DE3313543A1

DE3313543A1 - Zwischenueberhitzer

Info

Publication number: DE3313543A1
Application number: DE19833313543
Authority: DE
Inventors: Ingemar 59054 Sturefors Greis
Original assignee: Stal Laval Apparat Linkoeping AB; Stal Laval Apparat AB
Current assignee: ABB Stal AB
Priority date: 1982-04-22
Filing date: 1983-04-14
Publication date: 1983-10-27
Also published as: SE430716B; US4528946A; FR2525735B1; SE8202525L; FR2525735A1

Description

STAL-LAVAL Apparat AB, Linköping/Schweden

Zwischenüberhitzer

Die Erfindung betrifft einen Zwischenüberhitzer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Der Zwischenüberhitzer dient in erster Linie für die Überhitzung von Dampf (Sekundärdampf) in Kernkraftwerken, in denen die Überhitzungswärme dem von einem Reaktor oder einem Dampfgenerator gelieferten Dampf (Primärdampf) entzogen wird, der dabei kondensiert. Der Zwischenüberhitzer kann jedoch auch in anderen Anlagen mit Erfolg verwendet werden, in welchen kondensierender Dampf als Heizmedium verwendet wird.

Es sind bereits einströmige Zwischenüberhitzer bekannt, bei denen mehrere im wesentlichen vertikale Rohrbündel in einem Druckbehälter angeordnet sind und bei denen der zur Überhitzung verwendete Dampf (Primärdampf) innerhalb der Rohre kondensiert und der zu erhitzende Dampf (Sekundärdampf) in Querrichtung die Rohre des Rohrbündels umspült. Bei den bekannten Zwischenüberhitzern findet an den äußeren Rohren, die zuerst von dem zu erhitzenden Sekundärdampf getroffen werden, eine größere Wärmeübertragung statt als an den weiter innen gelegenen Rohren. Dies bedeutet, daß in den weiter außen liegenden Rohren mehr Dampf kondensiert als in den weiter innen liegenden Rohren des Rohrbündels. In einem Teil der Rohre des Rohrbündels kann eine vollständige Kondensation des Primärdampfes stattfinden, während in einem anderen Teil der Rohre Überschußdampf auftritt. Dies hat eine Ansammlung von Wasser und nichtkondensierbaren Gasen (z.B. Luft) in Teilen des Rohrbündels zur Folge, in denen die Strömung zum Stehen kommt, was zu einer schlechteren Wärmeüber-

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tragung führt. Ein anderer Nachteil hierbei ist die Gefahr von Korrosionsschäden und großen Temperaturunterschieden zwischen den Rohren.

Eine bekannte Möglichkeit zur'Vermeidung dieser Nachteile besteht darin, den Dampffluß durch die Rohre kräftig zu erhöhen, so daß Überschußdampf immer in allen Rohren des Rohrbündels oder der Rohrbündel vorkommt, und den hierbei auftretenden Überschußdampf vom Rohraustritt zum Rohreintritt zurückzuführen. Damit man unter allen Betriebsverhältnissen einen garantierten Dampffluß in allen Rohren erhält, beträgt der Rückführungsbedarf bei den bekannten Überhitzern zwischen 100 und 150 % des zur Kondensation gebrachten Primärdampfes. Die Rückführung wird mit Hilfe von Ejektoren vorgenommen, die von dem zugeführten Primärdampf angetrieben werden. Jedes Rohrbündel benötigt sein eigenes Rückführungssystem mit Ejektoren und sein eigenes Dränierungssystem zum Ableiten des Kondensats. Das Verlegen der Rohre ist kompliziert, und außerdem sind viele komplizierte und teure Dichtungen zwischen den Rohrbündeln erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrund, einen Zwischenüberhitzer der eingangs genannten Art zu entwickeln, der sich gegenüber den bekannten Zwischenüberhitzern durch einen vereinfachten Aufbau und eine größere Kapazität pro Volumeneinheit auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Zwischenüberhitzer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

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Der Zwischenüberhitzer nach der Erfindung enthält einen Druckbehälter mit mindestens einem Rohrbündel. Zweckmäßigerweise ist im oder vor dem Druckbehälter ein Feuchtigkeitsabscheider angeordnet, in dem dem Sekundärdampf die Feuchtigkeit entzogen wird, bevor er zu dem Rohrbündel gelangt, in dem er überhitzt wird. Innerhalb des Druckbehälters sind Rohre um einen zentralen Raum angeordnet, die oben an eine Eintrittsdampfkammer und unten an eine Austrittsdampfkammer angeschlossen sind. Der zentrale Raum wird somit von den Rohren begrenzt, die innerhalb .eines vorzugsweise zylinderringförmigen Raumes um den zentralen Raum herum angeordnet sind. Oben und unten ist der zentrale Raum von den Dampfkammern begrenzt. Die Dampfkammern sind durch mindestens eine Rückführleitung für Überschußdampf verbunden. Diese ist vorzugsweise in der Mitte des zentralen Raumes angeordnet. Zwischen den Rohren und der Innenwand des Druckbehälters befindet sich ein vorzugsweise zylinderringförmiger Raum. Dieser Raum wird von einer im Druckbehälter vorhandenen ringförmigen Wand in einen unteren und einen oberen Teil unterteilt. Hierdurch wird der zu überhitzende Sekundärdampf gezwungen, aus dem einen genannten Raum kommend radial nach innen in den zentralen Raum zu strömen, wobei er die Rohre in Querrichtung umspült, dann in Vertikalrichtung zu strömen und dann vom zentralen Raum aus radial nach außen in den anderen genannten Raum zu strömen, wobei er die Rohre erneut in entgegengesetzter Querrichtung umströmt.

Der Raum zwischen den Rohren und der Wand des Druckbehälters kann durch weitere radial orientierte Wände auch in drei oder mehrere Teilräume aufgeteilt werden, und der zentrale Raum kann durch entsprechend angepaßte radiale Wände in zwei oder mehrere Teilräume unterteilt werden.

Bei einer solchen Ausführung wird der zu überhitzende Sekundärdampf gezwungen, wiederholt radial quer zwischen den Rohren des Rohrbündels hindurchzuströmen.

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Eine kleinere Menge Primärdampf wird kontinuierlich vom Primärsystem abgelassen, um die Konzentration nichtkondensierbarer Gase unter einem annehmbaren Wert zu halten.

Der Druckbehälter und die Rohre sind vorzugsweise vertikal angeordnet, können jedoch auch in anderer Weise, beispielsweise horizontal, angeordnet sein. In einem vertikalen Überhitzer kann der zu überhitzende Sekundärdampf entweder von unten nach oben oder von oben nach unten geführt werden.

In einem vertikalen Überhitzer haben die Dampfkammern einen kreisförmigen horizontalen Querschnitt. Die Rohre sind nahe der Peripherie auf einen Kreisring verteilt angeschlossen. Der Primärdampf wird der oberen Kammer zugeführt, und das sich bildende Kondensat wird von der unteren Kammer abgeleitet. Der Primärdampf wird tangential an der Peripherie der oberen Kammer eingeführt, so daß der Dampf in der Kammer eine kräftig rotierende Bewegung ausführt. Hierdurch tritt in der oberen Kammer ein radialer Druckunterschied auf, wobei der Druck im Zentrum am niedrigsten und an der Peripherie am größten ist. Dieser radiale Druckunterschied bildet die treibende Kraft für die Rückführung von Dampf aus der unteren in die obere Kammer durch die zentral angeordnete Rückführleitung. Da der Sekundärdampf sowohl bei der radial nach innen gerichteten Strömung wie bei der radial nach außen gerichteten Strömung durch die Rohre des Bündels aufgeheizt wirdj erhält man eine auf die Rohre in den verschiedenen radialen Lagen gleichmäßiger verteilte Kondensation des Primärdampfes. Sowohl hierdurch als auch dadurch, daß der radiale Druckunterschied am Rohreinlauf in der oberen Dampfkammer einen größeren Dampffluß in den radial äußeren Rohrschichten als in den radial inneren Rohrschichten zur Folge hat, ist der Bedarf an rückzuführendem Dampf wesentlich kleiner als bei den bekannten Überhitzern. Es kann daher bei dem Überhitzer nach der

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Erfindung auf besondere Ejektoren mit komplizierten Rohrsystemen für die Rückführung verzichtet werden. Hierdurch wird die Konstruktion wesentlich einfacher und preiswerter. Außerdem kann der Überhitzer symmetrisch und sehr kompakt aufgebaut werden, so daß man eine hohe Kapazität pro Volumeneinheit erhält. Indem man den Überhitzer so ausbildet, daß der Sekundärdampf das Rohrbündel mehrmals in radialer Richtung durchströmt, kann man eine so weitgehende Gleichmäßigkeit der Kondensation in den Rohren des Rohrbündels erzielen, daß es ausreicht, eine sehr begrenzte Dampfmenge von der unteren Dampfkammer abzulassen, so daß man auf eine Rückführungsleitung verzichten kann.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Überhitzers nach der Erfindung können mehrere Rückführungsleitungen oder Leitungen für Ablaßdampf so angeordnet werden, daß sie vom Sekundärdampf auf solche Weise umströmt werden, daß in diesen Leitungen eine Kondensation von Primärdampf stattfindet.

Durch geeignete Einbauten in die Dampfkammer kann der Druckunterschied zwischen dem oberen und dem unteren Teil der Dampfkammer erhöht werden. Beispielsweise kann die Dampfkammer durch eine radial orientierte ringförmige Wand, die an der Innenseite der radial äußeren Wand der

oberen

Dampfkammer angeschlossen ist, in einen/Und einen unteren Raum unterteilt werden. Die Öffnung in der Mitte dieser Wand wird den Betriebsverhältnissen angepaßt und soll in der Regel größer als 30 % des Dampfkammerdurchmessers sein. Der Dampfeinlaß mündet tangential im oberen Teilraum der Dampfkammer, während die Rohre des Rohrbündels an den unteren Teilraum angeschlossen sind.

Anhand der in den Figuren gezeigten Beispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

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Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Zwischenüberhitzers gemäß der Erfindung im Vertikalschnitt,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch den Überhitzer nach Fig. 1 längs der Linie A-A in Fig. 1, Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch die obere

Dampfkammer des Überhitzers nach Fig. 1 längs der Linie B-B in Fig. 1,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch eine spezielle

Ausführungsform der oberen Dampfkammer, Fig. 5 die radiale Druckverteilung des Dampfes in einer Dampfkammer gemäß Fig. 4.

In den Figuren bezeichnet 1 einen Druckbehälter. Durch eine Leitung 2 strömt Sekundärdampf, der überhitzt werder. soll, in den Druckbehälter. Im Dampf vorhandene Feuchtigkeit wird in einem nicht gezeigten Feuchtigkeitsabscheider abgeschieden, der vor dem Überhitzer oder in dem Druckbehälter angeordnet sein kann. In dem Druckbehälter 1 ist eine große Anzahl von vertikalen Rohren 4 in einem zylinderringförmigen Raum angebracht. In diesem Raum können beispielsweise 25 zylindrische Schichten von Rohren konzentrisch zueinander angeordnet sein. Die Rohre sind an eine obere Dampfkammer 5 und an eine untere Dampfkammer 6 angeschlossen. In dem Raum 7 vor den Rohren befindet sich eine Rückführleitung 8, über die Dampf von der unteren Dampfkammer 6 zu der oberen Dampfkammer 5 geleitet wird. Das gesamte Rohrbündel einschließlich der Dampfkammern 5 und 6 kann mittels einer Tragvorrichtung 10 in dem Druckbehälter 1 aufgehängt sein. An die Dampfkammer 6 ist eine Kondensatleitung 11 mit einem Längenausgleicher 12 angeschlossen, der in der Lage ist, eine Längenveränderung des Rohrbündels auszugleichen. An die obere Dampfkammer sind eine oder mehrere Dampfleitungen 13 tangential angeschlossen. Durch diese Leitungen wird Primärdampf, beispielsweise von einem Siedewasserreaktor oder von einem Dampfgenerator, zugeführt. Aufgrund des tangentialen Anschlusses der Leitungen 13

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wird der Dampf im Raum 9 in Rotation versetzt_s wie es die Pfeile 22 andeuten. Ungefähr in halber Höhe des Druckbehälters 1 befindet sich eine horizontale, ringförmige Wand 14, die den zylinderringförmigen Raum 15 zwischen den Rohren 4 und der Wand des Druckbehälters in einen unteren Raum 15a und einen oberen Raum 15b aufteilt. Die Rohre 4 werden in verschiedenen Höhen von horizontalen Stegblechen 16 abgestützt.

Bei der Dampfkammerausführung nach Figur 4 ist der Raum durch eine Wand 17 mit einer zentralen Öffnung 18 in einen oberen Teil 9a und in einen unteren Teil 9b unterteilt.

Figur 5 zeigt, wie der Druck P des Dampfes in einer gemäß Figur 4 aufgebauten Dampfkammer 5 aufgrund der Rotationsbewegung des Dampfes mit dem Radius r variiert. Zwischen dem Zentrum und dem äußeren Radius erhält man einen Druckunterschied ΔΡ.

Der zu überhitzende Dampf wird dem Druckbehälter über die Leitung 2 zugeführt und strömt in dem ringförmigen Raum 15a nach oben und durch das ringförmige Rohrbündel aus den Rohren 4 radial nach innen in den Raum 7, wie es die Pfeile 20 zeigen. In diesem Raum strömt der Dampf nach oben und dann, wie es die Pfeile 21 zeigen, durch das Rohrbündel: radial nach außen in den Raum 15b und von dort hinaus durch die Leitung 3. Der Heizdampf wird der Dampfkammer 5 zugeführt und kondensiert beim Durchströmen der Rohre 4 nach unten, wobei der Sekundärdampf an der Außenseite der Rohre .4 erhitzt wird. Das Kondensat wird durch die Leitung 11 abgeleitet.

Da der Dampf in den einzelnen Rohren 4 des Rohrbündels unterschiedlich stark kondensiert, und zwar in Abhängigkeit der radialen Lage der Rohre, ist es erforderlich, mit einem gewissen Dampfüberschuß in den Rohren zu arbei-

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ter., damit sichergestellt wird, daß in allen Rohren eine von oben nach unten bis in die Dampfkammer 6 durchgehende Strömung stattfindet. Ohne einen solchen DampfÜberschuß kann Dampf aus der Kammer 6 in stark gekühlten Rohren nach oben strömen und Betriebsprobleme verursachen. Da der zu überhitzende Dampf das Rohrbündel einmal oder mehrmals radial in zwei Richtungen umströmt, erhält man eine gleichmäßigere Kühlung der Rohre 4 in den verschiedenen radialen Schichten im Rohrbündel. Hierdurch kann man mit einem geringeren DampfÜberschuß arbeiten. Der radiale Druckunterschied ΔΡ aufgrund der Dampfrotation in der oberen Dampfkammer ergibt die erforderliche Treibkraft für die Rückführung des Überschußdampfes von der unteren Dampfkammer 6 zu der oberen Dampfkammer 5 durch die Leitung 8. Die radiale Druckvariation hat auch zur Folge, daß eine etwas größere Dampfmenge durch die äußeren Rohrschichten nach unten strömt als durch die inneren Rohrschichten. Die äußeren Rohrschichten sind diejenigen, die am stärksten gekühlt werden und bei denen die Kondensation und der Dampfbedarf daher größer als in den inneren Rohrschichten ist. Auch dies trägt dazu bei, daß der erforderliche Dampfüberschuß klein gehalten werden kann. Der Sekundärdampf kann natürlich im Rahmen der Erfindung genau so gut in entgegengesetzter Richtung strömen, d.h., entgegengesetzt zu den in Fig. 1 gezeigten Pfeile.

In einem Kernkraftwerk kann der Druck P des Sekundärdampfes beim Eintritt in den Überhitzer ca. 8 bar und die Temperatur ca. 170⁰C betragen. Der Druck Pp und die Temperatur tp des der oberen Dampfkammer 5 zugeführten Primärdampfes kann 65 bar bzw. 280⁰C betragen. Der überhitzte Dampf kann eine Temperatur t^ von ca. 260 C erreichen. In einem größeren Kraftwerk ist der Dampffluß zu einem Überhitzer groß und kann bis zu ca. 600 kg/s betragen, und für die Überhitzung dieser Dampfmenge können 70 kg/s Primärdampf erforderlich sein.

Claims

wer

Patentansprüche

Zwischenüberhitzer oder dergleichen, z.B. für Kraftwerke, mit einem Druckbehälter (1), der mindestens ein Rohrbündel aus Rohren (4) enthält, in welchen Dampf (Primärdampf) kondensiert und welche ein äußeres Fluid, Z₀Bo Sekundärdampf oder eine Flüssigkeit, erhitzen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohre (4) des Rohrbündels um mindestens einen zentralen Raum (7) angeordnet sind und zwischen zwei Dampfkammern (5, 6) verlaufen, von denen die eine über mindestens eine Leitung (13) an eine Dampfquelle angeschlossen ist und die andere (6) an mindestens eine Dränierungsleitung (11) zum Ableiten von Kondensat angeschlossen ist, daß der zentrale Raum (7) von den Dampfkammern (5, 6) und von den innerhalb eines vorzugsweise zylinderringförmigen Raumes angeordneten Rohren (4) begrenzt wird und daß zwischen dem Rohrbündel und der Innenwand des Druckbehälters (1) mindestens zwei in Längsrichtung hintereinander liegende vorzugsweise zylinderringförmige Räume (15a, 15b) vorhanden sind, die durch eine Wand (14) derart getrennt sind, daß der Sekundärdampf gezwungen wird, aus dem Raum (15a) durch das Rohrbündel radial nach außen in den Raum (15b) zurückzuströmen oder umgekehrt.

2ο Zwischenüberhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Dampfkammern (5, 6) mindestens eine Leitung (8) zur Rückströmung von Dampf aus der Kammer (6) zur Kammer (7) vorhanden ist und daß diese Leitung vorzugsweise in dem zentralen Raum (7) angeordnet ist ο

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3. Zwischenüberhitzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfkammer (5) einen kreisförmigen Querschnitt hat und daß der Primärdampf dieser Kammer derart tangential zugeführt wird, daß der Dampf in der Dampfkammer eine Rotationsbewegung ausführt, welche einen zum Zentrum der Kammer hin abnehmenden Druck erzeugt.

4. Zwischenüberhitzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfkammer (5) durch eine Wand (17) in zwei Räume (9a) und (9b) mit kreisförmigem Querschnitt aufgeteilt ist, daß in der genannten Wand (17) eine zentrale Öffnung (18) vorhanden ist, daß der Primärdampf dem einen Raum (9a) zugeführt wird (13) und daß die Rohre (4) an den anderen Raum (9b) angeschlossen sind.

5. Zwischenüberhitzer nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Dampfkammer (5) oder in den Anschlüssen (13) Einbauten zur Beeinflussung der Rotationsgeschwindigkeit des Dampfes oder der Rückführströmung angeordnet sind.

6. Zwischenüberhitzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (4) zwisehen den Dampfkammern (5, 6) in mehreren konzentrischen kreisringförmigen Schichten um den zentralen Raum (7) herum angeordnet sind.

7. Zwischenüberhitzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Raum

(7) durch eine oder mehrere radial orientierte Wände in zwei oder mehrere Teilräume unterteilt ist und daß der Raum zwischen den Rohren (4) und der Wand des Behälters (1) entsprechend durch zwei oder mehrere radial orientierte Wände (14) in drei oder mehrere Teilräume unterteilt ist.

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β» Zwischenüberhitzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrer Ruckströmungsleitungen (8) in dem Raum (7) derart angebracht sind, daß sie von Sekundärdampf umströmt werden und in ihnen eine Kondensation von Primärdampf stattfindet.