JP5951386B2 - タービンおよびタービン冷却方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、タービンおよびタービン冷却方法に関する。

例えば高温の燃焼ガスが通路部を流れるガスタービンの静止部においては、冷却空気等を通すノズルを備えた静翼（以下、「タービンノズル」と称す）がケーシングに取り付けられるほか、ケーシングを高温の燃焼ガスから保護すること、および対向する動翼先端とのクリアランスを最適に保ち、動翼先端からの作動流体のリークを最小限にすることを目的に、シュラウドセグメントがケーシングに取り付けられている。タービンノズルおよびシュラウドセグメントは、それぞれ、冷却空気等により、温度が材料の許容温度以下になるように冷却される。

特許第４６９８８４７号公報

上記シュラウドセグメントの取付けに際しては、ケーシングにシュラウドセグメントを保持するためのフック部等や、シュラウドセグメントにタービンノズルを保持するためのフック部等を形成する必要があり、その構成のために大きなスペースを必要とする。また、タービンノズルおよびシュラウドセグメントを冷却する場合、それぞれの冷却通路を形成する必要があり、冷却通路の引き回しが複雑になる。さらには、冷却空気等の流量が多くなったり、タービンノズルとシュラウドセグメントが嵌め合うフック部から冷却空気等がリークしたりすることがあるため、冷却効率が良いとは言えない。

発明が解決しようとする課題は、効率よく運転することが可能なタービンおよびタービン冷却方法を提供することにある。

実施形態のタービンは、熱交換器および燃焼器を通じて得られるＣＯ _２ を作動流体とする一方で、前記熱交換機内の流路の途中から得られるＣＯ_２を冷却流体とするタービンにおいて、前記タービンの静止部を構成するケーシングと、前記ケーシングに取り付けられる静翼とを具備し、前記静翼は、前記冷却流体としてのＣＯ _２ が前記ケーシング側から当該静翼の内輪側へ向かって流れ、前記内輪で折り返し、前記ケーシング側へ向かって流れる第１の冷却通路を有するとともに、前記内輪で折り返して前記ケーシング側へ向かって流れたＣＯ _２ が引き続き流れる第２の冷却通路を備え且つシュラウドセグメントの機能を備える延長部を有する。

一実施形態に係る火力発電システムの概略構成の一例を示すブロック図。 図１の火力発電システムに含まれるタービンの静止部に適用される冷却機構の一部の構成例を示す断面図。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

近年、タービンの作動流体や冷却流体としてＣＯ_２を使用し、発電とＣＯ_２の分離・回収を同時に行える、環境調和性の高い火力発電システムの実現が検討されている。

例えば超臨界圧のＣＯ_２を用いた酸素燃焼の循環システムを構成し、ＣＯ_２を有効活用することで、ＮＯ_ｘを排出しないゼロエミッションのシステムを実現することが可能となる。

このような火力発電システムでは、例えば、天然ガス（メタン等）および酸素を燃焼器に導入して燃焼させ、これにより発生する高温ＣＯ_２を作動流体としてタービンを回転させて発電を行い、タービンから排出されるガス（ＣＯ_２および水蒸気）を、熱交換器により冷却し、水分を分離した後、ＣＯ_２を高圧ポンプで圧縮し、高圧ＣＯ_２を得て、その大部分を熱交換器により加熱して燃焼器へ循環させる一方で、残りの高圧ＣＯ_２を回収して他の用途に使用する。

図１は、一実施形態に係る火力発電システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

図１に示される火力発電システムは、タービンの作動流体としてＣＯ_２を使用し、発電とＣＯ_２の分離・回収を同時に行える、環境調和性の高い火力発電システムである。この火力発電システムでは、超臨界圧のＣＯ_２を用いた酸素燃焼の循環システムを構成し、ＣＯ_２を有効活用することで、ＮＯ_ｘを排出しないゼロエミッションのシステムを実現する。

図１に示される火力発電システムは、主な構成要素として、燃焼器１、タービン２、発電機３、熱交換器４、冷却器５、湿分分離器６、および高圧ポンプ７を有する。なお、燃焼器１はタービン２と一体化されていてもよい。

燃焼器１は、タービン２の排ガスからリサイクルして得られる高圧ＣＯ_２を導入するとともに、燃料のメタンおよび酸素を導入して燃焼し、高温（例えば約１１５０℃）のＣＯ_２を発生する。

タービン２は、燃焼器１から発生する高温のＣＯ_２をタービン内部に作動流体として導入し、膨張仕事をさせ、動翼を通じてロータを回転させる一方で、熱交換器４内の流路の途中から低温（例えば約４００℃）のＣＯ_２をタービン内部に冷却・シール流体として導入し、動翼やその周辺部（内部ケーシング等）の冷却や作動流体の外部への漏洩を防ぐシール処理を行わせ、膨張仕事および冷却・シール処理をそれぞれ終えたガス（ＣＯ_２および水蒸気）を排出する。

発電機３は、タービン２と同軸上に配置され、タービン２の回転に応じて発電する。

熱交換器４は、熱交換により、タービン２から排出されるガス（ＣＯ_２および水蒸気）から熱を奪うとともに、タービン２に再び導入されるＣＯ_２に対して熱を与える。この場合、熱交換器４は、例えば約７００℃のＣＯ_２を燃焼器１に供給するとともに、熱交換器４内の流路の途中から得られる例えば約４００℃のＣＯ_２をタービン２に供給する。

冷却器５は、熱交換器４により熱を奪われたガスをさらに冷却する。

湿分分離器６は、冷却器５により冷却されたガスから水分を分離し、水分が取り除かれたＣＯ_２を出力する。

高圧ポンプ７は、湿分分離器６により水分が取り除かれたＣＯ_２を圧縮し、高圧のＣＯ_２を出力し、その大部分をタービン再導入のために熱交換器４に供給する一方で、残りの高圧ＣＯ_２を他の設備へ供給する。

このような構成において、燃焼器１に、タービン２の排ガスからリサイクルして得られる高圧ＣＯ_２が導入され、燃料のメタンおよび酸素が導入されて燃焼すると、高温ＣＯ_２が発生する。燃焼器１から発生した高温ＣＯ_２は、タービン２の上流段側上方より作動流体として導入される一方で、熱交換器４内の流路の途中から供給される低温ＣＯ_２が、タービン２の上流段側下方より冷却流体・シール流体として導入される。高温ＣＯ_２は、タービン２内で膨張仕事をし、動翼を通じてタービンを回転させる一方で、低温ＣＯ_２は動翼やその周辺部（内部ケーシング等）の冷却やシール処理を行う。タービン２のロータが回転すると、発電機３が発電する。

膨張仕事および冷却・シール処理を終えたガス（ＣＯ_２および水蒸気）は、タービン２から排出され、熱交換器４により熱を奪われた後、冷却器５によりさらに冷却され、湿分分離器６により水分を分離された後、水分の取り除かれたＣＯ_２が取り出される。湿分分離器６により水分が取り除かれたＣＯ_２は、高圧ポンプ７により圧縮され、高圧ＣＯ_２として出力され、その大部分がタービン再導入のために熱交換器４に供給される一方で、残りの高圧ＣＯ_２が他の設備へ供給される。熱交換器４に供給された高圧ＣＯ_２は、熱交換器４により熱が与えられ、燃焼器１に供給されるとともに、この高圧ＣＯ_２よりも温度の低い高圧ＣＯ_２がタービン２に供給される。

このように構成することにより、ＣＯ_２を分離・回収する設備（ＣＣＳ）を別途設けることなく、高純度の高圧ＣＯ_２を回収することができる。また、回収される高圧ＣＯ_２は、貯留することができるほか、石油採掘現場で用いられているＥＯＲ（Enhanced Oil Recovery）にも適用できる等、有効に活用することができる。

図２は、図１の火力発電システムに含まれるタービン２の静止部に適用される冷却機構の一部の構成例を示す断面図である。なお、図２中の破線で示される矢印は、冷却流体（低温ＣＯ_２）の流れを表している。
本実施形態におけるタービン２は、図２に示されるように、高温ＣＯ_２を作動流体とし、低温ＣＯ_２を冷却流体とする単流式のタービンであり、主な構成要素として、軸受（ジャーナル・スラスト軸受等）により車軸が支持されるロータ（回転体）１１、およびロータ１１を囲むケーシング（静止部）１２を有する。

ロータ１１は、軸方向に沿った複数段の動翼１４を備えている。ケーシング１２は、ロータ１１の静止部を構成し、ロータ１１側の複数段の動翼１４の位置に応じて配置された複数段の静翼１５を備え、この静翼１５には、ロータ１１と対向するように、静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａが設けられ、静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａにおけるロータ１１を向いた端部はロータ１１の表面に近接している。また、静翼１５は、ケーシング１２に取り付けられた静翼アウターウォール１５ｂを有する。

さらに、静翼１５は、内部に冷却流体が流れる冷却通路を有し且つシュラウドセグメントの機能を備えた静翼アウターウォール延長部１５ｃを有する。静翼アウターウォール延長部１５ｃは、ロータ１１の軸方向に沿って、ケーシング１２を高温の作動流体（高温ＣＯ_２）の熱から保護するとともに該作動流体が通る部分のクリアランスの調整を行うシュラウドセグメントの機能を有している。

この静翼アウターウォール延長部１５ｃは、静翼アウターウォール１５ｂをロータ軸方向に延長させた構造を有する。この静翼アウターウォール１５ｂと静翼アウターウォール延長部１５ｃとは、一つの部材で一体として形成されている。静翼アウターウォール延長部１５ｃにおける動翼１４の端部を向いた表面は、動翼１４の端部表面に近接している。

タービン２内に導入された冷却用の流体（低温ＣＯ_２）は、ケーシング１２内に加工された冷却通路１２ａを介して、静翼１５の内部の冷却通路に流入し、この流体が静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａを流れた後、少なくともその一部が静翼アウターウォール延長部１５ｃの内部の冷却通路に流入して流れるようになっている。静翼アウターウォール延長部１５ｃを冷却した後の流体は、ガス通路部へ流入し、作動流体と共にタービン２から排出，回収される。

なお、静翼アウターウォール延長部１５ｃにおける、動翼１４の先端部と対向する部分には、動翼１４の先端部におけるリークを低減するために、凹凸形状（ラビリンス形状）を形成したり、ハニカムシールを接合したり、あるいは耐摩耗性または摩耗性コーティングを施工するようにしてもよい。また、温度低減のため遮熱コーティングを施工するようにしてもよい。

このように構成することにより、各部材の取り付けのためのスペースを最小限にすることができ、ケーシングサイズを小さくすることが可能となる。また、部品点数を減らすことができ、製造コストを削減することも可能となる。さらに、静翼１５のノズルから静翼アウターウォール延長部１５ｃへの冷却通路の形成が容易となり、冷却流量を最小限とすることができる。特に、冷却流体として使用しているＣＯ_２は、空気などのガスに比べ、熱伝導性が高く、熱を奪いやすい特性があることから、その冷却効果は大きい。また、静翼アウターウォール１５ｂと静翼アウターウォール延長部１５ｃとの間にはフック部等の勘合部が無いため、当該部からの冷却流体のリークを無くすことができる。

以上詳述したように、実施形態によれば、タービンを効率よく運転することが可能となる。

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。

１…燃焼器、２…タービン、３…発電機、４…熱交換器、５…冷却器、６…湿分分離器、７…高圧ポンプ、１１…ロータ、１２…ケーシング、１２ａ…冷却通路、１４…動翼、１５…静翼、１５ａ…静翼ダイヤフラム（内輪）、１５ｂ…静翼アウターウォール、１５ｃ…静翼アウターウォール延長部。

Claims (5)

1. 熱交換器および燃焼器を通じて得られるＣＯ _２ を作動流体とする一方で、前記熱交換機内の流路の途中から得られるＣＯ_２を冷却流体とするタービンにおいて、
   前記タービンの静止部を構成するケーシングと、
   前記ケーシングに取り付けられる静翼と
   を具備し、
   前記静翼は、前記冷却流体としてのＣＯ _２ が前記ケーシング側から当該静翼の内輪側へ向かって流れ、前記内輪で折り返し、前記ケーシング側へ向かって流れる第１の冷却通路を有するとともに、前記内輪で折り返して前記ケーシング側へ向かって流れたＣＯ _２ が引き続き流れる第２の冷却通路を備え且つシュラウドセグメントの機能を備える延長部を有することを特徴とするタービン。
2. 前記静翼は、前記ケーシングに取り付けられたアウターウォールを有し、
   前記延長部は、前記アウターウォールをロータ軸方向に延長させた構造を有することを特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 前記アウターウォールと前記延長部とは、一つの部材で一体として形成されていることを特徴とする請求項２に記載のタービン。
4. 前記延長部は、前記ケーシングを作動流体の熱から保護する機能と、動翼先端とのクリアランスを保つ機能とを備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタービン。
5. 熱交換器および燃焼器を通じて得られるＣＯ _２ を作動流体とする一方で、前記熱交換機内の流路の途中から得られるＣＯ_２を冷却流体とし、静止部を構成するケーシングと、前記ケーシングに取り付けられる静翼とを具備するタービンに適用されるタービン冷却方法であって、
   前記静翼に、前記冷却流体としてのＣＯ _２ が前記ケーシング側から当該静翼の内輪側へ向かって流れ、前記内輪で折り返し、前記ケーシング側へ向かって流れる第１の冷却通路を形成するとともに、前記内輪で折り返して前記ケーシング側へ向かって流れたＣＯ _２ が引き続き流れる第２の冷却通路を備え且つシュラウドセグメントの機能を備える延長部を形成する
   ことを特徴とするタービン冷却方法。

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