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System zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie
Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische
Energie mittels eines durch einen inBetrieb befindlichenAtomreaktor mit Hilfe einer Umwälzeinrichtung umgewälzten, insbesondere gasförmigen Wärmeaustauschmediums.
Seit Bestehen von Atomreaktoren wurden zahlreiche Schritte in Richtung einer wirtschaftlichen Um- wandlung der von solchenAtomreaktoren gelieferten thermischen Energie in elektrische Energie gemacht. Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems liegt letzthin in hohen Arbeitstemperaturen und der direkten Dampferzeugung, wobei die Energie des Dampfes in Hochleistungsdampfturbinen ausgenutzt wird. Dies hat in der Reaktortechnik gegenwärtig zur Entwicklung von gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren geführt, die, zusammen mit entsprechenden Dampfturbinen, in der Lage sind, elektrische Energie unter Be- dingungen zu erzeugen, die gegenwärtig und in absehbarer Zukunft den Erfordernissen hinsichtlich der
Kapazität der Anlagen und den Bedürfnissen der Verbraucher genügen.
In solchen Kraftwerken können Hochtemperaturreaktoren verwendet werden, wie sie beispielsweise in den USA-Patentschriften Nr. 3138,, 535, Nr. 3, 201, 320 und Nr. 3,201, 321 beschrieben sind.
In Atomkraftwerken wird im allgemeinen ein in einem von einem gasförmigen Kühlmittel, wie Helium, Kohiendioxyd od. dgL, durchstromten DruckgefaB eingeschlossener Atomreaktor verwendet, wobei durch das Kühlmittel die im Reaktor freigesetzte Wärmeenergie aus dem Reaktor abgezogen wird. Das bei seiner Umwälzung durch den Reaktorkern aufgeheizte Kühlgas wird einem Dampfkessel zugeführt, in dem die aus dem Reaktor abgeführte Wärmeenergie zur Erzeugung überhitzten Dampfes ausgenutzt wird.
Der so erhaltene Dampf wird sodann einem aus einer Dampfturbine und einem Stromgenerator bestehenden Aggregat zugeführt. Hiebei wird beispielsweise entsprechend der brit. Patentschrift Nr. 879, 260 im Dampfkessel innerhalb getrennter Leitungssysteme hochgespannter und niedergespannter erhitzter Dampf erzeugt, wobei der hochgespannte Dampf der Hochdruckturbine und der niedergespannte Dampf der ersten einer Anzahl von in Serie geschalteten Niederdruckturbinen zugeführt wird und der von einer Niederdruckturbine zur folgenden Niederdruckturbine strömende Dampf durch Heisswasser aufgeheizt wird, welches im Kreislauf durch den Dampfkessel gefördert wird.
Es ergibt sich so bei mit relativ niedriger Temperatur betriebenen Reaktoren eine einigermassen gute Wärmeausnutzung, jedoch ist die Steuerung einer solchen Anlage im Hinblick auf die voneinander unabhängigen Leitungssysteme für hochgespannten Dampf, niedergespannten Dampf und Heisswasser kompliziert, wozu noch kommt, dass die von diesem Energieumwandlungssystem nach aussen abgebbare elektrische Leistung deshalb verringert wird, weil die Umwälzeinrichtung für das durch den Reaktor umgewälzte Kühlgas in der Regel elektrisch angetrieben wird, um den Aufbau des Dampfkessels nicht noch komplizierter zu machen. In der brit.
Patentschrift Nr. 844,408 ist bereits vorgeschlagen worden, das Gebläse für die Umwälzung des Kühlgases für denReaktor durch eine Dampfturbine anzutreiben, welche mit ihrem Einlass an der Leitung-für überhitzten hochgespannten Dampf und mit ihrem Auslass an der Leitung fur niedergespannten Sattdampf liegt, wobei die Hochdruckturbine des Stromerzeugungsaggregates mit ihrem Auslass in eine Zwischenstufe der
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Niederdruckturbine endet.
Bei dieser Anordnung ist es zwar möglich, in Anbetracht des Antriebes des Gebläses für das Kühlgas mittels einer Dampfturbine den auf die mehrfache Energieumwandlung zuruckzu- führenden Energieverlust geringer zu halten als bei der obenerwähnten bekannten Anordnung, jedoch ist auch hier die Steuerung des Energieumwandlungssystems in Abhangigkeit von der dem Energieumwandlungssystem entnommenen Leistung imHinblick auf die im wesentlichen voneinander getrennten Systeme für überhitzten, hochgespannten Dampf und überhitzten, niedergespannten Dampf, schwierig.
Die Erfindung bezweckt nun, die oben genannten Nachteile von Systemen zur Umwandlung von aus Atomreaktoren stammender thermischer Energie in elektrische Energie zu vermeiden. Ein System zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie mittels eines durch einen in Betrieb befindlichen Atomreaktor mit Hilfe einer Umwälzeinrichtung umgewälzten, insbesondere gasförmigen Wärme-
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den Reaktor aufweist, an den Reaktor pro Kühlschleife ein Dampfgenerator derart angeschlossen ist, dass das durch den Reaktor geförderte Kühlmedium durch den Dampfgenerator strömt, jeder Dampfgenerator eine Vorwärmstrecke und eine Überhitzerstrecke aufweist und an die Überhitzerstrecke des bzw.
der Dampfgeneratoren eine die Umwandlung der Dampfenergie in elektrische Energie bewirkende Energiewandlereinrichtung angeschlossen ist, von der zu jeder Vorwärmstrecke eine Vorwärmleitung führt, und in
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Ktthischleifeeinrichtung vorgesehen ist, ist nun gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlereinrichtung zumindest zwei mitBezug auf den Strömungsweg des Dampfes in Serie geschaltete Dampfmotoren aufweist undein Dampfmotor, mit Ausnahme des letzten Dampfmotors, mit seinemDampfauslass an eine Vorwärmleitung angeschlossen ist, in welche eine in an sich bekannter Weise die Umwälzenrichtung für das Wärmeaustauschmedium antreibende Dampfturbine geschaltet ist, wobei die Vorwärmstrecke mit ihrem Auslass an den Einlass eines folgenden Dampfmotors angeschlossen ist.
Zweckmässig ist die Anordnung derart getroffen, dass von den inserie geschaltetendampfmotoren dieersten beidendampf- motoren Dampfturbinen sind und diese Dampfturbinen eine gemeinsame Welle besitzen. Bei der erfin-
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der Umwälzeinrichtung für das Kühlmedium des Reaktors, Vorwärmstrecke und anschliessende Nieder- druckturbinen der Energiewandlereinrichtung, liegt die die Umwälzeinrichtung für das Wärmeaustauschmedium antreibende Dampfturbine an einer für die von derTurbine zu lösende Aufgabe besonders günstigen Stelle, an welcher für diese Abdampfturbine stets eine ausreichendeMenge an Dampfenergie zur Ver- fügung steht, wozu noch kommt, dass, weil in dieser Abgasturbine noch relativ hochgespannter Dampf zur Verarbeitung kommt, mit einer Abgasturbine gedrängte Bauart gearbeitet werden kann,
was mit dazu beiträgt, dass erfindungsgemässe Systeme zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie auch dort verwendet werden können, wo nur wenig Platz zur Verfügung steht. Erfindungsgemässe Systeme zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie sind aber auch leicht steuerbar, da bei einer Änderung der Last, in welchem Falle die Überschussreaktivität des Reaktors entsprechend verändert wird, lediglich ein einziger Dampfkreislauf zusätzlich entsprechend beeinflusst werden muss.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigenFig. 1 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsge- mässen Energieumwandlungssystems und Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung einer in der Ausführungsform gemäss Fig. l verwendeten, durch eine Dampfturbine angetriebenen Umwälzeinrichtung.
Die Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Energieumwandlungssystems, in welchem eine Anzahl durch Dampfturbinen angetriebenerUmwälzeinrichtungen für das Kühlgas in Serie geschaltet sind. Mittels dieser Umwälzeinrichtungen ist es möglich, die gewünschte Umwälzgeschwindigkeit des Kühlgases durch eine Anzahl in Parallelschaltung durch den Atomreaktor geführter Kühlschlangen auf den gewünschten Wert zu bringen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das von der durch dieDampfturbine angetriebenenUmwaIzeinrichtung umgewâlzteKuhIgas ilber parallelgeschaltete Kühlschlangen einem Dampfgenerator zugeführt, wobei je ein Dampfgenerator in jeder Kuhlschlange angeordnet ist, so dass Dampf erzeugt wird.
Der von den Dampfgeneratoren erzeugte Dampf wird gesammelt und einer Hochdruckturbine zugeführt, die im Hauptdampfturbinensystem verwendet wird, das elektrische Energie erzeugt.
Nach Entspannung in der Hochdruckturbine gelangt der Dampf durch eine Anzahl parallelgeschalteter Vorwärmleitungen in Vorwärmstrecken innerhalb eines jeden der verwendeten Dampfgeneratoren. Jede der Dampfturbinen, welche eine Umwälzeinrichtung antreibt, liegt in Serie in einer der kalten Vorwärmleitungen. Der die Vorwärmstrecken der Dampfgeneratoren verlassende Dampf wird gesammelt und über Mittel- undNiederdruckturbinen des die elektrische Energie erzeugendenHauptdampfturbinensystems
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geleitet. Der Abdampf der Niederdruckturbinen gelangt wie üblich zu einem Kondensator, und das Kondensat fliesst über die erforderlichen Speisewasservorwärmer und Speisewasserpumpen zu den Dampfgeneratoren, womit der Wasserkreislauf geschlossen ist.
Die folgende, ins einzelne gehende Beschreibung des erfindungsgemässen Energieumwandlungssystems bezieht sich auf gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren, wie sie beispielsweise in den oben erwähnten USA -Patentschriften erläutert sind. Es soll mit Nachdruck erwähnt werden, dass das beschriebene Energieumwandlungssystem als solches hinsichtlich der erzielbaren elektrischen Ausgangsleistung in keiner Weise beschränkt ist. Um einen gegebenen Leistungsbedarf zu decken, braucht lediglich die Zahl der im Re- aktor parallelgeschalteten Kühlschleifen und/oder die Kapazität derselben vergrössert zu werden, wobei weiterhin jeder Kühlschleife ihre eigene, durch eine Dampfturbine angetriebene Umwälzeinrichtung für das Gas und ihr eigener Dampfgenerator und Vorwärmer zugeordnet ist.
In Fig. 1 der Zeichnungen sind zwei solcher Kühlschlangen dargestellt, jedoch wird zwecks Vereinfachung der Erläuterung der Erfindung nur eine derselben beschrieben.
In Fig. 1 trägt der Atomreaktor das Bezugszeichen 10. Wie bereits erwähnt, ist dieser Reaktor 10 vorzugsweise ein Hochtemperaturreaktor, welcher mit einem Kühlgas, beispielsweise Helium, betrieben
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durch den Reaktorkern strömte und die während des Betriebes des Reaktors im Kern desselben erzeugte Wärme aufgenommen hat, aus dem Reaktor abströmen kann. Das Kühlmittel strömt durch das Energieumwandlersystem über den Einlassstutzen 11, die innerhalb des Reaktors 10 angeordneten Kühlka- näle, den Auslassstutzen 12, den Dampfgenerator 13 und die Dampfturbine eines von dieser Dampfturbine angetriebenen Gebläses 14, welches entweder ein Zentrifugalgebläse oder ein Axialgebläse sein kann.
Das über den Auslassstutzen 12 aus dem Reaktor 10 ankommende erhitzte Kühlgas wird dem Dampfgenerator 13 zugeführt. Der Dampfgenerator ist so bemessen, dass die im Kühlmittel gespeicherte Wärme in Dampf übergeführt wird, und der Dampfgenerator kann einer der zahlreichen Typen sein, welche eine Überhitzerstrecke 16 über eine Vorwärmstrecke 17 aufweisen.
Der aus der Überhitzerstrecke 16 des Dampfgenerators 13 abströmende Dampf wird über ein in üblicher Weise ausgebildetes Rohrleitungssystem 18 einer Hochdruckturbine 19 zugeführt. Wie später noch beschrieben wird, stellt die Hochdruckturbine 19 eine der mehreren im Dampfkreislauf verwendeten, zur Erzeugung elektrischer Energie aus der im Reaktor 10 erzeugten Wärmeenergie verwendetenTurbinen dar. Der durch die Turbine 19 geführte und diese Turbine antreibende Dampf wird hiebei partiell entspannt und aus der Turbine abgeblasen. Anschliessend gelangt der Abdampf dieser Turbine durch ein in geeigneter Weise ausgebildetes Rohrleitungssystem 21 in eine nachgeschaltete Dampfturbine 22, welche das Gebläse 14 antreibt, und dann zur Vorwärmstrecke 17 im Dampfgenerator.
Wie gezeigt, ist die Abdampfturbine 22 mit dem Gebläse 14 direkt gekuppelt und liegt in der von der Hochdruckturbine 19 zu der Vorwärmstrecke 17 des Dampfgenerators führenden Abdampfleitung, in welche relativ kalter Dampf führt. Die das Gebläse antreibende Abdampfturbine 22 ergibt bei dieser Anordnung einen relativ hohen Wirkungsgrad, kann als relativ kompakte Antriebsturbine ausgebildet werden, und die Möglichkeit einer Beschädigung der Turbine ist weitgehend verringert, da der ihr zugeführte Dampf trocken und im wesentlichen frei von Feuchtigkeit ist.
Die Vorwärmstrecke 17 dient dazu, den in der Hochdruckturbine 19 und der nachgeschalteten Abdampfturbine 22 teilweise entspannten Dampf zu überhitzen, wodurch die Energieausnutzung weiter verbessert wird.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird der in der Überhitzerstrecke 17 überhitzte Dampf über einentsprechend ausgebildetesrohrleitungssystem 23 einer Mitteldruckturbine 24 zugeführt, die mit der Hochdruckturbine 19 auf gemeinsamer Welle 26 läuft und ebenso wie die übrigen Teile des turboelektrischen Aggregates herkömmlicher Bauart ist. Auch die übrigen Baueinheiten des Hauptturbinensystems und derSpeisewasserförderung sind typisch fürKraftanlagen der angegebenen Art, in welchem Dampf wieder aufgeheizt bzw. vorgewärmt wird. Dementsprechend wird die bauliche Anordnung der verschiedenen Baueinheiten innerhalb des gesamten Systems allgemein beschrieben, jedoch können ohne weiteres verschiedenste Typen von Baueinheiten in diesem System vorgesehen werden.
Wie gezeigt, sind die beiden Auslässe aus der Turbine 24 über Rohrleitungen 27,28 und 29 mit einem Paar Niederdruckturbinen 31 und 32 verbunden, welche auf einer gemeinsamen Welle 33 lau- fen. Diese Turbinen 19 und 24, welche vorzugsweise in einem nicht dargestellten gemeinsamen Gehäuse
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untergebracht sind, treiben einen mit der Welle 26 gekuppelten Stromgenerator. In gleicherWeise treiben die Niederdruckturbinen 31 und 32 einen weiteren, mit einem Ende der Welle 33 gekuppelten Stromgenerator 36.
Der Dampf relativ niedrigen Druckes, welcher die Niederdruckturbinen 31 und 32 verlässt, gelangt über ein Rohrleitungssystem 37 zu einem Dampfkondensator 38, aus welchem das dort anfallende Kondensat zusammen mit die normalerweise auftretenden Wasserverluste kompensierendem Zusatzwasser über das Rohrleitungssystem 39 dem Dampfgenerator 13 zugeführt wird. In der Speise- wasserrohrleitung 39 ist eine Kondensatförderpumpe 40, eine Anzahl regenerativer Speisewasservorwärmer (einer derselben dargestellt und mit dem Bezugszeichen 41 versehen) und eine Speisewasserpumpe 42 angeordnet.
Fig. 2 zeigt schematisch die wesentlichen Merkmale einer Ausführungsform eines durch eine Dampfturbine angetriebenen Gebläses für die Umwälzung des Kühlgases durch den Atomreaktor 10 und den Dampfgenerator 13. Die Turbine 22 ist innerhalb eines isolierten Gehäuses 46 angeordnet, das mit dem das Gasgebläse 14 aufnehmenden Gehäuse 47 verbunden ist oder mit diesem einen Teil bildet. Im Gehäuse 47 ist auch das Drucklager 48 untergebracht, von welchem ein Teil auf der die Dampfturbine mit dem Gebläse 14 verbindenden Welle 49 getragen ist. Die die Turbine 22 und das Gebläse verbindende Welle 49 ist auf nicht dargestellten geeigneten Lagern abgestützt.
Obwohl in Fig. 2 die Dampfturbine 22 und das Gebläse 14 direkt miteinander verbunden und eng aneinander liegend dargestellt sind, so können doch, wie leicht einzusehen ist, die Turbine und das Gebläse auf getrennten Wellen laufen und über Kupplungsglieder miteinander verbunden sein. Es wird jedoch eine direkte Kupplung von Gebläse und Turbine vorgezogen, wobei die Welle 49 die Turbinenschaufeln 50 trägt. Während der Dampf über die realtiv kalte Leitung von der Hochdruckturbine zur Vorwärmstrecke strdmt, wird die Welle 49 und damit direkt auch der Läufer 51 des Gebläses 14 in Drehung versetzt. Wie dargestellt, wirken mit den Schaufeln des Läufers 51 des Gebläses 14 Leitschaufeln 52 zusammen. Die dem Gebläse 14 erteilte Drehbewegung liefert die zur Umwälzung des Kühlmittels entlang des oben beschriebenen Weges erforderliche Energie.
Hiebei gelangt das Kühlmittel durch den Dampfgenerator 13, tritt über den Einlass 53 in das Gebläse ein und strömt aus dem Gebläse über einen mit dem Einlass 11 des Atomreaktors 10 in Verbindung stehenden Diffusor 54 ab.
Obwohl gemäss der schemtaischen Darstellung nach Fig. 1 das von der Dampfturbine angetriebene Gebläse vom die Vorwärmstrecke 17 enthaltenden Dampfgenerator 13 getrennt dargestellt ist,
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gekuppelte Gebläse direkt an den Dampfgenerator angebaut ist bzw. alle drei Teile eine Baueinheit bilden.
Gemäss einer bevorzugtenAusführungsform der Erfindung liefert der vom Reaktor 10 mit erhitztem Kühlgas versorgte Dampfgenerator Dampf mit einer Temperatur von etwa 5350C und einem Druck von etwa 168 kg/cm. Nach der Entspannung in der Hochdruckdampfturbine besitzt der Dampf einen Druck von etwa 48 kg/cm 2 am Eingang der Abdampfturbine 22. Nach Entspannung in der Abdampfturbine 22 beträgt der Dampfdruck etwa 35 kg/cm. Der Dampf gelangt sodann in die Vorwärmstrecke, in welcher er auf etwa 5350 C erhitzt wird, und sodann weiter zu den Mitteldruck- und zu den Niederdruckturbinen, nach Verlassen derselben er kondensiert und wieder in den Kreislazf zurückgeführt wird.
Aus Obigem ergibt sich, dass durch die Erfindung ein verbessertes, zusammen mit Atomreaktorenzu verwendendes Energieumwandlungssystem geschaffen wird. Dieses System ist so aufgebaut, dass die gewünsche hohe Arbeitstemperatur eingehalten und zur wirtschaftlichen Dampferzeugung unter auf moderne Hochleistungs-Dampfturbinenaggregate anwendbaren Bedingungen möglich wird. Dieses Ergebnis wird durch ein, durch eine Dampfturbine angetriebenes Gebläse gedrängter Bauart und relativ niedriger Gestehungskosten erreicht, mittels welchem die für die Umwälzung eines Gases durch den Reaktor, welches diesem Wärme entzieht, erforderliche Gebläseleistung und Umwalzgeschwindigkeit erzielbar ist.
Darüber hinaus wird durch die Anordnung der Dampfturbine in der kalten Vorwärmleitung des Dampfkreislaufes ein hoher Wirkungsgrad der Dampfturbine erzielt.
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