(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器であって、
１次流体入口ノズル、１次流体出口ノズル、２次流体入口ノズル、ドレン出口ノズル及び伝熱組立体を有する圧力容器シェルから成り、
伝熱組立体が、
１次流体入口ノズルから圧力容器内へ延び、着脱自在な取付け具で圧力容器に連結されている１次流体入口ヘッダー・パイプと；
１次流体出口ノズルから圧力容器内へ延び、着脱自在な取付け具で圧力容器に連結されている１次流体出口ヘッダー・パイプと；
１対のプレートそれぞれが周縁に沿ってシールされて両プレート間に流路を画定し、着脱自在な取付け具で１次流体入口ヘッダー・パイプに連結された伝熱プレート入口ノズルと、着脱自在な取付け具で１次流体出口ヘッダー・パイプに連結された伝熱プレート出口ノズルとを有する複数の伝熱プレート対と
から成り、
１次流体入口ヘッダー・パイプ及び１次流体出口ヘッダー・パイプのそれぞれに伝熱プレート対に取付けるための余分の連結部を設け、当初はこれら余分の連結部を密栓し、熱交換器を稼動させた後、熱交換器の伝熱能力を向上させたい場合に、余分の連結部の少なくとも幾つかを開栓し、対応数の補足の伝熱プレート対をこれに取付けるようにした熱交換器。
【請求項２】
複数の伝熱プレート対を圧力容器に取付けられた軌道上に移動自在に支持することにより、複数の伝熱プレート対を一括して軌道沿いに移動させることによって圧力容器から着脱自在な圧力容器ヘッドを通って一括して取外すことができる請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
圧力容器が着脱自在なヘッドを有し、１次流体入口ノズル及び１次流体出口ノズルが着脱自在なヘッドから延びている請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
対応する１対または複数対の伝熱プレートを１次流体入口ヘッダー・パイプに接続する伝熱プレート入口ノズルの少なくとも幾つかと、対応する１対または複数対の伝熱プレートを１次流体出口ヘッダー・パイプに接続する伝熱プレート出口ノズルの少なくとも幾つかが着脱自在なカップリングを介して接続している請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
着脱自在なカップリングがフランジ継ぎ手である請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
複数対の伝熱プレートを連続流路が形成されるように接続した請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
伝熱プレート対のそれぞれを、１次流体入口ヘッダー・パイプと１次流体出口ヘッダー・パイプの間に平行流路が形成されるように接続した請求項１に記載の熱交換器。
【請求項８】
圧力容器シェルが、１次流体入口ヘッダー・パイプから一次流体入口ノズルを取外すため、及び１次流体出口ヘッダー・パイプから１次流体出口ノズルを取外すために圧力容器シェル内部へのアクセスを可能にするマンウェイを有する請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
圧力容器シェルが半球状端部を有する円筒状である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１０】
請求項１に記載の熱交換器を洗浄または修理する方法であって、
圧力容器シェルの内部にアクセスし；
伝熱組立体から少なくとも１対の伝熱プレートを取外し；
取外した１対または複数対の伝熱プレートを洗浄、修理または交換し；
洗浄、修理または交換した１対または複数対の伝熱プレートを熱交換組立体に再接続するステップから成る洗浄または修理方法。
【請求項１１】
圧力容器シェル内部へアクセスするステップにおいて、着脱自在なヘッドを取外すか、圧力容器のマンウェイを開放し、少なくとも１対の伝熱プレートを取外すステップにおいて、１次流体入口ヘッダー・パイプ及び１次流体出口ヘッダー・パイプから少なくとも１対の伝熱プレートを取外す請求項１０に記載の熱交換器洗浄及び修理方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の熱交換器を修理、点検、洗浄または改善する方法であって、
圧力容器シェルの内部にアクセスし；
伝熱組立体が圧力容器内に存在する状態で、１次流体入口ヘッダー・パイプ及び１次流体出口ヘッダー・パイプを１次流体入口ノズル及び１次流体出口ノズルからそれぞれ取外すステップから成る方法。
【請求項１３】
欠陥のある伝熱プレート対を交換するステップを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
熱交換器を稼動させた後、熱交換器を改善するため伝熱プレート対の数を増やすステップを含む請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換器、特に積層プレート型熱交換器のモジュール化に係わる。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所における蒸気発生器への給水は蒸気発生器の２次側に導入する前に予熱するのが普通である。同様に、原子力でない発電所の場合でもボイラーへ導入する前に給水を予熱する。通常、給水熱交換器をこの目的に使用する。従来、熱交換器はプレート構造の熱交換器とチューブ・シェル構造の熱交換器とに大別される。構造と伝熱に関するこれら２つのタイプの大きいな相違点は、一方は伝熱面が主としてプレートであり、他方はチューブであるという点にある。
【０００３】
多くの給水ヒーター用のチューブ・シェル型熱交換器は両端部が半球状の水平に配置された円筒状シェルを採用している。水平シェルの内部はシェルの軸線と直交する管板によって区分されている。詳説すると、シェルの一端に、注水口を有する注水室及び排水口を有する排水室を含む水室部が画定される。複数の伝熱管がそれぞれの中央部でＵ字形に曲げられ、シェルの軸線に沿って配列されている。これらの伝熱管は両端を管板に固定され、それぞれの伝熱管の一端が注水室に開口し、他端が排水室に開口する。伝熱管は長手方向に適当なピッチで配置された複数の伝熱管支持板によって支持される。伝熱管が配列されているシェル部分に蒸気送入口、ドレン入出口が形成されている。
【０００４】
稼働中、注水室から給水ヒーターに流入する給水はＵ字形伝熱管内を流動することによって、蒸気送入口から給水ヒーターに流入する加熱蒸気から熱を吸収し、蒸気を復水させる。復水はシェルの底部に集められ、シェル底部のドレンを通って外部に放出される。シェル及び伝熱管が円筒形であるから、構造が圧力容器としては好適であり、従って、チューブ・シェル型熱交換器はこれまで超高圧用として使用されている。
【０００５】
チューブ・シェル型熱交換器の最大の欠点は伝熱面の表面積の割には重量が大きい点にある。そのため、チューブ・シェル型熱交換器は通常、大型である。また、伝熱効率、流量特性、コストを考慮してチューブ・シェル型熱交換器を設計し、製造するのは容易ではない。
【０００６】
典型的なプレート型熱交換器は畝または溝付きの矩形プレートから成り、これらのプレートを端板によって互いに圧接させ、端板を締めネジまたは締め棒を介して積層プレートの端部に締め付けることによって構成される。プレート間の間隙は外周に設けた帯状シールによって閉じてシールされるが、このようなシールは流路にも使用される。しなやかなプレートの支圧強度は低いので、互に隣接するプレートの溝が交差するようにして支圧強度を高める一方、溝の畝が支持し合うようにして構造の耐圧性を強化している。しかし、より重要な点は伝熱における溝の存在意義であり、溝の形状、流れに対する溝の角度が伝熱及び圧力損失に影響する。従来のプレート型熱交換器では、熱供給媒体がプレート間のすべての間隙を流動し、受熱媒体が残りの間隙を流動する。プレート間では、それぞれのプレートの隅部近傍に設けられた孔を介して流れが誘導される。プレート間のそれぞれの間隙は例外なく閉じたリムに囲まれた２個の孔のほかに、プレート間の間隙のための入口及び出口流路として機能する２個の孔を含む。小型軽量の構造が望ましい場合、プレート型熱交換器を比較的薄いプレートで構成するのが普通である。プレートは所要の形状に形成できるから、殆ど如何なる用途にも伝熱特性を適合させることができる。従来のプレート型熱交換器における最大の弱点は熱交換器の耐圧性及び耐熱性を制約するシールにある。即ち、腐食性の熱供給媒体または受熱媒体との併用を制約する場合があった。
【０００７】
シールをすべてなくし、これに代えて半田継ぎ手または溶接シームを採用することによってプレート型熱交換器を改良する試みがなされている。半田継ぎ手または溶接継ぎ手によって製造されたプレート型熱交換器はシールを採用するプレート型熱交換器と殆ど変わらない。外見上のもっとも顕著な違いは端部間に締めネジが存在しない点である。しかし、半田付けまたは溶接による構造では、不可能ではないまでも、洗浄のためにプレート型熱交換器を非破壊的に分解することは困難である。
【０００８】
チューブ・シェル型熱交換器とプレート型熱交換器とのそれぞれの長所を組み合わせて、部分的にはこれら基本タイプの双方に類似した構造の熱交換器を開発する試みがなされている。その１つが米国特許第５，０８８，５５２号に開示されており、円形または多角形のプレートを積層し、これを端板で支持するというものである。このプレート積層体を、両側に熱供給媒体及び受熱媒体それぞれの流れの入口及び出口流路を設けたシェルで囲む。従来のプレート型熱交換器とは異なり、プレート間隙への流れはすべてプレートの外側から流入する。この公報に開示されている熱交換器を溶接によって閉じれば、プレート型熱交換器の伝熱性能と共に、チューブ・シェル型熱交換器を使用する場合と同じ圧力を得ることができる。
【０００９】
国際公開ＷＯ９１/０９２６２号は上記公報の発明の改良に係り、プレート型熱交換器及びチューブ・シェル型熱交換器双方の特徴をより鮮明に発揮できるとしている。円形プレートは入口及び出口流路を形成する孔のリムを介して溶接することによって２枚一組の形態で積層されている。上記の態様で得られたプレート対をプレートの外周縁に沿って一括して溶接することによって、一方の伝熱媒体が流動するための閉回路が得られる。従来のプレート型熱交換器とは異なり、この構造には溶接が施され、プレートには２個の孔が形成されているだけである。他方の伝熱媒体はプレート積層を囲むシェルを介して画定されるプレート間の他のすべての間隙へ向けられる。流れがプレート積層とシェルとの間を流動するのを防止するため、シールが採用されるが、このシールは主として流れに対するデフレクターとして利用される。明らかに、このデフレクターに耐圧性は要求されていない。プレート積層の構造上、シールを採用するのは困難である。例えば、洗浄のため熱交換器を分解できるように、シールの代わりに弾性ゴム・ガスケットの使用が妥当と考えられる。
【００１０】
原子力発電所が現在使用しているシェル・チューブ型熱交換器に共通する設計上の問題点として、チューブが劣化した場合、漏れを最小限に抑えるには損傷したチューブを塞ぐという選択枝しかなく、結果としてサーマル・デューティーの損失につながる。給水システムにおけるサーマル・デューティーの損失は原子力発電所にとって高いコストにつき、結局はシェル・チューブ型給水ヒーターの交換が必要になる。シェル・チューブ型熱交換器設計のもう１つの限界として、シェル側の点検が多くの場合小さい手穴や点検ポートに限定されるから、腐食/浸食/損傷は検出し難い。顕著な腐食/浸食は内部バッフルに発生し、結果として、（１）フロー・バイバス及び熱的性能の劣化や、（２）流れが起こす振動によるチューブの損耗を招く可能性がある。顕著な腐食/浸食はシェル・チューブ型給水ヒーターのシェル内面でも観測されている。
【００１１】
このような現状に鑑み、既存のシェル・チューブ型給水ヒーターよりも長期に亘ってサーマル・デューティーが維持され、長期に亘って構造部品が健全性を維持できるような、斬新な給水ヒーターの設計が望まれる。伝熱面を非作用状態にしなくても、必要に応じて伝熱面を交換または修理することによって、長期に亘ってサーマル・デューティーを維持できることが望ましい。さらに、発電所の効率向上に対応するため、給水ヒーター全体を交換しなくても給水ヒーターの伝熱能力を高めることができることが望ましい。
【発明の概要】
【００１２】
上記目的は、原子力発電所において、ドレン・フロー及び抽気からの熱を給水に伝達するため、シェル内に溶接処理された伝熱プレート対を配置したモジュール式プレート・シェル型給水ヒーターによって達成される。給水入口及び出口ノズルに接続するヘッダー・パイプに、ガスケットを介して伝熱プレート対を接続する。ヘッダー・パイプはシェルに取付けた内部軌道に載置され、この軌道に沿って移動自在な構造によって支持され、この構成は伝熱プレートの取外しを容易にする。モジュール式プレート・シェル型給水ヒーターは点検、修理または交換を目的に伝熱プレートを取外すためのシェルと一体の取外し自在なヘッドを有する。
【００１３】
一実施態様では、入口及び出口ヘッダーが伝熱プレート対のための多数の補足取付け点を含み、当初はこれらの取付け点が密栓されている。後日、発電所の出力向上に対応するため、補足の伝熱プレートを追加することができる。伝熱プレート対とヘッダーとの連結を着脱自在にすることによって修理や交換を容易にすることが望ましい。
【００１４】
他の実施態様では、多数の伝熱プレート対を連続的に接続し、その両端を入口及び出口ヘッダーに接続する。給水入口ノズルを給水入口ヘッダー・パイプから切り離し、給水出口ヘッダー・パイプを給水出口ノズルから切り離すため、シェル内部へのアクセスを可能にするマンウェイをシェルに設けることが好ましい。
【００１５】
本発明は、下記ステップを含む給水ヒーターの洗浄または修理方法をも提供する：圧力容器シェルの内部にアクセスし；伝熱プレートの組立体から少なくとも１対の伝熱プレートを取外し；取外した伝熱プレート対を洗浄、修理または交換し；洗浄、修理または交換した伝熱プレート対を伝熱組立体に再接続する。圧力容器内にアクセスするステップにおいて取外し自在なヘッドを取外すか、または圧力容器のマンウェイを開放し、少なくとも１対の伝熱プレート対を取外すステップにおいて給水入口ヘッダー・パイプ及び給水出口ヘッダー・パイプからこの１対の伝熱プレートを取外すことが好ましい。
【００１６】
本発明は圧力容器が着脱自在なヘッドを有する構成において、給水ヒーターを修理、点検、洗浄または性能アップする方法をも含む。この方法は下記ステップを含む：伝熱組立体が圧力容器内に存在する状態において、圧力容器内部にアクセスし；給水入口ヘッダー・パイプ及び給水出口ヘッダー・パイプを給水入口ノズル及び給水出口ノズルからそれぞれ切り離す。この方法はさらに、欠陥のある伝熱プレート対を交換するステップと、熱交換器を稼動させた後、熱交換器の効率を高めるため伝熱プレート対の数を増やすステップをも含む。
【００１７】
本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は本発明の給水ヒーターの立面図である。
【図２】図２は図１に示した本発明の給水ヒーターの頂面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
原子力発電所が現在採用している給水ヒーターのデザインはシェル・チューブ型熱交換器を利用している。１９２３年以来今も使用されている熱交換器のもう１つの一般的なタイプがプレート・フレーム型熱交換器である。後者はコンパクトなデザイン、高い伝熱係数、プレート内での高い流体圧降下を特徴とし、一般的には、低圧流体に限定される。本発明はプレート・フレーム型熱交換器と従来のシェル・チューブ型熱交換器の特徴を組み合わせ且つ最適化して得られるプレート・シェル型給水ヒーターを提供する。
【００２０】
本発明の給水ヒーター１０を図１では立面図で、図２では頂面図でそれぞれ示す。２枚の伝熱プレート１２、１４を溶接して溶接プレート対１６を形成し、両プレート間に、従来のプレート型熱交換器におけると同様に給水流体の流路が形成されるようにした。伝熱プレート対１６は一端を入口ヘッダー・パイプに、他端を出口ヘッダー・パイプに、例えば、ガスケット１８及びボルト締めフランジ継ぎ手２０を介して着脱自在に接続されている。多数のこのような溶接プレート対が互に間隔を保って相前後するように配列され、それぞれが入口ヘッダーと出口ヘッダーとの間に連結されて、並流路を有する熱交換組立体を形成する。このような構成を図２の右側に図示した。尚、多数の伝熱プレート対１６を連続的に連結し、この一連の構成の両端を前記構成と同様、図２の左側に図示するように、入口ヘッダー・パイプ２２及び出口ヘッダー・パイプ２４にそれぞれ着脱自在に取付けるようにしてもよい。いずれの実施態様においても、伝熱プレート対１６の末端部は入口ヘッダー・パイプ２２及び出口ヘッダー・パイプ２４に連結される。入口ヘッダー・パイプ２２及び出口ヘッダー・パイプ２４は、伝熱プレート対１６を入口及び出口ヘッダー・パイプ２２、２４に着脱自在に固定する際と同様に、ガスケットを含むボルト締めを利用して給水入口ノズル及び給水出口ノズル２６、２８にそれぞれ連結される。但し、他の着脱自在の連結手段を利用することも可能である。ヘッダー・パイプ２２、２４は伝熱プレート組立体３６を囲む圧力容器を形成する円筒状シェル３４の下方部分に取付けられた内側軌道３２に載置された構造物３０によって支持される。軌道３２は修理、洗浄または能力向上のために伝熱プレート組立体を取外す作業を容易にする。シェルはその一方の側にこれと一体の半球状端部３８を、他端に取外し可能な半球状ヘッド４０を有し、円筒状シェル３４、半球状端部３８及び取外し可能なヘッド４０によって形成される圧力容器内に伝熱組立体３６を完全に取り囲み、密閉する。本発明を活用する上で、両端部は必ずしも半球状でなくてもよいが、高圧を扱う場合には両端部を半球状にすることが好ましい。伝熱プレート組立体３６を修理するためのシェル３４の内部へのアクセスをさらに容易にするため、半球状端部３８を取外し可能に構成し、ヘッド４０に代わって、またはヘッド４０と共にボルト締めフランジ継ぎ手でシェル３４に接続するように構成することも可能である。シェル３４には、抽気入口４２、排水管口４４、４６及び排水口４８、５０をも取付けてある。
【００２１】
稼動中、送入される給水は入口ノズル２６、入口ヘッダー・パイプ２２、伝熱溶接プレート対１６を通過し、ここでドレン・フローと抽気によって加熱され、出口ヘッダー・パイプ２４及び出口ノズル２８を通過する。抽気入口４２から給水ヒーターに流入すると、抽気は蒸気緩衝プレート５２によって配分され、シェル上部領域を通過しながらドレン・フロー入口ノズル４４、４６から流入するドレン・フローと混合する。次いで、抽気とドレン・フローは伝熱プレート間を通過し、給水によって冷却され、シェルの下部領域へ凝結し、ドレン・フロー出口ノズル４８、５０から排出される。
【００２２】
発電所の停止期間中に、下記ステップを利用して伝熱プレート及びシェル内面の検査を行なうことができる。先ず、フランジ５４のボルトを緩めてシェル端部３８を取外す。次いで、入口及び出口ノズル２６、２８からヘッダー・パイプ２２、２４を取外す。入口及び出口ヘッダー・パイプ２２、２４と入口及び出口ノズル２６，２８との接続部へのアクセスにはヘッド４０に設けられたマンウェイ５６を利用することができる。ヘッド４０をフランジ５８の位置で取外せる場合には、軌道３２上を摺動する伝熱組立体３６と一緒にヘッド４０を移動させることによって、入口及び出口ヘッダー２２，２４と給水入口及び出口ノズル２６、２８との接続部にアクセスすることも可能である。次いで、シェル３４の底部に設けた軌道３２に沿って伝熱プレート組立体３６をまとめて、個々の伝熱プレート１２、１４及びシェル３４の内部の損傷を検査できる位置まで移動させる。こうして個々の伝熱プレート対１６を洗浄し、必要なら修理または交換することができる。修理または交換が必要なら、問題のある伝熱プレート対１６を入口ヘッダー・パイプ２２及び出口
ヘッダー・パイプ２４から取外して新品と交換するか、または修理した伝熱プレート対１６をその場所にボルト固定すればよい。出口ヘッダー・パイプ及び入口パイプには１つまたは２つ以上の補足開口６０を設けてあり、当初はプラグで密栓してある。これらの補足開口は将来性能向上が必要となった場合に補足の伝熱プレート対１６を取付けるための開口となる。
【００２３】
プレートを取外し可能に設計することで、伝熱面の取替え及び伝熱プレートとガスケットの量産が可能になり、結果として重要な予備部品のコスト低減につながる。この設計を採用することによってプレートの枚数を、従って、伝熱面積を拡大することによって、出力の向上に対応すると共に、シェル関連の検査をさらに充実することができる。
【００２４】
以上、本発明の具体的な実施態様を詳述したが、当業者には明らかなように、開示内容全体に照らして、細部に種々の変更、代案を試みることができる。例えば、入口及び出口ヘッダー・プレートを設けた構成を開示したが、本発明の趣旨を逸脱することなく同様の機能を発揮する他の構造を採用することができる。また、給水ヒーター用としての好ましい実施態様を説明したが、本発明を他の多様なタイプの熱交換器に採用しても有益な成果を挙げることができる。従って、以上に開示した具体的な実施態様は飽くまでも説明のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は添付の特許性の範囲及びこれとの等価物によって定められるものである。
【図１】
0005579831.tif 000002
【図２】
0005579831.tif 000003