(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のボイラと単一の蒸気タービンとを組合せ、前記蒸気タービンの第一段ノズルが前記ボイラの数と同数又は偶数倍の数のノズル室に分割され、各ノズル室に対応して上流側に加減弁が設置されてなり、前記複数のボイラのそれぞれの主蒸気管ごとに、前記加減弁の員数が均等に割り振られて直接接続され、前記複数のボイラは互いの蒸気発生量と蒸気圧力の少なくとも１つが異なる運用を有する複数のボイラと蒸気タービンとの組合せシステム。
【請求項２】
２台のボイラの発生蒸気を１台の蒸気タービンに通気し、前記蒸気タービンからの復水を再循環してボイラ給水として使用するとともに、前記蒸気タービンの第一段ノズルが偶数個のノズル室に分割され、かつ、各ノズル室に対応する加減弁を上流側に有し、前記２台のボイラからのそれぞれの主蒸気管を、前記加減弁の員数の半分ずつに直接接続し、前記２台のボイラは互いの蒸気発生量と蒸気圧力の少なくとも１つが異なる運用を有する複数のボイラと蒸気タービンとの組合せシステム。
【請求項３】
複数のボイラの発生蒸気を、１台の高圧蒸気タービンおよび１台の中低圧蒸気タービンに通気し、それぞれの蒸気タービンからの復水を再循環してボイラ給水として使用するとともに、前記高圧蒸気タービンの第一段ノズルが前記ボイラの数と同数又は偶数倍の数のノズル室に分割され、かつ、各ノズル室に対応する加減弁を上流側に有するシステムを備え、前記システムは、前記複数のボイラからの各主蒸気管を前記高圧蒸気タービンの前記加減弁の員数を均等に割り振って直接接続し、前記複数のボイラは互いの蒸気発生量と蒸気圧力の少なくとも１つが異なる運用を有する特徴とする発電プラント。
【請求項４】
請求項３に記載の発電プラントの運転中ボイラの再熱蒸気量を、それぞれのボイラ負荷の比率に応じて発生させるために、前記高圧蒸気タービンからの排気蒸気の再熱器蒸気流量配分を、インターセプト弁を制御することにより行う複数ボイラと蒸気タービンとの組合せシステムの制御方法。
【請求項５】
前記ボイラの蒸気発生量あるいは蒸気圧力が、ボイラごとに異なる場合に、同一ノズル差圧となるように、加減弁組合わせ員数を変更することにより、または、加減弁員数を奇数構成にすることにより、または、ノズルの蒸気通過面積配分および加減弁容量を、組合わせるボイラ毎に変更することにより、ノズル差圧のバランスを取るようにした請求項４に記載の制御方法。
【請求項６】
前記蒸気タービンの出力を、蒸気圧力または主蒸気流量の最も高いボイラに接続されている加減弁で制御する請求項４に記載の制御方法。
【請求項７】
前記タービンの出力を、前記ボイラの負荷あるいは蒸気圧力に応じて、各ボイラに接続される加減弁により比例的に制御する請求項４に記載の制御方法。
【請求項８】
前記加減弁により、それぞれのボイラの圧力を単独に制御する請求項４に記載の制御方法。
【請求項９】
複数のボイラの発生蒸気を、１台の高圧蒸気タービンおよび１台の中低圧蒸気タービンに通気し、それぞれの蒸気タービンからの復水を再循環してボイラ給水として使用するとともに、前記高圧蒸気タービンの第一段ノズルが前記ボイラの数と同数又は偶数倍の数のノズル室に分割され、かつ、各ノズル室に対応する加減弁を上流側に有する発電プラントの制御方法において、前記ボイラの起動または停止状況に応じて、あるいは、プラント運用状況に応じて、請求項４ないし８のうちいずれかに記載の制御方法を組み合わせて実施するプラント運転方法。
【請求項１０】
前記ボイラが運転中にトリップした場合、前記ボイラと同一系統の加減弁を急速閉し、蒸気タービンの運転はその他のボイラにより継続する請求項９に記載のプラント運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のボイラと蒸気タービンとの組合せシステムおよび発電プラントに係り、事業用あるいはＩＰＰ用などの火力発電プラントにおいて、複数台のボイラと単一のタービンシステムを組み合わせたプラントの系統構成と運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の系統構成は、蒸気タービンからの復水は、脱気器、給水ヒータ等を通過した後、各ボイラに給水調整弁で分配される。分配された給水はドラムに入り、ドラム内の缶水と混合される。
【０００３】
一方、ドラム発生蒸気は、過熱器を通して過熱された後、タービン入口で混合され、蒸気タービンに通気される。また、高圧蒸気タービンの排気蒸気は、各ボイラに配分された後、ボイラの再熱器に流される。再熱器で加熱された蒸気は、中低圧タービン入口で混合され、インターセプト弁を介して中低圧タービンに導入される。
【０００４】
つまり、主蒸気、再熱蒸気に拘らず、蒸気タービンの入口で、各ボイラからの発生蒸気は、蒸気タービンの入口で必ず混合された後、蒸気タービンに送られることが特徴となっていた。
【０００５】
その場合には下記運用上の制約があった。
（１）ボイラ２缶運転時には、各ボイラでの蒸気流量を確保するため、蒸気の混合点でのボイラ圧力を必ず一致させる必要があった。
【０００６】
（２）ボイラ１缶運転中に残りの一缶を起動する場合、蒸気混合を行うためには、起動ボイラの圧力を、運転中のボイラ圧力まで高める必要がある。ボイラを昇圧する場合には、過熱器、あるいは、再熱器の焼損防止の為に相当量の蒸気の流れを確保するため、必然的に起動時の発生蒸気をタービンに通気しない無駄な運用が必要であった。
【０００７】
（３）蒸気タービン出力あるいはボイラ出力は、共通のタービン加減弁で制御されるため、ボイラ圧力が同一であっても、ボイラ負荷が異なればボイラに対する影響度合いが異なる。そのため、極力ボイラ負荷を一致させて運転する必要があった。
【０００８】
ボイラを出た蒸気は、過熱器出口から加減弁までの主蒸気管の圧力損失で少し減圧されて加減弁入口圧力となり、加減弁にて減圧された蒸気はノズル入口に到達する。加減弁は蒸気の流れを制御するために適当な差圧を持っており、定圧プラントにおいては、部分負荷で高差圧、高負荷において低差圧、変圧プラントにおいてはほぼ一定の差圧を持つように運用される。
【０００９】
ノズルで増速された蒸気は動翼に当たり回転エネルギィーに変換されるが、ノズルでの圧力損失は比較的大きい。このような特性でＮ段減圧された後、高圧タービン排気として排出される。この排気蒸気はボイラの再熱系に流され、蒸気は再度過熱される。過熱蒸気はインターセプト弁を経て高圧タービンと同様にノズルでの減圧をＭ段繰り返して復水器に排出される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシステム構成では、複数のボイラの主蒸気は、ボイラ出口より加減弁入口までの配管で合流されていた。また、再熱蒸気は、ボイラ再熱器出口配管で合流接続されていた。このため、合流点の圧力は完全に一致することが必要条件で有り、個々のボイラ圧力を変えて運用することは不可能であった。
【００１１】
以下、同一仕様のボイラ２缶と蒸気タービン一台の組み合わせの定圧プラントを例にして説明する。ボイラ負荷がいずれも定格（１００％負荷）であるときは、圧力のバランスはタービン負荷１００％のポイントでバランスをしている。ボイラ負荷がいずれも５０％、あるいは一台停止で残りのボイラが１００％負荷で運転している場合は、いずれの場合もタービン負荷５０％の状態で安定する。
【００１２】
例えば、ボイラ１缶定格運転時に、残りのボイラを追加投入してプラントとして７５％負荷で運用しようとした場合には、ボイラ定格圧力で運転できる最低負荷がそのボイラの２５％とすると、まずその負荷まで蒸気を捨てながらボイラを起動した後、定格運転中のボイラ蒸気と混合してタービンに蒸気を送る必要があった。
【００１３】
次に、いずれのボイラの負荷も７５％となるように負荷調整を行った後に、初めて負荷要求に基づく運用に移行できる。それぞれのボイラ負荷を１００％、２５％のままとしておくと、負荷降下は１００％負荷のボイラのみ対応が可能で、負荷上昇は２５％負荷のボイラのみ対応が可能となり、運用が難しくなるという問題がある。
【００１４】
つまり、起動状態のボイラは、２５％負荷より７５％への負荷増加が必要であり、定格負荷であったボイラは７５％負荷に負荷降下が必要となる。そして、これらの変化は、負荷変動を抑えるために同時に行う必要がある。こうしてタービン第一段圧力はタービン７５％負荷相当の圧力にバランスする。
【００１５】
以上のように、従来技術においては、起動時のエネルギ損失の低減、部分負荷の効率向上、あるいは運用性能の向上に関しては何も考慮されていなかったために、上述のような運用上の制限が存在した。
【００１６】
本発明の課題は、これらの運用上の制限を極力少なくするために、起動過程にあるボイラのタービンへの通気を極力早くして、起動損失の低減と起動時間の短縮を行い、ボイラ圧力が異なっていても運用できるような運用特性の改善と、プラント効率の向上とを図ることである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、蒸気タービンのノズルがノズル室に分割され（代表的な例では４分割）、それぞれのノズルがノズル室を介して加減弁に接続された蒸気タービンの構造において、加減弁とノズルの合計差圧が比較的大きいこと、および、第一段動翼の圧力はタービンの負荷に比例して決まる特性を利用し、ボイラと加減弁またはインターセプト弁の接続をボイラ毎に単独で行うことにより、ボイラの運転の制約を少なくして運転のフレキシビリティを増加させ、同時に、起動損失の低減およびプラント効率の向上を図ったものである。
【００１８】
すなわち、複数ボイラと蒸気タービンとからなり、蒸気タービンの第一段ノズルが前記ボイラの数と同数又は偶数倍の数のノズル室に分割され、各ノズル室に対応して上流側に加減弁が設置されてなる組合せシステムにおいて、各ボイラの主蒸気管ごとに、前記加減弁員数を均等に割り振って、各主蒸気管と割り振られた加減弁とを直接接続する構成を採用し、複数のボイラは互いの蒸気発生量と蒸気圧力の少なくとも１つが異なる運用を有するものとした。
【００１９】
なお、負荷運用時には、加減弁は負荷に応じて順次開閉動作をされるのが一般的である。その場合、全開の加減弁と中間開度の加減弁が存在するが、このことは、ノズル入口圧力は異なって運転すること、および、ノズル通過蒸気温度がノズル室間で異なっても（加減弁通過蒸気の等エンタルピ変化による減温量が異なる）運転できることを示しており、圧力、温度が異なるボイラ蒸気をタービンに取り込んでも、制約条件にはならないことを示している。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１の系統図に、本発明になる再熱蒸気系を有しない場合の代表的な例として、ボイラ２缶とタービン一台で、かつ、４ノズル室／４加減弁の構成を示す。
【００２１】
図１に示すように、本例は、ボイラ（ドラム１０）を二缶設置し、その発生蒸気を一台の蒸気タービン１３に通気し、その復水を再循環してボイラ給水として使用する発電プラントにおいて、高圧タービン１３の第一段ノズル（静翼）が偶数個のノズル室に分割され、各ノズル室に対応する加減弁１２（複数のノズル室を集合させて加減弁を設置する場合も含む）を上流側に有する構造で、各ボイラ１０からの主蒸気管を直接加減弁員数の半分ずつに接続したことを特徴とする。
【００２２】
なお、図１において、蒸気タービン１３からの排気蒸気は、復水器１、復水ポンプ２、脱気器４、ボイラ給水ポンプ５、高圧給水加熱器６を経て、給水調節弁７で２缶に分配され、それぞれ、節炭器８、蒸発器９、ドラム１０、過熱器１１から過熱蒸気となって加減弁１２に供給される。符号の２１は発電機である。
【００２３】
図２の系統図に、本発明になる再熱蒸気系を有する場合の代表的な例として、ボイラ２缶とタービン一台、高圧側４ノズル室／４加減弁、中低圧側２ノズル室／２インターセプト弁の構成を示す。本例においても、各ボイラ１０からの主蒸気管を、高圧タービン１４の加減弁１２の半分ずつに接続するとともに、中低圧タービン２０のインターセプト弁１８の半分ずつに接続している。
【００２４】
図３の系統図は、図２に示した例において、インターセプト弁１８に代えて、調整弁（中低圧タービン加減弁）１９を用いた例である。インターセプト弁１８のように、単なる開閉動作のみでは無く、加減弁１２のように、中間開度での調整機能を有した弁である。図３の例では、再熱蒸気止め弁１５を省略できる。
【００２５】
図４〜図１０は、本発明になる複数ボイラと蒸気タービンとの組合せシステムにおいて、加減弁員数／ノズル室数／ボイラ員数の代表的な組合わせのバリエーションを示した図である。
【００２６】
図４は、加減弁２台／ノズル２室／ボイラ２缶の例で、個々の加減弁１２にボイラ蒸気管が接続されている。図５は、加減弁４台／ノズル４室／ボイラ２缶の例で、対向するノズル室毎に同一ボイラの蒸気管が接続されている。図６は、加減弁２台／ノズル４室／ボイラ２缶の例で、図５において、同一ボイラ系統の加減弁１２を１台にまとめたものである。
【００２７】
図７は、加減弁６台／ノズル６室／ボイラ２缶の例で、一つおきのノズル室にそれぞれ加減弁１２を介して、同一ボイラの蒸気管が接続されている。図８は、加減弁２台／ノズル６室／ボイラ２缶の例で、図７において、同一ボイラ系統の加減弁１２を１台にまとめたものである。
【００２８】
図９は、加減弁６台／ノズル６室／ボイラ３缶の例で、対向するノズル室にそれぞれ加減弁１２を介して、同一ボイラの蒸気管が接続されている。図１０は、加減弁３台／ノズル６室／ボイラ３缶の例で、図９において、同一ボイラ系統の加減弁１２を１台にまとめたものである。
【００２９】
以下、図２に示す系統構成（ボイラ２缶とタービン一台；高圧側４ノズル室／４加減弁・中低圧側２ノズル室２インターセプト弁構成）の場合を代表として、ボイラ負荷１００％と５０％で運用した場合の、各部圧力特性を図１１に示す。
【００３０】
図１１において、ボイラ一缶１００％負荷、ボイラ一缶５０％負荷で、合計タービン出力７５％の場合の特性を例に取り説明する。
▲１▼  タービン第一段圧力はタービン負荷で決まるので、従前どおり７５％タービン負荷と同一となる
【００３１】
▲２▼  １００％負荷ボイラに相当するノズル差圧は、蒸気流量が同じなので１００％時と同様であるが、第一段圧力が低下しているのでノズル入口圧力は低下する。加減弁入口圧力は１００％負荷であるので、結果的に、加減弁差圧が第一段圧力の低下分上昇してバランスする。
【００３２】
▲３▼  一方、５０％ボイラ負荷の系統は、タービン第一段圧力は同一であるが、ノズルを通過する蒸気量が半分ですむので、スロットル差圧は約２５〜５０％に低下する。また、加減弁差圧も蒸気量が少ないために低下させることができる。この場合、弁開度を大きくとることになる。
【００３３】
つまり、ボイラ蒸気圧力を低く運用しても、タービン第一段圧力が同一である限り運用上の制限にはならない特性となり、絞り損失低減による効率向上運転が可能であること、必ずしも主蒸気圧力を一致させること無く運用ができること、動特性の異なるボイラの組み合わせにおいても構成が可能であること、蒸気条件の異なるボイラの組み合わせにおいても運用が可能であることを示している。
【００３４】
▲４▼  これらの特性はボイラ起動時においても同様に、運転中のボイラ圧力まで圧力を上げなくてもタービンへの通気が可能であることを示しており、起動時間の短縮、起動損失の低減に寄与することを示している。
【００３５】
以上説明したシステム制御は、負荷に関係なく加減弁入口圧力を一定に運転する定圧運転プラント、あるいは、負荷に応じて加減弁圧力を変えて運転する変圧プラントのいずれにも適用できるものである。
【００３６】
ここで、本発明の参考例を、図１２〜図１５により説明する。図１２は、再熱蒸気系の無い場合、図１３は、ドラムボイラ２缶とタービン一台の場合を示す図である。以下、図１３の系統構成をもとに説明する。タービン２０の復水は、脱気器４、給水ヒータ６等を通過した後、各ドラムボイラ１０に給水調整弁７で分配される。
【００３７】
分配された給水はドラム１０に入り、ドラム内の缶水と混合される。一方、ドラム発生蒸気は過熱器１１を通して過熱された後、２缶の蒸気がタービン入口で混合され、タービンに通気される。一方、高圧タービン１４の排気蒸気は、各ボイラに配分された後、ボイラの再熱器１７に流される。再熱器１７で加熱された蒸気は、中低圧タービン２０の入口で混合され、インターセプト弁１８を介してタービンに導入される。
【００３８】
つまり、本参考例では、主蒸気、再熱蒸気に拘らず、タービン入口で必ず各ボイラからの発生蒸気は一度混合されてタービンに送られている。図１４は、その一例を示す図で、ボイラ２缶／ノズル４室で、ボイラ２缶の混合蒸気が、各ノズル室毎に加減弁１２を介して供給されている。
【００３９】
図１５に、衝動式タービンにおけるタービン入口主蒸気圧力と、タービン各部の圧力分布との、定格負荷時の関係を示す。ボイラを出た蒸気は、過熱器出口から加減弁までの主蒸気管の圧力損失で、少し減圧されて加減弁入口圧力となる。加減弁は、蒸気の流れを制御するために適当な差圧を持っており、定圧プラントにおいては部分負荷で高差圧、高負荷において低差圧、また、変圧プラントにおいてはほぼ一定の差圧を持つように運用される。
【００４０】
したがって、蒸気は加減弁にて減圧されてノズル入口に到達する。ノズルで増速された蒸気は、動翼に当たり回転エネルギに変換されるが、ノズルでの圧力損失は比較的大きい。このような特性でＮ段減圧された後、高圧タービン排気として排出される。この排気蒸気はボイラの再熱系に流され、蒸気は再度加熱される。加熱蒸気はインターセプト弁を経て高圧タービンと同様にノズルでの減圧をＭ段繰り返して復水器に排出される。
【００４１】
参考例のシステム構成では、主蒸気は、図１５のＡ点で示されるボイラ出口より加減弁入口までの配管、および、再熱蒸気は、Ｂ点で示されるボイラ再熱器出口配管上で合流接続されている。そのため、合流点の圧力は完全に一致することが必要条件で有り、個々のボイラ圧力を変えて運用することは不可能であった。
【００４２】
図１６に、タービン負荷とタービン第一段圧力との関係を示す。タービンは参考例と同様であるので、ノズル出口圧力３２（第一段圧力）は、図１８に示す圧力特性と同一である。また、図１７に、本発明によるボイラ２缶１００％負荷運転時の加減弁入口圧力３０と、ノズル入口圧力３１、第一段圧力３２の関係、および、ボイラ１缶１００％負荷運用時（タービン負荷５０％）の特性を示す。
【００４３】
図１７に示すように、本発明によれば、図１８の参考例方式に比較して、同一のタービン５０％負荷のポイントでは、本発明になるシステムの方が、加減弁差圧が減少して、ノズル差圧が上昇していることがわかる。また、ボイラ２缶を定格で運用した場合には、図３の１００％負荷時と加減弁差圧・ノズル差圧とも同一の特性となることが理解できる。
【００４４】
以上説明したように、上記特性を組み合わせることにより、発電プラントの複数ボイラと蒸気タービンとの組合せシステムにおいて、複数のボイラの出力あるいは圧力が異なる場合に、特徴的な特性を発揮することが可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
上述のとおり、本発明によれば、複数のボイラ主蒸気管に接続する加減弁（ノズル室）系統を、別々に接続することにより、システム構成の自由度の増加、運用性能の向上、発電効率の向上、起動時間の短縮、起動損失の低減等を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる組合せシステムの再熱蒸気系を有しない場合の一実施形態を示す系統図である。
【図２】本発明になる組合せシステムの再熱蒸気系を有する場合の一実施形態を示す系統図である。
【図３】本発明になる組合せシステムの再熱蒸気系を有する場合の他の実施形態を示す系統図である。
【図４】本発明における加減弁２台／ノズル２室／ボイラ２缶の組合せ例を示す構成図である。
【図５】本発明における加減弁４台／ノズル４室／ボイラ２缶の組合せ例を示す構成図である。
【図６】本発明における加減弁２台／ノズル４室／ボイラ２缶の組合せ例を示す構成図である。
【図７】本発明における加減弁６台／ノズル６室／ボイラ２缶の組合せ例を示す構成図である。
【図８】本発明における加減弁２台／ノズル６室／ボイラ２缶の組合せ例を示す構成図である。
【図９】本発明における加減弁６台／ノズル６室／ボイラ３缶の組合せ例を示す構成図である。
【図１０】本発明における加減弁３台／ノズル６室／ボイラ３缶の組合せ例を示す構成図である。
【図１１】本発明になる図２のシステムをボイラ負荷１００％と５０％で運用した場合の各部圧力特性を示した図である。
【図１２】本発明の一参考例を示す系統図である。
【図１３】本発明の他の参考例を示す系統図である。
【図１４】本発明の参考例のうち、２ボイラ／４加減弁／４ノズル室の例を示す構成図である。
【図１５】図１３の参考例における各部の圧力特性を示した図である。
【図１６】タービン負荷とタービン第一段圧力の関係を示す。
【図１７】本発明におけるタービン負荷と、加減弁入口圧力／ノズル入口圧力／第一段圧力との関係を示す図である。
【図１８】図１３の参考例におけるタービン負荷と、加減弁入口圧力／ノズル入口圧力／第一段圧力との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  復水器
２  復水ポンプ
３  低圧給水加熱器
４  脱気器
５  ボイラ給水ポンプ
６  高圧給水加熱器
７  給水調節弁
８  節炭器
９  蒸発器
１０  ドラム
１１  過熱器
１２  加減弁
１３  タービン
１４  高圧タービン
１５  再熱蒸気止め弁
１６  再熱蒸気流量分配弁
１７  再熱器
１８  インターセプト弁
１９  中低圧タービン加減弁
２０  中低圧タービン
２１  発電機
２２  ノズル室
２３  ノズル
３０  加減弁入口圧力
３１  ノズル入口圧力
３２  ノズル出口圧力（第一段圧力）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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