(57)【要約】      （修正有）【課題】凝縮器において流入部から流出部に向かって温度勾配が生じる場合にも、効果的な熱交換を可能とする。【解決手段】凝縮器１００は、蒸気タービンからほぼ水平方向に排出されるタービン排気を器内ガスとして受け入れ、器内ガスの流路となる本体胴容器１１０と、蒸気タービンと本体胴容器１１０とを連結する流入部１１１と、本体胴容器１１０内に冷却液を噴射し、器内ガスを凝縮する冷却液散布構造と、本体胴容器１１０内で凝縮しなかった器内ガスの本体胴容器１１０の外部への排出部と、本体胴容器１１０の内側に取り付けられ、到達した冷却液を受け止めて重力によって器内ガスの流れの上流側に還流する１つまたは複数の還流ユニット１３０ａを有する冷却液還流構造１３０と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンからほぼ水平方向に排出されるタービン排気を器内ガスとして受け入れ、前記器内ガスの流路となる本体胴容器と、
前記蒸気タービンと前記本体胴容器とを連結する流入部と、
前記本体胴容器内に冷却液を噴射し、前記器内ガスを凝縮する冷却液散布構造と、
前記本体胴容器内で凝縮しなかった残りの前記器内ガスの前記本体胴容器の外部への排出部と、
前記本体胴容器の内側に取り付けられ、到達した前記冷却液を受け止めて重力によって前記器内ガスの流れの上流側に還流する１つまたは複数の還流ユニットを有する冷却液還流構造と、
を備えることを特徴とする凝縮器。
【請求項２】
前記本体胴容器は、
前記流入部に対向するように配されて前記排出部に接続する開口が形成された端板と、
当該本体胴容器の底部を構成し前記凝縮により生じた凝縮液を一時貯留するホットウェルと、
前記流入部と前記端板とを接続し鉛直方向に沿ってかつ前記器内ガスの流路方向に沿って拡がった互いに対向する２つの側胴と、
前記２つの側胴に接続され前記器内ガスの流路方向に沿って延びて、前記側胴、前記端板および前記ホットウェルと相まって閉空間を形成する上板と、
を有し、
前記１つまたは複数の還流ユニットのそれぞれは、前記側胴に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載の凝縮器。
【請求項３】
前記１つの還流ユニット、または前記複数の還流ユニットのそれぞれは、前記冷却液を保持可能な堰状に形成され、前記器内ガスの流れの上流側に向かって、高さ位置が低くなるように配されていることを特徴とする請求項２に記載の凝縮器。
【請求項４】
前記１つの還流ユニット、または前記複数の還流ユニットのそれぞれは、前記器内ガスの流れ方向に延びてかつ前記器内ガスの流れの上流側になるほど幅が広くなる板状であり、水平方向に対して傾斜をもって前記側胴に取りつけられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の凝縮器。
【請求項５】
前記１つの還流ユニット、または前記複数の還流ユニットのそれぞれは、前記器内ガスの流れ方向に延びてかつ前記器内ガスの流れの上流側になるほど幅が広くなり一方の側部が前記側胴に接続された底板と、前記底板に沿って延びた板状で水平方向に対して前記底板より鉛直方向の高さが高い方向に傾くように前記底板の他方の側部に接続され側板と、を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の凝縮器。
【請求項６】
前記１つの還流ユニット、または前記複数の還流ユニットのそれぞれは、幅がほぼ一定で前記器内ガスの流れ方向に延びて一方の側部が前記側胴に接続された底板と、前記器内ガスの流れの上流側になるほど幅が広くなり前記底板に沿って延びた板状で水平方向に対して前記底板より鉛直方向の高さが高い方向に傾くように前記底板の他方の側部に接続された側板と、を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の凝縮器。
【請求項７】
前記１つの還流ユニット、または前記複数の還流ユニットのそれぞれは、流れ方向に対する傾斜角度が、流れ方向に沿って単調に減少するように形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の凝縮器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービン用の凝縮器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクルを利用した発電システムでは、蒸気タービンの出口部の圧力を低下させて出力増加を達成するために凝縮器が設けられる。凝縮器では、蒸気タービンから排出される凝縮性ガスを冷却部または冷却流体と接触させ、当該ガスの飽和温度まで温度を低下させることで凝縮性ガスの液化が生じる。
【０００３】
凝縮器に用いられる液化手法には、中空管の内部に冷却液を流動させて当該中空管の外面でガスを凝縮させる表面接触式、スプレーノズル等を用いて冷却液をガスへ向けて噴射する直接接触式がある。
【０００４】
前者の表面接触式は、火力・原子力発電システム等に広く用いられ、蒸発器供給水の性状に対する制約から、作動流体と冷却液は混合されない。後者は主に地熱発電システムで用いられ、伝熱管を介さずに蒸気と冷却液の混合および熱交換が行われることから伝熱性能に優れる。
【０００５】
直接接触式の場合、タービンの回転軸と凝縮器の位置関係によって、凝縮器内部におけるガスおよび液の流動様相が異なる。タービンが凝縮器の上方に位置する場合、凝縮器内部には概ね下向きのガス流動場が形成されるため、冷却液はガス流れから受ける力および重力によって下向きに加速していく。一方で、タービン回転軸の延長線上に凝縮器が設けられる軸方向排気方式の場合、ガス流動方向と重力が作用する方向が大きく異なる。両構成ともに、スプレーノズル等より噴射された冷却液は、直接ホットウェルに落下するか、または凝縮器内壁面へ衝突した後に当該壁面を流下してホットウェルへ達する。また、タービン回転軸の側方に凝縮器が設けられる側方排気方式についても、ガス流動方向と重力が作用する方向が大きく異なり、両者の関係は、軸方向排気方式と同様である。
【０００６】
凝縮器にはタービン出口圧力を如何に低下させるかが要求される。タービン出口圧力と凝縮器のガス液化能力には密接な関係があり、その能力を高めるための施策として、本体胴内の内壁において、ガス入口部から出口部にかけて排気蒸気の流動方向に沿ってリブを設け、本体胴容器内の部材とタービン排気との接触面積を増大させる方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１５５６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、噴射された冷却液の一部は凝縮器内壁に衝突して当該壁面上を流下する。一般に、冷却液は凝縮器内ガスの温度よりも低い状態で噴射され、雰囲気ガスと熱交換しながら次第にその温度を上昇させていく。雰囲気ガスと冷却液の接触時間が十分大きな場合、冷却液温度はガス温度に近くまで上昇する。一方、接触時間が不十分な場合は、冷却液温度とガス温度の差が比較的大きくなり、過冷却液の状態で内壁面へ到達する。このとき、内壁面上を流下する間にも雰囲気ガスとの熱交換は継続するが、壁面到達位置とホットウェルの距離が小さな場合は、十分な温度上昇が達成されないことが憂慮される。
【０００９】
地熱発電システムにおいては非凝縮性ガスの影響も考慮する必要がある。地熱蒸気には、水蒸気に加えて二酸化炭素、硫化水素などの非凝縮性ガスが含まれる場合がある。このようなガスが凝縮器へ流入する場合、器内での流れに沿って、凝縮の進展に伴って非凝縮性ガス濃度が次第に増大していく。全ガス分に占める非凝縮性ガスの割合が大きくなると、水蒸気の分圧が低下するため、ガス温度が低下していく。ガス温度降下量と水蒸気の凝縮割合には相関があるため、凝縮器内に、流入部から流出部に向かって温度勾配が生じる。
【００１０】
前述のように冷却液の温度は雰囲気ガス温度を上限として温度が上昇するため、流出部近傍で噴射された冷却液の温度上限値は、入口部のそれに比して低くなる。この特徴は軸流排気タービンあるいは側方排気タービンに組み合せられる直接接触式凝縮器において顕著に現れ、凝縮器の熱交換効率の低下をもたらす要因となる。
【００１１】
そこで、本発明の実施形態は、凝縮器において流入部から流出部に向かって温度勾配が生じる場合にも、効果的な熱交換を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的を達成するため、本実施形態に係る凝縮器は、蒸気タービンからほぼ水平方向に排出されるタービン排気を器内ガスとして受け入れ、前記器内ガスの流路となる本体胴容器と、前記蒸気タービンと前記本体胴容器とを連結する流入部と、前記本体胴容器内に冷却液を噴射し、前記器内ガスを凝縮する冷却液散布構造と、前記本体胴容器内で凝縮しなかった残りの前記器内ガスの前記本体胴容器の外部への排出部と、前記本体胴容器の内側に取り付けられ、到達した前記冷却液を受け止めて重力によって前記器内ガスの流れの上流側に還流する１つまたは複数の還流ユニットを有する冷却液還流構造と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の実施形態によれば、凝縮器において流入部から流出部に向かって温度勾配が生じる場合にも、効果的な熱交換が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る凝縮器の構成を示す立断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る凝縮器の構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る凝縮器の構成を示す図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る凝縮器の冷却液還流構造の構成を示す図２のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る凝縮器の冷却液還流構造を示す図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
【図６】第１の実施形態に係る凝縮器の冷却液還流構造を示す図５のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る凝縮器の冷却液還流構造の傾斜板の傾斜角を説明するための部分立断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る凝縮器の内部の流体の流れ方向の状態分布を示すグラフである。
【図９】第１の実施形態に係る凝縮器の効果を説明するための熱膨張線図である。
【図１０】第１の実施形態に係る凝縮器の効果を説明するための蒸気の物性データ図である。
【図１１】側方排気方式のタービンの場合における第１の実施形態に係る凝縮器の構成を示す立断面図である。
【図１２】第２の実施形態に係る凝縮器の側板に沿って見た冷却液還流構造の展開図である。
【図１３】第２の実施形態に係る凝縮器の冷却液還流構造を示す図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢視断面図である。
【図１４】第２の実施形態に係る凝縮器の冷却液還流構造を示す図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線矢視断面図である。
【図１５】第３の実施形態に係る凝縮器の側板に沿って見た冷却液還流構造の展開図である。
【図１６】第３の実施形態に係る凝縮器の冷却液還流構造を示す図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線矢視断面図である。
【図１７】第３の実施形態に係る凝縮器の冷却液還流構造を示す図１６のＸＶＩＩ−ＩＶＩＩ線矢視断面図である。
【図１８】第４の実施形態に係る凝縮器の側板に沿って見た冷却液還流構造の展開図である。
【図１９】第４の実施形態に係る凝縮器の冷却液還流構造を示す図１８のＩＸＸ−ＩＸＸ線矢視断面図である。
【図２０】第４の実施形態に係る凝縮器の冷却液還流構造を示す図１９のＸＸ−ＸＸ線矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る凝縮器および凝縮器の熱交換性能向上方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。
【００１６】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る凝縮器の構成を示す立断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。また、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【００１７】
凝縮器１００は、本体胴容器１１０、蒸気タービン１０と本体胴容器１１０を連結する流入部１１１、本体胴容器１１０の外部へガスを導く排出部１１５、および冷却液散布構造１２０を有する。
【００１８】
凝縮器１００は、一般に復水器とも呼ばれる機器であるが、蒸気タービン１０からのタービン排気を受け入れて、冷却液を散布しタービン排気に直接に接触させることにより、タービン排気蒸気を凝縮させ復水にするとともに、器内圧力を負圧に維持する。
【００１９】
図１では、蒸気タービン１０が軸方向排気タービン１１である場合を示している。軸方向排気タービン１１は、仕事をして最終段翼（図示せず）から流出するタービン排気が、発電機２０とは反対側の軸方向に排出される形式の蒸気タービン１０である。タービン排気中には、タービン排気蒸気の他に、不凝結ガスが含まれている。
【００２０】
本体胴容器１１０は、閉空間１１０ａを形成する各部材と、この閉空間１１０ａと軸方向排気タービン１１とを接続する流入部１１１と、この閉空間１１０ａから不凝縮ガスおよび凝縮しなかった蒸気を排出する排出部１１５とを有する。閉空間１１０ａは、凝縮液である復水を一時貯留するホットウェル１１６、流入部１１１と排出部１１５との間に設けられた互いに対向する２枚の側胴１１２、上板１１３、および流入部１１１に対向するように配されて排出部１１５が形成された端板１１４を有する。
【００２１】
流入部１１１から閉空間１１０ａに流入するタービン排気中のタービン排気蒸気の大部分は、凝縮して復水となってホットウェル１１６側に移行する。したがって、排出部１１５から流出する不凝縮ガスおよび凝縮しなかった蒸気の重量流量は、流入部１１１から流入するタービン排気の重量流量に比べて小さい。このため、排出部１１５の流路断面は、流入部１１１の流路断面より小さい。閉空間１１０ａ内の圧力損失を低減するために、閉空間１１０ａ内の流れをスムーズにするように、側胴１１２および上板１１３は、端板１１４の近傍では曲面状に形成されている。
【００２２】
今、説明の便宜上、方向を記号で示す。流入部１１１から排出部１１５に向かう方向をＸ方向とする。２枚の側胴１１２の一方（流入部１１１から見て右側）から他方（流入部から見て左側）に向かう方向をＹ方向とする。また、鉛直上方向をＺ方向とする。
【００２３】
２枚の側胴１１２のそれぞれの閉空間１１０ａ側の表面には、冷却液還流構造１３０が取り付けられている。冷却液還流構造１３０の詳細は、後に、図４ないし図６を用いて説明する。
【００２４】
冷却液散布構造１２０は、母管１２１、複数の分岐管１２２、複数の噴射部ヘッダ１２３、および複数の噴射部１２４を有する。
【００２５】
母管１２１は、ホットウェル１１６の上方に、Ｚ方向に沿って配され鉛直上方に延びており、本体胴容器１１０を貫通し、たとえば復水を冷却する冷却塔（図示せず）などの、冷却源に接続されている。
【００２６】
複数の分岐管１２２（図２、図３）は、互いにＺ方向に間隔をおいて、それぞれＹ方向に沿ってほぼ水平に配されている。複数の分岐管１２２のそれぞれは、端部が母管１２１と接続されている。それぞれの分岐管１２２からは、複数の円管状の噴射部ヘッダ１２３が分岐し、水平方向（Ｘ方向）に延びている。それぞれの噴射部ヘッダ１２３には、たとえば、スプレーノズルなどの複数の噴射部１２４が、Ｘ方向に互いに間隔をおいて取り付けられている。また、円管状の噴射部ヘッダ１２３のそれぞれのＸ方向位置において、下方に向けて冷却水を噴射する噴射部１２４が設けられている。
【００２７】
以上のような構成により、噴射部１２４は、閉空間１１０ａ内に、互いに適切な間隔をおいて、３次元的に配置される。なお、冷却液散布構造１２０は、上記のような母管１２１、複数の分岐管１２２、複数の噴射部ヘッダ１２３、および複数の噴射部１２４の構成で、これらが上記のように配置されている場合を例にとって示したが、これに限定されない。噴射部１２４が閉空間１１０ａ内に３次元的に配置されるのであれば、他の構成および配置であってもよい。
【００２８】
図４は、第１の実施形態に係る凝縮器の冷却液還流構造の構成を示す図２のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。冷却液還流構造１３０は、複数の還流ユニット１３０ａを有する。すなわち、互いに対向する側胴１１２にそれぞれ３つの還流ユニット１３０ａが取り付けられている。３つの還流ユニット１３０ａは、流れ方向（Ｘ方向）に沿って鉛直方向（Ｚ方向）位置が高くなるように傾斜している。すなわち、マイナスＸ方向に傾斜している。
【００２９】
それぞれの還流ユニット１３０ａの最上部、すなわち流れ方向の最下流の部分の高さ位置は、図３に示すように、最上部に配された噴射部１２４から噴射された冷却液が側胴１１２に直接に到達する高さ位置よりも、低い高さ位置となるように設定される。
【００３０】
また、３つの還流ユニット１３０aは、互いにＺ方向に間隔をおいてほぼ平行に配されている。なお、冷却液還流構造１３０が有する還流ユニット１３０ａの数は、片側それぞれ３つには限定しない。たとえば、一方に１つまたは２つ、あるいは４つ以上でもよい。あるいは、互いに対向する側胴１１２に互いに異なる数の還流ユニット１３０ａが配されている場合でもよい。
【００３１】
なお、たとえば、最下段の還流ユニット１３０ａの一部は、ホットウェル１１６内の凝縮液内に埋没していてもよい。
【００３２】
図５は、図４のＶ−Ｖ線矢視断面図であり、また、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【００３３】
それぞれの還流ユニット１３０ａは、傾斜して側胴１１２に取り付けられた、連続した１枚の板である。それぞれの還流ユニット１３０ａは、Ｘ方向の逆方向に幅が連続的に拡がっている。還流ユニット１３０ａの一方の側部１３１ａが側胴１１２に結合している。結合方法としては、溶接あるいは、ボルト等による機械的な結合でもよい。
【００３４】
なお、還流ユニット１３０ａは、１枚の板であることに限定されない。複数の板を機械的あるいは溶接等で接続したものでもよい。
【００３５】
図５に示すように、還流ユニット１３０ａの側胴１１２に結合している側部１３１ａよりも、反対側の側部１３１ｂのＺ方向位置が高い。すなわち、還流ユニット１３０ａの鉛直上方方向からマイナスＹ方向に傾斜する傾きの角度Φは、９０度より小さい。
【００３６】
図７は、冷却液還流構造の傾斜板の傾斜角を説明するための部分立断面図である。図７は、Ｘ−Ｙ断面において、側胴１１２が、鉛直上方の方向から角度ΨだけＹ方向に傾いている場合を示している。すなわち、凝縮器１００において、タービン排気を受け入れる上方の部分に比べて、ホットウェル１１６部分の水平断面を大きくする場合に相当する。
【００３７】
この場合に冷却液を保持するためには、側胴１１２が鉛直上方の方向から角度ΨだけＹ方向に傾いている角度と、還流ユニット１３０ａが鉛直上方の方向から角度ΨだけＹ方向に傾いている角度の差、すなわち側胴１１２と還流ユニット１３０aのなす角度Φを、（９０度−Ψ）より小さい角度とする必要がある。言い換えれば、還流ユニット１３０ａが鉛直上方の方向から角度ΨだけＹ方向に傾いている角度（Φ＋Ψ）を９０度より小さい角度とする必要がある。
【００３８】
次に、本実施形態における凝縮器１００の作用について説明する。
【００３９】
以上のような構成により、蒸気タービン１０の運転中は、冷却源から供給された冷却液が、図１ないし図３に示すように構成された冷却液散布構造１２０により、すなわち、母管１２１、複数の分岐管１２２、および複数の噴射部ヘッダ１２３を経由して、複数の噴射部１２４から、閉空間１１０ａ内に散布される。ここで、冷却液の散布は、閉空間１１０ａ内において３次元的にほぼ均一に配された噴射部１２４により行われる。それぞれの噴射部１２４からは、水平方向にかつ周方向に互いに間隔をおいた位置から冷却液が噴射される。なお、冷却液の噴射方向は水平方向に限定されず、水平方向から仰角あるいは俯角をもっていてもよい。
【００４０】
一方、軸方向排気タービン１１からのタービン排気は、流入部１１１から閉空間１１０ａ内に流入する。閉空間１１０ａ流入したタービン排気のそれ以降の流れを、以下、器内ガスと呼ぶ。器内ガスは、流入部１１１においては、タービン排気と同じものであり、タービン排気蒸気に不凝縮ガスが混入したものである。
【００４１】
器内ガスの蒸気は、Ｘ方向に流れていくにつれて、順次、噴射部１２４から噴射された液滴と接触し、凝縮して凝縮液すなわち復水となる。
【００４２】
復水は、ホットウェル１１６に落下するとともに、一部は、冷却液還流構造１３０のそれぞれの還流ユニット１３０ａ上に落下する。
【００４３】
還流ユニット１３０ａ上に落下した冷却液は、マイナスＹ方向に傾斜している還流ユニット１３０ａと側胴１１２との間の空間に保持される。保持された冷却液には、重力の還流ユニット１３０ａに沿ったマイナスＸ方向側への分力が働く。この結果、還流ユニット１３０ａと側胴１１２との間の空間に保持された冷却液は、マイナスＸ方向に移動する。このように、ポンプ等の付加手段を用いることなく流入部１１１の方向（マイナスＸ方向）へ冷却液を導くことが可能となる。
【００４４】
冷却液が還流ユニット１３０ａと側胴１１２との間の空間を流れるとともに、還流ユニット１３０ａと側胴１１２との間の空間に冷却液が落下してくる。このため、還流ユニット１３０ａの面上を流動する冷却液の流量は、マイナスＸ方向に行くに従って次第に増加していく。
【００４５】
一方、還流ユニット１３０ａは、マイナスＸ方向に行くに従っての幅が次第に増加するため、還流ユニット１３０ａと側胴１１２とで形成される流路の断面積も増加する。この結果、直接にあるいは側胴１１２を伝って落下してくる凝縮水と、流路を流れてくる凝縮水のいずれも、適切に保持することができる。
【００４６】
還流ユニット１３０ａと側胴１１２とで形成される流路を流れる冷却液は、その上面を介して、あるいは一部は還流ユニット１３０ａを介して、雰囲気の器内ガスと熱交換を行う。
【００４７】
図８は、第１の実施形態に係る凝縮器の内部の流体の流れ方向の状態分布を示すグラフである。横軸は、閉空間１１０ａにおける器内ガスを受け入れてから排出するまでの、器内ガスの流れ方向に沿った距離である。
【００４８】
（Ｐｖ＋Ｐｇ）と表記した二点鎖線は、器内ガスの圧力を示す。流入位置から排出位置に至るまでの圧力損失ΔＰだけ、排出位置で圧力が低下している。ここで、Ｐｖは蒸気の分圧、Ｐｇは不凝結ガスの分圧である。
【００４９】
（Ｐｖ）と表記した一点鎖線は、器内ガスにおける蒸気の分圧の分布を示す。器内ガスが流れ方向に進むに連れて、順次、蒸気が凝縮することにより、蒸気の分圧は低下する。また、一般に、排出部１１５の近傍においては、蒸気の分圧の低下の程度が大きくなる。
【００５０】
（Ｔｓ）と表記した実線は、それぞれのＸ方向位置における温度を示す。この温度は、それぞれのＸ方向位置における蒸気分圧の飽和温度である。すなわち、飽和温度は、Ｘ方向に沿って連続的に減少する。
【００５１】
凝縮器１００の内部で、噴射部１２４から噴射された冷却液は、器内ガスとの間で熱交換した後に、側胴１１２などの本体胴容器１１０の内壁に到達し、壁面上を流下する。内壁に到達時の冷却液の液温が雰囲気の器内ガスの温度よりも低い場合は、内壁の面上でも冷却液と器内ガスとの熱交換が行われる。
【００５２】
しかしながら、内壁の到達箇所からその直下のホットウェル１１６までの距離は、冷却液と器内ガスとの熱交換による冷却液の温度回復の上では十分な距離とはいえない。一方、本実施形態においては、側胴１１２に到達した冷却液の多くは、側胴１１２の壁面を伝って下方に移動する途中で、還流ユニット１３０ａに保持される。還流ユニット１３０ａに保持された冷却液は、還流ユニット１３０ａ内をマイナスＸ方向に流れる過程で、さらに周囲の器内ガスとの間で熱交換を行う。このように、流下距離を増大させることにより、効果的な冷却液の温度回復がなされる。
【００５３】
前述のように、器内ガスの温度は、マイナスＸ方向には、増加する。したがって、冷却液をマイナスＸ方向に還流することにより、冷却液の周囲の器内ガスの温度は、上昇することになる。このことは、冷却液が器内ガスと熱交換することにより温度上昇する温度の上限値を引き上げることになる。この結果、向流型熱交換器のような効果が付加され、冷却液還流構造１３０が設けられていない場合に比べて、熱交換の性能が向上する。
【００５４】
以上のように、冷却液の器内ガスとの熱交換が可能な時間を延長することによる熱交換性能の向上と、器内ガスの上流側への還流により向流型熱交換器のような熱交換性能の向上という２つの面で、熱交換性能の向上が図られる。熱交換性能の向上が図られることにより、器内ガス中の蒸気の凝縮量が増加する。この結果、凝縮器１００内の飽和圧力の低下を図ることができる。
【００５５】
ここで、図９および図１０を用いて、凝縮器１００内の圧力の低下がもたらす効果について説明する。
【００５６】
図９は、第１の実施形態に係る凝縮器の効果を説明するための熱膨張線図である。横軸は、蒸気のエントロピｓ、縦軸は、蒸気のエンタルピｈ（ｋＪ／ｋｇ）である。図９は、蒸気タービン１０の蒸気入り口から蒸気出口までのマクロな状態の変化を示している。したがって、段落ごとの状態変化は省略されている。
【００５７】
蒸気タービン１０の入口において点Ｐ１で示す状態であり、圧力がｐｉｎ１、温度がＴｉｎであるとする。この際の蒸気のエンタルピをｈｉｎとする。蒸気タービン１０の各段落で仕事をした後に、最終段の羽根から排出される蒸気の圧力をｐｏｕｔ１とする。エントロピの増加なく状態が変化すれば蒸気タービン１０の出口は点Ｐ３０で示される状態となり、この場合の蒸気のエンタルピはｈｅ１０である。蒸気タービン１０の入口の蒸気のエンタルピｈｉｎと蒸気タービン１０のこのエンタルピｈｅ１０との差である断熱熱落差Δｈ１０に蒸気タービン１０の内部効率ηを乗じた熱落差Δｈ１は蒸気タービン１０において機械エネルギに変換される熱エネルギに対応する。凝縮器１００の圧力が低いほど、熱落差Δｈ１は大きくなり、蒸気タービン１０の出力が増大する。
【００５８】
図１０は、凝縮器の効果を説明するための蒸気の物性データ図である。横軸は、蒸気の圧力（ＭＰａ）である。縦軸は、左側の第１軸は、蒸気のエンタルピ（ｋＪ／ｋｇ）、右側の第２軸は、蒸気の温度（℃）である。実線は飽和蒸気のエンタルピｈｓ、破線は、飽和温度より１０度高い過熱蒸気の場合のエンタルピｈｋ、二点鎖線は飽和温度Ｔｓである。
【００５９】
図１０で示すように、飽和蒸気、圧力の変化に対するエンタルピの変化は、圧力が低い領域において特に大きい。この傾向は、過熱蒸気についても同様である。
【００６０】
蒸気タービン１０の排気圧力の程度の圧力レベルの、たとえば、圧力が０．００５ＭＰａの場合には、蒸気タービン１０の入口圧力のような高い圧力側のたとえば圧力が１ＭＰａの場合に比べて、圧力の変化に対するエンタルピの変化、すなわち、図１０での曲線の傾きは、２桁程度大きい。
【００６１】
このように、排気圧力を低減させることにより、排気蒸気のエンタルピを大きく低下させられることが分かる。この結果、蒸気タービン１０の出力に変換される熱落差Δｈを大きくする効果が得られる。
【００６２】
図１１は、側方排気方式のタービンの場合における第１の実施形態に係る凝縮器の構成を示す立断面図である。側方排気方式のタービン１２においては、タービン排気は、タービン本体１２ａからほぼ水平方向に排出される。凝縮器１００は、軸方向排気タービン１１の場合と同様に、ほぼ水平方向に排出されたタービン排気を、流入部１１１を介して受け入れる。凝縮器１００は、端板１１４が流入部１１１に対向する位置に配されるなど、軸方向排気タービン１１の場合と同様の配置、構成を有し、熱交換効率に関する効果も、軸方向排気タービン１１の場合と同様である。
【００６３】
なお、流入部１１１と排出部１１５の鉛直方向の高さ位置が異なっていても、水平方向の位置が異なっていればよい。すなわち、この場合であっても、器内ガスは水平方向に移動することから、重力の効果を用いて、冷却液を水平方向に流入部１１１側に還流することができる。噴射部は水平方向にも分布して配されており、凝縮器１００内は、水平方向に温度分布が形成される。このため、冷却液の還流は、これまで述べてきた凝縮器１００内の熱交換性能の向上ももたらす。また、同様の理由で、タービン排気の方向についても、水平方向の速度成分があれば、水平方向には限定されない。
【００６４】
以上のように、本実施形態によれば、凝縮器１００において流入部１１１から排出部１１５に向かって温度勾配が生じる場合にも、効果的な熱交換が可能となり、蒸気タービン１０の出力の増大を図ることができる。
【００６５】
［第２の実施形態］
図１２は、第２の実施形態に係る凝縮器の側板に沿って見た冷却液還流構造の展開図である。図１３は、図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢視断面図であり、図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線矢視断面図である。
【００６６】
本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態においては、還流ユニット１３０ｂが鉛直上方に向かって凸に形成されている。すなわち、流れ方向に対する傾斜角度が、流れ方向に沿って単調に減少するように形成されている。
【００６７】
詳細には、位置Ｇ１における還流ユニット１３０ｂの傾斜角θ１の方が、位置Ｇ１より下流側すなわちＸの大きな位置Ｇ２における傾斜角θ２より大きい。すなわち、上流になるほど傾斜角が大きくなるように形成されている。その他の点では、第１の実施形態と同様である。
【００６８】
器内ガスは、流れるに従って冷却液との熱交換で順次凝縮する。このため、流れ方向に、器内ガスの重量流量は減少していく。流れ方向に圧力損失が生ずるものの器内圧力はほぼ同程度であるので、体積流量も流れ方向に沿って減少する。端板１１４付近を除いて、流れ方向に凝縮器１００内の断面積は、ほぼ一定である。あるいは、流れ方向に沿って断面積の変化は小さい。
【００６９】
このため、器内ガスの流れ方向の上流側では、器内ガスの流速が、下流側に比べて大きい。還流ユニット１３０ｂの上を冷却液が流動する際、器内ガスの流速が過大な場合は、冷却液の吹き上がりが生じ、還流ユニット１３０ｂの中間位置にて液の流動が阻害される場合がある。本第２の実施形態においては、流入部１１１に近づくにつれて、水平線に対する傾斜角度が次第に大きくなるように形成されている。傾斜角度が大きいほど、冷却液の流れ方向の重力の成分が大きくなる。この結果、ガス流速が高い領域において冷却液の移動方向への重力の加速度が大きくなり、吹き上がりを防止することができる。
【００７０】
［第３の実施形態］
図１５は、第３の実施形態に係る凝縮器の側板に沿って見た冷却液還流構造の展開図である。図１６は、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線矢視断面図であり、図１７は、図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線矢視断面図である。
【００７１】
本第３の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態におけるそれぞれの還流ユニット１３０ｃは、底板１３２ｂと側板１３２ａを有する。
【００７２】
底板１３２ｂは、器内ガスの流れ方向に延びてかつ器内ガスの流れの上流側になるほど幅が広く形成されている。また、底板１３２ｂは、一方の側部が側胴１１２に接続されている。流れ方向に垂直な断面においては、底板１３２ｂは、図１６に示すように、水平方向に配されている。
【００７３】
側板１３２ａは、底板１３２ｂに沿って延びた板状で、底板１３２ｂの他方の側部に接続されている。側板１３２ａは、その幅方向を鉛直方向になるように配されている。なお、側板１３２ａは、鉛直方向に限定されない。すなわち、水平方向に対して底板１３２ｂより鉛直方向の高さが高い方向に傾くよう取り付けられ、側胴１１２、側板１３２ａおよび側板１３２ｂとで、冷却液を保持可能に形成されていればよい。
【００７４】
以上のように構成された還流ユニット１３０ｃを有する本実施形態に係る冷却液還流構造１３０は、第１の実施形態における還流ユニット１３０ａを用いた場合に比べて、側胴１１２から本体胴容器１１０の内側に突出する寸法を低減することができる。この結果、凝縮器１００に冷却液還流構造１３０を設けることによる凝縮器１００内の圧力損失の増加を抑制することができる。
【００７５】
［第４の実施形態］
図１８は、第４の実施形態に係る凝縮器の側板に沿って見た冷却液還流構造の展開図である。図１９は、図１８のＩＸＸ−ＩＸＸ線矢視断面図である。また、図２０は、図１９のＸＸ−ＸＸ線矢視断面図である。
【００７６】
本第４の実施形態は、第３の実施形態の変形である。本実施形態においては、器内ガスの流れの上流側になるほど幅が広く形成されているのは側板１３３ａの方であり、底板１３３ｂは、幅が一定に形成されている。その他の点では、第３の実施形態と同様である。
【００７７】
以上のように構成された本実施形態においては、側胴１１２から本体胴容器１１０の内側に突出する寸法を、第３の実施形態よりさらに低減することができる。この結果、水平方向の寸法の余裕が生じ、配置上の制約が緩和される。
【００７８】
［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００７９】
１０…蒸気タービン、１１…軸方向排気タービン、１２…側方排気式タービン、１２ａ…タービン本体、２０…発電機、１００…凝縮器、１１０…本体胴容器、１１０ａ…閉空間、１１１…流入部、１１２…側胴、１１３…上板、１１４…端板、１１５…排出部、１１６…ホットウェル、１２０…冷却液散布構造、１２１…母管、１２２…分岐管、１２３…噴射部ヘッダ、１２４…噴射部、１３０…冷却液還流構造、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ…還流ユニット、１３１ａ、１３１ｂ…側部、１３２ａ…側板、１３２ｂ…底板、１３３ａ…側板、１３３ｂ…底板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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