JP2008261234A - ガスシール機構及び動力システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガスシール部61における蒸気タービン2側に配置された内側ガスシール部61aに、シールガスとして水蒸気Swを導入する水蒸気導入手段Xと、ガスシール部61における内側ガスシール部61aよりも外部側に配置された外側ガスシール部61bに、シールガスとして空気Aを導入する空気導入手段Yとを備え、ガスシール部61に、シールガスを排出するドレン部62が配置されている。
【選択図】図2
Description
この種の動力システムは、上記作動蒸気発生器において、エンジン排ガス等の排熱により供給ポンプにより供給された所定の溶液を加熱して作動蒸気を発生し、上記蒸気タービンにおいて、その作動蒸気により得た軸動力により発電機等を駆動し、上記復水器において、蒸気タービンを回転駆動した後に流出した作動蒸気を溶液に復水させるという動力回路を備える。
この種の動力システムは、復水器で復水したアンモニア濃度が高い濃溶液を、濃溶液流路に設けられた供給ポンプにより昇圧して再生器に送出し、その濃溶液を再生器において原動機の低温排熱(冷却水)により加熱して濃溶液からアンモニア蒸気を分離してアンモニア濃度が低い希溶液とし、その希溶液を希溶液流路に設けられた減圧部により減圧して復水器に送出するという再生回路を備え、更に、その再生器で分離したアンモニア蒸気を蒸気タービンに供給される作動蒸気に合流させるように構成されている。
そして、このような動力システムにおいて、再生器で分離した高濃度のアンモニア蒸気については、一部を作動蒸気発生器に供給される直前の溶液に吸収させ、更に残部を蒸気タービンに供給される直前の作動蒸気に加える形態で、蒸気タービンに供給される前の非共沸混合媒体に合流させることで、蒸気タービンの軸出力を増加させることができ、これは、再生器に供給した低温排熱の熱エネルギを、蒸気タービンの軸動力に変換して回収し得ることを意味する。
また、上述したような動力システムを適用して、蒸気タービンの軸出力により数1000kW以下の発電を行う場合には、小型の蒸気タービンを高速(例えば数万rpm)で回転駆動させて、高効率化が図られる。
一方、上記特許文献3及び4に記載のガスシール機構では、蒸気タービンの作動蒸気としてアンモニア等の低沸点媒体の蒸気を利用する場合において、その蒸気タービンの入口側の作動蒸気の一部を取り出して、その取り出した蒸気を、上記ガスシール部に導入するように構成されている。
更に、上記特許文献3に記載のガスシール機構では、高速で回転駆動する蒸気タービンの出力軸を蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材が、ガスシール部に高圧蒸気を導入することで、出力軸を浮遊支持する静圧軸受(気体軸受)として機能するように構成されている。
前記ガスシール部における前記内側ガスシール部よりも前記外部側に配置された外側ガスシール部に、前記シールガスとして空気を導入する空気導入手段とを備え、
前記ガスシール部に、前記シールガスを排出するドレン部が配置されている点にある。
よって、上記内側ガスシール部の軸線方向に沿って外側に配置された外側ガスシール部に空気が導入されることで、その内側ガスシール部に導入された水蒸気が、その外側ガスシール部を超えて外部に放出されることを抑制することができ、その水蒸気の外側への放出による大気汚染や出力軸に連結された発電機の故障等の問題を回避することができる。尚、上記内側ガスシール部に導入された水蒸気の一部が、その内側ガスシール部の内側に流出して蒸気タービン側の作動蒸気に混入されたとしても、そもそもその作動蒸気が水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液を加熱してなる作動蒸気であることから、蒸気タービンの性能は殆ど低下しない。
一方、上記外側ガスシール部の軸線方向に沿って内側に配置された内側ガスシール部に水蒸気が導入されることで、上記外側ガスシール部に導入された空気が、その内側ガスシール部を超えて蒸気タービンの作動蒸気に混入されることを抑制することができ、その空気の作動蒸気への混入による蒸気タービンの性能低下の発生を回避することができる。尚、上記外側ガスシール部に導入された空気の一部が、その外側ガスシール部の外側に流出して外部に放出されたとしても、それが空気であることから、大気汚染や発電機の故障等の問題はない。
一方、上記外側ガスシール部から内側に流出する空気が、その外側ガスシール部の内側に配置されたドレン部を通じてドレンガスとして排出されることになるので、その空気がそのドレン部よりも更に内側に配置された内側ガスシール部を越えて蒸気タービンの作動蒸気に混入されることを一層抑制することができる。
アンモニア濃度が高い濃溶液を前記原動機の低温排熱により加熱して、前記濃溶液からアンモニア蒸気を分離してアンモニア濃度が低い希溶液とする再生器と、前記復水器から前記再生器へ向けて前記濃溶液が流通する濃溶液流路において前記濃溶液を昇圧して前記再生器に送出する循環ポンプと、前記再生器から前記復水器へ向けて前記希溶液が流通する希溶液流路において前記希溶液を減圧して前記復水器に送出する減圧部とを配置してなる再生回路とを備えて、
前記再生器で分離した前記アンモニア蒸気を、前記蒸気タービンに供給される前の前記非共沸混合媒体に合流させるように構成された動力システムであって、その第1特徴構成は、前記蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材との隙間のガスシール部にシールガスを導入して、前記蒸気タービン側の作動蒸気が前記隙間を通じて外部へ放出されることを防止するガスシール機構として、上記第1乃至上記第4の何れかの特徴構成を有するガスシール機構を備えた点にある。
即ち、上記希溶液を上記高温排熱で加熱することで、アンモニア濃度が低い水蒸気を発生させることができ、その水蒸気をガスシール機構の内側ガスシール部に導入することができる。
前記ドレン部から排出されたドレンガスを、前記脱硝処理部の入口側に流入させる点にある。
前記空気導入手段が、前記過給機で加圧された空気を取り出し、当該取り出した空気を前記外側ガスシール部に導入するように構成されている点にある。
尚、図1は、動力システムの概略構成図であり、図2は、当該動力システムに設けられたガスシール機構の側断面図である。
動力システムは、原動機としてのエンジン21から排出されるエンジン排ガスEの排熱を高温排熱とし、エンジン21を冷却するエンジン冷却水JWの排熱を低温排熱として、これらエンジン排ガスEとエンジン冷却水JWとから効率良く排熱回収して、蒸気タービン2により発電機80を駆動するための軸動力を出力するサイクルを利用するように構成されている。
上記作動蒸気発生器1は、排気路23を通じてエンジン21から供給されたエンジン排ガスEとの熱交換により作動流体の溶液Lを加熱して作動流体の作動蒸気Sを発生する。
上記蒸気タービン2は、上記作動蒸気発生器1から作動蒸気流入路11を通じて供給された作動蒸気Sにより出力軸2bを回転駆動する。そして、この蒸気タービン2の出力軸2bにより出力される回転動力は、発電機80を駆動するための駆動源として利用される。
そして、この動力回路30では、作動流体が、作動蒸気発生器1、蒸気タービン2、復水器3、供給ポンプ14、吸収器5、供給ポンプ16の順に夫々を循環することになる。
上記減圧弁20(減圧部の一例)は、再生器4から復水器3へ向けて希溶液L2が流通する希溶液流路19において希溶液L2を減圧して復水器3に送出する。
即ち、吸収器5において、復水器3から供給ポンプ14により流路13を通じて供給された作動流体の溶液Lに、アンモニア蒸気流路10から分岐する分岐路10aを通じて供給されたアンモニア蒸気Saが吸収されて、アンモニア濃度が非常に高い作動流体の溶液Lが生成され、その溶液Lが供給ポンプ16により一層加圧され流路15を通じて作動蒸気発生器1に供給される。
よって、再生器4で分離されたアンモニア蒸気Saが比較的低圧であっても、この吸収器5でその低圧のアンモニア蒸気Saを良好に溶液に吸収させることができ、更には、当該作動蒸気発生器1で高濃度の溶液Lにより多くのエンジン排ガスEの熱を回収することができるので、蒸気タービン2に多くの作動蒸気Sを供給して蒸気タービン2の軸出力を増加させることができる。
そして、作動蒸気発生器1は、吸収器5においてアンモニア濃度が高くなった溶液Lを、排気路23の下流側から上流側に向けて流通させて、排気路23を流通するエンジン排ガスEの熱を当該溶液Lに与えるように構成されている。
よって、作動蒸気発生器1において、排気路23における下流側(作動蒸気発生器1に対するエンジン排ガスEの出口側)付近では、溶液Lに高濃度に含まれるアンモニアが比較的低温のエンジン排ガスEとの熱交換により良好に蒸発するので、蒸気タービン2に対して多くの作動蒸気Sを供給することができ、更に、排気路23における上流側のエンジン排ガスEの温度が一定である場合でも下流側のエンジン排ガスEの温度を充分に低下させることができることから、作動蒸気発生器1におけるエンジン排ガスEに対する熱回収量を増加させることができる。
また、一般的に吸収器5が復水器3よりも高温であることから、当該吸収器5に供給する冷却水C2は、上述した復水器3で熱回収した後の冷却水C1とすることができる。尚、復水器3と吸収器5とに冷却水C1,C2を個別に供給しても構わない。
即ち、上記吸収器5で溶液Lに吸収し得なかったアンモニア蒸気Saの残部が、アンモニア蒸気流路10から分岐する分岐路10bを通じて、蒸気タービン2の低圧段2aに供給される。
よって、再生器4で分離されたアンモニア蒸気Saが比較的低圧であっても、その低圧のアンモニア蒸気Saを良好に比較的低圧な蒸気タービン2の低圧段2aに供給して、蒸気タービン2の軸出力を増加させることができる。
そして、このガスシール機構は、発電機80において数1000kW以下の発電を行うべく、小型の蒸気タービン2を非常に高速(例えば数万rpm)で回転駆動させる場合でも、シールガスの外部への放出による大気汚染や出力軸2bに連結された発電機80の故障、シールガスの作動蒸気Sへの混入による蒸気タービン2の性能低下等の問題を回避するように構成されている。以下、このガスシール機構の詳細構成について、図2に基づいて説明する。
尚、この水蒸気導入手段Xは、回転駆動する出力軸2bの蒸気タービン2側(即ち、図2では出力軸2bの左側)に外嵌されたスラストプレート63の外面と軸受部材60の内面との隙間を上記内側ガスシール部61aとし、その内側ガスシール部61aに水蒸気Swを供給する水蒸気導入路42により構成されている。
尚、この軸受部材60は、上記水蒸気導入手段Xにより内側ガスシール部61aに高圧で水蒸気Swを導入することで、高速で回転駆動する出力軸2bを浮遊支持する静圧軸受として機能するように構成されている。
尚、この空気導入手段Yは、軸受部材60と回転駆動する出力軸2bの上記スラストプレート63よりも発電機80側(即ち、図2では出力軸2bの右側)に外嵌されたスリーブ67の外面と軸受部材60の内面との隙間を上記外側ガスシール部61bとし、その外側ガスシール部61bに空気Aを供給する空気導入路45により構成されている。
一方、上記外側ガスシール部61bに導入された空気Aの一部が、その外側ガスシール部61bの外側に流出して外部に放出されたとしても、それが空気Aであることから、大気汚染や発電機80の故障等の問題はない。
一方、軸受部材60の内側ガスシール部61aと外側ガスシール部61bとの間には、出力軸2bに設けられたスラストプレート63を、当該軸受部材60に設けられたスラスト軸受面64に対して軸線方向に沿って内向き(即ち蒸気タービン2に向かう方向)に当接させた状態で収容するスラストプレート収容部65が配置されている。
よって、そのスラストプレート収容部65では、スラストプレート63とスラスト軸受面64との当接部により、内側ガスシール部61aと外側ガスシール部61bとが隔離されることで、水蒸気Swの発電機80側への流出及び空気Aの蒸気タービン2側への流出が一層抑制されている。
よって、内側ガスシール部61aから発電機80側に向けて流れる水蒸気Sw、及び、外側ガスシール部61bから蒸気タービン2側に向けて流れる空気Aの夫々が、内側ガスシール部61aと外側ガスシール部61bとの間に位置するドレン部62を通じてドレンガスDとして排出されることになり、水蒸気Swの発電機80側への流出及び空気Aの蒸気タービン2側への流出が一層抑制されている。
よって、内側ガスシール部61aから発電機80側に向けて流れる水蒸気Swは主に内側ドレン部62aを通じて内側ドレンガスDaとして外部に排出され、一方、外側ガスシール部61bから蒸気タービン2側に向けて流れる空気Aは主に外側ドレン部62bを通じて外側ドレンガスDbとして外部に排出されることになる。尚、この夫々のドレンガスDa,Dbは、個別に処理しても、夫々を合流させて同時に処理しても構わない。
したがって、この動力システムでは、ガスシール機構で利用する水蒸気Swを発生させるために、別途水や熱源を追加する必要がない。
そこで、エンジン21の排気路23には、エンジン排ガスEを脱硝処理する脱硝触媒26(脱硝処理部の一例)が設けられており、更に、ドレン部62に接続されたドレン流路47の他端側を排気路23における脱硝触媒26の上流側に接続することで、ドレン部62から排出されたドレンガスDが脱硝触媒26の入口側に流入されている。
したがって、上記ドレンガスDは、そのまま大気に放出されずに、エンジン排ガスEと共に上記脱硝触媒26を通過して無害化された後に放出されることになる。
即ち、上記空気導入手段Yは、吸気路22における過給機25の下流側に接続されて当該吸気路22から加圧された空気Aの一部が流入し、その空気Aをガスシール機構における外側ガスシール部61bに導入する空気導入路45を備えて構成されている。
したがって、この動力システムでは、ガスシール機構で利用する空気Aを加圧するために、別途空気圧縮機等を追加する必要がない。
(1)上記実施形態では、蒸気タービン2の軸動力により発電機80を駆動するように構成したが、本発明において、蒸気タービン2の軸動力は、例えば圧縮式ヒートポンプの圧縮動力等のように、別の用途に利用しても構わない。
2b:出力軸
2:蒸気タービン
3:復水器
4:再生器
14,16:供給ポンプ
17:循環ポンプ
18:濃溶液流路
20:減圧弁
21:エンジン(原動機)
25:過給機
26:脱硝触媒(脱硝処理部)
30:動力回路
35:再生回路
60:軸受部材
61:ガスシール部
61b:外側ガスシール部
61a:内側ガスシール部
62:ドレン部
63:スラストプレート
64:スラスト軸受面
65:スラストプレート収容部
A:空気
D:ドレンガス
Db:外側ドレンガス
E:エンジン排ガス(高温排熱)
JW:エンジン冷却水(低温排熱)
L:溶液
L1:濃溶液
L2:希溶液
S:作動蒸気
Sw:水蒸気
X:水蒸気導入手段
Y:空気導入手段
Claims (8)
- 水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液を加熱してなる作動蒸気により回転駆動する蒸気タービンにおいて、前記蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材との隙間のガスシール部にシールガスを導入して、前記蒸気タービン側の作動蒸気が前記隙間を通じて外部へ放出されることを防止するガスシール機構であって、
前記ガスシール部における前記蒸気タービン側に配置された内側ガスシール部に、前記シールガスとして水蒸気を導入する水蒸気導入手段と、
前記ガスシール部における前記内側ガスシール部よりも前記外部側に配置された外側ガスシール部に、前記シールガスとして空気を導入する空気導入手段とを備え、
前記ガスシール部に、前記シールガスを排出するドレン部が配置されているガスシール機構。 - 前記ドレン部が、前記内側ガスシール部と前記外側ガスシール部との間に位置する請求項1に記載のガスシール機構。
- 前記内側ガスシール部と前記外側ガスシール部との間に、前記出力軸に設けられたスラストプレートを、前記軸受部材に設けられたスラスト軸受面に対して軸線方向に沿って内向きに当接させた状態で収容するスラストプレート収容部が配置されている請求項1又は2に記載のガスシール機構。
- 前記軸受部材が、前記水蒸気導入手段により前記内側ガスシール部に高圧水蒸気を導入することで、前記出力軸を浮遊支持する静圧軸受として機能する請求項1〜3の何れか一項に記載のガスシール機構。
- 水とアンモニアとを混合してなる非共沸混合媒体の溶液を原動機の高温排熱により加熱して前記作動蒸気を発生する作動蒸気発生器と、前記作動蒸気発生器から供給された前記作動蒸気により回転駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから流出した前記作動蒸気を冷却して前記溶液に復水させる復水器と、前記復水器から供給された前記溶液を前記作動蒸気発生器に供給する供給ポンプとを配置してなる動力回路と、
アンモニア濃度が高い濃溶液を前記原動機の低温排熱により加熱して、前記濃溶液からアンモニア蒸気を分離してアンモニア濃度が低い希溶液とする再生器と、前記復水器から前記再生器へ向けて前記濃溶液が流通する濃溶液流路において前記濃溶液を昇圧して前記再生器に送出する循環ポンプと、前記再生器から前記復水器へ向けて前記希溶液が流通する希溶液流路において前記希溶液を減圧して前記復水器に送出する減圧部とを配置してなる再生回路とを備えて、
前記再生器で分離した前記アンモニア蒸気を、前記蒸気タービンに供給される前の前記非共沸混合媒体に合流させるように構成された動力システムであって、
前記蒸気タービンの出力軸と当該出力軸を回転自在に支持する軸受部材との隙間のガスシール部にシールガスを導入して、前記蒸気タービン側の作動蒸気が前記隙間を通じて外部へ放出されることを防止するガスシール機構として、請求項1〜4の何れか一項に記載のガスシール機構を備えた動力システム。 - 前記水蒸気導入手段が、前記希溶液流路から取り出した希溶液を前記原動機の高温排熱により加熱してアンモニア濃度が低い水蒸気を発生させ、当該発生した水蒸気を前記内側ガスシール部に導入する請求項5に記載の動力システム。
- 前記原動機がエンジンであると共に、前記エンジンの排ガスを脱硝処理して排出する脱硝処理部を備え、
前記ドレン部から排出されたドレンガスを、前記脱硝処理部の入口側に流入させる請求項6に記載の動力システム。 - 前記原動機が、過給機を有するエンジンであり、
前記空気導入手段が、前記過給機で加圧された空気を取り出し、当該取り出した空気を前記外側ガスシール部に導入するように構成されている請求項5〜7の何れか一項に記載の動力システム。
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