JP5489837B2 - 蒸気発生器 - Google Patents
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Description
この発明は、蒸気発生器に関し、さらに詳しくは、異常発生時における内胴と内管との接続部の破損を防止できる蒸気発生器に関する。
一般的な蒸気発生器では、一次冷却材の流路を構成する内胴および外胴と、この流路に一次冷却材を流通させるための一次冷却材出入口管とを備えている。また、一次冷却材出入口管が内管および外管から成る二重管構造を有し、内管が内胴に接続されると共に外管が外胴に接続された構造を有している。かかる構成を有する従来の蒸気発生器として、特許文献1に記載される技術が知られている。
ここで、蒸気発生器に異常が発生して一次冷却材の流通が遮断されると、一次冷却材出入口管の内管が外管よりも高温となり、大きく熱膨張する。すると、内管と外管との熱膨張差により、内胴と内管との接続部に熱応力が発生してこの接続部が破損するおそれがある。
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、異常発生時における内胴と内管との接続部の破損を防止できる蒸気発生器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、この発明にかかる蒸気発生器は、一次冷却材の流路を構成する内胴および外胴と、前記流路に一次冷却材を流通させるための一次冷却材出入口管とを備え、且つ、前記一次冷却材出入口管が内管および外管から成る二重管構造を有し、前記内管が前記内胴に接続されると共に前記外管が前記外胴に接続された構造を有する蒸気発生器であって、前記内胴と前記内管とがサーマルスリーブを介して接続されることを特徴とする。
この蒸気発生器は、内胴と内管とがサーマルスリーブを介して接続されるので、内管と外管との間に熱膨張差が生じたときに、高熱膨張材料から成るサーマルスリーブが大きく熱膨張して、内胴と内管との熱膨張差を緩和する。すると、サーマルスリーブを有さない構造と比較して、内胴と内管との接続部に作用する熱応力が緩和される。これにより、異常発生時における内胴と内管との接続部の破損が防止される利点がある。
また、この発明にかかる蒸気発生器は、前記サーマルスリーブが前記内管よりも高い線膨張係数を有する材料から成る。
この蒸気発生器では、内管の熱膨張時にて、サーマルスリーブが内管の熱伸びに適正に追従できる。これにより、異常発生時における内胴と内管との接続部の破損が効果的に防止される利点がある。
この蒸気発生器によれば、内胴と内管とがサーマルスリーブを介して接続されるので、内管と外管との間に熱膨張差が生じたときに、高熱膨張材料から成るサーマルスリーブが大きく熱膨張して、内胴と内管との熱膨張差を緩和する。すると、サーマルスリーブを有さない構造と比較して、内胴と内管との接続部に作用する熱応力が緩和される。これにより、異常発生時における内胴と内管との接続部の破損が防止される利点がある。
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施の形態に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。
[高温ガス炉]
図6は、一般的な高温ガス炉を示す説明図である。
図6は、一般的な高温ガス炉を示す説明図である。
この高温ガス炉100は、原子炉容器110と蒸気発生器120とを備え、これらが隣接して設置されて構成される(サイド・バイ・サイド型高温ガス炉)。また、原子炉容器110の一次冷却材出入口111と蒸気発生器120の一次冷却材出入口121とが連結管130を介して連結される。また、この連結管130が内管および外管から成る二重管構造を有する(図示省略)。
この高温ガス炉100では、原子炉容器110にて加熱された一次冷却材(例えば、ヘリウムガス)が連結管130の内管を通って蒸気発生器120の一次冷却系に導入される。そして、この一次冷却材と、蒸気発生器120の二次冷却系に流通する二次冷却材(例えば、水蒸気)との間で熱交換が行われて、二次冷却材が加熱される。そして、この二次冷却材が、例えば、蒸気タービンの作動流体として用いられる。また、熱交換により冷却された一次冷却材が連結管130の外管(内管と外管とのアニュラー部)を通って原子炉容器110の一次冷却系に回収される。そして、この一次冷却材が原子炉容器110と蒸気発生器120との間を循環することにより、蒸気発生器120の二次冷却材が連続的に加熱される。
[蒸気発生器]
図1は、この発明の実施の形態にかかる蒸気発生器を示す軸方向断面図である。図2は、図1に記載した蒸気発生器のサーマルスリーブを示す拡大断面図である。
図1は、この発明の実施の形態にかかる蒸気発生器を示す軸方向断面図である。図2は、図1に記載した蒸気発生器のサーマルスリーブを示す拡大断面図である。
この蒸気発生器1は、例えば、上記の高温ガス炉100に適用される。蒸気発生器1は、内胴2および外胴3と、センターパイプ4と、伝熱管群5と、一次冷却材出入口管6と、二次冷却材入口管71および二次冷却材出口管72とを備える(図1参照)。内胴2および外胴3は、長尺な容器形状を有し、その軸方向を鉛直方向に立てつつ内胴2が外胴3の内部に挿入されて設置される(二重胴構造)。これにより、内胴2の内部と、内胴2および外胴3のアニュラー部とに、一次冷却材の流路が形成される。また、内胴2は、その頂部に上側開口部21を有する。また、内胴2の内部には、有底構造を有する内筒22が、その底部を内胴2の上側開口部21に向け、その開口部を内胴2の底部側に向けて配置される。このとき、内筒22の外周面と内胴2の内周面との間に隙間が空けられて、一次冷却材の流路が形成される。センターパイプ4は、長尺な筒状部材であり、内胴2の底部から挿入されて内筒22の内部上方に開口する。このとき、内胴2(センターパイプ4の挿入口)とセンターパイプ4の外周とが接続されて、内胴2とセンターパイプ4との隙間が封止される。伝熱管群5は、ヘリカルコイルなどから成り、内筒22の内周面とセンターパイプ4の外周面との間に配置されて内胴2の軸方向に延在する。
一次冷却材出入口管6は、内管61および外管62から成る二重管構造を有し、原子炉容器110側からの一次冷却材の出入口となる。内管61は、センターパイプ4を下方に延長した部分であり、センターパイプ4の下端に管材を溶接して形成される。この内管61およびセンターパイプ4の内周面には、ライナで覆われた断熱材が配置される。外管62は、外胴3の底部に形成された管台であり、外胴3に溶接されて外胴3の内部に開口する。二次冷却材入口管71および二次冷却材出口管72は、二次冷却材を伝熱管群5に流通させるための出入口となる。二次冷却材入口管71は、内胴2および外胴3を下部側方から貫通して伝熱管群5の下端部に接続される。二次冷却材出口管72は、内胴2、内筒22および外胴3を上部側方から貫通して伝熱管群5の上端部に接続される。これにより、二次冷却材入口管71から伝熱管群5を通って二次冷却材出口管72に抜ける二次冷却材の流路が構成される。
この蒸気発生器1において、二次冷却系では、外部機関(例えば、蒸気タービン)からの二次冷却材が二次冷却材入口管71から伝熱管群5に導入されて加熱され、二次冷却材出口管72から外部に排出されて外部機関に供給される。一方、一次冷却系では、まず、原子炉容器110にて加熱された高温の一次冷却材が、連結管130の内管(図示省略)を通って一次冷却材出入口管6の内管61に流入する。次に、この一次冷却材が内管61からセンターパイプ4を通って内胴2の内筒22に導入され、内筒22の内周面とセンターパイプ4の外周面との隙間を通って内胴2の内部を下降する。このとき、一次冷却材と伝熱管群5内の二次冷却材との間で熱交換が行われて、二次冷却材が加熱される。
次に、伝熱管群5を通過した一次冷却材が、内胴2の底部から内胴2の内周面と内筒22の外周面との隙間を通って上昇し、内胴2の上側開口部21から排出されて外胴3に流入する。次に、この一次冷却材が内胴2の外周面と外胴3の内周面とのアニュラー部を通って下降し、一次冷却材出入口管6の外管62(内管61と外管62とのアニュラー部)から連結管130の外管(図示省略)を通って原子炉容器110に戻される。そして、この一次冷却材が原子炉容器110で再び加熱されて一次冷却材出入口管6の内管61に供給される。これにより、一次冷却材が循環して、二次冷却材が連続的に加熱される。
[一次冷却材出入口管の熱膨張差抑制構造]
一般的な蒸気発生器120では、異常発生時にて一次冷却材の流通が遮断されると、一次冷却材出入口管126の内管1261が外管1262よりも高温となり、大きく熱膨張する(図6参照)。すると、内管1261と外管1262との熱膨張差により、内胴122と内管1261との接続部Aに熱応力が発生して接続部Aが破損するおそれがある。
一般的な蒸気発生器120では、異常発生時にて一次冷却材の流通が遮断されると、一次冷却材出入口管126の内管1261が外管1262よりも高温となり、大きく熱膨張する(図6参照)。すると、内管1261と外管1262との熱膨張差により、内胴122と内管1261との接続部Aに熱応力が発生して接続部Aが破損するおそれがある。
そこで、この蒸気発生器1は、かかる熱応力の影響を低減するために、内胴2と一次冷却材出入口管6の内管61およびセンターパイプ4とがサーマルスリーブ10を介して接続される(図1および図2参照)。
例えば、この実施の形態では、サーマルスリーブ10が、スリーブ本体11と、このスリーブ本体11の両端部を構成するスリーブ端部12、12とから成り、環状構造を有している(図2参照)。スリーブ本体11は、円筒形状を有し、内管61およびセンターパイプ4よりも高い線膨張率を有する材料(高線膨張率材料)から構成されている。かかる高線膨張率材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼が採用され得る。スリーブ端部12は、フランジ形状を有し、内管61およびセンターパイプ4と同じ線膨張率を有する材料(低線膨張材料)から構成されている。かかる低線膨張率材料としては、例えば、炭素鋼、合金鋼、クロムモリブデン合金鋼などが採用され得る。また、外胴3および一次冷却材出入口管6の外管62が、内胴2と同じ低線膨張率材料から構成されている。また、内胴2と外胴3とが、サポート9を介して連結されている。また、センターパイプ4が、その下端部でのみ一次冷却材出入口管6の内管61に固定され、内胴2に対して軸方向に自由に熱伸び可能に支持されている。
サーマルスリーブ10の設置工程では、一方のスリーブ端部12が、内管61とセンターパイプ4との接続部に挿入されて内管61およびセンターパイプ4に対して溶接される。また、他方のスリーブ端部12が、内胴2の底部にあるセンターパイプ4の挿入口に溶接される。そして、これらのスリーブ端部12、12の間にスリーブ本体11が嵌め込まれて溶接される。
サーマルスリーブ10の設置状態では、スリーブ本体11が内管61およびセンターパイプ4に対して同軸上に位置し、その長手方向を内管61およびセンターパイプ4の長手方向に向けて配置される。また、スリーブ本体11が軸方向長さLを有し、また、スリーブ本体11と内管61とが距離Dを隔てて配置される。
蒸気発生器1の異常運転時には、内管61と外管62との熱膨張差により、(a)内胴2と内管61およびセンターパイプ4との接続部が内胴2に対して軸方向に変位する。また、(b)図1に示す構成では、内管61が内胴2に対して水平方向(図1の右方向)に熱膨張する。
このとき、(a)内胴2と内管61およびセンターパイプ4とが高熱膨張材料から成るサーマルスリーブ10を介して接続されるので、サーマルスリーブ10(スリーブ本体11)が内胴2の軸方向に大きく熱膨張する。すると、サーマルスリーブ10が内管61およびセンターパイプ4の熱伸びに追従して、内胴2と内管61およびセンターパイプ4との軸方向にかかる熱膨張差が緩和される。したがって、サーマルスリーブを有さない構造と比較して、内胴2と内管61およびセンターパイプ4との接続部に作用する熱応力が緩和される。また、(b)サーマルスリーブ10が内管61との間に距離Dを有するので、内管61およびセンターパイプ4が軸方向に対して傾斜できる。したがって、この内管61およびセンターパイプ4の傾斜により、内管61の水平方向への熱膨張が吸収される。これらにより、内胴2と内管61およびセンターパイプ4との接続部の破損が防止される。
[サーマルスリーブの長さ]
図3は、サーマルスリーブの長さと熱膨張差との関係を示すグラフである。同図は、蒸気発生器1の定常運転時(定格時)および異常運転時(異常時)における一次冷却材出入口管の内管と外管との熱膨張差と、サーマルスリーブの長さLとの関係を示している。なお、異常運転時には、内管と外管との温度差が約50[℃]まで上昇する。
図3は、サーマルスリーブの長さと熱膨張差との関係を示すグラフである。同図は、蒸気発生器1の定常運転時(定格時)および異常運転時(異常時)における一次冷却材出入口管の内管と外管との熱膨張差と、サーマルスリーブの長さLとの関係を示している。なお、異常運転時には、内管と外管との温度差が約50[℃]まで上昇する。
図3に示すように、内管61と外管62との熱膨張差は、サーマルスリーブ10(スリーブ本体11)の長さLに比例して増加する。また、サーマルスリーブが設置されていない構成(L=0のとき)では、蒸気発生器1の定常運転時にて、内管61と外管62との熱膨張差が基準値(0)となり、異常運転時にて、内管61と外管62との熱膨張差が最も大きくなる。また、定常運転時および異常運転時のいずれにおいても、内管61と外管62との熱膨張差がサーマルスリーブの長さLに応じて増加する。この熱膨張差は、定常運転時および異常運転時のいずれにおいても、L=0のときの基準値に近い方が好ましい。一方、定常運転時の熱膨張差と異常運転時の熱膨張差との差は、サーマルスリーブの長さLが大きくなるほど減少する(グラフが近づいていく)。この熱膨張差の差は、その数値が小さいほど、定常運転時と異常運転時とのギャップが小さいため、好ましい。しかし、サーマルスリーブの長さLが大きすぎると、定格運転時における熱膨張差が基準値から遠ざかるため、好ましくない。
そこで、この蒸気発生器1では、サーマルスリーブを有さない構成における定常運転時の内管と外管との熱膨張差を基準(0)とするときに、定常運転時の熱膨張差と異常運転時の熱膨張差とが略等しくなるように、サーマルスリーブ10の長さL(=La)を設定することが好ましい(図3参照)。これにより、内管61と外管62との熱膨張差による影響が効果的に緩和される。
なお、定常運転時の熱膨張差と異常運転時の熱膨張差との関係は、サーマルスリーブ10の長さLだけでなく、連結管130との接続部からサーマルスリーブ10との接続部までの内管61の長さ、サーマルスリーブ10を構成する高線膨張材の材質などによっても調整できる。
[変形例]
図4および図5は、図1に記載した蒸気発生器の変形例を示す説明図である。これらの図において、図1に記載した蒸気発生器1と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図4および図5は、図1に記載した蒸気発生器の変形例を示す説明図である。これらの図において、図1に記載した蒸気発生器1と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
この変形例にかかる蒸気発生器1では、一次冷却材出入口管6の外管62が外胴3の側部下方に設置されている(図4および図5参照)。また、内管61が、この外管62の位置から内胴2に挿入されて鉛直上方に湾曲し、その上端部にて、内胴2の内部に設置されたセンターパイプ4の底部に溶接されて接続されている。
また、サーマルスリーブ10が内胴2と内管61との接続部に設置されている。具体的には、一方のスリーブ端部12が、内管61の直線部と湾曲部との境界部(接続部)に挿入されて溶接されている。また、他方のスリーブ端部12が、内胴2の側部に形成された内管61の挿入口に溶接されている。そして、これらのスリーブ端部12、12の間にスリーブ本体11が嵌め込まれて溶接されている。このとき、スリーブ本体11が内管61に対して同軸上に位置し、その長手方向を水平方向に向けて配置されている。
蒸気発生器1の異常運転時には、内管61と外管62との熱膨張差により、内胴2と内管61との接続部が内胴2に対して内管61の軸方向(水平方向)に変位する。このとき、内胴2と内管61とが高熱膨張材料から成るサーマルスリーブ10を介して接続されるので、サーマルスリーブ10(スリーブ本体11)が内管61の軸方向に大きく熱膨張できる。すると、サーマルスリーブ10が内管61の熱伸びに追従して、内胴2と内管61との熱膨張差が緩和される。したがって、サーマルスリーブを有さない構造と比較して、内胴2と内管61との接続部に作用する熱応力が緩和される。これにより、内胴2と内管61およびセンターパイプ4との接続部の破損が防止される。
[効果]
以上説明したように、この蒸気発生器1は、一次冷却材の流路を構成する内胴2および外胴3と、この流路に一次冷却材を流通させるための一次冷却材出入口管6とを備える(図1および図4参照)。また、一次冷却材出入口管6が内管61および外管62から成る二重管構造を有し、内管61が内胴2に接続されると共に外管62が外胴3に接続された構造を有する。そして、内胴2と内管61とがサーマルスリーブ10を介して接続される(図1、図2、図4および図5参照)。
以上説明したように、この蒸気発生器1は、一次冷却材の流路を構成する内胴2および外胴3と、この流路に一次冷却材を流通させるための一次冷却材出入口管6とを備える(図1および図4参照)。また、一次冷却材出入口管6が内管61および外管62から成る二重管構造を有し、内管61が内胴2に接続されると共に外管62が外胴3に接続された構造を有する。そして、内胴2と内管61とがサーマルスリーブ10を介して接続される(図1、図2、図4および図5参照)。
かかる構成では、内管61と外管62との間に熱膨張差が生じたときに、高熱膨張材料から成るサーマルスリーブ10(スリーブ本体11)が大きく熱膨張して、内胴2と内管61との熱膨張差を緩和する(図2および図5参照)。すると、サーマルスリーブを有さない構造と比較して、内胴2と内管61との接続部に作用する熱応力が緩和される。これにより、異常発生時における内胴2と内管61との接続部の破損が防止される利点がある。
また、上記の構成では、サーマルスリーブ10(スリーブ本体11)が内管61よりも高い線膨張係数を有する材料から成ることが好ましい。かかる構成では、内管61の熱膨張時にて、サーマルスリーブ10が内管61の熱伸びに適正に追従できる。これにより、異常発生時における内胴2と内管61との接続部の破損が効果的に防止される利点がある。
以上のように、この発明にかかる蒸気発生器は、異常発生時における内胴と内管との接続部の破損を防止できる点で有用である。
1 蒸気発生器
2 内胴
21 上側開口部
22 内筒
3 外胴
4 センターパイプ
5 伝熱管群
6 一次冷却材出入口管
61 内管
62 外管
71 二次冷却材入口管
72 二次冷却材出口管
9 サポート
10 サーマルスリーブ
11 スリーブ本体
12 スリーブ端部
100 高温ガス炉
110 原子炉容器
120 蒸気発生器
130 連結管
2 内胴
21 上側開口部
22 内筒
3 外胴
4 センターパイプ
5 伝熱管群
6 一次冷却材出入口管
61 内管
62 外管
71 二次冷却材入口管
72 二次冷却材出口管
9 サポート
10 サーマルスリーブ
11 スリーブ本体
12 スリーブ端部
100 高温ガス炉
110 原子炉容器
120 蒸気発生器
130 連結管
Claims (2)
- 一次冷却材の流路を構成する内胴および外胴と、前記流路に一次冷却材を流通させるための一次冷却材出入口管とを備え、且つ、前記一次冷却材出入口管が内管および外管から成る二重管構造を有し、前記内管が前記内胴に接続されると共に前記外管が前記外胴に接続された構造を有する蒸気発生器であって、
前記内胴と前記内管とがサーマルスリーブを介して接続されることを特徴とする蒸気発生器。 - 前記サーマルスリーブが前記内管よりも高い線膨張係数を有する材料から成る請求項1に記載の蒸気発生器。
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