JP5512364B2 - 蒸気タービン発電機用の過熱防止装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン発電機に関し、より詳細には、蒸気タービン発電機用に過熱蒸気を生成するのに使用するシステムに関する。

蒸気タービン発電機用の典型的な蒸気発生システムにおいて、最初に温水器に水が供給され、次いで、過熱された水がボイラに供給される。ボイラは、水を沸騰させて蒸気を発生する。過熱器に蒸気が供給され、次いで蒸気を過熱する。過熱された蒸気は、蒸気タービンに送られる。

水が常時ボイラ内に存在することによって、ボイラの温度が調節される。水が存在する限り、ボイラがオーバーヒートすることはない。

しかしながら、過熱器は、１つには、過熱蒸気を出力することによってその内部温度を制御する。換言すると、過熱器からの過熱蒸気の出力流量を制限しようとすると、過熱器がオーバーヒートする可能性がある。

可燃性物質の量又は過熱器に供給される電気量を制御することによって、過熱器の温度を制御するよう試みることができる。しかしながら、過熱器はまた、その瞬間毎に過熱器の温度を制御するのに必要とされるどのような流量でも過熱蒸気を出力できるようにしなければならない。結果として、過熱器によって生成された過熱蒸気は、多くの場合、蒸気タービンに最適な温度よりも高い温度で出力される。場合によっては、過熱蒸気は、蒸気タービンが耐えることのできる温度を遙かに超えた温度になる可能性がある。

これらの事実を認識して、典型的な蒸気発生システムは、タービンに到達する前に過熱器により出力される過熱蒸気を冷却するアテンポレータ（減温器）を含む。典型的なアテンポレータでは、水が単に過熱蒸気に噴霧されて、過熱蒸気を冷却する。これは、過熱蒸気の温度を蒸気タービンに最適な温度まで低下させる点で有効であるが、過熱蒸気を冷却するためのアテンポレータでの水の使用は、基本的に無駄な熱を生じることを意味している。換言すると、アテンポレータの使用は、結果としてシステム内の非効率性又はエネルギー損失をもたらす。

米国特許第６１５５０５２号明細書

１つの態様において、本発明は、ボイラからの蒸気を受け取り且つ過熱蒸気を生成する過熱器を含む、タービン用の過熱蒸気を生成するためのシステムにおいて具現化することができる。本システムはまた、過熱器により生成された過熱蒸気の少なくとも一部及び供給水を受け取る熱交換器を含む。熱交換器は、過熱蒸気の温度が低下し且つ水の温度が上昇するように、過熱蒸気から水に熱を伝達する。

別の態様において、本発明は、ボイラからの蒸気を受け取り、過熱蒸気を生成する過熱器を含む、タービン用の過熱蒸気を生成するためのシステムにおいて具現化することができる。本システムはまた、過熱器により生成される過熱蒸気の少なくとも一部を受け取ることができるように過熱器に結合され、更に給水器に結合された第１の熱交換器を含む。第１の熱交換器は、過熱蒸気の温度が低下し且つ水の温度が上昇するように、過熱蒸気から水に熱を伝達する。本システムは更に、過熱器により生成される過熱蒸気の少なくとも一部を受け取ることができるように過熱器に結合され、且つ第１の熱交換器を通過した水を受け取ることができるように第１の熱交換器に更に結合された第２の熱交換器を含む。第２の熱交換器は、過熱蒸気の温度が低下し且つ水の温度が上昇するように、第１の熱交換器から受け取った水に過熱蒸気から熱を伝達する。本システムは更に、過熱蒸気が第１及び第２の熱交換器を通過した後に過熱蒸気を受け取り混合して、過熱蒸気の混合物を生成する収集マニホルドを含む。

別の態様において、本発明は、過熱器において過熱蒸気を生成するステップと、少なくとも１つの熱交換器に過熱蒸気の一部を送り過熱蒸気から水ストリームに熱を伝達するステップとを含む、タービン用の過熱蒸気を生成する方法において具現化することができる。これにより水の温度が上昇し、過熱蒸気の一部の温度が低下する。本方法はまた、過熱蒸気が少なくとも１つの熱交換器を通過した後に該過熱蒸気をタービンに供給するステップを含む。

の
従来技術蒸気発生及びタービンシステムの概略図。 熱交換器を過熱防止装置として使用する蒸気発生及びタービンシステムの第１の実施形態を例示する概略図。 熱交換器を過熱防止装置として利用する蒸気発生及びタービンシステムの代替の実施形態を例示する概略図。 熱交換器を過熱防止装置として利用する蒸気発生及びタービンシステムの代替の実施形態を例示する概略図。

図１は、従来技術の蒸気発生器及びタービンシステムを示している。従来技術のシステムにおいて、給水器１００は、温水器１１０に水を供給する。温水器１１０は、水を加熱しボイラ１２０に供給する。ボイラは、水を沸騰させて蒸気を生成し、該蒸気は過熱器１３０に送られる。上記で説明されるように、過熱器は、自己内部温度を制御するのに必要などのような流量及び温度でも過熱蒸気を出力する必要があるので、過熱器１３０は、タービンにとって望ましい温度を上回る温度で過熱蒸気を出力することが多い。従って、従来技術では、過熱器１３０で発生する蒸気は、タービン１５０までの途中にアテンポレータ１４０を通過させる。過熱器１３０から出る過熱蒸気の温度が高すぎる場合、アテンポレータ１４０は、蒸気に水を噴霧して過熱蒸気の温度を低減する。過熱蒸気に噴霧された水自体は蒸発され、生じる相変化により過熱蒸気の温度が低下する。アテンポレータ１４０は、給水器１００から、又はシステム内の他の何れかの地点からの水を使用することができる。

アテンポレータ１４０が過熱蒸気の温度を許容レベルにまで冷却すると、タービン１５０に過熱蒸気が供給される。タービン１５０は、発電機を駆動して電気を発生する。

タービン１５０を駆動するのに使用される蒸気は、低温の蒸気又は水、もしくはこの２つの混合物としてタービンから出て、出力は凝縮器１６０に送られる。次いで、凝縮器１６０は、残りの何れかの蒸気を水に変換し、当該水は、ボイラ１２０に送られる。図１で破線により示されるように、場合によっては、水は、温水器１１０に戻すことができ、ここで水がボイラ１２０に戻る前に加熱される。

理想的には、ボイラは、過熱蒸気の温度をタービンにとって許容できる温度にまで低下させるために加熱蒸気から除去しなければならない熱エネルギーを取り込む場合が多い。これを達成する１つの方法は、図２に示すシステムを用いることである。このシステムにおいて、熱交換器は、過熱蒸気の過度の熱をボイラに戻されている凝縮水に伝達するのに使用される。

図２に示すように、システムは更に、給水器１００、温水器１１０、ボイラ１２０、及び過熱器１３０を含む。しかしながら、このシステムでは、過熱蒸気をアテンポレータに通して送るのではなく、過熱蒸気の全て又は一部は、タービン１５０までの途中で熱交換器１７０を通して送られる。凝縮器１６０からの水もまた、熱交換器１７０を通して送られる。結果として、過熱器１３０を離れる過熱蒸気からの熱は、凝縮器１６０からボイラ１２０に戻る水に伝達される。次いで、過熱蒸気は、低温でタービン１５０に供給される。結果として、過熱蒸気から除去すべき熱エネルギーは、ボイラ１２０に戻されている水に伝達され、これにより、凝縮水を蒸気に戻すよう変換するために、ボイラが消費する必要があるエネルギー量が低減される。

図２に示すように、制御バルブ１８０が熱交換器１７０への経路上に配置される。過熱器１３０からタービン１５０への直接の経路も設けられ、制御バルブ１８２がこの経路に沿って配置される。過熱器１３０により生成される蒸気が、既にタービン１５０に最適な温度である場合、制御バルブ１８０は完全に閉鎖することができ、制御バルブ１８２は完全に開放することができ、過熱器１３０により生成される過熱蒸気全てがタービン１５０に直接送られるようになる。或いは、過熱器１３０によって生成されている過熱蒸気の温度が高すぎる場合には、過熱蒸気の一部を熱交換器１７０に通してお送り、次いで、過熱蒸気の別の部分と混合させて、タービン１５０の理想温度である過熱蒸気混合物を生成することができる。制御バルブ１８０、１８２を選択的に開閉することによって、過熱蒸気の選択される量を熱交換器に通して送り、タービン１５０に流入する過熱蒸気混合物が所望の温度になるようにすることができる。

図２に示す実施形態において、第１の温度センサＴＳ１は、熱交換器１７０への経路上に配置される。これにより、システムは、過熱器を離れる過熱蒸気の温度を確定できるようになる。代替の実施形態において、第１の温度センサＴＳ１は、タービン１５０に直接続く経路上に配置することができる。

加えて、第２の温度センサＴＳ２が、タービン１５０への入力に隣接して配置される。これにより、システムは、タービン１５０に流入する過熱蒸気の混合物の温度を確定できるようになる。

図３は、熱交換器の形態の過熱防止装置を含むシステムの代替の実施形態を示す。図３に示すシステムは、過熱器１３０を離れる過熱蒸気の全て又は一部をタービン１５０に直接供給することができ、或いは熱交換器１７０を通って送ることができる点で、図２に示すシステムと類似している。

図３に示すシステムでは、第１の温度センサＴＳ１は、過熱器の出力に設けられる。上述のように、代替の実施形態では、第１の温度センサＴＳ１は、タービン１５０に直接つながる経路状に配置することができる。第２の温度センサＴＳ２は、熱交換器１７０の出口に設けられる。第２の温度センサは、蒸気が熱交換器１７０を通った後の蒸気の温度の指標を与える。従って、第１及び第２の温度センサにより検知された温度を比較することで、熱交換器において除去される熱の量の指標を与える。

第３の温度センサＴＳ３は、タービン１５０への入力に設けられる。過熱蒸気の一部が、２つの別個の経路を通って送られ、すなわち、１つが過熱器１３０から直接つながり、他方が熱交換器１７０を通る場合、第３の温度センサＴＳ３は、蒸気の２つの部分の混合物の温度の指標を与える。第１、第２、及び第３の温度センサにより検知される種々の温度を利用して、２つの制御バルブ１８０及び１８２を制御し、２つの経路を通る過熱蒸気の量を変化させて、タービン１５０に供給される過熱蒸気の温度が最適温度にあるようにする。

加えて、図３に示すシステムにおいて、凝縮器１６０から離れる水は、２つの経路を通ることができる。凝縮器１６０から離れる水の全て又は一部は、熱交換器１７０を通って送ることができる。或いは、水の全て又は一部は、熱交換器１７０をバイパスするバイパス経路に沿って送ることができる。第１の水制御バルブ１８４が、熱交換器１７０への入力に配置され、第２の水制御バルブ１８６が、バイパス経路上に配置される。第１の水制御バルブ１８４及び第２の水制御バルブ１８６は、選択的に開閉されて、熱交換器を通る所望の水量を送ることができる。

例えば、過熱器１３０を離れる過熱蒸気の温度が既に最適温度にある場合、過熱蒸気の全てはタービン１５０を直接通る。熱交換器１７０においては過熱空気を冷却する必要はないので、凝縮器１６０から熱交換器１７０を通って水を送ることは、無用に水を冷却する場合があり、或いは、付加的なポンプエネルギーが必要となる場合があり、これはまた損失をもたらす。熱交換器１７０において過熱空気の何れも冷却する必要がない場合には、第１の水制御バルブ１８４を完全に閉鎖し、第２の水制御バルブ１８６を完全に開放することによって、凝縮器１６０からの水は単に、ボイラ１２０への直接のバイパス経路をとることができる。

勿論、第１及び第２の水制御バルブはまた、様々な程度まで選択的に開いて、凝縮器１６０からの水の第１の部分を熱交換器１７０に送り、水の第２の部分をバイパス経路に送ることができる。これは、熱交換器１７０を通る水の量又は流量を制御し、これにより過熱蒸気から水に伝達される熱の量を制御するために実施することができる。

図４は、更に、過熱器１３０から離れる過熱蒸気を冷却するための過熱防止装置を利用するシステムの別の実施形態を示す。この実施形態では、過熱器１３０から離れる過熱蒸気は、分配マニホルド１９０に供給される。分配マニホルド１９０は、過熱蒸気の選択された量を、第１の熱交換器１７２、第２の熱交換器１７４、第３の熱交換器１７６、又はタービン自体１５０に送ることができるようにする。蒸気制御バルブ１８１、１８３、１８５、及び１８７は、種々の異なる経路に沿って流れる蒸気の量を制御するのに使用される。

加えて、図４に示すシステムにおいて、凝縮器１６０からの水は、最初に、第１の熱交換器１７２に流れる。次いで水は、第１の廃熱交換器１７９を通り、廃熱を利用して水の温度を上昇させるようにする。この廃熱は、発電プラントの他の何れかの部分から受け取り、取得される。結果として、第２の熱交換器１７４に流入する水の温度は、第１の熱交換器１７２に流入する水の温度よりも高温になる。

同様に、第２の廃熱交換器１７７は、第２の熱交換器１７４と第３の熱交換器１７６との間に配置される。この第２の廃熱交換器１７７はまた、廃熱を利用して水の温度を上昇させる。結果として、第３の熱交換器１７６に流入する水は、第１の熱交換器１７２又は第２の熱交換器１７４に流入する水の温度よりも高い温度を有する。

図４に示されたこのシステムにおいて、過熱器１３０から出る過熱蒸気の一部は、システム内の熱を最も効率的に活用するものに応じて第１、第２、及び第３の熱交換器の１つ又はそれ以上を通過することができる。場合によっては、過熱蒸気と水との間に最も大きな温度差が存在する第１の熱交換器１７２に過熱蒸気の全て又は一部を送ることが望ましい場合がある。他の場合では、過熱蒸気と水との間の温度差がそれ程大きくはない第３の熱交換器１７６に過熱蒸気の全て又は一部を送ることがより効率的な場合がある。

図４に示すシステムはまた、過熱器の出口に配置された第１の温度センサＴＳ１を含む。３つの熱交換器の出口には、第２、第３、及び第４の温度センサＴＳ２、ＴＳ３、ＴＳ４が配置される。第５の温度センサＴＳ５は、タービン１５０に直接つながる経路上のマニホルド１９０の出口に配置される。また、第６の温度センサＴＳ６をタービン１５０への入力に配置することができる。第６の温度センサＴＳ６を用いて、種々の経路からの蒸気が共に混合された後の蒸気の温度を確定することができる。

図４のシステムはまた、第１、第２、及び第３の熱交換器の出口側に配置された制御バルブ２０１、２０３、２０５を含む。これらの制御バルブは、個々の熱交換器の各々が他の熱交換器から確実に分離可能にするために設けられる。これらの制御バルブは任意選択のものであり、代替の実施形態では備えられない場合もある。

代替の実施形態では、これらの温度センサの一部を取り除くことができる。何れの場合においても、第１、第２、及び第３の熱交換器を通ってタービンを直接通過する過熱蒸気の量は、過熱蒸気がタービン１５０に最適な温度で確実に供給されるように、検知温度に基づいて選択的に制御される。

図４には示していないが、図４で例示したシステムはまた、凝縮水が凝縮器１６０からボイラ１２０に戻るバイパス経路を含むことができる。図３に例示するこのようなバイパス経路は、熱交換器の１つ又は全てを迂回して設けることができる。

加えて、図４に例示した実施形態は３つの熱交換器を含むが、代替の実施形態では、２つの熱交換器のみを備えることができる。更に、３つよりも多い熱交換器を備えてもよい。

また、図４に示す実施形態では、廃熱源からボイラに戻る水に熱を伝達するために２つの廃熱交換器１７７、１７９が使用されている。代替の実施形態では、これらの廃熱交換器の何れも存在しなくてもよく、１つだけの廃熱交換器を備えることができ、或いは、追加の廃熱交換器を備えてもよい。また、代替の実施形態では、何れかの廃熱交換器が設けられる限り、これらはシステム内の異なる位置に配置することができる。

加えて、上記の実施形態において例示した熱交換器は、ボイラ１２０に戻される水を加熱するのに使用されているが、代替の実施形態では、過熱蒸気から除去した熱は、システム全体内の他の好都合な目的に用いることができる。重要なのは、過熱蒸気の温度の低下は、過熱蒸気から熱を除去し、その後当該熱を有用な目的に利用することによって達成されることである。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

１００ 給水器
１１０ 温水器
１２０ ボイラ
１３０ 過熱器
１４０ アテンポレータ
１５０ タービン
１６０ 凝縮器
１７０ 熱交換器
１７２ 第１の熱交換器
１７４ 第２の熱交換器
１７６ 第３の熱交換器
１７７ 第２の廃熱交換器
１７９ 第１の廃熱交換器
１８０ 制御バルブ
１８１ 蒸気制御バルブ
１８２ 制御バルブ
１８３ 蒸気制御バルブ
１８４ 第１の水制御バルブ
１８５ 蒸気制御バルブ
１８６ 第２の水制御バルブ
１８７ 蒸気制御バルブ
１９０ 分配マニホルド
２０１ 制御バルブ
２０３ 制御バルブ

Claims (10)

1. タービン用の過熱蒸気を生成するためのシステムであって、
   ボイラ（１２０）からの蒸気を受け取って過熱蒸気を生成する過熱器（１３０）と、
   前記過熱器（１３０）で生成した過熱蒸気の少なくとも一部を受け取ることができるように前記過熱器と接続しているとともに、給水器（１６０）と接続した第１の熱交換器（１７２）であって、過熱蒸気の温度が下がって水の温度が上昇するように、過熱蒸気から水に熱を伝達する第１の熱交換器（１７２）と、
   前記過熱器（１３０）で生成した過熱蒸気の少なくとも一部を受け取ることができるように前記過熱器と接続しているとともに、前記第１の熱交換器（１７２）を通過した水を受け取ることができるように前記第１の熱交換器と接続している第２の熱交換器（１７４）であって、過熱蒸気の温度が下がって水の温度が上昇するように、第１の熱交換器から受け取った水に過熱蒸気から熱を伝達する第２の熱交換器（１７４）と、
   第１及び第２の熱交換器（１７２，１７４）を通過した後の過熱蒸気を受け取って混合し、過熱蒸気の混合物を生成する収集マニホールドであって、過熱蒸気の混合物をタービン（１５０）に供給する収集マニホルドと
   を備るシステム。
2. 前記第１の熱交換器（１７２）が前記過熱器（１３０）で生成した過熱蒸気の第１の部分を受け取り、前記第２の熱交換器（１７４）が前記過熱器（１３０）で生成した過熱蒸気の第２の部分を受け取る、請求項１記載のシステム。
3. 前記収集マニホルドが、前記過熱器（１３０）からも過熱蒸気を直接受け取って、前記過熱器（１３０）から直接受け取った過熱蒸気を、第１及び第２の熱交換器（１７２，１７４）から受け取った過熱蒸気と混合する、請求項１又は請求項２記載のシステム。
4. 前記収集マニホルドが、第１及び第２の熱交換器（１７２，１７４）からの過熱蒸気と前記過熱器（１３０）からの過熱蒸気との混合物を前記タービン（１５０）に供給する、請求項３記載のシステム。
5. 前記過熱器（１３０）から過熱蒸気を受け取って、前記第１の熱交換器（１７２）及び第２の熱交換器（１７４）に各分量の過熱蒸気を送る分配マニホルド（１９０）をさらに備える、請求項３記載のシステム。
6. 前記過熱蒸（１３０）で生成した過熱蒸気の温度を検知する第１の温度センサ（ＴＳ１）と、
   前記収集マニホルドで収集及び混合した後の過熱蒸気の温度を検知する第２の温度センサ（ＴＳ６）と
   を更に備える、請求項５記載のシステム。
7. 前記第１及び第２の温度センサ（ＴＳ１，ＴＳ６）で検知した温度に基づいて、収集マニホルドを出る過熱蒸気の温度が目標温度以下になるように、前記第１及び第２の熱交換器（１７２，１７４）に送られる過熱蒸気の量を前記分配マニホルド（１９０）で制御する、請求項６記載のシステム。
8. タービン用の過熱蒸気を生成する方法であって、
   過熱器（１３０）で過熱蒸気を生成するステップと、
   前記過熱蒸気の第１の分量を第１の熱交換器（１７２）に送って、過熱蒸気から水の流れに熱を伝達して、水の温度を高めて過熱蒸気の第１の分量の温度を下げるステップと、
   前記過熱蒸気の第２の分量を第２の熱交換器（１７４）に送って、第１の熱交換器から受け取った水に過熱蒸気から熱を伝達するステップと、
   第１及び第２の熱交換器（１７２，１７４）を出た過熱蒸気を混合して、過熱蒸気の第１の混合物を生成するステップと、
   前記過熱蒸気の第１の混合物をタービン（１５０）に供給するステップと
   を含む方法。
9. 前記過熱蒸気の第１の混合物を、前記過熱器（１３０）から直接受け取った過熱蒸気と混合して、目標温度以下の温度を有する過熱蒸気の第２の混合物を生成するステップをさらに含んでいて、前記供給ステップが、過熱蒸気の第２の混合物をタービン（１５０）に供給することを含む、請求項８記載の方法。
10. 前記第１及び第２の熱交換器（１７２，１７４）に送られる過熱蒸気の量を制御することによって、前記過熱蒸気の第２の混合物の温度を制御するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
    

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