JP2013204870A - 直接接触式復水器 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス冷却部において、残存する蒸気の凝縮を促進し、不凝縮ガスを十分に冷却することができる直接接触式復水器を提供する。
【解決手段】実施形態の直接接触式復水器１０は、蒸気タービンから排出されたタービン排気を導入するタービン排気導入口２１と、冷却水を噴射して、タービン排気導入口２１から導入されたタービン排気に含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮部２２とを備える。さらに、凝縮部２２を通過したタービン排気が流れる、流路断面積が入口から出口に向かって減少するガス冷却流路４１を有し、冷却水を噴射し、タービン排気を冷却して外部に排出するガス冷却部４０を備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、直接接触式復水器に関する。

直接接触式復水器では、蒸気タービンからのタービン排気に冷却水を直接接触させて、タービン排気に含まれる水蒸気を凝縮させる。地熱発電プラントおいて、直接接触式復水器によって蒸気タービンからの排気を凝縮させることにより、タービン排圧を真空に保ち、プラント熱効率の向上を図っている。このような直接接触式復水器は、トレー式とスプレー式とに主に分類される。

スプレー式の直接接触式復水器は、冷却水を噴射することでタービン排気に含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮部と、冷却水を噴射することでタービン排気に含まれる不凝縮ガスと凝縮部を通過した残存する蒸気を冷却するガス冷却部とを備えている。ここで、ガス冷却部は、凝縮部の下流側に備えられ、直方体形状や円筒形状の空間を有し、ガス冷却流路の流路断面積は、一定に構成されている。

特開２０１０−２７０９２５号公報

上記したスプレー式の直接接触式復水器のガス冷却流路には、凝縮部において凝縮しきれなかった蒸気および不凝縮ガスを含むタービン排気が流れる。そして、ガス冷却流路において、残存する蒸気は冷却され凝縮する。そのため、ガス冷却流路の下流側へ行くに伴い、タービン排気の流速は低下し、冷却水の水滴との対向流速差が減少し、タービン排気と冷却水との間の熱伝達が低下する。これによって、残存する蒸気が完全に凝縮されず、さらに不凝縮ガスが十分に冷却されないといった問題が生じる。

本発明が解決しようとする課題は、ガス冷却部において、残存する蒸気の凝縮を促進し、不凝縮ガスを十分に冷却することができる直接接触式復水器を提供することにある。

実施形態の直接接触式復水器は、蒸気タービンから排出されたタービン排気を導入するタービン排気導入口と、冷却水を噴射して、前記タービン排気導入口から導入されたタービン排気に含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮部とを備える。さらに、直接接触式復水器は、前記凝縮部を通過したタービン排気が流れる、流路断面積が入口から出口に向かって減少するガス冷却流路を有し、冷却水を噴射し、タービン排気を冷却して外部に排出するガス冷却部を備える。

第１の実施の形態の直接接触式復水器の縦断面を示す図である。 第１の実施の形態の直接接触式復水器を示す図１のＡ−Ａ断面を示す図である。 第２の実施の形態の直接接触式復水器の縦断面を示す図である。 第２の実施の形態の直接接触式復水器を示す図３のＢ−Ｂ断面を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の直接接触式復水器１０の縦断面を示す図である。図２は、第１の実施の形態の直接接触式復水器１０を示す図１のＡ−Ａ断面を示す図である。なお、図１は、直接接触式復水器１０の幅方向の中心における縦断面である。また、図１および図２では、各噴射ノズル２５、４３から冷却水を噴射したときの図を示している。

図１に示すように、直接接触式復水器１０は、本体胴容器２０と、この本体胴容器２０に水室３０を介して隣接して備えられたガス冷却部４０とを備えている。

本体胴容器２０には、蒸気タービン（図示しない）から排気されたタービン排気を内部に導入するタービン排気導入口２１が形成されている。なお、蒸気タービンとしては、例えば、地熱発電用の軸流排気型の蒸気タービンなどが挙げられる。

本体胴容器２０内には、タービン排気導入口２１から導入されたタービン排気に含まれる水蒸気を凝縮する凝縮部２２が構成されている。本体胴容器２０の底部には、凝縮水や冷却水を貯めるホットウェル２３が設けられている。なお、ホットウェル２３の下部には、貯水を排出する排出管（図示しない）が設けられ、ホットウェル２３内の水量がほぼ一定となるように、排出管から貯水を排出している。

凝縮部２２には、タービン排気を導入する水平方向に延設された複数のノズル配管２４が設けられている。ノズル配管２４のタービン排気導入口２１側の端部は閉塞されており、ノズル配管２４の、例えば下面には、冷却水を噴射するための噴射ノズル２５が設けられている。各ノズル配管２４に備えられる噴射ノズル２５は、１つまたは複数設けられ、噴射ノズル２５の配置位置は、特に限定されるものではなく、適宜仕様に応じて最適な位置に設定される。

ノズル配管２４は、タービン排気の流入方向に対して垂直かつ水平な方向である本体胴容器２０の幅方向（図１では紙面に垂直な方向）、換言すれば凝縮部２２の幅方向に所定の間隔をあけて複数設けられ、ノズル配管列を構成している。さらに、このノズル配管列は、本体胴容器２０の幅方向に垂直な上下方向に所定の間隔をあけて複数段設けられている。ノズル配管２４の配置構成は、適宜仕様に応じて最適な配置構成に設定される。

ノズル配管２４の他端側は、水室３０に接続されている。水室３０には、図示しない冷却水タンクから冷却水が供給され、水室３０から各ノズル配管２４に冷却水が供給される。冷却水は、例えば、冷却水タンクとの圧力ヘッド差を利用して、各ノズル配管２４に供給され、噴射ノズル２５から噴射される。

このような構成を備える凝縮部２２では、噴射ノズル２５から噴射された冷却水（水滴）によって、タービン排気導入口２１から導入されたタービン排気に含まれる水蒸気が凝縮される。

ガス冷却部４０は、例えば、凝縮部２２の下部において連通するガス冷却流路４１を備えている。このガス冷却流路４１には、凝縮部２２を通過したタービン排気が流れる。ガス冷却流路４１は、下方から上方に向かう方向に形成される。例えば、図１および図２に示すように、ガス冷却流路４１を鉛直上方に向かって形成することもできる。ここで、ガス冷却流路４１は、凝縮部２２における最下段のノズル配管列よりも下方で凝縮部２２と連通するように構成されることが好ましい。

ガス冷却流路４１の流路断面積は、図２に示すように、ガス冷却流路４１の入口４７から出口４８に向かって、連続的に徐々に減少している。ガス冷却流路４１は、例えば、図２に示すように、ガス冷却部４０の幅方向（図２では左右方向）に対向する一対の壁部４４、４５のそれぞれを、入口４７から出口４８に向かって、ガス冷却部４０の幅方向の中央側に傾くように構成することで形成される。すなわち、一対の壁部４４、４５は、入口４７から出口４８に向かって、ガス冷却流路４１の流路断面を減少させるようにそれぞれ傾斜して構成されている。例えば、ガス冷却流路４１の断面形状は、例えば、図２に示すように、台形となる。

ここで、壁部４４、４５の傾斜角θは、６０〜８５度に設定されることが好ましい。この傾斜角θの範囲とすることで、ガス冷却流路４１を流れるタービン排気の流速の低下を抑制し、タービン排気の流速を所定の速度範囲に維持することができる。なお、傾斜角θは、図２に示すように、水平面と、壁部４４、４５の内側面４４ａ、４５ａとのなす角である。

水平面と壁部４４の内側面４４ａとのなす角と、水平面と壁部４５の内側面４５ａとのなす角は、同じであることが好ましいが、異なるように構成することもできる。すなわち、一対の壁部４４、４５は、ガス冷却流路４１の流路断面を減少させるように、それぞれ少なくとも入口４７から出口４８に向かって傾斜する構成であればよい。

ガス冷却流路４１の出口４８には、冷却された不凝縮ガスを排出する不凝縮ガス排出管５０が備えられている。不凝縮ガス排出管５０の出口は、図示しないエジェクタポンプや真空ポンプに連通されている。そのため、直接接触式復水器１０の作動中においては、直接接触式復水器１０内は、大気圧よりも圧力が低い真空状態に維持されている。

ガス冷却流路４１の出口４８側には、本体胴容器２０の幅方向、換言すればガス冷却部４０の幅方向に水平にノズル配管４２が設けられている。ノズル配管４２の、例えば下面には、冷却水を噴射するための噴射ノズル４３が設けられている。ノズル配管４２に備えられる噴射ノズル４３は、１つまたは複数設けられ、噴射ノズル４３の配置位置は、特に限定されるものではなく、適宜仕様に応じて最適な位置に設定される。

ノズル配管４２の少なくとも一端は、水室３０に接続されている。例えば、図２に示すように、ノズル配管４２の両端が水室３０に接続されてもよいし、ノズル配管４２の一端のみが水室３０に接続されてもよい。なお、ノズル配管４２の一端のみが水室３０に接続される場合、他端は閉塞される。水室３０内の冷却水は、例えば、冷却水タンクとの圧力ヘッド差を利用して、各ノズル配管４２に供給され、噴射ノズル４３から噴射される。

また、傾斜して構成された壁部４４、４５には、冷却水を噴射するための噴射ノズル４３が設けられている。噴射ノズル４３は、ガス冷却流路４１に沿って、所定の間隔をあけて複数備えられている。ここで、傾斜して構成された壁部４４、４５は、水室３０の壁面でもあるため、水室３０内の冷却水が直接噴射ノズル４３に供給される。

このような構成を備えるガス冷却部４０では、噴射ノズル４３から冷却水（水滴）を噴射して、凝縮部２２を通過したタービン排気に残存する蒸気および不凝縮ガスを冷却する。冷却された蒸気は、凝縮して水滴となり下方に落下して、ホットウェル２３に流れ込む。冷却された不凝縮ガスは、ガス冷却流路４１の出口４８から不凝縮ガス排出管５０に排出される。ここで、不凝縮ガスとしては、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）や硫化水素（Ｈ_２Ｓ）などが挙げられる。

次に、直接接触式復水器１０の作用について説明する。

タービン排気を導入する前に、不凝縮ガス排出管５０の出口に連通するエジェクタポンプや真空ポンプによって、直接接触式復水器１０の圧力を大気圧よりも低い真空状態とする。

続いて、図示しない冷却水タンクから冷却水を圧力ヘッド差を利用して、各ノズル配管２４、４２に供給し、噴射ノズル２５、４３から冷却水を噴射する。また、水室３０内の冷却水は、直接噴射ノズル４３から噴射される。噴射ノズル２５、４３から噴射された冷却水は、水滴の状態で凝縮部２２内またはガス冷却部４０内に広がりながら落下する。

蒸気タービンからのタービン排気は、タービン排気導入口２１から直接接触式復水器１０内へ導入され、凝縮部２２へ導かれる。凝縮部２２へ導かれたタービン排気に含まれる水蒸気は、冷却水の水滴と気液接触することで冷却され、凝縮して凝縮水となり落下する。落下した凝縮水は、ホットウェル２３に回収される。

凝縮部２２で凝縮が進行されたタービン排気は、凝縮部２２の下部からガス冷却部４０のガス冷却流路４１に流れ込む。ガス冷却流路４１に流入したタービン排気は、噴射ノズル４３から噴射された冷却水と気液接触することにより冷却される。タービン排気に残存する水蒸気は、冷却されて凝縮水となり、下方に落下してホットウェル２３に回収される。

ガス冷却流路４１において、下流へ流れながらタービン排気に残存する蒸気が凝縮するため、下流側へ行くに伴い、タービン排気の体積流量は減少する。しかし、ガス冷却流路４１の流路断面積は、ガス冷却流路４１の入口４７から出口４８に向かって減少するため、タービン排気の流速は低下することなく、所定の流速を維持してガス冷却流路４１を流れる。そのため、冷却水の水滴とのタービン排気との対向流速差を維持することができ、冷却水とタービン排気との間の熱伝達の低下を抑制することができる。

ガス冷却流路４１を通過した不凝縮ガスは、エジェクタポンプや真空ポンプによって引かれることにより、ガス冷却部４０の出口４８から排出され、不凝縮ガス排出管５０に流入する。

上記したように、第１の実施の形態の直接接触式復水器１０によれば、ガス冷却流路４１の流路断面積をガス冷却流路４１の入口４７から出口４８に向かって減少させることで、ガス冷却流路４１におけるタービン排気の流速の低下を抑制することができる。そのため、タービン排気は、所定の流速を維持してガス冷却流路４１を流れる。これによって、ガス冷却流路４１において、冷却水とタービン排気との間の熱伝達の低下が抑制され、残存する蒸気の凝縮を促進し、不凝縮ガスを十分に冷却することができる。

（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態の直接接触式復水器１１の縦断面を示す図である。図４は、第２の実施の形態の直接接触式復水器１１を示す図３のＢ−Ｂ断面を示す図である。なお、図３は、直接接触式復水器１１の幅方向の中心における縦断面である。図３および図４では、各噴射ノズル２５、４３、８０から冷却水を噴射したときの図を示している。また、第１の実施の形態の直接接触式復水器１０の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明は、省略または簡略する。

第２の実施の形態の直接接触式復水器１１のガス冷却部４０は、第１の実施の形態の直接接触式復水器１０のガス冷却部４０におけるガス冷却流路４１の中央に、ガス冷却流路４１を２つに区分する区画壁部７０を備えた構成である。

ガス冷却部４０は、図４に示すように、凝縮部２２の下部において連通する２つのガス冷却流路６０、６１を備えている。ガス冷却流路６０、６１は、図３および図４に示すように、下方から上方に向かう方向に形成される。

ガス冷却流路６０、６１は、図４に示すように、流路断面積が、それぞれ、ガス冷却流路６０、６１の入口４７から出口４８に向かって減少している。ガス冷却流路６０とガス冷却流路６１との間を区画する区画壁部７０は、ガス冷却流路４１の入口４７から出口４８に向かって、ガス冷却部４０の幅方向（図４では左右方向）の中央側に傾く壁部７１、７２を備えている。

この区画壁部７０は、図３に示すように、水室３０が直接接触式復水器１１の後方面側に突出したものであり、上記した壁部７１、７２の他、底部を構成する壁部７３、後方面側を構成する壁部７４を備えている（図３参照）。また、区画壁部７０の内部は、冷却水で満たされている。区画壁部７０の断面形状は、例えば、図４に示すように、三角形となる。

区画壁部７０の壁部７１と、これに対向する壁部４４とで一対の壁部を構成し、これらの壁部間に、入口４７から出口４８に向かって流路断面が減少するガス冷却流路６０を構成している。また、区画壁部７０の壁部７２と、これに対向する壁部４５とで一対の壁部を構成し、これらの壁部間に、入口４７から出口４８に向かって流路断面が減少するガス冷却流路６１を構成している。

ここで、区画壁部７０の底部を構成する壁部７３のガス冷却部４０の幅方向の長さは、例えば、設定されるガス冷却流路４１の入口４７のガス冷却部４０の幅方向の長さなどに基づいて、適宜設定される。すなわち、区画壁部７０は、ガス冷却流路を２つに区分するものであり、かつ壁部４４または壁部４５とともに、流路断面積がガス冷却流路４１の入口４７から出口４８に向かって減少するガス冷却流路６０またはガス冷却流路６１を構成できるものであればよい。なお、壁部４４、４５の傾斜角θは、前述した理由から６０〜８５度に設定されることが好ましい。

壁部７１、７２には、冷却水を噴射するための噴射ノズル８０が設けられている。噴射ノズル８０は、ガス冷却流路６０、６１に沿って、所定の間隔をあけて複数備えられている。ここで、壁部７１、７２は、水室３０の壁面でもあるため、水室３０内の冷却水が直接噴射ノズル８０に供給される。

このように、ガス冷却流路６０、６１においては、対向する壁部のそれぞれに噴射ノズル４３、８０が備えられている。ここでは、第１の実施の形態の直接接触式復水器１０のガス冷却部４０において備えられた、噴射ノズル４３を備えたノズル配管４２を備えていない構成を示している。なお、第２の実施の形態の直接接触式復水器１１のガス冷却部４０において、上記した噴射ノズル４３を備えたノズル配管４２を備える構成としてもよい。

ここで、ガス冷却部４０においては、凝縮部２２よりもタービン排気に含まれる不凝縮ガスの割合が高いため、噴射ノズルから噴射された水滴における伝熱性能は低下する。しかし、上記したように、対向する壁部のそれぞれに噴射ノズル４３、８０を備え、各噴射ノズル４３、８０から噴射される水滴の粒径を小さくすることで、タービン排気と接触する伝熱面積が増加し、伝熱性能を向上させることができる。

ガス冷却流路６０とガス冷却流路６１は、ガス冷却部４０の出口４８の直上流側において、それぞれの流路が交わり、一つの流路になって出口４８に連通している。すなわち、ガス冷却流路６０、ガス冷却流路６１を流れてきたタービン排気は、ガス冷却部４０の出口４８の直上流側において、流れが衝突して合流し、出口４８に導かれる。

次に、直接接触式復水器１１の作用について説明する。

タービン排気を導入する前に、不凝縮ガス排出管５０の出口に連通するエジェクタポンプや真空ポンプによって、直接接触式復水器１１の圧力を大気圧よりも低い真空状態とする。

続いて、図示しない冷却水タンクから冷却水を圧力ヘッド差を利用して、各ノズル配管２４に供給し、噴射ノズル２５から冷却水を噴射する。また、噴射ノズル４３、８０から水室３０内の冷却水が噴射される。噴射ノズル２５、４３、８０から噴射された冷却水は、水滴の状態で凝縮部２２内またはガス冷却部４０内に広がりながら落下する。

蒸気タービンからのタービン排気は、タービン排気導入口２１から直接接触式復水器１０内へ導入され、凝縮部２２へ導かれる。凝縮部２２へ導かれたタービン排気に含まれる水蒸気は、冷却水の水滴と気液接触することで冷却され、凝縮して凝縮水となり落下する。落下した凝縮水は、ホットウェル２３に回収される。

凝縮部２２で凝縮が進行されたタービン排気は、凝縮部２２の下部からガス冷却部４０のガス冷却流路６０またはガス冷却流路６１に流れ込む。それぞれのガス冷却流路６０、６１に流入したタービン排気は、例えば、噴射ノズル４３、８０から噴射された冷却水と気液接触することにより冷却される。タービン排気に残存する水蒸気は、冷却されて凝縮水となり、下方に落下してホットウェル２３に回収される。

ガス冷却流路６０、６１において、下流へ流れながらタービン排気に残存する蒸気が凝縮するため、下流側へ行くに伴い、タービン排気の体積流量は減少する。しかし、ガス冷却流路６０、６１の流路断面積は、ガス冷却流路６０、６１の入口４７から出口４８に向かって減少するため、タービン排気の流速は低下することなく、所定の流速を維持してガス冷却流路６０、６１を流れる。そのため、冷却水の水滴とのタービン排気との対向流速差を維持することができ、冷却水とタービン排気との間の熱伝達の低下を抑制することができる。

ガス冷却流路６０またはガス冷却流路６１を流れてきたタービン排気は、ガス冷却部４０の出口４８の直上流側において、それぞれの流れが衝突して合流し、出口４８に導かれる。ガス冷却流路４１を通過した不凝縮ガスは、エジェクタポンプや真空ポンプによって引かれることにより、ガス冷却部４０の出口４８から排出され、不凝縮ガス排出管５０に流入する。

このように、ガス冷却流路６０からの流れとガス冷却流路６１からの流れが衝突して合流することで、不凝縮ガスに随伴する水滴の合体が促進され、合体して粒径が大きくなった水滴は、下方に落下してホットウェル２３に回収される。そのため、出口４８から排出される水滴が減少する。これによって、水滴がエジェクタポンプや真空ポンプによって引かれることにより発生するエロージョンなどを抑制することができる。

上記したように、第２の実施の形態の直接接触式復水器１１によれば、ガス冷却流路６０、６１の流路断面積をガス冷却流路６０、６１の入口４７から出口４８に向かって減少させることで、ガス冷却流路６０、６１におけるタービン排気の流速の低下を抑制することができる。そのため、タービン排気は、所定の流速を維持してガス冷却流路６０、６１を流れる。これによって、ガス冷却流路６０、６１において、冷却水とタービン排気との間の熱伝達の低下が抑制され、残存する蒸気の凝縮を促進し、不凝縮ガスを十分に冷却することができる。

また、ガス冷却流路６０からの流れとガス冷却流路６１からの流れが衝突して合流することで、出口４８から排出される水滴を減少させ、エジェクタポンプや真空ポンプにおけるエロージョンなどの発生を抑制することができる。

以上説明した実施形態によれば、ガス冷却部において、残存する蒸気の凝縮を促進し、不凝縮ガスを十分に冷却することが可能となる。

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。

１０，１１…直接接触式復水器、２０…本体胴容器、２１…タービン排気導入口、２２…凝縮部、２３…ホットウェル、２４，４２…ノズル配管、２５，４３，８０…噴射ノズル、３０…水室、４０…ガス冷却部、４１，６０，６１…ガス冷却流路、４４，４５，７１，７２，７３…壁部、４４ａ，４５ａ…内側面、４７…入口、４８…出口、５０…不凝縮ガス排出管、７０…区画壁部。

Claims (6)

1. 蒸気タービンから排出されたタービン排気を導入するタービン排気導入口と、
   冷却水を噴射して、前記タービン排気導入口から導入されたタービン排気に含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮部と、
   前記凝縮部を通過したタービン排気が流れる、流路断面積が入口から出口に向かって減少するガス冷却流路を有し、冷却水を噴射し、タービン排気を冷却して外部に排出するガス冷却部と
   を具備することを特徴とする直接接触式復水器。
2. 前記ガス冷却流路を構成する対向する一対の壁部が、前記ガス冷却流路の入口から出口に向かって流路断面を減少させるように、それぞれ傾斜して構成されてい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. 前記ガス冷却流路が、前記凝縮部の下部において前記凝縮部と連通し、下方から上方へ向かって構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の直接接触式復水器。
4. 前記ガス冷却流路が、１つまたは２つの流路で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の直接接触式復水器。
5. 前記ガス冷却流路を２つの流路で構成した場合、前記ガス冷却流路の出口の直上流側においてそれぞれの流路が交わり、一つの流路になって前記ガス冷却流路の出口に連通していることを特徴とする請求項４記載の直接接触式復水器。
6. 前記ガス冷却部において、冷却水を噴射する複数の噴射ノズルが、少なくとも、傾斜して構成された前記壁部に、前記ガス冷却流路に沿って所定の間隔をあけて配置されていることを特徴とする請求項２記載の直接接触式復水器。

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