JP2012122630A - 蒸気発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気発生器を大型化することなく、蒸気発生器の熱交換効率を増大させることにより、原子力プラントの熱効率を向上させる。
【解決手段】Ｕ字型伝熱管群３と、管群外筒２０と、前記Ｕ字型伝熱管群３を高さ方向に支持する複数のサポート１０を有する蒸気発生器１において、前記サポート１０は、蒸気発生器１の中央に設けられた隔離板８により支持された円板状サポート１０ａと前記管群外筒２０に支持された円環状サポート１０ｂとからなり、それぞれ高さ方向に交互に設けられているとともに、前記円板状サポート１０ａの外径は前記Ｕ字型伝熱管群３の外径よりも小さく、前記円環状サポート１０ｂの内径は前記Ｕ字型伝熱管群３の内径よりも大きいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は原子力プラント等に用いられる蒸気発生器に関する。

一次冷却系及び二次冷却系を有する発電プラントにおいて、例えば、加圧水型原子力プラントでは、原子炉から取り出した熱を外部へ伝え、タービン発電機を駆動させるための蒸気を作るための蒸気発生器（熱交換器）を備えている。図６は従来の加圧水型原子力プラントの蒸気発生器１００の断面図である。この蒸気発生器１００の下方には多数のＵ字型伝熱管群１０１が配置され、管板１０２に設置されている。Ｕ字型伝熱管群１０１と容器１０３との間にはダウンカマー１０４が形成されている。Ｕ字型伝熱管群１０１の上部には、セパレータ１０５およびドライヤ１０６が設置され、また、給水入口１０８に連通する給水リング１０７が設けられている。

このように構成される蒸気発生器１００において、原子炉からの高温の流体は一次側給水として一次側流体入口１０９に供給される。この一次側流体はＵ字型伝熱管群１０１内を流れ、Ｕ字型伝熱管群１０１の外を流れる低温の二次側流体と熱交換し、一次側流体出口１１０から排出される。

二次側流体はＵ字型伝熱管群１０１を介して熱を受け取り、沸騰してＵ字型伝熱管群１０１に沿って上昇する。この沸騰した水・蒸気二相流は、Ｕ字型伝熱管群１０１の上部に設置されたセパレータ１０５によって分離され、蒸気はさらに上方に設置されたドライヤ１０６によって液滴除去され、蒸気出口１１０より排出される。

二次側流体は、給水入口１０８を通って給水リング１０７に供給される。給水リング１０７には複数の開口部が周方向に設けられており、蒸気発生器１００内に給水される。給水された二次側流体は、セパレータ１０５で分離されて流下した熱水と混合し、ダウンカマー１０４を下降流として流れ、管板１０２付近で上昇流となり、Ｕ字型伝熱管群１０１に沿って上方に流れる。

このような蒸気発生器１００において、従来から、蒸気発生器１００の熱交換効率を向上させることにより、出口蒸気の温度を上昇させ、原子力プラントの熱効率を上げる試みがなされてきた。

蒸気発生器の熱交換効率を向上させるためには、まず一次側流体と二次側流体の熱交換を促進させることが必要となる。熱交換量は、伝熱面積が大きいほど、また熱抵抗が小さいほど大きくなる。伝熱面積を増大させるためには伝熱管の本数を増やすことが考えられる。

しかしながら、伝熱管の本数を増やすと蒸気発生器が大型化してしまうため、新型の原子力プラントでは、伝熱管ピッチ小さくする、あるいは伝熱管を四角配列から三角配列にし稠密化することによって、蒸気発生器を大型化することなく伝熱管本数を増すことが提案されている。
また、蒸気発生器の熱交換効率を向上させるために、Ｕ字型伝熱管群を仕切る支持整流板に開口部を設け二次冷却材を蛇行させるもの（特許文献１）も提案されている。

特開２００２−３３３２８８号公報

上述したように、蒸気発生器の熱交換効率を向上させるために伝熱管を稠密に配置することが提案されているが、伝熱管の稠密配置よって、二次冷却材流の抵抗が増加するため、動力コストが上がるという課題がある。

また、複数の整流板の異なる位置に開口を設け二次冷却材を蛇行させるものは、支持整流板に種々の形状の開口を設けるための加工が困難であり、また、整流板の強度が下がり、製造コストも高くなるという課題があった。

本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、蒸気発生器を大型化することなく、蒸気発生器の熱交換効率を増大させることにより、原子力プラントの熱効率を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る蒸気発生器は、Ｕ字型伝熱管群と、管群外筒と、前記Ｕ字型伝熱管群を高さ方向に支持する複数のサポートを有する蒸気発生器において、前記サポートは、蒸気発生器の中央に設けられた隔離板により支持された円板状サポートと前記管群外筒に支持された円環状サポートとからなり、それぞれ高さ方向に交互に設けられているとともに、前記円板状サポートの外径は前記Ｕ字型伝熱管群の外径よりも小さく、前記円環状サポートの内径は前記Ｕ字型伝熱管群の内径よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、蒸気発生器を大型化することなく、蒸気発生器の熱交換効率を増大させることにより、原子力プラントの熱効率を向上させることができる。

第１の実施形態に係る蒸気発生器の断面図。 （ａ）は第２の実施形態に係るサポートの部分概略図、（ｂ）はフロータブの模式図。 第２の実施形態に係る蒸気発生器の断面図。 第３の実施形態に係る蒸気発生器の断面図。 第４の実施形態に係る蒸気発生器の断面図。 従来の蒸気発生器の断面図。

以下、本発明に係る蒸気発生器の実施形態を、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る蒸気発生器置を、図１を用いて説明する。
（構成）
本第１の実施形態の蒸気発生器１において、多数のＵ字型伝熱管３ａからなるＵ字型伝熱管群３は高さ方向に設置される複数のサポート１０によって支持されている。なお、図１ではＵ字型伝熱管３ａを１本のみ図示している。このサポート１０は、蒸気発生器の中央に設けられた隔離板８により支持された円板状サポート１０ａと、管群外筒２０に支持された円環状サポート１０ｂからなり、それぞれ高さ方向に交互に設けられている。

円板状サポート１０ａの外径はＵ字型伝熱管群３の外径よりも小さく、円環状サポート１０ｂの内径はＵ字型伝熱管群３の内径よりも大きい。したがって、Ｕ字型伝熱管群３には、円板状サポート１０ａと円環状サポート１０ｂの両者に支持されるＵ字型伝熱管３ａと、円板状サポート１０ａ又は円環状サポート１０ｂのいずれかに支持されるＵ字型伝熱管３ａが存在する。
また、円板状サポート１０ａと円環状サポート１０ｂには個々のＵ字型伝熱管３ａが挿通される多数の貫通孔３が設けられている（図２参照）。

(作用)
このように構成された蒸気発生器において、原子炉からの高温の一次系冷却水は、一次冷却水入口６から流入し、Ｕ字型伝熱管群３に流入し、熱を二次冷却水に与え最終的には、一次冷却水出口７から流出して、原子炉へ戻る。本第１の実施形態の蒸気発生器１では、Ｕ字型伝熱管群３が円板状サポート１０ａと円環状サポート１０ｂによって交互に支持されているため、給水管２から流入した二次冷却水は管群外筒２０外周のダウンカマー１７を下降した後、Ｕ字型伝熱管群３の下部から流入し、サポート１０ａ、１０ｂによって二次冷却水のＵ字型伝熱管群３を蛇行しながら上昇し、上部に行くに従い蒸気量が増大し、気水分離器４に流入する。気水分離器４で気液分離され、蒸気管５から乾いた蒸気が流出する。

（効果）
二次冷却水は交互に配置された円板状サポート１０ａと円環状サポート１０ｂにより、Ｕ字型伝熱管群３を蛇行しながらＵ字型伝熱管群３を上昇し、二次冷却水がより多くの時間、Ｕ字型伝熱管群３から熱を受けることができるため、より多くの蒸気発生が可能となる。その際、複数の伝熱管３ａは各円板状サポート１０ａ及び円環状サポート１０ｂに支持されていない領域が存在するため、各サポートによる圧力損失を抑制し、動力コストを低減することが可能となる。さらに、二次冷却水は各円板状サポート１０ａ及び円環状サポート１０ｂを蛇行するとき、それぞれのサポートに支持されていない複数の伝熱管３ａからさらに効率的に熱を受け取ることができる。

また、本第１の実施形態の円板状サポート１０ａと円環状サポート１０ｂは、それらのサポート内部に二次冷却材を通すための開口を設ける必要がないため、製造加工が容易で低コストで製造することができる。また、この円板状サポート１０ａと円環状サポート１０ｂ強度的にも優れ、組み立ても容易におこなうことができる。

本第１の実施形態によれば、円板状サポート１０ａと円環状サポート１０ｂを交互に配置し、複数の伝熱管を円板状サポート１０ａと円環状サポート１０ｂによって支持しない領域を設けたことにより、Ｕ次型伝熱管群周りの伝熱を促進し、蒸気発生器の熱交換効率の向上を図ることができるため、原子力プラントの熱効率を大幅に向上させることができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る蒸気発生器置を、図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
図２（ａ）は、蒸気発生器１の上部に設置されているサポート１０（円板状サポート１０ａ又は円環状サポート１０ｂ）の部分拡大図である。蒸気発生器１の上部に設置された円板状サポート１０ａ及び円環状サポート１０ｂに設けられたＵ次型伝熱管３ａの貫通孔１７には、Ｕ次型伝熱管の表面に液膜を形成するためのフロータブ１１が設けられている。

蒸気発生器１では上部にいくほど蒸気割合が増大し、気水分離器４の入口では約９０％にも達する。そのため、Ｕ次型伝熱管群３の上部では表面が蒸気に覆われて伝熱が著しく劣化し、流動条件の過渡的変化の際に伝熱管が破損する恐れがある。本第２の実施形態では、蒸気発生器１上部の円板状サポート１０ａ及び円環状サポート１０ｂの貫通孔１７に設けられたフロータブ１１によって、液滴がＵ次型伝熱管３ａに集められるため（図２（ｂ））、Ｕ次型伝熱管３ａの表面に液膜が形成され、伝熱劣化とそれによる伝熱管破損を防止することができる。

本第２の実施形態によれば、蒸気発生器上部の円板状サポート及び円環状サポートの貫通孔に設けられたフロータブによって、伝熱劣化とそれによる伝熱管破損を確実に防止することできるため、蒸気発生器の熱交換効率の向上と、信頼性の向上を図ることができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る蒸気発生器置を、図３を用いて説明する。
本第３の実施形態では、蒸気発生器１の中心を２分割する隔離板８に、高ボイド領域１３から低ボイド領域１４に流体が流れる案内流路１２が形成されている。

このように構成された蒸気発生器１において、原子炉からの高温の一次冷却水と熱交換することにより、多量の蒸気が発生する高ボイド領域１３と、蒸気の発生量が少ない低ボイド領域１４が存在する。これにより、Ｕ字型伝熱管群３の周りにボイド率（気泡割合）の分布ができると、蒸気発生器１の上部におけるボイド率分布の偏差が大きくなる。この二相流は、上部に多数設置された気水分離器４で蒸気と水に分離されるが、上部でのボイド率分布偏差が大きくなると、個々の気水分離器４に流入するボイド率条件が異なるため、同一の気水分離器設計で同じ出口状態（気液割合）を得ることが難しくなる。

本第３の実施形態では、隔離板８に設けた案内流路１２を通って蒸気が高ボイド領域１３から低ボイド領域１４に流れるため、二つの領域のボイド率の差が緩和される。
これにより、蒸気発生器１の上部のボイド率分布の偏差が小さくなることにより、個々の気水分離器４に入るボイド率が均一化され、気水分離器４の出口での分離状態を均一化すること容易となるため、さらに蒸気発生器の熱交換効率の向上と、信頼性向上が図ることができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る蒸気発生器置を、図４を用いて説明する。
本第４の実施形態では、円板状サポート１０ａ及び円環状サポート１０ｂの下面にスラッジ除去板１５が垂下して設置されている。

蒸気発生器１のサポートには、原子炉運転中に徐々にスラッジが堆積する。このスラッジは熱交換を阻害する要因となる。本第４の実施形態では、円板状サポート１０ａ及び円環状サポート１０ｂの下面に設けられたスラッジ除去板１５によってスラッジを落下させ、スラッジが堆積することを防止する。

本第４の実施形態によれば、サポートにスラッジが堆積することを防止することにより、運転中の伝熱劣化が防げることができるため、さらに蒸気発生器の熱交換効率の向上と、信頼性向上が図ることができる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る蒸気発生器置を、図５を用いて説明する。
本第５の実施形態では、管群外筒２０の円環状サポート支持部にスラッジ吸引孔１６が設けられている。

蒸気発生器１のサポート１０には、原子炉運転中に徐々にスラッジが堆積する。このスラッジは熱交換を阻害する要因となる。本第５の実施形態では、管群外筒２０の円環状サポート支持部にスラッジ吸引孔１６を設けたため、ここから運転中にスラッジを吸引することができ、サポートへのスラッジ堆積が防止できる。

本第５の実施形態によれば、スラッジ吸引孔１６からスラッジを蒸気発生器の外に排出することにより、サポート１０へのスラッジが堆積することが防止でき、運転中の伝熱劣化が防ぐことができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組合せ、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…蒸気発生器、２…給水管、３…Ｕ字型伝熱管群、４…気水分離器、５…蒸気管、６…一次冷却水入口、７…一次冷却水出口、８…隔離板、９…水位、１０…サポート、１０ａ…円板状サポート、１０ｂ…円環状サポート、１１…フロータブ、１２…案内流路、１３…高ボイド領域、１４…低ボイド領域、１５…スラッジ除去板、１６…スラッジ吸引孔、１７…ダウンカマー、２０…管群外筒、１００…蒸気発生器、１０１…Ｕ字型伝熱管群、１０２…管板、１０３…容器、１０４…ダウンカマー、１０５…セパレータ、１０６…ドライヤ、１０７…給水リング、１０８…給水入口、１０９…一次側流体入口、１１０…一次側流体出口部、１１１…蒸気出口。

Claims (5)

1. Ｕ字型伝熱管群と、管群外筒と、前記Ｕ字型伝熱管群を高さ方向に支持する複数のサポートを有する蒸気発生器において、
   前記サポートは、蒸気発生器の中央に設けられた隔離板により支持された円板状サポートと前記管群外筒に支持された円環状サポートとからなり、それぞれ高さ方向に交互に設けられているとともに、前記円板状サポートの外径は前記Ｕ字型伝熱管群の外径よりも小さく、前記円環状サポートの内径は前記Ｕ字型伝熱管群の内径よりも大きいことを特徴とする蒸気発生器。
2. 前記蒸気発生器の上部に設置される円板状サポートと円環状サポートサポートの貫通孔にフロータブが設けられていることを特徴とする請求項１記載の蒸気発生器。
3. 前記隔離板にボイドが流れる案内流路が設けられていることを特徴とする請求項１記載の蒸気発生器。
4. 前記円板状サポート及び円環状サポート下面にスラッジ除去板が設けられていることを特徴とする請求項１記載の蒸気発生器。
5. 前記管群外筒の円環状サポート支持部にスラッジ吸引孔が設けられていることを特徴とする請求項１記載の蒸気発生器。

Images