JP5663324B2 - 気水分離器及びこれを用いた沸騰水型原子炉 - Google Patents

Description

本発明は、沸騰水型原子炉に用いられる気水分離器に関する。

一般的な沸騰水型原子炉には、水と炉心で発生させた蒸気を分離するために、炉心上部に気水分離器が設置されている。気水分離器内では、スワラ（旋回羽根）によって水と蒸気の気液二相流に旋回速度を与え、遠心力により気液密度差を利用して水と蒸気を分離する。分離した水は、気水分離器下方から排水されてダウンカマに戻り、再循環ポンプにより再び炉心へ送られる。分離した蒸気は、蒸気乾燥器を通してさらに湿分を取り除いた後、タービンへ送られる。炉心で発生させた蒸気から極力湿分を取り除くことにより発電効率を向上させている。

気水分離器の性能は、蒸気中に含まれる水分を取り除く気水分離効率で表される。気水分離効率は、気水分離器を通過した後の蒸気中に含まれる水分の重量比で表されるキャリーオーバ、及び蒸気から分離した水分中に含まれる蒸気量の重量比として表されるキャリーアンダで評価される。

このうち気水分離器のキャリーオーバは、後段に構える蒸気乾燥器の入口条件により制限があり、１０％以下に抑えなければならない。

図２は、気水分離器の主要部であるスワラの周囲を拡大して示した図である。この図で、６は第一段内筒６４の内壁面であり、この中に旋回羽根８１が設置されて、スワラ６３を構成している。炉心からの水と蒸気の気液二相流Ｗは、第一段内筒の下部から進入し、気液二相流Ｗの上昇流がスワラ６３に到達すると、図２の旋回羽根８１の曲面２に衝突する。すると水と蒸気の衝突分離が起き衝突した曲面２に液膜が形成されることが解析結果より確認されている。形成された液膜はもともと持っていた上方向の速度成分のため旋回羽根８１の曲面２上を上昇しながら、旋回羽根のひねり構造より得られる遠心力により径方向に移動する。なお、この図で、５は気水分離器のスワラ６３を含む部分を切断する水平面である。

図２に示す気水分離器のスワラ構造により、曲面２に形成された液膜は、その後、２つの経路に分かれて上昇する。第１の経路は、旋回羽根８１の曲面２上を径方向に移動して、第一段内筒６４の内壁面６又はディフューザの内壁面に至る経路（図３の８）である。この場合、液膜は図３に示したように第一段内筒６４の内壁面６又はディフューザの内壁面上を液膜の状態のまま矢印８の軌跡を描き上昇していく。上昇した液膜は、第一段内筒６４の内壁面６の頂部に到達し、分離した水として気水分離器下方から排水されてダウンカマに戻る。

第２の経路は、旋回羽根８１の曲面２上を上昇して旋回羽根８１の上端部３に至る経路である。図２の矢印７の軌跡のように、旋回羽根８１の上端部３まで上昇した時点で径方向に第一段内筒６４の内壁面６又はディフューザの内壁面まで達することができなかった液膜は、旋回羽根８１の上端部３で接触する壁面を失い、液滴４となってしまう。この液滴４により蒸気中の水分は増加し、上記のキャリーオーバを悪化させる結果となる。

したがってキャリーオーバを改善させるためには、旋回羽根８１の曲面２の上に形成された液膜がスワラの旋回羽根８１の上端部３に到達する前に、同じ液膜を第一段内筒６４の内壁面６又はディフューザの内壁面まで径方向に移動させればよい。

特許文献１は、圧力損失の低減により増加するキャリーオーバを、ハブの内側に新たにスワラを設け気液二相流の旋回速度を上げ、気液分離効率を向上させることにより相殺している。

特開２０１０−４３９６９号公報

特許文献１が提案する気水分離器のスワラを含む部分の水平断面（例えば、図２の水平断面５）を、図４に示す。図４において、２６はスワラ６３の中心に位置するハブであり、ハブ２６から周方向の第一段内筒６４の内壁６又はディフューザの内壁側に向かって複数の旋回羽根８１（図の例では８枚）が設けられている。

係る水平断面において、旋回羽根８１の曲面２に形成された液膜２１は、ハブ２６側から第一段内筒６４の内壁６又はディフューザの内壁側へ移動（矢印Ａ）するが、旋回羽根８１の曲面２の水平断面の輪郭は直線であり、第一段内筒６４の内壁６面又はディフューザの内壁面との角度が小さく、液膜２１が滑らかに流れず旋回羽根８１の曲面２上に滞留する。

これにより、特許文献１の構造では、旋回羽根８１の上端部３で液滴４が多く発生していた。

そこで、本発明は旋回羽根８１の上端部３で発生する液滴４の量を抑制することによりキャリーオーバを低減させ気水分離効率を向上させることができる気水分離器及びこれを用いた沸騰水型原子炉を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明においては、気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプと、このスタンドパイプの上側端面に連通して流路を形成し、上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積を拡大するディフューザと、このディフューザの上側端面に連通して流路を形成する第１段内筒と、この第１段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の流路を形成する第１段外筒と、この第１段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に第１段内筒よりも小径の円形孔を形成した第１段環状板と、この第１段環状板の円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて円形孔を第２段内筒への流路として形成する第１段ピックオフリングと、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及びハブを中心にして放射状に取り付ける複数の旋回羽根を含み、旋回羽根の径方向に内側縁が前記ハブに固定されており、ディフューザの内壁又は第１段内筒の内壁に旋回羽根の径方向に外側縁が固定されているスワラを備え、気水分離器のスワラを含む部分の水平面による断面において、ハブからディフューザまで又は、ハブから第一段内筒の内壁までの輪郭の一部又は全てが曲線である。

また、旋回羽根の表側と裏側の両方の曲面の輪郭の反り方向が同一である。

また、原子炉圧力容器の内部の下部側に備える炉心の上方に複数を並列に配列して備える。

上記目的を達成するため、本発明においては、下方から上方に向かう気液二相流の流路を形成する筒状体の軸中心に設けられたハブ、及びハブを中心にして筒状体に向けて放射状に取り付けられた複数の旋回羽根を含み、旋回羽根の径方向に内側縁がハブに固定されており、筒状体の内壁に旋回羽根の径方向に外側縁が固定されているスワラを備える気水分離器において、複数の旋回羽根は、高さ方向に同一方向の捻りが与えられていると共に、水平断面にも同一方向の捻りが与えられている。

かかる構成によると、旋回羽根の曲面上に形成され遠心力により径方向を移動する液膜は旋回羽根と第一段内筒の内壁面又はディフューザの内壁面との接合部において滞留することなく滑らかに第一段内筒の内壁面又はディフューザの内壁面へ移動することが可能になる。

上記のようにすることによって、旋回羽根の曲面上に形成された液膜のうちより多くが第一段内筒の内壁面又はディフューザの内壁面へ移動し、旋回羽根上端部において液滴となってしまう液膜の量が減少することになるので、キャリーオーバが低減され気水分離効率を改善することができる。

本発明によれば、キャリーオーバを低減させ気水分離効率を向上させることができる。

気水分離器の縦断面図。 気水分離器のスワラ拡大図。 旋回羽根８１の水平断面図。 気水分離器の主要部であるスワラの周囲を拡大して示した図。 第一段内筒の内壁面の液膜の軌跡を示した図。 気水分離器のスワラを含む部分での水平断面図。 沸騰水型原子炉の縦断面図。 気水分離器の縦断面図。 本発明による気水分離器の旋回羽根の反り方向を示した図。 従来の気水分離器の旋回羽根の反り方向を示した図。 気水分離器の縦断面図。 気水分離器のスワラ拡大図。 旋回羽根８１の水平断面図。 ベジエ曲線の作成方法を示した図。

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。

本実施例の気水分離器の構造を説明する前に、この気水分離器が適用される沸騰水型原子炉の概略の構造について図５および図６を用いて説明する。

図５は、改良型沸騰水型原子炉（以下ＡＢＷＲと略記する）の縦断面図である。ＡＢＷＲは、原子炉圧力容器３２を有し、原子炉圧力容器３２の内部に炉心シュラウド３１を設置している。複数の燃料集合体（図示せず）が装荷された炉心３４は、炉心シュラウド３１内に配置される。気水分離器３５及び蒸気乾燥器３６は、原子炉圧力容器３２内で炉心３４の上方に配置される。

原子炉圧力容器３２と炉心シュラウド３１の間に形成される環状のダウンカマ３３の下方に炉心に水を供給するためのインターナルポンプ３８（再循環ポンプ）が配置される。インターナルポンプ３８を運転することにより、ダウンカマ３３にある冷却水が炉心へ供給される。炉心では核***により発生した熱で冷却水が沸騰し、蒸気と水の二相流状態となる。

炉心３４で発生した気液二相流は気水分離器３５に流入し、気水分離器３５内にあるスワラにより旋回速度が与えられる。旋回速度により二相流に遠心力が作用し、水と蒸気の密度差により水と蒸気が分離される。

気水分離器３５を通過した二相流は、蒸気乾燥器３６に流入し、さらに湿分が取り除かれる。このようにして、湿分０．１重量パーセント以下に抑えた蒸気を、主蒸気配管３７を通してタービン（図示せず）に送り発電を行っている。

図６を用いて気水分離器の構造をさらに詳しく説明する。図６はＡＢＷＲに用いられている気水分離器の縦断面図である。図６の気水分離器３５において、炉心３４で発生した気液二相流Ｗは、スタンドパイプ６１から進入し、ディフューザ６２部分に設置されたスワラ６３に至る。スワラ６３において、図２、図３で説明したようにして気液二相流Ｗは気液分離される。

さらに気水分離器３５では、スワラ６３で気液分離された水分をダウンカマ３３に戻し、また蒸気をタービンに導くための経路を、３段の内外筒により形成する。

第１段は、第一段内筒６４、第一段ピックオフリング６５、第一段外筒６６、第一段環状板６７により形成される。第一段内筒６４の頂部と、第一段環状板６７の間には空隙が形成されており、また第一段内筒６４と第一段外筒６６の間の空間が排水路を形成する。このため、図３で説明した第１の経路（旋回羽根１の曲面２上を径方向に移動して、第一段内筒の内壁面６又はディフューザの内壁面に至る経路）８を辿り上昇した液膜は、第一段内筒６４の頂部に至り、第一段環状板６７との間の空隙、第一段内筒６４と第一段外筒６６の間の排水路を経由してダウンカマ３３に戻される。

他方、図２の第２の経路（旋回羽根１の曲面２上を上昇して旋回羽根１の上端部３に至る経路）７を辿った液滴４は、旋回しながらさらに上昇する。そして、その一部は、第１段の頂部に至るまでの間に第一段内筒の内壁面６の内壁面に到達し捕捉されて、上記の排水路に導かれる。また、第一段内筒の内壁面６の内壁面に到達せず、捕捉されなかった液滴４は、第１段の頂部に設けられた第一段ピックオフリング６５を通過し、第２段の内外筒に進入する。

第２段と、第３段は、スワラが設置されていないだけで、基本的には第１段の内外筒と同様に構成されている。因みに、第２段は、第二段内筒６８、第二段ピックオフリング６９、第二段外筒７０、第二段環状板７１で構成され、第３段は、第三段内筒７２、第三段ピックオフリング７３、第三段外筒７４、第三段環状板７５で構成されている。

なお、スワラ６３はハブ２６と呼ばれる円柱状の構造物に二相流に旋回速度を与えるための旋回羽根８１が複数取り付けられており、旋回羽根８１の外側縁は第一段内筒又はディフューザ６２に固定されている。このため、スワラ６３自身は回転することなく、スワラ６３を通過した流体が回転するようになっている。

気水分離器３５は、図６に図示したように構成されている。この気水分離器３５に導入される炉心３４からの気液二相流Ｗは、クオリティが約１４％である。スタンドパイプ６１に流入した二相流Ｗは、スタンドパイプ６１の内壁面に液膜を形成し、中心部を蒸気が流れ、その蒸気中に液滴が浮遊している環状噴霧流になっている。スワラ６３により気液二相流Ｗに旋回速度を与えると、気液密度差による遠心力の違いにより、壁面の液膜内に混在していた蒸気が中心部の蒸気側へ移動するとともに、蒸気中に浮遊していた液滴が壁面へ移動し液膜に取り込まれる。

第一段内筒６４の壁面に形成された液膜は、第一段ピックオフリング６５により、第一段内筒６４と第一段外筒６６で形成された第一段排水路５０を通って気水分離器３５の外に排出される。第一段排水路５０から排出された水は、再びダウンカマ３３に流入しインターナルポンプ３８により炉心３４に送られる。

第一段内筒６４で壁面に到達しなった蒸気中の液滴は、第二段内筒６８または第三段内筒７２で内筒壁面に到達し、第二段ピックオフリング６９または第三段ピックオフリング７３から第二段排水路５１または第三段排水路５２を通って気水分離器３５の外へ排出される。第三段ピックオフリング７３を通過するまでに内筒壁面に到達しなった液滴はそのまま蒸気とともに気水分離器出口５５から流出する。

気水分離器の分離効率の指標の一つに、キャリーオーバがあり、気水分離器から流出した流体中に含まれる液の重量率として定義される。蒸気質量流量をＷｇ（ｋｇ／ｓ）、液質量流量をＷｌ（ｋｇ／ｓ）とすると、キャリーオーバＣＯは次式で表される。
［数１］
ＣＯ＝Ｗｌ／（Ｗｇ＋Ｗｌ）×１００（％） （１）

気水分離器は、概略以上のように構成されて気水分離機能を達成しているが、本発明の第一実施例では、気水分離器３５を図１のように構成する。図１ａは気水分離器３５の構成、図１ｂはスワラ６３の拡大図、図１ｃは旋回羽根８１の水平断面図を示している。

図１ａは図６に、図１ｂは図２に、また図１ｃは図４に対応する部分の本発明の実施例である。これらの図で幾つかの相違（例えばスワラの設置場所）はあるが、本発明はこの相違点に関わらず成立する。本発明の特徴は、図１ｃによく現れている。つまり、スワラ６３の水平断面（図１ｃ）において、旋回羽根８１の輪郭９１を直線２から曲線にし、旋回羽根８１の表面９１と第一段内筒６４の内壁面６又はディフューザ６２の内壁面を滑らかにつないでいる。

この結果、旋回羽根８１の曲面９１上に形成され遠心力により径方向を移動する液膜９３は旋回羽根８１と第一段内筒６４の内壁面６又はディフューザ６２の内壁面との接合部において滞留することなく滑らかに第一段内筒６４の内壁面６又はディフューザ６２の内壁面へ移動することが可能になる。

上記のようにすることによって、旋回羽根８１の曲面９１上に形成された液膜９３のうちより多くが第一段内筒６４の内壁面６又はディフューザ６２の内壁面へ移動し、図３の矢印８の軌跡に示すようにスワラ部分を通過後も液膜のまま上昇することができる。また同時に図２の矢印７の軌跡のように、旋回羽根上端部３において液滴４となってしまう液膜の量が減少することになるので、キャリーオーバが低減され気水分離効率が改善される。

なお、図１ｃにおいて、旋回羽根８１の輪郭９１の丸みとほぼ同じ程度の丸みを裏側の輪郭９２にも持たせている。図７は、本発明による気水分離器のスワラを含む部分の水平断面である。本発明によるスワラは、旋回羽根８１の２つの曲面のうち液膜が形成される側の曲面９１と、その裏側の曲面９２の反り方向９４、９５は同一であるという特徴を持つ。このため、上記の反り９４、９５を大きくしても二相流の通過部分９６の断面積を一定に保つことができ、上記断面積の縮小による圧力損失の増加を防ぐことができる。

一方、図８は従来の気水分離器のスワラを含む部分の水平断面である。スワラは鋳造により製作されるため、旋回羽根８１と第一段内筒６４の内壁６又はディフューザ６２の内壁の接合部には鋳造品特有の曲線部２８、２９ができる。しかしながら、この曲線部２８、２９は反り方向が旋回羽根８１の両面で異なるため、反りの大きさが増大すると二相流の通過部分３０の断面積は縮小し気水分離器の圧力損失増加の原因になってしまう。

図１のスワラは、右方向の旋回流を与えているが、これは図９のように左方向の旋回流を与えるものであっても同様に実現することができる。この場合には、旋回羽根８１の２つの曲面のうち液膜が形成される側の曲面９１の向きが図１ｃと図９ｃでは相違している。

図１、図９の実施例から明らかなように、本発明は下方から上方に向かう気液二相流の流路を形成する筒状体（ディフューザ又は第１段内筒）の軸中心に設けられたハブ、及びハブを中心にして筒状体に向けて放射状に取り付けられた複数の旋回羽根を含み、旋回羽根の径方向に内側縁が前記ハブに固定されており、筒状体の内壁に旋回羽根の径方向に外側縁が固定されているスワラを備える気水分離器において、複数の旋回羽根は、図１ｂ、図９ｂのように高さ方向に同一方向の捻りが与えられていると共に、図１ｃ、図９ｃのように水平断面にも同一方向の捻りが与えられている構造の気水分離器ということができる。

図１０は旋回羽根８１の曲面９１と第一段内筒６４の内壁６の輪郭をベジエ曲線１０７で結んだスワラの水平断面である。曲線にベジエ曲線１０７を使用することによる利点は、旋回羽根８１の曲面９１と第一段内筒６４の内壁面６を連続させることができる点である。

ベジエ曲線１０７の具体的な決定方法を以下に説明する。まず図１０の水平断面においてハブ２６の中心１０３を通り、旋回羽根８１の輪郭９１を通る補助線１０５と、同じくハブ中心１０３を通り反時計回りに例えば３０°回転させた補助線１０６を引く。補助線１０５とハブ２６の輪郭の交点１０１を始点、補助線１０６と第一段内筒の内壁面６の交点１０２を終点とし、補助線１０５と、交点１０２における第一段内筒６４の内壁面６の接線１０８の両方に接する、例えば２次のベジエ曲線を決定する。

上記の補助線１０５と１０６の間の角度やベジエ曲線の次数を調節することにより使用するベジエ曲線を最適化することができる。

本発明は、沸騰水型原子炉に適用可能である。

２：旋回羽根の曲面
３：旋回羽根の上端
４：液滴
５：気水分離器のスワラを含む部分を切断する水平面
６：第一段内筒の内壁面
７：旋回羽根上の液膜の移動軌跡
８：第一段内筒上の液膜の移動軌跡
２１：液膜
２５：旋回羽根の液膜が形成される側の曲面
２６：ハブ
２７：旋回羽根の液膜が形成されない側の曲面
２８：旋回羽根の液膜が形成される側の曲面の反り方向
２９：旋回羽根の液膜が形成されない側の曲面の反り方向
３０：二相流の通過部分の断面積
３１：炉心シュラウド
３２：原子炉圧力容器
３３：ダウンカマ
３４：炉心
３５：気水分離器
３６：蒸気乾燥器
３７：主蒸気配管
３８：インターナルポンプ
５０：第一段排水流路
５１：第二段排水流路
５２：第三段排水流路
５５：気水分離器出口
６１：スタンドパイプ
６２：ディフューザ
６３：スワラ
６４：第一段内筒
６５：第一段ピックオフリング
６６：第一段外筒
６７：第一段環状板
６８：第一段内筒
６９：第二段ピックオフリング
７０：第二段外筒
７１：第二段環状板
７２：第三段内筒
７３：第三段ピックオフリング
７４：第三段外筒
７５：第三段環状板
８０：ハブ
８１：旋回羽根
９１：旋回羽根の液膜が形成される側の曲面
９２：旋回羽根の液膜が形成されない側の曲面
９３：液膜
９４：旋回羽根の液膜が形成される側の曲面の反り方向
９５：旋回羽根の液膜が形成されない側の曲面の反り方向
９６：二相流の通過部分の断面積

Claims (2)

1. 気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプと、このスタンドパイプの上側端面に連通して流路を形成し、前記上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積を拡大するディフューザと、このディフューザの上側端面に連通して流路を形成する第１段内筒と、この第１段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の流路を形成する第１段外筒と、この第１段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に前記第１段内筒よりも小径の円形孔を形成した第１段環状板と、この第１段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第２段内筒への流路として形成する第１段ピックオフリングと、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及び前記ハブを中心にして放射状に取り付ける複数の旋回羽根を含み、前記旋回羽根の径方向に内側縁が前記ハブに固定されており、前記ディフューザの内壁又は前記第１段内筒の内壁に前記旋回羽根の径方向に外側縁が固定されているスワラを備え、
   前記気水分離器の前記スワラを含む部分の水平面による断面において、前記ハブから前記ディフューザまで又は、前記ハブから前記第一段内筒の内壁までの前記旋回羽根の輪郭の一部又は全てが曲線であり、
   前記旋回羽根の表側と裏側の両方の曲面の輪郭の反り方向が同一であることを特徴とする気水分離器。
2. 請求項１に記載の気水分離器において、
   原子炉圧力容器の内部の下部側に備える炉心の上方に複数を並列に配列して備えることを特徴とする沸騰水型原子炉。

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