JPH02218802A - 蒸気タービン装置 - 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、蒸気タービンに関し、より詳細には、ドレン
集液タンクから湿分分離加熱器ドレン・タンクへの予備
分離器の復水の移送効率を改善する装置に関する。

蒸気タービンの排気系統を通る蒸気流中に同伴された液
体を除去するために予備分離器を用いるのが有益である
ことは周知である。原子力発電所において高圧タービン
の排気部と−若しくは二辺上の湿分分離器又は湿分分離
加熱器とを連結する排気管（これは「クロスオーバ管」
と呼ばれる）の中には、もし予備分離器を用いなければ
エローシランという重大な損傷の発生するものがある。

エロージョン発生の問題は幾つかの刊行物で詳しく説明
されている。特に、本発明者の一人であるシルベストリ
（５ｉＪｖｅｓｔｒｉ）に付与され本出願人に譲渡され
た米国特許第４，５２７，３９６号は、蒸気タービンの
排気管内を流れている湿分含有ガス流から、エロージョ
ン発生の原因となる同伴状態の液体を除去する湿分予備
分離器を開示している。

かかる米国特許に記載されている発明は、シルベストリ
及びトレーバー（Ｄｒａｐｅｒ　）に付与され本出願人
に譲渡された米国特許第４．６２２．８１９号に記載さ
れているように、蒸気タービンの排気系統全体を流れる
排気流に同伴された液体を除去して蒸気タービン内の排
気管のエロージョンを減少させるという大規模な計画の
一部である。スイス（５ｗ１ｓｓ）型の湿分予備分離器
にも、高圧タービンを出た蒸気の湿分に起因してコロ−
ジョンが発生するという問題があり、この湿分予備分離
器は、アメリカ機械学会が加わった発電問題検討会議に
おいて提出された論文である（論文番号：　８４−ＪＰ
ＧＣ−Ｐｗｒ−３０）フォノ・ベータ（ｗｏｎ　Ｂｏｅ
ｋｈ）、Ａ　７トン（Ｈｕｔｔｏｎ）及びバトリック（
Ｐａｔｒｉｃ）共著［湿分分離器及び湿分予備分離器の
使用によるサイクル効率の改善（Ｍｏｊｓｔｕｒｅ　５
ｅｐａｒａｔｏｒ　ａｎｄ　Ｃｙｃｌｅ　Ｅｆｆｉｃ−
ｉｅｎｃｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ−ｓｅａｔｓ　ｂｙ　Ｉｎ
ｓｔａｌｌｉｎｇ　Ｍｏ１ｓｔｕｒｅＰｒｅｓｅｐａｒ
ａｔｏｒ　）　Ｊに記載されている。

排気系統から分離された湿分は典型的には、先ず集液タ
ンクに導かれ、次に湿分分離加熱器ドレン・タンクに導
かれる。湿分予備分離器を既存の原子力発電所の蒸気タ
ービン装置に組み込む主な理由は、湿分分離加熱器にお
ける分離段階のドレン系統の混乱状態を回避することに
ある０通例としてタービン排気部に近接して配置される
湿分予備分離器の動作圧力は湿分分離加熱器からのドレ
ン・ラインの動作圧力よりも高いことが判明している。

圧力差はタービン排気圧の約２％〜３％である。また、
予備分離器の内壁と排気スノート（ｓｎｏｕｔ　）又は
クロスオーバ管壁との間に位置する予備分離器集水区域
内で蒸気の速度が大きくなって圧力が回復することが立
証されている。この現象により圧力差がタービン排気圧
の４％まで増大する場合がある。

この圧力差が予備分離器ドレンと湿分分離加熱器（以下
、ｒＭｓＲＪともいう、）ドレンとの間で２〜４％であ
るとすれば、予備分離器ドレン・集液タンクと湿分分離
加熱器ドレン・タンクとを直結すると、フラッシングが
発生してＭＳＨの排水能力が撰なわれ、換言すると、水
蒸気ポケットによりドレン管が閉塞し、このためドレン
流体の体積が増してドレンの流量が減少することがある
。

水蒸気ポケットの発生−消滅の際の排出流体の膨張・収
縮によりキャビテーシジンが生じて激しい機械的応力が
システムのハードウェアに加わる。

予備分離器系統のドレン中にフラッシングが発生すると
、ＭＳＲドレン・タンク内の振動状態の液体レベルの振
幅が大きくなるのでフラッシングの発生を検知できる。

フラッシングの問題の解決策の一つとして、予備分離器
からのドレン・ラインの諸部分に設けられる断熱材を省
いて水温を下げ、望ましくは、ＭＳＲドレン・タンクに
おける圧力差を減少させている。しかしながら、このよ
うな方式は全体的には有効ではない、その理由は、ＭＳ
Ｒドレン・タンク内の液体レベルの増大した振幅が断熱
材の除去にもかかわらずタービン装置の高レベルのトリ
ップ設定値に近くなることが観察されている。さらに、
この方式は経済的な面で欠点がある。すなわち、プラン
トの熱効率が低下すると共にプラントの冷却通気系統に
おける負荷が増大する。

成る種の蒸気タービン装置では、ＭＳＲドレン・タンク
が予備分離器用集液タンクの上方に位置している場合、
液体を予備分離器ドレン・集液タンクから直接、ＭＳＲ
ドレン−タンクに導くことは容易ではない。予備分離器
ドレン水は通常は水蒸気で飽和している。予備分離器ド
レン水をたとえ上方へ流しても、２〜４％の圧力差があ
るためにフラッシングが生じる。さらに、ＭＳＲドレン
−タンクは、ＭＳＲドレン・ライン内に設けられていて
、予備分離器ドレン液をＭＳＲ出ロドロドレンイン内に
導くと非作動状態になるタンク内液体レベル調節装置、
例えば、弁を有するのが良い。

かかる構成では、別法として、予備分離器ドレン・タン
クからの液体を、レベル制扉装置が連結された加熱器に
導くことが考えられる。このためには加熱器のシェルに
穴を穿孔すると共に管口部に溶接作業を施さなければな
らない。しかしながら、圧力容器に関する法律及び原子
力規制委員会（ＮＰＣ）の規制により、かかる溶接のＸ
線検査及び加熱器の静水圧試験を実施しなければならな
くなることは殆ど確実である。これらの試験は費用がか
かり、しかも実施不可能な場合が多い。

かくして、本発明の主目的は、フラッシング発生の恐れ
無く液体を予備分離器ドレン管からＭＳＲに導く有効且
つ経済的であり、しかも湿分予備分離器ドレンのレトロ
フィツトによる取付けを含むレトロフィツト用途に適し
た方法及び装置を提、供することにある。

この目的に鑑みて、本発明の要旨は、蒸気タービン排気
部と少なくとも一つの湿分分離器ドレン・タンクとの間
の排気用配管のエロージヨンを防止する湿分予備分離器
ドレン系統を有し、前記ドレン系統が、湿分分離器ドレ
ン・タンクの上流側に位置していてタービン排気部から
の排出蒸気から除去された予備分離器ドレン液を集める
集液タンクへ開口しているドレン管及び集液タンクを出
た予備分離器ドレン液のフラッシング防止手段を有する
よう構成された蒸気タービン装置において、液体を集液
タンクから吸い込むエダクタ手段が集液タンクと湿分分
離器ドレン・タンクとの間に配置され、集液タンク内の
液体よりも温度が低く圧力が高い作動流体の源がエダク
タ手段に連結され、液体を集液タンクからエダクタ手段
に送り込む第１の管手段が設けられ、エダクタ手段から
排出された液体を湿分分離器ドレン・タンクに送り込む
第２の管手段が設けられ、エダクタ手段内への前記作動
流体の流量を制御する制御手段が設けられていることを
特徴とする蒸気タービン装置にある。

ベンチュリーの原理を利用するエダクタはポンプとして
働いて液体の圧力を増大させると共に液体を一段と冷却
する０作動流体は−又は二以上のタービン給水加熱器の
排出部から取り出される加圧状態の復水である。給水加
熱器の加圧状態の復水は通常は集液タンク内の水よりも
低温である。

エダクタは復水と集液タンクの水を混合し、それにより
集液タンクの水よりも５〜１０°Ｃ低いエダクタ排出水
を生ぜしめる。低温のエダクタ排出水は、フラッシング
の恐れが乗じる前に、圧力がタービン排気圧の１３〜２
０％減少している。

予備分離器ドレン水の集液タンクは、予備分離器のドレ
ン水が液中で集液タンク内へ流入するような最小の水レ
ベルの維持のためタンク内部に突出した排出ラインを有
する。このような構成により、蒸気が予備分離器ドレン
管を逆流するのが阻止される。また、本発明の装置は、
少量の加熱器復水を集液タンク内ヘスプレーしてドレン
を僅かに冷却する。その目的は、集液タンクとエダクタ
との間のライン中でブラッシングが生じないようにする
追加のマージンを得ることにある。

本発明は、予備分離器からのドレン水の冷却のためのエ
ダクタの断熱材の除去をしなくても、従来型ドレン系統
の出力損失と比べ、プラントの熱効率が全体的に増すと
いう利点がある。別の利点として、ドレン集液タンクの
下流側に位置する予備分層器の配管系統のサイズを小さ
くできる。エダクタを用いない従来型装置では、フラッ
シング防止のためドレン・ラインの直径を１２〜１６イ
ンチにする必要があるが、エダクタを用いると、ドレン
・ラインの直径を６インチまで細くすることが可能であ
り、その結果、予備分離器系統の価格及び取付は費が著
しく節約できる。

本発明の内容は、添付の図面に例示的に示すに過ぎない
好ましい実施例の以下の説明を読むと一層容易に明らか
になろう。

原子力発電所の蒸気タービン装置における湿分予備分層
器ドレン系統１０の典型的な従来型構成が第１図に概略
的に示されている。湿分含有排出蒸気から分離された液
体はタービン排気ノズル１２から出て集液タンク１４に
流入する。典型的には、高圧蒸気タービンは少なくとも
２つの蒸気排気ノズル又はスノート１２を有し、各ノズ
ル１２は、液体を排出ノズル１２から−又は二本以上の
ドレン・ライン１３を通って集液タンク１４内へ送り込
む複数の予備分層器ポートを有する。

集液タンク１４にはベント１６が設けられており、運転
状態の移行の際に生じた水蒸気が、このベントＩ６を通
り、ベント・ライン１５及び抽気ライン１７を経て第２
ポイントの給水加熱器１８に導かれる６図示のドレン系
統は、ノズル１２から種々の蒸気ライン及びクロスオー
バ管２１を経て排出蒸気を受は入れるよう連結された多
数の湿分分離加熱器（以下、ｒＭｓＲ，ともいう）１９
を有する。

集液タンク１４から予備分離液が湿分分離加熱器ドレン
・タンク２０内へ導かれるが、ドレン・タンク内への流
量は逆止弁２２によって制御される。

本発明のドレン系統１０１のエダクタ部分１０３が第２
図に概略的に示されている。エダクタはベルヌーイの定
理から導かれる周知のペンチエリ−効果を発渾するよう
働く、エダクタ１０２はノズル１１０ｔ−６！えたノズ
ル端部１０４を有し、矢印Ｖｌで示された作動流体はノ
ズル１１０を通ってエダクタ１０２内へ注入されてデイ
フユーザ１１６に向かう０作動流体は−又は二基上の加
熱器（図示せず）の排液である高圧状態の復水である。

矢印ｖｌｌで示された予備分離器集液タンクのドレン液
である吸込み流体は、作動流体に同伴されてノズル端部
１０４における本体１１２に設けられた入口１１４を通
ってエダクタ１０２に流入する。

作動流体及び吸込み流体はデイフユーザ１１６の同伴部
１１８内で合流して運動量を互いに交換するが、かかる
デイフユーザでは本体１１２は細くなった喉部１２０ま
でテーパしている０合流した状態で同伴部１１８を通る
流体の流れは矢印ｖＮで示されている。喉部１２０にお
いて、矢印ＶＴで示された合流状態の流体は共通の速度
に達し、即ち、作動流体は減速されるが吸込み流体は増
速される。エダクタ１０２の最後の部分１２４は喉部１
２０よりも大径の出口１２６まで逆テーバしている。こ
の最後の部分１２４では、合流状態の流体の速度はテー
パの度合いに応じて減少する。

出口１２６は矢印■２で示された合流状態の流体を、吸
込み流体ＶＳよりも低温且つ高圧でライン１４０′内へ
送り込む、エダクタ内で吸込み流体と作動流体が互いに
運動量を交換し、これにより作動流体Ｖｌと吸込み流体
ｖｓとの間で熱及び圧力が交換されるが、これは実質的
にエダクタ１０２の下流側でのフラッシングの恐れを減
少させる。

第３図は、本発明の教示を具体化した湿分予備分離器ド
レン系統１０１の概略線図である。このドレン系統は、
エダクタ装置が設けられていることを除けば第１図のも
のと同一である。エダクタ１０２は集液タンク１４’と
逆止弁２２′との間のライン中に位置した状態で示され
ている０作動流体Ｖｌは、ポンプ１００として示された
高圧水供給源から導かれる。なお、十分な圧力及び温度
の流体を供給する他形式の源も以下に説明するようにタ
ービン装置内で利用できる。

作動流体ｖＩの流量は２つの弁、即ち遮断弁１３０とそ
れに続いて配置された制御弁１３２によってエダクタ１
０２の上流側で制御される。弁１３０．１３２は集液タ
ンク１４′内の水位に応じて制御される（第５図のレベ
ル制御装置であるセンサ１５０を参照）。制御装置１３
４は集液タンク１４’内における所望の水位を維持する
ように弁１３０．１３２を動作させる。水位は、水がタ
ンクから溢れて排気系統内へ逆流しないように、また、
蒸気を分離系統内へ引き込むほど低くならないように選
択されている。好ましくは、作動流体■１は、他の加熱
器ドレンを流出させる加熱器の主復水用排出部、又はも
う一つの加熱器（ポンプ１００の代わり）からのドレン
を先へ圧送する加熱器の排出部の何れかから得られる。

何れの場合でも、加熱器の排液は予備分離器集液タンク
流体よりも高い圧力ヘッドを有することになる。何れに
しても加熱器の排液はその次の到達光である第２ポイン
ト加熱器までは従来通り圧送する必要がある。この排液
のうち幾分かを引き出してエダクタの作動流体として用
いても、動力損失は比較的僅かであり、この動力損失分
は、本明細書において一層明らかになるように、動力プ
ラント全体の他の構成要素に対する要求を減じることに
より十二分に相殺される。

第４図は、２種類のエダクタの性能特性を、縦軸に種々
のレベルの有効吸込みヘッド（ＮＰＳＨ）、横軸に種々
の効率係数を取った状態で示す図である。エダクタの性
能データはカラシック（Ｋａｒａｓｓｉｋ）　、クルッ
チ（Ｋｒｕｔｚｃｈ）、フレーザー（Ｆｒａｓｅｒ）及
びメッシーナ（ｌｌＩｅｓｓｉｎａ）Ｗ集の［ポンプ・
ハンドブック（Ｐｕｍｐ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ）　Ｊ　　
（７７グロ一ヒル社、１９７６年刊行）から抜粋してい
る。かかる文献に公表されたデータによれば、エダクタ
における吸込み流体と作動流体の圧力に応じて３．５〜
６ポンドの吸込み流体を１ポンドの作動流体により圧送
できる。これらのデータから、−又は二基上のタービン
加熱器からの加圧状態の復水である作動流体■１と予備
分離器ドレンである集液タンク内の液体ｖｓとを混合す
ればエダクタの水■ｚは集液タンク内の液体よりも５〜
ｌＯ℃低くなることが予想される。出口１２６における
排液■２は、フラッシング前に１３〜２１％の圧力低下
が得られる。

第５図は、ドレン・ライン１３が孔１３’を貫通して水
中で嵌入するに十分な高さに水位１４２を保つためタン
ク１４’内で上方へ突出した排出管１４０を備えた集液
タンク１４′を示している。

この本発明の特徴により、ドレン・ライン１３を通る望
ましくない蒸気の逆流が防止される。小径のベント・ラ
イン１４４が、下流側のクロスオーバ管（図示せず）に
連絡する状態でタンク１４′の頂部に示されている。セ
ンサ１５０が水位１４２を検知して制御装置１３４を動
作させてエダクタ１０２内への作動流体■茸の流量を制
御する。

本発明は、もう一つの特徴として、加熱器の排液である
少量の低温復水を集液タンク１４′内ヘスブレーしてド
レン・ライン１３を予め僅かに冷却し、それにより集液
タンク１４’とエダクタ１０２との間の排出管１４０内
におけるフラッシング前のマージンを一段と大きく取る
手段を有する。かかるスプレーに用いる流体は、制御弁
１４６によりタンク１４′に連結された作動流体源、例
えばポンプ１００から得られる。スプレー・ヘッド１４
Ｂをタンク１４′内に位置させた状態で水ライン１４９
により弁１４６に連結するのが良い。

上述の本発明の構成により得られる圧力差は、このスプ
レーの利用により予備分離器ドレンの集液タンク１４′
の内容物の飽和温度を０．３５ｋｇ／ｄだけ低下させる
ことに基づいて計算される。

上述のように、本発明の装置を既存の原子力発電所の蒸
気タービン発電装置に組み込むと、発電装置の電力出力
が僅かに低下する。この電力出力の低下は、加熱器のド
レン構成、作動流体の供給圧力、エダクタ集液タンクの
水圧からの排出圧力、及びＭＳＲドレン・タンクの高さ
位置に応じてまちまちである０作動流体を２８ｋｇ／ｄ
で用いる装置では、電力出力の損失分は計算によれば、
加熱器ドレンを全て流出させるサイクルにおいて加熱器
からの復水につき、総出力が１，１５４，７４５ｋＷの
うち１１７ｋＷ〜２００ｋＷである。加熱器により一又
は二以上の他の加熱器からの排液を先の方へ圧送する異
なるサイクル態様については、電力の損失分は２９ｋＷ
〜３４ｋＷになる。このような電力損失は、エダクタを
用いず、ドレン−ラインから断熱材を除去して予備分離
器ドレン液を冷却することを意図した従来型ドレン系統
の場合の電力損失が１０６ｋＷであるのと比べると取る
に足りない量である。従来型ドレン系統についての電力
損失の計Ｘ値は、プラントの通気装置に加わる負荷の増
大及び非断熱状態のドレン・ラインからの熱の消散によ
り冷却の増強に応じて大きくなり、また、かかる電力損
失には、従来型ドレン系統によっては効率的に防止でき
ない、湿分分離加熱器系統におけるフラッシングと関連
のある他の問題に起因する効率の損失及び費用が考慮さ
れていない。

上述の計算値によりエダクタの機械的効率は２５〜３０
％であると推定される。エダクタの新たな開発により機
械的効率が４０％に近づく見通しである。したがって、
作動流体の所要量の減少のためにシステムの性能範囲が
広がるだけでなく電力損失が小さくなっても、これらの
問題は本発明の改良型エダクタを用いると改善できる。

本発明によれば、既存のプラントの通気及び冷却系統へ
の影響はもしあったとしてもごく僅がであるという別の
利点がある。これとは対照的に、上述のように、エダク
タを用いない従来型ドレン系統を有する予備分離器設備
では、予備分離器に隣接した開城における通気系統に追
加の要求が住じる。成る既存のプラントの通気系統は追
加の熱負荷に応える能力を備えていない。

本発明のさらにもう一つの利点は、集液タンク１４′の
下流側の予備分離器ドレン管１４２のサイズを減少でき
ることにある。エダクタ１０２を用いなければ、フラッ
シングの防止のためには直径３０〜４０Ｃ１１の管が必
要になる。エダクタを用いると管１４０の直径を１５Ｃ
１１に減することができる。その結果、予備分離器系統
全体の設備費及び取付は費が大幅に節約できる。

最後に、本発明は、予備分離器の広範囲の湿分除去効率
に亙り有用である。たとえば、現時点においてドレン・
ラインとして使用されている直径３０〜４０ａａのドレ
ン・ラインは一般的には、予備分Ｍ器の効率がタービン
排出湿分の全除去量のほぼ３５％である場合に用いられ
る。湿分除去レベルを高（する場合、上記のような改善
結果を従来型ドレン系統で得るにはエダクタ・システム
の使用が一層適している。

図面に示す実施例は例示に過ぎず、予備分離器ドレン系
統中にエダクタを用いる変形例の案出の可能性を閉ざす
ものではない、エダクタを予備分離器ドレン・ラインに
直結するのが望ましい場合がある。たとえば、チューニ
ング用ベーン・エルボ／予備分離器の組合せを地面のレ
ベルで取付け、予備分離器ドレン・ラインをその集液タ
ンクまで上方へ延ばすのが良い。この構成ではフラッシ
ングの発生が避けられない。その結果、排水の問題が生
じてプラントの運転及び性能に悪影響を及ぼす、この種
の排水の問題は、本発明に従ってエダクタを集液タンク
の上流側のドレン・ライン中に取付けることにより解決
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、蒸気タービンの一形式における湿分分離加熱
器ドレン・タンクまでの従来型予備分離器ドレン運搬系
統の簡単な略図である。 第２図は、本発明において用いられるエダクタの一形態
の横断面図であり、作動流体と吸込み流体の両方の配向
、流入、混合、圧縮及び排出の状態を示す図である。 第３図は、本発明の特徴を有する改良型予備分離器ドレ
ン運搬系統の略図である。 第４図は、成る運転範囲においてＮＰＳＨと効率係数を
比べた２形式のエダクタの性能データのグラフ図である
。 第５図は、エダクタの上流側に位置し、本発明において
用いられる集液タンクとドレン・ラインの構成を示す立
面図である。 〔主要な参照番号の説明〕 １０．１０１・−・湿分予備分離器ドレン系統、１２・
・・タービン排気部、１３・・・ドレン・ライン、１４
゜１４′・・・集液タンク、２０・・・ドレン・タンク
、１００・・・ポンプ、１０２・・・エダクタ、Ｉ　３
０−・・遮断弁、１３２・・−制御弁、１４０，１４０
’・・・ライン、１５０・・・センサ。 特許出願人：ウェスチングハウス・エレクトリック・コ
ーポレーション 代　理　人：加藤　紘一部（外１名） 蝕）燭

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）蒸気タービン排気部と少なくとも一つの湿分分離
   器ドレン・タンクとの間の排気用配管のエロージョンを
   防止する湿分予備分離器ドレン系統を有し、前記ドレン
   系統が、湿分分離器ドレン・タンクの上流側に位置して
   いてタービン排気部からの排出蒸気から除去された予備
   分離器ドレン液を集める集液タンクへ開口しているドレ
   ン管及び集液タンクを出た予備分離器ドレン液のフラッ
   シング防止手段を有するよう構成された蒸気タービン装
   置において、液体を集液タンクから吸い込むエダクタ手
   段が集液タンクと湿分分離器ドレン・タンクとの間に配
   置され、集液タンク内の液体よりも温度が低く圧力が高
   い作動流体の源がエダクタ手段に連結され、液体を集液
   タンクからエダクタ手段に送り込む第１の管手段が設け
   られ、エダクタ手段から排出された液体を湿分分離器ド
   レン・タンクに送り込む第２の管手段が設けられ、エダ
   クタ手段内への前記作動流体の流量を制御する制御手段
   が設けられていることを特徴とする蒸気タービン装置。
2. （２）制御手段は、前記作動流体源とエダクタ手段との
   間に連結された流量制御弁と、集液タンク内に設けられ
   ていて集液タンク内の液体レベルを検出するセンサ手段
   と、センサ手段に連結されていて流量制御弁を制御する
   ようセンサ手段に応答する手段とを有することを特徴と
   する請求項第（１）項記載の蒸気タービン装置。
3. （３）制御手段は、流量制御弁に直列関係で連結された
   遮断弁を更に有することを特徴とする請求項第（２）項
   記載の蒸気タービン装置。
4. （４）集液タンク内に低温の液体をスプレーして集液タ
   ンクから流出する前記予備分離器ドレン液を予備冷却す
   るスプレー手段を更に有することを特徴とする請求項第
   （１）項又は第（２）項記載の蒸気タービン装置。
5. （５）第１の管手段は、液体が集液タンク内へのドレン
   ・ラインの嵌入開口よりも上の高さ位置で該管手段を経
   て集液タンクから出るよう集液タンク内で上方に突出し
   ており、それにより、予備分離器ドレン液が液中で集液
   タンク内へ流入して蒸気がドレン・ライン内へ逆流しな
   いようになっていることを特徴とする請求項第（４）項
   記載の蒸気タービン装置。