低圧蒸気タービンシステムおよび制御方法
【課題】負荷が遮断され、無負荷での運転に切り替わるときに、フラッシュバック振動の発生を抑制することができる低圧蒸気タービンシステムを提供することにある。
【解決手段】静翼３と動翼２とから構成される段落を複数有する低圧蒸気タービン１を有する低圧蒸気タービンシステム１００であって、１つの段落の直前直後に給水加熱器８の給水加熱用蒸気の抽気孔６を有する場合において、低圧蒸気タービン１の負荷が遮断されて無負荷での運転に切り替わるときに、給水加熱器内８の温度を低減する構成とした。
【解決手段】静翼３と動翼２とから構成される段落を複数有する低圧蒸気タービン１を有する低圧蒸気タービンシステム１００であって、１つの段落の直前直後に給水加熱器８の給水加熱用蒸気の抽気孔６を有する場合において、低圧蒸気タービン１の負荷が遮断されて無負荷での運転に切り替わるときに、給水加熱器内８の温度を低減する構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低圧蒸気タービンシステムおよび制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低圧蒸気タービンでは、無負荷時や低負荷時に復水器側からの蒸気の逆流により、動翼にランダム振動が発生することが知られている。この知見は低圧蒸気タービン動翼の設計に反映されている。ランダム振動については、非特許文献１や２に記載されている。
【０００３】
【非特許文献１】ア・ヴェ・シェグリヤエフほか、池田監訳、永島訳、蒸気タービン理論と構造、三宝社、ｐ３４０、 １９８２
【非特許文献２】M. Gloger 他 ADVANCED LP TURBINE BLADING; A RELIABLE AND HIGHLY EFFICIENT DESIGN PWR-VOL.18, STEAM TURBINE-GENERATOR DEVELOPMENTS FORTHE POWER GENERATION INDUSTRY, ASME 1992
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、効率向上のために低圧蒸気タービンが大型化しているが、本発明者等の検討によれば、低圧蒸気タービンが大型化した際のランダム振動については特別な配慮が必要であることが判明した。特に、低圧蒸気タービンから給水加熱器の給水加熱用の蒸気を抽気している場合、給水加熱器から低圧蒸気タービン内へのフラッシュバックによる振動（フラッシュバック振動）との重畳については特別に配慮する必要があることが判明した。
【０００５】
本発明の目的は、低圧蒸気タービンが無負荷での運転に切り替わるとき等、供給される蒸気の流量が低減されるときに、フラッシュバック振動の発生を抑制することができる低圧蒸気タービンシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、静翼と動翼から構成される段落を複数有する低圧蒸気タービンシステムであって、１つの段落の直前直後に給水加熱器の給水加熱用蒸気の抽気孔を有する場合において、低圧蒸気タービンの負荷が遮断され、低圧蒸気タービンが無負荷での運転に切り替わるときに、給水加熱器内の温度を低減する構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、低圧蒸気タービンが無負荷での運転に切り替わるとき等、供給される蒸気の流量が低減されるときに、フラッシュバック振動の発生を抑制することができる低圧蒸気タービンシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【０００９】
先ず、本発明に至るまでの検討について説明する。
【００１０】
従来、最終段の動翼の翼長が４３インチ（約１０９ｃｍ）の低圧蒸気タービン（タービン回転速度１８００ｒｐｍ）では、ランダム振動（初負荷運転等の無負荷および低負荷時に発生する非定常流れによる流体加振力）の影響は、最終段（Ｌ−０段）とその前の段落（Ｌ−１段）と考えられ、これらの動翼はランダム振動の影響を加味して設計されている。しかし、最終段よりも２つ前の段落（Ｌ−２段）の動翼は、作りやすさ等の観点からテノンかしめ構造等の動翼構造が通常用いられている。
【００１１】
しかし、本発明者等の検討によれば、最終段の動翼が５２インチ（約１３２ｃｍ）以上の大型化した低圧蒸気タービン（タービン回転速度１８００ｒｐｍ）の場合、ランダム振動がＬ−２段まで及ぶことが判明した。低圧蒸気タービンがさらに大型化した場合には、３つ前の段落（Ｌ−３段）にもランダム振動が及ぶこともあり得ることが判明した。
【００１２】
また、給水加熱器の給水加熱用として蒸気を低圧蒸気タービンから抽気しているが、負荷遮断時などの負荷急変時には、給水加熱器から低圧蒸気タービン内に熱水がフラッシュ（減圧沸騰）して逆流（フラッシュバック）することがある。すなわち、負荷遮断時などの負荷急変時には、低圧蒸気タービン内の圧力が急減し、低圧蒸気タービン内圧力と給水加熱器内圧力とが逆転（給水加熱器内圧力が低圧蒸気タービン内圧力より高くなる現象）し、蒸気の逆流が発生する。そして、給水加熱器内の圧力が更に低下し、給水加熱器内に残量している高温水がフラッシュ（減圧沸騰）し、タービンに音速に近い流速で流入する。この影響により、軸方向および周方向の不均一性が発生し、流体加振力（フラッシュバック振動）が発生する。
【００１３】
このフラッシュバック振動は、抽気孔の場所に近い段落の動翼に対して影響が大きい。従来、Ｌ−１段の上流に抽気孔が設けられることが多かった。低圧蒸気タービンロータの軸長が短くなった等においては、Ｌ−２段の上流にも抽気孔が設けられることがある。
【００１４】
本発明者等の検討によれば、これらのランダム振動とフラッシュバック振動が重畳することにより、大きな流体加振力が発生することが判明した。これを、図８を用いて説明する。
【００１５】
図８は、フラッシュバック無およびフラッシュバック有のときの非定常流体力計算結果を示すものである。また、最終段の動翼が５２インチ（約１３２ｃｍ）の低圧蒸気タービンで、低負荷（約５％負荷）のときの計算結果である。上図が流線、下図が流体力の時間変動を示す。左図はフラッシュバック無の結果であり、ランダム振動によるランダム流体加振力を示している。右図はフラッシュバック有の結果であり、ランダム流体加振力とフラッシュバック振動によるフラッシュバック流体加振力が重畳した場合の結果である。ランダム振動がＬ−２段まで及んでいることがわかる（渦がランダム振動を示す。Ｌ−０段の動翼根元側に大きな逆流域が、また先端部にも逆流域が見られ、Ｌ−２段の動翼根元側からＬ−１段を超えＬ−０段静翼にかけて大きな逆流域が見られる）。そして、ランダム流体加振力とフラッシュバック流体加振力の重畳により流体加振力が１．２ないし２．０倍（Ｌ−２段に対しては２．０倍）に増大していることがわかる。
【００１６】
このフラッシュバック振動とランダム振動の重畳は、特に２０％負荷遮断時に起こり得る。すなわち、２０％負荷遮断時には、負荷遮断時に回転速度維持のために低負荷もしくは無負荷で運転される時間があり、このときに、ランダム振動が発生し、このランダム振動に負荷遮断によるフラッシュバック振動が重畳されることになる。
【００１７】
従来、Ｌ−２段の動翼には大きな流体加振力が加わるとは考えられていなかったが、このように大きな流体加振力が加わり、また、動翼の構造上、流体加振力が加わった場合の影響は他の段落よりも大きい。したがって、低圧蒸気タービンが大型化し、抽気孔がＬ−２段のすぐ上流に設けられている場合には（Ｌ−２段のすぐ上流に抽気孔が設けられている場合には、Ｌ−２段のすぐ下流にも抽気孔が設けられている場合が多い）、Ｌ−２段の動翼の振動応力を低減させる手段が必要である。振動応力を低減させるには、動翼の構造を高減衰構造にするか、または、大きな流体加振力が加わらないように、すなわち、フラッシュバック振動とランダム振動との重畳を避けるようにすることが考えられる。本発明はこのような知見に基づきなされたものである。以下に本発明の実施形態を説明する。
《第１の実施形態》
【００１８】
図１は、第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステムを示す図である。図１に示すように、低圧蒸気タービンシステム１００は、低圧蒸気タービン１、復水器７、給水加熱器８（８ａ、８ｂ）、圧力変動検出器９、蒸気流量調整弁１０、復水ポンプ１１（１１ａ、１１ｂ）、抽気配管１５、制御装置１６、蒸気バイパス配管１７、蒸気開閉弁１７ａを主要部として構成されている。また、低圧蒸気タービン１は、動翼２、静翼３、ロータ４、ケーシング５を主要部として構成され、抽気孔６がケーシング５に設けられている。
【００１９】
図１に示すように、高圧蒸気タービン１３から排気された蒸気は、湿分分離（加熱）器（図示省略）を通り、蒸気流量調整弁（蒸気流量制御手段）１０を介して低圧蒸気タービン１に導入され、ロータ４に固定された動翼２とケーシング５に固定された静翼３の間を交互に通りながら膨張し、ロータ４を回転させる。ロータ４は高圧蒸気タービン１３のロータと同一軸で構成されている。なお、低圧蒸気タービン１に導入される蒸気流量は、蒸気流量調整弁１０によって調整される。そして、蒸気流量調整弁１０を制御するために制御装置（弁制御装置）１６が備わっている。低圧蒸気タービン１から排気された蒸気は、復水器７で凝縮されて水（給水）となった後、並設される２つの復水ポンプ（送水ポンプ）１１ａ、１１ｂで給水加熱器８に送り込まれ、給水加熱器８で加熱される。給水加熱器８で加熱された給水は、更に他の給水加熱器(図示省略)や高圧給水ポンプ（図示省略）などを経由して蒸気発生器１４に導入される。そして、給水加熱器８での給水加熱用に、抽気孔６から蒸気が抽気され、抽気配管１５を介して給水加熱器８に導入されている。
【００２０】
なお、給水加熱器８（８ａ、８ｂ）の加熱用蒸気を低圧蒸気タービン１から抽気する抽気孔６は、低圧蒸気タービン１において静翼３と動翼２とから構成される１つ段落の直前直後に２つ配置されるものとする。この抽気孔６の配置は、給水加熱器８（８ａ、８ｂ）で要求される蒸気圧力と温度によって決められる。１つの段落の直前直後に２つ抽気孔６が配置される構成となっている場合が動翼２へのフラッシュバック振動の影響が大きく、このような配置構成において本発明の構成を適用することによる効果が大きい。第１の実施形態において、抽気孔６は、最終段よりも２つ前の段落（Ｌ−２段）の直前直後に配置されるものとする。また、給水加熱器８は、上流側に配置される給水加熱器を８ａ、下流側に配置される給水加熱器を８ｂとする。
【００２１】
制御装置１６は、各種演算をするためのＣＰＵ（Central Processing Unit ）１６ａ、制御装置１６を動作するプログラムや各種データ等が記憶されている記憶部１６ｂ、蒸気流量調整弁１０と信号線で接続して、蒸気流量調整弁１０に制御信号を送信したりする外部インターフェース部１６ｃ等で構成されている。そして、第１の実施形態において、制御装置１６がポンプ制御装置と弁制御装置とに相当する。また、制御装置（弁制御装置）１６と蒸気流量調整弁１０とが蒸気流量制御手段に相当する。さらに、制御装置（ポンプ制御装置）１６と復水ポンプ（送水ポンプ）１１ａ、１１ｂとが加熱器温度制御手段に相当する。
【００２２】
また、図１に示すように、抽気孔６には圧力変動検出器９が設置されている。圧力変動検出器９は、信号線で制御装置１６の外部インターフェース部１６ｃと接続されていて、検出した圧力を制御装置１６に通知する機能を有する。
【００２３】
さらに、高圧蒸気タービン１３から出力された蒸気を、直接復水器７に導入する蒸気バイパス配管１７が設けられていて、蒸気バイパス配管１７には蒸気開閉弁１７ａが備わる。蒸気開閉弁１７ａは、定常時は閉じられている弁である。高圧蒸気タービン１３から排気される蒸気は、蒸気開閉弁１７ａが閉じているときは、他の給水加熱器（高圧給水加熱器、図示省略）や給水ポンプ駆動用蒸気タービン（図示省略）にも導入されるが、これらの蒸気や湿分分離（加熱）器（図示省略）での湿分と少量の蒸気の減少を除いて全て低圧蒸気タービン１に導入される。なお、蒸気開閉弁１７ａは信号線で制御装置１６の外部インターフェース部１６ｃと接続され、制御装置１６からの制御で開閉動作する。
【００２４】
また、併設される２つの復水ポンプ１１ａ、１１ｂは、ポンプ制御装置として機能する制御装置１６の外部インターフェース部１６ｃと信号線で接続される。そして、制御装置１６から、復水ポンプ１１ａ、１１ｂに指令を与えて、動作を制御する構成とする。また、制御装置１６が復水ポンプ１１ａ，１１ｂの送水量を調整することで、給水加熱器８内の温度を調整することから、制御装置１６および、復水ポンプ１１ａ，１１ｂが加熱器温度制御手段として機能する。
【００２５】
ロータ軸４には、ロータ軸４によって駆動される発電機Ｇが負荷として接続される。発電機Ｇで発電された電力は、負荷遮断機構１２を介して電力系統へ送電される。例えば何らかの異常が発生したときには、電力系統と発電機Ｇとを切り離すこと（以下、負荷遮断と称する）が可能である。さらに、負荷遮断機構１２は、負荷遮断したときに負荷遮断信号を出力する機能を有する。そして、負荷遮断機構１２は制御装置１６の外部インターフェース部１６ｃと信号線で接続され、負荷遮断信号を制御装置１６に入力する。なお、制御装置１６が負荷遮断を検出する手段は特に限定されるものではない。
【００２６】
以上のように構成される低圧蒸気タービンシステム１００は、制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されて、制御装置１６が、低圧蒸気タービン１が無負荷になったことを検出すると、制御装置１６によって以下のように制御される。
【００２７】
図２は、制御装置に、負荷遮断機構から負荷遮断信号が入力されたときの、制御装置による第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステムの制御を示すフローチャートである。制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されると（Ｓ１）、制御装置１６は、蒸気流量調整弁１０の開度を調整する（Ｓ２：負荷遮断時に、弁制御装置が、低圧蒸気タービンに外部から供給される蒸気の流量を低減するように、蒸気流量調整弁に指令を与えるステップ）。蒸気バイパス配管１７の容量（例えば３０％負荷相当の蒸気流量）以下での負荷遮断（例えば、２０％負荷運転時の負荷遮断）の場合には、低圧蒸気タービン１の回転を停止させず定格回転数を維持するために少量（例えば定格の約５％以下）の蒸気が供給されるように蒸気流量調整弁１０が制御される。このとき、制御装置１６は、蒸気開閉弁１７ａに制御信号を送信して蒸気開閉弁１７ａを開いて（Ｓ３）、高圧蒸気タービン１３から出力される蒸気を、蒸気バイパス配管１７を経由して復水器７に導入する。このとき、復水器７が生成する給水の温度は多少上昇するが、給水加熱器８を冷却するのに支障の無い温度である。また、蒸気バイパス配管１７の容量を超える負荷遮断（例えば、５０％負荷遮断）では、低圧蒸気タービン１の回転を停止させるので、蒸気流量調整弁１０が全閉される。前記のように、Ｌ―２段へのランダム振動とフラッシュバック振動の重畳は、２０％負荷遮断のときに発生するので、２０％負荷遮断の際に後記の本発明の制御が適用される。フラッシュバック自体を抑制するためであれば、５０％、７５％、１００％の各負荷遮断の際にも同様の制御を適用しても良い。
【００２８】
制御装置１６は内部タイマーに所定の時間に設定して（Ｓ４：負荷遮断時に、ポンプ制御装置が所定の時間を設定するステップ）、所定の時間が経過するまで待機する（Ｓ５→Ｎｏ）。所定の時間が経過したら（Ｓ５→Ｙｅｓ）、制御装置１６は復水ポンプ１１ａに制御信号を送信して復水ポンプ１１ａを停止する（Ｓ６：所定の時間が経過したときに、ポンプ制御装置が、給水加熱器を流通する給水の流量を低減させるように送水ポンプに指令を与えるステップ）。復水ポンプ１１ａが停止すると、復水ポンプ１１ｂの吐出量のみに低減されるため、復水器７から給水加熱器８に送られる給水の量が低減する。なお、Ｓ６において、制御装置１６は制御信号を復水ポンプ１１ａに送信して復水ポンプ１１ａを停止したが、これは復水ポンプ１１ｂでもよい。また、Ｓ５において、低圧蒸気タービン１内の蒸気流量が低減してから、フラッシュバックの発生しやすい所定の時間が経過するまでは、給水によって給水加熱器８が冷却される。これによって、給水加熱器８においてフラッシュバックの発生が防止・抑制される。
【００２９】
ここで、負荷遮断機構１２が負荷遮断する前の低圧蒸気タービン１の負荷と、フラッシュバックが発生しない（若しくは振動に影響がない程度のフラッシュバックに抑制する）ために、負荷遮断された後に復水ポンプ１１ａを停止するまでに必要な遅れ時間をあらかじめ計測（若しくは計算）しておく。そして、例えば制御装置１６に備わる記憶部１６ｂに、計測された遅れ時間を、遅れ時間データとして記憶しておけばよい。制御装置１６は、Ｓ４において内部タイマーに所定の時間を設定するときに、記憶部１６ｂに記憶された前記の遅れ時間データを参照して、負荷遮断された後に復水ポンプ１１ａを停止するまでに必要な遅れ時間を、所定の時間として設定することができる。
【００３０】
図３は復水ポンプの運転の切り替えのロジックを示すブロック図である。図３において、制御装置１６が復水ポンプを２台運転するか１台運転するかを指示する給水ポンプ運転指令値は、負荷遮断機構１２からの負荷遮断信号の入力と、相関関係３１に基づいて設定される遅れ時間の設定という２つの要素から決定されることを示している。
【００３１】
定常状態において、低圧蒸気タービンシステム１００は、２台の復水ポンプによる２台運転をしている。そして、制御装置１６に、負荷遮断機構１２から、負荷遮断信号が入力されると復水ポンプ１１を１台運転するように、プログラムによる仮想スイッチ３０で切り替える（すなわち、１台の復水ポンプ１１ａを停止する）制御をする。第１の実施形態においては、あらかじめ、負荷遮断機構１２が負荷遮断する前の低圧蒸気タービン１の負荷と、フラッシュバックが発生しないために、負荷遮断された後に復水ポンプ１１ａを停止するまでに必要な遅れ時間との相関関係３１を計測しておく。そして、制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されると、制御装置１６は、所定の時間として、相関関係に基づいた遅れ時間を設定する。そして、設定された所定の時間（遅れ時間）が経過した後に、１台運転に切り替える制御をする。
【００３２】
以上のように、第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステム１００においては、制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されてから、所定の時間経過後に復水ポンプ１１ａを停止することを特徴とする。このように、制御装置１６に負荷遮断信号が入力されてから、所定の時間が経過するまで２台の復水ポンプ１１ａ、１１ｂを作動することで、定常運転時と同量の、低温の給水を給水加熱器８に供給することができ、給水加熱器８内の温度が低下する。
【００３３】
図４は、給水加熱器内部の状態を示す状態線図である。給水加熱器８の内部では、図４に実線で示される飽和線より下の部分にあっては液体としての水が存在し、飽和線より上の部分にあっては、水は蒸発して蒸気として存在する。そして、定常状態において、給水加熱器８内部は図４に破線で示す遷移線に沿った状態にある。
【００３４】
例えば、２０％負荷遮断時には、低圧蒸気タービン１への蒸気の供給量を定格の約５％以下にまで急閉するため、低圧蒸気タービン１内部の圧力が急減する。そのため、給水加熱器８内の蒸気が、抽気孔６を介して低圧蒸気タービン１内に逆流して給水加熱器８内の圧力が低下するため、エントロピーが増大する。そして、図４に示す遷移線と飽和線との交点であるフラッシング発生点（冷却前）αで、給水加熱器８内に残量している高温水が一気に沸騰して、フラッシュ（減圧沸騰）が発生する。
【００３５】
ここで、冷却によって給水加熱器８内の温度が低下すると、フラッシング発生点（冷却前）αは図４に示す矢印の方向に移動して、飽和線より下の部分に移動する。そして、フラッシング発生点（冷却後）βに至るまで、マージンを有するようになる。このため、給水加熱器８内の圧力が低下してエントロピーが増大しても、図４に示す遷移線と飽和線との交点であるフラッシング発生点（冷却後）βに到達しにくくなり、フラッシュの発生を抑えられる。すなわち、給水加熱器８内部の温度を低下することで、フラッシュの発生を抑えられ、フラッシュバック振動の発生を抑制することができるという優れた効果を奏する。
【００３６】
また、負荷遮断時には、一般的に、一時的に定格回転数よりも高回転（オーバースピード）になるが、低圧蒸気タービン１内の蒸気の一部は、常に抽気孔６から抽気され給水加熱器８に導入されるため低圧蒸気タービン１の抽気孔６以降の段落へ流入する蒸気流量が低減し、ロータ４を回転させる力が低減するため、オーバースピードの抑制効果が期待できる。また、フラッシュバックを抑制することによってこの抑制効果が更に高まることが期待できる。
【００３７】
さらに、第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステム１００は、従来の低圧蒸気タービンシステムと同等の構成要素で実現可能であって、新たな構成要素の追加は必要ないという、優れた効果を奏する。
【００３８】
《第２の実施形態》
図５は、第２の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステムを示す図である。第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステム１００と同じ構成要素については、同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第２の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステム２００においては、給水加熱器８ｂで加熱された給水を、復水器７に戻す（給水加熱器の入口側に戻す）分岐配管１８を有することを特徴とする。さらに、分岐配管１８には、戻し弁１８ａが備わっている。戻し弁１８ａは、定常時は閉じられている弁であって、給水加熱器８ｂから流出する給水は、すべて蒸気発生器１４に導入される。なお、戻し弁１８ａは、制御装置１６の外部インターフェース部１６ｃと信号線で接続され、制御装置１６からの制御信号で開閉が制御される。ここで、第２の実施形態においては、制御装置１６が戻し弁制御装置に相当し、分岐配管１８が戻し手段に相当する。そして、制御装置（戻し弁制御装置）１６と分岐配管（戻し手段）１８と戻し弁１８ａとが加熱器温度制御手段に相当する。
【００３９】
以上のように構成される低圧蒸気タービンシステム２００は、制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されて、低圧蒸気タービン１が無負荷になったことを検出すると、制御装置１６によって以下のように制御される。
【００４０】
図６は、制御装置に、負荷遮断機構から負荷遮断信号が入力されたときの、制御装置による第２の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステムの制御を示すフローチャートである。制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されると（Ｓ１１）、制御装置１６は、第１の実施形態と同じように、蒸気流量調整弁１０の開度を調整する（Ｓ１２：負荷遮断時に、弁制御装置が、低圧蒸気タービンに外部から供給される蒸気の流量を低減するように、蒸気流量調整弁に指令を与えるステップ）。さらに、制御装置１６は、蒸気開閉弁１７ａに制御信号を送信して蒸気開閉弁１７ａを開いて（Ｓ１３）、高圧蒸気タービン１３から出力される蒸気を、蒸気バイパス配管１７を経由して復水器７に導入するとともに、戻し弁１８ａに制御信号を送信して戻し弁１８ａを開く（Ｓ１４：負荷遮断時に、戻し弁制御装置が、戻し手段を介して給水加熱器から流出する給水を給水加熱器の入口側に戻すように戻し弁に指令を与えるステップ）。
【００４１】
さらに、制御装置１６は、復水ポンプ１１ａに制御信号を送信して復水ポンプ１１ａを停止し（Ｓ１５）、復水器７から給水加熱器８に送られる給水の量を低減する。なお、Ｓ１５において、制御装置１６は制御信号を復水ポンプ１１ａに送信して復水ポンプ１１ａを停止したが、これは復水ポンプ１１ｂでもよい。
【００４２】
そして、制御装置１６は内部タイマーに所定の時間を設定して（Ｓ１６：負荷遮断時に、戻し弁制御装置が、所定の時間を設定するステップ）、所定の時間が経過するまで待機する（Ｓ１７→Ｎｏ）。所定の時間が経過したら（Ｓ１７→Ｙｅｓ）、制御装置１６は戻し弁１８ａに制御信号を送信して戻し弁１８ａを閉じる（Ｓ１８：所定の時間が経過したときに、戻し弁制御装置が、戻し手段を介して給水加熱器の入口側に給水が戻ることを停止するように戻し弁に指令を与えるステップ）。
【００４３】
ここで、図７に示すように、給水加熱器８ｂ内に導入する給水の流量をＧｉｎ、給水加熱器８ｂから流出して、蒸気発生器１４（図５参照）に導入する給水の流量をＧ１ｏｕｔ、給水加熱器８ｂから流出して、分岐配管１８を介して復水器７（図５参照）に導入される給水の流量をＧ２ｏｕｔとする。さらに、給水加熱器８ｂ内で給水が流れる配管の容積をＶとすると、戻し弁１８ａを開いたときの、給水加熱器８ｂ内で給水が流れる配管内の圧力変動ΔＰ（給水加熱器８ｂへの給水の入口と出口との圧力差）は、式１で表される。
【数１】
【００４４】
そして、式１におけるΔＰが０になるまで（給水加熱器８への給水の入口と出口との圧力差が無くなるまで）は、給水加熱器８ｂ内で給水の流量が増加する。したがって、式１におけるＧｉｎ、Ｇ１ｏｕｔ、Ｇ２ｏｕｔ、およびＶと、戻し弁１８ａを開いてからΔＰが０になるまでの時間と、の関係を予め計測（若しくは計算）しておいて、例えば制御装置１６に備わる記憶部１６ｂに、弁開放時間データとして記憶しておけばよい。制御装置１６は、Ｓ１６において内部タイマーに所定の時間を弁の開放時間として設定するときに、記憶部１６ｂに記憶された前記の弁開放時間データを参照して、所定の時間を設定することができる。
【００４５】
または、給水加熱器８ｂへの給水の入口と出口との圧力を、図示しない圧力計で測定して、測定結果を制御装置１６に入力するように構成し、制御装置１６は、給水加熱器８ｂへの給水の入口と出口との圧力差が０になった時点で戻し弁１８ａを閉じる構成にしてもよい。
【００４６】
以上のように、制御装置１６が戻し弁１８ａを開くと、給水加熱器８ｂから流出する給水の流量が増加するため、給水加熱器８ｂの内部を流れる給水の流量も増加し、給水加熱器８ｂ内の温度が下がる。さらに、給水加熱器８ｂは給水加熱器８ａと直列に接続されているため、給水加熱器８ｂを流れる給水の流量が増えると、給水加熱器８ａを流れる給水の流量も増えることになり、給水加熱器８ａ内の温度も下がる。したがって、第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステム１００と同等の効果を奏する。
【００４７】
そして、第２の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステム２００は、戻し弁１８ａの開閉のみという、非常に簡単な制御で、給水加熱器８ａ、８ｂ内の温度を下げることができるという、優れた効果を奏する。
【００４８】
なお、第１の実施形態と第２の実施形態とを同時に実施する形態も考えられる。制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されたとき、制御装置１６は、復水ポンプ１１ａを停止することなく、戻し弁１８ａを開く。そして、所定の時間が経過した後に、制御装置１６は、復水ポンプ１１ａを停止するとともに、戻し弁１８ａを閉じる形態である（図５参照）。このように、第１の実施形態と第２の実施形態とを同時に実施する形態によって、更に効果的に給水加熱器８ａ、８ｂ内の温度を下げることができるという、優れた効果を奏する。
【００４９】
以上のように、本発明にかかる低圧蒸気タービンシステムは、低圧蒸気タービンの負荷が遮断されて、低圧蒸気タービンが無負荷での運転となったときに、逆止弁などを設けることなく、給水加熱器内を流れる給水の流量を増やすことで給水加熱器内の温度下げて給水加熱器内の圧力を低減し、フラッシュバックを防止することができる。そして、低圧蒸気タービンにおけるフラッシュバック振動の発生を抑制することができるという、優れた効果を奏する。
【００５０】
なお、本発明においては、給水加熱器内部に流れる給水の量を増加することで給水加熱器の温度を低減する構成としたが、例えば給水加熱器内部に直接冷却水を導入する構造であっても、本発明と同等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステムを示す図である。
【図２】第１の実施形態における制御装置による低圧蒸気タービンシステムの制御を示すフローチャートである。
【図３】復水ポンプの運転の切り替えのロジックを示すブロック図である。
【図４】給水加熱器内部の状態線図である。
【図５】第２の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステムを示す図である。
【図６】第２の実施形態における制御装置による低圧蒸気タービンシステムの制御を示すフローチャートである。
【図７】給水加熱器へ給水が流入する態様を示す図である。
【図８】フラッシュバック無およびフラッシュバック有のときの非定常流体力計算結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 低圧蒸気タービン
２ 動翼
３ 静翼
６ 抽気孔
７ 復水器
８ 給水加熱器
９ 圧力変動検出器
１０ 蒸気流量調整弁
１１ａ、１１ｂ 復水ポンプ
１２ 負荷遮断機構
１５ 抽気配管
１６ 制御装置
１７ 蒸気バイパス配管
１７ａ 蒸気開閉弁
１８ 分岐配管
１８ａ 戻し弁
１００、２００ 低圧蒸気タービンシステム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低圧蒸気タービンシステムおよび制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低圧蒸気タービンでは、無負荷時や低負荷時に復水器側からの蒸気の逆流により、動翼にランダム振動が発生することが知られている。この知見は低圧蒸気タービン動翼の設計に反映されている。ランダム振動については、非特許文献１や２に記載されている。
【０００３】
【非特許文献１】ア・ヴェ・シェグリヤエフほか、池田監訳、永島訳、蒸気タービン理論と構造、三宝社、ｐ３４０、 １９８２
【非特許文献２】M. Gloger 他 ADVANCED LP TURBINE BLADING; A RELIABLE AND HIGHLY EFFICIENT DESIGN PWR-VOL.18, STEAM TURBINE-GENERATOR DEVELOPMENTS FORTHE POWER GENERATION INDUSTRY, ASME 1992
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、効率向上のために低圧蒸気タービンが大型化しているが、本発明者等の検討によれば、低圧蒸気タービンが大型化した際のランダム振動については特別な配慮が必要であることが判明した。特に、低圧蒸気タービンから給水加熱器の給水加熱用の蒸気を抽気している場合、給水加熱器から低圧蒸気タービン内へのフラッシュバックによる振動（フラッシュバック振動）との重畳については特別に配慮する必要があることが判明した。
【０００５】
本発明の目的は、低圧蒸気タービンが無負荷での運転に切り替わるとき等、供給される蒸気の流量が低減されるときに、フラッシュバック振動の発生を抑制することができる低圧蒸気タービンシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、静翼と動翼から構成される段落を複数有する低圧蒸気タービンシステムであって、１つの段落の直前直後に給水加熱器の給水加熱用蒸気の抽気孔を有する場合において、低圧蒸気タービンの負荷が遮断され、低圧蒸気タービンが無負荷での運転に切り替わるときに、給水加熱器内の温度を低減する構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、低圧蒸気タービンが無負荷での運転に切り替わるとき等、供給される蒸気の流量が低減されるときに、フラッシュバック振動の発生を抑制することができる低圧蒸気タービンシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【０００９】
先ず、本発明に至るまでの検討について説明する。
【００１０】
従来、最終段の動翼の翼長が４３インチ（約１０９ｃｍ）の低圧蒸気タービン（タービン回転速度１８００ｒｐｍ）では、ランダム振動（初負荷運転等の無負荷および低負荷時に発生する非定常流れによる流体加振力）の影響は、最終段（Ｌ−０段）とその前の段落（Ｌ−１段）と考えられ、これらの動翼はランダム振動の影響を加味して設計されている。しかし、最終段よりも２つ前の段落（Ｌ−２段）の動翼は、作りやすさ等の観点からテノンかしめ構造等の動翼構造が通常用いられている。
【００１１】
しかし、本発明者等の検討によれば、最終段の動翼が５２インチ（約１３２ｃｍ）以上の大型化した低圧蒸気タービン（タービン回転速度１８００ｒｐｍ）の場合、ランダム振動がＬ−２段まで及ぶことが判明した。低圧蒸気タービンがさらに大型化した場合には、３つ前の段落（Ｌ−３段）にもランダム振動が及ぶこともあり得ることが判明した。
【００１２】
また、給水加熱器の給水加熱用として蒸気を低圧蒸気タービンから抽気しているが、負荷遮断時などの負荷急変時には、給水加熱器から低圧蒸気タービン内に熱水がフラッシュ（減圧沸騰）して逆流（フラッシュバック）することがある。すなわち、負荷遮断時などの負荷急変時には、低圧蒸気タービン内の圧力が急減し、低圧蒸気タービン内圧力と給水加熱器内圧力とが逆転（給水加熱器内圧力が低圧蒸気タービン内圧力より高くなる現象）し、蒸気の逆流が発生する。そして、給水加熱器内の圧力が更に低下し、給水加熱器内に残量している高温水がフラッシュ（減圧沸騰）し、タービンに音速に近い流速で流入する。この影響により、軸方向および周方向の不均一性が発生し、流体加振力（フラッシュバック振動）が発生する。
【００１３】
このフラッシュバック振動は、抽気孔の場所に近い段落の動翼に対して影響が大きい。従来、Ｌ−１段の上流に抽気孔が設けられることが多かった。低圧蒸気タービンロータの軸長が短くなった等においては、Ｌ−２段の上流にも抽気孔が設けられることがある。
【００１４】
本発明者等の検討によれば、これらのランダム振動とフラッシュバック振動が重畳することにより、大きな流体加振力が発生することが判明した。これを、図８を用いて説明する。
【００１５】
図８は、フラッシュバック無およびフラッシュバック有のときの非定常流体力計算結果を示すものである。また、最終段の動翼が５２インチ（約１３２ｃｍ）の低圧蒸気タービンで、低負荷（約５％負荷）のときの計算結果である。上図が流線、下図が流体力の時間変動を示す。左図はフラッシュバック無の結果であり、ランダム振動によるランダム流体加振力を示している。右図はフラッシュバック有の結果であり、ランダム流体加振力とフラッシュバック振動によるフラッシュバック流体加振力が重畳した場合の結果である。ランダム振動がＬ−２段まで及んでいることがわかる（渦がランダム振動を示す。Ｌ−０段の動翼根元側に大きな逆流域が、また先端部にも逆流域が見られ、Ｌ−２段の動翼根元側からＬ−１段を超えＬ−０段静翼にかけて大きな逆流域が見られる）。そして、ランダム流体加振力とフラッシュバック流体加振力の重畳により流体加振力が１．２ないし２．０倍（Ｌ−２段に対しては２．０倍）に増大していることがわかる。
【００１６】
このフラッシュバック振動とランダム振動の重畳は、特に２０％負荷遮断時に起こり得る。すなわち、２０％負荷遮断時には、負荷遮断時に回転速度維持のために低負荷もしくは無負荷で運転される時間があり、このときに、ランダム振動が発生し、このランダム振動に負荷遮断によるフラッシュバック振動が重畳されることになる。
【００１７】
従来、Ｌ−２段の動翼には大きな流体加振力が加わるとは考えられていなかったが、このように大きな流体加振力が加わり、また、動翼の構造上、流体加振力が加わった場合の影響は他の段落よりも大きい。したがって、低圧蒸気タービンが大型化し、抽気孔がＬ−２段のすぐ上流に設けられている場合には（Ｌ−２段のすぐ上流に抽気孔が設けられている場合には、Ｌ−２段のすぐ下流にも抽気孔が設けられている場合が多い）、Ｌ−２段の動翼の振動応力を低減させる手段が必要である。振動応力を低減させるには、動翼の構造を高減衰構造にするか、または、大きな流体加振力が加わらないように、すなわち、フラッシュバック振動とランダム振動との重畳を避けるようにすることが考えられる。本発明はこのような知見に基づきなされたものである。以下に本発明の実施形態を説明する。
《第１の実施形態》
【００１８】
図１は、第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステムを示す図である。図１に示すように、低圧蒸気タービンシステム１００は、低圧蒸気タービン１、復水器７、給水加熱器８（８ａ、８ｂ）、圧力変動検出器９、蒸気流量調整弁１０、復水ポンプ１１（１１ａ、１１ｂ）、抽気配管１５、制御装置１６、蒸気バイパス配管１７、蒸気開閉弁１７ａを主要部として構成されている。また、低圧蒸気タービン１は、動翼２、静翼３、ロータ４、ケーシング５を主要部として構成され、抽気孔６がケーシング５に設けられている。
【００１９】
図１に示すように、高圧蒸気タービン１３から排気された蒸気は、湿分分離（加熱）器（図示省略）を通り、蒸気流量調整弁（蒸気流量制御手段）１０を介して低圧蒸気タービン１に導入され、ロータ４に固定された動翼２とケーシング５に固定された静翼３の間を交互に通りながら膨張し、ロータ４を回転させる。ロータ４は高圧蒸気タービン１３のロータと同一軸で構成されている。なお、低圧蒸気タービン１に導入される蒸気流量は、蒸気流量調整弁１０によって調整される。そして、蒸気流量調整弁１０を制御するために制御装置（弁制御装置）１６が備わっている。低圧蒸気タービン１から排気された蒸気は、復水器７で凝縮されて水（給水）となった後、並設される２つの復水ポンプ（送水ポンプ）１１ａ、１１ｂで給水加熱器８に送り込まれ、給水加熱器８で加熱される。給水加熱器８で加熱された給水は、更に他の給水加熱器(図示省略)や高圧給水ポンプ（図示省略）などを経由して蒸気発生器１４に導入される。そして、給水加熱器８での給水加熱用に、抽気孔６から蒸気が抽気され、抽気配管１５を介して給水加熱器８に導入されている。
【００２０】
なお、給水加熱器８（８ａ、８ｂ）の加熱用蒸気を低圧蒸気タービン１から抽気する抽気孔６は、低圧蒸気タービン１において静翼３と動翼２とから構成される１つ段落の直前直後に２つ配置されるものとする。この抽気孔６の配置は、給水加熱器８（８ａ、８ｂ）で要求される蒸気圧力と温度によって決められる。１つの段落の直前直後に２つ抽気孔６が配置される構成となっている場合が動翼２へのフラッシュバック振動の影響が大きく、このような配置構成において本発明の構成を適用することによる効果が大きい。第１の実施形態において、抽気孔６は、最終段よりも２つ前の段落（Ｌ−２段）の直前直後に配置されるものとする。また、給水加熱器８は、上流側に配置される給水加熱器を８ａ、下流側に配置される給水加熱器を８ｂとする。
【００２１】
制御装置１６は、各種演算をするためのＣＰＵ（Central Processing Unit ）１６ａ、制御装置１６を動作するプログラムや各種データ等が記憶されている記憶部１６ｂ、蒸気流量調整弁１０と信号線で接続して、蒸気流量調整弁１０に制御信号を送信したりする外部インターフェース部１６ｃ等で構成されている。そして、第１の実施形態において、制御装置１６がポンプ制御装置と弁制御装置とに相当する。また、制御装置（弁制御装置）１６と蒸気流量調整弁１０とが蒸気流量制御手段に相当する。さらに、制御装置（ポンプ制御装置）１６と復水ポンプ（送水ポンプ）１１ａ、１１ｂとが加熱器温度制御手段に相当する。
【００２２】
また、図１に示すように、抽気孔６には圧力変動検出器９が設置されている。圧力変動検出器９は、信号線で制御装置１６の外部インターフェース部１６ｃと接続されていて、検出した圧力を制御装置１６に通知する機能を有する。
【００２３】
さらに、高圧蒸気タービン１３から出力された蒸気を、直接復水器７に導入する蒸気バイパス配管１７が設けられていて、蒸気バイパス配管１７には蒸気開閉弁１７ａが備わる。蒸気開閉弁１７ａは、定常時は閉じられている弁である。高圧蒸気タービン１３から排気される蒸気は、蒸気開閉弁１７ａが閉じているときは、他の給水加熱器（高圧給水加熱器、図示省略）や給水ポンプ駆動用蒸気タービン（図示省略）にも導入されるが、これらの蒸気や湿分分離（加熱）器（図示省略）での湿分と少量の蒸気の減少を除いて全て低圧蒸気タービン１に導入される。なお、蒸気開閉弁１７ａは信号線で制御装置１６の外部インターフェース部１６ｃと接続され、制御装置１６からの制御で開閉動作する。
【００２４】
また、併設される２つの復水ポンプ１１ａ、１１ｂは、ポンプ制御装置として機能する制御装置１６の外部インターフェース部１６ｃと信号線で接続される。そして、制御装置１６から、復水ポンプ１１ａ、１１ｂに指令を与えて、動作を制御する構成とする。また、制御装置１６が復水ポンプ１１ａ，１１ｂの送水量を調整することで、給水加熱器８内の温度を調整することから、制御装置１６および、復水ポンプ１１ａ，１１ｂが加熱器温度制御手段として機能する。
【００２５】
ロータ軸４には、ロータ軸４によって駆動される発電機Ｇが負荷として接続される。発電機Ｇで発電された電力は、負荷遮断機構１２を介して電力系統へ送電される。例えば何らかの異常が発生したときには、電力系統と発電機Ｇとを切り離すこと（以下、負荷遮断と称する）が可能である。さらに、負荷遮断機構１２は、負荷遮断したときに負荷遮断信号を出力する機能を有する。そして、負荷遮断機構１２は制御装置１６の外部インターフェース部１６ｃと信号線で接続され、負荷遮断信号を制御装置１６に入力する。なお、制御装置１６が負荷遮断を検出する手段は特に限定されるものではない。
【００２６】
以上のように構成される低圧蒸気タービンシステム１００は、制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されて、制御装置１６が、低圧蒸気タービン１が無負荷になったことを検出すると、制御装置１６によって以下のように制御される。
【００２７】
図２は、制御装置に、負荷遮断機構から負荷遮断信号が入力されたときの、制御装置による第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステムの制御を示すフローチャートである。制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されると（Ｓ１）、制御装置１６は、蒸気流量調整弁１０の開度を調整する（Ｓ２：負荷遮断時に、弁制御装置が、低圧蒸気タービンに外部から供給される蒸気の流量を低減するように、蒸気流量調整弁に指令を与えるステップ）。蒸気バイパス配管１７の容量（例えば３０％負荷相当の蒸気流量）以下での負荷遮断（例えば、２０％負荷運転時の負荷遮断）の場合には、低圧蒸気タービン１の回転を停止させず定格回転数を維持するために少量（例えば定格の約５％以下）の蒸気が供給されるように蒸気流量調整弁１０が制御される。このとき、制御装置１６は、蒸気開閉弁１７ａに制御信号を送信して蒸気開閉弁１７ａを開いて（Ｓ３）、高圧蒸気タービン１３から出力される蒸気を、蒸気バイパス配管１７を経由して復水器７に導入する。このとき、復水器７が生成する給水の温度は多少上昇するが、給水加熱器８を冷却するのに支障の無い温度である。また、蒸気バイパス配管１７の容量を超える負荷遮断（例えば、５０％負荷遮断）では、低圧蒸気タービン１の回転を停止させるので、蒸気流量調整弁１０が全閉される。前記のように、Ｌ―２段へのランダム振動とフラッシュバック振動の重畳は、２０％負荷遮断のときに発生するので、２０％負荷遮断の際に後記の本発明の制御が適用される。フラッシュバック自体を抑制するためであれば、５０％、７５％、１００％の各負荷遮断の際にも同様の制御を適用しても良い。
【００２８】
制御装置１６は内部タイマーに所定の時間に設定して（Ｓ４：負荷遮断時に、ポンプ制御装置が所定の時間を設定するステップ）、所定の時間が経過するまで待機する（Ｓ５→Ｎｏ）。所定の時間が経過したら（Ｓ５→Ｙｅｓ）、制御装置１６は復水ポンプ１１ａに制御信号を送信して復水ポンプ１１ａを停止する（Ｓ６：所定の時間が経過したときに、ポンプ制御装置が、給水加熱器を流通する給水の流量を低減させるように送水ポンプに指令を与えるステップ）。復水ポンプ１１ａが停止すると、復水ポンプ１１ｂの吐出量のみに低減されるため、復水器７から給水加熱器８に送られる給水の量が低減する。なお、Ｓ６において、制御装置１６は制御信号を復水ポンプ１１ａに送信して復水ポンプ１１ａを停止したが、これは復水ポンプ１１ｂでもよい。また、Ｓ５において、低圧蒸気タービン１内の蒸気流量が低減してから、フラッシュバックの発生しやすい所定の時間が経過するまでは、給水によって給水加熱器８が冷却される。これによって、給水加熱器８においてフラッシュバックの発生が防止・抑制される。
【００２９】
ここで、負荷遮断機構１２が負荷遮断する前の低圧蒸気タービン１の負荷と、フラッシュバックが発生しない（若しくは振動に影響がない程度のフラッシュバックに抑制する）ために、負荷遮断された後に復水ポンプ１１ａを停止するまでに必要な遅れ時間をあらかじめ計測（若しくは計算）しておく。そして、例えば制御装置１６に備わる記憶部１６ｂに、計測された遅れ時間を、遅れ時間データとして記憶しておけばよい。制御装置１６は、Ｓ４において内部タイマーに所定の時間を設定するときに、記憶部１６ｂに記憶された前記の遅れ時間データを参照して、負荷遮断された後に復水ポンプ１１ａを停止するまでに必要な遅れ時間を、所定の時間として設定することができる。
【００３０】
図３は復水ポンプの運転の切り替えのロジックを示すブロック図である。図３において、制御装置１６が復水ポンプを２台運転するか１台運転するかを指示する給水ポンプ運転指令値は、負荷遮断機構１２からの負荷遮断信号の入力と、相関関係３１に基づいて設定される遅れ時間の設定という２つの要素から決定されることを示している。
【００３１】
定常状態において、低圧蒸気タービンシステム１００は、２台の復水ポンプによる２台運転をしている。そして、制御装置１６に、負荷遮断機構１２から、負荷遮断信号が入力されると復水ポンプ１１を１台運転するように、プログラムによる仮想スイッチ３０で切り替える（すなわち、１台の復水ポンプ１１ａを停止する）制御をする。第１の実施形態においては、あらかじめ、負荷遮断機構１２が負荷遮断する前の低圧蒸気タービン１の負荷と、フラッシュバックが発生しないために、負荷遮断された後に復水ポンプ１１ａを停止するまでに必要な遅れ時間との相関関係３１を計測しておく。そして、制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されると、制御装置１６は、所定の時間として、相関関係に基づいた遅れ時間を設定する。そして、設定された所定の時間（遅れ時間）が経過した後に、１台運転に切り替える制御をする。
【００３２】
以上のように、第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステム１００においては、制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されてから、所定の時間経過後に復水ポンプ１１ａを停止することを特徴とする。このように、制御装置１６に負荷遮断信号が入力されてから、所定の時間が経過するまで２台の復水ポンプ１１ａ、１１ｂを作動することで、定常運転時と同量の、低温の給水を給水加熱器８に供給することができ、給水加熱器８内の温度が低下する。
【００３３】
図４は、給水加熱器内部の状態を示す状態線図である。給水加熱器８の内部では、図４に実線で示される飽和線より下の部分にあっては液体としての水が存在し、飽和線より上の部分にあっては、水は蒸発して蒸気として存在する。そして、定常状態において、給水加熱器８内部は図４に破線で示す遷移線に沿った状態にある。
【００３４】
例えば、２０％負荷遮断時には、低圧蒸気タービン１への蒸気の供給量を定格の約５％以下にまで急閉するため、低圧蒸気タービン１内部の圧力が急減する。そのため、給水加熱器８内の蒸気が、抽気孔６を介して低圧蒸気タービン１内に逆流して給水加熱器８内の圧力が低下するため、エントロピーが増大する。そして、図４に示す遷移線と飽和線との交点であるフラッシング発生点（冷却前）αで、給水加熱器８内に残量している高温水が一気に沸騰して、フラッシュ（減圧沸騰）が発生する。
【００３５】
ここで、冷却によって給水加熱器８内の温度が低下すると、フラッシング発生点（冷却前）αは図４に示す矢印の方向に移動して、飽和線より下の部分に移動する。そして、フラッシング発生点（冷却後）βに至るまで、マージンを有するようになる。このため、給水加熱器８内の圧力が低下してエントロピーが増大しても、図４に示す遷移線と飽和線との交点であるフラッシング発生点（冷却後）βに到達しにくくなり、フラッシュの発生を抑えられる。すなわち、給水加熱器８内部の温度を低下することで、フラッシュの発生を抑えられ、フラッシュバック振動の発生を抑制することができるという優れた効果を奏する。
【００３６】
また、負荷遮断時には、一般的に、一時的に定格回転数よりも高回転（オーバースピード）になるが、低圧蒸気タービン１内の蒸気の一部は、常に抽気孔６から抽気され給水加熱器８に導入されるため低圧蒸気タービン１の抽気孔６以降の段落へ流入する蒸気流量が低減し、ロータ４を回転させる力が低減するため、オーバースピードの抑制効果が期待できる。また、フラッシュバックを抑制することによってこの抑制効果が更に高まることが期待できる。
【００３７】
さらに、第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステム１００は、従来の低圧蒸気タービンシステムと同等の構成要素で実現可能であって、新たな構成要素の追加は必要ないという、優れた効果を奏する。
【００３８】
《第２の実施形態》
図５は、第２の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステムを示す図である。第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステム１００と同じ構成要素については、同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第２の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステム２００においては、給水加熱器８ｂで加熱された給水を、復水器７に戻す（給水加熱器の入口側に戻す）分岐配管１８を有することを特徴とする。さらに、分岐配管１８には、戻し弁１８ａが備わっている。戻し弁１８ａは、定常時は閉じられている弁であって、給水加熱器８ｂから流出する給水は、すべて蒸気発生器１４に導入される。なお、戻し弁１８ａは、制御装置１６の外部インターフェース部１６ｃと信号線で接続され、制御装置１６からの制御信号で開閉が制御される。ここで、第２の実施形態においては、制御装置１６が戻し弁制御装置に相当し、分岐配管１８が戻し手段に相当する。そして、制御装置（戻し弁制御装置）１６と分岐配管（戻し手段）１８と戻し弁１８ａとが加熱器温度制御手段に相当する。
【００３９】
以上のように構成される低圧蒸気タービンシステム２００は、制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されて、低圧蒸気タービン１が無負荷になったことを検出すると、制御装置１６によって以下のように制御される。
【００４０】
図６は、制御装置に、負荷遮断機構から負荷遮断信号が入力されたときの、制御装置による第２の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステムの制御を示すフローチャートである。制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されると（Ｓ１１）、制御装置１６は、第１の実施形態と同じように、蒸気流量調整弁１０の開度を調整する（Ｓ１２：負荷遮断時に、弁制御装置が、低圧蒸気タービンに外部から供給される蒸気の流量を低減するように、蒸気流量調整弁に指令を与えるステップ）。さらに、制御装置１６は、蒸気開閉弁１７ａに制御信号を送信して蒸気開閉弁１７ａを開いて（Ｓ１３）、高圧蒸気タービン１３から出力される蒸気を、蒸気バイパス配管１７を経由して復水器７に導入するとともに、戻し弁１８ａに制御信号を送信して戻し弁１８ａを開く（Ｓ１４：負荷遮断時に、戻し弁制御装置が、戻し手段を介して給水加熱器から流出する給水を給水加熱器の入口側に戻すように戻し弁に指令を与えるステップ）。
【００４１】
さらに、制御装置１６は、復水ポンプ１１ａに制御信号を送信して復水ポンプ１１ａを停止し（Ｓ１５）、復水器７から給水加熱器８に送られる給水の量を低減する。なお、Ｓ１５において、制御装置１６は制御信号を復水ポンプ１１ａに送信して復水ポンプ１１ａを停止したが、これは復水ポンプ１１ｂでもよい。
【００４２】
そして、制御装置１６は内部タイマーに所定の時間を設定して（Ｓ１６：負荷遮断時に、戻し弁制御装置が、所定の時間を設定するステップ）、所定の時間が経過するまで待機する（Ｓ１７→Ｎｏ）。所定の時間が経過したら（Ｓ１７→Ｙｅｓ）、制御装置１６は戻し弁１８ａに制御信号を送信して戻し弁１８ａを閉じる（Ｓ１８：所定の時間が経過したときに、戻し弁制御装置が、戻し手段を介して給水加熱器の入口側に給水が戻ることを停止するように戻し弁に指令を与えるステップ）。
【００４３】
ここで、図７に示すように、給水加熱器８ｂ内に導入する給水の流量をＧｉｎ、給水加熱器８ｂから流出して、蒸気発生器１４（図５参照）に導入する給水の流量をＧ１ｏｕｔ、給水加熱器８ｂから流出して、分岐配管１８を介して復水器７（図５参照）に導入される給水の流量をＧ２ｏｕｔとする。さらに、給水加熱器８ｂ内で給水が流れる配管の容積をＶとすると、戻し弁１８ａを開いたときの、給水加熱器８ｂ内で給水が流れる配管内の圧力変動ΔＰ（給水加熱器８ｂへの給水の入口と出口との圧力差）は、式１で表される。
【数１】
【００４４】
そして、式１におけるΔＰが０になるまで（給水加熱器８への給水の入口と出口との圧力差が無くなるまで）は、給水加熱器８ｂ内で給水の流量が増加する。したがって、式１におけるＧｉｎ、Ｇ１ｏｕｔ、Ｇ２ｏｕｔ、およびＶと、戻し弁１８ａを開いてからΔＰが０になるまでの時間と、の関係を予め計測（若しくは計算）しておいて、例えば制御装置１６に備わる記憶部１６ｂに、弁開放時間データとして記憶しておけばよい。制御装置１６は、Ｓ１６において内部タイマーに所定の時間を弁の開放時間として設定するときに、記憶部１６ｂに記憶された前記の弁開放時間データを参照して、所定の時間を設定することができる。
【００４５】
または、給水加熱器８ｂへの給水の入口と出口との圧力を、図示しない圧力計で測定して、測定結果を制御装置１６に入力するように構成し、制御装置１６は、給水加熱器８ｂへの給水の入口と出口との圧力差が０になった時点で戻し弁１８ａを閉じる構成にしてもよい。
【００４６】
以上のように、制御装置１６が戻し弁１８ａを開くと、給水加熱器８ｂから流出する給水の流量が増加するため、給水加熱器８ｂの内部を流れる給水の流量も増加し、給水加熱器８ｂ内の温度が下がる。さらに、給水加熱器８ｂは給水加熱器８ａと直列に接続されているため、給水加熱器８ｂを流れる給水の流量が増えると、給水加熱器８ａを流れる給水の流量も増えることになり、給水加熱器８ａ内の温度も下がる。したがって、第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステム１００と同等の効果を奏する。
【００４７】
そして、第２の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステム２００は、戻し弁１８ａの開閉のみという、非常に簡単な制御で、給水加熱器８ａ、８ｂ内の温度を下げることができるという、優れた効果を奏する。
【００４８】
なお、第１の実施形態と第２の実施形態とを同時に実施する形態も考えられる。制御装置１６に、負荷遮断機構１２から負荷遮断信号が入力されたとき、制御装置１６は、復水ポンプ１１ａを停止することなく、戻し弁１８ａを開く。そして、所定の時間が経過した後に、制御装置１６は、復水ポンプ１１ａを停止するとともに、戻し弁１８ａを閉じる形態である（図５参照）。このように、第１の実施形態と第２の実施形態とを同時に実施する形態によって、更に効果的に給水加熱器８ａ、８ｂ内の温度を下げることができるという、優れた効果を奏する。
【００４９】
以上のように、本発明にかかる低圧蒸気タービンシステムは、低圧蒸気タービンの負荷が遮断されて、低圧蒸気タービンが無負荷での運転となったときに、逆止弁などを設けることなく、給水加熱器内を流れる給水の流量を増やすことで給水加熱器内の温度下げて給水加熱器内の圧力を低減し、フラッシュバックを防止することができる。そして、低圧蒸気タービンにおけるフラッシュバック振動の発生を抑制することができるという、優れた効果を奏する。
【００５０】
なお、本発明においては、給水加熱器内部に流れる給水の量を増加することで給水加熱器の温度を低減する構成としたが、例えば給水加熱器内部に直接冷却水を導入する構造であっても、本発明と同等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステムを示す図である。
【図２】第１の実施形態における制御装置による低圧蒸気タービンシステムの制御を示すフローチャートである。
【図３】復水ポンプの運転の切り替えのロジックを示すブロック図である。
【図４】給水加熱器内部の状態線図である。
【図５】第２の実施形態にかかる低圧蒸気タービンシステムを示す図である。
【図６】第２の実施形態における制御装置による低圧蒸気タービンシステムの制御を示すフローチャートである。
【図７】給水加熱器へ給水が流入する態様を示す図である。
【図８】フラッシュバック無およびフラッシュバック有のときの非定常流体力計算結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 低圧蒸気タービン
２ 動翼
３ 静翼
６ 抽気孔
７ 復水器
８ 給水加熱器
９ 圧力変動検出器
１０ 蒸気流量調整弁
１１ａ、１１ｂ 復水ポンプ
１２ 負荷遮断機構
１５ 抽気配管
１６ 制御装置
１７ 蒸気バイパス配管
１７ａ 蒸気開閉弁
１８ 分岐配管
１８ａ 戻し弁
１００、２００ 低圧蒸気タービンシステム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静翼と動翼とから構成される段落を複数有し、外部から供給される蒸気によって駆動される低圧蒸気タービンと、
前記低圧蒸気タービンから排出される前記蒸気を凝縮して給水を生成する復水器と、
前記生成される給水を加熱する給水加熱器と、を含んで構成され、
前記低圧蒸気タービンは、前記給水加熱器の熱源となる給水加熱用蒸気を抽気する抽気孔を、前記複数の段落の中の少なくとも１つの段落の直前直後に有し、
前記低圧蒸気タービン内を流れる蒸気の一部が前記抽気孔を介して、前記給水加熱用蒸気として前記給水加熱器に導入される構造を有する低圧蒸気タービンシステムであって、
負荷遮断時に、前記低圧蒸気タービンに外部から供給される蒸気の流量を調整する蒸気流量制御手段と、前記給水加熱器内の温度を低減させる加熱器温度制御手段と、を有することを特徴とする低圧蒸気タービンシステム。
【請求項２】
前記加熱器温度制御手段は、前記復水器の下流側に設けられて、前記生成した給水を送水する送水ポンプと、前記送水ポンプに指令を与えるポンプ制御装置とを含んで構成され、
前記負荷遮断時に、前記ポンプ制御装置は、前記送水ポンプに指令を与えて前記給水加熱気を流通する給水の流量を低減させない制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の低圧蒸気タービンシステム。
【請求項３】
前記加熱器温度制御手段は、前記給水加熱器から流出する前記給水を前記復水器に戻すための戻し手段と、前記戻し手段に備わっていて前記復水器に前記給水を戻す戻し弁と、前記戻し弁に指令を与える戻し弁制御装置と、を含んで構成され、
前記負荷遮断時に、前記戻し弁制御装置は、前記戻し弁に指令を与えて前記給水加熱器から流出する給水を前記復水器に戻すような制御を行うことを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の低圧蒸気タービンシステム。
【請求項４】
静翼と動翼とから構成される段落を複数有し、外部から供給される蒸気によって駆動される低圧蒸気タービンと、
前記低圧蒸気タービンから排出される前記蒸気を凝縮して給水を生成する復水器と、
前記生成される給水を加熱する給水加熱器と、
前記低圧蒸気タービンに供給される前記蒸気の流量を調整する蒸気流量調整弁及び前記蒸気流量調整弁に指令を与える弁制御装置を含んでなる蒸気流量制御手段と、
前記給水を前記給水加熱器に送水する送水ポンプ及び前記送水ポンプに指令を与えるポンプ制御装置を含んでなる加熱器温度制御手段と、を含んで構成され、
前記低圧蒸気タービンは、前記給水加熱器の熱源となる給水加熱用蒸気を抽気する抽気孔を、前記複数の段落の中の少なくとも１つの段落の直前直後に有し、
前記低圧蒸気タービン内を流れる蒸気の一部が前記抽気孔を介して、前記給水加熱用蒸気として前記給水加熱器に導入される構造を有する低圧蒸気タービンシステムにおいて、
負荷遮断時に、前記給水加熱器内の温度を低減させる低圧蒸気タービンシステムの制御方法であって、
負荷遮断時に、前記弁制御装置が、前記低圧蒸気タービンに外部から供給される前記蒸気の流量を低減するように、前記蒸気流量調整弁に指令を与えるステップと、
負荷遮断時に、前記ポンプ制御装置が所定の時間を設定するステップと、
前記所定の時間が経過したときに、前記ポンプ制御装置が、前記給水加熱気を流通する給水の流量を低減させるように前記送水ポンプに指令を与えるステップと、を有することを特徴とする低圧蒸気タービンシステムの制御方法。
【請求項５】
静翼と動翼とから構成される段落を複数有し、外部から供給される蒸気によって駆動される低圧蒸気タービンと、
前記低圧蒸気タービンから排出される前記蒸気を凝縮して給水を生成する復水器と、
前記生成される給水を加熱する給水加熱器と、
前記低圧蒸気タービンに供給される前記蒸気の流量を調整する蒸気流量調整弁及び前記蒸気流量調整弁に指令を与える弁制御装置を含んでなる蒸気流量制御手段と、
前記給水加熱器から流出する給水を当該給水加熱器の入口側に戻す戻し手段、戻し弁、及び前記戻し弁に指令を与える戻し弁制御装置を含んでなる加熱器温度制御手段と、を含んで構成され、
前記低圧蒸気タービンは、前記給水加熱器の熱源となる給水加熱用蒸気を抽気する抽気孔を、前記複数の段落の中の少なくとも１つの段落の直前直後に有し、
前記低圧蒸気タービン内を流れる蒸気の一部が前記抽気孔を介して、前記給水加熱用蒸気として前記給水加熱器に導入される構造を有する低圧蒸気タービンシステムにおいて、
負荷遮断時に、前記給水加熱器内の温度を低減させる低圧蒸気タービンシステムの制御方法であって、
負荷遮断時に、前記弁制御装置が、前記低圧蒸気タービンに外部から供給される前記蒸気の流量を低減するように、前記蒸気流量調整弁に指令を与えるステップと、
負荷遮断時に、前記戻し弁制御装置が、前記戻し手段を介して前記給水加熱器から流出する前記給水を前記給水加熱器の入口側に戻すように前記戻し弁に指令を与えるステップと、
負荷遮断時に、前記戻し弁制御装置が、所定の時間を設定するステップと、
前記所定の時間が経過したときに、前記戻し弁制御装置が、前記戻し手段を介して前記給水加熱器の入口側に前記給水が戻ることを停止するように前記戻し弁に指令を与えるステップと、を有することを特徴とする低圧蒸気タービンシステムの制御方法。
【請求項１】
静翼と動翼とから構成される段落を複数有し、外部から供給される蒸気によって駆動される低圧蒸気タービンと、
前記低圧蒸気タービンから排出される前記蒸気を凝縮して給水を生成する復水器と、
前記生成される給水を加熱する給水加熱器と、を含んで構成され、
前記低圧蒸気タービンは、前記給水加熱器の熱源となる給水加熱用蒸気を抽気する抽気孔を、前記複数の段落の中の少なくとも１つの段落の直前直後に有し、
前記低圧蒸気タービン内を流れる蒸気の一部が前記抽気孔を介して、前記給水加熱用蒸気として前記給水加熱器に導入される構造を有する低圧蒸気タービンシステムであって、
負荷遮断時に、前記低圧蒸気タービンに外部から供給される蒸気の流量を調整する蒸気流量制御手段と、前記給水加熱器内の温度を低減させる加熱器温度制御手段と、を有することを特徴とする低圧蒸気タービンシステム。
【請求項２】
前記加熱器温度制御手段は、前記復水器の下流側に設けられて、前記生成した給水を送水する送水ポンプと、前記送水ポンプに指令を与えるポンプ制御装置とを含んで構成され、
前記負荷遮断時に、前記ポンプ制御装置は、前記送水ポンプに指令を与えて前記給水加熱気を流通する給水の流量を低減させない制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の低圧蒸気タービンシステム。
【請求項３】
前記加熱器温度制御手段は、前記給水加熱器から流出する前記給水を前記復水器に戻すための戻し手段と、前記戻し手段に備わっていて前記復水器に前記給水を戻す戻し弁と、前記戻し弁に指令を与える戻し弁制御装置と、を含んで構成され、
前記負荷遮断時に、前記戻し弁制御装置は、前記戻し弁に指令を与えて前記給水加熱器から流出する給水を前記復水器に戻すような制御を行うことを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の低圧蒸気タービンシステム。
【請求項４】
静翼と動翼とから構成される段落を複数有し、外部から供給される蒸気によって駆動される低圧蒸気タービンと、
前記低圧蒸気タービンから排出される前記蒸気を凝縮して給水を生成する復水器と、
前記生成される給水を加熱する給水加熱器と、
前記低圧蒸気タービンに供給される前記蒸気の流量を調整する蒸気流量調整弁及び前記蒸気流量調整弁に指令を与える弁制御装置を含んでなる蒸気流量制御手段と、
前記給水を前記給水加熱器に送水する送水ポンプ及び前記送水ポンプに指令を与えるポンプ制御装置を含んでなる加熱器温度制御手段と、を含んで構成され、
前記低圧蒸気タービンは、前記給水加熱器の熱源となる給水加熱用蒸気を抽気する抽気孔を、前記複数の段落の中の少なくとも１つの段落の直前直後に有し、
前記低圧蒸気タービン内を流れる蒸気の一部が前記抽気孔を介して、前記給水加熱用蒸気として前記給水加熱器に導入される構造を有する低圧蒸気タービンシステムにおいて、
負荷遮断時に、前記給水加熱器内の温度を低減させる低圧蒸気タービンシステムの制御方法であって、
負荷遮断時に、前記弁制御装置が、前記低圧蒸気タービンに外部から供給される前記蒸気の流量を低減するように、前記蒸気流量調整弁に指令を与えるステップと、
負荷遮断時に、前記ポンプ制御装置が所定の時間を設定するステップと、
前記所定の時間が経過したときに、前記ポンプ制御装置が、前記給水加熱気を流通する給水の流量を低減させるように前記送水ポンプに指令を与えるステップと、を有することを特徴とする低圧蒸気タービンシステムの制御方法。
【請求項５】
静翼と動翼とから構成される段落を複数有し、外部から供給される蒸気によって駆動される低圧蒸気タービンと、
前記低圧蒸気タービンから排出される前記蒸気を凝縮して給水を生成する復水器と、
前記生成される給水を加熱する給水加熱器と、
前記低圧蒸気タービンに供給される前記蒸気の流量を調整する蒸気流量調整弁及び前記蒸気流量調整弁に指令を与える弁制御装置を含んでなる蒸気流量制御手段と、
前記給水加熱器から流出する給水を当該給水加熱器の入口側に戻す戻し手段、戻し弁、及び前記戻し弁に指令を与える戻し弁制御装置を含んでなる加熱器温度制御手段と、を含んで構成され、
前記低圧蒸気タービンは、前記給水加熱器の熱源となる給水加熱用蒸気を抽気する抽気孔を、前記複数の段落の中の少なくとも１つの段落の直前直後に有し、
前記低圧蒸気タービン内を流れる蒸気の一部が前記抽気孔を介して、前記給水加熱用蒸気として前記給水加熱器に導入される構造を有する低圧蒸気タービンシステムにおいて、
負荷遮断時に、前記給水加熱器内の温度を低減させる低圧蒸気タービンシステムの制御方法であって、
負荷遮断時に、前記弁制御装置が、前記低圧蒸気タービンに外部から供給される前記蒸気の流量を低減するように、前記蒸気流量調整弁に指令を与えるステップと、
負荷遮断時に、前記戻し弁制御装置が、前記戻し手段を介して前記給水加熱器から流出する前記給水を前記給水加熱器の入口側に戻すように前記戻し弁に指令を与えるステップと、
負荷遮断時に、前記戻し弁制御装置が、所定の時間を設定するステップと、
前記所定の時間が経過したときに、前記戻し弁制御装置が、前記戻し手段を介して前記給水加熱器の入口側に前記給水が戻ることを停止するように前記戻し弁に指令を与えるステップと、を有することを特徴とする低圧蒸気タービンシステムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−７５５２６（Ｐ２００８−７５５２６Ａ）
【公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５５０７１（Ｐ２００６−２５５０７１）
【出願日】平成１８年９月２０日（２００６．９．２０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２０日（２００６．９．２０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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