(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービン内タービンブレードまたは蒸気流路壁面の少なくとも一部に光電子発生材を設置しまたは被覆し、この光電子発生材の光電子を発生させる手段を設けたことを特徴とする蒸気タービンの凝縮水滴の電荷制御装置。
【請求項２】
光電子発生材が光触媒であり、紫外光をこの光触媒に向けて照射する手段を設けて、当該光触媒に反応を起こさせて光電子を発生させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンの凝縮水滴の電荷制御装置。
【請求項３】
蒸気タービンの排気出口通路内面に光触媒を塗布したことを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気タービンの凝縮水滴の電荷制御装置。
【請求項４】
蒸気タービンのブレードに向けてβ壊変電子線を放射する手段を設けたことを特徴とする蒸気タービンの凝縮水滴の電荷制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機用蒸気タービンの効率向上を図り得る蒸気タービンの凝縮水滴の電荷制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、火力発電所あるいは原子力発電所においては原動機の蒸気タービンの発生動力により発電機を回転駆動して電力を生み出しており、発電効率を向上させるためには発生した蒸気のエネルギーをいかに効率よくタービンの回転エネルギーに変換するかが重要になっている。
このような蒸気タービンの効率向上については、従来、設計段階において、蒸気条件の向上や動翼・静翼の翼形状あるいは排気部形状の改善により実施されてきたが、発電コスト低減等の要請からさらなる発電効率向上が要請されている。
【０００３】
低圧蒸気タービンの効率は、蒸気の湿り度の影響を受け、特に蒸気中で生成する水滴の寸法の影響が大きい。水滴寸法が大きくなると、タービン内の蒸気流れのエネルギー損失が大きくなり、これが蒸気タービンの効率低下の一因と考えられている。水滴の成長は水滴の合体によって生じるが、この合体の支配因子は、水滴自身が流路で静電気を帯びる（特に正電荷を帯びる）ことである。水滴の電荷を除荷することによって蒸気タービンの効率が１〜２％向上することが知られている。
水滴の電荷（１０-2Ｃ／ｋｇオーダの電気密度）の除荷方法としては、タービン内の蒸気流路にアースなどのネットを設置する方法がある。しかしながら、この方法ではネットによって流路抵抗が大きくなるために、タービン効率を下げる方向に作用することになる。このような流路抵抗を低減するために、流路に設置したネットに負の電圧を付与することが考えられるが、なお、流路抵抗の問題は残り、蒸気タービンの効率向上には不十分と考えられる。
【０００４】
蒸気タービンの研究において、蒸気中の不純物がタービンに及ぼす影響について米国ＥＰＲＩでは、ＡＰ-１０８１８４（１９９７年）：２１基の実機タービンを用いた実験の報告、ＴＲ−１０８１８５（１９９７年）：実験室（モデル）タービンを用いた実験の報告がなされている。これらの実験の結果、タービンブレード面上でのＰＴＺ（Phase Transition Zone：相遷移域）における蒸気の挙動に関する情報を得ることができ、添加物の蒸気の挙動に及ぼす影響についても概ね理解を得ることができ、これらの情報は低圧タービン（火力および原子力）ブレードの腐蝕疲労および応力腐食割れの対策に資するものになった。
【０００５】
これらの成果に基づいて、（ａ）ブレードの表面処理および湿り除去と、（ｂ）蒸気化学および静電気法による凝縮プロセスの変更について研究が開始された。タービン蒸気の電荷に関する実験は、Ｕｋｒａｉｎａ（ウクライナ）の５０ＭＷのタービン（１９３０年製）を一部改造して（センサー取付け）行われた。蒸気は正の電荷を持っており、これを接地等の方法で除去すれば、出力が向上することが認められた。この結果を受けて米国の８００ＭＷタービンの実験では、蒸気電荷を正から負に変化させると、蒸気のｐＨは９から８．２に変化することが報告されている。これらの結果から、最新のタービンで蒸気電荷（静電気）の影響を確認することが必要とされ、電荷が蒸気の湿り度、タービンの効率等に及ぼす影響を確認するプロジェクトが行われた（ＥＰＲＩレポートＴＲ−１１３０９１；１９９９年）。
【０００６】
蒸気の水質に関する実験は、ＥＰＲＩレポートＴＲ−１０８１８５で使用されたモデルタービンに８種類の蒸気水質（リン酸塩処理および酸素処理に様々なレベルの硫酸塩および塩化物を添加）を供給して行った。これらの実験の結果、腐食性の不純物の濃縮に及ぼす蒸気水質の影響、ブレード上の水膜の厚さに及ぼす蒸気水質他を明らかにした（ＥＰＲＩレポートＴＲ−１１３０９０；１９９９年）。この結果に基づき、実機ブレードの水膜の調査が行われ、ＰＴＺから流れ出る２相流が帯電していることが認められ、この詳細検討は、モデルタービンを用いてさらに実験することとなった。同時にＥＰＲＩはこれまで得られた情報に基いて次の開発に着手した。
（ａ）ブレードおよびディスクの腐蝕疲労および応力腐食割れを評価するソフトウェアーの開発
（ｂ）高圧電場または表面張力を利用した帯電した蒸気の電気的性質の変更
タービンブレード上の水膜形成に及ぼす蒸気の湿り度の影響については、添加物のない純水蒸気のデータがベースラインとして必要であるため、モデルタービンを改造し、純水蒸気による実験が行われた。この実験で得られた純水蒸気のデータ、アンモニアを含む蒸気のデータおよびこれまでの実験データ（水処理蒸気のデータ）を比較した結果、すべてのデータは同じ傾向を示すことが分った。すなわち、水滴は蒸気中で均一生成し、添加物があったとしても不均一生成は生じない。ブレード周囲の圧力プロフィールの測定結果から大型タービンでさえも、水滴生成のプロセスは変わらないことが示唆された。他方、添加物が不均一水滴生成の要因となる可能性があるならば、他の無機あるいは有機不純物の影響を比較検討すべきと考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、蒸気タービンの効率向上については、蒸気条件の向上や動翼・静翼の翼系あるいは排気部形状の改善では限界があるので、蒸気の湿度ひいては凝縮水滴径を小さくしてタービンの制動損失を低減し、同時にタービン背圧を減少できる技術の実現が必要であるが、未だ、その実用化技術が開発されていないという問題点を有していた。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の問題点に着目してなされたもので、蒸気の湿度ひいては凝縮水滴径を小さくしてタービンの制動損失を低減し、同時にタービン背圧を減少できる蒸気タービンの凝縮水滴電荷制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、次の構成を有する。
本発明は、蒸気タービン内タービンブレードまたは蒸気流路壁面の少なくとも一部に光電子発生材を設置しまたは被覆し、この光電子発生材の光電子を発生させる手段を設けたことを特徴とする蒸気タービンの凝縮水滴の電荷制御装置である。
本発明においては、光電子発生材が光触媒であり、紫外光をこの光触媒に向けて照射する手段を設けて、当該光触媒に反応を起こさせて光電子を発生させるようにしたことが好適である。
また、本発明においては、蒸気タービンの排気出口通路内面に光触媒を塗布したことが好適である。
本発明は、蒸気タービンのブレードに向けてβ壊変電子線を放射する手段を設けたことを特徴とする蒸気タービンの凝縮水滴の電荷制御装置である。
【００１０】
本発明を、具体例を挙げながら詳細に説明する。
本発明は、以下の手法で蒸気タービンにおける凝縮水滴径を小さくすることによって、タービンの制動損失を減少させると同時にタービン背圧を減少させる効果を得るものである。
【００１１】
▲１▼凝縮水滴が正電荷を有する場合。
ａ）アミン類の添加
ホイラ給水または蒸気にアミン類（例えば脂肪族アミン）を添加すると、アミン類は熱分解して中間生成物としてカルボキシル基を生じる。カルボキシル基の熱分解反応は、蒸気中のラジカル（例えばＯＨラジカル）の存在で容易に生じる。この熱分解の中間生成物であるカルボキシル基（あるいはカルボン酸）は、熱分解の過程でＲＣＯＯ-の遊離基となるのが一般的である。正の電荷を帯びた水滴とマイナスイオンであるＲＣＯＯ-の遊離基が出会うと、水滴の正電荷を取り去る（除荷する）と同時に、疎水性を有するアミン類の熱分解生成物が水滴分離の核になり、水滴を小分割し、および正電荷と出会ったときに小放電が生じて水滴の小分割を促進する。したがって、タービンブレードで生じた大きな水滴はアミン類の熱分解生成物によってすぐに分解され、後段のタービンブレードの制動損失を減少させる効果がある。
また、水滴を小分割することによって復水器の初期凝縮過程において、滴状凝縮（膜状凝縮の場合より熱伝達率は約６倍大きい）の時間を長くすることができるため、タービンの背圧を減少させることができる。
【００１２】
ｂ）β壊変で生じる電子線の利用
タービンブレードから正電荷を持つ水滴が生じるが、この電荷はβ壊変時に放出される電子線で除去することが可能である。β壊変で生じる電子線のエネルギーは、蒸気中で蒸気を電離するのに十分な大きさである。この電子線によって電離した蒸気は、タービンブレード上に生成した水膜に付着し、水膜の正電荷を除荷すると同時にタービンブレード面の負電荷も除荷する傾向がある。この結果、タービンブレードから発生する水滴は、中和され正にも負にも帯電されないこととなる。さらに、電子線はこの水滴をも電離させ、水滴同士の複雑な衝突を発生させることとなる。これによって、水滴が粉砕し後段のタービンブレードの制動損失を減少させる効果がある。また、水滴を小分割することによって復水器の初期凝縮過程において、滴状凝縮（膜状凝縮の場合より熱伝達率は約６倍大きい）の時間を長くすることができるため、タービンの背圧を減少させることができる。β壊変による電子線の線源として使用可能な核種としては、β壊変時にγ線を発生せず、β壊変後に生成する同位元素が放射性同位元素でない、特に自然物ではＲｂ−８７、人工物ではＢｅ−１０，Ｃ−１４、Ｃａ−１４５が挙げられる。
【００１３】
ｃ）アミン類と光触媒反応によるラジカルの併用
このケースでは、タービンブレード面に光触媒をコーティングする。このコーティングは全面を覆うものでも、部分的にコーティングするものでも良い。光触媒のコーティングのない場合にタービンブレード表面から発生するプロトン（Ｈ+）は、光触媒反応の先行によって制限され、光触媒の表面には荷電子帯に生成した正孔が生じ、この強い酸化力にためＯＨ-からＯＨラジカルが生成する。このＯＨラジカルは水滴と共に復水器に運ばれるが、随伴するアミン類(例えば脂肪族アミン)の熱分解を促進する。
この場合のアミン類の熱分解温度は、蒸気温度とほぼ同等またはそれ以下で、ボイラ、主蒸気管あるいは再熱蒸気管での熱分解が遅れることが望ましい。
タービンブレードから発生する水滴には、ＯＨラジカルが含まれていて、湿り蒸気には熱分解途中のカルボキシル基またはＲＣＯＯ-の遊離基を含む。ＯＨラジカルはこれらと急速に反応し、水滴の電荷を除去すると同時に水滴を粉砕する効果がある。これによって、水滴が粉砕し後段のタービンブレードの制動損失を減少させる効果がある。また、滴状凝縮（膜状凝縮の場合より熱伝達率は約６倍大きい）の時間を長くすることができるため、タービンの背圧を減少させる効果が期待できる。
【００１４】
ここで、上記ａ）およびｂ）の熱分解反応は、蒸気中のラジカル（例えばＯＨラジカル）の存在で容易に生じるものである。熱分解の中間生成物であるカルボキシル基（あるいはカルボン酸）は分解の過程で、例えばＲＣＯＯ-の遊離基の形態を示すことが一般的である。このマイナスイオンが水滴の正の電荷を除去する。カルボキシル基は、更に、熱分解による脱炭酸反応を起こす。カルボン酸がＲＣＯＯＨの場合には、熱分解最終生成物は不安定かつ危険物（可燃性ガス等）となる恐れがある。したがって、熱分解最終生成物は安定な有機物であるべきである。更に、５３０℃以上で運転される事業用蒸気タービンと２９０℃前後で運転される自家用蒸気タービンでは、熱分解温度が異なる有機物を使用することが望ましい。すなわち、事業用蒸気タービンの蒸気流路に熱分解温度が低い有機物だけを注入して、水滴の正の電荷を除荷しても、その直後に帯電する可能性がある。
このため、上記ａ）およびｂ）においては、最終熱分解生成物が安定な有機物として、アミノ基（ＮＨ2）やイミノ基（ＮＨ）を有するアミン類（例えばアルキルアミン）を挙げた。高級アミン（Ｃ10以上）は熱分解温度が低く（例えば、Ｃ18では、熱分解温度は約２５０℃）、低級アミンの熱分解温度は高く（例えば、Ｃ6）では熱分解温度は約５６０℃）、事業用蒸気タービンにおける蒸気温度でも熱分解しないものがある。
【００１５】
上記ａ）およびｂ）においては、これらのアミン類を単独または組み合わせで、水滴電荷除荷用の注入剤として用いている。注入量は、蒸気流量中の予測水滴量の電気量に相当する量を相殺する量以上とする。電子の電荷は、約１．６０２２×１０-19Ｃであるから、水滴の電荷（１０-2Ｃ／ｋｇオーダの電荷密度）を除荷するためには、約０．６２４×１０17個のアミン分子が最低必要となる。アミン注入量は、蒸気流量中の予測水滴量と注入アミン種を考慮して計算で求めることとなる。
【００１６】
▲２▼水滴が負電荷を有する場合
ａ）光触媒反応で生じるラジカルの利用
低圧蒸気タービンの出口のフード近傍を流れる蒸気水滴が、負電荷を帯びている場合、この蒸気水滴の存在下で光触媒（例；酸化チタン）反応を生じさせると、価電子帯に生成した正孔は、強い酸化力を持つためＯＨ-からＯＨラジカルを生成する。このＯＨラジカルは、負の電荷を持つ蒸気水滴と反応して水滴の電荷を除電する。ラジカルと負電荷を持つ水滴との反応はラジカルと水滴が接触した途端に爆発的に生じるため、この時に水滴の小分割が生じる。この場合には、滴状凝縮（膜状凝縮の場合より熱伝達率は約６倍大きい）の時間を長くすることができるため、タービン背圧を減少させることができる効果のみが期待できる。
光触媒は低圧蒸気タービンの排気口の内面側の塗布しておき、光は波長４１０ｎｍ以下の紫外光（例えば、キセノンランプ光）を光ファイバーで排気口内面に導けば良い。なお、光は光触媒前面に照射する必要がある。
【００１７】
なお、前記した米国ＥＰＲＩの研究発表によれば、次のようなものが研究されているが、何れも実用には至っていない。
▲１▼界面活性剤としてオクタデシルアミン（ＯＤＡ）を入り口蒸気温度２００℃以下の蒸気タービン内の蒸気流路に注入する。
▲２▼正電荷を持つ凝縮水滴には、プロトン（Ｈ+）が随伴しているため、これに高電圧（強い高電圧と接地極との間の電場）を付与する。この場合、電場中でのプロトンの急激な運動によって蒸気水滴が粉砕され、粉砕された蒸気核の凝縮熱伝達率が改善され、タービンの背圧が減少する。同時に電場が蒸気核の流動を整流する効果があるため、更にタービン背圧が減少する。
【００１８】
本発明は、タービン蒸気中にアミン類(例えば脂肪族アミン)を添加するものであるが、上記▲１▼とは、効率向上に至る過程が異なるものになる。すなわち、脂肪族アミンの一種であるＯＤＡの分解温度は２５０℃であるため、入り口蒸気温度が２００数℃以下の蒸気タービン内では熱分解が生じない。このため、上記▲１▼の場合、ＯＤＡの疎水性を利用して、タービンブレードからの水膜の剥離を促進することによってタービン効率を向上させると言う点で、本発明とは全く異なるものである。
また、本発明は上記▲２▼とは水滴径を減少させるための手法が異なっている。上記▲２▼の場合、上記流路の抵抗が大きくなりタービン効率の向上は期待できない。
そして、▲１▼▲２▼のいずれも、実用化には至っていない。
本発明は、このような▲１▼▲２▼の問題点を解消したものであり、実用化が容易であり、また、蒸気タービンの効率向上を設計段階における各部形状の改善からさらなる効率向上を達成し得るものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図に基づき本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に適用する蒸気タービン発電設備の蒸気サイクルにおいての電荷制御装置の設置状態の説明図、図２は他の電荷制御装置の設置状態の説明図である。
【００２０】
図１の蒸気タービン発電設備においては、ボイラ１０内で加熱される蒸発管１０ａで給水を蒸気にし、この蒸気を過熱器１０ｂにより過熱蒸気にして高圧タービン１２に供給する。そして、高圧タービン１２を出た蒸気を再熱器１０ｃで温度を高めて中圧タービン１４に送り、中圧タービン１４を出た蒸気を低圧タービン１６に送る。それぞれのタービン１２，１４，１６で蒸気のエネルギーを回転動力に変換し、この回転動力で発電機１８を駆動して発電する。
低圧タービン１６から排出された蒸気は、復水器２０で復水し復水ポンプ２２で給水として低圧給水加熱器２４に送られる。この加熱器２４では、低圧タービン１６の途中の抽気で給水を加熱し脱気器２６に送る。脱気器２６では、中圧タービン１４の途中の抽気で給水を直接加熱し酸素や炭酸ガスを抜く（脱気）。
脱気された給水を給水ポンプ２８で高圧給水加熱器３０に送り、この加熱器３０では中圧タービン１４の抽気と高圧タービン１２の排気により給水を加熱してボイラ１０に送る。
【００２１】
上記のような蒸気サイクルの蒸気タービン発電設備において、実施形態１の電荷制御装置はアミン類を低圧タービン１６への入り側蒸気管路１６ａの蒸気中にアミン類を注入・添加し、あるいは、復水ポンプ２２出側の給水にアミン類を注入・添加する。
【００２２】
アミン類の例を次表に挙げる。
【表１】
0004717288.tif 000002
【００２３】
低圧蒸気タービン１６は、詳細には、図２に示すように、概略鼓形状のケーシング３２内壁に複数の静翼３４が固定され、複数の動翼３６がロータ軸３８を中心に回転可能に設置され、静翼３４と動翼３６がロータ軸３８方向に一つおきに配列される。
実施形態２では、ケーシング内壁にβ壊変電子線源４０が蒸気の流れ方向途中に設置され、蒸気に向けてβ壊変電子線を照射するようになっている。
また、実施形態３では、タービンの静翼３４および／または動翼３６のブレードには、光電子を発生する光触媒の代表的な酸化チタンＴｉＯ2を塗布あるいは被覆する。そして、酸化チタンＴｉＯ2を塗布、または、被覆部分４２に紫外光（例えばキセノン球の発生光）を照射する光源４４を設置する。この光は光源より直接照射しあるいは光ファイバで導光しても良い。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明によれば蒸気の湿度ひいては凝縮水滴径を小さくしてタービンの制動損失を低減し同時にタービンの背圧を減少することにより、タービンの効率を向上できる技術としての蒸気タービンの凝縮水滴電荷制御技術あるいは方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に適用する蒸気タービン発電設備の蒸気サイクルにおいての電荷制御装置の設置状態の説明図である。
【図２】他の電荷制御装置の設置状態の説明図である。
【符号の説明】
１０  ボイラ
１６  低圧タービン
２０  復水器
２２  復水ポンプ
２８  給水ポンプ
３２  ケーシング
３４  静翼
３６  動翼
４０  β壊変電子線源
４２  光触媒
４４  光源
【図１】
0004717288.tif 000003
【図２】
0004717288.tif 000004