JP2013164038A

JP2013164038A - 蒸気タービン、蒸気出気調整システム及び火力発電システム

Info

Publication number: JP2013164038A
Application number: JP2012028132A
Authority: JP
Inventors: Koji Ogata; 康二緒方; Kenju Nakamura; 建樹中村; Taketo Fujisaki; 岳人藤崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2032-02-13
Also published as: JP5921905B2

Abstract

【課題】
外部への過大な蒸気出気が生じた場合においても出気配管（抽気配管）取り出し位置より前方に位置する段落に対して強度的に厳しい条件とならないようにする。
【解決手段】
例えば、中圧タービン３からＣＣＳ設備１２に蒸気を出気する蒸気タービン発電設備において、外部に蒸気出気する出気配管２２と、出気配管取り出し位置より上流に位置する抽気配管２０とを結ぶ連絡配管２５を設け、過大な蒸気出気が生じた場合に調整弁２４を開き、抽気配管２０から抽気蒸気の一部を出気配管２２に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービン、蒸気出気調整システム及び蒸気タービン発電設備に係り、特に、蒸気タービンから外部に蒸気出気する場合に蒸気タービンを保護する機能を有する蒸気タービン、蒸気出気調整システム及び火力発電システムに関する。

近年、蒸気タービン発電設備のボイラから排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素を分離・回収することが種々検討されている。蒸気タービン発電設備における二酸化炭素回収・貯蔵（Carbon dioxide Capture and Storage(ＣＣＳ)）技術は化学吸収法が現在主流と考えられている。化学吸収法は、二酸化炭素を反応吸収する吸収液を用いて、二酸化炭素を分離・回収する手法であり、吸収した吸収液を加熱して二酸化炭素を分離する再生工程で熱源を必要とする。

この二酸化炭素分離用の熱源としては、例えば、特許文献１に記載のように、中圧タービンからの蒸気の一部を用いるようにしている。

特開2011-132899号公報

二酸化炭素分離用の熱源として蒸気タービンからの蒸気を用いる場合、大量の出気蒸気を必要とするため、蒸気タービンの仕様を計画する際には、蒸気の大量出気による蒸気タービン内の蒸気流量、圧力の変化について考慮する必要がある。

蒸気タービンからの蒸気出気は、従来から、隣接する化学プラント等への蒸気供給等で用いられている技術である。この場合においても、多量の蒸気出気が伴う場合には供給蒸気量を制限したり、蒸気タービン自体を強度余裕を持って設計・製造する等、蒸気タービンを保護するための技術が必要とされている。

通常、蒸気タービンから隣接する化学プラント等の外部に対し蒸気を供給する出気を実施する場合、外部に蒸気を出気する出気配管（抽気配管）取り出し位置以降の蒸気流量が減ってしまうため、出気配管（抽気配管）取り出し位置以降の圧力が下がる傾向にある。そのため、出気配管（抽気配管）取り出し位置より前方に位置する段落での圧力差が大きくなってしまうため、出気配管（抽気配管）取り出し位置より前方に位置する段落（特に動翼）に対して強度的に厳しい条件になる傾向にある。

蒸気出気量が過大となった場合、出気配管（抽気配管）取り出し位置より前方に位置する段落での圧力差が過大となってしまうため、動翼に対して強度的にさらに厳しい条件になってしまう。

従来、特許文献１も含めて蒸気出気量が過大となった場合については特に配慮されていない。

また、蒸気タービンの運転条件により出気蒸気の圧力や熱量が固定されてしまい、出気蒸気を利用する側で熱量の要求に変化があった場合に対して対応することが難しい。

また、低圧タービンにおける経年的変化（低圧タービンの翼等の摩耗）により低圧タービン側へ流れる蒸気流量が増加すると、出気配管（抽気配管）取り出し位置での圧力が低下し出気蒸気の温度が低下することがあるが、この場合、容易に出気蒸気の圧力（温度）を調整（維持）できるようにすることが望まれる。

本発明の目的は、過大な蒸気出気が生じた場合においても出気配管（抽気配管）取り出し位置より前方に位置する段落に対して強度的に厳しい条件とならないようにすることが可能な蒸気タービン、蒸気出気調整システム及び蒸気タービン発電設備を提供することにある。

本発明の他の目的は、出気蒸気を利用する側で熱量の要求に変化があった場合、出気蒸気の蒸気条件（温度）を容易に変更することが可能な蒸気タービン、蒸気出気調整システム及び蒸気タービン発電設備を提供することにある。

本発明の他の目的は、低圧タービン側へ流れる蒸気流量が経年的変化により増加した場合でも、出気蒸気の蒸気条件（温度）を容易に調整することが可能な蒸気タービン、蒸気出気調整システム及び蒸気タービン発電設備を提供することにある。

本発明は、外部に蒸気出気する出気配管と出気配管取り出し位置より上流に位置する抽気配管とを結ぶ連絡配管を設け、過大な蒸気出気が生じた場合に抽気配管から抽気蒸気の一部を出気配管に供給するようにしたことを特徴とする。

また、本発明は、外部に蒸気出気する出気配管と出気配管取り出し位置より上流に位置する抽気配管とを結ぶ連絡配管を設け、出気蒸気を利用する側で熱量の要求に変化が生じた場合に抽気配管から出気配管に供給する抽気蒸気の蒸気量を調整するようにしたことを特徴とする。

また、本発明は、外部に蒸気出気する出気配管と出気配管取り出し位置より上流に位置する抽気配管とを結ぶ連絡配管を設け、低圧タービン側へ流れる蒸気流量が経年的変化により増加した場合に抽気配管から出気配管に供給する抽気蒸気の蒸気量を調整するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、蒸気タービンから外部に過大に出気する必要が生じても、出気配管取り出し位置より上流に位置する抽気配管を介して出気配管に蒸気が供給されるようにすることで、出気配管取り出し位置から出気する量が過大とならないようにすることができるので、出気配管取り出し位置より前方の段落での圧力差を小さくすることができ、その結果、出気配管取り出し位置より前方の段落に対する強度的な条件が過剰に厳しくならないように調整することができる。

また、本発明によれば、出気蒸気を利用する側で熱量の要求に変化が生じた場合に抽気配管から出気配管に供給する抽気蒸気の蒸気量を調整することにより出気蒸気の温度を容易に変更することができる。

また、本発明によれば、低圧タービン側へ流れる蒸気流量が経年的変化により増加した場合に抽気配管から出気配管に供給する抽気蒸気の蒸気量を調整することにより出気蒸気の温度を調整することができる。

本発明の一実施例を適用した火力発電システムの概念図を示したものである。

以下、図面を用いて本発明の一実施例を詳細に説明する。

図１に示す実施例は、二酸化炭素回収・貯蔵設備（以下、ＣＣＳ設備と称する）を備えた火力発電システムに本発明を適用したものである。なお、図１では、主蒸気弁などの弁やその他の補機類の図示を省略している。

火力発電システムは、ボイラ１、ボイラ１からの主蒸気により駆動される高圧タービン２、高圧タービン２の排気蒸気をボイラ１で再熱した再熱蒸気により駆動される中圧タービン３、中圧タービンの排気蒸気により駆動される低圧タービン４と、高圧タービン，中圧タービン及び低圧タービンにより駆動される発電機５を備えた蒸気タービン発電設備と、ボイラ１の燃焼排ガスから二酸化炭素を回収・分離するＣＣＳ設備１２とから構成されている。

蒸気タービン発電設備は、復水器６、復水ポンプ７、低圧給水加熱器８、脱気器９、給水ポンプ１０、高圧給水加熱器１１を備えている。

低圧給水加熱器８には、低圧タービン４からの抽気蒸気が低圧抽気配管２３を介して供給される。なお、図面では低圧給水加熱器８が１台しか図示されていないが、必要に応じて複数台設置されている。また、後段側の低圧給水加熱器には、中圧タービンからの抽気蒸気が供給される場合もある。

脱気器９には、中圧タービン３からの抽気蒸気が第２高圧抽気配管２１を介して供給されている。中圧タービン３の上流側に取り出し位置を有する第１高圧抽気配管２０を介して抽気蒸気を脱気器８に供給する場合もある。

高圧給水加熱器１１には、中圧タービン３の上流側に取り出し位置を有する第１高圧抽気配管２０を介して抽気蒸気が供給されている。なお、図面では高圧給水加熱器１１が１台しか図示されていないが、必要に応じて複数台設置されている。また、後段側の高圧給水加熱器には、高圧タービンからの抽気蒸気が供給される場合もある。

また、中圧タービン３からの抽気蒸気は、給水ポンプ１０を駆動するタービンへ供給する場合もある。

ＣＣＳ設備１２は、化学吸収法を用いたものが用いられ、詳細な図示を省略しているが、吸収塔や再生塔などを備えている。ＣＣＳ設備１２には、ボイラ１からの燃焼排ガスが供給され、吸収塔において排ガス中の二酸化炭素が吸収液に吸収され、二酸化炭素を回収した後の排ガス（処理ガス）は煙突１３から放出される。二酸化炭素を吸収した吸収液は再生塔において二酸化炭素が分離される。再生塔で分離・回収された二酸化炭素は二酸化炭素の液化貯留設備に移送される。再生塔では熱源を必要とし、その熱源として、中圧タービン３からの蒸気が用いられ、出気配管２２を介して多量の蒸気が供給される。再生塔で熱交換をした蒸気はドレンとなり、復水ドレン系統に移送される。

なお、図１では、出気配管２２が第２高圧抽気配管２１から分岐して設けられているが、中圧タービン３のケーシングから直接取り出すようにしても良い。

なお、ここで、出気とは蒸気タービン発電設備の外部（ＣＣＳ設備や隣接するプラントなど）へ蒸気を供給する場合をいい、抽気とは蒸気タービン発電設備内の給水加熱器、脱気器、給水ポンプ駆動タービン等に蒸気を供給する場合をいう。出気蒸気の量は外部設備の要求の変動により、その蒸気量が変動し、ＣＣＳ設備に蒸気を供給する場合、０から中圧タービン３に供給される蒸気の半分程度の間で変動することもある。

上述のような火力発電システムにおいて、出気蒸気の量が過大となると次のような問題を生じる。

中圧タービン３には、第１高圧抽気配管２０，第２高圧抽気配管２１と、出気配管２２が設けられている。出気配管２２からは、上述したように、多量の蒸気が外部に供給される。このため、出気配管２２（図１では第２高圧抽気配管２１）取り出し位置以降の蒸気流量が出気した分だけ減ってしまうため、出気配管２２（第２高圧抽気配管２１）取り出し位置以降の圧力が下がる傾向にある。そのため、第１高圧抽気配管２０の取り出し位置より後方、かつ、出気配管２２（第２高圧抽気配管２１）取り出し位置より前方に位置する段落での圧力差が大きくなってしまう。結果的に、第１高圧抽気配管２０の取り出し位置より後方、かつ、出気配管２２（第２高圧抽気配管２１）取り出し位置より前方に位置する段落（特に動翼）に対して強度的に厳しい条件になってしまう。

第１高圧抽気配管２０，第２高圧抽気配管２１を流れる抽気蒸気の流量は多くなく、また大きな変動がないため、外部への蒸気供給により圧力が下がるのは出気配管２２（第２高圧抽気配管２１）取り出し位置以降のみとなり、第１高圧抽気配管２０の取り出し位置での圧力を下げることにより、前述の段落の圧力差を小さくすることができない。

蒸気出気量が過大となった場合、出気配管２２（第２高圧抽気配管２１）取り出し位置での圧力が過剰に小さくなるため、前述の段落での圧力差が過大となり、動翼に対して強度的にさらに厳しい条件になってしまう。

そこで、本実施例では、上述のような火力発電システムに、出気配管２２と、その上流に位置する抽気配管である第１高圧抽気配管２０とを結ぶ連絡配管２５を設け、過大な出気が生じたときに連絡配管２５に設置している調整弁２４を開くことにより、出気配管２２（第２高圧抽気配管２１）取り出し位置より上流の段落から蒸気を供給するようにしている。

出気配管２２を介して出気される蒸気の流量を直接計測することは現実的ではないので、ＣＣＳ設備１２から排出されるドレンの流量から出気蒸気の流量を推測する。予め出気蒸気流量とドレン流量との関係を求めておき、出気蒸気の流量（若しくは出気蒸気の流量に相当する量）を制御装置（図示省略）に入力し、所定の出気蒸気の流量を超える場合に超える流量に応じて調整弁２４の開度を調整して、連絡配管２５を介して第１高圧抽気配管２０から上流の抽気蒸気を出気配管２２に供給する。

また、出気により、出気配管２２（第２高圧抽気配管２１）取り出し位置での圧力が低下するので、圧力を計測し、圧力が所定の圧力よりも低下した場合に、所定の流量を超えると判断し、調整弁２４の開度を調整して連絡配管２５を介して第１高圧抽気配管２０から抽気蒸気を出気配管２２に供給するようにしても良い。また、ＣＣＳ設備１２側の運転状況から出気蒸気の流量を予測し、所定の流量を超えると判断し、調整弁２４の開度を調整して連絡配管２５を介して第１高圧抽気配管２０から抽気蒸気を出気配管２２に供給するようにしても良い。

所定の流量については、蒸気タービンの仕様を計画する際に、蒸気タービンの強度設計との兼ね合いで決められる。即ち、蒸気タービンに対する強度的条件を厳しくしないようにするには所定の流量は小さく決定される。

本実施例によれば、中圧タービン３から外部への過剰な出気が生じる場合、調整弁２４を開くことで連絡配管２５を経由して出気する蒸気を確保することができる。そのため、出気配管２２（第２高圧抽気配管２１）の取り出し位置での過剰な蒸気の流出、またそれによる圧力低下を抑えることができる。

また、同時に、第１高圧抽気配管２０及び連絡配管２５を介して蒸気を出気するため、第１高圧抽気配管２０の取り出し位置が圧力も低下する。このため、第１高圧抽気配管２０の取り出し位置より後方、かつ、出気配管２２（第２高圧抽気配管２１）取り出し位置より前方に位置するタービン段落に発生する圧力差が減少する。従って、タービンの各段落に対する強度的条件が過剰に厳しくなることを防ぐことが可能となる。また、タービン段落に対する強度的条件が過剰に厳しくならないことにより、出気配管（第２高圧抽気配管）取り出し位置より前方に位置するタービン段落に性能を重視した翼を設置することができる。また、多量の蒸気出気が伴う場合であっても供給蒸気量を制限しなくても良い。

また、出気配管２２と出気配管（第２高圧抽気配管）取り出し位置より上流に取り出し位置を有する第１高圧抽気配管とを連絡配管２５で連絡し、連絡配管２５に調整弁２４を設けることによって出気蒸気の温度を調整することができる。

即ち、従来は、蒸気タービンの運転条件により出気蒸気の圧力や熱量が固定されてしまい、出気蒸気を利用する側で熱量の要求に変化があった場合に対して対応することが難しいが、本実施例では、出気蒸気を利用する側で熱量の要求に変化が生じた場合に調整弁２４の開度を調整して第１高圧抽気配管から出気配管に供給する抽気蒸気の蒸気量を調整することによって、外部に供給する出気蒸気の温度を容易に調整することができる。この場合、出気配管を流れる蒸気の温度若しくはＣＣＳ設備の再生塔に供給される蒸気の温度をモニターし、制御装置（図示省略）にて調整弁２４の開度を調整する。

また、出気配管２２と出気配管（第２高圧抽気配管）取り出し位置より上流に取り出し位置を有する第１高圧抽気配管とを連絡配管２５で連絡し、連絡配管２５に調整弁２４を設けることによって、経年的にタービンから出気される蒸気の温度が下がってきた場合にも、所定の高温蒸気として外部に供給することができる。

即ち、低圧タービンにおける経年的変化（低圧タービンの翼等の摩耗）により低圧タービン側へ流れる蒸気流量が増加すると、出気配管（第２高圧抽気配管）取り出し位置での圧力（温度）が低下することがあるが、本実施例では、例えば、出気配管を流れる蒸気の温度若しくはＣＣＳ設備の再生塔に供給される蒸気の温度をモニターし、制御装置（図示省略）にて調整弁２４の開度を調整することによって、低圧タービン側へ流れる蒸気流量が経年的変化により増加した場合でも、外部に供給する出気蒸気の温度を容易に調整（維持）することができる。

上述の実施例では、連絡配管２５に設置する弁として流量調整機能を有する調整弁を用いているが、流量調整機能を持たない止め弁でも効果を奏することができる。

また、上述の実施例では、中圧タービンに２つの高圧抽気配管が設けられている場合について説明したが、中圧タービンに一つの抽気配管（上述の実施例で言えば第２高圧抽気配管）しかない場合（上流に位置する抽気配管（上述の実施例で言えば第１高圧抽気配管）がない場合）もある。この場合には、高圧タービンに設けられた高圧抽気配管と出気配管とを連絡する連絡配管を設けるようにしても良い。この場合、抽気蒸気の蒸気圧が高いので、必要に応じて減圧をして出気配管に抽気蒸気を供給する。

上述の実施例では、外部の設備として、ＣＣＳ設備を例に説明したが、隣接するプラント等で多量の蒸気を必要とする場合にも本発明は適用可能である。

１…ボイラ、２…高圧タービン、３…中圧タービン、４…低圧タービン、５…発電機、６…復水器、７…復水ポンプ、８…低圧給水加熱器、９…脱気器、１０…給水ポンプ、１１…高圧給水加熱器、１２…ＣＣＳ設備、１３…煙突、２０…第１高圧抽気配管、２１…第２高圧抽気配管、２２…低圧抽気配管、２４…調整弁、２５…連絡配管。

Claims

外部の設備に蒸気を出気する出気配管を備えた蒸気タービンであって、前記出気配管と前記出気配管の取り出し位置より上流の位置に設けられた抽気配管とを結ぶ連絡配管と、前記連絡配管に設けられた弁とを有することを特徴とする蒸気タービン。
請求項１において、前記外部の設備への出気蒸気の流量若しくはそれに相当する量が所定量を超える場合、前記弁を開放することを特徴とする蒸気タービン。
請求項２において、前記外部の設備への出気蒸気の流量若しくはそれに相当する量が所定量を超える場合、超える量に応じて前記弁の開度を調整することを特徴とする蒸気タービン。
請求項１において、前記外部の設備で利用する蒸気の要求温度に応じて前記弁の開閉又は開度調整をすることを特徴とする蒸気タービン。
請求項１において、前記出気配管が設けられた蒸気タービンは中圧タービンであり、前記中圧タービンの排気蒸気が供給される低圧タービンに流れる蒸気流量が経年的変化により増加した場合、前記外部の設備に供給する出気蒸気の温度を所定の温度に維持するように前記弁の開閉又は開度調整をすることを特徴とする蒸気タービン。
蒸気タービンから外部の設備に蒸気を出気する蒸気タービン発電設備に用いられ、蒸気タービンのケーシングに設けられて前記外部の設備に蒸気を出気する出気配管と前記出気配管の取り出し位置より上流の位置において蒸気タービンのケーシングに設けられた抽気配管とを結ぶ連絡配管と、前記連絡配管に設けられた弁とを有することを特徴とする蒸気タービンの蒸気出気調整システム。
ボイラと、前記ボイラからの主蒸気により駆動される高圧タービンと、前記高圧タービンの排気蒸気を前記ボイラで再熱した再熱蒸気により駆動される中圧タービンと、前記中圧タービンの排気蒸気により駆動される低圧タービンと、前記高圧タービン，前記中圧タービン及び前記低圧タービンにより駆動される発電機と、前記ボイラの燃焼排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収・貯蔵設備とを備えた火力発電システムであって、前記中圧タービンには、前記二酸化炭素回収・貯蔵設備に蒸気を出気する出気配管と前記出気配管の取り出し位置より上流に位置する抽気配管とが設けられ、前記出気配管と前記抽気配管とを結ぶ連絡配管と、前記連絡配管に設けられた調整弁とを備えたことを特徴とする火力発電システム。