JP6240597B2 - デフレグメータ - Google Patents

Description

本発明は、非凝縮性ガスを凝縮性ガスから分離するために、蒸気凝縮設備内で採用される型のデフレグメータに関する。そのようなデフレグメータは、様々な形態で一般的に蒸気であるガスから非凝縮性ガスを除去する働きをする二次還流凝縮器の形態であると想定される。この型のデフレグメータは、典型的に、発電所内で使用される蒸気タービンの下流、および一次凝縮器の下流にある蒸気凝縮設備内で使用される。

稼働率の減少および冷却水の価格上昇に起因して、乾式冷却塔または空冷式蒸気凝縮器は、蒸気タービンを組み込む発電所の環境内に放熱することが増えている。不都合なことに、周囲温度がより高いと、そのような冷却システムの効率が低下し、それによって、タービンの効率が対応して低下することにつながる。特にその期間に電気エネルギーの需要および価格が高い地域では、高温期間中、そのようなタービン出力の低下は重大な収入の損失につながる可能性がある。そればかりでなく、より高い周囲温度に応じるために冷却システムの能力を高める必要がある場合があり、それによって、資本費用が上昇し、それに伴って発電費用が上昇することを意味する。

発電所で広く使用されている直接的Ａ字形フレーム空冷式蒸気凝縮器システムでは、蒸気タービンを出る蒸気が蒸気管寄せを介して一次凝縮器配置に供給され、一次凝縮器配置を出る残留蒸気がデフレグメータ内で凝縮され、デフレグメータは、非凝縮性ガスを分離し、典型的には大気に発散することができる。そのようなデフレグメータは乾式冷却または湿式冷却の様々な型で入手可能であるが、前述の理由から、指摘した不都合な点があるにもかかわらず、乾式冷却が好まれる場合が多い。

前述の方法に対する別法として、水が入口空気に噴霧される、いわゆる断熱式配置が使用されてきた。しかし、この例によって達成される改良は、必要な費用に釣り合うとは思われない。検査されたノズルは、わずか６０％から７０％の噴霧水が蒸発するに過ぎず、ドリフトエリミネータを導入しても熱交換管のフィン付表面が乾燥した状態であることを保証することができない。構造物上に蓄積する蒸発しなかった水滴が、構造物表面の腐食、ならびに望ましくないレインバックを発生させ、それによって表面および地下水が汚染される原因になる可能性がある。高圧ノズルが小さいほど、より優れた噴霧を達成することができる。実用面および費用を考慮すると、入口空気を冷却する噴霧は、大きな空冷式蒸気凝縮器で応用できないように思われる。

したがって、既存の状態に改良をもたらすことを目的とする、デフレグメータが必要である。

本発明によって、連続して結合されている２つの段を備えるデフレグメータが提供され、第１段が空冷式還流凝縮器を備え、第２段が、選択された周囲状態下において空冷式（乾式）モードで、または上昇した周囲温度の周囲状態を含む他の選択された周囲状態下において湿式気化冷却モードで選択的に作動可能である、滑らかな、またはフィン付管の略水平な管束を含むデフレグメータにおいて、空冷式還流凝縮器がＡ字形フレーム空冷式凝縮器配置からなり、凝縮器配置の中で複数のフィン付管が２つの対向する側部から延びて、Ａ字形構造体または逆Ａ字形構造体を生成し、管束が水平であり、Ａ字形フレーム配置の場合、凝縮器配置の頂部、中央に配置され、逆Ａ字形フレーム構造の場合、凝縮器配置の底部に配置され、熱交換管を通過して上方へ、管束に向かう空気の流れを助けるために、１つまたは複数のファンが設けられている。

本発明の追加の特徴によって、管束の上方に設置される噴霧ノズルの配置が提供され、それによって、気化冷却モードを提供するために管束の上に水が噴霧され得る。空気媒介液滴の形態の水の損失を抑制するために、ドリフトエリミネータが噴霧ノズルの配置の上方に配置されている。流出水を収集し、過剰な出水の再利用を可能にするために、１つまたは複数の収集溝が管束の下に設けられている。

本発明のさらなる追加の特徴によって、入口端部および出口端部を備える第１の管のグループと、第１の管のグループの管の出口端部と連通する入口端部を備える第２の管のグループと、を含む少なくとも２つの管のグループを含む管束が提供される。第２の管のグループの管もまた出口端部を備え、第２の管のグループは、第１の管のグループよりも明らかに少ない管を有する。第２の管のグループが、第１の管のグループの管の数の約１５％〜３０％の管を有し、好ましくは約２０％の管を有する。管束が第３の管のグループを含み、第３の管のグループの管が第２の管のグループの管の出口端部と連通している入口端部を含み、第３の管のグループが第２の管のグループよりも明らかに少ない管を有し、典型的には、第２の管のグループの管の数の約３分の１から４分の１である。

本発明のさらなる追加の特徴によって、第２の管のグループの垂直上方に配置される第１の管のグループが提供され、第２の管のグループの管が任意の第３の管のグループの管の垂直上方に配置される。出口端部に向かって凝縮液排水をもたらすために、管が出口端部に向かって傾斜している。管が略水平な列に配置され、１つの列の管が、垂直に隣接する列の管から管の間の間隔の２分の１だけずらされている。マニホールドチャンバは、第１の管のグループの管および第２の管のグループの管が、第１の管のグループの全ての管の出口端部、第２の管のグループの管の入口端部、並びに任意の第３グループの管の出口端部に接続するマニホールドチャンバの中に仕切り壁を設けることによって接続しているそれらの端部において纏められている。第２の管のグループの管の出口端部がマニホールドチャンバに開いており、第３の管のグループの管の管入口端部がマニホールドチャンバと連通している。

管束の好ましい一配置では、複数列の平行な略水平な管が略矩形の配列に配置されている。第１の管のグループの管、第２の管のグループの管、および第３の管のグループの管のそれぞれは、平行な管の複数の略水平な列を備える。一配置では、第１の管のグループには２０列の管、第２の管のグループには４列の管、および第３の管のグループには１列の管が存在する。

本発明の第１の変形態様では、空冷式還流凝縮器が、一般的に公知の型のＡ字形フレーム空冷式凝縮器配置からなることができ、凝縮器配置の中で複数のフィン付管が２つの対向する側部から上方に延びて、Ａ字形フレーム構造体を生成する。そのような例では、好都合にも、管束が凝縮器配置の頂部に配置され得る。熱交換管を通過して上方へ、管束に向かう空気の流れを助けるために、１つまたは複数のファンが、典型的にはフィン付管の底部または下方領域に相当する水平な位置に配置されるであろう。

乾式デフレグメータを備える既存のＡ字形フレーム空冷式凝縮器設備の例では、この凝縮器設備が、上記に定義される第２段を備えるように調整されていることができ、第２段は、空冷式凝縮器（乾式）として、または管束の外気側の面が水浸しになっている場合、気化空冷式凝縮器として、選択的に作動可能である。別法として、新規な設備の例では、第１段が乾式Ａ字形フレーム構造体内で使用されるフィン付管に類似した、幾分短くされ、傾斜したフィン付管を含むことができる。

本発明の第２の変形態様では、空冷式還流凝縮器が、逆Ａ字形フレーム式配置で互いに向かって傾斜して、下方に延びる複数のフィン付管を備えることができ、その例では、管束がフィン付管の下方端部に配置され得る。そのような配置を用いると、水平な管束に向かって、フィン付管を通過して上方に空気を引き寄せるために、１つまたは複数のファンを下方に傾斜した管の上方端部の領域に配置することができる。

周囲温度が低い期間中、空冷式で十分である場合、デフレグメータの第２段は乾式モードで作動可能であることを理解されたい。しかし、より暑い期間、典型的には亜鉛メッキ鋼管からなる略水平な管束の上に出水を噴霧することができ、そのとき第２段は気化式凝縮器として作動される。過剰な出水は、典型的には管束の下の溝の中に収集され、再利用される。

本発明のシステムは、周囲温度が高い期間中、温度性能を向上させる可能性を有するが、一方、同様の性能向上をもたらすために水噴霧を使用する、入口空気の断熱式予冷の使用水量率よりも全体的に低い使用水量率を有する。

本発明による凝縮器設備の資本費用は、標準的Ａ字形フレーム空冷式デフレグメータの資本費用よりもわずかに多いに過ぎないと想定される。

本発明をより完全に理解するために、添付の図面を参照して以下により詳細に本発明を説明する。

典型的なＡ字形フレーム空冷式凝縮器およびデフレグメータ組立体の概略図である。 本発明の第１の変形態様による、複合型デフレグメータの１つの提案された実施形態の構成の概略横断面図である。 本発明の第１の変形態様による、複合型デフレグメータの１つの提案された実施形態の構成の概略側面図である。 本発明の複合型デフレグメータ内で使用するための管束の一実施形態の構成の概略側面図である。 ２つの隣接する列の管の相対的配置の概略横断面図である。 蒸気タービンを出て、本発明のデフレグメータ組立体を有するＡ字形フレーム凝縮器設備に入る蒸気の流れ図である。 ４つの異なる構成の凝縮器ユニットに関連する出力を示す比較グラフである。 本発明の第２の変形態様による実施形態の図２に類似する図である。

図１〜図５に示す本発明の実施形態では、本発明に係るデフレグメータ（１）が、一般的な通常の配置である複数の一次凝縮器（２）を備える既存のＡ字形フレーム空冷式（乾式）凝縮器設備の中に組み込まれている。

デフレグメータ自体は、発電所内で作動される蒸気タービンから出る使用済み蒸気の流路の末端ユニットを形成し、図２および図３により明確に図示されるように、本発明に適合する。

したがって、デフレグメータは、連続して結合されている２つの段を備え、第１段（３）が、乾式Ａ字形フレーム構造体内で使用される管に類似する複数の傾斜したフィン付管（４）からなる、全体的に従来の空冷式還流凝縮器構造から構成されるが、しかし、特別に、目的のために作製される場合、それらの管を幾分より短くすることができる。管を通る気流を誘導するために、傾斜したフィン付管の下方端部の領域に配置されている１つまたは複数のファン（５）を設けることができる。

デフレグメータの第２段（６）が、滑らかな、亜鉛メッキ管である略水平な管束（７）を含み、出水噴霧設備（８）が管束の上方に配置され、収集溝（９）の形態である水収集設備が、流出水を収集し、過剰な出水を再利用することができるように管束の下に配置されている。

第２段は、選択された周囲状態下において空冷式（乾式）モードで、または特に上昇した周囲温度を含む他の選択された周囲状態下において湿式気化冷却モードで選択的に作動可能である。

次に、特に図４および図５を参照すると、管束の特定の配置が、出水可能な管束の温度性能を向上させ、非凝縮性ガスが管から効果的に排気されることを保証するために特に良好に作動することが発見された。このことを達成するために、管束には、第１グループの管、第２グループの管および第３グループの管を含む３つの管水路が設けられている。この特定の例では、管束全体は、垂直に離隔された２５の水平な管の列を有する。

図４の破線枠（Ｘ）によって示される第１グループの管（１１）は、その中に２０の列を有し、最上部に配置されている。破線枠（Ｙ）によって示される第２グループの管（１２）は、その中に４列の管を有し、第１グループの管のすぐ下に配置されている。破線枠（Ｚ）によって示される第３グループの管（１３）は、その中に１列の管を有し、最下部に配置されている。

すべての場合において、図５に概略的に示すように、列の中の管は、管自体の略外側直径によって離隔され、１つの列の管は、隣接する列の管から管の外側直径に等しい距離だけずらされており、その結果、１つの列の２つの管の間に落下する水が、次の列の管上に落下することになる。

すべての管が、それらの長さに沿って水平にわずかに傾斜して、それらの出口端部が入口端部よりも幾分低くなって、第３グループの管の最終的な出口端部に向かって効果的に復水が排水されることを容易に保証する。傾斜はほんのわずかでよく、例えば、長さ２．５ｍの管で５０ｍｍ程度の傾斜であってよい。

管の端部は、大きなマニホールドチャンバ（１６）内に仕切り壁（１５）を設けることによって相互に連通しており、マニホールドチャンバは、第１グループのすべての管の出口端部（１７）、第２グループの管の入口端部（１８）、および第３グループの管の出口端部（１９）に連通して、第３グループの管の出口端部が区切られるようになっている。第１グループの管の管入口端部（２０）は、デフレグメータの第１段から入口ガスを受け取るように配置されている。

第２グループの管の出口端部（２１）と第３グループの管の入口端部（２２）との間の連通は、第１グループの管の入口端部に隣接する相対的に小さいマニホールドチャンバ（２４）によって達成される。

配置は、入口ガスが第１グループの管を通過して大きなマニホールドチャンバに入り、そのマニホールドチャンバで方向を逆転させて、第２グループの管の管入口端部に入る。第２グループの管の出口端部から、ガスは再び方向を逆転させて、第３グループの管の管入口端部に入る。

非凝縮性ガスは最終的に出口管寄せに集められ、出口管寄せからガスは排気管によって排気され得、復水は重力の影響下で排水されることになろう。

非凝縮性ガスを効果的に排気することによって、復水内への酸素の吸収を増加し、それによって腐食の増加を招く可能性があるデフレグメータ内の復水の過冷却を防止する。更に、過冷却によって、冬季に復水が凍結することにつながる可能性があり、それによって管が破損し、最終的には給水がボイラーに戻る前に、給水を追加的に再生加熱する必要が生じる原因になる可能性がある。したがって、過冷却は回避すべきである。

空気冷却が十分である低温周囲温度の期間中は、デフレグメータの第２段は乾式モードで作動され得ることを理解されたい。しかし、高温期間中は、略水平な管束の上に出水を噴霧することが可能であり、その結果、そのときデフレグメータの第２段は気化式凝縮器として作動される。

このシステムは、高い周囲温度の期間中の温度性能を向上させる可能性がある一方で、水噴霧を使用する、入口空気の断熱的予冷の例よりも全体的な使用水量率が低く、同時に、同等の性能の向上をもたらす。

ユニットのフィン付管は依然として乾燥した状態であり、それによって、腐食ならびに表面酸化の危険性を低減し、一方、管束の亜鉛メッキされた湿ったフィンのない管表面は、計画された通り定期的に清浄水で洗われて、汚損を最小にすることができる。

最初の比較テスト結果が図７に示され、図７ではテスト設備のメガワットの出力が、摂氏の周囲温度に対してプロットされている。文字「Ａ」で示される曲線が、従来技術の三叉路型乾式Ａ字形フレーム凝縮器設備に関し、文字「Ｂ」で示される曲線が、従来技術の四叉路型乾式Ａ字形フレーム凝縮器設備に関し、文字「Ｃ」で示される曲線が、湿式モードで作動される本発明によるデフレグメータを含む三叉路型凝縮器組立体に関し、文字「Ｄ」で示される曲線が、乾式モードで作動される本発明によるデフレグメータを含む三叉路型凝縮器組立体に関する。

本発明によって提供されるデフレグメータ内で気化式冷却を利用することによって、発電設備の出力が、高温期間中に著しく増加し、それによって、歳入および発電所の効率を向上させることができることに留意されたい。

本発明による冷却システムは、既存のＡ字形フレーム空冷式凝縮器技術を使用することができ、複合型（乾式または湿式）デフレグメータを導入することによって、より高い周囲温度の期間中、冷却性能のある程度の向上が達成される。これらの期間中、湿式モードで作動する複合型（乾式または湿式）凝縮器は、特大の空冷式凝縮器、または入口空気の断熱式冷却（噴霧冷却）を用いる空冷式凝縮器と同等の向上したタービン性能をかなり低い費用で達成することができる。同じタービン出力に対して、複合型（乾式または湿式）デフレグメータを組み込む空冷式凝縮器によって消費される水は、入口空気の断熱式冷却を用いる空冷式凝縮器よりもある程度少ない。

既存の設備に応用される場合、本発明の一実施において、デフレグメータを修正するだけでよく、それによって既存の空冷式蒸気凝縮器が改造されて、本発明によって作動することが可能になることを理解されたい。

当然ながら本発明は、標準的Ａ字形構成の配置以外の配置にも応用可能であり、図８は、ある代替配置を示す。その配置では、２つの連続したフィン付凝縮器管（３１）が、逆Ａ字形フレーム式構成で下方に互いに向かって傾斜し、管束（３２）が、凝縮器配置の長さに沿った適切な位置で、フィン付凝縮器管（３１）の下方端部の間に配置されている。噴霧ノズル（３３）の配置は管束の上方に支持され、ドリフトエリミネータ（３４）は、上部に逃げる可能性がある少なくともいくらかの任意の噴霧を捉えるために、噴霧ノズルの上方に配置されている。管束を通過して、フィン付凝縮器管を通るように気流を誘導するために１つまたは複数のファン（３５）が、この例では、好都合にもフィン付凝縮器管の上方端部の領域に配置可能である。

どの構造が使用される場合でも、本発明による複合型（乾式または湿式）デフレグメータの資本費用は、標準的Ａ字形フレーム空冷式デフレグメータの資本費用よりもわずかに多いに過ぎないことが想定される。

前述の実施形態に対して多くの変形形態が、本発明の範囲内で作製可能である。

Claims (13)

1. 使用済み蒸気の流路に配置されて非凝縮性ガスを凝縮性ガスから分離するためのデフレグメータであって、
   選択された周囲状態下において空冷式（乾式）モードで、または上昇した周囲温度の周囲状態を含む他の選択された周囲状態下において湿式気化冷却モードで選択的に作動可能である、滑らかな、またはフィン付管の略水平な管束を備え、
   前記管束が少なくとも３つの管グループを有し、すなわち、入口端部および出口端部を備える第１管グループと、該第１管グループの管の前記出口端部に接続する入口端部を備える第２管グループとを備え、前記第２管グループもまた出口端部を備え、前記第２管グループが、前記第１管グループの管数の１５％〜３０％の管数を備え、前記管束が第３管グループを備え、前記第３管グループの管が前記第２管グループの管の前記出口端部に接続する入口端部を備え、前記第３管グループの管数が、前記第２管グループの管数の３分の１から４分の１であるデフレグメータ。
2. 噴霧ノズルの配置が、前記管束の上方に設置され、それによって、気化冷却モードを提供するために前記管束の上に水が噴霧される、請求項１に記載のデフレグメータ。
3. 空気媒介液滴の形態の水の損失を抑制するために、ドリフトエリミネータが前記噴霧ノズルの配置の上方に配置されている、請求項２に記載のデフレグメータ。
4. 流出水を収集し、過剰な出水を再利用することができるように、１つまたは複数の収集溝が前記管束の下に設けられている、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のデフレグメータ。
5. 前記第１管グループが前記第２管グループの鉛直上方に配置され、前記第２管グループが前記第３管グループの鉛直上方に配置されている、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のデフレグメータ。
6. 前記第１管グループの全ての前記管の前記出口端部と前記第２管グループの前記管の前記入口端部とに連通するマニホールドチャンバを設けることによって、仕切り壁により前記第３管グループの前記管の前記出口端部と区切るように、前記第１管グループおよび前記第２管グループがそれらの端部において纏められ連通している請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のデフレグメータ。
7. 前記第２管グループの管の前記出口端部がマニホールドチャンバに開いており、前記第３管グループの前記管の前記入口端部が前記マニホールドチャンバに接続している、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のデフレグメータ。
8. 第１段がＡ字型フレーム空冷式凝縮器配置から成り、該凝縮器配置は複数のフィン付管が２つの対向する側部から上方に延びてＡ字型構造体を成しており、第２段である前記管束が前記凝縮器配置の頂部に配置されている請求項１〜７のいずれか一項に記載のデフレグメータ。
9. 乾式デフレグメータを備える既存のＡ字形フレーム空冷式凝縮器設備が、空冷式凝縮器（乾式）として、または前記管束の大気側の面が水浸しになっている場合、気化空冷式凝縮器として、選択的に作動可能である第２段を備えるように調整されている、請求項８に記載のデフレグメータ。
10. 前記空冷式還流凝縮器が、逆Ａ字形フレーム式配置で互いに向かって傾斜して下方に延びる複数のフィン付管を備え、その例では、前記管束が前記フィン付管の下方端部に配置されている、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のデフレグメータ。
11. 前記出口端部に向かって凝縮液排水をもたらすために、前記管はその出口端部に向かって傾斜している請求項１〜１０のいずれか一項に記載のデフレグメータ。
12. 前記管が略水平な列になるよう配置され、ある列の前記管が、鉛直方向に隣接する列の前記管から管同士の間隔の２分の１だけずれて配置されている請求項１〜１１のいずれか一項に記載のデフレグメータ。
13. 前記第３管グループの前記管が、１つの略水平な列に配置されている請求項１〜１２のいずれか一項に記載のデフレグメータ。
    

Images