シェル・プレート式熱交換器と、これを備えた発電プラント
【課題】給水加熱器及び湿分分離過熱器など、凝縮を伴う熱交換器の高性能化を図り、コンパクトで且つプラント熱効率を向上させることができるシェル・プレート式熱交換器と、これを備えた発電プラントを提供する。
【解決手段】給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、復水器の復水を給水として蒸気発生器に送ると共に、給水もしくは蒸気を被加熱流体とし、蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器を備える発電プラントにおいて、記熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に被加熱流体の流路と、加熱流体の流路を形成して熱交換を行う。
【解決手段】給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、復水器の復水を給水として蒸気発生器に送ると共に、給水もしくは蒸気を被加熱流体とし、蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器を備える発電プラントにおいて、記熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に被加熱流体の流路と、加熱流体の流路を形成して熱交換を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラントに係り、特にシェル・プレート式熱交換器と、これを備えた発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントには、幾つかの型式のものがある。例えば化石燃料を用いたボイラで蒸気を発生させる火力発電プラント、原子炉を使用し、核分裂により発生する熱を利用する原子力発電プラントなどである。これらの型式の発電プラントは更に細分化することができるが、いずれの場合にも蒸気タービンからの抽気を使用して給水などを加熱することで、発電プラント全体の発電効率を上げている。
【０００３】
本発明は、発電プラントにおいて給水などの熱交換を効率よく行う技術に関するものであるので、発電プラントの型式は上記のいずれであってもよいが、ここでは沸騰水型軽水炉（以下、ＢＷＲと称す）原子力発電プラントの事例で説明する。
【０００４】
従来の沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）原子力発電プラントは、核分裂性物質を含む原子炉で水を沸騰させ、沸騰によって発生した蒸気を、主蒸気配管を通して高圧タービン及び低圧タービンに供給し、これらのタービンを回転させて主軸と連動した発電機を回して発電を行っている。
【０００５】
タービンで仕事をし、低圧タービンから排気された蒸気は、復水器で凝縮されて水になる。この水は、給水として給水配管により再び原子炉に供給される。給水は、給水配管に設けられた給水ポンプによって昇圧され、給水配管に設けられた６基の給水加熱器（４基の低圧給水加熱器及び２基の高圧給水加熱器）によって加熱されて昇温され、原子炉圧力容器内に給水される。
【０００６】
沸騰水型原子力発電プラントでは、まず原子炉の熱出力を決定し、この熱出力で最高の熱効率が得られるように、原子炉より下流での蒸気の流れ（主蒸気配管及びタービン等での蒸気の流れ）を最適化している。
【０００７】
具体的には、低圧タービンから排気された蒸気を復水器で凝縮して水にした場合、熱サイクルの原理から通常の原子炉圧力（約７ＭＰａ）では水の潜熱は発電に用いることができないため復水器から外部に排出されて無駄になる。そこで、沸騰水型原子力発電プラントの熱効率を向上させるために、高圧タービン及び低圧タービンから蒸気の一部を抽気して高圧給水加熱器及び低圧給水加熱器に供給し、これらの給水加熱器においてその抽気蒸気を用いて給水を加熱することが行われている。この場合、抽気された蒸気が保有している熱は、給水の加熱に用いられることよって、そのほとんどが回収され、沸騰水型原子力発電プラントの熱効率が向上する。
【０００８】
一般に、再循環ポンプとジェットポンプの再循環系を用い、湿分分離器ＭＳを備えている沸騰水型軽水炉ＢＷＲにおいては、原子炉で発生した蒸気のうち最終的に低圧タービンから復水器に排気される蒸気の量は約２／３弱であり、残りの約１／３強の蒸気は抽気蒸気として給水の加熱に用いられる。
【０００９】
湿分分離器ＭＳの替わりに湿分分離過熱器ＭＳＨを設置した改良型沸騰水型軽水炉（ＡＢＷＲ）においても、主蒸気のうち最終的に低圧タービン出口から復水器に送られる蒸気の量はＢＷＲと同様に約２／３弱である。
【００１０】
特許文献１、特許文献２の沸騰水型原子力発電プラントでは、高圧タービンあるいは低圧タービンから抽気された蒸気を高圧あるいは低圧給水加熱器へ供給して、給水を加熱することが行われている。ここで使用される高圧給水加熱器及び低圧給水加熱器は、一般的にシェル・チューブ式熱交換器の型式であって、胴体（シェル）内に多数のＵ字型伝熱管（チューブ）を設置しており、伝熱管内を流れる給水と胴体内で伝熱管外を流れる抽気蒸気とが熱交換して給水の温度が上昇する。なお、高圧タービンから抽気された蒸気が高圧給水加熱器に供給され、低圧タービンから抽気された蒸気が低圧給水加熱器に供給される。
【００１１】
以上説明した抽気を利用した給水の加熱によるプラント効率向上対策は、前記した多くの発電プラントにおいて実施されている。ここで、給水加熱器は抽気と給水との間で熱交換を行う熱交換器であって、加熱流体を抽気とし、被加熱流体を給水とする熱交換器である。この給水との熱交換は、再生効率による性能向上を図ったものである。
【００１２】
これに対し、発電プラントの中には、さらに蒸気側でも抽気との間での熱交換を行うものがある。前記の湿分分離器ＭＳの替わりに湿分分離過熱器ＭＳＨを設置した改良型沸騰水型軽水炉（ＡＢＷＲ）においては、湿分分離過熱器ＭＳＨは、湿分分離器と、その後流側の第１段過熱器及び第２段過熱器を有する。上流側の第１段過熱器は、高圧タービンから抽気された蒸気を用いて、湿分分離器で湿分が除去された蒸気を過熱する。下流側の第２段過熱器は、第１段過熱器で過熱された蒸気を、高圧タービンより上流の主蒸気配管から抽気された蒸気を用いて過熱する。第２段過熱器で過熱された主蒸気が低圧タービンに供給される。
【００１３】
ここで、湿分分離器の後流側の第１段過熱器及び第２段過熱器は、抽気と蒸気との間で熱交換を行う熱交換器であって、加熱流体を抽気とし、被加熱流体を蒸気とする熱交換器である。これにより、給水側での熱交換による効率向上と相俟って、よりいっそう高効率とすることができる。この蒸気との熱交換は、再熱効率による性能向上を図ったものである。
【００１４】
このように、沸騰水型軽水炉ＢＷＲあるいは改良型沸騰水型軽水炉ＡＢＷＲの沸騰水型原子力発電プラントの熱効率を向上させるために、給水加熱器を設置して再生効率により性能が向上すること、及び湿分分離器ＭＳの湿分分離効率を向上し、さらに湿分分離器ＭＳに過熱器を追設して再熱効率により性能が向上することは、一般的に知られている。
【００１５】
しかしながら、湿分分離過熱器ＭＳＨは大きな胴体内に湿分分離器と伝熱管から構成される第１段過熱器及び第２段過熱器を設置しているため、現状の構造ではコンパクトにすることは困難である。また、従来の湿分分離過熱器ＭＳＨの容器は大型化のため、湿分分離過熱器ＭＳＨを設置する建屋全体へのコンパクト化に対する課題もある。
【００１６】
これに対し、発電プラントを簡素化するために、従来のシェル・チューブ式熱交換型式の給水加熱器に替わり、多段の蒸気インジェクタを適用した発電プラントの例が、非特許文献１に提案されている。蒸気インジェクタは、従来の伝熱管を介した熱交換方式による給水加熱器の代わりに、伝熱管を削除して低温の給水と高温の抽気蒸気を直接接触して熱交換するものである。
【００１７】
この発電プラントでは、高圧タービンまたは低圧タービンから抽気した蒸気を、多段の蒸気インジェクタに供給している。各蒸気インジェクタでは、ディフューザ形状の内部を給水が流れ、ディフューザのスロート部に設置されたノズルから蒸気を高速で噴き出して外周部が円錐状になっている給水流の中心部を蒸気が流れ、気液界面において蒸気を凝縮しながら給水が加熱そして加速されて次の段の蒸気インジェクタに向って流れる。また、この逆に、ディフューザ形状の内部で中心部を給水が流れ、外周部から供給された蒸気を凝縮しながら給水が加速されることも可能である。
【００１８】
一方、非特許文献２に提案されているプレート式熱交換器は、特に低温・低圧の流体間での熱交換用に一般産業界で使用されている。複数枚から構成される伝熱促進用の波板構造をゴムパッキンにより積層し、両側からネジで締め付ける構造となっている。
【００１９】
これを高温・高圧用に使用範囲を広げたブレージングプレート式熱交換器が非特許文献３に提案されている。これは、基本的に上記の波板構造は同じであるが、ゴムパッキンの代わりに各伝熱板をロー付けで圧着して一体構造としたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００５−２９９６４４号公報
【特許文献２】特開平７−１８９６０９号公報
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】Ｔ． Ｎａｒａｂａｙａｓｈｉ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＩＣＯＮＥ−３， ｐｐ．８７７−８８３， Ｋｙｏｔｏ， Ｊａｐａｎ， １９９４
【非特許文献２】プレート式熱交換器、日阪製作所
【非特許文献３】ブレージングプレート式熱交換器、日阪製作所
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
このように、熱交換器としては従来のシェル・チューブ式熱交換型式に代わり、各種原理のものが提案されている。しかしながら、このままの温度・圧力の使用条件では、従来のプレート式熱交換器を原子力プラントなどの発電プラント用に使用することはできない。また、現有のブレージングプレート式熱交換器はコンパクトではあるが、交換熱量が小さすぎるため湿分分離過熱器ＭＳＨや給水加熱器への使用は難しい。
【００２３】
さらに、非特許文献１に記載された多段の蒸気インジェクタによれば、蒸気が給水との気液界面の表面で凝縮されるため、蒸気の凝縮に伴う体積変化が大きいことにより流動が不安定となる懸念がある。
【００２４】
以上のことから、本発明の目的は、給水加熱器及び湿分分離過熱器など、凝縮を伴う熱交換器の高性能化を図り、コンパクトで且つプラント熱効率を向上させることができるシェル・プレート式熱交換器と、これを備えた発電プラントを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、復水器の復水を給水として蒸気発生器に送ると共に、給水もしくは蒸気を被加熱流体とし、蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器を備える発電プラントにおいて、記熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に被加熱流体の流路と、加熱流体の流路を形成して熱交換を行うことで達成される。
【００２６】
また、伝熱プレート各面の流路には、波形形状の波板が形成されている。
【００２７】
また、熱交換器での熱交換により凝縮現象を伴う場合、凝縮する流体が通過する伝熱プレートの波板の流路幅をδｖ、凝縮しない流体が通過する伝熱プレートの波板の流路幅δｆとしたとき、波板の流路幅の比が次の関係を満足する範囲である。
１≦δｖ／δｆ≦２
また、伝熱プレートにおいて熱交換する二流体の差圧ΔＰと、伝熱プレートの波板の厚みｔが、次の関係を満足する範囲である。
１ｘ１０３≦ΔＰ／ｔ≦１ｘ１０４ ＭＰａ／ｍ
また、伝熱プレートを挟む耐圧プレートが少なくとも４角形の４辺のフレームをリブとし、その内部に流体の流れとほぼ並行に少なくとも１つ以上の中間サポート用リブを設置した。
【００２８】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、復水器の復水を加熱する給水加熱器と、給水加熱器において加熱された給水を蒸気発生器に送るようにされた発電プラントにおいて、給水加熱器は、復水器からの復水を被加熱流体とし、蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器であって、熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に被加熱流体の流路と、加熱流体の流路を形成して熱交換を行う。
【００２９】
また、給水加熱器は、蒸気発生器と復水器の間に複数台設置され、このうちのすくなくとも１台の給水加熱器は、シェル・プレート式熱交換器とされる。
【００３０】
また、シェル・プレート式熱交換器で構成された給水加熱器は、その内部にユニットを固定するガイド機構を設置し、シェル内と前記ガイド機構との間に中間媒体を封入した。
【００３１】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、復水器の復水を給水として蒸気発生器に送ると共に、蒸気タービンを高圧タービンと低圧タービンとで構成し、高圧タービンから排出された蒸気を、湿分分離器と過熱器で構成される湿分分離過熱器を介して低圧タービンに導入するようにされた発電プラントにおいて、湿分分離過熱器の過熱器は、高圧タービンから排出された蒸気を被加熱流体とし、蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器であって、熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に前記被加熱流体の流路と、加熱流体の流路を形成して熱交換を行う。
【００３２】
また、湿分分離過熱器の過熱器は、第１段過熱器とその後流側の第２段過熱器とで構成され、第１段過熱器には高圧蒸気タービンからの抽気を加熱流体として与え、第２段過熱器には高圧蒸気タービンに流入前の蒸気を加熱流体として与える。
【００３３】
また、湿分分離過熱器内に設置した過熱器に、ユニットを固定するガイド機構を設置し、シェル内とガイド機構との間に中間媒体を封入した。
【００３４】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンから排出された蒸気を海水で冷却して復水とする復水器と、復水器の復水を給水として蒸気発生器に送るようにされた発電プラントにおいて、復水器は、蒸気タービンから排出された蒸気を加熱流体とし、海水を被加熱流体として熱交換を行う熱交換器であって、熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に被加熱流体の流路と、加熱流体の流路を形成して熱交換を行う。
【００３５】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、被加熱流体と加熱流体の間で熱交換を行う熱交換器であって、熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に被加熱流体の流路と、加熱流体の流路を形成して熱交換を行う。
【００３６】
また、原子力発電プラントの除熱手段として、動的な低圧注水系の除熱運転モードである残留熱除去系の熱交換器として使用する。
【００３７】
また、原子力発電プラントの除熱手段として、ポンプなどの駆動源なしで自然力により蒸気を凝縮するシステムである非常用復水器として使用する。
【００３８】
また、原子力発電プラントの除熱手段として、ポンプなどの駆動源なしで自然力により蒸気を凝縮するシステムである静的格納容器冷却系の熱交換器として使用する。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、原子力発電プラントにおいて、従来のシェル・チューブ式熱交換器に比べて、低圧損で高性能な熱交換器となり、大幅に機器のコンパクト化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１ａ】シェル・プレート式給水加熱器の横断面を示す図。
【図１ｂ】シェル・プレート式給水加熱器の水室５２ａの断面を示す図。
【図１ｃ】１枚の伝熱プレート７３の表面における抽気の流れＡを示した図。
【図１ｄ】１枚の伝熱プレート７３の裏面における給水の流れＢを示した図。
【図２】本発明が適用される発電プラントの構成を示す図である。
【図３ａ】伝熱プレートが積層された伝熱プレート層の鳥瞰を示す図。
【図３ｂ】図３ａの構造としたときに抽気流路７６Ｃが形成される部位を示す図。
【図３ｃ】図３ａの構造としたときに給水流路７９Ｃが形成される部位を示す図。
【図４ａ】伝熱プレートに抽気流路を形成する為の面形状の一例を示す図。
【図４ｂ】伝熱プレートに給水流路を形成する為の面形状の一例を示す図。
【図５ａ】サポート用リブ付き耐圧プレートの平面図。
【図５ｂ】図５ａのＡ−Ａ断面図を示す図。
【図６】伝熱プレートの流路の断面図。
【図７ａ】従来の熱交換器の温度分布を示す説明図。
【図７ｂ】シェル・プレート式熱交換器の温度分布を示す説明図。
【図８】従来の熱交換器とシェル・プレート式熱交換器の性能比較を示す図。
【図９】発電プラントの湿分分離過熱器に適用した事例を示す図。
【図１０】本発明の他の実施例である実施例２の伝熱プレートの概略図。
【図１１】本発明の他の実施例である実施例３のサポート用リブの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
発電プラントにおける熱効率の向上策には、大きく４つの手法がある。一般的なランキンサイクルにおいては、高圧タービンで仕事をして排気された湿り蒸気を、湿分分離過熱器により過熱蒸気にし、この過熱蒸気を低圧タービンに供給している。第１の手法は、この湿分分離過熱器を用いた再熱サイクルの適用である。第２の手法は、高圧タービンから抽気された蒸気を高圧給水加熱器へ供給し、低圧タービンから抽気された蒸気を低圧給水加熱器へ供給する再生サイクルの適用である。第３の手法は、主蒸気圧力及び主蒸気温度を上昇させることであり、第４の手法は、復水器内の真空度を増加させることなどが考えられる。
【００４２】
発明者らは、発電プラントにおけるこれら４つの熱効率の向上策のうち、発電プラントにおける大幅な機器の変更が少なく、熱効率及び電気出力の向上へ大きな効果があるものとして、主蒸気の有効利用にポイントを絞った。すなわち、再生サイクル及び再熱サイクルによる熱効率向上である。
【００４３】
そこで、再生サイクル向上のためには、高圧タービン及び低圧タービンのそれぞれから抽気される蒸気量の最適化、給水温度を上昇するための主蒸気流量の増加、給水加熱器の高性能化による抽気蒸気の低減等が考えられる。
【００４４】
また、再熱サイクル向上のためには、主蒸気及び高圧タービンのそれぞれから抽気される蒸気量の最適化、主蒸気温度を過熱するための主蒸気流量の増加、湿分分離過熱器の高性能化による抽気蒸気の低減等が考えられる。
【００４５】
これらの検討結果、発明者らは、抽気蒸気の流量を低減して高圧タービン及び低圧タービンを回転させるために使用される主蒸気の流量を増加させるには、給水加熱器及び湿分分離過熱器などの熱交換器を高性能化することが最良であるとの結論に至った。また、高圧タービン及び低圧タービンから抽気蒸気を高圧給水加熱器及び低圧給水加熱器へ供給することによって、復水器から海に放出される排熱を低減することができ、蒸気発生装置（原子炉、蒸気発生器及びボイラ等）で発生した熱が発電プラント内で有効に活用されるため、沸騰水型原子力発電プラント等の発電プラントの熱効率が向上する。
【００４６】
このように、発明者らは、発電プラントの熱効率及び電気出力の向上策について検討した結果、高圧給水加熱器、低圧給水加熱器及び湿分分離過熱器などの熱交換器を高性能にして、高圧タービン及び低圧タービンから抽気された蒸気流量が少なくても、給水温度を十分上昇させることができ、その分、高圧タービン及び低圧タービンでの仕事に寄与する主蒸気量を増加できれば良いとの結論に達した。すなわち、この蒸気量の増大によって高圧タービン及び低圧タービンに供給される蒸気量が増大し、それぞれのタービンにおける蒸気の仕事量が増大することになる。
【００４７】
そこで、この点についてさらに検討した結果、伝熱管を介して熱交換する従来のシェル・チューブ式熱交換器から、伝熱プレートを介したシェル・プレート式熱交換器に変更し、高圧給水加熱器、低圧給水加熱器及び湿分分離過熱器などの熱交換器をコンパクト化すればよいとの新たな知見を見出した。
【００４８】
これにより、発電プラントの運転時において、原子炉圧力容器から高圧タービン及び低圧タービンに供給する主蒸気の量が増加され、さらに高圧タービン及び低圧タービンからの抽気蒸気流量が少なくなり、高効率な再生サイクルの発電プラントを実現することができる。この結果、発電プラントの熱効率及び電気出力の両者を向上させることができる。
【００４９】
またシェル・プレート式熱交換器は、給水加熱器以外に湿分分離過熱器に用いてもよい。これにより、発電プラントの運転時において、原子炉圧力容器から高圧タービン及び低圧タービンに供給する主蒸気の量が同様に増加され、さらに主蒸気配管及び高圧タービンからの抽気蒸気流量が少なくなり、高効率な再熱サイクルの発電プラントを実現することができる。この結果、発電プラントの熱効率及び電気出力の両者を向上させることができるのである。
【００５０】
またシェル・プレート式熱交換器は、給水加熱器や湿分分離過熱器以外に復水器に用いてもよい。これにより、発電プラントの運転時において、復水器の凝縮性能の高性能化が図られ、高真空度を実現することができる。この結果、発電プラントの熱効率及び電気出力の両者を向上させることができる。
【００５１】
上記の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００５２】
本発明の好適な一実施例である実施例１の発電プラントのシステム構成を、図２を用いて説明する。本実施例の発電プラントは、沸騰水型原子力発電プラント１である。
【００５３】
沸騰水型原子力発電プラント１は、蒸気発生装置である原子炉２、高圧タービン３、低圧タービン５Ａ，５Ｂ，５Ｃ、主蒸気配管６、復水器１１、複数の給水加熱器１６，１７、給水配管１５、及び湿分分離過熱器３３を備えている。
【００５４】
本発明による改善が適用される熱交換器のうち、給水系統における熱交換器である複数の給水加熱器は、第１高圧給水加熱器１６Ａ、第２高圧給水加熱器１６Ｂ、第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄである。これらの給水加熱器は、シェル・プレート式給水加熱器である。各低圧給水加熱器１７は、低圧タービン５からの抽気蒸気が、抽気配管２２，２３，２４，２５を介して供給される給水加熱器である。各高圧給水加熱器１６は、高圧タービン３、または高圧タービン３の出口側の主蒸気配管６からの抽気蒸気が抽気配管２０，２１を介して供給される給水加熱器である。なお、１００は、給水加熱器で生じた凝縮水ドレンの排出系統（ドレン配管）である。
【００５５】
高圧タービン３及び低圧タービン５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、主蒸気配管６によって原子炉２に接続される。隔離弁７及び主蒸気調節弁８が、原子炉２と高圧タービン３の間に存在する主蒸気配管６に設置される。
【００５６】
本発明による改善が適用される熱交換器のうち、蒸気系統における熱交換器である湿分分離過熱器３３が、高圧タービン３と低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃを接続している主蒸気配管６に設置される。湿分分離過熱器３３は湿分分離器４及び過熱器３４Ａ，３４Ｂを有する。上流から下流に向って、湿分分離器４、第１段過熱器３４Ａ及び第２段過熱器３４Ｂがこの順番に配置されている。これらの過熱器は、シェル・プレート式過熱器である。主蒸気調節弁８の上流で主蒸気配管６に接続された蒸気管３８が第２段過熱器３４Ｂに接続される。高圧タービン３に接続された蒸気管４２が第１段過熱器３４Ａに接続される。また、２６，３５，３９は、湿分分離器４及び過熱器３４Ａ，３４Ｂで生じたドレンを排出するためのドレン配管である。
【００５７】
高圧タービン３及び低圧タービン５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、１つの回転軸１０によって互いに連結され、さらに、発電機９にも連結される。本実施例は、１台の高圧タービン及び３台の低圧タービンを設けているが、発電プラントの種類によりこれらの台数を変えてもよい。
【００５８】
本実施例は、主蒸気系及び給水系を有する。主蒸気系は、高圧タービン３、湿分分離過熱器３３、低圧タービン５Ａ，５Ｂ，５Ｃ、主蒸気配管６及び復水器１１を有する。給水系は、給水配管１５、第１高圧給水加熱器１６Ａ、第２高圧給水加熱器１６Ｂ、第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ、第６低圧給水加熱器１７Ｄ、復水ポンプ１８及び給水ポンプ１９を有する。
【００５９】
復水器１１は、低圧タービン５Ｂの下方に配置され、低圧タービン５Ｂに蒸気排気通路３７によって接続されている。復水器１１は内部に複数の伝熱管１２を配置している。これらの伝熱管１２は、海水供給管１３Ａ及び海水排出管１３Ｂに接続される。海水循環ポンプ１４が海水供給管１３Ａに設置される。海水供給管１３Ａ及び海水排出管１３Ｂは海まで伸びている。
【００６０】
給水配管１５が復水器１１と原子炉２を接続する。第１高圧給水加熱器１６Ａ、第２高圧給水加熱器１６Ｂ、第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄは、原子炉２から復水器１１に向ってこの順番で給水配管１５に設置されている。復水ポンプ１８が復水器１１と第６低圧給水加熱器１７Ｄの間で給水配管１５に設けられる。
【００６１】
本実施例で用いられる第１高圧給水加熱器１６Ａ、第２高圧給水加熱器１６Ｂ、第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄのそれぞれは、伝熱管を有するシェル・チューブ式熱交換器を用いた従来の給水加熱器ではなく、伝熱プレートを有するシェル・プレート式熱交換器である給水加熱器を用いている。
【００６２】
伝熱プレートを有するシェル・プレート式熱交換器の詳細構造と、熱交換原理については、図３を用いて別途説明するとして、ここでは給水加熱器の簡単な構造を説明する。
【００６３】
まず、図１ａはシェル・プレート式給水加熱器の横断面図を示している。給水加熱器は、熱交換を行う２つの流体（給水と抽気）が導入され、排出される水室５２ａと、流体間での熱交換を行う胴部５０で構成される。水室５２ａは、仕切板５３により区画され、水室５２の断面を示す図１ｂに明らかなように、４つの室Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を形成する。なお、この図で、右側の水室５２ｂは、特に熱交換用に作用しない領域である。
【００６４】
第１高圧給水加熱器１６Ａの場合、室Ｒ１には抽気配管２０から抽気ＦＡ１が導入され、胴部５０で熱交換をした後の抽気ドレンＦＡ２（凝縮水）が、室Ｒ２を経由して水室５２ａ内の下端部に設置してある凝縮ポット５６に溜まる。なお、その後凝縮水は、ドレン管１００を経由して順次次段の給水加熱器（この場合には第２高圧給水加熱器１６Ｂ）に導かれる。このドレンはまだ多くの熱量を保有しているため、次段の給水加熱器の注水に混入されて、いっそうの熱回収を図る。ドレンは、最終的に復水器１１に導かれる。室Ｒ４には、被加熱側の流体である給水ＦＢ１が給水配管１５から導入され、胴部５０で熱交換をした後の高温給水ＦＢ２が室Ｒ３を経由して原子炉２に送られる。
【００６５】
水室５２ａと胴部５０は、管板５１で区切られている。横型の胴部５０内には、多数の伝熱プレート７３が積層された伝熱プレート層５４が、左右の管板５１の間に設けられた伝熱プレート層ガイド５４ｂにより中央部に固定されている。この波板から成る伝熱プレート層５４を介して、抽気蒸気ＦＡ１と給水ＦＢ１がほぼ完全な対向流で熱交換する。なお、高温の抽気蒸気は加熱流体として作用し、低温の給水は被加熱流体として作用する。抽気蒸気ＦＡ１は流れ方向に沿って熱を奪われて凝縮水ＦＡ２となり、最終的には凝縮ポット５６に溜まる。第１高圧給水加熱器１６Ａ以外の残りの全ての給水加熱器も、第１高圧給水加熱器１６Ａと同じ構成を有している。
【００６６】
図１Ｃは、胴部５０の断面図であり、１枚の伝熱プレート７３の表面における抽気の流れＡを図示している。この図で明らかなように、１枚の伝熱プレート７３は、断面円形の胴部５０に伝熱プレート層ガイド５４ｂにより中央部に固定されている。なお、胴部５０は円筒であり、伝熱プレート７４は長方形であるため、これらの間には伝熱プレート層ガイド５４ｂを介して中間媒体５５を封入し、熱交換性能を向上させることも可能である。
【００６７】
図１ｄは、胴部５０の断面図であり、１枚の伝熱プレート７３の裏面における給水の流れＢを図示している。これらの図１Ｃ、図１ｄを対比して明らかなように、伝熱プレート７３の表面を抽気が上から下に流れ、伝熱プレート７３の裏面を給水が下から上に流れることで熱交換を行っている。
【００６８】
次に、上記構成の給水加熱器で構成された給水系統の具体的な接続関係について図１（特に図１ｂ）、図２を参照して下流側（原子炉２側）から説明する。まず、第１高圧給水加熱器１６Ａの水室５２ａに接続された図１ｂ右上の給水配管１５が原子炉２に接続される。第２高圧給水加熱器１６Ｂの水室５２ａに接続された図１ｂ右上の給水配管１５が、第１高圧給水加熱器１６Ａの水室５２ａの室Ｒ４に連絡されるように、第１高圧給水加熱器１６Ａの水室５２ａに接続される。第２高圧給水加熱器１６Ｂと第３低圧給水加熱器１７Ａの間に配置された給水配管１５、第３低圧給水加熱器１７Ａと第４低圧給水加熱器１７Ｂの間に配置された給水配管１５、第４低圧給水加熱器１７Ｂの第５低圧給水加熱器１７Ｃの間に配置された給水配管１５及び第５低圧給水加熱器１７Ｃと第６低圧給水加熱器１７Ｄの間に配置された給水配管１５も、第１高圧給水加熱器１６Ａと第２高圧給水加熱器１６Ｂの間に配置された給水配管１５と同様に、上流に位置する給水加熱器の水室５２ａの上部と、下流に位置する給水加熱器の水室５２ａの底部に接続される。これらの関係は、要するに図１ｂにおいて、上流側からの給水を水室５２ａの室Ｒ４に導入し、水室５２ａの室Ｒ３から下流側の給水加熱器の室Ｒ４に送り、あるいは最終段では原子炉に送るように接続することである。なお、最上流の第６低圧給水加熱器１７Ｄと復水器１１の間に配置された給水配管１５は、第６低圧給水加熱器１７Ｄの水室５２内の室Ｒ４に連絡される。
【００６９】
高圧タービン３の抽気点で高圧タービン３に接続された抽気配管２０が第１高圧給水加熱器１６Ａに接続される。抽気配管２０は、高圧タービン３の第１段動翼よりも下流に位置した抽気点に設蔵される。抽気配管２０は、具体的には、図１ｂに示すように、第１高圧給水加熱器１６Ａの水室５２に接続され、凝縮した水となって上流側へ流出される。抽気配管２０のこの開口は、横置き給水加熱器の場合は水室５２の上部に配置されることが好ましい。過熱器３４Ａに接続されたドレン配管３５及び過熱器３４Ｂに接続されたドレン配管３９も、抽気配管２０と同様に、第１高圧給水加熱器１６Ａの水室５２の上部に接続される。ドレン配管３５，３９の水室５２の上部への接続位置は、凝縮水を溜める上端より上方でこの上端付近に存在する。
【００７０】
高圧タービン３と湿分分離過熱器３３の間に存在する主蒸気配管６に接続された抽気配管２１が第２高圧給水加熱器１６Ｂに接続される。抽気配管２１は、高圧タービン３の最終段の動翼より下流で高圧タービン３に接続してもよい。低圧タービン５Ｂの最上流の抽気点（低圧タービンの第１抽気点）で低圧タービン５Ｂに接続された抽気配管２２が第３低圧給水加熱器１７Ａに接続される。湿分分離器４に接続されたドレン配管２６が第３低圧給水加熱器１７Ａに接続される。低圧タービン５Ｂの上流から２番目の抽気点（低圧タービンの第２抽気点）で低圧タービン５Ｂに接続された抽気配管２３が第４低圧給水加熱器１７Ｂに接続される。低圧タービン５Ｂの上流から３番目の抽気点（低圧タービンの第３抽気点）で低圧タービン５Ｂに接続された抽気配管２４が第５低圧給水加熱器１７Ｃに接続される。低圧タービン５Ｂの最下流の抽気点（低圧タービンの第４抽気点）で低圧タービン５Ｂに接続された抽気配管２５が第６低圧給水加熱器１７Ｄに接続される。抽気配管２１，２２、ドレン配管２６及び抽気配管２３，２４，２５が、抽気配管２０と同様に、該当する給水加熱器の容器に接続される。上記した低圧タービンの第１、第２、第３及び第４の各抽気点は、低圧タービン５Ｂに設けられた複数の静翼の異なる段数の位置で、低圧タービン５Ｂのタービンケーシング（図示せず）に設けられる。
【００７１】
図２では、低圧タービン５Ｂが大きく低圧タービン５Ａ，５Ｃが小さくなっているが、これらの低圧タービンの大きさは同じである。図示されていないが、低圧タービン５Ａ及び５Ｃに対しても復水器１１がそれぞれ設けられており、各復水器１１にそれぞれ給水配管１５が接続されている。低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃに対応してそれぞれ設けられた合計３基の復水器１１にそれぞれ別々に接続された給水配管１５は、第２高圧給水加熱器１６Ｂの上流に位置する合流点で合流して第２高圧給水加熱器１６Ｂに接続される。
【００７２】
その合流点よりも上流に配置された、低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃごとに並列配置された３本の給水配管１５のうち、低圧タービン５Ａ及び５Ｃのそれぞれに対応して配置された各給水配管１５にも、低圧給水加熱器である第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄ、及び復水ポンプ１８が、この順序で下流から上流に向って設置されている。このため、低圧タービン５Ａ及び５Ｃのそれぞれに対応して、第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄ、及び復水ポンプ１８を設置した各給水配管１５が、第２高圧給水加熱器１６Ｂより上流に存在する上記の合流点よりも上流に配置されている。
【００７３】
低圧タービン５Ａ及び５Ｃには、低圧タービン５Ｂと同様に、第１、第２、第３及び第４の各抽気点が設けられる。低圧タービン５Ａの第１、第２、第３及び第４の各抽気点には、低圧タービン５Ｂと同様に、抽気配管２２，２３，２４及び２５が接続される。低圧タービン５Ａに接続された抽気配管２２，２３，２４及び２５は、低圧タービン５Ｂの場合と同様に、低圧タービン５Ａに対応して設けられた第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄの各容器２８に接続される。低圧タービン５Ｃの第１、第２、第３及び第４の各抽気点にも、低圧タービン５Ｂと同様に、抽気配管２２，２３，２４及び２５が接続される。低圧タービン５Ｃに接続された抽気配管２２，２３，２４及び２５は、低圧タービン５Ｂの場合と同様に、低圧タービン５Ｃに対応して設けられた第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄの各容器に接続される。
【００７４】
次に、上記のように構成された原子力プラントの動作状態を説明する。なお、以下の説明において、第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄ、抽気配管２２，２３，２４及び２５、及び第１、第２、第３及び第４の各抽気点は、特に断りが無ければ、低圧タービン５Ｂに対応して設けられたそれらを意味している。
【００７５】
原子炉２内の炉心（図示せず）には、例えばＢＷＲの場合、再循環ポンプ（図示せず）及びジェットポンプ（図示せず）によって冷却水が供給される。冷却水は炉心内に装荷された複数の燃料集合体（図示せず）に含まれた核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱され、冷却水の一部が蒸気になる。原子炉２で発生した蒸気は、主蒸気配管６を通って、高圧タービン３及び低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃにそれぞれ供給される。
【００７６】
高圧タービン３から排出された蒸気は、途中で、湿分分離器４により湿分が除去され、過熱器３４Ａ，３４Ｂによって過熱される。湿分分離器４により湿分が除去された蒸気の、過熱器３４Ａでの過熱は、高圧タービン３から抽気された蒸気を、蒸気管４２を通して過熱器３４Ａに供給することによって行われる。過熱器３４Ａで過熱された蒸気は、高圧タービン３の上流で主蒸気配管６から抽気した、蒸気管４２内を流れる蒸気よりも温度が高い蒸気を、蒸気管３８を通して過熱器３４Ｂに供給することによって行われる。過熱器３４Ｂで過熱された蒸気の温度は過熱器３４Ａで過熱された蒸気の温度よりも高くなる。過熱器３４Ｂから排気された蒸気は、低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃにそれぞれ導かれる。
【００７７】
湿分分離器４により除去された湿分は、ドレン水となってドレン配管２６に排出されて第３低圧給水加熱器１７Ａに供給される。蒸気管４２を通して過熱器３４Ａに供給された抽気蒸気は、過熱器３４Ａで、湿分分離器４で湿分を除去された蒸気を過熱することによって凝縮される。この蒸気の凝縮によって発生した飽和ドレン水は、ドレン配管３５を通して第１高圧給水加熱器１６Ａに供給される。蒸気管３８を通して過熱器３４Ｂに供給された抽気蒸気は、過熱器３４Ｂで、過熱器３４Ａで過熱された蒸気をさらに過熱することによって凝縮される。この蒸気の凝縮によって発生した飽和ドレン水は、ドレン配管３９を通して第１高圧給水加熱器１６Ａに供給される。ドレン配管３５，３９内を流れるそれぞれのこの飽和ドレン水の温度は、抽気配管２０内を流れる抽気蒸気の温度と実質的にほぼ同じである。
【００７８】
低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃ内の圧力は、高圧タービン３内の圧力よりも低くなっている。高圧タービン３及び低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃは、蒸気によって駆動され、発電機９を回転させる。これにより、電力が発生する。低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃから排気された蒸気は、各復水器１１で凝縮されて水になる。すなわち、海水が、海水循環ポンプ１４の駆動によって海水供給管１３Ａを通して各復水器１１内の各伝熱管１２内に供給される。低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃから排気された蒸気は、それぞれに対応して別々に設けられた各復水器１１内の伝熱管１２内を流れる海水によって冷却されて凝縮される。蒸気の凝縮により、各伝熱管１２内を流れる海水の温度が上昇する。各伝熱管１２から排出された海水は、海水排出管１３Ｂを通って海に放出される。
【００７９】
各復水器１１に別々に接続された各給水配管１５に設けられた復水ポンプ１８、及び給水ポンプ１９がそれぞれ駆動されている。各復水器１１で生成された凝縮水は、給水として、これらのポンプによって昇圧され、各給水配管１５を通り、第３低圧給水加熱器１７Ａと第２高圧給水加熱器１６Ｂの間で１本ないしは２本の給水配管１５に合流して原子炉２に供給される。３本の給水配管１５内を流れる給水は、各低圧タービンに対応してそれぞれ設けられた第６低圧給水加熱器１７Ｄ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ及び第３低圧給水加熱器１７Ａによって順次加熱される。給水は、第３低圧給水加熱器１７Ａと第２高圧給水加熱器１６Ｂの間に存在する、３本の給水配管１５の合流点よりも下流における１本ないしは２本の給水配管１５に設けられた第２高圧給水加熱器１６Ｂ及び第１高圧給水加熱器１６Ａによってさらに加熱されて温度を上昇させ、設定温度になった状態で原子炉２に供給される。給水ポンプ１９Ｅ，１９Ｆも駆動している。
【００８０】
給水は、第６低圧給水加熱器１７Ｄにおいて、低圧タービン５Ｂの第４抽気点から抽気されて抽気配管２５を通して供給される抽気蒸気によって加熱される。第６低圧給水加熱器１７Ｄで加熱された給水は、第５低圧給水加熱器１７Ｃにおいて、低圧タービン５Ｂの第３抽気点から抽気されて抽気配管２４を通して供給される抽気蒸気によってさらに加熱される。第５低圧給水加熱器１７Ｃで加熱された給水は、第４低圧給水加熱器１７Ｂにおいて、低圧タービン５Ｂの第２抽気点から抽気されて抽気配管２３を通して供給される抽気蒸気によってさらに加熱される。第４低圧給水加熱器１７Ｂで加熱された給水は、第３低圧給水加熱器１７Ａにおいて、低圧タービン５Ｂの第１抽気点から抽気されて抽気配管２２を通して供給される抽気蒸気、及び湿分分離器４から排出されてドレン配管２６を通して供給される飽和ドレン水によってさらに加熱される。
【００８１】
第３低圧給水加熱器１７Ａで加熱された給水は、第２高圧給水加熱器１６Ｂにおいて、主蒸気配管６から抽気されて抽気配管２１を通して供給される抽気蒸気によって加熱される。第２高圧給水加熱器１６Ｂで加熱された給水は、第１高圧給水加熱器１６Ａにおいて、高圧タービン３の抽気点から抽気されて抽気配管２０を通して供給される抽気蒸気、過熱器３４Ａから排出されてドレン配管３５を通して供給される飽和ドレン水、及び過熱器３４Ｂから排出されてドレン配管３９を通して供給される飽和ドレン水によって加熱される。原子炉２に供給される給水の温度は、６基の給水加熱器による加熱により、復水器１１から出た給水の温度よりも約１８０℃上昇する。
【００８２】
低圧タービン５Ａ及び５Ｃのそれぞれに対応して設けられた第６低圧給水加熱器１７Ｄ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ及び第３低圧給水加熱器１７Ａにおいても、上記した各抽気蒸気を用いてそれぞれの給水配管１５内を流れる給水が加熱される。
【００８３】
次に、図１ａに示した伝熱プレート層５４の具体的な構成を説明する。図３ａに本発明の好適な一実施例である実施例１の伝熱プレート７３が積層された伝熱プレート層５４の鳥瞰図を示す。この図では、左側の端にＳプレート７１、右側の端にＥプレート７２を設置し、この間に複数枚の伝熱プレート７３を積層している。この伝熱プレート７３は、数１０枚から数１００枚で１ユニットを構成している。これら伝熱プレート７３の間には、高圧に耐えられるように、サポート用リブ付き耐圧プレート７４が１枚おきに交互に挟み込まれている。
【００８４】
これら各部材のうち、左側端のＳプレート７１は、図１ａの左側管板５１に接しており、上下の左右端にそれぞれ孔７５，７７，７８，８０を有する。各孔７５，７７，７８，８０は、それぞれ管板５１を介して図１ｂの水室５２ａに区切られた４つの室Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に連通する。従って、流入孔７５からは抽気蒸気ＦＡ１が胴部５０内に流入し、流出孔７７からはドレンＦＡ２が胴部５０から水室５２に流出する。また、流入孔７８からは給水ＦＢ１が胴部５０内に流入し、流出孔８０からは高温給水ＦＢ２が胴部５０から水室５２に流出する。
【００８５】
右側端のＥプレート７２は、図１ａの右側管板５１に接しているが、上下の左右端に孔７５，７７，７８，８０を備えていない。これに対し、Ｓプレート７１とＥプレート７２の間の、複数枚の伝熱プレート７３ならびにサポート用リブ付き耐圧プレート７４には、Ｓプレート７１の上下の左右端の孔７５，７７，７８，８０に対応する位置に孔が設けられている。
【００８６】
複数枚の伝熱プレート７３ならびにサポート用リブ付き耐圧プレート７４は、交互に配置されて数１０枚から数１００枚で１システムユニット（伝熱プレート層５４）を構成しているが、伝熱プレート１ユニット５４ａとしては、交互に配置された１枚の伝熱プレート７３と、２枚のサポート用リブ付き耐圧プレート７４で形成する。
【００８７】
つまり、伝熱プレート１ユニット５４ａとしては、最初の１枚のサポート用リブ付き耐圧プレート７４と、次の１枚の伝熱プレート７３で、孔７５と７７の間に抽気流路７６Ｃを形成する。また、この１枚の伝熱プレート７３と，更に次の１枚のサポート用リブ付き耐圧プレート７４とで、孔７８と８０の間に給水流路７９Ｃを形成する。つまり、２枚のサポート用リブ付き耐圧プレート７４で１枚の伝熱プレート７３を挟みこむことにより、１枚の伝熱プレート７３の表面に抽気流路７６Ｃを形成し、裏面に給水流路７９Ｃを形成する。このため、互いに重なり合うサポート用リブ付き耐圧プレート７４と、伝熱プレート７３は、交互に上記の流路を形成するように厚みや、大きさが設定されている。
【００８８】
図３ｂは、図３ａの構造としたときに抽気流路７６Ｃが形成される部位を示したものであり、図３Ｃは図３ａの構造としたときに給水流路７９Ｃが形成される部位を示したものである。要するに、伝熱プレート７３の一方面側に抽気流路７６Ｃが形成されるときに、その反対面側に給水流路７９Ｃが形成されるように成し、かつ抽気流路７６Ｃと給水流路７９Ｃは流れる方向が互いに逆方向とされている。
【００８９】
サポート用リブ付き耐圧プレート７４は、上記の流路を形成するために伝熱プレート７３の間の間隔を規定する目的を有する。また、この目的以外に、伝熱プレート７３を挟んだ二流体の差圧で薄いプレートが変形しないように、微少セル化することで面圧を小さくするため、周辺のフレーム以外に内部にある中央部に少なくとも１つ以上のサポート用リブ７４ａを設置している。また、リブの向きは流動損失を低減するため、流体の流れ方向にほぼ並行となるのが望ましい。これら複数の伝熱プレート７３及びサポート用リブ付き耐圧プレート７４を交互に設置して、両側からＳプレート７１及びＥプレート７２で挟み込む。
【００９０】
もし、座屈現象のように大変形しない範囲であれば、Ｓプレート７１とＥプレート７２で挟まれた熱交換要素の長さは２〜３ｍ程度となる場合もある。このように、熱交換要素としての積層構成は実に簡単である。また、オーバーホールして分解・点検、清掃なども容易である。さらに、初期設計で決められた伝熱面積の枚数から運転条件などの変更により熱交換仕様を変更する場合、サポート用リブ付き耐圧プレート７４と伝熱プレート７３の枚数を適宜必要枚数まで増やせば、交換熱量の変更に応じて改造作業が容易となる。
【００９１】
この時、これら多数のプレートの接合法には、次の３種類が考えられる。まず、サポート用リブ付き耐圧プレート７４が塑性変形する材料で、シール用に両側のＳ及びＥプレートをボルトのようなもので締め付けることにより、それ自身の材料が変形してシールする方法である。次に、Ｓ及びＥプレート、伝熱プレートそしてサポート用リブ付き耐圧プレート全体を加熱して、約１０００℃程度で溶融するロー付け工法とする。最後に、ロー付け接合の代わりにこれらを溶接接合とする工法もある。
【００９２】
次に、それぞれの流体の流れ方を説明する。例えば、同じＳプレート７１から入って出る場合は、抽気は流入孔７５から入って、左下端部の流出孔７７から出る。給水は流入孔７８から入って、右上端部の流出孔８０から出る。流れ方は、伝熱プレート上に開けられた孔と流路をコントロールするサポート用リブ７４ａの形状、そしてそれらを積層する方向によって種々の組合せがある。このようなユニットあるいはスタックを１ブロックとして、熱交換に必要なブロック数をマルチ化して積層すればよい。
【００９３】
なお、それぞれの流体の流れ方に関連し、図１の給水加熱器の場合には給水加熱器の一方端に抽気と給水を導入し、かつ排出している構造を説明したが、これは任意の配置とできることは言うまでもない。例えば、図１ａの左側水室５２ａから導入して、右側の水室５２ｂに抜けるものであってもよい。あるいは、抽気と給水が逆方向に流れるものであってもよい。要は、伝熱プレート層５４の部分においては、図３ａのように伝熱プレート７３の両面に抽気流路７６Ｃと、給水流路７９Ｃが形成されるような関係を保てれば、その流体の前後がどのように流路形成されてもよい。
【００９４】
図４に本発明の好適な一実施例である実施例１の伝熱プレート７３の概略図を示す。これは、１枚の伝熱プレート７３を正面から見た図である。伝熱プレート７３の上下左右の四隅には、抽気の流入・流出孔７５，７７、給水の流入・流出孔７８，８０が開いている。図３ｂ、図３ｃに示したように、伝熱プレート７３は一方面に抽気流路７６Ｃを形成し、他方面に給水流路７９Ｃを形成する。
【００９５】
図４ａは、伝熱プレート７３に抽気流路７６Ｃを形成する為の面形状の一例を、図４ｂは、伝熱プレート７３に給水流路７９Ｃを形成する為の面形状の一例をそれぞれ示している。この図に明らかなように、抽気の場合の流入・流出孔７５，７７の間の最短経路と、給水の場合の流入・流出孔７８，８０の間の最短経路には、凸状の波板部７３ａが形成されている。このため、抽気流路７６Ｃとしては、流路抵抗の少ない流入・流出孔７５，７７に近い側に多くの抽気が流れ、給水流路７９Ｃとしては、流路抵抗の少ない流入・流出孔７８，８０に近い側に多くの給水が流れることになる。
【００９６】
この結果、１枚の伝熱プレート７３の表面（図４ａ）では、流入・流出孔７５，７７に近い側に多くの抽気が流れてこの部分を加熱し、裏面（図４ｂ）では、流入・流出孔７８，８０に近い側に多くの給水が流れてこの部分を冷却する。そのため、１枚の伝熱プレート７３を介在して、表面の抽気から裏面の給水に対する熱交換が効率よく実施される。
【００９７】
この熱交換を効率よく行わせるためには、抽気や給水を最短経路で通さないことであり、この目的のために面の半分には、プレス加工により平板上に緩やかな波板状７３ａの流路を与えている。波板の全体の構成は、中央部が凸の緩やかな山型形状７３ａになっている。この形状は、流れに大きな流動損失を与えずに、波板による伝熱促進効果を狙ったものである。このピッチ、流れ方向に対する角度などの主要な設計因子は、主に熱交換する流体の圧力損失と熱伝達率によって決められており、これら必要な性能に応じて、適宜、波板の形状・寸法を採用している。
【００９８】
図５に本発明の好適な一実施例である実施例１のサポート用リブ付き耐圧プレートの概略図を示す。図５ａはサポート用リブ付き耐圧プレートの平面図であり、図５ｂはそのＡ−Ａ断面図を示している。サポート用リブ付き耐圧プレート７４は、伝熱プレート７３の間の間隔を規定する以外に、伝熱プレートを挟んだ二流体の差圧で薄いプレートが変形しないように、周辺のプレート以外に内部にある中央部に少なくとも１つ以上のサポート用リブ７４ａが設置されている。また、リブの向きは流体の流れ方向にほぼ並行となるのが望ましい。この図では、中央部に複数本のサポート用リブ７４ａを設置している。これは、他の実施例に示したように、他のいくつかの実施例が考えられる。
【００９９】
図６に本発明の好適な一実施例である実施例１の伝熱プレートの流路の断面図を示す。この図では、給水加熱器の熱交換を例としている。左下から給水ＦＢ１が流れ、左上から抽気蒸気ＦＡ１が流れる対向流熱交換方式の場合を示している。この断面図からも明らかなように、波板７３ａは緩やかなサインカーブの形状を有し、ほとんど同位相で繰り返されている。従って、それら流路の幅は流れ方向にほとんど変化しない。
【０１００】
そこで、給水と抽気蒸気が熱交換する場合、給水ＦＢ１は入口から流れ方向に沿って熱交換して顕熱により温度上昇して昇温するだけである。一方、抽気蒸気ＦＡ１は飽和蒸気または湿り蒸気で流れてきて、熱交換しながら飽和の凝縮水を生成することになる。ここで、蒸気が凝縮されて飽和液になる場合、大きな体積変化が生じるため、相変化に伴うハンマーリング現象を生じる可能性がある。これにより、急激な衝撃圧力が発生する場合がある。
【０１０１】
このような凝縮する側の流体の体積変化による急激な衝撃圧力の発生による波板への荷重を低減するため、蒸気側の流路の体積を給水側の約２倍まで拡大して、凝縮ハンマーリング現象を緩和する方法をとる。そこで、本発明では波板の流路幅の比が次の関係を満足する範囲以内とする。
［数１］
１≦δｖ／δｆ≦２ （１）
但し、δｖは凝縮する流体（抽気）が通過する波板の流路幅、δｆは凝縮しない流体（給水）が通過する波板の流路幅を示す。
【０１０２】
また、熱交換現象を考えると、それぞれの流体の熱伝達率と波板厚さｔにより決まる熱抵抗Ｔｗから総括伝熱係数Ｋが決まる。ここで、給水側の強制対流熱伝達率ｈｆに比べて、抽気蒸気側の凝縮熱伝達率ｈｖは相変化による潜熱移動があるため、約１桁以上性能が大きくなる。従って、給水側の熱伝達率ｈｆの最低限の値を確保するように設計するのが望ましい。この場合、波板厚さｔによる熱抵抗も小さくするため、板厚は厚くても１ｍｍから２ｍｍ程度の範囲にする必要がある。
【０１０３】
一方、熱交換する二流体にはそれぞれ供給される圧力条件があり、その差圧ΔＰに耐えうる板厚ｔが必要となる。ここで、もし図３及び図５に示すサポート用リブ付き耐圧プレート７４がなければ、この大きな圧力差による平板の変形は厳しい状態となる。それに比べて、本発明では図示したように、伝熱プレートの平板を細かく分割し、平板で受ける差圧による変形を抑制することができるため、伝熱プレートの板厚ｔを薄く保持することができる。
【０１０４】
例えば、抽気蒸気の圧力条件としては、１．３ＭＰａから最大２．４ＭＰａの範囲となる。一方、給水の圧力は０．５ＭＰａから７ＭＰａまでの広範囲となる。そこで、各給水加熱器において、各種流体の差圧（０．１〜１．５ＭＰａ）に対して適切に伝熱プレートの設計仕様を決定するには、熱交換する二流体の差圧ΔＰと熱交換する二流体を挟んだ波板厚ｔの関係として、特に総括伝熱係数が１ｋＷ／ｍ２Ｋ以上となるように次の範囲を満足する必要がある。
［数２］
１ｘ１０３≦ΔＰ／ｔ≦１ｘ１０４ ＭＰａ／ｍ （２）
発明者らは、本実施例で用いたシェル・プレート式給水加熱器である第１高圧給水加熱器１６Ａの熱交換特性を検討した。この検討結果を、図７及び図８を用いて以下に説明する。この検討においては、従来の伝熱管を用いた間接式給水加熱器の熱交換特性も併せて検討した。
【０１０５】
図７ａは第１高圧給水加熱器１６Ａに従来のシェル・チューブ式給水加熱器を用いた熱交換を示し、図７ｂはシェル・プレート式給水加熱器を用いた熱交換を示している。図７ａの横軸は第１高圧給水加熱器１６Ａの給水の流れ方向における位置Ｘ１を示している。具体的には、位置Ｘ１はシェル・チューブ式給水加熱器の伝熱管の入口端からの位置である。図７ｂの横軸は給水の流れ方向における位置Ｘ２を示している。図７ａ及び図７ｂの縦軸は温度を示している。
【０１０６】
第１高圧給水加熱器１６Ａがシェル・チューブ式給水加熱器（図７ａ）では、熱交換する二流体の温度差を表すターミナル温度差ＴＤ及びドレーンクーラー温度差ＤＣが両方とも大きな値である。これに対して、シェル・プレート式給水加熱器では、ターミナル温度差ＴＤ及びドレーンクーラー温度差ＤＣともに小さくなっている。これは、二流体が熱交換する際、熱を伝えるために熱抵抗となる要素の大小の影響を受けている。
【０１０７】
第１高圧給水加熱器１６Ａがシェル・チューブ式給水加熱器の場合の熱抵抗回路網（図７ａ参照）は、伝熱管を有するために３種類の熱抵抗（１／ｈｓ、ｔ／λ、１／ｈｔ）から構成されるのと同様に、シェル・プレート式給水加熱器からなる熱抵抗回路網（図７ｂ参照）も３種類の熱抵抗（１／ｈｓ、ｔ／λ、１／ｈｐ）からなる。しかし、波板間を流れることにより乱流促進効果が発生し、シェル・プレート式給水加熱器の場合は、熱伝達率ｈｓ及びｈｐともに大きくなる。したがって、第１高圧給水加熱器１６Ａにおける熱伝達率、すなわち熱通過率が従来のシェル・チューブ式給水加熱器よりも大きくなるので、第１高圧給水加熱器１６Ａにおけるターミナル温度差ＴＤ及びドレーンクーラー温度差ＤＣがともに小さくなる。
【０１０８】
図８はシェル・プレート式給水加熱器の熱交換性能と空間体積の関係図を示す。図８の横軸は給水加熱器の容積Ｖを示し、縦軸は圧損ΔＰに対する交換熱量Ｑの比を示している。
【０１０９】
この解析結果によれば、図７ａのシェル・チューブ式給水加熱器の場合の給水加熱器の容積Ｖを１．０、圧損ΔＰに対する交換熱量Ｑの比を１．０として、標準化した場合に比べて、本発明の場合は、空間容積を約１／５に減少することができる。その上、波板の緩やかな形状を利用することで大きな伝熱促進効果を期待できるため、圧損は現状並みで、熱交換性能が約１．２倍以上の性能となる。また、分解・点検のスペースも大幅に縮小できるメリットもある。
【０１１０】
一方、参考として、空間容積を約１／８に減少することができて、熱交換性能も本発明と同じ程度確保できるプレート・フィン式も図示した。この結果では性能的にはプレート・フィン式に利があるが、この方式は１００℃以下、０．２ＭＰａ以下と低温・低圧での使用に限られており、発電プラントで使用する流体条件には合致しない。従って、本発明の特徴は、高温・高圧条件で使用しても、コンパクトで高性能な熱交換性能を確保することができる点である。
【０１１１】
以上に述べた第１高圧給水加熱器１６Ａにおける容積の約１／５への低減、及び熱交換性能の約１．２倍向上は、沸騰水型原子力発電プラント１における残りの５基の給水加熱器１６Ｂ，１７Ａ〜１７Ｄでも達成することができる。
【０１１２】
既設の沸騰水型原子力発電プラントでは、設置されている複数のシェル・チューブ式給水加熱器をなんら変更せずに、コンパクトで高性能なシェル・プレート式給水加熱器を一基追設するだけで、原子炉２に供給される給水の温度を２０℃程度上昇させることもできる。
【０１１３】
給水配管１５に設けられた６基の給水加熱器が、全て、シェル・プレート式給水加熱器である場合、最終段の第１高圧給水加熱器１６Ａから原子炉２に供給される給水の温度が、６基の給水加熱器が、全て、シェル・チューブ式給水加熱器である場合に比べて、前者の熱交換性能は後者の熱交換性能の約１．２倍になる。本実施例は、６基のシェル・プレート式給水加熱器を給水配管１５に設けているので、給水配管１５が設置されるタービン建屋をコンパクト化することができる。
【０１１４】
また、本実施例は、容器５０内の波板を介して給水と蒸気とが安定に熱交換しているので、前述した蒸気インジェクタを用いた場合に生じる給水の流動が不安定になることを防止することができる。
【０１１５】
本実施例では、高圧タービン３及び低圧タービン５Ａ、５Ｂ，５Ｃ等から抽気した抽気蒸気を、シェル・プレート式給水加熱器である高圧給水加熱器１６Ａ，１６Ｂ及び低圧給水加熱器１７Ａ〜１７Ｄに供給してそれぞれの容器５０内で給水と熱交換させて給水を加熱しているので、原子炉２で発生した蒸気の熱が回収されて原子炉２に供給される給水の温度を上昇させることができる。このため、沸騰水型原子力発電プラント１の熱効率が向上する。特に、容器５０内で容積当たりの伝熱面積が大きくなるコンパクトな伝熱プレート要素で給水と蒸気を熱交換させるので、熱交換を行う両方の流体における温度差が小さくても、大きな交換熱量を確保することができる。例えば、現状のシェル・チューブ式給水加熱器を本発明のシェル・プレート式給水加熱器に全て変えることで、原子炉へ供給する給水温度を最低でも２３５℃以上、最大２５０℃以上まで上昇することができるため、熱効率を約０．３％程度向上させることができる。
【０１１６】
このように本実施例では、全ての給水加熱器で給水と抽気蒸気の流体間で熱交換を行うため、全ての給水加熱器における熱交換性能が高性能になる。このため、本実施例では、全ての給水加熱器がシェル・チューブ式給水加熱器である従来の沸騰水型原子力発電プラントのように、給水加熱器に供給する抽気蒸気の流量を多くする必要が無く、少ない抽気蒸気でも給水温度を十分上昇させることができる。
【０１１７】
この結果、沸騰水型原子力発電プラント１では、原子炉の定格出力運転では、炉水と主蒸気のエンタルピ差が小さくなった分だけ、主蒸気流量が増加する。全ての給水加熱器がシェル・チューブ式給水加熱器である従来の沸騰水型原子力発電プラントに比べて、沸騰水型原子力発電プラント１では、高圧タービン３及び低圧タービン５Ａ，５Ｂ，５Ｃに供給される蒸気量が増加する。したがって、本実施例では、高圧タービン３及び各低圧タービンでの蒸気による仕事量が増大し、電気出力を向上させることができる。これは、沸騰水型原子力発電プラント１において、定格の原子炉出力をさらに増大させる出力向上運転を実質的に行っていることになる。
【０１１８】
本実施例は、シェル・プレート式給水加熱器である高圧給水加熱器１６Ａ，１６Ｂ及び低圧給水加熱器１７Ａ〜１７Ｄを給水配管１５に設置して、高圧タービン３あるいは低圧タービンからの抽気蒸気を給水に熱交換させて凝縮させる凝縮熱伝達により、抽気蒸気と給水の間で効率の良い熱交換を行うことができる。このため、少ないエネルギーで給水の温度を上昇することができる。各低圧タービンに供給される蒸気の温度が上昇して低圧タービン内での蒸気の膨張量が増大するので、低圧タービンでの蒸気による仕事量が増加する。これによっても、沸騰水型原子力発電プラント１の電気出力がさらに向上する。
【０１１９】
本実施例では、高圧タービン及び低圧タービンから抽気されて該当するシェル・プレート式給水加熱器に供給される抽気蒸気の流量が少なくて済むため、高圧タービン及び低圧タービンで仕事をする主蒸気流量が増加し、電気出力が向上する。さらに、蒸気発生装置である原子炉２で発生した熱を沸騰水型原子力発電プラント１内で有効に利用することができ、復水器１１から海水排出管１３Ｂを通して海に排出される温排水の熱量を低減することができる。したがって、再生サイクルの沸騰水型原子力発電プラント１における熱効率をさらに向上させることができる。
【０１２０】
次に、湿分分離過熱器に、本発明のシェル・プレート式給水加熱器を適用した場合のシステム構成の一例を、図９を用いて具体的に説明する。図９に示すように、湿分分離過熱器３３は、横置き式の容器４１内に、主要機器として、湿分分離器４３、第１段過熱器３４Ａ及び第２段過熱器３４Ｂを設置する。湿分分離器４３は容器内の下部へＹ字型に配置する。
【０１２１】
ここで、湿分分離器４３は容器４１の下部から流入してきた湿り蒸気４０ａ中の湿り液滴を除去する機構を有するものである。その上流には、蒸気均一流入機構４２を設置することで、下から流入した蒸気４０ａが、Ｙ字型に配置された湿分分離器４３に均一に流入するように整流を行う。
【０１２２】
湿分分離器４３で湿分が除去され、湿分分離器４３から排出された主蒸気流４０は、次に、容器４１内の中央部の上流側に配置された第１段過熱器３４Ａに導かれ、高圧タービンから抽気された蒸気を用いて過熱される。また、容器４１内の上部の下流側に配置された第２段過熱器３４Ｂは、第１段過熱器３４Ａで過熱された蒸気を、高圧タービンより上流の主蒸気配管から抽気された蒸気４９ａを用いて過熱する。そして、第２段過熱器３４Ｂで過熱された蒸気４０ｂが低圧タービンに供給される。
【０１２３】
これに対し、主蒸気流４０を過熱するための抽気蒸気流４９ａは、入り口側蒸気室４７に導かれ、第１段過熱器３４Ａ及び第２段過熱器３４Ｂでの熱交換の後に出口側蒸気室４８から飽和凝縮ドレーン水４９ｂとして排出される。
【０１２４】
図９の湿分分離過熱器の場合に、図１の給水加熱器とは、加熱流体、被加熱流体の導入、排出位置は相違しているが、ここで、第１段過熱器３４Ａ及び第２段過熱器３４Ｂもまた、シェル・プレート式熱交換器であり、伝熱プレート層５４で構成される。なお、これら伝熱プレート層５４と容器４１の間を隔離するため、伝熱プレート層５４の外部にはガイド機構４６を設置している。これらの間には、中間媒体を封入しても良い。
【０１２５】
以上、ＢＷＲあるいはＡＢＷＲの沸騰水型原子力発電プラントの熱効率を向上させるために、湿分分離器の湿分分離効率を向上し、さらに湿分分離過熱器をコンパクトで高性能化することができるため、再熱サイクル向上によりプラント効率は向上する。また、従来の湿分分離過熱器の容器が小型化するため、湿分分離過熱器を設置する際の建屋全体へのコンパクト化に対しても寄与することができる。
【０１２６】
本実施例は、第１段過熱器及び第２段過熱器に従来の伝熱管を設置せずに、シェル・プレート式熱交換器である伝熱プレートを設置しているため、過熱用熱交換要素が大きくならない。それゆえ、上記の給水加熱器と同様に、湿分分離過熱器の熱交換性能が向上する。このため、沸騰水型原子力発電プラントの熱効率を向上させることができる。
【０１２７】
これにより、低圧タービンの翼のエロージョンなどによる健全性を確保することができると同時に、ＢＷＲプラントの熱効率を向上させることも可能になる。
【０１２８】
本実施例は、炉心に冷却水を供給するポンプとしてインターナルポンプを用いた改良型沸騰水型原子力発電プラント（ＡＢＷＲ発電プラント）にも適用することができる。後述の実施例２から実施例４も、ＡＢＷＲ発電プラントに適用することができる。
【０１２９】
本実施例の沸騰水型原子力発電プラント１では、伝熱管を有するシェル・チューブ式熱交換器を用いた給水加熱器ではなく、伝熱管を設けていないシェル・プレート式熱交換器、すなわち、容器５０内で、波板プレートを介して給水ポンプで供給される給水（サブクール水）と高圧タービン３からの抽気蒸気を凝縮させて熱交換させる給水加熱器（例えば、第１高圧給水加熱器１６Ａ）を用いることができる。
【実施例２】
【０１３０】
図１０に、本発明の他の実施例である実施例２の伝熱プレートの概略図を示す。１枚の伝熱プレート７３を正面から見た図である。上下左右の四隅に、加熱流体ＦＡと被加熱流体ＦＢの流入・流出孔（７５，７７，７８，８０）が開いている。それ以外の面には、プレス加工により平板上に緩やかな波板状の流路７３ｂを与えている。波板の全体の構成は、中央部が凹の緩やかな山型になっている。これは、図４と反対の形状になっている。この形状も、流れに大きな損失を与えずに、波板による伝熱促進効果を狙ったものの一つである。このピッチ、流れ方向に対する角度などの主要な設計因子は、主に熱交換する流体の圧力損失と熱伝達率によって決められており、これら必要な性能に応じて、適宜、波板の形状・寸法を採用している。
【実施例３】
【０１３１】
図１１に、本発明の他の実施例である実施例３のサポート用リブ付き耐圧プレート７４の概略図を示す。図５に示した最も簡単な中央部に多数本設置したサポート用リブ７４ａに比べて、図１１ではネクタイ型のサポート用リブ７４ｂが設置されている。これにより、伝熱プレート７３の耐圧強度の向上を図ると同時に、熱交換する流体の流れを大幅に変更することがないため、圧損及び熱伝達率に大きな影響を及ぼすことがないなどの特徴もある。
【０１３２】
なお、図５に示す他の実施例以外にも、伝熱プレートの変形を防止するように、微少セルに分割するサポート用リブの例は多数ある。
【実施例４】
【０１３３】
本発明のシェル・プレート式熱交換器の熱交換要素は、発電プラント内において、湿分分離過熱器ＭＳＨや給水加熱器以外に、低温の海水と低圧タービンからの低圧の主蒸気が凝縮を伴う熱交換する復水器などの熱交換器にも用いてもよい。
【０１３４】
この場合に、熱交換器である復水器は、蒸気タービンから排出された蒸気を加熱流体とし、冷却水である海水を被加熱流体として熱交換を行うように構成される。この場合にも、熱交換器の装置構成は、図１、あるいは図３の熱交換の思想を利用して実現することが可能である。
【実施例５】
【０１３５】
本発明のシェル・プレート式熱交換器の熱交換要素は、原子力発電プラント内において、湿分分離過熱器ＭＳＨや給水加熱器以外に、除熱手段として、動的な低圧注水系の除熱運転モードである残留熱除去系（ＲＨＲ）、またはポンプなどの駆動源なしで自然力により蒸気を凝縮するシステムである非常用復水器（ＩＣ）及び静的格納容器冷却系（ＰＣＣＳ）、あるいは補機冷却器などの熱交換器にも用いてもよい。
【０１３６】
なお、本実施例は沸騰水型軽水炉プラントを例にしたが、本発明は加圧水型軽水炉の２次系やその他の形式の原子力発電システムにも適用可能である。また、原子力発電以外の化石燃料を用いた発電プラントの各種熱交換器に適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明は、沸騰水型原子力発電プラント及び加圧水型原子力プラント等の原子力発電プラント、及び火力発電プラントのような発電プラントに適用することができる。
【符号の説明】
【０１３８】
１…沸騰水型原子力発電プラント
２…原子炉
３…高圧タービン
４…湿分分離器
５…低圧タービン
６…主蒸気配管
８…主蒸気調節弁
９…発電機
１０…主軸
１１…復水器
１２…伝熱管
１３Ｂ…海水排出管
１４…海水循環ポンプ
１５…給水配管
１６…高圧給水加熱器
１７…低圧給水加熱器
１８…復水ポンプ
１９…給水ポンプ
２０〜２５…抽気配管
２６，３５，３９…ドレン配管
３３…湿分分離過熱器
３４Ａ…第１段過熱器
３４Ｂ…第２段過熱器
４０…主蒸気流
４１…胴
４２…蒸気均一流入機構
４６…伝熱プレート層ガイド
４７…入口側蒸気室
４８…出口側蒸気室
４９…抽気蒸気流
４９ａ…抽気蒸気流入
４９ｂ…抽気蒸気流出
５０…胴
５１…管板
５２…水室
５３…仕切り板
５４…伝熱プレート層
５４ａ…伝熱プレート１ユニット
５４ｂ…伝熱プレート層ガイド
５５…中間媒体
５６…凝縮水ポット
７１…Ｓプレート
７２…Ｅプレート
７３…伝熱プレート
７３ａ…波型形状
７４…サポート用リブ付き耐圧プレート
７５…抽気蒸気流入孔
７７…抽気蒸気流出孔
７８…給水流入孔
８０…給水流出孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラントに係り、特にシェル・プレート式熱交換器と、これを備えた発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントには、幾つかの型式のものがある。例えば化石燃料を用いたボイラで蒸気を発生させる火力発電プラント、原子炉を使用し、核分裂により発生する熱を利用する原子力発電プラントなどである。これらの型式の発電プラントは更に細分化することができるが、いずれの場合にも蒸気タービンからの抽気を使用して給水などを加熱することで、発電プラント全体の発電効率を上げている。
【０００３】
本発明は、発電プラントにおいて給水などの熱交換を効率よく行う技術に関するものであるので、発電プラントの型式は上記のいずれであってもよいが、ここでは沸騰水型軽水炉（以下、ＢＷＲと称す）原子力発電プラントの事例で説明する。
【０００４】
従来の沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）原子力発電プラントは、核分裂性物質を含む原子炉で水を沸騰させ、沸騰によって発生した蒸気を、主蒸気配管を通して高圧タービン及び低圧タービンに供給し、これらのタービンを回転させて主軸と連動した発電機を回して発電を行っている。
【０００５】
タービンで仕事をし、低圧タービンから排気された蒸気は、復水器で凝縮されて水になる。この水は、給水として給水配管により再び原子炉に供給される。給水は、給水配管に設けられた給水ポンプによって昇圧され、給水配管に設けられた６基の給水加熱器（４基の低圧給水加熱器及び２基の高圧給水加熱器）によって加熱されて昇温され、原子炉圧力容器内に給水される。
【０００６】
沸騰水型原子力発電プラントでは、まず原子炉の熱出力を決定し、この熱出力で最高の熱効率が得られるように、原子炉より下流での蒸気の流れ（主蒸気配管及びタービン等での蒸気の流れ）を最適化している。
【０００７】
具体的には、低圧タービンから排気された蒸気を復水器で凝縮して水にした場合、熱サイクルの原理から通常の原子炉圧力（約７ＭＰａ）では水の潜熱は発電に用いることができないため復水器から外部に排出されて無駄になる。そこで、沸騰水型原子力発電プラントの熱効率を向上させるために、高圧タービン及び低圧タービンから蒸気の一部を抽気して高圧給水加熱器及び低圧給水加熱器に供給し、これらの給水加熱器においてその抽気蒸気を用いて給水を加熱することが行われている。この場合、抽気された蒸気が保有している熱は、給水の加熱に用いられることよって、そのほとんどが回収され、沸騰水型原子力発電プラントの熱効率が向上する。
【０００８】
一般に、再循環ポンプとジェットポンプの再循環系を用い、湿分分離器ＭＳを備えている沸騰水型軽水炉ＢＷＲにおいては、原子炉で発生した蒸気のうち最終的に低圧タービンから復水器に排気される蒸気の量は約２／３弱であり、残りの約１／３強の蒸気は抽気蒸気として給水の加熱に用いられる。
【０００９】
湿分分離器ＭＳの替わりに湿分分離過熱器ＭＳＨを設置した改良型沸騰水型軽水炉（ＡＢＷＲ）においても、主蒸気のうち最終的に低圧タービン出口から復水器に送られる蒸気の量はＢＷＲと同様に約２／３弱である。
【００１０】
特許文献１、特許文献２の沸騰水型原子力発電プラントでは、高圧タービンあるいは低圧タービンから抽気された蒸気を高圧あるいは低圧給水加熱器へ供給して、給水を加熱することが行われている。ここで使用される高圧給水加熱器及び低圧給水加熱器は、一般的にシェル・チューブ式熱交換器の型式であって、胴体（シェル）内に多数のＵ字型伝熱管（チューブ）を設置しており、伝熱管内を流れる給水と胴体内で伝熱管外を流れる抽気蒸気とが熱交換して給水の温度が上昇する。なお、高圧タービンから抽気された蒸気が高圧給水加熱器に供給され、低圧タービンから抽気された蒸気が低圧給水加熱器に供給される。
【００１１】
以上説明した抽気を利用した給水の加熱によるプラント効率向上対策は、前記した多くの発電プラントにおいて実施されている。ここで、給水加熱器は抽気と給水との間で熱交換を行う熱交換器であって、加熱流体を抽気とし、被加熱流体を給水とする熱交換器である。この給水との熱交換は、再生効率による性能向上を図ったものである。
【００１２】
これに対し、発電プラントの中には、さらに蒸気側でも抽気との間での熱交換を行うものがある。前記の湿分分離器ＭＳの替わりに湿分分離過熱器ＭＳＨを設置した改良型沸騰水型軽水炉（ＡＢＷＲ）においては、湿分分離過熱器ＭＳＨは、湿分分離器と、その後流側の第１段過熱器及び第２段過熱器を有する。上流側の第１段過熱器は、高圧タービンから抽気された蒸気を用いて、湿分分離器で湿分が除去された蒸気を過熱する。下流側の第２段過熱器は、第１段過熱器で過熱された蒸気を、高圧タービンより上流の主蒸気配管から抽気された蒸気を用いて過熱する。第２段過熱器で過熱された主蒸気が低圧タービンに供給される。
【００１３】
ここで、湿分分離器の後流側の第１段過熱器及び第２段過熱器は、抽気と蒸気との間で熱交換を行う熱交換器であって、加熱流体を抽気とし、被加熱流体を蒸気とする熱交換器である。これにより、給水側での熱交換による効率向上と相俟って、よりいっそう高効率とすることができる。この蒸気との熱交換は、再熱効率による性能向上を図ったものである。
【００１４】
このように、沸騰水型軽水炉ＢＷＲあるいは改良型沸騰水型軽水炉ＡＢＷＲの沸騰水型原子力発電プラントの熱効率を向上させるために、給水加熱器を設置して再生効率により性能が向上すること、及び湿分分離器ＭＳの湿分分離効率を向上し、さらに湿分分離器ＭＳに過熱器を追設して再熱効率により性能が向上することは、一般的に知られている。
【００１５】
しかしながら、湿分分離過熱器ＭＳＨは大きな胴体内に湿分分離器と伝熱管から構成される第１段過熱器及び第２段過熱器を設置しているため、現状の構造ではコンパクトにすることは困難である。また、従来の湿分分離過熱器ＭＳＨの容器は大型化のため、湿分分離過熱器ＭＳＨを設置する建屋全体へのコンパクト化に対する課題もある。
【００１６】
これに対し、発電プラントを簡素化するために、従来のシェル・チューブ式熱交換型式の給水加熱器に替わり、多段の蒸気インジェクタを適用した発電プラントの例が、非特許文献１に提案されている。蒸気インジェクタは、従来の伝熱管を介した熱交換方式による給水加熱器の代わりに、伝熱管を削除して低温の給水と高温の抽気蒸気を直接接触して熱交換するものである。
【００１７】
この発電プラントでは、高圧タービンまたは低圧タービンから抽気した蒸気を、多段の蒸気インジェクタに供給している。各蒸気インジェクタでは、ディフューザ形状の内部を給水が流れ、ディフューザのスロート部に設置されたノズルから蒸気を高速で噴き出して外周部が円錐状になっている給水流の中心部を蒸気が流れ、気液界面において蒸気を凝縮しながら給水が加熱そして加速されて次の段の蒸気インジェクタに向って流れる。また、この逆に、ディフューザ形状の内部で中心部を給水が流れ、外周部から供給された蒸気を凝縮しながら給水が加速されることも可能である。
【００１８】
一方、非特許文献２に提案されているプレート式熱交換器は、特に低温・低圧の流体間での熱交換用に一般産業界で使用されている。複数枚から構成される伝熱促進用の波板構造をゴムパッキンにより積層し、両側からネジで締め付ける構造となっている。
【００１９】
これを高温・高圧用に使用範囲を広げたブレージングプレート式熱交換器が非特許文献３に提案されている。これは、基本的に上記の波板構造は同じであるが、ゴムパッキンの代わりに各伝熱板をロー付けで圧着して一体構造としたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００５−２９９６４４号公報
【特許文献２】特開平７−１８９６０９号公報
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】Ｔ． Ｎａｒａｂａｙａｓｈｉ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＩＣＯＮＥ−３， ｐｐ．８７７−８８３， Ｋｙｏｔｏ， Ｊａｐａｎ， １９９４
【非特許文献２】プレート式熱交換器、日阪製作所
【非特許文献３】ブレージングプレート式熱交換器、日阪製作所
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
このように、熱交換器としては従来のシェル・チューブ式熱交換型式に代わり、各種原理のものが提案されている。しかしながら、このままの温度・圧力の使用条件では、従来のプレート式熱交換器を原子力プラントなどの発電プラント用に使用することはできない。また、現有のブレージングプレート式熱交換器はコンパクトではあるが、交換熱量が小さすぎるため湿分分離過熱器ＭＳＨや給水加熱器への使用は難しい。
【００２３】
さらに、非特許文献１に記載された多段の蒸気インジェクタによれば、蒸気が給水との気液界面の表面で凝縮されるため、蒸気の凝縮に伴う体積変化が大きいことにより流動が不安定となる懸念がある。
【００２４】
以上のことから、本発明の目的は、給水加熱器及び湿分分離過熱器など、凝縮を伴う熱交換器の高性能化を図り、コンパクトで且つプラント熱効率を向上させることができるシェル・プレート式熱交換器と、これを備えた発電プラントを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、復水器の復水を給水として蒸気発生器に送ると共に、給水もしくは蒸気を被加熱流体とし、蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器を備える発電プラントにおいて、記熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に被加熱流体の流路と、加熱流体の流路を形成して熱交換を行うことで達成される。
【００２６】
また、伝熱プレート各面の流路には、波形形状の波板が形成されている。
【００２７】
また、熱交換器での熱交換により凝縮現象を伴う場合、凝縮する流体が通過する伝熱プレートの波板の流路幅をδｖ、凝縮しない流体が通過する伝熱プレートの波板の流路幅δｆとしたとき、波板の流路幅の比が次の関係を満足する範囲である。
１≦δｖ／δｆ≦２
また、伝熱プレートにおいて熱交換する二流体の差圧ΔＰと、伝熱プレートの波板の厚みｔが、次の関係を満足する範囲である。
１ｘ１０３≦ΔＰ／ｔ≦１ｘ１０４ ＭＰａ／ｍ
また、伝熱プレートを挟む耐圧プレートが少なくとも４角形の４辺のフレームをリブとし、その内部に流体の流れとほぼ並行に少なくとも１つ以上の中間サポート用リブを設置した。
【００２８】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、復水器の復水を加熱する給水加熱器と、給水加熱器において加熱された給水を蒸気発生器に送るようにされた発電プラントにおいて、給水加熱器は、復水器からの復水を被加熱流体とし、蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器であって、熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に被加熱流体の流路と、加熱流体の流路を形成して熱交換を行う。
【００２９】
また、給水加熱器は、蒸気発生器と復水器の間に複数台設置され、このうちのすくなくとも１台の給水加熱器は、シェル・プレート式熱交換器とされる。
【００３０】
また、シェル・プレート式熱交換器で構成された給水加熱器は、その内部にユニットを固定するガイド機構を設置し、シェル内と前記ガイド機構との間に中間媒体を封入した。
【００３１】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、復水器の復水を給水として蒸気発生器に送ると共に、蒸気タービンを高圧タービンと低圧タービンとで構成し、高圧タービンから排出された蒸気を、湿分分離器と過熱器で構成される湿分分離過熱器を介して低圧タービンに導入するようにされた発電プラントにおいて、湿分分離過熱器の過熱器は、高圧タービンから排出された蒸気を被加熱流体とし、蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器であって、熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に前記被加熱流体の流路と、加熱流体の流路を形成して熱交換を行う。
【００３２】
また、湿分分離過熱器の過熱器は、第１段過熱器とその後流側の第２段過熱器とで構成され、第１段過熱器には高圧蒸気タービンからの抽気を加熱流体として与え、第２段過熱器には高圧蒸気タービンに流入前の蒸気を加熱流体として与える。
【００３３】
また、湿分分離過熱器内に設置した過熱器に、ユニットを固定するガイド機構を設置し、シェル内とガイド機構との間に中間媒体を封入した。
【００３４】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンから排出された蒸気を海水で冷却して復水とする復水器と、復水器の復水を給水として蒸気発生器に送るようにされた発電プラントにおいて、復水器は、蒸気タービンから排出された蒸気を加熱流体とし、海水を被加熱流体として熱交換を行う熱交換器であって、熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に被加熱流体の流路と、加熱流体の流路を形成して熱交換を行う。
【００３５】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、被加熱流体と加熱流体の間で熱交換を行う熱交換器であって、熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に被加熱流体の流路と、加熱流体の流路を形成して熱交換を行う。
【００３６】
また、原子力発電プラントの除熱手段として、動的な低圧注水系の除熱運転モードである残留熱除去系の熱交換器として使用する。
【００３７】
また、原子力発電プラントの除熱手段として、ポンプなどの駆動源なしで自然力により蒸気を凝縮するシステムである非常用復水器として使用する。
【００３８】
また、原子力発電プラントの除熱手段として、ポンプなどの駆動源なしで自然力により蒸気を凝縮するシステムである静的格納容器冷却系の熱交換器として使用する。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、原子力発電プラントにおいて、従来のシェル・チューブ式熱交換器に比べて、低圧損で高性能な熱交換器となり、大幅に機器のコンパクト化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１ａ】シェル・プレート式給水加熱器の横断面を示す図。
【図１ｂ】シェル・プレート式給水加熱器の水室５２ａの断面を示す図。
【図１ｃ】１枚の伝熱プレート７３の表面における抽気の流れＡを示した図。
【図１ｄ】１枚の伝熱プレート７３の裏面における給水の流れＢを示した図。
【図２】本発明が適用される発電プラントの構成を示す図である。
【図３ａ】伝熱プレートが積層された伝熱プレート層の鳥瞰を示す図。
【図３ｂ】図３ａの構造としたときに抽気流路７６Ｃが形成される部位を示す図。
【図３ｃ】図３ａの構造としたときに給水流路７９Ｃが形成される部位を示す図。
【図４ａ】伝熱プレートに抽気流路を形成する為の面形状の一例を示す図。
【図４ｂ】伝熱プレートに給水流路を形成する為の面形状の一例を示す図。
【図５ａ】サポート用リブ付き耐圧プレートの平面図。
【図５ｂ】図５ａのＡ−Ａ断面図を示す図。
【図６】伝熱プレートの流路の断面図。
【図７ａ】従来の熱交換器の温度分布を示す説明図。
【図７ｂ】シェル・プレート式熱交換器の温度分布を示す説明図。
【図８】従来の熱交換器とシェル・プレート式熱交換器の性能比較を示す図。
【図９】発電プラントの湿分分離過熱器に適用した事例を示す図。
【図１０】本発明の他の実施例である実施例２の伝熱プレートの概略図。
【図１１】本発明の他の実施例である実施例３のサポート用リブの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
発電プラントにおける熱効率の向上策には、大きく４つの手法がある。一般的なランキンサイクルにおいては、高圧タービンで仕事をして排気された湿り蒸気を、湿分分離過熱器により過熱蒸気にし、この過熱蒸気を低圧タービンに供給している。第１の手法は、この湿分分離過熱器を用いた再熱サイクルの適用である。第２の手法は、高圧タービンから抽気された蒸気を高圧給水加熱器へ供給し、低圧タービンから抽気された蒸気を低圧給水加熱器へ供給する再生サイクルの適用である。第３の手法は、主蒸気圧力及び主蒸気温度を上昇させることであり、第４の手法は、復水器内の真空度を増加させることなどが考えられる。
【００４２】
発明者らは、発電プラントにおけるこれら４つの熱効率の向上策のうち、発電プラントにおける大幅な機器の変更が少なく、熱効率及び電気出力の向上へ大きな効果があるものとして、主蒸気の有効利用にポイントを絞った。すなわち、再生サイクル及び再熱サイクルによる熱効率向上である。
【００４３】
そこで、再生サイクル向上のためには、高圧タービン及び低圧タービンのそれぞれから抽気される蒸気量の最適化、給水温度を上昇するための主蒸気流量の増加、給水加熱器の高性能化による抽気蒸気の低減等が考えられる。
【００４４】
また、再熱サイクル向上のためには、主蒸気及び高圧タービンのそれぞれから抽気される蒸気量の最適化、主蒸気温度を過熱するための主蒸気流量の増加、湿分分離過熱器の高性能化による抽気蒸気の低減等が考えられる。
【００４５】
これらの検討結果、発明者らは、抽気蒸気の流量を低減して高圧タービン及び低圧タービンを回転させるために使用される主蒸気の流量を増加させるには、給水加熱器及び湿分分離過熱器などの熱交換器を高性能化することが最良であるとの結論に至った。また、高圧タービン及び低圧タービンから抽気蒸気を高圧給水加熱器及び低圧給水加熱器へ供給することによって、復水器から海に放出される排熱を低減することができ、蒸気発生装置（原子炉、蒸気発生器及びボイラ等）で発生した熱が発電プラント内で有効に活用されるため、沸騰水型原子力発電プラント等の発電プラントの熱効率が向上する。
【００４６】
このように、発明者らは、発電プラントの熱効率及び電気出力の向上策について検討した結果、高圧給水加熱器、低圧給水加熱器及び湿分分離過熱器などの熱交換器を高性能にして、高圧タービン及び低圧タービンから抽気された蒸気流量が少なくても、給水温度を十分上昇させることができ、その分、高圧タービン及び低圧タービンでの仕事に寄与する主蒸気量を増加できれば良いとの結論に達した。すなわち、この蒸気量の増大によって高圧タービン及び低圧タービンに供給される蒸気量が増大し、それぞれのタービンにおける蒸気の仕事量が増大することになる。
【００４７】
そこで、この点についてさらに検討した結果、伝熱管を介して熱交換する従来のシェル・チューブ式熱交換器から、伝熱プレートを介したシェル・プレート式熱交換器に変更し、高圧給水加熱器、低圧給水加熱器及び湿分分離過熱器などの熱交換器をコンパクト化すればよいとの新たな知見を見出した。
【００４８】
これにより、発電プラントの運転時において、原子炉圧力容器から高圧タービン及び低圧タービンに供給する主蒸気の量が増加され、さらに高圧タービン及び低圧タービンからの抽気蒸気流量が少なくなり、高効率な再生サイクルの発電プラントを実現することができる。この結果、発電プラントの熱効率及び電気出力の両者を向上させることができる。
【００４９】
またシェル・プレート式熱交換器は、給水加熱器以外に湿分分離過熱器に用いてもよい。これにより、発電プラントの運転時において、原子炉圧力容器から高圧タービン及び低圧タービンに供給する主蒸気の量が同様に増加され、さらに主蒸気配管及び高圧タービンからの抽気蒸気流量が少なくなり、高効率な再熱サイクルの発電プラントを実現することができる。この結果、発電プラントの熱効率及び電気出力の両者を向上させることができるのである。
【００５０】
またシェル・プレート式熱交換器は、給水加熱器や湿分分離過熱器以外に復水器に用いてもよい。これにより、発電プラントの運転時において、復水器の凝縮性能の高性能化が図られ、高真空度を実現することができる。この結果、発電プラントの熱効率及び電気出力の両者を向上させることができる。
【００５１】
上記の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００５２】
本発明の好適な一実施例である実施例１の発電プラントのシステム構成を、図２を用いて説明する。本実施例の発電プラントは、沸騰水型原子力発電プラント１である。
【００５３】
沸騰水型原子力発電プラント１は、蒸気発生装置である原子炉２、高圧タービン３、低圧タービン５Ａ，５Ｂ，５Ｃ、主蒸気配管６、復水器１１、複数の給水加熱器１６，１７、給水配管１５、及び湿分分離過熱器３３を備えている。
【００５４】
本発明による改善が適用される熱交換器のうち、給水系統における熱交換器である複数の給水加熱器は、第１高圧給水加熱器１６Ａ、第２高圧給水加熱器１６Ｂ、第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄである。これらの給水加熱器は、シェル・プレート式給水加熱器である。各低圧給水加熱器１７は、低圧タービン５からの抽気蒸気が、抽気配管２２，２３，２４，２５を介して供給される給水加熱器である。各高圧給水加熱器１６は、高圧タービン３、または高圧タービン３の出口側の主蒸気配管６からの抽気蒸気が抽気配管２０，２１を介して供給される給水加熱器である。なお、１００は、給水加熱器で生じた凝縮水ドレンの排出系統（ドレン配管）である。
【００５５】
高圧タービン３及び低圧タービン５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、主蒸気配管６によって原子炉２に接続される。隔離弁７及び主蒸気調節弁８が、原子炉２と高圧タービン３の間に存在する主蒸気配管６に設置される。
【００５６】
本発明による改善が適用される熱交換器のうち、蒸気系統における熱交換器である湿分分離過熱器３３が、高圧タービン３と低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃを接続している主蒸気配管６に設置される。湿分分離過熱器３３は湿分分離器４及び過熱器３４Ａ，３４Ｂを有する。上流から下流に向って、湿分分離器４、第１段過熱器３４Ａ及び第２段過熱器３４Ｂがこの順番に配置されている。これらの過熱器は、シェル・プレート式過熱器である。主蒸気調節弁８の上流で主蒸気配管６に接続された蒸気管３８が第２段過熱器３４Ｂに接続される。高圧タービン３に接続された蒸気管４２が第１段過熱器３４Ａに接続される。また、２６，３５，３９は、湿分分離器４及び過熱器３４Ａ，３４Ｂで生じたドレンを排出するためのドレン配管である。
【００５７】
高圧タービン３及び低圧タービン５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、１つの回転軸１０によって互いに連結され、さらに、発電機９にも連結される。本実施例は、１台の高圧タービン及び３台の低圧タービンを設けているが、発電プラントの種類によりこれらの台数を変えてもよい。
【００５８】
本実施例は、主蒸気系及び給水系を有する。主蒸気系は、高圧タービン３、湿分分離過熱器３３、低圧タービン５Ａ，５Ｂ，５Ｃ、主蒸気配管６及び復水器１１を有する。給水系は、給水配管１５、第１高圧給水加熱器１６Ａ、第２高圧給水加熱器１６Ｂ、第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ、第６低圧給水加熱器１７Ｄ、復水ポンプ１８及び給水ポンプ１９を有する。
【００５９】
復水器１１は、低圧タービン５Ｂの下方に配置され、低圧タービン５Ｂに蒸気排気通路３７によって接続されている。復水器１１は内部に複数の伝熱管１２を配置している。これらの伝熱管１２は、海水供給管１３Ａ及び海水排出管１３Ｂに接続される。海水循環ポンプ１４が海水供給管１３Ａに設置される。海水供給管１３Ａ及び海水排出管１３Ｂは海まで伸びている。
【００６０】
給水配管１５が復水器１１と原子炉２を接続する。第１高圧給水加熱器１６Ａ、第２高圧給水加熱器１６Ｂ、第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄは、原子炉２から復水器１１に向ってこの順番で給水配管１５に設置されている。復水ポンプ１８が復水器１１と第６低圧給水加熱器１７Ｄの間で給水配管１５に設けられる。
【００６１】
本実施例で用いられる第１高圧給水加熱器１６Ａ、第２高圧給水加熱器１６Ｂ、第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄのそれぞれは、伝熱管を有するシェル・チューブ式熱交換器を用いた従来の給水加熱器ではなく、伝熱プレートを有するシェル・プレート式熱交換器である給水加熱器を用いている。
【００６２】
伝熱プレートを有するシェル・プレート式熱交換器の詳細構造と、熱交換原理については、図３を用いて別途説明するとして、ここでは給水加熱器の簡単な構造を説明する。
【００６３】
まず、図１ａはシェル・プレート式給水加熱器の横断面図を示している。給水加熱器は、熱交換を行う２つの流体（給水と抽気）が導入され、排出される水室５２ａと、流体間での熱交換を行う胴部５０で構成される。水室５２ａは、仕切板５３により区画され、水室５２の断面を示す図１ｂに明らかなように、４つの室Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を形成する。なお、この図で、右側の水室５２ｂは、特に熱交換用に作用しない領域である。
【００６４】
第１高圧給水加熱器１６Ａの場合、室Ｒ１には抽気配管２０から抽気ＦＡ１が導入され、胴部５０で熱交換をした後の抽気ドレンＦＡ２（凝縮水）が、室Ｒ２を経由して水室５２ａ内の下端部に設置してある凝縮ポット５６に溜まる。なお、その後凝縮水は、ドレン管１００を経由して順次次段の給水加熱器（この場合には第２高圧給水加熱器１６Ｂ）に導かれる。このドレンはまだ多くの熱量を保有しているため、次段の給水加熱器の注水に混入されて、いっそうの熱回収を図る。ドレンは、最終的に復水器１１に導かれる。室Ｒ４には、被加熱側の流体である給水ＦＢ１が給水配管１５から導入され、胴部５０で熱交換をした後の高温給水ＦＢ２が室Ｒ３を経由して原子炉２に送られる。
【００６５】
水室５２ａと胴部５０は、管板５１で区切られている。横型の胴部５０内には、多数の伝熱プレート７３が積層された伝熱プレート層５４が、左右の管板５１の間に設けられた伝熱プレート層ガイド５４ｂにより中央部に固定されている。この波板から成る伝熱プレート層５４を介して、抽気蒸気ＦＡ１と給水ＦＢ１がほぼ完全な対向流で熱交換する。なお、高温の抽気蒸気は加熱流体として作用し、低温の給水は被加熱流体として作用する。抽気蒸気ＦＡ１は流れ方向に沿って熱を奪われて凝縮水ＦＡ２となり、最終的には凝縮ポット５６に溜まる。第１高圧給水加熱器１６Ａ以外の残りの全ての給水加熱器も、第１高圧給水加熱器１６Ａと同じ構成を有している。
【００６６】
図１Ｃは、胴部５０の断面図であり、１枚の伝熱プレート７３の表面における抽気の流れＡを図示している。この図で明らかなように、１枚の伝熱プレート７３は、断面円形の胴部５０に伝熱プレート層ガイド５４ｂにより中央部に固定されている。なお、胴部５０は円筒であり、伝熱プレート７４は長方形であるため、これらの間には伝熱プレート層ガイド５４ｂを介して中間媒体５５を封入し、熱交換性能を向上させることも可能である。
【００６７】
図１ｄは、胴部５０の断面図であり、１枚の伝熱プレート７３の裏面における給水の流れＢを図示している。これらの図１Ｃ、図１ｄを対比して明らかなように、伝熱プレート７３の表面を抽気が上から下に流れ、伝熱プレート７３の裏面を給水が下から上に流れることで熱交換を行っている。
【００６８】
次に、上記構成の給水加熱器で構成された給水系統の具体的な接続関係について図１（特に図１ｂ）、図２を参照して下流側（原子炉２側）から説明する。まず、第１高圧給水加熱器１６Ａの水室５２ａに接続された図１ｂ右上の給水配管１５が原子炉２に接続される。第２高圧給水加熱器１６Ｂの水室５２ａに接続された図１ｂ右上の給水配管１５が、第１高圧給水加熱器１６Ａの水室５２ａの室Ｒ４に連絡されるように、第１高圧給水加熱器１６Ａの水室５２ａに接続される。第２高圧給水加熱器１６Ｂと第３低圧給水加熱器１７Ａの間に配置された給水配管１５、第３低圧給水加熱器１７Ａと第４低圧給水加熱器１７Ｂの間に配置された給水配管１５、第４低圧給水加熱器１７Ｂの第５低圧給水加熱器１７Ｃの間に配置された給水配管１５及び第５低圧給水加熱器１７Ｃと第６低圧給水加熱器１７Ｄの間に配置された給水配管１５も、第１高圧給水加熱器１６Ａと第２高圧給水加熱器１６Ｂの間に配置された給水配管１５と同様に、上流に位置する給水加熱器の水室５２ａの上部と、下流に位置する給水加熱器の水室５２ａの底部に接続される。これらの関係は、要するに図１ｂにおいて、上流側からの給水を水室５２ａの室Ｒ４に導入し、水室５２ａの室Ｒ３から下流側の給水加熱器の室Ｒ４に送り、あるいは最終段では原子炉に送るように接続することである。なお、最上流の第６低圧給水加熱器１７Ｄと復水器１１の間に配置された給水配管１５は、第６低圧給水加熱器１７Ｄの水室５２内の室Ｒ４に連絡される。
【００６９】
高圧タービン３の抽気点で高圧タービン３に接続された抽気配管２０が第１高圧給水加熱器１６Ａに接続される。抽気配管２０は、高圧タービン３の第１段動翼よりも下流に位置した抽気点に設蔵される。抽気配管２０は、具体的には、図１ｂに示すように、第１高圧給水加熱器１６Ａの水室５２に接続され、凝縮した水となって上流側へ流出される。抽気配管２０のこの開口は、横置き給水加熱器の場合は水室５２の上部に配置されることが好ましい。過熱器３４Ａに接続されたドレン配管３５及び過熱器３４Ｂに接続されたドレン配管３９も、抽気配管２０と同様に、第１高圧給水加熱器１６Ａの水室５２の上部に接続される。ドレン配管３５，３９の水室５２の上部への接続位置は、凝縮水を溜める上端より上方でこの上端付近に存在する。
【００７０】
高圧タービン３と湿分分離過熱器３３の間に存在する主蒸気配管６に接続された抽気配管２１が第２高圧給水加熱器１６Ｂに接続される。抽気配管２１は、高圧タービン３の最終段の動翼より下流で高圧タービン３に接続してもよい。低圧タービン５Ｂの最上流の抽気点（低圧タービンの第１抽気点）で低圧タービン５Ｂに接続された抽気配管２２が第３低圧給水加熱器１７Ａに接続される。湿分分離器４に接続されたドレン配管２６が第３低圧給水加熱器１７Ａに接続される。低圧タービン５Ｂの上流から２番目の抽気点（低圧タービンの第２抽気点）で低圧タービン５Ｂに接続された抽気配管２３が第４低圧給水加熱器１７Ｂに接続される。低圧タービン５Ｂの上流から３番目の抽気点（低圧タービンの第３抽気点）で低圧タービン５Ｂに接続された抽気配管２４が第５低圧給水加熱器１７Ｃに接続される。低圧タービン５Ｂの最下流の抽気点（低圧タービンの第４抽気点）で低圧タービン５Ｂに接続された抽気配管２５が第６低圧給水加熱器１７Ｄに接続される。抽気配管２１，２２、ドレン配管２６及び抽気配管２３，２４，２５が、抽気配管２０と同様に、該当する給水加熱器の容器に接続される。上記した低圧タービンの第１、第２、第３及び第４の各抽気点は、低圧タービン５Ｂに設けられた複数の静翼の異なる段数の位置で、低圧タービン５Ｂのタービンケーシング（図示せず）に設けられる。
【００７１】
図２では、低圧タービン５Ｂが大きく低圧タービン５Ａ，５Ｃが小さくなっているが、これらの低圧タービンの大きさは同じである。図示されていないが、低圧タービン５Ａ及び５Ｃに対しても復水器１１がそれぞれ設けられており、各復水器１１にそれぞれ給水配管１５が接続されている。低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃに対応してそれぞれ設けられた合計３基の復水器１１にそれぞれ別々に接続された給水配管１５は、第２高圧給水加熱器１６Ｂの上流に位置する合流点で合流して第２高圧給水加熱器１６Ｂに接続される。
【００７２】
その合流点よりも上流に配置された、低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃごとに並列配置された３本の給水配管１５のうち、低圧タービン５Ａ及び５Ｃのそれぞれに対応して配置された各給水配管１５にも、低圧給水加熱器である第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄ、及び復水ポンプ１８が、この順序で下流から上流に向って設置されている。このため、低圧タービン５Ａ及び５Ｃのそれぞれに対応して、第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄ、及び復水ポンプ１８を設置した各給水配管１５が、第２高圧給水加熱器１６Ｂより上流に存在する上記の合流点よりも上流に配置されている。
【００７３】
低圧タービン５Ａ及び５Ｃには、低圧タービン５Ｂと同様に、第１、第２、第３及び第４の各抽気点が設けられる。低圧タービン５Ａの第１、第２、第３及び第４の各抽気点には、低圧タービン５Ｂと同様に、抽気配管２２，２３，２４及び２５が接続される。低圧タービン５Ａに接続された抽気配管２２，２３，２４及び２５は、低圧タービン５Ｂの場合と同様に、低圧タービン５Ａに対応して設けられた第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄの各容器２８に接続される。低圧タービン５Ｃの第１、第２、第３及び第４の各抽気点にも、低圧タービン５Ｂと同様に、抽気配管２２，２３，２４及び２５が接続される。低圧タービン５Ｃに接続された抽気配管２２，２３，２４及び２５は、低圧タービン５Ｂの場合と同様に、低圧タービン５Ｃに対応して設けられた第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄの各容器に接続される。
【００７４】
次に、上記のように構成された原子力プラントの動作状態を説明する。なお、以下の説明において、第３低圧給水加熱器１７Ａ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ及び第６低圧給水加熱器１７Ｄ、抽気配管２２，２３，２４及び２５、及び第１、第２、第３及び第４の各抽気点は、特に断りが無ければ、低圧タービン５Ｂに対応して設けられたそれらを意味している。
【００７５】
原子炉２内の炉心（図示せず）には、例えばＢＷＲの場合、再循環ポンプ（図示せず）及びジェットポンプ（図示せず）によって冷却水が供給される。冷却水は炉心内に装荷された複数の燃料集合体（図示せず）に含まれた核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱され、冷却水の一部が蒸気になる。原子炉２で発生した蒸気は、主蒸気配管６を通って、高圧タービン３及び低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃにそれぞれ供給される。
【００７６】
高圧タービン３から排出された蒸気は、途中で、湿分分離器４により湿分が除去され、過熱器３４Ａ，３４Ｂによって過熱される。湿分分離器４により湿分が除去された蒸気の、過熱器３４Ａでの過熱は、高圧タービン３から抽気された蒸気を、蒸気管４２を通して過熱器３４Ａに供給することによって行われる。過熱器３４Ａで過熱された蒸気は、高圧タービン３の上流で主蒸気配管６から抽気した、蒸気管４２内を流れる蒸気よりも温度が高い蒸気を、蒸気管３８を通して過熱器３４Ｂに供給することによって行われる。過熱器３４Ｂで過熱された蒸気の温度は過熱器３４Ａで過熱された蒸気の温度よりも高くなる。過熱器３４Ｂから排気された蒸気は、低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃにそれぞれ導かれる。
【００７７】
湿分分離器４により除去された湿分は、ドレン水となってドレン配管２６に排出されて第３低圧給水加熱器１７Ａに供給される。蒸気管４２を通して過熱器３４Ａに供給された抽気蒸気は、過熱器３４Ａで、湿分分離器４で湿分を除去された蒸気を過熱することによって凝縮される。この蒸気の凝縮によって発生した飽和ドレン水は、ドレン配管３５を通して第１高圧給水加熱器１６Ａに供給される。蒸気管３８を通して過熱器３４Ｂに供給された抽気蒸気は、過熱器３４Ｂで、過熱器３４Ａで過熱された蒸気をさらに過熱することによって凝縮される。この蒸気の凝縮によって発生した飽和ドレン水は、ドレン配管３９を通して第１高圧給水加熱器１６Ａに供給される。ドレン配管３５，３９内を流れるそれぞれのこの飽和ドレン水の温度は、抽気配管２０内を流れる抽気蒸気の温度と実質的にほぼ同じである。
【００７８】
低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃ内の圧力は、高圧タービン３内の圧力よりも低くなっている。高圧タービン３及び低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃは、蒸気によって駆動され、発電機９を回転させる。これにより、電力が発生する。低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃから排気された蒸気は、各復水器１１で凝縮されて水になる。すなわち、海水が、海水循環ポンプ１４の駆動によって海水供給管１３Ａを通して各復水器１１内の各伝熱管１２内に供給される。低圧タービン５Ａ，５Ｂ及び５Ｃから排気された蒸気は、それぞれに対応して別々に設けられた各復水器１１内の伝熱管１２内を流れる海水によって冷却されて凝縮される。蒸気の凝縮により、各伝熱管１２内を流れる海水の温度が上昇する。各伝熱管１２から排出された海水は、海水排出管１３Ｂを通って海に放出される。
【００７９】
各復水器１１に別々に接続された各給水配管１５に設けられた復水ポンプ１８、及び給水ポンプ１９がそれぞれ駆動されている。各復水器１１で生成された凝縮水は、給水として、これらのポンプによって昇圧され、各給水配管１５を通り、第３低圧給水加熱器１７Ａと第２高圧給水加熱器１６Ｂの間で１本ないしは２本の給水配管１５に合流して原子炉２に供給される。３本の給水配管１５内を流れる給水は、各低圧タービンに対応してそれぞれ設けられた第６低圧給水加熱器１７Ｄ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ及び第３低圧給水加熱器１７Ａによって順次加熱される。給水は、第３低圧給水加熱器１７Ａと第２高圧給水加熱器１６Ｂの間に存在する、３本の給水配管１５の合流点よりも下流における１本ないしは２本の給水配管１５に設けられた第２高圧給水加熱器１６Ｂ及び第１高圧給水加熱器１６Ａによってさらに加熱されて温度を上昇させ、設定温度になった状態で原子炉２に供給される。給水ポンプ１９Ｅ，１９Ｆも駆動している。
【００８０】
給水は、第６低圧給水加熱器１７Ｄにおいて、低圧タービン５Ｂの第４抽気点から抽気されて抽気配管２５を通して供給される抽気蒸気によって加熱される。第６低圧給水加熱器１７Ｄで加熱された給水は、第５低圧給水加熱器１７Ｃにおいて、低圧タービン５Ｂの第３抽気点から抽気されて抽気配管２４を通して供給される抽気蒸気によってさらに加熱される。第５低圧給水加熱器１７Ｃで加熱された給水は、第４低圧給水加熱器１７Ｂにおいて、低圧タービン５Ｂの第２抽気点から抽気されて抽気配管２３を通して供給される抽気蒸気によってさらに加熱される。第４低圧給水加熱器１７Ｂで加熱された給水は、第３低圧給水加熱器１７Ａにおいて、低圧タービン５Ｂの第１抽気点から抽気されて抽気配管２２を通して供給される抽気蒸気、及び湿分分離器４から排出されてドレン配管２６を通して供給される飽和ドレン水によってさらに加熱される。
【００８１】
第３低圧給水加熱器１７Ａで加熱された給水は、第２高圧給水加熱器１６Ｂにおいて、主蒸気配管６から抽気されて抽気配管２１を通して供給される抽気蒸気によって加熱される。第２高圧給水加熱器１６Ｂで加熱された給水は、第１高圧給水加熱器１６Ａにおいて、高圧タービン３の抽気点から抽気されて抽気配管２０を通して供給される抽気蒸気、過熱器３４Ａから排出されてドレン配管３５を通して供給される飽和ドレン水、及び過熱器３４Ｂから排出されてドレン配管３９を通して供給される飽和ドレン水によって加熱される。原子炉２に供給される給水の温度は、６基の給水加熱器による加熱により、復水器１１から出た給水の温度よりも約１８０℃上昇する。
【００８２】
低圧タービン５Ａ及び５Ｃのそれぞれに対応して設けられた第６低圧給水加熱器１７Ｄ、第５低圧給水加熱器１７Ｃ、第４低圧給水加熱器１７Ｂ及び第３低圧給水加熱器１７Ａにおいても、上記した各抽気蒸気を用いてそれぞれの給水配管１５内を流れる給水が加熱される。
【００８３】
次に、図１ａに示した伝熱プレート層５４の具体的な構成を説明する。図３ａに本発明の好適な一実施例である実施例１の伝熱プレート７３が積層された伝熱プレート層５４の鳥瞰図を示す。この図では、左側の端にＳプレート７１、右側の端にＥプレート７２を設置し、この間に複数枚の伝熱プレート７３を積層している。この伝熱プレート７３は、数１０枚から数１００枚で１ユニットを構成している。これら伝熱プレート７３の間には、高圧に耐えられるように、サポート用リブ付き耐圧プレート７４が１枚おきに交互に挟み込まれている。
【００８４】
これら各部材のうち、左側端のＳプレート７１は、図１ａの左側管板５１に接しており、上下の左右端にそれぞれ孔７５，７７，７８，８０を有する。各孔７５，７７，７８，８０は、それぞれ管板５１を介して図１ｂの水室５２ａに区切られた４つの室Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に連通する。従って、流入孔７５からは抽気蒸気ＦＡ１が胴部５０内に流入し、流出孔７７からはドレンＦＡ２が胴部５０から水室５２に流出する。また、流入孔７８からは給水ＦＢ１が胴部５０内に流入し、流出孔８０からは高温給水ＦＢ２が胴部５０から水室５２に流出する。
【００８５】
右側端のＥプレート７２は、図１ａの右側管板５１に接しているが、上下の左右端に孔７５，７７，７８，８０を備えていない。これに対し、Ｓプレート７１とＥプレート７２の間の、複数枚の伝熱プレート７３ならびにサポート用リブ付き耐圧プレート７４には、Ｓプレート７１の上下の左右端の孔７５，７７，７８，８０に対応する位置に孔が設けられている。
【００８６】
複数枚の伝熱プレート７３ならびにサポート用リブ付き耐圧プレート７４は、交互に配置されて数１０枚から数１００枚で１システムユニット（伝熱プレート層５４）を構成しているが、伝熱プレート１ユニット５４ａとしては、交互に配置された１枚の伝熱プレート７３と、２枚のサポート用リブ付き耐圧プレート７４で形成する。
【００８７】
つまり、伝熱プレート１ユニット５４ａとしては、最初の１枚のサポート用リブ付き耐圧プレート７４と、次の１枚の伝熱プレート７３で、孔７５と７７の間に抽気流路７６Ｃを形成する。また、この１枚の伝熱プレート７３と，更に次の１枚のサポート用リブ付き耐圧プレート７４とで、孔７８と８０の間に給水流路７９Ｃを形成する。つまり、２枚のサポート用リブ付き耐圧プレート７４で１枚の伝熱プレート７３を挟みこむことにより、１枚の伝熱プレート７３の表面に抽気流路７６Ｃを形成し、裏面に給水流路７９Ｃを形成する。このため、互いに重なり合うサポート用リブ付き耐圧プレート７４と、伝熱プレート７３は、交互に上記の流路を形成するように厚みや、大きさが設定されている。
【００８８】
図３ｂは、図３ａの構造としたときに抽気流路７６Ｃが形成される部位を示したものであり、図３Ｃは図３ａの構造としたときに給水流路７９Ｃが形成される部位を示したものである。要するに、伝熱プレート７３の一方面側に抽気流路７６Ｃが形成されるときに、その反対面側に給水流路７９Ｃが形成されるように成し、かつ抽気流路７６Ｃと給水流路７９Ｃは流れる方向が互いに逆方向とされている。
【００８９】
サポート用リブ付き耐圧プレート７４は、上記の流路を形成するために伝熱プレート７３の間の間隔を規定する目的を有する。また、この目的以外に、伝熱プレート７３を挟んだ二流体の差圧で薄いプレートが変形しないように、微少セル化することで面圧を小さくするため、周辺のフレーム以外に内部にある中央部に少なくとも１つ以上のサポート用リブ７４ａを設置している。また、リブの向きは流動損失を低減するため、流体の流れ方向にほぼ並行となるのが望ましい。これら複数の伝熱プレート７３及びサポート用リブ付き耐圧プレート７４を交互に設置して、両側からＳプレート７１及びＥプレート７２で挟み込む。
【００９０】
もし、座屈現象のように大変形しない範囲であれば、Ｓプレート７１とＥプレート７２で挟まれた熱交換要素の長さは２〜３ｍ程度となる場合もある。このように、熱交換要素としての積層構成は実に簡単である。また、オーバーホールして分解・点検、清掃なども容易である。さらに、初期設計で決められた伝熱面積の枚数から運転条件などの変更により熱交換仕様を変更する場合、サポート用リブ付き耐圧プレート７４と伝熱プレート７３の枚数を適宜必要枚数まで増やせば、交換熱量の変更に応じて改造作業が容易となる。
【００９１】
この時、これら多数のプレートの接合法には、次の３種類が考えられる。まず、サポート用リブ付き耐圧プレート７４が塑性変形する材料で、シール用に両側のＳ及びＥプレートをボルトのようなもので締め付けることにより、それ自身の材料が変形してシールする方法である。次に、Ｓ及びＥプレート、伝熱プレートそしてサポート用リブ付き耐圧プレート全体を加熱して、約１０００℃程度で溶融するロー付け工法とする。最後に、ロー付け接合の代わりにこれらを溶接接合とする工法もある。
【００９２】
次に、それぞれの流体の流れ方を説明する。例えば、同じＳプレート７１から入って出る場合は、抽気は流入孔７５から入って、左下端部の流出孔７７から出る。給水は流入孔７８から入って、右上端部の流出孔８０から出る。流れ方は、伝熱プレート上に開けられた孔と流路をコントロールするサポート用リブ７４ａの形状、そしてそれらを積層する方向によって種々の組合せがある。このようなユニットあるいはスタックを１ブロックとして、熱交換に必要なブロック数をマルチ化して積層すればよい。
【００９３】
なお、それぞれの流体の流れ方に関連し、図１の給水加熱器の場合には給水加熱器の一方端に抽気と給水を導入し、かつ排出している構造を説明したが、これは任意の配置とできることは言うまでもない。例えば、図１ａの左側水室５２ａから導入して、右側の水室５２ｂに抜けるものであってもよい。あるいは、抽気と給水が逆方向に流れるものであってもよい。要は、伝熱プレート層５４の部分においては、図３ａのように伝熱プレート７３の両面に抽気流路７６Ｃと、給水流路７９Ｃが形成されるような関係を保てれば、その流体の前後がどのように流路形成されてもよい。
【００９４】
図４に本発明の好適な一実施例である実施例１の伝熱プレート７３の概略図を示す。これは、１枚の伝熱プレート７３を正面から見た図である。伝熱プレート７３の上下左右の四隅には、抽気の流入・流出孔７５，７７、給水の流入・流出孔７８，８０が開いている。図３ｂ、図３ｃに示したように、伝熱プレート７３は一方面に抽気流路７６Ｃを形成し、他方面に給水流路７９Ｃを形成する。
【００９５】
図４ａは、伝熱プレート７３に抽気流路７６Ｃを形成する為の面形状の一例を、図４ｂは、伝熱プレート７３に給水流路７９Ｃを形成する為の面形状の一例をそれぞれ示している。この図に明らかなように、抽気の場合の流入・流出孔７５，７７の間の最短経路と、給水の場合の流入・流出孔７８，８０の間の最短経路には、凸状の波板部７３ａが形成されている。このため、抽気流路７６Ｃとしては、流路抵抗の少ない流入・流出孔７５，７７に近い側に多くの抽気が流れ、給水流路７９Ｃとしては、流路抵抗の少ない流入・流出孔７８，８０に近い側に多くの給水が流れることになる。
【００９６】
この結果、１枚の伝熱プレート７３の表面（図４ａ）では、流入・流出孔７５，７７に近い側に多くの抽気が流れてこの部分を加熱し、裏面（図４ｂ）では、流入・流出孔７８，８０に近い側に多くの給水が流れてこの部分を冷却する。そのため、１枚の伝熱プレート７３を介在して、表面の抽気から裏面の給水に対する熱交換が効率よく実施される。
【００９７】
この熱交換を効率よく行わせるためには、抽気や給水を最短経路で通さないことであり、この目的のために面の半分には、プレス加工により平板上に緩やかな波板状７３ａの流路を与えている。波板の全体の構成は、中央部が凸の緩やかな山型形状７３ａになっている。この形状は、流れに大きな流動損失を与えずに、波板による伝熱促進効果を狙ったものである。このピッチ、流れ方向に対する角度などの主要な設計因子は、主に熱交換する流体の圧力損失と熱伝達率によって決められており、これら必要な性能に応じて、適宜、波板の形状・寸法を採用している。
【００９８】
図５に本発明の好適な一実施例である実施例１のサポート用リブ付き耐圧プレートの概略図を示す。図５ａはサポート用リブ付き耐圧プレートの平面図であり、図５ｂはそのＡ−Ａ断面図を示している。サポート用リブ付き耐圧プレート７４は、伝熱プレート７３の間の間隔を規定する以外に、伝熱プレートを挟んだ二流体の差圧で薄いプレートが変形しないように、周辺のプレート以外に内部にある中央部に少なくとも１つ以上のサポート用リブ７４ａが設置されている。また、リブの向きは流体の流れ方向にほぼ並行となるのが望ましい。この図では、中央部に複数本のサポート用リブ７４ａを設置している。これは、他の実施例に示したように、他のいくつかの実施例が考えられる。
【００９９】
図６に本発明の好適な一実施例である実施例１の伝熱プレートの流路の断面図を示す。この図では、給水加熱器の熱交換を例としている。左下から給水ＦＢ１が流れ、左上から抽気蒸気ＦＡ１が流れる対向流熱交換方式の場合を示している。この断面図からも明らかなように、波板７３ａは緩やかなサインカーブの形状を有し、ほとんど同位相で繰り返されている。従って、それら流路の幅は流れ方向にほとんど変化しない。
【０１００】
そこで、給水と抽気蒸気が熱交換する場合、給水ＦＢ１は入口から流れ方向に沿って熱交換して顕熱により温度上昇して昇温するだけである。一方、抽気蒸気ＦＡ１は飽和蒸気または湿り蒸気で流れてきて、熱交換しながら飽和の凝縮水を生成することになる。ここで、蒸気が凝縮されて飽和液になる場合、大きな体積変化が生じるため、相変化に伴うハンマーリング現象を生じる可能性がある。これにより、急激な衝撃圧力が発生する場合がある。
【０１０１】
このような凝縮する側の流体の体積変化による急激な衝撃圧力の発生による波板への荷重を低減するため、蒸気側の流路の体積を給水側の約２倍まで拡大して、凝縮ハンマーリング現象を緩和する方法をとる。そこで、本発明では波板の流路幅の比が次の関係を満足する範囲以内とする。
［数１］
１≦δｖ／δｆ≦２ （１）
但し、δｖは凝縮する流体（抽気）が通過する波板の流路幅、δｆは凝縮しない流体（給水）が通過する波板の流路幅を示す。
【０１０２】
また、熱交換現象を考えると、それぞれの流体の熱伝達率と波板厚さｔにより決まる熱抵抗Ｔｗから総括伝熱係数Ｋが決まる。ここで、給水側の強制対流熱伝達率ｈｆに比べて、抽気蒸気側の凝縮熱伝達率ｈｖは相変化による潜熱移動があるため、約１桁以上性能が大きくなる。従って、給水側の熱伝達率ｈｆの最低限の値を確保するように設計するのが望ましい。この場合、波板厚さｔによる熱抵抗も小さくするため、板厚は厚くても１ｍｍから２ｍｍ程度の範囲にする必要がある。
【０１０３】
一方、熱交換する二流体にはそれぞれ供給される圧力条件があり、その差圧ΔＰに耐えうる板厚ｔが必要となる。ここで、もし図３及び図５に示すサポート用リブ付き耐圧プレート７４がなければ、この大きな圧力差による平板の変形は厳しい状態となる。それに比べて、本発明では図示したように、伝熱プレートの平板を細かく分割し、平板で受ける差圧による変形を抑制することができるため、伝熱プレートの板厚ｔを薄く保持することができる。
【０１０４】
例えば、抽気蒸気の圧力条件としては、１．３ＭＰａから最大２．４ＭＰａの範囲となる。一方、給水の圧力は０．５ＭＰａから７ＭＰａまでの広範囲となる。そこで、各給水加熱器において、各種流体の差圧（０．１〜１．５ＭＰａ）に対して適切に伝熱プレートの設計仕様を決定するには、熱交換する二流体の差圧ΔＰと熱交換する二流体を挟んだ波板厚ｔの関係として、特に総括伝熱係数が１ｋＷ／ｍ２Ｋ以上となるように次の範囲を満足する必要がある。
［数２］
１ｘ１０３≦ΔＰ／ｔ≦１ｘ１０４ ＭＰａ／ｍ （２）
発明者らは、本実施例で用いたシェル・プレート式給水加熱器である第１高圧給水加熱器１６Ａの熱交換特性を検討した。この検討結果を、図７及び図８を用いて以下に説明する。この検討においては、従来の伝熱管を用いた間接式給水加熱器の熱交換特性も併せて検討した。
【０１０５】
図７ａは第１高圧給水加熱器１６Ａに従来のシェル・チューブ式給水加熱器を用いた熱交換を示し、図７ｂはシェル・プレート式給水加熱器を用いた熱交換を示している。図７ａの横軸は第１高圧給水加熱器１６Ａの給水の流れ方向における位置Ｘ１を示している。具体的には、位置Ｘ１はシェル・チューブ式給水加熱器の伝熱管の入口端からの位置である。図７ｂの横軸は給水の流れ方向における位置Ｘ２を示している。図７ａ及び図７ｂの縦軸は温度を示している。
【０１０６】
第１高圧給水加熱器１６Ａがシェル・チューブ式給水加熱器（図７ａ）では、熱交換する二流体の温度差を表すターミナル温度差ＴＤ及びドレーンクーラー温度差ＤＣが両方とも大きな値である。これに対して、シェル・プレート式給水加熱器では、ターミナル温度差ＴＤ及びドレーンクーラー温度差ＤＣともに小さくなっている。これは、二流体が熱交換する際、熱を伝えるために熱抵抗となる要素の大小の影響を受けている。
【０１０７】
第１高圧給水加熱器１６Ａがシェル・チューブ式給水加熱器の場合の熱抵抗回路網（図７ａ参照）は、伝熱管を有するために３種類の熱抵抗（１／ｈｓ、ｔ／λ、１／ｈｔ）から構成されるのと同様に、シェル・プレート式給水加熱器からなる熱抵抗回路網（図７ｂ参照）も３種類の熱抵抗（１／ｈｓ、ｔ／λ、１／ｈｐ）からなる。しかし、波板間を流れることにより乱流促進効果が発生し、シェル・プレート式給水加熱器の場合は、熱伝達率ｈｓ及びｈｐともに大きくなる。したがって、第１高圧給水加熱器１６Ａにおける熱伝達率、すなわち熱通過率が従来のシェル・チューブ式給水加熱器よりも大きくなるので、第１高圧給水加熱器１６Ａにおけるターミナル温度差ＴＤ及びドレーンクーラー温度差ＤＣがともに小さくなる。
【０１０８】
図８はシェル・プレート式給水加熱器の熱交換性能と空間体積の関係図を示す。図８の横軸は給水加熱器の容積Ｖを示し、縦軸は圧損ΔＰに対する交換熱量Ｑの比を示している。
【０１０９】
この解析結果によれば、図７ａのシェル・チューブ式給水加熱器の場合の給水加熱器の容積Ｖを１．０、圧損ΔＰに対する交換熱量Ｑの比を１．０として、標準化した場合に比べて、本発明の場合は、空間容積を約１／５に減少することができる。その上、波板の緩やかな形状を利用することで大きな伝熱促進効果を期待できるため、圧損は現状並みで、熱交換性能が約１．２倍以上の性能となる。また、分解・点検のスペースも大幅に縮小できるメリットもある。
【０１１０】
一方、参考として、空間容積を約１／８に減少することができて、熱交換性能も本発明と同じ程度確保できるプレート・フィン式も図示した。この結果では性能的にはプレート・フィン式に利があるが、この方式は１００℃以下、０．２ＭＰａ以下と低温・低圧での使用に限られており、発電プラントで使用する流体条件には合致しない。従って、本発明の特徴は、高温・高圧条件で使用しても、コンパクトで高性能な熱交換性能を確保することができる点である。
【０１１１】
以上に述べた第１高圧給水加熱器１６Ａにおける容積の約１／５への低減、及び熱交換性能の約１．２倍向上は、沸騰水型原子力発電プラント１における残りの５基の給水加熱器１６Ｂ，１７Ａ〜１７Ｄでも達成することができる。
【０１１２】
既設の沸騰水型原子力発電プラントでは、設置されている複数のシェル・チューブ式給水加熱器をなんら変更せずに、コンパクトで高性能なシェル・プレート式給水加熱器を一基追設するだけで、原子炉２に供給される給水の温度を２０℃程度上昇させることもできる。
【０１１３】
給水配管１５に設けられた６基の給水加熱器が、全て、シェル・プレート式給水加熱器である場合、最終段の第１高圧給水加熱器１６Ａから原子炉２に供給される給水の温度が、６基の給水加熱器が、全て、シェル・チューブ式給水加熱器である場合に比べて、前者の熱交換性能は後者の熱交換性能の約１．２倍になる。本実施例は、６基のシェル・プレート式給水加熱器を給水配管１５に設けているので、給水配管１５が設置されるタービン建屋をコンパクト化することができる。
【０１１４】
また、本実施例は、容器５０内の波板を介して給水と蒸気とが安定に熱交換しているので、前述した蒸気インジェクタを用いた場合に生じる給水の流動が不安定になることを防止することができる。
【０１１５】
本実施例では、高圧タービン３及び低圧タービン５Ａ、５Ｂ，５Ｃ等から抽気した抽気蒸気を、シェル・プレート式給水加熱器である高圧給水加熱器１６Ａ，１６Ｂ及び低圧給水加熱器１７Ａ〜１７Ｄに供給してそれぞれの容器５０内で給水と熱交換させて給水を加熱しているので、原子炉２で発生した蒸気の熱が回収されて原子炉２に供給される給水の温度を上昇させることができる。このため、沸騰水型原子力発電プラント１の熱効率が向上する。特に、容器５０内で容積当たりの伝熱面積が大きくなるコンパクトな伝熱プレート要素で給水と蒸気を熱交換させるので、熱交換を行う両方の流体における温度差が小さくても、大きな交換熱量を確保することができる。例えば、現状のシェル・チューブ式給水加熱器を本発明のシェル・プレート式給水加熱器に全て変えることで、原子炉へ供給する給水温度を最低でも２３５℃以上、最大２５０℃以上まで上昇することができるため、熱効率を約０．３％程度向上させることができる。
【０１１６】
このように本実施例では、全ての給水加熱器で給水と抽気蒸気の流体間で熱交換を行うため、全ての給水加熱器における熱交換性能が高性能になる。このため、本実施例では、全ての給水加熱器がシェル・チューブ式給水加熱器である従来の沸騰水型原子力発電プラントのように、給水加熱器に供給する抽気蒸気の流量を多くする必要が無く、少ない抽気蒸気でも給水温度を十分上昇させることができる。
【０１１７】
この結果、沸騰水型原子力発電プラント１では、原子炉の定格出力運転では、炉水と主蒸気のエンタルピ差が小さくなった分だけ、主蒸気流量が増加する。全ての給水加熱器がシェル・チューブ式給水加熱器である従来の沸騰水型原子力発電プラントに比べて、沸騰水型原子力発電プラント１では、高圧タービン３及び低圧タービン５Ａ，５Ｂ，５Ｃに供給される蒸気量が増加する。したがって、本実施例では、高圧タービン３及び各低圧タービンでの蒸気による仕事量が増大し、電気出力を向上させることができる。これは、沸騰水型原子力発電プラント１において、定格の原子炉出力をさらに増大させる出力向上運転を実質的に行っていることになる。
【０１１８】
本実施例は、シェル・プレート式給水加熱器である高圧給水加熱器１６Ａ，１６Ｂ及び低圧給水加熱器１７Ａ〜１７Ｄを給水配管１５に設置して、高圧タービン３あるいは低圧タービンからの抽気蒸気を給水に熱交換させて凝縮させる凝縮熱伝達により、抽気蒸気と給水の間で効率の良い熱交換を行うことができる。このため、少ないエネルギーで給水の温度を上昇することができる。各低圧タービンに供給される蒸気の温度が上昇して低圧タービン内での蒸気の膨張量が増大するので、低圧タービンでの蒸気による仕事量が増加する。これによっても、沸騰水型原子力発電プラント１の電気出力がさらに向上する。
【０１１９】
本実施例では、高圧タービン及び低圧タービンから抽気されて該当するシェル・プレート式給水加熱器に供給される抽気蒸気の流量が少なくて済むため、高圧タービン及び低圧タービンで仕事をする主蒸気流量が増加し、電気出力が向上する。さらに、蒸気発生装置である原子炉２で発生した熱を沸騰水型原子力発電プラント１内で有効に利用することができ、復水器１１から海水排出管１３Ｂを通して海に排出される温排水の熱量を低減することができる。したがって、再生サイクルの沸騰水型原子力発電プラント１における熱効率をさらに向上させることができる。
【０１２０】
次に、湿分分離過熱器に、本発明のシェル・プレート式給水加熱器を適用した場合のシステム構成の一例を、図９を用いて具体的に説明する。図９に示すように、湿分分離過熱器３３は、横置き式の容器４１内に、主要機器として、湿分分離器４３、第１段過熱器３４Ａ及び第２段過熱器３４Ｂを設置する。湿分分離器４３は容器内の下部へＹ字型に配置する。
【０１２１】
ここで、湿分分離器４３は容器４１の下部から流入してきた湿り蒸気４０ａ中の湿り液滴を除去する機構を有するものである。その上流には、蒸気均一流入機構４２を設置することで、下から流入した蒸気４０ａが、Ｙ字型に配置された湿分分離器４３に均一に流入するように整流を行う。
【０１２２】
湿分分離器４３で湿分が除去され、湿分分離器４３から排出された主蒸気流４０は、次に、容器４１内の中央部の上流側に配置された第１段過熱器３４Ａに導かれ、高圧タービンから抽気された蒸気を用いて過熱される。また、容器４１内の上部の下流側に配置された第２段過熱器３４Ｂは、第１段過熱器３４Ａで過熱された蒸気を、高圧タービンより上流の主蒸気配管から抽気された蒸気４９ａを用いて過熱する。そして、第２段過熱器３４Ｂで過熱された蒸気４０ｂが低圧タービンに供給される。
【０１２３】
これに対し、主蒸気流４０を過熱するための抽気蒸気流４９ａは、入り口側蒸気室４７に導かれ、第１段過熱器３４Ａ及び第２段過熱器３４Ｂでの熱交換の後に出口側蒸気室４８から飽和凝縮ドレーン水４９ｂとして排出される。
【０１２４】
図９の湿分分離過熱器の場合に、図１の給水加熱器とは、加熱流体、被加熱流体の導入、排出位置は相違しているが、ここで、第１段過熱器３４Ａ及び第２段過熱器３４Ｂもまた、シェル・プレート式熱交換器であり、伝熱プレート層５４で構成される。なお、これら伝熱プレート層５４と容器４１の間を隔離するため、伝熱プレート層５４の外部にはガイド機構４６を設置している。これらの間には、中間媒体を封入しても良い。
【０１２５】
以上、ＢＷＲあるいはＡＢＷＲの沸騰水型原子力発電プラントの熱効率を向上させるために、湿分分離器の湿分分離効率を向上し、さらに湿分分離過熱器をコンパクトで高性能化することができるため、再熱サイクル向上によりプラント効率は向上する。また、従来の湿分分離過熱器の容器が小型化するため、湿分分離過熱器を設置する際の建屋全体へのコンパクト化に対しても寄与することができる。
【０１２６】
本実施例は、第１段過熱器及び第２段過熱器に従来の伝熱管を設置せずに、シェル・プレート式熱交換器である伝熱プレートを設置しているため、過熱用熱交換要素が大きくならない。それゆえ、上記の給水加熱器と同様に、湿分分離過熱器の熱交換性能が向上する。このため、沸騰水型原子力発電プラントの熱効率を向上させることができる。
【０１２７】
これにより、低圧タービンの翼のエロージョンなどによる健全性を確保することができると同時に、ＢＷＲプラントの熱効率を向上させることも可能になる。
【０１２８】
本実施例は、炉心に冷却水を供給するポンプとしてインターナルポンプを用いた改良型沸騰水型原子力発電プラント（ＡＢＷＲ発電プラント）にも適用することができる。後述の実施例２から実施例４も、ＡＢＷＲ発電プラントに適用することができる。
【０１２９】
本実施例の沸騰水型原子力発電プラント１では、伝熱管を有するシェル・チューブ式熱交換器を用いた給水加熱器ではなく、伝熱管を設けていないシェル・プレート式熱交換器、すなわち、容器５０内で、波板プレートを介して給水ポンプで供給される給水（サブクール水）と高圧タービン３からの抽気蒸気を凝縮させて熱交換させる給水加熱器（例えば、第１高圧給水加熱器１６Ａ）を用いることができる。
【実施例２】
【０１３０】
図１０に、本発明の他の実施例である実施例２の伝熱プレートの概略図を示す。１枚の伝熱プレート７３を正面から見た図である。上下左右の四隅に、加熱流体ＦＡと被加熱流体ＦＢの流入・流出孔（７５，７７，７８，８０）が開いている。それ以外の面には、プレス加工により平板上に緩やかな波板状の流路７３ｂを与えている。波板の全体の構成は、中央部が凹の緩やかな山型になっている。これは、図４と反対の形状になっている。この形状も、流れに大きな損失を与えずに、波板による伝熱促進効果を狙ったものの一つである。このピッチ、流れ方向に対する角度などの主要な設計因子は、主に熱交換する流体の圧力損失と熱伝達率によって決められており、これら必要な性能に応じて、適宜、波板の形状・寸法を採用している。
【実施例３】
【０１３１】
図１１に、本発明の他の実施例である実施例３のサポート用リブ付き耐圧プレート７４の概略図を示す。図５に示した最も簡単な中央部に多数本設置したサポート用リブ７４ａに比べて、図１１ではネクタイ型のサポート用リブ７４ｂが設置されている。これにより、伝熱プレート７３の耐圧強度の向上を図ると同時に、熱交換する流体の流れを大幅に変更することがないため、圧損及び熱伝達率に大きな影響を及ぼすことがないなどの特徴もある。
【０１３２】
なお、図５に示す他の実施例以外にも、伝熱プレートの変形を防止するように、微少セルに分割するサポート用リブの例は多数ある。
【実施例４】
【０１３３】
本発明のシェル・プレート式熱交換器の熱交換要素は、発電プラント内において、湿分分離過熱器ＭＳＨや給水加熱器以外に、低温の海水と低圧タービンからの低圧の主蒸気が凝縮を伴う熱交換する復水器などの熱交換器にも用いてもよい。
【０１３４】
この場合に、熱交換器である復水器は、蒸気タービンから排出された蒸気を加熱流体とし、冷却水である海水を被加熱流体として熱交換を行うように構成される。この場合にも、熱交換器の装置構成は、図１、あるいは図３の熱交換の思想を利用して実現することが可能である。
【実施例５】
【０１３５】
本発明のシェル・プレート式熱交換器の熱交換要素は、原子力発電プラント内において、湿分分離過熱器ＭＳＨや給水加熱器以外に、除熱手段として、動的な低圧注水系の除熱運転モードである残留熱除去系（ＲＨＲ）、またはポンプなどの駆動源なしで自然力により蒸気を凝縮するシステムである非常用復水器（ＩＣ）及び静的格納容器冷却系（ＰＣＣＳ）、あるいは補機冷却器などの熱交換器にも用いてもよい。
【０１３６】
なお、本実施例は沸騰水型軽水炉プラントを例にしたが、本発明は加圧水型軽水炉の２次系やその他の形式の原子力発電システムにも適用可能である。また、原子力発電以外の化石燃料を用いた発電プラントの各種熱交換器に適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明は、沸騰水型原子力発電プラント及び加圧水型原子力プラント等の原子力発電プラント、及び火力発電プラントのような発電プラントに適用することができる。
【符号の説明】
【０１３８】
１…沸騰水型原子力発電プラント
２…原子炉
３…高圧タービン
４…湿分分離器
５…低圧タービン
６…主蒸気配管
８…主蒸気調節弁
９…発電機
１０…主軸
１１…復水器
１２…伝熱管
１３Ｂ…海水排出管
１４…海水循環ポンプ
１５…給水配管
１６…高圧給水加熱器
１７…低圧給水加熱器
１８…復水ポンプ
１９…給水ポンプ
２０〜２５…抽気配管
２６，３５，３９…ドレン配管
３３…湿分分離過熱器
３４Ａ…第１段過熱器
３４Ｂ…第２段過熱器
４０…主蒸気流
４１…胴
４２…蒸気均一流入機構
４６…伝熱プレート層ガイド
４７…入口側蒸気室
４８…出口側蒸気室
４９…抽気蒸気流
４９ａ…抽気蒸気流入
４９ｂ…抽気蒸気流出
５０…胴
５１…管板
５２…水室
５３…仕切り板
５４…伝熱プレート層
５４ａ…伝熱プレート１ユニット
５４ｂ…伝熱プレート層ガイド
５５…中間媒体
５６…凝縮水ポット
７１…Ｓプレート
７２…Ｅプレート
７３…伝熱プレート
７３ａ…波型形状
７４…サポート用リブ付き耐圧プレート
７５…抽気蒸気流入孔
７７…抽気蒸気流出孔
７８…給水流入孔
８０…給水流出孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、該蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、該蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、該復水器の復水を前記給水として前記蒸気発生器に送ると共に、前記給水もしくは前記蒸気を被加熱流体とし、前記蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器を備える発電プラントにおいて、
前記熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に前記被加熱流体の流路と、前記加熱流体の流路を形成して熱交換を行うことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項２】
請求項１記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記伝熱プレート各面の流路には、波形形状の波板が形成されていることを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項３】
請求項２記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記熱交換器での熱交換により凝縮現象を伴う場合、凝縮する流体が通過する前記伝熱プレートの波板の流路幅をδｖ、凝縮しない流体が通過する前記伝熱プレートの波板の流路幅δｆとしたとき、波板の流路幅の比が次の関係を満足する範囲であることを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
１≦δｖ／δｆ≦２
【請求項４】
請求項２または請求項３記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記伝熱プレートにおいて熱交換する二流体の差圧ΔＰと、前記伝熱プレートの波板の厚みｔが、次の関係を満足する範囲であることを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
１ｘ１０３≦ΔＰ／ｔ≦１ｘ１０４ ＭＰａ／ｍ
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記伝熱プレートを挟む耐圧プレートが少なくとも４角形の４辺のフレームをリブとし、その内部に流体の流れとほぼ並行に少なくとも１つ以上の中間サポート用リブを設置したことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項６】
給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、該蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、該蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、該復水器の復水を加熱する給水加熱器と、該給水加熱器において加熱された給水を前記蒸気発生器に送るようにされた発電プラントにおいて、
前記給水加熱器は、前記復水器からの復水を被加熱流体とし、前記蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器であって、該熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に前記被加熱流体の流路と、前記加熱流体の流路を形成して熱交換を行うことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項７】
請求項６記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記給水加熱器は、蒸気発生器と復水器の間に複数台設置され、このうちのすくなくとも１台の給水加熱器は、前記シェル・プレート式熱交換器とされることを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項８】
請求項６または請求項７記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記シェル・プレート式熱交換器で構成された給水加熱器は、その内部に前記ユニットを固定するガイド機構を設置し、シェル内と前記ガイド機構との間に中間媒体を封入したことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項９】
請求項６から請求項８のいずれかに記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記シェル・プレート式熱交換器で構成された高圧及び低圧給水加熱器を設置し、原子炉へ供給する給水温度を最低でも２３５℃以上に上昇し、熱効率を約０．１％以上向上させることを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項１０】
給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、該蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、該蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、該復水器の復水を前記給水として前記蒸気発生器に送ると共に、前記蒸気タービンを高圧タービンと低圧タービンとで構成し、高圧タービンから排出された蒸気を、湿分分離器と過熱器で構成される湿分分離過熱器を介して前記低圧タービンに導入するようにされた発電プラントにおいて、
前記湿分分離過熱器の過熱器は、前記高圧タービンから排出された蒸気を被加熱流体とし、前記蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器であって、該熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に前記被加熱流体の流路と、前記加熱流体の流路を形成して熱交換を行うことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項１１】
請求項１０記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記湿分分離過熱器の過熱器は、第１段過熱器とその後流側の第２段過熱器とで構成され、第１段過熱器には前記高圧蒸気タービンからの抽気を加熱流体として与え、第２段過熱器には前記高圧蒸気タービンに流入前の蒸気を加熱流体として与えることを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記湿分分離過熱器内に設置した過熱器に、前記ユニットを固定するガイド機構を設置し、シェル内と前記ガイド機構との間に中間媒体を封入したことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項１３】
給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、該蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、該蒸気タービンから排出された蒸気を海水で冷却して復水とする復水器と、該復水器の復水を給水として前記蒸気発生器に送るようにされた発電プラントにおいて、
前記復水器は、前記蒸気タービンから排出された蒸気を加熱流体とし、前記海水を被加熱流体として熱交換を行う熱交換器であって、該熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に前記被加熱流体の流路と、前記加熱流体の流路を形成して熱交換を行うことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項１４】
被加熱流体と加熱流体の間で熱交換を行う熱交換器であって、該熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に前記被加熱流体の流路と、前記加熱流体の流路を形成して熱交換を行うことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器。
【請求項１５】
原子力発電プラントの除熱手段として、動的な低圧注水系の除熱運転モードである残留熱除去系の熱交換器として使用することを特徴とする請求項１４に記載のシェル・プレート式熱交換器。
【請求項１６】
原子力発電プラントの除熱手段として、ポンプなどの駆動源なしで自然力により蒸気を凝縮するシステムである非常用復水器として使用することを特徴とする請求項１４に記載のシェル・プレート式熱交換器。
【請求項１７】
原子力発電プラントの除熱手段として、ポンプなどの駆動源なしで自然力により蒸気を凝縮するシステムである静的格納容器冷却系の熱交換器として使用することを特徴とする請求項１４に記載のシェル・プレート式熱交換器。
【請求項１】
給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、該蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、該蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、該復水器の復水を前記給水として前記蒸気発生器に送ると共に、前記給水もしくは前記蒸気を被加熱流体とし、前記蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器を備える発電プラントにおいて、
前記熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に前記被加熱流体の流路と、前記加熱流体の流路を形成して熱交換を行うことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項２】
請求項１記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記伝熱プレート各面の流路には、波形形状の波板が形成されていることを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項３】
請求項２記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記熱交換器での熱交換により凝縮現象を伴う場合、凝縮する流体が通過する前記伝熱プレートの波板の流路幅をδｖ、凝縮しない流体が通過する前記伝熱プレートの波板の流路幅δｆとしたとき、波板の流路幅の比が次の関係を満足する範囲であることを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
１≦δｖ／δｆ≦２
【請求項４】
請求項２または請求項３記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記伝熱プレートにおいて熱交換する二流体の差圧ΔＰと、前記伝熱プレートの波板の厚みｔが、次の関係を満足する範囲であることを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
１ｘ１０３≦ΔＰ／ｔ≦１ｘ１０４ ＭＰａ／ｍ
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記伝熱プレートを挟む耐圧プレートが少なくとも４角形の４辺のフレームをリブとし、その内部に流体の流れとほぼ並行に少なくとも１つ以上の中間サポート用リブを設置したことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項６】
給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、該蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、該蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、該復水器の復水を加熱する給水加熱器と、該給水加熱器において加熱された給水を前記蒸気発生器に送るようにされた発電プラントにおいて、
前記給水加熱器は、前記復水器からの復水を被加熱流体とし、前記蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器であって、該熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に前記被加熱流体の流路と、前記加熱流体の流路を形成して熱交換を行うことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項７】
請求項６記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記給水加熱器は、蒸気発生器と復水器の間に複数台設置され、このうちのすくなくとも１台の給水加熱器は、前記シェル・プレート式熱交換器とされることを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項８】
請求項６または請求項７記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記シェル・プレート式熱交換器で構成された給水加熱器は、その内部に前記ユニットを固定するガイド機構を設置し、シェル内と前記ガイド機構との間に中間媒体を封入したことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項９】
請求項６から請求項８のいずれかに記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記シェル・プレート式熱交換器で構成された高圧及び低圧給水加熱器を設置し、原子炉へ供給する給水温度を最低でも２３５℃以上に上昇し、熱効率を約０．１％以上向上させることを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項１０】
給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、該蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、該蒸気タービンから排出された蒸気を復水する復水器と、該復水器の復水を前記給水として前記蒸気発生器に送ると共に、前記蒸気タービンを高圧タービンと低圧タービンとで構成し、高圧タービンから排出された蒸気を、湿分分離器と過熱器で構成される湿分分離過熱器を介して前記低圧タービンに導入するようにされた発電プラントにおいて、
前記湿分分離過熱器の過熱器は、前記高圧タービンから排出された蒸気を被加熱流体とし、前記蒸気タービンからの抽気を加熱流体として熱交換を行う熱交換器であって、該熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に前記被加熱流体の流路と、前記加熱流体の流路を形成して熱交換を行うことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項１１】
請求項１０記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記湿分分離過熱器の過熱器は、第１段過熱器とその後流側の第２段過熱器とで構成され、第１段過熱器には前記高圧蒸気タービンからの抽気を加熱流体として与え、第２段過熱器には前記高圧蒸気タービンに流入前の蒸気を加熱流体として与えることを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１記載のシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラントにおいて、
前記湿分分離過熱器内に設置した過熱器に、前記ユニットを固定するガイド機構を設置し、シェル内と前記ガイド機構との間に中間媒体を封入したことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項１３】
給水を導入して蒸気を発生する蒸気発生器と、該蒸気発生器からの蒸気を導入して発電機を駆動する蒸気タービンと、該蒸気タービンから排出された蒸気を海水で冷却して復水とする復水器と、該復水器の復水を給水として前記蒸気発生器に送るようにされた発電プラントにおいて、
前記復水器は、前記蒸気タービンから排出された蒸気を加熱流体とし、前記海水を被加熱流体として熱交換を行う熱交換器であって、該熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に前記被加熱流体の流路と、前記加熱流体の流路を形成して熱交換を行うことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器を備えた発電プラント。
【請求項１４】
被加熱流体と加熱流体の間で熱交換を行う熱交換器であって、該熱交換器は、耐圧用のシェル内に伝熱プレートと耐圧プレートを交互に積層したユニットを固定し、耐圧プレートに挟まれた伝熱プレートの各面に前記被加熱流体の流路と、前記加熱流体の流路を形成して熱交換を行うことを特徴とするシェル・プレート式熱交換器。
【請求項１５】
原子力発電プラントの除熱手段として、動的な低圧注水系の除熱運転モードである残留熱除去系の熱交換器として使用することを特徴とする請求項１４に記載のシェル・プレート式熱交換器。
【請求項１６】
原子力発電プラントの除熱手段として、ポンプなどの駆動源なしで自然力により蒸気を凝縮するシステムである非常用復水器として使用することを特徴とする請求項１４に記載のシェル・プレート式熱交換器。
【請求項１７】
原子力発電プラントの除熱手段として、ポンプなどの駆動源なしで自然力により蒸気を凝縮するシステムである静的格納容器冷却系の熱交換器として使用することを特徴とする請求項１４に記載のシェル・プレート式熱交換器。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１２７５４８（Ｐ２０１２−１２７５４８Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７７６８１（Ｐ２０１０−２７７６８１）
【出願日】平成２２年１２月１４日（２０１０．１２．１４）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１４日（２０１０．１２．１４）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
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