KR20170103816A - 원자력 발전소용 수평 증기 발생기 및 그 조립 방법 - Google Patents

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KR20170103816A
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드미트리 알렉산드로비치 라코프
알렉세이 블라디미로비치 사프로노프
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조인트 스탁 컴퍼니 “익스페리멘탈 앤드 디자인 오가니제이션 “기드로프레스” 어워디드 디 오더 오브 더 레드 배너 오브 레이버 앤드 씨지에스알 오더 오브 레이버”
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Abstract

본 발명은 증기 발생기, 특히, 가압수형 원자로(VVER)를 구비한 원자력 발전소용 수평 증기 발생기에 관한 것이다.
원통형 용기, 2개의 타원형 바닥, 하나 이상의 급수 공급 및 증기 제거 연결 파이프, 1차 회로 냉각재의 입구 헤더 및 출구 헤더, 이들 헤더에 연결된 열교환 튜브 다발을 포함하는 원자력 발전소용 수평 증기 발생기를 제공하고, 다발 내 열교환 튜브의 개수(Ntb)는 다음과 같이 열교환 튜브의 외경(dtb)에 따라 선택되고:
dtb ≤ 14　mm 이면:
Figure pct00026

dtb > 14　mm 인 경우:
Figure pct00027

또한 수직 방향으로 인접한 열교환 튜브들 간의 갭은 다발내 열교환 튜브들 간의 수직 간격을 초과하지 않는다.
본 발명의 기술적 해결방안은 제한된 개수 및 최대 길이의 열교환 튜브를 구비한 증기 발생기에서 열전달 효율이 증가하는 것이며, 이에 따라 당해 산업에서 이용되는 튜브를 사용할 수 있도록 한다.

Description

원자력 발전소용 수평 증기 발생기 및 그 조립 방법 {HORIZONTAL STEAM GENERATOR FOR A NUCLEAR POWER STATION AND METHOD FOR ASSEMBLING SAME}
본 발명은 증기 발생기, 특히, 원자력 발전소용 수평 증기 발생기에 관한 것이다.
수냉각 수조절식 원자로(VVER)를 지닌 원자력 발전소의 원자로 설비의 개발 이래, 증기 발생기 설계에 대한 2가지 접근 방식; 즉 수직 및 수평 증기 발생기가 발전을 거듭해왔다. 첫번째의 경우, 증기 발생기는 수직 압력용기와 수평 튜브 시트에 구비된 수직 U-형상 열교환 튜브를 포함한다. 두번째 경우, 증기 발생기는 수평 압력용기와 1차 회로 냉각재의 수직 입구 및 출구 헤더에 구비된 수평 열교환 튜브를 포함한다. 이들 양자의 설계 개념은 궁극적으로 현재 정립되어 있는 서로 다른 기술 경향으로 발전되었다.
본 발명은 개략적으로 원자력 발전소용 수평 증기 발생기("증기 발생기"), 예를 들어, 국제 출원 WO9320386(1993년 10월 14일 공개, IPC F22B1/02) 및 국제 출원 WO9320385(1993년 10월 13일 공개, IPC F22B1/02)에 개시된 증기 발생기에 관한 것이지만, 수직 증기 발생기와는 무관한 발명이다.
수평 증기 발생기는 다음과 같은 설계상의 특징들이 공지되어 있다:
- 증기 부하가 크지 않아 간단한 개별 스킴(scheme)에 적용할 수 있는 한편, 증기의 수분 함량 요구값을 신뢰성 있게 확보할 수 있으며;
- 2차 회로 내에 적절한 매체 유량으로 열교환 튜브 및 증기 발생기의 기타 요소들 내의 진동 위험을 없애고;
- 1차 회로의 수직 원통형 입구 및 출구 헤더가 이들 표면에 슬러지 침착물의 퇴적을 방지함으로써, 상기 헤더의 열교환 튜브의 삽입 영역에 있어서 부식 손상의 위험을 감소시키며;
- 2차 회로에서 물 공급의 증가는 비상 급수 시스템을 이용하는 경우, 증기 발생기를 통해 원자로 냉각의 신뢰성을 증가시키며, 이러한 증기 발생기의 축적되는 용량은 원자력 발전소의 과도 현상 모드를 완화시키고;
- 다단계 증발 원리를 적용하여 증기 발생기의 임계 영역 내 저농도의 용해 불순물을 유지할 수 있으며, 이는 실질적으로 부식 관련하여 그 작동의 신뢰성을 향상시키며;
- 열교환 표면의 수평 위치는 수위가 열교환 튜브의 상부열 아래에 있는 경우에도 1차 회로 내에서 신뢰할 수 있는 자연 매체 순환을 제공하고;
- 비상 조건에서 1차 회로 냉각재의 자연순환에 적절한 조건들을 제공하며;
- 1차 및 2차 회로 모두로부터 열교환 튜브 다발에 대한 접근이 편리하여 유지 관리 및 이들의 제어가 가능하다. 하류 증기 발생기 압력용기에는 열교환 튜브가 존재하지 않으므로, 슬러지가 침착 및 퇴적되기도 하며, 따라서 부식성 불순물이 증기 발생기 압력용기의 하부에 축적되는 경우, 특수 설계된 블로우 다운 시스템과 노즐을 통해 슬러지를 청소할 수 있다.
종래기술에는 원자력 산업 용도로 설계되지 않은 수평 증기 발생기가 개시되어 있으나, 이는 원자력 발전소에 응용되는 증기 발생기의 특징과 일치하는 다수의 중요한 특징을 갖고 있다. 예를 들어, 유럽 출원 EP1927809 (2008년 6월 4일 공개, IPC F22B1/18, F22B21/02)에 개시된 증기 발생기가 있다. 증기 발생기는 드럼-형상 압력용기를 구비한다. 용기의 종축은 대략 수평이다. 용기는 섹션으로 그룹화되고, 대개 서로 평행하게 배열되는 중공 튜브를 수용하며, 지지 프레임 상에 고정되어 있다. 유사한 해결방안이 일본 출원 JPH06300201 (1994년 10월 28일 공개, IPC F22B1/16, F28F9/24) 및 중국 특허 CN203384952 (2014년 1월 8일 허여, IPC F22B1/16)에 개시되어 있다. 상기 설계에서는 열교환 튜브의 구현을 위해 수직 튜브를 이용하고 있다. 수평 증기 발생기의 설계에서 튜브 시트를 적용하는 경우, 구조물당 특정 금속량이 많고 제조의 복잡성, 튜브 시트에 대한 열교환 튜브 연결부의 누설 방지를 제공하는데 있어서의 복잡성, 부식 과정을 활성화시키는 튜브 시트면 상의 슬러지 퇴적 가능성 등으로 인한 단점을 갖는다.
상기 결점은 튜브 시트를 배제하고, 수평 증기 발생기 설계에서 대략 원통 형상인 수직 입구 및 출구 1차 회로 냉각재 헤더로 대체함으로써 보정할 수 있다.
예를 들어, 전술한 국제 출원 WO9320386에는 세로로 배향된 수평축을 가진 원통형 용기를 포함하는 원자력 산업용으로 설계된 수평 증기 발생기가 개시되어 있다. 본 명세서의 도 1에 도시한 바와 같은 수직 충전에 갭을 두고서 배열된 열교환 튜브 다발을 상기 용기가 수용하고 있다. 급수 분배 파이프는 열교환 튜브 다발의 튜브들 사이에 형성된 갭에 놓여진다. 열교환 튜브 다발의 튜브 말단은 수직 1차 회로 냉각재 헤더의 측벽내 홀에 고정된다. 급수 공급 연결 파이프의 개구는, 급수 공급 개구용 입구 상단의 수평선 상에서 굴곡 지점이 있는 파이프라인에 연결된 분배장치에 연결된다. 이 기술적 해결방안은 냉각재 헤더와 급수 공급 파이프의 부식 균열을 피하기 위해, 열전달면 상에서 열 부하의 균일도를 개선하는 것이다. 그러나 수직 열교환 다발 충전시 갭을 활용하면, 증기 발생기 용기 내에 채울 수 있는 열교환 튜브의 개수를 대폭 감소시키며, 이에 따라 열교환면 출력과 여유공간이 감소되고, 결과적으로 증기 발생기의 신뢰성이 저하된다.
러시아 특허 RU30928(2003년 7월 10일 허여, IPC F22B1/02)에 개시된 증기 발생기가 본 발명과 가장 유사하다. 이 증기 발생기는 용기와, 그에 연결되고 이격 장치(spacing device)를 구비하며 그들 사이에서 수직 튜브간 터널을 갖는 뱅크들(banks)로 나뉜 수평 일렬 열교환 튜브 다발을 구비한 입구 및 출구 헤더를 포함한다. 수평 열교환 튜브는 각각 (1.44÷1.55)*d 및 (1.35÷1.40)*d 의 수평 및 수직 상대 간격을 두고 설치되며, 여기서 d는 열교환 튜브의 직경이다. 이 기술적 해결방안은 열교환 튜브들 간의 간격(spacing)을 선택할 수 있으나, VVER NPP(러시아형 가압수형 원자로)의 1차 내지 2차 회로 냉각재 간의 효과적인 열교환 레벨을 제공하는데 충분한 증기 발생기에 있어서 열교환 튜브의 개수나 길이를 제한하지 않는다.
본 발명의 다른 목적은 원자력 발전소용 수평 증기 발생기의 조립방법을 제공하는 데 있다.
러시아 특허 RU100590(2010년 12월 10일 허여, IPC F22B37/00)에는, 각각에 용접된 타원형 바닥을 가진 강재 단조 쉘로 용기를 제조하고, 페룰(ferrule; 이음매) 내경에 대한 평균 페룰 높이의 비율이 0.9 내지 0.1 인 편평 덮개를 구비한 페룰을 포함하는 수평 증기 발생기의 조립방법이 개시되어 있다. 이 기술적 해결방안은 제조 공장에서 조립 장소로의 전달을 용이하게 하고, 증기 발생기 케이싱 내 자유 공간을 증대시키기 위해 증기 발생기의 크기를 축소하도록 설계한 것이다. 종방향 치수는 페룰이 더 짧은 탓에 감소하나, 증기 발생기 압력용기의 길이에는 변화가 없다.
본원에서 제시한 수평 증기 발생기 조립방법과 가장 유사한 것은 "원자력 발전소의 증기 발생기 유닛"(N.　G. Rassokhin, Moscow, Energoatomizdat, 1987, pp.　65-68)이라는 책자에 기술된 방법이다. 상기 방법은 단조 쉘로 된 원통형 강재 용기, 2개의 가압된 타원형 바닥, 1차 회로 냉각재의 입구 헤더 및 출구 헤더, 급수 및 화학약품 공급 헤더, 기타 용기 내부구조물을 비롯해, U-형상 열교환 튜브 다발을 제조하는 것이 필요하다. 증기 발생기의 조립 과정에서, 먼저 수직 헤더를 용기에 설치하고 용접에 의해 고정하며, 다음에 튜브 다발용 지지체를 설치하고, 열교환 튜브 다발을 형성한다. 다음에, 기타 용기의 내부구조물을 장착하고 마지막으로 타원형 바닥을 용기에 용접해야 한다. 기술적 관점에서 증기 발생기 제조시 가장 노동력이 많이 드는 작업은, 제한된 면적의 헤더 측벽에 다수의 밀집된 깊은 홀을 천공하고, 여기에 열교환 튜브를 누설 밀봉하여 삽입하는 단계를 수반하는 1차 회로 냉각재 헤더에 열교환 튜브 다발을 연결하는 작업이다. 다수의 밀집된 깊은 홀은 헤더의 강도를 저하시키고, 증기 발생기 내부에 놓일 수 있는 열교환 튜브의 개수를 제한한다.
본 발명의 목적은 출력을 증대시키는 한편 신뢰성과 제조 용이성에 대한 요구조건을 만족하고, 또한 전체 치수를 유지하면서 열전달 튜브 간의 가장 우수한 보일러수 순환 속도를 확보할 수 있는 증기 발생기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 기술적인 결과는 제한된 열교환 튜브의 개수와 최대 길이를 가진 증기 발생기에서 열전달이 효과적으로 달성되는 것이다.
열교환 튜브의 최대길이를 제한함으로써, 증기 발생기의 열교환면을 형성하기 위해 당해 산업에서 채용되는 튜브의 사용을 가능케 한다. 이에 따른 문제는 NPP 증기 발생기용 열교환 튜브가 이음매 없는 스테인리스강 파이프, 예를 들어, 10 내지 15m 길이의 냉간 인발 또는 열간 압연 파이프를 이용하여 제조하는 것이다. 현재, 30 내지 40m 이상의 길이를 가진 이음매 없는 파이프는 당해 산업에서 채용되고 있지 않으므로, 더 긴 열교환 튜브를 갖는 증기 발생기의 제조에 있어서 한계를 수반한다. 증기 발생기의 열교환면을 형성하는데 용접 파이프를 이용하는 것은 신뢰성 측면에서 수용 불가능하다.
증기 발생기의 출력은 그의 열교환면에 따라 달라지며, 이는 열교환 튜브 다발 내의 튜브의 개수와 외경을 선택함으로써 결정된다. 한편, 튜브 외경의 감소와 튜브 개수의 증가시 당해 산업에서 채용되는 더 짧은 길이의 튜브를 이용하므로, 증기 발생기 제조가 더욱 용이해지도록 할 수 있다. 반면에, 튜브 내의 냉각재 유속, 열전달 효율 및 증기 발생기의 기술적 및 경제적 성능이 감소하는 결과를 가져온다. 그러므로, NPP 증기 발생기의 제조는 열교환 튜브의 개수와 그의 직경 간의 비율을 선택하는 문제에 직면한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 원통형 용기, 2개의 타원형 바닥, 하나 이상의 급수 공급 및 증기 제거 연결 파이프, 1차 회로 냉각재의 입구 헤더 및 출구 헤더, 헤더에 연결되는 열교환 튜브 다발로 이루어진 원자력 발전소용 수평 증기 발생기를 제공하며, 이는 다음과 같이 열교환 튜브의 외경(dtb)에 따라 선택된 다발내 열교환 튜브의 개수(Ntb)를 특징으로 한다:
dtb ≤ 14　mm 인 경우:
Figure pct00001
dtb > 14　mm 인 경우:
Figure pct00002
청구한 증기 발생기의 설계에서, 열교환 튜브는 갭 없이 일정한 간격으로 바닥에서부터 상방으로 열교환 튜브 다발을 채우고, 수직 방향으로 인접한 열교환 튜브 간의 갭의 크기(b)는 다발내 열교환 튜브들 간의 수직 간격을 초과하지 않는다.
열교환 다발 내 튜브의 구성부품 밀도는 열교환 튜브의 클리어 영역과 튜브당 열교환 튜브 다발 설치 면적 간의 비율에 기초하여 산출한다. 본 발명에서, 열교환 튜브의 클리어 면적과 열교환 다발 내 튜브당 열교환 튜브 다발 설치 면적 간의 비는 다음의 기준에 기초하여 선택한다.
Figure pct00003
여기서, Stb 는 열교환 튜브의 클리어 면적으로서 mm2 단위이고,
ftb 는 튜브당 열교환 튜브 다발 설치 면적으로서 mm2 단위이다.
열교환 튜브의 클리어 면적(Stb)은 다음의 비율로부터 계산할 수 있고:
Figure pct00004
, 여기서
δ는 열교환 튜브의 두께로서 mm 단위이고,
dtb 는 열교환 튜브의 직경으로서 mm 단위이다.
튜브당 열교환 튜브 다발의 설치면적(ftb)은 다음의 비율로부터 계산할 수 있다:
Figure pct00005
, 여기서
Sv 및 Sh 은 다발 내 튜브 배열의 수직 및 수평 간격으로서 mm 단위이고,
k 는 다발 내 열교환 튜브의 배열 식별상수이며(일렬 배열의 경우 k=1이며, 교대 배열의 경우 k=2이다),
Figure pct00006
상기 기준을 만족하면 청구한 증기 발생기의 장점을 확보할 수 있고, 이를 제한된 열교환 튜브의 개수 및 길이와 조합하면, 증기 발생기의 구조물당 특정 금속량을 감소시키고, 동시에 보일러 물(2차 회로 냉각재, 작동 매체)의 신뢰성 있는 순환을 제공할 수 있다.
이음매 없는 오스테나이트계 스테인리스강 인발 파이프, 특히, 크롬-니켈 오스테나이트계 스테인리스강(08Cr18Ni10Ti)은 증기 발생기의 열교환 다발 내 열교환 튜브로서 사용한다.
청구한 방법에 관련된 과제는 원자력 발전소용 수평 증기 발생기 조립방법이, 원통형 용기, 2개의 타원형 바닥, 하나 이상의 급수 공급 및 증기 제거 연결 파이프, 1차 회로 냉각재의 입구 헤더와 출구 헤더, 및 소정의 외경(dtb)과 소정의 개수(Ntb)를 갖는 열교환 튜브를 제조하고; 헤더 및 열교환 튜브 지지체를 용기에 설치하여 용접하고; 열교환 튜브 다발과 1차 회로 냉각재의 입구 및 출구 헤더에 대한 그들의 연결부를 형성하고; 상기 바닥을 용기에 설치하여 용접하는 작업을 포함하는 사실에 의해서 달성된다. 열교환 튜브 다발은 인접한 열교환 튜브들 사이에 수직 갭(b)을 제공하도록 형성되며, 이 갭은 열교환 튜브들 간의 수직 간격(Sv)을 초과하지 않고, 또한 다발 내 열교환 튜브들의 개수(Ntb)를 다음과 같이 열교환 튜브의 외경(dtb)에 따라 선택한다:
dtb ≤ 14　mm 인 경우:
Figure pct00007
dtb > 14　mm 인 경우:
Figure pct00008
여기서 dtb는 mm 단위이다.
열교환 튜브의 외경(dtb)에 의존하는 열교환 튜브의 개수(Ntb), 다발 내 열교환 튜브들의 수직 간격을 초과하지 않는 다발 내 갭을 갖고서 바닥에서부터 상방으로 연속해서 열교환 튜브로 채워 다발로 형성하고, 관계식
Figure pct00009
및 특정한 증기 발생기 설계에 있어서의 열교환 튜브의 개수(Ntb), 열교환 튜브 내의 수용 가능한 냉각재 유속을 확보하고 열교환 튜브의 제조 및 설치가 용이하며, 한편으로는, 증기 발생기의 효율적인 열전달 특성을 제공하고, 전력 범위가 230 MW 내지 850 MW 이고 증기 발생기를 관통하는 냉각재 유동이 약 10,000 내지 30,000　m3/hr 범위인 증기 발생기용으로 선택한 온도 헤드를 유지하는 등의 특성을 조합한다.
증기 발생기의 용기에 1차 회로 입구 및 출구 헤더를 설치하기 전에, 다발 내 열교환 튜브 수가 Ntb=Nhl임에 따라 각 헤더의 측면에 관통홀이 천공된다. 1차 회로 냉각재 헤더 측면의 관통홀 수는 헤더의 강도 유지 기준에 기초하여 선택하면 된다. 필요 시 헤더의 강도는 그의 측벽 두께와 헤더 직경을 증가시킴으로써 향상될 수 있다. 헤더 천공부의 강도를 확보하기 위하여, 인접한 홀들의 가장자리 간의 거리는 측벽의 내부면을 따라 5.5mm 이상이어야 한다.
헤더의 내부면 상에 튜브의 말단을 둥글게-용접하여 1차 회로 헤더의 측면에 튜브를 고정한 뒤, 헤더의 벽 두께에 걸쳐서 열교환 튜브를 유압 팽창시키고, 헤더와 열교환 튜브 간의 갭이 폐쇄될 때까지 헤더의 외부면 주변을 기계적으로 끝말기 가공(mechanical curling)한다.
열교환 튜브를 바닥에서부터 상방으로 용기 내에 직접 채워 다발로 한다.
이음매 없는 인발 오스테나이트계 스테인리스강 튜브는 길이가 30m 미만으로 열교환 튜브로서 이용된다.
청구한 수평 증기 발생기와 그 조립방법의 실시예를 도면을 참조하여 아래에서 상세히 설명한다.
도 1은 증기 발생기를 나타내는 개략도이다.
도 2는 타원형 바닥에서 증기 발생기를 나타낸 단면도이다.
도 3은 이격 요소를 갖는 열교환 튜브를 나타내는 도면이다.
도 4는 열교환 다발내 튜브들의 교대 배열을 나타내는 단면도이다.
도 5는 열교환 다발내 튜브들의 일렬 배열을 나타내는 단면도이다.
도 6은 열교환 튜브 뱅크를 분리하는 배플의 배열을 나타내는 도면이다.
증기 발생기는 첨부한 도면에 도시된 바와 같은 다음의 구성요소로 이루어진 것으로서, 수중(submerged) 열전달면의 배열을 위해 설계된 수평 용기 열교환 유닛이다: 용기(1), 열교환 튜브 다발(2)(튜브 다발이라고도 칭함), 1차 회로 냉각재의 입구 및 출구 헤더(3), 급수 공급 및 분배장치(4), 비상 급수 공급 및 분배장치(5), 오버헤드 천공 시트(6), 수중 천공 시트(7), 화학약품 공급장치(8).
용기(1)는 증기 발생기 구성부품의 일부로서 1차 회로의 입구 및 출구 헤더(3), 열교환 튜브 다발(2) 형태의 열교환면 및 용기 내부구조물을 수용한다. 용기(1)는 1차 회로 입구 및 출구 헤더(3)를 수리하기 위한 2차 회로 맨홀(9)을 구비한다.
용기(1)는 수평으로 연장되는 용접된 원통형 컨테이너로서, 이 컨테이너에는 양단에 용접하여 위치된 2차 회로 용적에 접근하기 위한 맨홀(11)이 구비된 타원형 바닥(10)이 있다.
용기(1)는 또한 1차 회로 냉각재 공급 및 제거용 연결 파이프(12), 증기 제거 연결 파이프(13), 급수 공급 연결 파이프(14) 및 기타 연결 파이프와 접근용 맨홀을 포함한다.
1차 회로 냉각재 헤더(3)는 다양한 직경과 두께를 갖는 두꺼운 벽의 실린더이다. 이들 헤더는 고강도 펄라이트급 강재로 제조되며 내부면에는 보호 및 부식 방지용 보강층(build-up)을 구비한다. 헤더(3)의 중앙 원통부에는 열교환 튜브(15) 말단을 체결하기 위한 구멍들을 갖는다. 헤더(3)의 상부는 2차 회로의 맨홀(9)을 통해 내부로 접근하기 위한 분할부(split)를 갖는다.
증기 발생기의 열교환면은 오스테나이트계 스테인리스강으로 제조된 이음매 없도록 인발된 열교환 튜브(15)에 의해 형성된다. 열교환 튜브는 다발(2)로 배열된 U-형상 코일로 형성되고 열교환 튜브(15)의 완전한 배수성을 제공하기 위해, 헤더(3)를 향해 일정 기울기를 갖고 설치한다. 열교환 튜브(15)는 그의 양단을 헤더(3)의 내부면에 카운터-용접(counter welding)하여 헤더(3)에 고정한다. 헤더(3)와 열교환 튜브(15) 간의 갭(분할부)이 폐쇄될 때까지 열교환 튜브(15)를 유압 팽창시키고 헤더(3)의 벽 두께에 걸쳐 헤더(3)의 외부면 주변을 기계적으로 컬링(mechanical curling) 처리한다. 웨이브-형상 밴드 및 평판(도 3) 등의 이격 요소(16)를 사용하여 열교환 튜브(15)는 서로 일정한 간격으로 갭을 두고서(다발(2) 속에서 이격되어) 설치된다. 이러한 고정 구조는 열교환 튜브(15)가 열팽창 중에 움직이는 것을 가능케 한다.
용기(1)에 배치된 내부장치는 다음을 포함한다:
- 열교환 튜브 다발(2)의 상부에 배치된 급수 공급 및 분배장치(4)로서, 상기 장치(4)는 그의 전체 길이를 따라 급수 제거용 오리피스를 갖는 파이프 라인 및 분배 파이프로 구성되고, 그의 제조에 사용하는 주요 재료는 스테인리스강이며;
- 증기 공간에 배치되고, 그의 전체 길이를 따라 급수 제거용 오리피스를 갖는 헤더와 배수 파이프로 구성되는 비상 급수 공급 및 분배장치(5)로서, 그의 제조에 사용하는 재료는 스테인리스강이고;
- 증기 공간에 배치되고, 그의 전체 길이를 따라 화학약품 제거용 오리피스를 갖는 헤더로 구성되고 증기 발생기의 세척 동안 화학약품을 공급하는 장치(8)로서, 그의 제조에 사용하는 재료는 스테인리스강이고;
- 증기 발생기의 상부에 배치되고, 증기 발생기로부터의 증기 제거 중에 헤더의 영향을 감소시키도록 설계된 오버헤드 천공 시트(6)로서, 그의 제조에 사용하는 재료는 스테인리스강이고;
- 열교환 튜브 다발(2)의 상부에 배치되며, 증발면의 증기 부하를 평형화하도록 설계된 교번 관통공을 갖는 수중 천공 시트(7)로서, 그의 제조에 사용하는 주요 재료는 스테인리스강이다.
보일러 물(2차 회로 냉각재)의 순환을 개선하기 위해, 증기 발생기의 열교환 다발 내 튜브들을 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같은 수직 튜브간 수직 터널에 의해 서로 분리된 뱅크로 그룹화 할 수 있다. 한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 증기 발생기의 열교환 다발 내 튜브들의 뱅크는 보일러 물 순환의 라이저와 하향 영역을 형성하는 배플(17)에 의해 이들 측면을 따라 분리될 수 있다. 이 경우에, 열교환 튜브들 사이에서 발생한 증기는 튜브간 터널에 도달하지 않으므로, 냉각된 보일러수(물)가 하향 이동하는 것을 막지 않는다. 따라서, 보일러수 순환이 더욱 집중된다.
또 다른 실시예에서, 비등수 라이저 및 하향 섹션을 형성하는 배플은 1차 회로 냉각재 입구 헤더 측에 배치된 열교환 튜브 뱅크에만 근접할 수 있다. 상기 배플은 구멍의 천공 없는 금속 시트로 제조된다.
증기 발생기 구조의 작동 원리는 다음과 같다. 반응기에서 가열된 냉각재는 1차 회로 냉각재의 입구 또는 분배 헤더(헤더(3) 중 하나)에 공급된다. 분배 헤더에서 나온 냉각재는 다발(2)로 그룹화된 열교환 튜브(15)로 공급되고, 이를 통해 이동하면서 열교환면의 벽을 통해 열이 보일러수에 전달되고, 1차 회로 냉각재의 출구 또는 수집 헤더(다른 헤더(3))에서 수집된다. 냉각재는 순환펌프에 의해 수집 헤더로부터 반응기로 복귀한다. 증기 발생기 용기(1)는 작동 중에 유지되어야 할 일정 수위까지 보일러수로 채워진다. 급수 공급 및 분배장치(4)에 의해 급수는 증기 발생기에 공급된다. 그로부터 유출되는 급수는 보일러수와 혼합되어 포화 온도까지 가열된다. 냉각재에서 전달된 열은 증기 발생기의 튜브간 공간에서 보일러수의 증발 및 증기 발생에 소비된다. 발생한 증기는 자유 체적, 분리 장치 또는 그의 조합을 포함하는 증기 발생기의 분리부로 상승한다. 증기 발생기의 분리부를 통과한 후, 증기는 설계 정격습도를 갖는다. 다음에 증기는, 이들의 전면에 설치된 증기 제거 연결파이프(13) 및 오버헤드 천공 시트(6)를 포함하는 증기 제거장치를 통해 증기 발생기로부터 제거된다. 증기 발생기에서 발생한 증기는 발전소의 증기 발전 공정 사이클에서 사용된다.
일반적인 경우, 비상 급수 공급 및 분배장치(5), 화학약품 공급장치(8), 오버헤드 천공 시트(6), 수중 천공 시트(7)는 증기 발생기의 선택적(필수는 아님) 구성요소이다. 이들 요소는 증기 발생기의 작동 신뢰성, 내구성 등을 향상시키기 위해 필요한 것으로, 각종 수평 증기 발생기 구조물에 포함되거나 포함되지 않을 수 있다. 비상 급수 공급 및 분배장치(5)는 설계 기준 사고의 경우에 2차 회로를 통해 원자로 발전소의 냉각 동안 주요 급수라인의 손상시에, 증기 발생기에 물을 공급하는데 사용한다. 화학약품 공급장치(8)는 축적된 퇴적물 및 부식 생성물을 제거하기 위해 정규적인 증기 발생기의 세척 과정에 사용한다. 이 장치는 화학약품을 증기 발생기에 공급하는데 사용된다. 수중 천공 시트(7)는 증기 발생기의 증기 공간에서 증기 부하를 평형화 하는데 사용한다. 이는 증기 발생의 개별 파라미터를 필요로 하는데, 고출력 증기 발생기의 경우에만 해당된다. 오버헤드 천공 시트(6)는 증기 발생기에서 신뢰할 수 있는 증기 분리를 제공하는데 필요한 것으로, 중도에서 저항을 생성시켜 증기 발생기의 증기 공간에서 증기 속도의 균일한 프로파일을 형성하는데 사용된다.
원자력 발전소용 수평 증기 발생기는 다음과 같이 조립한다: 증기 발생기의 원통형 용기(1)는 강재 쉘 세트로 제조되고 후속 열처리 및 기계 가공된다. 타원형 바닥(11), 급수 공급 및 분배장치(4), 증기 제거 연결 파이프(13), 입구 및 출구 헤더(3), 소정의 외경(dtb) 및 개수(Ntb)를 갖는 U-형상 열교환 튜브(15)가 제조된다. 다음에, 용접 용기가 지지체 상에 설치된다. 입구 및 출구 헤더의 측면에 홀이 천공 및 기계가공되고, 증기 발생기 용기 내측에 헤더가 설치된 후 용접에 의해 고정된다. 냉각재 튜브 다발용 지지체가 설치되고 열교환 튜브 다발(2)이 바닥에서부터 상방으로 여러 열로 용기 내에 직접 형성된다. 각 튜브는 냉각재 헤더에 고정, 컬링 및 헤더 내부면에 용접된다. 기타 내부구조물이 설치된다. 타원형 바닥(11)이 용기(1) 상에 설치되어 용접된다. 다음의 장치들도 용기 안에 설치할 수 있다: 비상 급수 공급 및 분배장치(5), 화학약품 공급장치(8), 오버헤드 천공 시트(6), 및 수중 천공 시트(7). 이들 요소는 증기 발생기의 선택 사양이나, 전술한 바와 같이, 증기 발생기의 작동을 개선하고 특히 작동 신뢰성을 향상시키도록 설계된다.
열교환 튜브 다발(2)은 열교환 튜브(15)가 바닥에서부터 상방으로 연속해서 채워지도록 형성된다. 이격 요소(16)는 다발(2) 내에서 열교환 튜브(15)의 수직 간격을 초과하지 않는 갭을 열교환 튜브 다발(2) 내에 확보한다.
열교환 튜브의 개수(Ntb)는 전술한 관계에 기초하여 열교환 튜브의 외경(dtb)에 따라 선택한다. 한편, 외경이 감소하는 것과 동시에 다발 내 수직 간격을 초과하지 않는 가열 파이프들 간의 갭과 튜브의 개수가 증가하면, 열전달면이 증대되고 그 결과 증기 발생기의 출력도 증가한다. 다른 한편, 열교환 다발의 튜브들 사이에서 보일러수(2차 회로 냉각재)의 신뢰성 있는 순환을 보증할 필요가 있다.
실시예 1
다음의 파라미터를 가진 증기 발생기를 제조하였다:
· 화력 Q=750　MW
· 냉각재 유량 G=22,000　m3/h,
·열교환 표면적 H=6000　m2,
·열교환 튜브의 외경 dtb=21　mm 및 벽 두께 δ=1.5　mm,
·냉각재 압력 P=16　MPa,
· 튜브 배열은 교대 형이다(k=1),
·다발 내 튜브의 수직 및 수평 간격 Sv=Sh=36　mm.
청구한 기술적 해결방안에 따르면, 본 증기 발생기의 용기 내에 채워질 수 있는 열교환 튜브 개수의 수용 가능한 하한값은 다음과 같다:
Figure pct00010
본 증기 발생기의 용기 내에 채워질 수 있는 열교환 튜브 개수의 수용 가능한 상한값은 다음과 같다:
Figure pct00011
다음과 같이, 1988 ≤ Ntb ≤ 11,417의 유도 범위에 속하는 열교환 튜브의 개수를 갖는 증기 발생기 설계에서의 냉각재 유속 W(m/s)을 상기 유도 범위에서 벗어난 열교환 튜브의 개수를 갖는 증기 발생기에서의 냉각재 유속과 비교해 본다.
Figure pct00012
상기 유도 범위에 속하는 열교환 튜브의 개수를 갖는 증기 발생기에서의 냉각재 유속은 다음과 같다: 2.1　m/s ≤ W ≤ 12　m/s.
1988 ≤ Ntb ≤ 11,417의 설정 범위를 벗어난 개수를 갖는 증기 발생기에서의 냉각재 유속을 계산한다.
특정 수보다 많은 개수의 열교환 튜브, 예를 들어, 13,000개의 열교환 튜브에서 냉각재 유속은 다음과 같다:
W13,000=1.84　m/s.
본 실시예를 통해 알 수 있는 것은, 상기 설정 범위에서 벗어난 개수의 열교환 튜브를 가진 증기 발생기의 기술적 및 경제적 성능은 냉각재 유속(주: 명목 냉각제 유속에 관한 데이터는 아래의 책자에서 확인할 수 있다: "Hydrodynamic and Thermochemical Processes in Steam Generators of NPP with VVER" by: N.　B. Trunov, S.　A. Logvinov, U.G.　Dragunov, Moscow, Energoatomizdat, 2001, p.　50, stating: "Practices in design of horizontal steam generators allow us to assume the optimal coolant flow velocity in pipes to be 4-6　m/s".)이 매우 느리고 효율적인 열전달을 보장할 수 없으며 따라서, 본원 특허청구범위에 따른 경우보다 성능이 저하되는 사실을 보여준다.
증기 발생기 설계에 이용된 열교환 튜브의 개수가 특정 수보다 적은, 예를 들어, 500개의 열교환 튜브를 사용하는 경우, W500=48　m/s가 된다. 증기 발생기의 작동 중에 전술한 냉각재 유속은 열교환 다발의 튜브에 심각한 부식성 마모를 야기하여 크게 손상시키게 되고, 이에 따라 증기 발생기의 기술적 및 경제적 성능을 저하시킨다.
실시예에서 특정한 파라미터 및 1988 ≤ Ntb ≤ 11,417의 설정 범위에 속하는 개수의 열교환 튜브를 구비한 증기 발생기 설계에서 요구되는 열교환 튜브의 길이(Ltd)를, 상기 범위에서 벗어난 개수의 열교환 튜브를 갖는 증기 발생기의 경우와 비교해 본다.
Ltb=
Figure pct00013
라고 가정할 때, 1988 ≤ Ntb ≤ 11,417의 사전 설정 범위에 속하는 개수의 열교환 튜브를 가진 증기 발생기를 제조하기에 충분한 튜브 길이의 범위는 다음과 같다:
7.97　m ≤ Ltb ≤ 45　m
또한, 본 발명에 따르는 증기 발생기를 제조하기 위하여, 최대 길이가 보통 30m를 초과하지 않는 이음매 없는 인발 오스테나이트계 스테인리스강 파이프를 사용하는 점에 유의한다. 금속 산업 발전의 경향에 따르면, 머지않은 장래에 길이가 최대 45m에 달하는 이음매 없는 인발 또는 열간 압연관을 제조하는 것도 가능할 것으로 예상된다.
특정 수 미만, 예를 들어, 500개의 열교환 튜브를 가진 증기 발생기에서 필요한 열교환 튜브의 길이는 Ltb=182　m 이다.
182　m 길이의 이음매 없는 열교환 튜브는 당해 산업에서 이용 가능하지 않으며, 그의 제조 역시 가까운 미래에는 예상되지 않는다.
실시예 2
다음의 파라미터를 갖는 증기 발생기를 제조하였다:
· 화력 Q=1000　MW,
· 냉각재 유량 G=36,000　m3/h,
· 열교환 표면적 H=9000　m2,
· 열교환 튜브의 외경 dtb=12　mm 및 벽 두께 δ=1.1　mm,
· 냉각재 압력 P=17　MAa,
청구한 기술적 해결방안에 따르면, 이 증기 발생기의 용기 내에 채울 수 있는 열교환 튜브 개수의 수용가능한 하한값은:
Figure pct00014
마찬가지로, 이 증기 발생기의 용기 내에 채울 수 있는 열교환 튜브 개수의 수용가능한 상한값은:
Figure pct00015
6000 ≤ Ntb ≤ 32,000의 유도 범위에 속하는 개수의 열교환 튜브를 갖는 증기 발생기 설계에서 냉각재 유속 W(m/s)을, 상기 유도 범위에서 벗어나는 개수의 열교환 튜브를 갖는 증기 발생기의 경우와 비교해 본다.
Figure pct00016
상기 유도 범위에 속하는 개수의 열교환 튜브를 갖는 증기 발생기에서의 냉각재 유속은 다음과 같다: 4　m/s ≤ W ≤ 22　m/s.
6000 ≤ Ntb ≤ 32,000의 설정 범위를 벗어난 개수의 열교환 튜브를 갖는 증기 발생기에서의 냉각재 유속을 계산한다.
특정 수보다 큰 개수, 예를 들어, 40,000개의 열교환 튜브의 경우, 냉각재 유속은 다음과 같다:
W40,000=3.3　m/s.
상기 실시예로부터, 설정 범위의 개수를 벗어난 경우 냉각재 유속이 매우 낮아 효율적인 열전달이 이루어지지 않으며, 따라서 설정 범위를 벗어난 개수의 열교환 튜브를 구비한 증기 발생기의 기술적 및 경제적 성능이 본원 특허청구범위에 따른 경우보다 열등함을 확인하였다
증기 발생기 설계에 이용된 열교환 튜브의 개수가 특정 수 미만인 경우, 예를 들어, 4000개의 열교환 튜브를 이용한 경우, W4000=33　m/s 이다. 증기 발생기 작동 과정에서 전술한 냉각재 유속은 열교환 다발내 튜브들의 심각한 부식성 마모를 야기하여 손상된 튜브가 막히게 되며, 따라서 증기 발생기의 기술적 및 경제적 성능이 저하된다.
실시예에서 특정한 파라미터 및 6000 ≤ Ntb ≤ 32,000의 설정 범위에 속하는 개수의 열교환 튜브를 가진 증기 발생기 설계에서 열교환 튜브의 소정 길이(Ltb)를, 상기 범위에서 벗어나는 개수의 열교환 튜브를 가진 증기 발생기의 경우와 비교해 본다.
Ltb=
Figure pct00017
가정하면, 1988 ≤ Ntb ≤ 11,417의 사전 설정 범위에 속하는 개수의 열교환 튜브를 가진 증기 발생기의 제조에 충분한 튜브 길이의 범위는:
7.46　m ≤ Ltb ≤ 39　m
특정 수 미만의 개수, 예를 들어 4000개의 열교환 튜브를 가진 증기 발생기의 설계에 있어서, 필요한 열교환 튜브의 길이는: Ltb=59　m 이다.
59　m 길이의 이음매 없는 열교환 튜브는 당해 산업에서 이용 가능하지 않으며, 전술한 길이의 열교환 튜브를 가진 NPP 증기 발생기의 제조 역시 가능하지 않다.
실시예 3
실시예 1에서와 동일한 입력 파라미터를 이용하여 증기 발생기를 제조하였고, 여기서 열교환 튜브의 외경은 dtb=21　mm 이고 벽 두께는 δ=1.5　mm 이다. 본 발명에 있어서, 열교환 튜브의 개수(Ntb)는 1998 내지 11,417 pcs의 범위에 속한다. 열교환 튜브의 클리어 면적(Stb)은:
Figure pct00018
일렬 배열(k=1) 경우 튜브당 열교환 튜브 다발 설치 면적(ftb)은 평균 수직간격(Sv) 및 수평간격(Sh) (도 2) 이 36　mm 일 때 다음과 같다:
Figure pct00019
다음에, 클리어 면적(Stb)과 다발 설치 면적(ftb)의 관계는 다음과 같다:
Figure pct00020
따라서, ftb=1296 mm2 인 4개의 인접 튜브에 의해 형성되는 열교환 다발 셀은 이들 면적의 80%가 비제약 유동을 가능케 하는 보일러수(2차 회로 냉각재)의 순환에 이용된다.
이러한 기준을 만족함으로써 청구한 증기 발전기의 기술적 및 경제적 장점이 향상되며, 제한된 열교환 튜브의 개수와 길이에 대한 기준과 조합시, 증기 발생기의 운전 신뢰성 향상에 기여한다.
또한, 최근에 확인된 관계에서, 청구한 증기 발생기 설계는 증기 발생기 용기의 내부 체적을 갭의 충전 없이 균일한 간격으로 채우는 열교환 튜브 다발을 구비하며, 수직 방향으로 인접한 열교환 튜브 간의 갭은 다발 내 열교환 튜브 간의 수직 간격을 초과하지 않는다.

Claims (11)

  1. 　원통형 용기, 2개의 타원형 바닥, 하나 이상의 급수 공급 및 증기 제거 연결 파이프, 1차 회로 냉각재의 입구 헤더 및 출구 헤더, 이들 헤더에 연결된 열교환 튜브 다발을 포함하는 원자력 발전소용 수평 증기 발생기에 있어서, 상기 다발 내의 열교환 튜브의 개수(Ntb)는 다음과 같이 열교환 튜브의 외경(dtb)에 따라 선택되고:
    dtb ≤ 14　mm 인 경우:
    Figure pct00021

    dtb > 14　mm 인 경우:
    Figure pct00022

    또한, 수직 방향으로 인접한 열교환 튜브 간의 갭은 상기 다발 내의 열교환 튜브들 간의 수직 간격을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 증기 발생기:
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환 튜브로서 이음매 없는(seamless) 인발 가공된 오스테나이트계 스테인리스강 파이프를 이용하는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환 튜브의 클리어 면적과 상기 열교환 튜브 다발 내의 튜브당 열교환 튜브 다발 설치 면적 간의 비는 다음의 기준에 기초하여 선택하는 것을 특징으로 하는 증기 발생기:
    Figure pct00023

    여기서, Stb 는 열교환 튜브의 클리어 면적으로서 mm2 단위이고,
    ftb 는 튜브당 열교환 튜브 다발 설치 면적으로서 mm2 단위이다.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환 튜브 다발의 열교환 튜브들은 수직 튜브간 터널에 의해 분리되는 뱅크(bank)로 그룹화되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 열교환 튜브 뱅크는 보일러수 순환의 하향 섹션과 라이저를 형성하는 배플(baffle)에 의해 뱅크의 측면을 따라 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  6. 제 5항에 있어서,
    입구 1차 회로 냉각재 헤더 측에 배치된 열교환 튜브 뱅크는 보일러수 순환의 하향 섹션과 라이저를 형성하는 배플에 의해 뱅크의 측면을 따라 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  7. 원통형 용기, 2개의 타원형 바닥, 하나 이상의 급수 공급 및 증기 제거 연결 파이프, 1차 회로 냉각재의 입구 헤더와 출구 헤더, 및 외경(dtb)과 개수(Ntb)를 갖는 열교환 튜브를 제조하고; 헤더 및 열교환 튜브 지지체를 용기에 설치하여 용접하고; 열교환 튜브 다발과 1차 회로 냉각재의 입구 및 출구 헤더에 대한 그들의 연결부를 형성하고; 상기 바닥을 용기에 설치하여 용접하는 작업을 포함하는 원자력 발전소용 수평 증기 발생기의 조립방법에 있어서,
    상기 열교환 튜브 다발은 인접한 열교환 튜브들 사이에 수직 갭을 제공하도록 형성되며, 이 갭은 열교환 튜브들 간의 수직 간격을 초과하지 않고, 다발내 열교환 튜브들의 개수(Ntb)는 다음과 같이 열교환 튜브의 외경(dtb)에 따라 선택하는 원자력 발전소용 수평 증기 발생기의 조립방법:
    dtb ≤ 14　mm 인 경우:
    Figure pct00024

    dtb > 14　mm 인 경우:
    Figure pct00025
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 증기 발생기의 용기 내에 설치하기 전에, 다발 내 열교환 튜브의 개수(Ntb)에 따라 입구 및 출구 헤더의 측면에 관통홀을 천공하는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소용 수평 증기 발생기의 조립방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 열교환 튜브는 헤더의 내부면 상에 튜브 말단을 라운드 용접함으로써, 1차 순환 냉각재 헤더의 측면에 있는 홀에 고정되며, 이어서 헤더의 벽 두께에 걸쳐서 열교환 튜브를 유압 팽창시키고, 헤더와 열교환 튜브 간의 갭이 폐쇄될 때까지 헤더의 외부면 주변을 기계적으로 컬링하는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소용 수평 증기 발생기의 조립방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 열교환 튜브는 바닥에서부터 상방으로 용기 내에 직접 채워 다발로 만드는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소용 수평 증기 발생기의 조립방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    길이가 30 m 미만인 이음매 없는 인발 오스테나이트계 스테인리스강 튜브를 열교환 튜브로 사용하는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소용 수평 증기 발생기의 조립방법.
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