JP5479192B2 - 蒸気タービンプラント - Google Patents

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Description

本発明は、蒸気タービンプラントに関し、例えば、太陽熱を利用した蒸気タービンプラントに適用されるものである。
図５は、太陽熱を利用した従来の蒸気タービンプラントの例を示す概略図である。図５のプラントの蒸気タービンサイクルについて説明する。
熱媒体１１８は、熱媒体ポンプ１１６により、太陽熱を集める集熱器１１９に搬送される。熱媒体１１８は、例えば油である。熱媒体１１８は、集熱器１１９にて、太陽光線１１７の輻射熱により加熱される。その後、熱媒体１１８は、熱交換器である加熱器１１０に搬送され、そこで加熱対象の水や蒸気を加熱する。熱媒体１１８は、加熱器１１０にて温度低下した後、熱媒体ポンプ１１６の上流に戻る。このようにして、熱媒体１１８は循環する。
太陽光線１１７を受ける事のできない夜間や、太陽光線１１７が弱い天候の時の昼間には、蓄熱タンク内に貯蔵された熱媒体１１８を循環させる、或いは、補助ボイラで加熱するラインに熱媒体１１８を流通させるが、そのための機器やフローは、ここでは図示していない。なお、これらの場合、熱媒体１１８は、集熱器１１９をバイパスさせる。
集熱器１１９としては、種々の方式の物を使用可能だが、図８に示すようなトラフ型集光方式の物が使用される事が多い。図８は、トラフ型集光方式の集熱器１１９の例を示す概略図である。図８の集熱器１１９は、集光鏡１２３で太陽光線１１７を集光し、集熱管１２４を加熱する。集熱管１２４には、熱媒体１１８が流通しており、太陽光線１１７から集熱管１２４が受けた輻射熱により、熱媒体１１８の温度が上昇する。集熱管１２４の上流と下流のそれぞれには、熱媒体管１２５が接続されている。集熱管１２４は工夫が施された管であるが、ここでは詳細には説明しない。
以下、図５に戻り、蒸気タービンプラントの説明を続ける。
従来の蒸気タービンサイクルは、高圧タービン１０１と再熱タービンからなる１段再熱サイクルとなっている。中圧タービン１０２と低圧タービン１０３は、連続した再熱タービン１１３として扱われる。
加熱器１１０は、熱媒体１１８の熱により、水１１１を蒸気１１２に変化させるボイラ１０８と、再熱タービン１１３向けの蒸気を加熱する再熱器１０９から構成される。水１１１は、ポンプ１０５により、加熱器１１０の一部であるボイラ１０８に搬送され、ボイラ１０８にて加熱される事で、高圧タービン入口蒸気１１２に変化する。図５では、高圧タービン１０１の最上流にある入口が、符号Ｘで示されている。
高圧タービン入口蒸気１１２は、高圧タービン１０１に流入し、高圧タービン１０１の内部で膨張し、その圧力、温度ともに低下する。高圧タービン１０１は、この高圧タービン入口蒸気１１２により駆動される。太陽熱を利用した蒸気タービンサイクルでは、燃料の燃焼排ガスの熱を利用した蒸気タービンサイクルと比較して、高圧タービン入口蒸気１１２の温度が低い事が多い。そのため、高圧タービン排気１１４が、全てが気体である乾き蒸気でなく、一部液体が混在する、即ち、乾き度が１未満である湿り蒸気である事が多い。
図５では、高圧タービン１０１の最下流にある出口（排気口）が、符号Ｙで示されている。高圧タービン排気１１４は、加熱器１１０の一部である再熱器１０９に流入し、熱媒体１１８の熱により加熱された後、中圧タービン１０２に流入する。
中圧タービン入口蒸気１０６は、中圧タービン１０２の内部で膨張し、その圧力、温度ともに低下し、低圧タービン１０３に流入する。低圧タービン１０３に流入した蒸気は、低圧タービン１０３の内部で膨張し、その圧力、温度ともに低下し、湿り蒸気になって流出する。このようにして、高圧タービン１０１と同様に、中圧タービン１０２と低圧タービン１０３が駆動される。
低圧タービン１０３から流出した蒸気、即ち、低圧タービン排気１１５は、復水器１０４に流入する。復水器１０４では、冷却水により低圧タービン排気１１５を冷却し、これを水１１１に戻す。水１１１は、ポンプ１０５の上流に戻る。このようにして、水１１１及び蒸気１１２が循環する。なお、冷却水は、海水や河川水を用いてもよいし、復水器１０４にて温度上昇した後、大気を用いた冷却塔で冷却して、循環させてもよい。
高圧タービン１０１、中圧タービン１０２、及び低圧タービン１０３の回転軸は、発電機１０７に接続されている。回転軸は、膨張していく蒸気によって高圧タービン１０１、中圧タービン１０２、及び低圧タービン１０３が回転する事で回転する。この回転軸の回転により、発電機１０７にて発電が行われる。
図６は、太陽熱を利用した従来の蒸気タービンプラントの別の例を示す概略図である。
図６では、高圧タービン１０１、中圧タービン１０２、及び低圧タービン１０３の内の１つ以上のタービンの途中から、抽気蒸気１２０が抽気される。復水器１０４とボイラ１０８との間には、この抽気蒸気１２０を熱源とする給水加熱器１２１が設けられており、給水加熱器１２１にて水１１１が加熱される。図６では、高圧タービン１０１の抽気口が、符号Ｚで示されている。給水加熱器１２１の個数は、１個以上幾つでもよく（図６では３個図示している）、１つのタービンから複数の給水加熱器１２１に抽気蒸気１２０を供給してもよい。
このように、図６のプラントの蒸気タービンサイクルは、再熱サイクルかつ再生サイクルである再熱再生サイクルとなっており、従来の蒸気タービンサイクルに多い。再生サイクルの効果により、サイクル効率が向上する。抽気蒸気１２０は、給水加熱器１２１にて冷却されて水に変化した後、ドレン水ポンプ１２２で水１１１に合流する。なお、図６では、熱媒体１１８のフローの記載を省略している。
図７は、図５や図６に示す従来の蒸気タービンプラントの膨張線の例を示した図である。図７の縦軸は比エンタルピを表し、横軸は比エントロピを表す。
図７では、高圧タービン膨張線が２０１、再熱タービン膨張線が２０２、飽和線が２０３で示されている。中圧タービン１０２と低圧タービン１０３は連続した再熱タービンなので、これらのタービンに関する膨張線は、１本の膨張線となる。
図７ではさらに、高圧タービン入口点が２０４、高圧タービン出口点が２０５、再熱タービン入口点（中圧タービン入口点）が２０６、再熱タービン出口点（低圧タービン出口点）が２０７で示されている。
図７では、高圧タービン排気１１４を、再熱器１０９にて、高圧タービン入口蒸気１１２と同じ温度まで加熱している。また、図７では、蒸気が、高圧タービン入口点２０４から高圧タービン出口点２０５へと変化する際や、再熱タービン入口点２０６から再熱タービン出口点２０７へと変化する際、飽和線２０３を越えて変化が起こっている。よって、高圧タービン入口点２０４や再熱タービン入口点２０６では、蒸気は乾き蒸気となり、高圧タービン出口点２０５や再熱タービン出口点２０７では、蒸気は湿り蒸気となる。
なお、特許文献１には、太陽光によって液状熱媒体を加熱する集熱装置を具備する太陽熱発電設備の例が記載されている。
特開２００８−３９３６７号公報
太陽熱を利用した再熱サイクルにて、高圧タービン入口蒸気１１２は、比エンタルピ−比エントロピ線図にて湿り領域に近い事が多く、高圧タービン排気１１４が、湿り蒸気となる事が多い。高圧タービン入口蒸気１１２は例えば、圧力１００ａｔａ、温度３８０℃であり、この時、高圧タービン１０１の入口蒸気温度と、高圧タービン１０１の入口蒸気圧力における飽和温度との差は、約７０℃である。高圧タービン１０１内において、湿り蒸気は、湿り損失を発生させ、タービン内部効率を低下させる。また、微小水滴がタービン翼表面に衝突する事により、エロージョンが発生する可能性がある。
また、中圧タービン入口蒸気１０６となるために再熱器１０９に流入する蒸気、即ち、高圧タービン排気１１４は、湿り蒸気であるため、圧力や温度を計測しても比エンタルピを特定できない。湿り度が計測できればこれを特定できるが、高精度かつ簡便に湿り度を計測するのは困難である。よって、加熱器１１０からタービンサイクルへの入熱量が特定できないため、タービンサイクルの熱効率が把握できない。また、高圧タービン排気１１４と低圧タービン排気１１５が、２つ同時に湿り蒸気であるため、両タービンともに内部効率が特定できない。
よって、低圧タービン１０３の出口付近以外の蒸気を湿り蒸気にしないような蒸気タービンプラントが所望される。
本発明は、湿り損失の発生によるタービン内部効率の低下を抑制し、タービンサイクル効率を向上させる事などが可能な蒸気タービンプラントを提供する事を課題とする。
本発明の一の態様の蒸気タービンプラントは、例えば、水を蒸気に変化させるボイラと、１つまたは互いに直列に接続された複数のタービンから成り、前記ボイラからの蒸気が流入する第１の入口と、前記第１の入口より下流に位置する抽気口と、前記抽気口より下流に位置し、前記抽気口から抽気された蒸気が流入する第２の入口と、前記第２の入口より下流に位置する排気口とを有し、前記第１及び第２の入口から流入した蒸気により駆動される高圧タービンと、前記抽気口から抽気された蒸気を加熱し、前記第２の入口に流入させる抽気加熱器と、前記排気口から排気された蒸気を加熱する再熱器と、前記再熱器からの蒸気により駆動される再熱タービンとを具備する。
本発明によれば、湿り損失の発生によるタービン内部効率の低下を抑制し、タービンサイクル効率を向上させる事などが可能な蒸気タービンプラントを提供する事が可能となる。
第１実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。 図１に示す蒸気タービンプラントの膨張線の例を示した図である。 図１に示す蒸気タービンプラントの膨張線の別の例を示した図である。 第２実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。 従来の蒸気タービンプラントの例を示す概略図である。 従来の蒸気タービンプラントの別の例を示す概略図である。 従来の蒸気タービンプラントの膨張線の例を示した図である。 トラフ型集光方式の集熱器の例を示す概略図である。
本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。図１に示す構成については、図５に示す構成との相違点を中心に説明する。
本実施形態の高圧タービン１０１は、高圧タービン１０１の最上流に位置する蒸気入口Ｘと、蒸気入口Ｘの下流に位置する抽気口３０１と、抽気口３０１の下流に位置する加熱済み抽気蒸気合流口３０３とを有する。蒸気入口Ｘは、本発明の第１の入口の例であり、加熱済み抽気蒸気合流口３０３は、本発明の第２の入口の例である。
高圧タービン１０１は、蒸気入口Ｘ及び加熱済み抽気蒸気合流口３０３から流入する蒸気により駆動される。高圧タービン１０１はさらに、加熱済み抽気蒸気合流口３０３の下流に位置し、高圧タービン１０１の最下流にある蒸気出口（排気口）Ｙを有する。
本実施形態では、ボイラ１０８が、熱媒体１１８の熱により、水１１１を蒸気１１２に変化させる。この蒸気１１２は、高圧タービン１０１へと供給される。
高圧タービン１０１では、抽気口３０１が、再熱器１０９より上流のタービンの途中段に設けられている。高圧タービン１０１では、ボイラ１０８からの蒸気１１２が蒸気入口Ｘから流入し、その一部が抽気口３０１から抽気される。本実施形態では、抽気口３０１から抽気された蒸気を加熱し、加熱済み抽気蒸気合流口３０３に流入させる。図１では、加熱前抽気蒸気が３０４で示され、加熱済み抽気蒸気が３０５で示されている。加熱済み抽気蒸気合流口３０３は、抽気口３０１のある段より下流で、かつ再熱器１０９より上流であるタービンの途中段に設けられている。
加熱器１１０は、水１１１を蒸気１１２に変化させるボイラ１０８と、再熱タービン１１３向けの蒸気を加熱する再熱器１０９と、抽気加熱器３０２から構成される。水１１１は、ポンプ１０５によりボイラ１０８に搬送され、そこで加熱される事で、高圧タービン入口蒸気１１２に変化する。高圧タービン入口蒸気１１２は、蒸気入口Ｘに流入する。高圧タービン入口蒸気１１２は、高圧タービン１０１の内部で膨張し、その圧力、温度ともに低下するが、湿り蒸気まで変化しない段階のタービン段（抽気口３０１）にて、その一部の蒸気が抽気される。
抽気口３０１から抽気された加熱前抽気蒸気３０４は、抽気加熱器３０２に流入し、そこで加熱され、その温度が上昇する。その後、加熱済み抽気蒸気３０５は、抽気口３０１より下流の合流口３０３に流入する。加熱済み抽気蒸気３０５が合流する段（合流口３０３）は、高圧タービン１０１の内部の蒸気が湿り蒸気まで変化していない段階のタービン段とする。
高圧タービン１０１の内部の蒸気は、加熱済み抽気蒸気３０５が合流すると、その温度が上昇した後、タービン段が下流側に進むにつれ、その圧力、温度ともに低下する。本実施形態では、加熱済み抽気蒸気３０５の合流による温度上昇により、高圧タービン１０１の内部の蒸気を、高圧タービン１０１の最終段まで進んでも、湿り領域まで達しなくする事ができる。即ち、高圧タービン排気１１４を含めて、高圧タービン１０１の全ての段にて、高圧タービン１０１の内部の蒸気を乾き蒸気に保ち、湿り蒸気にさせない事ができる。加熱済み抽気蒸気３０５が合流した後のタービン蒸気は、従来技術における同じ段でのタービン蒸気より、比エンタルピ−比エントロピ線図における湿り蒸気域から遠ざかっている。
よって、本実施形態では、高圧タービン排気１１４は、乾き蒸気となる。高圧タービン排気１１４は、排気口Ｙから排気され、再熱器１０９に流入し加熱された後、中圧タービン１０２に流入する。なお、高圧タービン１０１が直列に複数台つながっている場合、蒸気を抽気するタービン段（抽気口３０１）と、蒸気を合流させるタービン段（合流口３０３）は、いずれもどの高圧タービン１０１に設けられていてもよい。
中圧タービン１０２に流入した蒸気は、中圧タービン１０２の内部にて膨張し、その圧力、温度ともに低下し、低圧タービン１０３に流入する。低圧タービン１０３に流入した蒸気は、低圧タービン１０３の内部にて膨張し、その圧力、温度ともに低下し、湿り蒸気になって流出する。膨張していく蒸気によって回転する高圧タービン１０１、中圧タービン１０２、及び低圧タービン１０３の回転軸は、発電機１０７に接続されており、当該回転軸の回転により、発電機１０７にて発電が行われる。
本実施形態では、図６に示すように、高圧タービン１０１、中圧タービン１０２、及び低圧タービン１０３の内の１つ以上のタービンの途中から、抽気蒸気１２０を抽気し、この抽気蒸気１２０を利用して給水加熱器１２１にて水１１１を加熱する再熱再生サイクルを構成してもよい。また、１つのタービンから複数の給水加熱器１２１に抽気蒸気１２０を供給してもよい。
図２は、図１に示す蒸気タービンプラントの膨張線の例を示した図である。
加熱済み抽気蒸気合流前の高圧タービン膨張線４０１は、高圧タービン入口点２０４から加熱済み抽気蒸気合流直前点４０３まで変化し、加熱済み抽気蒸気合流後の高圧タービン膨張線４０２は、加熱済み抽気蒸気合流直後点４０４から高圧タービン出口点２０５まで変化するが、どちらも湿り域に達していない。図２では、高圧タービン排気１１４を、再熱器１０９にて、高圧タービン入口蒸気１１２と同じ温度まで加熱している。
本実施形態では、高圧タービン１０１及び再熱タービン１１３の入口蒸気の性状を変える事なく、低圧タービン１０３の出口付近以外の蒸気を湿り蒸気にしない蒸気タービンサイクルを実現している。よって、低圧タービン１０３の出口付近以外では、湿り蒸気は存在せず、これにより、湿り損失の発生によるタービン内部効率の低下をなくし、タービンサイクル性能を向上させる事ができる。また、低圧タービン１０３の出口付近以外では、微小水滴がタービン翼表面に衝突する事によりエロージョンが発生する可能性がなくなる。
また、高圧タービン排気１１４は乾き蒸気なので、その圧力と温度を計測して比エンタルピを特定できる。よって、加熱器１１０からタービンサイクルへの入熱量が特定でき、タービンサイクルの熱効率が把握できる。さらには、排気が湿り蒸気であるタービンが複数ではなく低圧タービン１０３の１つのみであるため、各タービンの内部効率が特定できる。
仮に、加熱済み抽気蒸気３０５の合流後の段からタービン段数を増やし、再熱タービン１１３をなくした状態のタービンサイクルとすると、復水器１０４の圧力に到るまでの湿り損失が大きくなり、本実施形態と従来技術のどちらよりもタービンサイクル性能は低くなる。
以下、本実施形態の種々の変形例について説明する。
（蒸気タービンプラントの膨張線）
図３は、図１に示す蒸気タービンプラントの膨張線の別の例を示した図である。
図２では、加熱済み抽気蒸気合流口３０３のあるタービン段の時点で、高圧タービン１０１の内部の蒸気が、湿り蒸気まで変化していないが、図３では、湿り蒸気まで変化している。
図３の場合、高圧タービン入口蒸気１１２は、高圧蒸気入口Ｘに流入すると、高圧タービン１０１の内部で膨張し、タービン軸方向のタービン段が下流側に進むにつれ、その圧力、温度ともに低下する。図３の場合には、加熱済み抽気蒸気合流口３０３のあるタービン段の時点で、高圧タービン１０１の内部の蒸気は、湿り蒸気まで変化している。
高圧タービン１０１の内部の蒸気は、加熱済み抽気蒸気３０５が合流すると、その温度が上昇して、湿り蒸気から乾き蒸気に変化し、その後、タービン段が下流側に進むにつれ、その圧力、温度ともに低下する。図３の場合にも、加熱済み抽気蒸気３０５の合流による温度上昇により、高圧タービン１０１の内部の蒸気を、高圧タービン１０１の蒸気出口（排気口）Ｙまで進んでも、湿り領域まで達しなくする事ができる。従来技術では、高圧タービン１０１の途中から蒸気出口Ｙまで、蒸気が湿り蒸気になっているのに対して、図３の場合には、高圧タービン１０１の途中から加熱済み抽気蒸気３０５が合流する段までしか、蒸気が湿り蒸気になっていない。
よって、図３の場合、高圧タービン排気１１４は、乾き蒸気となる。高圧タービン排気１１４は、蒸気出口Ｙから排気され、再熱器１０９に流入し加熱された後、中圧タービン１０２に流入する。
ここで、図３の膨張線について詳細に説明する。
加熱済み抽気蒸気合流前の高圧タービン膨張線４０１は、高圧タービン入口点２０４から加熱済み抽気蒸気合流直前点４０３まで変化し、加熱済み抽気蒸気合流後の高圧タービン膨張線４０２は、加熱済み抽気蒸気合流直後点４０４から高圧タービン出口点２０５まで変化するが、前者が湿り域に達していても、後者は湿り域に達していない。図３では、高圧タービン排気１１４を、再熱器１０９にて、高圧タービン入口蒸気１１２と同じ温度まで加熱している。
図３の場合には、高圧タービン１０１及び再熱タービン１１３の入口蒸気の性状を変える事なく、低圧タービン１０３の出口付近以外の蒸気が湿り蒸気となる段をわずかにしている。よって、湿り損失の発生によるタービン内部効率の低下が、従来に比べて抑制され、タービンサイクル性能が向上する。また、低圧タービン１０３の出口付近以外では、微小水滴がタービン翼表面に衝突する事によりエロージョンが発生する可能性がわずかになる。なお、図３の場合、通常の高圧タービン１０１の内部の蒸気流速では、エロージョンは発生しないと考えられる。
また、高圧タービン排気１１４は乾き蒸気なので、その圧力と温度を計測して比エンタルピを特定できる。よって、加熱器１１０からタービンサイクルへの入熱量が特定でき、タービンサイクルの熱効率が把握できる。さらには、排気が湿り蒸気であるタービンが複数ではなく低圧タービン１０３の１つのみであるため、各タービンの内部効率が特定できる。
仮に、加熱済み抽気蒸気３０５の合流後の段からタービン段数を増やし、再熱タービン１１３をなくした状態のタービンサイクルとすると、復水器１０４の圧力に到るまでの湿り損失が大きくなり、本実施形態と従来技術のどちらよりもタービンサイクル性能は低くなる。
（太陽熱の利用）
本実施形態では、加熱器１１０は、太陽熱を利用して、水１１１を蒸気１１２に変化させる。また、抽気加熱器３０２及び再熱器１０９はそれぞれ、太陽熱を利用して、抽気口３０１及び蒸気出口（排気口）Ｙからの排気を加熱する。これらの太陽熱は、熱媒体１１９の熱の形で、集熱器１１９（図５）から供給される。
なお、図１では、再熱器１０９よりも上流にあるタービンは、１つのタービン（高圧タービン１０１）しかないが、再熱器１０９の上流に、複数のタービンを直列に連結させて配置し、これら互いに直列に接続された複数のタービンを高圧タービンとしてもよい。この場合、蒸気入口Ｘは例えば、これら複数のタービンの内の最上流に位置するタービンの最上流に設けられ、蒸気出口Ｙは例えば、これら複数のタービンの内の最下流に位置するタービンの最下流に設けられる。また、抽気口３０１や加熱済み抽気蒸気合流口３０３はそれぞれ、これら複数のタービンの内のいずれかのタービンに設けられる。
図２の膨張線では、加熱済み抽気蒸気合流口３０３のタービン段の時点で、高圧タービン１０１の内部の蒸気が湿り蒸気まで変化していないとし、図３の膨張線では、湿り蒸気まで変化しているとする。なお、これらの場合には、図６に示すように、高圧タービン１０１、中圧タービン１０２、及び低圧タービン１０３の内の１つ以上のタービンの途中から、蒸気１２０を抽気し、この抽気蒸気１２０を利用して水１１１を加熱する再熱再生サイクルを構成してもよい。
太陽熱を利用した蒸気タービンサイクルでは、燃料の燃焼排ガスの熱を利用した蒸気タービンサイクルと比較して、高圧タービン入口蒸気１１２の温度が低い事が多い。そのため、乾き蒸気から湿り蒸気への変化を回避できる事や、タービンの内部蒸気が湿り蒸気となる段をわずかにできる事のメリットは大きい。
（トラフ型集光方式）
本実施形態では、集熱器１１９（図５参照）として、例えば、図８に示すトラフ型集光方式の物を使用する。この場合、トラフ型集光方式の集熱器１１９を、図６に示す再熱再生サイクルと組み合わせて使用してもよい。
この集光方式における現実的な温度上昇能力や、熱媒体１１８に用いる油の耐熱温度から、製造される高圧タービン入口蒸気１１２は例えば、圧力１００ａｔａ、温度３８０℃であり、比エンタルピ−比エントロピ線図において、高圧タービン入口蒸気１１２は、湿り領域に充分に近い。よって、トラフ型集光方式では、高圧タービン排気１１４が湿り蒸気になる可能性は高い。そのため、乾き蒸気から湿り蒸気への変化を回避、または湿り蒸気となる段をわずかにできる本実施形態の構成は、トラフ型集光方式を使用する場合に有用である。
（高圧タービンの入口蒸気の条件１）
本実施形態では、例えば、最上流のタービンである高圧タービン１０１の入口蒸気温度と、高圧タービン１０１の入口蒸気圧力における飽和温度との差を、１００℃以下とし、この条件下で蒸気タービンサイクルを構成する。この温度差が１００℃以下の場合、比エンタルピ−比エントロピ線図において、高圧タービン入口蒸気１１２は、湿り領域に充分に近い。この条件は、図６に示す再熱再生サイクルと組み合わせて適用してもよい。
太陽熱を利用した蒸気タービンサイクルでなくても、比エンタルピ−比エントロピ線図において、高圧タービン入口蒸気１１２が湿り領域に充分に近いサイクルであれば、上記の条件は適用でき、太陽熱を利用する場合と同じ効果が得られる。よって、タービンは、燃焼排ガスを熱源にした火力タービンであってもよく、この場合、熱媒体１１８は燃焼排ガスである。
なお、加熱器１１０における熱媒体１１８のフローは、原子力タービンにおいては図５に示すフローと異なる事が多い。
また、再熱器１０９の上流に、複数のタービンを直列に連結させて配置する場合には、これら複数のタービンの内の最上流のタービンが、図１の蒸気タービンプラントを構成する最上流のタービンとなる。
（高圧タービンの入口蒸気の条件２）
本実施形態では、例えば、最上流のタービンである高圧タービン１０１の入口蒸気を、圧力２０ａｔａ以上かつ温度４２０℃以下とし、この条件下で蒸気タービンサイクルを構成する。高圧タービン１０１の入口蒸気が圧力２０ａｔａ以上かつ温度４２０℃以下の場合、比エンタルピ−比エントロピ線図において、高圧タービン入口蒸気１１２は、湿り領域に充分に近い。この条件は、図６に示す再熱再生サイクルと組み合わせて適用してもよい。
太陽熱を利用した蒸気タービンサイクルでなくても、比エンタルピ−比エントロピ線図において、高圧タービン入口蒸気１１２が湿り領域に充分に近いサイクルであれば、上記の条件は適用できる。タービンは、燃焼排ガスを熱源にした火力タービンでも原子力タービンでもよく、太陽熱を利用する場合と同じ効果が得られる。
なお、加熱器１１０における熱媒体１１８のフローは、原子力タービンにおいては図５に示すフローと異なる事が多い。
また、再熱器１０９の上流に、複数のタービンを直列に連結させて配置する場合には、これら複数のタービンの内の最上流のタービンが、図１の蒸気タービンプラントを構成する最上流のタービンとなる。
（蒸気タービンサイクル）
本実施形態の蒸気タービンプラントは、最上流のタービンである高圧タービン１０１、中圧タービン１０２、最下流のタービンである低圧タービン１０３という、全部で３つのタービンを具備する。
本実施形態では、これらのタービンの内、低圧タービン１０３以外のタービンは、タービン内部にて流通蒸気が乾き蒸気に保たれ、湿り蒸気に変化しないよう動作する事が望ましい。この場合、低圧タービン１０３のみが、タービン内部にて流通蒸気が乾き蒸気から湿り蒸気に変化するよう動作する。この場合、低圧タービン１０３の出口付近以外では、湿り蒸気は存在しない事となり、その結果、湿り損失の発生によるタービン内部効率の低下が抑制され、タービンサイクル性能が向上する。また、高圧タービン１０１にてエロージョンが発生する可能性が減る。さらに、各タービンの内部効率が特定できるようになる。
以上のように、本実施形態では、高圧タービン１０１の高圧蒸気入口Ｘに蒸気１１２を流入させ、高圧蒸気入口Ｘより下流に位置する抽気口３０１から、高圧タービン１０１の内部の蒸気の一部を抽気し、抽気口３０１より下流に位置する加熱済み抽気蒸気合流口３０３に、抽気された蒸気を加熱して流入させる事で、高圧タービン１０１を動作させる。これにより、高圧タービン１０１の内部の蒸気が、乾き蒸気から湿り蒸気へと変化する事を回避する事や、湿り蒸気となる段をわずかにする事が可能となる。
本実施形態では、高圧タービン１０１（さらには、低圧タービン１０３以外の全てのタービン）の内部で蒸気が乾き蒸気から湿り蒸気に変化する事を回避する事で、湿り損失の発生によるタービン内部効率の低下をなくす事が可能となり、これにより、タービンサイクル効率を向上させる事が可能となる。また、高圧タービン１０１にてエロージョンが発生する可能性がなくなる。さらに、各タービンの内部効率が特定できるようになる。これは、高圧タービン１０１の内部で蒸気が湿り蒸気となる段をわずかにする場合にも同様であり、この場合は、タービンの内部効率の低下を抑制する事が可能になり、エロージョンが発生する可能性が減る。
以下、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態の変形例であり、第２実施形態については、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の蒸気タービンプラントの構成を示す概略図である。図４に示す構成については、図１や図５に示す構成との相違点を中心に説明する。
本実施形態では、加熱済み抽気蒸気３０５の流路に、加熱済み抽気蒸気合流口３０３に流入する蒸気（加熱済み抽気蒸気３０５）の流量を調節するまたは流通を停止する事が可能な第１の蒸気弁３０６が設けられている。図４では、第１の蒸気弁３０６が、抽気加熱器３０２と加熱済み抽気蒸気合流口３０３との間に設けられている。
本実施形態ではさらに、加熱前抽気蒸気３０４の流路に、抽気口３０１から抽気される蒸気（加熱前抽気蒸気３０４）の流量を調節するまたは流通を停止する事が可能な第２の蒸気弁３０７が設けられている。図４では、第２の蒸気弁３０７が、抽気口３０１と抽気加熱器３０２との間に設けられている。
高圧タービン入口蒸気１１２の流量や、ボイラ１０８からの入熱量によって、高圧タービン入口蒸気１１２や高圧タービン排気１１４は、その圧力、温度が異なり、湿り領域にどの程度近いかが異なる。例えば、太陽熱を利用する場合には、天候に変化に応じて入熱量が変化する。
第１及び第２の蒸気弁３０６，３０７を共に全閉にすると高圧タービン排気１１４が湿り蒸気になる場合には、第１及び第２の蒸気弁３０６，３０７を共に開き、抽気蒸気３０４，３０５を流通させる。これにより、高圧タービン排気１１４を乾き蒸気にする事ができる。第１及び第２の蒸気弁３０６，３０７を共に全閉にしても高圧タービン排気１１４が乾き蒸気である場合は、全閉のままにする。高圧タービン排気１１４を乾き蒸気にすると、抽気加熱器３０２を通過する蒸気の圧力損失をなくす事ができ、さらには、加熱前抽気蒸気３０４の抽気や、加熱済み抽気蒸気３０５の合流により発生するエンタルピ損失をなくす事ができ、タービンサイクル性能が向上する。
また、第１及び第２の蒸気弁３０６，３０７の一方または両方を流量調節弁とすると、抽気蒸気３０４，３０５の流量を弁開度により調整する事が可能となる。この場合、第１及び第２の蒸気弁３０６，３０７を共に全閉にすると高圧タービン排気１１４が湿り蒸気になる場合には、高圧タービン排気１１４が乾き蒸気になるのに必要な分だけ抽気蒸気３０４，３０５を流通させればよい。高圧タービン排気１１４を乾き蒸気にすると、抽気加熱器３０２を通過する蒸気の圧力損失を最小にする事ができ、さらには、加熱前抽気蒸気３０４の抽気や、加熱済み抽気蒸気３０５の合流により発生するエンタルピ損失を低減する事ができ、タービンサイクル性能が向上する。
本実施形態では、図６に示すように、高圧タービン１０１、中圧タービン１０２、及び低圧タービン１０３の内の１つ以上のタービンの途中から、抽気蒸気１２０を抽気し、この抽気蒸気１２０を利用して水１１１を加熱する再熱再生サイクルを構成してもよい。
太陽熱を利用した蒸気タービンサイクルであってもなくても、比エンタルピ−比エントロピ線図において、高圧タービン入口蒸気１１２が湿り領域に充分に近いサイクルであれば、本実施形態の技術は適用できる。よって、タービンは、燃焼排ガスを熱源にした火力タービンであってもよく、この場合、熱媒体１１８は燃焼排ガスである。
なお、加熱器１１０における熱媒体１１８のフローは、原子力タービンにおいては図５に示すフローと異なる事が多い。
以上のように、本実施形態では、加熱済み抽気蒸気３０５の流路に、加熱済み抽気蒸気３０５の流量を調節するまたは流通を停止するための第１の蒸気弁３０６を設け、加熱前抽気蒸気３０４の流路に、加熱前抽気蒸気３０４の流量を調節するまたは流通を停止するための第２の蒸気弁３０７を設ける。これにより、抽気蒸気３０４，３０５の流量の調節または流通の停止を通じて、高圧タービン排気１１４を乾き蒸気にする事が可能になる。これにより、湿り損失の発生によるタービン内部効率の低下を抑制し、タービンサイクル効率を向上させる事が可能となる。また、抽気蒸気３０４，３０５の流通を停止したり、必要な分だけ流通させる事により抽気加熱器３０２を通過する蒸気の圧力損失や、抽気蒸気３０４，３０５それぞれの抽気や合流により発生するエンタルピ損失をなくす、あるいは低減し、タービンサイクル効率を向上させる事が可能になる。
なお、本実施形態の蒸気タービンプラントは、第１及び第２の蒸気弁３０６，３０７の内のいずれか一方しか具備していなくても構わない。これによっても、高圧タービン排気１１４を乾き蒸気にするという目的は達成可能である。
以上、本発明の具体的な態様の例を、第１及び第２実施形態により説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
１０１ 高圧タービン
１０２ 中圧タービン
１０３ 低圧タービン
１０４ 復水器
１０５ ポンプ
１０６ 中圧タービン入口蒸気
１０７ 発電機
１０８ ボイラ
１０９ 再熱器
１１０ 加熱器
１１１ 水
１１２ 高圧タービン入口蒸気
１１３ 再熱タービン
１１４ 高圧タービン排気
１１５ 低圧タービン排気
１１６ 熱媒体ポンプ
１１７ 太陽光線
１１８ 熱媒体
１１９ 集熱器
１２０ 抽気蒸気
１２１ 給水加熱器
１２２ ドレン水ポンプ
１２３ 集光鏡
１２４ 集熱管
１２５ 熱媒体管
Ｘ 蒸気入口（高圧蒸気入口）
Ｙ 蒸気出口（排気口）
Ｚ 抽気口
２０１ 高圧タービン膨張線
２０２ 再熱タービン膨張線
２０３ 飽和線
２０４ 高圧タービン入口点
２０５ 高圧タービン出口点
２０６ 再熱タービン入口点
２０７ 再熱タービン出口点
３０１ 抽気口
３０２ 抽気加熱器
３０３ 加熱済み抽気蒸気合流口
３０４ 加熱前抽気蒸気
３０５ 加熱済み抽気蒸気
３０６ 第１の蒸気弁
３０７ 第２の蒸気弁
４０１ 加熱済み抽気蒸気合流前の高圧タービン膨張線
４０２ 加熱済み抽気蒸気合流後の高圧タービン膨張線
４０３ 加熱済み抽気蒸気合流直前点
４０４ 加熱済み抽気蒸気合流直後点

Claims (7)

  1. 水を蒸気に変化させるボイラと、
    １つまたは互いに直列に接続された複数のタービンから成り、前記ボイラからの蒸気が流入する第１の入口と、前記第１の入口より下流に位置する抽気口と、前記抽気口より下流に位置し、前記抽気口から抽気された蒸気が流入する第２の入口と、前記第２の入口より下流に位置する排気口とを有し、前記第１及び第２の入口から流入した蒸気により駆動される高圧タービンと、
    前記抽気口から抽気された蒸気を加熱し、前記第２の入口に流入させる抽気加熱器と、
    前記排気口から排気された蒸気を加熱する再熱器と、
    前記再熱器からの蒸気により駆動される再熱タービンと、
    前記第２の入口に流入する蒸気の流量を調節するまたは流通を停止するための第１の蒸気弁と、
    を具備する事を特徴とする蒸気タービンプラント。
  2. 水を蒸気に変化させるボイラと、
    １つまたは互いに直列に接続された複数のタービンから成り、前記ボイラからの蒸気が流入する第１の入口と、前記第１の入口より下流に位置する抽気口と、前記抽気口より下流に位置し、前記抽気口から抽気された蒸気が流入する第２の入口と、前記第２の入口より下流に位置する排気口とを有し、前記第１及び第２の入口から流入した蒸気により駆動される高圧タービンと、
    前記抽気口から抽気された蒸気を加熱し、前記第２の入口に流入させる抽気加熱器と、
    前記排気口から排気された蒸気を加熱する再熱器と、
    前記再熱器からの蒸気により駆動される再熱タービンと、
    前記抽気口から抽気される蒸気の流量を調節するまたは流通を停止するための第２の蒸気弁と、
    を具備する事を特徴とする蒸気タービンプラント。
  3. 太陽熱を集める集熱器を具備し、
    前記ボイラ、前記抽気加熱器、及び前記再熱器は、前記太陽熱により、加熱対象の水または蒸気を加熱する事を特徴とする請求項１または２に記載の蒸気タービンプラント。
  4. 前記集熱器は、トラフ型集光方式を利用して前記太陽熱を集める事を特徴とする請求項３に記載の蒸気タービンプラント。
  5. 前記第１の入口の入口蒸気温度と、前記第１の入口の入口蒸気圧力における飽和温度との差が、１００℃以下である事を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の蒸気タービンプラント。
  6. 前記第１の入口の入口蒸気が、圧力２０ａｔａ以上かつ温度４２０℃以下である事を特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の蒸気タービンプラント。
  7. 前記蒸気タービンプラントを構成する全タービンの内、最下流のタービン以外のタービンは、タービン内部にて流通蒸気が乾き蒸気に保たれるよう動作する事を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の蒸気タービンプラント。
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