(57)【要約】【課題】  伝熱管内の蒸気の凝縮温度を下げることができ空冷を促進できる空冷復水器を提供することである。【解決手段】  蒸気タービン出口の排気蒸気が供給される蒸気マニフォールド１１と、蒸気マニフォールド１１から分岐して排気蒸気を配流させ凝縮させる複数の伝熱管１２と、複数の伝熱管１２を集管しボイラへ凝縮水を給水する復水管１５と、伝熱管１２に冷却空気を強制的に供給する送風機構１３と、伝熱管１２の外表面に水分を供給する給水装置（ノズル１７、ポンプ１８）とを備えている。【選択図】  図１
2007024411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンの排気蒸気が供給される蒸気マニフォールドと、前記蒸気マニフォールドから分岐して排気蒸気を配流させ凝縮させる複数の伝熱管と、複数の伝熱管を集管しボイラへ凝縮水を給水する復水管と、前記伝熱管に冷却空気を強制的に供給する送風機構と、前記伝熱管の外表面に水分を供給する給水装置とを備えたことを特徴とする空冷復水器。
【請求項２】
前記伝熱管の外表面にセラミックスから成る被膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の空冷復水器。
【請求項３】
前記給水装置は、前記伝熱管の下に位置し前記伝熱管に向かって水を噴射するノズルと、給水源からノズルへ水を供給するポンプとを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空冷復水器。
【請求項４】
前記給水装置は、前記伝熱管の上に位置し前記伝熱管の外表面に水を流下する給水管と、給水源から前記給水管へ水を供給するポンプとを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空冷復水器。
【請求項５】
前記給水装置は、前記伝熱管の下に位置し伝熱管の外表面の一部を浸漬させる給水路と、給水源から前記給水路へ水を供給するポンプとを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空冷復水器。
【請求項６】
前記送風機構は、前記伝熱管の上に位置し下向きに送風することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項４または請求項５に記載の空冷復水器。
【請求項７】
前記送風機構は、略水平向きに送風するファンと、送風の向きを上向きに換えて前記伝熱管の下から送風させるダクトとを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の空冷復水器。
【請求項８】
前記伝熱管の上に洗浄液噴射ノズルを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の空冷復水器。
【請求項９】
前記伝熱管の下に集水槽を備えたことを特徴とする請求項１乃至８記載の空冷復水器。
【請求項１０】
前記集水槽の水位を計測する水位計と、前記水位計で測定された前記集水槽の水位に基いて前記給水装置に送る水量を制御する演算制御装置とを備えたことを特徴とする請求項９記載の空冷復水器。
【請求項１１】
前記集水槽から前記給水装置へ水を循環する配管系統を備えたことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の空冷復水器。
【請求項１２】
前記集水槽から給水装置へ水を循環する配管系統に循環水冷却装置を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の空冷復水器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンの排気蒸気を空冷で凝縮するための空冷復水器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、蒸気タービンプラントにおける復水器の冷却媒体としては、水（海水、河川水、冷却塔水等）を用いたものが主流となっているが、冷却水資源の乏しい地域においては、空冷の復水器が利用されている。空冷復水器は、河川や海洋の水温上昇を伴わず、生態系に及ぼす影響を評価する環境アセスメントが比較的容易であることから、発電所の新設計画から発電運転までが短期間に完了する利点があり、冷却水資源の多少にかかわらず採用される場合も多い。
【０００３】
図７は、空冷復水器の構造の一例を示す斜視図である。蒸気タービンの排気蒸気は、蒸気マニフォールド１１を介して多数のフィン付き伝熱管１２から成る伝熱管群へ導かれる。この伝熱管群を送風機構１３のファン１４により送風される管外空気により冷却して管内蒸気を凝縮する。伝熱管１２において凝縮した水は復水管１５を介して図示省略の給水ポンプによりボイラへ供給される。
【０００４】
図８はフィン付き伝熱管１２の構造の一例を示す斜視図である。図８（ａ）は伝熱管１２の断面が長円形の場合を示し、図８（ｂ）は伝熱管１２の断面が円形である場合を示している。これら伝熱管１２の外表面には、伝熱促進を目的として、薄板からなるフィン１６が設けられている。
【０００５】
一方、空冷復水器の冷却効率の向上を図るものとして、空気を加湿し水の飽和温度まで空気を冷却して、復水器の伝熱管群へ送風するようにしたものがある（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−１４２０６７号公報
【特許文献２】特開平９−１５９３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１や特許文献２のものでは、外気温度が変動した場合にも復水性能を維持するために、空気を加湿し水の飽和温度まで空気を冷却するようにしたものであり、空気冷却復水器全体の冷却効率を向上させるようにしたものではない。
【０００７】
すなわち、空冷復水器の場合、給水量に比較して空気の送風に要する動力が大きいので、空気の送風量が制限されて、空気の温度上昇が大きくなりがちであり、さらに、伝熱面積が大きくなりがちである。このため、空冷復水器は大型化が余儀なくされ、これが空冷復水器の普及を妨げている最も大きな原因となっている。
【０００８】
この欠点を改善するためにファンのパワーを上げたり、伝熱管のフィンの構造を改良したり、さらにファンから供給される冷却空気の流れを工夫したりする検討がなされているが、いずれも発電所全体のシステム効率を飛躍的に向上させるには至っていない。
【０００９】
本発明の目的は、伝熱管内の蒸気の凝縮温度を下げることができ空冷を促進できる空冷復水器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の空冷復水器は、蒸気タービンの排気蒸気が供給される蒸気マニフォールドと、前記蒸気マニフォールドから分岐して排気蒸気を配流させ凝縮させる複数の伝熱管と、複数の伝熱管を集管しボイラへ凝縮水を給水する復水管と、前記伝熱管に冷却空気を強制的に供給する送風機構と、前記伝熱管の外表面に水分を供給する給水装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、冷却媒体として空気に加え水分を伝熱管の管外に供給するので、水分の気化熱を利用して空冷を促進できる。すなわち、空気の顕熱と気化熱とにより、伝熱管内の蒸気を冷却するので、伝熱量を飛躍的に増大させることができる。これにより、管内蒸気の凝縮温度をさげ、蒸気圧を下げることができ、蒸気タービンシステムのシステム効率を増大させることができる。従って、同じ管内蒸気圧を得るには、伝熱管の伝熱面積を小さくすることができ、空冷復水器の小型化や低コスト化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる空冷復水器の構成図である。図１に示すように、空冷復水器は、蒸気タービン出口からの排気蒸気が供給される蒸気マニフォールド１１と、蒸気マニフォールドから分岐して排気蒸気を配流させ凝縮させる複数の伝熱管１２と、複数の伝熱管を集管し図示しないボイラへ凝縮水を給水する復水管１５とからなる熱交換器と、ファン１４を有した送風機構１３を基本要素として構成されている。すなわち、蒸気タービン出口の排気蒸気が蒸気マニフォールド１１に送られ、蒸気マニフォールド１１から複数の伝熱管１２に分岐して配流させる。複数の伝熱管１２において、蒸気は冷却空気に熱を奪われて凝縮し、復水管１５を通ってボイラへ給水される。伝熱管１２は後述するようにフィンが取り付けられたフィン付き伝熱管であり、フィン付き伝熱管は蒸気マニフォールド１１と復水管１５とを連絡している。冷却空気は密に並んだ伝熱管１２の間およびフィンの間を通過して、複数の伝熱管１２の下から上へ抜ける。
【００１３】
また、本発明の空冷復水器では、伝熱管１２の外表面に水分を供給する給水装置を有している。給水装置４０は、伝熱管１２に向かって水を噴射するノズル１７と、給水源からノズル１７へ水を供給するポンプ１８とを備えている。ノズル１７への給水は、伝熱管１２の下に設けられた集水槽１９および外部給水源からフィルタ２０を介してポンプ１８により供給される。また、ポンプ１８に供給される水の量は必要量に応じて制御される。
【００１４】
このノズル１７は伝熱管１２の下に位置し、伝熱管１２に向かって上方向に水を噴き上げる。このとき、噴射された水は、伝熱管１２の下から送風される冷却空気に運ばれ伝熱管１２に付着する。この水は伝熱管１２内部の排気蒸気により温められ渇き空気中に気化する。このときの気化熱は空気の温度上昇とともに、有効に排気蒸気から熱を奪うことができる。
【００１５】
これにより、水を噴射しない場合に比べて、凝縮水（復水）の温度を下げることができ、その温度の飽和圧力で定まる排気蒸気の凝縮圧力を下げることができる。すなわち、排気蒸気の真空度が上がり、蒸気タービンの駆動圧力差を大きくすることができ、発電出力の向上あるいは燃料の削減ができる。
【００１６】
ここで、冷却空気送風用のファン１４は、伝熱管１２の下にあってもよいが、伝熱管１２に噴射した水がファン１４の上に落下して、ファン１４の駆動装置を濡らすのを避けるために、第１の実施の形態では、ファン１４を水のかからない位置に置いている。すなわち、ファン１４は略水平向きに送風する向きに置かれ、冷却空気は横方向から伝熱管１２の下に送風され、向きを換えてダクト２１内を上方向に供給される。ファン１４を横向きに置くことにより、空冷復水器の敷地スペースを広げることなく空間を有効に使うことができる。
【００１７】
また、伝熱管１２の洗浄用洗浄液を噴射する洗浄液噴射ノズル２２が設けられている。これは、ノズル１７から伝熱管１２に噴射された水が気化するときに、水に含まれる不純物が伝熱管１２の表面に残るので、この不純物を洗い流すためである。洗浄液は伝熱管１２の外表面を清浄にして、汚れによる伝熱管１２の伝熱抵抗が上がることを防ぐことができる。洗浄液は、伝熱管１２に噴射される水の性状によって使い分けることができる。塩分やミネラル分を含まない場合には水でよいが、塩分やミネラル分を含む場合には、酸やアルカリの水溶液が有効である。
【００１８】
さらに、伝熱管１２の下には集水槽１９が設けられており、伝熱管１２に噴射された水が伝熱管１２に到達しなかった場合や伝熱管１２から流下した場合には、この集水槽１９で流下した水を回収する。この集水槽１９により、給水は無駄なく使用することができる。また、この集水槽１９を十分に広くとっておくことにより、送風された冷却空気に集水槽１９の水が気化して、冷却空気を冷却する効果を得ることができる。
【００１９】
図２は、本発明の第１の実施の形態における伝熱管１２の一部切欠断面図である。伝熱管１２の外側は冷却空気が流れており、伝熱管１２の内側で排気蒸気は凝縮水になる。伝熱管１２の外表面にはフィン１６が設けられており、さらに、そのフィン１６および伝熱管１２の外表面をセラミックス層２３が覆っている。このセラミックス層２３は、例えば酸化けい素から成るものであり、セラミックス層２３の厚さは概ね１０μｍである。酸化けい素からなるこのセラミックス層２３の表面は、金属表面に比較して水に対する濡れ性がよい。なお、セラミックス層２３は、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属ケイ化物等の金属化合物を指し、結晶質、及び非晶質を問わない。
【００２０】
一般に、空冷復水器の伝熱管１２は、耐食性と伝熱特性との観点からアルミニウム製のものが使われており、その表面は水に対する濡れ性に乏しいが、セラミックス層２３がその濡れ性を促進する。このセラミックス層２３の表面において水の接触角（セラミックス表面に水滴をおいたとき、水滴表面がセラミックス表面となす角度）は概ね２０°であり、水が玉に成って伝熱管１２の外表面を流下することがなくなる。これにより、伝熱管１２に噴射された水は気化するまで伝熱管１２の外表面に止まり伝熱性能が向上する。
【００２１】
以上の説明では、セラミックス層２３として酸化けい素を用いた場合について説明したが、一般にセラミックス層２３の外表面は金属表面に比べて、水に対する濡れ性が高く、酸化けい素以外のセラミックスでも代用することができる。
【００２２】
また、アルミニウム製の伝熱管１２に比べて酸化けい素からなるセラミックス層２３の表面は汚れ難く、洗浄液により伝熱管の表面の汚れを離脱させる場合にも容易である。これは、酸化けい素から成るセラミックス層２３の表面が水に濡れやすいため、汚れが付着し難いことによる。
【００２３】
さらに、伝熱管１２に給水する水は、伝熱管１２において気化する量よりも大きいと伝熱管１２に汚れが残らず、汚れは伝熱管１２から流下して集水槽１９にそのほとんどを回収することができる。伝熱管１２がセラミックス層２３を有する場合には、セラミックス層２３の表面が親水性であるので、特に、汚れの付着が少ない。これにより、伝熱管１２の表面をより清浄に保つことができ、伝熱性能が低下するのを防ぐことができる。これらの作用により、水を供給して向上した伝熱管１２内の真空度を、さらに、向上させることができる。
【００２４】
このように、発明者らは、空冷復水器における排気蒸気の冷却効率の向上に関し鋭意研究を重ねた結果、伝熱管１２の外表面に水分を供給し、さらに、伝熱管１２の外表面に酸化物系のセラミックス層２３の皮膜を形成して伝熱管１２の水による濡れ性を向上させておくことにより、伝熱管１２の冷却効率を著しく向上させ得ることを見出した。
【００２５】
第１の実施の形態によれば、冷却媒体として空気に加え水分を供給すると同時に、フィン付き伝熱管１２の外表面に親水性を有するセラミックス層２３の皮膜を形成させたため、給水が一様に伝熱管１２の外表面を一様に濡らし伝熱管上で気化する。その結果、空気の顕熱と同時に気化熱により、伝熱管１２内の蒸気を冷却するので、伝熱量を飛躍的に増大させることができる。これにより、管内蒸気の凝縮温度をさげ、蒸気圧を下げることができ、蒸気タービンシステムのシステム効率を増大させることができる。また、同じ管内蒸気圧を得るには、伝熱管１２の伝熱面積を小さくすることができ、空冷復水器の小型化や低コスト化を達成することができる。
【００２６】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係わる空冷復水器の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、伝熱管１２の下から伝熱管１２に向かって水を噴射するノズル１７に代えて、伝熱管１２の上に位置し伝熱管１２の外表面に水を流下する給水管２４を設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２７】
図３において、伝熱管１２の上には給水管２４が設けられ、給水管２４より伝熱管１２に水を流下させる。吸水管２４の管孔から流下した水により伝熱管１２は濡らされ、伝熱管１２の表面で水が気化することにより、伝熱管１２内の排気蒸気を効率よく凝縮させることができる。
【００２８】
ここで、第１の実施の形態で示した水の噴射では、微細な水滴が冷却空気に随伴して無駄に失われる可能性があるが、第２の実施の形態のように、多孔管からより大きな水滴を流下させることにより、冷却空気に随伴する無駄な水量を減らすことができる。このとき、セラミック層２３が施された伝熱管１２に流下した水滴が直ちに伝熱管１２の表面に広がることから、水を伝熱管１２の表面に効果的に行き渡らせることができる。
【００２９】
給水源より給水管２４へ水を送るポンプ１８の動力は、第１の実施の形態による水を噴射する場合よりも小さくて済む。これは、水を噴射する場合には、ノズル１７に設けられた小さな孔より水を押し出すことになるが、給水管２４から水を流下させる場合には、その方が給水の圧力損失が小さいからである。また、集水槽１９に戻り汚れが蓄積した水は、給水源からの水と合流して、再び給水管２４へ送られる。このとき、給水はフィルタ２０を介して汚れを除去される。第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、給水源より給水管２４へ水を送るポンプ１８の動力を小さくできる。
【００３０】
（第３の実施の形態）
図４は本発明の第３の実施の形態に係わる空冷復水器の熱交換器部分の構成図、図５は伝熱管１２部分の詳細斜視図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、伝熱管１２の下から伝熱管１２に向かって水を噴射するノズル１７に代えて、伝熱管１２の下に位置し伝熱管１２の外表面の一部を浸漬させる給水路２５を設け、ポンプにより給水源から給水路２５へ水を供給するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３１】
図４において、蒸気マニフォールド１１は縦置きとし、その縦置きとした蒸気マニフォールド１１から分岐して複数の伝熱管１２を縦置きに配置する。各々の伝熱管１２の下部には給水路２５が設けられている。
【００３２】
図５に示すように、伝熱管１２の底部には浸漬部２６が設けられ、伝熱管１２の下に設けた給水路２５に供給された水の中に浸漬される。伝熱管１２の表面には、セラミックス層２３が設けられており、このセラミックス層２３の水に対する濡れ性（親水性）により、水はセラミックス層２３に吸い上げられて伝熱管１２の表面に行き渡る。この場合、冷却空気は上から送風するのが効果的であるが、下からの送風によっても水は冷却空気中に気化して同様な効果が得られる。図５では、冷却空気を上から送風する場合を示している。図５では図示を省略しているが、送風のファンは伝熱管１２の上部に回転軸が略鉛直になるように備えられる。第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００３３】
（第４の実施の形態）
図６は、本発明の第４の実施の形態に係わる空冷復水器の構成図である。この第４の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、集水槽１９の水位を計測する水位計２７と、水位計２７で測定された集水槽１９の水位に基いて給水装置（ノズル１７、ポンプ１８）に送る水量を制御する演算制御装置２８と、集水槽１９から給水装置へ水を循環する配管系統に循環水冷却装置２９を設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３４】
まず、演算制御装置２８には、集水槽１９の水位を計測する水位計２７、集水槽１９から給水装置に供給される再循環給水流量を計測する流量計３０、ノズル１７に供給する給水流量を計測する流量計３１、循環水冷却装置２９を経由した集水槽１９からの循環水の温度を計測する温度計３２で、それぞれ測定された計測データが入力される。そして、演算制御装置２８はノズル１７への給水流量が所定値になるように制御弁３３を制御すると共に、集水槽１９からの循環水の温度が所定値になるように制御弁３４を制御して循環水冷却装置２９への冷却水量を調節する。なお、循環水冷却装置２９への冷却水はポンプ３５により供給される。
【００３５】
伝熱管１２への給水には、給水中に不純物が含まれており、その不純物が伝熱管１２の表面に汚れとして付着する。そこで、これを防ぐには、給水量を伝熱管１２の表面での気化量よりも大きくして、余分な水を集水槽１９に回収するのがよい。そのため、余分な水の量を管理して給水量を制御できるように構成している。演算制御装置２８は、水位計２７の水位データと流量計３０の流量データとから伝熱管１２から流下する余分な水量をリアルタイムに演算し、伝熱管１２への給水量を制御弁２４により制御する。このとき、演算制御装置２８は、同時に給水量の流量データを流量計３１から受信して演算に考慮する。
【００３６】
一方、演算制御装置２８は、温度計３２で計測した循環水冷却装置２９の出口水温が所定値になるように、制御弁３４を制御し循環水冷却装置２９への冷却水量を調節する。伝熱管１２から流下する水は、伝熱管１２内の蒸気によって温められるので、この水を再循環して供給するために循環水冷却装置２９で冷却する。温度計３２で測定された循環水の温度が所定値になるように、冷却媒体の流量を制御弁３４でリアルタイムに制御する。
【００３７】
この循環水冷却装置２９は、空冷復水器の伝熱管１２の冷却と同様に構成することができる。すなわち、集水槽１９で回収した水を伝熱管１２と同様に配置した給水伝熱管群に供給し、冷却空気と伝熱管外表面への給水により冷却して、給水源からの給水に合流させて再利用する。その場合、循環水冷却装置２９の伝熱管１２を、空冷復水器の伝熱管１２と共通に送風する空気により冷却するようにすることも可能である。
【００３８】
第４の実施の形態によれば、ノズル１７への給水流量を調節できるので、給水は無駄なく効率的に利用することができ、伝熱管１２の汚れも少なくすることができる。また、集水槽１９からの循環水を温度制御できるので、効率的に伝熱管１２を冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる空冷復水器の構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における伝熱管の一部切欠断面図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係わる空冷復水器の構成図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係わる空冷復水器の熱交換器部分の構成図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係わる空冷復水器の伝熱管部分の詳細斜視図。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係わる空冷復水器の構成図。
【図７】従来の空冷復水器の構造の一例を示す斜視図。
【図８】従来の空冷復水器におけるフィン付き伝熱管の構造の一例を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４０】
１１…蒸気マニフォールド、１２…伝熱管、１３…送風機構、１４…ファン、１５…復水管、１６…フィン、１７…ノズル、１８…ポンプ、１９…集水槽、２０…フィルタ、２１…ダクト、２２…洗浄液噴出ノズル、２３…セラミックス層、２４…給水管、２５…給水路、２６…浸積部、２７…水位計、２８…演算制御装置、２９…循環水冷却装置、３０、３１…流量計、３２…温度計、３３、３４…制御弁、３５…ポンプ、４０…給水装置
【図１】
2007024411.tif 000003
【図２】
2007024411.tif 000004
【図３】
2007024411.tif 000005
【図４】
2007024411.tif 000006
【図５】
2007024411.tif 000007
【図６】
2007024411.tif 000008
【図７】
2007024411.tif 000009
【図８】
2007024411.tif 000010