JP2017521591A - 水蒸気サイクル及び水蒸気サイクルの運転方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、発電所のための水蒸気サイクル（１０）と、水蒸気サイクル（１０）の運転、特に起動方法と、に関する。水蒸気サイクル（１０）は、高圧タービン（１２）、復水器（４０）、及び、蒸気発生器（３０）を有している。蒸気発生器（３０）は、第１の導管（１７）を通じて、高圧タービン（１２）に接続されている。蒸気の流れる方向において、蒸気発生器（３０）と高圧タービン（１２）との間には、生蒸気急速閉止弁（１４）と生蒸気制御弁（１５）とが、高圧タービン（１２）の供給のために配置されている。蒸気の流れる方向において、高圧タービン（１２）の下流には、起動導管（２３、２５）が配置されており、前記起動導管は、高圧タービン（１２）下流の排気領域（１３）を復水器（４０）と接続している。少なくとも１つの制御器（２６、２９）が設けられており、前記制御器は、高圧タービン（１２）の回転数、温度、及び、負荷状態に応じて、起動導管（２５）を閉鎖するための起動弁（２７）の閉口と、生蒸気弁（１５）の開口とを制御する。

Description

本発明は、発電所のための水蒸気サイクルと、水蒸気サイクルの運転方法と、に関する。

蒸気タービンが軽負荷又はアイドリング状態で運転され、電力供給網にはわずかな電力のみが供給されるか、又は全く電力が供給されない場合、蒸気タービンを起動する際、高圧タービンの排気領域では、許容不可能な高温が生じ得る。当該温度を低下させるために、２つの手段が考えられる：
１）高圧タービンの背圧を低下させるという手段、
２）高圧タービンを通る質量流量を増大させるという手段。

しかしながら、質量流量の増大は、起動動作の際、軽負荷又はアイドリング状態では不可能である。なぜなら、質量流量の増大は、タービン出力の増大につながり得るからである。従って、先行技術から知られた蒸気タービンには、起動動作のために、いわゆる起動導管が設けられており、当該起動導管は、高圧タービン下流の領域（排気領域とも呼ばれる）を、蒸気タービンの復水器と接続し、それによって、高圧タービンの背圧を低下させることを可能にする。

先行技術に係る蒸気タービンを、起動動作又はアイドリングから出力動作に移行させるために、起動導管が閉鎖される。起動導管の閉鎖は必要である。なぜなら、起動導管を通じて復水器に供給される蒸気の質量流量は、再熱器の冷却には用いられないからである。

起動導管の閉鎖の際には、高圧タービンの出口における圧力と、従って高圧タービンの出口温度と、が上昇する。起動導管閉鎖後の許容不可能な温度上昇は、高圧タービンを通る質量流量を同時に増大させることによって防止され得る。

その際、起動導管の閉鎖が急速すぎると、水回路／蒸気回路で圧力変動が生じ、タービンの緊急停止につながり得る。

起動導管を閉鎖している間の、高圧タービンを通る質量流量の増大が遅すぎると、高圧タービン下流の排気領域における許容不可能な高温につながる。

上述の２つの要求は、起動導管の閉鎖と生蒸気弁の開口との最適な調整を必要とする。それによって、一方では、生蒸気弁を通じて蒸気の質量流量を急速に増大させることが可能であり、その結果、温度は低く保たれ、他方では、質量流量が起動導管を通じて制限され、その結果、再熱器は十分に供給されており、いわゆる高圧バイパスステーションが、生蒸気圧力を調整することができる。

これまで、本課題は、起動導管の急速閉鎖、及び、高圧バイパスステーションにおけるフィードフォワード制御によって解決されてきた。しかしながら、この方法は、高圧タービンの排気領域における極めて過渡的な（Transiente）温度と、タービン、生蒸気導管、及び、再熱器に至る導管における極めて過渡的な質量流量と、につながる。

特許文献１には、蒸気タービン装置と、その運転方法とが示されており、蒸気タービンの起動は、オーバーフロー導管を用いて制御される。

国際公開第２０１３／０３１１２１号

本発明の課題は、起動プロセスを「より穏やか」かつ「より円滑」なものとし、それによって、部材への負荷を低下させることにある。

本課題は、独立請求項に記載の水蒸気サイクル、及び、当該水蒸気サイクルの運転方法によって解決される。

本発明に係る、請求項１に記載の水蒸気サイクルと、請求項８に記載の水蒸気サイクルの運転方法と、は先行技術に比べて、
制御器が設けられており、当該制御器は、起動導管の遮断のための弁の閉口と、生蒸気弁の開口と、を、
１）高圧タービン下流の排気温度が、常に許容範囲内にとどまっている、
２）高圧バイパスステーションへの要求が増大しない、
３）再熱器には、常に十分に蒸気が供給される、
４）水回路／蒸気回路における質量流量の変動がわずかになる、
ように制御するという利点を有している。

従属請求項に記載された手段によって、独立請求項に記載された蒸気タービン及び蒸気タービンの運転方法の、有利な改良及び改善が可能になる。

水蒸気サイクルの有利な改良は、起動弁を閉口するための制御器と、生蒸気弁を開口するための制御器と、が共通のモジュール内に統合されていることにある。対応するセンサで検出されるパラメータである「圧力」、「温度」及び「回転数」に応じて、共通の制御器は、生蒸気弁の開口と起動弁の閉口とを制御できる。

さらなる有利な改良は、起動導管が、高圧タービンと再熱器との間を起点として、復水器に開口している点にある。それによって、起動導管が、排気領域と復水器との直接の接続を確実化するので、蒸気を排気領域から、さらなる中間要素を用いずに排出することが可能になる。

さらなる有利な改良は、高圧タービンと再熱器との間の導管部分に、逆止め装置が設けられている点にあり、当該逆止め装置は、高圧タービンの方向への蒸気の逆流を防止する。このような逆止め装置は、いかなる動作状態においても、再熱器からの蒸気が高圧タービンに逆流することはなく、場合によってタービンの緊急停止を引き起こすこともないということを確実に保証する。特に単純かつ効果的な逆止め装置は、逆止め弁である。

さらなる有利な改良は、少なくとも部分的に、起動導管に対して平行に、さらなる導管が配置されている点にあり、当該導管は、同様に、高圧タービン又は排気領域を復水器と接続する。

本発明に係る方法の改良は、蒸気の圧力が、高圧タービン、特に高圧タービンの翼配列領域への流入前に、時間的に遅らせて、連続的様式で（rampenfoermig）、引き上げられる点にある。圧力を徐々に上昇させることによって、高圧タービンを通る質量流量を容易に制御することができる。

有利なさらなる改良は、蒸気の圧力の上昇が、高圧タービン、特に翼配列領域に流入する前に、起動弁の決定された位置において行われる、という点にある。起動弁の決定された、起動導管を部分的に閉鎖する位置は、起動導管を通る質量流量を制限することが可能であり、従って、さらなる制御変数として用いられ得る。

代替的、又は、付加的に、高圧タービン又は翼配列領域に流入する前に、圧力限界制御器において圧力目標値を引き上げることによって、生蒸気弁の開口を制御することができる。起動弁の同時に決定された位置における、生蒸気弁の決定された開口によって、高圧タービンを通る質量流量を、より正確に制御することが可能である。

以下に、本発明に係る蒸気タービンの実施例と、当該蒸気タービンの本発明に係る運転方法、特に起動方法の実施例とを、添付された図面を用いて詳細に説明する。その際、同じ部材又は同じ機能を有する部材には、同じ参照符号が付されている。

本発明に係る水蒸気サイクルの概略図である。 本発明に係る水蒸気サイクルの運転方法のフローチャートの図である。

図１は、高圧タービン１２、中圧タービン５０、及び、低圧タービン６０を有する水蒸気サイクル１０を示している。タービン（１２、５０、６０）は、共通のシャフト上に配置されており、当該シャフトは、図示されていない発電機に連結されている。水蒸気サイクル１０は、さらに蒸気発生器３０、復水器４０、及び、給水ポンプ７０を含んでいる。蒸気発生器３０は、第１の導管１７によって、高圧タービン１２と接続されており、第１の導管１７には、生蒸気弁１４、１５が配置されており、当該生蒸気弁を通じて、蒸気発生器３０からの蒸気の供給を停止させることができる。その際、生蒸気弁１４は生蒸気急速閉止弁として、生蒸気弁１５は生蒸気制御弁として機能する。生蒸気制御弁１５には、圧力限界制御器２９が配置されており、当該圧力限界制御器によって、蒸気発生器３０から高圧タービン１２への蒸気の質量流量が制限され得る。蒸気の流れる方向において、高圧タービン１２の下流には、排気領域１３が接続されており、当該排気領域には、高圧タービン１２の出口から放出される蒸気が供給される。排気領域１３は、逆止め弁１９が配置された導管部分１８を通じて、再熱器２０に接続されている。再熱器２０は、生蒸気弁３８、３９が蒸気供給の遮断又は制御のために配置された導管３７を通じて、中圧タービン５０に接続されている。再熱器２０は、導管３５によって復水器４０にさらに接続されており、導管３５には、中圧バイパスステーション３６が、後置された噴射装置３３と共に配置されており、中圧バイパスステーション３６によって、中圧タービン５０の圧力供給が制御され得る。

蒸気発生器３０は、高圧バイパスステーション２２と噴射装置５５とが配置された導管２１を通じて、再熱器２０にさらに接続されている。排気領域１３は、起動導管２３、２５を通じて、復水器４０に接続されている。その際、起動導管２５には、起動弁２７と噴射装置３４とが配置されている。起動弁２７は、制御器２６によって制御可能であり、「完全に開放された」位置と「完全に閉鎖された」位置との間で、少なくとも個別の中間段階において、部分的に開口し得る。代替的に、完全に制御可能な起動弁２７も可能である。付加的に、起動導管２５に対して平行に、排水管２８が配置されており、当該排水管も同様に復水器４０に開口している。当該排水管は、排水弁２４によって開放され得る。

蒸気発生器３０は、導管５２を通じて、低圧タービン６０に接続されており、導管５２には、低圧タービン６０への蒸気供給を制御する制御弁５３が配置されている。中圧タービン５０は、導管５１を通じて、低圧タービン６０に接続されており、導管５２は導管５１に合流している。低圧タービン６０からは、導管５４が復水器４０に至っており、復水器４０は、導管４１を通じて給水ポンプ７０に接続されている。給水ポンプ７０は、導管４２を通じて、蒸気発生器３０に接続されている。

水蒸気サイクル１０の運転中は、蒸気発生器３０に、加圧する給水ポンプ７０及び導管４２を通じて水が供給される。蒸気発生器３０内では、水が蒸発し、過熱する。当該蒸気は、第１の導管１７を通じて高圧タービン１２に供給され、蒸気の一部が膨張する。当該蒸気には、再熱器２０内で再びエネルギーが供給され、当該エネルギーを、再熱器２０は、中圧タービン５０及び低圧タービン６０を通じて放出する。膨張した蒸気は、復水器４０内で凝縮し、導管４１を通じて、再び水として蒸気発生器３０に供給され、それによってサイクルが閉じられる。

各噴射装置３３、３４、５５を通じて、導管２１、２５及び２８内の蒸気に水を供給することが可能であり、それによって、復水器４０又は再熱器２０に流入する際の蒸気の温度が低下する。起動弁２７には、制御器２６が設けられており、制御器２６は、高圧タービン１２の温度、圧力及び回転数に応じて、起動弁２７を開口する。回転数を検出するための対応するセンサは図示されていないが、タービン段１２、５０、６０を支持し、発電機と接続されたシャフトに容易に配置され得る。

温度及び圧力を検出するためのセンサは、高圧タービン１２の翼配列領域に流入する前、又は、高圧タービン１２の出口、又は、排気領域１３に配置されると有意義である。

図２には、蒸気タービンを有する水蒸気サイクルを起動するためのフローチャートが示されている。

第１のステップ［１００］において、蒸気タービン１２、５０、６０の起動プロセスを開始する。さらなるステップ［１１０］では、蒸気タービン１２、５０、６０は、生蒸気急速閉止弁１４、３８を完全に開口した後、生蒸気弁１５、３９を開口することによって加速する。後続のステップ［１２０］では、起動導管２５は、起動弁２７の開口によって開放され、圧力限界制御器２９のスイッチが入る。次のステップ［１３０］では、予熱回転数に到達し、蒸気タービン１２、５０、６０は、さらに定格回転数まで加速される。

次のステップ［１４０］では、アイドリング状態で蒸気タービンが運転され、電力供給網との同期が行われる。次のステップ［１５０］では、高圧タービン１２を通る蒸気の質量流量が圧力限界制御器２９無しに、起動導管２５が閉鎖している場合に高圧タービン１２の下流の排気温度がまだ許容できる程度の大きさになるまで、蒸気タービン１２、５０、６０の出力をさらに増大させる。次のステップ［１６０］では、起動導管２５を閉鎖するための起動弁２７の閉鎖プロセスが開始する。後続のステップ［１７０］、［１７１］、［１７２］、［１７３］では、起動弁２７の決定された位置から、圧力限界制御器２９の圧力目標値が、時間的に遅らせて、傾斜路のような形で、一定の速度において、引き上げられる。それによって、生蒸気弁１５、３９の決定された開口が行われる。このプロセスは、高圧タービン１２を通る蒸気の質量流量が、閾値を超えるまで続けられる。最後のステップ［１８０］では、起動導管２５又は起動弁２７が完全に閉鎖され、蒸気タービン１２、５０、６０は、出力動作に移行する。

本発明を、好ましい実施例によって、詳細に説明してきたが、本発明は、記載された実施例に限定されるものではなく、当業者は、本発明の保護範囲を離れることなく、その他の変型例を引き出すことができる。

１０ 水蒸気サイクル
１２ 高圧タービン
１３ 排気領域
１４、１５ 生蒸気弁
１７ 第１の導管
１８ 導管部分
１９ 逆止め弁
２０ 再熱器
２１ 導管
２２ 高圧バイパスステーション
２３、２５ 起動導管
２４ 排水弁
２６ 制御器
２７ 起動弁
２８ 排水管
２９ 圧力限界制御器
３０ 蒸気発生器
３３、３４、５５ 噴射装置
３５、３７ 導管
３６ 中圧バイパスステーション
３８、３９ 生蒸気弁
４０ 復水器
４１、４２ 導管
５０ 中圧タービン
５１、５２、５４ 導管
５３ 制御弁
６０ 低圧タービン
７０ 給水ポンプ

Claims (11)

1. 高圧タービン（１２）、復水器（４０）、及び蒸気発生器（３０）を有する発電所のための水蒸気サイクル（１０）であって、
   前記蒸気発生器（３０）は、第１の導管（１７）を通じて、前記高圧タービン（１２）に接続されており、
   蒸気の流れる方向において、前記蒸気発生器（３０）と前記高圧タービン（１２）との間には、少なくとも１つの生蒸気弁（１５）が配置されており、
   蒸気の流れる方向において、前記高圧タービン（１２）の下流には、起動導管（２３、２５）が配置されており、前記起動導管は、前記高圧タービン（１２）下流の排気領域（１３）を復水器（４０）と接続している水蒸気サイクル（１０）において、
   少なくとも１つの制御器（２６、２９）が設けられており、前記制御器は、前記高圧タービン（１２）の動作パラメータに応じて、前記起動導管（２５）を閉鎖するための起動弁（２７）の閉口と、少なくとも１つの生蒸気弁（１５）の開口と、を制御しており、前記起動弁（２７）の開口は、「完全に開放された」位置と「完全に閉鎖された」位置と、の間で少なくとも段階的に制御可能であり、前記制御器（２６、２９）の圧力目標値は、前記起動弁（２７）の開口に応じて引き上げられ得ることを特徴とする水蒸気サイクル（１０）。
2. 前記高圧タービンの動作パラメータが、前記高圧タービン（１２）の回転数、温度、特に前記排気領域（１３）における温度、圧力、及び／又は、負荷状態であることを特徴とする請求項１に記載の水蒸気サイクル。
3. 前記制御器（２６、２９）が、共通のモジュール内に統合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水蒸気サイクル。
4. 前記高圧タービン（１２）とさらなるタービン段（５０、６０）との間には、再熱器（２０）が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の水蒸気サイクル。
5. 前記起動導管（２３、２５）が、前記高圧タービン（１２）と前記再熱器（２０）との間を起点として、前記復水器（４０）に開口することを特徴とする請求項４に記載の水蒸気サイクル。
6. 前記高圧タービン（１２）と前記再熱器（２０）との間における導管部分（１８）には、逆止め装置（１９）、特に逆止め弁が設けられており、前記逆止め装置は、蒸気の前記高圧タービン（１２）の方向への逆流を防止することを特徴とする請求項４に記載の水蒸気サイクル。
7. 前記起動導管（２３、２５）に対して少なくとも部分的に平行に、さらなる導管（２８）、特に前記高圧タービン（１２）を空にするための導管が配置されており、前記導管は、同様に、前記高圧タービン（１２）を前記復水器（４０）と接続することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の水蒸気サイクル。
8. 高圧タービン（１２）、復水器（４０）、及び、蒸気発生器（３０）を有する水蒸気サイクル（１０）を運転、特に起動するための方法であって、以下の、
   ‐蒸気タービン（１２、５０、６０）の起動プロセスを開始するステップ［１００］、
   ‐生蒸気弁（１５）を開口することによって、前記蒸気タービン（１２、５０、６０）を加速するステップ［１１０］、
   ‐起動導管（２５）を開放し、圧力限界制御器（２９）のスイッチを入れるステップ［１２０］、
   ‐前記蒸気タービン（１２、５０、６０）を、定格回転数まで加速するステップ［１３０］、
   ‐アイドリング状態で前記蒸気タービン（１２、５０、６０）を運転し、電力供給網との同期を行うステップ［１４０］、
   ‐前記高圧タービン（１２）を通る蒸気の質量流量が閾値に到達するまで、前記蒸気タービン（１２、５０、６０）の出力を増大させるステップ［１５０］、
   ‐起動弁（２７）を閉口することによって、前記起動導管（２５）の閉鎖プロセスを開始するステップ［１６０］、
   ‐前記起動弁（２７）の決定された位置から、前記圧力限界制御器（２９）によって、前記高圧タービン（１２）に流入する前の圧力を制御下で上昇させるステップ［１７０］、及び、
   ‐前記起動弁（２７）を完全に閉口することによって、前記起動導管（２５）の閉鎖プロセスを完了させ、前記蒸気タービン（１２、５０、６０）を、出力動作に移行させるステップ［１８０］、
   のステップを含んでいることを特徴とする方法。
9. 圧力が、前記高圧タービン（１２）への流入前に、時間的に遅らせて、連続的様式で、一定の速度で引き上げられる［１７１］ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記高圧タービン（１２）への流入前の圧力の引き上げが、前記起動弁（２７）の決定された位置において行われる［１７２］ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記高圧タービン（１２）に流入する前に、前記圧力限界制御器（２９）において、圧力目標値を引き上げることによって、生蒸気弁（１５）の開口が制御される［１７３］ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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