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Hochtemperaturreaktoranlage mit einem primären
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Kühlgaskreislauf und einem Dampfkreislauf zur Erzeugung von Arbeitsdampf
Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturreaktoranlage mit einem primären Kühlgaskreislauf
und einem Dampfkreislauf zur Erzeugung von Arbeitsdampf, der einem ein- oder mehrwelligen
Dampfturbosatz zugeführt wird.
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Bekannt ist eine Hochtemperaturreaktoranlage (THTR-300 MWe), bei der
in einem primären Kreislauf umlaufendes Kühlgas (Helium) die im Reaktorkern erzeugte
Wärme über sechs Dampferzeuger an einen sekundären Dampfkreislauf abgibt, in dem
hochgespannter Dampf erzeugt wird. Die Schaltung des sekundären Dampfkreislaufs
einschließlich Zwischenüberhitzung entspricht der eines konventionellen thermischen
Kraftwerks.
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Bei der bekannten Hochtemperaturreaktoranlage wurden für den sekundären
Dampfkreislauf folgende Zustandswerte gewählt: Dampfeintrittsdruck am Hochdruck-Turbinengehäuse
180 bar, Überhitzungstemperatur am Eintritt Hochdruck-Turbinengehäuse 540 OC, Zwischenüberhitzung
540 OC.
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Mit diesen Dampfzuständen ist ein Wirkungsgrad der Anlage von ca.
39 % erreichbar.
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Zur Anhebung des Wirkungsgrades von Dampfkraftanlagen wurde bereits
eine modifizierte Schaltung des Dampfkreislaufes vorgeschlagen,
die
drei- bis fünffache Zwischeniiberhitzung des Dampfes sowie - neben der konventionellen
Art der Entnahmevorwärmung des Speisewassers - eine neue zusätzliche Art der Speisewasservorwärmung
durch Enthitzung des teil entspannten Arbeitsdampfes vorsieht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, diese neue Art des
Dampfkreislaufes sinnvoll mit den Gegebenheiten eines Hochtemperaturreaktors zu
kombinieren, so daß sie bei diesem Reaktortyp angewendet und damit der thermische
Wirkungsgrad einer Hochtemperaturreaktoranlage verbessert werden kann. Ferner soll
die Verknüpfung des neuen Dampfkreislaufes ij'iC dem Hochtemperaturreaktor in einer
Weise erfolgen, daß die Abfuhr der Nachwärme des Reaktors ohne zusätzliche Einrichtungen
erfolgen kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Hochtemperaturreaktoranlage gemäß
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie einen oder mehrere sekundäre Kühlgaskreisläufe
aufweist, von denen jeder wenigstens einen primärgas-/sekundärgasseitigen Wärmetauscher,
einen oder mehrere Zwischenüberhitzer für den Arbeitsdampf des ein- oder mehrwelligen
Dampfturbosatzes und wenigstens einen Kühler für das An- und Abfahren der Anlage
und für den Nachwärmeabfuhrbetrieb sowie ein oder mehrere Umwälzgebläse für das
sekundärseitige Kühlgas enthält.
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Vorzugsweise beträgt die Zahl der sekundärseitigen Kühlgaskreisläufe
drei oder vier oder sechs.
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Sind je sekundärem Kühlgaskreislauf mehrere Zwischenüberhitzer vorgesehen,
so sind diese sekundärgasseitig parallel- und arbeitsdampfseitig hintereinandergeschaltet.
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Durch das Vorhandensein eines oder mehrerer sekundärer Kühlgas kreisläufe
ist es möglich, im Normalbetrieb der Hochtemperaturreaktoranlage einen Teil der
im Reaktorkern entstehenden Wärme aus dem primären Kühlgaskreislauf (Heliumkreislauf)
auszukoppeln und für die mehrfache Zwischenüberhitzung des Arbeitsdampfes des Dampfturbosatzes
zu verwenden.
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In jedem sekundären Kühlgaskreislauf ist neben einem oder mehreren
Zwischenüberhitzern auch wenigstens ein Kühler für das An-und Abfahren der Anlage
sowie für die Abfuhr der Nachwärme des Reaktors angeordnet. Dieser Kühler ist bzw.
diese Kühler sind zu den Zwischenüberhitzern sekundärgasseitig parallelgeschaltet.
Jedem Kühler kann wenigstens eine Dreiwegearmatur zugeordnet sein, die eine teilweise
oder vollständige Beaufschlagung des Kühlers durch sekundäres Kühlgas ermöglicht.
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Sind in einem sekundären Kühlgaskreislauf mehrere primärgas-/ sekundärgasseitige
Wärmetauscher angeordnet, so sind diese sekundärgasseitig zueinander parallelgeschaltet.
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eist die Hochtemperaturreaktoranlage mehrere primäre Kühlgas kreisläufe
auf, so sind in jedem dieser Stränge ein primärgas-/ sekundärgasseitiger Wärmetauscher
und ein Dampferzeuger (zur Erzeugung des Hochdruckdampfes) angeordnet, wobei der
Wärmetauscher dem Dampferzeuger in Strömungsrichtung des primären Kühlgases vorgeschaltet
ist. Diese Anordnung schützt besonders die Dampferzeuger vor Beaufschlagung mit
zu heißem Primärgas (Helium).
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Besitzt der Einwellen- oder Mehrwellen-Dampfturbosatz m-fache Zwischenüberhitzung
(wobei m eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist), und sind in der Anlage n sekundäre
Kühlgaskreisläufe vorhanden (wobei n eine ganze Zahl vorzugsweise vom Wert 3 oder
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oder 6 ist), so können vorteilhafterweise Qem Dampfturbosatz
m x n Zwischenüberhitzer zugeordnet sein. Dabei weist jeder der sekundären Kühlgaskreisläufe
m Zwischenüberhitzer auf.
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Diese Unterteilung in n sekundäre Kühlgask: läufe, die miteinander
nicht vermascht sind, gibt eine ausreichende Verfügbarkeit hinsichtlich der Abfuhr
der Nachwärme des Reaktors.
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Nach einer Weiterentwicklung der Erfindung ist zwischen dem letzten
Mitteldruck-Turbinengehäuse und dem(n) Niederdruck-Turbinengehäuse(n) mindestens
ein Rekuperator für die Enthitzung des Arbeitsdampfes angeordnet. Dabei 1 is aer
Rekuperator bzw. sind die Rekuperatoren während des Betriebes vom Speisewasser als
wärmeaufnehmendem Medium durchströmt. In vorteilhafter Weise ist der Rekuperator
bzw. sind die Rekuperatoren speisewasserseitig zwischen den Speisewasser-Vorpumpen
und den Speisewasserhauptpumpen angeordnet. Dies stellt eine neue Art der Speisewasservorwärmung
dar.
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Um bei Turbinenschnellschluß ein übermäßiges Absinken der Speisewasservorwärmtemperatur
zu verhindern - dies würde zu Temperaturstürzen an den Dampferzeugern führen -,
ist in der Speisewasserleitung wenigstens ein Hochdruck-Speisewasservorwärmer angeordnet,
der dampfseitig nur von der(n) Frischdampfleitung(en) her angespeist ist. Er tritt
nur in Störfällen in Funktion.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperaturreaktoranlage gemäß
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß während des Normalbetriebes Reaktorwärme
aus den primären Kühlgaskreislaufsträngen über die Wärmetauscher in das Kühlgases
sekundären Kühlgaskreislaufs bzw. der sekundären Kühlgaskreisläufe eingekoppelt
und von diesem in den Zwischenüberhitzern an den Arbeitsdampf des Dampfturbosatzes
abgegeben wird. Beim Anfahren
der Anlage und/oder bei Schnellschluß
des Dampfturbosatzes kann Reaktorwärme aus den primären Kühlgaskreislaufsträngen
über diese Wärmetauscher ausgekoppelt und über das Kühlgas des sekundären Kühlgaskreislaufes
bzw. der sekundären Kühlgaskreisläufe in dem Kühler bzw. in den Kühlern an ein Kühlmedium,
z.B. Wasser oder Luft, abgegeben werden.
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Die nach Abschaltung des Reaktors anfallende Nachwärme kann ebenfalls
über die Wärmetauscher aus den primären Kühlgaskreislaufsträngen abgeführt und an
das Kühlgas des sekundären Kühlgaskreislaufs bzw. der sekundären Kühlgaskreisläufe
abgegeben werden, das die Nachwärme in dem Kühler bzw. in den Kühlern an ein Kühlmedium,
z.B. Wasser oder Luft, überträgt. Bei diesem Nachwärmeabfuhrbetrieb wird vorteilhafterweise
die Temperatur des "kalten" Sekundärgases um mehr als 100 OC unter dessen Temperatur
bei Normalbetrieb abgesenkt, um eine Wärmeabgabe an die Dampferzeuger des Dampfkreislaufs
auszuschließen und eine ausreichend tiefe "kalte" Temperatur (von höchstens 220
OC) des primären Kühlgases zu erreichen. Dies trägt wesentlich zum einwandfreien
Funktionieren der erfindungsgemäßen Hochtemperaturreaktoranlage bei.
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Auf der Seite des Kondensats und Speisewassers wird während des Normalbetriebes
des Blockes das Kondensat des Dampfturbosatzes in einem oder mehreren Niederdruck-Entnahmevorwärmern
und in eineM oder mehreren Speisewasserbehälter(n) durch Entnahmedampf aus dem(n)
letzten Turbinengehäuse(n) vorgewärmt und das Speisewasser der Dampferzeuger anschließend
in dem oder den genannten Rekuperator(en) durch Enthitzen des Arbeitsdampfes des
Turbosatzes weiter vorgewärmt. Im Blick auf die Einbauten des Reaktors und die "kalte"
Temperatur des primären Kühlgases ist die Speisewasserendtemperatur auf ca. 220
OC begrenzt.
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Die Dampferzeuger des Dampfkreislaufs können gegebenenfalls auch in
den sekundären Kühlgaskreisläufe angeordnet sein.
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Dies schließt bei einem Rohrreißer in einem Dampferzeuger den Wassereintritt
in den Kern des Reaktors aus, erfordert aber größere primärgasseitige/sekundärgasseitig
Wärmetauscher.
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Bei einem Dampfkreislauf gemäß der Erfindung mit einem HD-Turbineneintrittsdruck
von 250 bar, einer HD-Turbineneintrittstemperatur von 540 OC und einer fünffachen
Zwischenüberhitzung auf je 540 OC (was einen zweiwelligen Dampfturbosatz bedingt)
sowie einer Speisewasserendtemperatur von 220 OC und einem Kondensatordruck von
0,05 bar ist - bei reiner Stromerzel,ung - ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 45 Prozent
erreichbar.
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Gegenüber einer konventionellen Hochtemperaturreaktoranlage mit mehreren
- meist vier - gesonderten Einrichtungen zur Nachwärmeabfuhr hat eine Anlage mit
den erfindungsgemäßen Merkmalen noch folgende weitere Vorzüge: - Hauptkondensator
und Hauptkühlturm werden kleiner, - die separaten Einrichtungen zur Nachwärmeabfuhr
(Nachwärme-Wärmetauscher, Nachwärme-Gebläse) können entfallen, - die Gefahr des
Wassereinbruches in den Reaktorkern über die Nachwärme-Wärmetauscher (bei Rohrundichtheiten
derselben) ist nicht gegeben, - während des Normalbetriebes der Reaktoranlage treten
keine Wärmeverluste über die Nachwärme-Wärmetauscher auf, - da die sekundären Rühlgaskreisläufe
permanent in Betrieb sind, ist bei ihrer Anforderung für die Nachwärmeabfuhr ihre
Ausfallwahrscheinlichkeit geringer, - die Dampferzeuger werden kleiner, da ein Teil
der vom Reaktorkern erzeugten Wärme über die primärgasseitigen/ sekundärgasseitigen
Wärmetauscher ausgekoppelt wird.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen
Hochtemperaturreaktoranlage mit Dampfkreislauf hohen Wirkungsgrades schematisch
dargestellt; ferner ist ein Temperatur-Entropie-Diagramm des Dampfkreislaufes wiedergegeben.
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Es zeigt: Figur 1 als erste Ausführungsvariante das Schaltschema einer
Reaktoranlage mit einem sekundären Rühlgaskreislauf und einem Einwellen-Dampfturbosatz
mit dreifacher Zwischenüberhitzung mittels dreier Zwischenüberhitzer, Figur 2 als
zweite Ausführungsvariante das Schaltschema einer Reaktoranlage mit zwei sekundären
Kühlgaskreisläufen und einem Einwellen-Dampfturbosatz mit dreifacher Zwischenüberhitzung
mittels sechs Zwischenüberhitzern, Figur 3 das zur ersten und zweiten Ausführungsvariante
passende Temperatur-Entropie-Diagramm des Wasserdampfes.
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Bei der in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsvariante der Reaktoranlage
sind im Hochtemperaturreaktor 1 der Kern 2 sowie zwei primäre Kühlgaskreislaufstränge
3, 4 angeordnet, wobei jeder Strang 3 bzw. 4 einen primärgasseitigen/sekundärgasseitigen
Wärmetauscher 5 bzw. 6, einen Dampferzeuger 7 bzw. 8 und ein Umwälzgebläse 9 bzw.
10 enthält. Die primärgasseitigen /sekundärgasseitigen Wärmetauscher 5 bzw. 6 sind
dabei den Dampferzeugern 7 bzw. 8 desselben Kreislaufstranges in Strömungsrichtung
des Primärgases vorgeschaltet.
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Ein Einwellen-Dampfturbosatz 11, der einen elektrischen Generator
12 antreibt, besteht aus einem Hochdruck-Turbinengehäuse lla, einem ersten Mitteldruck-Turbinengehäuse
llb, einem zweiten Mitteldruck-Turbinengehäuse llc, einem dritten Mitteldruck-Turbinengehäuse
11d und einem Niederdruck-@ @binengehäuse ile und hat dreifache Zwischenüberhitzung.
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Diese dreifache Zwischenüberhitzung erfolgt in einem ersten Zwischenüberhitzer
13, einem zweiten Zwischenüberhitzer 14 und in einem dritten Zwischenüberhitzer
15, die vom Arbeitsdampf des Turbosatzes 11 nacheinander durchströmt werden und
im Normalbetrieb Wärme aus dem Gas (Helium) eines sexu-;ç;en Kühlgaskreislaufes
16 zugeführt erhalten.
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Im sekundären Kühlgaskreislauf 16 sind außer den drei Zwischenüberhitzern
13, 14 und 15 auch die beiden primärgasseitigen/sekundärgasseitigen Wärmetauscher
5 und 6 angeordnet. Ein Kühler 17 mit zugehöriger Dreiwegearmatur 18 und zwei sekundäre
Umwälzgebläse 19 sind ebenfalls dem sekundären Kühlgaskreislauf 16 zugeordnet. Diese
Aggregate sind durch eine "heiße" Sekundäre gasleitung 20 und eine "kalte" Sekundärgasleitung
21 miteinander verbunden.
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Innerhalb des sekundären Kühlgaskreislaufes 16 sind die drei Zwischenüberhitzer
13, 14 und 15 sowie der Kühler 17 sekundärgasseitig zueinander parallelgeschaltet.
Die beiden primärgasseitigen/sekundärgasseitigen Wärmetauscher 5 und 6 sind sekundärgasseitig
zueinander ebenfalls parallelgeschaltet.
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An dem fünfgehäusigen Dampfturbosatz 11 ist zwischen dem dritten Mitteldruck-Turbinengehäuse
11d und dem Niederdruck-Turbinengehäuse 11e dampfseitig ein Rekuperator 22 für die
Enthitzung des Arbeitsdampfes angeordnet. Dieser Rekuperator 22 ist
während
des Betriebes vom Speisewasser als wärmeaufnehmendem Medium durchströmt. Dabei ist
der Rekuperator 22 speisewasserseitig zwischen der Speisewasser-Vorpumpe 23 und
der Speisewasser-Hauptpumpe 24 angeordnet.
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Der während des Betriebes aus dem Niederdruck-Turbinengehäuse 11e
austretende Abdampf wird in einem Kondensator 25 niedergeschlagen und von dort durch
eine Kondensatpumpe 26 über eine Hauptkondensatleitung 27 und einen Niederdruck-Entnahmevorwärmer
28 in einen Speisewasserbehälter 29 gepumpt.
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Der Niederdruck-Entnahmevorwärmer 28 und der Speisewasserbehälter
29 werden über Entnahmeleitungen 30 und 31 vom Dampfturbosatz 11 her mit Heizdampf
versorgt.
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Aus dem Speisewasserbehälter 29 gelangt das Speisewasser über die
Speisewasservorpumpe 23 und eine Mitteldruck-Speiseleitung 32 über den Rekuperator
22 zur Speisewasser-Hauptpumpe 24 und von dieser über eine Hochdruck-Speiseleitung
33 in die Dampferzeuger 7 und 8.
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In der Hochdruck-Speiseleitung 33 ist ein Hochdruck-Speisewasservorwärmer
34 angeordnet, der nur von einer Frischdampfleitung 35 her bedampft wird und in
Störfällen (z.B. bei Turbinenschnellschluß) ein Absinken der Speisewasserendtemperatur
verhindert.
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Von der Frischdampfleitung 35 zweigt eine Umgehungsleitung 36 des
Dampfturbosatzes 11 ab, die über eine Reduzierstation 37 zum Kondesator 25 führt.
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Bei der in Figur 2 dargestellten zweiten i lsführungsvariante der
Reaktoranlage sind zwei sekundäre Kühlgaskreisläufe 16 und 16' angeordnet, die miteinander
nicht vermascht sind.
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Im Kühlgaskreislauf 16 sind der primärgasseitige/sekundärgasseitige
Wärmetauscher 5, die Zwischenüberhitzer 13, 14, 15, der Kühler 17 mit Dreiwegearmatur
18 sowie das sekundäre Umwälzgebläse 19 angeordnet und durch die "heiße" Sekundärgasleitung
20 und die ''kaltel' Sekundärgasleitung 21 miteinander verbunden.
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Analog sind im Kühlgaskreislauf 16' der prir,tirgasseitige/ sekundärgasseitige
Wärmetauscher 6, die Zwischenüberhitzer 13', 14', 15', der Kühler 17' mit Dreiwegearmatur
18' sowie das sekundäre Umwälzgebläse 19' angeordnet und durch die "heiße" Sekundärgasleitung
20' und die "kalte" Sekundärgasleitung 21' miteinander verbunden.
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Die übrigen Positionen in Figur 2 sind mit den Positionen in Figur
1 identisch und mit den gleichen Bezugsnummern versehen.
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Für eine gemäß der Erfindung zu errichtende Hochtemperaturreaktoranlage
wird man die Zahl der sekundären Kühlgaskreisläufe mit drei oder vier wählen, um
hinsichtlich der Nachwärmeabfuhr eine ausreichende Redundanz sicherzustellen.
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Das in Figur 3 dargestellte Temperatur-Entropie-Diagramm des Wasserdampfkreislaufes
zeigt die Zustandsänderungen des Dampfes.
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Nach dreifacher Zwischenüberhitzung mit jeweils nachfolgender Teil
entspannung erfolgt die Enthitzung des Arbeitsdampfes von 390 OC auf 160 OC bei
einem Druck von ca. 5 bar. Dies bewirkt eine Aufwärmung des Speisewassers von 105
"C auf 220 OC. Die
Vorwärmung des Kondensats von 33 °C auf 105
°C erfolgt durch konventionelle Entnahmevorwärmung. Die Aufwärmung des Speisewassers
bzw. Dampfes von 220 °C auf 540 °C Hochdruck-Oberhitzung erfolgt in den Dampferzeugern
7 und 8 durch Reaktorwärme.