(57)【要約】【課題】タービンの寿命期間における機器の改造、取替を最小限化して熱出力を増大できること。【解決手段】タービンの熱出力増大方法は、タービン２，３の寿命期間に、ノズル１３、羽根１０、ロータ９を改造しまたは切り替えて、タービンの熱出力を増大させるタービンの熱出力増大方法である。このタービンの熱出力増大方法は、タービン２，３の羽根１０のうち最終段落の羽根である最終段翼１４を定格熱出力の場合よりも長翼化する手順と、前記定格熱出力の場合よりも蒸気飲み込み量を増大するためにノズル流路を拡大したノズルへの改造または取替を行う手順と、を有する方法である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンの寿命期間に、ノズル、羽根、ロータを改造しまたは切り替えて、タービンの熱出力を増大させるタービンの熱出力増大方法であって、
前記羽根のうち最終段落の羽根である最終段翼を定格熱出力の場合よりも長翼化する手順と、
前記定格熱出力の場合よりも蒸気飲み込み量を増大するためにノズル流路を拡大したノズルへの改造または取替を行う手順と、
を有することを特徴とするタービンの熱出力増大方法。
【請求項２】
前記定格熱出力の場合よりも蒸気の渦や剥離の発生を抑制する前記羽根への改造または取替を行う手順をさらに有することを特徴とする請求項１記載のタービンの熱出力増大方法。
【請求項３】
前記定格熱出力の場合よりも大径化したロータへの改造または取替を行う手順をさらに有することを特徴とする請求項２記載のタービンの熱出力増大方法。
【請求項４】
前記長翼化する手順は、耐侵食性材料にて構成された最終段翼への改造または取替を含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンの熱出力増大方法。
【請求項５】
タービンの寿命期間に、ノズル、羽根、ロータを改造しまたは切り替えて、タービンの熱出力を増大させるタービン構造において、
前記羽根のうち最終段落の羽根であって、定格熱出力の場合よりも長翼化した最終段翼と、
前記定格熱出力の場合よりも蒸気飲み込み量を増大するためにノズル流路を拡大したノズルと、
を有することを特徴とするタービン構造。
【請求項６】
前記長翼化された最終段翼は、４１インチ超の翼を備えるものであることを特徴とする請求項５に記載のタービン構造。
【請求項７】
前記タービンは、原子力発電プラントの蒸気タービンであることを特徴とする請求項５に記載のタービン構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンの熱出力増大方法及びタービン構造に係り、特に、原子力発電プラントにおける蒸気タービンの熱出力増大方法及びタービン構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、既設の原子力発電プラントにおいて、定格熱出力を変更せずに高圧タービン及び低圧タービンのノズル、ロータ、羽根の改造又は取替を行う場合、定格熱出力においてタービン効率が最高となるように、ノズル、ロータ、羽根を改造しまたは取り替えて運転していた。
【０００３】
また、特許文献１には、回転翼組立体へ蒸気を導くノズル組立体の選択されたノズル流路に閉塞具を挿入して蒸気流を遮断し、サイクル入熱が制限されている蒸気タービンの出力を増大させるものが提案されている。
【０００４】
更に、特許文献２には、複数の低圧蒸気タービンのうちの一つの低圧蒸気タービンの入口部に速度制御用の蒸気加減弁を設けると共に、他の低圧蒸気タービンによって駆動される発電機と当該低圧蒸気タービンとを切り離し機構を介して連結して、部分負荷時または低負荷時の効率を向上させるものが提案されている。
【特許文献１】特開平７−２０８１０８号公報
【特許文献２】特開平８−１１７４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、前述のように定格熱出力を変更せずに、高圧タービン及び低圧タービンのノズル、ロータ、羽根の改造または取替を実施した原子力プラントにおいて、定格熱出力を増大させて電気出力を増加させる場合、高圧タービン及び低圧タービンは設計余裕が小さくなっているため、機器寿命前であっても、主蒸気流量の増大に応じて最終段翼に侵食防止板を設置したり、内部車室部材に肉盛り溶接を実施する等の度重なる改造または取替が必要となり、プラントライフサイクルにおける設備改造量が増大するという課題があった。
【０００６】
また、特許文献１に記載の場合には、ノズル組立体のノズルにおける喉部面積を小さいものに変更したり、ノズル組立体のノズル及び回転翼組立体の羽根を小さいのに変更するなど、改造費用の増大を招くものとなっている。
【０００７】
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、タービンの寿命期間における機器の改造、取替を最小限化して熱出力を増大させることができるタービンの熱出力増大方法及びタービン構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るタービンの熱出力増大方法は、タービンの寿命期間に、ノズル、羽根、ロータを改造しまたは切り替えて、タービンの熱出力を増大させるタービンの熱出力増大方法であって、前記羽根のうち最終段落の羽根である最終段翼を定格熱出力の場合よりも長翼化する手順と、前記定格熱出力の場合よりも蒸気飲み込み量を増大するためにノズル流路を拡大したノズルへの改造または取替を行う手順と、を有する方法である。
【０００９】
また、本発明に係るタービン構造は、タービンの寿命期間に、ノズル、羽根、ロータを改造しまたは切り替えて、タービンの熱出力を増大させるタービン構造において、前記羽根のうち最終段落の羽根であって、定格熱出力の場合よりも長翼化した最終段翼と、前記定格熱出力の場合よりも蒸気飲み込み量を増大するためにノズル流路を拡大したノズルと、を有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るタービンの熱出力増大方法及びタービン構造によれば、ノズル、羽根、ロータの改造または取替を最小限としつつ、タービンの熱出力を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１２】
［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図３）
図１は、本発明に係るタービンの熱出力増大方法における第１の実施の形態が適用される原子力発電プラントを示す系統図である。図２は、図１の低圧蒸気タービンにおける最終段翼周りを示す断面図である。
【００１３】
図１に示す原子力発電プラントは、炉心を収めた原子炉容器１、高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３、復水器４及び発電機６を有して構成される。原子炉容器１と高圧蒸気タービン２とは主蒸気配管５で、高圧蒸気タービン２と低圧蒸気タービン３とはクロスアラウンド管８で、復水器４と原子炉容器１とは給水配管７で、それぞれ接続されている。
【００１４】
炉心において核分裂により発生した熱によって、炉心を流れる冷却材は加熱され、原子炉容器１の内部で蒸気が発生する。発生した蒸気は、高圧蒸気タービン２及び低圧蒸気タービン３へ送られ、機械エネルギーに変換されて、発電機６での発電に供される。低圧蒸気タービン３でエネルギーが回収された蒸気は、復水器４で凝縮された後、再び原子炉容器１に戻される。
【００１５】
低圧蒸気タービン３では、図２に示すように、ロータ９の周囲に複数枚の羽根１０が埋め込まれて羽根組立体１１が構成され、この羽根組立体１１がロータ９の軸方向に複数設置される。各羽根組立体１１に対応してノズル組立体１２が配置され、このノズル組立体１２のノズル１３から羽根１０へ作動流体である蒸気が導かれる。対応する羽根組立体１１とノズル組立体１２とは一つの段落を構成する。図２には、最終段落の羽根１０である最終段翼１４と、この最終段翼１４に対応する最終段ノズル１５とが主に図示されている。
【００１６】
ロータ９は図示しない軸受により支持され、また、最終段ノズル１５は内部車室部材１６により支持される。この内部車室部材１６は外部車室部材１７によって支持され、この外部車出部材１７の内側空間が排気室１８を形成する。原子炉容器１で発生した蒸気は、最終段ノズル１５から最終段翼１４へ導かれ、この最終段翼１４を通過しタービン排気となって排気室１８へ流れ込む。高圧蒸気タービン２にあっても、上記低圧タービン３と同様に構成されている。
【００１７】
上述のように構成された高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３にあっては、当初、定格熱出力を変更せずにノズル１３（最終段ノズル１５を含む）、羽根１０（最終段翼１４を含む）、ロータ９の改造や取替を実施するものであっても、高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３の運転可能な寿命期間中に、ノズル１３（最終段ノズル１５を含む）、羽根１０（最終段翼１４を含む）、ロータ９を改造しまたは取り替えて、熱出力を増大させる運用がなされる場合がある。この運用を、以下に述べる第１手順、第２手順及び第３手順によって実施する。
【００１８】
図３は、高圧蒸気タービン、低圧蒸気タービンの出力と運転期間との関係を示すグラフである。高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３の運転開始から２０〜３０年の運転期間ｔ１中においては、定格熱出力を変更することなく、出力曲線Ａを維持するようにノズル１３（最終段ノズル１５を含む）、羽根１０（最終段翼１４を含む）、ロータ９の改造または取替を実施する。この運転期間ｔ１において、例えば１１００ＭＷ級の原子力発電プラントの低圧蒸気タービン３には、最終段翼１４として、例えば４１インチ（１インチ＝２５．４ｍｍ）の翼が使用される。
【００１９】
高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３において、運転期間ｔ１経過後の５〜１０年の（第２期の）運転期間ｔ２には、次の第１手順及び第２手順を実施し、定格熱出力よりも出力が数％（例えば５％程度）向上した、出力曲線Ｂ（例えば熱出力１０５％程度）を実現する運転を実施する。
【００２０】
第１手順は、最終段翼１４を定格熱出力の場合よりも長翼化した最終段翼１４に改造しまたは取り替えるものである。例えば、１１００ＭＷ級の原子力発電プラントの低圧蒸気タービン３にあっては、４１インチ超の翼（例えば４５〜５０インチの翼）を有する最終段翼１４に改造しまたは取り替える。この改造されまたは取り替えられる最終段翼１４は、耐侵食性に富む材料にて構成されることが好ましい。
【００２１】
第２手順は、定格熱出力の場合よりも熱出力が数％（例えば５％程度）向上するようなノズル１３（最終段ノズル１５を含む）及び羽根１０（最終段翼１４を含む）、ロータ９に改造しまたは取り替えるものである。この場合のノズル１３及び羽根１０は、定格熱出力の場合よりも熱出力が数％向上するように、蒸気の渦や剥離の発生を抑制する断面形状を備える。また、ロータ９は、定格熱出力よりも熱出力が数％向上するように大径化されて強度が増加されたものである。例えば、熱出力を定格熱出力よりも５％程度向上させるために、ロータ９を定格熱出力の場合よりも５％程度大径化させる。
【００２２】
高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３において、運転開始から運転期間ｔ１及びｔ２を経過した後、それ以降の残り寿命の（第３期の）運転期間ｔ３に第１手順及び第３手順を実施し、熱出力を定格熱出力よりも例えば１０〜２０％程度増大させて、出力曲線Ｃ（例えば熱出力１１０〜１２０％程度）を実現する運転を実施する。
【００２３】
第３手順は、定格熱出力の場合よりも蒸気飲み込み量を増大させるためにノズル流路を拡大したノズル１３（最終段ノズル１５を含む）への改造または取替と、定格熱出力の場合よりも性能を向上させるために蒸気の渦や剥離の発生を抑制する断面形状の羽根１０（最終段羽根１４を含む）への改造または取替と、定格熱出力の場合よりも性能が向上するように大径化して強度を増加させたロータ９への改造または取替との、少なくとも一つを実施するものである。ロータ９は、熱出力を定格熱出力に比べて例えば２０％程度向上させるためには、定格熱出力の場合に比べ２０％程度大径化される。
【００２４】
この第３手順は、具体的には、
（１）上述のノズル１３（最終段ノズル１５を含む）への改造または取替のみを実施する場合と、
（２）上述のノズル１３（最終段ノズル１５を含む）への改造または取替、及び上述の羽根１０（最終段翼１４を含む）への改造または取替を実施する場合と、
（３）上述のノズル１３（最終段ノズル１５を含む）への改造または取替、上述の羽根１０（最終段翼１４を含む）への改造または取替、及び上述のロータ９への改造または取替を実施する場合
において、これら（１）、（２）、（３）のいずれか一つが好ましい。
【００２５】
第３手順は、上記（１）、（２）、（３）以外の場合、例えば上述のノズル１３（最終段ノズル１５を含む）への改造または取替及び上述のロータ９への改造または取替を実施する場合であってもよい。
【００２６】
従って、運転期間ｔ３における高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３は、最終段翼１４が定格熱出力の場合よりも長翼化されると共に、定格熱出力の場合よりも蒸気飲み込み量を増大するためにノズル流路が拡大して構成されたノズル１３（最終段ノズル１５を含む）と、定格熱出力の場合よりも性能を向上させるために渦や剥離の発生を防止する断面形状の羽根１０（最終段翼１４を含む）と、定格熱出力の場合よりも性能が向上するように大径化されて強度が増加したロータ９との、少なくとも一つを有して構成されたものとなっている。
【００２７】
本実施の形態によれば、第１手順、第２手順及び第３手順を実施する。第１手順は、最終段翼１４を定格熱出力の場合よりも長翼化する手順である。第２手順は、定格熱出力の場合よりも出力が数％向上するように渦や剥離の発生を防止する断面形状のノズル１３（最終段ノズル１５を含む）及び羽根１０（最終段翼１４を含む）に改造しまたは取り替え、且つ、定格熱出力の場合よりも熱出力が数％向上するように大径化されて強度が増加されたロータ９に改造しまたは取り替える手順である。
【００２８】
第３手順は、
（１）定格熱出力の場合よりも蒸気飲み込み量を増大するためにノズル流路を拡大したノズル１３（最終段ノズル１０項含む）のみへの改造または取替と、
（２）定格熱出力の場合よりも蒸気飲み込み量を増大するためにノズル流路を拡大したノズル１３（最終段ノズル１５を含む）、及び定格熱出力の場合よりも性能を向上させるために蒸気の渦や剥離の発生を抑制する断面形状の羽根１０（最終段翼１４を含む）への改造または取替と、
（３）定格熱出力の場合よりも蒸気飲み込み量を増大するためにノズル流路を拡大したノズル１３（最終段ノズル１５を含む）、定格熱出力の場合よりも性能を向上させるために蒸気の渦や剥離の発生を抑制する断面形状の羽根１０（最終段翼１４を含む）、及び定格熱出力の場合よりも性能が向上するように大径化されて強度が増加されたロータ９への改造または取替において、これらの（１）、（２）、（３）のいずれか一つを有する手順
である。
【００２９】
特に第３手順を実施することで、ノズル１３（最終段ノズル１５を含む）、羽根１０（最終段翼１４を含む）、ロータ９への改造または取替を頻繁に実施することなく最小限化して、高圧タービン２、低圧タービン３の熱出力を増大させることができる。
【００３０】
［Ｂ］第２の実施の形態（図４）
図４は、本発明に係るタービンの熱出力増大方法における第２の実施の形態が適用された低圧蒸気タービンの出力と運転期間との関係を示すグラフである。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を用いて説明を簡略化し、または省略する。
【００３１】
高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３の運転可能な寿命期間において熱出力を増大させるために、前記第１の実施の形態では、第１手順及び第２手順を（第２期の）運転期間ｔ２に、第１手順及び第３手順を（第３期の）運転期間ｔ３に順次実施するものであったが、本実施の形態では、第１手順及び第３手順のみを実施する。
【００３２】
つまり、図４に示すように、高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３の運転開始から２０〜３０年の運転期間ｔ１中においては、定格熱出力を変更することなく、出力曲線Ａを維持するようにノズル１３（最終段ノズル１５を含む）、羽根１０（最終段翼１４を含む）、ロータ９の改造または取替を実施する。この運転期間ｔ１において、例えば１１００ＭＷ級の原子力発電プラントの低圧蒸気タービン３には、最終段翼１４として例えば４１インチ（１インチ＝２５．４ｍｍ）の翼が使用される。
【００３３】
高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３において、運転期間ｔ１経過後の残り寿命の運転期間ｔ４には、第１手順及び第３手順のみを実施して、熱出力を定格熱出力よりも例えば１０〜２０％程度増大させて、出力曲線Ｄ（例えば熱出力１１０〜１２０％程度）を実現する運転を実施する。
【００３４】
即ち、残り寿命の運転期間ｔ４において、最終段翼１４を、定格熱出力の場合よりも長翼化したものに改造しまたは取り替える。例えば、１１００ＭＷ級の原子力発電プラントの低圧蒸気タービン３にあっては、４１インチ超（例えば４２〜５０インチ、具体的には、４５〜５０インチ）の翼を有する最終段翼１４に改造しまたは取り替える。この改造されまたは取り替えられる最終段翼１４は、耐侵食性に富む材料にて構成されるものが好ましい。
【００３５】
また、残り寿命の運転期間ｔ４においては、ノズル１３（最終段ノズル１５を含む）を、定格熱出力の場合よりも蒸気飲み込み量を増大するようにノズル流路を拡大したものに改造しまたは取り替え、羽根１０（最終段翼１４を含む）を、定格熱出力の場合よりも性能を向上させるために渦や剥離の発生を防止する断面形状のものに改造しまたは取り替える。
【００３６】
更に、残り寿命の運転期間ｔ４においては、ロータ９を定格熱出力の場合よりも性能が向上するように大径化して強度を増加させたものに改造しまたは取り替える。このロータ９は、熱出力を定格熱出力に比べ例えば２０％程度を向上させるためには、定格熱出力の場合よりも例えば２０％程度大径化されたものに改造しまたは取り替える。
【００３７】
以上のことから、前記第１の実施の形態の効果と同様な効果を奏するほか、次の効果を奏する。
【００３８】
高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３の運転可能な寿命期間において、運転期間ｔ１から運転期間ｔ４へと移行する際に、ノズル１３（最終段ノズル１５を含む）、羽根１０（最終段翼１４を含む）及びロータ９に対し改造または取替を一度実施すれば足りるので、これらの改造または取替の回数を第１の実施の形態の場合よりも低減して、高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３の熱出力を向上させることができる。
【００３９】
［Ｃ］第３の実施の形態（図５）
図５は、本発明に係るタービンの熱出力増大方法における第３の実施の形態が適用された低圧蒸気タービンの最終段翼周りを示す断面図である。この第３の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。
【００４０】
本実施の形態の場合にも、前記第１の実施の形態と同様に、高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３の運転可能な寿命期間の運転期間ｔ２に第１手順及び第２手順を実施し、運転期間ｔ３に第１手順及び第３手順を実施するが、第２手順の内容が第１の実施の形態と異なる。
【００４１】
つまり、本実施の形態の第２手順でも、第１の実施の形態と同様に、ノズル１３（最終段ノズル１５を含む）及び羽根１０（最終段翼１４を含む）を、定格熱出力の場合よりも熱出力が数％（例えば５％程度）向上するように渦や剥離の発生を防止する断面形状を備えるものに改造しまたは取り替え、ロータ９を、定格熱出力の場合よりも熱出力が数％（例えば５％程度）向上するものに大径化して強度が増加したものに改造しまたは取り替える。更に、本実施の形態の第２手順では、第１の実施の形態と異なり、最終段ノズル１５と内部車室部材１６を、長翼化された最終段翼１４に対応したものに改造しまたは取り替える。更に、外部車室部材１７は変更させないものの、排気室１８については、定格熱出力よりも出力を数％（例えば５％程度）向上させるために、蒸気の流れを案内するガイド板２０を、ガイド板１９に追加して配置したものに改造しまたは取り替える。このガイド板２０は、内部車室部材１６の近傍に設置される。
【００４２】
最終段翼１４の長翼化に対応した最終段ノズル１５及び内部車室部材１６と、ガイド板２０を追加した排気室１８とは、いずれか一方の改造または取替であってもよい。
【００４３】
運転期間ｔ３に実施する第１手順及び第３手順については、前記第１の実施の形態と同様であり、最終段翼１４を長翼化したものに取り替えると共に、定格熱出力の場合よりも蒸気飲み込み量を増大させるためにノズル流路を拡大したノズル１３（最終段ノズル１５を含む）への改造または取替と、定格熱出力の場合よりも性能を向上させるために渦や剥離の発生を防止する断面形状の羽根１０（最終段羽根１４を含む）への改造または取替と、定格熱出力の場合よりも性能が向上するように大径化して強度を増加させたロータ９への改造または取替との、少なくとも一つを実施するものである。ロータ９は、熱出力を定格熱出力に比べて例えば２０％程度向上させるためには、定格熱出力の場合に比べ２０％程度大径化される。
【００４４】
本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と同様な効果を奏するほか、次の効果を奏する。
【００４５】
高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３の運転可能な寿命期間における運転期間ｔ２において、最終段ノズル１５及び内部車室部材１６を、最終段翼１４の長翼化に対応したものに改造しまたは取り替え、更に、排気室１８を、定格熱出力の場合よりも出力が数％向上するものに改造しまたは取り替えたことから、高圧蒸気タービン２、低圧蒸気タービン３の熱出力を、定格熱出力よりも数％（例えば５％程度）確実に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係るタービンの熱出力増大方法における第１の実施の形態が適用される原子力発電プラントを示す系統図。
【図２】図１の低圧蒸気タービンにおける最終段翼周りを示すタービン構造の断面図。
【図３】高圧蒸気タービン、低圧蒸気タービン（図２）の出力と運転期間との関係を示すグラフ。
【図４】本発明に係るタービンの熱出力増大方法における第２の実施の形態が適用された低圧蒸気タービンの出力と運転期間との関係を示すグラフ。
【図５】本発明に係るタービンの熱出力増大方法における第３の実施の形態が適用された低圧蒸気タービンの最終段翼周りを示すタービン構造の断面図。
【符号の説明】
【００４７】
９  ロータ
１０  羽根
１３  ノズル
１４  最終段翼
１５  最終段ノズル
１６  内部車室部材
１８  排気室
１９、２０  ガイド板
ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４  運転期間
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ  出力曲線
【図１】
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【図２】
2009002188.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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