JP2009079845A

JP2009079845A - 給水加熱器及び発電プラント

Info

Publication number: JP2009079845A
Application number: JP2007250385A
Authority: JP
Inventors: Fumio Takahashi; 文夫高橋; Shingo Nemoto; 真吾根本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】
本発明の目的は、過熱蒸気が流入する給水加熱器で、加熱管を給水の加熱のために有効に働かすことが可能な給水加熱器を提供することにある。
【解決手段】
胴体１と、胴体１内に配置された加熱管２０とを有する給水加熱器において、過熱蒸気を胴体１の蒸気導入口の上流に設けた噴霧室１０内で導入し、過熱蒸気に給水加熱器の凝縮液をスプレーノズル１１により噴霧し、過熱度を除去して飽和蒸気とする。胴体１内に導入された飽和蒸気は、加熱管２０に接触して凝縮し、凝縮により放出された潜熱で加熱管２０内の給水を加熱する。胴体１内に導入される蒸気は過熱度が除去され飽和蒸気として加熱管に接触するので、全領域で熱伝達率が大きくとれる。また、凝縮液の噴霧量を制御することにより発電出力を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、給水加熱器に係り、特に、過熱蒸気を加熱源とする発電プラントの高圧給水加熱器に関する。

給水加熱器は蒸気タービンの段落から抽気した蒸気により、加熱管の中を流れる給水を加熱する熱交換器である。抽気蒸気の流量は、給水を加熱するときに凝縮する蒸気量によって決まる。抽気蒸気の状態は飽和状態の場合と過熱状態の場合がある。過熱状態の場合、給水の加熱時に蒸気が冷却され飽和状態を経由して凝縮する。高圧給水加熱器では、通常、このような過熱蒸気が流入する。このため、過熱蒸気の過熱度を除去する過熱除去部が設けられる。伝熱の特性としては、飽和蒸気の凝縮では高い熱伝達率を得られるが、過熱蒸気では熱伝達率が低い。したがって、過熱除去部は、その熱流束を大きくとれず、給水の加熱のためには有効に働かない。

この改善策として、例えば、特許文献１に記載のように、過熱除去部ではバッフル板を交互に配置し、加熱管の管群に直交する流れを作り、熱伝達率を向上させる方式がある。

特開平８−２１６０５号公報

しかしながら、過熱除去部ではバッフル板を交互に配置しても、飽和蒸気の凝縮に比べ熱伝達率はなお小さく（熱伝達率は飽和蒸気の凝縮に比べ高々１／１０程度）、過熱除去部は給水の加熱のためには有効に働かないことは同様である。

また、発電プラントでは、給水の加熱により発電効率が向上するが、抽気によってタービン段落の蒸気流量が減少し発電出力が小さくなる。電力需要の状況によって発電出力を増やせるようにすることが望まれる。しかし、高圧給水加熱器に抽気量を制御する手段（弁）を設けることは高価な高温高圧で大口径の弁を必要とすることから現実的には困難である。

本発明の目的は、過熱蒸気が流入する給水加熱器で、加熱管を給水の加熱のために有効に働かすことが可能な給水加熱器を提供することにある。

本発明の他の目的は、上記目的に加えて、給水加熱器での給水の加熱を通じて発電プラントの出力を制御できるようにすることにある。

本発明は、給水加熱器の入口部で過熱蒸気を液滴に接触させて過熱度を除去した後に給水加熱器へ導入するようにしたものである。

また、給水加熱器で生成した凝縮液を噴霧することにより液滴を生成する。

また、過熱蒸気に接触させる液滴の制御することにより、発電プラントの出力を制御するようにしたものである。

本発明では、過熱蒸気を加熱管で冷却することに代わり、給水加熱器の入口部で過熱蒸気を液滴と接触させ過熱度を除去しているので、給水加熱器に導入される加熱用の蒸気は、過熱度が除去され飽和蒸気として加熱管に接触する。従って、加熱管の全領域で熱伝達率が大きくとれ、給水の加熱のために有効に働く。

また、本発明では、過熱蒸気に接触させる液滴の量を制御している。接触させる液滴の量を減少すれば、過熱度が生じ、熱伝達が低下するため、凝縮量が減少する。この結果、給水加熱器へ抽気される蒸気量が減少する（即ち、高価な弁を設けることなく、抽気量を制御することができる。）。これにより、タービン段落の蒸気流量が増加し、発電出力を増やすことができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の給水加熱器の模式図を示す。

胴体１には給水が流れる加熱管２０が配置されている。加熱管２０は、通常、数１００本用いられる（図面では省略して１本のみを図示している。）。加熱管２０はＵ字管で構成され、複数の支持板２１により支持されている。給水は給水入口２００から導入され、加熱管２０の内側に導かれる。給水は加熱管２０内で胴体１内に導入された抽気蒸気により加熱される。蒸気タービンの段落から抽気された過熱蒸気は、胴体１への蒸気導入口の上流（蒸気タービンの段落から給水加熱器へ抽気蒸気を導く過熱蒸気抽気ラインの途中）に設けた過熱度除去手段を介して胴体１内に導入される。過熱度除去手段は、過熱蒸気を液滴と接触させ過熱度を除去するもので、蒸気入口１００，噴霧室１０，スプレーノズル１１，凝縮液導入口３０１により構成されている。胴体１内には、蒸気が導入される際に加熱管２０への衝撃を防止するために衝撃防止板２が設けられている。胴体１内で加熱された給水は、給水出口２０１を介してボイラーへ供給される。尚、３０は凝縮液冷却部、３１はバッフル板、３２は凝縮液入口、３００は凝縮液出口である。

過熱蒸気は、蒸気入口１００から流入し、噴霧室１０で、スプレーノズル１１から噴霧された液滴により過熱度が除去され、飽和蒸気となる。噴霧される液滴の径を小さくすることにより、同一の噴霧量に対し液滴の表面積が増え、過熱蒸気との接触面積が増えるため、より高い効果が得られる。飽和蒸気は胴体１内に導かれ加熱管２０の外表面で凝縮し、凝縮により放出された潜熱が、加熱管２０内の給水を加熱する。加熱管２０で凝縮した凝縮液は流下し胴体１の下部に溜まる（図示省略）。凝縮液は凝縮液冷却部３０で凝縮され凝縮液出口３００より排出される。

凝縮液導入口３０１には凝縮液が導入される。凝縮液は凝縮液出口３００から排出された一部を分流し用いることができる。途中に昇圧ポンプを設けて凝縮液導入口へ凝縮液を導入する。また、後に示すカスケードに接続された給水加熱器の高圧側から排出された凝縮液を導入することもできる。この場合、昇圧ポンプを省略することもできる。

本実施例に示されるように、過熱蒸気を加熱管で冷却することに代わり、給水加熱器の入口部の噴霧室１０で飽和蒸気とすることにより、凝縮液冷却部３０を除いて、加熱管２０全領域において熱伝達率を高く保つことができる。即ち、過熱度が除去され飽和蒸気として加熱管に接触するので、全領域で熱伝達率が大きくとれ、給水の加熱のために有効に働く。したがって、加熱管の伝熱面積を小さくし（加熱管を短くし）、給水加熱器をコンパクトにすることも可能となる。また、本実施例では、過熱蒸気を加熱管で冷却することに替えて、給水加熱器の入口部の噴霧室１０で飽和蒸気とするようにしているので、従来、給水出口側に設けていた加熱管による過熱除去部が不要となる。その結果、抽気した蒸気の給水加熱器への導入部の位置を任意の位置にすることができ、蒸気を効果的に加熱管に導入して接触させるために、給水加熱器の中央部に配置することができる。

図２は本発明が適用される発電プラントのシステムを示す。図２（ａ）は機器接続の関連図、図２（ｂ）は再熱のあるランキンサイクルの温度−エントロピー線図である。ＨＰは高圧タービン、ＩＬＰは中低圧タービンを表す。復水器で凝縮された凝縮液をボイラーへの給水として用いる。複数の給水加熱器が連結されており、給水温度を段階的に上昇させる。給水の下流側の給水加熱器では胴体１内の圧力が高くなる。これは、抽気するタービン段落との関係による。図１に示す実施例で凝縮液導入口３０１に、給水の下流側（高圧側）の給水加熱器からの凝縮液を導入することにより、補助動力が無くとも圧力差によって凝縮液を供給することができる。

次に、液滴の噴霧量（過熱蒸気が接触する液滴の量）を制御することにより発電プラントの出力を制御する場合について説明する。

噴霧室１０を通過した蒸気に過熱度を与えてみる。過熱度に対する平均的な熱伝達率の変化を図３に示す。過熱度が増えると、熱伝達率が減少し凝縮量が減るため抽気量が減少する。抽気量の減少によりタービン段落の蒸気量は増加するため、発電出力が増大する。一方、スプレーノズル１１から噴霧される液滴量を減らすことにより過熱度が増大する。したがって、噴霧する液滴量を制御することにより、発電出力を制御できる。ただし、抽気量が減少すれば給水加熱が小さくなるため、発電効率は低下する。液滴の噴霧量を増やし発電効率重視した運転、逆に発電出力を重視した運転の切り替えが可能となる。すなわち、発電効率を求めるときは液滴の噴霧量を増やし、発電出力を求めるときは噴霧量を減らす運転とする。

図２（ａ）を用いて出力制御の詳細について説明する。図２（ａ）において、７１はポンプ、７２はバルブ、７０１は制御装置（図示省略）からのポンプ制御信号、７０２は制御装置（図示省略）からのバルブ開度制御信号である。図において、ポンプ７１はカスケードに接続された給水加熱器の最も高圧の給水加熱器に設けられ、給水加熱器で生じる凝縮液をポンプアップし凝縮液導入口３０１に送り込む。バルブ７２は、高圧側の給水加熱器からの凝縮液を低圧側に送る途中に設けられ、凝縮液はバルブ７２を通過後、凝縮液導入口３０１に送り込まれる。このような装置構成において、発電出力を増加するとき、ポンプ制御信号７０１又はバルブ開度制御信号７０２によりポンプ７１からの流量又はバルブ７２の開度を絞り、凝縮液導入口３０１に送り込まれる凝縮液を減少させる。これにより、給水加熱器へ入る蒸気の過熱度が増え、上述のメカニズムで給水加熱器での交換熱量を減少させる。給水の温度上昇は小さくなるため、ボイラーに入る給水の温度は低下する。このため、ボイラー温度を保ち発熱量を増やすことができ、大きな発電出力を得ることが可能となる。ただし、このような運転では、給水加熱器が実質的に無いことと等価であり、発電効率は低下する。本実施例の利点は発電効率が高い通常の運転と、発電出力を増加させる運転を選択できることであり、この切り替えを蒸気より体積が小さく、かつ少量の凝縮液を用いて制御できることにある。

上述の実施例では、水蒸気を媒体とした発電プラントを想定したが、アンモニアなど凝縮する媒体を作動媒体とする発電プラントにも適用できる。また、発電プラント以外にも何らかの動力を得るシステムに適用可能である。

本発明の給水加熱器の模式図。本発明が適用される発電プラントのシステムの模式図。蒸気過熱度に対する熱伝達率の変化を示す図。

符号の説明

１胴体
２衝撃防止板
１０噴霧室
１１スプレーノズル
２０加熱管
２１支持板
３０凝縮液冷却部
３１バッフル板
３２凝縮液入口
１００蒸気入口
２００給水入口
２０１給水出口
３００凝縮液出口
３０１凝縮液導入口

Claims

胴体と、該胴体内に配置され給水が内側を流れる加熱管とを有し、過熱蒸気を加熱源とする給水加熱器において、
前記過熱蒸気を液滴と接触させ、前記過熱蒸気の過熱度を除去する過熱度除去手段を前記胴体内への蒸気導入口の上流に設けた給水加熱器。
ボイラーと、前記ボイラーからの蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンの段落から抽気した過熱蒸気により加熱管内を流れ前記ボイラーに供給される給水を加熱する給水加熱器と、前記蒸気タービンから前記給水加熱器へ抽気蒸気を導く過熱蒸気抽気ラインを有する発電プラントにおいて、
前記過熱蒸気抽気ラインの途中に、該過熱蒸気抽気ライン内を流れる過熱蒸気を液滴に接触させ過熱蒸気の過熱度を除去する過熱度除去手段を設けた発電プラント。
請求項２において、前記給水加熱器の凝縮液を用いて前記液滴を生成するようにした発電プラント。
請求項３において、前記給水加熱器とは別の給水加熱器を備え、前記液滴として、前記別の給水加熱器の凝縮液を用いて前記液滴を生成するようにした発電プラント。
請求項２〜４の何れかにおいて、前記過熱蒸気と接触させる液滴の量を制御する手段を設けた発電プラント。