DE2006452A1 - Boilersystem zur Erzeugung von Dampf - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DIPL-ING. CURT WALLACH DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH 2006452 DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, 12. Februar I97O

UNSER ZEICHEN: 12 480 - K./vM

British Nuclear Design & Construction Limited, Whetstone,

Leicestershire, England.

Boilersystem zur Erzeugung von Dampf

Die Erfindung betrifft ein Boilersystem zur Erzeugung von Dampf.

Bisher wurden in Verbindung mit Kernreaktoren Boilersysteme benutzt, bei denen das Reaktorkühlmittel hauptsächlich durch den Reaktorkern nach oben strömte und demgemäß ein Boilergehäuse von oben nach unten durchsetzte, wobei das Boilergehäuse von Boiler-Wasser-Dampfrohren umgeben war. Um eine Gegenströmung innerhalb des Boilergehäuses zu erhalten und einen wirksamen Wärmeaustausch zu gewährleisten, strömte die Wasser-Dampf-Strömung durch die Boilerrohre nach oben, wie dies gemäß der natürlichen Konvektion entspricht, so daß stabile Strömungsverhältnisse erzielt wurden.

Aus Gründen, die außerhalb des Rahmens vorliegender Diskussion liegen, besteht heutzutage ein Trend, das Reakterkühlmittel durch den Kern nach unten strömen zu lassen und es ist daher zweckmäßig, eine Aufwärtsströmung des Reaktorkühlmittels in den zugeordneten Boilersystemen vorzusehen. Um innerhalb des Boilers einen Gegenfluß zu erzeugen, ist es daher notwendig, die Wasser-Dampf-Strömung von oben nach unten fließen zu lassen.

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Bei einem der Vorschläge mit nach unten gerichteter Wasserströmung wird ein Boiler der "Einmaldurchlauf"-Bauart benutzt, bei welchem ein Vorwärmer-,Verdampfer- und Uberhitzer-Rohrabschnitt direkt in Reihe geschaltet sind, wobei der überhitzer im Boilergeh'4USe am weitesten unten liegt. Ein mit einem solchen Einmaldurchlauf-Boiler verknüpftes schwerwiegendes Problem besteht jedoch darin, aaü die natürliche Konvektion zusammen mit dem Dampfauftrieb,der in den Boilerrohrschlangen erzeugt wird, der gewünschten Zirkulation zuwiderläuft und insbesondere bei vermindertem Reaktorwärmeausgang wird der Wasser-Dampf-Fluß unstabil. Ein weiterer Nachteil dieses Boilersystems besteht darin, daß bei Ausfall oder Störung des Wasserzwangsumlaufes und zum Anschalten einer Hilfsumlaufquelle eine Zeitverzögerung auftritt, während der die Wassermenge, die in den Boilerrohrabschnitten verfügbar ist, beträchtlich vermindert wird, was die Gefahr einer Überhitzung der Rohrabschnitte und einen thermischen Schock zur Folge haben kann.

Gemäß einem anderen Vorschüag werden die drei Hauptboilerrohrabschnitte voneinander getrennt und sie besitzen individuelle Einlasse und Auslässe, die das Boilergehäuse durchsetzen. Bei diesem Vorschlag erfolgt eine Zwangszirkulation durch den Verdampferabschnitt und das Wasser wird von einem fixan Oberkessel außerhalb des Boilergehäuses abgenommen und dorthin zurückgeführt. Der Oberkessel empfängt außerdem Wasser von einer Boilerzuführungsleitung über den Vorerhitzer und der Dampf wird von der Oberseite des Oberkessels dem Überhitzer zugeführt. Weil jedoch die Einlasse und Auslässe für die drei Hauptrohrabschnitte getrennt sind, müssen nicht weniger als sechs Löcher im Boilergehäuse angeordnet werden. Wenn das Boilergehäuse innerhalb eines aus Beton bestehenden Kernreaktordruckgefäßes angeordnet wird oder innerhalb eines Loches oder Gefäßes in der Dicke einer Betondruckgefäßwandung, dann sind sechs derartige Wanddurchdringungen höchst unwillkommen vom konstruktiven Standpunkt aus gesehen.

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Ein weiterer Nachteil dieser zweiten Gattung besteht darin, daß bei Ausfall oder Störung der Boi lerwass erzufiihrungs leitung keine Wasserreserve innerhalb des Boilersystems selbst vorhanden ist, die durch den Vorerhitzerrohrabschnitt strömen könnte, was demgemäß während der Zeitverzögerung zwischen Störungseintritt und Beginn einer Hilfszuführung zu einem übermäßigen Temperaturanstieg und zu einer thermischen Verzerrung führen könnte. Selbst wenn der zugeordnete Kernreaktor gleichzeitig auf geringere Leistung geschaltet wird, ist der Vorerhitzerrohrabschnitt nicht in der Lage, beim Fehlen einer Speisung von einer Hilfswasserquelle die Hitze von dem Reaktorkühlmittel abzuführen.

Gemäß der Erfindung weist das Boilersystem folgende Ausgestaltung auf:

Innerhalb eines Boilergehäuses sind Vorerhitzen Verdampfer-und Uberhitzer-Wasser-Dampf-Rohrabschnitte angeordnet, wobei die Rohrabschnitte von Vorerhitzer und Verdampfer mit ihren Enden innerhalb des Gehäuses verbunden sind; ein Oberkessel ist au-Λerhalb des Gehäuses angeordnet und empfängt eine Dampf-Wasser-Strömung von dem Verdampferabschnitt und liefert den Dampf nach dem überhitzer; es ist eine Mischvorrichtung außerhalb des Boilergehäuses angeordnet, der Wasser von dem Oberkessel über eine Rezirkulationspumpe und von einer Boilerspeiseleitung zugeführt wird, wobei das gemischte Wasser dem Vorerwärmer und Verdampfer zugeführt wird, damit eine Zirkulation hindurch erfolgen kann.

Vorzugsweise ist eine weitere Verbindung vorgesehen, um Wasser direkt von der Boilerzuführungsleitung nach dem Oberkessel zu überführen, wobei diese weitere Verbindung ein Ventil aufweist, das in Abhängigkeit vom Wasserspiegel innerhalb des Oberkessels gesteuert werden kann, so daß dies dazu beiträgt, den Wasserspiegel zwischen einem vorgewählten oberen und unteren Grenzwert zu halten.

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Das erfindungsgemäße Boilersystem hat den Vorteil, daß nur vier Löcher im Boilergehäuse erforderlich sind und demgemäß auch in der Wandung des Druckgefäßes eines Kernreaktors, in dem das System installiert werden kann. Ein solches System enthält auch eine Wasserreserve, die nicht nur dem Verdampferabschnitt bei Ausfall der BoilerwasserzufUhrung zugeführt werden kann, sondern auch dem Vorerhitzerabschnitt, so daß der Vorerhitzer gegen thermische Verzerrung geschützt wird. Wenn eine Auslösung bei hohem Leistungsausgang des Reaktors erfolgt, wird eine zusätzliche Kühloberfläche geschaffen, die die Wärme vom Reaktorkühlmittel abführt, ohne daß sofort ein Anschluß an eine Hilfswasserquelle erfolgt. Das System sieht weiter eine Zwangsrezlrkulation sowohl durch den Verdampfer als auch durch den Vorerhitzerabschnitt vor, so daß die Stabilität des Wasser-Dampf-Stromes leichter selbst bei niedrigen Reaktorhitzeausgängen gewährleistet ist.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Boilersystem nach der Erfindung, das Teil eines Hochtemperaturkernreaktors ist, bei welchem die Kühlgasströmung durch den Reaktorkern nach unten verläuft.

Das erfindungsgemäße System umfaßt ein langgestrecktes Gehäuse 1, das in ein Vertikalloch 23 einfügbar ist, welches innerhalb der Dicke der Wandung des Kernreaktordruckgefäßes 24 vorgesehen ist. Das Gehäuse beherbergt den Vorerhitzer 2, den Verdampfer J5 und den überhitzer 4, die mit ihren Enden aneinanderliegend vertikal angeordnet sind. Vorerhitzer 2 und Verdampfer 3 sind unmittelbar miteinander verbunden und sie liegen über dem Überhitzer, der von den Abschnitten 2 und JJ getrennt ist. Heißes Kühlgas, das am Boden des Reaktorkerns austritt, wird über eine Leitung 5 in das Gehäuse 1 eingeführt und es verläßt den Reaktorkern über dieses Gehäuse und eine Leitung 6. Das

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Ausla J3 ende des Verdampferabschnitts j5 ist mit einem Oberkessel 7 außerhalb des Druckgefäßes über eine Leitung 8 verbunden. Eine weitere Leitung 9 verbindet das Obergefäß mit dem Einlaßende des Überhitzers 4 über ein Ventil 11. Parallel zu der Leitung 9 ist eine Nebenschlußleitung 12 vorgesehen, in der ein Ventil 13 liegt. Das Obergefäß 7 ist in geeigneter Höhe gegenüber den anderen Teilen des Systems angeordnet, wobei die Höhe durch Betrachtungen hinsichtlich der Wasser-Dampf-Strömung und Stabilität bestimmt wird. Der Ausgang des Uberhitzerabschnitts wird über eine Leitung 14 und ein Ventil 15 einer nichtdargestellten Dampfturbine zugeführt, die dem Kernreaktor zugeordnet ist. Das sich in dem Oberkessel 7 sammelnde Wasser wird über eine Leitung 16 und eine Rezirkulationspumpe 17 einer Mischvorrichtung in Gestalt eines Mischgefäßes 18 zugeführt, das außerhalb des Druckgefäßes angeordnet ist. Der Ausgang der Pumpe 17 ist über einen weiten Bereich veränderbar, um eine Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen zu ermöglichen. Das Mischgefäß 18 empfängt über eine Leitung 19 außer-dem Wasser über eine Boilerspeisepumpe 21 aus einer Boilerzuführungsleitung die dem Kondensator und der Speiseerhitzungsanlage (nicht dargestellt) der Turbine zugeordnet ist. Das Mischwasser aus dem Gefäß Ib wird dann über eine Leitung 22 dem Einlaß des Vorerwärmers 2 zugeführt.

Eine weitere Verbindung 25 besteht zwischen der Leitung 19 und einem Wasserinjektor 26, der dem unteren Teil des Oberkessels 7 zugeordnet ist. Die Verbindung 25 ist mit einem Ventil 27 ausgestattet, das durch eine Steuervorrichtung 28 eingestellt wird, die ihrerseits PlUssigkeitspegelfühlern 29 zugeordnet ist, die auf den Wasserpegel im Oberkessel ansprechen.

Im Betrieb wird Speisewasser dem Mischgefäß 18 über die Boilerspeisepumpe 21 zugeführt, wo dieses Wasser mit dem vom Oberkes sel 7 über die Rezirkulationspumpe 17 zugeführten Wasser ver-

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mischt wird und es ist zu erwarten, daß die Strömungsanteile bei Vollast 100# und ungefähr 10# der Speiseströmung betragen. Diese kombinierte Wasserströmung tritt durch den VorerwSrmer 2 hindurch und gelangt in den Verdampfer 3, wo eine Erhitzung auf Dampftrockenheit von ungefähr 0,91 erfolgt. Dann gelangt die Mischung über die Leitung b nach dem Obergefäß 7, wo Dampf und Wasser getrennt werden und es wird trockener gesättigter Dampf dann von dem Oberkessel über die Leitung 9 dem überhitzer 4 zugeführt, damit die erforderliche Überhitzung stattfinden kann, bevor der Dampf die Dampfturbine antreibt. Bei Teillast wird die Rezirkulationsrate durch jenen Teil des Systems, der den Vorerhitzer und die Verdampferabschnitte 2,j5 und den Oberkessel 7 umfaßt, dadurch vermindert, daß der Ausgang der Rezlrkulationspumpe 17 so eingestellt wird, daß eine stabile Wasser-Dampf-Strömung durch die Boilerrohrabschnitte erhalten bleibt.

Während des Anlaufs und des Abschaltens kann der überhitzer 4 getrennt werden und der Dampf kann über die Leitung 12 einem Dampfturbinenkondensator zugeführt werden. Hierbei wird das Wasser, das durch Vorerhitzer und Verdampfer 2 bzw.3 von dem Oberkessel 7 wieder im Kreislauf zugeführt wird, bei einer geeigneten Strömungsrate gehalten, um eine stabile Betriebsbedingung aufrechtzuerhalten. Eine zusätzliche Steuerung des Wasserspiegels in dem Oberkessel 7 wird durch ein Ventil 27 erlangt, das in der weiteren Verbindung 25 angeordnet ist und die Wasserströmung durch die Verbindungsleitung 25 so steuert, daß der Wasserspiegel zwischen vorgewählten oberen und unteren Grenzwerten gehalten wird, die durch Flüssigkeitspegelsensoren 29 definiert sind. Es ist auch eine genügende Wasserreserve im Oberkessel 7, im Vorverdampfer und im Verdampfer enthalten, um eine Umschaltung von Speisewasser von der Hauptspeisepunpe nach einer Hilfsspeisepumpe zu ermöglichen. Die Boileraufstellprobleme werden durch die Tatsache erleichtert, daß der Oberkessel 7 zwischen Verdampfer 3 und überhitzer 4 geschaltet ist,

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wobei austenitische, aus rostfreiem Stahl bestehende Abschnitte des Überhitzers dabei einen Schutz gegen schädliche Salze, z.B. Chloride, gewährleisten.

Es ist möglich, daß zukünftige Hochtemperaturreaktoren mit einem Dampfwledererhitzungszyklus arbeiten, wodurch der herkömmliche Wiedererhitzer aus dem Oaskreis eliminiert wird. Das Boilersystem mit begrenzter Zirkulation, was vorstehend beschrieben wurde, würde keine größere Zahl von Druckgefäßlöchern erfordern als ein Qaswiedererhitzerboiler, da ein getrennter Vorerhitzer 2 durch die Verwendung des äußeren Mischkessels Ic vermieden wird.

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Claims (1)

1. Patentansprüche :

   oilersystem mit einem Gehäuse, in dem Vorerhitzer, Verdampfer und Uberhitzer-iWasser-jDampf-Rohrabschnitte angeordnet sind, mit einem Oberkessel, dessen Einlaß und Auslaß außerhalb des Gehäuses liegt, wobei der Auslaß an dem auf niederer Temperatur stehenden Ende des Überhitzers angeschlossen ist, um diesem Dampf zu liefern, und der Einlaß mit dem Hochtemperaturende des Verdampfers verbunden ist und von diesem Wasser-Dampf erhält,und mit einer Boilerwasserspeiseleitung, um Wasser dem Niedertemperaturende des Vorerhitzers zuzuführen, dadurch gekennzeichnet , daß das Hochtemperaturende des Vorerhitzers(2 ) mit dem Niedertemperaturende des Verdampfers (jj) innerhalb des Gehäuses (1) verbunden ist, und daß ein weiterer Auslaß von dem Oberkessel (7)» eine Rezirkulationspumpe (17) und eine Mischvorrichtung (Ib) vorgesehen sind, die einen Auslaß und zwei Einläße besitzt, wobei der Auslaß an dem Niedertemperatürende des Vorerhitzers (2) angeschlossen ist und einer der Einlasse mit der Boilerwasserspeiseleitung (19) verbunden ist und der andere EinlaiS Über die Rezirkulationspumpe (17) mit dem weiteren Auslaß des Oberkessels (7) verbunden ist, um von diesem Wasser zu empfangen.

   Bollersystem nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet , daß eine weitere Verbindung (25) vorgesehen ist, um Wasser direkt von der Boilerspeiseleitung (19) nach dem Oberkessel (7) zu überführen, wobei die weitere Verbindung (25) ein Ventil (2b) aufweist, das gemäß dem Wasserspiegel in dem Oberkessel (7) gesteuert wird, was dazu beiträgt, den Wasserspiegel zwischen einem vorbestimmten oberen Grenzwert und einem vorbestimmten unteren Grenzwert zu halten.

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   Boilersystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb ein Wärmeaustauschermedium durch das Boilergehäuse (l) nach oben strömt, während die Dampf-Wasserströmung nach unten durch die Boilerrohrabschnitte (2,3,4) verläuft.

   Boilersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Benutzung in Verbindung mit einem Kernreaktor, dadurch gekennzeichnet , daß ein Loch (23) innerhalb der Dicke der Reaktordruckgefäßwandung (24) ausgebildet ist, und daß das Gehäuse (1) in diesem Loch (23) angeordnet ist, wobei die Verbindungen nach den Rohrabschnitten (2,3*4) und von diesen durch vier Löcher in der Wand (24) geführt sind.

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