DE2430208C3

DE2430208C3 - Atomkraftanlage mit Dampferzeuger und Zwischenüberhitzer für teilentspannten Dampf

Info

Publication number: DE2430208C3
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: 1979-04-05
Also published as: SE7506400L; US3979914A; FR2274121A1; CH579234A5; DE2430208A1; NL7408864A; FR2274121B1; DE2430208B2

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 dall die Würmeübertragungsfläche im Zwischenüberhii/er 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 Heizdarnpfentnahme aus dem Dampferzeuger bedingte Mehrbelastung der im Dampferzeuger eingebauten Wa serabscheider 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.

π 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 Zwischenüberhitzer ein Enthitzer vorgesehen ist, durch den der überhitzte Heizdampf vor seiner Wärmeabgabe an den im Zwischenüberhitzer zu überhitzenden Dampf so weit abgekühlt wird, dall er als Sattdampf in den Zwischenüberhitzer eintritt.

In der erfindungsgemäßen Anlage wird also der Zwischenüberhitzer mit kondensierendem Dampf beschickt. Obwohl durcn die vorgängige Abkühlung des Heizdampfes das mittlere Wärmegefälle im Zwischen-

jo überhitzer 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 Wärmeübergangszahl beruht. Diese Wärmeübergangszahl 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 Zwischeniiberhitzers verkleinert werden kann. Als weiterer Vorteil gegenüber Beheizung durch überhitztem Dampfergibt sich, daß im Zwischenüberhitzer weniger hohe Temperaturen und Temperaturdif ferenzen auftreten, was erlaubt, billigeres, geringer wärmebeständiges Material für der Zwischenüberhit/er zu verwenden. Außerdem sind die Wärmespannungen im Zwischenüberhit/er kleiner. Besonders interessant ist das erfindungsgemäße Verfahren bei Anwendung in Anlagen mit gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren. Hierbei wird vermieden, daß /wischenzuüberhit/ender Dampf mit dem Gas, das wesentlich höheren Druck haben kann, in Berührung kommt, falls im /wischen überhitzer eine Leckage auftritt. Somit kann kein Gas in den Dampfstrom eindringen.

Aus der CH-PS 3 22 4JJ ist ςιης Dampfkraftanlage mit fossil beheiztem Dampferzeuger bekannt, bei der eine teilweise Zwischenüberhitzung von teilcntspanntem Dampf durch Hochdruckdampf stattfindet, der hinter einer Vorüberhitzerheizfläche entnommen wird und nach Abgabe eines Teiles seiner Überhitzungswärme an den teilentspanntcn Dampf vordem Endüberhitzcr wieder in den Dampferzeuger zurückgeführt wird.

Diese Zwischenüberhitzung mittels Hochdruekdmnpi, der vor dem Eintritt in den Zwischenüberhiizer eine Wassereinspritzstelle passiert, in der er jedoch nicht erhitzt wird, geschieht hier zum Zweck der Regelung der Zwischenüberhiizungsiemperatur. 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

Fig. I 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,

Fig.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 abgewandelte Einzelheit des Zwischenüberhitzers nach F i g. 5 und

Fig.8 einen Vertikalschnitt durch einen weiteien 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 IS der Dampfturbine ist ein Zwi- »chenüberhitzer 13 vorgesehen, in dem der in der Hochdruckstufe 11 teilentspannte Dampf durch Heizdampf zwischenüberhitzt wird, der über eine Leitung 30 dem Zwischenüberhitzer zugeführt w>d. 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 Ober 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 Spcisewasserleitung 26 zwischen Speisepumpe 25 und Dampferzeuger 3 über eine Leitung 41 verbunden, in der ein Einspritzventil 42 vorgesehen ist. Das Eiü>i<;"iizven!il 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 Ϊ0 abhängiges, von einem Temperaiurmeöfühler46 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 Zwischenüberiiitzer 13 kondensiert und der sekundärseitig aus dem Zwischenüberhitzer austretende Dampf die gewünschte Zwischenüberhitzungstemperatur hat Im Enthitzer 40

π 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 Sattdampf temperatur 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 ii. den Zwischenüberhitzer 13. Durch diese Nachverdampfung ist der iieizdampf am Eintritt in den Zwischenüberhitzer 13 praktisch voll enthitzt, d. h, er hat den Sattdampfzustand * = 0. Damit wird der zwischenzuüberhitzende Dampf durch kondensierenden Dampf

3« beheizt, wobei höhere Wärmeübertragungszahlen auftreten als bei überhitztem Heizdampf. Das im Zwischenüberhitzer 13 eiüMehende Kondensat wird über die Leitung 35 dem Vor\ ärmer 23 zugeführt, wo die Wärme an das vom Kondensator 20 kommende

ji Kondensat übertragen wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist an den Heizdampfaustritt des Zwischenüberhitzers 13 ein Wassersammeigefäß 75 angeschlossen, das mit «inem 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 Erthitzer 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 dei zwischenüberhitzten Dampfes hoch genug ist. ist die Leitung JO stromoberhalb des Enthitzers 40 über eine Leitung 85 mit Ventil 86 an der Frischdampfleitung 10 angeschlossen, und zwar stromoberhalb eines Vurbinenventils 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

b5 Sicherheitsventil 91 "ersehen. Ein in der Leitung 30 stromoberhalb der Anschlußstelle der Leitung 85 angeordnetes Rückschlagventil 92 verhindert, daß bei offenem Ventil 86 Dampf über die Leitune 85 in die

lluchdiucksiufe Il gelungen kann.

Gemäß l^; ι g. 3 und 4 besteht der Zwischeniibcrhiizer 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 Wärmeübcrtragungsfläche 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 Rndens 6fi ist pin ebenfalls hnlhkiigplfnrmigrr ΠηΗηη fin angeordnet, der mit der Rohrplatte 51 dicht verbunden ist und mit einem Abfuhrstutzen 61 für das im Zwischeniiberhitzer 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. I)zum Vorwärmer23.

Gemäß F i g. 5 ist der eigentliche Zwischenüberhitzer 13 ähnlich aufgebaut wie derjenige gemäß F i g. 3, d. h.. daß sich Rohre 53 zwischen zwei Rohrplatten 50' und 5Γ 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 Fi g. 5 der Enthitzer mit dem Zwischenüberhitzer eine bauliche Einheit, indem der Zufuhrstutzen 96 für den Heizdampf und der Abfuhrstutzen 97 für das Kondensat auf der selben Seite des Zwischenüberhitzers 13 vorgesehen sind; die beiden Stutzen 96 und 97 sind an dem unteren Boden 60' angeschlossen. Der zwischen dem Kondensatspiegel und der unteren Rohrplatte 51' 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 Abfuhrsttitzen 97 ist mit einem Ventil 78 versehen, das von einem Niveauregler 79' beeinflußt ist der über eine Signalleitung 77' mit einem Niveaumeßge rät 76' verbunden ist. Der obere Halbkugclbodcn 55 is -, mit einem Entlüftungsslulzen 98 versehen, der z. B. mi einem Entgaser auf dem Speisewasserbehälter 24 odei mit dem Kondensator 20 verbunden ist. Über dieser Stutzen 98 kann periodisch oder ständig eine geringe Menge des Heizdampfes abgeführt werden.

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

Ii Eine andere Ausführungsform, die zu dem gleicher 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 Rohrplat'c 5Π" \ypict Kp; ipfipm Roh»" 53 C!" ! iich !4 2«f ίίίϊ¹.

:ii wesentlich kleineren Durchmesser als das Rohr 53 hat und durch das eine geringe Dampfmenge zum Entlüftungistutzen 98 entweichen kann.

Beim Zwischenüberhitzer 13 nach F i g. 8 sind wiederum gerade Rohre 53 vorgesehen, die in einer

:■-, unteren Rohrplatte 5Γ dicht befestigt sind. Am oberen Ende der Rohre 53 ist jedoch keine Rohrplatte vorgesehen, sondern sie gehen in gebogene Rohrabsdiiiitte "2 kleineren Durchmessers über, die; in einen kugelförmigen Sammler 80 münden, der in den

in Entgasungsstutzen 98 mündet. Durch die gebogenen Rohrabschnitte 82 ergeben sich gu'p Dehnungsmöglichkeiten zwischen den Rohren 53 und dein Mantel 65 des Zwischenüberhitzers. Der Austrittsstutzen 71 für den zwischenüberhitzten Dampf befindet sich beim Ausfiih-

)-, rungsbeispiel 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

4(i 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 ist das Ventil 78' angeordnet, das wie in F i g. 5 vom Ni ;au des aus dem Heizdampf entstandenen Kondensats beeinflußt wird, indem mit Hilfe eines Δ p-Mcßgerätes 76" das Niveau gemessen wird und ein entsprechendes Signal über die Leitung 77' zum Regler 79' gegeben wird, der das Ventil 78'steuen

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 sst

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

4. Anlage nach Anspruch.' 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 nj :h Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Enthitzer von ei"im primärseitig an dem Zwischenüberhitzer f 13) angeschlossenen Leitungsabschnitt (97') gebiide; ist, '!er 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.