沸騰水型原子炉の蒸気乾燥器及び主蒸気系の流力音響共鳴振動
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カテゴリ: 第6回
1. 緒言
米国沸騰水型原子力プラント (BWR-3) の Quad Cities 2号機では、拡張型出力向上時(17.8%向上) において、 蒸気乾燥器の高サイクル疲労を確認した[1]。これは、 主蒸気系配管(MSL)に設置した蒸気逃し安全弁(SRV) の管台において、音響共鳴による圧力変動が発生し、 蒸気乾燥器まで伝播したためと報告されている。国内 BWR の定格運転においては、同様の事象は発生してい ないが、今後国内で実施される BWR の出力向上を見据 えて、本研究では蒸気乾燥器の健全性を評価できる解 析及び試験手法を開発、高度化中である[2][3][4][5][6]。 その評価手順を図 1 に示す。音源(流動)解析により、 SRV 管台において発生する圧力変動を計算し、音響解 析により、蒸気乾燥器へ伝播する圧力変動を評価する。 その荷重を入力として、構造解析を実施し、蒸気乾燥 器に作用する変動応力を求め、蒸気乾燥器の健全性を 評価する。これらの解析手法は、縮小試験、実機測定結果と比較して高度化を図っている。これら解析及び 試験技術は、プラント機器の振動による高サイクル疲 労の予測に対しても適用することが可能である。一方、 米国で既に実施されている、MS 配管表面のひずみゲ ージ測定をもとにしたドライヤ荷重評価も検討してい る。この場合、MSL の配管表面のひずみ変動から、SRV 管台で発生した MSL 内の圧力変動を評価する。ひずみ ゲージの実測値は出力向上運転時のモニタリングとし ても利用できる。
図2に SRV 管台における音響共鳴現象の概要を示す。 SRV 管台では、蒸気流速を過度に増加すると、音場の 共鳴周波数と、高速の蒸気流による渦放出の周波数が 一致(ロックイン)して、フィードバック現象により 渦放出を促進する自励的な音響共鳴が生じ、強い圧力 変動が発生する。SRV 管台のような単一の閉止分岐管 におけるキャビティートーンの研究は幾つか実施され ているが[7][8]、BWR 主蒸気系のように、SRV 管台が 複数個並んで設置されている場合の音響特性に関して 検討した結果は少ない。また、図3に示すように、SRV 管台の音響共鳴により発生した圧力変動は、蒸気乾燥 器まで伝播して、荷重として作用したと想定している。 しかしながら、米国 BWR で確認した SRV の流力音響 共鳴現象及び蒸気乾燥器への圧力変動の伝播を試験等 で再現した報告は無い。国内でも出力向上が計画され ており、国内で最も多い BWR-5 プラントの主蒸気系に おける音響振動特性の評価が望まれる。ResonanceSoundSRVLock-inVortexStub Pipe VortexSound SourceMSLVelocityFluctuating PressureFig. 2Flow-induced acoustic resonance at the SRV stub pipe.(6m) MINEL-Steam Dome Dryer 3) DryerLoading NozzleFlow|2PropagationFlowFlowMSLSRV Stub PipeJo H H(AcousticSource Fig. 3 BWR steam dome, dryer and MSLs.本研究では、代表的な国内 BWR-5 の蒸気ドーム及び 蒸気乾燥器を模擬した 1/10 縮小空気試験により、複数設置された SRV管台の流力音響共鳴現象及び蒸気乾燥 器に発生する圧力変動を再現するとともに、BWR 主蒸 気系における音の伝播特性を検討した。特に、BWR-5 の出力向上条件における音響共鳴発生の有無を確認し た。また、1/10 縮小空気試験結果と音響解析結果を比 較して、音響解析手法の妥当性を確認した。2. BWR 主蒸気系図4に国内の代表的な BWR-5 主蒸気系を示す。BWR-5 の主蒸気系は、蒸気ドームと MSL で主に構成され、MSL には SRV 管台が複数設置されている。BWR-5 の MSL は、 形状が相違する配管系が 2 系統有り、一方のライン (MSL1 と呼ぶ)では、SRV 管台が3個、他方のライン (MSL2 と呼ぶ)では SRV 管台が 7個設置されている。 MSL2 は複雑な構造をしており、MSL が分岐して閉止さ れたデッドレグと呼ばれる流れの静止した領域が存在 する。そのため、MSL2 では、主蒸気流れが横切る SRV 管台 4個と、流れが静止した部分に設置された管台 3 個が存在する。特に、主蒸気流れが横切る管台は、流 れに励起されて、音源を発生させる。 Steam Dome、MSL Measurement LocationMSL2FlowSRV Stub PipeMSL1-11?RVI SRV2ISRV3Dead Leg SRV4/SRV5 SRVFlowTurbineFig. 4BWR-5 Main Steam Line.3.試験及び解析方法3.1 試験方法 - SRV 管台での流力音響共鳴及び蒸気乾燥器への圧力 変動の伝播を確認するため、図 5(a)に示すような、 BWR-5 主蒸気系の 1/10 縮小試験装置を製作した。 * 本試験装置は国内の代表的な BWR-5 を 1/10 縮小で 模擬しており、蒸気ドーム、蒸気乾燥器、20 体の SRV 管台を有する MSL の 4系統を模擬した。本試験では、 常温、常圧の空気を試験体へ圧縮機で供給した。流調526バルブや圧縮機で発生するノイズを低減するため、試 験体前後にサイレンサを設置した。蒸気ドーム、蒸気 乾燥器及び MSL 表面、SRV 管台の先端に圧力センサ を設置し、SRV 管台で発生、伝播した圧力変動を測定 した。測定圧力の 0.1%以下の最小分解能を有する圧力 センサを構造物表面に合わせて設置した。試験時の流 体条件を把握するため、温度、圧力及び流量(図中記 号、T、P、F)を測定した。また、単一の SRV 管台の 音響共鳴現象を評価するため、図 5(b)に示すように、 直管に単一 SRV 管台を設置して試験を実施した。SilencerAirEmissionHeader B1x4MSL.Pressure SensorDryerSRV StubPipeRegulatingSilencer| PT ValveDead LegSteam DomeCompressor (3000m3/h)(a) BWR-5 main steam system testAccumulatorPressure SensorSRV StubPDAir DischargeEPO(3000m3 Regulating ValveSilencer (b) Single SRV stub test Fig. 5 Schematic diagram of 1/10-scale test apparatus.3.2 解析方法本研究では、SRV 管台で発生する圧力変動の現象を 解明するため、流動(音源)解析を実施した。解析に は、格子ボルツマン法 (LBM) を用いた。 解析対象は、 図5(b)に示すような単一の SRV 管台を模擬した分岐管 であり、主管出入口境界を無反射とした[6]。また、MSL から蒸気乾燥器への圧力変動(音)の伝 播を評価するため、3 次元波動方程式による音響解析 を実施した。図6に本研究で用いた音響解析モデルの外観図(中心断面を表示)を示す。約10万のメッシュ でBWR 蒸気ドーム及び蒸気乾燥器を模擬した解析モ デルを作成した。また、試験結果と比較し、解析手法 の妥当性を確認するため、1/10 縮小試験装置のスケー ル及び流体条件を模擬した。本解析では、縮小空気試 験で得られた圧力変動を MSL での入口入力条件とし て、蒸気乾燥器に伝播する圧力変動を非定常音響解析 で求め、蒸気乾燥器フード表面の圧力変動の試験結果 と比較した。なお、入力した圧力の変動周波数は SRV 管台における共鳴周波数である。スケールと圧力変動 の波長の比は実機と一致させた。また、境界は全反射 条件とした。(600mm)InputDryer1/10-Scale BWR Test SizeFig. 6Computational grids for acoustic analysis.4.試験及び解析結果4.1 解析による音源評価 * 強く共鳴する St=0.4(但し、St=fal/U, f : 管台共鳴周 波数,d: 管台内径,u: MSL 平均流速)の条件で音源 解析を実施した結果を、図7に示す。図7は SRV 管台 付け根部周りの 2 次元解析結果(圧力と渦度分布)で ある。本解析により、流れのはく離により生じる高い 渦度と渦と壁面の作用による圧力変動の発生を確認で きた。このように、SRV 管台で発生する圧力変動を LBM による解析により再現することが可能である。SRV Stub PipeHigh. FlowVortexLow(a) Pressure distribution (b) Vorticity distributionFig. 7 Sound source analysis.5274.2 試験による単一 SRV 管台の音源評価図8(a)に、試験で得られた St が 0.69 及び 0.44 におけ る、単一 SRV 管台の圧力の時間変動波形を、図8(b)に St が 0.44 におけるパワースペクトル密度(PSD)を示 す。図中の圧力変動は、SRV 管台の天端(図2の弁体 設置部)で測定した試験結果であり、流れの動圧で無 次元化した。また、図 8(b)の周波数は、SRV 管台の共 鳴周波数で規格化した。図 8(a)のように、SE が 0.69 で は、圧力変動の振幅は小さく、比較的ランダムな波形 であった。一方、過度に配管内の流速を増加した条件 (St =0.44)では、分岐管長さの 1/4 波長に相当する周 波数で共鳴し、強い圧力変動が発生した。また、図8(b) に示すように、St が 0.44 では、SRV 管台の共鳴周波数 (F1)で顕著な圧力変動のピークを確認できた。|_ 2sSt=Q.44 )St=30.44Pressure [-]time [s]St =0.69(a) Time variation of Pressure102100St=0.44St=0.44NPSD [-]2019/10/062019/10/0810-10111.50.5 |Frequency [-] (b) PSDBWR Operating ConditionFluctuating Pressure [-]Increasing of Velocity0 0.5 1.0 1.5 2.0St(c) Influence of St Fig.8 Fluctuating pressure in single SRV stub pipe.次に、圧力変動の強さに及ぼす S (MSL 流速)の影響 を検討した結果を図 8(C)に示す。縦軸の圧力変動(標 準偏差)は、流れの動圧で無次元化した。図 8(C)に示 すように、過度に流速を増加(St を低下)すると、急 激に圧力変動が大きくなり、その振幅は流れの動圧に まで達することを確認した。すなわち、過度に流速を 増加した SE が 0.6 以下の条件では音響共鳴現象が発生 し、0.6以上の St では明確な共鳴現象は生じなかった。 また、国内 BWR を模擬した SRV 管台では、圧力変動 のピークは、St が約 0.4 の条件で発生しており、Selamet やZiada の閉止分岐管の結果[7][8]と類似している。 4.3 試験による複数 SRV 管台の音源評価次に、図4の MSL のように、SRV 管台が複数設置 された場合の音源特性を評価した。図9に St を変化さ せた場合における SRV 管台先端(図2弁体部に設置) の圧力変動の標準偏差を示す。BWR Operating ConditionFluctuating Presssure [-]OSRV1 OSRV2 A SRV3 O Single SRV100.5 st [-]1.5(a) MSL 1うBWR Operating ConditionFluctuating Presssure [-]O SRV4 ロ SRV5 A SRV6 ◆ SRV7 o Single SRVof on 20090 900_160 1.5 0.5st [-] 。(b) MSL 2 Fig. 9 Characteristics of fluctuating pressure of SRV stubs.528図中の各 SRV 番号(SRV1~SRV7)に対する測定場所 は、図4に表示している。なお、単管における値も参 考に示しており、縦軸の値は単管における最大値で規 格化した。図9に示すように、SRV 管台を複数設置し た場合でも、SE が 0.6 から 0.7 以下になると、急激に圧 力変動が増加し、SE が 0.3 から 0.4 の範囲内でピークと なる。この音響共鳴による圧力変動の急増は、流れが 横切る全ての SRV 管台で発生している。また、St が約 0.3 になると急激に圧力変動が低下しはじめる。また、 単管の場合に比較して、共鳴時の圧力変動値が大きく なり、共鳴領域が若干拡大している。これは、SRV 管 台の数が増加するほど、SRV 管台同士が相互に強く反 射、共鳴し、圧力変動振幅が増加するとともに、SRV 多管の共鳴モードの複数化により、共鳴周波数領域が 拡大した可能性がある[4]。また、図9中に BWR-5 の 実機定格から115%出力向上条件の領域を赤色で示す。 BWR 出力向上時の条件では、SRV 管台を複数設置して も、明確な共鳴現象は生じていない。 4.4 試験によるBWR 主蒸気系の音の伝播評価次に、SRV 管台で発生した圧力変動が MSL を通じ てドライヤまで伝播した結果を示す。図 10 に試験で得 られた SRV 管台先端、MSL 及び蒸気乾燥器フードの 中心(SRV 管台先端と MSL の評価点は図4 参照)に おける、圧力の時間変動波形を示す。過度に流速を増 加した St が 0.34 における最大圧力変動発生時の結果で ある。なお、図中の縦軸は動圧で無次元化した。図 10(a) に示す SRV 管台で発生した圧力変動は、振幅を減衰し ながら、MSL(図 10(b)参照)を通じて、図 10(C)に示 すように、蒸気乾燥器フード表面まで伝播した。これ らの場所で測定した圧力変動の周波数は、SRV 管台の 共鳴周波数と一致した。このように、主蒸気系の各場 所において、同様の周波数の圧力変動を確認でき、SRV 管台で発生した圧力変動が主蒸気系全体に伝播してい ることを確認した。図11 に共鳴時に SRV 管台で生じた圧力変動のドラ イヤフードまでの振幅変化を示す。SRV 管台で生じた 100%の圧力変動の振幅(rms 値)は MSL(MSL の 4 系統の平均)で5%弱、フード(5点平均、図中参照) で 2%弱まで低下した。SRV 管台から MSL の減衰は、 面積比 (SRV 管台断面積/MSL 断面積)の約 1/2 (SRV 管台から MSL 上流側と下流側の2方向へ伝播するた め)に相当する値であった。ーSRV1CSRV2-SRV3Pressure [-]NININION LIMIT10.005Time [s](a) Top of evaluated SRV stub pipePressure [-]Time [s](b) Main steam line0.40.2TPressure [-]Time [s]-0.2-0.4L(c) Center of evaluated outer dryer hood Fig. 10 Fluctuating pressure (St=0.34).Dryer HoodFluctuating Pressure [%]Evaluated LocationSt%3D0.34SRV StubMSLDryer HoodFig. 11 Variation of intensity of fluctuating pressure.4.5 BWR 主蒸気系の音の伝播解析 - 音響解析により、MSL から蒸気乾燥器への圧力変動 の伝播を評価した。図 12 に SE が 0.34(SRV 管台)の 共鳴時における蒸気ドームの圧力分布を示す。図 14 に 示すように、 MSL 内の圧力変動は蒸気ドーム内に伝 播し、蒸気乾燥器フード表面に圧力変動として作用し た。特に、赤点線で示すノズル近傍の外周側の蒸気乾 燥器(ドライヤフード)において、比較的高い周期的 な圧力変動を確認した。529Pressure [-]+ HighLowt%3D5mst%3D10mst =15mst%3D20ms Fig. 12 Pressure distribution on steam dome.4.6 ドライヤ荷重評価図13に音響解析で得られたフード表面の圧力分布を 示す。図 13 に示すように、圧力はドライヤ表面におい て時間変化し、ドライヤに変動荷重として作用した。 また、蒸気乾燥器フード表面5点(図 13 右上の緑点) における圧力変動の平均値を試験と解析で比較した結 果を示す。試験及び解析結果で確認できるように、左 下側のノズル近傍のフード表面において圧力変動が高 い。これは、SRV 管台が多数設置された MSL 側(MSL2) のノズル近傍に位置するためである。また、MSL 内の 平均変動圧力を 100%とした場合、解析結果は平均 7.5%の差で試験結果と一致した。5.結言BWR 主蒸気系を模擬した縮小試験及び解析手法に より、SRV 管台の流力音響共鳴、蒸気乾燥器への圧力 変動の伝播、及び荷重を確認し、以下の結論を得た。 1) BWR-5 の出力向上条件では、SRV 管台で流力音響共鳴は発生しない。一方、0.6以下の S(過度に 流速を増加した場合)では、SRV 管台において流 力音響共鳴現象が発生し、流れの動圧以上の強い圧力変動が生じる。 2) 単一SRVに比較して、BWR主蒸気系の複数 SRVにより、圧力変動の振幅は数倍増加する。また、共鳴する St の領域も僅かに増加する。 3) SRV 管台で発生した圧力変動は、振幅を減衰して蒸気乾燥器まで伝播する。MSL 内の平均変動圧力を 100%とした場合、音 響解析は 7.5%の差で BWR-5 の縮小試験結果と一 致する。Pressure [-]+ HighメントおDryer101t%3D0- Low15.3% 32.6%20.1% \59.6% 34.5%た入/4Evaluated Location\31.6%....28.8% 00.396*365.9% 33.4% ド入/2 (a) Analysis(b) Tests Fig. 13 Pressure distributions (analysis results).参考文献 [1] G DeBoo, K. Ramsden and R. Gesior, “Quad Cities Unit2 Main Steam Line Acoustic Source Identification andload Reduction““, ICONE14-89903, 2006. [2] Ohtsuka, M., et al., “Study on Acoustic Resonance andits Damping of BWR Steam Dome”, ICAPP'06-6186,2006. [3] Takahashi, S., et al., “Experimental Study of Acousticand Flow-Induced Vibrations in BWR Main Steam Lines and Steam Dryers” ASME PVP 2008-61318,2008. [4] Takahashi, S., et al., “Characteristics of FluctuatingPressure generated in BWR Main Steam Lines”ICAPP'09-9030, 2009. [5] Morita, R., et al., ““Numerical Simulations of PressureFluctuations at Branch Piping in BWR Main Steam Line” ICAPP'09-9372, 2009.D. S. Weaver and g 0. MacLeod, “Entrance Port Rounding Effects on Acoustic Resonance in Safety Relief Valves“, ASME, PVP, Vol.389, 1999, pp. 291-297. [6] 田村明紀、他3名、“格子ボルツマン法による BWR主蒸気系の流体励起音響共鳴現象評価”、機械学会関西支部第 84 期総会予稿集、2009、pp.1111. [7] S. Ziada, “A Flow Visualization Study of Flow-AcousticCoupling at the Mouth of a Resonant Side-Branch“,ASME PVP Vol. 258, 1993, pp35-59. [8] B. D. Knotts and A. Selamet, “Suppression ofFlow-Acoustic Coupling in Sidebranch Ducts by Interface Modification“, J. Acoust. Soc. Vol. 265, No. 5, 2003, pp1025-104.530“ “?沸騰水型原子炉の蒸気乾燥器及び主蒸気系の流力音響共鳴振動“ “高橋 志郎,Shiro TAKAHASHI,奥山 圭太,Keita OKUYAMA,田村 明紀,Akinori TAMURA,大塚 雅哉,Masaya OHTSUKA,吉川 和宏,Kazuhiro YOSHIKAWA,椿 正昭,Masaaki TSUBAKI,馬渕 靖宏,Yasuhiro MABUCHI
米国沸騰水型原子力プラント (BWR-3) の Quad Cities 2号機では、拡張型出力向上時(17.8%向上) において、 蒸気乾燥器の高サイクル疲労を確認した[1]。これは、 主蒸気系配管(MSL)に設置した蒸気逃し安全弁(SRV) の管台において、音響共鳴による圧力変動が発生し、 蒸気乾燥器まで伝播したためと報告されている。国内 BWR の定格運転においては、同様の事象は発生してい ないが、今後国内で実施される BWR の出力向上を見据 えて、本研究では蒸気乾燥器の健全性を評価できる解 析及び試験手法を開発、高度化中である[2][3][4][5][6]。 その評価手順を図 1 に示す。音源(流動)解析により、 SRV 管台において発生する圧力変動を計算し、音響解 析により、蒸気乾燥器へ伝播する圧力変動を評価する。 その荷重を入力として、構造解析を実施し、蒸気乾燥 器に作用する変動応力を求め、蒸気乾燥器の健全性を 評価する。これらの解析手法は、縮小試験、実機測定結果と比較して高度化を図っている。これら解析及び 試験技術は、プラント機器の振動による高サイクル疲 労の予測に対しても適用することが可能である。一方、 米国で既に実施されている、MS 配管表面のひずみゲ ージ測定をもとにしたドライヤ荷重評価も検討してい る。この場合、MSL の配管表面のひずみ変動から、SRV 管台で発生した MSL 内の圧力変動を評価する。ひずみ ゲージの実測値は出力向上運転時のモニタリングとし ても利用できる。
図2に SRV 管台における音響共鳴現象の概要を示す。 SRV 管台では、蒸気流速を過度に増加すると、音場の 共鳴周波数と、高速の蒸気流による渦放出の周波数が 一致(ロックイン)して、フィードバック現象により 渦放出を促進する自励的な音響共鳴が生じ、強い圧力 変動が発生する。SRV 管台のような単一の閉止分岐管 におけるキャビティートーンの研究は幾つか実施され ているが[7][8]、BWR 主蒸気系のように、SRV 管台が 複数個並んで設置されている場合の音響特性に関して 検討した結果は少ない。また、図3に示すように、SRV 管台の音響共鳴により発生した圧力変動は、蒸気乾燥 器まで伝播して、荷重として作用したと想定している。 しかしながら、米国 BWR で確認した SRV の流力音響 共鳴現象及び蒸気乾燥器への圧力変動の伝播を試験等 で再現した報告は無い。国内でも出力向上が計画され ており、国内で最も多い BWR-5 プラントの主蒸気系に おける音響振動特性の評価が望まれる。ResonanceSoundSRVLock-inVortexStub Pipe VortexSound SourceMSLVelocityFluctuating PressureFig. 2Flow-induced acoustic resonance at the SRV stub pipe.(6m) MINEL-Steam Dome Dryer 3) DryerLoading NozzleFlow|2PropagationFlowFlowMSLSRV Stub PipeJo H H(AcousticSource Fig. 3 BWR steam dome, dryer and MSLs.本研究では、代表的な国内 BWR-5 の蒸気ドーム及び 蒸気乾燥器を模擬した 1/10 縮小空気試験により、複数設置された SRV管台の流力音響共鳴現象及び蒸気乾燥 器に発生する圧力変動を再現するとともに、BWR 主蒸 気系における音の伝播特性を検討した。特に、BWR-5 の出力向上条件における音響共鳴発生の有無を確認し た。また、1/10 縮小空気試験結果と音響解析結果を比 較して、音響解析手法の妥当性を確認した。2. BWR 主蒸気系図4に国内の代表的な BWR-5 主蒸気系を示す。BWR-5 の主蒸気系は、蒸気ドームと MSL で主に構成され、MSL には SRV 管台が複数設置されている。BWR-5 の MSL は、 形状が相違する配管系が 2 系統有り、一方のライン (MSL1 と呼ぶ)では、SRV 管台が3個、他方のライン (MSL2 と呼ぶ)では SRV 管台が 7個設置されている。 MSL2 は複雑な構造をしており、MSL が分岐して閉止さ れたデッドレグと呼ばれる流れの静止した領域が存在 する。そのため、MSL2 では、主蒸気流れが横切る SRV 管台 4個と、流れが静止した部分に設置された管台 3 個が存在する。特に、主蒸気流れが横切る管台は、流 れに励起されて、音源を発生させる。 Steam Dome、MSL Measurement LocationMSL2FlowSRV Stub PipeMSL1-11?RVI SRV2ISRV3Dead Leg SRV4/SRV5 SRVFlowTurbineFig. 4BWR-5 Main Steam Line.3.試験及び解析方法3.1 試験方法 - SRV 管台での流力音響共鳴及び蒸気乾燥器への圧力 変動の伝播を確認するため、図 5(a)に示すような、 BWR-5 主蒸気系の 1/10 縮小試験装置を製作した。 * 本試験装置は国内の代表的な BWR-5 を 1/10 縮小で 模擬しており、蒸気ドーム、蒸気乾燥器、20 体の SRV 管台を有する MSL の 4系統を模擬した。本試験では、 常温、常圧の空気を試験体へ圧縮機で供給した。流調526バルブや圧縮機で発生するノイズを低減するため、試 験体前後にサイレンサを設置した。蒸気ドーム、蒸気 乾燥器及び MSL 表面、SRV 管台の先端に圧力センサ を設置し、SRV 管台で発生、伝播した圧力変動を測定 した。測定圧力の 0.1%以下の最小分解能を有する圧力 センサを構造物表面に合わせて設置した。試験時の流 体条件を把握するため、温度、圧力及び流量(図中記 号、T、P、F)を測定した。また、単一の SRV 管台の 音響共鳴現象を評価するため、図 5(b)に示すように、 直管に単一 SRV 管台を設置して試験を実施した。SilencerAirEmissionHeader B1x4MSL.Pressure SensorDryerSRV StubPipeRegulatingSilencer| PT ValveDead LegSteam DomeCompressor (3000m3/h)(a) BWR-5 main steam system testAccumulatorPressure SensorSRV StubPDAir DischargeEPO(3000m3 Regulating ValveSilencer (b) Single SRV stub test Fig. 5 Schematic diagram of 1/10-scale test apparatus.3.2 解析方法本研究では、SRV 管台で発生する圧力変動の現象を 解明するため、流動(音源)解析を実施した。解析に は、格子ボルツマン法 (LBM) を用いた。 解析対象は、 図5(b)に示すような単一の SRV 管台を模擬した分岐管 であり、主管出入口境界を無反射とした[6]。また、MSL から蒸気乾燥器への圧力変動(音)の伝 播を評価するため、3 次元波動方程式による音響解析 を実施した。図6に本研究で用いた音響解析モデルの外観図(中心断面を表示)を示す。約10万のメッシュ でBWR 蒸気ドーム及び蒸気乾燥器を模擬した解析モ デルを作成した。また、試験結果と比較し、解析手法 の妥当性を確認するため、1/10 縮小試験装置のスケー ル及び流体条件を模擬した。本解析では、縮小空気試 験で得られた圧力変動を MSL での入口入力条件とし て、蒸気乾燥器に伝播する圧力変動を非定常音響解析 で求め、蒸気乾燥器フード表面の圧力変動の試験結果 と比較した。なお、入力した圧力の変動周波数は SRV 管台における共鳴周波数である。スケールと圧力変動 の波長の比は実機と一致させた。また、境界は全反射 条件とした。(600mm)InputDryer1/10-Scale BWR Test SizeFig. 6Computational grids for acoustic analysis.4.試験及び解析結果4.1 解析による音源評価 * 強く共鳴する St=0.4(但し、St=fal/U, f : 管台共鳴周 波数,d: 管台内径,u: MSL 平均流速)の条件で音源 解析を実施した結果を、図7に示す。図7は SRV 管台 付け根部周りの 2 次元解析結果(圧力と渦度分布)で ある。本解析により、流れのはく離により生じる高い 渦度と渦と壁面の作用による圧力変動の発生を確認で きた。このように、SRV 管台で発生する圧力変動を LBM による解析により再現することが可能である。SRV Stub PipeHigh. FlowVortexLow(a) Pressure distribution (b) Vorticity distributionFig. 7 Sound source analysis.5274.2 試験による単一 SRV 管台の音源評価図8(a)に、試験で得られた St が 0.69 及び 0.44 におけ る、単一 SRV 管台の圧力の時間変動波形を、図8(b)に St が 0.44 におけるパワースペクトル密度(PSD)を示 す。図中の圧力変動は、SRV 管台の天端(図2の弁体 設置部)で測定した試験結果であり、流れの動圧で無 次元化した。また、図 8(b)の周波数は、SRV 管台の共 鳴周波数で規格化した。図 8(a)のように、SE が 0.69 で は、圧力変動の振幅は小さく、比較的ランダムな波形 であった。一方、過度に配管内の流速を増加した条件 (St =0.44)では、分岐管長さの 1/4 波長に相当する周 波数で共鳴し、強い圧力変動が発生した。また、図8(b) に示すように、St が 0.44 では、SRV 管台の共鳴周波数 (F1)で顕著な圧力変動のピークを確認できた。|_ 2sSt=Q.44 )St=30.44Pressure [-]time [s]St =0.69(a) Time variation of Pressure102100St=0.44St=0.44NPSD [-]2019/10/062019/10/0810-10111.50.5 |Frequency [-] (b) PSDBWR Operating ConditionFluctuating Pressure [-]Increasing of Velocity0 0.5 1.0 1.5 2.0St(c) Influence of St Fig.8 Fluctuating pressure in single SRV stub pipe.次に、圧力変動の強さに及ぼす S (MSL 流速)の影響 を検討した結果を図 8(C)に示す。縦軸の圧力変動(標 準偏差)は、流れの動圧で無次元化した。図 8(C)に示 すように、過度に流速を増加(St を低下)すると、急 激に圧力変動が大きくなり、その振幅は流れの動圧に まで達することを確認した。すなわち、過度に流速を 増加した SE が 0.6 以下の条件では音響共鳴現象が発生 し、0.6以上の St では明確な共鳴現象は生じなかった。 また、国内 BWR を模擬した SRV 管台では、圧力変動 のピークは、St が約 0.4 の条件で発生しており、Selamet やZiada の閉止分岐管の結果[7][8]と類似している。 4.3 試験による複数 SRV 管台の音源評価次に、図4の MSL のように、SRV 管台が複数設置 された場合の音源特性を評価した。図9に St を変化さ せた場合における SRV 管台先端(図2弁体部に設置) の圧力変動の標準偏差を示す。BWR Operating ConditionFluctuating Presssure [-]OSRV1 OSRV2 A SRV3 O Single SRV100.5 st [-]1.5(a) MSL 1うBWR Operating ConditionFluctuating Presssure [-]O SRV4 ロ SRV5 A SRV6 ◆ SRV7 o Single SRVof on 20090 900_160 1.5 0.5st [-] 。(b) MSL 2 Fig. 9 Characteristics of fluctuating pressure of SRV stubs.528図中の各 SRV 番号(SRV1~SRV7)に対する測定場所 は、図4に表示している。なお、単管における値も参 考に示しており、縦軸の値は単管における最大値で規 格化した。図9に示すように、SRV 管台を複数設置し た場合でも、SE が 0.6 から 0.7 以下になると、急激に圧 力変動が増加し、SE が 0.3 から 0.4 の範囲内でピークと なる。この音響共鳴による圧力変動の急増は、流れが 横切る全ての SRV 管台で発生している。また、St が約 0.3 になると急激に圧力変動が低下しはじめる。また、 単管の場合に比較して、共鳴時の圧力変動値が大きく なり、共鳴領域が若干拡大している。これは、SRV 管 台の数が増加するほど、SRV 管台同士が相互に強く反 射、共鳴し、圧力変動振幅が増加するとともに、SRV 多管の共鳴モードの複数化により、共鳴周波数領域が 拡大した可能性がある[4]。また、図9中に BWR-5 の 実機定格から115%出力向上条件の領域を赤色で示す。 BWR 出力向上時の条件では、SRV 管台を複数設置して も、明確な共鳴現象は生じていない。 4.4 試験によるBWR 主蒸気系の音の伝播評価次に、SRV 管台で発生した圧力変動が MSL を通じ てドライヤまで伝播した結果を示す。図 10 に試験で得 られた SRV 管台先端、MSL 及び蒸気乾燥器フードの 中心(SRV 管台先端と MSL の評価点は図4 参照)に おける、圧力の時間変動波形を示す。過度に流速を増 加した St が 0.34 における最大圧力変動発生時の結果で ある。なお、図中の縦軸は動圧で無次元化した。図 10(a) に示す SRV 管台で発生した圧力変動は、振幅を減衰し ながら、MSL(図 10(b)参照)を通じて、図 10(C)に示 すように、蒸気乾燥器フード表面まで伝播した。これ らの場所で測定した圧力変動の周波数は、SRV 管台の 共鳴周波数と一致した。このように、主蒸気系の各場 所において、同様の周波数の圧力変動を確認でき、SRV 管台で発生した圧力変動が主蒸気系全体に伝播してい ることを確認した。図11 に共鳴時に SRV 管台で生じた圧力変動のドラ イヤフードまでの振幅変化を示す。SRV 管台で生じた 100%の圧力変動の振幅(rms 値)は MSL(MSL の 4 系統の平均)で5%弱、フード(5点平均、図中参照) で 2%弱まで低下した。SRV 管台から MSL の減衰は、 面積比 (SRV 管台断面積/MSL 断面積)の約 1/2 (SRV 管台から MSL 上流側と下流側の2方向へ伝播するた め)に相当する値であった。ーSRV1CSRV2-SRV3Pressure [-]NININION LIMIT10.005Time [s](a) Top of evaluated SRV stub pipePressure [-]Time [s](b) Main steam line0.40.2TPressure [-]Time [s]-0.2-0.4L(c) Center of evaluated outer dryer hood Fig. 10 Fluctuating pressure (St=0.34).Dryer HoodFluctuating Pressure [%]Evaluated LocationSt%3D0.34SRV StubMSLDryer HoodFig. 11 Variation of intensity of fluctuating pressure.4.5 BWR 主蒸気系の音の伝播解析 - 音響解析により、MSL から蒸気乾燥器への圧力変動 の伝播を評価した。図 12 に SE が 0.34(SRV 管台)の 共鳴時における蒸気ドームの圧力分布を示す。図 14 に 示すように、 MSL 内の圧力変動は蒸気ドーム内に伝 播し、蒸気乾燥器フード表面に圧力変動として作用し た。特に、赤点線で示すノズル近傍の外周側の蒸気乾 燥器(ドライヤフード)において、比較的高い周期的 な圧力変動を確認した。529Pressure [-]+ HighLowt%3D5mst%3D10mst =15mst%3D20ms Fig. 12 Pressure distribution on steam dome.4.6 ドライヤ荷重評価図13に音響解析で得られたフード表面の圧力分布を 示す。図 13 に示すように、圧力はドライヤ表面におい て時間変化し、ドライヤに変動荷重として作用した。 また、蒸気乾燥器フード表面5点(図 13 右上の緑点) における圧力変動の平均値を試験と解析で比較した結 果を示す。試験及び解析結果で確認できるように、左 下側のノズル近傍のフード表面において圧力変動が高 い。これは、SRV 管台が多数設置された MSL 側(MSL2) のノズル近傍に位置するためである。また、MSL 内の 平均変動圧力を 100%とした場合、解析結果は平均 7.5%の差で試験結果と一致した。5.結言BWR 主蒸気系を模擬した縮小試験及び解析手法に より、SRV 管台の流力音響共鳴、蒸気乾燥器への圧力 変動の伝播、及び荷重を確認し、以下の結論を得た。 1) BWR-5 の出力向上条件では、SRV 管台で流力音響共鳴は発生しない。一方、0.6以下の S(過度に 流速を増加した場合)では、SRV 管台において流 力音響共鳴現象が発生し、流れの動圧以上の強い圧力変動が生じる。 2) 単一SRVに比較して、BWR主蒸気系の複数 SRVにより、圧力変動の振幅は数倍増加する。また、共鳴する St の領域も僅かに増加する。 3) SRV 管台で発生した圧力変動は、振幅を減衰して蒸気乾燥器まで伝播する。MSL 内の平均変動圧力を 100%とした場合、音 響解析は 7.5%の差で BWR-5 の縮小試験結果と一 致する。Pressure [-]+ HighメントおDryer101t%3D0- Low15.3% 32.6%20.1% \59.6% 34.5%た入/4Evaluated Location\31.6%....28.8% 00.396*365.9% 33.4% ド入/2 (a) Analysis(b) Tests Fig. 13 Pressure distributions (analysis results).参考文献 [1] G DeBoo, K. Ramsden and R. Gesior, “Quad Cities Unit2 Main Steam Line Acoustic Source Identification andload Reduction““, ICONE14-89903, 2006. [2] Ohtsuka, M., et al., “Study on Acoustic Resonance andits Damping of BWR Steam Dome”, ICAPP'06-6186,2006. [3] Takahashi, S., et al., “Experimental Study of Acousticand Flow-Induced Vibrations in BWR Main Steam Lines and Steam Dryers” ASME PVP 2008-61318,2008. [4] Takahashi, S., et al., “Characteristics of FluctuatingPressure generated in BWR Main Steam Lines”ICAPP'09-9030, 2009. [5] Morita, R., et al., ““Numerical Simulations of PressureFluctuations at Branch Piping in BWR Main Steam Line” ICAPP'09-9372, 2009.D. S. Weaver and g 0. MacLeod, “Entrance Port Rounding Effects on Acoustic Resonance in Safety Relief Valves“, ASME, PVP, Vol.389, 1999, pp. 291-297. [6] 田村明紀、他3名、“格子ボルツマン法による BWR主蒸気系の流体励起音響共鳴現象評価”、機械学会関西支部第 84 期総会予稿集、2009、pp.1111. [7] S. 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