KR20210080946A - 스월 베인형 습분 분리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예는 원자로 증기발생기에 구비되며, 습증기로부터 습분을 분리하여 건증기를 터빈 측에 공급하는 습분 분리장치에 있어서, 하부로 습증기가 유입되며, 상부로 건증기가 배출되는 증기유로가 내부에 형성되고, 상단부의 둘레에는 상기 습증기로부터 분리된 액적이 형성하는 액막이 통과하는 액막통과홀이 형성된 내부관과, 상기 내부관의 적어도 상부 둘레를 감싸도록 구비되며, 상기 액막통과홀을 통과한 액막이 하부로 유동되어 배출되는 다운코머를 형성하는 외부관을 포함하는 라이저 및 상기 증기유로의 소정 위치에 회전 가능하게 구비되어, 원심력을 통해 상기 증기유로를 따라 이동하는 습증기로부터 액적을 분리하는 스월 베인을 포함하는 스월 베인형 습분 분리장치를 제공한다.

Description

스월 베인형 습분 분리장치{SWIRL VANE TYPE STEAM SEPARATOR}

본 발명은 원자로 증기발생기에 구비되는 습분 분리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원심력을 통해 상기 증기유로를 따라 이동하는 습증기로부터 액적을 분리하는 스월 베인을 포함하는 스월 베인형 습분 분리장치에 관한 것이다.

원자력 발전은 핵분열 연쇄반응을 통해서 발생한 에너지로 만든 수증기를 이용하여 터빈 발전기를 돌려 전기를 생산하는 발전 방식이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 원자력 발전 과정은 핵연료가 수용되고 제어봉(210)이 구비되는 원자로(200), 가압기(300), 증기발생기(100)를 포함하는 1차 계통에 의해 열에너지가 증기로 변환되고, 이와 같이 1차 계통에서 생성된 증기를 통해 2차 계통에서는 터빈(600)을 회전시켜 발전기(700)로 전기에너지를 생성하게 된다. 그리고 2차 계통에 구비되는 급수펌프(400)는 작동유체로서의 물을 순환시키고, 복수기(500)는 이와 같이 순환되는 물을 냉각시키게 된다.

이들 중 증기발생기(100)는 원자로 노심에서 생성된 고온의 열을 이용하여 물을 증기로 변환시키는데 사용되는 열교환기이다. 또한 이와 같은 증기발생기(100) 내부에는 열에너지를 통해 발생한 증기로부터 습분을 분리하기 위한 습분분리기가 복수 개 구비된다.

다만, 종래의 증기발생기(100)에 구비되는 습분분리기는 습분의 분리 효율이 환경에 따라 좌우되는 경향을 가지며, 최적의 조건이 갖추어지지 않을 경우에는 습분분리기를 통과한 증기의 건도가 크게 떨어지는 문제가 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 습증기로부터 습분을 효율적으로 분리함에 따라 최종적인 증기의 건도를 비약적으로 향상시킬 수 있도록 하는 습분 분리장치를 제공하기 위한 목적을 가진다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 원자로 증기발생기에 구비되며, 습증기로부터 습분을 분리하여 건증기를 터빈 측에 공급하는 습분 분리장치에 있어서, 하부로 습증기가 유입되며, 상부로 건증기가 배출되는 증기유로가 내부에 형성되고, 상단부의 둘레에는 상기 습증기로부터 분리된 액적이 형성하는 액막이 통과하는 액막통과홀이 형성된 내부관과, 상기 내부관의 적어도 상부 둘레를 감싸도록 구비되며, 상기 액막통과홀을 통과한 액막이 하부로 유동되어 배출되는 다운코머를 형성하는 외부관을 포함하는 라이저 및 상기 증기유로의 소정 위치에 회전 가능하게 구비되어, 원심력을 통해 상기 증기유로를 따라 이동하는 습증기로부터 액적을 분리하는 스월 베인을 포함하는 스월 베인형 습분 분리장치를 제공한다.

이때 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스월 베인은, 상하 방향의 회전축을 기준으로 회전되는 축샤프트 및 상기 축샤프트의 둘레를 따라 배열되는 복수 개의 블레이드를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 블레이드는 수평면에 대해 30° 이하의 각도를 이루도록 구비될 수 있으며, 특히 수평면에 대해 20°의 각도를 이루도록 구비될 수 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 블레이드는 수평면에 대해 이루는 각도가 서로 다르게 형성될 수 있으며, 상기 스월 베인은 상기 증기유로의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격되어 구비될 수 있다.

여기서 본 발명의 실시예에 따르면 상기 복수 개의 스월 베인 중 서로 다른 스월 베인에 구비되는 블레이드는 수평면에 대해 이루는 각도가 서로 다르게 형성될 수 있다.

한편 본 발명의 실시예에 따르면 상기 스월 베인은 상기 외부관이 상기 내부관을 감싸는 영역에 구비될 수 있다.

더불어 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 라이저의 상단부에는 상기 액막통과홀을 통과한 액막이 측 방향으로 배출되도록 하는 탄젠트 노즐이 형성될 수 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 라이저의 상단부에는 상부로 건증기가 배출되도록 하며, 상기 내부관보다 직경이 작게 형성되는 오리피스가 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 라이저의 내부를 통과하는 증기가 스월 베인에 의해 회전 운동을 하게 되고, 습분이 원심력을 통해 액적 형태로 라이저의 내벽에 도달하여 액막을 형성한 후 배출될 수 있으므로 증기로부터 습분을 효과적으로 제거하여 최종적인 증기의 건도를 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 스월 베인의 블레이드 각도를 수평면에 대해 30° 이하, 바람직하게는 20°로 구성하여 출구에서의 건도를 액적 크기에 상관없이 100%로 유지하도록 할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 원자력 발전의 각 계통을 구성하는 구성요소를 개략화하여 나타낸 도면;
도 2는 증기발생기의 구조를 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 습분 분리장치의 구조를 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 습분 분리장치에 있어서, 스월 베인의 구조를 나타낸 도면;
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 습분 분리장치에 있어서, 스월 베인의 블레이드 각도에 따른 압력 강하 그래프;
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 습분 분리장치에 있어서, 액적 크기 및 스월 베인의 블레이드 각도에 따른 라이저 내벽면 흡착에 의한 습분제거율을 나타낸 그래프;
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 습분 분리장치에 있어서, 액적 크기 및 스월 베인의 블레이드 각도에 따른 오리피스에서의 건도를 나타낸 그래프; 및
도 8는 본 발명의 다른 실시예에 따른 습분 분리장치의 구조를 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 증기발생기(100)의 구조를 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 증기발생기(100)는 하부에 1차 계통의 물이 유입되는 인렛(102) 및 1차 계통의 물이 배출되는 아웃렛(104)이 형성되며, 1차 계통의 물이 유동되며, 튜브지지프레임(120)에 의해 지지되는 U튜브(110)를 포함한다.

또한 2차 계통에서 유입된 급수는 1차 계통의 고온의 물에 의해 가열되어 증기로 상 변화되며, 이와 같이 생성된 증기는 상부의 습분 분리장치(150) 측으로 유입된다.

상기 습분 분리장치(150)에서는 증기의 습분을 제거하며, 이에 의해 건도가 향상된 증기는 상단의 증기 배출구(106)를 통해 터빈 측으로 배출된다. 또한 상기 습분 분리장치(150)에 의해 분리된 습분은 증기발생기(100)의 습분유로(108)를 통해 낙하하게 된다.

본 발명은 습증기로부터 습분을 효율적으로 분리함에 따라 최종적인 증기의 건도를 비약적으로 향상시킬 수 있도록 하는 습분 분리장치(150)를 제공하기 위한 것으로, 이하에서는 이와 같은 습분 분리장치(150)에 대해 집중하여 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 습분 분리장치(150)의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 습분 분리장치(150)는 라이저(160, 165)와, 스월 베인(170)을 포함한다. 그리고 상기 라이저(160, 165)는 내부관(160) 및 외부관(165)을 포함한다.

상기 내부관(160)의 내부에는 증기유로(162)가 형성된다. 구체적으로, 상기 증기유로(162)의 하단부에는 습증기가 유입되는 증기 유입구(164)가 형성되며, 상기 증기유로(162)의 상단부에는 건증기가 배출되도록 상기 내부관(160)에 연결되는 오리피스(166)가 형성된다.

이때 상기 오리피스(166)는 상기 내부관(160)보다 직경이 작게 형성될 수 있으며, 이는 증기의 유동 속도를 보다 증가시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한 상기 내부관(160)의 상단부 둘레에는, 상기 습증기로부터 분리된 액적이 형성하는 액막이 통과하는 액막통과홀(161)이 형성된다.

그리고 상기 외부관(165)은 상기 내부관(160)의 적어도 상부 둘레를 감싸도록 구비되며, 상기 액막통과홀(161)을 통과한 액막이 하부로 유동되어 배출되는 다운코머를 형성한다.

추가적으로, 상기 라이저(160, 165)의 상단부에는 상기 액막통과홀(161)을 통과한 액막이 측 방향으로 배출되도록 하는 탄젠트 노즐(180)이 더 형성될 수 있다.

상기 스월 베인(160)은 상기 증기유로(162)의 소정 위치에 회전 가능하게 구비되어, 원심력을 통해 상기 증기유로(162)를 따라 이동하는 습증기로부터 액적을 분리하여 상기 내부관(160)의 내벽면 측에 부착시켜 액막을 형성하도록 한다.

또한 본 실시예에서 상기 스월 베인(170)은 상기 외부관(165)이 상기 내부관(160)을 감싸는 영역에 구비될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 습분 분리장치(150)에 있어서, 스월 베인(170)의 구조를 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 스월 베인(170)은 상하 방향의 회전축을 기준으로 회전되는 축샤프트(172)와, 상기 축샤프트(172)의 둘레를 따라 배열되는 복수 개의 블레이드(174)를 포함한다.

이때 상기 블레이드(174)는 수평면에 대해 기 설정된 각도를 이루도록 구비되어, 습증기로부터 액적을 효과적으로 분리하도록 할 수 있다.

상기 블레이드(174)의 각도는 액적 흡착에 의한 제거율 및 출구 건도, 압력강하에 영향을 미치는 중요 변수로서, 본 발명에서는 이와 같은 블레이드(174) 각도의 영향을 확인하기 위하여 각 액적 사이즈 및 날개 각도에 따른 액적 제거 효율을 CFD 해석을 통해 계산하였다.

이와 같은 해석 과정의 목표는 블레이드(174)의 접촉에 의한 습분제거율 및 출구 건도 향상을 위한 것이다.

본 과정에서는, 20˚, 30˚, 40˚의 3가지 블레이드(174) 각도와, 0.01㎛, 0.1㎛, 1㎛, 10㎛, 30㎛, 50㎛의 여섯 가지 크기의 액적을 통해 해석을 진행하였다. 더불어 ANSYS ICEM CFD를 사용하여 TETRA AND PRISM 격자를 생성하였으며, 격자 민감성 테스트를 진행한 후 13,500,000 ELEMENTS AND 4,900,000 NODES 격자를 사용하였다.

먼저, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 습분 분리장치(150)에 있어서, 스월 베인(170)의 블레이드(174) 각도에 따른 압력 강하 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 스월 베인(170)은 블레이드(174)의 각도가 10°씩 작아질수록 압력 강하 값이 2배 가까이 커지는 것을 확인할 수 있다. 즉 40°의 블레이드(174) 각도에서 최소의 압력 강하 값을 가지는 것으로 나타난다.

또한 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 습분 분리장치(150)에 있어서, 액적 크기 및 스월 베인(170)의 블레이드(174) 각도에 따른 라이저(160, 165) 내벽면 흡착에 의한 습분제거율을 나타낸 그래프이다.

도 6에 나타난 바와 같이, 액적 크기가 1㎛ 이하인 경우 액적 크기에 따른 변화는 보이지 않으나, 블레이드(174)의 각도가 20°인 경우 30%, 블레이드(174)의 각도가 30°의 경우 23%, 블레이드(174)의 각도가 40°의 경우 12.7%로 블레이드(174)의 각도가 작을수록 제거율이 크게 나타난다.

이는 액적 크기가 1㎛ 이상일 경우, 액적 크기가 커질수록 전반적인 벽면 흡착에 의한 습분 제거율이 증가하며, 블레이드(174) 크기가 작을수록 전반적인 벽면 흡착에 의한 습분제거율이 증가함을 나타낸다.

여기서 크리티컬 액적 크기(벽면 흡착에 의한 제거율이 100%가 되는 최소 액적 크기, 이 액적 크기보다 클 경우 100% 벽면 흡착에 의해 제거됨)를 정의하면 다음과 같다.

블레이드(174) 각도 20° 모델의 경우 크리티컬 액적 크기가 10~30㎛ 사이이며, 블레이드(174) 각도 30° 모델의 경우 크리티컬 액적 크기가 30~50㎛ 사이이고, 블레이드(174) 각도 40° 모델의 경우 크리티컬 액적 크기가 50㎛ 보다 큰 것으로 나타난다.

즉 30㎛ 이상의 액적이라면 전부 제거 가능한, 각도 20°의 각도를 가지는 블레이드(174)의 성능이 우수함을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 습분 분리장치(150)에 있어서, 액적 크기 및 스월 베인(170)의 블레이드(174) 각도에 따른 오리피스(166)에서의 건도를 나타낸 그래프이다.

여기서 오리피스(166)에서의 건도(STEAM QUALITY)는 아래와 같은 식을 통해 계산하였다.

이와 같은 그래프를 도출한 것은 오리피스(166)를 통과한 증기가 터빈으로 향하게 되기 때문으로, 본 발명은 오리피스(166)에서의 높은 건도를 목표로 한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 액적 사이즈와 상관없이 블레이드(174)각도 20° 모델의 경우 오리피스(166)의 건도는 항상 100%를 나타낸다.

또한 블레이드(174) 각도 30°의 경우 액적 크기 1㎛ 이하에서 평균 62% 출구 건도를 나타내며, 액적 크기가 커질수록 건도 또한 커지다가 30㎛ 이상에서 100% 건도를 나타낸다.

그리고 블레이드(174)각도 40°의 경우 액적 크기 1㎛ 이하에서 평균 32.3% 출구 건도를 보여주고, 액적 크기가 커질수록 건도 또한 커지다가 50㎛ 이상에서 100% 건도를 보여줌.

이와 같이, 블레이드(174) 각도 20° 모델의 성능이 가장 우수한 것으로 판단된다.

이상과 같은 해석 결과에 따라, 본 실시예에서 상기 스월 베인(170)의 각 블레이드(174)는 수평면에 대해 30° 이하의 각도를 이루도록 구비될 수 있으며, 특히 바람직하게는 수평면에 대해 20°의 각도를 이루도록 구비될 수 있다.

이에 따라 본 발명은 오리피스(166)에서의 건도를 액적 크기에 상관없이 100%로 유지할 수 있게 된다.

이하에서는, 본 발명의 다른 실시예에 대해 설명하도록 한다.

도 8는 본 발명의 다른 실시예에 따른 습분 분리장치(150)의 구조를 나타낸 도면이다.

도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예는, 전체적으로 전술한 일실시예와 동일한 구성요소를 가지나, 상기 스월 베인(170a, 170b)이 상기 증기유로(162)의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격되어 구비된다는 점이 다르다.

이에 따라 본 실시예는 습증기가 복수의 스월 베인(170a, 170b)을 통과하도록 구성함으로써 오리피스(166)에서의 건도를 보다 향상시킬 수 있다.

특히 본 실시예에서 상기 복수 개의 스월 베인(170a, 170b) 중 서로 다른 스월 베인(170a, 170b)에 구비되는 블레이드(174)는 수평면에 대해 이루는 각도가 서로 다르게 형성될 수 있다.

또한 어느 하나의 스월 베인(170a, 170b)에 구비되는 복수 개의 블레이드(174)는, 수평면에 대해 이루는 각도가 서로 다르게 형성될 수 있다.

이는 각 스월 베인(170a, 170b)에서의 습분 분리 경향을 서로 다르게 하여 복합적인 효과를 얻을 수 있도록 하기 위함이다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 증기발생기
150: 습분 분리장치
160: 내부관
161: 액막통과홀
162: 증기유로
165: 외부관
166: 오리피스
170: 스월 베인
172: 축샤프트
174: 블레이드
180: 탄젠트 노즐

Claims (10)

1. 원자로 증기발생기에 구비되며, 습증기로부터 습분을 분리하여 건증기를 터빈 측에 공급하는 습분 분리장치에 있어서,
   하부로 습증기가 유입되며, 상부로 건증기가 배출되는 증기유로가 내부에 형성되고, 상단부의 둘레에는 상기 습증기로부터 분리된 액적이 형성하는 액막이 통과하는 액막통과홀이 형성된 내부관과, 상기 내부관의 적어도 상부 둘레를 감싸도록 구비되며, 상기 액막통과홀을 통과한 액막이 하부로 유동되어 배출되는 다운코머를 형성하는 외부관을 포함하는 라이저; 및
   상기 증기유로의 소정 위치에 회전 가능하게 구비되어, 원심력을 통해 상기 증기유로를 따라 이동하는 습증기로부터 액적을 분리하는 스월 베인;
   을 포함하는 스월 베인형 습분 분리장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스월 베인은,
   상하 방향의 회전축을 기준으로 회전되는 축샤프트; 및
   상기 축샤프트의 둘레를 따라 배열되는 복수 개의 블레이드;
   를 포함하는 스월 베인형 습분 분리장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 복수 개의 블레이드는 수평면에 대해 30° 이하의 각도를 이루도록 구비되는 스월 베인형 습분 분리장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 블레이드는 수평면에 대해 20°의 각도를 이루도록 구비되는 스월 베인형 습분 분리장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 복수 개의 블레이드는 수평면에 대해 이루는 각도가 서로 다르게 형성되는 스월 베인형 습분 분리장치.
6. 제3항에 있어서,
   상기 스월 베인은 상기 증기유로의 길이 방향을 따라 복수 개가 이격되어 구비되는 스월 베인형 습분 분리장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 복수 개의 스월 베인 중 서로 다른 스월 베인에 구비되는 블레이드는 수평면에 대해 이루는 각도가 서로 다르게 형성되는 스월 베인형 습분 분리장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 스월 베인은 상기 외부관이 상기 내부관을 감싸는 영역에 구비되는 스월 베인형 습분 분리장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 라이저의 상단부에는 상기 액막통과홀을 통과한 액막이 측 방향으로 배출되도록 하는 탄젠트 노즐이 형성된 스월 베인형 습분 분리장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 라이저의 상단부에는 상부로 건증기가 배출되도록 하며, 상기 내부관보다 직경이 작게 형성되는 오리피스가 형성되는 스월 베인형 습분 분리장치.

Images