JP2020024077A - 復水器及び発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】タービン排気を通流させるタービン排気ダクトの耐荷重性を適正に確保しつつ、タービン排気ダクト内の流動抵抗を低減できる復水器を提供する。【解決手段】実施の形態に係る復水器は、タービンからのタービン排気が流入するタービン排気ダクト１０と、タービン排気ダクト１０に接続され、タービン排気ダクト１０からのタービン排気を受け入れて冷却水により凝縮させる本体胴容器１１と、を備える。タービン排気ダクト１０は本体胴容器１１側に向けて流路面積を拡大させる切頭四角錐形状であり、タービン排気ダクト１０の角部２０は曲面をなすシェル形状に形成されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施の形態は、復水器及び発電プラントに関する。

蒸気タービン発電プラントやガスタービンコンバインドサイクル発電プラントなどに用いられる復水器は、タービンから排出されるタービン排気中の水蒸気を凝縮させることによりタービンの背圧を真空に保持するための機器である。このような復水器には、上部本体と下部本体とを備え、タービンからのタービン排気を上部本体から下部本体に流入させるものがある。このタイプの復水器では上部本体が排気ダクトとして機能し、上部本体から下部本体に流入したタービン排気中の水蒸気が下部本体に収容された冷却管によって凝縮される。上部本体には抽気管や給水加熱器が収容されてもよく、この場合には、プラント占有範囲のコンパクト化を図ることができる。

上記のような復水器では、運転時に内部が真空或いは大気圧に対して大幅に負圧になることで、比較的大きい外圧荷重が上部本体及び下部本体に作用する。ここで、下部本体においては、冷却管やこれを支持する板やパイプなどの構造物を外圧に対する補強材として機能させることもできる。一方、上部本体においては、外圧荷重に対する対策として内部に補強リブや補強トラスと呼ばれる補強部材を設ける場合がある。

しかしながら、タービン排気は上部本体を通過して下部本体に流入するため、上部本体内に設置される補強部材、抽気管及び給水加熱器はタービン排気が通過する際の流動抵抗（圧力損失）を生じさせる。プラント性能の観点で見た場合、このような圧力損失は最小限に抑制されることが当然に望ましく、復水器の分野においては、復水器内部の圧力損失を低減するための技術がこれまでに種々提案されている。

特許第４２３０８４１ 特開２００２−１９５７８６号公報 特開２００４−１０８６８６号公報

近年、流体解析技術によりタービンから復水器までのタービン排気の流れを三次元で正確に評価できるようになった。このような解析評価により、タービン排気が上部本体を通過する際に受ける流動抵抗を分析した結果、タービン排気口からの流速の分布と補強部材の位置関係が、タービン排気が受ける流動抵抗に大きく影響を及ぼしていることが知見された。より具体的には、従来の復水器は流速の分布を考慮せずに、上部本体の同一平面の全体にわたって補強部材を均一に設置する構造になっているため、タービン排気口からの流速分布における高流速の箇所において流動抵抗が特に大きくなっていることが知見された。このような流動抵抗は補強部材を適宜削除すれば抑制され得るが、この場合、上部本体の耐荷重性が不所望に低下してしまう虞がある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、タービン排気ダクトの耐荷重性を適正に確保しつつ、タービン排気ダクト内の流動抵抗を低減できる復水器及び発電プラントを提供することを目的とする。

一実施の形態に係る復水器は、タービンからのタービン排気が流入するタービン排気ダクトと、前記タービン排気ダクトに接続され、前記タービン排気ダクトからのタービン排気を受け入れて冷却水により凝縮させる本体胴容器と、を備える。前記タービン排気ダクトは前記本体胴容器側に向けて流路面積を拡大させる切頭四角錐形状であり、前記タービン排気ダクトの角部は曲面をなすシェル形状に形成されている。
また、一実施の形態に係る復水器は、タービンからのタービン排気が流入するタービン排気ダクトと、前記タービン排気ダクトに接続され、前記タービン排気ダクトからのタービン排気を受け入れて冷却水により凝縮させる本体胴容器と、を備える。前記タービン排気ダクトは前記本体胴容器側に向けて流路面積を拡大させる切頭円錐形状である。
また、一実施の形態に係る発電プラントは、上記復水器を備える。

本発明によれば、タービン排気を通流させるタービン排気ダクトの耐荷重性を適正に確保しつつ、タービン排気ダクト内の流動抵抗を低減できる。

第１の実施の形態に係る復水器の斜視図である。 第１の実施の形態に係る復水器のタービン排気ダクトの上面概略図であって、タービン排気ダクト内に設けられる補強部材の配置構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る復水器のタービン排気ダクトに流入するタービン排気の流速分布を示した図である。 第１の実施の形態の変形例を示す図であって、図２に示した補強部材の配置構成とは異なる補強部材の配置構成を示す図である。 第１の実施の形態の変形例を示す図であって、タービン排気ダクトの外周面に補強リブが設けられる復水器を示す図である。 第１の実施の形態の変形例を示す図であって、タービン排気ダクトの外周面に図５の例とは異なる補強リブが設けられる復水器を示す図である。 第１の実施の形態の変形例を示す図であって、タービン排気ダクトの内部に補強リブが設けられる復水器を示す図である。 第１の実施の形態の変形例を示す図であって、タービン排気ダクトの角部の形状が第１の実施の形態とは異なる復水器を示す図である。 第２の実施の形態に係る復水器の斜視図である。 第２の実施の形態の変形例を示す図であって、タービン排気ダクトの外周面に補強リブが設けられる復水器を示す図である。

以下に、添付の図面を参照して各実施の形態を詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１乃至図３を用いて第１の実施の形態に係る復水器１を説明する。図１に示す復水器１は、タービンからのタービン排気が流入するタービン排気ダクト１０と、タービン排気ダクト１０に接続され、タービン排気ダクト１０からのタービン排気を受け入れて冷却水により凝縮させる本体胴容器１１と、本体胴容器１１の側面に設けられる水室１２と、を備えている。本体胴容器１１の内部には冷却水を通流させるための冷却管の管束が収容されており、水室１２は各冷却管に冷却水を供給するために設けられている。

タービン排気ダクト１０は本体胴容器１１の上方に配置され、本体胴容器１１はタービン排気ダクト１０からのタービン排気を上方から受け入れるようになっている。このタイプの復水器１では、タービン排気ダクト１０が上部本体と呼ばれ、本体胴容器１１が下部本体と呼ばれる場合がある。また、本実施の形態においては、タービン排気ダクト１０内のタービン排気が本体胴容器１１側に向けて流れる方向に対して直交する方向におけるタービン排気ダクト１０の断面中心を通る直線を「軸線Ｃ１」と定義する。

本実施の形態におけるタービン排気ダクト１０は、本体胴容器１１側に向けて流路面積を拡大させる切頭四角錐形状であり、その上端に位置する上流側端部１０Ａに鉛直方向に沿って立ち上がる接続片１３が設けられている。接続片１３は図示しないタービンのケーシングに連結するために設けられ、これにより、タービン排気ダクト１０はタービン排気を通流させることが可能となる。

また、本実施の形態におけるタービン排気ダクト１０の角部２０は曲面をなすシェル形状に形成されている。詳しくは、図２も参照し、タービン排気ダクト１０は、互いに対向して配置される一対の第１胴板部２１と、第１胴板部２１が対向する方向に対して直交する方向で互い対向して配置される一対の第２胴板部２２と、を有し、角部２０はタービン排気ダクト１０の四隅を形成し、互いに隣り合う第１胴板部２１と第２胴板部２２のそれぞれを接続している。軸線Ｃ１に直交する方向における角部２０の断面形状は円弧状になっており、角部２０と第１胴板部２１又は第２胴板部２２とは互いに滑らかに接続している。すなわち、軸線Ｃ１に直交する面におけるタービン排気ダクト１０の断面形状は、四隅が丸みを帯びた長方形状になっている。

図１においては、タービン排気ダクト１０の上流側端部１０Ａの内部に配置された補強部材３０が概略的に示されており、図２には、補強部材３０の配置構成が詳細に示されている。図１及び図２に示すように、本実施の形態では、一対の第１胴板部２１の両端部を一対の第１胴板部２１が対向する方向に通過する２本の直線Ｌ１１，Ｌ１２と、一対の第２胴板部２２の両端部を一対の第２胴板部２２が対向する方向に通過する２本の直線Ｌ２１，Ｌ２２とで囲まれる中央側領域ＡＣにおける補強部材３０の割合が、中央側領域ＡＣの外側の領域ＡＥにおける補強部材３０の割合よりも高くなるように、補強部材３０が配置されている。なお、図２においては説明の便宜上、中央側領域ＡＣを二点鎖線で囲んでいる。

より具体的には、補強部材３０は互いに対向する壁部の間に架設される柱状の部材であり、補強部材３０は、一対の第１胴板部２１の間、及び、一対の第２胴板部２２の間にのみ架設されている。より詳しくは、一対の第１胴板部２１の間に水平方向に並ぶように複数の補強部材３０が設けられるとともに、一対の第２胴板部２２の間に水平方向に並ぶように複数の補強部材３０が設けられることで、複数の補強部材３０が格子状をなすように配置されている。一方で、角部２０には補強部材３０が接続されていない。これにより、中央側領域ＡＣにおける補強部材３０の割合（占有面積の割合）が、その外側の領域ＡＥにおける補強部材３０の割合（占有面積の割合）よりも高くなっている。

また本実施の形態では、軸線Ｃ１に対して直交する方向におけるタービン排気ダクト１０の上流側端部１０Ａの断面において、タービン排気ダクト１０の長手方向における最大長さに対する１つの角部２０の割合が、１５％以上２５％以下になっており、具体的には２０％になっている。

上述のタービン排気ダクト１０の上流側端部１０Ａの断面は図２に示す状態と同一視することができるが、本実施の形態では、第１胴板部２１の主面が延在する方向が長手方向となっており、図２における符号Ｌが、タービン排気ダクト１０の上流側端部１０Ａの長手方向における最大長さを示している。本実施の形態では、この最大長さＬに対する角部２０の割合が２０％（０．２Ｌ）となり、長手方向に位置する２つの角部２０の最大長さＬに対する割合は４０％になっている。なお、このような角部２０の大きさは、実施の形態の態様に限定されるものではない。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態に係る復水器１では、タービン排気ダクト１０が切頭四角錐形状であり、その角部２０が曲面をなすシェル形状に形成されている。これにより、曲面の角部２０に対する補強部材３０を設けなくても或いは補強部材３０を少なくしたとしても、タービン運転時に生じる外圧荷重に耐え得る耐荷重性を角部２０に確保することが可能となる。これにより、本実施の形態では、従来の一般的な復水器のタービン排気ダクトに対してタービン排気ダクト１０内における角部２０が位置する側すなわち端部側の補強部材３０を減らしつつ、所望される耐荷重性を確保している。

すなわち、従来の一般的な復水器ではタービン排気ダクトの断面形状が矩形であって、矩形の平面の全体にわたって補強部材が均一に設置され、とりわけタービン排気ダクトの角部が直角であることで応力集中が生じやすくなり、通常、角部に隣接した位置まで補強部材が設けられている。このような従来の一般的な復水器のタービン排気ダクトに対して、本実施の形態では、切頭四角錐形状のタービン排気ダクト１０の角部２０をシェル形状に形成することで、タービン排気ダクト１０内における角部２０が位置する側の補強部材３０を減らしつつ、所望される耐荷重性を確保している。

以上により、本実施の形態によれば、タービン排気ダクト１０の耐荷重性を適正に確保しつつ、タービン排気ダクト１０内の流動抵抗を低減でき、その結果、タービン性能を向上させることが可能となる。

つまり、タービン排気ダクトが切頭四角錐形状となる復水器では、タービンから排出されるタービン排気の流速分布において、タービン排気口の中心側の流速が遅くなり、排気口の両端や角部側の流速が速くなることが一般的である。このような流速の偏り現象は、タービン特有の構造、具体的には互いに離間して位置する一対の最終段の動翼からタービン排気が排出されるという構造に起因して生じており、本実施の形態においても生じることになる。図３はタービン排気ダクト１０に流入するタービン排気の流速分布を説明するグラフを示している。図３において、横軸はタービン排気ダクト１０の長手方向における位置を相対的な数値で示しており、値「０」はタービン排気ダクト１０の長手方向の一端部を示し、値「５０」はタービン排気ダクト１０の長手方向の中央位置を示している。また、縦軸はタービン排気の流速を平均化した速度比を示している。図３の例では、タービン排気ダクト１０の長手方向の一端部から１５までの長手方向範囲において流速が速くなっていることが分かる。このように流速が早くなる領域では補強部材があると圧力損失が大きくなってしまうため、補強部材を設置しないことが望ましいが、従来の復水器では外圧荷重の対策として、上述したように角部近傍に対してまで補強部材を設置する必要があることから補強部材に起因する圧力損失が大きくなっていた。

これに対し、本実施の形態では、上述したようにタービン排気ダクト１０が切頭四角錐形状であり、その角部２０が曲面をなすシェル形状に形成されることで、タービン排気ダクト１０内における角部２０が位置する側すなわち端部側の補強部材３０を減らしつつ、所望される耐荷重性を確保する。これにより、タービン排気の流速が速くなる（大量のタービン排気が流れる）領域における流れに対して補強部材３０が生じさせる流動抵抗を低減でき、この際、タービン排気ダクト１０においては所望される耐荷重性が確保される。よって、本実施の形態によれば、タービン排気ダクト１０の耐荷重性を適正に確保しつつ、タービン排気ダクト１０内の流動抵抗を低減できるようになり、その結果、タービン性能を向上させることが可能となる。

また、本実施の形態では、タービン排気ダクト１０の上流側端部１０Ａの長手方向における最大長さＬに対する角部２０の割合が２０％（０．２Ｌ）となり、長手方向に位置する２つの角部２０の最大長さＬに対する割合は４０％になっている。

本実施の形態では、外圧荷重に対する対策として、胴板部２１，２２と曲面の角部２０との複数の境界部のうちの互いに対向するもの同士をつなぐ補強部材３０が設けられることが望ましく、図２に示すように一対の第１胴板部２１が対向する方向で互いに対向する境界部の間、及び、一対の第２胴板部２２が対向する方向で互いに対向する境界部の間がそれぞれ補強部材３０によって接続されている。この場合、タービン排気ダクト１０の長手方向の端部から１５%までの図３に示した高流速領域に補強部材３０が入らないようにためにするには、長手方向における最大長さＬに対する角部２０の割合を１５％以上２５％以下程度にすることがよく、このことから、本実施の形態では、タービン排気ダクト１０の上流側端部１０Ａの長手方向における最大長さＬに対する角部２０の割合を、２０％（０．２Ｌ）にしている。このような構成では、圧力損失を抑制できるとともに、角部２０が補強部材３０の設置領域を過度に制約しないため、適正な耐荷重性を確保し得るように補強部材３０を設けることができる。

なお、第１の実施の形態に対しては各種の変更を加えることができる。以下では、第１の実施の形態の変形例について図４乃至図８を用いて説明する。

まず、上述の第１の実施の形態では、複数の補強部材３０が格子状をなすように配置されたが、図４に示すように、格子状をなす複数の補強部材３０の中央側において筋交い状の追加補強部材３１をさらに設けてもよい。図４の例では、中央側の追加補強部材３１によって一対の第２胴板部２２の耐荷重性を向上させることにより、図２の例に対して端部側（第２胴板部２２側）の補強部材３０を削減している。

また、図５においては、タービン排気ダクト１０の外周面に補強リブ３２が設けられている。図５の例では、補強リブ３２が軸線Ｃ１に対する周方向に沿うように延びている。より詳しくは、補強リブ３２はタービン排気ダクト１０の外周面における長手方向の両端部（第２胴板部２２）側において、軸線Ｃ１に対する周方向に沿うように延びており、第１胴板部２１側には設けられていない。一方で、図６に示すように、補強リブ３２はタービン排気ダクト１０の外周面の全周にわたって延びるように設けられてもよい。図５及び図６のいずれの場合においても、外圧荷重に対する耐久性を向上させることができる。なお、補強リブ３２が軸線Ｃ１に対する周方向に沿うように延びる状態とは、補強リブ３２が軸線Ｃ１を中心とする円に完全に一致する状態で延びる態様だけを意味するものではなく、図５及び図６に示されるように、軸線Ｃ１方向で見た際に非円形の筒体（タービン排気ダクト１０）の外周面に沿うように延びる態様も含む概念である。

また、図７は復水器の鉛直方向における断面であるが、図７に示すようにタービン排気ダクト１０の内面に補強リブ３２が設けられてもよく、この場合、補強リブ３２はタービン排気が流れる方向に延びるように設けられることが望ましい。また、この際、図７に示すように互いに対向する胴板部の内面のそれぞれに補強リブ３２が設けられ、補強リブ３２の間に補強部材３０が架設されてもよい。

また、図８に示す変形例では、タービン排気ダクト１０における角部２０が、本体胴容器１１に近づくに従いその曲面部分が徐々に連続的に小さくなるように形成されている。また、角部２０の本体胴容器１１側の端部は鋭角をなしており、本体胴容器１１の角部に接続している。このような構成では、タービン排気ダクト１０と本体胴容器１１との間に段差部分が形成されることがなく、流路面積も増加させることができるため、圧力損失の更なる低減を図ることができる。

また、第１の実施の形態では、本体胴容器１１の上方にタービン排気ダクト１０が配置されるが、タービン排気ダクト１０は本体胴容器１１の側方に配置されてもよい。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態に係る復水器について図８を用いて説明する。本実施の形態に係る復水器の構成部分のうちの第１の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、その説明を省略する。

図８に示す第２の実施の形態に係る復水器は、タービンからのタービン排気が流入するタービン排気ダクト１０と、タービン排気ダクト１０に接続され、タービン排気ダクト１０からのタービン排気を受け入れて冷却水により凝縮させる本体胴容器１１と、本体胴容器１１の側面に設けられる水室１２と、を備えている。タービン排気ダクト１０は本体胴容器１１側に向けて流路面積を拡大させる切頭円錐形状であり、本体胴容器１１の側壁に接続されている。本実施の形態に係る復水器は、軸流排気タービンに接続されるものであり、タービン排気を水平方向から流入させる水平流入型となっている。

タービン排気ダクト１０の内部には第１の実施の形態で説明したような補強部材は設けられていない。なお、図９に示すように、タービン排気ダクト１０の外周面にはリング形状の補強リブ３２が設けられてもよい。図９の例では、補強リブ３２が複数設けられ、各補強リブ３２は軸線Ｃ１に対する周方向でタービン排気ダクト１０の外周面の全周にわたって延びている。

軸流排気タービンでは、タービン排気が水平方向に排出され、復水器と接続する排気口の形状は一般に円形となる。本実施の形態では、タービン排気ダクト１０の断面形状がタービンの円形の排気口に整合する円形に形成されることで、内部に補強部材を設置しなくても外圧荷重に対する十分な耐荷重性を確保することが可能となる。これにより、タービン排気は補強部材から流動抵抗を受けずに本体胴容器１１に流入できる。したがって、本実施の形態においても、タービン排気ダクト１０の耐荷重性を適正に確保しつつ、タービン排気ダクト１０内の流動抵抗を低減でき、もってタービン性能を向上させることが可能となる。

以上、各実施の形態を説明したが、上記の各実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…復水器、１０…タービン排気ダクト、１０Ａ…上流側端部、１１…本体胴容器、１２…水室、１３…接続片、２０…角部、２１…第１胴板部、２２…第２胴板部、３０…補強部材、３１…追加補強部材、３２…補強リブ、ＡＣ…中央側領域、ＡＥ…外側の領域

Claims (10)

1. タービンからのタービン排気が流入するタービン排気ダクトと、
   前記タービン排気ダクトに接続され、前記タービン排気ダクトからのタービン排気を受け入れて冷却水により凝縮させる本体胴容器と、を備え、
   前記タービン排気ダクトは前記本体胴容器側に向けて流路面積を拡大させる切頭四角錐形状であり、
   前記タービン排気ダクトの角部は曲面をなすシェル形状に形成されている、復水器。
2. 前記タービン排気ダクトは、互いに対向して配置される一対の第１胴板部と、前記第１胴板部が対向する方向に対して直交する方向で互い対向して配置される一対の第２胴板部と、を有し、前記角部は、互いに隣り合う前記第１胴板部と前記第２胴板部とを接続している、請求項１に記載の復水器。
3. 一対の前記第１胴板部の間、及び、一対の前記第２胴板部の間にのみ補強部材が架設されている、請求項２に記載の復水器。
4. 前記タービン排気ダクトの内部に補強部材が配置されており、
   一対の前記第１胴板部の両端部を一対の前記第１胴板部が対向する方向に通過する２本の直線と、一対の前記第２胴板部の両端部を一対の前記第２胴板部が対向する方向に通過する２本の直線とで囲まれる中央側領域における前記補強部材の割合が、前記中央側領域の外側の領域における前記補強部材の割合よりも高くなっている、請求項２に記載の復水器。
5. 前記タービン排気ダクト内のタービン排気が前記本体胴容器側に向けて流れる方向に対して直交する方向における前記タービン排気ダクトの上流側端部の断面において、前記タービン排気ダクトの長手方向における最大長さに対する１つの前記角部の割合が、１５％以上２５％以下になっている、請求項１乃至４のいずれかに記載の復水器。
6. 前記タービン排気ダクトの外周面に補強リブが設けられ、
   前記タービン排気ダクト内のタービン排気が前記本体胴容器側に向けて流れる方向に対して直交する方向における前記タービン排気ダクトの断面中心を通る直線を、軸線と定義した際、前記補強リブは、前記軸線に対する周方向に沿うように延びている、請求項１乃至５のいずれかに記載の復水器。
7. 前記角部は、前記本体胴容器に近づくに従いその曲面部分が小さくなるように形成されている、請求項１乃至６のいずれかに記載の復水器。
8. タービンからのタービン排気が流入するタービン排気ダクトと、
   前記タービン排気ダクトに接続され、前記タービン排気ダクトからのタービン排気を受け入れて冷却水により凝縮させる本体胴容器と、を備え、
   前記タービン排気ダクトは前記本体胴容器側に向けて流路面積を拡大させる切頭円錐形状である、復水器。
9. 前記タービン排気ダクトの外周面に補強リブが設けられ、
   前記補強リブは、前記タービン排気ダクトの軸線に対する周方向で前記タービン排気ダクトの外周面の全周にわたって延びている、請求項８に記載の復水器。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の復水器を備える、発電プラント。

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