JP5971832B2 - 原子力蒸気発生器の蒸気ノズル流量制限装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気発生器に関し、より詳細には蒸気発生器の蒸気出口ノズルのための流量制限装置に関する。

加圧水型原子炉の蒸気発生器は、典型的には、垂直に配向した胴部と、管群を形成するよう胴部内に配設された複数のＵ字管と、Ｕ字状湾曲部とは反対側の端部でＵ字管を支持する管板と、管板と協働する仕切板と、管群の一端に一次流体入口ヘッダを、また、管群の他端に一次流体出口ヘッダを形成するチャンネルヘッドとより成る。一次流体入口ノズルは一次流体入口ヘッダと流体連通関係にあり、また、一次流体出口ノズルは一次流体出口ヘッダと流体連通関係にある。蒸気発生器の二次側は、管群外筒が管群と胴部との間に配設されて外側の胴部と内側の管群外筒とで環状室を形成し、管群のＵ字状湾曲端の上方に給水リングが配設されたものである。

原子炉内を循環されて加熱された一次流体は、一次流体入口ノズルを介して蒸気発生器内に流入する。この一次流体は、一次流体入口ノズルから一次流体入口ヘッダに入り、Ｕ字形管群の内部を通って、一次流体出口ヘッダに流出し、そこから、一次流体出口ノズルを通って、原子炉冷却系の残りの部分へと導かれる。同時に、給水は、蒸気発生器内部の給水リングに接続された給水ノズルを介して、蒸気発生器の二次側、すなわち、蒸気発生器の、管板の上方で管群の外側とインタフェースする側に導入される。一実施形態において、給水は、蒸気発生器に入るとすぐに、湿分分離器から戻ってくる水と混ざり合う。ダウンカマー流と呼ばれるこの混合物は、胴部に隣接する環状室を下降した後、環状室の底部に位置する管板によって方向転換され、管群外筒の内側をＵ字管の外側と熱伝達関係で上昇する。水が管群と熱伝達関係で循環する間、管内の一次流体から管の周囲の水に熱が伝達され、管の周囲の水の一部が蒸気に変換される。この蒸気は上昇して、多数の湿分分離器を通過するが、その間に、蒸気から同伴湿分が分離される。蒸気は蒸気出口ノズルから蒸気発生器を出た後、典型的にはタービンを循環して、電気を発生させるが、これらは当該技術分野において周知である。

原子力蒸気発生器は、通常、万一蒸気ラインが破断した場合に格納容器に排出される蒸気の量を制限するために、蒸気出口ノズルに流量制限装置を有している。流量制限装置は、安全上重要な機能であるが、発電機の効率を損ないかねないペナルティを付加する。いくつかの蒸気発生器の蒸気ノズル流量制限装置のフル出力時の圧力降下はほぼ２０ｐｓｉにもなる。蒸気ノズル流量制限装置の圧力降下を５ｐｓｉ以下に減らすのは出口蒸気圧にとって有意な利点であり、プラント効率と収益の増大という好結果につながる。さらに、圧力降下が減少すると、水分のキャリーオーバーが最大０．０５％ 低減し、タービン寿命が伸びる。

したがって、新しい流量制限装置の設計は、性能を犠牲にすることなく圧力降下を有意に小さくすることが望ましい。

さらに、このような新たな蒸気ノズル流量制限装置設計は、水分キャリーオーバーを有意に少なくすることが望ましい。

上記および他の目的は、以下に記載する、内壁が中心軸を有する蒸気出口導管を画定する蒸気出口ノズルを備えた蒸気発生器によって達成される。支持ウェブが蒸気出口導管から懸架され、中心軸と同心の中心開口を有する。シャフトが中心開口内に摺動可能に支持され、その一端部には該一端部が中心開口内に滑り込むのを防止するストップが、また、別の端部にはオリフィス板が設けられる。オリフィス板は、中心軸に対して垂直に延びており、前記一端部のストップが中心開口上に載ると蒸気出口導管から離隔する。シャフトがストップを支持ウェブの中心開口から遠ざける方向にその行程の限界位置まで移動すると、オリフィス板は蒸気出口導管の入力端部上に載る。オリフィス板はシャフトがその行程の限界位置に到達したとき閉位置にある。シャフトがストップが中心開口上に載る開位置にあるときは、オリフィス板の１つ以上の開口が蒸気出口導管の利用可能な開口と比較して蒸気流量を制限する。付勢機構が蒸気発生器の正常運転時にシャフトを開位置に維持するが、蒸気ラインが破断すると蒸気流量が増加して付勢機構の力を上回る力を作用させる。

好ましくは、オリフィス板の開口は軸の周りに対称的に形成された複数の孔である。望ましくは、開口は、２つの同心円を形成し、軸の周りに等間隔に配置された一連の孔から成る。

一実施形態では、蒸気出口導管の入口とオリフィス板とは相補的な輪郭を有する。別の実施形態では、軸が垂直方向に延び、付勢機構は重力である。さらに別の形態として、軸が垂直方向に延びる必要はなく、付勢機構は支持ウェブとオリフィス板との間に支持されたばねである。望ましくは、ばねは軸に巻着された螺旋ばねである。

添付の図面と併せて以下の実施態様の説明を読めば、本発明のさらなる理解を得ることができよう。

垂直チューブ・シェル型蒸気発生器の一部破断斜視図である；

オリフィス板が開位置にある後述の実施形態の流量制限装置を下面から見た斜視図である。

本明細書記載の流量制限装置の可動要素をオリフィス板の下面から見た斜視図である。

オリフィス板が閉位置にある後述の流量制限装置を下面から見た斜視図である。

オリフィス板が開位置にある後述の流量制限装置の等角図である。

ここで図面を参照すると、図１は蒸気又は水蒸気発生器１０を示すものであり、この蒸気発生器１０は、管群１２を形成する複数のＵ字管が、一次流体から二次流体へ熱を伝達して二次流体を蒸発又は沸騰させるに必要な伝熱表面を提供する。蒸気発生器１０は、垂直に配向した管状胴部１４と、胴部の上端を閉鎖する上部包囲体または皿型ヘッド１６と、胴部の下端を閉鎖するほぼ半球状のチャンネルヘッド１８とを備えた容器より成る。胴部１４の下部は直径が胴部の上部１５よりも小さく、切頭円錐形状の移行部２０が胴部の上部と下部を連結している。チャンネルヘッド１８に取り付けられた管板２２は、Ｕ字管１３の端部を受容する複数の貫通孔２４を有する。チャンネルヘッドを管群１２のヘッダとして機能する２つの水室２８及び３０に分割するために、チャンネルヘッド１８の中央には仕切板２６が設けられている。水室３０は一次流体入口水室であり、該水室と流体連通関係にある一次流体入口ノズル３２を有する。水室２８は一次流体出口水室であり、該水室と流体連通関係にある一次流体出口ノズル３４を有する。したがって、流体水室３０に入る一次流体、すなわち原子炉冷却材は、管群１２を流れた後、出口ノズル３４から出る。

管群１２は管群外筒３６に取り囲まれており、管群外筒３６と胴部１４及び円錐部２０のそれぞれとの間に環状通路３８が形成されている。管群外筒３６の最上部は、複数の大型管４４と流体連通関係にある複数の開口部４２を備えた下部デッキ板４０により覆われている。上昇管の内部には旋回羽根４６が配設されており、蒸気がこの一次遠心分離機を通る際、該管内を流れる蒸気を回転させて、蒸気に含まれる水分の一部が遠心力で取り除かれるようにする。この一次分離機において蒸気から分離された水は、下部デッキ板の上面に戻される。一次遠心分離機を通った蒸気は、二次分離機４８を通過して、皿型ヘッド１６の中央に配設された蒸気出口ノズル５０に到達する。

この蒸気発生器の給水入口構造は、供給リング５４と呼ばれるほぼ水平な部分から複数の放水ノズル５６が隆起している給水入口ノズル５２を備える。給水入口ノズル５２を介して供給される給水は、給水リング５４を通過し、放水ノズル５６から排出され、先行技術の一実施形態では、蒸気から分離された水と混ざり合って再循環される。この混合物は、その後下部デッキ板４０の上から流下し、環状のダウンカマー通路３８に流入する。水は、その後、管群外筒３６の下部で管群１２に流入し、管群の間を上昇する間に加熱されて、蒸気を発生させる。水分を含んだ蒸気は、次いで下部デッキ板中の開口部４２を通過し、上昇管４４を介して一次分離機を形成する羽根４６を通過し、さらに二次分離機４８を通過して蒸気出口ノズル５０に至る。乾燥した蒸気は、典型的には、蒸気出口ノズルからタービン／発電機に搬送される。タービンを出た蒸気が凝縮して給水入口ノズルに再循環される閉じたサイクルによって、原子炉一次冷却材ループから熱が継続的に除去される。この態様で炉心から熱を継続的に除去することは、炉心の温度を制御する一助となる。

蒸気出口ノズル５０とタービンとの間の蒸気ラインが大きく破断すると、一次冷却材から熱を伝達する管束１２の能力に実際に影響を受ける。したがって、万一このような破断が生じた場合には、閉じたサイクルである二次ループから逃げる蒸気の量を制限することが望ましい。この目的のために、蒸気出口ノズル５０の一部として、またはその代わりに、蒸気ノズル流量制限装置が使用される。蒸気ノズル流量制限装置は、その好ましい形態において、蒸気発生器の通常運転時の蒸気流に対して、たとえあってもわずかな抵抗を与えるが、万一蒸気ラインが破断した場合には蒸気発生器からの蒸気の損失を妨げる。

図２−５には、本明細書に記載された好ましい実施形態に従って構成された原子力蒸気発生器のための蒸気ノズル流量制限装置が示される。図２は、流量制限装置のいくつかの可動構成要素を最もよく観察することができる下面から見た、蒸気ノズル流量制限装置５８の斜視図である。蒸気ノズルの流量制限装置５８は３本以上の半径方向アーム６２が蒸気出口ノズル５０の内壁から、または、該ノズル内の挿入体中を、延びる支持ウェブ６０を含む。ウェブの半径方向アームはノズルの内壁の周りに等間隔に配置され、軸方向に延びる貫通孔６６が設けられた中心ハブ６４を有する。流量制限装置５８はさらに、軸方向に延びる多数の貫通孔７０が設けられた流量制限オリフィス板６８を含む。貫通孔７０は同心円状に配置され、各円の孔の直径はほぼ同じであり、内側の円の孔は外側の円の孔よりも小さい直径を有する。このような円が２つ図示されているが、孔の数および円の数は、蒸気発生器が過度の加圧状態になるのを回避するべく設計される制限装置からの放出蒸気量に応じて決まることが理解されるべきである。オリフィス板６８の中央には、軸方向に延びオリフィス板の上面に固定されたシャフト７２が配設される。シャフト７２は中心ハブ６４の孔６６を貫通する。図３に示すように、シャフト７２の遠隔端は半径方向に延びてストップ７４を形成するランドを被せてあり、シャフト７２がウェブの中心孔６６から落下するのを防止している。図４はオリフィス板とシャフトが閉位置にある図２の流量制限装置を示す一方、図５はオリフィス板が開位置にある図２−４に示した流量制限装置の等角正面図である。

蒸気ラインが破断すると、急速な蒸気流による付加的な揚力が、流量制限オリフィス板６８、シャフト７２およびストップ７４から成る流量制限オリフィス板集合体に作用してこれを上方に移動させ、オリフィス板６８を支持ウェブ６０の下面に着座させる。流量制限オリフィス板６８が支持ウェブ６０下面の高速ゾーンに移ることにより、破断状態がピークである際の蒸気流量が制限され、原子炉を安全に停止させ易くなる。図４に示す閉位置では、オリフィス板の外周側の孔７０は実質的に蒸気出口ノズル５０の下面によって封止されるが、オリフィス板６８の内側の円上にある一連の小さい孔７０は限定的な流れを許容するので、蒸気発生器内の圧力上昇は設計限界内に止まる。

図２は、通常運転時の流量制限装置５８を示す。棒である中心シャフト７２がウェブ６０から流量制限オリフィス板６８を支持し、蒸気出口ノズル５０へのほぼ無制限の流れを許容する。図５は流量制限装置５８の上面図であり、流量制限オリフィス板６８が下方（非作動）位置にあり、中心シャフト７２に連結されたストップブロック７４がハブ６４に載っている様子を示す。

図４は、蒸気ラインの破断により作動した後の流量制限装置５８を示す。蒸気ラインが破断して、蒸気出口ノズル５０を通る流量が増加すると、流量制限オリフィス板６８の下面に揚力が作用し、流量制限装置の自重に打ち勝って、流量制限板がウェブ６０またはノズル５０に押圧される。中心シャフト７２はウェブ６０の孔６６内を摺動し、流量制限オリフィス板６８を流量制限位置に案内する。

種々の機能的基準に適合させるために任意選択の特徴を多数含めてもよい。例えば、シャフト７２を開位置に付勢する付勢機構は、オリフィス板６８とウェブ６４中心ハブとの間のシャフト７２に巻着した螺旋ばね７６から成るものであってよい。この代替態様によれば、流量制限装置５８を水平位置で使用することが可能になる。また、シャフト７２から片持ち支持される板ばね７８（図３）等のラッチ要素を用いることにより、一旦作動した流量制限装置５８を閉位置にラッチすることができる。他の可能な選択肢に含まれるものとして、制限装置の下端部の横方向の動きを防止するためにオリフィス板から半径方向外方へ延びる脚部；流量制限オリフィス板から中心シャフトへの隅板のかけわたし；ボルトを使用する中心シャフトへのオリフィス板の取付け；例えば多数の板を用いるような種々のオリフィス板取付け構造を挙げることができる。

本発明の特定の実施形態について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施形態に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施形態は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。

Claims (10)

1. 内壁が中心軸を有する蒸気出口導管を画定する蒸気出口ノズルと、
   蒸気出口導管から懸架され、中心開口が中心軸と同心である支持ウェブと、
   一端部に該一端部が中心開口内に滑り込むのを防止するストップを、また、別の端部に１つ以上の開口が設けられたオリフィス板を有し、中心開口内に軸方向移動可能に支持されたシャフトとを含む蒸気発生器であって、
   オリフィス板は中心軸に対して実質的に垂直に延び、オリフィス板は前記一端部のストップが中心開口上に載ったときに蒸気出口導管から離隔した状態にあり、また、シャフトがストップを支持ウェブの中心開口から遠ざける方向に、その行程の限界位置まで動いたときに、前記別の端部にあるオリフィス板は蒸気出口導管の入力端部上に載っており、
   オリフィス板は、シャフトがその行程の限界位置まで動いたときに、蒸気出口導管を介する蒸気流量が、オリフィス板の１つ以上の開口の一部が封止されることにより、ストップが中心開口上に載ってシャフトが開位置にあるときに比べて制限される閉位置にあり、
   さらにシャフトを開位置に付勢する付勢機構を含む
   蒸気発生器。
2. オリフィス板の開口は中心軸の周りに対称的に形成された複数の孔である、請求項１に記載の蒸気発生器。
3. 開口は、少なくとも２つの同心円を形成し、軸の周りに等間隔に配置された一連の孔から成る、請求項２に記載の蒸気発生器。
4. 蒸気出口導管の入口とオリフィス板は相補的な輪郭を有する、請求項２に記載の蒸気発生器。
5. 中心軸が垂直方向に延び、付勢機構は重力である、請求項１に記載の蒸気発生器。
6. 付勢機構は、支持ウェブとオリフィス板との間に支持されたばねである、請求項１に記載の蒸気発生器。
7. ばねがシャフトに巻着される、請求項６に記載の蒸気発生装置。
8. オリフィス板を閉位置に支持するためのラッチを含む、請求項１に記載の蒸気発生器。
9. オリフィス板が閉位置にあるとき、オリフィス板の外周側の孔は封止される、請求項３記載の蒸気発生器。
10. オリフィス板が閉位置にあるとき、オリフィス板の孔のうちシャフトの直近にあるものは封止されない、請求項９記載の蒸気発生器。

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