JP2015090087A - 蒸気タービン設備 - Google Patents

Abstract

【課題】定格発電出力での運転時における発電効率の向上と、電力需要の変動に基づく発電出力の急峻な調整を両立することができる蒸気タービン設備を提供する。
【解決手段】ボイラ１と、ボイラ１から蒸気タービンに通じる主蒸気管２に設けられた蒸気加減弁４と、主蒸気管２から蒸気加減弁４をバイパスして、主蒸気管２よりも蒸気タービンの低圧側につながるオーバーロード蒸気管５に設けられたオーバーロード弁６と、オーバーロード蒸気管５から流出した蒸気が蒸気タービン段落部に流入する際に通過するスリット部３１とを備え、このスリット部３１のタービンロータ１５の軸方向における幅Ｃが、オーバーロード蒸気管５の内径ｄよりも小さく（ｄ＞Ｃ）なるよう構成された。
【選択図】 図２

Description

本発明は、蒸気タービン設備に関する。

主蒸気圧力を押さえながら蒸気タービンの出力を増加させることのできる蒸気タービンの過負荷運転装置として、特許文献１には、蒸気タービン高圧部および蒸気タービン再熱部を備え、高圧蒸気を主蒸気加減弁を介して蒸気タービン高圧部に導入し、再熱蒸気を再熱蒸気弁を介して蒸気タービン再熱部に導入した蒸気タービンにおいて、主蒸気加減弁の入口側から分岐して蒸気タービン再熱部の入口側にオーバーロード弁を介して連通させた技術が記載されている。

特開２００６−１６１６９８号公報

蒸気タービンを備える火力発電プラントでは、想定される電力需要の変動に基づき、発電出力を定格値から変更することが望まれる場面がある。
従来、火力発電プラントの発電出力を調整する方法として、絞り調速、ノズル締切り調速、変圧運転などの方法が用いられてきた。

絞り調速は、蒸気加減弁の開度を加減して蒸気を絞り、熱落差と蒸気流量とを変化して出力を調整する方法である。
しかし、この方法では蒸気加減弁が全開となるのは最大発電出力運転時のみであり、それ以外の運転状態においては弁絞り損失による発電効率の低下が生じる。一般に、定格発電出力は最大発電出力よりも小さいため、定格発電出力での運転時は弁絞り損失が発生し、最大発電出力での運転時と比較して発電効率が低下するとの問題がある。

ノズル締切り調速は、有効熱落差一定のままで蒸気加減弁の数を加減して蒸気を噴出するノズルの数を増減し、蒸気流量を変化させて発電出力を調整する方法である。
しかし、この方法ではノズル群の一部からだけタービンに送気する機構を有する調速段を蒸気タービン内部に設ける必要があるが、一般的に調速段の設置は発電効率の低下を伴うとの問題がある。

変圧運転は、要求される発電出力に応じた蒸気圧力で運転する方法である。
この方法は、蒸気加減弁における弁絞り損失や調速段の設置を伴わないため、発電効率を向上させることができる。しかし、火力発電プラントにおける蒸気発生源は蒸気圧力を急速に変化させることが難しいため、この方法では発電出力を急峻に調整することが困難である、との問題がある。

また、特許文献１に記載された技術では、オーバーロード弁６を通過して蒸気タービンに流入する蒸気はタービン周方向に拡散しにくく、段落部における偏流を抑制することが困難である等の問題がある。

本発明の目的は、このような事情に鑑みてなされたもので、定格発電出力での運転時における発電効率の向上と、電力需要の変動に基づく発電出力の急峻な調整を両立することができる蒸気タービン設備を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、蒸気発生源と、この蒸気発生源で発生させた蒸気を蒸気タービンに導く主蒸気管と、この主蒸気管に設けられた蒸気加減弁と、前記蒸気発生減で発生させた蒸気を、前記蒸気加減弁をバイパスして前記主蒸気管よりも前記蒸気タービンの低圧側につなげるために前記主蒸気管から分岐したオーバーロード蒸気管と、このオーバーロード蒸気管に設けられたオーバーロード弁と、このオーバーロード弁を通過した蒸気が蒸気タービン段落部に流入する際に通過するスリット部とを備え、このスリット部は、タービン軸方向の幅が前記オーバーロード蒸気管の内径よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、定格発電出力での運転時における発電効率の向上と、電力需要の変動に基づく発電出力の急峻な調整を両立することができる。

本発明の実施形態に係る蒸気タービン設備の全体構成を表す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る高圧タービンの構成例を表す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る高圧タービンの段落部における動翼および静翼をタービン径方向外側から見た図である。 本発明の第２の実施形態に係る高圧タービンの構成例を表す断面図である。

以下に本発明の蒸気タービン設備の実施形態を、図面を用いて説明する。

＜第１の実施形態＞
本発明の蒸気タービン設備の第１の実施形態を、図１乃至図３を用いて説明する。
図１は本発明の実施形態に係る蒸気タービン設備（火力発電プラント）の全体構成を表す概略図、図２は本発明の第１の実施形態に係る高圧タービンの構成例を表す断面図、図３は本発明の第１の実施形態に係る高圧タービンの段落部における動翼および静翼をタービン径方向外側から見た図である。

図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン設備は、ボイラ１、高圧タービン７、中圧タービン１０、低圧タービン１２、復水器１４、発電機１６を備えている。

ボイラ１は化石燃料焚きボイラであって、蒸気発生源の一例である。ボイラ１で化石燃料を燃焼することで復水器１４から供給された復水を加熱し、高温高圧の蒸気を発生させる。

主蒸気管２には、主蒸気止め弁３や蒸気加減弁４が設けられている。また、主蒸気管２には、蒸気加減弁４をバイパスして、主蒸気管２よりも蒸気タービンの低圧側につながるオーバーロード蒸気管５が接続されている。このオーバーロード蒸気管５には、オーバーロード弁６が設けられている。

ボイラ１で発生した蒸気は主蒸気管２およびオーバーロード蒸気管５を介して高圧タービン７に導かれ、高圧タービン７を駆動する。高圧タービン７を駆動して減圧した蒸気は、高圧タービン排気管８を流下してボイラ１に導かれ、再度加熱されて再熱蒸気となる。

ボイラ１で再加熱された再熱蒸気は、高温再熱蒸気管９を介して中圧タービン１０に導かれて中圧タービン１０を駆動する。

中圧タービン１０を駆動して減圧した蒸気は、中圧タービン排気管１１を介して低圧タービン１２に導かれ、低圧タービン１２を駆動する。

低圧タービン１２を駆動して減圧した蒸気は、低圧タービン排気管１３を介して復水器１４に導かれる。復水器１４は冷却水配管（図示せず）を備えており、復水器１４に導かれた蒸気と冷却水配管内を流れる冷却水とを熱交換させて蒸気を復水する。復水器１４で復水された復水は再びボイラ１に送られる。

図１に示した高圧タービン７、中圧タービン１０及び低圧タービン１２は、タービンロータ１５によって同軸上に連結されている。また、タービンロータ１５には発電機１６が連結されていて、高圧タービン７、中圧タービン１０及び低圧タービン１２の回転動力によって発電機１６が駆動し、高圧タービン７、中圧タービン１０及び低圧タービン１２の出力が電力（電気エネルギー）として取り出される。

本実施形態に係る蒸気タービン設備の大きな特徴は、オーバーロード蒸気管５から流出した蒸気が蒸気タービン段落部に流入する際に通過するスリット部３１を備えていることにある。また、このスリット部３１は、幅がオーバーロード蒸気管５の内径よりも小さくなるよう構成されている点にある。ここで、本発明におけるスリット部３１とは、その幅が蒸気が通過する狭隘な間隙のことをいう。

図２に示すように、高圧タービン７のオーバーロード蒸気管５からの蒸気の入場口の付近には、ダイヤフラム外輪２４と、ダイヤフラム内輪２５と、フィン２６と、パッキン２７と、ダイヤフラム外輪２４を保持するケーシング２８と、シールリング３０と、スリット部３１等が設けられている。

高圧タービン７には、タービンロータ１５と、このタービンロータ１５に取付けられた動翼２２とが備えられている。

この高圧タービン７のダイヤフラムは、ダイヤフラム外輪２４と、ダイヤフラム内輪２５と、このダイヤフラム内輪２５とダイヤフラム外輪２４との間に位置する静翼２３を備えている。この静翼２３と動翼２２とによって蒸気タービンの段落が形成される。

ダイヤフラム外輪２４は、ケーシング２８に固定されるか、隣接する他段落のダイヤフラム外輪２４’に固定されている。なお、ダイヤフラム外輪２４には、漏洩蒸気を抑えるために、動翼２２の先端との間でシールを形成するようにフィン２６が設けられている。

また、ダイヤフラム内輪２５には、漏洩蒸気を抑えるために、ロータ１５との間でシールを形成するようにパッキン２７が設けられている。

オーバーロード蒸気管５は、シールリング３０を嵌合したケーシング２８に挿入・嵌合され、自己の外面をシールリング３０に接触することで、オーバーロード蒸気管５とケーシング２８との間隙から蒸気が漏洩することを防止している。

スリット部３１は、ダイヤフラム外輪２４と、ケーシング２８とによって形成されるタービン軸方向の間隙であり、上述したように、蒸気が通過する狭隘な間隙のことである。このスリット部３１のタービンロータ１５の軸方向における幅Ｃがオーバーロード蒸気管５の内径ｄよりも小さく（ｄ＞Ｃ）なるよう、ダイヤフラム外輪２４およびケーシング２８が配置されている。

上述したように、本発明の蒸気タービン設備の第１の実施形態は、ボイラ１と、ボイラ１から蒸気タービンに通じる主蒸気管２に設けられた蒸気加減弁４と、主蒸気管２から蒸気加減弁４をバイパスして、主蒸気管２よりも蒸気タービンの低圧側につながるオーバーロード蒸気管５に設けられたオーバーロード弁６と、オーバーロード蒸気管５から流出した蒸気が蒸気タービン段落部に流入する際に通過するスリット部３１とを備え、このスリット部３１のタービンロータ１５の軸方向における幅Ｃが、オーバーロード蒸気管５の内径ｄよりも小さく（ｄ＞Ｃ）なるよう構成されたものである。

上記のように構成される本実施形態に係る蒸気タービン設備では、以下に説明するような作用効果が得られる。以下、その作用効果について説明する。

（１）定格発電出力運転時の発電効率向上
定格発電出力での運転を要求される場合には、蒸気加減弁４を全開、オーバーロード弁６を全閉とすることにより、蒸気加減弁４における弁絞り損失をなくすことができ、発電効率を向上させることができる。

（２）定格値を超える発電出力への対策
定格値を超える発電出力での運転を要求される場合には、蒸気加減弁４を全開とするとともに、要求される発電出力に応じてオーバーロード弁６を開くことにより、定格値を超える発電出力を容易に達成することができる。

（３）発電出力の急峻な調整
発電出力の調整は蒸気加減弁４及びオーバーロード弁６を用いて行うことにより、発電出力を急峻に調整することが可能である。

（４）段落部の偏流の抑制
本実施形態では、スリット部３１のタービンロータ１５の軸方向における幅Ｃが、オーバーロード蒸気管５の内径ｄよりも小さく（ｄ＞Ｃ）なるよう構成されているため、オーバーロード弁６を通過して蒸気タービンに流入する蒸気は、スリット部３１を通過する前に減速させられる。このため、蒸気タービンに流入した際に蒸気がタービン周方向に拡散しやすくなり、段落部における偏流を抑制することができる。

（５）温度不均一の抑制
一般的に、オーバーロード弁６から蒸気タービンに流入する蒸気は、スリット部３１を通過した後の段落部の蒸気よりも温度が高いため、段落部における温度上昇が発生し、当該部における材料強度が低下する。この現象は、段落部における偏流が大きく、局所的な温度上昇が大きい場合において特に顕著に現れる。
これに対し、本実施形態によれば、（４）にて前記のごとく段落部における偏流を抑制することができるため、段落部における局所的な温度上昇を防止することができ、材料強度の低下を抑制することができる。

（６）段落効率低下の抑制
図３に、オーバーロード弁６が全閉している場合に静翼２３’から流出する蒸気の絶対速度Ｖ、オーバーロード弁６が全閉している場合に静翼２３’から流出する蒸気の動翼２２’に対する相対速度Ｗ、オーバーロード弁６が開いている場合に静翼２３’から流出する蒸気の絶対速度Ｖ’、オーバーロード弁６が開いている場合に静翼２３’から流出する蒸気の動翼２２’に対する相対速度Ｗ’、動翼２２’の回転速度Ｕ、オーバーロード弁６が開いている場合に静翼２３’から流出する蒸気の動翼２２’に対する相対速度Ｗ’と動翼入口部とがなす角θとを各々示す。

図３において、オーバーロード弁６が全閉している場合には、蒸気加減弁４を通過した蒸気が流入する段落入口部と、オーバーロード弁６を通過した蒸気が流入する段落入口部との間においては、オーバーロード弁６が全閉している場合よりも有効熱落差が減少する。これにより、オーバーロード弁６を通過した蒸気が流入する段落よりも高圧側の段落においては、静翼２３’から流出する蒸気の速度が減少する（Ｖ＞Ｖ’）。これにより、静翼２３’から流出する蒸気の動翼２２’に対する相対速度Ｗ’と動翼入口部とがなす角θが大きくなり、蒸気の持つエネルギーの損失が増大する。この現象は、段落部の偏流が大きい場合に顕著に現れる。
これに対し、本実施形態によれば、（４）において前記したごとく、段落部における偏流を抑制することができるため、蒸気の持つエネルギーの損失を抑制し、発電効率を向上させることができる。

なお、上記の第１の実施形態では、スリット部３１がダイヤフラム外輪２４とケーシング２８とによって構成されている場合について説明してきたが、スリット部を２つのケーシングによって構成することができる。また、スリット部を連続する２つの段落のダイヤフラム外輪によって構成することもできる。あるいは、これらのスリット部の構成のうちいずれか２つ以上を併用することもできる。

また、オーバーロード蒸気管５がケーシング２８に嵌合されている場合について説明してきたが、オーバーロード蒸気管５がケーシング２８に溶接されている場合にも、本発明は適用することができる。

＜第２の実施形態＞
本発明の蒸気タービン設備の第２の実施形態を図４を用いて説明する。
図４は本発明の第２の実施形態に係る高圧タービンの構成例を表す断面図である。

図４に示す本実施形態の蒸気タービン設備は、第１の実施形態の蒸気タービン設備と相違する点は、スリット部の構成、およびオーバーロード蒸気管と蒸気タービンとの接続方法にある。

第１の実施形態のスリット部３１は、ダイヤフラム外輪２４と、ケーシング２８とのタービン軸方向の間隙により構成されていた。
これに対し、図４に示すように、本実施形態のスリット部４１は、第１の内部ケーシング４２と第２の内部ケーシング４２’とのタービン軸方向の間隙、およびダイヤフラム外輪４３とダイヤフラム外輪４３’とのタービン軸方向の間隙により構成されている。

また、第１の実施形態のオーバーロード蒸気管５は、ケーシング２８に嵌合されていたのに対し、本実施形態では、オーバーロード蒸気管５Ａは、外部ケーシング４５に溶接されている。

本発明の蒸気タービン設備の第２の実施形態においても、前述した蒸気タービン設備の第１の実施形態とほぼ同様な効果が得られる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施形態に係る構成の一部を、他の実施形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

例えば、上述した実施形態では、連結された高圧タービン７、中圧タービン１０及び低圧タービン１２が発電機１６を駆動する場合について例示したが、各タービン７，１０，１２のシャフトに発電機を連結して個別に発電しても良いし、３つのタービン７，１０，１２のうち任意の２つを連結したもので発電機を駆動しても良い。更にコンバインドサイクルシステムの蒸気タービンに適用することも可能である。

１…ボイラ（蒸気発生源）、
２…主蒸気管、
３…主蒸気止め弁、
４…蒸気加減弁、
５，５Ａ…オーバーロード蒸気管、
６…オーバーロード弁、
７…高圧タービン、
８…高圧タービン排気管、
９…高温再熱蒸気管、
１０…中圧タービン、
１１…中圧タービン排気管、
１２…低圧タービン、
１３…低圧タービン排気管、
１４…復水器、
１５…タービンロータ、
１６…発電機、
２２，２２’…動翼、
２３，２３’…静翼、
２４，２４’…ダイヤフラム外輪、
２５…ダイヤフラム内輪、
２６…フィン、
２７…パッキン、
２８…ケーシング、
３０…シールリング、
３１…スリット部、
４１…スリット部、
４２，４２’…内部ケーシング、
４３，４３’…ダイヤフラム外輪、
４５…外部ケーシング、
ｄ…オーバーロード蒸気管の内径、
Ｃ…スリット部の幅、
Ｖ…オーバーロード弁６が全閉している場合に静翼２３’から流出する蒸気の絶対速度、
Ｗ…オーバーロード弁６が全閉している場合に静翼２３’から流出する蒸気の動翼２２’に対する相対速度、
Ｖ’…オーバーロード弁６が開いている場合に静翼２３’から流出する蒸気の絶対速度、
Ｗ’…オーバーロード弁６が開いている場合に静翼２３’から流出する蒸気の動翼２２’に対する相対速度、
Ｕ…動翼２２’の回転速度、
θ…オーバーロード弁６が開いている場合に静翼２３’から流出する蒸気の動翼２２’に対する相対速度Ｗ’と動翼入口部とがなす角。

Claims (6)

1. 蒸気発生源と、
   この蒸気発生源で発生させた蒸気を蒸気タービンに導く主蒸気管と、
   この主蒸気管に設けられた蒸気加減弁と、
   前記蒸気発生減で発生させた蒸気を、前記蒸気加減弁をバイパスして前記主蒸気管よりも前記蒸気タービンの低圧側につなげるために前記主蒸気管から分岐したオーバーロード蒸気管と、
   このオーバーロード蒸気管に設けられたオーバーロード弁と、
   このオーバーロード弁を通過した蒸気が蒸気タービン段落部に流入する際に通過するスリット部とを備え、
   このスリット部は、タービン軸方向の幅が前記オーバーロード蒸気管の内径よりも小さい
   ことを特徴とする蒸気タービン設備。
2. 請求項１記載の蒸気タービン設備において、
   前記スリット部は、ダイヤフラム外輪とケーシングとによって構成されている
   ことを特徴とする蒸気タービン設備。
3. 請求項１記載の蒸気タービン設備において、
   前記スリット部は、２つのケーシングによって構成されている
   ことを特徴とする蒸気タービン設備。
4. 請求項１記載の蒸気タービン設備において、
   前記スリット部は、タービン軸方向に連続する２つの段落のダイヤフラム外輪によって構成されている
   ことを特徴とする蒸気タービン設備。
5. 請求項１に記載の蒸気タービン設備において、
   前記オーバーロード蒸気管は、ケーシングに嵌合されている
   ことを特徴とする蒸気タービン設備。
6. 請求項１に記載の蒸気タービン設備において、
   前記オーバーロード蒸気管は、ケーシングに溶接されている
   ことを特徴とする蒸気タービン設備。

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