JP3901937B2 - 気水分離器、蒸気発生器、及び、気水分離方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気水分離器、及び、気水分離方法に関し、特に、発電所のタービンのような設備で用いられる２相流の水分をその２相流の蒸気から高効率に分離する気水分離器、及び、気水分離方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タービン発電機のように水蒸気を用いて発電する設備を構成する蒸気発生器は、エロージョン防止とエネルギー伝達効率低下の防止のために、気水分離器を備えている。図５は、原子力プラントで用いられている蒸気発生器を示し、概略多数本のＵ字管群１０１と気水分離器群１１１、及び、湿分分離器群１１２とで構成されている。Ｕ字管群１０１は、コールドレグ領域１０１Ａとホットレグ領域１０１Ｂに亘って配置されている。図６は、多数本のＵ字管の集合体であるＵ字管群１０１の配置領域の上方領域（後流側領域）に配置される多数の気水分離器要素１０２の集合を示している。Ｕ字管群１０１の一方の各管端には、原子炉の炉心、火力発電の燃焼炉のような蒸気発生部で高温の加圧水が流入し、その高温加圧水は他方の各管端から流出して、その蒸気発生部に流入する。Ｕ字管群１０１の配置領域に２次的に導入される水１０３は、図５，６に示されるように、Ｕ字管群１０１の外側面で加熱され蒸発する。水の一部は、このように激しく蒸発する蒸気に撹拌され蒸気に随伴し粒径が様々に異なる水滴になって、蒸気とともに気水分離器群１１１の気水分離器要素１０２に２相流として流入する。このような２相流から液部分を分離して蒸気をタービン部に送ることが重要である。図５に示されるように、一次冷却水（熱交換媒体）は、ホットレグ領域１０１Ｂの下方部位１１３から導入され、上方のＵ字部で転回してコールドレグ領域１０１Ａの下方部位１１４から導出される。気水分離器群１１１により湿分が除かれた蒸気１１４は、この蒸気発生器の頂部１１５から取り出される。二次冷却媒体１１６は、Ｕ字管の間にあって一次冷却媒体と熱交換する。
【０００３】
図７は、気水分離器群１１１の気水分離器要素１０２の公知構造を示している。気水混合の２相流１０３は、静翼である旋回羽根１０４を通り旋回流になって上昇し、２相流の内の蒸気分１０６はオリフィス１０５を通り、オリフィス１０５に流入した水分（液分）は、重力分離空間１０７で更に蒸気分から分離される。オリフィス１０５に流入する水分のうちの一部は、オリフィス１０５の内側面に付着して液膜１０８を形成する。液膜１０８は、蒸気流に随伴して更に上昇し、オリフィス１０５の上端縁から重力分離空間の上方に吹き飛ばされる。このように吹き飛ばされる液分１０９は、蒸気とともにタービンの方に向かう。このような液分の未分離は回避されることが望まれる。
【０００４】
Ｕ字管群１０１の管内を通る高温加圧水は、図６に示されるように、Ｕ字管の前半部分と後半部分では、当然に温度が異なり、且つ、Ｕ字管群１０１の中心面Ｓで分割される右半分領域と左半分領域で管外へ加えられる熱量が異なる。管外において、水流量が小であり、且つ、蒸気流量が大である領域はホットレグ領域といわれ、水流量が大であり、且つ、蒸気流量が小である領域は、コールドレグ領域といわれる。ホットレグ領域とコールドレグ領域とでは、それぞれの２相流の水と蒸気の割合が異なっている。
【０００５】
気水分離器要素１０２は、蒸気／水で表される比に関係してその気水分離性能が異なる。気水分離器要素１０２の設計は、分離して取り除く液分が蒸気／水の比に対応して適正であることが望まれる。より高性能化が求められる高性能気水分離器は、ホットレグ領域とコールドレグ領域とで区分けされて設計され両領域で分離性能が個別に適正化されることが更に望まれる。
【０００６】
第１にオリフィスに流入する液分の有効な分離が求められる。第２に、オリフィスに流入する液分の有効な低減化が同時的・追加的に望まれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、オリフィスに流入する液分の分離がより有効である気水分離器、及び、気水分離方法を提供することにある。
本発明の課題は、オリフィスに流入する液分の分離がより有効であり、且つ、オリフィスに流入する液分の低減化が有効である気水分離器、及び、気水分離方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００９】
本発明による気水分離器は、筒状のライザ（１１）と、ライザ（１１）の出口側に開口端が位置づけられるオリフィス（１２，１２’）とを含んでいる。オリフィス（１２，１２’）の内周面は、その内周面を流動する液膜（１８）を軸心線方向（Ｌ）に直交する成分を持つ方向に付勢する物理的性質を有している。ライザで気水分離されているが、未分離の液分は、オリフィス（１２）から軸心線方向（Ｌ）に直交する方向に放擲され、蒸気流から重力分離により有効に分離される。ライザ（１１）に軸心線方向（Ｌ）に導入される同伴２相流（７）に軸心線方向（Ｌ）に直交する成分を与えて２相流（７）を旋回させる旋回羽根（１３）が追加されていることは特に好ましい。
【００１０】
オリフィス内周面は、後流側で開口断面積が広くなるように曲面化されている。その内周面は、オリフィスの後流側開口端で軸心方向に直交している。この直交性は、既述の重力分離を有効に促進する。あるいは、オリフィス（１２）に穴（３５）が開けられ、穴（３５）はその内周面からオリフィス（１２）の外周面に向かって貫通している。オリフィス（１２）の内側の蒸気の圧力により、内周面に付着する液分は、軸心線方向（Ｌ）に直交する方向に放擲され、既述の通り重力分離を促進する。
【００１１】
オリフィス（１２）の周囲を囲む筒が追加されている。オリフィス（１２）の後流側開口端は、重力分離空間の中に位置づけられている。ライザ（１１）を囲むダウンカマバレル（９）が更に追加されている。ライザ（１１）の内周面を流動する第１液分（１６）は、ライザ（１１）の後流側端縁を経由して、ライザ（１１）の外周面とダウンカマバレル（９）の内周面とを流動する。ライザ（１１）の内周面を流動する第１液分（１６）とライザの外周面又はダウンカマバレル（９）の内周面を流動する第２液分とは、互いに逆方向に流動する。
【００１２】
ライザ（１１）とダウンカマバレル（９）との間の環状空間（１４）には、第２液分の流動に抵抗を与える抵抗器（２２）が配置されている。ライザ（１１）とオリフィス（１２）とダウンカマバレル（９）とは単位気水分離要素（８）を形成している。単位気水分離要素（８）の複数が蒸気発生器（１）が生成する蒸気と水とから形成される２相流（７）の中に配置され、２相流（７）は、水流量が比較の上で少なく蒸気流量が比較の上で多いホットレグ領域（３）の２相流と、水流量が比較の上で多く蒸気流量が比較の上で少ないコールドレグ領域（４）の２相流とから形成され、複数の単位気水分離要素（８）のうちのいくつか（８ｈ）はホットレグ領域（３）に配置され、複数の単位気水分離要素（８）のうちの他のいくつか（８ｃ）はコールド領域（４）に配置されている。ホットレグ領域（３）の単位気水分離要素（８ｈ）のオリフィス（１２）の開口端とホットレグ領域（３）のライザ（１１）の後流側開口端との間の隙間幅は、コールドレグ領域（４）の単位気水分離要素（８ｃ）のオリフィス（１２）の開口端とコールドレグ領域（４）のライザ（１１）の後流側開口端との間の隙間幅よりも狭い。このような隙間幅は、環状隙間（１５）の断面積に対応している。両領域（３，４）に固有な物理的性質を持つ両側のライザで有効に分離された蒸気分に未分離で含まれている液分が、既述の通り、オリフィス（１２）で更に高効率に分離される。
【００１３】
本発明による気水分離方法は、２相流（７）のうちの水分流（１６）を筒（１１）の内周面上に流動させること、筒（１１）の中心領域の蒸気流をオリフィス（１２）に導入すること、オリフィス（１２）から蒸気流を重力分離空間に放出すること、オリフィス（１２）の内周面を流動する水分流（１８）をオリフィス（１２）の軸心線（Ｌ）に直交する方向に曲げることとから構成されている。２相流に旋回を与えることは特に好ましい。オリフィス（１２）に２相流（７）を導入する前に水分と蒸気流とを分離することは、オリフィス（１２）の気液分離効果を一層に高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による気水分離器の実施の形態は、伝熱管群が気水分離器群とともに図５に示す蒸気発生器の容器の中に設けられている。その伝熱管群１と気水分離器群２とは、図１に示されるように、図７に示される蒸気発生器の容器壁の中に配置されている。気水分離器群２は、通常、伝熱管群１に対して鉛直方向上方側に配置されている。伝熱管群１は、多数のＵ字管から構成されるＵ字管集合体である。各Ｕ字管は、その一方の管端から熱交換前の熱交換用媒体（高温の加圧水）が導入され他方の管端から熱交換後のその媒体が導出される。その熱交換用媒体は、ボイラー、炉心のような蒸気発生源とＵ字管とから構成される循環路の中で循環している。
【００１５】
伝熱管群１が配置されている配置領域には、既述の蒸気発生器の容器壁の外側から２次熱交換媒体が導入される。２次熱交換媒体として、通常は水が用いられる。２次熱交換媒体は、蒸気発生器の中で概ね全体的に、伝熱管群１の配置領域の下方領域からその上方領域に流れる。その２次熱交換媒体は、伝熱管群１の各管の管壁面に接触して蒸気化する。気化した蒸気は、自らの蒸気圧により出口側に配置されている気水分離器群２に向かって上昇する。その蒸気には、粒径が多様に異なる液滴の状態の液分が含まれ、その液分は蒸気に随伴して蒸気に同伴して上昇する。
【００１６】
このような気水混合の同伴２相流７は、気水分離器群２の単位気水分離器８に流入する。単位気水分離器８は、図２に示されるように、円筒状の本体筒を構成するダウンカマバレル９と、ダウンカマバレル９の中にダウンカマバレル９に同軸に配置される円筒状のライザ１１と、オリフィス１２と、旋回羽根１３とから構成されている。旋回羽根１３は、ライザ１１の内周面に固着される静翼であり、ライザ１１の下端開口から導入される同伴２相流７にライザ１１の中心軸心線のまわりの回転力を与える。旋回羽根１３を通過した２相流は、旋回しながらライザ１１の中で上昇する。
【００１７】
オリフィス１２の下端開口縁の高さ位置は、ライザ１１の上端開口縁の高さ位置とほぼ同じである。オリフィス１２は、それの中心軸心線に対して対称に形成されている。オリフィス１２の下半分は、円筒形状に形成されている。オリフィス１２の上半分は、ラッパ形状に形成され、より上側でその内径が連続的に滑らかにより大きくなっている。オリフィス１２の上半分の上端縁近傍の内側面（上側面）は、オリフィス１２の中心軸心線Ｌに概ね直交している。
【００１８】
同伴２相流７は、ライザ１１に侵入して旋回羽根１３により回転力を与えられて旋回しながら上昇する過程で、水分（液分）はライザ１１の内周面に付着し、特に、遠心力によりライザ１１の内周面に押し付けられてその面に強く吸着し、このようにライザ１１の内周面に吸着する水分はその内周面上で蒸気流から随伴力を受けて上昇する。蒸気はライザ１１の中心領域にその多くが分布し、液分はライザ１１の表面にその多くが分布する。このように吸着して上昇する水分の流れは、液膜１６を形成する。
【００１９】
蒸気流は、オリフィス１２に流入する。オリフィス１２に流入する蒸気流１７は、幾分かの液分を同伴して含んでいる。旋回性を保持している液分は、オリフィス１２の下半分の内周面に押し付けられその内周面上で層流になって液膜又は液滴状膜１８を形成する。液滴状膜１８は、蒸気流１７に随伴して上昇するが、オリフィス１２の内面に付着していて、オリフィス１２の上半分の滑らかな曲面（内周面）に沿って流れ、上端縁近傍で軸直角方向に蒸気流に随伴して液滴状になって吹き飛ばされる。このように飛ばされる液滴状液分１９は、軸直角方向に蒸気流に随伴しているので、オリフィス１２の上方側に形成されている重力分離空間２１中で激しく上昇することがなく、その重力分離空間２１の中で落下し蒸気流から重力分離される。
【００２０】
図１に示されるように、伝熱管群１の配置領域を２分する鉛直中心面Ｓの両側に、ホットレグ領域３とコールドレグ領域４とが形成されている。ホットレグ領域３の側の伝熱管群１の中の熱交換媒体の温度はコールドレグ領域４の側の伝熱管群１の中の熱交換媒体の温度よりも高いので、ホットレグ領域３の側の２次熱交換媒体の蒸気流量割合はコールドレグ領域４の側の２次熱交換媒体よりも高い。水流量（液状水の流量）５は、比較上、ホットレグ領域３の側で少なくコールドレグ領域４の側で多い。蒸気流量６は、比較上、ホットレグ領域３の側で多くコールドレグ領域４の側で少ない。
【００２１】
単位気水分離器８は、ホットレグ領域３の側に配置される複数の高温側単位気水分離器８ｈと、コールドレグ領域４の側に配置される複数の低温側単位気水分離器８ｃとから構成されている。図中に、オリフィス１２の外径特にその下端開口縁のオリフィス外径はＤで表され、ライザ１１の内径特にその上端開口縁の内径はＡで表されている。ダウンカマバレル９とライザ１１の間の環状空間１４は、オリフィス１２又はその下端開口縁とライザ１１又はその上端開口縁との間の環状隙間１５を介して、ライザ１１の内部の空間に接続・連通している。
【００２２】
図１中に、各単位気水分離器８の各オリフィス外径Ｄが示されている。低温側単位気水分離器８ｃのオリフィス外径Ｄｃ１〜Ｄｃ３は、互いに異なるか又は同じである。以下の記述では、低温側単位気水分離器８ｃのオリフィス外径Ｄｃ１〜Ｄｃ３は同じであり、Ｄｃで代表される。高温側単位気水分離器８ｈのオリフィス外径Ｄｈ１〜Ｄｈ３は、互いに異なるか又は同じである。以下の記述では、高温側単位気水分離器８ｈのオリフィス外径Ｄｈ１〜Ｄｈ３は同じであり、Ｄｈで代表される。全ての単位気水分離器８のライザ１１の内径Ａが共通であれば、下記関係が設定される。
Ｄｃ＜Ｄｈ
但し、下記関係等は否定されない。
Ｄｃ３＜Ｄｃ２＜Ｄｃ１＜Ｄｈ３＜Ｄｈ＜Ｄｈ１
【００２３】
上式は、下記式に等価である。
Ａ−Ｄｃ＞Ａ−Ｄｈ
一般的には、ライザ１１とオリフィス１２との間の環状隙間１５を流れる単位時間当たりの流量がホットレグ領域３の側で少なくコールドレグ領域４の側で多くなるように、外径Ｄと内径Ａとが規定される。
【００２４】
同伴２相流７は、ライザ１１に侵入して旋回羽根１３により回転力を与えられて旋回しながら上昇する過程で、水分（液分）はライザ１１の内周面に付着し、特に、遠心力によりライザ１１の内周面に押し付けられてその面に強く吸着し、このようにライザ１１の内周面に吸着する水分はその内周面上で蒸気流から随伴力を受けて上昇する。蒸気はライザ１１の中心領域にその多くが分布し、液分はライザ１１の表面にその多くが分布する。このように吸着して上昇する水分の流れは、液膜１６を形成する。液膜１６の上端部の厚さが環状隙間１５の半径方向幅よりも大きい（広い）場合、液膜の一部は環状空間１４に流入しないで、オリフィス１２の内部に侵入する。このようなことがないように、環状隙間１５の幅は適正に大きく（広く）設定されている。液膜１６の上端部の厚さが環状隙間１５の半径方向幅よりも過度に小さい場合、蒸気分の一部はオリフィス１２に流入しないで、環状空間１４に侵入する。このようなことがないように、環状隙間１５の幅は適正に小さく設定されている。
【００２５】
環状空間１４に侵入する液分は、ダウンカマバレル９の内周面とライザ１１の外周面に吸着して下方に流下する。このように流下する液分は、図５で示される循環路を通されて再び伝熱管群１の下方領域に戻される。
【００２６】
ライザ１１の内周面に吸着する液膜１６の厚さは、単位気水分離器８に流入する水流量と単位気水分離器８に流入する蒸気流量の比に依存する。水流量の割合が蒸気流量の割合に対してより大きい場合、その液膜１６の膜厚はより厚い。水流量の割合が蒸気流量の割合に対してより小さい場合、その液膜１６の膜厚はより薄い。従って、液膜１６の厚さは、比較上、ホットレグ領域３の側でより薄くコールドレグ領域４の側でより厚い。環状隙間１５の幅は、比較上、ホットレグ領域３の側でより薄く（狭く）コールドレグ領域４の側でより厚い（広い）ので、液膜１６の上端部の内周面とオリフィス１２の下端部の外周面との間の隙間は、ホットレグ領域３の側とコールドレグ領域４の側でともに適正に規定され、ホットレグ領域３の側のオリフィス１２に流入する液分が多くなることが適正に抑制され、コールドレグ領域４の側の環状空間１４に流入する蒸気分が多くなってダウンカマバレル９から多くの蒸気分がキャリアンダすることが適正に抑制されている。このように、未分離水のオリフィス１２からの流出と、蒸気のダウンカマバレル９へのキャリアンダが有効に抑制・低減され、気水分離性能が向上している。下降水のキャリアンダの低減は、円滑な下降水の流れを有効に維持することができる。このように気水分離されているが未分離水を含む蒸気が、オリフィス１２を通って重力分離空間２１に進入する。
【００２７】
図３は、本発明による気水分離器の実施の追加的形態を示している。本実施の形態は、既述の実施の形態に更に流量制限構造２２が有効に追加されることを示している。ダウンカマバレル９とライザ１１の間に環状の流量制限構造体が配置されている。環状空間１４の中で重力的に、且つ、その中に流入した蒸気流に押されて流下する液分の流れは、流量制限構造２２により抵抗を受け、その液分の流量が適正に維持される。流量制限構造２２の抵抗は、比較上、ホットレグ領域３の側でより小さくコールドレグ領域４の側でより大きいことが、蒸気流の過度の流入を抑制することができる点で一般的に好ましいが、環状隙間１５の広狭の設計に対応してその抵抗は適正に規定され得る。
【００２８】
このような抵抗値がホットレグ領域３の側とコールドレグ領域４の側とで異なるので、環状空間１４に液が滞留して液がダウンカマバレル９から溢れてオリフィス１２に侵入することが抑制され、更に、環状空間１４の中の液が過度に流れて液に同伴する蒸気（キャリアンダ蒸気）が多くなることが抑制される。
【００２９】
環状隙間１５の幅が適正に規定されて環状空間１４に流入する適正な量の液分は、流量制限構造２２により適正な量に制限され、分離された液分の流れが適正に制御され、液分がオリフィス１２に流入する量が適正に制限され、且つ、分離された蒸気のうち環状空間１４の中で同伴流下するキャリアンダ蒸気の量が適正に制限される。
【００３０】
図４は、本発明による気水分離器の実施の他の形態を示している。図４は、既述のオリフィス１２が改変されたオリフィス１２’を示している。ダウンカマバレル９の頂部を貫通するオリフィス１２’は、２重筒を形成している。その２重筒は、内側筒３１と、外側筒３２とから形成されている。内側筒３１の上端と外側筒３２の上端の間は、環状蓋３３で閉じられている。ダウンカマバレル９の頂面部３４を貫通して内側筒３１が上方に延びる内側筒上方部分には、複数位置でスリット又は穴３５が開けられている。スリット３５は、内側筒３１の内側面とそれの外側面とを接続し内側筒３１の内側面からその外側面に向かって貫通する穴である。
【００３１】
内側筒３１の内周面に形成され上昇する液膜１８は、内側筒３１の内側の旋回する蒸気による遠心力によってスリット３５に侵入して、内側筒３１と外側筒３２の間の環状空間に放出される。このように放出される液滴は、外側筒３２の内面に当たり流下し、重力分離空間２１の上方に向かわない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明による気水分離器、蒸気発生器、及び、気水分離方法は、オリフィス部で気水分離効率がより高くなる。特に、ライザにより既に気水分離されいるが、その未分離の液分がオリフィスで有効に分離される。このような気水分離器を備えた蒸気発生器により、より湿分の少ない蒸気を発生させて供給できることになり、タービン発電機におけるタービン部でのエロージョン防止に有効となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による気水分離器の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図２は、気水分離器の単位を示す断面図である。
【図３】図３は、気水分離器の他の単位を示す断面図である。
【図４】図４は、気水分離器の更に他の単位を示す断面図である。
【図５】図５は、原子力プラントで一般に用いられている蒸気発生器の一例を示す断面図である。
【図６】図６は、公知の蒸気発生器を示す断面図である。
【図７】図７は、公知の気水分離器の単位を示す断面図である。
【符号の説明】
１…蒸気発生器
３…ホットレグ領域
４…コールドレグ領域
７…同伴２層流（２相流）
８…単位気水分離要素
８ｈ…単位気水分離要素８のうちのいくつか
８ｃ…単位気水分離要素８のうちの他のいくつか
９…ダウンカマバレル
１１…ライザ（筒）
１２，１２’…オリフィス
１４…環状空間
１５…環状隙間
１８…液膜（水分流）
１６…第１液分（水分流）
２２…抵抗器
Ｌ…軸心線方向（軸心線）

Claims (2)

1. 筒状のライザと、
   前記ライザのライザ内周面に固着された旋回羽根と、
   前記ライザを囲むダウンカマバレルと、
   内側筒と外側筒とを有する２重筒と、
   前記内側筒の上端と前記外側筒の上端の間を閉じる環状蓋と
   を具備し、
   前記ライザ、前記ダウンカマバレル、及び前記２重筒の各々は、上下方向に延びており、
   前記内側筒は、前記ダウンカマバレルの頂面部を貫通し、
   前記内側筒の前記頂面部よりも上方の部分には、前記内側筒の内側面から外側面に貫通する穴が開けられ、
   前記外側筒は前記部分の外側に配置される
   気水分離器。
2. 前記旋回羽根により回転力を与えられて旋回しながら前記ライザを上昇する気水混合流は、蒸気分と、第１液分と、第２液分とを含み、
   前記第１液分は、前記ライザ内周面を上昇し、前記ライザのライザ外周面と前記ダウンカマバレルのダウンカマバレル内周面とを流下し、
   前記第２液分は、前記内側面を上昇する液膜を形成し、
   前記液膜は、前記内側筒の内側を旋回する前記蒸気分による遠心力によって前記穴に侵入し、液滴となって前記内側筒と前記外側筒の間の環状空間に放出され、前記外側筒の内側に当たり流下する
   請求項１の気水分離器。

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