(57)【要約】【課題】キャリーアンダー性能を広範囲な運転条件下で改善可能な気水分離器を提供する。【解決手段】第１ピックオフリング５ａの内径を従来よりも大きくし、第２内筒３ｂの入口部にラッパー管２０を設ける。第１ピックオフリング径を大きくすることで第１排水流路８ａに流れ込む排水量を減らすことができ、第１排水流路８ａから排出される蒸気量も抑制される。また、第２内筒３ｂの入口部に設けたラッパー管により、第１ピックオフリング５ａをオーバーフローした液膜は第２内筒３ｂ内壁に誘導され、管中央を流れる気液二相流（主に蒸気）は流路が狭まることにより旋回の度合いが大きくなることが期待できる。本発明での気水分離器構造により、第１排水流路８ａからの排水量を減らし、第２排水流路８ｂからの排水量を増やすことができ、キャリーオーバー性能を悪化させること無く、キャリーアンダーを改善することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタンドパイプと、該スタンドパイプよりも流路面積が大きい内筒と、これらスタンドパイプと内筒とをつなぐディフューザと、該ディフューザ内に設置され、前記スタンドパイプ内を流れる気液二相流に旋回力を付与するスワラーと、前記内筒の外部を取り囲むように配置され、前記内筒との間に前記気液二相流から分離された液膜を外部へ排出するための排水流路を形成する外筒と、前記排水流路の入口部分に設けられたピックオフリングとからなる気水分離機構を、前記気液二相流の流れ方向に複数段配置してなる気水分離器において、
前記気液二相流の流れ方向に関して最も上流側に配置された第１段目の気水分離機構とその下流側に配置された第２段目の気水分離機構との間に、前記第１段目の気水分離機構に備えられたピックオフリングをオーバーフローした液膜を前記第２段目の気水分離機構に備えられた内筒の内壁に誘導する液膜誘導手段を備えたことを特徴とする気水分離器。
【請求項２】
前記液膜誘導手段として、前記第１段目の気水分離機構側の直径が小さく、前記第２段目の気水分離機構側の直径が大きいラッパー管を設けたことを特徴とする請求項１に記載の気水分離器。
【請求項３】
前記第２段目の気水分離機構に備えられた内筒に、前記液膜誘導手段により前記第２段目の気水分離機構に備えられた内筒の内壁に誘導された液膜を、前記第２段目の気水分離機構に備えられた排水流路に導くスリットを開設したことを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の気水分離器。
【請求項４】
前記第１段目の気水分離機構に備えられたピックオフリングに、前記第１段目の気水分離機構に備えられた内筒の内壁に沿って上昇してきた液膜を、前記第２段目の気水分離機構に備えられた内筒の内壁に導くスリットを開設したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の気水分離器。
【請求項５】
前記第１段目の気水分離機構に備えられたピックオフリングを、前記気液二相流の流れ方向の下流側に湾曲形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の気水分離器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉で発生した蒸気を冷却水から分離する気水分離器に係り、特に、沸騰水型原子炉に好適な気水分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
改良型沸騰水型原子炉（以下、ＡＢＷＲという）に用いられている従来の気水分離器を、図９を用いて説明する。気水分離器は、冷却材が炉心で加熱され沸騰することにより生成される蒸気と水との気液二相流を、蒸気と水に分離するためのものである。従来の気水分離器は、この図に示すように、スタンドパイプ１、スワラー２、内筒３、外筒４、ピックオフリング５、ディフューザ６により構成される。スタンドパイプ１から流入した気液二相流は、スワラー２により旋回力を与えられ、遠心分離作用により密度の大きい水が外側に押し出され、密度の小さい蒸気が中心に集まる。外側に押し出された水は、内筒３とピックオフリング５のギャップ７から内筒３と外筒４で形成された排水流路８を通って炉水１６に戻される。ＡＢＷＲの場合、かかる気水分離機構を気液二相流の流れ方向に沿って３段設けて、気水分離器を構成している。図９に示すように、各段の対応する部分には、符号ａ，ｂ，ｃを付して区別している。
【０００３】
気水分離器の気液分離性能は、キャリーオーバーとキャリーアンダーで評価される。すなわち、気水分離器に導入された気液二相流の分離が不十分な場合には、液の一部が液滴状になって蒸気に混入したまま蒸気排出流路から排出される。キャリーオーバーは、蒸気排出流路から排出される分離液の蒸気に対する重量比を表わし、その比が大きければそれだけ湿った蒸気が蒸気乾燥器に導かれることになるので、蒸気乾燥器で湿分が充分に除湿されなかった場合には、タービン翼を損傷する恐れがある。一方、液排出流路から蒸気が気泡状になって分離液とともに流出する場合があり、その蒸気の分離液に対する重量比をキャリーアンダーという。キャリーアンダーが大きければそれだけ気泡状の蒸気が分離液とともにダウンカマに流れ込みインターナルポンプあるいはジェットポンプ（沸騰水型原子炉：ＢＷＲの場合）にキャビテーションを生じさせる恐れがある。つまり、気水分離器の性能としては、キャリーオーバーおよびキャリーアンダーが共に小さいもの程優れている。
【０００４】
第１ピックオフリング５ａの内径（以下、これを「第１ピックオフリング径」という。）は、気水分離器の性能に大きく影響する。図１０に第１ピックオフリング径とキャリーオーバー/キャリーアンダー特性との関係を示す。第１ピックオフリング径が大きいと、排水される量が少なくなるため、キャリーオーバー性能が悪くなり、第１ピックオフリング径が小さいと、排水される冷却水に含まれる蒸気量が増えるため、キャリーアンダー性能が悪くなる。ピックオフリング径の選定にあたっては、ある程度のキャリーオーバー性能を満たすピックオフリング径を選定し、第１排水流路８ａに設置されている流量制限体９により排水量を調整して、キャリーアンダー性能を確保している。
【０００５】
このようなピックオフリング径の選定方法では、炉水位がある特定の水位となる特定の運転条件でキャリーオーバー性能およびキャリーアンダー性能が最適化される。広範囲の運転条件においてキャリーオーバー性能及びキャリーアンダー性能が最適化されるように、従来より、炉水位が高く、第１排水流路出口８ａにかかる静水圧が大きいときに、排水路に設置されている流量制限体９の抵抗値を小さくして、炉水位の影響を受けにくい気水分離器構造とする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
また、今後国内で予定されている既設炉の出力向上等においては、気水分離器入口部でのクオリティ（全質量流量に対する蒸気質量流量の割合）が大きくなるため、第２排水流路８ｂからの排水量が増えることにより、気水分離器の外側からのキャリーオーバーが増大することが想定される。このキャリーオーバーを抑制するため、第２内筒と第２外筒に多数の流路孔を設け、第２内筒と第２外筒との間にデミスターを充填させ、そのデミスターで気液分離させることにより、蒸気クオリティが大きい場合でも気水分離器周りの水面に蒸気が衝突して発生する液滴を無くし、キャリーオーバーを低減する気水分離器も従来より提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平７−１５１８９２号公報
【特許文献２】特開２００４−２４５６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１にあるように、運転条件の変化による流量制限体９の抵抗値の変化のみで排水量を一定に保つ構造においては、流量制限体９の抵抗値が想定値ほど大きくならないとき、排水量を過剰に多くしてキャリーアンダー性能を悪化させる可能性もある。
【０００８】
一方、既設炉の出力向上等においては、気水分離器の入口部でのクオリティが大きくなるため、気水分離器自体からのキャリーオーバー性能は現行を維持しうると考えられるが、蒸気量が増えるためキャリーアンダー性能の維持が重要となってくる。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、キャリーアンダー性能を広範囲な運転条件下で改善可能な気水分離器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、第１に、スタンドパイプと、該スタンドパイプよりも流路面積が大きい内筒と、これらスタンドパイプと内筒とをつなぐディフューザと、該ディフューザ内に設置され、前記スタンドパイプ内を流れる気液二相流に旋回力を付与するスワラーと、前記内筒の外部を取り囲むように配置され、前記内筒との間に前記気液二相流から分離された液膜を外部へ排出するための排水流路を形成する外筒と、前記排水流路の入口部分に設けられたピックオフリングとからなる気水分離機構を、前記気液二相流の流れ方向に複数段配置してなる気水分離器において、前記気液二相流の流れ方向に関して最も上流側に配置された第１段目の気水分離機構とその下流側に配置された第２段目の気水分離機構との間に、前記第１段目の気水分離機構に備えられたピックオフリングをオーバーフローした液膜を前記第２段目の気水分離機構に備えられた内筒の内壁に誘導する液膜誘導手段を備えるという構成にした。
【００１１】
かかる構成によると、第１段目の気水分離機構とその下流側に配置された第２段目の気水分離機構との間に液膜誘導手段を備えるので、第１段目のピックオフリングをオーバーフローした液膜を第２段目の内筒の内壁に誘導することができて、第２段目の気水分離機構による気水分離性能が良くなるため、第１段目の排水流路からの排水量を減らすことができる。ＡＢＷＲの通常運転時には、第１排水流路出口のみが炉水位位階は位置されているため、第１段目の気水分離機構からの排水中に含まれる蒸気がキャリーアンダーの大部分を占めることになるので、第１段目の排水流路からの排水量を減らすことでキャリーアンダーを抑制できる。よって、広範囲な運転条件下で、気水分離器のキャリーアンダー性能を良好な状態に改善することができる。
【００１２】
本発明は第２に、前記第１の気水分離器において、前記液膜誘導手段として、前記第１段目の気水分離機構側の直径が小さく、前記第２段目の気水分離機構側の直径が大きいラッパー管を設けるという構成にした。
【００１３】
ラッパー管は、一端の直径が他端の直径よりも大きく形成された管体である。大径側の端部を第２段目の気水分離機構側に向けて、この管体を第１段目の気水分離機構と第２段目の気水分離機構との間に配置すると、第１段目のピックオフリングをオーバーフローした液膜を第２段目の内筒の内壁に円滑に誘導できるので、第２段目の気水分離機構による気水分離性能が良くなるため、第１段目の気水分離機構からの排水量を減らすことができて、気水分離器のキャリーアンダー性能を良好な状態に改善することができる。
【００１４】
本発明は第３に、前記第１及び第２の気水分離器において、前記第２段目の気水分離機構に備えられた内筒に、前記液膜誘導手段により前記第２段目の気水分離機構に備えられた内筒の内壁に誘導された液膜を、前記第２段目の気水分離機構に備えられた排水流路に導くスリットを開設するという構成にした。
【００１５】
かかる構成によると、第２段目の内筒の内壁に誘導された液膜を、スリットを通して速やかに第２段目の排水流路に導くことにより、第２段目の気水分離機構による気水分離性能が良くなるため、第１段目の気水分離機構からの排水量を減らすことができ、キャリーアンダー性能をよくすることができる。
【００１６】
本発明は第４に、前記第１乃至第３の気水分離器において、前記第１段目の気水分離機構に備えられたピックオフリングに、前記第１段目の気水分離機構に備えられた内筒の内壁に沿って上昇してきた液膜を、前記第２段目の気水分離機構に備えられた内筒の内壁に導くスリットを開設するという構成にした。
【００１７】
かかる構成によると、第１段目の内筒の内壁を上昇してきた液膜中に含まれる蒸気の一部が、第１段目のピックオフリングに開設されたスリットを通って第２段目の内筒に抜けやすくなるので、第１段目の排水流路に混入する蒸気量が減り、キャリーアンダー性能がよくなる。
【００１８】
本発明は第５に、前記第１乃至第４の気水分離器において、前記第１段目の気水分離機構に備えられたピックオフリングを、前記気液二相流の流れ方向の下流側に湾曲形成するという構成にした。
【００１９】
かかる構成によると、ピックオフリングを気液二相流の流れ方向の下流側に湾曲形成するので、第１段目の内筒の内壁を上昇してきた液膜中に含まれる蒸気の一部が、第２段目の内筒に導かれやすくなるので、第１段目の排水流路に混入する蒸気量が減って、キャリーアンダー性能がよくなる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、気液二相流の流れ方向に関して最も上流側に配置された第１段目の気水分離機構とその下流側に配置された第２段目の気水分離機構との間に、第１段目の気水分離機構に備えられたピックオフリングをオーバーフローした液膜を第２段目の気水分離機構に備えられた内筒の内壁に誘導する液膜誘導手段を備えるので、第１段目の気水分離機構の排水量を減らし、第２段目の気水分離機構の排水量を増やすことができるので、キャリーアンダー性能を広範囲な運転条件下で改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る気水分離器の実施形態を説明するに先立ち、気水分離器が備えられるＡＢＷＲの構成を、図１により説明する。図１に示すように、ＡＢＷＲは、熱を発生する炉心１０、炉心１０を取り囲むシュラウド１１およびシュラウドヘッド１２、シュラウドヘッド１２に取り付けた複数の気水分離器１３、その上方にある蒸気乾燥器１４、圧力容器１５内の冷却材１６を循環させるインターナルポンプ１７を備えている。インターナルポンプ１７によって炉心１０に送り込まれた冷却材１６は、炉心１０で加熱されて沸騰し、蒸気と水の気液二相流となる。この気液二相流は、気水分離器１３で蒸気と水に分離される。分離された蒸気には湿分が含まれているので、蒸気乾燥器１４で湿分がさらに取り除かれ、乾き度を増した蒸気は、主蒸気配管１８を通って図示しないタービンに送られる。
【００２２】
次に、第１実施形態に係る気水分離器を、図２乃至図５を用いて説明する。本実施形態に係る気水分離器は、図９に示した従来の気水分離器と同様に、スタンドパイプ１、スワラー２、内筒３、外筒４、ピックオフリング５、ディフューザ６を備えており、これらの各部材からなる気水分離機構が気水二相流の流れ方向に３段設けられている。そして、本例の気水分離器においては、第１ピックオフリング５ａの下流部で、第２内筒３ｂの入口部に、第１ピックオフリング５ａ側の直径が小さく、第２内筒３ｂ側の直径が大きいラッパー管２０が備えられている。なお、第１ピックオフリング５ａの内径は、ラッパー管２０を有しない従来の設定値よりも大きく設定される。
【００２３】
スタンドパイプ１から流入した気液二相流はスワラー２により旋回力を与えられ、遠心分離作用により密度の大きい水が外側に押し出され、密度の小さい蒸気が中心に集まる。外側に押し出された水は、第１内筒３ａと第１ピックオフリング５ａのギャップ７ａから第１内筒３ａと第１外筒４ａで形成された第１排水流路８ａを通って炉水１６に戻される。
【００２４】
本例の気水分離器においては、第１ピックオフリング５ａの内径を大きく設定しているので、第１排水流路８ａに流れ込む排水量は少なくなり、したがって、排水中に含まれる蒸気量も少なくなって、広範囲な運転条件下においてキャリーアンダー性能を改善することができる。
【００２５】
前記のように、第１ピックオフリング径を大きくすると、キャリーオーバー性能は悪くなる。キャリーアンダー性能は、第１排水流路のみが炉水位以下に配置されているため、概ね第１段目で決まるが、キャリーオーバー性能は、第２段目、第３段目で排水されれば気水分離器全体としてのキャリーオーバー性能は維持される。したがって、本実施形態では、第１ピックオフリング径を大きくすることで第１排水流路に流れ込む排水量を減らし、キャリーアンダー性能をあらゆる運転条件下で改善できるようにすると共に、第２段目以降での気水分離量を増加する構成となっている。
【００２６】
図４に、従来構造の気水分離器内の流動状況を三次元気液二相流解析にて求め、第１ピックオフリング５ａ付近の蒸気の体積割合を可視化した結果を示す。第１内筒３ａの内壁を上昇する液膜は、第１ピックオフリング部をオーバーフローする際、中央部へと向かう力が付与されるため、水の一部は液膜から剥がれ、蒸気中に液滴として飛散し得る。また、液膜自体も、第２内筒３ｂの内壁に寄る力は弱くなるため、液膜厚さは第２内筒３ｂの下部で厚くなる。
【００２７】
第１ピックオフリング径を大きくすると、第１排水流路８ａに流れ込む排水量が減るため、上記のような傾向はさらに強まり、キャリーオーバー量が増えると考えられるが、液膜から液滴として飛散する量を減らし、液膜が第２内筒３ｂの内壁に寄る作用力を強くすることで、第２段目での排水量を増やすことができ、気水分離器全体としての気水分離性能は維持される。
【００２８】
本例の気水分離器においては、第１ピックオフリング５ａをオーバーフローした液膜は、図３に示すように、第２内筒３ｂの入口に備えられたラッパー管２０と第１ピックオフリング５ａとのギャップ部７ａを流れ、第２内筒３ｂの内壁に誘導される。したがって、従来構造のときのように、第１ピックオフリング５ａ部をオーバーフローした液膜からの管中央への液滴飛散は抑制される。
【００２９】
また、管中央部を液滴を含む蒸気が上昇していくが、ラッパー管２０を通る際、流路が狭くなるため、スワール数（旋回の度合いを表す無次元数。旋回による角運動量／（主流方向運動量×流路内径）で定義される。）が大きくなることから、蒸気と蒸気中に含まれる液滴との分離作用の増加、および、第２内筒３ｂ管壁を流れる液膜を管壁に押さえつける効果が増大することが期待でき、第２ピックオフリング５ｂで排水される水量を増やせる可能性がある。
【００３０】
このように、第１実施形態に係る気水分離器は、第１排水流路８ａからの排水量を減らして、第２排水流路８ｂからの排水量を増やすことができるので、広範囲な運転条件下でも、キャリーオーバー性能を維持しつつ、キャリーアンダーを抑制することができる。
【００３１】
なお、前記実施形態においては、ラッパー管２０として、内面及び外面が滑らかに湾曲形成されたものを用いたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、図５に示すように、円筒形部分の下流側に円錐形部分を設けてなる液膜誘導体２１を用いることもできる。
【００３２】
次に、第２実施形態に係る気水分離器の構造を、図６を用いて説明する。本例の気水分離器は、第２内筒３ｂの下端部にスリット２２を設けたことを特徴とする。その他については、第１実施形態に係る気水分離器と同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
第２実施形態に係る気水分離器においては、第１ピックオフリング５ａをオーバーフローした液膜は、第２内筒３ｂの入口に備えられたラッパー管２０と第１ピックオフリング５ａとのギャップ部を流れ、第２内筒３ｂの内壁に誘導される。誘導された水の一部は、第２内筒３ｂの下端部に設けたスリット２２から第２排水流路８ｂに導かれ、気水分離器外に排水される。なお、ＡＢＷＲの通常運転時には、第２排水流路８ｂの出口は、炉水位よりも上に設定されている。排水される水中に蒸気が混入している場合、排水が炉水に流れ込むときにキャリーアンダーとなる可能性が、キャリーアンダー性能の大部分は第１段目からの排水により決まるため、第２実施形態に関わる気水分離器の構造にて、キャリーアンダーを抑制することができる。
【００３４】
次に、第３実施形態に係る気水分離器の構造を、図７を用いて説明する。本例の気水分離器は、第１ピックオフリングにスリット５’ａを設けたことを特徴とする。その他については、第１実施形態に係る気水分離器と同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して説明を省略する。
【００３５】
第１ピックオフリングにスリットを設けると、図７に示すように、第１内筒３ａの内壁を上昇してきた液膜中に含まれる蒸気の一部がスリット５’ａを通って第２排水流路８ｂに抜けやすくなり、第１排水流路８ａに混入する蒸気量が減るため、キャリーアンダー性能が良くなる。
【００３６】
次に、第４実施形態に係る気水分離器の構造を、図８を用いて説明する。本例の気水分離器は、第１ピックオフリング５’’ａを下流側に湾曲させたことを特徴とする。その他については、第１実施形態に係る気水分離器と同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して説明を省略する。
【００３７】
下流側に湾曲したピックオフリング５’’ａを備えると、第１内筒３ａの内壁を上昇してきた液膜中に含まれる蒸気の一部が、ピックオフリング５’’ａの湾曲部により下流側に導かれやすくなる。そのため、第１排水流路８ａに混入する蒸気量が減り、キャリーアンダー性能を良くすることができる。
【００３８】
なお、前記第１乃至第４の実施形態のいずれにおいても、蒸気及び水の二相流中に液膜誘導体を設置することにより、気水分離器の圧力損失は大きくなる可能性がある。しかし、例えば、既設炉の出力向上等で気水分離器入口部でのクオリティが大きくなるような場合、蒸気量が増えるため、二相流の密度が小さくなり、それに伴い圧力損失は小さくなる。また、蒸気量が増えることにより、キャリーアンダー性能が悪くなる可能性があり、このような場合には、圧力損失が大きくなり得ることを許容して、流れ場中に液膜誘導体を設置することで、キャリーアンダーを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】ＡＢＷＲの内部構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る気水分離器全体の縦断面図である。
【図３】第１実施形態に係る気水分離器の第１ピックオフリング部付近の詳細縦断面図である。
【図４】従来例に係る気水分離器の第１ピックオフリング部付近の流れ場の様子を数値解析により求め、蒸気の体積割合を可視化した図である。
【図５】第１実施形態に係る気水分離器の変形例を示す第１ピックオフリング部付近の詳細縦断面図である。
【図６】第２実施形態に係る気水分離器の第１ピックオフリング部付近の詳細縦断面図である。
【図７】第３実施形態に係る気水分離器の第１ピックオフリング部付近の詳細縦断面図である。
【図８】第４実施形態に係る気水分離器の第１ピックオフリング部付近の詳細縦断面図である。
【図９】従来例に係る気水分離器全体の縦断面図である。
【図１０】第１ピックオフリング径によるキャリーオーバー/キャリーアンダー特性を定性的に説明した図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…スタンドパイプ、２…スワラー、３…内筒、４…外筒、５…ピックオフリング、６…ディフューザ、７…ギャップ、８…排水流路、９…流量制限体、１０…炉心、１１…シュラウド、１２…シュラウドヘッド、１３…気水分離器、１４…蒸気乾燥器、１５…圧力容器、１６…冷却材（炉水）、１７…インターナルポンプ、１８…主蒸気配管、２０…ラッパー管、２１…液膜誘導体、２２…スリット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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