JP5030931B2 - 地熱タービン装置 - Google Patents

Description

本発明は、主蒸気管を介して供給される地熱蒸気により回転駆動される地熱タービンと、タービン車室を貫通する前記地熱タービンの軸と、該軸をシール蒸気が供給されるラビリンスシールでなされる軸シール部とを備えた地熱タービン装置に関するものである。

地熱タービンは、地下のマグマによって加熱された蒸気（地熱蒸気）を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。このような地熱タービンは例えば発電設備などで用いられている。

地熱タービンを用いた発電設備について図５を用いて説明する。図５は従来の地熱タービンを用いた発電設備の系統図である。
地下のマグマによって加熱された蒸気（地熱蒸気）は坑井１０２で地上に導き出され、セパレータ１０４を通ることで土砂、水などが分離され、蒸気分は主蒸気として取り出される。該主蒸気は、主蒸気ライン１０６を介して地熱タービン１０８に導かれ、ロータ１１０を回転させて発電機１１２を稼動させる。地熱タービン１０８でロータ１１０を回転させた蒸気は復水器１１４に導かれ、冷却されて凝縮して水（復水）となる。前記復水の一部は循環水ポンプ１１６、冷却塔１１８を含む循環水ライン１２０を経てさらに冷却されて復水器１１４で前記蒸気を冷却するための冷却水として使用され、前記冷却水として使用されなかった復水は地下に戻される。

また、主蒸気ライン１０６は主蒸気分岐ライン１２２に分岐されており、主蒸気ライン１０６内を通流する主蒸気の一部は主蒸気分岐ライン１２２へ流れる。主蒸気分岐ライン１２２へ流れた蒸気は、グランドシール用蒸気としてグランド調圧器１２４で圧力調整されてグランドシール蒸気供給管１２６を介して地熱タービン１０８のラビリンスシールを備えた前部グランド１８２及び後部グランド１８４へ導かれグランドシールに用いられる。前記グランドシールに用いられた蒸気は、グランドシール蒸気抜出管１２８を介してグランド復水器１３０に導かれて冷却されて凝縮して水となり、復水器１１４に導かれる。

このようにして、主蒸気ラインを分岐した主蒸気分岐ラインを流れる蒸気を、グランドシール用蒸気として用いる技術は、地熱タービンに限らず蒸気タービンにおける技術であるが例えば特許文献１などに開示されている。

特開２００１−１４０６０６号公報

しかしながら、地熱タービン１０８における前記主蒸気、即ちグランドシールに用いられる蒸気は、前述の通り地熱蒸気をセパレータ１０４を通して土砂、水等を分離した蒸気であるから、蒸気中に硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）などの腐食性ガスや、塩化ナトリウムなどの腐食性物質が含まれている。

地熱タービン１０８のグランド部は前記グランドシールに用いる主蒸気よりも低温であるため、主蒸気を供給するとその一部が結露しドレンとなる。多量のドレンが発生すると、主蒸気（地熱蒸気）中に含まれるＨ_２Ｓ、ＣＯ_２などの腐食性ガスがドレン中に溶け込んで後部グランド８４に孔食などの腐食を発生させ、シール性を阻害し蒸気漏れが発生したり、減肉などによるタービンロータの信頼性を低下が生じる等の不具合があった。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、地熱タービンのラビリンスシールを備えたグランド部に導入するグランドシール用蒸気中のＨ_２Ｓ、ＣＯ_２などの腐食性物質の含有量を削減し、グランド部での腐食によるシール性の阻害や減肉などを抑制することができるようにした地熱タービン装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、主蒸気管を介して供給される地熱蒸気により回転駆動される地熱タービンと、タービン車室を貫通する前記地熱タービンの軸と、該軸をシール蒸気が供給されるラビリンスシールでなされる軸シール部とを備えた地熱タービン装置において、
前記シール蒸気に地熱タービン駆動後の地熱蒸気より腐食性物質を除去した清浄復水を、前記主蒸気管より分岐した分岐主蒸気により加熱蒸気化して前記ラビリンスシールに供給することを特徴とする。

地熱タービン駆動後の地熱蒸気より腐食性物質を除去した清浄復水を気化させた蒸気は、従来グランドシール用蒸気として用いていた地熱蒸気よりも、蒸気中に含まれるＨ_２Ｓ、ＣＯ_２等の腐食ガスや、塩化ナトリウム等の腐食性物質が著しく減少している。そのため前記清浄復水を気化させた蒸気をグランドシール用蒸気として使用することで、地熱タービンのラビリンスシールを備えたグランド部（軸シール部）に導入するグランドシール用蒸気中のＨ_２Ｓ、ＣＯ_２などの腐食性物質の含有量を大幅に削減し、グランド部（軸シール部）での腐食によるシール性の阻害や減肉などを抑制することができる。

さらに、腐食性物質の含有量を大幅に削減した蒸気として、前記清浄復水を気化させた蒸気を使用することで、設備の大幅な改造を行うことなく課題を解決することができる。

また、前記清浄復水をアルカリ側にｐＨ調整して、該ｐＨ調整した清浄復水を前記主蒸気管より分岐した分岐主蒸気により加熱蒸気化して前記ラビリンスシールに供給することを特徴とする。
これにより、清浄度のより高い蒸気を安定して地熱タービンのラビリンスシールを備えたグランド部に供給することができ、グランド部の防食性をさらに強化することができる。前記ｐＨ調整により、前記清浄復水のｐＨを９〜１１程度とするとその効果は大きい。

また、前記清浄復水が、前記主蒸気管より分岐した主蒸気分岐ラインを流れる蒸気と熱交換して温められて気化して蒸気となり、その後前記ラビリンスシールの防食性に影響しない程度に前記主蒸気を混合して、該混合した復水の蒸気をラビリンスシールに供給することを特徴とする。
これにより、ラビリンスシールを備えたグランド部の腐食を軽減するとともに、清浄復水を気化した蒸気の使用量を低減することができ、前記気化に要する熱の損出を低減することができる。

以上記載のごとく本発明によれば、地熱タービンのラビリンスシールを備えたグランド部に導入するグランドシール用蒸気中のＨ_２Ｓ、ＣＯ_２などの腐食性物質の含有量を削減し、グランド部での腐食によるシール性の阻害や減肉などを抑制することができるようにした地熱タービン装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は実施例１に係る地熱タービン設備の系統図である。
地下のマグマによって加熱された蒸気（地熱蒸気）は、坑井（不図示）で地上に導き出され、セパレータ（不図示）を通ることで土砂、水などが分離され、蒸気分は主蒸気として取り出される。該主蒸気は、主蒸気ライン６を介して地熱タービン８に導かれ、ロータ１０を回転させる。地熱タービン８でロータ１０を回転させた蒸気は復水器１４に導かれ、冷却されて凝縮して水となる。また、復水器１４にはガス抽出装置３２が接続されており、該ガス抽出装置３２により地熱タービン８から復水器１４に導かれた蒸気中に含まれるＨ_２Ｓ、ＣＯ_２などの腐食性ガスを復水器１４から抽出する。抽出されたガスは復水器１４の上部から排出される。

前記復水器１４に導かれ、冷却されて凝縮した水（以下清浄復水と称する）の一部は、循環ポンプ１６、冷却塔１８を含む循環水ライン２０を経てさらに冷却されて復水器１４に送られ、前記地熱タービン８から復水器１４に導かれた蒸気を冷却するために使用され、残りの清浄復水は地下に戻される。

主蒸気ライン６は、主蒸気分岐ライン２２に分岐されており、主蒸気分岐ライン２２上に設けた弁４０を開けることで、主蒸気ライン６内を通流する主蒸気の一部は主蒸気分岐ライン２２へ流れる。主蒸気分岐ライン２２に流れた蒸気は、熱交換器３３で後述する循環水分岐ライン３４中の清浄復水と熱交換して、該清浄復水を気化させてから復水器１４へ送られ、前記地熱タービン８でロータ１０を回転させて復水器１４へ導かれた蒸気ととともに冷却されて凝縮して再度清浄復水となる。

また、循環水ライン２０は、循環ポンプ１６の下流側且つ冷却塔１８の上流側で、循環水分岐ライン３４に分岐されており、循環水分岐ライン３４上に設けた弁３６を開けることで、循環水ライン２０内を通流する清浄復水の一部は循環水分岐ライン３４へ流れる。循環水分岐ライン３４に流れた清浄復水は、熱交換器３３で前記主蒸気分岐ライン２２を流れる主蒸気と熱交換して温められて気化して蒸気となる。該蒸気はグランドシール用蒸気としてグランドシール蒸気供給管２６を介して地熱タービン８のラビリンスシールを備えた前部グランド８２及び後部グランド８４へ導かれグランドシールに用いられる。なお、グランドシール蒸気供給管２６上には蒸気の逆流を防止するため逆止弁３８が設けられている。グランドシールに用いられた蒸気は、グランドシール蒸気抜出管２８を介して復水器１４へ導かれ、前記地熱タービン８でロータ１０を回転させて復水器１４へ導かれた蒸気とともに冷却されて凝縮して再度清浄復水となる。

なお、循環水分岐ライン３４の分岐位置は、循環水ライン２０中であれば特に限定されるものではないが、循環水ライン２０内を流れる清浄復水は熱交換器３３で主蒸気分岐ライン２２を流れる蒸気と熱交換して温められて蒸気となるので、熱交換器３３における熱交換効率を考慮すると冷却塔１８で冷却される前の清浄復水を熱交換器３３を熱交換器３３に導入することが好ましく、図１に示したように冷却塔１８の上流側で循環水ライン２０から循環水分岐ライン３４を分岐することが好ましい。

循環水分岐ライン３４及び主蒸気分岐ライン２２へ分岐する清浄復水及び主蒸気の流量は、前部グランド８２及び後部グランド８４をグランドシールするために必要な清浄復水を気化した蒸気量が得られれば流量調整法は特に限定されるものではない。流量調整法として、例えば前部グランド８２及び後部グランド８４に供給するために必要な蒸気量から換算した清浄復水量が循環水分岐ライン３４に安定して流れるように弁３６を一定開度で開けておき、グランドシール蒸気供給管２６を流れる蒸気温度を測定する温度計を設け、該温度計が規定温度となるように弁４０を温度調整弁として開度を調整し、主蒸気分岐ライン２２に流れる主蒸気流量を調整することなどが挙げられる。

地熱タービン８について図１を参照しながら図２を用いて説明する。図２は地熱タービン８の構成図である。
図２において１０は回転するロータであって、複数のタービン翼（動翼）１１が取り付けられている。動翼１１全体を覆うようにタービン車室８６が設けられており、ロータ１０はタービン車室８６を貫通している。さらに、タービン車室８６の前記主蒸気ライン６からの主蒸気入口側及び出口側にはラビリンスシールを備えた前部グランド８２及び後部グランド８４がそれぞれ設けられている。前部グランド８２及び後部グランド８４は、回転するタービンロータ１０と静止しているタービン車室８６との隙間から、ロータを回転させるためにタービン車室８６内に導入した主蒸気が漏洩すること及びタービン車室８６内に空気が流入することを防止するために設けられるものである。

前部グランド８２では、タービン内部側寄りのタービン車室８６側に、主蒸気分岐ライン２２を流れる蒸気を吸引するための吸引ポートを設け、外気側寄りのタービン車室側に大気圧より負圧のグランド復水器３０へ繋がる吸込ポートを設けることで、外気及びタービン内部から漏洩してくる主蒸気を吸引する構造としている。これによりグランドシール用蒸気がラビリンスシールを通過することの抵抗により前部グランド８２をシールしている。
また後部グランド８４では、タービン内部側寄りのタービン車室側にタービンの排気圧力より正圧に調整されたグランドシール蒸気をグランドシール蒸気供給管２６より供給する供給ポートを設け、外気側寄りのタービン車室側にグランドシール蒸気抜出管２８を介して大気圧より負圧に調整されたグランド復水器３０へ繋がる吸込ポートを設けることで、外気及びタービン内部から漏洩してくる主蒸気を吸引する構造としている。これによりグランドシール用蒸気がラビリンスシールを通過することの抵抗により後部グランド８４をシールしている。

このようにして、復水器１４に接続されたガス抽出装置３２により、復水器１４に導かれた蒸気中に含まれるＨ_２Ｓ、ＣＯ_２などの腐食性ガスを抽出した清浄復水の一部を、主蒸気ライン６より分岐した分岐主蒸気により加熱蒸気化して前部グランド８２及び後部グランド８４に供給することで、グランド部での腐食によるシール性の阻害や減肉などを抑制することができる。
復水器１４で得られる清浄復水は、ガス抽出器３２により蒸気中に含まれるＨ_２Ｓ、ＣＯ_２等の腐食ガスが抽出しているため、該腐食ガスの含有量が著しく少ない。そのため前記清浄復水を熱交換器３３を用いて気化させた蒸気をグランドシール用蒸気として使用することで、地熱タービンのグランド部に導入するグランドシール用蒸気中のＨ_２Ｓ、ＣＯ_２などの腐食性物質の含有量は著しく少なく、従って前部グランド８２及び後部グランド８４での腐食によるシール性の阻害や減肉などを抑制することができるものである。

また、復水器１４で得られる清浄復水は、一部は冷却塔で冷却して復水器１４の冷却用に、冷却用以外の清浄復水は地下に戻してはいたが、従来より存在するものである。従って従来より存在する清浄復水を気化させて蒸気として使用することで、設備の大幅な改造を行う必要もない。

図３は実施例２に係る地熱タービン設備の系統図である。
図１に示した実施例１に係る地熱タービン設備と同一符号は同一物を表し、その説明を省略する。
実施例２においては、図１に示した実施例１に係る地熱タービン設備の構成に加えて、循環水分岐ライン３４上であり、弁３６の下流側且つ熱交換器３３の上流側に、復水貯蔵タンク４２及び該復水貯蔵タンク４２に付帯したｐＨ調整器４４を設けている。

図３において、循環水ライン２０内を通流する清浄復水の一部は、循環水分岐ライン３４上に設けた弁３６を開けることで、循環水分岐ライン３４へ流れる。循環水分岐ライン３４に流れた清浄復水は、復水貯蔵タンク４２に一旦貯留され、復水貯蔵タンク４２に取り付けられたｐＨ調整器によってｐＨ調整剤を投入されてアルカリ側（ｐＨ９〜１１）に調整される。該ｐＨ調整された清浄復水は、熱交換器３３で主蒸気分岐ライン２２を流れる蒸気と熱交換して温められて気化して蒸気となる。該蒸気はグランドシール用蒸気としてグランドシール蒸気供給管２６を介して地熱タービン８の前部グランド８２及び後部グランド８４へ導かれグランドシールに用いられる。

これにより、実施例１と同様に、復水器１４に接続されたガス抽出装置３２により、復水器１４に導かれた蒸気中に含まれるＨ_２Ｓ、ＣＯ_２などの腐食性ガスを抽出した清浄復水の一部を気化した蒸気を前部グランド８２及び後部グランド８４に供給するため、グランド部での腐食によるシール性の阻害や減肉などを抑制することができる。

さらに、復水貯蔵タンク４２を設けることで、循環水ライン２０を流れる清浄復水量に変動があっても安定して前部グランド８２及び後部グランド８４に蒸気を供給することができる。
さらにまた、ｐＨ調整器４４を設けることで、清浄度のより高い蒸気を安定して地熱タービン８の前部グランド８２及び後部グランド８４に供給することができ、グランド部の防食性をさらに強化することができる。前記ｐＨ調整により、前記清浄復水のｐＨを９〜１１程度とするとその効果は大きい。

図４は実施例３に係る地熱タービン設備の系統図である。
図１に示した実施例１に係る地熱タービン設備と同一符号は同一物を表し、その説明を省略する。
実施例３においては、図１に示した実施例１に係る地熱タービン設備の構成に加えて、主蒸気ライン６を、主蒸気分岐ライン２２の下流側で分岐する第２の主蒸気分岐ライン５２を設け、第２の主蒸気分岐ライン５２を流れる主蒸気と、循環水分岐ライン３４を流れる清浄復水が熱交換器３３で気化した蒸気とを混合して前部グランド８２及び後部グランド８４のグランドシール用蒸気として供給するようにしている。

まず、主蒸気の分岐の流れについて説明する。
図４において、主蒸気ライン６を通流する主蒸気の一部は、主蒸気分岐ライン２２上に設けた弁４０を開けることで、主蒸気分岐ライン２２へ流れる。主蒸気分岐ライン２２に流れた主蒸気は、熱交換器３３で循環水分岐ライン３４を流れる清浄復水と熱交換して、該清浄復水を気化させてから復水器１４へ送られる。

さらに、主蒸気ライン６は、主蒸気ライン２２の下流側で第２の主蒸気分岐ライン５２に分岐されており、第２の主蒸気分岐ライン５２上に設けた弁５４を開けることで、主蒸気ライン６内を通流する主蒸気の一部が第２の主蒸気分岐ライン５２へ流れる。第２の主蒸気分岐ライン５２に流れた主蒸気は、グランド調圧器４６で圧力調整されるとともに清浄復水が気化した蒸気と混合し、グランドシール蒸気供給管２６を介して地熱タービン８の前部グランド８２及び後部グランド８４へ導かれグランドシールに用いられる。

次に、循環水（清浄復水）の分岐の流れについて説明する。
図４において、循環水ライン２０内を通流する清浄復水の一部は、循環水分岐ライン３４上に設けた弁３６を開けることで、循環水分岐ライン３４へ流れる。循環水分岐ライン３４に流れた清浄復水は、熱交換器３３で前記主蒸気分岐ライン２２を流れる蒸気と熱交換して温められて気化して蒸気となる。該蒸気はライン４８を介してグランド調圧器４６へ送られる。グランド調圧器４６へ送られた蒸気は、第２の主蒸気分岐ライン５２からグランド調圧器４６へ送られた主蒸気と混合し、グランドシール蒸気供給管２６を介して地熱タービン８の前部グランド８２及び後部グランド８４へ導かれグランドシールに用いられる。

なお、清浄復水を気化した蒸気への主蒸気の混合率は、前部グランド８２及び後部グランド８４の防食性に影響しない程度とし、主蒸気を多量に混合しすぎないようにする必要がある。

これにより、実施例１及び実施例２と同様に、復水器１４に接続されたガス抽出装置３２により、復水器１４に導かれた蒸気中に含まれるＨ_２Ｓ、ＣＯ_２などの腐食性ガスを抽出した清浄復水の一部を気化した蒸気を前部グランド８２及び後部グランド８４に供給するため、グランド部での腐食によるシール性の阻害や減肉などを抑制することができる。

さらに、清浄復水を気化した蒸気に主蒸気を混合するため、清浄復水を気化した蒸気の必要量を低減することができ、清浄復水の気化に要する熱の損出を低減することができる。

地熱タービンのラビリンスシールを備えたグランド部に導入するグランドシール用蒸気中のＨ_２Ｓ、ＣＯ_２などの腐食性物質の含有量を削減し、グランド部での腐食によるシール性の阻害や減肉などを抑制することができるようにした地熱タービン装置として利用することができる。

実施例１に係る地熱タービン設備の系統図である。 地熱タービンの構成図である。 実施例２に係る地熱タービン設備の系統図である。 実施例３に係る地熱タービン設備の系統図である。 従来の地熱タービンを用いた発電設備の系統図である。

符号の説明

６ 主蒸気ライン（主蒸気管）
８ 地熱タービン
１０ ロータ（軸）
１４ 復水器
２０ 循環水ライン
２２ 主蒸気分岐ライン
２６ グランドシール蒸気供給管
２８ グランドシール蒸気抜出管
３２ ガス抽出装置
３３ 熱交換器
３４ 循環水分岐ライン
４２ 復水貯蔵タンク
４４ ｐＨ調整器
８２ 前部グランド（軸シール部）
８４ 後部グランド（軸シール部）

Claims (3)

1. 主蒸気管を介して供給される地熱蒸気により回転駆動される地熱タービンと、タービン車室を貫通する前記地熱タービンの軸と、該軸をシール蒸気が供給されるラビリンスシールでなされる軸シール部とを備えた地熱タービン装置において、
   前記シール蒸気に地熱タービン駆動後の地熱蒸気より腐食性物質を除去した清浄復水を、前記主蒸気管より分岐した分岐主蒸気により加熱蒸気化して前記ラビリンスシールに供給することを特徴とする地熱タービン装置。
2. 前記清浄復水をアルカリ側にｐＨ調整して、該ｐＨ調整した清浄復水を前記主蒸気管より分岐した分岐主蒸気により加熱蒸気化して前記ラビリンスシールに供給することを特徴とする請求項１記載の地熱タービン装置。
3. 前記清浄復水が、前記主蒸気管より分岐した主蒸気分岐ラインを流れる蒸気と熱交換して温められて気化して蒸気となり、その後前記ラビリンスシールの防食性に影響しない程度に前記主蒸気を混合して、該混合した復水の蒸気をラビリンスシールに供給することを特徴とする請求項１記載の地熱タービン装置。

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