DE1958885A1 - Einrichtung zur Trocknung und UEberhitzung von Nassdampf in Atomkernkraftwerken - Google Patents

Description

6.8.70

WESTINGHOÜSE ' Erlangen, den 22.11.69

Electric Corporation „.

Pittsburgh, PA., USA Werner-von-Siemens-Str. 50

Mein Zeichen: VPA 69/8229 Ms/Di

Einrichtung zur Trocknung und Überhitzung von Naßdampf in Atomkernkraftwerken

In großen Dampfturbineneinheiten, bei denen Frischdampf mit hohem Druck und hoher Temperatur verwendet wird, hat es sich inzwischen durchgesetzt, den Dampf nach teilweiser Entspannung im Hochdruckteil der Turbine zu trocknen. Darüber hinaus ist es üblich, diesen getrockneten Dampf anschließend zu überhitzen. Da hierbei große Dampfvolumina anfallen, ist man inzwischen dazu übergegangen, diese beiden Aufgaben in einem einzigen Gerät zu lösen, in dem ein Wasserabscheider und ein Überhitzer hintereinander geschaltet sind. Derartige Anlagen werden im allgemeinen außerhalb der Turbine zwischen dem Hochdruckteil und dem Mitteldruckteil der Turbine angeordnet. Es ist aber auch möglich, sie zwischen der Mitteldruck- und der Niederdruckturbine anzuordnen, da auch hier eine Dampftrocknung von Vorteil ist.

Bei ständig zunehmender Anlagengröße müssen auch diese Abscheider-Überhitzer-Einheiten notwendigerweise größer werden, um den größeren Volumenstrom des Dampfes bei minimalem Druckverlust zu verarbeiten, wobei jedoch ein maximaler Abscheidegrad erwünscht wird. Auf der anderen Seite muß diese Einheit aber so kompakt wie möglich sein, da ihre bauliche Größe ein kritischer Faktor für die Gesamtanlage werden kann.

Mechanische Wasserabscheider sind als solche bekannt. Im allgemeinen ist ihre Abscheidefähigkeit wesentlich abhängig von der Geschwindigkeit des durchströmenden Dampfes. Dampfabscheider des 'Demistertypes, die aus einem Maschennetz oder aus filzartig gepreßtem, fadenförmigem Material bestehen, sind besondere empfindlich gegenüber der Dampfgeschwindigkeit, wobei oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit das Netz überladen und somit

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unwirksam wird. λ q r ρ ο ο c

Derüber hinaus neigen derartige Netze dazu, bei hoher Berührungsgeschwindigkeit des Mediums zu erodieren· Aus diesem Grunde ist es erforderlich, den Naßdampfstrom in einer derartigen Weise innerhalb des Abscheiders zu verteilen und in eine gleichmäßig niedrige Geschwindigkeit zu überführen, daß auch große Volumenflüsse sicher verarbeitet werden können.

Erfindungsgemaß ist daher zur Wasserabscheidung und anschließenden Überhitzung ein waagerecht angeordneter, zylindrischer Behälter mit einem Wärmetauscher zur Überhitzung im oberen Bereich, einem sich über annähernd die gesamte Länge und Breite des Behälters erstreckenden Peinabscheider im mittleren Bereich und einer Zuleitungs- und Verteileinrichtung für den Naßdampf im unteren Bereich vorgesehen. Dabei besteht die Verteileinrichtung aus einem sich angenähert über die gesamte Länge und Breite des unteren Bereiches des Behälters erstreckenden und im Querschnitt angenähert trapezförmig ausgebildeten Kanal, der an einem Ende abgeschlossen und am anderen Ende mit der Naßdampfzuführung in der einen Stirnseite des Behälters in Verbindung steht und dessen obere Abdeckung mindestens eine Reihe rechteckiger Durchbrüche mit in Einströmungsrichtung abnehmendem Querschnitt aufweist. Durch diese Staffelung des Querschnittes wird erreicht, daß zu Beginn des Einströmkanals, wo wegen der hohen Einströmungsgeschwindigkeit nur wenig Dampf nach oben abgelenkt wird, durch größere Öffnungen in d,er Deckplatte ein hinreichend großer Strom zum Durchtritt nach oben veranlaßt und somit über die gesamte Länge der Verteileinrichtung eine Vergleichmäßigung des Dampfdurchtritts erreicht wird.

Diese Durchbrüche sind dabei mit Platten abgedeckt, die ihrerseits düsenartige Bohrungen zum Durchtritt des Naßdampfes aufweisen. Ferner sind quer zur Längsrichtung der Durchbrüche auf den Lochplatten mindestens zwei senkrechte Leitbleche angeordnet, die auf ihrer Oberseite parallel zu den Lochplatten verlaufende Prallbleche tragen.

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Der Naßdampf wird also durch die Düsenplatten getrieben, wodurch eine gewisse Entspannung eintritt. Anschließend wird der Dampf seitlich auegelenkt und in eine Beruhigungskammer geführt, bevor er dann in gleichmäßigem Strom durch den eigentlichen Wasserabscheider tritt.

Ferner kann die Abdeckung des Verteilerkanals von der Längsachse in Richtung zu den Seitenwänden geneigt sein, damit das von dem Prallblech zurückgehaltene Wasser sicher ablaufen kann. Ferner sind die entsprechend der Kontur des Behälters geformten Seitenwande des Verteilerkanals derart im Abstand von der Behälterinnenwand angeordnet, daß sich jeweils ein Kanal für ablaufendes Wasser ergibt.

Der Wärmetauscher selbst kann aus einem sich parallel zur Achse des Behälters erstreckenden U-Rohrbündel bestehen, das von einem seitlich am Behälter angeordneten Rohrboden mit entsprechenden Zu- und AbfUhrungskammern für das wärmeabgebende Medium ausgeht.

Der Peinabscheider selbst besteht aus einem filzartig gepreßten Metallgewebe.

Anhand einer schematiechen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise einer Einrichtung nach der Erfindung näher erläutert..Dabei zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt und

Fig. 2 einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie II-II durch eine derartige Einrichtung,

Fig. 3 eine Aufsicht auf eine Hälfte der Deckplatte des Verteile rkanals,

Fig* 4 eine Aufsicht auf die Deckplatte mit Lochplatte und Dampfleitvorrichtung und

Fig» 5 ein Diagramm über die Durchflußverteilung durch den eigentlichen Wasserabscheider. 009848/1036

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In der Zeichnung, insbesondere in den Fig. 1 und 2, ist eine kombinierte Wasserabscheider-Uberhitzer-Einheit 10 nach der Erfindung dargestellt, in der Wasser aus Dampf, der unter hohem Druck vorliegt, abgetrennt sowie der getrocknete Dampf anschließend überhitzt werden soll.

Diese Einrichtung besteht aus einem zylindrischen und waagerecht angeordneten Behälter 12, der an seinen beiden Stirnseiten mit nach außen gewölbten Böden 13 und 14 verschlossen ist. Das Innere des Behälters 12 ist in zwei, sich axial über die gesamte Länge erstreckende Kammern geteilt, nämlich in eine obere Kammer 15 und eine untere Kammer 16, die jeweils am Ende von Endblechen 18 und 19 begrenzt sind, während zwischen den beiden Kammern ein als Feinabscheider aufgebauter Wasserabscheider 20 angeordnet ist.

Der Wasserabscheider 20 selbst erstreckt sich in Längsrichtung von einem Endblech 18 bis zum anderen Endblech 19 und in Querrichtung über die gesamte Breite des Behälters 12. Dieser Wasserabscheider 20 ist in herkömmlicher Weise ausgeführt und besteht aus einer dichten Packung feinteiligen Materials, wie beispielsweise Stahlwolle, die willkürlich verfilzt und gepackt und in dem Behälter 12 durch entsprechende Träger 22 an den Längsseiten gehalten ist«

Die untere Kammer 16 besteht im wesentlichen aus einem Sammelraum für den Naßdampf, wobei der heiße Dampf beispielsweise von einer nicht näher dargestellten Hochdruckturbine durch einen Dampf- einlaß 23 in der Stirnseite 14 des Behälters aingeleitet und durch eine Öffnung des Endbleches 19 geführt wird.

Die obere Kammer 15 bildet den überhiteer für den wasserfreien Dampf, wobei der Naßdampf von der unteren Kammer 16 durch den Wasserabscheider 20 zuströmt, in dem das enthaltene Wasser abgeschieden wird. Der trockene Dampf strömt dann durch die obere Kammer 15» wo er in dem Wärmetauscher 24 in trockenen, überhitzten Dampf überführt wird« Der so überhitzte Dampf wird dann aus der Kammer 15 durch eine Reihe von entsprechenden Auslässen 25 zu

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einem Verbraucher, der beispielsweise eine Niederdruckturbine sein kann, geleitet.

Der Wärmetauscher 24 ist in herkömmlicher Weise aufgebaut und besteht im wesentlichen aus einem Rohrbündel 26 aus U-förmig gebogenen Rohren, die in einem Rohrboden 27 befestigt sind und sich über das Abschlußblech 18 und die volle Länge der oberen Kammer 15 bis zum Abschlußblech 19 erstrecken. Außerhalb des Endbleches 19 kann ferner noch ein halbzylindrisches Abschlußteil 28 zur Aufnahme der Rohrbögen des Rohrbündels 26 sowie auch auf der anderen Seite ein Anschlußrohrstutzen 29 vorgesehen sein, der das Rohrbündel 26 zwischen dem gewölbten Stirnboden 13 und dem Rohrboden 27 aufnimmt. Der Rohrboden 27. ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet und an seiner Außenkante mit einem halbkugelförmigen Sammler 30 in bekannter Weise verbunden. Innerhalb des Sammlers 30 befindet sich ein Trennblech 31, wodurch eine Heizdampfeinlaßkammer 32 und eine Auslaßkammer 33 für den verbrauchten Dampf gebildet wird. Der Heizdampf von einer geeigneten Quelle wird durch den Einlaßstutzen 34 zugeführt und durchströmt das U-Rohrbündel 26, um den Naßdampf in der Kammer zu überhitzen. Der Heizdampf wird dann von der Auslaßkammer 33 nach Abgabe seines Wärmeinhaltes sowie teilweiser Kondensation durch einen Stutzen 35 abgeführt.

Wie man am besten aus Fig. 2 ersieht, wird die obere Kammer 15 ferner von zwei schräg gegenüberliegenden Wandungen 36 und 37 begrenzt, die so ausgebildet sind, daß der feuchte Dampf vom Abscheider 20 zu den Rohrbündeln 26 der Überhitzerrohre geleitet wird, um einen optimalen Wärmeaustausch zu erreichen, bevor der Dampf durch die Auslässe 25 abströmt. Ferner werden die U-Rohre 26 in der oberen Kammer 15 zusätzlich noch von entsprechenden Abstandshaltern 39 gehalten, die entlang der Länge des Rohrbündels angeordnet sind.

Gemäß der Erfindung ist in der unteren Kammer 16 ein Einlaßverteiler 40 vorgesehen. Dieser Verteiler, wie er in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, besteht aus den Seitenwänden 43, der oberen Deckplatte 41 und der Bodenplatte 4.2, die sich in axialer

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Richtung im Behälter 12 von dem einen Endblech 18 bis zum anderen Endblech 19 erstrecken und am Endblech 18 durch dasselbe abgeschlossen sind, während im Endblech 19 eine öffnung 45 vorgesehenist, durch die dieser Verteiler mit dem Dämpfeinlaß 25 in Verbindung steht. Diese Wandungen 41 bis 43 bilden den sich axial erstreckenden Naßdampfströmungsweg 46 mit etwa trapezförmigen Querschnitt, der sich parallel zum Wasserabscheider 20 erstreckt, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Die Seitenwände 43 sind parallel zur Kontur der äußeren Behälterwandung 12 gebogen und in einem geringen Abstand dazu angeordnet, so daß schmale P Abflußpassagen 48 gebildet werden, durch die das vom Wasserabscheider 20 aus dem Naßdampf abgeschiedene Wasser zu einem entsprechenden Wasserabfluß 50 abgeführt werden kann.

Die obere Abdeckung 41 des Verteilers besteht aus zwei schräg nach außen abfallenden Blechen 41a und 41b (siehe Pig. 2), um ein Ablauf des Wassers zu den Passagen 43 zu ermöglichen. Da diese Teile 41a und 41b identisch sind, ist lediglich das Teil 41a im einzelnen in Pig. 3 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Abdeckung 41a ist mit zwei Reihen 51 und 52 rechteckiger k öffnungen 54a bis 54g versehen. Diese öffnungen nehmen von rechts nach links in ihrer Größe ab, d.h. die öffnung 54a, die dem Dampfeinlaß am nächsten liegt, hat den größten Durchlaßquerschnitt, während die öffnung 54g den kleinsten Querschnitt aufweist. Über jeder dieser öffnungen 54a bis 54g ist eine Leitvorrichtung 56 für die Dampfströmung vorgesehen, wie aus Pig. 1 zu ersehen ist.

Diese Dampf leitvorrichtungen 56 sind im wesentlichen gleichartig aufgebaut» wie in den Pig. 1 und 2 angegeben ist. In Pig. 4 ist eine dieser Dampf leitvorrichtungen 56 in vergrößerter, isometrischer Darstellung gezeigt, und zwar diejenige, die über der rechteckigen öffnung 54a angeordnet ist. Die öffnung 54a ist dabei mit einer Düsenplatte 57 verschlossen, die eine große Reihe kreisförmiger öffnungen gleicher Größe aufweist. In bestimmten Abständen entlang dieser Düsenplatte 57 sind eine Reihe

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von Leitblechen 60 senkrecht zur oberen Begrenzungswand 41a angeordnet. Diese Leitbleche erstrecken sich quer zur Strömungsrichtung des Naßdampfes im eigentlichen Verteiler 46, wie das durch die Pfeile KD angedeutet ist, und weisen gleiche Größe und rechteckigen Querschnitt auf. Ferner ist parallel zu der Abdeckung 41a an den oberen Enden der Leitflächen 60 eine Prallplatte 61 vorgesehen, die auf den Oberkanten der Leitflächen 60 befestigt ist. Dabei sind die Leitbleche 60 etwas länger als die Breite der rechteckigen öffnung 54a, während die Prallplatte 61 etwa die gleiche Länge und Breite wie die öffnung 54a aufweist.

Obwohl die DampfIeitvorrichtungen 56 von gleichem Aufbau sind, weisen die DUeenplatten 57 entsprechend der Größe der jeweiligen öffnungen 54a bis 54g jeweils kleinere Gruppen von öffnungen auf. Das bedeutet, daß der Gesamtquerschnitt der öffnungen in jeder Gruppe kleiner wird entsprechend der Fläche der entsprechenden rechteckigen öffnungen 54a bis 54g·

Wie aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, ist die obere Deckplatte des Verteilers in einem gewissen Abstand unterhalb dee Dampfabscheiders 20 angeordnet, so daß dazwischen ein Raum 62 freibleibt, in dem der Dampf diffundieren kann.

Bevor die Wirkungsweise eines Abscheiders nach der Erfindung näher erläutert wird, soll zunächst allgemein die Strömung durch eine einfache Lochplatte untersucht werden.

Wegen der hohen Geschwindigkeit des Dampfes in einem derartigen Verteiler kann ein gleicher Durchfluß durch die Öffnungen in den Lochplatten nicht erreicht werden, weil der Durchlaßkoeffieient in der Nähe des Einlasses dieses Verteilers klein ist, da die Geschwindigkeit des Naßdämpfeβ !■ Verteiler hoch und die StrÖMungsrichtung parallel eu den Lochplatten gerichtet ist· In der Bähe des abgeschlossenen Endes ist jedoch der Durchlaßkoeffizient hoch, da die Geschwindigkeit und der statische

Druck gering sind· .,

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Daher ist, wie aus dem Diagramm in Fig· 5 entnommen werden kann, der Durchfluß D1 vom Verteiler zum Feinabscheider 20 nicht gleichmäßig. Er wächst vielmehr in Strömungsrichtung St \on einem sehr geringen Wert am Einlaß zu einem hohen Wert am Auslaß an. Der Wasserabscheider wird unter derartigen Bedingungen gefährlich mit Naßdampf an einem Ende überladen und am entgegengesetzten Ende nur sehr wenig ausgenutzt. Das bedeutet, daß der Abscheider im Überlastbereich seine Funktion größtenteils einstellt bzw. daß er nicht den erforderlichen Betrag von Wasser von dem Naßdampf zurückhält. Wenn darüber hinaus ein Wasserabscheider des beschriebenen Types verwendet wird, kann das Füllmaterial wegen der hohen Aufprallgeschwindigkeiten in den überladenen Bereichen hohen Erosionen ausgesetzt werden.

Mit einer Anordnung nach der Erfindung kann der Durchfluß, wie durch die Linie D2 in Fig. 5 angedeutet ist, auf einem annähernd gleichmäßigen Wert über die gesamte Länge des Verteilers 26 gehalten werden, obwohl der Durchflußkoeffizient des Naßdampfes nicht gleichmäßig ist. Dadurch ist der eigentliche Wasserabscheider 20 einer glefchmäßigen Beladung ausgesetzt und kann dadurch das Wasser aus dem Naßdampf mit höchstem Wirkungsgrad abscheiden.

Im einzelnen beruht die Wirkungeweise dee Verteilers und der Strömungsleitvorrichtungen 56 auf folgendem: Der Naßdampf mit hoher Geschwindigkeit und unter hohen Druck strömt durch den Einlaß 23 in die Verteilerleitung 46 zunächst in einer Richtung parallel zur Ebene des Wasserabscheider 20, wie durch die Pfeile ND angedeutet ist. Wegen der Druckdifferenz oberhalb der Trennwand 41 des Verteilers - wie man am besten aus Fig* 4 ersehen kann₇ strömt der Dampf nach oben und durch die öffnungen 54a bis 54g in jeweils gleicher Menge hindurch. Der Durchfluß durch die einzelnen öffnungen erfolgt in der Form von getrennten Einzelstrahlen, wobei diese Strahlen durch die Leitbleche 60 nach oben gerichtet werden, bis sie auf die Prallplatte 61 treffen. Biese ' Prellplatten 61 haben die Aufgabe, die einzelnen Strahlen*abzulenken und eine direkte Berührung dieser Strahlen mit dem elgent-

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lichen Wasserabscheider 2o zu vermeiden.

Die prallplatte 61 und die zugehörigen Leitbleche 60 dienen ferner dazu, um eine Vielzahl von entgegengerichteten Leitkanälen 65 zu bilden, durch die die abgelenkten Strahlen in den Diffusionsraum 62 gelangen. Während dieses Schrittes wird die Anfangsgeschwindigkeit der Strahlen teilweise gemindert, so daß dann der feinverteilte Naßdampf in einem gleichförmigen Strom und mit gleicher Geschwindigkeit nach oben zu dem eigentlichen Wasserabscheider 20 geführt wird.

Der eigentliche Wasserabscheider 20 ist so ausgebildet, daß ein Höchstbetrag an Wasser aus dem Naßdampf ausgeschieden wird, bevor dieser Dampf in den eigentlichen Wärmetauscher 24 eintritt. In diesem Wärmetauscher 24 wird dann der Dampf in trocknen und überhitzten Zustand überführt, bevor er durch die Auslässe 25 abströmt.

8 Patentansprüche

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Claims (2)

Patentansprüche VPA 60/8229

1. Einrichtung zur Wasserabscheidungaus Naßdampf und Überhitzung, insbesondere Zwischenüberhitzung, des getrockneten Dampfes in Dampfkraftanlagen, insbesondere Atomkernkraftwerken, gekennzeichnet durch einen waagerecht angeordneten zylindrischen Behälter (12) mit einem Wärmetauscher (24) zur Überhitzung im oberen Bereich, einem sich über angenähert die gesamte Länge und Breite des Behälters (12) erstreckenden Peinabscheider (20) im mittleren Bereich und einer Zuleitungs- und Verteileinrichtung (46) für den Naßdampf im unteren Bereich des Behälters. fe

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteileinrichtung aus einem sich angenähert über die gesamte Länge und Breite des unteren Bereiches des Behälters (12) erstreckenden und im Querschnitt angenähert trapezförmig ausgebildeten Kanal (46) besteht, der an einem Ende abgeschlossen und am anderen Ende mit der Naßdampfzuführung (23) in der einen Stirnseite (14) des Behälters (12) in Verbindung steht, und dessen obere Abdeckung (41) mindestens eine Reihe (51,52) rechteckiger Durchbrüche (54a - 54g) mit in Einströmrichtung abnehmendem Querschnitt aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (54a - 54g) mit Platten (57) abgedeckt sind, die ihrerseits düsenartige Bohrungen (58) zum Durchtritt des Naß-

W dampfes aufweisen.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3_f dadurch gekennzeichnet, daß quer zur Längsrichtung der Durchbrttche (54a - 54g) auf den Lochplatten (57) -mindestens zwei senkrechte Leitbleche (0)

♦ angeordnet sind, die auf ihrer Oberseite parallel zu den Lochplatten (57) verlaufende Prallbleche (61) tragen.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (41) des Verteilerkanals (46) von der Längsachse in Richtung zu den Seitenwänden (43) geneigt ist.

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(■. Hinrichtung nach Anspruch ?, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechend der Kontur dee Behälters (12) geformten Seitenwände (43) des Verteilerlcanals (46) derart im Abstand von der Behälterinnenwand (12) angeordnet sind, daß eich jeweils ein Kanal (48) für ablaufendes Wasser ergibt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher aus einem sich parallel zur Achse des Behälters (12) erstreckenden U-Rohrbündel (26) besteht, das von einem seitlich am Behälter (12) angeordneten Rohrboden (27)
mit entsprechenden Zu- und AbfUhrungskammern (32,33) für das wärmeabgebende Medium ausgeht.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Peinabscheider (20) aus einem filzartig gepreßten Metallgewebe besteht.

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