JP2014199010A - タービン制御システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】抽気配管に逆止弁を設置することなく、ドレンから発生する減圧沸騰蒸気がタービンに逆流することを抑制するタービン制御技術を提供する。【解決手段】タービン制御システム９０は、蒸気Ｇ１を入力して回転するタービン１０から排出される排気Ｇ２を冷却して復水Ｌ１にする復水部１１と、タービン１０の内部で断熱膨張過程にある蒸気Ｇ１の一部を抽気Ｇ３として出力する抽気配管１２と、復水部１１から排出された復水Ｌ１を抽気配管１２から出力される抽気Ｇ３で加熱する給水加熱部１３と、復水部１１に保持されている復水Ｌ１を導いて抽気Ｇ３が凝縮してなるドレンＬ２を冷却する連絡配管１４と、連絡配管１４に設置される開閉弁１５を動作させ復水Ｌ１のドレンＬ２への導入量を制御する制御部１６と、から構成される。【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気タービンに備えられる抽気配管において、減圧沸騰蒸気の逆流を防止するタービン制御技術に関する。

タービンは、運転時に負荷遮断などによる急激な蒸気量の減少が生じると、各段落における圧力も急激に減圧する。
給水加熱器などへ抽気を実施している段落で急激な減圧が生じると、抽気配管全体の圧力が急減するため、給水加熱器などに保有しているドレンが減圧沸騰する。
そして、この減圧沸騰により発生した減圧沸騰蒸気が、抽気配管を逆流してタービンへ導かれる現象が知られている。

減圧沸騰蒸気が抽気配管を通りタービンへ流入すると、この蒸気が回転しているタービン動翼に対し励振力として働く。
そして、タービン動翼に大きな振動応力を発生させる。
この振動応力は、タービンへ流入する減圧沸騰蒸気の増加に伴って増加する。
抽気配管からタービンへの減圧沸騰蒸気の逆流を抑制する技術として、抽気配管へ逆止弁を設置する技術がある（例えば、特許文献２、特許文献３）。

近年の大容量発電プラントにおいては、配置スペース削減の観点から給水加熱器などが復水器の内部に設置される場合がある。
この場合、保守・点検の観点から、抽気配管に設けられて減圧沸騰蒸気の逆流を防止する逆止弁は、復水器の外部に設置されることが必要となる。

すると、大口径の抽気配管の配置を復水器の外部に大きく引廻す必要があり、配管構成が複雑となる。
さらに、逆止弁は、順方向の流れに対する圧損も大きいため、エネルギー変換の効率を低下させることがある。
上述の理由から、抽気配管に逆止弁を設置しない発電プラントも多く存在する（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−２２３１０５号公報 特開２００１−１９３４１６号公報 特開２００３−１８４５１１号公報

上述のように、逆流防止措置を施さない場合は、タービンを駆動する蒸気が急減すると、減圧沸騰蒸気が抽気配管を経てタービンへ逆流する。
この逆流する減圧沸騰蒸気は、回転するタービン動翼に応力を発生させ、タービンに大きな負荷をかけ、タービンの損傷の原因になる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、抽気配管に逆止弁を設置することなく、ドレンから発生する減圧沸騰蒸気がタービンに逆流することを抑制するタービン制御技術を提供することを目的とする。

本発明に係るタービン制御システムは、蒸気を入力して回転するタービンから排出される排気を冷却して復水にする復水部と、前記タービン内部で断熱膨張過程にある前記蒸気の一部を抽気として出力する抽気配管と、前記復水部から排出された前記復水を前記抽気配管から出力される前記抽気で加熱する給水加熱部と、前記復水部に保持されている前記復水を導いて前記抽気が凝縮してなるドレンを冷却する連絡配管と、前記連絡配管に設置される開閉弁を動作させ前記復水の前記ドレンへの導入量を制御する制御部と、を備えるものである。

本発明により、抽気配管に逆止弁を設置することなく、ドレンから発生する減圧沸騰蒸気がタービンに逆流することを抑制するタービン制御技術が提供される。

本発明の第１実施形態に係るタービン制御システムの構成図。 本発明の第１実施形態に係るタービン制御システムの変形例を示す構成図。 本発明の実施形態に係るタービン制御方法のフローチャート。 本発明の第２実施形態に係るタービン制御システムの構成図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るタービン制御システム９０の構成図である。
本発明の第１実施形態に係るタービン制御システム９０は、図１に示されるように、蒸気Ｇ１を入力して回転するタービン１０から排出される排気Ｇ２を冷却して復水Ｌ１にする復水部１１と、タービン１０の内部で断熱膨張過程にある蒸気Ｇ１の一部を抽気Ｇ３として出力する抽気配管１２と、復水部１１から排出された復水Ｌ１を抽気配管１２から出力される抽気Ｇ３で加熱する給水加熱部１３と、復水部１１に保持されている復水Ｌ１を導いて抽気Ｇ３が凝縮してなるドレンＬ２を冷却する連絡配管１４と、連絡配管１４に設置される開閉弁１５を動作させ復水Ｌ１のドレンＬ２への導入量を制御する制御部１６と、から構成される。

復水部１１は、蒸気Ｇ１を入力して回転するタービン１０から排出される排気Ｇ２を、冷却して潜熱を奪って復水Ｌ１にする。
蒸気Ｇ１のもつ熱エネルギーは、タービン１０の回転による運動エネルギーへと変えられる。

そして、タービン１０の回転による運動エネルギーは、タービン１０に接続された発電部２１で電気エネルギーに変えられる。
さらに、タービン１０に供給されるとともに断熱膨張をしてタービン１０を回転させる蒸気Ｇ１は、タービン１０に接続された蒸気発生部２０で発生する。

抽気配管１２は、給水加熱部１３に接続され、タービン１０で断熱膨張過程にある蒸気Ｇ１の一部を、通常運転では圧力差によって抽気Ｇ３として給水加熱部１３に出力する。

給水加熱部１３は、その内部に、復水配管１７ａに接続される復水伝熱配管２２を備える。
そして、ポンプ２６により復水部１１から排出されて復水伝熱配管２２を流れる復水Ｌ１を、抽気配管１２から出力される抽気Ｇ３で加熱する。
加熱された復水Ｌ１は復水配管１７ｂを経て蒸気発生部２０に戻る。
一方、抽気配管１２を通して供給された抽気Ｇ３は復水部１１より給水された復水Ｌ１と復水伝熱配管２２を介して熱交換することにより凝縮する。

凝縮したドレンＬ２は給水加熱部１３の内部に保有される。
給水加熱部１３の内部の圧力は、通常運転中において、一般にタービン１０の近傍における抽気配管１２の内部の抽気Ｇ３の圧力よりも低い。
なお、通常運転中において、復水部１１から排出される復水Ｌ１と抽気Ｇ３とは給水加熱部１３のそれぞれ区切られた空間にあり、復水Ｌ１と抽気Ｇ３が混合することはない。

連絡配管１４は、復水部１１に保持されている復水Ｌ１を導いて抽気Ｇ３が凝縮してなるドレンＬ２をさらに冷却する。
連絡配管１４の一端は、図示するように復水部１１と給水加熱部１３とを連結する復水配管１７ａに接続されるかまたは図示を省略するが復水部１１に直接接続される。

そして、連絡配管１４の他端は、給水加熱部１３に接続され、給水加熱部１３に内部保持されるドレンＬ２が冷却される。
ただし、通常運転中においては、連絡配管１４に設置された開閉弁１５は閉止しており、復水Ｌ１はドレンＬ２に直接導入されることはない。

制御部１６は、連絡配管１４に設置される開閉弁１５を動作させ復水Ｌ１のドレンＬ２への導入量を制御する。
開閉弁１５は通常運転中は閉止状態となっている。
制御部１６は、負荷遮断信号Ｓ１を受信すると、蒸気加減弁閉止信号Ｓ３を蒸気加減弁２３に送信する。
受信する負荷遮断信号Ｓ１はタービントリップ信号などであってもよい。

制御部１６は、蒸気加減弁閉止信号Ｓ３を送信するとともに、開閉弁開放信号Ｓ２を開閉弁１５へ送信し、開閉弁１５を開放状態にする。
蒸気加減弁閉止信号Ｓ３を受信した蒸気加減弁２３が閉止状態になり、高温・高圧の蒸気Ｇ１のタービン１０への供給が急減すると、タービン１０を通過する蒸気Ｇ１の圧力が急減する。
これに伴い抽気配管１２および給水加熱部１３の内部圧力も急減するため、ドレンＬ２の飽和蒸気圧に比べて給水加熱部１３の内部の圧力が低下する場合がある。

すると、ドレンＬ２が減圧沸騰し、何も防止手段がない場合、発生した減圧沸騰蒸気Ｇ４が抽気配管１２を逆流してタービン１０に流入する。
しかし、開閉弁１５を開放状態とし、復水Ｌ１の一部を、連絡配管１４を通じて給水加熱部１３に導くことで、ドレンＬ２の温度を低下させ、減圧沸騰蒸気Ｇ４を減少させる。

なお、図２に示すように、タービン制御システム９０は、連絡配管１４の一端が、給水加熱部１３から分離して設けられたドレンタンク２４に接続され、このドレンタンク２４に内部保持されるドレンＬ２を冷却する仕様としてもよい。
さらに、給水加熱部１３は複数段が直列に接続される場合もある。
また、ドレンＬ２を給水加熱部１３に保有するものと、ドレンＬ２をドレンタンク２４に保有するものが直列に接続される場合もある。

次に、図３の本発明の実施形態に係るタービン制御方法のフローチャートを用い、負荷遮断信号Ｓ１を受信した際のタービン制御システム９０の動作を説明する（適宜図１参照）。

制御部１６が、負荷遮断信号Ｓ１を受信すると（ステップＳ１１）、蒸気加減弁閉止信号Ｓ３を蒸気加減弁２３に送信する（ステップＳ１２）。
なお、負荷遮断信号Ｓ１はタービントリップ信号などであってもよい。
蒸気加減弁閉止信号Ｓ３を受信した蒸気加減弁２３は、閉止状態になり、高温・高圧の蒸気Ｇ１のタービン１０への供給が急減すると、タービン１０を通過する蒸気Ｇ１の圧力が急減する。

制御部１６は、蒸気加減弁閉止信号Ｓ３の送信した後に、開閉弁１５に開閉弁開放信号Ｓ２を送信し（ステップＳ１３）、開閉弁１５は開放状態となる。
復水部１１の復水Ｌ１の一部は連絡配管１４を通って給水加熱部１３に導入され（ステップＳ１４）、ドレンＬ２の温度を低下させ、減圧沸騰蒸気Ｇ４を減少させる。

このようにして、抽気配管１２に逆止弁を設置することなく、ドレンＬ２から発生する減圧沸騰蒸気Ｇ４がタービン１０に逆流することを抑制する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態にかかるタービン制御システム９０を、図４を参照しながら説明する。
図４は、第２実施形態にかかるタービン制御システム９０の構成図である。
本発明の第２実施形態にかかるタービン制御システム９０は、図４に示すように、第１実施形態（図１）にかかるタービン制御システム９０において、連絡配管１４の給水加熱部１３に接続されていた一端が、抽気配管１２またはこれらの接続部分に接続される。
このように構成することにより、抽気配管１２を通ってタービン１０へ逆流する減圧沸騰蒸気Ｇ４を復水部１１に貯められた復水Ｌ１の一部で冷却して凝縮させる。
ただし、図３における給水加熱部１３へ復水Ｌ１を導入するステップ（ステップＳ１４）は抽気配管１２に復水Ｌ１を導入するステップへと変更になる。
なお、抽気配管１２に導入された復水Ｌ１は、導入後、減圧沸騰蒸気Ｇ４の圧力の大きさに依って流れる向きが変わり得る。
導入された復水Ｌ１は、減圧沸騰蒸気Ｇ４を冷却するとともに、給水加熱部１３に流れ込んで、ドレンＬ２を冷却してもよい。

なお、連絡配管１４の給水加熱部１３に接続されていた一端が、抽気配管１２またはこれらの接続部分に接続されること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造および作動手順を有するので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第２実施形態においても、第１実施形態と同様に図２で示されるような、形状の種々の変形も想定できる。

このように、逆流する減圧沸騰蒸気Ｇ４を復水Ｌ１の一部で冷却して凝縮させることで、抽気配管１２に逆止弁を設置することなく、ドレンＬ２から発生する減圧沸騰蒸気Ｇ４がタービン１０に逆流することを抑制する。

以上述べた少なくとも一つの実施形態のタービン制御システム９０によれば、連絡配管１４を備え、ドレンＬ２および減圧沸騰蒸気Ｇ４の少なくとも一方を復水Ｌ１の一部で冷却することにより、抽気配管１２に逆止弁を設置することなく、ドレンＬ２から発生する減圧沸騰蒸気Ｇ４がタービン１０に逆流することを抑制できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更又は組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲
に記載された発明とその均などの範囲に含まれるものである。

１０…タービン、１１…復水部、１２…抽気配管、１３…給水加熱部、１４…連絡配管、１５…開閉弁、１６…制御部、１７（１７ａ，１７ｂ）…復水配管、２０…蒸気発生部、２１…発電部、２２…復水伝熱配管、２３…蒸気加減弁、２４…ドレンタンク、２６…ポンプ、９０…タービン制御システム、Ｓ１…負荷遮断信号またはタービントリップ信号、Ｓ２…開閉弁開放信号、Ｓ３…蒸気加減弁閉止信号、Ｇ１…蒸気、Ｇ２…排気、Ｇ３…抽気、Ｇ４…減圧沸騰蒸気、Ｌ１…復水、Ｌ２…ドレン。

Claims (6)

1. 蒸気を入力して回転するタービンから排出される排気を冷却して復水にする復水部と、
   前記タービン内部で断熱膨張過程にある前記蒸気の一部を抽気として出力する抽気配管と、
   前記復水部から排出された前記復水を前記抽気配管から出力される前記抽気で加熱する給水加熱部と、
   前記復水部に保持されている前記復水を導いて前記抽気が凝縮してなるドレンを冷却する連絡配管と、
   前記連絡配管に設置される開閉弁を動作させ前記復水の前記ドレンへの導入量を制御する制御部と、を備えることを特徴とするタービン制御システム。
2. 前記制御部は、負荷遮断信号およびタービントリップ信号の少なくとも一方の受信で、前記開閉弁を閉止状態から開放状態へ動作させることを特徴とする請求項１に記載のタービン制御システム。
3. 前記連絡配管の一端は、前記復水部と前記給水加熱部とを連結する復水配管に接続されるかまたは前記復水部に直接接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタービン制御システム。
4. 前記連絡配管の他端は、前記給水加熱部、前記抽気配管またはこれらの接続部分に接続され、前記ドレンから発生して前記抽気配管を逆流する減圧沸騰蒸気を冷却することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のタービン制御システム。
5. 前記連絡配管の他端は、前記給水加熱部から分離して設けられたドレンタンクに接続されこのドレンタンクに内部保持される前記ドレンが冷却されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のタービン制御システム。
6. 請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のタービン制御システムにおいて、
   負荷遮断信号およびタービントリップ信号の少なくとも一方を前記制御部で受信するステップと、
   前記制御部から前記開閉弁に開放信号を送信するステップと、
   前記開閉弁を前記閉止状態から前記開放状態へ動作させて前記復水部に保持されている前記復水を導いて前記ドレンを冷却するステップと、を実行させることを特徴とするタービン制御方法。

Images