JP2014137171A - 給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱エネルギーの損失を最小限にした上で、通常水位制御から高水位制御に切り替わる際のウォーターハンマーの発生を効果的に防止する。
【解決手段】ドレン水位が高レベルを超えたときに、高水位調整弁７を全閉状態から開く際には弁開度を最初から大きく開き、第２ドレン配管６に溜まっている冷えたドレン水を、高水位調整弁７流れるドレン水により復水器１に一気に押し流す。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、火力発電プラントや原子力発電プラントに設置されている給水加熱器のドレン配管に発生するウォーターハンマーを防止する方法に関する。

火力発電プラントや原子力発電プラントでは、プラントの熱効率を改善することを目的として復水器には給水加熱器が設けられている。この給水加熱器では、低圧タービンを回し終えた蒸気によって復水が加熱される。

この種の給水加熱器では、低圧タービンから送られてくる蒸気は復水と熱交換をした後、ドレン水となって給水加熱器内部のドレンタンクに一旦貯められる。ドレン水の水位は、プラントの運転状態によって変化するので、給水加熱器ではドレン水位の制御が行われている。ここで、図１は、火力または原子力発電プラントの復水器に設置されている低圧給水加熱器におけるドレン水位制御の系統図である。

図１において、参照番号１は、復水器を示している。この復水器１には、低圧給水加熱器として、上流側の給水加熱器２と下流側の給水加熱器３が２段に設けられている。上流側の給水加熱器２内のドレン水を下流側の給水加熱器３に導出する第１のドレン配管４には、通常運転時の水位を主として調整する通常水位調整弁５が設置されている。この第１ドレン配管４からは、ドレン水を復水器１に導く第２ドレン配管６が分岐しており、この第２ドレン配管６には、通常レベルを超える水位になったときにドレン水位を調整する高水位調整弁７が設置されている。

従来、給水加熱器２のドレン水位制御には、通常運転時の水位制御である通常水位制御と、通常水位制御では水位をコントロールできない場合に実行される高水位制御とがある。

通常水位制御では、給水加熱器２のドレン水位を第１の水位検知器８により検知し、通常水位を中心に一定の範囲で変動するように、第１ドレン配管４に設けてある通常水位調整弁５の開度をコントローラ９により調整する。このとき第２ドレン配管６の高水位調整弁７は全閉状態に維持される。給水加熱器２のドレン水は、第１ドレン配管４を通って下流側の給水加熱器３に送られ、ここでドレン水の熱エネルギーは復水の加熱に再利用される。

このような通常水位制御がドレン水位制御の基本となるが、給水加熱器２内の伝熱管からの漏れや、コントローラ９の故障等の原因によって、通常水位制御だけではドレン水位のコントロールが追いつかなくなることがある。このような場合には、通常水位制御から高水位制御に切り替わる。

この高水位制御では、給水加熱器２のドレン水位が所定の高レベルになったことが第２の水位検知器１０によって検知されると、コントローラ１２は第２ドレン配管６の高水位調整弁７を開き、ドレン水が第２ドレン配管６を通って直接復水器１に排出されるようにする。この間、通常水位調整弁５はドレン水位に応じた開度で開かれおり、ドレンの排出量が増えることからドレン水位を下げることができる。

特開平６−２５７７０９号公報

給水加熱器２からドレン水を排出する第１ドレン配管４、第２ドレン配管６のうち、復水器１に向かって水平に延びる第２ドレン配管６では、配管引き回しのルート上、高水位調整弁７の下流側配管６ｂに鉛直に立ち上がっている箇所ができることがある。この下流側配管６ｂの立ち上がり箇所では、ドレン水を復水器１に排出しきれずにドレン水溜まりが発生することが多い。通常の運転状態にある給水加熱器２では、通常水位制御が行われており、高水位調整弁７は全閉状態のままになっている。このため、下流側配管６ｂ内に溜まっているドレン水は、雰囲気温度まで冷えた状態になっている。

給水加熱器２内でドレン水位が上昇し、それまでの通常水位制御から高水位制御に切り替わり、高水位調整弁７が開くと、高温のドレン水は下流側配管６ｂに流れ込む。この下流側配管６ｂの内部は、復水器１と同じ真空状態になっているため、高温のドレン水は一気に水蒸気になる。その大量の水蒸気が冷えたドレン水との接触で急激に凝縮して、ドレン水同士が衝突し、この結果、ウォーターハンマーという現象が発生する。

従来、このようなウォーターハンマーの発生を防止するために、通常水位制御が行われている間も、高水位調整弁７を微開した状態にしておき、給水加熱器２からの熱いドレン水を常時小流量だけ第２ドレン配管６に流し続けるように運用し、第２ドレン配管６に溜まっているドレン水を高い温度に維持している。しかし、このような従来の運用では、本来、下流側の給水加熱器３で利用可能な熱エネルギーが常時復水器１に流すことで回収できずに失われることになり、エネルギー損失となっていた。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、熱エネルギーの損失を最小限にした上で、通常水位制御から高水位制御に切り替わる際のウォーターハンマーの発生を効果的に防止できるようにした給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、上流側の給水加熱器と下流側の給水加熱器とが２段に復水器に設置され、前記上流側の給水加熱器内のドレン水位を通常レベルに制御する通常水位調整弁を有し前記下流側の給水加熱器にドレン水を排出する第１のドレン配管と、前記上流側の給水加熱器内のドレン水位が前記通常レベルを超える所定の高レベルに達したときにドレン水を前記復水器に排出する高水位調整弁を有し前記第１のドレン配管から分岐する第２のドレン配管と、からなるドレン配管系統を備えた発電プラントの給水加熱器において、前記高水位調整弁が開かれたときに前記第２ドレン配管に流れ込んだドレン水が溜まっていた冷えたドレン水に接触することにより発生するウォーターハンマーを防止する方法であって、前記ドレン水位が高レベルを超えたときに、前記高水位調整弁を全閉状態から開く際には弁開度を最初から大きく開き、前記第２ドレン配管に溜まっている冷えたドレン水を、前記高水位調整弁を流れるドレン水により前記復水器に一気に押し流すようにしたことを特徴とするものである。

本発明の第１実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法が適用される給水加熱器の水位制御系統図である。 本発明の第１実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法を説明するタイムチャートである。 本発明の第２実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法が適用される給水加熱器の水位制御系統図である。 本発明の第２実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法を説明するタイムチャートである。 本発明の第３実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法が適用される給水加熱器の水位制御系統図である。 本発明の第３実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法を説明するタイムチャートである。 本発明の第４実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法が適用される給水加熱器の水位制御系統図である。

以下、本発明による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
第１実施形態
本発明の第１実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法について、図１に並びに図２を参照しながら説明する。
この第１実施形態では、図１に示した給水加熱器２のドレン水位制御系統を利用して、ドレン水位の制御を行なう。給水加熱器２のドレン水位制御には、通常運転時の水位制御である通常水位制御と、通常水位制御では水位をコントロールできなくなった場合に実行される高水位制御とがある。

図２は、給水加熱器２のドレン水位の変化と、ドレン水位制御で開閉操作される高水位調整弁７の開度の時間的推移を示すタイムチャートである。

通常水位制御では、給水加熱器２のドレン水位を第１の水位検知器８により検知し、あらかじめ設定してある通常水位ＮＷＬを中心に一定の範囲で変動するように、第１ドレン配管４に設けてある通常水位調整弁５の開度をコントローラ９により調整する。この間、第２ドレン配管６の高水位調整弁７は全閉とされる。給水加熱器２のドレン水は、第１ドレン配管４を通って下流側の給水加熱器３に送られ、この給水加熱器３でドレン水の熱エネルギーは復水の加熱に再利用される。
このような通常水位制御がドレン水位制御の基本となる（区間Ｉ）。ドレン水の水位は、通常水位ＮＷＬ付近に維持される。この間、高水位調整弁７は、全閉のままの状態が長く続くので、第２ドレン配管６における第２水位調整弁７の下流側配管６ｂの内部には冷えたドレン水溜まりができている。

通常水位制御が行われながら、給水加熱器２の運転が続くと、やがて給水加熱器２内の伝熱管からの水漏れや、コントローラの故障等の原因によって、通常水位制御だけでは水位制御が追いつかなくなり、ドレン水位が次第に上昇することがある。図２に示されるように、通常水位制御を行っているにもかかわらず、ドレン水位が上昇を続け高水位Ｈを超えたことが、第２水位検知器１０によって検知されると、コントローラ１２は高水位調整弁７を、全閉から全開に近い、設定された大開度まで一気に開くようになっている。この結果、給水加熱器２のドレン水は、第２ドレン配管６に流れ込み、高水位調整弁７の下流側配管６ｂに溜まって冷えているドレン水を復水器１に短時間で押し流す。この結果、給水加熱器２からの高温のドレン水は、冷えたドレン水に接触して蒸気になる暇もなく低温のドレン水とともに復水器１に流れ込んでしまうので、ウォーターハンマーの発生を防止することができる。

その後、ドレン水位の制御は、高水位制御に切り替わり、第２水位検知器１０によって検知される水位に応じて、高水位調整弁７の開度はコントローラ１２によって制御される。この間、通常水位調整弁５もドレン水位に応じた開度で開かれおり、さらに高水位調整弁７を大きく開いた結果、ドレン水位は急激に下がって、低水位Ｌに近くなるので、小さな開度が維持される。

高水位調整弁７の下流側配管６ｂに溜まっていた冷えたドレン水は既に復水器１に押し流された後であるため、高水位制御が行われている間（区間II）に、ウォーターハンマーが発生することはない。

その後、ドレン水位がさらに低下し、低水位Ｌに達すると、高水位調整弁７は全閉となって高水位制御は終了し、ドレン水位の制御は通常水位調整弁５のみによる通常水位制御になる。通常水位制御が行われている間（区間III）、図２に示されるように、ドレン水位が次第に上昇し、再び高水位Ｈになると、ドレン水位の制御は再度高水位制御に切り替わる。この時点では、前回の高水位制御の区間IIで高水位調整弁７は開いており、下流側配管６ｂに残留しているドレン水も冷え切っていないため、ウォーターハンマーの発生する虞は少ない。そこで、高水位調整弁７の開度は大きく開けることなく、水位に応じた所定の開度が維持される（区間IV）。以後、ドレン水位が徐々に低下して高水位Ｈを切ったら、高水位調整弁７を全閉にしてから通常水位制御に切り替わる。
以上のようにして、第１実施形態によれば、従来のように、給水加熱器２からの熱いドレン水を常時小流量だけ第２ドレン配管６に流し続ける必要はなく、できるだけ熱損失を少なくして高水位制御の切り替わる際のウォーターハンマーの発生を防止することができる。

第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法について、図３並びに図４を参照しながら説明する。

図３は、本発明の第２実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法を実施するための給水加熱器２のドレン水位制御系統を示す図である。なお、図３において、図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図３に示すドレン水位制御系統では、高水位調整弁７の開閉制御にタイマー手段２０が付加されている。このタイマー２０手段は、高水位調整弁７が前回全閉となった時点からの時間を計測している。

図４は、第２実施形態のウォーターハンマー防止方法における給水加熱器２のドレン水位の変化と、高水位制御で開閉操作される高水位調整弁７の開度の時間的推移を示すタイムチャートである。

給水加熱器２で通常水位制御が長い間行われていると（区間I）、やがて給水加熱器２内の伝熱管からの水漏れや、コントローラの故障等の原因によって、通常水位制御だけでは水位制御が追いつかなくなる。ドレン水位は次第に上昇することがあり、図４に示されるように、高水位Ｈを超えたものとする。

高水位調整弁７が全閉になって通常水位制御が開始されてからこの時点までの経過時間がｔ1であるとする。この経過時間ｔ1はタイマー手段２０によって計られる。この経過時間ｔ1の経過により、高水位調整弁７の下流側配管６ｂに溜まっているドレン水の温度は低下しており、高水位調整弁７が開いて流入してくる高温のドレン水と接触した場合にウォーターハンマーが発生すると評価できる時間を経過している場合には、高水位調整弁７の開度は、全閉から全開に近い、設定された大開度まで一気に開かれる。この結果、給水加熱器２のドレン水は、第２ドレン配管６に流れ込み、高水位調整弁７の下流側配管６ｂに溜まって冷えているドレン水を復水器１まで短時間で押し流す。この結果、給水加熱器２からの高温のドレン水は、冷えたドレン水に接触して蒸気になる暇もなく低温のドレン水とともに復水器１に流れ込んでしまうので、ウォーターハンマーの発生を防止することができる。

その後、ドレン水位の制御は、高水位制御に切り替わり、第２水位検知器１０によって検知される水位に応じて、高水位調整弁７の開度はコントローラ１２によって制御される。この間、低水位調整弁５も開いている上に高水位調整弁７を大きく開いた結果、ドレン水位は急激に下がって、低水位Ｌに近くなっているので、小さな開度が維持される。

高水位調整弁７の下流側配管６ｂに溜まっていた冷えたドレン水は既に復水器１に押し流された後であるため、高水位制御が行われている間（区間II）に、ウォーターハンマーが発生することはない。

その後、ドレン水位がさらに低下し、低水位Ｌに達すると、高水位調整弁７が全閉となって高水位制御は終了し、ドレン水位の制御は低水位調整弁５のみによる通常水位制御に切り替わる。通常水位制御が行われている間（区間III）、図４に示されるように、ドレン水位が次第に上昇し、再び高水位Ｈになったとする。この間、高水位調整弁７が全閉となってからの経過時間ｔ2がタイマー手段２０によって計られる。この時点での経過時間ｔ2は、高水位調整弁７を開いて流れ込んだ高温のドレン水が、高水位調整弁７の下流側配管６ｂに溜まっているドレン水と接触した場合にウォーターハンマーが発生すると評価できる時間を経過していないものとする。この場合には、前回、高水位調整弁７を開けたときから長い時間が経過しておらず、高水位調整弁７の下流側配管６ｂに溜まっているドレン水も冷えきっていないと考えられるので、高水位調整弁７の開度は大きく開けることなく、水位に応じた所定の開度が維持される（区間IV）。以後、ドレン水位が徐々に低下して高水位Ｈを切ったら、高水位調整弁７を全閉にしてから通常水位制御に切り替わることになる。
以上のようにして第２実施形態によれば、高水位調整弁７を大きく開いて一気にドレン水を押し流すかどうかをタイマー手段によって管理しているため、ウォーターハンマーの防止の上で必要もないのに高水位調整弁を大きくあけて熱損失を大きくしてしまうようなことがなくなるという効果が得られる。

第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法について、図５並びに図６を参照しながら説明する。
図５は、本発明の第３実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法を実施するための給水加熱器２のドレン水位制御系統を示す図である。なお、図５において、図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図５に示すドレン水位制御系統では、高水位調整弁７の下流側配管６ｂの温度を検知する温度検出器２２と、温度検出信号をコントローラ１２に送信する温度発信器２４が付加されている。

図６は、第３実施形態のウォーターハンマー防止方法における給水加熱器２のドレン水位の変化と、高水位制御で開閉操作される高水位調整弁７の開度の変化の時間的推移を示すタイムチャートである。

給水加熱器２で通常水位制御が長い間行われていると（区間I）、やがて給水加熱器２内の伝熱管からの水漏れや、コントローラの故障等の原因によって、通常水位制御だけでは水位制御が追いつかなくなり、ドレン水位が次第に上昇し、図６に示されるように、高水位Ｈを超えたものとする。

この時点での高水位調整弁７の下流側配管６ｂの温度がＴ1であったとする。このときの温度Ｔ1は、冷えたドレン水が下流側配管６ｂに溜まっていると評価できる基準温度Ｔ0よりも、低下していたとする。

この場合には、高水位調整弁７の開度は、全閉から全開に近い、設定された大開度まで一気に開かれる。この結果、給水加熱器２のドレン水は、第２ドレン配管６に流れ込み、高水位調整弁７の下流側配管６ｂに溜まって冷えているドレン水を復水器１に短時間で押し流す。この結果、給水加熱器２からの高温のドレン水は、冷えたドレン水に接触して蒸気になる暇もなく低温のドレン水とともに復水器１に流れ込んでしまうので、従来のようなウォーターハンマーの発生を防止することができる。

その後、ドレン水位の制御は、高水位制御に切り替わり、第２水位検知器１０によって検知される水位に応じて、高水位調整弁７の開度はコントローラ１２によって制御される。ここでは、通常水位調整弁５も開いている上に高水位調整弁７を大きく開いた結果、ドレン水位は急激に下がって、低水位Ｌに近くなっているので、小さな開度が維持される。

高水位調整弁７の下流側配管６ｂに溜まっていた冷えたドレン水は既に復水器１に押し流された後であるため、高水位制御が行われている間（区間II）に、ウォーターハンマーが発生することはない。

その後、ドレン水位がさらに低下し、低水位Ｌに達すると、高水位調整弁７が全閉となって高水位制御は終了し、ドレン水位の制御は通常水位調整弁５のみによる通常水位制御に切り替わる。通常水位制御が行われている間（区間III）、図６に示されるように、ドレン水位が次第に上昇し、再び高水位Ｈになったとする。

この時点での高水位調整弁７の下流側配管６ｂの温度がＴ2であって、基準温度Ｔ0より高かったとする。この場合には、前回、高水位調整弁７を開けたときから長い時間が経過しておらず、高水位調整弁７の下流側配管６ｂではドレン水は高い温度を保っていると考えられるので、高水位調整弁７の開度は大きく開けることなく、水位に応じた所定の開度が維持される（区間IV）。以後、ドレン水位が徐々に低下して高水位Ｈを切ったら、高水位調整弁７を全閉にしてから通常水位制御に切り替わることになる。
以上のようにして第３実施形態によれば、高水位調整弁７を大きく開いて一気にドレン水を押し流すかどうかを下流側配管６ｂの温度計測によって管理しているため、ウォーターハンマーの防止の上で必要もないのに高水位調整弁を大きくあけて熱損失を大きくしてしまうようなことがなくなるという効果が得られる。

第４実施形態
次に、本発明の第４実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法について、図７を参照しながら説明する。
図７は、本発明の第４実施形態による給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法を実施するための給水加熱器２のドレン水位制御系統を示す図である。なお、図７において、図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図７に示すドレン水位制御系統では、第２ドレン配管６における高水位調整弁７の上流側配管６ａには、下流側の給水加熱器３まで延びる第１のバイパス配管３０が分岐している。この第１バイパス配管３０の途中にはバイパス弁３１が設けられている。これに対して、高水位調整弁７の下流側配管６ｂからは、復水器１にドレン排出をバイパスする第２のバイパス配管３２が分岐している。この場合、第２バイパス配管３２は、下流側配管６の配管立ち上がり部よりも上流側から分岐するようになっている。第２バイパス配管３２の途中はバイパス弁３３が設けられている。

この第４実施形態によれば、上述した第１実施形態の図１のタイムチャートで示されるウォーターハンマー防止方法が実施される以外に、第１バイパス配管３０に設けられているバイパス弁３１や、第２バイパス配管３２に設けられているバイパス弁３３を適宜に開いて、ドレン配管６に溜まっているドレン水を下流側の給水加熱器３あるいは復水器２に排出することができる。これによって、高水位調整弁７を長い間全閉にした結果、高水位調整弁７の上流側配管６ａに溜まったドレン水を下流側の給水加熱器３に排出し、下流側配管６ｂに溜まったドレン水を復水器２に排出するというように、運転状況に応じて適宜ドレン水の排出が可能になる。これにより、高水位調整弁７を開いて高水位制御に切り替わるときのウォーターハンマーを確実に防止することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例示として挙げたもので、発明の範囲の制限を意図するものではない。もちろん、明細書に記載された新規な装置、方法およびシステムは、様々な形態で実施され得るものであり、さらに、本発明の主旨から逸脱しない範囲において、種々の省略、置換、変更が可能である。請求項およびそれらの均等物の範囲は、発明の主旨の範囲内で実施形態あるいはその改良物をカバーすることを意図している。

１…復水器、２…上流側の給水加熱器、３…下流側の給水加熱器、４…第１のドレン配管、５…通常水位調整弁、６…第２のドレン配管、７…高水位調整弁、８…第１水位検知器、９…コントローラ、１０…第２水位検知器、１２…コントローラ、２０…タイマー手段、２２…温度検出器、２４…温度発信器

Claims (4)

1. 上流側の給水加熱器と下流側の給水加熱器とが２段に復水器に設置され、前記上流側の給水加熱器内のドレン水位を通常レベルに制御する通常水位調整弁を有し前記下流側の給水加熱器にドレン水を排出する第１のドレン配管と、前記上流側の給水加熱器内のドレン水位が前記通常レベルを超える所定の高レベルに達したときにドレン水を前記復水器に排出する高水位調整弁を有し前記第１のドレン配管から分岐する第２のドレン配管と、からなるドレン配管系統を備えた発電プラントの給水加熱器において、前記高水位調整弁が開かれたときに前記第２ドレン配管に流れ込んだドレン水が溜まっていた冷えたドレン水に接触することにより発生するウォーターハンマーを防止する方法であって、
   前記ドレン水位が高レベルを超えたときに、前記高水位調整弁を全閉状態から開く際には弁開度を最初から大きく開き、前記第２ドレン配管に溜まっている冷えたドレン水を、前記高水位調整弁を流れるドレン水により前記復水器に一気に押し流すようにしたことを特徴とする給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法。
2. 前記高水位調整弁を前回開いた時点からの経過時間が、高水位調整弁を開いて流れ込んだ高温のドレン水が、前記高水位調整弁の下流側配管に溜まっているドレン水と接触すると、ウォーターハンマーが発生すると評価できる時間を経過していない場合には、前記高水位調整弁の開度はドレン水位のレベルに応じた開度とすることを特徴とする請求項１に記載の給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法。
3. 前記第２ドレン配管において前記高水位調整弁の温度が、冷えたドレン水が前記下流側配管に溜まっていると評価できる上での基準温度よりも高い場合には、前記高水位調整弁の開度はドレン水位のレベルに応じた開度とすることを特徴とする請求項１に記載の給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法。
4. 第２ドレン配管における高水位調整弁の上流側配管から分岐して前記下流側の給水加熱器まで延びる第１のバイパス配管と、第２ドレン配管における高水位調整弁の下流側配管から分岐して前記復水器まで延びる第１のバイパス配管を設けることを特徴とする請求項１に記載の給水加熱器配管のウォーターハンマー防止方法。

Images