JP4901881B2 - 蒸気タービン発電設備及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は蒸気タービン発電設備及びその運転方法に関する。

近年、エネルギー有効利用の観点から低温・低圧の余剰蒸気の利用を促進する一手段としてラジアル式の蒸気タービンで発電機を駆動する蒸気タービン発電設備の有効性が認められている。このような蒸気タービン発電設備の一例として、発電機に減速ギヤを介してラジアル蒸気タービンを接続し、小型貫流ボイラから発生した余剰の飽和蒸気を過熱器により昇温してラジアル蒸気タービンに供給するシステムがある（非特許文献１等参照）。

小林利行（外３名），「１００ｋＷラジアル蒸気タービン発電システム」，日本機械学会〔ＮＯ．０６−８〕第１１回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集，２００６年６月２９日，ｐ２４１−２４２

しかしながら、上記従来技術においては、発電機に対して減速ギヤを介して蒸気タービンを接続しているため、蒸気タービンに供給される余剰蒸気の圧力や温度の変動に伴って定格運転時の発電効率も変動してしまう。また、定格発電出力以下で運転する場合には、蒸気タービンに供給される余剰蒸気の圧力や温度を減少させて蒸気タービンの設計点から外れた条件で運転しなければならず、発電効率の面でも課題が残っている。

そこで本発明は、蒸気タービンに供給される余剰蒸気の圧力や温度の変動時の発電効率の低下を抑制することができる蒸気タービン発電設備及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、蒸気発生源からの蒸気により駆動されるラジアル蒸気タービンと同軸上に永久磁石式発電機を連結し、この永久磁石式発電機で発電された電力の周波数と永久磁石式発電機の回転数を制御するインバータを備える。

本発明によれば、蒸気タービンに供給される余剰蒸気の圧力や温度の変動時の発電効率の低下を抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービン発電設備の全体構成を表す概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービン発電設備の全体構成を表す概略図である。 本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービン発電設備の全体構成を表す概略図である。 発電機の回転数と発電出力の関係を表す特性図である。 本発明の第４の実施の形態に係る蒸気タービン発電設備の全体構成を表す概略図である。 本発明の第５の実施の形態に係る蒸気タービン発電設備の全体構成を表す概略図である。 本発明の第５の実施の形態に係る蒸気タービン発電設備に備えられた直列／並列蒸気タービンシステムの全体構成を表す概略図である。

符号の説明

１ 第１ラジアル蒸気タービン
２ 第２ラジアル蒸気タービン
３ 永久磁石式発電機
４ インバータ
１０ 蒸気発生源
１１，１２ 蒸気供給系統
２２ 流量調整弁
３２，３３ 分岐配管
３７ 高圧蒸気供給配管
３８ 低圧蒸気供給配管
４１ 蒸気状態量演算器
４２ 回転数演算器
４３ 出力器
４４ トルク比較器
４５ 出力器
４６ 蒸気状態量比較器
４７ 出力器
５０ 熱需要先
５１，５１Ａ 蒸気タービン発電設備
５２ 蒸気タービン発電設備
５３ 直列／並列蒸気タービンシステム
５４ 並列蒸気タービンシステム
５５ 直列蒸気タービンシステム
６１ 流量検出手段
６２ 圧力検出手段
６３ 温度検出手段
６５ 圧力検出手段
６６ 温度検出手段
６７ 圧力検出手段
６８ 温度検出手段

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービン発電設備の全体構成を表す概略図である。

図１に示した蒸気タービン発電設備５１は、永久磁石式発電機３の両端にラジアル式の蒸気タービン１，２を配置し、例えばガスエンジンや排熱ボイラ等といった蒸気発生源１０から供給される余剰蒸気をラジアル蒸気タービン１，２に分配する並列蒸気タービンシステムである。蒸気タービン発電設備５１の主な特徴は、蒸気発生源１０からの圧力や温度の変動に対応して常に蒸気タービン１，２の運転条件が適正化されるように、蒸気タービン１，２及び永久磁石式発電機３からなる回転体の回転数をインバータ４により可変制御することである。

まず、この蒸気タービン発電設備５１の構成について説明する。

図１に示したように、本実施の形態の蒸気タービン発電設備５１は、蒸気発生源１０からの蒸気により駆動される第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２により駆動されることで発電する永久磁石式発電機３、及び永久磁石式発電機３で発電された電力の周波数と第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２及び永久磁石式発電機３の回転数を制御するインバータ４を備えている。

永久磁石式発電機３は両端が軸受８で支持されており、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２と同軸上に連結されている。本実施の形態の場合、第１ラジアル蒸気タービン１が永久磁石式発電機３の一方（図１中の左側）に、第２ラジアル蒸気タービン２が永久磁石式発電機３の他方（図１中の右側）にそれぞれ連結されている。第１ラジアル蒸気タービン１と第２ラジアル蒸気タービン２は、ともに永久磁石式発電機３に近い側をタービン入口とし、永久磁石式発電機３から遠い側をタービン出口としている。これら第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２はタービン羽根車の外径等の主要寸法が異なっていても良いし同じであっても構わない。なお、軸受８の潤滑剤に関しては、油、水、空気等のいずれを用いても良いが、特に水を潤滑剤として用いた場合、プロセス蒸気等の衛生面に配慮する必要がある場合にも適用可能である上、比較的低摩擦損失で回転体の重量化に対応することができる。

第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２は蒸気供給系統１１を介して蒸気発生源１０と接続されている。蒸気供給系統１１は、蒸気発生源１０からの蒸気を蒸気タービン発電設備５１に供給する主蒸気配管３１、主蒸気配管３１を分岐させて形成した分岐配管３２，３３、主蒸気配管３１から分岐させた蒸気供給配管３５及び放出配管３６からなる配管系と、蒸気供給配管３５、放出配管３６、分岐配管３２にそれぞれ設けた切換弁２０、放出弁２１、流量調節弁２２等の弁装置とからなる。

主蒸気配管３１を流通する蒸気は分流して分岐配管３２，３３に流入し、それぞれ分岐配管３２，３３を通って第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の入口に供給される。第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２への蒸気分配割合は流量調節弁２２の開度により定まる。こうして供給された蒸気により第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２で得られた回転トルクにより、永久磁石式発電機３が駆動される。第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２からの排気は大気放出されるようにしても良いが、例えば蒸気発生源１０等、距離的に排気が供給可能な位置関係にある設備で復水器が用いられていれば、その復水器等に導くようにしても良い。

また、主蒸気配管３１を流れる余剰蒸気の流量Ｇ０が第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２を駆動するのに不十分な場合は、切換弁２０を開いて熱を利用する施設である需要先５０に余剰蒸気を供給し、需要先５０での用途（例えば食品加熱や工場蒸気等）に用いられるようにしても良い。

また、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２で許容できる流量以上に蒸気発生源１０からの余剰蒸気が導入される場合、許容値を超える分に関しては放出弁２１を開いて放出配管３６に流入させ、復水器へ導いたり場合によっては大気放出したりする。なお、この放出弁２１は、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２側で何らかのトラブルが発生したとき等の万一の場合に備え、全開時には主蒸気配管３１を通る余剰蒸気の全流量を放出配管３６に受け入れられる能力を有するものを用いることが望ましい。

また、主蒸気配管３１には主蒸気配管３１を流れる蒸気の流量Ｇ０，圧力Ｐ０，温度Ｔ０をそれぞれ検出する流量検出手段６１，圧力検出手段６２，温度検出手段６３が設けられている。分岐配管３２には第１ラジアル蒸気タービン１に供給される蒸気の流量Ｇ１，圧力Ｐ１，温度Ｔ１をそれぞれ検出する流量検出手段６４，圧力検出手段６５，温度検出手段６６が設けられている。分岐配管３３には第２ラジアル蒸気タービン２に供給される蒸気の圧力Ｐ２，温度Ｔ２をそれぞれ検出する圧力検出手段６７，温度検出手段６８が設けられている。

インバータ４は、永久磁石式発電機３で発電された電力の周波数を電力の需要先である系統５で利用される周波数と一致するように、例えば５０［Ｈｚ］又は６０［Ｈｚ］に変換する。勿論、永久磁石式発電機３で得られた電力の供給先は系統５に限定されず、変圧器を備える等して電圧を１００［Ｖ］に変換し電気機器の電源として供給するようにしても良い。

また、蒸気タービン発電設備５１は、圧力検出手段６５，６７及び温度検出手段６６，６８からの検出信号を基に第１及び第２のラジアル蒸気タービン１，２に供給されるそれぞれの蒸気の圧力及び温度を演算する蒸気状態量演算器４１、蒸気状態量演算器４１で演算された第１及び第２のラジアル蒸気タービン１，２に供給されるそれぞれの蒸気の圧力及び温度を基に第１及び第２のラジアル蒸気タービン１，２のそれぞれの運転回転数を演算する回転数演算器４２、回転数演算器４２の演算結果をインバータ４に指令する出力器４３を備えている。

回転数演算器４２が演算する運転回転数は、次に示す式（１）で求められるＵ／Ｃ０がタービンの最適状態である０．６５〜０．７５に相当する回転数である。

ここで、Ｕ：タービン羽根車外径における周速［ｍ／ｓ］、Ｃｐ：タービン入口における余剰蒸気の定圧比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］、Ｔ：タービン入口における余剰蒸気の温度［Ｋ］、Ｐｓ：タービン出口における静圧［Ｐａ］、Ｐ：タービン入口における余剰蒸気の全圧［Ｐａ］、κ：タービン入口における余剰蒸気の比熱比［−］である。

第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２のそれぞれに対してタービンの最適状態であるＵ／Ｃ０＝０．６５〜０．７５に相当する回転数が同一である場合、回転数演算器４２は、第１及び第２のラジアル蒸気タービン１，２に共通の運転回転数を回転数指令値としてインバータ４に出力する。一方、算出された運転回転数が異なる場合、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の各回転数の平均値を運転回転数としてインバータ４に出力する。回転数演算器４２に運転回転数を演算させるにあたっては、蒸気の圧力及び温度に対する定圧比熱や比熱比等の物性値特性及び第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２のそれぞれの圧力比を予めバックデータとして回転数演算器４２に記憶させておくことが好ましい。

蒸気発生源１０からの蒸気の圧力や温度は時間変化し易いが、圧力検出手段６５，６７及び温度検出手段６６，６８からの検出信号は随時又は設定の時間間隔で蒸気状態量演算器４１に出力され、蒸気状態量演算器４１では随時又は設定の時間間隔で第１及び第２のラジアル蒸気タービン１，２にそれぞれ供給される蒸気の圧力及び温度が演算される。この演算結果は、回転数演算器４２に随時又は設定の時間間隔で出力され、回転数演算器４２では随時又は設定の時間間隔で第１及び第２のラジアル蒸気タービン１，２のそれぞれの運転回転数が演算され、その結果が出力器４３を介してインバータ４に出力される。これにより、蒸気発生源１０からの蒸気の状態量変化に追従し、常時最適な運転回転数に近付くように永久磁石式発電機３が回転数制御されるように構成されている。

また、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２は同一回転軸上に連結されているので、両タービンに作用する回転トルクの偏差は回転軸へのねじり力として作用することになる。したがって、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の回転トルクの偏差を回転軸のねじり剛性が許容する範囲に収まるように調整する必要がある。

そこで、蒸気タービン発電設備５１は、流量調整弁２２の開度を制御するトルク比較器４４を備えている。トルク比較器４４は、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２のそれぞれのタービン羽根車の径と分配される蒸気流量を基に、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の回転トルクを演算する。第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２に作用する回転トルクは、それぞれのタービン羽根車の半径と羽根車の外径に吹き付けられる流速及び質量流量の積で求められる。これらの値うち、タービン羽根車の外径に吹き付けられる流速及び質量流量は流量調節弁２２の開度で調整可能であり、トルク比較器４４では、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２に作用する回転トルクを随時又は設定の時間間隔で演算し、その偏差に応じて流量調節弁２２の開度をフィードバック制御することにより、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２に作用する回転トルクの偏差が事前に設定された許容範囲に収まるように働きかける。トルク比較器４４からの流量指令は、出力器４５を介して流量調節弁２２に出力され、これにより流量調節弁２２の開度が制御されて第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２のトルク偏差が軽減される。

次に上記構成の蒸気タービン発電設備５１の動作及び作用を順次説明する。

この実施の形態の蒸気タービン発電設備を起動する際には、まず放出弁２１を全開にして第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２にガスエンジンや排熱ボイラ等の蒸気発生源１０からの余剰蒸気が供給されない状態としておき、その状態から放出弁２１を徐々に閉じていく。これにより、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２のそれぞれに作用する回転トルクが不連続とならないように第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２へ供給する余剰蒸気の流量を増加させていき、定格発電運転に到達する。

放出弁２１を閉じていくことにより、主蒸気配管３１を流れる蒸気（流量Ｇ０，圧力Ｐ０，温度Ｔ０）は分流して分岐配管２１，２２に流入し、分岐配管３２を流れる第１余剰蒸気（流量Ｇ１，圧力Ｐ１，温度Ｔ１）として第１ラジアル蒸気タービン１に、分岐配管３３を流れる第２余剰蒸気（流量Ｇ０−Ｇ１，圧力Ｐ２，温度Ｔ２）として第２ラジアル蒸気タービン２にそれぞれ供給される。主蒸気配管３１を流れる蒸気流量が第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２で受け入れ許容量を超える場合、その超過流量分については放出弁２１を介し放出配管３６から抜き取られる。

第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２はそれぞれ分岐配管３２，３３から供給される蒸気により回転トルクを得て、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の回転トルクにより永久磁石式発電機３を駆動する。永久磁石式発電機３が発電した電力は、インバータ４により周波数制御された上で電力需要先である系統５に供給される。

また、定格発電運転に到達するのと同時に又はそれに前後して、流量調節弁２２の制御シーケンスを実行し第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の回転トルクの偏差が回転軸のねじり剛性の許容範囲を超えないように第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２への蒸気分配量を調整する。

発電出力を定格まで徐々に増加させていく際には、各負荷条件に対応した回転数制御の条件として、タービン羽根車入口における速度三角形のうち、特に羽根車へのガス流入角度と羽根角度の差である入射角が−２０度〜−４０度であることを回転数演算器４２で確認しながら運転することが望ましい。

本実施の形態によれば、蒸気発生源１０からの余剰蒸気の圧力や温度が変動した場合、それが圧力検出手段６５，６７及び温度検出手段６６，６８により検出され、それらの検出結果に応じて第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の運転回転数が指令され、インバータ４により永久磁石式発電機３の回転数が制御される。これにより、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２に供給される余剰蒸気の圧力や温度の変動時の発電効率の低下を抑制することができ、定格運転時の発電効率の変動を抑制することもできる。また、定格発電出力以下で運転するために第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２に供給される余剰蒸気の圧力や温度を減少させた場合でも、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の設計点に収まった条件で運転することができる。

また、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２は同一回転軸上に連結されているので、両タービンに作用する回転トルクの偏差は回転軸へのねじり力として作用することになる。それに対しても、本実施の形態によれば、トルク比較器４４によって両タービン１，２に作用する回転トルクの偏差が小さくなる方向に流量調節弁２２の開度をフィードバック制御することにより、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２及び永久磁石式発電機３からなる回転体の回転軸に作用するねじり力を抑えることができる。

また、本実施の形態の蒸気タービン発電設備５１において、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の外径等の寸法並びにタービン入口の圧力及び温度が実質的に同一である場合、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２のそれぞれのタービン羽根車に作用するスラスト力は実質的に相殺される。また、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の外径等の寸法が異なっていても、流量調節弁２２の開度調整によりタービン入口の圧力を調節し、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２のそれぞれのタービン羽根車に作用するスラスト力が実質的に相殺されるようにすることも可能である。

なお、本実施の形態の蒸気タービン発電設備５１は、蒸気発生源１０からの余剰蒸気を分配して第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２にそれぞれ供給する並列蒸気タービンシステムであり、主蒸気配管３１を流れる蒸気の圧力Ｐ０が比較的小さく流量Ｇ０が多い場合、また第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２からの排気の熱需要先が別途ある場合の運転に好適である。

図２は本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービン発電設備の全体構成を表す概略図である。本図において既出図面と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態の蒸気タービン発電設備５１Ａは、図１の蒸気タービン発電設備５１の流量調節弁２２及びその制御系を省略したものである。また、分岐配管３２，３３には主蒸気配管３１からの余剰蒸気がほぼ同流量ずつ流入するように配管径及び配管長さが設計されている。その他、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２が、各寸法、例えばノズルスロート面積やタービン羽根車の外径などの主要寸法が実質的に同一で互いに対称に製作されている点を除き、蒸気タービン発電設備５１Ａは、第１の実施の形態の蒸気タービン発電設備５１と実質的に同様の構成である。本実施の形態においても、永久磁石式発電機３の回転数は第１の実施の形態と同様に制御される構成である。

本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果に加え、流量調節弁２２及びその制御系が不要であるため、第１の実施の形態に比べて構成が簡素で製作も容易である。また設備費も軽減される。

また、前に述べたように、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２は同一回転軸上の両端に設けられているので、両タービンに作用する回転トルクの偏差は回転軸へのねじり力として作用することになる。これに対しては、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の寸法及び蒸気流量が実質的に等しくしてあるので、本実施の形態は分岐配管３２，３３を流れる蒸気の分配量を制御するまでもなく、理論上、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２に作用する回転トルクの偏差が回転軸のねじり剛性が許容する範囲内に収まるように構成することで対処してある。

また、第１及び第２ラジアルタービン１，２の回転数がタービンの最適状態であるＵ／Ｃ０＝０．６５〜０．７５に相当する回転数で運転されるように、第１の実施の形態と同様にしてＵ／Ｃ０＝０．６５〜０．７５に相当する運転回転数を算出するが、その際、本実施の形態では第１及び第２ラジアルタービン１，２に供給される蒸気の状態量を同一とみなして分岐配管３２，３３のいずれかの蒸気の状態量を計測するように構成することもできる。

また、本実施の形態の蒸気タービン発電設備５１Ａでは、第１ラジアル蒸気タービン１の寸法並びにタービン入口の圧力及び温度が実質的に同一であるため、両タービンにかかるスラスト荷重が実質的に相殺される。したがって、軸受８のうちスラスト軸受により発生する損失のうち荷重による損失増加分が抑制され、さらなる発電効率の向上が期待できる。

図３は本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービン発電設備の全体構成を表す概略図である。本図において既出図面と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態の蒸気タービン発電設備５２は、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２に対して蒸気を直列に供給する直列蒸気タービンシステムであり、主蒸気配管３１を流れる蒸気の圧力Ｐ０が比較的大きい場合に、最大の発電出力を得る運転に適している。蒸気タービン発電設備５２において、主蒸気配管３１からの蒸気は、主蒸気配管３１の下流側に連続する高圧蒸気供給配管３７を介して高圧タービンである第１ラジアル蒸気タービン１の入口に導かれ、低圧タービンである第２ラジアル蒸気タービン２には、低圧蒸気供給配管３８を介して第１ラジアル蒸気タービン１の排気が供給される。本実施の形態において、圧力検出手段６５及び温度検出手段６６は高圧蒸気供給配管３７に、圧力検出手段６７及び温度検出手段６８は低圧蒸気供給配管３８にそれぞれ設けられている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

蒸気発生源１０からの蒸気（圧力Ｐ１、温度Ｔ１）はまず高圧蒸気供給配管３７を介して高圧タービンである第１ラジアル蒸気タービン１に供給され、第１ラジアル蒸気タービン１を駆動する。第１ラジアル蒸気タービン１で仕事をして膨張した蒸気（圧力Ｐ２、温度Ｔ２）は、低圧蒸気供給配管３８を通って第２ラジアル蒸気タービン２に供給され、第２ラジアル蒸気タービン１を駆動する。このようにして回転動力を得た第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２は、同軸上に連結された永久磁石式発電機３を駆動する。永久磁石式発電機３で発生した電力は、インバータ４により周波数を制御されて系統５に供給される。

なお、第１ラジアル蒸気タービン１又は第２ラジアル蒸気タービン２で許容できる蒸気流量のうち少ない方を超える分は、放出弁２１を介して抽気される。また、第２ラジアル蒸気タービン２からの排気は大気放出しても良いが図示しない復水器等に供給しても良い。また、主蒸気配管３１を流れる蒸気の圧力Ｐ０が比較的小さく第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２を駆動するのに不十分な場合は、切換弁２０を開き食品加熱や工場蒸気等の需要先５０へ蒸気発生源１０からの蒸気を供給しても良い。

本実施の形態においても、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２は同一回転軸上に連結されているので、両タービンに作用する回転トルクの偏差は回転軸へのねじり力として作用することになる。したがって、回転軸のねじり剛性が許容する範囲で、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の回転トルクの偏差を調整する必要がある。第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２に作用する回転トルクは、それぞれのタービン羽根車の半径と羽根車の外径に吹き付けられる流速及び質量流量の積で求められるが、本実施の形態の場合、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の回転トルクの偏差が許容範囲に収まるように第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２のタービン羽根車の径や蒸気の流速・質量流量を設定しておく必要がある。

第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２の運転回転数に関しては、Ｕ／Ｃ０＝０．６５〜０．７５に相当する回転数が第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２で異なる場合、両回転数の平均値を運転回転数とする。具体的には、第１ラジアル蒸気タービン１に供給される蒸気の圧力Ｐ１及び温度Ｔ１並びに第２ラジアル蒸気タービン２に供給される蒸気の圧力Ｐ２、温度Ｔ２を蒸気状態量演算器４１において時間間隔で演算し、回転数演算器４２において第１ラジアル蒸気タービン１及び第２ラジアル蒸気タービン２それぞれのＵ／Ｃ０を常に把握して第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２それぞれのＵ／Ｃ０＝０．６５〜０．７５に相当する回転数を算出し平均化する。既述の各実施の形態と同様、この一連の処理を繰り返し実行することによって蒸気発生源１０からの蒸気の状態量の変動に追従して永久磁石式発電機３の回転数が制御されるので、発電効率の低下を抑制することができる。

また、本実施の形態の蒸気タービン発電設備５２を起動する際には、放出弁２１を全開にして第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２に蒸気が供給されないようにしておき、その状態から放出弁２１を徐々に閉じてタービンに作用する回転トルクが不連続にならないようにしつつ、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２に供給する蒸気流量を増加させていき発電運転に到達する。

ここで、発電機の回転数Ｎと発電出力ＰＬの関係を表す特性図を図４に示す。

以上に述べた第１〜第３の実施の形態のいずれにおいても、回転数演算器４２で演算した運転回転数をインバータ４に指令することにより、永久磁石式発電機３の回転数を制御することが可能である。したがって、図４のように事前に求められた永久磁石式発電機３の回転数と発電出力の関係の下、Ａ点にある現在の回転数Ｎａを運転可能範囲内で例えば数％ずつ増減（図４の状態では減少）させて最も発電出力の高いＢ点の回転数Ｎｂに向かわせる。そして、永久磁石式発電機３で実際にインバータ４に出力される発電出力ＰＬをモニタし、直接計測された発電出力ＰＬの値をフィードバックして発電出力ＰＬと極大値（Ｂ点）との偏差が０（ゼロ）に近付くように永久磁石式発電機３の回転数を例えば回転数演算器４２で制御するようにすることも可能である。このように永久磁石式発電機３の発電出力の計測値を基に、発電出力が極大となる回転数に近付くようにラジアル蒸気タービン１，２及び永久磁石式発電機３の回転数を制御することで、蒸気タービンの最適点又はその近辺での運転が実現し易く高い発電効率を確保することができる。

図５は本発明の第４の実施の形態に係る蒸気タービン発電設備の全体構成を表す概略図である。本図において既出図面と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態の蒸気タービン発電設備は、並列蒸気タービンシステム５４と、直列蒸気タービンシステム５５と、これら蒸気タービンシステム５４，５５に蒸気発生源１０からの蒸気を供給する蒸気供給系統１２と、この蒸気供給系統１２を流れる蒸気の流量・圧力・温度をそれぞれ検出する流量検出手段６１・圧力検出手段６２・温度検出手段６３と、流量検出手段６１・圧力検出手段６２・温度検出手段６３からの検出信号を基に蒸気供給系統１２を流れる蒸気の状態量を演算する蒸気状態量比較器４６と、この蒸気状態量比較器４６からの指令信号蒸気供給系統１２に出力する出力器４７とを備えている。並列蒸気タービンシステム５４は例えば前述の蒸気タービン発電設備５１又は５１Ａ等であり、直列蒸気タービンシステム５５は例えば前述の蒸気タービン発電設備５２等である。

蒸気供給系統１２は、蒸気発生源１０からの蒸気を流通させる主蒸気配管１３、主蒸気配管１３を分岐させて形成した分岐配管１４−１６からなる配管系と、分岐配管１４−１６にそれぞれ設けた切換弁２０，１８，１９等の弁装置とからなる。分岐配管１４は需要先５０に、分岐配管１５は並列蒸気タービンシステム５４の主蒸気配管１３に、分岐配管１６は直列蒸気タービンシステム５５の主蒸気配管１３に接続している。蒸気供給系統１２は、切換弁２０，１８，１９の開閉パターンの切換により、並列蒸気タービンシステム５４、直列蒸気タービンシステム５５及びその他の熱の需要先５０のうちから、蒸気発生源１０からの蒸気の供給先を切り換えることができる。

流量検出手段６１・圧力検出手段６２・温度検出手段６３の検出信号は蒸気状態量比較器４６に出力される。蒸気状態量比較器４６は、流量検出手段６１・圧力検出手段６２・温度検出手段６３からの検出信号を基に蒸気供給系統１２の主蒸気配管１３を流れる蒸気の状態量（流量Ｇ０・圧力Ｐ０・温度Ｔ０）を演算し、演算した蒸気の状態量を基に蒸気発生源１０からの蒸気の供給先を、並列蒸気タービンシステム５４、直列蒸気タービンシステム５５及び需要先５０のうちから選択する。出力器４７は、この蒸気状態量比較器４６による選択結果に従って蒸気供給系統１２の切換弁２０，１８，１９に指令信号を出力し、並列蒸気タービンシステム５４、直列蒸気タービンシステム５５及び需要先５０のいずれかに蒸気発生源１０からの蒸気の供給先を確定する。

例えば、需要先５０で食品加熱をするような場合、主蒸気配管１３を流れる蒸気の温度Ｔ０が食品加熱に十分な値であれば、蒸気状態量比較器４５により切換弁２０，１８，１９のうち切換弁２０のみを開いて需要先５０へ蒸気を供給し、食品加熱等に蒸気を利用する。また、主蒸気配管１３を流れる蒸気の流量Ｇ０が並列蒸気タービンシステム５４を駆動するのに十分である場合は、蒸気状態量比較器４５により切換弁２０，１８，１９のうち切換弁１８のみを開いて主蒸気配管１３を流れる蒸気を並列蒸気タービンシステム５４へ供給する。さらに、主蒸気配管３１を流れる蒸気の圧力Ｐ０が直列蒸気タービンシステム５５を駆動するのに十分である場合は、蒸気状態量比較器４５により切換弁２０，１８，１９のうち切換弁１９のみを開いて主蒸気配管１３を流れる蒸気を直列蒸気タービンシステム５５へ供給する。

本実施の形態の場合、蒸気発生源１０からの蒸気の供給先として、並列蒸気タービンシステム５４、直列蒸気タービンシステム５５及び需要先５０を有しているので、前に説明した各実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、蒸気の状態の変化に応じて最も有効に蒸気を利用できる蒸気利用先に蒸気を供給することができるので、蒸気発生源１０からの余剰蒸気をより有効に利用することができる。

図６は本発明の第５の実施の形態に係る蒸気タービン発電設備の全体構成を表す概略図である。本図において既出図面と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。

図６に示す実施の形態の蒸気タービン発電設備は、図５の蒸気タービン発電設備の並列蒸気タービンシステム５４を直列／並列蒸気タービンシステム５３に代え、直列蒸気タービンシステム５５、分岐配管１６及び切換弁１９を省略したものであり、その他の構成は図５の蒸気タービン発電設備と同様である。

直列／並列蒸気タービンシステム５３は、並列蒸気タービンシステム及び直列蒸気タービンシステムの両方の機能を切り換えて選択的に使用することができるもので、直列／並列蒸気タービンシステム５３を採用することで、図５の蒸気タービン発電設備のように並列蒸気タービンシステム及び直列蒸気タービンシステムの両方を設置する必要がなくなる。

図７は直列／並列蒸気タービンシステム５３の全体構成を表す概略図である。本図において既出図面と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。

図７に示すように、直列／並列蒸気タービンシステム５３は、第１ラジアル蒸気タービン１の出口と第２ラジアル蒸気タービン２の入口を接続する低圧蒸気供給配管３９、分岐配管３３・第１ラジアル蒸気タービン１の排気管４０・低圧蒸気供給配管３９にそれぞれ設けた切換弁２６−２８、低圧蒸気供給配管３９に設けた圧力検出手段５６及び温度検出手段５７を追加した点を除き、図１の蒸気タービン発電設備５１と実質的に同様の構成である。

なお、本実施の形態においては、流量検出手段６１、圧力検出手段６２、温度検出手段６３、蒸気供給配管３５、切換弁２０については図６に示してある。また、圧力検出手段５６及び温度検出手段５７は、直列蒸気タービンシステムとして既に例示した図３の蒸気タービン発電設備５２の圧力検出手段６７及び温度検出手段６８に相当する。また、直列蒸気タービンシステムとして運転する場合に第１及び第2ラジアル蒸気タービン１，２の回転トルクの偏差が大きくならないように、配管３２，３９の流路径及び長さ、第１及び第２ラジアル蒸気タービン１，２のタービン羽根車の寸法については事前に考慮されている。この点については図３の実施の形態で述べた通りである。

直列／並列蒸気タービンシステム５３を用い、並列蒸気タービンシステムとして運転する場合と直列蒸気タービンシステムとして運転する場合の切換方法について説明する。なお、並列蒸気タービンシステム及び直列蒸気タービンシステムの機能については既に述べた通りである。また、ここでは需要先５０に蒸気を供給する場合の説明は省略し、切換弁２０が閉じて切換弁１８が開いていることを前提とする。

蒸気状態量比較器４６は、主蒸気配管１３に設けた各検出器６１−６３からの検出信号を基に、例えば蒸気発生源１０からの蒸気の流量Ｇ０が並列蒸気タービンシステムを駆動するのに十分な値であると判定した場合、出力器４８を介して各弁に指令信号を出力し、分岐配管３３の切換弁２６及び排気管４０の切換弁２７を開け、低圧蒸気供給配管３９の切換弁２８を閉じる。これにより直列／並列蒸気タービンシステム５３が並列蒸気タービンシステムとして利用可能となる。運転方法は図１に示した蒸気タービン発電設備５１と実質的に同様である。

また、蒸気状態量比較器４６は、主蒸気配管１３に設けた各検出器６１−６３からの検出信号を基に、例えば蒸気発生源１０からの蒸気の圧力Ｐ０が直列蒸気タービンシステムを駆動するのに十分な値であると判定した場合、出力器４８を介して各弁に指令信号を出力し、低圧蒸気供給配管３９の切換弁２８を開け、分岐配管３３の切換弁２６及び排気管４０の切換弁２７を閉じる。これにより直列／並列蒸気タービンシステム５３が直列蒸気タービンシステムとして利用可能となる。運転方法は図３に示した蒸気タービン発電設備５２と実質的に同様である。また、直列／並列蒸気タービンシステム５３が直列蒸気タービンシステムとして利用する場合、流量調節弁２２の制御は、蒸気状態量比較器４６による制御がトルク比較器４４による制御に優先し、流量調節弁２２は全開に開度調節されるものとする。

本実施の形態においても図５の実施の形態と同様の効果が得られ、しかも並列蒸気タービンシステムと直列蒸気タービンシステムが直列／並列蒸気タービンシステム５３で兼ねられるので、図５のシステムに対して省スペース化の効果が大きい。

なお、以上においては第１及び第２ラジアル蒸気タービンを永久磁石式発電機３の両端に設けた場合を例に挙げて説明したが、両タービンを永久磁石式発電機３の片側に設けても良い。また、永久磁石式発電機３と同軸上に連結するラジアル蒸気タービンの数は２つに限定されず、１個でも良いし３つ以上でも良い。

Claims (7)

1. 蒸気発生源からの蒸気により駆動されるラジアル蒸気タービンと、
   このラジアル蒸気タービンと同軸上に連結され、前記ラジアル蒸気タービンにより駆動されることで発電する永久磁石式発電機と、
   この永久磁石式発電機で発電された電力の周波数及び前記永久磁石式発電機の回転数を制御するインバータとを備え、
   前記ラジアル蒸気タービンが前記永久磁石式発電機の一方に連結された第１のラジアル蒸気タービンと前記永久磁石式発電機の他方に連結された第２のラジアル蒸気タービンからなり、
   前記蒸気発生源からの蒸気を分流させ前記第１及び第２のラジアル蒸気タービンにそれぞれ供給する分岐配管をさらに備え、
   前記分岐配管を流れる蒸気の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記分岐配管を流れる蒸気の温度を検出する温度検出手段と、
   前記圧力検出手段及び前記温度検出手段からの検出信号を基に前記第１及び第２のラジアル蒸気タービンの運転回転数を演算する回転数演算器と、
   この回転数演算器の演算結果を前記インバータに指令する出力器と
   を備えたことを特徴とする蒸気タービン発電設備。
2. 請求項１の蒸気タービン発電設備において、
   前記分岐配管に設けられ前記第１及び第２のラジアル蒸気タービンへの蒸気の分配割合を調整する流量調整弁と、
   第１及び第２のラジアル蒸気タービンのそれぞれのタービン羽根車の径と分配される蒸気流量を基に前記第１及び第２のラジアル蒸気タービンの回転トルクを比較し、前記第１及び第２のラジアル蒸気タービンの回転トルクの偏差が設定範囲に収まるように前記流量調整弁の開度を制御するトルク比較器と
   を備えたことを特徴とする蒸気タービン発電設備。
3. 請求項１の蒸気タービン発電設備において、前記回転数演算器は、事前に求められた前記永久磁石式発電機の回転数と発電出力の関係の下、前記永久磁石式発電機の発電出力の計測値を基に、発電出力が極大となる回転数に近付くように前記永久磁石式発電機の回転数を制御することを特徴とする蒸気タービン発電設備。
4. 蒸気発生源からの蒸気により駆動されるラジアル蒸気タービンと、このラジアル蒸気タービンと同軸上に連結され、前記ラジアル蒸気タービンにより駆動されることで発電する永久磁石式発電機と、この永久磁石式発電機で発電された電力の周波数及び前記永久磁石式発電機の回転数を制御するインバータとを備え、前記ラジアル蒸気タービンが前記永久磁石式発電機の一方に連結された第１のラジアル蒸気タービンと前記永久磁石式発電機の他方に連結された第２のラジアル蒸気タービンからなり、前記蒸気発生源からの蒸気を分流させ前記第１及び第２のラジアル蒸気タービンにそれぞれ供給する分岐配管をさらに備えた並列蒸気タービンシステムと、
   蒸気発生源からの蒸気により駆動されるラジアル蒸気タービンと、このラジアル蒸気タービンと同軸上に連結され、前記ラジアル蒸気タービンにより駆動されることで発電する永久磁石式発電機と、この永久磁石式発電機で発電された電力の周波数及び前記永久磁石式発電機の回転数を制御するインバータとを備え、前記ラジアル蒸気タービンが前記永久磁石式発電機の一方に連結された高圧タービンと前記永久磁石式発電機の他方に連結された低圧タービンからなり、前記蒸気発生源からの蒸気を前記高圧タービンに供給する高圧蒸気供給配管と、前記高圧タービンの排気を前記低圧タービンに供給する低圧蒸気供給配管とをさらに備えた直列蒸気タービンシステムと、
   前記並列蒸気タービンシステム又は前記直列蒸気タービンシステムに前記蒸気発生源からの蒸気の供給先が切り換え可能に構成された蒸気供給系統と、
   この蒸気供給系統を流れる蒸気の流量を検出する流量検出手段と、
   前記蒸気供給系統を流れる蒸気の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記流量検出手段及び前記圧力検出手段からの検出信号を基に前記蒸気供給系統を流れる蒸気の状態量を演算し、演算した蒸気の状態量を基に前記蒸気発生源からの蒸気の供給先を選択する蒸気状態量比較器と、
   この蒸気状態量比較器による選択結果に従って前記蒸気供給系統に指令信号を出力し前記蒸気発生源からの蒸気の供給先を確定する出力器と
   を備えたことを特徴とする蒸気タービン発電設備。
5. 請求項４の蒸気タービン発電設備において、前記並列蒸気タービンシステム及び直列蒸気タービンシステムに代えて、並列蒸気タービンシステム又は直列蒸気タービンシステムとして運転切換可能な直列／並列蒸気タービンシステムを備えたことを特徴とする蒸気タービン発電設備。
6. 蒸気発生源からの蒸気の圧力及び温度を基に、永久磁石式発電機の一方に連結された第１のラジアル蒸気タービンと前記永久磁石式発電機の他方に連結された第２のラジアル蒸気タービンの運転回転数を演算し、前記永久磁石式発電機の回転数を制御する蒸気タービン発電設備の運転方法であって、
   前記第１及び第２のラジアル蒸気タービンのそれぞれのタービン羽根車の径と分配される蒸気流量を基に前記第１及び第２のラジアル蒸気タービンの回転トルクを比較し、前記第１及び第２のラジアル蒸気タービンの回転トルクの偏差が設定範囲に収まるように前記第１及び第２のラジアル蒸気タービンへの蒸気分配量を制御することを特徴とする蒸気タービン発電設備の運転方法。
7. 蒸気発生源からの蒸気の圧力及び温度を基に、永久磁石式発電機の一方に連結された第１のラジアル蒸気タービンと前記永久磁石式発電機の他方に連結された第２のラジアル蒸気タービンの運転回転数を演算し、前記永久磁石式発電機の回転数を制御する蒸気タービン発電設備の運転方法であって、
   前記第１及び第２のラジアル蒸気タービンに前記蒸気発生源からの蒸気を分配するか、前記第１のラジアル蒸気タービンに前記蒸気発生源からの蒸気を供給し前記第１のラジアル蒸気タービンの排気を前記第２のラジアル蒸気タービンに供給するかを、前記蒸気発生源からの蒸気の流量及び圧力を基に切り換えることを特徴とする蒸気タービン発電設備の運転方法。

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