JP3977546B2

JP3977546B2 - 蒸気タービン発電設備

Info

Publication number: JP3977546B2
Application number: JP08149899A
Authority: JP
Inventors: 田實松; 平浩之大; 口公一北; 地正孝菊
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: JP2000274208A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気条件が６５０℃以上の蒸気タービンを有する蒸気タービン発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電プラントの蒸気条件の高温・高圧化は、その効率向上に寄与する非常に重要かつ基本的な要因であるが、１９６０年代後半に２４．１ＭＰａ、５３８／５６６℃の一段再熱の蒸気条件がわが国の事業用火力タービンの標準的なものとして確立されてからは、最近に至るまで画期的な進展はみられなかった。しかし、オイルショック以来、省エネルギー化が強力に推進され、その後の地球温暖化問題に対する急速な関心の高まりから火力発電プラントの高効率化が押し進められている。
【０００３】
発電効率を上げるためには蒸気タービンの蒸気温度を上げるのが最も有効な手段であるが、従来の蒸気タービン設備の蒸気条件が６００℃級以下の蒸気温度であることから、蒸気タービンのロータ、翼等の主要部材にはフェライト系耐熱鋼が用いられている。すなわち、従来の高効率タービン用材料としては、例えば特公昭６０−３１８９８号公報、特公昭６０−５４３８５号公報、或は特開平２−１４９６４９号公報にみられるような高強度耐熱鋼が知られており、特にこれらの材料として高温強度のより優れた耐熱鋼としては、特開平８−３６９７号公報や特開平７−３４２０２号公報にみられるような高強度耐熱鋼が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、蒸気タービン設備の蒸気条件が６５０℃級以上の蒸気温度になった場合には、蒸気タービンのノズル、翼、ロータ等の主要部材には、フェライト系材料では強度的に厳しくなることから、Ｎｉ基合金やオーステナイト系材料等が用いられる。
【０００５】
しかしながら、これらＮｉ基合金、オーステナイト系材料は、低熱伝導・高線膨張係数の特性を有するため、フェライト系の材料と比較して大きな熱応力が発生し易く、蒸気タービンの起動を含む運用上の制約が生じるという問題がある。また、Ｎｉ基合金やオーステナイト系材料は、フェライト系の材料と比較して一般的にコスト的に高い傾向があり、さらに大型鋼塊の製造に限界があるという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑み、蒸気条件が６５０℃級以上の蒸気タービンを有する蒸気タービン発電設備において、Ｎｉ基合金、オーステナイト系材料を使用した蒸気タービンの運用制限を極力抑制し、材料コストアップをできる限り抑え、また蒸気タービンの製造上有利となるようなシステムを具備した蒸気タービン発電設備を得ることを目的とする。
【０００７】
第１の発明は、オーステナイト系超合金鋼製のタービンロータとフェライト系合金鋼製のタービンロータと、その互いに異なった材質を有する２つの独立したロータを同一外部車室内で互いに連結する連結装置を備える蒸気タービン設備において、前記連結装置の外周に冷却流体を供給するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、ボイラ加熱器で発生する６５０℃以上の蒸気が流入するオーステナイト系超合金鋼製の超々高圧高温タービンロータと、ボイラ第１段再熱器で発生する６５０℃以上の蒸気が流入するオーステナイト系超合金鋼製の超高圧タービンロータとを同一外部車室内で互いに連結したことを特徴とする。
また、第３の発明は、ボイラ加熱器で発生する６５０℃以上の蒸気が流入するオーステナイト系超合金鋼製の超高圧タービンロータと、ボイラ第１段再熱器で発生する６５０℃以上の蒸気が流入するオーステナイト系超合金鋼製の高圧タービンロータとを同一外部車室内で連結したことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の蒸気タービン発電設備の第１の実施の形態を示すシステム構成図であって、超々高圧高温タービン１、超高圧タービン２、高圧タービン３、中圧タービン４、第１の低圧タービン５、第２の低圧タービン６及び発電機７が一軸に連結されている。
【００２０】
しかして、ボイラ加熱器８で発生された６５０℃以上の高温高圧の蒸気が超々高圧高温タービン１に導入され、そこで仕事をした後、第１段再熱器９で６５０℃以上に再熱され、この再熱蒸気が超高圧タービン２に導入される。上記超高圧タービン２に導入され仕事を行った蒸気は高圧タービン３に導入されそこで仕事を行い、この高圧タービン３で仕事を行った蒸気は第２段再熱器１０で再び加熱され、６５０℃以下の所定温度の蒸気となり、中圧タービン４、第１及び第２の低圧タービン５，６に順次導入され仕事を行い、発電機７を駆動する。
【００２１】
このように、図１に示す第１の実施の形態においては、各タービンが一軸上に連結され、第１段再熱器９及び第２段再熱器１０で再熱されるように構成され、タンデムコンパウンド型２段再熱蒸気タービンシステムとしてある。
【００２２】
ところで、超々高圧高温タービン１及び超高圧タービン２には前述のように６５０℃以上の蒸気が導入されることから、超々高圧高温タービン１及び超高圧タービンでは高温強度を維持するため、ロータの材料としてオーステナイト系超合金鋼が採用され、高圧タービン３以降の各タービン３，４，５，６においては、６５０℃以下の蒸気が導入されることから、それらのロータはフェライト系合金鋼ロータで構成されている。
【００２３】
また、超々高圧高温タービン１、超高圧タービン２及び高圧タービン３はそれぞれ１個のロータで構成されており、特に超高圧タービン２と高圧タービン３は同一の外部車室内に組み込まれており、オーステナイト系ロータからなる超高圧タービン２とフェライト系ロータからなる高圧タービン３の異種材のロータ同志がロータ連結装置１１でボルト締めによって接続されている。
【００２４】
通常、超高圧タービン２と高圧タービン３が同一の外部車室内に組込まれている場合、超高圧タービンと高圧タービンのロータが一体で構成されオーステナイト系ロータ材を採用するが、ロータ全長が長くなるため、鍛造や熱処理に問題が生じ、満足した高強度ロータの製造が困難になることがある。
【００２５】
これに対し、本実施の形態においては、前述のように高温部の超高圧タービン２のみを１本の独立した高強度オーステナイト系ロータによって構成したので、ロータ１本当たりの長さを短くすることができ、材料コストアップをできる限り抑えることができ、また蒸気タービンの製造を有利とすることができる。
【００２６】
図２は、上記図１に示す蒸気タービン設備がタンデムコンパウンド型２段再熱蒸気タービンシステムを採用したのに対して、クロスコンパウンド型２段再熱蒸気タービンシステムとしたものである。すなわち、第１及び第２の低圧タービン５，６の軸が超々高圧高温タービン１等の軸と別に構成され、超々高圧高温タービン１等の軸によって第１の発電機７ａが駆動され、第１及び第２の低圧タービン５，６の軸によって第２の発電機７ｂが駆動されるようにしてある。
その他の点は、図１に示す設備と同一であり、同様な作用効果を奏する。
【００２７】
図３は本発明の第２の実施の形態を示すシステム構成図であり、超高圧タービン２、高圧タービン３、中圧タービン４、第１の低圧タービン５及び第２の低圧タービン６、並びに発電機７によって構成されており、それらが一軸に連結されている。
【００２８】
しかして、ボイラ加熱器８で発生された６５０℃以上の高温高圧の蒸気が超高圧タービン２に導入され仕事をした後、高圧タービン３を通り、ボイラ第１段再熱器９で６５０℃以下の所定温度に再熱され、中圧タービン４、第１及び第２の低圧タービン５，６に順次導入され仕事を行い、発電機７を駆動する。
【００２９】
このように、第２の実施の形態においては、各タービンが一軸上に連結され、第１段再熱器９で再熱させるよう構成され、タンデムコンパウンド型１段再熱蒸気タービンシステムとしてある。
【００３０】
さらに、超高圧タービン２には、ボイラ加熱器７で発生する６５０℃以上の高温蒸気が導入されるため、そのロータはオーステナイト系超合金鋼ロータにより構成され、一方高圧タービン３以降の各タービン３，４，５，６には６５０℃以下の蒸気が導入されることから、それらのロータはフェライト系合金鋼ロータで構成されている。そして、この場合も、超高圧タービン２と高圧タービン３は同一の外部車室内に組み込まれ、互いに種類の異なるロータ同志がロータ連結装置でボルト締めにより接続されている。
【００３１】
また、図４は図３の変形例であり、低圧タービン５，６の軸を超高圧タービン２等の軸と別軸とした２軸とし、各軸によって発電機７ａ，７ｂがそれぞれ駆動される、クロスコンパウンド型１段再熱蒸気タービンシステムとしてある。
【００３２】
したがって、図３及び図４に示すものにおいても、図１及び図２に示すものと同様に高強度オーステナイト系ロータのロータ１本当たりの長さを短くすることができ、材料コストアップをできる限り抑えることができるとともに、蒸気タービンの製造を有利とすることができる。
【００３３】
図５は、図１に示す設備の他の変形を示す第３の実施の形態を示す図であり、超々高圧高温タービン１と超高圧タービン２が同一外部車室内に組み込まれ、オーステナイト系からなる同種材のロータ同志がロータ連結装置１１でボルト締めによって接続されている。また、高圧タービン３と中圧タービン４は一本のロータによって構成されている。そして、その他の点は図１に示すものと同一であり、タンデムコンパウンド型２段再熱蒸気タービンシステムとしてある。
【００３４】
また、図６は図５に示す設備の発電機を２軸としたものであって、超々高圧高温タービン１、超高圧タービン２、高圧タービン３及び中圧タービン４によって第１の発電機７ａを駆動し、第１及び第２の低圧タービン５，６によって第２の発電機７ｂを駆動するようにしてあり、クロスコンパウンド型２段再熱蒸気タービンシステムとして構成されている。
【００３５】
しかして、これらの場合も、超々高圧高温タービン１及び超高圧タービン２のオーステナイト系超合金鋼ロータの１本当りの長さを短くすることができ、第１の実施の形態と同様な効果を奏する。
【００３６】
図７は図３に示す設備の他の変形を示す第４の実施の形態を示す図であり、超高圧タービン２で仕事を行った蒸気がボイラ第１段再熱器９で６５０℃以上の温度に再熱され、高圧タービン３に導入され、そこで仕事を行った蒸気が中圧タービン４及び第１，第２低圧タービン５，６に順次導入される。そして、この場合高圧タービン３も、蒸気タービンの高温強度を維持するため、そのロータがオーステナイト系超合金鋼ロータにより形成されている。その他の点は図３に示すものと同一であり、タンデムコンパウンド型１段再熱蒸気タービンシステムとして構成されている。
【００３７】
また、図８は図７に示す設備の発電機を２軸としたものであって、超高圧タービン２、高圧タービン３、及び中圧タービン４によって第１の発電機７ａを駆動し、第１及び第２の低圧タービン５，６によって第２の発電機７ｂを駆動するようにしてあり、クロスコンパウンド型１段再熱蒸気タービンシステムとして構成されている。しかして、これらのものも、図１等に示すものと同様な効果を奏する。
【００３８】
図９は、本発明の第５の実施の形態を示す図であり、超々高圧高温タービン１、超高圧タービン２及び高圧タービン３等によって構成されており、６５０℃以上の高温蒸気が導入される超々高圧高温タービン１のロータが、超高圧タービン２及び高圧タービン３と別軸に設置され減速装置１２を介して超高圧タービン２のロータと互いに接続されている。
【００３９】
ところで、超々高圧高温タービン１には前述のように６５０℃以上の高温蒸気が導入されるため、そのロータがオーステナイト系超合金鋼ロータによって形成されている。しかし、オーステナイト系の材料は、材料コストが高く加工性も悪く、また熱伝導が低く、高い線膨張率の材料であるのでタービン起動停止時には過大な熱応力が発生し易い。
【００４０】
そこで、本実施の形態においては、上述のように、超々高圧高温タービン１を減速装置１２を介して超高圧タービン２に接続しているので、超々高圧高温タービン１を高速化することができ、段落熱落差を大きくし、羽根、ロータに触れる蒸気の雰囲気温度を下げるとともに、タービン主要部品である車室、ロータ、ノズル、羽根を小型化することが可能となり、オーステナイト系材料の使用量を減らし、安価なタービンの製造が可能となる。さらに、起動時の熱応力を低減できるので運転性が向上する。
【００４１】
図１０は本発明の第６の実施の形態を示すタービン段落断面図であって、超々高圧高温タービン１の初段に２列の動翼１３及び案内羽根１４から構成されたカーチス段落が設けられており、上記動翼１３の上流側にカーチス用ノズル１５が設けられている。
【００４２】
このカーチス段落は、カーチス用ノズル１５での膨張が大きいので初段の２列動翼１３やロータ廻りの雰囲気温度が極端に下がる。また、高負荷域で最高効率となるので、１段当りの出力を大きくとれ、段落熱落差すなわち温度降下を大きくできる。したがって、羽根、ロータの高温クリープ寿命を長くすることが可能となる。また、第２段落以降の温度が下がるので耐熱に関する材料の質を下げることも可能となりコンパクトで安価なタービン設備とすることができる。
【００４３】
また、図１１は第７の実施の形態を示す図であり、（ａ）はグランドシール部の断面図、（ｂ）はそのグランドシール部に使用されるパッキンの斜視図である。
【００４４】
超々高圧高温タービンにおいては、極めて高い圧力となるため、図１０のＡ部に示すようにグランドシール部が必然的に長くなる。そのため、オーステナイト系の材料で構成された超々高圧高温タービンのロータの全長が長くなり、高コストと製造的な問題があり、従来の非接触型シール構造ではシール効果に限界がある。
【００４５】
そこで、本発明においては、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、パッキンリングの内径面に多数の鋼線１６を植設したブラシシールパッキン１７がロータ外周面に当接するように配設されている。
【００４６】
しかして、このブラシシールパッキン１７はその多数の鋼線１６の先端がロータ外周に直接当たるので、グランド漏洩蒸気をほぼ完全に遮断することが可能である。したがって、このブラシシールパッキン１７の採用によってロータ全長を大幅に短縮でき、ロータの製造性を向上するとともに低コストでコンパクトにできる。しかも運転時においても、スチームホワールの発生を防止し振動特性を向上させることもできる。
【００４７】
図１２は第８の実施の形態を示すシステム構成図であり、超々高圧高温タービン１で仕事を行った蒸気をボイラ第１段再熱器９に送給する低温再熱管１８には弁１９を有するタービンパイパス管２０が分岐導出してあり、そのタービンバイパス管２０が図示しない復水器に接続してある。
【００４８】
しかして、起動時には超々高圧高温タービン１へ暖機用蒸気を供給するとともに、その排気を弁１９及びタービンバイパス管２０を介して復水器に排出させることにより、超々高圧高温タービン１のウォーミングを行うことができる。
【００４９】
超々高圧高温タービン１においては、ロータ、羽根、ケーシング等がオーステナイト系材料のため、熱伝導率が低く、膨張率が大きいのでタービン起動時に過大な熱応力と伸び差が発生する。特に、冷機起動時には大きな温度差が発生し急速起動が難しい。しかしながら、本実施の形態においては、上述のように起動時に暖機用蒸気をタービン内に供給しタービンバイパス管２０を介して復水器に排出させることによって超々高圧高温タービン１内をウォーミングすることができ、タービンの熱応力、伸び差を低減でき、急速起動を行うことができる。
【００５０】
また、蒸気温度が６５０℃以上の蒸気が使用される蒸気タービン設備においては、超々高圧高温タービンの排気温度をタービン主要部品の材料がオーステナイト系からフェライト系の材料になる使用限界温度である６００℃程度にすることにより、超々高圧高温タービンの下流に位置する超高圧タービン、高圧タービンの入口温度を下げることができ、それらの主要部品にフェライト系材料を使用することができる。
【００５１】
すなわち、第９の実施の形態として、超々高圧高温タービン１の段落数を排気温度が６００℃近くになる４〜６段にするとともに、回転数をロータ強度と最適段落熱落差から計算で求め、超高圧タービン、高圧タービンに対し１〜１．５倍と規定する。しかして、このように排気温度、段落数、及び回転数に規定することで、超高圧タービン以降の蒸気タービンの主要部品にフェライト系材料を使用することができ、タービン材料の信頼性を向上でき、運転性が優れたものとすることができる。
【００５２】
図１３は第１０の実施の形態を示す図であり、例えば超高圧タービン２のロータ２ａと高圧タービン３のロータ３ａとを締め付けボルト２１によって連結したロータ連結装置１１の外周には、その連結装置を覆う遮熱板２２が設けられており、その遮熱板２２にはその遮熱板２２の内部に冷却流体を送入する冷却蒸気供給管２３が設けられている。
【００５３】
しかして、上記冷却蒸気供給管２３から送給される冷却流体によって、連結装置部のロータ２ａ，３ａと締め付けボルト２１が冷却されて材料強度が高くなり、コンパクト化が可能となる。したがって材料コストアップをできる限り押えることができ、また蒸気タービンの製造上有利とすることができる。
【００５４】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明によれば、蒸気温度が６５０℃以上の蒸気タービン設備において、オーステナイト系超合金鋼製タービンとフェライト系合金鋼製タービンの異なった材質を有するロータを同一外部車室内で互いに連結し、または、オーステナイト系超合金鋼製の超高温タービンと再熱タービンの同じ材質を有するロータを同一外部車室内で互いに連結するうよにしたので、ロータ１本当たりの長さが短い高強度オーステナイト系ロータにできるので、材料コストアップをできる限り抑えられ、また蒸気タービンの製造上有利となる。
【００５５】
また、超々高圧高温タービンを高速回転で小型化し、または初段にカーチス段落を採用し、或はグランドシール部にブラシシールパッキンを採用することによって、材料のコストアップを抑えることができ、また蒸気タービンの製造上有利とすることができる。
【００５６】
また、超々高圧高温タービン排気の低温再熱管にバイパス管を設置し、起動時に超々高圧高温タービンをウォーミングをすることで、急速起動が可能とすることもできる。
【００５７】
また、超々高圧高温タービンの排気温度、段落数を４〜６段、回転数を規定することによって、下流に位置する超高圧タービン、高圧タービンの入口温度を下げられ使用実績のあるフェライト系の材料が使用可能になり、材料的な信頼性を向上することになる。
【００５８】
また、同一外部車室内で２つの独立したロータを互いに接続する連結装置の内部に冷却流体を送入し、連結装置内のロータと締め付けボルトを冷やすようにした場合には、材料強度が高くなりコンパクト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すタンデムコンパウンド型２段再熱システムの構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の他の実施例を示すクロスコンパウンド型２段再熱システムの構成図。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示すタンデムコンパウンド型１段再熱システムの構成図。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示すクロスコンパウンド型１段再熱システムの構成図。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示すタンデムコンパウンド型２段再熱システムの構成図。
【図６】本発明の第３の実施の形態の他の実施例を示すクロスコンパウンド型２段再熱システムの構成図。
【図７】本発明の第４の実施の形態を示すタンデムコンパウンド型１段再熱システムの構成図。
【図８】本発明の第４の実施の形態の他の実施例を示すクロスコンパウンド型１段再熱システムの構成図。
【図９】本発明の第５の実施の形態を示すシステム構成図。
【図１０】本発明の第６の実施の形態を示すタービン断面図。
【図１１】本発明の第７の実施の形態を示す図。
【図１２】本発明の第８の実施の形態を示すシステム構成図。
【図１３】本発明の第１０の実施の形態を示す図。
【符号の説明】
１超々高圧高温タービン
２超高圧タービン
３高圧タービン
４中圧タービン
５第１の低圧タービン
６第２の低圧タービン
７発電機
８ボイラ加熱器
９ボイラ第１段再熱器
１０ボイラ第２段再熱器
１１ロータ連結装置
１２減速装置
１３２列の動翼
１４案内羽根
１５カーチス用ノズル
１６鋼線
１７ブラシシールパッキン
２０タービンバイパス管
２１締め付けボルト
２２遮熱板
２３冷却蒸気供給管

Claims

オーステナイト系超合金鋼製のタービンロータとフェライト系合金鋼製のタービンロータと、その互いに異なった材質を有する２つの独立したロータを同一外部車室内で互いに連結する連結装置を備える蒸気タービン設備において、前記連結装置の外周に冷却流体を供給するようにしたことを特徴とする、蒸気タービン発電設備。
ボイラ加熱器、ボイラ第１段再熱器で発生する６５０℃以上の蒸気が流入するオーステナイト系超合金鋼製の超々高圧高温タービンロータおよび超高圧タービンロータを、ボイラ第２段再熱器で発生する６５０℃以下の蒸気が流入するフェライト系合金鋼製のタービンロータと連結したことを特徴とする、請求項１記載の蒸気タービン発電設備。
ボイラ加熱器で発生する６５０℃以上の蒸気が流入するオーステナイト系超合金鋼製の超高圧タービンを、ボイラ第１段再熱器で発生する６５０℃以下の蒸気が流入するフェライト系合金鋼製のタービンロータと連結したことを特徴とする、請求項１記載の蒸気タービン発電設備。
ボイラ加熱器で発生する６５０℃以上の蒸気が流入するオーステナイト系超合金鋼製の超々高圧高温タービンロータと、ボイラ第１段再熱器で発生する６５０℃以上の蒸気が流入するオーステナイト系超合金鋼製の超高圧タービンロータとを同一外部車室内で互いに連結したことを特徴とする、蒸気タービン発電設備。
ボイラ加熱器で発生する６５０℃以上の蒸気が流入するオーステナイト系超合金鋼製の超高圧タービンロータと、ボイラ第１段再熱器で発生する６５０℃以上の蒸気が流入するオーステナイト系超合金鋼製の高圧タービンロータとを同一外部車室内で連結したことを特徴とする、蒸気タービン発電設備。
タービン入口蒸気温度が６５０℃以上の超々高圧高温タービンを有する蒸気タービン発電設備において、超々高圧高温タービンロータを、それより低圧側の蒸気タービンロータと減速装置を介して連結したことを特徴とする、請求項２または４記載の蒸気タービン発電設備。
タービン入口蒸気温度が６５０℃以上の超々高圧高温タービンを有する蒸気タービン発電設備において、超々高圧高温タービンの段落数を４〜６段、排気温度を６００℃以上、回転数を低圧側の蒸気タービンの１．０〜１．５倍としたことを特徴とする、請求項２または４記載の蒸気タービン発電設備。
タービン入口蒸気温度が６５０℃以上の超々高圧高温タービンを有する蒸気タービン発電設備において、上記超々高圧高温タービンの初段にカーチス段落を採用したことを特徴とする、請求項２または４記載の蒸気タービン発電設備。
タービン入口蒸気温度が６５０℃以上の超々高圧高温タービンを有する蒸気タービン発電設備において、上記超々高圧高温タービンのグランドパッキン及びノズルラビリンスパッキンにブラシシールパッキンを採用したことを特徴とする、請求項２または４記載の蒸気タービン発電設備。
タービン入口蒸気温度が６５０℃以上の超々高圧高温タービンを有する蒸気タービン発電設備において、上記超々高圧高温タービンに接続された低温再熱管から、復水器に接続するタービンバイパス管を分岐導出したことを特徴とする、請求項２または４記載の蒸気タービン発電設備。