DE1551009A1 - Waermekraftanlage und Verfahren zu ihrem Betriebe - Google Patents

Description

PatentanwSite
WpI.«-Ing. R. Beetz u . ο ,

WpHng. Umprecht 410-12.371* 28.4.1967

Manchen 22, Stelnsdorfstr. 10

Commissariat ä VEnergie Atoroique, Paris (Frankreich)

Wäraiekraftanlage und Verfahren zu ihrem Betriebe

Die Erfindung hat eine Wärniekraftanlage zum Gegenstand, welche eine Energiegewinnung aus einer Wärmequelle ermöglicht, die insbesondere aus einem Kernreaktor besteht. Die Erfindung bezieht sich in gleicher Weise auf ein Yerfahren zum Betriebe dieser Wärniekraftanlage oder einer analogen Anlage.

Genauer betrifft die Erfindung eine Wärmekraftanlage mit einem primären Strömungsmittelkreislauf zwischen einer Wärmequelle und einem Wärmetauscher* einem sekundären Strömungsmittelkreislauf zwischen dem Wärmetauscher und einem Dampferzeuger und einem Nutzkreislauf, der von einem in dem Dampferzeuger verdampfenden Strömungsmittel durchströmt wird. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Anlagen zur Energiegewinnung, die mit der von einem durch ein flüssiges Metall gekühlten Kernreaktor abgegebenen Wärme arbeiten.

Die klassischen Betriebsverfahren für eine solche Anlage bestehen allgemein darin, daß man durch Regelung der von dem Wärmetauscher abgegebenen thermischen Leistung und des Durchsatzes an primärem Strömungsmittel die Temperaturen des primären

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Strömungsmittel am Eingang und am Ausgang des Wärmetauschers konstant hält, daß man außerdem durch Regelung des Wasserdurchsatzes die Temperatur des den Dampferseuger speisenden Wassers und den Druck in dem Dampf konstant hält, und daß man den Durchsatz an sekundärem Strömungsmittel beispielsweise in Abhängigkeit von der Differenz der Temperaturen das sekundären Strömungsmittels am Ausgang und am Eingang des awischengeschalteten Wärmetauschers so einregelt, daß diese Differenz konstant bleibt.

Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht darin, daß die Temperatur des Dampfes _{ der am Ausgang des Dampferzeugers zur Verfügung steht und die Energie erzeugenden Turbinen speist, frei variabel ist.

Zur Überwindung dieses Nachteils hat man bereits vorgeschlagen, das Verhältnis zwischen dem Durchsatz an sekundärem Strömungsmittel und dem Durchsatz an primärem Strömungsmittel laufend so zu regeln, daß die Dampftemperatur auf einem vorgegebenen festen Wert gehalten wird.

Hinzuwelsen 1st darauf, daü gleiche Verfahrensweisen für die Regelung des Dampfdruckes angewandt werden können, wobei die Dampftemperatur dann durch Regelung des Wasserdurchsatzes

ist konstantgehalten wird. Diese Lösung/jedoch weniger üblich. .

Die Einstellung eines von einer einfachen Proportionalität abweichenden Zusammenhanges zwischen dem Durchsatz an primärem Strömungsmittel und an sekundärem Strömungsmittel bietet jedoch gewisse Nachteile. Insbesondere lassen sich die Pumpen für den

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primären und den sekundären. Kreislauf nicht mehr durch ml teinandsr synchroni?.aufende Motoren eintreiben.- Außerdem ergibt sich beispielsweise für den FaI.1, daß sieh das Verhältnis des Durchsatzes an sekundärem Strömungsmittel zu dem Durchsatz an primärem Strömungsmittel vor-inindert, eine Vergrößerung des Temperaturatstandes zv/ischen dem heißen und dem kalten sekundären Strömungsmittel, außerdem jedoch in gleicher Weise eine Vergrößerung der heißen Temperatur, die teilweise die Wirkung der Herabsetzung der kalten Temperatur kompensiert. Diese Erscheinung wirkt sich schädlich auf die Genauigkeit der Regelung aus.

Die Erfindung zielt raf eine Beseitigung dieser Nachteile unter Beibehaltung der Möglichkeit ab, die Temperatur des Nutzstromv.ngsmitte.ls am Ausgang dos Dampferzeugers konstant zu halten.

gg wir- =1 sti diesem Zwecke eine Wärmekraftanlage mit einer, primären Ströniungsmittelkreislauf zwischen der Wärmequelle und eine? wärr.atav.scher,niit einem sekundären Strömungsmittel !:rei s7=.aui zwischen dem. Wärmetauscher und einem Dampferzeuger und iirft eines? ν ~^Λ ainer.· in dem Dampferzeuger verdampfenden Strömungsmittel I-ircrstr" >^er "utnkrelslauf vorgeschlagen, die sich dadurch "-ceiinseiulme^, caS der SekuiidSrkreislauf eine Ableitung für -er Sanr-'--pse'i-^r und Kittel zxm Steuern des die Ableitung durehstrün^vvie·: '.ntei 1ε an Sel'uadärströrr.ungsmittel aufweist.

*~n A^e"⁵ che^ i-a⁴?-= r'-\z evfinau^r.sx-?-vMQ ein Beti&bsverfe.nre'..

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für €iino i'ärmekraftanlage mit Umlauf eines primären Strömungsmittels zwischen einer Wärmequelle und einem Wärmetauscher, Umlauf eines sekundären Strömungsmittels zwischen dem Wärmetauscher und tsineni Dampferzeuger unter Ableitung eines Anteils des Durchsctzes an sekundärem Strömungsmittel außerhalb des Dampferzeugers und Umlauf eines Nutzströmungsmittels in dem Dampferzeuger unter Verdampfung in Vorschlag gebracht, wobei der abgeleitete Anteil an sekundärem Strömungsmittel laufend so geregelt wird, daß die Temperatur (oder der Druck) des in dem Dampferzeuger erzeugten Dampfes durch die Regelung auf einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten wird.

Bei einer bevorzugten AusfUhrungsform dieses Verfahrens werden die Durchsätze an primärem Strömungsmittel und an sekundärem Strömungsmittel durch den Wärmetauscher im wesentlichen zueinander proportional gehalten. Die entsprechenden Pumpen lassen sich daher durch Synchronmotoren antreiben, die aus einem einzigen Wechselstromnetz gespeist werden. Außerdem bleiben die Temperaturen des primären Strömungsmittels am Eingang und am Ausgang des Wärmetauschers konstant.

Nachstehend wird beispielshalber eine besondere AusfUhrungsform der Erfindung näher beschrieben. Diese Beschreibung, die sich avf die Fig< 1 und 5 besieht, hat jedoch keinerlei die Erfindung einschränkenden Char

t'e ?Li'-. 1 ste? 1'". ■* :..:..& sr-^o Aur.::'Ur'.":-unsEform der Erf ί_:ήο·Λ·";. ir s-;>-3n:a*;., ■■·:*}.:■ ^·· '^vlse dar;

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•Fig. 2 selgfe die SiKiiiFimgsa der i'eiupSÄ-atiiren in de«! !Rafiipferaenigsss d-sa sekundären Kreislauf imcä äsm ps'l&iM'Jsvi Xs^ialsHi in Abhängigkeit von- dsr Ee IaBt^iJgI

Pig_o Jj verassühaiilieut elr.3 sv

Die in eier Fig. 1 daE'gaatsll'ä® erfiiictongggeESäSe Anlage ermöglicht &le Gewinnung elektr-Isohsz* Energie aus der -won einem durch ein flüssiges Metall gekühlten Kernreaktos* abgegebenen Wärme. Als lühlmatall kosjuat insbesondere- flüssiges Natrium in Betracht»

Der Kernreaktor 1 wird von flüssigem Natrium durchflossen, das das priiiiära Strömungsmittel darstellt und dessen Temperatur sich von T₁ auf T^₁ erhöht» Das prim-äre StrSmungeiiittel läuft unter dem Einfluß einer Puaipe 3 in einer primären Schleife 2 um und kühlt sich in dem eingeschalteten Wärmetauscher 4 ab.

Es gibt dabei seine Wärme an ein sekundäres Strömungsmittel ab, das ebenfalls aus flüssigem Natrium besteht und von der Pumpe 5 in der SekundärsGhleife 6 in Umlauf gehalten wird. Die Temperatur des sekundären Strömungsmittel erhöht sich dabei von Tg auf T\_?. Das sekundäre Strömungsmittel kühlt sich in dem Dampferzeuger f auf eine Temperatur T-, ab. Zu der sekundären Schleife 6 gehört eine Ableitung 8 für den Dampferzeuger 7· Die Ableitung 8 1st mit einem »Schieber 9 zur Regelung des sie durchfließenden /ώ' ?Hp an sek.jidMr»e;;i Strömungsmittel ausgestattet .

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Das Nutastvömun^ ^:*&ιΐ.^tol begeht aus Wasser., dp.a mit iner kor^anten Tenpare-öu" v,_s νσ.-* si-is*· Pyv^e 10 ±v c'Oii '-ü* net%uwc^ 7 hineinä&s-jhicli:'; vii^u, Xikei.s es sie'.; nach und nach erwärmt, bis es vs^ö^npft mi*l äwi'ill- j3!.if.-Ii überhitzt vii**d. Der Dampf verläßt den Damy-r^vicr^a-;· ?' oit iiner Temperatur T_v und einem Druck ? . Anschläger·'! vd-r-J er¹ auf eine Turbine 11 geleitet. Nach der 3ntspannung des Barjpfes in der Turbine 11 wird der Dampf in dem Kondensator¹ 10 kordensla't und wieder in den Dampf erzeuger ? surlickgeführt.

Pda.a bssitst die bishsr beschriebene Anlage ein Regelaggragut, das einerseits; bsi föet-em Betriebsaustand ein stabiles Arbait-o^ '^rr· Anlaga gewährleistet \mä andererseits ein Festhalt&n üör· I'si'sohie-deneri Par2.iÄöter innerh&Ib enger Toleranzan gestavt^, wsn^ sieb di.2 F-alaoturig <ler. Anlage zwischori ihren minimalen und maxiznaien Grenzen ^i?beispielsvfeise· zwischen 20 und 110 ^ der l^eistimg, des HeaLtors) ändert.

Für das Arbeiten der Dampfturbinen ist es erforderlich _} die Temperatur Τ_γ und den Druck Ρ_γ des Dampfes konstant zu halten. Außerdem ist es unter Berücksichtigung des Einflusses der Temperatur auf die Struktur des Reaktors und die Änderungen seiner Reaktivität von Interesse, die Eingangstemperatur T, und die Ausgangstemperatur T^?^ des primären Strömungsmittels konstant zu halten.

Die Temperatur T₁ des primären Strönsungsmittels am Eingang des Reaktors wiri über einen Regler 12 konstantgehaltan* der

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auf den Durchsatz durch die Pumpe 3 eimdx-izt,- Die Temperatur ΐ^:., des gleichen S^rBfnungsh-dttelE εχα Ausgang des Reaktors wird In gleicher '-'eise ΦΛΤύϊι den Regler 13 !:o^»3tantgehalten, J3? die 8'5suer-stt*be des !ieaktors bc-einfIuSt.

Was den !Jutzkrsißlauf anbelangt, so wird die Teuti&mMi des in den Damp fers enger eingespeisten Wassers konstant au? Wert T gehalten .lind der Druck des Dariipfes wird durch den Reg.ler 15 konstantgehalten, der auf den Durchsatz der Pumpe 16 einwirkt .

Der Damrifdurchsats dagegen ändert sich in Abhängigkeitvon der Belastung des· Turbine.

Was die Temperatur T das Danipfas anbal&Sigt, so viirä sie durch Regelung des Durchsatzes an die Ableitung 8 durchströmendem sekundären Strömungsmittel konstant gehalten.

Die Möglichkeit, die Temperatur T_y konstantssuhalten, ergibt sieb aus der Verschiedenheit der Änderungen des Durchsatzes an seki^Klä?3j3 Sfcröinungsmittel in dem zwischengeschalte O" Wärmetauscher '> und in dem Dampferzeuger 7* welche verschiedenen Änderungen durch die Ableitung 8 bewirkt werden. Diese Möglichkeit ihrerseits führt au den nachstehenden Folgerungen?

a) In dem Dar-pferseuger führt bei konstantem Energiea,usfausch und ker-si-antera Viasserdurchsatz eine Änderung des Durch« satzes an sekundärem Strömungsmittel au einer Änderung der Temperaturdiff3rer-2 T^!« - T„ (Fig. 2) in umgekehrtem Sinne.

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Beispielsweise vergrößert man zur Erzielung einer Terringerung/T,_r den Durchsatz an die Ableitung 8 durchströmendem Strömungsmittel, was eine Vergrößerung des Unterschieds der Temperatur des sekundären Strömungsmittels am Eingang und am Ausgang des Dampferzeugers zur Folge hat; T₂ wird zu T"₂, und dementsprechend T„ zu T' .

b) Wenn sich die Durchsätze an primärem und an sekundärem Strömungsmittel (ebenso wie der Durchsatz an Waseer) proportional zu der Belastung der Anlage ändern, so bleiben die Differenzen T'j - T₁ und T*2 - T₂ konstant, jedoch ändern sich die Differenzen T¹J - T*₂ und T*2 -T in gleichem Sinne wie die Belastung.

Beispielsweise vergrößern sich bei einem Betriebe mit verminderter Leistung die Temperaturen des sekundären Strömungsmittels und werden zu T-, und T',j einen Anstieg von T_y verhindert man durch eine Durchsatζvergrößerung durch die Ableitung 8_# und T₅ wird zu T"^.

Bei dem besonderen beschriebenen Fall hängt die Stellung des Schiebers 9 von der angezeigten Temperatur T_y ab und der Durchsatz an sekundärem Strömungsmittel in dem Kreis 6 wird proportional zu dem Durchsatz an primärem Strömungsmittel in dem Kreis 2 gehalten. Zu diesem Zwecke kann der sekundäre Kreislauf einen Durchsatzregeier für die Pumpe 5 enthalten, der beispielsweise in Abhängigkeit von der Differenz (T¹ ₂ - T₂) zwischen der heißen und der kalten Temperatur des den Wärmetauscher 4 durchlauf "endor sekundären Scrönmngsmittels arbeitet.

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• Bei der besonderen besahriebenaki Ausführungsform ist es ;jeäoQh vorzuziehen, nicht eine unabhängige Regelung für die

Pumpe 3 für das sskuzidärs fitrörniiigssäitt©! vorzusehen, sondern liabeF dies® fwisipe und die Fv&jdq ;) iite* das pirisaäre Strömungsmittel !A;;SF ßsrneliFoniiioteren sKfcr^ifcsB sm lassen, öle ays einem einzigen Mets mit variablex¹¹ Frsqnsas gespeist werden, Vielehe beispielsweise euEOh claa Regler 12 gesteuert wird«

Als Abwandlung kann ssm den die Ableitung 8 durchströmenden Durchsatz an sekundärem StrömungSRüitt©! abhängig machen, entweder von dem Druck des Dampfes am Ausgang des Dampferzeugers 7 oder von der Temperatur T³ ₂ ä&s sekundären Strömungsmitteln am

Ausgang des Wärmetauschers 4.

Die Fig. 5 veranschaulicht eine weitere AusfUhrungsform der Erfindung, bei der dei" Daaipf in dem Nutzkreislauf zwischen ■ zv/ei aufeinanderfolgenden Entspannungen eine Zwischenüberhitzung erfMhrt.

Der primäre Kreislauf und der Wärmetauscher 4 sind mit denen in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel identisch. Der Dampferzeuger 7 ,jedoch besitzt im Gegensatz dazu eine Ev/isehenüberhitzungszone 20. In dieser wird der Dampf in dem Mutzkreislauf,der in der Turbine 11 bereits eine teilweise Entspannung erfahren hat, durch Wärmeaustausch mit einem Teil des Durchsatzes an sekundärem Strömungsmittel wieder überhitzt. Anschließend wird die Entspannung in einer Niederdruckturbine 21 vollständig vorgenommen. Der übrige Nutzkreislauf ist

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identisch mit dem in Verbindung :nib dem Ausführung oeispi-·! nach Figo 1 beschriebenen.

Außerdem haaitzt der Kreislauf für das sekundäre mittel die gleiche Ableitung 8 für dan Dampferzeuger 7. Die durch die Regelung des Burchsaüse.:; an sekundärem Strömungsmittel durch diese Ableitung 8 mit Hilfe des Schiebers 9 konstantgehaltene Temperatur ist die des überhitzten,den Dampferzeuger 7 verlassenden Dampfes vor der Hochdruckturbine 11. Ebenso wird wie bei der vorher beschriebenen AusfUhrungsform der Drück dieses Dampfes durch Regelung des Durchsatzes durch die Pumpe l6 konstant gehalten.

In dem Kreislauf des sekundären Strömungsmittel liegt die Zwlechenüberhltzungszone 20 parallel zu einer überhitzungszone 22, während der gesamte Durchsatz an sekundärem Strömungsmittel den Abschnitt 22 durchläuft, wo sich die überhitzung und Yerdampfung des Speisewassers vollzieht. Die Aufteilung des Durchsatzes an sekundärem Strömungsmittel auf die Uberhitzungszone 22 und die ZwlschenUberhitzungszone 20 erfolgt durch Regelung mittels eines Schiebers 24 in der Weise, daß die Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfes vor der Niederdruckturbine 21 konstantgehalten wird.

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Claims (8)

1. - Ii -

   Patentansprüche

   1J liUrmekraft«anlage zur Energiegewinnung aus einer Wärmequelle, insbesondere aus einem mit einem flüssigen Metall gekühlten Kernreaktor, mit einem primären Strömungsmittelkreislaiif zwischen der Wärmequelle und einem Wärmetauscher, mit einem sekundären Strönrangsmittelkreislauf · zwischen dem Wärmetauscher und einem Dampf erzeuger und mit einein von einem in dem Dampferzeuger verdampfenden Strömungsmittel durchströmten Nutskreislauf, dadurch gekennzeichnet, daS der Sekundärkreislauf eine Ableitung (8) für den Dampferzeuger und Mittel (9) zum Steuern das die Ableitung (3) durchströmenden Anteils an SekundärströnmngsMittel aufweist.
2. 2. Wänsekraftaniage nach Anspruch ."U de^arch gekennzeichnet, daß der Nutzstr3mungsndttel-Kreislauf eine Hoehdrackturhine und eine Niederdruokturblne und Mittel aus· Erzeugung eines Umlaufs des Nutzströraungsmitte\s zwischen den beiden Turbinen in einer Zwischenübarhit2ungS2one des Oampferseugers aufweist und daß der SekundärstrÖraungsraittelkreislauf Mittel -zum Kegeln des Durchsatzes an SelcundärstriSanmgsEittel besitzt, das die Zwischenüfcer hitzerzone durchläuft.
3. 3. Verfahren zum Betriebe einer Wärraekraftanlage mit Umlauf eines primären Strömungsraittels zwischen einer Wärmequelle und einem Wärmetauscher, Umlauf eines sekundären Strömungsmittel zwischen dem Wärmetauscher und einem Dampferzeuger und. Umlauf eines Nutz=

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   Strömungsmittels in dem Dampferzeuger unter Verdampfung, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Dampferzeugers ein Anteil des Durchsatzes an sekundärem Strömungsmittel abgeleitet und dieser Anteil ständig so geregelt wird, daß ein erster von zwei Parametern, zu denen die Temperatur und der Druck des in dem Dampferzeuger erzeugten Dampfes gehören, auf einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3., dadurch gekennzeichnet, daß die Durchsätze an primärem Strömungsmittel und an sekundärem Strömungsmittel in dem Wärmetauscher proportional zueinander gehalten werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite der erwähnten Parameter durch Regelung des Durchsatzes an den Dampferzeuger speisendem Nutzetrömungsmittel auf einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Gesamtdurchsatzes an Sekundärströmungsmittel, der von dem Dampferzeuger abgeleitet wird, in Abhängigkeit von der Temperatur des Dampfes am Ausgang des Dampferzeugers gewählt wird.
7. 7· Verfahren nach einem aer Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hindasttemperatur des primäreii StrÖaningsniittels durch Regelung des Durchsatzes des primären Strömungstäittels auf einen vorgegebenen konstanten Wer*; gehalten wird.

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8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Nutzströtnungsmittel zwei aufeinanderfolgenden Entspannungen unterworfen wird, zwischen denen es durch einen Anteil des Durchsatzes an sekundärem Strömungsmittel überhitzt wird, der so geregelt wird, daß eine konstante Temperatur für den Überhitzten Dampf aufrechterhalten wird.

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