KR20150119172A

KR20150119172A - 높이가 줄어든 증기 생성 디바이스를 포함하는 전기 발생 설비, pwr 및 bwr 반응로들에의 적용

Info

Publication number: KR20150119172A
Application number: KR1020157024815A
Authority: KR
Inventors: 기-마리 고띠에; 피에르 알레그르
Original assignee: 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2015-10-23
Also published as: RU2015138748A; FR3002274B1; EP2956715A2; FR3002274A1; WO2014125442A3; US10510453B2; CN105143768A; EP2956715B1; US20160005498A1; WO2014125442A2; JP2016517499A

Abstract

본원은 전기 에너지 발생 설비에 관한 것으로서,
- 인클로저에 배열되는 증기 생성 디바이스,
- 분리기들 세트로서, 하류측에서 증기 생성 디바이스에 연결되고 그리고 상기 인클로저에 배열되는, 상기 분리기들 세트,
- 건조기들 세트로서, 상류측에서 상기 분리기들 세트에 연결되는, 상기 건조기들 세트,
- 적어도 하나의 건조 증기 팽창 본체를 포함하고, 상기 건조 증기로부터 전기를 생성하는데 적합한 증기 터빈,
- 증기 과열기들로서 기능하거나 소위 공급수를 재가열하는데 적합한 교환기들 세트를 포함하고,
상기 건조기들 세트의 입구를 상류측에서 상기 분리기들 세트에 연결하고, 제 1 출구를 하류측에서 상기 본체의 입구에 연결하며, 그리고 제 2 출구를 하류측에서 교환기들 세트에 열원으로서 연결하여, 상기 건조기들 세트를 상기 인클로저 외측에 배열한다.

Description

높이가 줄어든 증기 생성 디바이스를 포함하는 전기 발생 설비, PWR 및 BWR 반응로들에의 적용 {ELECTRICITY GENERATION FACILITY COMPRISING A DEVICE FOR PRODUCING STEAM OF REDUCED HEIGHT, APPLICATION TO PWR AND BWR REACTORS}

본 발명은 포화된 증기 생성 디바이스 및 포화된 증기로부터 생성된 건조 증기로부터 전기를 발생시키는데 적합한 증기 터빈을 포함하는 전기 에너지 발생 설비에 관한 것이다.

보다 자세하게는, 본원은 열원이 원자로 (nuclear reactor) 인 설비에 관한 것이다.

본원은, 보다 자세하게는 반응로 (reactor) 코어에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 방출된 열로부터 포화된 증기를 생성하는 디바이스에 관한 것이다.

본원은 강제 증기 순환을 도입하지 않고서 이러한 포화된 증기 생성 디바이스의 높이를 저감시키는 것을 목적으로 한다.

본원의 메인 적용은, 이미 사용되고 있는 바와 같이, 소위 2 세대 및 3 세대라고 하는 증기 발생기를 가진 가압수형 반응로 (PWR) 이다.

주요 적용을 참조하여 기재하였더라도, 본원은 또한 비등수형 반응로들 (BWR) 에 적용된다.

본원은, 특히 저전력 또는 중전력 반응로들, 모듈라 또는 그 외에 적용한다. 특히, 본원은 통합된 설계 반응로들에 적용한다.

광범위한 전력 범위를 가진, 전세계에 걸쳐 이미 사용중인 많은 가압수형 반응로들 (PWR) 이 있다. 안전상의 이유로, 저전력 반응로들 또는 SMR ("Small Modular Reactor" 의 약어) 용 수형 반응로들에 대한 리서치는, 가능한 많은 구성품들이 반응로 용기에 통합된 반응로 구조물들에 대한 서치를 유도한다.

문헌에서는 통합된 유형들의 반응로 건축을 제공하는 다수의 설계들이 개시되어 있다. 통합된 유형의 반응로들은 일반적으로 매우 유선형이고 그리고 20 미터를 종종 초과하는 용기 높이를 가진다.

이러한 통합된 반응로 건축들 중에서, 2 가지 유형들: 반응로 용기에 증기 발생기 (GV) 가 수용되는 제 1 유형 및 반응로 용기 위에 증기 발생기가 배열되어 그의 커버를 형성하는 제 2 유형을 구별할 수 있다.

이러한 제 2 유형의 건축에서, 열이 방출되는 반응로 코어는 용기의 바닥부에 위치된다. 열 소산 물은, 일반적으로 펌프들로 인한 강제 대류시 순환하지만 자연 대류시에도 기능할 수 있다. 냉각수는 코어의 하부 입구를 통하여 코어에 진입하고, 이 냉가수를 가열하는 코어를 통과하며, 용기 위에 위치된 증기 발생기의 입구까지 통상적으로 라이저라고 하는 용기 중심의 공간으로 상승한다. 이 물은 PWR 용 일차 물로서 알려져 있다. 물은 증기 발생기를 통과할 시 냉각하고 그리고 PWR 용 이차 물이라고 하는 작동 유체 순환부 (circuit) 에 열을 전달하며, 그 후 증기 발생기의 인클로저를 규정하는 내부 쉘과 외부 쉘 사이의 환형 공간에서 용기로 복귀한다.

다양한 설계의 PWR 반응로들은 이러한 배열을 사용하고; 여기에서 공개문헌 [1] 에 개시된 바와 같이, Westinghouse 이라는 명칭의 SMR 반응로 프로젝트를 참조하면 된다. 특허 EP 1464058 B1 에 개시되고 청구되는 바와 같이 출원인의 명의하의 SMR 반응로 프로젝트를 참조할 수도 있다.

2 개의 반응로 프로젝트들에서, 증기 발생기는 보일러 유형일 수 있고 그리고 원자로와 연관되어 있다.

이러한 보일러 증기 발생기는 포화된 증기 생성 디바이스 및 이 포화된 증기 생성 디바이스의 상류측에 배열된 2 개의 조립체들을 포함한다. 이차 증기의 유동 방향으로 일렬로 배열된 2 개의 조립체들의 포괄적인 기능은, 일차 물이 순환하는 튜브 다발에 의해 생성된 증기가 발생기를 나올 시 가능한 건조됨을 보장하는 것이다. 분리기 조립체라고 하는 제 1 조립체는, 일반적으로 사이클론 분리기들로 구성되고 그리고 증기로부터 대부분의 물을 제거하고 그리고 이를 중력하에서 발생기의 저부로 복귀시키는데 적합하다. 하류측 제 2 조립체는 포획물 또는 다른 말로 분리기 조립체의 하류측 증기에 의해 여전히 운반될 몇몇 물 입자들의 집속물을 허용한다.

Westinghouse [1] SMR 프로젝트에서, 보일러 증기 발생기는 2 부분으로 되어 있다. 제 1 부분은 용기 위에 배열되고 그리고 환형 형태를 가진다. 일차 물은 다발의 중간에서 튜브에서 상승되고 그리고 튜브들의 입구에서 분배되며, 튜브들을 통하여 수직하게 통과하며 반응로 용기로 복귀한다. 이차 물은 튜브들 외측에서 순환한다. 이러한 제 1 부분에서, 생성된 증기는 매우 습하다. 이 증기는 증기 발생기의 제 2 부분으로 보내어져 터빈을 작동시키는데 사용되기 전에 건조된다.

이러한 설계 옵션은, 일차 순환부의 조립체, 즉 증기 발생기의 제 1 부분을 형성하는 용기와 튜브 다발이 가능한 컴팩트하게 되도록 선택되었다. 그 후, 증기 발생기의 제 2 부분은, 제 1 부분으로부터 물리적으로 분리되고 그리고 증기 발생기 인클로저 다음에 위치된 하나의 구성품에서 사이클론 분리기 조립체와 건조기 조립체 둘 다를 포함한다. 응축물은 중력하에서 더이상 복귀할 수 없기 때문에, 순환 펌프가 필요하다. 다시 말해, SMR 프로젝트 [1] 에서는 이차 물의 강제 순환을 위한 펌프를 제공할 필요가 있다. 더욱이, 증기 발생기의 제 2 부분 쪽으로 증기 발생기의 제 1 부분을 나오는 유체는, 액상의 고비율의 물을 포함하고, 이 물은 증기상과 혼합된 후 유동할 수 있어서, 물 슬러그들을 형성한다. 배관에 대한 기계적 힘들과 상기 물 슬러그들과 연관된 유동 불안정성들을 제한하기 위해서, 제 1 부분 위에 증기 발생기의 제 2 부분을 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 조건들에서, 용기 조립체와 전체 증기 발생기는 큰 높이를 나타낸다.

특허 EP 1464058 B1 에 기재된 프로젝트에서와 같이, 루프 PWR 반응로 또는 통합된 PWR 반응로에서, 증기 발생기의 2 개의 부분들, 즉 증기 생성 전용 부분 및 건조 전용 부분은 동일한 인클로저내에 위치된다. 하지만, 이러한 유형의 보일러 증기 발생기는 상당한 높이를 가지는 주요 단점을 가진다.

그리하여, 강제 대류 없이, 즉 1 개 이상의 재순환 펌프들을 사용하지 않고, 이차 물 재순환 순환부를 유지하면서, PWR 가압수형 반응로의 보일러 유형의 증기 발생기의 컴팩트함을 개선시킬 필요가 있다.

보다 일반적으로, 석탄, 연료유, 가스, 목재, 폐기물 등과 같은 1 개 이상의 연료들로부터 연소에 의해 열을 방출하는 연소 보일러에 의해 방출되는 열로부터 또는 BWR 비등수형 반응로의 용기에서 직접적으로 또는 PWR 가압수형 반응로의 증기 발생기에서 증기가 생성되든지, 컴팩트한 포화된 증기를 생성 및 건조하기 위한 디바이스를 제안할 필요가 있다.

[1]: "Westinghouse Small Modular Reactor Nuclear Steam Supply System Design" - Proceedings of ICAPP 12 Chicago, USA, June 24-28, 2012 - Paper 12248

따라서, 본 발명의 목적은 이러한 필요를 적어도 부분적으로 충족시키는 것이다.

이를 달성하기 위해서, 본원의 목적은 전기 에너지 발생 설비로서,

- 열원으로부터 포화된 증기를 생성하는데 적합하고 그리고 인클로저에 배열되는 증기 생성 디바이스,

- 1 개 이상의 분리기들 세트로서, 하류측에서 증기 생성 디바이스에 연결되고 그리고 상기 디바이스에 의해 생성된 상기 증기로부터 대부분의 물을 추출하는데 적합하며, 상기 분리기들 세트는 상기 인클로저에 배열되는, 상기 분리기들 세트,

- 1 개 이상의 건조기들 세트로서, 상류측에서 상기 분리기들 세트에 연결되고 그리고 상기 분리기들 세트로부터 나오는 증기에서의 현탁물에서 물 액적들을 집속하여, 건조 증기를 생성하는데 적합한, 상기 1 개 이상의 건조기들 세트,

- 상기 건조 증기를 위한 적어도 하나의 팽창 본체를 포함하고, 가능한 가장 건조한 증기로부터 전기를 생성하는데 적합한 증기 터빈,

- 증기 과열기들로서 기능하거나 소위 공급수를 재가열하는데 적합한 열교환기들 세트를 포함한다.

본원에 따라서, 상기 건조기의 입구를 상류측에서 상기 분리기들 세트에 연결하고, 제 1 출구를 하류측에서 상기 터빈의 본체의 입구에 연결하며, 그리고 제 2 출구를 하류측에서 상기 교환기들 세트에 열원으로서 연결하여, 상기 건조기들 세트를 상기 증기 발생 디바이스의 인클로저 외측에 배열한다.

유리한 실시형태에 따라서, 상기 증기 터빈은 고압 본체 (HP) 라고 하는 본체와 저압 본체 (BP) 라고 하는 본체를 포함하는 이중 본체 터빈이고, 상기 과열기들 세트로서의 교환기들 세트는 상기 터빈의 상기 고압 본체의 출구 및 상기 저압 본체의 입구에 연결되며 그리고 상기 저압 본체에 진입하기 전에 상기 고압 본체를 나오는 증기를 재가열하는데 적합하고, 상기 건조기들 세트의 제 1 출구는 하류측에서 상기 고압 터빈의 상기 고압 본체의 입구에 연결된다.

다른 유리한 실시형태에 따라서, 상기 증기 터빈은 단일 팽창 본체를 포함하는 단일 본체 터빈이고, 재가열기들 세트로서의 교환기들 세트는 상기 증기 생성 디바이스 중에서, 상기 단일 본체 터빈의 하류측에서 생성되는 공급수를 위한 공급 입구에 연결되고 그리고 상기 공급수를 재가열하는데 적합하며, 상기 건조기들 세트의 제 1 출구는 하류측에서 상기 터빈의 단일 본체의 입구에 연결된다.

본원은, 반응로가 루프 유형 또는 통합된 유형인지 그리고 전력이 무엇이든지, 비등형 증기 발생기를 포함하는 PWR 가압수형 반응로들에 주로 적용된다.

따라서, 유리한 실시형태에 따라서, 상기 열원은 PWR 가압수형 원자로의 코어이고, 상기 증기 생성 디바이스는 상기 튜브 다발로부터 출구에서 포화된 증기 상태에서 일차 물과 이차 물 사이의 열교환을 위한 튜브 다발을 포함하는 증기 발생기이다.

상기 실시형태에 있어서, 상기 증기 발생기의 상기 인클로저는 상기 반응로의 용기의 커버를 유리하게 구성할 수 있다.

다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 열원은 비등수형 원자로 (BWR) 의 코어이고, 상기 증기 생성 디바이스는 BWR 원자로의 용기에 통합된다.

본원 덕분에, 선행 기술에 따른 보일러 유형의 증기 발생기 또는 BWR 반응로 용기에 각각 비교하여, PWR 반응로의 증기 발생기 또는 BWR 반응로의 용기의 전체 높이를 저감시킬 뿐만 아니라, 문헌 [1] 에 개시된 바와 같이 선행 기술의 PWR 반응로와는 반대로, 증기 발생기의 인클로저에서 작동 유체를 자연 순환시키는 장점을 유지한다.

유리한 실시형태에 있어서, 상기 건조기들 세트는, 상류측에서 상기 건조기들 세트의 제 2 출구 및 하류측에서 상기 교환기들 세트에 연결된 퍼넬 형상의 하부를 가진 단일 인클로저에 수용된다.

바람직하게는, 상기 분리기 각각은 사이클론 분리기로 구성된다.

유리한 특징에 따라서, 설비가 150 MWe 에 상응하는 전력을 가진 PWR 가압수형 원자로를 포함할 때, 용기 및 커버를 형성하는 인클로저의 전체 높이는 15 m 미만, 통상적으로 13.5 m 에 대응한다.

본원은 또한 원자로에 관한 것으로서,

- 용기,

- 상기 용기에 수용되는 반응로 코어,

- 전술한 설비의 증기 생성 디바이스,

- 전술한 설비의 건조기들 세트를 포함하는 인클로저를 포함한다.

본원의 추가의 장점들 및 특징들은, 첨부된 도면을 참조하여, 비한정적으로 그리고 설명을 위해서, 본원의 예시적인 실시형태들의 상세한 설명을 판독함으로써 보다 명확해진다.

도 1 은 선행 기술에 따른 가압수형 반응로 (PWR) 를 위한 소위 보일러 증기 발생기의 개략적인 종단면도이다.
도 2 는 선행 기술에 따른 비등수형 반응로 (BWR) 를 위한 소위 보일러 증기 발생기의 개략적인 종단면도이다.
도 3 은 이차 순환부가 랭킨 (Rankine) 사이클을 사용하는 선행 기술에 따른 가압수형 원자로 (PWR) 의 개략도이다.
도 4 는 이차 순환부가 랭킨 사이클을 사용하는 본원에 따른 가압수형 원자로 (PWR) 의 개략도이다.
도 5 는 이차 순환부가 랭킨 사이클을 사용하는 본원에 따른 비등수형 원자로 (BWR) 의 개략도이다.
도 6 은 이차 순환부가 단일 본체의 터빈에 의한 랭킨 사이클을 사용하는 선행 기술에 따른 가압수형 원자로 (PWR) 의 개략도이다.
도 7 은 이차 순환부가 단일 본체의 터빈에 의한 랭킨 사이클을 사용하는 선행 기술에 따른 가압수형 원자로 (PWR) 의 개략도이다.

본원 명세서 전체에서, "수직", "하부", "상부", "바닥", "상단", "아래" 및 "위" 라는 용어는, 수직 작동 형상에 있는 바와 같이 본원에 따른 증기 발생기, 반응로의 용기, 건조기들 세트를 참조하여 이해되어야 한다. 따라서, 작동 형상에 있어서, 반응로 용기의 상부 부분은 코어 위에 위치되는 것이다.

유사하게, 본원 명세서 전체에서, "입구", "출구", "하류측" 및 "상류측" 이라는 용어는, 증기 생성 디바이스 및 이로부터 증기 터빈까지의 둘 다에서, 랭킨 사이클에서 포화된 증기의 순환 방향을 참조하여 이해되어야 한다.

명확성을 위해서, 선행 기술 및 본원에 따른 반응로 및 원자력 설비의 동일한 요소들을 지칭하는 동일한 도면부호들은 도 2 내지 도 7 에 대하여 사용된다.

PWR 원자로들을 나타내는 도면들의 설명에 대하여, 작동 유체는 이차 유체 또는 물을 지칭한다. 중간 유체는 일차 유체 또는 물을 지칭한다.

BWR 원자로들을 나타내는 도면들의 설명에 대하여, 작동 유체만이 기재되어 있다. 여기에는 중간 유체가 없다.

모든 도면들에서, PWR 또는 BWR 반응로의 실제 용기 부분은 간략화되었고 그리고 BWR 반응로의 경우에 일차 증기를 위한 메인 유압 경로들 및 반응로의 코어만을 구분함을 명시하는 바이다. 결국, 반응로의 용기는 또한 펌프들, BWR 반응로의 경우에는 가압기, 및 본원의 설명과 연관되지 않은 도시하지 않은 다른 구성품들을 포함한다.

또한, 도 3 ~ 도 5 에서 명확하게 하기 위해서, 증기 터빈 (2) 의 HP 고압 본체 (20) 및 BP 저압 본체 (21) 에서의 모든 추출 지점들, 즉 재가열을 위해 공급수 파이프에 이차 고온수를 추출하는데 적합한 이차 물 (작동 유체) 순환부의 부분들은 도시되지 않았음을 명시하는 바이다.

도 1 에서는 PWR 반응로들을 위한 포화까지 증기를 생성하는 소위 보일러 증기 발생기 (1) 를 자세히 도시한다. 이러한 보일러 증기 발생기 (1) 는 인클로저 (10) 에 수용된다.

먼저, 이 보일러 증기 발생기는 기화될 이차 유체와 일차 유체 사이의 열 교환에 적합한 튜브 다발 (11) 을 포함한다. PWR 유형의 원자로에 의해 생성된 열로부터 증기를 발생시키는데 이러한 발생기 (1) 가 사용되면, 2 개의 유체들, 즉 일차 유체와 이차 유체는 물로 구성된다. 튜브 다발 (11) 자체는 인클로저 (10) 내측의 쉘 (12) 내에 수용된다. 일반적으로, PWR (통합된) 반응로의 코어 (C) 는 인클로저 (10) 바로 아래에 위치되어, 인클로저 (10) 는 원자로 (16) 의 용기 (15) 의 커버를 구성한다. 루프 유형의 PWR 반응로들에 대하여, 일차 물의 입구와 출구를 위한 파이프들은 증기 발생기 아래에 배열됨을 명시하는 바이다.

적어도 하나의 임펠러 (13) 는, 튜브 다발 (11) 위에 또한 쉘 (12) 내측에 배열되고, 상기 임펠러는 고정 장착되고 또한 사이클론 분리기의 부분을 형성하며, 다른 부분은 쉘 (12) 을 구성하는 관형 포위부이다.

사이클론 분리기들 (13) 세트 위에는, 일반적으로 시케인 (chicane) 벽들을 포함하는 건조기들 (14) 세트가 있다.

이러한 증기 발생기 (1) 의 기능은 일차 순환부 및 이차 순환부의 물 순환 방향을 나타내는 화살표들과 관련하여 이제 설명된다.

일차 순환부는 원자로의 코어에 의해 가열된 소위 일차 물로 구성되고, 이 일차 물은 유입구 (17) 를 통하여 전달되고 튜브 다발 (11) 에서 순환한 후, 원자로의 코어로 복귀하도록 유출구 (18) 를 통하여 나온다.

증기 발생기 (1) 의 제 1 부분에서, 이차 물로서 알려진 이차 순환부로부터의 물은 쉘 (12) 내측의 튜브 다발 (11) 과 접촉함으로써 기화된다. 튜브 다발 (11) 과의 접촉 구역의 출구에서, 이차 물은 부분적으로만 기화되므로 (상태 V1), 증기 터빈으로의 공급 등과 같이 사용될 수 없다.

증기 발생부의 제 2 부분은 터빈을 작동시키는데 사용되기 전에 증기를 완전히 건조시키도록 한다. 이러한 제 2 부분은 분리기들 (13) 세트 및 건조기들 (14) 세트를 포함한다. 사이클론 분리기의 고정된 임펠러 (13) 를 통과하면, 이동하는 이차 물은 회전하도록 설정된다. 액상은 외측 쪽으로 분사되는 반면, 증기상은 중심에 잔류하고 상태 V2 로 간다.

액상은 공급수, 즉 증기 발생기 (1) 에 진입하는 이차 물과 함께 중력하에서 외부 벽 (10) 과 내부 쉘 (12) 사이에 한정된 환상의 공간으로 복귀한다.

사이클론 분리기들 (13) 로부터의 출구에서, 상태 V2 의 물은 액상으로부터 실제적으로 전체로 분리되지만, 액체 물의 액적들을 여전히 포함할 수 있고, 이는 터빈 베인들에 유발될 수 있는 부식 위험으로 인해 증기 터빈 등으로 이차 증기를 공급하지 못하도록 해준다.

그리하여, 출구 (19) 에서 건조 증기를 획득하도록, 사이클론 분리기들 (13) 을 나오는 이차 증기는 건조기들 (14) 세트를 통하여 저속으로 통과하고, 여기에서 액적들이 침적되고 그리고 건조기들 (14) 에 근접한 바닥에서 곡선 화살표들로 도시된 바와 같이 공급수와 함께 중력하에서 복귀된다. 증기는 이제 건조 증기의 상태 V3 에 도달한다.

따라서, 자연 대류시, 이차 물은, 증기 발생기의 인클로저 내측에서 외부 벽 (10) 과 내부 쉘 (12) 사이의 환상의 공간에 의해 형성된 루프, 튜브 다발 (11), 사이클론 분리기들 (13) 및 건조기들 (14) 을 통하여 반복적으로 (3 번, 4 번 또는 그 이상) 통과한다.

도 2 는 BWR 반응로를 위한 포화까지 증기를 생성하는 다른 보일러 유형의 증기 발생기 (1) 를 자세히 도시한다. 이러한 보일러 증기 발생기 (1) 는 인클로저 (10) 에 수용된다. 도 1 과의 차이점은, 기화될 이차 유체와 일차 유체 사이의 열 교환에 적합한 튜브 다발 (11) 이 없다는 것이다. 작동 유체는 원자로의 코어 (C) 를 통과함으로써 가열되고 그리고 증기로 바로 변형된다. 분리기들 (13) 세트 및 건조기들 (14) 세트는 반응로 출구에서 건조 증기 (V3) 를 얻도록 해준다.

통상적으로, 선행 기술에 따른 이러한 보일러 증기 발생기 (1) 의 전체 높이 (H) 의 절반은 튜브 다발 (11) 의 높이 (H1) 에 실질적으로 대응하고, 높이 (H) 의 1/4 은 사이클론 분리기들 (13) 의 배열에 필요한 높이 (H2) 에 실질적으로 대응하며, 높이 (H) 의 최종 1/4 은 건조기들 (14) 의 배열에 필요한 높이 (H3) 에 실질적으로 대응한다.

선행 기술에 따른 이러한 보일러 증기 발생기 (1) 는 작동 관점에서 만족스럽지만, 상당한 전체 높이 (H) 로 인해 큰 기하학적 공간을 차지하는 주요 단점을 가진다.

증기 발생기 (1) 의 이러한 상당한 높이 (H) 는 바람직하게는 가능한 컴팩트한 반응로들에서, 특히 특허 EP 1464058 B1 에 개시된 바와 같이 가압수형 원자로 (PWR) 의 용기의 커버로서 보일러 유형의 증기 발생기로 이미 구성된 경우에 불리할 수 있다.

사실, 이러한 상당한 높이 (H) 는 최소한의 높이를 원하는 고정식 지상 원자력 설비에 대해서 또는 선박으로 운반될 수 있는 원자력 설비에 대해서도 불리할 수 있다.

따라서, 이러한 증기 발생기 (1) 의 전체 높이 (H) 를 저감시키기 위해서, 본 발명의 발명자들은, 증기 가열 요소들과 작동 유체 사이에 자연 순환을 유지하면서, 작동 유체 순환부의 주요 구성품들을 2 개의 별개의 부분들로 물리적으로 분리하는 것을 고려하였다.

본원에 따라서, 도 4 및 도 5 에 도시된 바와 같이, 건조기의 입구 (14a) 를 상류측에서 분리기들 (13) 세트에 연결하고, 제 1 출구 (14b) 를 하류측에서 증기 터빈 (2) 의 고압 본체 (20) 의 입구에 연결하며, 그리고 제 2 출구 (14c) 를 하류측에서 과열기들 (23) 세트에 연결하여, 건조기들 (14) 세트를 증기 발생기 (1) 의 인클로저 (10) 외측에 배열하는 것을 제안한다.

다시 말해, 사이클론 분리기들 (13) 세트는 선행 기술에서처럼 증기 발생기 (1) 의 인클로저 (10) 내측에 튜브 다발 (11) 위에 남겨두지만, 본원에 따라서 건조기들 (14) 세트는 발생기 (1) 의 인클로저 (10) 외측에 배치된다. 건조기들 (14) 세트에 의해 집속된 이차 물의 액상은 선행 기술에서처럼 공급수 쪽으로 중력하에서 더이상 복귀할 수 없기 때문에, 본원에 따라서 터빈의 과열기들 (23) 세트로 바로 보내어진다.

다르게는, 본원 덕분에, 선행 기술에 따른 보일러 유형의 증기 발생기에 비교하여 본원에 따른 증기 발생기의 전체 높이를 저감시킬 뿐만 아니라, 문헌 [1] 에 개시된 바와 같이 선행 기술의 PWR 반응로와는 반대로, 발생기 (1) 의 인클로저 (10) 내측에서 작동 유체를 자연 순환시키는 장점을 유지한다.

도 3 에서는 선행 기술에 따른 PWR 반응로의 이차 순환부에서 통상적으로 발견되는 바와 같이 랭킨 사이클의 개략도를 도시하고, 여기에서 도 1 에 도시된 바와 같이 증기 발생기 (1) 는 인클로저 (10) 내측에 포함되며, 이차 물 순환부는 2 개의 팽창 본체들 (20, 21) 을 가진 증기 터빈 (2) 을 포함한다.

증기 발생기 (1) 의 상류측에서 하류측까지, 이차 순환부는 증기 터빈 (2) 을 포함하고, 이 증기 터빈 자체는 HP 고압 본체 (20) 와 저압 본체 (21) 를 포함한다. 과열기들 (23) 세트와 일렬로 건조기들 (22) 세트는 먼저 HP 본체 (20) 의 출구에 연결되고 그리고 두번째로 BP 본체 (21) 의 입구에 연결된다. 과열기들 (23) 세트는 건조기들 (22) 세트로부터 출구에 위치되는 것이 바람직하다.

건조기들 (22) 및 과열기들 (23) 세트들은 증기 터빈 (2) 의 효율을 향상시키고 그리고 BP 본체 (21) 의 베인들의 부식을 방지하는 기능을 한다. 사실, HP 본체 (20) 로부터 출구에서, 이차 증기는 10% 정도의 열역학 타이터 (titer) 에 의해 매우 습하다. 그리하여, 건조기들 (22) 세트는, 터빈 (2) 의 BP 본체 (21) 의 베인들의 부식을 방지하도록, 열역학적 타이터가 유닛과 동일한 값으로 복귀되도록 한다. 과열기들 (23) 세트는 BP 본체 (21) 에 진입하기 전에 HP 본체 (20) 를 나오는 이차 증기의 재가열을 허용하여, 터빈의 효율을 개선시킨다. 통상적으로, PWR 반응로의 이차 순환부에서, HP 본체 (20) 로부터의 출구에서의 증기 압력은 대략 10 bar 정도이다.

증기는 이차 순환부에 의해 HP 본체 (20) 로의 입구에서 바로 추출함으로써 과열되고, 이 이차 순환부는 과열기들 (23) 세트로 바로 증기를 안내한다. 통상적으로, HP 본체에 진입하기 전에, 증기의 대략 10% 는 증기 과열을 위해 전환된다.

증기 발생기를 나오고 그리고 HP 본체 (20) 를 바이패스하는 이러한 증기는, 그 후에 건조기들 (22) 을 BP 본체 (21) 에 연결하는 이차 순환부의 주요부에 응축에 의해 그 열을 전달한다.

이차 순환부의 복귀부에서, 즉 공급수를 증기 발생기 (1) 의 입구로 복귀시키는 복귀부에서, 터빈 (2) 의 BP (21) 의 출구에서, 증기는 그 후 매우 저압 유형인 응축기 (3) 에 의해서 완전히 응축되고, 그 후 승강 펌프 (40) 라고 하는 제 1 펌프에 의해서, 통상적으로 공급 탱크라고 하는 물 집속기 (5) 로 복귀된다. 공급수 펌프라고 하는 제 2 펌프 (41) 는 증기 발생기 (1) 에 고압 공급수를 공급하도록 한다. 터빈 (2) 의 HP 본체 (20) 를 나오는 증기 부분은 공급 펌프 (41) 의 하류측 재가열기들 (6) 세트에 의해 공급수를 예열하도록 한다. 재가열기들 (6) 을 통하여 공급수를 예열하는데 사용되는 증기는 상류측 공급 탱크 (5) 로 복귀할 수 있다. HP 본체 (20) 에서 2 개의 팽창 단계들 사이에서 증기를 추출함으로써 공급수를 재가열하는데 사용되는 증기는 또한 공급 탱크 (5) 로 복귀할 수 있다. 동일하게 건조기 (22) 로부터의 응축물에 적용한다.

도 4 에서는 도 1 에 따르지만 본원에 따른 건조기들 (14) 세트의 배열을 가진 PWR 반응로의 랭킨 사이클의 동일한 개략도를 도시한다.

여기에서, 건조기의 입구 (14a) 를 상류측에서 분리기들 (13) 세트에 연결하고, 제 1 출구 (14b) 를 하류측에서 터빈 (2) 의 고압 본체 (20) 의 입구에 연결하며, 그리고 제 2 출구 (14c) 를 하류측에서 과열기들 (23) 세트에 연결하여, 건조기들 (14) 세트를 발생기 (1) 의 인클로저 (10) 외측에 배치한다.

건조기들 (14) 세트는 퍼낼 (141) 형태의 인클로저 (140) 에 수용되고, 이 인클로저의 개구 (14c) 는 상류측에서 건조기들 (14) 세트의 제 2 출구에 연결되고 그리고 하류측에서 과열기들 (23) 세트에 연결된다.

그리하여, 본원에 따라서, 증기 발생기 (1) 에서 작동 유체의 순환은, 환상의 공간, 튜브 다발 (11) 및 사이클론 분리기들 (13) 을 포함하는 유압 루프에서, 인클로저 (10) 내측에서 자연스럽게 자연 대류에 의해, 즉 강제 대류 없이 보장된다. 사실, 과열하는데 필요한 증기 유동에 의한 건조기들 (14) 세트에 의해 집속된 응축물은 퍼넬 (141) 을 통하여 터빈 (2) 의 HP 본체 (20) 와 BP 본체 (21) 사이의 과열기들 (23) 세트로 송부된다. 도시된 바와 같이, 본원에 따른 도 4 의 이차 순환부의 모든 다른 부분들은 선행 기술에 따른 도 3 의 이차 순환부의 부분들에 대하여 변경되지 않았다.

증기 발생기의 인클로저 (10) 를 나오는 증기는 열악한 품질이고 그리고 물 액적들을 포함하기 때문에 터빈 (2) 에 도입될 수 없지만, 액체 물의 양은 적고 이러한 혼합물의 유동은 안정성에 해로운 슬러그 유형의 유동을 유발할 위험이 없다. 이러한 조건들하에서, 건조기들 (14) 을 포함하는 인클로저 (140) 는 높이 제한 없이 증기 발생기 (1) 의 인클로저 (10) 다음에 배치될 수 있다. 반응로, 즉 증기 발생기 인클로저 (10) 및 건조 인클로저 (140) 를 포함하는 증기 생성 디바이스의 조립체와 용기의 전체 높이를 저감시키기 위한 목적으로, 적합한 위치로는 증기 발생기 (1) 의 인클로저 (10) 의 상부 약간 아래에 상기 인클로저 (140) 를 배치하는 것이다.

도 5 에서는 도 2 에 따르지만 도 4 에 대하여 도시되고 설명된 바와 같이 본원에 따른 건조기들 (14) 세트의 배열을 가진 BWR 반응로의 랭킨 사이클의 동일한 개략도를 도시한다.

본원 덕분에, 150 MWe 의 전력을 가진 PWR 반응로에 대하여, 튜브 다발 (11) 의 교체 길이의 증가와 조합하여 그리고 본 발명에 따른 건조기 부분을 재위치시킴으로써, 대략 5 m 의 증기 발생기 인클로저 (10) 의 전체 높이 (H') 가 달성될 수 있다. 본원에 따른 건조기들 (14) 의 부분을 재위치시키지 않고서, 선행 기술에 따른 증기 발생기 인클로저 (10) 의 전체 높이 (H) 는 대략 1 미터 이상일 수 있다.

본원의 내용내에서, PWR 반응로를 참조하여 전술한 바와는 다른 적용들도 고려될 수 있다.

따라서, 도 2 및 도 5 를 참조하여 설명한 바와 같이, 이제까지 분리기들 세트 및 건조기들 세트가 반응로 용기 (도 2) 의 상부에 반드시 통합된 ESBWR 반응로 (Economic Simplified Boiling Water Reactor) 와 같이, 이미 공지된 비등수형 반응로의 반응로 용기 외측에 건조기들 (14) 세트를 잘 재위치시킬 수 있다.

본원은 또한 원자로 및 단일 본체 터빈 (2), 즉 단일의 증기 팽창 본체 (20) 를 포함하는 터빈을 가진 전기 에너지 생성 설비에도 적용될 수 있다. 이러한 적용은 선행 기술에 따른 도 6 및 본원에 따른 도 7 을 참조하여 설명된다.

도 6 에서는 선행 기술에 따른 PWR 반응로의 이차 순환부에서 통상적으로 발견되는 랭킨 사이클의 개략도를 도시하고, 여기에서 도 1 에 도시된 바와 같이 증기 발생기 (1) 는 인클로저 (10) 내측에 포함되지만, 도 3 및 도 4 와는 반대로, 이차 순환부는 단일 팽창 본체들 (20) 을 가진 단일 본체 증기 터빈 (2) 을 포함한다.

선행 기술에 따른 도 3 및 본원에 따른 도 5 에 설명된 이중 본체 터빈을 가진 이차 순환부와는 반대로, 단일 본체 증기 터빈 (2) 은 건조기들 (22) 세트 및 과열기들 (23) 세트를 포함하지 않는다.

따라서, 단일 본체 터빈 (2) 을 가진 이차 순환부의 복귀부에서, 즉 증기 발생기 (1) 의 입구로 공급수를 복귀시키는 복귀부에서:

- 터빈 (2) 의 단일 본체 (20) 를 나오는 증기의 부분은 응축기 (3) 에 의해 완전히 응축되고;

- 터빈 (2) 의 단일 본체 (20) 를 나오는 증기의 다른 부분은 공급수 펌프 (41) 의 하류측 재가열기들 (6) 세트에 의해 공급수를 예열하도록 한다. 재가열기들 (6) 에 의해 공급수를 예열하는데 사용되는 증기는 상류측에서 공급 탱크 (5) 로 복귀할 수 있다.

본원에 따른 도 7 에 도시된 바와 같이, 단일 본체 터빈 (2) 을 가진 이차 순환부에서, 건조기들 (14) 세트의 출구 (14c) 에서, 다른 세트의 재가열기들 (6) 에 의해 미리 이미 예열된 공급수를 재가열하기 위한 한 세트의 재가열기들 (7) 로 응축물을 송부하는 것이 제안된다.

재가열기들 (7) 로부터 출구에서, 응축물은 공급수를 예열하기 위한 재가열기들 (6) 로 송부될 수 있다. 유사하게, 본체 (20) 로부터 추출된 증기 (8) 는 동일한 목적으로 재가열기 (6) 로 송부될 수 있다.

또한, 원자로에 의해서가 아니라 1 종 이상의 연료들, 예를 들어 석탄, 연료유, 가스, 목재 또는 폐기물의 연소에 의해 열을 방출하는 보일러에 의해 증기를 생성하는 전기 에너지 발생 설비에 상기 설치물을 적용할 수 있다.

본원은 전술한 실시예들에 한정되지 않고; 특히 설명된 실시예들의 특징들은 도시하지 않은 변형예들내에서 조합될 수 있다.

Claims

전기 에너지 발생 설비로서,
- 열원으로부터 포화된 증기 (V1) 를 생성하는데 적합하고 그리고 인클로저 (10) 에 배열되는 증기 생성 디바이스 (1),
- 1 개 이상의 분리기들 (13) 세트로서, 하류측에서 증기 생성 디바이스 (1) 에 연결되고 그리고 상기 디바이스 (1) 에 의해 생성된 상기 증기 (V1) 로부터 대부분의 물을 추출하는데 적합하고, 상기 분리기들 세트는 상기 인클로저 (10) 에 배열되는, 상기 1 개 이상의 분리기들 세트,
- 1 개 이상의 건조기들 (14) 세트로서, 상류측에서 상기 분리기들 (13) 세트에 연결되고 그리고 상기 분리기들 세트로부터 나오는 증기 (V2) 에서의 현탁물에서 물 액적들을 집속하여, 건조 증기 (V3) 를 생성하는데 적합한, 상기 1 개 이상의 건조기들 (14) 세트,
- 상기 건조 증기 (V3) 를 위한 적어도 하나의 팽창 본체 (20) 를 포함하고, 상기 건조 증기 (V3) 로부터 전기를 생성하는데 적합한 증기 터빈 (2),
- 증기 과열기들로서 기능하거나 소위 공급수를 재가열하는데 적합한 교환기들 (23, 7) 세트를 포함하고,
상기 건조기들 세트의 입구 (14a) 를 상류측에서 상기 분리기들 (13) 세트에 연결하고, 제 1 출구 (14b) 를 하류측에서 상기 터빈의 본체 (20) 의 입구에 연결하며, 그리고 제 2 출구 (14c) 를 하류측에서 상기 교환기들 (23, 7) 세트에 열원으로서 연결하여, 상기 건조기들 (14) 세트를 상기 증기 발생 디바이스 (1) 의 인클로저 (10) 외측에 배열하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발생 설비.
제 1 항에 있어서,
상기 증기 터빈은 고압 본체 (HP) 라고 하는 본체 (10) 와 저압 본체 (BP) 라고 하는 본체 (21) 를 포함하는 이중 본체 터빈이고, 과열기들 (23) 세트로서의 상기 교환기들 세트는 상기 터빈 (2) 의 상기 고압 본체 (20) 의 출구 및 상기 저압 본체 (21) 의 입구에 연결되며 그리고 상기 저압 본체에 진입하기 전에 상기 고압 본체를 나오는 증기를 재가열하는데 적합하고, 상기 건조기들 (14) 세트의 제 1 출구 (14b) 는 하류측에서 상기 고압 터빈 (20) 의 상기 고압 본체 (20) 의 입구에 연결되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발생 설비.
제 1 항에 있어서,
상기 증기 터빈은 단일 팽창 본체 (20) 를 포함하는 단일 본체 터빈이고, 재가열기들 (7) 세트로서의 상기 교환기들 세트는 상기 증기 생성 디바이스 중에서, 상기 단일 본체 터빈의 하류측에서 생성되는 공급수를 위한 공급 입구에 연결되고 그리고 상기 공급수를 재가열하는데 적합하며, 상기 건조기들 (14) 세트의 제 1 출구 (14b) 는 하류측에서 상기 터빈의 단일 본체 (20) 의 입구에 연결되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발생 설비.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열원은 PWR 가압수형 원자로의 코어이고, 상기 증기 생성 디바이스는 튜브 다발로부터 출구에서 포화된 증기 상태 (V2) 에서 일차 물과 이차 물 사이의 열 전달을 위한 튜브 다발 (11) 을 포함하는 증기 발생기 (1) 인 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발생 설비.
제 4 항에 있어서,
상기 증기 발생기의 상기 인클로저 (10) 는 반응로 (16) 의 용기 (15) 의 커버를 구성하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발생 설비.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열원은 비등수형 원자로 (BWR) 의 코어이고, 상기 증기 생성 디바이스는 BWR 원자로의 용기에 통합되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발생 설비.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 건조기들 (14) 세트는, 상류측에서 상기 건조기들 (14) 세트의 제 2 출구 (14c) 및 하류측에서 상기 교환기들 (23, 7) 세트에 연결된 퍼넬 형상의 하부를 가진 단일 인클로저 (140) 에 수용되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발생 설비.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리기 (13) 각각은 사이클론 분리기로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발생 설비.
제 5 항에 있어서,
상기 PWR 가압수형 원자로는 150 MWe 에 대응하는 전력을 가지고, 용기 및 커버를 형성하는 인클로저의 전체 높이는 15 m 미만, 통상적으로 13.5 m 에 대응하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발생 설비.