(57)【要約】【課題】蒸気タービンを安全かつ効率的に冷却する。【解決手段】実施形態によれば、蒸気タービン冷却システムは、高圧タービンと再熱タービンとからなる蒸気タービンを運転停止後に冷却する蒸気タービン冷却システムであって、復水器から再熱タービンに導入されて昇温した空気を外部空気より高い温度に冷却する第１の空気冷却器と、第１の空気冷却器により冷却された空気を高圧タービンに導入させる空気系統と、高圧タービンに導入されて昇温した空気を冷却して排気する第２の空気冷却器とをもつ。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧タービンと再熱タービンとからなる蒸気タービンを運転停止後に冷却する蒸気タービン冷却システムであって、
復水器から前記再熱タービンに導入されて昇温した空気を外部空気より高い温度に冷却する第１の空気冷却器と、
前記第１の空気冷却器により冷却された空気を前記高圧タービンに導入させる空気系統と、
前記高圧タービンに導入されて昇温した空気を冷却して排気する第２の空気冷却器と
を備えたことを特徴とする蒸気タービン冷却システム。
【請求項２】
高圧タービンと再熱タービンとからなる蒸気タービンを運転停止後に冷却する蒸気タービン冷却方法であって、
復水器から前記再熱タービンに導入されて昇温した空気を第１の空気冷却器により外部空気より高い温度に冷却して前記高圧タービンに導入し、
前記高圧タービンに導入されて昇温した空気を第２の空気冷却器により冷却して排気する
ことを特徴とする蒸気タービン冷却方法。
【請求項３】
前記空気系統では、前記第１の空気冷却器により冷却された空気を前記高圧タービンの上半部および下半部の双方へ同時に導入させる
ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン冷却システム。
【請求項４】
前記第１の空気冷却器により冷却された空気を前記高圧タービンに導入するにあたっては、当該冷却された空気が前記高圧タービンの上半部および下半部の双方へ同時に導入させる
ことを特徴とする請求項２に記載の蒸気タービン冷却方法。
【請求項５】
前記高圧タービンの内部温度と前記第１の空気冷却器により冷却された空気の温度との差が所定値以下になった場合、前記再熱タービンに導入されて昇温した空気を前記第１の空気冷却器および前記高圧タービンを介さずに前記第２の空気冷却器に導入した後、大気へ放出することを可能とする第１の空気系統と、
前記復水器からの外部空気を前記再熱タービンおよび前記第１の空気冷却器を介さずに前記高圧タービンへ導入することを可能とする第２の空気系統とをさらに備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン冷却システム。
【請求項６】
前記高圧タービンの内部温度と前記第１の空気冷却器により冷却された空気の温度との差が所定値以下になった場合、前記再熱タービンに導入されて昇温した空気の前記第１の空気冷却器への導入を停止し、前記再熱タービンに導入されて昇温した空気を前記第２の空気冷却器に導入した後、大気へ放出し、かつ、前記復水器からの外部空気を前記高圧タービンへ導入する
ことを特徴とする請求項２に記載の蒸気タービン冷却方法。
【請求項７】
前記第１空気系統では、
前記復水器からの外部空気を前記再熱タービンおよび前記第１の空気冷却器を介さずに前記高圧タービンの上半部および下半部の双方へ同時に導入させることを可能とする空気系統を備えた
ことを特徴とする請求項５に記載の蒸気タービン冷却システム。
【請求項８】
前記復水器からの外部空気を前記再熱タービンおよび前記第１の空気冷却器を介さずに前記高圧タービンに導入するにあたっては、当該冷却された空気が前記高圧タービンの上半部および下半部の双方へ同時に導入させる
ことを特徴とする請求項６に記載の蒸気タービン冷却方法。
【請求項９】
前記第１および第２の空気冷却器は、器内圧力をそれぞれで異ならせた一体型の空気冷却器を構成している
ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、運転停止後の蒸気タービンを冷却する蒸気タービン冷却システムおよび蒸気タービン冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンの運転を停止させて定期的な点検を行う場合、または蒸気タービンの内部異常などが発生して運転できなくなった場合には、蒸気タービンの分解作業が必要となる。しかし、運転停止直後の蒸気タービン内部の温度は高く、分解作業には危険や困難を伴うので、蒸気タービンを分解作業前に冷却する必要がある。
【０００３】
運転停止後の蒸気タービンを冷却する方法としては自然冷却が一般的である。しかし、蒸気タービンの車室、ロータなどは重量物であり、質量も熱容量も大きい。また、蒸気タービンの運転中の放熱による熱損失を防ぐために、車室や配管は厚い保温材で包まれている。
【０００４】
このように蒸気タービンは冷却しにくい構造となっている。このため、自然冷却では蒸気タービンの冷却速度は低く、特に大型タービンでは運転停止から分解作業を着手できるまで約１週間が必要となる。このように、蒸気タービンを冷却するためには長い運転停止期間が必要となり、大きな売電損失となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１２７８５４号公報
【特許文献２】特公平３−４７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
蒸気タービンの冷却速度が遅い問題を解決するため、次に述べる強制冷却方法がある。この方法では、蒸気タービンの運転停止させた後、空気吸引装置を蒸気タービン入口にある蒸気弁を介して蒸気タービンに接続する。そして、温度の低い外部空気を蒸気タービンの排気部からタービン内部に吸い込ませて蒸気タービンを冷却させる。
【０００７】
しかし、温度の低い空気を運転停止直後で高温状態にある蒸気タービンに流入させると、蒸気タービン内部と冷却用の外部空気との温度差が大きくなり、冷却過程において蒸気タービンに大きな熱応力や変形が発生する可能性がある。このような熱応力や変形の発生を回避するためには蒸気タービン内部温度の変化を許容範囲内に収める必要がある。手段としては、冷却用の外部空気の流量を調整するための複雑な制御システムが必要となる。
【０００８】
また、次に述べる別の冷却方法がある。この方法では既設の真空ポンプを動作させる。そして、復水器に設置された真空破壊弁を開放する。これにより、冷却流体とする外部空気が復水器内に吸い込まれ、この外部空気を復水器から蒸気タービンの高圧タービン排気部および再熱タービン排気部にそれぞれ流入させて蒸気タービンを冷却させる。
【０００９】
しかし、この方法では、上方排気方式または下方排気方式のいずれかを採用する高圧タービンと再熱タービンとから成る再熱蒸気タービンにおいて、運転停止直後で高温状態にある高圧タービン内に温度の低い外部空気を流すと、外部空気と高圧タービン内部との温度差が大きくなり、タービン内部に大きな歪や亀裂を生じさせる可能性がある。さらに高圧タービンの上半部または下半部のいずれか一方に冷却空気を流した場合はタービン内部の上下温度差が大きくなり、上下で不均一な変形が発生する可能性があり、警報の発報を要する事となる。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、蒸気タービンを安全かつ効率的に冷却することが可能な蒸気タービン冷却システムおよび蒸気タービン冷却方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態によれば、蒸気タービン冷却システムは、高圧タービンと再熱タービンとからなる蒸気タービンを運転停止後に冷却する蒸気タービン冷却システムであって、復水器から再熱タービンに導入されて昇温した空気を外部空気より高い温度に冷却する第１の空気冷却器と、第１の空気冷却器により冷却された空気を高圧タービンに導入させる空気系統と、高圧タービンに導入されて昇温した空気を冷却して排気する第２の空気冷却器とをもつ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、蒸気タービンを安全かつ効率的に冷却する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムの一例を示す図。
【図２】第１の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムによる蒸気タービンの冷却のための手順の一例を示すフローチャート。
【図３】第１の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムの変形例を示す図。
【図４】第２の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムの一例を示す図。
【図５】第２の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムによる蒸気タービンの冷却のための手順の一例を示すフローチャート。
【図６】第２の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムにより外部空気を用いて蒸気タービンを冷却するための手順の一例を示すフローチャート。
【図７】第２の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムの変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムの一例を示す図である。  
本実施形態では、蒸気タービンは高圧タービン１と再熱タービンを有する。再熱タービンは、中圧タービン２および低圧タービン３から成る。
【００１６】
蒸気タービンの通常運転について説明する。まず、過熱器（ＳＨ）で発生された主蒸気を主蒸気止め弁６、主蒸気加減弁７を介して高圧タービン１の蒸気導入部から該高圧タービン１内に導入（流入）させて仕事をさせる。主蒸気止め弁６の出口には主蒸気止め弁６のドレン弁９が設けられる。
【００１７】
一般的に、高圧タービンの排気方式は、上方排気方式または下方排気方式のいずれかが採用される。例えば本実施形態では、高圧タービン１は下方排気方式であり、蒸気排気部は高圧タービン１の下半部２２に設けられている。また、例えば高圧タービン１の上半部２１には冷却用の空気流入口として利用するインスペクションホールが設けられている。
【００１８】
そして、高圧タービン１の蒸気排気部から排気された蒸気を図示しない再燃器（ＲＨ）に送り、この再燃器で再熱された蒸気を再燃止め弁８を介して中圧タービン２の再燃蒸気導入部から該中圧タービン２内に導入させて仕事をさせる。再熱止め弁８の出口には再熱止め弁８のドレン弁１０が設けられる。
【００１９】
そして更に、中圧タービン２の蒸気排気部からクロスオーバー管５に排気された蒸気を低圧タービン３に送って仕事をさせ、低圧タービン３から排気された蒸気を復水器４で回収する。  
また、復水器４内の真空度を維持するために、復水器４には真空ポンプ弁１４を介して真空ポンプ１６が取り付けられる。また、復水器４には真空破壊弁１５が設けられる。
【００２０】
中圧タービン２の再燃蒸気導入部は、空気止め弁１２を介して第１空気冷却器１７の入口部に連結される。第１空気冷却器１７の出口部は空気系統を介して高圧タービン１の蒸気排気部に連結される。
【００２１】
また、高圧タービン１の蒸気導入部は主蒸気加減弁７、空気止め弁１１を介して第２空気冷却器１８の入口部に連結される。高圧タービン１の蒸気導入部から主蒸気加減弁７、空気止め弁１１を介して第２空気冷却器１８の入口部に連結される系統を空気系統１９とする。  
第２空気冷却器１８の出口部は、空気止め弁１３を介して真空ポンプ１６の吸引側に連結される。
【００２２】
次に、第１の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムによる作用について説明する。図２は、第１の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムによる蒸気タービンの運転停止後の冷却のための手順の一例を示すフローチャートである。  
蒸気タービンの運転停止後において蒸気タービンの強制冷却を開始するときは、主蒸気止め弁６、再熱止め弁８、主蒸気止め弁６側のドレン弁９、再熱止め弁８側のドレン弁１０、および真空ポンプ弁１４を全閉する（Ｓ１）。図１中で黒く塗られた弁は閉状態を指す。  
次に、主蒸気加減弁７と空気止め弁１１，１２，１３とを全開する（Ｓ２）。
【００２３】
各種弁の開閉後、冷却流体とする冷却用外部空気を蒸気タービン内部に吸い込む前に、真空ポンプ１６を起動する（Ｓ３）。真空ポンプ１６の起動後、蒸気タービン内部に残っている高温空気や蒸気を空気系統１９から引抜いて真空ポンプ１６にて抜気する事でタービン内部を真空状態とする。  
ただし、蒸気タービン内部に残っている高温空気や蒸気で真空ポンプ１６に損傷を与えないよう、これらの高温空気や蒸気を空気系統１９から引抜いて第２空気冷却器１８にて冷却した上で真空ポンプ１６にて抜気する。
【００２４】
次に、復水器４に設置された真空破壊弁１５を開放する（Ｓ４）。真空破壊弁１５を開放すると冷却用外部空気が復水器４内に吸い込まれる。この吸い込まれた冷却用外部空気は低圧タービン３、クロスオーバー管５、中圧タービン２の蒸気排気部の順に流入される。この順に冷却用外部空気を流入させる事で、再熱タービン（低圧タービン３、中圧タービン２）を冷却させる（Ｓ５）。
【００２５】
再熱タービンの次の冷却対象は高圧タービン１である。ただし、高圧タービン１を冷却するときに、復水器４内に吸い込んだ冷却用外部空気を高圧タービン１に直接流入させると、外部空気の温度と高圧タービン内部の温度との差が非常に大きくなる。これらの温度の差が大きくなると高圧タービン１内に大きな歪や亀裂を生じさせる可能性がある。
【００２６】
そこで、本実施形態では、再熱タービンを通って高温になった空気を第１空気冷却器１７にて外部空気より高い温度に冷却し（Ｓ６）、この冷却した空気を高圧タービン冷却用空気２０として空気系統を介して高圧タービン１の蒸気排気部に流入させる。これにより、高圧タービン１に流入する空気の温度と高圧タービン内部の温度との差を小さくすることができる。
【００２７】
ただし、高圧タービン１の上半部２１または下半部２２どちらか一方から高圧タービン１内部に高圧タービン冷却用空気２０を流入させると、上半部２１または下半部２２のうち高圧タービン冷却用空気２０の流入口に近い部分が流入口から遠い部分より早く冷却されてしまう。これにより高圧タービン１の内部の上下温度差が大きくなるため、高圧タービン１に変形や亀裂が発生する可能性がある。
【００２８】
この変形や亀裂を防ぐために、本実施形態では、高圧タービン冷却用空気２０を高圧タービン１の上半部２１のインスペクションホールおよび下半部２２の蒸気排気部の双方へ同時に流入させる（Ｓ７）。
【００２９】
そして、高圧タービン１を通り高温になった空気を空気系統１９を介して第２空気冷却器１８の入口部に流入させ、この第２空気冷却器１８にて冷却する（Ｓ８）。この冷却された空気は真空ポンプ１６にて大気へ放出される（Ｓ９）。
【００３０】
補機類である各種弁の開閉や各種装置の動作は手動で行ってもよいし、制御装置３０により自動的に行ってもよい。制御装置３０を用いる場合、この制御装置３０は、図２に示した手順で蒸気タービンの冷却を実行できるように、各種弁や各種装置の動作状態を図示しないセンサにより検出し、この検出結果に応じて各種補機類を動作させる。
【００３１】
図３は、第１の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムの変形例を示す図である。以降に説明する例では、図１に示した制御装置３０の図示および動作の説明は省略する。  
第１空気冷却器１７および第２空気冷却器１８は図１に示すような別体型式を採用しても良いし、コストおよび設置スペースを削減するために、図３に示すような一体型複圧式を採用しても良い。この一体型複圧式の空気冷却器は、第１空気冷却器１７と第２空気冷却器１８とを一体化させたものである。この空気冷却器では、第１空気冷却器１７の部分の器内圧力と第２空気冷却器１８の部分の器内圧力をそれぞれに適切な圧力として異ならせている。
【００３２】
以上説明した様に、本実施形態における蒸気タービン強制冷却システムによれば、高圧タービン１を冷却するときに、温度の低い外部空気を高圧タービン内に直接流入させず、再熱タービンで高温となった空気を外部温度より高い温度に冷却して、この空気を用いて高圧タービン１の冷却を行う。これにより、高圧タービン１内部に大きな歪や亀裂を生じさせることを防止できる。よって、蒸気タービンを安全かつ効率的に冷却することができる。
【００３３】
また、本実施形態では、高圧タービン冷却用空気２０を高圧タービン１の上半部２１と下半部２２との双方へ同時に流入させるので、高圧タービン１の内部の上下温度差を小さくすることができる。これにより、高圧タービン１を安全に冷却する事ができる。
【００３４】
また、本実施形態では、高圧タービン１を冷却することにおいて、復水器４に吸い込まれた外部空気自体ではなく、再熱タービンを通った空気を用いて高圧タービン１を冷却させる。これにより、復水器４と高圧タービン１とを直接接続するための外部空気系統の設置を省略することができる。
【００３５】
また、例えば高圧タービン内部の温度自体が低く、高圧タービン１に流入する空気の温度と高圧タービン内部の温度との差が小さい条件下では、第１空気冷却器１７を設けずに、復水器４からの外部空気を高圧タービン１の上半部２１と下半部２２との双方へ同時に直接流入させる構成としてもよい。この場合、前述した様に、高圧タービン１の内部の上下温度差を小さくすることができる。これにより、高圧タービン１を安全に冷却する事ができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態における蒸気タービン冷却システムの構成のうち図１に示したものと同一部分の説明は省略する。  
図４は、第２の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムの一例を示す図である。  
本実施形態では、第１の実施形態で説明した構成に対し、復水器４から高圧タービン１への高圧タービン冷却用外部空気系統２６を有する。この冷却用外部空気系統２６は空気止め弁２７を介して復水器４から各種空気冷却器を介さずに高圧タービン１の蒸気排出口へ連結される。また、この蒸気タービン強制冷却システムは、第１の実施形態で説明した空気系統１９に加えて、空気系統２４を有する。
【００３７】
空気系統２４は、中圧タービン２を通り高温になった空気を空気止め弁２５を介し、かつ第１空気冷却器１７や高圧タービン１を介さずに第２空気冷却器１８の入口部に導くことができる。また、中圧タービン２を通り高温になった空気の排出先を第１空気冷却器１７と第２空気冷却器１８との間で切り替えるために、第１空気冷却器１７側の空気止め弁１２の一端に切替え系統２３が設けられる。
【００３８】
次に、第２の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムによる作用について説明する。図５は、第２の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムによる蒸気タービンの運転停止後の冷却のための手順の一例を示すフローチャートである。  
第２の実施形態では、蒸気タービンの運転停止後の強制冷却を開始するときに、主蒸気止め弁６、再熱止め弁８、ドレン弁９，１０、真空ポンプ弁１４、空気止め弁２５，２７を全閉する（Ｓ１１）。そして、主蒸気加減弁７、空気止め弁１１，１２，１３を全開する（Ｓ１２）。そして第１の実施形態で説明したＳ３〜Ｓ９と同様の手順（Ｓ１３〜Ｓ１９）で蒸気タービンの強制冷却を実施する。これにより、第１の実施形態と同様に、タービン内部と冷却空気の温度差およびタービン内部の上下温度差を小さくすることができる。
【００３９】
図６は、第２の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムにより、運転停止後の蒸気タービンを外部空気を用いて冷却するための手順の一例を示すフローチャートである。  
第１の実施形態で説明した、高圧タービン１の強制冷却を実施し続けると、高圧タービン１の内部温度が低くなり、高圧タービン１の内部温度が高圧タービン冷却用空気２０の温度に近づくので、高圧タービン１の冷却効率が低下してしまう。
【００４０】
そこで、第２の実施形態では、高圧タービン１の内部温度が高圧タービン冷却用空気２０の温度に近づいた場合に、高圧タービン１に導く空気を高圧タービン冷却用空気２０から温度の低い外部空気に切替えるために、Ｓ１１で閉じた空気止め弁２５を開く（Ｓ２１）。そして、切替え系統２３は、Ｓ１２で全開した空気止め弁１２を閉める（Ｓ２２）。これにより、再熱タービンを通って高温になった空気を高圧タービン冷却用空気２０として高圧タービン１内部に流入させることを止めて、再熱タービンを通って高温になった空気の全部を第２空気冷却器１８の入口部に流入させる（Ｓ２３）。この流入された空気は第２空気冷却器１８にて冷却されて真空ポンプ１６にて大気へ放出される。
【００４１】
また、Ｓ１１で閉じた空気止め弁２７を開き（Ｓ２４）、復水器４からの外部空気を高圧タービン１への冷却用外部空気系統２６を通して高圧タービン１の上半部２１のインスペクションホールおよび下半部２２の蒸気排気部の双方へ同時に流入させる（Ｓ２５）。
【００４２】
このときは、高圧タービン１の内部温度は前述した様に低下している。この場合、高圧タービン１の内部温度と高圧タービン１に流入する低温外部空気の温度との差は、第１の実施形態で説明した、冷却用外部空気を高圧タービン１に直接流入させた場合の外部空気の温度と高圧タービン内部の温度との差よりは小さい。このとき、第１の実施形態で説明したような高圧タービン内部の大きな歪や亀裂は生じない。
【００４３】
高圧タービン１を通り高温になった空気は、第１の実施形態で説明した様に空気系統１９を介して第２空気冷却器１８の入口部に流入させ、この第２空気冷却器１８にて冷却する（Ｓ２６）。この冷却された空気は真空ポンプ１６にて大気へ放出される（Ｓ２７）。  
この結果、高圧タービン１の内部温度と高圧タービン１に流入する空気の温度との差が大きくなるので、高圧タービン１の冷却効率を改善する事ができる。
【００４４】
この実施形態では、再熱タービンを通って高温になった空気を高圧タービン冷却用空気２０として高圧タービン１内部に流入させることを止めた上で、再熱タービンを通って高温になった空気の全部を第２空気冷却器１８の入口部に流入させることについて説明した。  
しかし、これに限らず、空気止め弁１２を開いて、再熱タービンを通って高温になった空気の一部については高圧タービン冷却用空気２０として高圧タービン１の上半部２１のインスペクションホールおよび下半部２２の蒸気排気部の双方に継続して流入させ、再熱タービンを通って高温になった空気の残りを第２空気冷却器１８の入口部に流入させるようにしてもよい。
【００４５】
図７は、第２の実施形態における蒸気タービン強制冷却システムの変形例を示す図である。  
第１空気冷却器１７および第２空気冷却器１８は図４に示すような別体型式を採用しても良いし、コストおよび設置スペースを削減するために、図７に示すような一体型複圧式を採用しても良い。
【００４６】
以上説明した様に、第２の実施形態によれば、冷却中の高圧タービン１の内部温度が高圧タービン冷却用空気２０の温度に近づくことによる冷却効率の低下を改善するために、低温外部空気で高圧タービン１を直接冷却することができる。これにより、より効率的に蒸気タービンを冷却することができる。
【００４７】
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。
【符号の説明】
【００４８】
１…高圧タービン、２…中圧タービン、３…低圧タービン、４…復水器、５…クロスオーバー管、６…主蒸気止め弁、７…主蒸気加減弁、８…再熱止め弁、９，１０…ドレン弁、１１，１２，１３…空気止め弁、１４…真空ポンプ弁、１５…真空破壊弁、１６…真空ポンプ、１７…第１空気冷却器、１８…第２空気冷却器、１９…高圧タービン蒸気導入部から第２空気冷却器への空気系統、２０…高圧タービン冷却用空気、２１…高圧タービン上半部、２２…高圧タービン下半部、２３…切替え系統、２４…再熱タービン再燃蒸気導入部から第２空気冷却器への空気系統、２５，２７…空気止め弁、２６…高圧タービン冷却用外部空気系統、３０…制御装置。
【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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