷運転時や軽負荷運転時に供給される。

好適には、冷却材は特にホットスタートの開始時に供給される。ホットスタート中は、高圧部分タービンの材料の温度が比較的高く、このために、ホットスタート時に生蒸気が高圧部分タービン全体を熱的に負荷する。蒸気タービンは始動中に軽負荷運転され、従って、排気室部位における蒸気が比較的高い温度を有するので、高圧部分タービンは特にホットスタート中に熱的に負荷される。

この冷却材は始動過程中に、同期に達するまでおよび／又は最小出力に到達するまで供給されるのが好ましい。これは、高圧蒸気温度が冷却材質量流量の調節によって一定に保たれるという利点を有する。

他の有利な実施態様において、蒸気タービンは（第１中間段の下流における）第２中間段の下流に補助冷却材が追加的に供給されるように形成されている。

これは、高圧部分タービンの排気室部位が一層冷却され、これによって、排気室部位に適した在来材料が利用できるという利点を有する。

この場合、好適には、補助冷却材は前記冷却材（主冷却材）から分岐され、これは、既存の蒸気原動所を装備変更する安価な方式である。

有利な実施態様において、補助冷却材は静翼に設けられた冷却材通路から流出される。これによって、補助冷却材をいわば急速に大きな面にわたって流体機械の作動媒体流路に流入することができる。この場合、補助冷却材の流れ媒体への混合率は比較的高く、これによって、温度が飛躍的に低下される。

多段蒸気タービンとボイラと冷却材供給路を有する蒸気原動所に向けられた課題は、冷却材供給路が蒸気タービンにおける中間段の下流に開口していることによって解決される。その利点は上述の方法について述べた利点に相当する。

好適には、冷却材供給路は流れ技術的にボイラおよび水槽に接続されている。

他の有利な実施態様において、冷却材供給路は流れ技術的に、生蒸気供給管からのバイパス管および水槽に接続されている。

好適には、蒸気タービンは補助冷却材供給路に流れ技術的に接続された第２中間段を有している。

以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。

蒸気原動所の配管系統図。 高圧部分タービンの縦断面図。 高圧部分タービンの内部における温度分布曲線図。

図１に蒸気原動所１が示されている。蒸気原動所１はボイラ２とも呼ばれる蒸気発生器２を有している。この蒸気発生器２は蒸気が集められる管寄せ３を有している。また蒸気原動所１は高圧部分タービン４と中圧部分タービン５と低圧部分タービン６を有している。高圧部分タービンと中圧部分タービンと低圧部分タービンへの分割は当該技術分野において統一的に規定されてはいない。ＤＩＮ（ドイツ工業規格）があり、これによれば、高圧部分タービン４は、そこから出る蒸気が再熱器７で過熱され、続いて中圧部分タービン５に流入するタービンであると規定されている。

蒸気発生器２で生蒸気（主蒸気）が発生され、この生蒸気は配管８を介して高圧部分タービン４に供給される。蒸気タービンの形態としての高圧部分タービン４は複数の段を有している。高圧部分タービン４の出口９から蒸気が再熱器７に導かれ、そこで過熱され、続いて、中圧部分タービン５の入口１０に導かれる。その蒸気は中圧部分タービン５においてさらに膨張し、中圧部分タービン５から出た後で低圧部分タービン６に導かれる。低圧部分タービン６から出た蒸気は復水器１１に導かれ、そこで水の形に凝縮される。

その凝縮水はポンプ１２によって配管１３を介して蒸気発生器１２に導かれる。

高圧部分タービン４はその中間段１４の下流に冷却材が供給されるようにして運転される。そのために、蒸気原動所１は冷却材供給路１５を有し、この冷却材供給路１５は高圧部分タービン４にその中間段１４の下流で開口している。

冷却材は作動蒸気と水との混合体で形成されている。その水は水槽１６から取り出され、弁１７を介して作動蒸気に混入される。その作動蒸気は蒸気発生器２の管寄せ３に通じている分岐管１８から取り出される。これによって、蒸気発生器２からの生蒸気は分岐管１８と弁１９を介して結合点２０で水槽１６からの水と混合され、冷却材供給路１５を介して高圧部分タービン４の中間段１４の下流に導かれる。

異なった実施例では、分岐管１８と弁１９を省くことができ、配管８からの作動蒸気が分岐結合点２１でバイパス管２２と弁２３を介して結合点２０に導かれる。

作動蒸気および水の質量流量はそれぞれ図示されていない絞りと弁１７、１９、２３を介して調整可能である。その絞りおよび／又は弁１７、１９、２３は流量を調節する制御装置に接続される。その調節は、最低負荷到達後に時間の経過に伴って流量が漸次減少され、最終的に完全に止められるように実施される。

この蒸気タービンは、無負荷運転時や軽負荷運転時に冷却材が高圧部分タービン４に供給されるように運転される。

始動過程中に同期に達するまでおよび／又は最小出力に達するまで冷却材が供給される。ここで同期とは系統周波数との同期を意味する。最小出力とは、高圧部分タービンが十分な出力を発生し、低い排気蒸気温度を有することを意味する。

図２に高圧部分タービン４が縦断面図で示されている。この高圧部分タービン４は外部車室２４と内部車室２５を有している。内部車室２５に多数の静翼２６が配置され、分かり易くする理由から１つの静翼だけに符号２６が付されている。内部車室２５の内部にロータ２７が回転可能に支持されている。そのロータ２７は多数の動翼２８を有し、分かり易くする理由から１つの動翼だけに符号２８が付されている。高圧部分タービン４は生蒸気が蒸気発生器２から供給される入口室２９を有している。そこに供給された生蒸気は静翼２６および動翼２８を通して導かれ、その生蒸気は膨張し温度が低下する。ロータ２７と内部車室２５の内周面との間に作動媒体流路３０が形成され、この流路３０は排気室３１で終端している。

高圧部分タービン４は、冷却材が中間段１４の下流で流路３０に導入されるべく冷却材供給路１５が配置されているように形成されている。中間段１４までの部位、特に入口室２９の周辺部位は熱的に大きく負荷され、従って、ニッケル基合金で作られねばならない。冷却材供給路１５を介して中間段１４の下流に冷却材を流入させることによって、流路３０内における流れ媒体の冷却が生じ、この冷却は、排気室部位３２において温度が低下され、従って、ニッケル基合金よりも安価な有利な材料が利用できることに導く。従って、ロータ２７は２分割構造で構成することができ、その第１構成要素３３がニッケル基合金で作られ、第２構成要素３４が安価な有利な材料で作られる。第１構成要素３３と第２構成要素３４は溶接継手３５によって互いに結合されている。

蒸気原動所１は第２中間段の下流に補助冷却材を供給することによって追加的に冷却できる。その第２中間段は図２には詳細には示されていないが、流れ方向に見て中間段１４の下流に位置している。その補助冷却材は前記冷却材から分岐される。

この場合、高圧部分タービン４は第２中間段の複数の静翼２６が冷却材通路を有するように形成されている。これらの第２中間段の静翼２６は多かれ少なかれ中空に形成され、その空洞に補助冷却材が入れられる。その補助冷却材は第２中間段の静翼２６におけるこれらの冷却材通路から流出し、流路３０内に存在する作動媒体と混合される。これは、第２中間段の下流におけるこの箇所以降では作動媒体の一層の冷却が行われ、この箇所以降では熱的負荷が減少されることを意味する。

高圧部分タービン４は大半の形態において蒸気抽出ノズルが設けられている。この蒸気抽出ノズルは高圧部分タービン４の定格負荷運転中に抽気口として利用され、流路３０から蒸気がその蒸気抽出ノズルを介して抽出される。この蒸気抽出ノズルは、無負荷運転時や軽負荷運転時にいわば冷却材供給路に変化され、この冷却材供給路を介して冷却材が高圧部分タービン４に送られる。従って、蒸気抽出ノズルは二重機能を有する。即ち、一方では、負荷運転時に流路３０から蒸気を抽出するために用いられ、他方では、軽負荷運転中や無負荷運転時に冷却材を供給するために用いられる。

高圧部分タービン４は第２中間段を有しており、この第２中間段は補助冷却材供給路に流れ技術的に接続されている。その補助冷却材供給路は流れ技術的に蒸気発生器２と水槽１６に接続されているが、このことは図１に詳細には示されていない。

図３に高圧部分タービン４の内部における温度分布が段数Ｎ（ｎ₁〜ｎ₇）に関係して表されている。段ｎ₁、2、・・・、ｎ₇は段数に相応した正の整数である。正確な段数は本発明の詳細理解にとって不要であり、そのために、段数は記号１〜７で代用される。曲線３６は定格運転中における段に関する温度分布を示している。この図から、約７００℃の温度が段ｎ₆以降では約４２０℃に低下することが理解できる。これは熱力学的変化によって生じ、その場合、生蒸気は膨張し、温度が低下する。

第２の曲線３７は、本発明に基づく処置が講じられていない場合の無負荷運転中や軽負荷運転中における段Ｎに関する温度分布を表している。この図から明らかなように、温度は段ｎ₄までほとんど低下せず、それどころか段ｎ₄の下流で上昇する。これは、排気室部位において段がほぼｎ₃段以降は、そこで温度が例外なく６００℃より高いために、熱的に負荷されることを意味する。第３の曲線３８は中間段１４と解される段ｎ₄の下流で冷却材が高圧部分タービン４に供給される場合の軽負荷運転時や無負荷運転時における段Ｎに関する温度分布を示している。垂直な細い破線で明確に理解できるように、その箇所で温度が約６３０℃から４７０℃に大きく跳躍的に低下する。これは、その箇所以降は高圧部分タービン４が、この部位における温度が５００℃を超えて上昇しないために、熱的に僅かしか負荷されないことを意味する。

第４の曲線４１は、（第１）中間段１４として箇所ｎ₃が利用され、第２中間段としての箇所ｎ₄の下流に補助冷却材が供給される場合の段Ｎに関する温度分布を示している。ここで明らかに理解できるように、（第１）中間段１４の下流で、即ち、図３において段ｎ₃の直後で温度が跳躍的に約６４０℃から５４０℃に低下し、続いて、補助冷却材の追加供給に応じて温度が約５３０℃から４９０℃に低下する。

１ 蒸気原動所
２ 蒸気発生器（ボイラ）
４ 高圧部分タービン
５ 中圧部分タービン
６ 低圧部分タービン
１４ 中間段
１５ 冷却材供給路
１６ 水槽
２２ バイパス管

Claims (20)

1. 蒸気タービンに生蒸気が供給され、その中間段（１４）の下流に冷却材が供給されることを特徴とする多段蒸気タービンの運転方法。
2. 前記冷却材が作動蒸気と水との混合体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記作動蒸気がボイラ（２）から取り出されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記作動蒸気がバイパス管（２２）を介して生蒸気供給管から分岐されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記冷却材が無負荷運転時や軽負荷運転時に供給されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
6. 前記冷却材がホットスタートの開始時に供給されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
7. 前記冷却材が同期に達するまでおよび／又は最小出力の到達までの始動過程中に供給されることを特徴とする請求項１〜４、６のいずれか１つに記載の方法。
8. 第２中間段の下流に補助冷却材が追加的に供給されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の方法。
9. 前記補助冷却材が前記冷却材から分岐されていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記補助冷却材の熱力学的量が前記冷却材と異なっていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記補助冷却材の温度と圧力が前記冷却材の温度と圧力より低いことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記補助冷却材が静翼（２６）に設けられた冷却材通路から流出することを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１つに記載の方法。
13. 多段蒸気タービン（４、５、６）とボイラ（２）と冷却材供給路（１５）を有する蒸気原動所（１）であって、
    この冷却材供給路（１５）が蒸気タービン（４、５、６）にその中間段（１４）の下流で開口していることを特徴とする蒸気原動所（１）。
14. 前記冷却材供給路（１５）が流れ技術的に流路および水槽（１６）に接続されていることを特徴とする請求項１３に記載の蒸気原動所（１）。
15. 前記冷却材供給路（１５）が流れ技術的に、生蒸気供給管からのバイパス管（２２）および水槽（１６）に接続されていることを特徴とする請求項１３に記載の蒸気原動所（１）。
16. 蒸気タービン（４、５、６）が蒸気抽出ノズルを有しており、この蒸気抽出ノズルが負荷運転中に抽気口として利用され、無負荷運転中や軽負荷運転中に冷却材供給路（１５）として利用されることを特徴とする請求項１３ないし１５のいずれか１つに記載の蒸気原動所（１）。
17. 蒸気タービンが、前記補助冷却材供給路に流れ技術的に接続された第２中間段を有していることを特徴とする請求項１３ないし１５のいずれか１つに記載の蒸気原動所（１）。
18. 前記補助冷却材供給路が流れ技術的にボイラ（２）および水槽（１６）に接続されていることを特徴とする請求項１７に記載の蒸気原動所（１）。
19. 前記補助冷却材供給路が流れ技術的に、生蒸気供給管からの追加バイパス管および水槽（１６）に接続されていることを特徴とする請求項１７に記載の蒸気原動所（１）。
20. 前記冷却材供給路（１５）および／又は前記補助冷却材供給路が、静翼（２６）に形成された冷却材通路に開口していることを特徴とする請求項１３ないし１９のいずれか１つに記載の蒸気原動所（１）。

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