高温蒸汽涡轮机设备.pdf

本发明提供一种兼顾可靠性和成本，由燃烧效率方面优异的纵型锅炉构成的主蒸汽温度为675℃以上，输出为100MW以上的高温蒸汽涡轮机发电设备。本发明中，就主蒸汽温度为675℃以上，输出为100MW以上的高温蒸汽涡轮机设备而言，作为顶置涡轮机形式，构成如下。由包括设置有VHT涡轮机的纵型锅炉的锅炉室，和以地面为基础设置的涡轮机室构成，在锅炉上部设置着VHT涡轮机以及与其连结的发电机，锅炉室和涡轮机室之间的最高压的蒸汽配管的材质由铁素体钢或者含有50重量％以上Fe的奥氏体钢构成。另外，VHT涡轮机的入口温度在675℃以上，出口温度在550℃以上，650℃以下。

1.  一种高温蒸汽涡轮机设备，是主蒸汽温度为675℃以上，输出为100MW以上的高温蒸汽涡轮机设备，其特征在于，
由包括有在上部设置有VHT涡轮机的纵型锅炉的锅炉室，和以地面为基础设置的涡轮机室构成，上述VHT涡轮机的入口温度在675℃以上，出口温度在550℃以上650℃以下，在上述纵型锅炉的上部设置着上述VHT涡轮机以及与该VHT涡轮机连结的发电机，上述锅炉室和上述涡轮机室之间的最高压的蒸汽配管的材质由铁素体钢或者含有50重量％以上Fe的奥氏体钢构成。

2.  如权利要求1所述的高温蒸汽涡轮机设备，其特征在于，上述VHT涡轮机由在蒸汽流路不含有焊接接合部的一体型的Ni基超合金制转子构成，入口温度为690℃～720℃，出口温度为600～620℃。

3.  如权利要求2所述的高温蒸汽涡轮机设备，其特征在于，上述Ni基超合金制转子的蒸汽流路部的重量在10ton以下。

4.  如权利要求1所述的高温蒸汽涡轮机设备，其特征在于，上述纵型锅炉和上述VHT涡轮机之间的蒸汽流路由外径在300mm以下的多个配管构成，其材质为析出强化型Ni基超合金，主蒸汽温度在700℃以上。

高温蒸汽涡轮机设备
技术领域
本发明涉及主蒸汽温度为675℃以上，输出为100MW以上的高温蒸汽涡轮机发电设备。
背景技术
为了提高蒸汽涡轮机发电设备的发电效率，有效的是提高主蒸汽温度。现在，主蒸汽温度超过600℃的蒸汽涡轮机发电设备已经工业应用，主蒸汽温度650℃级的蒸汽涡轮机的开发得到发展。另外，以进一步提高效率为目标，使主蒸汽温度在700℃以上的蒸汽涡轮机的开发也得到发展。
在以主蒸汽温度700℃以上为目标的蒸汽涡轮机中，因为以往用于转子材料的钢铁材料的耐用温度为650℃左右，所以，需要使转子材料等为Ni基超合金。Ni基超合金与钢铁材料相比，虽然强度高，但价格也高，另外，大型锻造品的制作困难。现在，非常适合大型锻造品的制作的Ni基超合金的开发·选定以及论证作业有所发展，获得了可通过一部分的Ni基超合金，制作重量为10吨级的锻造品的希望。但是，一般的大型蒸汽涡轮机的转子的重量为30～40吨。因此，研究了通过焊接，连结多个锻造材料，作为转子的焊接转子方式。另外，也研究了仅分割温度高的部分，作为小型的高温涡轮机的顶置涡轮机方式(例如，参照专利文献1)。
[专利文献1]E.Saito，et al.，“Development of theUltra-Supersritical Steam Turbine for Large Coal-fired PowerPlants”，Proc.Power-Gen International，(2004)
在以主蒸汽温度700℃以上为目标的蒸汽涡轮机设备中，重大的课题是在使用Ni基超合金，形成涡轮机、锅炉的高温部的技术的基础上，减少与以往的钢铁材料相比高价的Ni，还有在一部分的Ni基超合金中大量含有的高价的Co，Mo的使用量。
在焊接转子方式中，若使30～40吨的转子全部为Ni基超合金，则Ni使用量很大，因此，需要使温度高的部位(相当约10吨)为超合金，使温度低的部位为12Cr钢等的钢铁材料，将两个部位接合。因为温度高的部位重量最多10吨左右，所以，能够减少Ni使用量。
但是，由于是异种材料的接合，所以在高温长时间的使用中，由于因材料之间组成的不同引起的元素的扩散，接合部变质，因此，难以确保可靠性。另外，作为钢，使用高温强度方面优异的铁素体钢，但是，在铁素体钢和Ni基超合金中，由于Ni基超合金的热膨胀系数大，两者的热膨胀系数不同，存在因接合时的热应力产生裂痕、因使用时的热应力产生疲劳损坏成为问题的可能性。因此，需要使用热膨胀小的Ni基超合金。
在Ni基超合金中，存在大量含有Fe，并且具有高强度的Ni-Fe基超合金。但是，因为Fe增大了线膨胀系数，所以，Ni-Fe基超合金作为焊接转子材料不好。为了使Ni基超合金的线膨胀系数与铁素体钢为相同程度，在不添加廉价的Fe的基础上，需要大量添加减小热膨胀的Mo。
大量含有Mo的Ni基超合金虽然适用作为焊接转子材料，但是，因为没有含有廉价的Fe，大量含有比Ni价格高的Mo，所以存在成本问题。在顶置涡轮机形式中，因为没有焊接部，所以可靠性高，另外，能够使用低成本的Ni-Fe基超合金，但是，由于增加了一台涡轮机，存在成本上升的问题。
接着，就使供给于蒸汽涡轮机的高压蒸汽产生的锅炉侧的课题进行阐述。
大型蒸汽涡轮机设备的锅炉一般高度在70m以上，越在上部温度越高，供给到蒸汽涡轮机的高温高压蒸汽的配管从锅炉上部延伸到处于地面的涡轮机室，因此，其长度达到100m以上。
在主蒸汽温度675℃以上的蒸汽涡轮机设备中，因为钢铁材料的耐用温度为650℃左右，所以，上述的高温高压蒸汽配管需要用Ni基超合金制作。由于该蒸汽配管具有600mm左右的外径，100mm左右的壁厚，其长度达到100m以上，所以，配管的总重量比涡轮机使用的Ni基超合金的量多很多。
另外，作为锅炉材料，在700℃以下的主蒸汽温度中，作为Ni基超合金，可以使用成本、制造性方面优异的HR6W等的Ni-Fe基超合金，但是，在700℃以上的情况下，需要使用强度优异的IN617等的固溶强化型Ni基超合金，在720℃以上的情况下，需要使用强度特性方面更优异的Nimonic263等的析出强化型Ni基超合金。因为IN617、Nimonic263等不仅成本高，而且制造性不好，所以，不可能制作具有600mm左右的外径的长的配管。因此，需要通过外径小的多个配管，从锅炉室向涡轮机室供给高温高压的蒸汽，在配管为复数的情况下，因为每个流量面积的重量增加，所以，配管重量增加，因此，成本进一步增大。
由于这样的背景，以缩短涡轮机室和锅炉室之间的配管为目的，尝试着将纵型的锅炉躺倒，但是，存在燃烧效率降低，设置面积大幅增加的问题。
本发明的目的是提供一种兼顾可靠性和成本，由燃烧效率方面优异的纵型锅炉构成的主蒸汽温度为675℃以上，输出为100MW以上的高温蒸汽涡轮机发电设备。
发明内容
在本发明中，就主蒸汽温度为675℃以上，输出为100MW以上的高温蒸汽涡轮机设备而言，作为顶置涡轮机形式，构成如下。
即，由包括有在上部设置有VHT(Very high Temperature)涡轮机的纵型锅炉的锅炉室，和以地面为基础设置的涡轮机室构成，在锅炉上部设置着与VHT涡轮机连结的发电机，锅炉室和涡轮机室之间的最高压的蒸汽配管的材质由铁素体钢或者含有50重量％以上Fe的奥氏体钢构成。另外，VHT涡轮机的入口温度在675℃以上，出口温度在550℃以上，650℃以下。
在具有上述构成的蒸汽涡轮机设备中，可以是VHT涡轮机其入口温度为690℃～720℃，出口温度为600～620℃，由在蒸汽流路不含有焊接接合部的一体型的Ni基超合金制转子构成。另外，该转子可以由蒸汽流路部的重量在10吨以下的转子构成。
另外，在本发明中，在具有上述的构成，主蒸汽温度为700℃以上的蒸汽涡轮机设备中，可以由外径在300mm以下的多个配管，构成纵型锅炉和VHT涡轮机之间的蒸汽流路，其材质为析出强化型Ni基超合金。
发明效果
根据本发明，能够提供一种兼顾成本以及可靠性的高效率的高温蒸汽涡轮机设备。
附图说明
图1是基于本发明的一个实施例的高温蒸汽涡轮机设备的概略构成图。
图2是基于本发明的其它的实施例的高温蒸汽涡轮机设备的概略构成图。
图3是基于本发明的另外的实施例的高温蒸汽涡轮机设备的概略构成图。
图4是表示高温蒸汽涡轮机设备的以往例的概略构成图。
图5是表示高温蒸汽涡轮机设备的另外的以往例的概略构成图。
图6是表示高温蒸汽涡轮机设备的比较例的概略构成图。
图7是基于另外的比较例的高温蒸汽涡轮机设备的概略构成图。
图8是基于其它的比较例的高温蒸汽涡轮机设备的概略构成图。
符号说明
11…纵型锅炉、12…VHT涡轮机、13…发电机、14…锅炉室、15…涡轮机室、16…高压配管、17…HP涡轮机、30…焊接转子构造的VHT涡轮机。
具体实施方式
VHT涡轮机表示顶置涡轮机。因为锅炉室和涡轮机室之间的最高压的蒸汽配管的材质为铁素体钢或者含有50重量％以上Fe的奥氏体钢，由于这些材料的耐用温度上限为650℃，所以，必须使VHT涡轮机的出口温度在650℃以下。据此，因为可以用钢铁材料制作以往由Ni基超合金制作的涡轮机室和锅炉室之间的最高压的蒸汽配管，所以能够大幅降低Ni的使用量。
但是，因为耐用温度超过了630℃的铁素体钢的溶解以及锻造成本高，所以若考虑尾流的配管、涡轮机转子的成本，则最好使VHT涡轮机出口温度在630℃以下。
为了得到高的可靠性，希望VHT涡轮机是Ni基超合金的一体型。但是，在Ni基超合金的情况下，难以制作远远超过10吨的锻造品，对VHT涡轮机的大小有限制。若降低VHT涡轮机的出口温度，则涡轮机的级数增加，转子也增长，重量增大。若提高VHT涡轮机的出口温度，则转子缩短，重量也减轻。由于Ni基超合金存在制造界限，所以，在为Ni基超合金的一体型VHT涡轮机中，希望使入口温度为690～720℃，出口温度为600℃以上，620℃以下。
就超过Ni基超合金的制造界限的长度的转子而言，因为出口温度在620℃以下，所以，最好对铁素体钢进行焊接。但是，在该情况下，若为一体型，则能够使用Ni含有量少的Ni-Fe基超合金，然而，由于在焊接转子的情况下，需要使用不仅大量含有Ni，还含有高价的Mo的Ni基超合金，所以，成本上升。虽然有将超合金彼此焊接，获得长度的方法，但是，仅仅是超合金增加的量就使得Ni使用量增加，成本上升。
若为620℃以下的蒸汽，则最好通过铁素体钢制的配管，向在锅炉室的铁素体制的涡轮机进行供给的工作。但是，在主蒸汽温度远远超过700℃、由10吨级的锻造品构成的转子中，不能使出口温度在630℃以上，650℃以下的情况下，需要将超合金的锻造品彼此焊接，获转子长度，使出口温度在630℃～650℃以下。即，VHT涡轮机的入口温度在720℃以上，出口温度在630℃～650℃，用超合金彼此的焊接转子制作的由上述VHT构成的高温蒸汽涡轮机设备也是本发明的范畴。在本发明中，因为涡轮机室内的涡轮机的最高压的蒸汽入口温度为550～600℃，是与现在的工业应用中的主蒸汽温度550～600℃级的蒸汽涡轮机设备同等的构造，所以，适合将主蒸汽温度550～600℃级的蒸汽涡轮机设备置换成700℃级，关于这样的被置换的蒸汽涡轮机设备也是本发明的范畴。
[实施例]
对将本发明应用在输出500MW级、主蒸汽温度700℃的一级再热式蒸汽涡轮机设备的情况的例子与比较例一起表示如下。
表1是表示本实施例的蒸汽涡轮机设备的VHT涡轮机、HP涡轮机、涡轮机室和锅炉室之间的高压配管所使用的材料的组成(重量％)和Ni当量。在本发明中，因为目的是兼顾成本和可靠性，所以，存在需要使高价的Ni的使用量为最小的、在Ni以外，在超合金中包括Mo、Co、W等的高价的元素的情况，因此，以表1所示的Ni当量作为超合金的素材消耗指标。在表2中表示总Ni当量。


图4是通过焊接转子，构成HP涡轮机的情况的以往例，作为以往A。在该构成的蒸汽涡轮机设备中，用于焊接转子41的超合金是与铁素体钢线膨胀系数接近的超合金A。关于高压配管16，因为是高温高压，从强度和加工性的平衡出发，需要使用超合金A。该情况下的高压配管以及HP涡轮机的Ni当量的总和为54.6吨(ton)。
图5是顶置涡轮机形式的蒸汽涡轮机设备的以往例，作为以往B。在该情况下，因为没有采用焊接构造，所以，VHT涡轮机51使用的材料没有必要协调铁素体钢和线膨胀系数，可以使用大量含有Fe的、制造性也优异的超合金B。该情况下的Ni当量为49.5，是比以往A小的值，但是，存在由于增加了一台涡轮机造成的成本上升的问题。
图1是本发明的一个实施例，作为本发明A1。本发明A1的蒸汽涡轮机设备由包括有在上部设置有VHT涡轮机12和发电机13的纵型锅炉11的锅炉室14，和以地面为基础设置的涡轮机室15构成。在纵型锅炉11的上部设置VHT涡轮机11，再有，设置与VHT涡轮机11连结的发电机13。使VHT涡轮机12的入口温度在650℃以下，据此，由铁素体钢替代以往使用50吨左右的超合金的涡轮机室15和锅炉室14之间的高压配管16。
在本发明A1中，由于使出口温度为610℃，故此，高压配管16可以使用钢C，HP涡轮机17的转子可以使用钢A。
若VHT涡轮机12的入口温度和出口温度的差增大，则VHT涡轮机的全长增长，转子的重量增加，因此，超过了作为超合金A以及超合金B的制造界限的10吨，不能通过一体构造制作。本发明A1的VHT涡轮机转子重量是刚刚没有超过超合金B的制造界限的重量，是一体构造的VHT涡轮机转子。该情况下的总Ni当量为4，与以往A以及以往B相比，为大幅降低的值。若与以往A相比，则Ni当量减少了50吨以上，对增加一台小型涡轮机、一台小型发电机的成本缺陷进行补充，还有节余，比以往A成本方面优异，另外，因为旋转部不含有焊接部，所以，可靠性也高。
图2是与本发明A1相比，提高了VHT涡轮机12的出口温度的情况，作为本发明A2。铁素体钢虽然可以使用到650℃左右，但是，为了在超过620℃的温度下使用，需要添加Co、B，据此，素材成本、制造成本上升。钢B在长时间使用时产生强度劣化的倾向强，将620℃左右的钢A的可靠性和超过630℃的温度下的钢B的可靠性进行比较，钢A优异。
在本发明A2中，因为VHT出口温度超过620℃，所以，高压配管16以及HP涡轮机17的转子使用添加了Co以及B的钢B。在本发明A2中，将超合金B用于VHT涡轮机12，因为出口温度比本发明A1高，所以转子全长缩短，转子重量减轻，因此，超合金的使用量得到削减，总Ni当量比本发明A1低。
但是，因为重量大的高压配管、HP涡轮机需要使用作为铁素体钢成本高，与钢A比，长时间可靠性低的钢B，所以，在成本以及可靠性方面还是本发明A1优异。
图3是将VHT涡轮机的入口温度提高到730℃的情况，作为本发明B。为了使高压配管16以及HP涡轮机17的材质为兼顾成本和可靠性的钢A以及钢C，需要使VHT涡轮机的出口温度在630℃以下。该情况下，VHT涡轮机的全长增长，不能成为超合金B的一体构造。另外，因为超合金B在730℃时强度不足，所以，将超合金C焊接接合到温度高的部分，成为焊接转子构造的VHT涡轮机30。该情况下的总Ni量约14吨，是与使VHT涡轮机入口温度为700℃的以往A以及以往B相比大幅降低的值。
虽然若与本发明A1以及本发明A2进行比较，则Ni当量是略高的值，但是，若考虑VHT涡轮机入口温度提高了30℃所产生的效率的提高，则可以认为本发明B也是十分有效的构成。
图6所示的比较例1是使VHT涡轮机的出口温度为675℃的情况，该情况下，因为需要使高压配管16是超合金，HP涡轮机是超合金和铁素体钢的焊接构造，所以，总Ni当量与以往A以及以往B程度相同，若考虑增加小型发电机的成本，则完全没有效果。
图7所示的比较例2是将VHT涡轮机的出口温度为降低到500℃的情况。在该情况下，因为VHT涡轮机转子为大型，成为超合金A和钢A的焊接转子。虽然成为铁素体钢和超合金的焊接构造，但是总Ni当量与本发明A1、本发明A2相比是高的值，没有优点。另外，因为VHT涡轮机的总重量增加，所以，为了设置在锅炉上部，伴随有加强等的成本。由于这样的理由，VHT涡轮机的出口温度必须在550℃以上。
图8所示的比较例3是将HP涡轮机完全提升到锅炉上的情况，但是，HP涡轮机是超过150吨的重量的构造物，所以，不可能设置在锅炉上部，不现实。
从上述的结果可知，本发明的有效性明显。