JPH02230905A - ガスタービン・蒸気タービン組合せサイクルの超過速度防護装置 - Google Patents

ガスタービン・蒸気タービン組合せサイクルの超過速度防護装置

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JPH02230905A
JPH02230905A JP1517290A JP1517290A JPH02230905A JP H02230905 A JPH02230905 A JP H02230905A JP 1517290 A JP1517290 A JP 1517290A JP 1517290 A JP1517290 A JP 1517290A JP H02230905 A JPH02230905 A JP H02230905A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は一般に、大形発電機のような負荷を駆動するガ
スタービン・再熱蒸気タービン組合せサイクル動力プラ
ントに関するものである。更に詳しくは、本発明は負荷
が突然減少したときに、このような組合せサイクルに破
壊的な超過速度が生じないようにするための改良された
方法に関する。
大形蒸気タービン発電機では、蒸気は通常、高圧タービ
ン部を通過した後、かつ中圧タービン部と低圧タービン
部で膨脹する前にボイラの再熱部で再加熱される。高圧
タービン入口の制御弁の他に再熱器と中間圧タービンと
の間にインタセプト弁が設けられる。これにより、再熱
器内の高エネルギ蒸気が低圧タービン内で膨脹して超過
速度の一因となる前に遮断される。制御弁およびインタ
セプト弁は主蒸気止め弁および再熱止め弁によってバッ
クアップされる。主蒸気止め弁および再熱止め弁は制御
弁またはインタセプト弁の故障の際にそれぞれ第２防衛
線としての役目を果す。
蒸気発生器内の再熱器にはかなりの量の高エネルギ蒸気
が含まれており、インタセプト弁によって遮断されない
場合、この高エネルギ蒸気が低圧タービン部に流入して
、運動エネルギに変換され、この運動エネルギが超過速
度の一因となる。この再熱器蒸気の幾分かはインタセプ
ト弁が閉じつつある間もインタセプト弁を通って流れる
ことにより超過速度の一因となる。
蒸気タービン発電機の定格が大きくなるにつれて、負荷
の低下の際に超過速度を制限する間届はよりきびしくな
ってきた。弁をより早く閉じるため、または調速機の動
作だけの場合より早く弁を閉じ始めるため、種々の制御
装置が開発されてきた。蒸気タービンのトルクと発電機
の電気負荷との間に初めて不平衡が生じたときの弁の開
成操作が米国特許第３．１９Ｌ　　９５４号に開示され
ている。他の構成としては、米国特許第３，０９８，１
９０号に示唆されているように発電機の負荷として付加
的な電気抵抗を加えるものがある。機械的な負荷を付加
する種々の制動装置゛も示唆されてきた。例えば逆転タ
ービン段が示唆されてきた。
ガスタービンには同じように難しい超過速度の問題はな
い。というのは、タービンで発生する総トルクの大部分
が空気圧縮機を駆動するために必要とされるからである
。更に、圧縮機を駆動するために必要なトルクは速度の
線形関数ではなくて、ほぼ速度の自乗として増加する。
蒸気タービンとガスタービンの両方をそなえた組合せサ
イクル動力プラントが提案されており、蒸気タービンと
ガスタービンは発電機の両端にタンデム接続される。こ
のような組合せサイクル動力プラントは米国特許第４，
５１９，２０７号に示されている。これにはガスタービ
ンとタンデム接続されたタービンに蒸気を供給して発電
機を駆動するための非再熱型の２圧力レベルの熱回収蒸
気発生器が示されている。このような装置では、回転子
相互は通常、熱膨脹収縮にそなえて「たわみ継手」によ
り接続されている。しかし、たわみ継手は心のずれに起
因する疲労により働かなくなることがある。これは、心
のずれによって回転毎にたわみ継手がたわむからである
。たわみ継手の故障の際、蒸気タービンをその負荷から
完全に分離することができる。したがってこのような組
合せサイクル動力プラントでは、蒸気タービンおよびガ
スタービンはそれぞれ超過速度を防止するための独立し
た制御装置をそなえている。
１９８７年８月１８日の日本特許出願公告６２−３８５
２５には、蒸気タービンとガスタービンとの間に単一の
スラスト軸受をそなえ、剛性継手で発電機に結合された
非再熱蒸気タービン・ガスタービン組合せサイクルが開
示されている。この特許出願公告はタービン・ユニット
の構成だけに関するものであり、この装置に対する蒸気
発生器や制御装置は開示されていない。
制御装置のコストを増大させることなく、大形のガスタ
ービン・再熱蒸気タービン組合せサイクル動力プラント
で負荷が低下したときに過大な超過速度を制御したり小
さくしたりするための改良された手段が必要とされてい
る。
したがって、本発明の１つの目的は大形のガスタービン
・再熱蒸気タービン組合せサイクル動力プラントで超過
速度を防止するための改良された方法を提供することで
ある。
本発明のもう１つの目的は従来の再熱止め弁およびイン
タセプト弁をなくすことを可能にする、再熱蒸気タービ
ンをそなえた改良された組合せサイクル動力プラントを
提供することである。
発明の要約 簡単に述べると、本発明は、ガスタービンと再熱蒸気タ
ービンとをタンデムにソリッド結合（ｓｏｌｉｄ　ｃｏ
ｕｐｌｉｎｇ）すなわち一体的に結合し、回転部材の組
合せの慣性とガスタービン空気圧縮機の制動トルクとを
使って単一の制御装置による完成ユニットの超過速度の
制限を助けることにより、実施される。その最も広く、
かつ好ましい形式では、再熱器と中圧蒸気タービン部と
の間の通常のインタセプト弁および再熱止め弁が除去さ
れ、また超過速度を防止するために高圧蒸気制御弁が使
用され、蒸気は再熱器から「弁の無い」導管を通って低
圧蒸気タービン部に流れる。潜在的超過速度状態（すな
わち超過速度が起りそうな状態）を検知して、制御弁を
動作させて超過速度を防止する手段が制御装置に設けら
れる。
本発明の一変形では、空気圧縮機の吐出口とガスタービ
ンの燃焼室との間にダンプ（ｄｕｍｐ）弁が設けられる
。この変形では、制御装置がダンプ弁を開くが、この代
りに圧縮機の吐出圧力が予め選定された値を超えたとき
にダンプ弁が自動的に開くようにしてもよい。
発明と考えられる主届は特許請求の範囲に記載してある
。しかし、本発明の構成および実施方法、ならびに上記
以外の本発明の目的および利点は図面を参照した以下の
説明により明らかとなる。
好適実施例の説明 第１図を参照すると、発電機６のような負荷に対してガ
スタービン２と蒸気タービン４とがタンデムに接続され
る。ガスタービン２からの高温排気ガスが熱回収蒸気発
生器（ＨＲＳＧ）８を通って流れる。熱回収蒸気発生器
８は蒸気タービン４に蒸気を供給する。このような装置
全体が単一の制御装置１０によって制御される。
ガスタービン２の構成要素はタービン１２、空気圧縮機
１４および燃焼室１６であり、燃焼室１６には燃料弁１
８を介して燃料が供給される。蒸気タービン４は高圧部
２０および低圧部２２（または中圧部と低圧部との組合
せ）を含む。ＨＲＳＧ８からの一次絞り蒸気は止め弁２
４および制御弁２６を通って高圧蒸気タービン部２０の
入口へ流れる。ＨＲＳＧ８からの低圧レベルの「二次」
蒸気の補助的な流れは二次蒸気弁２８を通って進入する
。この二次蒸気は高圧蒸気タービン部２０で膨脹した蒸
気に加わる。
熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）８には高圧蒸気ドラム３
０、低圧蒸気ドラム３２が付設されている。熱回収蒸気
発生器８は動力プラントごとに配置の異なる蒸気発生管
群、蒸気再熱管群および給水管群を含む。開示された構
成では高圧過熱部３４、再熱部３６、高圧蒸気発生管３
８、低圧過熱管４０、低圧蒸気発生管４２、低圧給水加
熱器４４および高圧給水加熱器４６を含む。
制御装置１０には超過速度状態を検知する手段が含まれ
ている。超過速度状態はここではそれを生じさせる傾向
のある供給パワー（正トルク）と負荷（負トルク）との
間の不平衡によって測定される。そのかわりに検知手段
は速度検知素子または加速度検知素子で構成することが
できる。供給パワーの測定は、「低温」再熱圧力を測定
する蒸気圧センサ４８を使って実行される。負荷の測定
は、発電機出力線５２の電流および電圧に応答する電力
（キロワット）センサ５０を使って負荷の測定が実行さ
れる。このような供給パワー／負荷不平衡検知装置の詳
細については前記の米国特許第３．１９８．９５４号を
参照されたい。
蒸気バイパス弁５４および５６、ならびに補助蒸気進入
弁６０をそなえたオプションの補助蒸気発生器５８も示
されているが、実際に実施する場合には、ずっと多くの
弁および補助的な素子が必要になることが理解されよう
。
蒸気タービン４の高圧部２０および低圧部２２の回転部
材が剛性（非たわみ）継手６２によって一体的に結合さ
れ、また蒸気タービン４は剛性継手６４によって発電機
６に一体的に結合されている。また更にガスタービン２
の回転部材が剛性継手６６．６８によって蒸気タービン
４の回転部材に一体的に結合されていて、これらのタン
デムに接続されたすべての軸に対して単一のスラスト軸
受７０が設けられている。したがって、上述の回転部材
は一緒に結合されて単一の回転子として働く。
本発明によれば、従来のインタセプト弁および再熱止め
弁が除去される。すなわち「弁の無い」蒸気導管７１が
蒸気再熱部３６の出口を低圧蒸気タービン部２２の入口
に直接接続する。導管７１を通って流れる蒸気は高圧タ
ービン部２０の出口からの膨脹された蒸気、および低圧
過熱管４０から補助蒸気弁２８を通って流れる補助的な
蒸気で構成される。単一圧力レベルのＨＲＳＧのみをそ
なえているような動力プラントでは、補助的な蒸気が発
生されたり、または再熱器３６に入る蒸気に付加される
ことなはい。
変形例の説明 第２図に示す本発明の一変形によれば、第１図の組合せ
サイクル動力プラントの圧縮機吐出端にダンプ弁７２が
付加される。第２図には動力プラント全体の一部のみし
か示されていず、省略した部分は第１自と同様である。
ダンプ弁７２は制御装置１００指令により電気的に作動
される弁として概略表示されている。ダンプ弁７２は，
供給パワーと負荷との間の予め選定された不平衡が蒸気
圧センサ４８および発電機負荷センサ５０によって検知
されたときに開くように構成されている。
電気的に作動されるダンプ弁７２を使用した場合、調速
装置により測定される予め選定された速度のような他の
種類の状態を検知し、これを使って当業者は周知の素子
を制御してもよい。加速度感知素子で測定した軸の加速
度を使ってダンプ弁７２を開放してもよい。
もう１つの変形例が第３図に示されている。この例では
、ダンプ弁を制御装Ｆｌ１０に直接接続する必要がない
ように、第２図の電気的に作動されるダンプ弁７２が圧
力で作動されるダンプ弁７４に置き換えられている。ダ
ンプ弁７４は圧縮機吐出圧力が予め選定された値を超え
たときに開くように構成されている。この予め選定され
た圧力値は速度が正規の動作速度を超えて大きくなった
ことを表わす値である。
第２図および第３図のいずれの変形例でも、通常、再熱
器３６と蒸気タービンの低圧部２２との間に配置される
通常のインタセプト弁および再熱止め弁が除去されてい
ることがわかる。これが可能になる理由は、ガスタービ
ン２へのソリッド結合すなわち一体的結合によって蒸気
タービン４がガスタービン空気圧縮機１４の制動トルク
に安全に応答するからである。この制動トルクは後で説
明するようにダンプ弁７２または７４によって増大され
る。
動作の説明 発電機６による負荷が失われたとき、供給パワーと負荷
との予め選定された不平衡を超え、このため制御装置１
０は燃料弁１８を動作させてガスタービンへの燃料を減
らし、同時に蒸気タービンに至る制御弁２６および二次
蒸気弁２８を閉じる。
全ての軸が一体的に結合されているので、ガスタービン
、蒸気タービン、および発電機の回転部材の組合せの慣
性により速度の変化に抵抗する能力が大きくなる。また
、ガスタービン空気圧縮機１４はそれを通って流れる空
気を圧縮するために必要なエネルギにより回転子に負の
トルクすなわち制動効果を及ぼすので、この圧縮機の負
のトルクは超過速度状態に対抗する（トルクは速度の自
乗に比例する）。したがって、空気圧縮機を含む堅固に
結合されたユニットは、低圧蒸気タービン部２２へ「弁
の無い」導管７１を通って自由に流入する再熱蒸気の過
剰エネルギを吸収することができる。
このようにして、再熱器３６と低圧蒸気タービン部２２
との間に通常配置される通常のインタセプト弁および再
熱止め弁は除去され、そして電気負荷が無くなったとき
に再熱器内の蒸気ならびに再熱器とタービンとの間の配
管内の蒸気のすべてが、過大な超過速度を生じさせるこ
となく、低圧蒸気タービン部２２を通りで膨脹すること
ができる。インタセプト弁と再熱止め弁を設けるのは大
形の組合せサイクルの再熱蒸気タービンでは非常に費用
がかかるので、これらの弁が無くなればコストの節減に
なる。また、回転部材は一体的に結合されているので、
単一の回転子に対しては１つの制御装置しか必要でない
。これが可能であるのは、ガスタービン２、蒸気タービ
ン４および発電機６がすべて剛性の継手によって一体的
に接続されていて、電気負荷が失われたときに単一のユ
ニットとして応答するからである。これにより、蒸気タ
ービンの別個の超過速度保護を設ける必要はなくなる。
これは従来技術の組合せサイクル動力プラントにおける
ようにたわみ継手の故障によって蒸気タービンが他の回
転子から切り離されることがあり得ないからである。組
合せサイクルにおいて一緒に一休的に結合された回転子
と再熱器からの弁の無い導管とを組み合わせたことによ
り、本発明では、インタセプト弁と再熱止め弁を必要と
した再熱蒸気タービンをそなえた従来の組合せサイクル
に比べて過大な超過速度の生じる可能性が大幅に少なく
なる。
第２図の変形例の動作では、圧縮機吐出端のダンプ弁７
２が制御装置１０によって開かれて、燃焼器１６の前で
圧縮機１４の吐出端からの空気を放出する。これにより
圧縮機１４の制動効果が２つの理由で大きくなる。
すなわち第１に、圧縮機を通る空気の流れが増大し、こ
のため圧縮機を駆動するのに必要なトルク、したがって
制動負荷が大きくなるがらである。
第２に、燃焼器１６への空気の流れが減少し、燃焼を維
持するために必要な燃料入力が小さくなるので、ガスタ
ービン出力が小さくなり、これにより正味の制動負荷が
大きくなるがらである。
圧力作動式のダンプ弁７４を設けた第３図の例でも、ダ
ンプ弁の作動が制御装置１ｏに依存しないことを除けば
同様の動作が行なわれる。制御装置は通常のやり方で燃
料弁および蒸気制御弁を調整することにより速度を下げ
る。
本発明の好ましい実施例と考えられるものを説明してき
たが、当業者には他の変形を考え付くことができよう。
本発明の真の趣旨と範囲に入るこのような変形はすべて
特許請求の範囲内にあると考えられる。
【図面の簡単な説明】
第１図は大形の組合せサイクル動力プラントの概略系統
図である。第２図および第３図は圧縮機吐出端にダンプ
弁を設けた本発明の変形例を示す概略部分図である。 ［主な符号の説明］ ２・・・ガスタービン、４・・・蒸気タービン、６・・
・発電機、８・・・熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）　、
１　０・・・制御装置、１２・・・タービン、１４・・
・空気圧縮器１４、１６・・・燃焼室、１８・・・燃料
弁、２０・・・高圧蒸気タービン部、２２・・・低圧蒸
気タービン部、２６・・・制御弁、３６・・・再熱器、
３８・・・高圧蒸気発生管、４２・・・低圧蒸気発生管
、４８・・・蒸気圧センサ、５０・・・電カセンサ、６
２，６４．６６．６８・・・剛性継手、７０・・・スラ
スト軸受、７１・・・弁の無い蒸気導管、７２・・・ダ
ンプ弁、７４・・・ダンプ弁。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、制御弁をそなえた高圧蒸気タービン部と低圧蒸気タ
    ービン部とを含む再熱蒸気タービン、タービン部、と燃
    焼器と上記燃焼器に供給する燃料弁と吐出端が上記燃焼
    器に至る空気圧縮機とを含むガスタービン、上記再熱蒸
    気タービンおよび上記ガスタービンによって駆動され、
    かつ上記再熱蒸気タービンおよび上記ガスタービンと同
    様に回転部材を含む負荷、ならびに上記ガスタービンに
    よって加熱される熱回収蒸気発生器であって、上記制御
    弁を介して上記高圧蒸気タービン部に蒸気を供給する高
    圧蒸気発生部と上記高圧蒸気タービン部から排出される
    蒸気を受ける蒸気再熱部とを含む熱回収蒸気発生器をそ
    なえている型式の組合せサイクル動力プラントの超過速
    度防護装置に於いて、 上記蒸気再熱部の出口と上記低圧蒸気タービン部の入口
    との間に接続された、弁の無い蒸気導管、単一のスラス
    ト軸受をそなえた単一の回転子を構成するように上記回
    転部材を一緒に一体的に結合する複数の剛性継手、およ
    び 超過速度を防止するために上記制御弁を作動するように
    接続された、潜在的超過速度状態を検知する検知手段を
    含み、 これにより、上記蒸気再熱器内および上記弁の無い蒸気
    導管内の蒸気が上記低圧蒸気タービンを通って自由に膨
    脹することができると共に、上記の一体的に結合された
    回転部材の組み合わさった慣性と上記空気圧縮器の制動
    トルクとによって、上記回転子の潜在的超過速度に抵抗
    することを特徴とする組合せサイクル動力プラントの超
    過速度防護装置。 ２、上記熱回収蒸気発生器は、上記高圧蒸気タービン部
    から排出された蒸気とともに低圧蒸気を上記蒸気再熱部
    に供給するように接続された低圧蒸気発生部を含んでい
    る請求項１記載の組合せサイクル動力プラントの超過速
    度防護装置。 ３、上記空気圧縮機の吐出端と上記燃焼器との間には上
    記検知手段に応答するダンプ弁が配置されており、上記
    ダンプ弁を開放して上記圧縮機の空気の流れを増大させ
    、上記燃焼器への空気の流れを減少させることにより、
    上記回転子に対する圧縮機の制動トルクが増大される請
    求項１記載の組合せサイクル動力プラントの超過速度防
    護装置。 ４、上記ダンプ弁が電気的に作動される弁であり、上記
    検知手段が上記潜在的超過速度状態のときに上記ダンプ
    弁を作動する請求項３記載の組合せサイクル動力プラン
    トの超過速度防護装置。 ５、上記ダンプ弁が圧力で作動される弁であり上記検知
    手段が、上記空気圧縮機の吐出圧力が予め選定された値
    を超えることに応答する請求項３記載の組合せサイクル
    動力プラントの超過速度防護装置。 ６、上記検知手段が、供給パワーと負荷の不平衡が予め
    選定された値を超えることに応答する請求項１記載の組
    合せサイクル動力プラントの超過速度防護装置。 ７、上記検知手段が、上記単一の回転子の速度が予め選
    定された値を超えることに応答する請求項１記載の組合
    せサイクル動力プラントの超過速度防護装置。 ８、上記検知手段が上記単一の回転子の加速度に応答す
    る請求項１記載の組合せサイクル動力プラントの超過速
    度防護装置。 ９、単一の制御装置が上記検知手段に応答して、上記燃
    料弁を調整することにより燃料流量を減らし、同時に上
    記制御弁を調整することにより蒸気流量を減らすように
    設けられている請求項１記載の組合せサイクル動力プラ
    ントの超過速度防護装置。
JP1517290A 1989-01-26 1990-01-26 ガスタービン・蒸気タービン組合せサイクルの超過速度防護装置 Pending JPH02230905A (ja)

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US302,169 1989-01-26

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