JP2004116915A

JP2004116915A - 脱気器

Info

Publication number: JP2004116915A
Application number: JP2002282143A
Authority: JP
Inventors: Fumio Takahashi; 高橋　文夫; Tadashi Fujiwara; 藤原　　正; Isao Suzuki; 鈴木　　勲
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】本発明の第１の目的は、従来のような付加的な制御をせずに、単純構造で急激な減圧沸騰を抑制できる単胴式の脱気器を提供することにある。
本発明の第２の目的は、２胴式の脱気器における圧力変動をより一層緩和して、急激な減圧沸騰の可能性をさらに低減できる脱気器を提供することにある。
【解決手段】復水を脱気する脱気トレイと、前記脱気トレイを流下した復水を貯水する復水貯水部を備え、タービン抽気管から導入した蒸気により前記脱気トレイを流下する復水を加熱するように構成された脱気器において、前記復水貯水部に復水の沸騰を促進する沸騰促進体を設ける。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラントの脱気器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
脱気器は、発電プラントの復水に溶存する酸素を脱気する機器である。脱気器には脱気トレイが設置され、脱気トレイ上に復水が散布される。散布された復水が脱気トレイ上を流下するときに、復水中から酸素を含む空気が脱気され、空気は別に設けられた真空ポンプにより排気される。
【０００３】
特にプラントの起動時には、多くの酸素が含まれるため、脱気特性を向上する必要があり、流下する復水に補助蒸気が導かれ、復水温度を上昇させる方式がとられる。通常運転時には、給水加熱器で加熱された復水が流入する。何れの時も、加熱された復水が脱気器の下部に溜まる。脱気器の下部に溜まる復水量はプラント規模に応じて設定され、さらに水位制御されることにより、プラント中の水量を十分確保する施策がとられる。これらの結果として、脱気器には高温で多量の復水が保持されることになる。
【０００４】
最近の発電プラントでは、負荷変動に追従して発電出力を変動する方式がとられ、復水器で生じる復水量と給水加熱器での加熱がバランスするとは限らない。また、送電系統の事故などにより発電を急に停止するとき、ボイラーの停止に続き、給水加熱器に抽気される蒸気量が急激に減少する。このため、脱気器に入る復水温度は急激に低下し、飽和状態にある蒸気圧力が低下する。一方、脱気器の下部に保持された復水は高温に保たれているため、蒸気圧力の低下に伴い、減圧沸騰を開始する。急激な沸騰は、給水ポンプにキャビテーションなどのダメージを与え、機器の信頼性を損なう。
【０００５】
これまで、高温の貯水タンクと脱気トレイを分離し、連通管でつないだ２胴式の脱気器が用いられてきた。近年、小型化を追求するために貯水タンクと脱気トレイを一体とした単胴式が用いられるようになってきた。２胴式は高温の貯水タンクと脱気トレイが分離されているので、両者の圧力が均一になるのに時間がかかるので、単胴式に比べて急激な減圧沸騰は起こり難い。一方で、単胴式は蒸気圧力の低下が器内全体に伝わり、前述したメカニズムにより、急激な減圧沸騰が生じ易い構造となっている。
【０００６】
単胴式の脱気器の減圧沸騰を抑制するための従来技術として、加熱された復水溜まりを冷却水で冷却する構造のものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−２１１００７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、復水溜まりの冷却により減圧沸騰を抑制できるが、冷却用の冷却管，冷却水を通水するためのポンプ及び配管系などの多くの付帯設備が必要となる。更に、上記従来技術では冷却水を通水するための付加的な切替え制御が必要であり、加熱された領域へ冷却水を通水させたときの熱衝撃の緩和等も考慮する必要がある。
【０００９】
本発明の第１の目的は、従来のような付加的な制御をせずに、単純構造で急激な減圧沸騰を抑制できる単胴式の脱気器を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、２胴式の脱気器における圧力変動をより一層緩和して、急激な減圧沸騰の可能性をさらに低減できる脱気器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、脱気器の復水溜まり（復水貯水部）に、復水の沸騰を促進する沸騰促進体を設ける。沸騰促進体としては、銅、黄銅またはステンレス等の熱伝導率が高い金属を用いることができる。熱伝導率が高い金属とは、温度範囲０〜２００℃における熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）（メートル・ケルビン）以上の金属をいう。
【００１２】
減圧沸騰は、復水の過熱度、即ち圧力で決まる飽和温度からの復水温度の上昇が一定値を超えると生じる。熱伝導率が高い金属を沸騰促進体として設けることにより、小さな過熱度でも復水は沸騰を開始する。この沸騰による潜熱は復水溜まりの温度を下げると共に、この沸騰により生じた蒸気は脱気トレイを流下する復水を加熱する。この結果、脱気器内の温度が均一化され、圧力の低下が緩和される。
【００１３】
従って、前記した急激な減圧沸騰を抑制できる。この場合、沸騰促進体は単に設置するだけで良く、従来の冷却水切替えのような付加的な制御は必要ない。この結果、脱気器のコストを低減し、運転時の信頼性を向上できる。
【００１４】
また、沸騰は液体と接する固体表面で発生する沸騰核を起点に生じる。固体の表面粗さを粗くすると沸騰核が生成され易くなるので、上記沸騰促進体の表面粗さを粗くすることにより、本発明の沸騰促進効果はより高くなる。表面粗さが粗いとは、表面における凹凸の高さ（深さ）が１〜１００μｍ、凹凸の凸部（又は凹部）先端の間隔が１〜５００μｍである状態をいう。
【００１５】
さらに、水頭圧の低い復水溜まりの表層近傍に上記沸騰促進体を設けることにより、脱気器内の圧力が下がり始める早い時期に、沸騰促進体の近傍でのみ沸騰が開始する。表層近傍とは、例えば、復水溜まりの水深Ｌのうち上端の０．３Ｌ以上の上部領域を指す。この作用は沸騰促進体の少なくとも一部が復水溜まりの表層近傍に設置されていれば得られるが、沸騰促進体の全体を表層近傍に設置する方がより好ましい。また、沸騰促進体を微細な構造に区分して沸騰により生じる蒸気泡を微細化することにより、機器に与えるダメージを抑制できる。微細な構造とは、例えば後述する図３に示すような円管などにより区分された流路が形成されるような構造をいう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
初めに、図５を用いて、本発明の脱気器を適用した発電プラントの概略系統図を説明する。１は脱気器、２はボイラー、３はタービン、４は復水器、５は給水加熱器である。脱気器１は給水加熱器５の後段に配置され、給水加熱器５により約１５０℃まで加熱された復水が脱気器１に流入する。復水は、脱気器１の脱気トレイを流下する過程で、タービン抽気管３０１から導かれた補助蒸気により約１８０℃まで加熱され、脱気器下部の復水溜まり（復水貯水部）に貯水される。復水溜まりの復水は、通常の運転時には降水管１０２から排水される。
【００１７】
次に、本発明による脱気器の一実施例を、図１および図２を用いて説明する。図１は本発明による単胴式脱気器の一実施例を示す概略縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視図である。
【００１８】
脱気器１は水平方向に横長の円筒状の脱気器容器１ａを有する。脱気器容器
１ａは、例えば直径１００ｃｍ，長さ５００ｃｍ程度の円筒状容器である。複数段の脱気トレイ１１が、支持板２１により脱気器容器１ａに吊り下げられている。脱気トレイ１１はその周りを支持板２１に囲まれて、副室２１ａが形成されている。沸騰促進体１０は脱気器容器１ａの下部側面に固定されている。復水溜まりでの復水の対流を妨げないように、沸騰促進体１０は脱気器容器１ａ底面から離して設置され、沸騰促進体１０と脱気器容器１ａ底面の間に形成される空間１５は開口１０ａに連通する。尚、図１では、簡単のために沸騰促進体１０の一部のみを模式的に表示している。
【００１９】
復水管５０１で導かれた復水は、スプレー弁１２で微粒化され、脱気トレイ
１１に散布される。散布された復水が脱気トレイ１１上を流下するときに、酸素を含む空気が復水中から脱気され、真空排気管１３から排気される。また、タービン抽気管３０１から導かれた補助蒸気が、脱気トレイ１１を流下する復水を加熱して、脱気を促進する。
【００２０】
図３は、沸騰促進体１０の一例を示す概略部分構成図である。１０ｃは円管、１０ｄは支持板である。鉛直方向に設置された複数の円管１０ｃが、水平方向に設置された支持板１０ｄで保持される。支持板１０ｄは、脱気器容器１ａの円筒側面に接する線上で脱気器容器１ａに固定される。支持板１０ｄには、支持板１０ｄの下側と円管１０ｃの内部とを連通させる開口（穴）１０ａを設け、復水溜まりでの対流を促す構造としている。
【００２１】
円管１０ｃとして径の小さな管を多数本用いることにより、沸騰促進体の表面積を大きくして、復水の沸騰促進効果をより効果的にできる。このためには、例えば内径１０〜３０ｍｍ，長さ（高さ）５０ｃｍ程度の大きさの円管１０ｃを、間隔１５〜６０ｍｍで５０〜５００本程度配置すれば良い。さらに、多数の円管１０ｃで区分した構造とすることにより、円管１０ｃの内部で発生する蒸気泡の大きさを微細にできる。これにより、微細な沸騰核が生成され易くなるので、沸騰促進効果はより効果的になる。
【００２２】
図４は、脱気トレイ１１の一例を示す概略部分構成図である。脱気トレイ１１は、平板状の本体１１ｃの一部を突出させた複数の突出部１１ａを備え、突出部１１ａの下側に開口（穴）１１ｂを備える。突出部１１ａとしては、例えば幅３ｍｍ，突出高さ１ｍｍ程度の微細な板状の突出部を用いることができる。
【００２３】
このような脱気トレイを備えることにより、スプレー弁１２からスプレーされた復水は、一旦、脱気トレイ１１全体で保持され、開口１１ｂを通って下の脱気トレイに流下する。また、タービン抽気管３０１から導かれた補助蒸気は、副室２１ａ内で脱気トレイ１１の開口１１ｂを下から上に向かって流れる。この際、突出部１１ａは蒸気を水平方向に拡げる役割も果たす。このようなトレイ構造により、復水の脱気トレイ上での滞留時間を長くし、蒸気がトレイ全体に拡がって復水を均一に加熱することができるので、脱気特性を向上できる。
【００２４】
復水溜まりにおける復水の水位は図１の水位計１４によりモニターされ、復水管５０１からの復水流量を増減して、所定の復水水位を保つように制御される。具体的には、例えば、水位計１４で計測した復水の水位が下限水位よりも低い場合には降水管１０２に設置した弁（図示せず）を絞って復水の流出量を減らすように、水位計１４で計測した復水の水位が上限水位よりも高い場合には降水管１０２に設置した弁を開いて復水の流出量を増やすように制御する。下限水位は、システム上必要な保持水量により決まる水位であり、上限水位は、脱気トレイ１１を水没させないように決まる水位である。これにより、脱気器１内に十分な復水量を保持して、システムの安定化に寄与できる。
【００２５】
図５において、負荷変動時やプラントの緊急停止時などには、まず、タービン抽気管３０１及び３０５を通して脱気器１及び給水加熱器５に流入する蒸気量が減少する。復水流量が一定に保たれると、脱気器１に流入する復水の温度が低下する。脱気トレイ１１の周囲では、蒸気は流下する復水と平衡となる飽和状態にあるため、復水の温度低下に伴って飽和蒸気圧力が低下する。この圧力低下は復水溜まりにも伝わるが、復水溜まりの温度は高く保たれている。復水の過熱度が一定値を超えると、沸騰が開始する。沸騰には、沸騰の核が必要であり、沸騰促進体１０を中心に沸騰が始まる。水深が深い所では、水頭圧により沸騰が抑えられるので、沸騰促進体１０の中でも特に復水溜まりの表層近傍（水深の浅い領域）が沸騰の中心となる。
【００２６】
このことから、沸騰促進体１０の上端を復水溜まりの表層近傍に配置する。また、沸騰を継続するために、沸騰促進体１０は、沸騰で生じた蒸気泡を上部から逃がし、その周囲から復水が供給される構造とする。
【００２７】
図３の沸騰促進体１０を用いた場合、円管１０ｃの内側では、発生した蒸気泡は円管１０ｃの上端から鉛直上方に放出され、円管１０ｃの下端からは復水が流入する。蒸気泡は復水に比べ密度が遥かに低く、円管１０ｃを鉛直方向に設置しているので、上記した流れ（蒸気泡の放出及び復水の流入）は自然対流として維持される。沸騰による潜熱によって復水溜まりが冷却されるとともに、沸騰によって生じる蒸気は脱気トレイ１１を流下する復水を加熱するので、脱気器内の温度が均一化され、圧力の低下を緩和できる。
【００２８】
図３の沸騰促進体１０では、支持板１０ｄを下部にのみ設けているため、円管外側でも沸騰し、生じた蒸気泡は上方に放出されるので、円管内側と同様の対流が生じる。ただし、円管外側の場合、円管内側を通過する対流に比べて円管近傍に限定された局所的な対流であるため、脱気器内の温度均一化の効果は若干小さい。円管１０ｃの内側，外側の何れで沸騰が生じても、蒸気泡は十分に小さいため、蒸気泡の上昇に伴い巻き込まれる液体の質量が小さく、液体の衝突により構成機器に与えるダメージは小さい。
【００２９】
図６は、沸騰促進体１０の他の一例を示す概略部分構成図である。本例は、図３の沸騰促進体の上側にも支持板１０ｄを設けた例である。上記した自然対流を保つために、支持板１０ｄには、支持板１０ｄの下側と円管１０ｃの内部とを連通させる開口（穴）１０ａ及び支持板１０ｄの上側と円管１０ｃの内部とを連通させる開口（穴）１０ｂを設ける。更に、沸騰促進体１０を脱気器容器１ａの底面から離した位置に設置することにより、円管１０ｃの内部を通して下側から上側への自然対流が流れ易い構造とする。図６の場合、円管１０ｃの外側における蒸気泡の上昇は上側の支持板１０ｄで遮られるため、継続した沸騰は円管１０ｃ内を中心として起こる。この構造では、円管１０ｃを上下の両端で支持することにより、図３よりも機械的な強度を増すことができる。
【００３０】
図３及び図６の沸騰促進体１０において、図７に示すように、円管１０ｃの側面に多数のノズル穴（小孔）１０ｅを設けても良い。この場合、円管１０ｃの側面の外側から内側に復水の流入を促す効果がある。
【００３１】
図８は、沸騰促進体１０の他の一例を示す概略部分構成図である。本例は、図３の円管１０ｃに代えて、中実棒（円柱構造物，ピン）１０ｆを設けた例である。中実棒１０ｆの大きさ，設置間隔，本数などは、円筒の場合と同等である。この場合、沸騰は中実棒１０ｆの外表面で生じるが、下側の支持板１０ｄのみで支持されるので、蒸気泡の上昇を妨げることはなく、沸騰が継続される。
【００３２】
図９は、沸騰促進体１０の他の一例を示す概略部分構成図である。本例は、複数の平板１０ｇで仕切られた複数の矩形流路１０ｈを有する例である。格子状に形成された１つのマス目が１つの矩形流路１０ｈに対応する。円管の場合にならって、矩形流路１０ｈの幅は１５〜６０ｍｍ、長さは５０ｃｍ、数は５０〜５００とすれば良い。このような構造を用いても、鉛直方向に長く伸びた複数の矩形流路１０ｈを通して、下側から上側への自然対流が流れ易くなる。
【００３３】
図１０は、沸騰促進体１０の表面２０の部分拡大断面図である。表面２０の微細な凹凸が沸騰核となり、さらに沸騰を促進する。特に、銅，黄銅またはステンレス等の熱伝導率が高い金属で且つ表面粗さが粗いときに、特に沸騰核が生成され易く、沸騰を促進する効果が高い。微細な凹凸の代表長さとしては、例えば図１０に示す凹部の幅を１００μｍ程度とする。微細な凹凸の大きさについては、前述したようなサイズであれば、沸騰促進効果が得られる。このような表面構造を有する沸騰促進体１０を用いることにより、小さな過熱度でも復水の沸騰が開始する。
【００３４】
ここまでは沸騰促進体１０についてのみ説明したが、脱気器容器１ａが復水と接する内壁表面でも沸騰核が生成されるので、前述した沸騰による温度均一化の効果が若干はある。実用的には、沸騰促進体１０を設けたことによる効果が、脱気器容器１ａの内壁が有する効果を上回ることが好ましい。このためには、沸騰促進体１０の表面積を、脱気器容器１ａの内壁が復水と接する面積と同等以上にすることが好ましい。沸騰促進体１０の表面積とは、円管を用いた図３及び図６の場合、円管１０ｃの内側表面積と外側表面積の和，中実棒を用いた図８の場合、中実棒１０ｆの外側表面積，格子を構成する図９の場合、平板１０ｇの内側表面積と外側表面積の和である。
【００３５】
以上説明した実施例によれば、従来の冷却水切替えのような付加的な制御をせずに、単に沸騰促進体を設置するだけで、単胴式脱気器の急激な減圧沸騰を抑制できる。
【００３６】
次に、本発明による脱気器の他の実施例を図１１を用いて説明する。図１１は、本発明による２胴式脱気器の一実施例を示す概略縦断面図である。本脱気器１は、脱気室１ｂと貯水室１ｃに分離され、連通管１０１により接続される。この場合、スプレー弁１２から脱気トレイ１１に散布された復水は、脱気トレイ１１上を流下するときに酸素を含む空気が脱気され、連通管１０１を通して、貯水室１ｃの復水溜まりに貯水される。図３，図６〜図９に示した沸騰促進体１０が、貯水室１ｃの復水溜まりに設置される。その他の構成は図１の実施例と同じであるので、ここでは説明を省略する。このような２胴式の場合、単胴式に比べて減圧沸騰の危険性は小さいが、沸騰促進体１０を用いることにより圧力変動をより一層緩和できるので、脱気器の運転範囲を更に広められる利点がある。
【００３７】
本実施例によれば、２胴式脱気器において圧力変動をより一層緩和できるので、急激な減圧沸騰の可能性を極めて小さくでき、機器の信頼性をさらに高めることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、単胴式の脱気器において、従来の冷却水切替えのような付加的な制御をせずに、単純構造で急激な減圧沸騰を抑制できる。
【００３９】
また、２胴式の脱気器において、圧力変動をより一層緩和して、急激な減圧沸騰の可能性をさらに低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による単胴式脱気器の一実施例を示す概略縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図。
【図３】沸騰促進体の一例を示す概略部分構成図。
【図４】脱気トレイ１１の一例を示す概略部分構成図。
【図５】本発明の脱気器を適用した発電プラントの概略系統図。
【図６】沸騰促進体の他の一例を示す概略部分構成図。
【図７】図３及び図６における円管の概略構成図。
【図８】沸騰促進体の他の一例を示す概略部分構成図。
【図９】沸騰促進体の他の一例を示す概略部分構成図。
【図１０】沸騰促進体の表面の部分拡大断面図。
【図１１】本発明による２胴式脱気器の一実施例を示す概略縦断面図。
【符号の説明】
１…脱気器、１ａ…脱気器容器、１ｂ…脱気室、１ｃ…貯水室、１０…沸騰促進体、１０ａ，１０ｂ，１１ｂ…開口、１０ｃ…円管、１０ｄ…支持板、１０ｅ…ノズル穴、１０ｆ…中実棒、１０ｇ…平板、１０ｈ…矩形流路、１１…脱気トレイ、１１ａ…突出部、１１ｃ…本体、１２…スプレー弁、１３…真空排気管、１４…水位計、１５…空間、１０１…連通管、１０２…降水管、３０１，３０５…タービン抽気管。

Claims

復水を脱気する脱気トレイと、前記脱気トレイを流下した復水を貯水する復水貯水部を備え、タービン抽気管から導入した蒸気により前記脱気トレイを流下する復水を加熱するように構成された脱気器において、
前記復水貯水部に復水の沸騰を促進する沸騰促進体を設けた脱気器。
請求項１において、前記沸騰促進体として、熱伝導率が高い金属を用いた脱気器。
請求項１又は２において、前記沸騰促進体の少なくとも一部を前記復水貯水部の表層近傍に設けた脱気器。
請求項１乃至３の何れかにおいて、前記沸騰促進体がその表面で発生した蒸気泡を鉛直上方に放出するように構成されている脱気器。
請求項４において、前記沸騰促進体が、その表面で発生した蒸気泡を鉛直上方に放出する開口をその上端部に有し、前記復水貯水部内の復水が流入する開口をその下端部に有する脱気器。
請求項５において、前記沸騰促進体が、その側面に前記復水貯水部内の復水が流入する開口を有する脱気器。
請求項１乃至６の何れかにおいて、前記沸騰促進体が、その表面で復水の沸騰核を生成し易くするように、その表面粗さが粗くされている脱気器。
請求項１乃至７の何れかにおいて、前記沸騰促進体は、その表面積が少なくとも脱気器の内壁が復水と接する面積以上に構成されている脱気器。