JP5898573B2 - 液滴微粒化装置 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電プラントの配管における液滴微粒化装置に関する。

一般に末広ノズルは、航空宇宙の分野で上流の末細ノズルと組合せてラバルノズルとして使用されることが多い。例えば、ロケットでは、燃焼ガスの流れの流速が末細ノズルの入口部で亜音速に達し、末細ノズルと末広ノズルのつなぎ目のスロート部で音速に達すると、末広ノズルではさらに流速が増加して圧力が減少する超音速状態になる。この超音速ジェットの反作用により大きな推進力を得るのが、ラバルノズル構造にしている目的である。

しかしながら、一方で、流れが超音速になると、主に流れ中で伝播する圧力等が不連続な変化をする衝撃波が発生する。ラバルノズルの下流に続く流路では、末広ノズルの断面形状を選定して流路壁面上の乱流境界層と衝撃波との干渉をコントロールすることにより、衝撃波の大きさを流路断面全体に及ぼすことができる。

原子力発電プラントにおいては、復水器上流の配管流路に設けたオリフィス下流の急拡大部分で擬似衝撃波が発生することが知られている。非特許文献１に記載されているように、擬似衝撃波は流れ方向に波面が垂直で、多数の衝撃波で構成される一連の波である。この擬似衝撃波は、壁面上の乱流境界層と衝撃波の干渉により、オリフィス内径より小さい流路中央の範囲で発生し、全体で１個の衝撃波と同等の役割を果たしていると考えられている。

衝撃波は、流れの抵抗の一種であり、例えば、旅客機が音速付近の速度に達すると、主翼の前縁に衝撃波が発生して造波抵抗として巡航の妨げとなっている。一方で、気相を燃焼させるため実験装置の管内に発生する衝撃波を利用する場合のように、衝撃波が有効活用される例もある。

また、非特許文献２に記載されているように、流れを伝播する衝撃波に衝突することより、流れに含まれる液滴は分裂して微粒化する。

以下、従来の原子力発電プラントの配管、特に低圧タービン入口より下流および主給水ポンプ駆動用タービンから復水器における主蒸気系配管および抽気系配管について、液滴衝撃エロージョンによる配管減肉について説明する。

図５において、原子力発電プラントの、低圧タービン入口より下流および主給水ポンプ駆動用タービンから復水器における主蒸気系配管３および抽気系配管１４の配管内にオリフィス１５のような減圧用絞り部が存在すると、オリフィス上流と下流の圧力比の条件にもよるがオリフィス１５にて蒸気の主流１９の流速が音速を超え、それ以上圧力比が大きくなっても流量が変化しなくなるチョーク現象が発生する場合がある。

この場合、配管内の平均流速に比べ、オリフィス内の平均流速は格段に大きくなり、オリフィス内流れ方向に対し平行な壁面に液膜１８が存在すれば、液膜１８はオリフィス壁面を流され、最終的に引きちぎられ液滴１７となって配管内に飛散する。もしオリフィス１５の下流に曲がり管１６があれば、長期に亘って液滴が衝突し、曲がり管１６の内壁が減肉する可能性がある。上記オリフィス１５のチョーク現象部分では流速は約４５０ｍ/ｓ前後、オリフィス１５の下流の流速は約２００〜３００ｍ/ｓであると予測される。

オリフィス１５下流では、流路の急拡大に伴い、流路壁面上の乱流境界層と衝撃波の干渉から、流路中心部辺りに、オリフィス内径と同程度の衝撃波２１が流路に対しほぼ垂直に発生すると考えられる。

オリフィス上流の流路壁面に液膜が存在するような条件の場合には、オリフィス端から液膜が高速の蒸気流により引きちぎられ、オリフィス端では液滴が多く発生する。流路中心部辺りで飛散する液滴はオリフィス内径と同程度の衝撃波に衝突することにより微粒化できる。しかし周縁部の液滴はオリフィス径と同程度の大きさで発生する衝撃波に衝突しないため、液滴が微粒化されにくい。

松尾一泰、圧縮性流体力学、理工学社ｐ．１１３、１１４ 気液二相流技術ハンドブック、日本機械学会編、コロナ社ｐ．１４９〜１５４

従来のオリフィス下流が復水器となる配管流路では、オリフィス下流の復水器は負圧であり、オリフィス上流との圧力差が大きいため、流れはオリフィス通過時には音速になり、オリフィス下流直後では超音速になる。オリフィス下流では流路の急拡大に伴い、流路壁面上の乱流境界層と衝撃波の干渉から、流路中心部辺りにオリフィス内径以下の衝撃波が流路に対しほぼ垂直に発生する。

オリフィス上流の流路壁面に液膜、配管流路内に湿り蒸気が存在する場合、オリフィス端から液膜が高速の蒸気流により引きちぎられ、オリフィス端の近傍では液滴が多く発生するが、オリフィス内径以下の衝撃波には衝突しないため、液滴が微粒化されにくい。そのため、オリフィスの下流にエルボのような曲がり管が存在すると、液滴の衝突により曲がり管の壁面が減肉する可能性がある。したがって、液滴の微粒化により配管減肉を防止する必要がある。

本発明は、かかる技術的な課題を解決するためになされたもので、オリフィス下流で、オリフィス内径よりも大きい衝撃波を配管断面に形成する末広ノズルを設置することで、エルボのような曲がり管での配管減肉を防止することを目的とする。

原子力発電プラントは、原子炉内で発生した蒸気を主蒸気配管に通して高圧タービン及び低圧タービンへと送り、仕事に使用された蒸気は、低圧タービン出口に設置された復水器で水に戻され、その後、復水ポンプ、給水ポンプ、給水加熱器のそれぞれで昇圧及び加熱され原子炉に給水される。また、低圧タービン上流側から抽気された蒸気は主給水ポンプ駆動用タービンに仕事をし、主給水ポンプを回転させる。その後、蒸気は復水器に送られ水に戻される。その主給水ポンプ駆動用タービンの軸封部でも、シール部からケーシング外へ漏洩を防ぐために、同様に蒸気を復水器に送り、水に戻す。

本発明に係る原子力発電プラントの配管における液滴微粒化装置は、前記課題の解決を目的としており、オリフィス下流で、オリフィス内径よりも大きい衝撃波が配管の流れ方向に垂直な断面に形成するための末広ノズルで構成されることを特徴とする。

本発明は、原子力発電プラントにおける配管内の任意の位置に設けられたオリフィスと、オリフィスの下流に設けられた曲がり管を備えた原子力発電プラントにおいて、オリフィス内径よりも大きい衝撃波を配管の流れ方向に垂直な断面の全面に形成する末広ノズルを、オリフィスと曲り管の間に配置してオリフィス及び曲り管のそれぞれに接続し、配管内の液滴を微粒化することを特徴とする。

また、液滴微粒化装置において、オリフィスにおける蒸気流速を４５０ｍ/ｓとし、オリフィス下流における蒸気流速を２００〜３００ｍ/ｓとしたことを特徴とする。

また、液滴微粒化装置において、末広ノズルにより形成された衝撃波の下流における配管壁面にスチームトラップを設置することを特徴とする。

また、液滴微粒化装置において、スチームトラップの下流の配管に内筒を設け、配管と内筒の間隙に高温蒸気を通過させ、液滴を微細化するサーマルバリアを形成したことを特徴とする。

また、液滴微粒化装置において、高温蒸気は給水加熱器からの抽気を用いることを特徴とする。

本発明は、原子力発電プラントにおける配管内の任意の位置に設けられたオリフィスと、オリフィスの下流に設けられた曲がり管において、配管内のオリフィス下流に、オリフィス内径よりも大きい衝撃波を配管の流れ方向に垂直な断面の全面に形成する末広ノズルを設置して、配管内の液滴を微粒化することにより、オリフィス下流に末広ノズルを設置し、配管断面に発生する衝撃波をオリフィス内径よりも大きくし、オリフィス端で多く発生する液滴をオリフィス内径よりも大きい衝撃波に衝突させることにより微粒化できる。したがって、エルボのような曲がり管の壁面に液滴が衝突することによる配管減肉を効果的に低減できる。

本発明を適用する原子力発電システムの系統図。 本発明の実施例１の液滴微粒化装置を示す模式図。 本発明の実施例２の液滴微粒化装置を示す模式図。 本発明の実施例３の液滴微細化装置を示す模式図。 従来の配管内オリフィス形状と配管系統を示す模式図。

以下に、本発明を実施例と図面について説明する。

本発明の実施例１において、図１に示すように、原子力発電プラントは原子炉容器２と、原子炉容器２内に収納された核分裂性物質を含む炉心１と、原子炉容器２から流出した蒸気を高圧タービン４及び低圧タービン６に送る主蒸気系配管３と、仕事を終えた蒸気を復水器８にて水に凝縮して炉心１へ戻す給復水系配管１０と、高圧タービン４および低圧タービン６の軸に連結された発電機７と、復水器８の下流側で給復水系配管１０に連結された、復水ポンプ９、主給水ポンプ１１及び給水加熱器１２とから主に構成されている。

また、高圧タービン４と低圧タービン６の間にある湿分分離器５の下流分岐点Aから、蒸気を主給水ポンプ駆動用タービン１３と復水器８へ送る抽気系配管１４で構成されている。

実施例１の原子力発電プラントは、炉心１にて加熱された蒸気を、主蒸気系配管３に供給し、この蒸気を高圧タービン４及び低圧タービン６に導いて、発電機７により発電を行う。仕事に使用された蒸気は復水器８で凝縮されて水となり、その後、主給水ポンプ１１及び給水加熱器１２を通ってそれぞれ加熱及び昇圧され、再び炉心１に給水される。

また、高圧タービン４と低圧タービン６の間にある湿分分離器５の下流分岐点Aから抽気された蒸気は主給水ポンプ駆動用タービン１３で仕事をし、主給水ポンプ１１を回転させる。その後、蒸気は復水器８に送られ水に戻される。その主給水ポンプ駆動用タービン１３の軸封部でも、シール部Bからケーシング外への漏洩を防ぐために、蒸気を復水器８に送り、水に戻す。

実施例１では、図２に示すように、オリフィス１５下流に末広ノズル２０を設置し、末広ノズル内拡大流路での蒸気流のはく離流れを抑制し、乱流境界層と衝撃波との干渉を最適にコントロールすることで、オリフィス１５下流で発生する衝撃波２１をオリフィス内径以上にすることが可能になる。このため、オリフィス１５端で多く発生する液滴がほぼ完全に捕捉され衝撃波２１に衝突することとなり、液滴の微粒化が大幅に改善される。

液滴微粒化装置を図２に示す構成にすると、オリフィス下流では、図５の従来例に示されるオリフィスに配管径が急拡大する流路を設置した場合と比較すると、実施例１のオリフィス下流に末広ノズルを設置した場合では、オリフィス下流で発生する衝撃波をオリフィス内径以上にすることが可能である。

従って、オリフィス端から液膜が高速の蒸気流により引きちぎられ、オリフィス径端で多く発生する液滴がオリフィス径以上の衝撃波に衝突し微粒化され、エルボのような曲がり管の壁面に衝突による配管減肉を低減できる。

実施例２では、図３に示すように、図２の実施例１の構成を踏襲し、さらに衝撃波２１が発生する下流壁面において、液滴飛散源となる液膜除去のためのスチームトラップを加えて構成する。

バイパス配管２６内、衝撃波２１の下流側における流れ方向に対し垂直な壁面に設けられた溝２３に、圧力差より液膜１８が流入し、その後スチームトラップ２５に流入する。スチームトラップ２５の前段では、蒸気２７と液膜１８が貯水されたドレン水２８が一時的に滞留するドレンポケット２４を設ける。

ドレンポケット２４の下流にスチームトラップ２５を設置し、ドレン水２８と蒸気２７を分離して、ドレン水２８を復水器８に送る。万一、スチームトラップ２５が作動しない場合には、安全弁２９をスチームトラップ２５とは並列に設置し、ドレン水２８を復水器８まで送水するのに支障をきたさないようにする。

上記のように、オリフィス１５下流に流出した配管壁面上の液膜１８を衝撃波発生下流に設置されたスチームトラップ２５に回収し、液膜が流れで引きちぎられることによって発生する液滴を低減する。

実施例２は、衝撃波の発生位置下流の壁面にスチームトラップを設置することを特徴とする。液滴微粒化装置を図３に示す構成にすると、一部はオリフィス端から液膜が高速の蒸気流により引きちぎられ液滴となって飛散し、一部は液膜のままオリフィス下流に流路壁面上を流れていく。

液膜のまま放置をしておくと、オリフィスと同様に、衝撃波発生下流で液滴となって飛散していく可能性があるので、液膜を効率的に除去する必要がある。衝撃波の発生位置下流では流速が相対的に低下し、圧力が高くなる。この高圧を利用して配管壁面上の液膜を衝撃波の発生位置下流に設置されたスチームトラップに回収し、液膜から流れによって引きちぎられ発生する液滴数を低減し、液滴の衝突による配管減肉の抑制に寄与する。

実施例３では、図４に示すように、図３の実施例２の構成を踏襲し、さらにスチームトラップ下流で、配管内筒３２を配管の内側に設けて高温蒸気が通過する間隙を設け、主蒸気系配管３および抽気系配管１４の二重構造を構成してこれをサーマルバリアとする。

衝撃波２１の下流側における流れ方向に対し垂直な壁面に設けられた溝２３の下流に、高温蒸気流入口３１と配管内筒３２を設置し、主蒸気系配管３および抽気系配管１４と配管内筒３２の間隙に、配管を流れる蒸気より温度が高い高温蒸気３１を通過させる。

高温蒸気３１には、例えば給水加熱器８から抽気した蒸気を用いる。高温蒸気３１は、配管の蒸気とエルボ１６のような曲がり管上流で合流する。

配管と配管内筒３２の間隙に、配管内の蒸気が逆流しないように逆流弁３３を設置する。高温蒸気３１と配管の蒸気の温度差により、配管内含まれる衝撃波２１により微粒化された液滴２２を蒸発させ、液滴をより微粒化することができる。

実施例３は、スチームトラップ下流で、配管内筒をサーマルバリアとし、配管の二重構造の間隙に例えば給水加熱器から抽気する高温蒸気を通過させることを特徴とする。液滴微粒化装置をかかる構成にすると、サーマルバリアとした配管内筒と配管の間隙を高温蒸気が通過し、間隙の高温蒸気と内筒内の蒸気の温度差により、内筒内の蒸気に含まれる衝撃波により微粒化された液滴をさらに蒸発させ、液滴径をより小さくし、液滴の衝突による配管減肉を低減させることができる。

１．．．炉心、２．．．原子炉容器、３．．．主蒸気系配管、４．．．高圧タービン、５．．．湿分分離器、６．．．低圧タービン、７．．．発電機、８．．．復水器、９．．．復水ポンプ、１０．．．給復水系配管、１１．．．給水ポンプ、１２．．．給水加熱器、１３．．．駆動用タービン、１４．．．抽気系配管、１５．．．オリフィス、１６．．．曲がり管、１７．．．液滴、１８．．．液膜、１９．．．主流、２０．．．末広ノズル、２１．．．衝撃波、２２．．．衝撃波により微粒化された液滴、２３．．．溝、２４．．．ドレンポケット、２５．．．スチームトラップ、２６．．．バイパス配管、２７．．．蒸気、２８．．．ドレン水、２９．．．安全弁、３０．．．高温蒸気流入口、３１．．．高温蒸気、３２．．．配管内筒、３３．．．逆流弁

Claims (5)

1. 配管と、配管内の任意の位置に設けられたオリフィスと、前記オリフィスの下流に設けられた曲がり管を備えた原子力発電プラントにおいて、
   前記オリフィス内径よりも大きい衝撃波を前記配管の流れ方向に垂直な断面の全面に形成する末広ノズルを、前記オリフィスと前記曲り管の間に配置して前記オリフィス及び前記曲り管のそれぞれに接続し、前記配管内の液滴を微粒化することを特徴とする液滴微粒化装置。
2. 請求項１に記載の液滴微粒化装置において、前記オリフィスにおける蒸気流速を４５０ｍ/ｓとし、前記オリフィス下流における蒸気流速を２００〜３００ｍ/ｓとしたことを特徴とする液滴微粒化装置。
3. 請求項１又は２に記載の液滴微粒化装置において、前記末広ノズルにより形成された衝撃波の下流における配管壁面にスチームトラップを設置することを特徴とする液滴微粒化装置。
4. 請求項３に記載の液滴微粒化装置において、前記スチームトラップの下流の配管に内筒を設け、前記配管と前記内筒の間隙に高温蒸気を通過させ、前記液滴を微細化するサーマルバリアを形成したことを特徴とする液滴微粒化装置。
5. 請求項４に記載の液滴微粒化装置において、前記高温蒸気は前記給水加熱器からの抽気を用いることを特徴とする液滴微粒化装置。

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