JP5826089B2 - 火力発電システム、および蒸気タービン設備 - Google Patents

Description

本発明は、火力発電システム、特に、熱源としてＣＣＳ設備へ蒸気を供給する蒸気タービンを備える火力発電システムに関するものである。

近年、蒸気タービン発電設備のボイラから排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素を分離・回収することが種々検討されている。蒸気タービン発電設備における二酸化炭素回収・貯蔵（Carbon dioxide Capture and Storage（ＣＣＳ））技術は化学吸収法が現在主流と考えられている。化学吸収法は、二酸化炭素を反応吸収する吸収液を用いて、二酸化炭素を分離・回収する手法であり、吸収した吸収液を加熱して二酸化炭素を分離する吸収液の再生工程で熱源を必要とする。

この二酸化炭素分離用の熱源としては、例えば、特許文献１に記載のように、中圧タービンからの蒸気の一部を用いるようにしている。

特開２００４−３２３３３９号公報

化学吸収法では、ＣＯ₂分離用の熱源として蒸気タービンからの多量の出気蒸気を必要とする。そのため、蒸気タービンの仕様を計画する際には、蒸気の多量出気による流量、圧力の変化を考慮する必要がある。多量の出気が伴う場合には、出気配管（抽気配管）取り出し位置より前方に位置する段落での圧力差が過大となってしまうため、動翼に対して強度的にさらに厳しい条件になってしまう。従って、多量出気する際の出気配管（抽気配管）取り出し位置より前方に位置する段落に作用する過大な負荷を緩和する必要がある。

従来、特許文献１も含めて蒸気出気量が多量となった場合のタービンの保護については特に配慮されていない。

本発明の目的は、熱源としてＣＣＳ設備へ蒸気を供給する蒸気タービンにおいて、蒸気出気が多量に生じた場合においても出気配管（抽気配管）取り出し位置より前方に位置する段落に対して強度的に厳しい条件とならないようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、ボイラと、ボイラからの主蒸気により駆動される高圧タービンと、高圧タービンの排気蒸気をボイラで再熱した再熱蒸気により駆動される中圧タービンと、中圧タービンの排気蒸気により駆動される低圧タービンと、高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンにより駆動される発電機と、ボイラの燃焼排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収・貯蔵設備と、中圧タービンの排気蒸気を低圧タービンの初段入口側に供給する主蒸気系統と、中圧タービンから二酸化炭素回収・貯蔵設備に蒸気を出気する出気系統とを備えた火力発電システムにおいて、中圧タービンの排気蒸気を低圧タービンの初段下流側の段落入口に供給するバイパス系統と、バイパス系統に設けられ出気系統の蒸気量に基づいて開閉制御される第１の弁と、主蒸気系統に設けられ出気系統を流れる蒸気量に基づいて開閉制御される第２の弁とを備えた。

本発明によれば、熱源としてＣＣＳ設備へ蒸気を供給する蒸気タービンにおいて、蒸気出気が多量に生じた場合においても出気配管（抽気配管）取り出し位置より前方に位置する段落に対して強度的に厳しい条件とならないようにすることが可能となる。

従来のＣＣＳ設備を備える火力発電システムの概略系統図である。 本発明の実施例に係る火力発電システムの概略系統図である。

以下、図面を用いて本発明の一実施例を詳細に説明する。
本発明の理解を容易にするため、まず最初に従来の火力発電システムとその課題について説明する。図１に従来の二酸化炭素回収・貯蔵設備（以下、ＣＣＳ設備と称する）を備えた火力発電システムの概略系統図を示す。なお、図１では補機類の図示を省略している。

火力発電システムは、ボイラ１、ボイラ１からの主蒸気により駆動される高圧タービン２、高圧タービン２の排気蒸気をボイラ１で再熱した再熱蒸気により駆動される中圧タービン３、中圧タービンの排気蒸気により駆動される低圧タービン４と、高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンにより駆動される発電機５を備えた蒸気タービン発電設備と、ボイラ１の燃焼排ガスから二酸化炭素を回収・分離するＣＣＳ設備１２とから構成されている。なお、高圧タービン２、中圧タービン３、低圧タービン４は、内部にそれぞれ静翼と動翼とからなる段落（図示せず）を複数段有している。

ＣＣＳ設備１２は、化学吸収法を用いたものが用いられ、詳細な図示を省略しているが、吸収塔や再生塔などを備えている。ＣＣＳ設備１２には、ボイラ１からの燃焼排ガスが供給され、吸収塔において排ガス中の二酸化炭素が吸収液に吸収され、二酸化炭素を回収した後の排ガス（処理ガス）は煙突７から放出される。二酸化炭素を吸収した吸収液は再生塔において二酸化炭素が分離される。再生塔で分離・回収された二酸化炭素は二酸化炭素の液化貯留設備に移送される。再生塔では熱源を必要とし、その熱源として、中圧タービン３からの蒸気が用いられ、出気配管１０を介して多量の蒸気が供給される。再生塔で熱交換をした蒸気はドレンとなり、蒸気タービン設備の復水ドレン系統に移送される。なお、図１では、出気配管１０が主蒸気配管８から分岐して設けられているが、中圧タービン３のケーシングから直接取り出すようにしても良い。

なお、ここで、出気とは蒸気タービン発電設備からＣＣＳ設備１２へ蒸気を供給する場合をいう。出気蒸気の量はＣＣＳ設備１２の要求の変動により、その蒸気量が変動し、０から中圧タービン３に供給される蒸気の半分程度の間で変動することもある。この出気蒸気量の調節は出気配管１０に設けられた蒸気制御弁１４の開度調節により行われる。

上述のような火力発電システムにおいて、出気蒸気量が多量となると次のような問題を生じる。

出気配管１０からは、上述したように、多量の蒸気がＣＣＳ設備側に供給される。このため、出気配管１０の取り出し位置以降の蒸気流量が出気した分だけ減ってしまうため、出気配管１０の取り出し位置以降の圧力が下がる傾向にある。そのため、出気配管１０の取り出し位置より前方に位置する段落での圧力差が大きくなってしまい、圧力差により段落を構成するタービン翼に負荷が作用し、結果的に出気配管１０の取り出し位置より前方に位置する段落（特に動翼）に対して強度的に厳しい条件になってしまう。

そこで、多量出気時の中圧タービン強度設計条件を緩和するため、本発明では、低圧タービンの蒸気入口部を、低圧タービン初段前と初段後の複数箇所に設けることとした。以下に本発明の実施例を図２に基づいて説明する。

本実施例では、低圧タービン４に、定格出力運転に用いる段落の上流側に一段予備の段落を低圧タービン初段として設けている。また、中圧タービン３の排気蒸気を低圧タービン４の初段をバイパスして、初段下流側の中間段落入口に導くバイパス配管１１が主蒸気配管８から分岐して設けられている。このバイパス配管１１は、主蒸気配管８の出気配管１０の取り出し位置より下流側、かつ主蒸気配管８に設けられた蒸気制御弁９より上流側の位置で主蒸気配管８から分岐する。バイパス配管１１には蒸気制御弁１３が設けられており、この蒸気制御弁１３の開度調節により低圧タービン初段をバイパスさせる蒸気量を調節する。

なお、図２に示した例では２つの低圧タービンが設けられており、これら２つの低圧タービン４のうち、片側の低圧タービンにのみバイパス配管１１を設けているが、もちろん両方の低圧タービン４にそれぞれバイパス配管１１を設けてもよい。

本実施例では、中圧タービン３からＣＣＳ設備１２へ出気しない場合、出気配管１０に設けられた蒸気制御弁１４および主蒸気配管８の蒸気制御弁９を閉制御し、バイパス配管１１の蒸気制御弁１３を開制御して、バイパス配管１１から主蒸気を低圧タービン４の中間段落入口に導入する。この操作により低圧タービン初段をバイパスして主蒸気が低圧タービン４に導入されるが、予備段落である初段は予め余剰な段落として設けられており、初段下流側の段落で定格出力が達成できるように設定されている。

一方、中圧タービン３からＣＣＳ設備１２へ出気する場合、出気配管１０に設けられた蒸気制御弁１４および主蒸気配管８の蒸気制御弁９を開制御し、バイパス配管１１側の蒸気制御弁１３を閉制御し、主蒸気配管８から主蒸気を低圧タービン４の初段入口に導入する。

低圧タービン４は初段から作動流体（主蒸気）流れ方向下流側に行くほど流路断面積が大きくなり圧力が低くなる。言い換えれば、上流側の段落ほど圧力が高い。そこで、中圧タービン３からＣＣＳ設備側に出気する場合、低圧タービン４に送る主蒸気を低圧タービン４のより高圧の段落に導入することで、中圧タービン排気部の圧力低下を抑制でき、出気配管１０の取り出し位置より前方に位置する段落と低圧タービン段落の圧力差の拡大を緩和できる。これにより、出気配管１０の取り出し位置より前方に位置する段落（特に動翼）に作用する負荷を緩和でき、段落の強度条件を緩和することができる。

また、ＣＣＳ設備へ出気する際、低圧タービン４において蒸気が予備段落を通過し、通過する段落数が増えるため出力向上も期待できる。通常、ＣＣＳ設備側へ出気することで低圧タービンへ供給する蒸気量が減り出力が低下する。しかしながら本発明によれば、ＣＣＳ設備側へ出気する際、低圧タービンの段落数が実質増えることになり、通常よりも出力低下を抑えることができる。

よって、本実施例によれば、蒸気出気時の急激な圧力低下を抑制し、中圧タービンの強度設計条件を緩和すると共に、蒸気出気時に蒸気流量が低下することによる低圧タービンの出力低下を抑制することができるという利点がある。

なお、バイパスする予備段落は初段一段のみに限定されず、複数段としても良い。また、バイパス配管１１側の蒸気制御弁１３と主蒸気配管８側の蒸気制御弁９の開度のバランス、言い換えればバイパス配管１１から中間段落へ供給する蒸気量と主蒸気配管８から初段入口へ供給する蒸気量のバランスは、出気配管１０を通る出気蒸気量と出気配管１０の取り出し位置より前方に位置する段落の圧力に基づいて調節すれば良い。

１ ボイラ
２ 高圧タービン
３ 中圧タービン
４ 低圧タービン
５ 発電機
７ 煙突
８ 主蒸気配管
９、１３、１４ 蒸気制御弁
１０ 出気配管
１１ バイパス配管
１２ ＣＣＳ設備

Claims (4)

1. ボイラと、前記ボイラからの主蒸気により駆動される高圧タービンと、前記高圧タービンの排気蒸気を前記ボイラで再熱した再熱蒸気により駆動される中圧タービンと、前記中圧タービンの排気蒸気により駆動される低圧タービンと、前記高圧タービン、前記中圧タービン及び前記低圧タービンにより駆動される発電機と、前記ボイラの燃焼排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収・貯蔵設備と、前記中圧タービンの排気蒸気を前記低圧タービンの初段入口側に供給する主蒸気系統と、前記中圧タービンから前記二酸化炭素回収・貯蔵設備に蒸気を出気する出気系統とを備えた火力発電システムであって、
   前記中圧タービンの排気蒸気を前記低圧タービンの初段下流側の段落入口に供給するバイパス系統と、該バイパス系統に設けられ前記出気系統を流れる蒸気量に基づいて開閉制御される第１の弁と、前記主蒸気系統に設けられ前記出気系統を流れる蒸気量に基づいて開閉制御される第２の弁とを備えることを特徴とする火力発電システム。
2. 請求項１の火力発電システムであって、
   前記低圧タービンは定格出力運転に用いる段落の上流側に予備段落を有し、前記バイパス系統は前記予備段落をバイパスすることを特徴とする火力発電システム。
3. ボイラからの主蒸気により駆動される高圧タービンと、前記高圧タービンの排気蒸気をボイラで再熱した再熱蒸気により駆動される中圧タービンと、前記中圧タービンの排気蒸気により駆動される低圧タービンと、前記中圧タービンの排気蒸気を前記低圧タービンの初段入口側に供給する主蒸気配管と、ボイラの燃焼排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収・貯蔵設備に前記中圧タービンから蒸気を供給する出気配管とを備えた蒸気タービン設備であって
   前記中圧タービンの排気蒸気を前記低圧タービンの初段下流側の段落入口に供給するバイパス配管と、該バイパス配管に設けられ前記出気配管を流れる蒸気量に基づいて開閉制御される弁と、前記主蒸気配管に設けられ前記出気配管を流れる蒸気量に基づいて開閉制御される第２の弁とを備えることを特徴とする蒸気タービン設備。
4. 請求項３の蒸気タービン設備であって、
   前記低圧タービンは定格出力運転に用いる段落の上流側に予備段落を有し、前記バイパス配管は前記予備段落をバイパスすることを特徴とする蒸気タービン設備。