JP5591377B2 - 蒸気ランキンプラント - Google Patents

Description

本開示は、概して、発電のために使用される蒸気ランキンサイクルプラント、特に、このようなプラントの蒸気タービンへの蒸気供給の質に関する。

現代の公益事業規模の太陽熱発電プラントおよび多くのその他の熱エネルギプラントの大部分は、慣用の蒸気サイクル技術を用いるランキンサイクル（蒸気タービン）技術に基づく。最大効率を保証するために、これらのプラントのランキンサイクルは、通常、作動圧力が次第に低下するような順序で配置された一連の蒸気タービンを有し、最高圧力の蒸気タービンの排気は、次に高い圧力の蒸気タービンの供給として利用される。

第１の蒸気タービンの前の入口蒸気条件に応じて、蒸気が一連のタービンを通じて膨張させられるとき、最低圧力のタービンの前の蒸気タービンの排出蒸気は、飽和させられている場合がある。これは、最低圧力蒸気タービン内のブレードの水滴腐食という問題を生ずる。米国特許出願公開第２０１１／０２４７３２９号明細書に記載された解決策は、過熱された蒸気のみがそれぞれのタービンに供給されることを保証するために、排出蒸気に再熱を提供することである。

特にエネルギ源が、直接蒸気配列を利用する集束太陽エネルギである場合、再熱および過熱は、プラントの複雑さを著しく高める。したがって、再熱の利点があるにもかかわらず、再熱を行わないまたは最小限の再熱を行うプラントを設計することが好ましい場合がある。このような場合、腐食に対する解決策が望まれる。

米国特許出願公開第２０１１／０２４７３２９号明細書

圧力順に並んだ蒸気タービンを備える蒸気ランキンサイクルプラントが提供される。プラントは、再熱機器の要求を最小限にしながら、下流の蒸気タービンに供給される湿り蒸気の量を最小限にするように構成されている。

独立請求項の主体によってこの問題の解決が試みられる。有利な実施の形態は従属請求項に示されている。

１つの態様は、
排出蒸気を排出するための出口を備えたより高圧の蒸気タービンと、
該より高圧の蒸気タービンと流体通流可能に接続された再熱器と、
該再熱器に流体通流可能に接続された入口を備える、より低圧の蒸気タービンと、
再熱器をバイパスするためにより高圧の蒸気タービンの出口とより低圧の蒸気タービンの入口とを流体通流可能に接続するバイパスと、を備える蒸気ランキンサイクルプラントを提供する。

これにより、蒸気の一部のみが再熱器に供給され、再熱器のサイズを減じかつ圧力損失を減じ、その結果、より高圧の蒸気がより低圧の蒸気タービンに供給され、これにより、サイクル効率を高める。

別の態様において、より高圧の蒸気タービンは、中間段を有し、中間段から蒸気を抽出するために再熱器は中間段に流体通流可能に接続されている。より高圧の蒸気タービンの中間段から蒸気を抽出することにより、より大きな圧力降下が再熱器のために利用可能であり、これにより、再熱器とバイパスとの間の改良された流体平衡制御を可能にする。

別の態様において、より高圧の蒸気タービンからの排出蒸気が再熱器に供給されることを可能にするために、より高圧の蒸気タービンの出口が、再熱器に流体通流可能に接続されている。この解決策は、中間段蒸気抽出の必要性を排除する単純化された解決策を提供する。

別の態様は、バイパスを通過する蒸気に対する再熱器を通過する蒸気の流量比として規定される流量比を変化させるように構成および配置された制御装置を有する。これにより、過熱の量を、より低圧の蒸気タービンにおける湿気腐食を最小限に減じるために必要な所要のレベルに最適化することができる。これは、過熱に利用可能なエネルギ源を最も効率的に利用することを可能にする。これは、エネルギ源が、集束された太陽エネルギである場合に特に重要である。日射が可変であるという性質により、再熱器へのエネルギ入力の調整可能性および一貫性を制限するからである。

別の態様は、バイパスの下流に配置された測定装置を有する。測定装置は、より低圧の蒸気タービンに供給される蒸気における過熱の量を測定するために構成および配置されている。この測定は、さらに、別の態様において、再熱器とバイパスとの流量比を調節するために制御装置によって利用され、これにより、より低圧の蒸気タービンに供給される蒸気の質を狭い範囲で制御することができることを保証する。

別の態様において、より高圧の蒸気タービンと再熱器の間に、水抽出ユニットが流体通流可能に配置されている。この配列は、再熱器の潜熱エネルギ要求を最小限に減じ、これは、与えられたエネルギ入力に対し、再熱器によって提供される過熱の量を増大する。

別の態様において、バイパスは、バイパスを通過する蒸気から水を除去するための水抽出ユニットを有する。これは、過熱要求を最小限にするという利点を有し、これにより、タービン信頼性を犠牲にすることなく機器コストを減じかつプロセスを単純化する。

別の態様において、より高圧の蒸気タービンと再熱器との間に、水抽出ユニット（５０）が流体通流可能に配置されている。これは、与えられた過熱の程度のための、再熱器の所要の熱要求を減じるという利点を有する。

別の態様は、
より高圧の蒸気タービンからより低圧蒸気タービンの入口に蒸気を供給するステップと、
より低圧の蒸気タービンに供給される前に蒸気の一部のみを過熱するステップとを含む、蒸気ランキンサイクルプラントのための作動方法を提供する。

１つの態様において、過熱される蒸気の前記部分は、より高圧の蒸気タービンの中間段から抽出される。

別の態様において、方法は、さらに、より低圧の蒸気タービンに供給されるときに蒸気における過熱の程度を測定するステップと、再熱器を通過する蒸気とバイパスを通過する蒸気との流量比を変化させるステップとを有する。これにより、より低圧の蒸気量の厳密な制御を達成することができる。

別の態様において、より低圧の蒸気タービンへの蒸気供給が乾き蒸気となるように流量比が変化させられる。

択一的な態様において、より低圧の蒸気タービンへの蒸気供給が過熱蒸気となるように流量比が変化させられる。

別の態様において、前記方法は、さらに、流量比とは無関係に、より低圧の蒸気タービンへの蒸気供給が実質的に水分を含まないようにバイパスから水を除去するステップを含む。この方法ステップは、過熱システムのサイズ、ひいては出費が最小限に減じられることを可能にする。

別の態様において、前記方法は、より低圧の蒸気タービンに供給される蒸気が実質的に水分を含まないように、より低圧の蒸気タービンに供給される蒸気から水を抽出するために水抽出ユニットを使用するステップを含む。

別の態様において、前記方法は、再熱器を通過する前に蒸気から水を抽出するための水抽出ユニットを使用するステップを含む。

本発明の別の課題は、従来技術の不利および欠点を克服または少なくとも改良することまたは有効な選択肢を提供することである。

本開示の他の態様および利点は、例として本発明の例示的な実施の形態を示す添付の図面に関連した以下の説明から明らかになるであろう。

たとえば、本開示の１つの実施の形態は、添付の図面に関連して以下により詳細に説明される。

典型的な実施の形態を示す蒸気ランキンサイクルプラントの概略図である。 伝熱サイクルを備えた図１のプラントの概略図である。

ここで本開示の例示的な実施の形態が、図面を参照して説明される。図面において、同一の参照番号は、全体を通じて同一の要素を示すために用いられる。以下の説明では、説明のために、開示の十分な理解を提供するために複数の特定の詳細が示される。しかしながら、本開示は、これらの特定の詳細なしに実施されてよく、ここに開示された例示的な実施の形態に限定されない。

本明細書において、ランキンサイクルは、ウィリアム・ジョン・マックオーン・ランキンの名を取ったエネルギサイクルとして一般的に知られる熱変換サイクルを意味するものと解される。このサイクルは、伝熱媒体として水／蒸気を使用することに厳密に制限されるわけではないことが一般的に知られるが、明示の蒸気ランキンサイクルは、伝熱媒体として水／蒸気を使用するものとしてランキンサイクルを定義する。

本明細書では、基本的に、水分なし蒸気、乾燥蒸気および過熱蒸気が言及される。基本的に、水分なし蒸気は、基本的に自由水が存在しない、同じ温度における加熱された水と平衡した飽和蒸気を意味すると解される。対照的に、乾燥蒸気は、蒸気のエネルギ内容をはっきりと変化させることなく、凝縮問題を回避するのに十分なレベルに極めてわずかに過熱されている飽和蒸気を意味すると解される。これは、蒸気を数度のみ過熱することを必要とする。過熱の実際の程度は機器に依存する。過熱蒸気は、乾燥蒸気と異なり、同じ圧力における飽和蒸気よりも、著しくより高い温度を有し、これにより、飽和蒸気と比較して、過熱蒸気のエネルギ内容におけるはっきりとした変化が生じる。

さらに、本明細書の様々な部分において上流および下流という文言が言及される。この文言は、プラントの通常作動中の公称作動流れ方向に関して言うものであり、したがって、メンテナンスのためにプラントが停止させられている時を含む移行または異常条件により変化することはない。

図１は、１つの蒸気ランキンサイクルプラント１０に組み合わされた様々な例示的な実施の形態を示す。図１に示したように、プラント１０の例示的な実施の形態は、より高圧の蒸気タービン２０に供給するボイラ３３を有する蒸気ランキンサイクルを含む。より高圧の蒸気タービン２０の中間段とより低圧の蒸気タービン２５との間に流体通流可能に配置された再熱器３５は、より高圧の蒸気タービンの中間段から取り出された抽気に過熱を加え、この抽気をより低圧の蒸気タービン２５の入口２７へ方向付ける。本明細書において、抽気は、蒸気タービンの中間段から取り出された蒸気であると定義される。したがって、抽気は、蒸気タービンの最終段を通過した後に出口２２から取り出される排出蒸気と、蒸気タービンから出る箇所によって区別される。さらに、バイパスラインは、より高圧の蒸気タービン２０の出口２２、すなわち排気を、より低圧の蒸気タービンの入口２７に接続している。

図２は、より高圧の蒸気タービン２０に供給するボイラ３３を有する蒸気ランキンサイクルを含むプラント１０の例示的な実施の形態を示す。より高圧の蒸気タービン２０の出口２２と、より低圧の蒸気タービン２５の入口２７との間に流体通流可能に配置された再熱器３５は、より高圧の蒸気タービン２０の排気から取り出された蒸気に過熱を加え、この蒸気を、より低圧の蒸気タービン２５の入口２７へ方向付ける。さらに、バイパスライン３２は、より高圧の蒸気タービン２０の出口２２、すなわち排気を、より低圧の蒸気タービン２５の入口２７に接続している。ボイラ３３および再熱器３５は、伝熱サイクル１４に熱的に接続されている。

図１および図２に示された例示的な実施の形態の特徴を組み合わせた、図示されていない例示的な実施の形態において、ボイラ３３は、直接熱サイクルの部分であるのに対し、再熱器３５は、熱エネルギ源として伝熱サイクル１４を利用する間接熱サイクルの部分である。

図１および図２に示された例示的な実施の形態の特徴を組み合わせた、別の図示されていない例示的な実施の形態において、再熱器３５は、直接熱サイクルの部分であるのに対し、ボイラ３５は、熱エネルギ源として伝熱サイクル１４を利用する間接熱サイクルの部分である。

これらの例示的な実施の形態のそれぞれにおいて、熱エネルギは、図１の直接サイクルおよび図２の間接サイクルの両方において、風、波、潮汐、地熱、核および化石燃料を含むがこれらに限定されない付加的なエネルギ源によって、または溶融塩およびオイルベースシステムを含むがこれらに限定されない蓄積エネルギ源から、補われてよい。

前記例示的な実施の形態は、２つの蒸気タービンを有することに限定されない。たとえば、例示的な実施の形態は、たとえば高圧、中圧および低圧を含む、様々な圧力の２つ以上のタービンを有してよい。それぞれの場合に、より高圧の蒸気タービンの次のより低圧の蒸気タービン２５は、本明細書では、より低圧のタービン２５として定義されている。これは、高圧、中圧および低圧の蒸気タービンを有するプラント１０の図示されていない構成を採用することによって例示することができる。この例を用いて、例示的な実施の形態において、より高圧の蒸気タービンは、本開示のより高圧の蒸気タービン２０であり、中圧蒸気タービンは、本開示のより低圧の蒸気タービン２５である。別の等しく適用可能な例示的な実施の形態において、中圧蒸気タービンは、より高圧の蒸気タービン２０であり、低圧蒸気タービンは、本開示のより低圧の蒸気タービン２５である。したがって、より高い／より低い圧力結合は、排出／供給配列に基づくのであり、一連のタービンにおける絶対的な位置に基づくのではなく、通常、より高圧の蒸気タービンの排気が飽和させられる可能性に基づいて選択される。

別の図示されていない例示的な実施の形態において、少なくとも１つの蒸気タービンが並列に配置されている。すなわち、例示的な実施の形態は、たとえば２つのより低圧のタービンまたは２つのより高圧の蒸気タービン２０を有する。この例示的な実施の形態において、少なくとも１つのより高圧の蒸気タービン２０の出口２２は、バイパス３２によって、少なくとも１つのより低圧の蒸気タービン２５の入口２７に流体通流可能に接続されており、少なくとも１つのより高圧の蒸気タービン２０の少なくとも１つの中間段は、再熱器３５と、少なくとも１つのより低圧の蒸気タービン２５の入口とに流体通流可能に接続されている。

図１に示された例示的な実施の形態において、再熱器３５は、熱源として太陽エネルギを受け取るように構成されている。通常、これは、再熱器３５が、リニアソーラーコンセントレータまたは点源ソーラーコンセントレータであることによって、または再熱器３５が、リニアソーラーコンセントレータまたは点源ソーラーコンセントレータによって加熱された伝熱流体を受け取ることによって達成することができる。

図２に示された例示的な実施の形態は、バイパス３２からの蒸気が再熱器３５からの蒸気と混合する混合箇所５２の下流に配置された測定装置４５の選択的な特徴を有する。測定装置４５の目的は、より低圧の蒸気タービン２５への蒸気供給における過熱の量を測定することである。好適には、測定装置４５は、より低圧の蒸気タービン２５に供給される蒸気の量の現実的な測定を、付加的な解釈または計算なしに評価することができるように、より低圧の蒸気タービン２５の入口２７の近くに配置されている。例示的な実施の形態において、測定装置４５は、飽和蒸気と、乾き蒸気と、過熱蒸気との差を測定することができる。例示的な実施の形態において、測定装置４５は、蒸気の様々なグレードおよび質を区別することができるように十分に正確なレベルに温度および圧力を測定する。

図１および図２に示された例示的な実施の形態は、再熱器３５およびバイパス３２を通過する蒸気の流量比を制御するための制御装置４０を有する。これは、例示的な実施の形態では、制御装置４０が、測定装置４５からの測定信号を受け取り、制御アルゴリズム計算を行い、流量比を調節することができる制御弁４７などの制御エレメントを調節するように構成および配置されていることによって達成される。このような制御弁４７は、２つ以上の弁を有してよい。例示的な実施の形態では、制御装置４０は、より低圧の蒸気タービン２５の入口２７に乾き蒸気が供給されることを保証するように構成されている。別の例示的な実施の形態では、制御装置４０は、より低圧の蒸気タービン２５の入口に過熱蒸気が供給されることを保証するように構成される。

図１および図２に示された例示的な実施の形態はさらに、バイパス３２に配置された水抽出ユニット５０という選択的な特徴を有する。水抽出ユニット５０の目的は、蒸気がより低圧の蒸気タービン２５に入る前により高圧の蒸気タービン２０から出るときに蒸気から水を除去することである。別の例示的な実施の形態では、水抽出ユニット５０は、実質的に水分なしの蒸気がより低圧の蒸気タービン２５に供給されることを保証するように構成されている。別の例示的な実施の形態では、これは、再熱器３５およびバイパス３２をそれぞれ流過する蒸気の流量比を調節することによって達成される。図２に示された例示的な実施の形態では、水抽出ユニットは、より高圧の蒸気タービン２０と再熱器３５との間に流体通流可能に配置されている。

蒸気ランキンサイクルプラント１０のための例示的な作動方法は、より高圧の蒸気タービン２０からより低圧の蒸気タービン２５に蒸気を供給し、蒸気の一部のみを過熱することを含む。例示的な実施の形態では、供給される蒸気は、抽出蒸気と排出蒸気との組合せを含む。別の例示的な実施の形態では、供給される蒸気は排出蒸気のみを含む。

例示的な方法において、過熱は、エネルギ源としての集束された太陽エネルギ手段を用いて行われる。このような手段は、リニアソーラーコンセントレータまたは点源ソーラーコンセントレータを用いて、またはリニアソーラーコンセントレータまたは点源ソーラーコンセントレータによって加熱された伝熱流体を用いて蒸気を過熱することを含む。

例示的な方法において、より高圧の蒸気タービン２０からの蒸気における過熱の程度を測定することに基づいて、目標とするより低圧の蒸気タービンの供給条件を達成するために、流量比が調節される。例示的な方法では、供給条件は乾き蒸気である。別の例示的な方法では、供給条件は過熱蒸気である。

例示的な方法において、再熱器３５およびバイパス３２を通過する蒸気の流量比を変化させることに加えて、方法は、より低圧の蒸気タービンに供給される蒸気から水抽出ユニット５０によって水を抽出するステップを含む。これは、蒸気が、実質的に水分なし条件で、より低圧の蒸気タービン２４に供給されることを可能にする。

開示は、最も実用的な例示的な実施の形態であると考えられるものにおいて、ここに示されかつ説明されたが、本開示を、他の特定の形式で具体化することができることは、当業者によって認められるであろう。たとえば、様々な例示的な実施の形態は、熱ソーラーエネルギ、廃棄物焼却、およびバイオマスに基づくものを含む様々な熱プラントに提供されてよい。したがって、ここに開示された実施の形態は、全ての観点から、例示的であり、限定されないと考えられる。開示の範囲は、前記説明ではなく、添付された請求項によって示されており、意味および範囲およびそれらの均等物に当てはまる全ての変更は、そこに含まれることが意図されている。

１０ プラント
１４ 伝熱サイクル
２０ より高圧の蒸気タービン
２２ 出口
２５ より低圧の蒸気タービン
２７ 入口
３２ バイパス
３３ ボイラ
３５ 再熱器
４０ 制御装置
４２ 混合箇所
４５ 測定装置
４７ 制御弁
５０ 水抽出ユニット

Claims (10)

1. 蒸気ランキンサイクルプラント（１０）であって、
   排出蒸気を排出するための出口（２２）を備えるより高圧の蒸気タービン（２０）と、
   該より高圧の蒸気タービン（２０）に流体通流可能に接続された再熱器（３５）と、
   該再熱器（３５）に流体通流可能に接続された入口（２７）を備えるより低圧の蒸気タービン（２５）と、
   前記再熱器をバイパスするために前記出口（２２）および前記入口（２７）に流体通流可能に接続されたバイパス（３２）と、を備える蒸気ランキンサイクルプラント（１０）において、
   前記より高圧の蒸気タービン（２０）は中間段を有し、該中間段からの抽出蒸気の抽出を可能にしかつ該抽出蒸気を前記再熱器（３５）へ方向付けるように、前記再熱器（３５）は前記中間段に流体通流可能に接続されており、
   前記再熱器（３５）および前記バイパス（３２）を通過する蒸気の流量比として定義される流量比を変化させるように構成および配置された制御装置（４０）をさらに備え、
   前記バイパス（３２）の下流においてライン（３０）に配置され、前記より低圧の蒸気タービン（２５）に供給される蒸気の過熱を測定するように構成および配置された測定装置（４５）をさらに備えることを特徴とする、蒸気ランキンサイクルプラント（１０）。
2. 蒸気ランキンサイクルプラント（１０）であって、
   排出蒸気を排出するための出口（２２）を備えるより高圧の蒸気タービン（２０）と、
   該より高圧の蒸気タービン（２０）に流体通流可能に接続された再熱器（３５）と、
   該再熱器（３５）に流体通流可能に接続された入口（２７）を備えるより低圧の蒸気タービン（２５）と、
   前記再熱器をバイパスするために前記出口（２２）および前記入口（２７）に流体通流可能に接続されたバイパス（３２）と、を備える蒸気ランキンサイクルプラント（１０）において、
   前記より高圧の蒸気タービン（２０）からの前記排出蒸気が前記再熱器（３５）に供給されることを可能にするために、前記出口（２２）は前記バイパス（３２）にも前記再熱器（３５）にも流体通流可能に接続されており、
   前記再熱器（３５）および前記バイパス（３２）を通過する蒸気の流量比として定義される流量比を変化させるように構成および配置された制御装置（４０）をさらに備え、
   前記バイパス（３２）の下流においてライン（３０）に配置され、前記より低圧の蒸気タービン（２５）に供給される蒸気の過熱を測定するように構成および配置された測定装置（４５）をさらに備えることを特徴とする、蒸気ランキンサイクルプラント（１０）。
3. 前記制御装置（４０）は、前記測定装置（４５）によって行われる測定に基づいて前記流量比を調節するように構成されている、請求項１または２記載のプラント（１０）。
4. 前記より高圧の蒸気タービン（２０）と前記再熱器（３５）との間に水抽出ユニット（５０）が流体通流可能に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のプラント（１０）。
5. 前記バイパス（３２）は、該バイパス（３２）において蒸気から水を除去するための水抽出ユニット（５０）を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載のプラント（１０）。
6. 蒸気ランキンサイクルプラント（１０）を作動させる方法であって、
   蒸気をより高圧の蒸気タービン（２０）からより低圧の蒸気タービン（２５）の入口（２７）に供給するステップと、
   前記より低圧の蒸気タービン（２５）に供給する前に前記蒸気の一部分のみを過熱するステップとを含み、過熱された前記蒸気の一部分は、前記より高圧の蒸気タービン（２０）の中間段から抽出され、
   前記より低圧の蒸気タービン（２５）に供給されるときに蒸気における過熱の程度を測定するステップと、
   バイパス（３２）を通過する蒸気に対する、再熱器（３５）を通過する蒸気の流量比を変化させるステップとをさらに含むことを特徴とする、蒸気ランキンサイクルプラント（１０）を作動させる方法。
7. 前記より低圧の蒸気タービン（２５）に供給される蒸気が、流量比にかかわらず、実質的に水分なしとなるように、前記バイパス（３２）から水を抽出するために水抽出ユニット（５０）を使用するステップをさらに含む、請求項６記載の方法。
8. 前記再熱器（３５）を通過する前に蒸気から水を抽出するために水抽出ユニット（５０）を使用するステップをさらに含む、請求項６記載の方法。
9. 前記流量比は、前記より低圧の蒸気タービン（２５）への蒸気供給が乾き蒸気となるように変化させられる、請求項６記載の方法。
10. 前記流量比は、前記より低圧の蒸気タービン（２５）への蒸気供給が過熱蒸気となるように変化させられる、請求項６記載の方法。

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