JP2012176364A - 造水装置および造水方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 省エネルギー化を図りつつ造水効率を向上させることができる造水装置を提供する。
【解決手段】 原料水を加熱して水蒸気を生成する加熱器１０と、生成された水蒸気を冷却して蒸留水を生成する復水器３０とを備える造水装置１００であって、復水器３０は、水蒸気を冷却水と熱交換する第１の熱交換器３１０と、水蒸気を原料水と熱交換する第２の熱交換器３２０とを備え、第２の熱交換器３２０を通過した原料水を加熱器１０に導入するように構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、造水装置および造水方法に関する。

蒸気から動力を得る蒸気タービンプラントにおいて、タービン群から排出され復水器で凝縮された蒸気復水を利用して造水することが従来から行われている。例えば、特許文献１に開示された蒸気タービンプラントは、図５に示すように、タービン９１から復水器９２に導入された蒸気が、冷海水９３と熱交換することにより復水９４となって凝縮器９５に導入される。凝縮器９５に集積された蒸気復水は、再度ボイラ給水として使用する過程で造水装置の冷却水として使用することで熱回収を図り、タービンシステムとして省エネルギー化を行ってきた。図５の構成においては、冷海水９３は復水器９２で温海水９６となって一部が蒸発器９７に導入され、生成された蒸気が凝縮器９５に導かれて復水９４と熱交換することにより、淡水９８が生成される。

特開昭６１−１６１１８９号公報

ところで、昨今の蒸気タービンプラントに対しては、更なる省エネルギー化の流れから蒸気条件の高圧化による高効率化が図られており、凝縮器９５に導入して蒸気の凝縮に利用される復水９４の温度が高温化すると共に蒸気復水の減量化傾向にある。このため、上記従来の構成では必要な造水量に適した復水温度と流量が受給不能となり、従来の造水装置では、蒸発温度等の制限から必要な造水量を確保し難いおそれがあった。

そこで、本発明は、省エネルギー化を図りつつ造水効率を向上させることができる造水装置および造水方法の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、原料水を加熱して水蒸気を生成する加熱器と、生成された水蒸気を冷却して蒸留水を生成する復水器とを備える造水装置であって、前記復水器は、水蒸気を冷却水と熱交換する第１の熱交換器と、水蒸気を原料水と熱交換する第２の熱交換器とを備え、前記第２の熱交換器を通過した原料水を前記加熱器に導入するように構成された造水装置により達成される。

この造水装置において、前記第１の熱交換器および第２の熱交換器は、冷却水および原料水が混合しないように一体化された構造にすることができる。

前記復水器は、２つの端板の間に積層配置された複数の伝熱プレートを備え、複数の前記伝熱プレートは、介在された仕切部材によって２つのプレート群に分離された構成にすることができる。この構成において、前記第１の熱交換器は、一方の前記端板から冷却水を導入し、一方の前記プレート群を介して水蒸気との熱交換を行い、熱交換後の冷却水を一方の前記端板から排出するように構成され、前記第２の熱交換器は、他方の前記端板から原料水を導入し、他方の前記プレート群を介して水蒸気との熱交換を行い、熱交換後の原料水を他方の前記端板から排出するように構成される。この構成によれば、コンパクト化を図りつつ、復水器の能力を向上させることができる。

また、ボイラで発生した蒸気がタービンの駆動後にタービン復水器で凝縮されて前記ボイラに還流されるように循環路が構成された蒸気タービンプラントを更に備えることにより、前記タービン復水器で生成されたタービン復水が冷却水となるように、前記第１の熱交換器を前記循環路に介在させることができる。

また、本発明の前記目的は、原料水を加熱器で加熱して水蒸気を生成する加熱ステップと、生成された水蒸気を冷却水および原料水により冷却して蒸留水を生成する復水ステップとを備え、前記加熱ステップは、前記復水ステップで水蒸気と熱交換した原料水を前記加熱器に導入する造水方法により達成される。

本発明によれば、省エネルギー化を図りつつ造水効率を向上させることができる造水装置および造水方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る造水装置の系統図である。 図１に示す造水装置の要部系統図である。 図１に示す造水装置の要部斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る造水装置の要部斜視図である。 従来の造水装置の系統図である。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る造水装置の系統図である。図１に示すように、造水装置１は、蒸気タービンプラント５０の系統に造水装置本体１００が組み込まれて構成されている。蒸気タービンプラント５０は一例として、ボイラ５１、タービン群５２、タービン復水器５３、グランドコンデンサ５４、給水加熱器５５および脱気器５６を備えており、これらの構成要素が循環路６０によって接続されている。

ボイラ５１は、重油、液化天然ガス等の燃料を燃焼させて給水から蒸気を生成し、タービン群５２に供給する。タービン群５２は、例えば高圧タービンおよび低圧タービンから構成される蒸気タービン群であり、船舶のプロペラ等を回転させるための動力を発生させる。タービン復水器５３は、タービン群５２から排出された蒸気を海水等により冷却してタービン復水を生成する。生成されたタービン復水は、ポンプ６１の作動によりグランドコンデンサ５４および給水加熱器５５を通過し、タービン群５２に導入された蒸気の一部を利用して加熱された後、脱気器５６に導入されて酸素等が除去される。脱気器５６に貯留されたタービン復水は、ポンプ６２の作動によりボイラ５１に給水されて再び蒸気となり、循環路６０を循環する。蒸気タービンプラント５０は、蒸気タービン船に搭載されるものを好ましく例示することができるが、用途は特に限定されるものではなく、例えば、発電用であってもよい。

造水装置本体１００は、上記の構成を備える蒸気タービンプラント５０において、ポンプ６１とグランドコンデンサ５４との間の循環路６０に分岐路６３を経て介在されており、後述するように、循環路６０を通過するタービン復水を造水用の冷却水として使用する。造水装置本体１００に供給されるタービン復水の流量は、循環路６０に設けられた調整弁６４の操作により調整可能である。造水装置本体１００は、本実施形態のように循環路６０からバイパスさせる代わりに、循環路６０に直接介在させてもよい。

図２は、造水装置本体１００の系統図である。図２に示すように、造水装置本体１００は、原料水である海水を加熱し水蒸気を生成する加熱器１０と、水蒸気をブライン（濃縮海水）等の濃縮原料水と分離する蒸発器２０と、水蒸気を冷却して蒸留水を生成する復水器３０とを備えている。

加熱器１０は、原料水をそれぞれ導入および排出する原料水導入口１１および水蒸気・ブライン出口１２と、船舶用エンジンのジャケット冷却水などの温水をそれぞれ導入および排出する温水導入口１３および温水排出口１４とを備えており、原料水導入口１１から導入された原料水が、温水導入口１３から導入された温水により加熱されて蒸発し、水蒸気・ブライン出口１２から排出される。加熱器１０は、後述する復水器３０と同様にプレート式熱交換器を備えるものを好ましく例示することができるが、熱交換器の種類は特に限定されるものではない。また、水蒸気の加熱源も温水に限定されるものではなく、例えば蒸気、燃焼式ヒータや電気ヒータ等であってもよい。

蒸発器２０は、水蒸気・ブライン出口１２から排出された加熱後の原料水を導入する加熱原料水導入口２１と、原料水から生成された水蒸気を排出する蒸気排出口２２と、残留するブラインを排出するブライン排出口２３とを備えている。

復水器３０は、蒸気排出口２２から排出された水蒸気を導入する蒸気導入口３１と、水蒸気を冷却して得られた蒸留水を排出する蒸留水排出口３２と、蒸気を冷却するための冷却水をそれぞれ導入および排出する冷却水導入口３３および冷却水排出口３４と、同じく蒸気を冷却する原料水をそれぞれ導入および排出する原料水導入口３５および原料水排出口３６とを備えている。

冷却水導入口３３には、図１に示す蒸気タービンプラント５０のタービン復水が冷却水として導入され、冷却水排出口３４から排出された冷却水は、再び蒸気タービンプラント５０の循環路６０に戻される。冷却水となるタービン復水は通常は高純度の清水であることから、復水器３０には冷却水と原料水とが混合しないように仕切部材３７が設けられている。復水器３０は、この仕切部材３７によって、水蒸気を冷却水と熱交換する第１の熱交換器３１０と、水蒸気を原料水と熱交換する第２の熱交換器３２０とに分離されている。冷却水は必ずしも清水である必要はなく、原料水とは異なる他の冷却液であってもよい。

また、原料水導入口３５には、他の系統、またはエゼクターポンプ４１の作動により海水が原料水として導入され、原料水排出口３６から排出された原料水が、加熱器１０の原料水導入口１１に導入される。原料水としては、本実施形態の海水以外に、水道水、雨水、地下水、河川水、工業排水、生活排水等を使用することができる。エゼクターポンプ４１により供給される原料水は、水エゼクタ４０の駆動水としても利用され、蒸発器２０および復水器３０は、水エゼクタ４０の最大負圧部に接続されて不凝縮ガスが吸引されることにより真空状態が維持される。蒸留水排出口３２から排出される蒸留水は、蒸留水ポンプ４２により清水タンク（図示せず）に導かれる。

本実施形態の復水器３０は、プレート式熱交換器により構成されている。図３に要部斜視図で示すように、復水器３０は、２つの端板１１１，１１２の間に、２種類の伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂがそれぞれ複数交互に積層配置されて構成されており、縁部が連結棒３０ａ，３０ａにより結合されている。なお、図３においては、構成の理解を容易にするため一方の端板１１１を破線で示している。各伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂは矩形状に形成されており、積層方向の中央付近に隣接配置された２枚の伝熱プレート１１３ｂ，１１３ｂ間に、上述した仕切部材３７が設けられている。各伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂは、この仕切部材３７によって２つのプレート群に分離される。本実施形態の仕切部材３７は、伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂよりも肉厚のプレートの開口を口栓３７ａにより密封して構成されており、冷却水が高圧のタービン復水である場合でも高い耐圧性能を発揮して、冷却水と原料水との混合を確実に防止することができる。但し、仕切部材３７の構成は本実施形態のものには限定されず、例えば、図４に示すように、隣接配置された２枚の伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂによって仕切部材３７を構成することも可能である。図４に示す仕切部材３７を構成する２つの伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂは、後述する蒸留流通口１１４、１１５を有する一方で、それ以外の開口が口栓３７ａにより密封されている。なお、図４において図１と同様の構成部分には、同一の符号を付している。

蒸気導入口３１および蒸留水排出口３２は、一方の端板１１１における一方の対角にそれぞれ形成されている。各伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂは、蒸気導入口３１および蒸留水排出口３２に対応する位置にそれぞれ蒸留流通口１１４，１１５が形成されており、各蒸留流通口１１４によって形成される流路に蒸気導入口３１が接続され、各蒸留流通口１１５によって形成される流路に蒸留水排出口３２が接続されている。

冷却水導入口３３および冷却水排出口３４は、一方の端板１１１における他方の対角にそれぞれ形成されている。一方の端板１１１と仕切部材３７との間に配置された一方のプレート群を構成する各伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂは、冷却水導入口３３および冷却水排出口３４に対応する位置にそれぞれ冷却水流通口１１６，１１７が形成されており、各冷却水流通口１１６によって形成される流路に冷却水導入口３３が接続され、各冷却水流通口１１７によって形成される流路に冷却水排出口３４が接続されている。

原料水導入口３５および原料水排出口３６は、他方の端板１１２における他方の対角にそれぞれ形成されている。他方の端板１１２と仕切部材３７との間に配置された他方のプレート群を構成する各伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂは、原料水導入口３５および原料水排出口３６に対応する位置にそれぞれ原料水流通口１１８，１１９が形成されており、各原料水流通口１１８によって形成される流路に原料水導入口３５が接続され、各原料水流通口１１９によって形成される流路に原料水排出口３６が接続されている。仕切部材３７は、蒸留流通口１１４、１１５を有する一方で、上記のように、冷却水流通口１１６，１１７および原料水流通口１１８，１１９に対応する開口が口栓３７ａにより密閉されている。

各伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂは、いずれも一方面に溝部１２０ａ，１２０ｂが形成されており、伝熱プレート１１３ａの溝部１２０ａは、２つの蒸留流通口１１４，１１５同士を連通する一方、２つの冷却水流通口１１６，１１７同士または２つの原料水流通口１１８，１１９同士は隔離する。また、伝熱プレート１１３ｂの溝部１２０ｂは、２つの蒸留流通口１１４，１１５同士を隔離する一方、２つの冷却水流通口１１６，１１７同士または２つの原料水流通口１１８，１１９同士は連通する。隣接する各伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂの間は、ガスケット（図示せず）によりシールされる。なお、図３においては理解を容易にするため、伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂの積層方向に形成される流路が、溝部１２０ａ，１２０ｂと連通する部分を破線で示し、溝部１２０ａ，１２０ｂと隔離されている部分を実線で示している。

復水器３０のこのような構成により、一方の端板１１１と仕切部材３７との間では、蒸気導入口３１および冷却水導入口３３から導入された水蒸気および冷却水が、伝熱プレート１１３ａの溝部１２０ａおよび伝熱プレート１１３ｂの溝部１２０ｂをそれぞれ流れるため、伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂの積層方向でみると、隣接する伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂ間を水蒸気および冷却水が交互に通過する。この結果、水蒸気と冷却水との間で伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂを介して熱交換が行われ、この部分が第１の熱交換器３１０として機能する。熱交換を終えて生成された蒸留水および冷却水は、それぞれ蒸留水排出口３２および冷却水排出口３４から排出される。

復水器３０の他方の端板１１２と仕切部材３７との間では、原料水導入口３５から導入された原料水が伝熱プレート１１３ｂの溝部１２０ｂを流れるため、伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂの積層方向でみると、隣接する伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂ間を水蒸気および原料水が交互に通過する。この結果、水蒸気と原料水との間で伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂを介して熱交換が行われ、この部分が第２の熱交換器３２０として機能する。熱交換を終えて加熱された原料水は、原料水排出口３６から排出される。

上記の構成を備える造水装置１によれば、復水器３０の一方の端板１１１から冷却水導入口３３を介して導入された冷却水と、他方の端板１１２から原料水導入口３５を介して導入された原料水とが、それぞれ第１の熱交換器３１０および第２の熱交換器３２０において水蒸気と熱交換することにより、蒸留水を生成するように構成されているため、従来のように単に冷却水と水蒸気とを熱交換させる構成に比べて水蒸気の復水を容易に行うことができ、復水器３０の効率を高めることができる。また、加熱器１０には、第２の熱交換器３２０において水蒸気との熱交換により昇温された原料水が導入されるため、加熱器１０に導入される原料水を初期段階で蒸発させて熱交換効率を向上させることができ、省エネルギー化を図ることができる。加熱器１０に導入される原料水の温度は、復水器３０に設けられる伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂの枚数や、仕切部材３７の位置を選択することにより、適宜調整可能である。

造水装置１が奏する上記の効果は、本実施形態のように蒸気タービンプラント５０のタービン復水を冷却水とする場合に特に顕著であり、蒸気条件の高温化に伴いタービン復水が比較的高温であっても、必要な造水量を容易に確保することができる。但し、復水器３０に導入される冷却水は、必ずしも蒸気タービンプラント５０のタービン復水には限定されず、例えば、他の蒸気サイクルシステムで生成された凝縮水や、蒸気を熱源や動力源として使用することにより生成されて高温のまま他の用途等に利用されるドレン等を使用してもよい。

また、本実施形態においては、第１の熱交換器３１０および第２の熱交換器３２０が、冷却水および原料水の混合を生じないように一体化されているので、構成のコンパクト化を図りつつ、復水器３０の効率向上を図ることができる。具体的には、第１の熱交換器３１０および第２の熱交換器３２０を、伝熱プレート１１３ａ，１１３ｂの積層方向に沿って並列配置することができる。本実施形態の構成は、復水器３０に導入される水蒸気が、最初にその一部が第１の熱交換器３１０に導入され、次に、残りの水蒸気が第２の熱交換器３２０に導入される。但し、第１の熱交換器３１０および第２の熱交換器３２０の配置は本実施形態のものに限定されず、例えば、冷却水導入口３３および冷却水排出口３４を他方の端板１１２に設け、原料水導入口３５および原料水排出口３６を一方の端板１１１に設けた構成にすることもできる。

また、第１の熱交換器３１０および第２の熱交換器３２０は、本実施形態のようにプレート式熱交換器により形成することが好ましいが、シェルアンドチューブ式など他の熱交換器を使用することもできる。また、第１の熱交換器３１０および第２の熱交換器３２０は、必ずしも一体化されている必要はなく、互いに分離された構成であってもよい。第１の熱交換器３１０および第２の熱交換器３２０は、水蒸気の流れを分岐させて第１の熱交換器３１０および第２の熱交換器３２０にそれぞれ導入するように構成することもできる。

１ 造水装置
１０ 加熱器
３０ 復水器
３１０ 第１の熱交換器
３２０ 第２の熱交換器
３７ 仕切部材
５０ 蒸気タービンプラント
１００ 造水装置本体
１１１，１１２ 端板
１１３ａ，１１３ｂ 伝熱プレート

Claims (5)

1. 原料水を加熱して水蒸気を生成する加熱器と、生成された水蒸気を冷却して蒸留水を生成する復水器とを備える造水装置であって、
   前記復水器は、水蒸気を冷却水と熱交換する第１の熱交換器と、水蒸気を原料水と熱交換する第２の熱交換器とを備え、
   前記第２の熱交換器を通過した原料水を前記加熱器に導入するように構成された造水装置。
2. 前記第１の熱交換器および第２の熱交換器は、冷却水および原料水が混合しないように一体化されている請求項１に記載の造水装置。
3. 前記復水器は、２つの端板の間に積層配置された複数の伝熱プレートを備え、複数の前記伝熱プレートは、介在された仕切部材によって２つのプレート群に分離されており、
   前記第１の熱交換器は、一方の前記端板から冷却水を導入し、一方の前記プレート群を介して水蒸気との熱交換を行い、熱交換後の冷却水を一方の前記端板から排出するように構成されており、
   前記第２の熱交換器は、他方の前記端板から原料水を導入し、他方の前記プレート群を介して水蒸気との熱交換を行い、熱交換後の原料水を他方の前記端板から排出するように構成された請求項１または２に記載の造水装置。
4. ボイラで発生した蒸気がタービンの駆動後にタービン復水器で凝縮されて前記ボイラに還流されるように循環路が構成された蒸気タービンプラントを更に備え、
   前記タービン復水器で生成されたタービン復水が冷却水となるように、前記第１の熱交換器を前記循環路に介在させた請求項１から３のいずれかに記載の造水装置。
5. 原料水を加熱器で加熱して水蒸気を生成する加熱ステップと、
   生成された水蒸気を冷却水および原料水により冷却して蒸留水を生成する復水ステップとを備え、
   前記加熱ステップは、前記復水ステップで水蒸気と熱交換した原料水を前記加熱器に導入する造水方法。

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