KR100286518B1 - 분리된 관류식 나선형 증기발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리된 관류식 나선형 증기발생기에 관한 것으로서 더 상세하게는 이차측 냉각수를 전열관 내부로 순환시켜 과열증기를 발생시키는 형태의 관류식 증기발생기로서 전열관의 형상을 나선형으로 장착하고, 증기발생기가 모듈과 카세트로 이단 분리되어 단위카세트의 크기가 작아 취급이 용이하고 공간내에 배치가 용이하게하여 일체형 원자로에 내장되는 형태의 증기발생기의 장치에 관한 것이다.

8~16개의 증기발생기 카세트(19)로 구성되며 한 개의 증기발생기 카세트(19)에는 4~8개의 모듈로 구성되어 있으므로 각각 4~8개의 모듈급수헤더(5)와 모듈증기헤더(6)가 장착되는 것과, 개개의 모듈급수헤더(5) 및 모듈증기헤더(6)에는 여러 개의 전열관(7)이 연결되어 있고, 원자로에 부착된 급수헤더노즐(1)과 모듈급수헤더(5)를 연결하는 모듈급수관(3)과 원자로환형덮개(15)에 부착된 증기헤더노즐(2)과 모듈증기헤더(6)를 연결하는 모듈증기관(4)이 각각 카세트의 수 8~16개에 단위카세트 당 모듈의 수 4~8개를 곱한 수만큼 장착되고, 하나의 모듈은 1개의 모듈급수헤더(5)와 1개의 모듈증기헤더(6) 및 이들과 연결된 전열관(7)으로 구성되는 분리된 관류식 나선형 증기발생기이다.

Description

분리된 관류식 나선형 증기발생기

본 발명은 분리된 관류식 나선형 증기발생기에 관한 것으로서 더 상세하게는 이차측 냉각수를 전열관 내부로 순환시켜 과열증기를 발생시키는 형태의 관류식 증기발생기로서 전열관의 형상을 나선형으로 장착하고 증기발생기가 모듈과 카세트로 이단 분리되어 단위카세트의 크기가 작아 취급이 용이하고 공간내에 배치가 용이하게하여 일체형 원자로에 내장되는 형태의 증기발생기의 장치에 관한 것이다.

일반적으로 주기기가 원자로 압력용기에 내장되는 형태의 일체형원자로에서는 종래의 상용원자로에서 많이 사용되는 재순환식 U튜브형 증기발생기(recirculation U-tube steam generator)와는 달리 이차측 냉각수가 전열관의 안쪽을 흐르는 관류식 증기발생기가 주로 사용된다.

원자로에 사용하기 위해서 개발된 관류식 증기발생기는 다음과 같은 형태로 분류된다.

영국에서 개발한 일체형원자로 SIR에는 관류식 직관형 증기발생기 여러 개를 원자로에 내장하는 형태이다. 이 경우 직관이 사용되므로 증기발생기가 매우 긴 형상이다.

일본에서 개발한 일체형원자로 MRX에는 원자로용기와 노심지지원통사이의 환형공간을 전열관이 감고 올라가는 형태의 나선형 증기발생기이다. 이러한 형태의 증기발생기는 과거 독일에서 개발한 오토한과 미국 B＆W에서 일체형원자로에 사용하기 위해 개발한 증기발생기와 유사한 형태다.

다음으로 러시아의 분리형 원자로 KLT-40에 사용된 형태의 증기발생기로서 이는 원자로 밖에 별도의 압력용기 안에 위치한 증기발생기로서 전열관이 나선형으로 감긴 형태이며, 유사한 형태는 액체금속로 및 고온개스냉각로의 증기발생기에도 사용되고 있다.

종래의 관류식 증기발생기는 도 1에 도시한 바와 같이 이차측 배관이 급수헤더 및 증기헤더로 연결되고 여기서 바로 전열관과 연결되는 형태이다.

그러므로 관류식 직관형 증기발생기는 직관을 사용하므로 증기발생기가 길고 축방향 열팽창으로 인한 열응력이 크게 발생하며, 증기발생기의 모듈을 격리하면 부분적으로 일차냉각수의 온도가 높은 지역이 생성되는 문제점이 발생하게 되는 것이다.

노심지지원통을 감는 형태의 증기발생기는 소형 원자로에는 적합하지만 출력이 커지면 크기가 증가해서 취급이 힘들고 증기발생기를 고제하는 것이 매우 힘들다. 모든 전열관이 원자로 압력용기에 바로 연결되므로 전열관의 배치 및 배열이 복잡하며 전열관을 지지하는 것이 매우 어렵다. 이 경우 전열관을 지지하기 위해서는 평판을 반경방향으로 배치하고 평판에 원공을 뚫어 전열관을 끼우는데 전열관의 열팽창, 유체기인진동 등의 문제로 이 부위에서 전열관이 파손하여 부분적으로 보강하는 것이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 일체형 원자로에 내장하기 위한 증기발생기를 개발하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기와 같은 목적 달성을 위해 8~16개의 증기발생기 카세트로 구성되며 한개의 증기발생기 카세트에는 4~8개의 모듈로 구성되어 있으므로 각각 4~8개의 모듈급수헤더와 모듈증기헤더가 있고 개개의 모듈급수헤더 및 모듈증기헤더에는 여러개의 전열관이 연결되어 있고, 원자로에 부착된 급수헤더노즐과 모듈급수헤더를 연결하는 모듈급수관과 원자로환형덮개에 부착된 증기헤더노즐과 모듈증기헤더를 연결하는 모듈증기관이 각각 카세트의 수 8~16개에 단위카세트 당 모듈의 수 4~8개를 곱한 수만큼 장착되고, 하나의 모듈은 1개의 모듈급수헤더와 1개의 모듈증기헤더 및 이들과 연결된 전열관으로 구성되는 분리된 관류식 증기 발생기를 제공함에 있는 것이다.

제1도는 종래의 관류식 증기발생기 개념도.

제2도는 본 발명 증기발생기 집합체 측면도.

제3도는 본 발명 증기발생기 집합체 단면도.

제4도는 본 발명 증기발생기 계통 구성도.

제5도는 본 발명 증기발생기 카세트 설명도.

제5a도는 제5도의 6개 모듈로 구성된 카세트중 하나의 모듈을 분리시킨 사시도.

제6도는 본 발명 증기발생기 전열관 설명도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 급수헤더노즐 2 : 증기헤더노즐

3 : 모듈급수관 4 : 모듈증기관

5 : 모듈급수헤더 6 : 모듈증기헤더

7 : 전열관 8 : 전열관 지지대

9 : 전열관 지지보 10 : 카세트 원통

11 : 카세트 내원통 12 : 충전판

13 : 충전판 정렬핀 14 : 원자로용기

15 : 원자로환형덮개 16 : 노심지지원통

17 : 급수관 18 : 증기관

19 : 카세트 20 : 일차냉각수 유로

첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

8~16개의 증기발생기 카세트(19)로 구성되며 한 개의 증기발생기 카세트(19)에는 4~6개의 모듈로 구성되어 있으므로 각각 4~6개의 모듈급수헤더(5)와 모듈증기헤더(6)가 장착되는 것과, 개개의 모듈급수헤더(5) 및 모듈증기헤더(6)에는 여러 개의 전열관(7)이 연결되어 있고, 원자로에 부착된 급수헤더노즐(1)과 모듈급수헤더(5)를 연결하는 모듈급수관(3)과 원자로환형덮개(15)에 부착된 증기헤더노즐(2)과 모듈증기헤더(6)를 연결하는 모듈증기관(4)이 각각 카세트의 수 8~16개에 단위카세트 당 모듈의 수 4~6개를 곱한 수만큼 장착되고, 하나의 모듈은 1개의 모듈급수헤더(5)와 1개의 모듈증기헤더(6) 및 이들과 연결된 전열관(7)으로 구성되는 것이다.

증기발생기는 도 2와 도 3에서 보는 것과 같이 일체형원자로의 노심지지원통(16)과 원자로용기(14) 사이의 환형공간에 배치할 수 있는 여러 개의 증기발생기 카세트(19)로 구성된다.

단위카세트는 별도로 격리가 가능한 여러 개의 모듈로 구성되어 있다. 종래의 증기발생기는 1단계로 분리되어 카세트와 모듈이 동일한 개념인데 비해 본 발명의 증기발생기는 카세트가 여러 개의 모듈로 구성되는 것이다.

카세트와 모듈이 동일한 개념으로 되어있는 경우 단위 카세트를 격리하면 즉, 원자로 운전중에 전열관에 누설이 발생했을 때 원자로 전체를 정지하지 않고 누설된 일부 증기헤더노즐(2) 및 급수헤더노즐(1)만 격리하여 일정기간 부분 출력으로 운전하면, 그 카세트는 전열이 생기지 않으므로 국부적으로 일차측 온도가 올라가게 된다. 이에 비해 단위 카세트를 여러 개의 모듈로 구성하면 하나의 모듈이 격리되어도 나머지 모듈에서는 전열이 되므로 원자로 내에서 일차측냉각수의 온도가 국부적으로 상승하는 효과가 거의 없어지게 되는 것이다.

전열관(7)은 여러 개의 열로 구성되어 있다.

각 열에서는 전열관(7)이 나선형으로 감기는 직경이 다르므로 각 열의 전열관 길이가 달라지게 되고, 각 전열관의 길이가 다르면 이차측 냉각재의 압력강하도 달라진다. 이를 방지하기 위해서 각 열의 전열관 수를 달리함으로써, 다시 말해서 맨 안쪽 열에서부터 전열관(7)의 수를 증가시킴으로써 각 전열관(7)의 길이가 거의 일정하도록 하는 것이다.

안쪽에 위치한 전열관(7)은 나선반경이 작고 바깥 쪽에 위치한 전열관(7)은 나선반경이 크다. 이 때 축방향피치 혹은 나선각을 일정하게 유지하려면 안쪽 전열관(7)의 길이는 매우 짧게 되고 바깥쪽 전열관(7)은 길이가 매우 길게되어 전열관(7)내의 압력강하 차이가 매우 크게 된다. 그러나 아래 표 1에서 보여주는 것과 같이 1열, 2열, 3열… 점차 나선 반경의 증가에 따라 각 열의 전열관 수를 적절히 증가시키면 길이를 일정한 범위 이내에 들게 할 수 있다. 표 1은 축방향 피치가 일정하고 17열이며 324전열관인 하나의 카세트에 대해 각 열의 전열관 수 및 전열관 길이에 대한 예시를 보여준다. 이 경우 전열관은 일정한 피치를 유지하면서 길이는 허용오차범위 이내에 들도록 할 수 있다.

그러므로 전열관의 피치 혹은 나선각이 일정한 값을 유지하면서 전열관의 길이 차이가 거의 없도록 감는다. 전열관(7)을 나선형으로 감을 때는 종 방향 및 횡방향으로 일정한 피치를 유지하는 것이 필요하다. 횡 방향의 피치를 유지하기 위해서는 전열관과 전열관 사이에 전열관지지대(support strap)(8)가 수직으로 배치되도록 하며 종 방향으로는 단지 전열관과 전열관지지대의 마찰력으로 지지되며 별도의 지지구조물이 필요 없는 것이 특징이기도 한 것이다.

증기발생기에서 이차냉각재가 지나가는 계통은 도 4에 도시한 바와 같다.

급수관(17)에서 공급된 이차냉각수가 원자로환형덮개(15)에 부착된 급수헤더 노즐(1)에서 전체 모듈 수만큼 분리되어 모듈급수관(3)을 통해 모듈급수헤더(5)로 연결되며 여기서 나선형으로 감겨진 여러 개의 전열관(7)으로 분배된다. 전열관(7)에서 과열증기가 되어 모듈증기헤더(6)에서 합쳐진 후 모듈증기관(4)을 통해 증기헤더노즐(2)에서 합쳐서 증기관(18)과 연결된다.

급수헤더노즐(1)와 증기헤더노즐(2)는 여러 개로 구성되며 하나의 카세트에 있는 모든 모듈이 동일한 노즐에 연결되지 않도록 한다.

도 5는 증기발생기 카세트에 대한 설명도로서 카세트의 중앙으로 모듈급수관(3)이 내려와서 증기발생기 카세트 하단부에 있는 모듈급수헤더(5)에 연결된다.

전열관은 모듈급수관을 감싸는 카세트 내원통의 바깥을 나선형으로 감는다. 전열관(7)은 여러 개의 열로 구성되며 개개의 열은 여러 개의 전열관(7)이 동시에 일정한 피치를 가지면서 감긴다.

전열관(7)과 전열관(7) 사이에는 도 6과 같이 원주방향으로 일정한 간격으로 배치된 전열관 지지대(8)의 양쪽 끝을 구부리고, 반경방향으로 일정한 간격을 유지하여 일차측 냉각수 유로를 형성한다.

즉 도 6에서와 같이 외부 하중이 작용할 때 전열관의 적정한 피치를 유지하고 구조적 건전성을 유지하기 위해서 전열관을 수직방향과 수평방향으로 지지하여야 한다. 전열관을 감을 때 한 열을 감고 난 후에 전열관지지대를 놓고 다시 그 위에 한 열을 감음으로서 전열관지지대는 반경방향의 피치를 유지한다.

전열관의 감는 것과 수직방향인 축방향피치는 전열관지지대와 전열관의 마찰로 지지하며 도 6과 같이 끝단만 전열관 아래/위에 구부린다. 따라서 수직방향으로 하중이 작용하는 경우 양쪽 끝단 이내에서 작용하중이 전열관과 전열관 지지대의 마찰력을 이기는 경우 전열관의 상호 움직임이 다소 발생하지만 전열관은 구부린 전열관지지대 밖으로 튀어나가지 않고 일체로 움직이게 된다.

카세트내원통(11)에 전열관지지대(8)를 설치하고 제1열의 전열관(7)을 감은 후 다시 전열관지지대(8)를 대고 제 2열의 전열관(7)을 감는다. 이러한 방식으로 계속 감는데 약간의 인장하중을 가하여 감고 잔류응력을 제거하기 위해서 감은 후에 열처리를 한다. 따라서 반경방향으로는 전열관지지대(8)로 완전 지지되며 축방향으로는 전열관지지대(8)와 전열관(7)의 마찰력으로 지지되는 구조이다.

증기발생기 상부에서 전열관(7)은 모듈증기헤더(6)에서 합쳐지며 이는 모듈 증기관(4)을 통해 증기헤더노즐(2)로 연결된다. 바깥에는 카세트원통(10)이 일차측 유로를 형성해 주며 전열관 전체를 지지해 준다.

증기발생기 카세트의 유효전열지역 상부와 하부에는 전열관 지지보(9)를 장착하여 전체 전열관(7)을 지지하게 하는 것이다.

카세트 원통(10)과 원통사이의 공간부에는 충전판(12)이 장착되어 있어 카세트 원통(10)을 지지하며 카세트 원통의 상부에는 충전판 정렬핀(13)이 장착되어 있다.

즉 증기발생기는 원자로 내벽과 노심지지원통(16) 사이의 환형공간에 설치할 수 있도록 여러 개의 카세트(19)로 분리되어 있으며 단위 카세트(19)는 다시 여러개의 모듈로 분리된다. 급수관에서 공급된 이차냉각수가 원자로용기에 부착된 급수 헤더노즐(1)에서 전체 모듈 수만큼 분리되어 모듈급수헤더(5)로 연결되며 여기서 나선형으로 감겨진 여러 개의 전열관(7)으로 분배되어 과열증기가 되어 모듈증기헤더(6)에서 합쳐진 후 증기헤더노즐(2)에서 증기관으로 보내는 형태의 관류식 나선형 증기발생기이다.

본 발명의 증기발생기 카세트(19) 중앙부위에는 이차측 급수가 내려가는 관이 있으며 그 바깥을 전열관(7)이 감고 올라가는 형상이며 하단부에는 모듈급수헤더(5)가 있으며 상단부에는 모듈증기헤더(6)가 있고 카세트(19)를 둘러 싼 카세트(19) 원통이 있는데 이는 일차냉각수의 유로를 형성한다.

증기발생기를 카세트(19) 및 모듈의 두 단계로 분리하여 설게함으로써 전열관 파손시에 원자로 밖에서 모듈을 격리할 수 있으며 모듈의 격리 시에 원자로 내에서 일차측냉각수의 국부적인 온도상승을 방지할 수 있는 것이다.

본 발명의 변형, 응용 예로서는 증기발생기의 카세트 수를 변경하거나 단위 카세트 당 모듈의 혹은 증기/급수헤더노즐의 수를 변경한 설계가 가능하며 격리운전개념을 사용하기 위해서는 카세트수를 8개, 12개, 16개가 효과적이며, 또한 단위 카세트당 모듈 개수가 많으면 모듈증기관과 모듈급수관의 배치가 복잡해지고 모듈 개수가 너무 작으면 단위모듈을 밀봉했을 때 전열면적의 손실이 너무 커지게 되므로 적정한 개수는 4, 6, 8개이다. 즉 증기발생기 카세트의 형상을 변경한 설계가 가능한 것이다.

그러므로 본 발명 증기발생기는 증기발생기를 2단계로 구분함으로써 일체형 원자로에 효과적으로 내장되는 형태로 사용할 수 있다. 원자로용기는 제작상의 한계로 인해 크기가 제한되므로 증기발생기 전열관을 나선형으로 제작되어 효율적이며 여러개의 카세트로 나누어 내장하기에 용이하며, 단위 카세트를 여러 개의 모듈로 나누고 전열관을 감을 때는 다른 모듈과 연결된 전열관을 섞어서 감고 하나의 카세트에 존재하는 모든 모듈을 동일한 노즐급수 및 증기헤더에 연결하지 않음으로 인해 전열관 누설 시에 일부를 격리했을 때 일차측 냉각수의 온도가 국부적으로 올라가지 않는다. 기존의 나선형 증기발생기에서 사용하던 것처럼 평판에 원공을 뚫어 전열관을 통과시키는 형태가 아니고 지지대만 두고 약간의 인장을 주어 감은 후에 열처리를 하는 방식을 취함으로써 제작이 쉽고, 열팽창이 자유로워 전열관의 파손가능성이 낮아지는 발명인 것이다.

Claims (5)

1. 8~16개의 증기발생기 카세트(19)로 구성되며 한 개의 증기발생기 카세트(19)에는 4~6개의 모듈로 구성되어 있으므로 각각 4~6개의 모듈급수헤더(5)와 모듈증기헤더(6)가 장착되는 것과, 개개의 모듈급수헤더(5) 및 모듈증기헤더(6)에는 여러 개의 전열관(7)이 연결되어 있고, 원자로에 부착된 급수헤더노즐(1)과 모듈급수헤더(5)를 연결하는 모듈급수관(3)과 원자로환형덮개(15)에 부착된 증기헤더노즐(2)과 모듈증기헤더(6)를 연결하는 모듈증기관(4)이 각각 카세트의 수 8~16개에 단위카세트 당 모듈의 수 4~6개를 곱한 수만큼 장착되고, 하나의 모듈은 1개의 모듈급수헤더(5)와 1개의 모듈증기헤더(6) 및 이들과 연결된 전열관(7)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 분리된 관류식 나선형 증기발생기.
2. 제1항에 있어서; 전열관(7)을 나선형으로 감을 때 전열관(7) 사이에 원주방향으로 일정한 간격으로 배치된 전열관 지지대(8)를 수직으로 배치하고 전열관 지지대(8)의 양쪽 끝을 구부려서 지지하는 것을 특징으로 하는 분리된 관류식 나선형 증기발생기.
3. 제1항에 있어서; 증기발생기 카세트(19)의 중앙으로 모듈급수관(3)을 하강시키는 것으로 구성되어진 것을 특징으로 분리된 관류식 나선형 증기발생기.
4. 제1항에 있어서; 하나의 급수헤더노즐(1)과 연결된 모듈급수관(3)을 여러 개의 카세트(19)에 있는 모듈급수헤더(5)로 분리 연결하고, 하나의 증기헤더노즐(2)과 여러 개의 카세트(19)에 있는 모듈증기헤더(6)와 연결하여 하나의 급수헤더노즐(1) 및 증기헤더노즐(2)을 격리했을 때 하나의 카세트(19) 내에 있는 전열관(7)이 같이 격리되지 않도록 한 설계 분리되도록 구성되어진 것을 특징으로 하는 분리된 관류식 나선형 증기발생기.
5. 제1항에 있어서; 증기발생기의 전열관(7)을 감을 때 전열관(7)의 길이를 비슷하게 하기 위해서 각 열의 전열관(7) 수를 달리하여 나선형으로 감는 것을 특징으로 하는 분리된 관류식 나선형 증기발생기.