JP2012207542A - 蒸気タービン発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービン発電設備の蒸気条件高温化による高性能化を図ることができる蒸気タービン発電設備を提供する。
【解決手段】ボイラ２０に設けられ主蒸気を発生させる過熱器と、主蒸気により駆動される超高圧タービン１１と、超高圧タービン１１の排気を再加熱し再熱蒸気を発生させるボイラ２０内の再熱器と、再熱蒸気により駆動される高圧タービン１２、中圧タービン１３と、中圧タービン１３の排気により駆動される低圧タービン１４ａ、１４ｂと、復水を復水器２２からボイラ２０の過熱器へ供給する給水系統２４と、給水系統２４の圧力を昇圧する給水ポンプ２７と、中圧タービン１３の排気の一部により駆動され、給水ポンプ２７を駆動するポンプ駆動タービン３２と、ポンプ駆動タービン３２の入口に設けられる過熱低減器３１とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気タービンとタービン発電機とを備えた蒸気タービン発電設備に関する。

汽力発電設備は、ボイラで発生した蒸気で蒸気タービンを駆動し、この蒸気タービンが発電機を回して発電する仕組みである。蒸気タービンを駆動した後の蒸気は、復水器によって復水される。復水は、ポンプによる昇圧、給水加熱器による加熱を経て、再度ボイラに供給され蒸気となり蒸気タービンを駆動する。汽力発電設備は、これらの工程を繰り返す。

従来、汽力発電設備の蒸気温度条件は６００℃級が最高温度であった。近年、燃料節約や環境保全を背景とした、汽力発電設備の高効率化が積極的に進められている。これに伴い、蒸気温度を７００℃級とする最先端の高温汽力発電システム（Ａ−ＵＳＣ）が広く検討されている。

蒸気タービンは高圧、中圧、低圧などのタービンを有する。これらのタービンの排気蒸気の一部や、タービンの排気の途中段落から抜き出す抽気蒸気は、給水加熱器の加熱源として、または前述のタービンとは異なる別置タービンの駆動のために使用されることが多い。

蒸気タービン入口蒸気温度が従来のものより高い７００℃級になると、タービンの排気や抽気の温度も同様に高温化する傾向にある。この蒸気温度の高温化は、給水加熱器や別置タービンに蒸気の供給を困難にさせる。

高温化した排気または抽気を、給水加熱器の加熱源として使用する場合、従来とは異なる耐熱鋼を給水加熱器の材料として使用する方法が考えられる。しかし、熱応力およびコストの観点から、この方法は好ましくない。

これを回避するため、例えば、一旦抽気背圧タービンで高圧タービンの排気蒸気の一部に仕事をさせ、圧力・温度を順次低めた抽気で給水を加熱するサイクルが知られている（例えば特許文献１〜３参照）。

特開平８−１００６０５号公報 特開平１０−６１４１３号公報 米国第２００７０１３７２０４号明細書

別置の小型蒸気タービン（以下、「ポンプ駆動タービン」という）は、主に発電や、ボイラへの給水系統を昇圧する給水ポンプを駆動するために使用される。ポンプ駆動タービンは、中圧タービンの排気の一部を分岐させて得られる蒸気により駆動されることが多い。

しかし、Ａ−ＵＳＣの場合、蒸気タービンの入口および出口の温度は従来に比べて高い。ポンプ駆動タービンに高温化した蒸気を供給する場合、従来とは異なる耐熱鋼をポンプ駆動タービンの材料として使用する方法が考えられる。しかし、熱応力およびコストの観点から、この方法は好ましくない。よって、従来のように中圧タービンの排気をポンプ駆動用タービンの駆動源として使用することが困難である。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、蒸気タービン発電設備の蒸気条件高温化による高性能化を図ることができる蒸気タービン発電設備を提供することを目的とする。

発明に係る蒸気タービン発電設備は、上述した課題を解決するために、主蒸気を発生させる過熱器と、前記主蒸気により駆動される第１のタービンと、前記第１のタービンの排気を再加熱し再熱蒸気を発生させる再熱器と、前記再熱蒸気により駆動される第２のタービンと、前記第２のタービンの排気により駆動される第３のタービンと、前記第３のタービンの排気を凝縮し復水にする復水器と、前記復水を前記復水器から前記過熱器へ供給する給水系統と、前記給水系統の圧力を昇圧する給水ポンプと、前記第２のタービンの排気の一部または抽気により駆動され、前記給水ポンプを駆動するポンプ駆動タービンと、前記ポンプ駆動タービンの入口に設けられる過熱低減器とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る蒸気タービン発電設備においては、蒸気タービン発電設備の蒸気条件高温化による高性能化を図ることができる。

本発明に係る蒸気タービン発電設備の一実施形態を示す系統図。 ドレンポットおよびその周辺を特に示す概略的な構成図。 本発明に係る蒸気タービン発電設備の変形例を示す系統図。

本発明に係る蒸気タービン発電設備の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る蒸気タービン発電設備の一実施形態を示す系統図である。

本実施形態においては、本発明に係る蒸気タービン発電設備を、例えば７００℃超臨界圧発電システム（Ａ−ＵＳＣ：Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｕｌｔｒａ−Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ）を採用した蒸気タービン発電設備に適用して説明する。

蒸気タービン発電設備１は、超高圧タービン１１、高圧タービン１２、中圧タービン１３、および低圧タービン１４ａ、１４ｂを含む蒸気タービンを有する。本実施形態においては、超高圧タービン１１は「第１のタービン」、高圧タービン１２、中圧タービン１３は「第２のタービン」（ぞれぞれ「第１の再熱タービン」、「第２の再熱タービン」）、低圧タービン１４ａ、１４ｂは「第３のタービン」である。蒸気タービン発電設備１は、蒸気を過熱あるいは再熱するボイラ２０、蒸気タービンに接続される発電機２１、および蒸気タービンの排気が導かれる復水器２２を有する。

蒸気タービン発電設備１は、復水器２２から給水加熱器２３ａ〜２３ｄへ復水を供給する給水系統２４を有する。給水系統２４は、復水の流れに沿って、復水ポンプ２５、給水加熱器２３ａ、２３ｂ、脱気器２６、給水ポンプ２７、給水加熱器２３ｃ、２３ｄなどを有する。また、蒸気タービン発電設備１は、中圧タービン１３の排気の一部を供給する出口配管３０と接続する過熱低減器３１と、過熱低減器３１の出口と接続するポンプ駆動タービン３２とを有する。過熱低減器３１は、再熱タービンの後段側（低圧タービン１４ａの前段側）のタービンの出口に接続される。

蒸気タービン発電設備１は、過熱低減器３１の故障時に機能するバックアップ系統４０を有する。バックアップ系統４０は、低圧タービン１４ａの抽気をポンプ駆動タービン３２に供給する系統である。弁４５ａは、中圧タービン１３の排気の一部を過熱低減器３１へ供給するための出口配管３０を開閉する。弁４５ｂは、低圧タービン１４ａの抽気をポンプ駆動タービン３２へ供給するための供給配管４１（バックアップ系統４０）を開閉する。

弁４５ａ、４５ｂは、それぞれ制御部５０に接続される。制御部５０は、弁４５ａ、４５ｂの開閉を制御するための制御信号Ｓａ、Ｓｂを送信する。

過熱低減器３１の後段には、過熱低減器３１における水漏れを検出するためのドレンポット６１が設けられる。

図２は、ドレンポット６１ａ、６１ｂおよびその周辺を特に示す概略的な構成図である。図２における矢印は、蒸気の流れを示す。

ドレンポット６１ａは、過熱低減器３１の出口配管６５に設けられる。ドレンポット６１ｂは、出口配管６５から水平に延長されたドレン溜部６６に設けられる。ドレンポット６１ａ、６１ｂは、出口配管６５およびドレン溜部６６に対してＴ字に分岐し、下端にドレン６２が溜まる構造である。ドレンポット６１ａ、６１ｂは、水位計６３ａ、６３ｂを有する。水位計６３ａ、６３ｂは、制御部５０と接続され（図１参照）、計測した水位データＤを制御部５０へ送信する。なお、蒸気配管６７は、出口配管６５から上方に向かって伸び、過熱低減器３１から排出された蒸気をポンプ駆動タービン３２へ導く。

次に、蒸気タービン発電設備１の作用について説明する。

ボイラ２０に設けられた過熱器は、燃焼熱などの熱源を利用して６５０℃以上の高温蒸気（主蒸気）を発生させる。主蒸気は、超高圧タービン１１に供給され仕事をした後、ボイラ２０に設けられた第１の再熱器で高温の蒸気（第１の再熱蒸気）に再加熱される。

再加熱された蒸気（第１の再熱蒸気）はボイラ２０の第１の再熱器から高圧タービン１２へ供給される。再熱蒸気は、高圧タービン１２で仕事をした後、ボイラ２０の第２の再熱器で再び高温の蒸気（第２の再熱蒸気）に加熱される。再加熱された蒸気（第２の再熱蒸気）は、中圧タービン１３へ供給される。第２の再熱蒸気は、中圧タービン１３で仕事をした後、低圧タービン１４ａ、１４ｂへ供給される。

本実施形態において、再熱器は、第１の再熱器と第２の再熱器との２つで構成される。また、第２のタービンである再熱タービンは、高圧タービン１２と中圧タービン１３との２つで構成される。そして、全体として、主蒸気が供給される第１のタービンである超高圧タービン１１からの排気は、ボイラ２０の再熱器で再加熱されて再熱タービンを駆動し、再熱タービンを駆動した後の排気は、第３のタービンである低圧タービン１４ａ、１４ｂを駆動する。

低圧タービン１４ａ、１４ｂで仕事をした蒸気は、復水器２２にて凝縮されて復水となる。復水は、復水ポンプ２５で給水加熱器２３ａ、２３ｂ、脱気器２６へ順次導かれる。給水系統２４は、給水ポンプ２７にて昇圧され、給水加熱器２３ｃ、２３ｄを経てボイラ２０へ導かれる。ボイラ２０は、水を加熱し、再び発電用の主蒸気を発生させる。

ポンプ駆動タービン３２は、超高圧、高圧、中圧、低圧タービン１１〜１４ａ、１４ｂとは異なる別置タービンであり、給水ポンプ２７を駆動する。

ポンプ駆動タービン３２の作動流体は、中圧タービン１３の排気の一部である。ここで、７００℃級のＡ−ＵＳＣにおいては、中圧タービン１３の入口蒸気温度が４５０±３０℃、出口蒸気温度が３５０±３０℃程度、圧力が０．５±０．２ＭＰａ程度となり、従来の中圧タービンに比べて高温になる。ポンプ駆動タービン３２の耐熱性の観点から、中圧タービン１３の排気をポンプ駆動タービン３２の作動流体とすることは困難である。

これに対し、本実施形態における蒸気タービン発電設備１は、ポンプ駆動タービン３２の入口に過熱低減器３１を設け、中圧タービン１３の排気温度を低下させることができる。

中圧タービン１３の排気の一部は、出口配管３０に導かれる。出口配管３０は分岐し、蒸気の一部は脱気器２６に供給され、他の蒸気は過熱低減器３１に供給される。出口配管３０の分岐より下流側に設けられた弁４５ａは、通常運転時においては開かれ、バックアップ系統４０に設けられる弁４５ｂは閉じられる。

過熱低減器３１は、給水加熱器２３ｄとボイラ２０とを接続するボイラ給水配管２８を流れる水の一部を利用して中圧タービン１３の排気の温度を低減調整する。過熱低減器３１へ供給される水の水量は、ボイラ給水配管２８から分岐する配管の口径や、オリフィスにより調整される。排気温度の低減に用いられた水は、再びボイラ給水配管２８に戻される。

過熱低減器３１において温度が低下した蒸気は、ポンプ駆動タービン３２に供給され、仕事をする。ポンプ駆動タービン３２は、蒸気により駆動され、脱気器２６の後段に設けられた給水ポンプ２７を駆動する。また、ポンプ駆動タービン３２の排気は、復水器２２へ導かれる。

次に、ドレンポット６１を用いた水漏れ検知について説明する。

蒸気タービン発電設備１は、過熱低減器３１を経由した蒸気をポンプ駆動タービン３２の作動流体として使用する。万一、過熱低減器３１に水漏れなどのトラブルが発生した場合、漏れた水がポンプ駆動タービン３２に流入し、ポンプ駆動タービン３２にダメージを与える恐れがある。

これを防止するため、図２に示すように、蒸気タービン発電設備１は、過熱低減器３１の出口配管６５およびドレン溜部６６に、それぞれドレンポット６１ａ、ドレンポット６１ｂおよび水位計６３ａ、６３ｂを設置する。

過熱低減器３１に水漏れが発生した場合、出口配管６５およびドレン溜部６６に水が流出する。流出した水（ドレン６２）は、ドレンポット６１ａ、６１ｂに溜る。なお、通常時においても、若干のドレン６２がドレンポット６１ａ、６１ｂに溜っている。水漏れ発生時、ドレンポット６１ａ、６１ｂの水位は上昇する。水位計６３ａ、６３ｂで検出される水位が規定値を超えると、制御部５０は過熱低減器３１にトラブルが発生したことを認識することができる。この結果、ポンプ駆動タービン３２のダメージを防止することができる。

次に、蒸気タービン発電設備１の過熱低減器３１の故障時の作用について説明する。

過熱低減器３１に故障が発生し、過熱低減器３１を停止する必要が生じた場合、ポンプ駆動タービン３２へ作動流体を供給することができず、給水ポンプ２７を駆動することができない。これにより、給水系統２４を流れる復水は昇圧されず、ボイラ２０へ給水することができないため、蒸気タービン発電設備１全体を停止することになりかねない。

本実施形態における蒸気タービン発電設備１は、過熱低減器３１故障時のバックアップ系統４０を備える。バックアップ系統４０は、低圧タービン１４ａの抽気をポンプ駆動タービン３２へ供給する。このとき、制御部５０は弁４５ａを閉じ、弁４５ｂを開くことによりバックアップ系統４０に切り替え、低圧タービン１４ａの抽気をポンプ駆動タービン３２に供給する。

通常、低圧タービンの抽気は圧力が低く体積が大きい。このため、低圧タービンの抽気をポンプ駆動タービンの作動流体とする場合には、抽気配管の口径を大きくする必要がある。しかし、過熱低減器３１のバックアップ系統として低圧タービン１４ａの抽気を利用する場合には、蒸気タービン発電設備１の低負荷運転（例えば通常時の５０％程度）が想定される。低負荷運転時においては、少ない蒸気をポンプ駆動タービン３２に供給することで、口径の大きい配管を不要とすることができる。

この蒸気タービン発電設備１は、ポンプ駆動タービン３２の前段に配置した過熱低減器３１により、ポンプ駆動タービン３２が耐熱性を備えることを不要とすることができる。よって、Ａ−ＵＳＣであっても、ポンプ駆動タービン３２は、従来の蒸気タービン発電設備（例えば６００℃級の蒸気タービン発電設備）と同様の材料および構造を使用することができる。これにより、蒸気タービン発電設備全体のコストを抑制しながら、蒸気タービン発電設備の蒸気条件高温化による高性能化を図ることができる。

また、過熱低減器３１においてトラブルによる水漏れが発生した場合、水漏れ検出に時間を要するとポンプ駆動タービンに水が流入する恐れがある。本実施形態における蒸気タービン発電設備１は、ドレンポット６１ａ、６１ｂのダブルチェックにより水漏れを容易、かつ迅速に検出することができる。

さらに、蒸気タービン発電設備１は、過熱低減器３１の故障時（停止時）におけるポンプ駆動タービン３２へ供給される蒸気のバックアップとして、バックアップ系統４０も有する。これにより、蒸気タービン発電設備１は、信頼性が高く、蒸気タービン発電設備の性能向上による効果を充分に発揮できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、蒸気タービン発電設備１は、二段再熱方式のタービンに限らず、図３に示す一段再熱方式の蒸気タービン発電設備１００であってもよい。

すなわち、図１の蒸気タービン発電設備１においては、ボイラ２０は第１の再熱器と第２の再熱器の２つの再熱器を備える。これ対し、図３の蒸気タービン発電設備１００においては、ボイラ１２０は再熱器を１つのみ備える。そして蒸気タービンは、ボイラ１２０の過熱器からの主蒸気を作動流体とする高圧タービン１１１（第１のタービン）、ボイラ１２０の再熱器からの再熱蒸気を作動流体とする中圧タービン１１２（第２のタービン）、中圧タービン１１２の排気を作動流体とする低圧タービン１１３ａ、１１３ｂ（第３のタービン）を有する。この場合、ポンプ駆動タービン３２は、過熱低減器３１により温度が低減された中圧タービン１１２の排気の一部を作動流体として駆動する。蒸気タービン発電設備１００の他の構成は、図１の蒸気タービン発電設備１と対応するため同一の符号を付し説明を省略する。

また、ポンプ駆動タービン３２は、中圧タービン１３、１１２の抽気を作動流体としてもよい。

さらに、過熱低減器３１の出口配管６５、およびドレン溜部６６は、水平に伸びた例を説明したが、鉛直方向(下方向）に伸びていてもよい。

１、１００ 蒸気タービン発電設備
１１ 超高圧タービン
１２ 高圧タービン
１３ 中圧タービン
１４ａ、１４ｂ 低圧タービン
２０、１２０ ボイラ
２１ 発電機
２２ 復水器
２４ 給水系統
２７ 給水ポンプ
３１ 過熱低減器
３２ ポンプ駆動タービン
４０ バックアップ系統
５０ 制御部
６１ａ、６１ｂ ドレンポット
６３ａ、６３ｂ 水位計
１１１ 高圧タービン
１１２ 中圧タービン
１１３ａ、１１３ｂ 低圧タービン

Claims (4)

1. 主蒸気を発生させる過熱器と、
   前記主蒸気により駆動される第１のタービンと、
   前記第１のタービンの排気を再加熱し再熱蒸気を発生させる再熱器と、
   前記再熱蒸気により駆動される第２のタービンと、
   前記第２のタービンの排気により駆動される第３のタービンと、
   前記第３のタービンの排気を凝縮し復水にする復水器と、
   前記復水を前記復水器から前記過熱器へ供給する給水系統と、
   前記給水系統の圧力を昇圧する給水ポンプと、
   前記第２のタービンの排気の一部または抽気により駆動され、前記給水ポンプを駆動するポンプ駆動タービンと、
   前記ポンプ駆動タービンの入口に設けられる過熱低減器とを備えたことを特徴とする蒸気タービン発電設備。
2. 前記第２のタービンは、前記第１のタービンの排気を再加熱した第１の再熱蒸気により駆動する第１の再熱タービンと、前記第１の再熱タービンの排気を再加熱した第２の再熱蒸気により駆動する第２の再熱タービンとを備えた請求項１記載の蒸気タービン発電設備。
3. 前記過熱低減器の出口配管に設けられ前記出口配管に発生するドレンを溜めるドレンポットと、
   前記ドレンポットの水位を検出する水位検出部をさらに備えた請求項１または２記載の蒸気タービン発電設備。
4. 前記第３のタービンの抽気を前記ポンプ駆動タービンへ供給するバックアップ系統と、
   前記過熱低減器が停止した場合、前記ポンプ駆動タービンと前記バックアップ系統とを接続する制御部とをさらに備えた請求項１〜３のいずれか一項記載の蒸気タービン発電設備。

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