DE2244549C3 - Kernkraftwerk mit einem Dampferzeuger - Google Patents

Description

)ie Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit eiiu-in npferzeuger und einer zweistufigen Dampfkraft-,chine mit Zwischenüberhitzung, /wischen de η Hoch- und Niederdruckteil ein vom Sekundärmedium beheizter Zwischenüberhitzer vorgesehen ist.

Zur Beheizung des Zwischeniiberhitzers hat man gemäß der deutschen Gebrauchsmusterschrift 66 08 287 Frischdampf verwendet, der unmittelbar vom Dampferzeuger geliefert wurde. Die Zwischenüberhitzung kann man aber auch mit Dampf aus einer Anzapfung des Hochdruckteils der Dampfkraftmaschine, z. B. einer Turbine, vornehmen. Ferner ist es aus der DDR-Patentschrift 47555 bekannt, den Zwischenüberhitzer mit dem Trimärkühlmittel eines 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 Kühlmitielstromes 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 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 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 Speisewasserregclventile. Zwar wird man wohl immer auch das zur Beheizung des Zwischenüberhitzers verwendete Speisewasser 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 Zwischcnüberhitzer weg sowie der entsprechende Kondensatentspanner und der Niveauregler.

Durch die Verwendung von Wasser zur Beheizung des Zwischeniiberhitzers erhält dieser ein sehr stabiles Betriebsverhalten. Bisher insbesondere bei Laständerungen der Turbine aufgetretene Störungen, wie Kondensalionsschläge 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 Totwasser/oncn des Dampferzeugers abgeleitet ist. /11 diesem Zweck kann das vorgewärmte Speise-

wasser insbesondere in der Mitte des Rohrboden« rv>_m t .. · , - - _L . ·

eines das Primärmedium führenden U-rXSkK ^DamP^fer?f^ug^er,^{s hat den} wichtigen sicherheitstechdes Dampferzeugers abgeleitet werden Durch S? £ ^Vortei1' ^daß der Dampferzeuger als größte

t Abhlä \TSZS ^K°^{mponente des} Reaktorkühlkreises relativ einfach

wasser insbesondere in der Mitte des Rohrboden« eines das Primärmedium führenden U-rXSkK des Dampferzeugers abgeleitet werden Durch S? sogenannte Abschlämmung w\rTSZAnSe™

gd^rin ToHvasse™_ne"n~uni;rb;nden Dab'd isTes ^DamP^fer?f^ug^er,^{s hat den} wichtigen sicherheitstech- £ ^Vortei1' ^daß der Dampferzeuger als größte

^K°^{mponente des} Reaktorkühlkreises relativ einfach ™t einer zweiten Umschließung, z.B. einer Stahl-

!£! V™ ^'^ "" ^BerStsichemnS ^Umß^{eben wef}-^{Zur näheren} Erläuterung der Erfindung werden im Äl⁰ "" ^ *

ine weitere Verheben,™ λ»„ί? T erfindunosLrnäße^Sr ft ^"»ehaushalts liil?S^?f ^r^^eSu ^{Wlrd dUrch}

l '""^' T ^der

T1S he ReJ ™S ! H PT³⁵⁵,", r^{d dem} noch recht heJBen austretenden Pnmarkutlimttel a

f ? ner^Sh?iTem K°^mTT^taUf ^herl ^ausS^enutzt vverden Der bei dem Kernkraftwerk nach der Erfin-

? ^:_FtTlvT, ^{er Z0ne}

bewirkt cme Erhöhung des Fnschdampfdrucks und

dam.t des Wirkungsgrads der Gesamtanlage.

Dampferzeuger mit besonderen Vorwärmzonen für das zu verdampfende Speisewasser sind zwar seit ¹³U⁸T?¹ ΰί?™ ^v"£^lcl?^e I- ^B· die USA^Patentschnft 34 12 713. Die Vonvarmung hat man aber

bisher nur als cme Vorstufe der Verdampfung angesehen. Man ist also nicht auf den Erfindung,-gedanken gekommen, die bei der Vorwärmung auf das sekundäre Medium übertragene Energie zur Aufheizung des Dampfes im Zwischenüberhitzer heranzuziehen, so daß die vorstehend genannten Vorteile erreicht weiden.

Mit der bei dem erfindungsgemäßen Kernkraftwerk vorgesehenen Speisewasserzwangsumwäkung 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 Grobabscheidem, so daß deren Leistung je Einheit erhöht und damit die benötigte Stückzahl sowie ihr Platzbedarf verringert werden können. 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 bir, zu einem Betrag von beispielsweise 6 %> der vollen Rcaktorlcisiung über relativ klein bauende Wasser-Wasser-Wärmelauscher in den ohnehin aus Sicherheitsgründen ständig betriebsbereiten nuklearen Zwischenkühlkreis abgegeben wird. Dies ist im Vergleich mit dem bisher üblichen System, die Restwärme als Dampf abzuführen, für den Betrieb wesentlich einfacher. Diese Art der Nachwärmeabfuhr kann aber auch für die Sicherheit des Kernkraftwerks zu erheblicher Bedeutung gelangen, da es das bisherige, sehr aufwendige System mehrfach redundanter Notspeisepumpen, Notspeiseleitungen und Deionatvorratsbehälter ersetzen kann. Allerdings müssen in diesem Fall die Speisewasser-Umwälzpumpen mit entsprechender Reserve vorgesehen werden.

Auch die vorciwiihntc koinnakic Bauweise des ¹ i^ einem Diagramm die Temperatur emenge autgetragen, die im Dampferzeu-Ser eines Kernkraftwerkes mit einem Druckwasser^{reaklOr ν0Γΐίε}8¹· ^{Die Linie} 1 ^zeigt ^d* Temperatur des ^Prin>ärwasser£ das den Dampferzeuger durchströmt.

^{Von der} Einlaßtemperatur auf der rechten Seite des Diagramms kühlt sich das Primärwasser durch Wänneabgabe an das sekundärseitige Speisewasser bis auf Auslaßtemperatur ab. *

¹^ Normalfall wird das Speisewasser von der An-

fangstcmperatur T nach der Linie 4 bis zur VerdaipfunSstemii'tu; »n der Un e 5 vorgewärm . Diese Verdampfungstcmpcratur ist um die Tcmperaturdifferenz ,1 r, kleiner als die Temperatur des Primärwassers, -.veil der Wärmeübergang ein bestimmtes

,5 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 Dampftemperatur stcist dadurch auf den durch die Linie 7 gegebenen Wert, wobei wiederum eine etwa gleichgroße Temperaturdifferenz J /., gegenüber dem Primärwasscr vorliegt

In Fig. 2 ist ein Rohrplan eines Kernkraftwerkes _{nach dcr Erfindung} gezeichnet. Es umfaßt einen

Druckwasserreaktor 10 als Wärmequelle, dessen als Primärkühimittel 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 Dezeichnet isu Der Dampf gelangt zunächst in den Hochdruckteil 16. Von dort tritt er in einen Abscheider 17 ein und passiert dann einen Zwischenüberhitzerl8, bevor er in den zweiflutigen Niederdruckteil 20 der Turbine 15 eintritt.

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 Einspciscleitung 28 zurück, die den zu Speisewasser kondensierten Dampf wieder in den Dampferzeuger 11 zurückführt. Die Speisewasserleitung 30 des Zwischenüberhitzers mündet hinter den Speisewasserregclventilen 31, so daß der für den Zwischenüberhilzer \\\ vorgesehene Speisewasscrkreis 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 Leiiung 42, die zu einem Wasscrkühlcr43 führt, kann die Speisewasser-

leitung 22 auch zur Wärmeabgabe beim An- und Abfahren des Reaktors sowie zur Notkühlung verwendet werden. Die Wärmeabgabe erfolgt zweckmäßig in den nuklearen Zwischenkühlkrcislauf 44. Dadurch erspart man sonst übliche Deionatbecken, die Deional zur Einspeisung in den Dampferzeugern bereitstellen, wenn zur Nach- und Notkühlung Dampf über ein Ventil abgeblasen wird.

Eine quantitative Abschätzung der Vorteile der Erfinclung ermöglicht die folgende Tabelle, in der für (.las Beispiel eines Druckwasserreaktors mit 650 MWe bei einem Frischdampfdruck von 70 bar bei einer Feuchte von 0,25 ".Ό und für eine Dampferzeugcreintriustcmperatur (Vorwärmend- und Wasscrrücklauftcmpcratur) von 215⁰C die Zwischenüberhitzung durch Frischdampf der bei einem crfindungsgcmäßen Kernkraftwerk erreichten Zwischenüberhitzung gegenübergestellt ist.

Zwischenüberhitzung durch

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 -f HD-Vorwärmer .. Kg/s

Wasserdurchsatz Umwälzpumpe Kg/s

Wasserdurchsatz Abschlämmentspanner Kg/s

Eintrittstemperatur Abschleppentspanner ⁰C

Frischdampf Heißwasser

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

Die weiteren Einzelheiten des Kernkraftwerkes, z. B. die Beheizung der verschiedenen Vorwärmet mit Hilfe von Anzapfdampf aus der Turbine 15, ergeben sich unmittelbar aus der F i g. 2 und brauchen deshalb nicht näher erläutert zu werden.

Die Fig. 3 zeigt einen Dampferzeuger, wie er durch das Symbol 11 in F i g. 2 vereinfacht dargestellt ist, in einem Vertikalschnitt. Man erkennt das Gehäuse 51, das ein U-Rohrbündel 52 einschließt, mit dem das Primärmedium geführt wird. Die freien Enden der Schenkel 52« und 52 b des U-Rohrbündels 52 enden in einem 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 Vonvärmzone 64, aus der das bei 68 eingespeiste Speisewasser in den Fallraum 58 gelangi, von dem es bei 59 in den Siederaum 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. Neben den schon geschilderten Vorteilen der Hcißwasserbeheizung des Zwischenüberhitzers erhält man hier eine verstärkte Speisewasserströmung im mittleren Bereich 60 des Rohrbodens 53, wodurch Totwasserzonen mit Korrosionsgefahr vermieden werden. Der ebenfalls mit einem U-Rohrbündcl 52 ausgerüstete Dampferzeuger nach F i g. 4 arbeitet dagegen mit Zwangsumlauf. Hier enthält das Gehäuse 51 Grobabscheider74 und einen Feinabscheider 75. Das im Grobabscheider 74 aus dem Wasser-Dampf-Gemisch abgeschiedene Speisewasser wird aus dem Dampferzeuger 51 über eine Hcißwasserleitung 11 abgeführt, die wiederum zum Beheizen des Zwischen-Überhitzers 18 (Fig. 2) dient. Zusätzlich zu der Leitung 77 kann eine Abschlämmleitung 78 kleinerer Querschnitts vorgesehen werden. Der Speisewasser einlaß68 führt in den Vorwärmer 64. Aus dieserr kann das im Kreuz-Gegenstrom erwärmte Speisewasser nicht nur in den Siederaum 62 geführt werden sondern auch über eine kleinere Leitung 82 zum Aus laß 83 der Grobabscheider 74 gelangen. In diesen Bereich, die mit einem dem U-Rohrbündel 52 ange paßten Boden 84 besonders stabil gestaltet is.t, sorg der nur unvollkommen vorgewärmte Speisewasser teilstrom für eine Kondensation mitgerissener Dampf reste, so daß ein gleichmäßiger, gut regelbarer Speise wasserstand erhalten wird und keine Dampfblasei in die Leitung 77 gelangen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Kernkraftwerk mit einem Dampferzeuger und einer zweistufigen Dampfkraftmaschine mit Zwischenüberhitzung, zwischen 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 Anspruch 2, d?durch 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 Dampf abscheidern (74) abgeleitet wird.

6. Kernkraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte nicht verdampfte Teil des Speisewassers zur Beheizung des Zwischenüberhitzers (18) 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 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 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 parallel geschaltet 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. fi.