JPS62237014A - 蒸気タ−ビンの蒸気加減弁操作方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスタービンと、該ガスタービンの排気ガス
によって発生させた蒸気で駆動される蒸気タービンと、
発電機とを一軸に結合し、かつ。

前記の発生蒸気は温度・圧力を異にする複数系列の蒸気
ラインを介して蒸気タービンに供給される構成のコンバ
インドサイクル発電プラントを起動する為の蒸気加減弁
操作方法に関するものである。

〔従来技術〕

ガスタービンを直結されていない蒸気タービンは、ガバ
ナによって蒸気加減弁を自動的に操作して、次記のよう
に制°御される。

（ａ）速度制御 蒸気タービン通気から定格速度到達後併入までは、ガバ
ナにより回転速度をコントロールし、目標の速度となる
様蒸気加減弁により蒸気流量制御を行っている。

（ｂ）負荷制御 蒸気タービン併入（もしくは負荷運転）以降は系統周波
数により回転数は決定されガバナにより予め設定された
速度調定率により、周波数増減に相応して蒸気タービン
負荷をコントロールすべく蒸気加減弁開度９ 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、前述の一軸直結型コンバインドサイクル発電プ
ラントにおいては、蒸気タービン専用のガバナによって
該蒸気タービンの回転を単独に制御することが出来ず、
起動操作の途中で蒸気タービンがガスタービンによって
駆動回転される形を現出する。

このため、蒸気加減弁の開弁操作が非常に難しく、この
操作が不適当であると次のような不具合を招く虞れが有
る。

（イ）蒸気タービン熱応力発生 コンバインドプラントにおいては、ガスタービン負荷に
より決定される排ガス温度により蒸気温度が定まるが、
蒸気加減弁開始点でのミスマツチにより過大熱応力発生
を招く虞れが有るので、蒸気タービン通気タイミングを
予め決めておく必要があり、又、その開速度をロータ熱
応力発生の度合いにより加減しないと、ミスマツチによ
る熱応力をさらに増大させることになる。

（ロ）蒸気タービン内圧上昇による風損発生高圧、低圧
の複数の蒸気を蒸気タービンに導入する際に、低圧側を
先に通気するとその導入部よりも上流の高圧側はボトル
アップすることになり、当該蒸気タービンはガスタービ
ンと一軸に連結されて高速で回転させられているので滞
流蒸気により風損発生を招き、ロータ、ブレード、ケー
シングの過熱、過大熱応力発生、伸び伸び差異常を起こ
し、変形、振動の原因となってしまう。又、一般に低圧
蒸気は飽和蒸気条件となっており、低圧蒸気加減弁後圧
力が復水器真空同様（高圧蒸気加減弁閉の為）なので、
弁流速過大による二ローション発生を招く虞れが多分に
ある。

（ハ）低圧蒸気加減弁逆流発生 低圧蒸気加減弁を開弁する前に、高圧蒸気加減弁を先行
して開始する際、蒸気タービン内圧がガスタービン負荷
により決定する蒸気流量に比例して上昇して行くので、
あまり蒸気タービン内圧を上昇させてしまうと低圧蒸気
加減弁を開始した時に弁前後の圧力が逆転して蒸気ター
ビン側から低圧蒸気加減弁上流側へ逆流してしまう（低
圧タービンバイパスを介して復水器へ捨てられる）とい
う不具合を招く。

〔発明の目的〕

本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、−軸直結
型コンバインドサイクル発電プラントを構成している蒸
気タービンに過大な熱応力を発生せしめる虞れ無く、弁
流速過大に因る二ローションを発生させる虞れも無く、
しがも蒸気の逆流に因るエネルギーロスを生じる虞れの
無い、蒸気加減弁の操作方法を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明の操作方法は、ガス
タービンと、該ガスタービンの排気ガスによって発生さ
せた蒸気で駆動される蒸気タービンと、発電機とを一軸
に結合し、がっ、前記の発生蒸気は温度・圧力を異にす
る複数系列の蒸気ラインを介して蒸気タービンに供給さ
れる構成のコンバインドサイクル発電プラントを起動す
る為の蒸気加減弁操作方法において、低圧蒸気によって
蒸気タービンをクーリングする為の低圧蒸気加減弁微開
状態を超えて該低圧蒸気加減弁を開弁するに先立って高
圧蒸気加減弁の開弁を開始し、がっ、高圧蒸気加減弁の
開弁過程で混合部圧力が低圧蒸気圧力を上回らないよう
に低圧蒸気加減弁を開弁することを特徴とする。

〔作用〕

上記のように操作すると、次記のように作用して、前述
の不具合を解消することが出来るという効果を奏する。

即ち、 （ａ）高圧加減弁を低圧蒸気加減弁よりも先に開けるこ
とにより、蒸気タービン内部圧力上ｊ％（混合部より上
流部）を防止できる（蒸気タービン最終段の蒸気タービ
ン風損防止のため、グーリング蒸気として低圧加減弁を
微開してクーリングする方法が取られる場合があるが、
微量蒸気のため蒸気タービン内部圧力上昇はほとんど影
響ない）。

（ｂ）高圧加減弁を開して行く過程で、混合部用力が低
圧蒸気圧力を上回る前に、低圧加減弁を開始し、以後低
圧蒸気圧力設定を混合部圧力以上となる様上昇させて逆
流を防止すると共に余剰蒸気を無駄なく短時間で蒸気タ
ービンに導入して仕事をさせることができる。

〔実施例〕

次に、第１図について本発明の１実施例を説明するに先
立ち、予め第２図〜第７図を順次に参照しつつ、本発明
の適用対象である一軸直結型コンバインドサイクル発電
プラントに関する技術的背景を説明する。

本発明の対象となる一軸コンバインドプラントの概略系
統・構成を第２図に示す。

まずガスタービン１にて発電機２および蒸気タービン３
を同一軸にて駆動するが、このときガスタービン１から
発生した高温の排ガス（図示せず）をダクト４を経由し
て蒸気発生器５に導く。ここで熱交換することにより蒸
気発生器５で発生させた蒸気を、高圧蒸気配管６．低圧
蒸気配管７を介して、それぞれ高圧蒸気加減弁８．低圧
蒸気加減弁９へ導かれる。蒸気タービン３に通気しない
場合の余剰蒸気は、それぞれ高圧タービンバイパス弁１
０．低圧タービンバイパス弁１１を介して復水器１２に
回収される０回収された蒸気は復水となり蒸気発生Ｗ５
へ再び導かれ、最初同様にガスタービン１の排ガスと熱
交換されて再度蒸気となる。

蒸気タービン３に通気する場合は高圧蒸気および低圧蒸
気を各々高圧蒸気加減弁８．低圧蒸気加減弁９を開する
ことにより蒸気導入を図る。蒸気タービン３を通った蒸
気は復水器１２に回収されて蒸気発生器６に戻る。

第３図に蒸気発生器３から発生する蒸気圧力と出力（出
力はガスタービン出方もしくは一軸としてのガスタービ
ンと蒸気タービンの合計出方を示す）どの関係を示す。

一般に高出力時は蒸気発生量も多くなり、その蒸気圧力
も高くなるが（蒸気通過部の流路面積が一定であれば蒸
気発生量に比例して蒸気圧力も上昇）、これは安定した
運転状態の場合である。起動時の如く蒸気発生器３が冷
えていたり、又、多少暖たまった状態である等、初期温
度状態の如何によってこの出力−蒸気圧力の関係は変わ
るものである。

ここで、第４図に本発明の対象となる蒸気タービン内部
の蒸気加減弁開閉による蒸気の流状層の一例を示す。

まず、仮に高圧蒸気加減弁（以後高圧加減弁）８を開い
て、蒸気タービン内に蒸気を流すと、蒸気タービン内部
に圧力をもち、図中に示す混圧部１３もある圧力となる
。その後、低圧蒸気加減弁（以後低圧加減弁）９を開い
た場合に混圧部の圧力が低圧加減弁上流側の蒸気圧力よ
りも高い場合は、上記の混圧部の蒸気が低圧加減弁を逆
流してしまうことになる。つまり、高圧加減弁を通った
蒸気が蒸気タービン途中の混圧部から低圧加減弁を逆流
して、蒸気発生器（図示せず）、又は低圧タービンバイ
パス（図示せず）を介して復水器（図示せず）へ流れて
しまうことになり、エネルギを無駄にすることになる。

又、低圧加減弁を先に開いた場合を想定すると。

第４図に示す混圧部１３よりも上流側（つまり高圧加減
弁８の後流側）の蒸気タービン内部が、低圧蒸気が流れ
るために圧力を持ってしまい、ある加圧状態で回転する
ことになってしまう、このため、蒸気の流れが無い状態
での回転による風損発生を招き、温度上昇による過熱、
伸び変形等を引き起こして熱応力発生の原因となり、あ
るいは変形による摺損、振動の原因となる。従って、こ
の様な状態は回避する必要がある。

さらに、低圧蒸気加減弁自体を考えると２一般に飽和蒸
気が用いられるため、弁部蒸気流速を大きくすると湿り
睡により二ロージョン発生の原因となるので、蒸気流速
は低い方が好ましいわけであり、前述の如き低圧加減弁
を高圧加減弁よりも先に開くことは、低圧加減弁前後差
圧が大きい（高圧加減弁が閉状態ということは、蒸気タ
ービン内部圧力は復水器と同じ真空状態であり、低圧加
減弁開始時の弁前後圧力差は高圧加減弁からの蒸気流量
が有る場合のときの弁前後圧力差よりも大きい）ので、
流速も大きくなり二ロージョン発生を招く虞れが大とな
る。このため、高圧加減弁を先に開き、蒸気タービン内
部に蒸気を流しある程度の圧力を持たせることは低圧加
減弁前後差圧を小さくできるが、前述の如く逆流してし
まう虞れも併せて持つことになる。

以上が、高圧、低圧加減弁の相互の開タイミングに於け
る問題と現象であるが、−軸コンバインドサイクル特有
の問題として、さらに下記がある。

第５図に示す様に、ガスタービン起動（プラント起動）
から通気（蒸気タービンに蒸気を導入する時点）までに
発生する高圧主蒸気量と高圧加減弁の開始タイミングの
関係である。つまり、短時間起動を特長とするコンバイ
ンドサイクルの場合は、蒸気タービン通気迄に充分な蒸
気量を確保し、その時点から高圧加減弁を開いて行かな
いと、図中に示す蒸気発生器の高圧ドラムレベル変ｍＪ
Ｃが発生してしまい、円滑なプラント起動が行えないと
いう問題がある。

蒸気タービンに蒸気圧力コントロール機能（通称ＩＰＲ
：初圧制御機能）を有する場合は、このドラムレベル変
動を招くことなく、蒸気タービン側にて蒸気加減弁制御
することになる。しかし、−軸コンバインドサイクル用
蒸気タービンに於いては、ガスタービン側ガバナにて運
用されるのが一般的であって、上述の初圧制御機能を本
機能を有しないのが一般的である。この為ガスタービン
排熱によって発生させた蒸気流量と蒸気タービン側で呑
み込む蒸気流量とを上手にバランスさせないと、本第５
図に示すドラムレベル変動Ｃを招くものである。又、蒸
気タービンとしては、単に蒸気を呑み込んで仕事をする
だけでなく、ＤＳＳ（毎日起動・停止）運用に対応可能
な様、蒸気タービンメタル温度に合致する温度になった
時点、あるいはこれに近い蒸気温度になった時点で通気
するこすることを狙って蒸気の通気を行う様計画される
のが通常である。

このため、いわゆるホットスタート、ウオームスタート
、コールドスタート等のプラントあるいは蒸気タービン
の状態に対し、おのずから所望する蒸気温度が予め求め
られる訳でガスタービンの負荷も蒸気タービン通気前に
、どの負荷にしておくかということも予め設定される（
一般にガスタービン負荷と排ガス温度は、はぼ比例した
関係であり、ガスタービン低負荷から高負荷に対し、排
ガス温度も低温から高温に変化し、蒸気発生器から発生
する蒸気温度もそれに見合った温度特性となる）６故に
、高圧加減弁を開いて通気する時点での、ガスタービン
負荷、高圧主蒸気温度も予め設定可能であり、その時の
高圧蒸気圧力も運転特性に合わせた圧力（第３図参照）
となる様、高圧タービンバイパスにより設定可能である
。

以上の関係は低圧加減弁にもあてはまる。

第６図は低圧加減弁を開いたときの蒸気圧力（低圧ドラ
ムレベル）が変動した状態の１例を示している。本例で
は、低圧加減弁逆流を防止するという１１点から、低圧
蒸気圧力を高くする様に低圧タービンバイパスを閉める
方向で設定圧力を高くさせである。しかし、ガスタービ
ン負荷に見合った低圧蒸気圧力以上にはならず、ガスタ
ービン負荷相当圧力にバランスする。

第１図は、本発明の蒸気加減弁操作方法の１実施例にお
ける蒸気流量（蒸気加減弁開度）、蒸気圧力５及びター
ビン出力・回転数の時間的変化を示す図表である。

横軸に時間をとり、起動（換作開始）時点、俳人時点１
適気（開始）時点、及び全負荷（到ｉり時点をそれぞれ
示しである。時間軸上の１′起起動時点でガスタービン
が回し始められ、定格回転数Ｒに達するとパ併入”が行
われる。しかし、この状態では未だ蒸気タービンに通気
されず、該蒸気タービンは動力を発生しなす。

時＋１１Ｔ軸上の″通気（開始）時点′″に対応するＴ
１点で、高圧蒸気加減弁が開き始められ、高圧蒸気流量
は加減弁開度に比例してカーブＦｈの如く上昇する。こ
れに伴って蒸気タービン内部の圧力が上昇する。蒸気タ
ービン混合部圧力も蒸気流量にほぼ比例して上昇し、そ
の時のガスタービン負荷に見合った圧力迄上昇すること
になる。（このとき、短時間起動ということでガスター
ビン負荷を上昇させれば、当然のことながら１氷温合部
圧力を上昇してしまう） この時点で（’ｒｔ　）　、低圧蒸気加減弁は未だ閉じ
られており、低圧蒸気は低圧タービンバイパスで捨てて
いる（第１図において、カーブＢ１の下方に平行斜線を
付して示す）。

高圧蒸気加減弁から供給される蒸気量の増加に伴って上
昇する混合部圧力が、低圧蒸気圧力を上回る以前に、Ｔ
ｚ時点で低圧蒸気加減弁を開き始める。これに伴って低
圧蒸気流量はカーブＦａの如く上昇してゆく。このよう
に操作することにより、混圧部（第４図）からの蒸気の
逆流が回避される。

本実施例においては、蒸気タービンメタル温度に見合っ
たガスタービン負荷設定を行い蒸気温度を予め設定して
おき、上記のガスタービン負荷に見合った相当蒸気圧力
（第３図参照）に高・低圧蒸気ともタービンバイパスに
て圧力設定し、高圧加減弁を開け、続いて低圧加減弁を
開けることにより、逆流を防止する。この場合、高圧、
低圧の各蒸気圧力、流量、温度等が必ずしも、安定負荷
に見合った値とは限らないので、高圧加減弁開始前に（
つまり、通気前に）、ガスタービン負荷を保持し、蒸気
発生器からの蒸気が安定する迄（通常、数分間）待期し
、その際の高・低圧蒸気圧力をガスタービン負荷に見合
った設定圧力としておき高圧加減弁開に続いて低圧加減
弁開を行う。

本発明を実施する場合、先に説明したように。

高圧加減弁を先に開き、混合部圧力が低圧蒸気圧力を上
回わらず、かつ低圧加減弁前後圧力比がクリチカル（前
後圧力比約０．５５）とならない時（つまり蒸気流速が
高くならない時点で低圧加減弁を開くことにより弁二ロ
ーションを防止する。

このとき、低圧蒸気圧力が混合部圧力に見合って上昇す
る場合（つまり、高圧加減弁開度が上昇、高圧蒸気流量
増大時）は、低圧蒸気圧力設定を上昇させて低圧加減弁
前後圧力差を小さくさせることが最適方法となる。

本発明を実施する場合、制御を簡素にする為には、高・
低圧加減弁の開弁速度を一定とし、蒸気流量が一率の値
で増加する流址特性とすることが望ましい、一方、起動
条件には、ホット、ウオーム、コールドなどの差が有る
ので、これら各種の条件に対応させて複数の起動モード
を設定して開弁制御を行うと、蒸気発生応答の変化に合
致した運用が可能である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の操作方法を一軸コンバイ
ンドサイクル発電プラントに適用すると、蒸気タービン
に過大な熱応力を発生せしめる虞れ無く、弁流速過大に
因る二ローションを発生させる虞れ無く、しかも蒸気の
逆流に因るエネルギーロスを招く虞れ無しに、短時間で
起動操作を完了することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の蒸気加減弁操作方法の１実施例を示す
図表である。第２図は本発明の対象となる一軸コンバイ
ンドサイクルプラントの概略的な系統図である。第３図
はガスタービン（ｏｒプラント）出力と蒸気発生器より
発生する高・低圧蒸気圧力特性を示す図表である。第４
図は本発明の対象となる蒸気タービン混合部の低圧加減
弁への逆流現象の説明図、第５図は本発明の対象となる
高圧加減弁開始時のタイミングを示す図表、第６図は本
発明の対象となる低圧加減弁開始時のタイミングと設定
圧力上昇を示す図表、第７図は本発明の理論的方式を説
明する為の図表である。 １・・・ガスタービン、２・・・発電機、３・・・蒸気
タービン、４・・・ダクト、５・・・蒸気発生器、６・
・・高圧蒸気配管、７・・・低圧蒸気配管、８・・・高
圧蒸気加減弁、９・・・低圧蒸気加減弁、１０・・・高
圧タービンバイパス弁、１１・・・低圧タービンバイパ
ス弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガスタービンと、該ガスタービンの排気ガスによつ
   て発生させた蒸気で駆動される蒸気タービンと、発電機
   とを一軸に結合し、かつ、前記の発生蒸気は温度・圧力
   を異にする複数系列の蒸気ラインを介して蒸気タービン
   に供給される構成のコンバインドサイクル発電プラント
   を起動する為の蒸気加減弁操作方法において、低圧蒸気
   によつて蒸気タービンをクーリングする為の低圧蒸気加
   減弁微開状態を超えて該低圧蒸気加減弁を開弁するに先
   立つて高圧蒸気加減弁の開弁を開始し、かつ、高圧蒸気
   加減弁の開弁過程で混合部圧力が低圧蒸気圧力を上回ら
   ないように低圧蒸気加減弁を開弁することを特徴とする
   蒸気タービンの蒸気加減弁操作方法。 ２、前記高圧蒸気加減弁の開弁過程における低圧蒸気加
   減弁の開弁開始は、混合部圧力が低圧蒸気圧力に達する
   以前に行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の蒸気タービンの蒸気加減弁操作方法。