JP2013245683A - 蒸気ランキンサイクルソーラプラントおよびそのプラントを運転する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ソーラプラントの多段タービンを、ピーキング容量を有しながらも、平均条件における効率のために最適化することができる蒸気ランキンサイクルソーラプラントを提供する。
【解決手段】蒸気ランキンサイクルソーラプラント（１０）において、ソーラサーマルエネルギから蒸気を発生するための蒸気発生器（２０）と、前記蒸気発生器（２０）に接続される供給ライン（３２）と、第１段と前記第１段の下流にある中間段とを有し、前記供給ライン（３２）によって前記蒸気発生器（２０）に接続される多段タービン（３０）とが設けられており、過負荷弁（４５）が、前記供給ライン（３２）内に配置され、蒸気の少なくとも一部を前記中間段に方向付けることによって前記第１段の蒸気圧を制限するように構成かつ配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、蒸気ランキンサイクルソーラプラントに関し、より詳細には、そのソーラプラントの蒸気サイクルにおけるタービンの性能を最適化することに関する。

その最も基本的な形態において、ソーラサーマル発電プラントは、ミラーを有するソーラ集光器からなり、ソーラ集光器は、ソーラ放射を１つまたは複数のレシーバに集光し、そこでソーラ放射は高温の熱エネルギに変換される。ソーラサーマル発電プラントの一般的な構成は、従来のランキンサイクル発電機器に基づく。一般的に、蒸気ランキンサイクルに基づくソーラサーマル装置は、通常、パラボリックトラフおよびリニアフレネル集光器などのリニア収束技術と、ソーラ発電タワーなどの点収束集光器との２つの一般的な捕捉技術に分類される。

パラボリックトラフは、長尺のパラボリックミラーとして構成された一種の集光器である。ミラーの焦点にはデュワー管が設けられており、そのデュワー管を伝熱媒体が通過し熱せられる。

リニアフレネル集光器は、ソーラエネルギを線に沿って収束するという点で、パラボリック収集器に似ている。しかしながら、太陽を集合的にまたは個別に追尾する水平に取り付けられた平らなミラーストライプを備える点で異なる。

「中央タワー」発電プラントまたは「ヘリオスタット」発電プラント、もしくは単に発電タワーとしても知られるソーラ発電タワーは、収束された太陽光を受けるためにタワーを使用する一種のソーラ炉である。ソーラ発電タワーは、通常、平らで可動のミラー（ヘリオスタット）の配列を使用して太陽の光線を収集タワーに収束させる。蒸気ランキンサイクルソーラプラントにおいて、蒸気は、タワー内に置かれたソーラボイラを直接経てまたは大きな熱容量を有するとして選ばれた伝熱媒体を経て、タワーの上部に集光されたエネルギから発生する。大きな熱容量を有することにより、伝熱媒体を、好適には、サーマルサイクルにおいて後で使用するためにソーラ強度が低い期間にエネルギを蓄えるという２次的な目的のために使用しても良い。好適な伝熱媒体の例は、液体ナトリウムおよび溶融塩（４０％の硝酸カリウムおよび６０％の硝酸ナトリウム）を含む。

ソーラ供給の１つの特徴はその可変性である。ソーラプラントは、昼夜の変動および季節的な変動だけでなく、ソーラ放射を遮断または消散する、雲、大気粉塵および汚染などの他の要因にも対処する必要がある。そのため、システムに対する要求は非常に高く、それは、機器は、動作条件の広い範囲に渡って、従来のシステムの動作条件をはるかに上回って動作できなければならないということを意味する。

従って、過熱器または再熱器のどちらかであって良い蒸気発生器は、蒸気量および蒸気温度に、相応じて大きな変動を生じさせる恐れがある。プラントの蒸気タービンは、比較的珍しいピーク条件に対処するために設計されなければならないだけでなく、蒸気発生器、生蒸気ラインおよび他の生蒸気経路部品などの他の補助機器のためにもそうされなければならない。これは、設計は通常、まれな「負荷が１００％のケース」向けに最適化されるが、蒸気タービンはサイズが大きいため、通常、効率がより低い「平均条件」で動作するということを意味する。

１つの解決策は、「平均条件」向けに最適化された蒸気タービンを設け、かつ、例えば、ソーラ発電タワーのヘリオスタットミラーの焦点をずらすことによりまたは太陽をトラフプラントのパラボリックミラーで追尾しないことにより、ソーラ活動のピーク期間におけるソーラ収集量を減少させることである。これは、潜在的なエネルギ発生の損失をもたらす。

特に伝熱媒体ループを利用するソーラ発電タワーのための別の代替案は、例えば、夕方や夜といったソーラサーマル強度が低い期間において後で使用するために、日射ピークの間、熱せられた伝熱媒体の一部を貯蔵部に回すことである。これは、大きな貯蔵システムを必要とする。

さらなる代替案は、使用状態に置かれる蒸気タービンの数がソーラ負荷に基づくように構成される、複数の蒸気タービンを提供することである。これは、設備に複雑さおよびコストを追加する。

ソーラプラントの多段タービンを、ピーキング容量（ピーク出力）を有しながらも、平均条件における効率のために最適化することができる蒸気ランキンサイクルソーラプラントが開示される。

実施の形態は、独立請求項の主題を用いて、この課題に取り組もうとするものである。有利な実施の形態は従属請求項に示される。

例示的な実施の形態による１つの態様では、蒸気を発生するための蒸気発生器と、蒸気発生器に接続された供給ラインと、供給ラインによって蒸気発生器に接続された多段タービンとを備え、タービンが、第１段および第１段の下流にある中間段を有する、蒸気ランキンサイクルソーラプラントが提供される。供給ライン内に置かれる過負荷弁は、蒸気の少なくとも一部を中間段に方向付けることによって第１段の蒸気圧を制限するように構成かつ配置される。このようにして、蒸気の一部は第１段を迂回することができ、これにより、タービンにピーキング容量（ピーク出力）が提供される。

別の態様では、プラントは、タービンに至る供給ライン内の圧力を測定するように構成かつ配置されたセンサをさらに備える。加えて、プラントは、センサと測定可能に接続し、かつ過負荷弁と制御可能に接続するコントローラも備える。コントローラは、センサの測定に基づいて過負荷弁を制御するように構成される。

別の態様は、伝熱媒体サイクルおよび蒸気ランキンサイクルを備えるソーラプラントを含む。蒸気発生器は、熱を伝熱媒体サイクルから蒸気ランキンサイクルに伝えるように、両方のサイクルに構成かつ配置される。

別の態様では、ソーラプラントは、蒸気発生器において後で使用するために伝熱媒体サイクルからのソーラサーマルエネルギを貯蔵するように構成かつ配置される、ソーラサーマルエネルギ貯蔵手段を含む。

別の態様によると、蒸気ランキンサイクルソーラ蒸気プラントを制御するための方法が提供される。その方法は、
蒸気ランキンサイクルに多段タービンを設けるステップと、
タービンに蒸気を供給するステップと、
タービンに至る供給ライン内の圧力を測定するステップと、
タービンの中間段に直接供給される蒸気の割合を、測定される圧力に基づいて変えるステップとを含む。

１つの態様では、測定ステップは、蒸気がタービンに供給されるときに、蒸気ランキンサイクル内の蒸気を測定することを含む。

別の態様では、方法は、プラントに伝熱媒体サイクルを設け、かつ蒸気発生器を用いて、ソーラサーマルエネルギを伝熱媒体サイクルから蒸気ランキンサイクルに伝えることを含む。

本発明のさらなる目的は、従来技術の不都合および欠点を解消または少なくとも改善するか、もしくは有用な代替案を提供することである。

本発明の他の態様および利点は、本発明の例示的な実施の形態を例として示す添付の図面とともに以下の詳細な説明から明らかになるだろう。

例として、以下に、添付の図面を参照にして、本発明の実施の形態をより詳細に説明する。

本発明の例示的な実施の形態による制御システムを有する、例示的な蒸気ランキンサイクルソーラプラントの概略図である。 再熱タービンを有する、図１の例示的な蒸気ランキンサイクルソーラプラントの概略図である。 伝熱媒体サイクルを有する、図１の例示的な蒸気ランキンサイクルソーラプラントの概略図である。

ここで、本発明の例示的な実施の形態を、図面を参照にして説明する。図面を通じて同様の参照番号は同様の要素を参照するように使用される。以下の記載では、説明のために多数の具体的な詳細が明記され、本発明の十分な理解が提供される。しかしながら、本発明は、これらの具体的な詳細なしに具体化しても良く、本明細書に開示される例示的な実施の形態に限定されない。

本明細書を通じて、蒸気発生器２０という用語の意味は、様々な例示的な実施の形態との関連において、ボイラ、過熱器および再熱器またはその任意の組み合わせを含む。

図１は、蒸気を発生する蒸気発生器２０と、第１段および第１段の下流にある中間段を有する多段タービン３０と、蒸気発生器２０をタービン３０に流体接続する、蒸気発生器２０と多段タービン３０との間に設けられる供給ライン３２とを備える例示的な蒸気ランキンサイクルソーラプラント１０を示す。場合により、タービン３０の下流において、第２タービン３７に、タービン３０の排出が供給される。

多段タービン３０の各段は、隣接する１対の静翼および動翼の列として形成され、第１段はタービンの入口端、最終段はタービンの出口端に設けられ、中間段は第１段と最終段との間に置かれる。

図１に示される例示的な実施の形態は、タービン３０に至る供給ライン３２内に置かれる過負荷弁４５を含む。１つまたは複数の弁を備えても良い過負荷弁４５は、蒸気発生器２０からの蒸気の一部を、第１段の下流であり最終段の上流であるタービンの中間段に直接回すように構成かつ配置される。このようにして、蒸気発生器２０からの蒸気の少なくとも一部は、タービン３０の第１段を迂回する。

図１に示される例示的な実施の形態は、ソーラエネルギ集光器２５の出口とタービン３０の入口との間に置かれるセンサ４２を含む。センサ４２は、タービン３０への供給流の圧力、すなわち供給ライン３２内の圧力を測定するように構成される。センサ４２と測定可能に接続するコントローラ４０はアルゴリズムを使用し、センサ４２からの圧力測定を解読し、かつ過負荷弁４５に伝送される出力信号を発生する。アルゴリズムは、臨界圧を越えると過負荷弁４５を開け、タービン３０の第１段における圧力を制限するように構成される。

図２に示される例示的な実施の形態では、過負荷弁４５およびコントローラ４０は、再熱タービン３７を有するソーラランキンサイクル１２に適用される。

図３に示される例示的な実施の形態では、過負荷弁４５およびコントローラ４０は、蒸気発生器２０が独立したボイラであり、独立したボイラのエネルギ入力が、伝熱媒体サイクル１４を経て提供され、伝熱媒体サイクル１４のサーマルエネルギ源が少なくともソーラエネルギ集光器２５を含む、ソーラプラント１０に適用される。

さらなる例示的な実施の形態は、蒸気ランキンサイクルソーラプラントを制御する方法に関する。１つの例示的な実施の形態では、方法は、蒸気ランキンサイクル１２に多段タービン３０を設けるステップと、ソーラエネルギ集光器２５からのサーマルエネルギの少なくとも一部を引き出す蒸気発生器２０を設けるステップとを含む。ソーラエネルギ集光器２５から発生する蒸気は、図１に示されるように、ソーラプラント１０が蒸気ランキンサイクル１２のみを備える場合は直接、または、図３に示されるように、ソーラプラント１０が追加の伝熱媒体サイクル１４を備えるときは間接的にタービン３０に供給される。加えて、供給ライン３２には、過負荷弁４５が設けられ、過負荷弁４５は、タービン３０への供給を分割し、かつその供給をタービン３０の第１段および中間段へ同時に方向付けることができる。

次いで、供給ライン３２内の圧力が測定され、コントローラ４０に提供される。次いで、コントローラ４０はアルゴリズムを使用して過負荷弁４５に制御信号を提供する。コントローラ４０およびそのアルゴリズムは、第１段を迂回してはじめに直接中間段に至る蒸気の割合が、測定された圧力に基づいて変動し、それによってタービン３０の第１段における最大蒸気圧を制限するように構成される。例示的な実施の形態では、これは、所定の圧力未満ではすべての蒸気供給をタービン３０の第１段に方向付け、かつ所定の圧力を越えたときは蒸気供給の少なくとも一部を中間段に直接方向付けるように作用する、過負荷弁４５によって達成される。

別の例示的な方法は、ソーラプラント１０に、伝熱媒体サイクル１４を追加的に設けることであり、この場合、蒸気発生器２０は伝熱媒体サイクル１４と蒸気ランキンサイクル１２との間でソーラサーマルエネルギを交換する熱交換器である。

本発明は、本明細書において、最も実用的と考えられる例示的な実施の形態において示し、かつ説明してきたが、当業者には、本発明が他の具体的な形態において具体化され得るということが容易に理解されよう。そのため、ここで開示された実施の形態は、あらゆる点において例示にすぎず、限定的に解釈されない。本発明の範囲は、上述の明細書ではなく、特許請求の範囲によって示すものであって、特許請求の範囲の意味、範囲および均等物に属するすべての変更は、本発明の範囲内のものである。

１０ 蒸気ランキンサイクルソーラプラント
１２ 蒸気ランキンサイクル
１４ 伝熱媒体サイクル
２０ 蒸気発生器
２５ ソーラエネルギ集光器
３０ 多段タービン
３２ 供給ライン
３７ 再熱タービン
４０ コントローラ
４２ センサ
４５ 過負荷弁

Claims (6)

1. 蒸気ランキンサイクルソーラプラント（１０）であって、
   ソーラサーマルエネルギから蒸気を発生するための蒸気発生器（２０）と、
   該蒸気発生器（２０）に接続される供給ライン（３２）と、
   第１段と該第１段の下流にある中間段とを有し、前記供給ライン（３２）によって前記蒸気発生器（２０）に接続される多段タービン（３０）とを備える蒸気ランキンサイクルソーラプラント（１０）において、
   過負荷弁（４５）であって、前記供給ライン（３２）内に配置され、蒸気の少なくとも一部を前記中間段に方向付けることによって前記第１段の蒸気圧を制限するように構成かつ配置されている過負荷弁（４５）を備えることを特徴とする、蒸気ランキンサイクルソーラプラント（１０）。
2. 前記供給ライン（３２）内において、圧力を測定するように構成かつ配置されるセンサ（４２）と、
   前記センサ（４２）と測定可能に接続し、かつ前記過負荷弁（４５）と制御可能に接続するコントローラ（４０）とをさらに備え、
   前記コントローラ（４０）が、前記センサ（４２）の測定に基づいて前記過負荷弁（４５）を制御するように構成される、請求項１記載のソーラプラント（１０）。
3. 伝熱媒体サイクル（１４）と蒸気ランキンサイクル（１２）とを備え、前記蒸気発生器（２０）が両方のサイクル（１２、１４）に構成かつ配置され、ソーラサーマルエネルギを前記伝熱媒体サイクル（１４）から前記蒸気ランキンサイクル（１２）に伝える、請求項１または２記載のソーラプラント（１０）。
4. 蒸気ランキンサイクルソーラプラント（１０）を制御するための方法であって、
   蒸気ランキンサイクル（１２）に多段タービン（３０）を設けるステップと、
   前記タービン（３０）に至る供給ライン（３２）内の圧力を測定するステップと、
   前記タービン（３０）の中間段に直接供給される蒸気の割合を、測定された圧力に基づいて変えるステップとを含むことを特徴とする、蒸気ランキンサイクルソーラプラント（１０）を制御するための方法。
5. 蒸気が、所定の測定圧力を超える場合のみ、前記タービン（３０）の中間段に直接供給される、請求項４記載の方法。
6. 前記プラントに伝熱媒体サイクル（１４）を設け、
   ソーラサーマルエネルギを、蒸気発生器（２０）を用いて、前記伝熱媒体サイクル（１４）から前記蒸気ランキンサイクル（１２）に伝える、請求項４または５記載の方法。

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