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【発明の名称】 熱交換器
【発明者】 【氏名】高▲橋▼ 賢

【氏名】飯塚 恵二

【氏名】今津 秀一

【氏名】雨堤 祥二
【要約】 【課題】ドレンクーラー内に蒸気凝縮部の蒸気、あるいは蒸気に随伴する不凝縮気体の進入を抑制する。

【解決手段】蒸気凝縮部と凝縮水冷却部を備えた熱交換器において、前記凝縮水冷却部の端部仕切板に形成された管穴に、凝縮水を導入する凝縮水導入手段を備えたことを特徴とする熱交換器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】その胴体内に外部から導入される給水を流通させる伝熱管が設置され、外部から導入される蒸気と熱交換を行い蒸気を凝縮する熱交換器において、前記胴体は、胴体内に導入される蒸気を凝縮する蒸気凝縮部と、該蒸気凝縮部と区画され蒸気凝縮部で凝縮された凝縮水を冷却する凝縮水冷却部とを有し、該凝縮水冷却部はその上面に設置された天井板と、その側面及び下面を覆う覆板と、端部に設置され前記伝熱管を挿入する管穴が形成された端部仕切板によって蒸気凝縮部と区画されるものであって、前記端部仕切板に形成された管穴に凝縮水を導入する凝縮水導入手段を備えたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】その胴体内に外部から導入される給水を流通させる伝熱管が設置され、外部から導入される蒸気と熱交換を行い蒸気を凝縮する熱交換器において、前記胴体は、胴体内に導入される蒸気を凝縮する蒸気凝縮部と、該蒸気凝縮部と区画され蒸気凝縮部で凝縮された凝縮水を冷却する凝縮水冷却部とを有し、該凝縮水冷却部はその上面に設置された天井板と、その側面及び下面を覆う覆板と、端部に設置され前記伝熱管を挿入する管穴が形成された端部仕切板によって蒸気凝縮部と区画されるものであって、前記端部仕切板の側面に、その上面に開口部が形成され前記管穴を囲むように設置された囲板を備えたことを特徴とする熱交換器。
【請求項３】前記天井板は、その側部の上面に伝熱管の管方向に沿って延伸して形成された側部ガイド板を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】前記天井板は、その上面に伝熱管の管方向に沿って溝が形成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項５】前記天井板は、前記端部仕切板方向に傾斜して設置されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項６】前記端部仕切板は、凝縮水冷却部側の内表面，蒸気凝縮部側の外表面、または前記管穴の内面に肉盛溶接部あるいはシール材が備えられたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項７】前記覆板は、前記凝縮水冷却部の最上面と略同一高さ位置に、凝縮水冷却部内の蒸気をその外部に導く出口管台を設置したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は熱交換器に係り、特にドレンクーラー内に不凝縮ガスの侵入を抑制するのに好適な熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、一般に採用されている発電プラントにおける熱交換器、例えばチューブラ式熱交換器のドレンクーラーでは、飽和温度状態のドレンが保有する熱量をチューブ内の給水に与えて給水の温度を上げ、熱効率の向上を計ると同時に、ドレンを飽和温度以下に冷却してドレン配管でのフラッシングを防止している。このドレンクーラーは、蒸気凝縮部とは異なるものであり胴体の内郭構造とした、直行及び対行流熱交換器となっている。また、ドレンクーラーの内部には仕切板が設置されており、凝縮水を蛇行させることによって流路長さを確保している。なお、仕切板はチューブを設置するために多数の管穴が形成されている。
【０００３】前述したドレンクーラーの仕切板および、ドレンクーラーの囲い板の材質は、湿り度を有した低酸素濃度の中性流体に対し、優れた耐食性を有し、かつ安定した溶接性を有する合金鋼が使用される。また、多数の管穴が形成された仕切板に設置されるチューブ材質は、エロージョン、コロージョンに対し信頼性が高いものが望ましいため、例えば、これまで原子力発電用給水加熱器用のチューブとして数多くの運転実績を有するＳＵＳ材が使用されている。
【０００４】また、ドレンクーラーの端部に設置される仕切板とチューブとは異なる材質であるため、プラントが運転中の場合には各々に熱伸び差が生じてしまう。このため、従来では仕切板の管穴とチューブは摺動構造にしたり、あるいは仕切板の管口とチューブとの間に隙間が形成された状態、例えば、製作時のチューブ挿入時に弊害とならない程度に隙間（数mm）を開けた構造とすることで、仕切板あるいはチューブの破損を防止していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、熱交換器のドレンクーラーはドレンをドレン溜から吸い上げる構造となっており、吸い上げられたドレンは管群を通過する際に圧力損失を生じてしまうため、ドレンクーラー内はその圧力損失分だけ蒸気凝縮部よりも圧力が低い状態となってしまう。ここで、前述したように、仕切板の管穴とチューブとの間には間隙が形成され、すなわち完全なシールがされていない構造となっているため、蒸気凝縮部側とドレンクーラー内との圧力差により、蒸気凝縮部の蒸気及び不凝縮気体がその隙間からドレンクーラー内へ進入してしまう。
【０００６】このドレンクーラー内に進入した蒸気のほとんどは凝縮されドレンとなるが、蒸気中に含まれる不凝縮気体は凝縮されず、ドレンクーラー内の上部空間に停滞してしまい、ドレンクーラー内の構造物に錆等の経年劣化の要因になる可能性があった。また、ドレンクーラー内に不凝縮ガスの気相部分が形成されることで熱交換量が低下してしまい、さらには、気相変動によりチューブ外表面にドレン中の媒介が局部濃縮され腐食または浸食が発生し、ついにはチューブリークに至ってしまう可能性があった。
【０００７】本発明は、上記した問題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、ドレンクーラー内に蒸気凝縮部の蒸気、あるいは蒸気に随伴する不凝縮気体の進入を抑制する熱交換器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明の熱交換器は、その胴体内に外部から導入される給水を流通させる伝熱管が設置され、外部から導入される蒸気と熱交換を行い蒸気を凝縮する熱交換器において、前記胴体は、胴体内に導入される蒸気を凝縮する蒸気凝縮部と、該蒸気凝縮部と区画され蒸気凝縮部で凝縮された凝縮水を冷却する凝縮水冷却部とを有し、該凝縮水冷却部はその上面に設置された天井板と、その側面及び下面を覆う覆板と、端部に設置され前記伝熱管を挿入する管穴が形成された端部仕切板によって蒸気凝縮部と区画されるものであって、前記端部仕切板に形成された管穴に凝縮水を導入する凝縮水導入手段を備えたものである。
【０００９】また、本発明の熱交換器は、その胴体内に外部から導入される給水を流通させる伝熱管が設置され、外部から導入される蒸気と熱交換を行い蒸気を凝縮する熱交換器において、前記胴体は、胴体内に導入される蒸気を凝縮する蒸気凝縮部と、該蒸気凝縮部と区画され蒸気凝縮部で凝縮された凝縮水を冷却する凝縮水冷却部とを有し、該凝縮水冷却部はその上面に設置された天井板と、その側面及び下面を覆う覆板と、端部に設置され前記伝熱管を挿入する管穴が形成された端部仕切板によって蒸気凝縮部と区画されるものであって、前記端部仕切板の側面に、その上面に開口部が形成され前記管穴を囲むように設置された囲板を備えたものである。
【００１０】好ましくは、前記天井板は、その側部の上面に伝熱管の管方向に沿って延伸して形成された側部ガイド板を設けたものである。
【００１１】また、好ましくは、前記天井板は、その上面に伝熱管の管方向に沿って溝が形成されたものである。
【００１２】また、好ましくは、前記天井板は、前記端部仕切板方向に傾斜して設置されたものである。
【００１３】好ましくは、前記端部仕切板は、凝縮水冷却部側の内表面，蒸気凝縮部側の外表面、または前記管穴の内面に肉盛溶接部あるいはシール材が備えられたものである。
【００１４】好ましくは、前記覆板は、前記凝縮水冷却部の最上面と略同一高さ位置に、凝縮水冷却部内の蒸気をその外部に導く出口管台を設置したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は、従来一般に採用されているチューブラ式熱交換器の一例である、２折流給水加熱器の構造図、図２は図１に示すドレンクーラー端部仕切板の詳細図である。
【００１６】２折流給水加熱器は、管板１により胴体７と水室１０により大別される。また、胴体７内は蒸気を凝縮する蒸気凝縮部２０と、凝縮されたドレンを冷却するドレンクーラー５（蒸気冷却部）とに区画される。
【００１７】まず、胴体７側について説明する。胴体７には、図示しないタービンから抽気される蒸気が蒸気入口座８から胴体７内に流入する。胴体７内に流入した蒸気は、支持板３で管群に形成される伝熱管２（チューブ）を介して伝熱管２内を流通する給水に熱を与え凝縮し、胴体７内の底部にドレンとなって溜まる。胴体７内の底部に溜まったドレンは、ドレンクーラー吸込口４からドレンクーラー５内を流通して、さらに伝熱管２内の給水に熱を与えたあと、ドレン出口座９から図示しない復水器側へ排出される。なお、ドレンクーラー５の端部側面はドレンクーラー端部仕切板６、その上部平面はドレンクーラー天井板１４によって覆われた構成となっている。
【００１８】次に、水室１０側について説明する。入口側水室１０ａには、給水が図示しない復水器側から給水入口座１１に供給される。入口側水室１０ａ内に流入した給水は、両端が管板１に固定された伝熱管２の管群中を流通する。この伝熱管２を通過する際に、給水は胴体７側の蒸気やドレンによって加熱され、その後、出口側水室１０ｂを経て給水出口座１２から図示しないボイラ又はリアクター側へ排出される。なお、入口側水室１０ａと出口側水室１０ｂとは水室仕切板１３によって区画される。
【００１９】ここで、図２に示すようにドレンクーラー端部仕切板６の管穴と伝熱管２（チューブ）との間には間隙が形成され、すなわち完全なシールがされていない構造となっているため、蒸気凝縮部２０側とドレンクーラー５内との圧力差により、蒸気凝縮部２０の蒸気及び不凝縮気体がその隙間からドレンクーラー５内へ進入する。ドレンクーラー５内へ進入した蒸気のほとんどは、ドレンクーラー５内のドレンにより凝縮されドレンとなるが、蒸気中に含まれるＯ2 ，Ｎ2 ，Ｈ2 等の不凝縮気体は凝縮されずドレンクーラー５内上部に停滞し気相を形成する。この不凝縮気体がドレンクーラー５内に停滞すれば、ドレンクーラー内構造物に錆等の経年劣化が発生する可能性がある。また、気相形成部分は熱交換量が低下するため機器性能が低下するだけでなく、さらには、気相変動によりチューブ外表面にドレン中の媒介が局部濃縮され腐食又は浸食が発生し、チューブリークに至るといった支障が生じる可能性があった。
【００２０】そこで本実施例では、以下に説明する構成によって、上述した問題を解決している。以下、図面を用いて本実施例の構成について詳細に説明する。図３は、本発明の一実施例である熱交換器の詳細図、図４は、図３に示すドレンクーラー端部の詳細図を示したものである。
【００２１】図３（ａ）に示すように、本実施例ではドレンクーラー端部仕切板６にドレン溜用囲い板１６を設置した構造に形成している。このドレン溜用囲い板１６は、ドレンクーラー端部仕切板６の蒸気凝縮部側の表面に設置した上部のみ開口した囲い板であり、ドレンクーラー上部に設置された図示しない伝熱管群において、熱交換により凝縮されたドレンおよび、ドレンクーラー天井板１４上を流れるドレンがその上部開口からドレン溜用囲い板１６に流入し、ドレンを溜めることができる。
【００２２】なお、図３（ｂ）は、ドレンクーラー端部仕切板６にドレン溜用囲い板１６を設置したドレンクーラーの上面図、（ｃ）は同じくドレンクーラー正面図、(ｄ)は同じくドレンクーラー側面図を示したものである。ドレンクーラー５は、その上面（天井面）がドレンクーラー天井板１４が設置されており、また、その側面はドレンクーラー覆い板１５によって覆われている。また、ドレンクーラー５の下部にはドレンをドレンクーラー５内に導入するドレンクーラー吸込口４，ドレン溜用囲い板１６の下部底面には囲い板内に導入されたドレンを抜き出すドレン抜き座１７が形成されている。
【００２３】図４は、ドレン溜用囲い板１６を設置した場合のチューブ貫通穴の詳細を示している。本実施例では、まずドレンクーラー上部に設置された図示しない伝熱管群によって凝縮されたドレンおよび、ドレンクーラー天井板１４上を流れるドレンがその上部開口からドレン溜用囲い板１６内に流入され、ドレンが溜められる。このため、ドレンクーラー５内には、ドレン溜用囲い板１６内に溜まったドレン、あるいはドレンクーラー天井板１４から流入するドレンのみをチューブ穴隙間を通り進入させることができる。
【００２４】よって、本実施例によれば、図２に示すドレン溜用囲い板１６を設置しない場合と比べて、蒸気あるいは不凝縮気体のドレンクーラー５内への進入を抑制することが可能となった。このため、従来ではドレンクーラー５内へ蒸気あるいは不凝縮気体が侵入することで、その内部構造に対して錆等の経年劣化の要因，熱交換量の低下、あるいはチューブ破損を招く原因にる可能性があったが、本実施例のドレン溜用囲い板１６を設置することで、上記問題を解決することが可能となった。
【００２５】また、チューブはドレンクーラー内よりも管内の圧力の方が高いため、チューブが破断した場合、管内水が胴体内に流出し、胴体内の水位が上昇することにより、抽気弁が閉となりプラント停止に至ることがあるが、本実施例によればチューブの破損を防止することができる。
【００２６】図５は、図３の熱交換器の他の実施形態を示したものである。前述したドレン溜用囲い板１６を設置したものに加えて、本実施例ではドレン溜用囲い板１６にドレンの導入を促進する手段を設けたものである。例えば、図５（ａ）に示すものは、ドレンクーラー天井板１４の上面の側部に設けられ、ドレンクーラー端部仕切板６まで延伸して形成された側部ガイド板２１を設置している。また、図５（ｂ）のものは、ドレンクーラー天井板１４の上面に伝熱管の管方向に沿って溝を形成したものである。また、図５（ｃ）では、ドレンクーラー天井板１４をドレンクーラー端部仕切板６の方向に傾斜をつけた状態に設置したものである。なお、ドレンクーラー天井板１４の傾斜角θは０°＜θ＜２０°の範囲に形成することが好ましい。
【００２７】以上、図５（ａ)〜(ｃ）に図示したドレン導入促進手段を設けることにより、ドレンクーラー天井板１４上のドレンは、ドレンクーラー端部仕切板６の方向、すなわちドレン溜用囲い板１６の上部開口へ流動することなる。よって、ドレン溜用囲い板１６の上部開口へ効率よくドレンを導くことが可能となり、従って円滑にドレン溜用囲い板１６の中にドレンを溜めることができる。ドレン溜用囲い板１６の中にドレンを溜めることにより、ドレンクーラー端部仕切板６の管穴とチューブ隙間をドレンで満たすことが可能となる。よって、このドレンによりチューブ穴隙間にドレンが導入されるため、ドレンクーラー端部仕切板６のチューブ穴隙間からドレンクーラー５内へ、蒸気凝縮部２０の蒸気および蒸気に随伴する不凝縮気体の進入を抑制することができる。
【００２８】また、当該構造は、図５（ａ)，(ｂ)，(ｃ）を組み合わせたケースも該当する。尚、ドレン溜用囲い板１６の下部に小径穴のドレン抜き座１７を設けることにより、プラント停止時にドレン溜用囲い板１６の中のドレンを抜くことができ、また常時流出させることによりドレン溜用囲い板１６内のスラッジの堆積を軽減することが可能となる。
【００２９】図６は、本発明の他の実施例であるドレンクーラー端部仕切板に肉盛溶接を施した状態を示した図である。前述したように、ドレンクーラー端部仕切板６の管穴には、運転中の熱伸び差の発生を考慮してチューブとの隙間が形成されている。さらに、仕切板材質の合金鋼は、蒸気，ドレン流動による経年劣化及び伝熱管振動により隙間部における壊食や摩耗等が生じ、チューブとの隙間がさらに拡大するといった事象の発生が推定される。
【００３０】このため本実施例では、仕切板の外表面（図６(ａ)），内表面（図６(ｂ)），管穴部（図６(ｃ)）に耐腐食性を有し、経年劣化しにくいＳＵＳ等による肉盛り溶接により、蒸気凝縮部からドレンクーラー内への不凝縮気体の侵入を抑制したものである。さらに、図５（ａ)〜(ｃ）に示す構成と併用するこも可能である。図７は、本発明の他の実施例であるドレンクーラー端部仕切板にシール材を設置した状態を示した図である。仕切板の外表面（図７(ａ))，内表面（図７(ｂ))，管穴部（図７(ｃ)）に耐腐食性を有し、経年劣化しにくいシール材により、蒸気凝縮部からドレンクーラー内への不凝縮気体の侵入を抑制する。また、シール材は、耐熱性，耐腐食性，対摩耗性の材質を使用し、施行部は、図７(ａ)，(ｂ)，(ｃ）を組み合わせたケースも該当する。
【００３１】図８は、仕切板管穴とチューブ間インサートの概要図を示したものである。チューブと仕切板管穴との隙間を埋めるため、エロージョン，コロージョンに対し信頼性が高いステンレス合金，Ｎｉ合金、その他振動や腐食防止用の材質、もしくは変形しやすく隙間を埋めるのに有効な軟鋼のインサートを仕切板管穴とチューブ間に挿入し、蒸気凝縮部からドレンクーラー内への不凝縮気体の侵入を抑制する。図８は、インサート長さを仕切板厚さ以上とした場合であり、非凝縮気体侵入の際の流路が最大となるようにし、流体流動時の圧力損失を稼げることから流入を抑制している。また、インサートの端部は、流体が渦流等を起こさない様に、チューブ挿入側はインサートもしくは、ベルマウス等の形状とし、ドレンクーラー側は斜度等を付ける構造も該当する。
【００３２】図９は、本発明の他の実施例である、ドレンクーラーにドレン出口管台を設置した例を示す図である。図９（ａ）にドレン出口がドレンクーラー側部に有し、かつ天井板よりも低い場合のドレンクーラー概要図を示す。図９（ａ）の場合はドレン出口管台上端と、ドレンクーラー内最上部との間に段差があるため、不凝縮気体がドレンクーラーゾーン内に流入した場合、段差部位に溜まり、容易に排出されない構造となる。
【００３３】図９（ｂ）は、気泡発生時に気泡を出口管台より排出するドレンクーラーの概要図である。ドレンクーラー内に侵入した不凝縮気体の停滞を防止し、円滑に器外へ排出させるため、ドレンクーラー側部のドレン出口管台上端をドレンクーラー内最上部と同位置もしくは高い位置に設置する。また、不凝縮ガスの浮力方向に流動を助長するため、出口管台に取付ける出口配管は、取り合い後エルボー等により上方向に施行する。当該構造によりドレンクーラー内上部に気泡が発生した場合でも、容易に器外へ排出できる。
【００３４】以上述べたように、本実施例によれば、ドレンクーラー端部仕切板６のチューブ穴隙間からドレンクーラー５内への不凝縮気体の進入を抑制することができ、さらに、ドレンクーラー５内に気相が発生した場合にも、容易に外部へ排出することが可能である。よって、ドレンクーラー内に不凝縮気体が停滞することによる内部構造物の経年劣化、機器性能の低下及び気相変動によるチューブ腐食又は浸食といった支障が生じない長期品質確保が可能な構造である発電プラントにおけるチューブラ式熱交換器を提供できる。
【００３５】
【発明の効果】本発明によれば、ドレンクーラー内に蒸気凝縮部の蒸気、あるいは蒸気に随伴する不凝縮気体の進入を抑制する熱交換器を提供できるという効果を奏する。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成１１年９月１３日（１９９９．９．１３）
【代理人】 【識別番号】１０００７５０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】作田 康夫
【公開番号】 特開２００１−８２８８４（Ｐ２００１−８２８８４Ａ）
【公開日】 平成１３年３月３０日（２００１．３．３０）
【出願番号】 特願平１１−２５８３８６