JPS5812445B2 - 蒸気タ−ビンの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は蒸気タービンに係り特に復水蒸気タービンの
出口におけるエンドポイントの湿り度を許容値以下に保
つようにした蒸気タービンの制御装置に関する。

近年ガスタービンと蒸気タービンを組合せたいわゆるコ
ンバインドサイクルが実用化されてきている。

コンバインドサイクルはガスタービンにて圧力、温度の
エネルギーから回転エネルギフを取り出した後でも、ま
だ充分に高い熱エネルギーを保有しているところのガス
タービンの排気ガスをボイラに導びき、ここで排気ガス
のエネルギーから蒸気を作り、これを蒸気タービンに入
れ回転エネルギーを取り出すものである。

第１図はこのようなコンノミインドサイクルの構成を簡
単に示したものである。

第１図においてガスタービンの排気ガスはボイラー１の
入口２に導びかれ、ボイラー１の出口３に向って流れる
ように構成されている。

そして入口２のすぐ近くに過熱器４が配設され、過熱器
４と出口３との間に水管１６および節炭器５が配設され
ている。

従ってガスタービンの排気ガスにより過熱器４および節
炭器５がそれぞれ熱せられる。

いま人口２で例えば４６０℃程度であった排気ガス温度
は出口３では１６０℃位に下り、この間の温度の低下分
だけボイラー１で作られる蒸気にエネルギーが与えられ
る。

一方ボイラー１で作られた蒸気は蒸気管６を通り、この
蒸気管６の途中に設けられている主蒸気止め弁（以下単
に止め弁と称す）７および蒸気加減弁（以下単に加減弁
と称す）８を経て蒸気タービン９に入るように構成され
ている。

従ってボイラー１からの蒸気は蒸気タービン９の中で膨
張し、圧力と温度を下げつつ保有していた熱エネルギー
が回転エネルギーに変換され、この回転エネルギーは蒸
気タービン９に直結されている被駆動機１０を回転する
ために費される。

この場合、被駆動機１０として例えば発電機が用いられ
る。

さらに蒸気タービン９で仕事をした蒸気は復水器１１に
入り水に戻されるようになっている。

復水器１１の水は復水ポンプ１２で高い真空に保たれて
いる復水器１１よりボイラー１内に送られ、節炭器５で
加熱されるように構成されている。

節炭器５で昇温された水はボイラー給水ポンプ１３で昇
圧されてからドラム１４に送られるように構成されてい
る。

ドラム１４には前述の水管１６が連通され、ドラム１４
内の蒸気は水管１６を介して再びドラム１４内に導かれ
るようになっている。

この場合ドラム１４内で発生した蒸気は飽和状態にあり
、これが配管１５を介して過熱器４を通過する間に加熱
され、過熱蒸気となってから止め弁７および加減弁８を
通って再び蒸気タービン９に送られるように構成されて
いる。

このような構成のコンバインドサイクルにおいて、蒸気
タービン９の入口温度（これは一般的に止め弁７０入口
温度で定められている）は、ボイラー１０入口２に入っ
てくるガスタービンの排気温度によって左右され、また
ガスタービンの排気温度はガスタービンの負荷変化のみ
ならず大気温度によっても左右される。

また大気温度の変化はガスタービンの排気ガス流量にも
影響する。

一般にガスタービンが一定負荷で運転されているとき、
大気温度が下がると排気ガスの流量が増し、温度は下る
。

このような変化があると、過熱器４を流れる蒸気とガス
タービンの排気ガス温度との差が少なくなり、過熱器４
における熱吸収が少な《なり、逆に水管１６で吸収され
る熱量が増すので、結局蒸気タービン９に供給される蒸
気量が増し、蒸気温度は下がることになる。

第２図は前述した構成の蒸気タービン内に於ける蒸気の
膨張状態の変化を示したものである。

第２図において、２１は止め弁７の入口における蒸気状
態付近の等圧線群、２２は同じ等温線群、２３は蒸気タ
ービン９の排気圧力線、２４は等湿り度曲線群を示して
いる。

２５は通常のタービン運転状態における止め弁７の入口
の蒸気状態を示している。

また２６は止め弁７と加減弁８との圧力損失によって等
エンタルピで変化した点で、実際の膨張はこの点から始
まる。

２７は第１段の羽根出口状態を示し、２８は２段落以降
の膨張線を示し、２９はエンドポイントを示している。

また３２は止め弁７の入口の蒸気の状態を示す点、３３
は止め弁７と加減弁８の圧力損失によって等エンタルピ
で変化した点、３４は第１段の羽根出口状態を示した点
、３５は２段落以降の膨張状態を示す膨張線、３６はエ
ントポイントを示している。

通常蒸気タービン９のエンドポイント２９は飽和線３７
より下側すなわち高湿り度側にあり、大部分は蒸気であ
るが、残りのわずかは極微細な水滴となって蒸気と混合
輸ている。

第２図の点２６とエンドポイント２９のエンタルピの差
が単位重量当りの蒸気が、蒸気タービン９に与えた回転
エネルギーと一致している。

ここで止め弁７０入口において、蒸気め圧力が同じで温
度だけ低下したときを考えてみる。

この場合、第２図の等温線群２２は高温３０側から低温
３１側へ入口の蒸気状態が移動する。

このような止め弁７人口の蒸気の状態を示しているのは
点３２であり、止め弁７と加減弁８の圧力損失により点
３３を移動後、点３４を経て膨張線３５をたどりエンド
ポイント３６に至る。

等湿り度曲線群２４は飽和線３７から等湿り度曲線３８
の方に行《に従って湿り度を増すので、エンドポイント
３６は２９よりも高い湿り度となっていることがわかる
。

次に第３図は第２図に示した膨張線２８，３５と本質的
には同じであるが、蒸気の圧力が変化した場合の状態を
示している。

すなわち止め弁１０入口蒸気が、温度一定のままで圧力
が上昇すると等圧線群２１を低圧側３９から高圧側４０
の方向に移動する。

いま点３２′から、止め弁７と加減弁８の圧力損失によ
り点３３′まで等エンタルピで変化するのは第２図の説
明と同じである。

蒸気はその点３３′力・ら第１段羽根出口の点３４′を
経て膨張線３５′のように膨張し、エンドポイント３６
′に至る。

エンドポイント３６’はエンドポイント２９より高い湿
り度にある。

蒸気タービンにおいてエンドポイントの湿り度がある程
度以上高くなると、高速で回転している羽根、特にその
中でも高い周速をもち最も高い湿り度に晒る最終段の羽
根が、蒸気タービン内で生じ、ノズルやケーシングの壁
面で大きく成長した水滴と衝突し、衝撃によって羽根の
表面が侵食される。

′般に最終段落の羽根の水滴の当る箇所には耐食性の高
い合金を設けたり、あるいは羽根そのものの表面を硬化
させて水滴による侵食を防止するように計られている。

しかしそれでも湿り度がある程度以上高くなると、水滴
による侵食の速度は有害な程速くなる。

この発明はこのような事情にかんがみてなされたもので
、止め弁入口における蒸気温度が低下した場合でもエン
ドポイントの湿り度を適性な値に保つことができ、これ
により最終的の羽根の侵食を未然に防止できる蒸気ター
ビンの制御装置を提供すえことを目的とする。

以下この発明について説明するが、はじめにこの発明の
原理について述べる。

すなわち第２図および第３図から明らかな通り、一定温
度下における主蒸気圧力の上昇および一定圧力下におけ
る主蒸気温度の低下は共にエンドポイントの湿り度を増
すので、結局主蒸気の温度が低下した場合これに見合う
だけ圧力を下げてやればよい。

このようにすることにより、エンドポイントの湿り度を
適当な値に保つことができる。

なおこの場合でも蒸気タービンの効率を高い値に保つた
めには、圧力を下げすぎないことが必要であり、このた
め最終段の羽根の侵食が許される適度以内に保てる範囲
で最小限圧力を下げることが好しい。

第４図はこのような原理にもとづきエンドポイントにお
杼る湿り度を一定に保つための圧力と温度の関係を示し
ている。

なお第２図および第３図と同一部分には同一符号を付し
てその説明を省き、これと異る点を説明する。

すなわち点２５から点２６に至る間の圧力損失は止め弁
７と加減弁８の圧力損失の合計値である。

加減弁８が部分開度の場合加減弁８の絞り損失の割合が
大きくなる。

ここで、蒸気タービン９の出力を定格値に保つために必
要な蒸気流量相当分の加減弁８の開度と、これにともな
う加減弁８の絞り損失を加味し、膨張線２８に第１段の
出口状態が一致するよう主蒸気圧力と温度の関係を定め
ると曲線４１のようになる。

すなわち主蒸気を曲線４１で示される圧力と温度の状態
に保てばエンドポイント２９は不変となる。

なお第１段羽根出口のポイント２７と３４に若干差があ
るのは、この点における蒸気温度の差によるもので圧力
の違いはわずかである。

第５図は前述の原理にもとづいたこの発明の一実施例を
示すブロック線図である。

５１は図示しない温度検出器により検出された主蒸気温
度の検出信号で、これは関数発生器５２で演算される。

関数発生器５２内では、横軸に第４図の等温線群２２を
とり、縦軸に第４図の等圧線群２１をとり、これにより
求められる第４図の曲線４１のごとき圧力信号が出力さ
れる。

この関数発生器５２からの圧力信号は加算点５３を介し
て演算増幅回路５４に入力される。

演算増幅回路５４で増幅された圧力信号で、蒸気加減弁
５５（第１図の８に相当する）の開度を調整することに
より、主蒸気圧力５６が所望の値に制御される。

例えば、主蒸気温度が下がれば、関数発生器５２の出力
信号が下がり、これに伴なって演算増幅回路５４を介し
て蒸気加減弁５５が開かれ、主蒸気圧力５６は下がる。

この主蒸気圧力５６は圧力検出器５７にて検出され、圧
力信号となって前記加算点５３に接点６０を介してフィ
ードバックされる。

尚、蒸気タービン９の出力が低いとき、蒸気加減弁５５
は絞り状態にあり、一般にこのときのエンドポイントの
湿り度は低いので、前述した保護回路は必要なくなる。

又、蒸気タービン９の出力が増し、蒸気加減弁５５の絞
り状態が少なくなると、蒸気加減弁５５の平均的な圧力
損失が減少するので、前述の保護回路が必要となってく
る。

第５図の５８は第１段の出口圧力で、蒸気タービン９の
出力にほぼ比例する。

この出口圧力が蒸気タービン９に応じて設定される設定
値より高くなったら比較器５９により前記フィードバッ
ク回路に挿入されている接点６０を閉じるように構成さ
れている。

このように接点６０が構成されているのは、次のような
理由からである。

すなわち、コンバイドサイクル等の排熱ボイラに於いて
も、ボイラ内の圧力（すなわちこれは主蒸気圧力に略等
しいが）を一定圧力以下にすることはできない。

従って、蒸気タービン９が低負荷のとき蒸気流量も少な
くなるが、このときは加減弁８を低開度で使用すること
になる。

このため、加減弁８で蒸気は絞られ、等エンタルピ変化
が生じ、第４図の点２６は低圧側にずれ、エンドポイン
トの湿り度が低下する。

このため接点６０はこの様なとき開く様になっている。

接点６０が開くとフィードバック信号が加算点５３に入
らないで加算点５３より演算増幅回路５４に入る信号は
＋（プラス）の大きな信号となり加減弁８を閉めて主蒸
気圧力５６を上昇させようとする。

このときの加減弁８の制御は、圧力のみによって行うも
のではないが、公知の手段例えば調速機あるいは負荷制
限器を用いればよい。

なおこの発明はガスタービンと蒸気タービンを組合せた
コンバインドサイクルでは主蒸気圧力をある程度変化さ
せても、蒸気タービンに供給される蒸気量はほとんど変
らないので、適用できる。

またコンバインドサイクル以外で、主蒸気圧力に対して
流量の変化が殆んど生じない排熱ボイラーにも適用でき
る。

その他この発明の要旨を変更しない範囲で種々変形して
実施できる。

以上述べたこの発明によれば、復水蒸気タービン入口部
の蒸気温度検出信号に応じた圧力信号を発生する関数発
生器と、この関数発生器の出力により弁開度を修正して
主蒸気圧力を変化させる蒸気加減弁と、この蒸気加減弁
によって制御された入口圧力を検出する圧力検出器と、
この圧力検出器の出力を前記関数発生器の出力側にフィ
ードバックさせる回路とから構成されているので、大気
温度やガスタービンの負荷の変化などによって蒸気ター
ビンに供給される蒸気の温度が変化しても、タービンの
エンドポイントの湿り度を予めセットした値以下に保つ
ことができ、このため特別な負荷制限などは不用となる
蒸気タービンの制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はコンバインドサイクルの構成を示す系統図、第
２図は第１図の蒸気タービン内において通常の状態にあ
る膨張線と主蒸気温度が下ったときの膨張線を示す図、
第３図は第１図のサイクルにおいて通常の状態にある膨
張線と主蒸気圧力が高《なった場合の膨張線を示す図、
第４図はこの発明の原理を説明するための主蒸気の圧力
と温度の関係を示す膨張線図、第５図はこの発明の一実
施例の要部を示すブロック線図である。 １……ボイラー、２……排ガス入口、３……排ガス出口
、４……過熱器、５……節炭器、６……蒸気管、７……
止め弁、８……蒸気加減弁、９……蒸気タービン、１０
……被駆動機、１１……復水器、１２，１３……ポンプ
、１４……ドラム、５１……主蒸気温度信号、５２……
関数発生器、５４……演算増幅回路、５５……蒸気加減
弁、５６……主蒸気圧力、５７……圧力検出器、５８…
…第１段羽根圧力信号、５９……比較器、６０……接点
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 復水蒸気タービン入口部の蒸気温度を検出する温度
   検出器と、この温度検出器の検出信号に応じた圧力信号
   を発生する関数発生器と、この関数発生器の出力により
   弁開度を修正して主蒸気圧力を変化させる蒸気加減弁と
   、この蒸気加減弁によって制御された入口圧力を検出す
   る圧力検出器と、この圧力検出器の出力を前記関数発生
   器の出力側にフィードバックさせる回路とからなる蒸気
   タービンの制御装置。