JP2010210450A - 気水分離器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、気液分離器の排水口から排出された水によるキャリーオーバー及びキャリーアンダーの増加を更に抑制することである。
【解決手段】本発明は、本発明は、第２ステージの外筒と第１ステージのピックオフリングとの隙間、及び第３ステージの外筒と第２ステージのピックオフリングとの隙間を塞ぐように、第２ステージの外筒の外周側に第二外筒を設けることを特徴とする。
【効果】本発明によれば、気液分離器の排水口から排出された水によるキャリーオーバー及びキャリーアンダーの増加を更に抑制することが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気水分離器に関する。

沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲという）は、原子炉圧力容器（以下、ＲＰＶという）を有し、複数の燃料集合体を装荷した炉心がＲＰＶ内に配置されている。炉心に供給された冷却水は、炉心内の燃料集合体で発生した熱によって加熱されて沸騰する。この沸騰によって冷却水の一部が蒸気になる。気水分離器はＲＰＶ内であって、炉心の上方に配置されている。炉心で発生した蒸気と水を含む気液二相流は、この気水分離器に供給される。気水分離器は、気液二相流から蒸気と水に分離し、蒸気中の湿分を減少させて蒸気乾燥器に蒸気を供給する。蒸気乾燥器から排出された乾いた蒸気は、タービンに送られる。タービンに連結される発電機が回転して、電力を発生させる。

特許文献１には、気水分離器の第２ステージから排出されたサブクール水を配管の内壁面に沿って排水させるため、第２ステージの排水口から原子炉液面まで配管を伸ばした技術を開示する。

特開２０００−１９９７９７号公報

しかし、特許文献１の技術では、第３ステージの排水口から排水されたサブクール水によって、キャリーオーバー及びキャリーアンダーが増加するという課題があった。

そこで、本発明の目的は、気液分離器の排水口から排出された水によるキャリーオーバー及びキャリーアンダーの増加を更に抑制することである。

本発明は、第２の排水口及び第３の排水口を覆うように、前記第２の気液分離部の外筒の外周側に第二外筒を設けることを特徴とする。

本発明によれば、気液分離器の排水口から排出された水によるキャリーオーバー及びキャリーアンダーの増加を更に抑制することが可能である。

気水分離器の縦断面図を示す。 沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の縦断面図を示す。 実施例２における気水分離器の縦断面図を示す。 実施例３における気水分離器の縦断面図を示す。 実施例４における気水分離器の縦断面図、及びＡＡ′の断面図を示す。 実施例５における気水分離器の排出口付近の拡大図を示す。

図２は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の縦断面図を示す。原子炉圧力容器２１の給水入口２２から給水が流れダウンカマ２３を通って、水はインターナルポンプ２４を経て炉心２５に流れる。炉心２５で加熱された水はシュラウドヘッド２６の上のスタンドパイプ２７を経て、気水分離器２８と蒸気乾燥器２９で蒸気と水に分離された後、蒸気は主蒸気管３０を経た後タービンへ、水はダウンカマ２３へ流れる。

発明者らは、簡易な構造で圧力損失の大幅な上昇を伴わずにキャリーオーバーやキャリーアンダーを低減するため、気水分離器の構造について検討した。以下に具体的な実施例を示す。

図１は、気水分離器の縦断面図を示す。気水分離器２８は、スタンドパイプ２７，ディフューザ８，スワラ９，内筒１１，外筒１２及びピックオフリング１３を有する。内筒１１，外筒１２及びピックオフリング１３は一つの気水分離部１０を構成し、気水分離器６は３ステージの気水分離部１０を有する。図１において、各ステージの気水分離部１０はａ，ｂ，ｃで区別している。すなわち、気水分離部１０ａが第１ステージの気水分離部であり、気水分離部１０ｂが第２ステージの気水分離部、及び気水分離部１０ｃが第３ステージの気水分離部である。図１において、ａを付した構成要素は気水分離部１０ａ（第１ステージ）の構成要素であり、ｂを付した構成要素は気水分離部１０ｂ（第２ステージ）の構成要素であり、ｃを付した構成要素は気水分離部１０ｃ（第３ステージ）の構成要素である。

スタンドパイプ２７はシュラウドヘッド２６に取り付けられる。上方（下流）に向かって内部の横断面積が拡大するディフューザ８は、下端（上流端）がスタンドパイプ２７の上端（下流端）に溶接にて接合されている。複数の羽根を有するスワラ９は、ディフューザ８内に設置される。第１ステージの気水分離部１０ａがディフューザ８の上端に、第２ステージの気水分離部１０ｂが第１ステージの気水分離部１０ａの上端に、第３ステージの気水分離部１０ｃが第２ステージの気水分離部１０ｂの上端にそれぞれ設置される。

第１ステージの気水分離部１０ａは、内筒１１ａ，外筒１２ａ及びピックオフリング１３ａを有する。内筒１１ａがディフューザ８の上端に取り付けられ、ピックオフリング１３ａが内筒１１ａの上端に取り付けられる。ピックオフリング１３ａは、円板部に円筒部を取り付けた構成であり、円筒部が円板部から下方（上流）に向かって伸びている。開口１７ａが円筒部内に形成されている。気水分離器２８の圧力損失低減のため、ピックオフリング１３ａの円筒部の下端部外面は、テーパー状の面取り加工が施されている。後述のピックオフリング１３ｂ，１３ｃも、ピックオフリング１３ａと同じ構成を有している。内筒１１ａを取り囲む外筒１２ａは、ピックオフリング１３ａに取り付けられており、ピックオフリング１３ａから下方に向かって伸びている。環状の排水通路１５ａが内筒１１ａと外筒１２ａの間に形成される。内筒１１ａの上端部には、内筒１１ａの内部と排水通路１５ａとを連絡するギャップ１４ａが形成されている。

第２ステージの気水分離部１０ｂは、内筒１１ｂ，外筒１２ｂ及びピックオフリング１３ｂを有する。内筒１１ｂの下端がピックオフリング１３ａに取り付けられ、ピックオフリング１３ｂが内筒１１ｂの上端に取り付けられる。内筒１１ｂを取り囲む外筒１２ｂは、ピックオフリング１３ｂに取り付けられており、ピックオフリング１３ｂから下方に向かって伸びている。環状の排水通路１５ｂが内筒１１ｂと外筒１２ｂとの間に形成される。内筒１１ｂの上端部には、内筒１１ｂの内部と排水通路１５ｂとを連絡するギャップ１４ｂが形成されている。外筒１２ｂの下端部には、排水通路１５ｂと連通する排出口１８ｂが形成される。

第３ステージの気水分離部１０ｃは、内筒１１ｃ，外筒１２ｃ及びピックオフリング１３ｃを有する。内筒１１ｃの下端がピックオフリング１３ｂに取り付けられ、ピックオフリング１３ｃが内筒１１ｃの上端に取り付けられる。内筒１１ｃを取り囲む外筒１２ｃは、ピックオフリング１３ｃに取り付けられており、ピックオフリング１３ｃから下方に向かって伸びている。環状の排水通路１５ｃが内筒１１ｃと外筒１２ｃとの間に形成される。内筒１１ｃの上端部には、内筒１１ｃの内部と排水通路１５ｃとを連絡するギャップ１４ｃが形成されている。外筒１２ｃの下端部には、排水通路１５ｃと連通する排出口１８ｃが形成されている。

このように、第１ステージから第３ステージの気水分離部を有する気液分離器において、外筒１２の外側に、第二外筒９９を形成する。第二外筒９９は、第２ステージの排出口１８ｂと第３ステージの排出口１８ｃを覆うように設ける。そこで、本実施例では、第二外筒９９の上端を板状部材によって外筒１２ｃに固定している。また、第二外筒９９の板状部材は、第３ステージの排出口１８ｃの上側に設けている。そして、第二外筒９９の下端が冷却水３５の水面に接触しないよう、第二外筒９９の長さは冷却水３５の水面より上側までとする。

次に、気水分離器２８における気水分離機能を具体的に説明する。炉心２５から上昇した蒸気及び冷却水を含む気液二相流は、スタンドパイプ２７内に流入し、スタンドパイプ２７内を上昇する。蒸気は主にスタンドパイプ２７の横断面の中央部を流れる。冷却水の大部分はスタンドパイプ２７の内面に付着して液膜として存在し、スタンドパイプ２７の内面に沿って上昇する。

気液二相流はディフューザ８内に流入する。この気液二相流はスワラ９によって旋回力が与えられ、遠心分離作用により密度の大きい水が外側に飛ばされ、密度の小さい蒸気が内筒１１ａの中心に集まって上昇する。外側に飛ばされた水は内筒１１ａの内面に付着して液膜を形成する。この液膜は、内筒１１ａの内面に沿って上昇してピックオフリング１３ａに当たり、蒸気から分離される。そして、液膜はギャップ１４ａを通って排水通路１５ａに排出される。分離された水は、排水通路１５ａを下降して曲がり部を通り、排出口１８ａより気水分離器２８の外側に存在する冷却水３５に戻される。

第１ステージの気水分離部１０ａで水分が除去され、含有する水分量が少なくなった気液二相流は、旋回しながら、ピックオフリング１３ａの開口１７ａを通過する。そして、気液二相流は、第２ステージの気水分離部１０ｂの内筒１１ｂ内に流入する。気液二相流に含まれる水は、外側に飛ばされ、内筒１１ｂの内面に液膜を形成する。この液膜は、内筒１１ｂの内面に沿って上昇し、ピックオフリング１３ｂに当たって蒸気から分離される。分離された液膜（水分）はギャップ１４ｂを通って排水通路１５ｂに排出される。この水分は排水通路１５ｂを下降して排出口１８ｂから排出される。

第２ステージの気水分離部１０ｂで水分が除去され、含有する水分の量が少なくなった蒸気は、旋回しながら、ピックオフリング１３ｂの開口１７ｂを通って気水分離部１０ｃの内筒１１ｃ内に流入する。蒸気に含まれる水は、外側に飛ばされ、内筒１１ｃの内面に液膜を形成する。この液膜は、内筒１１ｃの内面に沿って上昇し、ピックオフリング１３ｃに当たり、蒸気から分離される。分離された液膜（水分）は、ギャップ１４ｃを通って排水通路１５ｃに排出される。この水分は排水通路１５ｃを下降して排出口１８ｃから排出される。

ここで、気水分離器の気液分離性能について説明する。気水分離器の気液分離性能はキャリーオーバーとキャリーアンダーで評価される。すなわち、気水分離器に流入した気液二相流を液体と気体に分離することが不十分な場合、液の一部が液滴状になって蒸気に混入したまま蒸気排出流路から排出される。キャリーオーバーは蒸気排出流路から排出される分離液の蒸気に対する重量比を表わす。キャリーオーバーの比が大きければ、それだけ湿った蒸気が蒸気乾燥器に導かれることになる。そして、蒸気乾燥器で湿分が充分に除湿されなかった場合、タービン翼を損傷する恐れがあり、設計では一定値以下になるようにしている。

例えば、図１において第二外筒９９がない場合を想定する。排出口１８ａから蒸気が分離液とともに流出する場合や、排出口１８ｂ及び排出口１８ｃから液滴が流出する場合、液滴が排出口１８ａ及び１８ｂの間にある冷却水３５の水面に落下する。その際に、水面と水（主に液滴状態）との衝突により、水面から液滴が再飛散する。これはキャリーオーバーの一因である。同時に水面と水（主に液滴状態）により、水面より上部の蒸気が水面より下に巻き込まれ、キャリーアンダーの一因となる。気水分離器の性能は、キャリーオーバーおよびキャリーアンダーが共に小さいもの程優れている。また、気水分離器の性能指標に、圧力損失がある。一般に圧力損失を大きくすればキャリーオーバーおよびキャリーアンダー等の気水分離性能を向上させることが可能である。但し、圧力損失の増加を抑制しつつ、気水分離性能を向上させるのは難しいとされている。

現在、運転中のＢＷＲではこれらの性能について安全上、問題ないことを確認している。但し、これらの性能が向上すれば、同じ安全余裕でより高経済性なＢＷＲの提供が可能となる。

本実施例では、排水口１８ｂ及び１８ｃを覆うように、気水分離器２８の外筒の外側に、さらに第二外筒９９を設ける。このような構造にすることにより、第２ステージの排水口１８ｂおよび第３ステージの排水口１８ｃから流出した水は、第二外筒９９の内面と、外筒１２ｂ，１２ａの外表面で挟まれた環状空間を通り、第二外筒９９の下部から下に向かって流れ出る。第二外筒９９の下端から流れ出た水は、外筒１２ａの外表面を液膜として流下して水面に至る。このように、液滴が水面に衝突することを防ぐため、気液分離器の排水口から排出された水によるキャリーオーバー及びキャリーアンダーの増加を更に抑制することが可能である。

また、第二外筒９９の下端が冷却水３５の水面に接触しないよう、第二外筒９９の長さは冷却水３５の水面より上側までである。そのため、排水口１８ｂおよび排水口１８ｃから流出した蒸気は、第二外筒９９の下端を通過した後、流れを反転させ、主に上方向へ抜ける。その際、第二外筒９９と外筒１２との間隔が数mm程度であれば、蒸気中の液滴は第二外筒９９の内壁か外筒１２の外壁に付着して液膜となり流下する。そのため、蒸気中の液滴が減少し、キャリーオーバーの増加を抑制できる。

また、排水口１８ｂおよび排水口１８ｃから流出した水は、第二外筒９９の内壁と外筒１２ｂの外壁との間を流下する。第二外筒９９の下端から流出した水は大部分が液膜状となり、外筒１２ａの外壁を流下して水面に至る。このように、外筒１２ａの外壁に沿って流れる水の大部分を液膜状とすることにより、液滴として水面に落下する水は少なくなり、液滴が水面に衝突したことによるキャリーオーバーおよびキャリーアンダーの増加を抑制できる。また、液膜が水面に入る場合、外筒１２ａの外壁に沿って液膜が流れるため、水と蒸気の界面の面積が液滴に比べ少なくなる。そして、外筒１２ａの外壁に沿って液膜として水面に流入することにより、排水口１８ｂおよび排水口１８ｃから流出する水によるキャリーオーバーおよびキャリーアンダー量を低下できる。

そして、特許文献１と本実施例とを比較すると、第１に、第３ステージの排水口１８ｃを第二外筒９９により覆っている点が相違する。そのため、第３ステージの排水口から排出された水によるキャリーオーバー，キャリーアンダーも低減できる。

第２に、第二外筒９９の下端が冷却水３５の水面に接触しないよう、第二外筒９９の長さは冷却水３５の水面より上側までである点が相違する。そのため、第二外筒９９から排出された蒸気が冷却水に流入することを抑制できる。冷却水に蒸気の一部が流入すると、水面より上側に蒸気が再上昇し、蒸気とともに液滴も上昇する場合がある。そのため、本実施例の第二外筒により、キャリーオーバーを減少できる。また、蒸気が冷却水に入ることを抑制するため、キャリーアンダーも減少できる。

更に、本実施例の第二外筒９９は、既存の気水分離器に取り付けるだけであり、圧力損失の増大を抑えつつ、基本的な気水分離性能に影響を与えない。また、変更点が排水口１８ｂおよび排水口１８ｃから出た水と蒸気に関する部分だけであるため、実用化も容易である。

図３は、実施例２における気水分離器の縦断面図を示す。この例では第二外筒９９を排水口１８ｂおよび排水口１８ｃ付近のみを覆うため、第二外筒９９を９９ａ，９９ｂの二分割構造とする。これにより、実施例１に比べ第二外筒の物量が減少し、実施例１とほぼ同等の効果を実現できる。また、第二外筒９９ａ，９９ｂの構造は板状部材に対し垂直である必要はなく、傾けてもよい。鉛直下向きに第二外筒９９ａ，９９ｂの内径を小さくすると液膜の形成を促進できる。

図４は、実施例３における気水分離器の縦断面図を示す。この例では第二外筒９９の下端部の内径を小さくしている。これにより、より安定に液膜を外筒１２ａの外部に形成でき、液膜の形成を促進できる。

図５（ａ）は、実施例４における気水分離器の縦断面図を示す。図５（ｂ）は、ＡＡ′の断面図を示す。この例では内筒１１ａの外周に溝を作っている。これにより第二外筒が無くても、内筒１１ａの外部により安定に液膜を形成できる。なお、本実施例の溝は、第２ステージ又は第３ステージに適用しても良い。また、実施例１〜３と組み合わせてもよい。

図６は、実施例５における気水分離器の排出口付近の拡大図を示す。本実施例は、ピックオフリング１３ａの円板部と外筒１２ａが接着された角部を斜めに面取りした形状である。即ち、ピックオフリング１３ａの円板部は、排水口１８ｂおよび排水口１８ｃの出口付近において円板部の水平面に対して下向きに削り取った形状である。この形状により、第二外筒が無くても、より安定に液膜を外筒１２ａの外表面に形成できる。また、実施例１〜４と組み合わせてもよい。

８ ディフューザ
９ スワラ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 気水分離部
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 内筒
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 外筒
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ ピックオフリング
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 排水通路
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ 排水口
２７ スタンドパイプ
２８ 気水分離器
９９，９９ａ，９９ｂ 第二外筒

Claims (5)

1. 気液二相流が旋回しながら上方へ導かれる内筒と、
   該内筒の上端に設けられ、前記気液二相流から蒸気と水を分離するピックオフリングと、
   該ピックオフリングに取り付けられ、環状の排水流路を前記内筒と形成する外筒とを備える気液分離部を複数形成し、
   第２の気液分離部が有する前記内筒の下端が、第１の気液分離部のピックオフリングに取り付けられると共に、
   第３の気液分離部が有する前記内筒の下端が、第２の気液分離部のピックオフリングに取り付けられ、
   前記第２の気液分離部及び前記第３の気液分離部の外筒下端部に、それぞれ第２の排水口、第３の排水口を備えた気水分離器であって、
   前記第２の排水口及び前記第３の排水口を覆うように、前記第２の気液分離部の外筒の外周側に第二外筒を設けることを特徴とする気水分離器。
2. 請求項１記載の気水分離器において、
   前記第二外筒が、前記第２の排水口及び前記第３の排水口をそれぞれ覆うニ分割構造となっていることを特徴とする気水分離器。
3. 請求項１から２に記載の気水分離器において、
   前記第二外筒の下端部で内径が縮小していることを特徴とする気水分離器。
4. 請求項１から３に記載の気水分離器であって、
   前記第１の気液分離部、第２の気液分離部、第３の気液分離部のいずれかの内筒外周に溝を形成したことを特徴とする気水分離器。
5. 請求項１から４に記載の気水分離器であって、
   前記第１の気液分離部のピックオフリングと前記第１の気液分離部の外筒との接着部、又は前記第２の気液分離部のピックオフリングと前記第２の気液分離部の外筒との接着部が面取りされていることを特徴とする気水分離器。

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