JP2014522940A - 蒸気タービン設備及び該蒸気タービン設備の駆動法 - Google Patents

Abstract

蒸気タービン設備は、蒸気タービン（５）と、蒸気発生器（２）と、プロセス蒸気で駆動される給水予熱装置（９−１３、１７−２１）とを備え、蒸気タービン（５）は過負荷バイパス管（１４）を備え、当該過負荷バイパス管（１４）によって、蒸気タービン（５）の過負荷駆動時に、生蒸気が、蒸気タービン入口と給水予熱装置（９−１３、１７−２１）の抽出箇所（９）との間で送給可能であり、給水予熱装置（９−１３、１７−２１）は付加抽出管（１７）を備え、当該付加抽出管（１７）は過負荷バイパス管（１４）に接続されていて、蒸気タービン（５）の部分負荷駆動時に、当該蒸気タービン（５）からプロセス蒸気を抽出可能で、かつ付加的な給水予熱のための給水予熱装置（９−１３、１７−２１）に供給可能なようになっていることを特徴とする。

Description

本発明は、蒸気タービン設備と、当該蒸気タービン設備の駆動法と、に関する。

蒸気タービン設備は、電気エネルギーを生み出すために、特に火力発電所で用いられる。特にエコロジー及びエコノミーの観点から、できる限り高い熱効率で蒸気タービン設備を駆動することが、追求に値する。従来、蒸気タービン設備は、蒸気タービンと蒸気発生器とを備え、当該蒸気発生器によって給水を加熱し、それによって、蒸気タービンを駆動するために当該蒸気タービンに準備される生蒸気が作られる。蒸気タービン設備のこの循環プロセスは従来、当該循環プロセスが蒸気タービンの全負荷時に最大熱効率を有するように、設計されている。全負荷より下の別の駆動状況では、それに応じて熱効率がより低くなる。

しかしながら、蒸気タービン設備の部分負荷駆動は、特に当該蒸気タービン設備が発電所で使用されている場合には、非常に重要である。なぜならば、たとえば当該蒸気タービン設備では、過負荷駆動状況を克服するための予備出力を予め用意しておくべきだからである。それによって望ましいのは、蒸気タービン設備を、広い負荷領域にわたってできる限り高い熱効率で駆動することである。

本発明の課題は、蒸気タービン設備と、当該蒸気タービン設備の駆動法と、を提供することであり、蒸気タービン設備は、広い出力領域にわたって高い熱効率を有する。

本発明に係る蒸気タービン設備は、蒸気タービンと、蒸気発生器と、プロセス蒸気で駆動される給水予熱装置と、を備え、蒸気タービンは過負荷バイパス管を備え、当該過負荷バイパス管によって、蒸気タービンの過負荷駆動時に、生蒸気が、蒸気タービン入口と給水予熱装置の抽出箇所との間で送給可能であり、給水予熱装置は付加抽出管を備え、当該付加抽出管は過負荷バイパス管に接続されていて、蒸気タービンの部分負荷駆動時に、当該蒸気タービンからプロセス蒸気を抽出可能で、かつ付加的な給水予熱のための給水予熱装置に供給可能なようになっている。本発明に係る蒸気タービン設備の駆動法は、以下のステップを備える。すなわち、蒸気タービンの効率の最大限と割り当てられた定格出力とを決定するステップと、蒸気タービンが定格出力より上で駆動されるとすぐに、生蒸気が蒸気タービンの蒸気タービン入口と給水予熱装置の抽出箇所との間で送給されるように、過負荷バイパス管を開放し、付加抽出管を遮断するステップと、蒸気タービンが定格出力より下で運転されるとすぐに、プロセス蒸気が蒸気タービンの蒸気タービン入口と抽出箇所との間で抽出されて、かつ付加的な給水予熱のための給水予熱装置に供給されるように、過負荷バイパス管を遮断し、付加抽出管を開放するステップと、である。

それによって、過負荷バイパス管は過負荷時の蒸気タービン駆動のために、付加抽出管は部分負荷時の蒸気タービン駆動のために意図されている。蒸気タービンの過負荷駆動において、生蒸気の部分質量流量は、蒸気タービンの高圧翼列の第１の部分を回って運ばれ、蒸気タービンに送給される。それにより、蒸気タービン入口の生蒸気圧力を定格負荷駆動状況と比べて引き上げる必要なしに、蒸気タービンから、定格出力を上回る出力超過を生み出すことができる。

さらに、蒸気タービンの部分負荷駆動において付加抽出管を駆動することにより、蒸気タービンからプロセス蒸気を抽出し、当該プロセス蒸気は、蒸気タービンの部分負荷駆動において、付加的な給水予熱のための給水予熱装置に供給され、それによって給水温度が引き上げられる。それにより、蒸気タービン出力が減少した際の、熱力学的に条件付けられた給水温度の低下に抵抗できる。蒸気タービン設備の熱効率の低下が給水温度低下を伴うであろうことにより、蒸気タービンの部分負荷駆動における付加抽出管の駆動で、蒸気タービンの熱効率が高くなることが達成される。それにより、蒸気タービンの過負荷駆動においても、部分負荷駆動においても、熱効率は高いので、蒸気タービンの広い出力領域にわたって、当該出力領域の熱効率が高くなる。

付加抽出管が過負荷バイパス管に接続されていることによって、過負荷バイパス管も付加抽出管も蒸気タービンに合流するところの、蒸気タービンの箇所は、過負荷時に生蒸気が送給され、部分負荷時にプロセス蒸気が抽出されるために意図されているのと同じ箇所である。それにより蒸気タービンは、過負荷バイパス管も付加抽出管も取り付けられている箇所を１つだけ備える。それとは反対に、過負荷時に生蒸気が送給され、部分負荷時にプロセス蒸気が抽出される箇所が２つあるいはそれ以上あったなら、実現するのに構造的に手間がかかり、それに応じてコストがかかったであろう。それゆえ、過負荷バイパス管と付加抽出管との接続箇所が１つしかない、本発明に係る蒸気タービン設備は、簡単でかつコストをかけずに構成されている。

有利なやり方で、制御システムを有する蒸気タービン設備が形成される。

過負荷バイパス管と付加抽出管とがあることによって、有利には、蒸気タービンの出力に応じて、効率曲線の均一化が達成される。それにより、蒸気タービン設備の負荷変化は、熱効率が同じままで高いレベルの時に、より迅速に進行可能である。さらに、蒸気発生器で作られる、時間経過で一定の生蒸気温度で、蒸気タービン設備が駆動可能な負荷領域は大きい。その上、有利に達成されるのは、蒸気タービン設備が、低い部分負荷レベルでの最小駆動点を有することであり、当該最小駆動点で蒸気タービンは、なお安定した状態（ベンソン最小負荷）で、蒸気タービン設備において駆動可能である。

蒸気タービン設備の駆動法で好ましいのは、定格出力より下の蒸気タービンの駆動状況において、付加的な給水予熱は、蒸気発生器の給水入口の給水温度が、負荷にわたって一定であるようになっていることである。代替的に好ましくは、定格出力より下の蒸気タービンの駆動状況において、付加的な給水予熱は、蒸気発生器の給水入口の給水温度が、蒸気タービン設備の出力低下時に上昇するようになっている。さらに好ましいのは、蒸気タービン設備の最小駆動点が、蒸気発生器の給水入口の給水温度の上昇を、蒸気発生器の給水入口の給水量が同時に上昇する際に、より低い部分負荷へ移動可能であることである。給水温度の上昇を有利には、蒸気発生器の熱的かつ機械的耐負荷能力の限界にまで引き上げることができる。場合によっては蒸気タービン設備に後置されている、たとえば窒素酸化物除去（ＤｅＮＯｘ）設備のような排煙プロセスステップは、排煙温度がより高い場合に給水温度が上昇した結果、駆動され得る。

この給水予熱装置は、好ましいことに、抽出箇所から抽出されたプロセス蒸気と付加抽出管で抽出されたプロセス蒸気とによって駆動されている給水予熱器を備える。それによって、給水予熱器を駆動するために、付加抽出管によって抽出されるプロセス蒸気も、抽出箇所から抽出されるプロセス蒸気も供給される。

代替的に、給水予熱装置は、抽出箇所から抽出されたプロセス蒸気によって駆動されている給水予熱器と、付加抽出管で抽出されたプロセス蒸気によって駆動されている付加予熱器と、を備える。付加予熱器が蒸気タービン設備に備わっていることにより、給水予熱器の組み入れとは関係なく、付加予熱器を蒸気タービン設備の循環プロセスに組み入れることができるので、蒸気タービン設備の熱効率の最適化に関して、自由度を有利に利用できる。この場合好ましいのは、付加予熱器が、給水流で給水予熱器の下流に設置されていることである。それにより、付加予熱器は、有利に給水予熱器に後置されている。これが有利なのは特に、付加予熱器を駆動しているプロセス蒸気の圧力レベルが、給水予熱器を駆動しているプロセス蒸気の圧力レベルよりも高いからである。

さらに好ましいのは、給水予熱装置が、付加予熱器を給水流に接続できかつ給水流から遮断できる三方弁を備えることである。この場合好ましいことに、三方弁によって、給水流の部分流が、付加予熱器を通って誘導可能である。それにより、有利には三方弁によって給水流全体が、たとえば蒸気タービンの過負荷駆動時に付加予熱器の傍を通り過ぎて誘導可能であるか、あるいはたとえば蒸気タービンの部分負荷駆動時に一部あるいは全部が付加予熱器を通って誘導可能である。それにより、各駆動状況における蒸気タービン設備の熱効率の最適化に関して、三方弁を対応して操作することにより、かつ付加予熱器を通る給水流の部分流の量を対応して調節することにより、最適化され得る。

付加抽出管には、好ましいことに、付加抽出管内のプロセス蒸気の質量流量を制御可能な付加抽出弁が取り付けられている。さらに好ましいのは、蒸気タービンが高圧蒸気タービンであることである。

以下において、本発明に係る蒸気タービン設備の好ましい実施形態が、添付の概略図に基づいて説明される。図に示されるのは、蒸気タービン設備の実施形態の熱流図である。

蒸気タービン設備の実施形態の熱流図である。

図から明らかなように、蒸気タービン設備１は、当該蒸気タービン設備１で生蒸気を作るために備わっている蒸気発生器２を備える。蒸気タービン設備１はさらに、給水を蒸気発生器２に供給する給水供給管３を備える。蒸気発生器２の下流に、生蒸気を超臨界状況で準備している過熱器４が備わっている。

さらに蒸気タービン設備１は蒸気タービン５を備え、当該蒸気タービン５は高圧段６として形成されており、かつその入口で生蒸気が、生蒸気管７を経由して蒸気タービン５の駆動のために流入可能である。生蒸気の質量流量は、生蒸気管７に取り付けられた生蒸気弁８によって制御可能である。蒸気タービン５において、生蒸気は、プロセス蒸気として減圧され、それによって蒸気タービン５の軸出力が獲得可能である。

蒸気タービン５は、給水予熱器１１に至る抽出管１０に合流する抽出短管９を備える。抽出管１０を経由して給水予熱器１１に送られるプロセス蒸気は、抽出短管９を通して、蒸気タービン５から取り出し可能である。給水予熱器１１は、給水供給管３に接続されている熱交換器として実施されているので、給水予熱器１１内でプロセス蒸気を凝縮して、給水を予熱することが実行可能である。プロセス蒸気の凝縮時に生じる復水は、復水管１２を介して復水収集管１３で排出可能である。

蒸気タービン５は過負荷バイパス管１４を備え、当該過負荷バイパス管１４は、生蒸気弁８の上流で生蒸気管７から分岐し、かつ生蒸気入口と抽出短管９との間に設けられている、蒸気タービン５の過負荷バイパス短管１５に至る。過負荷バイパス管１４には、過負荷バイパス弁１６が備わっており、当該過負荷バイパス弁１６によって、過負荷バイパス管１４を通って流れる生蒸気質量流量が制御可能であり、さらに過負荷バイパス管１４を遮断可能でもある。

過負荷バイパス弁１６の下流で、過負荷バイパス管１４が、付加予熱器１９に至る付加抽出管１７に合流する。付加抽出管１７には、付加抽出弁１８が取り付けられており、当該付加抽出弁１８によって、付加抽出管１７を通って流れるプロセス蒸気の質量流量が制御可能であり、かつ付加抽出管１７を遮断可能である。

付加予熱器１９は、付加抽出管１７からのプロセス蒸気も、給水供給管３からの給水も貫流可能な熱交換器として形成されている。付加予熱器１９は、給水予熱器１１の下流に設けられているので、すでに給水予熱器１１によって予熱された給水が、付加予熱器１９を通って流れることができる。付加予熱器１９は、給水予熱管２１を経由して、給水供給管３と並列に接続されている。上流にある、給水予熱管２１と給水供給管３との合流箇所に、三方弁２０が取り付けられており、当該三方弁２０によって、付加予熱器１９を通って流れることができる給水供給管３での給水流が制御可能である。それによって、付加予熱器１９を通って、給水が誘導されないか、あるいは給水流すべてが誘導されるべきか、あるいはそのうち一部だけが誘導されるべき場合に、それに応じて三方弁２０を切り替えることができる。

蒸気タービン５の出力領域にわたって、その設計と構造とに応じて、当該蒸気タービン５の熱効率は可変である。蒸気タービン５は、予め決められた定格出力では、最大熱効率を有することになるように、設計されている。蒸気タービンが定格出力より上で駆動されると、過負荷バイパス弁１６が開かれて付加抽出弁１８が閉じられ、それによって過負荷バイパス管１４が開放されて、付加抽出管１７が遮断される。それにより、生蒸気は、蒸気タービン５の蒸気タービン入口と抽出箇所９との間で送給される。蒸気タービン５が定格出力より下で駆動されるとすぐに、過負荷バイパス弁１６が閉じられるので、過負荷バイパス管１４が遮断され、かつ付加抽出弁１８が開かれるので、付加抽出管１７が開放される。それにより、付加予熱器１９に供給されるプロセス蒸気が、抽出短管９の上流で、蒸気タービン５から抽出される。付加抽出弁１８を対応して調節することによって、付加抽出管１７内のプロセス蒸気の質量流量が、制御可能である。プロセス蒸気は付加抽出管１７から付加予熱器１９へ流れ、放熱して凝縮される。その際生じる復水は、復水管１２によって復水収集管１３に供給される。

付加予熱器１９の入口でのプロセス蒸気の圧力レベルと、それからもたらされる、給水予熱管２１における付加予熱器１９の出口での給水のための予熱、もしくはそれからもたらされる、下流にある給水供給管３の一部における給水の混合に依存して、三方弁２０を、それに応じて操作できる。

１ 蒸気タービン設備、２ 蒸気発生器、３ 給水供給管、４ 過熱器、５ 蒸気タービン、６ 高圧段、７ 生蒸気管、８ 生蒸気弁、９ 抽出短管／抽出箇所、１０ 抽出管、１１ 給水予熱器、１２ 復水管、１３ 復水収集管、１４ 過負荷バイパス管、１５ 過負荷バイパス短管、１６ 過負荷バイパス弁、１７ 付加抽出管、１８ 付加抽出弁、１９ 付加予熱器、２０ 三方弁、２１ 給水予熱管

Claims (13)

1. 蒸気タービン（５）と、蒸気発生器（２）と、プロセス蒸気で駆動される給水予熱装置（９−１３、１７−２１）とを有する蒸気タービン設備であって、
   前記蒸気タービン（５）は過負荷バイパス管（１４）を備え、該過負荷バイパス管（１４）によって、前記蒸気タービン（５）の過負荷駆動時に、生蒸気が、蒸気タービン入口と前記給水予熱装置（９−１３、１７−２１）の前記抽出箇所（９）との間で送給可能である蒸気タービン設備において、
   前記給水予熱装置（９−１３、１７−２１）は付加抽出管（１７）を備え、該付加抽出管（１７）は前記過負荷バイパス管（１４）に接続されていて、前記蒸気タービン（５）の部分負荷駆動時に、該蒸気タービン（５）からプロセス蒸気を抽出可能で、かつ付加的な給水予熱のための前記給水予熱装置（９−１３、１７−２１）に供給可能なようになっていることを特徴とする蒸気タービン設備。
2. 前記蒸気タービン設備が、請求項９から１２のいずれか１項に記載の方法に従って駆動可能なように形成されている制御システムを有する、請求項１に記載の蒸気タービン設備。
3. 前記給水予熱装置（９−１３、１７−２１）は、前記抽出箇所（９）から抽出されたプロセス蒸気と、前記付加抽出管（１７）で抽出されたプロセス蒸気とによって駆動されている給水予熱器（１１）を備える、請求項１に記載の蒸気タービン設備。
4. 前記給水予熱装置（９−１３、１７−２１）は、前記抽出箇所（９）から抽出されたプロセス蒸気によって駆動されている給水予熱器（１１）と、前記付加抽出管（１７）で抽出されたプロセス蒸気によって駆動されている付加予熱器（１９）とを備える、請求項１に記載の蒸気タービン設備。
5. 前記付加予熱器（１９）が、給水流で前記給水予熱器（１１）の下流に設置されている、請求項３に記載の蒸気タービン設備。
6. 前記給水予熱装置（９−１３、１７−２１）が、前記付加予熱器（１９）を給水流に接続できかつ給水流から遮断できる三方弁（２０）を備える、請求項３または４に記載の蒸気タービン設備。
7. 前記三方弁（２０）によって、給水流の部分流が、前記付加予熱器（１９）を通って誘導可能である、請求項５に記載の蒸気タービン設備。
8. 前記付加抽出管（１７）には、該付加抽出管（１７）内のプロセス蒸気の質量流量を制御可能な付加抽出弁（１８）が取り付けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載の蒸気タービン設備。
9. 前記蒸気タービン（５）は高圧蒸気タービンである、請求項１から７のいずれか１項に記載の蒸気タービン設備。
10. 請求項１から８のいずれか１項に記載の蒸気タービン設備の駆動法であって、
    − 前記蒸気タービン（５）の効率の最大限と割り当てられた定格出力とを決定するステップと、
    − 前記蒸気タービン（５）が定格出力より上で駆動されるとすぐに、生蒸気が前記蒸気タービン（５）の蒸気タービン入口と前記給水予熱装置（９−１３、１７−２１）の前記抽出箇所（９）との間で送給されるように、前記過負荷バイパス管（１４）を開放し、前記付加抽出管（１７）を遮断するステップと、
    − 前記蒸気タービン（５）が定格出力より下で駆動されるとすぐに、プロセス蒸気が前記蒸気タービン（５）の蒸気タービン入口と前記抽出箇所（９）との間で抽出されて、かつ付加的な給水予熱のための前記給水予熱装置（９−１３、１７−２１）に供給されるように、前記過負荷バイパス管（１４）を遮断し、前記付加抽出管（１７）を開放するステップと、
    を有する方法。
11. 定格出力より下の前記蒸気タービン（５）の駆動状況において、付加的な給水予熱は、前記蒸気発生器（２）の給水入口の給水温度が、負荷にわたって一定であるようになっている、請求項９に記載の方法。
12. 定格出力より下の前記蒸気タービン（５）の駆動状況において、付加的な給水予熱は、前記蒸気発生器（２）の給水入口の給水温度が、前記蒸気タービン設備（１）の出力低下時に上昇するようになっている、請求項９に記載の方法。
13. 前記蒸気タービン設備（１）の最小駆動点が、前記蒸気発生器（２）の給水入口の給水温度の上昇を、前記蒸気発生器（２）の給水入口の給水量が同時に上昇する際に、より低い部分負荷へ移動可能である、請求項１１に記載の方法。

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