KR102326513B1 - 튜브 정렬 오리피스를 구비한 증기 발생기 - Google Patents

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Abstract

1차 측 유체로부터의 복수의 열전달 튜브에 대한 급수로서 2차 측 유체를 제공하도록 구성된 플레넘, 및 상기 복수의 열전달 튜브에 결합된 튜브 시트을 포함하는 열전달 시스템이 제공된다. 상기 플레넘 내부에서 튜브 시트에 인접한 위치에 오리피스 플레이트가 장착되고, 하나 이상의 오리피스 장치가 오리피스 플레이트에 의하여 지지되며 또한 복수의 열전달 튜브 안으로의 삽입 또는 상기 열전달 튜브에 대한 밀봉을 위해 구성된다. 하나 이상의 오리피스 장치는 중앙 유동 오리피스 및/또는 사각형이나 나선형상의 천이 단차부가 형성된 고리형 유동 오리피스를 포함할 수 있고, 상기 복수의 열전달 튜브 안으로 삽입되는 천이 단차부들의 개수에 의하여 상기 열전달 시스템 내에서의 2차 측 유체의 대응되는 압력 강하가 결정될 수 있다.

Description

튜브 정렬 오리피스를 구비한 증기 발생기{STEAM GENERATOR WITH TUBE ALIGNING ORIFICE}
[관련 출원]
본 출원은 2013.12.26.자로 출원된 미국 가출원 제61/921,027호와 2014.04.16.자로 출원된 미국 출원 제14,254,729호에 대한 우선권의 수혜를 주장한다.
[기술분야]
본 출원은 증기 및/또는 전기를 발생시키도록 설계된 열전달 시스템을 포함하는 발전기 분야에 관한 것이다.
매우 다양한 설계안 및 크기를 갖는 파워 플랜트(power plant)들이 공지되어 있다. 대형 파워 플랜트는 대규모의 지리적 영역에 전기를 제공하기 위하여 사용될 수 있고, 상대적으로 소형인 파워 플랜트는 국지적인 지역 또는 제조 설비에 전력을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 파워 플랜트는, 전기를 제공함과 더불어, 해수 담수화부터 의료 목적을 위한 핵 동위원소의 생성까지 수많은 추가적인 또는 다양한 목적을 위하여 사용될 수 있다. 유사하게, 상용화된 파워 플랜트의 유형에는 일부만 언급하더라도 가스 동력 방식, 석탄 연소 방식, 그리고 다양한 핵 발전 방식 등, 폭넓은 범위의 기술들이 포괄된다.
이 파워 플랜트들의 다수에 있어서 한 가지 공통적인 특징은 에너지가 열의 형태로 생성된다는 점이다. 상기 생성되는 열은 궁극적으로 물을 증기로 변환시키는 데에 사용될 수 있다. 전기의 생성이 원하는 목적인 때에는, 상기 증기를 이용하여 터빈을 구동할 수 있다. 열의 원천(source)이 무엇이든, 파워 플랜트에 의해서 발생된 열을 물로 전달하기 위하여 열전달 시스템이 이용될 수 있으며, 이로써 물이 증기로 변환될 수 있다. 원자로 노심(reactor core)을 통해 순환하는 1차 냉각제(primary coolant)와 증기로 변환되는 2차 냉각제(secondary coolant) 사이에서의 열 교환을 위하여 복수의 튜브를 포함하는 열교환기가 이용될 수 있다. 일부 시스템에서는, 상기 원자로 노심에 의하여 가열된 냉각제와 동일한 냉각제가 상기 튜브들을 통해 순환될 수 있다.
누설 방지 접합의 제공을 위하여, 기계적, 고압적, 또는 유압적 장치를 이용해서 튜브 시트 내에 튜브들의 일부분을 롤-확장(roll-expanding)시킴으로써, 상기 튜브들이 튜브 시트에 마찰 또는 압력 방식으로 끼워질 수 있다. 상기 튜브들이 튜브 시트에 용접될 수도 있다. 내부에 끓는 2차 냉각제가 구비된 튜브들의 경우, 2차 유동 안정성을 얻기 위하여 2차 냉각제(급수)의 유입부에 오리피스 장치 또는 유동 제한 장치(flow restriction device)가 제공될 수 있다. 상기 오리피스 장치는 상기 튜브들의 단부, 예를 들어 유입부에 용접될 수 있다. 용접에 의한 장착 기술이 적용되면, 설치 이후에 상기 튜브들을 검사하는 것이 곤란하게 된다. 또한, 상기 파워 플랜트의 설치, 유지보수, 검사, 및/또는 작동 동안에 상기 열전달 시스템의 수많은 오리피스 장치들 중 하나 이상에 정렬불량(misalign)이 발생할 수 있으며, 이는 상기 튜브들을 통과하는 냉각제의 유동에 방해물로 귀결되어서, 허용될 수 없는 양의 바이패스 누설, 압력 강하, 및/또는 다른 정렬과 관련된 문제들을 초래한다.
본 발명은 종래 기술의 전술된 문제 및 기타 다른 문제들을 해결함을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 예시적인 튜브 정렬 오리피스 시스템은 2차 냉각제 및/또는 급수를 복수의 열전달 튜브에 제공하도록 구성된 플레넘과, 상기 복수의 열전달 튜브에 결합된 튜브 시트를 포함한다. 오리피스 플레이트는 상기 플레넘 내부에 장착되되 상기 튜브 시트에 인접하여 배치될 수 있으며, 하나 이상의 오리피스 장치는 상기 오리피스 플레이트에 의해 지지될 수 있으며 또한 상기 복수의 열전달 튜브 안으로 삽입될 수 있도록 구성된다. 상기 하나 이상의 오리피스 장치는 나선형상 천이 단차부들을 구비할 수 있으며, 상기 복수의 열전달 튜브 안으로의 상기 나선형상 천이 단차부들의 삽입 깊이가 열전달 시스템 내의 급수의 대응되는 압력 강하를 결정할 수 있다.
본 발명에 의한 예시적인 설비는: 급수의 원천(source)을 수용하는, 수용 수단; 및 제1 열전달 튜브 및 제2 열전달 튜브를 포함하는 복수의 열전달 튜브를 수용하는 수단을 유체 결합시키는, 유체 결합 수단;을 포함한다. 상기 설비는: 제1 열전달 튜브 내에 포함된 급수의 압력을 변화시키는 오리피스 수단(orifice means)으로서, 상기 압력은 상기 오리피스 수단의 삽입 깊이에 적어도 부분적으로 기초하여 변화되는, 오리피스 수단;을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 열전달 튜브 내의 급수의 압력은, 상기 제1 열전달 튜브와 관련된 유량(flow rate) 및/또는 열전달 비율이 제2 열전달 튜브와 관련된 유량 및/또는 열전달 비율과 대략적으로 같아질 때까지 상기 오리피스 수단을 장착 수단에 대하여 위치변화시킴으로써 변화될 수 있다.
본 발명의 예시적인 튜브 정렬 오리피스 시스템의 설치 방법은, 오리피스 플레이트를 튜브 시트에 인접하게 장착시키는 장착 단계를 포함할 수 있다. 복수의 열전달 시트가 튜브 시트에 결합될 수 있고, 복수의 열전달 튜브는 유체를 운반하도록 구성될 수 있다. 상기 오리피스 플레이트에 부착된 제1 오리피스 장치가 회전될 수 있으며, 제1 오리피스 장치의 회전으로 인하여 제1 열전달 튜브 내에서의 제1 오리피스 장치의 제1 삽입 깊이가 결정될 수 있다. 제1 열전달 튜브 내의 유체의 압력은 적어도 부분적으로 상기 제1 삽입 깊이에 기초하여 결정될 수 있다. 이와 유사하게, 상기 오리피스 플레이트에 부착된 제2 오리피스 장치가 제2 열전달 튜브 내에서 제2 삽입 깊이까지 회전될 수 있으며, 제2 열전달 튜브 내의 유체의 압력은 적어도 부분적으로 상기 제2 삽입 깊이에 기초하여 결정될 수 있다. 제2 삽입 깊이는 제1 삽입 깊이보다 더 클 수 있다. 상기 제1 열전달 튜브와 제2 열전달 튜브 내의 유체의 압력을 변화시킴으로 인하여, 복수의 열전달 튜브를 통하는 유량 및/또는 열전달 비율이 대략적으로 균일하게 될 수 있다.
본원의 전술된 실시예들은 하기의 첨부 도면들을 참조로 하는 아래의 상세한 설명으로부터 보다 명확히 이해될 것이다.
도 1 에는 예시적인 증기 발생 시스템이 도시되어 있다.
도 2 에는 복수의 플레넘들에 작동가능하게 결합된 열전달 튜브들을 포함하는 예시적인 증기 발생 시스템이 도시되어 있다.
도 3 에는 예시적인 증기 발생 시스템의 단부에서 본 모습이 도시되어 있다.
도 4a 에는 예시적인 플레넘의 평면도가 도시되어 있다.
도 4b 에는 도 4a 의 플레넘과 관련된, 예시적인 튜브 시트의 정면도가 도시되어 있다.
도 5 에는 다른 예시적인 증기 발생 시스템이 도시되어 있다.
도 6a 에는 튜브 시트 안으로 삽입된 튜브가 도시되어 있다.
도 6b 에는 도 6a 의 튜브 시트 안에서 소성적으로 변형된 튜브가 도시되어 있다.
도 7 에는 튜브 시트에 연결된 열전달 튜브가 도시되어 있다.
도 8 에는 예시적인 플레넘의 단면도가 도시되어 있으며, 여기에는 급수 유동 방향이 표시되어 있다.
도 9 에는 도 8 의 예시적인 플레넘 안에 적어도 부분적으로 들어가 있는 작업자가 도시되어 있다.
도 10 에는 예시적인 튜브 시트의 단면도가 도시되어 있다.
도 11 에는 예시적인 튜브 정렬 오리피스 시스템의 단면도가 도시되어 있다.
도 12 에는 예시적인 튜브 정렬 오리피스 시스템이 도시되어 있다.
도 13 에는 예시적인 튜브 정렬 오리피스 시스템의 확대 단면도가 도시되어 있다.
도 14 에는 예시적인 튜브 정렬 오리피스 시스템의 확대된 부분 평면도가 도시되어 있다.
도 15 에는 예시적인 오리피스 플레이트가 도시되어 있다.
도 16 에는 튜브 정렬 오리피스 시스템을 설치하는 예시적인 과정이 도시되어 있다.
도 17 에는 복수의 열전달 튜브들에 인접하게 장착된 예시적인 오리피스 플레이트가 도시되어 있다.
도 18 에는 튜브 시트에 인접하게 장착된 예시적인 오리피스 플레이트가 도시되어 있다.
도 19 에는 복수의 장착 플레이트를 포함하는 예시적인 오리피스 부착 시스템이 도시되어 있다.
도 20 에는 오리피스 장치를 장착 플레이트에 고정시키기 위한 네 개의 예시적인 방법들이 도시되어 있다.
도 21 에는 오리피스 장치를 장착 플레이트에 부착시키기 위한, 거꾸로 되어 있는 스프링 부하(spring load)를 받는 부착 메카니즘이 도시되어 있다.
도 22 에는 오리피스 장치들의 제거, 설치, 및/또는 재설치 작업을 포함하는 예시적인 과정이 도시되어 있다.
도 23 에는 오리피스 장치들의 제거, 설치, 및/또는 재설치 작업을 포함하는 다른 예시적인 과정이 도시되어 있다.
여기에서 참조 및 설명되는 다양한 실시예들은 호, 미국 특허출원 제11/941,024호, 미국 특허출원 제12/939,957호, 및 미국 특허출원 제13/451,759호 중 하나 이상에 개시되어 있는 구성과 일관되게 또는 조합되어 작동될 수 있는바, 상기 문헌들은 그 전체가 참조로서 여기에 포함된다.
도 1 에는 파워 모듈(power module; 50)에서의 작동을 위하여 구성된 예시적인 증기 발생 시스템(100)이 도시되어 있다. 파워 모듈(50)은 원자로 용기(20) 내에 배치된 원자로 노심(5)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는 원자로 노심(5)이 핵 원자로와, 원자로 노심(5) 내에서의 분열의 속도를 제어하도록 구성된 다수의 제어봉을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는, 파워 모듈(50)이 예를 들어 가스 동력 방식의 파워 플랜트 또는 석탄 연소 방식의 파워 플랜트에서 작동하도록 구성될 수 있다.
원통 형상 또는 캡슐 형상을 갖는 격납 용기(10)가 상기 원자로 용기(20)를 둘러쌀 수 있다. 상기 원자로 용기(20)와 격납 용기(10) 사이에 있는 체적 또는 격납 공간은 원자로 용기(20)로부터 외부 환경으로의 열전달을 감소시키기 위하여 완전히 또는 부분적으로 진공화(evacuation)될 수 있다. 원자로 용기(20) 외부의 부분적인 진공은, 상기 격납 공간 내부의 발화가능한 가스의 존재를 감소시키고 그리고/또는 원자로 용기(20)를 위한 단열을 제공하기 위하여 이용될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 상기 원자로 용기(20)와 격납 용기(10) 사이의 체적이, 원자로 용기(20)와 격납 용기(10) 사이의 열전달을 증대시킬 수 있는 유체 및/또는 가스로 적어도 부분적으로 채워질 수 있다.
원자로 용기(20)는 (예를 들어 물과 같은) 유체(45)를 격납하도록 구성될 수 있고, 상기 유체는 보론(boron) 또는 다른 유형의 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서는 유체(45)가 원자로 용기(20) 내에 격납되는 1차 냉각제를 포함할 수 있는데, 상기 1차 냉각제는 파워 모듈(50)의 작동 동안에 원자로 노심(5)에 의하여 가열된다. 화살표(15)에 의하여 표시된 바와 같은 1차 냉각제의 상방향 움직임은 가열 과정으로부터 초래될 수 있는 것으로서, 강제 대류 및/또는 자연 순환에 의해서 1차 냉각제가 증기 발생 시스템(100)의 하나 이상의 열교환기, 예를 들어 제1 열교환기(41) 및 제2 열교환기(42)를 통하여 그리고/또는 지나서 상승기 칼럼(riser column; 30)을 통해 상방향으로 이동한다. 1차 냉각제가 화살표(25)에 의하여 표시된 바와 같이 원자로 용기(20)의 저부를 향하여 아래로 이동함에 따라서, 상기 하나 이상의 열교환기(41, 42)는 1차 냉각제로부터 열을 추출하도록 구성될 수 있다. 원자로 용기(20)의 저부 부분에 도달한 이후에는, 원자로 노심(5)과의 추가적인 접촉에 의해서 1차 냉각제가 추가적으로 가열될 수 있으며, 이로써 하나 이상의 열교환기(41, 42)를 통하고 그리고/또는 지나는 1차 냉각제의 상기 사이클이 계속될 수 있다.
증기 발생 시스템(100) 및/또는 하나 이상의 열교환기(41, 42)는 원통 형상으로 배치된 복수의 튜브를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는, 상기 튜브들이 상승기 칼럼(30)의 상측 부분을 둘러싸는 다수의 나선 코일 형태로 배치될 수 있다.
상기 원자로 용기(20) 내의 1차 냉각제는 대기압 초과의 압력 작동 조건에서 유지될 수 있으므로, 1차 냉각제가 증기화되지 않은 채(즉, 비등하지 않은 채)로 고온에 도달함이 가능하게 된다. 증기 발생 시스템(100)은 물 및/또는 급수와 같은 2차 냉각제를 포함할 수 있다. 1차 냉각제로부터의 열전달로 인하여 상기 하나 이상의 열교환기(41, 42) 안에 있는 2차 냉각제의 온도가 상승함에 따라서 2차 냉각제의 비등이 시작될 수 있다. 비등이 개시됨에 따라서, 증기화된 냉각제 또는 증기(13)가 상기 하나 이상의 열교환기(41, 42)로부터 경로이동하여서 하나 이상의 터빈(31, 32)을 구동할 수 있으며, 상기 터빈(31, 32)은 증기913)의 열 잠재 에너지를 전기 에너지로 변환시키도록 구성된 것일 수 있다. 증기 발생 시스템(100)은 증기(13)를 응축시키고 급수(17)를 하나 이상의 열교환기(41, 42)로 되돌려 보내도록 구성될 수 있다.
가압식 원자로와 같은 일부 실시예에서는 증기 발생 시스템(100) 내의 2차 냉각제로 이루어진 증기(13) 및 급수(17)가 1차 냉각제로 이루어져 원자로 용기(20) 안에서 순환하는 유체(45)로부터 격리된 채로 유지될 수 있는데, 이로써 1차 냉각제와 2차 냉각제가 서로 혼합되거나 또는 직접 접촉하지 않도록 된다. 예를 들어 비등수 원자로와 같은 다른 실시예에서는, 원자로 용기 내부의 냉각제가 비등할 수 있으며, 증기 발생 시스템을 통하여 순환되는 증기를 생성할 수 있다.
증기 발생 시스템(100)은 하나 이상의 상측 플레넘(37)과 하나 이상의 하측 플레넘(47)을 포함할 수 있다. 하측 플레넘(47)은 하나 이상의 열교환기(41, 42)의 입력 포트에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서는 하측 플레넘(47)이 열전달 튜브들에 유체 결합된(fluidly coupled) 튜브 시트를 포함할 수 있다. 상측 플레넘(37)은, 평면(11A)(도 2 참조)과 같이 상승기 칼럼(30)의 상측 부분과 교차하는 제1 수평 평면에 인접하여 배치될 수 있다. 일부 실시예에서는 하나 이상의 상측 플레넘(37)이, 평면(11B)(도 2 참조)과 같이 상기 제1 수평 평면 아래에 배치된 제2 수평 평면을 향하여 하방향으로 향하는 튜브 시트를 포함할 수 있다. 하측 플레넘(47)은 상승기 칼럼(30)의 하측 부분과 교차하는 제2 수평 평면과 인접하게 배치될 수 있다. 일부 실시예에서는 하나 이상의 하측 플레넘(47)이 제1 수평 평면을 향하여 상방향으로 향하는 튜브 시트를 포함할 수 있다.
도 2 에 도시된 예시적인 증기 발생 시스템(200)은 하측 플레넘(47A) 및 상측 플레넘(37A)과 같은 다수의 플레넘들에 작동가능하게 결합되어 있는 열전달 튜브(43)들을 포함한다. 열전달 튜브(43)들은 밀접한 간격으로 배치된 튜브들이 여러 층을 이루도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서는 열전달 튜브(43)들이 하측 플레넘(47A)과 상측 플레넘(37A) 사이에서 나선형으로 연장될 수 있다. 상측 플레넘(37A)들은 예를 들어 제1 평면(11A)과 같은 제1 평면에 배치될 수 있고, 하측 플레넘들은 제2 평면(11B)과 같은 제2 평면에 배치될 수 있다. 제1 평면(11A)은 제2 평면(11B)과 평행할 수 있다. 하측 플레넘(47A)들 및 상측 플레넘(37A)들 중 어느 한 가지 또는 두 가지 모두는 증기 발생 시스템(200) 둘레에서 90도의 간격으로 이격될 수 있다. 네 개의 상측 플레넘(37A)들이 네 개의 하측 플레넘(47A)들과 수직으로 정렬되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 일부 실시예에서는 상측 플레넘(37A)들이 하측 플레넘(47A)들로부터 회전방향으로 (예를 들어 45도 만큼) 오프셋(offset)되어 있을 수 있다. 여기에서, 상이한 개수의 플레넘(예를 들어 두 개의 상측 플레넘과 두 개의 하측 플레넘)과 상이한 각도의 오프셋(예를 들어 90도)도 가능하다.
도 3 에는 도 2 의 증기 발생 시스템(200)과 같은 예시적인 증기 발생 시스템의 단부 모습이 도시되어 있다. 네 개의 플레넘(220)들은 X-Z 평면에에 대해 직각으로 배치된 중심축을 중심으로 대략 90도의 간격으로 이격되어 있다. 상기 X-Z 평면은 평면들(11A, 11B, 및 11C)(도 2 참조) 중 하나에 대응되거나 또는 그와 평행한 것일 수 있다. 상기 중심축(또는 y축 - 도 2 참조)은 예를 들어, 도 1 의 상승기 칼럼(30)과 같이 원자로 노심 위에 배치된 상승기 또는 하우징의 길이방향 중심선으로서 취해질 수 있다. 열전달 튜브(210)들의 동심상 층들이 상승기(30)를 둘러싸고 있는 것으로 도시되어 있다.
하나 이상의 열전달 튜브(210)는 하측 플레넘에서 시작하고 그리고/또는 상측 플레넘에서 종료될 수 있다. 열전달 튜브의 나선형 설계에 있어서, 열전달 튜브(210)들 중 일부는 상승기(30) 주위로 반시계방향으로 코일을 형성할 수 있으며, 열전달 튜브(210)들 중 다른 튜브들은 상승기(30) 주위로 시계방향으로 코일을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 상승기(30) 주위에서 열전달 튜브(210)들의 연속적인 층들이 교번적인 그리고/또는 반대인 방향으로 코일을 형성할 수 있다.
도 4a 에는 예시적인 플레넘(320)의 평면도가 도시되어 있다. 플레넘(320)은 증기 발생기의 개별 튜브들과의 결합을 위하여 구성된 구멍(350)들을 구비할 수 있다. 구멍(350)들은 튜브 시트(330)에서 일련의 열들 및/또는 동심상 원호들와 같이, 다양한 구성형태로 배치될 수 있다. 상기 열들은 원호형 또는 곡선형의 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서는 상기 열들이 실질적으로 직선형일 수 도 있다. 각 열에서 상기 구멍(350)들의 개수는, 튜브 시트(330)의 내측 가장자리(250)에 인접하여 또는 그 가까이에서 열당(per row) 구멍의 개수가 적고 튜브 시트(330)의 외측 가장자리(260)에 인접하여 또는 그 가까이에서 열당 구멍의 개수가 많아지게 될 수 있다.
일부 실시예에서는 내측 가장자리(250)에 인접하여 또는 그 가까이에서의 구멍들의 밀도(단위 면적당 구멍들의 개수에 기초하여 계산)에 비하여, 외측 가장자리(260)에 인접하여 또는 그 가까이에 존재하는 구멍들의 밀도가 더 클 수 있다. 내측 가장자리(250)는 상승기 칼럼(255)에 인접한 플레넘(320)의 일부분에 해당될 수 있으며, 외측 가장자리(260)는 예를 들어 도 1 에 도시된 원자로 용기(20)와 같은, 원자로 용기의 벽(265)에 인접한 플레넘(320)의 일부분에 해당될 수 있다.
도 4b 에는 도 4a 의 플레넘(320) 및 튜브 시트(330)와 같은, 예시적인 플레넘 및 튜브 시트의 정면도가 도시되어 있다. 튜브 시트(330)는, 예를 들어 상승기(30)(도 1 참조)와 같은 상승기 칼럼에 가장 가까운 플레넘(320)의 일 측에 배치된 상승기 칼럼 가장자리(335)와, 예를 들어 원자로 용기(20)(도 1 참조)와 같은 원자로 용기에 가장 가까운 플레넘(320)의 일 측에 배치된 원자로 용기 벽 가장자리(340)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는 튜브 시트(330)가 실질적으로 편평한 표면을 포함할 수 있으며, 그 평면한 표면을 통하도록 복수의 구멍들이 형성될 수 있다. 상기 구멍들은 다수의 열전달 튜브에 대응되는 복수의 열들 및/또는 칼럼들로서 배치될 수 있다. 상기 열전달 튜브들은 적어도 튜브 시트(330)에 결합되는 지점에서, 복수의 열들 및/또는 칼럼들로 배치될 수도 있다.
튜브 시트(330)와 관련된 열들 및/또는 칼럼들의 개수는 단순화되어 도시된 모습에 도시된 것보다 상당히 더 많을 수 있다. 일부 실시예에서 튜브 시트에는 열전달 튜브들이 개수에 대응되는 구멍들의 열들 및/또는 칼럼들이 20개 이상 구비될 수 있다.
튜브 시트(330)의 대향된 측부들이 실질적으로 평행한 것으로 도시되어 있으나, 일부 예시적인 튜브 시트는 둘 이상의 평행하지 않은 측부를 구비할 수 있다. 튜브 시트(330)의 일 측부에 배치된 구멍들의 개수는 반대측 측부에 있는 튜브들의 개수보다 적을 수 있으며, 이로써 튜브 시트가 테이퍼(taper)짐을 허용할 수 있다. 예를 들어 튜브 시트의 외측 열은 대략 22 개의 구멍을 구비하는 한편, 내측 열은 대략 17개의 구멍을을 구비할 수 있으며, 물론 어느 열에서든 이보다 더 많거나 적은 개수의 구멍들이 구비될 수 있다. 테이퍼진 튜브 시트는 평행사변형으로서 형성된 유사한 크기의 튜브 시트에 비하여 적은 하중을 가질 수 있다.
일부 실시예에서는 튜브 시트(330)가 전체적으로 수평한 평면의 구성을 갖는 것으로 고려될 수 있다. 유사하게, 튜브 시트(330)에 있는 구멍들은, 튜브 시트(330)의 표면/면에 대해 실질적으로 직각인 방향 및/또는 수평 평면에 대해 실질적으로 직각인 방향을 향해서 전체적으로 상바향 또는 하방향을 향하는 것으로 고려쵤 수 있다. 일부 실시예에서는, 튜브 시트(330)의 표면이 도 2 의 평면들(11A, 11B, 및 11C)와 같은 하나 이상의 수평한 평면에 대해 대략적으로 평행할 수 있다.
다른 예시적인 튜브 시트는 전체적으로 수직인 평면의 방위를 갖는 것으로 고려될 수 있는데, 이 경우에는 대응되는 구멍들이 전체적으로 원자로 용기의 오른쪽 또는 왼쪽을 향하는 것으로 고려될 수 있다. 일부 실시예에서는, 상기 튜브 시트의 표면이 도 2 의 평면들(11A, 11B, 및 11C)과 같은 하나 이상의 수평 평면들에 대해 대략적으로 직각을 이룰 수 있다.
도 5 에는 증기 발생 시스템(16)의 다른 예가 도시되어 있다. 증기 발생 시스템(16)은 하나 이상의 증기 발생기 및/또는 플레넘을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는, 하나 이상의 일체형 튜브 시트/플레넘(integral tube sheets/plenums; ITP), 예를 들어 하측 ITP(20)가 급수를 수용하도록 구성될 수 있고, 하나 이상의 상측 ITP(34, 36)가 증기를 터빈으로 운반하도록 구성될 수 있다. 상기 하측 ITP 및 상측 ITP는 원자로 용기의 상승기, 칼럼, 및/또는 고리부와 같은, 열 하우징(thermal housing; 18)에 장착될 수 있다. 증기 발생 시스템(16)은 도 1 의 격납 용기(10) 및/또는 원자로 용기(20)와 같은 압력 용기에 배치될 수 있다. 상기 ITP는 하나 이상의 튜브 시트를 포함할 수 있다. 예를 들어 플레넘의 제1 측부에 제1 튜브 시트가 배치되고, 플레넘의 제2 측부에 제2 튜브 시트가 배치될 수 있다.
하측 ITP(20)는 제1 측부(20A) 및 제2 측부(20B)를 구비하는 것으로 도시되어 있다. 일 실시예에서는 제1 측부(20A)가 제1 튜브 시트를 포함하고 제2 측부(20B)가 제2 튜브 시트를 포함할 수 있다. 상기 하측 ITP(20)는 원호형, 원형, 또는 타원형의 형상을 가질 수 있다. 하측 ITP(20)는 수직 방향의 방위를 갖는 주축(27)을 구비하며, 상기 제1 측부(20A) 및 제2 측부(20B)는 상기 주축(27)의 대향된 측부들에 배치되어 있는 것으로 도시되어 있다. 일부 실시예에서는 하나 이상의 튜브 시트(20A, 20B)가 타원형 ITP를 형성할 수 있다. 제1 및 제2 튜브 세트들(23, 24)은 상기 주축(27)의 대향된 측부들에서 하측 ITP(20)에 유체 결합될 수 있다. 제2 하측 ITP(미도시)는 하우징(18)에서 상기 하측 ITP(20)에 대해 반대측인 제2 측부에 구비될 수 있다. 유사하게, 제2 하측 ITP도 전술된 바와 같은 제1 측부 및 제2 측부를 구비할 수 있다.
제1 세트의 열전달 튜브(23)들이 상기 하측 ITP(20)의 제1 측부(20A)에 유체 결합될 수 있다. 제2 세트의 열전달 튜브(24)들은 제1 세트의 열전달 튜브(23)들의 반대측에서 하측 ITP(20)의 제2 측부(20B)에 유체 결합될 수 있다. 상기 튜브들의 위치가 내측 칼럼으로부터 외측 칼럼으로 전환됨에 따라서 튜브들의 길이 변화가 최소화되도록 하기 위하여, 복수의 튜브들이 형성됨에 있어서 중심축 주위에서의 회전수 또는 개수가 달라지도록 할 수 있다.
또한 상기 튜브들의 길이 변화를 최소화하는데에 도움이 되도록 상기 튜브들의 경로들이 조절될 수도 있다. 열전달 튜브들의 나선 각도들은 대응되는 코일들의 다양한 반경방향 위치들을 감안하여 다르게 될 수 있다. 튜브들이 실질적으로 동일한 길이를 갖도록 함으로써 각 튜브/세트에 걸쳐서 동등한 유체 유동 및 일정한 압력 강하가 증진될 수 있고, 유동 재분배 및/또는 압력 손실을 동등화시킬 필요가 최소화된다. 또한, 상기 튜브들을 코일로 구성함으로써 액체가 튜브들의 외측으로 밀착하게 됨이 유발될 수 있는데, 이로 인하여 그 주변에 있는 과열된 1차 냉각제에 더 가깝게 위치하게 됨으로써 급수의 증기로의 변환 효율이 더 향상될 수 있다.
원자로 노심(5)(도 1 참조)을 통과하여 하우징(18)의 내부를 통해 위로 지나가는 1차 냉각제는 도 1 을 참조로 하여 설명된 바와 같이 하우징(18)의 외부 주위에서 아래로 되돌아 내려와 열전달 튜브들(23, 24, 26)을 지나감으로써 순환할 수 있다. 열전달 튜브들이 교차 구성(crisscross arrangement) 특성으로 인하여, 열전달 튜브들(23, 24, 26)에 인접한 그리고 그 사이에서의 1차 냉각제의 유동은 교번적인 튜브들을 지나 계단식으로 진행하여, 증기 발생 시스템(16)을 통하는 유량이 일정하게 되는데 도움을 준다. 1차 냉각제의 유동으로 인하여, 열전달 튜브들(23, 24, 26)을 통해 유동하는 2차 냉각제가 가열되어 전술된 바와 같이 증기로 변환될 수 있다. 상기 열전달 튜브들을 코일로서 형성함으로써 주어진 축방향 실린더에 대해서 튜브들의 표면적을 증가시키는 것이 가능하게 되고, 이로써 1차 냉각제로부터 2차 냉각제로의 열전달이 극대화된다.
튜브 세트(23, 24)의 초기 섹션(initial section)은 코일들의 중간 부분들에 비하여 상대저으로 급격한 각도로 하측 ITP(20)에 연결될 수 있는데, 이는 하측의 ITP(들)에 대해 충분한 간극을 제공하기 위함이다. 상기 튜브 세트들(23, 24)은 상대적으로 작은 각도를 갖는 부분도 포함할 수 있는데, 이는 상기 급격한 각도 부분(steeper angled portion)을 오프셋(offset)시켜서 다양한 코일들의 나선 각도들 간의 차이를 저감시키기 위한 것이다. 타원형 형상을 갖는 ITP 는 열전달 튜브들의 수평 부착 및 수직 부착 모두를 가능하게 할 수 있다. 상기 상측 및 하측 ITP는 실질적으로 수직 방향의 방위를 갖는 것으로 도시/설명되었으나, 다른 실시예에서는 ITP들이 실질적으로 수평 방향의 방위를 갖도록 배치될 수 있다.
도 6a 에는 튜브 시트(65) 안으로 삽입된 튜브(60)가 도시되어 있다. 튜브(60)는 튜브(60)의 내측 표면(67)에 대해 측정된 내측 반경(R1)을 가질 수 있다. 또한 튜브 시트(65)는 반경(R2)를 갖는 관통 구멍을 가질 수 있다. 상기 튜브(60)의 내측 반경(R1)은 관통구멍의 반경(R2)보다 작을 수 있다. 상기 튜브(60)의 외측 표면(64)이 상기 관통구멍 안에 끼워짐으로써, 튜브(60)가 튜브 시트(65) 안으로 삽입될 수 있다. 상기 튜브(60)의 외측 표면의 반경은 반경(R2)보다 약간만 작을 수 있다. 상기 튜브(60)를 튜브 시트(65)에 연결할 때, 튜브(60)의 하측 단부(62)는 튜브 시트(65)의 반대측으로 돌출될 때까지 상기 관통구멍을 통해 삽입될 수 있다.
도 6b 에는 도 6a 의 튜브 시트(65) 안에 소성적으로 변형된 튜브(60)가 도시되어 있다. 공압식 또는 유압식 공구가 튜브(60) 안에 넣어져서 상기 튜브(60)의 내측 표면(67)을 가압하는 방식으로 작동될 수 있다. 상기 내측 표면(67)이 반경(R3)까지 확장됨으로써, 외측 표면(64)도 상기 관통구멍의 주변 벽으로 확장되고, 이로써 튜브 시트(65)와의 밀봉이 형성된다. 상기 변형된 튜브(60)의 단면의 반경(R3)은 튜브(60)의 나머지 부분의 내측 반경(R1)보다 더 클 수 있으며, 이로 인하여 상기 소성 변형 이후에는 튜브(60)의 내측 표면(67)에 약간의 불룩한 부분이 존재하게 될 수 있다. 예를 들어 반경(R3)은 0.525 인치이고, 내측 반경(R1)은 대략 0.515 인치일 수 있다. 위와 같은 마찰 밀봉 또는 압력 끼움에 있어서의 결함을 방지하기 위하여, 튜브(60)의 돌출된 부분이 용접됨으로써 누설 방지 접합이 보장될 수 있다.
도 7 에는 튜브 시트(75)에 연결된 열전달 튜브(70)가 도시되어 있다. 튜브 스터브(76)는 튜브 시트(75) 또는 ITP 와 일체로 형성될 수 있다. 상기 튜브(70)의 하측 단부(78)는 상기 스터브(76)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 튜브(70)의 내측 벽(77)에 대해 측정된 튜브(70)의 내측 반경(RT)은 튜브 시트(75)의 내측 벽(74)에 대해 측정된 튜브 시트(75)의 관통구멍의 내측 반경(RS)와 동일할 수 있다. 상기 튜브 시트(75)에 대한 열전달 튜브(70)의 유체 연결을 위하여 하측 단부(78)가 스터브(76)에 용접될 수 있다.
상기 튜브(70)가 튜브 시트(75)에 연결된 이후에는 상기 관통구멍이 연속적인 채널(channel)을 형성할 수 있으며, 상기 채널은 튜브 시트(75)와 튜브(70) 모두에 걸쳐서 균일한 반경을 갖는다. 도면상 명확성을 위하여 상기 튜브 시트(75)가 단일의 스터브(76)를 구비하는 것으로 도시되어 있으나, 튜브 시트(75)가 스터브(76)와 유사한 복수의 스터브들을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.
도 8 에 도시된 열전달 시스템(80)의 단면도에 도시된 바와 같이, 예시적인 플레넘(87)에는 유동 방향을 갖는 급수가 제공된다. 공급라인을 통해 플레넘(87)에 진입하고 2차 냉각제를 이루는 급수(17)는 화살표로서 표시되어 있는바, 플레넘(87)을 통해 유동하여 도 7 의 열전달 튜브(70)와 같은 복수의 열전달 튜브 안으로 진행한다. 플레넘(87)은 메인 증기 노즐(main steam nozzle)들 및/또는 급수(17)와 열전달 튜브들 사이에서의 천이부(transition)를 제공하도록 구성될 수 있다. 열전달 시스템(80)에 대한 튜브들의 설치 동안 또는 그 이후에 플레넘(87)에 대한 접근은, 접근 포트(83)에 의하여 제공될 수 있다.
단 하나의 플레넘만이 도시되어 있으나, 열전달 시스템(80)은 둘 이상의 플레넘을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는 네 개의 하측 플레넘이 격납 용기의 하측 부분에 인접하게 배치될 수 있고, 네 개의 상측 플레넘이 격납 용기의 상측 부분에 인접하게 배치될 수 있다. 또한 상기 플레넘들은 둘 이상의 열전달 시스템으로 나뉠 수 있다.
복수의 열전달 튜브들은 튜브 시트(85)를 거쳐서 플레넘(87)에 유체 결합될 수 있다. 일부 실시예에서는 튜브 시트(85)가 플레넘(87)과 일체로 형성될 수 있다. 튜브 시트(85)가 대략적으로 수평인 평면에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 다른 실시예에서 튜브 시트는 다른 평면의 방위로 배치될 수 있으며, 여기에는 수직 평면이 포함된다. 유사하게, 튜브 시트(85)는 다양한 실시예들에서 실질적으로 편평한 것이거나 또는 만곡한 것일 수 있다. 도 1 내지 도 5 를 참조하면, 플레넘(87)은 플레넘(47)과 플레넘(20) 각각에 의하여 도시된 바와 같이, 증기 발생기의 저부에 또는 그 저부 가까이에 배치될 수 있다.
일부 실시예에서는, 2차 유동이 열전달 튜브에 진입하는 튜브 시트(85)의 면에 튜브 유동 제한 오리피스들이 설치될 수 있다. 플레넘(87)은 플레넘(87)의 상측 표면에 일체형 튜브 시트를 구비할 수 있고, 상기 튜브 시트는 열전달 튜브들을 플레넘(87)에 부착시키는 역할을 한다. 원자로 압력 벽의 외부에 배치된 플레넘(87)의 부분은 급수 라인이 부착되는 원통형 노즐을 포함할 수 있다.
유동 제한기의 제거/설치, 튜브 검사, 2차 측부 화학 세정, 등과 같은 유지보수 작업은 드라이 도크(dry dock)에 위치한 증기 발생기 시스템 및/또는 격납 용기의 상측 부분에서 수행될 수 있다. 일부 실시예에서는 상측 부분과 하측 부분을 연결하는 볼트체결된 플랜지들을 분리 및/또는 제거함으로써, 상기 격납 용기의 상측 부분이 격납 용기의 하측 부분으로부터 분리될 수 있다. 상기 증기 발생기 시스템 및/또는 격납 용기의 상측 부분이 분리됨으로써, 상기 열전달 튜브들 및/또는 공급 노즐들에 대한 직접적인 접근이 가능하게 된다.
도 9 에는 도 8 의 예시적인 플레넘(87) 안에 적어도 부분적으로 위치하고 있는 작업자(84)가 도시되어 있다. 튜브 시트(85) 및/또는 하나 이상의 열전달 튜브에 대한 접근은, 접근 포트(83)(도 8 참조)를 플레넘(87)으로부터 분리함으로써 용이하게 될 수 있다. 일부 실시예에서는, 증기 발생기 시스템 및/또는 격납 용기의 상측 부분을 분리하지 않고서도 접근 포트(83)가 분리될 수 있다.
플레넘(87)의 내부 영역에 대한 접근은, 유입 유동 제한 오리피스, 및 이와 관련된 하나 이상의 오리피스 플레이트(위에서 설명됨)를 포함하는 위치선정 및 부착 하드웨어의 설치 및/또는 제거를 위하여 제공될 수 있다. 플레넘(87) 및 접근 포트(83)의 크기 및 기하형태에 근거하여, 작업자(84)가 플레넘(87)에 진입하여 튜브 시트(85)의 영역에서의 수작업들, 예를 들어 유동 제한기 및 부착 하드웨어를 제거 및 설치하고 유동 제한기 설치에 대해 필요한 검사를 수행함이 실용적일 수 있다. 일부 실시예에서는 플레넘(87)이 접근 포트(83) 및/또는 원자로 압력 용기에서 대략 2 피트(feet)의 내측 직경 원통부를 구비할 수 있는데, 그것은 플레넘(87)이 중앙의 상승기를 관통하는 내부 단부 가까이에서 더 작은 직경으로 테이퍼질 수 있다.
일부 실시예에서는 열전달 튜브의 유지보수 및/또는 검사를 지원하기 위하여 오리피스 장치가 분리되어야 하는 경우에 연료보급 중단의 충격을 최소화시키기 위하여, 모든 오리피스 장치의 분리 및 재설치를 위한 목표 총합 시간이 16 시간 이하로 설정될 수 있다. 튜브 길이 전체의 검사를 포함하는 유지보수 활동들 대부분(모두는 아닐 수 있음)은 오리피스 장치가 제 위치에 있는 상태로 수행될 수 있다. 일부 실시예에서는, 튜브 누설 시험 및/또는 의심 튜브 플러깅(suspected tube plugging)을 위하여 하측 튜브 단부들에 접근하기 위하여, 오리피스 장치들 모두 또는 일부의 분리가 수행될 수 있다.
오리피스 장치들의 분리 및/또는 설치에 앞서서, 일부 작업들, 예를 들어 원자로 모듈을 드라이 도크 스탠드에 배치시킴, 열전달 튜브들의 배수, 플레넘 접근 커버의 분리, 관련된 비계(scaffolding) 및/또는 플랫폼의 배치, 차단부의 설치, 등이 완료될 수 있다. 또한 플레넘들 모두에 대한 작업이 병렬적으로 수행될 수 있다.
도 10 에는 도 8 의 튜브 시트(85)와 같은, 예시적인 튜브 시트의 부분 단면도가 도시되어 있는데, 상기 튜브 시트는 열전달 튜브(70)와 같은 예시적인 열전달 튜브 복수개에 작동상 연결된다. 튜브 시트(85)는 'FLUID 2'로 표시된 급수 또는 2차 냉각제의 공급을 열전달 튜브(70) 안으로 수용하는 수단을 제공할 수 있다. 하나 이상의 스터브(96)는 열전달 튜브(70)를 포함하는 제1 튜브 세트에 튜브 시트(85)를 유체 결합시키는 수단을 제공할 수 있다. 열전달 튜브(70)는, 과열된 1차 냉각제(FLUID 1)가 열전달 튜브(70)의 외측 표면 옆으로 또는 그 위로 지나가는 때에 급수를 증기로 변환시키도록 구성될 수 있다.
튜브 시트(85)의 제1 측부(91)는 1차 냉각제(FLUID 1)와 직접적으로 접촉할 수 있다. 튜브 시트(85)의 제2 측부(92)는 급수 또는 2차 냉각제(FLUID 2)와 직접적으로 접촉할 수 있다. 튜브 시트(85)는, 1차 냉각제(FLUID 1)를 튜브 시트(85)의 제1 측부(91)에 유지시키도록 구성될 수 있다. 열전달 튜브(70)는, 1차 냉각제(FLUID 1)가 2차 냉각제(FLUID 2)로부터 분리된 채로 유지되게 하기 위해서 스터브(96)들에 용접 또는 다른 방식에 의하여 결합될 수 있다. 일부 실시예에서는 1차 냉각제(FLUID 1)가 2차 냉각제(FLUID 2)로부터 고립된 채로 유지되는데, 예를 들면 1차 냉각제(FLUID 1)가 방사성 물질이나 오염된 물질을 함유하는 경우나, 1차 냉각제(FLUID 1)와 2차 냉각제(FLUID 2)의 혼합이 불리한 반응 또는 연소 반응을 초래할 수 있는 경우에 그러하다.
1차 냉각제(FLUID 1)는 1차 냉각제(FLUID 1)가 열전달 튜브(70) 내의 채널(95)을 통과함에 따라서 2차 냉각제(FLUID 2)를 가열한다. 열전달 튜브(70)의 내측 표면(99)이 2차 냉각제(FLUID 2)에 대해 노출될 수 있는 한편, 열전달 튜브(70)의 외측 표면(97)은 1차 냉각제(FLUID 1)에 대해 노출될 수 있다. 일부 실시예에서는 1차 냉각제(FLUID 1)와 2차 냉각제(FLUID 2) 모두가 가압수(pressurized water)로 이루어질 수 있다. 상기 1차 냉각제(FLUID 1)의 압력은 2차 냉각제(FLUID 2)의 압력보다 더 클 수 있다. 일부 실시예에서는 1차 냉각제(FLUID 1)의 압력이 2차 냉각제(FLUID 2)의 압력보다 거의 4배로 클 수 있다.
가압수 원자로(pressurized water reactor; PWR)의 설계를 기반으로 하는 증기 발생기는 1차 냉각제 시스템(가압수)로부터 2차 냉각제로 열을 전달할 수 있다. 예를 들어, 열전달 튜브(70)를 통해 이동하는 2차 냉각제(FLUID 2)가 주위의 1차 냉각제(FLUID 1)에 의하여 가열될 수 있으며, 이로 인하여 2차 냉각제(FLUID 2)의 비등, 과열, 및/또는 증기 형성이 유발될 수 있다. 비등 및/또는 과열은, 예를 들어 외부 튜브 비등을 포함하는 핵 원자로 설계와 상이한 작동 조건을 제공할 수 있다.
밀도파 진동(density wave oscillations; DWO)으로서 특징지워질 수 있는 열전달 튜브들 간의 동적 불안정성은, 열전달 튜브들 내부의 무거운 밀도 유체와 가벼운 밀도 유체의 파동들과, 열전달 튜브(70)를 통한 2차 냉각제(FLUID 2)의 전파(propagating) 상의 개별적 지연으로부터 발생할 수 있다. 열전달 튜브(70)에 진입하는 상대적으로 저온인 2차 냉각제(FLUID 2)와 열전달 튜브(70)로부터 나가는 상대적으로 고온인 2차 냉각제(FLUID 2)(예를 들어, 저 밀도의 증기) 간의 밀도 차이가 열전달 튜브(70)에 걸친 압력 강하의 천이 분포(transient distribution)에 지연을 촉발할 수 있다. 압력 강하의 상기 천이 분포는 역상(counter-phase)으로 진동하는 2상(two-phase) 압력 강하 및 단일 위상을 갖는 자기발생적(self-sustained) 진동으로 귀결될 수 있다. 밀도파 진동을 허용가능한 낮은 레벨로 억제하기 위한 일 방안은, 상기 열전달 튜브들의 유입부에 하나 이상의 오리피스를 제공하는 것이다.
열전달 튜브(70)를 통하는 급수 또는 2차 냉각제(FLUID 2)의 유동을 동등화(equalize) 및 제어하기 위해서 오리피스(89)가 이용될 수 있다. 오리피스(89)는, 열전달 튜브들 각각을 통하는 유동이 서로 동등 또는 유사하게 되는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 오리피스가 없는 제1 열전달 튜브를 통하는 2차 냉각제(FLUID 2)의 제1 유량(81)은 예를 들어 오리피스(89)와 같은 유입 오리피스를 구비한 제2 열전달 튜브를 통하는 2차 냉각제(FLUID 2)의 제2 유량(82)과 동등 또는 유사할 수 있다. 이와 유사하게, 오리피스(89)는, 열전달 튜브(70) 내부에서 유체에 대한 열전달이 열전달 튜브들 각각에 대해 동등 또는 유사하도록 정해지는 치수를 가질 수 있다. 또한, 오리피스(89)는 배압(back pressure) 또는 역류(back flow)를 감소시킴으로써, 열전달 튜브들 모두를 통하는 유동을 안정화시키도록 정해지는 치수를 가질 수 있다. 다른 실시예에서는, 열전달 튜브 각각에 있어서의 개별적인 유량 및/또는 배압을 제어하기 위하여, 둘 이상의 열전달 튜브가 상이한 치수의 오리피스를 구비할 수 있다. 오리피스(89)와 같은 오리피스는, 열전달 튜브들 모두 또는 일부에 포함될 수 있다. 일부 실시예에서는, 오리피스(89)가 튜브 시트(85)와 일체로 만들어지거나 또는 튜브 시트(85) 안에 배치될 수 있다.
오리피스(89)는 2차 냉각제(FLUID 2)의 압력을 감소시키는데에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는, 오리피스(89)가 2차 냉각제(FLUID 2)의 압력을 100.0mmHg 내지 300.0mmHg 사이의 양만큼 감소시키도록 구성될 수 있다. 2차 냉각제(FLUID 2의 압력을 감소 및/또는 안정화시킴은, 예를 들어 핵 원자로 모듈의 저 동력 작동(low power operation) 동안에 습식 증기와 건식 증기 간의 순간적인 진동을 방지하는데 도움이 될 수 있으며, 이것은 습식 증기가 예를 들어 터빈(31, 32)(도 1 참조)과 같은 하나 이상의 터빈으로 연결될 가능성을 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서는, 오리피스(89) 및 과냉각된 튜브 유입 섹션에 걸쳐서의 조합된 압력 손실이 2상 및 과열된 튜브 섹션들에 걸쳐서의 압력 손실을 초과할 수 있다.
유입 유동 제한 오리피스는 각각의 열전달 튜브에 대해 배치 및/또는 부착될 수 있다. 상기 유입 유동 제한 오리피스는 상기 튜브들 내부에 안정적인 2차 측 유동을 제공하기 위하여 이용될 수 있다. 또한 상기 유입 유동 제한 오리피스는 열전달 시스템의 풀 파워(full power) 작동 동안에 특정의 유입 유동 손실 계수(inlet flow loss coefficient)를 얻도록 구성될 수 있는데, 이로써 상기 튜브들을 통하는 유동이 충분히 안정적으로 됨이 보장된다. 일부 실시예에서는, 튜브 유지보수 작업을 지원하기 위하여, 예를 들어 셧다운 기간(shutdown period) 동안에 상기 유입 유동 제한 오리피스들이 분리 및/또는 재설치될 수 있다. 상기 열전달 시스템의 유입 노즐들 및 유입 유동 제한 오리피스들에 대한 분리 및/또는 접근이 가능하게 됨으로 인하여, 일반적으로 열전달 시스템 및 열전달 튜브들의 길이 전체에 대한 검사가 용이하게 된다.
중앙 오리피스 유동 제한기는, 열전달 튜브의 내측 직경에 비하여 감소된 직경을 갖는 원통형 구멍을 통해서 냉각제의 유동을 지향시킴으로써, 유동 제한을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서는 중앙 오리피스 유동 제한이, 상기 튜브 시트의 면 또는 튜브 단부들에 대해 가압될 수 있는 오리피스 플레이트를 통해서 드릴링된 작은 오리피스 구멍들에 의해 수행될 수 있다. 다른 실시예에서는, 개별의 오리피스들이 각각의 튜브 안에 삽입되거나, 또는 각각의 튜브 단부에 장착될 수 있다. 상기 오리피스 장치는 개별의 튜브와 정렬될 수 있으며, 그 튜브에 진입하는 유동을 제한하도록 구성될 수 있다. 고리형 유동 제한기는, 각각의 열전달 튜브의 중앙 안으로 삽입되는 중실의 장치(solid device)를 포함할 수 있고, 열전달 튜브의 내측 직경과 오리피스 장치 사이의 고리 부분을 통하는 유동 및/또는 삽입체의 길이를 통하여 드릴링된 중앙 오리피스 구멍을 통하는 유동을 채널링(channeling)시킴으로써, 열전달 튜브에 진입하는 냉각제의 유동을 제한하도록 구성될 수 있다.
중앙 오리피스 유동 개념 또는 고리형 유동 개념의 구성은 요망되는 유동 손실 계수를 얻도록 정해진 크기를 가질 수 있다. 그러나 상기 두 가지 개념의 구성은 제작 및 조립 공차들과 작동상 변형에 의하여 기본적으로 상이한 방식으로 영향을 받을 수 있다. 중앙 오리피스 유동 제한기 개념의 구성은 변형 및 공차와 관련된 바이패스 유동에 민감할 수 있는데, 이것은 유동이 상기 의도된 원통형 오리피스 유동 경로를 우회(bypass)하는 방식으로 상기 튜브 안으로 지나감을 허용한다. 상기 튜브와 플레이트 사이 또는 상기 튜브 시트와 플레이트 사이에서 누설되는 유동은 상기 오리피스를 우회하여 오리피스의 효과를 감소시킬 수 있다. 만일 이러한 누설 유동 플레이트가 충분히 크다면, 유동 제한기는 목표로 하는 유입 유동 손실 계수를 효과적으로 달성하지 못할 수 있다. 한편, 고리형 유동 제한기는, 상기 튜브의 내측 직경과 상기 장치 사이의 고리 부분을 통하는 단일의 유동 경로를 제공하도록 구성될 수 있다.
도 11 에는 오리피스 플레이트(105)를 포함하는 예시적인 튜브 정렬 오리피스 시스템(1000)의 부분 단면도가 도시되어 있다. 오리피스 플레이트(105)는 예를 들어 튜브 시트(95)와 같은 튜브 시트에 인접하여, 플레넘(47), 플레넘(87), 플레넘(47A), 플레넘(320), 또는 플레넘(20)(도 1 내지 도 5 및 도 8 참조)와 같은 플레넘 내에 장착될 수 있다. 예를 들어, 오리피스 플레이트(105)는 플레넘 내부에서 튜브 시트(95) 아래에 배치될 수 있다. 오리피스 플레이트(105)는 유체 채널(108)에 의하여 튜브 시트(95)로부터 떨어져 이격될 수 있다. 유체 채널(108)은 튜브 시트(95)와 오리피스 플레이트(105) 사이에서의 급수(17)의 유동을 허용하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서는 오리피스 플레이트(105)가 튜브 시트(95)에 장착될 수 있다. 다른 실시예에서는 오리피스 플레이트(105)가 주위의 플레넘에 장착될 수 있다.
제1 열전달 튜브(71), 제2 열전달 튜브(72), 및 제3 열전달 튜브(73)와 같은 복수의 열전달 튜브가 튜브 시트(95)에 끼움, 삽입, 부착, 및/또는 결합될 수 있다. 일부 실시예에서는, 제1 열전달 튜브(71)와 같은 열전달 튜브의 하측 단부가 튜브 시트(95) 밖으로 연장될 수 있으며, 이로써 제1 열전달 튜브(71)의 하측 단부가 간극(106) 만큼 오리피스 플레이트(105)로부터 떨어져 이격될 수 있다. 간극(106)은, 상기 복수의 열전달 튜브들 중 하나 이상의 안으로 급수(17)가 유동함을 허용하도록 구성될 수 있다.
제1 오리피스(101), 제2 오리피스(102), 및 제3 오리피스(103)와 같은 하나 이상의 오리피스 장치들이 오리피스 플레이트(105)에 끼움, 삽입, 부착, 및/또는 결합될 수 있다. 일부 실시예에서는 하나 이상의 오리피스 장치가 고리형 유동 제한기를 구비할 수 있다. 다른 실시예에서는 하나 이상의 오리피스 장치가 중앙 유동 제한기를 구비할 수 있다. 제1 오리피스(101)는 삽입 깊이(H1)까지 제1 열전달 튜브(71) 안으로 삽입되도록 구성될 수 있다. 제2 오리피스(102)는 삽입 깊이(H2)까지 제2 열전달 튜브(72) 안으로 삽입되도록 구성될 수 있다. 유사하게, 제3 오리피스(103)는 삽입 깊이(H3)까지 제3 열전달 튜브(73) 안으로 삽입되도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 오리피스 장치가 열전달 튜브들 안으로 삽입됨에 있어서 다양한 깊이로 삽입될 수 있다. 예를 들어, 삽입 깊이(H2)가 삽입 깊이(H1)보다 더 클 수 있고, 삽입 깊이(H3)가 삽입 깊이(H1) 및 삽입 깊이(H2) 모두 보다 더 클 수 있다.
예를 들어 튜브들의 상이한 길이, 튜브 유입부들에서 급수(17)의 상이한 유량, 그리고 각 튜브의 기타 다른 열적 그리고/또는 기계적 차이로 인하여, 상기 복수의 열전달 튜브들 내부의 유량 및/또는 압력에 내재된 차이가 존재할 수 있다. 예를 들어 제1 오리피스(101)과 같은 오리피스 장치의 삽입 깊이는, 예를 들어 제1 열전달 튜브(71)인 열전달 튜브 각각을 통해 이동하는 유체(109)의 유량, 열전달, 및/또는 압력을 개별적으로 제어하기 위하여 상이하게 정해질 수 있다. 일부 실시예에서는, 튜브 시트(95)와 오리피스 플레이트(105) 사이의 유체 채널(108)의 거리 또는 크기가, 하나 이상의 오리피스 장치의 삽입 깊이를 달리하도록 다르게 정해지거나, 또는 하나 이상의 열전달 튜브와 관련된 (예를 들어 간극(106)과 같은) 간극을 달리하도록 정해질 수 있다. 예를 들어, 튜브 정렬 오리피스 시스템(1000)의 조립, 유지보수, 및/또는 조정 동안에 오리피스 플레이트(105)를 튜브 시트(95)에 더 가까이 또는 더 멀리 이동시키도록 구성된 장착 장치가 제공될 수 있으며, 이로 인하여 유체 채널(108)의 크기 및/또는 간극(106)의 간격을 개별적으로 증가 또는 감소시킬 수 있다.
오리피스 플레이트(105)는 오리피스 장치들의 중간에 (예를 들어 유동 채널(104)과 같은) 하나 이상의 유동 채널을 포함할 수 있다. 예를 들어 유동 채널(104)은 복수의 열전달 튜브에 대한 급수(17)의 추가적인 유동을 제공하도록 구성될 수 있다. 유동 채널(104)이 도시된 오리피스 장치에 비하여 더 작은 직경을 갖는 등, 더 작은 것으로 도시되어 있으나, 일부 실시예에서는 오리피스 플레이트(105)에 구비된 하나 이상의 유동 채널이 오리피스 장치가 배치됨에 있어서 통과하는 오리피스 플레이트(105)의 구멍보다 더 크고 그리고/또는 그 오리피스 장치보다 더 클 수 있다. 또 다른 실시예에서는 유동 채널이 오리피스 장치가 배치됨에 있어 통과하는 다른 구멍과 대략적으로 동일한 크기를 가질 수 있다.
일부 실시예에서는 튜브 단부들로 향하는 급수 유동이 오리피스 플레이트(105)를 통하여 유동하는 급수(17) 및/또는 오리피스 플레이트(105) 둘레로 우회하는 급수(17)를 포함할 수 있다. 오리피스 플레이트(105)는, 예를 들어 하나 이상의 부착 스터드(attachment stud) 상에 있는 스페이서를 거쳐서, 대략 0.5 인치만큼 튜브 시트(95)의 면으로부터 이격되도록 구성될 수 있다. 상기 튜브 시트(95)와 오리피스 플레이트(105) 사이의 간격은, 급수(17)가 유체 채널(108) 및/또는 간극(106)을 통해서 튜브들에 진입하는 유동을 허용하도록 구성될 수 있다. 또하, 상기 간격은 튜브들에 진입하기 전의 유동 배분을 허용하는 체적을 제공하도록 구성될 수 있다. 유동에 의존적인 튜브 단부들에 대한 압력 강하가 최소화됨으로써 튜브 단부들에 대한 균일한 유동 배분이 제공될 수 있다.
유동 채널(104)들은 오리피스 장치 장착 구멍들의 각 열 사이에 유동 구멍들을 포함할 수 있으며, 이로서 플레넘 체적으로부터 오리피스 플레이트(105)를 통한 유동이 허용될 수 있다. 일부 실시예에서는 유동 채널들이 대략 0.25 인치 직경의 유동 구멍을 포함할 수 있다. 오리피스 플레이트(105) 둘레로의 바이패스 유동의 양 및/또는 오리피스 플레이트(105)를 통하는 유동의 양을 달리하기 위하여, 플레이트의 이격이 조정될 수 있으며 또한 추가적인 유동 구멍들이 추가되거나 또는 유동 구멍의 크기가 조정될 수 있다.
상기 열전달 튜브들의 단부들은 명목상으로는(nominally) 튜브 시트(95)의 면을 넘어 연장될 수 있다. 일부 실시예에서는 상기 열전달 튜브들의 단부들이 공통의 평면에 놓이게 되도록 기계가공될 수 있다. 상기 열전달 튜브들이 튜브 시트(95)의 구멍들 안으로 확장된 경우에는, 상기 열전달 튜브들 중 하나 이상이 튜브 시트(95) 내측에서 갖는 내측 직경이, 튜브 시트(95)를 넘어 돌출되는 열전달 튜브의 부분에서의 내측 직경보다 더 클 수 있다. 일부 실시예에서는 튜브 시트(95)를 넘어 돌출되는 열전달 튜브의 부분이, 상기 튜브 시트 구멍 안으로의 확장 이후에 약간 확대될 수 있는 내측 직경을 가질 수 있다.
오리피스 플레이트(105) 내의 오리피스 구멍들은, 개별의 열전달 튜브와 오리피스 구멍들의 정렬을 향상시키기 위하여, 튜브 시트(95) 내에 있는 튜브 구멍들의 실제 제작된 위치에 맞게끔 기계가공될 수 있다. 오리피스 플레이트(105)에 튜브 시트 구멍들의 위치를 설계 공차의 범위 안에서 복제하기 위하여, 좌표 측정 기계, 대기 조건 제어, 및/또는 정밀 드릴링 장치가 사용될 수 있다.
오리피스 장치들 및 관련된 부착 하드웨어의 설치 및 분리가 현장에서 수행될 수 있으므로, 튜브-대-튜브 시트(tube-to-tube sheet) 용접부들 및/또는 튜브 시트(95)에 있거나 그 가까이에 있는 열전달 튜브의 부분에 대한 검사를 위하여 접근이 가능하게 된다. 중단(outages) 동안의 시간이 중요할 것이므로, 상기 오리피스 장치들 및/또는 부착 하드웨어는 실제상으로 가능한 짧은 시간 내에 설치 또는 분리될 수 있어야 한다. 상기 오리피스 장치들, 부착 하드웨어, 및 오리피스 플레이트(105)는 상기 접근 포트(83)(도 8 참조)보다 작은 조립체/조립된 부품들을 포함할 수 있으며, 이로 인하여 상기 접근 포트를 통해서 플레넘을 출입하여 이동될 수 있다. 일부 실시예에서는 튜브 시트(95)가 플레넘의 내측 표면의 저부 위로 대략 1.5 피트의 위치에 배치될 수 있다. 또한 상기 오리피스 장치들은 개별의 열전달 튜브들 안으로 연장되면서도, 그 길이의 일부분(예를 들어 몇(several) 인치 정도)이 열전달 튜브들의 외부에 남아서, 튜브 시트(95)에 대한 오리피스 플레이트(105)의 간격을 허용할 수 있다.
도 12 에는 예시적인 오리피스 플레이트(115)에 장착된 오리피스 장치(110)를 포함하는 예시적인 튜브 정렬 오리피스 시스템(1100)이 도시되어 있다. 일부 실시예에서는, 오리피스 장치(110)가 오리피스 플레이트(115)의 관통 구멍 안으로 나사결합 또는 나사체결될 수 있다. 예를 들어, 오리피스 장치(110)는 오리피스 플레이트(115)의 내부 스레드와 짝을 이루는 외부 스레드를 포함할 수 있는데, 이는 오리피스 장치(110)의 위치를 (예를 들어 튜브 시트(95)와 같은) 인접한 튜브 시트에 대해 고정 및/또는 조정하기 위한 것이다. 일부 실시예에서는 오리피스 장치(110)가 오리피스 플레이트(115) 내에서 한 번 이상 부분적인 또는 완전한 회전수만큼 돌려짐으로써, (예를 들어 열전달 튜브(111)와 같은) 열전달 튜브 안으로의 오리피스 장치(110)의 삽입 깊이를 증가 또는 감소시킬 수 있다. (예를 들어 고정 장치(118)와 같은) 고정 장치는, 오리피스 장치(110)의 위치를 오리피스 플레이트(115)에 대해 홀딩(holding), 잠금, 확보, 고정, 또는 다른 방식으로 유지시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 고정 장치(118)는 튜브 정렬 오리피스 시스템(1100)의 설치 이후 열전달 시스템의 작동 동안에 오리피스 장치(110)가 뜻하지 않게 이동함을 방지하도록 구성될 수 있다.
설치, 유지보수, 조정, 및/또는 검사 동안에는 고정 장치(118)가 풀림으로써 오리피스 장치(110)의 위치를 조정하는 것이 허용된다. 유사하게, 오리피스 장치(110)가 오리피스 플레이트(115)에 부착 및/또는 그로부터 분리될 수 있다. 오리피스 장치(110)는, 오리피스 장치(110)를 오리피스 플레이트(115)에 대해 회전시킴으로써, 열전달 튜브(111)의 내부 안으로 삽입되거나 그로부터 인출될 수 있다. 일부 실시예에서는 오리피스 플레이트(115)를 튜브 시트(95)로부터 분리 및/또는 연결해제시킴으로써 그리고/또는 오리피스 플레이트(115)를 주위의 플레넘으로부터 분리 및/또는 연결해제시킴으로써, 복수의 오리피스 장치가 모두 함께 인출될 수 있다. 예를 들어 (오리피스 장치(110)와 같은) 하나 이상의 오리피스 장치들 및/또는 (예를 들어 오리피스 플레이트(115)와 같은) 하나 이상의 오리피스 플레이트들이, 열전달 튜브(들)의 길이 전체에 대한 검사 동안에 이동 및/또는 분리될 수 있다. 유사하게, 오리피스 플레이트(115)를 튜브 시트(95) 안으로 그리고/또는 주위의 플레넘에 설치 및/또는 장착함으로써, 복수의 오리피스 장치들이 모두 함께 튜브 시트(95) 안으로 삽입될 수 있다.
열전달 튜브(111)를 통하는 급수(17)의 유량 및/또는 오리피스 압력 손실이 달라지게 하기 위하여, 오리피스 장치(110)의 삽입 깊이에 대한 증분적인 조정이 가해질 수 있다. 급수(17)는 오리피스 장치(110)와 열전달 튜브(111)의 내측 벽 사이에 위치한 오리피스 유입부(112)를 통해서 진입할 수 있다. 급수(17)는, 열전달 튜브(111) 내에 위치한 오리피스 통로(114)를 통하여 그리고 오리피스 장치(110)의 외부 표면을 따라서 바이패스 유동으로서 유동할 수 있따. 오리피스 통로(114)는, 열전달 튜브(111) 내에 위치한 오리피스 유출부(113)와 오리피스 유입부(112)를 유체 연결시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서는, 오리피스 통로(114)가 오리피스 장치(110)를 둘러싸는 고리형 영역을 포함할 수 있다.
오리피스 장치(110)를 열전달 튜브(111) 내에 정렬시키기 위하여 열전달 튜브(111) 안에 정렬 장치(116)가 제공될 수 있다. 예를 들어 정렬 장치(116)는, 급수(17)의 바이패스 유동을 위한 균일한 오리피스 통로를 제공하기 위하여, 열전달 튜브(111)의 대략적인 길이방향 중심선을 따라서 오리피스 장치(110)의 중심을 잡도록 구성될 수 있다. 정렬 장치(116)는 오리피스 유출부(113)에 인접한 오리피스 장치(110)의 단부에 또는 그 단부 가까이에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서는 정렬 장치(116)가, 열전달 튜브(111) 안으로의 오리피스 장치(110)의 삽입 이전에 오리피스 장치(110)에 부착된다.
열전달 튜브(111) 내부에서 오리피스 장치(110)의 중심을 잡음에 부가하여, 정렬 장치(116)는 발생할 수 있는 바이패스 누설 유동의 양을 최소화시키도록 구성될 수도 있다. 열전달 튜브(111)의 일부분이 튜브 시트(95) 내에서 확장되는 실시예들에서 정렬 장치(116)는, 설치된 위치에 있는 열전달 튜브(111)의 확장된 부분에 대해 충분한 힘을 제공하여 중심잡기 기능을 발휘하기에 충분히 크면서도, 열전달 튜브(111)의 하측 단부에서 작은 직경의 입구를 통과할 수 있는 크기 및/또는 구성을 가질 수 있다.
도 10 및/또는 도 11 에 도시된 오리피스 장치들은 열전달 튜브 안으로 삽입될 수 있거나, 또는 열전달 튜브의 단부에 대해 지탱되도록 설계된다. 일부 실시예에서는 하나 이상의 장착 플레트가 사용됨으로써, 열전달 튜브들의 단부들에 대해 직접적인 영향을 미치지 않고서 오리피스 장치들을 제 위치에 고정시킬 수 있다. 하나 이상의 통합된 장착 플레이트를 이용함으로써, 플레넘에 대한 오리피스 장치들의 설치 및/또는 분리가 용이하게 될 수 있다.
도 13 에는 적어도 부분적으로 열전달 튜브(124) 안에 위치된 오리피스(125)를 포함하는 예시적인 튜브 정렬 오리피스 시스템(120)의 확대 단면도가 도시되어 있다. 열전달 튜브(124)는, 도면의 설명을 위하여 단면으로 도시되어 있는 튜브 시트(95) 안에 적어도 부분적으로 위치하고 있는 것으로 도시되어 있다. 오리피스(125)는 하나 이상의 외부 스레드(122)를 포함할 수 있고, 상기 외부 스레드(122)는 열전달 튜브(124) 내에서의 증분적인 오리피스 압력 강하를 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 외부 스레드(122)들 각각은 개별의 증분적 압력 강하 및/또는 압력 천이 단차부를 제공할 수 있다. 외부 스레드(122)들은 상대적으로 짧은 거리에 걸쳐서 다수의 천이 단차부들을 제공할 수 있다. 열전달 튜브(124)의 내측 벽과 오리피스(125) 사이의 고리 부분 안에서의 증분적인 압력 강하는 각각의 천이 단차부에서 발생할 수 있으며, 이로 인하여 열전달 튜브(124)를 통한 유체(109)의 가변적인 고리형 유동이 제공될 수 있다. 일부 실시예에서는, 외부 스레드(122)들이 표준형 UNC-2A 외부 거친 스레드 체결구(standard UNC-2A external coarse-threaded fastener)(ASME Bl.1-2003)와 부합되는 것일 수 있다. 다른 실시예에서는 외부 스레드(122)들이 주문방식으로 설계될 수 있다. 외부 스레드(122)들은 나선형일 수 있다.
외부 스레드(122)들은 적어도 부분적으로, 스레드 각도(thread angle; 126), 스레드 깊이(thread depth; 127), 및 스레드 피치(thread pitch; 129) 중 한 가지 이상에 근거하여 분류 또는 식별될 수 있다. 유사하게, 오리피스(125)는 오리피스(125)의 직경(128) 및/또는 길이에 부가해서 상기 스레드의 분류에 의해 식별될 수 있다. 열전달 튜브(124)와 오리피스(125) 사이의 유동 경로(123)는 오리피스(125)의 길이 및/또는 직경(128)에 의존적이고 그리고/또는 그에 따라 달라질 수 있다. 오리피스(125)의 주어진 길이에 대해 얼마나 많은 천이 단차부들이 있는가를 판별하기 위해서 스레드 피치(129)가 이용될 수 있다. 예를 들어, 열전달 튜브(124) 안으로 삽입되는 추가적인 스레드 각각에 대해서 압력 천이 단차부가 생성될 수 있다. 또한, 나선형 스레드로 인하여 스핀형(spinning), 회전형(rotating), 및/또는 나선형 유동 경로가 제공될 수 있으며, 이로 인하여 유체(109)가 오리피스(125) 둘레로 그리고 열전달 튜브(124)를 통해서 유선 형태(streamlined manner)로 유동할 수 있게 된다. 상기 나선형 유동 경로는, 오리피스 출구에서 또는 그 가까이에서 존재할 수 있는 표면 경계 열 플럭스 정체(surface boundary heat flux stagnation)를 감소시킴으로써, 그리고/또는 열전달 튜브(124) 내의 단일 위상 영역(single phase region)의 길이를 짧게 함으로써, 유체의 열전달을 향상시키고 또한 열전달 튜브(124)를 통하여 보다 균일한 유동 경로를 제공할 수 있다. 또한, 상기 나선형 유동 경로는, 열전달 튜브(24) 자체의 전체 길이를 단축시킬 수 있는 가능성도 제공한다.
열전달 튜브(124)를 통하는 유체(109)의 압력 강하 및/또는 유량은 상이한 유형, 형상, 또는 크기의 오리피스를 이용함으로써 제어 및/또는 변화될 수 있다. 예를 들어 유체(109)의 압력 강하 및/또는 유량은, 도 11 에 도시된 삽입 깊이 뿐만 아니라, 오리피스(125)의 스레드 각도(126), 스레드 깊이(127), 스레드 피치(129), 직경(128), 및/또는 삽입 깊이를 변화시킴으로써 제어될 수 있다.
상기 외부 스레드들은, 대응되는 열전달 튜브 내에서의 증분적인 압력 강하를 제공하는 천이 단차부로서 작동함에 추가하여, 다음과 같은 역할들 중 한 가지 이상 또는 전부를 수행할 수 있다: 오리피스 플레이트와 같은 장착용 구조물에 오리피스 장치를 장착 및/또는 고정시키는 수단; 대응되는 열전달 튜브 안으로의 오리피스 장치의 삽입 깊이를 미세하게 제어하는 수단; 및/또는 대응되는 열전달 튜브에 진입하는 유체/급수를 위한 나선형 유동 경로를 제공하는 수단.
오리피스 장치는 원자로의 작동 동안에 유동에 의해 유도되는 진동, 튜브들 및 삽입체들의 차등적인 열팽창, 및/또는 냉각제의 압력 차이로 인한 튜브 시트의 휘어짐으로 인하여 열전달 튜브 안에서 움직이려고 하는 경향을 가질 수 있다. (예를 들어 사각형의 단차를 형성하는 삽입체와 같은) 다른 유형의 오리피스 형상도 단차부의 역할을 수행할 수 있지만, 오리피스의 단위 길이당 천이 단차부들의 개수가 상대적으로 적으면, 상대적으로 많은 개수의 천이 단차부를 갖게 되는 외부 스레드가 형성된 오리피스에서와 유사한 오리피스 압력 손실을 달성하기 위해서는, 상대적으로 더 긴 오리피스 및/또는 내측 튜브와 더 밀착된 끼움(예를 들어, 더 작은 간격)을 필요로 할 것이다. 상대적으로 많은 개수의 천이 단차부들이 구비되도록 함으로써, 열전달 튜브 내에서 오리피스 장치의 필요한 삽입 깊이가 상대적으로 짧게 될 수 있으며, 끼움 결합이 용이하게 될 수 있고(즉, 상대적으로 큰 정렬 공차가 허용될 수 있고), 열전달 시스템의 조립, 유지보수, 검사, 및/또는 작동 동안에 내측 튜브 벽과 오리피스 장치 사이의 간극이 더 커질 수 있게 된다.
증기 발생기의 2차 유동 안정성 및 유입 오리피스 거동은, 수명 시작 조건(beginning of life(BOL) conditions)에서 풀-파워의 정상 상태 작동(steady state operation)에 대해 분석될 수 있다. 증기 발생기는 보통 상태 또는 그에 준하는 상태에서 작동할 수 있는바, 대부분의 시간 동안 풀-파워로 작동할 수 있고, 이 때 2차 유동, 압력, 및 온도의 변동은 작은 수의 백분율만큼 존재한다.
일단 증기 발생기를 관통하여 튜브 내측에서 비등이 발생하는 경우에 적어도 두 가지 유형의 불안정성이 관찰될 수 있다. 첫 번째 유형의 불안정성은 모듈 증기/급수 파이프들 간의 정적 불안정성(static instability)일 수 있다. (레디네그 불안정성(Ledinegg instability)이라고 호칭되기도 하는) 정적 불안정성에서는, 작은 동요(perturbation)가 유동 특성의 변화를 유발할 수 있으며, 이와 같은 변화는 새로운 정상 상태 조건에 도달할 때까지 감쇠되어 사라질 것이다. 두 번째 유형인 가열된 튜브들 간의 불안정성은 동적인 발생 메카니즘을 고려할 때 밀도파 진동(density wave oscillation; DWO)이라고 분류될 수 있을 것인데, 이것은 2상 영역의 진동하는 위상 경계들과 밀접하게 관계된다. 튜브 유입부에서의 방해(disturbance)에 대한 튜브 유출부에서의 지연된 증기 압력 변화로 인하여 유동 변동(flow fluctuation)이 진행될 수 있다. 이 불안정성은 상대적으로 무거운 유체와 가벼운 유체의 파동들과, 채널을 통하는 각각의 지연(delay)에 기인하는 것일 수 있다. 가열된 채널에 진입하는 (과냉각된 액체를 포함할 수 있는) 유체와 (상대적으로 낮은 밀도의 증기를 포함할 수 있는) 이탈하는 유체 간의 밀도 차이가 튜브를 따르는 압력 강하의 천이 분포에서의 지연을 촉발할 수 있으며, 이것은 (역상으로 진동하는 2상 압력 및 단일 위상을 갖는) 자기발생적(self-sustained) 진동으로 귀결될 수 있다
밀도파 진동은 소정 유형의 열전달 시스템 설계안에서 1차 동적 유형의 2차 유동 불안정성 모드로 이해될 수 있다. 비등이 발생하는 채널의 유입부에서의 유량의 작은 동요를 여기(excitation)시키기 위하여, (예를 들어 공통의 헤더(header)들에 연결된 둘 이상의 병렬적인 채널들에 의해 제공되는 바와 같은) 일정-압력-강하 경계 조건(constant-pressure-drop boundary condition)이 이용될 수 있다. 일부 실시예에서는, 2차 유입부 과냉각의 정도가 커서 DWO의 개시가 지연될 수 있는데, 이는 단일 위상의 과냉각된 액체 영역이 더 길 것이기 때문이다.
안정적인 2차 동적 유동 성능을 얻기 위하여, 예를 들어 밀도파 진동에 대한 보다 안정적인 작동 범위를 제공하기 위하여, 과열된 배출구 조건에서의 2차 유동은 유입 오리피스의 존재에 의해서 개선될 수 있다.
일부 실시예에서는 튜브들이 10도보다 더 큰 각도로 경사를 이룰 수 있다. 2차 유동 안정성의 경계 평가(bounding assessment)를 위하여, 수직 파이프들에 대한 조정 인자에 기초하여 수직 파이프들에 관한 경계 질량 속도(boundary mass velocity)가 계산될 수 있다. 수직 파이프들에 관한 경계 질량 속도는, 일부 실시예에서의 작동 조건에 대하여 수평 파이프들에 관한 경계 질량 속도의 대략 2배일 수 있다.
오리피스 계수(orificing coefficient), 즉 2상 플러스 과열 영역(two-phase plus superheated region)의 수력학적 저항(hydraulic resistance)에 대한 오리피스 플러스 과냉각 영역(orifice plus subcooled region)에 걸친 수력학적 저항의 비율이 이용됨으로써 2차 유동 안정성을 평가할 수 있다. 일부 실시예에서는, 상기 오리피스 계수가, 과냉각된 영역 및 유출 영역에서, 상기 오리피스에 걸친 압력 손실에 기초한 공칭 풀-파워 작동(nominal full-power operation)에 관하여 비율 4 를 초과할 수 있다.
유입 유동 오리피스들은 플레넘 튜브 시트의 저부에 위치될 수 있으며, 하나 이상의 개별적인 오리피스 지지 플레이트들 상에 장착될 수 있다. 상기 오리피스들은 연료보급 중단 동안에 쉽게 분리 및 설치될 수 있도록 구성될 수 있다. 또한 상기 오리피스들은, 오리피스 지지 플레이트(들) 및 개별 오리피스들의 축방향, 측방향, 및/또는 (튜브의 중심선 축에 대한) 각도상의 오정렬(misalignment)을 수용(tolerate)하면서도, 목표로 하는 수력학적 저항 값을 허용가능한 범위 내로 달성하도록 구성 및/또는 조정될 수 있다. 상기 오리피스들은 상대적으로 일정한 바이패스 유동을 상기 튜브 유입부들 안으로 제공 및/또는 제한하도록 구성될 수 있다.
중앙 유동 오리피스들은 상기 튜브의 내측 직경과 오리피스 장치의 외측 직경 사이의 밀착 끼움(tight fit)에 의존하여 바이패스 유동을 제한한다. 이 경우, 상기 끼움을 통제하기 위하여, 상기 오리피스 플레이트 내의 부착 구멍의 진정한 위치에 대한 공차와 튜브의 진정한 위치에 대한 공차가 이용될 수 있다. 일부 실시예에서는, 여기에서 설명된 하나 이상의 오리피스가, 오리피스 장치의 고리형 영역 및/또는 스레드가 형성된 영역 내의 예시된 바이패스 유동 대신에 또는 추가적으로, 중앙 유동을 포함할 수 있다.
한편, 고리형 유동 오리피스들은 튜브와 오리피스 삽입체 사이에 위치한 고리형 부분을 통한 유동을 허용하도록 구성될 수 있다. 스크류 유형의 오리피스는 외부에 스레드가 형성된 삽입체를 포함할 수 있는데, 이것은 짧은 거리에서 많은 개수의 천이 단차부를 제공함으로써 높은 유입 오리피스 압력 강하를 달성할 수 있다. 상기 외부 스레드들의 피치(pitch)는 '인치 당 스레드들의 개수'의 역수로서 정의될 수 있다. 예를 들어 3/8-16 로 지정된 삽입체는 3/8 인치의 외측 스레드 직경을 가진 체결구에 해당되며, 피치(P)가 1/16 inch 이다.
스레드들은 상기 오리피스 장치의 삽입 깊이의 단위 길이(예를 들어, 1인치 또는 1센티미터)에 복수의 압력 천이 단차부들을 제공할 수 있다. 단위 길이 당 상대적으로 많은 개수의 천이 단차부들이 구비된 오리피스 장치는, 단위 길이당 상대적으로 적은 개수의 천이 단차부들을 구비하여 더 긴 오리피스 장치와 동일한 열전달 및/또는 압력 강하를 달성할 수 있다. 오리피스 장치가 상대적으로 더 짧으면, 설치, 검사, 및/또는 유지보수 동안에의 오정렬 문제(misalignment issues)가 감소할 수 있으며, 또한 열전달 시스템의 작동 동안에 상기 오리피스 장치가 열전달 튜브의 내측 표면에 주기적으로 충격을 가하고 그리고/또는 접촉할 가능성이 감소할 수 있다.
가장자리가 상대적을 두꺼운 오리피스의 경우, 축소 유동 단면(reduced flow section)의 수력학적 직경(hydraulic diameter)에 대한 천이 단차부의 길이의 비율은, 대략 0.015보다 더 클 수 있다. 원형의 오리피스 구멍에 있어서는, 상기 수력학적 직경이 슬롯 원주(slot circumference)에 대한 구속된 슬롯 면적(constrained slot area)의 4배 비율로서 계산될 수 있다. 일부 예시적인 오리피스는 3.0보다 더 큰 '수력학적 직경에 대한 단차부 높이의 비율'을 가질 수 있으며, 또한 오리피스 삽입체의 천이 단차부 각도에 대해 상대적으로 덜 민감할 수 있다.
형태 손실(form loss) 및 마찰 손실(friction loss)을 포함하는 천이 인자(k)는 등식 1 에 기초하여 계산될 수 있고, 제한되지 않은 (하류측) 튜브 유동 단면(F2)의 속도에 대해 정규화(normalization)될 수 있다.
Figure 112016052978237-pct00001
(등식 1)
여기에서,
ΔP : 오리피스에 걸친 압력 강하, [Pa]
ρ: 유체 밀도 (비체적(specific volume)의 역수), [kg/m3]
ω2: (하류측 튜브의) 유동 단면(F2)에서의 속도, [m/s]
ξloc2: 하류측 속도(ω2)에 기초한 천이 손실 계수(transition loss coefficient), [-]
ξloc: 문헌(literature)에 의한 천이 손실 계수, [-]
ξfr2: 하류측 속도(ω2)에 기초한 마찰 손실 계수, [-]
λ: 오리피스 순 유동 단면적(orifice net flow cross-section area; F1)에서의 마찰 손실 계수, [-]
l2: 축소된 튜브 유동 단면의 길이, [m]
Dh : 오리피스 순 유동 단면적(F1)의 수력학적 직경, [m]
F0: 작은 (축소된) 오리피스 순 유동 단면적, [m2]
F2: 오리피스 하류측 유동 단면적, [m2]
nor: 오리피스 유동 단면적 비율(F0/F2), [-]
(큰 축소 유동 면적(F1)으로부터 최외측 반경에서의 작은 축소 유동 면적(F0)에 이르기까지) 복수의 (적층된) 천이부들에 관하여는, 유동 면적 비율 및 천이 단차부의 개수를 고려하여 등식 2 가 이용될 수 있다.
Figure 112016052978237-pct00002
(등식 2)
N: 천이 단차부의 개수, [-]
F1: (단차부 또는 스레드의 뿌리부(root)에서의) 큰 오리피스 순 유동 단면적, [m2]
F2: 오리피스 하류측 유동 단면적, [m2]
ξloc: 문헌(literature)에 의한 천이 손실 계수, [-]
λ: 오리피스 순 유동 단면적(F1)에서의 마찰 손실 계수, [-]
l2: 축소된 튜브 유동 단면의 길이, [m]
Dh : 오리피스 순 유동 단면적(F1)의 수력학적 직경, [m]
nor: 오리피스 유동 단면적 비율(F1/F2), [-]
스레드가 형성된 삽입체 오리피스에 관하여는, 천이 단차부들의 개수가 인치당 스레드의 개수(예를 들어, 3/8-16 UNC-2A 스레드의 삽입체에 있어서는 인치당 16개의 스레드)와 오리피스가 튜브 내로 삽입된 깊이(삽입 깊이)를 곱한 값으로 특정될 수 있다. 마찰 계수는 매끄러운 벽을 가진 원형 튜브를 전제로 하여 결정될 수 있다. 유사하게, 튜브 내의 레이놀즈 수(Reynolds Number)는, 난류 유동에 관한 경계값(bounding value)에 대응되는 일정한 마찰 계수에 의하여 완전한 난류성을 갖는 것으로 추정될 수 있다. 특정 오리피스의 수력학적 저항 계수들에 기초하면, 오리피스 유형 및 세부사항들에 따라서 수력학적 저항 계수는 대략적으로 k = 102 (최소) 내지 k = 104 (최대) 범위 내에 있을 수 있다.
일부 실시예에서는, 수평 튜브들 내에서의 비등에 관하여 최소의 필요한 수력학적 저항 계수인 k-인자(k-factor)가 결정될 수 있다. 수직의 방위를 갖는 튜브들은 더 높은 k-인자 값을 사용할 수 있다.
도 14 에는 예시적인 튜브 정렬 오리피스 시스템(130)의 부분 확대 평면도가 도시되어 있다. 도면의 명확성을 위하여 세 개의 열전달 튜브, 즉 제1 열전달 튜브(71), 제2 열전달 튜브(72), 및 제3 열전달 튜브(73)가 튜브 시트(95)의 일부분에 도시되어 있으나, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 튜브 시트에 도시된 것보다 상당히 많은 수의 열전달 튜브들이 구비될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 튜브 정렬 오리피스 시스템(130)은 제1 열전달 튜브(71) 내에 위치된 것으로 도시되어 있는 제1 오리피스 장치(131), 제2 열전달 튜브(72) 내에 위치된 것으로 도시되어 있는 제2 오리피스 장치(132), 및 제3 열전달 튜브(73) 내에 위치된 것으로 도시되어 있는 제3 오리피스 장치(133)를 포함할 수 있다.
제1 오리피스 장치(131) 및 제1 열전달 튜브(71)는 공통 길이방향 중심선(CL)에 위치되어 있으며, 이로 인하여 제1 열전달 튜브(71)와 제1 오리피스 장치(131) 사이에서 유동하는 급수를 위한 균일한 고리형 유동 경로(134)가 제공된다. 제2 오리피스 장치(132)는 길이방향 중심선(CL1)에 위치되어 있는 것으로 도시되어 있는데, 상기 중심선(CL1)은 제2 열전달 튜브(72)의 길이방향 중심선(CL2)으로부터 하나 이상의 축방향으로 오프셋(offset)되어 있을 수 있다. 예를 들어, 길이방향 중심선(CL1)이 길이방향 중심선(CL2)으로부터 오프셋(139)만큼 오프셋되어 있는 것으로 도시되어 있다. 상기 오프셋(139)의 양에 따라서, 상기 제2 오리피스 장치(132)가 제2 열전달 튜브(72)의 내부에서 움직일 수도 있다. 예를 들어, 오프셋(139)이 최대 허용가능한 정렬 공차에 해당되거나 또는 그 공차에 가까운 때에는 제2 오리피스 장치(132)가 제2 열전달 튜브(72)의 내부 벽에 가깝게 위치할 수 있다. 제2 오리피스 장치(132)의 오프셋은, 제1 열전달 튜브(71) 내에 있는 균일한 고리형 유동 경로(134)에 비하여 제2 열전달 튜브(72)를 통하는 유체의 유동 경로(138)가 균일하지 못하게 되는 결과를 낳을 수 있다.
하나 이상의 정렬 오리피스 장치를 포함하는 튜브 정렬 오리피스 시스템(130)은 오프셋(139)의 양을 최대 허용가능 정렬 공차(maximum allowable alignment tolerance) 이내로 유지시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서는, 균일하지 않은 유동 경로(138) 내의 압력, 열전달, 및/또는 유량 간의 편차가 균일한 고리형 유동 경로(134)에 비하여 미리 정해진 공차 이내로 유지되도록 상기 최대 허용가능 정렬 오차가 설정될 수 있다.
일부 실시예에서는, 적어도 유사한 크기 및/또는 배치로 구성된 오리피스 장치에서, 균일하지 않은 유동 경로(138)를 통한 유체의 압력, 열전달, 및/또는 유량이 상기 균일한 고리형 유동 경로(134)를 통하는 유체의 압력, 열전달, 및/또는 유량과 상이할 수 있다. 압력, 열전달, 및/또는 유량은 예를 들어 특정 오리피스 장치의 삽입 깊이를 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 열전달 튜브들 내부의 오리피스 장치들의 다양한 정도의 오정렬을 감안하여, 하나 이상의 오리피스 장치(도 11 참조)의 삽입 깊이를 변화시킴으로써, 대응되는 유동 경로들과 관련된 압력, 열전달, 및/또는 유량이 열전달 튜브들 모두 또는 일부에 대해 동등하게 될 수 있다.
제3 오리피스 장치(133)는 정렬 장치(135)와 함께 제3 열전달 튜브(73) 내에 배치되어 있는 것으로 도시되어 있다. 정렬 장치(135)는 제3 열전달 튜브(73) 내부에서 제3 오리피스 장치(133)를 정렬, 안내, 및/또는 위치선정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 정렬 장치(135)는 제3 열전달 튜브(73) 내의 공통 길이방향 중심선을 따라서 제3 오리피스 장치(133)를 정렬시키도록 구성될 수 있다. 정렬 장치(135)는 대략적으로 "C"자 형상의 단면을 가지며, 따라서 정렬 장치(135)의 단부들은 유체를 위한 부분적인 유동 경로(137)를 형성하는 간극 또는 공간을 제공할 수 있다. 부분적인 유동 경로(137)는 급수가 유동함에 있어 통과할 수 있는 폭(136)을 갖는 간극을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 정렬 장치(135)는 오리피스 장치의 하나 이상의 스레드에 대해 끼워지는 자기-잠금 방식의 설계형태를 가질 수 있다. 정렬 장치(135)는 오리피스 장치에 용접되거나 또는 다른 방식으로 부착될 수 있다.
도 15 에는 예시적인 오리피스 플레이트(140)가 도시되어 있다. 오리피스 플레이트(140)는 복수의 오리피스 장치를 수용하도록 구성된 복수의 관통구멍(145), 또는 천공부들을 구비할 수 있다. 상기 오리피스 장치들의 개수에 대응되는 동등한 개수의 관통구멍(145)이 제공될 수 있다. 일부 실시예에서는, 열전달 튜브의 개수에 대응되는 동등한 개수의 관통구멍(145)이 제공될 수 있다. 또한 오리피스 플레이트(140)에는 하나 이상의 장착 구멍(146)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 장착 구멍(146)은 오리피스 플레이트(140)를 튜브 시트 및/또는 주위의 플레넘에 장착시키도록 구성될 수 있다.
오리피스 플레이트(140)는 인접한 튜브 시트와 유사한 레이아웃(layout)을 가질 수 있다. 예를 들어, 관통구멍(145)들이 튜브 시트에 장착된 복수의 열전달 튜브들과 대략적으로 유사한 패턴으로 배치될 수 있다. 오리피스 플레이트(140)는 예를 들어 제1 열(141) 및 제2 열(142)과 같이, 관통구멍들의 다수의 열들 및/또는 칼럼들을 가질 수 있다. 제2 열(142)은 제1 열9141)보다 더 많은 관통구멍을 가질 수 있다.
오리피스 플레이트(140)는 대략적으로 사다리꼴의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 오리피스 플레이트(140)는 직선형인 제1 측부(144)와 제2 측부(149)를 가질 수 있다. 평행하지 않은 두 개의 측부(148)들이 오리피스 플레이트(140)의 주변부의 나머지 부분을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서는, 오리피스 플레이트(140)가 여기에 다양하게 설명된 하나 이상의 튜브 시트와 유사한 형상을 가질 수 있다.
오리피스 플레이트(140)는, 관통구멍(145)들 뿐만 아니라, 도 11 의 유동 채널(104)과 같은 유동 채널을 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 유동 채널은 관통구멍(145)들의 중간에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서는, 관통구멍(145)들이, 적어도 부분적으로는 열전달 튜브 군(bundle)의 대응되는 패턴 및/또는 열전달 튜브의 대응되는 개수에 따라서, 유동 채널 또는 오리피스 장치를 위한 삽입 구멍으로서 교환가능하게 이용될 수 있다.
하나 이상의 오리피스 플레이트가 튜브 시트와 조합되어 사용될 수 있다. 오리피스 플레이트에 있는 관통구멍들의 개수는 튜브 시트에 구비된 열전달 튜브들의 총 개수의 일부에 해당될 수 있다. 예를 들어 300개의 열전달 튜브를 구비한 튜브 시트가 세 개의 오리피스 플레이트에 인접하게 배치될 수 있으며, 각각의 오리피스 플레이트는 1/3, 즉 100개의 관통구멍 및/또는 오리피스 장치를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서는, 단일의 플레넘에 300개 초과의 열전달 튜브 및/또는 오리피스 장치가 구비될 수 있다. 네 개의 플레넘(예를 들어 하측 플레넘)을 포함하는 예시적인 열전달 시스템에는, 1000개를 초과하는 열전달 튜브 및/또는 오리피스 장치가 존재할 수 있다.
도 16 에는 튜브 정렬 오리피스 시스템을 설치하는 예시적인 방법(160)이 도시되어 있다. 작업 단계(161)에서는, 오리피스 플레이트가 튜브 시트에 인접하게 장착될 수 있다. 유체의 전달을 위하여 구성된 복수의 열전달 튜브가 튜브 시트에 결합될 수 있다. 오리피스 플레이트는 주위의 플레넘에 장착될 수 있다. 일부 실시예에서는, 오리피스 플레이트가 직접 튜브 시트에 장착될 수 있다. 오리피스 플레이트의 장착 이전 또는 이후에, 하나 이상의 오리피스 장치가 오리피스 플레이트에 부착될 수 있다.
작업 단계(162)에서는, 오리피스 플레이트에 부착된 제1 오리피스 장치가 회전 및/또는 다른 방식에 의하여 오리피스 플레이트에 대해 위치선정될 수 있다. 예를 들어, 제1 오리피스 장치의 회전은, 제1 오리피스 장치가 제1 열전달 튜브 안의 삽입 깊이로 삽입되는 결과를 낳을 수 있다.
작업 단계(163)에서는, 제1 열전달 튜브 내의 유체의 압력을 변화시키기 위하여 상기 삽입 깊이가 통제될 수 있다. 일부 실시예에서는 하나 이상의 오리피스 장치가, 열전달 튜브 내에서의 유체의 다수의 천이 단차부 또는 압력 강하를 제공하는 복수의 스레드를 구비할 수 있다.
대응되는 열전달 튜브 내에서 상기 오리피스 장치의 상대적인 삽입 깊이를 조정함이 가능함은 물론, 상기 오리피스 장치가 오리피스 플레이트로부터 분리될 수 있는데, 이것은 예를 들어 상기 열전달 튜브 안으로의 오리피스 장치의 삽입을 위한 방향의 반대 방향으로 회전시킴으로써 가능하다. 일부 실시예에서는, 튜브들의 군의 검사 및/또는 유지보수를 위하여, 부착된 오리피스 장치들 모두 또는 일부를 포함하는 오리피스 플레이트 전체가 플레넘으로부터 분리될 수 있다.
작업 단계(164)에서는, 오리피스 장치에 부착된 제2 오리피스 장치가 회전 또는 다른 방식에 의하여 제2 열전달 튜브 내의 제2 삽입 깊이에 위치된다. 일부 실시예에서는, 제2 삽입 깊이가 제1 삽입 깊이보다 더 클 수 있다. 다른 실시예에서는, 제2 삽입 깊이가 제1 삽입 깊이와 같거나 그보다 더 작을 수 있다. 열전달 튜브들의 선택된 위치는, 복수의 고정 장치에 의하여 홀딩, 잠금, 고정, 기타 다른 방식에 의하여 유지될 수 있다.
상기 하나 이상의 오리피스 장치는, 오리피스 플레이트 안에 위치한 관통구멍의 내부 스레드와 짝이 맞도록 구성된 외부 스레드를 구비할 수 있다. 예를 들어 상기 오리피스 장치의 삽입 깊이는 상기 관통 구멍 안에서 오리피스 장치를 회전시킴으로써 변화될 수 있다. 또한, 제1 회전 방향으로의 오리피스 장치의 회전으로 인하여 삽입 깊이가 증가하는 한편, 제2 회전 방향으로의 오리피스 장치의 회전으로 인하여 삽입 깊이가 감소하도록, 오리피스 장치가 구성될 수 있다.
일부 실시예에서는 상기 하나 이상의 오리피스 장치가, 플레넘 안에 오리피스 플레이트를 설치하기 이전에 오리피스 장치와 오리피스 플레이트의 완전한 조립체로서 오리피스 플레이트 안의 대응되는 삽입 깊이에 미리 배치될 수 있다. 예를 들어 상기 오리피스 플레이트 상에 장착된 오리피스 장치들은, 상기 오리피스 플레이트가 플레넘 내부에 장착 및/또는 배치됨과 동시에 오리피스 장치들에 대응되는 튜브들 안으로 삽입될 수 있다.
작업 단계(165)에서는, 제2 열전달 튜브 내의 유체의 압력이 제2 삽입 깊이에 따라서 변화될 수 있다. 일부 실시예에서는 압력 강하의 양이, 적어도 부분적으로는, 삽입 깊이 내에 제공된 스레드들의 개수에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 오리피스 장치는 삽입 깊이 내에 제공된 스레드들의 개수를 변화시킴으로써 압력 강하의 양이 변화하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 삽입 깊이 내에 제공된 스레드들의 개수는, 오리피스 플레이트 내에서 오리피스 장치를 회전시킴으로써 변화될 수 있다.
작업 단계(166)에서는, 복수의 열전달 튜브를 통하는 실질적으로 균일한 유량 및/또는 열전달을 얻기 위하여, 제1 열전달 튜브 및/또는 제2 열전달 튜브 내의 유체의 압력이 변화될 수 있다. 하나 이상의 오리피스 장치는 열전달 튜브들의 내측 튜브 벽 내에 삽입된 샤프트를 구비할 수 있고, 내측 튜브 벽과 오리피스 샤프트 사이에 급수의 고리형 유동 경로가 형성될 수 있다.
오리피스 샤프트는 상기 급수의 고리형 유동 경로가 나선형으로 되도록 구성된 동심상의 스레드들을 구비할 수 있다. 또한 상기 동심상의 스레드들은 압력 강하의 증분적인 천이 단차부들로서 구성될 수 있으며, 상기 압력 강하는 열전달 튜브 내에 위치한 동심상 스레드들의 개수에 따라서 증분적으로 변화할 수 있다.
도 17 에는 복수의 열전달 튜브(172)에 인접하게 장착된 예시적인 오리피스 플레이트(170)가 도시되어 있다. 열전달 튜브(172)들은 튜브 시트(175)에 용접(179)될 수 있다. 여기에서 제시되는 다양한 다른 실시예들에는 오리피스 장치가 오리피스 플레이트 내부에 위치한 것으로 예시되어 있으나, 오리피스 플레이트(170)에 구비된 다수의 오리피스 구멍(174)들은 열전달 튜브(172)들과 정렬되어 열전달 튜브(172) 안으로의 냉각제(176)의 유동을 통제한다. 일부 실시예에서는 오리피스 플레이트(170)가 열전달 튜브(172)들의 단부들 상에 안착될 수 있다.
오리피스 플레이트(170)는, 오리피스 플레이트(170)와 열전달 튜브(172)들 사이의 간극을 통하여 발생할 수 있는 냉각제(176)의 (누설 또는) 바이패스 유동(178)을 최소화하기 위하여, 열전달 튜브(172)들의 단부들에 대해 가압될 수 있다. 일부 실시예에서는, 예를 들어 금속성 오-링 또는 브이-밀봉재와 같은 기계적인 밀봉 장치(177)가 오리피스 플레이트(170)와 열전달 튜브(172)들의 단부들 사이에 배치되어 그 간극을 저감 및/또는 제거할 수 있다.
도 18 에는 튜브 시트(185)에 인접하게 장착된 예시적인 오리피스 플레이트(180)가 도시되어 있다. 오리피스 플레이트(180)는, 바이패스 누설(188)을 제한하기 위하여 튜브 시트(185)의 면에 끼워지는, 각 오리피스 구멍(184) 주위에 위치한 원통형 스터브(183)를 다수 구비할 수 있다. 반경방향으로 각각의 튜브 구멍 및/또는 열전달 튜브(182) 사이에는 인대 부재(ligament; 187)가 배치될 수 있다. 튜브 시트(185)의 면에서, 인대 부재(187)의 대부분은 하나 이상의 용접부(189)에 의하여 점유될 수 있다.
일부 실시예들에서, 열전달 튜브(182)들이 튜브 시트(185)의 표면 아래에서 요부를 형성한다면, 오리피스 플레이트(180)가 튜브 시트(185)의 표면에 직접적으로 지탱되도록 구성될 수 있다. 열전달 튜브(182)들은 '튜브-대-튜브'의 시트 인터페이스를 따라서 레이저 용접에 의해 튜브 시트(185)에 용접될 수 있다. 예를 들어 필렛 용접 대신에 레이저 용접을 이용함으로써, 열전달 튜브(182)들 사이에서 인대 부재(187)에 대한 용접부의 잠식(encroachment)이 최소화될 수 있다. 일부 실시예에서는 단일의 오리피스 플레이트를 플레넘 내부에 설치하기에 충분한 접근 공간이 존재할 수 있으나, 어떤 실시예에서는 다중-플레이트 오리피스 부착 시스템이 설치될 수 있다.
도 19 에는 제1 플레이트(191) 제2 플레이트(192), 및 제3 플레이트(193)을 포함하는, 다중의 장착 플레이트를 구비한 예시적인 오리피스 부착 시스템(190)이 도시되어 있다. 복수의 장착 플레이트가 사용됨으로써, 단일 플레이트의 구성에 비하여 각 플레이트의 무게가 감소될 수 있다. 예를 들어 단일의 장착 플레이트가 30 파운드의 무게를 가진다면, 상기 세 개의 플레이트들(191, 192, 193) 각각은 대략 10 파운드의 무게를 갖도록 구성 및/또는 크기가 정해질 수 있다. 감소된 크기의 장착 프레이트는 수작업상의 취급을 용이하게 할 수 있고 그리고/또는 플레넘에서 동시에 설치 및/또는 분리되는 오리피스 장치의 개수를 감소시킨다. 하나 이상의 장착 플레이트를 사용함으로써, 튜브 단부들에 영향을 주지 않고서 오리피스 장치들을 제 위치에 배치 및 고정시키는 작업이 용이하게 된다.
일부 실시예에서는 상기 장착 플레이트들이 튜브 칼럼들 또는 열들 사이에 위치한 하나 이상의 원주상 인대 부재(하나 이상의 튜브 칼럼들 또는 열들을 곡선을 따라서 구획함)를 따라서 분리 및/또는 연결될 수 있다. 각각의 장착 플레이트에 구비되는 튜브들의 개수가 다른 장착 플레이트의 튜브들의 개수와 대략적으로 동일하도록 구성성될 수 있다.
설치 동안에 상기 장착 플레이트를 통하여 대응되는 튜브들 안으로 맞춤 핀(dowel pin)들이 삽입됨으로써 정렬이 용이하게 될 수 있다. 또한, 오리피스 플레이트들을 상기 튜브 시트에 장착시키기 위하여 다수의 스터드(195)가 이용될 수 있다. 상기 스터드(195)들은 상기 튜브 시트의 면에 대해 용접되고 그리고/또는 구멍 안으로 나사결합될 수 있다. 일부 실시예에서는, 끝이 막힌 튜브 안으로 스웨이지 피팅(swage fitting)을 삽입함이 이용될 수 있다.
각각의 장착 플레이트와 관련된 스터드(195)들을 배치시키기 위하여 튜브 구멍 패턴(196) 외측의 영역에 있는 튜브 시트의 주변부 근처에 네 개 이상의 장착 구멍들이 위치할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 장착용 구멍들이 위치하는 영역들에 드릴링이 수행됨으로써 직경이 넓혀진 다음에 부식 저항성 재료를 플러깅(plugging)하여서, 부착용 나사 구멍이 완전히 부식 저항성 재료로 둘러싸이게 된다. 부식 저항성 플러그를 위한 튜브 시트 구멍들이, 클래딩(cladding) 이전에 드릴링되는 경우에는 원통형 부식 저항성 플러그가 삽입되고 클래딩된 이후에 드릴링 및 탭핑(tapping)이 수행될 수 있고, 클래딩 이후에 드릴링되는 경우에는 사전에 드릴링되고 탭핑된 플러그가 삽입되고 밀봉 용접된다.
드릴링 및 탭핑 작업은 튜브 시트의 내측 표면에 대해 수행될 수 있다. 대안적인 방안으로서는, 튜브 시트의 외측면으로부터 튜브 시트의 두께를 통해 드릴링하는 방안이 있다. 이 경우에는, 상기 구멍 안으로 삽입되어야 하는 플러그가 사전에 드릴링되고 그 내측 면에 탭핑이 수행될 수 있으며, 설치 이후에 양 면에서 용접된다. 이와 같은 드릴링 작업은, 튜브 시트의 외측면으로부터 튜브 구멍들을 드릴링함과 조합되어 용이하게 수행될 수 있다. 일부 실시예에서는 용접된 스터드들이 스터드 건(stud gun)에 의하여 오리피스 플레이트 또는 튜브 시트의 내측 면에 대해 용접될 수 있다.
전술된 바와 같이, 오리피스 장치는 플레넘 안에 장착 플레이트를 설치하기 이전에 장착 플레이트에 부착 또는 장착될 수 있다. 이와 같은 방안에 의하면, 장착 플레이트와 관련된 오리피스 장치들 모두가 장착 플레이트의 설치 동안에 실질적으로 동시에 열전달 튜브들의 단부들 안으로 삽입될 수 있다. 다른 실시예에서는, 오리피스 장치들을 장착 플레이트에 부착시키기 전에 상기 장착 플레이트가 튜브 시트에 정렬 및 설치될 수 있다. 그 다음 상기 오리피스 장치들은 장착 플레이트에 있는 구멍들을 통해서 열전달 튜브들의 단부들 안으로 개별적으로 삽입될 수 있고, 제 위치에 있게 된 다음에 장착 플레이트에 부착된다.
일부 실시예들에서는 상기 오리피스 장치들이, 열전달 튜브들의 단부들을 통하여 삽입되는 외측 직경 영역보다 대략 반 인치 더 큰 직경을 가질 수 있다. 상기 열전달 튜브들은 오리피스 장치들의 더 큰 외측 직경 영역보다 약간 더 큰 내측 직경을 가질 수 있다. 복수의 유동 제한기들을 개별의 튜브 단부들 안으로 동시에 삽입함을 용이하게 하기 위하여, 조립된 오리피스 장치들의 장착 플레이트에 대한 직각도를 향상시키기 위해서 장착 플레이트 및/또는 오리피스 장치들 상에 정밀 기계가공되고 짝을 이루는 플랜지들이 배치될 수 있다.
다른 실시예들에서는, 일체를 이루는 오리피스 돌출부들과 함께 장착 플레이트가 3차원 금속 프린팅에 의하여 제작될 수 있다. 튜브 시트의 면에서의 튜브 위치들에 대한 레이저 맵핑(laser mapping)이 수행됨으로써, 일체형 유동 제한기 돌출부를 구비한 장착 플레이트의 입체 모델(solid model)이 개발될 수 있다. 이와 같은 입체 모델은, 튜브 단부의 실제 제작 데이터에 구체적으로 근거하여 배치된 오리피스 돌출부들을 구비하는 일체형 오리피스 플레이트의 정밀 3차원 프린팅에 활용될 수 있다.
오리피스 장치들, 장착 플레이트들, 및/또는 관련 하드웨어의 재료는 2차 물의 환경에 부합될 수 있다. 부착 플레이트 및 오리피스 장치들의 예시적인 재료는 스테인리스 스틸, 예를 들어 304 또는 304L 스테인리스 스틸이나 SB-564, UNS N06690(합금 690)인데, 왜냐하면 이들은 우수한 부식 및 침식 저항성을 가지며 에틸렌디아민사아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid) 또는 히드록시 초산(hydroxyacetic acid)-포름산(formic acid) 혼합물과 같은 다양한 열전달 튜브 세정 용액에 부합되기 때문이다.
장착 플레이트는 먼저 설치된 다음에 열전달 튜브들의 단부들과 정렬될 수 있으며, 그 다음에 개별의 오리피스 장치가 장착 플레이트를 통하여 튜브 단부 안으로 삽입되어 제 위치에 고정될 수 있다. 유동 제한기가 튜브 안에 위치된 이후에 플레이트에 고정시키는 방법에는 몇가지 선택안이 있다.
도 20 에는 오리피스 장치를 장착 플레이트에 고정시키는 4가지 예시적인 방법이 도시되어 있다. 제1 오리피스 장치(20A)는 스레드가 형성된 연결부(204)에 의하여 장착 플레이트(202)에 부착되어 있는 것으로 도시되어 있다. 스레드가 형성된 연결부(204)는 제1 오리피스 장치(20A) 상의 외부 스레드 연결부와 장착 플레이트(202) 내의 내부 스레드 연결부를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서는, 스레드 연결부(204)가, 외부 스레드 여결부 및 내부 스레드 연결부 사이에 간격을 제공함으로써, 스레드 연결부(204)에서의 막힘이 유발됨 없이 대응되는 열전달 튜브(205) 내에서의 제1 오리피스 장치(20A)의 상대적으로 미세한 재위치선정 및/또는 중심잡기를 허용하도록 된 구성 및 크기를 가질 수 있다.
제1 오리피스 장치(20A)가 장착 플레이트(202)로부터 의도하지 않게 회전됨 그리고/또는 헐겁게 됨을 방지하기 위하여, 제1 오리피스 장치(20A)가 제 위치에 고정 및/또는 잠금(lock)될 수 있다. 일부 실시예에서는, 스레드 결합부에 자열 잠금 용접(autogenous lock weld; 206)을 적용함으로써 그리고/또는 스레드들을 스테이킹(staking)함으로써 제1 오리피스 장치(20A)가 장착 플레이트(202)에 고정될 수 있다.
제2 오리피스 장치(20B)는 중단된 스레드(interrupted thread) 또는 브리치락 장치(breechlock arrangement)(208)를 이용함으로써 장착 플레이트에 부착되는 것으로 도시되어 있다. 제2 오리피스 장치(20B)는, 제2 오리피스 장치(20B)의 플랜지가 장착 플레이트의 플랜지에 잡촉할 때까지, 외부 스레드의 영역이 상기 중단된 스레드의 영역을 지나가면서 장착 플레이트를 통해 튜브 단부 안으로 삽입될 수 있다. 그 이후 제2 오리피스 장치(20B)가 대략 90도 회전될 수 있으며, 이로써 제2 오리피스 장치(20B) 상의 외부 스레드들이 장착 플레이트 구멍 내의 내부 스레드들과 맞물린다. (예를 들어 피치가 없는) 루스 피팅 플랫 스레드(loose fitting flat thread)는, 조립 동안에 제2 오리피스 장치(20B)를 헐겁게 제 위치에 홀딩하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서는, 제2 오리피스 장치(20B)를 장착 플레이트에 단단히 고정시키고 작동 동안에 제2 오리피스 장치(20B)의 회전 또는 풀림이 방지되도록 하기 위하여 별도의 장착 부재가 이용될 수 있다. 상기 별도의 장착 부재는, 제2 오리피스 장치(20B)의 단부에 대해 나사체결 및/또는 조임될 수 있는 뒷받침 플러그(backing plug; 207)를 포함할 수 있다.
제3 오리피스 장치(20C)의 단부에 대해 배치될 수 있는 뒷받침 플레이트(209)를 포함하는 별도의 장착 부재에 의하여, 제3 오리피스 장치(20C)가 장착 플레이트에 부착된 것으로 도시되어 있다. 제3 오리피스 장치(20C)를 위한 스레드가 형성된 별도의 플러그는 회전 및 헐거워짐을 방지하기 위하여 뒷받침 플레이트(209)에 스테이킹 또는 잠금 용접되는 나사형성 플러그를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서는, 제3 오리피스 장치(20C)를 제 위치에 유지시기키 위한 뒷받침 플레이트(209)가, 제3 오리피스 장치(20C)를 장착 플레이트에 부착시키는 데에 사용될 수 있는 넷 이상의 스터드 및/또는 너트를 포함할 수 있다.
제4 오리피스 장치(20D)는 스프링 부하를 받는 잠금 메카니즘(210)에 의해서 장착 플레이트에 부착되어 있는 것으로 도시되어 있다. 도 20 에 도시된 하나 이상의 다른 오리피스 장치와 마찬가지로, 제4 오리피스 장치(20D)는 장착 플레이트를 통하여 튜브 단부 안으로 삽입될 수 있다. 제4 오리피스 장치(20D) 상에 위치하고 있는 둘 이상의 일체형 러그(lug; 214)들은 장착 플레이트의 저부에서 관통 슬롯을 통과하도록 구성될 수 있다. 제4 오리피스 장치(20D)의 삽입이 진행됨에 따라서, 상기 러그(214)들은 스프링(212) 및/또는 스프링 부하를 받는 와셔(213)를 압축하되, 제4 오리피스 장치(20D)가 대략 90도 회전될 수 있는 지점을 향해 압축시키며, 이 때 러그(214)들은 장착 플레이트 내의 슬롯들 안으로 들어갈 수 있다. 그 후, 제4 오리피스 장치(20D)는 상기 러그(214)들을 슬롯들 안에 확고하게 유지시키는 상기 스프링 부하를 받는 와셔(214)에 의해서 제 위치에 잠금(lock)된다.
일부 실시예에서는, 튜브에 대한 제4 오리피스 장치(20D)의 정렬 및/또는 중심잡기를 허용하기 위하여 상기 슬롯과 러그(214) 사이에 충분한 직경상 간극이 제공될 수 있다. 스프링(212)과 관련된 스프링 상수는, (예를 들어 수작업에 의한 과도한 삽입력이 필요하지 않은) 실용적인 제한기 조립체가 얻어지기에 충분히 낮으면서도, 작동 동안에 제4 오리피스 장치(20D)의 덜그럭거림을 방지하기에 충분한 부착력을 제공하기에 충분히 높도록 선택될 수 있다. 조립 적정성의 시각적인 확인이 가능하도록 하기 위하여, 제4 오리피스 장치(20D)의 외측 단부에 관찰용 슬롯 또는 다른 위치 표시부가 배치될 수 있다.
스프링 잠금 조립체(210)는 각각의 구멍 안에 사전 조립될 수 있는데, 이것은, 와셔(213)를 구멍의 저부에 배치시키고, 스프링(212)을 와셔(213)의 위에 삽입한 다음에, 스프링(212)을 압축시켜 스프링 잠금 조립체(210)를 제 위치에 잠기도록 함으로써 수행될 수 있으며, 여기에서 스레드가 형성된 유지 와셔(211)는 조립 이후에 잠금 용접(lock welding)될 수 있다. 스프링 잠금 조립체(210)는 자체 잠금식의 것일 수 있으며, 스프링 힘 및/또는 사전부하 힘(pre-loaded force)에 의해서 제4 오리피스 장치(20D)의 위치를 유지시키도록 구성될 수 있다. 상기 힘은 유동에 의해 유도되는 진동(flow induced vibration; FIV)으로 인한 덜그럭거림의 가능성을 감소시키고 그리고/또는 헐거워짐을 방지한다.
오리피스 장치들 중 하나 이상이 장착 플레이트에 부착될 수 있으며, 장착 플레이트에 부착된 상태로 튜브에 대한 하강 및/또는 분리가 동시에 수행될 수 있다. 일부 실시예에서는 상기 오리피스 장치가 먼저 장착 플레이트에 설치 및/또는 정렬되고, 그 다음에 한 번에 장착 플레이트 구멍들을 통해서 튜브 단부들 안으로 삽입된다.
도 20 에 도시되어 있는 오리피스 장치들은 고리 형태의 제한기 또는 외부 스레드가 형성된 고리형 유동 제한기를 구비하는 것으로 도시되어 있으나, 중앙 오리피스 유동 제한기를 포함하여 다른 유형의 오리피스 장치가 유사한 방식으로 상기 장착 플레이트에 장착될 수도 있다. 일부 실시예에서는, 상기 오리피스 장치들이 튜브들 안으로 삽입되지 않고 튜브 단부들 상에 안착될 수 있다. 오리피스 유동 장치들이 튜브 단부들 안으로 삽입되지 않는 경우에는, 오리피스 장치들이 열전달 튜브들 안으로 삽입되는 때에 비하여 상기 튜브들에 대한 장착 플레이트 구멍들의 정렬의 필요성이 중요하지 않을 수 있다.
각각의 오리피스 장치가 그 각각의 튜브 단부에 대해 적절히 안착됨으로써 바이패스 누설 유동의 감소 또는 방지에 도움이 될 수 있다. 전술된 장착 과정들 중 한 가지 이상이 오리피스 장치의 위치 조정을 위하여 제공됨으로써, 제작 및 조립 공차 뿐만 아니라 튜브 시트의 열적 및/또는 기계적 휘어짐을 감안하여 설치 및/또는 작동 동안에 튜브 단부에 대한 오리피스 장치의 치수맞춤이 보장될 수 있다. 상기 오리피스 장치 및/또는 장착 부착 수단은, 작동 동안에 튜브 시트의 휘어짐을 허용하기 위하여 오리피스 장치의 위치를 자체-조정(self-adjust)하도록 구성될 수 있다. 예를 들어 스프링 부하가 가해지는 잠금 메카니즘(210)이 상기와 같은 조정 가능성을 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 스프링 힘은 장착 플레이트 및/또는 튜브 단부에 대해 오리피스 장치를 안착시키는데에 사용될 수 있다.
도 21 에는 스프링 부하가 적용된 부착 메카니즘(220)이 도시되어 있으며, 이것은 오리피스 장치(225)를 장착 플레이트(230)에 부착시키기 위하여 거꾸로 될 수 있다. 일부 실시예에서는 오리피스 장치(225)가 중앙 유동 유형의 오리피스 장치를 포함할 수 있다. 오리피스 장치(225)는 튜브 시트(240)를 대면하는 장착 플레이트(230)의 측으로부터 장착 플레이트(230)에 조립될 수 있는데, 이는 열전달 튜브(235)의 단부에 대해 장착 플레이트(230)를 가압하는 방향으로 스프링 힘이 작용하도록 하기 위한 것이다. 오리피스 장치(225)의 적절한 안착에 관한 간접적인 확인을 위하여는, 스프링 부하가 적용된 부착 메카니즘(220)의 적절한 기능 발휘를 확인하기 위해 오리피스 장치(225)를 약간 인출하여 보는 방안, 및/또는 장착 플레이트(230)로부터 오리피스 장치(225)의 후방 단부 까지의 거리가 예상 범위 내에 있는지를 확인하기 위하여 치수 체크를 하는 방안이 있다. 오리피스 장치(225)는 튜브 시트(240)에 대한 장착 플레이트(230)의 설치 이전에 장착 플레이트(230)에 부착될 수 있다.
도 22 에는 대응되는 열전달 튜브들 안으로 삽입되는 오리피스 장치들을 위한, 분리, 설치, 및/또는 재설치 작업을 포함하는 예시적인 방법(2200)이 도시되어 있다. 작업 단계(2210)에서는, 장착 플레이트를 유지시키고 장착 플레이트의 운반을 지원하기 위하여 지지 도구(support tooling)가 설치될 수 있다.
작업 단계(2220)에서는, 하나 이상의 부착 장치가 잠금해제(unlock)될 수 있다. 상기 부착 장치는 각각의 장착 플레이트에 대해 넷 이상의 너트를 포함할 수 있다. 상기 너트들을 풀고 그리고/또는 분리한 이후에, 상기 장착 플레이트가 플레넘으로부터 분리 및/또는 하강될 수 있다. 일부 실시예에서는, 장착 플레이트가 분리된 때에 오리피스 장치가 여전히 장착 장치에 부착되어 있을 수 있다. 작업 단계들(2210, 2220)은 (예를 들어 다중 플레이트 장착 구성형태인 경우에 있어서) 임의의 추가적인 장착 플레이트에 대해 반복 및/또는 수행될 수 있다.
작업 단계(2230)에서는, 장착 플레이트의 설치 및/또는 재설치 동안에, 장착 플레이트가 부착 장치 및/또는 스터드들 위에 배치될 수 있고 또한 하나 이상의 너트들이 스터드들에 대해 나사체결된 상태로 제 위치에 헐겁게 유지될 수 있다.
작업 단계(2240)에서는, 하나 이상의 안내 핀이 장착 플레이트를 통하여 선택된 구멍들 안으로 설치 및/또는 삽입될 수 있으며, 이로써 오리피스 장치의 부착 구멍들이 튜브 단부들에 정렬된다. 일부 실시예에서는, 네 개의 스터드들에 대해 상기 너트들을 조임으로써 상기 장착 플레이트가 제 위치에 고정될 수 있다. 상기 장착 플레이트의 고정 이후에 상기 안내 핀은 제거될 수 있다.
작업 단계(2250)에서는, 오리피스 장치들을 장착 플레이트 내에 있는 구멍을 통해서 튜브 단부 안으로 삽입하고, 스프링 부하의 작용을 받는 와셔를 압축하고, 오리피스 장치들을 잠금 위치를 향하여 대략 90도 회전시킴으로써, 오리피스 장치들이 한 번에 설치될 수 있다.
작업 단계들(2230, 2240, 및 2250)은 (예를 들어, 다중 플레이트 장착 구성인 경우) 임의의 추가적인 장착 플레이트를 위해서 반복 및/또는 수행될 수 있다.
작업 단계(2260)에서는, 상기 하나 이상의 장착 플레이트를 위한 부착 장치들이 잠겨질 수 있고, 최종적인 설치 검사가 수행될 수 있다.
도 23 에는 대응되는 열전달 튜브들의 단부들에 인접하게 위치된 오리피스 장치들을 위한 분리, 설치, 및/또는 재설치 작업을 포함하는 예시적인 과정(2300)이 도시되어 있다. 오리피스 장치들은 하나 이상의 스프링 잠금 부착 수단에 의하여 장착 플레이트에 부착될 수 있다. 또한 오리피스 장치들은 분리 및 설치/재설치 모두의 작업 동안에 장착 플레이트에 부착될 수 있다.
작업 단계(2310)에서는, 장착 플레이트를 유지하고 장착 플레이트의 운반을 지원하기 위하여 지지 도구가 설치될 수 있다.
작업 단계(2320)에서는, 하나 이상의 부착 장치가 잠금해제될 수 있다. 상기 부착 장치는 각각의 장착 플레이트마다 넷 이상의 너트를 포함할 수 있다. 상기 너트들을 풀고 그리고/또는 분리한 이후에, 장착 플레이트가 하강 및/또는 플레넘으로부터 분리될 수 있다. 일부 실시예에서는, 상기 장착 플레이트가 분리된 때에도 상기 오리피스 장치들이 장착 장치에 여전히 부착되어 있을 수 있다. 작업 단계들(2310, 2320)은 (예를 들어, 다중 플레이트 장착 구성인 경우) 임의의 추가적인 장착 플레이트를 위해서 반복 및/또는 수행될 수 있다.
작업 단계(2330)에서는, 장착 플레이트의 설치 및/또는 재설치 동안에, 장착 플레이트가 부착 장치 및/또는 스터드들 위로 배치될 수 있으며, 또한 하나 이상의 너트가 스터들에 나사체결됨으로써 제 위치에 헐겁게 유지될 수 있다.
작업 단계(2340)에서는, 하나 이상의 정렬 장치가 장착 플레이트를 통하여 튜브 시트 정렬 특징물 안으로 설치됨으로써 오리피스 장치들이 튜브 단부들에 정렬될 수 있다.
작업 단계(2350)에서는, 상기 스터드들에 대해 너트들을 조임으로써 장착 플레이트가 제 위치에 고정될 수 있다. 상기 장착 플레이트의 고정 이후에는, 하나 이상의 정렬 장치가 제거될 수 있으며, 각각의 오리피스 장치가 그에 대응되는 튜브 단부에 적절히 안착되었는지에 대한 확인이 수행될 수 있다. 작업 단계들(2330, 2340, 및 2350)은, (예를 들어, 다중 플레이트 장착 구성인 경우) 임의의 추가적인 장착 플레이트를 위해서 반복 및/또는 수행될 수 있다.
작업 단계(2360)에서는, 상기 하나 이상의 장착 플레이트에 대한 부착 장치들이 잠겨질 수 있고 또한 최종적인 설치 검사가 수행될 수 있다.
여기에서 제공되는 실시예들은 주로 가압수 원자로를 중심으로 하여 설명되었으나, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 실시예들이 다른 유형의 동력 시스템에 설명된 그대로 또는 일부 자명한 변형과 함께 적용될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 상기 실시예들 또는 그것의 변형예들은 비등수 원자로, 나트륨 액체 금속 원자로(sodium liquid metal reactor), 페블베드 원자로(pebble-bed reactor), 또는 제한된 작동 공간을 갖는 추진 시스템과 같이 우주에서 작동하도록 설계된 원자로에서도 작동가능하게 만들어질 수 있다. 특정 실시예에서는 나선형 코일 증기 발생기가 핵 원자로 내부에서 사용되는 것으로 설명되었으나, 증기 발생기는 다른 유형의 증기 발생 동력 시설에서 작동하도록 제작될 수 있으며, 여기에는 가스 동력 방식 및 석탄 연소 방식의 플랜트가 포함된다. 유사하게, 증기 발생기는 자연 순환 또는 강제 순환의 경우 모두에서 작동하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예들에는 다양한 핵 원자로 기술들, 예를 들어 우라늄 옥사이드(uranium oxides), 우라늄 하이드라이드(uranium hydrides), 우라늄 니트라이드(uranium nitrides), 우라늄 카바이드(uranium carbides), 혼합된 산화물, 및/또는 다른 유형의 방사성 연료를 사용하는 하는 핵 원자로가 포함된다. 상기 실시에들은 임의의 특정 유형의 원자로 냉각 메카니즘 또는 핵 반응에서 또는 핵 반응과 관련하여 열을 발생시키기 위해 채택되는 특정 유형의 연료에 국한되는 것이 아니라는 점에 유의하여야 한다. 여기에서 설명된 임의의 비율들 및 값들은 예시를 위한 목적으로서만 제공된 것이다. 예를 들어 핵 원자로 시스템의 실물 크기(full scale) 또는 축소 모델(scaled model)을 건설하는 등의 실험을 통하여 다른 비율 및 값들이 결정될 수 있다.
여기에서 다양한 실시예들에 관하여 제시 및 설명하였으나, 상세 사항 및 구성의 면에서 변형된 다른 실시예들도 가능하다는 것이 자명할 것이다. 본 출원인은 하기의 청구범위에 기재된 범위 및 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내의 모든 변형 및 변경에 대해 권리를 주장하는 바이다.

Claims (25)

  1. 복수의 열전달 튜브에 급수(feedwater)를 제공하도록 구성된 플레넘(plenum);
    상기 복수의 열전달 튜브를 플레넘에 결합시키도록 구성된 튜브 시트(tube sheet);
    상기 플레넘 내부에 장착되고, 상기 튜브 시트에 인접하게 배치되는, 오리피스 플레이트(orifice plate); 및
    상기 오리피스 플레이트에 의하여 지지되고, 상기 복수의 열전달 튜브 중 적어도 하나 안으로 삽입되도록 구성된 적어도 하나의 오리피스 장치(orifice device);를 포함하는 열전달 시스템(heat transfer system)으로서,
    상기 적어도 하나의 오리피스 장치들 각각은 나선형상 스레드들을 가진 원통형 몸체를 구비하고, 상기 복수의 열전달 튜브 중 상기 적어도 하나 안으로의 상기 적어도 하나의 오리피스 장치의 삽입에 의해서 상기 열전달 시스템에서의 급수의 압력 강하가 대응되게 결정되고,
    상기 오리피스 플레이트는 내부 스레드들이 형성되어 있는 관통 구멍을 포함하며, 상기 적어도 하나의 오리피스 장치들의 나선형상 스레드들은 상기 오리피스 플레이트에 위치한 관통 구멍의 내부 스레드들과 짝맞춤되도록 구성되며, 상기 열전달 튜브들 내에서 상기 적어도 하나의 오리피스 장치의 삽입 깊이는 상기 관통구멍 내에서 상기 적어도 하나의 오리피스 장치를 적어도 한 번의 부분적인 또는 완전한 회전수로 회전시킴으로써 변화되는, 열전달 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오리피스 장치는, 상기 오리피스 장치의 제1 회전 방향으로의 회전으로 인하여 오리피스 장치의 삽입 깊이가 증가하고 상기 오리피스 장치의 제2 회전 방향으로의 회전으로 인하여 오리피스 장치의 삽입 깊이가 감소하도록 구성되는, 열전달 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나선형상 스레드들은 외부 스레드(external thread)들을 구비하고, 상기 압력 강하의 양은 상기 삽입 깊이 내에 제공된 스레드들의 개수에 적어도 부분적으로 근거하여 결정되는, 열전달 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 오리피스 장치는, 상기 삽입 깊이 내에 제공된 스레드들의 개수를 변화시킴으로써 상기 압력 강하의 양을 변화시키도록 구성된, 열전달 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 삽입 깊이 내에 제공된 스레드들의 개수는 상기 오리피스 장치를 오리피스 플레이트 내에서 회전시킴으로써 변화되는, 열전달 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 오리피스 장치는 열전달 튜브의 내측 튜브 벽(inner tube wall) 안에 삽입된 샤프트(shaft)를 구비하고, 상기 샤프트와 내측 튜브 벽 사이에는 상기 급수의 대략적으로 고리형인 유동 경로가 형성되는, 열전달 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 나선형상 스레드들은 상기 열전달 튜브 안에 급수의 나선형 유동 경로를 제공하도록 구성되는, 열전달 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 나선형상 스레드들은, 열전달 튜브 내에 위치한 나선형상 스레드들의 개수에 따라서 상기 열전달 튜브 내의 압력 강하를 증분적으로(incrementally) 변화시키도록 구성되는, 열전달 시스템.
  11. 급수의 원천(source)을 수용하는, 수용 수단;
    제1 열전달 튜브 및 제2 열전달 튜브를 포함하는 복수의 열전달 튜브를 수용하는 수단을 유체 결합시키는, 유체 결합 수단;
    제1 열전달 튜브 내에 포함된 급수의 압력을 변화시키는 오리피스 수단(orifice means)으로서, 상기 압력은 상기 오리피스 수단의 삽입 깊이에 적어도 부분적으로 기초하여 변화되는, 오리피스 수단; 및
    상기 오리피스 수단을 장착시키는 장착 수단으로서, 상기 제1 열전달 튜브와 관련된 유량(flow rate)이 제2 열전달 튜브와 관련된 유량과 대략적으로 같아질 때까지 상기 오리피스 수단을 상기 장착 수단에 대하여 위치변화시킴으로써 상기 제1 열전달 튜브 내의 급수의 압력이 변화되는, 장착 수단;을 포함하는 설비로서,
    상기 장착 수단은 장착 수단을 통하여 급수를 채널링(channeling)시키도록 구성된 관통구멍들을 포함하고,
    상기 관통구멍들 중 적어도 하나는 상기 오리피스 수단을 지지하도록 더 구성되며,
    상기 관통구멍들은 내부 스레드들을 포함하고, 상기 오리피스 수단은 외부 스레드들을 포함하며, 상기 내부 스레드들은 상기 외부 스레드들과 짝맞춤되도록 구성되고,
    상기 장착 수단은 제1 열전달 튜브 내에서 오리피스 수단의 삽입 깊이를 변화시키는 수단을 포함하며, 상기 삽입 깊이의 변화는 상기 관통 구멍 내에서 상기 오리피스 수단을 적어도 한 번의 부분적인 또는 완전한 회전수로 회전시킴으로써 이루어지는, 설비.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 오리피스 수단은 제1 열전달 튜브 내에서 상기 급수의 회전 유동(rotational flow)을 제공하는 수단을 포함하는, 설비.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제11항에 있어서,
    상기 장착 수단은, 삽입 깊이에 관한 상기 오리피스 수단의 위치를 잠그는 수단을 포함하는, 설비.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제1항에 있어서,
    상기 오리피스 플레이트는 상기 급수가 플레넘으로부터 열전달 튜브들 안으로 유동하기 위한 통로를 제공하도록 구성된 복수의 채널(channel)들을 포함하고, 상기 복수의 채널들은 인접한 채널들 사이에서의 바이패스 누설(bypass leakage)을 억제하는 다수의 밀봉재들에 의하여 분리되어 있는, 열전달 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 다수의 밀봉재에는 상기 열전달 튜브들의 단부들과 오리피스 플레이트 사이에 배치되는 다수의 오-링(o-ring) 또는 브이-밀봉재(v-seal)가 포함되는, 열전달 시스템.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 다수의 밀봉재에는 복수의 채널 주위에서 열전달 튜브들 사이에 배치된 다수의 스터브(stub)가 구비되고, 상기 다수의 스터브는 튜브 시트의 면에 끼워지는, 열전달 시스템.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 열전달 시스템은 상기 오리피스 플레이트에 장착된 복수의 중앙 유동 오리피스 장치(center flow orifice device)를 더 포함하고, 상기 중앙 유동 오리피스 장치들은 적어도 부분적으로 상기 복수의 채널 안에 배치되며, 상기 급수는 상기 중앙 유동 오리피스 장치를 통하여 플레넘으로부터 열전달 튜브들 안으로 유동하는, 열전달 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 중앙 유동 오리피스 장치들은 스프링 부하를 받는 부착 메카니즘(attachment mechanisms)에 의하여 상기 오리피스 장치에 장착되고, 상기 부착 메카니즘은 오리피스 플레이트를 복수의 열전달 튜브에 대해 가압하는 방향으로 스프링 힘(spring force)을 작용하도록 구성된, 열전달 시스템.
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