(57)【要約】【課題】  蒸気タービンに流入する固体粒子の流入量を軽減でき、蒸気タービンに発生するエロージョンを抑制できる蒸気タービン設備の固体粒子除去装置を提供することである。【解決手段】  蒸気発生部からの蒸気を蒸気タービンに導く蒸気管１２のエルボー部１３の内部外側内壁部に内壁部捕集器１４を設け、エルボー部１３の内部中央部に中央部捕集器２９を設け、エルボー部１３の曲がりに沿って蒸気流Ｓは流れるが、固体粒子流Ｔは遠心力及び慣性力により内部捕集器１４や中央部捕集器２９の捕獲穴１５に達し、内壁部捕集器１４や中央部捕集器２９により、蒸気管１２を流れる蒸気中に含まれた固体粒子を捕集する。内壁部捕集器１４や中央部捕集器２９で捕獲した固体粒子は、配管１６を通して蒸気タービンをバイパスして復水器に導かれる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気発生部からの蒸気を蒸気タービンに導く蒸気管のエルボー部の内部外側内壁部に設けられ前記蒸気管を流れる蒸気中に含まれた固体粒子を捕集する内壁部捕集器と、前記内壁部捕集器で捕獲した固体粒子を前記蒸気タービンをバイパスして復水器に導く配管とを備えたことを特徴とする蒸気タービン設備の固体粒子除去装置。
【請求項２】
蒸気発生部からの蒸気を蒸気タービンに導く蒸気管のエルボー部の内部外側内壁部に設けられ前記蒸気管を流れる蒸気中に含まれた固体粒子を捕集する内壁部捕集器と、前記蒸気管のエルボー部の内部中央部に設けられ前記蒸気管を流れる蒸気中に含まれた固体粒子を捕集する中央部捕集器と、前記内壁部捕集器及び前記中央部捕集器で捕獲した固体粒子を前記蒸気タービンをバイパスして復水器に導く配管とを備えたことを特徴とする蒸気タービン設備の固体粒子除去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気発生部からの蒸気に含まれる固体粒子を除去する蒸気タービン設備の固体粒子除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気発生部で発生した蒸気を蒸気タービンに導き蒸気タービンで仕事を終えた蒸気を復水器で凝縮し、再び蒸気発生部に戻すようにした蒸気タービン設備においては、蒸気発生部で発生する蒸気が高温高圧になると、蒸気に固体粒子が含まれるようになる。例えば、蒸気発生部がボイラーである場合には、ボイラーで発生する蒸気が高温高圧であることから、ボイラーチューブ内に酸化スケールが付着成長する。そのボイラーチューブ内に付着成長した酸化スケールが蒸気タービン設備の起動時に剥離し、固体粒子となって蒸気とともに蒸気タービン内に流入し、蒸気タービンの動翼や静翼さらにはノズルボックス等にエロージョンを引き起こしている。
【０００３】
そこで、蒸気タービンの動翼、静翼、ノズルボックス等の表面に、硼化処理やクロムパック処理などによる拡散処理や耐磨耗セラミックコーティングを施すことで、蒸気タービンの部材の硬度を上げてエロージョンを防ぐ方法も採用されている。
【０００４】
また、高圧タービンに加え中圧タービン及び低圧タービンを備えた蒸気タービン設備では、高圧タービンで仕事を終えた蒸気を再熱器で過熱して中圧タービンに導くようにしているが、この再熱初段では、固体粒子が中圧タービンの動翼に衝突して、それが跳ね返り中圧タービンの静翼背側に再衝突することで、中圧タービンの静翼を損傷する事例も多い。そこで、中圧タービンの動翼と静翼との間隔を広げることで衝突の回数を減らしエロージョンを防ぐことも行われている。また、ボイラー側ではボイラーチューブ内面に付着した酸化スケールを除去するために酸洗が行われている。
【０００５】
蒸気中に含まれる異物を除去するものとして、異物等を慣性で除去する部分と、多孔または網目状の異物除去板によって除去する部分に分け、大径の異物は主として慣性除去部で、小径の異物は主として多孔の異物除去板によって除去するように構成したストレーナがある（例えば、特許文献１参照）。また、流入空気に含まれるじん埃をその慣性により流入空気の一部と共に捕集ダクトの排出口から吸引させて排出するようにした慣性分離型フィルタがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開昭５９−１５４１２１号公報
【特許文献２】特開昭４７−２４６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のものはボイラにおいて発生した蒸気を一定の圧力まで昇圧させた後に、弁を開として他の管体に急速に供給し、管体内にある異物を除去するブローイングアウトを行う際に、仮設で取り付けて使用するものであり、ブローイングアウトが終了した後は取り外すものである。従って、ブローイングアウトの作業が終了した後は、ボイラからの蒸気に含まれる異物は蒸気と共に蒸気タービンに導かれることになり、蒸気タービンにエロージョンが発生する可能性がある。
【０００７】
また、特許文献２のものは、流入空気に含まれるじん埃をその慣性により流入空気の一部と共に捕集ダクトの排出口から吸引させて排出するものであるが、蒸気タービンに流入する蒸気を対象としたものではないので、エネルギー損失を最小限に抑えることについての考慮がなく、そのままでは、蒸気タービンのエロージョン防止のためのフィルタとしては使用できない。
【０００８】
一方、拡散処理や耐磨耗セラミックコーティングを施し蒸気タービンの部材の硬度を上げたり、中圧タービンの動翼と静翼との間隔を広げたりしても、エロージョンを完全には防止することは不可能であり、また、ボイラーの酸洗についても、費用がかかる割には明確な効果が必ずしも認められていない。蒸気タービンのエロージョンの発生により、蒸気タービンの材料そのものが持つ寿命より短いスパンでの蒸気タービンの構成部材の取替が必要になってくる。
【０００９】
本発明の目的は、蒸気タービンに流入する固体粒子の流入量を軽減でき、蒸気タービンに発生するエロージョンを抑制できる蒸気タービン設備の固体粒子除去装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明に係わる蒸気タービン設備の固体粒子除去装置は、蒸気発生部からの蒸気を蒸気タービンに導く蒸気管のエルボー部の内部外側内壁部に設けられ前記蒸気管を流れる蒸気中に含まれた固体粒子を捕集する内壁部捕集器と、前記内壁部捕集器で捕獲した固体粒子を前記蒸気タービンをバイパスして復水器に導く配管とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明に係わる蒸気タービン設備の固体粒子除去装置は、蒸気発生部からの蒸気を蒸気タービンに導く蒸気管のエルボー部の内部外側内壁部に設けられ前記蒸気管を流れる蒸気中に含まれた固体粒子を捕集する内壁部捕集器と、前記蒸気管のエルボー部の内部中央部に設けられ前記蒸気管を流れる蒸気中に含まれた固体粒子を捕集する中央部捕集器と、前記内壁部捕集器及び前記中央部捕集器で捕獲した固体粒子を前記蒸気タービンをバイパスして復水器に導く配管とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、蒸気管のエルボー部に固体粒子を捕集する捕集器を設けるので、蒸気タービン内に流入する固体粒子を捕集することができる。そして、捕集した固体粒子は蒸気タービンをバイパスして復水器に導くので、固体粒子による蒸気タービンのエロージョンを抑制することができる。これにより、エロージョンが発生した部品の取替周期を延ばすことができるため、コストの削減が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる蒸気タービン設備の固体粒子除去装置の構成図である。固体粒子除去装置１１は蒸気管１２のエルボー部（曲がり部）１３の内部外側内壁部に設けられる。固体粒子除去装置１１は蒸気管１２を流れる蒸気中に含まれた固体粒子を捕集する内壁部捕集器１４を有し、内壁部捕集器１４の蒸気流Ｓに面する側には固体粒子を取り込み捕獲するための複数個の捕獲穴１５が設けられている。また、捕獲穴１５の背面側には内壁部捕集器１４で捕獲した固体粒子を蒸気タービンをバイパスして復水器に導く配管１６が設けられている。
【００１４】
固体粒子が含まれる蒸気流Ｓが蒸気管１２のエルボー部１３で曲がって流れる際には、蒸気と固体粒子の比重の相違から蒸気流と固体粒子との慣性が相違し、また、蒸気流が受ける遠心力と固体粒子が受ける遠心力とが相違する。従って、蒸気管１２のエルボー部１３では比重の大きい固体粒子の方が大きな曲率で曲がることになり、エルボー部１３の内部外側内壁部の近傍または一旦衝突して流れることになる。そこで、エルボー部１３の内部外側内壁部に固体粒子除去装置１１の内部捕集器１４を設け、内部捕集器１４の捕獲穴１５により固体粒子を内部捕集器１４内に捕集する。内部捕集器１４に捕集された固体粒子は配管１６を通って復水器に導かれる。
【００１５】
図２は本発明の固体粒子除去装置を蒸気タービン設備に配置した場合の蒸気タービン設備の系統構成図である。図２では蒸気タービン設備として蒸気発生部としてボイラー１７である火力発電プラントに適用される蒸気タービン設備を示している。ボイラー１７で発生した蒸気は主蒸気管１２ａを通り、主蒸気管１２ａのエルボー部１３ａで曲がって主蒸気止め弁１８及び蒸気加減弁１９を介して高圧タービン２０に導かれる。高圧タービン２０で仕事を終えた蒸気はボイラの再熱器２１で再過熱され再熱蒸気管１２ｂを通り、再熱蒸気管１２ｂのエルボー部１３ｂで曲がってインターセプト弁２２を介して中圧タービン２３に導かれる。
【００１６】
中圧タービン２３で仕事を終えた蒸気は低圧タービン２４に導かれる。これら高圧タービン２０、中圧タービン２３及び低圧タービン２４により発電機２５を駆動する。低圧タービン２４で仕事を終えた蒸気は復水器２６に導かれ、復水器２６で凝縮された水は給水ポンプ２７により再びボイラー１７に導かれる。
【００１７】
このような蒸気タービン設備の主蒸気管１２ａのエルボー部１３ａ及び再熱蒸気管１２ｂのエルボー部１３ｂに、固体粒子除去装置１１を設ける。すなわち、エルボー部１３ａ、１３ｂにそれぞれ固体粒子除去装置１１の内壁部捕集器１４を設け、それら内壁部捕集器１４から復水器２６に至る配管１６を設ける。配管１６には固体粒子送出弁２８ａ、２８ｂが設けられ、内壁部捕集器１４で固体粒子を捕集し、復水器２６に固体粒子を送出するときに固体粒子送出弁２８ａ、２８ｂが開かれる。
【００１８】
ボイラー１７で発生する蒸気が高温高圧の場合には、ボイラーチューブ内に酸化スケールが付着成長し、そのボイラーチューブ内に付着成長した酸化スケールが起動時に剥離し、固体粒子となって蒸気とともに高圧タービン２０、中圧タービン２３及び低圧タービン２４内に流入する。特に、ボイラー１７の起動時にそのような現象が生じやすい。この場合、この固体粒子が高圧タービン２０及び中圧タービン２３の動翼や静翼さらにはノズルボックス等に高速で衝突しエロージョンを引き起こす。
【００１９】
そこで、高圧タービン２０の入口の主蒸気管１２ａのエルボー部１３ａ及び中圧タービン２３の入口の再熱蒸気管１２ｂのエルボー部１３ｂに固体粒子除去装置１１を設ける。すなわち、ボイラー出口の蒸気中に含まれる固体粒子は、主蒸気に比較して約１００倍、再熱蒸気と比較して約９００倍密度が大きいので、主蒸気管１２ａまたは再熱蒸気管１２ｂ等のエルボー部１３ａ、１３ｂでは、固体粒子の方が遠心力及び慣性力によりエルボー部１３ａ、１３ｂの曲がり部外側に移動する傾向がある。
【００２０】
そこで、図１に示すように、曲がり部外側の管内面である内部外側内壁部に固体粒子を捕集するための内壁部捕集器１４を設け、内壁部捕集器１４内の蒸気を配管１６により復水器２６にブローする。これにより、固体粒子が内壁部捕集器１４の捕獲穴１５に吸い寄せられて内壁部捕集器１４に捕集され、内壁部捕集器１４に捕集された固体粒子を除去する。従って、固体粒子が高圧タービン２０や中圧タービンに流入することがなくなり、エロージョンの発生を防止できる。
【００２１】
前述のように、固体粒子の発生はボイラー１７の起動時に生じやすいので、蒸気タービン設備の起動時に固体粒子除去装置１１を起動すると効率的であるが、蒸気タービン設備の起動時だけでなく運転中においても固体粒子除去装置１１を起動するようにしてもよい。配管１６により復水器２６にブローする蒸気量は小さいので、蒸気タービン設備の運転中に固体粒子除去装置１１を起動したとしても効率が大きく低下することはないからである。
【００２２】
次に、図３は、本発明の第１の実施の形態における配管のエルボー部での固体粒子の大きさをパラメータとした固体粒子流の説明図である。図３では、配管１２の直径が０．２ｍでエルボー部１３の曲率Ｒが０．４４で蒸気の速度が５ｍ／ｓである場合の固体粒子の大きさをパラメータとした固体粒子流を示している。固体粒子は球形とし、密度は５０００ｋｇ／ｍ３とし、蒸気は主蒸気を想定し、温度４７７℃、圧力１５０ａｔａ、密度５０ｋｇ／ｍ３としている。
【００２３】
いま、直径が２０μｍ、５０μｍ、１００μｍの固体粒子が配管１２のエルボー部１３の内部内側内壁面に有るとし、蒸気流と共に配管１２のエルボー部１３を流れるとする。ここで、固体粒子が配管１２のエルボー部１３の内部内側内壁面に有るとしたのは、内部外側内壁部に設けた内壁部捕集器１４で固体粒子を捕集するのに最も厳しい条件を設定するためである。すなわち、固体粒子が配管１２のエルボー部１３の内部内側内壁面より外側に寄れば寄るほど、固体粒子流の軌跡はエルボー部１３の外側に位置し、固体粒子はエルボー部１３の内部外側内壁部の内壁部捕集器１４で捕集される確率が高くなる。
【００２４】
図３中の曲線Ｔ２０は固体粒子の大きさが直径２０μｍのときの固体粒子流の軌跡、曲線Ｔ５０は固体粒子の大きさが直径５０μｍのときの固体粒子流の軌跡、曲線Ｔ１００は固体粒子の大きさが直径１００μｍのときの固体粒子流の軌跡である。図３から分かるように、固体粒子の大きさが直径２０μｍのときの固体粒子流の移動量はＤ２０であり、固体粒子の大きさが直径５０μｍのときの固体粒子流の移動量はＤ５０であり、固体粒子の大きさが直径１００μｍのときの固体粒子流の移動量はＤ１００である。
【００２５】
このように、蒸気の速度が一定である場合には、固体粒子が大きくなればなるほど固体粒子移動量は大きくなり、固体粒子流の軌跡はエルボー部１３の外側に位置することになる。これは、固体粒子がエルボー部１３を流れる際に、固体粒子の大きさが大きいほど大きな遠心力及び慣性力を受けるためである。従って、大きな固体粒子ほど、エルボー部１３の内部外側内壁部の内壁部捕集器１４で捕集される確率が高くなる。
【００２６】
図４は、内壁部捕集器１４で固体粒子を捕集するのに最も厳しい条件のときの固体粒子の移動量と固体粒子の大きさとの関係を蒸気の速度をパラメータとして表した特性図である。縦軸は配管１２のエルボー部１３の直径に対する固体粒子移動量（実固体粒子移動量／エルボー部直径）、横軸は固体粒子の大きさ（直径μｍ）である。
【００２７】
図４中の曲線Ｅ５は蒸気の速度が５ｍ／ｓのときの固体粒子移動量（実固体粒子移動量／エルボー部直径）の特性曲線、曲線Ｅ１５は蒸気の速度が１５ｍ／ｓのときの固体粒子移動量（実固体粒子移動量／エルボー部直径）の特性曲線、曲線Ｅ２５は蒸気の速度が２５ｍ／ｓのときの固体粒子移動量（実固体粒子移動量／エルボー部直径）の特性曲線である。
【００２８】
図４から分かるように、蒸気の速度が大きくなればなるほど固体粒子の移動量は大きくなる。例えば、曲線Ｅ２５（蒸気の速度が２５ｍ／ｓ）で固体粒子移動量が「１」となるのは、固体粒子直径が８０μｍ以上のときである。従って、蒸気の速度が２５ｍ／ｓのときは、固体粒子直径が８０μｍ以上の固体粒子を１００％捕獲できる。同様に、蒸気の速度が１５ｍ／ｓのときは、固体粒子直径が９５μｍ以上の固体粒子を１００％捕獲できる。
【００２９】
図４では、固体粒子がエルボー部１３の内側内面を流れる場合の最も厳しい条件のときの固体粒子の移動量と固体粒子の大きさとの関係を示しており、実際には、固体粒子は流速の速いエルボー部１３の中央部を多く流れるので、内壁部捕集器１４での固体粒子の捕獲は、図４で示した場合より、はるかに効率的に固体粒子を捕獲できる。例えば、エルボー部１３の中央部を流れる固体粒子の場合には、移動量が「０．５」のときに１００％捕獲される。従って、固体粒子の大半がエルボー部１３の中央部を流れると仮定した場合には、蒸気の速度が５ｍ／ｓであるときには固体粒子の直径が６５μｍ以上の固体粒子を１００％捕獲できることになる。
【００３０】
ここで、エルボー部１３の半径が小さいほど固体粒子の捕集効率は上昇するが、蒸気流に対する圧力損失は上昇するので、固体粒子の捕集効率と圧力損失との観点からエルボー部１３の曲がりの半径を最適なものとする。
【００３１】
第１の実施の形態によれば、蒸気管のエルボー部の内部外側内壁部に内壁部捕集器を設けたので、蒸気タービン内に流入する固体粒子を捕集することができる。また、捕獲した固体粒子は蒸気タービンをバイパスして復水器に導くので、固体粒子によるタービンのエロージョンを抑制することができる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図５は本発明の第２の実施の形態に係わる蒸気タービン設備の固体粒子除去装置１１の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、蒸気管１２のエルボー部１３の内部中央部に中央部捕集器２９を追加して設け、エルボー部１３の内側内壁部側に流れる蒸気中に含まれた固体粒子を捕集するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３３】
図５に示すように、配管１２のエルボー部１３の内部外側内壁部に設けられた内壁部捕集器１４に加え、蒸気管１２のエルボー部１３の内部中央部に中央部捕集器２９が設けられている。図４に示したように、直径が小さい固体粒子はエルボー部１３で受ける遠心力及び慣性力は小さいので移動量も小さい。従って、エルボー部１３の中央部にも固体粒子の捕集器である中央部捕集器２９を取り付け、直径が小さい固体粒子も捕獲できるようにしている。この中央部捕集器２９で捕集された固体粒子は、内壁部捕集器１４の場合と同様に配管１６により復水器２６に導かれる。従って、蒸気タービンをバイパスすることになるのでエロージョンが発生することはない。
【００３４】
ここで、内壁部捕集器１４や中央部捕集器２９の形状は圧力損失を最小にするための形状とする。特に、中央部捕集器２９の形状は流線型にする等なめらかな形状を採用し圧力損失を低減すると共に、整流板を兼ねる構造とする。これにより、固体粒子を捕集できると共にエルボー部１３での二次流れを低減できる。
【００３５】
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、固体粒子流の速度が小さく、また直径が小さい固体粒子であっても捕獲することができる。また、
中央部捕集器２９の形状を圧力損失を低減できる形状とし、整流板を兼用できる構造とすることにより、固体粒子を捕集できると共にエルボー部１３での二次流れを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる蒸気タービン設備の固体粒子除去装置の構成図。
【図２】本発明の固体粒子除去装置を蒸気タービン設備に配置した場合の蒸気タービン設備の系統構成図。
【図３】本発明の第１の実施の形態における配管のエルボー部での固体粒子の大きさをパラメータとした固体粒子流の説明図。
【図４】本発明の第１の実施の形態における内壁部捕集器で固体粒子を捕集するのに最も厳しい条件のときの固体粒子の移動量と固体粒子の大きさとの関係を蒸気の速度をパラメータとして表した特性図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係わる蒸気タービン設備の固体粒子除去装置の構成図。
【符号の説明】
【００３７】
１１…固体粒子除去装置、１２…蒸気管、１３…エルボー部、１４…内壁部捕集器、１５…捕獲穴、１６…配管、１７…ボイラー、１８…主蒸気止め弁、１９…蒸気加減弁、２０…高圧タービン、２１…再熱器、２２…インターセプト弁、２３…、２４…、２５…発電機、２６…復水器、２７…給水ポンプ、２８…固体粒子送出弁、２９…中央部捕集器
【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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