JP2004190672A

JP2004190672A - 大量抽気を伴う複合サイクル蒸気タービンの能動スラスト制御システム

Info

Publication number: JP2004190672A
Application number: JP2003406754A
Authority: JP
Inventors: Klaus Manfred Retzlaff; クラウス・マンフレッド・レッツラフ; Samuel Gregory Clifford; サミュエル・グレゴリー・クリフォード; David William Hicks; デビッド・ウィリアム・ヒックス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2023-12-05
Also published as: US6705086B1; DE10356521B4; JP3989891B2; CN1514113A; DE10356521A1; CN100398786C

Abstract

【課題】蒸気タービンのスラスト荷重を低減する。
【解決手段】プロセス抽気流れを形成するシステムを含む複合サイクル蒸気タービンは、蒸気タービンの高圧セクションの排気口における抽気流れのスラスト効果を相殺する制御システム（３１）を含む。制御システム（３１）は、ＨＰ排気パッキングリークオフ蒸気を蒸気タービンの中間圧力セクションの、より低圧の段からより高圧の段へ偏向させる弁（１２、１４、１６）及び配管構造（１０）を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、蒸気タービンの総性能及び信頼性を改善するために軸流タービンスラストを制御するシステムを指向している。

従来の蒸気タービンは、スラスト軸受の面積を拡大し且つ活動中のスラスト軸受から活動中でないスラスト軸受へのスラスト荷重の方向変換を回避することにより、スラスト荷重の大きな変化の問題を解決していた。

本発明は、高圧（ＨＰ）セクションの排気口における大きな抽気流れのスラスト効果を相殺することにより軸流タービンスラストを制御する。

通常、抽気流れは、
ａ）ガスタービンの出力を増補するためにガスタービン燃焼システムへの蒸気噴射を実行させ、
ｂ）プロセス抽気を提供することを目的としている。

能動スラスト制御は、ＨＰ排気口から蒸気が抽出されるときにパッキングステップの圧力を制御し、それにより、等価ではあるが、逆方向の増加されたステップスラストにより増加された段スラストを相殺するパイプ／弁構造により実現される。この結果、スラスト荷重範囲は全体として縮小され、機械的損失のより少ない小型のスラスト軸受を使用することが可能になる。

提案されるスラスト制御システムは２つの問題を解決する。第１に、本発明によるスラスト制御システムは、高圧（ＨＰ）排気口からの大量の抽気流れに対応して設計されている複合サイクル機械に対してスラスト軸受荷重の範囲を縮小する。スラスト荷重範囲が縮小されると、スラスト軸受を小型化し、機械的損失を減少させることができるので、全体として機械の効率は向上する。

第２に、本発明のスラスト制御システムは０又は中間値のスラスト荷重の条件を回避し、不安定なスラスト軸受動作の危険及びそれがスラスト軸受の信頼性に及ぼす可能性のある影響を減少させる。

本発明は、スラスト荷重をより狭い範囲に制御することにより、複合サイクル蒸気タービンの総性能及び信頼性を改善する。

図１及び図２は、単流高圧（ＨＰ）セクション及び単流中間圧力（ＩＰ）セクションを有する複合サイクル蒸気タービンを示す。ＩＰセクションからの排気はクロスオーバパイプを介して低圧（ＬＰ）セクション（図１には示さず）へ流れる。再熱器１８はＨＰセクションから排気された再熱蒸気をＩＰセクションに供給する。システムは、ガスタービン又はプロセスシステムなどの他の機器に使用されるべきＨＰ排出抽気流れを更に供給する。

図１に示すように、スラスト制御システムは、ＨＰ排出抽気流れが弁１６でターンオンされたときにＮ１パッキングリークオフパイプ宛先を中間圧力（ＩＰ）セクションのより低圧の段からより高圧の段へ偏向するために制御信号により起動されるパイプ１０及び弁１２、１４から構成されている。

本発明は、組み合わされたときにスラスト荷重範囲を縮小させる結果をもたらすいくつかの要素を有する。例えば、ロータは、ＨＰ段スラストの方向とは逆方向のステップスラストを発生させるＮ１リークオフポイントのより大きなステップを伴うように設計されなければならない。

Ｎ１リークオフは下流側流路の２つの異なるポイント、すなわち、（１）ＩＰ排気口（既存の接続部）及び（２）ＩＰ排気ポイントの上流側の、より高い圧力の段（新たな接続部）に接続されなければならない。第２の接続には、高温再熱ボウルとＩＰ排気口との間で新たなシェル貫通が要求される。

２つの新たなモータ作動弁１２、１４（スラスト制御弁ＴＣＶ１及びＴＣＶ２）は、Ｎ１パッキングリークオフ流れをＩＰ排気ポイントＡから新たな、より高圧のポイントＢへ方向転換するために設けられている。

図３に示すように、制御システムは、ＨＰ排出抽気流れの弁１６を起動する出力制御信号に基づいて弁１２、１４を同時に動作させるための制御信号、例えば、ガスタービン燃焼システムへの蒸気噴射（「出力増補」とも呼ばれる）を発生させるための抽気流れを制御する信号を送信するコントローラ３１を含む。弁１６の起動を、例えば、センサ３２により感知し、それをコントローラ３１に入力することができる。あるいは、図４に示すように、コントローラ３１は、センサ４２によりポイントＣで感知されるＨＰボウル圧力と、センサ４１によりポイントＤで感知されるＨＰ排気圧力との事前設定圧力比に従って弁１２及び１４へ制御信号を出力することができる。

次に、図１を参照して本発明のシステムの動作を説明する。ＨＰ排出抽気が弁１６を開放することによりターンオンされると、ＨＰ排気圧力は低下し、ＨＰ段の両側の圧力比は増加する。同時に、ＨＰ段スラストは増加し、蒸気タービンの正味スラストはＨＰ排気流れ方向に向かってシフトする。

増加した段スラストを相殺するために、スラスト制御システムは先に説明したように起動される。弁１２が閉じる一方で、弁１４は開き、それにより、Ｎ１パッキングリークオフ宛先ポイントはより高圧の段に切り替わる。これにより、Ｎ１パッキングロータステップにおけるステップ圧力は増加し、その結果、ステップスラストの値は増加する。そこで、増加した段スラストは直接に相殺され、これは総スラスト荷重変化の範囲を動作エンベロープ全体にわたり制限する方向に向かって作用する。

この制御システムを実現するためには、Ｎ１パッキングロータステップ直径及び第２のＮ１パッキングリークオフ接続のための段圧力を慎重に選択しなければならない。ＨＰ排出抽気に対する要求が終了すると、弁１２は開き、弁１４は閉じる。

図２に示すように、別の実施例は、図１に示す弁ＴＣＶ１及びＴＣＶ２の機能を組み合わせた２方向偏向弁（ＴＣＶ）２１を使用する。

本発明を最も実用的で好ましい実施例であると現時点で考えられるものに関連して説明したが、本発明は開示された実施例に限定されず、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明の第１の実施例によるスラスト制御システムを概略形態で示す図。本発明の第２の実施例によるスラスト制御システムを概略形態で示す図。スラスト制御システムにおいて弁を制御するための制御回路を概略形態で示す図。スラスト制御システムにおいて弁を制御するための別の制御回路を概略形態で示す図。

符号の説明

１０…パイプ、１２…弁（ＴＣＶ１）、１４…弁（ＴＣＶ２）、１６…弁（ＴＣＶ）、２１…２方向偏向弁、３１…コントローラ、３２、４１、４２…センサ

Claims

単流高圧セクション及びそれに対向する単流中間圧力セクションと、前記高圧セクションの排気口にあるパッキングステップから前記中間圧力セクションの排気口に至る第１の蒸気流路と、前記高圧セクションの排気口から蒸気を抽出するプロセス抽気システムとを有する蒸気タービンシステムにおいて、
前記パッキングステップを前記中間圧力セクションの排気口の上流側における、より高圧の段に接続された第２の蒸気流路に選択的に接続する配管（１０）と、
前記第１及び第２の蒸気流路の内部に配置され、制御信号（３１）に応答して、前記中間圧力セクションの排気口から前記より高圧の段へ蒸気流路を変更する弁制御システム（１２、１４、１６）とを具備する蒸気タービンシステム。
前記弁制御システム（１２、１４、１６）は、前記第１の蒸気流路の内部に配置された第１の制御弁（１２、１４、１６）と、前記第２の蒸気流路の内部に配置された第２の制御弁（１２、１４、１６）とを具備する請求項１記載の蒸気タービンシステム。
前記弁制御システム（１２、１４、１６）は、前記プロセス抽気システムが前記高圧セクションの排気口から蒸気を抽出するときに前記第１の制御弁（１２、１４、１６）を閉鎖すると同時に、前記第２の制御弁（１２、１４、１６）を開放する制御手段を更に具備する請求項２記載の蒸気タービンシステム。
前記制御手段（１２、１４、１６）は、前記プロセス抽気システムの制御弁（１２、１４、１６）が開放されたか否かを感知することにより、前記プロセス抽気システムが前記高圧セクションの排気口から蒸気を抽出する時点を判定する請求項３記載の蒸気タービンシステム。
前記制御手段（１２、１４、１６）は、前記高圧セクションの入口と排気口における蒸気圧力比が所定の値を超えたことを判定することにより、前記プロセス抽気システムが前記高圧セクションの排気口から蒸気を抽出する時点を判定する請求項３記載の蒸気タービンシステム。
前記弁制御システム（１２、１４、１６）は、前記第１及び第２の蒸気流路の内部に配置された２方向偏向制御弁（１２、１４、１６）を具備する請求項１記載の蒸気タービンシステム。
前記弁制御システム（１２、１４、１６）は、前記プロセス抽気システムが前記高圧セクションの排気口から蒸気を抽出するときに前記第１の蒸気流路を閉鎖し且つ前記第２の蒸気流路を開放するように前記２方向偏向制御弁（２１）を動作する制御手段を更に具備する請求項６記載の蒸気タービンシステム。
前記制御手段（３１）は、前記プロセス抽気システムの制御弁（１２、１４、１６）が開放されたか否かを感知することにより、前記プロセス抽気システムが前記高圧セクションの排気口から蒸気を抽出する時点を判定する請求項７記載の蒸気タービンシステム。
前記制御手段（３１）は、前記高圧セクションの入口と排気口の蒸気圧力比が所定の値を超えたことを判定することにより、前記プロセス抽気システムが前記高圧セクションの排気口から蒸気を抽出する時点を判定する請求項７記載の蒸気タービンシステム。
少なくとも１つの中間圧力セクションと、高圧セクションの排気口のパッキングステップから前記中間圧力セクションの排気口に至る第１の蒸気流路とを更に含む蒸気タービンシステムの前記高圧セクションの排気口における大きな抽気流れのスラスト効果を相殺する方法において、
前記パッキングステップから前記中間圧力セクションの排気口の上流側の、より高圧の段に至る第２の蒸気流路を提供することと、
前記第１及び第２の蒸気流路の内部に配置された弁制御システムを動作させる制御信号（３１）に応答して、蒸気流路を前記第１の蒸気流路から前記第２の蒸気流路へ偏向することから成る方法。
前記偏向する過程は、前記第１の蒸気流路の内部に配置された第１の制御弁（１２、１４、１６）が閉じ且つ前記第２の蒸気流路の内部に配置された第２の制御弁（１２、１４、１６）が開くように前記弁制御システム（１２、１４、１６）を動作させることを含む請求項１０記載の方法。
前記弁制御システム（１２、１４、１６）を動作させることは、前記プロセス抽気システムが前記高圧セクションの排気口から蒸気を抽出するときに前記第１の制御弁（１２、１４、１６）を閉鎖し且つ前記第２の制御弁（１２、１４、１６）を開放する制御手段を利用することを含む請求項１１記載の方法。