(57)【要約】【課題】従来は、高圧タービンからの抽気蒸気をクーリング蒸気として中圧タービンロータへ供給する際、クーリング蒸気流入時に起こるロータの急激な温度変化を防止するために負荷に応じてクーリング蒸気の流量制御を行っているが、定格負荷運転後は開度を一定のまま維持している。そのため、定格負荷においては必要流量以上のクーリング蒸気が流れるため、本来高圧タービンで仕事をすべき蒸気が無駄になっていた。【解決手段】高圧タービン１と、高圧タービンと別体の中圧タービン２と、高圧タービンからの抽気蒸気を中圧タービンロータのクーリング蒸気とする系統３を有する蒸気タービン設備において、クーリング蒸気系統に設けられ、クーリング蒸気の流量制御を行う制御弁４と、タービンの負荷上昇に応じて制御弁の開度を連続的に小さくする制御装置３０を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１タービンと、
当該第１タービンと別体のタービンであって、当該第１タービンから排出され加熱された蒸気によって駆動される第２タービンと、
前記第１タービンからの抽気蒸気を前記第２タービンのクーリング蒸気として供給するクーリング蒸気系統と、
前記クーリング蒸気系統に設けられ、前記クーリング蒸気の流量制御を行う制御弁と、
タービン負荷が定格負荷に到達後、当該タービン負荷が大きいほど前記制御弁の開度を小さく制御する制御装置とを備えることを特徴とする蒸気タービン設備。
【請求項２】
請求項１に記載の蒸気タービン設備において、
前記クーリング蒸気系統に設けられ、クーリング蒸気の流量制御を行うための手動調整弁をさらに備え、
前記手動調整弁の開度は、前記第１タービン及び前記第２タービンの少なくとも１つについての経年利用に起因する前記クーリング蒸気の必要量の変化に応じて調整されることを特徴とする蒸気タービン設備。
【請求項３】
請求項１に記載の蒸気タービン設備において、
前記制御装置は、タービン負荷が定格負荷に到達後、当該タービン負荷の増加に伴って前記制御弁の前後差圧が大きくなるほど前記制御弁の開度を小さく制御し、
これにより前記クーリング蒸気の流量はタービン負荷が大きいほど多くなるように制御されることを特徴とする
【請求項４】
第１タービンと、当該第１タービンから排出され加熱された蒸気によって駆動される第２タービンと、前記第１タービンからの抽気蒸気を前記第２タービンのクーリング蒸気として供給するクーリング蒸気系統と、前記クーリング蒸気系統に設けられ、前記クーリング蒸気の流量制御を行う制御弁とを備える蒸気タービン設備の制御方法において、
タービン負荷が定格負荷に到達した後に、タービン負荷の上昇に応じて前記制御弁の開度を連続的に小さくする手順を備えることを特徴とする蒸気タービン設備の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービン設備に係り、特にそのロータクーリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン設備には、高圧タービンから排出され加熱された高温蒸気（再熱蒸気）に加えて、当該高圧タービンから抽気した低温蒸気（クーリング蒸気）を中圧タービンに混入することでタービンロータを冷却するロータクーリング装置を備えるものがある。ロータクーリング装置によって再熱蒸気とクーリング蒸気を中圧タービンに導入する目的は、高温度の再熱蒸気のみが中圧タービンに導入されると、タービンロータの当該導入部分（例えば、タービンロータの中央部）における材料の延び率がタービンロータの他の部分（例えば、タービンロータの両端に位置する軸受部分）よりも大きくなってタービンロータにたわみが生じ、運転時に振動が発生してプラント運転に支障が生じるので、これを防ぐためである。
【０００３】
本技術分野の背景技術として、特開昭５５−２９００４号公報（特許文献１）がある。この公報には、「タービンの起動停止時にタービン各部の材料に無理な熱応力が加わらないような、従ってタービンの寿命を短くすることのないようにした蒸気タービンのロータクーリング装置」に関する技術が開示されており、当該蒸気タービンのロータクーリング装置において、「タービンの負荷に応じてクーリング蒸気供給弁の開度を連続的に制御するとともに、再熱蒸気温度およびクーリング蒸気圧力を検出することによってタービン材料の温度特性に応じてクーリング蒸気供給弁開度を制御するようにしたこと」が記載されている。
【０００４】
また、特開平１−１９０９０３号公報（特許文献２）がある。この公報には、「起動時にクーリング蒸気が中圧タービンに流入する時のクーリング蒸気温度を制御することが可能となり、クーリング蒸気流入時に起こるロータの急激な温度変化を防止することができる蒸気タービンのクーリング蒸気温度制御装置」に関する技術が開示されており、当該蒸気タービンのクーリング蒸気温度制御装置は、「クーリング蒸気系統の内、再熱蒸気を導入するラインに設けられた制御弁は、中圧起動の際に、当該蒸気タービンによって駆動される発電機の負荷に応じてクーリング蒸気の温度を制御するように、その開度を調節制御する手段を備えること」が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５５−２９００４号公報
【特許文献２】特開平１−１９０９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記２つの文献に係る技術では、蒸気タービンの“起動時および停止時”に高圧タービンからの抽気蒸気をクーリング蒸気として中圧タービンへ供給する場合、クーリング蒸気系統に設けられたクーリング蒸気流量を制御するための制御弁（クーリング蒸気供給弁）の開度をタービン負荷の上昇に応じて増加することで、クーリング蒸気流入時に起こるロータの急激な温度変化の防止を図っている。しかし、蒸気タービンの“定格負荷運転への移行完了時から停止動作の開始前”の間については、上記の制御弁の開度は一定（最大）のまま保持されている。そのため、定格負荷に達した以後は必要流量以上のクーリング蒸気が高圧タービンから抽気され、本来は高圧タービンで仕事をすべき蒸気が無駄になっており、エネルギー効率の改善が求められている。
【０００７】
本発明の目的は、蒸気タービンの定格負荷運転移行後から停止動作の開始前の間におけるエネルギー効率を向上できる蒸気タービン設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、第１タービンと、当該第１タービンと別体のタービンであって、当該第１タービンから排出され加熱された蒸気によって駆動される第２タービンと、前記第１タービンからの抽気蒸気を前記第２タービンのクーリング蒸気として供給するクーリング蒸気系統と、前記クーリング蒸気系統に設けられ、前記クーリング蒸気の流量制御を行う制御弁と、タービン負荷が定格負荷に到達後、当該タービン負荷が大きいほど前記制御弁の開度を小さく制御する制御装置とを備えるものとする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、蒸気タービンの定格負荷運転移行後から停止動作の開始前の間におけるエネルギー効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービン設備の概略構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の設定器で設定されているタービン負荷と目標開度の関係図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービン設備の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本稿における「タービン負荷」とは、或る発電機を駆動する際に当該発電機に機械的に連結された全てのタービンに作用する負荷のことを示し、後述する図１，２の例では発電機７と機械的に連結された３つのタービン（高圧タービン１、中圧タービン２および低圧タービン２１）に作用する負荷のことを示す。また、各図において、同じ部分には同じ符号を付して説明を省略することがある。
【００１２】
＜第１の実施の形態＞
本実施の形態では、定格負荷到達後のタービン負荷に応じてクーリング蒸気の流量調整を連続的に行うロータクーリング装置１００について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービン設備の概略構成図である。
【００１３】
この図に示す蒸気タービン設備（蒸気タービン発電プラント）は、蒸気を発生させるボイラ（図示せず）と、当該ボイラで発生した蒸気により駆動される高圧タービン１（第１タービン）と、高圧タービン１と別体のタービンであり、高圧タービン１から排出された蒸気により駆動される中圧タービン２（第２タービン）と、中圧タービン２から排出された蒸気により駆動される低圧タービン２１と、低圧タービン２１から排出された蒸気の圧力を低下させ凝縮させる復水器（図示せず）と、当該復水器で凝縮された復水を前記ボイラに移送するための給水ポンプを含む給水システム（図示せず）と、高圧タービン１、中圧タービン２および低圧タービン２１のタービン軸に機械的に連結された発電機７と、高圧タービン１からの抽気蒸気（クーリング蒸気）を中圧タービン２に導入してロータを冷却するためのロータクーリング装置１００を備えている。
【００１４】
本実施の形態では、高圧タービン１から排出される蒸気を中圧タービン２に供給する経路の途中に１又は複数の再熱器（図示せず）が設置されており、高圧タービン１から排出された蒸気は当該再熱器によって加熱された後に中圧タービン２に導かれ、中圧タービン２を回転駆動する。なお、中圧タービン２から排出される蒸気を低圧タービン２１に導く経路の途中にも再熱器を設置し、当該再熱器で加熱した蒸気を低圧タービン２１に導入する構成を採用しても良い。
【００１５】
ロータクーリング装置１００は、発電機７の出力に基づいてタービン負荷を検出する負荷検知器８と、高圧タービン１からの抽気蒸気を中圧タービン２のクーリング蒸気として供給するための蒸気供給管（クーリング蒸気系統）３と、蒸気供給管３上に設けられたクーリング蒸気流量制御弁（流量調整弁）４、オリフィス５およびクーリング蒸気入口弁６と、流量制御弁４の開度を制御するための制御装置３０（演算器９、設定器１０および発振器１１）を備えている。
【００１６】
流量制御弁４、オリフィス５および入口弁６は、この順番でもって、蒸気流通方向の上流から下流に向かって導入管３に配置されている。入口弁６は、開閉弁であり、クーリング蒸気を中圧タービン２に導入するか否かに基づいて開閉される。流量制御弁４は、電動弁であり、制御装置３０から発振される制御信号に基づいて開度が調整され、クーリング蒸気の流量制御が行われる。
【００１７】
制御装置３０は、蒸気タービン１，２，２１が定格負荷運転への移行を完了した時点から停止動作を開始する前の間において、タービン負荷の大きさに基づいて流量制御弁４の開度を制御する処理を実行する装置である。
【００１８】
制御装置３０には負荷検出器８からタービン負荷を示す出力が入力されており、制御装置３０は、当該出力に基づいて、蒸気タービン１，２，２１が定格負荷運転への移行を完了したか否かを判定している。当該出力によりタービン負荷が１００％負荷に達したことが確認され、定格負荷運転への移行が完了した旨の判定がされると、制御装置３０は、定格負荷に達したと判定した時刻から流量制御弁４の開度制御処理の実行を開始する。なお、タービン起動後にタービン負荷が定格負荷に達したら、その後にタービン負荷が低下しても制御装置３０は流量制御弁４の開度制御処理を継続するように構成されている。
【００１９】
また、制御装置３０には、オペレータが蒸気タービンの起動・停止を指示するための入力装置（図示せず）からの出力（起動指令および停止指令）が入力されるように構成されている。制御装置３０は、オペレータの停止指示により当該入力装置から出力される停止指令に基づいて、蒸気タービンの停止動作が開始されたか否かを判定している。当該停止指令の入力が確認され、蒸気タービンの停止動作が開始された旨の判定がされると、制御装置３０は定格負荷到達時に開始した上記の開度制御処理の実行を停止する。
【００２０】
制御装置３０は、流量制御弁４の開度制御を実現するための回路として、演算器９、設定器１０および発振器１１を備えている。演算器９は、負荷検知器８の出力に基づいて、その時刻のタービン負荷を算出する。設定器１０は、演算器９で算出されたタービン負荷に基づいて、目標とすべき流量制御弁４の開度（目標開度）を算出する。発振器１１は、設定器１０で算出された目標開度に流量制御弁４の開度を制御するための制御信号を流量制御弁４に対して発振する。
【００２１】
図２は本実施の形態の設定器１０で設定されているタービン負荷と目標開度の関係を示すグラフである。この図に示ように、流量制御弁４の目標開度は、タービンの負荷上昇に応じて連続的に小さくなるように設定されており、図２中のグラフは右下がりの直線となっている。
【００２２】
なお、図２に示した直線状のタービン負荷と目標開度の関係は一例に過ぎず、タービン負荷の増加に伴って弁開度が単調減少するように設定されているものであれば、曲線などの他のグラフを利用してもよい。また、ここにおける「単調減少」には、（１）タービン負荷の増加とともに目標開度が常に減少していく「狭義の単調減少」だけでなく、（２）タービン負荷が増加しても目標開度が一定に保持される場合も単調減少とみなす「広義の単調減少」も含まれるものとする。後者には、タービン負荷の増加とともに目標開度が階段状（離散的）に増加していく場合も含まれる。（なお、「広義の単調減少」は、ガスタービン負荷の増加とともに、目標開度が増加することなく減少することから「単調非増加」と呼ばれることもある。）。
【００２３】
なお、上記の３つの回路（演算器９、設定器１０および発振器１１）に代えて、制御装置３０をコンピュータで構成し、当該コンピュータで負荷検知器８の出力に基づいて所定のプログラムにより制御信号を生成し、当該制御信号を流量制御弁４に出力して開度制御を行っても良い。また、当該開度制御を行うことができればオペレータによる手動操作により開度制御をしても良い。
【００２４】
上記のように構成される蒸気タービン設備において、オペレータにより蒸気タービンの起動指示がされ、タービン負荷が上昇し定格負荷に達すると、制御装置３０は流量制御弁４の開度制御処理を開始する。具体的には、制御装置３０は、負荷検出器８からの出力に基づいてタービン負荷を算出し、当該タービン負荷と図２に示したテーブルに基づいて制御弁４の目標開度を設定し、当該目標開度に基づいた制御信号を制御弁４に発振する一連の処理を開始する。この処理により制御弁４の開度はタービン負荷が大きいほど小さくなるように制御される。
【００２５】
ところで、蒸気供給管３を介して中圧タービン２に供給されるクーリング蒸気の流量は、オリフィス５および入口弁６の開度が一定であれば、制御弁４の開口面積（開度）とその前後差圧に比例する。例えば、タービン負荷が定格負荷から定格負荷未満の低負荷に変化した場合には、主蒸気の圧力も定格負荷時より低くなり、制御弁４の前後差圧も低くなる。この状況でタービン負荷の変化の前後で同じ流量のクーリング蒸気を中圧タービン２に供給する場合には、タービン負荷の低下後は制御弁４の開度を負荷低下前（定格負荷時）よりも大きくすれば良い。そこで、本実施の形態では、タービンの負荷上昇に伴ってクーリング蒸気流量制御弁４の開度が連続的に小さくなるように制御している。
【００２６】
このように構成した本実施の形態によれば、ロータクーリング装置１００によるタービン負荷に基づいた流量制御弁４の開度制御により、その都度のタービン負荷に適した流量のクーリング蒸気（抽気蒸気）だけを高圧タービン１から取り出すことができるため、従来の開度一定制御のようにクーリング蒸気の余剰が発生することを防止できる。したがって、本実施の形態によれば、蒸気タービンの定格負荷運転移行後から停止動作の開始前の間におけるエネルギー効率を向上できる。
【００２７】
なお、上記では説明を簡単にするためにタービン負荷の変化の前後でクーリング蒸気流量を一定に制御する場合について説明したが、タービン負荷が大きいほどクーリング蒸気流量が多くなるように流量制御弁４の開度を制御しても良い。この場合には更にタービン負荷に適した蒸気流量を選択できるので、エネルギー効率をさらに向上することができる。
【００２８】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態では、クーリング蒸気の流量をタービン負荷に応じて連続的に調整するだけでなく、タービンの経年利用によりクーリング蒸気の必要流量がタービン利用開始時から変化した場合にも、当該変化に容易に追従できるロータクーリング装置２００の例について説明する。
【００２９】
図３は本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービン設備の概略構成図である。この図に示す蒸気タービン設備は、第１の実施の形態におけるオリフィス５に代え、手動流量調整弁１５を備えている。
【００３０】
このように構成した蒸気タービン設備において、タービンの経年利用によりクーリング蒸気の必要蒸気流量が利用開始時から変化した場合には、手動流量調整弁１５の開度を変化させることで、制御装置３０におけるクーリング蒸気流量制御弁４の開度制御の設定（すなわち、図２に示したタービン負荷と目標開度の関係）を第１の実施の形態から変化させることなく、クーリング蒸気の必要量の経年変化に即した流量制御ができる。例えば、タービンの経年劣化でクーリング蒸気の必要流量が増加した場合には、設定器１０における設定を保持した状態で当該増加分を吸収できるまで手動流量調整弁１５の開度を増加するだけで、タービンの経年利用による必要蒸気量変化に対応することができる。なお、言うまでもないが、必要流量が減少した場合には逆の操作を行えば良い。
【００３１】
ところで、上記の各実施の形態では、タービンが３つの場合について説明したが、上記で説明した高圧タービン１および中圧タービン２のように、一のタービンの再熱蒸気で駆動される他のタービンを備える蒸気タービン設備であって、当該一のタービンの抽気蒸気を当該他のタービンのクーリング蒸気として利用しているものであれば、本発明は適用可能であり、蒸気タービン設備に含まれるタービンの数は３に限定されない。
【００３２】
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。
【００３３】
また、上記の制御装置３０に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また、上記の制御装置３０に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該制御装置の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。
【００３４】
また、上記の各実施の形態の説明では、制御線や情報線は、当該実施の形態の説明に必要であると解されるものを示したが、必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。
【符号の説明】
【００３５】
１…高圧タービン（第１タービン）、２…中圧タービン（第２タービン）、３…蒸気供給管（蒸気供給系統）、４…クーリング蒸気流量制御弁（制御弁）、５…オリフィス、６…クーリング蒸気入口弁、７…発電機、８…負荷検知器、９…演算器、１０…設定器、１１…発振器、１５…手動流量調整弁、２１…低圧タービン、３０…制御装置、１００，２００…ロータクーリング装置
【図１】
2015094305.tif 000003
【図２】
2015094305.tif 000004
【図３】
2015094305.tif 000005