(57)【要約】【課題】  新規な始動冷却流構成を有する単一シャフト複合サイクルタービンを提供する。【解決手段】  単一シャフト複合サイクルタービン（３０００）は、ガスタービン（２１００）と、高圧セクション（２２８０）と中圧セクション（２２４０）と複数の段（２２１２Ａ〜Ｈ）を有する低圧セクション（２２１０）とを有する蒸気タービン（２２００）と、ガスタービン（２１００）及び蒸気タービン（２２００）の内部及びそれらの間に配置されたタービンシャフト（２３００）と、低圧セクション（２２１０）の複数の段（２２１２Ａ〜Ｈ）の第１の段（２２１２Ｃ）に隣接する第１の冷却蒸気流入口（２２２２）と、低圧セクション（２２１０）の複数の段（２２１２Ａ〜Ｈ）の第２の段（２２１２Ｈ）に隣接する第２の冷却蒸気流入口（２２２４）とを含む。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一シャフト複合サイクルタービン（３０００）であって、
（Ｉ）ガスタービン（２１００）と、
（ＩＩ）高圧セクション（２２８０）と、中圧セクション（２２４０）と、複数の段（２２１２Ａ〜Ｈ）を有する低圧セクション（２２１０）とを備えた蒸気タービン（２２００）と、
（ＩＩＩ）前記ガスタービン（２１００）及び蒸気タービン（２２００）の内部及びそれらの間に配置されたタービンシャフト（２３００）と、
（ＩＶ）前記低圧セクション（２２１０）の複数の段（２２１２Ａ〜Ｈ）の第１の段（２２１２Ｃ）に隣接する第１の冷却蒸気流入口（２２２２）と、
（Ｖ）前記低圧セクション（２２１０）の複数の段（２２１２Ａ〜Ｈ）の第２の段（２２１２Ｈ）に隣接する第２の冷却蒸気流入口（２２２４）と
を含む単一シャフト複合サイクルタービン（３０００）。
【請求項２】
前記複数の段（２２１２Ａ〜Ｈ）の第２の段（２２１２Ｈ）が、該複数の段（２２１２Ａ〜Ｈ）の第１の段（２２１２Ｃ）よりも小さい、請求項１記載の単一シャフト複合サイクルタービン（３０００）。
【請求項３】
前記複数の段（２２１２Ａ〜Ｈ）が、該複数の段（２２１２Ａ〜Ｈ）の第１の段（２２１２Ｃ）よりも大きい少なくとも１つの付加的段（２２１２Ｂ）を含む、請求項１記載の単一シャフト複合サイクルタービン（３０００）。
【請求項４】
前記複数の段（２２１２Ａ〜Ｈ）が、該複数の段（２２１２Ａ〜Ｈ）の第１の段（２２１２Ｃ）よりも大きい少なくとも２つの付加的段（２２１２Ａ、２２１２Ｂ）を含む、請求項１記載の単一シャフト複合サイクルタービン（３０００）。
【請求項５】
前記第２の冷却蒸気流入口（２２２４）が、前記第１の冷却蒸気流入口（２２２２）が配置されているよりも前記中圧セクション（２２４０）に近接して配置される、請求項１記載の単一シャフト複合サイクルタービン（３０００）。
【請求項６】
前記第２の冷却蒸気流入口（２２２４）が、前記低圧セクション（２２１０）の低温始動時に冷却蒸気流（２４２０）を受ける、請求項１記載の単一シャフト複合サイクルタービン（３０００）。
【請求項７】
前記第２の冷却蒸気流入口（２２２４）が、前記低圧セクション（２２１０）の温暖再始動及び高温再始動のいずれか又は両方時に前記冷却蒸気流（２４２０）を復水器（２５００）に吐出する、請求項６記載の単一シャフト複合サイクルタービン（３０００）。
【請求項８】
前記第１の冷却蒸気流入口（２２２２）が、前記低圧セクション（２２１０）の温暖再始動及び高温再始動のいずれか又は両方時に冷却蒸気流（２４２０）を受ける、請求項１記載の単一シャフト複合サイクルタービン（３０００）。
【請求項９】
単一シャフト複合サイクルタービン（２０００）であって、
（Ｉ）ガスタービン（１１００）と、
（ＩＩ）（ａ）高圧セクション（１２８０）と、（ｂ）前記高圧セクション（１２８０）に隣接する中圧セクション（１２４０）と、（ｃ）前記中圧セクションに隣接しかつ複数の段（１２１２Ａ〜Ｈ）を有する低圧セクション（１２１０）とを備えた蒸気タービン（１２００）であって、前記複数の段（１２１２Ａ〜Ｈ）の第１の段（１２１２Ａ）が、前記中圧セクション（１２４０）から最も遠くに設置され、前記複数の段（１２１２Ａ〜Ｈ）の第２の段（１２１２Ｂ）が、該複数の段の第１の段（１２１２Ａ）及び第３の段（１２１２Ｃ）に隣接してかつ第１の段（１２１２Ａ）と第３の段（１２１２Ｃ）間に設置されている、蒸気タービン（１２００）と、
（ＩＩＩ）前記ガスタービン（１１００）及び蒸気タービン（１２００）の内部及びそれらの間に配置されたタービンシャフト（１３００）と
（ＩＶ）前記低圧セクション（１２１０）の複数の段（１２１２Ａ〜Ｈ）の第３の段（１２１２Ｃ）に隣接する冷却蒸気流入口（１２２２）と
を含む単一シャフト複合サイクルタービン（２０００）。
【請求項１０】
前記複数の段（１２１２Ａ〜Ｈ）の第１の段（１２１２Ａ）が、該複数の段（１２１２Ａ〜Ｈ）の第２の段（１２１２Ｂ）よりも大きい、請求項９記載の単一シャフト複合サイクルタービン（２０００）。
【請求項１１】
前記複数の段（１２１２Ａ〜Ｈ）の第２の段（１２１２Ｂ）が、該複数の段（１２１２Ａ〜Ｈ）の第３の段（１２１２Ｃ）よりも大きい、請求項９記載の単一シャフト複合サイクルタービン（２０００）。
【請求項１２】
前記複数の段（１２１２Ａ〜Ｈ）が、該複数の段（１２１２Ａ〜Ｈ）の第３の段（１２１２Ｃ）よりも小さい少なくとも１つの付加的段（１２１２Ｄ）を含む、請求項１１記載の単一シャフト複合サイクルタービン（２０００）。
【請求項１３】
前記中圧セクション（１２４０）の複数の段（１２４２Ａ〜Ｇ）の第１の段（１２４２Ｇ）に隣接する第１の復水器出口（１２５０）をさらに含む、請求項９記載の単一シャフト複合サイクルタービン（２０００）。
【請求項１４】
前記冷却蒸気流入口（１２２２）と前記第１の復水器出口（１２５０）との間に配置された第２の復水器出口（１２５２）をさらに含む、請求項１３記載の単一シャフト複合サイクルタービン（２０００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、総括的にはタービンに関し、より具体的には、新規な冷却流構成を有する蒸気タービン、単一シャフト複合サイクルタービン、及びタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
単一シャフト複合サイクルタービン及びタービンシステムでは、ガスタービンは、適当なバイパスシステムを使用して蒸気タービンから独立して運転することができる。そのようなケースでは、蒸気タービンは、少なくともある時点でガスタービンの力によってのみ回転する。つまり、蒸気タービンは、蒸気タービンが完全運転しているときに生じるように供給された蒸気の結果として回転するのではなく、ガスタービンによって駆動される。蒸気タービンのそのような非出力回転を可能にすることは、特に回転速度が通常作動速度に向かって増大する場合に、大きな回転金属質量によって生じるウィンデージ加熱により望ましくない過熱を引き起こすおそれがある。
【０００３】
図１は、公知のタービンシステム１０００の概略断面図を示しており、タービンシステム１０００は、ガスタービン１００と、蒸気タービン２００（低圧セクション２１０、中圧セクション２４０及び高圧セクション２８０を含む）と、ガスタービン１００及び蒸気タービン２００内にかつ該ガスタービン１００及び蒸気タービン２００間に配置されたタービンシャフト３００と、補助ボイラ４００と、復水器５００とを含む。補助ボイラ４００又は同様の装置は、特に直径及び回転部品有効長さが大きいためにその損失が最大である低圧蒸気タービンセクション２１０において、回転損失によって発生した熱を除去するのに十分な量の「冷却」蒸気を生成するために使用される。補助ボイラ４００又は同様の装置は、ほとんどの場合に、低圧セクション２１０の完全運転時に使用される蒸気発生ボイラ又は装置とは別個のものでありかつ該蒸気発生ボイラ又は装置よりも大幅に小形であり、また一般的には例えば蒸気タービン２００の始動時にそのような過熱を減少させるために使用されるのみである。
【０００４】
図２は、それらのそれぞれの段２１２Ａ〜Ｈ、２４２Ａ〜Ｇをそれぞれ含む低圧及び中圧セクション２１０及び２４０のより詳細図を示している。一般的に、冷却蒸気流入口２２０が、低圧蒸気タービンセクション２１０の最小段２１２Ｈとこれに最も近接する中圧段２４２Ａとの間に設置される。補助ボイラ４００（図１）によって生成された多量の冷却蒸気４２０が、冷却蒸気管路４１０に沿ってかつ冷却蒸気流入口２２０を通って流れる。そこから、冷却蒸気のおよそ９０％を含む冷却蒸気４２０の第１の部分４２０Ａは、低圧段２１２Ａ〜Ｈの各々に沿って、最小の２１２Ｈで始まり最大の２１２Ａで終わるように流れる。
【０００５】
冷却蒸気のおよそ１０％を含む冷却蒸気４２０の第２の部分４２０Ｂは、中圧段２４２Ａ〜Ｇの各々に沿って反対方向に流れ、最終的に復水器出口２５０を通って中圧セクション２４０から流出し、かつ復水器管路５１０に沿って復水器５００（図１）に移動する。
【０００６】
上記の方法は時として、低圧蒸気タービンセクション２１０の「無負荷」過熱を減少させることができるが、この方法は、大きな費用がかかりまた限られた有効性で行なわれることになる。例えば上記の方法は、補助ボイラ４００（図１）又は同様の装置からの約５００００ポンド／時〜約７００００ポンド／時の「冷却」蒸気を必要とする。そのような量の冷却蒸気を生成する費用は、蒸気１ポンドあたり約１０米ドルとなる。
【０００７】
加えて、冷却蒸気を使用する公知のタービン及びシステムは、低圧セクション２１０の段２１２Ａ〜Ｈ内の冷却蒸気温度との温度差の程度に基づいては蒸気を分配又は目標処理しない。つまり、低圧セクション２１０の幾つかの段は、大きな温度差を受ける可能性があるが（例えば、２１２Ａ〜Ｃのような大形段）、公知のタービン及びシステムは、段２１２Ａ〜Ｈにわたる温度差を最も効率よく減少させるようには冷却蒸気４２０を導いていない。例えば低圧セクション２１０の小形段（例えば２１２Ｈ）及び大形段（例えば２１２Ａ）は、全負荷遮断直後の始動時にそれぞれ約６５０°Ｆ〜約１００°Ｆの「全負荷」温度を受ける可能性があり、冷却蒸気４２０（一般的に約３６０°Ｆの温度を有する）が、図２に示すようにより小形かつより高温段（例えば２１２Ｈ）により近接する低圧セクション２１０内に導入される。従って、冷却蒸気４２０は、より小形段を過冷却するが、より大形かつより高温段（回転損失のために始動時にはより高温であるが、全負荷運転時にはより低温である）を冷却するにはほとんど効果がなく、より大形段をその設計温度限界に保つには付加的質量流量を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６４４２９２６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１つの実施形態では、本発明は、単一シャフト複合サイクルタービンを提供し、本単一シャフト複合サイクルタービンは、ガスタービンと、高圧セクション、中圧セクション、及び複数の段を有する低圧セクションを備えた蒸気タービンと、ガスタービン及び蒸気タービンの内部及びそれらの間に配置されたタービンシャフトと、低圧セクションの複数の段の第１の段に隣接する第１の冷却蒸気流入口と、低圧セクションの複数の段の第２の段に隣接する第２の冷却蒸気流入口とを含む。
【００１０】
別の実施形態では、本発明は、単一シャフト複合サイクルタービンを提供し、本単一シャフト複合サイクルタービンは、ガスタービンと、高圧セクション、高圧セクションに隣接する中圧セクション、及び中圧セクションに隣接しかつ複数の段を有する低圧セクションを備えた蒸気タービンと、ガスタービン及び蒸気タービンの内部及びそれらの間に配置されたタービンシャフトとを含み、複数の段の第１の段が、前記中圧セクションから最も遠くに設置され、複数の段の第２の段が、該複数の段の第１の段及び第３の段に隣接してかつ第１の段及び第３の段間に設置され、また冷却蒸気流入口が、低圧セクションの複数の段の第３の段に隣接して設置される。
【００１１】
さらに別の実施形態では、本発明は、蒸気タービンを提供し、本蒸気タービンは、高圧セクションと、高圧セクションに隣接する中圧セクションと、中圧セクションに隣接しかつ複数の段を有する低圧セクションとを含み、複数の段の第１の段が、中圧セクションから最も遠くに設置され、複数の段の第２の段が、該複数の段の第１の段及び第３の段に隣接してかつ第１の段及び第３の段間に設置され、また冷却蒸気流入口が、低圧セクションの複数の段の第３の段に隣接して設置される。
【００１２】
本発明のこれらの及びその他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付図面と関連させてなした本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】公知の単一シャフト複合サイクルタービンシステムの概略断面図。
【図２】公知の単一シャフト複合サイクルタービンシステムの概略断面図。
【図３】本発明の１つの実施形態による単一シャフト複合サイクルタービンシステムの概略断面図。
【図４】本発明の１つの実施形態による単一シャフト複合サイクルタービンシステムの概略断面図。
【図５】本発明の別の実施形態による単一シャフト複合サイクルタービンシステムの概略断面図。
【図６】本発明の別の実施形態による単一シャフト複合サイクルタービンシステムの概略断面図。
【図７】本発明の別の実施形態による単一シャフト複合サイクルタービンシステムの概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面は正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを示すことを意図しており、従って本発明の技術的範囲を限定するものとして考えるべきではない。図面では、同じ参照符号付けが、図面間で同様の要素を表している。
【００１５】
図３及び図４は、本発明の１つの実施形態による単一シャフト複合サイクルタービンシステム２０００（図３）のそれぞれ全体図及び詳細図を示している。公知のシステム（例えば、図１に参照符号１０００で示す）に比べて、冷却蒸気流入口１２２２は、低圧セクション１２１０のより大形段１２１２Ａ〜Ｃにより近接して配置されている。そのような構成は、冷却蒸気１４２０の第１の部分１４２０Ａを、上述のように一般的に冷却蒸気１４２０の温度を大幅に上回る「無負荷」温度を有するより大形かつより高温段１２１２Ａ〜Ｃに導く。その結果、図３及び図４に示す構成は、より大形かつより高温段１２１２Ａ〜Ｃのより大きな冷却、冷却蒸気１４２０のより効率的な使用、及びその結果として公知のシステムにおけるよりも全体冷却蒸気のより少ない要求を達成する。一般的に、図３及び図４に示す構成を用いるのに必要となる冷却蒸気量は、公知のシステムを用いるのに必要となる冷却蒸気量の約７０％〜７５％であり、大きなエネルギー及び経済的節減を生み出す。
【００１６】
冷却蒸気１４２０の第２の部分１４２０Ｂは、より小形かつより低温段１２１２Ｄ〜Ｈにわたって導かれる。冷却蒸気１４２０の第１のサブ部分１４２０Ｂ１は次に、付加的復水器出口１２５２及び付加的復水器管路１５１２を通って復水器１５００（図３）に流れる。冷却蒸気１４２０の第２のサブ部分１４２０Ｂ２は、中圧セクション１２４０の段１２４２Ａ〜Ｇを通ってかつ復水器出口１２５０及び復水器管路１５１０を通って復水器１５００（図３）に流れる。
【００１７】
図３及び図４に示す本発明の実施形態では、冷却蒸気１４２０の第１の部分１４２０Ａは、全体冷却蒸気のおよそ９０％を含み、第２の部分１４２０Ｂ（また、第１及び第２のサブ部分１４２０Ｂ１、１４２０Ｂ２を組合せたもの）は、全体冷却蒸気のおよそ１０％を含む。従って、図３及び図４に示す本発明の実施形態の効率の改善は、冷却蒸気の相対比率の方向において大きな変更なしに達成される。
【００１８】
図５〜図７は、本発明の別の実施形態による単一シャフト複合サイクルタービンシステム３０００を示している。ここでは、２つの冷却蒸気流入口２２２２、２２２４が設けられ、第２の冷却蒸気流入口２２２４は、以下でより詳細に説明するように、復水器出口としても機能する。
【００１９】
図６は、タービンシステム３０００（図５）の「温暖」又は「高温」再始動時における冷却蒸気２４２０流の経路を示している。ここでは、冷却蒸気２４２０は、冷却蒸気管路２４１０を通って移動し、その後は実質的に図４に示すとおりである。つまり、冷却蒸気２４２０の第１の部分２４２０Ａ（全体冷却蒸気のおよそ９０％を含む）は、より大形かつより高温段２２１２Ａ〜Ｃにわたって導かれ、第２の部分２４２０Ｂは、低圧セクション２２１０のより大形かつより低温段２２１２Ｄ〜Ｈにわたって導かれる。第２の部分２４２０Ｂは、復水器出口２２５０及び第２の冷却蒸気流入口２２２４（ここでは付加的復水器出口として機能する）を通って流出し（第１及び第２のサブ部分２４２０Ｂ１、２４２０Ｂ２として）、かつ復水器管路２５１０及び付加的復水器管路２５１２を通って復水器２５００に移動する。
【００２０】
図７は、タービンシステム３０００（図５）の「低温」始動時における冷却蒸気流２４２０の経路を示している。ここでは、冷却蒸気２４２０は、冷却蒸気管路２４１０及び付加的冷却蒸気管路２４１２を通って移動し、かつ冷却蒸気流入口２２２２ではなく第２の冷却蒸気流入口２２２４を通って蒸気タービン２２００（図５）に流入する。冷却蒸気２４２０の第１の部分２４２０Ａは、低圧セクション２２１０の段２２１２Ａ〜Ｈにわたって導かれ、また冷却蒸気２４２０の第２の部分２４２０Ｂは、中圧セクション２２４０の段２２４２Ａ〜Ｇにわたって導かれて、復水器出口２２５０を通って流出する。
【００２１】
当然ながら、その他の構成及び蒸気流が可能であることは、当業者には分るであろう。例えば、冷却蒸気管路２４１０ではなく補助ボイラ２４００に対して、付加的冷却蒸気管路２４１２を直接連結することができる。同様に、復水器に直接ではなく復水器管路２５１０に対して、付加的復水器管路２５１２を連結することができる。これらの及びその他のそのような構成及び蒸気流は、本発明の技術的範囲内に属する。
【００２２】
本明細書で使用する専門用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合に、数詞のない表現は、文脈上明確にそうでないことを示さない限り、複数の形態も同様に含むことを意図している。さらに、本明細書で使用する場合における「含む」及び／又は「備えている」という用語は、記述した特徴、整数、ステップ、動作、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ又はそれ以上のその他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。
【００２３】
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。
【符号の説明】
【００２４】
１００、１１００、２１００  ガスタービン
２００、１２００、２２００  蒸気タービン
２１０、１２１０、２２１０  低圧セクション
２１２Ａ〜Ｈ、１２１２Ａ〜Ｈ、２２１２Ａ〜Ｈ  低圧段
２２０、１２２２、２２２２  第１の冷却蒸気流入口
２４０、１２４０、２２４０  中圧セクション
２４２Ａ〜Ｇ、１２４２Ａ〜Ｇ、２２４２Ａ〜Ｇ  中圧段
２５０、１２５０、２２５０  復水器出口
２８０、１２８０、２２８０  高圧セクション
３００、１３００、２３００  タービンシャフト
４００、１４００、２４００  補助ボイラ
４１０、１４１０、２４１０  冷却蒸気管路
４２０、１４２０、２４２０  冷却蒸気
４２０Ａ、１４２０Ａ、２４２０Ａ  冷却蒸気の第１の部分
４２０Ｂ、１４２０Ｂ、２４２０Ｂ  冷却蒸気の第２の部分
５００、１５００、２５００  復水器
５１０、１５１０、２５１０  復水器管路
１０００、２０００、３０００  単一シャフト複合サイクルタービンシステム
１２５２  付加的復水器出口
１４２０Ｂ１、２４２０Ｂ１  冷却蒸気の第１のサブ部分
１４２０Ｂ２、２４２０Ｂ２  冷却蒸気の第２のサブ部分
１５１２、２５１２  付加的復水器管路
２２２４  第２の冷却蒸気流入口
２４１２  付加的冷却蒸気管路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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