AT345941B

AT345941B - Unterirdischer heisswasserspeicher mit metallischem druckbehaelter

Info

Publication number: AT345941B
Application number: AT654875A
Authority: AT
Original assignee: Laing Nikolaus; Laing Ingeborg; Laing Oliver
Priority date: 1975-08-25
Filing date: 1975-08-25
Publication date: 1978-10-10
Also published as: ATA654875A

Description

Die Erfindung betrifft unterirdische Heisswasserspeicher mit metallischem Druckbehälter, insbesondere als Energiespeicher für Kernreaktoren.

Es ist bekannt, Druckgefässe innerhalb von Kavernen im Felsen oder im Erdreich anzuordnen und die auf die Speicherwandung wirkenden Druckkräfte in den Fels einzuleiten, wodurch sehr dünnwandige Druckbehälter möglich werden. Es wurde weiterhin bereits vorgeschlagen, den Zwischenraum zwischen der Felswandung, die oft nur zu rohen Konturen ausgearbeitet werden kann, und der Gefässwand mit einer inkompressiblen Flüssigkeit auszufüllen.

Obwohl durch die Einleitung der Druckkräfte in den Fels eine Reduktion des Stahlbedarfes auf 1% des Wertes eines oberirdischen Druckgefässes erzielbar ist, kam es nicht zur praktischen Verwirklichung.

Dieser standen fünf Hindernisse entgegen :
1. Zwischen der kräfteaufnehmenden Felswandung und der Behälterwand muss eine Isolation angeordnet sein. Alle Isoliermaterialien sind porös und es sind keine Isolierschichten bekannt, die hohe Temperaturen ertragen und gleichzeitig die ausserordentlich grossen Druckkräfte bis zu
150 kg/cm2 übertragen können.

2. Die sehr starke axiale und radiale Ausdehnung des metallischen Speichergefässes bei der sich nicht ausdehnenden Felskaverne machen eine besondere Wandausbildung erforderlich, bei der die Ausdehnungsdifferenzen sich in dem Bereich auswirken, der der Isolation dienen soll.

Daraus ergibt sich die scheinbar unerfüllbare Forderung, dass die isolierte Wandung einerseits bedeutende Längenänderungen kompensieren soll, während sie anderseits im Hinblick auf die Übertragung der Druckkräfte auf die Felswand extrem unnachgiebig sein sollte.

3. Der hydrostatische Druck der Flüssigkeitsäule wirkt zusätzlich auf das Speichergefäss und bewirkt ladezustandsabhängige Druckänderungen. Der Speichervorgang erfordert einerseits einen Speicherwasservorrat unter Siededruck, anderseits liegt der Speicher tief unter der Erde.

Im Betrieb herrscht deshalb im Speichergefäss ein Druck, der sich aus dem Siededruck einerseits und dem hydrostatischen Druck der nach oben führenden Speicherwasserleitung anderseits ergibt. Da die Aufwärmung und Abkühlung des Speichermediums in der Regel in oberirdisch angeordneten Vorrichtungen erfolgt, ergibt sich die weitere Schwierigkeit, dass die
Flüssigkeitssäule der kalten Leitung einen wesentlich höheren geodätischen Druck erzeugt als die Flüssigkeitssäule in der heissen Leitung.

4. Auch innerhalb des Speichergefässes, das im Hinblich auf die durch die Bergmechanik bedingte
Begrenzung des Durchmessers von Kavernen eine grosse Höhenerstreckung haben sollte, wirkt sich die geodätische Druckdifferenz nachteilig aus, insbesondere, wenn zwischen Gerätewandung und der Felswandung ein fliessfähiges Medium angeordnet wird. Eine Kompensation der innerhalb und ausserhalb des Speichergefässes herrschenden Drücke ist nicht möglich, da die geodätische
Höhendifferenz zwischen dem oberen Bereich des Speichers und dessen Boden eine Druck- differenz erzeugt, die sich proportional mit der vom Ladezustand abhängigen, unterschiedlichen
Dichte der Speicherflüssigkeit ändert.

5. Das Speichergefäss muss in der Kaverne befestigt werden, wobei im Hinblick auf die Abmessun- gen des Schachtes nur schmale Blechschnitte in die Kaverne befördert werden können. Dies erfordert kostspielige und langfristige Handschweissungen.

Gemäss der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, dass der Druckbehälter aus Ringen oder Wendelabschnitten von U-förmigem Profil aus Stahl aufgebaut ist, wobei die vertikal verlaufenden, axial aufeinanderfolgenden U-Abschnitte schmale Spalte zur Kompensation der thermischen Längendehnung zwischen sich einschliessen und dass zwischen der Kavernenwand und dem Stahlbehälter in an sich bekannter Weise Hohlkörper angeordnet sind, die mit Gas gefüllt sind, dessen Druck annähernd dem Druck des eingeschlossenen Heisswassers entspricht.

Das Speichergefäss ist vorteilhaft so aufgebaut, dass es aus schmalen Blechstreifen maschinell gefertigt werden kann. Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Zylinderbereich des Speichergefässes aus U-förmig abgewinkelten Blechstreifen, die mit bekannten Rollformvorrichtungen innerhalb der Kaverne zu Ringen oder zu Ringsegmenten gebogen werden, gefertigt. Die U-Schenkel- bereiche der Ringe weisen zum Gefässinneren und bilden mit der Zylinderwand einen Winkel, der einige Grad weniger als 900 beträgt. Die U-Schenkelringbereiche benachbarter Ringe werden längs der Kanten maschinell miteinander verschweisst.

Im zylindrischen Bereich der U-förmigen Ringe verbleiben hiedurch

axiale Spalte, die grösser gewählt werden als die grösstmögliche wärmedehnungsbedingte Längenzunahme des jeweiligen Ringes. Im oberen Bereich finden Ringe mit ungleich breiten Schenkeln Verwendung, wodurch ein konischer Endbereich entsteht.

Über eine mechanische druckbelastbare Isolationsschicht wird der in der Kaverne hergestellte Zylinder gegen den Boden abgestützt. Zwischen der Bergwand, die z. B. einen Beton-Glattstrich oder aber auch eine Auskleidung aus mit Teer imprägniertem Holz erhält, und der Wandung des Speichergefässes werden zur Isolation ringförmige, dünnwandige Hohlkörper angeordnet, deren radial sich erstreckende Wandungsbereiche auf Kegelmänteln verlaufen. Die dem Speicherbehälter zugewandte Seite wird aus ausreichend wärmebeständigem Material, z. B. Edelstahlblech oder Stahlblech mit galvanischem Überzug hergestellt. Das Innere wird mit einem hochporösen Stoff, wie aufgeschäumtem Glimmer oder Mineralwolle gefüllt.

Jeder der hermetisch dichten Isolierringe wird über eine Druckmindereinrichtung mit einem Pressluft- und einem Pressstickstofftank verbunden. Die Einstellung des Druckes erfolgt für jeden Isolierring unabhängig in Abhängigkeit vom Innendruck des Speichers im zugeordneten geodätischen Höhenbereich. Hiedurch wird eine vollständige Kompensation des betriebsmässig variierenden Innendruckes in den einzelnen Höhenbereichen von beispielsweise 10 m Höhenerstreckung bewirkt.

Da die sich radial erstreckenden Bereiche dieser Isolierringe als Kegelmantelabschnitte ausgebildet sind, deren den unterschiedlichen Radien zugeordnete Ringbereiche unterschiedlichen Betriebstemperaturen entsprechend dem Temperaturgradienten in der Isolation ausgesetzt sind, erfahren diese Isolierringe in Abhängigkeit von der Temperatur des zum Speicherbehälter hinweisenden Wandbereiches eine elastische Verformung zu grösseren Durchmessern hin, während ihre nach aussen weisenden Zylindermäntel, da diese den konstanten Temperaturen des Felsens ausgesetzt sind, keine Verformung erfahren. Die in axialer Richtung erfolgende Längenänderung des inneren Zylinderbereiches der Isolierringe wird durch Sicken abgefangen.

Die durch thermische Konvektion des in den Isolierringen eingeschlossenen, unter hohem Druck stehenden Gases bedingte Wärmeleitung wird erfindungsgemäss durch ein Füllmaterial mit kleinen Porenräumen weitgehend vermieden. Zusätzlich können in Horizontalebenen angeordnete Scheiben aus gasundurchlässigem Material, z. B. Aluminiumfolie, in den Isolierringen angeordnet werden, die im Grenzfall eine Konvektion des Druckgases völlig unterbinden.

In den Zeichnungen, welche eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung zeigt, sind Fig. 1 ein Längsschnitt durch einen Heisswasserspeicher gemäss der Erfindung mit den umliegenden Wandungen einer Kaverne, Fig. 2 ein Längsschnitt durch einen Teil der Speicherwandung gemäss Fig. 1 in grösserem Massstab, Fig. 3 ein Längsschnitt durch eine Wandungsverbindung im Bereich der Kreisringszone gemäss Fig. 2, Fig. 4 ein Längsschnitt durch einen Teil der Isolation des Heisswasserspeichers gemäss Fig. l, Fig. 5 eine schaubildliche Darstellung einer der Isolierringe in kaltem und betriebswarmem Zustand, Fig. 6 ein Schaltbild der Gasversorgung der Isolierringe und Fig. 7 ein Schema zu Verbindung des Heisswasserspeichers mit dem Verdampfer eines Kernreaktors.

Die ausgeschrämmte Wandung --1-- der in einen Berg eingebrachten Kaverne wird mit einem Glattstrich--2--oder einer Holzauflage versehen, so dass nach innen eine hinreichend glatte Wandoberfläche gebildet wird. Der darin aufzubauende Speicherbehälter --3-- besteht aus Ringen, die aus U-förmig profiliertem Blech gebildet sind, wobei die Blechstärke im unteren Bereich stärker gewählt wird als im oberen Bereich des Speicherbehälters. Die Isolierringe --4-- sind als Hohlkörper aus dünnem Blech ausgebildet und mit Pressgas gefüllt. Das Speichergefäss steht auf einer Kiesschüttung --5--, die die Isolation nach unten übernimmt.

Bis annähernd zum Boden des Gefässes reicht eine isolierte Kaltwasserleitung --6--, während eine Warmwasserleitung--7--in den höchsten Bereich des Speicherbehälters mündet. Falls die Speicherflüssigkeit nicht gleichzeitig als Arbeitsflüssigkeit für den Turbinenkreislauf eingesetzt werden soll, ist innerhalb des Speichergefässes ein Wärmetauscher anzuordnen.

Die Kaverne mit dem Schacht --9-- ist durch einen Deckel --8-- nach oben verschlossen. Im Maschinenraum --10-- der Kaverne sind Pumpen, Motore, Turbinen und gegebenenfalls auch Druckkonstanthalter für Pressgas angeordnet. Der Ausgleich des durch Ausdehnung während der Ladephase verdrängten Wasservolumens erfolgt entweder in einer getrennten, als Verdrängungsgefäss mit Gaspolster ausgebildeten Kaverne, die, da sie keiner Temperaturbelastung ausgesetzt ist, mit einer Gummi- oder Plastikblase ausgelegt sein kann. Als Gaspolster ist vorzugsweise Methan, Äthan oder Äthylen vorgesehen. Diese Gase mischen sich nicht mit dem Wasser und der beim Laden überschüssig werdende

Gasanteil lässt sich im Gegensatz beispielsweise in Luft bereits bei geringer Abkühlung verflüssigen und flüssig für die nächste Phase in Vorrat halten.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Speicherbehälter nicht völlig gefüllt wird, sondern im kalten Zustand entsprechend dem Volumenverhältnis, d. h. bei 300 C Speichertemperatur zu nur etwa 60%. Der über dem Speicherwasserspiegel verbleibende Raum wird ebenfalls mit einem der genannten Gase gefüllt. Das beim Laden zu verdrängende Gas wird vom höchsten Punkt des Speichergefässes entnommen und zur Auskondensation des Wasserdampfanteiles über einen Kondensator geleitet und dann selbst kondensiert und in Behältern, vorzugsweise in verflüssigter Form, gespeichert.

Grundsätzlich lassen sich auch beide Stoffe im gleichen Kondensator kondensieren, worauf der Gasanteil unter Temperaturen, die unter der jeweiligen kritischen Temperatur liegen, gespeichert wird, während das kondensierte Wasser dem Speicherbehälter wieder zugeführt werden kann.

Der Aufbau der Wandung und des konischen Deckelbereiches des Druckbehälters besteht aus Ringen, die aus U-Profil-Blechstreifen --20-- geformt und längs der Kanten --21-- verschweisst sind. Der Abstand - zwischen den einzelnen U-Profil-Blechstreifen wird durch entsprechende Wahl der Winkel --23-- (Fig. 3) so bemessen, dass die auf die Länge --24-- entfallende maximale thermische Ausdehnung kleiner ist als die Strecke --22--.

Die den Druckbehälter umgebenden Isolierringe bestehen aus den Blechen --30 und 31--, die längs der Nähte --32 und 33-- beispielsweise durch Rollnahtverschweissung gasdicht verbunden sind. Im Inneren der Isolierringe befindet sich Schlackenwolle --35--, die durch eine Vielzahl von Ringen --36--, vorzugsweise aus einer Aluminiumfolie, zum Zweck der Konvektionsverhinderung unterbrochen ist. Der Kegelbereich-37-- der Isolierringe in der Position bei kaltem Druckbehälter zeigt Fig. 5. Die gestrichelte Linie dieser Figur zeigt den Zustand, der sich bei heisser Druckbehälterwandung ergibt. Die Längsdehnung des zylindrischen Wandbereiches --39-- wird durch Falten --38-- aufgenommen.

Das schematisierte Schaltbild der Gasversorgung der übereinanderliegenden Isolierringe zeigt Fig. 6.

Der unterste Isolierring --40-- kommuniziert mit einem vorteilhaft oberirdisch angeordneten Druckgas- speicher --41-- über ein Reduzierventil --42--. Das Reduzierventil erniedrigt den Druck des im Druckgasspeicher --41-- befindlichen Gases auf den gleichen Wert, den ein im Speicherbehälter --44-- angeordneter Druckfühler --45-- meldet. Jedem Isolierring ist ein eigener Druckfühler zugeordnet. Dieser Druckfühler betätigt wie der Druckfühler --46-- ein Reduzierventil --47--, welches den tiefer gelegenen Isolierring --40-- mit dem höher gelegenen Isolierring --48-- verbindet.

Der am höchsten liegende Isolierring ist mit einem vorteilhaft oberirdisch angeordneten Kompressor --49-- verbunden, der den Gasüberschuss während der Erwärmungsphase in den Druckgasspeicher --41-- zurückführt.

Zur Anbindung des erfindungsgemässen Heisswasserspeichers an den Verdampfer --50-- eines Kernreaktors ist die Kaltwasserleitung --51-- und die Heisswasserleitung --52-- mit einem in Höhe des Heisswasserspeichers angeordneten Wärmetauscher --53-- verbunden. Die Kesselspeisepumpe --54-befindet sich ebenfalls vorzugsweise in gleicher Höhe wie der Heisswasserspeicher. Im Heisswasserspeicher bewirkt die Pumpe --55-- die Umwälzung. Im oberen Bereich-56-des Heisswasserspeichers verbleibt ein Gasraum, der mindestens so gross bemessen ist, dass die thermisch bedingte Volumenänderung des eingeschlossenen Speicherwassers-57-- kompensiert wird.

Dem Speicherwasser --57-- selbst können bei Trennung des Kesselwassers vom Speicherwasser Inhibitoren zum Schutz der mit dem Heisswasser in Berührung kommenden Werkstoffe beigefügt werden, die einer Turbine nicht zuträglich wären. Die Vorlaufleitung --58-- ragt bis unter den Wasserspiegel. Der Druck des im Heisswasserspeicher eingeschlossenen Wassers --57-- wird so hoch gewählt, dass er um den geodätischen Druck, der der Erstreckung --59-- zugeordnet ist, höher liegt als der Siededruck, wodurch Dampfbildung vermieden wird.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE : 1. Unterirdischer Heisswasserspeicher mit metallischem Druckbehälter, insbesondere als Energiespeicher für Kernreaktoren, d a u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Druckbehälter (3) aus Ringen oder Wendelabschnitten von U-förmigem Profil aus Stahl aufgebaut ist, wobei die vertikal verlaufenden, axial aufeinanderfolgenden U-Abschnitte schmale Spalte (22) zur Kompensation der <Desc/Clms Page number 4> thermischen Längenausdehnung zwischen sich einschliessen, und dass zwischen der Kavernenwand (1) und dem Stahlbehälter (3) in an sich bekannter Weise Hohlkörper angeordnet sind, die mit Gas gefüllt sind, dessen Druck annähernd dem Druck des eingeschlossenen Heisswassers entspricht.

2. Heisswasserspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Kavernenwand (1) und dem Druckbehälter (3) verbleibende Ringraum mit übereinanderliegenden, gasgefüllten Hohlkörpern (4) ausgefüllt ist, die nach unten zunehmend höhere Drücke aufweisen.

3. Heisswasserspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (4) in an sich bekannter Weise ringförmig ausgebildet sind und in einem vertikalen Schnitt einen Parallelogramm-Querschnitt aufweisen.

4. Heisswasserspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Druckbehälter weisende Wand (30) dieser Hohlkörper Wellungen (38) aufweist.

5. Heisswasserspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n - zeichnet, dass die Hohlkörper (4) mit einem Gas gefüllt sind, dessen krtische Temperatur nur wenig unterhalb der niedrigsten möglichen Betriebstemperatur des Speichers liegt, und dass ein Gefäss vorgesehen ist, mit dem das Innere des Hohlkörpers kommuniziert und in dem die Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur abgesenkt werden kann.

6. Heisswasserspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a u r c h g e k e n n - zeichnet, dass zur Verhinderung von Konvektion im Inneren des Hohlkörpers (4) in geringen vertikalen Abständen horizontal verlaufende, gasdichte Schichten (36), vorzugsweise Aluminiumfolien, angeordnet sind.

7. Heisswasserspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a u r c h g e k e n n - zeichnet, dass im Inneren der Hohlkörper (4) konvektionsverhindernde Schüttstoffe oder Fasern (35), vorzugsweise Mineralwolle, angeordnet sind.

8. Heisswasserspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a u r c h g e k e n n - zeichnet, dass das Innere des untersten Hohlkörpers (40) mit einem Gasspeicher (41) in Verbindung steht, während zwischen benachbarten, übereinanderliegenden Hohlkörpern Reduzierventile (47) angeordnet sind. EMI4.1 Verbindung steht.

10. Heisswasserspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a u r c h g e k e n n - zeichnet, dass oberhalb der Wasserfüllung (57) ein Hohlraum (56) verbleibt, der mit einem im Wasser im wesentlichen nicht löslichen Gas gefüllt ist.

11. Heisswasserspeicher nach Anspruch 10, d a u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Gasraum (56) mit einem Speicher (3) kommuniziert und ein Gas Verwendung findet, dessen kritische Temperatur unterhalb der niedrigsten betriebsmässig vorkommenden Wassertemperatur und oberhalb der Temperatur des Gasspeichers liegt.

12. Heisswasserspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a u r c h g e k e n n - zeichnet, dass das Innere des Speichers (3) wahlweise mit einer oberirdisch angeordneten Wärmequelle (50) oder Wärmesenke verbindbar ist.

13. Heisswasserspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a u r c h g e k e n n - zeichnet, dass innerhalb des Speichers ein Wärmeübertrager angeordnet ist, der einerseits mit dem oberen (48) und unteren Bereich (40) des Speichers (3) kommuniziert und druckmässig davon getrennt mit einem Wärmeträgerkreislauf kommuniziert, der mit einer oberirdischen Wärmequelle (41) oder Wärmesenke in Verbindung steht.

14. Heisswasserspeicher nach Anspruch 1, d a u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Tiefe für die Oberkante des Speichers (3) so gewählt wird, dass das Gewicht der über dem Speicher lastenden Gesteinssäule (1) annähernd durch den Siededruck kompensiert wird.