DE2515268A1

DE2515268A1 - Verfahren und anordnung zur umkehr der umlaufrichtung eines mediums auf der sekundaerseite eines waermeaustauschers insbesondere fuer kraftwerke mit kernreaktoren

Info

Publication number: DE2515268A1
Application number: DE19752515268
Authority: DE
Inventors: Ronald Louis Honigmann; Fred Zwald Stiteler
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1974-04-19
Filing date: 1975-04-08
Publication date: 1975-10-30
Also published as: CA1026539A; US3900010A

Description

Anmelder: Combustion Engineering. Inc.
W 1-?l·] scr, Conn e ο ti cut, U.S.A.

Verfahren und Anordnung zur Umkehr der Umlaufrichtung «ines Mediums auf der Sekundärseite eines Wärmeaustauschers insbesondere für Kraftx^erke mit Kernreaktoren

Die Erfindung besteht in einem Verfahren und einer Anordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei Dampferzeugern, wie sie in Kernreaktor-Kraftwerken benutzt werden, ist es manchmal nötig, die Umlaufrichtung des Mediums auf der Sekundärseite des Austauschers umzukehren. Eine sehr wichtige Anwendung dieser Strömungsumkehrung ergibt sich bei der chemischen Reinigung des Dampferzeugers, die nötig ist, um Ablagerungen von Verunreinigungen auf der Sekundärseite des Rohrbündels und der Abdeckplatte zu beseitigen. Zu diesem Zweck muss der Dampferzeuger mit der Reinigungslösung gefüllt werden und dann die Ströruunäsrichtung umgekehrt werden, so dass sie abwärts in Bezug auf das Rohrbündel und aufwärts durch den ringförmigen Durchlass strömt. Bekannte Verfahren benötigen für den Umlauf des chemischen Reinigungsmittels umfangreiche Pumpsysteme. Die bekannten Systeme arbeiten mit einem Zwangsdurehlaufverfahren für die Reinigungslösung und benötigen deshalb grosse Mengen und grosse Speicher für die chemische Reinigungslösung. Auch werden bei nachträglichem Einbau zusätzliche Durchführungen durch das Druckgefäss benötigt. Schliesslich ist bei den bekannten Systemen vor dem Reinigungsvorgang ein zeitraubender Ausbau der Dampftrockner und Dampfabscheider aus dem Inneren des Druckbehälters nötig.

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Eine andere Anwendimg der Erfindung ergibt sich für die Umkehrung der Sekundärströmung während des Schnellschlussvorgan-.ec für den Generator. Während dieser Zeiten ist es nötig, den Umlauf des ΐίLesers im Dampferzeuger aufrechtzuerhalten, um die chemischen Eigenschaften der Sekundärflüssigkeit nicht zu ändern und dadurch Korrosion und andere nicht gewünschte chemische Reaktionen su vermeiden, die sonst beim Sehnellschluss auftreten würden. Bekannte Anordnungen benötigen auch für diesen Zweck ein Pumpensystem verhaltnismässi^, grosser Leistung und die zugehörige Ausstattung mit Rohrleitungen, Ventilen, Steuergliedern und dergl.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren für die Strömungsumkehr zu finden, das die Nachteile der beschriebenen bekannten Verjähren nicht hat und insbesondere Pumpen grosser Leistung und ihr Zubehör vermeidet.

Dies wird gemäss der Erfindung durch die Erzeugung einer natürlichen. Strömimg in der umgekehrten Pachtung erzielt entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

Es wird also ein Verfahren zur Erzeugung der Strömung der Sekundärflüssigkeit in umgekehrter Richtung angegeben,.das auf dem Prinzip der natürlichen Strömung beruht, die sich aus der Differenz in der Dichte des strömenden Mediums ergibt. Dieses System kann bei allen Dampferzeugern angewendet werden, die einen äusseren ringförmigen Durchlass und einen inneren zylindrischen Steigrohrteil besitzen, in den ein Bündel von U-förmigen Rohren sich erstreckt, dessen Enden an einer unteren Rohrplatte befestigt sind und dessen U-Form sich von dieser Rohrplatte aus nach oben erstreckt. Der Einfachheit halber könnte der Dampferzeuger als U-förmig angesehen werden, wenn man den einen senkrechten Balken des U als inneren Steigrohrteil, der das Rohrbündel enthält, und den anderen Balken des U als den ringförmigen Durchlass betrachtet. Gemäss weiteren Merkmalen der Erfindung wird die Dichte des Sekundärverdampfungsmittels im ringförmigen Durchlass herabgesetzt, indem man Stickstoff-

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g^; oder ein anderes geeignetes Gas am unteren Ende des Durchlaa-JC" zuführt. Das Gas, das innerhalb der ringförmigen Durchführung aufwärts sprudelt, erzeugt Blasen oder mit anderen Worten, c'.n G-T.."i'lüs3igkeiv;gemiseh geringerer Dichte als sie im Bereich des Rohrbündels vorherrscht. Dementsprechend entsteht eine Differenz der Flüssigkeitsdiehte zwirchen dem inneren Steigrohrteil land lern Durchläse, so dass sich dadurch ein natürlicher Umlauf ■ier Flüssigkeit **om Cteigrohrteil aufwärts durch den ringförmigen Z'vi."chl^;:'.ss ergibt. In einem Ausführungsbeispiel wird das Gas in ■v">n ~>vrehia~~ durch ein ringförmiges- Gasverteilungsrohr eingeleitet, das eine Anzahl von Löchern auf seiner Oberfläche besitzt, durch die das G^? austritt, um eine gleichmassi^e Zufuhr des Gases ?v.f dem ^nzen Bereich des ringförmigen Durchlasses zu erzielen. v;r". Korf des Dampferzeugers i^/ird das verbrauchte Gas, das aus der Oberfläche der Flüssigkeit in Dampferzeuger austritt, abgeführt, _oe?.---mmeIt und der: Kreislauf wieder 2U£;exülirt. Diese Technologie '-inn Fcwohl für '?inen natürlichen Umlauf einer vorhandenen Sekun-•äi-flüs sluice it benutzt werden, um die chemischen Eigenschaften zu cr-I.fllten, aber auch für den Umlauf einer geeigneten Reinigungsflüssigkeit, die in den Dampferzeuger anstelle der Sekundärflüssigveit eingeführt wird, um die Sekundärflächen chemisch zu reinigen.

Zz 20 ci'fonbartf= System bietet gegenüber der bekannten Technologie zur erzeugung einer Richtungsumkehr der Sekundärflüssigkeit zahlrcji-ihe Vorteile. Solche sind z.B. die folgenden:

1.) Das ,System ist einfach und benötigt keine Pumpen für den Umlauf der Verdampferflüssigkeit.

2.) Der Bedarf an Reinigungslösung zur chemischen Reinigung wird auf ein Minimum zurückgeführt. Daraus ergeben sich auch eine Verringerung der Störanfälligkeit, eine Verkleinerung der Speise- u. Speicherkapazität, insbesondere also eine Verkleinerung der Speisepumpen.

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3·) Das System kann in neue Dampferzeugersysteme als ständiger Bauteil eingebaut werden, ohne die normalen Betriebsbedingungen des Dampferzeugers zu stören.

4.) Man kann das System auch in vorhandene Dampferzeuger einbauen, ohne zusätzliche Durchführungen am Druckbehälter des Dampferzeugers herstellen zu müssen.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zu ersehen, das in den Zeichnungen dargestellt ist:

Die Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen Atomkernreaktor mit Primär- und Sekundärkühlkreis zur Dampferzeugung, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird;

die Figur 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2-2, der Figur 1;

die Figur 3 zeigt einen Schnitt ähnlich der Figur 1, bei der jedoch andere Mittel verwendet werden, um Gas in den ringförmigen Durchlass einzuführen.

In der Figur 1 ist ein Dampferzeuger dargestellt, der mit einem Atomkernreaktor betrieben wird. Das zylindrische Druckgefäss 12 ist oben und unten durch Kappen 14 und 16, die die Form eines Dampfdoms haben, abgeschlossen. Um das Innere des Druckgefässes in eine untere Heizkammer 20 für das Medium und eine obere Verdampfungskammer 22 zu teilen, ist eine Rohrplatte 18 im unteren Teil des Druckgefässes vorgesehen. Die Heizkammer 20 ist ihrerseits nochmals in einen Eingangsteil 24 und einen Ausgangsteil 28 durch eine aufrecht stehende Trennwand 28 geteilt und es sind geeignete Verbindungen vorgesehen, um die Heizflüssigkeit in das Druckgefäss ein- und aus ihm auszuführen. Die Dampferzeugerkammer 22 besitzt eine Ablenkwand 30, die

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die Kammer in einen äusseren ringförmigen Durchlass 32 und einen inneren Steigrolirte.il 34 teilt. Ein Bündel von Rohren 36, die die Form eines umgekehrten U haben, sind mit der Rohrplatte l8 verbunden und stehen mit dem Eingangsteil 24 und dem Ausgangsteil 26 der Heiskammer 20 in Verbindung. Dadurch kann Heizflüssigkeit durch die Rohre hindurchgeführt werden, um Wärme an eine verdampf bare Flüssigkeit abzugeben, die in das Druckgefäss durch einen Eingangsstutzen 37 eintritt. Im normalen Betrieb strömt die verdampfbare Flüssigkeit durch den ringförmigen Durchlass 32 nach unten und von dort nach oben in den Steigrohrteil 34, in dem ein Teil davon verdampft wird. Das obere Ende des Steigrohrteiles JA ist durch eine waagerechte Ablenkplatte 38 abgeschlossen, die rrusammen mit der Ablenkwand 30 einen Raum 40 zur Sammlung eines Flüssigkeits-Dampfgemisches bildet. Die Platte 38 besitzt-viele Löcher, die nicht dargestellt sind, und an denen aufrecht stehende Rohre 42 befestigt sind, um Dampfabscheider 44 mit dem Sammelraum 4o zu verbinden. Oberhalb des Abscheiders 44 ist eine weitere Ablenkplatte 46 angebracht, die den ganzen Querschnitt des zylindrischen Druckgefäßes 12 überdeckt und die ihrerseits auch wiederum mit Öffnungen versehen sind, um Trocknerelemente 48 aufzunehmen. Der im Steigrchrteil 34 erzevigte Dampf strömt aufwärts durch die Dampfabscheider 44, die Trockner 48 zu einem Dampfraum 50 am oberen Ende des Druckgefässes. Ein Auslasstutzen 52 steht mit dem Dampfraum 50 in Verbindung, um den erzeugten Dampf über die Dampfleitung 54 und das Absehaltventil 56 einem Verbraucher zuzuführen.

Im Durchlass 32 und benachbart dem unteren Ende der Ablenkwand 30 befindet sich eine ringförmige Gasverteilungsleitung 58, die etwa in der Mitte zwischen der Aussenseite der Ablenkwand 30 und der inneren Seite des zylindrischen Druckgefässes 12 angeordnet ist. Diese ringförmige Gasverteilungsleitung 58 ist mit vielen Gasöffnungen 60 an ihrer Oberseite versehen und steht auch mit dem Gaszuführungsrohr 62 in Verbindung, das durch eine vorhandene Handlochdurchführung 64 des zylindrischen Druckgefässes 12 hindurchgeführt ist.

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Eine Gasentlüftung 66 befindet sich in der oberen Verschlusskappe 14, durch die das Gas, das durch den ringförmigen Durchlass 32 nach oben gesprudelt ist., aus dem Dampfraum 50 abgelassen vrerlen kann. Das so abgeführte Gas wird über die Rückführleitung 6t einem Speisebehäiter 70 für den Stickstoff zugeleitet und wird von dort bei Bedarf durch die StickstoffSpeisepumpe abgezogen, die das Gas wieder bei der Eingangs leitung 62 in Umlauf bringt und es dem Gasverteilerrohr ^b zuführt.

Wenn die Sekundärseite des Dampferzeugers gereinigt werden soll, so wird zunächst das Sekundärmedium aus dem Inneren des zylindrischen Druckbehälters 12 abgeleitet oder abgepumpt. Der Druckbehälter wird dann mit Hilfe eines geei^eten Reinigun^smeaiurnc gefüllt. Solche sind in grosser Zahl auf dem Markt und bestehen in der Regel aus Säurelösun_öen, die für"die Reinigung von Dampferzeugern besonders entwickelt worden sind. Der Flussi_&keitsstand des Reinigungsmittels im Dampfgenerator sollte unterhalb dec Entlüftungsventils 66 liegen, aber wenigstens die Höhe der Ablenkplatte 38 erreichen. Wenn jedoch auch die Abscheider 44 und die Trockner 46 gereinigt werden sollen, so sollte der Flüssigkeitsstand oberhalb der Dampftrockner 45 liegen, damit auch dort die Reinigungsflüssigkeit hindurchströmt. Dann wird aber das D?.mpfventil 56 geschlossen una auch alle anderen Durchführunden -//erden abgedichtet um sicherzustellen, dass die Reinigungsflüssigkeit auf das Innere des Druckbehälters 12 beschränkt bleibt. Dann wird die Stickstoffpumpe 7?- betätigt, so dass Stickstoffgas. in das ringförmige Verteilerrohr 5o^: gelangt, von wo es durch die Öffnungen 60 eine einheitliche Gaseinspritzung um den ganzen ringförmigen Durchlass 32 herum sicherstellt. Das so eingeführte Stickstoffgas sprudelt einheitlich durch den ringförmigen Durchlass 52 hindurch und erzeugt einen leeren Abschnitt oder ein Flüssigkeitsgasgemisch geringerer Dichte als das Medium im Verdampferbereich 34. Da in dem Durchlass 32 eine geringere Dichte des Mediums herrscht, wird ein natürlicher Umlauf der Reinigungsflüssigkeit durch die Verringerung der Dichte zwischen dem

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Rohrbündel im Bereich Jk und dem ringförmigen Durchlass 32. Dadurch entsteht ein natürlicher Umlauf der Reinigungsflüssigkeit ^;,ΐ?₀οη cer unterschiedlichen Dichten vom Bünielbereich ^4 zum ?^T-rchl?";c 32. D: ε Reinigungsmittel fliesst av.f die?e Weise ab-^TTä^t: durch d^n Ver?. ittpferbereich 34, passiert das untere Ende o-r :VDlcnkwan^ 30 und fliesst von da aus durch den ringförmigen Jr-rehlas . 32 aufwärts. Da;; Reinigimgcmedium strömt weiter auf-

a-t" ¹^-- in den Dampfraii.ni 50 ^pm oberen Ende des Druckbehälters. D ■ .Stic-'ütofi^'.--"·, das in dem Haini^ungsmedium enthalten ist, t'""'tt in lircem Bereich aus und wird durch die Ent^asungsöffnung €6 im oberen gereich des Dampferzeugers abgeführt, und dann im ^tic.cctoifbehälter 70 gesammelt. Dann viiederholt sich gegebenenfalls der gesamte Kreislauf. Dag Reini^un^smedium, das in die j 'Prfirammer 50 eingetreten ist. strömt abwärts durch den Trocknerber-eich ^B uni den Dampfabscheiderbereich 44 in den Flussigkeitsrammelbereich ^;!0, tritt dui-ch den Verdampfungsbereich 34 hindurch vn'■ :\-ird ;r>jin vrieder zu einem neuen Umlauf nach eben gezwungen, v:ie es vorher beschrieben wurde.

2" hat sich ergeben, dass für eine einheitliche Strömung und Reinijung die Reini^un^sflüsei^keit mit einer Geschwindigkeit von 1,6 bis 3,3 m/s (0,5 - 1 ft/see) durch den mit Rohrbündeln besetzten Bereich do,- Dampf genera tors strömen sollte. Diese Geschwindigkeit entspricht einem Strömungsvoluman von etwa 125.000 l/min (33.000 gals/rain [gPMj). Un eine Strömung dieser Grössenordnunü zu erzeugen ist es nötig, etwa 45 cbm/min (15ΟΟ standard cu.ft./min) Stickstoffgas durch den ringförmigen Durchlass 58 hindurchzuführen. Als günstigste Temperatur werden etwa 120 C (250 F) für den Reinigungsvorgang angesehen. Bei der Beschreibung der Erfindung wurde Stickstoffgas für- den Umlauf beschrieben, weil es inert gegen alle Chemikalien ist, die sich in der Sekundärflüsiiigkeit befinden und zur Reinigung von unerwünschten Gasbeimischungen, z.3. Sauerstoff, dienen kann und schliesslich verhältnismäpsig billig ist. Andere geeignete Gase können natürlich verwendet werden. Bei einigen chemischen Reinigungsvorgängen kann z.B. die Benutzung von Sauerstoff anstelle von Stickstoff vorteilhaft sein, um etwaige Kupferablagerungen zu oxydieren.

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Man kann die Erfindung auch für die Erzeugung des Umlaufes einer vorhandenen Sekundärflüssigkeit im Dampferzeuger während eines SchnellschlussVorganges benutzen, um die Gleichheit der chemischen Bedingungen im Dampferzeuger während der Dauer des Schnellschlusses sicherzustellen und damit Korrosion und anders nicht erwünschte chemische Reaktionen verhindern. Um einen solchen Umlauf zu erzielen, reicht es aus, das Medium im Dampferzeuger durch Zufuhr auf einen Stand oberhalb der Ablenkplatte 36 zu bringen. Ss wird dam die Stickstoffpumpe 72 betätigt und Stiokstoffgas in das ringförmige Verteilerrohr 5& eingeführt;, das sich am unteren Ende des ringförmigen Durchlasses 32 befindet. Dadurch wird ain natürlicher Umlauf auf die gleiche Weise wie beim Reinigungsvorgang erzeugt, nämlich aufwärts durch den ringförmigen Durchlass und abwärts durch die öffnungen der Dampfabscheider und weiter abwärts durch den Bereich des RohrbundeIs.

In Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für die Einführung des Stickstoffgases in den unteren Teil des ringförmigen Durchlasses 32 dargestellt. Eine Kopfleitung 7^ befindet sich am oberen Ende des ringförmigen Durchlasses 32 genau da, wo das zu verdampfende Medium durch die Eingangsdurchführung 37 zugeführt wird. Die Speiseleitung 62 für das Stickstoffgas wird durch eine Durchführung Jb in den zylindrischen Druckbehälter 12 eingeführt und steht mit der Kopf leitung 7^ in Verbindung. Zum Zwecke der Verteilung sind an diese ringförmige Kopfleitung J^ viele Speiseleitungen 78, die sich nach unten erstrecken, angeschlossen, die durch den ringförmigen Durchlass 32 hindurchgeführt sind und unmittelbar oberhalb des unteren Endes des Leitbleches 30 enden. Die Enden dieser Speiseleitungen 78 besitzen am unteren Ende ein T-Stück 80, das durch ein horizontales Segment des ringförmigen Durchlasses sich erstreckt. Die T-Stücke 80 besitzen am oberen Ende viele Auslassöffnungen für das Stickstoffgas. Dieses wird also über die Leitungen 78 zugeführt und am unteren Ende des ringförmigen Durchlasses über die T-Stücke 80 gleichmässig verteilt, so dass ein natürlicher Umlauf des Mediums im Dampferzeuger entsteht, wie bei dem ersten

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Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel, das soeben beschrieben wurde, kann man z.B. in solchen Konstruktionen von Dampferzeugern anwenden, bei denen die G-rb'sse des ringförmigen Durchlasses J52 und die Strömungsmenge der Sekundarflussigkeit einen ringförmigen Auslass, wie er beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, erschweren, weil dadurch doch der Strömungswiderstand für die Sekundarflussigkeit in diesem Bereich erschwert wird. Beim zweiten Ausfuhrungsbeispiel wird also diese Schwierigkeit dadurch gelöst, dass die ringförmige Kopfleitung 7²J- für die Verteilung des Gases sich oberhalb des ringförmigen Durchlasses befindet, wo der Querschnitt sehr viel grosser ist als am unteren Ende, wo das Stickstoffgas eingeführt werden muss.

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Claims

Patentansprüche

[ 1 ·)} Verfahren zur Umkehr der Umlaufrichtung eines Mediums auf ^v— *"- der Sekundarseite eines Wärmeaustauschers insbesondere für Kraftwerke mit Atomkernreaktoren, bei denen der Betriebsdampf im Sekundärkreis erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Umkehr eine natürliche Strömung durch die Zufuhr von Gas in einen Teil des Sekundärkreises eine geringere Dichte erzeugt wird, um dadurch die Umkehr der Strömungsrichtung zu erzwingen.
2.) Verfahren nach Anspruch 1 für Wärmeaustauscher mit einem äusseren Druckgefäss, das durch eine ringförmige Ablenkwand in einen inneren Steigrohrteil und einen äusseren ringförmigen Durchlass geteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas am unteren Ende, aber noch innerhalb des ringförmigen Durchlasses, eingeführt wird.
3·) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stickstoffgas verwendet wird.
4.) Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung zum Reinigen ,der Bauteile des Sekundärkreises von innen.
5·) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas aus dem Druckgefäss abgezogen wird, um es erneut in Umlauf zu setzen.

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6.) Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende des ringförmigen Durchlasses, aber noch innerhalb davon, ein ringförmiges Gasverteilungsrohr (58) vorgesehen ist, dessen Oberseite mit Öffnungen (60) für den Gasdurchlass versehen ist und das mit der Gaszufuhr (70, 72) in Verbindung steht.
7.) Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß über ein Entlüftungsventil (66) das aufgestiegene Gas abgeführt und in den Kreislauf über einen Speicher (70) und eine Pumpe (72) zurückgeführt wird.

L.) Anordnung 2ur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Teil des ringförmigen Durchlasset: (32), der einen ^rösseren Querschnitt besitzt, ein ringförmiges Gasverteilungsrohr (7^) vorgesehen ist, -in das Gasverteilungsrohre (78) angeschlossen sind, die sich senkrecht durch den ringförmigen Durchlass hindurch erstrecken und unmittelbar bei dessen unterem Ende in T-Stücken (80) enden, die mit Öffnungen für die Verteilung des Gases versehen sind.

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