JP6007241B2 - チューブアンドシェル型蒸気発生器 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年４月４日に出願された米国仮特許出願第６１／４７１，３２８号（発明の名称“ＳＴＥＡＭ ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ ＴＵＢＥ ＬＡＮＥ ＦＬＯＷ ＢＵＦＦＥＲ”）の優先権を主張する。

本発明は広義にはＵ字チューブアンドシェル型蒸気発生器に関し、具体的には、チューブレーンを高速で流れる再循環流体及び給水が伝熱管に与える衝撃を緩和するような蒸気発生器に関する。

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。この蒸気と水との混合物を単一相ダウンカマー流から区別するために、管周囲の流体の流れを管群流と称する。

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。一次流体は放射性物質を含んでおり、Ｕ字管の壁だけが一次流体を給水から隔離するものであるため、このＵ字管の壁は、これらの放射性物質を隔離する一次バウンダリの一部を形成する。よって、Ｕ字管が破損して放射性物質が一次流体から二次側に流入するという望ましくない結果が生じることのないよう、Ｕ字管を適切に支持してＵ字管を欠陥がない状態に維持することが重要である。

Ｕ字管の支持は、縦方向に離隔配置された横向きの複数の管支持板により主として提供される。管支持板は管群の軸に沿いながら管群の高さに亘って配置され、管支持板を伝熱管が貫通する。伝熱管の端部は管板に固定されている。管支持板の貫通孔は典型的には、伝熱管を横方向において支持する陸部と、管群流および蒸気を通過させる陸部間の隙間部とを有する。しかしながら、長時間運転後の蒸気発生器ユニットの管支持板の箇所における伝熱管の摩耗が報告されており、それには、恐らく、伝熱管及び管支持板の両方あるいは何れか一方の汚れが含まれる。報告された摩耗の中で最も大きなものは深さが２８％である。１基の蒸気発生器において、合計７９件の報告のうち７３％の５８件の摩耗が伝熱管の行１〜５で発生している。７９件の報告のうち３４％の摩耗が行１の伝熱管で生じている。これらの摩耗の多くは、減衰が低下し、流速が増す高い位置の管支持板で起きている。これらの行はホットレグとコールドレグの中間のチューブレーン領域に隣接し、早い流速に曝されているため、乱流により惹起されるバッフェッティグを経験する。乱流力が伝熱管の最初の数行で急速に減衰することはよく知られており、摩耗の分布を示すデータはこの現象の存在を示している。

従って、本発明の目的はチューブアンドシェル型蒸気発生器のチューブレーンに隣接する管支持板の箇所の伝熱管の摩耗を低減することである。

更に、本発明の目的は蒸気発生器の効率を下げることなく管支持板のチューブレーン近傍の伝熱管の摩耗を低減することである。

加えて、本発明の目的は高い位置の管支持板のチューブレーン近傍にある最初の数行の伝熱管の摩耗を低減することである。

上記及び他の目的は、一端が管板の第１の側面により閉塞される流体ヘッダが仕切板により入口プレナムと出口プレナムとに分割されるチューブアンドシェル型蒸気発生器により達成される。この蒸気発生器は、複数のＵ字形中空伝熱管を有し、その各々は、一端においてＵ字状湾曲部により連結されるコールドレグとホットレグとを有し、他端においてホットレグは入口セクションで、また、コールドレグは出口セクションで、夫々終端し、ホットレグの入口セクションは管板を貫通して入口プレナムで開口し、コールドレグの出口セクションは管板を貫通して出口プレナムで開口する。

蒸気発生器は更に管板の第１の側面とは反対側の胴部側の側面にチューブレーンを有し、チューブレーンは複数のＵ字形中空伝熱管のホットレグとコールドレグとの間でそれらに夫々隣接している。改良は、このような構成に組み合わせて、チューブレーン内の両側に管板に実質的に垂直に延びる複数の長尺の緩衝棒を設けることより成る。緩衝棒は一次流体ヘッダ内の一次流体と連通しない態様で支持される。

一実施形態においては、緩衝棒の最大外径はＵ字形中空伝熱管の外径と実質的に等しい。別の実施形態では、緩衝棒は軸長を有し、緩衝棒の外径は軸長に沿って変化する。好ましくは、外径は様々でステップ状に分布し、蒸気発生器は、縦方向に離隔配置され夫々が緩衝棒を横切る向きの複数の管支持板を含み、緩衝棒の外径は管板から最も遠い管支持板を貫通する箇所が最大である。

さらに別の実施形態では、緩衝棒は一端において管板に連結されている。好ましくは、緩衝棒は管板を突き抜けない態様で管板内部に延びる。

さらに別の実施形態では、蒸気発生器は、管板に垂直な方向で、一次流体ヘッダから離れる方向に延びる軸を有し、また、縦方向に離隔配置され、夫々がその軸を横切る向きの複数の管支持板を含み、これら管支持板をホットレグ及びコールドレグが通過する。緩衝棒は少なくとも一部の管支持板の間に延びている。好ましくは、緩衝棒は管板から延びて実質的に全ての管支持板を貫通する。

一実施形態において、緩衝棒の軸長の少なくとも一部は中空であり、緩衝棒の中空部分の壁厚はＵ字形中空伝熱管の壁厚と等しいかそれより厚い。さらなる別の実施形態では、緩衝棒は中実である。

前述の構成とは異なり、緩衝棒は管板より上方の位置から延び始めてもよく、最高位置の管支持板よりも下方で終端してもよい。加えて、緩衝棒は少なくとも２つの隣接する管支持板の貫通孔を貫通してもよく、その際、２つの隣接する管支持板のうちの一方の管支持板の貫通孔の少なくとも幾つかを、対応する他方の管支持板の貫通孔から、オフセットさせてもよい。好ましくは、オフセット量は最大で約４ミリメートルまでである。

本発明は、以下の好適な実施形態の説明を、添付の図面を参照しながら読むことにより、より良く理解することができる。

垂直チューブアンドシェル型蒸気発生器の一部破断斜視図である。 緩衝棒がチューブレーンの両側を延びる流孔に挿入された、１つの管支持板のチューブレーンの周辺部分を示す平面図である。 本発明の緩衝棒が管板から上方に延びて上方位置の管支持板を貫通する、蒸気発生器の下部の部分断面模式側面図である。 本発明の緩衝棒が管板より上方位置の管支持板から上方に延びて最高位置の管支持板よりも低い位置の管支持板を貫通する、蒸気発生器の下部の部分断面模式側面図である。

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。管板２２はチャンネルヘッド１８に取り付けられ、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、複数の上昇管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、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を遠心力で取り除くための旋回羽根４６が配設されている。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と、該供給リングより隆起している放水ノズル５６とを有する給水入口ノズル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、管群の間を上に向かって流れる間に加熱されて、蒸気を発生させる。

水の沸騰作用および伝熱管を通る流体の流れは流力弾性励振を惹き起こすことがあり、これが伝熱管を振動させて伝熱管の摩耗を加速させる。縦方向に離隔配置された複数の管支持板５８は、管状胴部１４の軸方向を横切るように配置され、伝熱管が貫通する貫通孔を有している。前記貫通孔は伝熱管を支持するとともに、給水および再循環流が通過する隙間を提供するように特別に設計されている。

図２は、伝熱管のＵ字状湾曲部の下方に延びる管支持板５８のチューブレーン領域を示す部分平面図である。図示のように、行１、２および３の孔６４の一部を貫通する伝熱管１３へ熱が伝達される。ブローチ加工された孔６４の全てではなくその幾つかを貫通する伝熱管１３を示すが、図示したブローチ加工孔６４のうち実質的に全ての孔を伝熱管１３が貫通していると理解されたい。伝熱管１３は孔６４の陸部７０上に支持され、冷却材は隙間部６６を介して伝熱管１３の周りを流れる。行１、２および３は、中央のチューブレーン６０を流れる横方向の流れに起因する乱流が惹き起す振動の影響を最も受けやすく、最も摩耗しやすい。

こうして、行１、２および３の伝熱管１３は乱流により増幅されるバフェッティングを経験する。運転中の発生器から収集される伝熱管の摩耗に関するデータは、乱流力が伝熱管１３の最初の数行内で急速に弱まることを実証している。管支持板の中心線寄りの流孔７４は、管群のチューブレーン領域を通過する水の流れを抑制し、Ｕ字状湾曲部の直交流領域に流入する前に水の流れを分散させる。低位置の管支持板には流孔７４に代わってスロット孔（長孔）が用いられる。

このように、長尺の緩衝棒６２は、チューブレーン６０の両側の流孔７４を貫通し、行１、２および３の伝熱管１３を、流孔７４を通過し横方向に流れる水流によりバフェッティングされないように実質的に遮蔽する。こうして、チューブレーンの流れ緩衝棒６２は、チューブレーン６０に沿う伝熱管不在領域に配置され、チューブレーンを介する流れが管支持板５８を次々に通過するとき、また、管支持板５８に次々に衝突するとき、或いはその何れか一方のときに生じる、流れの横方向速度を減衰させる効果を有する。緩衝棒６２は流孔７４のような丸形の孔、或いは、管支持孔６４のようなブローチ加工された孔によって横方向に支持するようにしてもよく、また、ステンレス或いはその他の腐食や浸食に対して耐性を有する材料により形成してもよい。好ましい実施形態では、流れ緩衝棒６２は管板２２の第２の側面から最上位の管支持板６８を数インチを超えた高さまで延びてもよい。

図３は、管群１２を収容する蒸気発生器の下部の模式的断面図であり、Ｕ字管は代表的な数だけ示す。この例では、８枚の管支持板５８が蒸気発生器の軸に沿って縦方向に離隔配置されている。管支持板は複数の支持棒７２により横方向に支持され、支持棒７２の下端は溶接或いは管板上面のネジ穴へのネジ止めにより管板２２に取り付けられている。支持棒は管板から延びて各管支持板５８の丸い孔を貫通し、高い位置にある支持板６８から上方に短い距離延びたところで終端する。図示の目的上、図３に支持棒７２を２本だけ示すが、実際には、さらに実質的な数の支持棒が伝熱管１３のホットレグおよびコールドレグの間に設けられて、管支持板を横方向に動かないように支持する。同様に、この好ましい実施形態では、緩衝棒６２が管板２２の上面の穴に同様に取り付けられ、そこから、最上位置の管支持板６８を数インチ超えた高さまで延びるようにしてもよい。好ましくは、緩衝棒６２は伝熱管１３と同一の直径を有するように形成されているため、緩衝棒６２と伝熱管１３とは管群の内部点検やランスによる沈積物除去のような保守作業の進行を妨げることが全くなく、緩衝棒６２とさらに２つの行の伝熱管とは外観上相違がない。チューブレーンの幅は最も限定的な蒸気発生器ユニットのチューブレーンの幅よりも依然として広いため、緩衝棒を設けたことによるチューブレーンの幅の減少は保守のし易さに悪影響を及ぼさない。

図４は、図３に模式的に示した蒸気発生器が、管板２２より上方の位置（ここでは、最も低い位置の伝熱管支持板７６よりも高い位置）から最も高い位置の管支持板６８より低い伝熱管支持板５８の少し上まで延びる緩衝棒６２を備えた構成を示している。加えて、図示の緩衝棒６２はステップ状に変化する直径を有し、大径部分が高い位置にある管支持板５８を貫通するため、大きな乱流が発生する領域においてバフェッティングに対するさらなる保護が提供される。更に、緩衝棒６２の高い位置を延びる部分の壁厚を、図４に示すように、伝熱管に比較して厚くするか、或いは、図３に示すように中実にすることができる。加えて、緩衝棒の中心線位置と管支持板の伝熱管貫通孔の中心線位置とを、緩衝棒が管支持板を順次通過する毎に交番的に４ミリメートル程度オフセットして、伝熱管１３と緩衝棒６２の両者の振動が一層抑制されるようにしてもよい。これは、フレッチング摩耗より摩耗速度の大きい衝撃摩耗の解消を助ける軽い予荷重を提供する。

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 (15)

1. 一次流体から二次流体へ熱を伝達するチューブアンドシェル型蒸気発生器であって、前記蒸気発生器は、
   一端が管板の第１の側面により閉塞され、仕切板により入口プレナムと出口プレナムとに分離される一次流体ヘッダ、
   夫々が、一端においてＵ字状湾曲部により連結されるホットレグおよびコールドレグを有し、他端において、ホットレグの入口部で終端し、また、コールドレグの出口部で終端し、ホットレグの入口部は管板を貫通して入口プレナムで開口し、また、コールドレグの出口部は管板を貫通して出口プレナムで開口する、複数のＵ字形中空伝熱管、
   管板の第１の側面とは反対側の胴部側の側面上にあり、Ｕ字形中空伝熱管のホットレグとコールドレグとの間にあって、ホットレグに隣接する側部とコールドレグに隣接する側部を有するチューブレーン、および、
   チューブレーンの前記両方の側部を前記管板に実質的に垂直な方向に延び、前記一次流体ヘッダ内の一次流体と連通しない複数の長尺の緩衝棒、
   から成る蒸気発生器。
2. 前記緩衝棒の最大外径が前記Ｕ字形中空伝熱管の外径に実質的に等しい、請求項１のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
3. 前記緩衝棒は軸長を有し、緩衝棒の外径は軸長に沿って変化する、請求項２のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
4. 前記外径は様々でステップ状に分布する、請求項３のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
5. 縦方向に離隔して、また、夫々が緩衝棒の軸に対して横方向に配置された複数の管支持板を有し、緩衝棒が貫通する管支持板のうち管板から最も離れた管支持板のところの緩衝棒の直径が最大である、請求項４のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
6. 前記緩衝棒は一端において前記管板に連結されている、請求項１のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
7. 前記緩衝棒が前記管板を突き抜けない態様で前記管板内に延びる、請求項６のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
8. 前記蒸気発生器は、前記管板に垂直で一次流体ヘッダから離れる方向に延びる軸を有し、さらに、縦方向に離隔して、また、夫々が前記軸に対して横方向に配置された複数の管支持板を有し、ホットレグおよびコールドレグが各管支持板を貫通し、前記緩衝棒が管支持板の少なくとも一部の間を延びる、請求項１のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
9. 前記緩衝棒が前記管板から延びて実質的に全ての管支持板を貫通する、請求項８のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
10. 前記緩衝棒の軸長の少なくとも一部が中空であり、緩衝棒の前記中空部分は前記複数のＵ字形中空伝熱管の壁厚と等しいかそれより厚い壁厚を有する、請求項８のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
11. 前記緩衝棒は中実である、請求項８のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
12. 前記緩衝棒は前記管板よりも高い位置から延び始める、請求項８のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
13. 前記緩衝棒は前記複数の管支持板のうち最も高い位置にある管支持板よりも低い位置で終端する、請求項８のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
14. 前記緩衝棒が隣接する少なくとも２つの管支持板の孔を貫通し、前記２つの隣接する管支持板の一方にある前記貫通孔は、他方の管支持板の貫通孔に対してオフセットされている、請求項８のチューブアンドシェル型蒸気発生器。
15. 前記オフセット量は最大で４ミリメートルである、請求項１４のチューブアンドシェル型蒸気発生器。

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