JP6603526B2 - 蒸気タービン設備と蒸気タービン設備の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン設備およびその運転方法に関する。

火力発電プラントの蒸気タービン設備では、化石燃料を燃焼させて生ずる熱で蒸気を発生
させ、その蒸気を作動流体として蒸気タービンに供給し駆動させることにより、発電が行
われる。

一般的に蒸気タービン設備は、電力系統の電力需要が増加し系統周波数が降下した場合に
系統周波数を所定値に戻す対応ができるように、定格出力時は蒸気加減弁を全開にせず運
転している。つまり、定格出力時に蒸気加減弁は全開ではなく、電力需要が増加して系統
周波数が降下した場合に蒸気加減弁をさらに開けられるように裕度を持たせている。すな
わち、電力系統の電力需要が増加し系統周波数が降下すると、それに見合うように電力系
統と並列している蒸気タービンの出力が増加するような挙動となるため、その時蒸気加減
弁をさらに開弁し出力増加が可能なように待機していることを意味している。

しかしながら、蒸気加減弁が全開ではない状態の運転では、蒸気加減弁での圧力損失が大
きく、定格出力時の効率が低下する問題がある。これを防ぐための手段として主蒸気管の
他に、過負荷弁が設けられたバイパス管を設置する方法がある。定格出力を超える「過負
荷運転」を行うときには、主蒸気管を流れる蒸気が蒸気加減弁を介して蒸気タービンの初
段に供給されると共に、その主蒸気管を流れる蒸気が蒸気加減弁をバイパスしてバイパス
管に流入し、過負荷弁を介して、蒸気タービンの中間段に供給される。（たとえば、特許
文献１参照）

特開２０１３−１９４７２０号公報

図４は、「過負荷運転」を行う従来の蒸気タービン設備の系統概略図である。

蒸気タービン設備１は、主な機器として、ボイラ２、高圧タービン１０、中圧タービン１
６、低圧タービン２０、復水器２４、発電機２２を有する。高圧タービン１０、中圧ター
ビン１６、低圧タービン２０はロータ２３で連結され、ロータ２３は発電機２２と連結し
ている。

ボイラ２で発生した主蒸気は、主蒸気管４を流下して高圧タービン１０の入口に導かれる
。高圧タービン１０を駆動して排出された排気蒸気は、高圧タービン１０から低温再熱管
１２を流下してボイラ２の再熱器１３に導かれ再加熱される。再熱器１３で加熱された蒸
気は、高温再熱管１４を流下して中圧タービン１６に導かれ、中圧タービン１６を駆動し
た後、主蒸気管１８を流下して低圧タービン２０に導かれる。低圧タービン２０を駆動し
て排出された排気蒸気は、復水器２４に導入されて冷却され、復水し、その後ボイラ２に
給水として再導入される。

ボイラ２から高圧タービン１０へ流れる主蒸気が通る主蒸気管４には、蒸気の流れ方向上
流側から下流側に向かって主蒸気止め弁６、蒸気加減弁８が設けられている。また、主蒸
気止め弁６と蒸気加減弁８との間でバイパス管２６が主蒸気管４から分岐して設けられて
いる。主蒸気管４から分岐したバイパス管２６は、高圧タービン１０の中間段落に接続し
ており、主蒸気管４を流れる主蒸気の一部が高圧タービン１０の上流側段落の一部をバイ
パスして中間段落から高圧タービン１０に導入されるようになっている。バイパス管２６
には弁（過負荷弁）２８が設けられており、バイパス管２６を流れるバイパス蒸気量を制
御する。この制御は、制御部５０により行われる。

このような弁（過負荷弁）２８を用いた従来の蒸気タービン設備では、主蒸気の一部を高
圧タービン１０の中間段落から流入させるため、高圧タービン１０初段落の蒸気室の圧力
が中間段落側から遡って上昇することになり、結果的に高圧タービン１０の入口と中間段
落側との圧力差が不足するので、初段落のノズルと動翼を通過する蒸気量が減少して初段
落の出力が低下するという問題がある。

そこで本発明は、高圧タービン１０初段落の出力が低下するのを低減するとともに、定格
出力時の電力系統の周波数降下時に求められる定格出力以上の「過負荷運転」を可能とす
ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、高圧タービンにおける複数段落のうちの初段落の
蒸気室の蒸気を、高圧タービンの下流段落への流れと、高圧タービンの外部への流れとに
分岐するためのバイパス管と、バイパス管を流れる蒸気の量を制御するための流量制御弁
と、定格出力時は蒸気加減弁を全開とするとともに流量制御弁を全閉とし、定格出力時の
周波数変動時に伴う過負荷運転時は、蒸気加減弁を全開のまま、流量制御弁を開弁するよ
うに制御する制御部とを備え、バイパス管は複数の接続先を有し、それぞれのバイパス管
に流量制御弁が設置された蒸気タービンを提供することにより上記目的を達成する。

本発明によれば、電力系統の周波数降下時には高圧タービン初段落蒸気室からの蒸気を、
流量制御弁を用いて初段落以降に供給することで、高圧タービンの初段落の通過蒸気量を
増加させ、高圧タービン初段落の出力を増加させる。これにより、定格出力時に蒸気加減
弁を全開にでき、蒸気加減弁での損失低減が可能となるため、定格出力時の効率向上につ
ながるとともに、電力系統の周波数降下時に定格出力以上の過負荷運転を行う場合でも、
高圧タービンの初段落の通過蒸気量を増加させることにより出力を増加させることも可能
となる。

本発明の実施形態を以下に図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について以下に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係
る蒸気タービン設備の系統概略図である。従来の蒸気タービン設備の系統概略図に示され
た同一機器には同一符号を付しており、これら同一機器においては説明を省略し、相違す
る部分について説明を記載する。

ボイラ２から高圧タービン１０へ流れる主蒸気が通る主蒸気管４には、蒸気の流れ方向上
流側から下流側に向かって主蒸気止め弁６、蒸気加減弁８が設けられている。蒸気加減弁
８からの主蒸気管４は、高圧タービン１０の入口、すなわち高圧タービン初段へと接続さ
れ、高圧タービン１０では仕事をした後、低温再熱管１２側に流下する。

一方、高圧タービン１０の内部では初段落の蒸気室から外部へ排出するために、バイパス
管３１により高圧タービン１０の抽気口３０と中圧タービン１６の入口部２８とを接続し
ており、バイパス管３１の途中に流量制御弁３２を備えている。なお、図１に示す本発明
の第１の実施形態では、図４に示す従来系統の主蒸気管４から分岐するバイパス管２６や
弁２８は存在しない。

第１の実施形態における流量制御弁３２は、高圧タービン１０初段落の蒸気室からバイパ
ス管３１を介して接続された中圧タービン入口部２８へ供給される蒸気量を制御するよう
に構成されている。なお、ここでバイパス管３１の接続先は中圧タービン入口部２８とし
ているが、高圧タービン初段落の蒸気室より下流であれば、高圧タービンや中圧タービン
および低圧タービンの任意段落に供給しても良い。蒸気加減弁８および流量制御弁３２の
開度調整は制御部４０により行われる。

次に図２ａと図２ｂを用いて蒸気加減弁８および流量制御弁３２の特性について説明する
。図２ａは蒸気加減弁８および流量制御弁３２の弁開度特性図であり、縦軸は弁開度、横
軸は負荷（出力）を示し増加から減少までの全行程を記載している。

蒸気タービンの負荷が０％の時、蒸気加減弁８および流量制御弁３２の弁開度は全閉であ
る。蒸気加減弁８は、制御部４０からの開度指令信号に基づいて負荷上昇とともに開弁す
る。記号Ｃから記号Ｅまでの期間は、負荷が１００％のため制御部４０からの開度指令信
号は全開信号が入力されており、蒸気加減弁８は全開を保持したままとなっている。

ここで、従来の蒸気タービンは、１００％負荷の状態において、電力系統の電力需要が増
加し系統周波数が降下すると（以下これを周波数変動という）、蒸気加減弁８をさらに開
けられるように裕度を持たせるため、１００％負荷のときでも蒸気加減弁８の弁開度は途
中開（全開ではない状態）としていた。このため、蒸気加減弁８における圧力損失が大き
い問題があったが、第１の実施形態では負荷が１００％の時に全開として運用するため圧
力損失は従来に比べ減少し効率向上を計っている。

図２ａの記号Ｃから記号Ｅまでの期間は、負荷１００％時（定格出力時）の際の周波数変
動時に備え連続して負荷増加を行うために流量制御弁３２を開弁する行程を示している。
すなわち、負荷１００％時（定格出力時）の際に周波数変動が発生した場合、制御部４０
からの開度指令信号に基づいて、負荷１００％の時に全閉であった流量制御弁３２を任意
弁開度（任意全開）まで開弁することができるため、負荷１００％時（定格出力時）の周
波数変動に対応することが出来る。更に、蒸気タービンの負荷は１００％（定格出力）か
ら＋α％まで増加することから、１００％（定格出力）以上の過負荷運転を行うことが出
来る。

図２ｂは蒸気加減弁８の通過蒸気の流量特性図であり、縦軸は高圧タービンの初段落（第
１段落）を流れる流量、すなわち蒸気加減弁８を流れる流量を示し、横軸は図２ａと同様
に負荷（出力）の全行程を記載している。

図２ｂの記号Ａから記号Ｃまでの期間、および記号Ｅから記号Ｇまでの期間は、蒸気加減
弁８単独による流量制御の範囲を示している。記号Ｃから記号Ｅまでの期間は、蒸気加減
弁８が全開を保持した状態で、図２ａに示す流量制御弁３２の開度特性図のように開弁す
ることにより、蒸気加減弁８を通過する流量が１００％（定格流量）から＋α％まで増加
する。

次に、図２ａと図２ｂを用いて蒸気加減弁８および流量制御弁３２の作用について説明す
る。負荷が１００％の記号Ｃにおいて、電力系統の電力需要が増加し系統周波数が降下す
ると、蒸気加減弁８が全開を保持しながら、流量制御弁３２は制御部４０からの開度指令
信号に基づいて開弁するように動作する。

流量制御弁３２が開くと、流量制御弁３２の開度に従って蒸気圧力の高い高圧タービン１
０初段落の蒸気室から蒸気圧力の低い中圧タービン１６の入口部に蒸気が供給されるため
、高圧タービン１０初段落の蒸気室の蒸気量が減少し結果的に蒸気室の圧力が低下するこ
とになる。

すなわち、高圧タービン１０に供給される主蒸気管４の主蒸気圧力は一定であって、高圧
タービン１０初段落の蒸気室圧力が低下することにより、高圧タービン１０の入口と蒸気
室との圧力差が増加するので、高圧タービンの初段落（第１段落）のノズルと動翼を通過
する蒸気量は増加して初段落の出力が増加することになる。

さらに、流量制御弁３２が開弁して中圧タービン１６の入口部に供給された蒸気により、
中圧タービン１６から下流段落を流れる蒸気量が増加するため、これら下流段落での出力
が増加することになる。このように、第１の実施形態においては流量制御弁３２を開弁す
ることにより、高圧タービン１０および中圧タービン１６、低圧タービン２０のそれぞれ
の増加した出力が合算されるため、出力増加に寄与する効果は大きい。

なお、従来の実施形態における弁２８を用いた場合には、高圧タービン１０初段落をバイ
パスしたので顕著な効果が得られなかったが、第１の実施形態においては高圧タービン１
０初段落に流れる蒸気量を増加させたため、断熱熱落差を大きく取れるので蒸気タービン
設備１００の有効仕事を増加させることが可能になった。

また、高圧タービン１０初段落に流れる蒸気量が増加することから、蒸気加減弁８を通過
する流量も増加するので自ずと圧力損失も増加することになるが、蒸気加減弁８はすでに
全開となって蒸気を絞る状況にないため、その増加量はわずかであり高圧タービン１０の
断熱熱落差に影響を与えるほどではない。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について以下に説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係
る蒸気タービン設備の系統概略図である。第２の実施形態は、バイパス系統の接続先を複
数有していることが特徴である。すなわち、高圧タービン１０の初段落の蒸気室に設けら
れる排出口３０に接続されるバイパス管３１には、分岐バイパス管３３、３４が分岐して
いる点が新規な構造である。

一方の分岐バイパス管３３は中圧タービン１６の入口部と接続しており、分岐バイパス管
３３の途中に流量制御弁３２を備えている。他方の分岐バイパス管３４は低圧タービン２
０の入口部と接続しており、分岐バイパス管３４の途中に流量制御弁３５を備えている。

これら流量制御弁３２と流量制御弁３５は、図２ａの記号Ｃから記号Ｅまでの期間に同時
に開弁させて高圧タービンの初段落（第１段落）を流れる流量、すなわち蒸気加減弁８を
流れる流量を増加させるように動作させると、その作用効果は第１の実施形態と同じとな
る。

なお、流量制御弁３２と流量制御弁３５の開弁方法は前述の２弁同時のみならず順番に開
弁する方法に改善しても良い。また、バイパス管３１にのみ流量制御弁３２を１弁のみ備
え、分岐バイパス管３３を介して中圧タービン１６の入口部と接続し、また分岐バイパス
管３４を介して低圧タービン２０の入口部と接続するように構成を変更してもその効果や
作用は同一である。

本発明の実施形態を説明してきたが、定格出力時およびそれ以上の負荷帯において蒸気加
減弁を全開にすることを条件に、周波数変動時の対応が可能で、かつ定格出力以上の「過
負荷運転」が可能であれば、バイパス系統の蒸気排出口を、高圧タービンの初段落の蒸気
室に限定することはない。高圧タービンの初段落より更に下流段落であってよいことは説
明するまでも無い。

本発明の第１の実施形態に関わる蒸気タービン設備の系統概略図 本発明の第１の実施形態に係る蒸気加減弁と流量制御弁の発電機負荷に対する弁開度特性図 本発明の第１の実施形態に係る蒸気加減弁の通過蒸気流量特性図 本発明の第２の実施形態に係る蒸気タービン設備の系統概略図 従来の蒸気タービン設備を示す系統概略図

２ ボイラ
４ 主蒸気管
６ 主蒸気止め弁
８ 蒸気加減弁
１０ 高圧タービン
１２ 低温再熱管
１３ 再熱器
１４ 高温再熱管
１６ 中圧タービン
１８ 主蒸気管
２０ 低圧タービン
２２ 発電機
２４ 復水器
３０ 排出口
３１ バイパス管
３２ 流量制御弁
３３ 分岐バイパス管
３４ 分岐バイパス管
３５ 流量制御弁
１００ 蒸気タービン設備

Claims (4)

1. ボイラからの主蒸気により蒸気加減弁を経て駆動され複数の段落を備える高圧タービンと
   、前記高圧タービンの排気蒸気に基づいて駆動される中圧タービンと、前記中圧タービン
   の排気蒸気により駆動される低圧タービンと、を備えた蒸気タービン設備であって、
   前記高圧タービンにおける前記複数段落のうちの初段落を含む所定段落の蒸気室の蒸気を
   、前記高圧タービンの下流段落への流れと、前記高圧タービンの外部への流れとに分岐す
   るためのバイパス管と、
   前記バイパス管を流れる蒸気の量を制御するための流量制御弁と、
   定格出力時は前記蒸気加減弁を全開とするとともに前記流量制御弁を全閉とし、定格出力
   時の周波数変動時に伴う過負荷運転時は、前記蒸気加減弁を全開のまま、前記流量制御弁
   を開弁するように制御する制御部と
   を備え、
   前記バイパス管は複数の接続先を有し、それぞれのバイパス管に前記流量制御弁が設置さ
   れていることを特徴とする蒸気タービン設備。
2. 前記バイパス管は、前記高圧タービンの前記所定段落の蒸気室より下流であって、前記中
   圧タービンおよび前記低圧タービンを含めた任意段落に接続されることを特徴とする請求
   項１記載の蒸気タービン設備。
3. 前記流量制御弁は弁開度要求信号に基いて開閉し、その開閉動作は前記蒸気加減弁が全開
   した後の運転域で行われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気タービ
   ン設備。
4. ボイラからの主蒸気により蒸気加減弁を経て駆動される高圧タービンと、前記高圧タービ
   ンの排気蒸気に基づいて駆動される中圧タービンと、前記中圧タービンの排気蒸気により
   駆動される低圧タービンとを備えるとともに、
   前記高圧タービンにおける複数段落のうちの初段落を含む所定段落の蒸気室の蒸気を、前
   記高圧タービンの下流段落への流れと、前記高圧タービンの外部への流れとに分岐するた
   めのバイパス管と、前記バイパス管を流れる蒸気の量を制御するための流量制御弁とを備
   え、
   前記バイパス管は複数の接続先を有し、それぞれのバイパス管に前記流量制御弁が設置さ
   れた蒸気タービン設備の運転方法であって、
   定格出力時は前記蒸気加減弁を全開とするとともに前記流量制御弁を全閉とし、
   定格出力時の周波数変動時に伴う過負荷運転時は、前記蒸気加減弁を全開のまま、前記流
   量制御弁を開弁すること
   を特徴とする蒸気タービン設備の運転方法。

Images