KR20130023283A - 증기 터빈, 발전소 및 증기 터빈의 운전 방법 - Google Patents

증기 터빈, 발전소 및 증기 터빈의 운전 방법 Download PDF

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KR20130023283A
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다카시 마루야마
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

증기 터빈(1)은, 단류 방식의 고중압 터빈(2) 및 중압 터빈(4)과, 고중압 터빈(2)의 도중에 일부의 증기를 중압 터빈(4)으로 유도하는 증기 통로(6)를 구비한다. 고중압 터빈(2)은, 증기 입구측의 고압부(2A) 및 증기 출구측의 중압부(2B)를 갖는다. 증기 통로(6)는, 고중압 터빈(2)의 고압부(2A)와 중압부(2B) 사이의 위치로부터, 고압부(2A)를 통과한 증기의 일부를 중압 터빈(4)으로 유도하도록 되어 있다.

Description

증기 터빈, 발전소 및 증기 터빈의 운전 방법{STEAM TURBINE, POWER PLANT, AND OPERATION METHOD FOR STEAM TURBINE}
본 발명은, 예를 들어 원자력 발전소 등에서 사용되는 증기 터빈 및 이것을 구비하는 발전소 및 증기 터빈의 운전 방법에 관한 것으로, 특히 원자로에서 발생한 고압 및 대유량의 증기가 유입되는 증기 터빈 및 이것을 구비하는 발전소 및 증기 터빈의 운전 방법에 관한 것이다.
원자력 발전소에서는, 원자로에서 발생한 증기를 증기 터빈으로 유도하고, 증기 터빈의 로터를 회전시켜, 상기 로터에 연결된 발전기로부터 전력을 얻도록 되어 있다. 원자력 발전소에서 사용되는 증기 터빈은, 일반적으로, 원자로에서 발생한 고압의 증기가 유입되는 복류 방식의 고압 터빈과 그 후단에 설치되는 저압 터빈의 조합, 또는 단류 방식의 고압 터빈 및 중압 터빈과 그 후단에 설치되는 저압 터빈의 조합으로 이루어진다.
또한, 단류 방식(싱글 플로우)이라 함은, 증기 터빈 내를 증기가 일 방향으로 흐르는 방식을 말하며, 복류 방식(더블 플로우)이라 함은, 증기 터빈의 중앙으로부터 증기가 유입되어 좌우로 분류하는 방식을 말한다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 복류 방식의 고압 터빈과, 그 후단에 설치되는 저압 터빈의 조합으로 이루어지는 증기 터빈을 구비한 원자력 발전 플랜트가 기재되어 있다. 이 원자력 발전 플랜트에서는, 원자로에서 발생한 증기는, 우선 복류 방식의 고압 터빈에 유입되고 일을 한 후, 습분 분리 가열기에서 습분 제거 및 가열되고 나서 저압 터빈에 유입된다.
또한 특허문헌 2에는, 단류 방식의 고압 터빈 및 중압 터빈과, 그 후단에 설치되는 저압 터빈의 조합으로 이루어지는 증기 터빈을 구비한 원자력 발전 시스템이 기재되어 있다. 이 원자력 발전 시스템에서는, 원자로에서 발생한 증기는, 우선 단류 방식의 고압 터빈에 유입되어 일을 하고, 습분 분리기에서 습분 분리 및 가열된다. 이 후, 증기는, 단류 방식의 중압 터빈에 유입되어 일을 하고, 다시, 습분 분리기에서 습분 분리 및 가열되고, 마지막으로 저압 터빈에 유입된다.
또한, 특허문헌 3 내지 6에는, 원자력 발전 플랜트용은 아니지만, 단류 방식의 고압 터빈 및 복류 방식의 중압 터빈과, 그 후단에 설치되는 저압 터빈의 조합으로 이루어지는 증기 터빈이 개시되어 있다.
일본 특허 출원 공개 평7-332018호 공보 일본 특허 출원 공개 소62-218606호 공보 일본 특허 출원 공개 평7-233704호 공보 일본 특허 출원 공개 평10-266811호 공보 일본 특허 출원 공표 제2002-508044호 공보 국제 공개 제97/30272호
그런데 최근, 발전 효율 향상의 관점에서, 원자로에서 발생하는 증기의 대용량화 및 이것을 상회하는 증기의 고압화가 진행되는 경향에 있다.
이와 같이, 대용량화에 의한 증기의 질량 유량의 증가량 이상으로, 고압화에 의한 비용적의 감소가 일어나면, 고압 터빈의 입구에 있어서의 증기의 체적 유량은 적어진다. 그러면, 특허문헌 1에 기재된 복류 방식의 고압 터빈의 경우, 그렇지 않아도 적은 체적 유량의 증기가 분류되고, 감소한 증기 유량에 대응하여 고압 터빈 입구의 터빈 날개가 설계되는 결과, 고압 터빈의 입구에 있어서의 날개 높이는 극단적으로 낮아진다. 이로 인해, 터빈 벽면(차실 내벽면 및 로터 외표면)의 근방에 형성되는 경계층 내의 증기가 증기 전체에 차지하는 비율이 커지고, 경계층에 있어서의 손실이 눈에 띄게 되어, 증기 터빈의 성능이 저하되어 버리는 일이 있다.
한편, 특허문헌 2에 기재된 단류 방식의 고압 터빈 및 중압 터빈에서는, 고압 터빈의 입구에서 증기를 분류하지 않으므로, 증기의 비용적의 감소에 의한 고압 터빈 입구의 날개 높이의 극단적인 저하는 일어나지 않는다. 이로 인해, 경계층에 있어서의 손실에 기인하여 터빈 성능이 현저하게 저하되는 일은 없다.
그런데 특허문헌 2에 기재된 단류 방식의 중압 터빈의 출구에 있어서의 증기 압력(즉, 저압 터빈의 입구 압력)을 종래의 증기 터빈과 동일한 정도로 설계하면, 증기의 대용량화에 의해, 중압 터빈의 출구에 있어서의 증기의 체적 유량이 커지므로, 중압 터빈에 작용하는 증기에 의한 굽힘력은 증대된다. 또한, 중압 터빈의 출구에 있어서의 증기의 체적 유량이 커지면, 그만큼 날개 높이를 높게 할 필요가 있고, 중압 터빈의 동익 및 로터에 작용하는 원심력이 증대된다. 이로 인해, 중압 터빈에 작용하는 원심력 및 증기에 의한 굽힘력의 증대에 의해, 중압 터빈의 강도를 충분히 확보하는 것이 어려워진다.
물론, 중압 터빈의 출구에 있어서의 증기 압력을 올리면, 증기의 체적 유량의 증가를 억제할 수 있지만, 저압 터빈의 입구 압력이 상승해 버리고, 저압 터빈에서 보다 크게 증기 압력을 떨어뜨릴 필요가 발생하고, 저압 터빈의 축 방향 길이(단수)가 커져 버린다. 이로 인해, 중압 터빈의 출구에 있어서의 증기 압력을 올리는 것에도 한계가 있다.
이와 같이, 원자로에서 발생하는 증기의 대용량화와 이것을 상회하는 증기의 고압화가 진행되는 경향을 고려하면, 장래적으로, 특허문헌 1 및 2에 기재된 증기 터빈에서는 상술한 문제에 대응할 수 없게 되는 것이 예상된다. 따라서, 본원 발명자는, 원자로에서 발생하는 증기의 대용량화와 이것을 상회하는 증기의 고압화에 대응 가능한 증기 터빈을 실현하기 위해, 예의 검토를 행하였다.
본원 발명자는, 우선, 특허문헌 3 내지 6에 개시된 증기 터빈을 원자력 발전 플랜트에 적용하고, 단류 방식의 고압 터빈과 복류 방식의 중압 터빈을 조합하는 것을 착상하였다.
도 6은 단류 방식의 고압 터빈과 복류 방식의 중압 터빈을 조합한 증기 터빈을 도시하는 도면이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 증기 터빈(100)은, 단류 방식의 고압 터빈(102)과 복류 방식의 중압 터빈(104)을 갖는다. 원자로(도시하지 않음)에서 발생한 증기는, 고압 터빈(102)에서 일을 한 후, 중압 터빈(104)에서 더 일을 하여, 저압 터빈(도시하지 않음)으로 흐르도록 되어 있다.
증기 터빈(100)에서는, 고압 터빈(102)이 단류 방식이며, 고압 터빈(102)의 입구에서 증기를 분류하지 않으므로, 고압 터빈(102)의 입구에 있어서의 날개 높이를 극단적으로 낮게 할 필요가 없다. 이로 인해, 경계층에 있어서의 손실에 기인하는 터빈 성능의 저하는 거의 일어나지 않는다.
또한, 중압 터빈(104)은 복류 방식이며, 중압 터빈(104)에 유입된 증기는 분류되므로, 중압 터빈(104)의 출구에 있어서의 증기의 체적 유량은 그다지 많아지지 않는다. 이로 인해, 중압 터빈(104)의 로터에 작용하는 원심력 및 증기의 굽힘력의 증대에 기인하는 중압 터빈(104)의 강도의 문제는 거의 일어나지 않는다.
그러나 증기 터빈(100)의 경우, 고압 터빈(102)의 배기 에어리어(도 6 중, A로 나타낸 개소)를 위해 큰 스페이스를 할애할 필요가 있으므로, 로터 전체의 축 방향 길이가 길어져 버린다. 또한, 전량의 증기가 재열 라인(106)을 고압 터빈(102)으로부터 중압 터빈(104)을 향해 흐르므로, 재열 라인(106)은 대경관을 사용해야 하고, 결과적으로 중압 터빈(104)의 입구로의 재열 라인(106)의 접속 개소(도 6 중, B로 나타낸 개소)에서 큰 스페이스가 필요해지고, 이것도 로터 전체의 축 방향 길이의 증대를 초래한다.
본 발명은, 상술한 사정에 비추어 이루어진 것이며, 증기의 대용량화와 이것을 상회하는 증기의 고압화에 대응 가능하고, 또한, 콤팩트화를 실현할 수 있는 증기 터빈 및 이것을 구비하는 발전소 및 증기 터빈의 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 증기 터빈은, 증기 입구로부터 도입된 증기가, 고압부 및 상기 고압부의 후류측의 중압부를 거쳐 증기 출구로 흐르는 단류 방식의 고중압 터빈과, 단류 방식의 중압 터빈과, 상기 고중압 터빈의 상기 고압부와 상기 중압부 사이의 위치를 상기 중압 터빈의 입구에 연통하는 증기 통로를 구비하고, 상기 고중압 터빈의 상기 고압부를 통과한 증기의 일부가, 상기 증기 통로를 통해 상기 중압 터빈으로 유도되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 단류 방식(싱글 플로우)이라 함은, 증기 터빈 내를 증기가 일 방향으로 흐르는 방식을 말하고, 복류 방식(더블 플로우)이라 함은, 증기 터빈의 중앙으로부터 증기가 유입되어 좌우로 분류하는 방식을 말한다.
상기 증기 터빈에서는, 단류 방식의 고중압 터빈 및 중압 터빈이 설치되고, 고중압 터빈의 고압부와 중압부 사이의 위치에 증기 통로가 접속되어 있고, 고중압 터빈의 고압부를 통과한 증기의 일부가 증기 통로를 통해 중압 터빈으로 유도되는 한편, 상기 증기의 잔량부는 그대로 고중압 터빈의 중압부를 흐른다.
여기서, 고중압 터빈은 단류 방식이므로, 고중압 터빈의 증기 입구측(고압부)에서 증기는 분류되지 않는다. 따라서, 증기의 대용량화를 상회하는 증기의 고압화가 이루어져도, 고중압 터빈의 증기 입구측(고압부)의 날개 높이를 극단적으로 낮게 할 필요가 없다. 이로 인해, 경계층에 있어서의 손실에 기인하는 터빈 성능의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 고중압 터빈 및 중압 터빈은 단류 방식이지만, 고중압 터빈의 고압부에 유입된 증기의 일부는, 도중에 분류되어 중압 터빈을 흐르므로, 고중압 터빈의 중압부 및 중압 터빈의 출구에 있어서의 증기의 체적 유량은 억제된다. 따라서, 고중압 터빈 및 중압 터빈에 작용하는 원심력 및 증기의 굽힘력을 억제할 수 있다.
또한, 고중압 터빈의 고압부를 통과한 증기 중 중압 터빈으로 유도되지 않는 것은, 외부에 일단 배기되는 것이 아니라, 그대로 중압부를 흐르므로, 고중압 터빈의 고압부에 독자적인 배기 에어리어를 설치할 필요가 없어, 그만큼 로터 전체의 축 방향 길이는 짧아진다. 또한, 증기 통로를 통해 중압 터빈으로 유도되는 것은 증기의 일부이며, 증기 통로는 그다지 대경으로 할 필요는 없으므로, 중압 터빈의 입구로의 증기 통로의 접속 개소는 비교적 콤팩트하여, 그만큼 로터 전체의 축 방향 길이는 짧아진다.
상기 증기 터빈에 있어서, 상기 고중압 터빈과 상기 중압 터빈은 동일 차실에 수납되는 것이 바람직하다.
증기 터빈(100)(도 6 참조)에서는, 고압 터빈(102)의 배기 에어리어(A) 및 재열 라인(106)의 접속 개소(B)에서 큰 스페이스가 필요해지므로, 고압 터빈(102) 및 중압 터빈(104)을 포함하는 로터 전체의 축 방향 길이가 길어져 버린다. 이로 인해, 고압 터빈(102) 및 중압 터빈(104)을 동일 차실에 수납하고, 고압 터빈(102) 및 중압 터빈(104)의 로터 전체를 2개의 베어링으로 지지하려고 하면, 축 진동이 발생해 버린다. 따라서, 증기 터빈(100)은, 고압 터빈(102)을 수납하는 고압 차실과, 중압 터빈(104)을 수납하는 중압 차실로 차실 구조를 분리하지 않을 수 없고, 그로 인해, 각각의 차실의 로터 관통 부분에 베어링(108) 및 그라운드(110)를 설치할 필요가 있다. 따라서, 베어링의 마찰 손실이나, 그라운드로부터의 증기 누설이 문제로 된다.
이에 대해, 상기 증기 터빈에서는, 상술한 바와 같이, 고중압 터빈의 고압부에 독자적인 배기 에어리어를 설치할 필요가 없는 것에 더하여, 중압 터빈의 입구로의 증기 통로의 접속 개소는 비교적 콤팩트하다. 이로 인해, 로터 전체의 축 방향 길이는 짧아지고, 축 진동은 그다지 문제로 되지 않으므로, 고중압 터빈 및 중압 터빈을 동일 차실에 수납할 수 있고, 결과적으로, 베어링 및 그라운드의 수를 적게 할 수 있다. 따라서, 베어링에 의한 마찰 손실이나, 그라운드로부터의 증기 누설을 억제할 수 있다.
상기 증기 터빈은, 상기 증기 통로에 설치되고, 상기 증기 통로를 흐르는 증기의 습분을 분리하는 습분 분리 기구를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 추기 통로가 설치됨으로써, 여기에 습분 분리 기구를 구비하는 것이 가능해진다. 이 습분 분리 기구에 의해, 고중압 터빈의 도중에 분류되어 중압 터빈으로 유도되는 증기의 습분을 제거함으로써, 증기에 포함되는 물방울에 기인하는 중압 터빈의 이로전이나 성능 저하를 방지할 수 있다. 또한, 습분 분리 기구는, 예를 들어, 셰브런형이나 와이어 메쉬형의 데미스터를 사용할 수 있다.
또한 상기 증기 터빈은, 상기 증기 통로에 설치되고, 상기 증기 통로를 흐르는 증기를 가열하는 가열 기구를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 추기 통로가 설치됨으로써, 여기에 가열 기구를 구비하는 것이 가능해진다. 이 가열 기구에 의해, 고중압 터빈의 도중에 분류되어 중압 터빈으로 유도되는 증기를 가열함으로써, 증기 터빈의 사이클 열효율을 향상시킬 수 있다.
상기 증기 터빈에 있어서, 상기 고중압 터빈의 상기 중압부를 흐르는 증기의 유량과, 상기 중압 터빈을 흐르는 증기의 유량이 대략 동등한 것이 바람직하다.
이와 같이, 고중압 터빈의 중압부와 중압 터빈에 증기를 대략 균등하게 배분함으로써, 고중압 터빈 및 중압 터빈에 작용하는 원심력 및 증기의 굽힘력을 균등하게 억제할 수 있다.
상기 증기 터빈에 있어서, 상기 고중압 터빈과 상기 중압 터빈은 동일 축에 배치되어 있고, 상기 고중압 터빈에 있어서의 증기 흐름의 방향과, 상기 중압 터빈에 있어서의 증기 흐름의 방향은 서로 역방향인 것이 바람직하다.
이에 의해, 고중압 터빈에 작용하는 스러스트력과, 중압 터빈에 작용하는 스러스트력이 일부 상쇄되므로, 스러스트력을 상쇄하기 위해 설치하는 더미를 소형화할 수 있다.
본 발명에 관한 발전소는, 상기 증기 터빈을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 증기의 대용량화와 이것을 상회하는 증기의 고압화에 대응한, 대출력이고 또한 고효율인 발전소를, 콤팩트한 구성으로 실현할 수 있다. 이에 의해 발전소의 건설 비용도 저감된다.
또한 본 발명에 관한 증기 터빈의 운전 방법은, 증기 입구와 증기 출구 사이에, 고압부 및 상기 고압부의 후류측의 중압부가 설치된 단류 방식의 고중압 터빈과, 단류 방식의 중압 터빈을 갖는 증기 터빈의 운전 방법이며, 상기 고중압 터빈의 증기 입구로부터 도입되는 증기를 상기 고압부에 있어서 팽창시키는 스텝과, 상기 고중압 터빈의 상기 고압부를 통과한 증기를, 제1 증기와 제2 증기로 분류하는 스텝과, 상기 제1 증기를 상기 고중압 터빈의 상기 중압부에서 팽창시키는 동시에, 상기 제2 증기를 상기 중압 터빈으로 유도하여 상기 중압 터빈에서 팽창시키는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 증기 터빈의 운전 방법에서는, 고중압 터빈의 고압부를 통과한 증기는 제1 증기와 제2 증기로 분류되고, 제1 증기가 고중압 터빈의 중압부에 그대로 흐르는 한편, 제2 증기는 중압 터빈으로 유도된다. 또한, 고중압 터빈의 고압부와 중압부 사이의 위치를 중압 터빈의 입구에 연통하는 증기 통로를 설치하고, 상기 증기 통로를 통해 제2 증기를 중압 터빈으로 유도하도록 해도 된다.
여기서, 고중압 터빈은 단류 방식이므로, 고중압 터빈의 증기 입구측(고압부)에서 증기는 분류되지 않는다. 따라서, 증기의 대용량화를 상회하는 증기의 고압화가 이루어져도, 고중압 터빈의 증기 입구측(고압부)의 날개 높이를 극단적으로 낮게 할 필요가 없다. 이로 인해, 경계층에 있어서의 손실에 기인하는 터빈 성능의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 고중압 터빈 및 중압 터빈은 단류 방식이지만, 고중압 터빈의 고압부에 유입된 증기의 일부는, 도중에 분류되어 중압 터빈을 흐르므로, 고중압 터빈의 중압부 및 중압 터빈의 출구에 있어서의 증기의 체적 유량은 억제된다. 따라서, 고중압 터빈 및 중압 터빈에 작용하는 원심력 및 증기의 굽힘력을 억제할 수 있다.
또한, 고중압 터빈의 고압부를 통과한 증기 중 중압 터빈으로 유도되지 않는 것은, 외부에 일단 배기되는 것이 아니라, 그대로 중압부를 흐르므로, 고중압 터빈의 고압부에 독자적인 배기 에어리어를 설치할 필요가 없어, 그만큼 로터 전체의 축 방향 길이는 짧아진다.
본 발명에 따르면, 단류 방식의 고중압 터빈 및 중압 터빈을 설치하고, 고중압 터빈의 고압부와 중압부 사이의 위치에 증기 통로를 배치하였으므로, 고중압 터빈의 고압부를 통과한 증기는, 일부가 고중압 터빈의 중압부를 그대로 흐르고, 잔량부가 증기 통로를 통해 중압 터빈에 유입된다.
여기서, 고중압 터빈은 단류 방식이므로, 고중압 터빈의 증기 입구측(고압부)에서 증기는 분류되지 않는다. 따라서, 증기의 대용량화를 상회하는 증기의 고압화가 이루어져도, 고중압 터빈의 증기 입구측(고압부)의 날개 높이를 극단적으로 낮게 할 필요가 없다. 이로 인해, 경계층에 있어서의 손실에 기인하는 터빈 성능의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 고중압 터빈 및 중압 터빈은 단류 방식이지만, 고중압 터빈의 고압부에 유입된 증기의 일부는, 도중에 분류되어 중압 터빈을 흐르므로, 고중압 터빈의 중압부 및 중압 터빈의 출구에 있어서의 증기의 체적 유량은 억제된다. 따라서, 고중압 터빈 및 중압 터빈에 작용하는 원심력 및 증기의 굽힘력을 억제할 수 있다.
또한, 고중압 터빈의 고압부를 통과한 증기 중 중압 터빈으로 유도되지 않는 것은, 외부에 일단 배기되는 것이 아니라, 그대로 중압부를 흐르므로, 고중압 터빈의 고압부에 독자적인 배기 에어리어를 설치할 필요가 없어, 그만큼 로터 전체의 축 방향 길이는 짧아진다. 또한, 증기 통로에 의해 중압 터빈으로 유도되는 것은 증기의 일부이며, 증기 통로는 그다지 대경으로 할 필요는 없으므로, 중압 터빈의 입구로의 증기 통로의 접속 개소는 비교적 콤팩트하여, 그만큼 로터 전체의 축 방향 길이는 짧아진다.
도 1은 제1 실시 형태의 증기 터빈의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 제2 실시 형태의 증기 터빈의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타내는 증기 터빈을 구비하는 원자력 발전 플랜트의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는 습분 분리 가열기의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 5는 셰브런형의 데미스터의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 6은 단류 방식의 고압 터빈과 복류 방식의 중압 터빈을 조합한 증기 터빈을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 따라 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다. 단, 이 실시 형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 특정적인 기재가 없는 한 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지는 아니고, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
또한, 이하에서 설명하는 증기 터빈은, 증기의 체적 유량이 큰 원자력 발전 플랜트에 특히 적절하게 사용할 수 있지만, 화력 발전 플랜트를 포함하는 다른 플랜트에 본 발명에 관한 증기 터빈을 적용해도 되는 것은 물론이다.
[제1 실시 형태]
이하, 원자력 발전 플랜트에 사용되는 제1 실시 형태의 증기 터빈에 대해 설명한다. 도 1은 제1 실시 형태의 증기 터빈을 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 증기 터빈(1)은, 단류 방식의 고중압 터빈(2)과, 단류 방식의 중압 터빈(4)과, 고중압 터빈(2)과 중압 터빈(4) 사이에 설치되는 증기 통로(6)에 의해 구성된다.
고중압 터빈(2)은, 증기 입구측의 고압부(2A)와, 증기 출구측의 중압부(2B)를 갖는다. 고압부(2A)에는, 원자로에서 발생한 고압의 증기가 흐른다. 한편, 중압부(2B)에는, 고압부(2A)를 통과한 증기의 일부[증기 통로(6)를 통해 중압 터빈(4)으로 유도되지 않는 것]가 흐른다. 고중압 터빈(2)의 중압부(2B)는, 도시하지 않은 저압 터빈에 접속되어 있고, 이 중압부(2B)로부터 유출된 증기는, 습분 분리 가열기에서 재열된 후, 저압 터빈으로 유도된다.
중압 터빈(4)은, 고중압 터빈(2)과 동일 차실(고중압 차실)에 수납되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 고중압 차실의 로터 관통 부분에 설치되는 베어링(8) 및 그라운드(10)의 수를 최소한(2개씩)으로 하여, 베어링(8)에 의한 마찰 손실이나, 그라운드(10)로부터의 증기 누설을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 고중압 터빈(2)과 중압 터빈(4)을 동일 차실에 수납할 수 있는 것은, 후술하는 바와 같이, 도 6에 도시한 증기 터빈(100)에 비해 로터 전체의 축 방향 길이가 짧아져, 축 진동이 일어나기 어렵기 때문이다.
중압 터빈(4)에는, 증기 통로(6)에 의해 고중압 터빈(2)의 도중[고압부(2A)와 저압부(2B) 사이]에 분류된 증기가 흐른다. 또한, 중압 터빈(4)은, 도시하지 않은 저압 터빈에 접속되어 있고, 중압 터빈(4)으로부터 유출된 증기는, 습분 분리 가열기에서 재열된 후, 저압 터빈으로 유도된다.
또한, 중압 터빈(4)의 출구에 있어서의 증기의 압력은, 특별히 한정되지 않지만, 고중압 터빈(2)의 출구[중압부(2B)의 출구]에 있어서의 증기의 압력과 동등하게 설정해도 된다. 고중압 터빈(2)과 중압 터빈(4)으로부터 유출된 증기를, 한번 합류시키고 나서 저압 터빈으로 유입시키고, 또는 합류시키지 않더라도 동일 사양의 저압 터빈으로 유입시킬 수 있기 때문이다.
또한, 중압 터빈(4)은, 고중압 터빈(2)에 있어서의 증기 흐름 방향과, 중압 터빈(4)에 있어서의 증기 흐름 방향이 역방향으로 되도록 배치된다. 이에 의해, 고중압 터빈(2)에 작용하는 스러스트력 F1과, 중압 터빈(4)에 작용하는 스러스트력 F2가 일부 상쇄되므로, 스러스트력을 상쇄하기 위해 설치하는 더미(12)를 소형화할 수 있다.
증기 통로(6)는, 고중압 터빈(2)의 고압부(2A) 및 중압부(2B) 사이에 일단부가 접속되고, 중압 터빈(4)의 입구에 타단부가 접속되어 있다. 증기 통로(6)의 직경은, 증기 통로(6)를 흐르는 증기량에 따라, 압력 손실을 고려하여 결정되는 것이 바람직하다.
또한, 증기 통로(6)는, 고중압 터빈(2) 및 중압 터빈(4)을 수납하는 고중압 차실의 내부에만 형성되어도 되고, 일부가 고중압 차실의 외부에 형성되어 있어도 된다. 증기 통로(6)가 고중압 차실의 내부에만 형성되어 있으면, 보조 기계도 포함시킨 터빈 전체의 콤팩트화를 도모할 수 있다. 또한, 증기 유로(6)의 일부가 고중압 차실의 외부에 형성되어 있으면, 후술하는 습분 분리 기구나 가열 기구의 부가가 용이해진다.
증기 통로(6)를 흐르는 증기량을, 고중압 터빈(2)의 고압부(2A)를 통과한 증기의 대략 절반으로 설정하여, 고중압 터빈(2)의 중압부(2B)를 흐르는 증기량과 중압 터빈(4)을 흐르는 증기량이 대략 동등해지도록 해도 된다. 이에 의해, 고중압 터빈(2)의 중압부(2A)와 중압 터빈(4)에 대략 균등한 증기가 배분되고, 고중압 터빈(2) 및 중압 터빈(4)에 작용하는 원심력 및 증기의 굽힘력을 균등하게 억제할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 증기 터빈(1)은, 증기 입구로부터 도입된 증기가, 고압부(2A) 및 상기 고압부(2A)의 후류측의 중압부(2B)를 거쳐 증기 출구로 흐르는 단류 방식의 고중압 터빈(2)과, 단류 방식의 중압 터빈(4)과, 고중압 터빈(2)의 고압부(2A)와 중압부(2B) 사이의 위치를 중압 터빈(4)의 입구에 연통하는 증기 통로(6)를 구비하고, 고중압 터빈(2)의 고압부(2A)를 통과한 증기의 일부가, 증기 통로(6)를 통해 중압 터빈(4)으로 유도되도록 되어 있다.
그리고 고중압 터빈(2)의 증기 입구로부터 도입된 증기는, 고압부(2A)에 있어서 팽창한 후, 그대로 중압부(2B)를 흐르는 증기(제1 증기)와 중압 터빈(4)으로 유도되는 증기(제2 증기)로 분류된다. 이 후, 제1 증기는, 고중압 터빈(2)의 중압부(2A)에서 팽창하고, 저압 터빈(도시하지 않음)으로 유도된다. 한편, 제2 증기는, 중압 터빈(4)에 있어서 팽창하고, 저압 터빈(도시하지 않음)으로 유도된다.
본 실시 형태의 증기 터빈(1)에 따르면, 단류 방식의 고중압 터빈(2) 및 중압 터빈(4)을 설치하고, 고중압 터빈(2)의 고압부(2A)와 중압부(2B) 사이의 위치를 중압 터빈(4)에 연통하는 증기 통로(6)를 배치하였으므로, 고중압 터빈(2)의 고압부(2A)를 통과한 증기는, 일부가 고중압 터빈(2)의 중압부(2B)를 그대로 흐르고, 잔량부가 증기 통로(6)를 통해 중압 터빈(4)에 유입된다.
여기서, 고중압 터빈(2)은 단류 방식이므로, 고중압 터빈(2)의 증기 입구측[고압부(2A)]에서 증기는 분류되지 않는다. 따라서, 증기의 대용량화를 상회하는 증기의 고압화가 이루어져도, 고중압 터빈(2)의 증기 입구측[고압부(2A)]의 날개 높이를 극단적으로 낮게 할 필요가 없다. 이로 인해, 경계층에 있어서의 손실에 기인하는 터빈 성능의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 고중압 터빈(2) 및 중압 터빈(4)은 단류 방식이지만, 고중압 터빈(2)의 고압부(2A)에 유입된 증기의 일부는, 도중에 분류되어 중압 터빈(4)을 흐르므로[바꾸어 말하면, 고중압 터빈(2)의 중압부(2B) 및 중압 터빈(4)이 의사적인 복류 방식을 실현하므로], 고중압 터빈(2)의 중압부(2B)와 중압 터빈(4)의 출구에 있어서의 증기의 체적 유량은 억제된다. 따라서, 고중압 터빈(2) 및 중압 터빈(4)에 작용하는 원심력 및 증기의 굽힘력의 증대를 억제할 수 있다.
또한, 고중압 터빈(2)의 고압부(2A)를 통과한 증기 중 중압 터빈(4)으로 유도되지 않는 것은, 외부에 일단 배기되는 것이 아니라, 그대로 중압부(2B)를 흐르므로, 도 6에 도시한 고압 터빈(102)의 배기 에어리어(A)에 상당하는 것을 설치할 필요가 없다. 즉, 도 1에 도시하는 바와 같이, 증기 터빈(1)에 있어서의 배기 에어리어는, 고중압 터빈(2)의 중압부(2B)의 출구 부분(도 1 중, C로 나타낸 개소)과 중압 터빈(4)의 출구 부분(도 1 중, D로 나타낸 개소)만이며, 고중압 터빈(2)의 고압부(2A)에 대하여 독자적인 배기 에어리어를 설치할 필요가 없다.
또한, 증기 통로(6)에 의해 분류되는 것은 증기의 일부이며, 증기 통로(6)는, 도 6에 도시한 재열 라인(106)에 비해 소경으로 할 수 있으므로, 중압 터빈(4)의 입구로의 증기 통로(6)의 접속 개소(도 1 중, E로 나타낸 개소)는 그다지 스페이스가 필요하지 않다. 따라서, 증기 터빈(1)은, 증기 터빈(100)에 비해 로터 전체의 축 방향 길이가 짧아지므로, 축 진동이 그다지 문제로 되지 않고, 고중압 터빈(2)과 중압 터빈(4)을 동일 차실(고중압 차실)에 수납할 수 있다. 이에 의해, 고중압 차실의 로터 관통 부분에 설치되는 베어링(8) 및 그라운드(10)의 수를 최소한(2개씩)으로 하여, 베어링(8)에 의한 마찰 손실이나, 그라운드(10)로부터의 증기 누설을 억제할 수 있다.
[제2 실시 형태]
도 2는 제2 실시 형태의 증기 터빈을 도시하는 도면이다. 도 3은 도 2에 도시하는 증기 터빈을 구비하는 원자력 발전 플랜트의 구성예를 나타내는 도면이다.
또한, 도 2에 도시한 증기 터빈(20)은, 증기 통로(6)에 습분 분리 가열기(22)를 설치한 점을 제외하면, 제1 실시 형태의 증기 터빈(1)과 공통된다. 따라서, 여기에서는, 제1 실시 형태의 증기 터빈(1)과 공통되는 부분에 대해서는, 도 1과 동일한 부호를 부여하여 그 설명을 생략한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 증기 터빈(20)의 습분 분리 가열기(22)는, 증기 통로(6)에 설치되어 있고, 고중압 터빈(2)으로부터 분류된 증기의 습분을 제거하고, 또한, 상기 증기를 가열하도록 되어 있다.
이와 같이, 습분 분리 가열기(22)에 의해, 고중압 터빈(2)의 도중에 분류된 증기의 습분을 제거하고, 또한 증기를 가열함으로써, 증기에 포함되는 물방울에 기인하는 중압 터빈(4)의 이로전이나 성능 저하를 방지하는 동시에, 증기 터빈(20)의 사이클 열효율을 향상시킬 수 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 원자력 발전 플랜트(30)는, 고중압 터빈(2) 및 중압 터빈(4)과, 이들의 후단에 설치되는 저압 터빈(32)을 갖는다. 고중압 터빈(2) 및 중압 터빈(4)과 저압 터빈(32) 사이에는, 습분 분리 가열기(34)가 설치되어 있다. 고중압 터빈(2)의 중압부(2B) 및 중압 터빈(4)을 통과한 증기는, 습분 분리 가열기(34)에 의해, 습분 제거되고, 가열된다. 또한, 복류 방식의 저압 터빈(32)을 통과한 증기는, 복수기(36)에 의해 복수되고, 원자로로 보내진다.
이와 같이, 고중압 터빈(2)의 도중에 분류한 증기를 습분 분리 가열기(22)에서 재열하는 동시에, 고중압 터빈(2) 및 중압 터빈(4)으로부터 저압 터빈(32)을 향하는 증기를 습분 분리 가열기(34)에서 재열함으로써, 사이클 열효율을 대폭으로 향상시킬 수 있다.
또한, 상술한 습분 분리 가열기(22 및 34)는, 증기에 포함되는 습분을 제거하는 동시에, 상기 증기를 가열 가능하면 임의의 구성의 것을 사용할 수 있지만, 예를 들어, 이하의 구성의 것을 사용해도 된다.
도 4는 습분 분리 가열기의 구성예를 나타내는 단면도이다. 도 4에 도시하는 습분 분리 가열기는, 원통 형상의 동체(40) 내에 가열기 튜브(42), 데미스터(44) 및 정류 다공판(46)이 수납된 구성을 갖는다. 습분 분리 및 가열의 대상인 증기(사이클 증기)는, 사이클 증기 입구(50)로부터 동체(40) 내에 유입되고, 일단 하방으로 흐른 후, 상방으로 흘러, 최종적으로 사이클 증기 출구(52)로부터 배출된다. 사이클 증기는, 동체(40) 내를 사이클 증기 출구(52)를 향해 흐르는 도중에, 정류 다공판(46)에 의해 정류되고, 데미스터(44)에 의해 습분이 분리된 후, 가열기 튜브(42)에 의해 가열된다. 또한, 데미스터(44)에 의해 분리된 습분은, 드레인 배출구(58)를 통해 동체(40)로부터 배출된다.
가열기 튜브(42)는, 예를 들어 U자형의 핀이 구비된 튜브로 구성된다. 그리고 가열 증기 입구(54)로부터 도입된 가열 증기가 가열기 튜브(42)의 내측을 흐르고, 데미스터(44)를 통과한 사이클 증기가 가열기 튜브(42)의 외측을 흐른다. 이에 의해, 가열 증기와 사이클 증기 사이에서 열교환이 이루어지고, 사이클 증기가 가열된다. 또한, 사이클 증기를 가열한 후의 가열 증기는, 가열 증기 출구(56)를 통해 가열기 튜브(42)로부터 배출된다.
데미스터(44)는, 셰브런형의 데미스터를 사용할 수 있다. 도 5는 셰브런형의 데미스터의 구성예를 나타내는 사시도이다. 도 5에 도시하는 데미스터(44)는, 상부와 하부의 프레임(60, 62)에 다수의 곡판(64)이 장착되어 있다. 곡판(64)에는, 굴곡 개소마다 포집판(66)이 장착되어 있다. 곡판(64)의 벽면을 따라 흐르는 사이클 증기 중의 습분은, 곡판(3)에 충돌하여 포집판(66)을 타고 하방으로 흐르고, 하부의 홈(68)에 흘러내린다. 이에 의해, 사이클 증기 중의 습분이 분리된다.
혹은, 데미스터(44)는, 도 5에 도시하는 셰브런형의 것 대신에, 와이어 메쉬형의 것을 사용해도 된다. 와이어 메쉬형의 데미스터(44)에서는, 사이클 증기가 데미스터(44)에 충돌할 때, 습분이 와이어의 표면에 물방울로서 부착되어, 중력에 의해 낙하함으로써, 사이클 증기 중의 습분이 분리된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 증기 터빈(20)에 따르면, 증기 통로(6)에 습분 분리 가열기(22)를 설치하였으므로, 증기 터빈(1)에 대해 설명한 작용 효과에 더하여, 증기에 포함되는 물방울에 기인하는 중압 터빈(4)의 이로전이나 성능 저하를 방지하는 동시에, 증기 터빈(20)의 사이클 열효율을 향상시킬 수 있다고 하는 유리한 효과가 얻어진다. 또한, 고중압 터빈(2) 및 중압 터빈(4)과 저압 터빈(32) 사이에 습분 분리 가열기(34)를 설치하여, 사이클 전체적으로 습분 분리 가열기(22 및 34)에 의한 2단계의 재열을 행함으로써, 사이클 열효율을 대폭으로 향상시킬 수 있다.
또한, 도 2 및 3에 나타내는 예에서는, 증기의 습분을 제거하는 습분 분리기와, 증기를 가열하는 가열기를 포함하는 습분 분리 가열기(22 및 34)를 사용하고 있지만, 습분 분리 가열기(22 및 34) 대신에, 습분 분리 기구를 단독으로 사용해도 된다.
이 경우, 예를 들어, 증기 통로(6)가 고중압 차실의 내부에만 형성되어 있는 경우에는, 셰브런형의 데미스터나 와이어 메쉬형 등의 습분 분리 기구를 고중압 차실 내부의 증기 통로(6)에 내장할 수 있다. 또한, 증기 유로(6)의 일부가 고중압 차실의 외부에 형성되어 있으면, 셰브런형이나 와이어 메쉬형 등의 구성을 갖는 습분 분리기를 터빈의 근방에 설치할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 각종 개량이나 변형을 행해도 되는 것은 물론이다.
예를 들어, 상술한 실시 형태에서는, 고중압 터빈(2)과 중압 터빈(4)이 동일 차실(고중압 차실) 내에 수납되는 예에 대해 설명하였지만, 고중압 터빈(2)과 중압 터빈(4)을 각각의 차실에 수납해도 되는 것은 물론이다.

Claims (8)

  1. 증기 입구로부터 도입된 증기가, 고압부 및 상기 고압부의 후류측의 중압부를 거쳐 증기 출구로 흐르는 단류 방식의 고중압 터빈과,
    단류 방식의 중압 터빈과,
    상기 고중압 터빈의 상기 고압부와 상기 중압부 사이의 위치를 상기 중압 터빈의 입구에 연통하는 증기 통로를 구비하고,
    상기 고중압 터빈의 상기 고압부를 통과한 증기의 일부가, 상기 증기 통로를 통해 상기 중압 터빈으로 유도되는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고중압 터빈과 상기 중압 터빈이 동일 차실에 수납된 것을 특징으로 하는, 증기 터빈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 증기 통로에 설치되고, 상기 증기 통로를 흐르는 증기의 습분을 분리하는 습분 분리 기구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 증기 통로에 설치되고, 상기 증기 통로를 흐르는 증기를 가열하는 가열 기구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고중압 터빈의 상기 중압부를 흐르는 증기의 유량과, 상기 중압 터빈을 흐르는 증기의 유량이 대략 동등한 것을 특징으로 하는, 증기 터빈.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고중압 터빈과 상기 중압 터빈은 동일 축에 배치되어 있고,
    상기 고중압 터빈에 있어서의 증기 흐름의 방향과, 상기 중압 터빈에 있어서의 증기 흐름의 방향은 서로 역방향인 것을 특징으로 하는, 증기 터빈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 증기 터빈을 구비하는, 발전소.
  8. 증기 입구와 증기 출구 사이에, 고압부 및 상기 고압부의 후류측의 중압부가 설치된 단류 방식의 고중압 터빈과, 단류 방식의 중압 터빈을 갖는 증기 터빈의 운전 방법이며,
    상기 고중압 터빈의 증기 입구로부터 도입되는 증기를 상기 고압부에 있어서 팽창시키는 스텝과,
    상기 고중압 터빈의 상기 고압부를 통과한 증기를, 제1 증기와 제2 증기로 분류하는 스텝과,
    상기 제1 증기를 상기 고중압 터빈의 상기 중압부에서 팽창시키는 동시에, 상기 제2 증기를 상기 중압 터빈으로 유도하여 상기 중압 터빈에서 팽창시키는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈의 운전 방법.
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