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Mit Gas beheizter Dampferzeuger für eine
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Kernreaktoranlage Die Erfindung betrifft einen mit Gas beheizten
Dampferzeuger für eine Kernreaktoranlage, der in einer mit einem demontierbaren
Deckel versehenen und mit einem Liner ausgekleideten Kaverne des Reaktordruckbehälters
installiert ist, mit einem aus Bajonettrohren bestehenden und von einem zylindrischen
Dampferzeuger-Mantel umgebenen Rohrbündel, wobei das Rohrbündel und der Dampferzeuger-Mantel
an einer Tragplatte aufgehängt sind, die sich an dem Liner der Kaverne abstützt,
mit zwei in die Kaverne eintretenden h-orizontalen Gaskanälen,. von denen der obere
der Zufuhr von Heißgas und der untere der Abfuhr von Kaltgas dient, und mit einer
Speisewasserleitung- sowie einer Frischdampfleitung, die stirnseitig oben aus dem
Dampferzeuger austreten.
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Bekannt ist ein Hilfswärmetauscher für ein.en gasgekühlten Kernreaktor,-
der innerhalb -eines- mit einem tiner- ausgekleideten Pods in dem Reaktordruckbehälter
-installiert ist. Seine Wärmetauscherflächen werden. von im Grundriß tA Sechseckgi.tter
angeordneten Boxen gebildet,- die je aus einem Rohrbündel, einem beidseitiq.offenen
Leitmantel und zwei Rohrböd-en- bestehen. In
der Offenlegungsschrift
26 59 093 wird ein derartiger Wärmetauscher gezeigt. Die Zuführung der Kühlflüssigkeit
zu den Boxen und ihre Abführung erfolgt durch Verteiler und Sammler, die oberhalb
des Hilf swärmetauschers installiert- sind. Das Kühlgas tritt. seitlich unten in
den Pod ein; oberhalb der Wärmetauscherflächen befindet sich eine horizontale Gasaustrittsleitung.
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In der Auslegungsschrift 24 59-472 wird ein Dampferzeuger für eine
Kernreaktoranlage beschrieben, dessen von dem Kühlgas durchströmte. Heizflächenelemente
in einem.zylindrischen Außenmantel innerhalb einer Druckbehälterkaverne angeordnet
sind und eine Vorwärmezone, eine Verdampferzone sowie eine Überhitzerzone umfassen.
Der letzte Teil der Uberhitzerzone (Endüberhitzer) ist als Geradrohrbündel ausgebildet
und befindet sich im zentralen Bereich des Dampferzeugers, während die übrigen Heizflächenelemente
aus.einem kompakten Helixbündel mit ringförmigem Querschnitt bestehen. Dieses ist
konzentrisch um den Endüberhitzer angeordnet. Der bekannte Dampferzeuger weist noch
einen als U-Rohrbündel ausgebildeten Zwischenüberhitzer aus, der unterhalb der übrigen
Heizflächenelemente angeordnet ist.
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Das unten seitlich in den Dampferzeuger eintretende Heizgas wird zunächst
dem von einem Kasten umgebenen Zwischenüberhitzer durch zwei einander gegenüberliegende
Öffnungen zugeleitet.
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Danach strömt es von unten in den Endüberhitzer ein. Die Zuführleitungen
für das zu verdampfende Medium und die Abführleitungen für den Frischdampf befinden
sich an dem unteren Ende des Dampferzeugers, aus dem sie stirnseitig austreten.
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Stand der Technik ist ein Wärmeüberträgersystem für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren,
in dem hoch erhitztes Reaktorkühlgas
Wärme an ein Arbeitsgas abgibt,
wie in der Offenlegungsschrift 26 24 688 dargestellt. Das Kühlgas-umströmt zunächst
in einem Bündel angeordnete Bajonettscheidenrohre und wird darauf durch mehrere
parllelgeschaltete und um das Rohrbündel: angeordnete Gegenstromwärmeübertrager
geleitet. Das Arbeitsgas wird erst durch die Gegenstromwärmeübertrager geführt und
tr.itt.sodann in die Bajonettscheidenrohre ein. - Hierin- strömt- es zunächst durch
die Ringspalte zwischen d.en AuBenrohren und den Einsteckrohren und darauf in umgekehrter
Richtung durch die Einsteckrohre.
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Es ist auch ein Dampferzeuger für eine Kernreaktoranlage vorgeschlagen
worden, dessen Heizflächenelemente aus einem kompakten Helixbündel mit ringförmigem
Querschnitt und einem zentral in dem Helixbündel angeordneten Geradrohrbündel bestehen,
das den Endüberhitzer bildet. Um den unteren Teil des Geradrohrbündels ist eine
Einströmhaube vorgesehen, die an die seitlich unten in die Dampferzeuger-Kaverne
eintretende Kühlgaszufuhrleitung angeschlossen ist. Die Rohrbündel werden von einem
Tragrost getragen, der sich seinerseits über einen auf dem Boden der Dampferzeuger-Kaverne
aufgestellten Stützmantel abstützt. Die Speisewasserleitungen und die zentral verlegte
Frischdampfleitung werden nach unten aus dem Dampferzeuger herausgefuhrt.
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Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen Dampferzeuger der eingangs beschriebenen Bauart zu schaffen,. bei
dem nur geringe thermische Dehnungsdifferenzen auf treten,die sich auf einfache
Weise- kompensieren lassen, und bei dem ohne.großen technischen Aufwand Wiederholungsprüfungen
durchgeführt werden können.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die .Speisewas
s erleitung und die Frischdampfleitung als Koaxialleitung ausgebildet sind, die
durch den Deckel der Kaverne nach außen geführt ist, daß der äußere Leitungsteil
der Koaxialleitung der Speisewasserzufuhr dient und in einem oberhalb der Tragplatte
befindlichen Speisewass.ersammler eintritt, der oben von einem abnehmbaren Deckel
und unten von einer Lochplatte begrenzt wird, in die die Einsteckrohre des Bajonettrohrbndels
eingeschweißt sind, daß der der Frischdampf-Abfuhr dienende innere Leitungsteil
der Koaxialleitung in einen Frischdampfsammler eintritt, der oben von der Lochplatte
des Speisewassersammlers und unten von der Tragplatte abgeschlossen ist, daß die
Außenrohre- des Bajonettrohrbündels in die Tragplatte eingeschweißt sind und daß
um das Einsteckrohr jedes Bündelrohres eine thermische Isolierung angebracht und
der zwischen dem Außenrohr und der thermischen Isolierung verbleibende Ringspalt
für die Frischdampfableitung vorgesehen ist.
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Die Bajonettrohre des Rohrbündels- sind in Dreiecksteilung angeordnet.
Sowohl die AuSenrohre als auch die Einsteckrohre sind frei aufgehängt, so daß sie
nach unten frei dehnen- können und Wärmedehnungsdifferenzen weitgehend vermieden
werden Die Außenrohre sind unten je durch eine Kappe abgeschlossen, während die
koaxial in den Außenrohren angeordneten Einsteckrohre offen enden. Der gesamte Dampferzeuger
besteht aus einfachen Bauteilen und läßt sich einfach fertigen, vor allem da die
Möglichkeit besteht, für das Rohrbündel Bündelmoduizu verwenden. Die Herstellungskosten
lassen- sich daher relativ niedrig halten.
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Zur Durchführu-ng von Wiederholungsprüfungen an der oberen Lochplatte
und den Bündelrohren werden der demontierbare Deckel der
Kaverne
und der Deckel des Speisewassersammlers entfernt. Nun können die erforderlichen
Prüfungen an den Einsteckrohren vorgenommen werden. Um eine Wiederholungsprüfung
an den Außenrohren durchführen zu können, müssen die Einsteckrohre gezogen werden.
Beim Auftreten von Lecks ist es auch möglich, einzelne Rohre bl.indzusetzen, So.
daß-'der Heizflächenverlust gering bleibt. Der Ausbau des kompletten Dampferzeugers
ist dabei nicht notwendig.
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Das von oben aus dem äußeren Leitung steil der Koaxialleitung kommende
Speisewasser wird in dem Speisewassersammler auf die einzelnen Einsteckrohre verteilt
und fließt in diesen nach unten, wobei es durch das heiße Kühlgas vorgewärmt wird
und verdampft. Der unten aus den Einsteckrohren austretende Frischdampf strömt in
den Ringspalten zwischen den Einsteck- und den Außenrohren nach oben, wobei er durch
das entgegenströmende Kühlgas überhitzt wird. Er sammelt sich dann in dem Frischdampfsammler,
aus dem er radial in den inneren Leitungsteil der Koaxialleitung geführt wird. Durch
diese Leitung verläßt er die Dampferzeuger-Kaverne nach oben.
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Das von einer Anlagenkomponente, beispielsweise einem Röhrenspaltofen,
kommende heiße Kühlgas tritt aus dem horizontalen Heißgaskanal oben in den Dampferzeuger
ein. Um eine gleichmäßige Verteilung des Kühlgases auf die Bündelrohre zu erzielen,
ist zweckmäßigerweise an dem Heißgaskanal eine Einströmhaube angeschlossen, die
das obere Ende des Dampferzeuger-Mantels umgibt und oben und unten dicht mit diesem.verbunden
ist. Der innerhalb der Einströmhaube befindliche Teil des Dampferzeuger-Mantels
ist mit Schlitzen für den Durchtritt des Heißgases versehen, das radial in das Rohrbündel
einströmt. Nach einer Umlenkung des Heißgases um90 ° werden die Bündelrohre nach
unten längs umströmt.
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Vorteilhafterweise ist an das untere Ende des Dampferzeuger-Mantels
eine Kaltgasführung angeschlossen, die fest mit dem Kaltgaskanal verbunden ist.
Sie leitet das unten aus dem Rohrbündel austretende abgekühlte Gas zu dem horizontalen
Kaltgaskanal weiter. In diesem wird das Gas beispielsweise zu einem Gebläse geführt.
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Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann es vorteilhaft sein, das
Rohrbündel mit einem den Bündelkonturen genau angepaßten Strömungshemd zu umgeben,
das innerhalb des Dampferzeuger-Mantels angeordnet und an diesem befestigt ist.
Es umgibt das Bajonettrohrbündel auf dessen ganzer Länge mit Ausnahme seines im
Bereich der Einströmhaube befindlichen Teils.
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Es ist zweckmäßig, den Dampferzeuger-Mantel und diese Einströmhaube
innen mit einer thermischen Isolierung zu versehen, um das Temperaturniveau in den
metallischen Werkstoffen abzusenken und/oder Wärmespannungsspitzen abzubauen Die
Einströmhaube und die Kaltgasführung können mindestens je drei horizontale Abstützungen
aufweisen, mit denen sie an dem Liner der Kaverne abgestützt sind. Die-Abstützungen
befinden, sich vorteilhafterweise in der Höhe der Mitte des Heißgaskanals und des
Kaltgaskanals. Sie sind so ausgeführt, daß sie im Zusammenwirken mit entsprechend
ausgebildeten Auflagenpunkten an dem Kavernen-Liner auch Erdbebenkräfte aufnehmen
können.
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Die beiden Vertindungsstellen zwischen der Einströmhaube und dem Dampferzeuger-Mantel
können je mit einer Schiebedichtung abgedichtet sein; so ist ein Ausgleich von Wärmedehnungsdifferenzen
möglich. Zwischen dem unteren Ende des Dampferzeuger-Mantels und' dem oberen Ende-
der Kaltgasführung kann ebenfalls eine Schiebedichtung vorgesehen sein.
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Der Anschluß zwischen der E.inströmhaube und dem Heißgaskanal einerseits
sowie zwischen der Kaltgasführung und dem Kaltgaskanal andererseits kann Zweckmäßigerweise
je durch eine Klemmringverbindung hergestellt sein. Eine derartige Verbindung läßt
sich - falls erforderlich - mittels fernbedienter Werkzeuge wieder lösen.
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Wie üblich, sind in mehreren horizontalen Ebenen Rohrabstandshalter
für das' Bajonettrohrbünäel. vorgesehen. Diese sind vorteilhaf.terweise verschieblich
an dem Strömungshemd befestigt.
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An den einzelnen Rohren brauchen daher im wesentlichen nur die unterschiedlichen
Dehnungen innerhalb des Rohrbündels' kompensiert zu werden.
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Zweckmäßigerweise sind die Lochplatte des Speisewassersammlers auf
ihrer von Frischdampf beaufschlag-ten Seite und die Tragplatte auf ihrer dem Heißgas
ausgesetzten Seite mit einer Plattenisolierung versehen, um die Temperaturbelastung
dieser Bauteile herabzusetzen. Durch entsprechende Wahl der Werkstoffe für die hoch
belasteten Bauteile kann erreicht werden, daß der Dampferzeuger während der gesamten
Lebenszeit -der Kernreaktoranlage funktionsfähig bleibt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Dampferzeugers schematisch dargestellt, und zwar handelt es sich hier um einen Dampferzeuger
für eine Prozeßwärmeanlage zur Erzeugung von Wasserstoff mit Hilfe der in einem
heliumgekühlten Hochtemperaturreaktor gewonnen.en Wärmeenergie. Diese wird durch
das Helium einer Reihe-von Röhrenspaltöfen und den Röhrenspaltöfen nachgeschalteten
Dampferzeugern zugeführt. Der Heliumkreislauf ist in mehrere gleiche Stränge unterteilt;
hier
wird jedoch nur der Dampferzeuger eines Stranges dargestellt
und beschrieben.
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Die Figuren zeigen im einzelnen: Fig. 1 den oberen Teil des Dampferzeugers
im Längsschnitt, Fig. 2 den unteren Teil des Dampferzeugers im Längsschnitt, Fig.
3 einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung, Fig.
4 einet Schnitt nach der Linie B-B der Fig. 2, ebenfalls vergrößert dargestellt,
Fig. 5 den oberen Teil eines einzelnen Bajonettrohres in nochmals vergrößertem Maßstab,
teilweise längsgeschnitten, Fig. 6 den unteren Teil des in Fig. 5 gezeigten Bajonettrohres.
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Die Figuren 1 und 2 lassen einen Dampferzeuger erkennen, der in vertikaler
Anordnung in einer Kaverne 1 eines Reaktordruckbehälters 2 untergebracht ist Die
Kaverne 1 ist mit einem Liner 3 ausgekleidet und mit einem demontierbaren Deckel
4 abgeschlossen. Die Wärmetauscherflächen, die einen.Vorwärmer, einen Verdampfer
und einen Uberhitzer umfassen, bes-tehen aus einer zu einem Rohrbündel 5 zusammengefügten
Vielzahl von Bajonettrohren
6, die über den Bündelquerschnitt
eine Dreiecksteilung bilden, wie aus der Fig. 3 zu ers.ehen- ist. Jedes Bajonettrohr
6 besteht aus einem Außenrohr 37 und einem koaxial in diesem angeordneten Einsteckrohr
36, wie die F.ig.. 5 zeigt.
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Das Rohrbündel 5 ist von einem Dampfer-zeuger-Mantel.7 umgeben, der
innen mit einer thermischen Isolierung 8 ausgestattet ist Dampferzeuger-Mantel 7
und Rohrbündel 5 sind an einer Tragplatte 9 aufgehängt, deren Unterseite mit einer
starken Plattenisolierung 10 versehen ist. Die Tragplatte 9 ruht auf einem Tragflansch
11, der sich auf einem an dem Liner 3 angebrachten Auflagering 12 abstützt. Der
Auflagering 12 und der Tragflansch 11 sind miteinander verschraubt. Eine Schraubverbindung
ist auch zwischen der Tragplatte 9 und dem Tragflansch 11 vorgesehen.
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Zwischen dem Dampf eri euger-Mantel 7 und dem Rohrbündel 5 ist ein
Strömungshemd 13 installiert,. das den.Bündelkonturen genau angepaßt ist. An dem
Strömungshemd 13 sind Rohrabstandshalter 14 für das Rohrbündel 5 verschieblich angebracht.
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Am oberen Ende des Dampferzeugers tritt ein'horizontaler Heißgaskanal
15 in die Kaverne 1 ein, an dem mittels einer Klemmringverbindung 16 eine Einströmhaube
17 angeschlossen ist. Sie ist innen mit einer thermischen Isolierung 18 versehen.
Die Einströmhaube 17 umgibt den Dampferzeuger-Mantel 7 in dessen oberem Bereich,
in dem dieser Schlitze 19 für den Heliumdurchtritt aufweist. Dampferzeuger-Mantel
7 und Einströmhaube 17 sind oben und unten je: durch eine Schiebedichtung 20 verbunden.
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Gleichmäßig am Umfang. der Einströmhaube 17. verteilt sind drei horizontale
Abstützungen .21. vorgesehen, mit denen sich die Einströmhaube 17 auf an dem Liner
-3 angebrachten Auflagepunkten 22 abstützt. Die Auflagepunkte 22 sind so ausgeführt,
--daß sie auch
Erdbebenkräfte aufnehmen können.
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An dem unteren Ende des Dampferzeuger-Mantels 7 ist mittels einer
Schiebedichtung 24 eine Kaltgasführung 23 angeschlossen, in der sich das aus dem
Rohrbündel 5 austretende abgekühlte Helium sammelt. Mittels eines Klemmringes 25
ist die Kaltgasführung 23 fest mit einem horizontalen Kaltgaskanal 26 verbunden,
der in diesem Bereich in die Kaverne 1 eintritt. Am Umfang der Kaltgasführung 23
sind ebenfalls horizontale Abstützungen 27 angebracht, die mit entsprechend ausgebildeten
Auflagepunkte 28 an dem Liner 3 zusammenwirken.
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Das von einem Röhrenspaltofen kommende Helium tritt mit 695 OC radial
in das Rohrbündel 5 ein, in dem es um 90 ° nach unten umgelenkt wird. Es strömt
außen an den Bajonettrohren 6 entlang, wobei es sich auf 290 OC abkühlt. Darauf
gelangt es in die Kaltgasführung 23, aus der es radial in den Kaltgaskanal 26 abströmt.
Durch den Kaltgaskanal 26 wird es zu einem (nicht dargestellten) Gebläse geführt.
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Die Zuführung des Speisewassers sowie die Abführung des erzeugten
Dampfes erfolgt nach oben durch den Deckel 4 der Kaverne 1. Die Speisewasserleitung
und die Frischdampfleitung sind als Koaxialleitung 29 ausgebildet, wobei deren äußerer
Leitungsteil 30 für das Speisewasser vorgesehen ist und der innere Leitungsteil
31 der Frischdampf-Abfuhr dient.
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Der äußere Leitungsteil 30 der Koaxialleitung 29, also die Speisewasserleitung,
tritt in einen Speisewassersammler 32 ein, der oben von einem abnehmbaren Deckel
33 und unten von einer Lochplatte 34.begrenzt wird.. Der Deckel 33 ruht auf einem
Flansch
35, der mit der Lochplatte 34 verschraubt ist. In die Lochplatte 34 sind die Einsteckrohre
36 des Bajonet.trohrbündels 5 eingeschweißt.
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Die Lochplatte 34-weist auf ihrer unteren, also dem Speisewassersammler
32 abgekehrten Seite eine Plattenisolierung 38 auf. Sie ruht auf einem Flansch 39
r mit dem sie verschraubt ist und über den sie sich auf der-Tragplatte 9 abstützt.
Zwischen der Tragplatte 9, die den Primärabschluß des Dampferzeugers bildet, und
der Lochplatte 34 befindet sich ein Frischdampfsammler 40, der an der Seite von
dem Flansch 39 begrenzt wird. Aus dem Frischdampfsammler 40 tritt nach oben die
Frischdampfleitung 31 aus, die von dem inneren Leitungsteil der Koaxialleitung 29
gebildet wird, wie bereits beschrieben.
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In die Tragplatte 9 sind die, Außenrohre 37 des Bajonettrohrbündels
5 eingeschweißt. In dem Ringspalt 41 zwischen jedem Außenrohr 37 und seinem Einsteckrohr
36 befindet sich eine thermische Isolierung 42, die jeweils außen auf dem Mantel
jedes Einsteckrohres 36 aufgebracht ist. Die Ringspalte 41 stehen mit dem Frischdampfsammler
40 in Verbindung. Dies ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt.
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Das Speisewasser fließt durch die Speisewasserleitung 30 von hoben
in den Speisewassersammler 32 und wird hier auf die Einsteckrohre 36 des-Rohrbündels
5 verteilt. Es tritt mit einer Temperatur von 150 OC- in diese Rohre ein und- strömt
in ihnen nach unten, wobei es sich erwärmt-. An den offenen Enden der Einsteckrohre
6 wird das Speisewasser sodann um 180 ° umgelenkt und strömt in den Ringspalten
41 der -Bajonettrohre 6 nach oben. Dabei wird es zunächst verdampft, und auf seinem
weiteren Weg nach oben wird der erzeugte Dampf anschließend überhitzt.
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Mit einer Temperatur von 520 OC tritt der Frischdampf in den Frischdampf
sammler 40 ein, aus dem er radial in die Frischdampfleitung 37 abströmt, die Teil
der zentral durch den Kavernen-Deckel 4 verlegten Koaxialleitung 29 ist. Durch diese
Leitung wird der Frischdampf nach oben aus dem Reaktordruckbehälter 2 herausgeführt.
Zwischen dem inneren und dem äußeren Leitungsteil der Koaxialleitung 29 kann eine
thermische Isolierung vorgesehen sein (nicht dargestellt).