JP5868802B2

JP5868802B2 - タービン

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Publication number: JP5868802B2
Application number: JP2012162098A
Authority: JP
Inventors: 直行岡村; 信博沖園; 岩太郎佐藤; 和孝鶴田; 小野田　昭博; 昭博小野田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: EP2687703B1; CN103573410A; US20140020402A1; US9399949B2; EP2687703A3; JP2014020331A; EP2687703A2; CN103573410B

Description

本発明の実施形態は、タービンに関する。

従来、発電プラントでは、発電のための動力源としてガスタービンや蒸気タービンなどが利用されている。

タービンから多くの動力を得るために、タービン翼の耐熱温度以上の作動流体を適用する仕様のタービンも開発されている。この種のタービンは、タービン翼を冷却するために例えば冷媒を投入し、この冷媒をタービン翼の内部を通過させる構成などを有している。

特開２０１１−３２９５４号公報

上述したような仕様のタービンにおいても、エネルギ効率の向上が絶えず求められている。

本発明が解決しようとする課題は、エネルギ効率を高めることができるタービンを提供することである。

実施の形態のタービンは、作動流体及び冷媒としてＣＯ₂を用いるタービンであって、作動流体移送流路、冷媒移送流路及び冷媒回収流路を備えている。作動流体移送流路は、静翼と動翼との組でそれぞれ構成される複数の段落に対しその上流側から下流側へ向けて前記作動流体を移送する。冷媒移送流路は、段落毎の静翼の内部を通過させつつ前記上流側から前記下流側へ向けて前記冷媒を移送する。冷媒回収流路は、所定の段落の静翼の内部を通過する冷媒を回収し、この回収した冷媒を、前記所定の段落よりも上流側の段落で作動流体移送流路に合流させる。また、冷媒回収流路は、前記所定の段落及びこの所定の段落よりも下流側の段落でそれぞれ回収した冷媒を集合させ、この集合させた冷媒を、前記所定の段落よりも上流側の段落へ向けて移送する集合流路を含む。

第１の実施形態に係るＣＯ_２タービンを含む火力発電システムの構成図。図１のＣＯ_２タービンが備えた冷媒回収流路の周辺の構造を示す断面図。図２中のノズル周辺の構造を拡大して示す断面図。図３中のノズル周辺をロータの径方向からみた状態を模式的に示す図。図２中のノズル周辺の冷媒の流れを説明するための図。図５におけるＡ−Ａ断面図。図５におけるＢ−Ｂ断面図。図５におけるＣ−Ｃ断面図。第２の実施形態に係るＣＯ_２タービンの冷媒回収流路の周辺の構造を示す断面図。図９に示す冷媒回収流路を詳細に説明するための断面図。図９のＣＯ_２タービンが備えるノズルセグメントに設けられた冷媒回収流路の一部の構造を示す斜視図。図９の冷媒回収流路の周辺の構造をロータの軸方向からみた断面図。第３の実施形態に係るＣＯ_２タービンの冷媒回収流路の周辺の構造を示す断面図。図１３におけるＤ−Ｄ断面図。第４の実施形態に係るＣＯ_２タービンの冷媒回収流路の周辺の構造を示す断面図。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
［第１の実施の形態］
図１に示すように、本実施形態に係るＣＯ_２（二酸化炭素）タービン５を含む火力発電システム２０は、上記ＣＯ_２タービン５に加え、ＣＯ_２ポンプ１、再生熱交換器２、酸素製造装置３、燃焼器４、発電機６、冷却器７、湿分分離器８などを備えている。

ＣＯ_２ポンプ１は、湿分分離器８により燃焼ガス（ＣＯ_２と蒸気）から水分が分離された高純度のＣＯ_２を圧縮し、高圧のＣＯ_２を、再生熱交換器２を通じて燃焼器４及びＣＯ_２タービン５へ分岐して供給する。

なお、ＣＯ_２ポンプ１で発生した高純度で高圧のＣＯ_２を貯留、又は石油増進回収などに利用してもよい。つまり、ＣＯ_２ポンプ１は、一台で作動用ＣＯ_２及び冷却用ＣＯ_２の供給源となる。作動用ＣＯ_２を作動ガス又は作動流体、冷却用ＣＯ_２を冷却ガス、冷却流体、冷媒と呼ぶ場合もある。

再生熱交換器２は、熱交換により温度を高めたＣＯ_２を燃焼器４へ供給する。再生熱交換器２は、熱交換を完全に行う前に一部のＣＯ_２をＣＯ_２タービン５へ供給する。燃焼器４へのＣＯ_２は、作動用として供給される。ＣＯ_２タービン５へのＣＯ_２は冷却あるいはシール用として供給される。また、再生熱交換器２は、ＣＯ_２タービン５から排出された燃焼ガス（ＣＯ_２と蒸気）を熱交換により冷却する。

酸素製造装置３は、酸素を製造し、製造した酸素を燃焼器４へ供給する。燃焼器４は、注入されたメタンガスなどの天然ガス、ＣＯ_２及び酸素を燃焼させて、高温及び高圧の燃焼ガス（ＣＯ_２と蒸気）を発生させ、作動用ＣＯ_２としてＣＯ_２タービン５へ供給する。

ＣＯ_２タービン５は、高温及び高圧の作動用ＣＯ_２によりタービン内の動翼１３とこの動翼１３を支持するタービンロータ１１を回転させて発電機６に回転力を伝達する。タービンロータ１１は車軸ともいう。

すなわち、このＣＯ_２タービン５は、一台のＣＯ_２ポンプ１から供給されるＣＯ_２を主として、タービンロータ１１を回転させるための作動流体、及び冷媒（冷却用の流体）として用いるタービンである。

発電機６は、ＣＯ_２タービン５のタービンロータ１１の回転力を用いて発電を行う。ＣＯ_２タービン５と発電機６を合わせてＣＯ_２タービン発電機という場合もある。冷却器７は、再生熱交換器２を通じた燃焼ガス（ＣＯ_２と蒸気）をさらに冷却し湿分分離器８へ出力する。

湿分分離器８は、冷却器７から出力された低温の燃焼ガス（ＣＯ_２と蒸気）から水分を分離し、高純度のＣＯ_２をＣＯ_２ポンプ１へ戻す。

この火力発電システム２０は、超臨界圧のＣＯ_２を用いた酸素燃焼の循環システムで構成され、ＣＯ_２を有効活用でき、ＮＯ_ｘを排出しないゼロエミッションの発電システムである。このシステムを用いることで、ＣＯ_２を分離・回収する設備を別に設置することなく、高純度の高圧ＣＯ_２を回収してリサイクル運用を図ることができる。

以下、この実施形態に係る火力発電システム２０の動作を説明する。この実施形態の場合、ＣＯ_２、天然ガスおよび酸素を注入して燃焼させて発生した高温のＣＯ_２（作動用ＣＯ_２）でＣＯ_２タービン５（の動翼）を回転させて発電する。

その後、ＣＯ_２タービン５から排出された燃焼ガス（ＣＯ_２と蒸気）は、再生熱交換器２及び冷却器７を経て冷却され、湿分分離器８にて水分を分離した後、ＣＯ_２ポンプ１に環流されて圧縮され、さらに大部分のＣＯ_２が燃焼器４へと帰還する。

次に、図２〜図８に基づき、本実施形態のＣＯ_２タービン５に設けられた冷媒回収流路３７の構造について説明する。ここで、図２に示すように、冷媒回収流路３７の周辺には、作動流体移送流路３５及び冷媒移送流路３６が設けられている。

作動流体移送流路３５は、ノズル（静翼）１６と動翼１３との組でそれぞれ構成される複数の段落に対しその上流側（高圧側）から下流側（低圧側）へ向けて作動流体（作動用ＣＯ_２）を移送する。

図２、図３に示すように、上述した各ノズル１６は、複数の保持部材であるノズルセグメント３８によって保持されている。さらに、ノズル１６を保持したノズルセグメント３８は、内部ケーシング１５ａ（１５ｂ）に加工されたフック部に固定されている。

冷媒移送流路３６は、段落毎のノズル１６の内部を通過させつつ上流側から下流側へ向けて冷媒（冷却用ＣＯ_２）を移送する。具体的には、図２に示すように、冷媒移送流路３６は、内部ケーシング１５ａ（１５ｂ）本体の部材内部を上流側から下流側へ向かって延びる主幹流路３６ａを有している。冷媒移送流路３６は、この主幹流路３６ａから段落毎に流路が分岐し、各段落のノズル１６内部に導かれている。

さらに、冷媒移送流路３６は、図３〜図５に示すように、ノズル１６内を通過した後、ノズルセグメント３８のノズルサイドウォール３８ａ内を経由してノズルセグメント３８本体の外部に吐出される。ここで、ＣＯ_２タービン５は、より多くの動力を得るために、ノズル１６の例えば耐熱温度以上の作動流体（作動用ＣＯ_２）が投入される仕様となっている。このため、冷媒移送流路３６は、ノズル１６を冷却する必要性を有している。

一方、冷媒回収流路３７は、冷媒移送流路３６に沿って所定の段落のノズル１６の内部を通過する冷媒を回収し、この回収した冷媒を、前記所定の段落よりも上流側の段落で作動流体移送流路３５に合流させる。具体的には、図５〜図８に示すように、冷媒回収流路３７は、シール部材としてのシールプレート４０とノズルセグメント３８とを組み合わせて構成されている。このシールプレート４０は、ノズルセグメント３８どうしの間隙を所定の方向からシールする。冷媒回収流路３７は、ノズルセグメント３８とシールプレート４０とで包囲された空間（キャビティ／隙間）を経由する構成となる。

詳述すると、図５〜図８に示すように、一組のノズルセグメント３８の互いに対向する端面どうしの間隙に、一組のシールプレート４０が間隙を空けて対向配置されていることで、冷媒移送流路３６及び冷媒回収流路３７が構成されている。また、図５（及び図２）に示すように、冷媒移送流路３６から冷媒回収流路３７に切り替わる境界部分にはストッパ部３７ｂなどが配置されている。さらに、図５（及び図２）に示すように、冷媒回収流路３７が作動流体移送流路３５に合流する部分には、冷媒合流孔３７ａが設けられている。

ここで、本実施形態のＣＯ_２タービン５は、図２に示すように、例えば第５段落（所定の段落）５５のノズル１６の内部を通過する冷媒を回収し、この回収した冷媒を、第５段落よりも上流側の例えば第２段落５２の下流側で作動流体移送流路３５に合流させる構成を有している。ここで、上記の第２段落５２の下流側は、ノズルの冷却で圧力損失が生じた冷媒の圧力が、作動流体移送流路３５内の圧力とバランスする段落である。

つまり、上記した第５段落（所定の段落）５５のさらに下流側へと単純に冷媒を移送させてしまうのではなく、十分な作動圧力を有する冷媒を適切な段落から作動流体移送流路３５に合流させることで、合流させた冷媒を作動流体として機能させることができる。

既述したように、本実施形態のＣＯ_２タービン５によれば、冷媒（冷却用ＣＯ_２）のエンタルピロス（エネルギ損失）を抑制すること（冷媒の圧力を有効に活用すること）によって、エネルギ効率を高めることができる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施形態を図９〜図１２に基づき説明する。なお、これらの図において、図１〜図８に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

この実施形態のＣＯ_２タービンは、第１の実施形態の冷媒回収流路３７に代えて、図９〜図１２に示すように、冷媒回収流路４７を備えている。この冷媒回収流路４７は、集合流路３７ｃを有している。集合流路３７ｃは、所定の段落（例えば第３段落５３）及びこの所定の段落よりも下流側の段落（例えば第４、第５段落５４、５５）でそれぞれ回収した冷媒を集合させ、この集合させた冷媒を、前記所定の段落よりも上流側の段落（例えば第２段落５２の下流側）へ向けて移送する。

また、冷媒回収流路４７が有する集合流路３７ｃは、図１２に示すように、内部ケーシング１５ａ（１５ｂ）の部材内部を通過（経由）する構造で構成されている。なお、集合流路３７ｃは、内部ケーシング１５ａ（１５ｂ）の部材内部において、冷媒移送流路３６の主幹流路３６ａとは、物理的に重ならない位置に設けられている。

さらに詳述すると、冷媒回収流路４７は、図９に示すように、各段落から回収した冷媒を集合流路３７ｃに移送する中継流路３７ｄと、集合流路３７ｃから作動流体移送流路３５へ冷媒を供給する供給流路３７ｅと、をさらに有している。

このように構成された第２の実施形態のＣＯ_２タービンによれば、冷媒を合流させる段落に、より近い段落からも冷媒（ノズル冷却での圧力損失が少ない冷媒）を回収して、作動流体として機能させることができるので、エンルギ効率のさらなる向上を図ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施形態を図１３、図１４に基づき説明する。なお、これらの図において、図１〜図１２に示した第１、第２の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

この実施形態のＣＯ_２タービンは、第２の実施形態の冷媒回収流路４７に代えて、冷媒回収流路５７を備えている。図１３、図１４に示すように、この冷媒回収流路５７は、第２の実施形態の集合流路３７ｃに代えて、集合流路５７ｃを有している。この集合流路５７ｃは、複数のシュラウドセグメント３９の内部（部材内部）をそれぞれ通過（経由）する構造で構成されている。

なお、この実施形態のＣＯ_２タービンは、冷媒移送流路３６の主幹流路３６ａも、シュラウドセグメント３９の内部に設けられている。つまり、上記した集合流路５７ｃは、シュラウドセグメント３９の内部において、主幹流路３６ａとは、物理的に重ならない位置に配置されている。

この実施形態のＣＯ_２タービンによれば、例えばケーシングに集合流路を加工成形する場合とは異なり、集合流路を複数のシュラウドセグメントに分けた状態で加工成形を行えるので、第２の実施の形態の効果に加え、集合流路の加工性を高めることができる。

［第４の実施の形態］
次に、第４の実施形態を図１５に基づき説明する。なお、図１５において、図１〜図１４に示した第１〜第３の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

この実施形態のＣＯ_２タービンは、第１の実施形態の冷媒回収流路３７に代えて、図１５に示すように、冷媒回収流路７７を備えている。この冷媒回収流路７７は、静翼（ノズル）再冷却流路７７ｃを有している。この静翼再冷却流路７７ｃは、所定の段落（例えば第３段落５３）よりも下流側の段落（例えば第５段落５５）で冷媒を回収し、この回収した冷媒を、所定の段落のノズル（静翼）１６の内部を経由させてから、所定の段落よりも上流側の段落（例えば第２段落５２の下流側）へ向けて移送する。

より具体的には、静翼再冷却流路７７ｃは、冷媒を回収した一つ手前の段落（例えば第４段落５４）にも設けられている。つまり、静翼再冷却流路７７ｃは、作動流体移送流路３５に合流する前に、後方段落から順に前方段落のノズル（静翼）１６を冷却するための流路である。

したがって、本実施形態のＣＯ_２タービンによれば、冷媒を作動流体として有効に活用できることに加え、ノズル１６に対する冷却性能を向上させることもできる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、エネルギ効率を高めることができる。
以上、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す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。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

５…ＣＯ_２タービン、１３…動翼、１４…外部ケーシング、１５ａ，１５ｂ…内部ケーシング、１６…ノズル（静翼）、２０…火力発電システム、３５…作動流体移送流路、３６…冷媒移送流路、３６ａ…主幹流路、３７，４７，５７，７７…冷媒回収流路、３７ａ…冷媒合流孔、３７ｂ…ストッパ部、３７ｃ，５７ｃ…集合流路、３７ｄ…中継流路、３７ｅ…供給流路、３８…ノズルセグメント、３８ａ…ノズルサイドウォール、３９…シュラウドセグメント、４０…シールプレート、５２…第２段落、５３…第３段落、５４…第４段落、５５…第５段落、７７ｃ…静翼再冷却流路。

Claims

作動流体及び冷媒としてＣＯ₂を用いるタービンであって、
静翼と動翼との組でそれぞれ構成される複数の段落に対しその上流側から下流側へ向けて前記作動流体を移送する作動流体移送流路と、
前記段落毎の前記静翼の内部を通過させつつ前記上流側から前記下流側へ向けて前記冷媒を移送する冷媒移送流路と、
所定の段落の前記静翼の内部を通過する前記冷媒を回収し、この回収した冷媒を、前記所定の段落よりも上流側の段落で前記作動流体移送流路に合流させる冷媒回収流路と、
を備え、
前記冷媒回収流路は、前記所定の段落及びこの所定の段落よりも下流側の段落でそれぞれ回収した冷媒を集合させ、この集合させた冷媒を、前記所定の段落よりも上流側の段落へ向けて移送する集合流路を含む、タービン。
作動流体及び冷媒としてＣＯ ₂ を用いるタービンであって、
静翼と動翼との組でそれぞれ構成される複数の段落に対しその上流側から下流側へ向けて前記作動流体を移送する作動流体移送流路と、
前記段落毎の前記静翼の内部を通過させつつ前記上流側から前記下流側へ向けて前記冷媒を移送する冷媒移送流路と、
所定の段落の前記静翼の内部を通過する前記冷媒を回収し、この回収した冷媒を、前記所定の段落よりも上流側の段落で前記作動流体移送流路に合流させる冷媒回収流路と、
を備え、
前記冷媒回収流路は、前記所定の段落よりも下流側の段落で冷媒を回収し、この回収した冷媒を、前記所定の段落の前記静翼の内部を経由させてから、前記所定の段落よりも上流側の段落へ向けて移送する静翼再冷却流路を含む、タービン。
作動流体及び冷媒としてＣＯ ₂ を用いるタービンであって、
静翼と動翼との組でそれぞれ構成される複数の段落に対しその上流側から下流側へ向けて前記作動流体を移送する作動流体移送流路と、
前記段落毎の前記静翼の内部を通過させつつ前記上流側から前記下流側へ向けて前記冷媒を移送する冷媒移送流路と、
所定の段落の前記静翼の内部を通過する前記冷媒を回収し、この回収した冷媒を、前記所定の段落よりも上流側の段落で前記作動流体移送流路に合流させる冷媒回収流路と、
個々の静翼をそれぞれ保持する複数の保持部材と、
前記保持部材どうしの間隙を所定の方向からシールするシール部材と、
を備え、
前記冷媒回収流路は、前記保持部材とシール部材とで包囲された空間を経由する、タービン。
作動流体及び冷媒としてＣＯ ₂ を用いるタービンであって、
静翼と動翼との組でそれぞれ構成される複数の段落に対しその上流側から下流側へ向けて前記作動流体を移送する作動流体移送流路と、
前記段落毎の前記静翼の内部を通過させつつ前記上流側から前記下流側へ向けて前記冷媒を移送する冷媒移送流路と、
所定の段落の前記静翼の内部を通過する前記冷媒を回収し、この回収した冷媒を、前記所定の段落よりも上流側の段落で前記作動流体移送流路に合流させる冷媒回収流路と、
前記各段落の静翼及び動翼を少なくとも収容するケーシングと、
個々の静翼をそれぞれ保持する複数の保持部材と、
前記静翼を保持した前記保持部材を前記ケーシングに対して固定する固定部材と、
を備え、
前記冷媒回収流路は、前記固定部材の内部を経由する、タービン。
作動流体及び冷媒としてＣＯ ₂ を用いるタービンであって、
静翼と動翼との組でそれぞれ構成される複数の段落に対しその上流側から下流側へ向けて前記作動流体を移送する作動流体移送流路と、
前記段落毎の前記静翼の内部を通過させつつ前記上流側から前記下流側へ向けて前記冷媒を移送する冷媒移送流路と、
所定の段落の前記静翼の内部を通過する前記冷媒を回収し、この回収した冷媒を、前記所定の段落よりも上流側の段落で前記作動流体移送流路に合流させる冷媒回収流路と、
前記各段落の静翼及び動翼を少なくとも収容するケーシングと、
を備え、
前記冷媒回収流路は、前記ケーシングの部材内部を経由する、タービン。