JP5361079B2 - 水素冷却装置の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、汽力発電プラントに備えられる発電機内に封入された水素ガスを冷却する水素冷却装置の冷却方法に関する。

一般的に、発電所に備えられる発電機には冷却媒体に水素ガスが使用され、温度の上昇した水素ガスを冷却するため水素冷却器が使用される。水素冷却器は隔壁式熱交換器であり、冷却媒体として軸冷系統から軸冷水（冷却水）が送られる。軸冷系統は、所内冷却水系統又は所内冷却水供給システムとも呼ばれ、水素冷却器の他、励磁機、固定子冷却水装置、タービン油冷却器、ボイラ・タービン補機などに軸冷水を送る。以降、軸冷水を冷却水と記す場合もある。一般的な軸冷系統は、軸受冷却水ポンプ、軸受冷却水冷却器が組み込まれた軸冷水が循環する循環路を備え、軸受冷却水ポンプの吐出側から水素冷却器等に軸冷水を送り、温度の高くなった戻り軸冷水を軸受冷却水冷却器で冷却する。軸受冷却水冷却器の冷却媒体には海水が使用される。軸冷系統は、温度の高くなった戻り軸冷水の熱を有効に利用するため、復水熱交換器と接続し戻り軸冷水は復水と熱交換する。

上記軸冷系統では、夏季に復水の温度が戻り軸冷水の温度を上回ることがある。このときには、戻り軸冷水は復水熱交換器をバイパスさせて運転される。このようなシステムは、戻り軸冷水の有する熱エネルギーを十分に有効利用しているとは言い難い。このような問題を解決するため戻り軸冷水を、常時復水の温度よりも高い系統、常時復水の温度よりも低い系統、外気温によって復水の温度に対し上下する系統に分類し、常時復水の温度よりも高い戻り冷却水系統は、復水熱交換器と接続し、常時復水の温度よりも低い戻り冷却水系統は、復水熱交換器をバイパスさせ、外気温によって復水の温度に対し上下する系統は、復水温度を下回るとき復水熱交換器をバイパスさせるシステムが提案されている（例えば特許文献１参照）。同様に上記問題を解決するため、温度の高い戻り軸冷水のみが復水熱交換器に送られるように制御されたバイパス通路が設けられた軸冷系統が提案されている（例えば特許文献２参照）。また軸冷系統から水素冷却器等に軸冷水を送り冷却するシステムでは、戻り軸冷水の保有する熱は、海水に奪われ無駄に放熱されるとし、復水で水素冷却器等を冷却する方法が提案されている（例えば特許文献３参照）。

特開２００７−２４００４９号公報 特開２００８−２６１３１６号公報 特開２００４−３６５３５号公報

特許文献３に記載のように復水を水素冷却器等の冷却媒体とし、水素ガス等と熱交換した復水を復水系統に戻す方法は、水素冷却器等を十分に冷却できるのであれば、水素ガス等が保有する熱の回収にもつながり好ましい方法と言える。特許文献３には、復水は、十分な冷却能力を有するので、水素冷却器等の冷却機能を損なうことはないとあるが、実際には復水の冷却能力は、外気温に大きく依存する。外気温の低いときには、復水を冷却媒体として使用しても水素冷却器等の性能を損なうことはないが、夏季等で外気温の高いときは、海水温度も上昇し、結果、復水温度も上昇するため必ずしも水素冷却器等を十分に冷却することができるとは言えない。軸冷系統から軸冷水が送られる冷却器等のうち、水素冷却器は負荷が大きいので、水素冷却器を適切に冷却し、かつ熱回収することは他の冷却器等を冷却し、かつ熱回収することに比べ効果が大きい。

本発明の目的は、汽力発電プラントに備えられる発電機内に封入された水素ガスを十分に冷却すると共に水素ガスが保有する熱を回収し、汽力発電プラントの運転に有効利用できる水素冷却装置の冷却方法を提供することである。

本発明は、汽力発電プラントに備えられる発電機内に封入された水素ガスを冷却する水素冷却装置の冷却方法であって、前記水素冷却装置は、復水を冷却媒体とし水素ガスを冷却する第１水素冷却器と、前記第１水素冷却器で冷却された水素ガスをさらに冷却する、軸冷系統の軸冷水を冷却媒体とする第２水素冷却器と、を備え、前記汽力発電プラントは、タービンの排気蒸気を冷却し復水にする復水器、前記復水器の出口部に設けられた復水ポンプを備え、復水を給水加熱器に送る復水系統と、軸受冷却水ポンプを通じて補機、冷却器に軸冷水を送り、温度の高くなった戻り軸冷水を軸受冷却水冷却器で冷却する、軸冷水を循環使用する軸冷系統と、を備え、前記第１水素冷却器に冷却媒体として前記復水ポンプの出口部から復水を送り、水素ガスと熱交換した復水を前記復水系統に戻し、前記第２水素冷却器に冷却媒体として前記軸冷系統の軸冷水を送り、水素ガスと熱交換した軸冷水を前記軸冷系統に戻すことを特徴とする水素冷却装置の冷却方法である。

また本発明は、前記水素冷却装置の冷却方法において、前記復水系統は、前記復水ポンプの出口部に前記軸冷系統の温度の高くなった戻り軸冷水と復水とを熱交換可能な復水熱交換器を備え、戻り軸冷水で復水を加熱し、前記第１水素冷却器には、前記復水ポンプの出口部でかつ前記復水熱交換器の上流側から復水を送ることを特徴とする。

また本発明は、前記水素冷却装置の冷却方法において、前記第１水素冷却器で冷却された水素ガスが規定温度であるときは、前記第２水素冷却器に冷却媒体を送らないことを特徴とする。

また本発明は、汽力発電プラントに備えられる発電機内に封入された水素ガスを冷却する水素冷却器を備える水素冷却装置の冷却方法であって、復水の温度に応じて復水に封水を添加し復水を所定温度まで低下させ、該復水を冷却媒体として前記水素冷却器に送り、水素ガスと熱交換した復水を復水系統に戻すことを特徴とする水素冷却装置の冷却方法である。

本発明の水素冷却装置の冷却方法は、第１水素冷却器に冷却媒体として復水ポンプの出口部から復水を送り、水素ガスと熱交換した復水を復水系統に戻すので復水系統の温度が上昇する。この結果、給水加熱器の負荷が低減し、汽力発電プラントのエネルギー効率が高まる。また第２水素冷却器に冷却媒体として送る軸冷系統の軸冷水は、夏季においても低い温度に調整されているので、夏季でも水素ガスを十分に冷却することができる。復水系統及び軸冷系統とも汽力発電プラントの標準的な設備であり、また本冷却方法における復水及び軸冷系統の軸冷水の使用方法も特殊なものではなく、本発明の水素冷却装置の冷却方法は、適用しやすい実用的な方法と言える。

また本発明によれば復水系統は、復水ポンプの出口部に軸冷系統の温度の高くなった戻り軸冷水と復水とを熱交換可能な復水熱交換器を備えるので、戻り軸冷水の温度が復水の温度を上回るときは、戻り軸冷水で復水を加熱することができる。これにより水素ガスが保有する熱をより有効に利用することができる。

また本発明によれば第１水素冷却器で冷却された水素ガスが規定温度であるときは、第２水素冷却器には冷却媒体を送らないので、軸冷系統の負荷が低減し、軸冷系統のランニングコストを低減できる。

また本発明の水素冷却装置の冷却方法は、復水の温度に応じて復水に封水を添加し復水を所定温度まで低下させ、所定温度の復水を冷却媒体として水素冷却器に送り、水素ガスと熱交換した復水を復水系統に戻すので、水素ガスを十分に冷却すると共に水素ガスが保有する熱を回収し汽力発電プラントの運転に有効利用することができる。

本発明の第１実施形態としての水素冷却装置の概略的構成を示す構成図である。 図１の水素冷却装置の冷却媒体の系統図である。 本発明の第２実施形態としての水素冷却装置の冷却媒体の系統図である。

図１は、本発明の第１実施形態としての水素冷却装置１の概略的構成を示す構成図である。図２は、水素冷却装置１の冷却媒体の系統図である。

水素冷却装置１は、汽力発電プラントに備えられる発電機１５内に封入された水素ガスを冷却する装置であり、２つの水素冷却器を有する。第１水素冷却器２は、汽力発電プラントの復水系統２０の復水を冷却媒体とし、発電機１５内に封入された水素ガスを冷却する。一方、第２水素冷却器３は、汽力発電プラントの軸冷系統４０の軸冷水（冷却水）を冷却媒体とし、第１水素冷却器２で冷却された水素ガスをさらに冷却する。第２水素冷却器３で冷却された水素ガスは、発電機１５内に送出される。第１水素冷却器２及び第２水素冷却器３とも公知の隔壁式熱交換器であり、第１水素冷却器２と第２水素冷却器３とは、水素ガスが流通する水素ガス送出管４で結ばれている。

第１水素冷却器２には、汽力発電プラントの復水系統２０の復水が冷却媒体として送られる。汽力発電プラントの復水系統２０は、蒸気タービンの排気蒸気を凝縮させ復水にする復水器２１、復水を圧送する復水ポンプ２２、水中の塩類を除去する脱塩装置２３、復水昇圧ポンプ２４、復水昇圧ポンプ２４から送られる復水と軸冷系統４０の軸冷水とを熱交換させ、軸冷水から熱回収する復水熱交換器２５及びこれらを送水可能に結ぶ復水管２６、２７、２８、２９、３０を含み構成され、復水を給水加熱器に送る。

復水ポンプ２２と脱塩装置２３とを結ぶ復水管２７の途中には、流量調整が可能な三方弁３１が取付けられている。三方弁３１の一方の出口部は、復水送水管３２を通じて第１水素冷却器２の冷却媒体入口部と結ばれ、第１水素冷却器２の冷却媒体出口部は、復水返送管３３を通じて脱塩装置２３の入口部と接続する復水管２７につながる。

三方弁３１の制御は、温度調節計５が行う。水素ガス送出管４には第１水素冷却器２出口部の水素温度を検出する温度検出器６が装着されており、温度調節計５は、第１水素冷却器２出口部の水素ガス温度が所定の温度となるように、三方弁３１を介して第１水素冷却器２に送る復水の量を調整する。

第２水素冷却器３には、汽力発電プラントの軸冷系統４０の軸冷水が冷却媒体として送られる。汽力発電プラントの軸冷系統４０は、軸受冷却水ポンプ４１、軸受冷却水冷却器４２及びこれらの間を結び軸冷水を循環させる管路を含み、循環路が形成され、冷却水は循環使用される。

軸受冷却水ポンプ４１から送出された戻り軸冷水は、送水管４３を通じて軸受冷却水冷却器４２に送られ、ここで冷却され温度を低下させた後、送水管４４を通じてタービン油冷却器７１に送られる。タービン油冷却器７１で潤滑油を冷却し温度を上昇させた戻り軸冷水は、途中に三方弁４６が設けられた返送管４５を通じて、復水熱交換器２５又は復水熱交換器２５をバイパスするバイパス管４７を通じて軸受冷却水ポンプ４１に送られる。三方弁４６は、流路切替器４８の指令により戻り軸冷水を復水熱交換器２５又はバイパス管４７に送る。三方弁４６の上流側の返送管４５には戻り軸冷水温度を検出する温度検出器４９が、復水系統１０の復水管２９には、復水温度を検出する温度検出器３５が設けられ、流路切替器４８は、この２つの温度を比較し、戻り軸冷水温度が復水温度を上回るときのみ復水熱交換器２５に戻り軸冷水を送るように三方弁４６に指令を送る。復水熱交換器２５で復水と熱交換した戻り軸冷水は、返送管５０を通じて軸受冷却水ポンプ４１に送られる。軸受冷却水冷却器４２には、冷却媒体として海水が使用され、軸冷水は、年間を通じて３０℃程度に維持されている。

また軸冷水は、送水管４４に接続する送水管５１を通じて給水ポンプ、通風機などのボイラ・タービン補機７２に送られ、軸受部を冷却し温度を上昇させた戻り軸冷水は、返送管５２を通じて返送管４５に合流し、他の戻り軸冷水といっしょになる。なお、図示を省略したが、軸冷系統４０の冷却水は、タービン油冷却器７１と同様の要領で、図示を省略した交流励磁器冷却器、固定子冷却水装置、離相母線冷却器を冷却する。

送水管４４には、軸冷水を第２水素冷却器３に送る送水管５３が設けられ、送水管５３は第２水素冷却器３の冷却媒体入口部と接続する。第２水素冷却器３の冷却媒体出口部には、軸冷水を軸冷系統４０に戻すための返送管５４が接続し、返送管５４は、返送管４５に接続する。送水管５３の途中には、流量調整弁５５が取付けられている。

流量調整弁５５の制御は、温度調節計７が行う。第２水素冷却器３の出口部には水素ガス温度を検出する温度検出器８が装着されており、温度調節計７は、温度検出器８と接続すると共に、温度調節計５とも接続する。温度調節計５から送られる第１水素冷却器２出口部の水素ガス温度が規定温度まで冷却されていれば、さらに水素ガスを冷却する必要がないので、温度調節計７は、流量調整弁５５を閉止させ、第２水素冷却器３には軸冷水を送らない。一方、温度調節計７は、温度調節計５から送られる第１水素冷却器２出口部の水素ガス温度が規定温度を上回るときは、第２水素冷却器３出口部の水素ガスが規定温度となるように、流量調整弁５５を調整して第２水素冷却器３に送る軸冷水の量を調整する。ここで規定温度は、発電機１５が要求する水素ガス温度である。

上記のように構成される水素冷却装置１は、復水を冷却媒体とし水素ガスを冷却する第１水素冷却器２の他、第１水素冷却器２で冷却された水素ガスを冷却する、軸冷系統の軸冷水を冷却媒体とする第２水素冷却器３を備えるので、外気温の影響で復水の温度が高い場合でも水素ガスを十分に冷却することができる。水素冷却装置１は、温度の高い水素ガスを復水で冷却し、水素ガスと熱交換した復水を復水系統２０に戻すので、水素ガスから十分に熱回収を行うことができる。また第２水素冷却器３は、復水で冷却され温度の低下した水素ガスを冷却するので負荷は小さい。また第１水素冷却器２で水素ガスが規定温度まで冷却されれば、第２水素冷却器３に冷却媒体は送らないので、軸受冷却水ポンプ４１の吐出量が低下し、ランニングコストを低減できる。温度の異なる２つの冷却媒体を使用することで、効率的に水素ガスを冷却しかつ熱回収を行うことができる。

復水系統２０及び軸冷系統４０とも汽力発電プラントの標準的な設備であり、本実施形態に示す第１水素冷却器２への復水及び第２水素冷却器３への軸冷水の供給方法も簡単であり適用しやすい実用的な方法と言える。また軸冷系統４０の戻り軸冷水が復水の温度を上回るときは、復水熱交換器２５を介して戻り軸冷水で復水を加熱することもできるので、汽力発電プラントのエネルギー効率をより高めることができる。なお、常時、軸冷系統４０の戻り軸冷水の温度が復水の温度を下回るときは、復水熱交換器２５を設ける必要はない。

図３は、本発明の第２実施形態としての水素冷却装置１１の冷却媒体の系統図である。第１実施形態に示す水素冷却装置１及び冷却媒体の系統と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

水素冷却装置１１は、汽力発電プラントに備えられる発電機１５内に封入された水素ガスを冷却する装置であり、１つの水素冷却器１２を備える従来から使用されている水素冷却装置１１である。この水素冷却器１２も隔壁式熱交換器であり、冷却媒体に復水系統２０の復水を使用する点では、第１実施形態に示す水素冷却装置１と共通する。第１実施形態に示す水素冷却装置１では、復水の温度が上昇し、復水のみでは水素ガスを十分に冷却することができない場合であっても、水素ガスを規定温度に冷却するために復水で冷却した水素ガスをさらに軸冷系統４０の軸冷水で冷却するため２つの水素冷却器を備える。これに対し、本実施形態に示す水素冷却装置１１では、水素冷却器１２は１つであり、外気温が上昇した場合でも、復水のみで水素ガスを規定温度に冷却するために水素冷却器１２に送る復水を冷却するシステムを採用する。

汽力発電プラントは、復水器２１に復水を供給し又は復水系統２０の余剰の復水を貯留する復水タンク６０を備える。復水タンク６０に貯留される復水は、ボイラ給水ポンプ（図示を省略）の軸受の封水としても使用される。このため封水を供給する封水ポンプ６１及び封水供給管６２が設けられている。本実施形態では、この復水タンク６０に貯留されている復水（封水）を利用して水素冷却器１２に送る復水を冷却する。復水送水管３２の途中には混合器３６が設けられ、さらにこの混合器３６に封水を供給する、封水供給管６２と連絡する封水送水管６３が設けられている。この封水送水管６３には、流量調整弁６４が設けられ、この流量調整弁６４の制御は、流量調節計３７が行う。混合器３６出口部の復水送水管３２には、復水の温度を検出する温度検出器３８及び流量検出器３９が装着されており、流量調節計３７は、流量検出器３９からの信号により復水送水管３２に復水が流れていることを検知すると、混合器３６出口部の復水温度が所定の温度となるように、流量調整弁６４を介して混合器３６に送る封水の量を調整する。復水送水管３２に復水が送られていないときは、封水は供給しない。

復水タンク６０に貯留される復水は、復水器２１に比べ温度が低いので、復水系統２０から送られる復水に復水タンク６０に貯留される復水を加えることで温度を低下させることができる。なお、汽力発電プラントが起動中は、封水ポンプ６１からボイラ給水ポンプに封水は供給されないので、封水を復水系統２０の復水の冷却に使用しても汽力発電プラントの運転に支障はない。

上記のように第２実施形態に示す水素冷却装置１１では、復水の温度に応じて復水に封水を添加し復水を所定の温度まで低下させ、所定温度の復水を冷却媒体として水素冷却器１２に送るので、復水のみを冷却媒体としながら水素ガスを十分に冷却することができる。また水素ガスと熱交換した復水を復水系統に戻すので水素ガスが保有する熱を回収し汽力発電プラントの運転に有効利用することができる。

上記実施形態に示すように本発明に係る水素冷却装置及びその冷却方法は、復水を冷却媒体とし、水素ガスと熱交換した復水を復水系統に戻すので水素ガスが保有する熱を回収することができる。また軸冷系統の軸冷水（冷却水）又は封水を使用し水素ガスを冷却可能に構成されているので、外気温の影響で復水系統の復水の温度が高い場合であっても水素ガスを十分に冷却することができる。また本発明に係る水素冷却装置への冷却媒体の供給は、汽力発電プラントの既設の設備を利用して行うことができるので、汽力発電プラントへの適用も容易である。なお、本発明に係る水素冷却装置及びその冷却方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で変更して使用することができる。例えば、三方弁３１は、復水送水管３２に代え復水返送管３３と接続するように設けてもよく、第２実施形態において、第１実施形態と同様に、復水熱交換器２５を設け、戻り軸冷水と復水とを熱交換させるようにしてもよい。

１ 水素冷却装置
２ 第１水素冷却器
３ 第２水素冷却器
４ 水素送出管
５ 温度調節計
６ 温度検出器
７ 温度調節計
８ 温度検出器
１１ 水素冷却装置
１２ 水素冷却器
１５ 発電機
２０ 復水系統
２１ 復水器
２２ 復水ポンプ
２５ 復水熱交換器
３１ 三方弁
３２ 復水送水管
３３ 復水返送管
３７ 流量調節計
３８ 温度検出器
３９ 流量検出器
４０ 軸冷系統
４１ 軸受冷却水ポンプ
４２ 軸受冷却水冷却器
５３ 送水管
５４ 返送管
５５ 流量調整弁
６０ 復水タンク
６３ 封水送水管
６４ 流量調整弁
７１ タービン油冷却器
７２ ボイラ・タービン補機

Claims (4)

1. 汽力発電プラントに備えられる発電機内に封入された水素ガスを冷却する水素冷却装置の冷却方法であって、
   前記水素冷却装置は、復水を冷却媒体とし水素ガスを冷却する第１水素冷却器と、
   前記第１水素冷却器で冷却された水素ガスをさらに冷却する、軸冷系統の軸冷水を冷却媒体とする第２水素冷却器と、を備え、
   前記汽力発電プラントは、タービンの排気蒸気を冷却し復水にする復水器、前記復水器の出口部に設けられた復水ポンプを備え、復水を給水加熱器に送る復水系統と、
   軸受冷却水ポンプを通じて補機、冷却器に軸冷水を送り、温度の高くなった戻り軸冷水を軸受冷却水冷却器で冷却する、軸冷水を循環使用する軸冷系統と、を備え
   前記第１水素冷却器に冷却媒体として前記復水ポンプの出口部から復水を送り、水素ガスと熱交換した復水を前記復水系統に戻し、
   前記第２水素冷却器に冷却媒体として前記軸冷系統の軸冷水を送り、水素ガスと熱交換した軸冷水を前記軸冷系統に戻すことを特徴とする水素冷却装置の冷却方法。
2. 前記復水系統は、前記復水ポンプの出口部に前記軸冷系統の温度の高くなった戻り軸冷水と復水とを熱交換可能な復水熱交換器を備え、戻り軸冷水で復水を加熱し、
   前記第１水素冷却器には、前記復水ポンプの出口部でかつ前記復水熱交換器の上流側から復水を送ることを特徴とする請求項１に記載の水素冷却装置の冷却方法。
3. 前記第１水素冷却器で冷却された水素ガスが規定温度であるときは、前記第２水素冷却器に冷却媒体を送らないことを特徴とする請求項１又は２に記載の水素冷却装置の冷却方法。
4. 汽力発電プラントに備えられる発電機内に封入された水素ガスを冷却する水素冷却器を備える水素冷却装置の冷却方法であって、
   復水の温度に応じて復水に封水を添加し復水を所定温度まで低下させ、該復水を冷却媒体として前記水素冷却器に送り、水素ガスと熱交換した復水を復水系統に戻すことを特徴とする水素冷却装置の冷却方法。

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