JP5968176B2

JP5968176B2 - 蒸気タービン設備

Info

Publication number: JP5968176B2
Application number: JP2012207134A
Authority: JP
Inventors: 佑介高橋; 建樹中村; 望小笠原
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: JP2014062478A

Description

本発明は、二酸化炭素分離装置を備えた蒸気タービン設備に関する。

ボイラ等の蒸気発生源の排気ガス中の二酸化炭素を分離回収するために、化学吸収法を利用した二酸化炭素回収装置を備えた蒸気タービン設備がある（特許文献１等参照）。

特願２００９−２９３７１７号公報

化学吸収法では、蒸気タービンから抽気した大量の蒸気を二酸化炭素分離用の熱源として要する。そのため、化学吸収法を利用した二酸化炭素分離回収装置を設けた蒸気タービン設備の場合、低圧タービンに供給する蒸気の一部を二酸化炭素分離回収装置の熱源として使用するため、通常の蒸気タービン設備と比べても系内を流れる蒸気の流量や圧力の変動を抑えることは重要である。

しかし、低圧タービンの経年劣化により低圧タービンにおける蒸気の降下圧力が減少すると、その分だけ低圧タービンに流入する蒸気圧力、ひいては二酸化炭素分離回収装置に供給する蒸気圧力が低下してしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、二酸化炭素分離回収装置に所要圧力の蒸気を永続的に供給することができる蒸気タービン設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、蒸気発生源と、この蒸気発生源で発生した蒸気で駆動する高圧タービンと、この高圧タービンを駆動した蒸気で駆動する低圧タービンと、前記蒸気発生源から排出される排気ガスの二酸化炭素を前記高圧タービンを駆動した蒸気の一部を熱源として分離回収する二酸化炭素分離回収装置と、前記高圧タービンを駆動した蒸気を前記低圧タービンに導く配管と、該配管から分岐して前記高圧タービンを駆動した蒸気の一部を前記二酸化炭素分離回収装置に導く抽気管とを備え、前記低圧タービンが、初段を含む少なくとも１つの段落の静翼の迎角を、前記抽気管を介して前記二酸化炭素分離回収装置に導かれる蒸気の圧力が前記二酸化炭素分離回収装置の所要蒸気圧力となるように変更する静翼角度変更機構を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、二酸化炭素分離回収装置に所要圧力の蒸気を永続的に供給することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービン設備の全体構成を表す概略図である。本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービン設備の低圧タービンの初段静翼ダイヤフラムの構成例を表す概略図である。本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービン設備の低圧タービンの初段静翼ダイヤフラムにおけるダイヤフラム内輪側の植え込み部及びスペーサをタービン径方向外側から見た図である。本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービン設備の低圧タービンの初段静翼ダイヤフラムの構成例を表す概略図である。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービン設備の全体構成を表す概略図である。

図１に示した蒸気タービン設備は、ボイラ１、高圧タービン３、中圧タービン６、低圧タービン９、復水器１１、及び二酸化炭素分離回収装置５０を備えている。

ボイラ１は化石燃料焚きボイラであって蒸気発生源の一例である。このボイラ１で化石燃料を燃焼し復水器１１から供給された復水を加熱し、高温高圧の蒸気を発生させる。このボイラ１で発生した蒸気は主蒸気管２を介して高圧タービン３に導かれ、高圧タービン３を駆動する。高圧タービン３を駆動して減圧した蒸気は、高圧タービン排気管４を流下してボイラ１に導かれ、再度加熱されて再熱蒸気となる。

ボイラ１で加熱された再熱蒸気は、高温再熱蒸気管５を介して中圧タービン６に導かれて中圧タービン６を駆動する。中圧タービン６を駆動して減圧した蒸気は、中圧タービン排気管７を介して低圧タービン９に導かれ、低圧タービン９を駆動する。低圧タービン９を駆動して減圧した蒸気は、低圧タービン排気管１０を介して復水器１１に導かれる。復水器１１は冷却水配管（不図示）を備えており、復水器１１に導かれた蒸気と冷却水配管内を流れる冷却水とを熱交換させて蒸気を復水する。復水器１１で復水された復水は再びボイラ１に送られる。

高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９は、タービンロータ１２によって同軸上に連結されている。また、タービンロータ１２には発電機１３が連結されていて、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９の回転動力によって発電機１３が駆動し、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９の出力が電力として取り出される。

二酸化炭素回収分離装置５０は、低圧タービン９に供給される蒸気の一部を熱源として、ボイラ１から排出される排気ガスの二酸化炭素を分離回収する装置である。この二酸化炭素分離回収装置５０は、リボイラ２１、吸収塔１６、再熱塔１８及び吸収液熱交換器２０を備えている。

リボイラ２１は、中圧タービン６と低圧タービン９とを繋ぐ中圧タービン排気管７から分岐した抽気管２５の途中に設けた熱交換器であり、低圧タービン９の供給する蒸気の一部を熱源として再熱塔２３のリッチ吸収液（後述）を加熱する。リッチ吸収液と熱交換して冷却された蒸気はタービン復水系に供給され、ドレンとして回収されてボイラ１に再度供給される。

二酸化炭素分離回収装置５０では、二酸化炭素を含んだボイラ１の排気ガス（ボイラ排ガス）は、ボイラ排ガス系統１４を介して流下し、当該ボイラ排ガス管１４に設けたボイラ排ガス昇圧ファン１５によって昇圧され、ボイラ排ガス冷却器（不図示）で冷却されて吸収塔１６に供給される。ボイラ排ガスに含まれた二酸化炭素ガスは吸収塔１６において吸収液に吸収され、二酸化炭素が除去されたボイラ排ガス（処理ガス）が排出される。吸収塔１６から排出された処理ガスは、吸収塔出口ボイラ排ガス管１７を介して煙突（不図示）に供給され、この煙突（不図示）から大気に排出される。一方、ボイラ排ガスの二酸化炭素ガスを吸収した吸収液（リッチ吸収液）は吸収塔１６から排出され、リッチ吸収液移送ポンプ１９によって昇圧されて吸収液熱交換器２０に供給され、吸収液熱交換器２０で加熱されて再生塔１８に供給される。

吸収塔１６から再生塔１８に供給されたリッチ吸収液は、再生塔内吸収液抜き出し管２３を介してリボイラ２１に供給され、タービンサイクルから抽気した蒸気と熱交換し、加熱されて再生塔１８の内部に戻って二酸化炭素ガスと分離される。リッチ吸収液から分離した二酸化炭素は二酸化炭素ガス排気管２２を介して再生塔１８から排出され、リフラックスドラム（不図示）で水分と分離されて二酸化炭素の液化貯留設備（図示せず）に供給され貯留される。一方、リフラックスドラム（不図示）で二酸化炭素と分離された水分はリフラックスドラムポンプ（不図示）で昇圧されて再生塔１８に戻される。

再生塔１８で二酸化炭素と分離した吸収液は再生塔１８から排出され、吸収塔１６から再生塔１８に供給されるリッチ吸収液と吸収液熱交換器２０で熱交換する。リッチ吸収液と熱交換して冷却された吸収液は、リーン吸収液移送ポンプ２４によって昇圧され、リーン吸収液冷却器（不図示）で冷却されて吸収塔１６に戻される。

上記構成の本実施の形態に係る蒸気タービン設備の大きな特徴は、低圧タービン９が静翼角度変更機構を備えていることにある。静翼角度変更機構とは、作動流体であるタービン中心線に対する静翼の角度、すなわち迎角を変更する機構をいう。

図２は低圧タービン９の初段静翼ダイヤフラムの構成例を表す概略図である。同図は一部の初段静翼ダイヤフラムを蒸気流通方向の下流側から見た斜視図である。

同図に示した低圧タービン９の初段静翼ダイヤフラムは全体として静翼角度変更機構を構成していて、静翼３１、ダイヤフラム外輪３３、ダイヤフラム内輪３５、及びスペーサ３７を備えている。

静翼３１の根本（タービン径方向の外側部分）及び先端（タービン径方向の内側部分）には、ダイヤフラム外輪３３及びダイヤフラム内輪３５とそれぞれ連結するための植え込み部３２が設けられている。植え込み部３２は、同図ではダイヤフラム内輪３５側のもののみが見えているが、ダイヤフラム外輪３３側にも存在する。タービン中心軸に直交する面で切断した植え込み部３２の断面は、特に図示していないが、スペーサ３７の端面にあるくびれ部分３７ａと同様のくびれ部分を有している。ダイヤフラム外輪３３の内周部及びダイヤフラム内輪３５の外周部には、それぞれ外輪溝３４及び内輪溝３６が設けられている。タービン中心軸に直交する面で切断したダイヤフラム外輪３３及びダイヤフラム内輪３５の断面で見ると、外輪溝３４及び内輪溝３６の外形線は植え込み部３２やスペーサ３７の断面に対応した形状をしている。したがって、植え込み部３２は、外輪溝３４及び内輪溝３６に対して蒸気流通方向に挿入されて外輪溝３４及び内輪溝３６の延在方向にスライド可能であり、こうして植え込み部３２がダイヤフラム外輪３３及びダイヤフラム内輪３５に支持されることで、ダイヤフラム外輪３３及びダイヤフラム内輪３５に対して静翼３１が連結されている。

ここで、外輪溝３４は、蒸気流通方向の上流側から下流側に向かって弧状に形成されている。一方の内輪溝３６も外輪溝３４に対応して蒸気流通方向の上流側から下流側に向かって弧状に形成されている。本実施の形態では、外輪溝３４及び内輪溝３６とも静翼３１の負圧面側（背側）に凸となる弧を描くように形成されている。

図３はダイヤフラム内輪３５側の植え込み部３２及びスペーサ３７をタービン径方向外側から見た図である。

前述したように植え込み部３２は外輪溝３４及び内輪溝３６に沿ってスライド可能である。したがって、例えば同図に示したように、実線で示した植え込み部３２を外輪溝３４及び内輪溝３６に沿って移動させ、二点鎖線で示した位置に移動させるといったことができる。同図の場合、植え込み部３２が実線で示した位置にあるときに比べ、植え込み部３２が二点鎖線で示した位置にあるときは、静翼３１が後縁側（蒸気流通方向の下流側）に移動して、静翼３１の迎角が大きくなり（θ＜θ'）、周方向に隣接する静翼３１の間の最小間隙が減少する（Ｓ＞Ｓ’）。なお、植え込み部３２を外輪溝３４及び内輪溝３６に沿って移動させるに当たって、周方向に隣接する植え込み部３２同士が干渉して移動を阻害するような場合には隣接する植え込み部３２同士の間に若干の間隙を適宜設けることもできる。

また、外輪溝３４及び内輪溝３６の空きスペースにはスペーサ３７が挿入され、スペーサ３７によって外輪溝３４及び内輪溝３６において植え込み部３２が拘束され固定されている。ここで言う空きスペースとは、植え込み部３２が占めるスペースを除く外輪溝３４及び内輪溝３６内のスペースであり、本実施の形態においては、植え込み部３２の位置によらず、静翼３１の前縁側及び後縁側に存在する。したがって、本実施の形態の場合、植え込み部３２に接触して空きスペースを埋める形状に構成した前後のスペーサ３７が、外輪溝３４及び内輪溝３６内の植え込み部３２の位置に応じて複数組用意されている。例えば植え込み部３２を同図のように移動させる場合には、スペーサ３７（実線）を外輪溝３４及び内輪溝３６から抜き取り、外輪溝３４及び内輪溝３６の内部で植え込み部３２を実線の位置から二点鎖線の位置までスライドさせた後、スペーサ３７’（二点鎖線）を外輪溝３４及び内輪溝３６に挿入して植え込み部３２を固定する。

次に本実施の形態の動作を説明する。

本実施の形態においては、ボイラ１で発生した蒸気を作動流体として高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９を駆動し、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９で得た回転動力を発電機１３で電気エネルギーに変換する。低圧タービン９を駆動した蒸気は、復水器１１で復水してボイラ１に再び供給される。また、ボイラ１で発生したボイラ排気ガスは吸収塔１６に供給され、含有する二酸化炭素が吸収液に吸収される。二酸化炭素を吸収されたボイラ排ガスは処理ガスとして大気に放出される。一方、二酸化炭素を吸収したリッチ吸収液は再生塔１８に送られ、中圧タービン６から低圧タービン９に供給される蒸気の一部とリボイラ２１で熱交換して二酸化炭素と分離される。二酸化炭素と分離した吸収液は吸収塔１６に戻される。吸収液から分離された二酸化炭素は再生塔１８から排出され、二酸化炭素の液化貯留設備に貯留される。

続いて作用効果を説明する。

（１）経年劣化への対策
蒸気タービン設備の低圧タービン９は高圧タービン３等の他のタービンを駆動した蒸気を作動媒体とするため、蒸気に含まれる液滴が他のタービンに比べて多くなる。そのため、低圧タービン９は、他のタービンに比べて経年劣化の進行が早く降下圧力も低下し易い。低圧タービン９の降下圧力が低下すると、それだけ低圧タービン９に供給される蒸気（本実施の形態では中圧タービン６から排出された蒸気）の圧力が下がり、二酸化炭素分離回収装置５０に供給する蒸気圧力が低下してしまい、二酸化炭素分離回収装置５０の熱源に不足が生じ二酸化炭素の分離回収性能を低下させてしまう。

それに対し、本実施の形態によれば、低圧タービン９の降下圧力が低下した場合でも、外輪溝３４及び内輪溝３６内で植え込み部３２をスライドさせ、周方向に隣接する静翼３１の間の間隙を狭めて低圧タービン９の初段静翼ダイヤフラムの流路面積を狭めることによって、初段ダイヤフラムでの圧力降下を増大させ、低圧タービン９の降下圧力を回復させることができる。したがって、二酸化炭素分離回収装置５０に所要圧力の蒸気を永続的に供給し、二酸化炭素分離回収装置５０の熱源の不足の発生、ひいては二酸化炭素の分離回収性能の低下を抑制することができる。

（２）作業負担の抑制
静翼３１、ダイヤフラム外輪３３及びダイヤフラム内輪３５を交換する必要がなく、静翼３１を移動させてスペーサ３７を交換すれば静翼３１の迎角を変更することができるため、作業の負担を比較的抑えられることもメリットである。

（３）高剛性
植え込み部３２はダイヤフラムの前後端面間に延びる外輪溝３４及び内輪溝３６に係合していて、静翼３１の中心線（静翼３１の翼型を通ってタービン径方向に延びる線とする）を中心とした回転方向への動き、及びタービン回転方向への動きが拘束されている。また、植え込み部３２と同じく外輪溝３４及び内輪溝３６に挿入したスペーサ３７によって、植え込み部３２のタービン軸方向への動作も拘束されている。しかも、植え込み部３２は、隣接する植え込み部３２やスペーサ３７と接触し合って拘束されている。したがって、タービン軸方向、タービン回転方向、及び自己の回転方向の動きが強固に拘束されていて高剛性である。

（４）簡素
ダイヤフラム外輪及びダイヤフラム内輪に対して植え込み部を軸方向に組み入れる方式のものを基礎にして、外輪溝３４及び内輪溝３６を弧状に形成し、同溝内における植え込み部３２の位置に応じた複数のスペーサ３７を用意するだけで構成できるので、大掛かりな装置を追加する必要がなく、構成が簡素であることも大きなメリットである。

（５）低廉
大掛かりな装置を追加する必要がなく構成が簡素であるので、コスト増大を抑えることができる。

（６）蒸気タービンへの適正
単に静翼の迎角を変更できれば良いだけであれば、例えば圧縮機の入口案内羽根（Inlet Guide Vane）のようにアクチュエータを使って運転中でも静翼の迎角が変更できるような構成とすることも考えられる。対する本実施の形態の場合、静翼３１の迎角を変更するのに、低圧タービン９を停止させてスペーサ３７を交換する等の作業者による作業を要する。しかし、蒸気タービンにあって静翼の迎角の変更作業が想定される機会は基本的に低圧タービン９が劣化したときであって頻度は極めて低い。したがって、静翼の迎角の変更作業の容易性を重視してアクチュエータで静翼を駆動する構成とするよりは、剛性に優れ構成が簡素で低廉である本実施の形態は蒸気タービンに好適に適用することができる。

（７）
本実施の形態の場合、静翼３１の迎角を変更する（低圧タービン９の降下圧力を回復する）のに静翼３１が移動して同一段落の動翼（不図示）に近付く。したがって、初段静翼ダイヤフラム内における静翼３１及び動翼間の圧力損失を抑制することができ、この特徴による低圧タービン９の降下圧力の回復効果への貢献も期待できる。

（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービン設備の低圧タービンの初段静翼ダイヤフラムの構成例を表す概略図である。同図ではダイヤフラム外輪とダイヤフラム内輪とをタービン中心軸を含む面で切断した断面で表してある。

本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は静翼角度変更機構の構成にある。本実施の形態の静翼角度変更機構は、静翼に回転軸を設けて回転軸を中心にして静翼を回転させて静翼の迎角を変更するものであり、ダイヤフラム外輪１３３、ダイヤフラム内輪１３５、及びダイヤフラム外輪１３３及びダイヤフラム内輪１３５に軸支された回転軸１３４，１３６を有する静翼１３１を備えている。

回転軸１３４は、静翼１３１のタービン径方向外側の端部（根部側）に接続しており、ダイヤフラム外輪１３３を貫通して他の静翼１３１の回転軸とともにリンク機構（図示せず）を介して静翼駆動装置（不図示）に接続している。静翼１３１の先端側の回転軸１３６はダイヤフラム内輪１３５に挿入されている。ダイヤフラム外輪１３３の内周部には凹部１２２が設けられており、静翼１３１のプラットフォーム部１０９は、この凹部１２２内に収容されていて凹部１２２内で回転軸１３４を中心に回転するようになっている。凹部１２２の形状は特に限定されないが、プラットフォーム部１０９の回動動作を許容するようにプラットフォーム部９の回動軌跡に干渉しない形状をしている。

上記構成により、静翼駆動装置により駆動されると、静翼１３１が回転軸１３４を中心にして回動し、蒸気に対する静翼１３１の迎え角が変わる。このとき、低圧タービン９の初段の全ての静翼１３１はリンク機構を介して連結されていて一斉に同じように動作する。

本実施の形態のように回転軸１３４，１３６を中心に静翼１３１を回転させて静翼１３１の迎え角を変更することができるので、第１の実施の形態で説明した本発明の基本的効果（１）を得ることができる。また、静翼１３１の迎角の変更については第１の実施の形態よりも更に容易である。

（その他）
上記実施の形態では、低圧タービン９の初段に静翼角度変更機構を設けた場合を例に挙げて説明したが、初段のみならず、初段を含む複数段落に適用しても良い。また、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９を有する蒸気タービン設備に本発明を適用した場合を例に挙げて説明したが、例えば中圧タービンを備えずタービン部として高圧タービン及び低圧タービンのみしか備えない蒸気タービン設備にも本発明は適用可能である。また、蒸気発生源としてボイラ１を備えた場合を例に挙げて説明したが、例えばコンバインドサイクルに本発明を適用する場合には、ガスタービンからの排気ガスを熱源とする再熱器が蒸気発生源を構成する。

１ボイラ（蒸気発生源）
３高圧タービン
６中圧タービン
９低圧タービン
３１静翼（静翼角度変更機構）
３２植え込み部（静翼角度変更機構）
３３ダイヤフラム外輪（静翼角度変更機構）
３４外輪溝（静翼角度変更機構）
３５ダイヤフラム内輪（静翼角度変更機構）
３６内輪溝（静翼角度変更機構）
３７スペーサ（静翼角度変更機構）
５０二酸化炭素分離回収装置
１３１静翼（静翼角度変更機構）
１３３ダイヤフラム外輪（静翼角度変更機構）
１３４回転軸（静翼角度変更機構）
１３５ダイヤフラム内輪（静翼角度変更機構）
θ，θ’ 迎角

Claims

蒸気発生源と、
この蒸気発生源で発生した蒸気で駆動する高圧タービンと、
この高圧タービンを駆動した蒸気で駆動する低圧タービンと、
前記蒸気発生源から排出される排気ガスの二酸化炭素を前記高圧タービンを駆動した蒸気の一部を熱源として分離回収する二酸化炭素分離回収装置と、
前記高圧タービンを駆動した蒸気を前記低圧タービンに導く配管と、該配管から分岐して前記高圧タービンを駆動した蒸気の一部を前記二酸化炭素分離回収装置に導く抽気管とを備え、
前記低圧タービンが、初段を含む少なくとも１つの段落の静翼の迎角を、前記抽気管を介して前記二酸化炭素分離回収装置に導かれる蒸気の圧力が前記二酸化炭素分離回収装置の所要蒸気圧力となるように変更する静翼角度変更機構を備えていることを特徴とする蒸気タービン設備。
請求項１の蒸気タービン設備において、
前記静翼角度変更機構は、
蒸気流通方向の上流側から下流側に向かって弧状に形成された外輪溝を有するダイヤフラム外輪と、
前記外輪溝に対応して弧状に形成された内輪溝を有するダイヤフラム内輪と、
前記外輪溝及び前記内輪溝に挿入されて前記外輪溝及び前記内輪溝の延在方向にスライド可能に支持された植え込み部を有する静翼と、
前記外輪溝及び前記内輪溝の空きスペースに挿入されて前記植え込み部を固定するスペーサと
を備えていることを特徴とする蒸気タービン設備。
請求項１の蒸気タービン設備において、
前記静翼角度変更機構は、
ダイヤフラム外輪と、
ダイヤフラム内輪と、
前記ダイヤフラム外輪及び前記ダイヤフラム内輪に軸支された回転軸を有する静翼と
を備えていることを特徴とする蒸気タービン設備。
請求項２又は３の蒸気タービン設備において、前記静翼角度変更機構は、前記低圧タービンの初段静翼に設置されていることを特徴とする蒸気タービン設備。
請求項４の蒸気タービン設備において、
前記高圧タービンを駆動した蒸気で駆動する中圧タービンを更に備え、
前記低圧タービンは、前記中圧タービンを駆動した蒸気で駆動する
ことを特徴とする蒸気タービン設備。
蒸気発生源と、
この蒸気発生源で発生した蒸気で駆動する高圧タービンと、
この高圧タービンを駆動した蒸気で駆動する低圧タービンと、
前記蒸気発生源から排出される排気ガスの二酸化炭素を前記高圧タービンを駆動した蒸気の一部を熱源として分離回収する二酸化炭素分離回収装置と、
前記高圧タービンを駆動した蒸気を前記低圧タービンに導く配管と、該配管から分岐して前記高圧タービンを駆動した蒸気の一部を前記二酸化炭素分離回収装置に導く抽気管とを備える蒸気タービン設備の運転方法であって、
前記抽気管を介して前記二酸化炭素分離回収装置に導かれる蒸気の圧力が前記二酸化炭素分離回収装置の所要蒸気圧力に合うように、前記低圧タービンの初段を含む少なくとも一つの段落の静翼の迎角を変更し、
前記高圧タービンを駆動した蒸気を前記低圧タービンに導くとともに、前記高圧タービンを駆動した蒸気の一部を前記抽気管を介して前記二酸化炭素分離回収装置に供給することを特徴とする蒸気タービン設備の運転方法。