JP5193021B2 - 蒸気タービン試験設備、低負荷試験方法、及び負荷遮断試験方法 - Google Patents
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Description
蒸気によって得られる動力が機械的な損失を上回る高負荷試験においては、試験用蒸気タービンは自力で回転速度の上昇と維持ができる。したがって、高負荷試験では、出力される動力を回収するため発電機や動力計などを試験用蒸気タービンに接続して、タービン動翼に発生する応力や蒸気タービン内部の蒸気の流れなど、蒸気タービンプラントの性能及び信頼性を評価するために必要なデータを試験計測している。
蒸気タービンの負荷(蒸気流量)が一定値以下になると、タービン動翼の翼長が長い場合(例えば、低圧タービン)はタービン動翼の下流に蒸気の渦流が発生し、蒸気タービンにランダム振動が発生する。そこで、ランダム振動が及ぼす影響を含めた蒸気タービンプラントの信頼性を評価するために低負荷試験を実施する。
低負荷試験は、試験用蒸気タービンの負荷が、ランダム振動が発生する負荷以下の低負荷状態のときに、タービン動翼に発生する応力や蒸気タービン内部の蒸気の流れなど、蒸気タービンプラントの信頼性を評価するために必要なデータを試験計測する試験である。低負荷試験では、蒸気によって得られる動力が機械的な損失を下回ると試験用蒸気タービンは自力で回転速度を維持できない。そこで、従来、駆動用タービンや電動機を試験用蒸気タービンに接続して試験用蒸気タービンの回転速度を維持している。
原子力発電プラントでは、原子炉及び蒸気タービンの負荷を遮断する負荷遮断試験を実施する。蒸気タービンの負荷が遮断されると、蒸気タービン内が急減圧することによって、主蒸気から抽気される蒸気が逆流(フラッシュバック)し、フラッシュバックに伴って蒸気タービンの内部に非定常な蒸気の流れが発生する。そして、この非定常な蒸気の流れによって発生する流体力が加振力となって、タービン動翼にフラッシュバック振動が発生する。
また、主蒸気が遮断されるため蒸気タービンは極低負荷状態となって蒸気の渦流によるランダム振動が発生し、これがフラッシュバック振動と重畳してタービン動翼に大きな振動力として作用することが近年判明した。
そこで、負荷遮断試験におけるフラッシュバック振動とランダム振動が及ぼす影響を含めた蒸気タービンプラントの信頼性を評価するため、蒸気タービン試験設備によって負荷遮断試験を実施することが望ましい。
また、低負荷試験においては、試験用蒸気タービンに駆動用タービンや電動機を接続して試験用蒸気タービンの回転速度を維持している。
一方、試験用蒸気タービンは、慣性の相違などによって、負荷遮断後の挙動が実際の蒸気タービンと同じにならない。試験用蒸気タービンに駆動用タービンや電動機を接続し、負荷が遮断された状態(負荷遮断状態)のときに回転速度を維持するように構成しても、実際の蒸気タービンで負荷を遮断した直後に発生するオーバースピードなど、実際の蒸気タービンの回転速度の過渡的な変化を忠実に模擬することができない。
そのため、従来の試験用蒸気タービンでは、負荷を遮断したときに発生するフラッシュバック振動やランダム振動が及ぼす影響を精度よく評価することができない。
図1の(a)は一般的な蒸気タービンプラントの構成図、(b)は、蒸気タービン試験設備の一構成例を示す図である。
図1の(a)に示すように、一般的な蒸気タービンプラント10には、蒸気タービンの実機(蒸気タービン11)として高圧タービン11H、中圧タービン11M、及び低圧タービン11Lを備えるものがある。このように構成される蒸気タービンプラント10は、ボイラ12で発生した蒸気Stが高圧タービン11Hで仕事をしてボイラ12に備わる再熱器12aに流入して加熱され、中圧タービン11Mに流入する。そして、中圧タービン11Mで仕事をした後、低圧タービン11Lに流入して低圧タービン11Lで仕事をして復水器13に流入する。このように、蒸気Stが高圧タービン11H、中圧タービン11M、及び低圧タービン11Lに流入して仕事をすることで、出力軸11aが回転する。
変速機3の減速率(又は増速率)は、試験用蒸気タービン2の回転速度の特性と電動発電機4の回転速度の特性に基づいて適宜設定すればよい。
また、試験用蒸気タービン2の回転速度の特性と電動発電機4の回転速度の特性によっては変速機3が不要になり、電動発電機4を出力軸2aに直接接続する構成になる。
図2に示すように、電動発電機4には、回転子鉄心40aと磁極を構成する永久磁石40bが備わり、回転軸4aと一体に回転する回転子40が構成される。
回転子鉄心40aは、回転軸4aを介して変速機3(図1の(b)参照)と接続され、試験用蒸気タービン2(図1の(b)参照)の出力軸2aの回転に伴って回転する。
そして、3相固定子巻線41bは、制御装置5と電気的に接続される。
制御回路5aは、スイッチング素子50とダイオード51からなる3相ブリッジ回路に構成されるインバータ回路を含んでなる。
また、制御部5bには、例えばキーボードやマウスなど、データを入力するための入力装置5cと、ディスプレイ装置など、入力結果を表示するための表示装置5dが備わる。
このように、制御部5bは電動発電機4の回転子40を任意の回転速度ωで回転できる。回転子40は回転軸4aと一体に回転し、回転軸4aは変速機3(図1の(b)参照)を介して出力軸2a(図1の(b)参照)と接続することから、制御部5bは、出力軸2aを任意の回転速度ωsで回転できる。すなわち制御部5bは、試験用蒸気タービン2を任意の回転速度ωsで回転できる。
一方、電動発電機4は、試験用蒸気タービン2が回転速度ωsで回転するときに得られる動力よりも大きな動力が出力軸2aを介して入力される、すなわち大きな負荷が入力されると発電機モードに自動的に切り替わる。
一方、試験用蒸気タービン2は、蒸気流量を低減すると動力が減少して低負荷状態になり、電動発電機4は電動機モードに自動的に切り替わる。
また、試験用蒸気タービン2は、蒸気供給が遮断されると負荷遮断状態になる。このとき試験用蒸気タービン2は極低負荷状態になり、電動発電機4は電動機モードに自動的に切り替わる。
図3の(a)は、実機蒸気タービンの回転速度の変化を示す図であり、縦軸に実機蒸気タービンの回転速度ωs、横軸に時刻(経過時間)tを示している。
また、図3の(b)は、負荷遮断試験における変速パターンの一例を示す図である。
図3の(b)の横軸は負荷遮断試験の時刻(経過時間)tを示し、時刻0は負荷遮断試験の開始時刻を示す。また、縦軸は、試験用蒸気タービンの回転速度ωsを示す。
時刻t1では、負荷の遮断とともに蒸気供給も遮断されることから、実機蒸気タービン11は、時刻t2以降は減速し、時刻t3で回転速度ωs1より少し高い回転速度ωs3になってしばらく回転し、時刻4tから徐々に減速する。
すなわち、制御装置5は、任意に設定される変速パターンに基づいて回転子40の回転速度ωを変速することで、試験用蒸気タービン2の回転速度ωsを、任意に設定される変速パターンに基づいて変速できる。
なお、負荷遮断試験の時間経過の代表的な時刻は、図3の(b)に示す時刻t1〜t5の5箇所に限定されず、必要に応じて適宜増減すればよい。
また、試験用蒸気タービン2(図1の(b)参照)は、蒸気供給が遮断されることで負荷遮断状態になることから、時刻t1は、試験用蒸気タービン2への蒸気供給を遮断する時刻となる。
すなわち、制御装置5(図1の(b)参照)は、任意に設定される変速パターンPtに基づいて試験用蒸気タービン2(図1の(b)参照)の回転速度ωsを変速する。
時刻t1では、試験用蒸気タービン2への蒸気供給が遮断されて試験用蒸気タービン2が極低負荷状態になり、電動発電機4が電動機モードに切り替わることから、電動発電機4に備わる制御装置5は、極低負荷状態の試験用蒸気タービン2の回転速度ωsを変速できる。
この場合、図示しないパーソナルコンピュータにオペレータが入力した変速パターンPt(図3の(b)参照)を、図示しない通信端子を介して受信可能な構成とすれば、入力装置5cと出力装置5dを備える制御部5bと同等の機能を有することができる。
この構成によると、試験用蒸気タービン2の蒸気供給の遮断に精度良く同期して、制御装置5が、試験用蒸気タービン2の回転速度ωsの変速を開始できる。
したがって、試験用蒸気タービン2は、実機蒸気タービン11(図1の(a)参照)の挙動を、より精度良く模擬できる。
このような運用の場合、火力発電プラントの蒸気タービンは、負荷追従運転のために広い負荷範囲が要求されることから負荷変動が大きくなり、ランダム振動が発生しやすい。
さらに、火力発電プラントの蒸気タービンは、車室数を減らしてタービン動翼を長翼化する傾向にあり、このことによってもランダム振動の発生が助長される。
本実施形態に係る試験用蒸気タービン2では、自力で維持できなくなった試験用蒸気タービン2の回転速度を、接続した電動発電機4で維持することができ、ランダム振動を計測することができる。
2 試験用蒸気タービン
4 電動発電機
5 制御装置
10 蒸気タービンプラント
11 実機蒸気タービン(蒸気タービンの実機)
Pt 変速パターン
Claims (5)
- 蒸気タービンプラントに備わる蒸気タービンの実機の挙動を模擬する試験用蒸気タービンを少なくとも1台備え、
前記試験用蒸気タービンには、電動機として動作する電動機モードと、発電機として動作する発電機モードを切り替え可能な電動発電機が接続されていることを特徴とする蒸気タービン試験設備。 - 前記電動発電機には、
任意に設定できる変速パターンに従って前記試験用蒸気タービンの回転速度が変速するように当該電動発電機を制御可能な制御装置が備わることを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン試験設備。 - 前記変速パターンは、
負荷が遮断された前記蒸気タービンの実機の回転速度の時間経過に伴う変化を、負荷遮断状態になった前記試験用蒸気タービンで模擬するように設定されることを特徴とする請求項2に記載の蒸気タービン試験設備。 - 請求項2に記載の蒸気タービン試験設備を用いて、前記試験用蒸気タービンの蒸気流量を低減し、低負荷状態になった前記試験用蒸気タービンで低負荷試験することを特徴とする低負荷試験方法。
- 請求項3に記載の蒸気タービン試験設備を用いて、前記試験用蒸気タービンへの蒸気供給を遮断し、負荷遮断状態になった前記試験用蒸気タービンで負荷遮断試験することを特徴とする負荷遮断試験方法。
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