DD268757A1 - Anordnung zur waermeauskopplung aus kraftwerken - Google Patents

Abstract

Zur Waermeauskopplung aus Kraftwerken zur Fernwaermeversorgung wird ein Zwischenkreislauf angeordnet, der mit einem hochwertigen Waermetraeger und mit einem Druck betrieben wird, der ueber dem hoechsten zur Waermeauskopplung genutzten Anzapfdruck des Turbinenkreislaufes liegt. Die Heizkondensatoren im Kraftwerk werden aus Edelstahl, die Waermeuebertrager an das Fernwaermesystem aus C-Stahl o. ae. gefertigt. Mit dieser Anordnung wird eine Kontaminierung des Fernwaermesystems mit radioaktiven Substanzen aus Kernkraftwerken sowie eine Verunreinigung des Turbinenkreislaufes durch chemische Substanzen und Korrosionsprodukten verhindert. Ausserdem wird der Betrieb des Fernwaermesystems einschliesslich Waermespeicher mit billigem Weichwasser und deutlich niedrigerem Druck gegenueber Waermeauskopplung ohne Zwischenkreislauf sowie der Direktanschluss staedtischer Fernwaermenetze erzielt. Durch den Zwischenkreislauf wird eine Vereinfachung der Betriebsfuehrung und -sicherheit des Gesamtsystems erreicht. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet

Die Anordnung betrifft die Wärmeauj.koppiung (WAK) und den Fernwärme-Transport (P/V-) vorzugsweise aus Kernkraftwerken (KKW) und ist sinngemäß auf Kernheizwerke (KHW) und konventionelle Kraftwerke anwendbar.

Charakteristik bekannter technischer Lösungen

Bei der Wärmeauskopplung aus KKW ist es üblich, das Fernwärme-Transportsystem durch im KKW installierte Heizkondensatoren aufzuheizen und vorschriftsgemäß mit höherem Druck zu betreiben als auf der Dampfseite dieser Heizkondensatoren ansteht, um im KKW-Störfalle eine Kontaminierung des FW-Systems zu verhindern. Dabei ergeben sich folgende Nachteile:

— Das FW-System, im allgemeinen ein langes Transitsystem großer Nennweite, muß für einen weit höheren Druck ausgelegt werden, als von dessen Temperatur her erforderlich wäre. Dadurch ergeben sich hohe Investkcsten für das Transitsystem sowie für eingeordnete Wärmespeicher.

— Das Transitsystem muß mit'.euerem Deionat (vollentsalztes Wasser) gefüllt und betrieben worden, um bei Undichtheiten der Heizkondensatoren eine Ve -unreinigung des Turbinenkreislaufes, für dessen Wärmeträger extreme Qualitätsmerkmale eingehalten werden müssen, zu vermeiden.

— Trotz des damit verbundenen hohen Aufwandes kann eine Verunreinigung des Turbinonkreislaufes und damit der noch kritischeren Vorwärmsäul·; und der Dampferzeuger nicht mit Sicherheit verhindert werden.

— Um eine möglichst hohe VVasserqualität im Transitsystem aufrechtzuerhalten, verbietet sich der Direktanschluß städtischer FW-Verteilungsnetze, weil diese dann auch mit teuerem Deionat betrieben werden müssen, dessen Qualität im Dauerbetrieb erfahrungsgemäß nicht gewährleistet werden kann. Bei Direktanschluß städtischer Femwärmenetze würde sich die Gefahr der Wasserverunreinigung bis in den Sekundärkreislauf be! Kernkraftwerken erhöhen.

— Bei Verwendung von C-Stahl für die Heizkondensatoren ist, z. B. bei der vorgeschriebenen chemischen Fahrweise des Sekundärkreislaufes in Kernkraftwerken^eine erhebliche Erosionskorrosion dieser Bauteile und damit eine beträchtliche Verschmutzung der Dampferzeuger nicht zu vermeiden.

— Bei Verwendung von austenitischem Chrom-Nickel-Stahl kann andererseits für das Heiznetzwasser kein salzhaltiges Weichwasser verwendet werden, um die Gefährdung der Wärmeüberträger (WÜ) durch Spannungsrißkorrosion zu vermeiden.

— Durch diese bisher in Kernkraftwerken (KKW) praktizierte Schaltung der Wärmeauskopplung ergibt sich ein kompliziertes Betriebsregime für das Gesamtsystem „KKW-WAK-Wärmetransport" weil neben den genannten wasserchemischen Problemen, physikalische Betriebsprobleme des Transitsystems mehr oder weniger direkt auf den KKW-Betrieb einwirken, insbesondere Druckhaltung mit Volumenausgleich, instationäre Betriobszustände bei planmäßigen jahreszeitlichen und täglichen Laständerungen mit Mengenstrom- und/oder Temperaturregelvorgängen sowie bei Betriebsstörungen und Havarien. Bei Einsatz von Wärmespeichern im Transitsystem und den damit verbundenen häufigen Lastwechseln der WAK erhöhen sich diese Meß-, Steuer- und Regelungs-(MSR) Probleme für das KKW und das Fernwärmesystem beträchtlich.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine möglichst vollkommene Trennung des KKW-Betriebes vom Betrieb des Transitsystems zu schaffen, um

— die zuverlässige Gewährleistung der Strahlenschutzbestimmungen,

— die Erhöhung der Betriebssicherheit im KKW bei Wärmeauskopplung,

— die Senkung der ; west- und Betriebskosten für den Wärmetransport und die Wärmeverteilung sowie für Wärmespeicher,

— die Vereinfachung der Betriebsüberwachung und Betriebsführung im KKW bei Wärmeauskopplung und

— die Beseitigung der wassorchemischen Probleme durch Ermöglichung geeigneterer Wirkstoffe für die Wärmeübertrager zu ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung Technische Aufgabe Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Wärmeauskopplung aus KKW und anderen Wärmekraftwerken zu

schaffen, die

— eine Kontaminierung des FW-Systems zuverlässig verhindert,

— die Verschmutzung des KKW- oder Kraftwerkskreislaufs ausschließt,

— die Anwendung von salzhaltigem Weichwasser als Wärmeträger im FW-System gestattet,

— den Betrieb des FW-Systems und eingeordneter Wärmespeicher mit niedrigerem Druck gestattet und

— den Direktanschluß städtischer Wärmenetze an das Transitsystem erlaubt.

Merkmale der Erfindung

Erfindungsgemäß wird im bzw. am KKW ein autonomer Zwischenkreislauf angeordnet, der die aus dem Turbinenkreislauf eines KKW oder anderes Wärmekraftwerk auszukoppelnde Wärme aufnimmt und diese bei möglichst geringer Transportentfernung an ein Fernwärmesystem, im allgemeinen ein längeres Transitsystem größerer Leistung, abgibt.

Gemäß Prinzipschaltbild, Figur 1, besteht dieser Zwischenkreislauf aus den in jedem Falle der Wärmeauskopplung benötigten Heizkondensatoren, die durch Rohrleitungen mit Umwälzpumpen mit einer zusätzlichen Wärmeübergabestation verbunden sind. Dieser Zwischenkreislauf wird mit einem hochwertigem Fluid als Wärmeträger, vorzugsweise mit Deionat, betrieben und erhält eine eigene Druckhaltung sowie MSR-Anlagen bekannter Bauart.

Dieser Zwischenkreislauf wird bei allen Betriebszuständen des Gesamtsystems mit einem Druck betrieben, der einerseits um 0,1 MPa über dem höchsten zur Wärmeauskopplung genutzten Anzapfdruck des Turbinenkreislaufs und andererseits um 2 0,05 MPa über dem höchsten Versorgungsdruck des angeschlossenen Fernwärmesystems liegt.

Um die bisherigen Nachteile des Standes der Technik aus wasserchemischer Sicht zu vermeiden, werden die dampfbeheizten Heizkondensatoren 1 aus Edelstahlen vorzugsweise aus austenitischem Chrom-Nickel-Stahl gefertigt, die im Gegensatz zu aus C-Stahl gefertigten WÜ keiner Erosionskorrosion durch die im Heizdampf enthaltenen Wassertröpfchen unterliegen und die durch den im Zwischenkreislauf enthaltenen Wärmeträger Deionat auch nicht wie bei Weichwasser durch Spannungsrißkorrosion geschädigt und zerstört werden können. Damit wird gleichzeitig der Eisengrenzwert im Sekundärkreislauf von < 10 pg/kg leichter eingehalten und die Verschmutzung der Dampferzeuger wesentlich verringert. Aus den gleichen Gründen werden die Wärmeübertrager der zusätzlich zu installierenden Wärmeübertragerstation 4 (Wasser-Wasser-WÜ), die den Zwischenkreislauf mit dem Fernwärmesystem indirekt verbinden, aus C-Stahl oder anderen Werkstoffen wie niedriglegierte Stähle, Kupfer, Kupfer-Zink- oder Kupfer-Nickel-Legierung gefertigt, die gegen Spannungsrißkorrosion, verursacht durch den Salzgehalt und speziell durch den Chloridgehalt des Weichwassers als Medium des Fernwärmesystems resistentsind.

Unter den genannten erfindungsgemäßen Werkstoffanordnungen im Zwischenkreislauf ist es möglich, als Wärmeträger im Fernwärmesystem das billige Weichwasser einzusetzen und das teure D< ionat (vollentsalztes Wasser) nur in dem kleinen Zwischenkreislauf als Wärmeträger zu nutzen

Das Verfahren ist sinngemäß auch auf Kernheizwerke und konventionell 3 Kraftwerke anwendbar.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in folgenden Punkten:

— Bei Störfällen im KKW und bei Undichtheiten der Heizflächen 1 wird mit Sicherheit eine Kontaminiert» :g des Zwischonkreislaufes 2 und damit des Fernwärmesystems 5 mit radioaktiven Substanzen verhindert, wodurch eine sichere Einhaltung der Strahlenschutzbestimmungen gewährleistet wird.

— Bei Undichtheiten der Heizflächen 1 wird der Eintrag von Verunreinigungen aus dem Fernwärmesystem 5 in den 2. KKW-Kreislauf verhindert, für dessen Wassere»'alität extrem hohe Forderungen bestehen. Der statt dessen mögliche Eintritt von Deionat aus dem Zwischenkreislauf mit vergleichsweise geringem Wasserinhalt in den 2. Kreislauf des KKW ist unkritisch, weil dessen hohe Qualität im praktischen Betrieb mit geringem Aufwand ständig aufrechterhalten werden kann. Außerdem sind solche Leckagen im Zwischenkreislauf meßtechnisch bedeutend leichter zu orten als in einem Fernwärmesystem mit bedeutend größerem Wasserinhalt. Der Zwischenkreisiauf dient damit zur Gewährleistung einer hohen Betriebssicherheit des KKW bei gleichzeitiger Vereinfachung der Betriebsüberwachung.

— Das Fernwärmesystem 5 wird mit Weichwasser anstelle des teueren Deionats betrieben, das bei Schaltungen ohne Zwischenkreislauf eingesetzt werden müßte. Daraus folgt eine Verminderung der Aufwendungen zur Erstfüllung des Fernwärmesystems und außerdem für dessen Betrieb durch enorme Einsparung von Investitionen und Betriebskosten für die Errichtung und den Betrieb einer großen Vollentsalzungsanlage und Wegfall der Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der ohne Zwischenkreislauf geforderten hohen Deionatqualität, z.B. durch ständige Teilstromaufbereitung des Netzwassers.

— Bei Undichtheiten der Heizflächen der Wärmeübertrager 4 wird eine Verunreinigung des Wärmeträgers des Zwischenkreislaufes 2 mit Weichwasser aus dem Fernwärmesystem verhindert, weil der Betriebs- und Ruhedruck des Letzteren unter dem Druckniveau des Zwischenkreislaufes liegt.

— Das Transitsystem 5 wird, gegenüber Schaltungen ohne Zwischenkreislauf, mit deutlich niedrigerem Druck betrieben, weil dessen Ruhedruck nicht mehr vom höchsten Betriebsdruck der zur Wärmeauskopplung genutzten Turbinenanzapfungen bestimmt wird, sondern nur noch vom Sättigungsdruck der Vorlauftemperatur des Fernwärmesystems abhängt. Damit wird besonders bei grnlTen Transitsystemen eine Senkung der Investkosten durch Verminderung der Rohr-Wanddicke und/oder Einsatz billigerer Rohr-Werkstoffe sowie eine Kostensenkung für die Pumpstationen längs der Fernwärmetrasse und eine Kostensenkung für Wärmespeicher erreicht.

— Mit Einsatz von Weichwasser im Fernwärmesystem ist aus wasserchemischer Sicht der Direktanschluß von Fernwärme-Verteilungsnetzen an ein Transitsystem möglich, der sich ohne Zwischenkreislauf und dem dann erforderlichen Deionateinsatz im Fernwärmesystem verbieten würde. Damit wird an dieser Stelle die Einsparung der Wärmeübertrager erzielt, wodurch die Aufwendungen für die zusätzlichen Wärmeübertrager 4 zum Teil kompensiert werden. Durch den Direktanschluß ist außerdem eine Kapazitätserhöhung vorhandener bzw. Kostensenkung neuer Verteilungsnetze 8 erreichbar, weil diese dann mit höherer Temperaturspreizung betrieben werden können.

— Durch den autonomen Betrieb des Zwischenkreislaufes wird außerdem erzielt, daß wesentliche Betriebsprobleme

und -zustände des Fernwärmesystems, wie wasserchemische Probleme, Druckhalteprobleme, instationäre Zustände bei planmäßigen Laständerungen mit Mengenstrom- und/oder Temperaturregelvorgängen sowie bei Betriebsstörungen und Havarien entweder ganz vom KKW-Betrieb ferngehalten werden oder diesen nur mittelbar beeinflussen. Insbesondere gilt dies auch bei Einsatz von Wärmespeichern im Fernwärmesystem und den damit verbundenen häufigen Lastwechseln. Durch den Zwischenkreislauf und die damit erreichte Trennung des KKW-Betriebes vom Fernwärmesystem wird deshalb eine wesentliche Vereinfachung und Erleichterung der KKW-Betriebsführung und damit eine höhere Betriebssicherheit erreicht. Andererseits ist damit auch eine Erleichterung der Betriebsführung des Fernwärmesystems verbunden. Weil mit Anordnung des vorgeschlagenen Zwischenkreislaufes eine Verkleinerung der Temperaturspreizung im Fernwärmesystem verbunden ist, wird erfindungsgemäß die beschriebene Anordnung wie folgt erweitert:

— Die Heizkondensatoren 1 werden in bekannter Weise im Maschinenhaus des KKW installiert, wobei für jede Turbine eine oder mehrere parallelgeschaltete Straßen dieser Aggregate mit jeweils mehrstufiger Aufheizung des Zwischenkreislaufes 2 von beispielsweise 7O⁰C auf 18O⁰C, zu installieren sind. Bei Wärmeauskopplung aus mehreren Turbinen werden diese in Sammelschienenbauweise in den Zwischenkreislauf eingebunden.

— Die Wärmeübergabestation 4 wird im allgemeinen außerhalb des Maschinenhauses aber in möglichst geringer Entfernung von diesem zur ein- aber auch mehrstufigen Aufwärmung des Fernwärmesystems 5 angeordnet.

Diese Wärmeübertrager 4 bekannter Bauart werden für möglichst niedrige Temperaturdifferenzen, 3 bis 5 K, zwischen den jeweiligen beiden Vor- und Rücklauftemperaturen ausgelegt, mit dem Ziel, eine möglichst große Temperaturspreizung im Fernwärmesystem zu erhalten. Die Wärmeübertragerstation 4 wird, entgegen bisher ausgeführter und geplanten Wärmeübergabestationen an städtische Verteilernetze, mit einer größeren Anzahl von Wärmeübertragern bekannter Bauart, etwa 8 bis 10 Stück, ausgerüstet, deren Gesamtkapazität der maximalen Wärmeleistung entspricht. Diese Wärmeübertrager werden zur Anpassung an die jahreszeitlichen und täglichen Schwankungen des Fernwärmebedarfs, stückweise zu- oder abgeschaltet. Damit wird erreicht, daß diese Wärmeübertrager ständig im optimalen Betriebsbereich bei den genannten niedrigen Temperaturdifferenzen arbeiten.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die Auskopplung von Wärme aus einem Kernkraftwerk in Höhe von 800MW über eine 100km lange Transitleitung (900-1200mm 0) erfolgt über eine Wärmeübertragerstation mit Zwischenkreislauf (Heizkondensatoren aus austenitischen Chrom-Nickel-Stahl, Wasser-Wasser-Wärmeübertrager aus C-Stahl) mit einer Vorlauftemperatur von 175⁰C und einer Rücklauftemperatur von 75°C und wird mit direkter Einspeisung in städtische Wärmeversorgungsnetze ausgelegt. Bei dieser Werkstoffanordnung der W-1 meübertrager wird in der Transitleitung und im Heiznetz als Medium salzhaltiges Weichwasser verwendet, was allein br ,nem Füllvolumen der Transitleitung von 200000 m³ und einem Ergänzungswasserbedarf von 10OOrtWd gegenüber dem Einsatz von vollentsalztem Wasser erhebliche Einsparungen an Invest- und Betriebskosten für die Wasseraufbereitungsanlage ergibt.

Außerdem ergeben sich beträchtliche Investkostensenkungen für das mit dieser erfindungsgemäßen Lösung ausgestaltete Fernwärmesystem, weil es mit geringerem Druck betrieben werden kann, wie aus folgendem Vergleich der Druckverhältnisse für obiges Beispiel hervorgeht.

1. max. Entnahmedruck im KKW 1,55MPa

2. statische Druckhöhe im KKW 0,15MPa

3. Druckbarriere an den Heizkondensatoren 0,10MPa

4. Mindestdruck-Ruhedruck für den Zwischenkreislauf bzw. für das Transitsystem am KKW

ohne Art wandung des Zwischenkreislaufes (1. + 2. + 3.) 1,80MPa

5. max. Betriebsdruck für Transitsystem ohne Zwischenkreislauf aus Projektunterlagen für

— Vorlaufleitung 18O⁰C 2,75MPa

— Rücklaufleitung 7O⁰C 1,25MPa

6. Ruhedruck des Transitsystems bei Anwendung

des Zwischenkreislaufes 0,95MPa

7. ma.. Betriebsdruck des Transitsystems mit Zwischenkreislauf in Anlehnung an Projektunterlagen für

— Vorlaufleitung 175 °C 1,90MPa

— Rücklaufleitung 75°C " 0,30MPa

Für das Transitsystem mit genannten Daten ergibt sich damit eine Minderung des Auslegungsdruckes und eine adäquate Kostensenkung für die

— Vorlaufleitung von 2,75 auf 1,9 MPa, um 0,85 MPa

— Rücklaufleitung von 1,25 auf 0,3 MPa, um 0,95 MPa.

Darüber hinaus tritt eine weitere Einsparung von Investmitteln durch Wegfall der ohne Anwendung des Zwischenkreislaufes

unbedingt erforderlichen Wärmeübertrager in den Wärmeübergabestetionen zu den städtischen Fernwärmenetzen auf (direkte

Einspeisung). Bei Anwendung von Wärmespeichern im Fernwärmesystem ergibt sich auch für diese eine entsprechende Kostensenkung.

Claims (9)

1. Anordnung zur Wärmeauskopplung aus Kraftwerken zur Fernwärmeversorgung durch indirekte Wärmeübertragung, dadurch gekennzeichnet, dt-ß zwischen einem wärmeliefernden System, wie dem Turbinenkreislauf eines Kernkraftwerkes oder konventionellen Wärmekraftwerkes und einem mit Heißwasser betriebenen Fernwärmesystem ein Zwischenkreislauf angeordnet wird, der aus den auch bei bisher üblichen Schaltungen zur Wärmeauskopplung erforderlichen Heizkondensatoren und einer weiteren Wärmeübergabestation zur indirekten Wärmeübergabe an ein Fernwärmesystem sowie verbindenden Rohrleitungen mit Umwälzpumpe i'nd Druckhaltung besteht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dampfbeheizten Heizkondensatoren aus austenitischem Chrom-Nickel-Stahl oder anderen Edelstahlen bestehen.

3. Anordnung nacli Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertrager der Wärmeübergabestaticn an das Fernwärmesystem aus C-Stahl, niedrig legierten Stählen, Kupfer oder Legierungen wie Cu-Ni oder Cu-Zn bestehen.

4. Anordnung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium für den Zwischenkreislauf ein geeignetes Fluid, vorzugsweise vollentsalztes Wasser verwendet wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium für das Fernwärmesystem salzhaltiges Weichwasser verwendet wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck des Fernwärmesystems in jedem Betriebszustand unter dem Druck des Zwischenkreislaufes liegt, um weiterhin den Betrieb des Fernwärmesystems mit wesentlich geringerem Druck als ohne diesen Zwischenkreislauf zu gewährleisten.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck des Zwischenkreislaufes in jedem Betriebszustand höher als der höchste Anzapf- bzw, Entnahmedruck des zur Wärmeauskopplung genutzten Dampfes ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1,3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübergabestation Zwischenkreislauf-Fernwärme-System mit 8 bis 10 kleineren parallelgeschalteten Wärmeübertragern ausgerüstet und mit möglichst geringen Temperaturdifferenzen zwischen den jeweils beiden Vor- und Rücklauftemperaturen ausgelegt wird.

9. Anordnung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragung aus einem Transitsystem an städtische Fernwärmenetze direkt, ohne Anordnung von Wärmeübertragung erfolgt.