JP4929188B2 - Geothermal power generation system, geothermal power generation apparatus and geothermal power generation method - Google Patents
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Description
本発明は地熱蒸気を利用した発電システム、発電装置ならびに発電方法に関し、特に、蒸気タービンの経年劣化への対応を考慮した装置や方法に関する。 The present invention relates to a power generation system, a power generation apparatus, and a power generation method using geothermal steam, and more particularly, to an apparatus and a method that take into account the response to aging of a steam turbine.
地熱発電システムは、地下のマグマによって加熱された蒸気(地熱蒸気)を、井戸を掘削して地上に導き出し、この蒸気を直接タービンに導入して作動流体とし、回転動力を得るようにしたものである。地熱蒸気の持つエネルギは、地熱蒸気がノズル(静翼)と動翼とから構成されるタービン段落を通って膨張することにより、速度エネルギに変換される。この速度をもった地熱蒸気が動翼に作用して、動翼が植設されているタービンロータを回転させる力を発生させる。 In the geothermal power generation system, steam (geothermal steam) heated by underground magma is led to the ground by drilling a well, and this steam is directly introduced into the turbine to be used as a working fluid to obtain rotational power. is there. The energy of the geothermal steam is converted into velocity energy as the geothermal steam expands through a turbine stage composed of nozzles (stator blades) and moving blades. The geothermal steam having this speed acts on the rotor blades to generate a force for rotating the turbine rotor in which the rotor blades are implanted.
地熱蒸気は、地下水がマグマなどの地熱によって加熱されて発生する性質上、蒸気中に硫化水素、塩分などの腐食性成分や、シリカ、カルシウムなどのスケール成分、さらには、砂、泥、酸化鉄などの固体粒子を含んでいる。また、地熱蒸気は飽和状態、あるいは飽和に近い状態にあるため、タービン内部では蒸気の湿り度が高く、地熱タービンとしては過酷な運用を強いられる状況にある。さらには、地熱蒸気中に含まれる化学成分の種類や濃度、地熱タービンに持ち込まれる固形物の大きさや量、そして地熱蒸気の蒸気状態などは、地熱タービンが設置される地熱地帯や井戸によって異なり、また同じ井戸でも経年的に大きく変化してゆくことが、地熱タービンの設計を一段と複雑なものにしている。 Geothermal steam is generated when groundwater is heated by geothermal heat such as magma, so it contains corrosive components such as hydrogen sulfide and salt, scale components such as silica and calcium, and sand, mud, and iron oxide. Contains solid particles. In addition, since the geothermal steam is in a saturated state or a state close to saturation, the steam is highly humid inside the turbine, and the geothermal turbine is forced to be operated severely. Furthermore, the type and concentration of chemical components contained in geothermal steam, the size and amount of solids brought into the geothermal turbine, and the steam state of the geothermal steam vary depending on the geothermal zone and well where the geothermal turbine is installed, In addition, the fact that the same wells change over time makes the design of geothermal turbines more complex.
地熱蒸気中に硫化水素などの腐食性ガスが含まれていることは、材料の腐食のほか、動翼やノズルおよびタービンロータにとっては、応力腐食割れや腐食疲労に起因する経年的な劣化や損傷といった、地熱タービンの寿命を縮める要因を内在している。たとえば、腐食疲労による損傷は、一般に環境、材料、応力の三要素が重畳した結果生ずるものである。ノズルや動翼およびタービンロータのように高速で回転するため必然的に高応力が生じるタービン部品にとっては、これら三要素の重畳を完全に避けることは困難となる。 The presence of corrosive gas such as hydrogen sulfide in the geothermal steam is due to the corrosion of the material and, over the years, deterioration and damage due to stress corrosion cracking and corrosion fatigue for the rotor blade, nozzle and turbine rotor. There are inherent factors that shorten the life of geothermal turbines. For example, damage due to corrosion fatigue generally occurs as a result of the superposition of the three elements of environment, material, and stress. It is difficult to completely avoid the superposition of these three elements for turbine parts that inevitably generate high stress because they rotate at high speed, such as nozzles, blades, and turbine rotors.
したがって、使用される材料や翼長には、自ずと実用面での制限があり、ひいては地熱タービンの出力にも一定の上限が設けられることになる。つまり、地熱タービンは火力タービンに比べて1台あたりの出力規模が小さくなるため、小型のものを複数作る場合が多い。 Therefore, the materials and blade lengths used are naturally limited in practical use, and as a result, a certain upper limit is set for the output of the geothermal turbine. In other words, since the output scale per unit of the geothermal turbine is smaller than that of the thermal turbine, a plurality of small-sized turbines are often produced.
一方、地熱蒸気の高い湿り度と蒸気中の固体粒子の混入により、タービン各部の蒸気通路部やシール部のドレンエロージョンや固体粒子エロージョンを引き起こす可能性がある。また、湿り蒸気や固体粒子は、地熱蒸気中に含まれる腐食性ガスの存在と相俟って、エロージョンとコロージョンの相乗作用を引き起こし、タービンの損傷を一段と加速する要因となりうる。このため、各タービン段落の出口にはドレンキャッチャを設け、水滴や固形粒子を蒸気通路部外に排出する構成にしており、また、最終段翼の先端部にはエロージョンシールドを貼り付けるなどの損傷防止対策が施されている。 On the other hand, there is a possibility that drain erosion and solid particle erosion will occur in the steam passages and seals of each part of the turbine due to the high wetness of the geothermal steam and the mixing of solid particles in the steam. In addition, wet steam and solid particles, combined with the presence of corrosive gas contained in geothermal steam, can cause a synergistic action of erosion and corrosion, and can further accelerate turbine damage. For this reason, a drain catcher is provided at the outlet of each turbine stage to discharge water droplets and solid particles out of the steam passage, and damage such as attaching an erosion shield to the tip of the final stage blade Preventive measures are taken.
実際の地熱タービンプラントでは、長期運用による地熱蒸気成分の経年変化によって、腐食環境としてはより厳しい方向へと変化する場合があり、タービンの損傷防止対策を講じているにもかかわらず、各部の劣化が進行する例がみられる。したがって、地熱タービンにとっては、経年的な劣化や腐食の進行に対して、効率的に保守、メンテナンスを行なうことにより、信頼性と性能を維持しつつ、如何に稼働率を向上させるかが重要な課題となっている。 In an actual geothermal turbine plant, the corrosive environment may change in a more severe direction due to the secular change of the geothermal steam component due to long-term operation. There is an example of progress. Therefore, it is important for geothermal turbines to improve the operating rate while maintaining reliability and performance through efficient maintenance and maintenance against the progress of deterioration and corrosion over time. It has become a challenge.
一方、地熱エネルギは炭酸ガス排出のないクリーンなエネルギであり、地熱プラントの稼働率向上は火力プラントなどの炭酸ガスを排出する電源の抑制につながるため、環境保全の観点からもさらなる拡大が望まれている。したがって、地熱タービンの保守、メンテナンス性の改善により、プラント性能と稼働率の向上を図ることは、地球環境保護の視点からも推し進めていかなければならない重要テーマである。 On the other hand, geothermal energy is clean energy that does not emit carbon dioxide, and improving the operating rate of geothermal plants leads to the suppression of power sources that emit carbon dioxide from thermal power plants, etc., so further expansion is desired from the viewpoint of environmental conservation. ing. Therefore, improving the plant performance and operating rate by improving the maintenance and maintainability of the geothermal turbine is an important theme that must be promoted from the viewpoint of protecting the global environment.
一般に、地熱タービンには軸流タービンが採用されており、ケーシングとケーシングに内蔵されたタービンロータ、そして静止した翼であるノズル翼と回転する動翼とを組み合せた多段のタービン段落構造により構成される(たとえば特許文献1および2参照)。 In general, an axial flow turbine is adopted as a geothermal turbine, and it is composed of a casing, a turbine rotor built in the casing, and a multistage turbine stage structure in which nozzle blades that are stationary blades and rotating blades are combined. (See, for example, Patent Documents 1 and 2).
高温・高圧の地熱蒸気は、ノズル翼を通って膨張することにより高速の蒸気となり、この高速の蒸気エネルギが動翼を介してタービンロータを回転させる。タービンロータは、前後の軸受けによって支持され、軸端のカップリングを介して発電機と結合され、その回転エネルギを発電機に伝える。 The high-temperature and high-pressure geothermal steam expands through the nozzle blades to become high-speed steam, and this high-speed steam energy rotates the turbine rotor through the rotor blades. The turbine rotor is supported by front and rear bearings, coupled to the generator through a coupling at the shaft end, and transmits the rotational energy to the generator.
タービン段落のうち、最終段を含むうしろの複数段落の動翼は、翼長が大きいため回転による厳しい遠心応力状態で運用される。このような状況下での翼の信頼性を維持するために、翼の固有振動数がタービンロータの回転数の整数倍と一致することによって生ずる翼の共振を避ける設計となっている。このために、これら最終段を含む後方複数段の翼は、タービンメーカの標準設計品として用意されており、タービンのユニットごとに都度設計するのではなく、タービンの排気蒸気量や排気圧力に応じて、標準品の中から適切なものを選択して採用する手法がとられている。 Among the turbine stages, the moving blades in the plurality of stages including the final stage are operated under severe centrifugal stress due to rotation because the blade length is large. In order to maintain the reliability of the blade under such circumstances, the blade is designed to avoid blade resonance caused by the fact that the natural frequency of the blade matches an integer multiple of the rotational speed of the turbine rotor. For this reason, the blades of the rear multiple stages including these final stages are prepared as standard products of the turbine manufacturer, and are not designed for each turbine unit, but are designed according to the amount of exhaust steam and exhaust pressure of the turbine. Therefore, a method is adopted in which an appropriate one is selected and adopted from standard products.
一方、地熱タービンに導かれる地熱蒸気は、地下水がマグマなどの地熱によって加熱されて発生する自然エネルギであるため、その蒸気の圧力や温度といった蒸気条件は、地熱が発掘されるサイトの井戸深さや、その他自然条件によって様々であり、このことが地熱タービンの完全な標準化をさまたげる一因となっている。 On the other hand, since the geothermal steam introduced to the geothermal turbine is natural energy generated by the groundwater being heated by geothermal heat such as magma, the steam conditions such as the pressure and temperature of the steam depend on the well depth at the site where the geothermal heat is excavated. However, it depends on other natural conditions, and this contributes to the hindrance to complete standardization of geothermal turbines.
このため、タービンの入口側、つまり上流側の段落は、当該タービンの入口蒸気流量、圧力、温度といった入口蒸気条件に応じて最高の効率が得られるよう蒸気通路部の検討がなされ、ユニットごとに最適化設計がなされる。すなわち、同じ出力のタービンであっても入口の蒸気条件が異なれば、タービン入口側の段落のノズルや動翼の形状やサイズは異なった形や値に設計され、結果として同一のタービンとはならない。 For this reason, the stage on the inlet side of the turbine, that is, the upstream side, is examined for the steam passage section so that the highest efficiency can be obtained according to the inlet steam conditions such as the inlet steam flow rate, pressure, and temperature of the turbine. Optimization design is made. That is, even if the turbine has the same output, if the steam conditions at the inlet are different, the shape and size of the nozzles and blades in the paragraph on the turbine inlet side are designed to have different shapes and values, and as a result, the same turbine will not be obtained. .
タービンロータを支える軸受けサイズは、タービンロータ重量、タービンロータの伝達トルクすなわち出力やタービンロータの危険速度などを勘案して設定される。またカップリングサイズもタービンロータの出力から決められる。したがって、タービンの出力が異なれば、これらのサイズはそれぞれ異なった値として設計される。
地熱蒸気に含まれるシリカ、カルシウムなどのスケール成分、さらには、砂、泥、酸化鉄などの固体粒子は、タービン蒸気通路部での蒸気の膨張過程において、その一部がノズルや動翼表面に付着する。これらスケールの翼表面への堆積は、蒸気通路部の有効スロート面積を減少させることとなり、タービンの蒸気飲み込み能力を低下させて出力減少へとつながる。 Some of the scale components such as silica and calcium contained in the geothermal steam, and solid particles such as sand, mud, and iron oxide are part of the surface of the nozzle and blades during the steam expansion process in the turbine steam passage. Adhere to. Accumulation of these scales on the blade surface reduces the effective throat area of the steam passage portion, and reduces the steam swallowing ability of the turbine, leading to a reduction in output.
地熱蒸気は飽和状態、あるいは飽和に近い状態にあるため、タービン内部では多量のドレンを含んだ湿り蒸気流れとなっている。この高い湿り度と蒸気中の固体粒子の存在は、タービン各部のシール部の損傷や、ノズル表面や動翼表面のドレンエロージョンや固体粒子エロージョンによる肌荒れを引き起こし、これらは経年的なタービン内部効率の低下の大きな要因となっている。 Since the geothermal steam is in a state of saturation or near saturation, a wet steam flow containing a large amount of drain is generated inside the turbine. This high wetness and the presence of solid particles in the steam cause damage to the seals in each part of the turbine, as well as rough skin due to drain erosion and solid particle erosion on the nozzle surface and blade surface. This is a major factor in the decline.
地熱蒸気中に含まれる腐食性ガスの存在は、湿り蒸気との相乗作用によって、応力腐食割れや腐食疲労による動翼やタービンロータの損傷を引き起こす場合がある。これら蒸気中に含まれる腐食成分に起因する損傷は、蒸気中に含まれる化学成分や濃度が地熱地帯や井戸によって異なり、また経年的にも変化していくことから、地熱サイトごとの固有の対応が求められている。 The presence of corrosive gas contained in the geothermal steam may cause damage to the rotor blade and the turbine rotor due to stress corrosion cracking and corrosion fatigue due to synergistic action with the wet steam. The damage caused by the corrosive components contained in the steam is unique to each geothermal site because the chemical composition and concentration contained in the steam vary depending on the geothermal zone and well and change over time. Is required.
これら地熱タービン特有の問題点を克服するために、定期的にタービンを開放して、ノズル翼、動翼のスケール落としと磨きや、損傷したシール用パッキン類など部品の交換、あるいはまた各部位の健全性確認のための検査が行なわれている。しかしながら、頻繁なタービン開放はプラントの稼働率の低下を招き、地熱プラント運用を含めたトータル効率向上の観点からは好ましくない。 In order to overcome the problems inherent to these geothermal turbines, the turbine is opened periodically, the nozzle blades, moving blades are scaled and polished, damaged seal packings are replaced, or each part is replaced. Inspection to confirm the soundness is performed. However, frequent turbine opening causes a decrease in the operation rate of the plant, which is not preferable from the viewpoint of improving the total efficiency including geothermal plant operation.
たとえば、シングル・ケーシングの地熱タービンの1回の定期タービン開放点検に25日かかるとして、これを2年ごとに行なえば、年平均のダウンタイムは12.5日となる。つまり、この点検のための稼働率の低下としては、12.5/365=3.4%という大きな値となる。 For example, if it takes 25 days for one periodic turbine opening inspection of a single casing geothermal turbine, if this is done every two years, the annual average downtime will be 12.5 days. That is, the reduction in the operation rate for this inspection is a large value of 12.5 / 365 = 3.4%.
さらに、開放点検中に、動翼やタービンロータその他大物部品に損傷が見出された場合には、その部品の調達と組み立てに長期の日数を要することとなり、プラントのダウンタイムは大幅に延びて、その経済的損失はかなり大きなものになる。 In addition, if damage is found in the rotor blades, turbine rotors, or other large parts during open inspection, it will take a long time to procure and assemble the parts, greatly reducing plant downtime. The economic loss will be quite large.
この定期タービン開放点検によるタービン稼働率の低下を抑制方法として、タービンロータやノズルダイアフラムといったタービンの大物部品の予備を用意しておく方法がある。つまり、タービン開放と同時に中身を予備品と取り替え、すぐ組み立てて運転に入るものである。これにより、タービンのダウンタイムは最小に押さえることができる。取り出された旧品は、次回定期タービン開放までの間に、手入れと検査、補修を行なうことができる。 As a method for suppressing a decrease in the turbine operation rate due to the periodic turbine opening inspection, there is a method of preparing spare parts of a turbine such as a turbine rotor and a nozzle diaphragm. In other words, as soon as the turbine is opened, the contents are replaced with spare parts, and they are immediately assembled and put into operation. As a result, the downtime of the turbine can be minimized. The removed old product can be maintained, inspected and repaired until the next regular turbine opening.
たとえば、タービンロータやノズルダイアフラムの予備を用意しておいて取り替えるだけであれば、シングル・ケーシングのタービン分解組み立てに要する日数は7日として、これを2年ごとに行なえば、年平均のダウンタイムは3.5日で済む。稼働率への影響は、3.5/365=1.0%となって、予備品のない場合に比べて、2.4%もの大きな改善になる。 For example, if a spare turbine rotor or nozzle diaphragm is prepared and replaced, the number of days required to disassemble and assemble a single casing turbine is 7 days. Takes 3.5 days. The effect on the operating rate is 3.5 / 365 = 1.0%, which is a large improvement of 2.4% compared to the case without spare parts.
しかしながら前述したように、地熱タービンの入口蒸気条件は、サイトの蒸気井ごとに多種多様であるために、異なるサイトの地熱タービンに対して標準仕様の同一タービンにて対応することには無理があり、当然の帰結としてサイトごとの最適設計が行なわれてきた。つまり、ユニットごとにノズル翼や動翼の寸法が異なるため、予備タービンロータなどを用意しようとすると、それぞれに備えることとなって、経済性の観点から実現が困難となっていた。 However, as mentioned above, the inlet steam conditions of geothermal turbines vary widely for each steam well at the site, so it is impossible to cope with geothermal turbines at different sites with the same standard turbine. As a natural consequence, optimal design for each site has been carried out. That is, since the dimensions of the nozzle blades and the moving blades are different for each unit, provision of a spare turbine rotor or the like is required for each unit, which is difficult to realize from the viewpoint of economy.
上記事情に鑑み、本発明は、地熱発電システムにおける保守を容易にし、経済性を高めることを目的とする。 In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to facilitate maintenance in a geothermal power generation system and improve economy.
この発明は上記目的を達成するものであって、一つの態様は、それぞれが別個のタービンケーシングに内蔵された別個のタービンロータを備えて互いに異なる蒸気条件に対応して設計された複数の多段軸流蒸気タービンと、前記多段軸流蒸気タービンの内の少なくとも一つに結合された少なくとも一つの発電機と、前記複数の多段軸流蒸気タービンに共通に使用可能な少なくとも一つの予備タービンロータと、を有する地熱発電システムであって、前記多段軸流蒸気タービンはそれぞれが、タービンケーシングと、このタービンケーシングに固定された複数の軸受けと、これらの軸受けによって回転支持されて前記タービンケーシング内に収容されたタービンロータとを有し、前記各タービンケーシング内のタービンロータおよび予備タービンロータはそれぞれが、両端部に配置されて他のタービンロータおよび発電機に結合可能なカップリングと、複数の動翼と、前記複数の軸受けに接してそれらの軸受けによって支持され得る複数の軸受け支持部と、を有し、前記タービンケーシングに内蔵されたタービンロータおよび前記予備タービンロータについて、前記軸受け支持部間の距離、前記カップリング間の距離、前記動翼の最大高さおよび前記カップリングの寸法が互いに共通であって、前記予備タービンロータのタービン入口側段落の動翼の高さが、前記複数の多段軸流蒸気タービンのタービン入口側段落の動翼の高さのうちの最大のものに等しいこと、を特徴とする。 The present invention achieves the above object, and in one aspect, a plurality of multi-stage shafts each having a separate turbine rotor built in a separate turbine casing and designed for different steam conditions. A flow steam turbine, at least one generator coupled to at least one of the multi-stage axial steam turbines, and at least one auxiliary turbine rotor that can be commonly used for the plurality of multi-stage axial steam turbines; The multi-stage axial flow steam turbine includes a turbine casing, a plurality of bearings fixed to the turbine casing, and rotationally supported by the bearings and accommodated in the turbine casing. Turbine rotors and spare turbines in each turbine casing. Each of the rotors is disposed at both ends and can be coupled to other turbine rotors and generators, a plurality of rotor blades, and a plurality of bearing supports that can be supported by the bearings in contact with the plurality of bearings About the turbine rotor and the spare turbine rotor built in the turbine casing, the distance between the bearing support portions, the distance between the couplings, the maximum height of the moving blades and the coupling The dimensions of the blades in the turbine inlet side stage of the preliminary turbine rotor are the same as the height of the blades in the turbine inlet side stage of the plurality of multistage axial steam turbines. It is equal to.
また、この発明の他の態様は、複数の多段軸流蒸気タービンと、これらの多段軸流蒸気タービンに結合された少なくとも一つの発電機と、前記多段軸流蒸気タービンおよび発電機に結合されていない予備タービンロータと、を有する地熱発電装置であって、前記多段軸流蒸気タービンはそれぞれが、タービンケーシングと、このタービンケーシングに固定された複数の軸受けと、これらの軸受けによって回転支持されて前記タービンケーシング内に収容されたタービンロータとを有し、前記各タービンケーシング内のタービンロータおよび予備タービンロータはそれぞれが、両端部に配置されて他のタービンロータおよび発電機に結合可能なカップリングと、複数の動翼と、前記複数の軸受けに接してそれらの軸受けによって支持され得る複数の軸受け支持部と、を有し、前記各タービンケーシング内のタービンロータおよび予備タービンロータについて、前記軸受け支持部間の距離、前記カップリング間の距離、前記動翼の最大高さおよび前記カップリングの寸法が互いに共通であって、前記各タービンケーシング内タービンロータの内の一つと前記予備タービンロータとを交換して運転可能に構成されていること、を特徴とする。 In another aspect of the present invention, a plurality of multistage axial steam turbines, at least one generator coupled to the multistage axial steam turbines, and the multistage axial steam turbine and the generator are coupled. A multistage axial-flow steam turbine, each of which has a turbine casing, a plurality of bearings fixed to the turbine casing, and is rotatably supported by these bearings. A turbine rotor housed in a turbine casing, each of the turbine rotor and the spare turbine rotor in each turbine casing being disposed at both ends and coupled to another turbine rotor and a generator. A plurality of moving blades and a plurality of blades that are in contact with the plurality of bearings and can be supported by the bearings. Has a bearing support portion, said about the turbine rotor and the spare turbine rotor in each turbine casing, the distance between the bearing support portion, the distance between the coupling, the maximum height and the coupling of the rotor blade Are common to each other, and are configured to be operable by exchanging one of the turbine rotors in each turbine casing and the spare turbine rotor.
この発明のさらに他の態様は、それぞれが別個のタービンケーシングに内蔵された別個のタービンロータを備えて互いに異なる蒸気条件に対応して設計された複数の多段軸流蒸気タービンを運用し、前記複数の多段軸流蒸気タービンに共通に使用可能な少なくとも一つの予備タービンロータをタービンケーシングの外に保管する地熱発電方法であって、前記複数の多段軸流蒸気タービンおよび前記予備タービンロータについて、最終段翼の翼長、カップリング寸法、カップリングスパン、軸受け寸法、軸受けスパンのそれぞれが互いに等しく、前記予備タービンロータのタービン入口側段落の動翼の高さが、前記複数の多段軸流蒸気タービンのタービン入口側段落の動翼の高さのうちの最大のものに等しく、前記複数の多段軸流蒸気タービンのタービンロータのうちで保守が必要なものについて、前記タービンケーシングから取り出して前記予備タービンロータで置き替えること、を特徴とする。 According to still another aspect of the present invention, a plurality of multi-stage axial flow steam turbines each having a separate turbine rotor housed in a separate turbine casing and designed for different steam conditions are operated. A geothermal power generation method for storing at least one spare turbine rotor that can be commonly used in a multistage axial steam turbine of the present invention outside a turbine casing, the last stage of the plurality of multistage axial steam turbines and the spare turbine rotor. The blade length, the coupling dimension, the coupling span, the bearing dimension, and the bearing span of the blades are equal to each other, and the height of the moving blade in the turbine inlet-side stage of the preliminary turbine rotor is set to be equal to that of the plurality of multistage axial steam turbines. The plurality of multi-stage axial steam turbines equal to the largest of the rotor blade heights of the turbine inlet side paragraph; For what maintenance is required among the turbine rotor, and wherein, to replace them with the spare turbine rotor is removed from the turbine casing.
この発明によれば、地熱発電システムにおける保守が容易となり、地熱発電システムの稼働率向上を図ることができ、経済性を高めることができる。 According to this invention, the maintenance in the geothermal power generation system becomes easy, the operation rate of the geothermal power generation system can be improved, and the economic efficiency can be improved.
以下に、本発明に係る地熱発電システムの実施形態について添付図面を参照して説明する。 Embodiments of a geothermal power generation system according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
まず、図1〜図5を参照して第1の実施形態を説明する。図1は本発明の第1の実施形態に係る地熱発電システムの一つの多段軸流タービンの上半縦断面図であり、図2は図1と異なる多段軸流タービンの上半縦断面図である。また、図3は図1の多段軸流タービンの第1段落の部分縦断面図であり、図4は図2の多段軸流タービンの第1段落の部分縦断面図である。さらに、図5はこの第1の実施形態における予備タービンロータの上半縦断面図である。 First, a first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an upper half longitudinal sectional view of one multistage axial flow turbine of the geothermal power generation system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an upper half longitudinal sectional view different from FIG. is there. 3 is a partial vertical sectional view of the first stage of the multistage axial flow turbine of FIG. 1, and FIG. 4 is a partial vertical sectional view of the first stage of the multistage axial turbine of FIG. Further, FIG. 5 is an upper half longitudinal sectional view of the spare turbine rotor in the first embodiment.
図1に示す地熱タービン10aは、タービンケーシング12a内にタービン段落13aが多段落構造にかつ同芯状に配設される。タービン段落13aは、タービンケーシング12aに固定されたノズルダイアフラム15aと一体をなす複数のノズル翼16aと、タービンロータ11aに植え込まれてノズル翼16aの下流側に配置される複数の動翼14aとを組み合わせて構成されている。
In a
ノズルダイアフラム15aは、ノズル翼16aの外側のノズルダイアフラム外輪151aと、ノズル翼16aの内側のノズルダイアフラム内輪152aとを有する。ノズルダイアフラム外輪151aは、タービンケーシング12a内側に支持固定され、タービンロータ11aと同芯に配置され、ノズルダイアフラム内輪152aは、ノズル翼16aの内側でタービンロータ11aと同芯に配置されている。
The
タービンロータ11aは、タービン前後の軸受け21a、22aによって回転可能に支持されている。これら軸受け21a、22aの中心間の距離は軸受けスパンL1aである。タービンロータ11aの軸端にはカップリング24a、25aがあり、このうち一方のカップリングは発電機(図12〜図14参照)のカップリングと結合され、回転動力を発電機に伝達する。カップリング24a、25aの外面間の距離はカップリングスパンL2aである。
The
地熱井よりタービンに導かれた高温、高圧蒸気はタービン蒸気室17aに入り、第1段ノズル翼18aを通って膨張することにより高速の蒸気となり、この高速の蒸気エネルギが第1段動翼19aを通過する際に、タービンロータ11aに回転動力を与える。第1段落で仕事をした蒸気は、順次後続段落で膨張しながら仕事をなし、最終段動翼20aを出た後、復水器(図示せず)へと排出される。
The high-temperature and high-pressure steam guided from the geothermal well to the turbine enters the
図2に示されるタービン10bの各部品の記号は、図1に示されるタービン10aの相対応する部品記号の末尾「a」を「b」に置き替えて示される。地熱タービン10aと10bとではタービンの蒸気条件、つまり、蒸気井より得られる地熱蒸気のタービン入口圧力、温度、流量、あるいは排気圧力、または2段フラッシュ蒸気の圧力、あるいはその有無などのうちのいくつかが異なっている。
The symbol of each component of the
ここでは、地熱タービン10aのタービン入口蒸気体積流量が、地熱タービン10bのタービン入口蒸気体積流量より大きい場合を例に挙げて説明する。
Here, the case where the turbine inlet steam volume flow rate of the
前述のように、蒸気タービンの最終段を含む後ろ数段落の動翼は、翼がタービンロータの回転に関わる励振力によって共振することを避けるために、タービンメーカの標準設計品として用意されている。地熱タービン10aと10bとは、それぞれの最終段動翼20a、20bを含む後ろ複数段落に、同じ翼長を有する最終段翼シリーズを採用する。なお、地熱タービン10bのケーシングなどの静止部は、図1に示した地熱タービン10aのケーシングとほぼ同じ大きさとなっている。
As described above, the rotor blades in the last few stages including the final stage of the steam turbine are prepared as a standard design product of the turbine manufacturer in order to prevent the blades from resonating due to the excitation force related to the rotation of the turbine rotor. . The
また、それぞれのタービンロータ11aと11bの基本寸法であるカップリング24aと24b、および25aと25b、そしてカップリングスパンL2aとL2bは、それぞれ同じ寸法に設計される。さらに、タービン前後の軸受け21aと21b、および22aと22b、そして軸受けスパンL1aとL1bも、それぞれ同じ寸法に設計される。
Further,
タービン入口の第1段落、あるいは第1段落を含む複数段の入口側段落のノズル翼と動翼は、それぞれのタービン入口蒸気条件、すなわち圧力、温度および流量に適合するよう設計されるため、地熱タービン10aと10bとでは、これら段落のノズル翼および動翼の寸法が互いに異なる。
Since the nozzle blades and rotor blades of the first stage of the turbine inlet, or a plurality of inlet side stages including the first stage, are designed to meet respective turbine inlet steam conditions, i.e., pressure, temperature and flow rate, In the
具体例として、第1段落を見てみるならば、図3において、タービン入口蒸気体積流量が大きい地熱タービン10aの第1段落ノズル翼18aの出口高さ(長さ)L3aと動翼19aの出口高さ(長さ)L4aは、図4における地熱タービン10bの第1段落ノズル翼18bの出口高さ(長さ)L3bおよび動翼19bの出口高さ(長さ)L4bよりも、それぞれ大きく設計される。
As a specific example, looking at the first stage, in FIG. 3, the outlet height (length) L3a of the first
この第1の実施形態では、複数のタービンロータ11a、11bと取り替えが可能な予備タービンロータ11cを用意する。図5に示す予備タービンロータ11cで、最終段動翼20cを含む後ろ複数段落の動翼翼長は、複数の地熱タービン10a、10bに使用される最終段動翼20a、20bを含む後ろ複数段落の動翼翼長と同じである。
In the first embodiment, a
また、予備タービンロータ11cのカップリング24cと25c、およびカップリングスパンL2cは、それぞれタービンロータ11a、11bのカップリング24a、24bと25a、25b、およびカップリングスパンL2a、L2bと同じ寸法を有する。さらに、予備タービンロータの軸受け21cと22c、および軸受けスパンL1cは、タービンロータ11a、11bの軸受け21a、21bと22a、22b、および軸受けスパンL1a、L1bとそれぞれ同じ寸法である。
Further, the
一方、予備タービンロータ11cのタービン入口側1段あるいは複数段落の動翼寸法は、蒸気条件の異なる複数の地熱タービンのなかで、タービン入口側のこれら段落の動翼寸法が最大のものに一致、あるいはそれに近い値に設定される。この予備タービンロータ11cは、どの地熱タービンに挿入されても、当初の計画出力をほぼ満足させる運転が可能となっている。
On the other hand, the blade size of the first stage or multiple stages of the turbine inlet side of the
具体例として、予備タービンロータ11cのタービン入口側段落の動翼寸法を、複数の地熱タービンのうちでタービン入口側段落の動翼寸法が最大のもの、つまりタービンロータ11aと一致させた場合を考察してみる。
As a specific example, consider the case where the moving blade size of the turbine inlet-side stage of the
図6は、地下マグマによって加熱された地熱水をフラッシャに導き、フラッシャにて減圧することにより発生する飽和蒸気をもって地熱タービンを駆動して動力を発生させる地熱プラントシステムにおいて、最大のタービン出力を得るためのフラッシャ圧力の最適化を検討するための特性曲線の一例である。図6では、フラッシャ圧力とタービン出力とは、それぞれ最大値で無次元表示してある。なお、フラッシャ圧力は、タービン入口蒸気圧力と読み直してもよい。 FIG. 6 shows the maximum turbine output in a geothermal plant system in which geothermal water heated by underground magma is guided to a flasher and the geothermal turbine is driven by saturated steam generated by depressurizing the flasher to generate power. It is an example of the characteristic curve for examining optimization of the flasher pressure for obtaining. In FIG. 6, the flasher pressure and the turbine output are each dimensionlessly displayed as maximum values. The flasher pressure may be re-read as the turbine inlet steam pressure.
同じ熱水量をベースに検討する場合、最適値よりフラッシャ圧力を低く設定した場合には、発生する飽和蒸気のエンタルピが低くなるために、単位蒸気量から抽出できるエネルギ量が減ってタービン出力を減少する方向に作用する。しかし一方では、発生する飽和蒸気のエンタルピが低いことは、同じ熱水エネルギから蒸発する飽和蒸気の流量を増やすこととなり、この蒸気量の増大はタービン出力を増加する方向に作用する。このため、トータルとしてのタービン出力の減少は極めて少ない。これは、地熱プラント固有の特性であって、この特性を有効に活用することによって、タービン入口蒸気条件の異なる複数の地熱タービンに関して、共通の予備タービンロータを用意することが可能となる。 When considering the same amount of hot water, if the flasher pressure is set lower than the optimum value, the enthalpy of the generated saturated steam will be lower, so the amount of energy that can be extracted from the unit steam volume will decrease and the turbine output will decrease. It acts in the direction to do. However, on the other hand, when the enthalpy of the generated saturated steam is low, the flow rate of the saturated steam evaporated from the same hot water energy is increased, and this increase in the amount of steam acts in the direction of increasing the turbine output. For this reason, the decrease in the total turbine output is extremely small. This is a characteristic unique to the geothermal plant. By effectively utilizing this characteristic, a common spare turbine rotor can be prepared for a plurality of geothermal turbines having different turbine inlet steam conditions.
この実施形態のように、予備タービンロータの入口側段落の動翼寸法として、蒸気条件の異なる複数の地熱タービンの中でこれら寸法の最大に近い値に設定した予備タービンロータを、これより小さな入口側動翼寸法を有するタービンに挿入して使用することは、図6においてフラッシャ圧力を最適値より低い値で運用することに相当する。 As in this embodiment, as the moving blade size of the inlet side stage of the preliminary turbine rotor, a preliminary turbine rotor set to a value close to the maximum of these dimensions among a plurality of geothermal turbines having different steam conditions is used. Inserting and using a turbine having a side blade size corresponds to operating the flasher pressure at a value lower than the optimum value in FIG.
一方、これとは逆に、仮に、予備タービンロータの入口側段落の動翼寸法として、蒸気条件の異なる複数の地熱タービンの中でこれら寸法の最小に近い値に設定した予備タービンロータを、これより大きな入口側動翼寸法を有するタービンに挿入して使用することを想定すると、これは、フラッシャ圧力を最適値より高い値で運用することに相当する。この場合にも図6に見られるとおり、タービン出力の減少は大きくないが、こちらの特性を利用して共通予備タービンロータを用意することは、共通予備タービンロータを既設タービンの挿入した場合に、オリジナルタービンロータのタービン設計条件よりも主蒸気圧力を高くすることによってタービン出力を確保することになるが、過大な圧力の上昇はプラント全体の機器の強度設計にも影響を及ぼすこととなって、好ましくない。 On the other hand, on the other hand, a spare turbine rotor set to a value close to the minimum of these dimensions among a plurality of geothermal turbines having different steam conditions is assumed as the moving blade dimension of the inlet side stage of the spare turbine rotor. Assuming that it is inserted into a turbine having a larger inlet blade size, this corresponds to operating the flasher pressure at a value higher than the optimum value. In this case as well, as shown in FIG. 6, the decrease in turbine output is not large, but preparing a common spare turbine rotor using these characteristics means that when a common spare turbine rotor is inserted into an existing turbine, By increasing the main steam pressure higher than the turbine design conditions of the original turbine rotor, the turbine output will be secured, but the excessive pressure rise will affect the strength design of the equipment of the entire plant, It is not preferable.
さて、予備タービンロータ11cとして、タービン入口側段落の動翼寸法の大きな地熱タービン10aのタービンロータ11aと同じ寸法のものを、タービン入口蒸気体積流量の小さな地熱タービン10bに挿入した場合を考察してみる。
Now, a case where a
考察を容易にするために仮想的な例として、予備タービンロータ11cと共に地熱タービン10aのタービン入口側段落のノズルダイアフラムも併せて地熱タービン10bに挿入したケースを想定してみる。つまり、地熱タービン10aと同じものを、地熱タービン10bの蒸気条件のもとで運転することに相当する。この状態では地熱タービン10bは、蒸気飲み込み能力の大きいタービンとなっているために、オリジナルの蒸気条件にはマッチングしない。その結果として、タービン入口蒸気圧力がオリジナルの値よりも低い状態で運転されることとなる。
As a hypothetical example for ease of discussion, let us assume a case where the nozzle diaphragm at the turbine inlet side stage of the
図6の特性曲線で説明するならば、オリジナルの地熱タービン10bは、タービン入口蒸気圧力1.0で設計されているのに対して、予備タービンロータ11cを挿入することにより、タービン入口蒸気圧力が1.0より小さな値で運用されることに相当する。仮にタービン入口蒸気圧力が大きく低下して0.8、つまり、20%も下がった状態で運転されることになったとしても、タービン出力の低下量は1%にも満たない。これが上述した地熱プラント固有の特性であって、フラッシャ圧力、つまりタービン入口圧力の変動に対する出力の変化が極めて小さい。この程度の出力の変化は、通常の地熱プラントの設計裕度のなかで十分にカバーできる範囲のものである。
If it demonstrates with the characteristic curve of FIG. 6, the original
現実的な事例として、予備タービンロータ11cのみを地熱タービン10bに挿入し、タービン入口側段落のノズルダイアフラムはオリジナルのものをそのまま使用して運転する場合には、これらノズル翼の寸法は地熱タービン10aのものより小さいため、蒸気飲込み能力は上記の事例よりも減少してオリジナルに近くなり、タービン入口蒸気圧力の低下も少なくて済む。つまり、タービン出力の低下は、さらに少なくなることとなって、地熱タービン10bは共通予備タービンロータ11cを挿入後も、定格出力での運転が十分可能であることがわかる。
As a practical example, when only the
この実施形態によれば、地熱サイトごとに異なった蒸気条件のもとに設計される複数の地熱タービンに対して、共通の予備タービンロータを備えることが可能となり、もって地熱プラントの稼働率向上、メンテナンス性改善に寄与することができる。 According to this embodiment, it becomes possible to provide a common spare turbine rotor for a plurality of geothermal turbines designed under different steam conditions for each geothermal site, thereby improving the operating rate of the geothermal plant, It can contribute to improvement of maintainability.
なお、本実施形態において、予備タービンロータ11cの第1段などの動翼寸法はオリジナルのタービンロータ11bの寸法よりも大きいが、上述の通り、地熱タービン10a、10bの最終段の動翼寸法は共通しており、またケーシングの寸法もほぼ共通することから、地熱タービン10bに適用することが十分に可能である。
In this embodiment, the blade size of the first stage of the
次に、図7および図8を参照して本発明に係る地熱発電システムの第2の実施形態を説明する。ここで、図1〜図5および第1の実施形態に関する上述の構成については第2の実施形態でも共通であるので重複説明は省略する。 Next, a second embodiment of the geothermal power generation system according to the present invention will be described with reference to FIGS. Here, the above-described configuration relating to FIGS. 1 to 5 and the first embodiment is common to the second embodiment, and therefore, a duplicate description is omitted.
図7は、第2の実施形態の一つの多段軸流タービンの一つの段落における流れの方向に沿う断面図であり、図8は、第2の実施形態の図7と異なる多段軸流タービンの一つの段落における流れの方向に沿う断面図である。 FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the direction of flow in one stage of one multi-stage axial turbine of the second embodiment, and FIG. 8 is a cross-sectional view of the multi-stage axial turbine different from FIG. 7 of the second embodiment. It is sectional drawing which follows the direction of the flow in one paragraph.
この第2実施形態は、タービン入口側段落の反動度に特徴がある。タービンの反動度とは、タービン段落の熱落差に占める動翼における熱落差の割合を表す。反動度が正ということは、動翼における熱落差が正であること、つまり、動翼内の流れが増速流であることを示す。逆に、反動度が負ということは、動翼における熱落差が負になって流れは減速流となり、段落効率の低下をまねく。このため、一般にタービン段落の設計においては、反動度には正の値がとられる。 The second embodiment is characterized by the degree of reaction at the turbine inlet side stage. The turbine reaction rate represents the ratio of the heat drop in the rotor blades to the heat drop in the turbine stage. A positive reaction degree indicates that the heat drop in the rotor blade is positive, that is, the flow in the rotor blade is a speed-up flow. On the contrary, if the reaction degree is negative, the heat drop in the moving blade becomes negative and the flow becomes a decelerating flow, which leads to a reduction in paragraph efficiency. For this reason, in general, in the design of the turbine stage, a positive value is taken as the reaction degree.
図7と図8は、同じスロート面積S2aおよびS2bを有する動翼30aおよび30bを使用する二つの段落において、ノズル翼29aおよび29bのスロート面積S1aおよびS1bの差による反動度の違いを説明する図である。大きなスロート面積S1aを有するノズル翼29aでは、同じ流量を流した場合のノズル翼出口速度が、小さなスロート面積S1bを持つノズル翼29bより遅くなる。したがって、ノズル翼29aでの速度エネルギ、すなわち熱落差が小さく、段落熱落差の内で相対的に動翼30aの熱落差の占める割合が大きくなって、図7は反動度の高い段落となる。これをスロート面積比(=動翼スロート面積S2/ノズル翼スロート面積S1)で見るならば、スロート面積比の小さな図7は、反動度の高い段落ということになる。
FIGS. 7 and 8 are diagrams for explaining the difference in reaction degree due to the difference between the throat areas S1a and S1b of the
タービン入口側段落の動翼寸法の大きな地熱タービン10aのタービンロータ11aと同じ寸法の予備タービンロータ11cを地熱タービン10bのタービンケーシング12bに挿入し、地熱タービン10bのオリジナルノズル翼と組み合わせて使用する場合、地熱タービン10bのノズル翼寸法は地熱タービン10aのそれらより小さいため、結果としてこれら段落のスロート面積比は地熱タービン10aの値より大きくなる。つまり、反動度が低くなる。この場合、反動度が負の値になると段落効率の低下を招くが、この第2実施形態では、あらかじめタービン10aのタービン入口側段落の反動度を高めに設定しておく。これによって、予備タービンロータの使用時に負の反動度に陥ることを避けることが可能となり、高い効率を維持することができる。
When the
ここに示した動翼30aおよび30bは、同じスロート面積S2aおよびS2bを有する動翼、つまり同じ翼長をもつ同一の翼を想定しているが、ノズルに関して見るならば、図7のノズル翼29aのスロート面積S1aは、図8のノズル翼29bのスロート面積S1bより大きく設定されている。しかして、図7のノズル翼29aと動翼30aより構成される段落33aは、図8に示される段落33bよりも大きな蒸気飲み込み能力を有する。スロート面積比で言うならば、前述のように、段落33aは段落33bより小さな値、反動度で言うならば高い反動度を有する段落となる。
The moving
このように、スロート面積比を小さくして反動度を高めた設計、つまり、大きなスロート面積をもつノズル翼を用いることにより、タービン入口蒸気体積流量の大きなタービン段落の翼長の増大を抑え、タービン入口蒸気体積流量の小さなタービンと同一、あるいは同等の寸法の動翼を有するタービンロータを設計することが可能となる。すなわち、これらタービンロータに互換性をもたせることもできて、容易に共通予備タービンロータを持つことが実現される。 In this way, by using a nozzle blade with a large throat area by reducing the throat area ratio and increasing the reaction rate, that is, by suppressing the increase in the blade length of the turbine stage having a large turbine inlet steam volume flow rate, It is possible to design a turbine rotor having moving blades having the same or equivalent dimensions as a turbine having a small inlet steam volume flow rate. That is, these turbine rotors can be interchanged, and it is easy to have a common spare turbine rotor.
次に、図9〜図11を参照して本発明に係る地熱発電システムの第3の実施形態を説明する。ここで、第1の実施形態の説明における図1、図2、図5に関する説明は第3の実施形態でも共通であるので重複説明は省略する。図9は一つの多段軸流タービンで予備タービンロータを挿入した場合の一つの段落の部分縦断面図、図10は図9と異なる多段軸流タービンで予備タービンロータを挿入した場合の一つの段落の部分縦断面図、図11は多段軸流タービンで予備タービンロータおよび予備ノズルダイアフラムを挿入した場合の一つの段落の部分縦断面図である。 Next, a third embodiment of the geothermal power generation system according to the present invention will be described with reference to FIGS. Here, since the description regarding FIG.1, FIG.2, FIG.5 in description of 1st Embodiment is common also in 3rd Embodiment, duplication description is abbreviate | omitted. FIG. 9 is a partial longitudinal sectional view of one stage when a spare turbine rotor is inserted in one multi-stage axial turbine, and FIG. 10 is one paragraph when a spare turbine rotor is inserted in a multi-stage axial turbine different from FIG. FIG. 11 is a partial longitudinal sectional view of one stage when a spare turbine rotor and a spare nozzle diaphragm are inserted in a multistage axial flow turbine.
予備タービンロータ11cのタービン入口側段落の動翼寸法として、複数の地熱タービンの中でそれら寸法の最大のもの、つまりタービンロータ11aの寸法より若干小さいものを採用した場合を考察してみる。この場合、図9および図10に示すとおり、予備タービンロータ11cを地熱タービン10aあるいは10bに挿入した場合、タービン入口側段落のノズル翼高さL3a、L3bと動翼の高さL4cの間に段差L7a、L7bが生ずる。この段差L7a、L7bが過大であると、流れの乱れによりエネルギの損失が発生するが、予備タービンロータに適合する予備ノズルダイアフラム15cを用いることで、この段差による段落効率への悪影響を解消することができる。
Consider a case where the largest blade size of a plurality of geothermal turbines, that is, a size slightly smaller than the size of the
たとえば、図9に示すように、予備タービンロータの動翼19cの翼高さL4cが、ノズル翼18aの高さL3aよりも低くなるような場合には、図11に示すような動翼と適合するノズル翼高さL3cを有する予備ノズルダイアフラム15cを用いる。このとき、予備ノズル翼高さL3cが地熱タービン10aのノズル翼高さL3aより低くなったことによる蒸気飲み込み能力の減少を防ぐために、取り付け角を広げることによってノズル翼18cのスロート面積をノズル翼18aのスロート面積と同等に設定するとよい。
For example, as shown in FIG. 9, when the blade height L4c of the
これにより、予備タービンロータ11cを具備したタービンはオリジナルのタービン10aと同等の蒸気飲み込み能力を維持することとなる。このため、計画の蒸気量を流したときのタービン入口蒸気状態はオリジナルの値と同等となり、定格出力運転が可能となる。このとき、スロート面積比は、動翼の高さが低くなって動翼のスロート面積が減少した分だけオリジナルより小さくなる。
As a result, the turbine equipped with the
また、図10に示すように、予備タービンロータの動翼高さL4cが、ノズル翼高さL3bに比べて高すぎる場合には、図11に示すような動翼と適合するノズル翼高さL3cを有する予備ノズルダイアフラム15cを用いることにより、オリジナルより蒸気飲み込み能力の大きなタービンとなる。この場合のタービンの特性は前述のとおりであり、定格出力運転が可能である。なお、この場合、予備ノズルダイアフラム15cのノズル翼18cの取り付け角を小さくしてスロート面積を減少させることにより、タービンの蒸気飲み込み能力をオリジナルのタービン10bと同等にすることができる。このとき、スロート面積比は、動翼の高さが高くなって動翼のスロート面積が増大した分だけオリジナルより大きくなる。
Further, as shown in FIG. 10, when the blade height L4c of the spare turbine rotor is too high compared to the nozzle blade height L3b, the nozzle blade height L3c suitable for the blade as shown in FIG. By using the
なお、予備ノズルダイアフラム15cは、元のノズルダイアフラム15bと同様に、元のタービン10bを形成するタービンケーシング12bに支持固定され、予備タービンロータ11cと同芯状に配置される。ここで、元のノズルダイアフラム15bを形成するノズルダイアフラム外輪151bの寸法は通常、十分に余裕のある大きさであり、図11に示すように予備ノズルダイアフラム外輪151cで置き換えられて元のノズルダイアフラム外輪151bよりも外形が大きくなったとしても、予備ノズルダイアフラム15cをタービンケーシング12bに支持固定する程度のスペース的余裕がある。しかし、予備ノズルダイアフラム外輪151cの外形スペースに余裕がない場合には、外周をタービンケーシング12bに合わせて整形すればよく、なんら支障は生じない。
The
地熱プラントは長年の運転の間に、その蒸気の特性に経年的な変化が生ずることがある。特に蒸気井が枯渇して発生蒸気流量が減少する場合には、定格の出力が得られないだけでなく、蒸気条件とタービンサイズのミスマッチングによる損失が無視できない。これに対する最良の対策は、変化した蒸気条件に見合ったタービンに改造することであるが、経済性の観点から実現されない場合がある。 Geothermal plants can undergo aging changes in their steam characteristics during many years of operation. In particular, when the steam well is depleted and the generated steam flow is reduced, not only the rated output is not obtained, but also the loss due to mismatch between the steam conditions and the turbine size cannot be ignored. The best solution to this is to modify the turbine to meet the changed steam conditions, but this may not be realized from an economic point of view.
そこでその対応策の一つとして、取り出したオリジナルのロータあるいはノズルダイアフラムを改造することで、変化した蒸気条件に対応することができる。ノズルダイアフラムの改造についての最も容易な方法としては、たとえば、ノズル翼の流路の一部に栓または蓋をして部分挿入とする案がある。しかしこの方法は動翼に対する蒸気励振力を増大させるため、信頼性の観点から好ましくない。 Therefore, as one of the countermeasures, it is possible to cope with the changed steam conditions by modifying the taken out original rotor or nozzle diaphragm. As the simplest method for remodeling the nozzle diaphragm, for example, there is a proposal of partially inserting a plug or lid into a part of the flow path of the nozzle blade. However, this method is not preferable from the viewpoint of reliability because it increases the steam excitation force on the rotor blade.
そこで、一例として、タービン入口側1段あるいは複数段落のノズル翼の高さL3cをオリジナルの値より低く改造することによって、蒸気飲み込み能力を減少させ、新蒸気条件に対応させることができる。また、他の例としては、これら段落のノズル翼の取り付け角を小さくしてノズルスロート面積を減少させる方法がある。その具体的形態としては、上記地熱タービンの第1の実施形態(図1〜図5)あるいは第3の実施形態(図9〜図11)において、予備タービンロータ11cをタービン入口側段落の動翼寸法の小さな地熱タービンに挿入した場合と同様である。
Therefore, as an example, by remodeling the height L3c of the nozzle blade at one stage or a plurality of stages on the turbine inlet side to be lower than the original value, it is possible to reduce the steam swallowing ability and cope with the new steam condition. As another example, there is a method of reducing the nozzle throat area by reducing the mounting angle of the nozzle blades in these paragraphs. As a specific form thereof, in the first embodiment (FIGS. 1 to 5) or the third embodiment (FIGS. 9 to 11) of the geothermal turbine, the
これにより、経年的にタービン入口蒸気条件の変化した地熱タービンに対して、この蒸気条件の変化に対応してノズルダイアフラムを調節することで地熱タービンの効率的な運転が可能となる。 Thereby, the geothermal turbine can be efficiently operated by adjusting the nozzle diaphragm in response to the change of the steam condition for the geothermal turbine whose turbine inlet steam condition has changed over time.
以上説明した実施形態で、予備タービンロータ11cを一つの既設地熱タービンのオリジナルタービンロータと入れ替えて使用する場合において、その地熱タービンより取り出されたオリジナルタービンロータを補修・修理した後に、これを他の地熱タービンのための新たな予備タービンロータとして活用することもできる。
In the embodiment described above, when the
たとえば、新たな予備タービンロータのタービン入口段落動翼の高さが、次にこの予備タービンロータを挿入する地熱タービンの動翼高さより大きい場合には、前記第1の実施形態(図1〜図5)と同様であるし、またその逆の場合には、前記第3の実施形態(図9〜図11)が適用できる。 For example, when the height of the turbine inlet stage rotor blade of the new spare turbine rotor is larger than the rotor blade height of the geothermal turbine into which this spare turbine rotor is inserted next, the first embodiment (FIG. 1 to FIG. In the case of 5) and vice versa, the third embodiment (FIGS. 9 to 11) can be applied.
次に、図12を参照して本発明に係る地熱発電システムの第4の実施形態を説明する。図12は第4の実施形態に係る地熱発電システムを示す模式的配置図である。 Next, a fourth embodiment of the geothermal power generation system according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a schematic layout diagram showing a geothermal power generation system according to the fourth embodiment.
一般に複数のケーシングから構成されるタービンでは、それぞれのケーシングに内蔵されるタービンロータの設計寸法は異なる。図12に示される二つのケーシングより成る地熱タービンの例で説明する。ケーシング35aに内蔵されるタービンロータ37aは、カップリング38aを介して、ケーシング35bに内蔵されるタービンロータ37bと結合されている。また、タービンロータ37bはカップリング38bを介して発電機36と結合されている。カップリング38aはタービンロータ37aの出力(トルク)を伝達するのみであるのに対して、カップリング38bはタービンロータ37aとタービンロータ37bの合計出力(トルク)を発電機36に伝達するために、それに必要なサイズは必然的に大きくなる。また、同様にタービンロータの軸径に関しても、軸受けサイズに関しても、タービンロータ37bにはタービンロータ37aよりも大きなものが要求される。一方、スラスト軸受けは片方のタービンロータのみにあればよい。
In general, in a turbine composed of a plurality of casings, the design dimensions of the turbine rotor incorporated in each casing are different. An example of a geothermal turbine consisting of two casings shown in FIG. 12 will be described. The
この第4の実施形態では、これら複数のタービンロータから成る地熱タービンに関し、各タービンロータの両軸端のカップリング寸法を発電機に直結されるタービンロータの軸端のカップリングの寸法に合わせて統一し、カップリングスパン、軸受け寸法および軸受けスパンなど、各タービンロータの主要寸法を、発電機に直結されるタービンロータの主要寸法に合わせて統一する。これにより、それぞれのタービンロータ間に互換性をもたせることが可能となる。 In the fourth embodiment, regarding a geothermal turbine composed of a plurality of turbine rotors, the coupling dimensions at both shaft ends of each turbine rotor are matched with the dimensions of the coupling at the shaft end of the turbine rotor directly connected to the generator. Unify and unify the main dimensions of each turbine rotor, such as coupling span, bearing dimensions, and bearing span, to match the main dimensions of the turbine rotor directly connected to the generator. This makes it possible to provide compatibility between the respective turbine rotors.
たとえば図12において、タービンロータ37aの前側のカップリング38と中間カップリング38a、および発電機側カップリング38bは、全て同一寸法であるから、タービンロータ37aとタービンロータ37bを入れ替えても互いに結合可能である。また、発電機36に直結されるカップリング38bの寸法に統一しているから、動力伝達上の問題もない。タービンロータ強度に関しても同様で、発電機36に直結されるタービンロータ38bの主要寸法に統一することで、全ての強度的問題をクリアできる。しかして、共通予備タービンロータの適用が可能となる。
For example, in FIG. 12, the
この実施形態では、発電機36に直結されないタービンロータ37aは、実際にかかるトルクよりも大きなトルクを伝達可能な設計になっているので、それ自体は過剰な余裕を持っていて不経済な設計であるともいえる。しかし、地熱発電システム全体の保守の便宜・コストを考慮すると全体として低コストで効率的な運用を実現することができる。
In this embodiment, the
次に、図13および図14を参照して本発明に係る地熱発電システムの第5の実施形態を説明する。図13は第5の実施形態に係る地熱発電システムを示す模式的配置図であり、図14はこの実施形態に係る地熱発電システムにおいて出力を小さくして運転する場合を示す模式的配置図である。 Next, a fifth embodiment of the geothermal power generation system according to the present invention will be described with reference to FIGS. 13 and 14. FIG. 13 is a schematic layout diagram showing a geothermal power generation system according to the fifth embodiment, and FIG. 14 is a schematic layout diagram showing a case where the geothermal power generation system according to this embodiment is operated with a reduced output. .
一般に出力の小さな地熱タービン、たとえば40MW級の地熱タービンであればシングルフローのタービンで構成される。出力が大きくなって、たとえば80MW級の地熱タービンとなると、シングルフローでまかなうには強度的な厳しさがあって、ダブルフローのタービンが採用されるのが通例である。たとえば、図12には二つのケーシングを連結したタービンを図示しているが、それぞれのケーシングは対向流をなすダブルフローのタービンにて構成されている。このような一つのケーシングの中で対向流をなすダブルフローの構造は、スラスト力をバランスさせるメリットがあり、大型の蒸気タービンでは一般的に採用されている。 In general, a geothermal turbine with a small output, for example, a 40 MW class geothermal turbine, is constituted by a single-flow turbine. When the output becomes large, for example, an 80 MW class geothermal turbine, there is a strictness of strength to cover a single flow, and a double flow turbine is usually adopted. For example, FIG. 12 shows a turbine in which two casings are connected, but each casing is constituted by a double-flow turbine that forms a counterflow. Such a double flow structure that forms a counter flow in one casing has the advantage of balancing the thrust force, and is generally employed in large steam turbines.
この第5の実施形態では、ダブルフローを必要とする地熱タービンにおいて、通常行なわれるような一つのケーシングの中に対向流としてまとめるのではなく、同じ流れ方向を有する二つのシングルフローのタービンを連結する構成としている。この構成では、各タービンロータのスラスト力が加算されるため、スラスト力を小さくおさめる目的で、各タービン段落の反動度を低めに設定することが好ましい。 In this fifth embodiment, in a geothermal turbine requiring double flow, two single-flow turbines having the same flow direction are connected to each other instead of being combined as a counterflow in one casing as is normally done. It is configured to do. In this configuration, since the thrust force of each turbine rotor is added, it is preferable to set the reaction degree of each turbine stage to be low for the purpose of reducing the thrust force.
図13は、この第5の実施形態の地熱タービンのうちの出力の大きなタービンを示している。ここでは、ケーシング40aとケーシング40bは、同じ流れ方向をなすように配置され、各ケーシング40a、ケーシング40bに内蔵されるタービンロータ42a、42bの両軸端のカップリング43、43a、43bの寸法を発電機41に直結されるタービンロータ42bの軸端のカップリング43bの寸法に合わせて統一する。さらに、カップリングスパン、軸受け寸法および軸受けスパンなど、各タービンロータの主要寸法を、発電機41に直結されるタービンロータ42bの主要寸法と同一とすることにより、それぞれのタービンロータ間に互換性を持たせることを可能としている。
FIG. 13 shows a turbine having a large output among the geothermal turbines of the fifth embodiment. Here, the
すなわち、タービンロータ42aの前側のカップリング43と中間カップリング43a、および発電機41側カップリング43bは、全て同一寸法であるから、タービンロータ42aとタービンロータ42bを入れ替えても互いに結合可能であるし、発電機41に直結されるカップリング寸法に統一しているから、動力伝達上の問題もない。タービンロータ強度に関しても同様で、発電機に直結されるタービンロータの主要寸法に統一することで、全ての強度的問題がクリアされる。
That is, since the
一方、図14は出力の小さなタービンを示しているが、タービンはシングルフローの構成であり、このタービンロータの主要寸法は、出力の大きな地熱タービンの発電機41に直結されるタービンロータ42bと同一に設定される。すなわち、ケーシング40cに内蔵されるタービンロータ42cの前側のカップリング431c、および発電機41cに結合されるカップリング432cは、いずれも、出力の大きな地熱タービンの発電機41に直結されるタービンロータ42bの軸端のカップリング43bと同一寸法とする。また、カップリングスパン、軸受け寸法および軸受けスパンなど、タービンロータ42cの主要寸法も、出力の大きなタービンのタービンロータ42bの寸法と同一としている。このようにすることにより、出力の大きく違う複数のタービンに対して、すべてのタービンロータに共通の予備タービンロータを備えることが可能となる。
On the other hand, FIG. 14 shows a turbine with a small output, but the turbine has a single flow configuration, and the main dimensions of this turbine rotor are the same as the
この第5の実施形態では、発電機41に直結されないタービンロータ42aや小出力発電機41cに接続されるタービンロータ42cは、実際にかかるトルクよりも大きなトルクを伝達可能な設計になっているので、それ自体は過剰な余裕を持っていて不経済な設計であるともいえる。しかし、地熱発電システム全体の保守の便宜・コストを考慮すると全体として低コストで効率的な運用を実現することができる。
In the fifth embodiment, the
以上、本発明に係る地熱発電システムの種々の実施形態について説明した。これらの実施形態により、以下のような効果が得られる。 Heretofore, various embodiments of the geothermal power generation system according to the present invention have been described. According to these embodiments, the following effects can be obtained.
地熱タービンは、蒸気中に腐食性成分や水分、固体粒子などの不純物が含まれ、厳しい環境下で運用されるため、タービンの信頼性および性能を維持するためには、定期的な保守、メンテナンスが不可欠であるが、ここに示した実施形態の地熱タービンでは、メンテナンス性の改善を図ることにより、定期点検のためのオーバーホール期間の短縮を通して、地熱プラントの稼働率向上と高効率運用が可能となる。 Geothermal turbines contain corrosive components, moisture, solid particles, and other impurities in the steam and operate in harsh environments. To maintain turbine reliability and performance, regular maintenance and maintenance However, in the geothermal turbine of the embodiment shown here, by improving the maintainability, it is possible to improve the operation rate and high efficiency operation of the geothermal plant through shortening the overhaul period for periodic inspection. Become.
また、地熱プラントでは、長期運用による地熱蒸気の質や量に経年的な変化が生じるが、ここに示した実施形態の地熱タービンでは、このようなタービン入口蒸気条件の変化に対しても、効果的な対応が可能であり、もって地熱エネルギ資源の効率的な活用とプラント性能の向上を図ることができる。 In geothermal plants, the quality and quantity of geothermal steam due to long-term operation changes over time, but the geothermal turbine of the embodiment shown here is effective against such changes in turbine inlet steam conditions. Therefore, efficient utilization of geothermal energy resources and improvement of plant performance can be achieved.
さらに、地熱エネルギは炭酸ガス排出のないクリーンなエネルギであり、地熱プラントの稼働率向上は直接火力プラントなどの炭酸ガスを排出する電源の抑制につながるため、地熱タービンの保守、メンテナンス性の改善により、プラント性能と稼働率の向上を図ることは、地球環境保護に貢献する。 Furthermore, geothermal energy is clean energy that does not emit carbon dioxide gas, and the improvement in the operating rate of the geothermal plant leads to the suppression of the power source that emits carbon dioxide directly from the thermal power plant, etc. Improving plant performance and availability will contribute to global environmental protection.
なお、ここに示した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。 In addition, embodiment shown here is only an illustration, Comprising: This invention is not limited to these embodiment.
10a、10b…地熱タービン
11a、11b、11c…タービンロータ
12a、12b…タービンケーシング
13a、13b…タービン段落
14a、14b…動翼
15a、15b、15c…ノズルダイアフラム
16a、16b…ノズル翼
17a、17b…タービン蒸気室
18a、18b…第1段ノズル翼
19a、19b、19c…第1段動翼
20a、20b、20c…最終段動翼
21a、21b、21c…前部軸受け
22a、22b、22c…後部軸受け
24a、24b、24c…前部カップリング
25a、25b、25c…後部カップリング
29a、29b…ノズル翼
30a、30b…動翼
33a、33b…段落
35a、35b…ケーシング
36…発電機
37a、37b…タービンロータ
38、38a、38b…カップリング
40a、40b、40c…ケーシング
41、41c…発電機
42a、42b、42c…タービンロータ
43、43a、43b、431c、432c…カップリング
L1a、L1b、L1c…軸受けスパン(軸受け支持部間の距離)
L2a、L2b、L2c…カップリングスパン(カップリング間の距離)
L3a、L3b、L3c…ノズル翼高さ(長さ)
L4a、L4b、L4c…動翼高さ(長さ)
L7a、L7b…段差
S1a、S1b…ノズル翼スロート面積
S2a、S2b…動翼スロート面積
10a, 10b ...
L2a, L2b, L2c ... Coupling span (distance between couplings)
L3a, L3b, L3c ... Nozzle blade height (length)
L4a, L4b, L4c ... Rotor blade height (length)
L7a, L7b ... steps S1a, S1b ... nozzle blade throat area S2a, S2b ... moving blade throat area
Claims (13)
前記多段軸流蒸気タービンはそれぞれが、タービンケーシングと、このタービンケーシングに固定された複数の軸受けと、これらの軸受けによって回転支持されて前記タービンケーシング内に収容されたタービンロータとを有し、
前記各タービンケーシング内のタービンロータおよび予備タービンロータはそれぞれが、両端部に配置されて他のタービンロータおよび発電機に結合可能なカップリングと、複数の動翼と、前記複数の軸受けに接してそれらの軸受けによって支持され得る複数の軸受け支持部と、を有し、
前記タービンケーシングに内蔵されたタービンロータおよび前記予備タービンロータについて、前記軸受け支持部間の距離、前記カップリング間の距離、前記動翼の最大高さおよび前記カップリングの寸法が互いに共通であって、
前記予備タービンロータのタービン入口側段落の動翼の高さが、前記複数の多段軸流蒸気タービンのタービン入口側段落の動翼の高さのうちの最大のものに等しいこと、
を特徴とする地熱発電システム。 A plurality of multi-stage axial steam turbines each having a separate turbine rotor housed in a separate turbine casing and designed for different steam conditions; and at least one of the multi-stage axial steam turbines A geothermal power generation system comprising: at least one generator coupled; and at least one auxiliary turbine rotor that can be commonly used for the plurality of multi-stage axial steam turbines;
Each of the multi-stage axial flow steam turbines has a turbine casing, a plurality of bearings fixed to the turbine casing, and a turbine rotor rotatably supported by these bearings and accommodated in the turbine casing,
Each of the turbine rotor and the spare turbine rotor in each turbine casing is in contact with a coupling disposed at both ends and connectable to another turbine rotor and a generator, a plurality of moving blades, and the plurality of bearings. A plurality of bearing supports that can be supported by the bearings,
About the turbine rotor built in the turbine casing and the spare turbine rotor, the distance between the bearing support portions, the distance between the couplings, the maximum height of the moving blades, and the dimensions of the coupling are common to each other. ,
The height of the moving blades in the turbine inlet side paragraph of the preliminary turbine rotor is equal to the maximum height of the moving blades in the turbine inlet side paragraph of the plurality of multi-stage axial flow steam turbines;
A geothermal power generation system characterized by
前記多段軸流蒸気タービンはそれぞれが、タービンケーシングと、このタービンケーシングに固定された複数の軸受けと、これらの軸受けによって回転支持されて前記タービンケーシング内に収容されたタービンロータとを有し、
前記各タービンケーシング内のタービンロータおよび予備タービンロータはそれぞれが、両端部に配置されて他のタービンロータおよび発電機に結合可能なカップリングと、複数の動翼と、前記複数の軸受けに接してそれらの軸受けによって支持され得る複数の軸受け支持部と、を有し、
前記各タービンケーシング内のタービンロータおよび予備タービンロータについて、前記軸受け支持部間の距離、前記カップリング間の距離、前記動翼の最大高さおよび前記カップリングの寸法が互いに共通であって、前記各タービンケーシング内タービンロータの内の一つと前記予備タービンロータとを交換して運転可能に構成されていること、を特徴とする地熱発電装置。 Geothermal power generation having a plurality of multi-stage axial steam turbines, at least one generator coupled to the multi-stage axial steam turbines, and a standby turbine rotor not coupled to the multi-stage axial steam turbine and the generator A device,
Each of the multi-stage axial flow steam turbines has a turbine casing, a plurality of bearings fixed to the turbine casing, and a turbine rotor rotatably supported by these bearings and accommodated in the turbine casing,
Each of the turbine rotor and the spare turbine rotor in each turbine casing is in contact with a coupling disposed at both ends and connectable to another turbine rotor and a generator, a plurality of moving blades, and the plurality of bearings. A plurality of bearing supports that can be supported by the bearings,
For the turbine rotor and the spare turbine rotor in each turbine casing, the distance between the bearing support portions, the distance between the couplings, the maximum height of the moving blades, and the dimensions of the coupling are common to each other, A geothermal power generation apparatus configured to be operable by replacing one of the turbine rotors in each turbine casing with the spare turbine rotor.
を特徴とする請求項6に記載の地熱発電装置。 The height of the moving blades in the turbine inlet side paragraph of the preliminary turbine rotor is equal to the maximum height of the moving blades in the turbine inlet side paragraph of the plurality of multi-stage axial flow steam turbines;
The geothermal power generator according to claim 6 characterized by things.
を特徴とする請求項7に記載の地熱発電装置。 Among the plurality of multi-stage axial steam turbines, the reaction degree in at least one stage on the inlet side in a turbine having a relatively large turbine inlet steam volume flow rate is determined by turbine inlet steam volume among the plurality of multi-stage axial steam turbines. The geothermal power generation apparatus according to claim 7, wherein the flow rate is set to be larger than the degree of reaction in a corresponding paragraph on the inlet side in a relatively small turbine.
前記複数の多段軸流蒸気タービンおよび前記予備タービンロータについて、最終段翼の翼長、カップリング寸法、カップリングスパン、軸受け寸法、軸受けスパンのそれぞれが互いに等しく、
前記予備タービンロータのタービン入口側段落の動翼の高さが、前記複数の多段軸流蒸気タービンのタービン入口側段落の動翼の高さのうちの最大のものに等しく、
前記複数の多段軸流蒸気タービンのタービンロータのうちで保守が必要なものについて、前記タービンケーシングから取り出して前記予備タービンロータで置き替えること、
を特徴とする地熱発電方法。 A plurality of multi-stage axial flow steam turbines, each having a separate turbine rotor housed in a separate turbine casing and designed for different steam conditions, are operated in common with the plurality of multi-stage axial flow steam turbines. A geothermal power generation method of storing at least one usable spare turbine rotor outside a turbine casing,
About the plurality of multi-stage axial flow steam turbines and the spare turbine rotor, the blade length of the final stage blade, the coupling dimension, the coupling span, the bearing dimension, and the bearing span are equal to each other,
The height of the moving blade of the turbine inlet side paragraph of the preliminary turbine rotor is equal to the maximum height of the moving blade of the turbine inlet side paragraph of the plurality of multi-stage axial steam turbines,
Of the turbine rotors of the plurality of multi-stage axial flow steam turbines, those requiring maintenance, take out from the turbine casing and replace with the spare turbine rotor,
A geothermal power generation method.
前記多段軸流蒸気タービンのタービンロータを予備タービンロータで置き替える際に当該多段軸流蒸気タービンのノズルダイアフラムの一部を前記予備ノズルダイアフラムで置き替えること、
を特徴とする請求項10に記載の地熱発電方法。 Storing at least one spare nozzle diaphragm that can be commonly used for at least one paragraph on the inlet side of the plurality of multi-stage axial steam turbines outside the turbine casing;
Replacing a part of the nozzle diaphragm of the multi-stage axial steam turbine with the spare nozzle diaphragm when replacing the turbine rotor of the multi-stage axial steam turbine with the spare turbine rotor;
The geothermal power generation method according to claim 10.
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