JP6309351B2 - 空冷式蒸気復水装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン発電機等の設備機器から排出される排気蒸気が流れる複数の復水管が束ねられた復水管ユニットに向けて冷却用空気を吹き付けて復水管を空冷することにより、該復水管内の排気蒸気を復水する空冷式蒸気復水装置に関する。

発電設備を備えるごみ焼却炉では、ごみ焼却炉から排出される排ガスの熱を利用してボイラで蒸気を生成し、生成された蒸気を蒸気タービン発電機に供給することで発電を行っている。蒸気タービン発電機から排出された排気蒸気は、蒸気復水装置で復水され、復水タンクに貯留される。復水タンクに貯留された復水は、脱気器に送られて溶存酸素などの気体が除去された後、再びボイラに供給される。

排気蒸気が流れる復水管に冷却用空気を吹き付けて復水管を空冷することにより、該復水管内の排気蒸気を復水する空冷式蒸気復水装置では、熱交換性能向上のため、冷却用空気の温度を低下させて復水温度との温度差を大きくすることが望まれる。例えば特許文献１には、復水管を外側から強制空冷する蒸気復水器と蒸気復水器に空気を供給する空気通路とを備え、空気通路に水噴霧ノズルを設けた空冷式蒸気復水装置が開示されている。空気通路に導入された空気に水を噴霧して冷却用空気とし、冷却用空気で復水管を外側から強制空冷する。この空冷式蒸気復水装置では、水の蒸発潜熱を利用して空気通路に導入される空気の温度を下げて復水温度との温度差を大きくすることにより、熱交換性能の向上を図っている。

また、特許文献２には、外気導入部から蒸気復水器室に導入された外気を送風機によって蒸気復水器に吹き付けて空冷する空冷式蒸気復水装置において、外気導入部に、複数の通気孔を均一に配した空気整流部材を配置し、遮断弁を有する水噴霧ノズルを各通気孔に設け、遮断弁を操作して水噴霧に使用する水噴霧ノズルの本数を増減させることで、蒸気復水器に吹き付ける冷却用空気の温湿度を調節する発明が開示されている。この空冷式蒸気復水装置では、特許文献１に記載されている空冷式蒸気復水装置の機能をさらに向上させるため、排気蒸気量や外気条件の変動に応じて水噴霧量を制御する。

特開平１１−１４２０６７号公報 特開２０１０−１６９２８５号公報

一般に、空冷式蒸気復水装置の全体寸法や送風機の容量などは、設計時に想定される外気温度によって決まる。従って、年間を通じて安定した冷却性能を得るためには、外気温度が高い夏場を想定して空冷式蒸気復水装置を設計する必要がある。その結果、復水管の伝熱面積を大きくしなければならず、必然的に空冷式蒸気復水装置の設置スペースが大きくなるという問題がある。

上記問題の対策として、特許文献に見られるように、水の蒸発潜熱を利用して冷却用空気の温度を下げることが効果的である。しかし、従来の水噴霧型空冷式蒸気復水装置の場合、復水管に吹き付ける冷却用空気の温度を湿球温度以下に下げることは原理的にできない。さらに、水の飽和状態近くの温度（即ち湿球温度）まで冷却用空気の温度を下げようとすると、不完全蒸発となり易く未蒸発水が増加する。その結果、噴霧水消費が大きくなるだけでなく、未蒸発水が周辺設備を濡らして周辺設備が腐食する等の問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、従来に比べて熱交換性能が高くコンパクト設計が可能であり、しかも未蒸発水が抑えられる空冷式蒸気復水装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、設備機器から排出される排気蒸気が流れる複数の復水管が束ねられた復水管ユニットに向けて冷却用空気を吹き付けて前記復水管を空冷することにより、該復水管内の排気蒸気を復水する空冷式蒸気復水装置において、
前記復水管ユニットが冷却用空気の流れ方向に間隔をあけて複数段配置され、前記各復水管ユニットは、排気蒸気を送給する蒸気分配管に上流端が接続されると共に、該復水管ユニットから排出される復水を集水する復水集合管に下流端が接続され、冷却用空気の流れ方向に隣接する前記復水管ユニット間に、上流側の前記復水管ユニットを通過することで整流された冷却用空気に水を噴霧する複数の水噴霧ノズルが均等配置され、
前記水噴霧ノズルは、冷却用空気の相対湿度が９０％を超えないように水を噴霧して冷却用空気を冷却することを特徴としている。

上流側の復水管ユニットを通過した冷却用空気は、該復水管ユニットを構成する復水管と熱交換を行っているので、該復水管ユニットに導入される前の冷却用空気に比べて温度が高くなっている。本発明では、上流側の復水管ユニットを通過して温度が高くなった冷却用空気に対して水を噴霧することにより温度が低下した冷却用空気が下流側の復水管ユニットに導入されるので、従来に比べて冷却用空気と復水温度の対数平均温度差が拡大し、熱交換性能が向上する。
加えて、上流側の復水管ユニットを通過して温度が高くなった冷却用空気は、蒸気復水装置入口の外気に対して相対湿度が低下し飽和蒸気に至る噴霧水量が大きく上昇する。これにより、蒸発による冷却性能が向上し、容易に完全蒸発する。さらに、上流側の復水管ユニットを通過した冷却用空気は、空気流路を一様に流れるように整流されるので、水噴霧ノズルを均等配置することで均一な冷却を得ることができる。

本発明に係る空冷式蒸気復水装置では、上流側の復水管ユニットを通過して温度が高くなった冷却用空気に対して水を噴霧するので、水の噴霧量を増加して冷却用空気の温度を大きく下げることができる。温度が低下した冷却用空気が下流側の復水管ユニットに導入されるので、従来に比べて冷却用空気と復水温度との温度差が大きく取れる。その結果、熱交換性能が向上し、伝熱面積が低減されて蒸気復水装置の設置面積を大幅に縮小することが可能となると共に、蒸気復水装置を支持する架構にかかる負荷を軽減することができる。さらには、不完全蒸発による結露等の弊害を防止することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置の模式図である。 同空冷式蒸気復水装置の斜視図である。 復水管ユニットの軸直交方向断面図である。 復水管の軸方向断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置の模式図である。 従来型空冷式蒸気復水装置の冷却状態を示す湿り空気線図である。 本発明の実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置の冷却状態を示す湿り空気線図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

［第１の実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置］
本発明の第１の実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置１１は、蒸気タービン発電機等の設備機器から排出される排気蒸気を送給する蒸気分配管１４と、蒸気分配管１４によって送給される排気蒸気を復水する復水管ユニット２１と、復水管ユニット２１から排出される復水を集水する復水集合管１５と、復水管ユニット２１を通過する冷却用空気Ｆに水を噴霧する水噴霧ノズル２４とを備えている（図１、図２参照）。また、復水管ユニット２１の下方には、復水管ユニット２１に冷却用空気Ｆを供給する送風機２５が設置されている。

復水管ユニット２１は、排気蒸気が流れる複数の復水管２３を束ねて矩形パネル状としたものである（図３参照）。本実施の形態では、冷却用空気Ｆの通過方向に復水管２３が２段並べられた構成とされている。冷却用空気Ｆは、隣接する復水管２３の間に設けられたクリアランスを通過する。

各復水管２３はフィンチューブとも呼ばれ、排気蒸気が流れる円筒状のチューブ２３ａと、チューブ２３ａの外周に形成されたリング状のフィン２３ｂから構成されている（図４参照）。チューブ２３ａは炭素鋼製、フィン２３ｂはアルミニウム製である。

蒸気分配管１４は、水平方向に配置された主管１４ａと、主管１４ａから分岐し、各復水管ユニット２１に排気蒸気を送給する分岐管１４ｂとから構成されている。
復水管ユニット２１は、主管１４ａを含む仮想鉛直面に関して対称、且つ主管１４ａから斜め下方に向けて排気蒸気が流れるように配置され、さらに冷却用空気Ｆの流れ方向（本実施の形態では鉛直方向）に間隔をあけて２段配置とされている。即ち、切妻屋根を２段重ねにしたような状態で復水管ユニット２１が配置されている。復水管ユニット２１から排出される復水を集水する復水集合管１５は各復水管ユニット２１の下流端に沿って配置されている。
また、復水管ユニット２１に冷却用空気Ｆを供給する送風機２５は、上流側（本実施の形態では下段側）に配置された復水管ユニット２１の下方に設置されている。

水噴霧ノズル２４は、冷却用空気Ｆの流れ方向（本実施の形態では鉛直方向）に隣接する復水管ユニット２１の間、且つ下段側に配置された復水管ユニット２１に近接して設置されている。水噴霧ノズル２４の噴射孔（図示省略）は水平面より上方に向けられている。即ち、上流側の復水管ユニット２１から下流側（本実施の形態では上段側）の復水管ユニット２１に向けて水が噴霧される。

鉛直方向に隣接する復水管ユニット２１の間隔は、水噴霧ノズル２４から噴霧される水が蒸発するのに十分な間隔であればよく、大凡２ｍ以上あればよい。また、復水管ユニット２１の傾斜角度は特に限定されるものではなく、ほぼ水平でも良い。
なお、空冷式蒸気復水装置１１の側方には、冷却用空気Ｆが逸散しないように遮蔽壁（図示省略）が設置されている。

本実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置１１の動作は以下のようになる。
復水管ユニット２１の下方に設置された送風機２５が駆動することにより、冷却用空気Ｆが復水管ユニット２１に吹き付けられる。下段側に配置された復水管ユニット２１を冷却用空気Ｆが通過することにより、下段側に配置された復水管ユニット２１を構成する復水管２３と冷却用空気Ｆとの間で熱交換が行われる。これにより、蒸気分配管１４から復水管２３に送給された排気蒸気が復水管２３内で凝結して復水となり、復水集合管１５を介して復水タンク（図示省略）に貯留される。

一方、下段側に配置された復水管ユニット２１を通過した冷却用空気Ｆに対して水噴霧ノズル２４から水が噴霧される。水噴霧により温度が低下した冷却用空気Ｆは、上段側に配置された復水管ユニット２１を通過し、上段側に配置された復水管ユニット２１を構成する復水管２３と熱交換を行う。これにより、蒸気分配管１４から復水管２３に送給された排気蒸気が復水管２３内で凝結して復水となり、復水集合管１５を介して復水タンクに貯留される。
なお、上段側に配置された復水管ユニット２１を通過した冷却用空気Ｆは大気中へ放出される。

次に、本実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置の熱交換性能について、蒸気復水装置入口の冷却空気導入部に水噴霧装置を設置した従来型空冷式蒸気復水装置（復水管ユニットが１段配置とされた空冷式蒸気復水装置）を比較対象として検討する。

従来型空冷式蒸気復水装置の熱交換量Ｑｓを熱量バランス式で表すと次式となる。
Ｑｓ＝（ｈ２−ｈ１）・Ｇ０
ここで、
ｈ１：復水管ユニット通過直前の冷却用空気の比エンタルピ
ｈ２：復水管ユニット通過直後の冷却用空気の比エンタルピ
Ｇ０：冷却用空気量

また、従来型空冷式蒸気復水装置の熱交換量Ｑｓを伝熱計算式で表すと次式となる。
Ｑｓ＝Ｋ・Δｔｍ・Ａ０
ここで、
Ｋ：熱伝達係数
Δｔｍ：対数平均温度差
Ａ０：復水管ユニットの総伝熱面積

対数平均温度差Δｔｍは次式で表される。
Δｔｍ＝｛（ｔｗ−ｔａ１）−（ｔｗ−ｔａ２）｝
／ｌｎ｛（ｔｗ−ｔａ１）／（ｔｗ−ｔａ２）｝
ここで、
ｔｗ：排気蒸気の温度
ｔａ１：復水管ユニット通過直前の冷却用空気の温度
ｔａ２：復水管ユニット通過直後の冷却用空気の温度

一般的な実運転条件として、排気蒸気の温度を６５℃、大気条件として気温３０℃、相対湿度５０％とし、蒸気復水装置出入口の空気側温度差２０℃分の熱交換を行う場合の熱交換量を基本条件とする。また水噴霧は完全蒸発を考慮すると噴霧後で相対湿度８０〜９０％程度が限界と考えられるので、本実施例では８０％を上限とする。

上記条件下において蒸気復水装置を通過する冷却空気の状態を湿り空気線図上に表したものを図６に示す。状態（１）の大気の初期状態（相対湿度５０％）から入口側の状態（２）の相対湿度８０％までの範囲において水噴霧を行うと、復水管ユニット通過直前の冷却用空気の温度ｔａ１は２４．５℃、比エンタルピｈ１は６４．２ｋＪ／ｋｇ（ＤＡ）となる。ここから復水管ユニットを通過して２０℃分の熱交換が行われ、出口側の状態（３）における復水管ユニット通過直後の冷却用空気の温度ｔａ２は４４．５℃、比エンタルピｈ２は８５．０ｋＪ／ｋｇ（ＤＡ）となる。
この条件における前述の熱量バランス式及び伝熱計算式は以下のようになる。
Ｑｓ＝２０．８×Ｇ０
Ｑｓ＝２９．４×Ｋ・Ａ０

一方、本発明の実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置において、上述の従来型と同一性能すなわち熱交換量が同じものを考える。本実施の形態では、上下段の復水管ユニット２１にて熱交換量を半分ずつ受け持つとすると、上段側及び下段側復水管ユニットの熱交換量は、Ｑｕ＝Ｑｄ＝Ｑｓ／２＝１０．４×Ｇ０となる。

上記条件に基づき本実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置の冷却空気の状態を湿り空気線図上に表したものを図７に示す。状態（１）として蒸気復水装置に取り込まれた外気はそのまま下段側復水管ユニットに導入され熱交換して４０℃まで温度上昇すると共に相対湿度が２８．７％まで低下した状態（２）となる。ここで相対湿度の上限である８０％まで水噴霧を行うことができる。水噴霧によって温度２７．４℃まで温度低下した状態（３）の冷却用空気は、上段側復水管ユニットを通過する間に熱交換して状態（４）の温度３７．２℃まで昇温する。

本実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置の熱交換量Ｑｓは次式で表される。
Ｑｓ＝Ｑｄ＋Ｑｕ＝Ｋ・Δｔｍｄ・Ａｄ＋Ｋ・Δｔｍｕ・Ａｕ
ここで、
Ｑｄ＝下段側復水管ユニットの熱交換量
Ｑｕ＝上段側復水管ユニットの熱交換量
Δｔｍｄ：下段側復水管ユニットの対数平均温度差
Δｔｍｕ：上段側復水管ユニットの対数平均温度差
Ａｄ：下段側復水管ユニットの伝熱面積
Ａｕ：上段側復水管ユニットの伝熱面積

対数平均温度差Δｔｍｄ及びΔｔｍｕは次式で表される。
Δｔｍｄ＝｛（ｔｗ−ｔａ１ｄ）−（ｔｗ−ｔａ２ｄ）｝
／ｌｎ｛（ｔｗ−ｔａ１ｄ）／（ｔｗ−ｔａ２ｄ）｝
Δｔｍｕ＝｛（ｔｗ−ｔａ１ｕ）−（ｔｗ−ｔａ２ｕ）｝
／ｌｎ｛（ｔｗ−ｔａ１ｕ）／（ｔｗ−ｔａ２ｕ）｝
ここで、
ｔａ１ｄ：下段側復水管ユニット通過直前の冷却用空気の温度＝３０℃
ｔａ２ｄ：下段側復水管ユニット通過直後の冷却用空気の温度（水噴霧前）＝４０℃
ｔａ１ｕ：上段側復水管ユニット通過直前の冷却用空気の温度（水噴霧後）＝２７．４℃
ｔａ２ｕ：上段側復水管ユニット通過直後の冷却用空気の温度＝３７．２℃
因って、
Ｑｓ＝Ｋ×２９．７×Ａｄ＋Ｋ×３２．５×Ａｕ＝６２．２×Ｋ・（Ａｄ＋Ａｕ）

伝熱面積について従来型空冷式蒸気復水装置と本実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置を比較すると、
（Ａｄ＋Ａｕ）／Ａ０＝２９．４／６２．２＝０．４７
となる。因って、本実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置は、従来型空冷式蒸気復水装置の４７％の伝熱面積で同じ熱交換性能を発揮することができる。

また、現在、最も汎用的に使用されている水噴霧装置が設置されていない空冷式蒸気復水装置（復水管ユニットの総伝熱面積はＡ００である。）と比較すると、冷却用空気は復水管ユニットを通じて３０℃から５０℃まで昇温することになるので、熱交換量は伝熱計算式にてＱｓ＝２３．６×Ｋ・Ａ００となる。本実施の形態との伝熱面積の比較では（Ａｄ＋Ａｕ）／Ａ００＝２３．６／６２．２＝０．３８となり、３８％の伝熱面積で同一性能を達成できることになる。

上記結果が示すように、復水管での熱交換によって昇温し且つ相対湿度が低下した冷却用空気に対して水噴霧を行うことにより、水噴霧による冷却用空気の温度の下げ幅を従来型に比べて大きく確保することができる。その結果、対数平均温度差が増加し、蒸気復水装置の伝熱面積を低減することができる。

［第２の実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置］
本発明の第２の実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置１３は、主管１４ａを含む仮想鉛直面に関して対称に復水管ユニット２１が配置されているのではなく、仮想鉛直面の一方のサイドのみに復水管ユニット２１が配置されている点が、第１の実施の形態に係る空冷式蒸気復水装置１１と異なっている（図５参照）。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、冷却用空気の流れ方向を下方から上方としたが、左右方向や斜め方向としても良い。
また、復水管ユニットを冷却用空気の流れ方向に２段配置したが、３段以上配置しても良いし、復水管ユニットを構成する復水管も２段に限定されるものではなく何段でも良い。さらにまた、蒸気復水装置の入口に水噴霧装置を設置して、さらなる伝熱面積の低減を図ることも可能である。

１１、１３：空冷式蒸気復水装置、１４：蒸気分配管、１４ａ：主管、１４ｂ：分岐管、１５：復水集合管、２１：復水管ユニット、２３：復水管、２３ａ：チューブ、２３ｂ：フィン、２４：水噴霧ノズル、２５：送風機、Ｆ：冷却用空気

Claims (1)

1. 設備機器から排出される排気蒸気が流れる複数の復水管が束ねられた復水管ユニットに向けて冷却用空気を吹き付けて前記復水管を空冷することにより、該復水管内の排気蒸気を復水する空冷式蒸気復水装置において、
   前記復水管ユニットが冷却用空気の流れ方向に間隔をあけて複数段配置され、前記各復水管ユニットは、排気蒸気を送給する蒸気分配管に上流端が接続されると共に、該復水管ユニットから排出される復水を集水する復水集合管に下流端が接続され、冷却用空気の流れ方向に隣接する前記復水管ユニット間に、上流側の前記復水管ユニットを通過することで整流された冷却用空気に水を噴霧する複数の水噴霧ノズルが均等配置され、
   前記水噴霧ノズルは、冷却用空気の相対湿度が９０％を超えないように水を噴霧して冷却用空気を冷却することを特徴とする空冷式蒸気復水装置。

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