JP4918404B2 - 低圧蒸気回収タービンおよびその設置方法 - Google Patents
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Description
このように、従来では、余剰蒸気によって被駆動機の動力を得ることでエネルギーを回収しているが、利用後の低圧蒸気については、そのエネルギーを減圧弁105によって無駄に消費している。特に、紙パルプ・食品等の中小規模工場では、運転の負荷変動により低圧蒸気が無駄に発生していることが少なくない。
したがって、高圧側蒸気タービンから排出された低圧蒸気を無駄に廃棄せずに、低圧蒸気のエネルギーを有効に回収することが望まれている。
また、低圧蒸気を回収する蒸気タービンに応じて復水器や復水ポンプ等の補機を個別的に設計したのでは、納期の短縮化およびコスト低減を図ることができない。
また、蒸気タービンや補機等を個別的に設置現場にて据え付けるには、多くの作業者を要するとともに工程が複雑となる。
したがって、従来では、高圧側蒸気タービンから排出される低圧蒸気を回収して発電するには、設置スペース、納期、コスト等の多くの問題を有しているため、困難なものであるとされていた。
すなわち、本発明にかかる低圧蒸気回収タービン発電機は、高圧側蒸気タービンから排出された低圧蒸気を回収して回転駆動される低圧蒸気回収タービンと、該低圧蒸気回収タービンの回転出力によって発電する発電機と、前記低圧蒸気回収タービンからの排出蒸気を凝縮液化する復水器とを備え、前記低圧蒸気回収タービン、前記発電機および前記復水器は、運搬可能とされた可搬式筐体に据え付けられていることを特徴とする。
また、低圧蒸気回収タービンからの排気蒸気を凝縮液化する復水器を備えているので、復水器によって液化された飽和水を設置工場内の給水系統へと返送することができる。
また、トレーラやクレーン等の運搬装置によって運搬可能とされた可搬式筐体に対して、低圧蒸気回収タービン、発電機および復水器が据え付けられているので、可搬式筐体を設置工場内に設置するだけで現場への導入工程がほぼ終了するので、作業が短縮化される。具体的には、組み立て工場にて低圧蒸気回収タービン、発電機および復水器を可搬式筐体に据え付けた後、据え付け後の可搬式筐体をトレーラによって設置工場へと輸送し、現地の設置工場にてクレーンによって可搬式筐体を設置することにより行う。
また、低圧蒸気回収タービン、発電機および復水器を可搬式筐体に据え付けることによってユニット化(スキッド化)することができるので、予め異なる出力(例えば3種類の出力)の低圧蒸気回収タービン発電機を標準設備として用意しておけば、設計時間および納期の短縮を図ることができる。
なお、本発明の低圧蒸気回収タービンは、高圧側蒸気タービンから排出されて本来ならば当該蒸気タービンの駆動として利用されずに放出される蒸気を回収するものであり、高圧タービン及び低圧タービンを同一回転軸上に備えた多段蒸気タービンの当該低圧タービンとは区別されることに留意すべきである。
また、部分的に低圧蒸気を挿入する場合に比べて全周挿入はタービン動翼に対する負荷が減少するので、タービン動翼の形状を流れに対して最適化でき、さらに効率向上を図ることができる。
また、シンクロ装置を低圧蒸気回収タービン発電機に予め組み込むことで、設置後の作業を軽減することができる。
なお、シンクロ装置は、筐体の一側に設置された機側盤に設けることが好ましい。
該復水器は、外気を取り込んで前記低圧蒸気回収タービンからの排出蒸気を冷却する冷却ファンを備えた空冷式とされ、前記コンテナの壁部には、前記冷却ファンによって取り込まれた外気が該コンテナ内を通過して外部へと排出される排気口が設けられていることを特徴とする。
また、冷却ファンによって取り込んだ外気がコンテナ内を通過して排気口から外部へと排出されることにより、低圧蒸気回収タービンに取り込まれる低圧蒸気によって加熱されたコンテナ内部の雰囲気を冷却することができる。
[第一実施形態]
図1には、本発明の第1実施形態にかかる低圧蒸気回収タービン発電機1の接続構成の概略が示されている。
低圧蒸気回収タービン発電機1は、低圧蒸気ヘッダ104から0.3MPa(ゲージ圧)程度の低圧蒸気を得て発電する。低圧蒸気ヘッダ104には、従来の技術である図12を用いて説明したように、高圧側蒸気タービンからの排出蒸気が供給される。
低圧蒸気ヘッダ104と蒸気タービン3とを接続する低圧蒸気導入配管10には、蒸気流量を調整するための制御弁12が設けられている。
各図に示されているように、本実施形態の低圧蒸気回収タービン発電機1は、筐体14内に蒸気タービン3等の各機器が据え付けられた状態でユニット化(スキッド化)されている。このユニットは、供給される低圧蒸気の流量に応じて、例えば200kW,500kW,1000kWといったように出力を3種類程度に分けた標準設備として用意しておくことが好ましい。
上コンテナ14aの長手方向に直交する正面壁部15aには、蒸気タービン3に低圧蒸気を導く低圧蒸気導入配管10の接続フランジ10aが設けられている。低圧蒸気導入配管10に設けられた制御弁12の下流側には、調速装置であるガバナ17が設けられている。
蒸気タービン3と発電機5との間には、蒸気タービン3の出力軸の回転速度を減じる減速ギヤ16が設けられている。後述するように、蒸気タービン3の出力軸が減速ギヤ16に対して継手を介さずに直結されたギヤ一体型とされている。
復水器7は、水冷式とされており、図3及び図4に示されているように、外部から冷却水を導く冷却水導入管20および冷却水排出管21を備えている。冷却水導入管20は、上流端に導入フランジ20aを備えている。この導入フランジ20aは、下コンテナ14bの長手方向に沿って延在する側壁部18b(図3において手前側)に設けられている。冷却水排出管21は、下流側に排出フランジ21aを備えている。この排出フランジ21aは、下コンテナ14bの他方の側壁部18c(図4において手前側)に設けられている。
復水排出配管27は、下流端に復水排出フランジ27aを備えている。この復水排出フランジ27aは、下コンテナ14bの側壁部18bの下方に設けられている。
なお、図示していないが、下コンテナ14bの所定箇所には、作業者が出入りすることができるドアが設けられており、また、下コンテナ14bの床部と上コンテナ14aの床部との間を接続する階段が設けられている。
このように、蒸気タービン3の回転軸(出力軸)37が減速ギヤ16の第1ギヤ42aに対して継手を介さずに直結されたギヤ一体型とされている。このように、継手を排除することができるので、蒸気タービン3および減速ギヤ16を軸方向に短くして、コンパクトな構成とすることができる。
また、部分的に低圧蒸気を挿入する場合に比べて全周挿入はタービン動翼に対する負荷が減少するので、タービン動翼の形状を流入蒸気の流れに対して最適化でき、さらに効率向上を図ることができる。
発電機5からの出力電力は、機側盤29の電力出力配線28を通り、低圧蒸気回収タービン発電機1の外部に設けられた既設の高圧配電盤30へと送られる。高圧配電盤30へと送られた電力は、トリップ時に切断される遮断スイッチ30aを介して母線(外部系統)31へと送られる。母線の電圧は、例えば6.6kV又は3.3kVとされている。
シンクロ装置55と電力出力配線28との間には、変圧トランス55bが設けられており、降圧された電圧信号がシンクロ装置55に供給されるようになっている。シンクロ装置55には、外部入力端子55aから母線31の位相信号が入力されるようになっている。高圧配電盤30には、変圧トランス31aを介して母線31に接続された出力端子31bが設けられており、母線31の位相信号を外部入力端子55aへと出力できるようになっている。
自動電圧調整器57は、発電機5に接続されたエクサイタ58から得られる電流値および電圧値に基づいて、発電機からの出力電圧を一定に調整する。
Grounding Resistor)を備えたNGR盤59が接続されている。なお、このNGR盤59は、必要に応じて省略することができる。
先ず、組み立て工場にて、ISO規格の40ftコンテナ14a,14bを上下に2段積み重ね、これらコンテナ14a,14bを溶接等によって固定して、筐体14を形成する。次に、上コンテナ14a内に、蒸気タービン3、減速ギヤ16、発電機5等を据え付ける。下コンテナ14bには、復水器7、復水ポンプ9、真空ポンプ25、機側盤29等を据え付ける。そして、機側盤29と蒸気タービン3、発電機5、復水ポンプ9、真空ポンプ25との配線を行う。このように各機器を据え付けて、図2に示す状態のユニット(以下「組立ユニット」という。)を構成する。
設置場所では、低圧蒸気ヘッダ104から導かれる供給配管(図示せず)と低圧蒸気導入管10の接続フランジ10aとを接続する。また、筐体14の外部にて、蒸気導入フランジ23aと蒸気排出フランジ19aとの間に、接続配管(図示せず)を接続する。また、復水排出配管27の復水排出フランジ27aと、設置工場のボイラ給水系統に接続する給水配管(図示せず)とを接続する。さらに、設置工場に設置された冷却水配管と、冷却水導入管20の導入フランジ20aとを接続するとともに、冷却水排出管21の排出フランジ21aと設置工場に設けられた排水管とを接続する。
そして、機側盤29の電力出力端子29aと、外部の高圧配電盤30の電力入力端子30bとを接続するとともに、シンクロ装置55の外部入力端子55aと母線31の位相信号を出力する出力端子31bとを接続する(図7参照)。
高圧側蒸気タービン(例えば図12の蒸気タービン102を参照)において仕事を終えた0.3MPa程度の低圧蒸気が低圧蒸気ヘッダ104(図1参照)へと排出され、この低圧蒸気ヘッダ104から低圧蒸気が図2に示した低圧蒸気回収タービン発電機1へと供給される。低圧蒸気は、低圧蒸気導入配管10の接続フランジ10aから導入され、制御弁12にて蒸気流量を調整された後、ガバナ17へと導かれる。ガバナ17では、蒸気タービン3の回転数が所望回転数に調速されるように蒸気流量が調整される。
蒸気導入配管23へと流れ込んだ排出蒸気は、復水器7内へと導かれる。復水器7内の排出蒸気が導かれる空間は、真空ポンプ25によって真空引きされており、これにより、排出蒸気が復水器7内へと導かれる。
復水器7内へと導かれた排出蒸気は、冷却水導入管20から導かれた冷却水によって冷却され、凝縮液化して飽和水となり、復水器7の下方に貯留される。冷却水導入管20から供給されて排出蒸気から凝縮潜熱を奪った冷却水は、冷却水排出管21を通って外部へと排出される。
復水器7の下方に貯留した飽和水(復水)は、復水ポンプ9によって、復水排出配管27を通り外部の給水系統へと排出される。なお、復水排出配管27を復水器7の底部に設けて復水ポンプ9を復水器7の下方に位置させているので、復水器7に貯留した飽和水の静ヘッドを利用することにより、復水ポンプ9によって飽和水を円滑に搬送することができる。
高圧側蒸気タービン(図示せず)から排出された低圧蒸気を、蒸気タービン3によって回収して発電機によって発電することにより、従来では利用されずに廃棄されていた低圧蒸気のエネルギーを有効に利用することができる。
また、蒸気タービン3からの排気蒸気を凝縮液化する復水器7を備えているので、復水器によって液化された飽和水を設置工場内の給水系統へと返送することができる。
また、トレーラやクレーン等の運搬装置によって運搬可能とされた筐体14に対して、蒸気タービン3、発電機5および復水器7が据え付けられているので、可搬式とされた筐体14を設置工場内に設置するだけで現場への導入工程がほぼ終了するので、作業を短縮化することができる。
また、蒸気タービン3、発電機5および復水器7を筐体14に据え付けることによってユニット化(スキッド化)することができるので、予め異なる出力の低圧蒸気回収タービン発電機1を標準設備として用意しておけば、設計時間および納期の短縮を図ることができる。
また、低圧蒸気を全周挿入とする蒸気タービン3を採用したので(図6参照)、高効率にてエネルギーを回収することができる。これにより、単段とされた蒸気タービン3であっても所望の発電量を確保することができる。また、部分的に低圧蒸気を挿入する場合に比べて全周挿入はタービン動翼に対する負荷が減少するので、タービン動翼41の形状を流れに対して最適化でき、さらに効率向上を図ることができる。
ギヤ一体型により蒸気タービン3と減速ギヤ16とを接続することとしたので(図5参照)、継手を排除することができ、コンパクトとすることができる。
コンテナ14a,14bを上下に積層した二段構造とし、上コンテナ14aに蒸気タービン3を据え付け、下コンテナ14bに復水器7を据え付けることとしたので、蒸気タービン3から排出される排出蒸気は下方の復水器7へと導かれる。これにより、湿り蒸気とされた排出蒸気が重力によって下方の復水器7へと導かれるようになるので、凝縮水を円滑に下方へと導くことができる。
次に、本発明の第2実施形態について、図8〜図11を用いて説明する。
本実施形態は、第1実施形態に比べて、復水器が空冷式とされている点、筐体が1つのコンテナのみによって構成されている点が大きく異なる。なお、本実施形態において、第1実施形態と同様の構成については同一符号を付し、必要に応じてその説明を省略する。
低圧蒸気ヘッダ104と蒸気タービン3とを接続する低圧蒸気導入配管10には、蒸気流量を調整するための制御弁12が設けられている。
各図に示されているように、本実施形態の低圧蒸気回収タービン発電機1は、筐体14’内に蒸気タービン3等の各機器が据え付けられた状態でユニット化(スキッド化)されている。このユニットは、供給される低圧蒸気の流量に応じて、例えば200kW,500kW,1000kWといったように出力を3種類程度に分けた標準設備として用意しておくことが好ましい。
筐体14’の長手方向に直交する正面壁部15aには、蒸気タービン3に低圧蒸気を導く低圧蒸気導入配管10の接続フランジ10aが設けられている。低圧蒸気導入配管10に設けられた制御弁12の下流側には、調速装置であるガバナ17が設けられている。
蒸気タービン3と発電機5との間には、蒸気タービン3の出力軸の回転速度を減じる減速ギヤ16が設けられている。第1実施形態と同様に、蒸気タービン3及び減速ギヤ16は、ギヤ一体型とされている(図5参照)。
なお、図示していないが、蒸気排出管19には、配管内で凝縮したドレン水を排出するためのスチームトラップを設けることが好ましい。
冷却ファン61は、筐体14’の上方から外気を吸い込み、下方に位置する伝熱管を冷却する。冷却後の外気は、筐体14’内部を流れ、筐体14’の壁部(例えば両側の側壁部)に設けた排気口(図示せず)から外部へと排出される。
伝熱管内を流れて冷却ファン61によって冷却された凝縮水は、復水タンク63へと導かれて、復水タンク63の下方に設けられたホットウェルに貯留される。
筐体14’の天井壁上部に復水タンク63を位置させるとともに、復水ポンプ9を筐体14’の底部に設けることとしたので、復水タンク63に貯留した飽和水の静ヘッドを大きくとることができるようになっている。
復水排出配管27は、例えば図10に示すように、下流端に復水排出フランジ27aを備えている。この復水排出フランジ27aは、筐体14’の側壁部15bに設けられている。
なお、図示していないが、筐体14’の所定箇所には、作業者が出入りすることができるドアが設けられている。
また、低圧蒸気回収タービン発電機1’の電気系統については、第1実施形態と同様である(図7参照)ので、その説明を省略する。
先ず、組み立て工場にて、筐体14’を構成するISO規格の40ftコンテナ14cを用意する。次に、コンテナ14c内に、蒸気タービン3、減速ギヤ16、発電機5、復水ポンプ9、真空ポンプ25、機側盤29等を据え付ける。また、コンテナ14cの天井壁上に、復水器7’を据え付ける。そして、機側盤29と蒸気タービン3、発電機5、復水ポンプ9、真空ポンプ25との配線を行う。このように各機器を据え付けて、図9〜図11に示す状態のユニット(以下「組立ユニット」という。)を構成する。
設置場所では、低圧蒸気ヘッダ104から導かれる供給配管(図示せず)と低圧蒸気導入管10の接続フランジ10aとを接続する。また、筐体14の外部にて、蒸気導入フランジ23aと蒸気排出フランジ19aとの間に、接続配管(図示せず)を接続する。また、復水排出配管27の復水排出フランジ27aと、設置工場のボイラ給水系統に接続する給水配管(図示せず)とを接続する。
そして、機側盤29の電力出力端子29aと、外部の高圧配電盤30の電力入力端子30bとを接続するとともに、シンクロ装置55の外部入力端子55aと母線31の位相信号を出力する出力端子31bとを接続する(図7参照)。
高圧側蒸気タービン(例えば図12の蒸気タービン102を参照)において仕事を終えた0.3MPa程度の低圧蒸気が低圧蒸気ヘッダ104(図8参照)へと排出され、この低圧蒸気ヘッダ104から低圧蒸気が図9〜図11に示した低圧蒸気回収タービン発電機1’へと供給される。低圧蒸気は、低圧蒸気導入配管10の接続フランジ10aから導入され、制御弁12にて蒸気流量を調整された後、ガバナ17へと導かれる。ガバナ17では、蒸気タービン3の回転数が所望回転数に調速されるように蒸気流量が調整される。
本実施形態では、蒸気導入配管23が蒸気排出配管19に対して上方に位置しているが、真空ポンプ25によって復水器7’内が真空引きされているので、排出蒸気は復水器7’の排出蒸気導入ヘッダ62へと流れる。
伝熱管を冷却した外気は、筐体14’内を流れ、筐体14’の壁部に設けた排気口(図示せず)から外部へと排出される。
筐体14’を構成するコンテナ14c内に低圧蒸気回収タービン3を収容するとともにコンテナ14cの天井壁に復水器7’を設けることとしたので、1つのコンテナによって低圧蒸気回収タービン発電機1’を構成することができる。
また、冷却ファン61によって取り込んだ外気が筐体14’内を通過して排気口から外部へと排出されることにより、蒸気タービン3により取り込まれる蒸気によって加熱されたコンテナ内部の雰囲気を冷却することができる。
また、筐体14,14’は、上記各実施形態にて説明したように、直方体とされた箱構造であることが好ましいが、本発明の筐体の形状がこれに限定されるものではない。
また、上記各実施形態では、復水器7,7’内を真空引きするために真空ポンプ25を用いることとしたが、これに代えて、エジェクタとしても良い。この場合、エジェクタの駆動スチームとしては、低圧蒸気回収タービン発電機1,1’に供給される低圧蒸気の一部を用いることができる。特に、上記各実施形態では、タービン段数が単段とされた蒸気タービン3を採用しており高い真空度が要求されないので、低圧蒸気回収タービン発電機1,1’に供給される低圧蒸気を用いることができ好適である。
3 蒸気タービン(低圧蒸気回収タービン)
5 発電機
7,7’ 復水器
9 復水ポンプ
14,14’ 筐体(可搬式筐体)
14a,14b,14c コンテナ
16 減速ギヤ
55 シンクロ装置
61 冷却ファン
Claims (8)
- 高圧側蒸気タービンから排出された低圧蒸気を回収して回転駆動される低圧蒸気回収タービンと、
該低圧蒸気回収タービンの回転出力によって発電する発電機と、
前記低圧蒸気回収タービンからの排出蒸気を凝縮液化する復水器とを備え、
前記低圧蒸気回収タービン、前記発電機および前記復水器は、運搬可能とされた可搬式筐体に据え付けられ、
前記低圧蒸気回収タービンは、そのタービン段数が単段とされている低圧蒸気回収タービン発電機であって、
前記低圧蒸気回収タービンを前記可搬式筐体内に収納するとともに、
前記可搬式筐体の壁部には、前記低圧蒸気回収タービンからの排出蒸気を導く排出蒸気管の下流端が開口する排出開口部と、排出蒸気を前記復水器へと導く排出蒸気導入管の上流端が開口する導入開口部とが設けられ、
前記排出開口部と前記導入開口部との間には、これら開口部間を接続する接続配管が前記可搬式筐体の外部にて接続可能とされ、
前記接続配管は、当該低圧蒸気回収タービン発電機が所定位置に設置された後に、前記排出開口部および前記導入開口部に対して接続されることを特徴とする低圧蒸気回収タービン発電機。 - 前記低圧蒸気回収タービンのタービン動翼が回転する周方向の略全周にわたって前記低圧蒸気が流入する全周挿入とされていることを特徴とする請求項1に記載の低圧蒸気回収タービン発電機。
- 前記低圧蒸気回収タービンと前記発電機との間には、該低圧蒸気回収タービンの出力軸の回転速度を減じる減速ギヤが設けられ、
前記低圧蒸気回収タービンの前記出力軸が前記減速ギヤに対して継手を介さずに直結されたギヤ一体型とされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の低圧蒸気回収タービン発電機。 - 前記発電機から出力される電力を外部系統に対して同期するシンクロ装置を備えていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の低圧蒸気回収タービン発電機。
- 前記筐体は、コンテナとされていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の低圧蒸気回収タービン発電機。
- 前記筐体は、前記コンテナが上下に積層された二段構造とされ、
上方の前記コンテナには、前記低圧蒸気回収タービンが据え付けられ、
下方の前記コンテナには、前記復水器が据え付けられていることを特徴とする請求項5に記載の低圧蒸気回収タービン発電機。 - 前記コンテナ内には、前記低圧蒸気回収タービンが収容され、
前記コンテナの天井壁には、前記復水器が設けられ、
該復水器は、外気を取り込んで前記低圧蒸気回収タービンからの排出蒸気を冷却する冷却ファンを備えた空冷式とされ、
前記コンテナの壁部には、前記冷却ファンによって取り込まれた外気が該コンテナ内を通過して外部へと排出される排気口が設けられていることを特徴とする請求項5に記載の低圧蒸気回収タービン発電機。 - 高圧側蒸気タービンから排出された低圧蒸気を回収して回転駆動される低圧蒸気回収タービンと、
該低圧蒸気回収タービンの回転出力によって発電する発電機と、
前記低圧蒸気回収タービンからの排出蒸気を凝縮液化する復水器とを備え、
前記低圧蒸気回収タービン、前記発電機および前記復水器は、運搬可能とされた可搬式筐体に据え付けられ、
前記低圧蒸気回収タービンは、そのタービン段数が単段とされている低圧蒸気回収タービン発電機の設置方法であって、
前記低圧蒸気回収タービンを前記可搬式筐体内に収納するとともに、
前記可搬式筐体の壁部には、前記低圧蒸気回収タービンからの排出蒸気を導く排出蒸気管の下流端が開口する排出開口部と、排出蒸気を前記復水器へと導く排出蒸気導入管の上流端が開口する導入開口部とが設けられ、
前記排出開口部と前記導入開口部との間には、これら開口部間を接続する接続配管が前記可搬式筐体の外部にて接続可能とされ、
前記接続配管は、前記低圧蒸気回収タービン発電機が所定位置に設置された後に、前記排出開口部および前記導入開口部に対して接続されることを特徴とする低圧蒸気回収タービン発電機の設置方法。
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