JP5917324B2

JP5917324B2 - タービンおよびタービン運転方法

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Publication number: JP5917324B2
Application number: JP2012161941A
Authority: JP
Inventors: 秀幸前田; 田島　嗣久; 嗣久田島; 章吾岩井; 信博沖園; 岩太郎佐藤; 和孝鶴田; 直行岡村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: JP2014020325A; CN103573414B; CN103573414A; EP2687677B1; US9488051B2; EP2687677A1; US20140023478A1

Description

本発明の実施形態は、タービンおよびタービン運転方法に関する。

火力発電システムにおいて、単流式のタービンを採用する場合、一方向でのスラスト荷重が大きくなるため、ラビリンス構造を有するバランスピストン部を設置し、スラスト軸受での荷重を適正化することが求められる。

ロータがケーシングを貫通する貫通部に、ケーシング内に流入してケーシング内の翼段落にて膨脹仕事をする高圧高温の蒸気が洩れないようにラビリンスパッキンを備えた二重ケーシング構造の単流式蒸気タービンが知られている。ロータは動翼とバランスピストンを備えている。内部ケーシングは静翼を備え、動翼と高圧翼段落を形成してロータを囲んでいる。ロータが内部ケーシングを貫通する貫通部には内部ケーシングのラビリンスリングとバランスピストンとの間にラビリンスパッキンが設けられている。

ラビリンスパッキンの中間部からラビリンスリングを貫通して低圧翼段落の蒸気入口に至り、その管口が低圧翼段落に向けられる洩れ蒸気の回収管を内部ケーシングと外部ケーシングとの間の蒸気室に設けている。ラビリンスパッキン部を洩れ流れる蒸気は中間部から抽出され、回収管を経て管口から低圧翼段落に流入されて膨脹仕事をする。

特許第２８９０９０７号公報

上記のような蒸気タービンは、ラビリンスパッキン部を洩れ流れる蒸気を回収する回収管を設ける必要があり、かつ洩れ蒸気が高温であるため、回収管を高温に耐える材料とする必要がある。

発明が解決しようとする課題は、簡単な構成で、かつ効率よく運転することが可能なタービンおよびタービン運転方法を提供することにある。

実施形態のタービンは、ＣＯ_２を作動流体とする単流式のタービンにおいて、前記タービンに導入される作動流体よりも温度が低い流体を用いて、回転体の軸受に対する軸方向の荷重を適正化するバランスピストン部と、ロータを囲む第１のケーシングと、前記第１のケーシングを囲む第２のケーシングと、を具備し、前記バランスピストン部を通る流体の少なくとも一部を前記バランスピストン部の途中から抽気して、前記第１のケーシングと前記第２のケーシングとの間へと流入させ、この流入する流体の少なくとも一部を、作動流体が通る複数段の動翼がある通路の途中に流入させる流路が形成されている。

一実施形態に係る火力発電システムの概略構成の一例を示すブロック図。図１の火力発電システムに含まれるタービンの主要部の構成の一例を示す縦断面図。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

近年、タービンの作動流体としてＣＯ_２を使用し、発電とＣＯ_２の分離・回収を同時に行える、環境調和性の高い火力発電システムの実現が検討されている。

例えば超臨界圧のＣＯ_２を用いた酸素燃焼の循環システムを構成し、ＣＯ_２を有効活用することで、ＮＯ_ｘを排出しないゼロエミッションのシステムを実現することが可能となる。

このような火力発電システムでは、例えば、天然ガス（メタン等）および酸素を燃焼器に導入して燃焼させ、これにより発生する高温ＣＯ_２を作動流体としてタービンを回転させて発電を行い、タービンから排出されるガス（ＣＯ_２および水蒸気）を、熱交換器により冷却し、水分を分離した後、ＣＯ_２を高圧ポンプで圧縮し、高圧ＣＯ_２を得て、その大部分を熱交換器により加熱して燃焼器へ循環させる一方で、残りの高圧ＣＯ_２を回収して他の用途に使用する。

図１は、一実施形態に係る火力発電システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

図１に示される火力発電システムは、タービンの作動流体としてＣＯ_２を使用し、発電とＣＯ_２の分離・回収を同時に行える、環境調和性の高い火力発電システムである。この火力発電システムでは、超臨界圧のＣＯ_２を用いた酸素燃焼の循環システムを構成し、ＣＯ_２を有効活用することで、ＮＯ_ｘを排出しないゼロエミッションのシステムを実現する。

図１に示される火力発電システムは、主な構成要素として、燃焼器１、タービン２、発電機３、熱交換器４、冷却器５、湿分分離器６、および高圧ポンプ７を有する。なお、燃焼器１はタービン２と一体化されていてもよい。

燃焼器１は、タービン２の排ガスからリサイクルして得られる高圧ＣＯ_２を導入するとともに、燃料のメタンおよび酸素を導入して燃焼し、高温（例えば約１１５０℃）のＣＯ_２を発生する。

タービン２は、燃焼器１から発生する高温のＣＯ_２をタービン内部に作動流体として導入し、膨張仕事をさせ、動翼を通じてロータを回転させる一方で、熱交換器４内の流路の途中から低温（例えば約４００℃）のＣＯ_２をタービン内部に冷却・シール流体として導入し、動翼やその周辺部（内部ケーシング等）の冷却や作動流体の外部への漏洩を防ぐシール処理を行わせ、膨張仕事および冷却・シール処理をそれぞれ終えたガス（ＣＯ_２および水蒸気）を排出する。

発電機３は、タービン２と同軸上に配置され、タービン２の回転に応じて発電する。

熱交換器４は、熱交換により、タービン２から排出されるガス（ＣＯ_２および水蒸気）から熱を奪うとともに、タービン２に再び導入されるＣＯ_２に対して熱を与える。この場合、熱交換器４は、例えば約７００℃のＣＯ_２を燃焼器１に供給するとともに、熱交換器４内の流路の途中から得られる例えば約４００℃のＣＯ_２をタービン２に供給する。

冷却器５は、熱交換器４により熱を奪われたガスをさらに冷却する。

湿分分離器６は、冷却器５により冷却されたガスから水分を分離し、水分が取り除かれたＣＯ_２を出力する。

高圧ポンプ７は、湿分分離器６により水分が取り除かれたＣＯ_２を圧縮し、高圧のＣＯ_２を出力し、その大部分をタービン再導入のために熱交換器４に供給する一方で、残りの高圧ＣＯ_２を他の設備へ供給する。

このような構成において、燃焼器１に、タービン２の排ガスからリサイクルして得られる高圧ＣＯ_２が導入され、燃料のメタンおよび酸素が導入されて燃焼すると、高温ＣＯ_２が発生する。燃焼器１から発生した高温ＣＯ_２は、タービン２の上流段側上方より作動流体として導入される一方で、熱交換器４内の流路の途中から供給される低温ＣＯ_２が、タービン２の上流段側下方より冷却流体・シール流体として導入される。高温ＣＯ_２は、タービン２内で膨張仕事をし、動翼を通じてタービンを回転させる一方で、低温ＣＯ_２は動翼やその周辺部（内部ケーシング等）の冷却やシール処理を行う。タービン２のロータが回転すると、発電機３が発電する。

膨張仕事および冷却・シール処理を終えたガス（ＣＯ_２および水蒸気）は、タービン２から排出され、熱交換器４により熱を奪われた後、冷却器５によりさらに冷却され、湿分分離器６により水分を分離された後、水分の取り除かれたＣＯ_２が取り出される。湿分分離器６により水分が取り除かれたＣＯ_２は、高圧ポンプ７により圧縮され、高圧ＣＯ_２として出力され、その大部分がタービン再導入のために熱交換器４に供給される一方で、残りの高圧ＣＯ_２が他の設備へ供給される。熱交換器４に供給された高圧ＣＯ_２は、熱交換器４により熱が与えられ、燃焼器１に供給されるとともに、この高圧ＣＯ_２よりも温度の低い高圧ＣＯ_２がタービン２に供給される。

このように構成することにより、ＣＯ_２を分離・回収する設備（ＣＣＳ）を別途設けることなく、高純度の高圧ＣＯ_２を回収することができる。また、回収される高圧ＣＯ_２は、貯留することができるほか、石油採掘現場で用いられているＥＯＲ（Enhanced Oil Recovery）にも適用できる等、有効に活用することができる。

図２は、図１の火力発電システムに含まれるタービン２の主要部の構成の一例を示す縦断面図である。なお、図２中の破線で示される矢印は、冷却・シール流体の流れを表している。ここでは、簡潔化のため、矢印をタービン２の下半分についてのみ記載しているが、タービン２の上半分にも同様な冷却・シール流体の流れがある。

図２に示されるタービン２は、ＣＯ_２を作動流体とする単流式のタービンであり、主な構成要素として、軸受（ジャーナル，スラスト軸受等）Ｊ１，Ｊ２により車軸Ｓが支持されるロータ（回転体）１１、ロータ１１を囲む内部ケーシング（静止部）１２Ａ，１２Ｂ、および内部ケーシング１２Ａ，１２Ｂを囲む外部ケーシング（静止部）１３を有する。内部ケーシング１２Ａは、外部ケーシング１３に内部ケーシングを支持するための隔壁１２Ｃを備えている。内部ケーシング１２Ｂは、外部ケーシング１３に内部ケーシングを支持するための隔壁１２Ｄを備えている。

ロータ１１は、複数段の動翼１４を備えている。内部ケーシング１２Ａ，１２Ｂは、ロータ１１側の複数段の動翼１４の位置に応じて配置された複数段の静翼１５を備えている。

内部ケーシング１２Ａ，１２Ｂの各端部とロータ１１の貫通部との間には、それぞれ、作動流体が回転体と静止部との間隙から外部へ漏洩することを防止するホイールスペースシール部１６Ａ，１６Ｂが設けられている。

外部ケーシング１３の両端部とロータ１１の貫通部との間には、それぞれ、作動流体あるいは冷却・シール流体が外部へ漏洩することを防止するグランドシール部１７Ａ，１７Ｂが設けられている。

上流段側のホイールスペースシール部１６Ａとグランドシール部１７Ａとの間には、ロータ１１の軸受Ｊ１，Ｊ２に対する軸方向の荷重を適正化するバランスピストン部１８が設けられている。

タービン２の上流段側上方には、高圧の高温ＣＯ_２を作動流体として導入する給気管２１Ａが設けられている。一方、タービン２の上流段側下方には、上記作動流体よりも圧力の高い低温ＣＯ_２を冷却・シール流体として導入する給気管２１Ｂが設けられている。また、タービン２の下流段側下方には、膨張仕事および冷却・シール処理をそれぞれ終えたガス（ＣＯ_２および水蒸気）を排出する排気管２１Ｃが設けられている。

内部ケーシング１２Ａには、給気管２１Ｂから導入される流体の一部をホイールスペースシール部１６Ａ側およびバランスピストン部１８側へ流入させる貫通孔２２が設けられている。また、内部ケーシング１２Ａには、バランスピストン部１８を通る流体の少なくとも一部を途中から抽気して、内部ケーシング１２Ａ，１２Ｂと外部ケーシング１３との間へと流入させる、より具体的には、内部ケーシング１２Ａ，１２Ｂ、外部ケーシング１３、および隔壁１２Ｃ，１２Ｄで囲われた空間へと流入させる、バランスピストン抽気孔２３が設けられている。

内部ケーシング１２Ａと内部ケーシング１２Ｂとの間には、バランスピストン抽気孔２３を通じて流入してくる流体の一部を、作動流体が通る複数段の動翼１４および静翼１５がある通路の途中（例えば下流側の特定の段落）へ流入させる間隙２４が設けられている。

隔壁１２Ｄには、バランスピストン抽気孔２３を通じて流入してくる流体の一部を、内部ケーシング１２Ｂ、外部ケーシング１３、隔壁１２Ｄおよび車軸Ｓで囲われた空間を通ってホイールスペースシール部１６Ｂへと流入させる貫通孔２５が設けられている。

このような構成において、高温ＣＯ_２が作動流体として給気管２１Ａに導入されると、給気管２１Ａに導入された作動流体は、ロータ１１と内部ケーシング１２Ａ，１２Ｂとの間を通って膨張仕事をし、動翼１４を通じてロータ１１を回転させる。一方、低温ＣＯ_２が冷却・シール流体として給気管２１Ｂに導入されると、給気管２１Ｂに導入された流体の一部は、複数段の静翼１５の内部（ノズル等）に流入して冷却を行う。また一方で、給気管２１Ｂに導入される流体の一部は、貫通孔２２を通る。

貫通孔２２を通った流体の一部は、ホイールスペースシール部１６Ａへ流入し、シール流体として、作動流体がホイールスペースシール部１６Ａから漏洩しないようシーリングする。また一方で、貫通孔２２を通った流体の一部は、バランスピストン部１８に流入する。

バランスピストン部１８に流入した流体の少なくとも一部は、バランスピストン抽気孔２３により抽気され、バランスピストン抽気孔２３を通って、内部ケーシング１２Ａ，１２Ｂ、外部ケーシング１３、および隔壁１２Ｃ，１２Ｄで囲われた空間へ流入する。

バランスピストン抽気孔２３を通じて上記空間に流入した流体の一部は、周囲を冷却しつつ、間隙２４を通り、作動流体が通る複数段の動翼１４および静翼１５がある通路の途中（例えば下流側の特定の段落）へ流入し、上流段側から流れてくる作動流体と合流して共に膨張仕事をし、動翼１４を通じてロータを回転させる。また一方で、バランスピストン抽気孔２３を通じて上記空間に流入した流体の一部は、貫通孔２５を通って、内部ケーシング１２Ｂ、外部ケーシング１３、隔壁１２Ｄおよび車軸Ｓで囲われた空間へ流入し、さらにホイールスペースシール部１６Ｂへ流入し、シール流体として、作動流体がホイールスペースシール部１６Ｂから漏洩しないようシーリングする。

すなわち、バランスピストン部１８を通る冷却・シール流体の圧力がまだ十分にある段階で、バランスピストン抽気孔２３を通じて、冷却・シール流体の少なくとも一部を抽気することにより、抽気する前の流体で静翼１５の冷却やホイールスペースシール部１６Ａのシーリングを行うことだけでなく、抽気した後の流体で内部ケーシング１２Ａ，１２Ｂや外部ケーシング１３などの冷却もしくは温度均一化、作動流体と同様の膨張仕事、更には、ホイールスペースシール部１６Ｂのシーリングを行うことが可能となる。

このため、内部ケーシング１２Ａ，１２Ｂや外部ケーシング１３などの冷却やホイールスペースシール部１６Ｂのシーリングを行うための流体を全く別の系統から導入することなく、必要な冷却・シーリングを行うことができ、かつ、タービン出力の向上を図ることが可能となる。

なお、膨張仕事および冷却・シール処理を終えたガス（ＣＯ_２および水蒸気）は、その殆どが排気管２１Ｃを通じて排出される。

以上詳述したように、実施形態によれば、簡単な構成で、かつタービンを効率よく運転することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…燃焼器、２…タービン、３…発電機、４…熱交換器、５…冷却器、６…湿分分離器、７…高圧ポンプ、１１…ロータ、１２Ａ，１２Ｂ…内部ケーシング、１２Ｃ，１２Ｄ…隔壁、１３…外部ケーシング、１４…動翼、１５…静翼、１６Ａ，１６Ｂ…ホイールスペースシール部、１７Ａ，１７Ｂ…グランドシール部、１８…バランスピストン部、２１Ａ，２１Ｂ…給気管、２２…貫通孔、２３…バランスピストン抽気孔、２４…間隙、２５…貫通孔、２６…排気管、Ｊ１，Ｊ２…軸受、Ｓ…車軸。

Claims

ＣＯ_２を作動流体とする単流式のタービンにおいて、
前記タービンに導入される作動流体よりも温度が低い流体を用いて、回転体の軸受に対する軸方向の荷重を適正化するバランスピストン部と、
ロータを囲む第１のケーシングと、
前記第１のケーシングを囲む第２のケーシングと、
を具備し、
前記バランスピストン部を通る流体の少なくとも一部を前記バランスピストン部の途中から抽気して、前記第１のケーシングと前記第２のケーシングとの間へと流入させ、この流入する流体の少なくとも一部を、作動流体が通る複数段の動翼がある通路の途中に流入させる流路が形成されていることを特徴とするタービン。
前記第１のケーシングと前記第２のケーシングとの間に流入する流体の少なくとも一部は、作動流体が回転体と静止部との間隙から漏洩することを防止するシール部に流入することを特徴とする請求項１に記載のタービン。
ＣＯ_２を作動流体とする単流式のタービンに適用されるタービン運転方法であって、
バランスピストン部により、前記タービンに導入される作動流体よりも温度が低い流体を用いて、回転体の軸受に対する軸方向の荷重を適正化し、
前記バランスピストン部を通る流体の一部を前記バランスピストン部の途中から抽気して、ロータを囲む第１のケーシングと前記第１のケーシングを囲む第２のケーシングとの間へと流入させ、この流入する流体の少なくとも一部を、複数段の動翼がある作動流体の通路の途中に流入させることを特徴とするタービン運転方法。