(57)【要約】【課題】伝熱管にへこみや傷が生じにくく、伝熱管の信頼性および耐久性の低下を防止することができる蒸気発生器を提供することにある。【解決手段】外筒１１と、外筒内に配置され、支持具２８により支持された内筒２１と、内筒内に配設されて逆Ｕ字形状をなす多数の伝熱管２２と、内筒内の下部に固定されて多数の伝熱管の端部を支持する管板１７と、管板から上方に延設されたステーロッド２５により支持されて多数の伝熱管の直管部分を支持する複数の管支持板２４Ａ〜２４Ｇと、外筒に設けられ当該外筒内に給水を送る給水管１６と、内筒内の上部に設けられ、多数の伝熱管内を流れる一次冷却水と前記給水との熱交換で生成した蒸気と熱水を分離する気水分離器２６とを備えた蒸気発生器１０であって、支持具２８が、外筒と内筒の間に配置されると共に、内筒の下部胴２１ａの両端を除く中間部分に配置されるようにした。【選択図】図１
2012145284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空密閉形状をなす外筒と、前記外筒内に配置され、支持具により支持された管群外筒と、前記管群外筒内に配設されて逆Ｕ字形状をなす多数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記外筒内の下部に固定されて前記多数の伝熱管の端部を支持する管板と、前記管板から上方に延設されたステーロッドにより支持されて前記多数の伝熱管の直管部分を支持する複数の管支持板と、前記外筒に設けられ当該外筒内に給水を送る給水管と、前記外筒内の上部に設けられ、前記多数の伝熱管内を流れる熱媒と前記給水との熱交換で生成した蒸気と熱水を分離する気水分離器とを備えた蒸気発生器であって、
前記支持具は、前記外筒と前記管群外筒の間に配置されると共に、前記管群外筒の直管部分の両端を除く中間部分に配置される
ことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項２】
請求項１に記載された蒸気発生器であって、
前記支持具は、以下の（１）式を満足する位置に配置される
ことを特徴とする蒸気発生器。
【数１】
2012145284.tif 000008
ただし、Ｌ１が管群外筒内にて一番上方に配置される管支持板と管板の距離を示し、Ｌ２が管群外筒内にて一番上方に配置される管支持板と支持具の距離を示し、Ｔ１が外筒下部へ溶接後熱処理をしたときにおける外筒と管群外筒の間の空間の温度を示し、Ｔ２がそのときの管群外筒内の温度を示し、Ｔ３がそのときの管板よりも上方部分の外筒の温度を示し、α１がステーロッドの線膨張係数を示し、α２が管群外筒の線膨張係数を示し、α３が外筒の線膨張係数を示す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気発生器に関し、例えば原子力発電設備にて熱交換器として用いられる蒸気発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電設備として、例えば、加圧水型原子力発電プラントでは、原子炉において加熱された一次冷却水を蒸気発生器へ供給している。
【０００３】
上述した蒸気発生器では、中空密閉形状の外筒内に、その内壁面と所定の間隔を有して内筒（管群外筒）が配置され、内筒内には、逆Ｕ字形状をなす多数本の伝熱管が配置されている。外筒の下部には、前記多数本の伝熱管の両端部を支持する管板が配置されている。内筒の高さ方向に沿う複数箇所には管支持板が配置されている。伝熱管の直管部分が管支持板の管穴に挿通されて管支持板により支持されている。管支持板は、複数箇所を多数のステーロッドにより支持され、その周縁部が内筒の内周面に対して固定されている。内筒と外筒の間には、内筒の下端で、かつ、内筒の周方向における所定間隔離間した位置に、複数の支持具（軸方向拘束具）が配置されている。複数の支持具により、内筒が外筒に支持されている。
【０００４】
よって、原子炉にて加熱された一次冷却水は、外筒の下部に形成された水室を通じて多数本の伝熱管に供給される一方、二次冷却水が外筒の上部に配置された給水管から外筒を通じて内筒に供給されると、一次冷却水により二次冷却水を加熱して二次蒸気を生成している。この二次蒸気を外筒の上端部に設けられた主蒸気管を通じて蒸気タービンに供給し蒸気タービンを回転することにより、発電機を駆動するようにしている。
【０００５】
なお、下記特許文献１，２には、管群外筒（ラッパー部）の長手方向における所定間隔離間した位置で、且つ、周方向における所定間隔離間した位置に配置された複数のジャッキ組立体（半径方向支持手段）により胴部に位置決め支持されている蒸気発生器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１４７１３８号公報（例えば、明細書の段落［００２７］、［図１］，［図２］，［図４］など参照）
【特許文献２】特公平７−１８５２２号（例えば、［第１図］，［第２図］など参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した構成の蒸気発生器の製造は、外筒の長手方向を横方向に配置した状態にて行われている。内筒、支持具、管板、管支持板、ステーロッド、伝熱管を外筒の内部に組み付けた後に、溶接処理後の溶接部の健全性確保のための溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を外筒の下部に形成された水室に対して行っている。
【０００８】
例えば、図５に示すように、溶接後熱処理を外筒１０１における管板１０２の近傍に対して行うと、この処理による熱１１０は、外筒１０１の下方側（図中右方向）および上方側（図中左方向）へ伝導している。上述した通り、蒸気発生器を横置きの状態にて溶接後熱処理を行っているため、この熱処理により外筒内の気体（空気）が暖められ、暖められた気体が外筒内の上方に滞留している。この気体の熱を受けて、外筒１０１内に配設される内筒１０３、および内筒１０３内に配置される複数本のステーロッド１０４が加熱される。外筒と内筒の間における上方側の気体は内筒内の気体と比べて高温となっている。すなわち、外筒内にて温度分布が生じている。そのため、内筒１０３における上方に配置される部分の熱伸び量ΔＬ11は、上方側に配置されるステーロッド１０４の熱伸び量ΔＬ12よりも大きくなっている。なお、管板１０２は肉厚が厚い板状部材であるため、熱１１０が管板１０２を介して多数本のステーロッド１０４へはほとんど伝導しない。
【０００９】
ステーロッド１０４では、その下端部が管板１０２に固定されており、上方側に向けて熱伸びすることになる。内筒１０３では、その下端部が支持具１０５により外筒１０１に支持されており上方側に向けて熱伸びすることになる。これらの熱伸びにより、内筒１０３とステーロッド１０４とによって支持される管支持板１０６における、上方側に配置される部分にて、管板１０２から離間する方向へ湾曲する歪みが生じる。特に、内筒内にて一番上方に配置される管支持板１０６にあっては、内筒１０３の熱伸びによる歪みが大きくなっている。
【００１０】
管支持板１０６に歪みが生じると、管支持板１０６の管穴の内面がこの管穴に挿通されている伝熱管に対して傾斜して、管穴の開口端などが伝熱管に押し付けられる。すなわち、伝熱管に対して大きな負荷が加わる。このため、伝熱管にへこみや傷を生じさせてしまう可能性がある。
【００１１】
このように、伝熱管にへこみや傷が生じると、伝熱管の信頼性や耐久性を損ねるので、好ましくない。
【００１２】
以上のことから、本発明は、前述した課題を解決するために為されたもので、伝熱管にへこみや傷が生じにくく、伝熱管の信頼性および耐久性の低下を防止することができる蒸気発生器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決する第１の発明に係る蒸気発生器は、
中空密閉形状をなす外筒と、前記外筒内に配置され、支持具により支持された管群外筒と、前記管群外筒内に配設されて逆Ｕ字形状をなす多数の伝熱管からなる伝熱管群と、前記外筒内の下部に固定されて前記多数の伝熱管の端部を支持する管板と、前記管板から上方に延設されたステーロッドにより支持されて前記多数の伝熱管の直管部分を支持する複数の管支持板と、前記外筒に設けられ当該外筒内に給水を送る給水管と、前記外筒内の上部に設けられ、前記多数の伝熱管内を流れる熱媒と前記給水との熱交換で生成した蒸気と熱水を分離する気水分離器とを備えた蒸気発生器であって、
前記支持具が、前記外筒と前記管群外筒の間に配置されると共に、前記管群外筒の直管部分の両端を除く中間部分に配置される
ことを特徴とする。
【００１４】
上述した課題を解決する第２の発明に係る蒸気発生器は、
第１の発明に係る蒸気発生器であって、
前記支持具が、以下の（１）式を満足する位置に配置される
ことを特徴とする。
【数１】
2012145284.tif 000003
ただし、Ｌ１が管群外筒内にて一番上方に配置される管支持板と管板の距離を示し、Ｌ２が管群外筒内にて一番上方に配置される管支持板と支持具の距離を示し、Ｔ１が外筒下部へ溶接後熱処理をしたときにおける外筒と管群外筒の間の空間の温度を示し、Ｔ２がそのときの管群外筒内の温度を示し、Ｔ３がそのときの管板よりも上方部分の外筒の温度を示し、α１がステーロッドの線膨張係数を示し、α２が管群外筒の線膨張係数を示し、α３が外筒の線膨張係数を示す。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る蒸気発生器によれば、支持具が、外筒と管群外筒の間に配置されると共に、管群外筒の直管部分の両端を除く中間部分に配置されることにより、蒸気発生器を横置きの状態とし、外筒の下部に設けられた水室に対して溶接後熱処理を行っても、従来の蒸気発生器の場合と比べて、管群外筒の上方側への熱伸び量が小さく、管群外筒とステーロッドとの熱伸び差が小さくなる。これにより、管支持板に生じる歪が小さくなり、伝熱管にへこみや傷が生じにくくなり、伝熱管の信頼性および耐久性の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施例に係る蒸気発生器の概略構成図である。
【図２】蒸気発生器を製造するときの説明図である。
【図３】蒸気発生器の水室に対して溶接後熱処理を行ったときの説明図である。
【図４】蒸気発生器の水室に対して溶接後熱処理を行ったときに管支持板に歪みが生じない場合の説明図である。
【図５】従来の蒸気発生器の水室に対して溶接後熱処理を行ったときの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る蒸気発生器について、実施例にて具体的に説明する。
【実施例１】
【００１８】
本発明の第１の実施例に係る蒸気発生器について、図１〜図４を参照して説明する。
【００１９】
本実施例に係る蒸気発生器は、加圧水型原子力発電プラントで用いられる蒸気発生器である。蒸気発生器１０は、図１に示すように、略円筒形状の下部胴１２と、下部胴１２の上端に接続し、上方に向かうに従い拡径する円錐胴１３と、円錐胴１３の上端に接続し、略円筒形状の上部胴１４とで構成される外筒（容器）１１を有している。
【００２０】
下部胴１２の下部には、管板１７が一体的に接続され、外筒１１の下部を塞ぐ状態で配置されている。管板１７は肉厚が厚い板状部材であり、多数の孔が形成されている。
【００２１】
管板１７の下方は仕切板１８により、高温側水室１９と低温側水室２０とに区画されている。
【００２２】
外筒１１の内部には、その内壁面１１ａと所定の間隔を有して内筒（管群外筒）２１が配置されている。内筒２１は略円筒形状の部材であって、直管状をなす下部胴２１ａと、下部胴２１ａの上端に接続し、拡径する部分を有す上部胴２１ｂとで構成される。内筒２１の下部胴２１ａの下端部は、管板１７の近傍まで延設されている。
【００２３】
内筒２１の内部には逆Ｕ字型の伝熱管２２が多数本配置されている。多数本の伝熱管２２により伝熱管群２３を構成している。全ての伝熱管２２の直管部分は内筒２１の下部胴２１ａで囲まれる。各伝熱管２２の逆Ｕ字型に湾曲した部分は上部側に配置されている。各伝熱管２２の下部側の両端は、管板１７に形成された多数の孔に挿入され拡管により固定されて、それぞれ、高温側水室１９と低温側水室２０に接続されている。伝熱管２２の直管部分は、上下方向（内筒２１の高さ方向）にて所定の間隔を有して複数箇所（図示例では７箇所）に配置された略円板形状をなす管支持板２４Ａ〜２４Ｇにより支持されている。具体的には、管支持板２４Ａ〜２４Ｇには多数本の伝熱管２２が挿通するための管穴が形成されており、伝熱管２２の直管部分が管支持板２４Ａ〜２４Ｇの管穴に挿通されて管支持板２４Ａ〜２４Ｇにより支持されている。
【００２４】
管支持板２４Ａ〜２４Ｇは、管板１７から上方に延設された複数本のステーロッド２５（図１では１本のみ図示）により複数箇所を支持されている。管支持板２４Ａ〜２４Ｇの周縁部が、内筒２１の内周面に対して固定されている。よって、管支持板２４Ａ〜２４Ｇにより、伝熱管２２の振動が防止され、多数本の伝熱管２２の間隔が保持される。さらに、地震などにより横荷重が伝熱管２２に作用したときに、この横荷重を管支持板２４Ａ〜２４Ｇにより支えることができる。
【００２５】
上部胴１４の内部における内筒２１の上部には、給水を蒸気と熱水に分離する気水分離器２６が設けられる。上部胴１４の内部における上部には、分離された蒸気の湿分を除去して乾燥蒸気に近い状態とする蒸気乾燥器２７が設けられる。
【００２６】
上部胴１４には、伝熱管群２３と気水分離器２６との間にて、下部胴内に二次冷却水（給水）を送る給水管１６が挿入される。上部胴１４の天井部には、蒸気を排気する主蒸気管（図示せず）が挿入される。
【００２７】
上述した蒸気発生器１０では、原子炉（図示せず）にて加熱された一次冷却水（熱媒）が、高温側水室１９に供給されてから、伝熱管２２内に流通し、低温側水室２０を通って、原子炉に戻るように構成されている。
【００２８】
一方、二次冷却水が、給水管１６を介して、外筒１１と内筒２１との間の空間（ダウンカマー）内に供給されてダウンカマー内を下降し、内筒２１の下端から内筒内に入り内筒内を上昇する。二次冷却水が、内筒内を上昇しつつ流通する際に、伝熱管２２を介して一次冷却水から熱を受けて加熱される。これにより、蒸気が発生し、この蒸気は、気水分離器２６、蒸気乾燥器２７、主蒸気管を通って蒸気タービン（図示せず）に送られる。
【００２９】
上述した蒸気発生器１０にあっては、内筒２１の下部胴２１ａ（直管部分）の上端から距離ｄ１（＜内筒２１の下部胴２１ａの長手方向の長さ）の位置にて、かつ、内筒２１の下部胴２１ａの周方向にて所定間隔離間した位置に支持具（軸方向拘束具）２８が配置される。支持具２８により、内筒２１が外筒１１に支持される。
【００３０】
すなわち、上述した支持具２８は、内筒２１の下部胴２１ａ（直管部分）における端部以外の箇所、つまり、内筒２１の下部胴２１ａの上端部および下端部を除く中間部分に配置される。これにより、上述した従来の蒸気発生器１００、具体的には、支持具１０５を内筒１０３の下端部に設けた場合と比べて、溶接後熱処理による内筒２１の下部胴２１ａの上端における上方側への熱伸び量を小さくすることができる。これは、内筒２１の下部胴２１ａの両端部が自由端となり、内筒２１の下部胴２１ａにて、上端部および下端部にて熱伸びできるからである。よって、端部近傍に固定される管支持板、すなわち、内筒内にて一番上方に配置される（最上段の）管支持板２４Ａ、および内筒内にて一番下方に配置される（最下段の）管支持板２４Ｇでの歪みが小さくなる。その結果、伝熱管２２に加わる負荷が小さくなり、伝熱管２２の信頼性や耐久性を損ねる可能性が低減される。
【００３１】
上述した蒸気発生器１０の製造は、従来の蒸気発生器１００と同様、外筒１１の長手方向を横方向に配置した状態にて行われる。具体的には、図２に示すように、外筒１１の長手方向を横方向に配置し、この状態にて、外筒１１の内部に、拡径部分より下方部分の内筒２１、支持具２８、管板１７、管支持板２４、ステーロッド２５、伝熱管２２、および仕切板などを組み付けた後に、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を水室１９，２０に対して行っている。なお、外筒１１は、下部胴１２と、下部胴１２の上端に接続された円錐胴１３で構成されている。
【００３２】
ここで、溶接後熱処理を管板１７近傍の外筒１１における水室１９，２０を構成する部分に対して行ったときの、内筒２１およびステーロッド２５の熱伸び量について、図３を参照して具体的に説明する。
【００３３】
図３に示すように、溶接後熱処理を管板近傍の外筒１１に対して行うと、この処理による熱３０は、外筒１１の下方側および上方側へ伝導する。上述したように、外筒１１の長手方向を横方向に配置した状態にて溶接後熱処理を行っているため、この熱処理により外筒内の気体が暖められ、暖められた気体が外筒内の上方に滞留する。この気体の熱を受けて、内筒２１およびステーロッド２５が加熱される。外筒１１と内筒２１の間における上方側の気体は内筒内の気体と比べて高温となっている。すなわち、外筒内にて温度分布が生じている。そのため、内筒２１における上方に配置される部分の熱伸び量ΔＬ1は、上方側に配置されるステーロッド２５の熱伸び量ΔＬ2よりも大きくなっている。なお、管板１７自体が厚い部材であるため、熱３０が管板１７を介して多数のステーロッド２５へはほとんど伝導しない。
【００３４】
ステーロッド２５では、その下端部が管板１７に固定されており、上方側（図３にて左側）に向けて熱伸びすることになる。内筒２１では、下部胴２１ａの上端から距離ｄ１にて支持具２８により外筒１１に支持されており、上方側（図３にて左側）に向けて熱伸びすると共に、下方側（図３にて右側）に向けても熱伸びすることになる。これにより、内筒２１における上方側に向けた熱伸び量ΔＬ1を、内筒の下端が支持具により外筒に支持される従来の蒸気発生器の場合における内筒の上方側に向けた熱伸び量ΔＬ11と比べて小さくすることができる。このように内筒２１の上方側に向けた熱伸び量ΔＬ1が小さくなるため、ステーロッド２５の熱伸び量ΔＬ2との差を従来の蒸気発生器の場合と比べて小さくすることができる。これにより、内筒２１とステーロッド２５によって支持される管支持板２４における、上方側に配置される部分にて、管板１７から離間する方向へ湾曲する歪みが従来の場合と比べて小さくなる。特に、内筒内における一番上方に配置される管支持板２４Ａにて、内筒の熱伸びによる歪みが小さくなる。
【００３５】
このように管支持板２４Ａに生じる歪みが小さくなるため、管支持板２４Ａの管穴の内面が伝熱管２２に対して傾斜する傾斜量は小さくなる。これにより、管穴の開口端などが伝熱管２２に押し付けられて伝熱管２２に対して加わる負荷が小さくなる。その結果、伝熱管２２にへこみや傷が生じにくくなり、従来の蒸気発生器の場合と比べて、伝熱管２２の信頼性や耐久性の低下を防止することができる。
【００３６】
また、上述した支持具２８の内筒２１の長手方向における固定箇所は、外筒１１、内筒２１、管支持板２４Ａ〜２４Ｇ、ステーロッド２５などの材質や大きさなどの設計条件に応じて適宜に決定され得る値である。各部材の温度が均一であると仮定し、近似式を用いて上述した支持具２８の固定箇所を求めることができる。具体的には、図４に示すように、外筒下部の箇所に対して溶接後熱処理を行ったとき、外筒１１と内筒２１の間の空間の温度をＴ１℃とし、内筒内の空間の温度をＴ２℃とし、管板上方部分の外筒１１の温度をＴ３℃とする。なお、初期温度をＴ０℃とする。内筒内にて一番上方に配置される（最上段の）管支持板２４Ａと管板１７の距離をＬ１とし、内筒内にて一番上方に配置される（最上段の）管支持板２４Ａと支持具２８の距離をＬ２とする。ステーロッド２５の線膨張係数をα１とし、内筒２１の線膨張係数をα２とし、外筒１１の線膨張係数をα３とする。
【００３７】
このとき、内筒２１と最上段の管支持板２４Ａの接続箇所（最上段の管支持板２４Ａの内筒２１への固定箇所）Ｐ１における熱伸びによる変位Ｕ−ａは、以下の（２）式にて表される。
【００３８】
【数２】
2012145284.tif 000004
【００３９】
最上段の管支持板２４Ａとステーロッド２５の接続箇所Ｐ２における熱伸びによる変位Ｕ−ｂは、以下の（３）式にて表される。
【００４０】
【数３】
2012145284.tif 000005
【００４１】
ここで、位置Ｐ１と位置Ｐ２の変位が等しくなる場合のＬ２（最上段の管支持板２４Ａが傾かない場合のＬ２）は、上述した式（２）と式（３）とが等しくなり、以下の（４）式にて表される。
【００４２】
【数４】
2012145284.tif 000006
【００４３】
この式（４）をＬ２で整理すると、以下の（５）式となる。
【００４４】
【数５】
2012145284.tif 000007
【００４５】
よって、上述した（５）式を満足する位置に支持具２８を配置することにより、内筒２１の上方側への熱伸び量とステーロッド２５の上方側への熱伸び量とが同じになる。そのため、溶射後熱処理を外筒下部に対して行っても最上段の管支持板２４Ａに歪が生じないことから、伝熱管の信頼性や耐久性の低下をより確実に防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る蒸気発生器によれば、管群外筒とステーロッドの熱伸び差が小さくなり、管支持板による伝熱管のディギングを防止することができるため、蒸気発生器を備える加圧水型原子炉にて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０            蒸気発生器
１１            外筒
１２            下部胴
１３            円錐胴
１４            上部胴
１６            給水管
１８            仕切板
１９            高温側水室
２０            低温側水室
２１            内筒
２２            伝熱管
２３            伝熱管群
２４Ａ〜２４Ｇ  管支持板
２５            ステーロッド
２６            気水分離器
２７            蒸気乾燥器
２８            支持具
３０            熱
【図１】
2012145284.tif 000009
【図２】
2012145284.tif 000010
【図３】
2012145284.tif 000011
【図４】
2012145284.tif 000012
【図５】
2012145284.tif 000013