DE3228423C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturreaktoranlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Anlage ist bekannt.

Bekannt ist eine Hochtemperaturreaktoranlage (THTR-300 MWe), bei der in einem primären Kreislauf umlaufendes Kühlgas (Heli­ um) die im Reaktorkern erzeugte Wärme über sechs Dampferzeuger an einen sekundären Dampfkreislauf abgibt, in dem hochgespann­ ter Dampf erzeugt wird. Die Schaltung des sekundären Dampfkreis­ laufs einschließlich Zwischenüberhitzung entspricht der eines konventionellen thermischen Kraftwerks (Kerntechnik 17. Jahrgang 1975, No. 3, Seiten 119-127).

Bei der bekannten Hochtemperaturreaktoranlage wurden für den sekundären Dampfkreislauf folgende Zustandswerte gewählt:

Dampfeintrittsdruck am Hochdruck-Turbinengehäuse 180 bar, Über­ hitzungstemperatur am Eintritt Hochdruck-Turbinengehäuse 540°C, Zwischenüberhitzung 540°C.

Mit diesen Dampfzuständen ist ein Wirkungsgrad der Anlage von ca. 39% erreichbar.

Zur Anhebung des Wirkungsgrades von konventionellen Dampfkraftanlagen wurde be­ reits eine modifizierte Schaltung des Dampfkreislaufes beschrieben, die drei- bis fünffache Zwischenüberhitzung des Damp­ fes sowie - neben der konventionellen Art der Entnahmevorwär­ mung des Speisewassers - eine neue zusätzliche Art der Speise­ wasservorwärmung durch Erhitzung des teilentspannten Arbeits­ dampfes vorsieht (DE-OS 30 42 782).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, diese neue Art des Dampfkreislaufes sinnvoll mit den Gegebenheiten eines Hoch­ temperaturreaktors zu kombinieren, so daß sie bei diesem Reak­ tortyp angewendet, damit der thermische Wirkungsgrad einer Hochtemperaturreaktoranlage verbessert wird und die Verknüpfung des neuen Dampfkreislaufes mit dem Hochtempera­ turreaktor in einer Weise erfolgen kann, daß die Abfuhr der Nachwär­ me des Reaktors ohne zusätzliche Einrichtungen geschieht.

Die Lösung dieser Aufgabe ist die Hochtemperaturreaktoranlage gemäß Anspruch 1.

Durch das Vorhandensein eines oder mehrerer sekundärer Kühlgas­ kreisläufe ist es möglich, im Normalbetrieb der Hochtemperatur­ reaktoranlage einen Teil der im Reaktorkern entstehenden Wärme aus dem primären Kühlgaskreislauf (Heliumkreislauf) auszukop­ peln und für die mehrfache Zwischenüberhitzung des Arbeitsdamp­ fes des Dampfturbosatzes zu verwenden.

Besitzt der Einwellen- oder Mehrwellen-Dampfturbosatz m-fache Zwischenüberhitzung (wobei m eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist), und sind in der Anlage n sekundäre Kühlgaskreisläufe vor­ handen (wobei n eine ganze Zahl vorzugsweise vom Wert 3 oder 4 oder 6 ist), so können vorteilhafterweise dem Dampfturbosatz m × n Zwischenüberhitzer zugeordnet sein. Dabei weist jeder der sekundären Kühlgaskreisläufe m Zwischenüberhitzer auf.

Diese Unterteilung in n sekundäre Kühlgaskreisläufe, die mit­ einander nicht vermascht sind, gibt eine ausreichende Verfüg­ barkeit hinsichtlich der Abfuhr der Nachwärme des Reaktors.

Nach einer Weiterentwicklung der Erfindung ist zwischen dem letzten Mitteldruck-Turbinengehäuse und dem(n) Niederdruck- Turbinengehäuse(n) mindestens ein Rekuperator für die Enthit­ zung des Arbeitsdampfes angeordnet. Dabei ist der Rekuperator bzw. sind die Rekuperatoren während des Betriebes vom Speise­ wasser als wärmeaufnehmendem Medium durchströmt. In vorteilhaf­ ter Weise ist der Rekuperator bzw. sind die Rekuperatoren spei­ sewasserseitig zwischen den Speisewasser-Vorpumpen und den Speisewasserhauptpumpen angeordnet. Dies stellt eine neue Art der Speisewasservorwärmung dar.

Um bei Turbinenschnellschluß ein übermäßiges Absinken der Spei­ sewasservorwärmtemperatur zu verhindern - dies würde zu Tempe­ raturstürzen an den Dampferzeugern führen -, ist in der Speise­ wasserleitung wenigstens ein Hochdruck-Speisewasservorwärmer angeordnet, der dampfseitig nur von der(n) Frischdampfleitung(en) her angespeist ist. Er tritt nur in Störfällen in Funktion.

Die nach Abschaltung des Reaktors anfallende Nachwärme kann ebenfalls über die Wärmetauscher aus den primären Kühlgaskreis­ laufsträngen abgeführt und an das Kühlgas des sekundären Kühl­ gaskreislaufs bzw. der sekundären Kühlgaskreisläufe abgegeben werden, das die Nachwärme in dem Kühler bzw. in den Kühlern an ein Kühlmedium, z. B. Wasser oder Luft, überträgt. Bei diesem Nachwärmeabfuhrbetrieb wird vorteilhafterweise die Temperatur des "kalten" Sekundärgases um mehr als 100°C unter dessen Tem­ peratur bei Normalbetrieb abgesenkt, um eine Wärmeabgabe an die Dampferzeuger des Dampfkreislaufs auszuschließen und eine aus­ reichend tiefe "kalte" Temperatur (von höchstens 220°C) des primären Kühlgases zu erreichen. Dies trägt wesentlich zum ein­ wandfreien Funktionieren der erfindungsgemäßen Hochtemperatur­ reaktoranlage bei.

Auf der Seite des Kondensators und Speisewassers wird während des Normalbetriebes des Blockes das Kondensat des Dampfturbosatzes in einem oder mehreren Niederdruck-Entnahmevorwärmern und in ei­ nem oder mehreren Speisewasserbehälter(n) durch Entnahmedampf aus dem(n) letzten Turbinengehäuse(n) vorgewärmt und das Speise­ wasser der Dampferzeuger anschließend in dem oder den genannten Rekuperator(en) durch Enthitzen des Arbeitsdampfes des Turbosat­ zes weiter vorgewärmt. Im Blick auf die Einbauten des Reaktors und die "kalte" Temperatur des primären Kühlgases ist die Spei­ sewasserendtemperatur auf ca. 220°C begrenzt.

Die Dampferzeuger des Dampfkreislaufs können gegebenenfalls auch in den sekundären Kühlgaskreisläufen angeordnet sein. Dies schließt bei einem Rohrreißer in einem Dampferzeuger den Wassereintritt in den Kern des Reaktors aus, erfordert aber größere primärgasseitige/sekundärgasseitige Wärmetauscher.

Bei einem Dampfkreislauf mit einem HD-Tur­ bineneintrittsdruck von 250 bar, einer HD-Turbineneintrittstem­ peratur von 540°C und einer fünffachen Zwischenüberhitzung auf je 540°C (was einen zweiwelligen Dampfturbosatz bedingt) sowie einer Speisewasserendtemperatur von 220°C und einem Kondensa­ tordruck von 0,05 bar ist - bei reiner Stromerzeugung - Ge­ samtwirkungsgrad von ca. 45 Prozent erreichbar.

Gegenüber einer konventionellen Hochtemperturreaktoranlage mit mehreren - meist vier - gesonderten Einrichtungen zur Nachwär­ meabfuhr hat eine Anlage mit den erfindungsgemäßen Merkmalen noch folgende weitere Vorzüge:

• - Hauptkondensator und Hauptkühlturm werden kleiner,
• - die separaten Einrichtungen zur Nachwärmezufuhr (Nachwärme- Wärmetauscher, Nachwärme-Gebläse) können entfallen,
• - die Gefahr des Wassereinbruches in den Reaktorkern über die Nachwärme-Wärmetauscher (bei Rohrundichtheiten) ist nicht gegeben,
• - während des Normalbetriebes der Reaktoranlage treten keine Wärmeverluste über die Nachwärme-Wärmetauscher auf,
• - da die sekundären Kühlgaskreisläufe permanent in Betrieb sind, ist bei einer Anforderung für die Nachwärmeabfuhr ihre Ausfallwahrscheinlichkeit geringer,
• - die Dampferzeuger werden kleiner, da ein Teil der vom Reaktorkern erzeugten Wärme über die primärgasseitigen/ sekundärgasseitigen Wärmetauscher ausgekoppelt wird.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsvarianten der Hochtemperaturreaktoranlage mit Dampfkreislauf hohen Wirkungsgrades schematisch dargestellt; ferner ist ein Tempe­ ratur-Entropie-Diagramm des Dampfkreislaufes wiedergegeben. Es zeigt

Fig. 1 als erste Ausführungsvariante das Schaltschema einer Reaktoranlage mit einem sekundären Kühlgaskreislauf und einem Einwellen-Dampfturbosatz mit dreifacher Zwischenüberhitzung mittels dreier Zwischenüberhitzer,

Fig. 2 als zweite Ausführungsvariante das Schaltschema einer Reaktoranlage mit zwei sekundären Kühlgaskreisläufen und einem Einwellen-Dampfturbosatz mit dreifacher Zwischenüberhitzung mittels sechs Zwischenüberhitzern,

Fig. 3 das zur ersten und zweiten Ausführungsvariante passen­ de Temperatur-Entropie-Diagramm des Wasserdampfes.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Reaktoranlage sind im Hochtemperaturreaktor 1 der Kern 2 sowie zwei primäre Kühlgaskreislaufstränge 3, 4 angeordnet, wobei je­ der Strang 3 bzw. 4 einen primärgasseitigen/sekundärgasseitigen Wärmetauscher 5 bzw. 6, einen Dampferzeuger 7 bzw. 8 und ein Umwälzgebläse 9 bzw. 10 enthält. Die primärgasseitigen/sekun­ därgasseitigen Wärmetauscher 5 bzw. 6 sind dabei den Dampfer­ zeugern 7 bzw. 8 desselben Kreislaufstranges in Strömungsrich­ tung des Primärgases vorgeschaltet.

Ein Einwellen-Dampfturbosatz 11, der einen elektrischen Gene­ rator 12 antreibt, besteht aus einem Hochdruck-Turbinengehäuse 11 a, einem ersten Mitteldruck-Turbinengehäuse 11 b, einem zwei­ ten Mitteldruck-Turbinengehäuse 11 c, einem dritten Mitteldruck- Turbinengehäuse 11 d und einem Niederdruck-Turbinengehäuse 11 e und hat dreifache Zwischenüberhitzung.

Diese dreifache Zwischenüberhitzung erfolgt in einem ersten Zwi­ schenüberhitzer 13, einem zweiten Zwischenüberhitzer 14 und in einem dritten Zwischenüberhitzer 15, die vom Arbeitsdampf des Turbosatzes 11 nacheinander durchströmt werden. Im Normalbe­ trieb erhalten sie Wärme aus dem Gas (Helium) eines sekundären Kühlgaskreis­ laufes 16 zugeführt.

Im sekundären Kühlgaskreislauf 16 sind außer den drei Zwischen­ überhitzern 13, 14 und 15 auch die beiden primärgasseitigen/se­ kundärgasseitigen Wärmetauscher 5 und 6 angeordnet. Ein Kühler 17 mit zugehöriger Dreiwegearmatur 18 und zwei sekundäre Um­ wälzgebläse 19 sind ebenfalls dem sekundären Kühlgaskreislauf 16 zugeordnet. Diese Aggregate sind durch eine "heiße" Sekundär­ gasleitung 20 und eine "kalte" Sekundärgasleitung 21 miteinan­ der verbunden.

Innerhalb des sekundären Kühlgaskreislaufes 16 sind die drei Zwischenüberhitzer 13, 14 und 15 sowie der Kühler 17 sekundär­ gasseitig zueinander parallel geschaltet. Die beiden primärgas­ seitigen/sekundärgasseitigen Wärmetauscher 5 und 6 sind sekun­ därgasseitig zueinander ebenfalls parallel geschaltet.

An dem fünfgehäusigen Dampfturbosatz 11 ist zwischen dem drit­ ten Mitteldruck-Turbinengehäuse 11 d und dem Niederdruck-Turbi­ nengehäuse 11 e dampfseitig ein Rekuperator 22 für die Enthit­ zung des Arbeitsdampfes angeordnet. Dieser Rekuperator 22 ist während des Betriebes vom Speisewasser als wärmeaufnehmendem Me­ dium durchströmt. Dabei ist der Rekuperator 22 speisewassersei­ tig zwischen der Speisewasser-Vorpumpe 23 und der Speisewasser- Hauptpumpe 24 angeordnet.

Der während des Betriebes aus dem Niederdruck-Turbinengehäuse 11 e austretende Abdampf wird in einem Kondensator 25 nieder­ geschlagen und von dort durch eine Kondensatpumpe 26 über ei­ ne Hauptkondensatleitung 27 und einen Niederdruck-Entnahmevor­ wärmer 28 in einen Speisewasserbehälter 29 gepumpt.

Der Niederdruck-Entnahmevorwärme 28 und der Speisewasserbe­ hälter 29 werden über Entnahmeleitungen 30 und 31 vom Dampf­ turbosatz 11 her mit Heizdampf versorgt.

Aus dem Speisewasserbehälter 29 gelangt das Speisewasser über die Speisewasservorpumpe 23 und eine Mitteldruck-Speiseleitung 32 über den Rekuperator 22 zur Speisewasser-Hauptpumpe 24 und von dieser über eine Hochdruck-Speiseleitung 33 in die Dampf­ erzeuger 7 und 8.

In der Hochdruck-Speiseleitung 33 ist ein Hochdruck-Speisewas­ servorwärmer 34 angeordnet, der nur von einer Frischdampflei­ tung 35 her bedampft wird und in Störfällen (z. B. bei Turbi­ nenschnellschluß) ein Absinken der Speisewasserendtemperatur verhindert.

Von der Frischdampfleitung 35 zweigt eine Umgehungsleitung 36 des Dampfturbosatzes 11 ab, die über eine Reduzierstation 37 zum Kondensator 25 führt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsvariante der Reaktoranlage sind zwei sekundäre Kühlgaskreisläufe 16 und 16′ angeordnet, die miteinander nicht vermascht sind.

Im Kühlgaskreislauf 16 sind der primärgasseitige/sekundärgas­ seitige Wärmetauscher 5, die Zwischenüberhitzer 13, 14, 15, der Kühler 17 mit Dreiwegearmatur 18 sowie das sekundäre Umwälzge­ bläse 19 angeordnet und durch die "heiße" Sekundärgasleitung 20 und die "kalte" Sekundärgasleitung 21 miteinander verbunden.

Analog sind im Kühlgaskreislauf 16′ der primärgasseitige/sekun­ därgasseitige Wärmetauscher 6, die Zwischenüberhitzer 13′, 14′, 15′, der Kühler 17′ mit Dreiwegearmatur 18′ sowie das sekundäre Umwälzgebläse 19′ angeordnet und durch die "heiße" Sekundärgas­ leitung 20′ und die "kalte" Sekundärgasleitung 21′ miteinander verbunden.

Die übrigen Merkmale in Fig. 2 sind mit den Merkmalen in Fig. 1 identisch und mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Für eine gemäß der Erfindung zu errichtende Hochtemperaturreak­ toranlage wird man als Zahl der sekundären Kühlgaskreisläufe drei oder vier wählen, um hinsichtlich der Nachwärmeabfuhr eine ausreichende Redundanz sicherzustellen.

Das in Fig. 3 dargestellte Temperatur-Entropie-Diagramm des Wasserdampfkreislaufes zeigt die Zustandsänderungen des Dampfes. Nach dreifacher Zwischenüberhitzung mit jeweils nachfolgender Teilentspannung erfolgt die Enthitzung des Arbeitdampfes von 390°C auf 160°C bei einem Druck von ca. 5 bar. Dies bewirkt eine Aufwärmung des Speisewassers von 105°C auf 220°C. Die Vorwärmung des Kondensats von 33°C auf 105°C erfolgt durch konventionelle Entnahmevorwärmung. Die Aufwärmung des Speise­ wassers bzw. Dampfes von 220°C auf 540°C Hochdruck-Überhit­ zung erfolgt in den Dampferzeugern 7 und 8 durch Reaktorwärme.

Claims (9)

1. Hochtemperaturreaktoranlage mit mindestens einem mit primärem Helium betriebenen Kühlgaskreislaufstrang (3, 4), in dem ein Dampferzeuger (7, 8) zur Erzeugung von Arbeitsdampf angeord­ net ist, wobei der Arbeitsdampf in einem sekundären Was­ ser-Dampf-Kreislauf einem ein- oder mehrwelligen Dampftur­ bosatz (11) zugeführt wird, gekennzeichnet durch die folgen­ den Merkmale:

• a) die Anlage weist mindestens einen mit Helium betriebenen sekundären Kreislauf (16, 16′) auf (sekundärer Helium­ kreislauf), der wenigstens einen primärheliumseitigen/- sekundärheliumseitigen Wärmetauscher (5, 6) zur Aus­ kopplung von Reaktorwärme in den sekundären Helium­ kreislauf (16, 16′) enthält;
• b) jeder primärheliumseitige/sekundärheliumseitige Wärme­ tauscher (5, 6) ist in einem der Kühlgaskreislaufsträn­ ge (3 bzw. 4) dem Dampferzeuger (7 bzw. 8) in Strömungs­ richtung des primären Heliums vorgeschaltet;
• c) in jedem sekundären Heliumkreislauf (16, 16′) ist minde­ stens ein Zwischenüberhitzer (13, 14, 15 bzw. 13′, 14′, 15′) angeordnet, in dem die ausgekoppelte Reaktorwärme an den Arbeitsdampf des ein- oder mehrwelligen Gasturbo­ satzes (11) abgegeben wird;
• d) jeder sekundäre Heliumkreislauf (16, 16′) enthält wenig­ stens einen Kühler (17, 17′) für das An- und Abfahren der Anlage und für den Nachwärmeabfuhrbetrieb;
• e) in jedem sekundären Heliumkreislauf (16, 16′) ist minde­ stens ein Umwälzgebläse (19, 19′) für das sekundäre Helium angeordnet.

2. Hochtemperaturreaktoranlage nach Anspruch 1 mit mehreren Zwischenüberhitzern in jedem sekundären Heliumkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenüberhitzer (13, 14, 15) jedes sekundären Heliumkreislaufes (16) sekundärhelium­ seitig parallel- und arbeitsdampfseitig hintereinanderge­ schaltet sind.

3. Hochtemperaturreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der bzw. die Zwischenüberhitzter (13, 14, 15 bzw. 13′, 14′, 15′) und der bzw. die Kühler (17 bzw. 17′) eines jeden sekundären Heliumkreislaufes (16 bzw. 16′) sekun­ därheliumseitig zueinander parallel geschaltet sind.

4. Hochtemperaturreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedem Kühler (17 bzw. 17′) eines sekundären Heliumkreislaufes (16 bzw. 16′) sekundärheliumseitig wenig­ stens eine Dreiwegearmatur (18 bzw. 18′) zugeordnet ist.

5. Hochtemperaturreaktoranlage nach Anspruch 1 mit mehreren primärhelium-/sekundärheliumseitigen Wärmetauschern in einem sekundären Heliumkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß die primärheliumseitigen/sekundärheliumseitigen Wärmetauscher (5, 6) sekundärheliumseitig zueinander parallel geschaltet sind.

6. Hochtemperaturreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zechnet, daß zwischen dem letzten Mitteldruck-Turbinengehäu­ se (11 d) und dem(n) Niederdruck-Turbinengehäuse(n) (11 e) mindestens ein Rekuperator (22) für die Erhitzung des Ar­ beitsdampfes angeordnet ist und daß der Rekuperator (22) bzw. die Rekuperatoren während des Betriebes vom Speisewasser als wärmeaufnehmendem Medium durchströmt ist bzw. sind.

7. Hochtemperaturreaktoranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speisewasserleitung (33) wenigstens ein Hochdruck-Speisewasservorwärmer (34) angeord­ net ist, der dampfseitig nur von der Frischdampfleitung (35) bzw. von den Frischdampfleitungen her angespeist ist.

8. Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperaturreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anfahren der Anlage und/oder bei Schnellschluß des Dampfturbosatzes (11) Reaktorwärme sowie nach Abschaltung des Reaktors (1) die Nachwärme aus den Kühlgaskreislaufsträngen (3, 4) über die Wärmetauscher (5, 6) in das Helium des sekundären Kreis­ laufes (16) bzw. der sekundären Kreisläufe (16, 16′) ein­ gekoppelt wird und von diesem in den Kühler (17) bzw. in den Kühlern (17, 17′) an ein Kühlmedium (Wasser, Luft) abgegeben wird.

9. Verfahren zum Betrieb einer Hochtemperaturreaktoranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kon­ densat des Dampfturbosatzes (11) in einem oder mehreren Nie­ derdruck-Entnahmevorwärmer(n) (28) und in einem oder mehreren Speisewasserbehälter(n) (29) durch Entnahmedampf aus dem(n) letzten Turbinengehäuse(n) (11 e) vorgewärmt wird und daß das Speisewasser der Dampferzeuger (7, 8) anschließend in dem(n) Rekuperator(en) (22) durch Enthitzen des Arbeitsdampfes des Turbosatzes (11) weiter vorgewärmt wird.