DE2244549A1

DE2244549A1 - Kernkraftwerk mit eienm dampferzeuger

Info

Publication number: DE2244549A1
Application number: DE2244549A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl Ing Schabert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-09-11
Filing date: 1972-09-11
Publication date: 1974-04-04
Also published as: AT342727B; ATA753873A; US3930371A; DE2244549B2; CH558975A

Description

Kernkraftwerk mit einem Dampferzeuger

Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit einem !Dampferzeuger und einer zweistufigen Dampfkraftmaschine mit Zwischenüberhitzung. Zur Beheizung des ZwischenübeAitzers hat man bisher Dampf verwendet, der unmittelbar vom Dampferzeuger und/ oder von einer Anzapfung des Hochdruckteils der Dampfkraftmaschine, z.B. einer Turbine geliefert wurde.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die durch die Entnahme von Frischdampf aus dem Dampferzeuger bewirkte Mehrbelastung der in ihm eingebauten aufwendigen Wasserabscheider bzw. Dampftrockner und die Mehrbelastung der Frischdampfleitung samt ihrer Armaturen zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zur Zwischenüberhitzung Speisewasser dient, das im Dampferzeuger vorgewärmt wurde. Mit Vorwärmen ist dabei jede Temperaturerhöhung über die Speisewassereintrittstemperatur hinaus gemeint, ohne daß es auf eine für die Vorwärmung besonders gestaltete getrennte Zone im Dampferzeuger ankommt.

Durch die Erfindung werden die vorgenannten Wasserabscheider, Dampftrockner und Dampfleitungen soweit entlastet, daß sie gegenüber üblichen Anlagen zwischen 5 und 15$ verkleinert werden können, je nachdem, ob der Zwischenüberhitzer mit Speisewasser allein oder zusätzlich in einer vorgeschalteten Stufe mit Anzapfdampf beheizt wird. Dies führt weiterhin zu einer Verringerung des Leistungsbedarfes von Speisepumpe und zu einer Verkleinerung der Hochdruckvorwärmer und der Speisewasserregelventile. Zwar wird man wohl immer auch das zur Beheizung des Zwischenüberhitzers verwendete Speisewasser

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mit einer Pumpe umwälzen, die es nach der Temperaturabsenkung im Zwischenüberhitzer und dem Mischen mit normalem Speisewasser in den Dampferzeuger zurückfördert. Der Leistungsbedarf der Umwälzpumpe ist aber kleiner als die mit der Erfindung eingesparte Speisepumpenleistung, weil ihr Förderdruck kleiner als 15 bar sein dürfte. Außerdem fällt bei dem nach der Erfindung ausgebildeten Kernkraftwerk der sonst übliche Kondensatkühler für den Zwischenüberhitzer weg, sowie der entsprechende Kondensatentspanner und der Niveauregler.

Durch die Verwendung von Wasser zur Beheizung des Zwischenüberhitzers erhält dieser ein sehr stabiles Betriebsverhalten. Bisher insbesondere bei Laständerungen der Turbine aufgetretene Störungen, wie Kondensationsschläge oder Stauungen beim Ablauf des Dampfkondensate entfallen, so daß eine kompaktere Anordnung der Heizfläche möglich wird, beispielsweise durch Verwendung von Rohren kleineren Durchmessers.

Besonders günstig kann die Erfindung so verwirklicht werden, daß das Speisewasser aus Totwasserzonen des Dampferzeugers abgeleitet ist. Zu diesem Zweck kann das Speisewasser insbesondere in der Mitte des Rohrbodens eines das Primärmedium führenden U-Rohrbündels abgeleitet werden. Durch diese sogenannte Abschlämmung wird eine Anreicherung von Salzen und die dadurch erhöhte Korrosionsgefahr in Totwasserzonen unterbunden. Dabei ist es wärmetechnisch vorteilhaft, wenn die Entnahme der eigentlichen Abschlämmenge von beispielsweise 1# des Prischdampfdurchsatzes aus dem Speisewasser-Umwälzkreis an seiner kältesten Stelle am Austritt aus dem Zwischenüberhitzer vorgenommen wird.

Eine weitere Verbesserung des Wärmehaushalts des Kernkraftwerkes wird durch die erfindungsgemäße Speisewasserumwälzung dann erreicht, wenn der Dampferzeuger eine besondere Vorwärmzone besitzt, in der große Temperaturunterschiede zwischen dem eintretenden, relativ kühlen Speisewasser und dem noch recht heißen austretenden Primärkühlmittel in der Art eines

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Gegenstromwärmetausehers ausgenutzt werden. Der nach der Erfindung erhöhte Speisewasserdurchsatz in dieser Zone bewirkt eine Erhöhung des Frischdampfdrucks und damit des Wirkungsgrads der Gesamtanlage.

Mit der erfindungsgemäßen Speisewasserzwangsumwälzung läßt sich auch eine sehr viel kompaktere Bauart von Dampferzeugern dadurch realisieren, daß auf den bisher üblichen Fallraum für einen Naturumlauf ganz verzichtet wird.Der Zwangsumlauf ermöglicht außerdem höhere Geschwindigkeiten in den Grobabscheidern, so daß deren Leistung je Einheit erhöht und damit die benötigte Stückzahl sowie ihr Platzbedarf verringert werden kann. Das Durchsatzverhältnis des rücklaufenden Speisewassers zum Frischdampf beträgt dabei vorteilhafterweise 0,3 : 1 bis 1 : 1, insbesondere 0,5 : 1.

Die Erfindung bietet weiter die vorteilhafte Möglichkeit, die Wärmeabfuhr aus dem Kernreaktor beim Anfahren oder beim Abfahren über den Speisewasser-Umwälzkreis dadurch sicherzustellen, daß die anfallende Wärmemenge bis zu einem Betrag von beispielsweise 6% der vollen ReaktorIeistung über relativ klein bauende Wasser-Wasser-Wärmetauscher in den ohnehin aus Sicherheitsgründen ständig betriebsbereiten nuklearen Zv;ischenkühlkreis abgegeben wird. Dies ist im Vergleich· mit dem bisher üblichen System, die Restwärme als Dampf abzuführen, für den Betrieb wesentlich shfacher. Diese Art der Nachwarmeabfuhr kann aber auch für die Sicherheit des Kernkraftwerks zu erheblicher Bedeutung gelangen, da es das bisherige, sehr aufwendige System mehrfach redundanter Notspeisepumpen, Notspeiseleitungen und Deionatvorratsbehalter ersetzen kann. Allerdings müssen in diesem Fall die Speisewasser-Umwälzpumpen mit entsprechender Reserve vorgesehen werden.

Auch die vorerwähnte kompakte Bauweise des Dampferzeugers hat den wichtigen sicherheitstechnischen Vorteil, daß der Dampferzeuger als größte Komponente des Reaktorkühlkreises relativ einfach mit einer zweiten Umschließung, z.B. einer Stahlhülle,

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zum Zweck der Berstsicherung umgeben werden kann.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben.

In Fig. 1 ist in einem Diagramm die Temperatur und Wärmemenge aufgetragen, die im Dampferzeuger eines Kernkraftwerkes mit einem Druckwasserreaktor vorliegt. Die Linie 1 zeigt die Tem· peratur des Primärwassers_t das den Dampferzeuger durchströmt. Von der Einlaßtemperatur auf der rechten Seite des Diagrammes kühlt sich das PrlmärwaBser durch Wärmeabgabe an das sekundär— seitige Speisewasser bis auf Auslaßtemperatur ab.

Im Normalfall wird das Speisewasser von der Anfangetemperatur T₀ nach der Linie 4 bis zur Verdampfungstemperatur an der Linie 5 vorgewärmt. Diese Verdampfungstemperatur ist um die Temperaturdifferenz At₁ kleiner als die Temperatur des Primärwassers, weil der Wärmeübergang ein bestimmtes Temperaturgefälle erfordert. Gemäß der Erfindung wird dagegen mehr Wärme längs der Linie 6 aufgewendet, weil ein Teil des vorgewärmten Speisewassers zur Beheizung eines Überhitzers dient. Die Dampftemperatür steigt dadurch auf den durch die Linie 7 gegebenen Wert, wobei wiederum eine etwa gleichgroße Temperaturdifferenz Δ t2 gegenüber dem Primärwasser vorliegt.

In Fig. 2 ist ein Rohrplan eines Kernkraftwerkes nach der Erfindung gezeichnet. Es umfaßt einen Druckwasserreaktor 10 als Wärmequelle, dessen als Primärkühlmittel verwendetes Leichtwasser seine Wärme in einem Dampferzeuger 11 abgibt· Der Primärkreis wird durch die Kühlmittelpumpe 12 geschlossen.

Der Dampferzeuger 11 speist über eine Leitung 13 eine zweistufige Dampfturbine, die als Ganzes mit 15 bezeichnet ist. Der Dampf gelangt zunächst in den Hochdruckteil 16· Von dort tritt er in einen Abscheider 17 ein und passiert dann einen Zwischenüberhitzer 18, bevor er in den zweiflutigen Niederdrückteil der Turbine 15 eintritt.

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Wie man sieht, wird der Zwischenüberhitzer 18 über eine Leitung 22 mit Speisewasser beheizt, das hinter dem Vorwärmbereich 14 des Dampferzeugers 11 abgeleitet wird. Das abgekühlte Speisewasser kehrt über eine Leitung 23 mit einem Ventil 24 unter der Wirkung einer Pumpe 25 über eine Rückschlagklappe 26 in die Einspeiseleitung 28 zurück, die den zu Speisewasser kondensierten Dampf wieder in den Dampferzeuger 11 zurückführt. Die Speisewasserleitung 30 des Zwischenüberhitzera mündet hinter den Speisewasserregelventilen 31» ao daß der für den Zwischenüberhitzer 18 vorgesehene Speisewaaaerkreia nur einen sehr geringen Druckabfall aufweist. Der Förderdruck der Pumpe 25 ist kleiner als 15 bar.

Parallel zur Pumpe 25 ist eine Reservepumpe 33 angeordnet-, deren Pumpendruck ebenfalls kleiner als 15 bar ist. Die Reservepumpe 33 kann über eine Rückschlagklappe 34 in eine Leitung 35 einspeisen, die von einem Vorwärmer 40 kommt und eine Pumpe 41 enthält.

Mit Hilfe einer zusätzlichen Leitung 42, die zu einem Wärmetauscher 43 führt, kann die Speisewasserleitung 22 auch zur Wärmeabgabe beim An- und Abfahren des Reaktors, sowie zur Notkühlung verwendet werden. Die Wärmeabgabe erfolgt zweckmäßig in den nuklearen Zwischenkühlkreislauf 44. Dadurch erapart man sonst übliche Deionatbecken, die Deionat zur Einspeisung in den Dampferzeuger 11 bereitstellen, wenn zur Nach- und Notkühlung Dampf über ein Ventil abgeblasen wird.

Eine quantitative Abschätzung der Vorteile der Erfindung ermöglicht die folgende Tabelle, in der für das Beispiel eines Druckwasserreaktors mit 650 MWe bei einem Frischdampfdruck von 70 bar bei einer Feuchte von 0,25$ und für eine Dampferzeugereintritt stemperatur (Vorwärmend- und Waaaerrücklauftemperatür) von 215⁰C die Zwischenüberhitzung durch Frischdampf der erfindungsgemäßen Zwischenüberhitzung gegenübergestellt ist.

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Zwischenüberhitzung durch

Dampfmenge zur Turbine » zum Überhitzer " durch Dampftrockner Wasserentnahme aus DE Wasserdurchsatz Vorwärmzone ⁿ Speisepumpe + HD-Vorwärmer " Umwälzpumpe " Abschlämmentspanner Eintrittstemperatur ^M

Frischdampf Heißwasser

Kg/s	920	920
η	80	-.-.-
W	1000	920
η	10	430
η	1010	1350
N	1010	930
η	—_	420
H	10	10
⁰C	284	215

Die weiteren Einzelheiten dee Kernkraftwerkes, z.B. die Beheizung der verschiedenen Vorwärmer mit Hilfe von Anzapfdampf aus der Turbine 15, ergeben sich unmittelbar aus der Fig. 2 und brauchen deshalb nicht näher erläutert zu werden.

Die Fig. 3 zeigt einen Dampferzeuger, wie er durch das Symbol in Fig. 2 vereinfacht dargestellt ist, in einem Vertikalschnitt. Man erkennt das Gehäuse 51, das ein Ü-Rohrbündel 52 einschließt, mit dem das Primärmedium geführt wird. Die freien Enden der Schenkel 52a und 52b des U-Rohrbündeis 52 enden in eines Rohrboden 53, an dem andererseits der Einlaß 54 und der Auslaß 55 für das Primärmedium angeschlossen sind.

Der Dampferzeuger arbeitet mit Naturumlauf und hat eine getrennte Vorwärmzone 64, aua der das bei 68 eingespeiste Speisewaser in den Fallraum 58 gelangt, von dem es bei 59 in den Siedraum 62 übertritt. In der Mitte 60 der Rohrplatte 53 wird ein Teil des vorgewärmten Speisewassers durch eine Abschlämmleitung 72 abgeführt. Dieses Speisewasser beheizt dann den Zwischenüberhitzer 18 der Fig. 2. Heben den schon geschilderten Vorteilen der Heißwasserbeheizung des Zwischenüberhitzers erhält man hier eine verstärkte Speisewasserströmung im mittleren Bereich 60 des Rohrbodens 53, wodurch Totwasserzonen mit Korrosionsgefahr vermieden werden.

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Der ebenfalls mit einem U-Rohrbündel 52 ausgerüstete Dampferzeuger nach Fig. 4 arbeitet dagegen mit Zwangsumlauf. Hier enthält das Gehäuse 51 Grobabscheider 74 und einen Peinabscheider 75. Das im Grobabscheider 74 aus dem Wasser-Dampfgemisch abgeschiedene Speisewasser wird aus dem Dampferzeuger 51 über eine Heißwasserleitung 77 abgeführt, die wiederum zum Beheizen des Zwischenüberhitzers 18 (Pig. 2) dient. Zusätzlich zu der Leitung 77 kann eine Abschlämmleitung 78 kleineren Querschnitts vorgesehen werden. Der Speisewassereinlaß 68 führt in den Vorwärmer 64. Aus diesem kann das im Kreuz-Gegenstrom erwärmte Speisewasser nicht nur in den Siederaum geführt werden, sondern auch über eine kleinere Leitung 82 zum Auslaß 83 der Grobabscheider 74 gelangen. In diesem Bereich, die mit einem dem TJ-Rohrbündel 52 angepaßten Boden 84 besonders stabil gestaltet ist, sorgtder nur unvollkommen vorgewärmte Speisewasserteilstrom für eine Kondensation mitgerissener Dampfreste, so daß ein gleichmäßiger, gut regelbarer Speisewasserstand erhalten wird und keine Dampfblasen in die Leitung 77 gelangen.

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Claims

Patentansprüche ι

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' 1J Kernkraftwerk mit einem'Dampferzeuger und einer zweistufigen Dampfkraftmaschine mit Zwischenüberhitzung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zwischenüberhitzung Speisewasser dient, das im Dampferzeuger (11) vorgewärmt wurde.
2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisewasser aus Totwasserzonen des Dampferzeugers (11) abgeleitet ist.
3. Kernkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisewasser in der Mitte (68) des Rohrbodens (53) eines das Primärmedium führenden U-Rohr.bühdele (52) abgeleitet wird.
4. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Abschlämmwasser des Dampferzeugers (ll) hinter dem Zwischenüberhitzer (18) entnommen wird.
5. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisewasser von im Dampferzeuger (11) angeordneten Dampfabseheidem (74) abgeleitet wird.
6. Kernkraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte nicht verdampfte Teil des Speisewassers (TJmlaufwasser) zur Zwischenüberhitzung verwendet wird.
7. Kernkraftwerk nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (11) in an sich bekannter Weise eine besonders abgetrennte Vorwärmzone (64) aufweist, die von normalem Speisewasser und dem aus dem Zwischenüberhitzer (18) gemeinsam durchströmt wird.
8. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Pumpe (25) zum Fördern des für die Zwischenüberhitzung verwendeten Speisewassers in den Speisewassereinlaß des Dampferzeugers (11).

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9. Kernkraftwerk naah Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderdruck der Pumpe (25) höchstens 15 bar beträgt.
10. Kernkraftwerk nach Anspruch 8. oder 9 mit mehreren Dampferzeugern, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Dampferzeuger (11) eine eigene Pumpe (25) vorhanden und eine zweite Pumpe (33) als Reservepumpe parallelgeschaltet ist.
11. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Zwischenüberhitzer (18) umfassenden Speisewasserkreis ein Wasserkühler (43) parallel zum Zwischenüberhitzer (18) angeordnet ist.

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