KR101671754B1 - 공급수 불순물 트랩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 불순물 필터 트랩은 OTSG의 압력용기로 유입되는 공급수로 운반될 잠재적 유해성을 갖는 불순물을 OTSG에 일체로 수용된 이코노마이저의 구조 내에 위치된 튜브부에 유입되는 것을 방지한다. 트랩은 튜브들 사이에 공간보다 큰 이물질을 공급수 흐름에서 제거할 것이며, 그러므로 이격되어 있는 튜브에 걸쳐질 수 있는 충분한 크기의 불순물 입자를 이코노마이저 내로 유입되지 않게 한다.

Description

공급수 불순물 트랩 {FEEDWATER DEBRIS TRAP}
본 발명은 일반적으로 원자력 증기발생기용 관류형 폐열회수보일러(Once Through Steam Generator)에 관한 것으로, 특히 증기발생기 압력용기에 일체로 수용된 이코노마이저(economizer)에 위치된 튜브부 사이에 공간으로 공급수 불순물(debris)의 유입을 방지하는 트랩에 관한 것이다.
원자력 발전소와 병합되는 가압증기발생기(pressurized steam generator) 혹은 열교환기는 반응기에서 생성된 열을 제1냉각수로부터 제2냉각수까지 이송하면서, 교대로 발전소 터빈을 구동한다. 대부분의 증기발생기 압력용기는 일체형 이코노마이저를 구비하는데, 과냉각(subcooled) 공급수는 다관(tube bundle)의 하부로 직접 보내진다. 압력용기는 75피트 정도의 길이와 약 12피트의 외경을 가질 것이다. 이 증기발생기 압력용기들 중 하나에서, 제1냉각수가 관통하여 흐르는 직관(straight tube)은 5/8인치의 외경일 수 있으나, 튜브 시트의 마주보는 면과 튜브-단부 장착부 사이에 52피트 정도 혹은 그 이상의 유효길이를 갖는다. 통상적으로, 이러한 증기발생기 용기 중 하나는 15,000 튜브 이상의 다관형일 수 있다. 공급수 시스템에서 공급수 흐름으로 운반될 불순물은 다관의 튜브들 사이에 걸쳐질 수 있고 튜브의 마모 및/또는 훼손을 야기할 수 있다.
Robert K. Sayre가 출원한 미국 특허 제US 3,356,135호와, Theodore S. Sprague가 출원한 미국 특허 제US 3,547,084호 및, Theodore S. Sprague 외 다수가 출원한 미국 특허 제US 3,771,497호에 예시된 바와 같이, 일체형 이코노마이저를 갖춘 증기발생기 압력용기가 이미 알려져 있는데, 이러한 종래기술 중 어느 하나도 공급수로 운반될 불순물을 포획하고 이코노마이저 튜브부로 유입되는 것을 방지하는 분순물 트랩을 증기발생기 압력용기 내에 구비하고 있지 않다.
원자력 증기발생기의 특징에 대한 일반적인 설명을 위해서, 독자는 2005년도, 미국 오하이오주 바베톤에 주소를 둔 뱁콕 앤드 윌콕스 컴파니사가 발행한 증기/이의 발생 및 사용(Steam/Its Generation and Use), 41판의 48장에 기술되어 있으며, 그 내용은 여기서 충분히 설명된 바와 같이 참조로 병합된다.
본 발명은 압력용기와 고온의 제1유체의 유체 흐름을 수용하는 용기 내로 뻗은 다수의 열교환기 튜브를 갖춘 증기발생기에 관한 것이다. 이코노마이저는 환형상의 강수관(downcomer) 통로와 강수관으로 둘러싸인 다관의 하부를 형성하도록 공간을 두고 이격된 상태로 용기에 배치되어 있다. 튜브의 열교환면의 이코노마이저부는 튜브로부터의 열전달에 의해 공급수 유체를 예열한다. 불순물 필터 트랩은 공급수 유체로 운반될 불순물을 포획 및 보유하고 있어 이코노마이저 내로 불순물의 유입을 방지한다.
불순물 필터 트랩은 강수관 통로에 위치된다. 환형상의 링은 필터 트랩을 지지하고, 강수관 통로의 단면부에 걸쳐 놓는다. 지지링은 바람직하기로 링의 원주를 따라 등간격으로 배열된 다수의 개구부를 구비한다. 불순물 필터 트랩은 길게 뻗은 원통형 필터 튜브의 유기적인 배열을 구비하는바, 각각의 튜브는 개방형 하부와 폐쇄형 상부를 가진다. 각 필터 튜브의 개방형 하부는 환형상의 지지링에 고정되고 링에 대응하는 개구부를 덮어 씌운다. 필터 튜브의 일반적인 원통형상부는 그 내부에 형성되되 방사상으로 방향설정된 다수의 구멍을 구비한다. 이물질이 이코노마이저에 위치된 튜브들 사이 공간보다 클 경우, 필터 구멍은 제2유체흐름에서 이물질을 제거할 수 있는 크기로 되어 있다.
환형상의 지지링은 이코노마이저 및 압력용기 양쪽에 장착되거나 이중 하나에 장착된다. 만약 환형상의 지지링은 이코노마이저 혹은 압력용기에만 장착된다면, 환형상의 링의 자유단부와 이코노마이저 혹은 압력용기 사이에 틈새는 필터 튜브 구멍의 폭보다 작거나 동일해야만 하는데, 이는 필터 튜브 구멍보다 큰 불순물이 환형상의 지지링의 자유단부에 틈새를 관통하여 이동할 수 없게 한다.
본 발명의 특징을 나타내는 새로운 다양한 특성은 첨부된 청구범위와 본 명세서 상에서 지적하고 있다. 본 발명의 이해를 돕기 위해서, 작동상의 장점 및 사용시 성취될 수 있는 특징들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내는 첨부도면과 설명을 참조하면 될 것이다.
이상 본 발명의 설명에 의하면, 증기발생기 압력용기 내에 불순물 트랩을 구비하는데, 이를 통해 공급수로 운반된 불순물을 그 내부로 유입되는 것을 방지한다.
도 1은 본 발명의 원리를 실현할 수 있는 종래기술에 따른 관류형 폐열회수보일러(OTSG)의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 불순물 트랩을 병합한 OTSG의 하부 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 OTSG의 하부 사시도이다.
도 4는 본 발명의 필터 트랩을 결합될 필터 튜브의 사시도이다.
도 1은 양쪽 단부에서 상부 헤드부(12)와 하부 헤드부(13)로 폐쇄되고, 수직방향으로 길이연장된 원통형상의 압력용기 또는 셀(11)로 이루어진 종래기술의 OTSG(10)를 도해한다. 원자로(미도시)에서의 냉각수와 같이 고온의 제1유체는 압력용기(11)를 지나 압력용기(11) 내로 공급될, 물과 같은, 제2유체와 간접적으로 열교환을 한다. 제1유체는 압력용기(11)의 상부 헤드부(12)에 플러넘 챔버(14;plenum chamber)로 유입되고, 상부 및 하부 튜브시트(18,20)에 수용된 튜브(16)를 관통해서, 반응기로 재순환하도록 냉각수 배출노즐(22)을 통해 배출한다.
상부 슈라우드(24;shroud)와 하부 슈라우드(25)는 압력용기(11) 내에 구비되되, 이들은 개방된 단부를 갖고 튜브(16)의 다발을 둘러싸고 있다. 상부 슈라우드(24)에서 내부 단부와 압력용기(11)의 내부 벽에서 외부 단부에 연결되는 환형상의 링 플레이트(26)는 2개의 공급수 유입 노즐(28)을 통해 주입될 유입 공급수를 2개의 증기 배출 노즐(30)를 통해 나가는 배출증기와 분리되도록 돕는다.
하부 슈라우드(25)는 일체형으로 수용된 이코노마이저부(32)로 설계되고, 압력용기(11)에 대해서 공간을 두고 이격되도록 위치되어, 이코노마이저 챔버(38)의 하부와 연통하는 유동 공간(36)을 형성하도록 하부 튜브시트(20)에 대해서 공간을 두고 이격되게 위치된 환형상의 강수관 통로(34, downcomer passage)를 형성한다. 이코노마이저부(32)는 튜브(16)의 열교환면의 일부를 둘러싸고 있다.
공급수 유입 노즐(28)을 통해 압력용기(11)로 들어오는 공급수는 링 플레이트(26)에 의해서 환형상의 강수관 통로(34)를 통해 아래방향으로 강제로 흐르게 하여서, 유동 공간(36)을 지나 이코노마이저 챔버(38)를 통과하는데, 이코노마이저 챔버(38) 내에 놓여진 열교환면의 일부에서 튜브(16)를 관통해 흐르는 고온의 제1유체로부터 전달된 열로 예열된다. 그러므로, 공급수는 이코노마이저 챔버(38)를 통과하여 흐르는 열을 흡수한다. 챔버(38)를 빠져나오는 가열된 공급수는 고온의 제1유체에서 튜브(16)를 통과하는 열전달에 의해 증발된다. 더욱이, 이 증기는 튜브(16)의 상부에 도달하기 전에 과열된다. 따라서, 과열 증기는 상부 슈라우드(24)의 개방형 상단부(40)를 통해 나가고, 상부 슈라우드(24)와 압력용기(11)의 내부벽 사이에 환형상의 통로(42)를 따라 아래로 그리고 환형상의 링 플레이트(26) 상으로 흘러, 증기 배출 노즐(30)을 통해 빠져나간다.
도 1을 참조로 하고, 특히 도 2 내지 도 4에 도시된 불순물 트랩(46)은 압력용기(11)로 유입되는 공급수로 운반될 유해성을 갖는 불순물을 OTSG(10)의 일체로 수용된 이코노마이저(32)의 경계 내에 위치된 튜브부(16)로 유입되는 것을 방지한다. 불순물 트랩(46)은 튜브(16) 사이에 공간보다 큰 불순물을 공급수 흐름에서 제거할 것이며, 따라서 튜브(16) 사이 공간에 걸쳐질 정도로 충분히 큰 불순물 입자들을 이코노마이저(32)로 유입되지 못하게 한다. 튜브(16) 사이에 걸쳐질 불순물은 튜브의 마모 및/또는 훼손을 야기할 수 있다.
불순물 트랩(46)은 환형상의 강수관 통로(34)의 하부에 근접하게 위치된다. 유입 노즐(28)를 통해 압력용기(11)로 들어오는 공급수는 유동 공간(36)으로 배출되고 이코노마이저 챔버(38)에 위치된 튜브(16)의 일부에 유입되기 전에 강제로 불순물 트랩(46)을 관통해 흐르도록 한다.
불순물 트랩(46)은 하부 슈라우드(25)로 형성된 이코노마이저(32)의 벽과 압력용기(11)의 내부벽 사이에 강수관 통로(34)를 가로질러 걸쳐진 환형상의 지지링(48)으로 구성되며, 슈라우드(25)의 하부에 인접하게 위치된다. 환형상의 지지링(48)은, 바람직하기로 지지링(48)에 대해서 원주둘레를 따라 등간격으로 필터 튜브(50)의 유기적인 정렬을 지지하는 플레이트로 되어 있는데, 각각의 필터 튜브(50)는 원통형상의 튜브 벽에 형성된 방사상으로 방위설정된 다수의 구멍(52)을 가진다. 필터 튜브(50)의 하부 단부는 개방되어 있고 환형상의 지지링(48)을 관통해 뻗은 대응하는 개구부 혹은 구멍(미도시)에 정렬된다. 각각의 필터 튜브(50)의 상부 단부(49)가 밀봉되어 강수관 공급수 유동은 필터 튜브 구멍(52)을 관통해 강제로 흐른다.
불순물 트랩 지지링(48)은 하부 슈라우드(25)로 형성된 이코노마이저 벽 혹은 압력용기(11) 내부벽 중 적어도 하나에 장착된다. 만약 환형상의 지지링(48)이 압력용기(11) 혹은 이코노마이저(32)에만 장착되어 있다면, 지지링(48)이 자유 단부 상에 틈새는 필터 튜브 구멍(52)의 폭과 동일하거나 이보다 작도록 유지되어야만 한다. 이는 필터 튜브 구멍(52)보다 큰 불순물이 환형상의 지지링(48) 둘레에 틈새를 관통하여 이동할 수 없게 한다.
공급수 불순물 트랩(46)을 가로지르는 압력강하가 최소화되어 공급수 펌핑력을 줄이고 불순물 트랩에 구조적 부하를 줄인다. 낮은 압력강하는 필터 튜브(50)의 갯수와 필터 튜브 당 구멍(52)의 갯수를 최소화하여 성취된다. 또한, 개별적인 필터 튜브 구멍(52)은 압력강하를 추가로 최소화하기 위해서 테이퍼진 기학적 구조의 유입구를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 장점을 갖는다.
공급수 불순물 트랩(46)은 일체형 이코노마이저부(32)에 위치된 튜브들(16) 사이에 충분히 걸쳐질 수 있는 크기의 이물질을 예방하여서, 튜브의 마모와 훼손의 위험성을 최소화한다.
필터 튜브(50)의 최하부 열에 형성된 구멍(52)은 환형상의 지지링(48)의 높이보다 훨씬 높게 위치될 수 있어, 필터 튜브(50)로 걸러질 불순물은 필터 구멍(52) 보다 아래에 있는 지지링(48)의 상부면에 최종적으로 안착될 수 있다. 이는 불순물이 필터 튜브(50)에 구멍(52)을 손상시키는 위험성을 최소화한다.
불순물의 감지와 잠재적인 제거를 위한, 환형상의 지지링(48)의 상부면과 필터 튜브(50)에 접근 수단으로 압력용기(11)의 벽을 통해 구비된 하나 이상의 핸드홀을 구비할 수 있다.
가정된 공급선 파단사고 중에 경험할 수 있는 압력부하가 필터 튜브(50)에 최소 굽힘응력과 멤브레인 응력을 초래하기 때문에, 원통형상의 필터 튜브(50)는 필터 튜브의 구조적 세기를 최대화한다. 원통형상의 구조로 인해, 필터 튜브(50)는 큰 압력부하를 견딜 수 있다.
본 발명의 특정 실시예와 설명은 도시되고 본 발명의 원리를 적용한 도면을 기술하되, 본 발명은 원리에서 벗어나지 않게 청구범위에 기술되어진 대로 실시될 수 있거나 당해분야의 숙련자들에게 알려진 바와는 달리 실시될 수 있다.

Claims (11)

  1. 압력용기와, 고온의 제1유체의 유체 흐름을 수용하는 상기 압력용기 내에 뻗어 있고 열교환면을 갖는 다수의 열교환 튜브, 및 상기 압력용기 내에 공간을 두고 이격된 상태로 배치되어 있고 환형상의 강수관 통로를 형성하고 주입되는 공급수 흐름을 예열하도록 상기 튜브의 열교환면의 일부를 둘러싸고 있는 이코노마이저(economizer)를 포함하는 증기발생기로서,
    상기 환형상의 강수관 통로의 단면부에 걸쳐져 있는 환형상의 지지링을 구비하고, 상기 환형상의 지지링은 이 지지링을 통과하는 공급수를 이송하기 위하기 위하여 상기 환형상의 지지링의 원주 둘레를 따라 이격되어 있는 하나 이상의 개구부를 구비하고,
    길이연장된 원통형상의 필터 튜브를 구비하되, 상기 필터 튜브는 각각 폐쇄된 상단부와, 상기 하나 이상의 개구부 각각에 상응하고 이를 덮는 개방된 하부 단부, 및 상기 필터 튜브의 원통형상부 상에 형성된 다수의 필터 구멍을 구비하고 있고, 상기 필터 구멍은 상기 공급수가 상기 이코노마이저로 들어가기 전에 불순물이 상기 이코노마이저 안으로 들어가는 것을 방지하기 위하여 상기 공급수에 의해 운반되는 불순물을 포획 및 보유하도록 되어 있는, 증기발생기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 필터 튜브의 원통형상부 상에 형성된 다수의 필터 구멍은 방사상으로 방향설정되어 있고, 압력강하를 감소하기 위해서 테이퍼진 기학적 구조의 유입구를 갖도록 형성되어 있는, 증기발생기.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 강수관 통로의 단면부에 걸쳐져 있는 환형상의 지지링은 상기 강수관 통로의 하부에 인접하게 위치하는, 증기발생기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 다수의 필터 구멍은 상기 이코노마이저에 위치된 튜브들 사이의 공간보다 큰 이물질을 상기 공급수 흐름에서 제거할 수 있는 크기로 되어 있는 증기발생기.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 환형상의 지지링은 상기 이코노마이저와 압력용기에 장착되는 증기발생기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 환형상의 지지링은 상기 이코노마이저 또는 압력용기에 장착되는 증기발생기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 환형상의 지지링의 자유단부는 상기 필터 구멍의 폭보다 작거나 동일한 틈새로 이코노마이저 또는 압력용기로부터 이격되어 있는 증기발생기.
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