JP2000153118A - 気水分離システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、圧力損失が低い気水分離器又
は出口湿分が低い蒸気乾燥器又はそれら両者とで構成さ
れる気水分離システムを提供することにある。 【解決手段】気水分離器１２０は、スワラー１２３を第
１段内筒１２６内に設置し、第２段内筒１３０の直径を
第１段ピックオフリング１２７の直径と等しくし、第３
段に衝突板１３７を設けた構成を有し、蒸気乾燥器はフ
ードの背面に留め板とドレンガイドを設けた構成とす
る。これら気水分離器１２０と蒸気乾燥器は、原子炉圧
力容器内に設置されて、これら気水分離器１２０で気水
分離した蒸気を蒸気乾燥器が受け入れて乾燥蒸気にする
気水分離システムが構築される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉で発生した
蒸気を冷却水から分離する気水分離器と、その分離され
た蒸気に含まれる液滴を除去する蒸気乾燥器と、それら
両者によって構成される気水分離システムとに関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電プラントでは、蒸気タービン
の健全性を維持するため、原子炉の加熱で発生した蒸気
を冷却水から分離する気水分離器と分離された蒸気に含
まれる液滴を除去する蒸気乾燥器とで構成される気水分
離システムが使用されており、蒸気に含まれる液滴量を
一定値以下にして蒸気タービンに供給する。

【０００３】一例として、改良型沸騰水型原子炉の構成
を図４に示す。原子炉圧力容器１内のシュラウド３内に
炉心２が設置される。炉心２で発生した蒸気は冷却水と
混合状態で上部プレナム８を経由してシュラウドヘッド
４に多数設置された気水分離器２０に流入して液滴を含
む蒸気と冷却水に分離される。分離された冷却水は、給
水管１０からの給水と混合してダウンカマ５を通り、イ
ンターナルポンプ６で駆動され、下部プレナム７を経由
して炉心に再循環される。

【０００４】一方、液滴を含む蒸気は、蒸気乾燥器５０
で液滴を除去した後、主蒸気管９を経由して蒸気タービ
ンに供給される。蒸気タービンと発電機を駆動した蒸気
は、復水器で凝縮され、給水加熱器で加熱された後、給
水管１０から原子炉圧力容器１に供給される。

【０００５】気水分離器２０の構造を図５に、蒸気乾燥
器５０の構造を図６，図７に示す。蒸気と冷却水との混
合流体は、上部プレナム８からシュラウドヘッド４に接
続したスタンドパイプ２１に流入し、ディフューザ２２
内に設置されハブ２４と複数の旋回羽根２５で構成され
るスワラー２３で遠心力を付与され、第１段内筒２６内
で液滴を含む蒸気と液膜に分離される。

【０００６】分離された液膜の大部分は、第１段ピック
オフリング２７、第１段環状板２８及び第１段外筒２９
で除去・排水される。第１段ピックオフリング２７を通
過した液膜は、第２段内筒３０に流入し、第２段ピック
オフリング３１、第２段環状板３２及び第２段外筒３３
で除去・排水され、第２段排水口３４から排出され、第
１段外筒２９の外壁に沿って流下する。

【０００７】液滴を含む蒸気は、第２段ピックオフリン
グ３１を通過するが、遠心力により液滴を第３段内筒３
５に付着させ、第３段ピックオフリング３６，第３段環
状板３７及び第３段外筒３８で除去・排水され、第３段
排水口３９から排出され、第２段外筒３４の外壁に沿っ
て流下する。

【０００８】このようにして、気水分離器２０に流入し
た冷却水の約９９％以上が分離・排水される。１％弱の
冷却水は、液滴として蒸気（矢印Ａ）に含まれて蒸気乾
燥器５０に流入する。従来技術による気水分離器２０の
気水分離性能は極めて高いが、圧力損失、特にスワラー
２３の圧力損失が大きい。

【０００９】液滴を含む蒸気は、フード５１内側の入口
流路５２，入口多孔板５３を経由して波板５４に流入す
る。運動量が大きい液滴は、波板５４に衝突し、液膜を
形成してスリット５５からポケット５６に流入し、重力
によってポケット５６内を流下し、ドレン樋５９に集め
られ、ドレン管６０を経由して、図４の蒸気乾燥器スカ
ート１１と原子炉圧力容器１との間に排水される。

【００１０】波板５４で液滴を除去された蒸気は、出口
多孔板５７、フード５１外側の出口流路５８を経由して
図４の主蒸気管９を経由して蒸気タービンに供給され
る。このようにして、蒸気乾燥器５０に流入した液滴の
約９９％が除去される。

【００１１】つまり、気水分離器２０に流入した冷却水
は、気水分離器２０で約百分の１に、蒸気乾燥器５０で
約１万分の１まで低減される。主蒸気管９での湿分（蒸
気に含まれる液滴の質量流量の割合）の制限値０.１％
以下に対し、約０.０１％と極めて良好な気水分離性能
が実現されている。

【００１２】原子炉の炉心２で発生した蒸気を蒸気ター
ビンに供給する沸騰水型原子炉においては、冷却水（液
滴）に含まれる放射性物質を低減し、蒸気タービン系統
の放射線レベルを低減するためにも、良好な気水分離性
能の維持は極めて重要である。現在の蒸気乾燥器５０の
液滴除去性能は極めて高いが、入口での液滴量に制限が
あり、気水分離器２０からの液滴量が大幅に増大すると
対応できなくなる。

【００１３】一方、電気料金の低減が強く求められてお
り、燃料費が安く建設費が高い原子力発電プラントにお
いては建設単価（建設費÷発電量）の大幅な低減が求め
られている。建設単価を低減する最も有効な手段は、炉
心２の熱出力と発電量を増加することである。

【００１４】この場合、炉心２を冷却するために冷却水
流量を増加する必要があり、熱出力増加により炉心２で
の蒸気発生量も増加する。従って、炉心２，上部プレナ
ム８，気水分離器２０，ダウンカマ５，インターナルポ
ンプ６，下部プレナム７の冷却水再循環経路の圧力損失
が増加するため、再循環経路の全圧力損失の約２０％を
占める気水分離器２０の圧力損失の低減が必要になる。

【００１５】炉心２の圧力損失が最も大きいが、炉心の
圧力損失を低減すると冷却性能が低下するため、気水分
離器２０の圧力損失を低減して炉心２の圧力損失を増加
し、冷却性能を向上して熱出力と発電量を増加する方が
経済的に有利になる。

【００１６】また、蒸気発生量と蒸気流量が増加する
と、蒸気乾燥器５０の湿分除去性能が低下し、出口湿分
が増加するため、蒸気乾燥器５０の性能向上が必要にな
る。

【００１７】従って、本発明の目的には、気水分離器の
圧力損失を低減し、蒸気乾燥器の性能を向上することに
より、炉心の熱出力と発電量を増大することができる気
水分離システムを提供することが含まれている。

【００１８】気水分離器の圧力損失を低減する公知技術
として、実開平8−1361 号公報に記載のものがある。こ
の公知技術は、スタンドパイプと第１段内筒との間にデ
ィフューザがなく、流速が低い第１段内筒にスワラーを
設置することにより圧力損失を低減するものである。

【００１９】一方、気水分離器の気水分離性能を向上す
る公知技術として、特開平6−273571号公報に記載のも
のがある。この公知技術は、第２段内筒を第１段ピック
オフリングより小さくして第２段内筒での遠心力を増加
することにより気水分離性能を向上するものである。

【００２０】また、蒸気乾燥器の液滴捕獲性能を向上す
る公知技術として、特開平8−338605号公報や特開平9−
79502号公報に記載のものがある。これらの公知技術
は、波板を１段もしくは２段にして波板を小型化し、多
くの波板を設置することにより入口面積を拡大して蒸気
流速を減速し、出口湿分が急増するブレクスルー条件を
改善するとともに、波板の角度をきつくして液滴捕獲性
能を向上するものである。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
知技術には以下の課題が存在する。

【００２２】すなわち、実開平8−1361 号の技術におい
ては、加圧水型原子炉の蒸気発生器を対象としており、
対象とする２次系冷却水には放射性物質を含まないため
気水分離性能には配慮されていない。一般に、圧力損失
を低減すると気水分離性能が低下する相反事象となる。

【００２３】また、特開平6−273571 号の技術において
は、圧力損失の低減は考慮されていない。

【００２４】一方、特開平8−338605 号や特開平9−795
02号の技術においては、波板に付着した液膜をポケット
に導くスリットの形状、及び出口流路での液滴捕獲機能
については考慮されていない。

【００２５】本発明の第１の目的は、圧力損失が低い気
水分離器を提供することにある。

【００２６】本発明の第２の目的は、低い圧力損失を維
持しつつ気水分離性能を向上（出口蒸気に含まれる液滴
量を低減）した気水分離器を提供することにある。

【００２７】本発明の第３の目的は、気水分離器から流
入する蒸気に含まれる液滴流量が増加しても出口湿分
（蒸気に含まれる液滴の質量流量の割合）を低減できる
蒸気乾燥器を提供することにある。

【００２８】本発明の第４の目的は、圧力損失が低い気
水分離器と液滴除去能力が高い蒸気乾燥器を組合わせる
ことにより、圧力損失が低くて気水分離性能が高く出口
湿分が低い気水分離システムを提供することにある。

【００２９】

【課題を解決するための手段】第１の目的を達成するた
めの第１手段は、ハブと複数の旋回羽根で構成されるス
ワラーにより気液混合流に遠心力を与え、円筒状の第１
段内筒内に遠心力で分離された液体で液膜を形成させ、
第１段内筒の上方に配置した第１段環状板と第１段内筒
の外部を取り囲むように配置し上端を第１段環状板に接
続した第１段外筒により第１段内筒内に形成した液膜を
排水する気水分離器において、第１段内筒の下端に上端
が大きく下端が小さいディフューザを接続し、ディフュ
ーザの下端に第１段内筒より流路面積が小さい円筒状の
スタンドパイプを接続し、スワラーを第１段内筒に配置
し、第１段環状板に円筒状の第２段内筒を上方に長く下
方に短く接続することにより第２段内筒の下端で第１段
ピックオフリングを形成し、第２段内筒の上方に第２段
ピックオフリングを有する第２段環状板を配置し、第２
段内筒の外部を取り囲むように第１段外筒より小さい第
２段外筒を配置して上端を第２段環状板に接続し、第２
段外筒の下端に第２段排水口を設ける。

【００３０】第２の目的を達成するための第２手段は、
ハブと複数の旋回羽根で構成されるスワラーにより気液
混合流に遠心力を与え、円筒状の第１段内筒内に遠心力
で分離された液体で液膜を形成させ、第１段内筒の上方
に配置した第１段環状板と第１段内筒の外部を取り囲む
ように配置し上端を第１段環状板に接続した第１段外筒
により第１段内筒内に形成した液膜を排水する気水分離
器において、複数段の気液分離と排水の手段を有し、短
い内筒と上端に衝突板を有し側面に下端まで開放した排
気口を有する外筒とで最終段を構成する。

【００３１】第１の目的と第２の目的を達成するための
第３手段は、第１手段において、第２段環状板に円筒状
の第３段内筒を上下に短く接続することにより第３段内
筒の下端で第２段ピックオフリングを形成し第３段内筒
の上部で液留めを形成し、第３段内筒の上方に衝突板を
配置し、第３段内筒の外部を取り囲むように第３段外筒
を配置して上端を衝突板に接続し、第３段外筒に下端ま
で開放した第３段排気口を設ける。

【００３２】第２の目的を達成するための第４手段は、
第２手段もしくは第３手段において、複数の気水分離器
を格子状に配置し、隣接する気水分離器の最終段の外筒
もしくは第３段外筒の側壁に対面するように最終段の排
気口もしくは第３段排気口を配置する。

【００３３】第３の目的を達成するための第５手段は、
複数段の波板と複数のポケットとで構成される蒸気乾燥
器において、波板の山谷の中間に複数のスリットを設
け、スリットをポケットの開口とし、スリットの上流端
を形成する波板部材をポケット側に曲げ、最終段のポケ
ットを形成する部材をポケット側に曲げる。

【００３４】第３の目的を達成するための第６手段は、
複数段の波板と複数のポケットとで構成される蒸気乾燥
器において、複数の蒸気乾燥器を並列に配置し、蒸気乾
燥器の間に傾斜したフードを設けることにより上流で広
く下流で狭くなる入口流路と上流で狭く下流で広くなる
出口流路を形成し、蒸気乾燥器と出口流路の下方に排水
樋を設け、出口流路と排水樋の間にフード側を開口した
仕切板を設ける。

【００３５】第３の目的を達成するための第７手段は、
第６手段において、フードの出口流路側の上端に下方に
湾曲する留め板を設け、断面がＴ字形の複数のドレンガ
イドもしくは多孔板のドレンガイドをフードの出口流路
側に留め板から下端まで設ける。

【００３６】第３の目的を達成するための第８手段は、
第５手段から第７手段までのいずれかの手段において、
波板の段数を２段とする。

【００３７】第４の目的を達成するための第９手段は、
複数の気水分離器と複数の蒸気乾燥器とで構成される気
水分離システムにおいて、気水分離器は第１手段から第
４手段までのいずれかの手段による気水分離器とし、蒸
気乾燥器は第５手段から第８手段までのいずれかの手段
による蒸気乾燥器とする。

【００３８】第１手段によれば、圧力損失が流速の二乗
に比例することから、圧力損失の大部分を占めるスワラ
ーを流速が低い第１段内筒に設置することにより、圧力
損失を５５〜６０％低減することができる。この場合、
気水分離性能が大幅に低下するが、遠心力が半径に逆比
例することから、第２段内筒の直径を第１段ピックオフ
リング直径に等しくすることにより、従来技術での直径
の増大による遠心力の低下を防止して気水分離性能の低
下を抑制することができる。

【００３９】第２手段によれば、気水分離器の最終段で
は蒸気中に液滴が含まれた状態であり、液滴を含む蒸気
を板に衝突させて液滴を除去することが最も効率的であ
ることから、最終段の上端に衝突板を設けて液滴を衝突
分離することにより蒸気中の液滴量を大幅に減少するこ
とができ、分離した液滴を液膜として重力により、短い
内筒の外側と下端まで開放した排気口を経由して気水分
離器の外部に排水することができる。この発明は、あら
ゆる気水分離器に適用することができ、気水分離性能を
向上することができる。

【００４０】第３手段によれば、第１手段と第２手段を
組合わせることにより、圧力損失が低く、かつ、気水分
離性能が良い気水分離器を実現することができる。

【００４１】第４手段によれば、第２手段乃至第３手段
において、複数の気水分離器を格子状に配置し、最終段
の排気口が隣接する気水分離器の最終段の外筒に対面す
るように配置して、最終段の排気口から流出する蒸気中
の液滴を対面する水分離器の最終段の外筒に衝突分離す
ることにより、気液分離性能を一層、向上することがで
きる。

【００４２】第５手段によれば、波板の山谷の中間に設
けたスリットの上流端を形成する波板部材をポケット側
に曲げることにより、波板に衝突させて捕獲した液滴に
より形成される液膜がスリットを乗り越えて下流に流れ
るのを防止し、確実にポケットに導くことができる。ま
た、最終段のポケットを形成する部材をポケット側に曲
げることにより、圧力損失を低減しつつ波板から流出す
る冷却水流量を低減することができる。以上により、蒸
気乾燥器での液滴捕獲性能を向上し、出口湿分を低減す
ることができる。

【００４３】第６手段によれば、蒸気乾燥器の波板の下
方だけでなく出口流路の下方にも排水樋を設けることに
より捕獲した液体の排水性能を向上することができ、ま
た、出口流路と排水樋の間にフード側を開口した仕切板
を設けることにより排水樋からの液滴の再飛散を防止し
て出口湿分を低減することができる。

【００４４】第７手段によれば、第６手段において、フ
ードの出口流路側の上端に留め板を設け、留め板から下
端までドレンガイドを設けることにより、波板から流出
してフードに衝突・捕獲された液滴が蒸気の流れにより
上昇して上端から再飛散することを防止し、上端の留め
板とドレンガイドを経由して排水樋に回収し、出口湿分
を大幅に低減することができる。

【００４５】第８手段によれば、第５手段乃至第７手段
において、波板の段数を従来の４段から２段に削減して
波板の幅を１／２に小型化し、蒸気乾燥器の総数と入口
面積を拡大して蒸気流速を低減し、出口湿分が急増する
限界流量を増大することができる。これにより、炉心の
熱出力と蒸気発生量が増加しても低い出口湿分を維持す
ることができる。また、気水分離器の圧力損失の低減に
より気水分離性能が低下し、蒸気乾燥器の入口湿分が増
加しても低い出口湿分を維持することができ、気水分離
器の圧力損失の低減を促進することができる。

【００４６】第９手段によれば、第１手段乃至第４手段
による気水分離器を使用することにより圧力損失を５５
〜６０％低減しつつ気水分離性能の低下を抑制すること
ができ、第５手段乃至第８手段による蒸気乾燥器を組合
わせることにより気水分離器の気水分離性能が低下する
場合においても低い出口湿分を維持することができ、圧
力損失が低く、かつ気水分離性能に優れ出口湿分が低い
気水分離システムを実現することができる。

【００４７】

【発明の実施の形態】以下、本発明による気水分離器，
蒸気乾燥器及び気水分離の第１実施例を図１，図２，図
３、及び図８乃至図１７を用いて説明する。図１，図
２，図３は気水分離器と蒸気乾燥器とで構成される気水
分離システムの第１実施例の縦断面図、図８，図９はス
ワラーの詳細図、図１０，図１１は別のスワラーの詳細
図、図１２，図１３は気水分離器の上部と配置を示す部
分断面図、図１４は蒸気乾燥器の波板の詳細、図１５は
波板による液滴捕獲の説明図、図１６はフードの背面で
の液滴捕獲の説明図、図１７は気水分離性能の比較図で
ある。

【００４８】図１は、本発明による気水分離器１２０の
構造を、図２，図３は蒸気乾燥器１５０の構造を示して
いる。

【００４９】蒸気と冷却水との混合流体は、上部プレナ
ム８からシュラウドヘッド４に接続したスタンドパイプ
１２１に流入し、ディフューザ１２２による流路面積の
拡大により混合流体の流速が減速された後、第１段内筒
１２６内に設置されハブ124と複数の旋回羽根１２５で
構成されるスワラー１２３で遠心力を付与され、第１段
内筒１２６内で液滴を含む蒸気と液膜に分離される。

【００５０】分離された液膜の約５０％以上は、第１段
ピックオフリング１２７と第１段環状板１２８で分離さ
れ、重力により第１段内筒１２６と第１段外筒１２９の
間を流下し排水される。

【００５１】第１段ピックオフリング１２７を通過した
液膜は、第２段内筒１３０に流入し、第２段ピックオフ
リング１３１と第２段環状板１３２で分離され、重力に
より第２段内筒１３０と第２段外筒１３３の間を流下し
て第２段排水口１３４から排出され、第１段外筒１２９
の外面に沿って流下する。

【００５２】この時、排水とともに第２段排水口１３４
から流出した蒸気は気水分離器120の外部を上昇する。
蒸気に含まれる液滴は、第２段ピックオフリング１３１
を通過するが、衝突板１３７で衝突・分離され、重力に
よって第３段外筒１３８の内壁を流下して第３段排気口
１３９から排水され、第２段外筒１３３の外面に沿って
流下する。

【００５３】この時、第３段内筒１３５により、衝突分
離されて流下する冷却水が第３段内筒１３５内に流入し
たり蒸気と再混合するのを防止する。液滴の大部分を衝
突板１３７で除去された蒸気は、第３段排気口１３９か
ら流出し、蒸気乾燥器１５０に注入する。

【００５４】スワラー１２３の詳細を図８，図９に示
す。スワラー１２３は、ハブ１２４と複数の旋回羽根１
２５で構成され、第１段内筒１２６内に設置されてい
る。

【００５５】図８，図９に示す旋回羽根は８枚であるの
が、１例であり、８枚の必然性はない。約４枚から８枚
程度にすればよい。

【００５６】ハブ１２４は上部ほど大きくなっている
が、図１０，図１１に示すようにしてもよい。スワラー
２２３は、図８，図９と同様に、ハブ２２４と複数の旋
回羽根２２５で構成され、第１段内筒１２６内に設置さ
れている。図８，図９と異なる点は、ハブ２２４の大き
さが一定であること、及び旋回羽根１２５の角度θが小
さいことである。図８，図９の場合と同様に、旋回羽根
の枚数は、１例であり、８枚である必然性はない。

【００５７】気水分離器１２０の配置と上部構造を図１
２，図１３に示す。各気水分離器は三角格子状に配置さ
れ、第３段排気口１３９は隣接する気水分離器の第３段
外筒１３８の外壁に対面するように配置されている。

【００５８】このように配置することにより、第３段排
気口１３９から流出する蒸気に含まれる液滴が対面する
気水分離器の第３段外筒１３８の外壁で衝突分離され
る。

【００５９】各気水分離器を正方格子状に配置し、第３
段排気口１３９の数を２つにして、第３段排気口１３９
が隣接する気水分離器の第３段外筒１３８の外壁に対面
するように配置してもよい。

【００６０】本実施例の特徴は、スワラー１２３が第１
段内筒１２６内に設置されていること、第２段内筒１３
０と第１段ピックオフリング１２７の直径が等しいこ
と、第２段外筒１３０の直径が第１段外筒１２９の直径
より小さいこと、衝突板１３７を有し第３段が衝突分離
であること、及び第３段排気口１３９が隣接する気水分
離器の第３段外筒１３８の外壁に対面するように配置さ
れていることである。

【００６１】以下に、従来技術(図５)と対比して、本実
施例の特徴と機能について説明する。従来技術による圧
力損失の大部分は、スタンドパイプ２１での加速損失Δ
Ｐａとスワラー２３の圧力損失ΔＰｓであり、それぞれ
全圧力損失の約３５％及び約５０％を占める。加速損失
ΔＰａは次式で表せる。

【００６２】 ΔＰａ＝０.５ρ［１−（Ｄ２／Ｄ１)⁴］Ｖ２²＝０.４５ρＶ２² …（式１） ρは流体の密度、Ｄ１は気水分離器１体当たりの上部プ
レナム８の相当直径、Ｄ２はスタンドパイプ２１の直
径、Ｖ２はスタンドパイプ２１内の流速である。式１か
ら明らかなように、スタンドパイプ２１の直径Ｄ２を大
きくして流速Ｖ２を小さくすれば加速損失ΔＰａを小さ
くできるが、この場合、スタンドパイプ２１外部の冷却
水量が減少して事故時の安全性が低下する、外部の流動
抵抗が増加して蒸気乾燥器スカート１１内部の水位勾配
が大きくなるなどの弊害が生じる。

【００６３】ディフューザ２２によりゆるやかに流路面
積を拡大して流速を低下すれば、損失無しに加速損失を
回復できるが、従来技術ではディフューザ２２内にスワ
ラー２３を設置しているためスワラーでの損失によりほ
とんど回復しない。

【００６４】そこで、本実施例においては、ディフュー
ザ１２２で加速損失を回復させた後の第１段内筒１２６
の下部にスワラー１２３を設置する。この場合、加速損
失は以下のように減少する。

【００６５】 ΔＰａ＝０.５ρ[１−（Ｄ３／Ｄ１)⁴](Ｄ２／Ｄ３)⁴Ｖ２²＝０.１２ρＶ２² …（式２） Ｄ３は第１段内筒１２６の直径である。（式１）と（式
２）との差より、本実施例では、加速損失の低減により
全圧力損失の２５％を低減できる。

【００６６】 （０.４５−０.１２）／０.４５×３５％＝２５％ …（式３） ３５％は全圧力損失に対する寄与率である。スワラー２
３の圧力損失ΔＰｓも加速損失と同様にして求めること
ができ、本実施例による圧力損失の低減は従来技術によ
る圧力損失との差として次式で近似できる。

【００６７】 ［１−（Ｄ２／Ｄ３)⁴−α］×５０％＝［０.７−α］×５０％ ＝３０〜３５％ （α≒０〜０.１） …（式４） ５０％は全圧力損失に対するスワラー２３圧力損失の寄
与率であり、αは本実施例におけるハブ１２４（図８，
図９）及び２２４（図１０，図１１）による加速損失で
ある。

【００６８】図８，図９のハブ１２４ではα≒０.１ 、
図１０，図１１のハブ２２４ではα≒０である。従っ
て、加速損失の低減２５％を含めて全圧力損失の５５〜
６０％を低減することができる。つまり、本実施例によ
れば、圧力損失を従来技術の４０〜４５％に低減するこ
とができる。しかし、この場合の最大の課題は気水分離
性能の低下である。従来技術で圧力損失が高い要因は全
て気水分離性能の向上に寄与している。以下に、気水分
離性能について説明する。

【００６９】気水分離の基となる遠心力Ｆ_θは次式に従
う。

【００７０】 Ｆ_θ∝ρＶ_θ ²／（Ｄ／２）＝ρ（Ｖ tanθ)²／（Ｄ／２） …（式５） Ｖ_θは円周方向流速、Ｖは軸方向流速、θは旋回羽根２
５の角度、（Ｄ／２）は半径である。上式から明らかな
ように、遠心力を増加して気水分離性能を向上するに
は、流路面積を小さくして軸方向流速Ｖを大きくし、旋
回羽根の角度θを大きくし、半径（Ｄ／２）を小さくす
ればよい。

【００７１】図５の従来技術では、スワラー２３をディ
フューザ２２に設置することにより、スワラー２３先端
部での軸方向流速Ｖを大きくし、半径（Ｄ／２）を小さ
くするとともに、上部になるほどハブ２４を大きくして
軸方向流速Ｖの低下を防止するとともに旋回羽根２５の
角度θがハブ２４側においても大きくなるようにしてい
る（図１０，図１１に示すようにハブ２２４を小さくす
るとハブ側で旋回羽根２２５の角度θを大きくできない
のは明らかである）。

【００７２】従って、従来技術は気水分離性能の向上の
観点からは極めて合理的になっている。

【００７３】一方、図１の本実施例では、スワラー１２
３出口の状態を除いて従来技術より悪くなっており、図
１０，図１１においてはハブ２２４が小さいためスワラ
ー２２３出口の状態も悪くなっている。

【００７４】この結果、スワラー１２３及び２２３によ
る気水分離が悪くなり、第１段内筒１２６内に形成され
る液膜が厚くなり、蒸気に含まれる液滴量が多くなる。

【００７５】従来技術では流入した冷却水の約９０％を
第１段で分離・排水できるのに対し本実施例では５０〜
６０％しか分離・排水できず、第１段内筒１２６内に形
成された液膜が第２段に流出する。

【００７６】第１段での分離・排水量を増加するため
に、第１段ピックオフリング１２７を小さくすることが
考えられるが、図５の従来技術の形状で第１段ピックオ
フリング２７を小さくすると、流体が持つ遠心力を排出
するとともに第２段内筒３０で流路が拡大され（半径
（Ｄ／２）が大きくなる）、式５から明らかなように遠
心力が低下するため第２段での分離性能が低下し、気液
分離性能の向上にあまり寄与しないことを実験により確
認している。

【００７７】そこで、本実施例においては、第２段内筒
１３０の直径を第１段ピックオフリング１２７の直径と
等しくして構造を単純化するとともに遠心力の低下を防
止し、第２段での液膜の分離・排水性能を向上してい
る。この有効性は実験により確認している。

【００７８】図５の従来技術では、スワラー２３で流体
に与える遠心力が大きいため、第３段内筒３５でも円周
方高流速（遠心力）が残っており、蒸気中の液滴を第３
段内筒３５の内壁に付着させて分離・排水することがで
きる。

【００７９】一方、本実施例では、スワラー１２３及び
２２３で流体に与える遠心力が小さいため、第３段内筒
１３５では円周方高流速（遠心力）が小さくなってお
り、蒸気中の液滴を第３段内筒１３５の内壁に付着させ
て分離・排水することは困難であり、また、蒸気に含ま
れる液滴量も従来技術より多くなっている。

【００８０】そこで、本実施例においては、蒸気に含ま
れる液滴を衝突板１３７に衝突させて分離・排水する。

【００８１】しかし、蒸気に含まれたまま第３段内筒１
３５，第３段排気口１３９を経由して流出する液滴もあ
る。このような液滴は、図１２，図１３に示すように、
対面する気水分離器の第３段外筒１３８の外壁に衝突さ
せて分離する。

【００８２】以上、説明したように、本実施例において
は、気液分離された液膜の一部を第１段で分離・排水
し、残りの液膜を第２段で効率よく分離・排水し、蒸気
に含まれる液滴の一部を第３段の衝突板で除去し、残り
の液滴を対面する気水分離器の外壁に衝突させて除去す
る４つの分離機構を有する。

【００８３】これにより、圧力損失を低減して遠心力が
減少したスワラーの気水分離性能の低下を補償する。し
かしながら、気水分離器による気液分離性能は図１７に
示すように従来技術よりは低下する。

【００８４】図１７の横軸は蒸気流量の相対値であり、
炉心での蒸気発生量と対応する。縦軸は湿分の相対値で
あり、気水分離器の出口蒸気に含まれる液滴流量に対応
し、蒸気乾燥器の入口湿分に等しい。

【００８５】蒸気乾燥器の出口湿分は、蒸気流量が増加
するかもしくは入口湿分が増加すると、急激に増加して
制限値０.１％ を超える。これをブレークスルーと呼
び、気水分離システムの使用制限条件にしている。

【００８６】従来技術では、破線で示すように、低蒸気
流量を除き気水分離器の性能がよいため、高蒸気流量に
対して大きな余裕がある。

【００８７】一方、本発明では、気水分離器の圧力損失
を大幅に低減しているため気水分離性能が悪く気水分離
器の出口湿分（蒸気乾燥器の入口湿分）が多くなる。本
発明の気水分離器（１）（図８，図９のスワラー１２
３）では従来技術の蒸気乾燥器の制限を満足するが、本
発明の気水分離器（２）（図１０，図１１のスワラー２
２３）では従来技術の蒸気乾燥器の制限を中蒸気流量で
満足しない他、高蒸気流量に対する余裕が少なくなる。
従って、蒸気乾燥器の性能を向上する必要がある。

【００８８】以下、蒸気乾燥器の性能向上について説明
する。

【００８９】図１の気水分離器１２０からの液滴を含む
蒸気（矢印Ａ）は、図２に示すように、蒸気乾燥器１５
０のフード１５１内側の入口流路１５２、入口多孔板１
５３を経由して波板１５４に流入する。波板１５４で蒸
気中の液滴を除去した後、出口多孔板１５７，フード１
５１外側の出口流路１５８を経由し、図４の主蒸気管９
から蒸気タービンに供給される。

【００９０】波板１５４の詳細を図１４に示す。波板１
５４に流入する蒸気に含まれる液滴は、運動量が大きい
ため波板１５４に衝突し、液膜を形成してスリット１５
５からポケット１５６に流入し、重力によってポケット
１５６内を流下し、図２に示すドレン樋１５９に集めら
れ、ドレン管１６０を経由して、図４の蒸気乾燥器スカ
ート１１と原子炉圧力容器１との間に排水される。

【００９１】本実施例の特徴は、図７の従来技術による
波板５４が４段であるのに対し、図１４に示すように２
段であること、スリット１５５の上流端を形成する波板
部材１６１をポケット１５６側に曲げていること、最終
段のポケットを形成する部材１６２をポケット側に曲げ
ていること、図２，図３に示すように波板１５４の下方
だけでなく出口流路１５８の下方にもドレン樋１５９を
形成し、出口流路158とドレン樋１５９の間を仕切板１
７０で区分していること、フード１５１の上端に留め板
１７１を設け、フード１５１の背面に留め板１７１から
仕切板１７０までＴ字形のドレンガイド１７２を設けて
いることである。

【００９２】以下に、このような特徴を有する本実施例
の機能について説明する。

【００９３】まず、波板の段数Ｎの効果について説明す
る。蒸気乾燥器の列数をＭ、入口面積をＡとすると、従
来技術の４段と本実施例の２段とで以下のようになる。

【００９４】 Ａ２／Ａ４＝Ｍ２／Ｍ４＝Ｗ４／Ｗ２＝１.６ …（式６） Ｗは出入口の多孔板を含む波板の幅であるが、波板以外
の部分があるため２段に半減しても幅は１／２にはなら
ない。

【００９５】式６は、波板の段数を半減することによ
り、蒸気乾燥器の列数Ｍと入口面積Ａを１.６倍に増加
できる、つまり蒸気乾燥器での蒸気流速を１／１.６に
減速できることを示す。波板を３段にすると入口面積Ａ
の増大効果が小さくなり、１段にすると、後述するよう
に波板を通過する冷却水流量が大幅に増加する。

【００９６】蒸気乾燥器の出口湿分は蒸気流速に依存す
ることから、蒸気流量を約１.６ 倍に増加できることに
なるが、いくつかの課題がある。単純に波板の段数を半
減すると、波板を通過する冷却水流量が増加した。

【００９７】これは、図１５に示すように、波板５４に
付着して形成された液膜の一部がポケット５６に流入せ
ず、スリット５５を乗り越えて下流に流出することによ
る。本発明のように、スリット１５５の上流端を形成す
る波板部材１６１をポケット１５６側に曲げ、最終段の
ポケットを形成する部材１６２をポケット側に曲げるこ
とにより、波板１５４から流出する冷却水流量を大幅に
低減することができたが、従来技術による４段より増加
した。

【００９８】しかし、波板１５４を流出した冷却水は、
出口流路１５８の下方に拡大したドレン樋１５９（図
２）で回収し、仕切板１７０によりドレン樋１５９にド
レンした冷却水から出口流路１５８に液滴が再飛散する
のを防止することができる。

【００９９】蒸気流速が大きくなると、図１６に示すよ
うに、波板５４から液滴が流出するようになる。

【０１００】流出する液滴の大部分はフード５１の背面
に衝突して付着するが、蒸気流速が大きいため落下せ
ず、フード５１の上端から液滴となって飛散する。これ
が蒸気乾燥器の出口湿分を増加する要因となっている。

【０１０１】この液滴の飛散は、フード１５１の上端に
留め板１７１を設けることにより防止することができ、
留め板１７１から仕切板１７０までＴ字形のドレンガイ
ド１７２を設けて蒸気流速が低い部分を作ることによ
り、留め板１７１で回収した冷却水をドレンガイド１７
２に沿って流下させ、ドレン樋１５９に集めることがで
きる。

【０１０２】ドレンガイド１７２はＴ字形である必然性
はなく、フード１５１の背面に一定の距離をおいて多孔
板を設けたものでもよい。

【０１０３】蒸気流速の低い部分を設け、留め板１７１
で回収した冷却水をドレン樋１５９まで流下させること
ができればよい。

【０１０４】以上、説明したように、波板１５４を２山
にすることにより通過する液滴流量が増加しても効率よ
く捕獲・回収することにより蒸気乾燥器１５０の出口湿
分を低減することができる。

【０１０５】従って、図１７に示すように、蒸気乾燥器
の制限流量を大幅に増加することができ、気水分離器
（２）を用いても出口湿分を制限値０.１％以下にして
要求性能を満足する気水分離システムを提供することが
できる。

【０１０６】次に、図１８乃至図２５を用いて本発明に
よる気水分離器の第２実施例を説明する。図１８は気水
分離器の第２実施例の縦断面図とスワラー部の詳細図、
図２１，図２２は気水分離器の上部と配置を示す部分断
面図、図２３，図２４，図２５は図２１，図２２の実施
例の変形例を示す部分断面図である。

【０１０７】第１実施例と第２実施例の主な相違は、第
１実施例においてはスワラーを第１段内筒の下部に設け
ているのに対して、第２実施例においてはスワラーをデ
ィフューザの内部に設けていること、及び気水分離器の
上部に振動防止板を設けていることである。

【０１０８】本実施例の特徴は、図５の従来技術と同様
に、ハブ２２４と複数の旋回羽根２２５で構成されるス
ワラー２２３をディフューザ１２２内に設けていること
である。

【０１０９】図５の従来技術との相違は、ハブ２２４の
先端を鋭角にするとともにハブ224の先端がスタンドパ
イプ１２１とディフューザ１２２の境界より上方に位置
していること、旋回羽根２２５の出口角度θを小さくし
ていること、及びハブ２２４の上端を丸くしていること
である。

【０１１０】これらにより、圧力損失を約３０％低減す
ることができる。

【０１１１】スワラー２２３による遠心力は従来技術よ
り低下するが、第２段と第３段の構成を図１の実施例と
同様にすることにより、図１７に示した従来技術と同等
の気水分離性能を得ることができ、従来技術による蒸気
乾燥器と組合せて使用しても、高蒸気流量に対し大きな
余裕を得ることができる。

【０１１２】気水分離器２２０の上端には、図２１，図
２２に示すように、振動防止板240を設けている。第３
段排気口１３９から流出する蒸気に含まれる液滴は振動
防止板２４０に衝突させて除去するため、第３段排気口
１３９の配置上の制約がなくなる。この振動防止板２４
０は図１２，図１３に示した第１実施例にも適用するこ
とができる。

【０１１３】図２３，図２４，図２５に示すように、第
３段排気口１３９の周囲の内側にドレンガイド２４１を
設けてもよい。この場合、ドレンガイド２４１により、
衝突板１３７や第３段外筒１３８の内面に衝突して分離
された液滴が第３段排気口１３９の周囲から再飛散する
ことを防止することができる。このドレンガイド２４１
は図１２，図１３に示した第１実施例にも適用すること
ができる。

【０１１４】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、圧力損失が流
速の二乗に比例することから、圧力損失の大部分を占め
るスワラーを流速が低い第１段内筒に設置することによ
り、気水分離器の圧力損失を低減することができる。こ
の場合、気水分離性能が大幅に低下するが、遠心力が半
径に逆比例することから、第２段内筒の直径を第１段ピ
ックオフリング直径に等しくすることにより遠心力の低
下を防止して気水分離性能の低下を抑制することができ
る。

【０１１５】請求項２の発明によれば、気水分離器の最
終段では蒸気中に液滴が含まれた状態であることから、
最終段の上端に衝突板を設けて液滴を衝突分離すること
により蒸気中の液滴量を大幅に減少することができる。
この発明は、あらゆる気水分離器に適用して気水分離性
能を向上することができる。

【０１１６】請求項３の発明によれば、請求項１の発明
と請求項２の発明を組合わせることにより、圧力損失が
低く、かつ、気水分離性能が良い気水分離器を実現する
ことができる。

【０１１７】請求項４の発明によれば、請求項２又は請
求項３の発明による効果に加えて、複数の気水分離器を
格子状に配置し、最終段の排気口が隣接する気水分離器
の最終段の外筒に対面するように配置して、最終段の排
気口から流出する蒸気中の液滴を対面する水分離器の最
終段の外筒に衝突分離することにより、気液分離性能を
一層、向上することができる。

【０１１８】請求項５の発明によれば、波板の山谷の中
間に設けたスリットの上流端を形成する波板部材をポケ
ット側に曲げるとともに、最終段のポケットを形成する
部材をポケット側に曲げることにより、波板に衝突させ
て捕獲した液滴により形成される液膜がスリットを乗り
越えて下流に流れるのを防止し、確実にポケットに導く
ことができ、蒸気乾燥器の出口湿分を低減することがで
きる。

【０１１９】請求項６の発明によれば、蒸気乾燥器の波
板の下方だけでなく出口流路の下方にも排水樋を設ける
ことにより捕獲した液体の排水性能を向上することがで
き、また、出口流路と排水樋の間にフード側を開口した
仕切板を設けることにより排水樋からの液滴の再飛散を
防止して出口湿分を低減することができる。

【０１２０】請求項７の発明によれば、請求項６の発明
による効果に加えて、フードの出口流路側の上端に留め
板を設け、留め板から下端までドレンガイドを設けるこ
とにより、波板から流出してフードの背面に衝突・捕獲
された液滴が蒸気の流れにより上昇して上端から再飛散
することを防止し、上端の留め板とドレンガイドを経由
して排水樋に回収することができ、出口湿分を大幅に低
減することができる。請求項８の発明によれば、請求項
５から請求項７までのいずれか一項の発明による効果に
加えて、波板の段数を従来の４段から２段に削減して波
板の幅を１／２に小型化し、蒸気乾燥器の総数と入口面
積を拡大して蒸気流速を低減し、出口湿分が急増する限
界流量を増大することができる。

【０１２１】請求項９の発明によれば、請求項１から請
求項４までのいずれかの発明による気水分離器を使用す
ることにより圧力損失を低減しつつ気水分離性能の低下
を抑制することができ、請求項５から請求項８までのい
ずれかの発明による蒸気乾燥器を前記気水分離器からの
蒸気を受け入れるように組合わせることにより気水分離
器の気水分離性能が低下する場合においても低い出口湿
分を維持することができ、圧力損失が低く、かつ気水分
離性能に優れ出口湿分が低い気水分離システムを実現す
ることができる。これにより、炉心の熱出力と蒸気発生
量が増加しても低い出口湿分を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による気水分離システムに
おける気水分離器の縦断面図である。

【図２】本発明の第１実施例による気水分離システムに
おける蒸気乾燥器の縦断面図である。

【図３】図２のＢ−Ｂ矢視断面図である。

【図４】改良型沸騰水型原子炉の縦断面図。

【図５】従来例による気水分離システムにおける気水分
離器の縦断面図である。

【図６】従来例による気水分離システムにおける蒸気乾
燥器の縦断面図である。

【図７】図６のＢ−Ｂ矢視断面図である。

【図８】図１のスワラー部の一部断面表示による詳細上
面図である。

【図９】図８のスワラー部の一部断面表示による立面図
である。

【図１０】別の例によるスワラー部の一部断面表示によ
る上面図である。

【図１１】図１０のスワラー部の一部断面表示による立
面図である。

【図１２】図１の気水分離器を原子炉圧力容器内に採用
した際の上部から見た気水分離器の平面配置を、図１３
のＣ−Ｃ断面で示した図である。

【図１３】気水分離器上部のＢ−Ｂ断面図である。

【図１４】図３の蒸気乾燥器の波板部分の詳細図であ
る。

【図１５】従来技術と本発明の図１４の実施例との波板
による液滴捕獲の比較説明図である。

【図１６】図３の蒸気乾燥器のフードの背面での液滴捕
獲と、従来技術の蒸気乾燥器のフードの背面での液滴捕
獲との比較説明図である。

【図１７】従来技術と本発明とにおける気水分離システ
ムの気水分離性能の比較図である。

【図１８】本発明の第２実施例による気水分離器の縦断
面図である。

【図１９】図１８のスワラー部の一部断面表示による立
面図である上平面図である。

【図２０】図１９のスワラー部の一部断面表示による立
面図である。

【図２１】図１８の気水分離器を原子炉圧力容器内に採
用した際の上部から見た気水分離器の平面配置を、図２
２のＣ−Ｃ断面で示した図である。

【図２２】図２１の気水分離器上部のＢ−Ｂ断面図であ
る。

【図２３】図２１の変形例を図２４のＣ−Ｃ断面で示し
た断面図。

【図２４】図２３の気水分離器上部のＢ−Ｂ断面図であ
る。

【図２５】図２４のドレンガイド部の斜視図である。

【符号の説明】

１２０，２２０…気水分離器、１２１…スタンドパイ
プ、１２２…ディフューザ、１２３，２２３…スワラ
ー、１２４，２２４…ハブ、１２５，２２５…旋回羽
根、１２６…第１段内筒、１２７…第１段ピックオフリ
ング、１２８…第１段環状板、１２９…第１段外筒、１
３０…第２段内筒、１３１…第２段ピックオフリング、
１３２…第２段環状板、１３３…第２段外筒、１３４…
第２段排水口、１３５…第３段内筒、１３７…衝突板、
１３８…第３段外筒、１３９…第３段排気口、２４０…
振動防止板、２４１…ドレンガイド、１５０…蒸気乾燥
器、151…フード、１５２…入口流路、１５３…入口多
孔板、１５４…波板、１５５…スリット、１５６…ポケ
ット、１５７…出口多孔板、１５８…出口流路、１５９
…ドレン樋、１６０…ドレン管、１６１…波板部材、１
６２…ポケット部材、170…仕切板、１７１…留め板、
１７２…ドレンガイド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 直行 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 Ｆターム(参考） 4D031 AB02 AB08 AC02 BA01 BA10 DA02 EA01

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハブと複数の旋回羽根で構成されるスワラ
   ーにより気液混合流に遠心力を与え、円筒状の第１段内
   筒内に遠心力で分離された液体で液膜を形成させ、前記
   第１段内筒の上方に配置した第１段環状板と前記第１段
   内筒の外部を取り囲むように配置し上端を前記第１段環
   状板に接続した第１段外筒により前記第１段内筒内に形
   成した液膜を排水する気水分離器において、前記第１段
   内筒の下端に上端が大きく下端が小さいディフューザを
   接続し、前記ディフューザの下端に前記第１段内筒より
   流路面積が小さい円筒状のスタンドパイプを接続し、前
   記スワラーを前記第１段内筒に配置し、前記第１段環状
   板に円筒状の第２段内筒を上方に長く下方に短く接続す
   ることにより第２段内筒の下端で第１段ピックオフリン
   グを形成し、前記第２段内筒の上方に第２段ピックオフ
   リングを有する第２段環状板を配置し、前記第２段内筒
   の外部を取り囲むように前記第１段外筒より小さい第２
   段外筒を配置して上端を前記第２段環状板に接続し、前
   記第２段外筒の下端に第２段排水口を設けたことを特徴
   とする気水分離器。
2. 【請求項２】ハブと複数の旋回羽根で構成されるスワラ
   ーにより気液混合流に遠心力を与え、円筒状の第１段内
   筒内に遠心力で分離された液体で液膜を形成させ、前記
   第１段内筒の上方に配置した第１段環状板と前記第１段
   内筒の外部を取り囲むように配置し上端を前記第１段環
   状板に接続した第１段外筒により前記第１段内筒内に形
   成した液膜を排水する気水分離器において、複数段の気
   液分離と排水の手段を有し、短い内筒と上端に衝突板を
   有し側面に下端まで開放した排気口を有する外筒とで最
   終段を構成したことを特徴とする気水分離器。
3. 【請求項３】請求項１において、前記第２段環状板に円
   筒状の第３段内筒を上下に短く接続することにより第３
   段内筒の下端で前記第２段ピックオフリングを形成し前
   記第３段内筒の上部で液留めを形成し、前記第３段内筒
   の上方に衝突板を配置し、前記第３段内筒の外部を取り
   囲むように第３段外筒を配置して上端を前記衝突板に接
   続し、前記第３段外筒に下端まで開放した第３段排気口
   を設けたことを特徴とする気水分離器。
4. 【請求項４】請求項２または請求項３において、複数の
   気水分離器を格子状に配置し、隣接する気水分離器の前
   記最終段の外筒もしくは前記第３段外筒の側壁に対面す
   るように前記最終段の排気口もしくは前記第３段排気口
   を配置したことを特徴とする気水分離器。
5. 【請求項５】複数段の波板と複数のポケットとで構成さ
   れる蒸気乾燥器において、前記波板の山谷の中間に複数
   のスリットを設け、前記スリットを前記ポケットの開口
   とし、前記スリットの上流端を形成する波板部材をポケ
   ット側に曲げ、最終段のポケットを形成する部材を前記
   ポケット側に曲げたことを特徴とする蒸気乾燥器。
6. 【請求項６】複数段の波板と複数のポケットとで構成さ
   れる蒸気乾燥器において、複数の前記蒸気乾燥器を並列
   に配置し、前記蒸気乾燥器の間に傾斜したフードを設け
   ることにより上流で広く下流で狭くなる入口流路と上流
   で狭く下流で広くなる出口流路を形成し、前記蒸気乾燥
   器と前記出口流路の下方に排水樋を設け、前記出口流路
   と前記排水樋の間に前記フード側を開口した仕切板を設
   けたことを特徴とする蒸気乾燥器。
7. 【請求項７】請求項６において、前記フードの前記出口
   流路側の上端に下方に湾曲する留め板を設け、断面がＴ
   字形の複数のドレンガイドもしくは多孔板のドレンガイ
   ドを前記フードの前記出口流路側に前記留め板から下端
   まで設けたことを特徴とする蒸気乾燥器。
8. 【請求項８】請求項５から請求項７までのいずれか一項
   において、前記波板の段数を２段としたことを特徴とす
   る蒸気乾燥器。
9. 【請求項９】複数の気水分離器と複数の蒸気乾燥器とで
   構成される気水分離システムにおいて、前記気水分離器
   は請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の気
   水分離器であり、前記蒸気乾燥器は請求項５から請求項
   ８までのいずれか一項に記載の蒸気乾燥器であることを
   特徴とする気水分離システム。