JP4871935B2 - 再熱型発電プラント及び非再熱型発電プラントを再熱型発電プラントに改造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、再熱型発電プラントに係り、特に、火力発電プラントや原子力発電プラント等に設置された非再熱型発電プラントを改造した再熱型発電プラントに関する。

火力発電プラントや原子力発電プラント等の発電プラントは、ボイラや原子炉等の蒸気発生器で発生させた蒸気を高圧タービン，低圧タービンに導き、蒸気エネルギーによってこれらタービンにより仕事をさせ、発電機により発電する構成を有する。これらの発電プラントには、非再熱型発電プラントと再熱型発電プラントとがある。

非再熱型発電プラントでは、高圧タービンの排気蒸気（湿り蒸気）に含まれる湿分（湿り度）を湿分分離器により低減させた後、この湿分を低減させた排気蒸気を低圧タービンに導入する。

再熱型発電プラントでは、高圧タービンの排気蒸気（湿り蒸気）に含まれる湿分（湿り度）を湿分分離加熱器の湿分分離器により低減させ、湿分を低減させた排気蒸気を、蒸気発生器からの主蒸気を加熱源とする湿分分離加熱器の加熱器により加熱することで、高エネルギーを有する過熱蒸気として低圧タービンに導入する。再熱型発電プラントでは、湿分分離加熱器の加熱器で発生した加熱器ドレン（飽和ドレン）を加熱器ドレンタンクに一旦導入し、蒸気発生器への給水を加熱する高圧給水加熱器の加熱源として回収している。

近年では、年間総発電量最大化の観点から、従来の非再熱型発電プラントに対し、発電プラントの出力向上（発電機出力の増大化）を目的として、再熱型発電プラント化する研究がなされている。非再熱型発電プラントを再熱型発電プラント化するにあたっては、湿分分離器に蒸気発生器からの主蒸気を使用してタービン排気蒸気を加熱する加熱器を追設する事による湿分分離加熱器化を図ることとなる。この際に蒸気発生器からの主蒸気を加熱源として使用し、タービン排気蒸気を加熱する加熱器にて熱交換した後、加熱器ドレンタンクに導入された飽和状態にある加熱器ドレンの処理方法が課題となる。

即ち、既存の非再熱型発電プラントでは、高圧給水加熱器，高圧給水加熱器ドレンをカスケード的に上流の給水加熱器に導入する給水加熱器ドレン系統、ドレンが導入される低圧給水加熱器、及び、この低圧給水加熱器の給水加熱器ドレン系統が、追設された湿分分離加熱器の加熱器ドレンを処理可能な容量を有していない。このことから、従来の再熱型発電プラントと同様に高圧給水加熱器の給水加熱源として回収することにした場合には、高圧給水加熱器と低圧給水加熱器の全段、及びそれらの給水加熱器ドレン系統の全設備を大容量化しなくてはならず、大幅な改造工事が必要になる。

また、これらの大幅な改造工事を避けるために、追設された湿分分離加熱器の加熱器ドレンタンクの飽和ドレン処理方法として、復水器へのドレン回収が考えられる。しかし、蒸気発生器からの主蒸気を加熱源として使用し、湿分分離加熱器で熱交換した後の加熱器ドレンは熱的にまだ非常に高いエネルギーを有することから、発電プラント熱サイクルにおいて最終端の排熱回収先であり、仕事をしない復水器に高いエネルギーを有する加熱器ドレンを回収する方法は、プラント熱効率上好適ではない。

これらの問題を解決するものとして、例えば、特許文献１に記載されているように、加熱器ドレンを復水給水系の復水管と接続するドレン配管を設け、ドレン配管にドレンの圧力を減圧させる減圧量調整装置を設けることなどが提案されている。また、特許文献１には、この他に幾つかの加熱器ドレンの処理方法が提案されている。

特開２００６−２４２０８３号公報

上述のように、非再熱型発電プラントを再熱型発電プラント化するためには、湿分分離器を湿分分離加熱器化する際の加熱器ドレンの処理が重要な課題となる。

本発明は、発電プラントの出力向上（発電機出力の増大化）において、非再熱型発電プラントを再熱発電プラント化するにあたって、従来とは異なる手段によって、既存の発電プラント設備に対する改造範囲を少なくしつつ、発電プラントの熱効率の向上を図ることができるようにすることを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、蒸気発生器からの主蒸気の一部を加熱源として、湿分分離器で湿分を低減した排気蒸気を加熱する加熱器と、加熱器ドレンを導入する加熱器ドレンタンクと、加熱器ドレンタンクと復水系の復水配管を接続する加熱器ドレン配管と、加熱器ドレン配管の途中に設置され、加熱器ドレンを冷却するドレンクーラーを、既設の非再熱型発電プラントに追設して再熱型発電プラントに改造するものである。

本発明によれば、既設の非再熱型発電プラント設備の高圧給水加熱器や低圧給水加熱器、給水加熱器ドレン系統を大容量化する必要がないので、改造範囲を最小限にすることが可能であり、また、加熱器ドレンをフラッシュの発生を防止して復水配管に導入するようにしているので、復水器に加熱器ドレンを回収する場合と比べて発電プラントの熱効率の向上を図ることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は、非再熱型発電プラントを再熱型に改造した再熱型発電プラントの概略を表す構成図である（実施例１）。

改造前の非再熱型発電プラントは、図１における加熱器７，加熱器ドレンタンク１８，ドレンクーラー１９，加熱器ドレン配管２０，ドレンクーラー冷却水供給配管２１，ドレンクーラー冷却水戻り配管２２等がないシステム構成となっている。

即ち、既存の非再熱型発電プラントは、主蒸気を発生する蒸気発生器１と、主蒸気系２を介した主蒸気により駆動される高圧タービン３と、高圧タービン３と低圧タービン８を接続するクロスアラウンド管４に設置され、高圧タービン３からの排気蒸気（湿り蒸気）に含まれる湿分を低減させる湿分分離器６と、湿分を低減された蒸気により駆動され、蒸気エネルギーを仕事に変換する低圧タービン８と、低圧タービン８で蒸気エネルギーを仕事に変換した後の膨張蒸気を冷却し、復水に凝縮させる復水器９と、復水器９から復水を送水する復水ポンプ１０と、復水ポンプ下流に設置され、蒸気発生器１に復水を送水する給水ポンプ１３と、復水ポンプ１０と給水ポンプ１３との間の復水系１１に設置され、復水を加熱する低圧給水加熱器１２と、給水ポンプ１３と蒸気発生器１との間の給水系１５に設置され、給水を加熱する高圧給水加熱器１４と、復水、及び給水への熱回収後のタービン抽気の凝縮ドレン，湿分分離器ドレンを上流側給水加熱器や復水器に回収する給水加熱器ドレン系１６から構成される。高圧タービン３と低圧タービン８は発電機２５と同軸で連結されている（図面上、高圧タービン３と低圧タービン８，発電機２５との連結は省略されている。）。低圧給水加熱器１２は、低圧タービン抽気、及び湿分分離器６でタービン排気蒸気に含まれる湿分を低減させ、湿分分離器ドレンタンク１７に導入された湿分分離器ドレンにより復水を加熱することで熱回収を行う。高圧給水加熱器１４は、高圧タービン抽気により蒸気発生器１への給水を加熱する。

尚、湿分分離器６でタービン排気蒸気に含まれる湿分を低減させ、湿分分離器ドレンタンク１７に導入された湿分分離器ドレンは、重力流れによってプラント熱効率上好適な給水加熱器に回収されるが、湿分分離器ドレンは飽和状態のため、僅かな減圧変化によってフラッシュ（減圧沸騰）し、蒸気泡発生による配管内におけるドレン閉塞といったドレンの排出性を妨げる恐れがあることから、湿分分離器ドレンタンク１７から、湿分分離器ドレンを回収する給水加熱器までの間には十分な高さ・配管勾配を確保した設計が行われる。

上述の既存の非再熱型発電プラントに対し、本実施例では、発電プラントの出力向上（発電機出力の増大化）を目的として、再熱型発電プラント化するにあたって、湿分分離器６に蒸気発生器からの主蒸気を使用してタービン排気蒸気を加熱する加熱器７を追設することにより湿分分離加熱器５を構成するようにしている。

即ち、高圧タービン３で仕事をした後の高圧タービン排気蒸気は、高圧タービン３と低圧タービン８とを接続するクロスアラウンド管４の途中に設置された湿分分離加熱器５を通過する。湿分分離加熱器５の湿分分離器６によって、高圧タービン排気蒸気は、まずその蒸気中に含まれる湿分を低減され、次いで主蒸気系２から分岐する主蒸気を加熱源とする加熱器７によって加熱（再熱）され、過熱蒸気となって低圧タービン８に導入され仕事をする。

そして、本実施例では、加熱器７で熱交換した後に凝縮した飽和状態の加熱器ドレンを、加熱器ドレンタンク１８及びドレンクーラー１９を介して復水系１１に回収するようにしている。即ち、加熱器７で熱交換した後に凝縮した飽和状態の加熱器ドレンは、加熱器ドレンタンク１８に導入され、加熱器ドレンタンク１８と復水給水系の復水配管２３を接続する加熱器ドレン配管２０の途中に設置されたドレンクーラー１９によって、加熱器ドレンの回収点である復水系の圧力の飽和温度以下にまで冷却された後、発電プラントの熱効率上好適な復水系１１に直接回収され、給水ポンプ１３を介して蒸気発生器１に送水される。

飽和状態の加熱器ドレンは、ドレン回収点である復水系圧力の飽和温度以下の過冷却状態（サブクール状態）にまで冷却されているので、加熱器ドレンタンク１８で飽和状態の加熱器ドレンが、復水系に回収される過程で、減圧変化によってフラッシュ（減圧沸騰）することが防止される。これによって、蒸気泡発生による配管内におけるドレン閉塞といったドレンの排出性の阻害を防止できる。この他に、復水給水系の加熱器ドレン回収点におけるドレンのフラッシュも発生しないことから、蒸気泡の流入・消滅による復水系の圧力変動事象（ウォーターハンマー）を回避でき、ドレン回収点下流側の復水系，給水系に設置される復水ポンプ，給水ポンプへの蒸気泡流入によるポンプキャビテーションの発生もなく、ボイラ，蒸気発生器への安定した給水供給機能を維持することが可能となる。

尚、加熱器ドレンタンク１８に導入された飽和状態の加熱器ドレンは、ドレンクーラー１９によって飽和状態から過冷却状態（サブクール状態）にまで冷却されるが、このドレンクーラー１９の冷却材には、発電プラント熱サイクル内の低温水を使用することが発電プラントの熱効率上好適である。このことから、復水系配管から分岐するドレンクーラー冷却水供給配管２１と、ドレンクーラー１９で熱交換した後の冷却水を復水配管２３に戻すドレンクーラー冷却水戻り配管２２を設けている。

また、加熱器ドレンを過冷却状態にまで冷却するため、ドレンクーラー１９の出口ドレン温度を温度計２６で検出し、冷却水量制御装置２７は検出したドレン温度に基づき、出口ドレン温度がドレン回収点の飽和温度よりも低くなるように、流量制御弁２８の開度を調節し冷却水量を制御するようにしている。

更に、このドレンクーラー１９は、被冷却源として主蒸気圧力相当の高圧の加熱器ドレンと、冷却源として発電プラント熱サイクル内の比較的圧力の低い復水を熱交換させることを目的とするから、ドレンクーラー１９の冷却管側（チューブ側）に被冷却水である高圧の加熱器ドレンを、ドレンクーラーの胴体側に冷却水である低圧の復水を通水する構造とすることで、ドレンクーラー自体の構造を小型化することが可能である。

非再熱型発電プラントを再熱発電プラント化するために追設された湿分分離加熱器５の加熱器ドレンタンク１８の飽和ドレン処理方法としては幾つか考えられるが、本実施例の構成は、発電プラントの熱効率上も好適な、加熱器ドレンの復水給水系配管への直接回収を、実運用にも好適なシステム構成で実現可能である。

例えば、加熱器ドレンタンク１８と復水給水系の配管とを接続するドレン配管を設置し、復水給水系に直接ドレンを回収する方法が考えられるが、湿分分離加熱器５の加熱器ドレンタンク１８のドレンは飽和状態のため、僅かな減圧変化によってフラッシュ（減圧沸騰）し、このフラッシュに起因して、蒸気泡発生による配管内におけるドレン閉塞といったドレンの排出性を妨げる等の可能性があるが、本実施例では上述したように、そのようなフラッシュを防止できる実運用にも好適なシステム構成である。

また、例えば、加熱器ドレンタンク１８と復水給水系の配管とを接続するドレン配管を設置し、更にそのドレン配管途中にドレンポンプを設置する事により飽和状態の加熱器ドレンを昇圧し、圧縮水とすることでフラッシュ（減圧沸騰）防止を図った上で復水給水系に直接ドレンを回収する方法が考えられる。しかし、この場合、動的機器であるドレンポンプを追設する必要性がある他、当該のドレンポンプ安定運転のためには、ポンプ吸込圧力確保が必須のため、加熱器ドレンタンク１８からドレンポンプまでの間には十分な高さ、配管勾配を確保する必要性がある。これに起因して、加熱器ドレンタンク１８の高所設置、或いはドレンポンプを発電プラントの最地下階、若しくは最地下階マットを掘り込んで設置する必要性があることから、動的機器追加による発電プラントの保守性低下、及び既設設備や発電プラント建屋に対する大幅な改造工事が発生する可能性があるが、本実施例では単にドレンクーラーを設置すれば良いので、このような大幅工事が不要であり、実運用にも好適なシステム構成である。

また、例えば、加熱器ドレンタンク１８と復水給水系の配管とを接続するドレン配管を設置し、更にそのドレン配管途中に回収先の復水系圧力との均圧化，同等化を図る減圧装置、及び同減圧装置によって加熱器飽和ドレンを減圧することにより発生するフラッシュ蒸気を導入するフラッシュタンクを設置することで復水給水系に直接ドレンを回収する方法が考えられるが、この場合、約６ＭＰａ［gage］を超える主蒸気圧力相当の高圧の加熱器飽和ドレンを約３ＭＰａ［gage］程度の復水系圧力にまで減圧させる必要がある。これに起因して、その際に発生する多量のフラッシュ蒸気を回収，処理する方法が更なる課題となる。

この熱的に高いエネルギーを有するフラッシュ蒸気を回収，処理する方法として、復水器９に導入することは、プラント熱効率上好適ではないこと、また既存の給水加熱器に導入し熱交換させる方法も、給水加熱器の全段、及びその給水加熱器ドレン系統の全設備を大容量化しなくてはならず、大幅な改造工事となる可能性がある。

その他に、この熱的に高いエネルギーを有するフラッシュ蒸気を回収，処理する方法として、熱回収用の熱交換器を復水給水系に追加する方法も考えられるが、熱交換器、及び熱交換後の凝縮ドレンを処理するドレン系統を新たに追加する必要があるため、既存の発電プラントに対する機器・設備配置との関係も考慮する必要がある他、既存の復水系配管に対する大幅な改造工事となる可能性がある。

更に、この方法では、主蒸気圧力相当で約３００℃近い高温の加熱器飽和ドレンを、冷却することなく約２００℃程度の復水系に直接回収することとなるため、過大な温度差を生じ、層化熱流動現象等の熱応力に起因する配管損傷事象の発生も考慮する必要があり、熱的混合を十分に考慮した配管構造に改造することが必須であり、既存の復水系配管に対する大幅な改造工事となる可能性がある。

これらに対して、本実施例では単にドレンクーラーを設置すれば良いので、このような課題は発生せず、実運用にも好適なシステム構成であるといえる。

次に、図２を用いて、本発明の他の実施例を説明する（実施例２）。

図２も、非再熱型発電プラントを再熱型に改造した再熱型発電プラントの概略を表す構成図である。

蒸気発生器１から低圧タービン８までの蒸気系と、復水器９から蒸気発生器１までの復水給水系の構成、及びそれらの機能は、図１を用いて説明した実施例１と同様のため、重複説明を省略する。

本実施例の特徴は、加熱器７で熱交換した後に凝縮した飽和状態の加熱器ドレンを、ドレンクーラーを内蔵したドレンクーラー内蔵型加熱器ドレンタンク２４に導入するようにした点である。

ドレンクーラー内蔵型加熱器ドレンタンク２４は、加熱器７から復水給水系の復水配管２３を接続する加熱器ドレン配管２０の途中に設置されている。加熱器ドレンは、ドレンタンクに内蔵されたドレンクーラーによって、加熱器ドレンの回収点である復水系の圧力の飽和温度以下にまで冷却され、発電プラントの熱効率上好適な復水系１１に直接回収され、給水ポンプ１３を介して蒸気発生器１に送水される。

尚、ドレンクーラーの冷却材には、実施例１と同様に、発電プラント熱サイクル内の低温水が用いられ、復水系配管から分岐するドレンクーラー冷却水供給配管２１と、ドレンクーラーで熱交換した後の冷却水を復水配管２３に戻すドレンクーラー冷却水戻り配管２２を設けている。

また、加熱器ドレンを過冷却状態にまで冷却するため、実施例１と同様に、温度計２６，冷却水量制御装置２７，流量制御弁２８を設けて、冷却水量を制御するようにしている。

上述した実施例２においても、実施例１と同様な効果が得られる。尚、本実施例では、実施例１と異なり、ドレンクーラーの冷却管側（チューブ側）を冷却水が流れるため、ドレンクーラー自体は実施例１よりも大型化するが、別個にドレンタンクを設ける必要がないので、構成機器の員数を減少させることができる。

次に、図３を用いて、本発明の他の実施例を説明する（実施例３）。

図３も、非再熱型発電プラントを再熱型に改造した再熱型発電プラントの概略を表す構成図である。

本実施例の特徴は、ドレンクーラー１９の冷却材に、発電プラント熱サイクル外の水源の低温水を使用するものである。例えば、プラント補機冷却水系，プラント補機冷却海水系、或いはプラント補給水系の低温水を用いる。これらの系から分岐するドレンクーラー冷却水供給配管２１と、ドレンクーラーで熱交換した後の冷却水を供給元に戻すドレンクーラー冷却水戻り配管２２を設けている。その他の構成は実施例１と同様である。

本実施例によれば、実施例１と比較して、プラント熱効率の点では劣るが、実施例１と同様な効果を奏することができる。

上述の実施例１〜３では、既存の非再熱型発電プラントを再熱型に改造する場合として説明したが、新規の発電プラントに本発明の概念を適用して上述のような再熱型発電プラントを構成するようにしても良い。

非再熱型発電プラントを再熱型に改造した再熱型発電プラントの概略を表す構成図（実施例１）。 非再熱型発電プラントを再熱型に改造した再熱型発電プラントの概略を表す構成図（実施例２）。 非再熱型発電プラントを再熱型に改造した再熱型発電プラントの概略を表す構成図（実施例３）。

符号の説明

１ 蒸気発生器
２ 主蒸気系
３ 高圧タービン
４ クロスアラウンド管
５ 湿分分離加熱器
６ 湿分分離器
７ 加熱器
８ 低圧タービン
９ 復水器
１０ 復水ポンプ
１１ 復水系
１２ 低圧給水加熱器
１３ 給水ポンプ
１４ 高圧給水加熱器
１５ 給水系
１６ 給水加熱器ドレン系
１７ 湿分分離器ドレンタンク
１８ 加熱器ドレンタンク
１９ ドレンクーラー
２０ 加熱器ドレン配管
２１ ドレンクーラー冷却水供給配管
２２ ドレンクーラー冷却水戻り配管
２３ 復水配管
２４ ドレンクーラー内蔵型加熱器ドレンタンク
２５ 発電機
２６ 温度計
２７ 冷却水量制御装置
２８ 流量制御弁

Claims (7)

1. 蒸気発生器と、前記蒸気発生器からの主蒸気を導入して駆動する高圧タービンと、高圧タービンの排気蒸気に含まれる湿分を低減する湿分分離器と、湿分が低減された排気蒸気を導入して駆動する低圧タービンと、前記低圧タービンからの排気蒸気を冷却して復水に凝縮させる復水器と、前記復水器からの復水を送水する復水ポンプと、前記復水ポンプの下流に設置され、前記復水を前記主蒸気発生器に給水として送水する給水ポンプと、前記復水ポンプと前記給水ポンプとの間の復水系に設置された前記復水を加熱する低圧給水加熱器と、前記給水ポンプと前記蒸気発生器との間の給水系に設置された前記給水を加熱する高圧給水加熱器とを有する発電プラントにおいて、
   前記湿分分離器と前記低圧タービンの間に設けられ、前記蒸気発生器からの主蒸気の一部を加熱源として、前記湿分分離器で湿分を低減した排気蒸気を加熱する加熱器と、
   前記加熱器で凝縮して発生した加熱器ドレンを導入する加熱器ドレンタンクと、
   前記加熱器ドレンタンクと前記復水系の復水配管を接続する加熱器ドレン配管と、
   前記加熱器ドレン配管の途中に設置され、前記加熱器ドレンを冷却するドレンクーラーとを有することを特徴とする再熱型発電プラント。
2. 請求項１において、前記ドレンクーラーにおいて、前記加熱器ドレンを、前記加熱器ドレン配管が接続された復水配管における飽和温度以下の過冷却状態まで冷却することを特徴とする再熱型発電プラント。
3. 請求項１において、前記ドレンクーラーの冷却材は、発電プラント熱サイクル内の低温水であり、
   前記ドレンクーラーで熱交換した後の冷却材を前記発電プラント熱サイクル内に戻す冷却材戻り配管とを有することを特徴とする再熱型発電プラント。
4. 請求項３において、前記ドレンクーラーと前記復水配管とを接続するドレンクーラー冷却材供給配管を有し、前記冷却材戻り配管は、前記ドレンクーラー冷却材供給配管との接続箇所よりも下流の前記復水配管と前記ドレンクーラーとを接続することを特徴とする再熱型発電プラント。
5. 請求項３において、前記ドレンクーラーと前記低圧給水加熱器前の復水配管とを接続するドレンクーラー冷却材供給配管を有し、前記冷却材戻り配管は、前記ドレンクーラーと前記低圧給水加熱器後の復水配管とを接続することを特徴とする再熱型発電プラント。
6. 請求項１において、前記ドレンクーラーの設置場所を、前記加熱器ドレン配管の途中に替えて、前記加熱器ドレンタンクの内部とし、前記加熱器ドレンタンクをドレンクーラー内蔵型ドレンタンクとしたことを特徴とする再熱型発電プラント。
7. 蒸気発生器と、前記蒸気発生器からの主蒸気を導入して駆動する高圧タービンと、高圧タービンの排気蒸気に含まれる湿分を低減する湿分分離器と、湿分が低減された排気蒸気を導入して駆動する低圧タービンと、前記低圧タービンからの排気蒸気を冷却して復水に凝縮させる復水器と、前記復水器からの復水を送水する復水ポンプと、前記復水ポンプの下流に設置され、前記復水を前記主蒸気発生器に給水として送水する給水ポンプと、前記復水ポンプと前記給水ポンプとの間の復水系に設置された前記復水を加熱する低圧給水加熱器と、前記給水ポンプと前記蒸気発生器との間の給水系に設置された前記給水を加熱する高圧給水加熱器とを有する非再熱型発電プラントを再熱型発電プラントに改造する方法であって、
   前記湿分分離器の後に、前記蒸気発生器からの主蒸気一部を加熱源として、前記排気蒸気を加熱する加熱器を追設して、湿分分離加熱器とし、
   追設された前記加熱器で凝縮して発生した加熱器ドレンを導入する加熱器ドレンタンクを設置し、
   前記加熱器ドレンタンクと前記復水系の復水配管とをドレン配管で接続すると共に、
   前記ドレン配管の途中に、発電プラント熱サイクル内の低温水を冷却材として前記加熱器ドレンを冷却するドレンクーラーを設置し、
   前記ドレンクーラーで熱交換した後の冷却材を前記発電プラント熱サイクル内に戻す冷却材戻り配管を設置することを特徴とする
   非再熱型発電プラントを再熱型発電プラントに改造する方法。

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