Octrooiraad
[541 Werkwijze vcor hat benutten van de afgevoerde warmte van een kernreactor of brendstcfoven. [51:
Int.Cl2.: F01K3/08, G21D5/00.
[711 Aanvrager: Exxon Research and Engineering Company te Linden, New Jersey, Ver. St. v. Am. |74]
Gum.: Dr. S. Rosenthal c.s. Viittionirjdo Octrooiburnaux Uü^imlonhoutseweg 105 's-Gravenhage.
[21|
Aanvrage Nr. 7514-655.
[22]
Ingediend 16 december 1975.
f32]
Voorrang vanaf 16 december 1974, 16 december 1974.
|33]
Land van voorrang: Ver. St. v. Am. (US).
[311 Nummers van de voorrangsaanvragen: 533202, 533263. I23I 161 [
[G2|
••
1-131 Tor inzage gelegd 18 juni 1976.
De aan dit blad gehechte stukken zijn een afdruk van de oorspronkelijk ingediende beschrijving met conclusie(s) en eventuele tekening(err).-
V
- 1 TO 6411
ƒ
Exxon Research and Engineering Company Linden, Ifew Jersey,. Yerenigde Staten ran Amerika. Werkwijze voor het benutten, van de afgevoerde warmte van een kernreactor of brandstoforen, De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het doeltreffend Benutten van de warmteafvoer van een kernreactor of een "brandstofoven die gebruikt worden voor het produceren van stoom voor het aandrijven van turbines en generatoren in een eleetriciteits5
centrale. Deze uitvinding heeft betrekking op een procedure waarin gedurende perioden van lage energiebehoefte de overmaat warmteafvoer van een in evenwicht werkende kernreactor of van een oven die brandt •op fossiele brandstof opgeslagen kan worden in vloeiende thermische energievasthoudende materialen bij atmosferische druk voor gebruik
10
gedurende piekperioden als middel voor het opwarmen van ketelvoedingswater en tussentrapsioom. De uitvinding maakt het mogelijk de reactor of oven, en ketel hij maximale evenwichtsomstandigheden te laten werken, terwijl de turbines, generatoren en elektrische voorzieningen kunnen fluctureren tussen ongeveer 75 en 120$ van een basisbelasting
15
van 100$. In het algemeen werkt de uitvinding op de volgende wijze. Gedurende perioden van lage energiebehoefte worden gedeelten van extractiestoom uit verschillende expansiestadia uit de turbines en een gedeelte van de primaire hogedrukstoom uit de ketel afgetakt
20 naar warmte-uitwisselaars waar zij een vloeibaar thermische energievasthoudend materiaal met lage damparuk verhitten dat daarna wordt opgeslagen bij hoge temperatuur in een hete opslagplaats. Gedurende perioden van hoge energiebeiioefte wordt de extractie uit de stoomturbines verlaagd of zelfs onderbroken, waarbij de hoge temperatuur 25 thermische energievasthoudende materialen uit de hete opslagplaats worden afgenomen en benut door middel van warmte-uitwisseling om ke-
Utïrnc-d j niz-iv/a U r voor Uï Vft.rh.f %Utfi '-n/nf J-juuutii lï'/i ht-: loom (jjmf verhitten. In kornenergie-ino Ujllafcie»>;-,n in mot, j'oaai<j b wtri(],« tof werkende krachtinstallaties die.gebruik maken van hogere temperatuurde ketelvoedingswater dat met primaire hogedrukstoom is voorverhit, zal het gebruik van opgeslagen heet thermische energievasthoudend materi-
7 C 3 C s Fi 41 £ ^ fi 3
aal in plaats van primaire hogedrukstoom gedurende piekperioden de -f.-ifte van hogedrukstoom aan de turbines vergemakkelijken, waar een dergelijke stoom zal worden gebruikt voor de produktie van elektrisch verzogen, waardoor het mogelijk is dat de installatie flexibel wordt =-. ter. opzichte van verhoogde energiebehoeften. In een typerende net kernenergie aangedreven elektrische centrale is het hart van de centrale de kernreactor, waarbij de warmtebron wordt benut om stoom op te wekken in de ketel, die verbruikt wordt door de turbines en generatoren. De kernreactor en de 10 stoor,ketel stellen ongeveer 75$ de totale investering in met kernenergie aangedreven elektrische centrales voor en zij zijn beperkt in de mate van flexibiliteit die zij bezitten. De stoomturbines, condensors, generatoren, aansluitingen en algemene elektrische voorzieningen stellen de overblijvende 25$ van de totale investering voor, 15 die conventioneel van ontwerp en werking zijn en verder in staat zijn te werken met een betrekkelijk ruime variatie van parameters. Er bestaan vele praktische bezwaren voor het verminderen van het vermogen van een kernreactor. Een reactor is het meest doeltreffend wanneer hij werkt bij zijn maximale potentiaal. Het pe20 riodiek verlagen van het vermogen van de reactor vermindert de doeltreffendheid, vermeerdert de bedrijfsmoeilijkheden en bezwaren en verhoogt de bedrijfskosten van de installatie. Deze inherente onaanpasbaarheiö van kerninstallaties betekent dat 2ij slechts kunnen worden ber.ut al3 "basisbelasting" installaties en dat de tussenliggende be25 lastir.gvariatieopnenende functie moet worden overgenomen door gebruikelijke met fossiele brandstof aangedreven generatoren (kool of oliebrandstcf'ketels of gasturbines enz.), Het dure kernhart van de door kernenergie aangedreven generatorinstallatie is niet in staat de belastingseisen te volgen en daardoor wordt een groot deel van dse tota30 le dagelijkse energiebehoefte niet geleverd door een kerninstallatie. Do uitvinding is tevens toepasbaar op moderne energieinstallaties die gebruikmaken van fossiele brandstof, in het bijzonder die welke voorzieningen betreffen-ter vermindering van de omgevingsvervuiling hetzij in de vorm van een speciaal brandbaar gas of rook55 gaeuitvasvoorzieningen. Aangezien dergelijke voorzieningen zeer duur
-3132-
zijn, dwingen, zij even als "bij kernreactors dergelijke installaties te werken als basisbelastingssiations. Elke voorziening die het mogelijk maakt dat de installaties de belasting volgen zal het toepassingsgebied van dergelijke Installaties uitbreiden tot de tussenlig5
gende en zelfs piekbelastingstrajecten. Be uitvinding biedt het verdere voordeel van een snelIe responsie op de energiebehoeften. De eenheid kan de belasting volgen door het instellen van de stoomhoeveelheid naar en van de turbine, door het reguleren van de hóeveelheid voorverhitting en herverhitting
10
uitgevoerd
door extractiestoom en de hoeveelheid voorverhitting en
herverhitting uitgevoerd door het hete thermische energievasthoudende materiaal. Aldus maakt de uitvinding het mogelijk in totaal te beschikken over de rotatiereserve tot aan de maximale capaciteit van de turbine-generatorcombinatie. 15
2e stand van de techniek demonstreert talrijke gevallen waarin gestreefd werd naar een meer doelmatige' benutting van energie door verschillende middelen en verschillende typen machines. B.v. beschrijft het Britse octrooischrift 3 81$ 24 een werkwijze voor het variëren van de prestatie van een stoommachine (turbine) door het
20 verhogen of verlagen van de voorverhitting van het voedingswater door y
de stoomstroom af te tappen verbruikt door de turbine. De voorverhitting van het voêdingswater wordt geregeld in afhankelijkheid van de toestand van de belasting op de bijgevoegde motor die de voorverhitte stoom afgeeft. Eet Britse octrooischrift 381924 beschrijft geen 25 werkwijze voor het opslaan van grote hoeveelheden thermische energie ten gebruike gedurende piekbelastingsperioden. Het hete voedingswater, volgens het octrooischrift, wordt opgeslagen in dezelfde houder als het koude condensaat, waarbij het koude water slechts in het bodemgedeelte van de tank aanwezig is en het hete in de top. JO
Andere representatieve literatuurplaatsen omvatten het Amerikaanse octrooischrift 3681920 dat een 'energie-installatie beschrijft die werkt onder een variërende produktie van elektrische 'verinogen en.gekoppeld aan een. verdampingsinrichting. Het benutte warmteopslagsysteem is hogetemperatuurwater, dat noodzakelijkerwijze een
35 hogedrukopslaginrichting vereist voor een doeltreffende energieinhoud.
-
5
"0
15
20
25
30
35
4
-
Ir.dien eer. dergelijke drukinstallatie niet wordt gebruikt kan het warer alleen worden opgeslagen tot een maximale temperatuur van 99°C rij atmosferische drukj hetgeen betekent dat slechts een geri'ng deel van de potentieel beschikbare warmte-energie kan worden opgeslagen» Hetzelfde nadeel is inherent aan het systeem van het Amerikaanse octrooischrift 3166910, waarin stoom wordt afgetapt uit de turbine voor het voorverhitten van het voedingswater en twee vaten aanwezig zijn, een voor koud wateropslag en een voor heet wateropslag,, Ir. perioden van lage energiebehoefte wordt het koude water afgevoerd uit de koudwatertank en voorverhit door stoom afgevoerd uit de turbine. Gedurende deze periode wordt het hete water opgeslagen in de heetwatertank» In systemen die gebruik maken van heetwateropslag? kan een doeltreffende energieopslag slechts worden bereikt bij hoge druk. Opslagkosten stijgen pijlsnel wanneer druk nodig is» 260°C x\ra» ter betekent een druk van 49 kg/cm , een oneconomische situatie indien opslag van grote hoeveelheden, potentiële energie gewenst is, Wanneer een multitrapsstoomturbine een bepaalde hoeveelheid hogedrukstoom ontvangt, wordt een maximaal vermogen uit deze stoom verkregen wanneer men alle stoom laat expanderen door alle tur~ fcinetrappen en de stoom wordt gecondenseerd bij de thermisch laagste temperatuur in de condensor. De ketel moet dan echter het koude ketelvoedingswater opnieuw verhitten en het hete water verdampen bij keteldruk en temperatuur, hetgeen een verspilling van hoge niveauwarmte is. Het is veel economischer variërende hoeveelheden tussentrapsstoomstromen van gemiddelde druk uit de turbines af te voeren in hoeveelheden en bij drukniveau's die overeenstemmen met de voorverhittingsbehoeften van het ketelvoedingswater. Op deze «rijze kunnen verschillende stromen die reeds enige arbeid in de hogedruktrappen van de turbine hebben verricht gebruikt worden om geleidelijk het ketelvoedingswater voor te verhitten, en voor elke Btu van tussendrukstoom gebruikt voor deze voorverhittingsfunctie (nadat enige arbeid daaruit is verkregen) wordt een Btu van hoog niveau warmte bevrijd van voorverhittin^;sfuncties en beschikbaar gemaakt om hogedrukstoom op te wekker. voor de turbine. Bij gevolg kan een maximaal vermogen uit een ge-
- 5 •
T
*
'
géven capaeiteitketel plus turbine worden verkregen indien zorgvuldige hoeveelheden van tussendrukstoomstromen worden afgevoerd tussen de verschillende trappen van de turbine en gebruikt voor het voorverhitten vari ketelvoedingswater. De juiste niveaus van druk en temperatuur 5
alsmede de hoeveelheden van dergelijke stromen kunnen variëren van ongeveer 2 - ÏOfa van de totale stoom bij elk extraotiepunt en zijn vastgelegd door het ontwerp. In het algemeen wordt de hogetemperatuur, hogedrukstoom die rechtstreeks uit de kegel komt niet gebruikt voor ketel-
10
voeaingswatervoorverhitting aangezien er geen voordeel in een dergelijke "boot-strap" behandeling is. Hoge niveauwarmte zou gebruikt worden, alvorens enige arbeid daaruit was verkregen, om hoge niveauwarmte te sparen. Echter wordt een gedeelte van deze hoge-drukstoom gebruikt voor het doel de tussendrukturbine tussentrapsstoom opnieuw
15
te verhitten. Hierdoor wordt in feite deze tussendrukstoom oververhit teneinde de mate van condensatie die plaatsvindt in de turbine gedurende de aansluitende adiabatische expansie minimaal te maken. De uitvinding maakt gebruik van de bovengenoemde principes, wat betreft extractie, voorverhitting van ketelvoedingswater
20
en tussentrapsstoom herverhitting teneinde warmteopslag bij verschillende niveaus in maximale mate toe te laten en deze opgeslagen warmte op passende tijdstippen te benutten om de energieafvoer van een gegeven installatie maximaal te maken. Stoomturbines zijn zeer flexibel en kunnen bij gedeel-
25
telijke belasting in bedrijf worden gesteld. Een turbine die een generator aandrijft kan de elektrische belasting volgen door niet alleen de hoeveelheid van daaraan toegevoerde hogedrukstoom te variëren maar 'tevens de fractie
die in*de tussentrappen wordt afgevoerd. Vol-
gens dit principe is het nu mogelijk gedurende perioden van lage be50
lasting, extractiestoom bij verschillende drukniveaus te benutten, alsmede hogedrukstoom om een vloeibaar warmteopslagmedium met lage dampdruk, zoals water bij een lage temperatuur of koolwatersto'folie bij hoge temperatuur, op te warmen tot een temperatuurniveau nabij dat van de ketel. Vanneer b.v. de ketel in bedrijf is bij 287°C en
35
stoom produceert van ongeveer 73j5 kg/om
7 /
1; Ia5 g<JR ^
kan de olie worden verhit
•
tot ongeveer 2J1 - 279°Co Opgemerkt wordt dat aangezien deze verhitting van de olie wordt bereikt door middel van. extractie-, alsmede door hogedrukstoom, het thermodynamisch even doelmatig is als het voorverhitten van het ketelvoedingswater als
bovan.vermeld. Tevens
maakt dit mogelijk dat een gegeven energie-installatie continu in bedrijf is bij een maximale brandstofverbrandingscapaciteit-doelmatigheid (kernbrandstof of fossiele brandstof) maar met een daling in de energieafgifte afhankelijk van de hoeveelheden hogedrukstoom en ex» tractiestoom afgeleid naar water en/of olieverhittingsfuncties» Het verlies in de vermogensafgifte echter stelt geen verlies in het ther- ; mische rendement voor, aangezien elke warmte die niet wordt benut
voor
het opwekken van elektrische energie opgeslagen wordt in een vorm die : gemakkelijk en doeltreffend uit de opslag kan worden afgenomen» Gedurende perioden van lage belasting wordt de stoomextractie maximaal : gemaakt, de olieverhitting wordt maximaal gemaakt en de vermogen-
i I
afgifte minimaals zonder dat de mate van werking van de reactor, de
temperatuur van het voedingswater of de stoomhöeveelheid van dé ketel ! nadelig wordt beïnvloed. Gedurende perioden van hoge belasting, kan
;
het afvoeren van hogedrukstoom en de extractie van tussehdrukstoom
:
worden verminderd of onderbroken met een daarmee gepaard gaande toe-
f
name in de prestatie van de turbine, maar zonder verlies in het thermó' dynamisch rendement in de reactor of ketel, hetgeen, zou plaatsvinden
:
indien de toevoerwatertemperatuur zou worden verlaagd. Gedurende deze periode worden hulpverhittingsbewerkingen voor de energie-installatie:, die plaatsvinden in warmte-uitwisselaars uitgevoerd door de vloeiende hete thermische energievasthoudende. materialen.. Het voorverhitten van het voedingswater en de tusaentrapsstoomverhitting worden eenvoudig uitgevoerd door middel van de warmte opgeslagen in de vloeibare warm-, tevasthoudende materialen. Hulpverhittingsfuncties van de energieinstallatie die plaatsvinden in warmte-uitwisselaars, toegepast in de : uitvinding, betekenen die verhittingsbewerkingen anders dan het opvoeren van de primaire levende stoom in de ketel»
i
Onder gebruik van deze idee is berekend dat door het i. opslaan van ongeveer 25 - 35ia van de warmteafvoer van een kerninstal-, latie of een moderne op fossiele brandstof werkende oven,, ongeveer
- 7 -
15 - 20$ van de vermogenafgifte ran een dergelijke installatie kan worden verschoven van lage "belasting naar hoge 'belastingperioden. Aldus kan men er voor zorgen dat een kerninstallatie die werkt bij 71,1 kg/cm2 en 285°G, en die een ontworpen hoeveelheid van 1000 MWe 5
(megavrat elektrisch) opwekt zijn vermogenafgifte kan laten dalen tot ongeveer 750 - 800 M¥e gedurende lage belastingperioden en zijn afgifte kan doen toenemen tot 1150-1200 MWe gedurende hoge belastingperioden, zonder enige variatie in de werking van de kernreactor of ketel. Be installatie was ontworpen voor het opwekken van 1Ö00 MWe {
10
onder gebruik van enige hogedrukstoom voor tussentrapsstoomherverh.ittlng en extractie stoom voor de voorvexhitting van het ketelvoedingswater. Door gebruik van het hete vloeiende warmtevasthoudende materiaal voor het uitvoeren van de hulpverhittingsfuncties van de energieinstallatie die plaatsvinden in warmte-uitwisselaars, zoals het her-
15 verhitten van stoom en voorverhitten van voedingswater, kan de totale .hoeveelheid stoom opgewekt in de ketel gezonden worden naar en volledig worden verbruikt in de turbine met een daarmee gepaard gaande toename in de prestatie op dit punt. Het totale thsrmodynamische rendement wordt behouden aangezien het ketelvoedingswater steeds wordt 20 verhit tot een efficiënte temperatuur alvorens het in de ketel wordt gevoerd, welke temperatuur dezelfde is als gedurende de lage belastingperiode van-de installatie in bedrijf. Een bijzonder voordelige uitvoeringsvorm van de uitvinding betreft het gebruik van hogere voorverhittingstemperaturen 25 van het ketelvoedingswater dan in gebruikelijke installaties, Ketelvoedingswater kan worden verhit tot bijna de keteltemperaturen door gebruik te maken van de warmte in het vloeiende thermische energievasthoudende materiaal. Dit maakt enorme hoeveelheden Btu's in de ketel vrij van de taak water voor te verhitten en maakt hen ook gereed 50
voor de taak hoge tempera tuur, hogedruk stoom op te wekken. Zoals eerder aangeduid wordt hogedrukstoom normaalrfietrechtstreeks toegepast als het laatste stadiumverhittingsmedium in gebruikelijke voorverhitting van ketelvoedingswater. Bijgevolg is de temperatuur waarbij ketelvoedingswater momenteel wordt geïntroduceerd in hogedrukketels ge-
35 woonlijk ongeveer 160 - 204°C of ongeveer 55 - 111°C-of meer beneden
75 1 46 5 5
-
8
de ketelbedrijfstemperatuur. Gevonden is dat.door toepassing van hogedrukstoom rechtstreeks uit de ketel? alsmede eventueel enig meer stoom uit de eerste en tweede tussentrapniveau's het ketelvoedingswater (BFW) kan worden voorverhit tot temperatuurniveaus die veel 5
dichter (zoals binnen 14 - 55°C) bij de ketelbrijfstemperatuur van ongeveer 288°C ligt. De hoeveelheid hogedrukstoom vereist voor deze aanvullende voorverhittingstaak kan tot 10 - 25$ van de totale hoeveelheid geproduceerde hogedrukstoom bedragen. ITieuwe ketels kunnen worden ontworpen die volgens deze nieuwe ketelvoedingswatertempera-
10
tuur verken en die primaire hogedrukstoom als BFW voorverhittingsmateriaal gebruiken. B.v. kan een ketel worden ontworpen die 1,25 miljoen eenheden stoom per tijdseenheid produceert. Een hogedrukstoomomloopleiding neemt 0,25 miljoen eenheden en gebruikt dit. als BFW voorverhittingsmateriaal. De turbine ontvangt 1 miljoen eenheden
15
stoom uit de ketel. Onder normale omstandigheden heeft deze "bootstrap" werking weinig of geen nut» Met de BFW voorverhitting door toepassing van thermische energie opgeslagen in een vioeibaai' medium volgens de uitvinding, kan echter de voorverhitting gedurende een piekbehoefteperiode worden uitgevoerd door heet vloeibaar thermische ;
20
energie-vasthoudend materiaal, waarbij Qj25'miljoen eenheden stoom
j
kan worden vrijgemaakt om in de turbine te gaan voor het opwekken van' energie. Gedurende perioden van lage belasting, kan extra stoom, in. . het bijzonder in het hoge drukgebied nu worden afgevoerd teneinde zelfs nog meer olie opnieuw te verhitten tot een zelfs hogere tempera25
tuur dan in de boven beschreven uitvoeringsvormen. Daardoor wordt het mogelijk de installatieafgifte te laten dalen tot'tussen 0,5 - . ; 0,66 van de geschatte capaciteit maar het is belangrijk.op te merken : dat de ketel en de reactor werken bij maximaal rendement, d.w.z.
j
zij blijven in de evenwichtstoestand. Gedurende perioden van hoge 30
behoefte wordt weinig of geen hogedrukstoom afgeleid naar de BFW voorverhitting noch voor de herverhitting van vloeibaar energievasthoudend materiaal. De primaire hogedrukstoom toegepast voor de BFW.voor-; verhitting wordt geleid naar de turbine terwijl het hete vloeibare energievasthoudende materiaal de voorverhittingstaken overneemt»
35
. !"
Samenvattend kan door gebruik van het voorverhittings-j
7 514 6 55
schema voor ke te Ito e dings wa t er als hierboven uitvoerig beschreven het afgevoerde vermogen van een nominale 1000 MW kerninstallatie worden gevarieerd van 5 - 600 M e tot 1550 - 1500 MWe zonder de reactor of de ketelwerking te veranderen., ij
Hoewel een eenvoudige warmteopslagvloeistof van goede vloeibaarheid, stabiliteit en lage dampdruk in het betrokken temperatuurgebied kan worden toegepast, zal het dikwijls van voordeel zijn verschillende vloeistoffen in afzonderlijke systemen.te gebruiken, waarbij elke vloeistof een voorkeurstemperatuurgebied beslaat. Hoewel
tO
de hoeveelheden van de betrokken vloeistof en bij gevolg de opslag en tankvereisten aanzienlijk groter worden, is het door een multipele vloeistofopstelling mogelijk optimale temperatuurtrajecten te kiezen teneinde te voldoen aan de eigenschappen van bepaalde vloeistoffen, zoals kooktrajecten (om atmosferische druk opslag van alle
15
materialen mogelijk te maken), vriespunten, thermische stabiliteit ert vloeistofviscositeit, d.w.-z. warmteoverdrachtseigenschappen. Hoewel aldus water een goed warmteopslagmedium met lage viscositeit en hoge soortelijke warmte is kan het niet worden gebruikt boven 100°C vanwege de excessieve dampdruk. Koolwaterstofoliën of stabiele orga-
20 nische verbindingen met goede warmteuitwisseleigenschappen, zoals aromatische ethers of oxyden zijn uitstekend voor temperaturen beneden ongeveer *345°" indien zij van de atmosfeer worden geïsoleerd teneinde oxydatie te voorkomen. Dergelijke materialen als koolwaterstofoliën hebben een bevredigend lage dampdruk bij maximale temperatuur 25 waardoor een geschikte opslag in eon atmooföriöoho druk tft/ik motfvl1 ,Jk wordt. Bijgevolg kan thermische energie tot ongeveer
J I J - 3 4 S ° C raaa-'
satemperaturen worden opgeslagen bij atmosferische druk in een koolwaterstofolie of een soortgelijk organisch materiaal, zoals aromati- sche ethers of oxyden. Daarentegen hebben koolwaterstofoliën de nei• JQ ging viskeus te worden en een slechte warm te-uitwisse ling te verkrijgen bij het 27 - 57°C gebied van de laagste temperatuur. Boven 345°C ontstaan voor de meeste oliën thermische stabiliteitsproblemen van lange duur waarbij materialen z-'Oais gesmolten anorganische verbindingen met goede warmte-uitwisseleigenschappen-, b.v. gesmolten loogmate55 rialen of zouten de keuzematerialen worden. Aangezien echter de meeste
7514 6 5
-
10
van deze materialen bij kamertemperatuur en zelfs tot ongeveer-260°C vaste stoffen zijn, kan een bedrijfstemperatuurgebied voor deze materialen tussen 315 - 650°C worden voorzien» Hieruit kan men waarnemen dat een breed spectrum van opslagtemperaturen bereikt kan worden door 5 een zorgvuldige keuze van opslagmedium waardoor een maximaal rendement kan worden verkregen. In de bijgaande tekeningen beschrijft fig. 1 een gebruikelijke installatie met ketelbedrijf bestemd om te werken op ke™ telvoedingswaters voorverhit tot ongeveer 1.60°C, en beschrijft fig» 2 10
de nieuwe ketels die werken bij 260°C ketelvoedingswater. Beide
systemen kunnen gebruik maken van de uitvinding om een grotere flexibiliteit in bedrijf te verkrijgen. Fig. 3 is een deel van een modificatie van fig. 1 die een uitvoeringsvorm van de uitvinding illustreert waarin het heetwatersysteem wordt weggelaten en alle.warmte15 opslag alleen met olie wordt uitgevoerd. Fig* 4 illustreert de toepassing van de uitvinding voor een hoge temperatuur met fossiele brandstof werkende krachtinstallatie of kernenergie-installatie» Onder verwijzing naar fig, 1 komt hogedrukstoom uit de • . < kernreactor en stoomketel 1 en passeert doör leiding 2. Bij fitting : 20
3 wordt enige hogedrukstoom afgetakt door leiding 4 om als verhit-
I
tingsmedium gebruikt te worden in een tussentrapsstoomherverhittingseenheid 5» Het hoofdgedeelte van de stoom wordt toegevoerd naar de turbines 6 door leiding 7 en gaat verder voor herverhitting door leiding 8 naar de stoomherverhittingseenheid 6. Deze bewegende stoom 25
wordt daarna in serie geleid door leiding 9 naar mediumdrukturbine 6a Verbruikte stoom uit 6a gaat door leiding 10 naar condensor 11-, In een installatie die niet werkt volgens de uitvinding beweegt het condensaat uit 11 door leiding 12 "naar pomp 13 waar hot wordt geïntroduceerd in leiding 14» Leiding 14 leidt door klep 15 naar leiding 16
30
die leidt naar een serie warmte-uitwisselaars. Het koude condensaat in leiding 16 wordt geïntroduceerd in warmte-uitwisselaars 17a en b, Warmte-uitwisselaars 17a en b worden verhit door extractiestoom uit lagedrukturbine 6a geleid door leidingen 18a en b„ Extractiestoomcondensaat uit 17a passeert door leiding 19 naar 17b waar extra warm-
35
te wordt uitgewisseld en vandaar door leiding 20 naar condensor 11.
75 1 46 5 5
- 11 -
Eet nu enigszins opgewarmde ketelvoedingswater in leiding 16 vervolgt zijn weg en passeert door warmte-uitwisselaars 21a en 21b waarin ext-.rj\ót:U^t\>out ntfe U$rMn
vUxn* laivUutfeu
?>n
b«
Stooacöndensaat uit warmtewisselaar 21a passeert door leiding 2} naaf 5
wisselaar 21b, dan door leiding 24 naar de eerder beschreven uitwisselaar 17a, dan. door leiding 19 naar. 17h en tenslotte door leiding 20 naar condensor 11., Eet nu voorverh.it te ketel voedingswater in leiding 16 wordt gevoerd in ketel 1. Het nieuwe aspect volgens de uitvinding is.als volgt.
10 Haast het voornoemde standaardketelvoedingswatersysteem wordt een energieopslagaethode toegepast die kan werken in samenhang met de standaardmethode of, en dit is aanmerkelijk voordeel van het systeem, kan het geheel de gebruikelijke ketelvoedingswaterverwarmingsprocessen gedurende perioden van piekbehoeften vervangen» 15
Ondoï? v^i'wijsiJtfj opnieuw itm*
'1 vör«tt j?«?^.t.i4o»ut«?
* perioden van lage behoefte ke tel voedingswater voor-verhit als boven beschreven, maar tevens worden extractiestoom uit de turbines, enige hogedrukstoom uit de ketel en de condensaten uit de verschillende extractiestoomcondensors gebruikt voor h'et verhitten van het thermi20
sche energievasthoudende materiaal. Extractiestoom uit turbine 6 passeert door leidingen 22a en 22b, Kleppen 25 en 26 zijn open en laten stoom toe tot zQwel voor het voorverhitten van keteIvoedingswater als
boven beschreven als om stoom te passeren door kleppen 26 door leidingen 27a en 27b naar warmte-uitwisselaars 28a en 28b, waar koude 25
olie uit vat 2$ dat door leiding J0 passeert thermische energie wint. In warmte-uitwisselaar 31 wordt primaire hogedrukstoom uit de reactor en ketel 1 die passeert door leiding 2, door leiding 32 en door klep 35 toegepast om een uiteindelijke hoeveelheid thermische energie af te geven alvorens de hete olie in vat 34 wordt opgeslagen. Het gebruik-
30
te hogedrukstooscondensaat uit 31 passeert door leiding 35 naar warmte-uitwisselaar 28a waar het energie afgeeft aan de olie en vervolgens passeert dit stoomcondensaat plus extra condensaat uit 28a door leiding 36 naar wisselaar 28b waar de koelere olie meer energie wint uit de stoom.-en het condensaat. Dit stoomcoxidensaat wordt daarna be-
35 nut in het hete water verhattxngssysteem dat nu zal worden beschreven.
-
12
-
i
Enige lagedrukstoom uit turbine 6a wordt afgevoerd
(
door leidingen 18a en 18b» Enige stoom dat door de kleppen 37 pas-
;
seert wordt gebruikt voor voorverhitting van ketelvoedingswater» Die stoom die beweegt door kleppen 38 en langs leidingen 39a en 39b naar j 5
warmte-uitwisselaars 40a en 40b wordt benut om het water uit vat 41
;
dat beweegt door leiding 42 naar het heetwateropslagvat 43 te verwarmen. Aangezien het verbruikte stoomcondensaat in leiding 44 uit wisselaar 28b nog steeds heet genoeg is om water te verhitten wordt het ' gekanaliseerd naar wisselaar 40a en vandaar door leiding 45 naar wis-" 10
se laar 40b, Het nu volledig gebruikte stoomcondensaat beweegt langs' ' leiding 46 naar condensor 11. De hoeveelheid ketelvoedingswater die
!
beweegt door leiding 14 is constant. De splitsing van deze stroom tussen leidingen 16 en 52 wordt echter bepaald door instelling van kleppen 15 en 50. Gedurende perioden van piekbehoefte is de klep 15 15
gesloten, waardoor de stroom door leiding 16 wordt afgesloten.» Klep- ; pen 25 en 37 zijn tevens gesloten ten opzichte van warmte-uitwisselaars 21a en 21b en 17a en 17b, Verder worden kleppen' 26 en 38 even- < eens gesloten, waardoor de stoomstroom naar de olie- en waterwarmte- ; uitwisselaars 28a en 28b en 40a en 40b wordt beëindigd. Klep 33 in
20
leiding 32 naar uitwisselaar 31 wordt tevens gesloten, Ketelvoedings»: water uit condensor 11 passeert nu door leiding 1'2 naar pomp 13,
!
door leiding 1*4 naar leiding 51? en door klep 50 naar leiding 52. Lei- . ding 52 passeert door een serie warmte-uitwisselaars. Koud ketelvoe- • dingswater (BFW) passeert, door wisselaar 53 waar heet water uit vat i 25 41» dat door leiding 54 passeert warmte daaraan overdraagt. Leiding > 54 mondt uit in een koudwateropslagtank 41• Het verwarmde BFW in lei-; )
ding 52 komt vervolgens in aanraking met warmtewisselaar 55' waar het j meer warmte wint uit olie die door leiding 56 passeert. De olie in
;
leiding 56 komt uit opslagvat 34- De hete olie uit 34 passeert aan- ; 30 vankelijk door leiding 57 naar de tussentrapsstoomverhittingseenheid : 5 waar zijn aanvankelijke hoge temperatuur het meest doeltreffend wordt benut. Naarmate de olie afkoelt beweegt hij door leiding 56 en : komt in aanraking met geleidelijk koelere BFW in talrijke warmte-uit-; wisselaars 55» Enige hete olie die aanvankelijk uit de opslagtank
|
35 kont kan rechtstreeks worden benut voor het verwarmen van ketelvoe- I
7 514 6 55
f •!
13-
•
-
' '
v
' ) • l
dingswater zonder eerst zichzelf gedeeltelijk te gebruiken als herverhittingsmateriaal voor tussentrapsstoom door passage door leiding 58 naar warmte-uitwisselaar 59 waar het BFW zijn uiteindelijke ther- ; 1
mische versterking wordt gegeven alvorens het in de ketel passeert. 5
?
t Deze hete olie beweegt dan door leiding 60 naar leiding 56. De boven- ;
genoemde opstelling kan als beschreven worden toegepast of worden toegepast met zowel gebruikelijke als nieuwe systemen die gelijktijdig in werking zijn, d.w.z", waarbij ketelvoedingswater zowel door leiding 16 alsmede leiding 52 wordt, verhit. Door het sluiten echter van lei- ; •}0 ding 16 en alle kleppen aangeduid als 25, 26, 37, 38, 35 en 66 worden alle ketelvoedingswatervoorverhittings- en tussentrapsstoomher-
;
verhittingsbehandelihgen uitgevoerd onder gebruik van opgeslagen
.
energie en wordt alle geproduceerde stoom gekanaliseerd naar de tur- ' bin.es, waardoor installatie in staat is een hoog niveau van energie15 afvoer te bereiken. zonder de BFW temperatuur, de BFW hoeveelheid en
'
„ ketelprestatie nadelig te beïnvloeden. Fig. 2 stelt een installatie voor waarin primaire ho- i gedrukstoom
rechtstreeks wordt toegepast voor 3FW voorverhitting en
waarin de ketel werkt bij een veel hogere BFW temperatuurbenadering 20
tot de keteltemperatuur dan momenteel bestaat. In een dergelijke installatie wordt enige hogedrukstoom uit ketel 1 afgetakt door lei- * ding B naar warmte-uitwisselaar B op leiding 16 gedurende perioden * van lage behoefte. Condensaat uit B2 passeert door leiding B4 naar warmte-uitwlsselaars 21a en 21b. Stoom passeert door leiding 32 naar
25 warmte-uitwisselaar 3^ waar*hij wordt gebruikt ter verhitting van
;
olie voor opslag. Gedurende perioden van grote behoefte worden dergelijke stoomstromen afgebroken door het sluiten van kleppen B1 en 33» Condensaat uit wisselaar
passeert door leiding 35 naar wisselaar
28a. Dese delen van hogedrukstoom, die tot 10 - 40$ van de ketelafvoer 30' kunnen bedragen, gaan nu door normale kanalen naar de turbines, waar alle BFW voorverhitting wordt uitgevoerd door heet thermisch materiaal als eerder beschreven in fig. 1 tot nauwkeurig hetzelfde,hoge temperatuurniveau als gedurende de periode van lage behoefte. Deze uitvoeringsvorm biedt het voordeel van een zeer grote flexibiliteit 35 in een kernenergie-installatie of installatie die op fossiele brand- "
7 5146 5
-
14
-
stof werkt in een tot dusver onbereikbare mate» Fig. 5 illustreert een uitvoeringsvorm van de uitvinding waarin het hete water systeem wordt weggelaten en de warmteopslag wordt uitgevoerd met alleen olie, tussen de "thermische put"5
temperatuur, gewoonlijk 16 - 38°C en de kernketeltemperatuur van b»v.'' 26C - 343°C. Fig, 3 is een modificatie van fig. 1 en is een deel daarvan waarin de cijfers betrekking hebben op dezelfde onderdelen als in fig. 1. Ken zal opmerken dat een hoofdverandering ligt in het voeren van de koude olieleiding 30 door warmtewisselaars 40a en 40b
10
alsmede door warmtewisselaars 28a, 28b en J1 en in het weglaten van vaten 41 en 43»
; In reactors of fossiele brandstofovens en ketels waar
de hogedrukstoomtemperatuur hoger is en waar hogere druk, hogere tem-' peratuur oververhitte stoom in de turbines wordt gebruikt kan een der15
de onafhankelijke reeks van warmte-uitwisselvaten en warmte-uitwisselaars worden toegepast waarin het vloeiende thermische energievast-
,
houdende materiaal een gesmolten zout, een gesmolten hydroxyde, zoals! 1 natriumhydroxyde, kaliumhydroxyde of mengsels van hydroxyden of een j vloeibaar metaal is dat warmte opslaat tussen 260 - 538°C en hoger. i 20
Fig. 4 stelt een dergelijke geavanceerde hoge tempera-; tuur hoge druk-krachtinstallatie voor die werkt bij 538 - 650°C en ; 2 ' 175 kg/cm overdruk, waarin gesmolten anorganisch materiaal als het I thermische energievasthoudende materiaal wordt gebruikt® Turbines 6
25
en 6a en appendages zijn als beschreven in fig. 1» Vanwege de hoge
!
temperatuur van de primaire hogedruk oververhitte stoom die uit de
!
ketel 1 kont, is er nu tevens een hoge capaciteitsturbine 6 in de installatie, stoom uit 1 die passeert door leiding 2 naar fitting 3 "1 v/aar enige hogedrukstoom afgetakt kan worden, door leiding 4 naar een-; 1
heiü 5i waar hij gebruikt kan worden voor het herverhitten van tussen50
traps stoom. Het hoofdgedeelte van de primaire oververhitte stoom pasx seert door leiding 7 naar turbine 6X , Extractiestoom uit 63C wordt ge• fcruikt voor gebruikelijke ketelvoedingswatervoorverhitting en/of voor het verhitten van gesmolten anorganische warmte-opslagverbindingen0 Extractiestoom uit 6^ passeert door leiding 100a en leiding 100b en }
35 door kleppen 101 naar warmte-uitwisselaars 102a en 102b waar ketel- > 7 5 1 4 6 5 5
.
_ 15 - •
, 7
'
-voedingskater in leiding 16 wordt verhit. Opnieuw passeert condensaat 1Q2a door leiding 10J naar warmt e-ui twis s elaar 1021) en vandaar door leiding 104 naar warmte-uitwisselaar 21a. In deze nieuwe opstelling passeert extractiestoom in leidingen 100 door kleppen 105 en daarna 5
door leidingen 106 en. 106b naar warmte-uitwisselaars 107a en 107b set gesmolten anorganische warmtevasthoudende materialen. Koud gesmolten anorganische materiaal uit opslagvat 108 "beweegt door leiding 109 naar wisselaars 107a en 107b waar het wordt verhit. Bij warmteuitwisselaar. 110 die wordt bediend door leiding 111 en klep 112 met
10
primaire hogedrukstoom, wordt het gesmolten anorganische materiaal nog verder verhit. Het verbruikte verhittingsmateriaal uit wisselaar 110 passeert door leiding 115 en warmte-uitwisselaar 107a en daarna uit 107a door.leiding 114 naar warmte-uitwisselaar 107b en dan uit warmte-uitwisselaar 107b door leiding 115 naar oliewarmteuitwisselaars
15
28a en 28b in serie. Het hete gesmolten anorganische materiaal wordt ' opgeslagen in vat 116. Als boven beschreven kan-bij-perioden van lage energiebehoefte tussentxapsstoomherverhitting en ketelvoedingswatervoorverhitting worden uitgevoerd met primaire hogedrukstoom en turbinetussentrapsextractiestoom. Gedurende perioden van hoge energiebe-
20
hoefte kunnen alle kleppen 101, 105, 112 en 66, tezamen met alle extractiestoomkleppen op turbines 6 en 6a worden gesloten waarbij alle hulpverhittingsfuncties van de energie-installatie uitgevoerd kunnen worden met hete thermische energievasthoudende materialen. In de installatie in fig. 5 wordt ketelvoedingswater in leiding 52 na het ver-
25
laten van. oliewarmte-uitwisselaar 55 verhit in warmte-uitwisselaars 117 door het gesmolten anorganische materiaal uit opslagvat 116 dat door leiding 118 beweegt. Het hete materiaal in leiding 118 kan hetzij als tussentrapsstooia-herverhittxng in eenheid 5 worden toegepast of anderszins worden afgetakt langs leiding 120 naar warmte-uitwisse-
50- laar 119 ten gebruike als BFW voorverhittingsmateriaal en daarna door leiding 121 naar leiding 118 ten gebruike in' warmte-uitwisselaars 117. Hoewel tussentrapsstoomherverhitting en de hoogste temperatuurniveauherverhitting van het gesmolten anorganische warmtevasthoudende materiaal hier worden weergegeven onder toepassing van pri35 malre hogedruk oververhitte stoom, kunnen dergelijke herverhittings-
5*»
7h
» £ fï ps1 4 Ó 3 0
/
-
16
-
"behandelingen rechtstreeks in de oven of kernreactor worden uitgevoerd, d.w.z. in een hoge temperatuur» gasgekoelde reactor. Het is evident dat de verbetering geïllustreerd in fig, 2 van het voorverhitten van ketelvoedingswater met hoge druk 5
stoom uit de ketel gedurende perioden van lage belasting gemakkelijk, kan worden opgenomen in het systeem geïllustreerd in fig. 4j waar drie warmte-vasthoudende materialen worden toegepast. Opgemerkt wordt dat de voedingswatervoorverhitting en tussentrapsstoom-voorverhitting me.t olie en heet water als weergege-
10
ven in uitwisselaars 55 53t 55 en 59 (fig. 1)> 5j 53> 55s 117 en 119 (fig. 4) in de plaats kan komen van of naast de warmte-uitwisselsenheden die een soortgelijke taak vervullen met hogedrukstoom, extrac— tiestoom en condensaatstromen» Het valt derhalve volledig binnen het kader van de uitvinding de herverhitting en voorver'hittingstaken uit '
15
te voeren met een circulerende gesmolten anorganische verbinding, hete olie en heet water op alle tijdstippen en slechts de hoeveelheid smelt voorverhitting, olievoorverhitting en warmteopslagwaterherverhitting : te variëren die uitgevoerd worden Op elk tijdstip als functie van de j
20
energiebelasting» Maximale herverhitting zal plaatsvinden bij lage
{
behoefte en minimale of geen herverhitting gedurende perioden van
; f :
grote behoefte.
.
• Bij hogere temperatuurreactors kan het mogelijk zijn
;
twee vloeibare thermische energievasthoudende materialen te gebruiken, oliën van }8 tot 260. of 316°C en gesmolten anorganische verbin- j 25
dingen tussen 260 - 316°C en 538°C enz.
j
Hoewel afzonderlijke warmte-uitwisselaars worden weer- ; gegeven ter verhitting van de warmtevasthoudende materiaal met stoom ; en ter verhitting van het BFW zonder hete warmtevasthoudende materia-; len kan het voordelig zijn dezelfde uitwisselaars voor beide functies • 30 die normaal niet tegelijkertijd worden uitgevoerd te gebruiken. Onderstreept wordt dat de nauwkeurige warmte-uitwisselvolgorde, het aantal wisselaars en de mate van stoomextractie, •voorverhitting en herverhitting variabelen zijn die door de vakman kunnen: worden "bepaald. Het voornoemde stromingsschema is slechts een type35 rende volgorde die gemakkelijk kan worden gemodificeerd zonder bui- ;
•7
l
14&
s
ten. het kader van de uitvinding te treden. Het valt tevens binnen het kader van de uitvinding 'de vloeibare warmtevasthoudende ^materialen te verhitten door andere middelen, dan extractie of hoge drukstoom, b.v. door zonnewarmte of bronnen van afvalwarmte zoals turbine- en uitlaatgassen. Deze verhitting kan worden uitgevoerd naast of afzonderlijk van de als boven beschreven stooaverhitting» Het gebruik van.het hete warmtevasthoudende materiaal echter ter voorverhitting van ketelvoedingswater alsmede voor herverhitting van tussentrapsstoom gedurende hoge belastingsperioden wordt op de beschreven wijze bereikt zonder te letten op de oorsprong van de warmte die in de hete warmtevasthoudende vloeistof was opgeslagen.
-
18
-
C O N C L U S I E S
1. Werkwijze voor het doeltreffend, benutten van de afgegeven warmte van een kernreactor met constante warmteafgifte of eenfossiele brandstofoven, en ketel in een electriciteitscentrale die een multitrapstoomturbine toepast en gebruik maakt van turbine-ëx5
tractiestoom ter voorverhitting van ketelvoedingswater, welke werkwijze tevens een maximale flexibiliteit in het voldoen aan belastingbehoeften levert, met het kenmerk, dat deze de trappen omvat van het opslaan, bij een hoge temperatuur, van overmaat thermische energie
;
in een vloeibaar thermisch energievasthoudend materiaal van lage damp10
druk bij atmosferische druk gedurende een periode van lage energiebehoefte, en daarna gedurende een periode van piekenergiebehoefte, het verminderen van de extracties van turbinestoom onder het'gelijktijdig gebruik van het opgeslagen hete of vloeibare thermische energievasthoudend materiaal met lage dampdruk voor het uitvoeren Van
15
:
hulpverhittingsfuncties voor de energie-installatie door warmte-uit- wisselstroming, waardoor de stoom volledig kan worden benut in_.de turbine voor de produktie van energie.
(
2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat deze de volgende trappen omvat: 20
(a) het gedurende een periode van lage energiebehoefte aftakken van
:
| !
•
een deel van de extractiestoom uit tenminste een trap van turbineexpansie naar een of meer warmte-uitwisselaars, (b) het gedurende een periode van lage energiebehoefte aftakken van een deel van de primaire hogedrukstoom uit de ketel naar een of
25
meer warmte-uitwisselaars,
•
(c) het bewegen van vloeibaar thermisch energievasthoudend materiaal : met lage dampdruk uit een koude opslagplaats naar een hete op-
:
slagplaats door de warmte-ui twisselaartrappen (a) en (b"), (d) hot verhitten van het thermische energievasthouden.de materiaal 30
mt
lui'/-, dampdruk in do warwto-ultwiöö&laara van (a) en (b) döda?"
middel van de afgetakte extractiestoom en de primaire hogedruk- stoom,
'
(e) het opslaan van het verhitte thermische energievasthoudend© ma- :
-
19
-
teriaal met lage dampdruk bij hoge temperatuur bij atmosferische druk geïsoleerd'van de atmosfeer, in een hete opslagplaats, (f) het gedurende een periode van piekenergiebehoefte verlagen of beeindigen van. de voorverhitting van het ketelvoedingswater door extractiestoom,
^
(g) het bewegen van het opgeslagen"*he te thermische energievasthoudende materiaal met .lage dampdruk uit de hete opslagplaats naar de koude opslagplaatsen door warmte-uitwisselaars, (h) het verhitten van het ketelvoedingswater in de warmte-uitwisse•jQ
laars van (g) door middel van het bewegende hete . thermische energie vasthoud ende materiaal met lage dampdruk, (i) het passeren van het verhitte ketelvoedingswater naar de ketel. 3.
Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat
het hete' thermische energievasthoudende materiaal met lage dampdruk 15 wordt gebruikt voor het herverhitten van turbinetussentrapsstoom alvorens het wordt gebruikt voor het voorverhitten van ketelvoedingswater. 4»
Werkwijze volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk,
dat deze de trap omvat van het'aftakken van een grote hoeveelheid 20 primaire hogedrukstoom, gedurende niet-piekbehoefteperioden, naar warmte-uitwisselaars ten gebruike als voorverhittingsmateriaal voor ketelvoedingswa*ter. 5.
Werkwijze volgens conclusies 1 - 4» met het kenmerk,
dat het thermische energievasthoudende materiaal met lage dampdruk een 25 organisch materiaal is. 6.
>
Werkwijze volgens conclusie 5> Eet het kenmerk, dat
het organische materiaal een koolwaterstofolie is. 7«
Werkwijze volgens conclusies 1 - 4 , met het kenmerk,
dat het thermische energievasthoudende materiaal met lage dampdruk 50 een gesmolten anorganisch materiaal is, 8.
Werkwijze volgens conclusie'7, met het kenmerk, dat
het gesmolten anorganische materiaal een gesmolten metaal is. 9,
Werkwijze volgens 'conclusie J, met het kenmerk, dat
het gesmolten anorganische metaal een metaalhydroxyde is. 35 10,
7
Werkwijze volgens conclusies 1 -
A £U %
met het kenmerk,
-
V
20
-
dat een reeks thermische energievasthoudende materialen wordt gebruikt voor het uitvoeren van hulpverhittingsfuncties in een- energieinstallatie, waarbij elk materiaal gescheiden wordt gehouden van het andere en elke opslagenergie bij atmosferische druk geïsoleerd wordt 5 van de atmosfeer in die mate en bij die temperatuur dat een maximaal rendement wordt verkregen.
7 5 1 40 5 5
CO
1 46 5 5 ïxxori Research -sad L^ririeeriïig Cotapany
""PI Kina
i
fó
Lssg&zdmwastaju&flkg J L
Ly
2xxorh R e s e a r c h a n d i^ngineeging
Conw."
