JPH04171202A

JPH04171202A - 蒸気タービン発電プラント

Info

Publication number: JPH04171202A
Application number: JP29884190A
Authority: JP
Inventors: Tatsuro Omori; 大森　達郎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-11-06
Filing date: 1990-11-06
Publication date: 1992-06-18

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、蒸気タービン発電プラントに係り、特に、主
蒸気の温度、圧力を上昇させた超高温高圧タービンを用
いた発電プラントに関する。

（従来の技術）従来の蒸気タービン発電プラントにおける蒸気条件は、
主蒸気圧力２４６ｋｇ／ｃｏｆ　ｇ　、主蒸気温度５３
８℃、再熱蒸気温度５６６℃が一般的であるが、この蒸
気圧力、温度をさらに上昇させることにより、発電プラ
ントの熱効率を大幅に改善することができる。この原理
を最も単純な蒸気タービン発電システムであるランキン
サイクルを用いて説明する。

第６図は、ランキンサイクルの温度・エントロピ線図（
Ｔ−３線図）を示す。同図において、従来のプラントは
、線Ａ’　ＢＥＦ’　Ａ’で、温度、圧力を上昇させた
超高温高圧プラントが線ＡＢＥＦＡで示されている。従
来のプラント有効仕事は面積Ａ’　ＢＥＦ’で、熱損失
は面積ＢＣＤＥで表される。従って、熱効率は、面積Ａ
’　ＢＥＦ’　／面積Ａ’　ＣＤＦ’　となる。超高温
高圧プラントでは、有効仕事が面積ＡＡ’　ＦＦ’だけ
増加するため、面積ＡＡ’　ＦＦ’　／面積ＡＣＤＦ分
だけプラント熱効率は上昇する。

例えば、主蒸気圧力３１６ｋｇ／ａｉｇ　、蒸気温度５
６６／　５６６／　５６６℃の二段再熱蒸気タービンの
場合（第８図に示す）、従来のプラントより約４％の熱
効率向上が期待できる。

第７図は、主蒸気温度と熱効率向上値との関係を示す。

同図において、ａは従来のプラントを示し、ｂ−ｄは超
高温高圧プラントを示している。

一方、タービンのロータ、ケーシングの材料についてみ
ると、ｂ、ｃのレベルまでは現在使用されているフェラ
イト系の鋼材を高温用に改良した材料で対応できるが、
ｄのレベルまではオーステナイト系の材料が必要となる
。第８図は、ｂ、ｃのレベルの代表的な蒸気タービンプ
ラントを示す。

同図において、ボイラ１で発生された超高温高圧の蒸気
は、超高圧タービン２ａで仕事した後、再びボイラ１に
入り　５６６℃に加温され高圧タービン３に導かれる。

高圧タービン３を出た蒸気は、再度ボイラ１で加温され
た後、中圧タービン４゜低圧タービン５で仕事をし、復
水器７で凝縮して水になる。この水は、給水ポンプ８で
加圧され、ボイラ１へ導かれる、各タービンで蒸気が行
った仕事は、ロータの回転エネルギーとなり、発電機６
で電気エネルギーに変換される。

ところが、第７図のｄのレベル（主蒸気温度６５０℃）
になると、ロータ、ケーシング等の高温強度を確保する
ため、タービンの主要部の材料にクロム、ニッケル等を
多量に含入したオーステナイト系ステンレス鋼やニッケ
ル基の超合金を用いる必要が生じる。これらオーステナ
イト系の材料は、高価なため温度、圧力ともに高い超々
高圧部のみに用いるべく第９図に示すように超々高圧タ
ービン９ａが別に設置されている。

この場合、超々高圧タービン９ａから低圧タービン５ま
でを一本の軸でつなぐのは、タービンの全長が長くなり
軸の熱伸びや建屋の大きさの関係で好ましくなく、低圧
タービン５を同図に示すように別軸とするのが一般的で
ある。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、主蒸気温度６５０℃級の蒸気タービン発
電プラントで用いられるオーステナイト系材料は、フェ
ライト鋼に比べて高温強度は優れてはいるが、熱伸びが
大きく、熱伝導率が悪い等の特性を有している。

通常、蒸気タービンの起動時には、回転部であるロータ
側か静止部であるケーシング側より先に温まり、停止時
には逆にロータ側かケーシング側より早く冷たくなる。

そこで、ロータ、ケーシング間の熱伸びの差が大きいと
、タービン各部の軸方向の間隙を大きくする必要が生じ
、蒸気漏洩によるタービン内部効率低下の要因となり、
回転部と静止部との接触による事故の発生する危険性が
ある。

また、熱伝導率が悪いと、タービン起動時にロータ、ケ
ーシング等の蒸気通路部側のみ熱くなり、内外面での温
度差が大きくなるため、蒸気通路部側に大きな熱応力が
生じる。そのため、タービンのウオーミングに長時間を
要し、急速な起動・停止ができない。

さらに、超々高圧タービンを通過する蒸気は、圧力が高
いため、体積流量が小さく、従ってタービン翼長も短く
なり、タービン内部効率も低い値となる。

そこで、本発明の目的は、オーステナイト系材料を用い
たタービン発電プラントにおいて、熱伸びや熱応力に起
因する不具合を除去し、高効率。

高信頼性、高運用性を備えた蒸気タービン発電プラント
を提供することにある。

［発明の構成コ（課題を解決するための手段）本発明は、ボイラから蒸気タービンに最初に供給される
主蒸気の温度、圧力が在来より高いレベルにあり、且つ
前記タービンが複数の蒸気タービンを直列に接続した蒸
気タービン群または複数の蒸気タービンを直列に接続し
た蒸気タービン群を並列して構成されている蒸気タービ
ン発電プラントにおいて、主蒸気が最初に導入される蒸
気タービンのみを別軸とし、単独に発電機を駆動するよ
うにしたものである。

（作　用）ボイラで発生した在来レベルより高い温度、圧力の主蒸
気が最初に導入される蒸気タービンは、他の蒸気タービ
ン群とは別軸で単独に発電機を駆動するようにしている
ので、運転条件を他の蒸気タービン群に影響されること
なく選択でき、使用材料に対応した構成が容易になり内
部効率の向上、遠心応力、熱伸びの影響、高温部におけ
る熱応力等を低減することができる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。第
１図は、本発明の一実施例を示す構成図である。

同図において、１はボイラ、２ａは超高圧タービン、３
は高圧タービン、４は中圧タービン、５は低圧タービン
、９ｂは超々高圧タービンを示す。

この超々高圧タービン９ｂには発電機６ａを直結し、超
高圧タービン２ａから低圧タービン５までは軸を連結し
、この軸に発電機６ｂを直結する。

ボイラ１で発生した蒸気は、超々高圧タービン９ｂから
超高圧タービン２ａへ流れ、ボイラ１で再熱され高圧タ
ービン３へ導かれる。高圧タービン３を出た蒸気は、ボ
イラ１で再熱され中圧タービン４へ導かれ、この中圧タ
ービン４から低圧タービン５へ流れ、復水器７で凝縮し
て水になる。

この水は、給水ポンプ８で加圧され、ボイラ１に給水さ
れる。

しかして、超々高圧タービン９ｂは、高温強変に対応す
るためオーステナイト系材料を用い、超高圧タービン２
ａ等の約１／２の回転速度で運転し発生動力を発電機６
ａで電気エネルギーに変換する。なお、超高圧タービン
２ａや高圧タービン３は、圧力、温度が比較的低いので
フェライト鋼を用いる。

上記したように超々高圧タービン９ｂは、超高圧タービ
ン２ａ等の１／２の回転速度で運転されるが、タービン
内部における蒸気の軸流速度がタービンの回転速度に比
例するように翼を設計されているので、蒸気の軸流速度
を回転速度に合せて遅くするためには、翼長を約２倍に
する必要がある。

ここで、タービンの翼長と段落効率との関係を第２図に
示す。同図から明らかなように翼長５（１ｍｍ以下にな
ると段落効率が急激に低下する。これは、タービン蒸気
通路部の壁面近傍では、第３図に示すように二次流れｌ
Ｏが影響を及ぼす範囲ｌが翼長しにかかわらず略一定し
ているから、翼長しが短くなると相対的に二次流れ１０
の範囲が大きくなるためと考えられる。

従って、超々高圧タービン９ｂの翼長が従来の２０〜３
０ｍｍから約２倍の約５０ｍｍへと長くなれば、タービ
ン内部効率も上昇する。

また、低い回転速度とした超々高圧タービン９ｂの遠心
力を、従来の回転速度のものと比較してみる。回転体の
遠心力は、ｍｒω２で表されるが、翼の質量ｍは長さが
２倍になるので約２倍、回転半径ｒ路間じ、回転角速度
ωが約１／２になる。

従って、回転速度を約１／２、翼長を約２倍とした超々
高圧タービン９ｂは、遠心力が従来の回転速度のものの
約１／２となるので、信頼性が大幅に向上する。

さらに、超々高圧タービン９ｂは、独立した軸（他のタ
ービンが連結されていない）で設置されているため、熱
伸びの影響が他の高圧タービン３、中圧タービン４、低
圧タービン５に及ぶことがなく、高圧タービン３、中圧
タービン４、低圧タービン５の軸方向間隙を小さくする
ことができ、信頼性の向上、漏洩損失の低減を図ること
ができる。

一方、第４図に示すように主蒸気止め弁１１、蒸気加減
弁１２と超々高圧タービン９ｂとの間に弁１３を介して
補助蒸気管を接続すると共に、超々高圧タービン９ｂの
排気弁１４の上流側にウオーミング弁１５を介して復水
器（図示しない）へ接続する分岐管を接続して設け、タ
ービン停止中に主蒸気止め弁１１と排気弁１４を閉とす
れば、超々高圧タービン９ｂのみのウオーミング運転が
可能となる。

これにより、高い熱応力が発生しゃすい超々高圧タービ
ン９ｂを常に高温に保持し、タービン起動による熱応力
を低減させることができ、急速な起動停止が可能となり
負荷の変動に対応しやすくなる。

なお、以上説明した実施例は、オーステナイト系材料を
用いる超々高圧タービン９ｂを別軸としたが、本発明は
これに限定されるものではなく、フェライト系材料を用
いる超高圧タービンを別軸としても同様の効果が得られ
る。

第５図は、この発明にかかる蒸気タービン発電プラント
の他の実施例を示し、フェライト系材料を用いた超高圧
タービン２ｂが一軸で発電機６ａを直結しており、高圧
タービン３、中圧タービン４、低圧タービン５が相互の
軸を連結すると共に発電機６ｂを直結している。

しかして、超高圧タービン２ｂは、回転速度を高圧ター
ビン３等の回転速度の１７２とし、翼長を約２倍とする
ことにより、上記した実施例と同様に信頼性の向上、漏
洩損失の低減、超高圧タービン２ｂの単独ウオーミング
による熱応力の低減を図ることができる。

この実施例は、従来の蒸気条件（２４６ｋｇ／ｃ！Ｉｒ
ｇ　。

５３８／　５６６℃）の上記タービン発電プラントに、
上記した主蒸気条件に対応できる過熱器および再熱器を
備えたボイラｌａｓ超高圧タービン２ｂ。

発電機６ａを追加設置することにより、熱効率の高い超
高温高圧発電プラントに改造できる特徴を有する。なお
、１ｂは、従来のボイラを示す。

［発明の効果コ以上説明したように本発明によれば、在来レベルより高
い温度、圧力の主蒸気が最初に導入される蒸気タービン
を他の蒸気タービン群とは別軸で単独に発電機を駆動す
るようにしているので、蒸気タービンの内部効率の向上
を図ると共に、高温高圧部の遠心応力を低減し、さらに
熱伸びの影響や高温部における熱応力の低減を可能とし
た蒸気タービン発電プラントを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図はター
ビンの翼長と段落効率の関係を示す線図、第３図はター
ビン内部の蒸気の流れを示す説明図、第４図は第１図の
一部を示す詳細図、第５図は本発明の他の実施例を示す
構成図、第６図はランキンサイクルの温度とエントロピ
の関係を示す線図第７図は主蒸気温度と熱効率の関係を
示す説明図、第８図は従来の超高温高圧タービン発電プ
ラントの構成図、第９図は第８図と異なる従来の超高温
高圧タービン発電プラントの構成図である。１、ｌａ、ｌｂ・・・ボイラ２ａ、２ｂ・・・超高圧−タービン３・・・高圧タービン４・・・中圧タービン５・・・低圧タービン６ａ、６ｂ・・・発電機７・・・復水器８・・・給水ポンプ９ａ、９ｂ・・・超々高圧タービン（７３１７）代理人　弁理士　則近　憲佑ヌ長（ｍｍ）第　２１！１ｖ箒　３　図第　４　図エントロヒ。第６ｒｇ！Ｊ土直丸ン１１ｉ（’Ｃ）第　７　図第　　　タ　　　　穆σ

Claims

【特許請求の範囲】

ボイラから蒸気タービンに最初に供給される主蒸気の温
度、圧力が在来より高いレベルにあり、且つ前記タービ
ンが複数の蒸気タービンを直列に接続した蒸気タービン
群または複数の蒸気タービンを直列に接続した蒸気ター
ビン群を並列して構成されている蒸気タービン発電プラ
ントにおいて、前記主蒸気が最初に導入される前記蒸気
タービンのみを別軸とし、単独に発電機を駆動するよう
にしたことを特徴とする蒸気タービン発電プラント。