DE2244549B2

DE2244549B2 - Kernkraftwerk mit einem Dampferzeuger

Info

Publication number: DE2244549B2
Application number: DE2244549A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Schabert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-09-11
Filing date: 1972-09-11
Publication date: 1975-07-24
Also published as: AT342727B; DE2244549A1; ATA753873A; US3930371A; CH558975A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit einem Dampferzeuger und einer zweistufigen Dampfkraftmaschine mit Zwischenüberhitzung, zwischen deren Hoch- und Niederdruckteil ein vom Sekundärmediun beheizter Zwischenüberhitzer vorgesehen ist.

Zur Beheizung des Zwischenüberhitzers hat mar gemäß der deutscheu GeDrauchsmusterschrif 66 08 287 Frischdampf verwendet, der unmittelbai vom Dampferzeuger geliefert wurde. Die Zwischenüberhitzung kann man aber auch mit Dampf au; einer Anzapfung des Hochdruckteils der Dampfkraftmaschine, z. B. einer Turbine, vornehmen. Ferner isi es aus der DDR-Patentschrift 47 555 bekannt, der Zwischenüberhitzer mit dem Primärkühlmittel eine; Kernreaktors zu beheizen, das aus einem Dampferzeuger in den Zwischenüberhitzer geführt wird Unerwünscht ist hierbei, daß damit auch für den Zwischenüberhitzer eine Contaminationsgefahr geschaffen wird. Außerdem ist die Durchführung des gesamten Kühlmittelstromes des Reaktors durch den Zwischenüberhitzer nur mit erheblichem Aufwand an Leitungen zu bewältigen.

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 der Zwischenüberhitzer mit im Dampferzeuger vorgewärmtem Speisewasser beheizt wird. Mit Vorwäimen ist dabei jede Temperaturerhöhung über die Speisewnssereintrittstemperatur 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 so weit 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 Leistungsbedarfs von Speisepumpe und zu einer Verkleinerung der Hochdruckvorwärmer und der SpcKcwasserregelveniile. Zwar wird man wohl immer auch das zur Beheizung des Zwischeniiberhitzeri verwendete Speisewasser mit einer Pumpe umwälzen, die es nach der Tempcraturabsenki'ng 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 füllt bei dem nach der Erfindung ausgebildeten Kernkraftwerk der sonst übliche Kondcnsatkühler für den Zwischenüberhitzer weg sowie der entsprechende Kondensatentspanner und der Niveauregler.

Durch die Verwendung von Wasser zur Beheizung des ZwischenüberhitZL'i·. erhalt dieser ein sehr stabiles Belriebsverhalten Bisher insbesondere bei Laständcrimgen der Turbine aufgetretene Störungen, wie Kondensationsschläge oder Stauungen beim Ablauf des Dampfkondensats, 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 vorgewärmte Speisewasser aus Totvvasserzoncn des Dampferzeugers abgeleitet ist. Zu diesem Zweck kann djs vorgewärmte Speise-

wasser insbesondere in der Mitte des Rohrbodens eines das Primärmedium führenden U-Rohrbündels dt^ Dampferzeugers abgeleitet werden. Durch diese sogenannte Abschlämmung wird eine Anreicherung von Salzen und die dadurch erhöhte Korrosions- ^r> gefahr in To'wasserzonen unterbunden. Dabei ist es wärmetechnisch vorteilhaft, wenn die Entnahme der eigentlichen Abschlämmengc von beispielsweise l^üo des Frischdampfdurchsatzes aus dem Speisewasser-Umwälzkreis an seiner kältesten Stelle am Austritt aus dem Zwischenüberhitzer vorgenommen wird.

Eine weitere Verbesserung des Wärmehaushalts des erfindungsgemäßen Kernkraftwerkes wird durch die Speisewasserumwälzung dann erreicht, wenn der Dampferzeugers hat den wichtigen sicherheitstechnischen Vorteil, daß der Dampferzeuger als größte Komponente des Reaktorkühlkreises relativ einfach mit einer zweiten Umschließung, z.B. einer Stahlhülle, zum Zweck der Berstsicherung umgeben werden kann.

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

In F i g. 1 ist in einem Diagramm die Temperatur und Wärmemenge aufgetragen, die im Dampferzeuger lilies Kernkraftwerkes mit einem Druckwasserreaktor vorliegt. Die Linie 1 zeigt die Temperatur des Primärwassers, das den Dampferzeuger durchströmt.

Dampferzeuger eine besondere Vorwärmzone besitzt, 15 Von der Einlaßtemperatur auf der rechten Seite des

in der große Temperaturunterschiede zwischen dem eintretenden, relativ kühlen Speisewasser und dem noch recht heißen austretenden Primärkühlmittel in der Art eines Gegenstromwärmetauschers ausgenutzt Diagramms kühlt " sich das Primärwasser durch Wärmeabgabe an das sekundärseitige Speisewasser bis auf Auslaßtemperatur ab.

Im Normalfall wird das Speisewasser von der An-

werden. Der bei dem Kernkraftwerk nach der Erfin- 20 fangstemperatur T₀ nach der Linie 4 bis zur \ er

dung erhöhte Speisewasserdurchsatz in dieser Zone bewirkt eine Erhöhung des Frischdampfdrucks und damit des Wirkungsgrads der Gesamtanlage.

Dampferzeuger mit besonderen Vorwärmzonen für dampfungslcmperaW an der Linie 5 vorgewärmt. Diese Verdampfungstemperatur ibt um die Temperaturdiffcrenz JI₁ kleiner als die Temperatur des Pi märwassers, weil der Wärmeübergang ein bestimmte«!

das zu" verdampfende Speisewasser sind zwar seit 25 Temperaturgefälle erfordert. Gemäß der Erfindung

langem bekannt, vergleiche z. B. die USA.-Patentschrift 34 12 713. Die Vorwärmung hat man aber bisher nur als eine Vorstufe der Verdampfung angesehen. Man ist also nicht auf den Erfindup;?swird dagegen mehr Wärme längs der Linie 6 aufgewendet, weil ein Teil des vorgewärmten Speisewassers zur Beheizung eines Überhitzers dient. Die Darnpftcmperatur steigt dadurch auf den durch die Linie 7

gedanken gekommen, die bei der Vorwärmung auf 30 gegebenen Wert wobei wiederum eine etwa gleichdas sekundäre Medium übertragene Energie zur Aufheizung des Dampfes im Zwischenüberhitzet heranzuziehen, so daß die vorstehend genannten Vorteile

erreicht werden. _ _ .

Mit der bei dem erfindungsgemäßen Kernkraft- 35 Druckwasserreaktor 10 als Wärmequelle, dessen als

große Tenipuaturdifierenz.-lf., gegenüber dem Primärwassei vorliegt.

In F i g. 2 ist ein Rohrplan eines Kernkraftwerkes nach der Erfindung gezeichnet. Es umfaßt einen

werk vorgeseheiicn Speiscwasserzwangsumwälzung 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 Grobabscheide·'", so daß deren Leistung je Einheit erhöht und da. t die benötigte Stückzahl sowie ihr Platzbedarf verringert werden können. Das Durchs, verhältnis

des rücklaufcndcn Speisewassers zum lnschdanipf 45 zer 18, bevor er in den zweiflutigen Niederdruckteil beträgt dabei vorteilhafterweise 0.3 : 1 bis 1:1, ins- 20 der Turbine 15 eintritt,
besondere 0,5 : 1. Wie man sieht, wird der Zwischenüberhitzer 18

Die Erfindung bictet weiter die vorteilhafte Möglichkeit, die Wärmeabfuhr aus dem Kernreaktor beim

Anfahren oder beim Abfahren über den Speisewasser- 50 11 abgeleitet wird. Das abgekühlte Speisewasser kehrt Umwälzkreis da'lurch sicherzustellen, daß die an- über eine Leitung 23 mit einem Ventil 24 unter der fallende Wärmemenge bis zu einem Betrag von bei- Wirkung einer Pumpe 25 über eine Rückschlagklappe spielsweise 6° 0 der vollen Reaklorlcistung über relativ klein bauende Wasser-Wasser-Wärmetauscher in

den ohnehin aus Sicherheitsgründen ständig betriebs- 55 Dampferzeuger 11 zurückführt. Die Speisewasserbereiten nuklearen Zwischcnkühlkreis abgegeben leitung30 des Zwischcnübcrhit/crs mündet hinter wird. Dies ist im Vergleich mit dem bisher üblichen den Speisewa^encpel ventilen 31, so -IaIJ der für den

Primärkühlmittel verwendetes Leichiwasser 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 Zwischenüberhii-

über eine Leitung 22 mit Speisewasser beheizt, das hinter dem Vorwärmbereich 14 des Dampferzeuger-,

26 in die Einspeiseleitung 28 zurück, die den ?u Speisewasser kondensierten Dampf wieder in den

System, die Restwärme als Dampf abzuführen, für den Betrieb wesentlich einfacher. Diese Art dei Zwischeutiberhitzer 18 vorgc^i'Iune Spcisewasscik-'eis nur einen sehr i;erinuen Druckabiall aufweist.

Nachwärmeabfuhr kann aber auch für die Sicherheit 60 Der Förderdruck der Pumpe 25 ist kleiner als 15 bar.

des Kernkraftwerks zu erheblicher Bedeutung gelan- Parallel nir Pumpe 25 ist eine Reservepumpe 33

gen, da es das bisherige, sehr aufwendige System angeoidnct, deren Punipendruck ebenfalls kleiner als

mehrfach redundanter Notspeisepumpen, Notspeise- 15 bar ist. Die Reservepumpe 33 kann über eine

leitungen und Deionatvorratsbehälter ersetzen kann. Rückschlagklappe 34 in eine Leitung 35 einspeisen,

Allerdings müssen in diesem Fall die Speisewasser- 65 die von einem Vorwärmer 40 kommt und eine Pumpe

Umwälzpumpen mit entsprechender Reserve vorgesehen werden.

Auch die vorerwähnte kompakte Bauweise des 41 enthält.

Mil Hilfe einer zusätzlichen Leitung 42, die zu einem Wasscrkühlcr43 führt, kann die Speisewasser-

920	920
80	—
1000	920
10	430
1010	1350
1010	930
	420
10	10
284	215

leitung 22 auch zur Wärmeabgabe beim An- und Ab- findung ermöglicht die folgende Tabelle, in der für

fahren des Reaktors sowie zur Notkühlung verwendet das Beispiel eines Druckwasserreaktors mit 650 MWe

werden. Die Wärmeabgabe erfolgt zweckmäßig in bei einem Frischdampfdruck von 70 bar bei einer

den nuklearen Zwischenkühlkreislauf 44. Dadurch Feuchte von 0.25% und für eine Dampferzeugereinerspart man sonst übliche Deionatbecken, die Deionat 5 trittstemperatur (Vorwärmend- und Wasserrück]auf-

zur Einspeisung in den Dampferzeuger 11 bereitstel- temperatur) von 215° C die Zwischenüberhitzung

len, wenn zur Nach- und Notkühlung Dampf über durch Frischdampf der bei einem erfindungsgemäßen

ein Ventil abgeblasen wird. Kernkraftwerk erreichten Zwischenüberhitzung

Eine quantitative Abschätzung der Vorteile der Er- gegenübergestellt ist.

Zwischenüberhitzung durch Frischdampf Heißwasser

Dampfmenge zur Turbine Kg/s

Dampfmenge zum Überhitzer Kg/s

Dampfmenge durch Dampftrockner Kg/s

Wasserentnahme aus DE Kg/s

Wasserdurchsatz Vorwärmzone Kg/s

Wasserdurchsatz Speisepumpe + HD-Vorwärmer .. Kg/s

Wasserdurchsatz Umwälzpumpe Kg/s

Wasserdurchsatz Abschlämmentspanner Kg/s

Eintrittstemperatur Abschleppentspanner ⁰C

Die weiteren Einzelheiten des Kernkraftwerkes, leren Bereich 60 des Rohrbodens 53, wodurch Totz. B. die Beheizung der verschiedenen Vorwärmer as wasserzonen mit Korrosionsgefahr vermieden werden, mit Hilfe von Anzapfdampf aus der Turbine 15, er- Der ebenfalls mit einem U-Rohrbündel 52 ausgegeben sich unmittelbar aus der F i g. 2 und brauchen rüstete Dampferzeuger nach F i g. 4 arbeitet dagegen deshalb nicht näher erläutert zu werden. mit Zwangsumlauf. Hier enthält das Gehäuse 51

Die Fig. 3 zeigt einen Dampferzeuger, wie er Grobabscheider74 und einen Feinabscheider75. Das durch das Symbol 11 in Fig. 2 vereinfacht dargestellt 30 im Grobabscheider 74 aus dem Wasser-Dampf-Geist, in einem Vertikalschnitt. Man erkennt das Ge- misch abgeschiedene Speisewasser wird aus dem häuseSl, das ein U-Rohrbündel 52 einschließt, mit Dampferzeuger 51 über eine Heißwasserleitung 77 dem das Primärmedium geführt wird. Die freien abgeführt, die wiederum zum Beheizen des Zwischcn-Enden der Schenkel 52a und 52& des U-Rohrbündels Überhitzers 18 (Fig.2) dient. Zusätzlich zu der Lei-52 enden in einem Rohrboden 53, an dem anderer- 35 tung77 kann eine Abschlämmleitung 78 kleineren seits der Einlaß 54 und der Auslaß 55 für das Primär- Querschnitts vorgesehen werden. Der Speisewassermedium angeschlossen sind. einlaß 68 führt in den Vorwärmer 64. Aus diesem

Der Dampferzeuger arbeitet mit Naturumlauf und kann das im Kreuz-Gegenstrom erwärmte Speisewashat eine getrennte Vorwärmzone 64, aus der das bei ser nicht nur in den Siederaum 62 geführt werden, 68 eingespeiste Speisewasser in den Fallraum 58 ge- 40 sondern auch über eine kleinere Leitung 82 zum Auslangt, von dem es bei 59 in den Siederaum 62 über- laß 83 der Grobabscheider 74 gelangen. In diesem tritt. In der Mitte 60 der Rohrplatte 53 wird ein Teil Bereich, die mit einem dem U-Rohrbündel 52 angedes vorgewärmten Speisewassers durch eine Ab- paßten Boden 84 besonders stabil gestaltet ist, sorgi Schlämmleitung 72 abgeführt. Dieses Speisewasser be- der nur unvollkommen vorgewärmte Speisewasserheizt dann den Zwischenüberhitzer 18 der F i g. 2. 45 teilstrom für eine Kondensation mitgerissener Dampf-Neben den schon geschilderten Vorteilen der Heiß- reste, so daß ein gleichmäßiger, gut regelbarer Speisewasserbeheizung des Zwischenüberhitzers erhält man wasserstand erhalten wird und keine Dampfblaser hier eine verstärkte Speisewasserströmung im mitt- in die Leitung 77 gelangen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kernkraftwerk mit einem Dampferzeuger und einer zweistufigen Dampfkraftmaschine mit Zwischenüberhitzung, zw sehen deren Hoch- und Niederdruckteil ein vom Sekundärmedium beheizter Zwischenüberhitzer vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenüberhitzer (18) mit im Dampferzeuger (11) vorgewärmtem Speisewasser beheizt wird.

2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgewärmte Speisewasser aus Totwasserzonen des Dampferzeugers (11) abgeleitet wird.

3. Kernkraftwerk nach Anrpmch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgewärmte Speisewasser in der Mitte (60) des Rohrbodens (53) eines das Primärmedium führenden U-Rohrbündels (52) des Dampferzeugers (11) abgeleitet wird.

4. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des vorgewärmten Speisewassers hinter dem Zwischenüberhitzer (18) eine Anzapfung zur Entnahme von Abschlämmwasser vorgesehen ist.

5. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgewärmte Speisewasser von im Dampferzeuger (11) angeordneten Dampfabscheidern (74) abgeleitet wird.

6. Kernkraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gtsamte niclv verdampfte Teil des Speisewassers zur Beheizung des Zwischenüberhitzers (18) verwendet wird.

7. Kernkraftwerk nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (II) in an sich bekannter Weise eine besonders abgetrennte Vorwärmzone (64) aufweist, die sowohl vom Hauptstrom des Speisewassers als auch dem aus dem Zwischenüberhitzer (18) abgeleiteten Speisewasser durchströmt wird.

8. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Pumpe (25) zum Fördern des aus dem Zwischenüberhitzer (18) abgeleiteten Speisewassers in den Speisewassereinlaß des Dampferzeugers (11).

9. Kernkraftwerk nach Anspruch (S, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderdruck der Pumpe (25) höchstens 15 bar beträgt.

10. Kernkraftwerk nach Anspruch 8 oder ° mit mehreren Dampferzeugern, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Dampferzeuger (11) eine eigene Pumpe (25) vorhanden und eine zweite Pumpe (33) als Reservepumpe parallel geschaltet ist. "

11. Kernkraftwerk nacn einem der Ansprüche 1 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Zwischenüberhitzer (18) umfassenden Speisewasscrkreis ein Wasscrkühler (43) parallel zum Zwischenüberhitzer (18) angeordnet ist.