DE2912113C2 - Verfahren und Einrichtung zum Entwässern und Nacherhitzen von Dampf - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen zum Durchführen eines solchen Verfahrens.

Insbesondere betrifft die Erfindung Wasserabscheider-Nacherhitzer, im speziellen neuartige einstufige Nacherhitzer für Wasserabscheider-Nacherhitzer in Atomkernenergie-Dampfturbinenkraftwerten.

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 nacherhitzi, so daß er zuerst in Mitteldruck- und dann in Niederdruck-Stufen Nutzarbeit zu leisten vermag. Der Dampf von einem durch Kernenergie geheizten Dampfgenerator oder Reaktor hat andererseits im allgemeinen eine verhältnismäßig niedrige Temperatur und ist gesättigt. Nachdem er eint Hochdruckturbinenstufe durchströmt hat, enthält der durch Kernenergie erzeugte Dampf so viel miigeführte Feuchtigkeit, daß er hiervon befreit werden muß und außerdem vorzugsweise auch nacherhitzt werden soll, um seine Enthalpie zu erhöhen, damit er zuverlässig weitere Nutzarbeit zu leisten vermag.

Es sind bereits verschiedene Typen von Wasserabscheider-h'icherhitzern bekannt, siehe z.B. die US-PS 37 12 272. Der aus dieser Patentschrift bekannte Wasserabscheider-Nacherhitzer enthält zwei Nacherhitzerabschnitte mit jeweils einer Bank oder einem Bündel von U-förmigen Röhren, die sich longitudinal in einen druckfesten Mantel erstrecken und ein Kopfstück zur Einführung eines Heizfluids (Dampf) zu den Röhren und zum Abziehen des Fluids (Kondensat) von den Röhren enthalten. Das Kopfstück ist mit einer vertikalen Leitplatte versehen, die im wesentlichen in der Mitte des Kopfstücks angeordnet ist und es in einen Einlaß- und einen Auslaßabschnitt unterteilt. Das eine Ende jeder Röhre s;eht mit dem Einlaßabschnitt und das andere Ende mit dem Auslaßabschnitt in Verbindung. Im Beirieb wird gesättigter Heizdampf durch den Einlaßabschnitt des Koptstücks in die U-förmigen Röhren eingespeist, durchströmt die Röhren und tritt aus ihnen durch den Auslaßabschnitt des Kopfstückes aus und alles Kondensat, das sich in den Nacherhitzer-Röhren bildet, wird durch einen einzigen Abfluß abgeleitet, der im Auslaßabschnitt vorgesehen ist.

Ein weiteres Beispiel eines Wasserabscheider-Nacherhitzers, der zwei Nacherhitzerröhrenbündel enthält, ist aus der US-PS 37 13 278 bekannt. Bei dieser bekannten Konstruktion ist das Kopfstück mit einer im wesentlichen horizontalen Trenn- oder Leitplatte versehen, die im wesentlichen in der Mitte des Kopfstücks angeordnet ist und dieses in ei ,en oberen Einlaßabschnitt sowie einen unteren Auslaßabschnitt unterteilt. Die U-förmigen Biegungen der Röhren verlaufen also in vertikaler Richtung.

Ein Wasserabscheider-Nacherhitzer, der ein einziges Nacherhitzerröhrenbündel enthält, ist aus der US-PS 35 93 500 bekannt

Bei allen diesen bekannten Wasserabscheider-Nacherhitzer-Konstruktionen können unter gewissen Betriebsbedingungen beträchtliche Mengen des Nacherhitzungsdampfes in den am stärksten belasteten Röhren

ίο kondensieren. Wenn der ganze Dampf, der in diese Röhren eintritt, vor dem Röhrenende vollständig kondensiert, kann sich unterkühltes Kondensat ansammeln. Die bei der Unterkühlung von Kondensat auftretenden Probleme und die damit zusammenhängenden Instabilitäten sind bekannt Man weiß auch bereits, daß geeignet bemessene Röhrenöffnungen und Röhrenbündelspülungen einen günstigen Einfluß haben und die obigen Probleme erleichtern.

Es ist z. B. aus der US-PS 30 73 575 bekannt, daß man die Unterkühlung dadurch verringern kann, daß man bestimmte Röhren in geeigneter Vtvise verengt und dadurch den Durchsatz des röhrenseitigen Dampfes der für die Wärmeübertragung tatsächlich benötigten Wärmemenge anpaßt. Man kann dadurch die Unterkühlung und die mit ihr zusammenhängenden Instabilitäten in Dam^iwärmetauschern verringern.

Die öffnungs- oder Querschnittsbemessung ist eine der Maßnahmen zur Behebung des Problems einer unterschiedlichen Kondensation in den U-Röhren eines Nacherhitzer-Röhrenbündels und damit einer weitgehenden Vermeidung der Kondensatorunterkühlung, der vom Konzept her wahrscheinlich der einfachste, z. B. aus der US-PS 38 30 293 bekannte Weg zur Vermeidung dieses Problems besteht jedoch darin, durch das Röhrenbündel eine ausreichende Menge gesättigten Dampfes im Überschuß über die für die Nacherhitzung theoretisch nötige Menge zu leiten und dadurch alle U-Röhren durchzuspülen. Diese Maßnahme ist jedoch im Hinblick auf den Wirkungsgrad normalerweise nicht anwendbar, da sie eine untragbare Energievergeudung dcstellt.

Eine praktikablere Lösung ist die Verwendung von zusätzlichen Unterteilungen im Kopfstück, wie es aus der US-PS 39 96 897 bekannt ist. Bei der dort beschriebenen Einrichtung tritt der zugeführte Dampf in einen unterteilten Einlaßabschnitt des Kopfstückes eines horizontal orientierten Röhrenbündels ein und strömt durch die untere Hälfte der U-Röhren zu einem Rückflußabschnitt des Kopfstückes, wo das Kondensat, welches sich bei den ersten beiden longitudinalen Durchgängen durch die U-Röhren gebildet hat, abgeleitet wird. Der gesättigte Dampf wird dann wieder in die Röhren des Röhrenbündels eingeleitet, er tritt in die obere Hälfte des Röhrenbündels ein und kehrt zum entgegengesetzten Abschnitt des Kopfstückes zurück, von dem das angesammelte Kondensat wieder abgeleitet wird. Eine solche Einrichtung kann als »Vierdurchgangsanordnung« bezeichnet werden und verringert die Gefahr einer KondensatÜberflutung sowie der resultierenden thermischen Instabilitäten.

Bei einer aus der US-PS 37 59 319 bekannten »Vierdurchgangsanordnung« enthält der Nacherhitzer einen getrennten Verteiler um den gesättigten Dampf, der bereits einen Durchlauf vollführt hat, nochmals durch gewisse U-Röhren dus Naclierhitzerröhrenbündels laufen zu lassen.

Die Abstufung der Strömungsquerschnitte und die oben diskutierten weiteren Maßnahmen stellen iedoch

5 6

leider normalerweise keine vollständige Lösung des dampf, der in Strömungsrichtung vor dem Drosselventil Problems der Kondensatunterkühlung und der damit oder den Drosselventilen in der Speiseleitung für das zusammenhängenden Instabilitäten in Wasserabschei- Röhrenbündel entnommen wurde, zum Antrieb eines der-Nacherhitzer-Einrichtungen dar. Ein Grund, warum wesentlich wirkungsvolleren, mit hoher Druckdifferenz durch die Abstufung der öffnungs- bzw. Strömungs- 5 arbeitenden Thermokompressors verwendet,
querschnitte keine vollständige Lösung möglich ist, be- Bei einer bevorzugten Ausgestaltung einer Einrichsteht darin, daß eine vorgegebene Öffnungsanordnung tung zum Durchführen des vorliegenden Verfahrens zwar für eine Verteilung der Dampfströmung auf die werden diese Vorteile dadurch erreicht, daß in einem verschiedenen Röhren berechnet und ausgeführt sein einstufigen Wasserabscheider-Nacherhitzer-Röhrenkann, daß sie den theoretischen Bedarf an zu übertra- 10 bündel eine Pumpvorrichtung vorgesehen wird, um grogender Wärme bei einem bestimmten Betriebszustand Be Mengen von Spüldampf durch die Röhren des Bünzu decken vermag, für alle Betriebsbedingungen jedoch dels zu leiten. Die Einlaßenden von in einer vertikalen nicht ideal ausgelegt ist. Eine Querschnitts- oder öff- Ebene angeordneten, U-förmigen Röhren können mit nungsanordnung, die für einen Satz von Bedingungen unterschiedlichen öffnungen versehen sein, um besser ideal ist, kann für einen anderen Satz von Bedingungen 15 zu gewährleisten, daß den einzelnen Röhren genügend nicht geeignet sein. z. B. bei Änderung der Lastwerte Dampf zugeleitet wird, um einen Unterkühlung von der Turbine oder im Falle eines einstufigen Nacherhit- Kondensat zu vermeiden. Haupt- oder Frischdampf, der zers, wenn der Heizdampf bei Teillast gedrosselt wird. stromaufwärts von der Hochdruckturbine entnommen

Aus der US-PS 38 30 293 ist ein Verfahren zur Rück- wird, dient als Heizfluid (Dampf) für das Röhrenbündel, führung von Spüldampf in Röhren-Mantcl-Wärmctau- 20 Bei einem nuklearen Reaktor oder Dampferzeuger sind schern, die mit einem Röhrenbündel arbeiten, bekannt. die Schwankungen des Hauptdampfdruckes über den In der Dampfzuführungsleitung des Röhrenbündels Belastungsbereich der Turbine minimal. Es ist ein Weji wird ein mit kleiner Druckdifferenz (ca. 0.7 bis vorgesehen, um einen Hochdruck-Thermokompressor 1,4· 10⁵ Pa oder etwa 10 bis 20 psid) arbeitender Ther- oder Dampfstrahlverdichter mit Haupt- oder Frischmokompressor verwendet, um eine Rezirkulation des 25 dampf zu speisen, der stromaufwärts vom Drosselventil Spüldampfes im Röhrenbündel zu bewirken. Die Menge oder den Drosselventilen der Speiseleitung des Röhrendes durch diese Technik rezirkulierten Spüldampfes bündels abgenommen wird. Ferner sind Rohrleitungen reicht jedoch nicht aus, ein Unterkühlendes Kondensats vom Auslaßteil des Kopfstückes des Röhrenbündels zu vermeiden, da der geringe Druckunterschied am zum Niederdruck-Ansauganschluß des Thermokom-Thennokompressor diesen sehr ineffektiv macht und 30 pressors vorgesehen. Durch diese Maßnahmen ist der sich keine Angaben darüber finden, daß eine alternative Druck des Treibdampfcs für den Thermokompressor Quelle für Dampf höheren Druckes wünschenswert mindestens l,5mal (und bis zu lOmal) größer als der des oder notwendig sei. gedrosselten Saugdampfes. Mit einem solchen Druck-

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend verhältnis von mindestens 1.5 bewirkt der Thcrmokom-

die Aufgabe zugrunde, die Unterkühlung von Konden- J5 pressor (der hier im folgenden als Hochdruck-Thermo-

sat im Röhrenbündel eines Nacherhitzers zu vermeiden. kompressor, also Thermokompressor mit hohem JPbe-

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch I gekenn- zeichnet werden soii), daß wesentlich mehr Saugdampf

zeichnete Verfahren gelöst. abgezogen wird als Treibdampf zugeführt wird. Für den

Bei den bevorzugten Ausführungsformen von Ein- Auslaß- oder Abdampf vom Thermokompressor. der

richtungen zum Durchführen des vorliegenden Verfah- 40 einen mittleren Druck hat, sind Rohrleitungen zu seiner

rens wird ein Hochdifferentialdruck-Thermokompres- Einspeisung in die Einlaßkammer des Kopfstückes des

sor. also ein mit hoher Druckdifferenz zwischen Treib- Röhrenbündels vorgesehen. Durch diese Maßnahmen

dampf und Ansaugdampf arbeitender Thermokompres- können Spüldampfdurchsätze in der Größenordnung

sor dazu verwendet, beträchtliche Mengen von Spül- von 50 bis 100% des Röhrenbündeldurchsatzes. der

dampf im Niederdruck-Röhrenbündel der ersten Stufe 45 durch die benötigte, abzugebende Wärme bestimmt ist.

eines zweistufigen Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhit- bei den Teillastbedingungen leicht erreichbar, bei denen

zers zu rezirkulieren. Für den Antrieb bzw. Betrieb des die Einlaßströmung gedrosselt ist und hohe Spüldampf-

Thermokompressors werden relativ kleine Mengen durchsätze benötigt werden. Die bekannten Probleme

Hochdruck-Spüldampf vom Hochdruck-Röhrenbündel hinsichtlich der Kondensatunterkühlung und der damit

der zweiten Stuf"verwendet. Für den Betrieb sind dabei 50 zusammenhängenden Instabilitäten werden auf diese

im allgemeinen mindestens zwei Röhrcnbündel erfor- Weise weitestgehend vermieden. Da der Spüldampf au-

derlich, die mit wesentlich verschiedenen Drücken ar- ßerdem durch das oder die Röhrenbündel kontinuierlich

beiten. rezirkuliert oder zurückgeführt wird, erfolgt die wei-

Bei einer anderen Ausführungsform von Einrichtun- testgehende Unterdrückung der Kondensatunterküh-

gen zum Durchführen des vorliegenden Verfahrens 55 lung mit einem Minimum an thermodynamischen Veriu-

wird die Unterkühlung von Kondensat in einstufigen sten. Zur Entfernung etwaiger nicht kondensierbarer

Nacherhitzem oder Zwischenüberhitzern erfindungs- Gase, die sich ansammeln können, wird zweckmäßiger-

gemäß dadurch im wesentlichen vermieden, daß die weise eine kleine Entleerung vorgesehen. Bei, hohen

Drosselung von Heizdampf für den Betrieb eines mit Leistungen, bei denen der dem Röhrenbündel oder den

hohem Druckunterschied arbeitenden Thermokom- no Röhrenbündeln /ujroführio Hei/d:impf nicht mehr ^e

pressors verwendet wird, um mit minimalen thcrmody- drosselt wird, kann ferner die WärineuhgabclciMiiiig

namischen Verlusten wesentlich größere Mengen von der zahlreichen U-Röhren des Bündels leicht durch iin-

Spüldampf, als es bisher möglich war. zurückzuspeiscn tcrschiediiche Röhrenöffnungen in Verbindung mit ei-

und im Umlauf zuhalten. ner verhältnismäßig geringen Strömungsgeschwindig-

Durch die Erfindung kann also eine Unterkühlung 65 keit von Spüldampf, der zu einem niedrigeren punkt des von Kondensat in gedrosselten, einstufigen Nacherhit- Systems abgeleitet wird, leicht eingestellt oder verzer-Röhrenbündeln mit minimalen thermodynamischen gleichmäßigt werden. Unter diesen Bedingungen kann Verlusten verhindert werden, indem man Hochdruck- der Thermokompressor. wenn auch mit geringerem

Wirkungsgrad weiter arbeiten, um ein erneutes Anfahren bei einem späteren l.astweehsel zu vermeiden.

Das vorliegende Verfahren und die Einrichtungen zu seiner Durchführung, durch die mehr Spüldampf gclieferi werden, durch den eine Unterkühlung des Kondensats sowie die damit zusammenhängenden Instabilitäten im wesentlichen verhindert werden, sind sehr wirtschsf'.lich und haben einen hohen Wirkungsgrad. Es wir« rieh ι nur das Vorstehende erreicht, sondern auch der Gcsamiwirkungsgrad des Systems bei Tcillastbedingungen verbessert, da die Menge des vo^n Vorerhitzer zu einem niedrigeren Punkt im System, wie dem Speisewasser-Vorerhitzer, abgeleiteten Spüldampfes beträchtlich veringert und dadurch die weniger effiziente Verwendung des heißen Dampfes auf ein Minimum beschränkt wird.

Es ist nicht notwendig, besondere Vorkehrungen zu treffen, wie durch spezielle Ventile, um zu gewährleisten daß nur pin kleiner Teil des EinisßdäiTipfes. beispielsweise 2 bis 10% des Dampfes in der Hauptdampfleitung, als Treibdampf für den Thermokompressor verwendet wird. Unter den vorliegenden Bedingungen ist der Thermokcmpressor nämlich selbstbegrenzend, er arbeitet im Drosselbetrieb und nimmt nur so viel Dampf auf. wie es erforderlich ist. um den verfügbaren Spüldampf im Umlauf zu halten. Ein weiterer Vorteil der Einrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß das System leicht an kommerziell verfügbare Thermokomprcssoren angepaßt werden kann, deren Bciriebsparamctergut bekannt sind.

L' η das gesteckte Ziel, eine Kondensatunterkühlung und die damit zusammenhängenden Instabilitäten ?u vermeiden, zu erreichen, ist im allgemeinen eine größere Menge Spüldampf erforderlich, als man bei der Re-/irkulation mit einem Niederdruek-Thermokompressor (Thermokompressor mit niedrigem JP) erwarten würde. Der gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Ilochdruck-Thcrmokompressor (Thermokompressor mit hohem ΔΡ) vermag jedoch diese Durchsätze der Re/irkulationsströmung zu bewirken. Der Hochdruck-Thermokompressor ist außerdem kleiner und es ist einfach, die Ansaugleistung durch Erhöhung des Treibdampfsstromes zu vergrößern.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der beim vorliegenden Verfahren verwendete Thermokompressor mit hohem P keine Verringerung des Druckes in der Einlaßkammer des Kopfstücks bewirkt. Ein Niederdruek-Thermokompressor 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 entsprechend niedriger ist.

Bei dem vorliegenden Verfahren wird als Spüldampf für das weitestgehende Vermeiden einer Kondensatunterkühlung in Nacherhitzerröhrenbündeln Dampf verwendet, der zum Einlaß des Röhrenbündels zurückgeführt ist. Die Bewegungsenergie oder Antriebsleistung wird durch Haupt- oder Frischdampf geliefert, welcher stromaufwärts des Drosselventils 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 Verwendung von röhrenseitigem Abdampf stellt praktisch eine wesentliche Verbesserung gegenüber der bekannten Praxis dar. bei der geringe Mengen an Spüldampf als sie für eine praktisch völlige Beseitigung der Kondensatunterkühliing benötigt werden, zu einem Speisewasservorerhitzer oder einem ähnlichen Punkt niedrigen Druckes im Turbinenzyklus zugeführt werden.

Das vorliegende Verfahren kann entweder mit einer abgestuften öffnungs- oder Querschnittsbemessung

ίο (oder äquivalenten Maßnahmen) oder unabhängig davon angewendet werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine etwas schematisierte vertikale Querschnittsansicht einer zweistufigen Wasserabscheider-Nacherhitzer-Einrichtung sowie zugehöriger Anlagenteile zum Durchführen des vorliegenden Verfahrens: F! g. 2 eine c'.v.·a3 schematisierte vertikale Qucrschnittsansicht einer einstufigen Wasserabscheider-Nacherhitzer-Einrichtung und zugehöriger Anlagenteile gemäß einem bevorzugten zweiten Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum Durchführen des vorliegenden Verfahrens, und

Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt eines Thermokompressors, wie er in der Einrichtung gem. F i g. 2 verwendet werden kann.

Die in Fig. I dargestellte Wasserabscheider-Nacherhitzer-Einrichtung 10 enthält einen Druckbehälter 12.

jo der typischerweise mehrere Dampfeinlässe 13 und mehrere Dampfauslässe 14 enthält, damit der zu trocknende und wieder zu erhitzende Dampf leichter hindurchgeleitet werden kann.

Die vom zugeführten Dampf mitgeführte Feuchtig-

r> keit 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 Druckbehälter 12 bildet.

Unmittelbar oberhalb der Wasserabscheideplatten 15 sind im Wege des von den Dampfeinlässen 13 zu den Dampfauslässen 14 strömenden Dampfes mehrere Über- oder Nacherhitzer 16 und 17 angeordnet.

Der Nacherhitzer 16 der ersten Stufe enthält ein Röhrenbündel 18 und ein Kopfstück Ü9. Der Nacherhitzer 17 der zweiten Stufe enthält ein Röhrenbündel 20 und

so ein Kopfstück 21. Die Röhrenbündel 18 und 20 enthalten jeweils eine Anzahl von U-förmigen Röhren 22, zwischen denen und dem durchströmenden mantelseitigen Dampf ein Wärmeübergang stattfindet. Die U-Röhren 22 führen jeweils gesättigten Dampf hohen Druckes, auf dessen Herkunft noch eingegangen wird, und enthalter jeweils 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 und eine kleine Ablauföffnung hat. Jede Röhre der Röhrenbündel 18 und 20 hat ein Einlaßende, das mit der oberen Einiaßkammer des zugehörigen Kopfstücks in Verbindung steht, während ihr anderes Ende in Verbindung 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 Röhren 22 des Nacherhitzers 16 und gibt dabei Wärme an den mantelseitigen Dampf ab, wobei er in den Röhren zumindest teilweise kondensiert. Das entstehende Kondensat tritt in die Auslaßrcammer des Kopfstücks ein und wird durch eine Abflußleitung 44 abgeleitet, während der restliche Dampf der Ansaugseite eines Thermokompressors 70 und einer Entleerungsleitung 51 über eine Rohrleitung 49 zugeführt wird.

Der Einlaßkammer 35 des Nacherhitzers 17 der zweiten Stufe wird gesättigter Dampf zugeführt, der stromaufwärts von der Hochdruckturbine durch eine Leitung 50 entnommen wird und bei Teillastbedingungen durch ein Ventil 52 gedrosselt wird und einen Druck hat, der wesentlich über dem Druck des gesättigter. Dsrnpfss liegt, der der Einlaßkammer 33 des Nacherhitzers 16 zugeführt wird. Der Dampf strömt dann von der Einlaßkammer 35 durch die Röhren 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 47 zugeführt, während der überschüssige Dampf durch eine Rohrleitung 71 dem Thermokompressor 70 als Treibdampf zugeführt wird.

Der durch den Arbeitsdampf von der Rohrleitung 71 mit Treibdampf versorgte Strahl- oder Thermokompressor 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 Röhrenbündels 18 des Nacherhitzers 16 aus und verhindert im wesentlichen ein Unterkühlen von Kondensat mit den damit zusammenhängenden Instabilitäten.

mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Der in F i g. 2 durgestellte Wasserabscheider-Nacherhitzer 10 enthält wieder einen Druckbehälter 12, der typischerweise mehrere Dampfeinlässe 13 und mehrere Dampfauslässc 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.

Der Überhitzer oder Nacherhitzer 16 enthält ein Röhrenbündel 18 und ein Kopfstück 19. Das Röhrenbündel 18 enthält eine Vielzahl von U-Röhren 22. die in Wärmeaustausch mit dem den Nacherhitzer durchströmenden mantelseitigen Dampf stehen und jeweils gesättigter Hochdruckdampf führen, auf dessen Ursprung noch eingegangen wird. Jedes U-Rohr des Bündels 18 hat einen nahezu horizontalen Einlaßabschriit: 23. einer.

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. Jede U-Röhre des Röhrenbündels 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-Röhren eines vorgegebenen Röhrenbündels einander

jo parallelgeschaltct sind, herrscht nn allen Röhren die gleiche Druckdifferenz (Treibkraft) /wischen dem Einlaß- und dem Auslaßabschniit.

Für den Betrieb steht Hauptdampf, der stromaufwärts von der Hochdruckturbine abgenommen wird.

J5 über eine Rohrleitung 50 für den Nacherhitzer 16 zur Verfugung. 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-Röhren 22. wobei er

Die Vorteile dieser Spülung des ersten Nacherhitzer- 40 zwei longitudinale Wege entlang der und parallel zur Röhrenbündels können erhalten bleiben, wenn man die Längsachse des Mantels oder Druckbehälter 12 strömt

und

zweite Nacherhitzerstu't.· abstellt und die Wassetab scheider-Nacherhitzer-Einrichtung praktisch als einstufigen Wasserabscheider-Nacherhitzer betreibt. Hierfür ist eine Anordnung mit einer Rohrleitung 75 und einem Ventil 76 vorgesehen, die es ermöglichen, den Thermokompressor 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 Dampfströmung abgetrennt wird. Das Ventil wird geöffnet, so daß ungedrosselter Dampf mit einem Druck, der wesentlich höher ist als der Druck in der Leitung 40, den Thermokompressor 70 als Treibmittel antreibt und den gewünschten Spüldampf für den Nacherhitzer 16 liefert.

Unter den oben geschilderten Umständen hat man dann also einen zweistufigen Nacherhitzer, dessen Hochdmckstufe abgestellt ist. so daß die Einrichtung als 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-Röhren 22 kondensiert ein gewisser Anteil des in den Röhren enthaltenen Dampfes und das Kondensat strömt zusammen mit dem nicht kondensierten Dampf zur Auslaßkammer, wo es durch die Abflußleitung 44 zu eir.em außerhalb des Druckbehälters 12 befindlichen Sammeltanks 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 Ausiaßkammer 34 des Kopfstücks und dem Sammeltank 45 ist eine Entlüftungs- oder Ausgleichsrohrleitung 49 vorgesehen. An die Rohrleitung 49 ist eine Rohrleitung 72 angeschlossen, durch die der aus dem Röhrenbündel austretende Spüldampf einem Thermokompressor 70 zuge-

einstufiger Nacherhitzer arbeitet, bei dem der Dampf w führt wird. An die Rohrleitung 49 ist ferner eine Rohrleidurch einen Thermokompressor, der einen hohen tung 51 angeschlossen, um laufend nicht kondensierbare

einen

Druckunterschied bewirkt, in dem arbeitenden Röhrenbündel 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 F i g. dargestellt, in der Teile gleicher Funktion wie in F i g.

Gase durch ein Ventil 78 und Spüldampf durch ein Ventil 79 zu Punkten niedrigeren Druckes im System ableiten zu können.

es Der durch einen Pfeil .4 angedeutete Frisch- oder Hauptdampf, der durch die Heizdampfeinlaß-Rohrleitung 50 eintritt, welche eine Quelle für gesättigten Dampf, ein dampfquellenseitiges Einlaß-Ventil 42 und

12

mindestens ein Drosselventil 43 enthält, wird im allgemeinen .stromaufwärts von der 1 lochdruckdampfturbine abgenommen.

Der Druck dieses !-'risen- oiler I laupulampfcs ist relniiν hoch und im ganzen l.astbereieh im wesentlichen konstant. Bei Druckwasscr-Reakioren kann der Frischdampfdruck mit zunehmender Last in der Praxis auch etwas absinken. Der mantelseitige Dampf, der vom Auslaß der Hochdruckturbine kommt, hat andererseits ei-

Auslaßkammer34des Kopfstücks 19 stehen, herrscht an allen U-Röhren notwendigerweise der gleiche Druckunterschied. Die äußeren (vertikalen) U-Röhren erhallen daher normalerweise nicht genügend Dampf, um den Bedarf für die abzugebende Wärme zu decken. In diesen Röhren kondensiert der Dampf -ilso vor dem Ende der Röhren vollständig utui stromabwärts des Punktes, an dem der letzte Dampf kondensiert ist, tritt eine Unterkühlung des Kondensats ein, um den Beda^rf

nen Druck, der mit der Turbinenbelastung im wesentli- io an abzugebender Wärme zu decken. Aus den inneren

chen linear auf einen Wert von etwa Ve des Frisch dampfdruckes bei Vollast ansteigt. Würde man den Frischdampf durch die Einlaß-Rohrleitung 50 im Lastbereich in das Röhrenbündel 18 einführen, so wäre der Unterschied zwischen der Temperatur des Frischdampfes (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 K oder 200 F. Bei diesen hohen

(vertikalen) U-Röhren, 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 Probleme sind Brüche der Röhren-Röhrenblech-Schweißungen und Instabilität des Systems als Ganzes.

Wie Fig. 2 zeigt, wird bei der Einrichtung zum Temperaturunterschieden im Teiiiastbetrieb treten er- 20 Durchführen des vorliegenden Verfahrens ein Thermohebliche Probleme durch Verformung der Röhrenbün- kompressor mit hohem Druck verwendet, um Spüldel in Foi'ge der thermischen Expansion aufgrund der dampf zur Einlaßkammer 33 des Kopfstückes 19 des Temperaturunterschiede auf und es kann eine starke Nacherhitzers 16 derart zurückzuführen, daß genügend Kondensatuntcrkühlung in den Rohren eintreten. Um überschüssiger Hochdruckdampf für die einzelnen U-diesc Schwierigkeiten zu mildern, wird der Frischdampf 25 Röhren 22 des Bündels 18 zur Verfügung steht, um ein in der Einlaß-Rohrleitung 50 bei der vorliegenden Ein- Unterkühlen von Kondensat selbst in denjenigen Röhrichtung typischerweise im Teillastbetrieb durch das ren im wesentlichen zu vermeiden, an denen der größte Ventil 43 gedrosselt. Temperaturunterschied auftritt.

Es ist nur ein Ventil 33 dargestellt, in der Praxis kön- Das Antriebsfluid für den Thermokompressor 70 wird

nen jedoch auch mehrere solcher Ventile verwendet 30 durch eine Rohrleitung 71 zugeführt, es ist der Hauptwerden. Es sind eine ganze Reihe von Verfahren zur dampf, der in der Heizdampfleitung 50 stromaufwärts Drosselung des Frischdampfs bekannt; typischerweise vom Drosselventil 43 oder den Drosselventilen zur Versteuert man das oder die Ventile 43 vom Hochdrucktur- fügung steht. Dieser Dampf, der einen Druck von etwa binenauslaßdampfdruck so, daß der Druck des Dampfes 7 MPa (1000 psia) hat, treibt den Thermokompressor 70, für das Röhrenbündel 18 von einem niedrigen Lastwert 35 der den Spüldampf für den Nacherhitzer 16 liefert. Im bis zum Frischdampfdruck im Bereich von 50% bis 80% allgemeinen beträgt der für diesen Zweck verwendete

Anteil des Dampfes nur etwa 5 bis 10% der theoretisch nötigen Dampfmenge, die der Einiaßkammer des Nacherhitzers 16 zur Deckung des Wärmebedarfs des Röh-

vernngert ist. 40 renbündels 18 zugeführt werden muß. Der Thermokom-

Wenn der in den Druckbehälter 12 eintretende man- perssor 70, von dem ein Ausführungsbeispiel in Fig.3 lelseitige Dampf von den Dainpfcinlässen 13 über die
U-Röhren 22 des Bündels 18 strömt und zunehmend
erhitzt wird, nimmt der Temperaturunterschied zwischen dem röhrenseitigen Dampf und dem manielseitigen 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 Dampf und dem röhrenseitigen Dampf. 50
Der mantelseitige Dampf kann noch einen gewissen
restlichen Wasseranteil über die Wasserabscheidepaneele 15 hinaus mitführen, der durch Wärmeübergang
von den unteren Pöhrenreihen des Röhrenbündels 18

verdampft werden muß, bevor die Überhitzung des 55 gedrosselten Hauptdampf in die Einlaßkammer 33 des Dampfes beginnen kann. Da der Temperaturunter- Kopfstücks des Nacherhitzers 16 liefert, oder direkt in

die Einlaßkammer 33.

Für die praktische Realisierung der Erfindung können handelsübliche Thermokompressoren verwendet werdampft werden muß, kann offensichtlich an diesen un- 60 den. Ein typischer Thermokompressor ist in F i g. 3 darteren Röhren des Röhrenbündels der größte Wärme- gestellt

der Turbinenlast linear ansteigt. Unter dem Begriff »gedress«

fr Dampf« soll hier aisö Dampf verstanden wer-

den, dessen Druck bei Teillast der zugehörigen Turbine

genauer dargestellt ist. wird also mit Treibdampf hohen Druckes betrieben, so daß er eine größere Menge an Dampf als Treibdampf durch die Leitung Ί1 von der Auslaßkammer 34 des Kopfstückes des Nacherhitzers 16 ansaugt. Die vereinigte Strömung verläßt den Thermokompressor 70 mit einem mittleren Druck, welcher am Einang des Nacherhitzers die gewünschte starke Spülströmung verursacht.

Der Thermokompressor 70, dem 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

schied zwischen dem röhrenseitigen und dem mantelseitigen Dampf an den unteren Röhren des Röhrenbündels 18 am größten ist und dort zusätzlich noch Wasser verübergang auftreten, was wiederum erfordert daß den äußeren U-Röhren in vertikal orientierten Überhitzerröhrenbündeln größere Mengen röhrenseitigen Dampfes zugeführt wird.

Da die Einläßenden aller ü-Röhren in Verbindung mit der Einlaßkammer 33 des Kopfstücks und die Auslaßenden aller U-Röhren in Verbindung mit der

Der in F i g. 3 dargestellte Thermokompressor oder Dampfstrahlverdichter enthält einen Treibdampfeinlaß 81, eine Düse 82, einen Dampf-Ansaugeinlaß 83, einen Mischbereich 84 und einen Diffusor- und Auslaßabschnitt 86.

Im einfachsten Falle wird für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens ein Thermokompressor mit

13

fester Düse verwendet, der mit der Düse 82 in F i g. 3 arbeiten kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird jedoch ein Thermokompressor mit verstellbarer Düse verwendet wie er in F i g. 3 dargestellt ist. Die Verstellung der Düse 82 erfolgt nrittels eines Drehknopfes 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.

Anstatt den Spüldampf durch ungedrosselten Hauptdampf zurückzuspeisen, wie es am Beispiel des gedrosselten einstufigen Nacherhitzers beschrieben wurde, kann das vorliegende Verfahren selbstverständlich in gleicher Weise bei irgendeiner anderen Wasserabscheider-Nacherhitzer-Röhrenbüindelanordnung verwendet werden, die mit Hochdrackdampf gespeist wird der bei einem gewissen Lastbereich beträchtlich gedrosselt isL Bei einem zweistufigen Wasserabscheide-Nacherhitzer. der nach dem gleichen Prinzip arbeitet, wird man also die Rezirkulation der Spülströmung im Röhrenbündel, das mit dem höheren Druck arbeitet, bewirken. Außerdem kann man anstelle der beschriebenen U-Röhrenbündel auch andere Röhrenbündelkonfigurationen verwenden, wie bekannte gerade durchgehende Röhrenbündel. Anstelle des als Pumpvorrichtung für die Rezir- kulation des Spüldampfes im Nacherhitzerröhrenbündel beschriebenen Hochdruck-Thermokompressor kann auch irgendeine andere gleichwertige Pumpvorrichtung verwendet werden, die die an den Hochdruck-Thermokompressor gestellten funktionellen Anforde- rurigen erfüllt, wie ein Turbinen- oder Schaufelradkompressor.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

50

55

W)

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vesfahren zum weitestgehenden Verhindern einer Unterkühlung von Kondensat in Röhren eines Röhren-Mantel-Nacherhitzers, bei welchem mantelseitiger Dampf durch Wärmeaustausch mit den Röhren des Nacherhstzers erhitzt wird, welche gesättigten röhrenseitigen Dampf enthalten und bei welchem dem Nacherhitzer gesättigter Eingangsdampf zugeführt wird, der sich unter einem höheren Druck befindet als der mantelseitig zugeführte gesättigte Eingangsdampf, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf verminderten Druckes für den Heizdampfeinlaß des Nacherhitzers durch Drosselung von Hauptleitungsdampf erzeugt wird, daß austretender Spüldampf vom Nacherhitzer einem Niederdruckeinlaß einer mit hohem Druckunterschied arbeitenden Pumpvorrichtung zugeführt wird; daß ungedrosseiter Hauptieitungsdampf der mit hohem Druckunterschied arbeitenden Pumpvorrichtung zugeführt wird;

daß der Hauptdampf in der Pumpvorrichtung isentropisch entspannt wird und den ausgelassenen Spüldampf des Nacherhitzersfnitnimmt und daß das Fluid vom Auslaß der Pumpvorrichtung der Einlaßkammer des Nacherhitzers zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daE Verhältnis des Druckes des ungcdrosselten Hauptleitungsdampfes zum Druck des ausgetretenen Spüldampfes ^~m Nacherhitzer mindestens 1,5 :1 beträgt.

3. Einrichtung zum Durchfß*· cn des Verfahrens nach Anspruch t mit einem dampfdichten Behälter, einer Anordnung zum Einleiten von kühlem, nassem mantelseitigen Dampf in den Behälter, einer im Behälter angeordneten Vorrichtung zum Abscheiden von Feuchtigkeit, die der mantelseitige Dampf mitführt, einem im Behälter angeordneten, zum Erhöhen der Temperatur des getrockneten mantelseitigen Dampfes dienenden Nacherhitzer, der eine EiI₁-laßkammer, eine Auslaßkammer und mehrere zwischen diese geschaltete, im wesentlichen parallele Wärmetauscherröhren enthält, die ein Röhrenbünde! bilden und zum Wärmeaustausch mit dem mantelseitigen Dampf longitudinal im Behälter verlaufen, und mit einer Vorrichtung zum Speisen des Nacherhitzers mit gesättigtem röhrenseitigem Dampf einer Temperatur und eines Druckes, die größer als die Temperatur und der Druck sind, mit denen der gesättigte mantelseitige Dampf zugeführt wird, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (52) zum Drosseln von verfügbarem Hauptdampf unter Erzeugung gedrosselten, gesättigten Dampfes für den Nacherhitzer zum Erhitzen des mantelseitigen Dampfes; eine einen Thermokompressor (70) für hohen Druckunterschied enthaltende Anordnung, mit der der Einlaßkammer (33) des Nacherhitzers (18) ein zusätzlicher Dampfstrom zuführbar ist, der aus- &o reicht um bei gedrosselten Teillastbedingungen eine Unterkühlung von Kondensat in den Röhren im wesentlichen zu vermeiden; eine Anordnung, mit der Abdampf von der Auslaßkammer (34) des Nacherhitzers einem Niederdruck-Einlaß des Thermokom- to pressors (70) zuführbar ist: eine Anordnung zum Speisen eines Hochdruckcinlasscs des Thcrmokompifssors mil ungcdrosscltcm Hnuptdainpf, der vom Nacherhitzerdampfeinlaß stromaufwärts von der Drosselvorrichtung abgenommen ist, und eine Anordnung (73), durch die das aus den Thermokompressor (70) austretende Fluid der Einlaßkammer (33) des Nacherhitzers (16) zuführbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermokompressor (70) mit einem Druckverhältnis von Hochdruckdampf zu Niederdruckdampf arbeitet, das mindestens 1,5 :1 beträgt

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung (43) zum teilweisen Behindern der in die Einlaßenden der verschiedenen Röhren (22) eintretenden Dampfströmung vorgesehen ist, so daß in diejenigen Röhren ein stärkerer Strom gesättigten Dampfes eintritt, die durch die Wärmeübertragung stärker belastst sind als andere Röhren im RöhrenbündeL

6. Einrichtung nach Anspruch 3,4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherröhren (22) des Röhrenbündels U-Röhren sind, die in einer im wesentlichen vertikalen Ebene verlaufen und daß die Einlaßkammer (33) sowie die Auslaßkammer (34) getrennte Kammern einer einheitlichen Kopfstückstruktur (19) sind.

7. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1. der relativ feuchter Einlaßdampf niedriger Temperatur über eine Einlaßanordnung zum Trocknen und Erhitzen unter Erzeugung von trockenem heißen Auslaßdampf zuführbar ist, gekennzeichnet durch einen druckfesten Behälter(12): mindestens eine Dampfeinlaßanordnung (13), die längs einer Seite des Druckbehälters (12) angeordnet ist;

mindestens eine Dampfauslaßanordnung (14), die längs einer anderen Seite des Behälters (12) angeordnet ist;

eine bei der Einlaßanordnung angeordnete Vorrichtung (15) zum Abschneiden von Feuchtigkeit, die vom Einlaßdampf mitgeführt wirvi; einen Röhrenbündel-Wärmetauscher (16). der zwischen der Einlaßanordnung (13) und der Auslaßanordnung (14) logitudinal im Behälter (12) angeordnet ist und im Wärmeaustausch mit dem von der Einlaßanordnung zur Auslaßanordnung strömenden Dampf steht;

einem Kopfstück (19), d.:, sich an einem ersten Ende des Röhrenbündels (18) befindet, mit den Enden der das Röhrenbündel bildenden Röhren (22) dicht verbunden ist und mindestens eine Trennplatte (32) enthält, die das Kopfstück in mehrere Kammern (33,34) unterteilt, von denen mindestens eine eine Einlaßkammer und eine andere eine Auslaßkammer bilden, mit denen die entsprechenden Enden zwischen den Treibfluid und dem angesaugten Fluid erfordert, keine bewegliche Teile enthält und einen Strom von Hochdruck-Treibdampf mit einem Strom angesaugten Dampfes relativ niedrigen Druckes zu einem vergrößerten Volumen von Dampf oder einem mittleren Druck vereinigt.

8, Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermokompressor mit einem Verhältnis des Druckes des Hochdruckfluids zum Druck des Niederdruckfluids von mindestens 1.5 : 1 arbeitet.

9. L-inrichtung nach Anspruch 7 oder 8. dadurch gekennzeichnet, daß ilic Strömung des röhrcnseitigen Dumpfes in bestimmte Röhren derart gedrosselt ist, daß mehr gesättigter Dampf in die Einlaßcndcn

der Röhren eintreten kann, weiche durch die Wärmeübertragung stärker belastet sind als andere Röhren des Bündels.

10. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrenbündel U-förmige Röhren (22) enthält, die in einer im wesentlichen senkrechten Ebene angeordnet sind, und daß die Trennplatte (32) das Kopfstück (19) in eine obere und eine uniere Kammer (33 bzw. 34) unterteilt