DE2109825C3

DE2109825C3 - Dampferzeuger mit in einem vertikalen Druckbehälter angeordneten Rohrbündel

Info

Publication number: DE2109825C3
Application number: DE2109825A
Authority: DE
Inventors: T Sprague
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1970-03-02
Filing date: 1971-03-02
Publication date: 1978-05-24
Also published as: FR2081618B1; JPS4946641B1; DE2109825A1; CA932319A; BE763676A; FR2081618A1; SE369560B; NL160377C; GB1292236A; US3635287A; DE2109825B2; NL7102749A; ZA711164B

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger mit in einem vertikalen Druckbehälter angeordneten Rohrbündel, wobei das Heizmittel durch die Rohre strömt und das Rohrbündel von eini'tn Leitgefäß umgeben ist, das aus einem oberen und einem unteren Teil besieht. Dabei erfolgt die Hauptspeisewasserzuführung in den Ringraum zwischen dem Druckbehälter und den» unteren Teil des Leiigefäßes. Zwischen dem oberen und dem unteren Teil dieses L.eitgefäßes 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 J85 268 und J 447 509 offenbart wurden und bei denen ein Heizmittel durch die Rohre geleitet wird und das Speisemediuni 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 Dampferz.eugermantel eintretenden Spcisemediuin zu vermischen und dasseloe vorzuwärmen. Dadurch soll ein Wärmeschock, der auf die Temperaturdifl'erenz zwischen dem Metall und dem eintretenden Speisewasser zurückzuführen ist, an dem dickwandigen Metall des Behältermantels Lind Rohriiodens vermieden werden. Um aufwendige Reparaturen auszuschalten und die Lebensdauer des Dampferzeugers zu vei längern, sind für die Einschaltung und Abschaltung der Anlage scharf umgrenzte Temperaturdifferenztoleranzeni festcelefit 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 beson-S ders nachteilige Situation iriti ein. wenn auf Grund eines Notzustandes die Speisemediumsirönning unterbrochen wird, das Danipferzeugerhei/medium verdampft und die Metalltemperatur des Erzeugers sich der Temperatur des eintretenden llei/niiitels nähert.

ίο Selbst wenn der Notzustand schnell behoben werden kann, wird unter diesen Umständen kein erwärmtes Medium zur Verfügung stehen, das das in den Dampferz.eugermantel eintretende Speiseniediiim vorerwärmt, so daß es notwendig sein kann, den Stillstand der Anlage /u verlängern, damit die Meialllemperaturcn des Dampferzeugers auf einen l'iinkt fallen, bei dem die Hinzufügung von Seisemedium ohne Vorwärmung keine Temperaturdifferen/en verursachen wird, die die vorgeschriebenen Grenzen überschreiten.

Gegenüber diesem bekannten Stand der Technik, wie er sich insbesondere aus der USA.-Patentschrift J J8 j 2b8 ergibt, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die eine unverzügliche Wiederaufnahme der Hauptmediiimströmung in

as einem Dampferzeuger nach Abschaltung des Speiseniediiimssiromes während des Betriebes dfs Dampferzeugers ermöglicht.

Diese Aulgabe wird erfindungsgemäli dadurch gelöst, daü getrennt von der Haupispeisewasserzuführung eine Einrichtung zur Zuführung nur einer kleinen Menge von Speisewasser direkt in den Raum innerhalb des oberen Teiles des l.eitgefäßes bei Ausfall der Hauplspeisewasserzufuhr vorgesehen ist. Das bedeutet mit anderen Worten, daß erfindungsgemäü 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 l.eitgefäßes sichergestellt wird.

Dabei 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.

Ks ist bekannt, Sprühgitter zur Notkühlung eines Reaktorkernes und eit e Düse zur Messung des Wassersiandes des Noikühlmittels vorzusehen. Es ist ebenfalls bekannt, z.wei Notspeisewasserpumpen mit etwa 3 % der Vollastleistung des Reaktors anzuordnen, die Notspeisewasser in den Dampferzeuger über die Speisewasserregelventile einführen, die gesondert den Wasserstand im Dampferzeuger regulieren. Diese Anordnungen stellen die bekannten konventionellen Notkühloinrichtungen dar, die lediglich bei einer Notabschaltung des Reaktors in Tätigkeit treten. Demgegenüber besteht die Erfindung darin, bei einer Notabschaltung des Hauptspeisemediums ein Hilfsspeisemediuni gesondert an einer anderen Stelle einzuführen als das Hauptspeiseniedium, wobei das Hilfsspeisemediuni verdampft und erfindungsgcmäß beim Wiederanfahren das Eintreten des Hauptspeisemediums vorwärmt, wenn die Strömung des Hauptspeisemediums wieder in Gang komm. Durch die erfindungsgemäße Einführung eines Hilfsspeisemediums werden die Temperaturunterschiede zwischen Mantel und Rohrboden-

metall und dem eintretenden Hauptspciseniedium reduziert, so daß ein Wärnieschock ausgeschaltet wird.

Im Betrieb hat es sich gezeigt, daß es genügt, die maximale Strömungsmenge des zweiten Speisemediuiiis auf einen geringen Prozentsat/ der maximalen Strömungsmenge des ersten Spcisemediums zu begrenzen. Ein typisches Hilfsspciscniediumsystem hat eine maximale Strömungslcistung von etwa J.¹) % der vollen Hauptspeisemediummenge. Her Mantel und die Wärmeaustauschrohre sind erfindungsgemäß vcriiiiltnisniäßig dünnwandig und den TemperaturdifferenZen gewachsen, die sich aus der Einführung von nicht vorgewärmtem Hilfsspeiscmedium ergeben. Im Anschluß an den Ausfall der Hauptspeisemediumströmuiig wird Hilfsspeisemedium direkt in den inneren Dampfweg eingespritzt und verdampft, wenn es mit den heißen Rohren in Berührung kommt. Dadurch ergibt sich ein Daiipfdruckaufbau innerhalb des Dampferzeugers. Die unverzügliche Wiederaufnahme cLr Speisemediumströmung wird dadurch ermöglicht, daß Dampf des Hilfsspeisemediums verwendet wird, um das eintretende Hauptspeisemedium vorzuwärmen. Sobald der normale Betrieb wieder hergestellt ist, kann die Hilfsspeisemediumströmung eingestellt werden. »5

Wahlweise kann das Hilfsspeisemeditimsystem dazu verwendet werden, um Rest warme aus dem Pampferzeuger 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 llilfsspcisemediummcnge eingeregelt und der entstehende Dampf direkt über den Kondensator abgeführt wird.

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

F i g. I einen Aufriß eines Wärmetauschers.

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 der

I i g. I und F i g. 3 einen Querschnitt entlang der Linie J-J der

Fig. I.

F i g. I zeigt einen Dampferzeuger 10, welcher einen vertikalen, zylindrischen Druckbehälter Il besitzt, der an den entgegengesetzten Enden Hilfsspeisemediumsammler 12 und einen unteren Boden 13 geschlossen wird. Der Rehälter Il wird quer durch obere und untere Rohrboden 14 bzw. 15 geleilt. Der obere Rohrboden

14 besteht aus einem Stück mit dem Behälter Il und dem oberen Behälterboden 12 und bildet in Verbindung mit dem oberen Behälterboden eine Einlrittskammer

15. Der unlere Rohrboden 15 besteht aus einem Stück mit dem Behälter Il und dem unteren Behälterboden

II 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 II. Dieser untere Mantel begrenzt den unteren Teil eines inneren Durchgangs bzw. einer Dampferzeugungskammer 20, die den unteren Teil der Rohre Il enthält und mit dem Behälter Il zusammenwirkt, um den unteren Teil eines umgebenden, ringförmigen äußeren Durchgangs 21. auch Ringkammer genannt, /u bilden.

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

Ein zylinderförmiger oberer Mantel 24 erstreckt sich 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 Oberhit/ungskamnier 25. die eine Verlängerung der Kammer 20 darstellt und den oberen Abschnitt der Rohre 18 enthalt. Der Mantel 24 bildet in Verbindung mit dem Behälter Il den oberen Teil eines ringförmigen äußeren Durchgangs oder eine Austrittskammer 26. Das untere Ende der Kammer 26 ist durch eine Ringplatte 27 dicht verschlossen, die an ihrer Außenkante an den Behälter It und an ihrer Innenkante an den Mantel 24 geschweißt wird. Der offene Raum 28 /wischen der Oberkante des Maniels 19 und der Bodenplatte 27 des Mantels 24 steht in .Strömungsverbindung mit der Eintrittskammer 21. Zahlreiche Rohrhailerungcn 29 sind auf der Länge des Rohrbündels 18 innerhalb der Kammern 20 und 25 angeordnet.

Am oberen Ende der Ringkammer 21 werden zahlreiche HauptspeisemediiiMis-Düsen 10 durch die Wand des Behälters Il geführt; ihre jeweiligen Aiistritisendcn sprühen in die Ringkammer 21 in der Nähe des offenen Kauines 28 oder auf gleicher Höhe mit demselben; dies ist durch das Sprühbild bei 10 A dargestellt. Verbinilungsrohre 11 verbinden die Düsen 10 mit einem ringförmigen Hauptspciseniediumsammler 12, welcher den Behälter Il unterhalb der Düsen 10 umgibt.

In der Nähe des oberen Endes der Austrittskammer 26 werden /ahlreiche llilfsspcisemediumdüscii Π durch die Wand des Behälters 11 und durch den oberen Mantel 24 geführt, wobei ihre jeweiligen Austrittsenden in die Dampferzeugiings- und Überhitzungskammer 25 sprühen, wie durch das Sprühbild bei .1.1 A dargestellt ist. Verbindungsrohre 34 verbinden die Düsen M mit einem ringförmigen Hilfsspeisemediumsammler 15, welcher den Behälter 11 unterhalb der Düsen i.i umgibt Der obere Behälterboden 12 ist mit einem Ein-Irittsstutzen 36 für die Zuführung von Heizmedium in die Kammer 16 versehen, während der unter Behälterboden Il mit einem Austrittsstutzen 17 für den Austritt des Hcizmediums aus Kammer 17 versehen ist. Der Behälter 11 besitzt Alistrittsstutzen 38, um den Heißdampf zu einer Vcrbrauchsstelle zu fördern, und ein Mannloch 39 sowie Besichtigungsöffnungen 40 und 41, wodurch das Innere des Behälters befahren bzw. beobachte! werden kann. Weiterhin vorhanden sind Mediumshöhenstands-Anzeigestutzen 42. Entlüftungsstutzen 43 und Entwässerungsstulzen 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 Dampf-1 erzeuger 10 entlang der Linie 2-2 der F i g. I. d. h. am Hilfsspeisemediumeintritt in den Dampferzeuger. Man erkennt, daß die Hilfsspeisemediumdüsen 33 am Umfang des Behälters Il angeordnet sind und durch die Behälterwand, den Austrittsschacht 26 sowie den obe-

ren Mantel 24 geführt werden, um.dirckt in den oberen

Teil des inneren Durchgangs der Übcr'iii/ungskammcr 25 zu sprühen, wie bei M Λ dargestellt. I-in I lilfsspeiseniediiirnsanimler 35. der aus /wei bogenförmigen Absi'hnitlcn besieht, welche durch eine I l.iiisclncrbindung 50 verbunden werden, liefert Medium durch die Verbindungsrohre 34 zu den Düsen 31 /ur Vcrsprühung über die Außenseite der Rohre 18.

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt des Dampferzeugers 10 entlang der Linie 3-3 der I ig. 1, d. h. am I tauptspeiscmcdiumcintritt in den Dampferzeuger. Man erkennt mehrere Haupispciscmcdiumdüscn 30. von denen nur fünf dargestellt sind; dieselben sind am Umfang des Behälters Il angeordnet und werden durch die Behälterwand geführt, um direkt nach unten in den Lintriiissehacht 21 zu sprühen. Fin I lauplspeiscmcdiumsammlcr 32, der aus zwei getrennten bogenförmigen Abschnitten besteht, liefert Medium durch die Vcrbindungsrohrc 31 zu den Düsen 30 zur Versprühung in der Ringkammer 21. Der untere Mantel 19 begrenzt den Außenumfang des unteren Teils des inneren Durchgangs oder der Kammer 20. welche den unteren Abschnitt der Rohre 18 aufnimmt.

Während des normalen Betriebs des Dampferzeugers wird Heizmedium, das von einem Druckwasserreaktor oder einer ähnlichen nicht dargestellten Quelle zur Verfügung gestellt wird, in die obere Kammer 16 durch den F.iniritisstutzcn 36 geliefert. Das Heizmedi^: um gibt Wärme an ein Sckundiirmedium 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 Ausinttssiuiz.cn 37 abgezogen. Das Speisemedium wird in den Sammler 32 gefördert, von wo aus es durch die Düsen 30 in das obere F.nde der Ringkammcr 21 des Dampferzeugers versprüht wird. Das Spciscincdium strömt nach unten durch die Ringkamnier 21, entlang der verstellbaren Blende 23 und durch die Mantclöffnungcn 22 in die Kammer 20. Das liaupispeisemedium tritt in die Kammer 20 im wesentlichen bei Sailigungstcmperalur ein, und die Dampferzeugung beginnt sofort. Ils strömt nach oben um die Rohre herum im Gegenstrom und in einem indirekten Wärmeübergangsverhältnis zu dem Hcizmediuin. das innerhalb der Rohre 18 strömt.

Wenn das Hauptspeisemedium nach oben durch die Kammer 20 strömt, wird Dampf erzeugt, und zwar von der Menge 0 am unteren Rohrboden 15 bis zu einer Menge von im wesentlichen 100% an dem oberen F.nde des unteren Mantels 19. F,in Teil des erzeugten Dampfes wird oben am Mantel 19 entnommen und durch den offenen Raum 28 geleitet, um sich mit dem Hauptspciscmcdium, das aus den Düsen 30 versprüht wird, zu vermischen und dasselbe zu erwärmen.

Wenn sieh dieser Dampf mit dem einströmenden Speiscmcdium vermischt, dann kondensiert er. was r.u einer geringfügigen Druckabsenkung führt, wodurch eine Saugwirkung erzeugt wird, die die F.nlnahme von Dampf aus der Kammer 20 in die Ringkammcr 21 vcr_: ursarht. Der entnommene Dampf gibt seine latente Vcrdampfungswärnic an das einströmende Speiscmcdi-UIiI .ib. wodurch'das Chemisch im wesentlichen aufSätliguugstemperaiur erwärmt wird. Der nicht entnommene Damplanteil wird nach oben durch die Überhilzungskammer 2> geleitet und überhitzt, bevor er die Richtung um den oberen Mantel 24 herum umkehrt. Fr siiöml dann nach unten durch den Austritissdiachl 2b /wischen dem oberen Mantel und dem Behälterinanlel: schließlich tritt er aus dem Dampferzeuger durch die Dampf austritt ssliil /cn aus.

ίο Hei einer vollständigen Unterbrechung tier Haupt· speisemedium/ufuhrung zum Dampferzeuger wird die Wärmequelle, ζ. B. der Kernreaktor automatisch abgeschaltet, während das Hei/mcdium weiterhin durch ilen Reaktor und den Dampferzeuger in einer gewählten Menge strömt. Das iiiifsspeisemediunis>siein wird im wesentlichen gleichzeitig mit dem Ausfall der llatiptspeisemediumversorgung eingeschaltet. Das llilfsspeisemedium wird zum Sammler 35 geleitet und durch die Düsen 33 direkt in den oberen 1 eil des inneren Durch·

ao gangs oder in die Übcrhitzungskamincr 25 eingespritzt; ein gewisser Teil des llilfsmediums verdampft, wenn es mit den erhitzten Rohren 18 in Berührung kommt; da-

' durch entsteht ein Dampfdruckaufbau innerhalb des Frz.eugers. Das Hilfsspcisemcdium tritt in einer gewählten Menge ein. um einen vorher eingestellten Mindestwasserstand aufrechtzuerhalten. Vcrfallswärme vom Reaktor wird dadurch abgeführt, daß man den indirekten Wärmeaustausch zwischen dem Heiz.medium und dein Hilfsspeiscmcdium fortsetzt und den entstehenden Dampf direkt in den Kondensator abführt.

f'alls eine Wicderinbe,tricbnahmc aus dem heißen Zustand vorgesehen ist. kann die F.inführung von Hauptspciscmcdium in den Dampferzeuger wiederaufgenommen werden, sobald dieses Medium zur Vcrfiigung steht. Die Möglichkeit, daß das heiße Metall des Behälters 11 und des Rohrbodens 15 einen Wärmeschock durch die Temperaturunterschiede erleidet, die durch das verhältnismäßig kühle einströmende Hauptspciscmcdium hervorgerufen werden, wird dadurch ausgeschaltet, daß der Dampfanteil des Hilfsspeiscmediums durch den offenen Raum 28 entnommen und direkt mit dem Hauptspeisemedium 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 Hilfsspciscmcdiumströnuing wird fortgesetzt, bis die normale Dampferzeugung aus dem Hauptspeisemedium wiederhergestellt ist: zu diesem Zeitpunkt wird die Hilfsspeiscniediumströmung eingestellt.

Falls die Anlage planmäßig stillgesetzt werden soll kann die Hci/mediuinmcngc vorher festgelegt werden indem man die llilfsspciscmcdiummengc regelt, die ir den Dampferzeuger strömt.

Bei einem typischen Atomkraft-Dampferzeuger ha das Hilfsspeiscmcdiumsysicm einen Mcngcnbereiefr von 0 bis etwa 3,5 % der Vollast-I lauplspciscmcdium menge und ist in der !.agc. bis zu 5 % der Reaktorlei siting abzuführen, bei Annahme einer Spciscwasscrcinirilistcmpcratur-von etwa 30" C und der lirzcugung von Sattcldampf bei Vollasi-Dampfdnickvcrhällnissen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Paieniansprüche:

1. Dampferzeuger mil in einem vertikalen Druck behälier 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 Hauptspeisewasserzuführimg in den Ring raum /wischen dem Druckbehälter und dem unteren Teil des Leitgefäßes erfolgt, und /wischen dem oberen Teil und dem unteren Teil des Leitgefäßes Durchtriitsslellen für Dampf in den unteren Ringraum /ur Vorwärmung des .Speisewassers vorgesehen sind, dadurch g e k e η η ze i eh η e t. daß gelrennt von der llaupispeisewasserzuführung eine Einrichtung /ur Zuführung einer kleinen Menge von Speisewasser direkt in den Raum innerhalb des oberen Teiles des l.eitgefäßes bei Ausfall der Hauptspeisewasser/ufuhr vorgesehen ist.

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

J. Dampferzeuger nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die die Einspeisung der kleinen Menge von Speisewasser bei Ausfall der Hauptspeisewasserzul'uhr geöffnet und so geregelt wird, daß eine vorbestimmie Wärmeaufnahme erfolgt.