DE2430208B2

DE2430208B2 - Atomkraftanlage mit Dampferzeuger und Zwischenüberhitzer für teilentspannten Dampf

Info

Publication number: DE2430208B2
Application number: DE2430208A
Authority: DE
Inventors: Max Wiesendangen Weber (Schweiz)
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1974-06-06
Filing date: 1974-06-24
Publication date: 1978-07-27
Also published as: FR2274121B1; US3979914A; DE2430208A1; NL7408864A; CH579234A5; FR2274121A1; SE7506400L; DE2430208C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Atomkraftanlage mit einem durch ein Reaktorkühlmittel beheizten, überhitzten Dampf erzeugenden Dampferzeuger und einer daran angeschlossenen Dampfturbine mit einem Zwischenüberhitzer, der primärseitig über eine Leitung mit einer im Dampfkreislauf zwischen dem Dampferzeuger und dem Zwischenüberhitzer befindlichen Entnahmestelle für überhitzten Dampf verbunden ist und durch diesen beheizt wird.

Eine solche Anlage wird im ersten Absatz der Beschreibung der DE-OS 22 44 549 als Stand der Technik angegeben. Der in überhitztem Zustand befindliche Heizdampf kühlt sich im Zwischenüberhitzer unter Abgabe der Überhitzungswärme und gegebenenfalls von Kondensationswärme an den sekundären Dampf ab. Eine solche Anlage hat den Nachteil, daß die Wärmeübertragungsfläche im Zwischenüberhitzer verhältnismäßig groß bemessen werden muß.

Die in der genannten DE-OS beschriebene Erfindung schlägt vor, zur Zwischenüberhitzung Speisewasser zu verwenden, das im Dampferzeuger vorgewärmt wurde. Mit dieser Maßnahme soll die durch die Heizdampfentnahme aus dem Dampferzeuger bedingte Mehrbelastung der irn Dampferzeuger eingebauten Wasserabscheider sowie der Frischdampfleitung vermieden werden. Auch bei Zwischenüberhitzung mit vorgewärmtem Speisewasser wird eine relativ große Heizfläche zur Übertragung der für die Zwischenüberhitzung notwendigen Wärmemenge benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Atomkraftanlage der eingangs genannten Art den Wärmeübergang im Zwischenüberhitzer so zu verbessern, daß man mit einer kleineren Heizfläche auskommt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Leitung zwischen der Entnahmestelle und dem Zwischetiüberhitzer ein Enthitzer vorgesehen ist, durch den der überhitzte Heizdampf vor seiner Wärmeabgabe an den im Zwischenüberhitzer zu überhitzenden Dampf so weit abgekühlt wird, daß er als Sattdampf in den Zwischenüberhitzer eintritt.

In der erfindungsgemäßen Anlage wird also der Zwischenüberhitzer mit kondensierendem Dampf beschickt. Obwohl durch die vorgängige Abkühlung des Heizdampfes das mittlere Wärmegefälle im Zwischenüberhitzer verkleinert wird und demnach zu erwarten wäre, daß die Heizfläche vergrößert werden müßte, hat es sich gezeigt, daß die Heizfläche verkleinert werden kann, weil nämlich primärseitig trotz der hier auftretenden kleinen Strömungsgeschwindigkeiten des kondensierenden Heizdampfes der Wärmeübergang mehrfach besser ist als bei Verwendung von überhitztem Heizdampf, was auf der für Sattdampf größeren W?rmeübergangszahl beruht. Diese Wärmeübergangszanl ist nicht nur im Vergleich zu überhitztem Dampf, sondern auch im Vergleich zu vorgewärmtem Speisewasser mehrfach größer. Außerdem ergibt sich gegenüber der Beheizung durch vorgewärmtes Speisewasser der Vorteil, daß die Temperaturdifferenz zwischen Sattdampf und sekundärem Dampf größer ist, so daß auch aus diesem Grunde die Wärmeübertragungsfläche des Zwischenüberhitzers verkleinert werden kann. Als weiterer Vorteil gegenüber Beheizung durch überhitztem Dampf ergibt sich, daß im Zwischenüberhitzer weniger hohe Temperaturen und Temperaturdifferenzen auftreten, was erlaubt, billigeres, geringer wärmebeständiges Material für der Zwischenüberhitzer zu verwenden. Außerdem sind die Wärmespannungen im Zwischeniiberhitzer kleiner. Besonders interessant ist das erfindungsgemäße Verfahren bei Anwendung in Anlagen mit gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren. Hierbei wird vermieden, daß zwischenzuüberhitzender Dampf mit dem Gas, das wesentlich höheren Druck haben kann, in Berührung kommt, falls im Zwischenüberhitzer eine Leckage auftritt. Somit kann kein Gas in den Dampfstrom eindringen.

Aus der CH-PS 3 22 433 ist eine Dampfkraftanlage mit fossil beheiztem Dampferzeuger bekannt, bei der eine teilweise Zwischenüberhitzung von teilentspanntem Dampf durch Hochdruckdampf stattfindet, der hinter einer Vorüberhiizerheizfläche entnommen wird und nach Abgabe eines Teiles seiner Überhitzungswärme an den teilentspannten Dampf vor dem Endüberhitzer wieder in den Dampferzeuger zurückgeführt wird.

Diese Zwischenüberhitzung mittels Hochdruckdampf, der vor dem Eintritt in den Zwischenüberhitzer eine Vv'assereinspritzstelle passiert, in der er jedoch nicht erhitzt wird, geschieht hier zum Zweck der Regelung der Zwischenüberhitzungstemperatun Es liegt hier also eine andere technische Aufgabe vor.

Einige Ausführungsbeispiele der Atomkraftanlage nach der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Atomkraftanlage nach der Erfindung,

Fig.2 ebenfalls schematisch einen Teil einer abgewandelten Anlage,

F i g. 3 einen Vertikalschnitt durch den dabei vorgesehenen Zwischenüberhitzer,

F i g. 4 eine Einzelheit des Zwischenüberhitzers nach F i g. 3 in größerem Maßstab,

F i g. 5 einen Vertikalschnitt durch einen abgewandelten Zwischenüberhitzer,

Fig.6 und 7 je eine abgewandette Einzelheit des Zwischenüberhitzers nach F i g. 5 und

Fig.8 einen Vertikalschnitt durch einen weiteren abgewandelten Zwischenüberhitzer.

Gemäß F i g. 1 ist der heliumgekühlte Atomkernreaktor der Atomkraftanlage mit 1 und der überhitzten Dampf erzeugenden Dampferzeuger mit 3 bezeichnet. Der Reaktor 1 und der Dampferzeuger 3 sind über eine Leitung 2 miteinander verbunden, die das im Reaktor 1 erhitzte Helium zum Dampferzeuger 3 führt, in dem die Wärme aus dem Reaktorkühlmittel an das Arbeitsmittel eines Dampfkreislaufes übertragen wird. Das abgekühlte Helium wird über eine Leitung 4 mittels eines Umwälzorgans 5 zum Reaktor 1 zurückgeführt, in dem es erneut die bei der Kernreaktion freiwerdende Wärme aufnimmt.

Der Dampferzeuger 3 ist sekundärseitig über eine Frischdampfleitung 10 mit einer Hochdruckstufe 11 einer Dampfturbine verbunden, die zusammen mit einer auf einer gemeinsamen Welle 16 angeordneten Niederdruckstufe 15 einen elektrischen Generator 17 antreibt. Zwischen der Hochdruckstufe 11 und der Niederdruckstufe 15 der Dampfturbine ist ein Zwischenüberhitzer 13 vorgesehen, in dem der in der Hochdruckstufe 11 teilentspannte Dampf durch Heizdampf zwischenüberhitzt wird, der über eine Leitung 30 dem Zwischenüberhitzer zugeführt wird. Die Leitung 30 ist an einer Entnahmestelle 31 an der Hochdruckstufe 11 angeschlossen, wo der entnommene Dampf überhitzt ist und höheren Druck aufweist als der zwischenzuüberhitzende Dampf. In der Leitung 30 ist vor dem Zwischenüberhitzer 13 ein Enthitzer 40 vorgesehen, der in diesem Beispiel als Einspritzkühler ausgebildet ist.

Der in der Niederdruckstufe 15 entspannte Dampf wird in einem Kondensator 20 niedergeschlagen, aus dem das Kondensat mittels einer Kondensatpumpe 21 über zwei Vorwärmer 22 und 23 in einen Speisewasserbehälter 24 gelangt. Der Speisewasserbehälter 24 ist mit der Sekundärseite des Dampferzeugers 3 über eine Leitung 26 verbunden, in der eine Speisepumpe 25 angeordnet ist Der Vorwärmer 22 wird mit Anzapfdampf aus der Niederdruckstufe 15 beheizt, wogegen der Vorwärmer 23 mit der Primärseite des Zwischenüberhitzers 13 über eine Leitung 35 verbunden ist.

Der Enthitzer 40 ist mit der Speisewasserleitung 26 zwischen Speisepumpe 25 und Dampferzeuger 3 über eine Leitung 41 verbunden, in der ein Einspritzventil 42 vorgesehen ist. Das Einspritzventil 42 wird von einem Regler 47 gesteuert, dem über eine Signalleitung 48 ein Temperatursollwert und außerdem ein von der Temperatur des erhitzten Heizdampfes in der Leitung 30 abhängiges, von einem Temperaturmeßfühler 46 an der Stelle 45 gemessenes Signal als Istwert zugeführt wird.

Der über die Signalleitung 48 zugeführte Sollwert kann z. B. abhängig vom Druck des Heizdampfes vor dem Enthitzer 40 oder abhängig von der Last der Anlage verändert werden.

Die Entnahmestelle 31 im Dampfkreislauf ist so gewählt, daß der die Leitung 30 durchströmende und im Enthitzer 40 enthitzte Heizdampf im Zwischenüberhitzer 13 kondensiert und der sekundärseitig aus dem Zwischenüberhitzer austretende Dampf die gewünschte Zwischenüberhitzungstemperatur hat. Im Enthitzer 40 wird über die Leitung 41 so viel Einspritzwasser zugeführt, daß der an der Stelle 31 entnommene überhitzte Dampf an der Temperaturmeßstelle 45 nahezu voll enthitzt ist, d. h., daß er dort eine Temperatur aufweist, die etwa um 3° höher als die dem

Dampfdruck in der Leitung 30 zugeordnete Sattdampftemperatur liegt. Da die Meßstelle 45 nahe am Enthitzer 40 liegt, ist dort noch nicht alles Einspritzwasser verdampft. Dies geschieht im Leitungsabschnitt zwischen der Meßstelle 45 und dem Eintritt in den Zwischenüberhitzer 13. Durch diese Nachverdampfung ist der Heizdampf am Eintritt in den Zwischenüberhitzer 13 praktisch voll enthitzt, d. h., er hat den Sattdampfzustand χ = 0. Damit wird der zwischenzuüberhitzende Dampf durch kondensierenden Dampf beheizt, wobei höhere Wärmeübertragungszahlen auftieten als bei überhitztem Heizdampf. Das im Zwischenüberhitzer 13 entstehende Kondensat wird über die Leitung 35 dem Vorwärmer 23 zugeführt, wo die Wärme an das vom Kondensator 20 kommende Kondensat übertragen wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 ist an den Heizdampfaustritt des Zwischenüberhitzers 13 ein Wassersammeigefäß 75 angeschlossen, das mit einem Niveaumeßgerät 76 versehen ist. Dieses Meßgerät ist mit einem Regler 79 verbunden, der auf ein Ventil 78 einwirkt, das in der Leitung 35 angeordnet ist. An das Sammelgefäß 75 ist außerdem eine Leitung 80 angeschlossen, die zum Enthitzer 40 führt und in der eine Umwälzpumpe 81 angeordnet ist. Die Umwälzpumpe 81 ist so bemessen, daß sie dem Enthitzer so viel Wasser aus dem Sammelgefäß 75 zuführt, daß der in den Zwischenüberhitzer 13 eintretende Heizdampf stets naß ist. Das Ventil 78 öffnet, wenn das Niveau im Sammelgefäß 75 einen bestimmten Grenzwert übersteigt.

Um sicherzustellen, daß auch bei Teillast, wenn der Druck des Heizdampfes abnimmt, die Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfes hoch genug ist, ist die Leitung 30 stromoberhalb des Enthitzers 40 über eine Leitung 85 mit Ventil 86 an der Frischdampfleitung 10 angeschlossen, und zwar stromoberhalb eines Turbinenventils 87. An der Leitung 85 ist außerdem ein Druckfühler 89 angeschlossen, der über einen Grenzregler 90 auf das Ventil 86 derart einwirkt, daß beim Unterschreiten eines am Regler 90 fest eingestellten Grenzwertes für den Druck das Ventil 86 sich so weit öffnet, daß die Druckabweichung minimal wird.

Für den Fall, daß das Druckregelsystem 86, 89, 90 nicht funktionieren sollte, ist die Leitung 85 mit einem Sicherheitsventil 91 versehen. Ein in der Leitung 30 stromoberhalb der Anschlußstelle der Leitung 85 angeordnetes Rückschlagventil 92 verhindert, daß bei offenem Ventil 86 Dampf über die Leitung 85 in die

Hochdruckstufe 11 gelangen kann.

Gemäß F i g. 3 und 4 besteht der Zwischenüberhitzer 13 aus einem zylindrischen Mantel 65, an dessen beiden Enden Rohrplatten 50 und 51 vorgesehen sind, zwischen denen sich Rohre 53 erstrecken, die mit ihren Enden in die Rohrboden dicht eingewalzt oder eingeschweißt sind. Die Rohrplatte 50 ist dicht mit dem Mantel 64 verbunden, wogegen die Rohrplatte 51 axial verschieblich im Mantel 65 geführt ist, um Dehnbewegungen zwischen den Rohren 53 und dem Mantel 65 zu ermöglichen. Die Rohre 53 sind, wie Fig.4 zeigt, zur Vergrößerung der äußeren Wärmeübertragungsfläche mit schraubenlinienförmig verlaufenden Rippen 54 versehen. An den beiden Enden des zylindrischen Mantels 65 schließen sich halbkugelförmige Böden 55 und 66 an. Der Boden 55 weist einen Zufuhrstutzen 56 für den Heizdampf sowie ein Mannloch 57 auf. Innerhalb des mit einem Mannloch 67 versehenen Bodens 66 ist ein ebenfalls halbkugelförmiger Boden 60 angeordnet, der mit der Rohrplatte 51 dicht verbunden ist und mit einem Abfuhrstutzen 61 für das im Zwischenüberhitzer entstehende Kondensat sowie mit einem Mannloch 62 versehen ist. Der Abflußstutzen 61 ist über ein Wellrohr 68 mit dem äußeren Boden 66 dicht verbunden. Am Mantel 65 ist ein Zufuhrstutzen 70 für den zwischenzuüberhitzenden Dampf und ein Abfuhrstutzen 71 für den zwischenüberhitzten Dampf angeschlossen. Im Raum zwischen den beiden Rohrplatten 50 und 51 sind an sich bekannte, einander abwechselnde ringförmige Schikanen 72 bzw. 73 angeordnet.

Der zwischenzuüberhitzende Dampf strömt somit um die Rohre 53 herum im Sinne der eingezeichneten Pfeile 74. Der Heizdampf tritt im sattem Zustand durch den Zufuhrstutzen 56 ein und durchströmt mit sehr kleiner Geschwindigkeit die Rohre 53, an deren Innenwänden er kondensiert. Das Kondensat sammelt sich am Boden 60 und strömt über den Stutzen 61 und die Leitung 35 (Fig. l)zum Vorwärmer23.

Gemäß F i g. 5 ist der eigentliche Zwischenüberhitzer 13 ähnlich aufgebaut wie derjenige gemäß Fig. 3, d.h., daß sich Rohre 53 zwischen zwei Rohrplatten 50' und 51' erstrecken und der die Rohre umgebende Mantel mit einem Zufuhrstutzen 70 für den zwischenzuüberhitzenden Dampf und einem Abfuhrstutzen 71 für den zwischenüberhitzten Dampf versehen ist. Abweichend von dem vorher beschriebenen Beispiel bildet gemäß Fig. 5 der Enthitzer mit dem Zwischenüberhitzer eine bauliche Einheit, indem der Zufuhrstutzen % für den Heizdampf und der Abfuhrstutzen 97 für das Kondensat auf der selben Seite des Zwischenüberhitzers 13 vorgesehen sind; die beiden Stutzen % und 97 sind an dem unteren Boden 60' angeschlossen. Der zwischen dem Kondensatspiegel und der unteren Rohrplatte 5Γ befindliche Raum 94 bildet den Enthitzer, indem das bei der Abkühlung des Heizdampfes in den Rohren 53 entstehende Kondensat den zuströmenden Heizdampf vor dem Eintritt in die Rohre 53 kühlt.

Der Abfuhrstutzen 97 ist mit einem Ventil 78' versehen, das von einem Niveauregler 79' beeinflußt ist, der über eine Signalleitung 77' mit einem Niveaumeßgerät 76' verbunden ist. Der obere Halbkugelboden 55 ist mit einem Entlüftungsstutzen 98 versehen, der z. B. mit einem Entgaser auf dem Speisewasserbehälter 24 oder mit dem Kondensator 20 verbunden ist. Ober diesen Stutzen 98 kann periodisch oder ständig eine geringe Menge des Heizdampfes abgeführt werden.

ίο Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.6 sind die Rohre 53 an ihrem oberen Ende auf einen kleineren Durchmesser eingezogen und dicht an der Rohrplatte 50' befestigt. Auf diese Weise kann die Dicke der Rohrplatte wesentlich verringert werden.

Eine andere Ausführungsform, die zu dem gleichen Erfolg führt, zeigt Fig. 7, gemäß der die Rohre 53 stumpf an der Rohrplatte 50" enden und mit dieser über eine Kehlnaht dicht verschweißt sind. Die Rohrplatte 50" weist bei jedem Rohr 53 ein Loch 14 auf, das wesentlich kleineren Durchmesser als das Rohr 53 hat und durch das eine geringe Dampfmenge zum Entlüftungsstutzen 98 entweichen kann.

Beim Zwischenüberhitzer 13 nach Fig.8 sind wiederum gerade Rohre 53 vorgesehen, die in einer unteren Rohrplatte 51' dicht befestigt sind. Am oberen Ende der Rohre 53 ist jedoch keine Rohrplatte vorgesehen, sondern sie gehen in gebogene Rohrabschnitte 82 kleineren Durchmessers über, die in einen kugelförmigen Sammler 80 münden, der in den Entgasungsstutzen 98 mündet. Durch die gebogenen Rohrabschnitte 82 ergeben sich gute Dehnungsmöglichkeiten zwischen den Rohren 53 und dem Mantel 65 des Zwischenüberhitzers. Der Ausirittsstutzen 71 für den zwischenüberhitzten Dampf befindet sich beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 8 im halbkugelförmigen Boden 55. An dem unteren Boden 60" des Zwischenüberhitzers ist ein geneigter Leitungsabschnitt 97' angeschlossen der für das aus dem abgekühlten Heizdampf entstehende Kondensat als Ablauf und zugleich für den überhitzten Heizdampf als Enthitzer dient. Zu diesem Zweck ist am unteren Ende des geneigten Leitungsabschnitts 97' die Leitung 30 angeschlossen, so daß der überhitzte Heizdampf sich im Gegenstrom zu dem unter der Schwerkraft abströmenden Kondensat zum Zwischenüberhitzer 13 bewegt. Am unteren Ende des geneigten Leitungsabschnitts 97' geht dieser in die Leitung 35 über, in der der Vorwärmer 23 angeordnet ist, in dem das zum Speisewasserbehälter 24 strömende Kondensat aus dem Kondensator 20 erwärmt wird. In der Leitung 35 stromunterhalb des Vorwärmers 23 isi das Ventil 78' angeordnet, das wie in F i g. 5 vom Niveau des aus dem Heizdampf entstandenen Kondensats beeinflußt wird, indem mit Hilfe eines Δ p-Meßgerätes 76" das Niveau gemessen wird und ein entsprechendes Signal über die Leitung 77' zum Regler 79' gegeber wird, der das Ventil 78' steuert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Atomkraftanlage mit einem durch ein Reaktorkühlmittel beheizten, überhitzten Dampf erzeugenden Dampferzeuger und einer daran angeschlossenen Dampfturbine mit einem Zwischenüberhitzer, der primärseitig über eine Leitung mit einer im Dampfkreislauf zwischen dem Dampferzeuger und dem Zwischenüberhitzer befindlichen Entnahmestelle für überhitzten Dampf verbunden ist und durch diesen beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (30) zwischen der Entnahmestelle (31) und dem Zwischenüberhitzer (13) ein Enthitzer (40,94,97') vorgesehen ist, durch den der überhitzte Heizdampf vor seiner Wärmeabgabe an den im Zwischenüberhitzer zu überhitzenden Dampf so weit abgekühlt wird, daß er als Sattdampf in den Zwischenüberhitzer eintritt.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzer (40) als Einspritzkühler ausgebildet ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Enthitzer (40) kühlmittelseitig mit einer wasserführenden Stelle stromunterhalb einer Speisepumpe (25) des Dampfkreislaufes verbunden ist.

4. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Enthitzer (40) kühlmittelseitig über eine Umwälzpumpe (81) mit einem dem Zwischenüberhitzer (13) primärseitig nachgeschalteten Kondensatsammelgefäß (75,23) verbunden ist.

5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Enthitzer von einem primärseitig an dem Zwischenüberhitzer (13) angeschlossenen Leitungsabschnitt (97') gebildet ist, der so ausgebildet ist, daß das durch Abkühlung des Heizdampfes entstehende Kondensat unter dem Einfluß der auf es wirkenden Schwerkraft dem Heizdampf entgegenströmt.

6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Enthitzer (40) mit dem Zwischenüberhitzer (13) eine bauliche Einheit bildet, bei der der Zufuhrstutzen (96) für den Heizdampf und der Abfuhrstutzen (97) für das Kondensat unterhalb der Wärmeübertragungsfläche (53) an einen gemeinsamen Raum (94) derart angeschlossen sind, daß das durch Abkühlung des Heizdampfes entstehende Kondensat von der Wärmeübertragungsfläche (53) aus durch den Heizdampfstrom tropft.