KR101188545B1 - 나선형 전열관을 사용하는 증기발생기의 ｙ 형상 급수 및 증기 헤더 - Google Patents

나선형 전열관을 사용하는 증기발생기의 ｙ 형상 급수 및 증기 헤더 Download PDF

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Abstract

일체형 원자로의 증기발생기에서 원자로용기에 형성된 급수 노즐 및 증기 노즐에 구비되는 급수 및 증기 헤더가 개시된다. Ｙ 형상의 증기발생기 급수 및 증기 헤더는, 원자로용기의 증기 노즐 또는 급수 노즐에 연결되는 노즐 연결부, 상기 노즐 연결부 하부에서 외측으로 돌출 형성된 플랜지부 및 상기 노즐 연결부에서 2개로 분지된 관로 상에 각각 구비되며 증기발생기의 전열관에 연결되는 전열관 연결부를 포함하여 구성된다.

Description

나선형 전열관을 사용하는 증기발생기의 Ｙ 형상 급수 및 증기 헤더{Y-SHAPED FEED WATER AND STEAM HEADER OF STEAM GENERATOR WITH SPIRAL TUBE}
본 발명은 원자력발전소의 가압경수로 형태의 일체형 원자로의 급수노즐 및 증기노즐에 연결되는 증기발생기 헤더에 관한 것이다.
원자력 발전에서는 우라늄과 같은 물질의 핵이 가지고 있는 막대한 에너지를 이용한다. 원자핵이 분열되거나 융합될 때 발생되는 원자력 에너지를 천천히 발산시켜 전기에너지로 변환시키기 위하여 가압 경수로, 가압 중수로, 비등경수로, 액체금속로 등 다양한 형태의 원자로가 이용되고 있다.
가압경수로 계통은 원자로, 증기발생기, 원자로 냉각재 펌프(reactor cooling pump, RCP) 그리고 가압기 등으로 이루어지며, 각 구성 요소들을 연결하는 저온관(Cold Leg)과 고온관(Hot Leg)의 배관에 의해 냉각재 순환 회로가 이루어진다.
원자력발전소 증기발생기는 노심에서 가열된 원자로냉각재의 열을 이용하여 2차 냉각수를 가열하여 원자로 출력운전 중 증기를 생산하여 터빈을 회전시켜 전기를 발생하며, 원자로 냉각 및 사고 시에는 1차 계통의 잔열을 제거하는 기기이다.
상용 원자력발전소의 증기발생기는 원자로용기와 배관으로 연결된 분리 방식으로, 전열관들이 U자 형태로 1차 계통의 고온의 원자로냉각재가 전열관 안쪽을 흐르는 재순환식 U 튜브형 증기발생기이다.
일체형 원자로 SMART에서 증기발생기는 상용 원전과 달리 원자로용기 내부에 증기발생기가 내장되는 관류식 나선형 증기발생기 형태를 가진다. 그리고 증기발생기는 2차측 냉각수를 전열관 내부로 순환시켜 전열관 외부로 흐르는 1차측 원자로냉각재와의 열교환에 의해 과열증기를 직접 생산하고 원자로 냉각운전 및 사고 시에는 1차 계통의 잔열을 제거하는 기능을 수행한다.
일체형 원자로에 사용된 관류식 나선형 증기발생기의 전열관들은 나선형으로 제작되어 내통을 감싸는 형태로 동심원을 이루며 여러 개의 열로 감겨있으며, 이웃한 열을 구성하는 전열관들은 감긴 방향을 서로 반대가 되도록 서로 교차되어 증기발생기의 급수 및 증기 헤더에 연결되는 형태를 갖는다.
이러한 일체형 원자로에서 증기발생기에 대해서는 Mario D. Carelli의 "The design and safety feature of the IRIS reactor"((2004) Nuclear engineering and design 230 p.151~167)에 기재되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 원자로용기 내부에 증기발생기가 설치되는 원자로에서 증기발생기의 급수 및 증기 헤더를 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 실시예들에 따른 Ｙ 형상의 증기발생기 급수 및 증기 헤더는, 원자로용기의 증기 노즐 또는 급수 노즐에 연결되는 노즐 연결부, 상기 노즐 연결부 하부에서 외측으로 돌출 형성된 플랜지부 및 상기 노즐 연결부에서 2개로 분지된 관로 상에 각각 구비되며 증기발생기의 전열관에 연결되는 전열관 연결부를 포함하여 구성된다.
일 측에 따르면, 상기 전열관 연결부는 상기 노즐 연결부를 기준으로 양쪽으로 일정 각도 벌어진 형상을 갖는다. 예를 들어, 상기 전열관 연결부 사이는 노즐연결부 기준 90°로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전열관 연결부에는 다수의 전열관이 연결되는 관판이 구비된다.
일 측에 따르면, 상기 노즐 연결부의 단부에는 상기 증기 노즐 또는 상기 급수 노즐에 체결되는 체결부가 형성된다.
한편, 상술한 본 발명의 다른 실시예들에 따른 일체형 원자로의 증기발생기는, 원자로용기, 상기 원자로용기 내부에 구비되어 다수의 전열관이 코일 형태로 권선되어 구비된 증기발생기, 상기 원자로용기 하부에 구비되어 상기 증기발생기에 냉각수를 주입하는 급수 노즐, 상기 원자로용기 상부에 구비되어 상기 증기발생기에서 발생한 증기를 배출시키는 증기 노즐 및 상기 급수 노즐 및 상기 증기 노즐에 부착되며 상기 급수 노즐 및 상기 증기 노즐과 전열관을 각각 연결시키는 Ｙ 형상의 급수 및 증기 헤더를 포함하여 구성된다.
일 측에 따르면, Ｙ 형상의 증기발생기 급수 및 증기 헤더는, 상기 증기 노즐 또는 상기 급수 노즐에 삽입 연결되는 노즐 연결부, 상기 노즐 연결부 하부에서 외측으로 돌출 형성된 플랜지부 및 상기 노즐 연결부에서 2개로 분지된 관로 상에 각각 구비되며 상기 전열관에 연결되는 전열관 연결부를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 전열관 연결부는 상기 노즐 연결부를 기준으로 양쪽으로 일정 각도 벌어진 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 전열관 연결부 사이는 90° 벌어지게 형성될 수 있다. 또한, 상기 전열관 연결부에는 다수의 전열관이 연결되는 관판이 구비될 수 있다. 그리고 상기 노즐 연결부의 단부에는 상기 증기 노즐 또는 상기 급수 노즐에 체결되는 체결부가 형성될 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 일체형 원자로용 증기발생기의 급수 및 증기 헤더를 제공하며, 일체형 원자로의 특성에 맞게 작은 공간에 설치가 가능한 형태를 갖는다
또한, 원자로용기의 급수 및 증기노즐과 증기발생기의 급수 및 증기 헤더가 체결성 및 밀봉성이 우수하며, 설치와 해체가 용이하다.
또한, 나선형으로 교차된 전열관과의 연결이 용이하고, 증기발생기의 전열관에 대해서 가동중 검사를 가능하도록 전열관에 접근 및 작업이 가능하도록 제작된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급수 및 증기 헤더의 사시도이다.
도 2는 도 1의 급수 및 증기 헤더에서 단면도와 평면도들이다.
도 3은 도 1의 급수 및 증기 헤더가 증기 노즐에 연결된 상태를 도시한 요부 단면도이다.
도 4는 도 1의 급수 및 증기 헤더가 급수 노즐에 연결된 상태를 도시한 요부 단면도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 증기발생기의 급수 및 증기 헤더(100)에 대해서 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급수 및 증기 헤더(100)의 사시도이다. 그리고 도 2는 도 1의 급수 및 증기 헤더(100)의 단면도와 각 방향에서 본 평면도들이다. 그리고 도 3은 도 1의 급수 및 증기 헤더(100)가 증기발생기(20)의 증기 노즐(23)에 연결된 상태를 도시한 요부 단면도이고, 도 4는 도 1의 급수 및 증기 헤더(100)가 급수 노즐(24)에 연결된 상태를 도시한 요부 단면도이다.
도면을 참조하면, 증기발생기(20)는 다수의 전열관(heat transfer tube)(25) 다발이 헬리컬 코일 형태로 권선되고, 전열관(25)의 외측으로 노심에서 가열된 원자로냉각재가 유동하고 전열관(25)의 내측으로는 2차 냉각수가 유동된다. 그리고 고온, 고압의 원자로냉각재의 열로 2차 냉각수를 가열하여 증기를 생산한다. 예를 들어, 전열관(25)은 증기발생기(20)의 내부 원통을 따라 소정 각도 경사지게 권선되며, 홀수 열은 시계 방향으로 권선되고 짝수 열은 반시계 방향으로 권선되는 것과 같이 중첩되게 권선될 수 있다.
참고적으로, 일체형 원자로 증기발생기(20)의 상세한 기술구성은 공지의 기술로부터 이해 가능하며 본 발명의 요지가 아니므로 자세한 설명 및 도시를 생략하고 주요 구성요소에 대해서만 간략하게 설명한다.
증기발생기(20) 하부의 급수헤더에는 전열관(25)으로 물을 공급하는 급수 노즐(24)이 연결되고, 전열관(25)을 통해 발생한 증기가 배출되는 증기 노즐(23)은 증기발생기(20)의 상부의 증기헤더에 연결된다.
급수 및 증기 헤더(header)(100)는 원자로용기(21)의 증기 노즐(23)과 급수 노즐(24)에 연결되도록 원자로용기(21) 내측에 고정 구비된다. 급수 및 증기 헤더(100)는 증기발생기(20) 상부 구조물 내측에 구비되어 전열관(25)에서 발생한 과열증기를 포집하여 증기 노즐(23)로 안내한다. 그리고 급수 및 증기 헤더(100)는 증기발생기(20)의 하부 구조물 내측에 구비되어 급수 노즐(24)을 통해 공급되는 2차 냉각수를 전열관(25)에 분배하는 역할을 한다.
또한, 급수 및 증기 헤더(100)는 증기 노즐(23) 및 급수 노즐(24)에 동일한 구조를 갖는 급수 및 증기 헤더(100)가 연결되도록 형성된다.
상세하게는, 급수 및 증기 헤더(100)는 증기 노즐(23) 및 급수 노즐(24)에 각각 연결되는 노즐 연결부(111)에서 2개의 분지된 관로 상에 전열관 연결부(115, 117)가 구비된 Y 형상의 하우징(110)을 포함하여 구성된다. 급수 및 증기 헤더(100)는 원자로용기(21) 내측에 구비되며, 스터드 볼트와 같은 체결부재(112a)를 이용하여 증기발생기(20)가 원자로용기(21)에 고정된다. 도면에서 미설명 도면부호 112는 급수 및 증기 헤더(100)를 원자로용기(21) 내의 급수 노즐(24) 또는 증기 노즐(23)에 고정시키는 체결부(112)이다.
노즐 연결부(111)는 증기 노즐(23) 및 급수 노즐(24)에 삽입 가능하도록 원통형으로 형성되어, 상기 급수 노즐(24) 및 증기 노즐(23)에 삽입되며, 노즐 연결부(111)를 통해 유입된 2차 냉각수가 전열관(25)으로 원활하게 유입될 수 있도록 유로를 제공한다.
그리고 노즐 연결부(111)의 단부에서 체결부재(112a)를 이용하여 급수 노즐(24) 및 증기 노즐(23)에 체결된다.
노즐 연결부(111)가 체결되는 부분의 반대쪽 타단부에는 외측으로 돌출된 플랜지부(header flange)(113)가 구비된다. 플랜지부(113)는 노즐 연결부(111)보다 외측으로 돌출 형성되며, 노즐 연결부(111) 둘레를 따르는 원형으로 형성될 수 있다. 플랜지부(113)는, 도 3 또는 도 4에 도시한 바와 같이, 원자로용기(21) 내측면에 접촉되어 결합되는 부분이다.
여기서, 증기발생기(20)의 급수 노즐(24) 및 증기 노즐(23)과 급수 및 증기 헤더(100)를 밀봉시키기 위해서, 플랜지부(113)에는 밀봉부재(미도시)가 구비된다. 예를 들어, 플랜지부(113)에는 밀봉을 위한 O-링(O-ring)이 구비되는 오링 홈(114)이 형성된다. 또한, 플랜지부(113)는 2개의 O-링이 구비될 수 있도록 일정 간격을 두고 동심원 형태로 2개의 오링 홈(114)이 형성된다.
전열관 연결부(115, 117)는 다수의 나선형 전열관(25)이 고정되는 고정단을 제공할 수 있도록 2개의 관판이 구비되며, 관판으로 구성된 공간을 통하여 급수 및 증기를 공급한다. 또한, 급수 및 증기 헤더(100) 내부로 전열관(25)의 가동중검사를 수행할 수 있도록 전열관(25)을 배치할 수 있다.
전열관 연결부(115, 117)는 나선형으로 서로 교차되는 전열관(25)을 연결할 수 있도록 2개의 전열관 연결부(115, 117)가 노즐 연결부(111)를 기준으로 하여 90° 각도로 벌어져서 형성될 수 있다. 전열관 연결부(115, 117)를 이와 같이 소정 각도로 벌어지게 형성함으로써 전열관(25)이 관판에 쉽게 연결될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 급수 및 증기 헤더(100)는 하우징(110) 내부에 노즐 연결부(111)에서 전열관 연결부(115, 117)로 이어지는 Y 형 유로가 형성된다. 따라서 노즐 연결부(111)를 통해 유입된 2차 냉각수가 전열관으로 원활하게 공급되고, 전열관(25)에서 발생한 증기는 노즐 연결부(111)를 통해 증기 노즐(23)로 원활하게 방출된다. 또한, 본 실시예에 따르면, 급수 및 증기 헤더(100)는 1차측 냉각재의 유로 차단을 최소화하여 전열효율을 크게 한다. 또한, 90°의 분리된 관판에 전열관(25)이 연결되므로, 단일 관판을 사용하는 것에 비해서 증기발생기(20)의 전체 크기와 체적을 축소할 수 있어서, 일체형 원자로의 증기발생기(20)에 사용할 수 있도록 크기가 작은 급수 및 증기 헤더(100)를 제공할 수 있다.
또한, 증기 노즐(23) 및 급수 노즐(24)에 동일한 급수 및 증기 헤더(100)를 사용할 수 있다. 또한, 체결부재(112a)를 스터드 볼트로 원자로용기(21)와 급수 및 증기 헤더(100)를 고정시키므로, 급수 및 증기 헤더(100)의 고정 방법이 단순하여 다양한 일체형 원자로에 활용할 수 있다.
또한, 급수 및 증기 헤더(100)를 통해 전열관(25)의 가동중검사를 용이하게 실시할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
20: 증기발생기
21: 원자로용기
23: 증기 노즐
24: 급수 노즐
25: 전열관
100: 급수 및 증기 헤더(header)
110: 하우징
111: 노즐 연결부
112: 체결부
112a: 체결부재
113: 플랜지부(header flange)
114: 오링 홈
115, 117: 전열관 연결부

Claims (11)

  1. 일체형 원자로용 증기발생기에 있어서,
    원자로용기의 증기 노즐 또는 급수 노즐에 연결되는 노즐 연결부;
    상기 노즐 연결부 하부에서 외측으로 돌출 형성된 플랜지부; 및
    상기 노즐 연결부에서 2개로 분지된 관로 상에 각각 구비되며 증기발생기의 전열관에 연결되는 전열관 연결부;
    를 포함하는 Ｙ 형상의 증기발생기 급수 및 증기 헤더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전열관 연결부는 상기 노즐 연결부를 기준으로 양쪽으로 일정 각도 벌어진 형상으로 갖는 Ｙ 형상의 증기발생기 급수 및 증기 헤더.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전열관 연결부 사이는 90° 벌어지게 형성된 Ｙ 형상의 증기발생기 급수 및 증기 헤더.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전열관 연결부에는 다수의 전열관이 연결되는 관판이 구비된 Ｙ 형상의 증기발생기 급수 및 증기 헤더.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 연결부의 단부에는 상기 증기 노즐 또는 상기 급수 노즐에 체결되는 체결부가 형성된 Ｙ 형상의 증기발생기 급수 및 증기 헤더.
  6. 원자로용기;
    상기 원자로용기 내부에 구비되어 다수의 전열관이 코일 형태로 권선되어 구비된 증기발생기;
    상기 원자로용기 하부에 구비되어 상기 증기발생기에 냉각수를 주입하는 급수 노즐;
    상기 원자로용기 상부에 구비되어 상기 증기발생기에서 발생한 증기를 배출시키는 증기 노즐; 및
    상기 원자로용기 내부에서 상기 급수 노즐 및 상기 증기 노즐과 상기 증기 노즐과 상기 증기발생기를 각각 연결시키는 Ｙ 형상의 급수 및 증기 헤더;
    를 포함하는 일체형 원자로 증기발생기.
  7. 제6항에 있어서,
    Ｙ 형상의 증기발생기 급수 및 증기 헤더는,
    상기 증기 노즐 또는 상기 급수 노즐에 삽입 연결되는 노즐 연결부;
    상기 노즐 연결부 하부에서 외측으로 돌출 형성된 플랜지부; 및
    상기 노즐 연결부에서 2개로 분지된 관로 상에 각각 구비되며 상기 전열관에 연결되는 전열관 연결부;
    를 포함하는 일체형 원자로 증기발생기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전열관 연결부는 상기 노즐 연결부를 기준으로 양쪽으로 일정 각도 벌어진 형상으로 갖는 일체형 원자로 증기발생기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전열관 연결부 사이는 90° 벌어지게 형성된 일체형 원자로 증기발생기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전열관 연결부에는 다수의 전열관이 연결되는 관판이 구비된 일체형 원자로 증기발생기.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 노즐 연결부의 단부에는 상기 증기 노즐 또는 상기 급수 노즐에 체결되는 체결부가 형성된 일체형 원자로 증기발생기.
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