JP2010501771A - 炭素捕捉設備を内臓したパワープラントの運転のために最近の改良を促進するために設計された蒸気タービン。 - Google Patents

Abstract

炭素捕捉の準備のできた化石燃料パワープラントのための蒸気タービン１は、ある膨張率で動作可能に製造され、ある体積流量で低圧タービンに供給する低圧（ＩＰ）タービン１０を含む。低圧タービン１０は、追加のタービンステージの最近の追加に、その全体の製造時の長さを増加することなしに、その出口で、タービンの膨張率及び体積流量を効果的に増加することを可能とするために、そのロータ１２とケース１４で余長r及びcを持って製造される。追加のステージの追加後、蒸気プロセスの追加の体積流量は、低圧タービンにオリジナルの体積流量を供給するために、低圧タービンの能力に影響を与えることなく、事前の燃焼炭素捕捉プロセスを実行するため、低圧タービン出口から抜き取られる。

Description

本発明は、蒸気タービン、特に、炭素捕捉設備を内臓したパワープラントの運転のために、より最近の改良を促進するために設計された蒸気タービンに関する。

最近、地球温暖化やこれに伴う気候変動が、将来の社会経済の持続のために深刻な恐怖であるという一致した見解が深まりつつある。本願は、二酸化炭素が大気に放出することなしに、化石燃料を使用するための方法である、炭素捕捉や炭素貯蔵、いわゆる炭素隔離の利益を促進するものである。不運にも、炭素捕捉や炭素隔離の技術は、十分にまだ発展していない。さらに、パワープランが作りだす炭素を捕捉するために設計されたパワープラントは、かなりのパワープラントの効率を減少させるであろう。したがって、ほとんどの化石燃料を使ったパワープラントは、将来の炭素捕捉のための設備なしに建設されている。それゆえ、政府は規制を作成、及び/又は、インセンティブを与え、その結果、プラントは、すなわち、それらは設計され、その結果、炭素捕捉の準備のできた炭素捕捉設備を備えたどの装置をも容易に設計できるようにする。

先行特許文献、独国特許第６２８８３０号明細書に記載されているように、これまでは、パワープラントのための蒸気タービンは、通常、個々の熱力学サイクルで一生の間、運転されるように建設されてきた。

先行特許文献

独国特許第６２８８３０号明細書

しかし、炭素捕捉を採用した計測器に依存して、炭素捕捉設備の備えたパワープラントの装置は、従来の蒸気タービンの改良が必要である。本発明の目的は、それゆえ、最小限の費用で、より最近の日に発電プラントに付け加えられた炭素捕捉設備の要求に対応するために、設計及び稼動後に改良可能な蒸気タービンを提供することにある。

発明が解決しようとする手段

本発明によると、炭素捕捉の準備のできたパワープランドは、ボイラーと、複数のタービンステージを備えた蒸気タービンとを含む炭素捕捉の準備のできたパワープラントにおいて、蒸気プロセスを必要とする炭素捕捉プロセスを内臓するために、パワープラントの事前の構造改良促進するため、前記蒸気タービンは、事前の構造改良の間、タービンの出口で、少なくとも１つのさらなるタービンステージに適応するのに十分な余長だけ、複数のタービンステージに適応するために必要な長さより長く、改良後に、前記タービンは、その出口で、増加した膨張率、及び、増加した体積流量で動作可能であり、それによって、必要とされた蒸気プロセスを供給するために、蒸気がタービン出口から流れ出ることを可能とすることを特徴とする。

好ましくは、余長は、少なくとも２つの更なるタービンステージに適応するのに十分な長さである。余長は、追加のステージに適用するために、少なくとも部分的に事前に適用されている。

蒸気タービンは、高圧蒸気タービンから蒸気を受け取り、第１の体積流量で低圧タービンに蒸気を送ることで操作可能な中圧タービンであると想定している。

改良後、中圧蒸気タービンは、第２体積流量でプロセス蒸気を送り、一方で、第１の体積流量で低圧蒸気タービンに蒸気を送るように操作可能になる。

本発明は更に、炭素捕捉設備を内臓したパワープラントを一部として、炭素捕捉モードで動作するための最近の改良を促進するために構成された蒸気タービンを採用していて、その蒸気タービンは、タービンロータ、タービンケース、及び、複数のタービンステージを含み、タービンの初期製造時の状況で、タービンロータ、及び、タービンケースは、それぞれ、それぞれの余長r及びcだけ、複数のタービンステージに適応するのに必要なものより長く、前記余長r及びcは、最近の改良の間に、タービン出口で、少なくとも1つの更なるタービンステージを適応するのに十分な長さであり、改良後に、タービンが、その出口で、増加した膨張率、及び、増加した体積流量で動作する。

好ましくは、余長r及びcは、タービン出口で、少なくとも２つのタービンステージを適用するのに十分な長さである。タービン製造時、タービンロータとタービンケースの余長r及びcは、それぞれ、追加のステージに適応するために状況にあわせて変化し、また、そのような適応は、炭素捕捉のための最近のタービンの改良の間におきる。製造時にタービンロータとタービンケースを部分的に適応させること、及び、タービンの最近の改良の間に適応を達成させることがもちろん可能である。

追加のステージに適応させることは、さらなるタービンステージで、補足的な特徴に適応させるために、タービンロータの余長r、及び/又は、タービンケースの余長cを持って機械加工された特徴を備えている。この場合、フェアリング手段は、タービンロータ、及び/又は、タービンケースの余長のため、使用されていない特徴の存在のために、タービンを通じた流れで、乱気流を避けるために、タービンロータ、及び/又は、タービンケースの上に供給されている。

本発明によるタービンにおいて、将来ある部分で、追加のタービンステージの予測の適応には、初期の設計や製造の間に、他のターボ機械構成要素の正確な寸法が必要となる。さらに、タービンケース、及び、タービン出口ダクトの流れ領域は、炭素捕捉のために改良後に直面する最大体積流量に適応するように設計されなくてはならない。

軸方向に流れるタービンのそれぞれのタービンステージは、固定翼と動翼とを備える。本発明は、ディスク、及び、ダイヤフラム型（いわゆる、衝動タービン）や、反動型タービンに、等しく適応することができる。反動型タービンでは、固定翼はタービンケースに固定された外側部分、及び、タービンロータに入り込むように直面する内側部分を備え、動翼は、ドラム型タービンのロータで取り付けられた根部と、タービンケースに入り込むように直面する放射状外側端部とを備えている。ディスク、及び、ダイヤフラム型のタービンでは、内部及び外部リングは、運動力学的に、固定翼を支え、その外側リングは、タービンケースに取り付けられている。

本発明の実施例は、次の図面を参考にして説明する。

本発明における製造時の蒸気タービンを図示したものである。 炭素捕捉設備を併用して運転するのに、より適した異なる熱力学サイクルを達成するためのより最近の改良後の同様のタービンを図示したものである。

本発明のより好ましい実施例は、炭素捕捉の準備のできた化石燃料のパワープラントのための蒸気タービンを備えることであり、詳細に説明する。タービンは、ある膨張率で動作、及び、ある蒸気の体積流量で低圧タービンを供給するために、製造された中圧（ＩＰ）タービンを含まれる。ＩＰタービンは、そのロータにおいて余長を持って作成され、追加のタービンステージの後での付け加えにより、タービンの出口におけるタービンの膨張率及び体積流量を、製造時での全長を増加することなしに、増加すること可能とするように製造されている。追加のタービンステージを追加後に、低圧タービンに蒸気のオリジナルの体積流量を供給するためにＩＰタービンの能力に影響を与えることなしに、結果として起きる蒸気過程での追加の体積流量を、後の燃焼炭素捕捉過程を行うために、ＩＰタービンの出口から徐々に減らすことが可能である。

さて、図１を参照すると、軸流蒸気タービン１は、炭素捕捉の準備のできた化石燃料発電プラントの一部であり、その蒸気タービン１において、タービンは、好ましくは最大プラント効率のために超臨界条件で、ボイラーから高圧の蒸気を受け取る。蒸気は、図示されていない高圧（ＨＰ）タービン、中圧（ＩＰ）タービン１０、及び、図示されていない低圧（ＬＰ）タービンを通り膨張し、全てのタービンは、タービンロータ１２によって駆動される図示されていない電気発電機を駆動するために、蒸気からエネルギーを抽出する。

ＩＰタービン１０は、とりわけ、タービンロータ１２、タービンケース１４、及び、多数のタービン回転翼ステージ１６を備えている。図示の場合には、９つのタービン回転翼ステージ１６があるが、もちろん設計の必要性に応じてステージを増減することが可能である。

ＩＰタービンステージ１６は、固定羽１８及び動翼２０をそれぞれ備えている。この実施例では、タービンは、ディズク及びダイヤフラム型のタービン（しばしば、衝動型タービンと呼ばれている）として構成され、そして、さらに、固定羽１８は、内側及び外側リング２２、２４によってそれぞれ運動力学的に支えられ、それぞれの外側リング２４は、タービンケース１４の環状の凹部２５ではめ込まれており、かつ、それぞれの内側リング２２は、連続する円盤枠、又は、ロータ１２のヘッド部２６の間の環状チャンバー２７をふさいでいる。（個々の円盤枠の間の区分けは図示されていないが、それぞれの円盤枠は、ロータの運転プロセスの間、継ぎ目が無く溶接されいるため、ロータが単一ユニットとなっている。）内側リング２２の半径方向の内側表面は、ディスクヘッド部２６の間にある外側ロータ表面と直面している。当技術でよく知られているように、ラビリンスシール、ブラッシュシールやそのようなもの（図示されていない）が、内側リング２２とロータ表面の間のギャップをふさぐために提供されている。動翼２０に関して、ある設計において、動翼２０は、ピン止めされた底配置の手段によって、ロータ１２のディスク枠２６に固定されている底部２８を備えていることもよく知られている。動翼２０の先は、覆い又はカバー部３０を備えており、その外側表面は、タービンケース１４上で付随するランド３２と直面している。再度、ラビリンスシール、ブラッシュシール、又は、そのようなもの（図示されていない）が、覆い３０とランド３２の間のギャップをふさぐために供給されている。

図１から明らかなように、タービン１の製造時の状態では、タービンロータ１２とタービンケース１４は、それぞれの長さrとcによるが、図示された９つのタービンステージに対応するために、必要より長くなっている。実際、rとcの長さは、本実施例では、タービンのより最近の改良による２つのさらなるタービンステージに適用するために十分な長さとなっている。つまり、タービンは、図１で示された多数のタービンステージ適用するために必要なものよりも、後に説明するように、炭素捕捉モードで動作することが可能な、さらなるタービンステージに対応できる十分な余長分だけ、長くなっている。

図１から明らかなように、タービンロータ１２は、製造時に追加のステージを適合するようにするために、タービンの形状は、追加のタービンステージで補足の形状に適応するために、タービンロータ１２及びタービンのケース１４の余長r及びcに機械加工されている。特に、ディスクヘッド部２６Ａ、及び、環状チャンバー２７Ａは、ロータの余長rに機械加工されている。同様に、密閉ランド３２Ａ、及び、介入凹部２５Ａはケースの余長cに機械加工されている。それにもかかわらず、追加のステージを受け取るためにタービンロータとタービンケースの余長を事前に全てに採用することは可能ではあるが、それらは部分的にのみ採用されている。例えば、追加のディスクヘッド部２６Ａは、追加の動翼の固定底部を受け入れるために、最終加工されていない。それゆえ、この実施例では、追加のタービンステージを採用は、タービンの最近の改良の間に成し遂げなくてはならない。図１のタービンの追加の特徴は、製造時の状況において、言及されている。追加のステージを受け入れるために、ロータ１２やケース１４の全部又は一部の事前の適合は、タービンの流れにおいて、過度の乱気流を避けるために、取り外し可能なフェアリングやそのようなことの対策を必要とするということは、当業者にとって明らかである。そういった乱気流は、他方では、タービンロータ及びタービンケースの余長r及びcにおけるチャンバー２７Ａや凹部２５Ａのような使われない機構によって生成される。図１で、そのようなフェアリングは、ディスクヘッド部２６Ａ及びロータのチェンバー２７Ａを調整する内側拡散リング３４、及び、ケース１４の凹部２５Ａとランド３２Ａを調整する外側拡散リング３６から構成される。内側拡散リング３４は、タービン１０の静的構造３８に固定されるが、ロータに一方を固定される。しかし、ロータの周辺に追加の改良をする必要がなく、かつ、拡散リング３４は、回転ストレスを受けるように設計される必要がないため、静的構造３８に固定することは好ましい。

他の実施例（図示せず）では、追加のステージに適応するために、ロータとケースの必要なすべての適合が、炭素捕捉の改良が必要となるまで延期される。さらに、この実施例では、余長r及びcが明白に表れ、ロータの外側外形とケースの内側外形が、それぞれ機械加工される。調整するように振舞う別々の内側及び外側拡散リングの必要性を完全に避けるために、ロータとステータの余長r 及びcを機械加工することが必要であり、その結果、ロータの外側外形、及び、ケースの内側外形は、タービン出口の必要な拡散する外形を備えている。

図２は、２つの追加のタービンステージ１６Ａの追加による炭素捕捉のための改良におけるタービン１を示している。図１で図示された大きな内側拡散リング３４は取り除かれ、タービンの出口流路４０の外形を維持するために、小さなリング３４Ａによって置換されている。ディスクヘッド部２６Ａは、追加のタービンステージ１６Ａで、動翼２０Ａの固定された底部２８Ａと適応するために、仕上げ加工されている。図１の外側拡散リング３６、３７も取り除かれ、二つの追加の隔壁の外側リング２４Ａによって置換されている。

図１及び図２に関しての上記の記述は、炭素捕捉プロセスのための熱力学のサイクルを変更するために、準備ができ対応可能なタービン構造を供給することに集中していたが、追加のタービンステージの将来の適応は、初期設計や製造の間、他のターボ機械の構成要素の適切な寸法を必要とすることも考慮すべきである。例えば、タービンケース１４及びタービン出口ダクト４０の流れエリアは、炭素捕捉のための改良後に直面する最大体積流量率に適応するように設計されなければならない。

図１に戻って、大きな寸法の炭素捕捉技術が十分に開発され、収納される必要がある場合に、炭素捕捉の準備のできたものであるか要求されることは、パワープラントが構築後のいつ何時に設計されているのかを意味し、適切な燃焼後の炭素捕捉プロセスがプラントに最小限の費用で追加することが可能である。他のことでは、蒸気タービン１の蒸気を生成するボイラーの下流の二酸化炭素洗浄装置を付け加えることにも必要である。そういった洗浄装置は、ＬＰタービンへの注入口の前に、ＩＰタービン出口ダクト４０からの激しい流れによって供給されえる加圧されたプロセス蒸気の大きな質量流量率を必要とする。これは、ＩＰタービンの設計するための必要性を説明しており、その結果、それは、炭素捕捉のためのプラントの改良後にも対処できる、とても大きな質量流量率にも適応するのに十分な容量を備えている。さらに、パワープラントの改良の前に、ＬＰタービン１０は、その出口で、最大体積流量以下で、次のＬＰタービンの注入容量と圧力にマッチした体積流量と膨張率で操作されている。改良後、ＩＰタービン排気口での体積流量を適正に一定に保持されるが、ＬＰタービン注入口への体積流量は、ＩＰタービンの排気口の流れの割合が、炭素捕捉プラントに引き抜かれるため、著しく減少する。これは、ＩＰタービン排気口の圧力が減少し、さらに、ＩＰタービン排気口での体積流量が増加する結果となる。これは、増加した膨張率で操作できるＩＰタービンを必要とする。本実施例では、増加した膨張率は、付け加えられた２つの追加タービンステージ１６Ａによって対応している。プロセスの流れが、ＩＰタービンの排気口から抜き取られた後、ＬＰタービン注入口への膨張率は、そのオリジナルの設計容量に等しくなる。

図１及び図２での２つのタービンステージの追加の準備は、例示的なものであると理解されるべきである。必要とされる追加のステージの実際の数は、炭素捕捉のために必要なプロセスの流れの体積流量に依存しており、そして、同様に、パワープラントのサイズや、選択された特別の炭素捕捉システムのパラメータに依存している。

図１及び図２は、タービンのディスク、及び、隔壁、つまり、衝動型タービンを図示しているが、本発明は、静止ブレード（固定羽根）の外側部が、タービンケースで直接固定されており、動翼の根元がドラム型ロータ上で溝にはめ込まれた、反動型タービンに同様に適用することが可能である。

本発明により達成できる様々な効果は以下ようなものがある。
（１）タービンは、改良前後の両方で、最適なパフォーマンスが可能である。
（２）改良によるコストを最小限にすることができる。
（３）改良の間に廃棄される構成要素の数を最小限にすることができる。
（４）プラントの経済寿命が、最初から炭素捕捉準備されていないタービンプラントと比べて、改善される。

本発明は、上記のように純粋に実施例として記載されており、記述した本発明の範囲内で改良するすることが可能である。本発明は、記載され、ここに暗示された個々の特徴、図において示され、暗示され、又は、そのような特徴、又は、その組み合わせの一般化から構成され、これは、均等論で示されるものまで拡張可能である。このように、本発明の大きさ、及び、範囲は、上述して例示された実施例のいずれによっても限定するべきではない。明細書で開示され、請求項及び図面に含まれる特徴は、特に他に表現することなしに、同じ、等価の、又は、同様な目的を持った代替の特徴によって置換可能である。

明細書を通して従来例との審議において、本分野で、その従来例は、広く知られ、又は、共通に一般知識の一部を形成するものではない。

明細書や請求項を通じた文意は、他に明らかにする必要なく、「含む」、「含んでいる」、及びそのようなもの言葉は、それだけを含む、又は、余すところのない意味と反対の「含む」、つまり、「含むが、それに限定されない」の意味で構成されるべきである。

Claims (12)

1. 炭素捕捉設備を内臓したパワープラントを一部として、炭素捕捉モードで動作するための最近の改良を促進するために構成された蒸気タービンにおいて、
   タービンロータ、
   タービンケース、及び、
   複数のタービンステージを含み、
   タービンの初期製造時の状況で、タービンロータ、及び、タービンケースは、それぞれ、それぞれの余長r及びcだけ、複数のタービンステージに適応するのに必要なものより長く、
   前記余長r及びcは、最近の改良の間に、タービン出口で、少なくとも1つの更なるタービンステージを適応するのに十分な長さであり、
   改良後に、タービンが、その出口で、増加した膨張率、及び、増加した体積流量で動作することを特徴とする蒸気タービン。
2. 請求項１に記載の蒸気タービンにおいて、
   前記余長r及びcは、タービン出口で、少なくとも２つのタービンステージを適用するのに十分な長さであることを特徴とする蒸気タービン。
3. 請求項１、又は、２に記載の蒸気タービンにおいて、
   タービンの初期製造時で、タービンロータ、及び、タービンケースの余長r及びcは、それぞれ、追加のステージに適応するために、少なくとも部分的に事前に適用されていることを特徴とする蒸気タービン。
4. 請求項３に記載の蒸気タービンにおいて、
   更なるタービンステージで追加の特徴に適応するために、タービンロータの余長r、及び/又は、タービンケースの余長cを持って機械加工されている特徴を備えていること蒸気タービン。
5. 請求項４に記載の蒸気タービンにおいて、
   フェアリング手段は、タービンロータ、及び/又は、タービンケースの余長のため、使用されていない特徴の存在のために、タービンを通じた流れで、乱気流を避けるために、タービンロータ、及び/又は、タービンケースの上に供給されていることを特徴とする蒸気タービン。
6. 請求項１乃至５に記載のいずれかに記載の蒸気タービンにおいて、
   前記蒸気タービンは、高圧蒸気タービンから蒸気を受け取り、第１の体積流量で低圧蒸気タービンに蒸気を供給することが可能な中圧蒸気タービンであることを特徴とする蒸気タービン。
7. 請求項６に記載のパワープラントにおいて、
   低圧蒸気タービンに、第１の体積流量で蒸気を供給するが、
   改良後に、前記中圧蒸気タービンは、第２の体積流量で蒸気プロセスを供給可能であることを特徴とするパワープラント。
8. ボイラーと、複数のタービンステージを備えた蒸気タービンとを含む炭素捕捉の準備のできたパワープラントにおいて、
   蒸気プロセスを必要とする炭素捕捉プロセスを内臓するために、パワープラントの事前の構造改良促進するため、
   前記蒸気タービンは、事前の構造改良の間、タービンの出口で、少なくとも１つのさらなるタービンステージに適応するのに十分な余長だけ、複数のタービンステージに適応するために必要な長さより長く、
   改良後に、前記タービンは、その出口で、増加した膨張率、及び、増加した体積流量で動作可能であり、それによって、必要とされた蒸気プロセスを供給するために、蒸気がタービン出口から流れ出ることを可能とすることを特徴とするパワープラント。
9. 請求項８に記載のパワープラントにおいて、
   前記余長は、少なくとも２つの更なるタービンステージに適応するのに十分な長さであることを特徴とするパワープラント。
10. 請求項８、又は、９に記載の蒸気タービンにおいて、
    前記余長は、追加のステージに適用するために、少なくとも部分的に事前に適用されていることを特徴とするパワープラント。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載のパワープラントであって、
    前記蒸気タービンは、高圧蒸気タービンから蒸気を受け取り、第１の体積流量で低圧蒸気タービンに蒸気を供給することが可能な中圧蒸気タービンであることを特徴とするパワープラント。
12. 請求項１１に記載のパワープラントにおいて、
    低圧蒸気タービンに、第１の体積流量で蒸気を供給するが、
    改良後に、前記中圧蒸気タービンは、第２の体積流量で蒸気プロセスを供給可能であることを特徴とするパワープラント。

Images