JPS58140408A - 蒸気タ−ビンの冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は％蒸気タービンの冷却装置に係わシ、特に超高
温高圧タービンプラントに好適な蒸気タービ／の冷却装
置に関する。

石油資源の価格高騰に伴い、世界的に石炭燃料の見直し
が進みつつあり１発電プラントにおいても石油火力から
石炭火力への移行が盛んになっている。しかし、石炭火
力プラントでは、石炭燃料の前処理や脱塵等によって補
機動力の割合が比較的大きく、プラント効率は石油火力
よシも低くなるという欠点がある。このような状況から
石炭火力発電プラントの発電効率の向上策が各方面で検
討されつつある。

さて、一般に発電プラントの効率は、次のような因子に
よって左右される。

（１）　　蒸気サイクルの熱条件、すなわちタービン等
の原動機の出入口の圧力及び温度条件やボイラ効率など
。

（２）タービンや給水ポンプ等の機械装置の効率（３）
発電機や変圧器等の電気装置の効率（４）補機動力等の
所内動力の割合 これらの因子の中で、（２）及び（３）の電気機械装置
の効率は、最新鋭設備ではすでに９０％以上に達するも
のが多く、損失低減の余地が少なくなるとともに、損失
低減策を適用して←その改善効果は大きくないという現
状にある。また、所内動力についても現状のプラント構
成では、大幅な動力削減を低減することは期待できない
。

一方、蒸気サイクルの熱条件では、一般にタービン入口
の圧力及び温度が高いほど、また排圧が低いほど熱効率
が良好になるという性質がある。

しかし、排圧は復水器の冷却水温度によって制限を受け
るため、熱効率を大きく改善することは困廟であり、ま
た熱力学第二法則にょ）復水器からの放熱器を大幅に低
減することは不可能である。

したがって、発電プラントの効率を大きく向上するには
、入口蒸気条件を高温高圧化が最も寄与することになる
。ここで、汽力発電プラントの入口蒸気条件の最近の動
向を見ると、蒸気圧力２４もψ讐、蒸気温１ｆ、５６６
Ｇに達した後は、１０年以上改善されていない。これは
、現有のプラントの主構成材料であるフェライト系耐熱
鋼の使用限界温度が５６０Ｃ近傍であるところに一因が
ある。

しかし、最近の燃料価格の高騰と耐熱材料技術の進歩等
により、オーステナイト系の耐熱材料を利用してタービ
ン人口の蒸気条件を高温、高圧化し、熱サイクル幼４を
大幅に改善させる超高温高圧タービンプラントが提案さ
れている。これは、第１図のツノ中７サイクルの熱効率
に示すように、蒸気の圧力及びａｆを上昇させることに
よりプラント効率を飛躍的に向上させるものであり、通
常第２図に示すようなプラント構成例をとることが多い
。すなわち、第２図に示したボイラ１％高圧タービ／３
．中圧タービン４．低圧タービン５及び発電機６．復水
器７などからなるタービンプラントにおいて、ティク１
及び高圧タービン３の間に超高圧タービ／２を設け、ボ
イラ１からの主蒸気１４を超高圧タービン２に導くとと
もに、その排気１５をボイラ１に戻し、再熱したのち従
来の高圧タービン３に再熱蒸気１６を導くシステム構成
を示している。なお、高圧タービン３以降のプラント構
成は、従来の火力発電プラントと同様になってお＃）％
高圧タービン３からボイラ１の再熱器に導く高圧排気蒸
気系１７．再熱器から中圧タービン４への第２段再熱蒸
気系１８．中圧タービン４の排気を低圧タービン５に導
く連絡管１９、さらには復水ボンダ８．低圧給水加熱器
９，１０゜脱気器１１．給水ポンプ１２、高圧給水ηＩ
］熱器１３、ボイラ給水系統２０などからなっている。

このような所ａｉ４高圧高温発区プラントにおいては、
超高圧タービン２においてタービンケージフグやロータ
、シャフト及びブレード等が高温高圧蒸気の雰囲気中に
あるため、耐熱耐圧強度が強く要請されることになる。

このため、耐熱強度材として、Ｃ’　ｅ　Ｎ逼を含みｓ
　Ｍｏ、Ｔｉなどの強化元素を複合添加したｐｅ基％Ｎ
遥基の耐熱超合金が開発されつつあり、さらにオーステ
ナイト系ステンレス鋼も耐熱材料として実用化されてい
る。

しかし、これらの耐熱材料は、一般に高温残置が強くな
ればなる程、加工性や＃接柱が悪くなるという欠点があ
り、蒸気プラントのコスト上昇の一因につながる。さら
に超高温高圧蒸気プラントでは、蒸気条件が高温化され
るとともに高圧となるため、タービンケージングや配管
等の構造物に対して熱応力の緩和や伸び差の吸収など構
造設計上についても大きな問題が内在することになる。

特に、第２図に示し九プラントの超高圧タービンでは、
低温の高温蒸気の供給源がないため１通常使用される内
外ケーシングやロータシャフトの冷却保護が不可能にな
るものである。

本櫨明の目的は１Ｍ１高温高圧の蒸気タービンを好適に
冷却しうる蒸気タービンの冷却装置を提供することにあ
る。

本発明は、上記した目的のために超高温高圧タービンの
内外ケーシングやロータディスク等の構造傳材料の耐熱
保護を行う九め、冷却源としてボイラ給水を利用して比
較的低温の冷却用高圧蒸気あるいは極めて高温の圧縮水
を発生するようにシステムを構成するとともに、これら
の低温高圧蒸気や高温圧縮水を利用してタービン構造物
を効果的に冷却させるよう構成したところに特徴を有す
るものである。

以下１本発明の具体的な実施例を第３図乃至第５図を用
いて詳細に説明する。

第３図は１本発明による超高温高圧蒸気タービンの冷却
系統の一実施例を示したもので、第２図で説明した公知
の超高温高圧蒸気プラントにおいて、超高圧タービンな
どの内外ケーシングやロータディスク等の構成装置の耐
熱保繰用の冷却流体の発生システムを示したものである
。すなわち、第３図に示したボイラｌ、超高圧タービン
２、高圧タービン３．中圧タービン４．低圧タービン５
及び発電ａ１６、復水器７．更には低圧給水加熱器９．
１０、脱気器１１．給水ポンプ１２、高圧給水加熱器１
３，１３ｂ並びにボイラ給水系統２０等からなる蒸気タ
ービンプラントにおいて、給水ボン１１２の下流側で高
圧給水加熱６１３からボイラｌに至る給水系統２ｏから
分岐し、ブースタボング２１を介して加圧された給水の
一部を再生熱交換６２６に連通ずる冷却流体系統２２を
設け。

さらに再生熱交換６２６でこの冷却流体を昇温して超高
圧タービン２の内部ケーシングやロータディスク等の構
造物の冷却系統に連通ずる高圧の低温冷却流体系統２３
ｔ−咳再生熱交換器２６と超高圧タービン２との閾に設
ける。また、内部ケーシングやロータディスク等の構造
物を冷却し、昇温した冷却流体を該再生熱交換５２６に
戻す高温冷却流体系統２４を両者間に配設し、上記再生
熱交換器２６からは、この再生熱交換器２６で放熱した
後、高圧給水加熱器１３ｂの加熱源として利用するため
、高圧給水加熱器１３ｂに連通する冷却流体戻り流路系
統２５ｔ−設けて構成されている。

尚、上記実施例において、冷却流体の取出し口をボイラ
１の直前の給水系統２０からとっていること、ま九冷却
流体の戻り先を高圧給水加熱器１３ｂの加熱側に導いて
いる例を示しているが、これは限定された意味を有する
ものでなく、超高温タービン２の構造物の温度及び冷却
負荷によっては、他の給水加熱器出入口等から導出及び
導入することができ、プラント熱サイクルの最適条件か
ら決定されるものである。

以上のような構成からなる超高圧タービン２の冷却シス
テムの作用について説明すると、第３図において復水器
７で凝縮した復水が復水ポンプ８及びボイラ給水ポンプ
９で加圧されるとともに、低圧給水加熱器９．１０及び
高圧給水加熱器１３゜１３ｂ等で昇温された給水系統２
０の一部を分岐し、ブースターポンプ２１でさらに加圧
した冷却水２２ｔ−再生熱交換器２６に導く。この冷却
水２２は、再生熱交換器２６の内部でさらに昇温され、
冷却流体２３．すなわち比較的低温の高圧蒸気あるいは
高温の圧縮水として超高圧タービン２に送られ、該超高
圧タービ／２の冷却に用りられる。この冷却流体２３は
、超高圧タービン２の内部構造物を冷却する過程で昇温
するが、高温冷却流体２４として前記再生熱交換器２６
に導かれる。

そして再生熱交換器２６でこの高温冷却流体２４は加熱
流体として用いられ、低温の冷却流体２２と熱交換を行
った後に、冷却流体戻Ｃｆｉ路２５を通じて高圧給水加
熱器１３ｂに導かれるようにしたものである。

し九がって、このような冷却流体発生システムを構成す
ることによって超高圧タービン２の内部構造物の耐熱保
１ｉを可能とする冷却流体、例えば超高圧タービン２の
内部を通過する主蒸気条件に比較して低温で、しかも超
高圧タービン内に流入出来るよう昇圧された高圧の冷却
蒸気あるいは冷却用圧縮水を発生することが可能となる
。

さて、このような冷却流体発生システムを利用し、超高
圧タービン２の内゛部構造物を冷却する実施伺として第
４図乃至′７ｇ６図を用いて説明する。

第４図は％第３図に表わした超高圧タービン２の典型的
な構造例を示す＠面図を示す。すなわち、この超高圧タ
ービン２は、ボイラ１からの超高温高圧の蒸気をタービ
ン内部に導入する主蒸気管１４、さらにこの主蒸気をタ
ービン段落に導く所６１ノズルボックス２７．タービン
段落を構成する複数個のダイヤフラム２８、タービン動
翼を支持するロータディスク３４、さらにダイヤプラム
２８を固定する内部ケーシング３３、及びこれら各種の
構成装置を一体に包含する外部ケーシング３０から構成
されている。このような超高圧タービン装ｆｌ１２では
、主蒸気管１４を通じノズルボックス２７を介して流入
する超高温高圧蒸気は、ダイヤプラム２８に保持される
静翼で加速され、ロータディスク３４に回転力を与える
ことによってエネルギーを失ない、次第に圧力・温度を
減することになる。このようにタービン段落を通過した
主蒸気ｔｌｔ１５の大部分は、排気管２９を通じて排出
され、ボイラ１の再熱ａｌａへ導かれるが、一部の蒸気
流は分岐されて内部ケーシング３４と外部ケーシング３
０との間に形成されている空間部に導かれ、ここで内部
ケーシング３３を冷却する蒸気流３２となり、冷却蒸気
排気管３１を通じて外部ケーシング３０の外部に排出さ
れている。しかし、この蒸気流３２は、タービン段落内
を通過するうちに圧力、温度を減するものの、ｉだ比較
的高温状態となっておシ、外部ケーシング３０などの耐
熱検層が十分性われない可能性がある。特に主蒸気管１
４の内部は、超高温の蒸気が流れておシ、この主蒸気管
１４から外部ケーシング３０へ熱伝導で高温の熱が移動
する丸め、外部ケーシング３０の耐熱性が極めて重要と
なる。しかし。

外部ケーシング３０を耐熱残置の大きな材料によって構
成すると、高価格並びに加工性が劣ることから大巾なコ
スト上昇となるため、外部ケーシング３０を冷却保護し
、耐熱性の比較的悪り従来材を使用可能にすることが望
ましい。そこで第４図及び第５図に外部ケーシング３０
の冷却手段の具体的一実施例を示した。すなわち、第３
図に示したように、給水ポンプ１２の下流側の給水系統
から分岐して昇圧された給水を、更にブースターポンプ
２１で加圧して冷却流体系路を通じて再生熱交換器２６
に導き、そして超高温高圧タービン２を経て加熱され高
温冷却系統２４を通じて導出される流体と前記再生熱交
換８２６にて熱交換させることによシ、高圧の低温冷却
流体を生じさせている。

これは高圧に保持された超高温高圧タービン２内に冷却
流体を導入させる必要性から昇圧しているものである。

そしてこの様に再生熱交換器２６で発生させ九高圧の低
温冷却流体を低温冷却流体系統２３を通じて超高温高圧
タービン内に導き、外部ケーシング３０の内壁面側に配
設した仕切壁３６と外部ケーシング３０とで囲まれる冷
却流路３５に導入し、一種の熱迩ｅ層を構成して外部ケ
ーシング３０を冷却する方法である。この冷却流路３５
の詳細な構成を示し友のが第５図である。

本図では、第３図に示した再生熱交換器２６の低温冷却
流体系統２３及び高温冷却流体系統２４と導通させる入
口バイブ３７及び出口バイブ３８をそれぞれ外部ケーシ
ング３０に連通させ、しかも外部ケーシング３０の内部
流体と隔離するように外部ケーシング３０の内壁側に仕
切壁３６ｔ−設け。

冷却流路３５を構成しである。このような冷却法を採用
することくよシ、外部ケーシング３０の内壁面や主蒸気
管１４と外部ケーシング３０の継ぎ目等が効果的に冷却
される。また、この様な冷却法を採用することによシ外
部ケーシング材として耐熱性の比較的低い従来の材料を
超＾温高圧タービンに使用することが可能となる。

一方、＃Ｉ６図は１本発明によるロータディスク冷却法
の一実施例を示したものであり、第４図の構造図を部分
的に拡大し友ものである。通常、超高圧タービンに限ら
ず、蒸気タービンのディスクは、高い遠心力とディスク
前後の雰囲気温度差によって生ずる熱応力等によって、
材料強度上極めて過酷な条件にさらされる。本図は、こ
のような過酷な条件を緩和する丸めに、超高圧タービン
２の内部におけるロータディスク冷却法を示し九もので
ある０図では、内部ケーシング３３に固定されるノズル
ボックス２７、ノズルボックス２７の出口部に設置され
る静翼３９．ロータディスク３４の円周上にあるディス
ク４３．４４に保持される動ｇ３８．４０及び内部ケー
シング３３に固定されるダイヤフラム２８とそのダイヤ
フラム２８に固定される靜１４１等で構成される段落構
造の一部を示している。このような段落構成において、
第３図の再生熱交換器２６から低温冷却流体系統２３を
通じて供給される高圧の低温冷却流体である高圧蒸気を
ノズルボックス２７の下部とロータディスク３４に囲ま
れる空間に導入するため、冷却流体の導入パイプ３９を
設け、ノズルポック２７の下部空間に円周状のディスト
リビュータ管４５を設置するとともに、上記導入パイプ
３９と連通させて構成する。ここで、ディストリビュー
タ管４５には、円周上に適当な間隔で複数個の冷却流体
放出ノズル４６をロータディスク３４のディスク４３に
対向させて配設する。一方、この低温冷却流体が冷却流
体ノズル４６から放出され、ディスク４３を冷却し死後
に雰囲気温度と熱交換して昇温した高温冷却流体である
蒸気は。

第３図の再生熱交換器２６の加熱源として供するため、
上記段落構造の内部ケーシング３３とロータディスク３
４が隣接する部分に設けられるシール部から高温冷却流
体系統２４に排出させるよう構成する。すなわち、内部
ケーシング３３とロータディスク３４の境界面に設置さ
れるラビリンスパツキ／を分割し、図示するように高圧
２ビリンスバツキ／４７と低圧ラビリ／スバツキ／４８
を内部ケーシング３３に設け、ロータディスク３４の円
周面を包含して構成する。さらに、この高圧２ビリンス
パツキン４７と低圧ラビリンスパツキン４８の間に、高
圧ラビリンスパツキン４７から漏洩する流体を導入する
排出空間４９を内部ケーシング３３わ内側円周上に設け
るとともに、この排出空間４９と第３図の再生熱交換器
２６の加熱側である高温冷却流体系統２４に連通させる
排出パイパ４０を設ける構成する。このような構成にす
ることによって、前記再生熱交換器２６で発生した高圧
の低温冷却流体である高圧低温蒸気をディストリビュー
タ管４５及び冷却流体ノズル４６を介してディスク４３
に吹きつけることが可能となり、ロータディスク３４の
ディスク部４３を有効に冷却することが可能となる。さ
らに、ノズルボックス２７の出口部の静翼３９の根元部
からの高温流体のａ洩量を制限するとともに、ラビリン
スパツキン４７．４８から内部ケーシング３３の外部へ
流出する漏洩量を削減し、しかも漏洩流体の温度も低下
させることが可能となる。

以上、本＠明の実施例に・よる超高温高圧蒸気タービン
の冷却手段を採用すれば、超高圧タービンの内部構造物
において、超高温蒸気に直接々触する部分を除く構造物
として、比較的低級な耐熱鋼を採用しても強度的に十分
信頼性のあるタービン装置を提供することが可能となる
。しかも、本発明による冷却法では、冷却によってうば
った熱量を再生熱交換器を介して冷却流体の加熱に利用
するとともに、給水系での熱量を回収しており、プラン
ト効率の低化を最小限に止めることも可能となる。

なお、本発明の第３図に示した実施例では、冷却流体と
して高圧給水加熱器出口の給水系統から分岐するととも
に、冷却流体の回収を高圧加熱器の加熱側で行うよう構
成しであるが、第７図の実施例に示すように、冷却流体
を高圧給水加熱器１３．１３ｂの中間部分から分岐する
とともに。

冷却流体の回収を高圧給水加熱器出口の給水系統２０に
戻すよう構成しても同等以上の効果を有することになる
。

一方、第８図及び第９図は、第５図の外部ケーシング３
０の冷却法の他の実施例を示す図である。

第５図の実施例では、外部ケーシング３０の内側に仕切
壁３６を設けて一種の熱遮断ノーを構成して外部ケーシ
ング３０の熱的保獲金図っているが、第８図に示すよう
に外部ケーシング３０を二重構造とし、外側外部ケージ
／ス３０′と内側外部ケーシング３６′の間に低温冷却
流体系統２３につながる導入パイプ３７と高温冷却流体
系統２４につながる排出パイプ３Ｂとを連通させる冷却
流路５１．５２を設けて構成しても外部ケーシング３０
の熱的保膜を十分に実施できる。また、第９図に示すよ
うに第５図及び第８図に示すような熱遮断層を設けず、
第３図の再生熱交換器２６から低温冷却流体系統２３′
ｔ−通じて導かれる低温冷却流体を導入パイプ３７を介
して直接的に外部ケーシング３０の内部空間に導入する
とともに、外部ケーシング３０の内部空間から排出パイ
プ３８を介して熱交換後の高温冷却条件（作！ｍｆｉ体
］を高温冷却流体系統２４に導出し、再生熱交換４２６
の加熱流体として利用する方法、及び第９図に合せて図
示しであるが、低温冷却流体の一部を他の導入パイプ３
７′を介して主蒸気管１４と外部ケーシング３０及び仕
切壁３６“とで囲まれる空間５３に導入し、昇温した高
温冷却流体を排出パイプ３８′を介して高温冷却流体系
統２４に導出するように構成しても同等以上の冷却効果
を得ることができる。

本発明によれば、給水の一部を昇温する再生熱交換器を
用いて高圧の冷却流体を生じさせるようにしたことから
、超高温高圧の蒸気タービンを゛好適に冷却しうる蒸気
タービンの冷却装置が実現出来るという効果を奏するも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、プラント効率に対する主蒸気圧力及び温度の
影響を示す説明図、第２図は従来の超高温高圧蒸気ター
ビンプラントの系統図、第３図は本発明の一実施例であ
る超高温高圧蒸気タービンプラントの系統図、第４図は
、第３図の超高圧タービア２の内部冷却構造の一実施例
を示す断面図。 第５図及び第６図はそれぞれ第４図の部分拡大図。 第７図は本発明の他の実施例である超高温高圧蒸気ター
ビングラフトの系統図、第８図及び第９図はそれぞれ第
５図の他の実施例を示す部分断面図である。 ２・・・超高圧タービン、２１山ブースタポンプ、１２
・・・給水ポンプ、２ｏ・・・給水系統、２２．２３・
・・低温冷却流体系統、２４．２５・・・高温冷却流体
系統、２６・・・再生熱交換器、３５．５１・・・冷却
流路、３６・・・仕切壁、３７．３９・・・冷却流体導
入パイプ、３８．４０・・・冷却流体排出パイプ、４５
・・・ディストリビュータ管、４６・・・冷却流体放出
ノズル。 第１図 主藁九β〃

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、蒸気タービンを流下した蒸気を凝縮する復水器よシ
   給水をボイ２に供給する給水系統から分岐して、蚊給水
   の一部を導びく第１の冷却流体系統を配設し、該第１の
   冷却流体系統と連通し、この冷却流体を加熱する再生熱
   交換器を設置し、更に前記再生熱交換器で受熱した冷却
   流体を蒸気タービン内の冷却必要個所に導びく第２の冷
   却流体系統を配設し九ことｔ％黴とする蒸気タービンの
   冷却装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記再生熱交換器
   には蒸気タービン内の冷却必要個所を冷却し九加熱され
   た冷却流体を前記再生熱交換器の加熱側に導入し、さら
   に給水系統に導いて熱回収させる加熱側冷却系統が配設
   されていることを特徴とする蒸気タービンの冷却装置。 ３、％許晴求の範囲第１項において、前記第１の冷却流
   体系統は給水ポンプ下流側の給水系統から分岐されてい
   ることを特徴とする蒸気タービンの冷却装置。 ４、％許請求の範囲第１項において、蒸気タービンの外
   部ケーシング内壁面側に、該外部ケーシングとの間で冷
   却流体の導入空間を形成する仕切壁を設置し九ことを特
   徴とする蒸気タービンの冷却装置。 ５、特許請求の範囲第４項記載におｈて、前記蒸気ター
   ビンの外ケーシングに該第２の冷却流体系統及び加熱側
   冷却系統が配設されておシ、とれら第２の冷却流体系統
   及び加熱側冷却系統が外ケーシング内に形成した導入空
   間に連通するように構成されている仁とを特徴とする蒸
   気タービンの冷却装置。 ６　、４１＃’Ｆｍ求の範囲第１項記載において、再生
   熱交換器から第２の冷却流体系統を通じて供給される冷
   却流体を蒸気タービン内部のロータディスクの周囲に配
   設されるディストリビュータ管に連通させ、タービンロ
   ー夕のディスクに対向位置し九ノズルを該ディストリビ
   ュータ管に設置して、前記冷却流体を吹き出させるよう
   に構成したことを％黴とする蒸気タービンの冷却装置。