(57)【要約】【課題】超高温の主蒸気または再熱蒸気に対処して低圧タービンのタービン構成部品に高い強度保証を維持させる蒸気タービンを提供する。【解決手段】本発明に係る蒸気タービンは、タービン系１に、復水系２および給水系３を組み合せた蒸気タービンにおいて、前記タービン系１の中圧タービン６と低圧タービン７との接続部分に、前記給水系３からの冷却媒体を供給する冷却媒体供給系２７を設けるとともに、この冷却媒体供給系２７に、前記中圧タービン６から前記低圧タービン７に供給する中圧タービン排気が乾き蒸気域のとき、前記接続部分に供給される前記冷却媒体を制御する制御手段２９，３０，３１ａ，３１ｂを備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン系に、復水系および給水系を組み合せた蒸気タービンにおいて、前記タービン系の中圧タービンと低圧タービンとの接続部分に、前記給水系からの冷却媒体を供給する冷却媒体供給系を設けるとともに、この冷却媒体供給系に、前記中圧タービンから前記低圧タービンに供給する中圧タービン排気が乾き蒸気域のとき、前記接続部分に供給される前記冷却媒体を制御する制御手段を備えたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
タービン系に、復水系および給水系を組み合せた蒸気タービンにおいて、前記タービン系の中圧タービンと低圧タービンとの接続部分に、前記復水系からの冷却媒体を供給する冷却媒体供給系を設けるとともに、この冷却媒体供給系に、前記中圧タービンから前記低圧タービンに供給する中圧タービン排気が乾き蒸気域のとき、前記接続部分に供給される前記冷却媒体を制御する制御手段を備えたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項３】
冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の脱気器出口側に接続させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項４】
冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の第１給水ポンプ出口側に接続させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項５】
冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の第２給水ポンプ出口側に接続させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項６】
冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の第４高圧給水ポンプ出口側に接続させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項７】
冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を復水系の復水ポンプ出口側に接続させる構成にしたことを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン。
【請求項８】
冷却媒体供給系は、スプレイノズルを備えたことを特徴とする請求項１〜７記載の蒸気タービン。
【請求項９】
中圧タービンと低圧タービンとの接続部分は、連絡管であることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
【請求項１０】
中圧タービンと低圧タービンとの接続部分は、前記中圧タービンの出口であることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
【請求項１１】
中圧タービンと低圧タービンとの接続部分は、前記中圧タービンの最終段落の出口であることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
【請求項１２】
制御手段は、タービン系の低圧タービンの入口側と出口側とのそれぞれに設けた検出器からの信号が予め定められた設定値を超えたとき、その偏差に基づいて、冷却媒体供給系に設けた調整弁に弁開閉演算信号を与え、連絡管に冷却媒体の供給指令を出す演算制御部を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
【請求項１３】
検出器は、タービン系の低圧タービンに流入する中圧タービン排気および前記低圧タービンから出る低圧タービン排気の圧力、温度、湿り度のうち、いずれか一種を検出することを特徴とする請求項１２記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンに係り、特に高圧タービンや中圧タービンに供給される蒸気の高温化がなされても低圧タービンの構成部品に高い強度保証を維持させた蒸気タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の蒸気タービンでは、プラント熱効率の向上の強化見直しの一環として主蒸気または再熱蒸気の高温化が検討されている。
【０００３】
主蒸気または再熱蒸気の高温化は、ランキンサイクルの特性を巧みに利用するものであり、蒸気の温度を高くすればする程、プラントの出力および熱効率をより一層向上させることができるとされている。
【０００４】
このため、蒸気タービンは、ひところの比較的低温、低圧の蒸気条件から主蒸気および再熱蒸気のそれぞれの温度を５３８℃／５６６℃または５３８℃／５３８℃の一段再熱にほぼ定着しつつある。
【０００５】
しかし、最近のように、ＣＯ２やＮＯｘ等の汚染化合物による温暖化現象や環境破壊等が地球規模レベルでクローズアップされている今日、蒸気タービンの分野でも燃料の消費をより一層少なくさせて単機容量の増加とともにプラント熱効率を向上させる研究開発が進められており、その一つに高圧タービンに供給する主蒸気の温度を７００℃以上にするか、あるいは中圧タービンに供給する再熱蒸気の温度を７００℃以上とするかが提案されている。
【０００６】
中圧タービンに温度７００℃以上の再熱蒸気を供給する技術では、中圧タービンを第１中圧タービンと第２中圧タービンとに区分けし、区分けした第１中圧タービンをトップタービンとして配置し、第２中圧タービンをボトムタービンとして配置する従来のコンベンショナルな蒸気タービンに組み込んだものである（特許文献１参照）。
【０００７】
第１中圧タービンをトップタービンとして配置した場合、試算によれば、プラント熱効率が５０％以上であり、また、超高温の再熱蒸気を供給する割合には製造コストが比較的低コストであり、その成果が期待されている。
【０００８】
【特許文献１】
特願２００３−１２５６７２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来、火力発電プラントでは、主蒸気温度または再熱蒸気温度が５３８℃〜５６６℃に対し、タービン構成部品、特にタービンロータ、タービンノズル、タービン動翼等の高温部品に改良された耐熱材を用いて高い強度を維持させていた。
【００１０】
しかし、主蒸気または再熱蒸気の温度が７００℃以上になると、改良された耐熱材では高い強度保証を維持させることが難しくなりつつある。
【００１１】
また、高圧タービンにしても中圧タービンにしてもその入口圧力とその出口圧力との圧力比を変えずに、主蒸気または再熱蒸気の温度のみを超高温化させると、負荷（出力）変動運転如何によっては、低圧タービン出口側が湿り蒸気域になったり、乾き蒸気域になったり変動し、蒸気の状態変化を受けてタービン高温部品の強度に悪影響を与える等の問題があった。
【００１２】
このため、蒸気タービンには、タービン構成部品の強度保証を高く維持できる新たな技術の実現化が求められており、その解決手段として蒸気による冷却の採用が進められている。
【００１３】
しかし、蒸気冷却の採用と言えども、蒸気タービンにとって未開発の分野であり、試行錯誤を繰り返している。
【００１４】
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、超高温の主蒸気または再熱蒸気に対処して低圧タービンのタービン構成部品に高い強度保証を維持させる蒸気タービンを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、タービン系に、復水系および給水系を組み合せた蒸気タービンにおいて、前記タービン系の中圧タービンと低圧タービンとの接続部分に、前記給水系からの冷却媒体を供給する冷却媒体供給系を設けるとともに、この冷却媒体供給系に、前記中圧タービンから前記低圧タービンに供給する中圧タービン排気が乾き蒸気域のとき、前記接続部分に供給される前記冷却媒体を制御する制御手段を備えたものである。
【００１６】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、タービン系に、復水系および給水系を組み合せた蒸気タービンにおいて、前記タービン系の中圧タービンと低圧タービンとの接続部分に、前記復水系からの冷却媒体を供給する冷却媒体供給系を設けるとともに、この冷却媒体供給系に、前記中圧タービンから前記低圧タービンに供給する中圧タービン排気が乾き蒸気域のとき、前記接続部分に供給される前記冷却媒体を制御する制御手段を備えたものである。
【００１７】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の脱気器出口側に接続させる構成にしたものである。
【００１８】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の第１給水ポンプ出口側に接続させる構成にしたものである。
【００１９】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の第２給水ポンプ出口側に接続させる構成にしたものである。
【００２０】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を給水系の第４高圧給水ポンプ出口側に接続させる構成にしたものである。
【００２１】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、冷却媒体供給系は、冷却媒体の取出し口を復水系の復水ポンプ出口側に接続させる構成にしたものである。
【００２２】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、冷却媒体供給系は、スプレイノズルを備えたものである。
【００２３】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、中圧タービンと低圧タービンとの接続部分は、連絡管であることを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、中圧タービンと低圧タービンとの接続部分は、前記中圧タービンの出口であることを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、中圧タービンと低圧タービンとの接続部分は、前記中圧タービンの最終段落の出口であることを特徴とするものである。
【００２６】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載したように、制御手段は、タービン系の低圧タービンの入口側と出口側とのそれぞれに設けた検出器からの信号が予め定められた設定値を超えたとき、その偏差に基づいて、冷却媒体供給系に設けた調整弁に弁開閉演算信号を与え、連絡管に冷却媒体の供給指令を出す演算制御部を備えたものである。
【００２７】
また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載したように、検出器は、タービン系の低圧タービンに流入する中圧タービン排気および前記低圧タービンから出る低圧タービン排気の圧力、温度、湿り度のうち、いずれか一種を検出するものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る蒸気タービンの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２９】
本実施形態に係る蒸気タービンは、タービン系１に復水系２と給水系３とを組み合せた構成になっている。
【００３０】
タービン系１は、ボイラ４と、互いを軸結合させた高圧タービン５、中圧タービン６、低圧タービン７、発電機８を備え、ボイラ４から発生した主蒸気（駆動蒸気）を主蒸気管９を介して高圧タービン５に供給し、ここで膨張仕事をさせて動力を発生させ、膨張仕事を終えた高圧タービン排気を低温再熱管１０を介してボイラ４内の再熱器１１に供給し、再熱器１１で熱エネルギを失った主蒸気を再熱させ、その再熱蒸気を高温再熱管１２を介して中圧タービン６に供給している。
【００３１】
また、タービン系１は、中圧タービン６に供給された再熱蒸気に膨張仕事をさせて動力を発生させ、膨張仕事を終えた中圧タービン排気を、例えばクロスオーバ管等の連絡管１３を介して低圧タービン７に供給し、ここでも膨張仕事をさせて動力を発生させ、その動力で発電機８を駆動し、この間、膨張仕事を終えた低圧タービン排気を復水系２に供給している。
【００３２】
一方、復水系２は、復水の流れに沿って順に、復水器１４、復水ポンプ１５、第１低圧給水加熱器１６、第２低圧給水加熱器１７、第３低圧給水加熱器１８、第４低圧給水加熱器１９を備え、低圧タービン７からの低圧タービン排気を復水器１４で凝縮して復水にし、その復水を復水ポンプ１５で圧送させ、第１〜第４低圧給水加熱器１６，１７，１８，１９で低圧タービン７からの低圧タービン抽気を熱源として順次、予熱（再生）させている。
【００３３】
また、給水系３は、給水の流れに沿って順に、脱気器２０、第１給水ポンプ２１、第２給水ポンプ２２、第１高圧給水加熱器２３、第２高圧給水加熱器２４、第３高圧給水加熱器２５、第４高圧給水加熱器２６を備え、脱気器２０で復水系２の第４低圧給水加熱器１９から供給される復水を、中圧タービン６からの中圧タービン抽気を熱源として加熱脱気させて給水にし、その給水を第１給水ポンプ２１および第２給水ポンプ２２で昇圧させ、第１〜第４高圧給水加熱器２３，２４，２５，２６で中圧タービン６からの中圧タービン抽気、高圧タービン５からの高圧タービン抽気および低温再熱管１０からの抽気を熱源として順次予熱（再生）させた後、ボイラ４に戻している。
【００３４】
また、給水系３は、脱気器２０の出口側から分岐し、中圧タービン６と低圧タービン７とを互いに接続させる、例えばクロスオーバ管等の連絡管１３に接続する冷却水供給系２７を備え、脱気器２０で復水系２からの復水を加熱脱気させた給水を、冷却水供給系２７からスプレイノズル２８を介して連絡管１３を流れる中圧タービン排気にスプレイさせる構成になっている。なお、冷却水供給系２７は、連絡管１３に限らず、中圧タービン６の出口または、中圧タービン６の最終段落の出口に接続してもよい。
【００３５】
冷却水供給系２７は、調整弁２９、演算制御部３０、低圧タービン７の入口側および出口側のそれぞれに設けた検出器３１ａ，３１ｂを備え、各検出器３１ａ，３１ｂで検出した中圧タービン排気および低圧タービン７で膨張仕事を終えた低圧タービン排気のそれぞれの圧力、温度、湿り度のうち、いずれか一種の検出信号を演算制御部３０に送り、ここで予め定められた設定値を超えた（乾き蒸気域）とき、その偏差に基づいて弁開閉信号を演算し、その演算信号を調整弁２９に与えて弁を開閉させ、中圧タービン排気が乾き蒸気域になっているとき、スプレイノズル２８から給水をスプレイし、湿り蒸気域に変更させる構成になっている。
【００３６】
図３は、縦軸に連絡管１３に冷却水としての給水を供給する流量を示し、横軸に低圧タービン７の出口温度を示す冷却媒体供給線図である。この冷却媒体供給線図において、低圧タービン７の低圧タービン排気の温度が予め定められた温度Ｔを超えて低圧タービン排気が乾き蒸気域に入ったとき、冷却水供給系２７のスプレイノズル２８からの給水が連絡管１３に供給され、連絡管１３を流れる中圧タービン排気を乾き蒸気域から湿り蒸気域に変更させている。
【００３７】
なお、本実施形態は、中圧タービン排気を乾き蒸気域から湿り蒸気域に変更させる際、給水または復水を冷却水として用いたが、給水または復水に代えて蒸気を用いてもよい。蒸気を用いる場合、図３に示すように、流量が多くなるが、蒸気に含まれる気泡の粒径を制御することがない点で有利である。
【００３８】
また、給水または復水を冷却水として用いる場合、給水または復水中に、例えば、気泡等の比較的大きな粒径の気体が含まれていることがあるが、冷却水供給系２７からスプレイノズル２８を介して連絡管１３に給水を供給する際、スプレイノズル２８には、図２に示すように、気泡の粒径を斜線で示す気泡の粒径の大きさまで細く砕く機構を備えているので、気泡の破裂に伴って発生する壊食等の心配はない。
【００３９】
このように、本実施形態は、給水系２の脱気器２０の出口側から分岐し、中圧タービン６と低圧タービン７とを互いに接続させる連絡管１３に接続して冷却水供給系２７を設けるとともに、中圧タービン６の中圧タービン排気が乾き蒸気域になっているとき、冷却水供給系２７の調整弁２９を開閉制御させ、連絡管１３に流れる中圧タービン排気に冷却水を供給して湿り蒸気域に変更させる演算制御部３０を備えたので、高圧タービン５に供給する主蒸気または中圧タービン６に供給する再熱蒸気を超高温化させても乾き蒸気域のまま低圧タービン７に供給することがなく、低圧タービン７の構成部品の強度保証を高く維持させることができる。
【００４０】
なお、本実施形態は、中圧タービン６の中圧タービン排気が乾き蒸気域のとき、湿り蒸気域に変更させる冷却水を給水系３の脱気器２０の出口側から取り出しているが、この例に限らず、例えば、図４に示すように、復水系２の復水ポンプ１５の出口側から分岐して冷却水供給系２７を設けてもよく、あるいは、例えば、図５および図６に示すように、給水系３の第１給水ポンプ２１の出口側、あるいは第２給水ポンプ２２の出口側から分岐して冷却水供給系２７を設けてもよく、さらに、図７に示すように、給水系３０の第４高圧給水加熱器２６の出口側から分岐して冷却水供給系２７を設けてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る蒸気タービンは、給水系および復水系からのうち、いずれか一方からの冷却媒体を中圧タービンの最終段落出口、中圧タービンの出口および中圧タービンと低圧タービンとを互いに接続させる連絡管とのうち、いずれか一方に冷却媒体を供給する冷却媒体供給系を設けるとともに、中圧タービンの中圧タービン排気が乾き蒸気域になっているとき、冷却媒体供給系の調整弁を開閉制御させ、連絡管に流れる中圧タービン排気に冷却媒体を供給して湿り蒸気域に変更させる制御手段を備えたので、高圧タービンに供給する主蒸気または中圧タービンに供給する再熱蒸気を超高温化させても乾き蒸気域のまま低圧タービンに供給することがなく、低圧タービンの構成部品の強度保証を高く維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蒸気タービンの第１実施形態を示す概略系統図。
【図２】本発明に係る蒸気タービンにおいて、冷却媒体を中圧タービン排気に供給する場合、冷却媒体に含まれる気泡の粒径と流速との関係を示す線図。
【図３】本発明に係る蒸気タービンにおいて、中圧タービン排気に冷却媒体を供給する冷却媒体供給線図。
【図４】本発明に係る蒸気タービンの第２実施形態を示す概略系統図。
【図５】本発明に係る蒸気タービンの第３実施形態を示す概略系統図。
【図６】本発明に係る蒸気タービンの第４実施形態を示す概略系統図。
【図７】本発明に係る蒸気タービンの第５実施形態を示す概略系統図。
【符号の説明】
１  タービン系
２  復水系
３  給水系
４  ボイラ
５  高圧タービン
６  中圧タービン
７  低圧タービン
８  発電機
９  主蒸気管
１０  低温再熱管
１１  再熱器
１２  高温再熱管
１３  連絡管
１４  復水器
１５  復水ポンプ
１６  第１低圧給水加熱器
１７  第２低圧給水加熱器
１８  第３低圧給水加熱器
１９  第４低圧給水加熱器
２０  脱気器
２１  第１給水ポンプ
２２  第２給水ポンプ
２３  第１高圧給水加熱器
２４  第２高圧給水加熱器
２５  第３高圧給水加熱器
２６  第４高圧給水加熱器
２７  冷却水供給系
２８  スプレイノズル
２９  調整弁
３０  演算制御部
３１ａ，３１ｂ  検出器
【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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【図６】
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【図７】
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