专利名称：蒸汽涡轮发电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种设有高温蒸汽涡轮的蒸汽涡轮发电设备，并且更具体地说，涉及一种设有其各构成部分由适合的耐热合金、耐热钢等制成的蒸汽涡轮的蒸汽涡轮发电设备。
背景技术：
在能源危机之后有力地推动了火力发电系统的节能设计，从而抑制了CO2的产生，并且考虑到近年来的全球环境保护问题，对高效率的需求日益增长。
传统的蒸汽涡轮发电系统具有高达约600℃的蒸汽温度，因此铁素体基耐热钢被用于蒸汽涡轮的主要部件，例如涡轮转子、壳体等。为了实现上述节能和高效率的目的，对于蒸汽涡轮系统来说，最有效的方法是将蒸汽涡轮的蒸汽温度提升到高的水平，以提高发电效率。
但是，在通过将蒸汽涡轮的蒸汽温度提升到例如650℃或更高温度从而提高发电效率的情况下，很难应用传统蒸汽涡轮发电系统的结构，因为要考虑机械特性和耐环境特性，而传统的蒸汽涡轮发电系统将铁素体基耐热钢用于蒸汽涡轮的主要部件，例如喷嘴、涡轮转子、壳体等。
在上述情况下，近年来正在研究使用Ni基合金、奥氏体基材料等作为暴露于高温蒸汽下的涡轮部分的材料。与铁素体基材料相比，Ni基合金和奥氏体基材料的可加工性、生产率和经济性均很差。为了将这些材料用于涡轮部分，已经进行了各种努力，它们公开在以下文献中日本专利申请公开No.Hei 4-171202、日本专利No.3095745、日本专利No.3582848、以及日本专利申请公开No.2000-274208、No.2000-282805、No.2000-282807、No.2000-282808和No.2004-169562。在这些公开技术中，例如日本专利申请公开No.2000-274208和No.2000-282808中所公开的那样，近年来正在研究在区分为高温部分和低温部分的情况下使用涡轮壳体和涡轮转子。
但是，在Ni基合金或奥氏体基材料被用来实现高效率的蒸汽涡轮发电系统的情况下，仍然存在一些问题，即与铁素体基材料相比，其经济性很差，并且如上所述的大钢锭的可加工性或生产率很差。
发明内容
本发明提供了一种蒸汽涡轮发电设备，其设有蒸汽涡轮，该蒸汽涡轮通过由优选的耐热合金、耐热钢等构成蒸汽涡轮的各构成部分，从而能够以650℃或更高温度的高温蒸汽进行操作。
根据本发明的一个方面，提供了一种蒸汽涡轮发电设备，其设有超高压涡轮、高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮，并且650℃或更高温度的高温蒸汽被导入该超高压涡轮，其中该超高压涡轮具有由外部壳体和内部壳体构成的双重结构壳体以及通过将冷却蒸汽导入到该外部壳体和该内部壳体之间来对该外部壳体进行冷却的外部壳体冷却单元；该超高压涡轮的涡轮转子由耐热合金构成，该耐热合金以重量百分比计包含C0.10-0.20，Si0.01-0.5，Mn0.01-0.5，Cr20-23，Co10-15，Mo8-10，Al0.01-1.5，Ti0.01-0.6，B0.001-0.006，以及余量的Ni和不可避免的杂质，该不可避免的杂质被限制，其中Fe5或更少，P0.015或更少，S0.015或更少，以及Cu0.5或更少；该超高压涡轮的内部壳体和喷嘴箱由耐热合金构成，该耐热合金以重量百分比计包含C0.03-0.25，Si0.01-1.0，Mn0.01-1.0，Cr20-23，Mo8-10，Nb1.15-3.0，以及余量的Ni和不可避免的杂质，该不可避免的杂质被限制，其中Fe5或更少，P0.015或更少，S0.015或更少，以及Cu0.5或更少；该超高压涡轮的外部壳体由铸钢构成，该铸钢以重量百分比计包含C0.05-0.15，Si0.3或更少，Mn0.1-1.5，Ni1.0或更少，Cr9或更多并小于10，V0.1-0.3，Mo0.6-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.02-0.08，B0.001-0.008，N0.005-0.1，Ti0.001-0.03，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
根据这种蒸汽涡轮发电设备，超高压涡轮的涡轮转子、内部壳体和喷嘴箱由具有上述化学成分范围的耐热合金构成，并且通过外部壳体冷却单元进行冷却的外部壳体由具有上述化学成分范围的铸钢构成，因此650℃或更高温度的高温蒸汽可以被导入该超高压涡轮，并且可以提高热效率。除此之外，提供了外部壳体冷却单元，并且外部壳体由与现有技术(或相关技术)中相同的铁素体基合金钢构成，因此能够确保可靠性、可操作性和经济性。
根据本发明的另一个方面，提供了一种蒸汽涡轮发电设备，其设有超高压涡轮、高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮，并且650℃或更高温度的高温蒸汽被导入该超高压涡轮，其中该超高压涡轮具有由外部壳体和内部壳体构成的双重结构壳体、通过将冷却蒸汽导入到该外部壳体和该内部壳体之间来对该外部壳体进行冷却的外部壳体冷却单元、以及通过冷却蒸汽对涡轮转子进行冷却的涡轮转子冷却单元；该超高压涡轮的涡轮转子由耐热钢构成，该耐热钢以重量百分比计包含C0.08-0.15，Si0.1或更少，Mn0.1-0.3，Ni0.1-0.3，Cr9或更多并小于10，V0.15-0.3，Mo04-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.05-0.08，B0.001-0.015，N0.01-0.04，以及余量的Fe和不可避免的杂质；该超高压涡轮的内部壳体和喷嘴箱由耐热合金构成，该耐热合金以重量百分比计包含C0.03-0.25，Si0.01-1.0，Mn0.01-1.0，Cr20-23，Mo8-10，Nb1.15-3.0，以及余量的Ni和不可避免的杂质，该不可避免的杂质被限制，其中Fe5或更少，P0.015或更少，S0.015或更少，以及Cu0.5或更少；该超高压涡轮的外部壳体由铸钢构成，该铸钢以重量百分比计包含C0.05-0.15，Si0.3或更少，Mn0.1-1.5，Ni1.0或更少，Cr9或更多并小于10，V0.1-0.3，Mo0.6-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.02-0.08，B0.001-0.008，N0.005-0.1，Ti0.001-0.03，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
根据这种蒸汽涡轮发电设备，超高压涡轮的内部壳体和喷嘴箱中的每一个由具有上述化学成分范围的耐热合金构成，通过涡轮转子冷却单元进行冷却的涡轮转子由具有上述化学成分范围的耐热钢构成，并且通过外部壳体冷却单元进行冷却的外部壳体由具有上述化学成分范围的铸钢构成，因此650℃或更高温度的高温蒸汽可以被导入超高压涡轮，并且能够提高热效率。除此之外，提供了涡轮转子冷却单元和外部壳体冷却单元，并且涡轮转子和外部壳体由与现有技术中相同的铁素体基合金钢构成，因此能够确保可靠性、可操作性和经济性。
根据本发明的又一个方面，提供了一种蒸汽涡轮发电设备，其设有超高压涡轮、高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮，并且650℃或更高温度的高温蒸汽被导入该超高压涡轮，其中该超高压涡轮具有由外部壳体和内部壳体构成的双重结构壳体、通过将冷却蒸汽导入到该外部壳体和该内部壳体之间来对该外部壳体进行冷却的外部壳体冷却单元、通过冷却蒸汽对涡轮转子进行冷却的涡轮转子冷却单元、以及通过冷却蒸汽对该内部壳体进行冷却的内部壳体冷却单元；该超高压涡轮的涡轮转子由耐热钢构成，该耐热钢以重量百分比计包含C0.08-0.15，Si0.1或更少，Mn0.1-0.3，Ni0.1-0.3，Cr9或更多并小于10，V0.15-0.3，Mo0.4-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.05-0.08，B0.001-0.015，N0.01-0.04，以及余量的Fe和不可避免的杂质；该超高压涡轮的喷嘴箱由耐热合金构成，该耐热合金以重量百分比计包含C0.03-0.25，Si0.01-1.0，Mn0.01-1.0，Cr20-23，Mo8-10，Nb1.15-3.0，以及余量的Ni和不可避免的杂质，该不可避免的杂质被限制，其中Fe5或更少，P0.015或更少，S0.015或更少，以及Cu0.5或更少；该超高压涡轮的内部壳体和外部壳体由铸钢构成，该铸钢以重量百分比计包含C0.05-0.15，Si0.3或更少，Mn0.1-1.5，Ni1.0或更少，Cr9或更多并小于10，V0.1-0.3，Mo0.6-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.02-0.08，B0.001-0.008，N0.005-0.1，Ti0.001-0.03，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
根据这种蒸汽涡轮发电设备，超高压涡轮的喷嘴箱由具有上述化学成分范围的耐热合金构成，通过涡轮转子冷却单元进行冷却的涡轮转子由具有上述化学成分范围的耐热钢构成，并且通过内部壳体冷却单元进行冷却的内部壳体和通过外部壳体冷却单元进行冷却的外部壳体由具有上述化学成分范围的铸钢构成，因此650℃或更高温度的高温蒸汽可以被导入超高压涡轮，并且能够提高热效率。除此之外，提供了涡轮转子冷却单元、内部壳体冷却单元和外部壳体冷却单元，并且涡轮转子、内部壳体和外部壳体由与现有技术中相同的铁素体基合金钢构成，因此能够确保可靠性、可操作性和经济性。
参照附图对本发明进行描述，其中该附图仅仅为了图解而提供，而非在任何方面对本发明进行限制。
图1是示意性地示出根据本发明的第一实施例的涡轮发电系统的概略图。
图2是超高压涡轮的上半壳体部分的剖视图。
图3是超高压涡轮的上半壳体部分的剖视图。
图4是超高压涡轮的上半壳体部分的剖视图。
图5是示意性地示出根据本发明的第六实施例的涡轮发电系统的概略图。
具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。
(第一实施例)图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的蒸汽涡轮发电系统10的概况。图2示出了超高压涡轮100的上半壳体部分的剖视图。
下面将参照图1描述蒸汽涡轮发电系统10的概况。
蒸汽涡轮发电系统10主要包括超高压涡轮100、高压涡轮200、中压涡轮300、低压涡轮400、发电机500、冷凝器600以及锅炉700。
随后，将描述蒸汽涡轮发电系统10中蒸汽的运行情况。
在锅炉700中被加热到650℃或更高温度的蒸汽通过主蒸汽管20流入超高压涡轮100。在超高压涡轮100的转动叶片被构造为例如七段的情况下，已经在超高压涡轮100中执行了膨胀功的蒸汽通过第七段出口排出并通过低温再加热管21流入锅炉700。锅炉70再加热已经进入锅炉70中的蒸汽，并且再加热过的蒸汽通过高温再加热管22进入高压涡轮200。
在高压涡轮200的转动叶片被构造为例如七段的情况下，已经进入高压涡轮200的蒸汽在高压涡轮200中执行膨胀功。然后，蒸汽通过第七段出口排出并通过低温再加热管23流入锅炉700。锅炉70再加热已经进入锅炉70中的蒸汽，并且再加热过的蒸汽通过高温再加热管24进入中压涡轮300。
在中压涡轮300的转动叶片被构造为例如七段的情况下，已经进入中压涡轮300的蒸汽在中压涡轮300中执行膨胀功。然后，蒸汽从第七段出口排出并通过交叉管25供应到低压涡轮400。
供应到低压涡轮400的蒸汽执行膨胀功并由冷凝器600冷凝成水。冷凝水的压力由锅炉供给泵26增大并循环到锅炉700中。循环到锅炉700中的冷凝水被加热，从而变成650℃或更高温度的高温蒸汽并再次通过主蒸汽管20供应到超高压涡轮100中。发电机500被各涡轮的膨胀功驱动而转动，从而产生电能。应当指出的是，上述低压涡轮400具有两个级联的低压涡轮部分，所述低压涡轮部分具有相同的结构，但是并不限于上述结构。
接着，将参照图2描述超高压涡轮100的结构。
超高压涡轮100具有双重结构壳体，该双重结构壳体包括内部壳体110和布置成覆盖该内部壳体110的外部壳体111。涡轮转子112被布置为贯穿内部壳体110。例如，七段喷嘴113布置在内部壳体110的内表面上，并且转动叶片114插入涡轮转子112中。除此之外，主蒸汽管20穿过外部壳体111和内部壳体110布置在超高压涡轮100上，并且主蒸汽管20的一端被连接为与朝向转动叶片114排放蒸汽的喷嘴箱115连通。
超高压涡轮100还设有外部壳体冷却单元，其通过将一部分已经在内部壳体110和外部壳体111之间执行了膨胀功的蒸汽作为冷却蒸汽130导入对外部壳体111进行冷却。
接着，将描述超高压涡轮100中蒸汽的运行情况。
已经通过主蒸汽管20流入超高压涡轮100内的喷嘴箱115中的650℃或更高温度的蒸汽通过流过固定在内部壳体110上的喷嘴113和插入在涡轮转子112中的转动叶片114之间的蒸汽通道而使涡轮转子112转动。由于转动所产生的大的离心作用将很大的力施加到涡轮转子112的各部分上。而且，已经执行了膨胀功的蒸汽大部分被排出并通过低温再加热管21进入锅炉700。与此同时，已经执行了膨胀功的蒸汽部分地作为冷却蒸汽130在内部壳体110和外部壳体111之间被引导，以冷却外部壳体111。冷却蒸汽130从基础部分或排出通路排出，已经执行了膨胀功的蒸汽大部分也从该排出通路中排出。
以下将描述构造超高压涡轮100的内部壳体110、外部壳体111、涡轮转子112和喷嘴箱115的构成材料。应当指出的是，除非另有说明，否则以下所示的化学成分比例以“重量百分比”表示。
(1)涡轮转子112对于构造涡轮转子112的材料，使用了具有以下化学成分范围的耐热合金(M1)。
(M1)耐热合金，其包含C0.10-0.20，Si0.01-0.5，Mn0.01-0.5，Cr20-23，Co10-15，Mo8-10，Al0.01-1.5，Ti0.01-0.6，B0.001-0.006，以及余量的Ni和不可避免的杂质；并且该不可避免的杂质被限制为包含Fe5或更少，P0.015或更少，S0.015或更少，以及Cu0.5或更少。
接下来描述将耐热合金的各成分限制为上述范围的原因。
(a)C(碳)C是作为强化相的M23C6型碳化物的必不可少的组成元素，并且特别是，在涡轮在650℃或更高温度的高温环境中工作期间，其用于通过析出M23C6型碳化物来维持合金的蠕变强度。如果其添加比例小于0.10％，M23C6型碳化物的分布量不足，因此不能确保所希望的蠕变强度，并且如果添加比例超过0.20％，则在生产大铸锭时将增大成分偏析的倾向，并且促进作为脆化相的M6C型碳化物的产生。因此，C的添加比例被确定为0.10-0.20％。
(b)Si(硅)Si具有脱氧作用并且可以提高铸锭的清洁度。但是，如果其添加比例超过0.5％，合金的延展性或韧性将降低，并且促进了在650℃或更高温度的高温环境下的脆化。而且，如果其添加比例小于0.01％，则不能达到脱氧效果，并且在生产铸锭时，熔融金属的流动性将降低。因此，Si的添加比例被确定为0.01-0.5％。
(c)Mn(锰)Mn具有脱硫作用并可以提高铸锭的清洁度。但是，如果其添加比例超过0.5％，在铸锭中作为硫化物残留的Mn将显著增加。如果其添加比例小于0.01％，则不能达到脱硫效果。因此，Mn的添加比例被确定为0.01-0.5％。
(d)Cr(铬)Cr是M23C6型碳化物的必不可少的组成元素，并且尤其是，在涡轮在650℃或更高温度的高温环境下工作期间，通过析出M23C6型碳化物来维持合金的蠕变强度。而且，Cr改进了在高温蒸汽环境下的抗氧化能力。如果其添加比例小于20％，抗氧化能力将降低，并且如果添加比例超过23％，则M23C6型碳化物的析出将被显著促进，从而导致粗化倾向的增大。因此，Cr的添加比例被确定为20-23％。
(e)Co(钴)Co提供了在Ni母相中形成固溶体从而改善母相在高温下的稳定性和抑制M23C6型碳化物粗化的作用。如果其添加比例小于10％，涡轮转子不能发挥期望的特性，并且如果其添加比例超过15％，则将降低大铸锭的可成形性，并且经济性下降。因此，Co的添加比例被确定为10-15％。
(f)Mo(钼)Mo提供了在Ni母相中形成固溶体从而增强母相强度的作用，并且其在M23C6型碳化物中的部分置换改善了碳化物的稳定性。如果其添加比例小于8％，将不能发挥上述作用，并且如果其添加比例超过10％，在生产大铸锭时将增大成分偏析的倾向，并且促进作为脆化相的M6C型碳化物的产生。因此，Mo的添加比例被确定为8-10％。
(g)Al(铝)Al被添加的主要目的在于脱氧。Al在Ni中构成γ`相并且可以有助于促进析出。然而，合金中γ`相的析出量并不是非常大，以至于能够期望析出的有效增加，但是因为其是活性金属元素，熔融步骤和铸锭生产的生产率或可生产性将下降。尤其是，在生产相对大的铸锭、例如涡轮转子的情况下，如果添加比例超过1.5％，上述特点将很突出。而且，如果添加比例小于0.01％，则不能达到脱氧效果。因此，Al的添加比例被确定为0.01-1.5％。
(h)Ti(钛)Ti被添加的主要目的在于脱氧。Ti在Ni中构成γ`相并且可以有助于促进析出。然而，合金中γ`相的析出量并不是非常大，以至于能够期望析出的有效增加，但是因为其是活性金属元素，熔融步骤和铸锭生产的生产率将下降。尤其是，在生产相对大的铸锭、例如涡轮转子的情况下，如果添加比例超过0.6％，上述特点将很突出。而且，如果添加比例小于0.01％，则不能达到脱氧效果。因此，Ti的添加比例被确定为0.01-0.6％。
(i)B(硼)B在作为强化相的M23C6型碳化物中被部分地置换，并且提供了增强碳化物在高温下的稳定性以及增强母相(尤其是在晶界附近)在高温下的延展性的作用。这些作用通过添加0.001％或更多的非常少量的B进行，但是如果添加量超过0.006％，大铸锭中成分偏析的倾向将增大，锻造时的变形抗力将变得很高，并且易于导致锻造裂纹。因此，B的添加比例被确定为0.001-0.006％。
(j)Fe(铁)、P(磷)、S(硫)、Cu(铜)
在被确定为涡轮转子材料的合金中，多种不可避免的杂质被混入并保留于其中。在这些杂质中，尤其是确定Fe、P、S和Cu这四种元素的上限。P和S的添加量被限制成最多为0.015％，以使得能够抑制高温环境下由于晶界偏析所导致的脆化，并且Cu被限制成最多为0.5％，这样将不会影响其特性，因为其在炼钢过程中将不可避免地会混入。而且，在使用通常用于熔化以Fe作为主要元素的钢的大熔炉的情况下，在熔化其中未刻意添加Fe的合金时，熔化时Fe的混入是不可避免的，并且Fe的上限被确定为不会影响其特性的5％。这些不可避免的杂质优选地尽工业可能地被降低到0％的混入比例。
(2)内部壳体110、喷嘴箱115对于构造内部壳体110和喷嘴箱115的材料，使用了具有以下化学成分范围的耐热合金(M2)。
(M2)耐热合金，其包含C0.03-0.25，Si0.01-1.0，Mn0.01-1.0，Cr20-23，Mo8-10，Nb1.15-3.0，以及余量的Ni和不可避免的杂质；并且该不可避免的杂质被限制为包含Fe5或更少，P0.015或更少，S0.015或更少，以及Cu0.5或更少。
接下来描述将耐热合金的各成分限制到上述范围的原因。
(a)C(碳)C是作为强化相的M23C6型碳化物的有用组成元素，并且尤其是，在涡轮在650℃或更高温度的高温环境下工作期间，通过析出M23C6型碳化物来维持合金的蠕变强度。因为内部壳体110被生产为大铸件，在铸造时需要熔融金属的流动性，并且C还具有确保熔融金属流动性的作用。如果其添加比例小于0.03％，将不能确保碳化物的足够分布量，并且熔融金属在铸造时的流动性也会显著下降。如果添加比例超过0.25％，在生产大铸锭时将增大成分偏析的倾向，并且将促进作为脆化相的M6C型碳化物的产生。因此，C的添加比例被确定为0.03-0.25％。
(b)Si(硅)Si具有脱氧作用并且还具有确保熔融金属流动性的作用。在生产大铸件的情况下，在大气环境下熔融而获得的熔融金属在大气环境中进行铸造。因此，脱氧比在真空中进行铸造而生产铸锭时更显著，并且在生产大铸件时熔融金属的流动性尤其明显。但是，如果添加量超过1.0％，合金的延展性将降低，并且将显著促进在650℃或更高温度的高温环境下的脆化。而且，如果其添加量小于0.01％，则不能达到脱氧效果，并且在生产铸锭时，熔融金属的流动性降低。因此，Si的添加比例被确定为0.01-1.0％。
(c)Mn(锰)Mn具有脱硫作用和增强熔融金属流动性的作用。在通过在大气环境下将合金熔融并铸造而获得大铸件的生产过程中，这些作用很显著。但是，如果添加量超过1.0％，将显著促进合金延展性的退化和在650℃或更高温度的高温环境下的脆化。而且，如果其添加量小于0.01％，则不能实现脱硫作用。因此，Mn的添加比例被确定为0.01-1.0％。
(d)Cr(铬)Cr是M23C6型碳化物的必不可少的组成元素，并且尤其是，在涡轮在650℃或更高温度的高温环境下工作期间，通过析出M23C6型碳化物来维持合金的蠕变强度。而且，Cr改进了在高温蒸汽环境下的抗氧化能力。如果其添加比例小于20％，抗氧化能力将降低，并且如果添加比例超过23％，则M23C6型碳化物的析出将被显著促进，从而导致粗化倾向的增大。因此，Cr的添加比例被确定为20-23％。
(e)Mo(钼)Mo提供在Ni母相中形成固溶体从而增强母相强度的作用，并且其在M23C6型碳化物中的部分置换增强了碳化物的稳定性。如果其添加比例小于8％，将不能发挥上述作用，并且如果其添加比例超过10％，则在生产大铸锭时将增大成分偏析的倾向，并且将促进作为脆化相的M6C型碳化物的产生。因此，Mo的添加比例被确定为8-10％。
(f)Nb(铌)Nb主要被添加作为有助于促进析出的γ`相和δ相的组成元素。如果其添加比例小于1.15％，γ`相和δ相的析出量将不够，并且尤其是，蠕变强度将降低。同时，如果添加比例超过3.0％，在650℃或更高温度的高温环境下，γ`相和δ相的析出量将急剧增加，并且将在短时间内引起相当可观的脆化。而且，在生产大铸件时成分偏析的倾向将变得很显著。因此，Nb的添加比例被确定为1.15-3.0％。
(g)Fe(铁)、P(磷)、S(硫)、Cu(铜)在被确定为用作内部壳体110和喷嘴箱115的材料的合金中，多种不可避免的杂质被混入并残留下来。在这些杂质中，四种元素Fe、P、S和Cu的上限被确定。P和S的上限被确定为0.015％，以使得能够抑制高温环境下由于晶界偏析所导致的脆化，并且Cu的上限被确定为0.5％，这样不会影响其特性，因为Cu在炼钢过程中将不可避免地被混入。在使用通常用于熔化以Fe作为主要元素的钢的大熔炉来熔化未刻意添加Fe的合金时，熔化时Fe的混入是不可避免的。因此，Fe的上限被确定为不会影响特性的5％。这些不可避免的杂质优选地尽工业上可能地被降低到0％的混合比例。
(3)外部壳体111对于构造外部壳体111的材料，使用了具有以下化学成分范围的铸钢(M3)。
(M3)铸钢，其包含C0.05-0.15，Si0.3或更少，Mn0.1-1.5，Ni1.0或更少，Cr9或更多并小于10，V0.1-0.3，Mo0.6-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.02-0.08，B0.001-0.008，N0.005-0.1，Ti0.001-0.03，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
外部壳体111由外部壳体冷却单元进行冷却，因此能够使用铸造生产率很高的上述铁素体基铸钢等。对于基本成分处于上述范围内的铸钢，例如，日本专利申请公开No.2005-60826描述了以下内容，“(M11)合金钢，其包含C0.05-0.15，Si0.3或更少(不包括0)，Mn0.1-1.5，Ni1.0或更少(不包括0)，Cr9或更多并小于10，V0.1-0.3，Mo0.6-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.02-0.08，B0.001-0.008，N0.005-0.1，Ti0.001-0.03，以及余量的Fe和不可避免的杂质；M23C6型碳化物主要通过回火热处理在晶界和马氏体板条边界上析出；M2X型碳氮化物和MX型碳氮化物在马氏体板条内析出；包含在M2X型碳氮化物的组成元素中的V和Mo具有以下关系V＞Mo；并且M23C6型碳化物、M2X型碳氮化物和MX型碳氮化物的总析出量为2.0-4.0％重量”。
在实例1中将描述，即使构造上述涡轮转子112、内部壳体110和喷嘴箱115的材料暴露在650℃或更高的温度下，也能够发挥期望的机械特性，并且这种具有时效变化的材料耐于实际操作。
在实例2中将描述，即使构造外部壳体111的材料暴露在600℃的温度下，也能够发挥期望的机械特性，并且这种具有时效变化的材料也耐于实际操作。这里，外部壳体111的试验温度被设定为600℃，因为外部壳体111由外部壳体冷却单元进行冷却，并且能够在大约600℃的温度下发挥期望的机械特性，并且如果这种具有时效变化的材料也耐于实际操作，便可以判断出外部壳体111能否正确地工作，即使650℃或更高温度的高温蒸汽被导入超高压涡轮100。
(实例1)表1示出了构造涡轮转子112、内部壳体110和喷嘴箱115的材料(材料PA1至材料PA4)的化学成分以及作为对比例的材料(材料CA1至材料CA4)的化学成分，这些对比例的材料不处于根据本发明的化学成分的范围内。这里，对于构造涡轮转子112的材料，使用了材料PA1和材料PA2，并且对于构造内部壳体110和喷嘴箱115的材料，使用了材料PA3和材料PA4。材料PA1和材料PA2由耐热合金构成，该耐热合金具有构造上述涡轮转子112的材料(M1)的化学成分范围，并且材料PA3和材料PA4由耐热合金构成，该耐热合金具有构造上述内部壳体110和喷嘴箱115的材料(M2)的化学成分范围。
已经实施规定热处理的上述各材料以700℃加热10,000小时；然后测量室温时的0.2％弹性极限应力(耐力)、20℃时的吸收能量以及700℃、100,000小时的蠕变断裂强度。
表2示出了在各测量中加热之后的数值除以加热之前的数值所得到的数值。这里，以700℃加热10,000小时之后室温时的0.2％弹性极限应力除以加热之前室温时的0.2％弹性极限应力所获得的数值被确定为指标1，以700℃加热10,000小时之后20℃时的吸收能量除以加热之前20℃时的吸收能量所获得的数值被确定为指标2，并且以700℃加热10,000小时之后的700℃、100,000小时的蠕变断裂强度除以加热之前700℃、100,000小时的蠕变断裂强度所获得的数值被确定为指标3。
从表2所示结果中可以看出，材料PA1至材料PA4以700℃加热10,000小时之后20℃时的吸收能量变为低于加热之前的吸收能量，但是室温时的0.2％弹性极限应力被固定为至少是加热之前的约1.4倍的水平。还发现，高温部件最显著的蠕变断裂强度基本上维持在加热之前的水平。
同时，不处于本发明的化学成分范围内的材料CA1和材料CA2具有在加热之后低于加热之前的室温时的0.2％弹性极限应力、20℃时的吸收能量、以及700℃和100,000小时的蠕变断裂强度，并且尤其是，700℃、100,000小时的蠕变断裂强度显著降低。而且，材料CA3和材料CA4具有在加热之后高于加热之前的室温时的0.2％弹性极限应力，但20℃时的吸收能量显著降低，并且还发现，材料CA4没有将700℃、100,000小时的蠕变断裂强度保持在与上述实例相同的水平。
表1
表2
(实例2)表3示出了构造外部壳体111的材料(材料PS1)的化学成分，以及作为对比例的材料(材料CS1)的化学成分，该对比例的材料不在根据本发明的化学成分范围内。材料PS1由铸钢构成，该铸钢具有构造上述外部壳体111的材料(M3)的化学成分范围。
已经实施规定热处理的材料PS1和材料CS1以600℃的温度加热10,000小时，并且测量室温时的0.02％弹性极限应力、20℃时的吸收能量以及600℃、100,000小时的蠕变断裂强度。
表4示出了在各测量中加热之后的数值除以加热之前的数值所得到的数值。这里，以600℃加热10,000小时之后室温时的0.02％弹性极限应力除以加热之前室温时的0.02％弹性极限应力所获得的数值被确定为指标1，以600℃加热10,000小时之后20℃时的吸收能量除以加热之前20℃时的吸收能量所获得的数值被确定为指标2，并且以600℃加热10,000小时之后600℃、100,000小时的蠕变断裂强度除以加热之前600℃、100,000小时的蠕变断裂强度所获得的数值被确定为指标3。
从表4所示结果中可以看出，材料PS1以600℃的温度加热10,000小时之后20℃时的吸收能量与加热之前相比降低到约1/2，室温时的0.02％弹性极限应力和600℃、100,000小时的蠕变断裂强度基本上维持在与加热之前相同的水平。
同时，不处于本发明的化学成分范围内的材料CS1具有大大降低的室温时的0.02％弹性极限应力和600℃、100,000小时的蠕变断裂强度。
表3
表4
从实例1和实例2所述的测量结果中可以看出，能够发挥期望的机械特性，并且具有时效变化(随时间而发生的质量变化)的材料也能够承受实际操作，即使上述构造涡轮转子112、内部壳体110和喷嘴箱115的材料暴露于650℃或更高温度(700℃)。已经发现，即使构造外部壳体111的材料暴露于600℃的温度，也能够发挥期望的机械特性，并且具有时效变化的材料也能够承受实际操作。很显然，通过利用处于上述(M1)至(M3)的化学成分范围内的耐热合金或铸钢构造超高压涡轮100的指定构成部分，650℃或更高温度的高温蒸汽可以用作超高压涡轮100中的工作流体。
如上所述，第一实施例的蒸汽涡轮发电系统10可以将650℃或更高温度的高温蒸汽导入超高压涡轮100，并且通过利用具有化学成分范围(M1)的耐热合金形成超高压涡轮100的涡轮转子112、利用具有化学成分范围(M2)的耐热合金形成内部壳体110和喷嘴箱115、以及利用具有化学成分范围(M3)的铸钢形成由外部壳体冷却单元进行冷却的外部壳体111来提高热效率。除此之外，通过具有外部壳体冷却单元以及利用与现有技术相同的铁素体基合金钢来构造外部壳体111，能够确保可靠性、可操作性以及经济性。
(第二实施例)除了第一实施例的蒸汽涡轮发电系统10的超高压涡轮100设有用于通过冷却蒸汽冷却涡轮转子112的涡轮转子冷却单元以及构造涡轮转子112的材料发生了变化之外，第二实施例的涡轮发电系统具有与第一实施例的蒸汽涡轮发电系统10相同的结构。
这里，将描述根据第二实施例的涡轮发电系统的超高压涡轮100A。应当指出的是，与第一实施例的蒸汽涡轮发电系统10中的超高压涡轮100的结构相同的部件被标记为相同的附图标记，并将简化或省略对它们的重复描述。替代图1中的超高压涡轮100，第二实施例的涡轮发电系统具有超高压涡轮100A。
图3示出了超高压涡轮100A的上半壳体部分的剖视图。
超高压涡轮100A具有双重结构壳体，所述壳体由内部壳体110和围绕该内部壳体110布置的外部壳体111。涡轮转子112A布置为贯穿内部壳体110。例如，七段(或七级)喷嘴113布置在内部壳体110的内表面上，并且转动叶片114插入涡轮转子112A中。除此之外，主蒸汽管20穿过外部壳体111和内部壳体110布置在超高压涡轮100上，并且主蒸汽管20的一端被连接为与朝向转动叶片114排放蒸汽的喷嘴箱115连通。超高压涡轮100A设有外部壳体冷却单元，其通过将一部分已经在内部壳体110和外部壳体111之间执行了膨胀功的蒸汽作为冷却蒸汽130导入来对外部壳体111进行冷却。除此之外，冷却蒸汽导入部分(未示出)布置在喷嘴箱115周围，并且涡轮转子冷却单元被布置成通过使冷却蒸汽131从冷却蒸汽导入部分开始沿着涡轮转子112A流动来对涡轮转子112A进行冷却。
作为对涡轮转子112A进行冷却的冷却蒸汽131，例如，使用了从锅炉700内与主蒸汽管20连通的管中提取出来并在导入主蒸汽管20之前被加热的蒸汽。蒸汽通过冷却蒸汽管(未示出)被供应到超高压涡轮100A的喷嘴箱115的周围。应当指出的是，用于冷却涡轮转子112A的冷却蒸汽131并不限于从锅炉700内与主蒸汽管20连通的管中提取出来的蒸汽，而是可以使用其温度能够进行冷却以使得涡轮转子112A不会变为规定或更高温度的蒸汽。
接下来将描述超高压涡轮100A中蒸汽的运行情况。
已经通过主蒸汽管20流入超高压涡轮100A内的喷嘴箱115中的650℃或更高温度的蒸汽在流过固定到内部壳体110上的喷嘴113和插入在涡轮转子112A上的转动叶片114之间的蒸汽通道之后使涡轮转子112A转动。由于转动所产生的大的离心作用将很大的力施加到涡轮转子112A的各部分上。而且，已经执行了膨胀功的蒸汽大部分被排出并通过低温再加热管21进入锅炉700。与此同时，已经执行了膨胀功的蒸汽部分地作为冷却蒸汽130在内部壳体110和外部壳体111之间引导，以冷却外部壳体111。冷却蒸汽130从基础部分或排出通路排出，已经执行了膨胀功的蒸汽大部分也从该基础部分或排出通路排出。
与此同时，供应到喷嘴箱115周围的冷却蒸汽131穿过形成于插入转动叶片114处的涡轮转子112A的凸部中的冷却蒸汽通道孔140，从而将涡轮转子112A冷却到规定水平。而且，已经流过冷却蒸汽通道孔140的冷却蒸汽131从喷嘴113和涡轮转子112A的凸部之间的间隙部分排出至蒸汽通道。
而且，供应到喷嘴箱115周围的冷却蒸汽131流入密封部，例如涡轮转子112A和内部壳体110之间的基础密封件，同时冷却涡轮转子112A。而且，已经穿过密封部的冷却蒸汽131与已经冷却了外部壳体111的冷却蒸汽130一起从基础部或排出通路排出，已经执行膨胀功的蒸汽大部分从所述排出通路排出。
对插入涡轮转子112A的转动叶片114之处的部分的冷却并不限于上述方法。如果通过冷却蒸汽131对插入涡轮转子112A的转动叶片114之处的部分进行冷却，也可以采用另一种方法。
冷却蒸汽131被引导至喷嘴箱115的周围，以使得喷嘴箱115也被冷却，但是喷嘴箱115的内表面直接暴露于高温蒸汽，以致于即使其外周边表面被冷却蒸汽冷却，也期望利用耐高温材料来构造，并且使用与第一实施例所述的超高压涡轮100的喷嘴箱115相同的材料。
接着，将描述构造涡轮转子112A的材料。应当指出的是，除非另有说明，否则以下表示的化学成分比率以“重量百分比”表示。
对于构造涡轮转子112A的材料，使用了具有以下化学成分范围的耐热合金(M4)。
(M4)耐热钢，其包含C0.08-0.15，Si0.1或更少，Mn0.1-0.3，Ni0.1-0.3，Cr9或更多并小于10，V0.15-0.3，Mo0.4-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.05-0.08，B0.001-0.015，N0.01-0.04，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
涡轮转子112A由涡轮转子冷却单元进行冷却，因此可以使用上述铁素体基耐热钢。基本成分在上述范围内的耐热钢的例子例如在日本专利申请公开No.2004-359969中有所描述，即“耐热钢为以质量百分比计包含以下成分并经受回火热处理的钢C0.08-0.15％，Si0.1％或更少，Mn0.1-0.3％，Ni0.1-0.3％，Cr9％或更多并小于10％，V0.15-0.30％，Mo0.6-1.0％，W1.5-1.8％，Co1.0-4.0％，Nb0.05-0.08％，B0.001-0.015％，N0.01-0.04％，以及余量的Fe和不可避免的杂质，并且主要析出物为在晶界和马氏体板条边界上析出的M23C6型碳化物以及在马氏体板条内析出的M2X型碳氮化物和MX型碳氮化物；其中M23C6型碳化物、M2X型碳氮化物和MX型碳氮化物的总量处于2.0-4.0％质量的范围内；包含在M2X型碳氮化物内的V和Mo满足以下关系V＞Mo；并且规定使用条件下的金属间化合物析出以及M23C6型碳化物、M2X型碳氮化物和MX型碳氮化物的总量处于4.0-6.0％质量的范围内”，以及“耐热钢为以质量百分比计包含以下成分并经受回火热处理的钢C0.08-0.15％，Si0.1％或更少，Mn0.1-0.3％，Ni0.1-0.3％，Cr9％或更多并小于10％，V0.15-0.30％，Mo0.4％或更多并小于0.6％，W超过1.8％和2.0％或更小，Co1.0-4.0％，Nb0.05-0.08％，B0.001-0.015％，N0.01-0.04％，以及余量的Fe和不可避免的杂质；并且主要析出物为在晶界和马氏体板条边界上析出的M23C6型碳化物以及在马氏体板条内析出的M2X型碳氮化物和MX型碳氮化物；其中M23C6型碳化物、M2X型碳氮化物和MX型碳氮化物的总量处于2.0-4.0％质量的范围内；包含在M2X型碳氮化物内的V和Mo满足以下关系V＞Mo；并且规定使用条件下的金属间化合物析出以及M23C6型碳化物、M2X型碳氮化物和MX型碳氮化物的总量处于4.0-6.0％质量的范围内”。
接着，将在实例3中描述，即使构造上述涡轮转子112A的材料暴露于600℃的温度，也能够发挥期望的机械特性，并且这种具有时效变化的材料也耐于实际操作。这里，涡轮转子112A的试验温度被设定为600℃，因为涡轮转子112A由涡轮转子112A冷却单元进行冷却，从而能够在大约600℃的温度下发挥期望的机械特性，并且这种具有时效变化的材料也耐于实际操作，因此能够判断出涡轮转子112A可以正确操作，即使650℃或更高温度的高温蒸汽被导入超高压涡轮100A。
(实例3)表5示出了构造涡轮转子112A的材料(材料PS2)的化学成分以及作为对比例的材料(材料CS2)的化学成分，该对比例的材料不处于根据本发明的化学成分范围内。材料PS2由处于上述材料(M4)的化学成分范围内的耐热钢构成。
已经实施了规定热处理的材料PS2和材料CS2以600℃加热10,000小时，并且测量室温时的0.02％弹性极限应力、20℃时的吸收能量以及600℃、100,000小时的蠕变断裂强度。
表6示出了在各测量中加热之后的数值除以加热之前的数值所得到的数值。这里，以600℃加热10,000小时之后室温时的0.02％弹性极限应力除以加热之前室温时的0.02％弹性极限应力所获得的数值被确定为指标1，以600℃加热10,000小时之后20℃时的吸收能量除以加热之前20℃时的吸收能量所获得的数值被确定为指标2，并且以600℃加热10,000小时之后600℃、100,000小时的蠕变断裂强度除以加热之前600℃、100,000小时的蠕变断裂强度所获得的数值被确定为指标3。
从表6所示结果中可以看出，材料PS2以600℃加热10,000小时之后20℃时的吸收能量降低到加热之前数值的约1/2，并且室温时的0.02％弹性极限应力和600℃、100,000小时的蠕变断裂强度基本上维持在与加热之前相同的水平。
同时，不处于本发明的化学成分范围内的材料CS2具有大大降低的室温时的0.02％弹性极限应力和600℃、100,000小时的蠕变断裂强度。
表5
表6
从实例3所述的测量结果中看出，能够发挥期望的机械特性，并且具有时效变化的材料也能够承受实际操作，即使上述构造涡轮转子112A的材料暴露于600℃的温度。因此，很显然，650℃或更高温度的高温蒸汽可以用作超高压涡轮100A中的工作流体。
如上所述，第二实施例的涡轮发电系统可以将650℃或更高温度的高温蒸汽导入超高压涡轮100A，并且通过利用具有化学成分范围(M4)的耐热钢来形成超高压涡轮100A中由涡轮转子冷却单元进行冷却的涡轮转子112A、利用具有化学成分范围(M2)的耐热合金来形成内部壳体110和喷嘴箱115、以及利用具有化学成分范围(M3)的铸钢来形成由外部壳体冷却单元进行冷却的外部壳体111来提高热效率。除此之外，通过具有涡轮转子冷却单元和外部壳体冷却单元以及利用与现有技术相同的铁素体基合金钢来构造涡轮转子112A和外部壳体111，能够确保可靠性、可操作性以及经济性。
(第三实施例)除了超高压涡轮100A设有用于通过冷却蒸汽来冷却内部壳体110B的内部壳体冷却单元以及构造内部壳体110B的材料发生了变化之外，第三实施例的涡轮发电系统具有与第二实施例的蒸汽涡轮发电系统10相同的结构。
这里，将描述根据第三实施例的涡轮发电系统的超高压涡轮100B。应当指出的是，与第二实施例的蒸汽涡轮发电系统10中的超高压涡轮100A的结构相同的部件被标记为相同的附图标记，并将简化或省略对它们的重复描述。而且，替代图1中的超高压涡轮100，第三实施例的涡轮发电系统设有超高压涡轮100B。
图4示出了超高压涡轮100B的上半壳体部分的剖视图。
超高压涡轮100B设有双重结构壳体，其包括内部壳体110B和围绕该内部壳体110B布置的外部壳体111。而且，涡轮转子112A被布置为贯穿内部壳体110B。例如，七段喷嘴113布置在内部壳体110B的内表面上，并且转动叶片114插入涡轮转子112A中。除此之外，主蒸汽管20穿过外部壳体111和内部壳体110B布置在超高压涡轮100B上。而且，主蒸汽管20的一端被连接为与朝向转动叶片114排放蒸汽的喷嘴箱115连通。
超高压涡轮100B设有外部壳体冷却单元，其通过将一部分已经在内部壳体110B和外部壳体111之间执行了膨胀功的蒸汽作为冷却蒸汽130导入来对外部壳体111进行冷却。而且，以与第二实施例相同的方式，涡轮转子冷却单元被布置成通过将冷却蒸汽131引导到喷嘴箱115周围并使冷却蒸汽131沿着涡轮转子112A流动来对涡轮转子112A进行冷却。除此之外，内部壳体冷却单元被布置成通过如下方式对内部壳体110B进行冷却使作为被引导到喷嘴箱115的周围的冷却蒸汽131的一部分的冷却蒸汽132流动到喷嘴膜150和内部壳体110B的接头缝隙处，并且流过形成于内部壳体110B中的冷却蒸汽排放通道151。外部壳体冷却单元和涡轮转子冷却单元与上述的相同，这里主要描述内部壳体冷却单元。
作为对内部壳体110B进行冷却的冷却蒸汽132，使用了一部分冷却蒸汽131。例如，如上所述那样使用从锅炉700内与主蒸汽管20连通的管中提取出来并在导入主蒸汽管20之前被加热的蒸汽。该蒸汽通过冷却蒸汽管(未示出)被供应到超高压涡轮100B的喷嘴箱115的周围。应当指出的是，冷却蒸汽132并不限于从锅炉700内与主蒸汽管20连通的管中提取出来的蒸汽，而是可以使用其温度能够进行冷却以使得涡轮转子112A或内部壳体110B不会变为规定或更高温度的蒸汽。
随后，将描述内部壳体110B中蒸汽的运行情况。
已经通过主蒸汽管20流入超高压涡轮100B内的喷嘴箱115中的650℃或更高温度的蒸汽在流过内部壳体110B和涡轮转子112A之间的蒸汽通道之后使涡轮转子112A转动。由于转动所产生的大的离心作用将很大的力施加到涡轮转子112A的各部分上。而且，已经执行了膨胀功的蒸汽大部分被排出并通过低温再加热管21流入锅炉700。与此同时，已经执行了膨胀功的蒸汽部分地作为冷却蒸汽130在内部壳体110B和外部壳体111之间引导，以冷却外部壳体111。冷却蒸汽130从基础部分或排出通路排出，已经执行了膨胀功的蒸汽大部分也从该基础部分或排出通路中排出。
与此同时，供应到喷嘴箱115周围的冷却蒸汽131穿过形成于插入转动叶片114处的涡轮转子112A的凸部中的冷却蒸汽通道孔140，从而将涡轮转子112A冷却到规定水平。而且，已经流过冷却蒸汽通道孔140的冷却蒸汽131从喷嘴113和涡轮转子112A的凸部之间的间隙部分排出至蒸汽通道。
而且，供应到喷嘴箱115周围的冷却蒸汽131流入密封部、例如涡轮转子112A和内部壳体110B之间的基础密封件中，同时冷却涡轮转子112A。而且，已经穿过密封部的冷却蒸汽131与已经冷却了外部壳体111的冷却蒸汽130一起从基础部分或排出通路排出，已经执行膨胀功的蒸汽大部分从所述基础部分或排出通路排出。
除此之外，作为供应到喷嘴箱115周围的冷却蒸汽131的一部分的冷却蒸汽132流过喷嘴膜150和内部壳体110B之间的间隙，同时对内部壳体110B进行冷却。而且，冷却蒸汽132流过位于内部壳体110B的给定段处的喷嘴113下游以便与内部壳体110B和外部壳体111之间的空间连通的冷却蒸汽排放通道151，并且与已经冷却了外部壳体111的冷却蒸汽130一起从基础部分或排出通路排出，已经执行膨胀功的蒸汽大部分从所述基础部分或排出通路排出。
这里，相应于穿过内部壳体110B和涡轮转子112A之间的蒸汽通道的蒸汽的温度，冷却蒸汽排放通道151的进口布置在喷嘴113下游的给定级处，并使涡轮转子112A旋转。例如，当驱动位于喷嘴113下游的第三级处的涡轮转子112A转动的蒸汽的温度低于内部壳体110B的允许温度时，冷却蒸汽排放通道151的进口就布置在喷嘴113下游第三级处，以便位于第三级冷却喷嘴113的上游。
冷却蒸汽131被导向到喷嘴箱115的周围，以使得喷嘴箱115也被冷却，但是喷嘴箱115的内表面直接暴露于高温蒸汽，以致于即使其外周边表面被冷却蒸汽冷却，也期望利用耐高温材料来构造，并且使用与第一实施例所述的超高压涡轮100的喷嘴箱115相同的材料。
接着，将描述内部壳体110B的构成材料。
内部壳体110B由内部壳体冷却单元进行冷却，因此对于构造内部壳体110B的材料，使用具有化学成分范围(M3)的铸钢，其具有与构造第一实施例的超高压涡轮100的外部壳体相同的材料。
这里，因为内部壳体110B由内部壳体冷却单元进行冷却，能够判断出内部壳体110B可以正确地操作，即使650℃或更高温度的高温蒸汽被导入超高压涡轮100B，且在约600℃的温度时也能够发挥期望的机械特性并且具有时效变化的材料也耐于实际操作。因此，如第一实施例的实例2所述，即使(M3)材料暴露于600℃的温度，也能够发挥期望的机械特性。除此之外，很显然，具有时效变化的材料还能够承受实际操作，因此其可以用作内部壳体110B的材料，即使650℃或更高温度的高温蒸汽被导入超高压涡轮100B。
如上所述，第三实施例的涡轮发电系统可以将650℃或更高温度的高温蒸汽导入超高压涡轮100B，并且可以通过利用具有化学成分范围(M4)的耐热钢形超高压涡轮100B中由涡轮转子冷却单元进行冷却的涡轮转子112A、利用具有化学成分范围(M3)的铸钢形成由内部壳体冷却单元进行冷却的内部壳体110B以及由外部壳体冷却单元进行冷却的外部壳体111、以及利用具有化学成分范围(M2)的耐热合金形成喷嘴箱115来提高热效率。除此之外，通过具有涡轮转子冷却单元、内部壳体冷却单元和外部壳体冷却单元以及利用与现有技术相同的铁素体基合金钢构造涡轮转子112A、内部壳体110B和外部壳体111，能够确保可靠性、可操作性以及经济性。
(第四实施例)第四实施例的涡轮发电系统具有第一至第三实施例的涡轮发电系统的高压涡轮200，其设有与第三实施例的超高压涡轮100B相同方式的涡轮转子冷却单元、内部壳体冷却单元和外部壳体冷却单元，其中高压涡轮200的涡轮转子、内部壳体和外部壳体由铁素体基合金构成。650℃或更高温度的高温蒸汽被导入高压涡轮200。
这里，作为用于对高压涡轮200的涡轮转子和内部壳体进行冷却的冷却蒸汽，使用了从超高压涡轮100、100A、100B的某些中间段或中间级提取的蒸汽。蒸汽通过冷却蒸汽管被供应到高压涡轮200的喷嘴箱的周围。应当指出的是，冷却蒸汽并不限于从超高压涡轮100、100A、100B的中间段或中间级提取的蒸汽，而是可以使用其温度能够进行冷却以使得涡轮转子、内部壳体和外部壳体不会变为规定或更高温度的蒸汽。
接着，将描述构造高压涡轮200的涡轮转子、内部壳体和外部壳体的材料。
对于涡轮转子，使用了具有化学成分范围(M4)的耐热钢，其与构造第二实施例的超高压涡轮100A的涡轮转子112A的材料相同。
对于内部壳体和外部壳体，使用了具有化学成分范围(M3)的铸钢，其与构造第一实施例的超高压涡轮100的外部壳体的材料相同。
因为喷嘴箱的内表面直接暴露于高温蒸汽，希望其由耐高温的材料构成，即使其外表面由冷却蒸汽进行冷却，并且使用与第一实施例所述的超高压涡轮100的喷嘴箱115相同的材料。
这里，因为涡轮转子、内部壳体和外部壳体中的每一个由冷却单元进行冷却，可以判断出涡轮转子、内部壳体和外部壳体能够正确地操作，即使650℃或更高温度的高温蒸汽被导入高压涡轮200，而且在约600℃的温度处能够发挥期望的机械特性并且具有时效变化的材料也耐于实际操作。因此，如第一实施例的实例2和第二实施例的实例3所述，即使(M3)和(M4)材料暴露于600℃的温度，也能够发挥期望的机械特性。除此之外，很显然，具有时效变化的材料还能够承受实际操作，因此其可以用作涡轮转子、内部壳体和外部壳体的材料，即使650℃或更高温度的高温蒸汽被导入高压涡轮200。
如上所述，第四实施例的涡轮发电系统可以将650℃或更高温度的高温蒸汽导入超高压涡轮，以提高热效率，可以将650℃或更高温度的高温蒸汽导入高压涡轮200，并且通过利用具有化学成分范围(M4)的耐热钢形高压涡轮200中由涡轮转子冷却单元进行冷却的涡轮转子、利用具有化学成分范围(M3)的铸钢形成由内部壳体冷却单元进行冷却的内部壳体以及由外部壳体冷却单元进行冷却的外部壳体、以及利用具有化学成分范围(M2)的耐热合金形成喷嘴箱来提高热效率。除此之外，通过具有涡轮转子冷却单元、内部壳体冷却单元和外部壳体冷却单元以及利用与现有技术相同的铁素体基合金钢来构造涡轮转子、内部壳体和外部壳体，能够确保可靠性、可操作性以及经济性。
(第五实施例)第五实施例的涡轮发电系统设有与第三实施例的超高压涡轮100B相同方式的第一至第四实施例的涡轮发电系统中用于中压涡轮300的涡轮转子冷却单元、内部壳体冷却单元和外部壳体冷却单元，并且还具有由铁素体基合金构成的中压涡轮300的涡轮转子、内部壳体和外部壳体。而且，650℃或更高温度的高温蒸汽被导入中压涡轮300。
这里，作为用于对中压涡轮300的涡轮转子和内部壳体进行冷却的冷却蒸汽，使用了从高压涡轮的某些中间段或中间级提取的蒸汽。蒸汽通过冷却蒸汽管被供应到中压涡轮300的喷嘴箱的周围。应当指出的是，冷却蒸汽并不限于从高压涡轮的中间段或中间级提取的蒸汽，而是可以使用其温度能够进行冷却以使得涡轮转子、内部壳体和外部壳体不会变为规定或更高温度的蒸汽。
接着，将描述构造中压涡轮300的涡轮转子、内部壳体和外部壳体的材料。
对于涡轮转子，使用了具有化学成分范围(M4)的耐热钢，其与构造第二实施例的超高压涡轮100A的涡轮转子112A的材料相同。
对于内部壳体和外部壳体，使用了具有化学成分范围(M3)的铸钢，其与构造第一实施例的超高压涡轮100的外部壳体的材料相同。
因为喷嘴箱的内表面直接暴露于高温蒸汽，希望其由耐高温的材料构成，即使其外表面由冷却蒸汽进行冷却，并且使用与第一实施例所述的超高压涡轮100的喷嘴箱115相同的材料。
这里，因为涡轮转子、内部壳体和外部壳体中的每一个由冷却单元进行冷却，可以判断出涡轮转子、内部壳体和外部壳体能够正确地操作，即使650℃或更高温度的高温蒸汽被导入中压涡轮300，并且在约600℃的温度处能够发挥期望的机械特性，并且具有时效变化的材料也耐于实际操作。因此，如第一实施例的实例2和第二实施例的实例3所述，即使(M3)和(M4)材料暴露于600℃的温度，也能够发挥期望的机械特性。除此之外，很显然，具有时效变化的材料还能够承受实际操作，因此其可以用作涡轮转子、内部壳体和外部壳体的材料，即使650℃或更高温度的高温蒸汽被导入中压涡轮300。
如上所述，第五实施例的涡轮发电系统可以将650℃或更高温度的高温蒸汽导入超高压涡轮或者超高压涡轮和高压涡轮，以提高热效率，并且可以将650℃或更高温度的高温蒸汽导入中压涡轮300，并且通过利用具有化学成分范围(M4)的耐热钢形成中压涡轮300中由涡轮转子冷却单元进行冷却的涡轮转子、利用具有化学成分范围(M3)的铸钢形成由内部壳体冷却单元进行冷却的内部壳体以及由外部壳体冷却单元进行冷却的外部壳体、以及利用具有化学成分范围(M2)的耐热合金形成喷嘴箱来提高热效率。除此之外，通过具有涡轮转子冷却单元、内部壳体冷却单元和外部壳体冷却单元以及利用与现有技术相同的铁素体基合金钢来构造涡轮转子、内部壳体和外部壳体，能够确保可靠性、可操作性以及经济性。
(第六实施例)图5示意性地示出了第六实施例的涡轮发电系统800的概况。应当指出的是，与第一至第五实施例的涡轮发电系统中的结构相同的部件被标记为相同的附图标记，并将简化或省略对它们的重复描述。
涡轮发电系统800设有蒸汽阀810，该蒸汽阀与第一至第五实施例的涡轮发电系统中的超高压涡轮100、100A、100B的高温蒸汽入口部连通。被锅炉700加热到650℃或更高温度并流出的蒸汽经由蒸汽阀810通过主蒸汽管20流入超高压涡轮100、100A、100B。
接着，将描述构造蒸汽阀810的壳体的材料。
对于蒸汽阀810的壳体，使用了具有化学成分范围(M2)的耐热合金，其与构造第一实施例的超高压涡轮100的内部壳体110和喷嘴箱115的材料相同。
如第一实施例的实例1所述，很显然，能够发挥期望的机械特性并且具有时效变化的材料还能够承受实际操作，即使(M2)材料暴露于650℃或更高的温度(700℃)，因此这种耐热合金可以用作蒸汽阀810的壳体的材料，即使650℃或更高温度的高温蒸汽被导入蒸汽阀810。
如上所述，蒸汽阀810的壳体由具有化学成分范围(M2)的耐热合金构成，因此可以通过布置在超高压涡轮100、100A、100B的高温蒸汽入口部处的蒸汽阀810调节高温蒸汽的流量，即使650℃或更高温度的高温蒸汽被导入超高压涡轮100、100A、100B。
除了蒸汽阀810布置在超高压涡轮100、100A、100B的高温蒸汽入口部之外，蒸汽阀810可以布置在例如高压涡轮200和中压涡轮300的高温蒸汽入口部。尤其是，在650℃或更高温度的高温蒸汽被导入高压涡轮200和中压涡轮300的情况下，可以通过布置在高压涡轮200和中压涡轮300的高温蒸汽入口部处的蒸汽阀810调节高温蒸汽的流量。
应当指出的是，本发明并不限于所述实施例，并且在不偏离本发明的范围和精神的前提下，可以做出其它扩展和变型。所有扩展或变型的实施例均处于本发明的技术范围内。
权利要求
1.一种蒸汽涡轮发电设备，其设有超高压涡轮、高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮，并且650℃或更高温度的高温蒸汽被导入该超高压涡轮，其中该超高压涡轮包括由外部壳体和内部壳体构成的双重结构壳体；以及外部壳体冷却单元，其通过将冷却蒸汽导入到该外部壳体和该内部壳体之间来对该外部壳体进行冷却；该超高压涡轮的涡轮转子由耐热合金构成，该耐热合金以重量百分比计包含C0.10-0.20，Si0.01-0.5，Mn0.01-0.5，Cr20-23，Co10-15，Mo8-10，Al0.01-1.5，Ti0.01-0.6，B0.001-0.006，以及余量的Ni和不可避免的杂质，并且该不可避免的杂质被限制，其中Fe5或更少，P0.015或更少，S0.015或更少，以及Cu0.5或更少；该超高压涡轮的内部壳体和喷嘴箱由耐热合金构成，该耐热合金以重量百分比计包含C0.03-0.25，Si0.01-1.0，Mn0.01-1.0，Cr20-23，Mo8-10，Nb1.15-3.0，以及余量的Ni和不可避免的杂质，并且该不可避免的杂质被限制，其中Fe5或更少，P0.015或更少，S0.015或更少，以及Cu0.5或更少；以及该超高压涡轮的外部壳体由铸钢构成，该铸钢以重量百分比计包含C0.05-0.15，Si0.3或更少，Mn0.1-1.5，Ni1.0或更少，Cr9或更多并小于10，V0.1-0.3，Mo0.6-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.02-0.08，B0.001-0.008，N0.005-0.1，Ti0.001-0.03，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
2.一种蒸汽涡轮发电设备，其设有超高压涡轮、高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮，并且650℃或更高温度的高温蒸汽被导入该超高压涡轮，其中该超高压涡轮包括由外部壳体和内部壳体构成的双重结构壳体；外部壳体冷却单元，其通过将冷却蒸汽导入到该外部壳体和该内部壳体之间来对该外部壳体进行冷却；涡轮转子冷却单元，其通过冷却蒸汽对涡轮转子进行冷却；该超高压涡轮的涡轮转子由耐热钢构成，该耐热钢以重量百分比计包含C0.08-0.15，Si0.1或更少，Mn0.1-0.3，Ni0.1-0.3，Cr9或更多并小于10，V0.15-0.3，Mo0.4-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.05-0.08，B0.001-0.015，N0.01-0.04，以及余量的Fe和不可避免的杂质；该超高压涡轮的内部壳体和喷嘴箱由耐热合金构成，该耐热合金以重量百分比计包含C0.03-0.25，Si0.01-1.0，Mn0.01-1.0，Cr20-23，Mo8-10，Nb1.15-3.0，以及余量的Ni和不可避免的杂质，并且该不可避免的杂质被限制，其中Fe5或更少，P0.015或更少，S0.015或更少，以及Cu0.5或更少；以及该超高压涡轮的外部壳体由铸钢构成，该铸钢以重量百分比计包含C0.05-0.15，Si0.3或更少，Mn0.1-1.5，Ni1.0或更少，Cr9或更多并小于10，V0.1-0.3，Mo0.6-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.02-0.08，B0.001-0.008，N0.005-0.1，Ti0.001-0.03，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
3.一种蒸汽涡轮发电设备，其设有超高压涡轮、高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮，并且650℃或更高温度的高温蒸汽被导入该超高压涡轮，其中该超高压涡轮包括由外部壳体和内部壳体构成的双重结构壳体；外部壳体冷却单元，其通过将冷却蒸汽导入到该外部壳体和该内部壳体之间来对该外部壳体进行冷却；涡轮转子冷却单元，其通过冷却蒸汽对涡轮转子进行冷却；内部壳体冷却单元，其通过冷却蒸汽对该内部壳体进行冷却；该超高压涡轮的涡轮转子由耐热钢构成，该耐热钢以重量百分比计包含C0.08-0.15，Si0.1或更少，Mn0.1-0.3，Ni0.1-0.3，Cr9或更多并小于10，V0.15-0.3，Mo0.4-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.05-0.08，B0.001-0.015，N0.01-0.04，以及余量的Fe和不可避免的杂质；该超高压涡轮的喷嘴箱由耐热合金构成，该耐热合金以重量百分比计包含C0.03-0.25，Si0.01-1.0，Mn0.01-1.0，Cr20-23，Mo8-10，Nb1.15-3.0，以及余量的Ni和不可避免的杂质，并且该不可避免的杂质被限制，其中Fe5或更少，P0.015或更少，S0.015或更少，以及Cu0.5或更少；以及该超高压涡轮的内部壳体和外部壳体由铸钢构成，该铸钢以重量百分比计包含C0.05-0.15，Si0.3或更少，Mn0.1-1.5，Ni1.0或更少，Cr9或更多并小于10，V0.1-0.3，Mo0.6-1.0，W1.5-2.0，Co1.0-4.0，Nb0.02-0.08，B0.001-0.008，N0.005-0.1，Ti0.001-0.03，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的蒸汽涡轮发电设备，其特征在于，650℃或更高温度的高温蒸汽被导入其中的该中压涡轮包括中压外部壳体冷却单元，其对该中压涡轮的外部壳体进行冷却；中压涡轮转子冷却单元，其通过冷却蒸汽对该中压涡轮的涡轮转子进行冷却；中压内部壳体冷却单元，其通过冷却蒸汽对该中压涡轮的内部壳体进行冷却；以及该中压涡轮的外部壳体、涡轮转子和内部壳体由铁素体基合金构成。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的蒸汽涡轮发电设备，其特征在于，650℃或更高温度的高温蒸汽被导入其中的该高压涡轮包括高压外部壳体冷却单元，其对该高压涡轮的外部壳体进行冷却；高压涡轮转子冷却单元，其通过冷却蒸汽对该高压涡轮的涡轮转子进行冷却；高压内部壳体冷却单元，其通过冷却蒸汽对该高压涡轮的内部壳体进行冷却；以及该高压涡轮的外部壳体、涡轮转子和内部壳体由铁素体基合金构成。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的蒸汽涡轮发电设备，其特征在于，该超高压涡轮、该高压涡轮和该中压涡轮中的每一个设有与各高温蒸汽导入口连通的蒸汽阀，以及其中至少布置在该超高压涡轮中的蒸汽阀的壳体由耐热合金构成，该耐热合金以重量百分比计包含C0.03-0.25，Si0.01-1.0，Mn0.01-1.0，Cr20-23，Mo8-10，Nb1.15-3.0，以及余量的Ni和不可避免的杂质，并且该不可避免的杂质被限制，其中Fe5或更少，P0.015或更少，S0.015或更少，以及Cu0.5或更少。
全文摘要
一种蒸汽涡轮发电设备，其设有超高压涡轮(100)、高压涡轮(200)、中压涡轮(300)和低压涡轮(400)，并且650℃或更高温度的高温蒸汽被导入该超高压涡轮(100)，其中该超高压涡轮(100)具有对外部壳体(111)进行冷却的外部壳体冷却单元，并且该超高压涡轮(100)的涡轮转子(112)、内部壳体(110)和喷嘴箱(115)由Ni基耐热合金构成，该外部壳体(111)由铁素体基合金构成。
文档编号F01D5/28GK1854464SQ20061007716
公开日2006年11月1日 申请日期2006年4月27日 优先权日2005年4月28日
发明者须贺威夫, 石井龙一, 高桥武雄, 福田雅文 申请人:株式会社东芝