DE1071095B - Dampfkraftanlage für Kernenergiekraftwerke mit gasgekühlten Reaktoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

INTERNAT. KL

. F 01 k

PATENTAM^r

L29512Ia/14h

ANMELDETAG: 23. JANUAR 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 17. DEZEMBER 1959

Die Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage für Kernenergiekraftwerke mit gasgekühlten Reaktoren, bei der im λ-Varmeaustauscher das in zwei Teilmengen aufgeteilte, durch Anzapfdampf aus der Hauptmaschine vorgewärmte Speisewasser bei zwei verbchiedenen Drücken verdampft, wobei der im Wärmeaustauscher überhitzte Dampf des Hochdruckkreislaufs sich im Hochdruckteil der Kraftmaschine auf den Druck des Sattdampfs des Niederdruckteils entspannt, sich mit dem im Wärmeaustauscher erzeugten Dampf des Niederdruckkreislaufs mischt und zusammen mit diesem im Niederdruckteil der Kraftmaschine bis auf Kondensatordruck entspannt wird.

Ein solcher Zweidruckkreislauf ist beispielsweise in dem englischen Kraftwerk Calder Hall durchge- ¹S führt worden. Ein Schema dieser Anlage ist in Fig. 1 eier Zeichnung näher erläutert: In dem Wärmeaustauscher 1 liegen eine Niederdruckverdampferheizrläche 2 α und eine Niederdrucküberhitzerheizfläche 2 b jeweils nach dem Gegenstromprinzip am gasseitigen Austritt bzw. am Eintritt. Dazwischen liegen ebenfalls im Gegenstromprinzip die Hochdruckverdampferheizfläche3a und die Hochdrucküberhitzerheizfläche 3 b. Der aus der Hochdrucküberhitzerheizfläche 3 b austretende Heißdampf ■ expandiert im Hochdruckteil 5 auf den Druck des Niederdruckkreislaufs und wird an dessen Austritt am Mischpunkt 11 mit dem aus der Niederdrucküberhitzerheizfläche 2 & kommen¹-den Dampf gemischt, so daß sich eine mittlere Mischtemperatur ergibt, mit der der gesamte aus Hoch- und Niederdruckheizflächen kommende Dampf in den Niederdruckteil 6 eintritt und bis auf den Kondensatordruck expandiert. Der Abdampf wird im Kondensator 8 niedergeschlagen. Das Kondensat wird von der Speisepumpe 9 unter Vorwärmung durch den Regenerativspeisewasservorwärmer 7 dem Wärmeaustauscher 1 wieder zugeführt. Die Speisepumpe 9 erzeugt den Druck des Niederdruckkr-eislaufs. Um zu dem Druck des Hochdruckkreislaufs zu gelangen, ist es notwendig, eine weitere HilfsSpeisepumpe 4 vorzusehen. Die Mischungstemperatur des Dampfs vor dem Niederdruckteil 6 liegt natürlich weit niedriger als die Dampftemperatur am Austritt des Wärmeaustauschers 1. Zur Vereinfachung sind die erwähnten Speisewasservonvärmer im Wärmeaustauscher fortgelassen worden.

Es ist bekannt, daß bei gasgekühlten Reaktionen das umgewälzte Gas (bevorzugt wird CO₂ benutzt,» in Wärmeaustauschern, die zur Dampferzeugung dienen, möglichst tief abgekühlt werden muß, weil sonst der Kraftbedarf und .die Kosten der Umwälzgebläse, der Rohrleitungen und des sonstigen Zubehörs zu hoch werden würden. Da zwischen der Temperatur- ^;des erzeugten Dampfs und derjenigen des Gases an _ihreni Dampfkraftanlage

für Kernenergiekraftwerke

mit gasgekühlten Reaktoren

Anmelder:

LICENTIA Patent -Verwaltungs - G. m. b. H., Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Dr.-Ing. Georg Sonnefeld, Frankfurt/M.,
ist als Erfinder genannt worden

Austritt aus dem Verdampfungsteil des Wärmeaustauschers eine gewisse Temperaturdifferenz bestehen muß, könnte bei der geforderten tiefen Abkühlung des Gases nur ein niedriger Sattdampfdruck erreicht werden. Der thermische Wirkungsgrad ist von diesem Druck abhängig und mithin auch niedrig.

Mit demselben Gewicht und derselben Abkühlung des Gases lassen sich aber mehr Leistung und ein höherer thermischer Wirkungsgrad erzielen, wenn man das Gas zuerst in einer ersten Verdampferstufe höheren Drucks, die mit einem Teil des ganzen Speisewassers beschickt wird, auf eine passende Zwischentemperatur und dann in einer zweiten, unter niedrigerem Druck stehenden Verdampferstufe, die den anderen Teil der Speisewassermenge erhält, vollends auf die Gasendtemperatur abkühlt. Der Wärmeaustauscher arbeitet im Gegenstrom. In Richtung des Gasflusses gesehen, liegen vor der ersten Verdampferstufe zwei Überhitzer, die getrennt den Dampf aus der ersten und aus der zAveiten Verdampferstufe überhitzen. Hinter der zweiten \^erdampferstufe befinden sich noch zwei Speisewasservonvärmer verschiedenen Drucks, bestimmt für die erste und die zweite Verdampferstufe.

Demgegenüber muß in Anbetracht der hohen spezifischen Baukosten eines Kernenergiekraftwerks angestrebt werden, daß ein möglichst großer Teil der vom Reaktor innerhalb des relativ niedrig liegenden Temperaturbereichs gelieferten Wärme in mechanische bzw. elektrische Nutzarbeit umgewandelt wird.

Das erfinderische Neue besteht daher darin, daß eine solche Zuordnung des Hochdruck- und des Niederdruckkreislaufs gewählt wird, daß der Dampf des Hochdruckkreislaufs nach seiner Arbeitsleistung im Hochdruckteil der Kraftmaschine mit dem im Wärmeaustauscher erzeugten Sattdampf des Niederdruckkreislaufs gemischt und zusammen mit diesem vor

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seinem Eintritt in den Niederdruckteil der Kraftmaschine, im Wärmeaustauscher überhitzt wird.

In Fig. 2 ist schematisch der Erfindungsvorschlag dargestellt. Die Bezugszeichen sind im wesentlichen die gleichen wie in Fig. 1. Unterschiedlich erfolgt hier die Mischung des Hoch- und Niederdruckdampfs in einem Mischpunkt 12, welcher vor der Niederdrucküberhitzerheizrläche 2 /; liegt, d.h., der in dem Hochdruckteil 5 expandierte Dampf aus dem Hochdruckkreislauf wird mit dem in der Niederdruckverdampferheizfläclie 2 α erzeugten Dampf gemeinsam der Niederdrucküberhitzerheizfläche 2 b zugeführt, wodurch die gesamte Dampfmenge, vor Eintritt in den Niederdruckteil 6 wieder hoch überhitzt werden kann.

Die Steigung des Nutzeffekts des Dampf kreisprozesses ist darin begründet, daß beim Vorschlag gemäß der Erfindung die. Temperatur der Gesamtdampfmenge vor dem Niederdruckteil 6 der Kraftmaschine wesentlich höher ist als die relativ sehr niedrige Mischungstemperatur, die sich bei dem bekannten Verfahren innerhalb der Kraftmaschine vor dem Niederdruckteil 6 derselben ergibt. Weiterhin ist demzufolge bei dem Vorschlag gemäß der Erfindung die Endfeuchtigkeit in den letzten Stufen der Kraftmaschine geringer, so daß zusätzlich ein höherer Maschinenwirkungsgrad und geringere Schaufelerosionen zu erwarten sind.

Das gleiche Ergebnis würde erzielt werden, wenn der Niederdrucksattdampf und der auf den Niederdruck expandierte Dampf getrennt überhitzt und danach erst vereinigt würden, bevor der Eintritt in den Niederdruckteil 6 der Kraftmaschine erfolgt. Diese Maßnahme erfordert jedoch drei einzelne Überhitzer, was gegenüber dem ersten Vorschlag eine Komplikation bedeuten würde.

Der Mehraufwand zur Durchführung des neuen A^erfahrens besteht im Vergleich zu dem bekannten lediglich im Rohrleitungsmaterial. Im Hinblick auf den Gewinn und die Gesamtkosten eines Kernenergiekraftwerks ist dieses bedeutungslos. Außerdem sind die Heizflächen im Wärmeaustauscher 1 etwas anders zu bemessen. In jedem Falle ist also eine Hebung der Wirtschaftlichkeit der Anlage zu erreichen.

Gasgekühlte Kernreaktoren benötigen zum Umwälzen des Kühlgases zwischen dem Reaktor und den Wärmeaustauschern sehr große Gebläse. Der Leistungsbedarf dieser Gebläse ist der Größenordnung nach etwa ein Zehntel der Nutzleistung der ganzen Kraftanlage. Der Wirkungsgrad dieser Gebläse und insbesondere auch der ihres Antriebs ist deshalb von großem Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage. Da die Gasumwälzung in weiten Grenzen zu regeln ist, muß der Antrieb auch bei Teillast einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen.

Benutzt werden elektrische Regelantriebe oder ein gesondertes Drehstromnetz, das mit veränderlicher Frequenz gefahren wird. Zur Stromversorgung des letzteren dienen Turbogeneratoren mit Kondensation, deren Turbinen eine in weitem Bereich arbeitende Drehzahlregeleinrichtung haben. Bei konstantem Frischdampfdruck vor der Turbine verursacht diese Regelung infolge der Drosselung einen abfallenden Wirkungsgrad bei der Drehzahlminderung. Dieses ist jedoch, wie bereits erwähnt, sehr unerwünscht.

Bei einem Reaktor ist nun die Abhängigkeit der zeitlichen Kühlgasmenge von der Belastung weitgehend ähnlich dem Verhältnis der zeitlichen Rauchgasmenge zur Belastung bei Dampfkesseln. Bei diesen ist mit gutem Ergebnis zum Antrieb der Kessellüfter verschiedentlich die sogenannte Serienturbine verwendet worden. Sie wird zwischen Kessel und Hauptmaschine geschaltet, daher auch die Bezeichnung. Die Serienturbine hat weder Ventile noch eine sonstige Regelung. Sie ist also äußerst einfach. Diese Maschine treibt über Zahnradgetriebe oder eine Drehstromübertraguug mit veränderlicher Frequenz die Kessellüfter an. Bei Laständerung der Hauptmaschine ändert sich automatisch entsprechend die Dampfdurchsatzmenge. in der Serienturbine. Die Leistung dieser ist der dritten Potenz der Durchsatzmenge verhältnisgleich. Genau die gleiche Charakteristik haben aber auch die Gebläse, so daß eine, ideale Übereinstimmung zwischen Antrieb und Gebläse besteht. Abgesehen von kleinen Korrekturmaßnahmen, sind keinerlei Regeleinrichtungen im üblichen Sinne, erforderlich. Zudem besteht der große Vorteil, daß die Serienturbine auf Grund ihrer inneren Strömungsverhältnisse über den ganzen Lastbereich hin mit konstantem Wirkungsgrad arbeitet.

Da für das Kühlgas des Reaktors und das Rauchgas des Kessels hinsichtlich der zeitlichen Mengen weitgehend gleiche Lastabhängigkeit besteht und die Kühlgasgebläse, und die Kessellüfte.r, abgesehen von ihrer gänzlich unterschiedlichen Konstruktion, gleiche Betriebscharakteristik besitzen, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, zum Antrieb der Kühlgasgebläse der Reaktoren Serienturbinen zu benutzen, und zwar direkt, z. B. über Zahnradgetriebe, oder indirekt über eine elektrische Übertragung. Im Gegensatz zur bekannten Anordnung der Serienturbine vor dem Hochdruckteil der Hauptmaschine ist die Serienlurbine zwischen den Niederdrucküberhitzer und den Niederdruckteil 6 der Hauptmaschine geschaltet. Aus der Fig. 2 geht diese Anordnung heirvor. In der Dampfleitung zwischen der Niederdrucküberhitzerheizfläche 2 b und dem Niederdruckteil 6 der Kraftmaschine ist eine Serienturbine 13 eingeschaltet, die ein Kühlgasgebläse 14 antreibt. Da beim Zweidruckprozeß die Summe der Menge beider Teilkreisläufe iür die lastabhängige Leistungsänderung der Serienturbine bestimmend ist, muß diese hinter dem Niederdrucküberhitzer und vor dem Niederdruckteil 6 der Hauptmaschine liegen. Hierin liegt zudem ein wesentlicher Vorteil gegenüber der bekannten Anordnung der Serienturbine im Höchstdruckgebiet, indem bei Niederdruck die ganze Maschine leichter gebaut werden kann, die Stopfbuchsen einfacher sind und die Stopfbuchsverluste wesentlich geringer ausfallen.
■ Zusammenfassend bietet die Dampfkraftanlage für Kernenergiekraftwerke nach der Erfindung die Vorteile einer thermischen Verbesserung und zusätzlich eines konstanten Wirkungsgrads des Gebläseantriebs bei Laständerungen. Der Aufbau ist äußerst einfach. Die Mehrkosten an Rohrleitungsmaterial werden kompensiert durch den billigeren Gebläseantrieb mittels Serienturbine. Die Regelung dieses Teils erfolgt infolge der beschriebenen Charakteristik bei Lastwechsel selbsttätig.

Die bereits erwähnten kleinen Leistungskorrekturen in der Anpassung der Serienturbine an das oder die Gebläse können durch eine Beeinflussung des Vordruckreglers und der Steuerung der Hochdruckturbine erfolgen, indem das auf die Serienturbine entfallende Druckgefälle geringfügig verändert wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Dampfkraftanlage für Kernenergiekraftwerke mit gasgekühlten Reaktoren, bei der im Wärmeaustauscher das in zwei Teilmengen aufgeteilte, durch Anzapfdampf aus der Hauptmaschine vor-

gewärmte Speisewasser bei zwei verschiedenen Drücken verdampft, wobei der im Wärmeaustauscher überhitzte Dampf des Hochdruckkreislaufes sich im Hochdruckteil der Kraftmaschine auf den Druck des Sattdampfes des Niederdruckteiles entspannt, sich mit dem im Wärmeaustauscher erzeugten Dampf des Niederdruckkreislaufes mischt und zusammen mit diesem im Niederdruckteil der Kraftmaschine bis auf Kondensatordruck entspannt wird, gekennzeichnet durch eine solche Zuordnung des Hochdruck- und des Niederdruckkreislaufes, daß der Dampf des Hochdruckkreislaufes nach seiner Arbeitsleistung im Hochdruckteil der Kraftmaschine mit dem im Wärmeaustauscher erzeugten Sattdampf des Niederdruckkreislaufes gemischt und zusammen mit diesem vor seinem Eintritt in den Niederdruckteil der Kraftmaschine im Wärmeaustauscher überhitzt wird.

2. Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum direkten oder indirekten Antrieb der Gebläse für den Kühlgasumlauf eine Turbine ohne eigene Regeleinrichtungen benutzt wird, die ein der erforderlichen Leistung angepaßtes Druckgefälle verarbeitet und im Leitungszuge zwischen dem Niederdrucküberhitzer und dem Niederdruckteil der Kraftmaschine angeordnet ist, also in Serie zum Niederdrucküberhitzer und der Niederdruckkraftmaschine liegt.

3. Dampfkraftanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungskorrektur in der Anpassung der Antriebsturbine an das oder die Gebläse das auf die Turbine entfallende Druckgefälle durch eine Beeinflussung des Vordruckreglers und der Steuerung der Hochdruckturbine in geringen Grenzen verändert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 676 515, 606 237;
Schweizerische Bauzeitung 1952, Nr. 7, S. 94;
Dr.-Ing. F. Münzinger, Atomkraft, 1955, S. 13.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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