中間再熱タービン

中間再熱蒸気タービン

中間再熱蒸気タービンは、蒸気再熱技術を用いて熱効率を高める発電ユニットであり、主に大規模火力発電所や熱電併給発電（CHP）システムで利用されています。この装置は、高圧シリンダーから部分的に膨張した蒸気をボイラーの再熱器に戻し、二次加熱することで作動します。蒸気の温度が初期パラメータ付近まで回復した後、蒸気は中圧シリンダーと低圧シリンダーに送られ、引き続き作業を行い、最終的に凝縮器に排出されてエネルギー変換サイクルを完了します。

このタービンユニットは、高圧、中圧、低圧の3つのシリンダーからなる多シリンダー構造を採用しています。最終段ブレードは最大1.5メートルの長さに達し、低圧・高流量の運転条件に対応します。再熱サイクルにより蒸気水分量を許容範囲内に制御することで、タービンの相対内部効率を向上させ、最終段ブレードの作動条件を改善します。このシステムは、ボイラーおよび凝縮器と合わせてランキンサイクルを形成し、総合効率45%以上を達成しています。

中間再熱蒸気タービンの動作原理：タービンに入った蒸気は一定の圧力まで膨張した後、全量が抽出され、ボイラーの再熱器に送られ加熱されます。その後、タービンに戻り、再び膨張して仕事を行います。復水タービンや制御抽出タービンと比較した場合、中間再熱タービンの構造上の唯一の違いは、その大規模な中間再熱システムにあります。さらに、中間圧シリンダーと低圧シリンダーを通過する再熱蒸気によって発生する電力は、ユニット全体の出力の約3分の2を占めます。そのため、負荷遮断イベント時には、この特性によりタービンは深刻な過回転状態になりやすくなります。

中間再熱蒸気タービンは、高圧シリンダーと中低圧シリンダーの間に再熱器を組み込むことで、エネルギー変換プロセスを大幅に最適化します。高圧シリンダーで部分的に膨張した蒸気はボイラーに送られ、初期温度に近い温度まで再加熱された後、後続のシリンダーに送られて更なる作業を行います。

主な特徴は次のとおりです:

1. 熱効率と経済性の向上: 再加熱プロセスにより、蒸気の作業能力が向上し、冷熱源の損失が削減され、サイクル効率が 45% 以上に上がり、長期運転時の均等化電力コストが削減されます。

2. 最終段ブレードの水分含有量と浸食リスクの低減：再加熱により蒸気の乾燥度が向上し、排気水分含有量が効果的に制御され、最終段ブレードの浸食が軽減され、機器の耐用年数が延長されます。

3. 構造の複雑さと多気筒設計：高圧、中圧、低圧の各気筒と相互接続配管が必要となるため、システム統合度が高くなります。大容量ユニット（例：200MW以上）に適しています。

4. 制御特性と制御の課題: 負荷遮断中に再加熱配管に貯蔵された蒸気は急激な速度上昇を引き起こす可能性があり、安定性を確保するために中圧シリンダーのメインストップバルブ/コントロールバルブ、バイパスシステム、および動的オーバーオープン制御戦略が必要になります。

5. 適用シナリオと容量スケーリング：主に高出力の大規模火力発電所および熱電併給システムで使用されます。設計によっては、異なる圧力レベル（例：初期蒸気圧力が12 MPaを超える）に対応するために、単一または二重の再熱段を組み込むことができ、単一ユニットの容量上限を押し上げます。

中間再熱蒸気タービンは、蒸気膨張プロセスに再熱サイクルを導入することで、熱力学的サイクル効率を大幅に向上させ、運転特性を向上させます。その主な機能は、熱効率の向上、蒸気水分の制御、出力の向上、最終段ブレードの作動条件の最適化などです。

1. 熱効率の向上：この技術は、高圧シリンダーで仕事抽出された蒸気をボイラー再加熱器に戻し、初期温度近くまで二次加熱した後、中圧シリンダーと低圧シリンダーに導入して膨張を継続させるものです。これにより、低圧シリンダーにおけるエンタルピー降下が効果的に増加し、冷熱損失が低減し、サイクル全体の熱効率が45%以上に向上するため、特に大容量火力発電ユニットに適しています。

2. 蒸気水分の制御：蒸気圧力の上昇に伴い、単純な等エントロピー膨張により排気水分が増加し、水滴エロージョン損傷が発生します。中間再加熱は、二次加熱による過熱回復により膨張後の最終水分量を大幅に低減し、最終段翼のエロージョンを緩和し、機器寿命を延ばします。

3. 出力と適応性の向上：再熱サイクルにより、蒸気は中圧および低圧シリンダーでより多くのエネルギーを放出できるため、ユニットの相対的な内部効率と総出力が向上します。同時に、中圧制御弁とバイパスシステムを介して負荷応答を最適化し、負荷遮断時の過回転を防止し、低負荷時のタービンとボイラー間の蒸気需給のミスマッチを解消します。

4. 最終段ブレードの動作条件の最適化：水分含有量を制御することで、低圧シリンダー内の膨張プロセスがスムーズになり、液滴の影響が軽減され、最終段ブレード（長さ1.5メートルに達することもあります）の動作環境が改善され、動作の信頼性が向上します。