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蒸気タービンの調速とは、蒸気タービンの回転速度を一定に保つために、蒸気タービンへの蒸気の流量を制御する手順のことです。蒸気タービンの運転中の負荷の変動は、その性能に大きな影響を与える可能性があります。実際の状況では、負荷は設計負荷または経済負荷から頻繁に変動するため、タービンの望ましい性能から常にかなりのずれが生じます。[ 1 ]蒸気タービンの運転における主な目的は、変動する負荷に関係なく、一定の回転速度を維持することです。これは、蒸気タービンの調速によって達成できます。調速機には多くの種類があります。
蒸気タービンの調速とは、タービンの回転速度を一定に保つことを目的として、タービンへの蒸気の流量を監視および制御する手順のことです。蒸気の流量は、ボイラーとタービンの間に介在する弁によって監視および制御されます。 [ 2 ]蒸気流量の制御に採用される特定の方法に応じて、さまざまな種類の調速方法が実践されています。調速に使用される主な方法は、以下に説明します。
スロットル制御では、タービン入口で蒸気圧が低下し、それによって利用可能なエネルギーが減少します。この方法では、蒸気は制限された通路を通過するため、制御弁の両端で圧力が低下します。[ 2 ]流量は、部分的に開いた蒸気制御弁を使用して制御されます。圧力の低下は、蒸気のエンタルピーが一定に保たれるスロットルプロセスにつながります。[ 1 ]
初期費用が低く、機構がシンプルなため、スロットル制御は小型蒸気タービンに最も適した方法である。その機構を図 1 に示す。バルブは、スリーブのアームに取り付けられたフライングボールで構成される遠心ガバナーを使用して作動する。ギア機構がタービンシャフトを回転シャフトに接続し、スリーブはその回転シャフト上で軸方向に往復運動する。負荷が減少すると、タービンシャフトの回転速度が増加し、フライングボールがスリーブ軸から離れる方向に移動する。これによりスリーブが軸方向に移動し、レバーが作動して、メインストップバルブが部分的に開いた位置に移動し、流量が制御される。[ 2 ]
大型蒸気タービンでは、レバーの感度を高めるために、油圧作動式サーボ機構が使用されています。リレーシステムを使用することで、ガバナースリーブに接続されたレバーの小さな変位が拡大されます。[ 2 ]差動レバーは、両端でそれぞれガバナースリーブとスロットルバルブスピンドルに接続されています。パイロットバルブスピンドルも、中間位置で同じレバーに接続されています。両方のパイロットバルブは、オイルチャンバー内のポートをそれぞれ1つずつ覆っています。オイルチャンバーの出口は、パイプを介してオイルドレンタンクに接続されています。タービンの運転中に負荷が減少すると、シャフト速度が増加し、ガバナースリーブが持ち上がります。レバーに変位が生じ、これによりパイロットバルブスピンドルが上昇し、オイル流入用の上部ポートとオイル排出用下部ポートが開きます。オイルタンクからの加圧オイルがシリンダーに入り、リレーピストンを押し下げます。リレーピストンが移動すると、それに接続されたスロットルバルブスピンドルも下降し、バルブを部分的に閉じます。このようにして、蒸気流量を制御できます。タービンの負荷が増加すると、レバーのたわみによって、オイル流入用の下側ポートとオイル排出用の上側ポートが開きます。リレーピストンが上方に移動し、スロットルバルブスピンドルが上昇してバルブが開きます。スロットル制御中のタービン負荷に対する蒸気消費率ṁ (kg/h) の変化は線形であり、「ウィランの線」で表されます。[ 1 ]
ウィランの線を表す方程式は次のとおりです。
ここで、 aは蒸気流量（kg/kWh）、Lはタービン負荷（kW）、Cは無負荷時の蒸気消費量である。
ノズル制御では、蒸気の圧力を調整するのではなく、ノズルのセットを開閉することによって蒸気の流量が調整されます。[ 3 ]この方法では、2つ、3つ、またはそれ以上のノズルのグループがセットを形成し、各セットは個別のバルブによって制御されます。個々のバルブを作動させると、対応するノズルのセットが閉じられ、それによって流量が制御されます。実際のタービンでは、ノズル制御は最初のステージにのみ適用され、後続のステージは影響を受けません。[ 1 ]圧力の調整が適用されないため、この方法の利点は、ボイラーの圧力と温度をフルに利用できることです。図2は、蒸気タービンに適用されるノズル制御のメカニズムを示しています。[ 2 ]図に示すように、3つのノズルセットは、3つの個別のバルブによって制御されます。
タービンは時折、短時間過負荷状態になることがあります。このような運転時には、バイパス弁が開かれ、新鮮な蒸気がタービンの後段に導入されます。これにより、増加した負荷を満たすためのエネルギーが増加します。バイパス制御の概略図を図3に示します。この制御は、安定した蒸気速度を維持し、タービンブレード内の蒸気流量を一定に保つために使用されます。
複合制御では、上述の制御方法のうちいずれか2つを組み合わせて使用します。一般的には、図3に示すように、タービンにかかる負荷を一致させるために、バイパス制御とノズル制御が同時に使用されます。
すべての蒸気タービンには、以下の条件下で作動する緊急ガバナーも備えられています。停止アクチュエータとも呼ばれるこれらの独立したシステムは、通常、運転中の速度を調整するのではなく、タービンを完全に停止させる役割を果たします。これは、タービンのスロットルバルブと停止バルブを完全に閉じ、タービンへの蒸気の流れをすべて停止し、場合によってはバイパスバルブを開いて上流側の過圧を防ぐことによって実現されます。[ 2 ]