JP4294508B2 - 冷却装置の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電プラントで発熱する冷却対象を冷却するための冷却装置の運転方法に関する。

従来より、発電プラントでは、ボイラで蒸気を発生し、この蒸気を用いてタービンを回転し、この回転力を発電機に動力として伝えて発電している（例えば、特許文献１を参照。）。そして、この時、タービン軸受け等に代表される様々な機器では発熱するため、これを冷却すべく冷却装置が設けられている。

図１に、この冷却装置１の冷却水系統図を示す。この冷却装置１は、タービン軸受け等の冷却対象１３から戻される一次冷却水を所定の設定水温まで冷却し、冷却した一次冷却水を毎分当たり所定流量で前記冷却対象１３に供給するものである。

詳細に説明すると、当該冷却装置１は、前記冷却対象１３から戻される一次冷却水を取り込む取水口１５と、冷却した一次冷却水を冷却対象１３へ供給する供給口１７とを有する一次流路１０を備えている。そして、前記冷却対象１３を含めると、当該一次流路１０は、一次冷却水を循環供給する循環路となっている。

前記取水口１５の直近下流には、前記一次冷却水を圧送するための一次ポンプ１９が設けられ、その下流には、通過中に一次冷却水を冷却する熱交換器２１が設けられ、その更に下流には、前述の供給口１７が続いている。

この供給口１７から冷却対象１３へ供給される一次冷却水の供給量は、前記熱交換器２１出側に設けられた流量調整弁２３によって調整され、これによって、常時、前記所定流量の一次冷却水が冷却対象１３に供給される。この流量調整弁２３としては、例えば、前記供給口１７と取水口１５との水圧差が一定値となるように弁開度を調整する差圧調整弁等が用いられる。なお、前記水圧差は差圧計２５によって計測される。

また、供給口１７から冷却対象１３へ供給される一次冷却水の水温は、所定の設定水温に調整されている。この水温調整は、熱交換器２１を通さずに迂回するバイパス流路２７の通過流量（以下、バイパス流量とも言う）を調整することでなされている。すなわち、前記熱交換器２１の入側近傍と前記流量調整弁２３の出側近傍の各一次流路１０，１０から分岐して、前記熱交換器２１を迂回するバイパス流路２７が設けられている。そして、このバイパス流路２７を通過する一次冷却水は、その出口にて、前記熱交換器２１から出てきた一次冷却水に合流するようになっている。よって、このバイパス流路２７にバイパス弁２９を設けるとともに、その弁開度を供給口１７近傍の水温に基づいて調整することによって、前記水温調整は実現されている。なお、供給口１７近傍の水温は、水温センサ３１によって計測される。

ところで、この冷却装置１は、前記一次冷却水を冷却するための二次冷却水を前記熱交換器２１に循環供給する二次流路５０も備えている。この二次流路５０には、二次冷却水を貯留する貯留槽５１と、この貯留槽５１から二次冷却水を熱交換器２１へ圧送する二次ポンプ５３，５３とが設けられており、貯留槽５１から熱交換器２１へ圧送されて一次冷却水の冷却に供された二次冷却水は、再び貯留槽５１へ戻されるようになっている。

なお、二次ポンプ５３，５３は、通常、二次流路５０に対して二台が並設されており、これら二次ポンプ５３，５３は、常時二台運転されている。そして、この二次ポンプ５３，５３の運転台数が多いほど、熱交換器２１へ送られる二次冷却水の流量は多くなり当該熱交換器２１の冷却能力は大きくなる。
特開２００１−５０００６号公報（第２頁、第５図）

しかしながら、冷却対象１３から戻される一次冷却水の水温が高くなく、熱交換器２１の冷却負荷が軽い場合や、季節変動等によって貯留槽５１の二次冷却水の水温が低く、当該二次冷却水の単位流量当たりの冷熱量が大きい場合には、二次冷却水の流量を多くしなくても設定水温までの冷却は可能であるが、従来は、そのような場合にも、二次ポンプ５３を二台運転していた。

すなわち、二次ポンプ５３を必要台数以上に過剰運転している場合があって、本来節約可能なエネルギーを無駄に消費していた。

また、常時二台運転していることから二次ポンプ５３の稼働時間は甚だ長く、これに伴って二次ポンプ５３の交換周期は短く、その保守費用も多くかかっていた。

本発明はかかる従来の課題に鑑みて成されたもので、発電プラントで発熱する冷却対象を冷却する冷却装置の消費エネルギーおよび保守費用を削減可能な冷却装置の運転方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために請求項１に記載の発明は、冷却対象に一定流量の一次冷媒を循環供給する一次流路と、該一次流路の途中に介装されて、通過する前記一次冷媒を冷却する熱交換器と、前記一次流路における前記熱交換器の入側と出側とを連絡して該熱交換器を迂回するバイパス流路と、該バイパス流路出側の一次冷媒温度に基づいて、該バイパス流路の一次冷媒流量を調節するバイパス弁と、前記熱交換器を介して前記一次冷媒を冷却するための二次冷媒を蓄える貯留槽と、該貯留槽から前記熱交換器へ前記二次冷媒を供給するための二次流路と、前記二次冷媒を圧送するために前記二次流路に並設された複数台のポンプと、を備え、前記バイパス流路の一次冷媒流量が所定の第１閾値以上になったら、前記ポンプの運転台数を減らし、前記バイパス流路の流量が、前記第１閾値よりも小さい第２閾値以下になったら、前記ポンプの運転台数を増やす、冷却装置の運転方法であって、前記第１閾値及び前記第２閾値は、前記バイパス弁の弁開度を示し、前記第２閾値から前記バイパス弁の全閉までの開度の差は、前記第１閾値から前記バイパス弁の全開までの開度の差よりも少ないことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の冷却装置の運転方法において、前記第１閾値は、前記バイパス弁の弁開度で７０％であり、前記第２閾値は、前記バイパス弁の弁開度で１０％であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の冷却装置の運転方法において、前記一次流路は、前記冷却対象に一次冷媒を循環供給するポンプと、前記冷却対象への一次冷媒の供給量を前記一定流量に調整するための流量調整弁とを有し、該流量調整弁は、前記熱交換器の出側とバイパス流路の出側との間の一次流路に設けられていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の冷却装置の運転方法において、該バイパス流路出側の一次冷媒温度が一定温度になるように、前記バイパス弁の開度を調整することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の冷却装置の運転方法において、前記一次冷媒および二次冷媒は、水であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の冷却装置の運転方法において、前記貯留槽は海であるとともに、前記二次冷媒は海水であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の冷却装置の運転方法において、前記冷却対象が、蒸気により軸廻りに回転する発電プラントのタービンを回転可能に支持する軸受けであることを特徴とする。

本発明によれば、発電プラントで発熱する冷却対象を冷却する冷却装置の消費エネルギーおよび保守費用を削減可能となる。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
発電プラントでは、ボイラでの燃料の燃焼によって水を加熱して蒸気を発生し、発生した蒸気をタービンに送ってこれを軸廻りに回転させ、この回転を発電機に動力として伝達して発電がなされている。このような発電プラントでは、例えば、タービンが軸廻りに高速回転するために、これを支持する軸受けにおいて摩擦発熱する。このため、この発熱を冷却すべく、図１に示す冷却装置１が設けられている。

なお、本発明は、この冷却装置１の運転方法に関するものであるため、冷却装置１自体の構成は、背景技術のところで説明したものと同じである。従って、冷却装置１の構成の説明は省略する。

前述の背景技術の冷却装置１の運転方法によれば、二次流路５０に並設された二次ポンプ５３，５３は常時二台運転されていた。これに対して、本発明に係る運転方法は、二次ポンプ５３，５３の運転台数を、前記バイパス流路２７を流れるバイパス流量に応じて変化させる点で相違する。

すなわち、前記バイパス流量が所定の第１閾値以上になったら、前記二次ポンプ５３の運転台数を一台に減らす。一方、前記バイパス流量が、前記第１閾値よりも小さい第２閾値以下になったら、前記ポンプ５３の運転台数を二台に増やす。

このように運転可能な理由及びその作用効果は、次の通りである。

先ず、第１閾値以上で一台に減らす理由であるが、これは、バイパス流量が第１閾値以上であるということは、熱交換器２１を通過しない一次冷却水が多くなっている状態であって、熱交換器２１の冷却負荷は軽くなっているためである。

そして、このようにポンプ５３の運転台数を一台に減らせば、その分だけポンプ運転に要するエネルギーを削減できる。また、ポンプ５３の稼働時間が減ってその交換周期を長くできて、その保守費用を削減することもできる。

次に、第２閾値以下で二台に増やす理由であるが、これは、バイパス流量が第２閾値以下であるということは、熱交換器２１を通過する一次冷却水が多くなっている状態であって、熱交換器２１の冷却負荷が重くなっているためである。

そして、このように二台運転すれば、熱交換器２１への二次冷却水の供給不足に伴って熱交換器２１の冷却能力が足りなくなる事態を回避することができて、もって、設定水温に冷却された一次冷却水を、冷却対象１３に安定供給可能となる。

第１閾値は、二次ポンプ５３の運転台数を減らしたことによってバイパス流量が零になるバイパス流量値よりも大きい値に設定される。この理由は次の通りである。ポンプ運転台数を減らした直後には、熱交換器２１を流れる二次冷却水量が減って冷却能力が低下するために供給口１７の水温は上昇するが、この水温を設定水温に戻すべく、バイパス弁２９は閉方向に動作する。そして、この時に、バイパス弁２９が全閉、すなわちバイパス流量が零になっても設定水温まで下げられない場合には、設定水温どおりの一次冷却水を冷却対象１３へ供給できなくなってしまうからである、つまりポンプ運転台数を減らすと同時に冷却能力が不足した状態に陥ってしまうからである。

また、第２閾値は、前述の運転台数を減らした後で且つ設定水温に調整後のバイパス流量値よりも小さい値に設定する。

バイパス流量の監視は、バイパス流路２７に流量計を設けて監視しても良いが、バイパス弁２９の弁開度によって監視しても良い。このうちの後者について少し具体的に説明すると、前記バイパス弁２９は、その弁体と共に動作する指示針を外部に備え、弁開度を外から読みとれるようになっている。そして、この指示針が、第１閾値および第２閾値のバイパス流量に相当する弁開度に達したら、ポンプ運転台数の切り換えを行う。

このポンプ運転台数の切り換えは、バイパス弁２９開度を監視する運転員が手動操作で行っても良いが、この変更を実行する制御装置を別途設け、これによって操作させても良い。ちなみに、当該制御装置の構成例としては、例えば、バイパス弁２９開度を検出して開度情報を出力するセンサと、前記開度情報に基づく開度が、前記第１閾値の相当開度以上になったら二次ポンプ５３の運転台数を一台にし、前記第２閾値の相当開度以下になったら二台にするコンピュータと、を備える構成等が挙げられる。

二次流路５０の貯留槽５１としては、望ましくは海を用い、つまり前記二次冷却水に海水を使用すると良い。そして、このようにすれば、一次冷却水の冷却に用いた海水を海に放流しさえすれば、当該海水は海中にて自然に冷却される。よって、二次冷却水を空冷するためのクーリングタワー等を設けずに済み、冷却装置１を安価にすることができる。

＝＝＝ポンプ運転台数を変更する第１運転例＝＝＝
以下では、冷却対象１３の発熱量が変動した場合、すなわち熱交換器２１の冷却負荷が変動した場合に、ポンプ運転台数を変更する様子を具体的に説明する。

先ず、初期状態であるが、冷却対象１３の発熱量が多くて二次ポンプ５３は二台運転状態にあるものとする。また、この時には、前記供給口１７での水温を設定水温の３５℃にすべく、バイパス弁２９および流量調整弁２３の開度は、それぞれ４０％および２０％になっているものとする。なお、ポンプ運転台数を変更する第１閾値は、バイパス弁の弁開度で７０％に、また第２閾値は１０％に設定されているものとする。

このような初期状態から、冷却対象１３の発熱量が減少すると、取水口１５から冷却装置１に取り込まれる一次冷却水の水温が低くなるため、熱交換器２１等を通って供給口１７に達した一次冷却水の水温も前記設定水温の３５℃から低下する。すると、水温を３５℃に戻すべく、バイパス弁２９は開度を開きバイパス流量を増やす。一方で、流量調整弁２３は、バイパス流量の増加分だけ開度を閉じて熱交換器２１からの流量を減らし、そうすることによって、供給口１７からの供給量を前記所定流量に維持する。

この冷却対象１３の発熱量が更に減少すると、バイパス弁２９は更に開度を開き、流量調整弁２３は更に開度を閉じる。そして、これら開閉動作の果てに、バイパス弁２９の開度が第１閾値に相当する７０％を超えたら、本発明によれば、二次ポンプ５３を一台停止して一台運転に切り換える。これは、熱交換器２１の冷却負荷が軽くなっていて、もって二次ポンプ５３によって多くの二次冷却水を熱交換器２１に供給しなくても、設定水温を確保できるからでからである。

なお、当該一台運転への切り換え直後には、一台運転になった分だけ熱交換器２１の冷却能力が低下するために供給口１７の水温は上昇し、この水温を即座に設定水温に戻すべく、バイパス弁２９は閉方向に動作する。しかし、このバイパス弁２９は第２閾値に相当する１０％の開度まで閉じることはなく、例えば４０％の開度で平衡状態となる。

次に、この状態から、冷却対象１３の発熱量が増加すると、取水口１５から取り込まれる一次冷却水の水温が上昇するため、熱交換器２１等を通って供給口１７に達した一次冷却水の水温も設定水温の３５℃から上昇する。すると、水温を３５℃に戻すべく、バイパス弁２９は開度を閉じてバイパス流量を減らす。一方で、流量調整弁２３は、バイパス流量の減少分だけ開度を開いて熱交換器２１からの流量を増やし、そうすることによって、供給口１７からの供給量を前記所定流量に維持する。

この冷却対象１３の発熱量が更に増加すると、バイパス弁２９は更に開度を閉じ、流量調整弁２３は更に開度を開く。そして、これら開閉動作の果てに、バイパス弁２９の開度が第１閾値に相当する１０％を下回ったら、本発明によれば、停止中の二次ポンプ５３を起動して二台運転に切り換える。これは、熱交換器２１の冷却負荷が重くなっていて、もって二次ポンプ５３によって多くの二次冷却水を熱交換器２１に供給しなければ、設定水温を確保できなくなる可能性があるためである。

なお、当該二台運転への切り換え直後には、二台運転になった分だけ熱交換器２１の冷却能力が増加するために供給口１７の水温は低下し、この水温を即座に設定水温に戻すべく、バイパス弁２９は開方向に動作する。しかし、このバイパス弁２９は第１閾値に相当する７０％の開度まで開くことはなく、例えば３０％の開度で平衡状態となる。

＝＝＝ポンプ運転台数を変更する第２運転例＝＝＝
以下では、二次冷却水の水温が変動した場合に、ポンプ運転台数を変更する様子を具体的に説明する。すなわち、二次冷却水に海水を使用した場合には、夏冬や昼夜等で海水温度が変動することから、二次冷却水の単位流量当たりの抜熱量も異なってくる。このため、この海水温度の変化に伴って、二次ポンプの運転台数も変更される場合がある。

先ず、初期状態であるが、海水温度は２９℃と高くて二次ポンプ５３は二台運転状態にあるものとする。また、この時には、前記供給口１７での水温を設定水温の３５℃にすべく、バイパス弁２９および流量調整弁２３の開度は、それぞれ４０％および２０％に調整されているものとする。なお、ポンプ運転台数を切り換える第１閾値は、バイパス弁の弁開度で７０％に、また第２閾値は１０％にそれぞれ設定されているものとする。

このような初期状態から、海水温度が低下すると、海水温度の低下分だけ熱交換器２１の冷却能力が大きくなるため、熱交換器２１等を通って供給口１７に達する一次冷却水の水温も前記設定水温の３５℃から低下する。すると、水温を３５℃に戻すべく、バイパス弁２９は開度を開いてバイパス流量を増やす。一方で、前記流量調整弁２３は、バイパス流量の増加分だけ開度を閉じて熱交換器２１からの流量を減らし、そうすることによって、供給口１７からの供給量を前記所定流量に維持する。

この海水温度が更に低下すると、バイパス弁２９は更に開度を開き、流量調整弁２３は更に開度を閉じる。そして、これら開閉動作の果てに、バイパス弁２９の開度が第１閾値に相当する７０％を超えたら、本発明によれば、二次ポンプ５３を一台停止して一台運転に切り換える。これは、熱交換器２１の冷却負荷が軽くなっていて、もって二次ポンプ５３によって多くの二次冷却水を熱交換器２１に供給しなくても、設定水温を確保できるからである。

なお、当該一台運転への切り換え直後には、一台運転になった分だけ熱交換器２１の冷却能力が低下するために供給口１７の水温は上昇し、この水温を即座に設定水温に戻すべく、バイパス弁２９は閉方向に動作する。しかし、このバイパス弁２９は第２閾値に相当する１０％の開度まで閉じることはなく、例えば４０％の開度で平衡状態となる。

次に、この状態から、海水温度が上昇すると、海水温度の上昇分だけ熱交換器２１の冷却能力が小さくなるため、熱交換器２１等を通って供給口１７に達する一次冷却水の水温も前記設定水温の３５℃から上昇する。すると、水温を３５℃に戻すべく、バイパス弁２９は開度を閉じてバイパス流量を減らす。一方で、前記流量調整弁２３は、バイパス流量の減少分だけ開度を開いて熱交換器２１からの流量を増やし、そうすることによって、供給口１７からの供給量を前記所定流量に維持する。

この海水温度が更に上昇すると、バイパス弁２９は更に開度を開き、流量調整弁２３は更に開度を閉じる。そして、これら開閉動作の果てに、バイパス弁２９の開度が第１閾値に相当する１０％を下回ったら、本発明によれば、停止中の二次ポンプ５３を起動して二台運転に切り換える。これは、熱交換器２１の冷却負荷が重くなっていて、もって二次ポンプ５３によって多くの二次冷却水を熱交換器２１に供給しなければ、設定水温を確保できなくなる可能性があるためである。

なお、当該二台運転への切り換え直後には、二台運転になった分だけ熱交換器２１の冷却能力が増加するために供給口１７の水温は低下し、この水温を即座に設定水温に戻すべく、バイパス弁２９は開方向に動作する。しかし、このバイパス弁２９は第１閾値に相当する７０％の開度まで開くことはなく、例えば３０％の開度で平衡状態となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではなく、以下に示すような変形が可能である。
本実施形態では、二次ポンプ５３，５３を二台並設したが、この設置台数については、複数台であればこれに限るものではなく、二次流路５０に対して３台以上を並設するようにしても良い。
本実施形態では、熱交換器２１を一台設けたが、この設置台数については、これに限るものではなく、一次流路１０に対して複数台を並設するようにしても良い。
本実施形態では、一次ポンプ１９を一台設けたが、この設置台数については、これに限るものではなく、一次流路１０に対して複数台を並設するようにしても良い。
本実施形態では、一次冷媒および二次冷媒に水を用いたが、冷媒として使用できるものであればこれに限るものではない。

冷却装置の冷却水系統図である。

符号の説明

１ 冷却装置
１０ 一次流路
１３ 冷却対象（タービン軸受け）
２１ 熱交換器
２７ バイパス流路
２９ バイパス弁
５０ 二次流路
５１ 貯留槽
５３ ポンプ（二次ポンプ）

Claims (7)

1. 冷却対象に一定流量の一次冷媒を循環供給する一次流路と、
   該一次流路の途中に介装されて、通過する前記一次冷媒を冷却する熱交換器と、
   前記一次流路における前記熱交換器の入側と出側とを連絡して該熱交換器を迂回するバイパス流路と、
   該バイパス流路出側の一次冷媒温度に基づいて、該バイパス流路の一次冷媒流量を調節するバイパス弁と、
   前記熱交換器を介して前記一次冷媒を冷却するための二次冷媒を蓄える貯留槽と、
   該貯留槽から前記熱交換器へ前記二次冷媒を供給するための二次流路と、
   前記二次冷媒を圧送するために前記二次流路に並設された複数台のポンプと、を備え、
   前記バイパス流路の一次冷媒流量が所定の第１閾値以上になったら、前記ポンプの運転台数を減らし、
   前記バイパス流路の流量が、前記第１閾値よりも小さい第２閾値以下になったら、前記ポンプの運転台数を増やす、冷却装置の運転方法であって、
   前記第１閾値及び前記第２閾値は、前記バイパス弁の弁開度を示し、
   前記第２閾値から前記バイパス弁の全閉までの開度の差は、前記第１閾値から前記バイパス弁の全開までの開度の差よりも少ないことを特徴とする冷却装置の運転方法。
2. 請求項１に記載の冷却装置の運転方法において、
   前記第１閾値は、前記バイパス弁の弁開度で７０％であり、
   前記第２閾値は、前記バイパス弁の弁開度で１０％であることを特徴とする冷却装置の運転方法。
3. 請求項１又は２に記載の冷却装置の運転方法において、
   前記一次流路は、前記冷却対象に一次冷媒を循環供給するポンプと、前記冷却対象への一次冷媒の供給量を前記一定流量に調整するための流量調整弁とを有し、
   該流量調整弁は、前記熱交換器の出側とバイパス流路の出側との間の一次流路に設けられていることを特徴とする冷却装置の運転方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の冷却装置の運転方法において、
   該バイパス流路出側の一次冷媒温度が一定温度になるように、前記バイパス弁の開度を調整することを特徴とする冷却装置の運転方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の冷却装置の運転方法において、
   前記一次冷媒および二次冷媒は、水であることを特徴とする冷却装置の運転方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の冷却装置の運転方法において、
   前記貯留槽は海であるとともに、前記二次冷媒は海水であることを特徴とする冷却装置の運転方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の冷却装置の運転方法において、
   前記冷却対象が、蒸気により軸廻りに回転する発電プラントのタービンを回転可能に支持する軸受けであることを特徴とする冷却装置の運転方法。
   

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