JP2013217200A

JP2013217200A - 蒸気タービン設備

Info

Publication number: JP2013217200A
Application number: JP2012085777A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Arai; 秀一新井; Masaaki Tomizawa; 雅昭富沢; Yuichi Takahashi; 祐一高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2013-10-24

Abstract

【課題】タービン中圧起動後、円滑に通常運転に移行させることができる蒸気タービン設備を提供する。
【解決手段】再熱ボイラ１２と、再熱ボイラ１２からの蒸気で駆動する高圧タービン１と、再熱ボイラ１２と高圧タービン１の入口を接続する主蒸気管２１と、主蒸気管２１に設けた主蒸気加減弁５と、高圧タービン１の排気温度Ｔを測定する温度センサ１４と、高圧タービン１の排気温度Ｔについて高圧タービン１の翼の過熱状態を推定する設定温度Ｔ０を記憶した記憶部２７と、暖気運転時において高圧タービン１の排気温度Ｔが設定温度Ｔ０に達した場合、主蒸気加減弁５の開度Ａを暖気運転用の開度Ａ１から減じる処理部２８とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は蒸気タービン設備に関する。

再熱型蒸気タービン設備において、再熱ボイラで発生した蒸気は、主蒸気管を通って高圧タービンに供給され、高圧タービンから低温再熱蒸気管を通って再熱器に戻って再熱される。その後、再熱された蒸気は、高温再熱蒸気管を通って中圧タービンに供給され、中圧タービンを出て低圧タービンに供給される。このような構成にあってタービン中圧起動をする場合、主蒸気管に設けた加減弁を閉じ、再熱ボイラから発生した蒸気を高圧タービンに供給することなくタービンバイパス弁で圧力制御した上で中圧タービンに供給する。こうしてタービン中圧起動をした後、加減弁を開けてタービンバイパス弁を閉じ負荷併入することで、通常の運転状態に移行する（特許文献１等参照）。

特開昭６０−７９１０７号公報

上記タービン中圧起動をした場合において、通常運転に移行するに当たって全閉状態の加減弁を開けた際、内壁メタル温度が上昇していない高圧タービンに高温の蒸気が急激に流入することによって高圧タービンに大きな熱応力がかかる。この熱応力を軽減するため、タービン中圧起動時、高圧タービンの内壁メタル温度が低い場合は、加減弁を微開して高圧タービンに少量の蒸気を供給し、高圧タービンを暖気する場合がある。しかしながら、暖気用に高圧タービンに供給される蒸気は低流量であるため高圧タービンの回転エネルギに変換されず、高圧タービンの翼が風損により熱せられる。そのため、万一、高圧タービンの排気温度が設定値に達し、翼の過熱状態が推定される場合に警報を発動させる構成とする場合がある。

通常は暖気用の少量の蒸気で上記警報の発動に至る温度に高圧タービンの排気が昇温することはないが、再熱ボイラから供給される主蒸気の温度が計画に比べて高い場合には警報が発動する事態も起こり得る。警報が発動した場合には加減弁の開度を小さくして高圧タービンへの蒸気供給量を抑える必要があるが、通常は発動しない警報に運転員が柔軟に対処できるとは限らない。警報の発動に対処しない又は対処が適切でないと、高圧タービンの排気温度は上昇を続け、トリップ設定値にまで到達するとタービンがトリップしてしまう。

また、排気温度の上昇が抑えられたとしても、警報への対処として運転員が加減弁を全閉にしてしまうと、暖気運転が終了時の高圧タービンの内壁のメタル温度が目標値を下回り得る。この場合には高圧タービンの暖気を再度行わなければならず効率が悪い。

本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、タービン中圧起動後、円滑に通常運転に移行させることができる蒸気タービン設備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、本発明は、蒸気タービン設備において、再熱ボイラと、この再熱ボイラからの蒸気で駆動するタービンと、前記再熱ボイラと前記タービンの入口を接続する主蒸気管と、この主蒸気管に設けた蒸気加減弁と、前記タービンの排気温度を測定する温度センサと、前記タービンの排気温度について当該タービンの翼の過熱状態を推定する設定温度を記憶した記憶部と、暖気運転時において前記タービンの排気温度が前記設定温度に達した場合、前記蒸気加減弁の開度を暖気運転用の開度から減じる処理部とを備える。

本発明によれば、タービン中圧起動後、円滑に通常運転に移行させることができる。

本発明の一実施の形態に係る蒸気タービン設備の概略図である。本発明の一実施の形態に係る蒸気タービン設備に備えられた制御装置によるタービン中圧起動時における主蒸気加減弁の開度制御の手順を表したフローチャートである。本発明の一実施の形態における主蒸気加減弁の開度の減じ方の一態様を例示した図である。本発明の一実施の形態における主蒸気加減弁の開度の減じ方の他の態様を例示した図である。本発明の一実施の形態における主蒸気加減弁の開度の戻し方の一態様を例示した図である。本発明の一実施の形態における主蒸気加減弁の開度の戻し方の他の態様を例示した図である。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る蒸気タービン設備の概略図である。

図１に示した蒸気タービン設備は、再熱ボイラ１２、この再熱ボイラ１２からの蒸気で駆動する高圧タービン１、再熱ボイラ１２で再熱された高圧タービン１の排気で駆動する中圧タービン２、中圧タービン２の排気で駆動する低圧タービン３、及び低圧タービン３の排気を復水させる復水器１３を備えている。

再熱ボイラ１２は、主蒸気管２１を介して高圧タービン１の入口に、低温再熱蒸気管２２を介して高圧タービン１の出口に、高温再熱蒸気管２３を介して中圧タービン２の入口にそれぞれ接続している。主蒸気管２１には、当該主蒸気管２１の流路を開閉して高圧タービン１に対する蒸気の供給及び遮断を切り替える主蒸気止め弁４、及び主蒸気管２１の流路の開度を調節して高圧タービン１に供給する蒸気流量を調節する主蒸気加減弁５が設けられている。同じく高温再熱蒸気管２３にも、当該高温再熱蒸気管２３の流路を開閉して中圧タービン２に対する蒸気の供給及び遮断を切り替える再熱蒸気止め弁６、及び高温再熱蒸気管２３の流路の開度を調節して中圧タービン２に供給する蒸気流量を調節するインターセプト弁７が設けられている。低温再熱蒸気管２２には、高圧タービン１の排気温度Ｔを測定する温度センサ１４、及び蒸気の逆流を防止する逆止弁１１が設けられている。

また、主蒸気管２１は、低温再熱蒸気管２２と高圧バイパス系統２４で接続されている。パイパス管２４は、主蒸気管２１における主蒸気止め弁４及び主蒸気加減弁５よりも上流側の部分、及び低温再熱蒸気管２２における温度センサ１４及び逆止弁１１よりも下流側の部分を接続している。この高圧バイパス系統２４には、当該高圧バイパス系統２４の流路を開閉する高圧タービンバイパス弁８が設けられている。さらに、低温再熱蒸気管２２は系統２５を介して、高温再熱蒸気管２３は低圧バイパス系統２６を介して、それぞれ復水器１３に直接接続している。系統２５にはベンチレータ弁９が、低圧バイパス系統２６には低圧タービンバイパス弁１０がそれぞれ設けられている。

このとき、前述した温度センサ１４による測定温度は制御装置１８に入力させる。制御装置１８は、各種弁等を制御して蒸気タービン設備の動作を制御するものであり、前述した主蒸気止め弁４、主蒸気加減弁５、再熱蒸気止め弁６、インターセプト弁７、高圧タービンバイパス弁８、ベンチレータ弁９、及び低圧タービンバイパス弁１０等を制御対象に含む。この制御装置１８には、各種制御プログラムや制御に必要な制御値を記憶する記憶部２７、各種プログラムを読み込んで制御手順を実行する処理部２８、及び制御手順の実行に伴って制御対象に対して指令信号を出力する指令部２９が備えられている。記憶部２７に記憶された制御値には、高圧タービン１の排気温度Ｔについて設定した設定温度Ｔ０、排気温度Ｔについて蒸気タービン設備を緊急停止させるトリップ温度Ｔ１（設定値、Ｔ１＞Ｔ０）が含まれる。設定温度Ｔ０は、高圧タービン１の翼の過熱状態を推定し警報を発動させる警報温度、又はこの警報温度よりも余裕を持たせて低く設定した温度とする。また、記憶部２７に記憶された制御プログラムには、高圧タービンバイパス弁８を開放したタービン中圧起動中における高圧タービン１の暖気運転時（タービンヒーティング）において排気温度Ｔが上記設定温度Ｔ０以下となるように主蒸気加減弁５の開度Ａを調節するプログラムが含まれている。このプログラムによれば、高圧タービン１の排気温度Ｔが設定温度Ｔ０に達した場合、主蒸気加減弁５の開度Ａを暖気運転用に設定された中間開度Ａ１（例えば３０％程度）から更に減じる動作が実行される。

上記構成の蒸気タービン設備の動作及び作用効果を順次説明する。

１．起動前
起動前の時点では、主蒸気加減弁５及びインターセプト弁７は全閉されていて、主蒸気管２１及び高温再熱蒸気管２３の蒸気は止められている。また、高圧タービンバイパス弁８、ベンチレータ弁９、及び低圧タービンバイパス弁１０は全開されていて、再熱ボイラ１２からの蒸気は各タービン１−３に供給されることなく、高圧バイパス系統２４、系統２５、及び低圧バイパス系統２６を介して復水器１３に流入しており、各タービン１−３内は復水器１３と同様に真空に保たれている。

２．タービン中圧起動時
図２は制御装置１８によるタービン中圧起動時における主蒸気加減弁５の開度制御の手順を表したフローチャートである。ここでは、設定温度Ｔ０を前述した警報温度に設定した場合を説明する。

（ステップ１０１）
タービン中圧起動が開始されると、制御装置１８では、記憶部２７から処理部２８に必要な制御値及びプログラムが読み出され、指令部２９からの指令に従って、低圧タービンバイパス弁１０が閉じられるとともにインターセプト弁７が開かれる。これにより、主蒸気管２１、高圧バイパス系統２４、低温再熱蒸気管２２、高温再熱蒸気管２３を介して再熱ボイラ１２からの蒸気が中圧タービン２及び低圧タービン３に順次供給され、中圧タービン２及び低圧タービン３が起動し、低圧タービン３の排気は復水器１３に流入して復水する。また、主蒸気加減弁５の開度Ａは予め設定された暖気用の中間開度Ａ１で微開され、主蒸気管２１を流れる一部の蒸気が高圧タービン１を通過して低温再熱蒸気管２２を流れる主蒸気に合流する。暖気用に供給される蒸気は低流量であって高圧タービン１は駆動しない。また、タービン中圧起動中は、ベンチレータ弁９は全開のまま維持されていて、高圧タービン１を真空に保持し、高圧タービン１の風損による温度上昇の抑制に寄与する。

（ステップ１０２，１０３）
タービン中圧起動中、処理部２８は、高圧タービン１の排気温度Ｔ（測定値）を温度センサ１４から入力し（ステップ１０２）、入力した排気温度Ｔを前述した設定温度Ｔ０と比較して、排気温度Ｔが設定温度Ｔ０に達したかどうかを判定する（ステップ１０３）。Ｔ≧Ｔ０であってステップ１０３の判定が満たされた場合、処理部２８は、手順をステップ１０４に移す。このとき、制御装置１８は同時に図示しない表示装置や警告灯、或いは警報等の警告手段に指令して排気温度Ｔが警報音度Ｔ０に達したことを運転員に報知する。他方、Ｔ＜Ｔ０であってステップ１０３の判定が満たされない場合には、処理部２８は手順をステップ１０７に移す。

（ステップ１０４−１０６）
ステップ１０４に手順を移すと、処理部２８は、入力した排気温度Ｔを前述したトリップ温度Ｔ１と比較して、排気温度Ｔがトリップ温度Ｔ１以上であるかどうかを判定する。Ｔ≧Ｔ１であってステップ１０４の判定が満たされた場合、処理部２８は、手順をステップ１０５に移し、タービン１−３への蒸気を遮断してタービントリップさせてこの手順を終了する。Ｔ＜Ｔ１であってステップ１０４の判定が満たされない場合には、処理部２８は手順をステップ１０６に移す。

ステップ１０６では、制御装置１８は、プログラムに従って処理部２８で主蒸気加減弁５の開度Ａの補正値を演算し、指令部２９を介して指令信号を出力して主蒸気加減弁５の開度を減じる。ステップ１０６の手順を終えたら、制御装置１８はステップ１０２に手順を戻す。

（ステップ１０７，１０８）
排気温度Ｔが設定温度Ｔ０よりも低くステップ１０３の判定が満たされない場合、処理部２８は手順をステップ１０７に移し、現在の主蒸気加減弁５の開度Ａが暖気運転開始時の中間開度Ａ１よりも小さいかどうかを判定する。Ａ＝Ａ１であってステップ１０７の判定が満たされない場合、処理部２８は、手順をステップ１０２に戻す。一方、既にステップ１０６の手順を経て開度Ａが減じられた結果、現在の開度Ａが暖気運転開始時の中間開度Ａ１よりも小さい場合、制御装置１８は、プログラムに従って処理部２８で主蒸気加減弁５の開度Ａの補正値を演算し、指令部２９を介して指令信号を出力して主蒸気加減弁５の開度を大きくする。ステップ１０８の手順を終えたら、処理部２８はステップ１０２に手順を戻す。

制御装置１８は、以上の手順を繰り返し実行し、排気温度Ｔが設定温度Ｔ０に達したら主蒸気加減弁５の開度を減じ、トリップ温度Ｔ１にまで排気温度Ｔが達してタービントリップしないようにしつつタービン中圧起動を実行する。

なお、ステップ１０２−１０４，１０６の実行サイクル、例えば排気温度Ｔの入力間隔の設定によって、主蒸気加減弁５の動作態様に変化を付けることができる。例えば、ステップ１０２−１０４，１０６の手順を一定の時間間隔で実行する場合、ステップ１０６で演算する開度Ａの補正値を比較的大きく設定しておけば、排気温度Ｔが設定温度Ｔ０を下回るまでの間、図３のようにステップ状に開度Ａを減じることができる。また、例えば、ステップ１０２−１０４，１０６の手順を随時実行する場合、ステップ１０６で演算する開度Ａの補正値を小さく設定しておけば、排気温度Ｔが設定温度Ｔ０を下回るまで開度Ａが小刻みに減少し続け、図４のように連続的に開度Ａが減少するような動作を実現することができる。このようにすることで、過度に開度Ａを減じて高圧タービン１のメタル温度が必要以上に低下することを抑制することができ、この効果を得る限りでは前者に比べて後者が有利である。

また、上記のことは減じた開度Ａをタービン中圧起動初期の設定の中間開度Ａ１に戻していく際の動作にも適用可能である。例えば、ステップ１０２，１０３，１０７，１０８の手順を一定の時間間隔で実行する場合、ステップ１０８で演算する開度Ａの補正値を比較的大きく設定しておけば、排気温度Ｔが設定温度Ｔ０未満で運用される間、図５のようにステップ状に開度Ａを増大させることができる。また、例えば、ステップ１０２，１０３，１０７，１０８の手順を随時実行する場合、ステップ１０８で演算する開度Ａの補正値を小さく設定しておけば、排気温度Ｔが設定温度Ｔ０に達しない限り開度Ａは小刻みに増大し続け、図６のように連続的に開度Ａが増大するような動作を実現することができる。

３．通常運転
上記タービン中圧起動を終えたら、制御装置１８は、例えば発電機（図示せず）を接続して負荷を取り（併入し）、主蒸気加減弁５を開けるとともに、高圧タービンバイパス弁８、ベンチレータ弁９を閉じ、高圧タービン１を起動して通常運転に移行する。

本実施の形態によれば、タービン中圧起動をするにあたって高圧タービン１を暖気する際、主蒸気温度が想定以上に高く、高圧タービン１の内壁メタル温度が計画よりも上昇して警報が発動したとしても、運転員に主蒸気加減弁５の微妙な開度調節を強いることなく、制御装置１８によって主蒸気加減弁５の開度が自動的に減じられて高圧タービン１の内壁メタル温度を計画に近付けることができる。上記設定温度Ｔ０を警報温度よりも低く設定すれば、警報の発動自体も抑制することができる。また、高圧タービン１の内壁メタル温度の過度な上昇が推定された際に主蒸気加減弁５が自動制御されるため、運転員による主蒸気加減弁５の手動操作が不要となり、運転員にとっても使い易さが向上する。そして、こうして高圧タービン１の内壁メタル温度の更なる上昇を抑えることができるので、基本的にタービントリップも回避することができる。更には、主蒸気加減弁５の開度調節を運転員に強いた場合に、例えば高圧タービン１の暖気開始後間もなくして主蒸気加減弁５を全閉にしてしまったときには、高圧タービン１の暖気が不十分で暖気をし直さなければならなくなり得るところ、本実施の形態では主蒸気加減弁５が突然全閉になることがなく、制御装置１８によって適当に主蒸気加減弁５の開度が調節されて継続的に暖気が行われるため、暖気のやり直しも基本的に回避することができる。よって、タービン中圧起動後、円滑に通常運転に移行させることができる。

なお、上記においては本発明を一般的な蒸気タービン設備に適用した場合を例に挙げて説明したが、再熱ボイラ１２の熱源にガスタービンの排熱を用いたコジェネレーションシステムにも本発明は適用可能であり、同様の効果を奏することができる。

１高圧タービン
２中圧タービン
３低圧タービン
５主蒸気加減弁
８高圧タービンバイパス弁
１２再熱ボイラ
１４温度センサ
１８制御装置
２１主蒸気管
２２低温再熱蒸気管
２４高圧バイパス系統
２７記憶部
２８処理部
Ａ主蒸気加減弁の開度
Ａ１暖気運転用の開度
Ｔ排気温度（温度センサによる検出温度）
Ｔ０設定温度

Claims

ボイラと、
このボイラからの蒸気で駆動するタービンと、
前記ボイラと前記タービンの入口を接続する主蒸気管と、
この主蒸気管に設けた蒸気加減弁と、
前記タービンの排気温度を測定する温度センサと、
前記タービンの排気温度について当該タービンの翼の過熱状態を推定する設定温度を記憶した記憶部と、
暖気運転時において前記タービンの排気温度が前記設定温度に達した場合、前記蒸気加減弁の開度を暖気運転用の開度から減じる処理部と
を備えたことを特徴とする蒸気タービン設備。
ボイラと、
このボイラからの蒸気で駆動する高圧タービンと、
前記ボイラと前記高圧タービンの入口を接続する主蒸気管と、
この主蒸気管に設けた蒸気加減弁と、
前記高圧タービンの出口と前記ボイラを接続する再熱蒸気管と、
この再熱蒸気管に設けた温度センサと、
前記ボイラで再熱された前記高圧タービンの排気で駆動する中圧タービンと、
この中圧タービンの排気で駆動する低圧タービンと、
前記主蒸気管と前記再熱蒸気管とを接続するバイパス系統と、
このバイパス系統に設けたバイパス弁と、
前記タービンの排気温度について当該タービンの翼の過熱状態を推定する設定温度を記憶した記憶部と、
前記バイパス弁を開放したタービン中圧起動中における前記高圧タービンの暖気運転時において前記タービンの排気温度が前記設定温度に達した場合、前記蒸気加減弁の開度を暖気運転用の開度から減じる処理部と
を備えたことを特徴とする蒸気タービン設備。
請求項１又は２の蒸気タービン設備において、前記処理部は、前記温度センサによる検出温度が前記設定温度以下となるように前記蒸気加減弁の開度を調節することを特徴とする蒸気タービン設備。
請求項３の蒸気タービン設備において、前記処理部は、前記温度センサによる検出温度が前記設定温度以下になるまでステップ状に前記蒸気加減弁の開度を下げていくことを特徴とする蒸気タービン設備。
請求項３の蒸気タービン設備において、前記処理部は、前記温度センサによる検出温度が前記設定温度以下になるまで連続的に前記蒸気加減弁の開度を下げていくことを特徴とする蒸気タービン設備。
請求項１−５のいずれかの蒸気タービン設備において、前記処理部は、前記温度センサによる検出温度が前記設定温度を下回った後、当該検出温度が前記設定温度未満である間、前記蒸気加減弁の開度を前記暖気運転用の開度まで上げていくことを特徴とする蒸気タービン設備。