KR101555570B1 - 혼합형 안전주입탱크 상부에 설치된 증기 가압용 디퓨져 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안전주입탱크 내 가압배관에 설치되는"SIT 가압용 디퓨져"는 가압기로부터 안전주입탱크로 분사되는 증기제트가 수면을 직접 충돌하지 않도록 제트유동의 운동량을 분산시키며, 이는 수면 형상의 변화를 억제하여 탱크 내 분사된 증기와 저장된 저온수 간의 열전달 면적을 줄이며 수면에 도달하는 유동의 운동량 감소에 의해 증기 응축률을 획기적으로 감소시켜 가압기에 의한 안전주입탱크의 가압능력 저하를 최소화한 혼합형 안전주입탱크 상부에 설치된 증기 가압용 디퓨져에 관한 것이다.

Description

혼합형 안전주입탱크 상부에 설치된 증기 가압용 디퓨져{Diffuser for improvement of pressurization performance using steam jet flow control in hybrid safety injection tank}

본 발명은 안전주입탱크 내 발생하는 열전달과 증기응축에 의한 물질전달을 최소화시켜 가압성능을 향상시킬 수 있는 혼합형 안전주입탱크 상부에 설치된 증기 가압용 디퓨져이며, 보다 구체적으로 안전주입탱크 내 가압배관에 설치되는 "SIT 가압용 디퓨져" 는 가압기로부터 안전주입탱크로 분사되는 증기제트가 수면에 직접 충돌하지 않도록 제트유동의 운동량을 분산시키며, 이는 수면 형상의 변화를 억제하여 탱크 내 분사된 증기와 저장된 저 온수 간의 열전달 면적을 줄이며 수면에 도달하는 유동 운동량 감소에 의해 증기 응축률을 획기적으로 감소시켜 가압기에 의한 안전주입탱크의 가압능력 저하를 최소화한 혼합형 안전주입탱크 상부에 설치된 증기 가압용 디퓨져에 관한 것이다.

혼합형 안전주입탱크(Hybrid SIT, 이하 안전주입탱크)는 원자로 저압 및 고압상태에서 안전주입 기능을 수행하도록 고안되었으며, 고압 사고시 가압기의 고압증기가 제트 유통 형태로 안전주입탱크로 들어가 가압기와 압력 평행을 이루기까지 안전주입탱크를 가압시킨다.

이 때 분사된 증기제트는 안전주입탱크의 내부 수면과 충돌하여 수면의 형상을 변화시키고 수면 면적을 증가시킨다. 이로 인해 가압기로부터 분사된 고온증기와 안전주입탱크 내 저온수 간의 열전달과 증기 응축에 의한 물질전달이 증가하여, 가압기의 고압증기로 안전주입탱크의 압력을 높이고자 하는 가압 성능을 저하시킬 우려가 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0010514호에는 안전주입탱크와 원자로를 연결하는 안전주입배관에 오리피스를 설치하여 장기간에 걸쳐 안전주입탱크 내부에 저장된 물을 원자로에 공급할 수 있는 안전주입탱크를 이용한 피동안전주입계통을 제공하는데 그 목적이 있으나, 본 발명의 기술적 구성은 안전주입탱크 말단에 디퓨져를 설치하여 증기를 안정화시켜 가압성능을 높이는데 있으므로 양자는 구체적인 기술적 과제, 기술적 구성 및 작용효과에서 차이가 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0038638에는 상부가스의 량을 줄이고, 탱크로부터 주입되는 비상노심 냉각수의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 온도조절장치를 구비한 안전주입탱크에 관한 것이나, 본 발명의 기술적 구성은 안전주입탱크 말단에 디퓨져를 설치하여 증기를 안정화시켜 가압성능을 높이는데 있으므로 양자는 구체적인 기술적 과제, 기술적 구성 및 작용효과에서 차이가 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 하이브리드 안전주입탱크 내 유입된 증기제트 유동을 제어하여 증기제트가 수면에 미치는 영향을 최소화시키고, 탱크 내 가압효과를 증대시키는데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 기존 기술의 하이브리드 안전주입탱크 내 수면의 늘어남(Stretching)에 수반하는 고온 증기와 저온 저장수 간 열전달 및 증기응축 발생을 최소화시키고, 안전주입탱크의 가압성능을 획기적으로 높일 수 있으며, 탱크 내 증기제트와 수면의 충돌로 인하여 발생할 수 있는 유동의 불안정성, 구조물에 가해지는 열충격 및 유동하중을 크게 줄이는데 있다.

본 발명 과제의 해결 수단은 증기제트를 원자력 발전소의 안전주입탱크 상부에서 분산시켜 혼합형 안전주입탱크를 가압하기 위해 안전주입탱크 내부의 연결배관 말단부에 증기 제트를 주입하기 위한 증기 제트 가압용 디퓨져를 설치하되, 증기제트가 측면으로만 분사되도록 측면에 2개 이상의 분사용 구멍을 설정된 간격으로 형성함을 특징으로 하는 안전주입탱크 가압용 디퓨져를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 증기제트를 원자력 발전소의 안전주입탱크 상부에서 분산시켜 혼합형 안전주입탱크를 가압하기 위해 안전주입탱크 내부의 연결배관 말단부에 증기 제트를 주입하기 위한 증기 제트 가압용 디퓨져를 설치하되, 안전주입탱크 가압용 디퓨져의 하부면에 구멍을 형성하고, 측면에 2개 이상의 구멍을 설정된 간격으로 형성된 안전주입탱크 가압용 디퓨져를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 상기 안전주입탱크 가압용 디퓨져를 안전주입탱크 내부의 연결배관 말단부에 체결 고정하되, 연결배관 말단부에는 수나사를 형성하고, 연결배관 말단부에는 수나사와 체결할 수 있도록 디퓨져 상부에 형성된 체결구에 암나사를 형성시켜 서로 체결 고정하도록 구성된 안전주입탱크 가압용 디퓨져를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 안전주입탱크(SIT) 가압용 디퓨져에 형성된 구멍 면적의 합이 증기 제트를 공급하는 안전주입탱크 내부의 연결배관의 단면적과 동일 내지 유사하게 형성된 안전주입탱크 가압용 디퓨져를 제공하는데 있다.

본 발명은 하이브리드 안전주입탱크 내 유입된 증기제트 유동을 제어하여 증기제트가 수면에 미치는 영향을 최소화시키고, 탱크 내 가압효과를 증대하는 것이다.

또한, 본 발명에 의하면 기존 기술의 하이브리드 안전주입탱크 내 수면의 늘어남(Stretching)에 수반하는 고온 증기와 저온 저장수 간 열전달 및 증기응축 발생을 최소화시키고, 안전주입탱크의 가압성능을 획기적으로 높일 뿐 아니라, 탱크 내 증기제트와 수면의 충돌로 인하여 발생할 수 있는 유동의 불안정성, 구조물에 가해지는 열충격 및 유동하중을 크게 줄일 수 있는 유리한 효과를 가진다.

도 1은 기존 기술의 하이브리드 안전주입탱크 계통 개념도를 나타낸 것이다.
도 2는 기존 기술의 하이브리드 안전주입탱크 개념도를 도시한 것이다.
도 3은 기존 기술의 하이브리드 안전주입탱크에서 유입증기 유량별 시간에 따른 압력변화(a) 및 수위변화(b)를 나타낸 것이다.
도 4는 기존 기술의 하이브리드 안전주입탱크에서 유입증기 유량(좌: 13kg/s, 우: 23kg/s)에 따른 수면형성 패턴을 도시한 것이다.
도 5는 디퓨져의 3가지(a, b, c)를 도시한 것이다.
도 6은 증기제트 분산을 적용한 안전주입탱크에서 유입증기 유량별 시간에 따른 압력변화(a) 및 수위변화(b)를 도시한 것이다.
도 7은 증기제트 분산을 적용한 안전주입탱크에서 유입증기 유량(좌: 13kg/s, 우: 23kg/s)에 따른 수면형성 패턴을 도시한 것이다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.

본 발명은 안전주입탱크 내 발생하는 열전달과 증기응축에 의한 물질전달을 최소화시켜 가압성능을 제고하는 방법을 제시한다. 안전주입탱크 내 가압배관에 설치되는 "SIT 가압용 디퓨져"는 가압기로부터 안전주입탱크로 분사되는 증기제트가 수면을 직접 충돌하지 않도록 제트유동의 운동량을 분산시킨다. 이는 수면 형상의 변화를 억제하여 탱크 내 분사된 증기와 저장된 저온수 간의 열전달 면적을 줄이게 된다. 그리고 수면에 도달하는 유동의 운동량 감소에 의해 증기 응축률을 획기적으로 감소시켜 가압기에 의한 안전주입탱크의 가압능력 저하를 최소화한다. 본 발명의 구체적인 실시 예를 살펴본다.

<실시 예>

본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다.

도 1은 기존의 하이브리드 안전주입탱크 계통의 개념도를 나타낸다. 발전소 고압 사고 시, 17.2 MPa에서 (a)가압기-안전주입탱크(PZR-to-SIT) 연결밸브가 개방되면서 (b)가압기, (c)원자로와 닫힌회로를 만들어 원자로와 (d)안전주입탱크의 수두차에 의해 냉각수를 원자로로 주입하는 원리로 작동된다.

도 2는 기존의 하이브리드 안전주입탱크 개념도를 나타낸다. 가압배관 연결부를 통해 가압기로부터 고온고압의 증기가 유입되어 탱크 내 상부의 비응축 가스 공간을 충전하면서 가압이 이루어진다.

도 3은 안전주입탱크에 유입되는 증기 유량별로 안전주입탱크 내부에서 시간에 따른 압력변화와 안전주입탱크 내 수위변화를 해석한 결과 그래프이다.

기존의 하이브리드 안전주입탱크에서는 유입되는 증기의 유량이 증가하면서 오히려 가압성능은 저하되고, 일정 유량 이상에서 안전주입탱크의 압력이 정체된다. 그리고 안전주입탱크 내부의 수위변화로부터 증기유량이 증가할수록 안전주입탱크 내부 응축률도 급격히 증가한다.

도 4는 유량에 따른 안전주입탱크 내 수면변화 패턴의 차이를 나타내는데 유량이 큰 쪽은 제트 충돌에 의해 수면 변화가 심하고 수면 면적이 크게 증가하였다. 이는 열전달과 응축이 급격히 발생하는 원인이 된다.

보다 구체적으로, 본 발명은 하이브리드 안전주입탱크 내 유입된 증기제트 유동을 제어하여 증기제트가 수면에 미치는 영향을 최소화시키고, 탱크 내 가압효과를 증대하는 것이다.

본 발명에 따라 설계 제작된 디퓨져를 설치할 경우에, 기존 기술의 하이브리드 안전주입탱크 내 수면의 늘어남(Stretching)에 수반하는 고온 증기와 저온 저장수 간 열전달 및 증기응축 발생을 최소화시키고, 안전주입탱크의 가압성능을 획기적으로 높일 뿐 아니라, 탱크 내 증기제트와 수면의 충돌로 인하여 발생할 수 있는 유동의 불안정성, 구조물에 가해지는 열충격 및 유동하중을 크게 줄이는 작용효과가 있다.

도 5는 본 발명에 따라 설계 제작된 안전주입탱크 상부에 설치되는 디퓨져의 3가지(a, b, c) 형태를 도시한 것이다.

본 발명의 제안에 따라 증기제트를 분산시키기 위해 안전주입탱크 내 연결배관 말단부에 안전주입탱크(SIT) 가압용 디퓨져를 설치한다(도 2 참조).

본 발명에 따른 안전주입탱크(SIT) 가압용 디퓨져는 안전주입탱크(SIT)의 상부 중앙에 설치된 연결배관 말단부에 연결 설치된다(도 2 참조).

안전주입탱크(SIT) 가압용 디퓨져는 도 5에서와 같이 (a, b, c) 형상으로 설계 제작할 수 있다.

안전주입탱크(SIT) 가압용 디퓨져를 연결배관 말단부에 고정 설치하는 수단은 통상의 배관을 연결하는 것과 동일하게 일측에 암나사를 형성하고 다른 일측에 수나사를 형성하여 서로 견고하게 체결하는 것이다.

또 다른 설치 방법은 용접으로 고정 설치할 수도 있다.

보다 구체적으로, 상기 안전주입탱크 가압용 디퓨져를 안전주입탱크 내부의 연결배관 말단부에 체결 고정하되, 연결배관 말단부에는 수나사를 형성하고, 연결배관 말단부에는 수나사와 체결되는 디퓨져 상부에 암나사를 형성시켜 서로 체결 고정할 수 있다.

도 5의 (a)는 디퓨져의 하부를 밀폐시킨 구조로 증기제트가 측면으로만 분사되도록 측면에 2개 이상의 분사용 구멍을 일정한(설정된) 간격으로 형성시킨 안전주입탱크(SIT) 가압용 디퓨져이다.

이 경우에, 안전주입탱크(SIT) 가압용 디퓨져의 내부의 압력이 증가하고 분사량이 크게 증가시키는데 제한이 있을 수 있다.

도 5의 (b)는 안전주입탱크(SIT) 가압용 디퓨져의 하부면에 반경 r 크기의 구멍(연결배관의 반경 일 수도 있음)을 형성하고, 측면에 2개 이상의 구멍을 일정한 간격으로 형성한 것이다.

이 경우에, 안전주입탱크(SIT) 가압용 디퓨져의 내부의 압력이 증가하고 분사량이 크게 증가시킬 수 있는 유리한 효과가 있으나, 증기 제트가 수면과 충돌하여 응축이 발생할 수 있는 여지가 있다.

도 5의 (c)는 안전주입탱크(SIT) 가압용 디퓨져의 하부면에 반경 2r/3 크기의 구멍을 형성하고, 측면에 2개 이상의 구멍을 일정한 간격으로 형성한 것이다. 이는 도 5의 (b)보다 증기 제트와 수면과 충돌로 인하여 응축 발생이 감소한다.

안전주입탱크 가압용 디퓨져의 하부면에 형성되는 구멍의 직경은 안전주입탱크 내부의 연결배관의 반경 r 내지 2r/3 크기로 형성하는 것이 바람직하나, 이를 변형할 수 있다.

도 5의 (a) 내지 (c)에서 구멍의 크기와 구멍의 형성 위치는 다양하게 변형하여 적용할 수 있다.

안전주입탱크(SIT) 가압용 디퓨져의 측면에 형성되는 구멍은 3 내지 7 개 정도가 바람직하며, 형성된 구멍 면적의 합이 증기 제트를 공급하는 배관의 단면적과 동일 내지 유사하게 형성하는 것이 바람직하다.

안전주입탱크(SIT) 가압용 디퓨져의 하부면의 직경은 증기제트를 안전주입탱크 내로 분출하기 위한 연결배관의 직경과 동일하거나, 크게 형성하는 것이 바람직하나, 경우에 따라서 증기 제트의 압력 등을 고려하여 작게 형성할 수도 있다.

명세서 상의 상부 및 하부는 도면을 기준으로 기재한 것이며, 이러한 기재는 도면을 통해 용이하게 이해할 수 있고, 그 변형 또한 가능하다.

도 6은 증기제트 분산을 적용한 안전주입탱크에서 유입증기 유량별 시간에 따른 압력변화(a) 및 수위변화(b)를 도시한 것이다.

도 7은 증기제트 분산을 적용한 안전주입탱크에서 유입증기 유량(좌: 13kg/s, 우: 23kg/s)에 따른 수면형성 패턴을 도시한 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 SIT 가압용 디퓨져를 설치하고 유입되는 증기의 유량별로 안전주입탱크 내부에서 시간에 따른 압력 변화와 탱크 내 수위변화를 해석한 결과의 그래프이다. 기존의 안전주입탱크가 보이는 내부 압력변화와는 달리 유입 증기유량이 증가할수록 가압이 더 빠르게 이루어진다.

또한 수위의 변화에서도 본 발명에 따른 디퓨져를 설치하여 증기제트를 분산시켰을 때, 안전주입탱크 내 유입 증기의 응축율은 오히려 증기가 응축되지 않고 고온의 증기에 의해 저온수의 수면이 가열되고 증발하여 수위가 내려가 탱크를 가압시키는 데에 기여한다. 이는 증기제트가 분산되면서 수면에 집중된 운동량이 분산되고 수면의 변화가 줄어들었기 때문이다. 증기제트가 분산된 안전주입탱크 내의 수면 형성패턴은 도 7과 같다.

본 발명은 안전주입탱크 내 가압배관에 설치되는 "SIT 가압용 디퓨져"는 가압기로부터 안전주입탱크로 분사되는 증기제트가 수면을 직접 충돌하지 않도록 제트유동의 운동량을 분산시키며, 이는 수면 형상의 변화를 억제하여 탱크 내 분사된 증기와 저장된 저온수 간의 열전달 면적을 줄이며 수면에 도달하는 유동의 운동량 감소에 의해 증기 응축률을 획기적으로 감소시켜 가압기에 의한 안전주입탱크의 가압능력 저하를 최소화한 혼합형 안전주입탱크 상부에 설치된 증기 가압용 디퓨져를 제공할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

Claims (6)

1. 증기제트를 원자력 발전소의 안전주입탱크 상부에서 분산시켜 혼합형 안전주입탱크를 가압하기 위한 디퓨져에 있어서,
   일측에 암나사를 형성하고 다른 일측에 수나사를 형성하여 견고하게 안전주입탱크 내부의 연결배관 말단부에 설치되며,
   디퓨져에서 분사되는 증기 제트와 수면과 충돌로 인하여 발생하는 응축을 감소시키며 제트 유동을 분산시키기 위하여 측면에 2개 이상의 분사용 구멍을 형성하고,
   증기 분사량을 증가시키기 위하여 안전주입탱크 가압용 디퓨져의 하부면에 분사용 구멍을 형성하되,
   하부면에 형성되는 분사용 구멍의 직경은 안전주입탱크 내부의 연결배관의 반경 r 내지 2r/3 크기로 형성하고,
   연결배관과 연결되어 증기를 분사하는 가압용 디퓨져의 직경은 안전주입탱크 내부의 연결배관의 직경과 동일하거나 크게 형성함을 특징으로 하는 안전주입탱크 가압용 디퓨져.
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