DE2520578C3

DE2520578C3 - Steam power plant

Info

Publication number: DE2520578C3
Application number: DE19752520578
Authority: DE
Inventors: Robert Edouard Louis Marly-le-Roi Laurent (Frankreich)
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1974-06-18
Filing date: 1975-05-09
Publication date: 1978-02-16

Description

Die Erfindung geht aus von einer Dampfkraftanlage mit thermodynamisch gekuppelten geschlossenen Kreisläufen, mit einem in hohem Temperaturbereich arbeitenden Schwefeldampfkreislauf und einem über den Kondensator des Schwefeldampfkreislaufs beheizten Wasserdampfkreislauf, wobei der Schwefeldampfkreislauf über eine Wärmequelle beheizt istThe invention is based on a steam power plant with thermodynamically coupled closed Circuits, with a sulfur vapor cycle operating in a high temperature range and an over the condenser of the sulfur vapor cycle heated water vapor cycle, whereby the sulfur vapor cycle is heated by a heat source

Eine derartige Dampfkraftanlage ist bekannt aus der US-PS 32 18 802. Wird bei einer derartigen Anlage als Wärmequelle ein Wärmetauscher verwendet, ist es dem Fachmann bekannt (siehe CH-PS 1 16 659), daß die Schwefeldämpfe bei hohen Temperaturen aggressiv sind.Such a steam power plant is known from US-PS 32 18 802. Is in such a system as Heat source uses a heat exchanger, it is known to the person skilled in the art (see CH-PS 1 16 659) that the Sulfur fumes are aggressive at high temperatures.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfkraftanlage zu schaffen, bei der die Wärmequelle als Wärmetauscher ausgebildet ist und die kostensparend und betriebssicher hergestellt werden kann.The invention is based on the object of creating a steam power plant in which the heat source is designed as a heat exchanger and which can be produced cost-effectively and reliably.

Diese Aufgabe wird bei einer Dampfkraftanlage der eingangs angegebenen Art gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. ■This object is achieved in a steam power plant of the type specified by the characterizing Features of claim 1. ■

Der technische Fortschritt der Erfindung besteht darin, daß man einerseits mit einem hohen Anlagewirkungsgrad arbeiten kann, dabei preiswerten Werkstoff für das Wärmetauschermaterial verwendet und dennoch eine sehr hohe Korrosionsschutzfähigkeit erlangtThe technical progress of the invention consists in the fact that on the one hand you have a high system efficiency can work while using inexpensive material for the heat exchanger material and yet Achieved a very high corrosion protection ability

Wird als primäre Wärmequelle ein beispielsweise natriumgekühlter Kernreaktor verwendet, dann wird der Wärmetauscher von dem Kahlmittel des Reaktors sowie von dem Schwefel durchflossen, der sich gegenüber dem Natrium und Wasser indifferent verhält, so daß sich eine zusätzliche Sicherheit für mit geschmolzenem Natrium gekühlte Kernreaktoren ergibt da der Schwefel die Trennung zwischen dem Natrium und dem Wasser vornimmtIf, for example, a sodium-cooled nuclear reactor is used as the primary heat source, then the heat exchanger from the coolant of the reactor as well as from the sulfur that flowed through behaves indifferently towards sodium and water, so that there is an additional security for with Molten sodium cooled nuclear reactors results in the separation between the sulfur Sodium and the water

When using a fossil-fired combustion chamber

wird die Luft in den Kessel mit Gleichgewichtsdruck eingeführt, was möglich ist da die vorgesehenen Schwefeldampfdrücke verhältnismäßig gering sind und im Bereich zwischen 20—25 bar liegen.
S Ein Wärmetauscher mit Druckgleichheit auf der Primär- und Sekundärseite ist bekannt aus der US-PS 33 21 009. Der Fachmann wird aber von der Lösung abgehalten, da ein Wärmetauscher mit Druckgleichgewicht auf Sekundär- und Primärseite ausdrücklich als kostspielig und teuer bezeichnet wird und Lösungen vorgeschlagen werden, bei denen ein Wärmetauscher mit Druckgleichgewicht nicht benötigt wird.the air is introduced into the boiler at equilibrium pressure, which is possible because the intended sulfur vapor pressures are relatively low and lie in the range between 20-25 bar.
S A heat exchanger with equal pressure on the primary and secondary side is known from US Pat. No. 33 21 009. However, the person skilled in the art is discouraged from the solution, since a heat exchanger with pressure equilibrium on the secondary and primary side is expressly described as costly and expensive and solutions be proposed in which a heat exchanger with pressure equilibrium is not required.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnung näher erläutert Dabei zeigtEmbodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing

F i g. 1 die Prinzipdarstellung einer Dampfkraftanlage mit einem binären Schwefel/Wasserzyklus, wobei als primäre Wärmequelle ein natriumgekühlter Kernreaktor verwendet wird und
F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Dampfkraftanlage, bei der die primäre Wärmequelle von einem Kessel für fossilen Brennstoff gebildet istF i g. 1 shows the principle diagram of a steam power plant with a binary sulfur / water cycle, a sodium-cooled nuclear reactor being used as the primary heat source and
F i g. 2 shows an exemplary embodiment of a steam power plant in which the primary heat source is formed by a fossil fuel boiler

Die in F i g. 1 dargestellte Dampfkraftanlage umfaßt als Primärenergiequelle einen natriumgekühlten Kernreaktor, wobei sich das Natrium auf einem demThe in F i g. 1 shown steam power plant comprises a sodium-cooled nuclear reactor as the primary energy source, being the sodium on a dem

Atmospheric pressure is close to pressure

Dem Kernreaktor ist ein Wärmetauscher 11 für einen Zwischenkreislauf aus Natrium zugeordnet so daß ein Wärmeaustausch zwischen dem primären Kühlmittel des Kernreaktors, in welches bei einem Hüllenbruch von Brennstoffelementen Spaltprodukte übergehen können, und dem sekundären Kühlmittel erfolgt welches ebenfalls geschmolzenes Natrium ist Der Kernreaktor 10 und dieser Wärmetauscher U sind in einem Schutzmantel 12 eingeschlossen. Das als primäres Kühlmittel verwendete Natrium verfügt über eine Austrittstemperatur von 85O⁰C und einen Absolutdruck von größenordnungsmäßig 1 bar. Das als sekundäres Kühlmittel verwendete Natrium hat eine Austrittstemperatur von 820⁰C und einen Absolutdruck von 25 bar, welches durch einen Druckregler in Form eines Druckausgleichgefäßes 13 mit Stickstoffatmosphäre aufrechterhalten wird.A heat exchanger 11 for an intermediate circuit of sodium is assigned to the nuclear reactor, so that there is an exchange of heat between the primary coolant of the nuclear reactor, into which fission products can pass if the shell of fuel elements breaks, and the secondary coolant, which is also molten sodium.The nuclear reactor 10 and this heat exchanger U are enclosed in a protective jacket 12. The sodium used as the primary coolant has an outlet temperature of 85O ⁰ C and an absolute pressure of the order of 1 bar. The sodium used as the secondary coolant has an outlet temperature of 820 ^° C. and an absolute pressure of 25 bar, which is maintained by a pressure regulator in the form of a pressure compensation vessel 13 with a nitrogen atmosphere.

Der Kernreaktor 10 und der Wärmetauscher 11 bilden die primäre Wärmequelle; der erfindungsgemäße Wärmetauscher 14 ist von dem sekundären Kühlmittel durchströmt; ihm ist eine Umwälzpumpe 15 zugeordnet die das aus ihm austretende Natrium wieder dem Eingang des ersten Wärmetauschers 11 zuführt In dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher findet der Wärmeübergang auf dem auf der Sekundärseite des Wärmetauschers befindlichen Schwefel statt.The nuclear reactor 10 and the heat exchanger 11 form the primary heat source; the invention The secondary coolant flows through heat exchanger 14; a circulating pump 15 is assigned to it which supplies the sodium emerging from it back to the inlet of the first heat exchanger 11 Heat exchanger according to the invention takes place in the heat transfer on the sulfur located on the secondary side of the heat exchanger.

Pie mit dem Schwefel in Berührung stehenden Wärmeaustauscherrohre können aber nicht aus einer Legierung hergestellt werden, die Nickel enthält da diese unter kontinuierlicher Erzeugung von Nickelsulfid angegriffen wird. Es ist daher nicht möglich, die Rohre des Wärmetauschers 14 aus Nickelstählen herzustellen, die sonst üblicherweise benutzt werden, wenn hohe Druckbeanspruchungen bei 550° C übersteigendenPie heat exchanger tubes in contact with the sulfur cannot come out of a Alloy can be produced that contains nickel as this under continuous production of nickel sulfide is attacked. It is therefore not possible to manufacture the tubes of the heat exchanger 14 from nickel steels, which are usually used when high pressure loads exceed 550 ° C

Temperatures have to be endured.

Entsprechend dem in der F i g. 1 angegebenen Arbeitsschema werden die Druckbeanspruchungen dadurch beträchtlich herabgesetzt, daß dem ersten Wärmetauscher 11, der auf jeden Fall erforderlich ist die Aufgabe einer Druckerhöhung zugeteilt wird. Dieser Wärmetauscher für einen Zwischenkreislauf aus Natrium steht mit dem Schwefel nicht in Berührung und kann daher aus Austenitstahl mit einem starken NickelanteilCorresponding to the one shown in FIG. 1 specified work scheme, the pressure loads considerably reduced by the fact that the first heat exchanger 11, which is required in any case the task of increasing the pressure is assigned. This heat exchanger for an intermediate circuit made of sodium is not in contact with the sulfur and can therefore be made of austenitic steel with a strong nickel content

hergestellt und so ausgebildet werden, daß er unter einem Druck von der gleichen Größenordnung wie der in den von dem Schwefel durchströmten Rohren des Wärmetauscher 14 öffnenden Druck einem Fließverhalten widersteht Der erfindungsgemäße Wärmetauscher s ist daher ein Wärmetauscher mit Druckgleichgewicht auf Sekundär- und Primärseite und kann z.B. aus Chrom, Molybdän und Mangan enthaltenden Ferritstählen hergestellt werden. Zur weiteren Erhöhung ihrer Widerstandsfähigkeit gegen eine Korrosion durch Schwefel können diese Stähle durch Zementieren mit Chorin, durch eine Chrom-Aluminisierung oder ein anderes bekanntes Verfahren oberflächenbehandelt werden.manufactured and designed so that it is under a pressure of the same order of magnitude as that in the pipes through which the sulfur flows Heat exchanger 14 opening pressure withstands a flow behavior is therefore a heat exchanger with pressure equilibrium on the secondary and primary side and can e.g. consist of Ferrite steels containing chromium, molybdenum and manganese getting produced. To further increase their resistance to corrosion by These steels can be made of sulfur by cementing them with chlorine, by chromium aluminizing or by a another known method can be surface treated.

Schließlich können zusammengesetzte stranggepreßte Rohre mit einer einem Fließverhalten widerstehenden Seele zwischen zwei korrosionsfesten Schichten benutzt werden.Finally, composite extruded tubing with a resistive flow behavior can be used Soul can be used between two corrosion-resistant layers.

Die von dem Schwefel durchströmte Schleife enthält hinter dem Wärmetauscher 14 eine Schweffldampfturbine 16, welche mehrstufig sein kann. Die mit dem Schwefeldampf mit hoher Temperatur und hohem Druck in Berührung stehenden Teile der Turbine müssen natürlich aus einem Material sein, welches gleichzeitig der Korrosion und dem Fließen widersteht, die Verwendung von teuren Legierungen ist hier jedoch im Gegensatz zu den Austauschern infolge der Verschiedenheiten der in Betracht kommenden Massen möglich. Insbesondere kann die Verwendung von beweglichen Schaufeln aus Titan- oder Niobiumlegierung für den Hochdruckkörper in Betracht gezogen werden.The loop through which the sulfur flows contains a sulfur steam turbine downstream of the heat exchanger 14 16, which can be multi-level. The ones with the sulfur vapor with high temperature and high Parts of the turbine in contact with pressure must of course be made of a material which resists corrosion and flow at the same time, but the use of expensive alloys is here in contrast to the exchangers because of the differences in the masses involved possible. In particular, the use of movable blades made of titanium or niobium alloy be considered for the high pressure body.

Der aus der Turbine austretende Schwefeldampf wird einem Kondensator 17 des Schwefeldampfkreislaufes (ebenfalls Wärmetauscher) zugeführt, aus welchem der Schwefel in flüssiger Phase austritt, um ir. den Wärmetauscher 14 zurückgeführt zu werden.The sulfur vapor emerging from the turbine becomes a condenser 17 of the sulfur vapor cycle (also heat exchanger) fed from which the Sulfur escapes in the liquid phase to ir. The Heat exchanger 14 to be returned.

Die zweite Schleife ist sehr ähnlich wie die der bekannten Anlagen für hyperkritischen Wasserdampf ausgebildet, mit Ausnahme der Ausbildung des Dampferzeugers und gegebenenfalls der Speisung der Nachüberhitzer.The second loop is very similar to that of the known systems for hypercritical water vapor formed, with the exception of the formation of the steam generator and possibly the supply of the Post-superheater.

Diese Schleife enthält eine Wasserdampfturbine 18 mit mehreren Körpern mit einem Kondensator 19, aus welchem das kondensierte Wasser zu dem Heiz-Kondensator 17 durch Umwälzpumpen 20 zurückbefördert wird. Die Turbinen treiben einen oder mehrere Generatoren 21 an. Es ergeben sich z. B. 530° C und 110 bar am Eingang der Turbine (nach Durchgang durch durch Anzapfungen! gespeiste Überhitzer) und 25° C an dem Kondensator.This loop includes a multi-body steam turbine 18 with a condenser 19, from which the condensed water is returned to the heating condenser 17 by circulating pumps 20 will. The turbines drive one or more generators 21. There are z. B. 530 ° C and 110 bar at the inlet of the turbine (after passing through through taps! fed superheater) and 25 ° C at the condenser.

Man erhält so eine Anlage, weiche verglichen mit dem Investitionsaufwand für hyperkritische Kraftwerke mit einem einzigen Zyklus, bei dem um eine Temperatur von 750° C und mehr liefernder Reaktor benutzt wird, einen sehr hohen, 65% übersteigenden Anlagewirkungsgrad erreicht. Ferner bildet der Zusatz einer das Natrium und das Wasser trennenden Schwefelschleife eine zusätzliche SicherheitThis gives a system that is soft compared to the investment for hypercritical power plants a single cycle using a reactor delivering a temperature of 750 ° C and more very high system efficiency exceeding 65%. Furthermore, the addition of one forms the sodium and the sulfur loop separating the water provides additional security

Die schematisch in Fig.2 dargestellte Anlage (in welcher die Teile der F i g. 1 entsprechenden Teile das gleiche Bezug; zeichen tragen) benutzt ab Wärmequelle die Verbrenn¹ lngsgase eines fossilen Brennstoffs, z. B. Kohle, welche immer mehr an die Stelle der Erdölprodukte trittThe plant schematically illustrated in Figure 2 (in which the parts of the g 1 F i corresponding parts the same reference,. Sign wear) used from the heat source Burn ¹ lngsgase of a fossil fuel, such. B. Coal, which is increasingly taking the place of petroleum products

Die Ausbildung der von dem Wasser durchströmten Schleife ist vollständig mit der in Fig. 1 dargestellten vergleichbar und daher nicht weiter beschrieben. Die vorgeschaltete Schleife enthält den Wärmetauscher 14 für Verbrennungsgase-Schwefel, der einen Schwefeldampferzeuger bildet und praktisch mit Gleichdruck arbeitet Der die Austauschrohre durchströmende Schwefeldampf muß lediglich einen geringen Überdruck haben, um den Eintritt von Luft bei einem Rohrbruch zu verhindern.The design of the loop through which the water flows is completely comparable to that shown in FIG. 1 and is therefore not described further. The upstream loop contains the heat exchanger 14 for combustion gases-sulfur, which forms a sulfur vapor generator and works practically with constant pressure. The sulfur vapor flowing through the exchange pipes only needs to have a slight overpressure to prevent the entry of air in the event of a pipe rupture.

Um dieses Ergebnis zu erhalten, wird die Luft der Brennkammer 22 unter Druck mit einer Strömungsmenge zugeführt welche einem geringen Luftüberschuß gegenüber der stöchiometrischen Verbrennung entsprechen kann. Die aus der Brennkammer mit hoher Temperatur austretenden Verbrennungsgase werden einer oder mehreren Gasturbinen 23 zugeführt, bevor sie in einen Wärmetauscher 25 zur Vorwärmung der Zufuhrluft gelangen. Diese Turbine, in welcher sich die Gase entspannen und z.B. von 750°C auf 200⁰C übergehen, ermöglicht eine erhebliche Verringerung der Abmessungen des Luftvorwärmers 25, aus welchem die Gase z. B. mit 130° C in den Kamin austreten.In order to obtain this result, the air is supplied to the combustion chamber 22 under pressure with a flow rate which can correspond to a small excess of air compared to the stoichiometric combustion. The combustion gases emerging from the combustion chamber at a high temperature are fed to one or more gas turbines 23 before they pass into a heat exchanger 25 to preheat the feed air. This turbine in which the gas to relax and, for example, go from 750 ° C to 200 ⁰ C, allows a considerable reduction in the dimensions of the air preheater 25, from which the gases z. B. exit at 130 ° C in the chimney.

Die von außen mit z.B. 15°C angesaugte Luft wird durch einen mehrstufigen Verdichter 24 mit Kühlung zwischen den einzelnen Stufen verdichtet, wobei dieser Verdichter durch die Gasturbine 23 angetrieben werden kann. Der Leistungsüberschuß derselben wird einem mit der Welle der Turbine gekuppelten Generator 26 zugeführt Das aus dem Verdichter austretende Gas wird durch den Vorwärmer 25 auf den Gleichgewichtsdruck (z. B. 24 bar) und auf eine Temperatur gebracht, welche in dem oben betrachteten Fall etwa 180° C betragen kann.The air sucked in from the outside with e.g. 15 ° C is compressed by a multi-stage compressor 24 with cooling between the individual stages, this Compressor can be driven by the gas turbine 23. The surplus of performance of the same becomes one with The generator 26 coupled to the shaft of the turbine is supplied. The gas emerging from the compressor is brought to the equilibrium pressure (e.g. 24 bar) and a temperature by the preheater 25, which in the case considered above is about 180 ° C can be.

In den sehr vereinfachten Schemata der F i g. 1 und 2 sind nur die Hauptbestandteile der Anlage unter Ausschluß aller Zubehörteile, insbesondere zur Verringerung der Irreversibilitäten und somit zur Vergrößerung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage, angegeben. In the very simplified schemes of FIG. 1 and 2 are just the main components of the appendix below Exclusion of all accessories, especially to reduce irreversibility and thus to enlarge the overall efficiency of the system.

1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Steam power plant with thermodynamically coupled closed circuits, with an in high temperature range working sulfur vapor cycle and a condenser the sulfur vapor cycle heated water vapor cycle, whereby the sulfur vapor cycle is heated by a heat source, characterized by the combination of the following Features:

a) the heat source of the sulfur steam cycle is an indirect heat exchanger (14), which is operated by a heating medium is applied which has essentially the same pressure as the sulfur vapor on the secondary side of the heat exchanger;

b) the material of the heat exchanger surfaces of the heat exchanger (14) has a high corrosion resistance at low yield strength.

2. Steam power plant according to claim 1, characterized in that for heating the heating medium of the heat exchanger, a nuclear reactor (10) is provided.

3. Steam power plant according to claim 1, characterized in that for heating the heating medium of the heat exchanger a charged, fossil-heated combustion chamber (22) is provided