JP2020038015A - Condenser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、蒸気タービン用の凝縮器に関する。 Embodiments of the present invention relate to a condenser for a steam turbine.
ランキンサイクルを利用した発電システムでは、蒸気タービンの出口部の圧力を低下させて出力増加を達成するために凝縮器が設けられる。凝縮器では、蒸気タービンから排出される凝縮性ガスを冷却部または冷却流体と接触させ、当該ガスの飽和温度まで温度を低下させることで凝縮性ガスの液化が生じる。 In a power generation system using a Rankine cycle, a condenser is provided to reduce the pressure at the outlet of the steam turbine to achieve an increase in output. In the condenser, the condensable gas discharged from the steam turbine is brought into contact with a cooling unit or a cooling fluid, and the temperature is reduced to a saturation temperature of the gas, so that the condensable gas is liquefied.
凝縮器に用いられる液化手法には、中空管の内部に冷却液を流動させて当該中空管の外面でガスを凝縮させる表面接触式、スプレーノズル等を用いて冷却液をガスへ向けて噴射する直接接触式がある。 The liquefaction method used in the condenser includes a surface contact type in which a coolant flows through the inside of the hollow tube and condenses the gas on the outer surface of the hollow tube, and the coolant is directed to the gas using a spray nozzle or the like. There is a direct contact type that ejects.
前者の表面接触式は、火力・原子力発電システム等に広く用いられ、蒸発器供給水の性状に対する制約から、作動流体と冷却液は混合されない。後者は主に地熱発電システムで用いられ、伝熱管を介さずに蒸気と冷却液の混合および熱交換が行われることから伝熱性能に優れる。 The former surface contact type is widely used in thermal power and nuclear power generation systems and the like, and the working fluid and the coolant are not mixed due to restrictions on the properties of the evaporator supply water. The latter is mainly used in a geothermal power generation system, and is excellent in heat transfer performance because mixing and heat exchange of steam and a coolant are performed without passing through a heat transfer tube.
直接接触式の場合、タービンの回転軸と凝縮器の位置関係によって、凝縮器内部におけるガスおよび液の流動様相が異なる。タービンが凝縮器の上方に位置する場合、凝縮器内部には概ね下向きのガス流動場が形成されるため、冷却液はガス流れから受ける力および重力によって下向きに加速していく。一方で、タービン回転軸の延長線上に凝縮器が設けられる軸方向排気方式の場合、ガス流動方向と重力が作用する方向が大きく異なる。両構成ともに、スプレーノズル等より噴射された冷却液は、直接ホットウェルに落下するか、または凝縮器内壁面へ衝突した後に当該壁面を流下してホットウェルへ達する。また、タービン回転軸の側方に凝縮器が設けられる側方排気方式についても、ガス流動方向と重力が作用する方向が大きく異なり、両者の関係は、軸方向排気方式と同様である。 In the case of the direct contact type, the flow of gas and liquid inside the condenser varies depending on the positional relationship between the rotating shaft of the turbine and the condenser. When the turbine is located above the condenser, a generally downward gas flow field is formed inside the condenser, so that the coolant is accelerated downward by the force received from the gas flow and gravity. On the other hand, in the case of an axial exhaust system in which a condenser is provided on an extension of the turbine rotation shaft, the gas flow direction and the direction in which gravity acts are greatly different. In both configurations, the cooling liquid injected from the spray nozzle or the like directly falls into the hot well, or collides with the inner wall surface of the condenser and then flows down the wall surface to reach the hot well. Further, also in the side exhaust system in which a condenser is provided on the side of the turbine rotating shaft, the gas flow direction and the direction in which gravity acts are greatly different, and the relationship between the two is the same as in the axial exhaust system.
凝縮器にはタービン出口圧力を如何に低下させるかが要求される。タービン出口圧力と凝縮器のガス液化能力には密接な関係があり、その能力を高めるための施策として、本体胴内の内壁において、ガス入口部から出口部にかけて排気蒸気の流動方向に沿ってリブを設け、本体胴容器内の部材とタービン排気との接触面積を増大させる方法が知られている。 The condenser is required to reduce the turbine outlet pressure. There is a close relationship between the turbine outlet pressure and the gas liquefaction capacity of the condenser.As a measure to enhance the capacity, the ribs on the inner wall inside the main body shell are formed along the flow direction of the exhaust steam from the gas inlet to the outlet. There is known a method of increasing a contact area between a member in a main body container and a turbine exhaust by providing the same.
前述のように、噴射された冷却液の一部は凝縮器内壁に衝突して当該壁面上を流下する。一般に、冷却液は凝縮器内ガスの温度よりも低い状態で噴射され、雰囲気ガスと熱交換しながら次第にその温度を上昇させていく。雰囲気ガスと冷却液の接触時間が十分大きな場合、冷却液温度はガス温度に近くまで上昇する。一方、接触時間が不十分な場合は、冷却液温度とガス温度の差が比較的大きくなり、過冷却液の状態で内壁面へ到達する。このとき、内壁面上を流下する間にも雰囲気ガスとの熱交換は継続するが、壁面到達位置とホットウェルの距離が小さな場合は、十分な温度上昇が達成されないことが憂慮される。 As described above, a part of the injected coolant collides with the inner wall of the condenser and flows down on the wall. Generally, the coolant is injected at a temperature lower than the temperature of the gas in the condenser, and the temperature gradually increases while exchanging heat with the atmospheric gas. If the contact time between the ambient gas and the coolant is long enough, the coolant temperature rises close to the gas temperature. On the other hand, if the contact time is insufficient, the difference between the coolant temperature and the gas temperature becomes relatively large, and reaches the inner wall surface in the state of the supercooled liquid. At this time, heat exchange with the atmosphere gas continues even while flowing down on the inner wall surface, but when the distance between the wall arrival position and the hot well is small, there is a concern that a sufficient temperature rise will not be achieved.
地熱発電システムにおいては非凝縮性ガスの影響も考慮する必要がある。地熱蒸気には、水蒸気に加えて二酸化炭素、硫化水素などの非凝縮性ガスが含まれる場合がある。このようなガスが凝縮器へ流入する場合、器内での流れに沿って、凝縮の進展に伴って非凝縮性ガス濃度が次第に増大していく。全ガス分に占める非凝縮性ガスの割合が大きくなると、水蒸気の分圧が低下するため、ガス温度が低下していく。ガス温度降下量と水蒸気の凝縮割合には相関があるため、凝縮器内に、流入部から流出部に向かって温度勾配が生じる。 In geothermal power generation systems, it is necessary to consider the effects of non-condensable gases. Geothermal steam may include non-condensable gases such as carbon dioxide and hydrogen sulfide in addition to water vapor. When such a gas flows into the condenser, the concentration of the non-condensable gas gradually increases with the progress of condensation along the flow in the vessel. If the proportion of the non-condensable gas in the total gas increases, the partial pressure of water vapor decreases, and the gas temperature decreases. Since there is a correlation between the gas temperature drop amount and the condensation rate of water vapor, a temperature gradient is generated in the condenser from the inflow portion to the outflow portion.
前述のように冷却液の温度は雰囲気ガス温度を上限として温度が上昇するため、流出部近傍で噴射された冷却液の温度上限値は、入口部のそれに比して低くなる。この特徴は軸流排気タービンあるいは側方排気タービンに組み合せられる直接接触式凝縮器において顕著に現れ、凝縮器の熱交換効率の低下をもたらす要因となる。 As described above, since the temperature of the coolant rises with the upper limit of the ambient gas temperature, the upper limit of the temperature of the coolant injected near the outlet is lower than that at the inlet. This feature is prominent in a direct contact type condenser combined with an axial exhaust turbine or a side exhaust turbine, and causes a reduction in heat exchange efficiency of the condenser.
そこで、本発明の実施形態は、凝縮器において流入部から流出部に向かって温度勾配が生じる場合にも、効果的な熱交換を可能とすることを目的とする。 Therefore, an embodiment of the present invention aims to enable effective heat exchange even when a temperature gradient is generated from an inflow portion to an outflow portion in a condenser.
上述の目的を達成するため、本実施形態に係る凝縮器は、蒸気タービンからほぼ水平方向に排出されるタービン排気を器内ガスとして受け入れ、前記器内ガスの流路となる本体胴容器と、前記蒸気タービンと前記本体胴容器とを連結する流入部と、前記本体胴容器内に冷却液を噴射し、前記器内ガスを凝縮する冷却液散布構造と、前記本体胴容器内で凝縮しなかった残りの前記器内ガスの前記本体胴容器の外部への排出部と、前記本体胴容器の内側に取り付けられ、到達した前記冷却液を受け止めて重力によって前記器内ガスの流れの上流側に還流する1つまたは複数の還流ユニットを有する冷却液還流構造と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the condenser according to the present embodiment receives a turbine exhaust discharged from a steam turbine in a substantially horizontal direction as a gas in the device, and a main body vessel serving as a flow path of the gas in the device, An inflow portion connecting the steam turbine and the main body container, a cooling liquid spraying structure for injecting a cooling liquid into the main body container and condensing the inside gas, and not condensing in the main body container The remaining portion of the gas inside the container is discharged to the outside of the main body container, and is attached to the inside of the main body container, receives the cooling liquid that has reached, and upstream of the flow of the gas inside the container by gravity. And a coolant reflux structure having one or more reflux units for reflux.
本発明の実施形態によれば、凝縮器において流入部から流出部に向かって温度勾配が生じる場合にも、効果的な熱交換が可能となる。 According to the embodiment of the present invention, effective heat exchange can be performed even when a temperature gradient occurs from the inflow portion to the outflow portion in the condenser.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る凝縮器および凝縮器の熱交換性能向上方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。 Hereinafter, a condenser and a method for improving the heat exchange performance of the condenser according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by the same reference numerals, and overlapping description is omitted.
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る凝縮器の構成を示す立断面図である。図2は、図1のII−II線矢視断面図である。また、図3は、図1のIII−III線矢視断面図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is an elevational sectional view showing the configuration of the condenser according to the first embodiment. FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG. FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG.
凝縮器100は、本体胴容器110、蒸気タービン10と本体胴容器110を連結する流入部111、本体胴容器110の外部へガスを導く排出部115、および冷却液散布構造120を有する。
The
凝縮器100は、一般に復水器とも呼ばれる機器であるが、蒸気タービン10からのタービン排気を受け入れて、冷却液を散布しタービン排気に直接に接触させることにより、タービン排気蒸気を凝縮させ復水にするとともに、器内圧力を負圧に維持する。
The
図1では、蒸気タービン10が軸方向排気タービン11である場合を示している。軸方向排気タービン11は、仕事をして最終段翼(図示せず)から流出するタービン排気が、発電機20とは反対側の軸方向に排出される形式の蒸気タービン10である。タービン排気中には、タービン排気蒸気の他に、不凝結ガスが含まれている。
FIG. 1 shows a case where the
本体胴容器110は、閉空間110aを形成する各部材と、この閉空間110aと軸方向排気タービン11とを接続する流入部111と、この閉空間110aから不凝縮ガスおよび凝縮しなかった蒸気を排出する排出部115とを有する。閉空間110aは、凝縮液である復水を一時貯留するホットウェル116、流入部111と排出部115との間に設けられた互いに対向する2枚の側胴112、上板113、および流入部111に対向するように配されて排出部115が形成された端板114を有する。
The
流入部111から閉空間110aに流入するタービン排気中のタービン排気蒸気の大部分は、凝縮して復水となってホットウェル116側に移行する。したがって、排出部115から流出する不凝縮ガスおよび凝縮しなかった蒸気の重量流量は、流入部111から流入するタービン排気の重量流量に比べて小さい。このため、排出部115の流路断面は、流入部111の流路断面より小さい。閉空間110a内の圧力損失を低減するために、閉空間110a内の流れをスムーズにするように、側胴112および上板113は、端板114の近傍では曲面状に形成されている。
Most of the turbine exhaust steam in the turbine exhaust flowing into the
今、説明の便宜上、方向を記号で示す。流入部111から排出部115に向かう方向をX方向とする。2枚の側胴112の一方(流入部111から見て右側)から他方(流入部から見て左側)に向かう方向をY方向とする。また、鉛直上方向をZ方向とする。
Here, for convenience of explanation, directions are indicated by symbols. The direction from the
2枚の側胴112のそれぞれの閉空間110a側の表面には、冷却液還流構造130が取り付けられている。冷却液還流構造130の詳細は、後に、図4ないし図6を用いて説明する。
A cooling
冷却液散布構造120は、母管121、複数の分岐管122、複数の噴射部ヘッダ123、および複数の噴射部124を有する。
The cooling
母管121は、ホットウェル116の上方に、Z方向に沿って配され鉛直上方に延びており、本体胴容器110を貫通し、たとえば復水を冷却する冷却塔(図示せず)などの、冷却源に接続されている。
The
複数の分岐管122(図2、図3)は、互いにZ方向に間隔をおいて、それぞれY方向に沿ってほぼ水平に配されている。複数の分岐管122のそれぞれは、端部が母管121と接続されている。それぞれの分岐管122からは、複数の円管状の噴射部ヘッダ123が分岐し、水平方向(X方向)に延びている。それぞれの噴射部ヘッダ123には、たとえば、スプレーノズルなどの複数の噴射部124が、X方向に互いに間隔をおいて取り付けられている。また、円管状の噴射部ヘッダ123のそれぞれのX方向位置において、下方に向けて冷却水を噴射する噴射部124が設けられている。
The plurality of branch pipes 122 (FIGS. 2 and 3) are arranged substantially horizontally along the Y direction with an interval in the Z direction. Each of the plurality of
以上のような構成により、噴射部124は、閉空間110a内に、互いに適切な間隔をおいて、3次元的に配置される。なお、冷却液散布構造120は、上記のような母管121、複数の分岐管122、複数の噴射部ヘッダ123、および複数の噴射部124の構成で、これらが上記のように配置されている場合を例にとって示したが、これに限定されない。噴射部124が閉空間110a内に3次元的に配置されるのであれば、他の構成および配置であってもよい。
With the configuration as described above, the
図4は、第1の実施形態に係る凝縮器の冷却液還流構造の構成を示す図2のIV−IV線矢視断面図である。冷却液還流構造130は、複数の還流ユニット130aを有する。すなわち、互いに対向する側胴112にそれぞれ3つの還流ユニット130aが取り付けられている。3つの還流ユニット130aは、流れ方向(X方向)に沿って鉛直方向(Z方向)位置が高くなるように傾斜している。すなわち、マイナスX方向に傾斜している。
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG. 2 showing a configuration of the cooling liquid reflux structure of the condenser according to the first embodiment. The cooling
それぞれの還流ユニット130aの最上部、すなわち流れ方向の最下流の部分の高さ位置は、図3に示すように、最上部に配された噴射部124から噴射された冷却液が側胴112に直接に到達する高さ位置よりも、低い高さ位置となるように設定される。
As shown in FIG. 3, the height position of the uppermost part of each
また、3つの還流ユニット130aは、互いにZ方向に間隔をおいてほぼ平行に配されている。なお、冷却液還流構造130が有する還流ユニット130aの数は、片側それぞれ3つには限定しない。たとえば、一方に1つまたは2つ、あるいは4つ以上でもよい。あるいは、互いに対向する側胴112に互いに異なる数の還流ユニット130aが配されている場合でもよい。
Further, the three
なお、たとえば、最下段の還流ユニット130aの一部は、ホットウェル116内の凝縮液内に埋没していてもよい。
Note that, for example, a part of the
図5は、図4のV−V線矢視断面図であり、また、図6は、図5のVI−VI線矢視断面図である。 5 is a sectional view taken along line VV of FIG. 4, and FIG. 6 is a sectional view taken along line VI-VI of FIG.
それぞれの還流ユニット130aは、傾斜して側胴112に取り付けられた、連続した1枚の板である。それぞれの還流ユニット130aは、X方向の逆方向に幅が連続的に拡がっている。還流ユニット130aの一方の側部131aが側胴112に結合している。結合方法としては、溶接あるいは、ボルト等による機械的な結合でもよい。
Each
なお、還流ユニット130aは、1枚の板であることに限定されない。複数の板を機械的あるいは溶接等で接続したものでもよい。
Note that the
図5に示すように、還流ユニット130aの側胴112に結合している側部131aよりも、反対側の側部131bのZ方向位置が高い。すなわち、還流ユニット130aの鉛直上方方向からマイナスY方向に傾斜する傾きの角度Φは、90度より小さい。
As shown in FIG. 5, the Z direction position of the
図7は、冷却液還流構造の傾斜板の傾斜角を説明するための部分立断面図である。図7は、X−Y断面において、側胴112が、鉛直上方の方向から角度ΨだけY方向に傾いている場合を示している。すなわち、凝縮器100において、タービン排気を受け入れる上方の部分に比べて、ホットウェル116部分の水平断面を大きくする場合に相当する。
FIG. 7 is a partial vertical sectional view for explaining the inclination angle of the inclined plate of the coolant reflux structure. FIG. 7 shows a case where the
この場合に冷却液を保持するためには、側胴112が鉛直上方の方向から角度ΨだけY方向に傾いている角度と、還流ユニット130aが鉛直上方の方向から角度ΨだけY方向に傾いている角度の差、すなわち側胴112と還流ユニット130aのなす角度Φを、(90度−Ψ)より小さい角度とする必要がある。言い換えれば、還流ユニット130aが鉛直上方の方向から角度ΨだけY方向に傾いている角度(Φ+Ψ)を90度より小さい角度とする必要がある。
In this case, in order to hold the coolant, the
次に、本実施形態における凝縮器100の作用について説明する。
Next, the operation of the
以上のような構成により、蒸気タービン10の運転中は、冷却源から供給された冷却液が、図1ないし図3に示すように構成された冷却液散布構造120により、すなわち、母管121、複数の分岐管122、および複数の噴射部ヘッダ123を経由して、複数の噴射部124から、閉空間110a内に散布される。ここで、冷却液の散布は、閉空間110a内において3次元的にほぼ均一に配された噴射部124により行われる。それぞれの噴射部124からは、水平方向にかつ周方向に互いに間隔をおいた位置から冷却液が噴射される。なお、冷却液の噴射方向は水平方向に限定されず、水平方向から仰角あるいは俯角をもっていてもよい。
With the above configuration, during operation of the
一方、軸方向排気タービン11からのタービン排気は、流入部111から閉空間110a内に流入する。閉空間110a流入したタービン排気のそれ以降の流れを、以下、器内ガスと呼ぶ。器内ガスは、流入部111においては、タービン排気と同じものであり、タービン排気蒸気に不凝縮ガスが混入したものである。
On the other hand, turbine exhaust from the
器内ガスの蒸気は、X方向に流れていくにつれて、順次、噴射部124から噴射された液滴と接触し、凝縮して凝縮液すなわち復水となる。
As the vapor of the inside gas flows in the X direction, it sequentially comes into contact with the droplets ejected from the
復水は、ホットウェル116に落下するとともに、一部は、冷却液還流構造130のそれぞれの還流ユニット130a上に落下する。
The condensed water falls into the
還流ユニット130a上に落下した冷却液は、マイナスY方向に傾斜している還流ユニット130aと側胴112との間の空間に保持される。保持された冷却液には、重力の還流ユニット130aに沿ったマイナスX方向側への分力が働く。この結果、還流ユニット130aと側胴112との間の空間に保持された冷却液は、マイナスX方向に移動する。このように、ポンプ等の付加手段を用いることなく流入部111の方向(マイナスX方向)へ冷却液を導くことが可能となる。
The cooling liquid that has dropped onto the
冷却液が還流ユニット130aと側胴112との間の空間を流れるとともに、還流ユニット130aと側胴112との間の空間に冷却液が落下してくる。このため、還流ユニット130aの面上を流動する冷却液の流量は、マイナスX方向に行くに従って次第に増加していく。
The coolant flows through the space between the
一方、還流ユニット130aは、マイナスX方向に行くに従っての幅が次第に増加するため、還流ユニット130aと側胴112とで形成される流路の断面積も増加する。この結果、直接にあるいは側胴112を伝って落下してくる凝縮水と、流路を流れてくる凝縮水のいずれも、適切に保持することができる。
On the other hand, since the width of the
還流ユニット130aと側胴112とで形成される流路を流れる冷却液は、その上面を介して、あるいは一部は還流ユニット130aを介して、雰囲気の器内ガスと熱交換を行う。
The cooling liquid flowing through the flow path formed by the
図8は、第1の実施形態に係る凝縮器の内部の流体の流れ方向の状態分布を示すグラフである。横軸は、閉空間110aにおける器内ガスを受け入れてから排出するまでの、器内ガスの流れ方向に沿った距離である。
FIG. 8 is a graph showing a state distribution in the flow direction of the fluid inside the condenser according to the first embodiment. The horizontal axis represents the distance along the flow direction of the internal gas from the reception of the internal gas in the
(Pv+Pg)と表記した二点鎖線は、器内ガスの圧力を示す。流入位置から排出位置に至るまでの圧力損失ΔPだけ、排出位置で圧力が低下している。ここで、Pvは蒸気の分圧、Pgは不凝結ガスの分圧である。 The two-dot chain line described as (Pv + Pg) indicates the pressure of the gas in the chamber. The pressure drops at the discharge position by the pressure loss ΔP from the inflow position to the discharge position. Here, Pv is the partial pressure of the steam, and Pg is the partial pressure of the non-condensable gas.
(Pv)と表記した一点鎖線は、器内ガスにおける蒸気の分圧の分布を示す。器内ガスが流れ方向に進むに連れて、順次、蒸気が凝縮することにより、蒸気の分圧は低下する。また、一般に、排出部115の近傍においては、蒸気の分圧の低下の程度が大きくなる。
The dashed line indicated as (Pv) indicates the distribution of the partial pressure of steam in the gas in the chamber. As the gas in the vessel advances in the flow direction, the vapor condenses sequentially, so that the partial pressure of the vapor decreases. In general, in the vicinity of the
(Ts)と表記した実線は、それぞれのX方向位置における温度を示す。この温度は、それぞれのX方向位置における蒸気分圧の飽和温度である。すなわち、飽和温度は、X方向に沿って連続的に減少する。 Solid lines denoted as (Ts) indicate temperatures at respective X-direction positions. This temperature is the saturation temperature of the vapor partial pressure at each X-direction position. That is, the saturation temperature continuously decreases along the X direction.
凝縮器100の内部で、噴射部124から噴射された冷却液は、器内ガスとの間で熱交換した後に、側胴112などの本体胴容器110の内壁に到達し、壁面上を流下する。内壁に到達時の冷却液の液温が雰囲気の器内ガスの温度よりも低い場合は、内壁の面上でも冷却液と器内ガスとの熱交換が行われる。
Inside the
しかしながら、内壁の到達箇所からその直下のホットウェル116までの距離は、冷却液と器内ガスとの熱交換による冷却液の温度回復の上では十分な距離とはいえない。一方、本実施形態においては、側胴112に到達した冷却液の多くは、側胴112の壁面を伝って下方に移動する途中で、還流ユニット130aに保持される。還流ユニット130aに保持された冷却液は、還流ユニット130a内をマイナスX方向に流れる過程で、さらに周囲の器内ガスとの間で熱交換を行う。このように、流下距離を増大させることにより、効果的な冷却液の温度回復がなされる。
However, the distance from the arrival point of the inner wall to the
前述のように、器内ガスの温度は、マイナスX方向には、増加する。したがって、冷却液をマイナスX方向に還流することにより、冷却液の周囲の器内ガスの温度は、上昇することになる。このことは、冷却液が器内ガスと熱交換することにより温度上昇する温度の上限値を引き上げることになる。この結果、向流型熱交換器のような効果が付加され、冷却液還流構造130が設けられていない場合に比べて、熱交換の性能が向上する。
As described above, the temperature of the inside gas increases in the minus X direction. Therefore, by circulating the coolant in the minus X direction, the temperature of the gas inside the chamber around the coolant increases. This raises the upper limit of the temperature at which the temperature of the coolant increases due to heat exchange with the gas in the chamber. As a result, an effect similar to that of the countercurrent heat exchanger is added, and the heat exchange performance is improved as compared with the case where the
以上のように、冷却液の器内ガスとの熱交換が可能な時間を延長することによる熱交換性能の向上と、器内ガスの上流側への還流により向流型熱交換器のような熱交換性能の向上という2つの面で、熱交換性能の向上が図られる。熱交換性能の向上が図られることにより、器内ガス中の蒸気の凝縮量が増加する。この結果、凝縮器100内の飽和圧力の低下を図ることができる。
As described above, the heat exchange performance is improved by extending the time in which the heat exchange of the cooling liquid with the gas inside the vessel is possible, and the flow of the gas inside the vessel is recirculated to the upstream side such as in a countercurrent heat exchanger. Improvement of heat exchange performance is achieved in two aspects of improvement of heat exchange performance. By improving the heat exchange performance, the amount of steam condensed in the gas in the vessel increases. As a result, the saturation pressure in the
ここで、図9および図10を用いて、凝縮器100内の圧力の低下がもたらす効果について説明する。
Here, with reference to FIG. 9 and FIG. 10, an effect caused by a decrease in the pressure in the
図9は、第1の実施形態に係る凝縮器の効果を説明するための熱膨張線図である。横軸は、蒸気のエントロピs、縦軸は、蒸気のエンタルピh(kJ/kg)である。図9は、蒸気タービン10の蒸気入り口から蒸気出口までのマクロな状態の変化を示している。したがって、段落ごとの状態変化は省略されている。
FIG. 9 is a thermal expansion diagram for explaining the effect of the condenser according to the first embodiment. The horizontal axis is the entropy of steam s, and the vertical axis is the enthalpy of steam h (kJ / kg). FIG. 9 shows a macro state change from the steam inlet to the steam outlet of the
蒸気タービン10の入口において点P1で示す状態であり、圧力がpin1、温度がTinであるとする。この際の蒸気のエンタルピをhinとする。蒸気タービン10の各段落で仕事をした後に、最終段の羽根から排出される蒸気の圧力をpout1とする。エントロピの増加なく状態が変化すれば蒸気タービン10の出口は点P30で示される状態となり、この場合の蒸気のエンタルピはhe10である。蒸気タービン10の入口の蒸気のエンタルピhinと蒸気タービン10のこのエンタルピhe10との差である断熱熱落差Δh10に蒸気タービン10の内部効率ηを乗じた熱落差Δh1は蒸気タービン10において機械エネルギに変換される熱エネルギに対応する。凝縮器100の圧力が低いほど、熱落差Δh1は大きくなり、蒸気タービン10の出力が増大する。
It is assumed that the state is indicated by a point P1 at the inlet of the
図10は、凝縮器の効果を説明するための蒸気の物性データ図である。横軸は、蒸気の圧力(MPa)である。縦軸は、左側の第1軸は、蒸気のエンタルピ(kJ/kg)、右側の第2軸は、蒸気の温度(℃)である。実線は飽和蒸気のエンタルピhs、破線は、飽和温度より10度高い過熱蒸気の場合のエンタルピhk、二点鎖線は飽和温度Tsである。
FIG. 10 is a physical property data diagram of steam for explaining the effect of the condenser. The horizontal axis is the steam pressure (MPa). On the vertical axis, the first axis on the left is the enthalpy of steam (kJ / kg), and the second axis on the right is the temperature (° C.) of the steam. The solid line is the enthalpy hs of the saturated steam, the dashed line is the enthalpy hk of the
図10で示すように、飽和蒸気、圧力の変化に対するエンタルピの変化は、圧力が低い領域において特に大きい。この傾向は、過熱蒸気についても同様である。 As shown in FIG. 10, the change of the enthalpy with respect to the change of the saturated steam and the pressure is particularly large in a low pressure region. This tendency is the same for superheated steam.
蒸気タービン10の排気圧力の程度の圧力レベルの、たとえば、圧力が0.005MPaの場合には、蒸気タービン10の入口圧力のような高い圧力側のたとえば圧力が1MPaの場合に比べて、圧力の変化に対するエンタルピの変化、すなわち、図10での曲線の傾きは、2桁程度大きい。
When the pressure level is about the same as the exhaust pressure of the
このように、排気圧力を低減させることにより、排気蒸気のエンタルピを大きく低下させられることが分かる。この結果、蒸気タービン10の出力に変換される熱落差Δhを大きくする効果が得られる。
Thus, it can be seen that the enthalpy of the exhaust steam can be greatly reduced by reducing the exhaust pressure. As a result, an effect of increasing the heat drop Δh converted into the output of the
図11は、側方排気方式のタービンの場合における第1の実施形態に係る凝縮器の構成を示す立断面図である。側方排気方式のタービン12においては、タービン排気は、タービン本体12aからほぼ水平方向に排出される。凝縮器100は、軸方向排気タービン11の場合と同様に、ほぼ水平方向に排出されたタービン排気を、流入部111を介して受け入れる。凝縮器100は、端板114が流入部111に対向する位置に配されるなど、軸方向排気タービン11の場合と同様の配置、構成を有し、熱交換効率に関する効果も、軸方向排気タービン11の場合と同様である。
FIG. 11 is an elevational sectional view showing a configuration of the condenser according to the first embodiment in the case of a side exhaust type turbine. In the side
なお、流入部111と排出部115の鉛直方向の高さ位置が異なっていても、水平方向の位置が異なっていればよい。すなわち、この場合であっても、器内ガスは水平方向に移動することから、重力の効果を用いて、冷却液を水平方向に流入部111側に還流することができる。噴射部は水平方向にも分布して配されており、凝縮器100内は、水平方向に温度分布が形成される。このため、冷却液の還流は、これまで述べてきた凝縮器100内の熱交換性能の向上ももたらす。また、同様の理由で、タービン排気の方向についても、水平方向の速度成分があれば、水平方向には限定されない。
In addition, even if the height positions of the
以上のように、本実施形態によれば、凝縮器100において流入部111から排出部115に向かって温度勾配が生じる場合にも、効果的な熱交換が可能となり、蒸気タービン10の出力の増大を図ることができる。
As described above, according to the present embodiment, even when a temperature gradient occurs from the
[第2の実施形態]
図12は、第2の実施形態に係る凝縮器の側板に沿って見た冷却液還流構造の展開図である。図13は、図12のXIII−XIII線矢視断面図であり、図14は、図13のXIV−XIV線矢視断面図である。
[Second embodiment]
FIG. 12 is a developed view of the cooling liquid reflux structure viewed along a side plate of the condenser according to the second embodiment. 13 is a cross-sectional view taken along line XIII-XIII of FIG. 12, and FIG. 14 is a cross-sectional view taken along line XIV-XIV of FIG.
本実施形態は、第1の実施形態の変形である。本第2の実施形態においては、還流ユニット130bが鉛直上方に向かって凸に形成されている。すなわち、流れ方向に対する傾斜角度が、流れ方向に沿って単調に減少するように形成されている。
This embodiment is a modification of the first embodiment. In the second embodiment, the
詳細には、位置G1における還流ユニット130bの傾斜角θ1の方が、位置G1より下流側すなわちXの大きな位置G2における傾斜角θ2より大きい。すなわち、上流になるほど傾斜角が大きくなるように形成されている。その他の点では、第1の実施形態と同様である。
Specifically, the inclination angle θ1 of the
器内ガスは、流れるに従って冷却液との熱交換で順次凝縮する。このため、流れ方向に、器内ガスの重量流量は減少していく。流れ方向に圧力損失が生ずるものの器内圧力はほぼ同程度であるので、体積流量も流れ方向に沿って減少する。端板114付近を除いて、流れ方向に凝縮器100内の断面積は、ほぼ一定である。あるいは、流れ方向に沿って断面積の変化は小さい。
The gas inside the vessel is sequentially condensed by heat exchange with the cooling liquid as it flows. For this reason, the weight flow rate of the inside gas decreases in the flow direction. Although pressure loss occurs in the flow direction, the pressure in the vessel is almost the same, so that the volume flow rate also decreases in the flow direction. Except near the
このため、器内ガスの流れ方向の上流側では、器内ガスの流速が、下流側に比べて大きい。還流ユニット130bの上を冷却液が流動する際、器内ガスの流速が過大な場合は、冷却液の吹き上がりが生じ、還流ユニット130bの中間位置にて液の流動が阻害される場合がある。本第2の実施形態においては、流入部111に近づくにつれて、水平線に対する傾斜角度が次第に大きくなるように形成されている。傾斜角度が大きいほど、冷却液の流れ方向の重力の成分が大きくなる。この結果、ガス流速が高い領域において冷却液の移動方向への重力の加速度が大きくなり、吹き上がりを防止することができる。
For this reason, the flow velocity of the gas inside the vessel is higher on the upstream side in the flow direction of the gas inside the vessel than on the downstream side. When the coolant flows over the
[第3の実施形態]
図15は、第3の実施形態に係る凝縮器の側板に沿って見た冷却液還流構造の展開図である。図16は、図15のXVI−XVI線矢視断面図であり、図17は、図16のXVII−XVII線矢視断面図である。
[Third Embodiment]
FIG. 15 is a developed view of the cooling liquid reflux structure viewed along the side plate of the condenser according to the third embodiment. 16 is a cross-sectional view taken along the line XVI-XVI of FIG. 15, and FIG. 17 is a cross-sectional view taken along the line XVII-XVII of FIG.
本第3の実施形態は、第1の実施形態の変形である。本実施形態におけるそれぞれの還流ユニット130cは、底板132bと側板132aを有する。
The third embodiment is a modification of the first embodiment. Each
底板132bは、器内ガスの流れ方向に延びてかつ器内ガスの流れの上流側になるほど幅が広く形成されている。また、底板132bは、一方の側部が側胴112に接続されている。流れ方向に垂直な断面においては、底板132bは、図16に示すように、水平方向に配されている。
The
側板132aは、底板132bに沿って延びた板状で、底板132bの他方の側部に接続されている。側板132aは、その幅方向を鉛直方向になるように配されている。なお、側板132aは、鉛直方向に限定されない。すなわち、水平方向に対して底板132bより鉛直方向の高さが高い方向に傾くよう取り付けられ、側胴112、側板132aおよび側板132bとで、冷却液を保持可能に形成されていればよい。
The
以上のように構成された還流ユニット130cを有する本実施形態に係る冷却液還流構造130は、第1の実施形態における還流ユニット130aを用いた場合に比べて、側胴112から本体胴容器110の内側に突出する寸法を低減することができる。この結果、凝縮器100に冷却液還流構造130を設けることによる凝縮器100内の圧力損失の増加を抑制することができる。
The cooling
[第4の実施形態]
図18は、第4の実施形態に係る凝縮器の側板に沿って見た冷却液還流構造の展開図である。図19は、図18のIXX−IXX線矢視断面図である。また、図20は、図19のXX−XX線矢視断面図である。
[Fourth embodiment]
FIG. 18 is a developed view of the cooling liquid reflux structure viewed along the side plate of the condenser according to the fourth embodiment. FIG. 19 is a sectional view taken along the line IXX-IXX in FIG. 18. FIG. 20 is a sectional view taken along line XX-XX in FIG.
本第4の実施形態は、第3の実施形態の変形である。本実施形態においては、器内ガスの流れの上流側になるほど幅が広く形成されているのは側板133aの方であり、底板133bは、幅が一定に形成されている。その他の点では、第3の実施形態と同様である。
The fourth embodiment is a modification of the third embodiment. In the present embodiment, it is the
以上のように構成された本実施形態においては、側胴112から本体胴容器110の内側に突出する寸法を、第3の実施形態よりさらに低減することができる。この結果、水平方向の寸法の余裕が生じ、配置上の制約が緩和される。
In the present embodiment configured as described above, the size of the protrusion from the
[その他の実施形態]
以上、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。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、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同様に、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ものである。
[Other Embodiments]
Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. Further, the features of each embodiment may be combined. Furthermore, these embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and equivalents thereof.
10…蒸気タービン、11…軸方向排気タービン、12…側方排気式タービン、12a…タービン本体、20…発電機、100…凝縮器、110…本体胴容器、110a…閉空間、111…流入部、112…側胴、113…上板、114…端板、115…排出部、116…ホットウェル、120…冷却液散布構造、121…母管、122…分岐管、123…噴射部ヘッダ、124…噴射部、130…冷却液還流構造、130a、130b、130c、130d…還流ユニット、131a、131b…側部、132a…側板、132b…底板、133a…側板、133b…底板
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記蒸気タービンと前記本体胴容器とを連結する流入部と、
前記本体胴容器内に冷却液を噴射し、前記器内ガスを凝縮する冷却液散布構造と、
前記本体胴容器内で凝縮しなかった残りの前記器内ガスの前記本体胴容器の外部への排出部と、
前記本体胴容器の内側に取り付けられ、到達した前記冷却液を受け止めて重力によって前記器内ガスの流れの上流側に還流する1つまたは複数の還流ユニットを有する冷却液還流構造と、
を備えることを特徴とする凝縮器。 A main body vessel that receives turbine exhaust discharged in a substantially horizontal direction from the steam turbine as gas in the vessel, and serves as a flow path of the gas in the vessel,
An inflow section connecting the steam turbine and the main body vessel,
A coolant spraying structure for injecting a coolant into the main body container and condensing the chamber gas;
A discharge unit for discharging the remaining in-vessel gas not condensed in the main body container to the outside of the main body container,
A coolant reflux structure having one or more reflux units that are attached to the inside of the main body container and receive the coolant and reach the upstream side of the flow of the internal gas by gravity by gravity;
A condenser comprising:
前記流入部に対向するように配されて前記排出部に接続する開口が形成された端板と、
当該本体胴容器の底部を構成し前記凝縮により生じた凝縮液を一時貯留するホットウェルと、
前記流入部と前記端板とを接続し鉛直方向に沿ってかつ前記器内ガスの流路方向に沿って拡がった互いに対向する2つの側胴と、
前記2つの側胴に接続され前記器内ガスの流路方向に沿って延びて、前記側胴、前記端板および前記ホットウェルと相まって閉空間を形成する上板と、
を有し、
前記1つまたは複数の還流ユニットのそれぞれは、前記側胴に取り付けられたことを特徴とする請求項1に記載の凝縮器。 The main body container,
An end plate provided with an opening formed to be opposed to the inflow portion and connected to the discharge portion,
A hot well that constitutes the bottom of the main body container and temporarily stores the condensate generated by the condensation;
Two opposite side trunks connecting the inflow portion and the end plate and extending along the vertical direction and along the flow direction of the internal gas,
An upper plate connected to the two side trunks and extending along a flow direction of the internal gas, and forming a closed space in combination with the side trunks, the end plate and the hot well;
Has,
The condenser according to claim 1, wherein each of the one or more reflux units is attached to the side shell.
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