背圧蒸気タービン調整上の問題

背圧蒸気タービン調整上の問題

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概 今口,ll木粍業ケネの二t激な発駅に作って,令￣!二域における熱エネルギーの有効利札 またほ鉄鋼,才￣川=,化 亡羊などの地紋プロセスを_主とする絹_†二業の11條冠ノJ樅脚〕上から比較的小形の偉業川火力発電機昇こ卜＼の需要が 哨力rlしているt､この糀火ソJ機器のうち,ここでほ作旺蒸気タービンを取上げて,その朗速上の閃迦を小心とし て考えたい｡ ち′‡1去 滋近の耗業什J火加こおけるラ:一葉∼も条件の変化

1.緒

口 刊￣1,製作されている蒸気タービンを大別すると,事業f†=こ一肌､ られる火線呈昌:の円熟タービンと,産業用の芥咤ターピソにわけるこ とができる｡このうち産業用蒸気タービンは滋近まで,=力も一, 二の例を除いて20,000kW程度までのものであり,∠伝試案什も大群 畏の事業用機掛こ見られるような高温高旺のものほみられなかった が,ここ数年来]]二業用タービンの蒸気条件の進歩とともに,これを 氾う幌向を示し,現在,R立製作所が製rl坤の10,700kW抽気背圧タ ービンにおいては初蒸気上l三力140kgノ･′′cm2g,温度5380Cと,-+仁業用 125,000kW _{機に榊当する蒸気条什をもったタービンも替竺作される} 段階まで発展してきた｡このような蒸気条什の端艇化ほタービン本 体における構造ヒ,また材毘_卜,椎々の改￣〕宇,発娯を伴っているが, それとともに調速上にもいくつかの問題を生じてくるものである｡ 一■〟国内における長日丘稼動状態にほいったもの,および召上在i兵法作 小の産業用機掛こ用いられている糾遊芸く条什,およびその形式,f_ll ノJ,fT数を比較してみると,第1表にホされるとおり,蒸気条件に おいては34年4∼9月における放てl二二ごil10kgノ･′cll12g,5400Cから35年 4′､9月には1501瑠′′/cm2g5410Cといったようにいずれも100kg// cllュ2g,5000Cをこえる機器がみられ↑後ともさらに発展が予想され るし〕 また,形式および=ノJにおいてほ,第2表にホされるように,作 1仁タービンが231与_｢で正到的に多く以￣卜f生水タービン,仙気門址ター ビン,仙気タービンといった順になっている｡.また背虻タービン乍 均Jlり+は5,200kW程度となっており,現れ三のう子.了安の_r二からみて, 在業用火力機器として比較的小形な押旺蒸気タービンの開発,改良 が必要なことが知られる｡ このような瓜から,本年2月,6月におのおの迩転に入った丸￣J亨 オ√油株式会社松川製納所納3,800kW弓■宇圧蒸気タービン,また型捕三 尊珪作中の17,000kW背任蒸気タービンの調整上の間越をⅠ†史上げて 検討を行いたいと一敵う｡

2.背圧蒸気タービンの調整装置

1長与くタービンにおいて制御上閃越とされることは,ほかの制御系 におけるとト8様,安追性と速応他の間出である｡すなわち,安延性 とほ,こ旨,らゆる巡転状態でハソチソグ,ジャンビングなどの不安ラ三 〕ユよ敏を′卜じないこと,また速応性とはタービンが外線事故により=舜 1了即ドJに_乍fてし荷遮断された場合などに非常言絹遁磯のf′一三勤しない範囲に 速度の瞬｢即lくJな卜丼をおさえる必￣安代から要求さj￣tるものであるこ これらのl川越のl￣FTで,満温高圧化したタービン/において斬首にみ られる帆-1Jは,ン※;(比布砥の減少であり,また指圧タービンにおい * 日立製作所H､土工場

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95,2kg/′cm2g5130C 抽気肯Jl: 92.5kg′/cm2g4500C冊一三 74kg/cn12g4500C 仙気作L+ 35.4一〉35.9 150.7kg/cm25410C 抽気プラ址 150kg/cmヨg535qCl■別J三 150kg/cm2g5350C背任 上記 令六長気条件は,ボイラり川で火際の主塞止介前でほこれよりいずれも低く なってくる｡順仙￡布巾-か二ニー言いて製作されたl二よリ3までをとったものである0 第2去≡ 最近笹法作された祀業用火ノJの形式と台数 背圧 タ ービン 復水ク _ーピソ 抽気背旺タービン 拙気ク _ーピソ A〓 ム〓 ムL‥l ムり 給エ≒けJ120,590klV 紀州ノJ168,500kW 紀州ノ〕71,0001(W 総ftリノ 53,300kW 平均‡】リノ5,243k■W ＼l工均‖1力12,960kW 平矧1りJ8,875kW Jl(灼‡1■.プJ13,325kW

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一卜圧油○ l +r+ _電機 一.7イコ･･ソト舞 ｢遠雷+-弄 菖圧上等子 何1列 E寺 祈Il貰1二i!守=￣三タⅥビン制御系統l蛍1 てほさらに背圧の上昇が正なってくることによってタービンロータ の咋逆数がぶミ激に減少を示していくことである｡ すなわち,タービンロータの時定数の減少は樹皮数ん㌫答を検討し た場介に知られるように伸二州余裕,ゲイソ余裕の減少をカモし,他力 では,故高速畦上昇率をも急激に引上げていく可能性がある｡ これらの問題について,どのような形で検討を行い,また災際の 逆転の結力､とをも合わせて考えることとする｡ ｢Fりi迎仁 3r

_{背圧蒸気タ･-ビンの制御系統}

に古rまいる'前に現存用いられている背圧蒸気(ターピソの 制御系統についてi言削げトヨーる｡

舞l図に子宇圧蒸気タービンの系統図を示すが,これからも容易に

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1160 _{昭和35年11月 日 立}

_評

_論

第42巻第11号

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ードレン 京熊取什ロット弁 T℡ 宗'ロッドのストロークに変えて制御動作を伝える一方コレクタリレー の動きによって,初めそのストロークを早く応動させ,これを徐々 に所定の値に近づける補正動作を有し,圧力制御を安遥ならしめる コレクタボックス形が用いられている｡ 背圧調整機の動きほ負荷制限器と同一の/くイロット弁に作動する がこの場糾こほ途中にバネ継手を用いて互に無理な力のかかること を避ける構造となっている｡ これら各検出機器の動きはいずれも油圧による増幅を行い,高い 蒸気圧力によって生じる大きなサーボモータ反力に抗し十分速い, 確実な動作を行うように設計されている｡ 4･背圧蒸気タービンの計画 背圧蒸気タービンの調速上の計画を行う場合,ほかのタービンと 同校,すでにいくつかの研究報て1｢がなされているとおり安達度の判 別,および放前述度上昇率に対する検討を行う必要がある｡ことに 後卦こついては山転数の上井を非常調速機の作動柑転数以下,すな わち近隣Ⅰ叶伝教の109､111%以￣Fとすることが要求される｡ 以下,丸丁打バ山伏式会計松山精油所納3,800kW滞圧タービンを 中心にその計i仰こついて述べる｡ 本3,80()1･こWタービンの計画什様は, fll ソJ二浪大辿紀起格3,800kW _{山転数3,6()Orpm} 蒸気条†′ト初述気圧力88kg一′/cn12g 温度狙50C 作圧15.1kg//cm2g ±1kg′/cm2g 朋 過 仰引立大,非常調速機の作動しない範閃 整芯3､5% であり本仕様によって計糾されたタービンの完成後の状態を舞3図 制御系統周を第2図に示す｡ 4･1周波数特性 舞4図にJ祁岐数特作矧釆1を,プロ､ソクダイヤグラムを弟5図にホ す｡ この祝園より特に著しく知られることほGbラの減少,すなわちタ ービンロータの時遠敷の低￣￣Fに伴って生じる安定度の減少である｡

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この純米をみると _{仙･=3において,凡才p=1.8,￠=740} となり〟ノ,についてほASMEの抑奨伯1.3に対し高い 値をホしているが,これは次に記す般応辿j_虹上井ヰをも 含めて決定されたものである｡ 4.3 _{アナコンによる安定性の解析} 4.1,4.2に二机､て考慮された紙呆はいずれも完全にそ の丁別御可尺態がノミ祝さjtた胡介であり,わずかに時間遮れ のムがその非縦形性としてノ凱鼓されているがノミ際の機械 的なて桝御においてほ,行榔に′1H二るは封)あいにおける公 ノ仁そのほかの雪ど去が多く,検討の純米,′女与上州三が一卜分保 .う推された糊付でも`犬際の〕脳転において,小ノ左遥な司犬態を ′Jミす胡介が起りうる_Jこのような場介も丁キめて系統にバ ックラ､ソシュを作った場介についてアナコソにより検討 した糸.Ii米が舞8,9図に示したものであるし)すなわちサ ーボモータ鎚元機構中にバックラッシュを持たせた拗 †ナ,系統小に∩.4究程姥のがたを持たせた場介,このよ ノご二 工場運転 ∠J ､1 ⊂⊃ 'J二し王βざ 丁伯 イ抑 _{-/甜 -/∬ 一〟ク} ーーーーーーー｢位相 第6l実Ⅰニ コ _ル ズ 縦 岡 工場乃=Jβざ ＼ ＼ ＼ ＼ .＼

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1162 _{昭和35年11月 立}

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第8図 _{アナコソ解析記録(1)} うな感度の高い系統中ではハンチングを生じることが予想される｡ このことほバネによってその影響を消す｡またほ各要素にかかる不 用意な力,(これほパイロット弁における油の切換時に生じ反力がそ の大きなものと考えられる｡)を避けて,これらの影響を小さくする 方向へと設計を進める必要がある｡ことにパイロット弁の反力はそ の自重をも含め,また大きな増幅率を用いた機構におけるリレーに かかる力が増大する場合があり十分な注意を払う必要がある｡ 4.4 _{最大速度上昇率} タービンの最大速度上昇率ほ下記の式によって求めることができ る｡

如一札Ⅹ=去(叶rぶ＋r什抑)(1)

=(1) ただし ￠m…l′Ⅹ=最大速度上昇率=』抄/仰 山:正規回転速度 』仙:速度変動

ゐ=吉ト303エ10gj手工十(トC汁÷(1-2エ)j

_{ス=∂rd′/r′} エ=(無負荷蒸気量)/定格蒸気鼓 丁:調速機死時間 7も:タービンロータの時定数 rざ:サーボモータ時速数 了も:調速機時遥数 r乙:加減弁蒸気室の時定数 以上の式を用いて求めた値が第】0図に示してある｡この図中に はそれとともに現地における実測の結果を示しているが,これは稜 々の近似を用いていることからみて十分実用に耐えうる値である｡ いまここで￠maxに与える諸要素の影響について検討してみると コ㌦:タービンロータの時定数が低下を示し rざ:サーボモータの時定数が大になる 評

論

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主ドイロlント ドレン ヴ､ソシュ･ポ､ソト 第11図 加 _速 リ

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サーボ･モータ 油逃し弁 ドレン ピストンー スピードr+レー 第12周 仙什J(タービン;川御斗き梓‡ ビンロータの峠ぷ数が低￣卜してきた域fナ,､■1然次の段階への引起 が必安とされてくるリ

5.タービンロータの低慣性化とその制御機構

4･において述べたように,タービンロータの低慣什化は安定度の 卜かF)こなて,また最大速呟卜界率の._卜からみて,非常に困雌な開祖 を制御装箭この計耐卜にケ･えることになる｢_.これほ現在川いられてい る肘+御機構の身話;のみでは十分そのl_川勺を述することができず, 段と改良された機貨詮の開発を必要とすることになる(つ このような閃掛こついてほ,これを解決する力法とLて,加速舷 調速,または急激な速比.卜外の場合,ゲインを増人させるといった 方法が考えられる｡加速蛙調速についてほすでに今口まで積々の試 みがなされているがこれとほ別に急激な速度変化をとらえ,これを 機械的にまた電気的に拡大して,急激に加減弁を閉鎖し速度の増大 を抑えようとするものである｡このような例を第11,】2図に示す｡ すなわち弟11図はアメリカにおいて製作された225,000kW仙気 タービンの再熱系統に用いられた加速度リレーで,調速機が正常の 動作を行う場合にほダッシュポットに抵抗がなく,主パイロットに よる制御が行われているが,これが急激に変化した場合においては, ダッシュポットが支点となり,加速度パイロットを引いて油の回路 を開き,サーボモータ￣F部に設けられた｡油逃し弁を開いて急激に 舟を全閉しようとするものである｡この場弁の作動の調盤ほダッシ ュポットに設けられたニードル弁により行なうことができる｡弟】2 国は現在特許小論小のものであるが,平常の迎転状態においてはダ 蒸 気 法仙 山喜 加減弁全開 ′〃 連続完大出力 // / / / / / / / / / / / / / / / / 2〟無項荷流量 / 東員荷

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サーボストローク 第13困 加減弁流量特性 ッシュポットの劫火ほないので,小弁を用いて制御しているが,急 激な速度上井に対してほダッシュポットを支瓜として,外側の火弁 が作動して排州孔を拡大L-て,加減弁を急激に閉じタービン内部へ の,蒸気の流人を遮断しようとするものである｡

る.そのほか計画上の一般的な問題

タービン調速機の動作が直接運転に影響するのほ,その流遥:特性 であり,-･カそれに作なって生じてくる蒸気反九 サーボモータ群 遺の問題がある｡ 加減弁の流罷特性についてほ弟】3図に示されるとおりできるだ け直線に近い特性の加減介を用いることが望ましいが,これに対し て調速上,特に問題となるのほ電力系統に俳人される場合,すなわ ち無負荷定格川転数周辺における調速である｡このため現在におい てその矧軸よ舞13図実縦に示されるとおり,鈍色荷流故の2倍の 流遺までを,そJt以後のこう配の14にとることによってこの部分の 凋遥率を大にしてその調速を容易に行うようにL-ている｡ サーボモータにかかる比力ほ蒸気比ノJの増大とともに･大きくなっ ていくが,これほサーボモータの搾読の増人をきたしこれによる時 撞数の増加ほ制御性にも大きな影竿をノふえるので,これを避ける必 要があり,制御州肝の選出とともに計什叫咋考えなければならない閃 越で蒜･′､るし､ また今川,触れなかったが,址ノJ制御における上1リJ訓順綴の凋芯 率の選択,斧要素の時定数の決起,などの問題がある｡ 保安装掛こついてほ,非常調速機,推力軸受摩耗温度継電着乱 電 磁遮断装出,などによって危険な運転状態を的確に予測してタービ ンが危険な状態になることを避けるように計画されている｡

7.緒

言 以上,近時非常な発展を遂げてきた産業用火ノJのうち,墟も需要の 多い背圧タービンについて,その制御上の問題を中心として述べ, さらに新しく開発を予想される機器の性質について,その例を掲げ て説明した｡ また速度上昇を求める式ほ十分実用性をもった値が得られ,今後 計画を行う上から十分に信煩できることがわかった｡

仙27

』 参 諾 文 献 粂野:日本機械学会誌58,436,21 LEE,BLACKBURN:TRHNSASME1952p.1006 GE杜特許(昭33-8703)