JP2013029316A - 蒸気発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】一次冷却材ポンプの動力を増加させることなくプラント効率を向上させることができる蒸気発生器を提供する。
【解決手段】本実施形態における蒸気発生器１は、一次側水室１１および二次側被加熱部１３を有する容器１０と、一次側水室１１を入口側水室１６および出口側水室１７に仕切る仕切板１５と、一次側流体を一次側水室１１へ導く入口ノズル１８と、一次側流体を入口側水室１６から二次側被加熱部１３を経由して出口側水室１７へ導き、二次側被加熱部１３で熱交換する伝熱管群１２と、一次側流体を出口側水室１７から一次側流体ポンプ２５に導く出口ノズル１９と、出口側水室１７において出口ノズル１９の入口側１９ｂに接続された集水管２１を備える。集水管２１は、出口ノズル１９と接続された出口側端部２１ａから入口側端部２１ｂに向かって内径が大きくなるよう形成された。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気発生器に関する。

加圧水型原子力発電プラントは、原子炉、この原子炉から一次冷却材により取り出した熱で蒸気を発生させる蒸気発生器、および一次冷却材を循環させる一次冷却材ポンプで、一次冷却材を循環させる循環回路を形成する。

蒸気発生器は、一次側水室、Ｕ字形伝熱管部、および二次側被加熱部を有する。一次側水室は、半球形で仕切板により出入口水室に分離される。各水室には、一次冷却材の入口ノズル、出口ノズルがそれぞれ取り付けられる。

一次冷却材ポンプは、蒸気発生器から一次冷却材を吸い込むための吸込構造と接続される。吸込構造は、一次冷却材ポンプの吸込側と蒸気発生器の出口ノズルとが直結した構造である。

従来、上述した吸込構造として、例えば特許文献１に開示された改良型沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）の原子炉内蔵型再循環ポンプ（インターナルポンプ）がある。具体的には、斜流ポンプであるインターナルポンプのインペラとディフューザを、上流端をベルマウスとした円筒で囲んだ構造が開示されている。

また、特許文献２には、遠心ポンプの吸込み口に案内羽根を設け、ポンプの定常状態の特性を改善する技術が開示されている。

特開２００４−６１１８５号公報 米国特許第６２７３６７７号明細書

一般に、蒸気発生器では、一次冷却材ポンプの吸込作用により伝熱管からの噴流が出口側水室に広がり、出口ノズルで急縮小される一次冷却材の流れが生じる。これにより、出口側水室から出口ノズルに至る流動場で流れの急拡大および急縮小に伴う圧力損失が発生してしまう。また、出口ノズル内部では、不安定流れや渦発生によるキャビテーションを生じさせてしまう。

このような事情から、一次冷却材流量のエンタルピ輸送量を増加させプラント効率の向上を図る場合には、この圧力損失を低減することが課題となっていた。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、一次冷却材ポンプの動力を増加させることなくプラント効率を向上させることができる蒸気発生器を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る蒸気発生器は、上述した課題を解決するために、一次側水室、および前記一次側水室と隔離された二次側被加熱部を有する容器と、前記一次側水室を入口側水室および出口側水室に仕切る仕切板と、前記入口側水室に設けられ、前記一次側流体を前記一次側水室へ導く入口ノズルと、前記一次側流体を前記入口側水室から前記二次側被加熱部を経由して前記出口側水室へ導き、前記二次側被加熱部で熱交換する伝熱管群と、前記出口側水室と一次側流体ポンプのポンプケーシングとを接続し、前記一次側流体を前記一次側流体ポンプに導く出口ノズルと、前記出口側水室において前記出口ノズルの入口側に接続された集水管を備え、前記集水管は、前記出口ノズルと接続された出口側端部から入口側端部に向かって内径が大きくなるよう形成されたことを特徴とする。

本発明に係る蒸気発生器においては、一次冷却材ポンプの動力を増加させることなくプラント効率を向上させることができる。

第１実施形態における蒸気発生器の一次側水室を主に示す縦断面図。 図１の蒸気発生器の一次側水室を主に示す水平断面図。 第１実施形態における蒸気発生器の第１の変形例としての一次冷却材の出口構造を特に示す縦断面図。 図３の蒸気発生器の一次側水室を主に示す水平断面図。 図３の旋回防止板の縦断面図。 第１実施形態における蒸気発生器の第２の変形例としての一次冷却材の出口構造を特に示す縦断面図。 図６の出口ノズルに設けられる格子板を主に示す斜視図。 図７の格子板の上端部を示す縦断面図。 第２実施形態における蒸気発生器を主に示す縦断面図。 第２実施形態における蒸気発生器の変形例を示す縦断面図。 第３実施形態における蒸気発生器を主に示す縦断面図。 第３実施形態における蒸気発生器の変形例を主に示す縦断面図。 図１２の蒸気発生器の一次側水室を主に示す水平断面図。 図１２の集水管の一部を特に示す外観構成図。

［第１実施形態］
本発明に係る蒸気発生器の第１実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、第１実施形態における蒸気発生器１の一次側水室１１を主に示す縦断面図である。
図２は、図１の蒸気発生器１の一次側水室１１を主に示す水平断面図である。

蒸気発生器１は、一次側水室１１および二次側被加熱部１３を形成し、Ｕ字形伝熱管１２群を収容する容器１０を有する。
一次側水室１１は、半球状に形成された空間を有する。一次側水室１１は、仕切板１５により仕切られることにより入口側水室１６および出口側水室１７を形成する。

入口側水室１６は、原子炉容器から供給される一次冷却材（一次側流体）を一次側水室１１へ導く入口ノズル１８を有する。出口側水室１７は、一次冷却材を一次冷却材ポンプ２５に供給する２つの出口ノズル１９を有する。出口側水室１７は、出口ノズル１９および集水管２１で構成される一次冷却材の出口構造を有する。この出口構造の詳細については、後述する。

Ｕ字形伝熱管１２群（以下、単に「伝熱管１２」という）は、二次側被加熱部１３と隔離する管板２２に、両端（管出入口）が一次側水室１１側を向いた状態で溶接により固定される。伝熱管１２は、一次冷却材を入口側水室１６から二次側被加熱部１３を経由して出口側水室１７へ導き、二次側被加熱部１３で熱交換する。なお、二次側被加熱部１３は、公知の構成を適用することができるため、本発明の各実施形態においては詳細な説明を省略する。

一次冷却材ポンプ２５は、例えばシールレスポンプであり、インペラ２６などのポンプ部とインペラ２６を駆動するモータ部とがポンプケーシング２７に内蔵される。

ここで、蒸気発生器１の出口側水室１７に設けられる一次冷却材の出口構造（一次冷却材ポンプ２５の吸込構造）について説明する。

出口構造は、出口ノズル１９および集水管２１を有する。
出口ノズル１９は、出口側水室１７の底部に設けられ出口側水室１７とポンプケーシング２７と一体に（耐圧性を持って）連続的に接続される。出口ノズル１９は、出口側水室１７内に向かって立ち上がり部１９ａを有する。

集水管２１は、ベルマウス形状を有し、出口側水室１７底部側（一次冷却材の出口側２１ａ）から上部（一次冷却材の入口側２１ｂ）に向かって径方向寸法が大きくなるように配置される。集水管２１の出口側２１ａは、出口ノズル１９の内径とほぼ一致する内径を有し、出口ノズル１９の立ち上がり部１９ａ上端である一次冷却材の入口側１９ｂに接続される。集水管２１の入口側２１ｂは、図２に示す円形であってもよいし、例えば扇形や楕円形の正円形以外の形状であってもよい。入口側２１ｂは、集水管２１の数（一次冷却材ポンプ２５の数）や出口側水室１７の寸法、伝熱管１２の数、およびこれらの配置に応じて、出口側水室１７の水平断面をなるべく覆い、伝熱管１２から流出する一次冷却材が集水管２１に流入するように自由に設定することができる。
なお、集水管２１は、出口ノズル１９と一体に（耐圧性を持って）連続的に接続されてもよい。

次に、蒸気発生器１に出入りする一次冷却材の流れについて説明する。
原子炉容器から供給される一次冷却材は、入口ノズル１８から入口側水室１６に流入する。一次冷却材は、伝熱管１２を通って二次側被加熱部１３を流れる二次側流体に熱を伝達した後、伝熱管１２の出口から出口側水室１７に流入する。一次冷却材は、集水管２１に集められ出口ノズル１９、ポンプケーシング２７に流入する。

この蒸気発生器１は、一次冷却材を集水管２１に集め、滑らかに出口ノズル１９、ポンプケーシング２７に導くことができる。このため、出口側水室１７内や出口ノズル１９の流入部での圧力損失の要因となる剥離領域が発生しない。

このため、第１実施形態における蒸気発生器１は、出口側水室１７や出口ノズル１９での圧力損失の発生を防げ、一次冷却材ポンプ２５の動力を増加させることなく一次冷却材の流量を拡大させ、プラントの熱効率を高めることができる。

なお、出口ノズル１９内部は、不安定流れや渦発生によるキャビテーションを生じさせてしまう恐れがある。そこで、蒸気発生器１は、出口ノズル１９内部に流れ安定手段を設けてもよい。以下、第１実施形態の変形例を説明する。

図３は、第１実施形態における蒸気発生器の第１の変形例としての一次冷却材の出口構造を特に示す縦断面図である。
図４は、図３の蒸気発生器の一次側水室１１を主に示す水平断面図である。
図５は、旋回防止板３２の縦断面図である。
図１および図２の第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

蒸気発生器は、出口ノズル１９内にインペラ２６の回転に起因する吸込み渦の発生を防止する旋回防止板３２を有する。旋回防止板３２は、出口ノズル１９の入口側１９ｂ近傍に、出口ノズル１９の径方向に亘るように設置される。

旋回防止板３２は、流路方向に流線形を有し、流線形断面の弦長ｌ、最大厚さｄがｄ／ｌ＝０．２５〜０．３０の関係を有する。旋回防止板３２は、このｄ／ｌで規定される範囲で圧力損失を最小とし、エッジを丸めた矩形断面を有する旋回防止板の１／１０〜１／２０とすることができる（機械工学便覧、Ａ５− １００〜１０１、日本機械学会）。

図６は、第１実施形態における蒸気発生器の第２の変形例としての一次冷却材の出口構造を特に示す縦断面図である。
図７は、図６の出口ノズル１９に設けられる格子板４２を主に示す斜視図である。
図８は、一の格子板４２の上端部を示す縦断面図である。

蒸気発生器は、インペラ２６の回転に起因する旋回防止効果を高める格子板４２を有する。格子板４２は、出口ノズル１９の一次冷却材の入口側１９ｂに、水平断面が格子状となるように設けられる。格子板４２は、上端部（出口ノズル１９の入口側１９ｂ）の形状がエッジを丸めた断面形状である。

格子板４２は、流路方向長さＬ、出口ノズル１９の内径Ｄが、Ｌ／Ｄ＝０．５〜１．５ の関係を有する。格子板４２は、このＬ／Ｄが小さいほど圧力損失の大きさは小さいが、旋回成分を防止するために効果が認められたＬ／Ｄ＝１．０（管路・ダクトの流体抵抗、Ｐ．１１３〜１１４、日本機械学会）を含む範囲で構成される。

これらの第１実施形態の変形例としての蒸気発生器は、第１実施形態で奏する効果に加え、出口ノズル１９における旋回流の発生を防止でき、キャビテーションの発生によるポンプインペラの損傷を防ぎ、かつ、圧力損失の増加を抑制することができる。

［第２実施形態］
本発明に係る蒸気発生器の一次冷却材出口構造の第２実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図９は、第２実施形態における蒸気発生器５１を主に示す縦断面図である。第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する
第２実施形態における蒸気発生器５１が第１実施形態と異なる点は、集水管６１と出口ノズル５９とが着脱自在に接続された点である。

出口ノズル５９は、出口側水室１７の底部に設けられ出口側水室１７とポンプケーシング２７と一体に（耐圧性を持って）連続的に接続される。出口ノズル５９は、出口側水室１７内に向かって立ち上がり部５９ａを有する。出口ノズル５９は、立ち上がり部５９ａの上端、すなわち一次冷却材の入口側５９ｂに、フランジ５９ｃを有する。

集水管６１は、ベルマウス形状を有し、出口側水室１７底部側（一次冷却材の出口側６１ａ）から上部（一次冷却材の入口側６１ｂ）に向かって径方向寸法が大きくなるように配置される。集水管６１の出口側は、フランジ６１ｃを有する。

出口ノズル５９のフランジ５９ｃおよび集水管６１のフランジ６１ｃは、接続手段としてのボルト・ナット６８で締結される。これにより、出口ノズル５９と集水管６１とは、着脱自在に連結される。

ここで、集水管６１は、経年劣化による損傷も考慮する必要がある。そこで、第２実施形態における蒸気発生器５１は、集水管６１と出口ノズル５９およびポンプケーシング２７とを着脱自在に接続する構成とした。蒸気発生器５１は、第１実施形態の出口構造が奏する効果に加え、プラントの運転に伴う集水管６１の経年劣化に対して、保守・点検の実施を考慮した蒸気発生器５１を提供することができる。

なお、出口ノズル５９と集水管６１との連結は、図１０に示すように接続手段としてのグレイロック継手により行ってもよい。

図１０は、第２実施形態における蒸気発生器の変形例を示す縦断面図である。
蒸気発生器７１は、出口ノズル７９および集水管８１を有する。
出口ノズル７９は、出口側水室１７の底部に設けられ出口側水室１７とポンプケーシング２７と一体に（耐圧性を持って）連続的に接続される。出口ノズル７９は、出口側水室１７内に向かって立ち上がり部７９ａを有する。出口ノズル７９は、立ち上がり部７９ａの上端、すなわち一次冷却材の入口側７９ｂに、くさび形フランジ７９ｃを有する。

集水管８１は、ベルマウス形状を有し、出口側水室１７底部側（一次冷却材の出口側８１ａ）から上部（一次冷却材の入口側８１ｂ）に向かって径方向寸法が大きくなるように配置される。集水管８１は、出口側８１ａにくさび形フランジ８１ｃを有する。

出口ノズル７９のくさび形フランジ７９ｃおよび集水管８１のくさび形フランジ８１ｃは、クランプ構造の締付リング８８とそのリング径を調整する締め付けボルト・ナット８９とからなるグレイロック継手９０で締結される。これにより、出口ノズル７９と集水管８１とは、着脱自在に連結される。蒸気発生器７１は、グレイロック継手９０を接続手段として採用することにより、着脱の作業性を高めることができる。

なお、第２実施形態およびその変形例で説明した、出口ノズルと集水管との接続手段は一例であり、出口ノズルと集水管とが着脱自在に構成されれば他の接続手段を適用してもよい。

［第３実施形態］
本発明に係る蒸気発生器の一次冷却材出口構造の第３実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１１は、第３実施形態における蒸気発生器１０１を主に示す縦断面図である。
第３実施形態の蒸気発生器１０１が第１および第２実施形態と異なる点は、出口側水室１７にアクセスホール１２１が設けられ、アクセスホール１２１を介して出口側水室１７で作業を行うことができる点である。第１または第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

出口ノズル１０９は、出口側水室１７の底部に設けられ出口側水室１７とポンプケーシング２７と一体に（耐圧性を持って）連続的に接続される。出口ノズル１０９は、出口側水室１７内に向かって立ち上がり部１０９ａを有する。出口ノズル１０９は、立ち上がり部１０９ａの上端、すなわち一次冷却材の入口側１０９ｂに、例えばくさび形フランジ１０９ｃを有する。

集水管１１１は、ベルマウス形状を有し、出口側水室１７底部側（一次冷却材の出口側１１１ａ）から上部（一次冷却材の入口側１１１ｂ）に向かって径方向寸法が大きくなるように配置される。集水管１１１の出口側１１１ａは、例えばくさび形フランジ１１１ｃを有する。
出口ノズル１０９のくさび形フランジ１０９ｃおよび集水管１１１のくさび形フランジ１１１ｃは、例えばグレイロック継手９０で締結される。

蒸気発生器１０１は、出口側水室１７へのアクセスホール１２１を有する。アクセスホール１２１は、例えば、集水管１１１入口側１１１ｂと管板２２の下面との間に、アクセスホール１２１の軸方向が水平方向となるように設けられる。アクセスホール１２１は、作業時以外は閉止フランジ１２２により覆われ、原子炉冷却材圧力バウンダリを構成する。アクセスホール１２１は、出口側水室１７内でメンテナンスを行う際に開放される。

例えば、蒸気発生器１０１においては、伝熱管１２が損傷し一次冷却材が二次側被加熱部１３側に漏洩することを想定する必要がある。この場合、入口側水室１６と出口側水室１７の両側から、損傷した伝熱管１２の両端を閉止する必要がある。閉止作業は、伝熱管１２出口に閉栓を挿入するための伝熱管閉止装置１２３を用いて実施される。

蒸気発生器１０１は、集水管１１１の上端（入口側１１１ｂ）と管板２２の下面（伝熱管１２出口）との間に、伝熱管閉止装置１２３の動作などの、アクセスホールから作業を行うために必要な距離Ｋを有する。

アクセスホール１２１の軸方向が水平方向であること、および集水管１１１の上端と管板２２の下面との間に必要な距離を設けることにより、集水管１１１を設置した場合でも、出口側水室１７でのメンテナンス作業が可能となる。
ここで、メンテナンス作業に必要なアクセスホール１２１の大きさや、出口側水室１７内の空間を確保できない場合、図１２に示すように集水管を分割可能な構成としてもよい。

図１２は、第３実施形態における蒸気発生器の変形例を主に示す縦断面図である。
図１３は、図１２の蒸気発生器１３１の一次側水室１１を主に示す水平断面図である。
図１４は、図１２の集水管１４１の一部を特に示す外観構成図である。

集水管１４１は、周方向に分割された分割片１４２の組み合わせであり、分割された各分割片１４２は隣接する分割片１４２との接触面に段付嵌合構造１４２ａを有する。分割された各分割片１４２は、例えばくさび形フランジ１４２ｂにおいて出口ノズル１３９のくさび形フランジ１３９ｃとグレイロック継手９０により一体に固定される。

分割された集水管１４１は、分割片１４２ごとにアクセスホール１２１を通して搬出入される。これにより、損傷した伝熱管１２の閉止作業のため出口側水室１７内の空間を確保できない場合には、集水管１４１を分割してアクセスホール１２１より取り出すことにより作業空間を確保することができる。

また、集水管１４１の交換のため、集水管１４１を出口側水室１７の外に搬送もしくは中に搬入する場合、アクセスホール１２１の大きさが十分に取れない場合が起こり得る。これに対し、集水管１４１を分割可能に構成することにより、容易にアクセスホールの大きさによらずに集水管１４１を交換することができる。

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、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。

例えば、蒸気発生器は、このポンプケーシング２７の数に応じて出口側水室１７の一次冷却材の出口構造数が決まるが、ポンプケーシング２７は、２体に限らず１体であってもよい。
また、第１実施形態においては出口ノズルに立ち上がり部を設ける例を説明したが、集水管が蒸気発生器底部に接続されていてもよい。また、集水管と出口ノズルとは一体であってもよい。
また、集水管は、上端直径が下端直径よりも大きくなっていればよく、直線的に径方向寸法が変化する形状であってもよい。

１、５１、７１、１０１、１３１ 蒸気発生器
１０ 容器
１１ 一次側水室
１２ Ｕ字形伝熱管
１３ 二次側被加熱部
１５ 仕切板
１６ 入口側水室
１７ 出口側水室
１８ 入口ノズル
１９、５９、７９、１０９、１３９ 出口ノズル
２１、６１、８１、１１１、１４１ 集水管
２２ 管板
２５ 一次冷却材ポンプ
２７ ポンプケーシング
３２ 旋回防止板
４２ 格子板
５９ｃ フランジ
６１ｃ フランジ
６８ ボルト・ナット
７９ｃ、１０９ｃ、１３９ｃ くさび形フランジ
８１ｃ、１１１ｃ くさび形フランジ
９０ グレイロック継手
１２１ アクセスホール
１２３ 伝熱管閉止装置
１３９ｃ 形フランジ
１４２ 分割片
１４２ａ 段付嵌合構造

Claims (12)

1. 一次側水室、および前記一次側水室と隔離された二次側被加熱部を有する容器と、
   前記一次側水室を入口側水室および出口側水室に仕切る仕切板と、
   前記入口側水室に設けられ、前記一次側流体を前記一次側水室へ導く入口ノズルと、
   前記一次側流体を前記入口側水室から前記二次側被加熱部を経由して前記出口側水室へ導き、前記二次側被加熱部で熱交換する伝熱管群と、
   前記出口側水室と一次側流体ポンプのポンプケーシングとを接続し、前記一次側流体を前記一次側流体ポンプに導く出口ノズルと、
   前記出口側水室において前記出口ノズルの入口側に接続された集水管を備え、前記集水管は、前記出口ノズルと接続された出口側端部から入口側端部に向かって内径が大きくなるよう形成されたことを特徴とする蒸気発生器。
2. 前記集水管は、ベルマウス形状を有する請求項１記載の蒸気発生器。
3. 前記出口ノズルは、前記出口ノズルの径方向に亘る、前記一次側流体の流路方向に流線形を有する旋回防止板を有する請求項１または２記載の蒸気発生器。
4. 前記旋回防止板は、前記一次側流体の流路方向断面の流線形の弦長をｌ、最大厚さをｄとするとき、ｄ／ｌ＝０．２５〜０．３０の関係を有する請求項３記載の蒸気発生器。
5. 前記出口ノズルは、前記出口ノズルの径方向断面に格子状に設けられた格子板を有する請求項１または２記載の蒸気発生器。
6. 前記格子板は、前記一次側流体の流路方向の長さをＬ、前記出口ノズルの内径をＤとするとき、Ｌ／Ｄ＝０．５〜１．５の関係を有する請求項５記載の蒸気発生器。
7. 前記集水管と前記出口ノズルとは、接続手段により着脱自在に接続された請求項１または２記載の蒸気発生器。
8. 前記集水管の出口側および前記出口ノズルの入口側はそれぞれフランジを有し、前記フランジを介して前記接続手段により接続された請求項７記載の蒸気発生器。
9. 前記接続手段は、ボルトおよびナットまたはグレイロック継手である請求項７または８に記載の蒸気発生器。
10. 前記伝熱管群は、前記一次側水室と前記二次側被加熱部とを隔離する管板により前記伝熱管群の入口および出口が固定され、
    前記容器は、前記集水管の入口側と前記管板の出口側水室側の面との間において水平方向に軸が設けられ、前記出口側水室にアクセス可能なアクセスホールをさらに備えた請求項１〜９のいずれか一項記載の蒸気発生器。
11. 前記集水管の入口側と前記管板の前記出口側水室側の面との間の距離は、前記伝熱管群の閉栓を挿入するための伝熱管閉止装置が動作するために必要な距離である請求項１０記載の蒸気発生器。
12. 前記集水管は、前記アクセスホールを通過可能な大きさに周方向分割された分割片の組み合わせである請求項１０または１１記載の蒸気発生器。

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