特開 2023-134961 タービンケーシング加熱システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023134961

(43)【公開日】2023-09-28

(54)【発明の名称】タービンケーシング加熱システム

(51)【国際特許分類】

   F01D 25/10 20060101AFI20230921BHJP

【ＦＩ】

F01D25/10 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022039924

(22)【出願日】2022-03-15

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ダミ サンチット

(72)【発明者】

【氏名】田谷 幸洋

(72)【発明者】

【氏名】兼平 祐己朗

(57)【要約】

【課題】エネルギーを有効的に活用して、タービンケーシングの加熱を実行可能なタービンケーシング加熱システムを提供する。
【解決手段】実施形態のタービンケーシング加熱システムは、蓄熱機器と熱交換器とタービンケーシング加熱部とを備え、蒸気タービンを構成するタービンケーシングを加熱する。蓄熱機器は、熱を蓄える。熱交換器は、蓄熱機器が蓄えた熱を用いてケーシング加熱媒体を加熱する。タービンケーシング加熱部は、熱交換器において加熱されたケーシング加熱媒体によってタービンケーシングの加熱を行うように構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

タービンを構成するタービンケーシングを加熱するタービンケーシング加熱システムであって、
熱を蓄える蓄熱機器と、
前記蓄熱機器が蓄えた熱を用いてケーシング加熱媒体を加熱する熱交換器と、
前記熱交換器において加熱された前記ケーシング加熱媒体によって前記タービンケーシングの加熱を行うように構成されたタービンケーシング加熱部と
備える、
タービンケーシング加熱システム。

【請求項2】

前記熱交換器は、前記タービンケーシング加熱部において前記タービンケーシングの加熱を行った前記ケーシング加熱媒体について、前記蓄熱機器が蓄えた熱を用いて加熱するように構成されている、
請求項１に記載のタービンケーシング加熱システム。

【請求項3】

前記蓄熱機器は、ボイラから排気された排ガスの熱を蓄えるように構成されている、
請求項１または２に記載のタービンケーシング加熱システム。

【請求項4】

前記蓄熱機器は、前記タービンに作動媒体として供給される主蒸気の熱を蓄えるように構成されている、
請求項１から３のいずれかに記載のタービンケーシング加熱システム。

【請求項5】

前記蓄熱機器は、再生可能エネルギー発電設備で発電された電力を用いて発生した熱を蓄えるように構成されている、
請求項１から４に記載のタービンケーシング加熱システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、タービンケーシング加熱システムに関する。

【背景技術】

【0002】

蒸気タービンは、タービンケーシングがタービンロータを収容しており、タービンケーシングの内部に主蒸気が作動媒体として供給されることによって、タービンロータが回転するように構成されている。

【0003】

タービンケーシングおよびタービンロータのそれぞれは、一般に、熱伝導率や熱膨張係数が異なる材料を用いて形成されている。このため、例えば、蒸気タービンの起動時にタービンケーシングとタービンロータとが同様な条件で加熱された場合、両者の間には、熱膨張の相違によって熱伸び差が生じ、振動が発生する場合がある。

【0004】

熱伸び差を低減するために、ヒートブランケット技術が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】欧州特許出願公開第０５３７３０７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ヒートブランケット技術では、タービンケーシングの周囲に設置された電熱機器を用いて、蒸気タービンの停止時に、タービンケーシングを加熱する。これにより、蒸気タービンの停止時に、タービンケーシングが冷却されることを緩和する。その結果、その後に蒸気タービンを再び起動する際には、タービンケーシングとタービンロータとの間の温度差が低減され、タービンケーシングとタービンロータとの間の熱伸び差が緩和されるので、起動時間の短縮化を実現することができる。

【0007】

タービンケーシングの加熱においては、エネルギーを有効的に活用する技術が求められている。

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、エネルギーを有効的に活用して、タービンケーシングの加熱を実行可能なタービンケーシング加熱システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

実施形態のタービンケーシング加熱システムは、蓄熱機器と熱交換器とタービンケーシング加熱部とを備え、タービンを構成するタービンケーシングを加熱する。蓄熱機器は、熱を蓄える。熱交換器は、蓄熱機器が蓄えた熱を用いてケーシング加熱媒体を加熱する。タービンケーシング加熱部は、熱交換器において加熱されたケーシング加熱媒体によってタービンケーシングの加熱を行うように構成されている。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、第１実施形態にかかるタービンケーシング加熱システム１００を備えるタービンシステム１の要部を模式的に示す図である。

【図2】図２は、第２実施形態にかかるタービンケーシング加熱システム１００を備えるタービンシステム１ｂの要部を模式的に示す図である。

【図3】図３は、第３実施形態にかかるタービンケーシング加熱システム１００を備えるタービンシステム１ｃの要部を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜第１実施形態＞
［Ａ］全体構成
図１は、第１実施形態にかかるタービンケーシング加熱システム１００を備えるタービンシステム１の要部を模式的に示す図である。

【0012】

本実施形態において、タービンシステム１は、図１に示すように、蒸気タービン１０とタービンケーシング加熱システム１００とを備える。

【0013】

［Ａ－１］蒸気タービン１０
蒸気タービン１０は、タービンケーシング１１とタービンロータ１３とを有し、タービンケーシング１１の内部にタービンロータ１３を収容している。蒸気タービン１０は、例えば、軸流タービンであって、蒸気弁Ｖ１０を介してタービンケーシング１１の内部に作動媒体として導入された主蒸気Ｆが、タービンロータ１３の回転軸に沿った軸方向に流れる。これにより、タービンケーシング１１の内部において作動媒体がタービン段落（図示省略）で膨張して仕事を行い、タービンロータ１３が回転する。ここでは、タービンロータ１３は、例えば、発電機（図示省略）に連結されており、タービンロータ１３の回転によって発電機が駆動して発電が行われる。蒸気タービン１０において仕事を行い、タービンケーシング１１から排気された蒸気は、例えば、復水器（図示省略）へ流れる。

【0014】

［Ａ－２］タービンケーシング加熱システム１００
タービンケーシング加熱システム１００は、蓄熱機器１１０と熱交換器１２０とタービンケーシング加熱部１３０とを有し、蒸気タービン１０を構成するタービンケーシング１１を加熱するように構成されている。

【0015】

［Ａ－２－１］蓄熱機器１１０
蓄熱機器１１０は、熱を蓄えるために設置されている。本実施形態では、蓄熱機器１１０は、例えば、岩石を蓄熱材として利用した機器であって、ボイラ２０から排気された排ガスＨ２０が供給されることによって、排ガスＨ２０の熱を蓄えるように構成されている。排ガスＨ２０は、蓄熱機器１１０で熱が吸収された後には、例えば、蓄熱機器１１０の外部へ放出される。

【0016】

なお、ボイラ２０の排ガスＨ２０は、例えば、蒸気タービン１０へ作動媒体として供給する主蒸気Ｆを生成する際に用いた燃料の燃焼ガスでもよく、他の目的で用いた燃料の燃焼ガス等であってもよい。

【0017】

［Ａ－２－２］熱交換器１２０
熱交換器１２０は、蓄熱機器１１０が蓄えた熱を用いてケーシング加熱媒体ＨＦを加熱するために設置されている。本実施形態では、熱交換器１２０は、タービンケーシング加熱部１３０においてタービンケーシング１１の加熱を終えたケーシング加熱媒体ＨＦについて、蓄熱機器１１０が蓄えた熱で加熱する。熱交換器１２０で加熱されたケーシング加熱媒体ＨＦは、タービンケーシング加熱部１３０へ供給される。

【0018】

具体的には、熱交換器１２０には、ケーシング加熱媒体ＨＦを加熱するための媒体ＨＳが蓄熱機器１１０から流入すると共に、タービンケーシング加熱部１３０からケーシング加熱媒体ＨＦが流入する。媒体ＨＳは、タービンケーシング加熱部１３０から流入するケーシング加熱媒体ＨＦよりも温度が高い状態で蓄熱機器１１０から熱交換器１２０に流入する。そして、熱交換器１２０では、媒体ＨＳとケーシング加熱媒体ＨＦとの間において熱交換が実行される。これにより、タービンケーシング加熱部１３０から流入するケーシング加熱媒体ＨＦは、蓄熱機器１１０から流入する媒体ＨＳの熱で加熱される。

【0019】

タービンケーシング加熱部１３０から流入するケーシング加熱媒体ＨＦは、例えば、水蒸気と液相水とが混在した二相媒体であって、熱交換器１２０での熱交換によって全てが水蒸気の状態になるように加熱されて、タービンケーシング加熱部１３０へ戻る。ケーシング加熱媒体ＨＦは、ポンプ（図示省略）によって、熱交換器１２０とタービンケーシング加熱部１３０とを順次流れるように循環する。なお、ケーシング加熱媒体ＨＦは、上記の他に、窒素ガスなどの熱媒ガスであってもよい。

【0020】

媒体ＨＳは、例えば、空気であって、蓄熱機器１１０から熱交換器１２０に流入し、上記の熱交換を実行した後に、蓄熱機器１１０へ戻る。媒体ＨＳは、ポンプ（図示省略）によって、蓄熱機器１１０と熱交換器１２０とを順次流れるように循環する。

【0021】

［Ａ－２－３］タービンケーシング加熱部１３０
タービンケーシング加熱部１３０は、熱交換器１２０において加熱されたケーシング加熱媒体ＨＦによって、タービンケーシング１１の加熱を行うように構成されている。

【0022】

たとえば、タービンケーシング加熱部１３０は、タービンケーシング１１の周囲においてケーシング加熱媒体ＨＦが主蒸気Ｆの流れ方向に向かって螺旋状に流れる流路を含む。タービンケーシング加熱部１３０においてケーシング加熱媒体ＨＦが流れる流路の形態は、上記に限らず、様々な形態であってもよい。例えば、主蒸気Ｆの流れ方向に沿ってケーシング加熱媒体ＨＦが直線状に流れる複数の流路を、タービンケーシング１１の周囲に配置してもよい。

【0023】

［Ｂ］タービンケーシング加熱システム１００の作用・効果
上記したタービンケーシング加熱システム１００の作用・効果について説明する。

【0024】

タービンケーシング加熱システム１００は、蒸気タービン１０の運転が停止された状態であるときに、蒸気タービン１０を構成するタービンケーシング１１について加熱を行う。これにより、タービンケーシング１１とタービンロータ１３との間の熱伸び差が緩和され、蒸気タービン１０の起動時間の短縮化を実現することができる。

【0025】

本実施形態のタービンケーシング加熱システム１００は、熱交換器１２０で加熱されたケーシング加熱媒体ＨＦの熱を用いて、タービンケーシング加熱部１３０がタービンケーシング１１を加熱する。ケーシング加熱媒体ＨＦは、熱交換器１２０において、蓄熱機器１１０が蓄えた熱で加熱される。このように、本実施形態では、タービンケーシング１１の加熱は、蓄熱機器１１０が予め蓄えた熱を利用して実行される。したがって、本実施形態では、エネルギーを有効的に活用して、タービンケーシング１１の加熱を実行することができる。

【0026】

特に、本実施形態の蓄熱機器１１０は、ボイラ２０から排気された排ガスＨ２０の熱を蓄えるように構成されている。このため、本実施形態のタービンケーシング加熱システム１００は、排ガスＨ２０の熱エネルギーを更に有効的に活用することができる。

【0027】

＜第２実施形態＞
図２は、第２実施形態にかかるタービンケーシング加熱システム１００を備えるタービンシステム１ｂの要部を模式的に示す図である。

【0028】

本実施形態において、タービンシステム１ｂは、タービンケーシング加熱システム１００を構成する蓄熱機器１１０が蓄える熱の熱源が、第１実施形態の場合（図１参照）と異なる。本実施形態は、この点、および、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、重複する事項については、適宜、説明を省略する。

【0029】

本実施形態では、図２に示すように、蓄熱機器１１０は、蒸気タービン１０に作動媒体として供給される主蒸気Ｆの熱を蓄えるように構成されている。ここでは、蒸気タービン１０が停止状態（蒸気弁Ｖ１０が全閉状態）であるときに、蓄熱機器１１０に主蒸気Ｆを供給することによって、蓄熱機器１１０が主蒸気Ｆの熱を蓄える。主蒸気Ｆは、蓄熱機器１１０で熱が吸収された後には、例えば、蓄熱機器１１０の外部へ放出される。

【0030】

蓄熱機器１１０が蓄えた熱は、第１実施形態の場合と同様に、熱交換器１２０においてケーシング加熱媒体ＨＦの加熱を行う際に利用される。そして、その熱交換器１２０で加熱されたケーシング加熱媒体ＨＦの熱によって、タービンケーシング１１の加熱が実行される。したがって、本実施形態では、主蒸気Ｆの熱エネルギーを有効的に活用して、タービンケーシング１１の加熱を実行することができる。

【0031】

＜第３実施形態＞
図３は、第３実施形態にかかるタービンケーシング加熱システム１００を備えるタービンシステム１ｃの要部を模式的に示す図である。

【0032】

本実施形態において、タービンシステム１ｃは、タービンケーシング加熱システム１００ｃを構成する蓄熱機器１１０が蓄える熱の熱源が、第１実施形態の場合（図１参照）と異なる。本実施形態は、この点、および、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、重複する事項については、適宜、説明を省略する。

【0033】

本実施形態のタービンケーシング加熱システム１００ｃは、図３に示すように、電熱器１４０を有する。電熱器１４０は、太陽光発電設備や風力発電設備などの再生可能エネルギー発電設備３０で発電された電力を用いて発生した熱Ｈ３１を発生するように構成されている。

【0034】

そして、本実施形態では、蓄熱機器１１０は、再生可能エネルギー発電設備３０で発電された電力を用いて電熱器１４０において発生した熱Ｈ３１を蓄える。蓄熱機器１１０は、電熱器１４０において発生した熱Ｈ３１を直接的または間接的に受けることよって蓄える。

【0035】

蓄熱機器１１０が蓄えた熱は、第１実施形態の場合と同様に、熱交換器１２０においてケーシング加熱媒体ＨＦの加熱を行う際に利用される。そして、その熱交換器１２０で加熱されたケーシング加熱媒体ＨＦの熱によって、タービンケーシング１１の加熱が実行される。したがって、本実施形態では、再生可能エネルギー発電設備３０が出力する電気エネルギーを有効的に活用して、タービンケーシング１１の加熱を実行することができる。

【0036】

つまり、太陽光発電設備や風力発電設備などの再生可能エネルギー発電設備３０が出力する電気エネルギーは、気象条件に応じて変動する。しかし、本実施形態では、再生可能エネルギー発電設備３０が出力する電気エネルギーを電熱器１４０で熱エネルギーに変換し、その変換した熱エネルギーを蓄熱機器１１０が蓄える。そして、その蓄熱機器１１０が蓄えた熱で加熱されたケーシング加熱媒体ＨＦによって、タービンケーシング１１の加熱が実行される。それゆえ、本実施形態では、実質的に、再生可能エネルギー発電設備３０が出力する電気エネルギーを任意のタイミングで利用できるので、再生可能エネルギー発電設備３０が出力する電気エネルギーを有効的に活用できる。

【0037】

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0038】

１：タービンシステム、１ｂ：タービンシステム、１ｃ：タービンシステム、１０：蒸気タービン、１１：タービンケーシング、１３：タービンロータ、２０：ボイラ、３０：再生可能エネルギー発電設備、１００：タービンケーシング加熱システム、１００ｃ：タービンケーシング加熱システム、１１０：蓄熱機器、１２０：熱交換器、１３０：タービンケーシング加熱部、１４０：電熱器、Ｆ：主蒸気、Ｈ２０：排ガス、Ｈ３１：熱、ＨＦ：ケーシング加熱媒体、ＨＳ：媒体、Ｖ１０：蒸気弁

【図1】

【図2】

【図3】