JP2015014261A - 蒸気タービンプラントおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】余剰蒸気のエネルギーを仕事に変換して有効利用することを可能とする。
【解決手段】一の実施形態によれば、蒸気タービンプラントは、蒸気を発生する蒸気発生装置１１と、蒸気発生装置１１からの蒸気により駆動される第１のタービン１４とを備える。さらに、前記プラントは、第１のタービン１４に接続された第１の発電機１５と、第１のタービン１４からの蒸気を水に戻す第１の復水器１６とを備える。さらに、前記プラントは、蒸気発生装置１１からの蒸気により駆動される第２のタービン２３と、蒸気発生装置１１からの蒸気を第１のタービン１４に流入させる第１の配管１ａとを備える。さらに、前記プラントは、蒸気発生装置１１からの蒸気を第１のタービン１４をバイパスして第１の復水器１６に流入させる第２の配管１ｂと、蒸気発生装置１１からの蒸気を第１のタービン１４をバイパスして第２のタービン２３に流入させる第３の配管１ｃとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービンプラントおよびその運転方法に関する。

一般に、蒸気タービンプラントは、タービンをバイパスして蒸気を復水器に流入させるタービンバイパス設備を有している。以下、従来のタービンバイパス設備について、図５を参照して説明する。

図５は、従来の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。

このプラントは、蒸気発生装置１１と、蒸気止め弁１２と、蒸気加減弁１３と、タービン１４と、発電機１５と、復水器１６と、タービンバイパス弁１７とを備えている。このプラントはさらに、蒸気発生装置１１に接続され、第１の配管１ａと第２の配管１ｂとに分岐した蒸気配管１を備えている。第１の配管１ａは、タービン１４に接続され、第２の配管１ｂは、復水器１６に接続されている。

蒸気発生装置１１から発生した蒸気は、第１の配管１ａに設けられた蒸気止め弁１２と蒸気加減弁１３とを通過し、発電機１５に接続されたタービン１４内に供給される。その結果、この蒸気によりタービン１４が駆動され、タービン１４により発電機１５が回転され、発電機１５による発電が行われる。タービン１４から排出された蒸気は、復水器１６内に流入し、そこで凝縮されて水に戻る。

蒸気発生装置１１が起動して蒸気が発生し始めたとき、この蒸気をまだタービン１４へ通気できないタイミングでは、第２の配管１ｂに設けられたタービンバイパス弁１７を開いて蒸気を復水器１６へ流している。この場合、このバイパス蒸気のエネルギーは、復水器１６での凝縮過程で冷却源を通じて系外へ排出されるため、仕事には変換されない。

特開平１１−１６６４０３号公報

現在、バイパス蒸気のエネルギーを有効利用することが考えられている。例えば、バイパス蒸気の熱エネルギーを給水加熱器や脱気器で回収することが考えられている。しかしながら、この場合には、給水加熱器や脱気器の準備が整うまでは熱回収が開始できないことが問題となる。

また、バイパス蒸気が復水器１６内に直接導入されると、バイパス蒸気が持つエネルギーにより復水器１６内の構造物が浸食されるため、これを回避するための設計上の配慮や蒸気導入位置の制約などが問題となる。

また、タービンバイパス系が長期間連続して運用される「長期間バイパス運転」が問題となる。長期間バイパス運転の一例は、プラントの起動時や停止時におけるタービンバイパス運転であり、このときのバイパス蒸気の流量は、プラントの定格蒸気流量の数割程度となる。

長期間バイパス運転の期間は、例えば、運転プラントの１回の起動時で半日〜１日程度であり、運転プラントの１回の停止時で半日程度である。また、建設プラントにおける長期間バイパス運転は、プラント試運転期間の大半に断続的に実行され、最低でも延べ２００〜３００時間におよぶ。

このようにバイパス蒸気を長期間利用せずに捨てていることは、バイパス蒸気のエネルギーを仕事に変換する設備がないことに起因している。従来のタービンバイパス系は、蒸気発生装置１１の異常昇圧の防止など、蒸気発生装置１１の保護を優先した系統であり、余剰蒸気であるバイパス蒸気を積極的に利用するという発想では設計されていない。

そこで、本発明は、余剰蒸気のエネルギーを仕事に変換して有効利用することが可能な蒸気タービンプラントおよびその運転方法を提供する。

一の実施形態によれば、蒸気タービンプラントは、蒸気を発生する蒸気発生装置と、前記蒸気発生装置からの蒸気により駆動される第１のタービンとを備える。さらに、前記プラントは、前記第１のタービンに接続された第１の発電機と、前記第１のタービンからの蒸気を水に戻す第１の復水器とを備える。さらに、前記プラントは、前記蒸気発生装置からの蒸気により駆動される第２のタービンと、前記蒸気発生装置からの蒸気を前記第１のタービンに流入させる第１の配管とを備える。さらに、前記プラントは、前記蒸気発生装置からの蒸気を前記第１のタービンをバイパスして前記第１の復水器に流入させる第２の配管と、前記蒸気発生装置からの蒸気を前記第１のタービンをバイパスして前記第２のタービンに流入させる第３の配管とを備える。

本発明によれば、第１のタービンをバイパスするバイパス蒸気により第２のタービンを仕事させるため、パイパス蒸気が仕事により発電等に活用でき、有効利用を図ることができる。

第１実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。 第２実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。 第３実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。 第４実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。 従来の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１〜図４では、図５と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図５の蒸気タービンプラントは、蒸気発生装置１１から発生した蒸気流量のうち、設計上定められた割合の蒸気流量を、タービンバイパス弁１７を介して復水器１６内に流入させる。一般的な蒸気タービンプラントは、１台のタービン１４と１台の発電機１５に対し復水器１６とタービンバイパス弁１７を複数セット備えているが、本明細書では説明の便宜上これらを１セットのみ備える場合について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。

このプラントは、蒸気発生装置１１と、主蒸気止め弁１２と、主蒸気加減弁１３と、第１のタービンの例である主タービン１４と、第１の発電機の例である主発電機１５と、第１の復水器の例である主復水器１６と、タービンバイパス弁１７とを備えている。このプラントはさらに、副タービン止め弁２１と、副タービン加減弁２２と、第２のタービンの例である副タービン２３と、第２の発電機の例である副発電機２４とを備えている。

本実施形態の蒸気タービンプラントは、例えば原子力プラントであり、蒸気発生装置１１の例は、ＢＷＲ（沸騰水型原子炉）の原子炉や、ＰＷＲ（加圧水型原子炉）の蒸気発生器である。

このプラントはさらに、蒸気発生装置１１に接続され、第１、第２の配管１ａ、１ｂに分岐した蒸気配管１を備えている。第１の配管１ａは、主タービン１４に接続され、第２の配管１ｂは、主復水器１６に接続されている。蒸気配管１はさらに、第２の配管１ｂから分岐した第３の配管１ｃを含んでいる。第３の配管１ｃは、副タービン２３に接続されている。

主蒸気止め弁１２と主蒸気加減弁１３は、第１の配管１ａに設けられている。本プラントでは、主蒸気止め弁１２と主蒸気加減弁１３を開くことにより、蒸気発生装置１１からの蒸気を主タービン１４に流入させ、主タービン１４を駆動させることができる。その結果、主タービン１４に接続された主発電機１５が回転され、主発電機１５による発電が行われる。主蒸気止め弁１２は開閉弁であり、主蒸気加減弁１３は流量調整弁である。

タービンバイパス弁１７は、第２の配管１ｂに設けられている。本プラントは、タービンバイパス弁１７を開くことにより、蒸気発生装置１１からの蒸気を主タービン１４をバイパスして主復水器１６に流入させることができる。タービンバイパス弁１７は、例えば流量調整弁である。

副タービン止め弁２１と副タービン加減弁２２は、第３の配管１ｃに設けられている。本プラントは、副タービン止め弁２１と副タービン加減弁２２を開くことにより、蒸気発生装置１１からの蒸気を主タービン１４をバイパスして副タービン２３に流入させ、副タービン２３を駆動させることができる。その結果、副タービン２３に接続された副発電機２４が回転され、副発電機２４による発電が行われる。副タービン止め弁２１は開閉弁であり、副タービン加減弁２２は流量調整弁である。

主タービン１４から排出された蒸気は、主復水器１６内に流入し、そこで凝縮されて水に戻る。同様に、副タービン２３から排出された蒸気は、蒸気配管２を介して主復水器１６内に流入し、そこで凝縮されて水に戻る。

副タービン２３の容量は、主タービン１４の容量よりも小さく設計されている。本実施形態の主タービン１４は、プラント内の原子炉の定格出力に対し１００％の容量を有している。また、本実施形態の副タービン２３は、プラント内の原子炉の定格出力に対し１００％未満（例えば３３％）の容量を有している。

本実施形態のプラントは、副タービン２３を１台備えているが、副タービン２３を複数備えていてもよい。本プラントは、例えば、プラント内の原子炉の定格出力に対し１１％の容量を有する副タービン２３を３台備えていてもよい。この場合、これら３台の副タービン２３は、すべてを同時に動作または停止させるだけでなく、一部の副タービン２３を動作させ、残りの副タービン２３を停止させるように使用してもよい。

（第１実施形態の作用効果）
以上のように、本実施形態のプラントは、余剰蒸気であるバイパス蒸気のエネルギーを仕事に変換する副タービン２３を備えている。よって、本実施形態によれば、余剰蒸気のエネルギーを仕事に変換して有効利用することが可能となる。

また、本実施形態のプラントは、副タービン２３に接続された副発電機２４を備えている。よって、本実施形態によれば、余剰蒸気のエネルギーを電力に変換して有効利用することが可能となる。

また、本実施形態のプラントは、副タービン２３内で仕事を行ったバイパス蒸気を主復水器１６内に排気する。よって、本実施形態によれば、バイパス蒸気が仕事により減温および減圧されることにより、バイパス蒸気による主復水器１６へのダメージを軽減することが可能となる。

本実施形態の副タービン２３は、運転プラントの起動時および停止時や、建設プラントの試運転期間など、プラントの長期間バイパス運転時に使用可能である。本実施形態によれば、長期間バイパス運転時に、バイパス蒸気を長期間利用せずに捨てることを回避することが可能となる。

なお、本実施形態の長期間バイパス運転時には、長期間バイパス運転の開始直後の短い間、スタンバイ状態の副タービン２３が使用できないため、バイパス蒸気をタービンバイパス弁１７を介して主復水器１６内に捨てる。その後、副タービン２３が使用可能となったら、副タービン２３へのバイパス蒸気の供給を開始する。

また、本実施形態の副タービン２３および副発電機２４は、主タービン１４および主発電機１５の電源喪失時などの非常時のバックアップ電源としても使用可能である。本実施形態の副タービン２３および副発電機２４は、主タービン１４および主発電機１５よりも小型であるため、主タービン１４および主発電機１５に比べて、非常時用の構造を安価に実現しやすいという利点がある。

本実施形態の蒸気タービンプラントは、例えば原子力プラントである。一般に、原子力プラントには、原子炉を停止するのに長い時間が掛かるという課題がある。本実施形態によれば、原子炉を停止するまでに発生する蒸気を、副タービン２３により有効利用することが可能となる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。

このプラントは、図１に示す構成要素に加えて、副タービン２３からの蒸気が供給される熱交換器２５を備えている。熱交換器２５は、この蒸気の熱エネルギーを熱交換により回収する。この熱交換の過程において、供給された蒸気が凝縮されて水に戻り、配管３を介して主復水器１６に排出される。

以上のように、本実施形態のプラントは、バイパス蒸気のエネルギーを仕事に変換する副タービン２３に加えて、バイパス蒸気の熱エネルギーを回収する熱交換器２５を備えている。よって、本実施形態によれば、余剰蒸気のエネルギーを熱源としても有効利用することが可能となる。

また、本実施形態のプラントは、副タービン２３内で仕事を行ったバイパス蒸気を、熱交換器２５により水に戻して主復水器１６に流入させる。よって、本実施形態によれば、バイパス蒸気による主復水器１６へのダメージを回避することが可能となる。

なお、本実施形態の熱交換器２５により回収された熱は、プラント内で水や蒸気の加熱用などに使用してもよいし、プラント外で温水設備の水や室内の空気の加熱用などに使用してもよい。

（第３実施形態）
図３は、第３実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。

このプラントは、図１に示す構成要素に加えて、副タービン２３からの蒸気を水に戻す副復水器２６を備えている。副復水器２６は、第２の復水器の例である。副復水器２６の容量は、主復水器１６の容量よりも小さく設計されている。理由は、バイパス蒸気の流量は、一般に、主蒸気の流量よりも小さいからである。

以上のように、本実施形態のプラントは、主タービン１４用の主復水器１６とは別に、副タービン２３用の副復水器２６を備えている。よって、本実施形態によれば、副発電機２４による電力を、主復水器１６の真空上昇と連動せずに得ることが可能となる。

例えば、主タービン１４に振動大の不適合が発生し、主タービン１４のタービンバランス処置を要する場合には、主復水器１６の真空を解き、主復水器１６内の圧力を大気圧まで落とさざるを得ない。その結果、蒸気発生装置１１の出力が低下して、プラントは待機状態となる。この場合、プラントに副復水器２６がない場合には、主復水器１６の真空が解かれていることが原因で副タービン２３を使用できず、余剰蒸気のエネルギーは利用されず捨てられることになる。しかしながら、本実施形態によれば、プラントに副復水器２６があるため、主復水器１６の真空が解かれている場合にも副タービン２３を使用でき、余剰蒸気のエネルギーを有効利用することが可能となる。

（第４実施形態）
図４は、第４実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。

このプラントは、図１のプラントの副発電機２４をポンプ２７に置き換えた構成を有している。このプラントでは、バイパス蒸気により副タービン２３が駆動されると、副タービン２３に接続されたポンプ２７が駆動され、ポンプ２７による送液や揚水が行われる。

以上のように、本実施形態のプラントは、副タービン２３に接続されたポンプ２７を備えている。よって、本実施形態によれば、余剰蒸気のエネルギーをポンプ駆動力に変換して有効利用することが可能となる。

なお、本実施形態のポンプ２７は、プラント内での送液や揚水用などに使用してもよいし、プラント外での送液や揚水用などに使用してもよい。

なお、第１〜第４実施形態では、第１、第２、第３の配管１ａ、１ｂ、１ｃに設けられた弁の例として、主蒸気止め弁１２、主蒸気加減弁１３、タービンバイパス弁１７、副タービン止め弁２１、副タービン加減弁２２を挙げたが、これらの配管１ａ〜１ｃに設けられる弁の構成は、第１〜第４実施形態で説明した構成に限定されるものではない。また、第１〜第４実施形態で示された構成は、適宜選択して組み合わせることができる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なプラントおよび方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したプラントおよび方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：蒸気配管、１ａ：第１の配管、１ｂ：第２の配管、１ｃ：第３の配管、
２：蒸気配管、３：配管、１１：蒸気発生装置、
１２：主蒸気止め弁（蒸気止め弁）、１３：主蒸気加減弁（蒸気加減弁）、
１４：主タービン（タービン）、１５：主発電機（発電機）、
１６：主復水器（復水器）、１７：タービンバイパス弁、
２１：副タービン止め弁、２２：副タービン加減弁、２３：副タービン、
２４：副発電機、２５：熱交換器、２６：副復水器、２７：ポンプ

Claims (10)

1. 蒸気を発生する蒸気発生装置と、
   前記蒸気発生装置からの蒸気により駆動される第１のタービンと、
   前記第１のタービンに接続された第１の発電機と、
   前記第１のタービンからの蒸気を水に戻す第１の復水器と、
   前記蒸気発生装置からの蒸気により駆動される第２のタービンと、
   前記蒸気発生装置からの蒸気を前記第１のタービンに流入させる第１の配管と、
   前記蒸気発生装置からの蒸気を前記第１のタービンをバイパスして前記第１の復水器に流入させる第２の配管と、
   前記蒸気発生装置からの蒸気を前記第１のタービンをバイパスして前記第２のタービンに流入させる第３の配管と、
   を備える蒸気タービンプラント。
2. さらに、前記第２のタービンに接続された第２の発電機を備える、請求項１に記載の蒸気タービンプラント。
3. 前記第２のタービンからの蒸気は、前記第１の復水器に供給される、請求項２に記載の蒸気タービンプラント。
4. さらに、前記第２のタービンからの蒸気が供給される熱交換器を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の蒸気タービンプラント。
5. 前記第２のタービンから前記熱交換器に供給された蒸気は、前記熱交換器において水に戻され、前記第１の復水器に排出される、請求項４に記載の蒸気タービンプラント。
6. さらに、前記第２のタービンからの蒸気を水に戻す第２の復水器を備える、請求項１または２に記載の蒸気タービンプラント。
7. さらに、前記第２のタービンに接続されたポンプを備える、請求項１に記載の蒸気タービンプラント。
8. 前記第２のタービンの容量は、前記第１のタービンの容量よりも小さい、請求項１から７に記載の蒸気タービンプラント。
9. 前記第２の復水器の容量は、前記第１の復水器の容量よりも小さい、請求項６に記載の蒸気タービンプラント。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の蒸気タービンプラントの運転方法であって、
    前記第１の配管に設けられた弁を開くことにより、前記蒸気発生装置からの蒸気を前記第１のタービンに流入させ、前記第１のタービンを駆動させることと、
    前記第２の配管に設けられた弁を開くことにより、前記蒸気発生装置からの蒸気を前記第１のタービンをバイパスして前記第１の復水器に流入させることと、
    前記第３の配管に設けられた弁を開くことにより、前記蒸気発生装置からの蒸気を前記第１のタービンをバイパスして前記第２のタービンに流入させ、前記第２のタービンを駆動させることと、
    を含む蒸気タービンプラントの運転方法。

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