JPS6127407A - 蒸気タ−ビンの再熱装置 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は蒸気タービンの再熱装置に係り、特に伝熱管出
口側の熱疲労緩和を図っ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その問題点］ 例えば沸騰水型あるいは加圧水型の軽水炉を用いる原子
力発電プラントの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の蒸気に比べて湿分が
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、一般に原子力発電
プラントでは、高圧タービンと低圧タービンとの間に湿
分分離装置および再熱装置を設け、これにより高圧ター
ビン排蒸気を加熱蒸気どして低圧タービンに供給するよ
うにしている。湿分分離装置は例えばシェブロン型の如
く、ドレンポケット付き波板形状のものでは高圧タービ
ン排蒸気中に含まれる１０％程度の湿分を１％以下に減
少させることができる。再熱装置は湿分分離装置によっ
て湿分の低下した蒸気を高圧タービンからの抽気蒸気ま
たは原子炉で発生する蒸気等を加熱源として加熱するよ
うになっている。

従来、このような再熱装置としては、加熱すべき被再熱
蒸気を、熱交換用の高温の再熱蒸気が流通する多数の管
に接触させるいわゆる多管式再熱器が多用されている。

即ち、この再熱器は、本体胴内に被再熱蒸気流路を設け
るとともに、この再熱流路に多数のＵ字状伝熱管を配置
し、この各伝熱管の各端部を本体胴内の高温室および低
温室に連通させている。そして、高温室には、蒸気ター
ビンの主蒸気系または高圧段タービン抽気系等の高温蒸
気源から再熱蒸気を再熱蒸気配管によって導き、イの高
温室から各伝熱管内に流通する再熱蒸気が被再熱蒸気と
熱交換してドレン化し、低温室から器外に排出されるよ
うになっている。

しかし、このような従来の再熱装置では、伝熱管内の蒸
気流通が不均一となり、その伝熱管渇痕の局部的変動等
が生じて、装置の健全性を損うおそれがある。

具体例に基づいて詳述すると、従来の再熱装置では、再
熱器が例えば第１０図に示すように、円筒状の本体ＷＡ
ａに熱交換用の管束すを挿設した構成となっている。こ
の管束すは対向直管部ｂｏ間の距離が異なる複数のＵ字
状伝熱管ｂ１を配列し、この各伝熱管ｂ１の管端は熱交
換器ヘッダＣの管板ｄに溶接されている。熱交換器ヘッ
ダＣは隔壁ｅによって内部を二分され、その一方は伝熱
管ｂ１の一端側が連通ずる高温室ｆとされ、他方は伝熱
管ｂ１の他端側が連通ずる低温室ｑとされている。高調
室ｆには再熱蒸気導入管りが接続され、伝熱管ｂ１に高
温の再熱蒸気を導入するようになっている。また、低温
室０にはベント蒸気排出管ｉおよびドレン排出管ｊが接
続され、再熱蒸気の凝縮水がドレン排出管ｊから排出さ
れ、残存するベント蒸気がベント蒸気排出管；から排出
されるようになっている。そして、本体胴ａの下側部お
よび上側部には被再熱蒸気導入管におよび被再熱蒸気排
出管１が設けられ、被再熱蒸気導入管ｋから導入した湿
り蒸気、すなわち再熱蒸気は矢印ｍで示すように、外側
伝熱管ｂ１’　の他端側直管部ｂ０２から内側伝熱管ｂ
１″を軒で、外側伝熱管ｂ１′の一端側直管部ｂ０１に
亘って流通するようになっている。

被再熱蒸気は本体１１ａ内を流通する際に、再熱蒸気が
流通する伝熱管ｂ１の外面と接触して加熱されるもので
あるが、従来の再熱装置では再熱蒸気導入管りを介して
導入される再熱蒸気が熱交換器ヘッダＣの高温室ｆを介
して各伝熱管ｂ１にすべて同一温度および同−流量で流
入するようになっているため、以下の如く伝熱管ｂ１の
出口側、すなわち他端側でハンチング現象が生じて、伝
熱管ｂ１または伝熱管ｂ１と管板ｄとの溶接部等に大き
い熱疲労が発生し、伝熱管または溶接部の健全性が損わ
れるおそれがあった。

すなわち、再熱蒸気は伝熱管ｂ１を流れる間に被再熱蒸
気との熱交換により徐々に凝縮して、環状流、波状流、
層状流等の２相流の状態となり、その流動形態も変動す
る。そして、伝熱管ｂ１の一端側、すなわち入日付近で
は気体重量比がほぼ１で、再熱蒸気が気相であるのに対
し、他端側、すなわち出口付近では気体重量比がほぼＯ
となり、はとんど液相のドレンとなる。

ところで、すべての伝熱管ｂ１は両端が高温室ｆおよび
低温室０と夫々連通しているので、各伝熱管ｂ１内にお
いて、再熱蒸気がすべて均一に流動するものとすれば、
運転時にお（）る各室内の圧力および各伝熱管ｂ１の管
内圧力は夫々【Ｊぽ一定となり、運転中に各伝熱管ｂ１
に特に大きい温度差が発生することもないはずである。

しかし、実際には被再熱蒸気が外側伝熱管ｂ１’の下流
側部分から次第に内側伝熱管ｂ１″の下流側部分に接触
して、その後内側伝熱管ｂ１″の上流側部分から次第に
外側伝熱管ｂ１’の上流側部分に接触するものであるた
め、再熱蒸気の伝熱管ｂ１内にお【プる管内流動状態は
、すべての管で均一にはならず、ばらつぎが生じ、その
結果大きい温度変化が生じる場合がある。すなわち、外
側伝熱管ｂ１′の下流部分は被再熱蒸気と最初に接触す
るので、管内外の流体温度差が最大となり、熱交換量が
内側伝熱管ｂ１″の下流部分に比べて極めて大きいもの
となる。このような熱交換条件のもとてすべての伝熱管
ｂ１に流量および温度等の蒸気条件を等しくしていると
、例えば内側伝熱管ｂ１″に再熱蒸気が円滑に流動する
場合であっても、熱交換量の大きな外側伝熱管ｂ１’　
においてはハンチング現象が発生することがある。つま
り、外側伝熱管ｂ１′の下流側では、熱交換により凝縮
ドレンが継続的に発生するので、管内に滞留するドレン
量が次第に増加し、ついには管内に充満する状態となる
。管内に蒸気ドレンが充満すると、被再熱蒸気との熱交
換にＪ：って、場合によっては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する
と、その部分において蒸気流量が減少し、滞留部分の上
流側の圧力が上胃し、やがて過冷却状態となった残留ド
レンは再熱蒸気圧により押し出される状態で低温室ｑへ
流出する。残留ドレンが流出した外側伝熱管ｂｌ’の下
流部分は、流出後新たに凝縮伝熱面となり、その新たな
凝縮伝熱面部分に再び人足の再熱蒸気が流入して加熱さ
れ、このようなドレンの滞留による冷却と新凝縮伝熱面
への再熱蒸気の流入による再加熱とが繰り返すというハ
ンチング現象の発生に至るものである。

このようなハンチング現象が発生すると、伝熱管ｂ１の
周壁や、伝熱管ｂ１と管板ｄとの溶接部等に、周期的な
温度変動による熱疲労が作用して機器の健全性を損った
り、プラント制御系の安定性を害するものである。

［発明の目的］ 本発明は上記事情に鑑みなされたもので、伝熱管におけ
るハンチング現象の発生を防止し、ひいては伝熱管や、
伝熱管と管板との溶接部等の健全性を紺持することがで
きる蒸気タービンの再熱装置を提供することを目的とす
る。

［発明の概要］ 本発明は上記の目的を達成するため、多段蒸気タービン
と、この蒸気タービンの高圧タービンから低圧タービン
への供給蒸気を高温の再熱蒸気で熱交換する再熱器ど、
この再熱器に再熱蒸気を送る主蒸気系または高圧段ター
ビン抽気系等の高温蒸気源と、この高温蒸気源から前記
再熱器に再熱蒸気を流通させる再熱蒸気供給配管とを備
え、前記再熱器は本体胴と、この本体胴内の被再熱蒸気
流路に配置された再熱蒸気流動用の多数のＵ字状伝熱管
と、前記本体調内に設けられ各伝熱管の各　９一 端部に連通ずる高温室および低温室とを有し、前記高温
室に前記再熱蒸気供給管を接続するとともに、前記低温
室にベント蒸気排出管およびドレン配管を接続した蒸気
タービンの再熱装置において、前記高温室を熱交換量の
異なる前記各伝熱管に対応して複数の室に区画するとと
もに、前記再熱蒸気供給配管を前記高温室の各区画室に
それぞれ連通ずる複数本の管体からなるものとし、その
各管体を前記高温蒸気源にヘッダを介して、または個々
に連結するとともに、その各管体に前記各伝熱管の低温
室側における出口圧力を一定とする蒸気流量を設定する
流量調整装置を設【ノた構成としている。

［発明の実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図乃至第５図を参照して
説明する。まず、装置全体の構成を第１図および第２図
によって説明する。

原子炉から導出した主蒸気管１を高圧タービン２に接続
し、この高圧タービン２のυＦ蒸気管３を再熱器４に接
続している。

−１〇　− また、高圧タービン２の高圧段に抽気管５を接続し、こ
の抽気管５の先端を再熱蒸気ヘッダ６に接続し、この再
熱蒸気ヘッダ６から複数の再熱蒸気供給管７を分岐させ
、その分岐した各再熱蒸気供給管７を再熱器４に接続し
ている。各再熱蒸気供給管７には流量調整装置として流
量調整弁９をそれぞれ設けている。

なお、再熱器４で再熱された被再熱蒸気１０ａは図示し
ない低圧タービンに供給される。また、再熱に供した再
熱蒸気はドレン又はベント蒸気１０ｂとして図示しない
給水加熱器等に供給される。

次に、第３図乃至第５図も用いて再熱装置の詳細構成を
説明する。

横長円筒状の本体胴１１の下側部に被再熱蒸気導入管２
およびドレン排出管１３を形成するとともに、この本体
胴１の上側部に被再熱蒸気排出管１４を形成している。

この本体胴１１の両端部は蓋板１５によって閉塞し、こ
の各蓋板１５と被再熱蒸気導入管１２との間に被再熱蒸
気流路を形成する仕切板１６を一対、互いに対向させて
垂直に設けている。本体胴１１のＦ側部には被再熱蒸気
導入管１２と連通ずる開口を有する底板１７を設けると
ともに、この底板１７の上方に所定幅を有する上板１８
を各仕切板１６間に亘って設けている。底板１７と上板
１８との間には蒸気流通穴を開けた山形の蒸気分配板１
９を被再熱蒸気導入管１２を跨がゼて各仕切板１６間に
配設している。

これにより、被再熱蒸気導入管１２から導入した被再熱
蒸気を本体向１１の両側方に分配する断面三角形状の蒸
気分配室２０を形成している。蒸気分配板１９０両側方
には、底板１７と上板１８との間に位置して湿分分離装
置２１を並設し、この湿分分離装置２１を被再熱蒸気が
通過する際に湿分を分離除去するようにしている。また
、上板１８の両側縁に山形に立ち上がる分割板２２を連
設するとともに、この分割板２２の外側に平行に対向板
２３を設け、この分割板２２と対向板２３との間に形成
される流路が上部で合流し、過熱蒸気排出管１４に連通
するようにしている。これにより、本体向１１の内部に
軸方向断面が逆Ｖ字状の被再熱蒸気流路２４を形成して
いる。

本体同１１内には第１段再熱部と第２段再熱部とを設け
ている。すなわち、本体向１１の両端の蓋板１５と仕切
板１６との間の空間に、第１再熱部の第１熱交換器ヘツ
ダ２５と、第２再熱部の第２熱交換器ヘツダ２６とを夫
々設けている。この各熱交換器ヘッダ２５．２６には被
再熱蒸気流路２４内に配置する再熱用管束２７を管板２
８を介して接続している。すなわち、第２図に示すよう
に、再熱用管束２７は対向直管部間の距離が異なる複数
のＵ字状伝熱管２９を配列して構成したもので、各伝熱
管２９の一端側を熱交換器ヘッダ２５．２６に形成した
高温室３０に接続するとともに、他端側を熱交換器ヘッ
ダ２５．２６に形成した低温室３１に接続している。高
温室３０は、仕切壁３２によって複数の室３０ａ、３０
ｂ、３、ＯＣに区画し、その各区画室３０ａ、３０ｂ、
３０Ｃに再熱蒸気供給配管７としての複数の管体７ａを
夫々接続するとともに、その各管体７ａに再熱蒸気流量
調整装置としての流量調整弁９を夫々段けている。仕切
壁３２によって分割された高温室３０の各区画室３０ａ
、３０ｂ、３０ｃには、熱交換量の異なる伝熱管を夫々
接続している。例えば内側伝熱管２９ａ、中間部伝熱管
２９ｂおよび外側伝熱管２９ｃの各熱交換量が異なる場
合、各伝熱管群２９ａ、２９ｂ、２９Ｇの熱交換量に応
じた再熱蒸気が流量調整弁３３の調整量に応じて流通す
るようになっている。

即ち、タービン高圧段からの高温、高圧な抽気は、抽気
管５の先端に設けた再熱ヘッダ６に貯えられ、そこから
各再熱蒸気供給管７を介してこれよりも低圧な高温室３
０の各区画室３０ａ、３０ｂ、３Ｑｃに流入する。この
場合、各再熱蒸気供給管７の流量調整弁９は、さらに低
圧な低温室３１において各伝熱管２９の出口圧力が全て
等しくなるように調整する。これにより、高温室３０の
各区画室３０ａ、３０ｂ、３０ｃおよびそれらに連通し
た各伝熱管２９には夫々圧力の異なる再熱蒸気が流通し
、各伝熱管２９で異なる量の熱交換を行なった後、各伝
熱管２９の出口圧が略等しくなって低温室３１に流出す
る。なお、熱交換器ヘッダ２５．２６の低温室３１には
再熱蒸気が凝縮して生成したドレンを排出するドレン排
出管３５、残存蒸気を排出するベント蒸気排出管３６お
にび作業用マンホール３７を設けている。

このように、熱交０間の異なる伝熱管群毎に再熱蒸気を
流量を巽ならせて流通させるようにした構成によると、
例えば熱交換量の多い外側伝熱管２９ｃに対しては多量
の再熱蒸気が流通し、また比較的熱交換量の少ない内側
伝熱管２９ａには少量の再熱蒸気が流通し、さらに中間
部伝熱管にはそれらの中間の値の再熱蒸気流量が設定さ
れる。

これにより、すべての伝熱管に均一に再熱蒸気を流通さ
せるものと異なり、部分的に過冷却を受ける部分には多
量の再熱蒸気が供給され、ドレンによる目詰り等が生じ
る状態を回避することができる。したがって、再熱蒸気
が伝熱管内で凝縮し、ドレンが充満することにＪ：り発
生していたハンチング現象を防止することができ、管板
２８と伝熱管２９との溶接部の健全性を損う等のおそれ
が防止できるようになる。

なお、各再熱蒸気供給管７に設けた流量調整弁９は、各
伝熱管群２９ａ、２９ｂ、２９ｃの出口圧力がすべて等
しくなるように調整操作する。これは、出口圧力がすべ
て等しい伝熱管２９に設定すれば、出口圧力の高い伝熱
管から出口圧力の低い伝熱管への再熱蒸気の逆流を防止
することができ、逆流により生じる管内温度の変動を防
止し、管接続部等の熱疲労を防止することができるため
である。

なお、前記実施例では熱交換量の異なる伝熱管群２９ａ
、２９ｂ、２９ｃ毎に異なる流量を設定するようにした
が、場合によっては各伝熱管単位で高温室３０を区画し
、これに対応して再熱蒸気供給管３４および流量調整弁
２３を設けることもできる。

また、前記実施例では再熱蒸気供給管７に流量調整弁９
を設けたが、第６図に示すように、流量調整弁に代えて
オリフィス３８を設けるようにしてもよい。オリフィス
３８を適用した場合は、構成が簡単なことから故障が少
なく、耐用寿命の長期化が図れ、修理等も容易であり、
さらに流量調整弁に比べて安価である等の利点を得るこ
とができる。

さらに、前記各実施例では再熱蒸気供給管７をタービン
高圧段の抽気管５に再熱蒸気ヘッダ６を介して接続し、
これにより再熱蒸気をタービン抽気としたが、本発明に
係る再熱蒸気源はそのようなものに限らず、主蒸気を再
熱蒸気として用いるようにしてもよい。

また、再熱蒸気供給源としては、例えば第７図または第
８図に示すように、異なる蒸気供給源から直接、再熱蒸
気供給管７を導出し、各伝熱管毎にまたは伝熱管群毎に
温度の異なる蒸気を供給する異蒸気導入配管構成とする
こともできる。なお、この場合においても、流量調整弁
９またはオリフィス３８を用いて流量調整を行ない、低
温室３１での伝熱管出口圧を一定とするにうに制御する
ものである。

さらにまた、前記実施例では高圧タービン排蒸気の１段
再熱に適用した場合を説明したが、本発明では２段再熱
に適用することも可能である。

例えば第９図は第１段再熱に高圧タービン抽気を用い、
第２段再熱に主蒸気を用いるようにしたものである。即
ち、第１段再熱器４ａでは高温室の各室に高圧タービン
抽気を抽気管５および再熱蒸気供給管７ａによって供給
し、高圧タービン排蒸気を成る程度加熱する。次に、第
２段再熱器４ｂにおいて、高温室の各室に高温、高圧の
主蒸気を主蒸気管５′および再熱蒸気供給管７ｂによっ
て供給し、さらに高温の被再熱蒸気として低圧タービン
に供給するものである。

なお、各段からの再熱蒸気のベント蒸気は前記同様に原
子炉への給水加熱器（図示せず）に供給する。

［発明の効果］ 以上のように、本発明に係る蒸気タービンの再熱装置に
よれば、再熱器本体体調の高温室内を熱交換量の異なる
伝熱管に対応して複数の室に区画し、高温、高圧の再熱
蒸気を供給する再熱蒸気供給管を、主蒸気系又は高圧段
抽気系からヘッダを介して分岐され又は直接連結された
複数の管体によって構成するとともに、これらの管体を
高温室の各区画室にそれぞれ連結し、その各管体に流量
調整装置を設（プたものである。

したがって、熱交換量の異なる伝熱管または伝熱管群毎
に再熱蒸気の流量または温度等の蒸気条件を個別に調整
することができるので、各伝熱管内を流通する再熱蒸気
による熱交換量に対応して蒸気条イ１を調整することに
より、各伝熱管に同一の再熱蒸気を供給するようにした
従来の再熱装置と異なり、熱交換量の多い部分にお【）
る凝縮ドレンの管内充満等を防止して円滑な蒸気流動を
持続することができ、ハンチング現象の発生防止が図れ
、これにより伝熱管の熱疲労あるいは伝熱管と管板との
溶接部等の熱疲労を防止し、管構造部の健全性を緒持す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る蒸気タービンの再熱装置の再熱蒸
気流量安定装置の一実施例を示す概略構成図、第２図は
第１図の要部を拡大して示す断面図、第３図は再熱器構
成を示す断面図、第４図は第３図のＩＶ　−ＴＶ線断面
図、第５図は第３図のＶ−Ｖ線断面図、第６図、第７図
および第８図は夫々再熱蒸気供給管の変形例を示す本発
明の他の実施例を示す断面図、第９図はさらに本発明の
他の実施例を示す概略構成図、第１０図は従来の再熱装
置を示す断面図である。 １・・・主蒸気管、２・・・高圧タービン、６・・・再
熱蒸気ヘッダ、７・・・再熱蒸気供給管、９・・・流量
調整弁（流量調整装置）、１１・・・本体胴、２４・・
・被再熱蒸気流路、２９・・・伝熱管、３０・・・高温
室、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ・・・区画室、３１・・・
低温室。′代理人弁理士　　　波多野　　　久 −２〇　−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多段蒸気タービンと、この蒸気タービンの高圧ター
   ビンから低圧タービンへの供給蒸気を高温の再熱蒸気で
   熱交換する再熱器と、この再熱器に再熱蒸気を送る主蒸
   気系または高圧段タービン抽気系等の高温蒸気源と、こ
   の高温蒸気源から前記再熱器に再熱蒸気を流通させる再
   熱蒸気供給配管とを備え、前記再熱器は本体胴と、この
   本体胴内の被再熱蒸気流路に配置された再熱蒸気流動用
   の多数のＵ字状伝熱管と、前記本体胴内に設けられ各伝
   熱管の各端部に連通する高温室および低温室とを有し、
   前記高温室に前記再熱蒸気供給配管を接続するとともに
   、前記低温室にベント蒸気排出管およびドレン配管を接
   続した蒸気タービンの再熱装置において、前記高温室内
   を熱交換量の異なる前記各伝熱管に対応して複数の室に
   区画するとともに、前記再熱蒸気供給配管を前記高温室
   の各区画室にそれぞれ連通する複数の管体からなるもの
   とし、その各管体を前記高温蒸気源にヘッダを介してま
   たは個々に連結するとともに、その各管体に前記各伝熱
   管の低温室側における出口圧力を一定とする蒸気流量を
   それぞれ設定する流量調整装置を設けたことを特徴とす
   る蒸気タービンの再熱装置。 ２、流量調整装置は流量調整弁またはオリフィスである
   特許請求の範囲第１項記載の蒸気タービンの再熱装置。