CH642142A5 - Method for preventing the overcooling of condensate in the pipes of a reheater - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneter Nacherhitzer, der in einer einstufigen Ausführungsform insbesondere für Atomkernenergie-Dampfturbinenkraftwerke geeignet ist. The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and to a reheater which is suitable for carrying out this method and which, in a one-stage embodiment, is particularly suitable for nuclear nuclear power steam turbine power plants.
Der Dampf von einem mit fossilem Brennstoff geheizten Kessel ist im allgemeinen heiss und trocken und er enthält genügend Energie für den Betrieb einer Hochdruckturbine. Anschliessend wird der Dampf im allgemeinen im Kessel nachei hitzt, so dass er zuerst in Mitteldruck- und dann in Niederdruck-Stufen Nutzarbeit zu leisten vermag. DerDampf von einem durch Kernenergie geheizten Dampfgenerator oder Reaktor ha-andererseits im allgemeinen eine verhältnismässig niedrige Tem peratur und ist gesättigt. Nachdem er eine Hochdruckturbinenstufe durchströmt hat, enthält der durch Kernenergie erzeugte Dampf so viel mitgefuhrte Feuchtigkeit, dass er hiervon befreit werden muss und ausserdem vorzugsweise auch nacherhitzt werden soll, um seine Enthalpie zu erhöhen, damit er zuverlässij weitere Nutzarbeit zu leisten vermag. The steam from a fossil fuel boiler is generally hot and dry and contains enough energy to operate a high pressure turbine. Subsequently, the steam is generally reheated in the boiler, so that it can perform useful work first in medium pressure and then in low pressure stages. The vapor from a nuclear-powered steam generator or reactor, on the other hand, generally has a relatively low temperature and is saturated. After it has passed through a high-pressure turbine stage, the steam generated by nuclear energy contains so much moisture that it has to be freed from it and should preferably also be reheated in order to increase its enthalpy so that it can reliably perform further useful work.
Es sind bereits verschiedene Typen von Wasserabscheider-Nacherhitzern bekannt, siehe z. B. die US-PS 3 712272. Der aus dieser Patentschrift bekannte Wasserabscheider-Nacherhitzer enthält zwei Nacherhitzerabschnitte mit jeweils einer Bank odei einem Bündel von U-förmigen Rohren, die sich longitudinal in einen druckfesten Mantel erstrecken und ein Kopfstück zur Einführung eines Heizfluids (Dampf) zu den Rohren und zum Abziehen des Fluids (Kondensat) von den Rohren enthalten. Das Kopfstück ist mit einer vertikalen Leitplatte versehen, die ir wesentlichen in der Mitte des Kopfstücks angeordnet ist und es ii einen Einlass- und einen Auslassabschnitt unterteilt. Das eine Ende jedes Rohres steht mit dem Einlassabschnitt und das andere Ende mit den Auslassabschnitt in Verbindung. Im Betrieb wird gesättigter Heizdampf durch den Einlassabschnitt des Kopfstücks in die U-förmigen Rohre eingespeist, durchströmt die Rohre und tritt aus ihnen durch den Auslassabschnitt des Kopfstücks aus und alles Kondensat, das sich in den Nacherhit-zer-Rohren bildet, wird durch einen einzigen Abfluss geleitet, der im Auslassabschnitt vorgesehen ist. Various types of water separator reheaters are already known, see e.g. See, for example, US Pat. No. 3,712,272. The water separator reheater known from this patent contains two reheater sections, each with a bank or a bundle of U-shaped tubes, which extend longitudinally into a pressure-resistant jacket and a head piece for introducing a heating fluid (steam ) to the pipes and to withdraw the fluid (condensate) from the pipes. The head piece is provided with a vertical guide plate which is arranged substantially in the middle of the head piece and which divides an inlet and an outlet section. One end of each tube communicates with the inlet section and the other end with the outlet section. In operation, saturated heating steam is fed into the U-shaped tubes through the inlet portion of the header, flows through and exits the tubes through the outlet portion of the header, and all of the condensate that forms in the after-heater tubes becomes one Discharge directed, which is provided in the outlet section.
Ein weiteres Beispiel eines Wasserabscheider-Nacherhitzers, der zwei Nacherhitzerrohrbündel enthält, ist aus der US-PS 3 713 278 bekannt. Bei dieser bekannten Konstruktion ist das Kopfstück mit einer im wesentlichen horizontalen Trenn- oder Leitplatte versehen, die im wesentlichen in der Mitte des Kopf- Another example of a water separator post-heater which contains two post-heater tube bundles is known from US Pat. No. 3,713,278. In this known construction, the head piece is provided with a substantially horizontal separating or guide plate, which is essentially in the middle of the head
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stiicks angeordnet ist und dieses in einen oberen Einlassabschnitt wird, um grosse Mengen von Spüldampf in die Rohre des sowie einen unteren Auslassabschnitt unterteilt. Die U-förmigen Heizelements zurückzuleiten. Die Einlassenden von in einer stiicks is arranged and this is divided into an upper inlet section to large amounts of flushing steam in the pipes and a lower outlet section. To return the U-shaped heating element. The inlet ends of in one
Biegungen der Rohre verlaufen also in vertikaler Richtung. vertikalen Ebene angeordneten, U-förmigen Rohren können mit Bends of the pipes therefore run in the vertical direction. vertical plane, U-shaped tubes can be used
Ein Wasserabscheider-Nacherhitzer, der ein einziges Nacher- unterschiedlichen Öffnungen versehen sein, um besser zu ge-hitzerrohrbündel enthält, ist aus der US-PS 3593500 bekannt. s währleisten, dass den einzelnen Rohren genügend Dampf zuge-Bei allen diesen bekannten Wasserabscheider-Nacherhitzer- leitet wird, um eine Unterkühlung von Kondensat zu vermeiden. Konstruktionen können unter gewissen Betriebsbedingungen Der Frischdampf, der stromaufwärts von der Hochdruckturbine beträchtliche Mengen des Nacherhitzungsdampfs in den am entnommen wird, dient als Heizfluid (Dampf) für das Rohrbün-stärksten belasteten Rohren kondensieren. Wenn der ganze del. Bei einem nuklearen Reaktor oder Dampferzeuger sind die Dampf, der in diese Rohre eintritt, vor dem Rohrende vollstän- io Schwankungen des Frischdampfdrucks über den Belastungsbe-dig kondensiert, kann sich unterkühltes Kondensat ansammeln. reich der Turbine minimal. Es ist ein Weg vorgesehen, um eine Die bei der Unterkühlung von Kondensat auftretenden Proble- Dampfstrahlpumpe mit Frischdampf zu speisen, der stromauf-me und die damit zusammenhängenden Instabilitäten sind be- wärts vom Drosselventil oder den Drosselventilen der Speiselei-kannt. Man weiss zwar bereits, dass Rohröffnungen und Rohr- tung des Rohrbündels abgenommen wird. Ferner sind Rohrlei- • bündelspülungen einen günstigen Einfluss haben und die obigen 15 tungen vom Auslassteil des Kopfstücks des Rohrbündels zum Probleme erleichtern. Rohröffnungen sind aus der US-PS Niederdruck-Ansauganschluss der Dampfstrahlpumpe vorgese-3 073 575 bekannt. Bei Rohrbündelspülungen, wie sie z. B. in der hen. Durch diese Massnahmen ist der Druck des Treibdampfes US-PS 3724212 beschrieben sind, wird die Spülströmung typi- für die Dampfstrahlpumpe mindestens 1,5 mal (und bis zu 10 scherweise zu einem tieferen Punkt im System abgeleitet. Dies mal) grösser als der des Spüldampfes. Mit einem solchen Druckhat jedoch erhebliche thermodynamische Verluste zur Folge. 20 Verhältnis von mindestens 1,5 bewirkt die Dampfstrahlpumpe A water separator post-heater, which has a single post-different openings, in order to better contain heating tube bundles, is known from US Pat. No. 3,593,500. s ensure that enough steam is supplied to the individual pipes - with all these known water separators - after-heater - to avoid undercooling of condensate. Structures can condense under certain operating conditions. The live steam, which upstream of the high pressure turbine draws significant amounts of the reheat steam in the am, serves as the heating fluid (steam) for the tube bundles with the greatest load. If the whole del. In a nuclear reactor or steam generator, the steam that enters these pipes condenses completely before the pipe ends, fluctuations in the live steam pressure over the loading area, and supercooled condensate can accumulate. range of the turbine minimal. A way is provided in order to supply the Proble steam jet pump which occurs during the supercooling of condensate with live steam, the upstream and the associated instabilities are known from the throttle valve or the throttle valves of the feeder. It is already known that the pipe openings and piping of the pipe bundle are removed. Furthermore, pipe bundle flushing has a beneficial influence and makes the above 15 problems from the outlet part of the head piece of the pipe bundle easier. Pipe openings are known from the US-PS low pressure suction port of the steam jet pump vorese-3 073 575. In tube bundle rinsing, as z. B. in the hen. These measures describe the pressure of the propellant steam US Pat. No. 3,724,212, the purge flow is typically at least 1.5 times (and up to 10 usually diverted to a lower point in the system for steam jet pumps) than that of the purge steam . With such a pressure, however, there is considerable thermodynamic loss. The steam jet pump produces a ratio of at least 1.5
Aus der US-PS 3830293 ist ein Verfahren zur Rückführung (die auch als Hochdruck-Thermokompressor, d. h. als Thermo- US Pat. No. 3,830,293 discloses a method for recycling (which is also used as a high-pressure thermocompressor, i.e. as a thermo-
von Spüldampf in Rohr-Mantel-Wärmetauschern, die mit einem kompressor mit hohem AP bezeichnet werden kann), dass of purge steam in tube-shell heat exchangers, which can be called a high AP compressor) that
Rohrbündel arbeiten, bekannt. In der Dampfzuführungsleitung wesentlich mehr Spüldampf abgezogen als Treibdampf zugeführt des Rohrbündels wird ein mit kleiner Druckdifferenz (ca. 0,7 bis wird. Für den Auslass- oder Abdampf der Dampfstrahlpumpe, Tube bundles work, known. Substantially more flushing steam is drawn off in the steam supply line than motive steam is supplied to the tube bundle with a small pressure difference (approx. 0.7 to. For the outlet or exhaust steam of the steam jet pump,
1,4-105 pa oder etwa 10 bis 20 psid) arbeitender Thermokompres- 25 der einen mittleren Druck hat, sind Rohrleitungen zu seiner sor verwendet, um eine Rezirkulation des Spüldampfes im Einspeisung in die Einlasskammer des Kopfstücks des Rohrbün- 1.4-105 pa or about 10 to 20 psid) working thermocompressor 25 which has a medium pressure, pipes to its sor are used to recirculate the purge vapor in the feed into the inlet chamber of the head of the pipe collar.
Rohrbündel zu bewirken. Die Menge des durch diese Technik dels vorgesehen. To effect tube bundles. The amount of dels provided by this technique.
rezirkulierten Spüldampfes reicht jedoch nicht aus, ein Unter- Durch diese Massnahmen können Spüldampfdurchsätze in der kühlen des Kondensats zu vermeiden, da der geringe Druckun- Grössenordnung von 50 bis 100 % des Rohrbündeldurchsatzes, Recirculated scavenging steam is not sufficient, however. These measures can avoid rinsing steam throughputs in the cooling of the condensate, since the low pressure of around 50 to 100% of the tube bundle throughput,
terschied am Thermokompressor diesen sehr unwirksam macht 30 der durch die benötigte, abzugebende Wärme bestimmt ist, bei und sich keine Angaben darüber finden, dass eine alternative solchen Teillastbedingungen leicht erreichbar, bei denen die Difference on the thermocompressor makes it very ineffective 30, which is determined by the heat to be given off, and there is no information that an alternative such partial load conditions can easily be achieved, in which the
Quelle für Dampf höheren Drucks wünschenswert oder notwen- Einlassströmung gedrosselt ist und hohe Spüldampfdurchsätze dig sei. benötigt werden. Die bekannten Probleme hinsichtlich der Kon- Source for higher pressure steam is desirable or necessary - inlet flow is throttled and high purge steam throughput is dig. are needed. The known problems regarding the
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Auf- densatunterkühlung und der damit zusammenhängenden Insta- Accordingly, the invention relates to supercooling and the associated insta
gabe zugrunde, die Unterkühlung von Kondensat im Rohrbün- 35 bilitäten werden auf diese Weise weitestgehend vermieden. Da del eines Nacherhitzers zu vermeiden. der Spüldampf ausserdem durch das oder die Rohrbündel konti- The underlying principle is that the supercooling of condensate in the tube bundle is largely avoided in this way. To avoid del afterheating. the flushing steam through the tube bundle or tubes
Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete nuierlich rezirkuliert oder zurückgeführt wird, erfolgt die wei- This task is recirculated or recirculated by the method characterized in claim 1, the further
Verfahren bzw. den im Anspruch 3 gekennzeichneten Nacherhit- testgehende Unterdrückung der Kondensatunterkühlung mit zer gelöst. einem Minimum an thermodynamischen Verlusten. Zur Entfer- Method or the post-heating test-suppression of the condensate supercooling resolved with zer. a minimum of thermodynamic losses. To remove
Bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden 40 nung etwaiger nicht kondensierbarer Gase, die sich ansammeln In the preferred embodiments of the present invention, any non-condensable gases that accumulate
Erfindung wird eine mit hoher Druckdifferenz zwischen Treib- können, wird zweckmässigerweise eine kleine Entleerung vorge- Invention is one with a high pressure difference between propellants, a small emptying is expediently provided
dampf und Ansaugdampf arbeitende Dampfstrahlpumpe dazu sehen. Bei hohen Leistungen, bei denen der dem Rohrbündel verwendet, beträchtliche Mengen von Spüldampf im Nieder- oder den Rohrbündeln zugeführte Heizdampf nicht mehr gedros-druck-Rohrbündel der ersten Stufe eines zweistufigen Nacherhit- seit wird, kann ferner die Wärmeabgabeleistung der zahlreichen zers zu rezirkulieren. Für den Antrieb bzw. Betrieb der Dampf- 45 U-Rohre des Bündels leicht durch unterschiedliche Rohröffnun- See steam and suction steam working steam jet pump. At high powers, in which the pipe bundle uses considerable amounts of flushing steam in the down- or the pipe bundles, heating steam no longer becomes the first stage of a two-stage reheat-pressure pipe bundle, the heat output of the numerous zeros can also be recirculated. For the drive or operation of the steam 45 U tubes of the bundle easily through different tube openings
strahlpumpe werden relativ kleine Mengen Hochdruck-Spül- gen in Verbindung mit einer verhältnismässig geringen Strö- jet pumps use relatively small amounts of high-pressure flushing in conjunction with a relatively low flow rate.
dampf vom Hochdruck-Rohrbündel der zweiten Stufe verwen- mungsgeschwindigkeit von Spüldampf, der zu einem niedrigeren det. Für diesen Betrieb sind zwei Rohrbündel erforderlich, die Punkt des Systems abgeleitet wird, leicht eingestellt oder ver- steam from the high pressure tube bundle of the second stage use speed of flushing steam, which det to a lower. For this operation two tube bundles are required, the point of the system is derived, easily adjusted or changed
mit wesentlich verschiedenen Drücken arbeiten. gleichmässigt werden. Unter diesen Bedingungen kann die work with significantly different pressures. be evened out. Under these conditions, the
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die so Dampfstrahlpumpe, wenn auch mit geringerem Wirkungsgrad In another embodiment of the invention, the steam jet pump is so, albeit with less efficiency
Unterkühlung von Kondensat in einem einstufigen Nacherhitzer weiter arbeiten, um ein erneutes Anfahren bei einem späteren oder Zwischenerhitzer erfindungsgemäss dadurch im wesentli- Lastwechsel zu vermeiden. Continue working undercooling of condensate in a one-stage reheater in order to avoid a renewed start-up in a later or reheater according to the invention, essentially changing the load.
chen vermieden, dass für den Betrieb einer mit hohem Druckun- Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung terschied arbeitenden Dampfstrahlpumpe gedrosselter Frisch- unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Chen avoided that for the operation of a high-pressure fresh air throttled in the following embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing.
dampf verwendet wird, um mit minimalen thermodynamischen 55 Es zeigen: steam is used to show with minimal thermodynamic 55
Verlusten wesentlich grössere Mengen von Spüldampf, als es Fig. 1 eine etwas schematisierte vertikale Querschnittsansicht bisher möglich war, zurückzuspeisen und im Umlauf zu halten. eines zweistufigen Nacherhitzers sowie zugehöriger Anlagenteile Losses of much larger amounts of flushing steam than was previously possible in FIG. 1, a somewhat schematic vertical cross-sectional view, to feed back and keep it in circulation. of a two-stage reheater and associated system parts
Durch die Erfindung kann also eine Unterkühlung von Kon- gemäss einer Ausführungsform der Erfindung; The invention thus enables supercooling of cones in accordance with one embodiment of the invention;
densat in den Rohren eines einstufigen Nacherhitzers mit mini- Fig. 2 eine etwas schematisierte vertikale Querschnittsansicht malen thermodynamischen Verlusten verhindert werden, indem fio eines einstufigen Nacherhitzers und zugehöriger Anlageteile man Frischdampf, der in Strömungsrichtung vor dem Drossel- gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 2 a somewhat schematic vertical cross-sectional view of thermodynamic losses can be prevented by fio a single-stage post-heater and associated system parts one live steam, which is upstream of the throttle according to a preferred embodiment of the invention,
ventil oder den Drosselventilen in der Speiseleitung für das und valve or the throttle valves in the feed line for that and
Rohrbündel entnommen wurde, zum Antrieb einer wirkungsvol- Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt einer Dampfstrahlpumpe, 3 was a vertical cross section of a steam jet pump,
len, mit hoher Druckdifferenz arbeitenden Dampfstrahlpumpe wie sie in der Einrichtung gemäss Fig. 2 verwendet werden kann, len steam jet pump operating with a high pressure difference, as can be used in the device according to FIG. 2,
verwendet. 65 Der in Fig. Idargestellte Nacherhitzer 10 enthält einen used. 65 The reheater 10 shown in FIG. 1 contains one
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfin- Druckbehälter 12, der typischerweise mehrere Dampfeinlässe 13 In a preferred embodiment of the present invention pressure vessel 12, which typically has a plurality of steam inlets 13
dung werden diese Vorteile dadurch erreicht, dass in einem und mehrere Dampfauslässe 14 enthält, damit der zu trocknende einstufigen Nacherhitzer eine Dampfstrahlpumpe vorgesehen und wieder zu erhitzende Dampf leichter hindurchgeleitet wer- These advantages are achieved in that contains one and several steam outlets 14 so that the single-stage reheater to be dried is provided with a steam jet pump and steam to be reheated is more easily passed through.
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den kann. that can.
Die vom zugeführten Dampf mitgeführte Feuchtigkeit wird durch Wasserabscheideplatten 15 in bekannter Weise im wesentlichen vollständig entfernt. Die Wasserabscheideplatten haben eine sehr grosse Oberfläche mit sogenannten «Wackelplatten» und einem zugehörigen Ableitsystem (nicht dargestellt), welches das von den Platten ablaufende Wasser sammelt und einen Weg für die Entfernung des Wassers aus dem Mantel oder Druckbe- -hälter 12 bildet. The moisture entrained by the steam supplied is substantially completely removed by water separating plates 15 in a known manner. The water separator plates have a very large surface area with so-called “wobble plates” and an associated drainage system (not shown), which collects the water running off the plates and forms a path for the removal of the water from the jacket or pressure vessel 12.
Unmittelbar oberhalb der Wasserabscheideplatten 15 sind im Wege des von den Dampfeinlässen 13 zu den Dampfauslässen 14 strömenden Dampfes mehrere Nacherhitzer 16 und 17 angeordnet. Immediately above the water separating plates 15, several reheaters 16 and 17 are arranged in the way of the steam flowing from the steam inlets 13 to the steam outlets 14.
Der Nacherhitzer 16 der ersten Stufe enthält ein Rohrbündel 18 und ein Kopfstück 19. Der Nacherhitzer 17 der zweiten Stufe enthält ein Rohrbündel 20 und ein Kopfstück 21. Die Rohrbündel 18 und 20 enthalten jeweils eine Anzahl von U-förmigen Rohren 22, zwischen denen und dem durchströmenden mantelseitigen Dampf ein Wärmeübergang stattfindet. Die U-Rohre 22 führen jeweils gesättigten Dampf hohen Druckes, auf dessen Herkunft noch eingegangen wird, und enthalten j eweils einen nahezu horizontalen Abschnitt 23, einen runden, vertikal orientierten U-Biegungsabschnitt 24 und einen nahezu horizontalen Auslassabschnitt 25. Die Kopfstücke 19 und 20 enthalten jeweils eine Leit- oder Trennplatte 32, welche das jeweilige Kopfstück in eine obere Einlasskammer 33 bzw. 35 und eine untere Auslasskammer 34 bzw. 36 unterteilt, welch letztere eine kleine Ablauföffnung hat. Jedes Rohr der Rohrbündel 18 und 20 hat ein Einlassende, das mit der oberen Einlasskammer des zugehörigen Kopfstücks in Verbindung steht, während ihr anderes Ende mit der unteren Auslasskammer desselben Kopfstücks verbunden ist. Der Einlasskammer 33 des Kopfstückes der ersten Stufe wird gesättigter Dampf, dessen Druck wesentlich höher ist als der mantelseitige Dampf, durch eine Rohrleitung 40 zugeführt, die ein Ventil 42 enthält und von einer Anzapfung einer nicht dargestellten Hochdruckturbine kommt. Der Dampf durchströmt die Rohre 22 des Nacherhitzers 16 und gibt dabei Wärme an den mantelseitigen Dampf ab, wobei er in den Rohren zumindest teilweise kondensiert. Das entstehende Kondensat tritt in die Auslasskammer des Kopfstücks ein und wird durch eine Abflussleitung 44 abgeleitet, während der restliche Dampf der Ansaugseite einer Dampfstrahlpumpe 70 und einer Entleerungsleitung 51 über eine Rohrleitung 49 zugeführt wird. The post-heater 16 of the first stage contains a tube bundle 18 and a head piece 19. The post-heater 17 of the second stage contains a tube bundle 20 and a head piece 21. The tube bundles 18 and 20 each contain a number of U-shaped tubes 22, between which and a heat transfer takes place through the jacket-side steam. The U-tubes 22 each carry saturated vapor of high pressure, the origin of which is still to be discussed, and each contain an almost horizontal section 23, a round, vertically oriented U-bend section 24 and an almost horizontal outlet section 25. The head pieces 19 and 20 each contain a baffle or partition plate 32 which divides the respective head piece into an upper inlet chamber 33 or 35 and a lower outlet chamber 34 or 36, the latter having a small drain opening. Each tube of the tube bundles 18 and 20 has an inlet end which communicates with the upper inlet chamber of the associated head piece, while its other end is connected to the lower outlet chamber of the same head piece. Saturated steam, the pressure of which is substantially higher than the jacket-side steam, is fed to the inlet chamber 33 of the headpiece of the first stage through a pipeline 40, which contains a valve 42 and comes from a tap of a high-pressure turbine, not shown. The steam flows through the tubes 22 of the reheater 16 and in the process releases heat to the jacket-side steam, wherein it condenses at least partially in the tubes. The resulting condensate enters the outlet chamber of the head piece and is discharged through a drain line 44, while the remaining steam is fed to the suction side of a steam jet pump 70 and an emptying line 51 via a pipeline 49.
Der Einlasskammer 35 des Nacherhitzers 17 der zweiten Stufe wird gesättigter Dampf zugeführt, der stromaufwärts von der Hochdruckturbine durch eine Le oing 50 entnommen wird und beiTeillastbedingungen durch ein Ventil 52 gedrosselt wird und einen Druck hat, der wesentlich über dem Druck des gesättigten Dampfes liegt, der der Einlasskammer 33 des Nacherhitzers 16 zugeführt wird. Der Dampf strömt dann von der Einlasskammer 35 durch die Rohre 22 des Nacherhitzers 17, wobei er unter zumindest teilweiser Kondensation Wärme an den mantelseitigen Dampf abgibt. Das entstehende Kondensat tritt in die Auslasskammer 36 aus und wird durch eine Rohrleitung 74 einem Abflusstank 47zugeführt, während der überschüssige Dampf durch eine Rohrleitung 71 der Dampfstrahlpumpe 70 als Treibdampf zugeführt wird. Saturated steam is supplied to the inlet chamber 35 of the second stage reheater 17 which is taken upstream of the high pressure turbine by a ling 50 and is throttled by valve 52 at part load conditions and has a pressure which is substantially above the pressure of the saturated steam the inlet chamber 33 of the reheater 16 is supplied. The steam then flows from the inlet chamber 35 through the tubes 22 of the reheater 17, giving off heat to the jacket-side steam with at least partial condensation. The resulting condensate exits into the outlet chamber 36 and is fed through a pipe 74 to a drain tank 47, while the excess steam is fed through a pipe 71 to the steam jet pump 70 as motive steam.
Die durch den Arbeitsdampf von der Rohrleitung 71 mit Treibdampf versorgte Dampfstrahlpumpe 70 fördert einen grösseren Massenfluss an Abdampf aus der Leitung 72 und liefert einen grösseren Massenfluss an Spüldampf über die Leitung 73 zur Einlasskammer 33 des Kopfstücks 19 des Nacherhitzers 16. Diese Dampfströmung reicht für das Spülen des Rohrbündels 18 des Nacherhitzers 16 aus und verhindert im wesentlichen ein Unterkühlen von Kondensat mit den damit zusammenhängenden Instabilitäten. The steam jet pump 70, which is supplied with motive steam by the working steam from the pipeline 71, promotes a greater mass flow of exhaust steam from the line 72 and delivers a larger mass flow of flushing steam via the line 73 to the inlet chamber 33 of the head piece 19 of the reheater 16. This steam flow is sufficient for the flushing of the tube bundle 18 of the reheater 16 and essentially prevents undercooling of the condensate with the associated instabilities.
Die Vorteile dieser Spülung des ersten Nacherhitzer-Rohrbün-dels können erhalten bleiben, wenn man die zweite Nacherhitzerstufe abstellt und den Nacherhitzer praktisch als einstufigen Nacherhitzer betreibt. Hierfür ist eine Anordnung mit einer Rohrleitung 75 und einem Ventil 76 vorgesehen, die es ermöglichen, die Dampfstrahlpumpe 70 mit einem Teil des Hochdruckdampfes zu betreiben, der von der Hauptdampfquelle zur Verfügung steht. Man schliesst dann das Ventil 52 sowie das Ventil 77, wodurch die zweite Nacherhitzerstufe von der D ampfströmung abgetrennt wird. Das Ventil 76 wird geöffnet, so dass ungedros-selter Dampf mit einem Druck, der wesentlich höher ist als der Druck in der Leitung 40, die Dampfstrahlpumpe 70 als Treibmittel antreibt und den gewünschten Spüldampf für den Nacherhitzer 16 liefert. The advantages of this flushing of the first post-heater tube bundle can be retained if the second post-heater stage is switched off and the post-heater is practically operated as a single-stage post-heater. For this purpose, an arrangement with a pipeline 75 and a valve 76 is provided, which make it possible to operate the steam jet pump 70 with a part of the high-pressure steam that is available from the main steam source. The valve 52 and the valve 77 are then closed, as a result of which the second reheater stage is separated from the steam flow. The valve 76 is opened, so that undistorted steam with a pressure which is substantially higher than the pressure in the line 40 drives the steam jet pump 70 as a propellant and supplies the desired flushing steam for the reheater 16.
Unter den oben geschilderten Umständen hat man dann also einen zweistufigen Nacherhitzer, dessen Hochdruckstufe abgestellt ist, so dass die Einrichtung als einstufiger Nacherhitzer arbeitet, bei dem der Abdampf durch eine Dampfstrahlpumpe, die einen hohen Druckunterschied bewirkt, in dem arbeitenden Rohrbündel zu Spülzwecken zurückgeführt oder rezirkuliert wird. Ein für einen solchen Betrieb ausgelegter einstufiger Nacherhitzer wird selbstverständlich eine andere Konfiguration haben. Eine optimierte Anordnung für einen derartigen Betrieb des Nacherhitzers ist in Fig. 2 dargestellt, in der Teile gleicher Funktion wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Under the circumstances described above, one then has a two-stage post-heater, the high-pressure stage of which is switched off, so that the device works as a single-stage post-heater, in which the exhaust steam is returned or recirculated in the working tube bundle for rinsing purposes by means of a steam jet pump, which causes a high pressure difference becomes. A single-stage reheater designed for such an operation will of course have a different configuration. An optimized arrangement for such an operation of the reheater is shown in FIG. 2, in which parts of the same function as in FIG. 1 are provided with the same reference numerals.
Der in Fig. 2 dargestellte Nacherhitzer 10 enthält wieder einen Druckbehälter 12, der typischerweise mehrere Dampfeinlässe 13 und mehrere Dampfauslässe 14 hat, damit der zu trocknende und zu erhitzende Dampf leichter hindurchgeleitet werden kann . Oberhalb der Dampfeinlässe 13 und nicht dargestellten Einlass-Anfüllungen sind Wasserabscheidepaneele 15 bekannter Bauart angeordnet, durch die praktisch die ganze Feuchtigkeit, die der eintretende Dampf mitführt, abgeschieden wird. The reheater 10 shown in FIG. 2 again contains a pressure vessel 12, which typically has a plurality of steam inlets 13 and a plurality of steam outlets 14, so that the steam to be dried and heated can be passed through more easily. Above the steam inlets 13 and inlet fillings (not shown), water separating panels 15 of a known type are arranged, through which practically all of the moisture which the incoming steam carries is separated off.
Der Nacherhitzer 16 enthält ein Rohrbündel 18 und ein Kopfstück 19. Das Rohrbündel 18 enthält eine Vielzahl von U-Rohren 22, die in Wärmeaustausch mit dem den Nacherhitzer durchströmenden mantelseitigen Dampf stehen und jeweils gesättigten Hochdruckdampf führen, auf dessen Ursprung noch eingegangen wird. Jedes U-Rohr des Bündels 18 hat einen nahezu horizontalen Einlassabschnitt 23, einen gebogenen, vertikal angeordneten U-förmigen Biegungsabschnitt 24 und einen nahezu horizontalen Auslassabschnitt 25. Das Kopfstück 19 enthält eine Trennplatte 32, die es in eine obere Einlasskammer 33 und eine untere Auslasskammer 34 unterteilt. Jedes U-Rohr des Rohrbündels 18 steht mit einem Einlassende mit der oberen Einlasskammer des Kopfstücks und mit dem anderen Ende mit der unteren Auslasskammer desselben Kopfstücks in Verbindung. Da die Strömungswege aller U-Rohre eines vorgegebenen Rohrbündels einander parallelgeschaltet sind, herrscht an allen Rohren die gleiche Druckdifferenz (Treibkraft) zwischen dem Einlass- und dem Auslassabschnitt. The post-heater 16 contains a tube bundle 18 and a head piece 19. The tube bundle 18 contains a plurality of U-tubes 22 which are in heat exchange with the jacket-side steam flowing through the post-heater and each carry saturated high-pressure steam, the origin of which is still to be discussed. Each U-tube of the bundle 18 has a nearly horizontal inlet section 23, a curved, vertically arranged U-shaped bend section 24 and a nearly horizontal outlet section 25. The head piece 19 contains a partition plate 32 which it into an upper inlet chamber 33 and a lower outlet chamber 34 divided. Each U-tube of the tube bundle 18 is connected at one inlet end to the upper inlet chamber of the head piece and at the other end to the lower outlet chamber of the same head piece. Since the flow paths of all U-tubes of a given tube bundle are connected in parallel, there is the same pressure difference (driving force) between the inlet and the outlet section on all tubes.
Für den Betrieb steht Hauptdampf, der stromaufwärts von der Hochdruckturbine abgenommen wird, über eine Rohrleitung 50 für den Nacherhitzer 16 zur Verfügung. Die Rohrleitung 50, die zur Einlasskammer 33 des Kopfstücks 19 führt, enthält ein zufuhrseitiges Ventil 42 und mindestens ein Drosselventil 43. Der Dampf durchströmt dann die U-Rohre 22, wobei er zwei longitudinale Wege entlang der und parallel zur Längsachse des Mantels oder Druckbehälters 12 strömt und einen gebogenen Weg nach unten durchläuft, wenn er das Ende des ersten horizontalen Strömungsweges erreicht und dann zur Auslasskammer 34 des Kopfstücks 19 zurückströmt. Während des Durchlaufens der U-Rohre 22 kondensiert ein gewisser Anteil des in den Rohren enthaltenen Dampfes und das Kondensat strömt zusammen mit dem nicht kondensierten Dampf zur Auslasskammer, wo es durch die Abflussleitung 44 zu einem ausserhalb des Druckbehälters 12 befindlichen Sammeltank 45 strömt. Die flüssige Phase im Sammeltank 45 kann über die Leitung 48 einem Speisewasser-Vorerwärmer oder einem Hauptkondensator zugeführt werden. Zum Ausgleich des Druckes in der Auslasskammer 34 des Main steam, which is taken upstream from the high-pressure turbine, is available for operation via a pipeline 50 for the reheater 16. The pipeline 50, which leads to the inlet chamber 33 of the head piece 19, contains a supply-side valve 42 and at least one throttle valve 43. The steam then flows through the U-pipes 22, whereby it has two longitudinal paths along and parallel to the longitudinal axis of the jacket or pressure vessel 12 flows and travels down a curved path when it reaches the end of the first horizontal flow path and then flows back to the outlet chamber 34 of the header 19. As the U-tubes 22 pass through, a certain proportion of the steam contained in the tubes condenses and the condensate flows together with the uncondensed steam to the outlet chamber, where it flows through the drain line 44 to a collecting tank 45 located outside the pressure vessel 12. The liquid phase in the collecting tank 45 can be fed via line 48 to a feed water preheater or a main condenser. To compensate for the pressure in the outlet chamber 34 of the
4 4th
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
642 142 642 142
Kopfstücks und dem Sammeltank 45 ist eine Entlüftungs- oder Ausgleichs-Rohrleitung 49 vorgesehen. An die Rohrleitung 49 ist eine Rohrleitung 72 angeschlossen, durch die der aus dem Rohrbündel austretende Abdampf einer Dampfstrahlpumpe 70 zugeführt wird. An die Rohrleitung 49 ist ferner eine Rohrleitung 51 angeschlossen, um laufend nicht kondensierbare Gase durch ein Ventil 78 und Abdampf durch ein Ventil 79 zu Punkten niedrigeren Druckes im System ableiten zu können. A vent or equalization pipe 49 is provided in the head piece and the collecting tank 45. A pipeline 72 is connected to the pipeline 49, through which the exhaust steam emerging from the tube bundle is fed to a steam jet pump 70. A pipeline 51 is also connected to the pipeline 49 in order to be able to continuously discharge non-condensable gases through a valve 78 and exhaust steam through a valve 79 to points of lower pressure in the system.
Der durch einen Pfeil A angedeutete, als Heizdampf verwendete Frischdampf, der durch die Heizdampfeinlass-Rohrleitung 50 eintritt, welche ein dampfquellenseitiges Einlassventil 42 und mindestens ein Drosselventil 43 enthält, wird im allgemeinen stromaufwärts von der Hochdruckdampfturbine abgenommen. The live steam, indicated by an arrow A, used as heating steam and entering through the heating steam inlet pipeline 50, which contains a steam source inlet valve 42 and at least one throttle valve 43, is generally taken upstream of the high pressure steam turbine.
Der Druck dieses als Heizdampf verwendeten Frischdampfes ist relativ hoch und im ganzen Lastbereich im wesentlichen konstant. Bei Druckwasser-Reaktoren kann der Frischdampfdruck mit zunehmender Last in der Praxis auch etwas absinken. Der mantelseitige Dampf, der vom Auslass der Hochdruckturbi-ne kommt, hat andererseits einen Druck, der mit der Turbinenbelastung im wesentlichen linear auf einen Wert von etwa 'A des Frischdampfdruckes bei Vollast ansteigt. Würde man den Frischdampf als Heizdampf durch die Einlass-Rohrleitung 50 im Lastbereich in das Rohrbündel 18 einführen, so wäre der Unterschied zwischen der Temperatur dieses Heizdampfes (der typischerweise einen Druck in der Grössenordnung von 7 MPa oder 1000 psia hat) und der des mantelseitigen Dampfs unter Teillastbedingungen zu gross, wesentlich mehr als 100°C oder etwa 200° F. Bei diesen hohen Temperaturunterschieden im Teillastbetrieb treten erhebliche Probleme durch Verformung der Rohrbündel in Folge der thermischen Expansion aufgrund der Temperaturunterschiede auf und es kann eine starke Kondensatunterkühlung in den Rohren eintreten. Um diese Schwierigkeiten zu mildern, wird der als Heizdampf verwendete Frischdampf in der Einlass-Rohrleitung 50 bei der vorliegenden Einrichtung typischerweise im Teillastbetrieb durch das Ventil 43 gedrosselt. The pressure of this live steam used as heating steam is relatively high and essentially constant over the entire load range. In pressurized water reactors, the live steam pressure can also drop somewhat in practice with increasing load. The jacket-side steam, which comes from the outlet of the high-pressure turbine, on the other hand, has a pressure which increases substantially linearly with the turbine load to a value of about 1 A of the live steam pressure at full load. If the live steam were introduced as heating steam through the inlet pipeline 50 into the tube bundle 18 in the load area, the difference between the temperature of this heating steam (which typically has a pressure of the order of 7 MPa or 1000 psia) and that of the jacket-side steam would be too large under part-load conditions, much more than 100 ° C or about 200 ° F. With these high temperature differences in part-load operation, considerable problems arise due to deformation of the tube bundle as a result of the thermal expansion due to the temperature differences, and severe condensate supercooling can occur in the tubes. In order to alleviate these difficulties, the live steam used as heating steam in the inlet pipe 50 in the present device is typically throttled by the valve 43 in part-load operation.
Es ist nur ein Ventil 43 dargestellt, in der Praxis können jedoch auch mehrere solcher Ventile verwendet werden. Es sind eine ganze Reihe von Verfahren zur Drosselung des Heizdampfes bekannt; typischerweise steuert man das oder die Ventile 43 vom Hochdruckturbinenauslassdampfdruck so, dass der Druck des Dampfes für das Rohrbündel 18 von einem niedrigen Lastwert bis zum Frischdampfdruck im Bereich von 50 bis 80 % der Turbinenlast linear ansteigt. Unter dem Begriff «gedrosselter Dampf» soll hier also Dampf verstanden werden, dessen Druck bei Teillast der zugehörigen Turbine verringert ist. Only one valve 43 is shown, but in practice several such valves can be used. A whole series of methods for throttling the heating steam are known; typically, the valve or valves 43 are controlled by the high pressure turbine outlet steam pressure such that the pressure of the steam for the tube bundle 18 increases linearly from a low load value to the live steam pressure in the range of 50 to 80% of the turbine load. The term “throttled steam” is to be understood here to mean steam whose pressure is reduced at part load of the associated turbine.
Wenn der in den Druckbehälter 12 eintretende mantelseitige Dampf von den Dampfeinlässen 13 über die U-Rohre 22 des Bündels 18 strömt und zunehmend erhitzt wird, nimmt der Temperaturunterschied zwischen dem röhrenseitigen Dampf und dem mantelseitigen Dampf kontinuierlich ab. Ein wichtiges Problem, mit dem sich die Erfindung besonders befasst, beruht auf dem bei der Erhitzung des mantelseitigen Dampfes sich ändernden Temperaturunterschiedes zwischen diesem mantelseitigen Dampfund dem röhrenseitigen Dampf. Der mantelseitige Dampf kann noch einen gewissen restlichen Wasseranteil über die Wasserabscheidepaneele 15 hinaus mitführen, der durch Wärmeübergang von den unteren Rohrreihen des Rohrbündels 18 verdampft werden muss, bevor die Überhitzung des Dampfes beginnen kann. Da der Temperaturunterschied zwischen dem rohrseitigen und dem mantelseitigen Dampf an den unteren Rohren des Rohrbündels 18 am grössten ist und dort zusätzlich noch Wasser verdampft werden muss, kann offensichtlich an diesen unteren Rohren des Rohrbündels der grösste Wärmeübergang auftreten, was wiederum erfordert, dass den äusseren U-Rohren in vertikal orientierten Überhitzerröhrenbündeln grössere Mengen rohrseitigen Dampfes zugeführt wird. As the jacket-side steam entering the pressure vessel 12 flows from the steam inlets 13 over the U-tubes 22 of the bundle 18 and is increasingly heated, the temperature difference between the tube-side steam and the jacket-side steam continuously decreases. An important problem with which the invention is particularly concerned resides in the changing temperature difference between this jacket-side steam and the tube-side steam when the jacket-side steam is heated. The jacket-side steam can also carry a certain residual water content beyond the water separating panels 15, which must be evaporated by heat transfer from the lower rows of pipes of the tube bundle 18 before the steam can begin to overheat. Since the temperature difference between the tube-side and the jacket-side steam is greatest at the lower tubes of the tube bundle 18 and water has to be evaporated there as well, the greatest heat transfer can obviously occur at these lower tubes of the tube bundle, which in turn requires that the outer U - Tubes in vertically oriented superheater tube bundles are supplied with larger amounts of steam on the tube side.
Da die Einlassenden aller U-Rohre in Verbindung mit der Einlasskammer 33 des Kopfstücks und die Auslassenden aller U- Since the inlet ends of all U-tubes in connection with the inlet chamber 33 of the head piece and the outlet ends of all U-
Rohre in Verbindung mit der Auslasskammer 34 des Kopfstük-kes 19 stehen, herrscht an allen U-Rohren notwendigerweise der gleiche Druckunterschied. Die äusseren (vertikalen) U-Rohre erhalten daher normalerweise nicht genügend Dampf, um den 5 Bedarf für die abzugebende Wärme zu decken. In diesen Rohren kondensiert der Dampf also vor dem Ende der Rohre vollständig und stromabwärts des Punktes, an dem der letzte Dampf kondensiert ist, tritt eine Unterkühlung des Kondensats ein, um den Bedarf an abzugebender Wärme zu decken. Aus den inneren io (vertikalen) U-Rohren, die mehr Dampf führen als theoretisch erforderlich ist, tritt andererseits eine zweiphasige gesättigte Mischung in die Auslasskammer 34 des Kopfstücks 19 aus. Aus dem Auftreten von unterkühlter Flüssigkeit können bekanntlich die verschiedensten Probleme entstehen. Zwei wesentliche Pro-15 bleme sind Brüche der Rohr-Rohrblech-Schweissungen und Instabilität des Systems als Ganzes. Pipes are connected to the outlet chamber 34 of the head piece 19, there is necessarily the same pressure difference on all U-pipes. The outer (vertical) U-tubes are therefore usually not supplied with enough steam to cover the 5 heat demand. In these pipes, the steam condenses completely before the end of the pipes and downstream of the point at which the last steam is condensed, the condensate is supercooled to meet the need for heat to be released. On the other hand, a two-phase saturated mixture emerges from the inner io (vertical) U-tubes, which carry more steam than is theoretically required, into the outlet chamber 34 of the head piece 19. As is well known, the most varied problems can arise from the occurrence of supercooled liquid. Two major problems are ruptures in tube-to-tube welding and instability of the system as a whole.
Es ist z. B. aus der US-PS 3 073 575 bekannt, dass man die Unterkühlung dadurch verringern kann, dass man bestimmte Rohre in geeigneter Weise verengt und dadurch den Durchsatz 20 des rohrseitigen Dampfes der für die Wärmeübertragung tatsächlich benötigten Wärmemenge anpasst. Man kann dadurch die Unterkühlung und die mit ihr zusammenhängenden Instabilitäten in Dampfwärmetauschern verringern. Eine Möglichkeit, das oben geschilderte Problem anzugehen, besteht also in einer 25 entsprechenden Bemessung der Rohröffnungen. It is Z. B. from US-PS 3 073 575 that you can reduce the supercooling by constricting certain pipes in a suitable manner and thereby adapting the throughput 20 of the tube-side steam to the amount of heat actually required for heat transfer. This can reduce supercooling and the associated instabilities in steam heat exchangers. One way to address the problem outlined above is to design the pipe openings accordingly.
Die Öffnungs- oder Querschnittsbemessung ist eine der Massnahmen zur Behebung des Problems einer unterschiedlichen Kondensation in den U-Rohren eines Nacherhitzer-Rohrbündels und damit einer weitgehenden Vermeidung der Kondensatorun-30 terkühlung. Der vom Konzept her wahrscheinlich einfachste Weg zur Vermeidung dieses Problems besteht jedoch darin, durch das Rohrbündel eine ausreichende Menge gesättigten Dampfes im Überschuss über die für die Nacherhitzung theoretisch nötige Menge zu leiten und dadurch alle U-Rohre durchzu-35 spülen. Diese Massnahme ist jedoch im Hinblickauf den Wirkungsgrad normalerweise nicht anwendbar, da sie eine untragbare Energievergeudung darstellt. Eine praktikablere Lösung ist die Verwendung von zusätzlichen Unterteilungen im Kopfstück, wie es aus der US-PS 3 996897 bekannt ist. Bei der dort beschrie-40 benen Einrichtung tritt der zugeführte Dampf in einen unterteilten Einlassabschnitt des Kopfstückes eines horizontal orientierten Rohrbündels ein und strömt durch die untere Hälfte der U-Rohre zu einem Rückflussabschnitt des Kopfstückes, wo das Kondensat, welches sich bei den ersten beiden longitudinalen « Durchgängen durch die U-Rohre gebildet hat, abgeleitet wird. Der gesättigte Dampf wird dann wieder in die Rohre des Rohrbündels eingeleitet, er tritt in die obere Hälfte des Rohrbündels ein und kehrt zum entgegengesetzten Abschnitt des Kopfstückes zurück, von dem das angesammelte Kondensat wieder so abgeleitet wird. Eine solche Einrichtung stellt eine «Vierdurchgangsanordnung» dar und verringert die Gefahr einer Kondensatüberflutung sowie der resultierenden thermischen Zyklen. The opening or cross-sectional dimensioning is one of the measures for eliminating the problem of different condensation in the U-tubes of a post-heater tube bundle and thus largely avoiding the condenser cooling. The conceptually simplest way to avoid this problem, however, is to pass a sufficient amount of saturated steam in excess through the tube bundle over the amount theoretically necessary for the reheating and thereby flush all the U-tubes. However, this measure is normally not applicable in terms of efficiency, since it represents an intolerable waste of energy. A more practical solution is the use of additional partitions in the header, as is known from US Pat. No. 3,996,897. In the device described there, the supplied steam enters a subdivided inlet section of the head piece of a horizontally oriented tube bundle and flows through the lower half of the U-pipes to a reflux section of the head piece, where the condensate, which is found in the first two longitudinally «Passages through which U-tubes have formed is derived. The saturated steam is then reintroduced into the tubes of the tube bundle, it enters the upper half of the tube bundle and returns to the opposite section of the head piece, from which the accumulated condensate is thus discharged again. Such a device represents a “four-pass arrangement” and reduces the risk of condensate flooding and the resulting thermal cycles.
Bei einer aus der US-PS 3 759319 bekannten «Vierdurchgangsanordnung» enthält der Nacherhitzer einen getrennten Verteiler 55 um den gesättigten Dampf, der bereits einen Durchlauf vollführt hat, nochmals durch gewisse U-Rohre des Nacherhitzerrohrbün-dels laufen zu lassen. In a "four-pass arrangement" known from US Pat. No. 3,755,919, the post-heater contains a separate distributor 55 in order to let the saturated steam, which has already made one pass, run again through certain U-tubes of the post-heater tube bundle.
Die Abstufung der Strömungsquerschnitte und die oben diskutierten weiteren Massnahmen stellen jedoch leider normalerwei-60 se keine vollständige Lösung des Problems der Kondensatunterkühlung und der damit zusammenhängenden Instabilitäten in Wasserabscheider-Nacherhitzer-Einrichtungen dar. Ein Grund, warum durch die Abstufung der Öffnungs- bzw. Strömungsquerschnitte keine vollständige Lösung möglich ist, besteht darin. r,5 dass eine vorgegebene Öffnungsanordnung zwar für eine Verteilung der Dampfströmung auf die verschiedenen Rohre berechnet und ausgeführt sein kann, dass sie den theoretischen Bedarf an zu übertragender Wärme bei einem bestimmten Betriebszustand zu Unfortunately, the gradation of the flow cross-sections and the other measures discussed above do not normally provide a complete solution to the problem of condensate subcooling and the associated instabilities in water separator reheaters. One reason why the gradation of the opening or flow cross-sections no complete solution is possible. r, 5 that a predetermined opening arrangement can indeed be calculated and designed for a distribution of the steam flow over the various pipes, so that it meets the theoretical need for heat to be transferred in a specific operating state
642142 642142
decken vermag, für alle Betriebsbedingungen jedoch nicht ideal ausgelegt ist. Eine Querschnitts- oder Öffnungsanordnung, die für einen Satz von Bedingungen ideal ist, kann für einen anderen Satz von Bedingungen nicht geeignet sein, z. B. bei Änderung der Lastwerte der Turbine oder im Falle eines einstufigen Nacherhitzers, wenn der Heizdampf bei Teillast gedrosselt wird. cover, but is not ideally designed for all operating conditions. A cross-sectional or aperture arrangement that is ideal for one set of conditions may not be suitable for another set of conditions, e.g. B. when changing the load values of the turbine or in the case of a single-stage reheater, when the heating steam is throttled at partial load.
Die vorliegende Erfindung kann entweder mit einer abgestuften Öffnungs- oder Querschnittsbemessung (oder äquivalenten Massnahmen) oder unabhängig davon angewendet werden, um die Arbeitsweise von Nacherhitzern, insbesondere für Dampfturbinengeneratoranlagen zu verbessern, insbesondere eine Unterkühlung von Kondensat sowie die damit zusammenhängenden Instabilitäten im wesentlichen zu vermeiden. The present invention can be applied either with a graduated opening or cross-sectional dimensioning (or equivalent measures) or independently thereof, in order to improve the operation of post-heaters, in particular for steam turbine generator systems, in particular to substantially avoid supercooling of condensate and the associated instabilities.
Es ist seit langem bekannt, dass Dampfleitungen zur Entfernung von unerwünschtem Wasser und dgl. durch Hindurchleiten von Hochdruckgas oder -dampf durchgespült werden können. Man kann also ein Unterkühlen von Kondensat in Nacherhitzer-rohrbündeln dadurch vermeiden, dass man die Zufuhr von gesättigtem Dampf von der Eingangsdampfquelle zum Rohrbündel um einen vorgegebenen Betrag im Überschuss über denjenigen Betrag erhöht, der bei einer bestimmten Last für die Nacherhitzung des mantelseitigen Dampfs theoretisch benötigt wird. Wenn man einen genügenden Überschuss an gesättigtem Dampf von der Rohrbündeldampfquelle entnimmt, lässt sich auch ohne besondere Bemessung der Öffnungs- oder Strömungsquerschnitte eine Kondensatunterkühlung praktisch vermeiden. Andererseits ist es wesentlich, dass der für die Verwendung in einer Dampf turbinenanlage erzeugte Dampf gut ausgenutzt wird und aus ihm ein Maximum an Arbeit in den notwendigen Funktionen der Dampfturbine entnommen wird, beispielsweise bei der Nacherhitzung von Dampf in einem Nacherhitzer, der Vorerwärmung des Speisewassers vor dessen Zuführung zum Dampfgenerator oder Reaktor und bei der Verwendung des Endproduktes eines Kondensators als Speisewasser für die Anlage. Die unbedenkliche Verwendung von Hochdruckdampf hoher Temperatur und hohen Druckes, dessen Wärmeeinheit produktiver und besser ausgenutzt werden könnte, zum Spülen, kann den Wirkungsgrad der Anlage als Ganzes erheblich beeinträchtigen. Da Dampfturbinen normalerweise eine Lebensdauer über 30 und oft bis 40 Jahre haben, kann die Vergeudung eines erheblichen Prozentsatzes des Dampfes für Zwecke, wie die weitgehende Verhinderung einer Kondensatunterkühlung in Nacherhitzerrohrbündeln sich als ausserordentlich kostspielig hinsichtlich der für solche Zwecke im Laufe der Jahre unnötig verbrauchten Primärenergie erweisen. It has long been known that steam lines for removing unwanted water and the like can be purged by passing high pressure gas or steam through them. One can therefore avoid undercooling of condensate in post-heater tube bundles by increasing the supply of saturated steam from the input steam source to the tube bundle by a predetermined amount in excess of the amount that is theoretically required for the post-heating of the jacket-side steam at a certain load becomes. If a sufficient excess of saturated steam is removed from the tube bundle steam source, condensate hypothermia can be practically avoided even without special dimensioning of the opening or flow cross sections. On the other hand, it is essential that the steam generated for use in a steam turbine system is used well and a maximum amount of work in the necessary functions of the steam turbine is taken from it, for example when reheating steam in a reheater, before preheating the feed water its supply to the steam generator or reactor and when using the end product of a condenser as feed water for the system. The safe use of high-temperature, high-pressure steam, the heating unit of which could be used more productively and better, for purging, can significantly impair the efficiency of the system as a whole. Since steam turbines typically have a lifespan of over 30 and often up to 40 years, wasting a significant percentage of steam for purposes such as largely preventing condensate supercooling in reheater tube bundles can be extremely costly in terms of the primary energy unnecessarily used for such purposes over the years .
Gemäss der vorliegenden Erf ' ndung wird als Spüldampf für das weitestgehende Vermeiden einer Kondensatunterkühlung in Nacherhitzerrohrbündeln Dampf verwendet, derzumEinlass des Rohrbündels zurückgeführt ist. Die Bewegungsenergie oder Antriebsleistung wird durch Heiz- oder Frischdampf geliefert, welcher stromaufwärts des Drosselventils 43 oder der entsprechenden Drosselventile abgenommen wird. Der rezirkulierte Spüldampf leistet Nutzarbeit im Gegensatz zum Dampf, der zu einem Speisewasservorerhitzer (der einen Punkt niedrigerer Energie im System darstellt) abgeleitet wird, so dass durch die Erfindung im Effekt die Zuverlässigkeit des Betriebs des Nacherhitzers verbessert wird, ohne dass dadurch der Betriebswirkungsgrad des Systems als Ganzes ernstlich leidet. Die erfindungsge-mässe Verwendung von rohrseitigem Abdampf stellt praktisch eine wesentliche Verbesserung gegenüber der bekannten Praxis dar, bei der geringere Mengen an Spüldampf als sie für eine praktisch völlige Beseitigung der Kondensatunterkühlung benötigt werden, zu einem Speisewasservorerhitzer oder einem ähnlichen Punkt niedrigen Druckes im Turbinenzyklus geführt werden. According to the present invention, steam which is returned to the inlet of the tube bundle is used as the rinsing vapor for largely avoiding condensate supercooling in reheater tube bundles. The kinetic energy or drive power is supplied by heating or live steam, which is taken upstream of the throttle valve 43 or the corresponding throttle valves. The recirculated purge steam is useful as opposed to the steam that is diverted to a feed water preheater (which represents a point of lower energy in the system), so that the invention effectively improves the reliability of the operation of the reheater without sacrificing the operating efficiency of the system seriously suffers as a whole. The use according to the invention of pipe-side exhaust steam represents practically a significant improvement over the known practice, in which smaller amounts of flushing steam than are required for virtually complete removal of the condensate supercooling are led to a feed water preheater or a similar point of low pressure in the turbine cycle .
Wie Fig. 2 zeigt, wird bei der Einrichtung gemäss der Erfindung eine Dampfstrahlpumpe mit hohem AP verwendet, um Spüldampf zur Einlasskammer 33 des Kopfstücks 19 des Nacherhitzers 16 derart zurückzuführen, dass genügend überschüssiger Hochdruckdampf für die einzelnen U-Rohre 22 des Bündels 18 zur Verfügung steht, um ein Unterkühlen von Kondensat selbst in denjenigen Rohren im wesentlichen zu vermeiden, an denen der grösste Temperaturunterschied auftritt. As shown in FIG. 2, a steam jet pump with a high AP is used in the device according to the invention in order to return rinsing steam to the inlet chamber 33 of the head piece 19 of the reheater 16 in such a way that sufficient excess high-pressure steam is available for the individual U-tubes 22 of the bundle 18 stands in order to substantially avoid supercooling of condensate even in those pipes where the greatest temperature difference occurs.
Das Antriebsfluid für die Dampfstrahlpumpe 70 wird durch eine Rohrleitung 71 zugeführt, es ist der Heizdampf, der in der Heizdampfleitung 50 stromaufwärts vom Drosselventil 43 oder den Drosselventilen zur Verfügung steht. Dieser Dampf, der einen Druck von etwa 7 MPa (1000 psia) hat, treibt die Dampfstrahlpumpe 70, die den Spüldampf für den Nacherhitzer 16 liefert. Im allgemeinen beträgt der für diesen Zweck verwendete Anteil des Dampfes nur etwa5 bis 10 % der theoretisch nötigen Dampfmenge, die der Einlasskammer des Nacherhitzers 16 zur Deckung des Wärmebedarfes des Rohrbündels 18 zugeführt werden muss. Die Dampfstrahlpumpe 70, von der ein Ausführungsbeispiel in Fig. 3 genauer dargestellt ist, wird also mit Treibdampf hohen Druckes betrieben, so dass sie eine grössere Menge Abdampf als Treibdampf durch die Leitung 72 von der Auslasskammer 34 des Kopfstückes des Nacherhitzers 16 ansaugt. Die vereinigte Strömung, d. h. der Spüldampf, verlässtdie Dampfstrahlpumpe 70 mit einem mittleren Druck, welcher am Eingang des Nacherhitzers die gewünschte starke Spülströmung verursacht. The drive fluid for the steam jet pump 70 is supplied through a pipeline 71, it is the heating steam that is available in the heating steam line 50 upstream of the throttle valve 43 or the throttle valves. This steam, which has a pressure of approximately 7 MPa (1000 psia), drives the steam jet pump 70, which supplies the rinsing steam for the reheater 16. In general, the proportion of steam used for this purpose is only about 5 to 10% of the theoretically necessary amount of steam that must be supplied to the inlet chamber of the reheater 16 to cover the heat requirements of the tube bundle 18. The steam jet pump 70, of which an exemplary embodiment is shown in more detail in FIG. 3, is therefore operated with high pressure motive steam, so that it sucks a larger amount of exhaust steam as motive steam through the line 72 from the outlet chamber 34 of the head part of the reheater 16. The unified flow, i.e. H. the purge steam leaves the steam jet pump 70 at a medium pressure which causes the desired strong purge flow at the entrance of the reheater.
Die Dampfstrahlpumpe 70, der Ansaug- oder Niederdruckdampf über die Rohrleitung 72 von der Auslasskammer 34 des Nacherhitzers 16 und Treibdampf über die Leitung 71 zugeführt wird, erzeugt eine Dampfströmung durch die Rohrleitung 73 in die Leitung 50, welche gedrosselten Heizdampf in die Einlasskammer 33 des Kopfstückes des Nacherhitzers 16 liefert, oder direkt in die Einlasskammer 33. The steam jet pump 70, which is supplied with suction or low pressure steam via the conduit 72 from the outlet chamber 34 of the reheater 16 and motive steam via the conduit 71, generates a steam flow through the conduit 73 into the conduit 50, which throttled heating steam into the inlet chamber 33 of the header of the reheater 16, or directly into the inlet chamber 33.
Das Verfahren und die Einrichtung gemäss der Erfindung, durch die mehr Spüldampf geliefert werden, durch den eine Unterkühlung des Kondensats sowie die damit zusammenhängenden Instabilitäten im wesentlichen verhindert werden, sind sehr wirtschaftlich und haben einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad. Es wird nicht nur das Vorstehende erreicht, sondern auch der Gesamtwirkungsgrad des Systems bei Teillastbedingungen verbessert, da die Menge des vom Vorerhitzer 16 zu einem niedrigeren Punkt im System, wie dem Speisewasser-Vorerhitzer, abgeleiteten Spüldampfes beträchtlich verringert und dadurch die weniger effiziente Verwendung des heissen Dampfes auf ein Minimum beschränkt wird. The method and the device according to the invention, by means of which more purging steam is supplied, by which undercooling of the condensate and the associated instabilities are essentially prevented, are very economical and have a high thermodynamic efficiency. Not only will the above be achieved, but the overall efficiency of the system will also be improved under partial load conditions, since the amount of purge vapor derived from preheater 16 to a lower point in the system, such as the feedwater preheater, significantly reduces, thereby reducing the less efficient use of the hot Steam is kept to a minimum.
Es ist nicht notwendig, besondere Vorkehrungen zu treffen, wie durch spezielle Ventile, um zu gewährleisten, dass nur ein kleiner Teil, beispielsweise 2 bis 10 % des Dampfes in der Heizdampfleitung, als Treibdampf für die Dampfstrahlpumpe 70 verwendet wird. Unter den vorliegenden Bedingungen ist die Dampfstrahlpumpe nämlich selbst begrenzend, sie arbeitet im Drosselbetrieb und nimmt nur so viel Dampf auf, wie es erforderlich ist, um den verfügbaren Spüldampf im Umlauf zu halten. It is not necessary to take special precautions, such as through special valves, to ensure that only a small part, for example 2 to 10% of the steam in the heating steam line, is used as motive steam for the steam jet pump 70. Under the present conditions, the steam jet pump is self-limiting, it works in throttle mode and only absorbs as much steam as is necessary to keep the available flushing steam in circulation.
Ein weiterer Vorteil der Einrichtung gemäss der Erfindung besteht darin, dass das System leicht an kommerziell verfügbare Dampfstrahlpumpen angepasst werden kann, deren Betriebsparameter gut bekannt sind. Another advantage of the device according to the invention is that the system can easily be adapted to commercially available steam jet pumps, the operating parameters of which are well known.
Um das gesteckte Ziel, eine Kondensatunterkühlung und die damit zusammenhängenden Instabilitäten zu vermeiden, zu erreichen, ist im allgemeinen eine grössere Menge Spüldampf erforderlich, als man bei der Rezirkulation mit einer Niederdruck-Dampfstrahlpumpe (Dampfstrahlpumpe mit niedrigem AP) erwarten würde. Die gemäss der vorliegenden Erfindung verwendete Hochdruck-Dampfstrahlpumpe (Dampfstrahlpumpe mit hohem AP) vermag jedoch diese Durchsätze der Rezirku-lationsströmungzu bewirken. Die Hochdruck-Dampfstrahlpumpe ist ausserdem kleiner und es ist einfach, die Ansaugleistung durch Erhöhung des Treibdampfstromes zu vergrössern. To achieve the goal of avoiding condensate hypothermia and the associated instabilities, a larger amount of flushing steam is generally required than would be expected when recirculating with a low-pressure steam jet pump (steam jet pump with low AP). However, the high pressure steam jet pump (high AP steam jet pump) used in accordance with the present invention is capable of effecting these throughputs of the recirculation flow. The high pressure steam jet pump is also smaller and it is easy to increase the suction power by increasing the motive steam flow.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die bei der vorliegenden Erfindung verwendete Dampfstrahlpumpe mit hohem AP Another advantage is that the high AP steam jet pump used in the present invention
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keine Verringerung des Druckes in der Einlasskammer des Kopfstücks bewirkt. Eine Niederdruck-Dampfstrahlpumpe hat dagegen einen niedrigeren Kopfstückdruck zur Folge, da er einen Strömungswiderstand in der Dampfeinlassleitung darstellt. Eine Verringerung des Kopfstück-Einlassdruckes setzt den thermischen Wirkungsgrad herab, da die Dampftemperatur entspre-ched niedriger ist. does not reduce the pressure in the inlet chamber of the header. A low pressure steam jet pump, on the other hand, results in a lower header pressure because it represents a flow resistance in the steam inlet line. Reducing the header inlet pressure lowers thermal efficiency because the steam temperature is correspondingly lower.
Für die praktische Realisierung der Erfindung können handelsübliche Dampfstrahlpumpen verwendet werden, wie sie beispielsweise von der Firma Ametek Corporation, Schutte und Koerting Division, CornwellsHeights, Pennsylvania, V. St. A. erhältlich sind. Eine typische Dampfstrahlpumpe ist in Fig. 3 dargestellt. Commercially available steam jet pumps can be used for the practical implementation of the invention, as are available, for example, from Ametek Corporation, Schutte and Koerting Division, Cornwells Heights, Pennsylvania, V. St. A. A typical steam jet pump is shown in FIG. 3.
Die in Fig. 3 dargestellte Dampfstrahlpumpe enthält einen Treibdampfeinlass 81, eine Düse 82, einen Dampf- Ansaugein-lass 83, einen Körper oder Mischbereich 84 und einen Diffuser-und Auslassabschnitt 86. The steam jet pump shown in FIG. 3 contains a motive steam inlet 81, a nozzle 82, a steam suction inlet 83, a body or mixing area 84 and a diffuser and outlet section 86.
Im einfachsten Falle wird für die Realisierung der vorliegenden Erfindung eine Dampfstrahlpumpe mit einer festen Düse verwendet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jedoch eine Dampfstrahlpumpe mit verstellbarer Düse verwendet, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die Verstellung der Düse 82 erfolgt mittels eines Drehkopfes 88, der zur axialen Verstellung einer Welle dient, an deren Ende sich eine Ventilnadel 89 befindet, mit der der Querschnitt der Einlassseite der Düse 82 verringert werden kann. Durch diesen zusätzlichen Freiheitsgrad kann das Ausmass der Spülung so eingestellt werden, wie es für eine bestimmte Betriebsart wünschenswert ist, oder man kann für verschiedene Anlagen unterschiedliche Einstellungen wählen. In the simplest case, a steam jet pump with a fixed nozzle is used to implement the present invention. In a preferred embodiment of the invention, however, a steam jet pump with an adjustable nozzle is used, as shown in FIG. 3. The nozzle 82 is adjusted by means of a rotary head 88, which is used for the axial adjustment of a shaft, at the end of which there is a valve needle 89 with which the cross section of the inlet side of the nozzle 82 can be reduced. With this additional degree of freedom, the extent of the flushing can be set as is desirable for a specific operating mode, or different settings can be selected for different systems.
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Die beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele lassen sich selbstverständlich in der verschiedensten Weise abwandeln. Anstatt den Spüldampf mittels Heizdampf zurückzuspeisen, wie es am Beispiel des gedrosselten einstufigen Nacherhitzers beschrie-io ben wurde, kann die Erfindung selbstverständlich in gleicher Weise bei irgendeinem anderen Nacherhitzer mit einer Rohrbündelanordnung verwendet werden, der mit Hochdruckdampf gespeist wird, der bei einem gewissen Lastbereich beträchtlich gedrosselt ist. Bei einem zweistufigen Nacherhitzer, der nach 15 dem gleichen Prinzip arbeitet, wird man also die Rezirkulation der Spülströmung im Rohrbündel, das mit dem höheren Druck arbeitet, bewirken. Ausserdem kann man anstelle der beschriebenen U-Rohrbündel auch andere Rohrbündelkonfigurationen verwenden, wie bekannte gerade durchgehende Rohrbündel. 20 Anstelle der als Pumpvorrichtung für die Rezirkulation des Spüldampfes im Nacherhitzerrohrbündel beschriebenen Hoch-druck-Dampfstrahlpumpe kann auch irgendeine andere gleichwertige Pumpvorrichtung verwendet werden, die die an die Hochdruck-Dampfstrahlpumpe gestellten funktionellen Anfor-25 derungen erfüllt, wie ein Turbinen- oder Schaufelradkompressor. The special exemplary embodiments described can of course be modified in a wide variety of ways. Instead of returning the purge steam by means of heating steam, as was described using the example of the throttled single-stage reheater, the invention can of course likewise be used in the same way in any other reheater with a tube bundle arrangement which is fed with high-pressure steam, which is considerable in a certain load range is throttled. In the case of a two-stage reheater which works according to the same principle, the rinsing flow in the tube bundle, which works with the higher pressure, will be recirculated. In addition, other tube bundle configurations, such as known straight tube bundles, can also be used instead of the U-tube bundles described. Instead of the high-pressure steam jet pump described as a pump device for the recirculation of the flushing steam in the reheater tube bundle, it is also possible to use any other equivalent pump device which fulfills the functional requirements placed on the high-pressure steam jet pump, such as a turbine or paddle wheel compressor.
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