JP2013124661A - 蒸気シールヘッダ、蒸気シールヘッダを用いる方法、及び蒸気シールヘッダを組み込んだ蒸気タービンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気シールヘッダを組み込んだ蒸気タービンシステムを提供すること。
【解決手段】発電プラントで使用するための蒸気タービンシステムは、高圧蒸気タービン及び中圧蒸気タービンのシールから蒸気を収集する蒸気シールヘッダを含む。収集された蒸気は、低圧蒸気タービンのシールに提供され、該シールが低圧蒸気タービンに効果的なシールを提供するのを確保する。低圧蒸気タービンからの蒸気はまた、蒸気シールヘッダにおいて収集され、これが高圧及び中圧シールから収集された蒸気と混合される。次いで、混合された蒸気は、低圧蒸気タービンを駆動するために提供される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気シールヘッダ、蒸気シールヘッダを用いる方法並びに蒸気シールヘッダを組み込んだ蒸気タービンシステムに関する。

蒸気タービンシステムは、多くの場合、発電プラントの不可欠な一部である。場合によっては、蒸気タービンは、複合サイクル発電プラントの一部とすることができ、該複合サイクル発電プラントはまた、１つ又はそれ以上のガスタービンも含む。蒸気タービンを駆動する蒸気を生成するために熱エネルギーが使用される。蒸気タービンは、電気を発生する発電機を駆動する。

蒸気タービンシステムは、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、及び低圧蒸気タービンを含むことができ、これらの全ては、発電機を駆動する回転シャフトに接続される。場合によっては、異なる蒸気タービンが、異なる発電機を駆動する異なるシャフトに結合されてもよい。何れにしても、回転シャフトに対して蒸気タービンをシールするためにシールが使用される。回転シャフト上で蒸気タービンをシールするシールは、効果的なシールを提供するために一定量の蒸気圧を必要とする。高圧蒸気タービン及び中圧蒸気タービン上で使用されるシールは通常、効果的なシールを提供するように関連タービンから十分な圧力を受ける。しかしながら、幾つかの例では、また一部の動作条件下で低圧蒸気タービンは、効果的なシールを確保するのに十分な圧力をシールに提供することができない場合がある。結果として、多くの蒸気タービンシステムでは、高圧及び中圧蒸気タービン上で使用されるシールから低圧蒸気タービン上で使用されるシールまで蒸気を送り、低圧蒸気タービンが効果的なシールを提供できるように構成されている。

図１は、典型的な背景技術の蒸気タービンシステムを示している。蒸気タービンシステムは、回転シャフト１００に取り付けられた高圧蒸気タービン１１０を含む。加えて、中圧蒸気タービン１２０及び低圧蒸気タービン１３０はまた、同じ共通の回転シャフト１００に結合される。高圧蒸気タービン１１０、中圧蒸気タービン１２０、及び低圧蒸気タービン１３０は、発電機１４０を駆動し、該発電機１４０はまた、回転シャフト１００に接続される。

入口蒸気は高圧蒸気タービンに提供され、駆動力を生成するのに使用される。高圧蒸気タービン１１０から流出する蒸気は再熱器に送られる。次いで、再熱器からの蒸気は、中圧蒸気タービン１２０に送られる。蒸気は、中圧蒸気タービン１２０を通過して低圧蒸気タービン１３０を通り、最終的に凝縮器に流出する。

図１は、高圧シール１１２、１１４が高圧蒸気タービン１１０の左右側に設けられる。加えて、中圧シール１２２が中圧蒸気タービン１２０をシールするために設けられる。最後に、低圧蒸気タービン１３０をシールするために低圧シール１３２が設けられる。

上述のように、一部の動作条件時には、低圧蒸気タービン１３０は、シール１３２が効果的であるのを確保するために低圧シール１３２に十分な圧力を提供できない場合がある。このため、システムはまた、高圧シール１１２、１１４及び中圧シール１２２から蒸気を収集する蒸気シールヘッダ１５０を含む。蒸気シールヘッダ１５０に送られた蒸気は次いで、低圧シール１３２に送給され、低圧シール１３２が効果的に低圧蒸気タービン１３０をシールできる。

低圧シール１３２によって必要とされない、蒸気シールヘッダ１５０で収集された過剰蒸気は、凝縮器に送られる。残念ながら、凝縮器へのこの過剰蒸気の配送は、基本的にこの高温高圧蒸気中に存在するエネルギーを無駄にするものである。蒸気シールヘッダ１５０において収集された蒸気は、仕事を産出するのに依然として用いることができる十分な熱エネルギーを有している。結果として、蒸気タービンシステムを図１に示すように構成することにより、他の場合では実施可能なはずの効率的運転が不十分になる。

図２は、図１に示すものと同様の背景技術の別の蒸気タービンシステムを示す。しかしながら、この実施形態では、蒸気シールヘッダ２５０において収集された低圧シール１３２によって必要とされない過剰蒸気は、低圧蒸気タービン１３０に送られる。これにより、高圧シール１１２、１１４及び中圧シール１２２から収集された過剰蒸気中のエネルギーを用いて発電機１４０を駆動することが可能となる。

高圧シール１１２、１１４及び中圧シール１２２から収集された蒸気は、比較的高温高圧である。多くの場合、この収集蒸気の温度及び圧力は、低圧蒸気タービン１３０において直接使用するには高すぎる。このため、蒸気シールヘッダ２５０と低圧蒸気タービン１３０との間に過熱低減器２６０が設けられる。過熱低減器２６０は、高圧シール１１２、１１４及び中圧シール１２２から収集された蒸気の温度及び圧力を低圧蒸気タービン１３０に導入するのに好適な温度及び圧力まで低下させる。

図２に示す構成は、過剰蒸気のエネルギーを用いて発電機１４０を駆動するのを可能にするが、過熱低減器２６０のコストは、この構成によって生成される追加エネルギーを妥当なものにするには高すぎることが多い。

米国特許第７，０４０，８６１号明細書

第１の態様において、本発明は、蒸気シールヘッダにおいて高圧蒸気タービンのシール又は中圧蒸気タービンのシールの少なくとも１つから蒸気の第１の流れを受け取るステップを含む、高圧蒸気タービンのシール又は中圧蒸気タービンのシールによって提供される蒸気を利用する方法において具現化される。蒸気の第２の流れは、蒸気シールヘッダにおいて低圧蒸気タービンにおける第１の位置から受け取られる。蒸気の第３の流れが、蒸気シールヘッダから低圧蒸気タービンにおける第２の位置に提供され、該第３の流れが、前記蒸気の第１の流れと前記蒸気の第２の流れの混合気を含む。

第２の態様において、本発明は、蒸気の体積を保持するよう構成された主本体と、高圧蒸気タービンのシール又は中圧蒸気タービンのシールの少なくとも１つから蒸気の第１の流れを受け取るよう構成された主本体への第１の入口と、低圧蒸気タービンにおける第１の位置から蒸気の第２の流れを受け取るよう構成された主本体への第２の入口とを含む蒸気シールヘッダにおいて具現化される。蒸気シールヘッダはまた、主本体から低圧蒸気タービンにおける第２の位置に蒸気の第３の流れを出力するよう構成された主本体からの第１の出口と、低圧蒸気タービンのシールに蒸気の第４の流れを出力するよう構成された主本体からの第２の出口とを含む。

第３の態様において、本発明は、蒸気タービンシステムで具現化される。本システムは、高圧蒸気タービンと、高圧蒸気タービンの少なくとも１つの高圧シールと、低圧蒸気タービンと、記高圧シールから蒸気の第１の流れを受け取り、前記低圧蒸気タービンから蒸気の第２の流れを受け取る蒸気シールヘッダとを含む。蒸気シールヘッダは、蒸気の第３の流れを前記低圧蒸気タービンに出力し、該蒸気の第３の流れは、蒸気の第１及び第２の流れの混合気を含む。

背景技術の蒸気タービンシステムの概略図。 別の背景技術の蒸気タービンシステムの概略図。 本発明を利用する第１の蒸気タービンシステムの概略図。 本発明を利用する第２の蒸気タービンシステムの概略図。 本発明を利用する第１の蒸気シールヘッダの概略図。 本発明を利用する第２の蒸気シールヘッダの概略図。

図３は、本発明を利用する蒸気タービンシステムの概略図である。図３に示す構成により、高圧シール及び中圧シールから収集された蒸気を利用して発電機を駆動することが可能となる。しかしながら、この構成は、過熱低減器の使用を必要としない。

蒸気タービンシステムは、回転シャフト１００に接続された高圧蒸気タービン１１０を含む。加えて、中圧蒸気タービン１２０及び低圧蒸気タービン１３０もまた、回転シャフト１００に結合される。回転シャフト１００は、発電機１４０を駆動する。

高圧シール１１２、１１４は、高圧蒸気タービン１１０をシールするために設けられる。中圧シール１２２は、中圧蒸気タービン１２０をシールするために設けられる。低圧シール１３２は、低圧蒸気タービン１３０をシールするために設けられる。

上述のように、一部の動作条件下では、低圧蒸気タービン１３０は、シール１３２が効果的であるのを確保するために低圧シール１３２に十分に高い圧力の蒸気を提供することができない。このため、蒸気シールヘッダ３５０において高圧シール１１２、１１４及び中圧シール１２２から蒸気が収集される。蒸気シールヘッダ３５０は、この収集蒸気を低圧シール１３２に提供し、該低圧シール１３２が低圧蒸気タービン１３０に効果的なシールを提供する。低圧シール１３２によって必要とされない高圧シール１１２、１１４及び中圧シール１２２から収集された過剰蒸気は、低圧蒸気タービン１３０を駆動するのに使用される。しかしながら、この実施形態では、蒸気は、低圧蒸気タービン１３０自体内の第１の位置から吸い込まれ、この吸い込まれた蒸気は、高圧シール１１２、１１４及び中圧シール１２２から収集された蒸気シールヘッダ３５０内の蒸気と混合される。これにより、低圧蒸気タービン１３０内の第２の位置に効果的に導入して低圧蒸気タービン１３０を駆動することができる十分に低温及び低圧の蒸気が生成される。

一部の実施形態では、蒸気シールヘッダ３５０から低圧蒸気タービン１３０に送給される蒸気は、蒸気が低圧蒸気タービン１３０に吸い込まれた位置から下流側の位置で低圧蒸気タービン１３０に送給される。しかしながら、代替の実施形態では、蒸気シールヘッダ３５０から低圧蒸気タービン１３０に送給される蒸気は、蒸気が低圧蒸気タービン１３０に吸い込まれた位置から上流側の位置から送給される。

図３に示すような実施形態により、高圧シール１１２、１１４及び中圧シール１２２から収集された過剰蒸気を用いて低圧蒸気タービン１３０を駆動できる。しかしながら、この構成は、過熱低減器を必要としない。過熱低減器のコストが節減できるので、図３に示すようにシステムを構成すると、図１及び図２に示した背景技術のシステムよりもコスト効果の高い作動が得られる。

図４は、図３に関連して上記で説明したシステムと同様の原理で作動する蒸気タービンシステムの別の実施形態を示す。この実施形態では、高圧蒸気タービン４１０は、回転シャフト４００に接続される。この実施形態では、高圧蒸気タービン４１０は、回転シャフト４００に接続される。中圧蒸気タービン４２０もまた、回転シャフト４００に接続される。さらに、完全に別個の二重流れ低圧蒸気タービン４３０もまた、回転シャフト４００に接続される。二重流れ低圧蒸気タービン４３０、中圧蒸気タービン４２０、及び高圧蒸気タービン４１０は全て、回転シャフト４００に接続された発電機４４０を駆動する。

図４に示すように、入口蒸気が高圧蒸気タービン４１０に提供され、該高圧蒸気タービン４１０から流出した蒸気が、中圧蒸気タービン４２０の入口に送られる。中圧蒸気タービン４２０から出力された蒸気は、再熱器又は熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）に送られる。再熱された後、蒸気は、次いで、再熱器又はＨＲＳＧから二重流れ低圧蒸気タービン４３０の入口に送給される。低圧蒸気タービン４３０から流出する蒸気は、凝縮器に送られる。

高圧シール４１２、４１４は、高圧蒸気タービン４１０を回転シャフト４００に対してシールするために設けられる。同様に、中圧シール４２２、４２４が中圧蒸気タービン４２０を回転シャフト４００に対してシールするために設けられる。さらに、低圧蒸気タービン４３０を回転シャフト４００に対してシールするために低圧シール４３２、４３４が設けられる。

上述の実施形態と同様に、一部の動作条件では、二重流れ低圧蒸気タービン４３０は、効果的なシールを提供するのに十分に高圧の蒸気を低圧シール４３２、４３４に提供することができない。結果として、蒸気シールヘッダ４５０において高圧シール４１２、４１４及び中圧シール４２２、４２４から蒸気が収集される。次いで、この蒸気は、必要に応じて低圧シール４３２、４３４に提供され、二重流れ低圧蒸気タービン４３０に効果的なシールを提供する。

この実施形態では、高圧シール４１２、４１４及び中圧シール４２２、４２４から収集された過剰蒸気は、二重流れ低圧蒸気タービン４３０を駆動するのに使用される。上述の実施形態と同様に、低圧蒸気タービン４３０を通って流れる蒸気の一部は、蒸気シールヘッダ４５０に送られる。低圧蒸気タービン４３０内の第１の位置から吸い込まれる蒸気は、高圧シール４１２、４１４及び中圧シール４２２、４２４から収集された蒸気と混合され、低圧蒸気タービン４３０内の第２の位置まで戻される蒸気の流れを適切な温度及び圧力で提供する。

図３及び図４に示す蒸気タービンシステムで使用される蒸気シールヘッダは、様々な形態をとることができる。簡単な実施形態では、図５に示すように、蒸気シールヘッダ５５０は、４つの開口を備えた主本体５５１を含む。第１の入口５２２は、高圧及び／又は中圧シールから蒸気の第１の流れを受け取る。第２の入口５５６は、低圧蒸気タービンから蒸気の第２の流れを受け取る。第１の入口５２２を通じて受け取った蒸気の第１の流れと第２の入口５５６を通じて受け取った蒸気の第２の流れは、主本体５５１内で混合される。次いで、混合気は、上述のように、第１の出口５５８を通じて低圧蒸気タービンに出力される。加えて、混合気はまた、第２の出口を通じて低圧蒸気タービンの低圧シールに出力される。第１の入口５５２、第２の入口５５６、第１の出口５５８、及び第２の出口５５４を通る流量を調整するために適切なバルブを設けることができる。

図５に示す蒸気シールヘッダ５５０は、低圧蒸気タービン及び低圧シールに配向される２つの蒸気の流れを生成する。しかしながら、両方の蒸気の流れは、基本的に同じ温度及び圧力となる。

蒸気シールヘッダ６５０の第２の実施形態が図６に示される。この実施形態は、第１の温度及び圧力の蒸気の第１の流れを低圧蒸気タービンに送給し、異なる温度及び圧力の蒸気の第２の流れを低圧蒸気タービンの低圧シールに送給することを可能にする。

図６の蒸気シールヘッダ６５０は、主本体６５１を含む。第１の入口６５２は、高圧及び／又は中圧蒸気タービンのシールから蒸気の第１の流れを受け取る。隔壁６６０は、主本体６５１の内部を第１のチャンバ６７０及び第２のチャンバ６８０に分離する。図６に示すように、第１のチャンバは、第１の入口６５２及び第２の出口６５４に向かって開いており、該第２の出口６５４は、低圧蒸気タービンの低圧シールに動作可能に接続される。結果として、高圧及び／又は中圧シールから第１の入口６５２を通じて受け取った蒸気の流れは、第２の出口６５４を通じて低圧シールに直接伝達される。

アパーチャ６６２が隔壁６６０に設けられ、第１の入口６５２を通じて受け取った蒸気の流れの少なくとも一部は、第２のチャンバ６８０に伝達することができる。第２の入口６５６は、第２のチャンバ６８０に開いている。第２の入口６５６は、低圧蒸気タービンに動作可能に接続され、低圧蒸気タービンから第２のチャンバ６８０に蒸気を受け取ることができる。第１の出口６５８はまた、第２のチャンバ６８０に開放されている。第１の出口６５８は、低圧蒸気タービンに動作可能に接続され、第２のチャンバ６８０内からの蒸気が低圧蒸気タービンに伝達できる。

第２のチャンバ６８０は、第１の入口６５２を通じて受け取った蒸気の第１の流れと第２の入口６５６を通じて受け取った蒸気の第２の流れとの混合気を生成するのに使用される。この混合気は、第１の出口６５８を通じて低圧蒸気タービンに提供される。

図６に示す実施形態は、蒸気の第１の流れを低圧蒸気タービンの低圧シールに第１の温度及び圧力で送給し、また、第１の温度及び圧力とは異なる第２の温度及び圧力で蒸気の第２の流れを低圧蒸気タービンに送給することができる。典型的には、第１の出口６５８を通って低圧蒸気タービンに送給される蒸気の流れは、高圧及び／又は中圧シールから受け取られる蒸気の第１の流れよりも低温低圧であるべきである。これは、当該蒸気の流れと低圧蒸気タービンからの蒸気との第２のチャンバ６８０における混合により可能となる。しかしながら、この構成はまた、蒸気の流れを低圧蒸気タービンの低圧シールに高温高圧で送給することも可能にする。

一部の実施形態では、蒸気シールヘッダ６５０はまた、アパーチャ６６２に接続されたバルブ６６４を含み、第２のチャンバ６８０に送られる蒸気の量を制御することができる。一部の実施形態では、このバルブ６６４は、膨張バルブとすることができ、該膨張バルブは、第１のチャンバ６７０から第２のチャンバ６８０に移動する蒸気を、第１のチャンバ６７０内に存在する低い圧力で第２のチャンバ６８０に流入させるようにする。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

１００，４００ 回転シャフト
１１０，４１０ 高圧蒸気タービン
１１２， １１４， ４１２， ４１４ 高圧シール
１２０，４２０ 中圧蒸気タービン
１３０，４３０ 低圧蒸気タービン
１４０，４４０ 発電機
１２２，４２２，４２４ 中圧シール
１３２，４３２，４３４ 低圧シール
２５０，３５０，４５０，５５０，６５０ 蒸気シールヘッダ
５５２，６５２ 第１の入口
５５１，６５１ 主本体
５５４，６５４ 第２の出口
５５６，６５６ 第２の入口
５５８，６５８ 第１の出口
６６２ アパーチャ
６６０ 隔壁
６６４ バルブ
６７０ 第１のチャンバ
６８０ 第２のチャンバ

Claims (20)

1. 高圧蒸気タービンのシール又は中圧蒸気タービンのシールによって提供される蒸気を利用する方法であって、
   蒸気シールヘッダにおいて高圧蒸気タービンのシール又は中圧蒸気タービンのシールの少なくとも１つから蒸気の第１の流れを受け取るステップと、
   前記蒸気シールヘッダにおいて低圧蒸気タービンにおける第１の位置から蒸気の第２の流れを受け取るステップと、
   前記蒸気シールヘッダから前記低圧蒸気タービンにおける第２の位置に蒸気の第３の流れを提供するステップと
   を含み、前記蒸気の第３の流れが、前記蒸気の第１の流れと前記蒸気の第２の流れの混合気を含む、方法。
2. 前記蒸気の第１の流れが、前記中圧蒸気タービンのシールからの蒸気及び前記高圧蒸気タービンのシールからの蒸気を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記蒸気の第１の流れ及び前記蒸気の第２の流れが、前記蒸気シールヘッダにおいて共に混合されて前記蒸気の第３の流れを形成する、請求項１記載の方法。
4. 前記蒸気シールヘッダからの蒸気の第４の流れを前記低圧蒸気タービンに提供するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
5. 前記蒸気の第４の流れが、前記蒸気の第３の流れと実質的に同じ温度及び圧力である、請求項４記載の方法。
6. 前記蒸気の第４の流れが、前記蒸気の第３の流れと異なる温度及び圧力である、請求項４記載の方法。
7. 蒸気シールヘッダであって、
   蒸気の体積を保持するよう構成された主本体と、
   高圧蒸気タービンのシール又は中圧蒸気タービンのシールの少なくとも１つから蒸気の第１の流れを受け取るよう構成された前記主本体への第１の入口と、
   低圧蒸気タービンにおける第１の位置から蒸気の第２の流れを受け取るよう構成された前記主本体への第２の入口と、
   前記主本体から前記低圧蒸気タービンにおける第２の位置に蒸気の第３の流れを出力するよう構成された前記主本体からの第１の出口と、
   前記低圧蒸気タービンのシールに蒸気の第４の流れを出力するよう構成された前記主本体からの第２の出口と
   を備える、蒸気シールヘッダ。
8. 前記主本体が、前記蒸気の第１及び第２の流れの少なくとも一部を混合して前記蒸気の第３の流れを生成するよう構成されている、請求項７記載の蒸気シールヘッダ。
9. 前記主本体に位置付けられた各壁部材をさらに備え、前記各壁部材が、前記蒸気の第１の流れのみを保持する第１のチャンバと、前記蒸気の第１及び第２の流れの混合気を保持する第２のチャンバとに前記主本体を分離する、請求項７記載の蒸気シールヘッダ。
10. 前記第１の出口及び前記第２の出口が、前記第１のチャンバに開いており、前記第２の入口及び前記第１の出口が、前記主本体の第２のチャンバに開いている、請求項９記載の蒸気シールヘッダ。
11. 前記第１の入口を通じて受け取った前記蒸気の第１の流れの少なくとも一部を前記第１のチャンバから前記第２のチャンバ内に通過させることを可能にするアパーチャを前記隔壁にさらに備える、請求項１０記載の蒸気シールヘッダ。
12. 前記隔壁のアパーチャに動作可能に結合されたバルブをさらに備え、該バルブが、前記第１のチャンバから前記第２のチャンバ内に通過する前記蒸気の第１の流れの量を制御する、請求項１１記載の蒸気シールヘッダ。
13. 前記バルブが膨張バルブである、請求項１２記載の蒸気シールヘッダ。
14. 発電プラントで使用するための蒸気タービンシステムであって、
    高圧蒸気タービンと、
    前記高圧蒸気タービンの少なくとも１つの高圧シールと、
    低圧蒸気タービンと、
    前記高圧シールから蒸気の第１の流れを受け取り、前記低圧蒸気タービンから蒸気の第２の流れを受け取り、前記蒸気の第１及び第２の流れの混合気を含む蒸気の第３の流れを前記低圧蒸気タービンに出力する蒸気シールヘッダと
    を備る、蒸気タービンシステム。
15. 前記低圧蒸気タービン用の低圧シールをさらに備え、前記蒸気シールヘッダが前記低圧シールに蒸気の第４の流れを出力する、請求項１４記載の蒸気タービンシステム。
16. 前記蒸気シールヘッダは、前記蒸気シールヘッダによって出力される前記蒸気の第３及び第４の流れが実質的に同じ温度及び圧力であるように構成される、請求項１５記載の蒸気タービンシステム。
17. 前記蒸気シールヘッダは、前記蒸気の第３の流れが前記蒸気の第４の流れと異なる温度及び圧力であるように構成される、請求項１５記載の蒸気タービンシステム。
18. 前記蒸気の第４の流れが、前記蒸気の第１の流れと実質的に同じ温度及び圧力であるように構成される、請求項１７記載の蒸気タービンシステム。
19. 前記蒸気シールヘッダは、前記蒸気の第３の流れが前記蒸気の第１の流れの少なくとも一部と前記蒸気の第２の流れの少なくとも一部の混合気を含むように構成される、請求項１８記載の蒸気タービンシステム。
20. 中圧蒸気タービンと、
    前記中圧蒸気タービン用の中圧シールと
    をさらに備え、前記蒸気シールヘッダによって受け取られる前記蒸気の第１の流れが、前記高圧シールからの蒸気と前記中圧シールからの蒸気の混合気を含む、請求項１４記載の蒸気タービンシステム。