JP2013113219A - 火力発電所における蒸気配管路 - Google Patents

Abstract

【課題】 低温再熱蒸気管および高温再熱蒸気管を流れる蒸気を有効利用し、熱効率を高めることが可能な火力発電所における蒸気配管路を提供する。
【解決手段】 低温再熱蒸気管３３からの蒸気Ｊ１を高圧マニホールド６ａまたは第７ヒータ２２のいずれかに切替えて供給する第１の方向切替弁５５と、高温再熱蒸気管３４からの蒸気Ｊ２を中圧マニホールド６ｂまたは第６ヒータ２１のいずれかに切替えて供給する第２の方向切替弁５６と、を備え、第１の方向切替弁５５と第２の方向切替弁５６は、各タービン２、３の起動後に各再熱蒸気管３３、３４内が所定の正圧値以上に到達した際に、各再熱蒸気管３３、３４側からの蒸気Ｊ１、Ｊ２を復水を加熱するためのヒータ２１、２２に供給し、各タービン２、３によって駆動される発電機５に対する負荷が抽気可能な値に到達した際に、各再熱蒸気管３３、３４側からの蒸気Ｊ１、Ｊ２を復水器６側のマニホールド６ａ、６ｂに供給する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、火力発電所における蒸気配管路に関し、とくに再熱蒸気管を流れる蒸気を有効利用することにより熱効率を高めることが可能な火力発電所における蒸気配管路に関する。

火力発電所においては、熱効率を高めるため、高圧タービンから排出される蒸気（ドレン）を低温再熱蒸気管を介してボイラの再熱器に供給し、再熱器で加熱された高温の蒸気を高温再熱蒸気管を介して中圧タービンに供給することが行われている。また、低温再熱蒸気管を流れる蒸気の一部は、ドレン弁を介して復水器の高圧マニホールドに導かれており、高温再熱蒸気管を流れる蒸気の一部は別のドレン弁を介して復水器の中圧マニホールドに導かれている。マニホールドは、各種のドレンを復水器内でまとめて回収するものである。低温再熱蒸気管側のドレン弁および高温再熱蒸気管側のドレン弁は、共に解列時には「開」とされ、発電機の負荷が所定の値に到達すると「閉」となるように設定されている。タービン起動時は、復水器内は真空となっており、各再熱蒸気管からの蒸気は復水器側に引き込まれるようになっている。

火力発電所は、出力が安定している原子力発電所と異なり、電力負荷の平準化のために、運転の停止および起動（解列、並列）を頻繁に繰り返しており、熱効率を高めることが課題となっている。従来から火力発電所などにおける熱効率を高めるための技術が知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。特許文献１の複合発電プラントでは、復水器の受入れ口を従来のプラントから増加させること無く、発生した蒸気を復水器へダンプする管路系統を有している。特許文献２の火力発電プラントの給水加熱装置は、脱気器に供給される補助蒸気量を抑制してフラッディングが起こるのを防止するようにしている。特許文献３は、原子力発電に関する熱損失の低減を図る技術であり、超臨界圧軽水冷却炉の起動時の熱の損失を減らすとともに起動時間を短縮するため、亜臨界圧で核加熱を開始するようにしている。

特開２００４−１３２３５７号公報 実開平７−２７０３号公報 特開２００１−９１６８９号公報

しかし、従来の火力発電所においては、上記の各マニホールドに供給されている蒸気（ドレン）は十分な熱量を有するが、有効に利用されていないという問題がある。すなわち、上述のように火力発電所は、運転の停止、起動を頻繁に繰り返すため、熱効率が悪くなるが、適度な圧力と熱量を有する低温再熱蒸気管および高温再熱蒸気管からの蒸気は、単に復水器側に供給されているだけである。したがって、低温再熱蒸気管および高温再熱蒸気管からの蒸気を有効利用すれば、火力発電所の熱効率を高めることが可能となる。

そこで本発明は、低温再熱蒸気管および高温再熱蒸気管を流れる蒸気を有効利用し、熱効率を高めることが可能な火力発電所における蒸気配管路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、復水器からの復水を給水加熱器を介してボイラの過熱器に供給し、前記過熱器によって生じた蒸気によって高圧タービンを駆動し、前記高圧タービンから排出される蒸気を低温再熱蒸気管を介して前記ボイラの再熱器に供給し、前記再熱器によって温度が上昇した蒸気を高温再熱蒸気管を介して前記高圧タービンに連結される中圧タービンに供給することにより前記中圧タービンを駆動し、前記低温再熱蒸気管を流れる蒸気の一部を前記復水器の高圧マニホールドに供給するとともに、前記高温再熱蒸気管を流れる蒸気の一部を前記復水器の中圧マニホールドに供給する火力発電所における蒸気配管路であって、前記低温再熱蒸気管と接続される管路に設けられ、前記低温再熱蒸気管からの蒸気を前記高圧マニホールドまたは前記給水加熱器のいずれかに切替えて供給する第１の方向切替弁と、前記高温再熱蒸気管と接続される管路に設けられ、前記高温再熱蒸気管からの蒸気を前記中圧マニホールドまたは前記給水加熱器のいずれかに切替えて供給する第２の方向切替弁と、を備え、前記第１の方向切替弁と第２の方向切替弁は、前記各タービンの起動後に前記各再熱蒸気管内が所定の正圧値以上に到達した際に、前記各再熱蒸気管側からの蒸気を前記復水を加熱するための前記給水加熱器に供給し、前記高圧タービンおよび中圧タービンによって駆動される発電機に対する負荷が抽気可能な値に到達した際に、前記各再熱蒸気管側からの蒸気を前記復水器側の前記マニホールドに供給することを特徴とする火力発電所における蒸気配管路である。

この発明によれば、低温再熱蒸気管内および高温再熱蒸気管内が所定の正圧値以上に到達した際には、低温再熱蒸気管内および高温再熱蒸気管からの蒸気は復水器側に引き込まれなくなる。そのため、低温再熱蒸気管からの蒸気は第１の方向切替弁を介して給水加熱器側に供給することが可能になるとともに、高温再熱蒸気管からの蒸気も第２の方向切替弁を介して給水加熱器側に供給することが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の火力発電所における蒸気配管路において、前記第１の方向切替弁と第２の方向切替弁は、前記各再熱蒸気管内の圧力を検知する圧力センサおよび前記発電機の出力を検知する発電出力センサからの信号に基づき切替制御されることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、低温再熱蒸気管および高温再熱蒸気管からの蒸気は、復水器側に供給されるだけでなく、復水器からボイラへ供給される復水の加熱に利用することができる。したがって、低温再熱蒸気管および高温再熱蒸気管からの蒸気を熱回収のために有効利用でき、火力発電所の熱効率を高めることができる。

請求項２に記載の発明によれば、第１の方向切替弁と第２の方向切替弁は、各再熱蒸気管内の圧力を検知する圧力センサおよび発電機の出力を検知する発電出力センサからの信号に基づき切替制御されるので、蒸気の切替作業を自動で行うことが可能となり、省力化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係わる火力発電所における蒸気配管路の要部概要図である。 図１の火力発電所における蒸気配管路の全体系統図である。 図１の火力発電所における蒸気配管路を制御する制御回路図である。 図１の火力発電所における高圧タービンおよび中圧タービン近傍の蒸気配管図である。

つぎに、この発明の実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。

図１ないし図４は、本発明の実施の形態を示しており、とくに天然ガス（ＬＮＧ）を燃料とする火力発電所に適用した場合を示している。図１および図２に示すように、ボイラ１は、過熱器（ＳＨ）１ａと再熱器（ＲＨ）１ｂを有している。過熱器１ａによって生じた蒸気は、主蒸気管３２を介して高圧タービン２に供給されるようになっている。高圧タービン２に供給される蒸気は、加減弁３５によって制御されている。高圧タービン２は、蒸気流れの最前部に位置するタービンである。高圧タービン２には、中圧タービン３が連結されている。中圧タービン３は、蒸気流れの中間部に位置するタービンである。中圧タービン３には、蒸気流れの後部に位置する低圧タービン４が連結されている。低圧タービン４には、発電機５が連結されている。図２に示すように、各タービン２〜４は、１つの軸に配置されており、発電機５は各タービン２〜４の回転駆動力によって駆動される。この実施の形態においては、発電機５の定格出力は、例えば３５０ＭＷとなっている。

低圧タービン５から排出された蒸気は、復水器６に供給されるようになっている。復水器６は、低圧タービン５から排出された蒸気を冷却して水（復水）に戻す装置であり、蒸気の冷却には海水が使用される。図２に示すように、復水器６には、復水を抽出するための復水ポンプ７が接続されており、復水ポンプ７には復水熱交換器８が接続されている。復水熱交換器８には、復水器６の真空度を維持するための空気抽出器９が接続されている。空気抽出器９には、熱交換機能を有するグランドコンデンサ１０およびドレンクーラ１３が接続されている。復水器６の下流側配管系には、高圧タービン２および中圧タービン３側から排出される蒸気の一部がグランド蒸気調整器１２を介して供給されている。ドレンクーラ１３の下流側には、給水加熱器としての第１ヒータ１４〜第４ヒータ１７が直列に接続されている。第１ヒータ１４〜第４ヒータ１７は、低圧タービン４側から排出される蒸気を利用し、復水器６からボイラ１に供給される復水を加熱する機能を有している。

第４ヒータ１７には、脱気器１８が接続されている。脱気器１８は、蒸気によって復水を直接加熱し、復水中の溶存ガスを物理的に分離除去する機能を有している。脱気器１８の下流側には、ブースタポンプ１９および給水ポンプ２０が接続されている。ブースタポンプ１９は、給水ポンプ２０に必要な吸込圧力を与えるために用いられる。給水ポンプ２０は、復水器６からの復水をボイラ１に連続的に供給する機能を有している。給水ポンプ２０は、給水ポンプ駆動蒸気タービン１１によって回転駆動される。給水ポンプ２０の下流側には、給水加熱器としての第６ヒータ２１〜第８ヒータ２３が直列に接続されている。第８ヒータ２３の下流側は、管路３１を介してボイラ１の過熱器１ａに接続されている。

図３に示すように、高圧タービン２の上流側に設けられた加減弁３５は、左側制御弁部３５ａと右側制御弁部３５ｂを有している。中圧タービン３の上流側に設けられた再熱弁３６は、左側制御弁部３６ａと右側制御弁部３６ｂを有している。加減弁３５に供給された蒸気Ｊ１の一部は、グランド蒸気管３７側に排出されるようになっている。同様に、再熱弁３６に供給された蒸気Ｊ２の一部は、グランド蒸気管３７側に排出されるようになっている。

図１および図２に示すように、高圧タービン２から排出される蒸気Ｊ１は、低温再熱蒸気管３３を介してボイラ１の再熱器１ｂに供給されるようになっている。再熱器１ｂによって加熱された高温の蒸気Ｊ２は、高温再熱蒸気管３４を介して中圧タービン３に供給されるようになっている。中圧タービン３供給される蒸気Ｊ２は、再熱弁３６によって制御されている。低温再熱蒸気管３３を流れる蒸気Ｊ１の一部は、管路４１を介して復水器６の高圧マニホールド（ＨＭ）６ａに供給されるようになっている。高温再熱蒸気管３４によって中圧タービン３に供給される蒸気Ｊ２の一部は、管路４２を介して復水器６の中圧マニホールド（ＩＭ）６ｂに供給されるようになっている。高圧マニホールド６ａおよび中圧マニホールド６ｂは、各種のドレンを復水器６内でまとめて回収する機能を有している。

低温再熱蒸気管３３と接続される管路４１の途中には、低温再熱蒸気管３３からの蒸気Ｊ１の一部を高圧マニホールド６ａまたは第７ヒータ２２に供給するための第１の方向切替弁５５が設けられている。第１の方向切替弁５５は、各タービン２、３、４の起動後に低温再熱蒸気管３３内が正圧値（例えば０．５Ｍｐａ）以上に到達した際に、低温再熱蒸気管３３側からの蒸気Ｊ１を第７ヒータ２２に供給し、発電機５に対する負荷が抽気可能な値（例えば４０ＭＷ）に到達した際に、低温再熱蒸気管３３側からの蒸気Ｊ１を高圧マニホールド６ａに供給するようになっている。第１の方向切替弁５５は、例えば３方電磁弁から構成されている。

高温再熱蒸気管３４と接続される管路４２の途中には、高温再熱蒸気管３４からの蒸気Ｊ２の一部を中圧マニホールド６ｂまたは第６ヒータ２１に供給するための第２の方向切替弁５６が設けられている。第２の方向切替弁５６は、各タービン２、３、４の起動後に高温再熱蒸気管３４内が正圧値（例えば０．５Ｍｐａ）以上に到達した際に、高温再熱蒸気管３４側からの蒸気Ｊ２を第６ヒータ２１に供給し、発電機５に対する負荷が抽気可能な値（例えば４０ＭＷ）に到達した際に、高温再熱蒸気管３４側からの蒸気Ｊ２を中圧マニホールド６ｂに供給するようになっている。第２の方向切替弁５６は、第１の方向切替弁５５と同様に、例えば３方電磁弁から構成されている。

ここで、発電機５に対する負荷が抽気可能な値（例えば４０ＭＷ）に到達した際とは、タービンから蒸気を抽出することが可能な状況までに発電機５の出力が到達したことを意味し、この実施の形態では、例えば発電機５の出力が４０ＭＷに到達した時点で抽気が開始される。

低温再熱蒸気管３３には、低温再熱蒸気管３３内の圧力を検出する第１の圧力センサ５１が設けられている。第１の圧力センサ５１は、検出した圧力を電気信号Ｓ１に変換し、この電気信号Ｓ１を電気制御装置６０に出力する機能を有している。同様に、高温再熱蒸気管３４には、高温再熱蒸気管３４内の圧力を検出する第２の圧力センサ５２が設けられている。第２の圧力センサ５２は、検出した圧力を電気信号Ｓ２に変換し、この電気信号Ｓ２を電気制御装置６０に出力する機能を有している。発電機５には、発電機５の出力を検知する発電出力センサ５３が設けられている。発電出力センサ５３は、検出した発電出力を電気信号Ｓ３に変換し、この電気信号Ｓ３を電気制御装置６０に出力する機能を有している。

電気制御装置６０は、入力された電気信号Ｓ１〜Ｓ３に基づき、第１の方向制御弁５５に切替のための信号を出力するとともに、第２の方向制御弁５６に切替のための信号を出力するようになっている。また、電気制御装置６０は、図３に示すように、火力発電所における配管路の各弁類を制御する機能を有している。

つぎに、火力発電所における蒸気配管路の作用について説明する。

図１に示すように、火力発電所においては、復水器６からの復水は、天然ガスを燃料とするボイラ１の過熱器１ａに供給され、過熱器１ａによって生じた蒸気によって高圧タービン２が駆動される。また、高圧タービン２から排出される蒸気Ｊ１は、低温再熱蒸気管３３を介してボイラ１の再熱器１ｂに供給される。再熱器１ｂによって温度が上昇した蒸気Ｊ２は、高温再熱蒸気管３４を介して高圧タービン２に連結される中圧タービン３に供給され、中圧タービン３が駆動される。さらに、中圧タービン３から排出される蒸気を利用して低圧タービン４が駆動される。各タービン２〜４は、１つの軸に配置されており、発電機５は各タービン２〜４の回転駆動力によって駆動される。発電機５は、同じ火力発電所の他の発電機と並列運転が可能となっており、負荷に交流電力を供給する。

各タービン２〜４の起動前は、低温再熱蒸気管３３および高温再熱蒸気管３４の内部は、真空度の高い復水器６内の圧力の影響を受けて負圧となっている。そして、タービン２〜４の起動後には、蒸気の流入によって低温再熱蒸気管３３および高温再熱蒸気管３４の内部の圧力が上昇し、低温再熱蒸気管３３および高温再熱蒸気管３４の内部は正圧に移行する。すなわち、低温再熱蒸気管３３内および高温再熱蒸気管３４内が所定の正圧値（例えば０．５Ｍｐａ）以上に到達した際には、低温再熱蒸気管３３の蒸気Ｊ１および高温再熱蒸気管３４の蒸気Ｊ２は復水器６側に引き込まれなくなる。そのため、低温再熱蒸気管３３からの蒸気Ｊ１は、第１の方向切替弁５５を介して第７ヒータ２２に供給可能となり、高温再熱蒸気管３４からの蒸気Ｊ２も、第２の方向切替弁５６を介して第６ヒータ２１に供給可能となる。

電気制御装置６０は、低温再熱蒸気管３３内が所定の正圧値（例えば０．５Ｍｐａ）以上に到達したと判断した際には、第１の圧力センサ５１からの信号Ｓ１に基づき、第１の方向切替弁５５に出力信号Ｓ４が出力する。これにより、第１の方向切替弁５５から吐出される低温再熱蒸気管３３からの蒸気Ｊ１は、復水器６の高圧マニホールド６ａ側から第７のヒータ２２側へのみ供給されるように切替られ、第７のヒータ２２への蒸気Ｊ１の供給によって、ボイラ１の過熱器１ａに供給される復水を加熱することが可能となる。

同様に、高温再熱蒸気管３４内の圧力が上昇し、高温再熱蒸気管３４内が所定の正圧値（例えば０．５Ｍｐａ）以上に到達したと判断した際には、第２の圧力センサ５２からの信号Ｓ２に基づき、電気制御装置６０から第２の方向切替弁５６に出力信号Ｓ５が出力される。これにより、第２の方向切替弁５６から吐出される高温再熱蒸気管３４からの蒸気Ｊ２は、復水器６の中圧マニホールド６ｂ側から第６のヒータ２１側へのみ供給されるように切替えられ、第６のヒータ２１への蒸気Ｊ２の供給によって、ボイラ１の過熱器１ａに供給される復水を加熱することが可能となる。

この実施の形態においては、停止時間が長くなるコールド起動では、第６のヒータ２１および第７のヒータ２２によって約４時間の加熱が可能となる。また、停止時間が短くなるウォーム起動では、約３時間の加熱が可能となる。したがって、従来に比べて熱回収時間を長くでき、火力発電所における熱効率を高めることが可能となる。ここで、低温再熱蒸気管３３からの蒸気Ｊ１を第７のヒータ２２に供給し、高温再熱蒸気管３４からの蒸気Ｊ２を、第７のヒータ２２の上流側に位置する第６のヒータ２１に供給しているのは、蒸気Ｊ１と蒸気Ｊ２の温度差を考慮したためである。

つぎに、各タービン２、３、４の起動後は、負荷の増加に伴って発電機５の出力も徐々に上昇することになる。そして、発電機５に対する負荷が所定値（例えば４０ＭＷ）に到達した際には、電気制御装置６０は、発電出力センサ５３からの電気信号Ｓ３に基づき、第１の方向切替弁５５への出力信号Ｓ４の停止、および第２の方向切替弁５６への出力信号Ｓ５を停止する。第１の方向切替弁５５および第２の方向切替弁５６は、出力信号Ｓ４、Ｓ５の停止により、蒸気の流れ方向を切替える。

これにより、第１の方向切替弁５５から吐出される低温再熱蒸気管３３からの蒸気Ｊ１は、復水器６の高圧マニホールド６ａ側のみに供給され、第７のヒータ２２側への蒸気Ｊ１の供給が停止される。同様に、第２の方向切替弁５６から吐出される高温再熱蒸気管３４からの蒸気Ｊ２は、復水器６の中圧マニホールド６ｂ側のみに供給され、第６のヒータ２１側への蒸気Ｊ１の供給が停止される。

このように、低温再熱蒸気管３３からの蒸気Ｊ１および高温再熱蒸気管３４からの蒸気Ｊ２は、従来のように復水器６側に供給されるだけでなく、タービン起動後は、給水加熱器である第６ヒータ２１および第７ヒータ２２に供給され、復水器６からボイラ１の過熱器１ａに供給される復水の加熱を行うことになる。したがって、低温再熱蒸気管３３および高温再熱蒸気管３４からの蒸気Ｊ１、Ｊ２を熱回収のために有効利用でき、火力発電所の熱効率を高めることができる。すなわち、火力発電所は、出力が安定している原子力発電所と異なり、電力負荷の平準化のために、運転の停止および起動（解列、並列）を頻繁に繰り返しており、熱効率を高めることが課題となっているが、低温再熱蒸気管３３および高温再熱蒸気管３４からの蒸気Ｊ１、Ｊ２を復水器６への供給だけでなく、上述のようにボイラ１に供給される復水の加熱にも有効利用できるので、火力発電所の熱効率をさらに高めることができる。

また、第１の方向切替弁５５と第２の方向切替弁５６は、各再熱蒸気管３３、３４内の圧力を検知する圧力センサ５１、５２からの信号Ｓ１、Ｓ２および発電機５の出力を検知する発電出力センサ５３からの信号Ｓ３に基づき切替制御されるので、蒸気Ｊ１、Ｊ２の切替作業を自動で行うことが可能となり、省力化を図ることができる。ここで、第１の方向切替弁５５と第２の方向切替弁５６を構成する電磁弁は、電気信号で動作する弁の総称であり、電磁力または電気モータ駆動など種々のタイプ弁のものが含まれる。

以上、この発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、この実施の形態においては、天然ガスを燃料とする火力発電所について説明したが、石炭などを燃料とする火力発電所にも適用できることは勿論である。
また、第１の方向切替弁５５と第２の方向切替弁５６は、３方電磁弁から構成されているが、他の種類の方向切替弁とする構成としてもよい。

１ ボイラ
１ａ 過熱器
１ｂ 再熱器
２ 高圧タービン
３ 中圧タービン
５ 発電機
６ 復水器
６ａ 高圧マニホールド
６ｂ 中圧マニホールド
７ 復水ポンプ
２１ 第６ヒータ（給水加熱器）
２２ 第７ヒータ（給水加熱器）
３２ 主蒸気管
３３ 低温再熱蒸気管
３４ 高温再熱蒸気管
３６ 加減弁
３６ 再熱弁
５１ 第１の圧力センサ
５２ 第２の圧力センサ
５３ 発電出力センサ
５５ 第１の方向切替弁
５６ 第２の方向切替弁
６０ 電気制御装置

Claims (2)

1. 復水器からの復水を給水加熱器を介してボイラの過熱器に供給し、前記過熱器によって生じた蒸気によって高圧タービンを駆動し、前記高圧タービンから排出される蒸気を低温再熱蒸気管を介して前記ボイラの再熱器に供給し、前記再熱器によって温度が上昇した蒸気を高温再熱蒸気管を介して前記高圧タービンに連結される中圧タービンに供給することにより前記中圧タービンを駆動し、前記低温再熱蒸気管を流れる蒸気の一部を前記復水器の高圧マニホールドに供給するとともに、前記高温再熱蒸気管を流れる蒸気の一部を前記復水器の中圧マニホールドに供給する火力発電所における蒸気配管路であって、
   前記低温再熱蒸気管と接続される管路に設けられ、前記低温再熱蒸気管からの蒸気を前記高圧マニホールドまたは前記給水加熱器のいずれかに切替えて供給する第１の方向切替弁と、
   前記高温再熱蒸気管と接続される管路に設けられ、前記高温再熱蒸気管からの蒸気を前記中圧マニホールドまたは前記給水加熱器のいずれかに切替えて供給する第２の方向切替弁と、
   を備え、
   前記第１の方向切替弁と第２の方向切替弁は、前記各タービンの起動後に前記各再熱蒸気管内が所定の正圧値以上に到達した際に、前記各再熱蒸気管側からの蒸気を前記復水を加熱するための前記給水加熱器に供給し、前記高圧タービンおよび中圧タービンによって駆動される発電機に対する負荷が抽気可能な値に到達した際に、前記各再熱蒸気管側からの蒸気を前記復水器側の前記マニホールドに供給することを特徴とする火力発電所における蒸気配管路。
2. 前記第１の方向切替弁と第２の方向切替弁は、前記各再熱蒸気管内の圧力を検知する圧力センサおよび前記発電機の出力を検知する発電出力センサからの信号に基づき切替制御されることを特徴とする請求項１に記載の火力発電所における蒸気配管路。
   

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