JP4762310B2 - 蒸気タービン設備の始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン設備が、少なくとも１台の蒸気タービンと、この蒸気タービンを駆動する蒸気を発生するための少なくとも１基の蒸気発生設備とを有し、その蒸気タービン設備が、始動時点で２５０℃より高温の初期温度を有する少なくとも１個の基準部品を有し、蒸気の温度および基準部品の温度が連続して測定され、蒸気タービン設備の基準部品が始動時点から蒸気を供給される、蒸気タービン設備の始動方法に関する。

蒸気タービン設備を始動するために、通常、廃熱ボイラで発生された蒸気が最初は蒸気タービン設備の蒸気タービンに導入されず、バイパス管を介して蒸気タービン設備を迂回し、蒸気を水に復水する復水器に直接導かれる。その復水は給水としてボイラに導かれるか、バイパス管が存在しない場合には天井部から放出される。水・蒸気回路の蒸気管ないし蒸気タービン設備のタービン部分に通じている蒸気管において、所定の蒸気パラメータ例えば所定の蒸気圧と蒸気温度が維持されたときにはじめて、蒸気タービンが稼動される。その蒸気パラメータの維持が、厚肉の構造部品に起こり得る応力を低いレベルに保ち、許容できない相対膨張変位を防止するようにする。

蒸気タービンが或る時間にわたり運転温度で負荷されたとき、蒸気タービンの厚肉構造部品は夜間停止状態後あるいは週末停止状態後、なお高い初期温度を有する。その厚肉構造部品は、弁ハウジング、高圧タービン車室、高圧軸ないし中圧軸である。約８時間の夜間停止状態後ないし約４８時間の週末停止状態後、初期温度は代表的には３００℃〜約５００℃である。

蒸気タービン設備の厚肉の構造部品が、熱機始動（hot start）後、即ち、夜間停止状態後ないし暖機始動（warm start）後、即ち、週末停止状態後に、蒸気発生器ないしボイラが供給する最初の有用な蒸気を供給されると、その最初の蒸気が一般に厚肉の構造部品に比べて相対的に低い温度を有するために、厚肉構造部品が急速に冷却される恐れがある。

蒸気と厚肉構造部品との大きな温度差のために非常に大きな熱応力が生じ、この熱応力は材料を疲労させ、寿命を短くさせる。

また、軸と車室との間で許容できない大きな相対的な熱膨張変位が生じ、この変位は両者間の隙間を塞いでしまうことがある。

過大な熱応力を生じさせる蒸気と厚肉構造部品との過大な温度差発生の危険を無くするために、今日の蒸気タービン設備では、蒸気発生器ないしボイラが相応した高温の蒸気を供給するまで調節弁（加減弁）が閉じられる。その温度は個々の厚肉構造部品の初期温度より約５０℃高い。この場合、蒸気タービン設備が役立つまで長い待機時間を要するという欠点がある。

本発明の課題は、蒸気タービン設備を迅速に役立たせる、冒頭に述べた形式の蒸気タービン設備の始動方法を提供することにある。

この課題は、蒸気タービン設備が、少なくとも１台の蒸気タービンと、この蒸気タービンを駆動する蒸気を発生するための少なくとも１基の蒸気発生設備とを有し、その蒸気タービン設備が、始動時点で２５０℃より高温の初期温度を有する少なくとも１個の基準部品を有し、蒸気の温度および基準部品の温度が連続して測定され、蒸気タービン設備の基準部品が始動時点から蒸気を供給される蒸気タービン設備の始動方法において、蒸気の始動温度が、前記基準部品の温度より低く、かつ蒸気の温度が或る始動時過渡率で高められ、また、前記始動温度および始動時過渡率が、基準部品の単位時間当たりの温度変化が所定の限界値以下であるように定められ、さらに、前記基準部品の温度が、まず最小値に達するまで低下され、続いて高められることによって解決される。この場合、基準部品の単位時間当たりの温度変化は、毎分５Ｋ（ケルビン温度）以上である。

本発明は、蒸気タービン設備の厚肉構造部品が、蒸気の温度に比べて高い初期温度を有するにもかかわらず、個々の基準部品の初期温度より低い温度の蒸気が供給される、という認識から出発している。このために、蒸気の温度が十分な過渡率で高められて、厚肉の基準部品がその平均積分温度の変化が無視し得るほどしか冷却されないようにしなければならない。ここで、過渡率（Transient）とは、単位時間当たりの変化特に温度変化（°Ｋ／ｍｉｎ）を意味する。これに対して、勾配（Gradient）とは、距離当たりの変化特に温度変化（°Ｋ／ｍｉｎ）を意味する。それによって相対膨張変位問題も解消される。従って、本発明は、蒸気発生器ないしボイラからの蒸気が基準部品の初期温度より約５０ケルビン高いという要件が実現できないで、基準部品の初期温度より低い温度の蒸気が供給される、という場合であっても、蒸気タービン設備の非常に迅速な始動が可能である、という認識から出発している。もっとも、蒸気の初期温度は、基準部品への供給後、適当且つ十分な始動勾配で上昇されねばならない。

過小の始動勾配は蒸気の温度上昇が弱すぎ、このために、厚肉構造部品が過度に冷える恐れがある。

有利な実施態様において、基準部品の温度が蒸気の側の基準部品表面で測定される。勿論、基準部品はまず表面から冷え、続いて、内部材料がゆっくり冷える。これは基準部品の厚さにおいて温度差を生じさせ、この温度差は熱応力を生じさせる。従って、部品の温度が蒸気の側における表面で直接測定されることが有利である。

本発明の他の有利な実施態様において、基準部品の蒸気とは反対の側における箇所の温度が測定され、初期温度および始動勾配が、基準部品の表面温度と蒸気とは反対の側における箇所の温度との温度差が所定の温度差限界以下であるように定められている。

本発明は、基準部品の表面の温度と基準部品の隣接する箇所における温度との大きな温度差が危険である、という認識から出発している。基準部品における２箇所における温度測定によって、即ち、蒸気の側における表面の温度と、蒸気とは反対の側における箇所の第２の温度が測定されることにより、発生する温度差を直ちに検出することができ、これにより、適当な処置を講ずること、即ち、場合によっては蒸気の始動時過渡率を適合させることができる。

理想的には、基準部品の第２の温度として、蒸気を受ける表面とは反対の側における基準部品の表面温度が測定される。

他の有利な実施態様において、基準部品の厚さのほぼ中央における温度が測定される。蒸気タービン設備の厚肉構造部品は、温度上昇時に比較的鈍く反応し、これは、温度上昇が厚肉方向に非常にゆっくり生ずることを意味する。そのために、基準部品のほぼ中央における温度が測定されることが有利である。これにより、厚肉基準部品の温度変化状況の非常に早い監視が可能とされる。

他の有利な実施態様において、始動時過渡率が、その値が５Ｋ／ｍｉｎ以上であるように定められている。その値は一定値であっても可変でもよい。これによって、比較的単純な運転技術手段で蒸気タービン設備を始動することができる。

本発明の他の有利な実施態様において、蒸気の温度が受入限界値に到達した後に運転時過渡率で高められ、その運転時過渡率の値は始動時過渡率の値より小さい。この場合、本発明は基準部品の初期温度に比べて低温の蒸気がまず基準部品に供給される、という考えから出発している。これは蒸気の側における基準部品表面を冷却させる。この場合、蒸気の始動温度が基準部品の始動温度に比べて低すぎてはならない。また、蒸気の温度上昇は適切な過渡率で行われねばならない。蒸気のゆっくり過ぎる温度上昇は基準部品を損傷させる。厚肉基準部品はまず、基準部品の温度が最小値に達するまで冷却される。その最小値に到達後、基準部品の温度が高められる。続いて、蒸気の温度が受入限界値に達するまで始動時過渡率で高められる。その受入限界値に到達した後、蒸気の温度が運転時過渡率でさらに高められ、その運転時過渡率の値は始動時過渡率の値より小さい。蒸気の速すぎる温度上昇は、蒸気の側における基準部品表面が蒸気とは反対の側における基準部品表面に比べて過度に速く加熱され、このために、蒸気の側における基準部品表面と蒸気とは反対の側における基準部品表面との間に過大な温度差が生ずる。これは基準部品に望ましくない損傷を生じさせる。始動時過渡率より小さくなければならない適当な運転時過渡率の選定によって、蒸気の側における基準部品表面と蒸気とは反対の側における基準部品表面との間に過大な温度差の発生が防止される。

他の有利な実施態様において、蒸気の温度の変化が外部注水によって行われる。これにより、温度上昇の過渡率に影響を与える比較的単純な方式が得られる。

基準部品の初期温度が３００℃〜４００℃であることが有利である。好適には、蒸気の始動温度は初期温度より１５０Ｋ（ケルビン温度）を超えない範囲で低い。有利な実施態様において、始動時過渡率の値は毎分５Ｋ（ケルビン温度）以上であり、特に１３Ｋ／ｍｉｎである。他の有利な実施態様において、運転時過渡率の値は０から１５Ｋ／ｍｉｎの間にあり、特に１Ｋ／ｍｉｎである。本発明者は、その値が上述の方法を実施するために今日における蒸気タービン構造に適することを確認した。

以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお同じ符号が付された構成要素は同じ機能を有する。

図１に概略的に示されたガス・蒸気複合タービン設備１は、ガスタービン設備１ａと蒸気タービン設備１ｂを有している。ガスタービン設備１ａは、ガスタービン２と、（空気）圧縮機４と、圧縮機４とガスタービン２との間に挿入接続された少なくとも１個の燃焼器６とが装備されている。圧縮機４によって、新空気Ｌが吸い込まれ、圧縮され、新空気配管８を介して燃焼器６の１個あるいは複数のバーナに導かれる。導入された空気は、燃料供給管１０を介して導入された液体燃料あるいは気体燃料Ｂと混合され、その混合気が点火される。その際に生ずる燃焼ガスが、ガスタービン２に導入されるガスタービン設備１ａの作動媒体ＡＭを形成する。そこで作動媒体ＡＭは、膨張しながら仕事をし、ガスタービン２に連結された軸１４を駆動する。この軸１４は、ガスタービン２に連結されているほかに、空気圧縮機４並びに発電機１２に連結され、これらを駆動する。膨張済み作動媒体ＡＭは廃ガス管３４を介して蒸気タービン設備１ｂの廃熱ボイラ３０に向けて排出される。約５００℃〜６００℃の温度でガスタービン１ａから排出される作動媒体が、その廃熱ボイラ３０において蒸気の発生とその過熱のために利用される。

蒸気タービン設備１ｂは、特に強制貫流系として形成される廃熱ボイラ３０のほかに、タービン段２０ａ、２０ｂ、２０ｃを備えた蒸気タービン２０と復水器２６とを有している。廃熱ボイラ３０と復水器２６は、復水管ないし給水管３５、４０並びに蒸気管４８、５３、６４、７０、８０、１００と共に蒸気系を形成し、この蒸気系は、蒸気タービン２０と共に水・蒸気・回路を形成している。

給水タンク３８からの水は、給水ポンプ４２によって、エコノマイザとも呼ばれる高圧給水加熱器４４に供給され、そこから、入口側がエコノマイザ４４に接続され貫流運転式に設計された蒸気発生器４６に導かれる。蒸気発生器４６は出口側が、気水分離器５０が挿入接続された蒸気管４８を介して、過熱器５２に接続されている。過熱器５２は出口側が、蒸気管５３を介して、蒸気タービン２０の高圧段２０ａの蒸気入口５４に接続されている。

過熱器５２で過熱された蒸気は、蒸気タービン２０の高圧段２０ａにおいて蒸気タービンを駆動し、その後、高圧段２０ａの蒸気出口５６から再熱器５８に導かれる。

再熱器５８における再熱後、その蒸気は蒸気管８１を介して、蒸気タービン２０の中圧段２０ｂの蒸気入口６０に導かれ、そこで、タービンを駆動する。

中圧段２０ｂの蒸気出口６２は、転流管６４を介して、蒸気タービン２０の低圧段２０ｃの蒸気入口６６に接続されている。低圧段２０ｃの貫流後およびそれに伴うタービン駆動後、冷却済み膨張済み蒸気は、低圧段２０ｃの蒸気出口６８から、復水器２６に通じている蒸気管７０に排出される。

復水器２６は流入する蒸気を復水に転換し、その復水は復水管３５を介して復水ポンプ３６によって給水タンク３８に送られる。

水・蒸気・回路は、上述した構成要素のほかに、蒸気管５３が高圧段２０ａの蒸気入口５４に到達する前にその蒸気管５３から分岐しているバイパス管１００、いわゆる高圧バイパス管を有している。この高圧バイパス管１００は高圧段２０ａを迂回し、再熱器５８への供給管８０に開口している。蒸気管８１が中圧段２０ｂの蒸気入口６０に到達する前にその蒸気管８１からバイパス管２００、いわゆる中圧バイパス管が分岐している。中圧バイパス管２００は中圧段２０ｂ並びに低圧段２０ｃを迂回し、復水器２６に通じている蒸気管７０に開口している。

高圧バイパス管１００および中圧バイパス管２００に、それらをしゃ断できる止め弁１０２、２０２が組み込まれている。蒸気管５３ないし蒸気管８１にも同様に止め弁１０４、２０４が、詳しくは、それぞれバイパス管１００ないし２００の分岐点と高圧段２０ａの蒸気入口５４ないし中圧段２０ｂの蒸気入口６０との間に存在している。

蒸気管５３に止め弁が、詳しくは、バイパス管１００の分岐点と蒸気タービン２０の高圧段２０ａの蒸気入口５４との間に存在している。

バイパス管１００および止め弁１０２、１０４は、ガス・蒸気複合タービン設備１の始動中に蒸気の一部を蒸気タービン２を迂回して導くために用いられる。

蒸気タービン設備１ｂは運転開始時に冷えた状態にあり、熱機始動（hot start）ないし暖機始動（warm start）が実施されねばならない。ここで熱機始動とは、代表的には約８時間の夜間停止状態後の始動を意味し、これに対して、約４８時間の週末停止状態後の始動は暖機始動と呼ばれる。その場合、蒸気タービン設備１ｂの厚肉の構造部品はなお３００℃〜約５００℃の高い初期温度を有している。その厚肉構造部品は基準部品とも呼ばれる。この場合の厚肉構造部品は、例えば弁ハウジング、高圧車室、高圧軸あるいは中圧軸である。しかし他の厚肉構造部品も考えられる。

少なくとも始動時点で、基準部品は２５０℃以上の初期温度を有している。運転過程において蒸気の温度および基準部品の温度は連続して測定される。蒸気タービン設備１ｂには始動時点から蒸気が供給される。

その蒸気の始動温度は基準部品の温度より低い。続いて、蒸気の温度が調整可能な始動時過渡率で高められ、その始動温度と始動時過渡率は、基準部品の単位時間当たりの温度変化が所定の限界値以下であるように定められ、その場合、基準部品の温度は、まず最小値に達するまで低下され、続いて高められる。

図２に、蒸気２０５の時間に関する温度経過が示されている。厚肉構造部品の蒸気の側における表面２０２の温度経過も示されている。また図２に、厚肉構造部品の平均積分温度２０４が示されている。

ここで平均積分温度２０４とは、例えば主に基準部品の中心に生ずる温度を意味する。

始動時点２００後に、蒸気２０５の温度は、図２に示されているように一定した始動時過渡率で高められる。一定の始動時過渡率は受入限界値２０１まで直線的な温度経過を生じさせる。受入限界値２０１からの蒸気２０５の温度上昇は、始動時過渡率の値より低い運転時過渡率で行われる。厚肉の基準部品の初期温度は２５０℃より大きな値を有し、この実施例の場合、約５００℃である。厚肉構造部品がその温度より低い温度の蒸気を受けることによって、厚肉構造部品の表面温度はまず、最小値２０２に達するまで低下される。この最小値２０２の到達後、厚肉構造部品の温度が高められ、蒸気の温度が受入限界値２０１に達する時点２０６まで比較的急に増大され、続いて運転時過渡率で適度な速度で高められる。このために蒸気の温度は注水によって制御される。

基準部品の平均積分温度２０４は、原理的に、厚肉構造部品の符号２０３で表した曲線のような経過に従っている。その温度はまず最小値２０４に達するまで低下し、続いて、増大する。

図３において、本発明に基づくガス・蒸気複合タービン設備の負荷特性ないしその出力特性が理解できる。破線曲線は、従来存在する通常のガス・蒸気複合タービン設備の特性経過を示している。実線曲線は、本発明に基づく方法で始動されたガス・蒸気複合タービン設備の特性経過を示している。Ｘ軸に時間が記され、Ｙ軸に蒸気タービン設備の有用特性ないし出力特性が％で記されている。曲線３００と曲線３０１は、ガスタービン設備（ＣＴ＝Combusion Turbine）における特性経過を示し、曲線４００と曲線４０１は、蒸気タービン設備（ＳＴ＝Steam Turbine）における特性経過を示している。従来のガス・蒸気複合タービン設備においては約３０％の負荷率は比較的早く達成されるが、１００％の負荷率は、選択された例では時間ｔ１経過後に、即ち、ここでは約５０分にはじめて達成される。本発明に基づく設備の場合には、約３０％の負荷率が同様に比較的早く達成され、つまり、約１０分である時点ｔ２に達成される。ここでは１００％の負荷率は、選出された例では時点ｔ３経過後、即ち、ここでは約３０分にはやくも達成される。

ガス・蒸気複合タービン設備の概略構成図。 温度上昇過程の線図。 蒸気タービンの有用特性の時間的経過曲線図。

符号の説明

１ ガス・蒸気複合タービン設備
１ａ ガスタービン設備
１ｂ 蒸気タービン設備
２０ 蒸気タービン
２０ａ 高圧段
２０ｂ 中圧段
２０ｃ 低圧段
３０ 廃熱ボイラ
３０ｂ 廃熱ボイラ天蓋
４４ 高圧給水加熱器
４６ 蒸気発生器
５０ 気水分離器
５２ 過熱器
２０１ 受入限界値

Claims (11)

1. 蒸気タービン設備（１ｂ）が、少なくとも１台の蒸気タービン（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）と、該蒸気タービン（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を駆動する蒸気を発生するための少なくとも１基の蒸気発生設備（３０ｂ、３０、４４、４６、５２、５０）とを有し、その蒸気タービン設備（１ｂ）が、始動時点で２５０℃より高温の初期温度を有する少なくとも１個の基準部品を有し、蒸気の温度および基準部品の温度が連続して測定され、蒸気タービン設備（１ｂ）の基準部品が始動時点から蒸気を供給される蒸気タービン設備（１ｂ）の始動方法において、
   蒸気の始動温度が、前記基準部品の温度より低く、かつ蒸気の温度が始動時過渡率で高められ、また、前記始動温度および始動時過渡率が、基準部品の単位時間当たりの温度変化が所定の限界値以下であるように定められ、さらに、前記基準部品の温度が、まず最小値に達するまで低下され、続いて高められることを特徴とする蒸気タービン設備の始動方法。
2. 基準部品の温度が、蒸気の側における基準部品表面で測定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 基準部品の第２の温度として、基準部品の蒸気とは反対の側における温度が測定され、始動温度および始動時過渡率が、基準部品の表面温度と蒸気とは反対の側における箇所の第２の温度との温度差が所定の温度差限界以下であるように定められることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 基準部品の第２の温度として、蒸気を受ける表面とは反対の基準部品表面における温度が測定されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 基準部品の第２の温度として、厚さのほぼ中央における温度が測定されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 始動時過渡率が一定であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の方法。
7. 蒸気の温度が受入限界値（２０１）に到達した後に運転時過渡率で高められ、その運転時過渡率の値が始動時過渡率の値より小さいことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。
8. 蒸気の温度の変化が外部注水によって行われることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の方法。
9. 部品の初期温度が３００℃〜４００℃であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法。
10. 蒸気の始動温度が初期温度より１５０Ｋ（ケルビン温度）を超えない範囲で低いことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の方法。
11. 始動時過渡率値が５Ｋ／ｍｉｎ以上であり、特に１３Ｋ／ｍｉｎであることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の方法。

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