(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービン冷機起動時に高圧・中圧ケーシングの不均等な厚肉部、蒸気流れの滞留しやすい部位、および経験的にクラックの発生し易い部位にヒータを取り付けるとともに、
このヒータの取付部位に、前記ケーシングの内外面金属温度を測定する温度測定手段を設け、
この温度測定手段による温度データと予め決められた目標予熱完了温度との温度差を求め、この温度差が予め決められたプラス側の許容偏差より大きいかマイナス側の許容偏差より大きいかをそれぞれ演算する比較演算器と、
前記ヒータを前記温度差がプラス側の許容偏差より大きい場合にはオフ操作を、マイナス側の許容偏差より大きい場合はオン操作を行ない蒸気タービンのウォーミングを行なう蒸気タービンのウォーミング装置において、
前記比較演算器からの信号を分岐し、前記温度差がプラス側およびマイナス側の許容偏差に収まっている場合にのみ、その信号をタイマーに入力し、
このタイマーで予め決められた経過時間の後、前記ケーシング内に蒸気を導入するために弁を開にする
ことを特徴とする蒸気タービンのウォーミング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラントの起動時において蒸気タービンの高圧・中圧ケーシングのウォーミングを行うための蒸気タービンのウォーミング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、蒸気タービンプラントにおいては、蒸気タービン冷機起動（コールドスタート）時に、蒸気タービンの高圧・中圧ケーシングのプレウォーミングを行い、引き続いて蒸気加減弁ケーシングのウォーミングを行った後、タービンの起動を行っている。
【０００３】
上記高圧・中圧ケーシングのプレウォーミングは、蒸気タービン冷機起動時にタービンを予熱することにより、起動時の蒸気温度とケーシング，ロータの表面および内部金属温度との温度差、いわゆるミスマッチ温度差を低減し、起動過程における過大な熱応力を制御することにより、タービンケーシングおよびロータにクラックが発生することを防止している。
【０００４】
図１４は一般のタービンケーシングを示す概略図である。図１４に示すように、タービンケーシングは、外部ケーシング上半体１および外部ケーシング下半体２からなり、外部ケーシング上半体１は高圧内部ケーシング上半体１ａおよび中圧内部ケーシング上半体１ｂを有する一方、外部ケーシング下半体２は高圧内部ケーシング下半体２ａおよび中圧内部ケーシング下半体２ｂを有している。
【０００５】
このタービンケーシングには、蒸気の出入口として複数の管部が設けられており、主蒸気入口管上部３ａおよび主蒸気入口管下部３ｂから外部ケーシング上半体１および外部ケーシング下半体２に流入した蒸気は、ケーシング内部で膨張、仕事をした後、外部ケーシング下半体２に設けられた高圧排気管４から排出され、図示しないボイラに戻され再熱される。この再熱された蒸気は再び外部ケーシング下半体２へ再熱入口管５から流入し、再び膨張、仕事をした後、中圧排気管６から排気され、図示しない低圧タービンへ送られる。
【０００６】
プレウォーミング時は、高圧内部ケーシング上半体１ａおよび高圧内部ケーシング下半体２ａ内をプレウォーミング蒸気が流れ、中間グランド７を経て中圧内部ケーシング上半体１ｂおよび中圧内部ケーシング下半体２ｂ内部に流入し、中圧排気管６を通して図示しない低圧タービンに流入する。
【０００７】
また、プレウォーミング時に高圧内部ケーシング上半体１ａおよび高圧内部ケーシング下半体２ａ内には、高圧排気管４に接続された低温再熱管８の途中から分岐した補助蒸気ライン９によりプレウォーミング弁１０を介し、図示しない補助蒸気ヘッダーからウォーミング蒸気が供給される。
【０００８】
さらに、熱電対１１ａ，１１ｂは、それぞれ高圧内部ケーシング下半体２ａの内面および外面の金属温度を計測し、かつプレウォーミング時の蒸気温度も監視している。
【０００９】
上記プレウォーミングは、ボイラ点火直後、熱電対１１ａにより高圧タービン第１段ケーシング内面金属温度が計測された際、その計測温度が所定の値（１５０℃）以下の場合に実施され、大型火力ユニットでウォーミング開始から完了まで約６時間も要する。
【００１０】
なお、一般にロータよりケーシングの方が極めて熱容量が大きく、暖まりにくいため、プレウォーミング完了時間は、ケーシングの所要加熱時間で決定されるといってもよい。
【００１１】
さらに、上記タービンケーシングのプレウォーミング完了後は、蒸気加減弁ケーシングのウォーミングが実施される。これはタービン起動前に、蒸気加減弁の上流側の主蒸気止め弁を開閉動作させ、蒸気加減弁の内外面メタル温度を上昇させ、タービン起動時の蒸気加減弁の内外面メタル温度差および温度上昇率を緩和させることにより、蒸気加減弁ケーシングに発生する過大な熱応力を軽減するために実施するものである。一般に、このウォーミングは、蒸気加減弁の外面メタル温度が起動時の主蒸気圧の飽和温度に接近した時を完了時点としているが、最短でも約１時間を要する。
【００１２】
以上のように、蒸気タービンプラントでは、その冷機起動過程において、そのウォーミングのため、合計７時間以上も要している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように蒸気タービンプラントの冷機起動では、蒸気タービンの熱応力を軽減するため、そのプレウォーミング完了までの約６時間に加え、蒸気加減弁ケーシングのウォーミングに最低１時間かかる結果、タービン起動までにウォーミングだけで７時間以上もかかってしまう。これにより、電力需要に対するプラントの早急な立上げ要求の支障になると同時に、電力要求時間帯への対応として深夜にプラント起動準備に入らなければならないという発電所作業員の労働条件の悪化にも繋がる問題点がある。
【００１４】
一方、プレウォーミングのために補助蒸気ボイラを長期間に亘って運転させた場合には、プラント起動段階での発電所の経済性を低下させるという問題点もある。
【００１５】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、発電プラントの起動時において蒸気タービンのウォーミング時間を短縮するとともに、熱応力を軽減可能な蒸気タービンのウォーミング装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の請求項１は、蒸気タービン冷機起動時に高圧・中圧ケーシングの不均等な厚肉部、蒸気流れの滞留しやすい部位、および経験的にクラックの発生し易い部位にヒータを取り付けるとともに、このヒータの取付部位に、前記ケーシングの内外面金属温度を測定する温度測定手段を設け、この温度測定手段による温度データと予め決められた目標予熱完了温度との温度差を求め、この温度差が予め決められたプラス側の許容偏差より大きいかマイナス側の許容偏差より大きいかをそれぞれ演算する比較演算器と、前記ヒータを前記温度差がプラス側の許容偏差より大きい場合にはオフ操作を、マイナス側の許容偏差より大きい場合はオン操作を行ない蒸気タービンのウォーミングを行なう蒸気タービンのウォーミング装置において、前記比較演算器からの信号を分岐し、前記温度差がプラス側およびマイナス側の許容偏差に収まっている場合にのみ、その信号をタイマーに入力し、このタイマーで予め決められた経過時間の後、前記ケーシング内に蒸気を導入するために弁を開にすることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は本発明に係る蒸気タービンのウォーミング装置の第１実施形態を示す斜視図である。なお、従来の構成と同一または対応する部分には、図１４と同一の符号を用いて説明する。
【００２４】
図１に示すように、タービンケーシングは、外部ケーシング上半体１および外部ケーシング下半体２からなり、メンテナンス性を考慮して水平に上下２分割可能な構造になっており、多数のナット１２により締結されている。
【００２５】
このタービンケーシングには、蒸気の出入口として複数の管部が設けられ、主蒸気入口管上部３ａおよび主蒸気入口管下部３ｂから外部ケーシング上半体１および外部ケーシング下半体２に流入した蒸気は、ケーシング内部で膨張、仕事をした後、外部ケーシング下半体２に設けられた高圧排気管４から排出され、図示しないボイラに戻され再熱される。この再熱された蒸気は再び外部ケーシング下半体２へ再熱入口管５から流入し、再び膨張、仕事をした後、中圧排気管６から排気され、図示しない低圧タービンへ送られる。
【００２６】
外部ケーシング上半体１において、不均等な厚肉部、蒸気流れの滞留しやすい部位、経験的にクラックの発生し易い部位に、それぞれ電気抵抗型ヒータ１３ａ，１３ｂおよび１３ｃが取り付けられ、これらは既存の保温材固定金具により固定されている。
【００２７】
上記不均等な厚肉部とは、図２に示す高圧タービンにおいてケーシング胴とケーシングフランジの曲率部Ａ、ケーシング胴とケーシング胴（またはケーシング胴とケーシングフランジ、ケーシング胴と短管）との溶接接続部Ｂ、図３に示す中圧タービンにおいて配管開口部（ケーシングから突出した短管接続部）Ｃが挙げられる。
【００２８】
また、蒸気流れの滞留し易い部位とは、例えば外部ケーシングと内部ケーシングとの間に形成された空間や、蒸気通路部でケーシング内面に凹凸が形成された部分である。さらに、クラックの発生し易い部位とは、上記不均等な厚肉部および蒸気流れの滞留し易い部位で具体的に挙げた部分である。
【００２９】
図４は図１の全体構造の縦断面を概略的に示しており、外部ケーシング上半体１は高圧内部ケーシング上半体１ａおよび中圧内部ケーシング上半体１ｂを有する一方、外部ケーシング下半体２は高圧内部ケーシング下半体２ａおよび中圧内部ケーシング下半体２ｂを有している。
【００３０】
プレウォーミング時は、従来と同様に、図４中の矢印に従ってまず高圧内部ケーシング上半体１ａおよび高圧内部ケーシング下半体２ａ内をプレウォーミング蒸気が流れ、中間グランド７を介して中圧内部ケーシング上半体１ｂおよび中圧内部ケーシング下半体２ｂ内部に流入し、中圧排気管６を通して図示しない低圧タービンへ流入する。
【００３１】
また、熱電対１１ａ，１１ｂはそれぞれ高圧内部ケーシング下半体２ａの内面および外面の金属温度を計測し、かつプレウォーミング時の温度も監視している。そして、高圧排気管４に接続された低温再熱管８の途中から分岐された補助蒸気ライン９によりプレウォーミング弁１０を介し、図示しない補助蒸気ヘッダーからウォーミング蒸気が供給される。
【００３２】
図５は電気抵抗型ヒータ１３ａ，１３ｂおよび１３ｃを示し、これらのヒータ１３ａ，１３ｂおよび１３ｃは、それぞれ可撓性を有する耐熱布１４内にニクロム線などからなるヒータエレメント１５が織り込まれており、これらのヒータエレメント１５はそれぞれヒータケーブル１６を介して端子箱１７に電気的に接続され、この端子箱１７は図示しない電源に通電されている。
【００３３】
次に、上記第１実施形態の作用を図６に基づいて説明する。
【００３４】
プラント停止後、図６中の自然冷却曲線ｔＮ  に示すように直ちにタービン部品の冷却が始まるが、次回の再起動に備えてある時期にヒータ電源を投入し、ケーシング各部を局部的に加熱・保温しておく。
【００３５】
つまり、ヒータ１３ａ，１３ｂおよび１３ｃの作動時期は、再起動までの時間次第であり、図６では完全に常温まで冷却した状態、すなわち比較的長時間停止後の再起動の場合で起動準備（ウォーミング開始）に先立ってヒータ１３ａ，１３ｂおよび１３ｃを作動させている。これにより、金属面温度は内表面、外表面ともに常温での金属温度ｔ１  からヒータによる昇温値ｔ２  に温度上昇曲線ｔｈ  に沿って上昇させることができ、ウォーミングはこの温度から始めればよいので、従来のウォーミング所要時間Ｔ１（従来例として６時間）がＴ２に短縮される。ここで、ｔｗ  はウォーミング完了温度である。
【００３６】
このとき、従来技術での金属内面温度ｔｉｍ、金属外面温度ｔｏｍを、本実施形態での同温度ｔｉｍ１、ｔｏｍ１と比較して図中に示している。これから明らかなように、ウォーミング中の金属内面温度ｔｉｍ１と金属外面温度ｔｏｍ１との差ｄｔ１（＝ｔｉｍ１−ｔｏｍ１）は、従来技術の差ｄｔ（＝ｔｉｍ−ｔｏｍ）と比較して小さく、これらの温度差に比例した内外面温度差による熱応力σ１も従来の熱応力σと比較して低く抑えることができる。
【００３７】
なお、本実施形態において、ヒータ１３ａ，１３ｂおよび１３ｃはケーシングに局部的に配置されているため、その容量を大容量にした場合には他の部位と温度差が大きくなり好ましくないので、容量を調整する必要がある。
【００３８】
このように本第１実施形態によれば、ヒータ１３ａ，１３ｂおよび１３ｃによる予熱により蒸気ウォーミング開始温度を完全冷機起動よりも上昇させたことにより、ウォーミング時間の短縮を図るとともに、ウォーミング時の熱応力を低減することができ、また起動の度に繰り返し負荷されることによる熱疲労損傷、すなわちクラックの発生、その進展を防止することができる。
【００３９】
図７は本発明に係る蒸気タービンのウォーミング装置の第２実施形態を示す斜視図、図８は図７におけるＡ−Ａ線断面図である。なお、前記第１実施形態と同一または対応する部分には、同一の符号を付して説明する。以下の各実施形態でも同様である。
【００４０】
この第２実施形態では、電気抵抗型ヒータ１３が外部ケーシング１，２の高温部位のほぼ全面に取り付けられている。これにより、ケーシング全体を均一に予熱できるため、予熱温度を一段と上昇させることができる。
【００４１】
この作用を図９に基づいて説明する。
【００４２】
図９では、ウォーミング中の金属内面温度ｔｉｍ２と金属外面温度ｔｏｍ２との差ｄｔ２（＝ｔｉｍ２−ｔｏｍ２）、これらの温度差に比例した内外面温度差による熱応力σ２を、図４と同様に従来の内外面温度差ｄｔ（＝ｔｉｍ−ｔｏｍ）、温度差に比例した内外面温度差による熱応力σと比較した図を示している。
【００４３】
図９に示すように、ウォーミング時間を一段と短縮するとともに、ウォーミング時の熱応力を低減させることができ、場合によって電気抵抗型ヒータ１３の容量を増加させれば、蒸気ウォーミングを完全に省略することができる。
【００４４】
図１０は本発明に係る蒸気タービンのウォーミング装置の第３実施形態におけるヒータを示す断面図である。前記第１，第２実施形態が電気抵抗型ヒータ１３をケーシング表面に取り付けていたのに対し、本実施形態の電気抵抗型ヒータ１３は保温材１８の内面に固定金具１９により取り付けられている。これにより、電気抵抗型ヒータ１３の分解・点検が容易になり、保守性を向上させることができる。
【００４５】
図１１は本発明に係る蒸気タービンのウォーミング装置の第４実施形態を示す説明図である。本実施形態では、第１実施形態において電気抵抗型ヒータ１３ａ，１３ｂおよび１３ｃの取付部位に、外部ケーシング上半体１または外部ケーシング下半体２の各内外面金属温度を測定するため、温度測定手段としての金属内面温度測定用の熱電対２０ａおよび金属外面温度測定用の熱電対２０ｂが取り付けられている。なお、温度測定手段としては、熱電対に限らず他のものでもよい。
【００４６】
したがって、本実施形態によれば、金属内面温度測定用の熱電対２０ａおよび金属外面温度測定用の熱電対２０ｂを取り付けたことにより、ヒータ１３ａ，１３ｂおよび１３ｃの取付部位である上記した不均等な厚肉部、内部蒸気流れの滞留しやすい部位、経験的にクラックの発生しやすい部位の内外面金属温度差が所定の許容温度差内にあることを監視・制御することができ、ヒータ予熱開始、終了時を確実に把握することが可能になる。その結果、装置としての信頼性を向上させることができる。
【００４７】
図１２は本発明に係る蒸気タービンのウォーミング装置の第５実施形態を示す説明図である。本実施形態では、第４実施形態の金属内面温度測定用の熱電対２０ａおよび金属外面温度測定用の熱電対２０ｂからの温度データｔｈ  を予め設定したヒータの目標予熱完了温度ｔ２  と比較し、ｔｈ  −ｔ２  をある許容偏差δｔと演算手段としての比較演算器２１，２１で演算処理してサーボモータ２２を作動させ、スイッチ２３を自動的にオン、オフさせることで、電気抵抗型ヒータ１３のオン、オフ操作を行っている。このサーボモータ２２は双方向タイプであれば、油圧駆動，エア駆動，電動弁タイプのいずれでもよい。
【００４８】
したがって、本実施形態によれば、電気抵抗型ヒータ１３に電源オン、オフ機能を設け、所定の保持温度、すなわち目標ウォーミング開始温度を自動的に維持することができる。その結果、ウォーミング開始までの操作の無人化が可能となり、省力化を図ることができる。
【００４９】
図１３は本発明に係る蒸気タービンのウォーミング装置の第６実施形態を示す説明図である。本実施形態では、前記第５実施形態のヒータ予熱システムの自動化に補助蒸気によるウォーミング装置を連動させたものである。
【００５０】
図１３に示すように、比較演算器２１，２１とサーボモータ２２との間は、それぞれ分岐されて否定演算器２４，２４が接続され、これらの否定演算器２４，２４はＡＮＤ回路２５に接続される。このＡＮＤ回路２５はタイマー２６に接続され、このタイマー２６の設定時間ＤＴに基づいてプレウォーミング弁１０が開になる。
【００５１】
すなわち、金属内面温度測定用の熱電対２０ａおよび金属外面温度測定用の熱電対２０ｂからの温度データｔｈ  を予め設定したヒータの目標予熱完了温度ｔ２  と比較し、ｔｈ  −ｔ２  をある許容偏差δｔと比較演算器２１，２１で演算処理してサーボモータ２２を作動させ、スイッチ２３を自動的にオン、オフさせる。
【００５２】
そして、プレウォーミングの開始時期Ｔｂは、ヒータ予熱システムの運用開始時間Ｔａにおいて設定した目標予熱完了温度ｔ２  に達したときであり、この予熱完了信号Ｓ１によりプレウォーミング弁１０が開けられ、ウォーミングが開始される。ここで、予熱完了信号Ｓ１は電気抵抗型ヒータ１３による予熱温度ｔｈ  がその最終目標値ｔ２  との許容偏差δｔ内に収まって静定したことを確認した後に発せられる。
【００５３】
具体的には、タイマー２６の設定時間ＤＴの間、電気抵抗型ヒータ１３のオン、オフ操作がなければ、静定したと判断し、プレウォーミング弁１０が自動的に開けられる。この判断のため、制御手段としての上記２つの否定演算器２４，２４と、これらのＡＮＤ条件をとるＡＮＤ回路２５が設けられている。
【００５４】
したがって、本実施形態によれば、ウォーミング開始を含む起動準備が自動化され、かつ最適化・最短化されるため、信頼性を向上させるとともに、省力化が実現可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１によれば、ケーシングの不均等な厚肉部、蒸気流れの滞留しやすい部位、および経験的にクラックの発生し易い部位に、ヒータを取り付け、タービンの長期間停止によるケーシング温度の低下を抑え、または一定値に保持しておくことにより、ウォーミング時間の短縮を図るとともに、ウォーミング時の熱応力を低減することができ、ケーシングの長期運用における信頼性を高めることができる。
また、本発明の請求項１によれば、ヒータによる予熱と補助蒸気によるウォーミングとを連動するように制御する制御手段を設けたことにより、ウォーミング開始を含む起動準備が自動化され、かつ最適化・最短化されるため、信頼性を向上させるとともに、省力化が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蒸気タービンのウォーミング装置の第１実施形態を示す斜視図。
【図２】高圧タービンにおいて不均等な厚肉部を示す構成図。
【図３】中圧タービンにおいて不均等な厚肉部を示す構成図。
【図４】図１の全体構造の縦断面構造を示す概略図。
【図５】図１の電気抵抗型ヒータを示す構成図。
【図６】第１実施形態において予熱実施時の金属面温度および熱応力を示す説明図。
【図７】本発明に係る蒸気タービンのウォーミング装置の第２実施形態を示す斜視図。
【図８】図７におけるＡ−Ａ線断面図。
【図９】第２実施形態において予熱実施時の金属面温度および熱応力を示す説明図。
【図１０】本発明に係る蒸気タービンのウォーミング装置の第３実施形態におけるヒータを示す断面図。
【図１１】本発明に係る蒸気タービンのウォーミング装置の第４実施形態を示す説明図。
【図１２】本発明に係る蒸気タービンのウォーミング装置の第５実施形態を示す説明図。
【図１３】本発明に係る蒸気タービンのウォーミング装置の第６実施形態を示す説明図。
【図１４】一般のタービンケーシングを示す概略図。
【符号の説明】
１  外部ケーシング上半体
１ａ  高圧内部ケーシング上半体
１ｂ  中圧内部ケーシング上半体
２  外部ケーシング下半体
２ａ  高圧内部ケーシング下半体
２ｂ  中圧内部ケーシング下半体
３ａ  主蒸気入口管上部
３ｂ  主蒸気入口管下部
４  高圧排気管
５  再熱入口管
６  中圧排気管
７  中間グランド
８  低温再熱管
９  補助蒸気ライン
１０  プレウォーミング弁
１１ａ，１１ｂ  熱電対
１２  ナット
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ  電気抵抗型ヒータ
１４  耐熱布
１５  ヒータエレメント
１６  ヒータケーブル
１７  端子箱
１８  保温材
１９  固定金具
２０ａ  金属内面温度測定用の熱電対（温度測定手段）
２０ｂ  金属外面温度測定用の熱電対（温度測定手段）
２１  比較演算器（演算手段）
２２  サーボモータ
２３  スイッチ
２４  否定演算器（制御手段）
２５  ＡＮＤ回路（制御手段）
２６  タイマー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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