KR102034908B1 - 핵 증기 발생기의 증기 노즐 유동 제한기 - Google Patents

Abstract

증기 발생기용 증기 노즐 유동 제어 장치는 증기 라인 파손 동안에 증기 배출 유동을 제한하지만, 정상 작동 동안에 낮은 압력 강하를 갖는다. 유동 제어 장치는 증기 유출 노즐로부터 매달려진 지지 웨브를 구비하고, 이 지지 웨브는 증기 유출 노즐의 중심축과 동심인 중앙 개구부를 구비한다. 샤프트는 지지 웨브의 중앙 개구부에 슬라이딩 가능하게 지지되고, 증기 유출 노즐로부터 이격된 샤프트의 일단부에서 증기 발생기 내에 매달리는 오리피스판을 구비한다. 오리피스판은 증기 라인 파손의 결과로서 증기 배출 유동의 증가시에 노즐의 하측에 대하여 폐쇄된다.

Description

핵 증기 발생기의 증기 노즐 유동 제한기{NUCLEAR STEAM GENERATOR STEAM NOZZLE FLOW RESTRICTOR}

본 발명은 일반적으로 증기 발생기에 관한 것이고, 특히 증기 발생기의 증기 유출 노즐용 유동 제한기에 관한 것이다.

가압수형 원자로의 증기 발생기는, 전형적으로 수직 배향 쉘과, 쉘 내에 배치되어 튜브 다발을 형성하는 복수의 U자형 튜브와, U자형 만곡부(curvature)의 대향하는 단부에서 튜브를 지지하기 위한 튜브 시트와, 튜브 시트와 협력하는 분리판(divider plate)과, 튜브 다발의 일단부에서의 1차 유체 유입 헤더 및 튜브 다발의 타단부에 1차 유체 유출 헤더를 형성하는 채널 헤드부를 포함한다. 1차 유체 유입 노즐은 1차 유체 유입 헤더와 유체 연통하여 있고, 1차 유체 유출 노즐은 1차 유체 유출 헤더와 유체 연통하여 있다. 증기 발생기의 2차측은 튜브 다발과 쉘 사이에 배치되어 외측의 쉘 및 내측의 래퍼로 구성된 환형 챔버를 형성하는 래퍼(wrapper)와, 튜브 다발의 U자형 만곡부 단부 위에 배치된 급수 링(feedwater ring)을 포함한다.

원자로를 통한 순환에 의해 가열된 1차 유체는 1차 유체 유입 노즐을 통해 증기 발생기에 들어간다. 1차 유체 유입 노즐로부터의 1차 유체는, 1차 유체 유입 헤더, U-튜브 다발, 1차 유체 유출 헤더 및 1차 유체 유출 노즐을 통해, 원자로 냉각 시스템의 나머지 부분으로 안내된다. 동시에, 급수는 증기 발생기 내측의 급수 링에 연결된 급수 노즐을 통해, 증기 발생기의 2차측, 즉, 튜브 시트 상의 튜브 다발의 외측과 연결되는 증기 발생기의 측부로 도입된다. 일 실시예에 있어서, 증기 발생기에 들어갈 때, 급수는 습분 분리기로부터 복귀하는 물과 혼합된다. 다운커머 유동(downcomer flow)으로 불리는 이러한 혼합물은, 환형 챔버의 바닥부에 위치된 튜브 시트가 물이 방향을 바꾸어 U-튜브의 외측과 열전달 관계로 그리고 래퍼의 내측을 통해 상방으로 통과하게 될 때까지, 쉘에 인접한 환형 챔버 하방으로 안내된다. 물이 튜브 다발과 열전달 관계로 순환하고 있는 동안에, 튜브 내의 1차 유체로부터 튜브 주변의 물로 열이 전달되어, 튜브 주변의 물의 일부분이 증기로 변환되게 된다. 그 다음에, 증기는 상승하고, 증기로부터 동반된 물을 분리하는 다수의 습분 분리기를 통해 안내되고, 그 다음에, 수증기(steam vapor)는 증기 배출 노즐을 통해 증기 발생기를 빠져나가고, 전형적으로 터빈을 통해 순환되어 본 기술분야에 잘 알려진 방식으로 전기를 발생시킨다.

핵 증기 발생기는 전형적으로 만일 증기 라인이 파손될 경우에 격납용기 내로 배출될 증기의 양을 제한하기 위해 증기 배출 노즐에 유동 제한기(flow limiter)를 구비한다. 유동 제한기는 중요한 안전 장치인 반면, 증기 발생기의 효율성을 감소시킬 수 있는 패널티를 부가한다. 일부 증기 발생기의 증기 노즐 유동 제한기에서의 전체 파워 압력 강하는 거의 20 psi일 수 있다. 증기 노즐 유동 제한기에서의 5 psi 이하로의 압력 강하 감소는 유출 증기 압력에 상당한 이점을 가지고, 그에 따라 발전소 효율 및 수익을 유리하게 증가시킬 수 있다. 게다가, 압력 강하의 감소는 0.05 퍼센트까지 수분 캐리오버(carryover)를 감소시키며, 이는 터빈 수명에 유리하다.

따라서, 성능을 희생시키지 않고, 상당히 낮은 압력 강하를 갖는 새로운 유동 제한기 디자인이 요구된다.

게다가, 이러한 새로운 증기 노즐 유동 제한기 디자인은 상당히 낮은 수분 캐리오버를 갖는 것이 요구된다.

이러한 목적 및 다른 목적은, 중심축을 갖는 증기 유출 도관을 규정하는 내부 벽을 갖는 증기 유출 노즐을 구비하는 후술하는 증기 발생기에 의해 달성된다. 지지 웨브는 증기 유출 도관으로부터 매달리고, 중심축과 동심인 중앙 개구부를 갖는다. 샤프트는 중앙 개구부 내에 슬라이딩 가능하게 지지되고 축방향으로 이동 가능하고, 일단부에, 그 일단부가 중앙 개구부 내로 미끄러지는 것을 방지하는 스톱부(stop) 및 타단부에 오리피스판(orifice plate)을 구비한다. 오리피스판은 중심축에 수직으로 연장되고, 일단부의 스톱부가 중앙 개구부에 대하여 안착될 때, 증기 유출 도관으로부터 이격된다. 샤프트가 지지 웨브의 중앙 개구부로부터 상기 스톱부를 멀리 이동시키는 방향으로 샤프트의 이동 범위까지 이동하는 경우, 오리피스판은 증기 유출 도관의 유입 단부에 대하여 안착된다. 오리피스판은, 샤프트가 이동 범위까지 이동할 때, 폐쇄 위치에 있고, 이 오리피스판은 스톱부가 중앙 개구부에 대하여 안착될 때 샤프트가 개방 위치에 있는 경우에 증기 유출 도관에 사용 가능한 개구부와 비교해서, 증기 유출 도관을 통한 증기 유동을 제한하는 하나 이상의 개구부를 구비한다. 부세 기구는 정상 증기 발생기 작동 동안, 개방 위치에 샤프트를 유지하지만, 증기 라인이 파단하면 증기 유동이 증가해서 부세 기구의 힘을 상회하는 힘을 작용시킨다.

바람직하게는, 오리피스판의 개구부는 축 주위에 대칭으로 형성된 복수의 구멍이다. 바람직하게는, 개구부는 축 주위에 균등하게 이격된 2개의 동심의 일련의 구멍으로 형성된다.

일 실시예에 있어서, 증기 유출 도관은 외관(contour)을 갖는 유입구를 구비하고, 오리피스판은 상보적인 외관을 구비한다. 다른 실시예에 있어서, 축은 수직 방향으로 연장하고, 부세 기구는 중력(gravity)이다. 대안적으로, 축은 수직 방향으로 연장할 필요가 없고, 부세 기구는 지지 웨브와 오리피스판 사이에 지지된 스프링이다. 바람직하게는, 스프링은 샤프트 상에 권착된 헬리컬 스프링이다.

본 발명의 추가적인 이해는 첨부된 도면과 함께 읽을 때, 바람직한 실시예의 이하의 설명으로부터 얻을 수 있다.

도 1은 증기 발생기의 수직 튜브 및 쉘의 부분적으로 절개된 사시도,
도 2는 오리피스판이 개방 위치에 있는 후술하는 실시예의 유동 제한기의 하측으로부터의 사시도,
도 3은 본 명세서에 설명되는 유동 제한기의 이동 가능한 요소를 도시하는 오리피스판의 하측으로부터의 사시도,
도 4는 오리피스판이 폐쇄 위치에 있는 후술하는 유동 제한기를 도시하는 하측으로부터의 사시도,
도 5는 오리피스판이 개방 위치에 있는 후술하는 유동 제한기의 등각도.

이제 도면을 참조하면, 도 1은 1차 유체로부터 열을 전달하여 2차 유체를 기화 또는 비등시키는데 요구되는 전열면(heating surface)을 제공하기 위해 튜브 다발(12)을 형성하는 복수의 U자형 튜브를 이용하는 증기 또는 수증기 발생기(10)를 도시한다. 증기 발생기(10)는 수직 배향된 튜브형 쉘부(14)와, 상측 단부를 둘러싸는 상단 인클로저 또는 접시형 헤드부(16) 및 하측 단부를 둘러싸는 대체로 반구형의 채널 헤드부(18)를 구비하는 용기를 포함한다. 하부 쉘부(14)는 상부 쉘부(15)보다 직경이 작고, 절두 원추형 전이부(transition)(20)는 상부 및 하부 셀부를 연결한다. 튜브 시트(22)는 채널 헤드부(18)에 부착되고, U자형 튜브(13)의 단부를 수용하도록 내부에 배치된 복수의 구멍(24)을 구비한다. 분리판(26)은 채널 헤드부(18) 내에 중앙에 배치되어 2개의 격실(28, 30)로 채널 헤드부를 분리하고, 이러한 격실은 튜브 다발(12)을 위한 헤더로서 역할을 한다. 격실(30)은 1차 유체 유입 격실이고, 이 격실과 1차 유체 유입 노즐(32)이 유체 연통하여 있다. 격실(28)은 1차 유체 유출 격실이고, 이 격실과 1차 유체 유출 노즐(34)이 유체 연통하여 있다. 따라서, 유체 격실(30)로 들어가는 1차 유체, 즉, 원자로 냉각재는 튜브 다발(12)을 통해 흐르고, 유출 노즐(34)을 통해 빠져나가게 된다.

튜브 다발(12)은 래퍼(36)에 의해 둘러싸이고, 이 래퍼(36)는 쉘부(14) 및 원추부(20)와의 사이에 환형 통로(38)를 형성한다. 래퍼(36)의 상단은 복수의 대형 튜브(44)와 유체 연통하는 복수의 개구부(42)를 포함하는 하부 데크판(lower deck plate)(40)에 의해 덮인다. 선회 베인(swirl vane)(46)은 대형 튜브(44) 내에 배치되어, 튜브를 통해 흐르는 증기를 회전시키고, 증기가 1차 원심 분리기를 통해 흐르는 동안에 증기에 포함된 수분의 일부를 원심력에 의해 제거시킨다. 이러한 1차 분리기에서 증기로부터 분리된 물은 하부 데크판(40)의 상단면으로 원심 분리기를 통해 흐른 후, 증기는, 접시형 헤드부(16) 내에 중앙에 배치된 증기 유출 노즐(50)에 도달하기 전에 2차 분리기(48)를 통과한다.

이 증기 발생기의 급수 유입 구조물은, 급수 링(54)으로 불리는 대체로 수평부를 구비한 급수 유입 노즐(52)과, 급수링 위로 향하는 복수의 배출 노즐(56)을 포함한다. 급수 유입 노즐(52)을 통해 공급되는 급수는, 급수 링(54)을 통과하고, 배출 노즐(56)을 통해 빠져나가고, 하나의 종래 기술의 실시예에 있어서, 증기로부터 분리되어 재순환된될 물과 혼합된다. 그 다음에, 이 혼합물은 하부 데크판(40) 상방으로부터 환형의 다운커머 통로(38) 내로 흘러내린다. 그 다음에, 물은 래퍼(36)의 하측부에서 튜브 다발(12)로 들어가고, 증기를 발생시키도록 가열되는 튜브 다발 사이로 상방으로 흐른다. 그리고, 수분을 함유한 증기는 하부 데크판의 개구부(42)를 통과하여, 1차 분리기를 형성하는 상승관(44) 및 베인(46)을 통과하고, 2차 분리기(48)를 통과하여 증기 유출 노즐(50)로 흐른다. 증기 유출 노즐로부터, 건조된 수증기는 전형적으로 전기의 생산을 위해 터빈/발전기로 이송된다. 터빈을 빠져나간 증기는 응축되고 다시 폐쇄된 사이클에서 급수 유입 노즐로 재활용되어, 원자로 1차 냉각 루프로부터의 열을 지속적으로 제거한다. 이러한 방식으로 원자로 코어로부터 열을 지속적으로 제거함으로써, 코어의 온도를 제어하게 된다.

증기 유출 노즐(50)과 터빈 사이의 증기 라인에서의 대규모적인 파손은, 1차 냉각재로부터 열을 전달하는 튜브 다발(12)의 능력에 실제적인 영향을 미칠 수 있다. 그러므로, 이러한 파손의 경우에는, 폐쇄된 사이클의 2차 루프로부터 빠져나갈 수 있는 증기의 양을 제한하는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 위해, 증기 노즐 유동 제한기가 증기 유출 노즐(50)의 일부로서 또는 이 증기 유출 노즐을 대신하여 채용된다. 이것의 바람직한 형태에 있어서, 증기 노즐 유동 제한기는, 만일 주 증기 라인이 파손될 경우에는 증기 발생기로부터의 증기의 손실을 저지하면서, 정상 증기 발생기 작동 동안에 증기 유동에 대한 저항을 거의 제공하지 않아야 한다.

본 명세서에 설명된 바람직한 실시예를 따라 구성된 핵 증기 발생기를 위한 이러한 증기 노즐 유동 제한기가 도 2 내지 도 5에 도시되어 있다. 도 2는, 유동 제한기의 몇몇의 이동 가능한 구성요소가 가장 잘 보여질 수 있는 하측으로부터 바라본 증기 노즐 유동 제한기(58)의 사시도를 제공한다. 증기 노즐 유동 제한기(58)는, 증기 유출 노즐(50)의 내부 벽으로부터, 또는 이 노즐 내의 삽입부에서 연장하는 3개 이상의 반경 방향 아암부(radial arm)(62)를 구비하는 지지 웨브(60)를 포함한다. 지지 웨브의 반경 방향 아암부는 노즐의 내부 벽 주위에 동일한 거리로 이격되어 있고, 축방향으로 연장하는 관통 구멍(66)을 갖는 중앙 허브(64)를 구비한다. 또한, 유동 제한기 조립체(58)는 다수의 축방향으로 연장하는 관통 구멍(70)을 구비하는 유동 제한기 오리피스판(68)을 포함한다. 관통 구멍(70)은 동심원들에 배열되고, 각 원에 있어서의 구멍은 대략 동일한 직경을 갖고, 내부 원에 있는 구멍이 외부원에 있는 구멍보다 작은 직경을 갖는다. 2개의 이러한 원을 도시하지만, 구멍의 수 및 원의 수는 증기 발생기의 과도한 가압(over pressurization)을 회피하기 위해 유량 제한기가 해제되도록 설계되는 증기량에 의해 결정됨을 인식해야만 한다. 오리피스판(68)은 오리피스판의 상부측에 부착되는 중앙에 배치된 축방향 연장 샤프트(72)를 구비한다. 샤프트(72)는 중앙 허브(64)의 구멍(66)을 통해 축방향으로 연장하고, 샤프트의 말단부에서, 스톱부(74)를 형성하는 반경 방향으로 연장하는 랜드부로 덮이며(도 3 참조), 이 스톱부는 샤프트가 지지 웨브의 중앙 구멍(66)을 통해 떨어지는 것을 방지한다. 도 4는 오리피스판 및 샤프트가 폐쇄 위치에 있는 도 2의 유동 제한기를 도시하고, 도 5는 오리피스판이 개방 위치에 있는 도 2 내지 도 4에 도시된 유동 제한기의 등각 정면도를 도시한다.

증기 라인 파손 동안에, 급속한 증기 유동에 의해 야기된 추가 양력(additional liting force)은 유동 제한기의 오리피스판(68), 샤프트(72) 및 스톱부(74)를 포함하는 유동 제한기 오리피스판 조립체를 상향으로 이동시켜서, 오리피스판(68)이 지지 웨브(60)의 하측에 대하여 안착되게 한다. 지지 웨브(60)의 하측에서 고속 영역에 유동 제한기의 오리피스판(68)을 재배치하는 것은, 피크 파손 상태 동안에 증기 유동을 제한하여, 원자로의 안전한 운전정지(shutdown)를 향상시킨다. 도 4에 도시된 폐쇄 위치에 있어서, 증기 유출 노즐(50)의 하측에 의해, 오리피스판 구멍(70)의 외주부는 실질적으로 밀봉되어서, 오리피스판(68) 상의 내부 원의 일련의 작은 구멍(70)을 통해 제한된 유동을 허용하여 증기 발생기 내의 압력 증가를 설계 한계 내로 제한한다.

도 2는 정상 작동 동안의 유동 제한기 조립체(58)를 도시한다. 중앙 로드 샤프트(72)는 지지 웨브(60)로부터 유동 제한기 오리피스판(68)을 지지하고, 증기 유출 노즐(50) 내로의 대체로 비제한적인 유동을 허용한다. 도 5는 유동 제한기 조립체(58)의 평면도로서, 중앙 샤프트(72)에 연결되고, 유동 제한기 오리피스판(68)이 하향(비작동) 위치에 있는 상태에서 허브(64) 상에 안착되는 스톱 블럭(74)을 도시한다.

도 4는 증기 라인 파손에 의한 작동 후의 유동 제한기(58)를 도시한다. 증기 라인 파손 동안에, 증기 유출 노즐(50)을 통한 유동의 증가에 의해, 유동 제한기 오리피스판(68)의 하부면 상의 양력이 조립체 자체 중량을 극복하고, 그에 따라 유동 제한기 오리피스판은 지지 웨브(60) 또는 노즐(50)에 대해 가압된다. 중앙 샤프트(72)는 지지 웨브(60)의 구멍(66)을 통해 미끄러져서, 유동 제한기 오리피스판(68)을 유동 제한 위치로 안내한다.

다수의 선택적인 특징부는 다른 성능 기준을 충족시키도록 포함될 수도 있다. 예를 들어, 개방 위치에서 샤프트(72)를 부세시키기 위한 부세 기구(biasing mechanism)는 오리피스판(68)과 지지 웨브의 중앙 허브(64) 사이의 샤프트(72) 주위에 권착되는 헬리컬 스프링(76)을 포함할 수도 있다. 이러한 대안책은 유동 제한기 조립체(58)가 수평 위치에서 채용될 수 있게 할 것이다. 게다가, 샤프트(72)로부터 캔틸레버식으로 배치된 판 스프링(leaf spring)(78)(도 3)과 같은 래칭 요소(latching element)는 작동되면, 폐쇄 위치에서 유동 제어 장치 조립체(58)를 래치하기 위해 채용될 수 있다. 다른 가능한 대안책은 오리피스판으로부터 반경 방향 외측으로 연장하는 레그부를 포함하여 유동 제한기 조립체의 하단부의 측방향 운동을 방지하는 것; 중앙 샤프트에 유동 제한기 오리피스판을 덧대는 것; 중앙 샤프트와 오리피스판 사이에 볼트 부착을 사용하는 것; 및 다중판의 사용과 같은 오리피스판 부착의 다른 구성을 포함한다.

본 발명의 구체적인 실시예가 상세히 기술되었지만, 본 개시내용의 전체 교시에 비추어 이러한 상세사항에 대한 다양한 변경 및 대안이 이루어질 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는, 단지 예시적인 것이며, 첨부된 특허청구범위의 전체 범위 및 그것의 임의의 그리고 모든 등가물로 주어지는 본 발명의 범위에 대한 제한이 아닌 것으로 의도된다.

Claims (10)

1. 증기 발생기에 있어서,
   중심축과, 상기 증기 발생기의 내부를 향하는 유입 단부를 갖는 증기 유출 도관을 규정하는 내부 벽을 구비하는 증기 유출 노즐과,
   상기 증기 유출 도관으로부터 매달리고, 상기 중심축과 동심인 중앙 개구부를 갖는 지지 웨브와,
   상기 중앙 개구부 내에 슬라이딩 가능하게 지지되고 축방향으로 이동 가능한 샤프트로서, 상기 샤프트는 일단부에, 상기 일단부가 상기 중앙 개구부 내로 미끄러지는 것을 방지하는 스톱부, 및 타단부에, 상기 중심축에 실질적으로 수직으로 연장되며 상기 증기 유출 도관의 유입 단부에 중첩되는 오리피스판을 구비하며, 상기 오리피스판의 외주는 상기 증기 발생기의 내부의 상부 표면 아래로 연장되며, 상기 오리피스판은 상기 일단부의 스톱부가 상기 중앙 개구부에 대하여 안착될 때, 상기 증기 유출 도관으로부터 이격되고, 상기 타단부의 오리피스판은, 상기 샤프트가 상기 지지 웨브의 중앙 개구부로부터 상기 스톱부를 멀리 이동시키는 방향으로 상기 샤프트의 이동 범위까지 이동하는 경우, 상기 증기 유출 도관의 유입 단부에 대하여 안착되며, 상기 오리피스판은 상기 샤프트가 그 이동 범위까지 이동할 때 폐쇄 위치에 있고, 상기 증기 발생기의 내부의 상부 표면에 의해 밀봉되는 하나 이상의 개구부를 구비하여, 상기 스톱부가 상기 중앙 개구부에 대하여 안착될 때 상기 샤프트가 개방 위치에 있는 경우와 비교해서 상기 증기 유출 도관을 통한 증기 유동을 제한하는, 상기 샤프트와,
   상기 개방 위치로 상기 샤프트를 부세하기 위한 부세 기구를 포함하는
   증기 발생기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 오리피스판의 개구부는 상기 축 주위에 대칭으로 형성된 복수의 구멍인
   증기 발생기.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 개구부는 상기 축 주위에 균등하게 이격된 2개의 동심의 일련의 구멍들로 형성되는
   증기 발생기.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 증기 유출 도관은 유입 단부는 윤곽(contour)을 갖고, 상기 오리피스판은 상보적인 윤곽을 구비하는
   증기 발생기.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 축은 수직 방향으로 연장되고, 상기 부세 기구는 중력(gravity)인
   증기 발생기.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 부세 기구는 상기 지지 웨브와 상기 오리피스판 사이에 지지된 스프링인
   증기 발생기.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 스프링은 상기 샤프트 상에 권착되는
   증기 발생기.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 폐쇄 위치에서 상기 오리피스판을 지지하기 위한 래치부를 포함하는
   증기 발생기.
9. 제 3 항에 있어서,
   상기 오리피스판이 폐쇄 위치에 있을 때, 상기 오리피스판에서 외주 주위의 상기 구멍들은 밀봉되는
   증기 발생기.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 오리피스판이 페쇄 위치에 있을 때, 상기 샤프트에 가장 가까운 구멍들은 밀봉되지 않는
    증기 발생기.

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