U.D.C.d2l.1る5.d_53

背圧蒸気タービン調整上の問題Problems on Governing for Back Pressure Steam Turbines

安 藤 弘 之*ITil-OyukiAnd6

内 容 梗 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

簑Is34･4へ胤9 3り0～35･3 L95,2kg/′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

l榊‖～_竺?竺1_

目高制限ハンドル

ト岬噌這弓

圧油

重刷瞑/

=)Fl‡調性瞭

出二二二

■＼負′

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○一0

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i′些卜二道トン l甜園田

】i軍岳夏与職モ

一卜圧油○

l_電機

+r+

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

〝23肝

1160 昭和35年11月 日 立 評 論 第42巻第11号

トー.

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リセ､ソトハンドル

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低圧蒸気溜

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排

}由

第2図 3,800kW背U三タ ー ビ ン制御系統凶

知られるように油圧レバー式の制御機構を用いている｡図について

説明すると,タービン軸直結の遠心ポンプ,またほウォーム機構に

より駆動される歯申ポンプほ初め,負荷制限器パイロット弁を通し

て調速機回転パイロット弁に至り,これからスピードリレーに連絡

する｡一方背圧タービンほその性質上,調速,調圧の同時制御を行

えないから,その切換用として電気こ信引こよって作動する電磁切換

弁または手動操作の切換パイロットが設けられている｡タービン起

動時,調速機回転パイロット弁は一番高い位置にあり,油の通路ほ

完全に開かれている｡また調圧パイロット弁も作動外の位置にあ

り,負荷制限パイロットによってのみスピードリレー,すなわち加

減弁の位置が定められる状態にある｡いま負荷制限ハンドルによっ

てfl荷制限′くイロット弁を開くと,スピードリレー上部に設けられ

たレバーにより絶えず復元されながらリレーほ徐々にバネに抗して

高い位琵をとり,これより加減介を開きタービンを起動する｡以後

速度が増加し正規速度の93%前後になると調速機が作動状態にはい

り以後調速機制御により電力系統への併入が行われる｡押圧調整退

転にほいるとタービンはその速度制御を系統のほかの原動機の調速

性能に負担させる｡すなわち同期装置の設遥を止規山転数よりも高

い位■毘におき,これをタービンが過速した場合の先行非常調速機と

しての機能をもたせている｡一方切換えビストソをリセットするこ

とにより背圧調整運転にほいる｡もしなんらかの事故により単独迎

附こはいる場合ほただちに調速運転に切り換り回転数は正規回転数

よりわずかに高い調速運転にほいる｡

このような端本的な考え力からそれを実†祭に適用した例として弟

2図に3,800kW背圧タービンの制御系統を示している｡

第2図において,調速機ほ引張バネと回転電錘の遠心力のつF)介

いによって州転放射ヒをストロークに変化させる阿転/くイロット升

形でその機能,作動はすでに数多く製rf三され十分叫言細性をヰ)ノ1た

ものである｡なお調達率ほレバーにあけられた孔の位置にエリ川-し†

に調整できるものである｡

調圧磯ほ圧力の変化をペローを介してノズル,フラッパに伝え,

これによって油圧の変化をとらえて圧力リレー,ペローにつながる

リ

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｡

ー24-

作 址 試 ;ミ

打亨3l文Ⅰ

鵜 勇

ビ ン 調

いま卿伽こおける状態す■なノー‾亡)タービン党`i一山幾なノノないだニlぺ態でく√エ

この系のもつト■′二川1ミ紆卜45瓜ゲイン1ミ杵ト･12〔lR となり ASⅣIE

】'l刺Tljり柳川州叫作甥仙ド′二川カミ紆卜3∩也ゲインコミ羊7デ∵-8〔1Bをl･1)

iJf-1出しているがこれか=毅jてし跳ミ‾‾亡イじノミしたタービン丁】1仙〕廿lも′ミの糊介

GU2の純少,すなわら岬起数の恍卜にエりトー′二川カミ紆卜25僅,ゲイン

余裕ニ5dBで安ぷ限糾こ)止づくことか知られる｡このことほこの柁

タービンにおし､てカ川如こおいて良い妙虹状態とするためにほ叩▲独迎

帖カ三脚･)‡作さを加えてくること,また現/一三よりも1-_～iいカ真読末什iこおけ

る怪‾丁【l:人州ノJ機,また前作‖三のタービンがl汁州される切付汁ilして

良い∴'､(と考えられる‥

カ打｢三世川ミされているタービン,斗‥淋二作=ミフ′:･箕;くタービンのロータの

始動‖､帥旨jは‾大l略7秒前後でお)るく-′こJLに対し･て巾熱タービンにおい

ては12秒前後であるから1‾1l■i満を比較lノで桝lミタービンの始動時｢己Hが

いかに小さな伯であるかということが知られるであ7)う,-:

ん2 仙-N曲線,ニコルズ線図

4.1の机リミからさらにニコルズ縦卜礼 M--N仙縦によってその上ち-+

ループの叶判､′r三を+ミめたものが第d,7図に′J七Lたものである｡

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き集 上 問 題 1161

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

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工場運転

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1162 昭和35年11月 立

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サーボスll

トローク

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lげ1- l l l ll

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 第42巻 第11号

J///J / / //rr /..■ 負荷//

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lJl ＼J ＼/ l ∨ ｢ノY l l l

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l /.1 / ■＼ / /ヽJ

l J;＼ ＼ / ＼ / ＼ ′ ＼

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＼l､■＼l 1■ l ＼＼＼＼ll＼一r J/ノ// /// //主ウ一大毛【夕///l ∧ 人 +// ⊥ /+

=/ V /. ＼ ′ ＼ / ＼ ノ N ′ 八 ′ ＼ /

J ＼イ Y Y Y

＼＼ 1L

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＼1＼＼＼ll＼＼l＼＼11＼l＼＼＼＼l＼＼＼＼

第9国 アナコソ解析記録(2)

/J

｢1J

へ訳〉

掛

虻

→

髄

鞘

主蒸気圧刀 ββ也〃爪り

ん 温度 イイ∫℃

排気圧力 /よ/似ノ町フグ

回 転 数 j仰ハ叩

_′ノ×

瞬時最大上昇率

饗定上昇率

-一斗---≡十舞 値

---一斗一笑 測 値

一一一{-一一計算 値

-----(-一案 測 値

ガ £フ :J

タービン発電機負荷率(別

第10岡 3,800kW背圧タービン調速機

試験記録(凋圧運転時)

畑

舟:エ=無負荷蒸気量/妊格負荷蒸気量が増大し,またス=∂二㌦

/r上が減少していく場合

rJ:加減弁蒸気室に残留する蒸気昂:が増加する

といったことによりか-1三IXほ増加して行くことが知られる｡このう

ち今日製作されている-¶･般に高温商法の小形背圧タービンについて

ほr化は7秒前後の値となることは避けられず,またサーボモータ

ほ蒸気圧力の増加に伴う加減弁よりのf丈力の増加に打膵つための容

量,したがって時定数が増加の傾向を示し,また小形タービンにお

いてはエが14%近い偵を示し大形のそれに比して相当な増加を示し

ている｡--･カスについてもTαの減少,また蒸責くの高温高圧化に作

う比重の噌人による rJの増加によって小さくなっていく｡このよ

うに個々について検討すると,小形高温1tこヲほ背妊蒸気タービンにお

いてほいずれも本体側ほ速度上井側への影響を示すもので,しかも

これらは各部を変更することほイ1-り`能であり,したがってr打,Tぶの

改良が還要な意味をもってくる｡

現在用いられている制御機構ほ,すでにその運転実績からみて十

分その機能を満足しているが,この憤向がさらに一段と進み,ター

叩26-

機圧送謂油

◎⑳⑳⑳⑳

背 圧 蒸 気 夕

弁聞方向

†スピード1ルー

二棚/ヰ

主ドイロlント

ドレン

ヴ､ソシュ･ポ､ソト

第11図 加 速 リ

+ 加速度r+レ

加速度Jアイロット

調整ストいノげ

子/てイロ､ソト弁､

カバ+＼

〈り⑳(∽

⑳⑳

親/m/ロット介

弁席へ

ビ ン 調 整 問 題

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 //

/

/

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//

/

/

/

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/

/

/

/

2〟無項荷流量/

東員荷

/′l

1163

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)