DE2721859B2 - Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage und so betriebene Kraftwerksanlage - Google Patents
Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage und so betriebene KraftwerksanlageInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage und eine Anlage zur Durchführung
des Verfahrens.
Der Bedarf für elektrische Energie ist im Verlaufe eines Tages sehr variabel, wobei der Spitzenbedarf
normalerweise während der Arbeitszeit auftritt. Dies bringt Probleme mit sich bezüglich des Dampferzeugers
und insbesondere dann, wenn die Anlage einen nuklearbeheizten Dampferzeuger aufweist. Der Generator
muß von Anfang an groß genug ausgelegt werden, um die Spitzenleistung liefern zu können. Dann muß er
mit Teillast gefahren werden, z. B. mit nicht mehr als 25% der Vollast während eines größeren Teils jedes
Tages und muß darüber hinaus in der Lage sein, zwischen diesen Extremwerten schnell umschalten zu
können. Andererseits sollten kernkraftbeheizte Dampferzeuger im Idealfall dauernd mit Vollast gefahren
werden, um sowohl den Wirkungsgrad als auch die Lebensdauer der Anlage maximal zu halten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das einen solchen Betrieb einer Kraftwerksanlage gestattet. Die Lösung ist im Anspruch 1 definiert.
Die Kraftwerksanlage umfaßt vorzugsweise einen Nukleardampferzeuger, der Satidampf oder wenig
überhitzten Dampf erzeugt. Dieser Dampf wird in einen direktgefeuerten Überhitzer geleitet, wo Wasserstoff
und Sauerstoff direkt in die Dampfleitung gefeuert werden, mittels eines speziell ausgelegten Brenners,
womit die Temperatur des Dampfes erhöht wird. Das System ist besonders geeignet für Kernkraftanlagen mit
einem Druck- oder Siedeleichtwasserreaktor und ganz besonders für einen schwerwassermoderierten CAN-DU-Reaktor,
der Dampf bei Sättigung oder niedrigüberhitzter Temperatur erzeugt. Die Anlage mit dem
Nuklearreaktor, dem Dampferzeuger und dem Turbogenerator kann dauernd mit Vollast laufen. Während
der Teillastperioden des Tages wird der überwiegende μ Anteil der erzeugten Leistung verwendet, um Wasserstoff
und Sauerstoff zu erzeugen, welche gespeichert werden und später verwendet werden für die Vergrößerung
der Ausgangsleistung in das Netz während der Spitzenlastperioden.
F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer Anlage
gemäß der Erfindung, und
F i g. 2 ist eine Schnittdarstellung eines direktgefeuerten Überhitzers, wie er in der Anlage nach F i g. 1
verwendet wird.
In F i g. I ist ein kernkraftbelieizter Dampferzeuger
10 angedeutet, der Dampf mit niedriger Temperatur erzeugt. Der Sattdampf oder geringüberhitzte Dampf
verläßt den Dampferzeuger durch Leitung 12 und gelangt in einen direktgefeuerten Überhitzer 14.
Wasserstoff und Sauerstoff werden dem Überhitzer über Leitungen 16 bzw. 18 zugeführt. Ventile 17 bzw. 19
steuern den Durchsatz dieser Leitungen. Diese Ventile werden gesteuert durch eine Steuereinheit 21, die
anspricht auf die Temperatur, gemessen in der Ausgangsleitung 20 durch ein Temperaturmeßglied 25.
Durchflußmesser 23 werden verwendet, um die augenblickliche Menge an Sauerstoff und Wasserstoff
zu bestimmen, die dem Überhitzer zuströmt, und diese Signale werden der Kontrolleinheit 21 zugeführt, um die
Ventile so zu positionieren, daß ein stöchiometrisches Verhältnis aufrechterhalten bleibt. Wasserstoff und
Sauerstoff werden direkt in den Dampfstrom durch den Überhitzer 14 verbrannt, so daß nicht nur die
Temperatur dieses Dampfes, sondern auch seine Menge erhöht werden.
Der überhitzte Dampf aus Leitung 20 treibt eine Turbine 22 und wird danach kondensiert im Kondensator
24, wobei der größere Anteil des Wassers dann zurück zum Einlaß des Dampferzeugers 10 über Leitung
29 gepumpt wird. Die Turbine treibt einen elektrischen Generator 27. Während der Spitzenlastperioden wird
der größte Teil der erzeugten Leistung in das elektrische Netz eingespeist. Während der Tageszeiten,
wo das Netz weniger Leistung verlangt, wird der größte Teil der Leistung durch den Gleichrichter 33 gleichgerichtet
und verwendet, um eine Elektrolyse-Anlage 26 zu betreiben, um das Wasser in seine Elemente
Wasserstoff und Sauerstoff zu dissoziieren. Wasser kann der Elektrolyse-Anlage 26 über Leitung 31 von
dem Kondensator 24 zugeführt werden. Aufbereitungswasser kann dem System zugeführt werden oder
Überschußwasser kann abgezogen werden, beides über Leitung 28. Der erzeugte Sauerstoff wird im Tank 32
gespeichert, entweder in flüssiger oder Gasform. Der erzeugte Wasserstoff wird in einem Speichersystem 34
gespeichert, entweder in Gasform oder in flüssiger Form oder als Metallhydrit, das leicht zerlegbar ist, um
Wasserstoff freizusetzen. Pumpen 35 werden verwendet, um die Gase in die Speicher einzuspeicherm oder
aus diesen abzuziehen.
In Fig.2 sind Einzelheiten des direktgefeuerten
Überhitzers 14 dargestellt. Sattdampf oder auf niedrige Temperatur überhitzter Dampf gelangt in das Gehäuse
14 über Leitung 12. Sauerstoff wird über das zentrale Rohr 58 eingespeist und wird von der Düse 62
abgegeben. Sauerstoff wird über ein konzentrisches Rohr 54 zugeführt und aus dem Horn 72 abgegeben. Die
Verbrennung erfolgt innerhalb der Verbrennungshülse 59. Die Hülse 59 besitzt eine Serie von in Umfangsrichtung
sich erstreckenden Reihen von jalousieschlitzartigen öffnungen 60, so daß der Dampf längs beider Seiten
strömen kann zur Kühlung der Hülse, um ihre Überhitzung durch die heiße Verbrennung zu verhindern,
die innerhalb der Hülse erfolgt. Ein katalytisches Zündermaterial 66 — etwa Platingase — ist im Gehäuse
68 untergebracht Geringe Mengen an Sauerstoff und Wasserstoff gelangen durch den katalytischen Zünder
über öffnungen 61 bzw. 70, um die Zündflamme zu erzeugen. An Stelle der Platingase könnte auch ein mit
hoher Energie betriebener Funkenzünder verwendet werden. Ein Diffusor 64, der die Düse 62 umgibt, bewirkt
ein Durchmischen von Wasserstoff, Sauerstoff und der Zündflamme, um eine stabile Flamme innerhalb des
Brenners zu erzeugen. Der Wasserstoff erhält eine Rotationsverwirbelung durch kufenartige radiale Flügel
74, unmittelbar vor dem Auslaßende des Horns 72, um das Durchmischen mit dem Sauerstoff zu unterstützen.
Ein Ende der Verbrennungshülse 59 ist an dem Wasserstoffzufuhrrohr 54 verankert und wird am
anderen Ende zentral geführt durch Führungsmittel in >S
Form von Abstandsgliedern 76, die an der Hülse 59 befestigt sind. Diese Abstandsglieder gestatten die freie
Expansion der Hülse 59 infolge der Tatsache, daß sie der Verbrennungstemperatur unterworfen ist, die höher ist
als die Temperatur, unter der das Gehäuse 14 steht. Die Dampfeiniässe 75 in die Hülse 59 haben den Zweck,
etwas von dem auf niedriger Temperatur liegenden Dampf gleich mit den Verbrennungsprodukten zu
durchmischen, um so die Temperatur innerhalb der Verbrennungshülse 59 abzusenken. Ein Diffusor in
Form eines Ringes 80 mit gekrümmten radialen Flügeln liegt kurz vor dem Temperaturfühler 25, um Turbulenz
und Durchmischung zu bewirken, damit eine gleichförmige Temperatur des aus Gehäuse 14 ausströmenden
Dampfes erzielt wird.
Der Betrieb der Anlage soll nun beschrieben werden. Dampf niedriger Temperatur wird im Kernkraftdampferzeuger
erzeugt und strömt in den direktgefeuerten Überhitzer 14 über Leitung 12. Wasserstoff und
Sauerstoff werden direkt in den Dampf kontinuierlich eingespeist und dort verbrannt, um die Temperatur des
Dampfes anzuheben. Das Endprodukt der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff ist auf sehr hohe
Temperatur überhitzter Dampf, so daß die Menge an Dampf aus dem Überhitzer 14 größer ist als die, die in *o
ihn eintritt. Während der Spitzenbelastungsstunden wird die gesamte erzeugte elektrische Leistung in das
äußere Netz eingespeist. Während der Teillaststunden wird nur ein verringerter Anteil der Leistung abgeführt,
während der größte Teil verwendet wird, um den Elektrolyse-Apparat 26 zu betreiben, womit Wasserstoff
und Sauerstoff erzeugt werden, die in den Systemen 32 bzw. 34 gespeichert werden.
Ein Beispiel für einen typischen Betrieb wäre ein Kernkraftdampferzeuger 119, der ausgelegt ist für die
Erzeugung von genug Sattdampf oder niedrigüberhitztem Dampf, um dauernd 800 MW elektrischer
Leistung zu erzeugen. Durch Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff in dem direktgefeuerten Überhitzer
14 und dadurch bewirkte Versorgung der Turbine mit überhitztem Dampf könnte die elektrische Ausgangsleistung
erheblich gesteigert werden für die Spitzenbelastung jedes Tages, etwa zwischen 7.00 Uhr vormittags
und 17.00 Uhr nachmittags. Während der verbleibenden Stunden, d. h. während der niedrigen Belastungen,
könnte der Rest der erzeugten Leistung verwende! werden, um den Elektrolyse-Apparat 26 zu betreiben,
der Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt.
Die beschriebene Anlage kann nicht nur mil einem
sehr guten Wirkungsgrad betrieben werden trotz zyklischer Leistungsabgabe, sondern sie hat mich
weitere Vorteile. Da der Sattdampf aus dem koinkr.ili
beheizten Dampferzeuger erheblich überhii/t wird, wird der Betrieb der Dampfturbine erheblich verbessert,
indem der Anteil an Feuchtigkeit in den Zwischen- und Niederdruckstufen derselben verringert wird.
Darüber hinaus sind auch keine zwischen den Turbinenstufen liegenden Wasserabscheider oder Zwischenüberhitzer
notwendig. Die Turbinenwartung wird ebenfalls verringert, da weniger Erosion auftritt, wie
normalerweise hervorgerufen wird durch Feuchtigkeit, die in dem Dampf mit Sattdampftemperatur vorliegt.
Die Verwendung von überhitztem Dampf gestattet auch, die Turbine mit höheren Drehzahlen zu betreiben,
womit deren Größe und Kosten verringert werden. Auch gibt das System die Möglichkeil, deutcriumangereichertes
Wasser zu erzeugen oder Wasser hoher Reinheit als Nebenprodukt der Elektrolyse-Anlage. Das
System gestattet auch eine höhere Leistungserzeugung, ohne erhebliche Vergrößerung der thermischen PoIution
des Kondensatorkühlwassers, da die Menge an kondensiertem Dampf im wesentlichen dieselbe ist,
wenn die Turbine mit Sattdlampf oder mit überhitztem Dampf gespeist wird, und die Kapitalkosten für einen
solchen Kondensator sind dieselben.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit einem Dampferzeuger und einem direktgeheizten
Dampfüberhitzer, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Dampferzeugers Dampf niedriger Temperatur erzeugt wird, daß für
Netz-Spitzenbelastung Wasserstoff und Sauerstoff direkt in den den Überhitzer durchströmenden
Dampf verbrannt wird und daß während Netz-Teillastperioden ein Teil der erzeugten elektrischen
Leistung für die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß immer gleiche elektrische Leistung
erzeugt wird.
3. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Dampferzeuger (10) kernkraftbeheizt ist.
4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I oder 2, gekennzeichnet durch eine
Elektrolyse-Anlage (26) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff.
25
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