JP5038532B2 - 蒸気パワープラント - Google Patents

Description

本発明は蒸気パワープラントに関し、そのプラントは複数のステージを具備した第１流れと、複数のステージを具備した第２流れと、を備えた中圧タービンセクションと、外部蒸気消費設備のために蒸気を抽出する第２流れ内の蒸気抽出ラインと、を具備し、第１流れは第１タービン放出ラインと、第２タービン放出ラインと、クロスオーバーラインと、スロットルバルブと、低圧タービンセクションと、を備え、クロスオーバーラインは第１タービン放出ライン、第２タービン放出ライン、および前記低圧タービンセクションと流体的に連通されている。

さらに、本発明は外部蒸気消費設備に蒸気を供給するための方法に関し、その方法は、中圧タービンセクションには第１流れと第２流れとが設けられ、外部蒸気消費設備には前記第２流れを利用して蒸気抽出ラインを通じて蒸気が供給され、第１タービン放出ラインを介した前記第１流れからの膨張された蒸気と、第２タービン放出ラインを介した前記第２流れからの膨張した蒸気と、はクロスオーバーライン（２０）に入って低圧タービンセクション（４）内に通じている。

蒸気タービンはターボ機械としても参照される。一般に、とりわけ蒸気、ガスタービンおよび水力タービンはならびに遠心コンプレッサもターボ機械の語句によって理解されている。これらの機械は、発電機のような別の装置をそれとともに駆動するために、流れ媒体からエネルギを抽出する目的に役立っている。

一般に、蒸気タービンは高圧、中圧および低圧タービンセクションに分けられる。タービンセクションは、その入口側において過熱蒸気の流入に暴露され、その蒸気温度は６２０℃を超え、蒸気圧は３００ｂａｒを超える。タービンセクションは本出願においては高圧タービンによって理解される。前術の温度および圧力の記載は表示するためのみの数値である。より高温のためおよびより高圧のために設計されたタービンセクションは、高圧タービンセクションとしても参照され得る。中圧タービンセクションは、過熱蒸気の流入に慣習的に暴露され、その蒸気温度は約６２０℃であり、その蒸気圧は約４０〜７０ｂａｒである。低圧タービンセクションは、中圧タービンセクションから流れ出す蒸気の流入に慣習的に暴露される。低圧タービンセクションから流れ出すこの蒸気は最終的にコンデンサ内に収集されて、水に再変換される。

一般的に、高圧タービン領域から流れ出す蒸気は再熱器内で加熱され、中圧タービン領域内に流れる。

高圧、中圧および低圧タービンセクション内の区域は、専門家の間で一貫して適用されたものではない。したがって、温度および圧力のような蒸気パラメータは、高圧、中圧および低圧タービンセクション間の基順の単一の識別として適用されることが可能でない。中圧タービンセクションを特定するための本質的な特徴は、これは蒸気の流入に暴露されており、蒸気は高圧タービンセクションから流入し、且つ再熱器においてより高温に加熱されていることである。

蒸気パワープラントにおいて、蒸気の熱エネルギは、例えばタービン発電機を駆動するために、機械的エネルギに大部分が変換される。しかしながら、蒸気タービンは機械的エネルギを提供するだけでなく特別な目的のために蒸気を供給することも知られている。例えば、化学処理のための処理蒸気を供給するために、または地域暖房のための加熱蒸気を供給するために、蒸気は抽出されることが可能である。

一般的に、そのような蒸気は決められた圧力において供給されなければならない。蒸気プラント内の蒸気タービンの設計は、下流の特定のステージにおいて、蒸気のある部分が別の目的のために供給される抽出ポイントにおいて抽出されるように行われることが知られている。残りの蒸気は熱エネルギを機械的エネルギに変換するためにさらに使用される。しかしながら、部分負荷または蒸気抽出の増大の際における蒸気タービンの作動の間に、抽出ポイントにおける蒸気圧が降下するということが発生する。したがって、付加的な測定が、必要とされる蒸気圧を達成するために導入されなければならない。

下流の処理のために蒸気タービンから蒸気を抽出することは、それに続くＣＯ２の分離に従って重要性が増すかもしれない。これに関して、中圧タービンセクションの流出口において、蒸気の質量の４０％〜６０％の間となる必要とされた蒸気が望まれており、その圧力は３．５〜５．５ｂａｒの範囲内である。

中圧タービンセクションの２つの流れを備えた蒸気パワープラント（図１参照）が公知であり、そのプラントは、中圧タービンセクションが第１流れおよび第２流れを備え、第１流れおよび第２流れの各々が蒸気抽出ラインを備え、そのラインは外部蒸気消費設備が蒸気を供給されるように形成されている。第１流れおよび第２流れから流れる蒸気が内部ケーシングと外部ケーシングとの間の空間内に流れ、そのケーシングはクロスオーバーラインおよび抽出接続に接続された結果的に排気蒸気システムに関して蒸気タービンの対称な構成が実現されている。さらに、第１流れは第１タービン放出ラインを備え、第２流れは第２タービン放出ラインを備えている。第１タービン放出ラインおよび第２タービン放出ラインはクロスオーバーライン内に入り、クロスオーバーラインは中圧タービンセクションを低圧タービンセクションに流体的に接続している。スロットルバルブがこのクロスオーバーライン内に配置され、クロスオーバーライン内の圧力を設定し、従って蒸気抽出ライン内の圧力も設定する。蒸気抽出ラインは第２流れにおいて最終ステージの後、２〜６ｂａｒの間にたびたび到達する。溶媒からのＣＯ２の抽出のために必要とされる抽出体積は、パワープラントの出力にほとんど比例しており、第２タービン放出ライン内のスロットルバルブは広範な出力範囲内でほとんど完全に閉じられている。蒸気質量流はこのスロットルバルブを介して抑制され、したがって流れ損失は顕著に減少される。そのようなプラントがＣＯ２の分離を行うことなく構築され得ることは有利である。ＣＯ２の分離を伴ったその後の抽出の結果として、追加的な損失は抑制の結果としてほとんど発生しない。

しかしながら、この場合、抽出の際に、低圧タービンセクション内に流れる蒸気の全体量が抑制されるという欠点が存在する。これらの抑制のために、蒸気タービンの機械的出力は著しく減少される。

より低い機械的出力を導く多大な圧力損失の無い、適切な蒸気を供給することが望まれるだろう。

本発明の開始点はこの点にあり、本発明の目的は、改良された蒸気抽出を有する蒸気パワープラントを提供することであり、その装置では流れに関する損失が減少されている。

さらに、本発明の目的は、外部蒸気消費設備に供給するための方法を開示することであり、その方法では流れに関する損失が減少されている。

蒸気パワープラントに焦点が当てられた目的は、請求項１による蒸気パワープラントを利用することによって達成される。

方法に焦点が当てられた目的は、請求項８による蒸気パワープラントを利用することによって達成される。

本発明は２つの流れ をデザインする様式に関係し、中圧タービンセクションは第１流れと第２流れとを備え、第１流れはクロスオーバーラインを介して低圧タービンセクションに流体的に直接接続されている。第２流れは蒸気抽出ラインを備え、そのラインを使用して外部蒸気消費設備には蒸気が供給される。さらに、第２流れは第２タービン放出ラインを備え、そこを介して低圧タービンセクションへの蒸気がクロスオーバーライン内に流れる。本発明は、スロットルバルブが第２タービン放出ライン内にのみ配置されていることを特徴としている。結果的に、蒸気抽出ラインから流れ出す蒸気の圧力を相応して設定することが可能である。したがって、第１タービン放出ライン内の蒸気質量流は抑制されない。

第１流れは第１タービン放出ラインを備え、第２流れは第２タービン放出ラインを備えている。第１タービン放出ラインは低圧タービンセクションに蒸気を供給する。第２タービン放出ラインは低圧タービンセクションと蒸気抽出ラインとに蒸気を供給し、したがって、外部蒸気消費設備に蒸気を供給する。蒸気抽出ラインにおいて必要とされる蒸気圧は、第２タービン放出ライン内に配置されたスロットルバルブを介して設定される。したがって、第２タービン放出ラインを流れる蒸気のみがスロットルバルブによって抑制され、結果的に熱力学的損失がこれに続いて発生する。

本発明の利点は、とりわけ第２流れの受け入れが外部蒸気消費設備に適合されることが可能なことでもある。受け入れ容量は質量流（mass flow）密度と比較されることが可能であり、一般的に単位時間（または単位面積）当たりの蒸気の体積（または質量）流量に帰結する指数として特定される。したがって、スロットルバルブを介して流れる質量流および流れ損失は最小化される。

第２流れ内を流れる蒸気と同様に、第１流れ内を流れる蒸気は中圧タービンセクションのロータの合力を生成する。第１流れ内の合力と第２流れ内の合力とは対向した方向を示している。したがって、非対称の合成推進力が見込まれ、それは適切なシャフトの傾斜によって、またはブレードの反作用角度を調節することによって補正されることが可能である。

外部蒸気消費設備のための蒸気抽出の結果としての出力損失は、第１流れ内の蒸気は任意の意図的な抑制を受けないので、ここでは相当に小さい。さらなる利点は、第２タービン放出ライン内のスロットルバルブが、先行技術によりこれまでに可能であったものよりもよりコストパフォーマンスを高く生産されることが可能なことである。さらに、クロスオーバーラインの高さを減少させることが可能である。

有利なさらなる発展は、添付の特許請求の範囲に開示されている。

蒸気抽出ラインは蒸気抽出ステージの下流に有利に配置されている。第１流れおよび第２流れはいくつかのステージを具備している。通過して流れる蒸気の温度および圧力はステージごとに変化する。外部消費設備のために、特定の温度および圧力における特定の蒸気が一般的に必要とされる。したがって、適切な温度および適切な圧力で蒸気を供給するステージを選択することは有利なことである。この蒸気抽出ステージが最終ステージの下流または上流に配置されている場合、有利になることが判明した。

本発明の例示的な実施形態が、記載および図を参照するとともに記述されている。この場合、同一の符号は同一の動作原理である。

従来技術による蒸気パワープラントを示した図である。 本発明による蒸気パワープラントを示した図である。

図１は従来技術による蒸気パワープラント（１）を示している。蒸気パワープラント（１）は、高圧タービンセクション（２）、中圧タービンセクション（３）、および低圧タービンセクション（４）を具備した蒸気タービンを具備し、それらのセクションは共通のシャフトを介して相互結合され、トルク伝達の効果を奏している。より詳細には示されないが、発電機がシャフト連結（５）に配列されている。

活性蒸気ライン（６）を介して、活性蒸気が高圧タービンセクション（２）の高圧蒸気流入口（８）からバルブ配列（７）を通じて流入する。詳細には図示されていないステータブレードおよびロータブレードを介して、蒸気は高圧タービンセクション（２）内で膨張され、蒸気温度はそれと同時に低下する。この場合の蒸気の熱エネルギはロータの回転エネルギに変換されるが、詳細には図示されていない。高圧蒸気流出口（９）において、蒸気は高圧タービンセクション（２）から高圧スロットルバルブ（１０）を介して再熱器（１１）へと流れる。再熱器（１１）内において、蒸気は高温に再加熱される。次に、蒸気は第２バルブ配列（１２）を介して、中圧タービンセクション（３）の中圧蒸気流入口（１３）内に流入する。

中圧タービンセクション（３）内において、蒸気は膨張され、蒸気温度は再度低下する。中圧タービンセクション（３）は第１流れ（１４）および第２流れ（１５）を具備している。第１流れ（１４）および第２流れ（１５）の各々は、詳細には図示されていないステータブレードとロータブレードとを利用して形成されており、それは詳細には図示されていない。中圧タービンセクション（３）内に流入する蒸気は第１部分流と第２部分流とに分割され、第１部分流は第１流れ（１４）を通じて流れ、第２部分流は対向した流れ方向において第２流れ（１５）内に流入する。

第１流れ（１４）内の蒸気は第１中圧タービン流出口（１６）を介して第１タービン放出ライン（１７）内に流れる。第２流れ（１５）内の蒸気は第２中圧タービン流出口（１８）を介して第２タービン放出ライン（１９）内に流れる。第１タービン放出ライン（１７）と第２タービン放出ライン（１９）との双方は、クロスオーバーライン（２０）内に通じ、それは水平のラインを利用してシンボル化されている。クロスオーバーライン（２０）は低圧流入口（２１）と低圧流入ライン（２２）を介して流体的に連通されている。

詳細には図示されていないが、蒸気抽出ステージの下流において、蒸気抽出ライン（２３）が第１流れ（１４）および第２流れ（１５）の各々に配置されている。第１流れ（１４）および第２流れ（１５）に流入した蒸気は、一方では第１タービン放出ライン（１７）および第２タービン放出ライン（１９）を介して低圧タービンセクション（４）へと流れ、他方では蒸気抽出ライン（２３）を介して、より詳細には図示されていない外部蒸気消費設備へと流れる。蒸気抽出ライン（２３）内に流入した蒸気は、例えば化学処理のための処理蒸気としてまたは地域暖房のための加熱蒸気として使用され得る。この蒸気は通常は個別の圧力において供給されなければならない。

蒸気パワープラント（１）はクロスオーバーライン（２０）内に追加的にスロットルバルブ（２４）を備えている。このスロットルバルブ（２４）によって、クラスオーバーライン（２０）内の蒸気圧が設定されることが可能である。さらに、蒸気抽出ライン（２３）内の蒸気圧はスロットルバルブ（２４）の設定に依存している。蒸気抽出ライン（２３）からの蒸気注出の際、第１タービン放出ライン（１７）および第２タービン放出ライン（１９）から低圧タービンセクション（４）内へと流れる蒸気の全体が抑制されることは、この場合不利である。これらの高い抑制損失は機械的出力を顕著に減少させる。

図２は本発明による蒸気パワープラント（１）を示している。図１に示された蒸気パワープラント（１）と図２に示されたものとの間の差異は、クロスオーバーライン（２０）内のスロットルバルブ（２４）が除外されている点である。さらに、差異は、抽出スロットルバルブ（２５）が第２タービン放出ライン（１９）内に配置されている点である。抽出スロットルバルブ（２５）はスロットルバルブ（２４）と同様であり、蒸気圧を変更するために設計されている。

第２タービン放出ライン（１９）内に配置されたスロットルバルブ（２５）のために、第２タービン放出ライン（１９）内のみで抑制が実行され、これによって第１流れ（１４）から低圧タービンセクション（４）内へと流れる蒸気の蒸気パラメータに直接的な影響を及ぼさないものとなる。第１流れ（１４）から流れ出した蒸気は、本質的に低圧タービンセクション（４）に供給される。第２流れ（１５）から流れ出した蒸気は、外部蒸気消費設備へ蒸気を供給するために供給される。目的とする圧力は、第２タービン放出ライン（１９）内に配置されたスロットルバルブ（２５）を介して設定される。したがって、スロットルバルブ（２５）を介して抑制されたこの蒸気のみが熱力学的損失の原因となる。第２流れ（１５）の容量の受け入れは、外部蒸気消費設備に適応されることが可能である。さらに、非対称に起因した推進力の合力は、適切な傾斜シャフトを利用して補正されることが可能である。

第１流れ（１４）における出力損失は、第１流れ（１４）が意図的な抑制をされなかった蒸気であるために、ここでは相当に小さい。さらに、第２タービン放出ライン（１９）内に配置されるスロットルバルブ（２５）をよりコストパフォーマンス高く設計することが可能である。図１によるスロットルバルブ（２４）よりも小さいこのスロットルバルブ（２５）を設計することは、考え得ることである。結果的に、クロスオーバーライン（２０）の高さが減少され得る。

１ ・・・蒸気パワープラント、 ２ ・・・高圧タービンセクション、 ３ ・・・中圧タービンセクション、 ４ ・・・低圧タービンセクション、 ５ ・・・シャフト連結、 ６ ・・・蒸気ライン、 ７ ・・・バルブ配列、 ８ ・・・高圧蒸気流入口、 ９ ・・・高圧蒸気流出口、 １０ ・・・高圧スロットルバルブ、 １１ ・・・再熱器、 １２ ・・・第２バルブ配列、 １３ ・・・中圧蒸気流入口、 １６ ・・・第１中圧タービン流出口、 １７ ・・・第１タービン放出ライン、 １８ ・・・第２中圧タービン流出口、 １９ ・・・第２タービン放出ライン、 ２０ ・・・クロスオーバーライン、 ２１ ・・・低圧流入口、 ２２ ・・・低圧流入ライン、 ２３ ・・・蒸気抽出ライン、 ２４ ・・・スロットルバルブ、 ２５ ・・・抽出スロットルバルブ、

Claims (8)

1. 複数のステージを具備した第１流れ（１４）と、複数のステージを具備した第２流れ（１５）と、を備えた中圧タービンセクションと、
   外部蒸気消費設備のために蒸気を抽出する、前記第２流れ（１５）内の蒸気抽出ライン（２３）と、
   クロスオーバーライン（２０）と、スロットルバルブ（２５）と、低圧タービンセクション（４）と、
   を具備した蒸気パワープラント（１）であって、
   前記第１流れ（１４）は第１タービン放出ライン（１７）を備え、前記第２流れ（１５）は第２タービン放出ライン（１９）を備え、
   前記クロスオーバーライン（２０）は前記第１タービン放出ライン（１７）、前記第２タービン放出ライン（１９）、および前記低圧タービンセクション（４）と流体的に連通された蒸気パワープラント（１）において、
   前記スロットルバルブ（２５）は前記第２タービン放出ライン（１９）内に配置されていることを特徴とする蒸気パワープラント（１）。
2. 前記第１タービン放出ライン（１７）と前記第２タービン放出ライン（１９）とは、クロスオーバーライン（２０）内に通じていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気パワープラント（１）。
3. 前記蒸気抽出ライン（２３）は蒸気抽出ステージの下流に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気パワープラント（１）。
4. 前記蒸気抽出ステージは最終ステージの上流に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の蒸気パワープラント（１）。
5. 前記蒸気抽出ライン（２３）に流体的に接続された蒸気消費設備を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸気パワープラント（１）。
6. 前記中圧タービンセクション（３）の前記第２流れ（１４）は前記蒸気消費設備に供給するために設計されており、前記第１流れ（１５）は前記低圧タービンセクション（４）に供給するために設計されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の蒸気パワープラント（１）。
7. 前記クロスオーバーライン（２０）は、前記低圧タービンセクション（４）の低圧流入ライン（２２）に流体的に接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の蒸気パワープラント（１）。
8. 外部蒸気消費設備に蒸気を供給するための方法であって、
   中圧タービンセクション（３）には第１流れ（１４）と第２流れ（１５）とが設けられ、前記外部蒸気消費設備には前記第２流れ（１５）を利用して蒸気抽出ライン（２３）を通じて蒸気が供給され、
   第１タービン放出ライン（１７）を介した前記第１流れ（１４）からの膨張された蒸気と、第２タービン放出ライン（１９）を介した前記第２流れからの膨張した蒸気と、はクロスオーバーライン（２０）に入って低圧タービンセクション（４）内に通じている方法において、
   前記蒸気抽出ライン（２３）から流れ出した蒸気の圧力を設定するために、スロットルバルブ（２５）が前記第２タービン放出ライン（１９）において使用されることを特徴とする方法。

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