JP2004245656A

JP2004245656A - 気水分離器

Info

Publication number: JP2004245656A
Application number: JP2003034489A
Authority: JP
Inventors: Koji Nishida; 浩二西田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】蒸気クオリティが大きい場合にでもキャリーオーバーが小さくできる気水分離器を提供すること。
【解決手段】気水分離器１の下方から第２段の気水分離部４を構成している第２段内筒１４と第２段外筒１５に多数の流路孔２０を設け、第２段内筒１４と第２段外筒１５との間にデミスター２１を充填させ、そのデミスター２１部で気液分離させることにより、蒸気クオリティが大きい場合でも気水分離器１周りの水面に蒸気が衝突して発生する液滴を無くし、キャリーオーバーを低減する。
【効果】気水分離器における蒸気クオリティが大きくなってもキャリーオーバーを低く維持することができ、気水分離器を採用したプラントの信頼性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気を冷却水から分離する気水分離器に関し、特に、沸騰水型原子炉内に採用されて有効な構造に係る。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電プラントでは、発電機を駆動する蒸気タービンへ原子炉で発生させた蒸気を駆動エネルギーとして供給する。その際に、蒸気タービンのタービン翼部分でのエロージョンやコロージョン現象をなくして蒸気タービンの健全性を維持するために、原子炉の加熱で発生した蒸気を原子炉内の冷却水から分離する気水分離器と、分離された後の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原子炉に採用されている。その気水分離システムで蒸気に含まれる液滴量を一定値以下にしてから蒸気を蒸気タービンに供給するようにしている。
【０００３】
従来の気水分離器は、内筒と外筒との間に排水流路を備えた構造物を上下多段に有し、上下多段間で内筒内をピックオフリングを介して連通した構造と、その内筒内の流体に遠心力を与える旋回羽根とを備えて、気水分離部が上下多段構成されている（例えば、特許文献１参照）。これにより内筒内で蒸気と冷却水とが遠心分離を受けて、分離後の冷却水が排水流路から下方に戻され、分離された蒸気は蒸気乾燥器内に流入して蒸気から更に液滴を除去する処理を受けて蒸気タービン側へ供給される。
【０００４】
気水分離器の性能の指標としては、キャリーオーバー，キャリーアンダー，圧力損失がある。キャリーオーバーは気水分離器で分離されずに流出した冷却水の蒸気に対する質量分率である。またキャリーアンダーは第１段気水分離部から流出する蒸気の冷却水に対する質量分率である。キャリーオーバー，キャリーアンダーについては機器の信頼性を確保するために設計限界値が設けられており、従来の気水分離器は必要な気水分離性能が確保できるように気水分離部を上下多段で設置する構成となっている。
【０００５】
その気水分離器周りからのキャリーオーバーを極力抑制する手段として、気水分離器周りの流路を覆う液滴捕獲リングを設けた構造が公知である（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１９７６７８号公報
【特許文献２】
特開平８−１７９０７７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電気出力が９００ＭＷｅ以下の中型炉や小型炉においては、発電コストに及ぼすサイズディメリットを補うために、小さな原子炉圧力容器に除熱性能（限界出力）の高い燃料体が出来るだけ多数装荷される。この場合、気水分離器一体当たりの質量流量が増加し、圧力損失が大きくなる恐れがある。シュラウドヘッドに林立させる気水分離器間のピッチを小さくし、気水分離器体数を多くすることにより気水分離器一体当たりの質量流量を低下させることができるが、蒸気と冷却水の流体の全流量に対する気相（蒸気も気相とみなす。）流量比である蒸気クオリティは高い状態になる可能性が高い。
【０００８】
この蒸気クオリティが高くなると、蒸気の速度が大きくなるので、その蒸気に同伴されて流出する冷却水の液滴も多くなり、蒸気クオリティの増加と共にキャリーオーバーが増加する。言い換えれば、蒸気クオリティが大きくなる（蒸気速度が大きくなる）と気水分離器周りの水面に、気水分離器の第２段，第３段の排水流路から流出する蒸気が衝突することによって液滴が発生し、その液滴が蒸気乾燥器の方に運ばれるために、キャリーオーバーが大きくなるともいえる。
【０００９】
その気水分離器周りからのキャリーオーバーを防ぐために、気水分離器周りの流路を覆う液滴捕獲リングを設けると、気水分離器の構造が複雑で据付けも面倒になる。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、高蒸気クオリティにおいても低キャリーオーバーを実現できる、構造が簡単な気水分離器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の基本的な解決手段は、気液分離器を構成している上段の内筒と外筒とに設けた複数個の貫通孔と、前記貫通孔を設けた前記内筒と前記外筒との間に設けたデミスターとを備え、前記内筒に設けた貫通孔を通じて蒸気をデミスターに通し、そのデミスターで蒸気中の液滴を捕獲し、前記外筒に設けた貫通孔を通じて湿分の少ない蒸気を気液分離器から排出させる機能を持たせた。
【００１２】
【発明の実施の形態】
原子力発電プラントに採用されている改良型沸騰水型原子炉は、図６に示す構造を有する。即ち、原子炉圧力容器内に円筒状のシュラウド１０２が設置され、そのシュラウド１０２の上部にシュラウドヘッド１０５が設置され、シュラウドヘッド１０５下方に上部プレナム１０４が形成されている。シュラウド１０２の内側には核燃料を装荷する炉心１０３が装備される。
【００１３】
シュラウドヘッド１０５には、複数本のスタンドパイプ２が設置され、そのスタンドパイプ２の上部は複数の気水分離器１の下部が接続されている。スタンドパイプ２内は上部プレナム１０４内に通じており、スタンドパイプ２内は気水分離器１内に通じている。このようにして、シュラウドヘッド１０５からスタンドパイプ２で気水分離器１を支持している。
【００１４】
気水分離器１の上方には、蒸気乾燥器１０６が配備され、原子炉圧力容器１０１から支持されている。その蒸気乾燥器１０６には、円筒状のスカート１０８が装備されていて、そのスカート１０８が気水分離器１の周囲を囲っている。
【００１５】
原子炉圧力容器１０１の中には冷却水が所定の水位まで満たされ、炉心１０３に装荷されている核燃料の発熱を冷却水が受けて発生した蒸気は、冷却水との混合状態で上部プレナム１０４とスタンドパイプ２内とを経由して多数の気水分離器１に流入して液滴を含む蒸気と冷却水に分離される。
【００１６】
液滴を含む蒸気は、蒸気乾燥器１０６で液滴が除去された上で主蒸気管１０７を経由して、図示していない蒸気タービンに供給され、蒸気の供給を受けた蒸気タービンは回転して発電機を駆動させ、電力を原子力発電プラントが生成する。
【００１７】
蒸気乾燥器１０６で蒸気から除去された液滴は、スカート１０８と原子炉圧力容器１０１との間から下方にある冷却水中に戻される。一方、発電機の駆動に使用された蒸気は、図示していない復水器で凝縮され、給水加熱器で加熱された後、給水管１０９から原子炉圧力容器１０１内に冷却水として戻される。
【００１８】
気水分離器１で分離された冷却水は、給水管１０９から供給される給水と混合された上でダウンカマ１１０内を降下し、インターナルポンプ１１１にて運動エネルギーを与えられ、下部プレナム１１２を経由して炉心１０３に再循環される。
【００１９】
気水分離器１の第１実施例は、図１の構成を有する。即ち、図１（ａ）に示した気水分離器１は、第１段の気水分離部３と第２段の気水分離部４からなる上下２段構成の気水分離器である。第１段の気水分離部３は、以下の構成を有する。即ち、シュラウドヘッド１０５の上方に設置したスタンドパイプ２とスタンドパイプ２上端に接続したディフューザ６を備えている。ディフューザ６内には、ハブ９と、ハブ９及びディフューザ６内壁に取付けた旋回羽根１０とから構成されるスワラー８を備えている。そのディフューザ６の上端には円筒状の第１段内筒７が接続されている。第１段内筒７の外側には、周方向に間隔を開けて配置した複数の仕切り板１１を介して円筒状の第１段外筒１２が接続されている。そして第１段内筒７と第１段外筒１２との間には、仕切り板１１で区画された複数の排水流路が形成され、その排水流路は第１段内筒７と第１段外筒１２の下端側に連通している。その第１段外筒１２の下端は下方に開口して冷却水中に開口が存在している。その第１段外筒１２の上端には、第１段ピックオフリング１３が設けられている。第１段ピックオフリング１３は中央部に上下方向を連通する円筒形状部分を上下方向の連絡通路としての開口として備えている。
【００２０】
第２段の気水分離部４は（鳥瞰図を図１（ｂ）に示す）以下の構造を有する。即ち、第１段ピックオフリング１３上に円筒状の第２段内筒１４が設置されている。第２段内筒１４の円筒状中心は第１段ピックオフリング１３の中央部に合うように配置されている。その第２段内筒１４の側壁には多数の流路孔２０を設けてある。第１段ピックオフリング１３は、リング形状の板のリング中心部に下方へ突出して設けた円筒形状部を有する形状となっていて、その円筒形状部内が第１段内筒７内と第２段内筒１４内との連絡通路として利用されている。
【００２１】
第２段外筒１５は円筒状の形状を有し、第２段内筒１４の外側に配置されている。第２段外筒１５の側壁にも多数の流路孔２０が設けられている。第２段内筒１４と第２段外筒１５との側壁に設けた流路孔２０はいずれも貫通孔である、
このような第２段内筒１４と第２段外筒１５の上端にドーナッツ状板２２が接続されて、第２段内筒１４と第２段外筒１５との間の間隙の上端をドーナッツ状板２２が塞いでいる。その、第２段外筒１５の下端は第１段ピックオフリング
１３から浮いていて下方に開口している。
【００２２】
第２段内筒１４と第２段外筒１５との間の間隙にはデミスター２１が充填されている。デミスター２１は柔軟な糸状の金属を互いに絡め合わせて構成されている一種のフィルタであり、蒸気がそのデミスター内を通過した際に、蒸気に同伴されてきた液滴がデミスターに捕獲されて蒸気からふるいわけられる機能を有する。
【００２３】
次に、以上のように構成した第１実施例による気水分離器１の動作を以下に説明する。即ち、炉心で加熱された冷却水は蒸気と冷却水との混合流体となって炉心から上部プレナム内に抜け、その後、その混合流は、上部プレナム１０４からスタンドパイプ２内を通じてディフューザ６内部に流入する。そのディフューザ６内部に流入した混合流体は、複数の旋回羽根１０に当たって旋回しつつ上昇する。混合流体は旋回することで遠心力を受け、その混合流体は旋回しながら第１段内筒７内で液滴を含む蒸気と液膜とに分離される。
【００２４】
分離された液膜は混合流体中の冷却水の８０％以上を占めており、分離された液膜は遠心力により第１段内筒７の内壁面に付着して第１段内筒７内の上昇旋回流の力で上昇する。そして、第１段内筒７の内壁面に沿って上昇してきた液膜は第１段ピックオフリング１３に当たって第１段内筒７の上端を乗り越えて第１段内筒７と第１段外筒１２との間の排水流路内に入る。その後は、その液膜は重力により第１段内筒７と第１段外筒１２の間を流下し、冷却水中に排出される。このように第１段の気水分離部３で蒸気と冷却水とが分離される。分離された蒸気を含む混合流体は旋回しながら第１段ピックオフリング１３の中央部を上方に抜けて第２段内筒１４内に流入する。このように、旋回羽根１０は第１段内筒７と第２段内筒１４内の流体を旋回させる流体旋回手段として用いられる。
【００２５】
第１段ピックオフリング１３を通過した蒸気や冷却水は第２段内筒１４内に流入して旋回し続けながらも、第２段内筒１４内に流入してきた冷却水の液滴と蒸気の一部は第２段内筒１４に設けた多数の流路孔２０に流入し、デミスター２１部にて液滴だけが捕獲され重力分離され冷却水として第２段内筒１４と第２段外筒１５との間、即ち排水流路を重力で降下し、第２段外筒１５下端の開口から冷却水へと流出する。一方、デミスター２１部を通過した蒸気は第２段外筒１５に設けた多数の流路孔２０から気水分離器１の外へ流出する。このように、気水分離器１の外側へ流出した蒸気は上昇して、蒸気乾燥器１０６に流入してゆく。流路孔２０を通過できなかった蒸気はドーナッツ状板２２の中央から上方に抜けて蒸気乾燥器１０６に流入してゆく。このようにして第２段の気水分離部４での気水分離がなされる。
【００２６】
このような第１実施例によれば、デミスター２１に蒸気を通過させ、通過中の蒸気に同伴されてきた冷却水の液滴をデミスター２１で捕獲させ、更にデミスター２１を通過する蒸気の流速をデミスター２１で減速させることによって捕獲した液滴の重力降下の促進と、その捕獲した液滴の蒸気への再巻き込み防止を達成する。このようにすることによって気水分離器１の分離能力を確保する。
【００２７】
また、第２の気水分離部４で分離した後の蒸気は流速がデミスター２１に衝突した分減速されている上、気水分離器１の上端ばかりか流路孔２０を通じて気水分離器１の水平外周囲にも流出させるから、従来のように、気水分離器周りの水面に第２段気水分離部の排水流路から流出する蒸気が衝突して液滴が発生し、その液滴が蒸気乾燥器１０６の方に運ばれることがない。そのために、蒸気クオリティが大きくなる（蒸気速度が大きくなる）ことがあっても、キャリーオーバーが大きくならない。
【００２８】
また、第２段の気水分離部４にピックオフリングを必要としない上、各外筒の外側に液滴捕獲リングの採用も必要としないので、構造が簡単で圧力損失の低減も図れる。
【００２９】
図２に示した本発明の第２実施例は、既述の第１実施例における第２段の気水分離部４の構造を一部変更し、その他は第１実施例と同じとした例である。そのため、その一部変更箇所のみを次に説明する。即ち、第２段の気水分離部４を構成している第２段内筒１４と第２段外筒１５に設けた流路孔２０は、図２のように、流路孔２０の口径が上に行くにしたがって大きくした。これによって、下方よりも上方の孔開口面積が大きくなるように複数個の流路孔２０が第２段内筒
１４と第２段外筒１５に設けられることになる。
【００３０】
このようにして、流路孔２０による開口面積を下方よりも上方で広く分布させている。そのため、第２段の気水分離部４の下方よりも上方で流路孔２０を通じての蒸気の通過抵抗が少なくなっている。そのため、第２段内筒１４内と第２段外筒１５外の圧力差を高さ方向で適正化し、デミスター２１での蒸気の通過速度を均一化していることである。デミスター２１での蒸気速度が大き過ぎると、デミスター２１での気液分離性能が急激に悪くなるブレークスルーと呼ばれる現象が生じるため、蒸気速度が２ｍ／ｓ程度になるまで小さくなるように流路孔２０の開口面積を上下方向で調整することが望ましい。第２実施例実施によれば、ブレークスルーが予防でき、その他は第１実施例と同じ作用を得れる。
【００３１】
図３に示した本発明の第３実施例は、既述の第１実施例におけるスワラー８の配置を変更し、その他は第１実施例と同じとした例である。そのため、その変更箇所のみを次に説明する。即ち、図３のように、第１段内筒７にスワラー８を設けて、第１段内筒７内にスワラー８を配置している。
【００３２】
このような第３実施例では、第１段内筒７内の流路面積がディフュ−ザ６やスタンドパイプ２内の流路面積よりも大きいので、流路面積の大きな第１段内筒７内にスワラー８を配置することで、第１実施例に比較してスワラー８での圧力損失を低減できる。その他の作用は第１実施例と同じである。
【００３３】
図４に示した本発明の第４実施例は、既述の第１実施例における第２段の気水分離部４の構成を変更し、その他は第１実施例と同じとした例である。そのため、その変更箇所のみを次に説明する。即ち、図４のように、第２段の気水分離部４を構成している第２段内筒１４の内径を第１段ピックオフリング１３の内径と同じ程度まで小さくしている。その第２段内筒１４の外径も第１実施例の場合に比べて小径となっている。そのため、第２段内筒１４と第２段外筒１５との間に形成された間隙、即ち排水流路は水平方向に拡大されている。その拡大された間隙には、デミスター２１が充填されている。そのため、デミスター２１の厚さが水平方向、即ち蒸気がデミスター２１内を通過する方向、に第１実施例よりも厚くされている。
【００３４】
このような第４実施例では、第２段内筒の内径が小さいために第１段内筒７から第２段内筒１４内に入った流体の旋回速度が第１実施例よりも大きくなり気液分離が促進される。それと共に、更に第２段内筒１４と第２段外筒１５の空間を充填するデミスター２１を厚くできるために気液分離が第１実施例に比べて更に促進されてキャリーオーバーが一層低減できる。また本実施例では第２段外筒
１５に設けた流路孔２０の開口面積を出来るだけ大きくし、第２段外筒１５に設けた流路孔２０における流路縮小による蒸気速度の加速，液滴の飛散を抑制している。この実施例は、第１実施例に比較して第２段内筒１４の内径を小さくすることにより圧力損失は若干大きくなるが、キャリーオーバーの低減効果は第１実施例に比較して大きい。その他の作用は第１実施例と同じである。
【００３５】
図５に示した本発明の第５実施例は、既述の第１実施例における第２段の気水分離部４の構成を変更し、その他は第１実施例と同じとした例である。そのため、その変更箇所のみを次に説明する。即ち、図５のように、第２段の気水分離部４を構成している内筒が上下２段に構成され、上段が第３段内筒１７として、下段が第２段内筒１４ａとして命名されている。その第２段内筒１４ａは、第１段ピックオフリング１３の内径よりも大きく、第１実施例の第２段内筒１４よりも小さな内径を持った円筒状の形状を有し、第１段ピックオフリング１３の上に据付けられている。その第２段内筒１４の上端には、ドーナッツ状板２２ａが据付けられている。そのドーナッツ状板２２ａの上面には、第２段内筒１４ａの内径よりも小径で第１段ピックオフリング１３の内径と同程度の内径を有する円筒状の第３段内筒１７が据付けられている。
【００３６】
これらの第２段内筒１４ａと第３段内筒１７とには、複数個の流路孔２０が設けられている。これらの第２段内筒１４ａと第３段内筒１７と第１段内筒７とは上下方向に中心が一致して上下方向に連通状態とされている。第２段内筒１４ａと第３段内筒１７とは共通の第２段外筒１５に周囲を囲われている。その第２段外筒１５にも複数の流路孔２０が設けられている。その第２段外筒１５と第２段内筒１４ａとには、ドーナッツ状板２２が接続されて第２段外筒１５と第２段内筒１４ａとが一体化されている。その第２段外筒１５と第２段内筒１４ａとの間の間隙の上端は、そのドーナッツ状板２２によってふさがれ、下端は気水分離器１の外側に開放されていることは第１実施例と同じである。その第２段外筒１５と第２段内筒１４ａとの間の間隙、及びその第２段外筒１５と第３段内筒１７との間の間隙には、デミスター２１が充填されている。
【００３７】
このように第５実施例では、内筒が最下方の第１段から最上方の第３段までの３段構造になっている。本実施例では、第３段内筒１７の内径が小さいために第２段内筒１４ａから第３段内筒１７内に流入してきた流体の旋回速度が第２段内筒１４ａの上端部における旋回速度よりも大きくなり気液分離が促進される。そのため、キャリーオーバーが低減する。それと共に、第２段内筒１４ａの内径を第３段内筒１７の内径程に急激に小さくしないことにより圧力損失の増大を抑制している。その他の作用は第１実施例と同じである。
【００３８】
本実施例の第２段と第３段の各内筒１４ａ，１７に対して第２段外筒１５を共通にしているが、外筒と内筒共に３段構造にしても同等なキャリーオーバー低減効果が可能となる。その他の作用は第１実施例と同じである。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の気水分離器によれば、気水分離器における蒸気クオリティが大きくなってもキャリーオーバーを低く維持することができ、気水分離器を採用したプラントの信頼性の向上に貢献できる。
【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器を示す図であって、（ａ）図はその気水分離器の縦断面図であり、（ｂ）図はその気水分離器の第２段気水分離部の鳥瞰図である。
【図２】本発明の第２実施例による気水分離器における第２段気水分離部の鳥瞰図である。
【図３】本発明の第３実施例による気水分離器の縦断面図である。
【図４】本発明の第４実施例による気水分離器の縦断面図である。
【図５】本発明の第５実施例による気水分離器の縦断面図である。
【図６】本発明の気水分離器が採用される改良型沸騰水型原子炉の縦断面図である。
【符号の説明】
１…気水分離器、２…スタンドパイプ、３…第１段の気水分離部、４…第２段の気水分離部、６…ディフューザ、７…第１段内筒、８…スワラー、１０…旋回羽根、１１…仕切り板、１２…第１段外筒、１３…第１段ピックオフリング、
１４，１４ａ…第２段内筒、１５…第２段外筒、１７…第３段内筒、２０…流路孔、２１…デミスター、２２，２２ａ…ドーナッツ状板、１０１…原子炉圧力容器、１０５…シュラウドヘッド、１０６…蒸気乾燥機。

Claims

内筒、及び前記内筒との間に排水流路を形成する外筒を含む気水分離部を上下複数段に配置し、上下に隣接して位置する前記内筒内の空間は連絡通路を介して連通され、前記内筒内の流体を旋回させる流体旋回手段を備えた気水分離器であって、
最下段よりも上方に位置する前記気水分離部の前記内筒及び前記外筒は側壁部に設けた複数の貫通孔を有し、
前記貫通孔を有する前記内筒と前記外筒との間にデミスターを設けた気水分離器。
請求項１において、前記最下段に位置する前記気液分離部の前記内筒内に前記旋回手段を設けた気水分離器。
請求項１において、最下段よりも上方に位置する前記気水分離部の前記内筒及び前記外筒に設けた前記貫通孔は、上方に位置するほど、開口面積が大きくなる気水分離器。
請求項１において、前記貫通孔を設けた前記内筒の内径を前記連絡通路の内径と同径とした気水分離器。
請求項１において、前記貫通孔を設けた前記内筒を上下複数段に備え、前記貫通孔が設けられた上下複数段の内筒の内径は、上方に位置する内筒ほど小径とされている気水分離器。
請求項１又は請求項４において、前記連絡通路は、リング形状の板のリング中心部に下方へ突出して設けた円筒形状部を有するピックオフリングの前記円筒形状部の内側である気水分離器。
原子炉圧力容器内のシュラウドヘッド内に、スタンドパイプを通じて、気水分離器の最下段の気水分離部の内筒内が接続されている沸騰水型原子炉において、前記気水分離器が請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の気水分離器であることを特徴とした沸騰水型原子炉。