JP2017160804A - 蒸気タービンプラント - Google Patents

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Abstract

【課題】熱源装置の効率や制御に影響を与えることなく、また蒸気発生装置による蒸気の発生の有無にかかわることなく、さらにプラント内の熱を有効に活用して、蒸気タービンの熱伸び差等を低減することができる蒸気タービンプラントを提供する。【解決手段】蒸気タービンプラントは、熱源媒体で低温流体を加熱して高温流体を得る熱源装置１と、熱源装置１で得た高温流体との熱交換によって蒸気を発生させる蒸気発生装置２と、蒸気発生装置２で発生した蒸気で駆動する蒸気タービン３と、蒸気タービン３のケーシング３２の外表面に設けられた加熱流路１３と、蒸気発生装置２内の高温流体の流路から分岐されて加熱流路１３に接続され、加熱流路１３に高温流体を供給する高温流体供給路１１と、高温流体供給路１１を流れる高温流体の流量を調節する高温流体流量調節装置１２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、コンバインドサイクル発電プラントや石炭焚き発電プラント等のように、蒸気タービンを備えた蒸気タービンプラントに関する。
風力発電や太陽光発電に代表される再生可能エネルギーを用いた発電プラントでは発電量が大きく変動することから、系統電力の安定化のため、蒸気タービンを備えた発電プラント（蒸気タービンプラント）の高速起動（言い換えれば、より短時間での起動）が求められている。
蒸気タービンの高速起動に際して、蒸気タービンのロータ及びこれを収納するケーシングは、蒸気タービンに流入する高温の蒸気にさらされるので加熱され、熱膨張して特にタービン軸方向に伸びる。ロータとケーシングは構造及び熱容量が異なるため、ロータの熱伸びとケーシングの熱伸びとの差（以降、ロータとケーシングの熱伸び差という）が生じる。
また、蒸気タービンの高速起動に際して、ケーシングの熱変形が生じることも知られている。具体的に説明すると、例えば、ケーシングは上半と下半に分かれており、それらの構造及び熱容量が異なるため、温度差が生じる。そして、高温側が低温側と比べて大きく熱膨張することにより、低温側の側面に沿って縮むように熱変形が生じる（非特許文献１参照）。また、ケーシングの上半と下半をネジ止めにより結合させるためのフランジ部があり、フランジ部は、内周面が高温の蒸気にさらされるシリンダ部より遅れて温度が上昇する。そのため、温度分布が発生して熱変形が生じる（例えば非特許文献２参照）。
上述したロータとケーシングの熱伸び差やケーシングの熱変形が大きくなると、ロータ（回転部）とケーシング（静止部）が接触して損傷する。そのため、予め定められた制限値内に熱伸び差等が収まるように、蒸気タービンへの入熱量を制御する必要がある。
蒸気タービンへの入熱量を制御する方法に関し、コンバインドサイクル発電プラントにおいて、ガスタービンの圧縮機からの排熱を使用して蒸気を発生させ、この蒸気を用いて蒸気タービンを予熱する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。また、蒸気タービンの蒸気通路において、蒸気の直接な作用から保護する保護シールドを設ける方法が知られている（例えば特許文献２参照）。また、蒸気タービンのケーシングにヒータを取り付ける方法が知られている（例えば特許文献３参照）。
Rainer Quinkertz, Thomas Thiemann, Kai Gierse, 2011, "Validation of advanced steam turbine technology -A case study of an ultra super critical steam turbine power plant", Proceedings of ASME Turbo Expo 2011, GT2011-45816 John McElhaney, 2008, "Distortion Compensation by shape modification of complex turbine geometries in the presence of high temperature gradients", Proceedings of ASME Turbo Expo 2008, GT2008-50757
特開２０１３−１３３８２５号公報 特開２０１０−１３８９１６号公報 特開平９−８８５１０号公報
特許文献１に記載のように、ガスタービンの圧縮機からの排熱を使用して発生させた蒸気を用いる方法は、ガスタービンで仕事を終えていない流体の熱を使用するため、ガスタービン（熱源装置）の効率低下の可能性がある。また、ガスタービンを制御する制御回路の変更や熱交換器の設置などの必要がある。
特許文献２に記載のように、蒸気タービンの蒸気通路に流れる蒸気を用いる方法は、蒸気発生装置から蒸気を発生させている時にしか、その熱を利用できない。また、保護シールドにより常に主流の蒸気から一部の蒸気を分岐させるため、蒸気タービンの定格負荷における効率低下の可能性がある。
特許文献３に記載のように、ヒータを用いる方法は、ヒータの電力確保のための外部電源が必要となる。
本発明の目的は、熱源装置の効率や制御に影響を与えることなく、また蒸気発生装置による蒸気の発生の有無にかかわることなく、さらにプラント内の熱を有効に活用して、蒸気タービンの熱伸び差等を低減することができる蒸気タービンプラントを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の蒸気タービンプラントは、熱源媒体で低温流体を加熱して高温流体を得る熱源装置と、前記熱源装置で得た高温流体との熱交換によって蒸気を発生させる蒸気発生装置と、前記蒸気発生装置で発生した蒸気で駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンのケーシングの外表面またはケーシングを構成する部材の内部に設けられた加熱流路と、前記蒸気発生装置内の高温流体の流路から分岐されて前記加熱流路に接続され、前記加熱流路に高温流体を供給する高温流体供給路と、前記高温流体供給路を流れる高温流体の流量を調節する高温流体流量調節装置とを備える。
本発明によれば、熱源装置の効率や制御に影響を与えることなく、また蒸気発生装置による蒸気の発生の有無にかかわることなく、さらにプラント内の熱を有効に活用して、蒸気タービンの熱伸び差等を低減することができる。
本発明の第１の実施形態における蒸気タービンプラントの構成を表す概略図である。 本発明の第１の実施形態における蒸気タービンのケーシングの加熱流路の概略構造を表すタービン径方向断面図である。 本発明の第１の実施形態における蒸気タービンのケーシングの加熱流路の概略構造を表すタービン軸方向断面図である。 本発明の第１の実施形態における加熱流路に供給する高温流体の流量制御を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態及び従来技術における蒸気タービンのロータとケーシングの熱伸び差を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態における蒸気タービンプラントの構成を表す概略図である。 本発明の第２の実施形態における蒸気タービンのケーシングの加熱流路及び冷却流路の概略構造を表すタービン径方向断面図である。 本発明の第２の実施形態における蒸気タービンのケーシングの加熱流路及び冷却流路の概略構造を表すタービン軸方向断面図である。 本発明の第２の実施形態における冷却流路に供給する低温流体の流量制御を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態及び従来技術における蒸気タービンのケーシングの上半と下半の温度差を説明するための図である。
本発明の第１の実施形態における蒸気タービンへの入熱量制御手段及びこの手段を備えた蒸気タービンプラントを、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態における蒸気タービンプラントの構成を表す概略図である。なお、図１では、本発明の説明に必要な構成機器及び制御回路のみを示す。図２は、本実施形態における蒸気タービンのケーシングの加熱流路の概略構造を表すタービン径方向断面図であり、図３は、タービン軸方向断面図である。なお、図２では、ロータ、動翼、及び静翼の図示を省略し、図３では、タービンの上半側のみを示す。
本実施形態の蒸気タービンプラントは、熱源装置１、蒸気発生装置２、蒸気タービン３、発電機４、及びプラント制御装置５を備えている。
熱源装置１は、熱源媒体を用いて低温流体を加熱して高温流体を発生し、この高温流体を蒸気発生装置２に供給するようになっている。熱源装置１の具体例の一つとしては、コンバインドサイクル発電プラントのガスタービンであり、熱源媒体として天然ガスや灯油を用いる。他の具体例としては、石炭焚き発電プラントの火炉であり、熱源媒体として石炭を用いる。さらに他の具体例としては、太陽熱発電プラントの集熱器であり、熱源媒体として太陽光を用いる。
蒸気発生装置２は、蒸気発生装置２から供給された高温流体を流す流路を有するとともに、その流路内に流れ方向に配置された複数の（図１では概念的に１つのみ示す）熱交換器を有している。そして、高温流体との熱交換によって給水から蒸気を生成し、この蒸気を蒸気タービン３に供給するようになっている。
蒸気タービン３は、ロータ３１と、ロータ３１を収納するケーシング３２と、ケーシング３２の外側に設けられた保温材３３とを備えている。ロータ３１の外周側には複数の動翼が設けられ、ケーシング３２の内周側には複数の静翼が設けられており、動翼と静翼がタービン軸方向に交互に配置されている。蒸気タービン３は、蒸気発生装置２から供給された蒸気によって駆動される。蒸気タービン３に連結された発電機４は、蒸気タービン３の駆動力を電力に変換するようになっている。
プラント制御装置５は、プラント状態量（詳細には、例えば、熱源装置１から蒸気発生装置２に供給する高温流体の温度や、蒸気発生装置２から蒸気タービン３に供給する蒸気の温度など）の計測値を入力し、これに基づいてプラント構成機器（詳細には、例えば、熱源装置１に供給する熱源媒体の流量を調整するバルブや、蒸気発生装置２から蒸気タービン３に供給する蒸気の流量を調整するバルブなど）への指令値を計算して出力するようになっている。
ここで、本実施形態の特徴の一つとして、蒸気タービン３のケーシング３２と保温材３３の間（言い換えれば、ケーシング３２の外表面）には、複数（本実施形態では６つ）の層状の加熱流路１３が設けられている。加熱流路１３は、タービン軸方向に延在する複数の仕切り板１４によって区画されている。そして、高温流体が加熱流路１３の一方側端部から流入し、ケーシング３２を加熱し終えてから、加熱流路１３の他方側端部から流出するように構成されている。
また、本実施形態の特徴の一つとして、蒸気発生装置２内の高温流体の流路から分岐されて加熱流路１３に接続された高温流体供給路１１が設けられている。高温流体供給路１１は、蒸気発生装置２に流入した高温流体の一部を加熱流路１３に供給する。高温流体供給路１１に設けられた高温流体流量調節装置１２は、後述する指令値に基づいて、高温流体供給路１１を流れる高温流体の流量を調節するようになっている。具体的に説明すると、高温流体流量調節装置１２は、例えば、流路の断面積を調整する手段と、流れを促進する手段を有し、これらの手段を同時に操作する。流路の断面積を調整する手段としては、例えば仕切り板やバルブなどがあり、流れを促進する手段としては、送風機やブロアーなどがある。そして、例えば、送風機で流速を一定に保ちながら、仕切り板を回転または移動させて流路の断面積を変化させることにより、高温流体の流量を調節する。但し、高温流体の十分な流速を確保できるのであれば、流れを促進する手段を有しなくてもよい。また、流量を調節可能な送風機を用いる場合は、流路の断面積を調整する手段を有しなくてもよい。
また、本実施形態の特徴の一つとして、プラント制御装置５は、高温流体流量調節装置１２を制御する加熱制御回路１０１を有している。加熱制御回路１０１は、ロータ３１とケーシング３２の熱伸び差の計測値を入力するか、もしくは、伝熱工学的に公知の方法によりロータ３１とケーシング３２の熱伸び差を計算する。また、例えば図４で示すように、ロータ３１とケーシング３２の熱伸び差が大きいほど高温流体供給路１１の高温流体の流量が増大するような関係を表す、数表または式が予め記憶されている。そして、この数表または式に基づいて、熱伸び差の計測値もしくは計算値から高温流体供給路１１の流量を計算し、これに対応する指令値を計算して高温流体流量調節装置１２へ出力する。
なお、図４で示すような、ロータ３１とケーシング３２の熱伸び差と高温流体供給路１１の高温流体の流量との関係を求める方法の一例としては、ロータ３１とケーシング３２の熱伸び差毎（言い換えれば、温度差毎）に次のような計算を行う。伝熱工学的な公知の方法に基づいて、ロータ３１とケーシング３２の温度や質量、比熱などから、ケーシング３２の温度がロータ３１の温度と同等になるために必要な熱量を計算する。この熱量を供給するために必要な高温流体の流量を、伝熱工学的な公知の方法に基づいて、前述した熱量や、高温流体供給路１１の高温流体の温度や、高温流体とケーシング３２の間の熱抵抗などから計算する。この方法以外に、伝熱工学的な公知の方法に基づいて作成された蒸気タービン構造解析ツールを用い、試行錯誤的に求めることも可能である。
次に、本実施形態の作用効果を、従来技術と比較しながら説明する。図５は、本実施形態及び従来技術における蒸気タービンのロータとケーシングの熱伸び差を説明するための図である。
従来技術（すなわち、高温流体供給路１１、高温流体流量調節装置１２、及び加熱流路１３等を設けない場合）においては、プラント起動時に、図５で示すような蒸気タービンのロータの熱伸びとケーシングの熱伸びが生じるため、ロータとケーシングの熱伸び差が増大する。
これに対し、本実施形態においては、プラント起動時に、蒸気発生装置２から高温流体供給路１１を介して蒸気タービン３のケーシング３２の加熱流路１３に高温流体を供給する。これにより、ケーシング３２が加熱されて、図５で示すようにケーシング３２の熱伸びが促進される。その結果、ロータ３１とケーシング３２の熱伸び差を低減することができる。
また、本実施形態においては、熱源装置１で仕事を終えた高温流体を用いるため、熱源装置１の効率や制御に影響を与えることがない。また、熱源装置１を制御する制御回路の変更を不要とする。
また、本実施形態においては、蒸気発生装置２に流入した高温流体の一部を用いるため、蒸気発生装置２の蒸気発生の有無にかかわらず、高温流体の熱を利用することができる。そのため、蒸気発生装置２で蒸気を発生させる前から、すなわち、より早い時刻からケーシング３２を加熱することができる。また、蒸気よりも高温である高温流体を用いることができるため、より高速にケーシング３２を加熱することができる。したがって、熱伸び差を低減することができる。
また、本実施形態においては、蒸気タービン３のロータ３１とケーシング３２の熱伸び差が生じる期間のみ、高温流体の熱を利用することができる。そのため、蒸気タービン３の定格負荷における効率を低下させることなく運転できる。
また、本実施形態では、プラント内の熱を有効に活用して、蒸気タービン３への入熱量を制御している。そのため、例えばケーシングを加熱するためのヒータを設ける場合とは異なり、ヒータの電力確保のための外部電源を必要としない。
本発明の第２の実施形態における蒸気タービンへの入熱量制御手段及びこの手段を備えた蒸気タービンプラントを、図面を参照しつつ説明する。なお、第１の実施形態と同等の部分は同符号を付し、説明を省略する。
図６は、本実施形態における蒸気タービンプラントの構成を表す概略図である。なお、図６では、本発明の説明に必要な構成機器及び制御回路のみを示す。図７は、本実施形態における蒸気タービンのケーシングの加熱流路及び冷却流路の概略構造を表すタービン径方向断面図であり、図８は、タービン軸方向断面図である。なお、図７では、ロータ、動翼、及び静翼の図示を省略している。
本実施形態では、蒸気タービン３のケーシング３２と保温材３３の間（言い換えれば、ケーシング３２の外表面）には、複数（本実施形態では５つ）の層状の加熱流路１３と１つの層状の冷却流路２３が設けられている。加熱流路１３及び冷却流路２３は、タービン軸方向に延在する複数の仕切り板１４によって区画されている。
冷却流路２３は、プラント起動時に比較的高温となる部位（本実施形態では、ケーシング３２の下半の一部分）に配置され、加熱流路１３は、プラント起動時に比較的低温となる部位（本実施形態では、ケーシング３２の下半の残りの部分と上半）に配置されている。プラント起動時に比較的高温になる部位は、例えば、蒸気が供給される配管が設置された部位などである。そして、低温流体が冷却流路２３の一方側端部から流入し、ケーシング３２の下半の一部分を冷却し終えてから、冷却流路２３の他方側端部から流出するように構成されている。また、高温流体が加熱流路１３の一方側端部から流入し、ケーシング３２の下半の残りの部分と上半を加熱し終えてから、加熱流路１３の他方側端部から流出するように構成されている。
本実施形態では、冷却流路２３に低温流体を供給する低温流体供給路２１が設けられている。ここで、冷却流路２３に供給する低温流体は、蒸気発生装置２から蒸気タービン３に供給する蒸気より低温である。低温流体としては、例えば大気の空気や、空気と蒸気発生装置２に流入した高温流体の一部を混合した流体などがある。低温流体供給路２１に設けられた低温流体流量調節装置２２は、後述する指令値に基づいて、低温流体供給路２１を流れる低温流体の流量を調節するようになっている。なお、低温流体流量調節装置２２は、高温流体流量調節装置１２と同様の構成であればよい。
本実施形態では、プラント制御装置５は、低温流体流量調節装置２２を制御する冷却制御回路２０１を有している。冷却制御回路２０１は、ケーシング３２の下半（すなわち、冷却流路２３が設けられた部位）と上半（すなわち、加熱流路１３が設けられた部位）の温度差の計測値を入力するか、もしくは、伝熱工学的に公知の方法によりケーシング３２の下半と上半の温度差を計算する。また、例えば図９で示すように、ケーシング３２の下半と上半の温度差が大きいほど低温流体供給路２１の低温流体の流量が増大するような関係を表す、数表または式が予め記憶されている。そして、この数表または式に基づいて、温度差の計測値もしくは計算値から低温流体供給路２１の流量を計算し、これに対応する指令値を計算して低温流体流量調節装置２２へ出力する。
なお、図９で示すような、ケーシング３２の下半と上半の温度差と低温流体供給路２１の低温流体の流量との関係を求める方法の一例としては、ケーシング３２の下半と上半の温度差毎に次のような計算を行う。伝熱工学的な公知の方法に基づいて、ケーシング３２の下半の質量や比熱などから、ケーシング３２の下半の単位温度変化に必要となる熱量を計算する。このケーシング３２の下半の単位温度変化に必要となる熱量に対し、ケーシング３２の下半と上半の温度差を積算して、ケーシング３２の下半の温度が上半の温度と同等になるために必要な熱量（冷却量）を計算する。この熱量を供給するために必要な低温流体の流量を、伝熱工学的な公知の方法に基づいて、前述した熱量や、低温流体供給路２１の低温流体の温度や、低温流体とケーシング３２の間の熱抵抗などから計算する。この方法以外に、伝熱工学的な公知の方法に基づいて作成された蒸気タービン構造解析ツールを用い、試行錯誤的に求めることも可能である。
以上のように構成された本実施形態においては、プラント起動時に、蒸気発生装置２から高温流体供給路１１を介して蒸気タービン３のケーシング３２の加熱流路１３に高温流体を供給する。これにより、プラント起動時に比較的低温になる部位が加熱されて、その部位の熱伸びが促進される。その結果、第１の実施形態と同様、ロータ３１とケーシング３２の熱伸び差を低減することができる。
また、本実施形態においては、ケーシング３２の熱変形を低減することができる。このような作用効果を、従来技術と比較しながら説明する。図１０は、本実施形態及び従来技術における蒸気タービンのケーシングの下半と上半の温度差を説明するための図である。
従来技術（すなわち、低温流体供給路２１、低温流体流量調節装置２２、及び冷却流路２３等を設けない場合）においては、プラント起動時に、図１０で示すような下半の温度上昇と上半の温度上昇が生じるため、下半と上半の温度差が増大する。
これに対し、本実施形態においては、プラント起動時に、低温流体供給路２１を介して蒸気タービン３のケーシング３２の冷却流路２３に低温流体を供給する。これにより、ケーシング３２の下半が冷却されて、図１０で示すようにケーシング３２の下半の温度上昇が抑制される。その結果、ケーシング３２の下半と上半の温度差を低減することができ、ケーシング３２の熱変形を低減することができる。
なお、第２の実施形態においては、冷却流路２３は、プラント起動時に比較的低温となる部位としてケーシング３２の下半の一部分に配置された場合を例にとって説明したが、これに限られず、冷却流路２３の配置や本数は、経験的な知見または伝熱工学的な公知の方法による解析により決定されればよい。すなわち、冷却流路は、プラント起動時に比較的低温となる部位としてケーシング３２の上半側に配置されてもよい。あるいは、プラント起動時に比較的低温となる部位と比較的高温となる部位が入れ替わるのであれば、冷却流路と加熱流路の配置を入れ替えればよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。
また、第１の実施形態においては、蒸気タービン３のケーシング３２の外表面に加熱流路１３を設けた場合を例にとり、第２の実施形態においては、蒸気タービン３のケーシング３２の外表面に加熱流路１３及び冷却流路２３を設けた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば蒸気タービンのケーシングが二重構造をなすのであれば、内側ケーシングと外側ケーシングの間に加熱流路を設けてもよいし、内側ケーシングと外側ケーシングの間に冷却流路を設けてもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。
１ 熱源装置
２ 蒸気発生装置
３ 蒸気タービン
１１ 高温流体供給路
１２ 高温流体流量調節装置
１３ 加熱流路
２１ 低温流体供給路
２２ 低温流体流量調節装置
２３ 冷却流路
３１ ロータ
３２ ケーシング
１０１ 加熱制御回路
２０１ 冷却制御回路

Claims (4)

  1. 熱源媒体で低温流体を加熱して高温流体を得る熱源装置と、
    前記熱源装置で得た高温流体との熱交換によって蒸気を発生させる蒸気発生装置と、
    前記蒸気発生装置で発生した蒸気で駆動する蒸気タービンと、
    前記蒸気タービンのケーシングの外表面またはケーシングを構成する部材の内部に設けられた加熱流路と、
    前記蒸気発生装置内の高温流体の流路から分岐されて前記加熱流路に接続され、前記加熱流路に高温流体を供給する高温流体供給路と、
    前記高温流体供給路を流れる高温流体の流量を調節する高温流体流量調節装置とを備えたことを特徴とする蒸気タービンプラント。
  2. 請求項１に記載の蒸気タービンプラントにおいて、
    前記蒸気タービンのロータと前記ケーシングの熱伸び差が大きいほど前記高温流体供給路を流れる高温流体の流量が増大するように、前記高温流体流量調節装置を制御する加熱制御回路を備えたことを特徴とする蒸気タービンプラント。
  3. 請求項１に記載の蒸気タービンプラントにおいて、
    前記加熱流路は、前記ケーシングの外表面または前記ケーシングを構成部材の内部であってプラント起動時に比較的低温となる部位に設けられており、
    前記ケーシングの外表面または前記ケーシングを構成する部材の内部であってプラント起動時に比較的高温となる部位に設けられた冷却流路と、
    前記冷却流路に低温流体を供給する低温流体供給路と、
    前記低温流体供給路を流れる低温流体の流量を調節する低温流体流量調節装置と備えたことを特徴とする蒸気タービンプラント。
  4. 請求項３に記載の蒸気タービンプラントにおいて、
    前記冷却流路が設けられた部位と前記加熱流路が設けられた部位の温度差が大きいほど前記冷却流路を流れる低温流体の流量が増大するように、前記低温流体流量調節装置を制御する冷却制御回路を備えたことを特徴とする蒸気タービンプラント。
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