DE1071095B

DE1071095B - Steam power plant for nuclear power plants with gas-cooled reactors

Info

Publication number: DE1071095B
Application number: DENDAT1071095D
Authority: DE
Inventors: Frankfurt/M Dr.-Ing. Georg Sonnefeld
Original assignee: LICENTIA Patent - Verwaltungs-G.m.b.H., Frankfurt/M
Publication date: 1959-12-17

Description

DEUTSCHESGERMAN

INTERNAT. KLINTERNAT. KL

. F 01 k. F 01 k

PATENTAM^r PATENTAM ^r

L29512Ia/14hL29512Ia / 14h

ANMELDETAG: 23. JANUAR 1958REGISTRATION DATE: JANUARY 23, 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 17. DEZEMBER 1959NOTICE
THE REGISTRATION
AND ISSUE OF THE
EDITORIAL: DECEMBER 17, 1959

Die Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage für Kernenergiekraftwerke mit gasgekühlten Reaktoren, bei der im λ-Varmeaustauscher das in zwei Teilmengen aufgeteilte, durch Anzapfdampf aus der Hauptmaschine vorgewärmte Speisewasser bei zwei verbchiedenen Drücken verdampft, wobei der im Wärmeaustauscher überhitzte Dampf des Hochdruckkreislaufs sich im Hochdruckteil der Kraftmaschine auf den Druck des Sattdampfs des Niederdruckteils entspannt, sich mit dem im Wärmeaustauscher erzeugten Dampf des Niederdruckkreislaufs mischt und zusammen mit diesem im Niederdruckteil der Kraftmaschine bis auf Kondensatordruck entspannt wird.The invention relates to a steam power plant for nuclear power plants with gas-cooled reactors, in the case of the λ heat exchanger that is divided into two partial quantities by extraction steam from the main engine preheated feed water evaporates at two different pressures, with the one in the heat exchanger Superheated steam of the high pressure circuit builds up in the high pressure part of the engine the pressure of the saturated steam of the low-pressure part relaxes with that generated in the heat exchanger Steam of the low-pressure circuit mixes and together with this in the low-pressure part of the engine until the condenser pressure is released.

Ein solcher Zweidruckkreislauf ist beispielsweise in dem englischen Kraftwerk Calder Hall durchge- ¹S führt worden. Ein Schema dieser Anlage ist in Fig. 1 eier Zeichnung näher erläutert: In dem Wärmeaustauscher 1 liegen eine Niederdruckverdampferheizrläche 2 α und eine Niederdrucküberhitzerheizfläche 2 b jeweils nach dem Gegenstromprinzip am gasseitigen Austritt bzw. am Eintritt. Dazwischen liegen ebenfalls im Gegenstromprinzip die Hochdruckverdampferheizfläche3a und die Hochdrucküberhitzerheizfläche 3 b. Der aus der Hochdrucküberhitzerheizfläche 3 b austretende Heißdampf ■ expandiert im Hochdruckteil 5 auf den Druck des Niederdruckkreislaufs und wird an dessen Austritt am Mischpunkt 11 mit dem aus der Niederdrucküberhitzerheizfläche 2 & kommen¹-den Dampf gemischt, so daß sich eine mittlere Mischtemperatur ergibt, mit der der gesamte aus Hoch- und Niederdruckheizflächen kommende Dampf in den Niederdruckteil 6 eintritt und bis auf den Kondensatordruck expandiert. Der Abdampf wird im Kondensator 8 niedergeschlagen. Das Kondensat wird von der Speisepumpe 9 unter Vorwärmung durch den Regenerativspeisewasservorwärmer 7 dem Wärmeaustauscher 1 wieder zugeführt. Die Speisepumpe 9 erzeugt den Druck des Niederdruckkr-eislaufs. Um zu dem Druck des Hochdruckkreislaufs zu gelangen, ist es notwendig, eine weitere HilfsSpeisepumpe 4 vorzusehen. Die Mischungstemperatur des Dampfs vor dem Niederdruckteil 6 liegt natürlich weit niedriger als die Dampftemperatur am Austritt des Wärmeaustauschers 1. Zur Vereinfachung sind die erwähnten Speisewasservonvärmer im Wärmeaustauscher fortgelassen worden.Such a two-pressure circuit is, for example, into the British power station Calder Hall carried ¹ S. A scheme of this system is explained in more detail in Fig. 1 eier drawing: In the heat exchanger 1 are a Niederdruckverdampferheizrläche 2 α and a Niederdrucküberhitzerheizfläche 2 b, each according to the countercurrent principle at the gas-side outlet and at the inlet. In between are the high pressure evaporator heating surface 3a and the high pressure superheater heating surface 3b, also based on the countercurrent principle . The hot steam emerging from the high-pressure superheater heating surface 3 b expands in the high-pressure part 5 to the pressure of the low-pressure circuit and is mixed at its outlet at the mixing point 11 with the steam coming from the low-pressure superheater heating surface 2 & ¹ -the steam, so that a mean mixing temperature results with the all of the steam coming from high and low pressure heating surfaces enters the low pressure part 6 and expands up to the condenser pressure. The exhaust steam is deposited in the condenser 8. The condensate is fed back to the heat exchanger 1 by the feed pump 9 while being preheated by the regenerative feedwater preheater 7. The feed pump 9 generates the pressure of the low-pressure circuit. In order to get to the pressure of the high pressure circuit, it is necessary to provide a further auxiliary feed pump 4. The mixing temperature of the steam upstream of the low-pressure part 6 is of course much lower than the steam temperature at the outlet of the heat exchanger 1. For the sake of simplicity, the mentioned feed water heaters have been omitted in the heat exchanger.

Es ist bekannt, daß bei gasgekühlten Reaktionen das umgewälzte Gas (bevorzugt wird CO₂ benutzt,» in Wärmeaustauschern, die zur Dampferzeugung dienen, möglichst tief abgekühlt werden muß, weil sonst der Kraftbedarf und .die Kosten der Umwälzgebläse, der Rohrleitungen und des sonstigen Zubehörs zu hoch werden würden. Da zwischen der Temperatur- ^;des erzeugten Dampfs und derjenigen des Gases an _ihreni DampfkraftanlageIt is known that in gas-cooled reactions the circulated gas (preferably CO _{2 is} used, »in heat exchangers which are used to generate steam, must be cooled as deeply as possible, otherwise the power requirement and the costs of the circulating fan, the pipelines and other accessories would become too high, since between the ^{temperature;.} of the generated steam and that of the gas to steam power plant _ihreni

für Kernenergiekraftwerkefor nuclear power plants

mit gasgekühlten Reaktorenwith gas-cooled reactors

Anmelder:Applicant:

LICENTIA Patent -Verwaltungs - G. m. b. H., Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1LICENTIA Patent Administration - G. m. B. H., Frankfurt / M., Theodor-Stern-Kai 1

Dr.-Ing. Georg Sonnefeld, Frankfurt/M.,
ist als Erfinder genannt wordenDr.-Ing. Georg Sonnefeld, Frankfurt / M.,
has been named as the inventor

Austritt aus dem Verdampfungsteil des Wärmeaustauschers eine gewisse Temperaturdifferenz bestehen muß, könnte bei der geforderten tiefen Abkühlung des Gases nur ein niedriger Sattdampfdruck erreicht werden. Der thermische Wirkungsgrad ist von diesem Druck abhängig und mithin auch niedrig.Exiting from the evaporation part of the heat exchanger there is a certain temperature difference must, only a low saturated steam pressure could be achieved with the required deep cooling of the gas. The thermal efficiency depends on this pressure and is therefore also low.

Mit demselben Gewicht und derselben Abkühlung des Gases lassen sich aber mehr Leistung und ein höherer thermischer Wirkungsgrad erzielen, wenn man das Gas zuerst in einer ersten Verdampferstufe höheren Drucks, die mit einem Teil des ganzen Speisewassers beschickt wird, auf eine passende Zwischentemperatur und dann in einer zweiten, unter niedrigerem Druck stehenden Verdampferstufe, die den anderen Teil der Speisewassermenge erhält, vollends auf die Gasendtemperatur abkühlt. Der Wärmeaustauscher arbeitet im Gegenstrom. In Richtung des Gasflusses gesehen, liegen vor der ersten Verdampferstufe zwei Überhitzer, die getrennt den Dampf aus der ersten und aus der zAveiten Verdampferstufe überhitzen. Hinter der zweiten \^erdampferstufe befinden sich noch zwei Speisewasservonvärmer verschiedenen Drucks, bestimmt für die erste und die zweite Verdampferstufe. With the same weight and the same cooling of the gas, however, more power and input can be achieved Achieve higher thermal efficiency if the gas is first used in a first evaporator stage higher pressure, which is fed with part of the entire feed water, to a suitable intermediate temperature and then in a second, lower pressure evaporator stage, which the receives the other part of the feed water, cools down completely to the gas end temperature. The heat exchanger works in countercurrent. Seen in the direction of the gas flow, lie in front of the first evaporator stage two superheaters, which separately superheat the steam from the first and second evaporator stage. Behind the second steam generator there are two different feed water heaters Pressure, determined for the first and the second evaporator stage.

Demgegenüber muß in Anbetracht der hohen spezifischen Baukosten eines Kernenergiekraftwerks angestrebt werden, daß ein möglichst großer Teil der vom Reaktor innerhalb des relativ niedrig liegenden Temperaturbereichs gelieferten Wärme in mechanische bzw. elektrische Nutzarbeit umgewandelt wird.In contrast, in view of the high specific Construction costs of a nuclear power plant are aimed at that as much as possible of the Reactor within the relatively low temperature range delivered heat into mechanical or useful electrical work is converted.

Das erfinderische Neue besteht daher darin, daß eine solche Zuordnung des Hochdruck- und des Niederdruckkreislaufs gewählt wird, daß der Dampf des Hochdruckkreislaufs nach seiner Arbeitsleistung im Hochdruckteil der Kraftmaschine mit dem im Wärmeaustauscher erzeugten Sattdampf des Niederdruckkreislaufs gemischt und zusammen mit diesem vorThe inventive novelty is therefore that such an assignment of the high pressure and the low pressure circuit is chosen that the steam of the high pressure circuit according to its work in the High-pressure part of the engine with the saturated steam of the low-pressure circuit generated in the heat exchanger mixed and mixed with this before

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seinem Eintritt in den Niederdruckteil der Kraftmaschine, im Wärmeaustauscher überhitzt wird.its entry into the low-pressure part of the engine, is overheated in the heat exchanger.

In Fig. 2 ist schematisch der Erfindungsvorschlag dargestellt. Die Bezugszeichen sind im wesentlichen die gleichen wie in Fig. 1. Unterschiedlich erfolgt hier die Mischung des Hoch- und Niederdruckdampfs in einem Mischpunkt 12, welcher vor der Niederdrucküberhitzerheizrläche 2 /; liegt, d.h., der in dem Hochdruckteil 5 expandierte Dampf aus dem Hochdruckkreislauf wird mit dem in der Niederdruckverdampferheizfläclie 2 α erzeugten Dampf gemeinsam der Niederdrucküberhitzerheizfläche 2 b zugeführt, wodurch die gesamte Dampfmenge, vor Eintritt in den Niederdruckteil 6 wieder hoch überhitzt werden kann.In Fig. 2, the proposal of the invention is shown schematically. The reference numerals are essentially the same as in FIG. 1. Here, the high and low pressure steam is mixed differently in a mixing point 12 which is located in front of the low pressure superheater heating surface 2 /; is, that is, the steam from the high pressure circuit expanded in the high pressure part 5 is fed together with the steam generated in the low pressure evaporator heating surface 2 α to the low pressure superheater heating surface 2 b , whereby the entire amount of steam can be highly superheated again before entering the low pressure part 6.

Die Steigung des Nutzeffekts des Dampf kreisprozesses ist darin begründet, daß beim Vorschlag gemäß der Erfindung die. Temperatur der Gesamtdampfmenge vor dem Niederdruckteil 6 der Kraftmaschine wesentlich höher ist als die relativ sehr niedrige Mischungstemperatur, die sich bei dem bekannten Verfahren innerhalb der Kraftmaschine vor dem Niederdruckteil 6 derselben ergibt. Weiterhin ist demzufolge bei dem Vorschlag gemäß der Erfindung die Endfeuchtigkeit in den letzten Stufen der Kraftmaschine geringer, so daß zusätzlich ein höherer Maschinenwirkungsgrad und geringere Schaufelerosionen zu erwarten sind.The increase in the efficiency of the steam cycle is due to the fact that the proposal according to the invention the. Temperature of the total amount of steam upstream of the low-pressure part 6 of the engine is significantly higher than the relatively very low mixing temperature, which is the case with the known Method within the engine in front of the low-pressure part 6 of the same results. Furthermore is consequently, in the proposal according to the invention, the final moisture in the last stages of the engine lower, so that in addition a higher machine efficiency and lower blade erosion are to be expected.

Das gleiche Ergebnis würde erzielt werden, wenn der Niederdrucksattdampf und der auf den Niederdruck expandierte Dampf getrennt überhitzt und danach erst vereinigt würden, bevor der Eintritt in den Niederdruckteil 6 der Kraftmaschine erfolgt. Diese Maßnahme erfordert jedoch drei einzelne Überhitzer, was gegenüber dem ersten Vorschlag eine Komplikation bedeuten würde.The same result would be achieved if the low pressure saturated steam and the low pressure expanded steam would be superheated separately and then only combined before entering the Low pressure part 6 of the engine takes place. However, this measure requires three individual superheaters, which would be a complication compared to the first suggestion.

Der Mehraufwand zur Durchführung des neuen A^erfahrens besteht im Vergleich zu dem bekannten lediglich im Rohrleitungsmaterial. Im Hinblick auf den Gewinn und die Gesamtkosten eines Kernenergiekraftwerks ist dieses bedeutungslos. Außerdem sind die Heizflächen im Wärmeaustauscher 1 etwas anders zu bemessen. In jedem Falle ist also eine Hebung der Wirtschaftlichkeit der Anlage zu erreichen.The additional effort required to carry out the new method is compared to the known one only in the pipe material. In terms of the profit and total cost of a nuclear power plant this is meaningless. In addition, the heating surfaces in the heat exchanger 1 are somewhat different to measure. In any case, an increase in the economic efficiency of the plant can be achieved.

Gasgekühlte Kernreaktoren benötigen zum Umwälzen des Kühlgases zwischen dem Reaktor und den Wärmeaustauschern sehr große Gebläse. Der Leistungsbedarf dieser Gebläse ist der Größenordnung nach etwa ein Zehntel der Nutzleistung der ganzen Kraftanlage. Der Wirkungsgrad dieser Gebläse und insbesondere auch der ihres Antriebs ist deshalb von großem Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage. Da die Gasumwälzung in weiten Grenzen zu regeln ist, muß der Antrieb auch bei Teillast einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen.Gas-cooled nuclear reactors need to circulate the cooling gas between the reactor and the Heat exchangers have very large fans. The power requirement of these fans is of the order of magnitude after about a tenth of the useful power of the entire power plant. The efficiency of these fans and in particular that of their drive is therefore of great influence on the economic efficiency of the overall system. Since the gas circulation can be regulated within wide limits, the drive must also be operated at part load have the highest possible efficiency.

Benutzt werden elektrische Regelantriebe oder ein gesondertes Drehstromnetz, das mit veränderlicher Frequenz gefahren wird. Zur Stromversorgung des letzteren dienen Turbogeneratoren mit Kondensation, deren Turbinen eine in weitem Bereich arbeitende Drehzahlregeleinrichtung haben. Bei konstantem Frischdampfdruck vor der Turbine verursacht diese Regelung infolge der Drosselung einen abfallenden Wirkungsgrad bei der Drehzahlminderung. Dieses ist jedoch, wie bereits erwähnt, sehr unerwünscht.Electric regulating drives or a separate three-phase network are used, the one with variable Frequency is driven. Turbogenerators with condensation are used to power the latter, whose turbines have a speed control device that works in a wide range. At constant Live steam pressure upstream of the turbine causes this regulation to decrease due to the throttling Speed reduction efficiency. However, as already mentioned, this is very undesirable.

Bei einem Reaktor ist nun die Abhängigkeit der zeitlichen Kühlgasmenge von der Belastung weitgehend ähnlich dem Verhältnis der zeitlichen Rauchgasmenge zur Belastung bei Dampfkesseln. Bei diesen ist mit gutem Ergebnis zum Antrieb der Kessellüfter verschiedentlich die sogenannte Serienturbine verwendet worden. Sie wird zwischen Kessel und Hauptmaschine geschaltet, daher auch die Bezeichnung. Die Serienturbine hat weder Ventile noch eine sonstige Regelung. Sie ist also äußerst einfach. Diese Maschine treibt über Zahnradgetriebe oder eine Drehstromübertraguug mit veränderlicher Frequenz die Kessellüfter an. Bei Laständerung der Hauptmaschine ändert sich automatisch entsprechend die Dampfdurchsatzmenge. in der Serienturbine. Die Leistung dieser ist der dritten Potenz der Durchsatzmenge verhältnisgleich. Genau die gleiche Charakteristik haben aber auch die Gebläse, so daß eine, ideale Übereinstimmung zwischen Antrieb und Gebläse besteht. Abgesehen von kleinen Korrekturmaßnahmen, sind keinerlei Regeleinrichtungen im üblichen Sinne, erforderlich. Zudem besteht der große Vorteil, daß die Serienturbine auf Grund ihrer inneren Strömungsverhältnisse über den ganzen Lastbereich hin mit konstantem Wirkungsgrad arbeitet.In the case of a reactor, the amount of cooling gas over time is largely dependent on the load similar to the ratio of the amount of flue gas over time to the load in steam boilers. With these is used to drive the boiler fan with good results the so-called series turbine has been used on various occasions. It is located between the boiler and the main engine switched, hence the name. The series turbine has neither valves nor any other Regulation. So it is extremely simple. This machine drives via gear transmission or a three-phase transmission the boiler fan switches on with a variable frequency. When the load on the main engine changes, it changes automatically according to the steam flow rate. in the series turbine. The achievement of this is the third Power of the throughput volume proportionally. But they have exactly the same characteristics Fan, so that a, ideal match between Drive and fan consists. Apart from small corrective measures, there are no control devices whatsoever in the usual sense, required. In addition, there is the great advantage that the series turbine on Due to their internal flow conditions over the entire load range with constant efficiency is working.

Da für das Kühlgas des Reaktors und das Rauchgas des Kessels hinsichtlich der zeitlichen Mengen weitgehend gleiche Lastabhängigkeit besteht und die Kühlgasgebläse, und die Kessellüfte.r, abgesehen von ihrer gänzlich unterschiedlichen Konstruktion, gleiche Betriebscharakteristik besitzen, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, zum Antrieb der Kühlgasgebläse der Reaktoren Serienturbinen zu benutzen, und zwar direkt, z. B. über Zahnradgetriebe, oder indirekt über eine elektrische Übertragung. Im Gegensatz zur bekannten Anordnung der Serienturbine vor dem Hochdruckteil der Hauptmaschine ist die Serienlurbine zwischen den Niederdrucküberhitzer und den Niederdruckteil 6 der Hauptmaschine geschaltet. Aus der Fig. 2 geht diese Anordnung heirvor. In der Dampfleitung zwischen der Niederdrucküberhitzerheizfläche 2 b und dem Niederdruckteil 6 der Kraftmaschine ist eine Serienturbine 13 eingeschaltet, die ein Kühlgasgebläse 14 antreibt. Da beim Zweidruckprozeß die Summe der Menge beider Teilkreisläufe iür die lastabhängige Leistungsänderung der Serienturbine bestimmend ist, muß diese hinter dem Niederdrucküberhitzer und vor dem Niederdruckteil 6 der Hauptmaschine liegen. Hierin liegt zudem ein wesentlicher Vorteil gegenüber der bekannten Anordnung der Serienturbine im Höchstdruckgebiet, indem bei Niederdruck die ganze Maschine leichter gebaut werden kann, die Stopfbuchsen einfacher sind und die Stopfbuchsverluste wesentlich geringer ausfallen.
■ Zusammenfassend bietet die Dampfkraftanlage für Kernenergiekraftwerke nach der Erfindung die Vorteile einer thermischen Verbesserung und zusätzlich eines konstanten Wirkungsgrads des Gebläseantriebs bei Laständerungen. Der Aufbau ist äußerst einfach. Die Mehrkosten an Rohrleitungsmaterial werden kompensiert durch den billigeren Gebläseantrieb mittels Serienturbine. Die Regelung dieses Teils erfolgt infolge der beschriebenen Charakteristik bei Lastwechsel selbsttätig.Since the cooling gas of the reactor and the flue gas of the boiler are largely the same load dependency with regard to the temporal quantities and the cooling gas fan and the Kessellüfte.r, apart from their completely different construction, have the same operating characteristics, it is proposed in a further development of the invention to drive the To use cooling gas blowers of the reactors series turbines, directly, for. B. via gear transmission, or indirectly via an electrical transmission. In contrast to the known arrangement of the series turbine in front of the high pressure part of the main engine, the series turbine is connected between the low pressure superheater and the low pressure part 6 of the main engine. This arrangement goes above from FIG. 2. In the steam line between the low-pressure superheater heating surface 2 b and the low-pressure part 6 of the engine, a series turbine 13 is switched on, which drives a cooling gas fan 14. Since in the two-pressure process the sum of the amount of both sub-circuits is decisive for the load-dependent change in output of the series turbine, this must be behind the low-pressure superheater and in front of the low-pressure part 6 of the main engine. This is also a significant advantage compared to the known arrangement of the series turbine in the high pressure area, in that at low pressure the entire machine can be built lighter, the stuffing boxes are simpler and the stuffing box losses are significantly lower.
In summary, the steam power plant for nuclear power plants according to the invention offers the advantages of a thermal improvement and, in addition, a constant efficiency of the fan drive when the load changes. The construction is extremely simple. The additional costs for piping material are compensated for by the cheaper fan drive using a series turbine. The regulation of this part takes place automatically due to the described characteristics with load changes.

Die bereits erwähnten kleinen Leistungskorrekturen in der Anpassung der Serienturbine an das oder die Gebläse können durch eine Beeinflussung des Vordruckreglers und der Steuerung der Hochdruckturbine erfolgen, indem das auf die Serienturbine entfallende Druckgefälle geringfügig verändert wird.The already mentioned small performance corrections in the adaptation of the series turbine to the one or the other Blowers can be activated by influencing the inlet pressure regulator and the control of the high-pressure turbine take place by slightly changing the pressure gradient occurring in the series turbine.

Claims

Patent claims:

1. Steam power plant for nuclear power plants with gas-cooled reactors in the heat exchanger which is divided into two partial quantities and supplied by bleed steam from the main engine.

heated feed water evaporates at two different pressures, with the one in the heat exchanger superheated steam of the high pressure circuit in the high pressure part of the engine relaxes on the pressure of the saturated steam of the low-pressure part, with that in the heat exchanger generated steam of the low pressure circuit mixes and together with this in the low pressure part of the engine up to condenser pressure is relaxed, characterized by such an assignment of the high pressure and the low pressure circuit that the steam of the High pressure circuit according to its work performance in the high pressure part of the engine with the im Heat exchangers generated saturated steam of the low pressure circuit mixed and together with this is overheated in the heat exchanger before it enters the low-pressure part of the engine will.

2. Steam power plant according to claim 1, characterized in that for direct or indirect Drive the fan for the cooling gas circulation uses a turbine without its own control devices that processes a pressure gradient adapted to the required performance and is in the line arranged between the low pressure superheater and the low pressure part of the engine is, so is in series with the low-pressure superheater and the low-pressure engine.

3. Steam power plant according to claims 1 and 2, characterized in that for power correction in the adaptation of the drive turbine to the fan or fans, the pressure gradient occurring on the turbine by influencing the Admission pressure regulator and the control of the high pressure turbine is changed within small limits.

Considered publications:
German Patent Nos. 676 515, 606 237;
Schweizerische Bauzeitung 1952, No. 7, p. 94;
Dr.-Ing. F. Münzinger, Atomkraft, 1955, p. 13.

1 sheet of drawings