JP2007503544A - 蒸気原動所 - Google Patents

Abstract

本発明に基づく蒸気原動所（１）は、少なくとも１つの蒸気タービン（３）と燃料燃焼ボイラ（５）とを有する。燃焼器（１９）を蒸気流（１７）の流れ方向（９）において蒸気タービン（３）の第１タービン段（１１）の下流でかつ第２タービン段（１３）の上流に配置し、蒸気流（１７）を燃焼器（１９）において、燃焼器（１９）内で発生した燃焼ガスとの混合によって過熱する。蒸気流（１７）を燃焼ガスとの直接的な接触により過熱するため、短時間の内に高温迄蒸気を過熱することができる。

Description

本発明は、少なくとも１つの蒸気タービンと燃料燃焼ボイラとを有する蒸気原動所（汽力発電所）に関する。

公知の蒸気原動所において、蒸気タービン用の運転蒸気は、通常燃料燃焼ボイラで発生され、燃焼ガスに含まれるエネルギは、１つ或いは複数の熱交換器で放出される。熱交換器に水が供給され、該水の加熱により運転蒸気が発生されるか、蒸気が供給されて、最終熱交換器により蒸気が過熱される。蒸気の過熱は、公知の蒸気タービンではタービンの高圧段と中圧段の間で行われ、高圧段から出る蒸気がボイラ内に配置された再熱器により過熱され、中圧段に供給される。

この蒸気の再熱は、例えば蒸気タービンの効率向上に貢献する。

公知の蒸気原動所の場合、蒸気の発生および／又は再熱のための熱エネルギの供給は熱交換伝熱面により行われ、該熱交換伝熱面は、燃料燃焼ボイラ内に配置され、例えば石炭燃焼、燃料油燃焼或いはバイオマス燃焼のボイラ内或いは全般的に化石燃料燃焼或いは核燃料燃焼のボイラ内に配置され、ボイラ内を導かれる燃焼ガスと接触する。加熱された熱交換伝熱面は、更にその熱エネルギを、熱交換伝熱面で形成された物体の内部を導かれる水および／又は蒸気に放出する。即ち、その加熱は、熱交換伝熱面への燃焼ガスの熱伝達およびその熱交換伝熱面から被加熱媒体への熱伝達によって行われる。

公知の蒸気原動所のボイラに用いる熱交換器では、燃焼ガスのエネルギが、燃焼ガスで加熱される熱交換伝熱面の材料により被加熱媒体に伝達される故、被加熱媒体、例えば水および／又は蒸気に伝達されるエネルギの量は、熱交換伝熱面の材料特性で制限される。

従って公知の蒸気原動所では、熱エネルギを伝達する熱交換伝熱面をその材料特性とそれに伴う熱応力限度とのため任意の高温に加熱できない故、許容蒸気温度が制限される。

更に被加熱媒体への燃焼ガスからの熱伝達は、主に熱交換伝熱面の加熱時間のため遅れて始まる。

本発明の課題は、少なくとも１つの蒸気タービンと燃料燃焼ボイラとを有する蒸気原動所を、柔軟に採用でき、特に従来の欠点を解消できるように改良することにある。

この課題は、少なくとも１つの蒸気タービンと燃料燃焼ボイラとを有する蒸気原動所において、燃焼器が蒸気流の流れ方向において蒸気タービンの第１タービン段の下流で第２タービン段の上流に配置され、蒸気流が燃焼器において該燃焼器内で発生した燃焼ガスとの混合によって加熱されることにより解決される。

本発明は、燃焼ガスから被加熱媒体への熱伝達が、被加熱媒体への熱伝達に熱交換伝熱面の利用を不要とすることで従来技術に比べ殆ど制限されないと言う考えから出発する。

本発明では、燃焼ガスから被加熱媒体への熱伝達を、被加熱蒸気流を燃焼器に直接導入し、そこで燃焼ガスと直接混合することで達成する。

本発明では内部補助燃焼を、蒸気流の流れ方向においてボイラの下流かつ蒸気タービンの上流で生蒸気を過熱し、又はあるタービン段でエネルギの一部を既に放出した蒸気を過熱するために利用し、本発明に基づく蒸気過熱後、該蒸気を次のタービン段に供給する。

本発明に基づく蒸気原動所によれば、従来技術に比べ高い蒸気温度が得られ、この高い蒸気温度は蒸気原動所の効率向上に寄与する。

本発明に基づく蒸気原動所の場合、燃焼器で実現される補助燃焼を遮断するか、この補助燃焼を休止したとき、蒸気原動所は公知の蒸気原動所のように継続運転される。

燃焼器に燃料として、水素および／又は炭化水素、特にメタンを供給するとよい。

特に燃料は炭化水素および／又は水素を含む。

燃料として水素の利用は、殊、水素をごく一般的な炭化水素から再結合或いはガス化によって製造するとき、既に炭化水素の再結合或いはガス化での水素の製造中に発生する二酸化炭素を非常に安価なエネルギ費で捕集し、かくして蒸気タービンの内部および／又は蒸気原動所の他の構成要素の内部における酸性蒸気混合気の生成を初めから防止できるという利点を生ずる。

燃焼器での特に良好な燃焼のため、燃料燃焼装置に、燃焼雰囲気を発生すべく酸素含有ガス、特に純酸素および／又は空気を供給するとよい。

本発明のこの実施態様は、燃料の燃焼が適当な燃焼雰囲気内でしか起り得ない点を考慮している。純酸素は空気と異なり燃焼に対し障害となる他の成分を含んでいない故、特に効果的な燃焼は、純酸素の供給によって可能となる。燃焼障害成分は、適当な燃焼雰囲気を発生すべく、特に燃焼前に、例えば空気分解装置で分離せねばならない。

本発明の他の有利な実施態様では、発生燃焼生成物を蒸気流から、蒸気タービンに後置接続した復水器で除去する。

実際上如何なる燃焼過程でも燃焼生成物が生じ、特に長い運転時間経過後に燃焼器や他の構成要素に付着してその機能を害する故、燃焼生成物は、通常排出せねばならない。

本発明に基づく蒸気原動所の場合、例えば燃料としての炭化水素を純酸素から成る雰囲気内で燃焼させるとき、少なくとも燃焼生成物として水と二酸化炭素が生ずる。この燃焼生成物は蒸気流と共に運ばれ、復水器に導入される。公知の蒸気原動所の場合、復水器は通常元来存在し、従って本発明に関連して、燃焼生成物を除去するのに適した別個の復水器を必ずしも設ける必要はない。

燃焼生成物を水・二酸化炭素混合気として含む蒸気の冷却時、水分が一層凝縮し、殆ど純粋な気体二酸化炭素が残存し、これを復水器で除去し、例えば貯蔵する。

上述のように、炭化水素の再結合やガス化によって製造した水素を燃料として利用する場合、発生した二酸化炭素を、燃焼器への燃料の導入前に除去するので、燃焼時に実際上燃焼生成物として二酸化炭素は生じない。

本発明に基づく蒸気原動所の燃焼器で実現する内部補助燃焼は、蒸気タービンの運転時非常に速やかに利用可能である。そのためには燃焼器に導入した燃料の点火のみが必要であり、特に公知の熱交換伝熱面の加熱時間は不要となる。

また、本発明に基づく蒸気原動所は、燃焼生成物および／又は排気ガスが蒸気流によって一緒に運ばれ、蒸気回路の他の個所、例えば復水器で分離されるので、燃焼生成物および／又は排気ガスを必ずしも燃焼器から別個の取出し装置により排出する必要がない利点を持つ。更に、本発明により、ボイラの設計変更なしに、高い蒸気温度が得られる。

本発明に基づく蒸気原動所は、特にピーク負荷時にエネルギを供給するため或いは電力供給系統の系統周波数を支持するためにも採用できる。更に本発明の蒸気原動所は、迅速な出力調整を可能にし、非常に柔軟に使用できる。

以下本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、発電機２１に連結された蒸気タービン３と燃料燃焼ボイラ５とを有する本発明に基づく蒸気原動所（汽力発電所）１を示す。

蒸気タービン３は３段式に形成され、第１タービン段１１と第２タービン段１３と第３タービン段１５とを有し、各々高圧段、中圧段ないし低圧段を形成している。

図示の実施例において、ボイラ５は石炭２７を燃焼するボイラであり、その燃焼を維持すべく燃焼空気２９を供給する。

ボイラ５の高温端の範囲に加熱器３７、低温範囲に再熱器３５を配置している。

加熱器３７は、第１タービン段１１に運転蒸気を供給すべく、給水タンク２３からの給水２４をボイラ５内で加熱する。

蒸気を、第１タービン段１１での部分膨張後、再熱器３５で再熱する。蒸気流１７を再熱器３５から矢印９の方向に流し、燃料燃焼装置に導く。蒸気流１７を、燃焼器１９での燃料３３と酸素３１の反応により加熱し、その際蒸気流１７を燃焼器１９内で、燃焼器１９内における燃料３１の燃焼時に生ずる高温燃焼ガスと混合する。

即ち、燃焼ガスから蒸気流１７への熱伝達は混合によって直接生じ、その熱伝達のために、例えば熱交換伝熱面等の材料は利用しない。

適当な燃焼雰囲気を生成すべく、酸素３１の代わりに空気も利用でき、該空気を場合によっては、燃焼器への導入前に空気分解装置によって酸素と残留ガスとに分解する。

燃料３３として、例えば炭化水素、特にメタンや水素が利用できる。

燃焼器１９で加熱した蒸気流１７を第２タービン段１３に導き、そこで、蒸気流１７の中に含まれるエネルギの少なくとも一部を機械仕事に変換する。かくして一層膨張した蒸気を、第２タービン段１３から出て第３タービン段１５に導き、そこで、蒸気内になお含まれるエネルギをできるだけ良好に機械エネルギに変換する。

膨張済み蒸気を水・蒸気混合気として第３タービン段１５から導出し、復水器２５に導き、そこで、なお存在する蒸気成分を水の形に凝縮させる。

復水器２５に集めたこの水を、復水２６として給水タンク２３に導入する。

燃焼器１９における燃焼中に生じた燃焼生成物３９は、復水器２５で除去する。

燃焼器１９内において、蒸気流１７の内部で燃焼が起るので、燃焼生成物３９を蒸気流１７により蒸気回路内を一緒に運び、本発明の実施例では復水器２５で除去する。

燃料３３として例えば炭化水素を酸素３１で燃焼させたとき、燃焼生成物３９は水と二酸化炭素を含む。この水・二酸化炭素混合気を、蒸気流１７で一緒に運び、水・二酸化炭素混合気の冷却時に水分を一層凝縮させ、殆ど純粋な気体状二酸化炭素がガスとして残存する故、復水器２５で除去する。ガスを続いて搬出し、例えば貯蔵する。

本発明に基づく蒸気原動所の概略系統図。

符号の説明

１ 蒸気原動所、３ 蒸気タービン、５ ボイラ、７ 燃料燃焼装置、９ 蒸気流れ方向、１７ 蒸気流、１９ 燃焼器、２５ 復水器、３１ 酸素、３３ 燃料

Claims (4)

1. 少なくとも１つの蒸気タービン（３）と燃料燃焼ボイラ（５）とを備えた蒸気原動所（１）において、燃焼器（１９）が蒸気流（１７）の流れ方向（９）において蒸気タービン（３）の第１タービン段（１１）の下流で第２タービン段（１３）の上流に配置され、蒸気流（１７）が燃焼器（１９）において該燃焼器（１９）内で発生した燃焼ガスとの混合によって加熱されることを特徴とする蒸気原動所。
2. 燃料燃焼装置（７）に燃料（３３）として、水素および／又は炭化水素が供給されることを特徴とする請求項１記載の蒸気原動所。
3. 燃焼器（１９）において燃焼雰囲気を発生すべく、燃料燃焼装置（７）に酸素含有ガスが供給されることを特徴とする請求項１又は２記載の蒸気原動所。
4. 燃焼生成物（３９）が、蒸気流（１７）から蒸気タービン（３）に後置接続された復水器（２５）で除去されることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の蒸気原動所。

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