JP4974105B2 - 蒸気インジェクタシステム及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧液体を噴出する蒸気インジェクタシステム及びその運転方法に関する。

蒸気インジェクタは、高圧液体を噴出する液体ノズルと蒸気を噴射する蒸気ノズルとを有し、蒸気ノズルからの蒸気が凝縮して圧力が低下することにより、高圧液体を吸い込み液体を噴射するものである。このような蒸気インジェクタとして、出口形状が円形の液体ノズルの外周面に蒸気ノズルを設け、円柱状の液体噴流を混合ノズル内へ噴射するようにした中心噴流型の蒸気インジェクタがある。

また、発電プラントの給水加熱システムに用いられる蒸気インジェクタとして、給水ノズルを介して供給される給水を噴出させるための水噴流ノズルと、水噴流ノズルの先端部近傍に形成され抽気蒸気が噴入される蒸気ノズルと、水噴流ノズルから噴出される水と蒸気ノズルを介して噴入される抽気蒸気とを混合し噴出する混合ノズルとから構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、混合ノズル等に旋回流生成手段を設け、凝縮流の駆動力を向上させるというものがある（例えば、特許文献２参照）
特開平１１−１０１４０３号公報（図１４、［０１４］） 特開平２−７５８００号公報

しかし、蒸気ノズルから噴射される蒸気に空気などの不凝縮ガスが含まれている場合には、蒸気インジェクタの作動範囲が狭くなる。すなわち、蒸気インジェクタの作動が不安定になり、不凝縮ガスの質量割合が一定量以上になると、蒸気インジェクタが作動しなくなる。

この原因としては、不凝縮ガス濃度が多くなると、蒸気と液体噴流との界面での凝縮伝熱性能が劣化し、混合ノズル出口のど部（スロート部）までにすべての蒸気が凝縮しきれず、蒸気の凝縮による所定の圧力低下が得られず、流動が不安定となり高圧液体を吸い込み液体を噴射することができなくなり、蒸気インジェクタの作動停止に至ると考えられる。

図８は、従来の蒸気インジェクタの構成及び不凝縮ガス濃度過多により蒸気インジェクタが不動作状態となった場合の説明図である。蒸気インジェクタは、液体を噴出する液体ノズル４１と、蒸気を噴出する蒸気ノズル４２と、蒸気と液体とを混合する混合ノズル４３とから構成され、混合ノズル４３の混合流体はスロート部４４からディフューザー４５に噴射される。

液体は液体ノズル４１内を矢印Ａ１方向に流れ液体ノズル４１から噴出する。また、蒸気は蒸気ノズル４２内を矢印Ａ２方向に流れ、混合ノズル４３で液体と混合して凝縮するが、蒸気内の不凝縮ガス濃度が過多の場合には、液体ノズル４１から噴出した液体は混合ノズル４３及びディフューザー４５内を脈動して矢印Ａ３方向に噴射され不安定となる。これは、蒸気ノズル４２から噴射される蒸気に不凝縮ガスが多い場合には凝縮伝熱の劣化により、混合ノズル４３のスロート部４４までに凝縮できなかった蒸気がこの不安定を生じていると考えられる。このように、不凝縮ガスが少しでも混入すると、凝縮熱伝導率は純蒸気に比べて大きく減少することが不凝縮ガスを含む凝縮理論においても明らかになっている。

本発明の目的は、蒸気ノズルから噴射される蒸気に不凝縮ガスが含まれている場合であっても安定して作動できる蒸気インジェクタシステム及びその運転方法を提供することである。

前記課題を解決するため、発明者らは鋭意検討した結果、蒸気インジェクタが不動作とならない限界の不凝縮ガス濃度（作動限界不凝縮ガス濃度）は、旋回流の遠心力に相関していることを知見し、本発明をするに至った。すなわち本発明は以下に示すとおりである。

（１）請求項１に記載の発明は、液体を供給する液体供給手段と、蒸気を供給する蒸気供給手段と、前記液体供給手段から供給された液体と前記蒸気供給手段から供給された蒸気との混合流体を噴射する蒸気インジェクタとを備え、前記蒸気インジェクタは、旋回流を発生させる旋回流発生手段を有し前記液体供給手段からの液体を旋回流液体噴流として噴射する液体ノズルと、前記液体ノズルから噴射された旋回流液体噴流の表面に沿って蒸気を噴射する蒸気ノズルと、前記液体ノズルから噴射した旋回流液体噴流と前記蒸気ノズルから噴出した蒸気との混合流体をスロート部からディフューザーに噴射する混合ノズルとを備えた蒸気インジェクタシステムに係り、前記蒸気供給手段は供給する蒸気に含まれる不凝縮ガスの濃度を検出する不凝縮ガス濃度検出手段を備え、前記液体供給手段は前記不凝縮ガス濃度検出手段が検出する不凝縮ガス濃度に応じて液体流量を制御する流量制御手段を備えた蒸気インジェクタシステムである。

（２）請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明を限定したものであり、前記液体供給手段が蒸気中の不凝縮ガス濃度に応じた液体流量設定値、あるいは蒸気に含まれる不凝縮ガス濃度に応じて、蒸気インジェクタが不動作とならない旋回流の遠心力を得るための情報を記憶した記憶手段を備えることを特徴とする。

（３）請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の蒸気インジェクタシステムを運転する方法に係る。すなわち、あらかじめ蒸気中の不凝縮ガス濃度に応じた液体流量設定値を記憶しておき、前記蒸気中の不凝縮ガス濃度を検出し、検出された不凝縮ガス濃度及び前記不凝縮ガス濃度に応じた液体流量設定値に基づいて、液体の流量を制御することを特徴とする蒸気インジェクタシステムの運転方法である。

本発明によれば、不凝縮ガス濃度に応じ、蒸気インジェクタの不動作が生じないように液体流量の制御を通じて旋回流の遠心力を制御することができ、もって、安定な蒸気インジェクタシステムの運転が達成される。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる蒸気インジェクタシステムの構成図である。蒸気インジェクタシステム１０は、液体を供給する液体供給手段２０と、蒸気を供給する蒸気供給手段３０と、液体供給手段２０から供給された液体と蒸気供給手段３０から供給された蒸気との混合流体を噴射する蒸気インジェクタ４０とからなる。液体供給手段２０は、液体を送出するポンプ２１、液体を貯蔵する液体タンク２２、液体流量を計測する流量計２３、液体流量を制御する流量制御手段２４及び液体流量の制御に必要な情報を記憶する記憶手段２５とを備え、蒸気供給手段３０は蒸気を発生するボイラー３１及び蒸気に含まれる不凝縮ガス濃度を検出する不凝縮ガス濃度検出手段３２を備える。

液体供給手段２０の流量制御手段２４は蒸気インジェクタ４０が停止しないように、蒸気インジェクタ４０に供給する液体流量を制御するものである。蒸気インジェクタ４０が不動作となる不凝縮ガス濃度は、前述したように旋回流の遠心力に相関しているので、流量制御手段２４は、不凝縮ガス濃度検出手段３２で検出された蒸気に含まれる不凝縮ガス濃度に応じて、蒸気インジェクタ４０が不動作とならない旋回流の遠心力が得られるように蒸気インジェクタ４０に供給する液体流量を制御する。なお、後述するように、蒸気インジェクタ４０が不動作とならない旋回流の遠心力は、蒸気に含まれる不凝縮ガス濃度だけでなく、供給液体温度にも関係するので、供給液体温度を検出する温度計４０ａからの供給液体温度も入力している。

記憶手段２５には、蒸気インジェクタ４０が不動作とならない旋回流の遠心力が得られる液体流量設定値、あるいは蒸気に含まれる不凝縮ガス濃度に応じて、蒸気インジェクタ４０が不動作とならない旋回流の遠心力を得るための情報が記憶されている。

次に、蒸気インジェクタ４０について説明する。図２は本発明の実施の形態に係わる蒸気インジェクタ４０の構成図である。蒸気インジェクタ４０は、液体ノズル４１、蒸気ノズル４２、混合ノズル４３、スロート部４４及びディフューザー４５からなる。本発明の実施の形態における蒸気インジェクタは図８に示した従来の蒸気インジェクタに対し、液体ノズル４１内に液体に旋回流を発生させる旋回流発生手段４６を有し、この旋回流発生手段４６により、液体は液体ノズル４１内を矢印Ａ１方向に流れ、旋回流発生手段４６で液体に旋回流を発生させる。従って、液体ノズル４１からは旋回流成分を有した液体噴流４７が噴射される。また、蒸気は蒸気ノズル４２内を矢印Ａ２方向に流れ、混合ノズル４３で旋回流成分を有した液体噴流４７と混合し、液体噴流４７との界面で冷却されて凝縮する。そして、蒸気の凝縮により混合ノズル４３内の圧力が低下しスロート部４４で液体を吸い込む。スロート部４４で吸い込まれた液体噴流４７はディフューザー４５内を通り矢印Ａ３方向に噴射する。

図３は、旋回流発生手段４６の一例を示す斜視図である。図３に示すように、旋回流発生手段４６は、例えば平板４８を捻って形成された渦流片である。平板４８の材料としては例えば金属やセラミック等が用いられる。この旋回流発生手段４６を液体ノズル４１内の先端部に装着し、液体ノズル４１内の矢印Ａ１方向の液体の流れに旋回流成分を与える。これにより、図４に示すように、液体ノズル４１から噴射される液体噴流には直進成分Ａだけでなく、旋回流成分Ｂを有した液体噴流となる。

すなわち、渦流片を円形の液体ノズル４１内の先端部に挿入することにより、出口での液体噴流を旋回させる。この場合、旋回流発生手段４６の捻りピッチ、液体ノズル４１内の液体の流速や流量、さらには蒸気ノズル４２の蒸気の流速や蒸気量を適切に調節することにより、遠心力を生じさせると、作動限界不凝縮ガス濃度は、従来の円形水ノズルの場合よりも上昇する。すなわち、不凝縮ガス濃度が従来より増えても、図８に示したような脈動は生じない。このように、旋回流発生手段４６は平板を捻って形成し、液体ノズル４１の先端部に装着するだけであるので低コストで蒸気インジェクタの作動を安定させることができる。

次に、液体ノズル４１から噴射される液体噴流に旋回流成分Ｂを持たせると、噴射流が安定する理由について説明する。蒸気の分子量は１８である。この水（蒸気）の分子量１８に対して、不凝縮ガスである空気の分子量は平均２９程度である。そこで、液体噴流に旋回成分Ｂを持たせることにより不凝縮ガスに遠心力を与え、この遠心力により蒸気より質量の大きな不凝縮ガスを液体噴流の表面から遠ざける。

図５は、旋回流を有した液体噴流と蒸気との界面での不凝縮ガスの挙動の説明図である。図５に示すように、蒸気と液体噴流４７の界面（凝縮面）４９の近傍には、凝縮液５０、凝縮ガス５１、不凝縮ガス５２が混在するが、液体噴流４７が旋回流成分を有しているので、凝縮ガス５１と不凝縮ガス５２との間に遠心力差を生じさせる。従って、質量が大きい不凝縮ガス５２が凝縮面４９から遠ざけられる。これにより、蒸気への伝熱劣化が緩和され、蒸気が凝縮し易い状態となる。

このように、旋回流発生手段４６を液体ノズル４１に装着して液体ノズル４１から旋回流液体噴流を噴射し、蒸気に含まれる不凝縮ガスを液体噴流から遠ざけるので、蒸気と液体噴流との界面での凝縮伝熱性能を保持することができる。具体的には、図６に示す本発明に係る蒸気インジェクタにおける作動限界不凝縮ガス濃度と旋回流の遠心力との相関のように、旋回流遠心力が重力の２０００倍加わることで、作動限界不凝縮ガス濃度が０．２％程度上昇する。

図６の縦軸は作動限界不凝縮ガス濃度、横軸は旋回流遠心力／重力である。供給液体温度が２１．８〜２４．０℃である場合には、旋回流発生手段４６による旋回流遠心力がないときは作動限界不凝縮ガス濃度は約０．９％であるが、重力比で約１７００倍の旋回流遠心力が加わると約１．１％となる。同様に、供給液体温度が４．９〜７．０℃である場合には、旋回流発生手段４６による旋回流遠心力がないときは作動限界不凝縮ガス濃度は約１．４％であるが、重力比で約１７００倍の旋回流遠心力が加わると約１．６５％となる。

このように、旋回流遠心力を増加させると蒸気インジェクタ４０が停止に至る作動限界不凝縮ガス濃度が大きくなるので、蒸気に含まれる不凝縮ガス濃度が大きくなったときは旋回流発生手段４６で発生する旋回流遠心力を増加させる。そのために、液体供給手段２０から供給する液体流量を増加させる。これにより、蒸気インジェクタ４０が停止に至ることがなくなる。

図７は本発明の実施の形態に係る蒸気インジェクタシステムの運転方法を説明するフロー図である。まず、あらかじめ、供給液体温度を考慮に入れて、作動限界不凝縮ガス濃度に対応する液体流量設定値を記憶する（Ｓ１）。ここでは、図６に示す本発明に係る蒸気インジェクタにおける作動限界不凝縮ガス濃度と旋回流遠心力との相関と、式１に示す旋回流遠心力（rω^２）との関係を用いて、液体流量設定値を求め記憶手段に記憶する。

ここで、ｒは水噴流半径、Ｖは水流速、ｌ／ｎは旋回流発生手段４６の捻りピッチである。すなわち、図６で示す相関関係から必要とする旋回流遠心力を求め、その旋回流遠心力を式１に代入して水流速Ｖを求める。そして、水流速Ｖから、その旋回流遠心力を得るに必要な液体流量を求める。液体流量設定値を求めるにあたっては、作動限界不凝縮ガス濃度に至らないようにある程度の余裕を持って設定することは言うまでもない。

蒸気インジェクタシステムの運転を開始し、蒸気供給手段３０が備える不凝縮ガス濃度検出手段３２により不凝縮ガス濃度を検出するとともに（Ｓ２）、流量計２３により液体流量を測定する（Ｓ３）。そして、現在の液体流量値と不凝縮ガス濃度検出手段３２で検出した不凝縮ガス濃度に応じた液体流量設定値とを比較し（Ｓ４）、液体流量が設定値よりも小さい場合には、液体流量が設定値となるように制御する（Ｓ５）。つまり、液体流量を増加させ、蒸気インジェクタ４０が停止に至ることのないようにする。そして、運転を終了するか否かを判定し（Ｓ６）、運転を終了しない場合にはステップＳ２に戻る。一方、ステップＳ４の判定で液体流量が設定値よりも小さくない場合には、蒸気インジェクタ４０は停止に至ることはないので、液体流量を増加させる制御は不要であるので、ステップＳ６に進み、運転を終了するか否かを判定し（Ｓ６）、運転を終了しない場合にはステップＳ２に戻る。

これにより、蒸気インジェクタシステムの運転中に不凝縮ガス濃度が変動し、凝縮伝熱の劣化により凝縮できない蒸気が発生し脈動を生じても、蒸気インジェクタ４０が停止に至らないように液体流量を制御するので、安定して運転することが可能になる。

以上の説明では、記憶手段２５にあらかじめ液体流量設定値を記憶するようにしたが、蒸気に含まれる不凝縮ガス濃度に応じて、蒸気インジェクタ４０が不動作とならない旋回流の遠心力を得るための情報、例えば、図６に示した作動限界不凝縮ガスと旋回流遠心力／重力との相関関係を記憶しておくようにしてもよい。そして、不凝縮ガス濃度検出手段３２で検出された不凝縮ガス濃度、温度計４０ａで検出された供給液体温度、記憶手段２５に記憶している情報に基づいて流体流量設定値を算出して設定するようにしてもよい。

以上述べたように、本発明の実施の形態によれば、蒸気インジェクタ４０に供給される蒸気の不凝縮ガス濃度に応じて、蒸気インジェクタ４０に液体流量を制御し、旋回流発生手段４６での旋回遠心力を調整するので、不凝縮ガス濃度が変動しても蒸気インジェクタ４０を停止することなく安定して運転できる。

本発明の実施の形態に係わる蒸気インジェクタシステムの構成図。 本発明の実施の形態に係わる蒸気インジェクタの構成図。 本発明の実施の形態における旋回流発生手段の一例を示す斜視図。 本発明の実施の形態における液体ノズルから噴射される液体噴流に含まれる直進成分及び旋回流成分の説明図。 旋回流を有した液体噴流と蒸気との界面での不凝縮ガスの挙動の説明図。 蒸気インジェクタの作動限界不凝縮ガス濃度と旋回流の遠心力の相関図。 本発明に係わる蒸気インジェクタシステムの運転方法の一例を示すフロー図。 従来の蒸気インジェクタの構成及び不凝縮ガス濃度過多により蒸気インジェクタが不動作状態となった場合の説明図。

符号の説明

１０…蒸気インジェクタシステム、２０…液体供給手段、２１…ポンプ、２２…液体タンク、２３…流量計、２４…流量制御手段、２５…記憶手段、３０…蒸気供給手段、３１…ボイラー、３２…不凝縮ガス濃度検出手段、４０…蒸気インジェクタ、４１…液体ノズル４２…蒸気ノズル、４３…混合ノズル、４４…スロート部、４５…ディフューザー、４６…旋回流発生手段、４７…液体噴流、４８…平板、４９…凝縮面、５０…凝縮液、５１…凝縮ガス、５２…不凝縮ガス

Claims (3)

1. 液体を供給する液体供給手段と、蒸気を供給する蒸気供給手段と、前記液体供給手段から供給された液体と前記蒸気供給手段から供給された蒸気との混合流体を噴射する蒸気インジェクタとを備え、前記蒸気インジェクタは、旋回流を発生させる旋回流発生手段を有し前記液体供給手段からの液体を旋回流液体噴流として噴射する液体ノズルと、前記液体ノズルから噴射された旋回流液体噴流の表面に沿って蒸気を噴射する蒸気ノズルと、前記液体ノズルから噴射した旋回流液体噴流と前記蒸気ノズルから噴出した蒸気との混合流体をスロート部からディフューザーに噴射する混合ノズルとを備えた蒸気インジェクタシステムにおいて、前記蒸気供給手段は供給する蒸気に含まれる不凝縮ガスの濃度を検出する不凝縮ガス濃度検出手段を備えるとともに、前記液体供給手段は前記不凝縮ガス濃度検出手段が検出する不凝縮ガス濃度に応じて液体流量を制御する流量制御手段を備えたことを特徴とする蒸気インジェクタシステム。
2. 前記液体供給手段は、蒸気中の不凝縮ガス濃度に応じた液体流量設定値、あるいは蒸気に含まれる不凝縮ガス濃度に応じて、蒸気インジェクタが不動作とならない旋回流の遠心力を得るための情報を記憶する記憶手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気インジェクタシステム。
3. 液体を供給する液体供給手段と、蒸気を供給する蒸気供給手段と、前記液体供給手段から供給された液体と前記蒸気供給手段から供給された蒸気との混合流体を噴射する蒸気インジェクタとを備え、前記蒸気インジェクタは、液体に旋回流を発生させる旋回流発生手段を有し旋回流液体噴流を噴射する液体ノズルと、前記液体ノズルから噴射された旋回流液体噴流の表面に沿って前記蒸気を噴射する蒸気ノズルと、前記液体ノズルから噴射した旋回流液体噴流と前記蒸気ノズルから噴出した蒸気との混合流体をスロート部からディフューザーに噴射する混合ノズルとを備えた蒸気インジェクタシステムの運転方法において、あらかじめ蒸気中の不凝縮ガス濃度に応じた液体流量設定値を記憶する手順と、前記蒸気中の不凝縮ガス濃度を検出する手順と、検出された不凝縮ガス濃度及び前記不凝縮ガス濃度に応じた液体流量設定値に基づいて、液体の流量を制御する手順とを備えたことを特徴とする蒸気インジェクタシステムの運転方法。
   

Images