JP6257946B2

JP6257946B2 - 地熱タービン

Info

Publication number: JP6257946B2
Application number: JP2013159455A
Authority: JP
Inventors: 亮 ▲高▼田
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: JP2015031175A

Description

本発明は、地熱タービンに係り、特に、地熱タービンにおける蒸気導入側の静翼列を冷却することで、静翼列に蒸気通過によるスケールが付着するのを防止するようにした、地熱タービンに関する。

近年、地熱エネルギーの利用として、例えば図８に示す地熱発電システム１があり、かかる地熱発電システム１は、地下深部の熱源により熱水を発生する生産井２と、生産井２から地上まで導いて沸騰した熱水を、蒸気と分離させるセパレータ３を具備する。
また地熱発電システム１は、セパレータ３で分離された熱水を戻す還元井４と、分離された蒸気により回転する地熱タービン５と、地熱タービン５に接続の発電機６とを具備する。
さらに、地熱発電システム１は、地熱タービン５を通過した蒸気を温水化する復水器７と、温水を冷却する冷却塔８とを具備する。

また、図９に地熱発電システム１に用いられる地熱タービン５としての蒸気タービンの一例を示す。
この蒸気タービン５は、例えば、周知の軸流式蒸気タービンであり、ロータシャフト５ａ側に複数の動翼５ｂとケーシング５ｃ側に固定された複数の静翼（ノズル）５ｄとが、多段的に交互に対向するように列設されている。ロータシャフト５ａには、発電機６のロータが連結されている。セパレータ３からの蒸気は、蒸気入口から初段静翼５ｄを通じて導入され、多段の動翼５ｂ、静翼５ｄ間を膨張しながら通過して蒸気排出口から放出され、運動エネルギーにより動翼５ｂが回転してロータシャフト５ａを回し、発電機６のロータを回転駆動させ、電力を取り出すようになっている。

ところで、生産井から噴出する高温の熱水は、井戸水や河川水よりもカルシウムや溶存シリカを多く含むため、炭酸カルシウムや非晶質シリカなどのスケールを析出しやすい。特に地上部や還元井では、熱水が地上部で温度降下することにより発生するシリカスケールを抑制することが課題である。

これまで、地熱発電用地熱タービンのノズル（特に、初段静翼）に付着堆積したスケールを除去するものとしては、たとえば、特許文献１において開示されているものがある。
ここでは、ノズル板を円環状に必要な枚数だけ所定の角度に並べ、内輪と外輪に鋳込んで、一体化される仕切り板におけるノズルの冷却水通路の製造方法として、ノズルをブロック構成として、各ブロックにおいて、冷却水通路を冷却水接続管で接続して連通せしめ、冷却水供給管から冷却水を流し、冷却水排水管に戻すような構成とし、仕切り板における全ノズル板内に冷却水通路を確保し、且つ、その接続をシール溶接等、によって行う手段を採用している。

特許第３０４６９０７号公報

しかしながら、上記手段では、全ノズル板内に冷却水通路を形成して、内輪から外輪にかけてつづら折り状に、全周に亘って配管する構成であるので、構造が複雑化し、製造コストの上昇は避けられない。
本発明は、上記の課題を改善するために提案されたものであって、特に地熱タービンにおける蒸気導入側の静翼列を効果的に冷却して、蒸気通過によるスケールが静翼列に付着するのを防止することができる、地熱タービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１にかかる本発明では、ロータシャフトの外周に配置した複数の動翼列と、ロータシャフトを収納するケーシングの内周にそれぞれ翼取付部を介して支持される複数の静翼列とを具備する、地熱タービンであって、複数の静翼列を支持するそれぞれの翼取付部のうち、初段静翼列を支持する翼取付部の内部に、冷却水が流れる一つの冷却流路が連続的に周回する環状冷却部、若しくは冷却水が流れる複数の冷却流路によって断続的に周回する環状冷却部が設けられ、初段静翼列を支持する翼取付部は、ケーシングの内周に固定された、ケーシングとは別部材で構成される環状の外輪からなり、環状冷却部は静翼列との接続部を有さないことを特徴とする。

請求項１によれば、初段静翼列では、タービン入口の高温熱によって静翼面が高温化して乾湿が繰り返されることに起因してスケールが生成されるので、初段静翼列を支持する翼取付部に設けられる環状冷却部に冷却媒体を流して初段静翼列を冷却することで、初段静翼列の乾湿繰返しを阻止して、初段静翼列にスケールが生成されるのを防止することができる。
また、ケーシングとは別部材で構成される環状の外輪に設けられた環状冷却部は、静翼列との接続部を有さないので、製造工程も容易である。
初段静翼列を支持する外輪に設けられる環状冷却部に冷却媒体を流して初段静翼列を冷却することで、初段静翼列の乾湿繰返しを阻止して、初段静翼列にスケールが生成されるのを防止することができる。

また、請求項２にかかる本発明では、外輪は、複数の分割体がケーシング内周側に固定されることで一体化されてなる分割外輪で構成され、分割体の内部に冷却流路がそれぞれ形成されると共に、分割体が一体化されることで分割外輪の内部に、断続的に周回する環状冷却部が形成される、ことを特徴とする。

これにより、複数の分割体をそれぞれケーシング内周側に組み込むことで一体化する分割外輪として初段静翼列を支持することができる。そして、各分割体に形成された冷却流路を断続的に周回する環状冷却部として、環状冷却部に冷却媒体を流すことで、初段静翼列は好適に冷却される。

また、請求項３記載の本発明では、ロータシャフトの外周に配置した複数の動翼列と、ロータシャフトを収納するケーシングの内周にそれぞれ翼取付部を介して支持される複数の静翼列とを具備する、地熱タービンであって、複数の静翼列を支持するそれぞれの翼取付部のうち、初段静翼列を支持する翼取付部の内部に、冷却水が流れる一つの冷却流路が連続的に周回する環状冷却部、若しくは冷却水が流れる複数の冷却流路によって断続的に周回する環状冷却部が設けられ、初段静翼列を支持する翼取付部は、ケーシングの内周に固定された、ケーシングとは別部材で構成される環状の外輪からなり、外輪の内部に環状冷却部が設けられ、外輪は、複数の分割体が前記ケーシング内周側に固定されることで一体化されてなる分割外輪で構成され、分割体の内部に冷却流路がそれぞれ形成されると共に、分割体が一体化されることで分割外輪の内部に、断続的に周回する前記環状冷却部が形成される、ことを特徴とする。

これにより、初段静翼列では、タービン入口の高温熱によって静翼面が高温化して乾湿が繰り返されることに起因してスケールが生成されるので、初段静翼列を支持する翼取付部に設けられる環状冷却部に冷却媒体を流して初段静翼列を冷却することで、初段静翼列の乾湿繰返しを阻止して、初段静翼列にスケールが生成されるのを防止することができる。
また、ケーシングとは別部材で構成される環状の外輪に環状冷却部を設けることで、ケーシングに直接環状冷却部を設ける必要はなく、製造工程も容易である。
初段静翼列を支持する外輪に設けられる環状冷却部に冷却媒体を流して初段静翼列を冷却することで、初段静翼列の乾湿繰返しを阻止して、初段静翼列にスケールが生成されるのを防止することができる。
さらに、複数の分割体をそれぞれケーシング内周側に組み込むことで一体化する分割外輪として初段静翼列を支持することができる。そして、各分割体に形成された冷却流路を断続的に周回する環状冷却部として、環状冷却部に冷却媒体を流すことで、初段静翼列は好適に冷却される。

本発明によれば、初段静翼列では、タービン入口の高温熱によって静翼面が高温化して乾湿が繰り返されることでスケールが生成されるので、初段静翼列を冷却することで、初段静翼列の乾湿繰返しを阻止して、初段静翼列にスケールが生成されるのを抑制することができる。
また、初段静翼列を支持する翼取付部に形成された環状冷却部により、静翼を間接的に好適に冷却することができる。
したがって、初段静翼列にスケール等が生成されることにより、蒸気の導入通路がスケールの成長によって閉塞されるようなことはなく、メインテナンスの負担も軽減され、維持管理等の費用も抑制することができる。

地熱発電システムの一例を示す全体系統説明図である。図１に示す地熱発電システムに用いられる地熱タービンの一例を示す、要部断面説明図である。図２に示す地熱タービンの蒸気導入側近傍の初段静翼および動翼の拡大図である。図２に示すＡ−Ａ線に沿って切断した、初段静翼列と初段静翼列を支える外輪および内輪の第１実施形態にかかる切断矢視図である。図２に示すＡ−Ａ線に沿って切断した、初段静翼列と初段静翼列を支える外輪および内輪の第２実施形態にかかる切断矢視図である。図２に示すＡ−Ａ線に沿って切断した、初段静翼列と初段静翼列を支える外輪および内輪の第３実施形態にかかる切断矢視図である。図２に示すＡ−Ａ線に沿って切断した、初段静翼列と初段静翼列を支える外輪および内輪の別の実施形態にかかる切断矢視図である。従来の地熱発電システムの一例を示す、概略系統説明図である。図８に示す地熱発電システムに用いられる地熱タービンの一例を示した、要部断面図である。

以下、本発明にかかる実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１に、本発明にかかる地熱タービンが用いられる地熱発電システム１０の一実施形態を挙げ、添付の図面に基づいて説明する。
この地熱発電システム１０は、地下深部の熱源により高温高圧の熱水を発生する生産井１１と、高温高圧の熱水を地上まで導いて沸騰した熱水を、蒸気と分離させるセパレータ１２と、セパレータ１２で分離された熱水を戻す還元井１３と、分離された蒸気により作動する地熱タービン１４と、地熱タービン１４に接続された発電機１５と、地熱タービン１４を通過した蒸気を温水化する復水器１６と、温水を冷却する冷却塔１７とを具備する。

生産井１１からセパレータ１２へは、熱水取出し流路１８を通じて熱水が取り出される。熱水取出し流路１８には流量調節弁１９が介在される。

セパレータ１２は例えばサイクロン型気水分離器であり、セパレータ容器上部側に蒸気、容器下部側に熱水を集めることで熱水から蒸気を分離するようにしている。セパレータ１２で分離された蒸気は蒸気流路２０を通じて地熱タービン１４に送り込まれるようになっている。
なお、セパレータ１２の容器下部側に集められた熱水は、還流路２１を通じて還元井１３に戻されるようになっている。

地熱タービン１４は、詳細は後述するが、例えば周知の軸流式蒸気タービンが可能である。

復水器１６は、地熱タービン１４を通過した蒸気を凝縮して温水化するもので、ここでは復水器１６は、蒸気を凝縮するために冷却塔１７で冷却された水を用いるようにしている。

冷却塔１７には、復水器１６からの温水が、復水流路２２を通じて介在されるポンプ２３により導入されるようになっている。
冷却塔１７は、復水器１６からの温水を、冷却塔１７内で送風機２４により強制的に送り込んだ外気と接触させて冷却するようにしている。このとき、復水は一部が蒸発することで、蒸発のための潜熱で温水は、さらに効果的に冷却される。また、冷却塔１７に充填剤を配設して復水を通過させることで、外気と接触させる時間を長くして冷却するようにしてもよい。

次に、地熱タービン１４について、図２に要部を、図３に地熱タービンの蒸気導入側近傍の初段静翼および動翼の拡大図を示し、以下、説明する。
地熱タービン１４は、ロータシャフト２５側に突設された動翼２６とケーシング２７側に、翼取付部２７ｂを介して固定された静翼２８とが、多段的に交互に対向するように列設される構成としている。なお、動翼２６は、ロータシャフト２５の周方向に複数列設されて動翼列を構成し、また静翼２８はケーシング２７の内周側に翼取付部２７ｂを介して周方向に複数列設されて静翼列を構成している。そして図２では、動翼２６及び静翼２８は、それぞれ動翼列、静翼例の一部として示している。そこで、以下、動翼列、静翼例をそれぞれ動翼２６及び静翼２８として説明する。
かかる地熱タービン１４において、蒸気は、蒸気入口２９から、静翼２８のうち、蒸気入口２９寄りの初段静翼２８ａを通じて導入され、多段の動翼２６、静翼２８間を通過して蒸気排出口（図示省略）から放出される構成としている。

そして初段静翼２８ａは、初段静翼２８ａが固定支持される翼取付部２７ｂの内部に、詳細は後述するが、冷却媒体が流れる一つの冷却流路が連続的に周回する環状冷却部、若しくは冷却媒体が流れる複数の冷却流路によって断続的に周回する環状冷却部３０が設けられている。
蒸気入口２９からの蒸気（例えば２００℃以上）が初段静翼２８ａを接触通過することで加熱される初段静翼２８ａを、翼取付部２７ｂに連続的にまたは断続的に周回する環状冷却部３０に冷却水を流すことで間接的に熱交換によって冷却するようにしている。
なお、環状冷却部３０に通流させる冷却水は、例えば強制循環手段（ポンプ、図示省略）を備えた水循環系統（図示省略）から供給することができる。
かかる初段静翼２８ａでは、タービン入口の高温熱によって静翼面が高温化して乾湿が繰り返されることでスケールが生成されるので、初段静翼２８ａを冷却することで、初段静翼２８ａの乾湿繰返しを阻止して、初段静翼２８ａにスケールが生成されるのを防止するようにしている。

そこで、ケーシング２７の翼取付部２７ｂに連続的にまたは断続的に周回する環状冷却部３０を形成する具体的な構造としては、以下の実施形態のように構成することができる。
（第１実施形態）
図４は、図２のＡ−Ａ線で示された、初段静翼２８ａと初段静翼２８ａを支持する翼取付部２７ｂの、切断断面を模式的に示している。
ここでは、翼取付部２７ｂはケーシング２７の内周に固定された、ケーシング２７とは別部材で構成される環状の外輪２７ｂからなる。外輪２７ｂの内部には環状冷却部３０が設けられている
また、外輪２７ｂに支持される初段静翼列２８ａの内周側には内輪２７ｉが設けられている。
そして、環状冷却部３０は外輪２７ｂに同心円状に、一回り周回する外輪環状冷却部３０ｐとして構成されている。また、かかる外輪環状冷却部３０ｐは、所定の位置に互いに近接配置した入口３０ｐｉｎ、出口３０ｐｏｕｔを介して冷却水を図示しない強制循環手段を備えた水循環系統と循環させるようにしている。

また、ケーシング２７の翼取付部２７ｂに連続的にまたは断続的に周回する環状冷却部３０を形成する具体的な構造としては、以下のように構成することもできる。
（第２実施形態）
図５は、第１実施形態同様、ケーシング２７の翼取付部２７ｂは、ケーシング２７の内周に固定された、ケーシング２７とは別部材で構成される環状の外輪２７ｂからなる。外輪２７ｂの内部には環状冷却部３０が設けられている。
また、外輪２７ｂに支持される初段静翼列２８ａの内周側には内輪２７ｉが設けられている。
そして、ここでは、外輪２７ｂに、外輪環状冷却部３０ｐが閉ループ状に形成され、外輪環状冷却部３０ｐに、入口３０ｐｉｎ、出口３０ｐｏｕｔが径方向に対向するように設けられ、冷却水の導入、放出を行っている。

以上説明した、第１、第２実施形態においては、環状冷却部３０が翼取付部である外輪２７ｂに同心円状に、略一回り周回する外輪環状冷却部３０ｐとして構成されているため、外輪環状冷却部３０ｐを流れる冷却水と外輪２７ｂの内側に支持された初段静翼２８ａとの間で満遍なく熱交換がなされる。
このため、初段静翼２８ａは好適に冷却され、初段静翼２８ａの乾湿繰返しを阻止して、初段静翼２８ａにスケールが生成されるのを防止することができる。

なお、第１実施形態では、外輪２７ｂ内に形成される外輪環状冷却部３０ｐの長さが、略一周分であり、入口３０ｐｉｎから流入した冷却水は外輪環状冷却部３０ｐを略一周流れて出口３０ｐｏｕｔから流出する。外輪環状冷却部３０ｐを略一周流れることにより、冷却水は熱交換作用により水温が上昇し、初段静翼２８ａに対する冷却効果が位置によって変わる。
したがって、第１実施形態の構造では、入口３０ｐｉｎは、最も温度が高い、地熱タービン１４の蒸気入口２９に近接した位置に配置することが望ましい。

一方、第２実施形態では、径方向に対向するように配置された入口３０ｐｉｎから出口３０ｐｏｕｔに至るまで冷却水の流通距離は半周分であり、入口３０ｐｉｎから出口３０ｐｏｕｔにいくにつれ、初段静翼２８ａに対する冷却効果は冷却水の温度上昇が実施例１よりも緩やかでありより高くなる。
したがって、第２実施形態の構造においても、入口３０ｐｉｎは、最も温度が高い、地熱タービン１４の蒸気入口２９に近接した位置に配置することが望ましい。

また、ケーシング２７の翼取付部２７ｂに連続的にまたは断続的に周回する環状冷却部３０を形成する具体的な構造としては、以下のように構成することもできる。
（第３実施形態）
図６に示すように、ここでは、環状冷却部３０は、翼取付部である外輪２７ｂに半周毎に点対称に配置した一対の外輪環状冷却部３０ｐと、内輪２７ｉに周回形成した内輪環状冷却部３０ｐｉとを有する。
一対の外輪環状冷却部３０ｐは、内輪環状冷却部３０ｐｉを介して連通するように接続されている。すなわち一方の外輪環状冷却部３０ｐは、一端側に水循環系統から冷却水を取り入れる入口３０ｐｉｎと外輪２７ｂの半周方向他端側に、初段静翼２８ａを貫通して、内輪環状冷却部３０ｐｉに連結される連結路３０ｐｌが設けられている。また、入口３０ｐｉｎに近接した位置において内輪環状冷却部３０ｐｉから他方の外輪環状冷却部３０ｐの端部に、初段静翼２８ａを貫通して連通する連結路３０ｐｌが設けられている。そして、他方の外輪環状冷却部３０ｐの外輪２７ｂの半周方向末端側に冷却水を排出する出口３０ｐｏｕｔが設けられている。

以上のような環状冷却部３０を有する第３実施形態において、水循環系統から冷却水は、外輪環状冷却部３０ｐの入口３０ｐｉｎから外輪環状冷却部３０ｐに導入され、外輪環状冷却部３０ｐを外輪２７ｂの半周方向に沿って流れ、連結路３０ｐｌに至る。
次いで、初段静翼２８ａを貫通する連結路３０ｐｌを介して内輪環状冷却部３０ｐｉに至り、内輪２７ｉ内を任意の周回方向に半周、周回して入口３０ｐｉｎに近接した位置において内輪環状冷却部３０ｐｉから、初段静翼２８ａを貫通する連結路３０ｐｌを介して他方の外輪環状冷却部３０ｐの端部に至り、外輪環状冷却部３０ｐを外輪２７ｂの半周方向に沿って流れ、外輪環状冷却部３０ｐの外輪２７ｂの半周方向末端側の出口３０ｐｏｕｔに至り、冷却水を排出することができる。

このように、第３実施形態では、環状冷却部３０が、翼取付部２７ｂである外輪２７ｂと内輪２７ｉに、それぞれ同心円状に周回する外輪環状冷却部３０ｐと、内輪環状冷却部３０ｐｉとして構成されたため、初段静翼２８ａには、冷却水による熱交換作用が外輪２７ｂおよび内輪２７ｉとから及ぼされ、初段静翼２８ａを好適に冷却することができる。
したがって、初段静翼２８ａにスケール等が生成されることにより、蒸気の導入通路がスケールの成長によって閉塞されるようなことはなく、メインテナンスの負担も軽減され、維持管理等の費用も抑制することができる。

以上、本発明にかかる地熱タービンについて、第１〜第３実施形態を挙げ、それぞれ詳細に作用効果を説明した。
本発明にかかる地熱タービンは、第１〜第３実施形態に限られるものではない。
例えば、図７に示すように、外輪２７ｂは、複数の分割体２７ｂｐがケーシング２７内周側に固定されることで一体化されてなる分割外輪で構成することができる。ここでは、分割外輪２７ｂは、４分割された分割体２７ｂｐで構成される。勿論、分割外輪２７ｂは、４分割に限らず、２分割あるいは３分割された分割体で構成することもできる。
そして、図７では、各分割体２７ｂｐの内部に冷却流路３０ｐｄがそれぞれ形成されると共に、分割体２７ｂｐが一体化されることで分割外輪２７ｂの内部に、断続的に周回する環状冷却部３０として形成される。

これにより、初段静翼２８ａは、複数の分割体２７ｂｐがケーシング２７内周側に固定されることで一体化されてなる分割外輪２７ｂで支持することができる。そして、各分割体２７ｂｐに形成された冷却流路３０ｐｄを断続的に周回する環状冷却部３０として、環状冷却部３０に冷却媒体を流すことで、初段静翼２８ａを好適に冷却することができる。

本発明は、地熱発電用の地熱タービンに係わらず、様々な規模の、さらには、船舶用機関、水中航走体等の蒸気タービンに適用可能である。

１４地熱タービン
２３ポンプ
２５ロータシャフト
２６動翼
２７ケーシング
２７ｉ内輪
２７ｂ翼取付部（外輪、分割外輪）
２７ｂｐ分割体
２８静翼
２８ａ初段静翼
２９蒸気入口
３０環状冷却部
３０ｐ外輪環状冷却部
３０ｐｉｎ入口
３０ｐｏｕｔ出口
３０ｐｉ内輪環状冷却部
３０ｐｌ連結路
３０ｐｄ冷却流路

Claims

ロータシャフトの外周に配置した複数の動翼列と、前記ロータシャフトを収納するケーシングの内周にそれぞれ翼取付部を介して支持される複数の静翼列とを具備する、地熱タービンであって、
前記複数の静翼列を支持するそれぞれの翼取付部のうち、初段静翼列を支持する翼取付部の内部に、冷却水が流れる一つの冷却流路が連続的に周回する環状冷却部、若しくは冷却水が流れる複数の冷却流路によって断続的に周回する環状冷却部が設けられ、
前記初段静翼列を支持する翼取付部は、前記ケーシングの内周に固定された、前記ケーシングとは別部材で構成される環状の外輪からなり、前記環状冷却部は前記静翼列との接続部を有さないことを特徴とする地熱タービン。
前記外輪は、複数の分割体が前記ケーシング内周側に固定されることで一体化されてなる分割外輪で構成され、
前記分割体の内部に前記冷却流路がそれぞれ形成されると共に、
前記分割体が一体化されることで前記分割外輪の内部に、断続的に周回する前記環状冷却部が形成される、ことを特徴とする請求項１記載の地熱タービン。
ロータシャフトの外周に配置した複数の動翼列と、前記ロータシャフトを収納するケーシングの内周にそれぞれ翼取付部を介して支持される複数の静翼列とを具備する、地熱タービンであって、
前記複数の静翼列を支持するそれぞれの翼取付部のうち、初段静翼列を支持する翼取付部の内部に、冷却水が流れる一つの冷却流路が連続的に周回する環状冷却部、若しくは冷却水が流れる複数の冷却流路によって断続的に周回する環状冷却部が設けられ、
前記初段静翼列を支持する翼取付部は、前記ケーシングの内周に固定された、前記ケーシングとは別部材で構成される環状の外輪からなり、該外輪の内部に前記環状冷却部が設けられ、
前記外輪は、複数の分割体が前記ケーシング内周側に固定されることで一体化されてなる分割外輪で構成され、
前記分割体の内部に前記冷却流路がそれぞれ形成されると共に、
前記分割体が一体化されることで前記分割外輪の内部に、断続的に周回する前記環状冷却部が形成されることを特徴とする地熱タービン。