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表面凝縮器は、火力発電所の蒸気タービンからの排気蒸気を凝縮するために設置される水冷式のシェルアンドチューブ式熱交換器です。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]これらの凝縮器は、大気圧以下の圧力で蒸気を気体から液体に変換する熱交換器です。冷却水が不足している場合は、空冷式凝縮器がよく使用されます。ただし、空冷式凝縮器は、水冷式表面凝縮器よりもかなり高価であり、蒸気タービンの排気圧力（および温度）を水冷式表面凝縮器ほど低くすることはできません。
表面凝縮器は、発電所における蒸気タービン排気の凝縮以外にも、様々な用途や産業で使用されている。
火力発電所において、表面凝縮器の目的は、蒸気タービンからの排気蒸気を凝縮して最大の効率を得ること、そしてタービン排気蒸気を純水（蒸気凝縮水と呼ばれる）に変換し、蒸気発生器やボイラーでボイラー給水として再利用できるようにすることである。
蒸気タービン自体は、蒸気の熱を機械動力に変換する装置です。タービン入口における単位質量あたりの蒸気熱と、タービン出口における単位質量あたりの蒸気熱の差は、機械動力に変換される熱量を表します。したがって、タービン内で蒸気1ポンドまたは1キログラムあたりの熱から機械動力への変換量が多いほど、タービンの効率は高くなります。タービンの排気蒸気を大気圧以下の圧力で凝縮することで、タービン入口と排気間の蒸気圧降下が増加し、機械動力に変換できる熱量が増加します。排気蒸気の凝縮によって放出される熱の大部分は、表面凝縮器で使用される冷却媒体（水または空気）によって運び去られます。
隣の図は、発電所で電気発電機を駆動する蒸気タービンからの排気蒸気を凝縮するために、また他の用途でも使用される典型的な水冷式表面凝縮器を示しています。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]製造業者、蒸気タービンのサイズ、その他の現場固有の条件に応じて、多くの製造設計のバリエーションがあります。
シェルは凝縮器の最外殻であり、熱交換器チューブを収容しています。シェルは炭素鋼板から製造され 、必要に応じて補強材が取り付けられ、シェルの剛性を確保しています。選択された設計で必要とされる場合、中間板が取り付けられ、凝縮蒸気の所望の流路を提供するバッフル板として機能します。これらの板は、長いチューブのたるみを防ぐための支持材としても機能します。
凝縮水が溜まるシェル底部には、排出口が設けられています。設計によっては、サンプ（ホットウェルと呼ばれることが多い）が設けられています。凝縮水は、排出口またはホットウェルからポンプで汲み上げられ、ボイラー給水として再利用されます。
ほとんどの水冷式表面凝縮器では、通常の運転条件下では、シェル内部は（部分的な）真空状態にある。
水冷式表面凝縮器の場合、シェル内部の真空は、外部の蒸気噴射式エジェクタシステムによって供給および維持されるのが一般的です。このようなエジェクタシステムは、蒸気を駆動流体として使用し、表面凝縮器内に存在する可能性のある非凝縮性ガスを除去します。蒸気噴射式エジェクタの動作には、ベルヌーイの原理の特殊なケースであるベンチュリ効果が適用されます。
シェル両端には、通常ステンレス鋼製の十分な厚さのシートが設けられ、チューブを挿入して巻き付けるための穴が開いています。各チューブの入口端は、水の流れをスムーズにするためにベルマウス形状になっています。これは、各チューブの入口で渦が発生して浸食を引き起こすのを防ぎ、流れの摩擦を低減するためです。一部のメーカーは、渦による入口端の浸食を防ぐために、チューブの入口にプラスチック製のインサートを使用することも推奨しています。小型ユニットでは、チューブ端を巻き付ける代わりにフェルールを使用して密閉するメーカーもあります。チューブの長手方向の膨張に対応するため、シェルとチューブシートの間に伸縮継手を設け、チューブシートが長手方向に移動できるようにする設計もあります。小型ユニットでは、チューブの膨張に対応するためにチューブに多少のたるみを持たせ、両端の水箱をシェルにしっかりと固定しています。
一般的に、チューブはステンレス鋼、真鍮や青銅などの銅合金、キュプロニッケル、またはチタンで作られており、いくつかの選択基準に応じて異なります。銅合金の毒性に対する環境上の懸念から、真鍮やキュプロニッケルなどの銅含有合金の使用は新しいプラントではまれです。また、ボイラーの蒸気サイクル水処理によっては、銅を含むチューブ材料を避けることが望ましい場合もあります。チタン製復水器チューブは通常、技術的に最良の選択肢ですが、この材料のコストが急激に上昇したため、チタン製復水器チューブの使用は事実上なくなりました。チューブの長さは、 復水器のサイズに応じて、現代の発電所では約85フィート（26メートル）までです。サイズの選択は、製造元からの輸送性と設置現場での組み立ての容易さに基づいています。復水器チューブの外径は、復水器冷却水の摩擦に関する考慮事項と復水器全体のサイズに基づいて、通常3/4インチから1-1/4インチの範囲です。
凝縮器の両端には、管端が丸められた管板があり、それぞれウォーターボックスと呼ばれる箱型のカバーで覆われています。このウォーターボックスは、管板または凝縮器シェルにフランジ接続されています。ウォーターボックスには通常、点検や清掃ができるように、ヒンジ付きのカバーにマンホールが設けられています。
入口側のウォーターボックスには、冷却水入口バタフライバルブ用のフランジ接続部、高所に空気抜き用の手動バルブ付き小型ベントパイプ、メンテナンス時にウォーターボックスの水を排出するための底部手動ドレンバルブが設けられています。同様に、出口側のウォーターボックスにも、冷却水接続部には大型フランジ、バタフライバルブ、高所にベント接続部、低所にドレン接続部が設けられています。また、入口パイプと出口パイプには、冷却水温度を局所的に測定するための温度計ポケットが配置されています。
小型ユニットの場合、一部のメーカーは凝縮器の筐体と水箱の両方を鋳鉄で製造している。
凝縮器の冷却水側では：
チューブ、チューブシート、およびウォーターボックスは、組成の異なる材料で構成されている場合があり、常に循環水と接触しています。この水は、その化学組成に応じて、チューブとウォーターボックスの金属部分の間で電解質として作用します。これにより、電解腐食が発生し、まず陽極側の材料から腐食が始まります。
海水を用いた凝縮器、特に海水に化学汚染物質が混入している場合は、腐食特性が最も悪くなります。汚染物質を含む河川水も、凝縮器の冷却水としては好ましくありません。
海水や河川水の腐食作用は避けられず、対策を講じる必要があります。その一つの方法として、次亜塩素酸ナトリウム（塩素）を用いて、配管や管に海洋生物が付着しないようにする方法があります。ただし、この方法は、海や河川の水源に戻る循環水に悪影響が出ないよう、厳しく規制されなければなりません。
凝縮器の蒸気（シェル）側：
空気ゾーンのチューブでは、未溶解ガスの濃度が高いため、腐食速度が速くなります。製造時に元の応力が完全に解放されない場合、応力腐食割れが発生することもあります。こうした腐食の影響を克服するため、一部のメーカーはこの領域に耐腐食性の高いチューブを提供しています。
チューブの端部が腐食すると、冷却水が蒸気側に漏れ、凝縮蒸気や凝縮水が汚染される可能性があり、これは蒸気発生器に悪影響を及ぼします。また、長期的には水箱の他の部分も影響を受け、修理や交換が必要となり、長期間の運転停止を余儀なくされる可能性があります。
この問題を解決するために、一般的に陰極防食が用いられます。最も安価な亜鉛板を犠牲陽極として、水槽内部の適切な場所に設置します。これらの亜鉛板は陽極の中で最も腐食が進みやすいため、定期的な点検と交換が必要です。これにより、稼働停止時間を比較的短縮できます。また、鋼板製の水槽内部はエポキシ塗料で保護されています。
予想通り、海水または淡水から数百万ガロンもの循環水が凝縮器チューブ内を流れるため、チューブ内を流れる水に含まれるあらゆる物質は、最終的に凝縮器チューブシート（前述）またはチューブ自体に付着する可能性があります。表面凝縮器のチューブ側付着物は、主に 5 つのカテゴリーに分類されます。シルトや堆積物などの粒子状付着物、スライムやバイオフィルムなどの生物付着物、炭酸カルシウムなどのスケールや結晶化物、チューブシートに生えるゼブラ貝からチューブを塞ぐ木材やその他の破片までを含むマクロ付着物、そして最後に腐食生成物（前述）です。
汚れの程度によっては、タービンから排出される蒸気を凝縮する復水器の能力に深刻な影響を与える可能性があります。配管内に汚れが蓄積すると、断熱効果が生じ、配管の熱伝達特性が低下するため、復水器が排出蒸気を処理できるレベルまでタービンの回転速度を落とす必要が生じることがよくあります。通常、これは発電所にとって出力の低下、燃料消費量の増加、CO2排出量の増加という形で大きなコスト増につながります。復水器の配管の汚れや詰まりに対応するためにタービンの出力を「低下」させるということは、タービンの定格出力に戻すために配管を洗浄する必要があることを示しています。洗浄方法には、発電所の現場の状況に応じて、オンライン洗浄とオフライン洗浄など、さまざまな選択肢があります。
大型凝縮器の試験手順と定義を標準化するために、国内外の試験規格が用いられています。米国では、ASME（米国機械学会）が凝縮器と熱交換器に関する複数の性能試験規格を発行しています。これには、ASME PTC 12.2-2010（蒸気表面凝縮器）およびPTC 30.1-2007（空冷式蒸気凝縮器）が含まれます。
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