JP2948458B2 - 給水加熱器、及びこの給水加熱器を用いた発電プラント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、給水加熱器、及び給水
加熱器を用いるボイラ又は原子炉の発電プラントに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】本発明に関連する従来技術は、日立評論
（ＶＯＬ.７２、ＮＯ.７、１９９０−７、ｐｐ.１５〜
１８）に開示されているので、これを、図６〜図９を用
いて説明する。

【０００３】図６は従来技術における発電プラントの系
統図、図７は図６の給水加熱器の正面縦断面図、図８は
図７のＢ−Ｂ断面図、図９は図７の伝熱管支持板の側面
縦断面図である。

【０００４】図６において、発電プラントは、ボイラ又
は原子炉１５ａで発生した蒸気を蒸気配管２１を通して
タービン１６を回転させ、発電機１８を駆動する。ター
ビン１６を出た蒸気は凝縮器１７で給水に戻され、給水
は復水ポンプ１９及び給水ポンプ２０により給水配管２
２を通つて、再びボイラ又は原子炉１５ａへ流入し、加
熱されて蒸気となり、すなわちサイクルが形成される。

【０００５】しかし、凝縮器１７を出た給水は低温であ
る。したがって、熱交換器である給水加熱器２４ａ、２
４ｂ、２４ｃを給水配管２２の途中に設け、それらの給
水加熱器に給水を流入すると同時に、タービン１６から
の抽気蒸気を抽気配管２３を通して、それらの給水加熱
器に流入させ、抽気蒸気からの受熱により給水を加熱
し、熱サイクル全体の熱効率を向上させている。

【０００６】なお、図６は給水加熱器を３段設けた場合
であるが、実際には６段程度設けている場合が多い。し
かし、少ない段数でも機能的なことは十分に説明ができ
るので、３段だけに記載をとどめた。

【０００７】すなわち、給水加熱器が数段設けられ、例
えば、後段側の給水加熱器２４ｃの高温のドレン水はド
レン水用配管２５ｂを経て前段側の給水加熱器２４ｂの
加熱源として利用され、また、給水加熱器２４ｂの高温
のドレン水はドレン水用配管２５ａを経て、更に前段側
の給水加熱器２４ａの加熱源として利用される。

【０００８】給水加熱器は下部に位置するものほど内部
が低圧となり、ドレン水は、より下方に位置する給水加
熱器に順次に流入するので、ドレン水は減圧沸騰して蒸
気が発生し、水と蒸気との混合流である気液二相流とな
る。そして、この気液二相流の流動状態が、給水加熱器
の伝熱特性に大きく影響する。

【０００９】図７には、図６の３段の給水加熱器のう
ち、中段の給水加熱器２４ｂを例示している。すなわ
ち、給水加熱器２４ｂの胴体２は横置きの円筒形状であ
る。

【００１０】給水加熱器２４ｂには、給水加熱器２４ｂ
の上部に位置する抽気配管２３を通って蒸気が流入し、
伝熱管支持板３によって支持されている給水入口側伝熱
管群６及び給水出口側伝熱管群７における各複数の伝熱
管の間を、上方から下方に向かって流れる。また、ドレ
ン水が、ドレン水配管２５ｂから給水加熱器２４ｂに流
入するが、流入したドレン水は、給水加熱器２４ｂ内で
減圧され、気液二相のうち、蒸気成分が多いものとな
る。

【００１１】一方、給水は、前段の給水加熱器から給水
入口２９を経て給水加熱器２４ｂ内に流入し、給水入口
側伝熱管群６及び給水出口側伝熱管群７の各伝熱管内を
順次通って、給水出口３０から後段の給水加熱器に流出
する。

【００１２】このような状態において、抽気蒸気及び気
液二相流は低温の給水との熱交換により冷却され凝縮
し、給水は加熱され、高温の給水となる。

【００１３】抽気蒸気及び気液二相流が凝縮されて生じ
た水は、給水加熱器２４ｂの下部に位置するドレン水配
管２５ａからの前段の給水加熱器へと導かれる。また、
蒸気入口及び二相流入口の直下には、それらの流入の衝
撃を緩和するために、穴明きのバッフル板１３が設けら
れている。更に、抽気蒸気に混入している防錆用の不凝
縮性ガスを抜くベント管１０が胴体２内のほぼ中央部
に、胴体２の軸方向に向けて設けられている。

【００１４】図８に図７のＢ−Ｂ断面図を示すが、この
断面図は左右対称であるので、一部を除いて１／２対称
図で示している。抽気蒸気は、抽気配管２３から穴明き
のバッフル板１３を通り、給水入口側伝熱管群６及び給
水出口側伝熱管群７の各伝熱管群内を流れる低温の給水
と熱交換して冷却され、ドレン水となってドレン水用配
管２５ａから前段の給水加熱器へと導かれる。また、例
えば特開平３−７９９０２号公報に記載されているもの
と同じように、ベント管１０には不凝縮性ガスの流れを
制御するためにベント管案内板１１が付設されている。
空気は中心軸に集まりやすいので、胴体中心軸に支持板
を貫通する空気を抽出するためのベント管１０が設けて
ある。

【００１５】図９に、図７の伝熱管支持板の側面縦断面
図を示すが、この断面図は左右対称なので、１／２対称
図で示している。

【００１６】伝熱管支持板３は５個使用し、給水加熱器
２４ｂを軸方向に６セクションに分割してあるが（図７
参照）、図９の伝熱管支持板は、その中の１個を示して
いる。伝熱管支持板３と胴体２との間には、上部隙間８
と周辺隙間９とを設けてあり、蒸気の流入するセクショ
ンから他のセクションに、蒸気がこれらの隙間を通って
流れ、給水出口側伝熱管群７及び給水入口側伝熱管群６
の各伝熱管内を流れる給水と熱交換する構造となってい
る。

【００１７】すなわち、伝熱管支持板３には、給水入口
側伝熱管群６及び給水出口側伝熱管群７の各伝熱管がそ
れぞれ通る給水入口側伝熱管群用穴４及び給水出口側伝
熱管群用穴５を穿設している。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術で
は、給水加熱器に流入した蒸気を、軸方向の６個のセク
ションに完全に均等に分配することについて、あまり配
慮しておらず、６個のセクションの蒸気流分配の詳細に
ついて明らかではなかった。

【００１９】また、従来技術では、給水加熱器に流入し
た蒸気は、胴体の壁に沿って流れ、給水入口側伝熱管群
及び給水出口側伝熱管群の外側領域でのみ主に熱交換を
し、中央部、すなわち給水加熱器の軸中心部での熱交換
は少なかった。すなわち、給水加熱器の軸中心部での蒸
気を、凝縮伝熱により有効に活用することについては考
慮されていなかった。

【００２０】本発明の目的は、給水加熱器全体の伝熱量
を向上させた給水加熱器、及びこの給水加熱器を用いた
発電プラントを提供することである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】（１）内部を給水が流れ
る複数の伝熱管でそれぞれ構成される伝熱管給水入口側
伝熱管群と給水出口側伝熱管群とからなるＵ字形伝熱管
群と、該Ｕ字形伝熱管群を収納するとともに、前記複数
の伝熱管の間の空隙を流れて前記給水を加熱する蒸気の
入口と気液二相流入口とを有する円筒状胴体と、該円筒
状胴体の内部にあって、この円筒状胴体に固着され、か
つ複数の貫通孔を有し、この貫通孔に前記複数の伝熱管
をそれぞれ通すことにより、前記Ｕ字形伝熱管群を前記
円筒状胴体に支持させるとともに、前記円筒状胴体の中
心軸に空気抽出用のベント管を支持している伝熱管支持
板と、を備えた給水加熱器において、前記伝熱管支持板
の前記給水入口側伝熱管群の伝熱管が通る穴群と前記給
水出口側伝熱管群の伝熱管が通る穴群との間に、前記中
心軸のベント管とは別に、ベント管から離れた左右の位
置に、前記蒸気を流通させる蒸気流通孔を設けるように
し所期の目的を達成するようにしたものである。

【００２２】（２）内部を給水が流れる複数の伝熱管で
それぞれ構成される伝熱管給水入口側伝熱管群と給水出
口側伝熱管群とからなるＵ字形伝熱管群と、このＵ字形
伝熱管群を収納するとともに、前記複数の伝熱管の間の
空隙を流れて前記給水を加熱する蒸気の入口と気液二相
流入口とを有する円筒状胴体と、この円筒状胴体の内部
にあって、この円筒状胴体に固着され、かつ複数の貫通
孔を有し、この貫通孔に前記複数の伝熱管をそれぞれ通
すことにより、前記Ｕ字形伝熱管群を前記円筒状胴体に
支持させるとともに、前記円筒状胴体の中心軸に空気抽
出用のベント管を支持している伝熱管支持板と、を備え
た給水加熱器において、前記伝熱管支持板の前記給水入
口側伝熱管群の伝熱管が通る穴群と前記給水出口側伝熱
管群の伝熱管が通る穴群との間に、前記中心軸のベント
管とは別に、ベント管から離れた左右の位置に、前記蒸
気を流通させる複数の円状の蒸気流通孔を設けるように
したものである。

【００２３】（３）ボイラ又は原子炉、凝縮器、及び複
数の給水加熱器を備えた発電プラントにおいて、（１）
記載の給水加熱器を有すること。

【００２４】（４）ボイラ又は原子炉、凝縮器、及び複
数の給水加熱器を備えた発電プラントにおいて、（２）
記載の給水加熱器を有すること。

【００２５】

【００２６】

【作用】本発明では、伝熱管支持板における給水入口側
伝熱管群用穴と給水出口側伝熱管群用穴との間に蒸気流
通孔、又は複数の蒸気流通円孔を設けてある。

【００２７】したがって、給水加熱器内が伝熱管支持板
によって分割された軸方向の６個のセクションのうち、
給水加熱器に蒸気の入口側に位置するセクション内の蒸
気は、上記の孔を経て次のセクションの中央部に流入す
る。

【００２８】そのため、従来では均一ではなかった、軸
方向の６個のセクションにおける蒸気流分配を均一化で
き、また、従来では有効に活用されていなかった伝熱管
群中央部で蒸気凝縮が促進され、従来よりも蒸気凝縮量
が多くなる。その結果、従来よりも給水加熱器全体の蒸
気流速が大きくなり、給水加熱器全体での蒸気凝縮量、
すなわち凝縮伝熱量が大きくなる。

【００２９】なお、このように各セクションへの蒸気流
分配を均一にするための、蒸気流通孔又は蒸気流通円孔
の形状及び取り付け位置、並びに蒸気流通円孔の数及び
取り付け間隔などについては、発明者が初めて気液二相
流数値シミュレーション解析を行い、知見を得ることが
できた。

【００３０】また、複数の給水加熱器における給水加熱
器どうしを連結するドレン水用配管上に気水分離器を設
置してある。したがって、ドレン水中の蒸気と水とを分
離し、水を排水として捨て、蒸気のみを給水との熱交換
に使用するので、給水加熱器全体の熱交換効率を向上さ
せることができる。

【００３１】

【実施例】本発明の第１実施例を、図１〜図３を用いて
説明する。

【００３２】図１は本実施例における給水加熱器の伝熱
管支持板の縦断面図、図２は図１の給水加熱器内の蒸気
流速ベクトル分布図、図３は図１の給水加熱器内の伝熱
量分布図である。なお、図１は左右対称の図面となるの
で、１／２対称図を用いている。

【００３３】図１が、前述の図９と比較して異なる点
は、図１では伝熱管支持板３に中心軸のベント管とは別
に、ベント管から径方向へ離れた左右の位置に、蒸気流
通孔１２を設けていることである。すなわち、本実施例
は、伝熱管支持板３における、給水入口側伝熱管群用穴
４と給水出口側伝熱管群５との間に蒸気流通孔１２を設
けた場合である。空気は胴体中心軸に集まりやすい。ま
た、蒸気は、ベント管から径方向へ離れた左右の位置に
集まりやすい。

【００３４】伝熱管支持板３により給水加熱器１内を分
割して設けられた各セクションのうち、給水加熱器１に
おける蒸気の入口側のセクションから次のセクションに
蒸気を流入させる場合、本実施例では、蒸気を蒸気流通
孔１２を通し、次のセクションの中央部、すなわち給水
加熱器１の軸中心部に蒸気を流入させている。そして、
このようなことを順次、繰り返すことにより、軸方向の
６個のセクションにおける蒸気流分配を均一にしてい
る。

【００３５】図２の（ａ）は、図１の給水加熱器内の蒸
気流速ベクトル分布図である。また、比較のために、従
来のものを図２の（ｂ）に記載した。なお、これらは、
数値シミュレーションによる給水加熱器内の気液二相流
の解析結果であり、図２の（ａ）は図１のＡ−Ａ断面、
図２の（ｂ）は図９のＣ−Ｃ断面でのものである。従来
のものでは、図２の（ｂ）に示すように、給水加熱器１
の入口付近で蒸気流は穴明きのバッフル板１３に衝突し
反射した後、伝熱管支持板３の上方を流れて給水加熱器
１の軸方向の左端及び右端に分流する。

【００３６】それに対して、本実施例のものでは、図２
の（ａ）に示すように、給水加熱器１の入口付近で蒸気
流は反射することなく、伝熱管支持板３の上方を流れる
ほかに、蒸気流通孔１２を経て、伝熱管群の中央部であ
る、給水加熱器１の軸中心部に、蒸気が流れている。

【００３７】すなわち、給水加熱器１内の蒸気流の最大
値は、従来技術では各セクションへの蒸気流分配が必ず
しも最適ではなかったため、１５ｍ／ｓにとどまるが、
本実施例では２５ｍ／ｓとなり、従来の場合に比べて、
６７％大きい。

【００３８】図３の（ａ）は、図１の給水加熱器内の単
位体積当たりの伝熱量分布図である。なお、比較のため
に、従来のものを図３の（ｂ）に記載した。なお、これ
らは、図２の場合のように、数値シミュレーションによ
る給水加熱器内の気液二相流の解析結果であり、図３の
（ａ）は図１のＡ−Ａ断面、図３の（ｂ）は図９のＣ−
Ｃ断面でのものである。

【００３９】伝熱管は、前述のように、Ｕ字管形伝熱管
群からなり、給水入口側伝熱管群と給水出口側伝熱管群
とに分けられるが、給水入口側伝熱管群の右端に給水入
口、給水出口側伝熱管群の右端に給水出口を、それぞれ
有しているので、給水入口側伝熱管群の給水温度が給水
出口側伝熱管群よりもが低く、蒸気凝縮による伝熱量は
給水入口側伝熱管群のほうが大きくなる。

【００４０】また、本実施例の蒸気流速が従来のものよ
りも大きく、本実施例は伝熱管群の中央部、すなわち給
水加熱器の軸中心部まで蒸気が流れるので、本実施例の
伝熱量は、従来のものより大きくなっている。すなわ
ち、本実施例における給水加熱器の全伝熱量は１７０Ｍ
Ｗであり、従来の給水加熱器の全伝熱量は１３０ＭＷで
あるので、本実施例のほうが３１％大きい。

【００４１】本発明の第２実施例を、図４を用いて説明
する。図４に本実施例の給水加熱器の伝熱管支持板の縦
断面図を示す。なお、この断面図は左右対称となるの
で、１／２対称図で示している。

【００４２】本実施例は、図４に示すように、伝熱管支
持板３における、給水入口側伝熱管群用穴４とび給水出
口側伝熱管群５との間に、複数の蒸気流通円孔１４を設
けた場合である。すなわち、本実施例は、上述の実施例
のスリット状の蒸気流通孔１２（図１参照）に比べて、
加工が容易であるという利点がある。なお、本実施例に
おける給水加熱器の全伝熱量は、従来のものに対して１
５％大きい。

【００４３】本発明の第３実施例を、図５を用いて説明
する。図５の（ａ）は本実施例の発電プラントの系統図
である。本実施例の発電プラントの系統図が、前述の従
来技術における発電プラント（図６）と比べて異なる点
は、蒸気発生源として原子炉１５を用い、給水加熱器２
４ａ、２４ｂ及び２４ｃに、第１実施例の給水加熱器を
使用し、また、気水分離器２６ａ、２６ｂを設けている
ことである。

【００４４】すなわち、本実施例は、図５の（ａ）に示
すように、給水加熱器２４ａと給水加熱器２４ｂとを連
結するドレン用配管２５ａ、及び給水加熱器２４ｂと給
水加熱器２４ｃとを連結するドレン用配管２５ｂのそれ
ぞれに、気水分離器２６ａ及び気水分離器２６ｂを設け
た場合である。

【００４５】図５の（ｂ）は、図５の（ａ）に示す２個
の気水分離器のうち、上方に位置する気水分離器２６ｂ
の縦断面図である。すなわち、本実施例の気水分離器
を、気水分離器２６ｂを例にとり説明する。

【００４６】高温のドレン水を、ドレン水用配管２５ｂ
を通して気水分離器２６ｂに流入させ、気水分離器２６
ｂの衝突板２８に衝突させる。この衝突によって、高温
のドレン水における水と蒸気とを分離し、蒸気のみを分
離蒸気用配管２７ｂを経て、給水加熱器２４ｂ［（図５
の（ａ）参照］に流入させ、次の給水加熱器の加熱源と
して利用する。一方、分離した水は、排水として外部に
排出する。

【００４７】気水分離器を設けないで、ドレン水を直
接、給水加熱器に流入させた場合は、伝熱管回りの液膜
の熱抵抗を増加させ、伝熱量を低下させることになる。
それに対して、本実施例の場合は、液膜の熱抵抗を減少
させ、伝熱量を向上させることができる。

【００４８】また、このように給水加熱器の伝熱量が大
きいことから、給水加熱器を小型化でき、また、このよ
うな給水加熱器を発電プラントに使用しているので、発
電プラントの性能を向上させることができる。

【００４９】なお、本発明の第２実施例においても、上
記と同じ気水分離器を設けることにより、給水加熱器の
伝熱量を大きくし、発電プラントの性能を向上させるこ
とができる。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、伝熱管支持板の中央部
に、適切な蒸気流通孔を設けることにより、給水加熱器
の伝熱量を、従来よりも３１％向上させることができ
る。すなわち、給水加熱器全体の全伝熱量を向上させ、
給水加熱器を小型化することができる。

【００５１】また、伝熱管支持板に加工が容易な、複数
の蒸気流通円孔を設けることによっても、給水加熱器の
伝熱量を、従来よりも１５％向上させることができる。

【００５２】更に、このように伝熱量が向上した給水加
熱器を発電プラントに用い、発電プラントの性能を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における給水加熱器の伝熱
管支持板の縦断面図である。

【図２】図１の給水加熱器内の蒸気流速ベクトル分布図
である。

【図３】図１の給水加熱器内の伝熱量分布図である。

【図４】本発明の第２実施例における伝熱管支持板の縦
断面図である。

【図５】本発明の第３実施例の発電プラントの説明図で
ある。

【図６】従来技術における発電プラントの系統図であ
る。

【図７】図６の給水加熱器の正面縦断面図である。

【図８】図７のＢ−Ｂ断面図である。

【図９】図７の伝熱管支持板の側面縦断面図である。

【符号の説明】

１、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ…給水加熱器、２…胴体、
３…伝熱管支持板、４…給水入口側伝熱管群用穴、５…
給水出口側伝熱管群用穴、６…給水入口側伝熱管群、７
…給水出口側伝熱管群、８…上部隙間、９…周辺隙間、
１０…ベント管、１１…ベント管案内板、１２…蒸気流
通孔、１３…穴明きのバッフル板、１４…蒸気流通円
孔、１５…原子炉、１５ａ…ボイラ又は原子炉、１６…
タービン、１７…凝縮器、１８…発電機、１９…復水ポ
ンプ、２０…給水ポンプ、２１…蒸気配管、２２…給水
配管、２３…抽気配管、２５ａ、２５ｂ…ドレン水用配
管、２６ａ、２６ｂ…気水分離器、２７ａ、２７ｂ…分
離蒸気用配管、２８…衝突板、２９…給水入口、３０…
給水出口。

フロントページの続き (72)発明者 馬場 芳和 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 湊 明彦 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 村瀬 道雄 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 平３−79902（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−186105（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F22D 1/32

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部を給水が流れる複数の伝熱管でそれ
   ぞれ構成される伝熱管給水入口側伝熱管群と給水出口側
   伝熱管群とからなるＵ字形伝熱管群と、 該Ｕ字形伝熱管群を収納するとともに、前記複数の伝熱
   管の間の空隙を流れて前記給水を加熱する蒸気の入口と
   気液二相流入口とを有する円 筒状胴体と、 該円筒状胴体の内部にあって、この円筒状胴体に固着さ
   れ、かつ複数の貫通孔を有し、この貫通孔に前記複数の
   伝熱管をそれぞれ通すことにより、前記Ｕ字形伝熱管群
   を前記円筒状胴体に支持させるとともに、前記円筒状胴
   体の中心軸に空気抽出用のベント管を支持している伝熱
   管支持板と、 を備えた給 水加熱器において、 前記伝熱管支持板の前記給水入口側伝熱管群の伝熱管が
   通る穴群と前記給水出口側伝熱管群の伝熱管が通る穴群
   との間に、前記中心軸のベント管とは別に、ベント管か
   ら離れた左右の位置に、前記蒸気を流通させる蒸気流通
   孔を設けたことを特徴とする給水加熱器。
2. 【請求項２】 内部を給水が流れる複数の伝熱管でそれ
   ぞれ構成される伝熱管給水入口側伝熱管群と給水出口側
   伝熱管群とからなるＵ字形伝熱管群と、 該Ｕ字形伝熱管群を収納するとともに、前記複数の伝熱
   管の間の空隙を流れて前記給水を加熱する蒸気の入口と
   気液二相流入口とを有する円 筒状胴体と、 該円筒状胴体の内部にあって、この円筒状胴体に固着さ
   れ、かつ複数の貫通孔を有し、この貫通孔に前記複数の
   伝熱管をそれぞれ通すことにより、前記Ｕ字形伝熱管群
   を前記円筒状胴体に支持させるとともに、前記円筒状胴
   体の中心軸に空気抽出用のベント管を支持している伝熱
   管支持板と、 を備えた給 水加熱器において、 前記伝熱管支持板の前記給水入口側伝熱管群の伝熱管が
   通る穴群と前記給水出口側伝熱管群の伝熱管が通る穴群
   との間に、前記中心軸のベント管とは別に、ベント管か
   ら離れた左右の位置に、前記蒸気を流通させる複数の円
   状の蒸気流通孔を設けたことを特徴とする給水加熱器。
3. 【請求項３】 ボイラ又は原子炉、凝縮器、及び複数の
   給水加熱器を備えた発電プラントにおいて、請求項１記
   載の前記給水加熱器を有する発電プラント。
4. 【請求項４】 ボイラ又は原子炉、凝縮器、及び複数の
   給水加熱器を備えた発電プラントにおいて、請求項２記
   載の前記給水加熱器を有する発電プラント。