JP5643539B2 - 作動流体の流れの偏倚 - Google Patents

Description

本発明は、作動流体の流れを偏倚するための方法及びシステムに関する。具体的には、本発明は、蒸気の流れを複数の復水式蒸気タービンセクションに偏倚することに関する。

多くの小型又は中型火力発電所は、各々の蒸気タービン復水器に、冷却剤源（冷却塔、湖、周囲空気又は河川）からの冷却剤（水又は空気）を直接供給するように設計されている。しかし、４以上の低圧（ＬＰ）タービン増設部をもつものなど、ある種の大型火力発電所は、違う設計がなされる。こうした大型プラントでは、冷却剤は、第１のＬＰタービンに連結された第１の復水器に供給され、加温された状態で、第２のＬＰタービンに連結された第２の復水器を冷却するために再使用される。第２の復水器を出た後、排気熱を周囲温度に放熱することができる。この設計は、冷却剤流を低減して、ポンプ及び／又はファン電力の必要量を低減することができるとともに、平均凝縮圧を低下させることができる。さらに、この設計は、放熱温度の増大によって、放熱機器（すなわち、冷却塔、空気凝縮器など）の所要サイズを縮小することができる。

米国特許第４３６６６７５号公報

上述のシステムは、各復水器に冷却剤を直接供給する設計よりも優れた性能をもたらし得るが、依然として幾つかの短所がある。例えば、第１のＬＰタービンと第２のＬＰタービンが同じ出口環状面積を有する場合、システムの性能は最適ではなくなるおそれがある。この場合、第１のＬＰタービン（低温の冷却剤を受け取る）は、第２のＬＰタービン（第１のＬＰタービンからの排気で加温された温かい冷却剤を受け取る）よりも低い復水器圧力を有する。これらの復水器圧力の差のため、第１のＬＰタービンと第２のＬＰタービンが同じ量の蒸気流を受け入れるとしても、第１のＬＰタービンでの排気速度が高くなり、排気損失が大きくなる。そのため発電所の性能を損なうおそれがある。

本願では、作動流体を偏倚させることのできるシステム及び方法について開示する。一実施形態では、本方法は、作動流体の第１の部分を第１の低圧タービンに供給するとともに、第１の部分よりも量の多い作動流体の第２の部分を第２の低圧タービンに供給し、作動流体の第１の部分を第１の低圧タービンで処理して第１の排気流体を生じさせるとともに、作動流体の第２の部分を第２の低圧タービンで処理して第２の排気流体を生じさせ、第１の排気流体を第１の復水器に供給し、第１の排気流体よりも量の多い第２の排気流体を第２の復水器に供給することを含む。第３の低圧タービンと第３の復水器が増設されている場合、本方法は、作動流体の第３の部分を第３の低圧タービンに供給し、作動流体の第３の部分を第３の低圧タービンで処理して第３の排気流体を生じさせ、第２の排気流体よりも量の多い第３の排気流体を第３の復水器に供給することをさらに含む。

本発明の第１の態様は、作動流体の第１の部分を第１の低圧タービンに供給するとともに、第１の部分よりも量の多い作動流体の第２の部分を第２の低圧タービンに供給し、作動流体の第１の部分を第１の低圧タービンで処理して第１の排気流体を生じさせるとともに、作動流体の第２の部分を第２の低圧タービンで処理して第２の排気流体を生じさせ、第１の排気流体を第１の復水器に供給し、第１の排気流体よりも量の多い第２の排気流体を第２の復水器に供給することを含む方法を提供する。

本発明の第２の態様は、作動流体の流れを第１の蒸気タービン及び第２の蒸気タービンに均等に導く供給ラインと、供給ラインに作動可能に連結された第１の蒸気タービンと、供給ラインに作動可能に連結された第２の蒸気タービンと、第１の蒸気タービンから作動流体の一部を抽出するため、第１の蒸気タービンに作動可能に連結された第１の抽出器と、第１の復水器冷却剤吐出口を有する第１の復水器であって、第１の蒸気タービン排気口に作動可能に連結された第１の復水器と、第２の蒸気タービン排気口及び第１の復水器に作動可能に連結された第２の復水器とを備えるシステムを提供する。

本発明の第３の態様は、作動流体の第１の部分を第１の低圧タービンに供給するとともに、作動流体の第２の部分を第２の低圧タービンに供給し、作動流体の第１の部分を第１の低圧タービンで処理して第１の排気流体を生じさせるとともに、作動流体の第２の部分を第２の低圧タービンで処理して第２の排気流体を生じさせ、第１の排気流体を第１の復水器に供給し、第２の排気流体を第２の復水器に供給することを含んでなる方法であって、第２の排気流体が第１の排気流体よりも多量である方法を提供する。

本発明の第４の態様は、作動流体の流れを第１の蒸気タービンと第２の蒸気タービンとの間に均等に導く供給ラインに作動可能に連結された第１の蒸気タービンと、供給ラインに作動可能に連結された第２の蒸気タービンと、追加の作動流体を第２の蒸気タービンに流入させるため、第２の蒸気タービンに作動可能に連結された低圧供給路と、第１の復水器冷却剤吐出口を有する第１の復水器であって、第１の蒸気タービン排気口に作動可能に連結された第１の復水器と、第２の蒸気タービン排気口及び第１の復水器に作動可能に連結された第２の復水器とを備えるシステムを提供する。

本発明の上記その他の特徴は、本発明の様々な実施形態に関する添付図面と併せて本発明の様々な態様についての以下の詳細な説明を参照することによって、理解を深めることができよう。

作動流体の偏倚システムの実施形態を示す概略ブロック図。 従来技術のシステムを用いて達成された結果を示すグラフ。 図１及び図４〜図７の実施形態を用いて達成された結果を示すグラフ。 作動流体の偏倚システムの別の実施形態を示す概略ブロック図。 作動流体の偏倚システムの別の実施形態を示す概略ブロック図。 作動流体の偏倚システムの別の実施形態を示す概略ブロック図。 作動流体の偏倚システムの別の実施形態を示す概略ブロック図。

なお、図面は縮尺通りではない。図面は、本発明の典型的な態様を例示するものにすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。図面において、同じ符号は同じ要素を表す。

上述の通り、本発明の態様は、作動流体の流れを偏倚させることのできるシステム及び方法を提供する。本明細書で用いる「偏倚（biasing）」という用語は、作動流体を複数の部分に分け、ある部分には他の部分よりも多くの作動流体を供給することを包含する。「作動流体」という用語は、本明細書に記載した様々な機能を果たすことができる任意の流体をいう。

図面を参照すると、図１は低圧蒸気タービンシステム１００を示し、これは大型蒸気タービンシステム（図示せず）の一部であってもよい。図１には、中圧タービン１１０（破線で囲われた部分）を示すが、中圧タービン１１０は主に低圧蒸気タービンシステム１００への入力として機能し得る。低圧蒸気タービンシステム１００は、供給ライン１６０と、供給ライン１６０に作動可能に連結された第１の蒸気タービン１２０と、供給ライン１６０に作動可能に連結された第２の蒸気タービン１３０とを備える。さらに、低圧蒸気タービンシステム１００は、第１の復水器冷却剤吐出口１０５を有する第１の復水器１４０を備えていて、第１の復水器１４０は第１の蒸気タービン１２０に作動可能に連結される。低圧蒸気タービンシステム１００は、第２の蒸気タービン１３０と第１の復水器１４０に、例えば冷却剤ライン（第１の復水器流体冷却剤流１１６）を介して、作動可能に連結した第２の復水器１５０を備える。第１の蒸気タービン１２０は入口領域１８０を有し、第２の蒸気タービン１３０は入口領域２８０を有する。さらに、第１の蒸気タービン１２０と第２の蒸気タービン１３０はシャフト１７５で連結できる。

図１では、作動流体１０２は低圧蒸気タービンシステム１００に供給される。作動流体１０２は、例えば、中圧タービン１１０からの排気である。作動流体１０２は供給ライン１６０へと流れ、そこで作動流体１０２の流れは第１の部分１０４と第２の部分１０６とに分けられる。一実施形態では、入口領域２８０は入口領域１８０よりも大きい。入口領域２８０は面積が大きいので、入口領域２８０に流れる作動流体１０２の量が多い。そのため、第２の部分１０６は第１の部分１０４よりも量が多い。さらに、第２の蒸気タービン１３０は、第１の蒸気タービン１２０よりも多くの量の作動流体１０２を受け取る。

供給ライン１６０で作動流体１０２を第１の部分１０４と第２の部分１０６とに分けた後、第１の部分１０４は第１の蒸気タービン１２０へと流れ、第２の部分１０６は、第２の蒸気タービン１３０へと流れる。第１の蒸気タービン１２０及び第２の蒸気タービン１３０は、それぞれ、第１の部分１０４及び第２の部分１０６を従来通り処理する。例えば、第１の部分１０４は第１の蒸気タービン１２０で膨張し、タービン動翼（図示せず）に圧力を加えて動翼を回転させ、機械的仕事をなす。同様に、第２の蒸気タービン１３０は、第２の部分１０６を用いて膨張、回転及び仕事を行う。第１の蒸気タービン１２０及び第２の蒸気タービン１３０でなされた仕事は、シャフト１７５で連結して、例えば、発電機（図示せず）へと供給することができる。

第１の蒸気タービン１２０及び第２の蒸気タービン１３０での処理後、作動流体１０２は、第１の蒸気タービン１２０から第１の排気流体１０８として、第２の蒸気タービン１３０から第２の排気流体１１２として吐出される。第２の部分１０６の方が第１の部分１０４よりも量が多いので、第２の排気流体１１２の方が第１の排気流体１０８よりも量が多い。第１の排気流体１０８は第１の蒸気タービン１２０から第１の復水器１４０へと流れる。同様に、第２の排気流体１１２は第２の蒸気タービン１３０から第２の復水器１５０へと流れる。

第１の復水器１４０は、第１の排気流体１０８（気体）を液体に凝縮させる。第１の復水器１４０は、例えば従来の表面凝縮器であってもよい。第１の復水器１４０では、第１の排気流体１０８と熱交換して、第１の排気流体１０８を凝縮させ、第１の復水器排気流体（凝縮液）１４２を生じさせるため、冷却剤を用いてもよい。第１の復水器排気流体１４２は、次いで、ボイラ５００へと流れる。冷却剤１１５は流体であればよく、例えば、水でよい。冷却剤は、例えば冷却塔又は周囲空気から供給し得る。第１の復水器１４０を流れた後、冷却剤１１５は温度が上昇して、第１の復水器流体冷却剤流１１６を形成する。第１の復水器流体冷却剤流１１６は、第１の復水器１４０から第１の復水器冷却剤吐出口１０５を通して流出し、第２の復水器１５０へと流れ込んで、第２の排気流体１１２を凝縮させること。こうして、第２の復水器排気流体（凝縮液）１５２が形成されるが、これは次いでボイラ５００へと流せばよい。第１の復水器流体冷却剤流１１６が第２の復水器１５０を流れると、その流れ１１６の温度は上昇するが、これは第２の復水器流出冷却剤１１７として、例えば冷却塔に送ることができる。

従来技術のシステム（大きな入口領域２８０がない）では、第１の復水器１４０に供給される冷却剤１１５は第１の復水器流体冷却剤流１１６よりも低温（ヒートシンクから供給）であるので、第１の復水器１４０は、第２の復水器１５０よりも低圧で作動する。こうした第１の復水器１４０と第２の復水器１５０との作動圧力の不一致のため、第１の排気流体１０８の比体積は第２の排気流体１１２の比体積よりも大きくなる。しかし、第１の蒸気タービン１２０及び第２の蒸気タービン１３０の排気面積が同一であると、第１の排気流体１０８の速度は、第２の排気流体１１２（密度が高い）の速度よりも大きくなる。この従来技術の設計では、第１のタービン１２０は第２のタービン１３０よりも高い排気速度で作動し、性能に悪影響を与える。図１を参照して説明した低圧蒸気タービンシステム１００は、作動流体１０２の流れを偏倚することによって、第１のタービン１２０の排気速度と第２のタービン１３０の排気速度との差を低減することができる。このシステムは、さらに、第１の復水器１４０に送られる第１の排気１０８よりも第２の復水器１５０に送られる第２の排気１１２の量を多くして、第１の復水器１４０での排気損失を低減して低圧蒸気タービンシステム１００全体の効率を向上させることができる。排気損失の低減については、図２〜図３を参照してさらに説明する。

図２及び図３は、本明細書に記載の方法を使用した低圧蒸気タービンシステム１００の効率の改善を示す。図２は、第１の蒸気タービン１２０及び第２の蒸気タービン１３０への作動流体１０２の流量が等しい従来の低圧蒸気タービン１００での排気損失を示す。点「Ａ」は、第１の復水器１４０（図１）の乾燥排気損失及び環状部流速（annulus velocity）を表し、点「Ｂ」は、第２の復水器１５０（図１）の乾燥排気損失及び環状部流速を表す。さらに、図２は、蒸気タービン及び復水器間でそれぞれ均等な流れの作動流体１０２を用いる従来のシステムにおける１００．００％での蒸気タービン出力を示す。図２に示すように、点Ａ及び点Ｂは異なる乾燥排気損失及び異なる環状部流速を有する。図３を参照すると、供給ライン１６０と作動流体１０２の偏倚流れとを含む低圧蒸気タービンシステム１００の排気損失のグラフを示す。点Ａ及び点Ｂは、乾燥排気損失曲線上のほぼ同じ位置にある。図２と比較すると、第１の復水器１４０の乾燥排気損失は環状部流速と共に減少している。しかし、第２の復水器１５０の乾燥排気損失は環状部流速と共に増加している。第１の復水器１４０の排気損失の減少は、第２の復水器１５０の乾燥排気損失の増加を上回り、全蒸気タービン出力を増大させる。図３は、図１に示す実施形態における１００．１２％での蒸気タービン出力を示す。

図４は、作動流体１０２の第１の部分１０４と第２の部分１０６とがほぼ均等である代替的な実施形態を示す。第１の蒸気タービン１２０及び第２の蒸気タービン１３０に等量の作動流体１０２が供給される。この実施形態では、低圧蒸気タービンシステム１００は、第１の蒸気タービン１２０に作動可能に連結された第１の抽出器１７０を備える。抽出器１７０で、処理（第１の蒸気タービン１２０での膨張）に際して、第１の排気流体１０８を第１の復水器１４０に供給する前に、第１の部分１０４の一部分１１４を抽出してもよい。抽出器１７０は、例えば、大型蒸気タービンシステム（図示せず）の他の部分の熱交換器で使用するため、部分１１４を抽出することができる。いずれにせよ、抽出器１７０は、第１の復水器１４０と第２の復水器１５０にそれぞれ供給される第１の排気流体１０８と第２の排気流体１１２との量の差を増大させる働きをする。単一の抽出器１７０を示したが、第１の蒸気タービン１２０での様々な処理段階で複数の部分１１４を抽出するため、複数の抽出器を用いてもよい。第１の蒸気タービン１２０及び第２の蒸気タービン１３０から同じ蒸気の流れを一様に抽出するシステムとは対照的に、この実施形態における蒸気タービン１２０からの部分１１４の優先的な抽出によって、全体的な蒸気タービン出力及び効率を増大させることができる。図４の実施形態では、全体的な蒸気タービン効率は、図３を参照して説明した実施形態とほぼ同様に増大する。

図５は、第２の蒸気タービン１３０での作動流体１０２の膨張の途中で低圧供給路３６０を使用する代替的な実施形態を示す。この実施形態は、複合サイクルシステムで使用することができ、ガスタービン発電機６００からの排熱を用いて低圧蒸気を生じさせ、これを第２の蒸気タービン１３０に低圧供給路３６０として供給すればよい。この場合、作動流体１０２の第１の部分１０４と第２の部分１０６はほぼ等量であってもよいが、低圧供給路３６０によって、第２の蒸気タービン１３０からの第２の排気流体１１２の量を増大さえる。第１の低圧蒸気タービン１２０及び第２の低圧蒸気タービン１３０への低圧供給路３６０の流れが均等であるシステムと対比すると、図５の実施形態は、全体的な蒸気タービン効率及び出力の増大をもたらすことができる。図５の実施形態は、図３を参照して説明した実施形態とほぼ同様の増大をもたらすことができる。

図６は、第１の排気１０８及び第２の排気１１２を凝縮させる前に、第１の蒸気タービン１２０及び第２の蒸気タービン１３０からの不均等な抽出を用いる代替的な実施形態を示す。この場合、抽出器１７０は、図４を参照して説明したように、第１の部分１０４の一部分１１４を除去する。ただし、追加の抽出器４６０によって、第２の蒸気タービン１３０から第２の部分１０６の一部分４１４を除去してもよい。追加の抽出器４６０で、抽出器１７０と同様に第２の部分１０６の一部分４１４を除去してもよい。作動流体１０２の第１の部分１０４と第２の部分１０６はほぼ等量であってもよいが、抽出器１７０と追加の抽出器４６０によって、第１の復水器１４０及び第２の復水器１５０に不均等な量の第１の排気１０８及び第２の排気１１２をそれぞれ供給することができる。この場合、抽出部分４１４は抽出部分１１４よりも量が少ない。図６の実施形態は、図３を参照して説明した実施形態とほぼ同様の全体的な蒸気タービン効率及び出力の増大をもたらすことができる。

図７は、低圧蒸気タービンシステム２００におけるツーフロー式蒸気タービン２２０を用いて作動流体の流れを偏倚する代替的な実施形態を示す。低圧蒸気タービンシステム２００は、中圧タービン２１０、ツーフロー式蒸気タービン２２０、第１の復水器２４０及び第２の復水器２５０を備える。さらに、低圧蒸気タービンシステム２００は１以上の抽出器２７０，３７０を備えていてもよい（追加の抽出器は破線で囲う）。作動流体２０２をツーフロー式蒸気タービン２２０で処理して、タービン排気２０８及びタービン排気２１２を生じさせる。この場合、単一のツーフロー式蒸気タービン２２０で、第１の蒸気タービン１２０と第２の蒸気タービン１３０（図１）を置き換えることができる。ツーフロー式蒸気タービン２２０は複数の入力（図示せず）を有しており、作動流体２０２をサイド「Ａ」及びサイド「Ｂ」に別々に流入させることができる。図７に示すように、サイドＡ及びサイドＢは、ツーフロー式蒸気タービン２２０内の別個のチャンバでよく、別々の入力及び出力を有する（仕切りは破線で示す）。図１及び図４〜図６に示す実施形態と同様に、第１の復水器２４０（タービン排気２０８を介して）よりも第２の復水器２５０（タービン排気２１２を介して）に多くの量の作動流体２０２を供給すればよい。例えば、抽出器２７０で、サイドＡから作動流体２０２の一部分２１４を抽出して、図１を参照して説明したように第１の復水器２４０（サイドＡ）よりも第２の復水器２５０（サイドＢ）に多くの量の作動流体２０２を供給してもよい。さらに、図５を参照して説明したように、ツーフロー式蒸気タービン２２０のサイドＢに低圧供給路を追加してもよい。いずれにせよ、この実施形態を用いた全体的な蒸気タービン効率及び出力の増大は、図３に関して論じたものとほぼ同様となる。

本明細書では、本発明を開示するとともに、当業者が本発明を実施できるようにするため、最良の形態を始めとする実施例を用いてきた。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の実施例も包含することもある。かかる他の実施例は、特許請求の範囲の記載と文言上の差がない構成要素を有しているか或いは特許請求の範囲の記載と文言上実質的でない差しかない均等な構成要素を有している場合には、特許請求の範囲に属する。

１００ タービンシステム
１０２ 作動流体
１０４ 第１の部分
１０５ 冷却剤吐出口
１０６ 第２の部分
１０８ 第１の排気流体
１１０ 圧力タービン
１１２ 第２の排気流体
１１４ 抽出部分
１１５ 冷却剤
１１６ 第１の復水器流体冷却剤流
１１７ 流出冷却剤
１２０ 第１の蒸気タービン
１３０ 第２の蒸気タービン
１４０ 第１の復水器
１４２ 第１の復水器排気流体
１５０ 第２の復水器
１５２ 第２の復水器排気流体
１６０ 供給ライン
１７０ 第１の抽出器
１７５ シャフト
１８０ 入口領域
２２０ ツーフロー式蒸気タービン
４６０ 追加の抽出器
５００ ボイラ
６００ タービン発電機

Claims (8)

1. 作動流体（１０２）の第１の部分（１０４）を第１の低圧タービン（１２０）に供給するとともに、第１の部分（１０４）よりも量の多い作動流体（１０２）の第２の部分（１０６）を第２の低圧タービン（１３０）に供給し、
   作動流体（１０２）の第１の部分（１０４）を第１の低圧タービン（１２０）で処理して第１の排気流体（１０８）を生じさせるとともに、作動流体（１０２）の第２の部分（１０６）を第２の低圧タービン（１３０）で処理して第２の排気流体（１１２）を生じさせ、
   第１の排気流体（１０８）を第１の復水器（１４０）に供給し、
   第１の排気流体（１０８）よりも量の多い第２の排気流体（１１２）を第２の復水器（１５０）に供給する
   ことを含む方法であって、第１の排気流体（１０８）の量及び第２の排気流体（１１２）の量がゼロよりも多い、方法。
2. 作動流体（１０２）の第２の部分（１０６）の供給ライン（１６０）とは別の低圧供給路（３６０）を用いて第２の作動流体を第２の低圧タービン（１３０）に流入させることをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 作動流体（１０２）の第１の部分（１０４）の処理の際に、第１の排気流体（１０８）を第１の復水器（１４０）に供給する前に、第１の排気流体（１０８）の一部を抽出することをさらに含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 作動流体（１０２）の第３の部分を第３の低圧タービンに供給し、
   作動流体（１０２）の第３の部分を第３の低圧タービンで処理して第３の排気流体を生じさせ、
   第２の排気流体（１１２）よりも量の多い第３の排気流体を第３の復水器に供給することをさらに含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 作動流体（１０２）の流れを第１の蒸気タービン（１２０）及び第２の蒸気タービン（１３０）に導く供給ライン（１６０）と、
   供給ライン（１６０）に作動可能に連結された第１の蒸気タービン（１２０）と、
   供給ライン（１６０）に作動可能に連結された第２の蒸気タービン（１３０）と、
   第１の復水器冷却剤吐出口（１０５）を有する第１の復水器（１４０）であって、第１の蒸気タービン（１２０）排気口に作動可能に連結された第１の復水器（１４０）と、
   第２の蒸気タービン（１３０）排気口及び第１の復水器（１４０）に作動可能に連結された第２の復水器（１５０）と
   を備えるシステムであって、第１の蒸気タービン（１２０）が第１の入口面積を有していて、第２の蒸気タービン（１３０）が第２の入口面積を有しており、第２の入口面積が第１の入口面積よりも大きく、供給ライン（１６０）が、第１の蒸気タービン（１２０）よりも多くの量の作動流体（１０２）を第２の蒸気タービン（１３０）に供給するシステム。
6. 供給ライン（１６０）に作動可能に連結された第３の蒸気タービンと、
   第３の蒸気タービン及び第２の復水器（１５０）に作動可能に連結された第３の復水器と
   をさらに備える、請求項５記載のシステム。
7. 第１の蒸気タービン（１２０）から作動流体（１０２）の一部を抽出するため、第１の蒸気タービン（１２０）に作動可能に連結された第１の抽出器（１７０）と、第２の蒸気タービン（１３０）から作動流体（１０２）の第２の部分（１０６）を抽出するため、第２の蒸気タービン（１３０）に作動可能に連結された第２の抽出器とをさらに備える、請求項５又は請求項６記載のシステム。
8. 前記供給ライン（１６０）とは別に、第２の作動流体を第２の蒸気タービン（１３０）に流入させるため、第２の蒸気タービン（１３０）に連結された低圧供給路（３６０）をさらに備える、請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載のシステム。