JP5526899B2 - 蒸気タービンプラント - Google Patents

Description

本発明は、火力発電用蒸気タービンプラントに関する。

従来の超々臨界圧発電技術（ＵＳＣ）プラントでは、蒸気条件６００／６２０℃、２５ＭＰａとしてボイラで発生させた蒸気を発電用蒸気タービンの高圧タービンおよび中圧タービンの入口に供給している。

図３は、従来のＵＳＣプラントの構成を示す図である。１はボイラ過熱器、５はボイラ再熱器、３は高圧タービン、６は中圧タービン、７は低圧タービン、８は発電機、１３は復水器である。

ボイラ過熱器１で発生した６００℃の高温高圧の主蒸気は、高圧タービン３に導入され、そこで仕事をした後、ボイラ再熱器５で再熱される。
その後、再熱蒸気は、中圧タービン６、低圧タービン７に順次、導入されて仕事を行い、発電機８を駆動する。なお、低圧タービン７でエネルギー回収された蒸気は、復水器１３で水になって再びボイラ過熱器１に供給される。

ところで、このような蒸気タービンプラントでは、主蒸気温度を上げることで、発電効率の向上が可能となる。そのため、次世代ＵＳＣ(Ａ−ＵＳＣ)プラントでは、蒸気条件を７００℃、３５ＭＰａまで大幅に上昇させることで効率の改善を図っている。

蒸気条件を上げた場合、通常は、プラント構成の変更ではなく、配管などに耐熱性能の高い材料を採用して対応する。
６２０℃を超える主蒸気／再熱蒸気温度の蒸気タービンプラントでは、従来のＵＳＣプラントの配管などで使用されているフェライト系ステンレス鋼の材料では強度が不足してしまう。そのため、Ｎｉなどをベースとした高価な耐熱合金材料を使用する必要がある。

しかし、このような耐熱合金材料を発電用タービンなどの大型部材に使用する場合には、製作が困難であることが多く、コストも非常に高くなる。また、主蒸気配管および再熱蒸気管のみならず、タービン入口の蒸気止め弁や加減弁などの材質についても耐熱合金材料を使用する必要があるため、費用の負担が非常に大きくなる。

そこで、特許文献１では、主蒸気温度が６７５℃以上の高温蒸気タービンにつき、ＶＨＴ（Very High Temperature）タービンが設置された縦型ボイラを含む建屋と、地面を基礎として設置されたタービン建屋とから構成し、ボイラ上部にＶＨＴタービンと連結された発電機を設置している。

図４は、従来のＡ−ＵＳＣプラントであり、ＶＨＴタービン１６が設置されたトップタービン形式のプラントの構成を示す図である。１６はＶＨＴタービン、１７は第２の発電機である。

ボイラ過熱器１で発生した７００℃の超高温高圧の主蒸気は、ＶＨＴタービン１６に導入され、そこで仕事をしてＶＨＴタービン１６に連結された第２の発電機１７を駆動する。そして、６１０℃の蒸気となって、高圧タービン３へ導入され、その後、ボイラ再熱器５、中圧タービン６、低圧タービン７へ順次、導入されて仕事を行い、発電機８を駆動する。

この構成により、ボイラ過熱器１とＶＨＴタービン１６との間の距離を短縮でき、そこで使用する配管の長さを短くすることができる。従って、７００℃に対応した高価材料（Ｎｉ）の使用範囲を限定でき、ＶＨＴタービン１６と高圧タービン３との間の蒸気配管については、鉄鋼材料で製作できることにより、全体として高価材料の使用量を低減することができる。

特開２００８−２６１３０８号公報

このような従来の蒸気タービンプラントには以下のような課題があった。
Ａ−ＵＳＣプラント全体の効率を向上させるためには、高圧タービンで大きな出力を得ることが有効である。しかし、高圧タービンで大きな出力を得た場合には、高圧タービンでの仕事に蒸気が多く使われるため、必然的に高圧タービンの出口における蒸気の圧力および温度は低くならざるを得ない。

ここで、特許文献１では、高圧タービンで仕事をした蒸気は、直接、ボイラ再熱器に送られて再熱されている。従って、高圧タービンで大きな出力を得るために多くの蒸気を使用し、高圧タービンの出口における蒸気の圧力および温度が低くなった場合には、ボイラ再熱器において、再熱蒸気の圧力および温度を大きく高める必要がある。しかし、その場合には、ボイラ再熱器のサイズを非常に大きくしなければならず、多大なコストがかかる。

また、通常サイズのボイラ再熱器で再熱した場合には、再熱蒸気の圧力および温度をそれほど上げることができないため、プラント全体の効率が悪くなる。
つまり、従来の構成では、コストを抑制しながら高圧タービンで大きな出力を得ることができなかったため、プラント全体の効率を上げることが困難であった。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するべく、蒸気タービンプラント全体の効率を向上させることで、発電コストを低減する高温蒸気タービンプラントを提供することである。

前記の目的を達成するために、本発明によれば、過熱器および再熱器を有するボイラと、前記過熱器により過熱された過熱蒸気が供給される高圧タービンと、該高圧タービンから排出される蒸気が前記再熱器を介して供給される中圧または低圧タービンとを備えた高温蒸気タービンプラントであって、
前記過熱器と前記高圧タービンとの間には、前記過熱器から供給される過熱蒸気によって駆動され、排出された蒸気を前記高圧タービンに供給する駆動用タービンと、
該駆動用タービンで駆動され、前記高圧タービンから排出される蒸気を昇温昇圧して前記再熱器に供給する圧縮機とを備え、
前記圧縮機より一部蒸気を取り出し、該蒸気を前記圧縮機に再循環させることを特徴とする高温蒸気タービンプラントとする。

また、本発明によれば、過熱器および再熱器を有するボイラと、前記過熱器により過熱された過熱蒸気が供給される高圧タービンと、該高圧タービンから排出される蒸気が前記再熱器を介して供給される中圧または低圧タービンとを備えた高温蒸気タービンプラントであって、
前記過熱器と前記高圧タービンとの間には、前記過熱器から供給される過熱蒸気によって駆動され、排出された蒸気を前記高圧タービンに供給する駆動用タービンと、
該駆動用タービンで駆動され、前記高圧タービンから排出される蒸気を昇温昇圧して前記再熱器に供給する圧縮機とを備え、
前記圧縮機は、該圧縮機の出口または中段に設けられた抽気弁と、該抽気弁により抽気された蒸気を減圧した上で該圧縮機の入口に戻す調節弁とを備えることを特徴とする高温蒸気タービンプラントとする。

また、本発明によれば、過熱器および再熱器を有するボイラと、前記過熱器により過熱された過熱蒸気が供給される高圧タービンと、該高圧タービンから排出される蒸気が前記再熱器を介して供給される中圧または低圧タービンとを備えた高温蒸気タービンプラントであって、
前記過熱器と前記高圧タービンとの間には、前記過熱器から供給される過熱蒸気によって駆動され、排出された蒸気を前記高圧タービンに供給する駆動用タービンと、
該駆動用タービンで駆動され、前記高圧タービンから排出される蒸気を昇温昇圧して前記再熱器に供給する圧縮機とを備え、
前記駆動用タービンから前記高圧タービンに蒸気を供給する配管には、蒸気加減弁が介挿され、
該蒸気加減弁は、前記駆動用タービンの回転速度または蒸気温度が設定値を超えようとした場合に、前記回転速度または出力の値に係らず、前記高圧タービンに供給される蒸気の絞込みを行うことを特徴とする高温蒸気タービンプラントとする。

また、本発明によれば、過熱器および再熱器を有するボイラと、前記過熱器により過熱された過熱蒸気が供給される高圧タービンと、該高圧タービンから排出される蒸気が前記再熱器を介して供給される中圧または低圧タービンとを備えた高温蒸気タービンプラントであって、
前記過熱器と前記高圧タービンとの間には、前記過熱器から供給される過熱蒸気によって駆動され、排出された蒸気を前記高圧タービンに供給する駆動用タービンと、
該駆動用タービンで駆動され、前記高圧タービンから排出される蒸気を昇温昇圧して前記再熱器に供給する圧縮機とを備え、
前記駆動用タービンの同一軸上に組み込まれ、前記再熱器から排出される再熱蒸気が供給されて前記駆動用タービンの動力を補うように駆動され、排出される蒸気を前記中圧または低圧タービンに供給する高温中圧タービンを備えることを特徴とする高温蒸気タービンプラントとする。

また、本発明によれば、上記の構成において、前記駆動用タービンから前記高圧タービンに蒸気を供給する配管には、蒸気加減弁が介挿され、
該蒸気加減弁は、前記駆動用タービンの回転速度または蒸気温度が設定値を超えようとした場合に、前記回転速度または出力の値に係らず、前記高圧タービンに供給される蒸気の絞込みを行うことを特徴とする高温蒸気タービンプラントとする。

また、本発明によれば、上記の構成において、前記駆動用タービンの同一軸上に組み込まれ、前記再熱器から排出される再熱蒸気が供給されて前記駆動用タービンの動力を補うように駆動され、排出される蒸気を前記中圧または低圧タービンに供給する高温中圧タービンを備えることを特徴とする高温蒸気タービンプラントとする。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記駆動用タービンから前記高圧タービンに蒸気を供給する配管には、蒸気加減弁が介挿され、該蒸気加減弁は、前記駆動用タービンの回転速度または蒸気温度が設定値を超えようとした場合に、前記回転速度または出力の値に係らず、前記高圧タービンに供給される蒸気の絞込みを行うことを特徴とする高温蒸気タービンプラントとする。

本発明により、蒸気タービンプラント全体の効率を向上させることで、発電コストを低減することができる。

本発明の実施例の蒸気タービンプラントの構成を示す図である。 本発明の他の実施例の蒸気タービンプラントの構成を示す図である。 従来のＵＳＣプラントの構成を示す図である。 従来のＡ−ＵＳＣプラントの構成を示す図である。

実施の形態を以下の実施例で説明する。以下の説明で従来の構造と同一部位には同一の符号を付した。

図１は、本発明の実施例の蒸気タービンプラントの構成を示す図である。１はボイラ過熱器、２は可変速高速タービン、３は高圧タービン、４はコンプレッサ、５はボイラ再熱器、６は中圧タービン、７は低圧タービン、８は発電機、９は蒸気止め弁、１０は蒸気加減弁、１１は高圧高温配管、１２は低温再熱蒸気配管、１３は復水器である。

高圧タービン３、中圧タービン６、低圧タービン７は、同軸上に配置されている。
可変速高速タービン２にはコンプレッサ４が連結されている。
先ず、ボイラ過熱器１で発生した蒸気は、７００℃、３５ＭＰａの高温高圧の主蒸気として可変速高速タービン２に導入されて、そこで仕事を行う。

ここで、可変速高速タービン２を、ボイラ過熱器１の出口であるボイラ頂上付近に設置する。
その後、可変速高速タービン２を出た蒸気は、高圧高温配管１１を通り、高圧タービン３へ導入されて、そこで仕事を行う。導入された際の蒸気条件は、６０９℃、２０ＭＰａである。

なお、高圧タービン３における蒸気の仕事量については、蒸気加減弁１０を調節することにより行う。これにより、高圧タービン３の回転速度および出力を制御する。
この後、高圧タービン３を出た蒸気は、低温再熱蒸気配管１２を通って、コンプレッサ４に導入される。

コンプレッサ４は、可変速高速タービン２により駆動されている。コンプレッサ４では、導入された蒸気を昇温昇圧させてから、ボイラ再熱器５へ送る。
ここで、コンプレッサ４により、高圧タービン３の出口蒸気は、３９６℃、４．８ＭＰａまで昇温昇圧される。これは、上述した通常の高圧タービンの出口蒸気の温度および圧力（３９５℃、４．７ＭＰａ）と同程度である。

ボイラ再熱器５に導入された蒸気は、上述のとおりコンプレッサ４によって昇温昇圧されているため、効率良く再熱されて中圧タービン６へ導入され、そこで仕事を行う。中圧タービン６を出た蒸気は、低圧タービン７に導入されて仕事を行う。

このように、高圧タービン３、中圧タービン６、低圧タービン７で回転が行われ、同一軸上に配置された発電機８を駆動させて発電を行う。
低圧タービン７を出た蒸気は、復水器１３に入って復水となり、その後、ボイラ過熱器１へ給水として供給される。

かくして本発明の実施例によれば、ボイラ過熱器１と可変速高速タービン２との間の距離を短くすることができる。そのため、Ｎｉなどの高価材料を使用せざるを得ない７００℃対応の主蒸気配管の距離を極めて少なくしてコストを抑制することができる。

可変速高速タービン２では、その駆動により蒸気量の調整を行うことができる。そのため、同様に高価材料を使用せざるを得ない７００℃対応の主蒸気止め弁や加減弁を不要とすることができ、コストを抑制することができる。

また、高圧タービン３では、蒸気に大きく仕事をしてもらうことができる。これにより、高圧タービン３で従来よりも大きな出力を得ることができる。
しかし、この結果、高圧タービン３では多くの蒸気が使用されるため、高圧タービン３の出口における蒸気の温度および圧力は低くなる。具体的には、３１７℃、３ＭＰａとなる。通常、高圧タービンの出口蒸気は、３９５℃、４．７ＭＰａ程度であるため、その差分につき、本実施例では高圧タービン３において従来より大きな出力を得られたことが分かる。

コンプレッサ４では蒸気を昇温昇圧しているため、高圧タービン３で大きな出力を得ることができたにもかかわらず、ボイラ再熱器５への導入前には、蒸気の温度および圧力を通常と同程度とすることができる。

そのため、ボイラ再熱器５において通常以上の再熱を行う必要はなく、コストのかかる巨大な再熱器を使用しなくてよい。また、中圧タービン６以降では、通常と同程度の温度および圧力の蒸気を実現できる。

従って、高圧タービン３で大きな出力を得ている分、プラント全体として効率向上を図ることができる。
以上のように、本実施例では、蒸気タービンプラント全体の効率を向上させることで、発電コストを低減することができる。具体的には、従来の６００℃級のＵＳＣプラントの効率が４２％であるのに対し、本実施例では４５％弱の効率を実現することができる。

なお、可変速高速タービン２には、コンプレッサ４の出口または中段に抽気弁を設け、蒸気の抽気を行い、その蒸気を減圧した上で再びコンプレッサ４の入口に戻す調節弁を設ける。

これにより蒸気を再循環させる。蒸気を再循環させることで、コンプレッサ４で処理すべき蒸気量は多くなる。
ここで、可変速高速タービン２の回転速度は、可変速高速タービン２とコンプレッサ４との動力のバランスによって決定されている。従って、コンプレッサ４の処理能力を上げるために、コンプレッサ４に連結されている可変速高速タービン２の回転速度を上げることができる。

このように蒸気を再循環させて回転速度を変化させることにより、可変速高速タービン２によって、主蒸気止め弁や蒸気加減弁の代わりに７００℃の高温高圧の蒸気量の調整を行うことができる。従って、７００℃に対応した高価材料を使用する主蒸気止め弁や加減弁を不要とすることができる。

なお、可変速高速タービン２の回転速度または可変速高速タービン２の出口の蒸気温度が設定値を超えようとした場合には、その前に、高圧タービン３の入口付近に設置された蒸気加減弁１０を絞り込むことにより、コンプレッサ４の動力を制御する。これにより、コンプレッサ４の異常回転を防止することができる。

次に、上記の実施例の構成に、さらに高温中圧タービン１４を可変速高速タービン２およびコンプレッサ４の同一軸上に組み込み、可変速高速タービン２の動力を補う構成の実施例について説明する。

図２は、本発明の他の実施例の蒸気タービンプラントの構成を示す図である。１４は高温中圧タービン、１５は高温再熱蒸気配管である。
ボイラ１を出た７００℃、３５ＭＰａの蒸気は、可変速高速タービン２に導入されて仕事を行う。

可変速高速タービン２から排出された蒸気は、高圧タービン３に導入されて、そこで仕事を行う。
その後、高圧タービン３から排出された蒸気はコンプレッサ４に導入され、そこで昇温昇圧される。

コンプレッサ４から排出された蒸気は、ボイラ再熱器５で再熱された後、高温中圧タービン１４に導入されて、そこで仕事を行う。
高温中圧タービン１４で使用されて減温減圧された蒸気は、高温再熱蒸気配管１５を経由して、中圧タービン６に導入され、そこで仕事を行う。

その後、低圧タービン７に導入されて仕事を行い、高圧タービン３、中圧タービン６、低圧タービン７で回転が行われ、同一軸上に配置された発電機８を駆動させて発電を行う。

低圧タービン７を出た蒸気は、復水器１３に入って復水となり、その後、ボイラ過熱器１へ給水として供給される。
かくして本発明の他の実施例では、高温中圧タービン１４は、可変速高速タービン２およびコンプレッサ４と同一軸上に組み込まれているため、高温中圧タービン１４の駆動により、可変速高速タービン２の動力を補うことができる。

これにより、７００℃、３５ＭＰａの高温高圧の蒸気量の調整を行う際に、可変速高速タービン２のみでは動力が足りない場合にも対応することができる。
なお、以上の実施例では中圧タービン、低圧タービンの両方を備えたプラントについて説明を行ったが、いずれか一方のみを備えたプラントにも本発明は適用することができることは勿論である。

１ ボイラ過熱器
２ 可変速高速タービン
３ 高圧タービン
４ コンプレッサ
５ ボイラ再熱器
６ 中圧タービン
７ 低圧タービン
８ 発電機
９ 蒸気止め弁
１０ 蒸気加減弁
１１ 高圧高温配管
１２ 低温再熱蒸気配管
１３ 復水器
１４ 高温中圧タービン
１５ 高温再熱蒸気配管
１６ ＶＨＴタービン
１７ 第２の発電機

Claims (7)

1. 過熱器および再熱器を有するボイラと、前記過熱器により過熱された過熱蒸気が供給される高圧タービンと、該高圧タービンから排出される蒸気が前記再熱器を介して供給される中圧または低圧タービンとを備えた高温蒸気タービンプラントであって、
   前記過熱器と前記高圧タービンとの間には、前記過熱器から供給される過熱蒸気によって駆動され、排出された蒸気を前記高圧タービンに供給する駆動用タービンと、
   該駆動用タービンで駆動され、前記高圧タービンから排出される蒸気を昇温昇圧して前記再熱器に供給する圧縮機とを備え、
   前記圧縮機より一部蒸気を取り出し、該蒸気を前記圧縮機に再循環させることを特徴とする高温蒸気タービンプラント。
2. 過熱器および再熱器を有するボイラと、前記過熱器により過熱された過熱蒸気が供給される高圧タービンと、該高圧タービンから排出される蒸気が前記再熱器を介して供給される中圧または低圧タービンとを備えた高温蒸気タービンプラントであって、
   前記過熱器と前記高圧タービンとの間には、前記過熱器から供給される過熱蒸気によって駆動され、排出された蒸気を前記高圧タービンに供給する駆動用タービンと、
   該駆動用タービンで駆動され、前記高圧タービンから排出される蒸気を昇温昇圧して前記再熱器に供給する圧縮機とを備え、
   前記圧縮機は、該圧縮機の出口または中段に設けられた抽気弁と、該抽気弁により抽気された蒸気を減圧した上で該圧縮機の入口に戻す調節弁とを備えることを特徴とする高温蒸気タービンプラント。
3. 過熱器および再熱器を有するボイラと、前記過熱器により過熱された過熱蒸気が供給される高圧タービンと、該高圧タービンから排出される蒸気が前記再熱器を介して供給される中圧または低圧タービンとを備えた高温蒸気タービンプラントであって、
   前記過熱器と前記高圧タービンとの間には、前記過熱器から供給される過熱蒸気によって駆動され、排出された蒸気を前記高圧タービンに供給する駆動用タービンと、
   該駆動用タービンで駆動され、前記高圧タービンから排出される蒸気を昇温昇圧して前記再熱器に供給する圧縮機とを備え、
   前記駆動用タービンから前記高圧タービンに蒸気を供給する配管には、蒸気加減弁が介挿され、
   該蒸気加減弁は、前記駆動用タービンの回転速度または蒸気温度が設定値を超えようとした場合に、前記回転速度または出力の値に係らず、前記高圧タービンに供給される蒸気の絞込みを行うことを特徴とする高温蒸気タービンプラント。
4. 過熱器および再熱器を有するボイラと、前記過熱器により過熱された過熱蒸気が供給される高圧タービンと、該高圧タービンから排出される蒸気が前記再熱器を介して供給される中圧または低圧タービンとを備えた高温蒸気タービンプラントであって、
   前記過熱器と前記高圧タービンとの間には、前記過熱器から供給される過熱蒸気によって駆動され、排出された蒸気を前記高圧タービンに供給する駆動用タービンと、
   該駆動用タービンで駆動され、前記高圧タービンから排出される蒸気を昇温昇圧して前記再熱器に供給する圧縮機とを備え、
   前記駆動用タービンの同一軸上に組み込まれ、前記再熱器から排出される再熱蒸気が供給されて前記駆動用タービンの動力を補うように駆動され、排出される蒸気を前記中圧または低圧タービンに供給する高温中圧タービンを備えることを特徴とする高温蒸気タービンプラント。
5. 請求項１、２、４のいずれか１項に記載の高温蒸気タービンプラントにおいて、
   前記駆動用タービンから前記高圧タービンに蒸気を供給する配管には、蒸気加減弁が介挿され、
   該蒸気加減弁は、前記駆動用タービンの回転速度または蒸気温度が設定値を超えようとした場合に、前記回転速度または出力の値に係らず、前記高圧タービンに供給される蒸気の絞込みを行うことを特徴とする高温蒸気タービンプラント。
6. 請求項１，２のいずれか１項に記載の高温蒸気タービンプラントにおいて、
   前記駆動用タービンの同一軸上に組み込まれ、前記再熱器から排出される再熱蒸気が供給されて前記駆動用タービンの動力を補うように駆動され、排出される蒸気を前記中圧または低圧タービンに供給する高温中圧タービンを備えることを特徴とする高温蒸気タービンプラント。
7. 請求項６に記載の高温蒸気タービンプラントにおいて、
   前記駆動用タービンから前記高圧タービンに蒸気を供給する配管には、蒸気加減弁が介挿され、
   該蒸気加減弁は、前記駆動用タービンの回転速度または蒸気温度が設定値を超えようとした場合に、前記回転速度または出力の値に係らず、前記高圧タービンに供給される蒸気の絞込みを行うことを特徴とする高温蒸気タービンプラント。
   
   

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