DE2721859C3

DE2721859C3 - Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage und so betriebene Kraftwerksanlage

Info

Publication number: DE2721859C3
Application number: DE2721859A
Authority: DE
Inventors: Frank William Hudson Quebec Hochmuth (Kanada)
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1976-06-07
Filing date: 1977-05-14
Publication date: 1978-11-23
Also published as: DE2721859B2; DE2721859A1; JPS52149538A; FR2354511A1; FR2354511B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage und eine Anlage zur Durchfüh- *> rung 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 κ 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 Sattdampf 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 Siedeteichtwasserreaktor und ganz besonders für einen schwerwassermoderierten CAN-DU-Reaktor, der Dampf bei Sättigung oder niedrig' überhitzter 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 b5 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 ig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Anlage gemäß der Erfindung, und

Fijg.2 ist eine Schnittdarstellung eines direktgefeuerten Überhitzers, wie er in der Anlage nach Fig.1 verwendet wird.

In Fig. 1 ist ein kernkraftbeheizter 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 Metaühydrit, das leicht zerlegbar ist, um Wasserstoff freizusetzen. Pumpen 35 werden verwendet, um die Gase in die Speicher einzuspeichern! 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 Qber das zentrale Rohr 58 eingespeist und wird von der Düse 62 abgegeben. Sauerstoff wird Ober 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 katälytischen 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 ίο 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 ts Form von Abstandsgliedem 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 Dampfeinlässe 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 weiden. 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 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 Kemkraftdämpferzeqger 10, 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 dein 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 verwendet werden, um den Elektrolyse-Apparat 26 zu betreiben, der Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt

Die beschriebene Anlage kann jiicht nur mit einem sehr guten Wirkungsgrad betrieben werden, trotz zyklischer Leistungsabgabe, sondern sie hat auch weitere Vorteile. Da der Sattdampf aus dem kemkraftbeheizten Dampferzeuger erheblich überhitzt 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 beireiben, womit deren Größe und Kosten verringert werden. Auch gibt das System die Möglichkeit deuteriumangereichertes 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 Sattdampf oder mit überhitztem Dampf gespeist wird, und die Kapitalkosten für einen solchen Kondensator sind dieselben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer. Kraftwerksanlage nut 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 Oberhitzer 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 gekenn- is zeichnet, 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 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Elektrolyse-Anlage (26) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff.

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