(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気ドラム本体と、
前記蒸気ドラム本体の中で軸方向に配列される複数の気液分離器と、
前記気液分離器に気液二相流を供給する供給器と、
前記気液分離器により分離された蒸気を排出する複数の第１排出管と、
前記気液分離器により分離された水を排出する複数の第２排出管と、
前記軸方向に隣り合って並ぶ２つの前記気液分離器の間に配置され、前記蒸気ドラム本体の内部を前記軸方向に仕切る板状の共振抑制器とを具え、
前記共振抑制器は、前記蒸気ドラム本体の内周面に全周にわたり接合する
蒸気ドラム。
【請求項２】
前記共振抑制器は３つ又は３つ以上が前記軸方向に配列され、
前記共振抑制器の間の２つの間隔は互いに異なる請求項１の蒸気ドラム。
【請求項３】
前記共振抑制器は複数が複数位置に配列され、
前記共振抑制器の１つは前記蒸気ドラム本体の中の流体を軸方向に通す穴が開けられている請求項１の蒸気ドラム。
【請求項４】
前記気液分離器は、同じ軸方向位置で２つが配置され、
２つの前記気液分離器は、前記蒸気ドラム本体の中心線を含む鉛直面に対して鏡面対称に配置されている請求項１〜３から選択される１請求項の蒸気ドラム。
【請求項５】
２つの前記気液分離器には前記二相流が前記鏡面対称に供給される請求項４の蒸気ドラム。
【請求項６】
前記気液分離器は遠心分離器である請求項１〜５から選択される１請求項の蒸気ドラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気ドラムに関し、特に、複数の気液分離器が軸方向に配列されている蒸気ドラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンに供給する飽和蒸気は、蒸気ドラムで生成される。蒸気ドラムには、ボイラで生成される気液二相流が導入される。蒸気ドラムの機能は、気液二相流を飽和蒸気と飽和水に分離することであり、蒸気ドラムの性能はその気液分離性能である。分離性能の低下は、飽和蒸気の蒸気純度を劣化させる。蒸気純度の劣化は、タービン効率を低下させる。
【０００３】
蒸気ドラムは、気液分離器と衝突分離式のスクラバとを内蔵している。大容量化のために、複数の気液分離器と複数のスクラバがそれぞれにドラム長手方向に配列されている。蒸気ドラムは、円筒殻とその円筒殻の両端面に接合する半球殻とから形成されている。蒸気ドラムの中で、気液の二相は明確な界面で分離されておらず、気液二相の概ねの境界領域で激しい泡立ちが発生している。高圧飽和状態の気液は、境界領域で激しく相互作用し、液面付近に生成される泡沫層の泡沫がダイナミックに運動している。このような激しい運動は、気液界面に大量のミストを生成し、気液分離器で分離されずに気液分離器から排出されるミストが蒸気に混入した状態の気液二相的蒸気がスクラバに送られる。気液二相的蒸気は、スクラバで完全に分離されず、ミスト同伴蒸気がタービンに導入される。
【０００４】
蒸気ドラムの気液二相境界領域では、泡沫を渦流的に巻き込んだ気液混合流体が激しく運動する運動層は、激しい波の層として存在する。その波の波長の整数倍が蒸気ドラムの長手方向距離に一致して、図１５に示されるように、共振波が生成すれば、泡沫を渦流的に巻き込み気液混合がますますに成長して、蒸気ドラムの気液分離性能がますますに劣化する。蒸気ドラムの気液分離性能の劣化を抑制することが求められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、気液分離性能の劣化を抑制することができる蒸気ドラムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００７】
本発明による蒸気ドラムは、蒸気ドラム本体（２）と、蒸気ドラム本体（２）の中で軸方向に配列される複数の気液分離器（１）と、気液分離器（１）に気液二相流を供給する供給器（４）と、気液分離器（１）により分離された蒸気を排出する第１排出管（５）と、気液分離器（１）により分離された水を排出する第２排出管（４）と、蒸気ドラム本体（２）の中で生成される波の共振を抑制するために波の軸方向の進路を遮断する共振抑制器（１２）とを構成している。
【０００８】
共振抑制器（１２）は、気気液分離器の動作に起因する二相流のダイナミックな運動により生起する流体の振動波が軸方向に伝播する際の共振を効果的に抑制し、気液分離作用を阻害することを効果的に防止することができる。
【０００９】
共振抑制器（１２）が板で形成されることは、簡素な部材の追加で公知の蒸気ドラムの設計を変更しないで、共振を簡素に抑制することができる。板に代えて波を積極的に吸収して減衰させる減衰器（ダンパ）を用いることは望ましい。
【００１０】
共振抑制器（１２）は３つ又は３つ以上が軸方向に効果的に配列される。共振抑制器（１２）の間の２つの間隔は互いに異なる。このような間隔の相違は、同じ波長の波の干渉を有効に抑制して共振の発生を効果的に回避させる。
【００１１】
共振抑制器が板（１２）で形成される場合、板（１２）は蒸気ドラム本体（２）の内部を完全に仕切ることは有効であるが必ずしも最善であるとは限らず、蒸気ドラム（１２）の内部を不完全に仕切ることは、内部の二相流を均等に分散化することができる点で有効である。板の下端縁が蒸気ドラム（２）の中の水面の下側に位置し、板の上端縁が二相流を特に撹拌する泡沫層（２２又は２３）の上側に位置することは特に効果的である。
【００１２】
板（１２）は複数が複数位置に配列され、板（１２）の１つは蒸気ドラム本体（２）の中の流体を軸方向に通す穴（２６又は２７）が開けられていることは、流通を促進する。
【００１３】
気液分離器（１）は、同じ軸方向位置で２つが配置され、２つの気液分離器（１）は、蒸気ドラム本体（２）の中心線を含む鉛直面に対して鏡面対称に配置されている。
【００１４】
気液分離器（１）は、遠心型とターボ型が知られていて、いずれのタイプに対しても、その共振抑止は効果的である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による蒸気ドラムの実施の形態は、複数の気液分離器（セパレータ）と複数のスクラバが単一の蒸気ドラムの中に配列されている。その気液分離器１は、図１に示されるように、蒸気ドラム２の中で低位側に長軸方向（長手方向）Ａ−Ａに配列されている。そのスクラバ３は、蒸気ドラム２の中で上位側に長軸方向Ａ−Ａに配列されている。
【００１６】
蒸気ドラム２の低位部位に、気液分離された飽和水を排出する排出管４が配列されている。複数の排出管４は、長軸方向Ａ−Ａに配列されている。蒸気ドラム２の高位部位に、気液分離された飽和蒸気を蒸気タービンに供給する導出管５が配列されている。複数の導出管５は、長軸方向Ａ−Ａに配列されている。
【００１７】
ボイラ（図示されず）から送られて来る気液混合流体は、図２に示されるように、導入管６から導入される。導入管６は、導出管５に対して円周方向に逆方向に並んで同一円周上に２つずつが配置されている。このように並ぶ４つの導入管６は、長軸方向Ａ−Ａにそれぞれに配列されている。
【００１８】
２つの気液分離器１は、図２に示されるように、蒸気ドラム２の中心線である軸心線Ｌを含む基準面（鉛直面）７に対して鏡面対称に配置されている。蒸気ドラム２の内部の上半部分の内周面に沿って、気液混合流を分配するシュラウドである分配流路８を形成する分配流路形成壁９が形成されている。その気液混合流は、導入管６のそれぞれの出口から分配流路８に導入され、それぞれの出口から円周方向に逆方向に流れ、左右列の複数の気液分離器１に流入する。スクラバ３は、気液分離器１の上方側で基準面７に対して鏡面対称に配列されている。１つの導出管５に対して１つの導出口１１が配置されている。
【００１９】
複数の共振波発生抑制仕切１２が、長軸方向Ａ−Ａに配列されて配置されている。共振波発生抑制仕切１２は、鉛直両面を持つ板として形成されている。平均的液面Ｓは、共振波発生抑制仕切１２の上縁と共振波発生抑制仕切１２の下縁との間に位置している。共振波発生抑制仕切１２は、左右側の２つの気液分離器１の間で基準面７に直交する方向に延び、軸心線Ｌの方向（長軸方向）に液層を分離する分離板であり、且つ、図１に示されるように、軸心線Ｌの方向に隣り合って並ぶ２つの気液分離器１の間に配置されている。
【００２０】
隣り合う共振波発生抑制仕切１２の間の間隔は一定でないことが好ましい。共振波発生抑制仕切１２の下縁は、蒸気ドラム２の中で最下端まで延長されることは可能であり、左右方向に（基準面７に直交する方向に、又は、短軸方向に）蒸気ドラム２の内周面まで延長されることは更に可能である。
【００２１】
図３は、軸心線Ｌに直交する面の上の気液流体の流れ運動を示している。導入管６から導入される左右側の気液二相流１３は、それぞれに分配流路８に通されて左右側の気液分離器１に鏡面対称に導入される。気液分離器１は、遠心型とターボ型が知られているが、サイクロンは好適に利用される。気液分離器１に導入された気液二相流１３は、気液分離器１の中で、遠心分離作用を受け、液体成分は遠心分離されて、気液分離器１の円筒壁面で吸着的に捕獲され遠心流を形成しながら重力的に円筒内壁面を流下して、蒸気ドラム２の下方部位に集められ、排出管４を介して再熱器（既述のボイラ）に戻される。遠心分離と後述される衝突分離により、排出管４から排出される排出液体は飽和水である。
【００２２】
気液分離器１で分離作用を受けているが完全に気液分離されていない未分離流体１４は、気液分離器１の頂部付近から鉛直上向成分を持って気液分離器１から抜け出し、分離された液体成分１５は、気液分離器１の下方部位から水中に放出される。未分離流体１４は、気液分離器１の内部の上方部位に位置するスクラバ３に通されて、衝突分離作用を受ける。
【００２３】
図４は、スクラバ３を示している。スクラバ３は、多数枚の波板１６から形成され、蒸気（気体成分）とミスト（液体成分）の混合流体（既述の未分離流体）１４は、流路方向に凹凸面が並ぶ２枚の波板１６の間を水平方向に通過する間に波板１６に衝突して圧力的に降下し、未分離流体１４のうちの液体成分は波板１６に吸着的に捕獲され、凹凸面上で気流に押されて下流側に押し流され、スクラバ３の出口端縁で水切りされて水面Ｓに向かって落下する。スクラバ３で気液分離された飽和蒸気は、上昇気流１８になって導出口１１から導出管５に吸入され、飽和蒸気流１９としてタービンに送給される。
【００２４】
図５は、気液分離器１の理想的な気液分離作用を示している。気液分離器１の中でそれぞれの回転軸心線Ｋ１，Ｋ２を中心線として旋回する気液混合流は、図５に示されるように、回転軸心線Ｋを中心線として旋回する。その旋回により、気液分離器１の中の理想的液面（気液分離面）は、放物面２１に形成される。図６は、そのような理想的気液混合流の流れ分布を示している。理想的気液混合流は鏡面対称又は線対称に形成され、水平面的気液境界面と放物面的気液境界面上に泡沫層２２，２３が対称に形成され、気液界面で発生するミスト２４と気液分離器１から放出されるミスト同伴（随伴）蒸気２５とは対称に分布し、このように対称に分布するミストとミスト同伴蒸気とがスクラバ３で分離され、その分離効果は理論的に適正である。
【００２５】
現実の気液混合流は、このように理想的ではなく、旋回流はミスト流とミスト同伴蒸気流の分布をランダム化する。気液分離器１の中の流れがランダム化し、泡沫と界面との間で激しい相互作用が生じて、気液分離器１の中の液面は、対称に静的である放物面ではなく、ダイナミックに変動する。気液分離器１の中で生じる波面は、気液分離器１の外側に伝播し、蒸気ドラム２の中で全体的に波面振動が生起する。複数の気液分離器１で生起するそれぞれの波面振動が互いに干渉して生起する波の波長が、蒸気ドラム２の有効長軸方向長さの整数倍になれば、大きな振幅の波面振動が生じ、界面の泡沫が更に激しく生成されて壊滅的事態を招くことがあり得る。破局的に激しい泡沫の生成は、ミストの大量の発生を招き、その結果として、スクラバ３から導出管５に向かう蒸気流は飽和蒸気ではなくなる。
【００２６】
実缶条件として、１９０気圧（３５０゜Ｃ）が例示される。図７（ａ），（ｂ）は、１９０気圧の物性値と大気圧の物性値を示している。両表に示されているように、１９０気圧の飽和水と飽和蒸気の粘度と表面張力の関係と、大気圧の水と空気の粘度と表面張力の関係との比較によれば、実缶条件では表面張力が大気圧の水のそれに比べて非常に小さい。表面張力がこのように小さいことは、発生液滴径が小さく、発生気泡径が小さくて、その結果として、泡沫が発生しやすい。更に、実缶条件では、気液密度比が小さく、重力分離が生じにくい。このような悪環境で、ダイナミックな液面振動が生じて、更に、気液分離性能が劣化している。
【００２７】
本発明による蒸気ドラムの共振波発生抑制仕切１２は、蒸気ドラム２の中の複数の部位に長軸方向に並ぶ振動発生源（＝気液分離器１）に起因する振動の重なりを抑制して、泡沫発生を有効に抑制することができる。
【００２８】
図８は、複数の共振波発生抑制仕切１２の配置を示している。３つの共振波発生抑制仕切１２の間の２つの間隔は、同じである。３つの共振波発生抑制仕切１２は、蒸気ドラム２の内周面にそれぞれに完全に接合する。１つ目の共振波発生抑制仕切１２は、図９に示されるように、蒸気ドラム２の内部空間を完全に又は概ね分離分割する。２つの目の共振波発生抑制仕切１２は、図１０に示されるように、多孔性に形成され、蒸気ドラム２を完全に分割することはなく波のある程度の干渉を許容するが内部の流体状況を適正程度に均一化する。３つの目の共振波発生抑制仕切１２は、図１１に示されるように、網目状に形成され、蒸気ドラム２を完全に分割することはなく波の干渉を適正に抑制し、且つ、流体状況を適正程度に均一化する。共振波発生抑制仕切１２を多様に形成することにより、波の干渉の共振化を回避することができる。
【００２９】
図１２〜図１４に示される共振波発生抑制仕切１２は、それぞれの端縁が平均有効水面Ｓよりも上方に位置しているが、蒸気ドラム２の内部空間を完全に仕切ることがない。図１３と図１４に示されるように、共振波発生抑制仕切１２がそれぞれに多孔性、網目状に形成されることは好ましい。
【００３０】
共振波発生抑制仕切１２は、水面近傍の波の伝播を防止するように、上方と下方を軸方向に開放する形状として形成され得る。このような共振波発生抑制仕切１２は、ある程度の波の伝播を許容しながら、共振を回避することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明による蒸気ドラムは、分離性能の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による蒸気ドラムの実施の形態を示す正面断面図である。
【図２】図２は、図１の側面断面図である。
【図３】図３は、流れを示す側面断面図である。
【図４】図４は、波板を示す斜軸投影図である。
【図５】図５は、二相流れを示す断面図である。
【図６】図６は、他の二相流れを示す断面図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ）は、物性値をそれぞれに示す表である。
【図８】図８は、本発明による蒸気ドラムの実施の他の形態を示す正面断面図である。
【図９】図９は、本発明による蒸気ドラムの実施の他の形態を示す側面断面図である。
【図１０】図１０は、本発明による蒸気ドラムの実施の更に他の形態を示す側面断面図である。
【図１１】図１１は、本発明による蒸気ドラムの実施の更に他の形態を示す側面断面図である。
【図１２】図１２は、本発明による蒸気ドラムの実施の更に他の形態を示す側面断面図である。
【図１３】図１３は、本発明による蒸気ドラムの実施の更に他の形態を示す側面断面図である。
【図１４】図１４は、本発明による蒸気ドラムの実施の更に他の形態を示す側面断面図である。
【図１５】図１５は、公知の蒸気ボイラを示す断面図である。
【符号の説明】
１…気液分離器
２…蒸気ドラム本体
４…供給器
５…第１排出管
１２…共振抑制器
２２…泡沫層
２６…穴
【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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