JP4833293B2 - 蒸気タービン発電所並びに蒸気タービン発電所の増設方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮蒸気を供給するための少なくとも１個の過熱器と、この過熱器に後置接続され主駆動軸上に配置され且つ高圧蒸気および／又は中圧蒸気による運転に対して設計された主タービンと、過熱器と主タービンとの間に挿入接続され補助駆動軸上に配置された補助タービンとを有する蒸気タービン発電所に関する。また本発明は、圧縮蒸気を供給するための少なくとも１個の過熱器と、この過熱器に後置接続され主駆動軸上に配置され且つ高圧蒸気および／又は中圧蒸気による運転に対して設計された主タービンとを有する蒸気タービン発電所の増設方法に関する。この増設方法は補助駆動軸上に配置された補助タービンを増設する工程を有する。

高圧蒸気および／又は中圧蒸気による運転に対して設計された上述の主タービンは、個別高圧タービンとして、個別中圧タービンとして、あるいは高圧・中圧複合タービンとして形成される。高圧タービンは、一般に、温度５２０〜６００℃、圧力１２０〜３００バールに設計されている。これに対して、中圧タービンは、一般に、圧力３０〜６０バールで温度５２０〜６２０℃の高温蒸気を受けるために構成されている。蒸気タービン発電所の蒸気発生器は、蒸気を発生するために種々の熱源を利用でき、特にガスタービンの排気ガスも利用できる。その限りにおいて特に蒸気タービン発電所は他の発電所の一部でもある。

蒸気タービン発電所における出力増大を達成するために、従来においてしばしば、蒸気タービンのタービン翼が内部効率を高めるために交換される。また、出力増大はしばしば安全性の切り下げによっても、即ち、一般に、圧力および／又は質量流量の増大によって達成される。従来公知の蒸気タービン発電所の増設方法において、補助駆動軸上における補助タービンが蒸気過熱器と主タービンとの間に接続されている。この場合には一般に、主駆動軸は１台の発電機を駆動するために補助駆動軸に機械的に連結されている。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式の蒸気タービン発電所並びに冒頭に述べた形式の蒸気タービン発電所の増設方法を、蒸気タービン発電所の出力および効率が一層向上されるように改良することにある。

この課題は、本発明に基づいて、冒頭に述べた形式の蒸気タービン発電所において、補助タービンが、主タービンの定格回転数に比べて少なくとも５０％高い運転回転数に設計されていることによって解決される。また冒頭に述べた形式の増設方法についての課題は、補助タービンが、主タービンの定格回転数に比べて少なくとも５０％高い運転回転数に設計される、ことによって解決される。

本発明に基づく解決策によって、特に高圧タービンあるいは中圧タービンとして設計された補助タービンに対する蒸気状態がかなり高められる。主タービンの定格回転数に比べて少なくとも５０％高い補助タービンの運転回転数は、高められた温度および高められた圧力の蒸気状態による補助タービンの高い効率の運転を可能とする。この高められた蒸気状態の機械動力への転換は、相応した高い運転回転数において高められた効率をもたらす。これによって、補助タービンの発生出力が高められる。蒸気は、補助タービンの貫流後、有利なことに主タービンが通常目指して設計している蒸気状態を有する。即ち、補助タービンで発生された出力は、補助タービンの増設前に蒸気タービン発電所で発生される出力に加えて利用される。

補助タービンが補助駆動軸上に配置されているので、既存の蒸気タービン発電所への補助タービンの増設は大きな経費を要せずにできる。既存の蒸気タービン発電所の主駆動軸はそのために変更する必要がない。補助駆動軸上に配置された補助タービンに対して、蒸気タービン発電所に適当な構造空間が見出され、過熱器から出た蒸気質量流量が、配管の相応した適合によって、補助タービンを通して主タービンに導かれるだけで済む。

本発明に基づく蒸気タービン発電所の有利な実施態様において、補助タービンの運転回転数は、主タービンの定格回転数の２倍の値である。特に補助タービンの運転回転数は８０〜１２０Ｈｚ、好適には１００Ｈｚである。主タービンの定格回転数が補助タービンの運転回転数の半分の大きさであるので、この場合、主タービンの定格回転数は４０〜６０Ｈｚ、好適には５０Ｈｚである。

補助タービンが７００〜７６０℃の蒸気温度に設計されていることが有利である。即ち過熱器も７００〜７６０℃の蒸気温度を発生するように設計されている。蒸気は補助タービンにおいて膨張しながら有利に５２０℃〜６２０℃の温度まで冷え、この温度で主タービンに継続して導かれる。上述の蒸気温度は蒸気タービン発電所の効率を向上させ、出力を増大させる。

目的に適った実施態様において、補助駆動軸は高速回転発電機に連結されている。また、この蒸気タービン発電所は高速回転発電機で発生された交流電圧の周波数を低減するための電気式回転数変換器を有している。主発電機が主駆動軸に設けられていることが有利である。電気式回転数変換器は、補助駆動軸に連結された高速回転発電機で発生された交流電圧の周波数を、主駆動軸で発生された交流電圧の周波数に低減する。これは、好適には、通常５０Ｈｚの系統周波数を有する。従って、補助タービンで発生された交流電流は、他の変換経費を要することなく、主発電機で発生された交流電流と共に電流系統に給電できる。

他の実施態様において、補助駆動軸は機械式回転数変換器を介して主駆動軸に連結することができる。機械式回転数変換器は特に、補助駆動軸の周波数を主駆動軸の周波数に低減する。これにより、補助タービンで発生された機械エネルギは主駆動軸の軸系に伝達される。これによって、主駆動軸に結合された主発電機は、補助タービンで発生された機械エネルギも電気エネルギに変換する。従って、補助発電機を用意する必要はない。

過熱器が特に蒸気ボイラを有する生蒸気発生器として設計されていることが有利である。上述の高い蒸気状態が生蒸気発生器において効果的に発生される。あるいはまた、過熱器は再熱器として設計されている。既に第１主タービンを貫流し終えた蒸気は、再熱器により、本発明に基づく補助タービンへの供給に対して供給される。過熱器特に生蒸気発生器あるいは再熱器が、通常の過熱器ないし再熱器に対して追加的な過熱伝熱面を有することが有利である。

かかる生蒸気発生器と再熱器との組合せ採用が特に有利である。

補助タービンに蒸気をできるだけ高温で供給できるようにするために、補助タービンが過熱器の近くに、特に過熱器の蒸気ボイラ上に配置されていることが有利である。この配置構造は特に補助タービンに超臨界蒸気を供給するために目的に適っている。さらに、生蒸気発生器および再熱器の配管長が最小寸法に減少されると有利である。残りの配管は普通に形成すればよい。

さらに目的に適った実施態様において、第１主タービンの後に順々に、再熱器と、第２補助タービンと、特に中圧タービンとして設計された第２主タービンが後置接続され、前記第２補助タービンが補助駆動軸上に配置され、第２主タービンが主駆動軸上に配置されている。この配置構造によれば、蒸気タービン発電所の一層の効率向上および出力向上が達成される。第１主タービンから出る膨張済み蒸気は、再熱器によって再び、好適には温度約７２０℃の高い蒸気状態にされる。第２補助タービンの貫流の際、補助駆動軸に追加動力が導入され、これはそれに連結された発電機の発生電力を高める。主駆動軸上に低圧タービンも存在すると有利である。

本発明に基づく方法の有利な実施態様において、過熱器に追加の過熱伝熱面が増設されている。この追加の過熱伝熱面の増設は特に、過熱器として形成された蒸気発生器において行われる。従って、そのように増設された過熱器はより高い蒸気状態を発生する。これはまた、補助タービンが増設された蒸気タービン発電所の向上された運転を可能とする。

本発明に基づく方法の他の有利な実施態様において、補助タービンの定格回転数は、主タービンの定格回転数の２倍の値であり、特に８０〜１２０Ｈｚ、好適には１００Ｈｚである。また補助タービンは目的に適うべく７００〜７６０℃の蒸気温度に設計されている。さらに有利に、蒸気タービン発電所に高速回転発電機並びに電気式回転数変換器が増設され、高速回転発電機が補助駆動軸に連結され、並びに電気式回転数変換器が高速回転発電機で発生された交流電圧の周波数を低減するために高速回転発電機に連結される。さらに目的に適って、蒸気タービン発電所に機械式回転数変換器が増設され、補助駆動軸が機械式回転数変換器を介して主駆動軸に連結される。他の有利な実施態様において、補助タービンは過熱器の近くに、特に過熱器の蒸気ボイラ上に配置されている。さらに目的に適った他の実施態様において、蒸気タービン発電所の再熱器に第２補助タービンが後置接続され、この第２補助タービンに第２主タービンが後置接続されている。その第２主タービンおよび第２補助タービンはそれぞれ中圧タービンとして形成され、その第２補助タービンは補助駆動軸上に配置され、第２主タービンは主駆動軸上に配置されている。本発明に基づく蒸気タービン発電所の有利な実施例について上述した利点は、本発明に基づく蒸気タービン発電所の増設方法の相応した有利な実施態様にも適用される。

以下図を参照して、本発明に基づく蒸気タービン発電所の実施例並びに本発明に基づく蒸気タービン発電所の増設方法の実施例を詳細に説明する。

図１は本発明に基づく増設前における在来の蒸気タービン発電所１０を示し、図２は本発明に基づく増設後の蒸気タービン発電所１２ないしこれに相応して新設された蒸気タービン発電所１２を示している。図１における蒸気タービン発電所１０には過熱器として使用する生蒸気発生器１４が装備されている。生蒸気発生器１４に低温蒸気あるいは液体が供給され、生蒸気発生器１４において高温高圧の蒸気に、従って、高い蒸気状態の蒸気に転換される。その生蒸気は、高圧タービンとして設計された第１主タービン１８に蒸気管１６を介して供給され、そこで第１主タービン１８に結合された主駆動軸２０を駆動しながら膨張する。

膨張しそれに伴って冷えた蒸気は、それから再熱器２２に供給され、そこで蒸気の再熱が行われる。その蒸気は中圧タービンとして設計された第２主タービン２４に他の蒸気管１６を介して供給される。その蒸気は再度膨張し、追加トルクを主駆動軸２０に伝達する。その蒸気は第２主タービン２４から出た後、低圧タービン２６に供給され、そこでトルクを主駆動軸２０に伝達しながらさらに膨張する。主駆動軸２０に主発電機２８が結合され、この主発電機２８によって、主駆動軸２０の機械エネルギが電気エネルギに変換される。

図１における蒸気タービン発電所１０で利用されている高圧タービン、中圧タービン並びに低圧タービンは、かかるタービンにとって通常の蒸気状態に対して設計されている。高圧タービンは一般に温度５２０〜６００℃、圧力１２０〜３００バールに設計されている。中圧タービンは一般に圧力３０〜６０バールで温度５２０〜６２０℃の同様に過熱蒸気を受けるために構成されている。低圧タービンは一般に圧力４〜１０バールに設計されている。

図２に蒸気タービン発電所の出力および効率を高めるために本発明に基づいて増設された後の蒸気タービン発電所１２が示されている。図１に示された蒸気タービン発電所１０の構成要素と一致する蒸気タービン発電所１２における構成要素には図１と同じ符号が付されている。従ってそれらの機能については図１の説明を参照されたい。蒸気タービン発電所１２は、蒸気タービン発電所１０と異なり、まず生蒸気を約７００℃まで追加加熱するために、生蒸気発生器１４に後置接続された追加蒸気過熱器１４′が装備されている。その追加蒸気過熱器１４′の機能は蒸気発生器１４に組み入れることもできる。即ち、生蒸気発生器１４には例えばより高い蒸気状態に対する追加の再熱伝熱面が装備され、ないしは、図２に示された蒸気タービン発電所を新設する際にはじめからより高い蒸気状態に設計される。

また、蒸気タービン発電所１２には補助駆動軸３２上に配置された第１補助タービン３０が装備ないし増設されている。この第１補助タービン３０は７００℃の過熱蒸気を受けるために設計された高圧タービンとして構成されている。約７００℃の温度で供給された生蒸気は、第１補助タービン３０で膨張し、５６０℃〜６２０℃まで温度低下する。そこで、第１補助タービン３０は補助駆動軸３２を介して補助発電機３６を駆動する。その膨張済み蒸気は蒸気管１６を介して第１主タービン１８に導かれる。第１主タービン１８における相応した膨張後、その蒸気は再熱器２２並びにそれに後置接続された追加再熱器２２′に供給される。既に生蒸気発生器１４および追加過熱器１４′について説明したように、追加再熱器２２′も機能的に再熱器２２に組み入れることができる。これはここでも、再熱器２２における追加の再熱伝熱面で実現できる。

蒸気は、追加再熱器２２′の貫流後、約７２０℃の温度を有し、そして、中圧タービンとして構成され７２０℃以上の蒸気温度に設計された第２補助タービン３４に導入される。この第２補助タービン３４も同様に補助駆動軸３２上に配置されている。主駆動軸２０と補助駆動軸３２とを備えた蒸気タービン発電所１２における複数の駆動軸の配置は多軸配置とも呼ばれる。第２補助タービン３４は補助駆動軸３２に追加トルクを与える。

第１補助タービン３０および第２補助タービン３４は、主タービン１８、２４、２６の定格回転数より２倍高い回転数に対して設計されている。好適には、補助駆動軸３２は、主駆動軸２０の５０Ｈｚの駆動周波数とは異なり、１００Ｈｚの周波数で駆動される。図２に示された蒸気タービン発電所１２の実施例の場合、補助発電機３６は主発電機２８に電気式回転数変換器（図示せず）を介して連結されている。図示されていない他の実施例において、補助駆動軸３２および主駆動軸２０は機械式回転数変換器（歯車装置）によって連結することもできる。この場合には、機械エネルギを電流に変換する１台の発電機しか必要とされない。

本発明に基づく増設前の蒸気タービン発電所の概略図。 本発明に基づいて増設された蒸気タービン発電所の概略図。

符号の説明

１０ 蒸気タービン発電所
１２ 蒸気タービン発電所
１４ 過熱器
１４′ 追加過熱器
１８ 第１主タービン（高圧タービン）
２０ 主駆動軸
２２ 再熱器
２２′ 追加再熱器
２４ 第２主タービン（中圧タービン）
２８ 主発電機
３０ 第１補助タービン
３２ 補助駆動軸
３４ 第２補助タービン
３６ 補助発電機

Claims (14)

1. 圧縮蒸気を供給するための少なくとも１個の過熱器（１４、１４′、２２、２２′）と、該過熱器に後置接続され主駆動軸（２０）上に配置され且つ高圧蒸気および／又は中圧蒸気による運転に対して設計された主タービン（１８、２４）と、過熱器（１４、１４′、２２、２２′）と主タービン（１８、２４）との間に挿入接続され補助駆動軸（３２）上に配置された補助タービン（３０、３４）とを有する蒸気タービン発電所（１２）において、
   前記補助タービン（３０、３４）が、主タービン（１８、２４）の定格回転数に比べて少なくとも５０％高い運転回転数に設計されており、かつ、７００〜７６０℃の蒸気温度に設計されていることを特徴とする蒸気タービン発電所。
2. 補助タービン（３０、３４）の運転回転数が、主タービン（１８、２４）の定格回転数の２倍の値であり、８０〜１２０Ｈｚである、ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン発電所。
3. 補助駆動軸（３２）が高速回転発電機（３６）に連結され、蒸気タービン発電所（１２）が、高速回転発電機（３６）で発生された交流電圧の周波数を低減するための電気式回転数変換器を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気タービン発電所。
4. 補助駆動軸（３２）が機械式回転数変換器を介して主駆動軸（２０）に連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気タービン発電所。
5. 過熱器（１４、１４′、２２、２２′）が、蒸気ボイラを有する生蒸気発生器（１４、１４′）として設計されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の蒸気タービン発電所。
6. 補助タービン（３０、３４）が過熱器（１４、１４′、２２、２２′）の近くであって、過熱器（１４、１４′、２２、２２′）の蒸気ボイラ上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蒸気タービン発電所。
7. 第１主タービン（１８）の後に順々に、再熱器（２２、２２′）と、第２補助タービン（３４）と、中圧タービンとして設計された第２主タービン（２４）が後置接続され、前記第２補助タービン（３４）が補助駆動軸（３２）上に配置され、第２主タービン（２４）が主駆動軸（２０）上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の蒸気タービン発電所。
8. 圧縮蒸気を供給するための少なくとも１個の過熱器（１４、２２）と、該過熱器（１４、２２）に後置接続され主駆動軸（２０）上に配置され且つ高圧蒸気および／又は中圧蒸気による運転に対して設計された主タービン（１８、２４）とを有する蒸気タービン発電所（１０）に、補助駆動軸（３２）上に配置された補助タービン（３０、３４）を増設する工程を有し、その補助タービン（３０、３４）が、過熱器（１４、２２）と主タービン（１８、２４）との間に挿入接続される蒸気タービン発電所（１０）の増設方法において、
   前記補助タービン（３０、３４）が、主タービン（１８、２４）の定格回転数に比べて少なくとも５０％高い運転回転数に設計されており、前記過熱器（１４、２２）に追加の過熱伝熱面（１４′、２２′）を増設する工程を有していることを特徴とする蒸気タービン発電所の増設方法。
9. 補助タービン（３０、３４）の運転回転数が、主タービン（１８、２４）の定格回転数の２倍の値であり、８０〜１２０Ｈｚである、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 補助タービン（３０、３４）が７００〜７６０℃の蒸気温度に設計されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
11. 蒸気タービン発電所（１０）に高速回転発電機（３６）並びに電気式回転数変換器を増設し、高速回転発電機（３６）を補助駆動軸（３２）に連結し、高速回転発電機（３６）で発生された交流電圧の周波数を低減するために高速回転発電機（３６）を電気式回転数変換器に連結する、ことを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 蒸気タービン発電所（１０）に機械式回転数変換器を増設し、補助駆動軸（３２）を機械式回転数変換器を介して主駆動軸（２０）に連結する、ことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１つに記載の方法。
13. 補助タービン（３０、３４）が過熱器（１４、２２）の近くであって、過熱器（１４、２２）の蒸気ボイラ上に配置される、ことを特徴とする請求項８ないし１２のいずれか１つに記載の方法。
14. 蒸気タービン発電所の再熱器（２２）に第２補助タービン（３４）が後置接続され、該第２補助タービン（３４）に中圧タービンとして設計された第２主タービン（２４）が後置接続され、前記第２補助タービン（２４）が補助駆動軸（３２）上に配置され、第２主タービン（２４）が主駆動軸（２０）上に配置される、ことを特徴とする請求項８ないし１３のいずれか１つに記載の方法。

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