JP7144334B2 - 蒸気タービンシステム - Google Patents

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Description

本発明は、蒸気タービンシステムに関する。
蒸気タービンにおいて、主蒸気とは別に、蒸気(混気)を蒸気タービン内に供給させるものがある。例えば、特許文献1には、混気源に繋がった複数の混気ポートを、蒸気タービンの上流側と下流側とに離して設ける構成が開示されている。この構成においては、タービンの内部圧力が低い低負荷運転時には、上流側にある高圧側の混気ポートから混気を供給する。タービンの内部圧力が高い高負荷運転時には、下流側にある低圧側の混気ポートから混気を供給する。このような構成では、タービンの内部圧力に応じて混気を供給させる混気ポートを切り替えることで、混気を効率良く行う。
特開平9-303109号公報
ところで、蒸気タービンに混気として蒸気を供給する蒸気供給源は、例えば、プラントや工場に設置された各種設備である。設備の稼働状況等に応じ、蒸気供給源から蒸気タービンに供給される蒸気の圧力は変動する。蒸気供給源から供給される蒸気の圧力と、蒸気タービン内の圧力との差圧が小さいと、蒸気が蒸気タービン内に流入しにくくなる。
これに対し、特許文献1に開示されたタービンの内部圧力に応じて混気ポートの切換を行う構成では、蒸気供給源から供給される蒸気の圧力の変動に対応することができない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、蒸気供給源から供給される蒸気の圧力が変動しても、蒸気の供給を円滑に行い、効率のよい運転を行うことが可能な蒸気タービンを提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係る蒸気タービンシステムは、ケーシング内で蒸気によって回転軸周りに回転する動翼を、前記回転軸の中心軸方向に間隔をあけて複数段に備えた蒸気タービンと、圧力が変動する蒸気を供給可能な蒸気供給源から供給される前記蒸気を、前記ケーシング内の上流段に供給する第一混気供給管と、前記第一混気供給管から分岐して設けられ、前記ケーシング内の前記上流段よりも下流側に位置する下流段に前記蒸気を供給する第二混気供給管と、前記第一混気供給管から前記上流段に供給される前記蒸気の流量及び前記第二混気供給管から前記下流段に供給される前記蒸気の流量を調整する調整部と、前記蒸気供給源から供給される前記蒸気の圧力と前記上流段での圧力との差圧を検出する検出部と、前記検出部で検出された前記差圧に基づいて、前記調整部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記差圧が、予め定められた基準値よりも小さかった場合に、前記第二混気供給管から前記下流段に供給される前記蒸気の流量を増やすように前記調整部を制御し、前記基準値は、前記蒸気供給源から供給される前記蒸気の流量と、前記流量の前記蒸気を前記ケーシング内に供給するのに必要な差圧と関係に基づいて予め設定された相関データに基づいて決定される
このような構成によれば、蒸気供給源から供給される蒸気の圧力と上流段での圧力との差圧に基づいて、蒸気の供給先を、上流段と下流段とのどちらにするか調整することができる。蒸気供給源から供給される蒸気の圧力と、上流段におけるケーシング内の圧力との差圧が小さい場合、蒸気は上流段に流入しにくくなる。ケーシング内の圧力は上流段よりも下流段が低いので、下流段では、蒸気供給源から供給される蒸気の圧力との差圧が、上流段よりも大きくなる。したがって、蒸気を下流段に供給すれば、蒸気はケーシング内に流入しやすくなる。一方、蒸気供給源から供給される蒸気の圧力と、上流段におけるケーシング内の圧力との差圧が十分に大きい場合、蒸気は上流段に流入しやすい。この場合、蒸気を、下流段よりも上流側の上流段に供給することで、ケーシング内における蒸気の仕事量を増やし、効率を高めることができる。このようにして、混気源から供給される混気の圧力が変動しても、混気の供給を円滑に行い、効率のよい運転を行うことが可能となる。
また、蒸気供給源から供給される蒸気の圧力と上流段におけるケーシング内の圧力との差圧が小さく、蒸気が上流段に流入しにくい場合を適切に判断できる。そして、蒸気の供給先が上流段から下流段に切り替えられる。その結果、下流段に蒸気が供給され、ケーシング内に混気を効率よく流入させ続けることができる。
また、蒸気供給源から供給される蒸気の流量に応じて、その流量の蒸気をケーシング内に供給するために必要な差圧を確実に確保することが可能となる。これにより、蒸気供給源から供給される蒸気を、ケーシング内に円滑に流入(供給)させることができる。
また、本発明の第二態様に係る蒸気タービンシステムでは、第一態様において、前記調整部は、前記第二混気供給管を流通する前記蒸気の流通状態を切り替える弁であるようにしてもよい。
このような構成とすることで、弁を閉じていくことで、第二混気供給管に蒸気が流れ難くなり、蒸気供給源からの蒸気は、第一混気供給管を通して上流段に供給される。逆に、弁を開いていくことで、蒸気供給源からの蒸気は、第二混気供給管を通して圧力の低い下流段に供給される。このように、弁を備える簡易な構成により、差圧に基づいた蒸気の供給先の切換を容易に行うことができる。その結果、調整部における上流段及び下流段に供給される蒸気の流量の調整機能を容易に実現することができる。
また、本発明の第三態様に係る蒸気タービンシステムでは、第一態様又は第二態様において、前記第一混気供給管に設けられて前記ケーシング内からの前記蒸気の逆流を阻止する逆止弁を備えていてもよい。
このような構成とすることで、第二混気供給管を通して蒸気を下流段に供給している状態で、ケーシング内の圧力が下流段よりも高い上流段から、第一混気供給管を介して下流段に蒸気が流出(逆流)することを抑えることができる。
本発明によれば、蒸気供給源から供給される蒸気の圧力が変動しても、蒸気の供給を円滑に行い、効率のよい運転を行うことが可能となる。
本発明の実施形態における蒸気タービンシステムの概略構成を示す図である。 上記蒸気タービンシステムにおける混気供給制御方法の処理の流れを示すフローチャートである。 上記蒸気タービンシステムの制御部で、差圧の基準値を設定するために用いる相関データの一例を示す図である。 上記実施形態における蒸気タービンシステムにおいて、調整部を閉じた状態における混気の流れを示す図である。 上記実施形態における蒸気タービンシステムにおいて、調整部を開いた状態における混気の流れを示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明による蒸気タービンシステムを実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。図1は、本発明の実施形態における蒸気タービンシステムの概略構成を示す図である。図1に示すように、蒸気タービンシステム1は、蒸気タービン10と、混気供給部20と、制御部30と、を主に備える。
蒸気タービン10は、ケーシング11と、ロータ12と、を備えている。ケーシング11は、ロータ12の中心軸Oが延びる中心軸O方向に延びる筒状をなしている。ケーシング11は、中心軸O方向の一方側(第一の側、上流側)に設けられた蒸気入口13と、中心軸O方向の他方側(第二の側、下流側)に設けられた蒸気出口14と、を備えている。蒸気入口13には、蒸気供給ラインL1が接続されている。蒸気入口13は、この蒸気供給ラインL1を通して、ボイラー(図示無し)で生成された主蒸気(蒸気)が供給される。蒸気出口14には、蒸気排出ラインL2が接続されている。蒸気出口14は、ケーシング11内の蒸気を、蒸気排出ラインL2を通して排出する。
ロータ12は、回転軸15と、動翼16と、を備えている。回転軸15は、その両端部が第一軸受17A及び第二軸受17Bによって中心軸O回りに回転自在に支持されている。回転軸15は、ケーシング11の内部に収容されている。
動翼16は、回転軸15の中心軸O方向に間隔をあけて複数段に設けられている。各動翼16は、回転軸15の外周面に、径方向外側に向かって延びるように設けられている。
このような蒸気タービン10は、主蒸気の供給源であるボイラーで生成された蒸気(主蒸気)が、蒸気供給ラインL1を経て蒸気入口13からケーシング11の内部に導入される。蒸気入口13から供給された主蒸気は、ケーシング11内の最も上流側に流入する。ケーシング11の内部で蒸気は、蒸気入口13側からケーシング11内の最も下流側に向かって蒸気出口14側まで流れる。この蒸気がロータ12の各段の動翼16に衝突すると、動翼16は回転軸15とともに中心軸O回りに回転駆動される。ケーシング11の蒸気出口14に到達した蒸気は、蒸気排出ラインL2を通してケーシング11の外部に排出される。ケーシング11内において、蒸気の圧力は、上流側の蒸気入口13から下流側の蒸気出口14に向かって次第に低くなっている。すなわち、ケーシング11内では、中心軸O方向において、蒸気入口13に近い側(図1において紙面左側)が高圧側HPであり、蒸気出口14に近い側(図において紙面右側)が低圧側LPとなる。
ケーシング11内において、中心軸O方向で互いに隣り合う動翼16同士の間には、静翼(不図示)が設けられている。動翼16と、この動翼16の上流側に隣接する静翼との組は、一つの段部Sをなしている。本実施形態の蒸気タービン10は、複数(例えば、四つ)の段部Sを有している。複数の段部Sにおけるケーシング11内の蒸気の圧力は、高圧側HPから低圧側LPに向かって次第に低くなっている。
混気供給部20は、蒸気供給源40から供給される蒸気(以下、これを混気と称する)を、ケーシング11内の複数の段部Sのうち、第一段部(上流段)Sa、第二段部(下流段)Sbに供給する。ここで、第一段部Saは、第二段部Sbに対し、ケーシング11内の蒸気の流れ方向において上流側(高圧側HPに近い側)に位置する。また、第一段部Saは、蒸気入口13に繋がっている空間に対して少なくとも一つの段部Sを介して下流側(低圧側LPに近い側)に位置している。つまり、第一段部Saは、ケーシング11内において、中心軸O方向の途中に位置している。
第一段部Saは、蒸気タービン10において最も効率のよい運転を行う際の混気の流量を、ケーシング11内に流入させるために必要な差圧(蒸気供給源40から供給される混気との差圧)が確保できる位置に設けられることが好ましい。例えば、第一段部Saは、例えば、蒸気入口13から二つ目の段部である。
また、第二段部Sbは、蒸気出口14に繋がっている空間に対して少なくとも一つの段部Sを介して上流側に位置している。第二段部Sbは、この蒸気タービン10に対して要求される混気の最大流量を、ケーシング11内に流入させるために必要な差圧が確保できる位置に設けられることが好ましい。本実施形態において、第一段部Saと第二段部Sbとは、一つの動翼16を挟んで中心軸O方向で互いに隣り合う段部Sである。
蒸気供給源40では、蒸気が生成されている。蒸気供給源40は、蒸気タービン10を含む他の装置に、生成した蒸気を供給可能とされている。蒸気供給源40は、例えば、プラントや工場内で蒸気を排出する各種の設備、プラントや工場内で使用するための蒸気(いわゆる工場蒸気)を生成する設備、工場蒸気が流れる配管、等である。蒸気供給源40から供給される混気は、設備等の使用状況等によって、圧力及び流量が変動する。この混気の圧力や流量は、蒸気タービン10では調整不能となっている。
混気供給部20は、蒸気供給源40からの蒸気を蒸気タービン10に供給する。混気供給部20は、第一混気供給管21と、第二混気供給管22と、を備える。
第一混気供給管21は、蒸気供給源40から供給される混気を、ケーシング11内の第一段部Saに供給する。第一混気供給管21は、ケーシング11に対し、第一段部Saの径方向外側に臨む位置に接続されている。
第二混気供給管22は、蒸気供給源40から供給される混気を、ケーシング11内で第一段部Saよりも下流側に位置する第二段部Sbに供給する。第二混気供給管22は、第一混気供給管21の途中から分岐して設けられている。第二混気供給管22は、ケーシング11に対し、第二段部Sbの径方向外側に臨む位置に接続されている。
第二混気供給管22には、調整部25が設けられている。調整部25は、第一段部Sa及び第二段部Sbのそれぞれに供給される混気の流量を調整する。調整部25は、第二混気供給管22において、第一混気供給管21からの分岐部22aと、ケーシング11への接続部22bとの間に配置されている。調整部25は、例えば、第二混気供給管22を流通する蒸気の流通状態を切り替えるバラフライ弁(弁)25vからなる。つまり、調整部25は、その開度が調整可能とされている。なお、調整部25は、本実施形態のように、蒸気の流通状態を調整可能な弁であることに限定されるものではなく、第二混気供給管22の流路を完全に開放又は閉塞する開閉弁であってもよい。
第一混気供給管21には、逆止弁27が設けられている。逆止弁27は、分岐部22aと、第一混気供給管21におけるケーシング11への接続部21bとの間に配置されている。逆止弁27は、第一混気供給管21からケーシング11へ向かう方向のみへの蒸気の流れを許容している。これにより、逆止弁27は、ケーシング11内からの蒸気の第一混気供給管21への逆流を阻止している。
制御部30は、蒸気供給源40から供給される混気の圧力とケーシング11内の第一段部Saでの圧力との差圧に基づいて、調整部25を制御する。このため、蒸気タービンシステム1は、蒸気供給源40から供給される混気の圧力P0と、第一段部Saにおけるケーシング11内の圧力P1との差圧Pdを検出する差圧計(検出部)31を備えている。差圧計31は、その検出結果を制御部30に出力する。差圧計31は、第一混気供給管21内の分岐部22aよりも上流の位置で混気の圧力P0を検出している。
制御部30は、差圧計31で検出された差圧Pdが、予め定められた基準値Psよりも小さかった場合に、調整部25において開度を広げる(開く)ように制御を実行する。つまり、制御部30は、第二混気供給管22から第二段部Sbに供給される蒸気の流量を増やすように調整部25を調整する。
また、制御部30は、差圧計31で検出された差圧Pdが、予め定められた基準値Ps以上であった場合に、調整部25において開度を狭める(閉じる)ように制御を実行する。つまり、制御部30は、第二混気供給管22から第二段部Sbに供給される蒸気の流量を減らすように調整部25を調整する。
次に、制御部30における蒸気タービンシステム1における混気供給制御方法について説明する。図2は、本実施形態における蒸気タービンシステムにおける混気供給制御方法の処理の流れを示すフローチャートである。
図2に示すように、制御部30は、蒸気供給源40側から、蒸気タービン10に供給する蒸気(混気)の流量についての流量通知信号を受け取る(第一ステップS11)。
図3は、本実施形態における蒸気タービンシステムの制御部で、差圧の基準値を設定するために用いる相関データの一例を示す図である。図4は、本実施形態における蒸気タービンシステムにおいて、調整部を閉じた状態における混気の流れを示す図である。図5は、本実施形態における蒸気タービンシステムにおいて、調整部を開いた状態における混気の流れを示す図である。
制御部30は、流量通知信号を受け取ると、調整部25を制御する判定基準となる差圧Pdの基準値Psを設定する(第二ステップS12)。これには、例えば、図3に示すような、相関データDが用いられる。相関データDは、予め制御部30に記憶されている。相関データDは、蒸気供給源40から供給される混気の流量Qと、その流量Qの混気をケーシング11内に供給するのに必要な差圧との関係に基づいて予め設定されたデータである。制御部30は、蒸気供給源40側から蒸気タービン10に供給される混気の流量Qの値に対応した基準値Psを、相関データDに基づいて取得する。なお、この混気の流量Qは、第一ステップS11で受け取った流量通知信号に含まれている。
次に、制御部30は、差圧計31で検出された差圧Pdが、基準値Psよりも小さいか否かを判定する(第三ステップS13)。
差圧Pdが、基準値Ps以上である場合、制御部30は、調整部25を閉じる(第四ステップS14)。その時点で、調整部25が閉じている場合には、制御部30は、調整部25に閉じたままの状態を継続させる。図4に示すように、調整部25が閉じた状態で、蒸気供給源40から混気が供給されると、第二混気供給管22には流通できないために、第一混気供給管21を通して第一段部Saのみに供給される。このとき、差圧Pdが基準値Ps以上であるので、蒸気供給源40から供給される混気は、第一混気供給管21を通して第一段部Saに容易に流入する。
第三ステップS13において、差圧Pdが、基準値Psよりも小さかった場合、制御部30は、調整部25を開く(第五ステップS15)。調整部25を開くと、第二混気供給管22を通して、蒸気供給源40側と、ケーシング11内の第二段部Sbとが連通する。第一段部Saでの圧力P1比べて、第一段部Saに対して下流側に位置する第二段部Sbの圧力P2は低くなっている。これにより、調整部25を開くと、蒸気供給源40から供給される混気の圧力P0と、第二段部Sbにおけるケーシング11内の圧力P2との差圧Pdが大きくなる。その結果、図5に示すように、蒸気供給源40から供給される混気は、第一段部Saに連通した第一混気供給管21側よりも差圧Pdが大きい第二混気供給管22側に流れ込む。これにより、第二混気供給管22から第二段部Sbに供給される混気の流量が増える。実際には、調整部25を開いた直後は、一時的に、蒸気供給源40から供給される混気が第一混気供給管21と第二混気供給管22との双方に流れる。その後、短時間の間に、蒸気供給源40から供給される混気は、そのほぼ全量が、第二混気供給管22を通して、差圧Pdがより大きい第二段部Sbに流入する。このようにして、差圧Pdが、基準値Psよりも小さい場合であっても、蒸気供給源40から供給される混気が、ケーシング11内に容易に流入する。
制御部30は、蒸気タービンシステム1が稼働している間、所定の時間間隔毎に、上記一連の処理を繰り返して実行する。制御部30は、蒸気タービンシステム1の稼働が停止したら、上記一連の処理を停止する。
上述したような蒸気タービンシステム1によれば、蒸気供給源40から供給される混気の圧力P0と第一段部Saにおけるケーシング11内の圧力との差圧Pdに基づいて、混気の供給先を、第一段部Saと第二段部Sbとのどちらにするか調整することができる。ケーシング11内の圧力は第一段部Saよりも第二段部Sbが低い。そのため、第二段部Sbでは、蒸気供給源40から供給される混気の圧力P0との差圧Pdが第一段部Saよりも大きくなる。したがって、蒸気供給源40から供給される混気の圧力P0と第一段部Saでの圧力P1との差圧Pdが小さい場合、第二段部Sbに供給する混気の量を増やせば、混気はケーシング11内に流入しやすくなる。
一方、蒸気供給源40から供給される混気の圧力P0と第一段部Saでの圧力P1との差圧Pdが十分に大きければ、混気は第一段部Saにおいてケーシング内に流入する。この場合、混気を第二段部Sbよりも上流側の第一段部Saに供給することで、ケーシング11内における混気による仕事量を増やし、蒸気タービン10の仕事効率を高めることができる。このようにして、蒸気供給源40から供給される混気の圧力が変動しても、混気の供給を円滑に行い、効率のよい運転を行うことが可能となる。
また、蒸気タービンシステム1によれば、調整部25は、第二混気供給管22において蒸気の流通状態を切り替えるバタフライ弁25vである。このような構成とすることで、調整部25を閉じていくことで、第二混気供給管22が閉塞され、混気は、第一混気供給管21を通して第一段部Saに供給される。逆に、調整部25を開いていくことで、第二混気供給管22が開放され、混気は、第二混気供給管22を通して圧力の低い第二段部Sbに供給される。このように、バタフライ弁25vを備える簡易な構成により、差圧Pdに基づいた混気の供給先の切換を容易に行うことができる。その結果、調整部25における第一段部Sa及び第二段部Sbへの混気の流量調整機能を、容易に実現することができる。
また、蒸気タービンシステム1によれば、第一混気供給管21に、ケーシング11内からの蒸気の逆流を阻止する逆止弁27が設けられている。そのため、混気を、第二混気供給管22を通して第二段部Sbに流入させているときに、第二段部Sbよりも圧力が高い第一段部Saから第一混気供給管21を介して第二段部Sbに蒸気が流出(逆流)することを抑えることができる。
また、蒸気供給源40から供給される混気の圧力P0と第一段部Saでの圧力との差圧Pdが小さく、混気が第一段部Saに流入しにくい場合を適切に判断できる。そして、混気の供給先を第一段部Saから第二段部Sbに切り替えられる。その結果、第二段部Sbに混気が供給され、ケーシング11内に混気を効率よく流入させ続けることができる。
また、蒸気タービンシステム1によれば、基準値Psは、予め設定された相関データDに基づいて決定される。そのため、蒸気供給源40から供給される混気の流量に応じて、その混気をケーシング11内に供給するために必要な差圧を基準値Ps以上に高い精度で確保することが可能となる。これにより、蒸気供給源40から供給される混気を、ケーシング11内に円滑に流入(供給)させることができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
例えば、蒸気タービン10では、混気以外に、ケーシング11内の蒸気を抽気する抽気ノズルが、第一混気供給管21よりも上流側に設けられていてもよい。抽気ノズルにおける抽気によって、ケーシング11内の圧力が変動しても、制御部30は、差圧計31で検出する差圧Pdに基づいて制御を行うため、抽気による影響に関わらず、適切な混気供給を行うことが可能である。
1 蒸気タービンシステム
10 蒸気タービン
11 ケーシング
12 ロータ
13 蒸気入口
14 蒸気出口
15 回転軸
16 動翼
17A 第一軸受
17B 第二軸受
20 混気供給部
21 第一混気供給管
21b 接続部
22 第二混気供給管
22a 分岐部
22b 接続部
25 調整部
25v バタフライ弁(弁)
27 逆止弁
30 制御部
31 差圧計(検出部)
40 蒸気供給源
D 相関データ
HP 高圧側
L1 蒸気供給ライン
L2 蒸気排出ライン
LP 低圧側
O 中心軸
P0 混気発生源から供給される混気の圧力
P1 第一段部におけるケーシング内の圧力
P2 第二段部におけるケーシング内の圧力
Pd 差圧
Ps 基準値
Q 流量
S 段部
Sa 第一段部(上流段)
Sb 第二段部(下流段)
S11 第一ステップ
S12 第二ステップ
S13 第三ステップ
S14 第四ステップ
S15 第五ステップ

Claims (3)

  1. ケーシング内で蒸気によって回転軸周りに回転する動翼を、前記回転軸の中心軸方向に間隔をあけて複数段に備えた蒸気タービンと、
    圧力が変動する蒸気を供給可能な蒸気供給源から供給される前記蒸気を、前記ケーシング内の上流段に供給する第一混気供給管と、
    前記第一混気供給管から分岐して設けられ、前記ケーシング内の前記上流段よりも下流側に位置する下流段に前記蒸気を供給する第二混気供給管と、
    前記第一混気供給管から前記上流段に供給される前記蒸気の流量及び前記第二混気供給管から前記下流段に供給される前記蒸気の流量を調整する調整部と、
    前記蒸気供給源から供給される前記蒸気の圧力と前記上流段での圧力との差圧を検出する検出部と、
    前記検出部で検出された前記差圧に基づいて、前記調整部を制御する制御部と、を備え
    前記制御部は、前記差圧が、予め定められた基準値よりも小さかった場合に、前記第二混気供給管から前記下流段に供給される前記蒸気の流量を増やすように前記調整部を制御し、
    前記基準値は、前記蒸気供給源から供給される前記蒸気の流量と、前記流量の前記蒸気を前記ケーシング内に供給するのに必要な差圧と関係に基づいて予め設定された相関データに基づいて決定される蒸気タービンシステム。
  2. 前記調整部は、前記第二混気供給管を流通する前記蒸気の流通状態を切り替える弁である請求項1に記載の蒸気タービンシステム。
  3. 前記第一混気供給管に設けられて前記ケーシング内からの前記蒸気の逆流を阻止する逆止弁を備える請求項1又は2に記載の蒸気タービンシステム。
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