JP4377658B2

JP4377658B2 - 低圧蒸気タービンプラント

Info

Publication number: JP4377658B2
Application number: JP2003380207A
Authority: JP
Inventors: 竜平竹丸
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2023-11-10
Also published as: JP2005140082A

Description

本発明は、潤滑油と制御油供給系統を効率的に構成した低圧蒸気タービンプラント、特に地熱蒸気タービンプラント、に関する。

ガスタービンや蒸気タービン等の原動機において、その制御系は、原動機容量の増大に伴う時定数の増大を補償してより迅速な制御を可能にすべく、機械油圧制御（ＭＨＣ）方式から電気油圧制御（ＥＨＣ）方式へと移行し、更によりよい制御性能を求めて、制御油圧も低圧（例えば１．４〜１．６ＭＰａＧ）から高圧（例えば１０ＭＰａＧ以上）へと次第に高い圧力が用いられるようになっている。このような高油圧制御系の使用に伴い、系から制御油が万一漏洩した際には、これが霧状に飛散して引火し、火災が発生するおそれが生ずる。このため、高圧制御油としては、万一漏洩した際にも引火のおそれの無いリン酸エステル系難燃性作動油が用いられている。これに対し、蒸気タービンの潤滑油の供給系は、一般に低圧（たとえば１．０〜２．０ＭＰａＧ）であり、潤滑油の漏洩霧化による引火に対処した難燃性作動油の必要性は乏しく、一般にタービン油と称される石油系の精製油に、必要に応じて酸化防止剤、消泡剤、さび止め剤などの添加剤を添加した中粘度潤滑油が使用されている。

従って、高油圧制御系を備えたガスタービン、蒸気タービン等の原動機においては、一般に、潤滑油供給系と制御油供給系が互いに分離独立した系統として必要となり、これが、リン酸エステル系難燃油の高価なことと相まって、タービンプラントの装置および運転コストならびにメンテナンスコストの増大を招くという難点があった。

これに対し、ガスタービンや蒸気タービン等の原動機制御系において、上記したようなリン酸エステル系難燃油の高圧制御油としての使用に伴なう問題点を、高圧制御油としてタービン油を用いることにより解決しようとする提案もなされている（特開２０００−３８９０５号公報）。実施例としては、ガスタービンへの適用例が説明されており、リン酸エステル系難燃油のタービン油への変更に加えて、制御油の供給系統を主油ポンプと補助油ポンプの２系統に変更するものとされている。しかしながら、従来のリン酸エステル系難燃油を高圧制御油として用いるタービン油圧制御系においても、油供給ポンプの２系統化は既に行われていたものであり、これによりリン酸エステル系難燃油からタービン油への変更により想定される上記した高圧制御油の万一の漏洩・霧化による火災の発生の問題は何ら解決された訳ではない。

上述の事情に鑑み、本発明の主要な目的は、高油圧制御系を用いながらリン酸エステル系難燃油の高圧制御油としての使用に伴なう問題点を解消し、更に安全且つ効率的なタービンプラントを提供することを目的とする。

本発明によれば、少なくとも１台の低圧蒸気タービンと、該低圧蒸気タービンへ潤滑油を供給する潤滑油ポンプと、少なくとも該低圧蒸気タービンへの主蒸気加減弁を駆動制御するサーボ弁を含む高油圧制御系と、該高油圧制御系へ高圧制御油を供給する高圧油発生ポンプとを含み、更に潤滑油ポンプおよび高圧油発生ポンプにそれぞれ供給される潤滑油および高圧制御油として共用されるタービン油の共通油タンクを備えた低圧蒸気タービンプラントが提供される。

上述したように本発明によれば、高油圧制御系を用いながら、リン酸エステル系難燃油からなる高圧制御油の使用に伴なう問題点を解消し、更に安定且つ効率的な低圧蒸気タービンプラントが提供される。特に、潤滑油と高圧制御油の供給系統を効率的に統合できるため、装置コストの大幅な低減と油の管理等の運用コスト、及びメンテナンスコストの低減がはかれる。

また、高圧制御油の必要油量は潤滑油量に比べ約１割以下程度ときわめて小さい。そのため、本発明で使用する共通油タンクの容量は、制御油用の必要油量を考慮しなくてもよく、潤滑油循環油量から決定される容量でよいため、別タンクを有していたときの制御油タンクに相当する装置コストはほぼ全額低減できる。

また、制御油が別タンクを有する系統であったときは、油量が少ない為に、油の経年劣化負荷が大きかった。しかしながら本発明によれば、制御油の容量は増加する為に、単位量当りの油の経年劣化負荷は著しく低減でき、高価な制御油の交換に伴う費用も低減できる。

さらに、本発明の低圧蒸気タービンプラントは、地熱発電プラントに好適に適用できるが、これ以外にも、海洋温度差発電等に用いられるフロンなどの冷媒を用いたタービン等、高油圧制御系により制御される低圧蒸気タービンを使用する任意のプラントに適用可能である。

本発明は、火災の原因となる（制御）油の着火には、他の火源による引火と、自然着火（発火）とがあり、人為的に可能な火源あるいは火気の制限を行うという前提の下では、タービン油の自然着火温度（一般に２２０〜２９０℃程度である）以上で、最高温度が１５００℃にも達する温度で運転されるガスタービンについては無理であるが、タービン油の自然着火温度以下の蒸気温度で運転される蒸気タービン、特に飽和蒸気圧に近い低圧蒸気を駆動源とする地熱蒸気タービンプラントにおいては、制御油の万一の漏洩が起ったとしても着火・火災の発生は起らないという着想ならびに事実認識に基づいている。そして、火災発生の原因となる高圧制御油の漏洩の可能性にしても、加水分解により腐食性のリン酸を生ずるリン酸エステル系難燃油に比べて、石油系のタービン油は、はるかに化学的に安定であり、油圧制御系を構成するポンプ、弁類、配管等の機器の腐食、したがって漏洩の危険性は著しく少なくなる。かくして、高圧制御油としてタービン油をリン酸エステル系難燃油に代替使用することにより、加水分解性のリン酸エステル系難燃油を使用することに伴う、油自体の高価なこと、加水分解生成物の吸着除去フィルター装置、高度の水分除去装置、専用タンクならびに付属装置の必要性等の問題点が解消され、効率的なプラント構成が可能となる。

以下、実施例について図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。各図において、同様な部分は同一符号により示す。

（第１の実施例）
図１は、地熱蒸気発電プラントとして構成された本発明の一実施例にかかる低圧蒸気タービンプラントの系統図である。図１を参照して、この例の低圧蒸気タービンプラントは、低圧蒸気タービン１、潤滑油ポンプ２ａおよび２ｂ、非常用潤滑油ポンプ３、制御油用高圧油発生ポンプ４ａおよび４ｂ、高油圧制御系５、共通油タンク６、地熱蒸気発生ユニット７および発電機８より主としてなる。

この例において、それぞれＡＣ駆動モータ２１ａおよび２１ｂにより直結駆動される潤滑油ポンプ２ａおよび２ｂ、ならびにＤＣ駆動モータ３１により直結駆動される非常用潤滑油ポンプ３は、いずれも遠心ポンプからなり、サクション抵抗を減ずるために、共通油タンク６中に収容された共通油としてのタービン油１０中に埋設するように配置されているが、タンク６外に配置してもよい。潤滑油ポンプ２ａおよび２ｂは、互いに並列であり、通常は交代で用いられるが必要に応じて同時に用いてもよい。非常用ポンプ３は、ＤＣ駆動となっており、ＡＣ電源喪失時、例えばプラント起動前などのポンプ２ａまたは２ｂの作動不能時に、これらに代って軸受油供給のバックアップ・ポンプとなるものである。

定常運転において、潤滑油ポンプ２ａまたは２ｂより吐出された共通油タンク６中のタービン油１０は、ポンプ出口配管２２ａまたは２２ｂおよび逆止弁３３を経て潤滑油主供給管路２３に流出し、油冷却器２４および潤滑油供給フィルター２５を経て、低圧蒸気タービン１の軸受１１ａ、１１ｂに供給され、潤滑油としての作用後、戻り配管２６を経て共通油タンク６に戻る。

蒸気タービン１は、地熱蒸気発生ユニットで発生され、高油圧制御系５により制御された主蒸気蒸気加減弁７１および主蒸気配管７２を経て供給された、ほぼ飽和蒸気圧としての約０．２〜１．０ＭＰａＧの圧力および温度１００〜２００℃を有する主蒸気により、回転駆動され、その回転駆動力を発電機８に供給して所定の発電を行うように構成されている。

このように、本発明においては、主として飽和蒸気により駆動される低圧蒸気タービンの使用を意図するものであるが、一般に２２０〜２９０℃であるタービン油の自然着温度より低い、具体的には２００℃以下の蒸気温度までの過熱蒸気は用いることが可能である。

次に制御油供給系について説明すると、それぞれモータ４１ａおよび４１ｂにより直結駆動される高圧油発生ポンプ４ａおよび４ｂは、並列の関係にあり、通常は一方が運転され、他方は待機（ならびに点検）状態に置かれるが、運転状態にあるポンプの能力低下時あるいは多くの制御油量が要求される際等においては、必要に応じて同時に運転することも可能である。図１においては、ポンプ４ａが運転状態、ポンプ４ｂは待機状態にある。高圧油発生ポンプ４ａおよび４ｂは、３．０〜３５．０ＭＰａＧの高油圧発生を予定しており、この例では、自圧式のコンペンセータを有し、吐出圧力を一定に保持し、安定且つ一定の高圧制御油を供給可能なピストンポンプを用い、その点検を容易とするために、共通油タンク６外に設置されているが、潤滑油ポンプ２ａ，２ｂと同様に共通油タンク６のタービン油１０内に埋没するように配置することもできる。

図１に示す状態（白抜きの弁のみが“開”状態にあり、黒塗りの弁は“閉”状態にあって該弁を含む供給系統は待機状態にある）に即して、制御油供給系の定常運転状態を説明する。ポンプのサクションフィルタ４２ａを経て吸引されポンプ４ａから吐出された共通油タンク６中のタービン油１０は、約３．０〜３５．０ＭＰａＧの圧力で出口配管４３ａ、逆止弁４４ａ、開状態の止め弁４５ａ、供給制御油フィルタ４６ａ、開状態の止め弁４７ａを経て制御油供給管路４８から高油圧制御系５に入り、主蒸気加減弁７１の開度制御等の高油圧制御を行った後、油冷却器４９１を含む戻り配管４９を経て共通油タンク６に循環回収される。制御油供給管路４８には、開状態の止め弁４８１を介してアキュムレータ４８２が接続され、管路４８の圧力変動を吸収するように構成されている。ポンプ４ｂおよび要素４１ａ〜４７ａに対応する待機系統中の要素４１ｂ〜４７ｂは休止して待機（または点検）状態にある。

制御油供給管路４８から戻り管路４９の間には、油圧制御系５をバイパスして、通常時閉状態のバイパス弁１０１を含むバイパス管路が設けられており、油圧制御系５がまだ作動油を必要としない時期、例えば低圧蒸気タービン１の運転側に、バイパス管路１０２のバイパス弁１０１を開くことにより、供給油フィルタ４６ａまたは４６ｂにより異物の除去が可能となり、油圧制御系５の作動に先立って、制御油の状態を良好に確立することができる。また、例えば定期検査などの停止時に、このバイパス弁１０１を開弁することにより、制御油供給管路４８に滞留していた制御油を共通油タンク６へ戻すことができるため、制御油供給管路４８の開放時（分解時）に不必要に作動油が系統外へ漏洩することを防止できる。

更に制御油ポンプ４ａ，４ｂの吐出ライン４３ａ，４３ｂには、分岐した逃がし管路１０３ａ，１０３ｂが設けられ、逃がし弁１０４ａ，１０４ｂを設けて、吐出圧力の異常上昇時にタンク６へ制御油の一部を戻す構成としている。

また共通油タンク６には、内部に挿入した供給管路６１を経て油清浄機６２にタービン油を導入し、管路６３を経てタンク６中に戻す油清浄機構を設けてある。これにより、供給管路６１を通って油清浄機６２によってタンク内の油を濾過し、油タンク６に清浄化したタービン油を戻すことができ、タンク内の油は常時高洗浄度を保つことができる。

共通油タンク６には、更にガス抽出機６５が設けられ、その作動により油タンク及び軸受台の油漏れ防止の為に油タンク６内を常に負圧(例えば−約３．０〜５．５ｋＰａＧ)に保つことが可能となる。更に油タンク６には、その内部のタービン油レベルを表示するための油面計６４が設けられているほか、油温計６６および直熱式ヒータ６７が設けられており、油温計６６で測定されるタンク６内のタービン油の温度を、必要に応じてヒータ６７を作動させて、例えば４０〜５０℃に制御するように構成している。

図２に、図１にはブロックで示した高油圧制御系５の一例の概要を示す。低圧蒸気タービン１の回転軸に近接して設けられた２系統回転数検出器５１からの回転数信号は、コントロールパネルを備えた中央制御盤５２および該中央制御盤５２と連結されたＣＰＵ（中央演算装置）５３により制御される電気油圧制御キャビネット５４に導入され、所望の回転数と実回転数との差に基づく電気信号がサーボ弁５５に送られ、この電気信号に基づくサーボ弁５５の作動により、供給配管４８から供給される高圧制御油の油圧が変動され、シリンダ５６内のピストン５７が駆動され、主蒸気加減弁７１の開度が調節されて、蒸気タービン１への供給蒸気量が制御される。

高油圧制御系５は、図２に示す主蒸気加減弁の制御以外にも、本発明の低圧蒸気タービンプラントの各種蒸気弁等の制御に用いることができる。

（第２の実施例）
図３に第２の実施例を示す。この例においては、図１で説明した第１の実施例に加えて、共通油タンク６内の潤滑油供給関連部６ａ（潤滑油ポンプ２ａ，２ｂ，３等を含む）と制御油供給関連部６ｂ（制御油ポンプサクション・ストレーナ４２ａ，４２ｂ等を含む）を分離する位置に仕切板６８を設けている。仕切板６８は、タンク６内を完全に仕切るものではなく、タンク６内の上部では油の行き来ができる程度の油面より低いものを用いる。また制御油の戻り配管４９も潤滑油供給関連部６ａ側に戻る位置に配置し、油清浄器６２への供給管路６１は、潤滑油側６ａに設け、清浄油の戻り管路６３を制御油側６ｂに設けている。

かかる分室構成からなる共通油タンク６によれば、仕切り板６８により清浄度の異なる油を有する構造の装置となる。潤滑系統及び制御系統から戻る油は、配管内通過中に混入する不純物等を含むため、清浄度の低い油となる。一方、前記清浄度の低い油は油清浄器６２を介することで、濾過され、清浄度の高い油を得ることができ、これが仕切り板６８の制御油供給管路側の分室６ｂへと接続される。これにより、高圧油を必要とする制御系統にサーボ弁等で目詰まりなどを起こさない様な高清浄度の制御油を得ることができ、系統システムとしてより健全なものを得ることができる。一方、前記仕切り板に６８は、タンク内上部では油の行き来ができるような高さであり、仕切り板により、タンク内６ａ，６ｂで油量が偏ったときに、サクション切れを起さないように、他方へ溢れる構造とされている。

また、サクション切れを起さない構造ばかりでなく、定常運転中など制御油の供給がほとんど行われない状態のときには清浄度の高い６ｂ側の油が仕切り板を越え、６ａ側に流れ、さらに油清浄器６２を通過するような油が循環する構造となり、主油タンク内の油の清浄度が確保できる装置を得ることができる。

（第３の実施例）
図４に第３の実施例を示す。第１の実施例の構成に加え、潤滑油主供給管路２３のラインから分岐して、管路２８を設け、制御油用高圧ポンプ４ａ、４ｂの吸入口に、密閉型サクションフィルタ１４２ａ，１４２ｂを含む管路２８ａ，２８ｂを接続する。

かかる構成からなる油圧発生装置によれば、潤滑油ポンプ２ａ，２ｂの吐出圧力により、高圧油発生ポンプ４ａ，４ｂのサクション切れを防止できる上に、高圧油圧発生の補助をすることができる装置を得ることができる。

本発明の第１実施例に係る低圧蒸気タービンプラント（地熱発電プラント）の系統図。図１にブロックで示す油圧制御系５の一例の概容を示す系統図。本発明の変形例に係る低圧蒸気タービンプラント（地熱発電プラント）の系統図。本発明の変形例に係る低圧蒸気タービンプラント（地熱発電プラント）の系統図。

符号の説明

１低圧蒸気タービン
２ａ，２ｂ潤滑油ポンプ
３非常用潤滑油ポンプ
４ａ，４ｂ制御油用高圧油発生ポンプ
５高油圧制御系
６共通油タンク（６ａ潤滑油供給関連部、６ｂ制御油供給関連部）
７地熱蒸気発生ユニット
８発電機
１０タービン油
１１ａ，１１ｂ軸受
２１ａ，２１ｂ，３１，４１ａ，４１ｂモータ
２２ａ，２２ｂ潤滑油ポンプ吐出管路
２３潤滑油主供給管路
２４，４９１油冷却器
２５，４６ａ，４６ｂ油フィルタ
２６潤滑油戻り管路
４２ａ，４２ｂ，１４２ａ，１４２ｂ制御油ポンプサクション・ストレーナ
４３ａ，４３ｂ制御油ポンプ吐出管路
４４ａ，４４ｂ逆止弁
４５ａ，４７ａ，４８１止め弁（開）
４５ｂ，４７ｂ止め弁（閉）
４８制御油供給管路
４８２アキュムレータ
４９制御油戻り管路
５１２系列回転数検出器
５２中央制御盤
５３ＣＰＵ
５４電気油圧制御キャビネット
５５サーボ弁
５６油圧シリンダ
５７ピストン
６１油清浄器への油供給管路
６２油清浄器
６３油清浄器からの油戻り管路
６４油面計
６５ガス抽出器
６６油温計
６７直熱式ヒータ
６８仕切り板
７１蒸気加減弁
７２主蒸気供給管路
１０１バイパス弁（止め弁）（閉）
１０２油圧制御系バイパス管路
１０３ａ，１０３ｂ制御油ポンプ吐出側逃げ管路
１０４ａ，１０４ｂ逃げ弁

Claims

少なくとも１台の低圧蒸気タービンと、該低圧蒸気タービンへ潤滑油を供給する潤滑油ポンプと、少なくとも該低圧蒸気タービンへの主蒸気加減弁を駆動制御するサーボ弁を含む高油圧制御系と、該高油圧制御系へ高圧制御油を供給する高圧油発生ポンプとを含み、更に潤滑油ポンプおよび高圧油発生ポンプにそれぞれ供給される潤滑油および高圧制御油として共用されるタービン油の共通油タンクを備えたことを特徴とする低圧蒸気タービンプラント。
前記高圧油発生ポンプがピストンポンプであり共通油タンク外に配置され、前記潤滑油ポンプが遠心ポンプであり共通油タンク内に配置される請求項１に記載の低圧蒸気タービンプラント。
更に主蒸気発生用の地熱蒸気発生ユニットを備え、地熱蒸気タービンプラントとして使用される請求項１または２に記載の低圧蒸気タービンプラント。
更に低圧蒸気タービンにより直結駆動される発電機を備え地熱発電プラントとして使用される請求項３に記載の低圧蒸気タービンプラント。
共通油タンクに、高圧油発生ポンプのサクションフィルタと、油清浄器と、ガス抽出機とを備えた請求項１〜４のいずれかに記載の低圧蒸気タービンプラント。
前記高圧油発生ポンプと前記潤滑油ポンプとは共通油タンクに近接して配置されている請求項１〜５のいずれかに記載の低圧蒸気タービンプラント。
共通油タンク内部の潤滑油供給関連部と制御油供給関連部とを分ける位置に、共通油タンク内油面より低い高さの仕切り板を設け、油圧制御系からの戻り制御油を潤滑油供給関連部側に戻すように制御油戻り管路を配置してなる請求項１〜６のいずれかに記載の低圧蒸気タービンプラント。
共通油タンク内の潤滑油供給関連部と制御油供給関連部を結ぶタンク外部管路を設け、該外部管路の途中に油清浄器を設けてなる請求項７に記載の低圧蒸気タービンプラント。
潤滑油供給管路から分岐し、高圧油発生ポンプの吸入口に接続する管路を設けた請求項１〜８のいずれかに記載の低圧蒸気タービンプラント。