JPH01230907A - 蒸気―蒸気再熱方式蒸気タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、蒸気タービン発電機の熱効率の向上に係り、
より詳細には、蒸気−蒸気再熱器のドレンを利用する改
良型装置及び方法に関する。

殆ど全ての原子力用蒸気タービン発電機は、入口蒸気の
湿り度が僅かであり、又はその過熱の度合いが低い条件
で動作するが、熱的性能の向上及びブレード浸食の減少
のため蒸気−蒸気再熱方式が採用されている。切間の再
熱ユニットは例えば単一段設計のものであり、かかる−
段再熱方式では、湿分分離器で乾燥した（湿分を除去さ
れた）高圧の排出蒸気（以下［排気」という、）の再過
熱のためスロットル蒸気（ｔｈｒｏｔｔｌｅ　５ｔｅａ
■）が用いられる。その後、二段再熱方式が採用された
が、この方式では、湿分分離器からの乾燥蒸気を受け入
れる第一段が、高圧タービン構成要素から取り出された
膨張途中の抽出蒸気（以下「抽気」という。）を加熱源
として用いる。第一段に続く第二段はスロットル蒸気を
加熱源として用いる。

タービンの設計における最近の技術進歩により、−層高
い初圧及び初温か考慮され、しかも種々の特徴をもつ再
熱方式が付加されている。これにより、タービンサイク
ルに見合うよう再熱器の数が増加（頃向にある。また、
タービンについての圧力及び温度の増大に伴う燃料費の
増大に鑑み、ズ気の過熱を利用する別個の種々の部分を
設けることによって一層高い出口水温度に適合した設計
が経済的に行われている。さらに、１気を冷却管の外部
で復水させた後、復水を法人給水の温度の６°Ｃ（１０
″Ｆ）以内の範囲まで湯冷するドシン冷却部を加熱器に
設けると経済的であることがｌ’Ｊｌ明している。

■９７０年代の後半に行われた研究の結果、高温高圧の
増殖炉プラントも蒸気−蒸気再熱方式を用いると有利で
あり、抽気は、−段と二段の両方の再熱方式について最
適な供給蒸気であることが分かった。

現在では、凝′ＥＭ兼気と掃気用蒸気の混合物で構成さ
れたドレンを高圧再熱器から取り出して最高圧側（第１
高圧）給水加熱器に送り込む設計がなされている。二段
再熱器の低圧再熱器からのドレンは最高圧側給水加熱器
か、又は適当な排水処理を行う場合には次に配置された
より低圧側の給水加熱器かのいずれかに送り込まれる。

高圧再熱器を出たドレンは最高圧側給水加熱器を出た給
水よりもかなり高い温度状態にある。この温度差は定格
負荷状態では５５℃（１００°Ｆ）にもなり、定格負荷
の２５％の状態では１４０”Ｃ（２５０”Ｆ）を越える
場合がある。再熱器のドレンの圧力は加熱器の抽気の圧
力よりも高いので、熱交換に先立ってドレンを給水の圧
力まで降圧させる。この結果、熱効率が著しく損失する
。

高圧再熱器のドレンをポンプに送り、これにより最高圧
側給水加熱器の出口に圧送排出することが提案されてい
る。しかし卒から、この方法には、ポンプが別個必要に
なるという大きな欠点があるし、しかも、定常状態の下
における不十分な有効吸込水Ｑ（ＮＰＳＨ）、又はポン
プ過渡現象の際のフラッシュ（ｆｌａｓｈｉｎｇ）の何
れかに起因するキャビテーションの発生を避けがたいと
いう欠点がある。さらに、再熱器の管束の信頼性向上の
ため用いられる再熱掃気用蒸気の処分の問題がある。

最新技術の採用にもかかわらず、作動上及び保守上の問
題を解決すると共に蒸気発電システムの熱効率を向上さ
せる新規な方法及び装置の開発が相変わらず要望されて
いる。したがって、燃料費を削減でき、又は蒸気タービ
ン発電機の発電システム内で蒸気をより効率的に利用で
きる方法及び装置に対する要望がある。

本発明の要旨は、蒸気−蒸気再熱システムのｒ「η圧再
熱器のドレンを受け入れてドレンを、最高圧側給水加熱
器に送るのではなく、最高圧側給水加熱器の排出部から
の復水に対し熱交換関係で通すドレンクーラの使用にあ
る。かかるドレンクーラを用いると、再熱器のドレンを
最高圧側給水加熱器へ送る直前に行うドレンの圧力の降
圧に伴、て生じる熱効率のＪ（ｉ失が回避される。新た
に設けたドレンクーラからの復水を次に最高圧側給水加
熱器に流入させる。

かくして、本発明は、蒸気タービン発電機ンステム内の
墓気−蒸気再熱システムの熱効率を向上させる方法及び
装置を提供する。本発明の方法及び装置により、再熱器
のドレンを給水の圧力になるよう圧送する必要なく、再
熱器ドレンの流れを給水の流れに直接加えることができ
る。熱消費率の改善の度合いは一般的には、システムを
１００％未満のｆＬＡ状態で動作させる場合に増大する
傾向がある。また、本発明により、湿分分離器−再熱器
内での湿分のキャリオーバに起因したサイクル損失が減
少する。

本発明の目的は、藤気−蒸気再熱システムの熱効率を向
上させる手段を提供することにあり、より具体的には、
蒸気タービン発電システムの給水の流れをより効率的に
加熱する装置を提供することにある。

本発明のこの目的及びその他の目的及び利点は以下に記
載する好ましい実施例の詳細な説明を読むと当業者には
明らかになろう。

基本型給水加熱器は一般には復水形加熱器（ｃｏ−ｎｄ
ｅｎｓｉＢ　ｈｅａｔｅｒ）と呼ばれているが、原理的
には、蒸気がシェル内に流入し、シェル内部圧力に対応
した飽和温度に一致する一定の温度で復水する主蒸気復
水器と同じである。給水は加熱器に流入して管の内部を
通るが、その際、通常は飽和蒸気温度から３℃（５°Ｆ
）の範囲内まで加熱される。出口水温度と飽和蒸気温度
との間の上記温度差は一般に出口端末温度差と呼ばれて
いる。

さらに、主要な発電所で現在用いられているタービンサ
イクルの殆ど全ては、給水加熱器のうち幾つかの一体部
分として、加熱器の復水部（コンデンシングゾーン）か
ら離隔状態に在り、加熱器のシェル内部圧力に対応する
飽和温度に一致した温度で復水管から排水される復水を
集め、流入中の給水によってその温度から約６℃（１０
’Ｆ）以内の温度まで冷却できるようパンフルが設けら
れた管表面部分を有している。この特徴により、通常の
サイクルにおける成るーっの高温抽気箇所において、加
熱器を出たドレンから１キログラム毎に約９．２８　Ｘ
　１０’Ｊ　（８８ＢＴＵ）の仕事の熱当７を余分に利
用できるという利点が得られる。

これは、給水を同一温度まで加熱するためにはタービン
抽気箇所から蒸気を殆ど抽気する必要がないことを意味
している。このドレン冷却部を新たに設けることは、よ
り高圧側の加熱器からのドレンを次々に配置されたより
低圧段側の加熱器のそれぞれに流入させるサイクルの低
圧側加熱器で益々重要になっている。ドレンクーラを用
いて得られるもう一つの利点は、ドレン弁及びドレン管
系でフランシュする復水が減少することにある。ドレン
クーラが用いられない設備では、加熱器シェルから排水
された水は、その圧力が流れているドレンの温度におけ
るその飽和温度に相当する圧力埴を下回ると一部が蒸気
中にフラッシュすることになる。ドレンクーラを用いる
と、このドレンの管路圧をフラッシュが生じる前により
低圧側の加熱器のシェル圧力の値までほぼ下げることが
できる。

いかなる給水加熱器でも、その主要な目的のうちの一つ
は、給水を各タービン抽気箇所で可能な限り最も高い温
度に加熱することにある。蒸気を単に加熱器に流入させ
て管の外部で復水させる場合、経済的な最高出口温度は
通常はシェル飽和温度よりも約３℃（５°Ｆ）低い温度
である。流入蒸気を十分に過熱できる場合、管束の一部
を、流出中の給水が流入中の蒸気に対し向流状態で流れ
るデスーパヒーティングゾーンとして用いることが可能
である。加熱器への蒸気の流入叶及び流入温度に応じて
、給水を流入蒸気の飽和温度で、又はそれ以上の温度で
加熱器から流出させることができる。かくして、デスー
パヒーティング復水形ドレン冷却加熱器と呼ばれるもの
は、３つの区分を有する装置であって、実際には、連続
して動作し、コストの減少及びスペースの確保のため一
つのシェル内で組み合わされた３つ以下の別々の熱交換
器である。

今、図面を詳細に参照すると（なお、図面において同一
の参照番号は同一の構成要素を示し、破線は蒸気ライン
を示している）、第１図及び第２図は、本発明の一段及
び二段の蒸気−蒸気再熱システムの典型例を示している
。従来、型−段再熱システムでは、蒸気／水混合物又は
低過熱蒸気ＩＯが高圧タービン構成要素内への注入に先
立って蒸気発生器を出た蒸気から取り出される。高圧タ
ービン構成要素からの高圧排気流１２を分割して大部分
１４が蒸気加熱器１８内に設けられた湿分分１ｉｉｌ器
１６に送り込まれるようにする。高圧排気流１２の残部
は流れ２２の状態で給水加熱器２０に送り込まれる。湿
分分離器１６に送り込まれた大部分の高圧排気流１４は
実質的に気水分離され、その排気ｆｉ１４中の液体の大
部分がドレンタンク２４内に溜まり、そしてこれから流
れ２６の状態で給水加熱器２０に送られる。気水分離さ
れた流れ１４の蒸気部分は蒸気再熱器１８の上方部分内
を流れ、蒸気／水混合物の流れ１０との熱交換により再
熱される。次いで再熱蒸気２８をタービン発電機構成要
素用に供することができる。しかる後、蒸気／水混合物
流１０の大部分のａＩ＠液を含む再熱器ドレン３０を一
般的には最高圧側給水加熱器３２に供給する。この給水
加熱器３２の加熱側には、高圧タービン構成要素からの
膨張途中の抽気流３４が追加される。この最高圧側給水
加熱器３２からのドレンを通常は流れ３６の状態でその
次に配置されているより低圧側の給水加熱器２０に流入
させる。このより低圧側の給水加熱器２０からのドレン
３８は小型ポンプ４４を用いて直接、給水流４０中に圧
送される場合が多い。加えて、現在用いられている大抵
の給水加熱器は根本的にはより低圧で動作することが望
ましい。また、給水流４０は通常は、最終給水加熱器３
２への流入に先立ってポンプ４４により高圧状態にされ
るが、それにより高圧高温の給水流４６になる。

本発明の装置においても、上述の一段再熱システムの主
要部は本質的には同一である。しかしながら、本発明で
は、高圧再熱器１８からの再熱器トレン３０を最高圧側
給水加熱器３２ではなくドレンクーラ６６に送り込み、
そしてドレンクーラ６６からのドレン６８を最高圧側給
水加熱器３２に流入させる。

第２図には、上記システムと類似したシステムが示され
ている。但しこのシステムでは二段再熱法が実施される
。かくして、−段再熱方式では給水加熱器３２に追加的
に送られるに過ぎない膨張途中の抽気流３４は二段再熱
方式では２つの流れ４８．５０に分割される。流れ５０
は給水加熱器３２に追加的に送られて同一の作用効果を
発揮する。しかしながら、流れ４８は蒸気／水混合物流
１０よりも下方の箇所で再熱器１８に送り込まれる。第
２の再熱器ドレン５２は、流れ４８を再熱に供したこと
により生じた大部分ａ縮した流れを第２の最高圧側給水
加熱器５４に運ぶ。この再熱器５４には、高圧タービン
構成要素からの膨張途中の抽気流５６が追加される。

この場合、最高圧側給水加熱器３２からのドレン３６を
第２の最高圧側給水加熱器５４に流入させる。この場合
に第２の最高圧側給水加熱器５４からのドレン５８をタ
ンク６０に送り込むが、このタンク６０は再熱器１８の
分離器部分１６からのドレン６２だけではなく給水加熱
器２０からのドレン３８も受け入れる。このタンク６０
は、ドレンシステム内におけるフラッシュの問題の解決
に役立ち、しかも流れのサージに起因する問題を緩和す
る。タンク６０からの混合ドレンは小型ポンプ４２によ
り流れ６４の状態で給水流４０中に圧送される。二段再
熱方式では、ポンプ４４は通常は、給水流４０を第２の
最高圧側給水加熱器５４に供給する前にその圧力を高め
るために用いられる。上述の本発明の一段の場合の実施
例と同様、高圧再熱器１８からの再熱ドレン３０は最高
圧側給水加熱器３２ではなくドレンクーラ６６に送り込
まれる。

かかるドレンクーラ６６を利用すると、再熱器ドレン３
０を最高圧側給水加熱器３２の圧力まで降圧する必要が
ない、したがって、再熱器ドレン３０の温度は最高圧側
給水加熱器３２を出た給水の温度よりも高いことになる
。標準的な熱収支計算法によれば、ドレンクーラ６６の
対数平均温度差（以下ｒＬＭＴＤ、という。）は、再熱
ドレン３０中の掃気用蒸気の存在を無視すると、定格負
荷状態でドレン温度が６℃（１０°Ｆ）に近づく一段再
熱方式では約１７℃（３０＠Ｆ）になる。

もし掃気用蒸気の温度を考慮に入れると、ＬＭＴＤは一
層大きくなる。その結果、掃気用蒸気を考慮に入れるか
どうかにかかわらず、非常に小型の熱交換器をドレンク
ーラ６６として用いることができる。

ドレンクーラ６６のＬＭＴＤは、もし掃気蒸気を無視す
ると二段再熱方式については定格負荷状態において約４
４℃（８０’Ｆ）になろう、２５％負荷状態では、ＬＭ
ＴＤは一段再熱方式では約３３°Ｃ（６０°Ｆ）、二段
再熱方式では約３９℃（７０°Ｆ）である。

本発明の方法及び装置により従来技術の問題点のうち多
くが解決できる。たとえば、従来法では通常、再熱ドレ
ン３０の圧力を下げ、その後最高圧側給水加熱器３２内
に注入しているが、降圧のためフラッシュが再熱ドレン
３０中で生じ、そのために温度が下がる。本発明の装置
は、再熱ドレン３０を高圧状態で利用することによりこ
の問題を解決している。この再熱ドレン３０を高圧状態
で用いるとシステムの熱力学的効率が実質的に増大する
。フラッシュの問題を解決することにより、熱勾配及び
キャビチーシラン−浸食に起因する設Ｏｉ上の問題も解
決できる。

また、再熱器ドレン３０の成る部分を掃気用蒸気で構成
できるので再熱器管の温度サイクルの問題も解決できる
。好ましくは、再熱器ドレン３゜は少なくとも２％の掃
気用蒸気を含むが、その割合はシステムの負荷が減少す
るにつれて増大する。

もし掃気用蒸気を再熱器ドレン３ｏ中に存在させる場合
、ドレンクーラ６６はこの掃気用遺気の復水のため復水
部を有するのが好ましいであろう。

ドレンクーラ６６における復水対ドレン冷却の比率は再
熱器ドレン３０中に含まれる掃気用蒸気の星に応じて様
々である。

一段と二段の再熱方式の両方について熱収支の計算を行
ったが、その計算結果を第１８頁及び第１９頁の表１及
び表Ｈにそれぞれ示している。これらの計算において、
帰気用茎気の含有量を、成る一つのケースでは全負荷か
ら２５％負荷まで２％に保ち、別のケースでは［９サイ
クルを用いて負荷と反比例させた。後者のケースでは掃
気用蒸気の含有量は２５％負荷の状態で約２１％まで増
大した。

これらの熱収支の計算は、スロットル圧力をあらゆる負
荷状態において一定に保って行った。しかしながら、実
際には、スロットル圧力は負荷の減少につれて増大する
。これにより本発明の熱サイクルの改善の度合いが大き
くなる。というのは、基本ケース（標準サイクル）の相
対熱消費率は表Ｉ及び表Ｈに比較して示す相対熱消費率
よりも小さいからである。さらにＬＭＴＤは負荷が小さ
い場合には増大する。

（以　　下　　余　　白　　） 掃気用蒸気の含有星が増大すると、本発明のサイクルの
熱消費率（Ｎｉ大値２ＫＪ／に、−ｈ、）については効
果が小さいが、標準サイクルの熱消費率に対しては効果
の大きいことが分かる。また、これにより、分＃器から
の湿分のキャリオーバの影響、即ち、再熱器の蒸気要件
を厳しくする、再熱器への液体の流入量の増大をもたら
す非効率的な分離は、本発明のサイクルに関しては殆ど
問題とならないことが分かる。さらに、１００％負荷状
態では３〜４ＫＪ／に、−ｈ、、７５％負荷状態では３
〜５ＫＪ／に、−ｈ、、５０％負荷状態では６〜８ＫＪ
／に、−ｈ、、２０％負荷状態では１８〜１９ＫＪ／に
ニーｈ、という熱消費率の改善が得られていることが確
認された（なお、これらの場合、１％の湿分を用いてい
る）。

上述のように、ドレンクーラ６６は、掃気用蒸気が存在
するために復水部を有すると共に、再熱器からの復水及
び復水部からの掃気用蒸気の復水のためのドレン冷却部
を有する。再熱器ドレン３０の構成、二段再熱方式では
再熱器ドレン５２の構成は、再熱器ドレンの蒸気／水混
合物の過度の圧力を消散させるため耐浸食性の圧力逃が
し装置を必要とする！準的なシステムと比較して単純に
示されている。

本発明の装置を使用すると、給水の線温度は最適値より
も僅かに高いだけである。しかしながら、かかる線温度
の僅かな増大よりも熱消費率面での効率向上の方が重要
である。その他の場合、つまり、給水の線温度が切間設
計において、資本設備費を最少限に抑えるため最適値よ
りも僅かに低い場合には、本発明の装置により線温度を
最適値まで上昇させることができる。システムを新しく
設計中であれば、かかる新システムを、従来型システム
で得られたのと同一の線温度が得られるよう設計するの
が好ましい。これには、従来型膜熱交換器を幾分改造す
る必要がある。

今述べたように、本発明の主要な利点は、既存のプラン
トの熱効率の向上が得られることにある。

既存のプラントに本発明のドレンクーラを別途装備して
も良い。新しいユニットでは、最も高い抽気箇所におけ
る圧力を下げてドレンクーラを出た給水温度が所望値に
なるようにする。

本発明の方法及び装置は従来技術と比べ他にも幾つかの
特筆すべき利点がある。本発明では、熱出力定格に関し
同一のキロジュール（ＢＴＵによる）で大きな電力が得
られる。その理由は、本発明によりシステム内における
エネルギ散逸撥が減少するからである。さらに、本発明
のシステムは全体的に、上述のような掃気用蒸気及び分
離器Ｉ６からの湿分のキャリオーバの量が変化するよう
なサイクルで生じることがある問題に関して許容度が高
い。

従来型蒸気−蒸気再熱システムでは、給水加熱器のドレ
ン流を最終的に給水流に追加する場合、ドレンの圧力を
高めるためポンプが別途必要であった。しかしながら、
本発明の方法ではこのようなポンプは不要である。

最後に、現行法では一般に、高圧の液体が低圧の蒸気と
共に熱交換器に供給されている。これにより、液体の膨
張／フラッシュが生じることになリ、その結果として設
備上の問題が発生する。これに対して、本発明の方法で
は、再熱器ドレン３０がドレンクーラ６６で冷却される
ので、その結果得られる流れ６８を一旦、最高圧側給水
加熱器３２に送ると、上記の問題の多くは解決できる。

本発明は主としてシステムエネルギを最大圧力で利用す
るという原理に基づいており、それにより熱及びシステ
ム効率が向上する。

かくして本発明を説明したが、本発明は例示目的で記載
した実施例に限定されず、構成要素のそれぞれのあらゆ
る範囲の均等物を包含する特許請求の範囲に係る事項に
よってのみ限定されるものであることは理解されるべき
である。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の装置を有する一段再熱プラントの一
部を示す略図である。 第２図は、本発明の沿う存する二段再熱プラントの一部
の略図である。 （主要な参照番号の説明〕 １８・・・再熱器、２０．３２・・・給水加熱器、３０
・・・再熱器ドレン、６６・−・ドレンクーラ。 特許出願人：ウェスチングハウス・エレクトリ・ンク・
コーポレーション

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）再熱器が再熱用ドレンを生ぜしめ、数個の給水加
   熱器が圧力上昇傾向にある給水を加熱するため直列接続
   され、給水加熱器がそれぞれ給水入口及び給水出口を有
   する蒸気−蒸気再熱方式蒸気タービンにおいて、ドレン
   クーラが、再熱器から再熱用ドレンを受け入れ、該再熱
   用ドレンを、最高圧側給水加熱器への送り込みに先立っ
   て最高圧側給水加熱器の前記出口からの給水に対し熱交
   換関係で通すことを特徴とする蒸気−蒸気再熱方式蒸気
   タービン。
2. （２）再熱器は二段再熱器であり、各段が再熱用ドレン
   を生ぜしめ、ドレンクーラは二段のうち温度が高い方の
   段から再熱用ドレンを受け入れるよう接続されているこ
   とを特徴とする請求項第（１）項記載の蒸気−蒸気再熱
   方式蒸気タービン。
3. （３）再熱器からの再熱用ドレンは蒸気を含有し、ドレ
   ンクーラは前記蒸気を復水する復水部を有することを特
   徴とする請求項第（１）項又は第（２）項記載の蒸気−
   蒸気再熱方式蒸気タービン。