(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気発電プラント（１０）であって、１つのロータにおいて、運転中に第１の蒸気再熱器（１５１）に接続される蒸気出口（１２２）を有する少なくとも１つの高圧タービン（１４）もしくはタービンセクションと、少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）もしくはタービンセクションと、を備え、該少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）もしくはタービンセクションのうちの第１のものは、運転中に第２の蒸気再熱器（１５２）に接続される蒸気出口（１２５）を有し、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）もしくはタービンセクションのうちの第２のものは、前記第２の蒸気再熱器（１５２）から蒸気を受け取るための蒸気入口（１２６）と、１つ以上の低圧タービン（１６３）もしくはタービンセクションに接続された蒸気出口（１２７）と、を有し、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）もしくはタービンセクションはそれぞれ、高温タービン（１６１−１，１６２−１）もしくはタービンセクションと、低温タービン（１６１−２，１６２−２）もしくはタービンセクションとに分離されており、
前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの前記高温タービン（１６１−１）もしくはタービンセクションと、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの前記高温タービン（１６２−１）もしくはタービンセクションとは、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの前記高温タービン（１６１−１）もしくはタービンセクションのための別個の蒸気入口管（１２４）および出口管（１２８）と、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの前記高温タービン（１６２−１）もしくはタービンセクションのための別個の蒸気入口管（１２６）および出口管（１２９）とを備える１つの外側ケーシングにおける二重流れ構成において結合されていて、
前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの前記低温タービン（１６１−２）もしくはタービンセクションと、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの低温タービン（１６２−２）もしくはタービンセクションまたは高温タービン（１６２−１）もしくはタービンセクションとのうちの少なくとも１つは、１つの内側ケーシングにおける二重流れタービンであることを特徴とする、蒸気発電プラント（１０）。
【請求項２】
前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの前記高温タービン（１６１−１）もしくはタービンセクションの蒸気入口（１２４）は、前記第１の再熱器（１５１）の出口に接続されており、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの前記高温タービン（１６１−１）もしくはタービンセクションの蒸気出口（１２８）は、管結合を介して、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの別個の低温タービン（１６１−２）若しくはタービンセクションに接続されており、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの前記低温タービン（１６１−２）もしくはタービンセクションの蒸気出口は、戻り管（１２５）を介して前記第２の再熱器（１５２）に接続されている、請求項１記載の蒸気発電プラント（１０）。
【請求項３】
前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの前記高温タービン（１６２−１）もしくはタービンセクションの蒸気入口（１２６）は、前記第２の再熱器（１５２）の出口に接続されており、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの前記高温タービン（１６２−１）もしくはタービンセクションの蒸気出口（１２９）は、管結合を介して、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの別個の低温タービン（１６２−２）もしくはタービンセクションに接続されており、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの前記低温タービン（１６２−２）もしくはタービンセクションの蒸気出口は、供給管（１２７）を介して少なくとも１つの低圧タービン（１６３）に接続されている、請求項１記載の蒸気発電プラント（１０）。
【請求項４】
前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの前記高温タービン（１６１−１）もしくはタービンセクションの蒸気入口（１２４）は、前記第１の再熱器（１５１）の出口に接続されており、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの前記高温タービン（１６１−１）もしくはタービンセクションの蒸気出口（１２８）は、管結合を介して、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの別個の低温タービン（１６１−２）もしくはタービンセクションに接続されており、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの前記低温タービン（１６１−２）もしくはタービンセクションの蒸気出口は、戻り管（１２５）を介して前記第２の再熱器（１５２）に接続されており、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの前記高温タービン（１６２−１）もしくはタービンセクションの蒸気入口（１２６）は、前記第２の再熱器（１５２）の出口に接続されており、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの前記高温タービン（１６２−１）もしくはタービンセクションの蒸気出口（１２９）は、管結合を介して、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの別個の低温タービン（１６２−２）もしくはタービンセクションに接続されており、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの前記低温タービン（１６２−２）もしくはタービンセクションの蒸気出口は、供給管（１２７）を介して少なくとも１つの低圧タービン（１６３）に接続されている、請求項１記載の蒸気発電プラント（１０）。
【請求項５】
前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの前記高温タービン（１６１−１）もしくはタービンセクションと、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの前記高温タービン（１６２−１）もしくはタービンセクションとは、６５０℃以上のそれぞれの蒸気入口温度に耐えるように製造されている、請求項１記載の蒸気発電プラント（１０）。
【請求項６】
前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの前記高温タービン（１６１−１）もしくはタービンセクションと、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの前記高温タービン（１６２−１）もしくはタービンセクションとは、６５０℃以上のそれぞれの蒸気入口温度に耐えるように製造されており、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第１のものの前記低温タービン（１６１−２）もしくはタービンセクションと、前記少なくとも２つの中圧タービン（１６１，１６２）のうちの第２のものの前記低温タービン（１６２−２）もしくはタービンセクションとは、６５０℃未満の蒸気入口温度のために製造されている、請求項１記載の蒸気発電プラント（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、第１および第２の再熱において６５０℃以上の主または生蒸気温度によって駆動され、かつ１００ＭＷ以上の電力出力を有する、二重再熱を行う高温蒸気タービン発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
現在稼働中の蒸気発電プラントは約６００℃までの主蒸気温度を有する。この温度またはこの温度に近い温度で稼働する場合、主蒸気圧力が臨界圧よりも高くなるため、発電プラントは一般に"超臨界"と称される。蒸気温度を高めることにより超臨界発電プラントの効率を高める努力は、ボイラ、タービンおよび供給管用の適切な材料を欠くことにより大幅に妨げられてきた。クロムをベースとする場合の慣用の鋼でさえ、６５０℃未満で安定性を損なう。
【０００３】
利用できる材料によって現在課せられる障害を突破するように設計された発電プラントは、しばしばウルトラ超臨界もしくはＵＳＣ蒸気プラントと称される。６５０℃よりも高い蒸気温度を得るために、高温に曝される部分はニッケルベース合金を必要とするが、ニッケルベース合金は、高価であり、また１０トンの限界を超える大型鍛造に鍛造するのは困難である。この限界は、例えば公開された米国特許出願第２００８／０２５０７９０号明細書に記載されたような大型蒸気タービンプラントのロータのためには不十分である恐れがある。
【０００４】
他方で、"二重再熱"として記載された方法が提案されており、例えば米国特許第２９５５４２９号明細書によって証拠づけられるように、５０年以上使用されている。二重再熱システムは、ボイラまたは再熱器への、主蒸気経路の付加的な戻り流を有する。典型的な単一再熱システムにおいては、戻り経路は、第１のまたは高圧タービンからの出口蒸気を、第２のまたは中圧におけるタービン段に再進入する前に予熱するためにボイラに戻す。二重再熱システムにおいては、蒸気が第２の（より低い）中圧または低圧タービン段に進入する前にこの蒸気を再熱するために、同様の戻り経路が、中圧タービンの出口に存在する。
【０００５】
二重再熱システムは、ＵＳＣ蒸気プラントの効率をさらに高める手段として提案されてきた。二重再熱ＵＳＣ発電プラントの設計は、例えば、R.Blum, J.Bugge, S.Kjaer, "AD700 innovations pave the way for 53 per cent efficiency" in Modern Power Systems, ２００８年１１月、１５〜１９頁に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】R.Blum, J.Bugge, S.Kjaer, "AD700 innovations pave the way for 53 per cent efficiency" in Modern Power Systems, ２００８年１１月、１５〜１９頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＵＳＣ蒸気発電プラントのために提案された二重再熱システムは、既存の材料の特性およびコストに十分に最適化されていない。したがって、本発明の課題は、商業的に存在可能な設備に技術的および経済的により適した、ＵＳＣ蒸気発電プラントの改良された二重再熱を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様によれば、蒸気発電プラントであって、１つのロータにおいて、運転中に第１の蒸気再熱器に接続される蒸気出口を有する少なくとも１つの高圧タービンもしくはタービンセクションと、少なくとも２つの中圧タービンもしくはタービンセクションと、を備え、該少なくとも２つの中圧タービンもしくはタービンセクションのうちの第１のものは、運転中に第２の蒸気再熱器に接続される蒸気出口を有し、前記少なくとも２つの中圧タービンもしくはタービンセクションのうちの第２のものは、前記第２の蒸気再熱器から蒸気を受け取るための蒸気入口と、１つ以上の低圧タービンもしくはタービンセクションに接続された蒸気出口と、を有し、前記少なくとも２つの中圧タービンもしくはタービンセクションはそれぞれ、高温タービンもしくはタービンセクションと、低温タービンもしくはタービンセクションとに分離されている、蒸気発電プラントが提供される。
【０００９】
高温タービンもしくはタービンセクションは、６５０℃より高い、好適には７００℃より高い温度において、再熱された蒸気を受け取ることができる。また、これにより高温タービンもしくはタービンセクションは、少なくとも部分的にニッケルベース合金のような最新の材料から製造される。
【００１０】
中圧タービンの分離により生じる４つのタービンもしくはタービンセクションは、好適には二重流れタービンに再結合することができ、その結果、二重流れ高温タービン、二重流れ低温タービン、またはその両方を生じる。
【００１１】
発明のこれらの態様またはその他の態様は、以下の詳細な説明または以下に列挙する図面から明らかになるであろう。
【００１２】
ここで添付の図面を参照して発明の典型的な実施の形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】公知のウルトラ超臨界蒸気発電プラント設計の再現である。
【図２Ａ】本発明の第１の態様による改良を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の第２の態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
発明の詳細な説明
図１のプラント設計１０は、二重再熱を備える公知のＵＳＣ蒸気プラントを示す。蒸気発電機もしくはボイラ１１において、生蒸気は水戻りサイクル（図示せず）から発生され、主蒸気供給管１２１および主蒸気入口弁１３１を通じて第１のタービン１４へ案内される。タービン１４は、一般的に、高圧もしくはＨＰタービンと称される。主蒸気経路は、管１２２を通じてＨＰタービン１４から出る。管１２２は、次いで、第１の再熱器戻り管１２３へ分岐する。ボイラ１１の一般的部分にある第１の再熱器１５１において、主蒸気流れは、再熱された後、供給管１２４に進入し、入口弁１３２を通って、第１の中圧またはＩＰタービン１６１へ通過する。
【００１５】
この段階で、供給蒸気は、再熱により、もとの生蒸気温度に近いかまたはもとの生蒸気温度よりもさらに高い温度を獲得している。第１のＩＰタービン１６１は、基本的にＨＰタービン１４と同じ耐熱材料を用いて製造されている。第１のＩＰタービン１６１の出口から、戻り管１２５が第２の再熱器１５２へ通じている。
【００１６】
第２の再熱器１５２において、蒸気は再びもとの生蒸気温度に近いかまたはもとの生蒸気温度よりも更に高い温度に加熱される。第２の再熱器を通過した後、蒸気は、蒸気供給管１２６に入り、弁１３３を通って第２の中圧タービン１６２に入る。第２のＩＰタービン１６２もやはり、基本的にＨＰタービン１４および第１のＩＰタービン１６１と同じ耐熱材料を用いて製造されている。
【００１７】
第２のＩＰタービン１６２の出口における蒸気は、１つ以上の低圧もしくはＬＰタービン１６３に案内され、最終的に凝縮状態に膨張させられる。ＬＰタービン１６３は、１つの内側ケーシングにおいて２つの平衡した分岐路を備えるいわゆる"二重流れ"タービンとして構成されている。
【００１８】
全てのタービンは、技術分野において公知のように、電磁発電機１８を駆動する１つのロータシャフト１７を共有する。
【００１９】
図２Ａのプラント設計１０は、本発明の実施例による再熱システムを備える、二重再熱を行うＵＳＣ蒸気プラントを示す。基本的に等しい構成要素または同様の機能を備える構成要素の符号は、図１のものと同じである。図２Ａの設計において、やはり、水戻りサイクル（図示せず）から蒸気を発生し、蒸気を主蒸気供給管１２１および主蒸気入口弁１３１を通じて第１のタービン１４へ案内するための、蒸気発生器もしくは生蒸気ボイラ１１が設けられている。図１の実施例のように、タービン１４は、約７００℃の温度および約３５０ｂａｒの主蒸気圧力Ｐ０に適した材料から形成された高圧もしくはＨＰタービンである。前述のように、主蒸気経路は、管１２２を通じてＨＰ蒸気タービン１４から出る。管１２２は、次いで、第１の再熱器戻り管１２３に分岐する。一般的にボイラ１１の一部分である第１の再熱器１５１において、主蒸気流は再熱された後、供給管１２４に進入し、入口弁１３２を通って第１の中圧もしくはＩＰタービン１６１へ通過する。
【００２０】
第１の中圧もしくはＩＰタービン１６１は、この実施例では、第１の高温部分１６１−１および第２の低温部分１６１−２に分離されている。分離と言う場合、意味は、第１の高温部分１６１−１が、第２の低温部分１６１−２の内側ケーシングから分離された内側ケーシング内に収容されているかまたはその内側ケーシングによって包囲されていることを意味する。第１の高温部分１６１−１は、固有の内側ケーシングを有する。第１の中圧もしくはＩＰタービン１６１を第１の高温部分１６１−１および第２の低温部分１６１−２に分離するステップと言う場合、その最も意義のある要素は、したがって、タービンの両部分を、（それぞれ異なる供給および出口ラインを備える）異なる内側ケーシングに収容するステップである。
【００２１】
この段階で、供給蒸気は、再熱により、約７２０℃の温度および約７５ｂａｒの圧力を獲得している。ＩＰタービン１６１の第１の高温部分１６１−１は、基本的にＨＰタービン１４と同じ耐熱材料を用いて製造される一方、第１の再熱サイクルからの減じられた蒸気圧力により、より低い圧力抵抗を必要とする。供給管１２８は、高温部分１６１−１の出口を第２の低温部分１６１−２に接続している。
【００２２】
タービン１６１の第２の低温部分１６１−２はもはや第１の部分１６１−１と同じ高温に曝されないので、第２の低温部分１６１−２は、例えば超臨界蒸気用の蒸気タービンの製造において適用される、より一般的な材料を使用して製造することができる。タービン１６１の第２の低温部分１６１−２は、１つの内側ケーシングに２つの平衡した分岐路を備えた二重流れタービンとして示されている。第２の低温部分１６１−２の出口は、蒸気を第２の再熱器１５２へ戻す戻り管１２５に結合されている。
【００２３】
第１の高温部分１６１−１および第２の低温部分１６１−２への第１のＩＰタービン１６１の分離は、ケーシングおよびタービン部品を高温構成部材および低温構成部材のみに分割するという利点を有する。ＩＰタービン全体を高温構成部材で製造する必要がなく、また、一方の、高温合金から形成されたケーシング部材またはその他のタービン部材と、他方の、一般的な合金とを溶接する必要もない。高温蒸気環境における異なる合金の間の溶接は、き裂発生のリスクを引き起こすことが分かっており、ＵＳＣタービンプラントにおける長期的欠陥の主たる原因となる恐れがある。
【００２４】
第２の再熱器１５２において、蒸気は再び約７２０または７３０℃の温度に加熱される。第２の再熱器を通過した後、蒸気は蒸気供給管１２６に入り、弁１３３を通って第２の中圧タービン１６２に入る。第１のＩＰタービン１６１のように、第２のＩＰタービン１６２も、この実施例において、第１の高温部分１６２−１および第２の低温部分１６２−２に分離されている。分離は、第１の高温部分１６２−１が、第２の低温部分１６２−２の内側ケーシングから分離された内側ケーシング内に収容されているかまたはこの内側ケーシングによって包囲されていることを意味する。第１の高温部分１６２−１は、自己の内側ケーシングを有する。
【００２５】
この段階で、供給蒸気は、再熱により、約７２０または７３０℃の温度および約３０ｂａｒの圧力を獲得している。ＩＰタービン１６２の第１の高温部分１６２−１は、ＨＰタービン１４および第１の高温部分１６１−１と基本的に同じ耐熱材料を用いて製造されている一方、第２の再熱サイクルからの減じられた蒸気圧力により、第１の高温部分１６１−１よりも低い圧力抵抗を必要とする。供給管１２９は、高温部分１６２−１の出口を第２の低温部分１６２−２に接続している。
【００２６】
第２のＩＰタービン１６２の第２の低温部分１６２−２も、もはや第１の部分１６２−１と同じ高温には曝されないので、第２の低温部分１６２−２は、例えば超臨界蒸気用の蒸気タービンの製造において適用されるようなより一般的な材料を用いて製造することができる。タービン１６２の第２の低温部分１６２−２は、１つの内側ケーシングにおいて２つの平衡した分岐路を備える二重流れタービンとして示されている。第２の低温部分１６２−２の出口は、供給管１２７に結合されており、この供給管１２７は、蒸気を、凝縮状態に最終的に膨張させるために、１つ以上の低圧もしくはＬＰタービン１６３に搬送する。ＬＰタービン１６３は、１つの内側ケーシングに２つの平衡した分岐路を備えるいわゆる"二重流れ"タービンとして構成されている。実施例において、１つの二重流れタービン１６３は、プラントを通る全体的な蒸気の質量流量に応じて、このようなタービンのうちの１つ、２つ、３つ、４つまたは５つのような、あらゆる数のＬＰタービンを代表している。
【００２７】
図２Ａの全てのタービンは、技術分野において公知の電磁発電機１８を駆動する１つのロータシャフト１７を共有している。
【００２８】
図２Ａに示されたようなプラントの態様によって得られる利点は、図２Ｂの実施例に示したように高温タービン部分１６１−１および１６２−１を二重流れケーシング１６４に結合し、各部分が専用の供給管および出口管を有することによってさらに高めることができる。図２Ｂにおいて、基本的に等しい構成要素または同様の機能を有する構成要素の符号は、図２Ａのものと同じである。
【００２９】
したがって、図２Ｂにおいて、高温タービン部分１６１−１および１６２−１は二重流れタービンケーシング１６４に結合されて示されている。供給管１２４は、第１の再熱器１５１からの蒸気を二重流れタービンの第１の高温タービン部分１６１−１に供給し、供給管１２６は、第２の再熱器１５１からの蒸気を二重流れタービンの第２の高温タービン部分１６２−１に供給する。二重流れタービン１６４の第１の高温タービン部分１６１−１の出口は、第１の中圧タービンの低温部分１６１−２の供給管１２８に接続されている。第１の中圧タービンの低温部分１６１−２は、二重流れタービンであり、その出口は戻り管１２５を介して第２の再熱器１５２に接続されている。
【００３０】
二重流れタービン１６４の第２の高温タービン部分１６２−１の出口は、第２の中圧タービンの低温部分１６２−２の供給管１２９に接続されている。第２の中圧タービンの低温部分１６２−２は、出口が供給管１２７に結合された二重流れタービンであり、供給管１２７は、蒸気を、最終的に凝縮した状態に膨張させられるために１つ以上の低圧もしくはＬＰタービン１６３へ搬送する。ＬＰタービン１６３は、１つの内側ケーシングにおいて２つの平衡した分岐路を備えるいわゆる"二重流れ"タービンとして構成されている。実施例において、１つの二重流れタービン１６３は、プラントを通る蒸気の全体の質量流量に応じて、このようなタービンのうちの１つ、２つ、３つ、４つまたは５つのような、あらゆる数のＬＰタービンを代表している。
【００３１】
本発明は、全くの例として説明されているので、発明の範囲において上記変更またはその他を行うことができる。例えば、より小さなプラント設計において、第１および第２の中圧タービンの第２の部分１６１−２，１６２−２は、上記実施例における２つの別個の二重流れタービンを形成する代わりに、１つの二重流れタービンに結合することができる。二重流れタービンケーシングのために、共通の外側ケーシングおよび共通の内側ケーシングを含む複数の態様が可能であるが、１つの内側ケーシングと、第２の側におけるピストンおよびブレードキャリヤとを備える設計、両側にブレードキャリヤを備える共通の内側入口ケーシングも可能である。
【００３２】
本発明は、ここに説明または黙示されたまたは図面に示されたまたは黙示されたあらゆる個々の特徴、またはあらゆるこのような特徴のあらゆる組合せ、またはあらゆるこのような特徴または組合せのあらゆる一般化であって、その均等物にまで拡張されるものも含んでよい。つまり、本発明の広さおよび範囲は、上述の例示的な実施の形態のいずれによっても制限されるべきではない。そうでないことが明白に述べられない限り、同一、均等または類似の目的を果たす代替的な特徴が、図面を含む明細書に開示された各特徴と置き換えられてよい。
【００３３】
ここに明示的に述べられない限り、明細書全体における従来技術のあらゆる説明は、このような従来技術が周知であるまたは技術分野における共通の一般的な知識の一部を構成することを認めるものではない。
【符号の説明】
【００３４】
１０  発電プラント
１１  蒸気発生器
１２１  主蒸気供給管
１３１  主蒸気入口弁
１４  ＨＰタービン
１２２  出口管
１２３  第１の再熱器戻り管
１５１  第１の再熱器
１２４  供給管
１３２  入口弁
１６１  （第１の）ＩＰタービン
１６１−１  （第１の）ＩＰタービン高温部分
１６１−２  （第１の）ＩＰタービン低温部分
１２８  供給管
１２５  戻り管
１５２  第２の再熱器
１２６  蒸気供給管
１３３  弁
１６２  （第２の）ＩＰタービン
１６２−１  （第２の）ＩＰタービン高温部分
１６２−２  （第２の）ＩＰタービン低温部分
１２９  供給管
１２７  供給管
１６３  ＬＰタービン
１６４  二重流れタービンケーシング
【図１】
0005726233.tif 000002
【図２Ａ】
0005726233.tif 000003
【図２Ｂ】
0005726233.tif 000004