JP2010043644A - 蒸気タービンクラッチ及び発電機から蒸気タービンを解放する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の蒸気タービンを含む発電システムに関し、システムへの蒸気タービンの連結の構成と方法を提供する。
【解決手段】高圧の入力蒸気を受け入れ、低圧蒸気として蒸気を排出する少なくとも１つの高蒸気タービン１４、１６と、高蒸気タービンから排出された低圧蒸気を受け入れる低圧蒸気タービン２０と、発電機１２と連結されるクラッチ２４に接続された低圧蒸気タービン用の駆動軸２２とからなり、クラッチは、低圧蒸気タービンからの動力が発電機に加えられる第１位置と、低圧蒸気タービンからの動力が発電機に加えられない第２位置を有する、発電システム１０を開示する。
【選択図】図１

Description

本発明は複数の蒸気タービンを含む発電システムに関し、特に、そのようなシステムへの蒸気タービンの連結に関する。

大型の発電システムでは、多くの場合、２つ以上の蒸気タービンを使用して発電機を駆動させ、電力を生成する。従来より、蒸気タービンを連結して、発電機を駆動させる。例えば、複数の蒸気タービンが、発電機を駆動させる共通の軸によって接続されることがある。並列型タービン装置は、各々が１つ以上の蒸気タービンを駆動させる２つ以上の発電機を有する。並列型タービンを有する発電システムは一般に、高圧及び中圧蒸気タービン用の発電機と、低圧蒸気タービン用の別個の発電機を有する。

米国特許第１０４７９０８号明細書 米国特許第３１０６０６７号明細書 米国特許第３１６５８９７号明細書 米国特許第３８０１７９３号明細書 米国特許第４００７５９７号明細書 米国特許第４３１６３６２号明細書 米国特許第５１５２７２５号明細書 米国特許第５６４７１９９号明細書 米国特許第６００１０４２号明細書 米国特許第６０５００８３号明細書 米国特許第６８１０６６９号明細書 米国特許第７０２１０６２号明細書

GE Oil & Gas, "Industrial Steam Turbines", pp. 1-28, December 2005 GE Energy, "Steam Turbine Products", pp. 1-16, August 2005

発電システムにかかる電力需要負荷は、多くの場合、１日、数週間、及び数カ月サイクルで変化する。発電需要の変化に発電システムを適応させることが望ましい。特に、発電システムは、電力需要に応じて蒸気タービンを係合させること及び解放することが必要である。

本発明の例示的な実施形態では、弁及びクラッチに関するシステムを開示し、これにより、１つ以上の蒸気タービン部分を発電システムから解放すると共に、発電システムに係合させる。例えば、該システムは、低圧蒸気タービンとその他の蒸気タービンの間の遊星クラッチと、該クラッチが該低圧蒸気タービンを係合させている又は解放しているかどうかに応じて該低圧蒸気タービンへの蒸気流を開閉するための関連する弁を含み得る。発電機からの電力需要が低いとき、該低圧蒸気タービンを解放し、電力需要が高いとき、該低圧蒸気タービンを係合させてもよい。

発電システムは、高圧の入力蒸気を受け入れ、低圧蒸気として蒸気を排出する少なくとも１つの高蒸気タービンと、該高蒸気タービンから排出された低圧蒸気を受け入れる低圧蒸気タービンと、発電機と解放可能に連結されるクラッチに接続された該低圧蒸気タービン用の駆動軸とを含んでおり、該クラッチは、該低圧蒸気タービンからの動力が該発電機に加えられる第１位置と、該低圧蒸気タービンからの動力が該発電機に加えられない第２位置を有する。

該少なくとも１つの高蒸気タービンは、高圧蒸気を受け入れる高圧蒸気タービンと、該高圧蒸気タービンから排出された蒸気を受け入れる中圧蒸気タービンを含んでもよく、該中圧蒸気タービンから排出された蒸気は該低圧蒸気タービン用の低圧蒸気として加えられる。該発電システムは、該低圧蒸気タービンへ流れる低圧蒸気用の導管内の第１低圧蒸気弁と、蒸気プロセス抽出装置へ流れる低圧蒸気用の導管内の第２低圧蒸気弁をさらに含んでもよく、該第２低圧蒸気弁が閉じている間は該第１低圧蒸気弁が開かれ、該第２低圧蒸気弁が開いている間は該第１低圧蒸気弁が閉じられる。

本発明の別の実施形態では、発電システムを開示する。該発電システムは、高圧蒸気を受け入れ、中圧の蒸気を排出する高圧蒸気タービンと、該高圧蒸気タービンから排出された蒸気を受け入れ、低圧蒸気を排出する中圧蒸気タービンと、該中圧蒸気タービンから排出された低圧蒸気を受け入れる低圧蒸気タービンと、発電機に解放可能に連結されるクラッチに接続された該低圧蒸気タービン用の駆動軸とからなっており、該クラッチは、該低圧蒸気タービンからの動力が該発電機に加えられる第１位置と、該低圧蒸気タービンからの動力が該発電機に加えられない第２位置を有する。

本発明の更なる実施形態では、発電機と、高圧蒸気タービンと、低圧蒸気タービンと、該低圧蒸気タービンの駆動軸に連結されたクラッチとを用いた発電方法を開示する。該方法は、該低圧蒸気タービンに低圧蒸気を加えるステップと、該クラッチが締結している間は該低圧蒸気タービンによって該発電機を駆動させるステップと、該発電機から該低圧蒸気タービンを解放するために該クラッチを開放するステップとからなる。

該方法は、該低圧蒸気タービンに低圧蒸気を加えることを終了するために第１弁を閉じるステップと、プロセス抽出装置に低圧蒸気を案内するために第２弁を開くステップをさらに含んでもよく、該クラッチが開放している間は該第１弁が閉じられ、該第２弁が開かれる。該方法において、該低圧蒸気タービンは第１低圧蒸気タービンであってもよく、該方法はさらに、該第１低圧蒸気タービンに低圧蒸気が加えられている間に第２低圧蒸気タービンに低圧蒸気を加えるステップと、該第１低圧蒸気タービンによって該発電機を駆動させるだけでなく、該第２低圧蒸気タービンによって該発電機を駆動させるステップと、該クラッチが開放している間は該第２低圧蒸気タービンによって該発電機を駆動し続けるステップとを含む。さらに、該クラッチを開放することによって、該第２低圧蒸気タービン用の駆動軸から該第１低圧蒸気タービン用の駆動軸を解放する。

本発明に係る、クラッチカップリングを有する蒸気タービンを含む発電システムの概略図である。 一組の低圧蒸気タービンを有すること以外は、図１に示す発電システムと同様の別の発電システムの概略図である。 第１発電機を共同で駆動させる高圧蒸気タービン及び中圧蒸気タービンに関する第１駆動軸と、第２発電機を駆動させる低圧蒸気タービンに関する第２駆動軸とを有しており、低圧蒸気タービンの少なくとも１つがクラッチによって第２駆動軸に連結される、本発明に係る並列発電システムの概略図である。

図１は、電力設備又はグリッド等の負荷１３に電力を供給する発電機１２を含んでいる発電システム１０の概略図である。発電機は、高圧蒸気タービン（ＨＰ）１４、中圧蒸気タービン（ＩＰ）１６、第１組の低圧蒸気タービン（ＬＰＡ）１８及び第２組の低圧蒸気タービン（ＬＰＢ）２０を含んでいる一連の蒸気タービンによって回転駆動される。発電機と蒸気タービンは、連結された２つ以上の同軸駆動軸であってもよい共通駆動軸アセンブリ２２に沿って接続される。

ボイラ２６から、例えば、華氏１，０５０度（摂氏５６６度）の温度の２５００ポンド／平方インチ絶対圧力（ｐｓｉ）の高圧蒸気が、高圧蒸気タービンの入口に供給される。高圧蒸気タービンの反応型翼（バケット）と蒸気道は、中圧蒸気タービンの反応型翼と蒸気道に比べて小さくなる傾向がある。低圧蒸気タービンの反応型翼と蒸気道は、中圧蒸気タービンの反応型翼と蒸気道よりも大きくなる傾向がある。高圧蒸気タービンから排出された蒸気は再熱器２８を通過して、例えば華氏１，０５０度まで再加熱され、中圧蒸気タービンへ流れる。例えば、７００ｐｓｉ未満、好ましくは２００ｐｓｉ以下で華氏７００度（摂氏３７０度）の低圧蒸気は、中圧蒸気タービン１６から低圧蒸気導管３０を通って低圧蒸気タービン１８、２０に供給される。

遊星クラッチ２４は、対の低圧蒸気タービン（ＬＰＡ、ＬＰＢ）１８、２０の駆動軸を連結する。遊星クラッチを用いて、第２組の低圧蒸気タービン（ＬＰＢ）２０を、第１組の低圧蒸気タービン（ＬＰＡ）１８と、発電システム１０のその他の蒸気タービン及び発電機１２から解放することができる。

導管３０内の第１低圧蒸気弁３２及び低圧蒸気隔離弁３４を、蒸気を第２組の低圧蒸気タービン２０へ流すことができるように開いたり、第２組の低圧タービンへの蒸気を遮断するように閉じたりすることができる。隔離弁３４は、開位置と閉位置を有しており、中間位置がない。第１低圧蒸気弁は、開閉位置と、導管３０から低圧蒸気タービンへの低圧蒸気の流れを調整するための中間位置を有する。これらの低圧蒸気弁３２、３４を、クラッチ２４の開放と連動させて閉じることができ、これにより、第２組の低圧蒸気タービンの駆動軸をその他の蒸気タービンの駆動軸から解放することができる。第２組の低圧蒸気タービン１８は、負荷１３が比較的低く、第２組の蒸気タービンからの動力が必要でない間は解放されてもよい。

図２に、低圧蒸気タービン４２に関する以外は発電システム１０と同様の発電システム４０を示す。システム４０は、中圧蒸気タービン１６の駆動軸２２に係合する遊星クラッチ４６に連結された駆動軸４４を有する一組の低圧蒸気タービン４２を有する。第１弁４８は、一組の低圧蒸気タービン４２への蒸気の流れを制御する。第２弁５０は、第１弁が閉じている間に蒸気を外部プロセス５２に案内する。

運転中、低圧蒸気タービン４２の駆動軸４４を連結するようにクラッチが締結されて、高圧蒸気タービン１４及び中圧蒸気タービン１６と協働して発電機１２を駆動させるときは、第１弁が開かれ、第２弁が閉じられる。発電機１２の負荷需要が低い場合、低圧蒸気タービン４２は、クラッチを開放し、低圧蒸気タービンへの低圧蒸気の流れを遮断するために第１弁４８を閉じ、高圧蒸気タービン用の蒸気を供給するボイラに延在する蒸気再循環導管あるいは低圧蒸気タービンに隣接する別の蒸気加熱又は蒸気駆動装置等のプロセス抽出装置５２に低圧蒸気を案内するために第２弁５０を開くことによって、解放される。

図３は、第１発電機６４を共同で駆動させる高圧蒸気タービン１４及び中圧蒸気タービン１６に関する第１駆動軸６２を有する並列発電システム６０の概略図である。低圧蒸気タービンは、第１組の低圧蒸気タービン６６及び第２組の低圧蒸気タービン６８を含んでおり、第２発電機７２を駆動させる共通駆動軸７０に接続される。遊星クラッチ７４は、第１組の低圧蒸気タービン６６を、第２組の低圧蒸気タービン６８及び発電機７２から解放することができる。第１組の低圧蒸気タービンは、第２発電機７２の負荷需要が低い場合、解放されてもよい。

クラッチ７４の操作と連動して弁が操作され、中圧蒸気タービン１６から低圧蒸気タービン６６、６８へ、さらにプロセス抽出装置５２への低圧蒸気の流れが制御される。第１及び第２蒸気弁７６、７８は、それぞれ第１組及び第２組の低圧蒸気タービンの各々への低圧蒸気を出したり止めたりする。蒸気を両方の組の低圧蒸気タービン６６、６８へ流すことができるように両方の蒸気弁７６、７８を開く一方、クラッチが締結し、共通駆動軸７０を連結させ、両方の組の低圧蒸気タービン６６、６８により第２発電機７２を駆動させる。第１組の低圧蒸気タービンを解放するには、クラッチ７４を開放すると共に、第１組の低圧蒸気タービン６６への低圧蒸気を遮断するように第１蒸気弁７６を閉じる。第１蒸気弁７６が閉じている場合、第２蒸気弁７８を開いたまま、第３蒸気弁８０を開き、プロセス抽出装置５２に低圧蒸気を案内する。

本明細書に開示するクラッチ及び低圧蒸気弁を、特定の運転条件の間、例えば発電機の負荷需要が発電機を駆動させる蒸気タービンの容量をはるかに下回るとき、低圧蒸気タービンを解放するように構成することができる。負荷が容量を下回る場合、クラッチ及び低圧蒸気弁を操作し、発電システムから少なくとも１つの低圧蒸気タービンを解放することができる。本発明によるシステムにより、低圧蒸気タービンが係合し容量を下回って作動している場合、即ち低効率で作動している場合があったとしても、残りの低圧蒸気タービンを高出力かつ大容量で作動させることにより、システム効率を改善することができる。解放された蒸気タービンを、必要に応じて、例えば負荷需要が増加したときに、発電システムに再び係合させることができるように空運転させることもできる。

以上、現時点で最も実用的かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明してきたが、本発明は、開示の実施形態にとどまらず、むしろ、添付の特許請求の範囲の意図及び本質から逸脱することなく、様々な改変及び等価の措置を網羅するものと理解されたい。

Claims (10)

1. 高圧の入力蒸気を受け入れ、低圧蒸気として蒸気を排出する少なくとも１つの高蒸気タービン（１４、１６）と、
   前記高蒸気タービンから排出された低圧蒸気を受け入れる低圧蒸気タービン（２０、４２、６６）と、
   発電機（１２、７２）と連結されるクラッチ（２４、４６、７４）に接続された前記低圧蒸気タービン用の駆動軸（２２、７０）とからなり、
   前記クラッチは、前記低圧蒸気タービンからの動力が前記発電機に加えられる第１位置と、前記低圧蒸気タービンからの動力が前記発電機に加えられない第２位置を有する、発電システム（１０）。
2. 前記低圧蒸気タービンへ流れる低圧蒸気用の導管内の第１低圧蒸気弁（７６）と、蒸気プロセス抽出装置（５２）へ流れる低圧蒸気用の導管内の第２低圧蒸気弁（６８）をさらに含んでおり、
   前記第２低圧蒸気弁が閉じている間は前記第１低圧蒸気弁が開かれ、前記第２低圧蒸気弁が開いている間は前記第１低圧蒸気弁が閉じられる、請求項１記載の発電システム。
3. 前記低圧蒸気タービンは、第１低圧蒸気タービン（１８、６６）及び第２低圧蒸気タービン（２０、６８）を含んでおり、
   前記クラッチは、前記第２低圧蒸気タービンを前記第１低圧蒸気タービンに係合及び前記第１低圧蒸気タービンから解放するものであり、
   前記第１低圧蒸気タービンは前記発電機に連結される、請求項１記載の発電システム。
4. 前記第２低圧蒸気タービンへ流れる低圧蒸気用の導管内の第１低圧蒸気弁（３２、３４、７８）をさらに含んでおり、
   前記クラッチが前記第２低圧蒸気タービンを前記第１低圧蒸気タービンに係合させている間は前記第１低圧蒸気弁が開かれ、前記クラッチが前記第２低圧蒸気タービンを前記第１低圧蒸気タービンから解放している間は前記第１低圧蒸気弁が閉じられる、請求項３記載の発電システム。
5. 前記第１弁が隔離弁（３４）である、請求項４記載の発電システム。
6. 前記少なくとも１つの高蒸気タービンは、高圧蒸気を受け入れる高圧蒸気タービン（１４）と、前記高圧蒸気タービンから排出された蒸気を受け入れる中圧蒸気タービン（１６）を含んでおり、
   前記中圧蒸気タービンから排出された蒸気は前記低圧蒸気タービン用の低圧蒸気として導入される、請求項１記載の発電システム。
7. 前記クラッチ（２４、４６、７４）は遊星クラッチである、請求項１記載の発電システム。
8. 前記クラッチ（２４、４６、７４）の前記第１位置は開位置であり、前記クラッチの前記第２位置は閉位置である、請求項１記載の発電システム。
9. 高圧蒸気を受け入れ、中圧の蒸気を排出する高圧蒸気タービン（１４）と、
   前記高圧蒸気タービンから排出された蒸気を受け入れ、低圧蒸気を排出する中圧蒸気タービン（１６）と、
   前記中圧蒸気タービンから排出された低圧蒸気を受け入れる低圧蒸気タービン（２０、４２、６６）と、
   発電機（１２、７２）に解放可能に連結されるクラッチ（２４、４６、７４）に接続された前記低圧蒸気タービン用の駆動軸（２２、７０）とからなっており、前記クラッチは、前記低圧蒸気タービンからの動力が前記発電機に加えられる第１位置と、前記低圧蒸気タービンからの動力が前記発電機に加えられない第２位置を有する、発電システム（１０）。
10. 前記低圧蒸気タービンへ流れる低圧蒸気用の導管内の第１低圧蒸気弁（７６）と、蒸気プロセス抽出装置（５２）へ流れる低圧蒸気用の導管内の第２低圧蒸気弁（６８）をさらに含んでおり、前記第２低圧蒸気弁が閉じている間は前記第１低圧蒸気弁が開かれ、前記第２低圧蒸気弁が開いている間は前記第１低圧蒸気弁が閉じられる、請求項９記載の発電システム。

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