JP6178189B2 - 蒸気タービン過速防止システムおよび発電プラント - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービン過速防止システムおよび発電プラントに関する。

蒸気タービンにおいてはロータの過速保護装置として非常調速機が設置されている。ＪＩＳやＩＥＣなどの規格でも“蒸気タービンには，調速装置のほかに独立して作動する過速度保護のための非常調速機を設置して，速度が異常に上昇しないように保護しなければならない。非常調速機は，定格速度の１１１％以下で作動しなければならない。”と非常調速機の設置が規定されている。

特に、負荷遮断時は、制御弁が瞬時に閉じられて蒸気タービン内部への蒸気の流入が遮断されたとしても蒸気タービン内部に残留している蒸気が復水器に流れることから、無負荷状態の蒸気タービンが増速して過速の要因となる。過速時は、上述の非常調速機が作動し、蒸気タービンは強制停止（トリップ）させられる。通常の蒸気タービンは、このような負荷遮断後でもトリップせずに継続して運転が可能なように、負荷遮断時の回転数が規定値を超えないように設計されている。

再熱蒸気タービンにて具体例を紹介する。再熱蒸気タービンは、通常、高圧部および再熱部により構成されている。再熱部は、さらに中圧部および低圧部により構成されている。高圧部入口には主蒸気止め弁および蒸気加減弁が順に配置され、再熱部入口には組合せ再熱弁が配置されている。負荷遮断時に無負荷状態の蒸気タービンに蒸気が流れ続けるとタービンロータが増速することから、蒸気加減弁および組合せ再熱弁を閉弁することで、高圧部や中圧部への蒸気流入を遮断して増速を抑制する。これにより、タービンロータの過速が回避されて、トリップが回避される。

しかし、蒸気加減弁や組合せ再熱弁が閉弁されても、車室内および抽気管の残留蒸気により蒸気タービンが過速するおそれがある。特に、蒸気条件が高温高圧化すると、残留エネルギー量が大きくなるために過速しやすくなる。また、蒸気タービンが大容量化すると、残留蒸気量が増えるために過速しやすくなる。近年、蒸気タービンの高性能化の観点から高温高圧化や大容量化が進行しており、過速が懸念される。例えば、現在の発電プラントの計画では、主蒸気温度および再熱温度がともに６００℃を超えるものが増加しており、次世代向けとして７００℃級の研究および開発が行われている。

最大回転数が規定値を超えると、主蒸気止め弁等が閉弁されてトリップされる。このような主蒸気止め弁等の閉弁を伴うトリップが発生した場合、その後の再稼働は必ずしも容易でない。従って、このようなトリップを回避するために、その前段階である負荷遮断時の過速を効果的に抑制することが求められる。

特開２００３−１２０２１２号公報

蒸気タービンの大容量化や蒸気条件の高温高圧化に伴い、負荷遮断時の過速を効果的に抑制することが求められる。本発明が解決しようとする課題は、負荷遮断時の過速を効果的に抑制できる蒸気タービン過速防止システムおよびこれを有する発電プラントの提供にある。

実施形態は、高圧タービンと、中圧タービンと、この中圧タービンの出口に第１の配管を通じて接続された低圧タービンとを備える蒸気タービンと、低圧タービンの出口に接続される復水器とを備えた発電プラントにおける蒸気タービン過速防止システムである。蒸気タービン過速防止システムは、バイパス手段と、第１の弁と、第２の弁とを備える。バイパス手段は、中圧タービンの中間段落部と復水器とを接続する。第１の弁は、バイパス手段の途中に設けられ、通常運転時はバイパス手段を遮断し、負荷遮断時はバイパス手段を連通させて中圧タービンにおける残留蒸気を復水器へ導く。第２の弁は、第１の配管に設けられ、通常運転時は第１の配管を通じて中圧タービンから低圧タービンへの蒸気を連通させ、負荷遮断時は中圧タービンから低圧タービンへの蒸気の流通を遮断する。

実施形態の発電プラントは、蒸気タービン、復水器、および蒸気タービン過速防止システムを備える。蒸気タービンは、高圧タービンと、中圧タービンと、この中圧タービンの出口に第１の配管を通じて接続された低圧タービンとを備える。復水器は、低圧タービンの出口に接続される。蒸気タービン過速防止システムは、バイパス手段と、第１の弁と、第２の弁とを備える。バイパス手段は、中圧タービンの中間段落部と復水器とを接続する。第１の弁は、バイパス手段の途中に設けられ、通常運転時はバイパス手段を遮断し、負荷遮断時はバイパス手段を連通させて中圧タービンにおける残留蒸気を復水器へ導く。第２の弁は、第１の配管に設けられ、通常運転時は第１の配管を通じて中圧タービンから低圧タービンへの蒸気を連通させ、負荷遮断時は中圧タービンから低圧タービンへの蒸気の流通を遮断する。

実施形態の蒸気タービン過速防止システムによれば、蒸気タービンの中間段落部と復水器とを接続するバイパス手段と、このバイパス手段の途中に設けられ、通常運転時はバイパス手段を遮断し、負荷遮断時はバイパス手段を連通させて蒸気タービンにおける残留蒸気を復水器へ導くための弁とを有することで、負荷遮断時の過速を効果的に抑制できる。

第１の実施形態の蒸気タービン過速防止システムが適用された発電プラントの一例を示す系統図である。 第２の実施形態の蒸気タービン過速防止システムが適用された発電プラントの一例を示す系統図である。

以下、本発明の蒸気タービン過速防止システムの実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下では、蒸気タービン過速防止システムを過速防止システムと記す。

図１は、第１の実施形態の過速防止システムが適用された発電プラントとしての火力発電プラントの一例を示す系統図である。なお、本実施形態の過速防止システムは、中圧タービンの既存の２つの抽気管のうち最終段側の抽気管を利用してバイパス手段が設けられたものである。

プラント１０は、蒸気発生器としてのボイラー１１、蒸気タービンとしての高圧タービン１２、中圧タービン１３、および低圧タービン１４、蒸気を冷却して復水に凝縮させる復水器１５を有する。各タービン１２、１３、１４は、ボイラー１１と復水器１５とを結ぶ流路中に配置されるとともに、発電機２１の駆動軸に連結される。発電機２１には、トランス２２、遮断器２３が接続される。

ボイラー１１は、主蒸気系統としての配管３１を介して高圧タービン１２の入口に接続される。高圧タービン１２の出口は、配管３２を介してボイラー１１の内部に設けられる図示しない再熱器に接続される。再熱器は、再熱蒸気系統としての配管３３を介して中圧タービン１３の入口に接続される。中圧タービン１３の出口は、配管３４を介して低圧タービン１４の入口に接続される。低圧タービン１４の出口は、復水器１５に接続される。

復水器１５は、低圧タービン１４からの蒸気を外部から供給される冷却水と熱交換して復水に凝縮させる。復水器１５は、復水給水系統としての配管３５によってボイラー１１に接続される。配管３５の途中には、復水を加熱するための低圧ヒータ４１および高圧ヒータ４２、脱気器４３、給水ポンプ４４が設けられる。

低圧タービン１４の４つの抽気管４５は、それぞれ低圧ヒータ４１に接続される。中圧タービン１３に接続される２つの抽気管４５のうち、最終段側の抽気管４５は脱気器４３に接続され、初段側の抽気管４５は高圧ヒータ４２に接続される。高圧タービン１２に接続される抽気管４５は、高圧ヒータ４２に接続される。なお、中圧タービン１３および高圧タービン１２の抽気管４５の途中には、それぞれ逆止弁４６が設けられる。

ボイラー１１と高圧タービン１２の入口とを接続する配管３１の途中には、上流側から順に、主蒸気止め弁５１、蒸気加減弁５２が設けられる。ボイラー１１の内部に設けられた再熱器と中圧タービン１３の入口とを接続する再熱蒸気系統としての配管３３の途中には、組合せ再熱弁５３が設置される。

過速防止システム６０は、中圧タービン１３の中間段落部と復水器１５とを接続するバイパス手段６１と、このバイパス手段６１の途中に設けられる弁６２とを有する。弁６２は、通常運転時はバイパス手段６１を遮断し、負荷遮断時はバイパス手段６１を連通させる。弁６２は、例えば、負荷遮断時の負荷遮断信号に基づいて開弁して、バイパス手段６１を連通させる。ここで、中間段落部とは、蒸気タービンの入口と出口とを除いた部分であって、タービン段落の初段と最終段との間の部分である。すなわち、バイパス手段６１は、初段と最終段との間のいずれかの部分に接続されていればよい。

バイパス手段６１は、中圧タービン１３の既存の２つの抽気管４５のうち最終段側の抽気管４５を利用して設けられる。具体的には、最終段側の抽気管４５の途中から分岐して復水器１５へと接続する配管６３と、最終段側の抽気管４５のうち分岐部６５よりも上流側の部分６４とにより、バイパス手段６１が構成される。すなわち、上記部分６４は、抽気管４５とバイパス手段６１との両方の機能を有する。

弁６２は、このような最終段側の抽気管４５から分岐して復水器１５へと接続する配管６３の途中に設けられる。弁６２は、プラント１０の通常の運転時には閉弁されており、例えば、負荷遮断時の負荷遮断信号に基づいて開弁する。

通常運転時、蒸気発生器としてのボイラー１１において発生した蒸気は、主蒸気系統としての配管３１を介して高圧タービン１２に導入され、高圧タービン１２を駆動させる。高圧タービン１２を駆動させた蒸気は、配管３２を介してボイラー１１の内部に設けられた図示しない再熱器に導入され、再熱器によって加熱される。再熱器で加熱された蒸気は、配管３３を介して中圧タービン１３に導入され、中圧タービン１３を駆動させる。

中圧タービン１３を駆動させた蒸気は、配管３４を介して低圧タービン１４に導入され、低圧タービン１４を駆動させる。低圧タービン１４を駆動させた蒸気は、復水器１５に導入され、外部から供給される冷却水と熱交換して復水に凝縮させる。この復水は、復水給水系統としての配管３５を介してボイラー１１に導入される。この際、配管３５の途中に設けられた低圧ヒータ４１および高圧ヒータ４２により加熱が行われる。

一方、負荷遮断時、バイパス手段６１の配管６３の途中に設けられた弁６２が負荷遮断信号等に基づいて開弁される。弁６２が開弁されることで、抽気管４５がより圧力の低い復水器１５と接続されるため、中圧タービン１３の車室内における残留蒸気、および最終段側の抽気管４５における逆止弁４６よりも上流側の残留蒸気が、バイパス手段６１を介して復水器１５に流入する。これにより、中圧タービン１３の車室内や最終段側の抽気管４５における残留蒸気が低圧タービン１４に流入することが抑制され、低圧タービン１４に残留蒸気が流入することによる過速が抑制される。過速の抑制により、主蒸気止め弁５１の閉弁を伴うようなトリップも回避される。

ここで、最終段側の抽気管４５は、一般に初段側の抽気管４５に比べて口径が大きいことから抽気蒸気量が多く、その残留蒸気が過速に寄与する影響も大きい。このような観点からは、初段側の抽気管４５よりも最終段側の抽気管４５を利用してバイパス手段６１を設けることが好ましい。また、蒸気タービンが大容量化すると、抽気蒸気量が多くなるために抽気管の口径も大きくなり、その残留蒸気が過速に寄与する影響も大きくなる。従って、大容量の蒸気タービンほど、過速を抑制する効果が顕著となる。

負荷遮断信号は、例えば、発電機２１にトランス２２を介して接続される遮断器２３により発せられる。このような負荷遮断信号に基づいて弁６２を開弁することで、負荷遮断の発生直後、すみやかに弁６２が開弁される。これにより、過速が効果的に抑制される。

なお、負荷遮断時には、上記した弁６２に加えて、主蒸気系統としての配管３１に設けられた蒸気加減弁５２および再熱蒸気系統としての配管３３に設けられた組合せ再熱弁５３が負荷遮断信号に基づいて閉弁される。これにより、高圧タービン１２および中圧タービン１３への蒸気の流入が抑制され、過速防止システム６０と合わせて、過速が抑制される。

図２は、第２の実施形態の過速防止システムが適用された発電プラントとしての火力発電プラントの一例を示す系統図である。なお、この火力発電プラントの構成は、過速防止システムの構成が異なることを除いて、図１に示す火力発電プラントと基本的に同様である。

本実施形態の過速防止システム６０は、中圧タービン１３の中間段落部に接続された既存の２つの抽気管４５のうち初段側の抽気管４５を利用してバイパス手段６１が設けられたものであり、特に初段と最終段との中央部の位置またはこれよりも初段側の位置にバイパス手段６１が設けられたものである。なお、本実施形態の過速防止システム６０についても、中圧タービン１３の中間段落部と復水器１５とを接続するバイパス手段６１と、このバイパス手段６１の途中に設けられる弁６２とを有する。弁６２は、通常運転時はバイパス手段６１を遮断し、負荷遮断時はバイパス手段６１を連通させる。弁６２は、例えば、負荷遮断時の負荷遮断信号に基づいて開弁して、バイパス手段６１を連通させる。さらに、本実施形態の過速防止システム６０は、中圧タービン１３の出口と低圧タービン１４の入口とを接続する配管３４の途中に、通常運転時は配管３４を連通させ、負荷遮断時は配管３４を遮断する弁６６を有する。弁６６は、例えば、負荷遮断時の負荷遮断信号に基づいて閉弁して、配管３４を遮断させる。

バイパス手段６１は、具体的には、初段側の抽気管４５の途中から分岐して復水器１５へと接続する配管６３と、初段側の抽気管４５のうち分岐部６５よりも上流側の部分６４とにより構成される。すなわち、上記部分６４は、抽気管４５とバイパス手段６１との両方の機能を有する。

弁６２は、このような初段側の抽気管４５から分岐して復水器１５へと接続する配管６３の途中に設けられる。弁６２は、プラント１０の通常の運転時には閉弁されており、例えば、負荷遮断時の負荷遮断信号に基づいて開弁する。

中圧タービン１３の出口と低圧タービン１４の入口とを接続する配管３４の途中に設けられる弁６６は、プラント１０の通常の運転時には開弁されており、例えば、負荷遮断時の負荷遮断信号に基づいて閉弁する。

負荷遮断時、バイパス手段６１の配管６３の途中に設けられた弁６２が負荷遮断信号等に基づいて開弁される。弁６２が開弁されることで、中圧タービン１３の車室内、ならびに初段側および最終段側の抽気管４５における逆止弁４６よりも上流側の残留蒸気が、バイパス手段６１を介して復水器１５に流入する。これにより、中圧タービン１３の車室内ならびに初段側および最終段側の抽気管４５における残留蒸気が低圧タービン１４に流入することが抑制され、低圧タービン１４に残留蒸気が流入することによる過速が抑制される。

本実施形態では、特に、初段側の抽気管４５を利用してバイパス手段６１が設けられることから、いわゆるブレーキ効果が得られる。すなわち、初段側の抽気管４５を利用してバイパス手段６１が設けられた場合、弁６２が開弁されると、抽気管４５の入口部がより圧力の低い復水器１５と接続されるため、中圧タービン１３の車室内や最終段側の抽気管４５における残留蒸気は、通常とは反対方向の向きである最終段側から初段側へと流れる。これにより、中圧タービン１３にブレーキが加えられ、過速が効果的に抑制される。

また、本実施形態では、中圧タービン１３の出口と低圧タービン１４の入口とを接続する配管３４の途中に弁６６を有することで、過速がさらに効果的に抑制される。すなわち、中圧タービン１３の出口と低圧タービン１４の入口とを接続する配管３４の途中に弁６６を有することで、弁６６よりも上流側の部分における残留蒸気が低圧タービン１４に流入することが抑制される。このような弁６６についても、負荷遮断時の負荷遮断信号に基づいて閉弁されることで、負荷遮断の発生直後、すみやかに閉弁される。これにより、過速がさらに効果的に抑制される。

なお、本実施形態についても、負荷遮断時には、上記した弁６２、６６に加えて、主蒸気系統としての配管３１に設けられた蒸気加減弁５２および再熱蒸気系統としての配管３３に設けられた組合せ再熱弁５３が負荷遮断信号に基づいて閉弁される。これにより、高圧タービン１２および中圧タービン１３への蒸気の流入が抑制され、過速防止システム６０と合わせて、過速が抑制される。

以上、過速防止システム６０について、第１の実施形態、第２の実施形態を例に挙げて説明したが、バイパス手段６１は、必ずしも既存の抽気管４５を利用する必要はなく、全体を新規に設けてもよい。但し、バイパス手段６１の全体を新規に設けることは生産性の観点から好ましくなく、一般に抽気管４５は車室の下側にあるためにバイパス手段６１の設置や保守管理が容易であることから、既存の抽気管４５を利用してバイパス手段６１を設けることが好ましい。

なお、バイパス手段６１の全体を新規に設ける場合、車室の上側に設けると保守管理等のために車室を開くことが難しくなることから、車室の下側に設けることが好ましい。また、ブレーキ効果の観点からは、初段と最終段との中央部の位置よりも初段側の位置に設けることが好ましい。

また、バイパス手段６１が設けられる蒸気タービンは、必ずしも中圧タービン１３に限定されず、高圧タービン１２でもよいし、高圧タービン１２と中圧タービン１３との両方でもよい。これらの中でも中圧タービン１３は車室内の残留蒸気が過速に寄与する影響が大きいことから、少なくとも中圧タービン１３にバイパス手段６１を設けることが好ましい。

また、プラント１０は、高圧タービン１２、中圧タービン１３、および低圧タービン１４を有するものが代表的なものとして挙げられるが、必ずしもこのようなものに限定されない。プラント１０としては、高圧タービンと中低圧タービンとを有するものでもよいし、高中圧タービンと低圧タービンとを有するものでもよい。前者の場合、過速に寄与する影響の観点から、中低圧タービンにバイパス手段６１を設けることが好ましい。後者の場合、過速に寄与する影響の観点から、高中圧タービンにバイパス手段６１を設けることが好ましい。また、発電プラントは、火力発電プラントに限定されず、原子力発電プラントでもよい。

以上、発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…発電プラント、１１…ボイラー、１２…高圧タービン、１３…中圧タービン、１４…低圧タービン、１５…復水器、２１…発電機、２２…トランス、２３…遮断器、３１，３２，３３，３４，３５…配管、４１…低圧ヒータ、４２…高圧ヒータ、４３…脱気器、４４…給水ポンプ、４５…抽気管、４６…逆止弁、５１…主蒸気止め弁、５２…蒸気加減弁、５３…組合せ再熱弁、６０…蒸気タービン過速防止システム、６１…バイパス手段、６２…弁、６３…配管、６４…分岐部の上流側部分、６５…分岐部、６６…弁

Claims (5)

1. 高圧タービンと、中圧タービンと、この中圧タービンの出口に第１の配管を通じて接続された低圧タービンとを備える蒸気タービンと、前記低圧タービンの出口に接続される復水器とを備えた発電プラントにおける蒸気タービン過速防止システムにおいて、
   前記中圧タービンの中間段落部と前記復水器とを接続するバイパス手段と、
   前記バイパス手段の途中に設けられ、通常運転時は前記バイパス手段を遮断し、負荷遮断時は前記バイパス手段を連通させて前記中圧タービンにおける残留蒸気を前記復水器へ導くための第１の弁と、
   前記第１の配管に設けられ、前記通常運転時は前記第１の配管を通じて前記中圧タービンから前記低圧タービンへの蒸気を連通させ、前記負荷遮断時は前記中圧タービンから前記低圧タービンへの蒸気の流通を遮断するための第２の弁と、
   を有する蒸気タービン過速防止システム。
2. 前記バイパス手段は、前記中圧タービンの抽気管を利用する請求項１記載の蒸気タービン過速防止システム。
3. 前記バイパス手段は、前記抽気管の途中から分岐して前記復水器へと接続する第２の配管を有し、前記第２の配管の途中に前記第１の弁を有する請求項２記載の蒸気タービン過速防止システム。
4. 前記バイパス手段は、前記中圧タービンにおける初段と最終段との間の中央部の位置よりも初段側の位置に接続される請求項１記載の蒸気タービン過速防止システム。
5. 高圧タービンと、中圧タービンと、この中圧タービンの出口に第１の配管を通じて接続された低圧タービンとを備える蒸気タービンと、前記低圧タービンの出口に接続される復水器とを有する発電プラントであって、
   前記中圧タービンの中間段落部と前記復水器とを接続するバイパス手段と、
   前記バイパス手段の途中に設けられ、通常運転時は前記バイパス手段を遮断し、負荷遮断時は前記バイパス手段を連通させて前記中圧タービンにおける残留蒸気を前記復水器へ導くための第１の弁と、
   前記第１の配管に設けられ、前記通常運転時は前記第１の配管を通じて前記中圧タービンから前記低圧タービンへの蒸気を連通させ、前記負荷遮断時は前記中圧タービンから前記低圧タービンへの蒸気の流通を遮断するための第２の弁と、
   を有する蒸気タービン過速防止システムを備えることを特徴とする発電プラント。

Images