JP2012117980A - 配管の圧力脈動抑制装置及び原子力発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】配管系における圧力脈動を効果的に抑制することができる配管の圧力脈動抑制装置及び原子力発電プラントを提供する。
【解決手段】配管の圧力脈動抑制装置１０において、流体４が流通する主配管１から分岐する分岐管２に連通する容器３と、前記容器３から液体及び気体のうち少なくとも一方を排出する排出管２１，２２と、前記容器３の音響固有振動数を調整する固有振動数変更手段１２と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、配管系における圧力脈動を抑制する装置及びこの装置が設けられている原子力発電プラントに関する。

定格超えの熱出力により蒸気流量を増加させて原子炉のプラント運転をすると、主蒸気配管系の圧力脈動が増加して原子炉に伝播し、炉内設置される蒸気乾燥器を破損させた事例が報告されている。
この圧力脈動の発生原因は、図６に示されるように、蒸気４の流れる主配管１から分岐した分岐管２の上流側エッジで発生した渦５が、この分岐管２の定在波６と共鳴することが挙げられる。
一般に、このような圧力脈動の抑制手段としては、蒸気圧力が一定値以上に上昇した場合にこの蒸気を水プールに導く排出管において、緩衝用の穴を多数設け、蒸気排出時に水プールの水面振動を抑制する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。また、蒸気ドーム又は蒸気配管に、ヘルムホルツ共鳴管を設置する技術が知られている（例えば特許文献２参照）。

特公平３−５０２３８号公報 特開２００６−１５３８６９号公報

しかし、特許文献１のように蒸気を排出する機能は、緊急時の手段として提供されているものであり、そのような機能を働かせることは原子炉の定常運転の妨げになる問題があった。
また、特許文献２のようにヘルムホルツ共鳴管を設置する場合は、脈動発生源の固有振動数を予め推定し、これに合わせてヘルムホルツ共鳴管を設計する必要があった。このため、配管系が複雑形状を有している場合、その固有振動数を高精度に推定することが困難であった。
さらに、原子炉の運転条件が変化すると圧力脈動の固有振動数が変化し、これに合わせてヘルムホルツ共鳴管の共鳴振動数を再調整するのが困難な問題があった。また、既存設備を改修して、ヘルムホルツ共鳴管を設置する際には、配管の切断を要する問題もあった。

本発明は、前記した問題を解決することを課題とし、配管系における圧力脈動を効果的に抑制することができる配管の圧力脈動抑制装置及び原子力発電プラントを提供することを目的とする。

本発明に係る配管の圧力脈動抑制装置は、流体が流通する主配管から分岐する分岐管に連通する容器と、前記容器から液体及び気体のうち少なくとも一方を排出する排出管と、前記容器の音響固有振動数を調整する固有振動数変更手段と、を備え、前記固有振動数変更手段は、前記容器に連通する前記分岐管の連通口の開度を変更する開度変更器を有することを特徴とする。

本発明によれば、配管系における圧力脈動を効果的に抑制することができる配管の圧力脈動抑制装置及び原子力発電プラントが提供される。

本発明に係る配管の圧力脈動抑制装置の第１実施形態を示す断面図。 第２実施形態に係る配管の圧力脈動抑制装置を示す断面図。 第３実施形態に係る配管の圧力脈動抑制装置を示す断面図。 第４実施形態に係る配管の圧力脈動抑制装置が設置された原子力発電プラントの全体図。 第４実施形態に係る配管の圧力脈動抑制装置が設置された原子力発電プラントにおいて、（Ａ）はプラントの通常運転状態を示し、（Ｂ）は主蒸気逃がし安全弁の安全機能が作動している状態を示す断面図。 分岐を有する配管における圧力脈動の発生メカニズムの説明図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１に示されるように第１実施形態に係る圧力脈動抑制装置１０Ａ（１０）は、蒸気（流体）４が流通する主配管１から分岐する分岐管２に連通する容器３と、蒸気が凝縮した液体を容器３から排出するドレン排出管２１と、蒸気のまま排出させるガス排出管２２と、容器３の内部を仕切って分岐管２に連通する内部容積Ｖを変更する容積調整器１２（固有振動数変更手段）と、から構成されている。

さらに第１圧力計１３Ａが容器３に設けられその内部容積Ｖにおける第１内部圧力Ｐ１を計測する。さらに第２圧力計１３Ｂが、分岐管２より上流側位置における主配管１に設けられ、流通する蒸気４の第２内部圧力Ｐ２を計測する。
そして、制御部１４は、第１内部圧力Ｐ１及び第２内部圧力Ｐ２のうち少なくとも一方の計測値に基づいて容積調整器１２を移動させて内部容積Ｖを変更する。

このように構成される圧力脈動抑制装置１０は、内部容積Ｖを変更して、次のヘルムホルツ共鳴の算出式（１）に基づき、容器３の音響固有振動数ｆを調整するものである。
ｆ＝ｃ／２π・√（Ｓ／（Ｖ・Ｌ）） （１）

ここでｃは大気中の音速を表し、Ｌは分岐管２の先端の連通口２ａから主配管１に接続する基端２ｂまでの長さを表し、Ｓは連通口の開口面積Ｓを表している。

この場合、圧力脈動の抑制効果が発揮されるのは、前記式（１）で表される特定周波数ｆの圧力脈動である。本実施形態の圧力脈動抑制装置１０Aによれば、脈動発生源の固有振動数がこの式（１）を満たすように、容積調整器１２を調整して内部容積Ｖを適宜変更することで圧力脈動抑制効果を良好に維持することができる。

このように、流体４の流れる主配管１から分岐する分岐管２の上部に設けられた圧力脈動抑制装置１０によって、主配管１で発生する渦５（図６）と分岐管２の内定在波６との共鳴が抑制され、主配管１の圧力脈動が抑制される。

ドレン排出管２１は、蒸気の凝縮液が容器３の内部に停滞して音響固有振動数ｆが変化するのを防止するため、この溜まった凝縮液を適時排出するように設けられている。なお、凝縮液は、容器３の下部にたまるため、ドレン排出管２１は容器３の底面に設けられることが好ましい。
また、ガス排出管２２は、図示略の開閉弁が設けられ、主配管１を流れる蒸気４の一部を逃がす他、容器３に滞留した可燃性ガスを排出して安全性を確保する。なお、一般に容器３は、主配管１の上部に設けられ、この容器３の上部にガス滞留が生じるものである。このため、ガス排出管２２は、容器３の上面に設けられることが好ましい。

（第２実施形態）
図２に示されるように第２実施形態に係る圧力脈動抑制装置１０Ｂは、容積調整器１２（図１）に代えて、固有振動数変更手段として、分岐管２の連通口２ａの開度（開口面積Ｓ）を変更する開度変更器１１が設けられている。
そして、制御部１４は、第１内部圧力Ｐ１及び第２内部圧力Ｐ２のうち少なくとも一方の計測値に基づいて開度変更器１１を制御して開口面積Ｓを変更する。
なお、図２に記載されている機能部のうち、図１に記載されているものと共通するものについては、同一の符号を付し前記した説明を引用して記載を省略する。

開度変更器１１の構成は種々考えられるが、分岐管２の連通口２ａを覆うシャッタ（図示略）を面方向にスライドさせたり伸縮させたりして開度を変更させるものや、この連通口２ａを分割された複数の短冊プレート（図示略）で覆い、この短冊プレートに傾斜を付与して開度を変更させるもの等が考えられる。
開度変更器１１は、分岐管２の連通口２ａにおける開口面積Ｓを適宜変更して、前記式（１）で表される特定周波数ｆが、脈動発生源の固有振動数に一致するよう調整し、主配管１における圧力脈動を抑制する。

（第３実施形態）
図３に示されるように第３実施形態に係る圧力脈動抑制装置１０Ｃは、容積調整器１２（図１）又は開度変更器１１（図２）に代えて、固有振動数変更手段として、容器３に着脱自在に接続され内部容積Ｖを拡張する枝管２３Ａ，２３Ｂが設けられている。
なお、図３に記載されている機能部のうち、図１又は図２に記載されているものと共通するものについては、同一の符号を付し前記した説明を引用して記載を省略する。

さらに、これら枝管２３Ａ，２３Ｂが内部容積Ｖに連通する位置の近傍には、この開口部を開閉する開閉器２４Ａ，２４Ｂが設けられている。図３中、開閉器２４Ａは開放状態を示し、開閉器２４Ｂは閉止状態を示している。
枝管２３Ａ，２３Ｂ及び開閉器２４Ａ，２４Ｂは、内部容積Ｖを適宜変更して、前記式（１）で表される特定周波数ｆが、脈動発生源の固有振動数に一致するよう調整し、主配管１における圧力脈動を抑制する。

このように枝管２３Ａ，２３Ｂが着脱可能とすることにより、圧力脈動抑制装置１０における圧力脈動の抑制機能に裕度をもたせることができる。なお、枝管２３Ａ，２３Ｂの形状や配列は、実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。また、抑制の対象となる圧力脈動の周波数が限定されていれば開閉器２４Ａ，２４Ｂは、特に必要ない。

（第４実施形態）
図４に示されるように第４実施形態に係る圧力脈動抑制装置１０Ｄは、原子力発電プラント３０の主蒸気逃がし安全弁４０と一体化したものである。
原子力発電プラント３０は、炉水を加熱して蒸気を発生させる原子炉３１と、この発生した蒸気をタービン３３に導く主配管１と、この蒸気により回転駆動するタービン３３に同軸接続され回転運動エネルギーを電機エネルギーに変換する発電機３４と、タービン３３で仕事をして膨張した蒸気を冷却し凝縮して復水する復水器３５と、この復水を送液手段３６により導いて原子炉３１に給水する給水配管３７とから構成されている。
この原子炉３１に戻された給水は、再び炉水として加熱され、前記したプロセスを繰り返し、連続的な発電が行われる。

主蒸気逃がし安全弁４０は、図５に示されるように、圧力脈動抑制装置１０Ｄを介して主配管１に接続されている。そして、主蒸気逃がし安全弁４０は、原子力発電プラント３０の運転中に原子炉３１の圧力が何らかの原因で上昇した場合、図５（Ａ）に示す閉弁状態から図５（Ｂ）に示す開弁状態に変化し、過度の圧力上昇を防止するものである。
そして、図５（Ｂ）の開弁状態で逃がされた蒸気は、ガス排出管２２を経由してサプレッションチェンバ３８（図４）に至り、冷却されて復水するようになっている。

なお、図５に記載されている機能部のうち、図１から図３に記載されているものと共通するものについては、同一の符号を付し前記した説明を引用して記載を省略する。
また図５において、第１内部圧力Ｐ１（図１）、第２内部圧力Ｐ２、及び制御部１４は記載が省略されている。そして、圧力脈動抑制装置１０Ｄには、固有振動数変更手段として、開度変更器１１、容積調整器１２及び枝管２３Ａ，２３Ｂが設けられているが、これらのうち少なくとも一つが設けられていればよい。

主蒸気逃がし安全弁４０は、ガス排出管２２及び圧力脈動抑制装置１０Ｄに連通する弁箱４１と、スプリング４３により付勢される弁棒４４に支持される弁体４２と、から構成されている。この主蒸気逃がし安全弁４０は、付勢力により弁体４２が圧力脈動抑制装置１０Ｄ側の弁座に押し付けられて常閉弁構造をとる。
これにより、原子力発電プラント３０（図４）の通常運転時において、主配管１を流通する蒸気が、ガス排出管２２に漏洩しないようになっている。そして、この主配管１を流通する蒸気が予め設定された圧力に達すると、弁体４２が、スプリング４３の付勢力に打ち勝って開弁し、蒸気をガス排出管２２に逃がす。
また、図示略としているが、主蒸気逃がし安全弁４０は、スプリング４３の付勢方向と逆方向に弁棒４４を変位させて強制的に開弁させる機能も併せ備えている。

図５（Ａ）に示されるように、主蒸気逃がし安全弁４０が閉弁状態にあるときは、主配管１から分岐した分岐管２の上流側エッジで渦５が発生するが、固有振動数変更手段（開度変更器１１、容積調整器１２、枝管２３Ａ，２３Ｂ）が適宜調整されて圧力脈動が抑制される。
一方、図５（Ｂ）に示されるように、主蒸気逃がし安全弁４０が開弁状態にあるときは、分岐管２からガス排出管２２に繋がる流路抵抗が小さくなるように、固有振動数変更手段（開度変更器１１、容積調整器１２、枝管２３Ａ，２３Ｂ）が適宜調整されることが望ましい。

なお、第４実施形態においては、原子力発電プラント３０において、圧力脈動抑制装置１０が、主蒸気逃がし安全弁４０と一体化して構成されているものを例示した。しかし、これに限定されるものではなく、圧力脈動抑制装置１０は、原子力発電プラント３０において蒸気が分岐されるように構成される配管部分に適宜設けることができる。

本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、共通する技術思想の範囲内において、適宜変形して実施することができる。
例えば、実施形態においては、ドレン排出管２１及びガス排出管２２の両方の排気管を具備するものが示されているが、これら排気管はいずれか一方でよい。また、圧力脈動の振動数と、固有振動数変更手段により変更される容器３の音響固有振動数との関係が明らかになっていれば、第１圧力計１３Ａ及び第２圧力計１３Ｂは必須の構成要素でない。

また、主配管１に設置される圧力脈動抑制装置１０の位置は特に限定されず、既設の分岐管２に設けることが可能である。
また、原子力発電プラント３０において圧力脈動抑制装置１０が設置される場合、蒸気配管に設置されることに限定されることはなく、蒸気ドーム３２に設置されることによっても同様に圧力脈動を抑制することができる。

１…主配管、２…分岐管、２ａ…連通口、２ｂ…基端、３…容器、４…蒸気（流体）、５…渦、６…定在波、１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ）…圧力脈動抑制装置、１１…開度変更器（固有振動数変更手段）、１２…容積調整器（固有振動数変更手段）、１３（１３Ａ、１３Ｂ）…圧力計、１４…制御部、２１…ドレン排出管（排出管）、２２…ガス排出管（排出管）、２３Ａ，２３Ｂ…枝管（固有振動数変更手段）、２４（２４Ａ，２４Ｂ）…開閉器、３０…原子力発電プラント、３１…原子炉、３２…蒸気ドーム、３３…タービン、３４…発電機、３５…復水器、３６…送液手段、３７…給水配管、３８…サプレッションチェンバ、４０…主蒸気逃がし安全弁、４１…弁箱、４２…弁体、４３…スプリング、４４…弁棒、Ｖ…内部容積、Ｐ１…第１内部圧力、Ｐ２…第２内部圧力。

Claims (5)

1. 流体が流通する主配管から分岐する分岐管に連通する容器と、
   前記容器から液体及び気体のうち少なくとも一方を排出する排出管と、
   前記容器の音響固有振動数を調整する固有振動数変更手段と、を備え、
   前記固有振動数変更手段は、前記容器に連通する前記分岐管の連通口の開度を変更する開度変更器を有することを特徴とする配管の圧力脈動抑制装置。
2. 前記固有振動数変更手段は、
   前記容器に着脱自在に接続される枝管を有することを特徴とする請求項１に記載の配管の圧力脈動抑制装置。
3. 前記固有振動数変更手段は、
   前記容器に連通する前記枝管の連通口を開閉する開閉器を有することを特徴とする請求項２に記載の配管の圧力脈動抑制装置。
4. 前記容器の第１内部圧力及び前記分岐管より上流側位置における前記主配管の第２内部圧力のうち少なくとも一方を計測する圧力計と、
   前記圧力計の測定値に基づき前記固有振動数変更手段によって前記音響固有振動数を変更させる制御部と、を備えることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の配管の圧力脈動抑制装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の配管の圧力脈動抑制装置を備えることを特徴とする原子力発電プラント。

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