KR101022164B1 - 경수로의 피동형 이차측 응축계통 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경수로의 피동형 이차측 응축계통에 관한 것으로, 원자로의 열에 의해 증기를 발생시키는 증기발생기와, 냉각수가 충진된 응축수조와, 상기 응축수조 내에 위치하여, 상기 증기발생기에서 발생된 증기를 증기공급배관을 상부모관에 공급받으며, 하부모관을 통해 응축수를 배출하는 직선구간의 일부 또는 전부가 경사진 튜브를 포함하는 열교환기와, 상기 열교환기의 응축수를 상기 증기발생기로 공급하는 응축수회수배관을 포함한다. 이와 같은 구성의 본 발명은 증기발생기에서 발생된 증기를 수직형과 수평형의 장점을 모두 가지는 경사형 U 튜브 열교환기를 사용하여, 열교환기 높이와 열교환기가 위치하는 응축수조 높이를 낮게 할 수 있으며, 상 하부 모관에서의 열응력 발생을 수직형에 비하여 작게 하여 기계적 특성이 높은 금속 사용을 배제함으로써, 제작비용을 보다 절감할 수 있으며, 지진 등의 진동에 유리하며, 진동과 소음의 발생을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

응축, 원자로, 증기, 보조급수, 피동

Description

경수로의 피동형 이차측 응축계통{Passive secondary loop condensation system for light water reactor}

본 발명은 경수로의 피동형 이차측 응축계통에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각수조의 높이와 수위를 최소화하며, 계통구성을 단순화할 수 있는 경수로의 피동형 이차측 응축계통에 관한 것이다.

현재 가동중인 경수로는 일반적으로 원자로 사고 후 급수계통이 작동하지 않을 경우, 펌프를 이용하는 보조급수계통이 작동하여 원자로의 잔열을 증기발생기를 통해 제거하고 있다. 펌프를 사용하는 보조급수계통은 운전원의 실수, 전원상실, 펌프의 오작동 등에 의해 실패의 가능성이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 원자로 사고시에 증기발생기의 이차측에서 발생하는 증기를 응축하여 원자로 잔열을 피동적으로 냉각함으로써, 원자력발전소의 안전성과 경제성을 높일 수 있는 피동형 이차 응축계통의 개념이 제안되고 있다.

이와 같은 피동형 이차측 응축계통에 관하여 대한민국 등록특허 0261752호에 기재되어 있으며, 그 대한민국 등록특허의 구성은 비등경수로의 수직형 격리응축기(Isolation condenser)와, 그 격리응축기와 열교환이 일어날 수 있는 냉각수를 포함하는 격리응축기 수조, 증기발생기와 상기 격리응축기를 연결하는 배관 및 보충수 탱크를 포함하고 있다.

이러한 종래의 구성에서 수직형 격리응축기는 비응축성기체의 배기가 용이하고 수직형 튜브에서 생성된 응축수가 중력에 의해 흐르며, 튜브 내에서 환상류만 형성되므로 유동이 안정적인 장점이 있다.

그러나 튜브 상부에서 기포 바인딩을 피하기 위하여 튜브시트 대신 드럼 헤더형 설계가 채택되므로 작동 초기 튜브측은 고온의 이상류가 흐르는 상태에서 응축수조측은 차가운 물과 접촉하므로 드럼헤더에서 큰 열응력이 발생된다.

이러한 열응력을 감안하여 종래 드럼헤더의 재질은 스테인리스 강을 사용할 수 없으며, 그 스테인리스 강과 열전달 특성이 유사하며, 기계적 특성이 우수한 반면 고가인 인코넬 600이 사용되고 있다.

또한 튜브와 헤더의 접합부 용접에서 용가재(filler metal)를 사용하지 않는 특수한 고가의 인터널 보어 웰딩(internal bore welding)법을 사용하기 때문에 수직형 격리응축기는 매우 고가의 장비가 된다.

또한 수직형의 격리응축기를 수용하기 위한 격리응축기 수조의 높이가 높아 야 하기 때문에 장비의 설치가 용이하지 않고, 지진 등의 진동발생에 매우 취약한 단점을 가지고 있다.

아울러 수직형 격리응축기의 높이를 무한정 높게 하는 것은 한계가 있기 때문에 열교환 효율이 상대적으로 저하될 수 밖에 없는 단점이 있었으며, 응축계통 대기운전시 응축수 회수관의 차단밸브를 열어 두고 증기공급관의 작동밸브를 닫아 두었으나, 이는 열교환기 내에 수격현상과 열피로현상이 발생하여 장비의 수명을 단축시키는 원인이 되었다.

이러한 수직형 열교환기와는 별도로 수평에 근접한 경사도를 갖는 수평형의 열교환기를 적용할 경우, 튜브시트형 또는 헤더와 직접 연결하는 설계로도 응축냉각탱크 측의 기포가 응축열교환기를 잘 빠져나가고 튜브와 튜브시트의 재질로 스테인레스강을 사용할 수 있어 열교환기를 상대적으로 저렴한 가격으로 제작할 수 있으며, 높이를 낮춰 진동에 유리한 장점이 있다.

그러나 튜브 구멍이 뚫려 있는 부분이 차가운 가장자리에 의해 둘러싸여 있는 튜브시트의 특성 때문에 작동 초기에 튜브시트에서 큰 열응력이 걸리고 튜브시트와 응축 수조 벽과의 연결부에서도 열응력이 문제가 될 수 있으며, 비응축성기체의 배기가 어렵고 유동에 따라 여러 유형의 2상 유동 및 유동 불안정과 진동 및 소음이 발생하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 보다 저가격으로 제작이 가능하며, 비응축성 기체의 배기가 용이한 경사형 열교환기를 적용하여 수직형 열교환기에 비하여 높이를 낮춰 진동과 소음 발생을 억제하여 계통의 안정성을 보다 높일 수 있는 경수로의 피동형 이차측 응축계통을 제공함에 있다.

아울러 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 대기운전시의 밸브 작동상태를 개선하여 열교환기내 수격현상과 열피로현상을 최소화할 수 있는 경수로의 피동형 이차측 응축계통을 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 경수로의 피동형 이차측 응축계통은, 원자로의 열에 의해 증기를 발생시키는 증기발생기와, 냉각수가 충진된 응축수조와, 상기 응축수조 내에 위치하여, 상기 증기발생기에서 발생된 증기를 증기공급배관을 상부모관에 공급받으며, 하부모관을 통해 응축수를 배출하는 직선구간의 일부 또는 전부가 경사진 튜브를 포함하는 열교환기와, 상기 열교환기의 응축수를 상기 증기발생기로 공급하는 응축수회수배관을 포함한다.

본 발명 경수로의 피동형 이차측 응축계통은, 증기발생기에서 발생된 증기를 수직형과 수평형의 장점을 모두 가지는 경사형 U 튜브 열교환기를 사용하여 열교환기 높이를 낮춰, 지진 등의 진동에 유리하며, 진동과 소음의 발생을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한 계통 동작개념을 대기운전시 증기공급밸브를 열어두고, 작동시 닫혀있는 응축수 회수배관 차단밸브를 개방함으로서 열교환기내 수격현상과 열피로현상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

이하, 상기와 같은 본 발명 경수로의 피동형 이차측 응축계통의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 경수로의 피동형 이차측 응축계통의 바람직한 실시예에 따른 구성도이며, 도 2는 도 1에서 열교환기의 상세 구성도이다.

도 1과 도 2를 각각 참조하면 본 발명 경수로의 피동형 이차측 응축계통의 바람직한 실시예는, 냉각수가 충진된 응축수조(30)와, 상기 응축수조(30)의 내측에 위치하여 밸브(V1)를 통해 증기발생기(10)의 증기를 공급받아 응축시키는 열교환기(20)와, 상기 열교환기(20)의 응축수를 밸브(V5, V6)를 통해 공급받으며, 그 응축수가 상기 열교환기(20)측으로 역류하는 것을 방지된 상태로 상기 증기발생기(10)로 공급될 수 있도록 하는 역류방지부(40)를 포함하여 구성된다.

상기 열교환기(20)는, 상부모관(23)이 상기 증기발생기(10)측에 연결되는 증기공급배관(11)과 연결되며, 하부모관(24)이 응축수회수배관(12)에 연결됨과 아울러 지면과 3 내지 7도의 경사각으로 경사지게 배치되는 다수의 U자형 튜브(21)와, 그 다수의 U자형 튜브(21)를 상기 응축수조(30)의 내에서 지지하는 지지부(22)를 포함하여 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 경수로의 피동형 이차측 응축계통의 구성과 작용을 보다 상세히 설명한다.

먼저 증기발생기(10)는 원자로에서 발생하는 잔열을 제거하며 격납건물의 내측에 위치하고, 밸브(V7)를 통해 주급수를 공급받으며, 밸브(V0)를 통해 주증기를 도면에는 생략되었지만 터빈으로 공급하여, 터빈의 회전에 의한 전력을 생산할 수 있게 된다.

이때, 증기공급배관(11)에 마련된 밸브(V1)는 열려 있는 상태이며, 그 응축수회수배관(12)의 상호 병렬 배치된 밸브(V5,V6)은 닫힌 상태로 유지된다.

이와 같은 밸브(V1)의 열림과 밸브(V5,V6)의 닫힘에 의해 본 발명 경수로의 피동형 이차측 응축계통은 동작을 하지 않는 상태에서, 그 열교환기(20)측으로 주증기가 공급되어 응축수조 냉각수 용량과 열 평형 상태로 유지됨으로서 이후 수격현상의 발생이 방지된다.

또한, 상기 증기공급배관(11)의 일부를 경사진 형태로 하여 상기 열교환 기(20)측으로 공급된 증기가 다시 증기발생기(10)측으로 역류하는 것을 방지한다.

이와 같은 상태에서 사고 발생 등의 이유로 경수로의 원자로가 정지되면, 증기발생기(10)에 충수가 요구되는 모든 사고의 발생시 상기 밸브들(V0, V7)이 닫혀 주급수의 증기발생기(10)로의 공급과, 그 증기발생기(10)에서 발생하는 주증기가 터빈으로 공급되는 것을 차단한다.

이와 같은 밸브들(V0, V7)의 차단에 의하여 증기가 상기 증기발생기(10)와 열교환기(20)를 지나는 폐회로가 형성되도록 한다.

상기 밸브들(V0, V7)이 닫힌 상태에서 상기 응축수회수배관(12)에 상호 병렬로 배치된 밸브(V5,V6)가 열리면 증기발생기(10)의 증기는 밸브(V1)를 통해 증기공급관(11)을 지나 열교환기(20)로 공급된다.

이때 열교환기(20)는 응축수조(30)에 충진된 냉각수에 잠겨 있으며, 그 증기는 열교환기(20)를 지나면서 응축된다.

상기 열교환기(20)는 다수의 U자형 튜브(21)를 구비하고 있으며, 그 다수의 U자형 튜브(21)의 사용으로 인하여 냉각수와의 접촉면적을 넓혀 응축효율을 보다 높일 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 U자형 튜브(21)를 사용함으로써 열교환기 높이를 낮출 수 있으므로 수직형 열교환기에서 나타나는 드럼 헤더의 열응력을 방지할 수 있고, 보다 저가격으로 설비가 가능하게 된다.

또한 U자형 튜브(21)들은 직선구간을 지면에 대하여 예각이 3 내지 7도의 범위 내에서 경사진 형태의 것을 사용하며, 그 상부모관(23)과 하부모관(24)이 각각 상하 수직방향으로 배치되어 있다.

이와 같은 배치형태는 원자로의 가동이 중단된 상태에서도 원자로에서는 잔열이 발생하며, 증기발생기(10)에서도 이에 상응하는 증기가 발생되어 압력이 높으며, 응축열교환기의 응축현상과 중력수두에 의한 자연적 대류현상에 의하여 그 증기들이 U자형 튜브(21)들을 지나면서 응축된다.

상기 열교환기(20)의 U자형 튜브들(21)은 열교환되는 증기의 이동 방향이 반대로 변경될 수 있도록 직선구간과 곡선으로 절곡된 구간을 가고 있으며, 그 곡선으로 절곡된 부분의 반대편에는 그 직선구간의 양단이 각각 상부모관(23)과 하부모관(24)에 연결되어 있다.

상기 직선구간은 3 내지 7도로 경사져 있어 증기의 압력과 함께 중력이 작용하도록 하여 비응축성기체의 배기가 보다 용이하며, 유동불안정이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한 종래 수직형 열교환기의 경우와 달리 U자형의 튜브(21)를 사용하는 열 교환기(20)는 그 상대적인 길이를 보다 길게 제작 할 수 있어 유체 유동양식을 일정하게 유지하여 수격작용을 방지하고, 열교환 효율을 높이며, 응축수조(30)의 높이를 낮출 수 있기 때문에 지진 등의 진동발생에 보다 안정적인 설치상태를 유지할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 적용되는 열교환기의 다른 실시예의 구성도이다.

도 3을 참조하면 본 발명에 적용되는 열교환기의 다른 실시예는, 응축되는 기체의 흐름의 진행방향이 서로 반대가 되는 방향으로 다수 회 진행할 수 있도록 곡선으로 절곡된 부분을 가지며, 그 절곡부분 이외에는 지면에 대하여 약 3 내지 7도의 예각으로 경사진 구조의 복수의 W자형 튜브(25)를 포함한다.

이와 같은 구조는 상기 열교환기(20)의 U자형 튜브(21)를 상하 이중으로 배치한 것이며, 그 복수의 W자형 튜브(25)를 사용할 때의 효과 또한 상기 설명한 U자형의 튜브(21)를 사용하였을 때와 동일하여 그 상세한 설명은 생략한다.

그리고 도 4는 본 발명에 적용되는 열교환기의 또 다른 실시예의 구성도이다.

도 4를 참조하면 본 발명에 적용되는 열교환기의 또 다른 실시예는, 응축되는 기체의 진행 방향이 변경되지 않도록 경사진 직선형 튜브(26)를 다수로 포함하여 구성된다.

상기 직선형 튜브(26)도 하향으로 3 내지 7도 경사진 상태이며, 따라서 다른 실시예들과는 다르게 상부모관(23)과 하부모관(24)이 수직방향으로 배치되지 않는다.

이와 같은 직선형 튜브(26)도 수직형과 수평형의 열교환기의 장점을 혼합한 것으로, 위에서 설명한 U자형 튜브(21)와 같은 작용을 한다.

또한 증기공급배관(11)과 열교환기(20)의 U자형 튜브(21), W자형 튜브(25) 또는 경사진 직선형 튜브(26)의 내에서 발생하는 비응축성기체는 밸브(V2, V4)를 통해 상기 증기발생기(10)에서 발생된 주증기가 터빈에 공급되는 상태에서 외부로 배기된다.

이와 같은 비응축성기체의 배기에 의해 원자로가 정지된 상태에서 그 증기발생기(10)의 잔열을 제거하는 동작에서는 열교환기(20)의 특성에 의해 비응축수 축적에 의한 유체흐름을 방해하지 않기 때문에 주기적인 비응축성기체의 배기가 요구되지 않으며, 따라서 증기발생기(10)의 수위 감소를 고려하여 설치한 종래의 보충수 탱크가 요구되지 않는다.

또한 대기상태에서 증기공급배관(11)에서 발생될 수 있는 응축수를 배수계통(V3)을 통해 배출하여, 응축수의 역류를 방지할 수 있다.

따라서 본 발명은 설비를 보다 단순화할 수 있으며, 설비비용을 절감할 수 있게 된다.

이와 같이 경사형 열교환기(20)를 통해 응축된 응축수는 밸브(V5, V6)을 통해 상기 증기발생기(10)로 재공급되며, 이때 역류방지부(40)를 통해 그 응축수가 다시 경사형 열교환기(20)측으로 역류하는 것을 방지할 수 있게 된다.

상기 서로 병렬 배치된 밸브(V5,V6) 각각은 서로 다른 구동수단에 의해 독립적으로 구동이 가능한 것이며, 예를 들어 각각 직류로 구동하는 전기 모터 밸브와 유압 구동 밸브를 사용하여 어떤 하나의 구동수단에 문제가 발생하는 경우에도 원활한 동작이 가능하다.

도 1은 본 발명 경수로의 피동 이차측 응축계통 바람직한 실시예의 구성도이다.

도 2는 도 1에서 경사형 열교환기의 상세 구성도이다.

도 3과 도 4는 각각 경사형 열교환기의 다른 실시 구성도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10:증기발생기 11:증기공급배관

12:응축수회수배관 20:경사형 열교환기

21:U자형 튜브 22:지지부

23:상부모관 24:하부모관

25:W자형 튜브 26:직선형 튜브

30:응축수조 40:역류방지부

Claims (11)

1. 원자로의 열에 의해 증기를 발생시키는 증기발생기;

   냉각수가 충진된 응축수조;

   상기 응축수조 내에 위치하여, 상기 증기발생기에서 발생된 증기를 증기공급배관을 통해 공급받도록 설치되는 상부모관과, 상기 상부모관의 하부에 연결되는 열교환기와, 상기 열교환기의 하측 단부에 연결되어 응축수를 배출하는 하부모관;

   상기 하부모관에 연결되어 상기 열교환기의 응축수를 상기 증기발생기로 공급하는 응축수회수배관을 포함하되,

   상기 열교환기는, 경사진 두 직선구간과 상기 두 직선구간 사이를 연결하는 곡선 절곡구간으로 이루어진 U자형 부분이 하나 이상 형성된 튜브가 다수 개 병렬로 설치된 것으로 이루어지고,

   상기 열교환기의 두 직선구간은 하향 경사지되, 지면과 이루는 예각이 3 내지 7도인 것으로 이루어지는 경수로의 피동 이차측 응축계통.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 열교환기의 튜브는 다수의 곡선 절곡구간에 의해 연결되어 증기의 진행방향이 반대로 변경하는 다수의 하향 경사진 직선구간으로 이루어진 경수로의 피동 이차측 응축계통.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 응축수회수배관에는,

   상기 열교환기에서 응축된 응축수가 다시 상기 열교환기로 역류하는 것을 방지하는 역류방지부가 마련된 것을 특징으로 하는 경수로의 피동 이차측 응축계통.
8. 제1항에 있어서,

   상기 원자로가 정상상태로 동작할 때 상기 증기공급배관에 마련된 밸브를 열고, 상기 응축수회수배관에 마련된 밸브를 닫아 주증기의 일부가 상기 열교환기로 공급되도록 하며, 주급수가 상실되어 원자로 잔열을 증기발생기를 통하여 제거가 필요한 사고 발생시 상기 응축수회수배관에 마련된 밸브를 열어 상기 증기발생기를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 경수로의 피동 이차측 응축계통
9. 제8항에 있어서,

   상기 응축수회수배관에 마련된 밸브는,

   다수의 밸브가 서로 병렬로 배치되며,

   상호 서로 다른 구동수단에 의해 독립적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 경수로의 피동 이차측 응축계통.
10. 제9항에 있어서,

    병렬 연결된 다수의 밸브는 각각 직류전원에 의해 동작되는 전기 구동 밸브 또는 유압 구동 밸브인 것을 특징으로 하는 경수로의 피동 이차측 응축계통.
11. 제1항에 있어서,

    상기 증기공급배관에는 상기 원자로가 정상적으로 동작하는 상태에서 상기 증기공급배관에서 응축된 응축수를 배출하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 경수로의 피동 이차측 응축계통.

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