JP6026941B2

JP6026941B2 - タービンの回転軸シール方法

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Publication number: JP6026941B2
Application number: JP2013074492A
Authority: JP
Inventors: 三島　俊一; 俊一三島
Original assignee: Metawater Co Ltd
Current assignee: Metawater Co Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014199027A

Description

本発明は、タービンの回転軸シール方法に関し、特には、低沸点媒体の蒸気を作動流体として用いるバイナリー発電において使用されるタービンの回転軸のシール方法に関するものである。

従来、アンモニア等の水よりも沸点が低い低沸点媒体を加熱し、発生した蒸気を用いてタービン発電機のタービンの羽根車を回転させることにより発電するバイナリー発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、タービン発電機を用いた従来のバイナリー発電システムでは、液状の低沸点媒体を加熱して気化させる蒸発器と、低沸点媒体の蒸気の運動エネルギーを回転軸の回転エネルギーに変換するタービンと、低沸点媒体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、液状の低沸点媒体を蒸発器に送る媒体送液ポンプとを備える閉ループ内で低沸点媒体を循環させる。そして、このバイナリー発電システムでは、タービンで得た回転エネルギーがタービン発電機の発電機で電気エネルギーに変換される。

特開２００９−２２１９６１号公報

ここで、上述したバイナリー発電システムでは、タービンの回転軸と、当該回転軸を回転自在に支持する軸受との間の隙間等からアンモニアなどの低沸点媒体の蒸気が外部へ漏れ出す可能性がある。そのため、回転軸と軸受との間の隙間等からの低沸点媒体の蒸気の漏出を防止する必要がある。

そこで、本発明者らは、ケーシングと、ケーシングを貫通する回転軸と、回転軸に固定された羽根車と、ケーシング内で回転軸を支持する一対の軸受と、回転軸の軸線方向両端部の外周面側にそれぞれ配置されたメカニカルシール部材とを備えるタービンを使用すると共に、メカニカルシール部材でシールされたタービンのケーシング内に冷却液を流通させることに着想した。このようなタービンを用いれば、メカニカルシール部材と、ケーシング内を流れる冷却液との双方を利用して、低沸点媒体の蒸気がバイナリー発電システムから外部へと漏れ出すのを防止することができる。

しかしながら、本発明者らが更に検討を重ねたところ、タービンのケーシング内に冷却液を流通させた場合、流通させる冷却液の圧力が高いと、ケーシング内からバイナリー発電システムの閉ループ内へと冷却液が流れ出し、低沸点媒体の組成が変化してバイナリー発電システムの性能が低下するという問題が生じることを新たに見出した。

そこで、本発明は、バイナリー発電システムにおいて使用した際に、バイナリー発電システムの性能低下を抑制しつつ、低沸点媒体の蒸気の外部への漏出を防止することができるタービンの回転軸シール方法を提供することを目的とする。

この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明のタービンの回転軸シール方法は、低沸点媒体の蒸気を作動流体として用いるバイナリー発電において使用されるタービンの回転軸シール方法であって、前記タービンは、ケーシングと、前記ケーシングを貫通する回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記ケーシング内で前記回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記回転軸の、前記ケーシング内に位置する部分の軸線方向両端部の外周面側にそれぞれ配置されたメカニカルシール部材とを備えており、前記タービンの前記ケーシング内に冷却液を流通し、前記ケーシング内への前記冷却液の供給圧力を、前記羽根車を回転させる前記低沸点媒体の蒸気の圧力よりも低くすることを特徴とする。このように、メカニカルシール部材を有するタービンを使用すれば、低沸点媒体の蒸気がバイナリー発電システムから外部へと漏れ出すのを抑制することができる。更に、メカニカルシール部材でシールされたタービンのケーシング内に冷却液を流通させれば、メカニカルシール部材のみでは低沸点媒体の蒸気の漏出を防止できなかった場合であっても、低沸点媒体の蒸気をケーシング内で凝縮させることができるので、低沸点媒体の蒸気がバイナリー発電システムから外部へと漏れ出すのを防止することができる。また、ケーシング内に流通させる冷却液の供給圧力を低沸点媒体の蒸気の圧力よりも低くすれば、ケーシング内からバイナリー発電システム内へと冷却液が流れ出すのを抑制して、バイナリー発電システムの性能が低下するのを抑制することができる。

ここで、本発明のタービンの回転軸シール方法は、前記羽根車側に位置するメカニカルシール部材の温度が、前記低沸点媒体の蒸気の凝縮点未満の温度となるように前記冷却液を流通することが好ましい。ケーシング外に設けられた羽根車側に位置するメカニカルシール部材の温度を低沸点媒体の蒸気の凝縮点未満の温度とすれば、メカニカルシール部材と回転軸の外周面との間で低沸点媒体の蒸気を凝縮させ、メカニカルシール部材と回転軸との間の摩擦によりメカニカルシール部材が損傷するのを抑制することができるからである。

そして、本発明のタービンの回転軸シール方法は、前記羽根車を回転させた前記低沸点媒体の蒸気の圧力を測定し、測定した蒸気の圧力に基づいて、前記ケーシング内への前記冷却液の供給圧力が前記測定した蒸気の圧力未満となるように前記冷却液の供給手段を制御することが好ましい。羽根車を回転させた低沸点媒体の蒸気の圧力を測定して冷却液の供給圧力を制御すれば、ケーシング内からバイナリー発電システム内へと冷却液が流れ出すのを確実に抑制することができるからである。

本発明によれば、バイナリー発電システムにおいて使用した際に、バイナリー発電システムの性能低下を抑制しつつ、低沸点媒体の蒸気の外部への漏出を防止することができるタービンの回転軸シール方法を提供することができる。

本発明に従うタービンの回転軸シール方法を使用したタービンを備えるバイナリー発電システムの概略構成を示す説明図である。図１に示すタービンの構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
ここで、本発明のタービンの回転軸シール方法は、低沸点媒体の蒸気を作動流体として用いるバイナリー発電システムにおいて使用される。なお、本発明のタービンの回転軸シール方法を用いるバイナリー発電システムは、アンモニア、ブタン、ペンタン等の単体を低沸点媒体として用いるランキンサイクル方式のバイナリー発電システムであってもよいし、水とアンモニアとの混合物を低沸点媒体として用いるカリーナサイクル方式のバイナリー発電システムであってもよい。

＜バイナリー発電システム＞
図１に、本発明のタービンの回転軸シール方法の一例を適用したバイナリー発電システムの一例の概略構成を示す。このバイナリー発電システム１０は、カリーナサイクル方式のバイナリー発電システムである。

バイナリー発電システム１０は、タービンＴと発電機９とからなるタービン発電機を有している。そして、バイナリー発電システム１０では、低沸点媒体タンク１と、媒体送液ポンプＰ１と、再生熱交換器２と、蒸発器３と、流体加熱器４と、分離器５と、蒸気加熱器６と、タービンＴと、吸収器７と、凝縮器８とを備える閉ループ内で低沸点媒体を循環させることにより、タービン発電機を用いて発電を行う。

ここで、低沸点媒体タンク１は、液状の低沸点媒体を貯留するタンクである。そして、低沸点媒体タンク１中の低沸点媒体（この一例のバイナリー発電システム１０では、水とアンモニアとの混合物）は、媒体送液ポンプＰ１により、再生熱交換器２を介して蒸発器３へと送られる。

再生熱交換器２は、低温の低沸点媒体と、後に詳細に説明する分離器５において分離された高温の蒸発残液との間で熱交換を行い、低沸点媒体が蒸発器３へと流入する前に低沸点媒体を予加熱する装置である。この再生熱交換器２では、蒸発残液の有する熱エネルギーが低沸点媒体の予加熱に有効利用される。

そして、再生熱交換器２で予加熱された低沸点媒体は、蒸発器３において更に加熱され、少なくとも一部が蒸気となる。具体的には、蒸発器３では、低沸点媒体が加熱され、大部分がアンモニア蒸気よりなる低沸点媒体蒸気と、大部分が水よりなる蒸発残液との混合流体が生成する。なお、蒸発器３において低沸点媒体を加熱する際の熱源としては、焼却炉等からの温排水、加熱炉の排気ガス、温泉、蒸気などのバイナリー発電において通常用いられる熱源を使用することができる。

流体加熱器４は、蒸発器３で得た低沸点媒体蒸気と蒸発残液との混合流体を更に加熱し、低沸点媒体蒸気の量を増やすと共に、低沸点媒体蒸気を加熱する装置である。なお、流体加熱器４において混合流体を加熱する際の熱源としては、蒸発器３と同様の熱源を使用することができる。

分離器５は、流体加熱器４から流出した低沸点媒体蒸気と蒸発残液との混合流体を、低沸点媒体蒸気と、蒸発残液とに気液分離する装置である。そして、分離器５で分離された低沸点媒体蒸気は、蒸気加熱器６へと送られる。また、蒸発残液は、再生熱交換器２を介して吸収器７へと送られる。なお、分離器５としては、ミストセパレーターやサイクロンなどの既知の気液分離装置を用いることができる。

蒸気加熱器６は、分離器５で分離された低沸点媒体蒸気を加熱し、バイナリー発電システム１０の発電効率を向上させるための装置である。なお、蒸気加熱器６において低沸点媒体蒸気を加熱する際の熱源としては、蒸発器３や流体加熱器４と同様の熱源を使用することができる。

タービンＴは、蒸気加熱器６から流出した低沸点媒体蒸気の運動エネルギーを回転軸の回転エネルギーに変換する装置である。そして、タービンＴの回転軸は発電機９に接続されており、タービンＴで得た回転エネルギーは、発電機９において電気エネルギーに変換される。

吸収器７は、タービンＴの回転軸を回転させた後の低沸点媒体蒸気と、分離器５で分離した蒸発残液とを混合し、低沸点媒体蒸気の一部を蒸発残液に吸収させる装置である。なお、吸収器７としては、スプレー塔等の既知の気液混合装置を用いることができる。

凝縮器８は、吸収器７から流出した低沸点媒体蒸気と蒸発残液との混合流体を冷却し、低沸点媒体蒸気を凝縮させる装置である。そして、凝縮器８において低沸点媒体蒸気を凝縮させて得られる液状の低沸点媒体は、低沸点媒体タンク１に貯留される。

ここで、上述したバイナリー発電システム１０のタービンＴは、回転軸の軸線方向に沿う断面を図２に示すように、ケーシング１００と、ケーシング１００を貫通する回転軸１１０と、回転軸１１０の軸線方向一端（図２では左側端）に固定された羽根車１２０と、ケーシング１００内で回転軸１１０を回転自在に支持する一対の軸受１３１，１３２と、回転軸１１０のうちケーシング１００内に位置する部分の軸線方向両端部の外周面側にそれぞれ配置されたメカニカルシール部材１４１，１４２とを備えている。

ここで、ケーシング１００は、回転軸１１０を挿通可能な筒状体であり、特に限定されることなく、軸線方向一方側（図２では左側）に位置する第１ケーシング部材１０１、軸線方向中央に位置する第２ケーシング部材１０２および軸線方向他方側（図２では右側）に位置する第３ケーシング部材１０３の３つの部材で構成されている。なお、第１ケーシング部材１０１、第２ケーシング部材１０２および第３ケーシング部材１０３は、既知の手法を用いて互いに液密に連結されている。
そして、このタービンＴでは、一対の軸受１３１，１３２は第２ケーシング部材１０２の内側に設けられている。また、図２では左側（羽根車１２０側）に位置する第１メカニカルシール部材１４１は、第１ケーシング部材１０１の内周面と、回転軸１１０の外周面との間に設けられている。更に、図２では右側に位置する第２メカニカルシール部材１４２は、第３ケーシング部材１０３の内周面と、回転軸１１０の外周面との間に設けられている。

また、回転軸１１０に固定された羽根車１２０は、ケーシング１００の外側に位置し、複数の羽根１２１を有している。そして、タービンＴでは、羽根車１２０の近傍に設けられた複数の噴出ノズル１２２から羽根１２１に向けて低沸点媒体蒸気を噴き付けることにより、羽根車１２０と、一対の軸受１３１、１３２に軸支された回転軸１１０とを回転させる。
なお、タービンＴの回転軸１１０は、下記の回転軸シール方法を用いてシールされている。そして、このバイナリー発電システム１０では、タービンＴの回転軸１１０が下記の方法を用いてシールされているので、羽根１２１に噴き付けられた低沸点媒体蒸気がタービンＴ内を通ってバイナリー発電システム１０の外へと漏れるのを防止することができる。

＜タービンの回転軸シール方法＞
図２に示すタービンＴの回転軸１１０は、メカニカルシール部材１４１，１４２と、ケーシング１００内に流通させた所定圧力の冷却液とを用いてシールされている。具体的には、タービンＴでは、ケーシング１００内のメカニカルシール部材１４１，１４２間に位置する空間Ｓに所定圧力の冷却液を流通させることにより、羽根１２１に噴き付けられた低沸点媒体蒸気がタービンＴ内を通って蒸気のまま外部へと漏れるのを防止している。
なお、ケーシング１００内への冷却液の供給は、図２では下側で第２ケーシング部材１０２の外周面と内周面１０２Ａとを連通する冷却液供給口１５１を介して行うことができる。また、ケーシング１００内からの冷却液の排出は、図２では上側で第２ケーシング部材１０２の外周面と内周面１０２Ａとを連通する冷却液排出口１５２を介して行うことができる。因みに、冷却液の供給は、図１に示すように冷却液ポンプＰ２を用いて行うことができる。

ここで、ケーシング１００内に流通させる冷却液の「所定圧力」、即ちケーシング１００内に供給する冷却液の供給圧力は、タービンＴの羽根１２１に噴き付けられた低沸点媒体蒸気の圧力よりも低い圧力にする必要がある。
羽根車１２０側でメカニカルシールを構成する第１メカニカルシール部材１４１の内周面と回転軸１１０の外周面との間にはメカニカルシールを形成するための微小な隙間が形成されているので、冷却液の供給圧力を羽根１２１に噴き付けられた低沸点媒体蒸気の圧力以上にすると、当該微小な隙間を通って冷却液が羽根車１２０側（閉ループ内）へと漏れ出す。従って、閉ループ内を循環している低沸点媒体の組成が変化してバイナリー発電システム１０の性能が低下するのを抑制する観点から、冷却液の供給圧力は、低沸点媒体蒸気の圧力よりも低い圧力にする必要がある。

なお、冷却液の供給圧力を低沸点媒体蒸気の圧力よりも低くした場合、圧力差に起因して羽根車１２０側からケーシング１００内に向かって低沸点媒体蒸気が流入する虞がある。しかし、ケーシング１００内の空間Ｓには冷却液が満たされているので、ケーシング１００内に流入した低沸点媒体蒸気は冷却液により冷却されて凝縮し、液状の低沸点媒体となってから冷却液と共に流出する。従って、バイナリー発電システム１０では、気体状の低沸点媒体蒸気がタービンＴ内を通って蒸気のまま外部へと漏れるのを防止することができる。因みに、ケーシング１００内に流入する低沸点媒体蒸気の量は少量なので、冷却液と共に流出した液状の低沸点媒体は、そのまま冷却液と共に廃棄してもよいし、任意の処理方法で処理してもよい。また、バイナリー発電システム１０を長時間運転した場合などに、低沸点媒体蒸気のケーシング１００内への流入により閉ループ内を流れる低沸点媒体の量が減少した際には、低沸点媒体タンク１内に低沸点媒体を補充すればよい。なお、低沸点媒体量の減少は、低沸点媒体タンク１内にレベル計を設置することにより、或いは、閉ループ内に低沸点媒体の比重を測定する比重計を設置することにより簡便に検出することができる。

ここで、冷却液としては、低沸点媒体蒸気を凝縮可能な任意の液体を用いることができるが、低沸点媒体蒸気を溶解可能な液体を冷却液として用いることが好ましい。低沸点媒体蒸気を溶解可能な液体を冷却液として用いれば、低沸点媒体蒸気を冷却液に溶解させて簡便に廃棄または処理することができるからである。具体的には、例えば低沸点媒体としてアンモニアと水との混合物を使用し、低沸点媒体蒸気の大部分がアンモニア蒸気からなる場合には、冷却液として水を用いることができる。

なお、上述した回転軸シール方法では、タービンＴの羽根１２１に噴き付けられた低沸点媒体蒸気の圧力（ｐ_１）と、冷却液の供給圧力（ｐ_０）との差（ｐ_１−ｐ_０）は１００ｋＰａ以上２００ｋＰａ以下であることが好ましい。差（ｐ_１−ｐ_０）が１００ｋＰａ以上であれば、冷却液が閉ループ内へと流出するのを確実に抑制することができるからである。また、差（ｐ_１−ｐ_０）が２００ｋＰａ以下であれば、閉ループ内での低沸点媒体の減少速度を小さくして低沸点媒体の補充頻度を低減することができるからである。

また、上述した回転軸シール方法では、冷却液の供給圧力（ｐ_０）は、低沸点媒体蒸気の圧力（ｐ_１）よりも必ず低くなるような一定の設計値としても良いが、上述した回転軸シール方法では、低沸点媒体蒸気の圧力（ｐ_１）を測定して供給圧力（ｐ_０）を制御することが好ましい。具体的には、例えば、タービンＴと吸収器７との間に設置した圧力計ＰＩを用いて低沸点媒体蒸気の圧力（ｐ_１）を測定し、測定した圧力（ｐ_１）に基づいて、冷却液の供給圧力（ｐ_０）が測定した低沸点媒体蒸気の圧力（ｐ_１）未満となるように冷却液ポンプＰ２の吐出圧力を制御することが好ましい。低沸点媒体蒸気の圧力（ｐ_１）を測定して供給圧力（ｐ_０）を制御すれば、低沸点媒体蒸気の圧力が経時変化した場合であっても、ケーシング１００内からバイナリー発電システム１０の閉ループ内へと冷却液が流れ出すのを確実に抑制することができるからである。また、冷却液の供給圧力と低沸点媒体蒸気の圧力との差をできるだけ小さくして、ケーシング１００内への低沸点媒体蒸気の流入量を低減することができるからである。
なお、供給圧力の制御には、ＰＩＤ制御などの既知の制御手法を用いることができる。

更に、上述した回転軸シール方法では、羽根車１２０側に位置する第１メカニカルシール部材１４１の温度が、低沸点媒体蒸気の凝縮点未満の温度となるように冷却液を流通することが好ましい。冷却液の供給圧力を低くした場合、メカニカルシールを構成する第１メカニカルシール部材１４１の内周面と回転軸１１０の外周面との間の微小な隙間に入り込む冷却液の量が減少してシール面が焼きつき、第１メカニカルシール部材１４１が損傷する虞がある。しかし、第１メカニカルシール部材１４１の温度を低沸点媒体蒸気の凝縮点未満の温度とすれば、第１メカニカルシール部材１４１の内周面と回転軸１１０の外周面との間で低沸点媒体蒸気を凝縮させ、第１メカニカルシール部材１４１と回転軸１１０との間の摩擦により第１メカニカルシール部材１４１が損傷するのを抑制することができるからである。
なお、第２メカニカルシール部材１４２の摩擦による損傷の抑制は、例えば、冷却液の供給圧力を、低沸点媒体蒸気の圧力未満かつ大気圧以上にしておくことで達成することができる。

以上、一例を用いて本発明のタービンの回転軸シール方法について説明したが、本発明のタービンの回転軸シール方法は、上記一例に限定されることはなく、本発明のタービンの回転軸シール方法には、適宜変更を加えることができる。
また、本発明のタービンの回転軸シール方法を適用したバイナリー発電システムは、流体加熱器や蒸気加熱器を有していなくてもよい。更に、本発明のタービンの回転軸シール方法を適用するタービンは、羽根車を回転軸の中央部に固定し、羽根車の軸線方向両側に、メカニカルシール部材を備え、且つ、冷却液が流通されるケーシングを設けた構造（即ち、回転軸を両側で支持する構造）であってもよい。

１低沸点媒体タンク
２再生熱交換器
３蒸発器
４流体加熱器
５分離器
６蒸気加熱器
７吸収器
８凝縮器
９発電機
１０バイナリー発電システム
Ｔタービン
Ｐ１媒体送液ポンプ
Ｐ２冷却液ポンプ
１００ケーシング
１０１第１ケーシング部材
１０２第２ケーシング部材
１０３第３ケーシング部材
１０２Ａ内周面
１１０回転軸
１２０羽根車
１２１羽根
１２２噴出ノズル
１３１，１３２軸受
１４１，１４２メカニカルシール部材
１５１冷却液供給口
１５２冷却液排出口

Claims

低沸点媒体の蒸気を作動流体として用いるバイナリー発電において使用されるタービンの回転軸シール方法であって、
前記タービンは、ケーシングと、前記ケーシングを貫通する回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記ケーシング内で前記回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記回転軸の、前記ケーシング内に位置する部分の軸線方向両端部の外周面側にそれぞれ配置されたメカニカルシール部材とを備えており、
前記タービンの前記ケーシング内に冷却液を流通し、
前記ケーシング内への前記冷却液の供給圧力を、前記羽根車を回転させる前記低沸点媒体の蒸気の圧力よりも低くする、
ことを特徴とするタービンの回転軸シール方法。
前記羽根車側に位置するメカニカルシール部材の温度が、前記低沸点媒体の蒸気の凝縮点未満の温度となるように前記冷却液を流通することを特徴とする、請求項１に記載のタービンの回転軸シール方法。
前記羽根車を回転させた前記低沸点媒体の蒸気の圧力を測定し、
測定した蒸気の圧力に基づいて、前記ケーシング内への前記冷却液の供給圧力が前記測定した蒸気の圧力未満となるように前記冷却液の供給手段を制御することを特徴とする、請求項１または２に記載のタービンの回転軸シール方法。