KR20230014986A - 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체기기의 전단 또는 후단에 설치되어, 유체기기를 통과하는 유체에 포함된 기포를 제거함으로써 기포 터짐에 의한 유체기기 손상을 방지하고, 안정적인 계통 운전이 이루어질 수 있도록 한 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치에 관한 것이다.
이를 위해, 일단부와 타단부에는 각각 유체 유입 및 유체 배출이 이루어지는 유입관 및 배출관이 형성된 하우징; 및 상기 하우징의 내부에 설치되며, 상기 유입관을 통해 유입된 유체를 하우징의 상부로 가이드하는 유도챔버를 포함하며, 상기 유도챔버는, 하우징의 내경에 대응되는 외경을 갖는 원통형으로 형성되며, 유체가 흐르는 방향을 향해 개구된 개구부를 갖는 몸체와, 상기 몸체의 둘레를 따라 형성되며, 상기 개구부를 통해 유입된 유체가 상기 몸체의 원주 방향으로 배출되는 관로를 제공하는 가이드베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치를 제공한다.

Description

원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치{A device for reducing air bubbles in the fluid machinery of a nuclear power plant}

본 발명은 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체에 포함된 기포를 분리하고 제거하여, 기포 터짐에 의한 유체기기 손상을 방지하고 안정적인 계통 운전이 이루어질 수 있도록 한 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치에 관한 것이다.

원자력발전소는 연료의 핵분열에 의해 생성된 열에너지를 이용하여 증기발생기를 통과하는 물에 열을 전달하여 증기를 발생시키고, 발생된 증기에 의해 터빈과 발전기를 가동시켜 전기에너지를 얻는 설비이다. 원자력발전소는 핵연료를 보유하고 있는 원자로 노심과, 원자로에서 발생한 열에너지를 이차측으로 전달하는 원자로 냉각재 계통을 설계기준 범위 내에서 안전하게 운전되도록 함으로써 원자력발전소의 안전상태를 유지하고, 방사능 물질의 확산을 방지하기 위한 설비가 구비되어야 한다. 이를 달성하기 위하여 원자력발전소는 사고 발생시 발전소를 안전하게 정지시킬 수 있도록 공학적 안전설비 계통을 갖추고 있다. 공학적 안전설비 계통은 격납용기계통(Containment System), 비상노심냉각계통(Emergency Core Cooling System), 피동보조급수계통(Passive Auxiliary Feedwater System)을 포함한다.

상기 안전설비계통 중, 피동보조급수계통을 예로하고, 첨부된 도 1을 참조하여 살펴보도록 한다. 상기 피동보조급수계통의 일례로, 도 1은 대한민국 등록특허 제10-1022164호에 개시된 경수로의 피동 이차측 응축계통을 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 종래 경수로의 피동 이차측 응축계통은, 원자로의 열에 의해 증기를 발생시키는 증기발생기(10), 상기 증기발생기(10)의 열을 터빈 측으로 공급하는 주증기관(11), 터빈을 거친 증기가 냉각수와의 열교환에 의해 응축된 물이 증기발생기(10)로 회수되는 주급수관(12), 원자로 운전 중단시 터빈 측으로의 증기 공급을 차단하고 주증기관(11)으로부터 분기되는 증기공급관(13)을 통하여 유입되는 증기를 피동응축탱크(30) 내부에 담긴 응축기(20)에서의 열교환에 의해 물로 응축시킨 후, 응축기(20)의 출구에 연결된 응축수회수관(14)을 통해 응축된 물을 주급수관(12)으로 합류시키도록 구성되어 있고, 응축수회수관(14)에는 응축된 물의 역류방지를 위한 역류방지부(40)가 설치된 구성이 개시되어 있다.

한편, 상기한 발전소 계통 특성상, 다양한 원인으로 인해 계통내 기포가 발생하며, 계통상의 펌프, 밸브, 배관, 오리피스 등 유체 기기들은 기포 터짐(공동;cavitation)에 의한 기계적 손상 위험성에 노출된 문제가 있다. 펌프는 유효 흡입 수두를 확보하는 설계를 통해 기포 터짐에 의한 기계적 손상을 예방하고 있으나, 배관 등의 피동기기는 설계시에 안전성이 고려되고 있지 않은바, 기계적 손상 위험성에 노출되어 있으므로 이에 대한 개선책이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1022164호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 원자력발전소의 계통을 따라 이동하는 유체의 기포를 분리하고 제거하여 계통 운전에 대한 안전성 및 유체 기기의 기계적 건전성이 유지될 수 있도록 한 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치를 제공하고자 한 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 일단부와 타단부에는 각각 유체 유입 및 유체 배출이 이루어지는 유입관 및 배출관이 형성된 하우징; 및 상기 하우징의 내부에 설치되며, 상기 유입관을 통해 유입된 유체를 하우징의 상부로 가이드하는 유도챔버를 포함하며, 상기 유도챔버는, 하우징의 내경에 대응되는 외경을 갖는 원통형으로 형성되며, 유체가 흐르는 방향을 향해 개구된 개구부를 갖는 몸체와, 상기 몸체의 둘레를 따라 형성되며, 상기 개구부를 통해 유입된 유체가 상기 몸체의 원주 방향으로 배출되는 관로를 제공하는 가이드베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치를 제공한다.

이때, 상기 배출관은 하우징의 상단으로부터 하방으로 이격된 위치에 형성되어 하우징의 내측 상부에 유격공간을 형성하며, 상기 하우징에는 상기 하우징의 유격공간을 진공상태로 만들어 유체에 형성된 기포를 제거시킬 수 있도록 한 진공발생수단이 설치된 것이 바람직하다.

또한, 상기 하우징의 상부 내주면에는 테프론 재질의 멤브레인 격벽이 더 설치된 것이 바람직하다.

또한, 상기 가이드베인의 관로는 가이드 베인의 높이 방향으로 복수로 분할 구성된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 원자력발전소의 유체기기를 기준으로 유체기기의 전단 또는 후단의 배관에 설치됨으로써, 발전소 계통을 이동하는 유체에 포함된 기포를 저감시킬 수 있으며, 기포가 저감된 상태의 유체가 유체기기를 통과할 수 있으므로, 원자력발전소 계통의 유체기기에 대한 기계적 건전성을 유지시킬 수 있으며, 계통 운전 안전성을 높일 수 있는 효과가 있다.

즉, 본 발명은 유도 챔버를 통해 유체의 흐름에 소용돌이를 발생시켜 기포를 효과적으로 분리시킬 수 있도록 하고, 유도 챔버를 통해 분리된 기포는 테프론 재질의 멤브레인 격벽에 흡착되거나 진공발생수단을 통해 제거됨으로써 본 발명의 기포저감장치를 통과한 유체에 포함된 기포는 효과적으로 제거될 수 있는 것이다,

도 1은 원자력발전소의 피동보조급수계통 구성도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치가 펌프의 전단 배관에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치를 나타낸 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치를 구성하는 유도챔버를 나타낸 사시도이다.
도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치를 구성하는 유도챔버를 나타낸 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치를 구성하는 멤브레인 격벽을 나타낸 도면이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 첨부된 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치(이하, '기포저감장치'라 함)에 대하여 설명하도록 한다.

기포저감장치는 도 2에 도시된 바와 같이 유체기기, 예컨대 펌프(P)의 전단 배관에 설치되어, 펌프(P)를 향해 이동되는 유체에 포함된 기포를 저감시켜 펌프(P)로 내보냄으로써, 기포 터짐(캐비테이션;cavitation)에 의한 유체기기의 기계적 손상을 방지하고, 계통 운전이 안정적으로 이루어질 수 있도록 하였다.

기포저감장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 하우징(100)과, 유도 챔버(200)와, 멤브레인 격벽(300)과, 진공발생수단(400)을 포함한다.

하우징(100)은 기포저감장치의 외관을 구성하며, 내부 공간을 형성한다. 하우징(100)의 일단부와 타단부에는 각각 유체가 내부 공간으로 유입되는 관로인 유입관(110)과, 유체가 내부 공간에서 배출되는 관로인 배출관(120)이 형성된다. 이때, 배출관(120)은 하우징(100)의 상단으로부터 하방으로 이격된 위치에 설치된다. 이에 따라, 하우징(100) 내부 공간의 최고 수위는 배출관(120)의 최고점에 대응되며, 하우징(100)의 내부 공간 상부에는 하우징(100)의 상면과 이격된 유격공간(S)이 형성된다. 또한, 하우징(100)의 상단부에는 하우징(100)의 내부 공간과 통하는 상부통공(130)이 형성되며, 상부통공(130)은 후술하는 진공발생수단(400)이 하우징(100)의 내부 공간에 음압을 발생시켜 진공을 형성시키기 위한 구성이다.

유도 챔버(200)는 유입관(110)을 통해 내부 공간으로 유입된 유체를 하우징(100)의 상부로 가이드하되, 유체가 하우징(100)의 내주면을 따라 원주방향으로 회전되면서 가이드되도록 하여, 유체 내에 포함된 기포와 물에 유속차를 발생시켜 유체로부터 기포를 효과적으로 분리시킬 수 있도록 한 역할을 한다. 유도 챔버(200)는 하우징(100)의 내부 공간에 고정되되 하우징(100)의 하부에 설치됨이 바람직하다. 즉, 하우징(100)의 내부 공간을 상,하로 구분할 때, 유도 챔버(200)는 하우징(100)의 내부 공간 하부에 고정됨이 바람직한 것이다. 유도 챔버(200)는 도 3 및 도 4a에 도시된 바와 같이 하우징(100)의 내경에 대응되는 외경을 갖도록 형성됨이 바람직하며, 몸체(210)와 가이드 베인(220)으로 구성됨이 바람직하다.

유도 챔버(200)의 몸체(210)는 원기둥 형태로 제공됨이 바람직하며, 유입관(110)측을 향해 개구된 개구부(211)를 형성한다. 즉, 바람직한 실시예에서의 몸체(210)는 하방을 행해 개구된 중공(中空)의 원통형으로 형성된 것이다. 가이드 베인(220)은 개구부(211)를 통해 몸체(210) 내부로 유입된 유체가 하우징(100) 밖으로 배출될 수 있는 관로를 제공하며, 몸체(210)의 둘레면을 따라 형성된다. 가이드 베인(220)은 유체가 몸체(210)의 원주 방향으로 회전력을 작용하면서 배출될 수 있도록 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 몸체(210)의 원주 방향을 향해 라운드진 관로를 제공함이 바람직하다. 이에 따라, 가이드 베인(220)의 외형은 몸체(210)의 둘레 일방향을 향해 라운드지게 형성됨이 바람직하다. 한편, 가이드 베인(220)은 몸체(210)의 높이 방향으로 분할 구성됨이 바람직하다. 즉, 가이드 베인(220)은 도 4a에 도시된 바와 같이, 유체가 빠져나오는 관로가 몸체(210)의 높이 방향으로 구획되어 분할 구성된 것이다. 이때, 가이드 베인(220)의 분할 구성 개수는 복수임이 바람직하다. 이와 같이 가이드 베인(220)이 분할 구성됨에 따라, 몸체(210) 내부로 유입된 유체는 몸체(210)의 내주면을 따라 원주 방향으로 회전될 뿐만 아니라, 가이드 베인(220)의 출구로 획일적으로 배출되는 것이 아니라, 불규칙하게 배출되면서 와류가 형성되어 상승하면서 기포 분리가 효과적으로 이루어질 수 있다. 즉, 이와 같은 유도 챔버(200)의 구성은 물과 기포를 효과적으로 분리시키면서 유체를 하우징(100)의 내부 공간 상부로 가이드할 수 있다.

멤브레인 격벽(300)은 유도 챔버(200)를 통해 하우징(100)의 상부로 가이드된 유체의 기포를 포집하여, 유체의 기포가 배출관(120)을 빠져나가는 것을 저감시키는 역할을 한다. 멤브레인 격벽(300)은 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 하부가 개구된 중공의 원통형으로 이루어짐이 바람직하며, 하우징(100)의 내부 공간 상부에 설치된다. 이때, 멤브레인 격벽(300)은 하우징(100)의 내주면에 밀착 고정됨이 바람직하며, 멤브레인 격벽(300)의 재질은 테프론(Teflon)임이 바람직하다. 테프론은 재질 특성상 기포를 효과적으로 흡착시킬 수 있는 특징이 있다. 또한, 멤브레인 격벽(300)은 기포 흡착률을 높이기 위해 메쉬로 형성될 수도 있다. 한편, 멤브레인 격벽(300)의 외주면에는 배출관(120)으로 유체를 배출시키기 위한 측부통공(310)이 형성되고, 측부통공(310)의 직경은 배출관(120)의 직경에 대응된다. 또한, 멤브레인 격벽(300)의 상면에는 멤브레인 격벽(300) 내부를 진공 상태로 만들기 위한 상부공(320)이 형성된다. 상부공(320)은 후술하는 진공발생수단(400)과의 연결을 위한 구성이다.

진공발생수단(400)은 하우징(100)의 내부 공간 상부 즉, 멤브레인 격벽(300)의 유격공간(S)을 진공상태로 만들어 멤브레인 격벽(300)의 유격공간(S)에 형성된 기포를 걸러내는 역할을 한다. 즉, 진공발생수단(400)은 멤브레인 격벽(300) 내부에 음압을 발생하여, 유도 챔버(200)를 통해 하우징(100)의 상부로 유도된 유체의 기포를 제거할 수 있도록 한 것이다. 진공발생수단(400)은 도 3에 도시된 바와 같이, 흡입관(410)과 진공펌프(420)로 구성됨이 바람직하다. 흡입관(410)은 하우징(100)의 상부통공(130)을 통해 멤브레인 격벽(300)의 상부공(320)에 연결되며, 진공펌프(420)는 흡입관(410)을 통해 멤브레인 격벽(300) 내부에 음압을 발생시켜 기포를 제거한다.

이하, 상기한 구성으로 이루어진 기포저감장치의 작용에 대하여 살펴보도록 한다.

펌프(P)가 작동하여 원자력발전소의 계통에 유체를 이동시키고, 유체는 펌프(P)를 통과하기 전, 기포저감장치를 통과하게 된다. 유체는 기포저감장치의 유입관(110)을 통해 이동되다가 하우징(100)의 유도 챔버(200)를 통해 하우징(100)의 내부 공간 상부로 가이드된다. 이때, 유체는 유도 챔버(200)의 개구부(211)를 통해 유도 챔버(200) 내부로 유입되며, 유체는 유도 챔버(200)의 내부에서 유도 챔버(200) 원주 방향으로 회전되면서 소용돌이를 형성한다. 이 과정에서 유체는 다단으로 분할 구성된 가이드 베인(220)을 통해 유도 챔버(200) 밖으로 빠져나간다. 이때, 유체는 유도 챔버(200)의 내부에서 소용돌이(와류)를 형성하면서, 하단에 위치한 가이드 베인(220) 및 상단에 위치한 가이드 베인(220)을 통해 불규칙하게 빠져나감에 따라, 유체에 포함된 기포가 효과적으로 분리되면서 유체는 하우징(100)의 내부 공간 상부로 이동된다.

유체로부터 분리된 기포는 멤브레인 격벽(300)에 포집되고, 기포가 분리된 유체는 멤브레인 격벽(300)의 측부통공(310)을 통해 배출관(120)으로 이동된다. 멤브레인 격벽(300)에 포집 및 유체로부터 분리된 기포는 진공펌프(420)의 음압발생에 의해 흡입관(410)을 통해 빠져나가면서 멤브레인 격벽(300) 내부에서 제거된다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치는 원자력발전소의 계통을 이동하는 유체가 유체기기를 지나기 전 또는 지난 후, 유체에 포함된 기포를 효과적으로 분리하여 기포 터짐으로 인한 유체기기 손상을 방지하고, 안정적인 계통 운전이 이루어질 수 있도록 하였다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

100 : 하우징 110 : 유입관
120 : 배출관 130 : 상부통공
200 : 유도챔버 210 : 몸체
211 : 개구부 220 : 가이드 베인
300 : 멤브레인 격벽 310 : 측부통공
320 : 상부공 400 : 진공발생수단
410 : 흡입관 420 : 진공펌프

Claims (4)

1. 일단부와 타단부에는 각각 유체 유입 및 유체 배출이 이루어지는 유입관 및 배출관이 형성된 하우징; 및
   상기 하우징의 내부에 설치되며, 상기 유입관을 통해 유입된 유체를 하우징의 상부로 가이드하는 유도챔버를 포함하며,
   상기 유도챔버는,
   하우징의 내경에 대응되는 외경을 갖는 원통형으로 형성되며, 유체가 흐르는 방향을 향해 개구된 개구부를 갖는 몸체와, 상기 몸체의 둘레를 따라 형성되며, 상기 개구부를 통해 유입된 유체가 상기 몸체의 원주 방향으로 배출되는 관로를 제공하는 가이드베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 배출관은 하우징의 상단으로부터 하방으로 이격된 위치에 형성되어 하우징의 내측 상부에 유격공간을 형성하며,
   상기 하우징에는 상기 하우징의 유격공간을 진공상태로 만들어 유체에 형성된 기포를 제거시킬 수 있도록 한 진공발생수단이 설치된 것을 특징으로 하는 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 하우징의 상부 내주면에는 테프론 재질의 멤브레인 격벽이 더 설치된 것을 특징으로 하는 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 가이드베인의 관로는 가이드 베인의 높이 방향으로 복수로 분할 구성된 것을 특징으로 하는 원자력발전소 계통 유체기기의 기포저감장치.
   
   
   
   
   
   
   
   

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