DE3128613C2

DE3128613C2 -

Info

Publication number: DE3128613C2
Application number: DE19813128613
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 8521 Bubenreuth De Mayer; Zvonimir Dipl.-Ing. 8520 Erlangen De Sterk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-07-21
Filing date: 1981-07-20
Publication date: 1988-11-24
Also published as: DE3128613A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Vermeidung von Rißbildungen an den Innenflächen von in Druckbehälter mündenden Speisewasserleitungsstutzen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Aus der Zeitschrift "Energie" Nr. 4 vom April 1975, Seiten 97 und 98 ist für Kernkraftwerke mit Druckwasserreaktoren ein Dampferzeuger bekannt, in dessen Wasser-Dampf-Raum eine waagerechte Speisewasserleitung mündet. Diese Speisewasser leitung ist innerhalb des Wasser-Dampf-Raumes vertikal nach unten bis zu einer Einspeiseringleitung geführt.

Hierbei ist es nachteilig, daß im Zulaufrohr für das Speise wasser bei schwacher Einspeisung eine Rückströmung auftritt, weil durch die Wärmezufuhr durch die Wandung des im Druckbehälter verlaufenden Speisewasserzuführungsrohres in das ankommende Speisewasser Wärme eingetragen wird, die diese Rück strömung aufgrund von Konvektion zur Folge hat. Dadurch treten im außerhalb des Druckbehälters verlaufenden Abschnitt der Speisewasserzuführung sowie im zugehörigen Anschlußstutzen an den Druckbehälter im Speisewasser Schichtungen unterschiedli cher Temperaturen auf, wodurch an der Innenseite des Speisewas serzuführungsrohres Haarrisse auftreten können. Die Belastung der Wand des Zulaufrohres wird noch dadurch verstärkt, daß die durch die Konvektion verursachte Rückströmung nicht ganz stetig erfolgt. Die Folge hiervon sind Schwankungen der Trennschicht zwischen warmem und kaltem Wasser innerhalb des horizontalen Abschnitts des Zulaufrohres. Diese Schwankungen erfolgen in einem tatsächlich ausgeführten Rohr mit 420 mm Innendurch messer mit 0,25 Hz und erreichen eine Amplitude von ±60K in unmittelbarer Umgebung der Trennschicht mit in Umfangsrichtung nach beiden Seiten abklingender Amplitude.

Durch die US-PS 36 61 123 ist auch schon eine Einrichtung für in Druckbehälter mündende Speisewasserleitungsstutzen bekannt, bei der die Einleitung des Speisewassers in den Wasser-Dampf- Raum des Druckbehälters über einen im wesentlichen horizonal verlaufenden Leitungsteil und einen darauf folgenden ansteigen den Leitungsteil bis hin zu Überlaufkanten am Strömungswegende des ansteigenden Leitungsteiles erfolgt, von wo aus das Speise wasser über ein abwärts gerichtetes Leitungsstück und über eine daran angeschlossene Einspeiseringleitung dem Medium im Wasser- Dampf-Raum bzw. im Fallraum des Druckbehälters zugemischt wird. Dadurch tritt ebenfalls die Wirkung ein, daß eine Temperatur schichtung infolge einer Rückströmung von wärmerem Wasser im Stutzen verhindert wird, wodurch offensichtlich die Rißbil dung an den Innenflächen eines derartigen Speisewasserzuleitungs stutzens vermieden wird. Bei dieser bekannten Anordnung ist jedoch der im wesentlichen horizontal verlaufende Leitungs teil sehr lang, so daß er viel Wärme aus dem ihn einhüllenden Dampf entnimmt. Die Folge davon ist wiederum eine unerwünsch te Temperaturschichtung mit einer deutlichen Erhöhung der Tem peraturwechselbelastung des Speisewasserzuleitungsrohres.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die durch die Konvektion bedingte Rückströmung im Speisewasserzuleitungs rohr zu unterbinden, um bei schwacher Bespeisung des Speisewasserleitungsstutzens, wie sie bei Teillast- oder Null last-Betrieb einer Anlage vorkommt, auch unter höherer Lastwechselzahl der Bespeisungsvorgänge Materialermüdung und damit Rißbildung an den Stutzen zu mindern.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die im Kenn zeichen des einzigen Anspruchs aufgeführten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß eine Rückströmung des spezifisch leichteren Mediums im bespeisten System gegen das schwerere einzuspeisende (noch kalte) Medium verhindert wird, weil die von dem in den Druckbehälter hineinragenden Teil des Speisewasserleitungsstutzens aufgenommene Wärmemenge zu gering zum Antrieb einer derartigen Strömung ist. Durch die Erfindung sind nicht nur die insbesondere bei Null-Last und Schwachlastbetrieb auftretenden Probleme der Wärmespannungen und Rißbildungen gelöst, sondern auch die bei An- und Abfahrbetrieb auftretenden.

Im folgenden wird anahnd der mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung die Erfindung noch näher erläutert und die Wirkungsweise beschrieben. Darin zeigt in schematischer, vereinfachter Darstellung unter Fortlassung der für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Teile:

Fig. 1 in einem Längsschnitt einen Dampferzeuger für Druck wasserreaktoren mit einem nach Anspruch 1 ausgebildeten Speisewasserleitungsstutzen;

Fig. 2 die Einzelheit X aus Fig. 1 vereinfacht;

Fig. 3 den Schnitt nach der Linie III-III aus Fig. 2;

Fig. 4 in entsprechender Darstellung zu Fig. 2 eine andere Ausführung der Einrichtung, die in Stutzenachsrich tung besonders flach baut;

Fig. 5 den Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4;

Fig. 6 eine weitere Ausführung, wobei ein Teilstück der Druck behälterwand mitgezeichnet ist, besonders hohen Strö mungsquerschnitts;

Fig. 7 den Schnitt nach Linie VII-VII der Fig. 6.

Der Dampferzeuger DE für Druckwasserreaktoren nach Fig. 1 (im folgenden abgekürzt als DE bezeichnet) hat ein Druckkessel- Gehäuse 1 mit einem Primärkammerbereich 1.1, einem die U-förmigen wärmetauschenden Rohre 2 aufweisenden Verdampfer- Bereich 1.2 und einen sich über einen sich konisch erweiternden Gehäuseübergangsbereich 1.3 anschließenden Abscheiderbereich 1.4. Der in das Gehäuse 1 eingeschweißte Rohrboden 3 und die in ihn eingeschweißten und von ihm gehalterten Wärmetauscherrohre 2 trennen die Primärkammer I gasdicht von der Sekundärkammer II. Die Primärkammer I wird von einer mit dem Rohrboden 3 ver schweißten Bodenkalotte 4 mit Einströmraum el der Primärkammer vom Ausströmraum al durch eine gewölbte Trennwand 5 abgetrennt ist. Von den Rohren 2 des Rohrbündels sind nur die äußeren und inneren durch Linien angedeutet; die Rohrbögen sind mit 2.1, die innere Rohrgasse ist mit 2.2 bezeichnet. Das im Kern des nicht dargestellten Druckwasserreaktors aufgeheizte Primäredi um (Wasser) wird mit einer Temperatur von ca. 316°C und unter einem Druck von 155 bar der Primärkammer I über den Einström stutzen E zugeführt, durchströmt die wärmetauschenden Rohre 2 und wird über die Ausströmkammer al und den Ausströmstutzen A mit einer Temperatur von ca. 290°C zum Reaktordruckbehälter zurückgespeist.

Das Rohrbündel aus den wärmetauschenden Rohren 2 ist mittels axial zueinander beabstandeten Rohrhaltegittern 6 schwingungs sicher gehalten; es ist von einem hohlzylindrischen Mantel 7 umgeben, welcher zusammen mit der Wand 1 einen ringförmigen Fallraum 8 bildet. Da der Mantel 7 mit Abstand a 2 zum Rohrboden 3 angeordnet ist, steht der Fallraum 8 an seinem unteren Ende über die Strömungsgassen 8.1 mit dem Verdampfungsraum im Inneren des Mantels 7 strömungsmäßig in Verbindung. Der Mantel 7 ist an seinem oberen Ende durch einen Aufsatz 9 abgeschlossen, welcher an seiner Oberseite eine Batterie von Wasserabscheidern 10, trägt, in welche das Wasser-Dampf-Gemisch aus dem Verdampfungs raum II durch entsprechende Strömungskanäle eintritt.

Das ausgeschleuderte Wasser, der Wasserspiegel des Umlaufwassers ist bei 11 angedeutet, wird dem Fallraum 8 direkt zugespeist. Die Ringleitung 12, welche am oberen Ende des Fallraums angeordnet ist, dient über nicht dargestellte Öffnungen zum Einleiten des Speisewassers von einem Speisewasserleitungs stutzen 13 über eine im wesentlichen senkrecht verlaufende Verbindungsrohrleitung 14. Der aus den Wasserabscheidern 10 an deren Oberseite austretende, weitgehend entwässerte Dampf gelangt dann noch in Feinabscheider 15 und von diesen über den Frischdampfleitungsstutzen 16 des Dampfdomes 17 zu den nicht dargestellten Dampfturbinen.

Der DE arbeitet nach dem Naturumlaufprinzip. Das Speisewasser und das abgeschiedene Wasser strömen im Fallraum 8 vermischt nach unten in den Verdampfungsraum II und steigen in diesem unter Verdampfung (Naßdampf) auf. Das Wasser-Dampf-Gemisch gelangt dann in die Grobabscheider 10 und anschließend in die Feinabscheider 15, wie bereits erläutert. Zur Einleitung des Speisewassers über den Stutzen 13 und das Verbindungsrohr 14 ist eine ganz bestimmte Strömungsführung vorgesehen, die anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert wird.

Die Einleitung des Speisewassers in den Wasser-Dampf-Raum des DE erfolgt über einen im wesentlichen horizontal verlaufenden Leitungsteil 140 und einen darauf folgenden ansteigenden Leitungsteil 141, welcher als Rohrknie ausgeführt ist, bis hin zu Überlaufkanten Ü am Strömungswegende des ansteigenden Leitungsteils 141. Von dort wird das Speisewasser, siehe Strömungspfeile f 1, über ein abwärts gerichtetes Leitungsstück 142 und die daran angeschlossene Einspeiseringleitung 12 (Fig. 1) dem Wasser-Dampf-Raum, d. h. in diesem Falle dem Fallraum 8 des DE, zugemischt. Der Leitungsteil 142 ist domförmig ausgebildet und umfaßt als eine Art Glocke den Leitungsteil 141. Der Leitungsteil 140 kann im Stutzen 13 (Fig. 1) gehaltert sein. Durch die geschilderte Leitungsführung kann eine Rück strömung von bereits erwärmtem Speisewasser zurück in den Leitungsteil 140 nicht mehr erfolgen, welcher Lastzustand auch immer vorliegt, weil das kältere einströmende Speisewasser aufgrund seines höheren spezifischen Gewichtes den Stutzenquer schnitt erst vollständig ausfüllen muß, bevor es die höher liegenden Überlaufkanten Ü erreicht.

Die flache, gerdrängte Bauform nach Fig. 4 und Fig. 5 empfiehlt sich für Dampferzeuger oder Reaktordruckbehälter, bei denen in Stutzenachsrichtung nur wenig Raum zur Vefügung steht. Gleiche Teile tragen gleiche Bezugszeichen. Hier wird der ansteigende Leitungsteil von einer im Querschnitt rechteckigen Wanne 141′ gebildet, die flach und kastenförmig ist, also einen Wasser kasten bildet, an dessen beiden Schmalseiten-Oberkanten die Überlaufkanten Ü angeordnet sind. Dieser Wasserkasten 141′ wird von einem gleichfalls etwa kastenförmigen, an seiner Ober kante abgerundeten Gebilde 142 für das abwärts gerichtete Leitungsstück umgeben, das entsprechend der Innenumfangs krümmung des Druckbehälters ebenfalls gekrümmt sein kann, und an seinem unteren Ende über ein verengtes Halstück 143 in die Ringleitung 12 mündet.

Die Einrichtung nach Fig. 6 und 7 ist für noch höhere Speise wasserdurchsatz bei Vollast bestimmt. Die Überlaufkanten Ü sind dabei nicht nur die oberen Seitenkanten 141.1, sondern auch die Kante 141.2 an der Längsseite des Leitungsteils 141. Demgemäß ist der Strömungsquerschnitt des abwärts gerichteten Leitungsstücks 142 größer als bei demjenigen nach Fig. 4 und 5. Außerdem ist erkennbar, daß der Innenumfang des Speisewasser leitungsstutzens 13, welcher mittels einer Ringschweißnaht 18 in die Gehäusewand 1 des DE eingeschweißt ist, mit dem im wesent lichen horizontal verlaufenden Leitungsteil 140 ausgefüttert ist.

Wie Versuche ergeben haben, ist für die Verhinderung der Tempraturschichtung infolge einer Rückströmung von wärmerem Wasser die Einhaltung eines bestimmten Verhältnisses A/D _i wesentlich. Dabei bedeutet A den horizontalen Abstand der Druckbehälter-Innenwand li von der durch den Schwerpunkt der von den Überlaufkanten Ü aufgespannten Querschnittsfläche F _Ü verlaufenden Mittellinie M _Ü. D _i bedeutet den Innendurchmesser der in den Druckbehälter DE mündenden Speisewasserleitung 140. Das genannte Verhältnis A/D _i soll möglichst klein bemessen sein und liegt hierzu etwa in den Grenzen zwischen 0,5 und 2.

In den Fig. 2 und 3 sind die Druckbehälter-Innenwand li ge strichelt und die Mittellinie M _Ü strichpunktiert eingezeichnet, ferner sind die Maßlinien für den Abstand A = A ₁ und den Innen durchmesser D _i eingetragen.

Günstigere Werte für das Verhältnis A/D _i ergeben sich für die Ausführungsbeispiele nach Fig. 4 und 5 bzw. Fig. 6 und 7.

Insgesamt kann man durch die Erfindung im Verhältnis zum Leitungsquerschnitt kurze Strömungswege bis zu den Überlauf kanten Ü erreichen, so daß das Speisewasser keine Gelegenheit hat, sich auf dem Weg bis zu den Überlaufkanten merklich auf zuwärmen. Der Aufwärmung wirkt der Mengenstrom des Speise wasser entgegen, der durch die im Nenner des Verhältnisses stehende Größe D _i charakterisiert ist. Durch die Erfindung ist es auf verhältnismäßig einfache Weise ermöglicht, den Weg und damit die Verweilzeit des Speisewassers bei im Verhältnis zum Strömungsquerschnitt geringem Mengendurchsatz auf dem Wege des Speisewassers bis zu den Überlaufkanten so klein zu machen, daß eine schädliche Aufwärmung und damit die Folgeerscheinung einer Temperaturschichtung und einer Zirkulationsströmung bis hin zum Speisewasserstutzen vermieden sind.

Claims

Einrichtung zur Vermeidung von Rißbildungen an der Innenfläche einer in einen Druckbehälter (1), insbesondere Kernreaktor druckbehälter oder Dampferzeuger, mündenden Speisewasserleitung (13, 14), wobei die Einleitung des Speisewassers in den Wasser-Dampf-Raum des Druckbehälters (1) über einen im wesentlichen horizontal verlaufenden Leitungsteil (140) erfolgt, von dem aus das Speisewasser über ein abwärts gerichtetes Leitungsstück (14) und ggf. über eine daran angeschlossene Einspeiseringleitung (12) dem Medium im Wasser-Dampf-Raum bzw. im Fallraum des Druckbehälters (1) zuge mischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen horizontal verlaufende Leitungsteil (140) unmittelbar nach seinem Eintritt in den Druckbehälter zur Bildung eines Überlaufes (Ü) zunächst nach oben abgebogen ist, wobei das Verhältnis A/D _i zwischen 0,5 und 2 liegt, worin
- A den horizontalen Abstand der Druckbehälter-Innenwand (li) von der durch den Schwerpunkt der von den Überlaufkanten (Ü) aufgespannten Querschnittsfläche (Fü) verlaufenden Mittel linie (Mü) und
- D _i den Innendurchmesser der in den Druckbehälter (1) mündenden Speisewasserleitung (13, 14) bedeutet.