(57)【要約】【課題】タービンガバナの開度調節に伴う蒸気タービンの効率低下を防止する発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】固体燃料または液体燃料を燃焼させる火炉と、該火炉で発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービンと、前記火炉と前記蒸気タービンとの間に設けられ、蒸気を過熱する過熱器と、前記火炉と前記過熱器とを接続する第一蒸気配管と、前記過熱器と前記蒸気タービンとを接続する第二蒸気配管と、前記第一蒸気配管に設けられた第一の弁と、前記第二蒸気配管に設けられたタービンガバナと、前記蒸気タービンの負荷に応じて前記第一の弁の開度を調節する制御手段と、を具備することを特徴とする。【選択図】図２
2008248808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料または液体燃料を燃焼させる火炉と、
該火炉で発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービンと、
前記火炉と前記蒸気タービンとの間に設けられ、蒸気を過熱する過熱器と、
前記火炉と前記過熱器とを接続する第一蒸気配管と、
前記過熱器と前記蒸気タービンとを接続する第二蒸気配管と、
前記第一蒸気配管に設けられた第一の弁と、
前記第二蒸気配管に設けられたタービンガバナと、
前記蒸気タービンの負荷に応じて前記第一の弁の開度を調節する制御手段と、
を具備する発電システム。
【請求項２】
前記第一蒸気配管には、前記第一の弁を迂回する第三蒸気配管が接続されると共に、該第三蒸気配管には第二の弁が設けられ、
前記第一の弁および前記第二の弁の開度を前記蒸気タービンの負荷に応じて調節する請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記蒸気タービンの負荷が第一の閾値未満の場合には、前記第二の弁を前記蒸気タービンの負荷に応じて調節し、
前記蒸気タービンの負荷が第一の閾値以上、かつ、第二の閾値未満の場合には、前記第一の弁および前記第二の弁の開度を前記蒸気タービンの負荷に応じて調節し、
前記蒸気タービンの負荷が第二の閾値以上の場合には、前記第一の弁の開度を全開として、かつ、前記第二の弁の開度を前記蒸気タービンの負荷に応じて調節する請求項１または請求項２に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定圧貫流ボイラを有する発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所等において、定圧貫流ボイラと蒸気タービンとを主な構成要素として備える発電システムが多く採用されている。この発電システムは、定圧貫流ボイラで発生させた蒸気を用いて蒸気タービンにより発電するものである。
【０００３】
図３は、従来の発電システムの一例を示すものである。
まず、蒸気タービン３４を駆動させるための蒸気は、火炉３２により発生させる。火炉３２にて発生した蒸気は、ボイラ絞り弁３５を備えた第一蒸気配管３１またはボイラ絞りバイパス弁３０を備えた第一蒸気バイパス配管３６を流通し、第一過熱器３７ａに導かれる。第一過熱器３７ａにより過熱された蒸気は、減温器３９を流通し、第二過熱器３７ｂに導かれる。第二過熱器３７ｂにより再過熱された蒸気は第二蒸気配管３３を流通し、蒸気タービン３４に導かれる。この際、第二蒸気配管３３に設けられたタービンガバナ３８により、蒸気タービン３４の負荷に応じて蒸気の流量が調節される。
【特許文献１】特開平９−９６２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の発電システムでは、火炉３２にて超臨界圧まで流体（水蒸気）の圧力を上昇させた後、その圧力をタービンガバナ３８入口まで維持し、蒸気タービン３４の負荷に応じてタービンガバナ３８の開度を調節している。
ここで、蒸気タービン３４の発電量は、流入する蒸気の圧力とタービンガバナ３８の開度との積にほぼ比例することが知られている。前述のとおり、第二蒸気配管３３内の蒸気は、タービンガバナ３８入口まで定圧（超臨界圧）であるため、蒸気タービン３４に要求される発電量が低い場合は、タービンガバナ３８の開度を大きく絞る必要がある。その結果、タービンガバナ３８の下流側の蒸気の圧力損失によって、蒸気タービン３４の効率が低下するという問題があった。
【０００５】
また、タービンガバナ３８の開度の絞り幅が大きくなれば、断熱膨張の影響が顕著に現れるため、蒸気タービン３４に流入する蒸気の温度差も大きくなる。しかしながら、蒸気タービン３４が対応可能な蒸気温度の変化率には制約があるため、必然的にタービンガバナ３８の開度変化率にも制約が課されることとなる。その結果、蒸気タービン３４が、要求される電力量に追従することができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、タービンガバナの開度調節に伴う蒸気タービンの効率低下を防止した発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明に係る発電システムは、固体燃料または液体燃料を燃焼させる火炉と、該火炉で発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービンと、前記火炉と前記蒸気タービンとの間に設けられ、蒸気を過熱する過熱器と、前記火炉と前記過熱器とを接続する第一蒸気配管と、前記過熱器と前記蒸気タービンとを接続する第二蒸気配管と、前記第一蒸気配管に設けられた第一の弁と、前記第二蒸気配管に設けられたタービンガバナと、前記蒸気タービンの負荷に応じて前記第一の弁の開度を調節する制御手段と、を具備することを特徴とする。
【０００８】
このような発電システムによれば、過熱器の上流側にて蒸気の圧力が蒸気タービンの負荷に応じた値に調整されるので、過熱器の下流側に設置されたタービンガバナの動作幅を小さくすることができる。これにより、タービンガバナを動作させた際に、タービンガバナの下流側にて発生する断熱膨張により、蒸気の温度が低下することを防止することができる。この結果、蒸気タービンの効率を向上させることが可能となる。
また、タービンガバナの動作幅を小さくすることにより、蒸気タービンに流入する蒸気の温度変化を低減することができるため、蒸気タービンの寿命を延長することが可能となる。さらに、タービンガバナの動作幅の制約がなくなり、蒸気タービンに流入する蒸気の流量を自由に調節できるので、蒸気タービンの要求発電量に対する追従性の向上を図ることが可能となる。
【０００９】
また、本発明にかかる発電システムは、前記第一蒸気配管には、前記第一の弁を迂回する第三蒸気配管が接続されると共に、該第三蒸気配管には第二の弁が設けられ、前記第一の弁および前記第二の弁の開度を前記蒸気タービンの負荷に応じて調節することを特徴とする。
【００１０】
このような発電システムによれば、蒸気タービンへの蒸気供給量の微調整が可能となる。
【００１１】
また、本発明にかかる発電システムは、前記制御手段は、前記蒸気タービンの負荷が第一の閾値未満の場合には、前記第二の弁を前記蒸気タービンの負荷に応じて調節し、前記蒸気タービンの負荷が第一の閾値以上、かつ、第二の閾値未満の場合には、前記第一の弁および前記第二の弁の開度を前記蒸気タービンの負荷に応じて調節し、前記蒸気タービンの負荷が第二の閾値以上の場合には、前記第一の弁の開度を全開として、かつ、前記第二の弁の開度を前記蒸気タービンの負荷に応じて調節することを特徴とする。
【００１２】
このような発電システムによれば、タービンガバナ入口部における蒸気圧力を緩やかに変動させることができるため、蒸気タービンに流入する蒸気の圧力制御が容易となる。
また、第一の弁の許容差圧となる開度を上限として第二の弁の開度を調節することにより、第一の弁等の既存設備を更新することなく蒸気タービンの効率向上を図ることができるので、設備更新に伴う費用の支出を抑えることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかる発電システムによれば、蒸気タービンの効率を向上させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る発電システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１において、発電システム１は、固体燃料または液体燃料を燃焼させる火炉２と、火炉２内に設けられた水管（図示しない）に水を流通させるボイラ循環ポンプ３と、火炉２で発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービン４と、火炉２と蒸気タービン４との間に設けられ、蒸気を過熱する過熱器７と、火炉２と過熱器７とを接続する第一蒸気配管１１と、過熱器７と蒸気タービン４とを接続する第二蒸気配管１２と、第一蒸気配管１１に設けられた第一の弁１５と、第二蒸気配管１２に設けられたタービンガバナ１７と、第一蒸気配管１１に接続され、第一の弁１５をバイパスする第三蒸気配管１３と、第三蒸気配管１３に設けられた第二の弁１６と、蒸気タービン４の負荷に応じて第一の弁１５および第二の弁１６の開度を調節する制御部（図示しない）とを主な構成要素として備えている。
本実施形態において、蒸気タービン４は、高圧蒸気タービン４ａおよび低中圧蒸気タービン４ｂを備えており、高圧蒸気タービン４ａから排出された蒸気が、再熱器２０を介して、低中圧蒸気タービン４ｂへ供給されるようになっている。
また、過熱器７は、上流側に設けられる第一過熱器７ａと下流側に設けられる第二過熱器７ｂとを備え、第一過熱器７ａと第二過熱器７ｂとの間に流通する蒸気の温度を低下させる減温器９が設けられている。
【００１５】
上記構成を有する発電システムにおける水の過熱サイクルについて以下に説明する。
火炉２では、固体燃料または液体燃料を燃焼させると共に、ボイラ循環ポンプ３を起動させて火炉２の内部に設けられた水管に水を流通させることにより蒸気を発生させる。火炉２にて発生した蒸気は、第一蒸気配管１１を流通し、第一過熱器７ａへ導かれる。第一過熱器７ａでは蒸気の過熱が行われ、第一過熱器７ａにて過熱された蒸気は、減温器９へ導かれる。減温器９では水を注入することにより蒸気の温度を低下させる。減温器９にて減温された蒸気は、第二過熱器７ｂへ導かれ、第二過熱器７ｂにて再過熱される。第二過熱器７ｂにて再過熱された蒸気は、第二蒸気配管１２を流通して高圧蒸気タービン４ａへ導入され、高圧蒸気タービン４ａを駆動するために用いられる。
【００１６】
高圧蒸気タービン４ａを駆動した後の蒸気は、再熱器２０へ導かれ、再熱器２０で再度過熱される。再熱器２０にて再度過熱された蒸気は、低中圧蒸気タービン４ｂへ導入され、低中圧蒸気タービン４ｂを駆動するために用いられる。
【００１７】
低中圧蒸気タービン４ｂを駆動した後の蒸気は、復水器２１へ導かれ、復水器２１により水（液体）に戻される。復水器２１にて発生した水は、復水ポンプ２２によって低圧給水過熱器２３、脱気器２４の順にて圧送される。脱気器２４にて脱気された水は、ボイラ給水ポンプ２５によって高圧給水過熱器２６へ圧送され、減温器９または節炭器２８へ圧送される。減温器９に圧送された水は、蒸気の温度を下げるために用いられる。また、節炭器２８へ圧送された水は、ボイラ循環ポンプによって火炉２へ導かれ、再び蒸気として利用される。
【００１８】
次に、上記サイクルを有する発電システムについて、本実施形態に係る第一の弁１５、第二の弁１６、およびタービンガバナ１７の詳細な動作およびその作用について以下に説明する。
図２には、本実施形態に係る発電システムの起動時における第一の弁１５、第二の弁１６、およびタービンガバナ１７の開度と高圧蒸気タービン４ａの負荷および蒸気圧力との関係が示されている。
同図において、横軸は高圧蒸気タービン４ａおよび低中圧蒸気タービン４ｂの負荷、より具体的には定格負荷に対する割合を示しており、縦軸は各種弁の開度または蒸気の圧力を示している。また、図中、ＢＴ弁開度は第一の弁の開度、を、ＢＴＢ弁開度は第二の弁の開度を、ＰＴはタービンガバナ１７入口部における蒸気圧力を、ＰＷＷＯは火炉２出口部における蒸気圧力を示している。
【００１９】
まず、発電システムの起動時には、第二の弁１６を開き、火炉２にて発生した蒸気を第三蒸気配管１３に流通させる。この際、第二の弁１６は全開とはせず、タービンガバナ１７入口部における蒸気圧力ＰＴが急激に上昇しない程度の開度（例えば５０％）とする。なお、この際には、火炉２出口部における蒸気圧力ＰＷＷＯとタービンガバナ１７入口部における蒸気圧力ＰＴとの差圧が、第一の弁１５の許容差圧以内となるように、第二の弁１６の開度を調節する。
次に、定格負荷に対する割合が第一の閾値（例えば４０％）以上となった場合には、第二の弁１６で蒸気圧力ＰＴを変動の無い様に制御しながら、第一の弁１５を一定の開度（例えば１０％）まで開き、火炉２にて発生した蒸気を第一蒸気配管１１に流通させる。
次に、定格負荷に対する割合が第二の閾値（例えば７５％）未満までは、負荷に応じて第一の弁１５および第二の弁１６の開度を調整する。この際、タービンガバナ１７入口部における蒸気圧力ＰＴが、火炉２の仕様により決定される最大圧力（例えば２４ＭＰa）に緩やかに達するように、かつ、第一の弁１５の前後差圧が許容差圧を超えないように、第一の弁１５および第二の弁１６の開度を調節する。
上記のように、第二の弁および第一の弁の開度を調節することにより、タービンガバナにおける蒸気圧力をタービン負荷に応じた圧力とすることが可能となるので、タービンガバナによる蒸気流量の調節量を少なくすることができる。即ち、図２に示されるように、高圧蒸気タービン４ａの負荷変動に対するタービンガバナ１７の開度を緩やかに変化させることができる。
【００２０】
ここで、図４に、従来の発電システムにおけるボイラ絞りバイパス弁、ボイラ絞り弁およびタービンガバナの開度と高圧蒸気タービン４ａの負荷および蒸気圧力との関係が示されている。
図４に示すとおり、従来の発電システムでは、まずボイラ絞りバイパス弁１６を開き、発電システム１全体を起動するために必要な負荷（例えば１５％）となった際にボイラ絞り弁１５を開く。この際、ボイラ絞りバイパス弁１６およびボイラ絞り弁１５の開度は全開とされる。上記動作に伴い、タービンガバナ１７入口部における蒸気圧力ＰＴは、最大圧力（例えば２４ＭＰa）まで急激に上昇し、その後は高圧蒸気タービン４ａの負荷に関わらず前記最大蒸気圧力を維持する。このため、従来においては、タービンガバナの開度調節のみで高圧蒸気タービン４ａの負荷変動に対応しなければならず、タービンガバナ１７の開度の変動率は図２に示した本実施形態に係る変動率に比べて大きなものとなっている。
【００２１】
以上のとおり、本実施形態に係る発電システムによれば、タービンガバナ１７の上流側にて、蒸気の圧力を高圧蒸気タービン４ａの負荷に応じた圧力に調節するので、タービンガバナ１７の動作幅を小さくすることができる。これにより、タービンガバナ１７を動作させた際に、タービンガバナ１７の下流側にて発生する圧力損失を低減することができる。この結果、高圧蒸気タービン４ａの効率を向上させることが可能となる。なお、第一の弁１５の動作によって断熱膨張が発生するため蒸気の温度は低下するが、第一の弁１５の下流側に設置された第一過熱器７ａおよび第二過熱器７ｂによって蒸気は過熱されるため問題とならない。
また、タービンガバナ１７の動作幅を小さくすることにより、高圧蒸気タービン４ａに流入する蒸気の温度変化を低減することができるため、高圧蒸気タービン４ａの寿命を延長することが可能となる。さらに、タービンガバナ１７の動作幅の制約が少なくなり、高圧蒸気タービン４ａに流入する蒸気の流量を自由に調節できるので、高圧蒸気タービン４ａの要求発電量に対する追従性の向上を図ることが可能となる。
【００２２】
また、前述のように第一の弁１５および第二の弁１６の開度を調節するので、タービンガバナ１７入口部における蒸気圧力ＰＴを緩やかに変動させることができ、高圧蒸気タービン４ａに流入する蒸気の圧力を容易に制御することが可能となる。
また、第一の弁１５の許容差圧となる開度を上限として第二の弁１６の開度を調節することにより、第一の弁等の既存設備を更新することなく、高圧蒸気タービン４ａの効率低下を防止することができる。この結果、設備更新に伴う費用の支出を抑えることが可能となる。
【００２３】
また、減温器９では、蒸気に水を注入することによって蒸気の温度制御を行うが、水を注入するためには給水圧力を蒸気圧力より高くする必要がある。即ち、従来においては、可動ノズル２７の開閉により、減温器９に供給される水の圧力を蒸気圧力よりも高く維持する必要があった。これに対し、本実施形態に係る発電システムによれば、減温器９における圧力を従来に比べて低くすることが可能となる。したがって、給水圧力を蒸気圧力に対して高く保つことが容易となり、蒸気の温度制御を簡略化することが可能となる。
【００２４】
なお、本実施形態において、高圧蒸気タービン４ａの負荷が上昇する場合について説明したが、高圧蒸気タービン４ａの負荷が下降する場合および変動する場合においても、前述のように、第一の弁１５および第二の弁１６の開度を調節することによって同様の効果が得られる。
また、図２に示した本実施形態に係る第一の弁１５、第二の弁１６の弁開度制御は一例であり、この例に制限されない。ここで、例えば、負荷が最低負荷（例えば、１５％）から定格負荷（１００％）まで変化する場合に、この負荷の変化に比例して蒸気圧力ＰＴが最低圧力から最大圧力まで変化するように制御されることが望ましい。つまり、図２において、蒸気圧力ＰＴは、Ａ点からＢ点を繋ぐ直線（図示略）を描くように変化することが望ましい。したがって、本発明において、第一の弁、第二の弁は、蒸気圧力ＰＴが上述の直線に近い軌跡を描くように、その弁開度が調節されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る発電システムの構成を概略的に示す概略図である。
【図２】本実施形態にかかる発電システムにおける各種弁の開度と高圧蒸気タービンの負荷および蒸気圧力との関係を表したグラフ図である。
【図３】従来の発電システムの構成を概略的に示す概略図である。
【図４】従来の発電システムにおける各種弁の開度と高圧蒸気タービンの負荷および蒸気圧力との関係を表したグラフ図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  発電システム
２  火炉
４  蒸気タービン
７  過熱器
１１  第一蒸気配管
１２  第二蒸気配管
１３  第三蒸気配管
１５  第一の弁
１６  第二の弁
１７  タービンガバナ
【図１】
2008248808.tif 000003
【図２】
2008248808.tif 000004
【図３】
2008248808.tif 000005
【図４】
2008248808.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成20年7月17日(2008.7.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料または液体燃料を燃焼させる火炉と、
該火炉で発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービンと、
前記火炉と前記蒸気タービンとの間に設けられ、蒸気を過熱する過熱器と、
前記火炉と前記過熱器とを接続する第一蒸気配管と、
前記過熱器と前記蒸気タービンとを接続する第二蒸気配管と、
前記第一蒸気配管に設けられた第一の弁と、
前記第二蒸気配管に設けられたタービンガバナと、
前記蒸気タービンの負荷に応じて前記第一の弁の開度を調節する制御手段と、
を具備する発電システム。
【請求項２】
火炉と蒸気タービンを主な構成要素として備え、
火炉で発生した蒸気は、火炉と過熱器を接続する第一蒸気配管に設けられた第一の弁により流量が調整されて過熱器に供給され、
過熱器で過熱された蒸気は、過熱器と蒸気タービンを接続する第二蒸気配管に設けられたタービンガバナにより流量が調整されて蒸気タービンに導入され、蒸気タービンが駆動される発電システムにおいて、
蒸気の圧力は、タービンガバナの上流側で、蒸気タービンの負荷に応じた圧力に調整されることを特徴とする発電システム。
【請求項３】
火炉で発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービンと、
前記火炉と前記蒸気タービンとの間に設けられ、蒸気を過熱する過熱器と、
前記火炉と前記過熱器とを接続する第一蒸気配管と、
前記過熱器と前記蒸気タービンとを接続する第二蒸気配管と、
前記第一蒸気配管に設けられた第一の弁と、
前記第二蒸気配管に設けられたタービンガバナと、
前記蒸気タービンの負荷に応じて前記第一の弁の開度を調節する制御手段と、
を具備する発電システム。
【請求項４】
前記第一蒸気配管には、前記第一の弁を迂回する第三蒸気配管が接続されると共に、該第三蒸気配管には第二の弁が設けられ、
前記第一の弁および前記第二の弁の開度を前記蒸気タービンの負荷に応じて調節する請求項１から請求項３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項５】
前記制御手段は、
前記蒸気タービンの負荷が第一の閾値未満の場合には、前記第二の弁を前記蒸気タービンの負荷に応じて調節し、
前記蒸気タービンの負荷が第一の閾値以上、かつ、第二の閾値未満の場合には、前記第一の弁および前記第二の弁の開度を前記蒸気タービンの負荷に応じて調節し、
前記蒸気タービンの負荷が第二の閾値以上の場合には、前記第一の弁の開度を全開として、かつ、前記第二の弁の開度を前記蒸気タービンの負荷に応じて調節する請求項４に記載の発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明に係る発電システムは、固体燃料または液体燃料を燃焼させる火炉と、該火炉で発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービンと、前記火炉と前記蒸気タービンとの間に設けられ、蒸気を過熱する過熱器と、前記火炉と前記過熱器とを接続する第一蒸気配管と、前記過熱器と前記蒸気タービンとを接続する第二蒸気配管と、前記第一蒸気配管に設けられた第一の弁と、前記第二蒸気配管に設けられたタービンガバナと、前記蒸気タービンの負荷に応じて前記第一の弁の開度を調節する制御手段と、を具備することを特徴とする。
また、本発明に係る発電システムは、火炉と蒸気タービンを主な構成要素として備え、火炉で発生した蒸気は、火炉と過熱器を接続する第一蒸気配管に設けられた第一の弁により流量が調整されて過熱器に供給され、過熱器で過熱された蒸気は、過熱器と蒸気タービンを接続する第二蒸気配管に設けられたタービンガバナにより流量が調整されて蒸気タービンに導入され、蒸気タービンが駆動される発電システムにおいて、蒸気の圧力は、タービンガバナの上流側で、蒸気タービンの負荷に応じた圧力に調整されることを特徴とする。
また、本発明に係る発電システムは、火炉で発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電する蒸気タービンと、前記火炉と前記蒸気タービンとの間に設けられ、蒸気を過熱する過熱器と、前記火炉と前記過熱器とを接続する第一蒸気配管と、
前記過熱器と前記蒸気タービンとを接続する第二蒸気配管と、前記第一蒸気配管に設けられた第一の弁と、前記第二蒸気配管に設けられたタービンガバナと、前記蒸気タービンの負荷に応じて前記第一の弁の開度を調節する制御手段と、を具備することを特徴とする。