JP2012117740A - 直接接触式復水器 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射する水量の均一性を向上した直接接触式復水器を提供する。
【解決手段】一形態に係る直接接触式復水器は，蒸気冷却室と，導入部と，冷却水室と，複数のスプレー管と，圧力均一化手段と，複数のスプレーノズルと，ガス冷却室と，蓄水部と，を具備する。複数のスプレー管は，前記蒸気冷却室内に，前記タービン排気ガスの導入方向に沿い，かつ異なる高さに配置され，前記冷却水室から冷却水が供給される。圧力均一化手段は，前記複数のスプレー管それぞれが配置される高さに対応する水圧の相違を均一化する。複数のスプレーノズルは，前記複数のスプレー管それぞれに接続されて，前記タービン排気ガスに冷却水を噴霧する。
【選択図】図３

Description

本発明は，直接接触式復水器に関する。

地熱発電等に直接接触式復水器が用いられる。従来の直接接触式復水器には，トレー式とスプレー式があり，スプレー式はスプレーコンデンサと呼ばれている。これらの方式ではいずれも，タービン排気蒸気と冷却水を直接接触させて蒸気を凝縮するため，冷却水が蒸気に接触する面積をいかに増大するかが性能上重要である。トレー式では，多孔板トレーから落下する冷却水にタービン排気蒸気を直交して流動せしめ，その動圧を利用して冷却水を微粒化する。またスプレー式では，スプレーノズルを介して冷却水を空間に放出するとともに微粒化する。スプレー式では，水の微粒化のためにタービン排気蒸気の流速を必要としないので，復水器内での蒸気の流動損失を低く抑えることができる。

このうちスプレー式においては，復水器の垂直方向にスプレー管を設置した構造のものがある（特許文献１参照）。また，タービン排気蒸気の圧力損失低減を図るため，復水器の水平方向にスプレー管を設置した構造がある。

ここで，復水器の水平方向にスプレー管を設置する際は，配置位置に高低差が生じる。このため，スプレー管に供給される冷却水の圧力がバラつき，スプレー管へ流入する冷却水量を一定に保つことが困難となる。よってスプレーノズルそれぞれから噴射される冷却水量を均一に保つことが困難となり，蒸気の凝縮性能に悪影響を与えてしまう。

特開２００７−２３９６２号公報

本発明は，噴射する水量の均一性を向上した直接接触式復水器を提供することを目的とする。

一形態に係る直接接触式復水器は，蒸気冷却室と，導入部と，冷却水室と，複数のスプレー管と，圧力均一化手段と，複数のスプレーノズルと，ガス冷却室と，蓄水部と，を具備する。導入部は蒸気冷却室内に，水蒸気と不凝縮ガスとを含むタービン排気ガスを略水平方向に導入する。複数のスプレー管は，前記蒸気冷却室内に，前記タービン排気ガスの導入方向に沿い，かつ異なる高さに配置され，前記冷却水室から冷却水が供給される。圧力均一化手段は，前記複数のスプレー管それぞれが配置される高さに対応する水圧の相違を均一化する。複数のスプレーノズルは，前記複数のスプレー管それぞれに接続されて，前記タービン排気ガスに冷却水を噴霧する。ガス冷却室は，導入部と対向して前記復水室内に配置され，前記冷却水が噴霧されたタービン排気ガスに残留する不凝縮ガスが流入する。蓄水部は，蒸気冷却室の下部に配置され，前記冷却水の噴霧によって，前記水蒸気から凝縮された凝縮水を蓄積する。

本発明によれば，噴射する水量の均一性を向上した直接接触式復水器を提供できる。

第１実施形態に係るスプレーコンデンサ１００の外観を表す斜視図である。 第１実施形態に係るスプレーコンデンサ１００の外観を表す側面図である。 第１実施形態に係るスプレーコンデンサ１００の内部を表す側面図である。 第１実施形態に係るスプレーコンデンサ１００の内部を正面から見た状態を表す正面図である。 スプレー管の内部を拡大して表す一部断面図である。 第２実施形態に係るスプレーコンデンサ２００の内部を表す側面図である。 第２実施形態に係るスプレーコンデンサ２００の内部を正面から見た状態を表す正面図である。 第３実施形態に係るスプレーコンデンサ３００の内部を表す側面図である。 第３実施形態に係るスプレーコンデンサ３００の内部を正面から見た状態を表す正面図である。

以下，図面を参照して，実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１〜図５を参照して，第１の実施の形態に係るスプレーコンデンサ１００を説明する。図１は，スプレーコンデンサ１００の外観を表す斜視図である。図２は，スプレーコンデンサ１００の外観を表す側面図である。図３は，スプレーコンデンサ１００の内部を表す側面図である。図４は，スプレーコンデンサ１００の内部を表す正面図である。図５は，スプレー管１１１の内部を拡大して表す一部断面図である。

スプレーコンデンサ１００は，例えば，地熱発電所の蒸気タービン（地熱蒸気タービン）から排気される排気ガス（タービン排気ガス）中の蒸気（タービン排気蒸気）を冷却し凝縮（復水）する直接接触式復水器である。タービン排気ガスは，蒸気および不凝縮（ＮＣ）ガスを含む。不凝縮ガスは，冷却水で冷却しても凝縮しないガス，例えば，炭酸ガス（ＣＯ_２），硫化水素ガス（Ｈ_２Ｓ）である。

スプレーコンデンサ１００は，本体胴１０１，タービン排気蒸気入口座１０２，冷却水入口座１０３，ガス出口座１０４，ホットウエル出口箱１０５，凝縮水出口座１０６，スプレー管１１１を有する。

本体胴１０１は，スプレーコンデンサ１００の主要部を構成し，外形形状が箱型の容器である。本体胴１０１の内部空間は，蒸気冷却室１０１Ａ，ホットウエル１０１Ｂ，冷却水室１０１Ｃ，ガス冷却室１０１Ｄに区分することができる。なお，これらの詳細は後述する。

タービン排気ガス入口座１０２は，蒸気冷却室１０１Ａにタービン排気ガスを導入する部材であり，蒸気冷却室１０１Ａの紙面左横側に配置される。タービン排気ガス入口座１０２は，その左横端に配置される開口部１０２Ａからタービン排気ガスを蒸気冷却室１０１Ａに水平方向に導入することができる。タービン排気ガス入口座１０２は，全体として４角錐台形状（側面が台形）で，開口部１０２Ａに向かって断面積が小さくなる。開口部１０２Ａは矩形または円形の開口を有する。開口が円形の場合，開口部１０２Ａは，円形の開口を有する矩形の板を備える。タービン排気ガス入口座１０２は，蒸気冷却室内にタービン排気ガスを水平方向に導入する導入部として機能する。

蒸気冷却室１０１Ａは，タービン排気ガス中の蒸気（タービン排気蒸気）を冷却するための空間を保持する。蒸気冷却室１０１Ａの上部は平板状である。後述のように，蒸気冷却室１０１Ａ内のタービン排気蒸気に冷却水が噴霧され，タービン排気蒸気が直接的に冷却されて，凝縮水（タービン排気蒸気の復水）が発生する。

ホットウエル１０１Ｂは，蒸気冷却室１０１Ａの下側に配置され（本体胴１０１の下部），蒸気冷却室１０１Ａで発生した凝縮水および使用済みの冷却水を蓄積する。図１〜図４に示すように，本実施形態では，ホットウエル１０１Ｂは，矩形の断面を有し，その内部に凝縮水を多量に蓄積可能である。但し，ホットウエル１０１Ｂの上部を半円形断面とすることも可能である。ホットウエル１０１Ｂは，平板状の底板１２０を有する。ホットウエル１０１Ｂは，冷却水の噴霧によって，前記水蒸気から凝縮された凝縮水を蓄積する蓄水部として機能する。

ホットウエル１０１Ｂの底板１２０の下部に，断面が円形又は矩形のホットウエル出口箱１０５が取り付けられている。ホットウエル出口箱１０５の横又は下部に凝縮水出口座１０６が取り付けられ，凝縮水の排出が可能となる。

冷却水入口座１０３は，スプレーコンデンサ１００に冷却水を導入するためのものであり，本体胴１０１の右横壁面（タービン排気ガス入口座１０２と反対側）のほぼ中央に取り付けられ，冷却水室１０１Ｃに接続される。

冷却水室１０１Ｃは，冷却水入口座１０３から流入した冷却水が通過し，スプレー管１１１に分配するための空間であり，冷却水入口座１０３の取り付けられた壁面の下部（ホットウエル１０１Ｂ）を残したほぼ全面に配置される。冷却水室１０１Ｃは水室仕切板１１５と水室仕切板底板１１６によって，本体胴１０１内の他の空間（蒸気冷却室１０１Ａ，ホットウエル１０１Ｂ，ガス冷却室１０１Ｄ）と仕切られる。

水室仕切板１１５に多数のスプレー管開口部１１７が等間隔に設けられる。スプレー管開口部１１７それぞれに，スプレー管１１１が略水平方向（例えば，水平方向の±１５°程度以内）に取り付けられる。スプレー管１１１は，スプレーノズル１２１に冷却水を供給する配管であり，ガス冷却室１０１Ｄを貫通し，タービン排気ガス入口座１０２の方向に真っ直ぐに延設される。この結果，スプレー管１１１は蒸気冷却室１０１Ａ内に水平に多数配置される。スプレー管１１１の軸方向が略水平なのは，タービン排気ガスの流入方向と対応させ，その流入損失を低減するためである。なお，スプレー管１１１の他端は閉止される。

図３，図５に示すように，スプレー管１１１それぞれの冷却水室１０１Ｃ側の内部に絞り（オリフィス）Ｆ１〜Ｆ５が配置される。絞りＦ１〜Ｆ５は，略円形状の内径（開口）ｒ１〜ｒ５を有する円板形状の部材である。スプレー管１１１それぞれの高さに応じて，絞りＦの内径は，ｒ１〜ｒ５と小さくなる。冷却水室１０１Ｃからスプレー管１１１に供給される冷却水の圧力（ヘッド圧）は，スプレー管１１１の高さに応じて変化する。このため，スプレー管１１１の内部に，スプレー管１１１の高さと対応する孔径ｒ１〜ｒ５の絞りＦ１〜Ｆ５を設けることで，スプレー管１１１の配置位置の高低差に係らず，スプレー管１１１それぞれでの冷却水の圧力を均一化（一定化）できる。即ち，絞りＦ１〜Ｆ５は，複数のスプレー管１１１それぞれが配置される高さに対応する水圧の相違を均一化する圧力均一化手段として機能する。

それぞれのスプレー管１１１に多数のスプレーノズル（噴霧器）１２１が取り付けられる。スプレーノズル１２１は相互に半ピッチずつずらして取り付けられる。スプレーノズル１２１は，基本的には鉛直方向（タービン排気ガスの流入方向の略垂直）に冷却水を噴出するように，取り付けられる。既述のように，スプレー管１１１それぞれの圧力が均一化されることで，スプレーノズル１２１から噴出される冷却水の水量が均一化される。

スプレー管１１１の中間位置の１箇所または数箇所に，不図示のスプレー管補強部材が配置され，スプレー管１１１の水平方向及び横方向の重量や荷重を支えている。これらのスプレー管補強部材は相互に接続され，最終的には本体胴１０１の両側の上下左右の板に固着される。本体胴１０１の外圧荷重や，スプレー管１１１とその内部にある冷却水の重量を支えるためである。

ガス冷却室１０１Ｄは，蒸気冷却室１０１Ａで冷却されたタービン排気ガス，特に，不凝縮ガスを冷却するための空間であり，ガス冷却室囲い板１１８，ガス冷却室側板１１９，ガス冷却室底板１１９Ａによって，蒸気冷却室１０１Ａおよびガス冷却室１０１Ｄと分画される（図４では，他の部材との識別の容易のため，ガス冷却室側板１１９，ガス冷却室底板１１９Ａを破線で示している）。

ガス冷却室囲い板１１８は，水室仕切板１１５と平行に取り付けられ，スプレー管１１１が貫通する。なお，ガス冷却室１０１Ｄの内部のスプレー管１１１（ガス冷却室１０１Ｄを貫通するスプレー管１１１）にスプレーノズル１２１を取り付け，タービン排気ガス（残留する水蒸気，不凝縮ガス）を冷却するための冷却水を噴霧しても良い。

ガス冷却室側板１１９は，ガス冷却室囲い板１１８の両側に取り付けられ，図４に示されるように，本体胴１０１の上部板まで延設される。このガス冷却室側板１１９に，上側，下側，２つの開口部（ガス冷却室入口１１０）が設けられる。蒸気冷却室１０１Ａからガス冷却室１０１Ｄにタービン排気ガス，特に，不凝縮ガスを導入するためである。上側，下側のガス冷却室入口１１０はそれぞれ，内部仕切板１１２の上部空間および内部空間に開口する。蒸気冷却室１０１Ａの上部，下部それぞれからタービン排気ガスを効率的に取り入れるためである。

本体胴１０１の右横壁面（タービン排気ガス入口座１０２と反対側）の上部にガス出口座１０４が取り付けられている。このガス出口座１０４はガス冷却室１０１Ｄに連通する。ガス出口座１０４に，図示しない真空ポンプまたは空気エジェクタ一が接続され，蒸気冷却室１０１Ａで復水処理された残りのタービン排気ガスがガス冷却室１０１Ｄで冷却された後に排出される。

（スプレーコンデンサ１００の動作）
以下，スプレーコンデンサ１００の動作を説明する。
ガス出口座１０４に連接する真空ポンプまたは空気エジェクタ一によって，スプレーコンデンサ１００内の空気が排出され，スプレーコンデンサ１００内の圧力が低下し，大気圧力以下となる。

この大気圧力との差庄により，図示しない冷却塔などの冷却水供給装置からの冷却水が冷却水入口座１０３からスプレーコンデンサ１００内に流入する。冷却水入口座１０３から流入した冷却水は，冷却水室１０１Ｃ，スプレー管１１１を経由し，スプレーノズル１２１から水滴粒子となって蒸気冷却室１０１Ａ内に噴出（噴霧）する。ここで，スプレー管１１１それぞれに配置された絞りＦ１〜Ｆ５によって，スプレーノズル１２１から噴射する冷却水量の均一性が確保される。

ホットウエル１０１Ｂに落下して溜まった水は凝縮水出口座１０６から，図示しないホットウエルポンプによってくみ出され，水位制御装置によりホットウエル１０１Ｂの水位が一定になるように制御される。

タービン排気ガスは，タービン排気ガス入口座１０２からスプレー管１１１の長手方向奥へと流入する。この間に，タービン排気ガスは，スプレーノズル１２１から噴出し，微粒化された冷却水によって冷却凝縮される。この結果，タービン排気ガス入口座１０２からスプレー管１１１の長手方向奥に行くに従って，タービン排気ガス中の蒸気の凝縮が進行し，タービン排気ガス中の不凝縮ガス濃度が高くなる。即ち，スプレー管１１１の長手方向に不凝縮ガスの濃度分布が生じる。

凝縮が進行したタービン排気ガスは，ガス冷却室入口１１０を経由して，蒸気冷却室１０１Ａからガス冷却室１０１Ｄに流入し，ガス出口座１０４から図示されていない真空ポンプ（又は空気エジェクター）によって系外に排出される。

本実施形態によれば，スプレー管１１１に絞りＦを配置することで，スプレーノズル１２１から噴射する冷却水量を均一に保つことが可能となる。この結果，スプレーコンデンサ１００（直接接触式復水器）の凝縮性能を高くすることができる。

（第２の実施形態）
次に，図６及び図７を用いて，第２の実施形態に係るスプレーコンデンサ２００を説明する。図６及び図７はそれぞれ，図３，図４に対応する図である。

スプレーコンデンサ２００では，スプレー管２１１ａ〜２１１ｅの高さと，スプレー管２１１ａ〜２１１ｅの径（内径）とを対応させている。即ち，スプレー管２１１ａ〜２１１ｅそれぞれの高さに応じて，その内径は大きくなる。スプレー管２１１ａ〜２１１ｅの内径を変化させることで，スプレー管２１１ａ〜２１１ｅの配置位置の高低差に係らずスプレー管２１１ａ〜２１１ｅそれぞれでの冷却水の圧力を均一化している。即ち，スプレー管２１１ａ〜２１１ｅの内径は，複数のスプレー管１１１それぞれが配置される高さに対応する水圧の相違を均一化する圧力均一化手段として機能する。

本実施形態によれば，スプレー管２１１ａ〜２１１ｅの内径を変化させることで，スプレーノズル１２１から噴射する冷却水量を均一に保つことが可能となる。この結果，スプレーコンデンサ２００（直接接触式復水器）の凝縮性能を高くすることができる。なお，第１の実施形態と同一または類似の部分には同一の符号を付し，重複説明は省略する。

（第３の実施形態）
次に，図８及び図９を用いて，第３の実施形態に係るスプレーコンデンサ３００を説明する。図８及び図９はそれぞれ，図３，図４に対応する図である。

スプレーコンデンサ３００では，冷却水室１０１Ｃ側から離れるに従い，スプレーノズル３２１ａ〜３２１ｃの口径を小さくしている。

スプレー管１１１内部の冷却水静圧は，スプレー管１１１の高さ（ヘッド圧）に加え，冷却水室１０１Ｃより遠ざかるにしたがって高くなる。即ち，冷却水室１０１Ｃより遠ざかるに従い，動圧が低下し，この動圧の低下に伴って，静圧が増加する（ベルヌーイの定理）。スプレーノズル１２１から噴射する冷却水量（噴出量）は，スプレーノズル１２１前後での差圧（静圧の差）で決まることから，冷却水室１０１Ｃより遠ざかるにしたがって多くなる傾向になる。
このため，スプレーノズル１２１の口径サイズを冷却水室１０１Ｃ側に向かうにしたがい大きくすることによって，スプレー管１１１内部の長手方向での冷却水の噴出量（スプレーノズル１２１それぞれでの噴出量）の均一化を図ることができる。

本実施形態によれば，スプレー管１１１の長手方向に噴射される冷却水量（噴出量）を均一化でき，凝縮性能が高いスプレーコンデンサ３００（直接接触式復水器）を提供することができる。なお，図１の実施例と同一または類似の部分には同一の符号を付し，重複説明は省略する。

（変形例）
以下，変形例を説明する。
（１）第２の実施形態では，スプレー管１１１内部の冷却水室１０１Ｃ側それぞれに１つの絞り（オリフィス）Ｆを配置している。
これに対して，スプレー管１１１それぞれの長手方向に複数の絞り（オリフィス）Ｆを配置してもよい。そして，冷却水室１０１Ｃ側から離れるに従い，絞りＦの孔径ｒを小さくすることで，スプレー管１１１内部の長手方向での冷却水の噴出量（スプレーノズル１２１それぞれでの噴出量）の均一化を図ることができる。

（２）例えば，次のように，第１〜第３の実施形態，変形例（１）を適宜に組み合わせることが可能である。

１）第１〜第３の実施形態の組み合わせ
スプレー管１１１それぞれの高さに対応して，ａ．絞りＦの孔径ｒ，ｂ．スプレー管１１１の内径，ｃ．スプレーノズル１２１の口径のいずれか２以上を大きくする。例えば，スプレー管１１１それぞれの高さに対応して，絞りＦの孔径ｒとスプレー管１１１の内径の双方を大きくする。

２）第１〜第３の実施形態のいずれかと変形例（１）の組み合わせ
スプレー管１１１それぞれの長手方向に沿って絞り（オリフィス）Ｆを配置する。そして，スプレー管１１１それぞれの高さに対応して，ａ．絞りＦの孔径ｒ，ｂ．スプレー管１１１の内径，ｃ．スプレーノズル１２１の口径のいずれかを大きくし，かつ冷却水室１０１Ｃ側からの距離に対応して，絞りＦの孔径ｒを小さくする。例えば，スプレー管１１１それぞれの高さに対応して，絞りＦの孔径ｒを大きくし，かつ冷却水室１０１Ｃ側からの距離に対応して，絞りＦの孔径ｒを小さくする。

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。

１００…スプレーコンデンサ，１０１…本体胴，１０１Ａ…蒸気冷却室，１０１Ｂ…ホットウエル，１０１Ｃ…冷却水室，１０１Ｄ…ガス冷却室，１０２…タービン排気ガス入口座，１０２Ａ…開口部，１０３…冷却水入口座，１０４…ガス出口座，１０５…ホットウエル出口箱，１０６…凝縮水出口座，１１０…ガス冷却室入口，１１１…スプレー管，１１５…水室仕切板，１１６…水室仕切板底板，１１７…スプレー管開口部，１１８…ガス冷却室囲い板，１１９…ガス冷却室側板，２１９Ａ…ガス冷却室底板，１２０…底板，１２１…スプレーノズル

Claims (7)

1. 蒸気冷却室と，
   前記蒸気冷却室内に，水蒸気と不凝縮ガスとを含むタービン排気ガスを略水平方向に導入する導入部と，
   冷却水が流入する冷却水室と，
   前記蒸気冷却室内に，前記タービン排気ガスの導入方向に沿い，かつ異なる高さに配置され，前記冷却水室から冷却水が供給される複数のスプレー管と，
   前記複数のスプレー管それぞれが配置される高さに対応する水圧の相違を均一化する圧力均一化手段と，
   前記複数のスプレー管それぞれに接続されて，前記タービン排気ガスに冷却水を噴霧する複数のスプレーノズルと，
   前記導入部と対向して前記復水室内に配置され，前記冷却水が噴霧されたタービン排気ガスに残留する不凝縮ガスが流入するガス冷却室と，
   前記蒸気冷却室の下部に配置され，前記冷却水の噴霧によって，前記水蒸気から凝縮された凝縮水を蓄積する蓄水部と，
   を具備することを特徴とする直接接触式復水器。
2. 前記圧力均一化手段が，前記複数のスプレー管内に配置される絞りであり，
   前記複数のスプレー管それぞれが配置される高さに応じて，この絞りの口径が大きくなる，
   ことを特徴とする請求項１記載の直接接触式復水器。
3. 前記圧力均一化手段が，前記複数のスプレー管の内径であり，
   前記複数のスプレー管それぞれが配置される高さに応じて，この内径が大きくなる，
   ことを特徴とする請求項１記載の直接接触式復水器。
4. 前記圧力均一化手段が，前記複数のスプレー管内に配置される絞りと，前記複数のスプレー管の内径の組み合わせであり，
   前記複数のスプレー管それぞれが配置される高さに応じて，この絞りの口径およびこの内径が大きくなる，
   ことを特徴とする請求項１記載の直接接触式復水器。
5. 前記複数のスプレー管内それぞれに，前記冷却水室からの距離に応じて，口径が小さくなる複数の絞りが配置される，
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の直接接触式復水器。
6. 前記冷却水室からの距離に応じて，前記複数のスプレーノズルの口径が，小さくなる，
   ことを特徴とする請求項５記載の直接接触式復水器。
7. 前記複数のスプレー管が，前記ガス冷却室を貫通する
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の直接接触式復水器。

Images