JP6190231B2 - 復水器 - Google Patents

Description

発明の実施形態は、不凝縮ガスを含む蒸気を凝縮させるための復水器に関する。

一般に、地熱発電所の復水器は凝縮した蒸気を再び加熱して使用することはないため、蒸気と冷却水とを直接接触させる形式の復水器が使用される。しかしながら、次のような場合は表面接触式の復水器が使用されることがある。（１）地熱水を地域暖房用のプレヒーターとして使用する場合。（２）地熱蒸気に含まれる硫化水素の除去が必要な場合（直接接触式は冷却塔に含まれる空気も同時に処理する必要があり、硫化水素除去装置の負荷が上がる）。（３）地下から汲み出した熱水や蒸気を冷却水と混合せずに還元したい場合。

表面接触式の復水器は、円形または矩形断面の本体胴容器と、この本体胴容器内に配列された複数の伝熱管を備え、伝熱管内に冷却水を流して伝熱管外側を流れる蒸気を冷却することにより蒸気を凝縮させる。

地熱蒸気中に含まれる二酸化炭素などの不凝縮ガスの量は、火力発電及び原子力発電の蒸気と比較すると、約３０００倍〜５０００倍以上である。純蒸気を凝縮させる場合と異なり、不凝縮ガスを含む蒸気を凝縮させる際には、凝縮が進むにつれて蒸気分圧の飽和温度が大きく低下すると同時に流速が小さくなることにより伝熱効率も低下していく。このため、一般的な構成の復水器では、冷却面積を大幅に増加させることが必要となり、このことは機器の大型化にもつながる。

特開平１１−１４８７８３号公報

発明の実施形態は、不凝縮ガスを含む蒸気を効率よく冷却して復水器から排出することを可能とすることにより、復水器の冷却面積を小さくし、機器の小型化を図ることを目的としている。

発明の実施形態によれば、蒸気と不凝縮ガスの混合ガスを流入させるための混合ガス入口と、不凝縮ガスを流出させるための不凝縮ガス出口と、蒸気を凝縮させた凝縮水を流出させるための凝縮水出口と、を有する本体胴容器と、この本体胴容器内を所定方向に延びるとともに、各々の内部を冷媒が流れる複数の冷却管と、を備えた表面接触式の復水器が提供される。
本体胴容器内を前記所定方向に延びる囲み部材が設けられ、混合ガス入口に近い側を近位側、遠い側を遠位側と呼ぶこととし、前記所定方向に直交する本体胴容器の断面で見たときに、
囲み部材の近位側端部は閉塞され、かつ、囲み部材の遠位側端部に開口が設けられ、囲み部材の内部空間の近位側部分は不凝縮ガス出口と連通しており、また、
冷却管のうちの第１部分が囲み部材の内側空間内に配置され、冷却管のうちの第２部分が本体胴容器の内部空間における囲み部材の外側であってかつ囲み部材の近位側端部よりも遠位側にある遠位側領域に配置されている。
複数の冷却管は複数パスの管配列を有しており、囲み部材の内側空間内に配置される前記第１部分は、最上流の１パス目の部分である。

第１実施形態に係る復水器の側面図。 第１実施形態に係る復水器の横断方向断面図。 第２実施形態に係る復水器の横断方向断面図。 第３実施形態に係る復水器の横断方向断面図。 第４実施形態に係る復水器の側面図。 第４実施形態に係る復水器の横断方向断面図。 第５実施形態に係る復水器の横断方向断面図。

以下、復水器の実施形態としての多管式の表面接触式復水器について添付図面を参照して説明する。なお、図１〜図７において、同一または概ね同一の部材に対しては同一符号を付して、重複説明は省略する。

図１及び図２に示すように、実施形態に係る復水器は、長手方向軸線が水平方向を向いた円筒型の本体胴容器１を有している。本体胴容器１の上部中央部には蒸気と不凝縮ガスの混合ガスが流入する混合ガス入口２が設けられている。

本体胴容器１の両側部には、冷却水の水室３が取り付けられている。水室３には、冷却水入口４及び冷却水出口５が設けられている。本体胴容器１内には、多数の冷却管６（図２に示しているが図１には示していない。）が水平方向（図１中左右方向）に延びている。各冷却管６の図１における左端及び右端は、図１の左側及び右側の水室３にそれぞれ接続されている。

本体胴容器１の底部中央部には、凝縮蒸気からなる復水を本体胴容器１から排出するための凝縮水出口７が設けられている。また、本体胴容器１の周面側部には不凝縮ガス出口８が設けられている。

特に図２に示すように、本実施形態では、冷却管６は複数パスの管配列（図示例では６パス）となっている。冷却管６は、６つの群、すなわち、第１群６Ａ、第２群６Ｂ、第３群６Ｃ、第４群６Ｄ、第５群６Ｅ、第６群６Ｆをなしている。冷却水入口４からいずれかの水室３に入った冷却水は、第１群６Ａの冷却管６（１パス目）→第２群６Ｂの冷却管６（２パス目）→第３群６Ｃの冷却管６（３パス目）→第４群６Ｄの冷却管６（４パス目）→第５群６Ｅの冷却管６（５パス目）→第６群６Ｆの冷却管６（６パス目（最終パス））を順次通って流れ、いずれかの水室３に設けられた冷却水出口５から流出する。従って、１パス目に導入される冷却水は、冷却水と混合ガスとの熱交換は一度も行われておらず冷却水の水温は最も低く、パスを重ねるに従って（すなわちパス次数が大きくなるに従って）冷却水の温度は上昇する。なお、本明細書において、用語「パス次数」とは、そのパスが何パス目であるかを意味し、例えばあるパスが４パス目であるなら、パス次数は「４」である。

各水室３は冷却管６のパス数に応じた数の小室に分割されており、前パスを経た冷却水が水室３内の小室で向きを変えて次のパスに進む。冷却水出口座５は最終パスの冷却管６の下流側に位置する水室３に設けられている。従って、冷却水入口４及び冷却水出口座５が同じ水質３に設けられることもある。水室３の内部構造及び水室３と冷却管６との接続関係は、当該技術分野において周知であるので、図示及び詳細な説明は省略する。

本体胴容器１の内部には、本体胴容器１の長手方向全長にわたって延びる囲み部材９が設けられている。以下の説明において、本体胴容器１の長手方向に直交する横断方向の断面である図２において、混合ガス入口２に近い側を近位側、遠い側を遠位側と呼ぶこととする。囲み部材９は、近位側端部９ａ（図示例では上端部）が閉塞するとともに遠位側端部９ｂ（図示例では下端部）が開口している。

囲み部材９の内側空間内には、第１群６Ａの冷却管６が収容されている。第２群６Ｂ〜第６群６Ｆの冷却管６は囲み部材９の外側にある。囲み部材９の外側において、囲み部材９の近位側端部９ａよりも遠位側の領域（図２において一点鎖線Ｈより下方の領域：単に「遠位側領域」とも呼ぶ）には、第２群６Ｂ及び第３群６Ｃの冷却管６が配置されている。また、囲み部材９の外側において、囲み部材９の近位側端部９ａよりも近位側の領域（図２において一点鎖線Ｈより上方の領域：単に「近位側領域」とも呼ぶ。）には、第４群６Ｄ、第５群６Ｅ及び第６群６Ｆの冷却管がある。

また、配置されている位置により冷却管６を分類するなら、複数の冷却管６のうちの囲み部材９の内側空間内にある第１群６Ａの冷却管６を「第１部分」、囲み部材９の外側の遠位側領域にある第２群６Ｂ及び第３群６Ｃの冷却管６を「第２部分」、そして囲み部材９の外側の近位側領域にある第４群６Ｄ、第５群６Ｅ及び第６群６Ｆの冷却管６を「第３部分」とすることもできる。

囲み部材９の内部空間の最も奥の部分である近位側部分（図示例では上端部分）は、破線で概略的に示された管路１５を介して不凝縮ガス出口８に連通している。不凝縮ガス出口８に連結されて本体胴容器１の外側で延びる配管（図示せず）には、真空ポンプまたはエゼクタ（いずれも図示せず）が介設されており、不凝縮ガス出口８を吸引している。

従って、図２において白抜き矢印で示すように、本体胴容器１内には、混合ガス入口２から出発して、下向きに流れ、囲み部材９の外側を通り（迂回し）、囲み部材９の内側空間に流入し、囲み部材９の内側空間を通過した後に不凝縮ガス出口８から流出する混合ガスの流れが形成される。

混合ガス入口２から本体胴容器１内に流入した混合ガスは、第６群６Ｆの冷却管６の間（６パス目（最終パス））→第５群６Ｅの冷却管６の間（５パス目）→第４群６Ｄの冷却管６の間（４パス目）→第３群６Ｃの冷却管６の間（３パス目）→第２群６Ｂの冷却管６の間（２パス目）→第１群６Ａの冷却管６（１パス目）の間を順次通過して流れる。各冷却管６の表面上あるいは冷却管６間で凝縮した蒸気は重力により本体胴容器１の下部に流下ないし滴下し、凝縮水出口７を通って本体胴容器１から排出される。

混合ガスが通過する冷却管群の温度は下流側にゆくに従って低くなり、混合ガスは最も温度が低い１パス目の（第１群６Ａの）冷却管群を通過した後に、不凝縮ガス出口８から排出される。

混合ガス中に含まれる蒸気が凝縮すると、蒸気分圧の飽和温度が下がるため、混合ガスの温度は徐々に低下するが、本実施形態の復水器では混合ガス流れの下流側にある冷却管群の温度が低いため、混合ガスと冷却管群の温度差を確保できることから、不凝縮ガス濃度が高い状態でも効率よく冷却し蒸気を凝縮させることが可能である。

また、凝縮のために下流側にゆくに従って混合ガス中に含まれる蒸気が減少するので、何の対処もされていない場合には、混合ガスの流速が徐々に低下してゆくことになる。しかし、本実施形態においては、囲み部材９の幅（図２における水平方向の幅）の分だけ混合ガスの流路幅が減少する。このため、混合ガス流路の下流側部分（図示例では第２群６Ｂ及び第３群６Ｃの冷却管６が配置されている囲み部材９の近位側端部９ａよりも遠位側の遠位側領域）における混合ガスの流速の低下が抑制される。

さらに、第１群６Ａの冷却管６が配置されている囲み部材９の内部空間も囲み部材９により流路幅が制限されているので、囲み部材９内においても混合ガスの流速の低下が抑制される。このため、混合ガスの流速を維持しながら冷却管群を通過させることにより、伝熱効率を向上させることができる。

なお、本実施形態では、本体胴容器１が円筒形断面を有しているので、混合ガスの流路幅が下流側ゆくに従ってより狭くなるという傾向が強くなるので好ましい。しかしながら、本体胴容器１は他の断面形状例えば概ね矩形断面形状を有していてもよく、この場合も、囲み部材９による流路幅制限効果は有効である。

図３に示すように、囲み部材９を遠位側から近位側にゆくに従って幅が狭くなるように構成することが好ましい。この場合、囲み部材９は、本体胴容器１の長手方向に直交する横断方向の断面でみて、例えば台形または三角形の形状とすることができる。またこの場合、囲み部材９内に配置される第１群６Ａの冷却管６も、台形または三角形等の囲み部材９の形状に合わせて配置することが好ましい。

図３の実施形態によれば、不凝縮ガス濃度が最も高くなる１パス目の冷却管群周辺の流路面積（断面で見れば流路幅）を下流側にゆくほど小さくすることにより、混合ガスの通過流速を下流側にゆくほど大きくすることができる（あるいは、通過流速が下流側にゆくに従って減少する傾向を少なくとも抑制することができる）。このため、図１の実施形態と比較して更に効率よく混合ガスを冷却することができる。

また、囲み部材９を上記の形状とすることにより、混合ガス流路の下流側部分（図示例では第２群６Ｂ及び第３群６Ｃの冷却管６が配置されている囲み部材９の近位側端部９ａよりも遠位側の領域）における流路幅も下流側にゆくに従って狭くなり、この領域においても、混合ガスの通過流速を上昇させて（或いは少なくとも通過流速の減少傾向を抑制し）、図１の実施形態と比較して更に効率よく混合ガスを冷却することができる。

なお、図３の実施形態の上記特徴は、後述する図４〜図７の実施形態と組み合わせることができる。

図４に示すように、本体胴容器１の内周面とその近傍にある冷却管６との間の隙間に、本体胴容器１の長手方向全域にわたって延びるフローガイド１０やショートパス防止板１１等の流れ案内構造物を設け、上記隙間を通過しようとする混合ガスの流れを遮ることが好ましい。

復水器においては本体胴容器１の内面に沿う混合ガスの流れが多く、このような流れが冷却管群をショートパスして通過することが懸念される。混合ガスがショートパスすると蒸気が十分に凝縮されないため復水器の圧力が増加しプラント効率が低下してしまう。ショートパス防止板１１やフローガイド１０を設置することにより混合ガスがショートパスする流れを遮るため、混合ガスをより確実に冷却管群を通過させることができ、更に効率良く蒸気を凝縮させることができる。

また、図４に示すようなフローガイド１０を設けた場合には、図５及び図６に示すように、他の機器からのドレンや高エネルギー流体を導入するための導入口１２を、当該導入口１２から流入する流体がフローガイド１０の外側面に衝突するように設けることができる。

復水器にはプラント運転時に排出される各機器からのドレンなどが流入する座（流入口）を設置することが多く、その中には高エネルギーの流体（例えばバイパス蒸気）が含まれることがある。高エネルギー流体が直接冷却管に接触すると冷却管が損傷する可能性があるため避けなければならない。復水器に高エネルギーの流体を入れなければならない場合、図６に示すようにフローガイド１０が配置されている部分に導入口１２を設置すれば、高エネルギー流体は復水器流入後に冷却管群の下方に回り込み、冷却管群から落下してくる凝縮水で冷却される。すなわち、フローガイド１０は、他の機器からのドレンや高エネルギー流体が復水器に流入後に冷却管に直接衝突することを防止する冷却管保護板としての役割を果たすことになる。

また、図４及び図６などに示したショートパス防止板１１を設けることに代えて、図７に示すように冷却管６を本体胴容器１に固定するためのステーボルト１３をショートパス防止板１１と概ね同じ位置に設けて、ショートパス防止板１１に相当または準じるショートパス防止機能を持たせてもよい。通常は、冷却管６はその長手方向の何カ所かを冷却管６を通すための複数の孔が形成されたプレートにより支持されており、このようなプレートがステーボルトにより固定されている（この点については図示していない）。このようにもともと存在するステーボルトを、ショートパス防止機能を持たせるように配置することにより、部品点数の削減及び復水器製造コストの低減を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、実施形態は例示的なものであり、本発明の範囲は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

例えば、冷却管６の配列は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、第１群６Ａだけでなく、第２群６Ｂ及び第３群６Ｃも１パス目の冷却管６であってもよい。また、第１群６Ａを１パス目、第２群６Ｂ及び第３群６Ｃを２パス目、第４群６Ｄ、第５群６Ｅ及び第６群６Ｆを３パス目の冷却管６とすることもできる。第１群６Ａが１パス目の冷却管６であるならば、混合ガスの流れ方向に関してより下流側にある冷却管群のパス次数がより小さいという傾向に概ねなっていればよい。

１ 本体胴容器
２ 混合ガス入口
６ 冷却管
６Ａ〜６Ｆ 冷却管群
７ 凝縮水出口
８ 不凝縮ガス出口
９ 囲み部材
１０，１１ 流れ案内構造物
１３ ステーボルト

Claims (8)

1. 蒸気と不凝縮ガスの混合ガスを流入させるための混合ガス入口と、不凝縮ガスを流出させるための不凝縮ガス出口と、蒸気を凝縮させた凝縮水を流出させるための凝縮水出口と、を有する本体胴容器と、
   前記本体胴容器内を所定方向に延びるとともに、各々の内部を冷媒が流れる複数の冷却管と、
   を備えた表面接触式の復水器において、
   前記本体胴容器内を前記所定方向に延びる囲み部材が設けられ、前記混合ガス入口に近い側を近位側、遠い側を遠位側と呼ぶこととし、前記所定方向に直交する前記本体胴容器の断面で見たときに、
   前記囲み部材の遠位側端部に開口が設けられ、前記囲み部材の前記遠位側端部以外の部分は閉塞されており、これにより、前記混合ガス入口から前記本体胴容器内に流入した混合ガスが、前記囲み部材の外側を流れた後に前記開口から前記囲み部材の内側空間に流入するようになっており、
   前記囲み部材の内側空間の近位側部分は前記不凝縮ガス出口と連通しており、
   前記冷却管のうちの第１部分が前記囲み部材の内側空間内に配置され、前記冷却管のうちの第２部分が前記本体胴容器の内部空間における前記囲み部材の外側であってかつ前記囲み部材の近位側端部よりも遠位側にある遠位側領域に配置され、前記冷却管のうちの第３部分が前記本体胴容器の内部空間における前記囲み部材の外側であってかつ前記囲み部材の前記近位側端部よりも近位側にある近位側領域に配置され、前記本体胴容器の内部空間のうちの前記囲み部材の前記遠位側端部の前記開口よりも遠位側には冷却管は配置されておらず、
   前記複数の冷却管は複数パスの管配列を有しており、前記囲み部材の内側空間内に配置される前記第１部分は、１パス目の部分であり、前記囲み部材の外側の前記遠位側領域に配置される前記第２部分のパス次数は前記第１部分のパス次数より大きく、前記囲み部材の外側の前記近位側領域に配置される前記第３部分のパス次数は前記第２部分のパス次数より大きい、ことを特徴とする復水器。
2. 前記囲み部材は、遠位側から近位側にゆくに従って幅が狭くなる、請求項１記載の復水器。
3. 前記囲み部材の外側の前記遠位側領域における流路幅は前記囲み部材の前記近位側端部から前記遠位側端部に近づくに従って小さくなる、請求項１または２に記載の復水器。
4. 前記囲み部材の外側にある冷却管のパス次数は、前記混合ガスの流れ方向に沿って前記囲み部材の前記遠位側端部に近づくほど小さくなることを特徴とする、請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の復水器。
5. 前記混合ガス入口は前記本体胴容器の上部に設けられ、前記囲み部材は前記本体胴容器の内部空間の下部に設けられるとともに下部が開口している、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の復水器。
6. 前記本体胴容器の内面とその近傍にある前記冷却管との間の隙間に、前記混合ガスが前記冷却管の間を通らずに前記隙間を通って流れることを防止するための、前記所定方向に延びる流れ案内構造物を設けた、請求項１から５のうちのいずれか一項に記載の復水器。
7. 前記本体胴容器はさらに高エネルギー流体入口を有し、
   前記高エネルギー流体入口は、そこから吐出される高エネルギー流体が前記冷却管に直接衝突しないように前記流れ案内構造物に向けて開口している、請求項６記載の復水器。
8. 前記冷却管を前記本体胴容器に対して固定するためのステーボルトを前記流れ案内構造物として用いた、請求項６記載の復水器。

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