JP2019525109A - 全てが二次の空冷式産業用蒸気復水器 - Google Patents

Abstract

全ての管束がＡ字型フレームまたはＶ字型構成の二次管束として構築され、管は垂直から２５〜３５度の方向に配向され、管への蒸気の供給と管からの復水の回収との両方を行い、且つ復水が蒸気送達ライザー（複数可）を下降するのを阻止するように構築された統合／ハイブリッドマニホールドを使用して、蒸気が底部から供給され、且つ復水が管束から底部から回収され、管の断面寸法は、幅が１２５ｍｍであり、断面高さが１０ｍｍ未満であり、フィンの高さは９．２５ｍｍであり、１インチ（２５．４ｍｍ）あたり９〜１２枚のフィンが配置されている、大規模現場組立型産業用蒸気復水器の新規設計である。

Description

本発明は、大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器に関する。

大部分の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器（「ＡＣＣ」）に使用される現在のフィン付き管は、長さ約１１メートル×幅２００ｍｍ（「空気移動長さ」とも称される）で、半円形の前縁および後縁を有し、また１８．８ｍｍの内部高さ（空気移動長さに垂直）を有する平坦な管を使用する。管壁の厚さは１．３５ｍｍである。フィンは、各管の両側の平らな側面にろう付けされる。フィンは、通常１８．５ｍｍの高さで、１インチ（２５．４ｍｍ）あたりフィンが１１枚の間隔である。フィン表面は、熱伝達を促進し、フィン剛性を支援するために波状のパターンを有する。管の中心間の標準間隔は５７．２ｍｍである。管自体は、断面面積（ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｆａｃｅ ａｒｅａ）（空気流れ方向に対して垂直な）の約３分の１を構成する一方、フィンは断面面積（ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｆａｃｅ ａｒｅａ）のほぼ３分の２を占める。隣接するフィン先端の間に１．５ｍｍの小さなスペースが存在する。夏季の周囲条件では、管を通過する最大蒸気速度は、典型的には２８ｍｐｓほど高く、より典型的には２３〜２５ｍｐｓである可能性がある。これらの管とフィンとを組み合わせた単一のＡ字型フレーム設計は、管の長さ、フィンの間隔、フィンの高さと形状、および空気移動長さに基づいて最適化されてきた。フィン付き管は、典型的には熱交換器管束あたり３９本の管の熱交換器管束へと組み立てられ、ファンあたり１０〜１４個の管束が単一のＡ字型フレーム内に一緒に配列された２つの熱交換器へと配置される。ファンは、典型的にはＡ字型フレームの下部に存在し、管束を通して上向きに空気を強制通風する。管とフィンの全体的な設計と、管とフィンの組み合わせによる空気圧低下も、２００〜２５０馬力で動作する大口径（３６フィート（１０．９メートル））のファンの空気移動能力に適合するように最適化されてきた。この最適化された配置は、２０年以上も前に単列楕円管の概念が導入されて以来、多くの異なる製造業者にわたってあまり変化していない。

上述の典型的なＡ字型フレームＡＣＣは、第１段または「一次」復水器管束と第２段または「二次」管束との両方を含む。熱交換器管束の約８０％〜９０％は第１段または一次復水器管束である。蒸気は一次復水器管束の頂部に入り、復水と一部の蒸気が底部から出される。第１段構成は熱効率が良好であるが、非凝縮性ガスを除去する手段が提供されない。第１段の管束を通る非凝縮性ガスを一掃するために、熱交換器管束の１０％〜２０％は第２段または二次管束として構成され、典型的には一次管束の間に点在し、下部復水マニホールドからベイパーを吸引する。この配置では、蒸気および非凝縮性ガスは、それらが二次管束の底部に引き込まれるときに第１段の管束を通って進む。ガスの混合物が二次管束を通って上昇するにつれて、残りの蒸気は凝縮し、非凝縮性ガスを濃縮する。二次管束の頂部は、システムから非凝縮性ガスを除去する真空マニホールドに取り付けられる。

標準的な先行技術のＡＣＣ配置に対する変形例は、例えば米国特許出願公開第２０１５／０２０４６１１号および同第２０１５／０３３０７０９号に開示されている。これらの明細書は、同一のフィン付き管を示すが、管の長さが大幅に短縮されたもので、一連の小さなＡ字型フレーム、典型的にはファンあたり５つのＡ字型フレームに配置されている。この論理の一部は、蒸気圧力降下を低減することであり、夏季における全容量に及ぼす影響は小さいが、冬季の条件ではより大きな影響を与える。この論理の別の一部は、工場において管束の各々に頂部蒸気マニホールドダクトを溶接してこれらを一緒に出荷し、高価な現場での溶接作業を省くことである。工場で取り付けられ、管束と共に出荷される蒸気マニホールドを用いたこの配置の正味の効果は、標準的なハイキューブ輸送コンテナ内のマニホールドに適合するように管の長さを短縮することである。管がより短く、従って表面積の総量が減少するため、夏季の条件においては、類似の全体的な寸法の標準単一Ａ字型フレーム設計に対する比較容量は約３％減少する。

本明細書に提示される発明は、１）大規模現場組立型産業用蒸気復水器を含むがこれに限定されない、熱交換器システムで使用するための新規な管設計と、２）発電所等のための大規模現場組立型産業用蒸気復水器の新規な設計とを含み、その両方とも、ＡＣＣの熱容量を著しく増大させる一方、いくつかの構成では材料を低減する。本発明の様々な態様および／または実施形態を以下に示す。

管設計発明の様々な実施形態によれば、管は長さ２．０４４ｍであり、管の断面寸法は１００〜２００ｍｍ幅、好ましくは１２５ｍｍ幅（空気移動長さ）であると共に、断面高さ（空気移動長さに垂直）は１０ｍｍ未満、好ましくは４〜１０ｍｍ、より好ましくは５．０〜９ｍｍ、さらにより好ましくは５．２〜７ｍｍ、最も好ましくは６．０ｍｍの高さ（「外側管幅」とも呼ばれる）であり、１インチ（２５．４ｍｍ）あたりのフィンの数が９〜１２枚、好ましくは９．８枚で配置されたフィンを有する。さらに好ましい実施形態によれば、実際のフィンは、高さが１７〜２０ｍｍ、好ましくは高さが１８．５ｍｍであり、２本の隣接する管の間の空間にまたがり、効果的に９．２５ｍｍのフィンを各管に対してそれぞれの側で利用できるようにする。

より小さな断面の管（空気移動長さは同じであるが、高さが顕著により小さい）を製造することは、大規模な発電所によって出力される膨大な蒸気量に対応するために、できる限り大きな断面で管を製造する必要があり、管のサイズが大きくなるほどコストが下がるという当該技術分野における現行の支配的な見解に直接的に反している。この配置のコストは先行技術の管配置よりもはるかに大きいが、本発明者らは予期しないことに、より低い高さの管を用いることによる効率増加は（最も好ましい実施形態では、先行技術の管と比較して効率が３０％超より高い）、コストの増加を埋め合わせるに留まらないことを発見した。この新規な管設計は、先行技術の大規模現場組立型産業用蒸気復水器（例えば、背景技術の項で説明したような）に使用されてもよく、または本明細書で後述する新規なＡＣＣ設計と併せて使用されてもよい。

次に、大規模現場組立型産業用蒸気復水器の新規な設計を検討してみるが、本発明の主な特徴は、本発明によるＡＣＣの全ての管束が二次管束として構築され、その中では蒸気は、底部から上向きに配向された管（管束の横断方向軸と平行に整列され、各管は概して２５°〜３５°、好ましくは垂直から３０°に配向される）に供給され、復水は管束からは底部から回収され、好ましくは管への蒸気の送達と管からの復水の回収との両方を行う統合／ハイブリッドマニホールドを使用して回収される。一実施形態によれば、統合／ハイブリッドマニホールドは、復水が蒸気送達ライザー（複数可）を下降するのを阻止し、その代わりに統合／ハイブリッドマニホールドに接続された復水回収管に送達されるように構築されてもよい。代替的な実施形態によれば、復水は蒸気送達ライザーを下降することができ、地面により近い蒸気送達ダクトから除去されるように、統合／ハイブリッドマニホールドが構築されてもよい。管の頂部は、非凝縮性ガスを回収するための別個のマニホールドに接続されている。この新規な「全てが二次の」ＡＣＣ構成は、Ａ字型フレームで、管から非凝縮性ガスを集める単一のマニホールドを有する頂部で結合された２つの二次管束を有して、または各管束の頂部に１つずつの２つの非凝縮性マニホールドを有して構成されてもよい。

本明細書で使用される場合、用語「全てが二次の」および「一次がない」は、全ての管束が底部から水蒸気を受け取り、底部において復水を回収し、非凝縮性ガスを上部から送達する大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器を指す。比較すると、大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器における一次管束は上部で蒸気を受け取り、底部で復水を送達し、また底部で別個の二次復水器に非凝縮ガスを送達する。

しかし、好ましくは、本発明のＡＣＣはＶ字構成で配置されてもよく、その中で２つの二次専用コンデンサ束が底部で単一の統合蒸気分配マニホールド／復水回収マニホールドと接続され、別個の非凝縮物回収マニホールドを各管束の頂部に有している。

好ましいＶ字構成の実施形態によれば、蒸気マニホールドは管束の底部に存在するため、２つ以上の位置でマニホールドに入ることでマニホールドのサイズが小さくなり、フィン付き管を少し長くすることができる。本明細書に記載のより小さい断面の管（２００ｍｍ×高さ１０ｍｍ未満、好ましくは４〜１０ｍｍ、より好ましくは５．０〜９ｍｍ、さらにより好ましくは５．２〜７ｍｍ、最も好ましくは６．０ｍｍ）と組み合わせると、システムは、上述した標準的なＡＣＣ配置および構成に対して、少なくとも２５％〜３０％の改善された性能を示し、ユニットは、床面積の点でも同様な量だけ小さくできる場合がある。

さらなる代替的な実施形態によれば、本発明の新規なＡＣＣ設計は、１００ｍｍ×、好ましくは４〜１０ｍｍ、より好ましくは５．０〜９ｍｍ、さらにより好ましくは５．２〜７ｍｍの寸法を有し、最も好ましくは６．０ｍｍの高さの管と共に、オフセットフィンを有して、使用されてもよい。

さらなる実施形態によれば、本発明の新規なＡＣＣ設計は、１インチ（２５．４ｍｍ）あたりフィンが９．８枚配置された「アローヘッド」タイプのフィンを有する１２０ｍｍまたは最大２００ｍｍ×５ｍｍ〜７ｍｍの管で使用されてもよい。

さらに別の実施形態によれば、本発明の新規なＡＣＣ設計は、オフセットフィンとほぼ同様に機能する「ルーバー」フィンを有する管と共に使用されてもよく、より容易に入手可能で製造が容易となる。

最も好ましいＡＣＣ構成と最も好ましい管寸法とを組み合わせた本発明の好ましい実施形態および最も好ましい実施形態によれば、本発明のＡＣＣは、以下の特徴及び寸法を有する：
一次管束はなく、全てが二次の管束（全ての管は底部から蒸気を受け、復水を底部を通して分配し、非凝縮性ガスを頂部から外へ分配する）、
セル／ファンあたり４つ、５つ（最も好ましい）または６つのＶ字型の管束の対
管の外径４〜１０ｍｍ（好ましくは５〜７ｍｍ、最も好ましくは６．０ｍｍ）×１００〜２００ｍｍ（最も好ましくは１２５ｍｍ）の断面、
管中心間の間隔が２０〜２９ｍｍ（最も好ましくは２４．５ｍｍ）、
管壁の厚さ０．７〜０．９ｍｍ（最も好ましくは０．８ｍｍ）、
管束あたりの管数＝４０〜６０（最も好ましくは５０）、
管の長さ１，７００〜２，４００ｍｍ（最も好ましくは２，０４４ｍｍ）、
隣接する管の間にまたがり両方の管に熱的に接続されているアローヘッドフィン（好ましいが、要件ではない）、
フィン高さ１７〜１９（最も好ましくは１８．５ｍｍ（有効高さは管の片側あたり９．２５ｍｍ））、
空気移動長さのフィン９５ｍｍ〜１９５ｍｍ、最も好ましくは１２０ｍｍ。

この最も好ましい実施形態によれば、総ファン出力、蒸気量、および熱条件が同一である先行技術のＡＣＣに対する管束面の総面積は７９％であり、同様に、この最も好ましい実施形態の総床面積は、総ファン出力、蒸気量、および熱条件が同一である先行技術のＡＣＣの面積の７９％である。

さらに、本発明のＡＣＣ設計は、より容易に設置することができ、発電所内の必要とされる全体のスペースをより小さくすることができる。

先行技術の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器の熱交換部分の斜視図である。 蒸気分配マニホールドに対する管の配向を示す、先行技術の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器の熱交換部分を部分的に分解した拡大図である。 本発明の第１の実施形態による、大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器（「ＡＣＣ」）の熱交換部分の斜視図である。 本発明の第２の実施形態による、大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器（「ＡＣＣ」）の熱交換部分の斜視図である。 本発明の第３の実施形態による、大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器（「ＡＣＣ」）の熱交換部分の斜視図である。 本発明の第４の実施形態による、大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器（「ＡＣＣ」）の熱交換部分の斜視図である。 先行技術のＡＣＣ管およびフィンの断面の斜視図である。 本発明の一実施形態によるミニ管およびフィンの斜視図である。 本発明の別の実施形態によるミニ管およびフィンの斜視図である。 図４Ａに示されたＶ字型の二次的な熱交換管束のみの対の配置を有する、本発明の一実施形態による、大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器の１つのストリートの側面図である。 図８に示される大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器の端面図である。 それぞれ６つのセルの６つの縦蒸気ヘッダー（６つのストリート）に分割されている１つのタービン排気ダクトを示す、図８に示す大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器の上面図である。 本発明の一実施形態による二次復水器フィン付き管束の斜視図である。 図１１に描かれた二次復水器フィン付き管束の斜視写真である。

（全てが二次の管束を有するＡフレームＡＣＣ）

図２を参照すると、管２は二次管束４に配置されている。管２の長手方向軸は、管束の横断方向軸と平行に整列され、各管は概して垂直から２５°〜３５°、好ましくは３０°に配向されている。統合蒸気分配／凝縮回収マニホールド６は、Ａフレーム構成でその頂部で結合されている２つの二次管束４の各々の底部に取り付けられている。蒸気は、統合蒸気分配／復水回収マニホールド６を介して管２に分配され、蒸気が凝縮すると管２内に復水を形成し、管２を下降して統合蒸気分配／復水回収マニホールド６に流入する。単一の非凝縮物回収マニホールド８が、管２の頂部に移動する非凝縮性ガスを集めるために、両方の管束６の頂部に取り付けられている。蒸気は、ライザー１２を介して蒸気ダクト１０から統合蒸気分配／復水回収マニホールド６に供給される。統合蒸気分配／復水回収マニホールド６に集まる凝縮水は、復水回収管１４内でＡＣＣから運び去られる。

図３は、図２の実施形態と非常に類似した実施形態を示しているが、ただし各管束４はその頂部で専用の非凝縮物回収マニホールドに取り付けられている。

（全てが二次の管束を有するＶ字型ＡＣＣ）

図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、管２は二次管束４に配置されている。管２の長手方向軸は、管束の横断方向軸と平行に、各管は概して垂直から２５°〜３５°、好ましくは３０°に配向されている。２つの二次管束４の底部には、Ｖ字構成で５５°〜６５°、好ましくは６０°の角度で結合された統合蒸気分配／復水回収マニホールド６が取り付けられている。蒸気は、統合蒸気分配／復水回収マニホールド６を介して管２に分配され、蒸気が凝縮して管２内に復水を形成し、管２を下降して統合蒸気分配／復水集合マニホールド６の中へと入る。非凝縮物回収マニホールド８が両方の管束６の頂部に取り付けられて、管２の頂部に移動する非凝縮性ガスを回収する。蒸気は、ライザー１２を介して蒸気ダクト１０から統合蒸気分配／復水回収マニホールド６に供給される。統合蒸気分配／復水回収マニホールド６に回収された凝縮水は、復水回収管１４内でＡＣＣから運び去られる。

上述の新規なＡＣＣ設計は、長さ約１１メートル、幅２００ｍｍ（または「空気移動長さ」）で半円形の先端と後端を有し、且つ内部高さ（空気移動長さに垂直）が１８．８ｍｍで管壁の厚さが１．３５ｍｍであり、各管の両方の平らな側面にろう付けされたフィンであって、通常、１８．５ｍｍの高さで、１インチ（２５．４ｍｍ）あたりフィンが１１枚の間隔であるフィンを有する図５に示された管を含む任意の先行技術の管にも使用されてもよい。しかし、より好ましい実施形態によれば、本発明の新規なＡＣＣ設計は、以下の特徴および寸法を有する：
一次管束はなく、全てが二次の管束（全ての管は底部から蒸気を受け、復水を底部から分配し、非凝縮性ガスを頂部から外へ分配する）、
セル／ファンあたり４つ、５つ（最も好ましい）または６つのＶ字型の管束の対、
管の外径４〜１０ｍｍ（好ましくは５〜７ｍｍ、最も好ましくは６．０ｍｍ）×１００〜２００ｍｍ（最も好ましくは１２５ｍｍ）の断面、
管中心間隔が２０〜２９ｍｍ（最も好ましくは２４．５ｍｍ）、
管壁の厚さ０．７〜０．９ｍｍ（最も好ましくは０．８ｍｍ）
管束あたりの管数＝４０〜６０（最も好ましくは５０）
管の長さ１，７００〜２，４００ｍｍ（最も好ましくは２，０４４ｍｍ）
隣接する管の間にまたがり両方の管に熱的に接続されているアローヘッドフィン（好ましいが、要件ではない）
フィン高さ１８．５ｍｍ（有効高さは管の片側あたり９．２５ｍｍ）、
空気移動長さフィン９５ｍｍ〜１９５ｍｍ、最も好ましくは１２０ｍｍ。
この好ましい実施形態によれば、２５〜３０％の容量増加が、一定のファン出力で単一のセルに対して、標準的な管を用いた先行技術のＡ字形フレーム設計を上回って提供される。

図８〜図１０は、図４Ａに示されたＶ字型の二次熱交換管束の対のみを有する、本発明の実施形態による代表的な大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器を示す。図８〜図１０に示す装置は、３６セル（６ストリート×６セル）のＡＣＣであり、セルあたり５つの管束対の最も好ましい実施形態であるが、本発明は、任意のサイズのＡＣＣで使用されてもよく、また１セルあたり任意の数の管束対を用いてもよい。

Claims (17)

1. 産業用蒸気製造設備に接続された全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器であって、
   互いに隣接して適合された複数のフィン付き扁平管をそれぞれ備える２つの管束であって、前記管束の各々が、前記フィン付き扁平管の長手方向軸が水平から５５°〜６５°の角度で位置付けられるように配向された、２つの管束と、
   前記管束の各々の底部に取り付けられ、前記管の底部に蒸気を送達すること、および前記管内で冷却されると前記蒸気から形成される復水を回収することの両方のために構成された前記管束の長さに沿って延在する、統合蒸気分配−復水回収マニホールドと、
   前記管束の各々の頂部に取り付けられ、前記蒸気分配マニホールドに平行な前記管束の長さに沿って延在し、前記蒸気から非凝縮性ガスを回収するように構成される、非復水回収マニホールドと、を備える、全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
2. 前記管から回収された復水の全てが前記統合蒸気分配復水回収マニホールド内に回収される、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
3. 前記管に送達される蒸気の全てが前記統合蒸気分配−復水回収マニホールドから送達される、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
4. 前記フィン付き扁平管の前記長手方向軸が、水平から６０°の角度で配置される、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
5. 一次凝縮管を備えていない、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
6. 前記２つの管束が、前記管束の両方の前記頂部に取り付けられた単一の非凝縮物回収マニホールドを有し、且つ前記２つの管束の両方の底部に接続された別個の統合蒸気分配−復水回収マニホールドを有して、Ａ字型フレーム構成で配置される、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
7. 前記２つの管束は、それぞれが前記２つの管束のうちの１つの前記頂部に取り付けられた２つの非復水回収マニホールドを有し、かつそれぞれが前記２つの管束の１つの底部に取り付けられた２つの統合蒸気分配−復水回収マニホールドを有して、Ａ字型フレーム構成で配置される、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
8. 前記２つの管束が、前記２つの管束の両方の底部に接続された単一の統合蒸気分配−復水収集マニホールドを有し、且つ１つは前記２つの管束の各々の頂部に取り付けられている２つの別個な非復水回収マニホールドを有して、Ｖ字型に配置されている、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
9. 前記管が１００ｍｍ〜２００ｍｍの断面幅と４〜１０ｍｍの断面高さとを有する、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
10. 前記管が、１２５ｍｍの断面幅と５．２〜７ｍｍの断面高さを有する、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
11. 前記管が、１２５ｍｍの断面幅と６．０ｍｍの断面高さを有する、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
12. 前記管が、前記管の平坦な側面に取り付けられたフィンを有し、前記フィンが１０ｍｍの高さを有し、１インチ（２５．４ｍｍ）あたりフィンが９〜１２枚の間隔である、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
13. 前記管が、２００ｍｍの断面幅と１７〜２０ｍｍの断面高さを有する、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
14. 前記管が、２００ｍｍの断面幅と１８．８ｍｍの断面高さを有する、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
15. 前記管が、１２５ｍｍの断面幅と４〜１０ｍｍの断面高さを有する、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
16. 前記管が、約１７００ｍｍ〜約２４００ｍｍの長さを有する、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。
17. 約４０〜約６０本の前記管を備える、請求項１に記載の全てが二次の管束の大規模現場組立型空冷式産業用蒸気復水器。

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