DE2109825B2 - Dampferzeuger mit in einem vertikalen Druckbehälter angeordneten Rohrbündel - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger mit in einem vertikalen Druckbehälter angeordneten Rohrbündel, wobei das Heizmittel durch die Rohre strömt und das Rohrbündel von einem Leitgefäß umgeben ist, das aus einem oberen und einem unteren Teil besteht. Dabei erfolgt die Hauptspeisewasserzuführung in den Ringraum zwischen dem Druckbehälter und dem unteren Teil des Leitgefäßes. Zwischen dem oberen und dem unteren Teil dieses Leitgefäßes sind Durchtrittsstellen für Dampf in den unteren Ringraum zur Vorwärmung des Speisewassers vorgesehen.

Im allgemeinen behandelt die Erfindung Gegenstände, die in den USA.-Patenten 3 385 268 und 3 447 509 offenbart wurden und bei denen ein Heizmittel durch die Rohre geleitet wird und das Speisemedium im Behältermantel aufgegeben wird um nach unten durch ein ringförmiges Fallrohr zu strömen, das nach oben durch ein Rohrbündel fließt und erwärmt sowie verdampft wird, wenn es über die Rohre sowie an den Rohren entlangströmt. Ein Teil dieses teilweise erwärmten Mediums wird dem Rohrbündel entzogen, um sich mit dem in den Dampferzeugermantel eintretenden Speisemedium zu vermischen und dasselbe vorzuwärmen. Dadurch soll ein Wärmeschock, der auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Metall und dem eintretenden Speisewasser zurückzuführen ist, an dem dickwandigen Metall des Behältermantels und Rohrbodens vermieden werden. Um aufwendige Reparaturen auszuschalten und die Lebensdauer des Dampferzeugers zu verlängern, sind für die Einschaltung und Abschaltung der Anlage scharf umgrenzte Temperaturdifferenztoleranzen festeeleet worden.

Die betrieblichen Begrenzungen haben jedoch den Nachteil, daß sie die Stillstandszeit verlängern, so daß ein wirtschaftlicher Verlust auf Grund der Minderung bei der Verfügbarkeit der Anlage eintritt. Eine besonders nachteilige Situation tritt ein, wenn auf Grund eines Nctzustandes die Speisemediumströmung unterbrochen wird, das Dampferzeugerheizmedium verdampft und die Metalltemperatur des Erzeugers sich der Temperatur des eintretenden Heizmhtels näher!. Selbst wenn der Notzustand schnell behoben werden kann, wird unter diesen Umständen kein erwärmtes Medium zur Verfügung stehen, das das in den Dampierzeugermantel eintretende Speisemedium vorerwärmt, so daß es notwendig sein kann, den Stillstand der Anlage zu verlängern, damit die Metalltemperaturen des Dampferzeugers auf einen Punkt fallen, bei dem die Hin'ufügung von Seiscmedium ohne Vorwärmung keine Temperaturdifferenzen verursachen wird. die die vorgeschriebenen Grenzen überschreiten.

Gegenüber diesem bekannten Stand der Technik, wie er sich insbesondere aus der USA.-Patentschrin 3 385 268 ergibt, liegt der Erfindung die Aufgabe /ugriiüde.eine Anordnung zu schaffen, die eine unverzügliche Wiederaufnahme der Hauptmediumströmung in einem Dampferzeuger nach Abschaltung des Speisensediurfsstromes während des Betriebes des Dampf erzeugers ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge löst, daß getrennt von der Hauptspeisewasserzufüh rung eine Einrichtung zur Zuführung nur einer kleinen Menge von Speisewasser direkt in den Raum innerhalb des oberen Teiles des Leitgefäßes bei Ausfall der Hauptspeisewasserzufuhr vorgesehen ist. Das bedeutet mit anderen Worten, daß erfindungsgemäß eine kleine Menge Speisewasser eine sofortige Verdampfung sicherstellen soll.

Nach einer weiteren Maßnahme der Erfindung umfaßt die Einrichtung zur Zuführung dieser kleinen Menge von Speisewasser eine Vielzahl von Düsen, durch die eine gleichmäßige Verteilung des Speisewassers auf den Querschnitt innerhalb des Leitgefäßes sichergestellt wird.

D^bei sind Mittel vorgesehen, durch die die Einspeisung der kleinen Speisewassermenge bei Ausfall der Hauptspeisewasserzufuhr geöffnet und so geregelt wird, daß eine vorher bestimmte Wärmeaufnahme erfolgen kann.

Es ist bekannt, Sprühgitter zur Notkühlung eines Reaktorkernes und eine Düse zur Messung des Wasserstandes des Notkühlmittels vorzusehen. Es ist ebenfalls bekannt, zwei Notspeisewasserpumpen mit etwa 3 % der Vollastleistung des Reaktors anzuordnen, die Notspeisewasser in den Reaktor über die Speisewasserregelventile einführen, die gesondert den Wasserstand im Dampferzeuger regulieren. Diese Anordnungen stellen die bekannten konventionellen Notkühleinrichtungen dar, die lediglich bei einer Notabschaltung des Reaktors in Tätigkeit treten.

Demgegenüber besteht die Erfindung darin, bei einer Notabschaltung des Hauptspeisemediums ein Hilfsspeisemedium gesondert an einer anderen Stelle einzuführen als das Hauptspeisemedium, wobei das Hilfsspeisemedium verdampft und erfindungsgemäß beim Wiederanfahren das Eintreten des Hauptspeisemediums vorwärmt, wenn die Strömung des Hauptspeisemediums wieder in Gang kommt. Durch die erfindungsgemäße Einführung eines Hilfsspeisemediums werden die Temperaturunterschiede zwischen Mantel und Rohrboden-

metall und dem eintretenden Hauptspeisemedium reduziert, so daß ein Wärmeschock ausgeschaltet wird.

Im Betrieb hat es sich gezeigt, daß es genügt, die maximale Strömungsmenge des zweiten Speisemediums auf einer, geringen Prozentsalz der maximalen Strömungsmenge des ersten Speisemediums zu begrenzen. Ein typisches Hilfsspeisemediumsystem hat eine maximale Strömungsleistung von etwa 3,5 % der vollen Hauptspeisemediummenge. Der Mantel und die Wärmeaustauschrohre sind erfindungsgemäß verhältnismäßig dünnwandig und den Temperaturdifferenzen gewachsen, die sich aus der Einführung von nicht vorgewärmtem Hilfsspeiseniedium ergeben. Im Anschluß an den Ausfall der Hauptspeisemediumströmung wird Hilfsspeisemedium direkt in den inneren Dampfweg eingespritzt und verdampft, wenn es mit den heißen Rohren in Berührung kommt. Dadurch ergibt sich ein Dampfdruckaufbau innerhalb des Wärmetauschers. Die unverzügliche Wiederaufnahme der Speisemediumströmung wird dadurch ermöglicht, daß Dampf des Hilfsspuseiri-diums verwendet wird, um das eintretende Hauptspeisemedium vorzuwärmen. Sobald der normale Betrieb wieder hergestellt ist, kann die Hilfsspeisemediumströmung eingestellt werden.

Wahlweise kann das Hilfsspeisemediumsystem dazu verwendet werden, um Restwärme aus dem Dampferzeuger und seiner zugehörigen Wärmequelle, wie beispielsweise einem Kernreaktor, während des Stillstandes der Anlage abzuführen. Eine vorher bestimmte Kühlleistung kann dadurch aufrechterhalten werden, daß die in den Dampferzeuger eingeführte Hitisspeisemediummenge eingeregelt und der entstehende Dampf direkt über den Kondensator abgeführt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. I einen Aufriß eines Wärmetauschers,

F i g. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 der F i g. I und

F i g. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 1.

F i g. 1 zeigt einen Dampferzeuger 10, welcher einen vertikalen, zylindrischen Druckbehälter 11 besitzt, der an den entgegengesetzten Enden Hilfsspeisemediumsammlcr 12 und einen unteren Boden 13 geschlossen wird. Der Behälter 11 wird quer durch obere und untei c Rohrboden 14 bzw. 15 geteilt. Der obere Rohrboden

14 besteht aus einem Stück mit dem Behälter 11 und dem oberen Behälterboden 12 und bildet in Verbindung mit dem oberen Behälterboden eine Eintrittskammer !6. Der untere Rohrboden 15 besteht aus einem Stück mit dem Behälter 11 und dem unteren Behälterboden 13 und bildet in Verbindung mit dem unteren Behälterboden eine Austrittskammer 17.

Zahlreiche gerade Rohre 18, die in Form eines Rohrbündels angeordnet sind, erstrecken sich vertikal zwischen dem oberen und dem unteren Rohrboden 14 und

15 und treten durch beide Rohrboden, um die Eintrittskammer 16 mit der Austrittskammer 17 zu verbinden. Ein zylindrisch ausgebildeter unterer Mantel 19 umgibt die Rohre 18 und erstreckt sich nach oben von der Oberkante des unteren Rohrbodens 15; er endet auf einer Zwischenhöhe des Behälters 11. Dieser untere Mantel begrenzt den unteren Teil eines inneren Durchgangs bzw. einer Dampferzeugungskammer 20, die den unteren Teil der Rohre 13 enthält und mit dem Behälter 11 zusammenwirkt, um den unteren Teil eines umgebenden, ringförmigen äußeren Durchgangs 21, auch Ringkammer genannt, zu bilden.

Öffnungen 22, die am Umfang um den unteren Teil des Mantels 19 herum angeordnet sind, bilden eine Strömungsverbindung zwischen der Ringkammer 21 und der Kammer 20. Eine verstellbare, kreisförmige Segmentplattenblende 23 erstreckt sich nach außen von dem Mantel 19 etwa auf Höhe der Oberkante der Öffnungen 22.

Ein zylinderförmiger oberer Mantel 24 erstreckt sich

ίο nach oben von einer Ebene dicht oberhalb der Oberkante des unteren Mantels 19 bis zu einer Ebene unterhalb des oberen Rohrbodens 14. Dieser obere Mantel 24 bildet den oberen Teil eines inneren Durchganges oder eine Überhitzungskammer 25, die eine Verlängerung der Kammer 20 darstellt und den oberen Abschnitt der Rohre 18 enthält. Der Mantel 24 bildet in Verbindung mit dem Behälter 11 den oberen Teii eines ringförmigen äußeren Durchgangs oder eine Austrittskammer 26. Das untere Ende der Kammer 26 ist durch eine Ringplatie 27 dicht verschlossen, die an ihrer Außenkante an den Behälter 11 und an ihrer Innenkante an den Mantel 24 geschweißt wird. Der offene Raum 28 zwischen der Oberkante des Mantels 19 und der Bodenplatte 27 des Mantels 24 steht in Strömungsverbindung mit der Eintrittskammer 21. Zahlreiche Rohrhallerungen 29 sind auf der Länge des Rohrbündels 18 innerhalb der Kammern 20 und 25 angeordnet.

Am oberen Ende der Ringkammer 21 werden zahlreiche Hnuptspeisemediums Düsen 30 durch die Wand des Behälters 11 geführt; ihre jeweiligen Austrittsenden sprühen in die Ringkammer 21 in der Nähe des offenen Raumes 28 oder auf gleicher Höhe mit demselben; dies ist durch das Sprühbild bei 30 A dargestellt. Verbindungsrohre 31 verbinden die Düsen 30 mit einem ringlörmigen Hauptspeisemediumsammler 32, welcher den Behälter 11 unterhalb der Düsen 30 umgibt.

In der Nähe des oberen Endes der Austrittskammer 26 werden zahlreiche Hilfsspeisemediumdüsen 33 durch die Wand des Behälters Il und durch den oberen Mantel 24 geführt, wobei ihre jeweiligen Austrittsenden in die Dampferzeugungs- und Überhitzungskammer 25 sprühen, wie durch das Sprühbild bei 33 A dargestellt ist. Verbindungsrohre 34 verbinden die Düsen 33 mit einem ringförmigen Hilfsspeisemediumsammler 35, welcher den Behälter 11 unterhalb der Düsen 33 umgibt. Der obere Behälterboden 12 ist mit einem Eintrittsstutzen 36 für die Zuführung von Heizmedium in die Kammer 16 versehen, während der unter Behälterboden 13 mit einem Austrittsstutzen 37 für den Austritt des Heizmediums aus Kammer 17 versehen ist. Der Behälter 11 besitzt Austrittsstutzen 38, um den Heißdampf zu einer Verbrauchsstelle zu fördern, und ein Mannloch 39 sowie Besichtigungsöffnungen 40 und 41, wodurch das Innere des Behälters befahren bzw. beobachtel werden kann. Weiterhin vorhanden sind Mediumshöhenstands-Anzeigestutzen 42, Entlüftungsstutzen 43 und Entwässenmgsstutzen 44. Der obere und der untere Behälterboden 12 und 13 sind mit Mannlöchern 45 und 46 sowie mit Besichtigungsöffnungen 47 und 48 versehen, während der untere Behälterboden 13 auch einen Entwässerungsstutzen 49 besitzt.

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Dampferzeuger 10 entlang der Linie 2-2 der F i g. 1, d. h. am Hilfsspeisemediumeintritt in den Dampferzeuger. Man erkennt, daß die Hilfsspeisemediumdüsen 33 am Umfang des Behälters 11 angeordnet sind und durch die Behälterwand, den Austrittsschacht 26 sowie den oberen Mantel 24 geführt werden, um direkt in den oberen

Tcii des inneren Durchgangs der Uberhitzungskammer 25 zu sprühen, wie bei 33 A dargestellt. Ein Hilfsspeisemediumsammler 35, der aus zwei bogenförmigen Abschnittcü besteht, welche durch eine Flanschverbindung 50 verbunden werden, liefert Medium durch die Verbindungsrohre 34 zu den Düsen 33 zur Versprühung über die Außenseite der Rohre 18.

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt des Dampferzeugers 10 entlang der Linie 3-3 der F i g. 1, d. h. am Hauptspeisemediumeintritt in den Dampferzeuger. Man erkennt mehrere Hauptspeisemediumdüsen 30, von denen nur fünf dargestellt sind; dieselben sind am Umfang des Behälters 11 angeordnet und werden durch die Behälterwand geführt, um direkt nach unten in den Eintrittsschacht 21 zu sprühen. Ein Hauptspeisemediumsamm- ler 32. der aus /w^i getrennten bogenförmigen Abschnitten besteht, liefert Medium durch die Verbindungsrohr; 31 /u den Düsen 30 zur Versprühung in der Ringkammer 21. Der untere Mantel 19 begrenzt den Aiißonumfang des unteren Teils des inneren Durch- ao gangs oder der Kammer 20, welche den unleren Abschnitt der Rohre 18 aufnimmt.

Wahrend des normalen Betriebs des Dampferzeugers wird i ic:.iiicuium. das von einem Druckwasserreaktor oder einer ähnlichen nicht dargestellten Quelle as zur Verfügung gestellt wird, in die obere Kammer 16 durch den Eintrittsstut/en 3b geliefert. Das Heizmedium gibt Wärme an ein Sekundärmedium während der Strömung durch die Rohre 18 des Dampferzeugers 10 ab. Von der Kammer 16 strömt das Heizmedium nach unten durch die Rohre 18 in die untere Kammer 17 und wird durch den Austrittsslutzen 37 abgezogen. Das Speiscnv.'dium wird in den Sammler 32 gefördert, von wo Mus es d^urch die Düsen 30 in das obere Ende der Ringkammer 21 U..:. Dampferzeugers versprüht wird. Dj . Nii^cincdiuni strömt nach unten durch die Ringkammer 21, entlang der verstellbaren Blende 23 und durch die Mantelöffnungen 22 in die Kammer 20. Das Hauptspeisemeduim tritt in die Kammer 20 im wesentlichen bei Sättigungstemperaiiir ein. und die Dampferzeugung beginnt sofort. I.s strömt nach oben um die Rohre herum im (icgenstrom und in einem indirekten Wärmeübergangsverhältnis /u dem Hei/medium. das innerhalb der Rohre 18 strömt.

Wenn das Hauptsr"iscmcdium nach oben durch die Kammer 20 strömt, wird Dampf erzeugt, und /war von der Menge 0 am unterer' Rohrboden 15 bis /u einer Menge von im wesentlichen 100% an dem oberen Ende des unteren Mantels 19. Ein Teil des erzeugten Dampfes wird oben am Mantel 19 entnommen und durch den offenen Raum 28 geleitet, um sich mit dem Hauptspcisemedium. das aus den Düsen ?0 versprüht wird, zu vermischen und dasselbe zu erwärmen.

Wenn sich dieser Dampf mit dem einströmenden Speiscmedium vermischt, dann kondensiert er, was zu einer geringfügigen Druckabsenkung führt, wodurch eine Saugwirkung erzeugt wird, die die Entnahme von Dampf aus der Kammer 20 in die Ringkammer 21 verursacht. Der entnommene Dampf gibt seine latente Verdiimpfungswärmc an das einströmende Speisemediinn ab. wodurch das Gemisch im wesentlichen auf Sattigungstemperatur erwärmt wird. Der nicht entnommene Dampfanteil wird nach oben durch die Uberhitzungskammer 25 geleitel und überhitzt, bevor er die Richtung um den oberen Mantel 24 herum umkehrt. Er strömt dann nach unten durch den Austritlsschacht 26 zwischen dem oberen Mantel und dem Bchältcrmantel; schließlich tritt er aus dem Dampferzeuger durch die Dampfaustrittsstutzen aus.

Bei einer vollständigen Unterbrechung der Hauptspeisemediumzuführung zum Dampferzeuger wird die Wärmequelle, z. B. der Kernreaktor automatisch abgeschaltet, während das Hei/medium weiterhin durch den Reaktor und den Dampferzeuger in einer gewählten Menge strömt. Das Hilfsspeisemediumsystem wird im wesentlichen gleichzeitig mit dem Ausfall der Hauptspeiseinediumversorgung eingeschaltet. Das Hilfsspeisemedium wird /um Sammler 35 geleitet und durch die Düsen 33 direkt in den oberen Teil dc-s inneren Durchgangs oder in die Uberhitzungskammer 25 eingespritzt; ein gewisser Teil des Hilfsmediums verdampft, wenn es mit den erhitzten Rohren 18 in Berührung kommt: dadurch entsteht ein Dainpfdruckaufbau innerhalb des Erzeugers. Das Hilfsspeisemedium tritt in einer gewählten Menge ein. um einen vorher eingestellten Mindestwassersland aufrechtzuerhalten. Verfallswärme vom Reaktor wird dadurch abgefühn, daß man den indirekten Wärmeaustausch /wischen dem Hei/medium und dem Hilfsspciscmedium fortsetzt und den entstehenden Dampf direkt in den Kondensator abiuhrt.

Falls eine Wiederinbctriebnahmc aus dem heißen Zusland vorgesehen ist. kann die Einfühlung von Hauptspcisemedium in den Dampferzeuger wieder aulgenommen werden, sobald dieses Medium /ur Verfügung steht Die Möglichkeit, daß das heiße Metall des Behälters Il und des Rohrbodens 15 einen Warme schock durch die Temperaturunterschiede erleidet, die durch d.is verhältnismäßig kühle einströmende Hauptspcisemedium hervorgerufen werden, wird dadurch ausgeschaltet, daß der Dainpfanteil des Hilfsspeiscmediums durch dvn offenen Raum 28 entnommen und 1I1 rekl mit dem Haiiptspcisenio'lium vermischt wird, das durch die Düsen 30 versprüht wird: dadurch wird das letztgenannte Medium vorgewärmt, bevor irgendein wesentlicher Kontakt mit dem erhitzten Metall des Dampferzeugers erfolgt.

Die Hillsspciscmcdiumströmung wird fortgesetzt, bis die normale Dampferzeugung aus dem Hauptspeisemcdium wiederhergestellt ist; /u diesem Zeitpunkt wird die Hilfsspeisemediumströmung eingestellt.

I alls die Anlage planmäßig stillgesetzt werden soll, kann die Hei/mediummenge vorher festgelegt werden, indem man die Hilfsspeisemediummcnge regelt, die in den Dampferzeuger strömt.

Bei einem typischen Atomkraft-Dampferzeuger hat das Hilfsspeisemediumsystem einen Mengenbereich von 0 bis etwa 3,5 % der Vollast-Hauptspeiscmediummenge und ist in der Lage, bis zu 5 % der Reaktorleistung abzuführen, bei Annahme einer Spcisewassercintrittstemperatur-von etwa 30 C und der Erzeugung von Saltcldampf bei Vollast-Dampfdruckvcrhältnissen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

109 Patentansprüche:

1. Dampferzeuger mit in einem vertikalen Druckbehälter angeordneten Rohrbündel, wobei das Heizmittel durch die Rohre strömt und das Rohrbündel von einem Leitgefäß umgeben ist, das aus einem oberen und einem unteren Teil besteht, wobei die Hauptspeisewasserzuführung in den Ringraum zwischen dem Druckbehälter und dem unteren Teil des Leitgefäßes erfolgt, und zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil des Leitget'äßes Durchtrittsstellen für Dampf in den unteren Ringraum zur Vorwärmung des Speisewassers vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß getrennt von der Hauptspeisewasserzuführung eine Einrichtung zur Zuführung einer kleinen Menge von Speisewasser direkt in den Raum innerhalb des oberen Teiles des Leitgefäßes bei Ausfall der Hauptspeisewasserzufuhr vorgesehen ist.

2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung der kleinen Menge von Speisewasser eine Vielzahl von Düsen umfaßt, durch die eine gleichmäßige Verteilung des Speisewassers auf den Querschnitt innerhalb des Leitgefäßes erfolgt.

3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die die Einspeisung der kleinen Menge von Speisewasser bei Ausfall der Hauptspeisewasserzufuhr geöffnet und so geregelt wird, daß eine vorbestimmte Wärmeaufnahme erfolgt.