JP2020193612A - 蒸気加減弁システム、発電プラントおよび蒸気加減弁の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンに発生する熱応力およびタービン翼に発生する振動応力を低減することができるとともに、蒸気の圧力損失の低減および蒸気漏れの低減によりプラント効率を向上させることができる蒸気加減弁システムを提供する。【解決手段】実施の形態による蒸気加減弁システム１００の蒸気加減弁制御装置３０は、第１開閉特性Ｌ１に従って大開度弁２１ａ、２１ｂに開度指令を与える第１開度指令部３１と、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１以上である場合に第１開閉特性Ｌ１の開度よりも小さい開度を有する第２開閉特性Ｌ２に従って、第１小開度弁２１ｃに開度指令を与える第２開度指令部３２と、を有している。第１開度指令部３１は、流量指令値が第２流量指令値Ｑ２以上である場合に、大開度弁２１ａ、２１ｂに１００％開度指令を与え、大開度弁２１ａ、２１ｂの弁体４１ａ、４１ｂをバックシート４７ａ、４７ｂに当接させる。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、蒸気加減弁システム、発電プラントおよび蒸気加減弁の運転方法に関する。

一般的に、火力発電プラントなどの発電プラントは、ボイラーと、ボイラーから供給される蒸気を用いて回転駆動される高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンと、を備えている。高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンには発電機が連結されており、各タービンで得られた回転駆動力によって発電機が駆動されて発電が行われる。低圧タービンから排出された蒸気は、タービン排気として復水器に供給され、復水器において凝縮されて復水が生成される。生成された復水は、ボイラーに供給されて加熱され、蒸気が生成される。

高圧タービンの入口側には、ボイラーから供給される主蒸気の流量を制御する蒸気加減弁が設けられている。この蒸気加減弁によって主蒸気の流量が調整され、タービン回転数制御や発電機負荷制御が行われている。蒸気加減弁は、例えば４つの弁（第１弁〜第４弁）によって構成されており、各弁の出口は、高圧タービンの入口ノズルを４分割した部分にそれぞれ連結されている。このようにして、蒸気加減弁の各弁を通過した主蒸気は、入口ノズルの対応する部分に供給される。この間、蒸気加減弁の各弁の開度を調整することにより、高圧タービンの調速運転が行われる。

一般に、高圧タービンの調速運転の方式としては、２つの調速方式が挙げられる。一つは絞り調速方式（スロットルガバニング）であり、もう一つはノズル調速方式（ノズルガバニング）である。どちらの方式も利点と不利点とがある。例えば、絞り調速方式では、各弁を一様な開度とする運用が行われるため、高圧タービンの入口ノズルに均等に主蒸気を供給することができ、入口ノズルに温度差が生じて熱応力が発生することを抑制できる。また、タービン翼に対する蒸気の噴射が局所的になることを抑制し、タービン翼に振動応力（曲げの繰り返し応力）が発生することを抑制できる。しかしながら、絞り調速方式では、部分負荷運転時に主蒸気の流れの絞りによる圧力損失が発生してプラント効率が低下し得る。一方、ノズル調速方式では、各弁を順次開いていくという運用が行われるため、流れの圧力損失によるプラント効率の低下を抑制できる。しかしながら、ノズル調速方式では、入口ノズルに部分的に主蒸気が供給されるため、入口ノズルに温度差が生じて熱応力が発生し得るとともにタービン翼に対して蒸気が局所的に噴射されてタービン翼に振動応力が発生し得る。このような利点と不利点とを加味しながら、高圧タービンと発電機に要求される負荷制御や運転条件に合わせていずれかの調速方式が選択される。

図６に、ノズル調速方式での蒸気加減弁の開閉特性（リフトカーブ）を示す。図６の横軸は、高圧タービンの要求流量に応じた蒸気加減弁の流量指令値（タービン負荷）を示しており、縦軸は、蒸気加減弁の開度指令値が示されている。リフトカーブは、高圧タービンに供給すべき主蒸気の流量と高圧タービンの熱応力とを考慮して定められており、開度指令値は、このリフトカーブから流量指令値に対する値として求めることができる。このようにして、流量指令値に対して図６に示すリフトカーブＬａ、Ｌｂに従った開度指令値が各弁に与えられて、蒸気加減弁が運用されるようになっている。

図６に示す例では、タービン起動時などのような負荷上昇時には、低負荷から定格負荷の９０％程度までの間、第１弁から第３弁をリフトカーブＬａに従って同時に開き、互いに同一の開度で増大させていく。負荷が９０％を超えた後、第４弁を開き、引き続き各弁の開度を増大させていく。第４弁の開度は、第１弁から第３弁のリフトカーブＬａとは異なるリフトカーブＬｂに従って増大していく。

図６に示すように、各弁を開くタイミングを２つに分けて蒸気加減弁を運用することは、２アドミッションと呼ばれている。また、各弁を開くタイミングを３つに分けて蒸気加減弁を運用することは、３アドミッションと呼ばれる。

図７に、３アドミッションを採用したノズル調速方式での蒸気加減弁の開閉特性を示す。以下に、３アドミッションの開閉特性について説明する。

図７に示す例では、タービン起動時などのような負荷上昇時には、低負荷から定格負荷の６０％程度までの間、第１弁および第２弁をリフトカーブＬｃに従って同時に開き、互いに同一の開度で増大させていく。負荷が６０％を超えた後、第３弁を開き、負荷が９０％程度までの間、引き続き各弁の開度を増大させていく。第３弁の開度は、第１弁および第２弁のリフトカーブＬｃとは異なるリフトカーブＬｄに従って増大していく。負荷が９０％を超えた後、第４弁を開き、引き続き各弁の開度を増大させていく。第４弁の開度は、第１弁および第２弁のリフトカーブＬｃとは異なるとともに、第３弁のリフトカーブＬｄとも異なるリフトカーブＬｅに従って増大していく。

ここで、２アドミッションの利点はタービン起動時に、高圧タービンの入口ノズルの多くの領域に蒸気を流入させることができる。このため、入口ノズルに温度差により発生し得る熱応力を低減することができるとともに、蒸気の局所的な噴射によりタービン翼に発生し得る振動応力を低減することができる。不利点としては、蒸気加減弁を構成する４つの弁の全てが絞り運用となるため、蒸気流れの圧力損失が発生してプラント効率が低下し得る。

３アドミッションの利点は、定格負荷運転中、先行して開く２つの弁を全開とすることができるため、蒸気流れの圧力損失によるプラント効率低下を抑制できる。不利点としては、入口ノズルのうち蒸気が流入する領域が狭まるため、入口ノズルに温度差により発生し得る熱応力が増大し得るとともに蒸気の局所的な噴射によりタービン翼に発生し得る振動応力が増大し得る。

このような利点と不利点とを考慮しながら、２アドミッションと３アドミッションは、適宜選択される。

特開２００５−２９１１１３号公報 特開２０１７−５３３２４号公報

しかしながら、蒸気加減弁を構成する第１弁から第４弁の各々において、弁体が連結された弁棒が弁ケーシングを貫通する弁棒貫通部には、隙間が形成されている。このことにより、上述した２アドミッションおよび３アドミッションのいずれにおいても、弁棒貫通部の隙間から、弁内の蒸気が外部に漏洩し得る。このことは、プラント効率が低下し得る要因となっていた。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、タービンに発生する熱応力およびタービン翼に発生する振動応力を低減することができるとともに、蒸気の圧力損失の低減および蒸気漏れの低減によりプラント効率を向上させることができる蒸気加減弁システム、発電プラントおよび蒸気加減弁の運転方法を提供することを目的とする。

実施の形態による蒸気加減弁システムは、タービンに供給される蒸気の流量を、タービン負荷に応じた流量指令値に基づいて制御する蒸気加減弁システムである。この蒸気加減弁システムは、大開度弁と、第１小開度弁と、を有する蒸気加減弁と、蒸気加減弁を制御する蒸気加減弁制御装置と、を備えている。大開度弁は、弁体と、１００％開度時に弁体が当接するバックシートと、を含んでいる。蒸気加減弁制御装置は、第１開閉特性に従って大開度弁に開度指令を与える第１開度指令部と、流量指令値が第１流量指令値よりも小さい場合に第１開閉特性の開度と同一の開度を有する第２開閉特性であって、流量指令値が第１流量指令値以上である場合に第１開閉特性の開度よりも小さい開度を有する第２開閉特性に従って、第１小開度弁に開度指令を与える第２開度指令部と、を有している。第１開度指令部は、流量指令値が、第１流量指令値よりも大きい第２流量指令値以上である場合に、大開度弁に１００％開度指令を与え、大開度弁の弁体をバックシートに当接させる。

また、実施の形態による発電プラントは、蒸気発生器と、蒸気発生器から供給される蒸気を用いて回転駆動されるタービンと、タービンに供給される蒸気の流量を制御する上述した蒸気加減弁システムと、を備えている。

また、実施の形態による蒸気加減弁の運転方法は、タービンに供給される蒸気の流量を、タービン負荷に応じた流量指令値に基づいて制御する蒸気加減弁の運転方法である。この蒸気加減弁の運転方法は、弁体と、１００％開度時に弁体が当接するバックシートと、を含む大開度弁と、第１小開度弁と、を有する蒸気加減弁を準備する準備工程と、蒸気加減弁を開いてタービン負荷を上昇させる負荷上昇工程と、を備えている。負荷上昇工程は、大開度弁および第１小開度弁を開き、流量指令値が第１流量指令値となるまで、大開度弁の開度を増大させていくとともに、大開度弁の開度と同一となるように第１小開度弁の開度を増大させていく工程を有している。また、負荷上昇工程は、流量指令値が第１流量指令値となった場合に、第１小開度弁の開度が大開度弁の開度よりも小さい関係を維持しながら大開度弁の開度を増大させていくとともに第１小開度弁の開度を増大させていく工程を有している。更に、負荷上昇工程は、流量指令値が第１流量指令値よりも大きい第２流量指令値となった場合に、大開度弁を全開させて、大開度弁の弁体をバックシートに当接させる工程を有している。

本発明によれば、タービンに発生する熱応力およびタービン翼に発生する振動応力を低減することができるとともに、蒸気の圧力損失の低減および蒸気漏れの低減によりプラント効率を向上させることができる。

図１は、本実施の形態における発電プラントの全体構成を示す概略系統図である。 図２は、図１の蒸気加減弁の構成の一例を説明するための概念図である。 図３は、図２の蒸気加減弁の構造の一例を含む、本実施の形態における蒸気加減弁システムを示す模式図である。 図４は、図３の蒸気加減弁のリフトカーブを示す図である。 図５は、図３の蒸気加減弁を制御する蒸気加減弁制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 図６は、一般的な蒸気加減弁の２アドミッションのリフトカーブを示す図である。 図７は、一般的な蒸気加減弁の３アドミッションのリフトカーブを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における蒸気加減弁システム、発電プラントおよび蒸気加減弁の運転方法について説明する。

図１〜図５を用いて、本実施の形態における蒸気加減弁システム、発電プラントおよび蒸気加減弁の運転方法について説明する。ここではまず、図１を用いて、発電プラントの一例としての火力発電プラントについて説明する。

図１に示すように、火力発電プラント１は、ボイラー２と、蒸気タービン部３と、復水器４と、を備えている。

ボイラー２は、復水器４から供給された復水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生器５と、後述する高圧タービン７で膨張仕事を終えた主蒸気Ｓ１を過熱する再熱器６と、を有している。ボイラー２は、供給される燃料を、空気を混合させて燃焼させて燃焼ガスを生成し、生成された燃焼ガスの熱で、蒸気発生器５において復水から蒸気を発生させるとともに、再熱器６において蒸気を過熱している。

蒸気タービン部３は、高圧タービン７と、中圧タービン８と、低圧タービン９と、を有している。高圧タービン７、中圧タービン８および低圧タービン９の各タービン翼（動翼）が設けられた各タービンロータ（図示せず）は、互いに連結されている。

蒸気発生器５において発生した蒸気は、主蒸気Ｓ１として、主蒸気系１０を介して高圧タービン７に供給される。高圧タービン７は、蒸気発生器５から供給される主蒸気Ｓ１を用いて回転駆動される。すなわち、高圧タービン７に供給された主蒸気Ｓ１はタービン翼に対して膨張仕事を行い、高圧タービン７は回転駆動力を得る。膨張仕事を終えた主蒸気Ｓ１は、逆止弁１１を有する低温再熱系１２を通って再熱器６に供給される。

再熱器６において過熱された蒸気は、再熱蒸気Ｓ２として、再熱蒸気系１３を介して中圧タービン８に供給される。中圧タービン８に供給された再熱蒸気Ｓ２はタービン翼に対して膨張仕事を行い、中圧タービン８は回転駆動力を得る。膨張仕事を終えた再熱蒸気Ｓ２は、低圧タービン９に供給されてタービン翼に対して更に膨張仕事を行い、その後、タービン排気として復水器４に供給される。

復水器４に供給されたタービン排気は、凝縮されて復水となる。復水器４とボイラー２の蒸気発生器５は、復水給水系１４によって連結されており、この復水給水系１４が、給水ポンプ１５を有している。このことにより、復水器４内の復水は、給水ポンプ１５によって加圧されてボイラー２の蒸気発生器５に供給される。

このようにして、高圧タービン７、中圧タービン８および低圧タービン９は回転駆動力を得て、発電機１６（図２参照）が駆動されて、発電が行われる。

上述した主蒸気系１０は、主蒸気止め弁２０と、主蒸気止め弁２０の下流側に設けられた蒸気加減弁２１と、を有している。このうち、主蒸気止め弁２０は、主に負荷遮断時などの非常時に主蒸気Ｓ１の流れを止めるための弁であり、蒸気加減弁２１は、主に高圧タービン７に供給される主蒸気Ｓ１の流量を調整（制御）するための弁である。

再熱蒸気系１３は、再熱蒸気止め弁２２と、再熱蒸気止め弁２２の下流側に設けられた再熱蒸気加減弁２３（インターセプト弁）と、を有している。このうち、再熱蒸気止め弁２２は、主に非常時に再熱蒸気Ｓ２の流れを止めるための弁であり、再熱蒸気加減弁２３は、主に中圧タービン８に供給される再熱蒸気Ｓ２の流量を調整（制御）するための弁である。

本実施の形態における蒸気加減弁システム１００は、蒸気タービン部３（例えば、高圧タービン７）に供給される蒸気の流量を、蒸気タービン部３のタービン負荷に応じた流量指令値に基づいて制御するシステムである。このような蒸気加減弁システム１００は、上述した主蒸気系１０の蒸気加減弁２１と、蒸気加減弁２１を制御する蒸気加減弁制御装置３０と、を備えている。流量指令値は、図１に示す火力発電プラント１のプラント制御装置（図示せず）から蒸気加減弁制御装置３０に与えられる。以下に、この蒸気加減弁制御装置３０によって制御される蒸気加減弁２１についてより詳細に説明する。

図２に示すように、本実施の形態による蒸気加減弁２１は、大開度弁と、第１小開度弁と、第２小開度弁と、を有している。このうち、大開度弁は、第１大開度弁と、第２大開度弁と、を含んでいる。以下に述べる本実施の形態においては、第１大開度弁を第１弁２１ａとし、第２大開度弁を第２弁２１ｂとし、第１小開度弁を第３弁２１ｃとし、第２小開度弁（後行弁とも称する）を第４弁２１ｄとする。これらの第１弁２１ａ、第２弁２１ｂ、第３弁２１ｃおよび第４弁２１ｄが、本実施の形態による蒸気加減弁制御装置３０によって制御される。

図２に示すように、各弁２１ａ〜２１ｄの出口は、４分割された高圧タービン７の入口ノズル７ａにそれぞれ連結されている。このことにより、各弁２１ａ〜２１ｄを通過した主蒸気Ｓ１は、入口ノズル７ａの対応する部分に供給される。このようにして入口ノズル７ａに主蒸気Ｓ１が供給されて、高圧タービン７において主蒸気Ｓ１が膨張仕事を行い、高圧タービン７が回転駆動力を得るように構成されている。

図３に、蒸気加減弁２１の構造の一例を模式的に示す。図３では、第１弁２１ａ〜第４弁２１ｄが一体的に形成されており、一体の弁ケーシング４０に収容されている例が示されているが、これに限られることはない。各弁２１ａ〜２１ｄは、別々に構成されて、別々の弁ケーシングに収容されていてもよい。

第１弁２１ａは、弁体４１ａと、全閉時（０％開度時）に弁体４１ａが当接する弁着座部４２ａと、弁体４１ａが連結された弁棒４３ａと、を含んでいる。弁棒４３ａは、弁ケーシング４０に設けられた弁棒貫通部４４ａを貫通して、弁ケーシング４０の内部から外部に延びている。弁棒貫通部４４ａは、例えば、弁ケーシング４０に設けられた弁蓋４５ａによって構成することができる。弁蓋４５ａは、弁棒４３ａが貫通する貫通孔４６ａを有しており、弁棒４３ａは、弁ケーシング４０の内部から貫通孔４６ａを通って外部に延びている。貫通孔４６ａには弁棒４３ａをスムーズに移動させるためのブッシュ（図示せず）が挿入されている。

第１弁２１ａは、全開時（１００％開度時）に弁体４１ａが当接するバックシート４７ａを更に含んでいる。バックシート４７ａは、弁棒４３ａの移動方向（図３における上下方向）において弁着座部４２ａとは反対側に設けられている。ここでは、弁蓋４５ａに、バックシート４７ａが設けられている例が示されている。すなわち、本実施の形態による弁体４１ａは、上述した弁着座部４２ａに当接する第１弁体部４８ａと、バックシート４７ａに当接する第２弁体部４９ｂと、を含んでいる。弁棒４３ａの移動方向において、第１弁体部４８ａは、弁着座部４２ａの側に配置され、第２弁体部４９ａは、バックシート４７ａの側に配置されている。

弁棒４３ａの外端は、図示しない油圧駆動装置に連結されている。上述した蒸気加減弁制御装置３０からの流量指令値を受けて油圧駆動装置が駆動されて、第１弁体部４８ａが弁着座部４２ａに当接する位置（全閉位置）と、第２弁体部４９ａがバックシート４７ａに当接する位置（全開位置）との間で、弁体４１ａが移動するように構成されている。第１弁体部４８ａが弁着座部４２ａに当接している間、高圧タービン７への主蒸気Ｓ１の流れが遮断される。第２弁体部４９ａがバックシート４７ａに当接している間、弁棒貫通部４４ａにおいて弁棒４３ａの周囲に形成された隙間から外部への蒸気の漏れ流れが遮断される。

第２弁２１ｂ、第３弁２１ｃおよび第４弁２１ｄも、第１弁２１ａと同様に構成されている。すなわち、第２弁２１ｂ、第３弁２１ｃおよび第４弁２１ｄも、第１弁体部４８ｂ〜４８ｄおよび第２弁体部４９ｂ〜４９ｄを含む弁体４１ｂ〜４１ｄと、弁着座部４２ｂ〜４２ｄと、弁棒４３ｂ〜４３ｄと、弁棒貫通部４４ｂ〜４４ｄと、を含んでいる。弁棒貫通部４４ｂ〜４４ｄは、貫通孔４６ｂ〜４６ｄを有する弁蓋４５ｂ〜４５ｄによって構成されている。第２弁２１ｂ、第３弁２１ｃおよび第４弁２１ｄは、バックシート４７ｂ〜４７ｄを更に含んでいる。そして、弁２１ｂ〜２１ｄも、蒸気加減弁制御装置３０からの流量指令値を受けて油圧駆動装置が駆動されて、第１弁体部４８ｂ〜４８ｄが弁着座部４２ｂ〜４２ｄに当接する位置（全閉位置）と、第２弁体部４９ｂ〜４９ｄがバックシート４７ｂ〜４７ｄに当接する位置（全開位置）との間で、弁体４１ｂ〜４１ｄが移動するように構成されている。

蒸気加減弁２１の第１弁２１ａ〜第４弁２１ｄの開度は、図４に示すような開閉特性に従って調整される。より具体的には、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度は、流量指令値に応じて第１リフトカーブＬ１（第１開閉特性）に従って調整される。第３弁２１ｃの開度は、流量指令値に応じて第２リフトカーブＬ２（第２開閉特性）に従って調整され、第４弁２１ｄの開度は、流量指令値に応じて第３リフトカーブＬ３（第３開閉特性）に従って調整される。なお、第４弁２１ｄは、流量指令値が後述する第３流量指令値Ｑ３よりも小さい間、閉じている。また、各リフトカーブＬ１〜Ｌ３は、流量指令値の増大に伴って加減弁開度指令値が１００％となると、その後の開度指令値が１００％に維持されるように、設定されている。ここで、１００％開度は、各弁２１ａ〜２１ｄの最大開度（全開状態）を意味している。

第２リフトカーブＬ２は、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１よりも小さい場合に第１リフトカーブＬ１の開度と同一の開度を有するとともに、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１以上である場合に、第１リフトカーブＬ１の開度よりも小さい開度を有している。すなわち、第２リフトカーブＬ２は、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１となる点で、第１リフトカーブＬ１から分岐するような特性を有している。第３リフトカーブＬ３は、流量指令値が第３流量指令値Ｑ３以上である場合に、第４弁２１ｄを、第２リフトカーブＬ２の開度よりも小さい開度で開くような特性を有している。このように、本実施の形態による蒸気加減弁２１は、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１未満である場合、２アドミッションで運用され、第１流量指令値Ｑ１以上である場合、あたかも３アドミッションのように運用される。なお、定格負荷運転時の流量指令値を定格流量指令値Ｑｒとすると、上述した第２流量指令値Ｑ２は、定格流量指令値Ｑｒよりも小さく、上述した第３流量指令値Ｑ３は、定格流量指令値Ｑｒよりも小さくなっている。

本実施の形態においては、図４に示すように、流量指令値が、第１流量指令値Ｑ１よりも大きくかつ第３流量指令値Ｑ３よりも小さい第２流量指令値Ｑ２以上である場合、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度は、１００％開度となる。すなわち、蒸気加減弁２１の定格負荷運転時だけでなく、部分負荷運転時においても、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂは全開になっている。

次に、上述のような開閉特性を有する蒸気加減弁２１を制御する蒸気加減弁制御装置３０の構成について、図５を用いて説明する。

図５に示すように、蒸気加減弁制御装置３０は、第１リフトカーブＬ１に従って第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂに開度指令を与える第１開度指令部３１と、第２リフトカーブＬ２に従って第３弁２１ｃに開度指令を与える第２開度指令部３２と、第３リフトカーブＬ３に従って第４弁２１ｄに開度指令を与える第３開度指令部３３と、を備えている。

第１開度指令部３１は、流量指令値を変換して第１弁２１ａに与えるための開度指令値を作成する第１変換関数発生器３４と、流量指令値を変換して第２弁２１ｂに与えるための開度指令値を作成する第２変換関数発生器３５と、を有している。

第１変換関数発生器３４には、図４に示す第１リフトカーブＬ１が予め記憶されている。第１リフトカーブＬ１は、蒸気加減弁制御装置３０に与えられた流量指令値と、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂの開度指令値との関係を示している。蒸気加減弁制御装置３０に流量指令値が与えられると、第１変換関数発生器３４は、この流量指令値に対応する開度指令値を第１リフトカーブＬ１から求める。

第２変換関数発生器３５は、第１変換関数発生器３４と同様に構成されている。すなわち、第２変換関数発生器３５には、図５に示す第１リフトカーブＬ１が予め記憶されており、この第１リフトカーブＬ１から開度指令値を求める。

第１開度指令部３１は、流量指令値が第２流量指令値Ｑ２以上である場合に、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂに１００％開度指令（全開指令）を与えるように構成されている。この場合、第１弁２１ａの弁体４１ａがバックシート４７ａに当接するとともに、第２弁２１ｂの弁体４１ｂがバックシート４７ｂに当接する。

上述のようにして作成された開度指令値は、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂにそれぞれ与えられる。より具体的には、流量指令値が第２流量指令値Ｑ２よりも小さい場合には、第１弁２１ａに第１変換関数発生器３４で作成された開度指令値が与えられ、第２弁２１ｂに第２変換関数発生器３５で作成された開度指令値が与えられる。第１弁２１ａの弁体４１ａ（図３参照）は、与えられた開度指令値に基づいて駆動され、第１弁２１ａの開度が、開度指令値で示す開度となるように調整される。第２弁２１ｂも同様にして、第２弁２１ｂの開度が、開度指令値で示す開度となる。流量指令値が第２流量指令値Ｑ２以上である場合には、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂに、１００％開度指令値がそれぞれ与えられ、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度が、それぞれ１００％開度となる。

第２開度指令部３２は、流量指令値を変換して第３弁２１ｃに与えるための開度指令値を作成する第３変換関数発生器３６を有している。第３変換関数発生器３６には、図４に示す第２リフトカーブＬ２が予め記憶されている。第２リフトカーブＬ２は、蒸気加減弁制御装置３０に与えられた流量指令値と、第３弁２１ｃの開度指令値との関係を示している。蒸気加減弁制御装置３０に流量指令値が与えられると、第３変換関数発生器３６は、この流量指令値に対応する開度指令値を第２リフトカーブＬ２から求める。

第３開度指令部３３は、流量指令値が第３流量指令値Ｑ３以上である場合に、流量指令値を変換して第４弁２１ｄに与えるための開度指令値を作成する第４変換関数発生器３７を有している。第４変換関数発生器３７には、図４に示す第３リフトカーブＬ３が予め記憶されている。第３リフトカーブＬ３は、蒸気加減弁制御装置３０に与えられた流量指令値と、第４弁２１ｄの開度指令値との関係を示している。蒸気加減弁制御装置３０に流量指令値が与えられると、第４変換関数発生器３７は、この流量指令値に対応する開度指令値を第３リフトカーブＬ３から求める。また、第３開度指令部３３は、流量指令値が第３流量指令値Ｑ３よりも小さい場合に第４弁２１ｄに全閉指令値を与える。この場合、第４弁２１ｄは閉じられる。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用、すなわち蒸気加減弁の運転方法について説明する。

まず、準備工程として、弁体４１ａ〜４１ｄと、バックシート４７ａ〜４７ｄと、を有する弁２１ａ〜２１ｂを準備する。

準備工程に続いて、負荷上昇工程として、蒸気加減弁２１を開いて、タービンの負荷を上昇させる。

負荷上昇工程として、タービン起動時などのような負荷上昇時における蒸気加減弁２１の第１弁２１ａ〜第４弁２１ｄの開度の推移について説明する。この場合、蒸気加減弁２１に与えられる流量指令値は増大していく。

まず、図４に示すように、第１弁２１ａ、第２弁２１ｂおよび第３弁２１ｃが同時に開く。そして、流量指令値の増大に伴って、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１となるまで、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度は、第１リフトカーブＬ１に従って増大していく。同様にして、第３弁２１ｃの開度は、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１となるまで、第２リフトカーブＬ２に従って増大していく。この間、第３弁２１ｃの開度は、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度と同一となるように増大していく。このことにより、蒸気加減弁２１を通過する主蒸気Ｓ１の流量を確保している。一方、この間、第４弁２１ｄは閉じている。また、この間の蒸気加減弁２１を通過する蒸気の流量は、絞り調速、すなわち、第１弁２１ａの開度、第２弁２１ｂの開度および第３弁２１ｃの開度の調整によって調整される。

続いて、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１となると、第３弁２１ｃの開度は、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度よりも小さくなる。そして、第３弁２１ｃの開度が第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度よりも小さい関係を維持しながら、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度は、第１リフトカーブＬ１に従って増大していき、第３弁２１ｃの開度は第２リフトカーブＬ２に従って増大していく。この間、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度は、同一となっている。一方、この間、第４弁２１ｄは、依然として閉じている。また、この間の蒸気加減弁２１を通過する蒸気の流量は、絞り調速、すなわち、第１弁２１ａの開度、第２弁２１ｂの開度および第３弁２１ｃの開度の調整によって調整される。なお、図４に示すように、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１になった後、第３弁２１ｃの開度は、所望の流量指令値になるまでは一定に維持されて、その後に増大させるようにしてもよい。しかしながら、このことに限られることはなく、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１になった後、第３弁２１ｃの開度は、増大し続けるようにしてもよい。

次に、流量指令値が第２流量指令値Ｑ２となると、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂに１００％開度指令が与えられる。このことにより、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度は、１００％開度となる（全開する）。そして、流量指令値が第２流量指令値Ｑ２以上となっている間、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度は、１００％開度に維持される。この間の蒸気加減弁２１を通過する蒸気の流量は、絞り調速、すなわち、第３弁２１ｃの開度の調整によって調整される。

第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂの開度が１００％開度となると、各弁２１ａ、２１ｂの弁体４１ａ、４１ｂの第２弁体部４９ａ、４９ｂがバックシート４７ａ、４７ｂに当接する。このことにより、弁棒貫通部４４ａ、４４ｂの隙間から、蒸気が外部に漏れることが防止できる。

ここで、蒸気加減弁２１の各弁２１ａ〜２１ｄには、蒸気の通過可能な流量が大きめに設計された弁が用いられることが一般的である。このことから、定格負荷運転時においても、各弁２１ａ〜２１ｄをいずれも全開させないように運用していた。このため、各弁２１ａ〜２１ｄの弁棒貫通部４４ａ〜４４ｂの隙間からの蒸気の漏れの対策が困難になっていた。

これに対して本実施の形態では、定格負荷運転時および部分負荷運転時に、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂが、全開になっている。このため、弁体４１ａ、４１ｂが当接可能なバックシート４７ａ、４７ｂを設けることにより、弁棒貫通部４４ａ、４４ｂの隙間からの蒸気の漏れ流れを遮断することが可能になっている。

続いて、流量指令値が第３流量指令値Ｑ３となると、第４弁２１ｄが開く。このことにより、本実施の形態による蒸気加減弁２１は２アドミッションで運用され、ノズル調速が行われる。そして、流量指令値の増大に伴って、第４弁２１ｄの開度は、第３弁２１ｃの開度よりも小さい関係を維持しながら、第３弁２１ｃの開度および第４弁２１ｄの開度が第３リフトカーブＬ３に従って増大していく。この間、上述したように、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度は、１００％開度に維持される。このことにより、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂを通過する主蒸気Ｓ１の絞りによる圧力損失が低減され得る。また、この間の蒸気加減弁２１を通過する主蒸気Ｓ１の流量は、絞り調速、すなわち、第３弁２１ｃの開度および第４弁２１ｄの開度の調整によって調整されるが、第４弁２１ｄの開度が第３弁２１ｃの開度よりも小さいため、第３弁２１ｃの開度よりも第４弁２１ｄの開度の影響を受ける傾向にある。

その後、流量指令値が定格負荷に相当する定格流量指令値Ｑｒに達し、蒸気加減弁２１の全体としての開度が定格開度となる。この場合、蒸気加減弁２１の定格負荷運転が行われる。この際、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度は１００％開度となっているため、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂを通過する主蒸気Ｓ１の絞りによる圧力損失が低減され得るとともに、上述したように弁棒貫通部４４ａ、４４ｂの隙間からの蒸気の漏れが低減され得る。第３弁２１ｃは、１００％開度よりもやや小さい開度となっているが、第４弁２１ｄよりも大きな開度を有しており、第３弁２１ｃを通過する主蒸気Ｓ１の絞りによる圧力損失も低減され得る。

タービン停止時などのような負荷降下時、例えば定格負荷運転を行っていた蒸気加減弁２１の負荷を降下させる際には、蒸気加減弁２１の第１弁２１ａ〜第４弁２１ｄの開度の推移は、上述した負荷上昇時における第１弁２１ａ〜第４弁２１ｄの開度の推移を逆から辿ることになるため、ここでは詳細な説明は省略する。

このように本実施の形態によれば、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１よりも小さい場合に、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂの第１リフトカーブＬ１と同一の第２リフトカーブＬ２で、第３弁２１ｃが開く。このことにより、高圧タービン７の入口ノズル７ａの多くの領域（本実施の形態では、４つの領域のうちの３つの領域）に、蒸気を流入させることができる。このため、タービン起動時のうち温度差が生じやすい蒸気流入開始時に、入口ノズル７ａに温度差により発生し得る熱応力を低減することができる。また、タービン起動時のうちタービン翼に対する蒸気の噴射が局所的になりやすい蒸気流入開始時に、タービン翼に発生し得る振動応力を低減することができる。

また、本実施の形態によれば、流量指令値が、第２流量指令値Ｑ２以上である場合に、第１弁２１ａの開度および第２弁２１ｂの開度を１００％開度とすることができ、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂを通過する主蒸気Ｓ１の絞りによる圧力損失を低減することができる。このため、蒸気加減弁２１を通過する蒸気の圧力損失を低減することができる。特に、定格負荷運転中および部分負荷運転中のいずれにおいても蒸気加減弁２１を通過する蒸気の圧力損失を低減することができる。火力発電プラント１のプラント効率を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、流量指令値が、第１流量指令値Ｑ１よりも大きくかつ第３流量指令値Ｑ３よりも小さい第２流量指令値Ｑ２以上である場合に、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂに１００％開度指令が与えられる。このことにより、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂの弁体４１ａ、４１ｂの第２弁体部４９ａ、４９ｂを、バックシート４７ａ、４７ｂにそれぞれ当接させることができる。このため、弁棒貫通部４４ａ、４４ｂの隙間から蒸気が漏洩することを防止でき、プラント効率を向上させることができる。特に、定格負荷運転時中および部分負荷運転中のいずれにおいても蒸気の漏洩を防止することができ、プラント効率を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、第３弁２１ｃが、１００％開度時に弁体４１ｃの第２弁体部４９ｃが当接するバックシート４７ｃを含んでいる。このことにより、蒸気加減弁２１が過負荷運転時（定格流量指令値Ｑｒよりも大きい流量指令値での運転時）に、第３弁２１ｃの開度を１００％開度としたときに、第３弁２１ｃの弁棒貫通部４４ｃの隙間から蒸気が漏洩することを防止できる。このため、過負荷運転時においても、プラント効率をより一層向上させることができる。

さらに、本実施の形態によれば、第４弁２１ｄが、１００％開度時に弁体４１ｄの第２弁体部４９ｄが当接するバックシート４７ｄを含んでいる。このことにより、蒸気加減弁２１が過負荷運転時（上述した第３弁２１ｃの全開運転時流量指令値よりも更に大きい流量指令値での運転時）に、第４弁２１ｄの開度を１００％開度としたときに、第４弁２１ｄの弁棒貫通部４４ｄの隙間から蒸気が漏洩することを防止できる。このため、過負荷運転時においても、プラント効率をより一層向上させることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、第１開度指令部３１が第１変換関数発生器３４と第２変換関数発生器３５とを有し、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂに別々に開度指令が与えられる例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂに開度指令を与えることができれば、第１開度指令部３１は、いずれか一方の変換関数発生器から第１弁２１ａおよび第２弁２１ｂに開度指令を与えるようにしてもよい。

また、上述した本実施の形態においては、第３リフトカーブＬ３に従う第４弁２１ｄを有し、２アドミッションで運用される蒸気加減弁２１を例にとって説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、第４弁２１ｄが、第３リフトカーブＬ３に従うことなく、タービン起動時に第３弁２１ｃと同様の第２リフトカーブＬ２に従って開くように運用してもよい。このような運用は、１アドミッションと呼ばれる。この場合、高圧タービン７の入口ノズル７ａの全ての領域に、蒸気を流入させることができる。このため、タービン起動時のうち温度差が生じやすい蒸気流入開始時に、入口ノズル７ａに温度差により発生し得る熱応力をより一層低減することができる。また、タービン起動時のうちタービン翼に対する蒸気の噴射が局所的になりやすい蒸気流入開始時に、タービン翼に発生し得る振動応力を低減することができる。なお、この形態では、第４弁２１ｄが、負荷上昇時に、第３弁２１ｃの開度と同一の開度となるように、蒸気加減弁制御装置３０の第３開度指令部３３を、第２リフトカーブＬ２に従って第４弁２１ｄに開度指令を与えるように構成してもよい。あるいは、第３変換関数発生器３６から第３弁２１ｃおよび第４弁２１ｄに開度指令を与えるようにしてもよい。

また、上述した本実施の形態による蒸気加減弁２１に、変圧運転を適用してもよい。ここで、変圧運転とは、部分負荷運転時に蒸気発生器５から発生する主蒸気Ｓ１の圧力をタービン負荷に見合うように減圧させてプラント熱効率の低下を改善させるための運転である。変圧運転を適用する場合、例えば、流量指令値が第１流量指令値Ｑ１と第２流量指令値Ｑ２との間の範囲のうち所望の範囲（例えば、負荷３０％〜９０％の範囲）において、変圧運転が行われることが好適である。

さらに、上述した本実施の形態においては、発電プラントの一例として火力発電プラント１を例にとって説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、発電プラントは、例えば原子力発電プラントであってもよく、蒸気タービンが設置される任意の発電プラントに本実施の形態を適用することが可能である。

以上述べた実施の形態によれば、タービンに発生する熱応力およびタービン翼に発生する振動応力を低減することができるとともに、蒸気の圧力損失の低減および蒸気漏れの低減によりプラント効率を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

１：火力発電プラント、２：ボイラー、５：蒸気発生器、７：高圧タービン、２１：蒸気加減弁、２１ａ：第１弁、２１ｂ：第２弁、２１ｃ：第３弁、２１ｄ：第４弁、３０：蒸気加減弁制御装置、３１：第１開度指令部、３２：第２開度指令部、３３：第３開度指令部、４１ａ〜４１ｄ：弁体、４７ａ〜４７ｄ：バックシート、１００：蒸気加減弁システム、Ｌ１：第１リフトカーブ、Ｌ２：第２リフトカーブ、Ｌ３：第３リフトカーブ、Ｑ１：第１流量指令値、Ｑ２：第２流量指令値、Ｑ３：第３流量指令値、Ｑｒ：定格流量指令値、Ｓ１：主蒸気

Claims (11)

1. タービンに供給される蒸気の流量を、タービン負荷に応じた流量指令値に基づいて制御する蒸気加減弁システムであって、
   大開度弁と、第１小開度弁と、を有する蒸気加減弁と、
   前記蒸気加減弁を制御する蒸気加減弁制御装置と、を備え、
   前記大開度弁は、弁体と、１００％開度時に前記弁体が当接するバックシートと、を含み、
   前記蒸気加減弁制御装置は、
   第１開閉特性に従って前記大開度弁に開度指令を与える第１開度指令部と、
   前記流量指令値が第１流量指令値よりも小さい場合に前記第１開閉特性の開度と同一の開度を有する第２開閉特性であって、前記流量指令値が前記第１流量指令値以上である場合に前記第１開閉特性の開度よりも小さい開度を有する第２開閉特性に従って、前記第１小開度弁に開度指令を与える第２開度指令部と、を有し、
   前記第１開度指令部は、前記流量指令値が、前記第１流量指令値よりも大きい第２流量指令値以上である場合に、前記大開度弁に１００％開度指令を与え、前記大開度弁の前記弁体を前記バックシートに当接させる、蒸気加減弁システム。
2. 前記蒸気加減弁は、第２小開度弁を更に有し、
   前記蒸気加減弁制御装置は、前記流量指令値が前記第２流量指令値よりも大きい第３流量指令値よりも小さい場合に、前記第２小開度弁に０％開度指令を与えるとともに、前記流量指令値が前記第３流量指令値以上である場合に、前記第２開閉特性の開度よりも小さい開度を有する第３開閉特性に従って前記第２小開度弁に開度指令を与える第３開度指令部を更に有している、請求項１に記載の蒸気加減弁システム。
3. 前記第３流量指令値は、前記蒸気加減弁の定格負荷運転時における定格流量指令値よりも小さい、請求項２に記載の蒸気加減弁システム。
4. 前記蒸気加減弁は、第２小開度弁を更に有し、
   前記蒸気加減弁制御装置は、前記第２開閉特性に従って前記第２小開度弁に開度指令を与える、請求項１に記載の蒸気加減弁システム。
5. 前記大開度弁は、第１大開度弁と第２大開度弁とを含み、
   前記第１大開度弁および前記第２大開度弁は、前記弁体および前記バックシートをそれぞれ含み、
   前記第１開度指令部は、前記第１開閉特性に従って前記第１大開度弁および前記第２大開度弁に開度指令を与えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸気加減弁システム。
6. 前記第１小開度弁は、弁体と、１００％開度時に前記弁体が当接するバックシートと、を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の蒸気加減弁システム。
7. 前記第２小開度弁は、弁体と、１００％開度時に前記弁体が当接するバックシートと、を含む請求項２〜４のいずれか一項に記載の蒸気加減弁システム。
8. 蒸気発生器と、
   前記蒸気発生器から供給される蒸気を用いて回転駆動されるタービンと、
   前記タービンに供給される蒸気の流量を制御する請求項１〜７のいずれか一項に記載の蒸気加減弁システムと、を備えた、発電プラント。
9. タービンに供給される蒸気の流量を、タービン負荷に応じた流量指令値に基づいて制御する蒸気加減弁の運転方法であって、
   弁体と、１００％開度時に前記弁体が当接するバックシートと、を含む大開度弁と、第１小開度弁と、を有する蒸気加減弁を準備する準備工程と、
   前記蒸気加減弁を開いてタービン負荷を上昇させる負荷上昇工程と、を備え、
   前記負荷上昇工程は、
   前記大開度弁および前記第１小開度弁を開き、前記流量指令値が第１流量指令値となるまで、前記大開度弁の開度を増大させていくとともに、前記大開度弁の開度と同一となるように前記第１小開度弁の開度を増大させていく工程と、
   前記流量指令値が前記第１流量指令値となった場合に、前記第１小開度弁の開度が前記大開度弁の開度よりも小さい関係を維持しながら前記大開度弁の開度を増大させていくとともに前記第１小開度弁の開度を増大させていく工程と、
   前記流量指令値が前記第１流量指令値よりも大きい第２流量指令値となった場合に、前記大開度弁を全開させて、前記大開度弁の前記弁体を前記バックシートに当接させる工程と、を有している、蒸気加減弁の運転方法。
10. 前記蒸気加減弁は、第２小開度弁を更に有し、
    前記負荷上昇工程は、前記流量指令値が前記第２流量指令値よりも大きい第３流量指令値となった場合に、前記第２小開度弁を開き、前記第２小開度弁の開度が前記第１小開度弁の開度よりも小さい関係を維持しながら前記第１小開度弁の開度および前記第２小開度弁の開度を増大させていく工程を更に有している、請求項９に記載の蒸気加減弁の運転方法。
11. 前記蒸気加減弁は、第２小開度弁を更に有し、
    前記負荷上昇工程において、前記第１小開度弁の開度と同一となるように前記第２小開度弁の開度を増大させていく、請求項９に記載の蒸気加減弁の運転方法。

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