JP6826449B2 - 蒸気タービンシステム - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンシステムに関する。

従来、蒸気タービンのプラントシステムは、例えば、ボイラと、ボイラからの蒸気で駆動する蒸気タービン（高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、低圧蒸気タービンなど）と、各タービンの駆動で発電する発電機と、低圧蒸気タービンから排気された蒸気を水に戻してボイラに供給する復水器と、これら各機器を制御する制御装置とを備えて構成されている。

また、復水器とボイラの間に、蒸気タービンから抽出した蒸気との熱交換で復水器水を加熱する給水加熱器や、蒸気タービンからの蒸気漏出、蒸気タービンへの外部空気の流入を防ぐためのグランドシール蒸気系統（グランドシール蒸気ライン）の蒸気の熱及び復水の回収を行うためのグランド蒸気回収復水装置（ＧＳＣ）を備えて構成したものもある。

一方、蒸気タービンは、ロータとステータとを備え、ロータは、軸線方向に軸状に並設された複数のロータディスクと、各ロータディスクの外周から軸線中心の径方向に突出して放射状に配設された複数の動翼とを備えている。

ステータは、ロータを囲繞するように配設され、タービンの内部を外部から区画するケーシング本体及びケーシング本体の内周部に支持されて一体に設けられた翼環からなるケーシングと、複数の静翼とを備えている。

また、一つのロータディスクの複数の動翼とこれに対応する静翼が一つの「段」を構成しており、蒸気タービンには、多数段の動翼、静翼が設けられている。さらに、複数の段は、動翼及び静翼の翼高さ（ロータに略直交する方向の翼の長さ）が蒸気の流通方向上流側から下流側に向かうに従い大きくなるように構成されている。

このように構成した蒸気タービンは、蒸気が軸線方向一端側からケーシング内に供給されて軸線方向他端側に流通するとともに、各段の静翼での圧力降下によって運動エネルギーが生じ、これを動翼によって回転トルクに変換し、ロータを軸線周りに回転させることができる。

ここで、蒸気タービンの内部（ケーシングの内部）では、下流段側ほどエネルギーが減少し、例えば低圧蒸気タービンの最終段（最終翼群内部）では湿りが発生する。この蒸気の湿り（水分）は様々な形態で蒸気タービンにエネルギー損失をもたらすだけでなく、水滴となって翼を浸食し、損傷させるおそれがある。特に、静翼表面に付着した粗大な水滴が静翼の後縁部から飛散して動翼に衝突することにより、エネルギーの損失だけでなく動翼の損傷を招くケースがある。

これに対し、静翼を中空構造で形成するとともに中空部に加熱流体を流通させ、加熱流体で静翼を加熱することにより、付着しようとする水分を蒸発させ、静翼の外面に水滴等の水分が付着しないようにする手法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２０１３−１４８０３９号公報 特許第３６１７２１２号公報

しかしながら、上記従来の静翼の中空部に加熱流体を流通させ、静翼の外面に水滴等の水分が付着しないようにする手法において、加熱流体を生成するために外部のエネルギーを用いてしまうと、トータルのエネルギー効率が大きく低下してしまう。

そこで、特許文献２では、蒸気タービンの高圧段前の軸封パッキンから抽出したグランドシール蒸気系統（グランドシール蒸気ライン）のリーク蒸気を加熱流体として利用し、コントロール弁を介して静翼の中空部に導入し、静翼を加熱している。また、その排気蒸気をタービンの低圧段落に放流するようにするようにしている。この場合には、蒸気タービンシステムの系内の蒸気（熱エネルギー）を利用して静翼を加熱することができる。

しかしながら、この場合には、万一、静翼の中空部にリーク蒸気を供給する静翼加熱系統（静翼加熱用ライン）で漏れなどが発生すると、グランドシール蒸気系統も一緒に止めることが必要になり、結果として、静翼加熱系統の不具合によって蒸気タービンの駆動を止めざるを得なくなってしまう。

また、グランドシール蒸気系統のリーク蒸気を加熱流体として利用するため、グランドシールのための蒸気が減ることになり、場合によってはグランドシールに支障をきたし、十分なグランドシールが行えなくなるおそれもある。

本発明の蒸気タービンシステムは、静翼及び動翼を有し、供給される蒸気によって軸線回りに回転する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから抽気された蒸気が流通する蒸気ラインと、中空構造の静翼の中空部と前記蒸気タービンの外部との間で加熱流体を循環させ、前記静翼を加熱するための静翼加熱ラインと、前記蒸気ラインを流通する蒸気と前記静翼加熱ラインを流通する加熱流体とを熱交換させることで前記加熱流体を加熱する熱交換手段とを備え、前記蒸気ラインが、蒸気タービンから抽出した蒸気を蒸気タービンの軸端に供給し、前記軸端の蒸気漏れを防止するためのグランドシール蒸気ラインである。

また、本発明の蒸気タービンシステムにおいては、前記蒸気タービンは、高圧タービンと、中圧タービンと、低圧タービンと、を備え、前記蒸気ラインは、前記高圧タービン、前記中圧タービン、前記低圧タービンの少なくとも一つから抽出した蒸気を前記低圧タービンの軸端に供給し、前記軸端の蒸気漏れを防止するためのグランドシール蒸気ラインであってもよい。
さらに、本発明の蒸気タービンシステムにおいては、前記蒸気ラインは、前記高圧タービンの蒸気の流通方向における下流側、前記中圧タービンの蒸気流通方向における下流側、前記低圧タービンの蒸気の流通方向における上流側の少なくとも一つから抽出した蒸気を前記低圧タービンの蒸気の流通方向における下流側の軸端に供給し、前記軸端の蒸気漏れを防止するためのグランドシール蒸気ラインであってもよい。

本発明の蒸気タービンシステムにおいては、前記静翼に供給される前の加熱流体の温度と、前記静翼の中空部を流通した後の加熱流体の温度とを計測する温度計測手段を備えることがより望ましい。
本発明の蒸気タービンシステムは、静翼及び動翼を有し、供給される蒸気によって軸線回りに回転する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから抽気された蒸気が流通する蒸気ラインと、中空構造の静翼の中空部と前記蒸気タービンの外部との間で加熱流体を循環させ、前記静翼を加熱するための静翼加熱ラインと、前記蒸気ラインを流通する蒸気と前記静翼加熱ラインを流通する加熱流体とを熱交換させることで前記加熱流体を加熱する熱交換手段とを備え、前記静翼に供給される前の加熱流体の温度と、前記静翼の中空部を流通した後の加熱流体の温度とを計測する温度計測手段を備えていてもよい。
また、本発明の蒸気タービンシステムにおいては、前記温度計測手段の計測結果に基づいて前記加熱流体の前記静翼の中空部への供給量を制御する制御手段を備えてもよい。

本発明の蒸気タービンシステムにおいては、蒸気タービンから抽気された蒸気の熱を利用して水などの加熱流体を加熱し、この加熱流体を静翼内に流通させることにより、静翼の外面に付着する水滴などの水分を加熱除去することができる。これにより、湿りの発生によるエネルギー損失や動翼の損傷を低減、防止することができる。また、タービンの熱段落で得られるエネルギーを増大させることができ、タービン効率の向上を図ることも可能になる。

さらに、蒸気タービンから抽気する蒸気として、従来回収されていなかったタービン軸端の蒸気（シール蒸気）を利用すれば、蒸気タービンシステムの熱効率を高めつつ静翼の表面に付着する水分を除去することが可能になる。

また、例えば、グランドシール蒸気系統（グランドシール蒸気ライン）に加熱流体用の熱交換器を設け、グランドシール蒸気系統を流通する蒸気の熱で加熱流体を加熱するように構成するなどすれば、グランドシール蒸気系統と静翼加熱系統（静翼加熱ライン）を別系統にすることができる。これにより、故障などの何らかの要因で加熱流体の供給を停止することが必要になった場合であっても、タービン軸端への蒸気の供給を停止する必要がない。さらに、タービン軸端への蒸気の供給に静翼加熱が全く影響しないため、従来のように静翼を加熱することでシール蒸気が足りなくなり、タービン軸端からの蒸気漏れが発生するおそれを解消することができる。

さらに、グランドシール蒸気系統に加熱流体用の熱交換器を設け、グランドシール蒸気系統を流通する蒸気の熱で加熱流体を加熱するようにすれば、軸端に供給する蒸気の熱を従来よりも下げることができる。これにより、軸端への蒸気の熱によるロータの熱変形を防止することもできる。

本発明の一実施形態に係る蒸気タービンシステムの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る蒸気タービンの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る蒸気タービンの静翼及び動翼等を拡大した断面図である。 本発明の一実施形態に係る蒸気タービンの静翼の断面図である。 本発明の一実施形態に係る蒸気タービンシステムの変更例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る蒸気タービンシステムの変更例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る蒸気タービンシステムの変更例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る蒸気タービンシステムの変更例を示す図である。

以下、図１から図８を参照し、本発明の一実施形態に係る蒸気タービンシステムについて説明する。ここで、本実施形態では、本発明に係る蒸気タービンシステムが例えば発電プラントなどであるものとして説明を行う。

本実施形態の蒸気タービンシステムＡは、図１及び図２に示すように、例えば、ボイラ（不図示）と、ボイラからの蒸気（主蒸気）Ｐ１で駆動する蒸気タービン（高圧蒸気タービン１ａ、中圧蒸気タービン１ｂ、低圧蒸気タービン１ｃ）１と、各蒸気タービン１の駆動に従動して発電する発電機（不図示）と、低圧蒸気タービン１ｃや中圧蒸気タービン１ｂから排出された蒸気を水に戻してボイラに供給するための復水器（不図示）と、これら各機器を制御する制御装置（不図示）とを備えている。

蒸気タービン１は、図２及び図３に示すように、ロータ２とステータ３とを備えて構成されている。

ロータ２は、軸線Ｏ１方向に軸状に並設された複数のロータディスク４と、各ロータディスク４の外周から軸線Ｏ１中心の径方向外側に突出して放射状に配設された複数の動翼５とを備えている。

ステータ３は、ロータ２を囲繞するように配設され、蒸気タービン１の内部を外部から区画するケーシング本体６及びケーシング本体６の内周部に支持されて一体に設けられた翼環（外環）７からなるケーシング８と、翼環７から径方向内側に突出して放射状に配設されるとともに軸線Ｏ１方向（蒸気Ｐ１の流通方向）に所定の間隔をあけて配設された複数の静翼１０とを備えている。

また、一つのロータディスク４に設けられ、周方向に並ぶ複数の動翼５が環状動翼群を構成し、周方向に並ぶ複数の静翼１０が環状静翼群を構成する。そして、一つのロータディスク４の複数の動翼５の一つの環状動翼群とこの環状動翼群の蒸気流通方向上流側に隣接する一つの環状静翼群で一つの「段」が構成され、蒸気タービン１には、多数段の動翼５、静翼１０が設けられている。さらに、複数の段は、動翼５及び静翼１０の翼高さ（ロータ２に略直交する方向の翼の長さ）が蒸気Ｐ１の流通方向上流側から下流側に向かうに従い大きくなるように構成されている。

翼環７は、ケーシング本体６の内周部に一体に設けられるとともに円周方向に延びて環状に配設されている。

静翼１０は、径方向外側に設けられ、翼環７に静翼１０の基端部を溶接などして接続するための外側シュラウド１１と、外側シュラウド１１からロータ２に向かう径方向内側に延びる静翼本体１２と、静翼本体１２の径方向内側（ロータ２側）に一体に設けられた内側シュラウド１８とを備えて形成されている。

静翼本体１２は、図３及び図４に示すように、腹側を構成する腹側部材１３と、背側を構成する背側部材１４とを備えて形成されている。また、腹側部材１３と背側部材１４はそれぞれ金属製の板状部材を互いに異なる反り方で湾曲させたものであり、腹側部材１３は、その外面／表面が静翼１０の腹面となるよう反り加工し、背側部材１４は、その外面／表面が静翼１０の背面となるよう反り加工して形成されている。

静翼本体１２は、腹側部材１３と背側部材１４をそれぞれ静翼１０の腹側部１５と背側部１６を構成するように組み付け、静翼１０の前縁部１０ａと後縁部１０ｂで腹側部材１３と背側部材１４の端部同士を溶接するなどして形成されている。これにより、静翼１０は、その内部（腹側部材１３の内面／裏面と背側部材１４の内面／裏面の間）に、翼高さ方向に沿って延びる中空部１７を備えている。

さらに、本実施形態の蒸気タービンシステムＡにおいては、図１及び図３に示すように、例えば低圧蒸気タービン１ｃの静翼１０、さらに低圧蒸気タービン１ｃの下流側の静翼１０など、蒸気Ｐ１の温度や圧力の低下に伴い蒸気流路Ｒ内で湿りが発生し得る部分の静翼１０（静翼本体１２）に、ケーシング８の外部から静翼１０の外側シュラウド１１を貫通して静翼本体１２の中空部１７に達し、内側シュラウド１８側から中空部１７を通じて外側シュラウド１１を貫通しケーシング８の外部に延びる静翼加熱ライン２０が具備されている。

さらに、高圧蒸気タービン１ａ、低圧蒸気タービン１ｃの蒸気流通方向下流側の軸端から抽出した蒸気Ｐ２を低圧蒸気タービン１ｃの蒸気流通方向上流側の軸端に供給し、軸端でのリーク蒸気の発生、外部空気のタービン内への侵入を防止するためのグランドシール蒸気ライン（グランドシール蒸気系統、蒸気ライン）２１が設けられている。

そして、本実施形態の蒸気タービンシステムＡにおいては、グランドシール蒸気ライン２１に加熱流体用の熱交換器（熱交換手段）２２が設けられ、この加熱流体用の熱交換器２２に静翼加熱ライン２０が接続されている。これにより、ポンプの駆動によって、静翼１０の中空部１７に加熱流体用の熱交換器２２で加熱した加熱流体Ｐ３が供給され、中空部１７から加熱流体用の熱交換器２２に返送され、順次加熱流体Ｐ３が熱交換器２２と静翼１０の中空部１７の間で循環する。

したがって、本実施形態の蒸気タービンシステムＡにおいては、蒸気タービン１から抽気された蒸気Ｐ２の熱を利用して水などの加熱流体Ｐ３を加熱し、この加熱流体Ｐ３を静翼１０内に流通させることにより、静翼１０の外面に付着する水滴などの水分を加熱除去することができる。これにより、湿りの発生によるエネルギー損失や動翼の損傷を低減、防止することができる。また、タービン１の熱段落で得られるエネルギーを増大させることができ、タービン効率の向上を図ることも可能になる。

さらに、蒸気タービン１から抽気する蒸気Ｐ２として、従来回収されていなかったタービン軸端の蒸気（シール蒸気）Ｐ２の熱エネルギーを利用することで、蒸気タービンシステムＡの熱効率を高めつつ静翼１０の表面に付着する水分を除去することが可能になる。

また、グランドシール蒸気ライン２１に加熱流体用の熱交換器２２を設け、グランドシール蒸気ライン２１を流通する蒸気Ｐ２の熱で加熱流体Ｐ３を加熱するように構成したことで、グランドシール蒸気ライン２１と静翼加熱ライン２０を別系統にすることができる。これにより、故障などの何らかの要因で加熱流体Ｐ３の供給を停止することが必要になった場合であっても、タービン軸端への蒸気Ｐ２の供給を停止する必要がない。さらに、タービン軸端への蒸気Ｐ２の供給に静翼加熱が全く影響しないため、従来のように静翼１０を加熱することでシール蒸気Ｐ２が足りなくなり、タービン軸端からの蒸気漏れが発生するおそれを解消することができる。

さらに、グランドシール蒸気ライン２１に加熱流体用の熱交換器２２を設け、グランドシール蒸気ライン２１を流通する蒸気Ｐ２の熱で加熱流体を加熱するようにしたことで、軸端に供給する蒸気Ｐ２の熱を従来よりも下げることができる。これにより、軸端への蒸気Ｐ２の熱によるロータ２の熱変形を防止することもできる。

以上、本発明に係る蒸気タービンシステムの一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、加熱流体を熱交換器２２で加熱するための蒸気Ｐ２は、特に限定する必要はなく、図５に示すように、中圧蒸気タービン１ｂのシール蒸気Ｐ２であってもよい。また、図６に示すように低圧蒸気タービン１ｃの流通方向上流側の蒸気Ｐ２を抽出し、加熱用の蒸気に利用してもよい。勿論、図７に示すように、中圧蒸気タービン１ｂの蒸気Ｐ２、低圧蒸気タービン１ｃの上流側の蒸気Ｐ２を併用してもよい。

また、図８に示すように、静翼１０の中空部１７に供給する加熱流体Ｐ３の温度、静翼１０の中空部１７から排出された加熱流体Ｐ３の温度、熱交換器２２によって加熱流体Ｐ３を加熱した後のシール蒸気Ｐ２の温度などを温度センサ（温度計測手段）２４で計測し、この計測結果に基づいて加熱流体Ｐ３の静翼１０への供給量を制御するように構成してもよい。

この場合には、静翼１０の中空部１７に供給する加熱流体Ｐ３の温度、静翼１０の中空部１７から排出された加熱流体Ｐ３の温度を計測することで、静翼１０の加熱効率／加熱状態を確認することができる。これにより、温度が高すぎて静翼１０などに熱変形が生じたり、温度が低すぎて静翼１０の表面の水分を十分に除去できないなどの不都合が生じることを防止できる。また、熱交換器２２によって加熱流体Ｐ３を加熱した後のシール蒸気Ｐ２の温度を計測することで、ロータ２の熱変形などの不都合が生じないようにシール蒸気Ｐ２を供給することができる。

１ 蒸気タービン
１ａ 高圧蒸気タービン
１ｂ 中圧蒸気タービン
１ｃ 低圧蒸気タービン
２ ロータ
３ ステータ
４ ロータディスク
５ 動翼
７ 翼環（外環）
８ ケーシング
１０ 静翼
１０ａ 前縁部
１０ｂ 後縁部
１１ 外側シュラウド
１２ 静翼本体
１３ 腹側部材
１４ 背側部材
１５ 腹側部
１６ 背側部
１７ 中空部
１８ 内側シュラウド
２０ 静翼加熱ライン（静翼加熱系統）
２１ グランドシール蒸気ライン（蒸気ライン、グランドシール蒸気系統）
２２ 熱交換器（熱交換手段）
２４ 温度センサ（温度計測手段）
Ａ 蒸気タービンシステム
Ｏ１ 軸線
Ｐ１ 主蒸気
Ｐ２ シール蒸気
Ｐ３ 加熱用流体

Claims (6)

1. 静翼及び動翼を有し、供給される蒸気によって軸線回りに回転する蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンから抽気された蒸気が流通する蒸気ラインと、
   中空構造の静翼の中空部と前記蒸気タービンの外部との間で加熱流体を循環させ、前記静翼を加熱するための静翼加熱ラインと、
   前記蒸気ラインを流通する蒸気と前記静翼加熱ラインを流通する加熱流体とを熱交換させることで前記加熱流体を加熱する熱交換手段とを備え、
   前記蒸気ラインが、蒸気タービンから抽出した蒸気を蒸気タービンの軸端に供給し、前記軸端の蒸気漏れを防止するためのグランドシール蒸気ラインである蒸気タービンシステム。
2. 前記蒸気タービンは、高圧タービンと、中圧タービンと、低圧タービンと、を備え、
   前記蒸気ラインは、前記高圧タービン、前記中圧タービン、前記低圧タービンの少なくとも一つから抽出した蒸気を前記低圧タービンの軸端に供給し、前記軸端の蒸気漏れを防止するためのグランドシール蒸気ラインである請求項１に記載の蒸気タービンシステム。
3. 前記蒸気ラインは、前記高圧タービンの蒸気の流通方向における下流側、前記中圧タービンの蒸気流通方向における下流側、前記低圧タービンの蒸気の流通方向における上流側の少なくとも一つから抽出した蒸気を前記低圧タービンの蒸気の流通方向における下流側の軸端に供給し、前記軸端の蒸気漏れを防止するためのグランドシール蒸気ラインである請求項２に記載の蒸気タービンシステム。
4. 前記静翼に供給される前の加熱流体の温度と、前記静翼の中空部を流通した後の加熱流体の温度とを計測する温度計測手段を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の蒸気タービンシステム。
5. 静翼及び動翼を有し、供給される蒸気によって軸線回りに回転する蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンから抽気された蒸気が流通する蒸気ラインと、
   中空構造の静翼の中空部と前記蒸気タービンの外部との間で加熱流体を循環させ、前記静翼を加熱するための静翼加熱ラインと、
   前記蒸気ラインを流通する蒸気と前記静翼加熱ラインを流通する加熱流体とを熱交換させることで前記加熱流体を加熱する熱交換手段とを備え、
   前記静翼に供給される前の加熱流体の温度と、前記静翼の中空部を流通した後の加熱流体の温度とを計測する温度計測手段を備える蒸気タービンシステム。
6. 前記温度計測手段の計測結果に基づいて前記加熱流体の前記静翼の中空部への供給量を制御する制御手段を備える請求項４又は５に記載の蒸気タービンシステム。

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