JPH04295104A - 蒸気タービンにおける熱消費率悪化の最小化方法及び装置 - Google Patents

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】

【０００１】

【発明の背景】蒸気タービンは、定格出力の保証書を付
けて引き渡される。化石燃料システムの場合、定格出力
はタービンの動力出力と関連する。しかし、原子力によ
って動力を供給されるシステムでは、米国の原子力規制
委員会（ＮＲＣ）は、タービンへの熱エネルギ入力に基
づいて発電システムを認可している。いずれの種類のシ
ステムにおいても、タービンを大きめの容量にすること
によって、即ち保証された定格出力を発生するのに必要
であると計算された以上の流量能力を与えることにより
、定格出力を得られるようにするのが慣行である。この
余分に付加された流量能力は一般的に流量マージンと呼
ばれ、しばしば、約５％に選択される。化石燃料システ
ムの場合、この流量マージンは使用者にとって有利に働
き、単により大きな動力出力の能力を与えるだけである
。しかし、原子力分野のシステムにおいては、流量マー
ジンは、全運転出力で弁を絞って当該システムに対する
ＮＲＣの認可仕様に熱エネルギ入力を制限することを必
要とする場合がある。不幸にして、弁を絞るとタービン
システムの効率が低下する。

【０００２】弁を絞ることによって発生する効率の低下
を解消する１つの方法は、蒸気タービンを部分弧制御す
ることである。部分弧送入は、タービン入口に入る蒸気
を隔離され且つ別個に制御可能な複数の送入弧に分割す
ることにより達成される。この方法では、作動する第１
段のノズルの数は負荷の変化に応じて変化される。部分
弧送入タービンは、送入弧全体を絞るのではなく、絞り
を最小にして、個々のノズル室を通るように蒸気を順に
送入することによって比較的高い理想的な効率を達成す
る。

【０００３】最大許容蒸気流量が認可された原子炉出力
によって制限されている原子力蒸気タービンでは、流量
マージンの過剰は効率の低下になる。更に、多くの原子
力蒸気タービンの設計では、２相の流れの影響がしばし
ば不適切に予測され、その影響でタービン第１段の出口
圧力が低下したり、流量能力が増加したり、その結果タ
ービン第１段の性能が設計から離れることになる。これ
等の影響は、認可された原子炉出力を維持するために制
御弁を過剰に絞ることを必要とする。また、これ等の２
相の影響は、タービン給水加熱器の抽気圧力を低下させ
、その結果最終的な給水温度とエンタルピーを低下させ
る。これ等の後者の影響は、認可を受けた出力レベルに
定格出力を維持するために、蒸気発生器の流量の減少に
なり、更に制御弁を絞ることになる。もし、流量マージ
ンが小さくなれば、出力が不適当になるという危険が増
加する。

【０００４】弁点もしくは弁設置箇所の数を増加すれば
、定格出力で絞られる流量を減少させるることができる
。図１を参照すると、弁曲線１４、１６と比較して弁曲
線１０及び１２を検討すれば、８７．５％流量及び６２
．５％流量において弁設置箇所を増すことによって、熱
消費率が改善されることが示される。しかし、各弁設置
箇所は、制御弁とこれに付随する蒸気配管の追加を必要
とし、これによって資本コストが大幅に増加する。

【０００５】一般的に、部分弧による送入は、限定され
た範囲の制御を可能とし、入力蒸気をある程度絞ること
と組み合わされる。例えば、タービン第１段の流れ領域
は４個、６個又は８個の部分弧に分割され、最小の部分
弧を第１段のノズル面積の１２％とする。明らかに、も
し流量マージンが最高５％に設定され、流量が１２％未
満の増分で変化すべきであるとすれば、ある程度の絞り
が必要であり、これに付随して効率が低下する。部分弧
送入タービンの場合、各送入部分弧は、これが２５％で
あろうと１２．５　％であろうと、別個に制御可能な蒸
気制御弁と協働するので、各部分弧に対する蒸気流量を
制御することができる。各制御弁は、比較的大形であり
、発電事業所のタービンにおける大きな流量に適応する
ために直径が数インチの蒸気配管に接続されている。部
分弧送入式の大部分のタービンは制御弁及び配管によっ
て非常に錯綜しているので、弁と、これ等に関連した蒸
気配管とを追加することは実際的ではなく、従って部分
弧を５％未満に細分して制御することのできる弁の使用
を禁じている。従って、蒸気を絞ることなく且つ制御弁
及び配管を追加することなく、５％未満の増分で蒸気流
量を調整する方法及び装置を提供することが望ましい。

【０００６】

【発明の概要】本発明の目的は、流量制御弁を付加した
り絞ったりすることなく増分的に第１段の流量を制御す
る方法及び装置を提供することである。

【０００７】上述の目的及び利点並びにその他の目的及
び利点は、１つの形態では、例えば１００個というよう
な複数のノズルの付いた第１段のノズルブロックを有し
、該ノズルのうちの所定数のノズルが選択的に遮断され
て同ノズルを蒸気流が通過するのを防止している蒸気タ
ービンにおいて達成される。好ましくは、蒸気が隣接す
るノズル羽根間の１つ以上の空間に流入するのを遮断す
る所定位置まで、プラグが半径方向に挿入される。１０
０個のノズルを有するノズルブロックの場合、このよう
なプラグを４個使用することによって、最高４％の流れ
領域を減少することが可能になる。これ等のプラグは、
油圧シリンダ、空圧シリンダ又は電磁コイルによって作
動させることが可能である。これ等のプラグの後退を確
実にするために、ばねを使用することが可能である。好
ましくは、これ等のプラグは個別に挿入及び取り出しが
可能であって、流れ領域の増分的な制御を可能にする。 該プラグを全閉又は全開位置のどちらかに位置させるこ
とによって制御が簡単になる。

【０００８】

【実施例の説明】部分弧送入式蒸気タービンは、米国特
許第４，７８０，０５７号明細書に開示されており、こ
の開示はここに参考として含まれる。上記米国特許にお
いて、簡単な部分弧送入システムは、６個の部分弧のセ
グメント、６個の対応するノズル室及び６個の制御弁を
有し、該制御弁は各ノズル室に対して１個設けられる。 各制御弁を通る蒸気は、ノズル固定羽根の対応する弧状
群に向けられて同弧状群に入る。６個のノズル羽根群が
１つのノズルリングを形成する。ノズル羽根群は、ター
ビン軸に駆動関係で接続された回転羽根列に蒸気を向か
わせる。

【０００９】タービン始動中、制御システムは簡単に蒸
気制御弁を開き、蒸気を所定の順序で複数のノズル室を
通って送入する。蒸気は、各制御弁を徐々に開くことに
よって絞ることができる。弁点は、弁が全開位置にある
際の各蒸気流量に設定される。図１を参照すると、８個
の制御弁を有するタービンシステムについては、弁点は
、１つの配列の制御弁の場合、１００％の送入、８７．
５％の送入、７５％の送入、６２．５％の送入等に設定
される。制御弁４個のタービンの場合、弁点は２５％、
５０％及び７５％の送入に設定することができる。 図１のグラフにおいて、各制御弁を徐々に開いた（又は
閉じた）時のより高い熱消費率によって、絞っている間
の効率の低下が明らかになる。例えば、蒸気流量が毎時
３．４　ポンド（１．５４ｋｇ／時）に対応する８７．
５％の送入の場合、制御弁４個のタービンシステムに対
する熱消費率は約７９３３ＢＴＵ／ＫＷＨである。制御
弁８個のタービンシステムの場合の弁曲線１０、１２、
１４の各々は、符号１６で示す理想的な曲線からの隔た
りを示している。

【００１０】上述の説明から明らかなように、符号１６
における理想的な曲線は、無数の制御弁と対応するノズ
ルセグメントとを含むタービンにおいて達成することが
できる。しかし、上で論じたように、大部分のタービン
に対する実際の限界は、タービンに接続可能な蒸気配管
の数及び寸法に対する制限から単純に８個の制御弁の範
囲にある。ノズルリングの小さな増分、例えば１％の増
分用の別個の制御弁を設けることに関しては、このよう
な小さな増分用の制御弁の数が例えば４個に制限される
としても、寸法上の制限に関する同じ問題が発生する。

【００１１】本発明者は、制御の増分が小さい場合、例
えば、約１％の増分の場合、下流側の回転羽根に望まし
くない衝撃負荷を生じさせることなく、このような増分
的制御を全開又は全閉することによってタービンシステ
ムを運転もしくは制御できることを確認した。更に、限
定された数のこのような増分的制御のみを使用すれば、
原子力蒸気タービンに対する熱エネルギ入力は、絞りを
使用することなく、従って、絞ることと関連する効率の
低下を回避して、その所望の値に調整することが可能で
ある。

【００１２】図２には、第１段のノズルリング及び下流
側の回転羽根列の近傍（そこに本発明の教示が実施され
ている）における蒸気タービン１８の単純化した部分断
面図が示されている。環状のノズルリング２０は、外側
ケーシング２２と内側ケーシング２４との間でタービン
内の作動位置に保持されている。ノズルリング２０は外
側環状シュラウド２６及び内側環状シュラウド２８を有
する。円周方向に等間隔で離間した複数のノズル３０が
シュラウド２６、２８の間に延びている。これ等のノズ
ル（ノズル羽根）３０は、時にはノズル案内羽根又は単
純に静翼と称する。外側及び内側ケーシング２２、２４
間の空間３２は、制御弁（図示せず）から蒸気を受け取
りこの蒸気をノズル３０に向かわせるノズル室を形成す
る。これ等のノズル３０は、上述の蒸気を第１段の回転
羽根３４に向かわせる。これ等の回転羽根３４は、外側
シュラウド部材３６と内側根部部材３８との間に環状の
群となって配列される。この根部部材３８は、タービン
軸（図示せず）の部分４０に結合されているので、回転
羽根３４に衝突する蒸気はタービン軸を回転させる。シ
ール４２によって、回転羽根３４の周囲の蒸気の洩れが
防止され、一方、シール４４によってノズルリング２０
と内部シリンダ４６との間の洩れが防止される。

【００１３】本発明は、例えば４個というような複数の
プラグ部材４８を使用し、これ等のプラグ部材４８を外
側ケーシング２２内で隣接するノズル３０間の空間のう
ちの選択されたものの近くの位置に配置する。好適な実
施例においては、プラグ部材４８はノズルのピッチに相
当する円周方向の幅を有し、これによってノズル３０の
隣接対の間の蒸気の流れを１個のプラグ部材によって遮
断することができる。しかし、プラグ部材の幅は、１個
以上のこのような空間を遮断するように選択しうること
が分かる。プラグ部材４８は、配管５０を介してキャビ
ティ５２内に導入される高圧流体、即ち油圧又は空圧を
使用して、図２に示す閉位置に強制的に挿入することが
できる。プラグ部材４８は、ピストンとして作用する頭
部５４を有するように形成されていて、該頭部５４とキ
ャビティ５２の内壁との間にはシールリング５６を有す
る。流体圧力が頭部５４の上方から解放されると、該頭
部５４の下のばね５８はプラグ部材４８を退出させる。 プラグ部材４８の本体６０は、外側ケーシング２２内に
形成された案内シリンダ６２内を滑動する。

【００１４】図３には、送入用の部分弧を半径方向から
見た図が示されている。この部分弧には、２つのプラグ
部材４８が選択されたノズルの通路を通る流れを遮断す
る位置に示されている。回転羽根３４が既に遮断された
ノズル通路のそばを通る（従って、小さくなった流れ領
域に入りそこから出る）時の衝撃の影響を最小にするた
め、プラグ部材４８は数個のノズル分だけ間隔を開ける
ことができる。

【００１５】本発明の原理を図示の実施例で明らかにし
たが、当業者にとっては、本発明の実施に際して、特許
請求の範囲に記載した本発明の精神及び範囲から逸脱す
ることなく、特定の運転条件に適した代替実施例を開発
するために、上記実施例における構造、配列及び構成部
品の多くの変形が可能であろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】高負荷下の蒸気タービンにおける熱消費率と絞
り流量の関係を示すグラフ。

【図２】液圧により作動されるノズル遮断構造を示す断
面図。

【図３】２つのプラグ部材が挿入された送入部分弧の一
部を示す断面図。

【符号の説明】

１８　　蒸気タービン ２０　　ノズルリング ３０　　ノズル羽根（ノズル） ３４　　回転羽根 ４８　　プラグ部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　円周方向に離間した複数のノズル羽根
   からなり、該ノズル羽根の各隣接対の間に蒸気流路を画
   成している第１段のノズルリングを有する蒸気タービン
   であって、蒸気流路を遮断する位置にそれぞれ挿入可能
   な複数のプラグ部材と、前記蒸気タービンに入る蒸気流
   を絞るための少なくとも１つの制御弁とを有し、前記ノ
   ズルリングを通る蒸気流の体積によって少なくとも部分
   的に出力が決定される前記蒸気タービンにおける過剰流
   量マージンから生じる熱消費率の悪化を最小化する方法
   において、前記制御弁を通る蒸気流量が前記蒸気タービ
   ンに対する所望の流量値を超える時期を測定し、前記プ
   ラグ部材の内の選択されたものを前記ノズルリングの近
   傍にある、同プラグ部材の作動位置に挿入して、前記蒸
   気流量を前記所望の流量値まで減少させる、諸ステップ
   からなる蒸気タービンにおける熱消費率悪化の最小化方
   法。
2. 【請求項２】　　円周方向に離間した複数のノズル羽根
   からなり、同ノズル羽根で所定方向の蒸気流を最初の回
   転羽根列に向けている第１段のノズルリングを有する蒸
   気タービンを含む蒸気タービン装置における過剰流量マ
   ージンから生じる熱消費率の悪化を最小化する装置であ
   って、隣接する前記ノズル羽根の間の少なくとも１つの
   通路を通る蒸気流を遮断して弁を絞ることなく蒸気流量
   を削減すべく、前記ノズルリングの入口側の近傍で前記
   蒸気タービン内に選択的に挿入可能な少なくとも１つの
   プラグ部材からなる、蒸気タービンにおける熱消費率悪
   化の最小化装置。