JP4801446B2

JP4801446B2 - 蒸気タービンプラント

Info

Publication number: JP4801446B2
Application number: JP2006002953A
Authority: JP
Inventors: 元岡崎
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2026-01-10
Also published as: JP2007182862A

Description

本発明は、原子力プラントに使用される蒸気タービンプラントに関するものである。

例えば、加圧水型原子炉（ＰＷＲ：PressurizedWaterReactor）では、軽水を原子炉冷却材及び中性子減速材として使用し、炉心全体にわたって沸騰しない高温高圧水とし、この高温高圧水を蒸気発生器に送って熱交換により蒸気を発生させ、この蒸気をタービン発電機へ送って発電するものである。そして、この加圧水型原子炉では、高温高圧の一次冷却水（軽水）の熱を蒸気発生器を介して二次冷却水に伝え、発生した二次冷却水の水蒸気によりタービンを駆動して発電し、復水器で冷却した後に蒸気発生器に戻している。

即ち、加圧水型原子炉における蒸気タービンプラントでは、タービンを駆動した蒸気が復水器で海水などを用いて冷却された後、復水ポンプで送り出され、脱塩装置で処理してから複数段の低圧給水加熱器により加熱される。そして、高温の給水から脱気器で溶存酸素や不凝結ガス（アンモニアガス）などの不純物が除去された後、給水ポンプで送り出され、高圧給水加熱器により加熱されてから蒸気発生器に給水される。

この場合、脱気器で除去された不純物を有する高温ガスは、回収ラインを通して復水器に戻され、ここで排気装置により不純物が系外に排出される。

なお、このような蒸気タービンプラントとしては、下記特許文献１に記載されている。

特開２００４−０７６６５１号公報

上述した蒸気タービンプラントでは、脱気器で除去された不純物を有する高温ガスが、回収ラインを通して復水器に戻されるが、この回収ラインに設けられたオリフィスによりその流量が調整されている。ところが、この場合、高温高圧のガスは、オリフィスを通過するときに減圧膨張され、このときにオリフィスの下流側における断熱膨張により断熱冷却が作用し、ガス温度が低下することで多数の水滴が生成される。すると、この多数の水滴が氷の粒となって音速で配管内面に衝突し、この配管内面を削り取ることで減肉現象が発生してしまい、長期の使用により配管が破損してしまうおそれがある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、脱気器から復水器への回収ラインの破損を防止することで長寿命化を可能とした蒸気タービンプラントを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１の発明の蒸気タービンプラントは、蒸気発生器で発生した蒸気によりタービンを駆動し、該タービンを駆動した蒸気が復水器で冷却された後、脱気器により不純物が除去されてから前記蒸気発生器に給水される蒸気タービンプラントにおいて、前記脱気器で脱気された不純物を含んだ蒸気を前記復水器に回収する回収ラインが設けられると共に、該回収ラインに所定間隔をあけて複数の減圧手段が設けられたことを特徴とするものである。

請求項２の発明の蒸気タービンプラントでは、前記回収ラインにて、負圧状態に維持される前記復水器の直上流側に配置される前記減圧手段による減圧上限値が０．４ＭＰａ以下に設定されたことを特徴としている。

請求項３の発明の蒸気タービンプラントでは、前記複数の減圧手段を構成する第１減圧手段が前記回収ラインにおける前記脱気器の近傍に配置されたことを特徴としている。

請求項１の発明の蒸気タービンプラントによれば、蒸気発生器で発生した蒸気によりタービンを駆動し、このタービンを駆動した蒸気が復水器で冷却された後、脱気器により不純物が除去されてから蒸気発生器に給水されるように構成し、脱気器で脱気された不純物を含んだ蒸気を復水器に回収する回収ラインを設けると共に、この回収ラインに所定間隔をあけて複数の減圧手段を設けたので、脱気器で脱気された不純物を含んだ蒸気が回収ラインを通して復水器に回収されるとき、蒸気の圧力が複数の減圧手段により段階的に低下されることとなり、各減圧手段における断熱膨張により断熱冷却が抑制され、蒸気温度の低下による水滴の生成が防止されることで、減肉現象による回収ラインの破損を防止することができ、その結果、プラントの長寿命化を可能とすることができる。

請求項２の発明の蒸気タービンプラントによれば、回収ラインにて、負圧状態に維持される復水器の直上流側に配置される減圧手段による減圧上限値を０．４ＭＰａ以下に設定したので、減圧手段での断熱膨張による断熱冷却が確実に抑制され、減肉現象の発生を防止することができる。

請求項３の発明の蒸気タービンプラントによれば、複数の減圧手段を構成する第１減圧手段を回収ラインにおける脱気器の近傍に配置したので、蒸気が回収ラインにおける第１減圧手段を通過するときに生成される凝縮水を脱気器に適正に回収することができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る蒸気タービンプラントの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例に係る蒸気タービンプラントを表す概略構成図、図２は、本実施例の蒸気タービンプラントが適用された加圧水型原子炉を有する発電設備の概略構成図、図３は、オリフィスによる断熱膨張の原理を説明するための概略図である。

本実施例の蒸気タービンプラントが適用された原子炉は、軽水を原子炉冷却材及び中性子減速材として使用し、炉心全体にわたって沸騰しない高温高圧水とし、この高温高圧水を蒸気発生器に送って熱交換により蒸気を発生させ、この蒸気をタービン発電機へ送って発電する加圧水型原子炉（ＰＷＲ：PressurizedWaterReactor）である。

即ち、この加圧水型原子炉を有する発電設備において、図２に示すように、原子炉格納容器１１内には、加圧水型原子炉１２及び蒸気発生器１３が格納されており、この加圧水型原子炉１２と蒸気発生器１３とは冷却水配管１４，１５を介して連結されており、冷却水配管１４に加圧器１６が設けられ、冷却水配管１５に冷却水ポンプ１７が設けられている。この場合、減速材及び一次冷却水としてとして軽水を用い、炉心部における一次冷却水の沸騰を抑制するために、一次冷却系統は加圧器１６により１５０〜１６０気圧程度の高い圧力をかけている。従って、加圧水型原子炉１２にて、燃料として低濃縮ウランまたはＭＯＸにより一次冷却水として軽水が加熱され、高温の軽水が加圧器１６により所定の高圧に維持した状態で冷却水配管１４を通して蒸気発生器１３に送られる。この蒸気発生器１３では、高圧高温の軽水と二次冷却水としての水との間で熱交換が行われ、冷やされた軽水は冷却水配管１５を通して加圧水型原子炉１２に戻される。

蒸気発生器１３は、原子炉格納容器１１の外部に設けられたタービン１８及び復水器１９と冷却水配管２０，２１を介して連結されている。そして、タービン１８には発電機２２が接続され、復水器１９には冷却水（例えば、海水）を給排する供給管２３及び配水管２４が連結されている。従って、蒸気発生器１３にて、高圧高温の軽水と熱交換を行って生成された蒸気は、冷却水配管２０を通してタービン１８に送られ、この蒸気によりタービン１８を駆動して発電機２２により発電を行う。タービン１８を駆動した蒸気は、復水器１９で冷却された後、冷却水配管２１を通して蒸気発生器１３に戻される。

ここで、上述した加圧水型原子炉を有する発電設備の給水系について詳細に説明する。蒸気タービンプラントにおいて、図１に示すように、復水器１９から蒸気発生器１３に至る冷却水配管２１には、復水器１９側から復水ポンプ３１、グランドコンデンサ３２、復水脱塩装置３３、復水ブースタポンプ３４、４つの低圧給水加熱器（低圧ヒータ）３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ、脱気器３６が配置され、この脱気器３６は給水タンク３６ａを有している。

従って、タービン１８を駆動した蒸気は、復水器１９で海水などを用いて冷却された後、復水ポンプ３１により冷却水配管２１に送り出され、グランドコンデンサ３２により熱回収された後、復水脱塩装置３３により復水中のイオン性不純物及びクラッドが除去される。そして、復水ブースタポンプ３４により４つの低圧給水加熱器３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄに供給され、ここで復水がタービン１８を構成する低圧タービンから抽気した低圧蒸気により順に加熱され、脱気器３６にて、高温の復水から溶存酸素や不凝結ガス（アンモニアガス）などの不純物が除去される。

そして、冷却水配管２１にて、脱気器３６の下流側に、給水ブースタポンプ３７、主給水ポンプ３８、高圧給水加熱器（高圧ヒータ）３９が配置されている。

従って、脱気器３６で不純物が除去された復水は、給水タンク３６ａから給水ブースタポンプ３７及び主給水ポンプ３８により高圧給水加熱器３９に供給され、ここで復水がタービン１８を構成する高圧タービンから抽気した高圧蒸気により加熱された後、蒸気発生器１３に供給される。

また、脱気器３６には、ここで脱気された不純物を含んだ蒸気を復水器１９に回収する蒸気回収配管（回収ライン）４１が設けられている。即ち、この脱気器３６では、高圧タービンから抽気した高圧蒸気により復水を加熱することで、不純物を蒸気と共に気化させることで分離しており、この不純物を含んだ蒸気を蒸気回収配管４１を通して復水器１９に回収している。なお、図示しないが、この復水器１９は、真空ポンプ（または、エジェクタ）により内部が負圧状態（好適には、真空状態）で維持されており、この不純物が真空ポンプの吸引力により系外に排出される。

そして、本実施例では、この脱気器３６から復水器１９に連結されている蒸気回収配管４１に、所定間隔をあけて複数（本実施例では、２つ）の減圧手段としてのオリフィス４２，４３が設けられている。この場合、第１オリフィス４２は、蒸気回収配管４１における脱気器３６の近傍に配置され、第２オリフィス４３は、この第１オリフィス４２から所定間隔をあけて配置されており、好適には、第１オリフィス４２と第２オリフィス４３との間隔を、蒸気回収配管４１の内径の１０倍程度とすることが望ましい。

また、復水器１９は、上述したように、負圧状態で維持されていることから、蒸気回収配管４１における復水器１９側に配置された第２オリフィス４３は、減圧上限値が０．４ＭＰａ以下に設定されている。即ち、脱気器３６から蒸気回収配管４１を通して流動した蒸気を、この第２オリフィス４３により最大で０．４ＭＰａ減圧するようにしている。

即ち、脱気器３６からの蒸気がオリフィス４２,４３を通過するとき、この蒸気はオリフィス４２,４３の下流側における断熱膨張により断熱冷却が作用し、ガス温度が低下することで多数の水滴が生成され、この多数の水滴が氷の粒となって音速で蒸気回収配管４１の内面に衝突し、減肉現象が発生してしまう。そのため、第２オリフィス４３の減圧上限値を０．４ＭＰａ以下と設定している。

ここで、減圧手段としての各オリフィス４２，４３での断熱膨張の原理について具体的に説明する。図３に示すように、脱気器と復水器とを連結する蒸気回収配管にオリフィスが設けられている場合、脱気器での蒸気の温度Ｔ₀（Ｋ）、圧力Ｔ₀（ｋＰａ）とし、オリフィスの上流部での蒸気の温度Ｔ₁（Ｋ）、圧力Ｔ₁（ｋＰａ）とし、オリフィスの臨界部での蒸気の温度Ｔ₁ ^*（Ｋ）、圧力Ｔ₁ ^*（ｋＰａ）とし、オリフィスの下流部での蒸気の温度Ｔ_L（Ｋ）、圧力Ｔ_L（ｋＰａ）とし、復水器での蒸気の温度Ｔ_C（Ｋ）、圧力Ｔ_C（ｋＰａ）とすると、リフィスの臨界部での蒸気の温度と音速と密度と圧力は、下記数式１により求めることができる。なお、γは比熱である。

すると、断熱膨張によるオリフィスの下流部での蒸気温度Ｔ_L（Ｋ）を下記数式２より求めることができる。

そして、上記数式２よりオリフィスの下流部での蒸気温度Ｔ_L（Ｋ）が氷点下以下になった場合、水滴が氷の粒となって音速で配管内面に衝突して減肉現象が発生する。オリフィスでの臨界圧力とオリフィス下流部での差圧が０．２ＭＰａ以上で減肉現象が発生することが実験により把握しており、上述した数式１より臨界圧力はオリフィス上流部での圧力の１／２倍であることから、オリフィス上流部とオリフィス下流部での差圧が約０．４ＭＰａ以下であれば、氷の粒の生成による減肉現象の発生が防止される。なお、この現象はオリフィス下流部、つまり、復水器が負圧であることが条件であり、オリフィス下流部が負圧でない場合には、オリフィス上流部とオリフィス下流部での差圧を約０．４ＭＰａより高く設定してもよい。

従って、脱気器３６にて、復水が高圧タービンから抽気した高圧蒸気により加熱されることで、不純物が蒸気と共に気化して分離されると、この不純物が除去された復水が給水タンク３６ａに貯留された後、冷却水配管２１を通して蒸気発生器１３に供給される。一方、復水から分離された不純物を含んだ蒸気は、蒸気回収配管４１を通して復水器１９に回収されるが、この蒸気が第１オリフィス４２及び第２オリフィス４３を通過することで減圧される。この場合、第１オリフィス４２と第２オリフィス４３とが所定間隔離間しており、第２オリフィス４３の減圧上限値が０．４ＭＰａ以下に設定されていることで、各オリフィス４２,４３の下流側で断熱膨張による氷の粒の発生が抑制され、蒸気回収配管４１の減肉現象が防止される。そして、復水器１９にて、蒸気回収配管４１を通して回収された不純物が系外に排出される。

このように本実施例の蒸気タービンプラントにあっては、蒸気発生器１３で発生した蒸気によりタービン１８を駆動し、このタービン１８を駆動した蒸気が復水器１９で冷却された後、脱気器３６により不純物が除去されてから蒸気発生器１３に給水されるように構成し、脱気器３６で脱気された不純物を含んだ蒸気を復水器１９に回収する蒸気回収配管４１を設けると共に、この蒸気回収配管４１に所定間隔をあけて２つのオリフィス４２、４３を設けている。

従って、脱気器３６で脱気された不純物を含んだ蒸気が蒸気回収配管４１を通して復水器１９に回収されるとき、蒸気の圧力が各オリフィス４２、４３により段階的に低下されることとなり、オリフィス４２、４３における断熱膨張により断熱冷却が抑制され、蒸気温度の低下による水滴の生成が防止されることで、減肉現象による蒸気回収配管４１の破損を防止することができ、その結果、プラントの長寿命化を可能とすることができる。

また、本実施例の蒸気タービンプラントでは、蒸気回収配管４１にて、負圧状態に維持される復水器１９の直上流側に配置される第２オリフィス４３による減圧上限値を０．４ＭＰａ以下に設定している。従って、第２オリフィス４３での断熱膨張による断熱冷却が確実に抑制され、減肉現象の発生を防止することができる。

更に、本実施例の蒸気タービンプラントでは、第１オリフィス４２を蒸気回収配管４１における脱気器３６の近傍に配置している。従って、蒸気が蒸気回収配管４１における第１オリフィス４３を通過するときに生成される凝縮水を脱気器３６に適正に回収することができる。

なお、上述した実施例では、脱気器３６から復水器１９に連結されている蒸気回収配管４１に所定間隔をあけて２つの減圧手段としてのオリフィス４２，４３を設けたが、その数は２つに限定されるものではない。但し、蒸気回収配管４１の長さやオリフィス４２，４３の間隔が限られており、コストや管理を考慮すると２つが適正であるが、３つ以上設けることで、オリフィスによる減圧上限値を下げることができ、断熱膨張による減肉現象の発生防止効果を向上できる。

本発明に係る蒸気タービンプラントは、脱気器から復水器への回収ラインの破損を防止するものであり、いずれの種類の蒸気タービンプラントにも適用することができる。

本発明の一実施例に係る蒸気タービンプラントを表す概略構成図である。本実施例の蒸気タービンプラントが適用された加圧水型原子炉を有する発電設備の概略構成図である。オリフィスによる断熱膨張の原理を説明するための概略図である。

符号の説明

１２加圧水型原子炉
１３蒸気発生器
１８タービン
１９復水器
２１冷却水配管
２２発電機
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ低圧給水加熱器
３６脱気器
３９高圧給水加熱器
４１蒸気回収配管（回収ライン）
４２，４３オリフィス（減圧手段）

Claims

蒸気発生器で発生した蒸気によりタービンを駆動し、該タービンを駆動した蒸気が復水器で冷却された後、脱気器により不純物が除去されてから前記蒸気発生器に給水される蒸気タービンプラントにおいて、前記脱気器で脱気された不純物を含んだ蒸気を前記復水器に回収する回収ラインが設けられると共に、該回収ラインに所定間隔をあけて複数の減圧手段が設けられたことを特徴とする蒸気タービンプラント。
請求項１に記載の蒸気タービンプラントにおいて、前記回収ラインにて、負圧状態に維持される前記復水器の直上流側に配置される前記減圧手段による減圧上限値が０．４ＭＰａ以下に設定されたことを特徴とする蒸気タービンプラント。
請求項１に記載の蒸気タービンプラントにおいて、前記複数の減圧手段を構成する第１減圧手段が前記回収ラインにおける前記脱気器の近傍に配置されたことを特徴とする蒸気タービンプラント。