JPH0245765B2

JPH0245765B2 -

Info

Publication number: JPH0245765B2
Application number: JP57232337A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Mochida; Toshiaki Ozeki; Kenji Sato; Yoshitaka Yuasa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-12-27
Filing date: 1982-12-27
Publication date: 1990-10-11
Also published as: KR840007131A; JPS59122803A; US4607689A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は蒸気タービンの再装装置に係り、特に
Ｕ字状伝熱管の出口側のドレンの過冷却を防止で
きるようにした蒸気タービンの再熱装置に関す
る。

〔発明の技術的背景と問題点〕

一般に沸騰水型あるいは加圧水型の軽水炉を用
いる原子力発電プラントにおいて、蒸気タービン
に送給される蒸気は、化石燃料を用いる火力発電
プラントにおける蒸気と比較して、湿分がはるか
に多いいわゆる湿り蒸気である。この湿り蒸気中
の湿分は、蒸気タービンの羽根を侵食するばかり
でなく、蒸気タービンの効率低下を招くため除去
しなければならない。そこで、原子力発電プラン
トでは、高圧タービンと低圧タービンとの間に例
えばシエブロン型のようなドレンポケツト付波板
形状の湿分分離装置を設け、高圧タービン排蒸気
中に含まれる10％程度の湿分を１％あるいはそれ
以下に減じている。そして、この湿分の低下した
蒸気を、さらに高圧タービンからの抽気蒸気ある
いは原子炉で発生する蒸気を加熱源とした再熱装
置により加熱し、過熱蒸気を低圧タービンに供給
するようにした再熱サイクルを採用している。再
熱サイクルによると、低圧タービンの効率向上に
寄与するばかりでなく、湿り蒸気による低圧ター
ビンの侵食を緩和することができる。一般に、こ
の湿分分離装置と再熱装置とは１つの胴のなかに
収容されており、湿分分離再熱装置と呼ばれてい
る。

従来、この種の再熱装置として用いられている
ものには、大別して１段再熱形式と２段再熱形式
とがある。前者は原子炉で発生する蒸気で再熱を
行うものであり、後者は高圧タービンからの抽気
蒸気で第１段の再熱を行い、さらに原子炉の発生
蒸気で第２段の再熱を行うものである。これらの
再熱装置は、いずれも高温側の再熱側蒸気を管内
に流し、加熱されるべき被再熱側蒸気を管外に流
す形式の多管式熱交換器である。

このような従来の２段再熱形式の湿分分離装置
を示す第１図ないし第４図において、装置の外殻
をなす本体胴１は横長の円筒で、下側部に被再熱
湿り蒸気導入管２およびドレン排出管３が、上側
部には過熱蒸気排出管４が設けられ、本体胴１の
両端部は蓋板５によつて閉じられ、蓋板５の近く
に仕切板６が本体胴内に対向して設けられてい
る。本体胴１内の底面付近には、両端の仕切板
６・６を胴軸方向で連結する水平な底板７と、こ
の底板７の上方にあつて底板と平行な天井板８が
設けられている。そして、この底板７の上面に
は、蒸気分配板９が、両仕切板６・６の間に山形
に設けられ、底板７・蒸気分配板９および仕切板
６によつて横断面形状が三角形の蒸気分配室１０
を形成している。蒸気分配板９の両外側には、底
板７と天井板８との間に湿分分離装置１１が並設
され、湿り蒸気がその装置１１を通過する間に湿
分が分離除去される。また、天井板８の上部両端
縁には長手方向に２枚の分割板１２・１２が山形
を形成するように設けられ、さらにこの分割板１
２・１２の外側に平行して対向板１３・１３が設
けられ、この分割板１２と対向板１３間の流路が
上部で合流して過熱蒸気排出路４へ連なり、本体
胴内に横断面が逆Ｙ字状の再熱路１４が形成され
ている。また、本体胴両端の蓋板５・５と仕切板
６・６との間の空間には、第１段再熱装置の第１
段再熱ヘツダ１５と第２段再熱装置の第２段再熱
ヘツダ１６とがそれぞれ設けられている。そし
て、再熱路１４の下方には多数のＵ字状伝熱管１
７からなる第１段再熱装置のＵ字状管束が、また
再熱路１４の上方には第２段再熱装置のＵ字管束
が配設されている。この第１段および第２段再熱
装置は、第３図および第４図に示すように、隔壁
１８によつて高温室１９と低温室２０とに分画さ
れた再熱ヘツダ１５−１６と、始端を高温室１９
に末端を低温室２０に開口する多数のＵ字状伝熱
管１７と、これらの伝熱管１７を取付ける管板２
６と、振動防止のため伝熱管１７を適当な間隔で
支持する支え板２１とからなる。また、高温室１
９には再熱蒸気導入管２２が、低温室２０にはド
レン排出管２３・ベント蒸気排出管２４および出
入用マンホール２５が設けられている。

次に、このように構成された湿分分離装置内に
おける再熱側および被再熱側蒸気の流れについて
説明する。被再熱側蒸気は、被再熱湿り蒸気導入
管２より流入し、蒸気分配室１０内を本体胴軸方
向へ流れ、蒸気分配板９により２分されたのち、
例えばドレンポケツト付波板形状の湿分分離装置
１１を通過する間に湿分を除去され、再熱路１４
へ導かれる。除去された湿分（ドレン）は、重力
によつて湿分分離装置１１中を流下し、集められ
てドレン排出管１３より排出され、図示を省略し
たドレンタンクに集められる。再熱路１４に送ら
れた蒸気は、第１段および第２段のＵ字状伝熱管
１７の束の間を直交して流れる間に、伝熱管１７
内を流れる再熱蒸気と熱交換して過熱蒸気とな
り、過熱蒸気排出路４から流出し、低圧タービン
に送られる。

一方、再熱側蒸気は、再熱蒸気導入管２２を通
して再熱ヘツダの高温室１９に流入したのち、多
数のＵ字状伝熱管１７に分配されて伝熱管内を流
れる。この間に、再熱蒸気は管外を流れる被再熱
側蒸気と熱交換を行い、徐々に凝縮して、環状
流・波状流・層状流のような状態の２相流で流れ
流動形態も変動する。そのため、Ｕ字状伝熱管１
７の入口付近では気体重量比すなわちクオリテイ
がほぼ１で気相であるのに対し、出口付近ではほ
ぼ０となりほとんど液相のドレンとなる。このド
レンは低温室２０へ流入し、ドレン排出管２３を
通して図示を省略したドレンタンクに集められ
る。また、凝縮するにいたらなかつた再熱側蒸気
は、ベント蒸気排出管２４から流出する。このよ
うな再熱側蒸気の流れは、第１段再熱装置および
第２段再熱装置のいずれにおいてもほぼ同じであ
る。なお、伝熱管１７には、通常外面フイン高さ
が低いローフイン管が用いられる。これは、伝熱
管内は凝縮現象を伴つているため伝熱係数が高い
のに対し、管外は蒸気単相熱伝達で伝熱係数が低
いためである。しかし、再熱側蒸気の管内流れ状
態は、すべての管で前述のようにはならず、ばら
つきが生じる。すなわち、第４図に示すかうに、
Ｕ字状伝熱管１７は、再熱ヘツダの高温室１９と
低温室２０に入口端と出口端とをそれぞれ連通さ
せており、伝熱管外部の被再熱蒸気は、下方より
上方へ伝熱管１７と直交して流れる。したがつ
て、管束最外周の外側管１７ａは、下方の伝熱管
１７により加熱されて温度が上昇した被再熱蒸気
と熱交換を行うことになるので、管内外の流体温
度差が最小となり交換熱量が最小となる。これに
対して外側管１７ａの下部は、最低温の被再熱蒸
気と熱交換を行うので管内外流体温度差が最大
で、交換熱量が最大となる。伝熱管１７内に流入
する再熱蒸気の流量は、主としてその管の交換熱
量によつて決定されるので、管束の内側の管ほど
再熱蒸気流量が減少することになる。しかしなが
ら、すべての伝熱管１７は、両端がそれぞれ高温
室１９および低温室２０と連通しているので、運
転状態において各室内の圧力は一定となる。した
がつて、各伝熱管１７内に流入する再熱蒸気流量
は、各伝熱管１７内を流れる流体の流動抵抗と各
管の交換熱量により自己平衡的に決定される。高
温室１９と低温室２０との圧力差が大きくない場
合には、外側管１７ａの下部中間における静圧が
低温室２０の静圧と同等になり、このため管内流
体は、この部分で閉塞され停止することになる。
しかしながら、熱交換により生ずる凝縮ドレン
は、継続的に生じるので、管内に滞留するドレン
量が増加し管内断面に充満してゆく。そして、こ
の滞留ドレンは、低温の管外被再熱蒸気によつて
冷却され、場合により50〜60℃の過冷却が生ずる
ことがある。また、管内に滞留ドレンが充満して
凝縮伝熱面積が減少するのに伴い流入蒸気量も減
少するので、管内の２相流動抵抗が減少し、した
がつて滞留部分の静圧が上昇するので、過冷却状
態となつた滞留ドレンは低温室２０へと流出す
る。滞留ドレンが流出すると、そこが新しい凝縮
伝熱面となるので、その伝熱管に再び大量の再熱
蒸気が流入するというハンチング現象が発生す
る。また、外側管１７ａと内側管１７ｂとの交換
熱量の差が大きくなると、この現象は増幅された
形であらわれる。すなわち、凝縮ドレンは、外側
管１７ａ下部の上流側に滞留するようになり、滞
留部より下流側の伝熱管内には、内側管１７ｂか
ら凝縮しきれずに流出した蒸気が、低温室２０側
から流入することになる。このような場合に、伝
熱管１７と管板２６との溶接部には周期的な温度
変動が作用することになるので、熱疲労により欠
陥が生ずるという問題がある。

このように、ハンチング現象が生じ伝熱管１７
と管板２６との溶接部に欠陥が発生することは、
プラントの制御系の安定性および機器の信頼性を
確保するうえでどうしても避けなければならない
問題である。

この問題を解決するため、複数個の管板の孔と
整合する複数個の孔を有するオリフイスプレート
を溶接等により管板に取付け、このオリフイスプ
レートの孔径を管外流体の分布に応じて少しずつ
変化させる方法が提案されている。この方法は、
極めて簡便ではあるが、実際に適用するについて
は種々の問題がある。すなわち、溶接によりオリ
フイスプレートを管板に直接取付けるので、伝熱
管内面の点検・清掃等の際に、オリフイスプレー
トの取外しが容易でない。また、オリフイスプレ
ートと管板との間に隙間が生じ易いので、隙間を
通して蒸気が連通してしまい、各伝熱管に対して
適正な絞りを保証できない。さらに、伝熱管の材
料に十分な耐食性が期待できない場合、オリフイ
スプレートの後の渦の発生により伝熱管が損傷を
受けるおそれがあるなどの問題があつた。

〔発明の目的〕

そこで、本発明の目的は、凝縮液の過冷却によ
るハンチング現象および伝熱管の溶接部の熱疲労
を防止し、プラントの安定性、機器の信頼性を向
上できるようにした蒸気タービンの再熱装置を提
供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明は、隔壁を介
して高温室と低温室に分画された再熱ヘツドを管
壁の外側に設けると共に多数のＵ字状伝熱管の各
一端を上記高温室と連通するように管板に接続す
る一方、他端を低温室と連通するように管板に接
続し、高温室側の再熱蒸気をＵ字状伝熱管を通し
て低温室側へ導くようにした蒸気タービンの再熱
装置において、上記高温室に開口した伝熱管の入
口部にノズルを装着し、このノズルのフランジの
前面にベルマウス板を配置し、ノズルのフランジ
を管板とベルマウス板との間に挾持するようにし
たことを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明による蒸気タービンの再熱装置の実
施例を第５図乃至第１２図を参照して説明する。
なお、これらの図中には第１図乃至第４図に示し
た装置と同一部分には同一符号を付して示してい
る。

第５図において、再熱ヘツダの高温室に連通す
る伝熱管１７の入口開口部には、ノズル３１が装
着され、このノズル３１の後端にはフランジ３２
が一体的に形成されている。上記ノズル３１は、
入口から出口に向つて流路断面を漸次減少するよ
うなノズル孔３１ａを備え、その出口端に噴口３
３が設けられている。上記ノズル３１の外径は伝
熱管１７の内径よりも小さく、上記ノズル３１の
外周面と伝熱管１７の内壁面との間には伝熱管保
護部材としてのインサート管３４が装着されてい
る。このインサート管３４は、後端にフランジ３
４ａを備え、フランジ３４ａはノズルのフランジ
３２と管板２６との間に挾持されている。また、
その先端はノズル３１と噴口３３よりも前方の位
置まで延びて終端している。第５図においては伝
熱管１７の１つを示しているが、再熱ヘツダの高
温室には、第４図に示したように、実際には多数
の伝熱管１７の入口開口が存在しているから、ノ
ズル３１は、その噴口３３の孔径が異なつたもの
を多数用意する必要がある。本発明によれば、多
数の伝熱管１７の管束について外側管１７ａから
内側管１７ｂに向つて噴口３３の孔径が漸減する
ように設定される。そして、これらの多数のノズ
ル３１はベルマウス板３５を使つて管板２６に対
してねじ止め等によつて固定される。このベルマ
ウス板３５には、多数の伝熱管１７，１７，…
…，１７の入口開口と整合可能な位置に同数の導
入孔３５ａがあらかじめ穿設されている。第５図
にはそのうちの１つを示しており、導入孔３５ａ
は、流路抵抗を低減するために円弧面によつて形
成されている。

本発明はこのように構成されているから、再熱
蒸気導入管２２を経て再熱ヘツダの高温室１９へ
流入した再熱蒸気は、多数のＵ字状伝熱管１７，
１７，……，１７の入口よりそれぞれ流入し、低
温室２０に向つて流れる。各伝熱管１７について
言えば、再熱蒸気は、ベルマウス板３５の導入孔
３５ａおよびノズル３１のノズル孔３１ａを通
り、伝熱管１７内をＵ字状の流路に沿つて低温室
２０に導かれ、この間に被再熱蒸気との間に熱交
換が行われる。

また、ノズル３１を通過した再熱蒸気は噴口３
３の直後で急拡大して渦を発生し伝熱管１７の浸
蝕の原因となるがインサート管３４によつて効果
的に防止できる。さらに、前述したとおり、管束
を形成する伝熱管１７，１７，……，１７の入口
のノズル３１，３１，……３１の各噴口の孔径を
外側管１７ａから内側管１７ｂに向つて漸減する
ように構成したので、熱交換量に相応するよう
に、外側管１７ａに対しては流入蒸気量を増大さ
せる一方、内側管１７ｂに対しては流入蒸気量を
減少させることができる。

第６図は、本発明の他の実施例を示したもので
あり、この例におけるノズル３１は肉厚が一様な
管材料に絞り加工を施すことによつて構成され、
先端に噴口３３が形成されている。このような実
施例によれば、ノズル３１を最小限の材料で構成
でき軽量化するうえでも好都合である。

第７図は本発明のさらに他の実施例を示したも
のであり、この例においてはノズル３１は中央の
喉部３６に向つて漸次孔径を減ずる先細り状の孔
３１ａと、喉部３６から出口側へ向つて漸次流路
断面を拡大した拡がり通路３７を組合せることに
よつて形成され、拡がり通路３７の出口端は伝熱
管１７の内壁面と一致している。この例において
も、前の実施例と同様にノズル３１のフランジ３
２がベルマウス板３５によつて管板２６に挾着さ
れている。また、ノズル３１の喉部３６の内径は
各伝熱管ごとに異つた寸法を有し、第４図に示し
た例について言えば外側管１７ａから内側管１７
ｂへ向つて孔径が漸減するように設定されてい
る。このような実施例によれば、ノズル３１の喉
部３６を通過した蒸気は拡がり通路３７を通過す
る間に徐々に膨張するので渦の発生がなく伝熱管
１７の内壁の浸蝕の問題は生じない。したがつ
て、インサート管を設ける必要はなくなる。

また、第８図は本発明のさらに他の実施例を示
したものであり、肉厚の一様な管材料に対して絞
り加工を施しノズル孔３１ａ、喉部３６および拡
がり通路３７を一体成形したものである。

さらにまた、第９図および第１０図に示した例
は、ノズル３１とベルマウス板３５とをあらかじ
め一体的に設けた例である。すなわち、第９図に
示した矩形状のベルマウス板３５にはＵ字状伝熱
管１７，１７，……１７と整合可能な位置にノズ
ル３１，３１，……，３１が一体的に突設され、
このノズル３１は導入孔３５ａおよびノズル孔３
１ａが設けられている。この実施例においても伝
熱管１７の入口開口にインサート管３４が装着さ
れ、それによつて伝熱管１７の内壁面の浸蝕が防
止される。なお、符号３８，３８はベルマウス板
３５を管板２６に対して固定する孔を示してい
る。

ちなみに、孔径がが漸減するノズルの多数を製
作するには、第１１図および第１２図に示したよ
うに、あらかじめ同一のテーパ孔を有するノズル
孔を単１の部品として製造したのち、切断線−
および−に沿つて切断すればよい。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ばＵ字状伝熱管の開口入口部にノズルをベルマウ
ス板を使つて装着し、ノズルの孔径を自由に設定
できるので、伝熱管内を流れる再熱蒸気の流量を
熱交換量に相応して調節することができ、凝縮液
の過冷却によるハンチング現象および伝熱管と管
板との間の溶接部における損傷を防止できる。ま
た、ベルマウス板を使つてノズルのフランジを管
板に対して挾着させたから、ノズルの点検および
交換が容易となり、さらに伝熱管の相互間におけ
る蒸気の連通を防止することもである。

【図面の簡単な説明】

第１図は蒸気タービンの再熱装置を示した縦断
面図、第２図は第１図の−線に沿つた横断面
図、第３図は第１図の−線に沿つた横断面
図、第４図は再熱ヘツダに接続された伝熱管の管
束を示した縦断面図、第５図は本発明の一実施例
によるノズルとベルマウス板を示した縦断面図、
第６図はノズルの他の実施例を示した縦断面図、
第７図および第８図は本発明の他の実施例による
ノズルを示した縦断面図、第９図はベルマウス板
を示した正面図、第１０図は伝熱管に装着した状
態を示した縦断面図、第１１図および第１２図は
ノズルの製造方法を説明する図である。１５，１６……再熱ヘツダ、１７……伝熱管、
１８……隔壁、１９……高温室、２０……低温
室、３１……ノズル、３１ａ……ノズル孔、３３
……噴、３４……インサート管、３５……ベルマ
ウス板、３６……喉部、３７……拡がり通路。

Claims

【特許請求の範囲】１隔壁を介して高温室と低温室に分画された再
熱ヘツドを管壁の外側に設けると共に多数のＵ字
状伝熱管の各一端を上記高温室と連通するように
管板に接続する一方、他端を低温室と連通するよ
うに管板に接続し、高温室側の再熱蒸気をＵ字状
伝熱管を通して低温室側へ導くようにした蒸気タ
ービンの再熱装置において、上記高温室に開口し
た伝熱管の入口部にノズルを装着し、このノズル
のフランジの前面にベルマウス板を配置し、ノズ
ルのフランジを管板とベルマウス板との間に挾持
するようにしたことを特徴とする蒸気タービンの
再熱装置。２上記ノズルと伝熱管との間にインサート管を
挾着し、インサート管をノズルの噴口より前方ま
で延長させたことを特徴とする特許請求の範囲第
１項に記載の蒸気タービンの再熱装置。３上記インサート管にフランジを設け、このフ
ランジをノズルのフランジと管板との間に挾着す
るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第
１項に記載の蒸気タービンの再熱装置。４上記ノズルのノズル孔の噴口に流路を連続し
て拡げる拡がり管を接続したことを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載の蒸気タービンの再熱
装置。５上記ノズルとベルマウス板とを一体的に形成
したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の蒸気タービンの再熱装置。