JP5404175B2 - 直接接触式復水器 - Google Patents

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Description

本発明は,直接接触式復水器に関する。
地熱発電等に直接接触式復水器が用いられる。従来の直接接触式復水器には,トレー式とスプレー式があり,スプレー式はスプレーコンデンサと呼ばれている。これらの方式ではいずれも,タービン排気蒸気と冷却水を直接接触させて蒸気を凝縮するため,冷却水が蒸気に接触する面積をいかに増大するかが性能上重要である。トレー式では,多孔板トレーから落下する冷却水にタービン排気蒸気を直交して流動せしめ,その動圧を利用して冷却水を微粒化する。またスプレー式では,スプレーノズルを介して冷却水を空間に放出するとともに微粒化する。スプレー式では,水の微粒化のためにタービン排気蒸気の流速を必要としないので,復水器内での蒸気の流動損失を低く抑えることができる。
また,直接接触式復水器は,器内で大量の冷却水を処理することから,いわゆるウオーターインダクション(何らかの原因で,復水器に溜まった冷却水が蒸気タービン側へ逆流し,高速回転中の羽根車が損傷すること)が発生しないようにする必要がある。このために,蒸気タービン排気管を上方へ配管し,復水器上部から排気蒸気を復水器に導入する方式をとってきた。このような場合,蒸気タービン上部空間を高くしたり,または蒸気タービンの設置高さを高くしたり,復水器設置位置での掘り込みを大きくして下部に設置するなどの配慮が必要となり,機器のみならず,建設コストに与える影響も大きかった。
なお,直接接触式復水器に関する技術が公開されている(特許文献1,2,非特許文献1,2参照)。
特開2000−130962号公報 特開2007−23962号公報
相川,福田,田原 「地熱発電プラントの最近の実績」 三菱重工技報 Vol.15 No.2 1978−3 高橋,曽田,相川,田原「混合式復水器の基礎研究」三菱重工技報 Vol.1 No.1 1972
地熱発電所は,地中から取り出した蒸気を利用し,復水器圧力までの差圧から決定される熱落差を蒸気タービンの駆動力として発電する。地中から取り出す際の蒸気圧力は,その地点によって異なるが,一般的には5〜8kg・f/cm程度で,一般火力発電所の主蒸気圧力に比べてかなり低い。また,地熱発電所は一般的に,冷却水源に乏しい地域に設置されるので冷却水は,凝縮した蒸気を再利用する方式が採用される。従って,海水や河川水に比べると温度も高くなる場合が多い。そして復水器は,直接接触式を採用しても,蒸気と冷却水の混合した後の水の温度の飽和庄力よりも圧力を下げることは出来ない為,蒸気タービンから復水器までの蒸気の流動損失を低減することが重要である。そのための効果的な方法として,蒸気タービンの排気方向を,羽根車を通過する蒸気と同様にタービンの軸方向にする軸流排気式がある。
一方,復水器は「背景技術」の欄で説明したとおり,一般的には排気蒸気を機器上方から下方に流動せしめて導入する,いわゆるダウンフロー型となっている。その場合には,排気管内に流動方向を下方に変更する為のベンドが必要となり,ここで流動損失が生じる事になりまた,復水器の設置高さを下げる為の掘り込みが大きくなり建設コストへの影響も大きくなる。
本発明は,排気蒸気の流動方向の変更に起因する流動損失の低減を図った直接接触式復水器を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る直接接触式復水器は,蒸気冷却室と,前記蒸気冷却室内に,水蒸気と不凝縮ガスとを含むタービン排気ガスを水平方向に導入する導入部と,前記蒸気冷却室内に配置され,前記タービン排気ガスの導入方向に沿う複数のスプレー管に接続されて,前記タービン排気ガスに冷却水を噴霧する複数の第1のスプレーノズルと,前記蒸気冷却室の下部に配置され,前記冷却水の噴霧によって,前記水蒸気から凝縮された凝縮水を蓄積する蓄水部と,を具備する。
本発明によれば,排気蒸気の流動方向の変更に起因する流動損失の低減を図った直接接触式復水器を提供できる。
本発明の第1実施形態に係るスプレーコンデンサ100の外観を表す斜視図である。 本発明の第1実施形態に係るスプレーコンデンサ100の外観を表す側面図である。 本発明の第1実施形態に係るスプレーコンデンサ100の内部を表す側面図である。 本発明の第1実施形態に係るスプレーコンデンサ100の内部を正面から見た状態を表す正面図である。 本発明の第2実施形態に係るスプレーコンデンサ200の内部を表す側面図である。 本発明の第2実施形態に係るスプレーコンデンサ200の断面を表す断面図である。
以下,図面を参照して,本発明の実施の形態を詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1〜図4を参照して,本発明の第1の実施の形態に係るスプレーコンデンサ100を説明する。図1は,スプレーコンデンサ100の外観を表す斜視図である。図2は,スプレーコンデンサ100の外観を表す側面図である。図3は,スプレーコンデンサ100の内部を表す側面図である。図4は,スプレーコンデンサ100の内部を表す正面図である。
スプレーコンデンサ100は,例えば,地熱発電所の蒸気タービン(地熱蒸気タービン)から排気される排気ガス(タービン排気ガス)中の蒸気(タービン排気蒸気)を冷却し凝縮(復水)する直接接触式復水器である。タービン排気ガスは,蒸気および不凝縮(NC)ガスを含む。不凝縮ガスは,冷却水で冷却しても凝縮しないガス,例えば,炭酸ガス(CO),硫化水素ガス(HS)である。
スプレーコンデンサ100は,本体胴101,タービン排気蒸気入口座102,冷却水入口座103,ガス出口座104,ホットウエル出口箱105,凝縮水出口座106,スプレー管111を有する。
本体胴101は,スプレーコンデンサ100の主要部を構成し,外形形状が箱型の容器である。本体胴101の内部空間は,蒸気冷却室101A,ホットウエル101B,冷却水室101C,ガス冷却室101Dに区分することができる。なお,これらの詳細は後述する。
タービン排気ガス入口座102は,蒸気冷却室101Aにタービン排気ガスを導入する部材であり,蒸気冷却室101Aの紙面左横側に配置される。タービン排気ガス入口座102は,その左横端に配置される開口部102Aからタービン排気ガスを蒸気冷却室101Aに水平方向に導入することができる。タービン排気ガス入口座102は,全体として4角錐台形状(側面が台形)で,開口部102Aに向かって断面積が小さくなる。開口部102Aは矩形または円形の開口を有する。開口が円形の場合,開口部102Aは,円形の開口を有する矩形の板を備える。タービン排気ガス入口座102は,蒸気冷却室内にタービン排気ガスを水平方向に導入する導入部として機能する。
蒸気冷却室101Aは,タービン排気ガス中の蒸気(タービン排気蒸気)を冷却するための空間を保持する。蒸気冷却室101Aの上部は平板状である。後述のように,蒸気冷却室101A内のタービン排気蒸気に冷却水が噴霧され,タービン排気蒸気が直接的に冷却されて,凝縮水(タービン排気蒸気の復水)が発生する。
ホットウエル101Bは,蒸気冷却室101Aの下側に配置され(本体胴101の下部),蒸気冷却室101Aで発生した凝縮水および使用済みの冷却水を蓄積する。図1〜図4に示すように,本実施形態では,ホットウエル101Bは,矩形の断面を有し,その内部に凝縮水を多量に蓄積可能である。但し,ホットウエル101Bの上部を半円形断面とすることも可能である。ホットウエル101Bは,平板状の底板120を有する。ホットウエル101Bは,冷却水の噴霧によって,前記水蒸気から凝縮された凝縮水を蓄積する蓄水部として機能する。
ホットウエル101Bの底板120の下部に,断面が円形又は矩形のホットウエル出口箱105が取り付けられている。ホットウエル出口箱105の横又は下部に凝縮水出口座106が取り付けられ,凝縮水の排出が可能となる。
冷却水入口座103は,スプレーコンデンサ100に冷却水を導入するためのものであり,本体胴101の右横壁面(タービン排気ガス入口座102と反対側)のほぼ中央に取り付けられ,冷却水室101Cに接続される。
冷却水室101Cは,冷却水入口座103から流入した冷却水が通過し,スプレー管111に分配するための空間であり,冷却水入口座103の取り付けられた壁面の下部(ホットウエル101B)を残したほぼ全面に配置される。冷却水室101Cは水室仕切板115と水室仕切板底板116によって,本体胴101内の他の空間(蒸気冷却室101A,ホットウエル101B,ガス冷却室101D)と仕切られる。
水室仕切板115に多数のスプレー管開口部117が等間隔に設けられる。スプレー管開口部117それぞれに,スプレー管111が水平方向に取り付けられる。スプレー管111は,スプレーノズル111に冷却水を供給する配管であり,ガス冷却室101Dを貫通し,タービン排気ガス入口座102の方向に真っ直ぐに延設される。この結果,スプレー管111は蒸気冷却室101A内に水平に多数配置される。スプレー管111の軸方向が水平なのは,タービン排気ガスの流入方向と対応させ,その流入損失を低減するためである。なお,スプレー管111の他端は閉止される。
それぞれのスプレー管111に多数のスプレーノズル(噴霧器)121が取り付けられる。スプレーノズル121は相互に半ピッチずつずらして取り付けられる。スプレーノズル121は,基本的には水平方向(タービン排気ガスの流入方向の略垂直)に取り付けられる。上下方向のスプレーノズル121が無くても,重力により,上下方向に冷却水が噴霧されることになる。但し,最上部のスプレー管111のみ上部にもスプレーノズル121が取り付けられる。最上部のスプレー管111の上方に冷却水を噴霧するためである。
ガス冷却室101Dの内部のスプレー管111にもスプレーノズル121が取り付けられる。タービン排気ガス(残留する水蒸気,不凝縮ガス)を冷却するためである。
スプレー管111の中間位置の1箇所または数箇所に,スプレー管補強部材113,114A,114Bが配置され,スプレー管111の水平方向及び横方向の重量や荷重を支えている。これらのスプレー管補強部材113,114A,114Bは相互に接続され,最終的には本体胴101の両側の上下左右の板に固着される。本体胴101の外圧荷重や,スプレー管111とその内部にある冷却水の重量を支えるためである。
蒸気冷却室101Aの内部に,その内部空間を上下に分離するように(蒸気冷却室101Aの上部,下部),内部仕切板112が取り付けられる。内部仕切板112は,スプレー管111を上下2組み(上部スプレー管,下部スプレー管)に区分し,下部スプレー管を覆う。内部仕切板112の一端はガス冷却室囲い板118と水室仕切板115に接続され,他端は開放されている。内部仕切板112の両側の垂直部分(側板)は本体胴101の側板と適度な隙間Gを有するように配置される。蒸気冷却室101Aの上部で発生した凝縮水および噴霧された冷却水をホットウエル101Bに導くためである。
ガス冷却室101Dは,蒸気冷却室101Aで冷却されたタービン排気ガス,特に,不凝縮ガスを冷却するための空間であり,ガス冷却室囲い板118,ガス冷却室側板119,ガス冷却室底板119Aによって,蒸気冷却室101Aおよびガス冷却室101Dと分画される(図4では,他の部材との識別の容易のため,ガス冷却室側板119を破線で示している)。
ガス冷却室囲い板118は,水室仕切板115と平行に取り付けられ,スプレー管111が貫通する。既述のように,ガス冷却室101Dの内部のスプレー管111(ガス冷却室101Dを貫通するスプレー管111)にスプレーノズル121が取り付けられ,タービン排気ガス(残留する水蒸気,不凝縮ガス)を冷却するための冷却水を噴霧する。
ガス冷却室側板119は,ガス冷却室囲い板118の両側に取り付けられ,図4に示されるように,本体胴101の上部板まで延設される。このガス冷却室側板119に,上側,下側,2つの開口部(ガス冷却室入口110)が設けられる。蒸気冷却室101Aからガス冷却室101Dにタービン排気ガス,特に,不凝縮ガスを導入するためである。上側,下側のガス冷却室入口110はそれぞれ,内部仕切板112の上部空間および内部空間に開口する。蒸気冷却室101Aの上部,下部それぞれからタービン排気ガスを効率的に取り入れるためである。
本体胴101の右横壁面(タービン排気ガス入口座102と反対側)の上部にガス出口座104が取り付けられている。このガス出口座104はガス冷却室101Dに連通する。ガス出口座104に,図示しない真空ポンプまたは空気エジェクタ一が接続され,蒸気冷却室101Aで復水処理された残りのタービン排気ガスがガス冷却室101Dで冷却された後に排出される。
(スプレーコンデンサ100の動作)
以下,スプレーコンデンサ100の動作を説明する。
ガス出口座104に連接する真空ポンプまたは空気エジェクタ一によって,スプレーコンデンサ100内の空気が排出され,スプレーコンデンサ100内の圧力が低下し,大気圧力以下となる。
この大気圧力との差庄により,図示しない冷却塔などの冷却水供給装置からの冷却水が冷却水入口座103からスプレーコンデンサ100内に流入する。冷却水入口座103から流入した冷却水は,冷却水室101C,スプレー管111を経由し,スプレーノズル121から水滴粒子となって蒸気冷却室101A内に噴出(噴霧)する。噴出した冷却水は重力によって落下する事になるが,下方になるに従って上方からの冷却水が落下するので,空間に占める冷却水の密度が高くなる。
蒸気冷却室101Aの上部に噴出した冷却水は中間位置にある内部仕切板112上に落下し,更に両側に分かれて本体胴101との隙間Gを落下し,ホットウエル101Bに落下して溜まる。
また,蒸気冷却室101Aの下部のスプレー管111,スプレーノズル121から噴出された冷却水は,内部仕切板112により上方からの冷却水と混合することがないので,この空間(蒸気冷却室101Aの下部)では上方の空間(蒸気冷却室101Aの上部)とほぼ同じ条件で凝縮伝熱が進行することになる。
ホットウエル101Bに落下して溜まった水は凝縮水出口座106から,図示しないホットウエルポンプによってくみ出され,水位制御装置によりホットウエル101Bの水位が一定になるように制御される。
タービン排気ガスは,タービン排気ガス入口座102からスプレー管111の長手方向奥へと流入する。この間に,タービン排気ガスは,スプレーノズル121から噴出し,微粒化された冷却水によって冷却凝縮される。この結果,タービン排気ガス入口座102からスプレー管111の長手方向奥に行くに従って,タービン排気ガス中の蒸気の凝縮が進行し,タービン排気ガス中の不凝縮ガス濃度が高くなる。即ち,スプレー管111の長手方向に不凝縮ガスの濃度分布が生じる。
凝縮が進行したタービン排気ガスは,ガス冷却室入口110を経由して,蒸気冷却室101Aからガス冷却室101Dに流入し,その内部に設置されたスプレーノズル121により噴射された冷却水によって随伴する蒸気が凝縮し,不凝縮ガス濃度が上がってガス出口座104から図示されていない真空ポンプ(又は空気エジェクター)によって系外に排出される。
(スプレーコンデンサ100の利点)
スプレーコンデンサ100は,以下の利点(1),(2)を享受できる。
(1)圧力損失(流動損失)の低減
スプレーコンデンサ100では,タービン排気ガスを横方向から水平に導入している。このため,タービン排気ガスを上方向から導入する方式と比べて,タービン排気ガスを導入する際の圧力損失(流動損失)を低減する事が出来る。
上方向から導入する方式では,蒸気タービンの上方へガスを排気し,排気管によってスプレーコンデンサ又はジェットコンデンサの上部へ引き回した上で,ベンドその他の方法により流動方向を下方に変更して容器(コンデンサ)へと導入する。それにより,蒸気の流動方向が変更を余儀なくされる為必然的に圧力損失が発生する。
一方,スプレーコンデンサ100は水平方向にタービン排気ガスを導入することが出来る為,蒸気タービンの軸方向にタービン排気ガスを排出し,そのまま,スプレーコンデンサ100へと導入することができる。したがって,途中の排気管にはベンドのような流動方向を変更する装置を必要としない為,圧力損失の低減を図ることが可能となる。
この圧力損失の低減は,蒸気タービンの排気圧力の低下をもたらす事になり,結果的には同一の蒸気流量でより大きな発電量を得る事が出来る。すなわち発電所の出力増加をもたらす。
なお,スプレー管111の軸方向を水平とし,タービン排気ガスの導入方向と対応させ,タービン排気ガスの流動を阻害しないようにしていることも圧力損失の低減に寄与する。
(2)ウオーターインダクションの防止
タービン排気ガスを水平から導入する方式では,タービン排気ガスを上方から導入する方式に比べて,ウオーターインダクションが発生し易くなることが考えられる。スプレーコンデンサ100では,次のようにして,ウオーターインダクションの防止を図っている。
・タービン排気ガスの流動損失の低減
既述のように,タービン排気ガスの流動損失の低減が図られている。流動損失を低減することは,タービン排気ガス入口座102から流入するタービン排気ガスの流速を確保し,スプレーコンデンサ100内の水(冷却水または凝縮水)が蒸気タービンに逆流することの防止にも繋がる。
・ホットウエル101Bの配置
ホットウエル101Bをタービン排気ガス入口座102の開口部102Aより十分下方に配置することで,ホットウエル101B中の水(冷却水または凝縮水)が開口部102Aに逆流することが防止される。但し,ホットウエル101Bそのものでなく,ホットウエル101B中の水の水位を開口部102Aより十分下方に配置しても良い。即ち,ホットウエル101Bでの水位が高くなり過ぎないように,適宜に凝縮水出口座106から水を排出する。
・冷却水のスプレー方向
既述のように,冷却水はスプレーノズル121から噴出される。この噴出方向をタービン排気ガス入口座102の開口部102Aに向かう方向としないこともウオーターインダクションの防止上重要となる。上記実施形態では,タービン排気ガスの流動方向(水平)に対して,垂直な方向(横方向,およおび上方)に冷却水を噴出している。
(第2の実施形態)
次に,図5,及び図6を用いて,本発明の第2の実施形態に係るスプレーコンデンサ200を説明する。
図5は,図3に対応する図であり,見易さのために,スプレー管補強部材113,114A,114Bなどを省略している。また,図6は,図5中の矢視A−Aで示した断面を示す図である。
スプレーコンデンサ200は,本体胴201,タービン排気蒸気入口座102,冷却水入口座103,ガス出口座104,ホットウエル出口箱105,凝縮水出口座106,スプレー管211A,211Bを有する。本体胴201の内部空間は,蒸気冷却室201A,ホットウエル201B,ガス冷却室201Dに区分することができる。スプレー管211A,211Bはそれぞれ,スプレーノズル121を有し,蒸気冷却室201Aおよびガス冷却室201D内のタービン排気ガスを冷却するための冷却水を噴出する。なお,スプレー管211Aの本数は,第1の実施形態でのスプレー管111の本数より少ないが,スプレー管111の本数と同一とすることも可能である。
蒸気冷却室201Aの内部に,内部仕切板212が取り付けられる。内部仕切板212は,スプレー管211Aを上下2組み(上部スプレー管,下部スプレー管)に区分し,下部スプレー管を覆う。第1の実施形態の内部仕切板112と異なり,内部仕切板212の両端は開放されている。内部仕切板212の両側の垂直部分は本体胴201の側板と適度な隙間を有するように配置される。蒸気冷却室201Aの上部で発生した凝縮水および噴霧された冷却水をホットウエル201Bに導くためである。
ガス冷却室201Dは,ガス冷却室囲い板218,ガス冷却室側板219,ガス冷却室底板219Aによって,蒸気冷却室201Aと分画される(図6では,他の部材との識別の容易のため,ガス冷却室側板219およびガス冷却室底板219Aを破線で示している)。
ガス冷却室側板219は,図6に示されるように,本体胴201の上部板まで延設される。このガス冷却室側板219に,1つの開口部(ガス冷却室入口210)が設けられる。本実施形態では,第1の実施形態と異なり,ガス冷却室入口210が上下に配置されていない。内部仕切板212の両端が開放されていることから,ガス冷却室入口210を上下に2つ配置しなくても蒸気冷却室101Aからタービン排気ガスを効率的に取り入れられるからである。
スプレーコンデンサ200は,図3の冷却水室101Cの代わりに,冷却水分配管222と冷却水スタンドパイプ223が設置され,スプレー管211A,211Bはこの冷却水スタンドパイプ223に連接して冷却水が供給される。このように,冷却水分配管222等を用いることで,第1の実施形態のようなスプレー管111がガス冷却室101Dを貫通するという複雑な構造を採用する必要がなくなる。
内部構造としては第1の実施形態と異なるが,第1の実施形態で示したと同様に,圧力損失(流動損失)の低減,ウオーターインダクションの防止が図られる。
(その他の実施形態)
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張,変更可能であり,拡張,変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
100…スプレーコンデンサ,101…本体胴,101A…蒸気冷却室,101B…ホットウエル,101C…冷却水室,101D…ガス冷却室,102…タービン排気ガス入口座,102A…開口部,103…冷却水入口座,104…ガス出口座,105…ホットウエル出口箱,106…凝縮水出口座,110…ガス冷却室入口,111…スプレー管,112…内部仕切板,113…スプレー管補強部材,114A,114B…スプレー管補強部材,115…水室仕切板,116…水室仕切板底板,117…スプレー管開口部,118…ガス冷却室囲い板,119…ガス冷却室側板,219A…ガス冷却室底板,120…底板,121…スプレーノズル,122…冷却水分配管,123…冷却水スタンドパイプ

Claims (6)

  1. 蒸気冷却室と,
    前記蒸気冷却室内に,水蒸気と不凝縮ガスとを含むタービン排気ガスをほぼ水平方向に導入する導入部と,
    前記蒸気冷却室を上部と下部に仕切り,前記導入部に向かって開放される仕切板と,
    前記蒸気冷却室内の前記上部に配置され,前記タービン排気ガスの導入方向に沿う複数の第1のスプレー管に接続されて,前記タービン排気ガスに対してほぼ垂直方向に冷却水を噴霧する複数の第1のスプレーノズルと,
    前記蒸気冷却室内の前記下部に配置され,前記タービン排気ガスの導入方向に沿う複数の第2のスプレー管に接続されて,前記タービン排気ガスに対してほぼ垂直方向に冷却水を噴霧する複数の第2のスプレーノズルと,
    前記蒸気冷却室の下方に配置され,前記冷却水の噴霧によって,前記水蒸気から凝縮された凝縮水を蓄積する蓄水部と,
    前記導入部と対向して配置され,ガス冷却室囲い板,ガス冷却室側板,およびガス冷却室底板によって,前記蒸気冷却室から分画されるガス冷却室であって,前記ガス冷却室側板に設けられる開口部を通じて前記蒸気冷却室から,前記冷却水が噴霧されたタービン排気ガスに残留する不凝縮ガスが流入するガス冷却室と,
    前記ガス冷却室内の不凝縮ガスに冷却水を噴霧する複数の第3のスプレーノズルと,
    を具備することを特徴とする直接接触式復水器。
  2. 前記仕切板が,上板と,この上板と一体的に形成される側板と,を有し,
    前記複数の第1のスプレーノズルから噴霧される冷却水によって前記蒸気冷却室の前記上部で凝縮された凝縮水が,前記側板によって,前記蓄水部に導かれる,
    ことを特徴とする請求項1記載の直接接触式復水器。
  3. 前記複数の第1および第2のスプレー管が,前記ガス冷却室を貫通する
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の直接接触式復水器。
  4. 前記複数の第3のスプレーノズルが,前記ガス冷却室を貫通する前記複数の第1のスプレー管に接続される
    ことを特徴とする請求項3記載の直接接触式復水器。
  5. 前記冷却水が流入し,前記第1乃至第3のスプレーノズルに供給する冷却水室,
    をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の直接接触式復
    水器。
  6. 前記冷却水が流入する冷却水分配管と,
    前記冷却水分配管に接続され冷却水が分配される冷却水スタンドと,を具備し,
    前記第1乃至第3のスプレーノズルが前記冷却水スタンドから冷却水を供給される
    ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の直接接触式復水器。
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