JP2003207102A

JP2003207102A - 減温装置

Info

Publication number: JP2003207102A
Application number: JP2002004533A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Tanamura; 光浩棚村; Hideki Fujishima; 英樹藤島; Takashi Ogata; 隆尾形; Hiromitsu Sato; 博光佐藤; Haruhiko Uno; 晴彦宇野
Original assignee: Toshiba Engineering Corp
Current assignee: Toshiba Engineering Corp
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2003-07-25

Abstract

(57)【要約】【課題】過熱蒸気中に冷却流体を均一に分散混合して、
過熱蒸気の温度をムラなく均一に減温することのできる
蒸気減温器を得る。【解決手段】過熱蒸気の通路部に噴霧される冷却水を管
の外面または内面に設置された熱交換器により余熱する
ことにより、噴霧後の冷却水蒸発を加速することができ
減温効果をより高めることを可能とした減温器。熱交換
器としては、コイル状管体または周囲にフィンを備えた
筒状体により構成されており、コイル状管体にあって
は、管の外周に巻回したり、管の内面に設置する。フィ
ンを備えた筒状体は、管に内部に同軸的に設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、熱源として蒸気を
使用する一般プラントにおいて、規定された圧力温度条
件の蒸気を生成するために設けられる蒸気減温装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、工場などプラントにおいて、製
造過程で必要となる熱源として蒸気を用いる場合があ
る。これは、その蒸気が凝縮することにより放出する潜
熱を利用しており、このとき蒸気圧力を規定の圧力に維
持することにより、その時の熱利用時の温度が極めて安
定していることから、広い分野に利用されている。

【０００３】一方、蒸気発生源としてはボイラーなどが
考えられるが、ボイラー設備の効率を向上させる方法と
して、高圧高温仕様とする必要があり、こうして作られ
た蒸気を利用して、産業用蒸気タービンを駆動させて電
気を得るとともに、工場用蒸気としてこれらの蒸気ター
ビンの抽気を制御して、減圧減温された蒸気を取出して
いる。しかしタービンによる減圧減温効果はその時点の
タービン負荷により決定されるため、一般にタービン制
御装置においては抽気圧力を所定の値になるように制御
している。このため、抽気温度に関してはタービン負荷
により変動することになり、蒸気使用側の要求に合った
蒸気温度に制御するために減温器が利用されている。

【０００４】図９は、従来使用されている減温器の構成
を示したものである。すなわち、減温管１１の入口近傍
には管内に噴霧可能なように噴霧ノズル１２が設けられ
ている。噴霧ノズル１２は減温管１１の管外配管１３に
接続されており、配管１３の途中には冷却水流量調整弁
１４が設けられている。また、減温管１１の出口には温
度検出器１５が配置され、この温度検出器１５の検出結
果に応じて冷却水流量調整弁１４を制御する減温器制御
装置１６が設けられている。

【０００５】このような従来の減温装置においては、減
温管１１の一端にボイラーあるいは、タービンから過熱
蒸気１７が送られてくる。この過熱蒸気１７は利用側が
要求する圧力＋減温装置及び配管などの圧力損失分を加
味した圧力で送られてくる。噴霧ノズル１２から噴霧さ
せ、過熱蒸気１７を減温するために用いられる冷却水１
８は、この蒸気圧力に、減温装置の各構成物による圧力
損失および蒸気流に注入するために用いられる噴霧ノズ
ル１２が要求する最低圧力損失分が加味された圧力を持
っている系統から供給される。

【０００６】供給された冷却水１８は、冷却水流量弁１
４にて所定の冷却水量となるように調整され、噴霧ノズ
ル１２にて霧状に減温管１１内に注入される。冷却水１
８の注入により、過熱蒸気１７と霧状になった冷却水１
８は減温管１１を流れる間に熱交換を行い冷却水１８の
水滴は温度上昇を始める。

【０００７】水滴の温度が減温管１１内部の飽和温度に
達した時点で水滴は蒸発を始め、過熱蒸気１７と飽和蒸
気の混合状態になる。その後、これらの蒸気の混合によ
り蒸気温度が均一化され、最終的には減温管１１の出口
に達する。減温管１１の出口には温度検出器１５が設置
され、減温後の蒸気温度を測定し減温器制御装置１６に
送られる。減温器制御装置１６は、この信号と利用側が
要求する蒸気温度との差異から、注入する冷却水の量を
調整し、所定の温度が得られるように一点鎖線で示す如
く冷却水流量調整弁１４を操作する。

【０００８】減温器の性能を左右する要素としては、
ａ）過熱蒸気１７の過熱度、ｂ）冷却水１８の温度、
ｃ）スプレー後の霧の粒子径、ｄ）混合後の蒸気流れの
乱流度、ｅ）減温管１１の長さ、ｆ）減温管１１の直管
長さ、ｇ）温度検出器１５までの長さが挙げられる。こ
れらの内、ａ）ｂ）ｃ）については与えられた運転条件
やプラント設備条件により決定され、ｄ）ｅ）ｆ）ｇ）
については、設備のレイアウトなどの制限があり、ｃ）
については噴霧ノズル１２自体の形状により使用できる
冷却水流量範囲が決定されているなど、各種制限条件が
かかってくる。

【０００９】これらの条件の特徴としては、ａ）過熱蒸
気の過熱度が高いほど、噴霧粒子の蒸発温度に達する時
間が短く、短時間で蒸発する。ｂ）冷却水温度が高いほ
ど噴霧粒子の蒸発温度に達する時間が短く、短時間で蒸
発する。ｃ）噴霧粒子が小さいほど蒸発に必要な熱量が
少なくなり、短時間で蒸発する。ｄ）混合後の蒸気流れ
が乱流域であれば、噴霧後の粒子が過熱蒸気中を漂う時
間が長くなり、蒸発に必要となる熱交換量が増加する。
また、蒸発した飽和蒸気と周辺の過熱蒸気の混合がより
促進される。ｅ）噴霧した冷却水粒子と過熱蒸気の混合
域を長くすることにより、噴霧後の粒子が過熱蒸気中を
漂う時間が長くなり、蒸発に必要となる熱交換量が増加
する。ｆ）減温管１１の直管部を長くすることのより、
蒸気流の曲がりによる水粒子の遠心分離効果をなくし、
噴霧後の粒子が過熱蒸気中を漂う時間が長くなり、蒸発
に必要となる熱交換量が増加する。ｇ）温度検出器１５
までの距離を長くすることにより、蒸発した飽和蒸気と
周辺の過熱蒸気の混合がより均一になった温度が検出で
き、正しい温度制御ができる。

【００１０】必要とされる蒸気条件が一定であれば、こ
れらの条件が最良になるような設備計画を行なうことで
対応が可能であるが、一般には、蒸気使用側の形態によ
り使用される蒸気量には変動が生じる。また、運用上は
使用条件が１点であっても、プラント停止状態からの過
渡的な運転条件においては、これらの条件が異なってく
る。

【００１１】ここで、部分負荷運転状態の場合からこれ
らの条件を比較してみる。ａ）過熱蒸気の過熱度が低い
ので、噴霧粒子の蒸発温度に達する時間が長く、蒸発し
にくい。ｂ）冷却水温度が低いので噴霧粒子の蒸発温度
の達する時間が長く、蒸発しにくい。ｃ）噴霧ノズル１
２の計画水量より少ないので、噴霧効率が悪く噴霧粒子
が大きい、場合によっては霧状にならない場合があり、
蒸発に時間を要する。ｄ）蒸気量が減少することにより
層流域になり、噴霧後の粒子が過熱蒸気中を漂う時間が
短く、蒸発に必要となる熱交換量が減少する。更には、
自由落下により減温管１１の下部に滞留することにな
り、減温管１１に衝撃を与え、減温管１１の寿命を大き
く減少させる。ｅ）流量速度が減少することにより、減
温管１１の長さは相対的に長くなる。ｆ）流量速度が減
少することにより、曲がりによる水粒子の遠心分離効果
が減少する。ｇ）温度検出器１５までの距離が相対的に
長くなる。

【００１２】このように、部分負荷運転においては減温
効果に影響する各種パラメータの変化による相互作用に
より、設計時に想定した減温効果が発揮できないことと
なり、一般的には設計最大流量の１／１０以下の範囲で
は減温効果が得られない場合が多い。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
技術においては、種々の問題点が発生することになり、
想定した減温効果が発揮できない状況であった。本発明
は、過熱蒸気に混合する冷却流体を余熱することによ
り、均一な分散混合を促進して、過熱蒸気の高い温度を
ムラなく均一に減温することのできる蒸気減温器を提供
することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる減温装置
は、管体内に過熱蒸気を流入しこの過熱蒸気中に噴霧ノ
ズルにより冷却流体を分散混合し過熱蒸気の温度を減温
する減温装置において、前記管体に前記冷却流体を加熱
するための熱交換器を設けたことを要旨とする。

【００１５】更に本発明に係わる減温装置は、前記熱交
換器が前記管体外周に巻回されたコイル状管体であるこ
とを要旨とする。

【００１６】更に本発明に係わる減温装置は、前記熱交
換器が前記管体内周に設けられたコイル状管体であるこ
とを要旨とする。

【００１７】更に本発明に係わる減温装置は、前記噴霧
ノズルを複数設け、この複数の噴霧ノズルと前記熱交換
器間に切替え弁並びに温度検出器を設けたことを要旨と
する。

【００１８】更に本発明に係わる減温装置は、前記噴霧
ノズルと前記熱交換器間に流量調整弁並びに温度検出器
を設け、前記熱交換器の入口に圧力調整器を設けたこと
を要旨とする。

【００１９】更に本発明に係わる減温装置は、前記熱交
換器が前記管体内に同軸的に挿入された筒状体並びにこ
の筒状体周囲に設けられた放熱フィンとから構成されて
いることを要旨とする。

【００２０】更に本発明に係わる減温装置は、前記管体
を立設せしめ、前記過熱蒸気を前記管体上方から導入す
る如くしたことを要旨とする。

【００２１】更に本発明に係わる減温装置は、前記管体
を立設せしめ、前記過熱蒸気を前記管体下方から導入す
る如くしたことを要旨とする。

【００２２】更に本発明に係わる減温装置は、前記管体
を立設せしめ、この管体の上端を開放し、この管体を覆
う如くに第２の管体を設け、前記熱交換器を前記管体内
に設けるとともに、前記過熱蒸気を前記管体下方から導
入し管体上端から前記第２の管体内へ流出せしめる如く
したことを特徴とする請求項１記載の減温装置。

【００２３】更に本発明に係わる減温装置は、前記噴霧
ノズルを前記筒体上端に設けたことを要旨とする。

【００２４】更に本発明に係わる減温装置は、前記噴霧
ノズルを前記筒体の前記放熱フィン間に位置する如く設
けたことを特徴とする請求項６乃至９記載の減温装置。

【００２５】を要旨とする。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる減温装置の
実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下
の各図の説明においては、図９と同一部分は同一符号を
もって示してある。

【００２７】図１は、本発明の第１の実施形態に係わる
減温装置の構成を示す図である。すなわち、減温管１１
の外周表面には、密着して巻回されたコイル状配管から
なる冷却水加熱用熱交換器１９を設けてある。冷却水加
熱用熱交換器１９の一端は噴霧ノズル１２に接続されて
おり、他端は冷却水流量調整弁１４に接続されている。

【００２８】冷却水１８は冷却水流量調整弁１４を介し
て冷却水加熱用熱交換器１９に流入され、噴霧ノズル１
２から減温管１１内に噴霧される。すなわち、冷却水１
８は減温管１１との熱交換により余熱され、蒸気圧力の
飽和温度近くまで加熱され、噴霧ノズル１２から過熱蒸
気１７の蒸気流に噴霧される。このため、飽和温度近く
まで加熱され噴霧された水滴は、従来構成の減温器の場
合に比べ、蒸発するまでの時間が短縮され、より早く過
熱蒸気との混合が開始される。また、減温管１１の温度
は、冷却水１８との熱交換により減温されるため、未蒸
発の水滴との温度差が軽減されることにより、減温管１
１の表面の熱衝撃が緩和され、より最適な減温装置運用
が可能となる。

【００２９】図２は、本発明の第２の実施形態に係わる
減温装置の構成を示す図である。図１に示した第１の実
施形態におい冷却水加熱用熱交換器１９を減温管１１の
外周に巻回させたが、この第２の実施形態では、コイル
状配管からなる冷却水加熱用熱交換器１９を減温管１１
の内周面に配置した構成となっている。冷却水加熱用熱
交換器１９を減温管１１内周面に配置することにより、
減温管１１の内面に凹凸が形成されることによる蒸気混
合後の流れが乱れ、低流量域での混合が向上する。ま
た、減温管１１の内周面における未蒸発水滴による熱衝
撃から減温管１１を保護する配置になり、減温管１１の
損傷を防ぐことができ、より最適な減温装置運用が可能
となる。

【００３０】なお、第１の実施形態に係わる減温管１１
の外周面に設けた冷却水加熱用熱交換器１９と、第２の
実施形態に係わる減温管１１の内周面に設けた冷却水加
熱用熱交換器１９を組み合わせる形態での構成も可能で
ある。すなわち、図示はしないが減温管１１の内外周の
いずれにもコイル状配管からなる冷却水加熱用熱交換器
１９を設けるものである。

【００３１】図３は、本発明の第３の実施形態の構成を
示す図である。すなわち、減温管１１の内周面に設けら
れた冷却水加熱用熱交換器１９からの冷却水を噴霧する
噴霧ノズルを２種類設置する。２種類のノズルとしては
水用噴霧ノズル２０並びに蒸気用噴霧ノズル２１であっ
て、これらのノズルは切替え弁２２によって選択的に切
り替えて作動させることができる。また、冷却水加熱用
熱交換器１９と切替え弁２２との間には温度検出器２３
が設けられている。

【００３２】このような構成とすることにより、先ず、
冷却水加熱用熱交換器１９における熱交換量の増減によ
り、噴霧ノズルに到達するまでに蒸発する場合を想定
し、冷却水加熱熱交換後の冷却水（蒸気）の温度を温度
検出器２３によって計測する。温度測定器２３の測定結
果から冷却水か冷却蒸気かを判断し、水用噴霧ノズル２
０または蒸気用噴霧ノズル２１を切替え弁２２により切
り替えることによって、噴霧状態を最適な状態にするこ
とができる。このように、より広範囲の流量条件におい
ても制御可能な減温装置を提供可能である。なお、この
冷却水加熱用熱交換器１９を減温管１１の内周面に設け
た例で説明したが、冷却水加熱用熱交換器１９が減温管
１１の外周面に巻回された例においても適用可能であ
る。

【００３３】図４は、本発明の第４の実施形態の構成を
示す図である。この実施形態においては、噴霧ノズル１
２と冷却水加熱用熱交換器１９との間に流量調整弁２４
並びに温度検出器２３を設け、冷却水加熱用熱交換器１
９の入口端と冷却水流量弁１４間に圧力調整器２５を設
置する。

【００３４】このような構成にすることにより、冷却水
加熱用熱交換器１９における熱交換量の増減による噴霧
ノズルに到達するまでに発生する蒸発を防止するため、
冷却水加熱用熱交換器１９の後の温度を温度検出器２３
により監視し、常時飽和圧力以上になるよう冷却水圧力
を圧力調整器２５を調節することにより、冷却水加熱用
熱交換器１９内での冷却水蒸発を抑止することを可能と
した。

【００３５】図５は、本発明の第５の実施形態の構成を
示す図である。この実施形態においては、過熱蒸気が流
入する減温管１１は図のように屈曲しており、冷却水加
熱用熱交換器１９は減温管１１の中央に同軸的に挿入さ
れている。前述した実施形態においては、冷却水加熱用
熱交換器１９はコイル状配管により形成していたが、本
実施形態においては、筒状体２６とこの筒状体２６周囲
に設けられた放熱フィン２７により構成されている。筒
状体２６の先端には噴霧ノズル１２が設けられ、筒状体
２６の一端から供給される冷却水１８がこの噴霧ノズル
１２から減温管１１内へ噴霧される。また、本実施形態
では、過熱蒸気１７は上方から減温管１１内へ流入さ
せ、垂直な減温管１１内を下降する際に熱交換が行なわ
れる。

【００３６】このような構成とすることにより、前述し
た他の実施形態において熱交換面積を確保するために所
定の長さを必要とし、このためコイル状配管としていた
が、本実施形態にては、熱交換促進のための放熱フィン
２７により熱交換面積を確保することが可能である。放
熱フィン２７は例えば交互に捩れ形状とすることによ
り、減温管１１内部の蒸気流れを制御することができ、
噴霧後の蒸気混合を改善できる。なお、放熱フィンの放
熱面積を調整する自由度も可能となった。

【００３７】図６は、本発明の第６の実施形態の構成を
示す図である。この実施形態においては、前述した本発
明の第５の実施形態とは逆に、過熱蒸気１７を屈曲した
減温管１１の下端から流入させ、上端を出口にした構成
である。また、冷却水加熱用熱交換器１９は減温管１１
の中央に筒状体２６が挿入され、周囲には冷却水が常時
蒸発するように伝熱面積を十分に確保された放熱フィン
２７が設けられている。この結果、過熱蒸気の減温を過
熱蒸気と低温蒸気の混合に置き換えることができ、安定
した減温が可能となる。また、混合直前のフィン形状を
捩れるような形状とすることにより、混合後の蒸気流れ
を制御することができ、蒸気の混合状態を改善できる。
噴霧ノズル１２は筒状体２６の上端に設けられており、
従って減温管１１の下方から流入された過熱蒸気１７に
対して上方から噴霧する形態である。

【００３８】図７は、本発明の第７の実施形態の構成を
示す図である。この実施形態においては、過熱蒸気１７
は上端が開放された逆Ｌ字状の減温管１１内に下方から
上方に向かって流入され、減温管１１内には冷却水加熱
用熱交換器１９が挿入されており、この冷却水加熱用熱
交換器１９は、筒状体２６とこの周囲に取着された放熱
フィン２７から構成されている。筒状体２６の先端には
噴霧ノズル１２が設けられている。また、減温管１１の
開放端を覆うようにＬ字型の管体２８がカバーされてい
る。この管体２８は減温管１１の少なくとも冷却水加熱
用熱交換器１９が設けられた個所を覆うように配置され
ている。

【００３９】このような構成とすることにより、蒸発し
た減温水蒸気との噴霧ノズル以降の混合後の減温管１１
を第２の管体２８が覆い、このように第２の管体２８が
減温管１１を内蔵する形で配置されることになる。この
結果、前述までの実施形態が減温管が直線状に配置して
いたが、この実施形態にあっては設置可能なスペースを
確保できるようになる。

【００４０】図８は、本発明の第８の実施形態の構成を
示す図である。この実施形態においては、噴霧ノズル１
２を放熱フィン２７が設けられた筒状体２６の放熱フィ
ン２７の間に設けたものである。前述までの実施形態に
おいては、噴霧ノズル１２が筒状体２６の先端、すなわ
ち放熱フィン２７の上端の先に設けたが、本実施形態に
あっては、噴霧ノズル１２以降にも放熱フィン２７が存
在している構成となっている。このような構成としたこ
とにより、噴霧ノズル１２以降の放熱フィンによって冷
却蒸気の混合後の蒸気を撹拌する機能が向上する。更
に、噴霧ノズル１２以降の放熱フィンの長さを調整する
ことにより混合の調整ができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、以上述べたように、過熱蒸気
に噴霧する冷却水を予め熱することにより噴霧後の水滴
の蒸発速度を早めることができ、余熱された冷却水が過
熱蒸気中に蒸発するまでの時間を短縮することができ、
減温器の性能を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を説明する構成図。

【図２】本発明の第２の実施形態を説明する構成図。

【図３】本発明の第３の実施形態を説明する構成図。

【図４】本発明の第４の実施形態を説明する構成図。

【図５】本発明の第５の実施形態を説明する構成図。

【図６】本発明の第６の実施形態を説明する構成図。

【図７】本発明の第７の実施形態を説明する構成図。

【図８】本発明の第８の実施形態を説明する構成図。

【図９】従来の減温装置を説明するための構成図。

【符号の説明】

１１…管体１２…噴霧ノズル１３…管外配管１４…冷却水流量調整弁１５、２３…温度検出器１６…減温器制御装置１７…過熱蒸気１８…冷却水１９…冷却水加熱用熱交換器２０…水用噴霧ノズル２１…蒸気用噴霧ノズル２２…切替え弁２４…流量調整弁２５…圧力調整器２６…筒状体２７…放熱フィン２８…第２の管体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤博光神奈川県川崎市幸区堀川町66番２東芝エンジニアリング株式会社内 (72)発明者宇野晴彦神奈川県川崎市幸区堀川町66番２東芝エンジニアリング株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】管体内に過熱蒸気を流入しこの過熱蒸気
中に噴霧ノズルにより冷却流体を分散混合し過熱蒸気の
温度を減温する減温装置において、前記管体に前記冷却
流体を加熱するための熱交換器を設けたことを特徴とす
る減温装置。
【請求項２】前記熱交換器は、前記管体外周に巻回さ
れたコイル状管体であることを特徴とする請求項１記載
の減温装置。
【請求項３】前記熱交換器は、前記管体内周に設けら
れたコイル状管体であることを特徴とする請求項１記載
の減温装置。
【請求項４】前記噴霧ノズルを複数設け、この複数の
噴霧ノズルと前記熱交換器間に切替え弁並びに温度検出
器を設けたことを特徴とする請求項１乃至３記載の減温
装置。
【請求項５】前記噴霧ノズルと前記熱交換器間に流量
調整弁並びに温度検出器を設け、前記熱交換器の入口に
圧力調整器を設けたことを特徴とする請求項１乃至３記
載の減温装置。
【請求項６】前記熱交換器は、前記管体内に同軸的に
挿入された筒状体並びにこの筒状体周囲に設けられた放
熱フィンとから構成されていることを特徴とする請求項
１記載の減温装置。
【請求項７】前記管体を立設せしめ、前記過熱蒸気を
前記管体上方から導入する如くしたことを特徴とする請
求項６記載の減温装置。
【請求項８】前記管体を立設せしめ、前記過熱蒸気を
前記管体下方から導入する如くしたことを特徴とする請
求項６記載の減温装置。
【請求項９】前記管体を立設せしめ、この管体の上端
を開放し、この管体を覆う如くに第２の管体を設け、前
記熱交換器を前記管体内に設けるとともに、前記過熱蒸
気を前記管体下方から導入し管体上端から前記第２の管
体内へ流出せしめる如くしたことを特徴とする請求項１
記載の減温装置。
【請求項１０】前記噴霧ノズルを前記筒体上端に設け
たことを特徴とする請求項６乃至９記載の減温装置。
【請求項１１】前記噴霧ノズルを前記筒体の前記放熱
フィン間に位置する如く設けたことを特徴とする請求項
６乃至９記載の減温装置。