JP4707927B2 - 多段蒸気タービンの無負荷又は軽負荷運転時の運転方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、全ての段に蒸気を供給して無負荷又は軽負荷運転する多段蒸気タービンにおける無負荷又は軽負荷運転時の運転方法に関する。また本発明は、特にこの方法を実施すべく多段蒸気タービンの無負荷又は軽負荷運転時に個々の段に蒸気を分配する装置に関する。
【０００２】
蒸気タービンとその設計問題が、特に工学博士、Ｈ．Ｊ．トーマス著「テルミッシェ クラフトアンラーゲン(Thermische Kraftanlagen)」、第２版、スプリンゲル出版、１９８５年に記載されている。エンタルピーおよび他の熱力学的量の計算詳細は、例えば「 テヒニッシェ フォルメルン フュア ディ プラキシス(Technische Formeln fur die Praxis)」、第２４版、ライプツィッヒ、ＶＥＢ ファッハブーフ出版、１９８４年から理解できる。
【０００３】
蒸気タービンの始動時間を一層短縮することが絶えず望まれている。始動時間の短縮は、できるだけ全ての段に同時にできるだけ多量の蒸気質量流を供給することによってのみ達成される。できるだけ短時間の始動ために必要な蒸気タービンの予熱は、蒸気の供給によってのみ達成される。もっとも蒸気質量流の供給により、タービンで発生する出力が無負荷運転出力を超過してはならない。無負荷運転出力を超過すると、蒸気タービンの回転数が手に負えない程に増大してしまう。従って、全体として導入する総蒸気質量流が制限される。
【０００４】
無負荷又は軽負荷運転時、高圧段で排気側に大きな通風出力が生ずる。この大きな通風出力は高い排気温度を生じさせる。従って、その温度が許容できないほど高くなることを防止すべく、高圧段に多量の部分蒸気質量流を導入せねばならない。尤も、特に低圧段の横断面積が大きく、低圧段の翼に対し新しい材料、例えばチタンを採用する場合、低圧段も比較的大きな蒸気質量流を要求する。また中圧段も部分蒸気質量流を必要とする。
【０００５】
高圧段と低圧段に所要の蒸気質量流を供給すると、全体で発生する出力は無負荷運転出力よりかなり大きくなる。従って、無負荷運転が可能なように、予測に基づき蒸気質量流を分配することが試みられている。この場合、高圧段と中・低圧複合段を通る蒸気質量流は、出力が必要な無負荷運転出力を超えないように割り当てられる。ただ高圧段の過熱は、排気側に生ずる温度を監視することで防げる。中・低圧複合段には少量の蒸気質量流しか任せられない。中・低圧複合段における蒸気質量流が不十分か、高圧段の排気側温度が所定の値を超過しているとき、高圧段の部分閉鎖した高速遮断弁が開かれる。従って、少なくとも高圧段は十分に予熱されない。この不十分な予熱のため、必然的に始動時間が長引く。
【０００６】
本発明の課題は、無負荷又は軽負荷運転出力を超過することなく、多段蒸気タービンの全ての段を良好に予熱できる方法と装置を提供することにある。
【０００７】
この課題は本発明に基づき、冒頭に述べた方法において、一つの段への蒸気供給を、該段ができるだけ小さな出力を生ずるよう選定することで解決される。
【０００８】
本発明に基づく方法により、蒸気タービンの全ての段に蒸気を供給する。その蒸気の供給は、多段のうちの一つの段ができるだけ僅かな出力しか発生しないように行う。即ち、その段はごく僅かな出力しか発生せず、残りの段に比較的多くの蒸気質量流を供給できる。従って、全ての段を確実に予熱し、これに伴い、短い始動時間を実現できる。
【０００９】
本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載してある。
【００１０】
前記一つの段への入口での蒸気のエンタルピーと、前記一つの段からの出口での蒸気のエンタルピーとを求め、入口と出口との間のエンタルピー差を最小にするとよい。前記一つの段で発生する出力は、エンタルピー差に正比例する。従って、エンタルピー差を最小にすることで、蒸気質量流が同じであるか、それどころか増大していても、発生出力は最小になる。
【００１１】
本発明の有利な実施態様では、前記一つの段への入口の蒸気温度と、前記一つの段からの出口の蒸気温度とを測定し、それから入口と出口の間のエンタルピー差を求める。この結果、蒸気温度を簡単に測定でき、測定費用が減少する。
【００１２】
精度を高めるべく、前記一つの段への入口と該段からの出口との間での圧力降下を補助的に測定し、入口と出口との間のエンタルピー差を計算する際に考慮するとよい。その段を流れる蒸気のエンタルピーは圧力と温度に関係する。従って圧力と温度とを考慮することで、温度だけを考慮する場合よりも、エンタルピー差を精確に算定できる。
【００１３】
本発明の他の有利な実施態様では、一つの段への入口における蒸気のエンタルピーと該段からの出口における蒸気のエンタルピーを測定する。蒸気のエンタルピーの測定に適した方法は、例えば本件出願人出願の国際公開第９９／１５８８７号パンフレットに記載してある。このパンフレットでは、高温蒸気、即ち過熱蒸気のエンタルピーを求めるため、独国特許出願公開第１０４６０６８号明細書を参照するよう指摘している。これに対し、国際公開第９９／１５８８７号パンフレットは、湿り蒸気のエンタルピーを求める測定および計算方法に関する。サンプル採取のため、湿り蒸気の部分体積流を基準ガスと混合物の形にまとめ、部分体積流の液状成分を完全に蒸発させる。測定した物理量を参照し、基準ガスと混合物のエンタルピーを求め、そこから湿り蒸気のエンタルピーを算出する。国際公開第９９／１５８８７号パンフレットと独国特許出願公開第１０４６０６８号明細書の開示内容は、本件出願の開示内容に含むものとする。
【００１４】
本発明の有利な実施態様では、前記一つの段に導入する蒸気質量流を、エンタルピー差を最小にすべく変化させる。前記一つの段の前部で、導入された蒸気質量流が膨張により出力を発生する。排気側で蒸気質量流は再び圧縮され、これにより出力を消費する。導入される蒸気質量流の変化に伴い両過程がバランスし、これにより、エンタルピー差が最小になる。
【００１５】
前記一つの段への蒸気供給を、該段が出力を全く発生しないように調整するとよい。このため、入口と出口との間のエンタルピー差を零にする必要がある。従って、前記一つの段を流れる蒸気質量流は全く出力を供給せず、ただ予熱のために使われる。蒸気タービンの残りの段は、無負荷運転出力を克服すべく完全蒸気質量流を供給される。従って、全ての段に最大の蒸気質量流を供給し、最良に予熱できる。この結果、始動時間が非常に短縮される。
【００１６】
装置に関する課題は、本発明に基づき、冒頭に述べた形式の装置において、該装置が、多段の内の一つの段に導入される蒸気質量流のエンタルピーを検出する第１測定点と、前記一つの段から流出する蒸気質量流のエンタルピーを検出する第２測定点と、エンタルピー差を求める比較装置と、前記一つの段に導入される蒸気質量流を調整する弁装置とを備えることで解決される。
【００１７】
本発明による装置は、各時点のエンタルピーを直接測定し、又は圧力および温度等のエンタルピーに関係するパラメータを測定することで、エンタルピー差を求める。その差は、導入する蒸気質量流を調整する弁装置で調整できる。
【００１８】
以下、図示の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。各図において、同一部分には同一符号を付してある。
【００１９】
図１は、高圧段１１と中・低圧複合段１２を備えた蒸気タービン１０を示す。高圧段１１と、中・低圧複合段１２とを軸１３を経て互いに結合し、電流を発生すべく発電機１４を駆動する。軸１３と発電機１４は図示しない装置を経て互いに連結する。駆動および無負荷運転時に必要な蒸気の発生のため、ボイラ１５を利用する。中・低圧複合段１２の下流に、流出蒸気を凝縮する復水器１６を設けている。復水は、ポンプ１７、中・低圧加熱器１および２つの高圧加熱器１９、２０を経てボイラ１５に戻す。運転中の効率を高めるため、再熱器２１と給水加熱器Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ｎを設けている。上述の構成要素とその機能は当該技術者に周知であり、ここでは詳述しない。
【００２０】
ボイラ１５は蒸気質量流上ドット付ｍを供給する。高圧段１１の上流で蒸気質量流上ドット付ｍが分割される。第１蒸気質量流上ドット付ｍ₁は高圧段１１に導入され、残留蒸気質量流上ドット付ｍ₂は高圧段１１を迂回して再熱器２１に直接導かれる。中・低圧段１２に蒸気質量流上ドット付ｍ₃が供給される。残留蒸気質量流上ドット付ｍ₄は、中・低圧段１２を迂回して復水器１６に直接導かれる。蒸気質量流上ドット付ｍ₁、上ドット付ｍ₃を調整すべく弁２２、２３、２４が使われる。蒸気質量流上ドット付ｍ₂と上ドット付ｍ₄は、蒸気質量流上ドット付ｍ₁と上ドット付ｍ₃の調整により自動的に生ずる。
【００２１】
高圧段１１の上流に第１測定点２５、下流に第２測定点２６が存在する。普通に等エントロピー膨張（断熱膨張）と仮定した場合、高圧段１１で発生する出力は次式で表される。
【数１】
Ｐ＝上ドット付ｍ₁（ｈ₂−ｈ₁）＝上ドット付ｍ₁Δｈ
【００２２】
ここで上ドット付ｍ₁は蒸気質量流、ｈ₁は測定点２５そしてｈ₂は測定点２６におけるエンタルピー、Δｈは両測定点２５、２６間のエンタルピー差である。
【００２３】
高圧段１１を通る蒸気質量流上ドット付ｍ₁は、通常運転中は一定なので、出力Ｐはエンタルピー差Δｈに正比例する。この出力は機械損失を除いても表される。従ってその出力Ｐを最小にするには、エンタルピー差Δｈを最小にし、できればΔｈ＝０にせねばならない。
【００２４】
図１に示す実施例の場合、高圧段１１に流入する蒸気質量流上ドット付ｍ₁の温度Ｔ₁を測定点２５で測定する。下流でも測定点２６で温度測定を行い、この測定点２６で高圧段１１の排気温度Ｔ₂を検出する。両測定点２５、２６間の圧力差Δｐを適当な装置（図示せず）で同時に求めるとよい。測定温度Ｔ₁、Ｔ₂と測定圧力差Δｐを、両測定点２５、２６間のエンタルピー差Δｈを計算する調整器２７に導く。その結果に応じ弁２２を制御し、この結果、蒸気質量流上ドット付ｍ₁を求めたエンタルピー差Δｈに応じて調整する。高圧段１１での収支バランスは、主にエンタルピーに依存して弁を加減制御すべく利用する調整器２７により排気温度Ｔ₂を絞られた主蒸気温度に相当する値にすることで達成する。即ち、弁２２による蒸気質量流上ドット付ｍの絞りにより、それに応じて絞られた温度Ｔ₁の蒸気質量流上ドット付ｍ₁を用意し、高圧段１１に導入する。弁２２の絞り作用（絞り効果）を、所望の温度Ｔ₁、Ｔ₂を得るべく的確に利用する。
【００２５】
ここでエンタルピー差Δｈの計算とは、そのエンタルピー差Δｈの実際計算だけでなく、エンタルピー差Δｈを最小にする他のあらゆる適当な処置を意味している。即ち、例えば調整器２７にプログラミングされた表との対比をも含む。
【００２６】
エンタルピー差Δｈは、高圧段で発生する出力Ｐに関し重要である。従って、調整器２７は弁２２を経て中・低圧複合段１２を通る蒸気質量流上ドット付ｍ₃を、所定の無負荷運転出力および高圧段１１で発生される出力に応じ制御する。精度を高めるため、再熱器の上流又は他の適当な位置に、温度および／又は圧力を検出する別の測定点が設けられる。
【００２７】
図２は、高圧段１１での蒸気質量流上ドット付ｍ₁の別の調整方式を拡大して示す。図２の実施例では、測定点２５、２６でエンタルピーｈ₁、ｈ₂を直接測定し、次に調整器２７でエンタルピー差Δｈを求める。該差Δｈに応じ、弁２２、２３を調整器２７で制御する。この結果、高圧段１１で生ずる出力Ｐが最小になり、同時に中・低圧複合段１２を通る蒸気質量流上ドット付ｍ₃が最大になる。
【００２８】
高圧段での本発明に従う蒸気供給は、出力Ｐがごく僅か、有利には全く発生しないように行う。この方法は、全ての段１１、１２に各々可能な最大蒸気質量流上ドット付ｍ₁、上ドット付ｍ₃を供給することを可能にする。このため、全ての段１１、１２の良好な予熱、従って短い始動時間が達成される。無負荷運転出力の超過と蒸気タービン１０の回転数の許容不能な増大とを、確実に回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 蒸気タービンの概略構成図。
【図２】 本発明の異なった実施例における蒸気タービンの高圧段の拡大図。
【符号の説明】
１０ 蒸気タービン
１１ 高圧段
１２ 中・低圧複合段
２２ 弁
２５、２６ 測定点

Claims (8)

1. 全ての段（１１、１２）に蒸気を供給して無負荷又は軽負荷運転する、多段蒸気タービンの無負荷又は軽負荷運転時の運転方法において、一つの段（１１）への蒸気供給量を、該段（１１）ができるだけ小さな出力を発生するように選定することを特徴とする方法。
2. 前記一つの段（１１）への入口（２５）における蒸気のエンタルピー（ｈ₁）と、前記一つの段（１１）からの出口（２６）における蒸気のエンタルピー（ｈ₂）とを求め、入口（２５）と出口（２６）との間のエンタルピー差（Δｈ）を最小にすることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記一つの段（１１）への入口（２５）の蒸気温度（Ｔ₁）と、前記一つの段（１１）からの出口（２６）の蒸気温度（Ｔ₂）とを測定し、両者から前記入口（２５）と出口（２６）との間のエンタルピー差（Δｈ）を計算することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記一つの段（１１）への入口（２５）と、該段（１１）からの出口（２６）との間の圧力降下（Δｐ）を補助的に測定し、入口（２５）と出口（２６）との間のエンタルピー差（Δｈ）を計算する際に考慮することを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記一つの段（１１）への入口（２５）の蒸気のエンタルピー（ｈ₁）と、該段（１１）からの出口（２６）における蒸気のエンタルピー（ｈ₂）とを測定することを特徴とする請求項２記載の方法。
6. 前記一つの段（１１）に導入する蒸気質量流（上ドット付ｍ₁）を、エンタルピー差（Δｈ）を最小にすべく変化させることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法。
7. 前記一つの段（１１）への蒸気供給を、該段が全く出力を発生しないよう調整することを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
8. 請求項１から７の１つに記載の方法を実施するために多段蒸気タービン（１０）の無負荷又は軽負荷運転時に個々の段（１１、１２）に蒸気を分配する装置において、該装置が、多段のうちの一つの段（１１）に導入する蒸気質量流（上ドット付ｍ₁）のエンタルピー（ｈ₁）を検出する第１測定点（２５）と、前記一つの段（１１）から流出する蒸気質量流（上ドット付ｍ₂）のエンタルピー（ｈ₂）を検出する第２測定点（２６）と、第１、第２の両測定点（２５、２６）間のエンタルピー差（Δｈ）を求める比較装置（２７）と、前記一つの段（１１）に導入される蒸気質量流（上ドット付ｍ₁）を調整する弁装置（２２）とを有することを特徴とする装置。

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