抽気（ちゅうき）とは、蒸気タービンの途中の段から蒸気の一部を取り出すことで、詳しい仕組みは抽気と抽気復水タービンで説明しています。
内部抽気圧力制御はタービン内部の弁、外部抽気圧力制御は抽気配管側の弁を動かす方式で、一定にする圧力の場所と、低負荷時に蒸気を供給できる範囲が異なります。
ここでは両方式の違いを比べ、圧力を調節する抽気弁と、逆流を防ぐ抽気逆止弁の役割を整理します。
内部抽気圧力制御とは
内部抽気圧力制御は、抽気段の後ろに設けたタービン内部の弁で、抽気点の圧力を一定に保つ方式で、内部弁より上流の蒸気圧力を見て、後段へ流れる蒸気量を変えます。
抽気口の弁を絞るのではなく、タービンの後段へ流れる量を変えます。
※弁の位置と蒸気の分岐を示す概念図です。実機の形状や弁の配列は仕様で異なります。
工場が使う抽気蒸気が増えると抽気圧力が下がる方向に変化するため、内部弁を閉じる方向へ動かし、後段へ流す蒸気を減らして抽気側へ回します。同時に、入口の蒸気加減弁を開く方向へ動かして蒸気を増やし、後段の仕事が減る分を高圧側で補って、回転数や発電出力への影響を抑えます。
この協調動作により、回転数（出力）と抽気圧力の両方を制御するのは、弁ごとに独立して動かすだけでは、一方の調整がもう一方の値を変えてしまうためです。
日立評論の一段抽気背圧タービンの単独運転例でも、抽気需要の増加に対して高圧弁を開き、低圧弁を閉じています。入口制御の基本は蒸気タービンの制御方法とガバナで整理しています。
単独運転では工場の周波数を保つため回転数を制御しますが、電力系統と並列につないだ発電機は系統の周波数で回転数が決まり、蒸気量の調整は主に発電出力へ作用します。
内部制御は、工場へ安定した圧力のプロセス蒸気を送りたい設備で使われます。新日本造機も、内部制御弁で上流側を制御し、低負荷から定格まで送気する型式を紹介しています。
ただし、弁を動かせばどんな蒸気不足でも補えるわけではなく、入口蒸気量や弁開度には限界があり、後段にも過熱を避けるための最低蒸気流量が必要です。
実際に使える範囲は、メーカーの運転範囲図（蒸気流量と出力の許容範囲を示す図）で確認します。抽気量を増やし続け、後段への蒸気をすべて止めるような運転はできません。
一段抽気背圧タービンの単独運転例では、回転数と抽気圧力を制御し、排気圧力はタービン側で直接制御せず、排気側も一定の圧力が必要なら、バイパス側で補います。
抽気復水タービンの排気圧力は復水器の状態にも左右されるため、内部抽気圧力制御という名称だけで、排気圧力の制御方法まで一律に決まるわけではありません。
複数の内部制御弁を持つ型式では中圧・低圧などの抽気を取り出せ、新日本造機の二段内部抽気型はその例で、必要な送気圧力ごとに構成を選びます。
外部抽気圧力制御とは
外部抽気圧力制御は、タービンの外にある抽気配管の圧力調節弁で、供給先の圧力を調整する方式で、ここでは、内部の抽気圧力制御弁を持たない構成を比べます。
タービン抽気口と外部弁の下流は、同じ圧力ではありません。
※逆止弁・調節弁の順序や検出位置は実機の系統図で確認してください。
重要なのは、タービン抽気口の圧力と、外部弁の二次側圧力を分けることで、一次側は弁の手前、二次側は弁を通った後を指します。抽気口の圧力が変動しても、一次側に十分な圧力と流量があれば、外部弁で二次側を設定圧力へ調節できるため、「外部方式では圧力を一定にできない」とは言い切れません。
一定にできるのは外部弁の下流で検出している圧力で、内部方式のように、後段への流れを変えてタービン抽気点そのものの圧力を維持する制御とは異なります。
タービン負荷が下がると、入口蒸気量が減り、抽気口の圧力も下がる場合があり、外部弁を全開にしても、供給源の圧力が不足すれば必要な圧力では送れません。
減圧弁は高い圧力を下げる装置で、不足した圧力を作り出す装置ではありません。ベンのFAQも、一次圧力が二次設定圧力を下回ると、設定値を維持できないと説明しています。
この運転領域でもプロセス蒸気が必要なら、ボイラーなど別系統からの補給を組み込み、補給側も含め、どの弁がヘッダー圧力を受け持つかを系統全体で決めます。
外部方式では、タービン側の回転数・出力制御と配管側の供給圧力制御を組み合わせ、供給先の需要や抽気口の圧力が変わるため、双方の運転条件を確認します。
発電量と抽気量の関係は、抽気タービンの出力計算方法で扱っています。抽気を増やすほど後段で仕事をする蒸気が減るため、送気量と発電出力は合わせて確認します。
内部抽気圧力制御と外部抽気圧力制御の比較
弁の場所だけでなく、一定にする圧力の場所を対応させて読むことが大切です。
費用は、タービン本体だけでなく補給ラインまで含めて比べ、内部弁を追加する構成と、配管側の調節弁や補給設備を備える構成では、見積もりの範囲が異なります。
効率も「外部なら常に高い」とは言い切れず、内部弁の絞り損失と外部での減圧、抽気量と発電出力の組み合わせを、同じ条件で比べる必要があります。
富士電機の公開特許には、運転領域に応じて内部弁と外部弁を使い分ける提案例もあり、両方式を組み合わせた一例で、一般的な構成を示すものではありません。
排気まで工場の熱源に使う構成は、背圧タービンの仕組みと制御と合わせて確認できます。抽気の供給先と排気の供給先を分けると、制御目標を整理しやすくなります。
抽気弁・抽気逆止弁の役割
「抽気弁」という呼び方だけでは、圧力を調節する弁か、抽気系統の逆流を防ぐ弁かを特定できません。仕様書や系統図の正式な弁名称と機能を確認します。
蒸気量を調整する機能と、逆方向の流れを止める機能を区別します。
抽気逆止弁は、タービン停止時などに抽気配管から蒸気が戻るのを防ぐ弁です。停止してタービン側の圧力が低下すると、抽気先に残った圧力で蒸気が逆流するおそれがあります。
逆流する蒸気に水分が含まれると、タービンを損傷する原因になり、TVEは、この逆流を防ぐ用途で抽気逆止弁を抽気配管に設置すると説明しています。
蒸気を送り出していた配管が、停止後には逆流の経路になる可能性があります。
※保護動作の概念図です。具体的な閉弁指令や空気の給排気は製品と設備の仕様に従います。
製品によっては空気シリンダーで閉弁を補助する機構を備え、空気シリンダーは圧縮空気で力を生み、リンクなどを介して弁を動かす駆動部です。
TVEの製品は、空気シリンダーでスイング式逆止弁の閉弁機能を高めており、スイング式は、弁体が回転軸を中心に振れる構造です。
岡野バルブの例では、タービントリップ時にシリンダーの空気を抜き、閉じる方向へ力を加えます。「空気を入れると閉まる」と一律に覚えず、給排気と閉弁動作の関係を確認します。
逆止弁に駆動部が付いていても、それだけで圧力調節弁にはなりません。逆流防止と閉弁補助が目的で、通常時に圧力の設定値へ追従する調節機能とは役割が異なります。
現場で弁を調べるときは、P&IDの読み方を基に配管の接続を追います。弁の記号に加え、圧力検出器の位置と停止信号の行き先まで見ると機能を区別できます。
- 圧力調節：どこの検出圧力を、どの弁の開度で変えるか
- 逆流防止：どの抽気系統から、どちら向きの流れを遮るか
- 閉弁補助：停止時の空気の給排気と、弁の動作方向がどう対応するか
よくある質問
抽気タービンとは？
途中の段に蒸気を取り出す抽気口を持つ蒸気タービンです。残りを復水器へ送る抽気復水型と、排気も工場へ送る抽気背圧型があり、圧力制御方式とは別に型式を確認します。
抽気装置とは？
蒸気タービンの文脈では、蒸気を取り出して利用先へ送る系統や機器を指して使われます。抽気口だけか、配管や弁、圧力制御装置まで含むかは、資料の構成図で確認してください。
復水器の分野では、内部にたまる空気などの凝縮しないガスを抜き出す装置（蒸気エゼクターや真空ポンプ）も「抽気」装置と呼ばれます。タービンの抽気とは目的が違うので、文脈で区別します。
抽気圧力制御装置は、検出した圧力を設定値と比べ、制御弁を動かす信号を出す部分です。蒸気の通路にある弁そのものと、信号を処理する制御装置を分けて読むと理解しやすくなります。
抽気弁とは？抽気逆止弁と同じですか？
圧力制御の説明に出てくる抽気弁は、蒸気量を変えて抽気圧力を調節する弁を指します。抽気逆止弁はタービンへの逆流を防ぐ弁なので、同じ機能として扱わないでください。
外部の弁を開けば、低負荷でも必要な圧力になりますか？
一次側の圧力が足りなければ、全開にしても設定圧力を維持できません。必要な差圧や流量を確認し、タービンからの送気で足りない範囲を補給系統が受け持つ構成にします。
内部と外部はどちらを選べばよいですか？
必要な抽気圧力と抽気量を、タービンの低負荷から定格まで供給できるかで比べます。発電側の負荷変動と工場側の蒸気需要を重ね、足りない運転領域の有無を確認します。
内部方式も無制限には送気できず、外部方式も補給系統があれば供給を維持できます。方式名だけで選ばず、許容される運転範囲と補給設備を含めて判断することが大切です。
まとめ
- 内部抽気圧力制御は、抽気段の後ろの内部弁で上流側の圧力を保つ
- 内部弁と入口加減弁を協調させ、回転数（出力）と抽気圧力を制御する
- 外部抽気圧力制御は、配管側の弁で供給先の二次側圧力を調節する
- 外部弁の一次圧力が不足する運転領域では、別系統からの補給が必要
- 抽気逆止弁は逆流防止の保護用。圧力調節弁とは機能が異なる
設備の系統図で、抽気点から供給先までの弁と圧力検出位置をたどると、制御方式を読み分けられます。蒸気利用を含めた効率の考え方は、工場の省エネとエネルギー管理も参考になります。
出典
- 新日本造機「蒸気タービン」内部抽気圧力制御型
- 日立評論（1968年9月）「蒸気タービン電子油圧式ガバナの開発」
- 日立評論（1972年2月）「産業用タービンにおける電子油圧式ガバナの運転」
- Woodward「Industrial Steam Turbine Control」Application Note 83403
- 富士電機の公開特許公報JPH07243304A「抽気タービンの抽気圧力制御方法」（Google Patents）
- ベン「減圧弁一次側圧力が二次側設定圧力を下回った場合」
- TLV「直動式減圧弁」
- TVE「抽気逆止弁」
- TVE バルブソリューション「抽気逆止弁」製品事例
- 岡野バルブ製造「逆止弁」抽気逆止弁の例
- コトバンク「復水器」（世界大百科事典・日本大百科全書）
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