JP6591870B2 - 排気室冷却装置および蒸気タービン発電設備 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、排気室冷却装置および蒸気タービン発電設備に関する。

近年、蒸気タービンを極低負荷域で長時間運転するニーズが増えている。極低負荷運転の例は、発電所の所内電力のみを発電するための所内負荷運転である。

極低負荷域では、蒸気タービン内の低圧下流段落は仕事をせず、逆にブレーキとして作用する。そのため、極低負荷域での運転では、低圧下流段落に熱が発生し、蒸気タービンの排気室や最終段落の羽根の温度が上昇する。この温度上昇を抑えるために、従来の蒸気タービン発電施設は、図３に示すような方法で、蒸気タービンの排気室スプレー水を作動させる。

図３は、従来の排気室スプレー水の作動範囲を示すグラフである。

図３の横軸は、蒸気タービンの負荷（タービン負荷）を示す。図３の縦軸は、蒸気タービンの排気室内の温度（排気室温度）を示す。領域Ｒ_１は、排気室スプレー水を作動させる領域を示す。領域Ｒ_２は、排気室スプレー水を作動させない領域を示す。

図３では、タービン負荷がＬ_１よりも大きい場合、排気室温度がＴ_１よりも高ければ排気室スプレー水を作動させ、排気室温度がＴ_１よりも低ければ排気室スプレー水を作動させない。一方、タービン負荷がＬ_１よりも小さい場合には、排気室温度によらず常に排気室スプレー水を作動させる。これにより、極低負荷域では常に排気室スプレー水を作動させ、蒸気タービンの排気室や最終段落の羽根の温度上昇を抑えることができる。

図４は、従来の蒸気タービン発電設備の構成を示す概略図である。

図４の蒸気タービン発電設備は、蒸気タービン１と、発電機２と、主蒸気弁３と、復水器４と、作動弁５と、排気室スプレー６と、排気室冷却装置７とを備えている。

図４では、主蒸気弁３を有する配管からの主蒸気が蒸気タービン１に導入される。その結果、蒸気タービン１のロータが蒸気により回転し、ロータの回転により発電機２が駆動され、発電機２が発電を行う。蒸気タービン１の排気室Ｒから排出された蒸気は、復水器４により凝縮されて水に戻る。この水は、復水器４の下流の冷却システムにより冷却される。冷却システムにより冷却された水の一部は、ポンプで昇圧され、作動弁５を有する配管から排気室Ｒ内の排気室スプレー６に供給され、排気室Ｒ内にスプレーとして放出される。

図４の排気室冷却装置７は、出力測定部１１と、出力下限制限部１２と、出力設定値入力部１３と、論理否定（ＮＯＴ）部１４と、作動弁制御部１５と、温度測定部２１と、温度上限制限部２２と、温度設定値入力部２３と、論理和（ＡＮＤ）部２４とを備えている。

出力測定部１１は、発電機２の出力（発電端出力）を測定し、発電端出力の測定値Ｗを出力する。出力下限制限部１２は、発電端出力の測定値Ｗと、出力設定値入力部１３に設定された出力設定値Ｗ_Ｌとを比較し、その比較結果を含む信号Ｓ_１を出力する。信号Ｓ_１は、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも大きい場合にローとなり（Ｗ＞Ｗ_Ｌ）、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも小さい場合にハイとなる（Ｗ＜Ｗ_Ｌ）。

温度測定部２１は、蒸気タービン１の排気室Ｒ内の温度（排気室温度）を測定し、排気室温度の測定値Ｔを出力する。温度上限制限部２２は、排気室温度の測定値Ｔと、温度設定値入力部２３に設定された温度設定値Ｔ_Ｕとを比較し、その比較結果を含む信号Ｓ_２を出力する。信号Ｓ_２は、排気室温度の測定値Ｔが温度設定値Ｔ_Ｕよりも小さい場合にローとなり（Ｔ＜Ｔ_Ｕ）、排気室温度の測定値Ｔが温度設定値Ｔ_Ｕよりも大きい場合にハイとなる（Ｔ＞Ｔ_Ｕ）。

ＮＯＴ部１４は、信号Ｓ_１のＮＯＴ値を信号Ｓ_３として出力する。よって、信号Ｓ_３は、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも小さい場合にローとなり（Ｗ＜Ｗ_Ｌ）、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも大きい場合にハイとなる（Ｗ＞Ｗ_Ｌ）。

ＡＮＤ部２４は、信号Ｓ_２と信号Ｓ_３とのＡＮＤ値を信号Ｓ_４として出力する。よって、信号Ｓ_４は、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも大きく、かつ排気室温度の測定値Ｔが温度設定値Ｔ_Ｕよりも大きい場合にハイとなる（Ｗ＞Ｗ_ＬかつＴ＞Ｔ_Ｕ）。また、信号Ｓ_４は、その他の場合にはローとなる。

作動弁制御部１５は、信号Ｓ_４またはＳ_１に基づいて作動弁５を制御して、蒸気タービン１の排気室Ｒ内へのスプレー水の供給を制御する。排気室Ｒは、このスプレー水により冷却される。例えば、作動弁制御部１５は、信号Ｓ_４またはＳ_１がハイの場合にオンになり、作動弁５を全開にし、これにより排気室スプレー水を作動させる。また、作動弁制御部１５は、その他の場合にはオフになり、作動弁５を全閉にし、これにより排気室スプレー水が作動されなくなる。

よって、作動弁制御部１５は、信号Ｓ_４がハイの場合、すなわち、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも大きく、かつ排気室温度の測定値Ｔが温度設定値Ｔ_Ｕよりも大きい場合に、排気室スプレー水を作動させる（Ｗ＞Ｗ_ＬかつＴ＞Ｔ_Ｕ）。これは、図３のタービン負荷がＬ_１よりも大きい場合に相当する。

また、作動弁制御部１５は、信号Ｓ_１がハイの場合、すなわち、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも小さい場合に、排気室スプレー水を作動させる（Ｗ＜Ｗ_Ｌ）。これは、図３のタービン負荷がＬ_１よりも小さい場合に相当する。なお、信号Ｓ_１は、符号Ｐで示すように、出力下限制限部１２から作動弁制御部１５に供給される。

このように、図３に示す排気室スプレー水の作動範囲は、図４の蒸気タービン発電設備により実現可能である。

図５は、従来の別の蒸気タービン発電設備で行われた無負荷運転の例を示すグラフである。ただし、以下の説明では、説明の便宜上、図４の蒸気タービン発電設備と同じ参照符号を使用する。

図５の横軸は時刻を示す。曲線Ｃ_１は、蒸気タービン１のロータの回転数（ロータ回転数）を示す。曲線Ｃ_２は、復水器４内の圧力（復水器圧力）を示す。符号Ｓは、蒸気タービン１の排気室Ｒ内の排気室スプレー水の作動状態を示す。曲線Ｃ_３は、蒸気タービン１の排気室Ｒ内の温度（排気室温度）を示す。曲線Ｃ_４は、蒸気タービン１の最終段落のノズル（ノズル先端部）の温度を示す。曲線Ｃ_５は、蒸気タービン１の最終段落のノズルダイアフラム（ノズル先端部）の温度を示す。

図６は、図５に示す温度の測定位置を説明するための断面図である。

符号Ｌ−０は、蒸気タービン１の最終段落のノズルを示す。符号Ａ_１は、曲線Ｃ_４の温度の測定位置を示す。符号Ａ_２は、曲線Ｃ_５の温度の測定位置を示す。

一般に、排気室Ｒ内の蒸気が湿り蒸気ならば、蒸気内の水分の潜熱により、排気室温度は飽和温度に抑えられる。しかしながら、無負荷時には、排気室Ｒ内の条件は乾き条件となっている。そのため、無負荷時には、排気室Ｒ内に排気室スプレー水を投入しないと、排気室温度が急激に上昇する。

このことを、図５を参照して説明する。なお、図５に示す期間における蒸気タービン１の状態は無負荷運転状態であり、排気室スプレー６は試験的に手動でオン／オフ操作されている。

蒸気タービン１は１０：３０に起動され、ロータ回転数Ｃ_１は１０：３０から上昇している。復水器圧力Ｃ_２は、１０：３０において約７ｉｎＨｇａである。

ロータ回転数Ｃ_１が１３：２０に２５００ｒｐｍで安定するまでに、排気室温度Ｃ_３は、華氏２７０度（約１３０℃）まで上昇する。排気室スプレー水の作動状態Ｓは、１３：２０に部分手動オンに切り替えられる。これにより、排気室温度Ｃ_３は、華氏１６０度（約７０℃）まで低下する。

その後、ロータ回転数Ｃ_１を２５００ｒｐｍから上昇させ、同時に復水器圧力Ｃ_２を低下させる。ロータ回転数Ｃ_１は、１４：００に定格回転数３６００ｒｐｍに到達する。このとき、復水器圧力Ｃ_２は約６．５ｉｎＨｇａである。

排気室スプレー水の作動状態Ｓは、１４：００から数分間、オフに切り替えられる。これにより、排気室温度Ｃ_３は、再び華氏２７０度（約１３０℃）まで急激に上昇する。

また、排気室スプレー水の作動状態Ｓが再びオンに切り替えられると、排気室温度Ｃ_３は、華氏１６０度（約７０℃）まで急激に低下する。

その後、ロータ回転数Ｃ_１を定格回転数３６００ｒｐｍに維持したまま、復水器圧力Ｃ_２を徐々に低下させる。復水器圧力Ｃ_２が定格圧力５．５ｉｎＨｇａに到達した後は、復水器圧力Ｃ_２としてこの圧力を維持する。

この状態で、排気室スプレー水の作動状態Ｓが、再び１６：１５から数分間、オフに切り替えられる。これにより、排気室温度Ｃ_３は、再び華氏２５０度（約１２０℃）まで急激に上昇する。

また、排気室スプレー水の作動状態Ｓが再びオンに切り替えられると、排気室温度Ｃ_３は、華氏１５０度（約６５℃）まで急激に低下する。

なお、１６：１５から数分間のオフ期間において、最終段落のノズルの温度Ｃ_４は、華氏４３０度（約２２０℃）に到達し、最終段落のノズルダイアフラムの温度Ｃ_４は、華氏４４５度（約２３０℃）に到達している。

以上の説明から、以下の事柄が明らかになる。
１）上述のように、排気室Ｒが湿り状態ならば、排気室温度は飽和温度に抑えられる。しかしながら、無負荷時の排気室Ｒは乾き条件となっており、排気室Ｒ内に排気室スプレー水を投入しないと、排気室温度が急激に温度が上昇する。これは、１４：００のオフ期間の排気室温度の上昇や、１６：１５のオフ期間の排気室温度の上昇から明らかである。
２）排気室スプレーを作動させた場合には、排気室温度は、復水器圧力での飽和温度になる。そのため、復水器圧力が低いほど排気室温度は低い。これは、１４：００のオフ期間後の排気室温度が７０℃であることと、１６：１５のオフ期間後の排気室温度が６５℃であることから明らかである。
３）最終段落のノズル先端部の温度は、排気室温度に比べ非常に高温になる。これは、曲線Ｃ_３、Ｃ_４、Ｃ_５から明らかである。この現象は、最終段落の羽根先端部でも同様に起こる。以下、このメカニズムについて説明する。

図７は、従来の蒸気タービン１の低負荷運転時に発生する逆流および偏流を示す断面図である。

図７は、蒸気タービン１の最終段落の羽根１ａとノズル１ｂとを示している。符号Ｐ_１は羽根１ａの先端部を示し、符号Ｐ_２は羽根１ａのルート部を示す。蒸気タービン１の極低負荷運転の際に、最終段落の蒸気の出口流れは、出口側からの逆流と、半径方向先端への偏流とを含んでいる。符号Ｈ_１は、逆流域の半径方向の高さを表す。符号Ｈ_２は、羽根１ａの半径方向の高さを表す。

図８は、従来の蒸気タービン１のタービン負荷と逆流域との関係を示すグラフである。

図８の横軸は、蒸気タービン１のタービン負荷を示す。図８の縦軸は、ルート部Ｐ_２からの半径方向の位置を示す。図８は、タービン負荷が低下するほど、逆流域が広くなることを示している。そのため、蒸気タービン１の極低負荷運転の際には、広い逆流域が発生する。

図９は、従来の蒸気タービン１のタービン負荷と羽根先端温度および排気室温度との関係を示すグラフである。羽根先端温度は、羽根先端部Ｐ_１の温度である。

蒸気タービン１の最終段落に広い逆流域が発生すると、羽根１ａから発生する熱が羽根先端部Ｐ_１に集まり、羽根先端温度が羽根１ａの他の部位の温度よりも高くなる。よって、蒸気タービン１の極低負荷運転の際には、図９に示すように、羽根先端温度は排気室温度よりも１５０℃以上高いこともある。

このように、極低負荷運転の際には、排気室温度は低くても、羽根先端温度は高い。また、羽根先端温度は、温度の測定位置により大きくばらつくため、制御用の値として使用することは不適切である。そのため、従来の極低負荷運転の際には、排気室温度や羽根先端温度に基づいて排気室スプレー水の作動を制御せずに、排気室スプレー水が常に作動するように設計されている。

特開平１０−２５２４１７号公報 実公昭６２−２８６４２号公報

W.G.Steltz, "AN APPROACH TO RESOLVING THE VERY LOW FLOW PHENOMENON IN LOW PRESSURE STEAM TURBINES", PWR-Vol.34, 1999 Joint Power Generation Conference, p.433-439, Volume 2, ASME 1999

上述のように、蒸気タービン１を極低負荷域で運転する場合、排気室スプレー水を常時作動させることにより、排気室温度の上昇を確実に抑えることができる。しかしながら、排気室スプレー水の水滴が羽根１ａに衝突すると、羽根１ａのエロージョンが生じてしまう。排気室スプレー水を作動させている時間が長くなると、羽根１ａのエロージョンが進行しやすくなるため、羽根１ａの寿命が短くなってしまう。

図１０は、一般的な蒸気タービン１のタービン負荷と羽根先端温度との関係を示すグラフである。

図１０は、復水器圧力が０．１５ｂａｒａ、０．０９ｂａｒａ、０．０５ｂａｒａの場合の羽根先端温度を示す。図１０は、復水器圧力が高いと羽根先端温度も高くなり、復水器圧力が低いと羽根先端温度は低く抑えられることを示している。

羽根先端温度は、最終段の羽根１ａの種類や低圧タービン入口温度により異なるが、図１０の例では、復水器圧力が０．１５ｂａｒａの場合、タービン負荷が４％未満になると羽根先端温度が２００℃を超える。このような場合には、羽根１ａの強度低下や、羽根１ａと静止部との熱膨張による接触を防ぐために、排気室スプレー水を使用することが望ましい。一方、復水器圧力が０．０５ｂａｒａの場合には、羽根先端温度は１００℃未満に保たれる。このような場合には、排気室スプレー水を使用しなくてもよい。

以上のように、蒸気タービン１を低負荷域で長時間運転するためには、排気室スプレー水の作動条件を限定して、排気室スプレー水の作動時間をできるだけ短くするか、排気室スプレー水をできるだけ使用しない。

そこで、本発明は、低負荷運転時の排気室冷却流体の作動時間を短縮することが可能な排気室冷却装置および蒸気タービン発電設備を提供することを課題とする。

一の実施形態によれば、排気室冷却装置は、蒸気タービンにより駆動される発電機の出力を測定する出力測定部と、前記蒸気タービンの排気室内の温度を測定する温度測定部と、前記蒸気タービンからの蒸気を水に戻す復水器内の圧力を測定する圧力測定部とを備える。前記装置はさらに、前記出力の測定値が第１設定値よりも大きく、かつ前記温度の測定値が第２設定値よりも大きいことを検出した場合に、第１信号を出力する第１信号出力部と、前記出力の測定値が前記第１設定値よりも小さく、かつ前記圧力の測定値または前記圧力の測定値から得られた算出値が第３設定値よりも大きいことを検出した場合に、第２信号を出力する第２信号出力部とを備える。前記装置はさらに、前記第１または第２信号に基づいて、前記排気室内への冷却流体の供給を制御する制御部を備える。

第１実施形態の蒸気タービン発電設備の構成を示す概略図である。 第２実施形態の蒸気タービン発電設備の構成を示す概略図である。 従来の排気室スプレー水の作動範囲を示すグラフである。 従来の蒸気タービン発電設備の構成を示す概略図である。 従来の別の蒸気タービン発電設備で行われた無負荷運転の例を示すグラフである。 図５に示す温度の測定位置を説明するための断面図である。 従来の蒸気タービンの低負荷運転時に発生する逆流および偏流を示す断面図である。 従来の蒸気タービンのタービン負荷と逆流域との関係を示すグラフである。 従来の蒸気タービンのタービン負荷と羽根先端温度および排気室温度との関係を示すグラフである。 一般的な蒸気タービンのタービン負荷と羽根先端温度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の蒸気タービン発電設備の構成を示す概略図である。図１の蒸気タービン発電設備の例は、地熱発電設備である。

図１の蒸気タービン発電設備は、蒸気タービン１と、発電機２と、主蒸気弁３と、復水器４と、作動弁５と、排気室スプレー６と、排気室冷却装置７とを備えている。

図１では、主蒸気弁３を有する配管からの主蒸気が蒸気タービン１に導入される。その結果、蒸気タービン１のロータが蒸気により回転し、ロータの回転により発電機２が駆動され、発電機２が発電を行う。蒸気タービン１の排気室Ｒから排出された蒸気は、復水器４により凝縮されて水に戻る。この水は、復水器４の下流の冷却システムにより冷却される。冷却システムにより冷却された水の一部は、ポンプで昇圧され、作動弁５を有する配管から排気室Ｒ内の排気室スプレー６に供給され、排気室Ｒ内にスプレーとして放出される。

なお、本実施形態の作動弁５は、どのような種類の弁でもよい。本実施形態の作動弁５の例は、流量調整弁または開閉弁である。

図１の排気室冷却装置７は、出力測定部１１と、出力下限制限部１２と、出力設定値入力部１３と、論理否定（ＮＯＴ）部１４と、作動弁制御部１５と、温度測定部２１と、温度上限制限部２２と、温度設定値入力部２３と、論理和（ＡＮＤ）部２４と、圧力測定部３１と、圧力上限制限部３２と、圧力設定値入力部３３と、論理和（ＡＮＤ）部３４とを備えている。

出力下限制限部１２、出力設定値入力部１３、ＮＯＴ部１４、温度上限制限部２２、温度設定値入力部２３、およびＡＮＤ部２４は、第１信号出力部の例である。また、出力下限制限部１２、出力設定値入力部１３、圧力上限制限部３２、圧力設定値入力部３３、およびＡＮＤ部３４は、第２信号出力部の例である。また、作動弁制御部１５は、制御部の例である。

出力測定部１１は、発電機２の出力（発電端出力）を測定し、発電端出力の測定値Ｗを出力する。出力下限制限部１２は、発電端出力の測定値Ｗと、出力設定値入力部１３に設定された出力設定値Ｗ_Ｌとを比較し、その比較結果を含む信号Ｓ_１を出力する。出力設定値Ｗ_Ｌは、第１設定値の例である。信号Ｓ_１は、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも大きい場合にローとなり（Ｗ＞Ｗ_Ｌ）、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも小さい場合にハイとなる（Ｗ＜Ｗ_Ｌ）。

なお、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌと等しい場合、本実施形態の信号Ｓ_１の値は、ハイとなる（Ｗ＝Ｗ_Ｌ）。ただし、この場合の信号Ｓ_１の値は、ローとしてもよい。

温度測定部２１は、蒸気タービン１の排気室Ｒ内の温度（排気室温度）を測定し、排気室温度の測定値Ｔを出力する。温度上限制限部２２は、排気室温度の測定値Ｔと、温度設定値入力部２３に設定された温度設定値Ｔ_Ｕとを比較し、その比較結果を含む信号Ｓ_２を出力する。温度設定値Ｔ_Ｕは、第２設定値の例である。信号Ｓ_２は、排気室温度の測定値Ｔが温度設定値Ｔ_Ｕよりも小さい場合にローとなり（Ｔ＜Ｔ_Ｕ）、排気室温度の測定値Ｔが温度設定値Ｔ_Ｕよりも大きい場合にハイとなる（Ｔ＞Ｔ_Ｕ）。

なお、排気室温度の測定値Ｔが温度設定値Ｔ_Ｕと等しい場合、本実施形態の信号Ｓ_２の値は、ハイとなる（Ｔ＝Ｔ_Ｕ）。ただし、この場合の信号Ｓ_２の値は、ローとしてもよい。

圧力測定部３１は、復水器４内の圧力（復水器圧力）を測定し、復水器圧力の測定値Ｐを出力する。圧力上限制限部３２は、復水器圧力の測定値Ｐと、圧力設定値入力部３３に設定された圧力設定値Ｐ_Ｕとを比較し、その比較結果を含む信号Ｓ_５を出力する。圧力設定値Ｐ_Ｕは、第３設定値の例である。信号Ｓ_５は、復水器圧力の測定値Ｐが圧力設定値Ｐ_Ｕよりも小さい場合にローとなり（Ｐ＜Ｐ_Ｕ）、復水器圧力の測定値Ｐが圧力設定値Ｐ_Ｕよりも大きい場合にハイとなる（Ｐ＞Ｐ_Ｕ）。

なお、復水器圧力の測定値Ｐが圧力設定値Ｐ_Ｕと等しい場合、本実施形態の信号Ｓ_５の値は、ハイとなる（Ｐ＝Ｐ_Ｕ）。ただし、この場合の信号Ｓ_５の値は、ローとしてもよい。

ＮＯＴ部１４は、信号Ｓ_１のＮＯＴ値を信号Ｓ_３として出力する。よって、信号Ｓ_３は、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも小さい場合にローとなり（Ｗ＜Ｗ_Ｌ）、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも大きい場合にハイとなる（Ｗ＞Ｗ_Ｌ）。

ＡＮＤ部２４は、信号Ｓ_２と信号Ｓ_３とのＡＮＤ値を信号Ｓ_４として出力する。よって、信号Ｓ_４は、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも大きく、かつ排気室温度の測定値Ｗが温度設定値Ｗ_Ｌよりも大きい場合にハイとなる（Ｗ＞Ｗ_ＬかつＴ＞Ｔ_Ｕ）。また、信号Ｓ_４は、その他の場合にはローとなる。このように、ＡＮＤ部２４は、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも大きく、かつ排気室温度の測定値Ｔが温度設定値Ｔ_Ｕよりも大きいことを検出した場合に、ハイの値を有する信号Ｓ_４を出力する。ハイの値を有する信号Ｓ_４は、第１信号の例である。

ＡＮＤ部３４は、信号Ｓ_１と信号Ｓ_５とのＡＮＤ値を信号Ｓ_６として出力する。よって、信号Ｓ_６は、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも小さく、かつ復水器圧力の測定値Ｐが圧力設定値Ｐ_Ｕよりも大きい場合にハイとなる（Ｗ＜Ｗ_ＬかつＰ＞Ｐ_Ｕ）。また、信号Ｓ_６は、その他の場合にはローとなる。このように、ＡＮＤ部３４は、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも小さく、かつ復水器圧力の測定値Ｐが圧力設定値Ｐ_Ｕよりも大きいことを検出した場合に、ハイの値を有する信号Ｓ_６を出力する。ハイの値を有する信号Ｓ_６は、第２信号の例である。

作動弁制御部１５は、信号Ｓ_４またはＳ_６に基づいて作動弁５を制御して、蒸気タービン１の排気室Ｒ内へのスプレー水の供給を制御する。排気室Ｒは、このスプレー水により冷却される。スプレー水は、冷却流体の例である。例えば、作動弁制御部１５は、信号Ｓ_４またはＳ_６がハイの場合にオンになり、作動弁５を全開にし、これにより排気室スプレー水を作動させる。また、作動弁制御部１５は、その他の場合にはオフになり、作動弁５を全閉にし、これにより排気室スプレー水が作動されなくなる。

よって、作動弁制御部１５は、信号Ｓ_４がハイの場合、すなわち、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも大きく、かつ排気室温度の測定値Ｔが温度設定値Ｔ_Ｕよりも大きい場合に、排気室スプレー水を作動させる（Ｗ＞Ｗ_ＬかつＴ＞Ｔ_Ｕ）。これは、蒸気タービン１が高負荷で運転されており、かつ排気室温度が高い場合に相当する。

また、作動弁制御部１５は、信号Ｓ_６がハイの場合、すなわち、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも小さく、かつ復水器圧力の測定値Ｐが圧力設定値Ｐ_Ｕよりも大きい場合に、排気室スプレー水を作動させる（Ｗ＜Ｗ_ＬかつＰ＞Ｐ_Ｕ）。これは、蒸気タービン１が低負荷で運転されており、かつ復水器圧力が高い場合に相当する。

ここで、本実施形態の排気室スプレー水の作動範囲について説明する。符号Ｌ_１、Ｔ_１については、図３を参照されたい。

タービン負荷がＬ_１よりも大きい場合には、排気室温度がＴ_１よりも高ければ排気室スプレー水を作動させ、排気室温度がＴ_１よりも低ければ排気室スプレー水を作動させない。この動作は、作動弁制御部１５に信号Ｓ_４を出力することで実現可能である。

タービン負荷がＬ_１よりも小さい場合には、復水器圧力がＰ_１（不図示）よりも高ければ排気室スプレー水を作動させ、復水器圧力がＰ_１よりも低ければ排気室スプレー水を作動させない。この動作は、作動弁制御部１５に信号Ｓ_６を出力することで実現可能である。

温度Ｔ_１は温度設定値Ｔ_Ｕに相当する。温度Ｔ_１は、例えば８０℃未満である。温度Ｔ_１の例は、６６℃である。圧力Ｐ_１は圧力設定値Ｐ_Ｕに相当する。圧力Ｐ_１は、例えば０．０５ｂａｒａ未満である。圧力Ｐ_１の例は、０．０４ｂａｒａである。タービン負荷Ｌ_１は、出力設定値Ｗ_Ｌをタービン負荷に換算した値に相当する。タービン負荷Ｌ_１は、例えば３０％未満である。タービン負荷Ｌ_１の例は、約１０％または約２０％である。

蒸気タービン１を低負荷域で運転する際、排気室スプレー水を常時作動させる場合がある。この場合、排気室温度の上昇を確実に抑えることができるが、蒸気タービン１の羽根１ａのエロージョンにより羽根１ａの寿命が短くなってしまう。よって、排気室スプレー水の作動条件を限定して、排気室スプレー水の作動時間をできるだけ短くすることが望ましい。

一方、羽根先端温度は、図１０の説明箇所で説明した通り、制御用の値として使用することは不適切である。図１０に示すように、低負荷運転時に羽根先端温度は排気室温度に比べて著しく高くなる。よって、排気室スプレー水の作動条件は、羽根先端温度が例えば１００℃を超えないように設定することが望ましい。

そこで、本実施形態では、タービン負荷がＬ_１よりも小さくかつゼロよりも大きい場合に、復水器圧力がＰ_１よりも高ければ排気室スプレー水を作動させ、復水器圧力がＰ_１よりも低ければ排気室スプレー水を作動させない。

よって、本実施形態によれば、排気室スプレー水を使用することが望ましいとき（復水器圧力が高いとき）にスプレー水を作動させることができ、排気室スプレー水を使用しなくてもよいとき（復水器圧力が低いとき）にスプレー水を不作動にすることができる。

よって、本実施形態によれば、スプレー水の作動により羽根１ａの先端部の温度を低く抑えつつ、スプレー水の作動時間の短縮により羽根１ａの寿命を延ばすことができる。

以上のように、本実施形態の蒸気タービン発電設備は、タービン負荷、排気室温度、および復水器圧力の測定値に基づいて、蒸気タービン１の排気室Ｒ内へのスプレー水の供給を制御する。よって、本実施形態によれば、低負荷運転時のスプレー水の作動時間を短縮することが可能となる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態の蒸気タービン発電設備の構成を示す概略図である。図２に示す構成要素に関し、図１と同一または類似の構成要素には同一の符号を付し、第１実施形態と重複する説明は省略する。

本実施形態の排気室冷却装置７は、圧力上限制限部３２と圧力設定値入力部３３の代わりに、関数発生部３５と、温度上限制限部３６と、温度設定値入力部３７とを備えている。出力下限制限部１２、出力設定値入力部１３、ＡＮＤ部３４、関数発生部３５、温度上限制限部３６、および温度設定値入力部３７は、第２信号出力部の例である。

関数発生部３５は、復水器圧力の測定値Ｐを圧力測定部３１から受信し、発電端出力の測定値Ｗを出力測定部１１から受信する。関数発生部３５は、蒸気タービン１の最終段落の羽根１ａの先端部の温度の予測値Ｔ’を算出するための関数を保持している。この羽根先端温度は、蒸気タービン１内の部位の温度の例である。羽根先端温度は、図５に示すノズル先端部の温度Ｃ_４、Ｃ_５と同様の特性を有する。

関数発生部３５の関数は、変数として復水器圧力と発電端出力を含んでいる。よって、関数発生部３５は、復水器圧力の測定値Ｐと発電端出力の測定値Ｗを関数に代入して、羽根先端温度の予測値Ｔ’を算出する。この予測値Ｔ’は、復水器圧力の測定値Ｐから得られた算出値の例である。なお、関数発生部３５の関数の例は、図１０の温度−負荷曲線である。

温度上限制限部３６は、羽根先端温度の予測値Ｔ’と、温度設定値入力部３７に設定された温度設定値Ｔ_Ｕ’とを比較し、その比較結果を含む信号Ｓ_５を出力する。この温度設定値Ｔ_Ｕ’は、第４設定値の例である。信号Ｓ_５は、羽根先端温度の予測値Ｔ’が温度設定値Ｔ_Ｕ’よりも小さい場合にローとなり（Ｔ’＜Ｔ_Ｕ’）、羽根先端温度の予測値Ｔ’が温度設定値Ｔ_Ｕ’よりも大きい場合にハイとなる（Ｔ’＜Ｔ_Ｕ’）。

なお、羽根先端温度の予測値Ｔ’が温度設定値Ｔ_Ｕ’と等しい場合、本実施形態の信号Ｓ_５の値は、ハイとなる（Ｔ’＝Ｔ_Ｕ’）。ただし、この場合の信号Ｓ_５の値は、ローとしてもよい。

ＡＮＤ部３４は、信号Ｓ_１と信号Ｓ_５とのＡＮＤ値を信号Ｓ_６として出力する。よって、信号Ｓ_６は、発電端出力Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも小さく、かつ羽根先端温度の予測値Ｔ’が温度設定値Ｔ_Ｕ’よりも大きい場合にハイとなる（Ｗ＜Ｗ_ＬかつＴ’＞Ｔ_Ｕ’）。また、信号Ｓ_６は、その他の場合にはローとなる。このように、ＡＮＤ部３４は、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも小さく、かつ羽根先端温度の予測値Ｔ’が温度設定値Ｔ_Ｕ’よりも大きいことを検出した場合に、ハイの値を有する信号Ｓ_６を出力する。ハイの値を有する信号Ｓ_６は、第２信号の例である。

作動弁制御部１５は、第１実施形態と同様に、信号Ｓ_４またはＳ_６に基づいて作動弁５を制御して、蒸気タービン１の排気室Ｒ内へのスプレー水の供給を制御する。よって、作動弁制御部１５は、信号Ｓ_６がハイの場合、すなわち、発電端出力の測定値Ｗが出力設定値Ｗ_Ｌよりも小さく、かつ羽根先端温度の予測値Ｔ’が温度設定値Ｔ_Ｕ’よりも大きい場合に、排気室スプレー水を作動させる（Ｗ＜Ｗ_ＬかつＴ’＞Ｔ_Ｕ’）。

本実施形態の蒸気タービン発電設備は、第１実施形態の発電設備と同様に、図２に示す排気室スプレー水の作動範囲を実現可能である。

以上のように、本実施形態の蒸気タービン発電設備は、タービン負荷、排気室温度、および復水器圧力の測定値に基づいて、蒸気タービン１の排気室Ｒ内へのスプレー水の供給を制御する。よって、本実施形態によれば、低負荷運転時のスプレー水の作動時間を短縮することが可能となる。

また、蒸気タービン１を低負荷域で運転する際には、一般に羽根先端温度の上昇が問題となる。これに対し、本実施形態の蒸気タービン発電設備は、羽根先端温度の予測値に基づいて、蒸気タービン１の排気室Ｒ内へのスプレー水の供給を制御する。よって、本実施形態によれば、羽根先端温度の上昇を効果的に抑制しつつ、低負荷運転時のスプレー水の作動時間を短縮することが可能となる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および設備は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および設備の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：蒸気タービン、１ａ：羽根、１ｂ：ノズル、２：発電機、３：主蒸気弁、
４：復水器、５：作動弁、６：排気室スプレー、７：排気室冷却装置、
１１：出力測定部、１２：出力下限制限部、
１３：出力設定値入力部、１４：論理否定部、１５：作動弁制御部、
２１：温度測定部、２２：温度上限制限部、
２３：温度設定値入力部、２４：論理和部、
３１：圧力測定部、３２：圧力上限制限部、
３３：圧力設定値入力部、３４：論理和部、
３５：関数発生部、３６：温度上限制限部、３７：温度設定値入力部

Claims (7)

1. 蒸気タービンにより駆動される発電機の出力を測定する出力測定部と、
   前記蒸気タービンの排気室内の温度を測定する温度測定部と、
   前記蒸気タービンからの蒸気を水に戻す復水器内の圧力を測定する圧力測定部と、
   前記出力の測定値が第１設定値よりも大きく、かつ前記温度の測定値が第２設定値よりも大きいことを検出した場合に、第１信号を出力する第１信号出力部と、
   前記出力の測定値が前記第１設定値よりも小さく、かつ前記圧力の測定値が第３設定値よりも大きいことまたは前記圧力の測定値から得られた算出値が第４設定値よりも大きいことを検出した場合に、第２信号を出力する第２信号出力部と、
   前記第１または第２信号に基づいて、前記排気室内への冷却流体の供給を制御する制御部と、
   を備える排気室冷却装置。
2. 前記制御部は、前記排気室内に前記冷却流体を供給する弁を制御する、請求項１に記載の排気室冷却装置。
3. 前記第１設定値は、前記蒸気タービンの負荷が３０％の場合の前記出力の測定値よりも小さい、請求項１または２に記載の排気室冷却装置。
4. 前記算出値は、前記圧力の測定値と前記出力の測定値とを用いて算出される、請求項１から３のいずれか１項に記載の排気室冷却装置。
5. 前記算出値は、前記蒸気タービン内の部位の温度の予測値である、請求項１から４のいずれか１項に記載の排気室冷却装置。
6. 前記部位は、前記蒸気タービン内の羽根の先端部である、請求項５に記載の排気室冷却装置。
7. 蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンにより駆動される発電機と、
   前記蒸気タービンからの蒸気を水に戻す復水器と、
   前記発電機の出力を測定する出力測定部と、
   前記蒸気タービンの排気室内の温度を測定する温度測定部と、
   前記復水器内の圧力を測定する圧力測定部と、
   前記出力の測定値が第１設定値よりも大きく、かつ前記温度の測定値が第２設定値よりも大きいことを検出した場合に、第１信号を出力する第１信号出力部と、
   前記出力の測定値が前記第１設定値よりも小さく、かつ前記圧力の測定値が第３設定値よりも大きいことまたは前記圧力の測定値から得られた算出値が第４設定値よりも大きいことを検出した場合に、第２信号を出力する第２信号出力部と、
   前記第１または第２信号に基づいて、前記排気室内への冷却流体の供給を制御する制御部と、
   を備える蒸気タービン発電設備。

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