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JP3095745B1 - 超高温発電システム - Google Patents

超高温発電システム

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JP3095745B1
JP3095745B1 JP11255550A JP25555099A JP3095745B1 JP 3095745 B1 JP3095745 B1 JP 3095745B1 JP 11255550 A JP11255550 A JP 11255550A JP 25555099 A JP25555099 A JP 25555099A JP 3095745 B1 JP3095745 B1 JP 3095745B1
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JP
Japan
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steam
pressure turbine
temperature
ultra
reheater
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JP11255550A
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良典 田中
卓爾 藤川
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

【要約】 【課題】 超高温に耐える高級材料の使用量が少なく設
備コストの上昇を抑制し且つ全体の熱効率を向上させる
ことのできる超高温発電システムを提供すること。 【解決手段】 蒸発器と過熱器と再熱器を有するボイラ
と、前記過熱器から蒸気を供給され前記再熱器へ蒸気を
戻す高圧タービンと、前記再熱器から蒸気を供給される
中圧タービンとを備える発電システムにおいて、前記ボ
イラに設けられ前記蒸発器の蒸気の一部が分流される超
高温過熱器と、前記超高温加熱器から蒸気を供給され前
記再熱器へ蒸気を戻す別置き高圧タービンとを有し、前
記別置き高圧タービンは前記高圧タービンより高温の蒸
気により駆動されるものであることを特徴とする超高温
発電システム。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、火力発電システム
に関し、特にその超高温発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】火力発電の効率向上には熱力学上から蒸
気条件を向上することが有効であり、最近の大容量商用
機では従来長年にわたって採用されてきた主蒸気圧力２
４．２MPa 、主蒸気／再熱蒸気温度５３８／５６６℃の
蒸気条件から蒸気温度を６００℃級に上昇したものが多
くなっている。
【０００３】例えば、既に主蒸気／再熱蒸気温度５３８
／５９３℃の７００MWタービン、主蒸気／再熱蒸気温度
５６６／５９３℃の５００MWタービン等が順調な運転実
績を積み重ねており、主蒸気／再熱蒸気温度５９３／５
９３℃、さらに６００／６００℃の１０００MWタービン
が運転を開始し、主蒸気／再熱蒸気温度６００／６１０
℃の１０５０MWタービンが製作されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】したがって、蒸気温度
をさらに向上すればさらなる効率向上が得られるが、タ
ービンロータ、ケーシングなどの大型部材が比較的安価
に得られるフェライト系の材料では、あと３０℃程度の
上昇が限界に近いと予想される。
【０００５】一方、蒸気条件を向上するとタービンのみ
ならず、ボイラや配管など物量が多い部分の材料を高級
化する必要があり、設備費がかさむので効率向上による
経済性の向上が相殺されるという問題があった。
【０００６】本発明は、かかる問題に対し、超高温に耐
える高級材料の使用量が少なく設備コストの上昇を抑制
し且つ全体の熱効率を向上させることのできる超高温発
電システムを提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】（１）本発明は上記の課
題を解決するためになされたものであって、第１の手段
として、蒸発器と過熱器と再熱器を有するボイラと、前
記過熱器から蒸気を供給され前記再熱器へ蒸気を戻す高
圧タービンと、前記ボイラに設けられ前記蒸発器の蒸気
の一部が分流される超高温過熱器と、前記高圧タービン
と別置きに構成され前記超高温過熱器から蒸気を供給さ
れ前記再熱器へ蒸気を戻す別置き高圧タービンと、前記
高圧タービンからの蒸気と前記別置き高圧タービンから
の蒸気とを受けた前記再熱器から蒸気を供給される中圧
タービンとを有し、前記別置き高圧タービンは前記高圧
タービンより高温の蒸気により駆動されるものであるこ
とを特徴とする超高温発電システムを提供するものであ
る。
【０００８】すなわち第１の手段によれば、超高温加熱
器と別置き高圧タービンの系には従来以上の超高温蒸気
による蒸気条件で運転し、他の高圧タービン、中圧ター
ビン等の系は従来の蒸気条件で運転することにより、発
電システム全体の効率を向上でき、且つ超高温蒸気のた
めに従来以上の高級な高温強度の高い材料を使用するの
は、超高温加熱器と別置き高圧タービンの系だけでよ
く、他の系は従来の蒸気条件に対する材料でよい。
【０００９】（２）また、第２の手段として、第１の手
段の超高温発電システムにおいて、前記別置き高圧ター
ビンの排気管は、前記高圧タービンと前記再熱器とを接
続する低温再熱蒸気管に接続する合流部を有し、同合流
部は前記別置き高圧タービンの排気管の端部を囲んで一
端側で同排気管に取り付けられ、他端側が前記低温再熱
蒸気管に連通して取り付けられたスカートを備え、前記
端部は前記低温再熱蒸気管内に挿入されるように構成さ
れてなることを特徴とする超高温発電システムを提供す
るものである。
【００１０】第２の手段によれば、第１の手段の特徴に
加え、別置き高圧タービンの排気管の端部が低温再熱蒸
気管の中に挿入されているので、別置き高圧タービンの
排気蒸気が低温再熱蒸気管の中央部に流入し、別置き高
圧タービンの排気蒸気が非常に高温で高圧タービンの排
気蒸気との温度差が大きくても、急激な温度変化が防止
され、合流部の配管接続部の熱応力が低減される。
【００１１】（３）また、第３の手段として、第１の手
段の超高温発電システムにおいて、前記再熱器は二次再
熱器を有し、前記別置き高圧タービンの排気管は、同二
次再熱器の入口に接続されてなることを特徴とする超高
温発電システムを提供するものである。
【００１２】第３の手段によれば、第１の手段の特徴に
加え、別置き高圧タービンの排気蒸気が非常に高温で高
圧タービンの排気蒸気との温度差が大きくても、すでに
再熱蒸気が加熱された再熱器の二次再熱器入口において
は蒸気温度差が小さく、配管接続部の熱応力が低減され
る。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１に基づき本発明の実施の一形
態に係る超高温発電システムについて説明する。
【００１４】図１は、本実施の形態の構成概要説明図で
あり、図１において、１はボイラであり、その蒸発器１
ａで発生した蒸気は過熱器２を経て、主蒸気止め弁４、
蒸気加減弁５を介して高圧タービン６へ供給される。
【００１５】高圧タービン６を出た蒸気は低温再熱蒸気
管１８を通り、ボイラ１の再熱器３で加熱された後、再
熱蒸気止め弁７、インタセプト弁８を介して中圧タービ
ン９へ供給される。
【００１６】中圧タービン９を出た蒸気は低圧タービン
１０に供給され、低圧タービン１０を出て復水器１２に
入り復水となる。復水器１２の復水は復水ポンプ１３に
より低圧給水加熱器１４へ送られ、さらに脱気器１５を
経た後、ボイラ給水ポンプ１６により高圧給水過熱器１
７に送られ、その後ボイラ１へ給水として供給される。
【００１７】高圧タービン６、中圧タービン９、低圧タ
ービン１０の回転により、同軸に取り付けられた発電機
１１が発電を行うようになっている。
【００１８】図１中、以上の１点鎖線で囲んだＡの部
分、すなわち高圧タービン６、中圧タービン９および低
圧タービン１０等の系は、従来の通常の火力発電システ
ムと同様のものであるが、本実施の形態においては、ボ
イラ１においてさらに超高温過熱器２１を設け、一部の
蒸気を超高温過熱器２１に分流し、超高温の主蒸気を発
生させる。
【００１９】また、前述の高圧タービン６とは別に、別
置き高圧タービン２２を追設し、超高温過熱器２１から
の超高温主蒸気を別置き高圧タービン主蒸気止め弁２
３、別置き高圧タービン蒸気加減弁２４を介して供給す
るようにしている。
【００２０】別置き高圧タービン２２を出た蒸気は、別
置き高圧タービン排気管４１を通り、低温再熱蒸気管１
８に合流し、ボイラ１の再熱器３へ送られる。
【００２１】また、別置き高圧タービン２２には同軸に
発電機２５が取り付けられ、発電を行う。
【００２２】以上の追設された超高温過熱器２１、別置
き高圧タービン２２等の系は、フェライト鋼に比べてよ
り高温強度が高いオーステナイト鋼を主体に使用し、蒸
気温度を６５０℃、あるいは７００℃まで高めるが、前
述のＡの範囲の従来システム同様の高圧タービン６、中
圧タービン９、低圧タービン１０等の系はフェライト鋼
を主体の、従来通りの蒸気条件に対する材料によるもの
でよい。
【００２３】以上説明した本実施の形態において、前述
のＡの範囲の部分は、通常の火力発電プラントの作用と
変わりはないが、さらに超高温過熱器２１で加熱された
超高温の主蒸気が別置き高圧タービン主蒸気止め弁２
３、別置き高圧タービン蒸気加減弁２４を通って別置き
高圧タービン２２に導入され、別置き高圧タービン２２
で高圧排気圧力まで膨張して仕事をする。
【００２４】すなわち、本実施の形態の全体のシステム
の蒸気ｉ−ｓ線図を表すと図２のようになる。図２で３
１は高圧タービン６、３２は別置き高圧タービン２２、
３３は中圧タービン９、３４は低圧タービン１０での蒸
気膨張線を示す。
【００２５】別置き高圧タービン２２を出た蒸気は別置
き高圧タービン排気管４１を通って低温再熱蒸気管１８
に合流するが、その合流部４１ａでは双方の蒸気の温度
差が大きいので配管の熱応力を防止するために、例えば
図３に示すような合流部４１ａを設ける。
【００２６】図３は、合流部４１ａの説明図であり、同
図（ａ）は合流部４１ａの外観、（ｂ）は合流部４１ａ
の断面を示す。図３に示すように、低温再熱蒸気管１８
のエルボ部分に別置き高圧タービン排気管４１を接続す
るが、配管同志を直接接続すると温度差が大きいために
双方の配管接続部に大きな熱応力が発生するので、合流
部４１ａにおいてはフレキシブルスカート４２を介して
両配管は接続される。
【００２７】別置き高圧タービン排気管４１の端部４３
にはフレキシブルスカート４２がその一端側で端部４３
を囲むように取り付けられ、フレキシブルスカート４２
の他端側は低温再熱蒸気管１８に連通して取り付けら
れ、端部４３は低温再熱蒸気管１８内に挿入されてい
る。
【００２８】そのため、高圧タービン排気管４１と低温
再熱蒸気管１８とが直接接続することがなく配管接続部
の大きな熱応力の発生が抑制され、高温の別置き高圧タ
ービン２２の排気蒸気は排気管の端部４３によって低温
再熱蒸気管１８の中央部に流入させられることになり、
急激な温度変化が防止され、熱応力を低減する。
【００２９】したがって、超高温蒸気による蒸気条件に
よっても発電システムの信頼性は向上し、使用材料コス
トを低減する。
【００３０】また、本実施の形態の変形例として図４に
示すように、前述の合流部４１ａを設ける代わりに、別
置き高圧タービン２２の排気を別置き高圧タービン排気
管４１から、再熱蒸気が既に加熱され、より蒸気温度差
が小さい再熱器３の二次再熱器入口３ａに混入させるこ
ともできる。
【００３１】図４の場合も別置き高圧タービン排気管４
１と二次再熱器入口３ａとの配管接続部では熱応力が抑
制される。
【００３２】本実施の形態の超高温発電システムの制御
概要として、別置き高圧タービン２２と、高圧タービン
６、中圧タービン９および低圧タービン１０で構成され
る前述のＡの範囲の通常形の主タービンとの合計の出力
を制御するためのタービン制御方法の一つの例を図５に
もとづき説明する。
【００３３】図５において、 （１）別置き高圧タービン蒸気加減弁２４は入口蒸気圧
力制御装置２６により、別置き高圧タービン２２の入口
蒸気圧力の制御をする。
【００３４】（２）主タービン（図５において２点鎖線
で囲んだＢの部分、すなわち高圧タービン６、中圧ター
ビン９および低圧タービン１０）の蒸気加減弁５は別置
き高圧タービン２２と主タービン（Ｂの部分）の出力の
合計が所定の出力になるように流入蒸気量を制御する。
【００３５】（３）主タービン（Ｂの部分）の入口圧力
はボイラ側の給水、燃料および空気等で制御する。
【００３６】（４）別置き高圧タービン２２の発電機２
５と主タービン（Ｂの部分）の発電機１１は電気的に結
合して同期させる。
【００３７】また、本実施の形態において、別置き高圧
タービン２２の主蒸気流量の全体蒸気量に対する割合と
発電システムの効率向上相対値の関係を、別置き高圧タ
ービン２２の主蒸気温度の上昇度をパラメータに示すと
図６のグラフのようになる。
【００３８】図６に示すように、超高温部分、すなわち
超高温過熱器２１に流す蒸気の割合が多いほど、またそ
の蒸気温度が高いほど超高温発電システム全体の効率向
上の度合が増すが、その場合は追設の設備費の増大も大
きくなるので、一つの目安として、全体の２０％程度の
蒸気を別置き蒸気タービンに流すのが適当と考えられ
る。
【００３９】例えば蒸気条件２４．２MPa 、５６６／５
９３℃のプラントで主蒸気の２０％を６５０℃まで加熱
する場合、相対的な効率向上は０．４８％（２．４％×
０．２）となり、全体を５８３／５９３℃あるいは５６
６／６１０℃の蒸気条件にするのと同等である。また蒸
気条件２４．２MPa 、６００／６００℃のプラントで主
蒸気の２０％を７００℃まで加熱する場合、相対的な効
率向上は０．５７％（２．８６％×０．２）となり、全
体を６２０／６００℃あるいは６００／６２０℃の蒸気
条件にするのと同等である。
【００４０】以上述べたように、本実施の形態の超高温
発電システムにおいては、従来の火力発電システムに超
高温過熱器２１、別置き高圧タービン２２等の系を追設
したシステムとし、追設の系は従来以上の超高温蒸気に
よる運転をすることにより、従来の発電システムの蒸気
条件（蒸気温度）を上げた場合と同じ発電システム全体
の効率向上が得られ、一方で従来と同じ火力発電システ
ムの範囲の部分には従来通りの蒸気条件に対応する材料
を使用でき、超高温に耐える高級材料は追設の超高温過
熱器２１、別置き高圧タービン２２等の超高温系だけに
抑制できる。
【００４１】したがって、一部の蒸気条件を引き上げ、
発電システムの効率向上を達成し、且つ超高温に耐える
高級材料の使用が少なく、設備コストを抑制できる超高
温発電システムとなる。
【００４２】なお、以上本発明の実施の一形態を説明し
たが、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発
明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてもよ
いことは言うまでもない。
【００４３】
【発明の効果】（１）以上、請求項１の発明によれば、
超高温発電システムを、蒸発器と過熱器と再熱器を有す
るボイラと、前記過熱器から蒸気を供給され前記再熱器
へ蒸気を戻す高圧タービンと、前記ボイラに設けられ前
記蒸発器の蒸気の一部が分流される超高温過熱器と、前
記高圧タービンと別置きに構成され前記超高温過熱器か
ら蒸気を供給され前記再熱器へ蒸気を戻す別置き高圧タ
ービンと、前記高圧タービンからの蒸気と前記別置き高
圧タービンからの蒸気とを受けた前記再熱器から蒸気を
供給される中圧タービンとを有し、前記別置き高圧ター
ビンは前記高圧タービンより高温の蒸気により駆動され
るものであるように構成したので、超高温加熱器と別置
き高圧タービンの系は従来以上の超高温蒸気による蒸気
条件で運転し、他の高圧タービン、中圧タービン等の系
は従来の蒸気条件で運転することにより発電システム全
体の効率を向上でき、且つ超高温蒸気のために使用する
従来以上の高級な高温強度の高い材料は超高温加熱器と
別置き高圧タービンの系だけでよく、他の系は従来の蒸
気条件に対するものでよい。
【００４４】したがって、超高温に耐える高級材料の使
用量が少なく設備コストの上昇が抑制され、且つ全体の
熱効率を向上させることのできる超高温発電システムが
得られる。
【００４５】（２）請求項２の発明によれば、請求項１
に記載の超高温発電システムにおいて、前記別置き高圧
タービンの排気管は、前記高圧タービンと前記再熱器と
を接続する低温再熱蒸気管に接続する合流部を有し、同
合流部は前記別置き高圧タービンの排気管の端部を囲ん
で一端側で同排気管に取り付けられ、他端側が前記低温
再熱蒸気管に連通して取り付けられたスカートを備え、
前記端部は前記低温再熱蒸気管内に挿入されるように構
成したので、請求項１の発明の効果に加え、別置き高圧
タービンの排気管の端部が低温再熱蒸気管の中に挿入さ
れているため、別置き高圧タービンの排気蒸気が低温再
熱蒸気管の中央部に流入し、別置き高圧タービンの排気
蒸気が非常に高温で高圧タービンの排気蒸気との温度差
が大きくても、急激な温度変化が防止され、合流部の配
管接続部の熱応力が低減され、システムの信頼性が向上
し使用材料コストを低減できる。
【００４６】（３）請求項３の発明によれば、請求項１
に記載の超高温発電システムにおいて、前記再熱器は二
次再熱器を有し、前記別置き高圧タービンの排気管は、
同二次再熱器の入口に接続されてなるように構成したの
で、請求項１の発明の効果に加え、別置き高圧タービン
の排気蒸気が非常に高温で高圧タービンの排気蒸気との
温度差が大きくても、すでに再熱蒸気が加熱された再熱
器の二次再熱器入口においては蒸気温度差が小さく、配
管接続部の熱応力が低減され、システムの信頼性が向上
し使用材料コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る超高温発電システ
ムの構成概要説明図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係る超高温発電システ
ム全体の蒸気ｉ−ｓ線図である。
【図３】配管の合流部の説明図である。
【図４】本発明の実施の一形態の変形例の超高温発電シ
ステムの構成概要説明図である。
【図５】本発明の実施の一形態の超高温発電システムの
制御概要の説明図である。
【図６】本発明の実施の一形態の超高温発電システムに
おける別置き高圧タービンの主蒸気流量の全体蒸気量に
対する割合と効率向上相対値との関係グラフである。
【符号の説明】
１ ボイラ １ａ 蒸発器 ２ 過熱器 ３ 再熱器 ３ａ 二次再熱器入口 ５ 蒸気加減弁 ６ 高圧タービン ９ 中圧タービン １０ 低圧タービン １１ 発電機 １８ 低温再熱蒸気管 ２１ 超高温過熱器 ２２ 別置き高圧タービン ２３ 別置き高圧タービン主蒸気止め弁 ２４ 別置き高圧タービン蒸気加減弁 ２５ 発電機 ２６ 入口蒸気圧力制御装置 ４１ 別置き高圧タービン排気管 ４１ａ 合流部 ４２ フレキシブルスカート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−38305（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−280009（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−126405（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−248806（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−171202（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01K 7/22 F01D 25/30 F01K 7/16

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 蒸発器と過熱器と再熱器を有するボイラ
    と、前記過熱器から蒸気を供給され前記再熱器へ蒸気を
    戻す高圧タービンと、前記ボイラに設けられ前記蒸発器
    の蒸気の一部が分流される超高温過熱器と、前記高圧タ
    ービンと別置きに構成され前記超高温過熱器から蒸気を
    供給され前記再熱器へ蒸気を戻す別置き高圧タービン
    と、前記高圧タービンからの蒸気と前記別置き高圧ター
    ビンからの蒸気とを受けた前記再熱器から蒸気を供給さ
    れる中圧タービンとを有し、前記別置き高圧タービンは
    前記高圧タービンより高温の蒸気により駆動されるもの
    であることを特徴とする超高温発電システム。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の超高温発電システムに
    おいて、前記別置き高圧タービンの排気管は、前記高圧
    タービンと前記再熱器とを接続する低温再熱蒸気管に接
    続する合流部を有し、同合流部は前記別置き高圧タービ
    ンの排気管の端部を囲んで一端側で同排気管に取り付け
    られ、他端側が前記低温再熱蒸気管に連通して取り付け
    られたスカートを備え、前記端部は前記低温再熱蒸気管
    内に挿入されるように構成されてなることを特徴とする
    超高温発電システム。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の超高温発電システムに
    おいて、前記再熱器は二次再熱器を有し、前記別置き高
    圧タービンの排気管は、同二次再熱器の入口に接続され
    てなることを特徴とする超高温発電システム。
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