Gasturbinenanlage zur Ausnützung der in einem Kernreaktor anfallenden Wärme Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage zur Ausnützung der in einem Kernreaktor anfallenden Wärme, insbesondere mit Kreislauf des Arbeitsmit tels, mit einem Verdichter, einer mindestens eine Stu fengruppe aufweisenden Turbine und mit zwei oder mehr vom Arbeitsmittel durchflossenen Erhitzern.
Bei einer bekannten Dampfturbinenanlage wird das Arbeitsmittel auf zwei voneinander getrennten, durch den Kernreaktor führenden Wegen erhitzt. Auf dem ersten Wege wird der der Turbine zuzuleitende Frischdampf erzeugt, der zweite Weg dient für die Zwischenüberhitzung des bereits teilweise entspann ten Arbeitsmittels. Bei einer solchen Anordnung be reiten die im Kernreaktor erforderlichen Trennwände zwischen den beiden Wegen erhebliche Schwierigkei ten.
Die Erfindung bezweckt, bei einer Gasturbinen anlage diesen Nachteil zu vermeiden. Bei einer Gasturbinenanlage der eingangs beschriebenen Art ist zu diesem Zweck von den vom Arbeitsmittel durchflossenen Erhitzern erfindungsgemäss einer der Kernreaktoren und mindestens einer der weiteren Er hitzer ein Wärmeaustauscher,
der würmezufuhrseitig in einer von der vom Kernreaktor wegführenden Arbeitsmittelleitung abzweigenden und in die zum Kernreaktor hinführende Arbeitsmittelleitung mün denden Rückführungsleitung liegt, wobei eine För- dervorrichtung zur Rückführung eines Arbeitsmittel- Teilstroms durch die Rückführungsleitung von der Kernreaktor-Austrittsseite zur Kernreaktor-Eintritts- seite vorgesehen ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt.
Fig. 1 bis 6 zeigen dabei Schemata von Gasturbi- nenanlagen mit geschlossenem Kreislauf des gasför migen Arbeitsmittels. Die in Fig. 1 gezeigte Anlage weist eine Gastur bine 1 mit zwei Stufengruppen 11 und 12 auf, die mit einem Verdichter 2 und einem Generator 3 auf gleicher Welle liegen.
Das Arbeitsmittel fliesst in einer Arbeitsmittelleitung 4 vom Verdichter 2 zur Stufengruppe 11, in einer Arbeitsmittelleitung 5 von der Stufengruppe 11 zur Stufengruppe 12 und in einer Arbeitsmittelleitung 6 von der Stufengruppe 12 zum Verdichter 2. In die Arbeitsmittelleitung 6 ist ein Kühler 7 eingebaut.
In den Arbeitsmittelleitungen 4 und 5 liegt je ein Erhitzer für das Arbeitsmittel, und zwar in der Arbeitsmittelleitung 5 ein Kernreaktor 8 und in der Arbeitsmittelleitung 4 ein Wärmeaustau- scher 9.
Wärmezufuhrseitig liegt der Wärmeaustau- scher 9 in einer Rückführungsleitung 10, die von dem vom Kernreaktor 8 wegführenden Teil 52 der Arbeitsmittelleitung 5 abzweigt und in dem zum Kernreaktor 8 hinführenden Teil 51 der A rbeitsmit- telleitung 5 mündet.
In der Rückführungsleitung 10 ist eine Fördervorrichtung, nämlich ein Gebläse 11, das von einem Motor 12 angetrieben ist, eingebaut zur Rückführung eines Arbeitsmittel-Teilstroms durch die Rückführungsleitung 10 von der Kern reaktor-Austrittsseite zur Kernreaktor-Eintrittsseite.
Auf diese Weise ist es möglich, den vom Arbeitsmittel direkt durchflossenen Kernreaktor als. Wärmequelle für die Erhitzung des Arbeitsmittels gleichzeitig auf verschiedenen Druckpegeln zu benüt zen, ohne dass voneinander getrennte Wege im Kern reaktor nötig sind. Dabei kann die Erhitzung des Arbeitsmittels im in der Rückführungsleitung liegen den Wärmeaustauscher auf eine Temperatur erfolgen, die nur wenig unterhalb der Temperatur liegt, die das den Kernreaktor unmittelbar verlassende erhitzte Arbeitsmittel der Gasturbinenanlage besitzt.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist der wär- mezufuhrseitig in der Rückführungsleitung liegende Wärmeaustauscher 9 in Strömungsrichtung des in den Leitungen 4, 5, 6 fliessenden Arbeitsmittel Hauptstroms vor dem Kernreaktor 8 angeordnet. Der Kernreaktor steht also zudem unter niederem Druck.
Die Fördervorrichtung 11, 12 bringt den abge zweigten Arbeitsmittel-Teilstrom von dem in der Arbeitsmittelleitung 52 herrschenden Druck auf den um den im Kernreaktor 8 erfolgenden Druckabfall höheren Druck in der Arbeitsmittelleitung 51 und überwindet die Strömungswiderstände in der Rück- führungsleitung 10 und dem Erhitzer 9. Es ist also von der Fördervorrichtung nur eine sehr kleine Arbeitsleistung aufzubringen.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform liegt der Kernreaktor 8 in der vom Verdichter 2 zur ersten Stufengruppe 11 der Turbine 1 führenden Arbeitsmit- telleitung 4, und der Wärmeaustauscher 9 in der von der Stufengruppe 11 zur Stufengruppe 12 führenden Arbeitsmittelleitung 5.
Die Rückführungsleitung 10 zweigt dementsprechend von dem vom Kernreaktor 8 wegführenden Teil 42 der Arbeitsmittelleitung 4 ab und mündet in deren zum Kernreaktor 8 hinführen- den Teil 41.
Der in. ihr fliessende Arbeitsmittel.-Teil- strom gibt im Wärmeaustauscher 9 Wärme an das in der Arbeitsmittelleitung 5 fliessende Arbeitsmittel ab und wird danach im Gebläse 11 auf den in der Arbeitsmittelleitung 41 herrschenden Druck gebracht.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform liegt der Kernreaktor in der von der Stufengruppe 12 zum Verdichter 2 führenden Arbeitsmittelleitung 6. In dieser liegt auch der Kühlar 7 sowie ein Wärmeaus- tauscher 13, in:
dem das im Kernreaktor 8 erhitzte Arbeitsmittel Wärme an das in der vom Verdichter 2 zur Stufengruppe 11 führenden Arbeitsmittelleitwng 4 fliessende Arbeitsmittel abgibt.
In der von der Stu fengruppe 11 zur Stufengruppe 12 führenden Arbeits- mittelleitung 5 liegt der Wärmeaustauscher 9, der wärmezufuhrseitig in der Rückführungsleitung 10 liegt, die von der vom Kernreaktor 8 wegführenden Arbeitsmittelleitung 6 abzweigt und in die zum Kern reaktor 8 hinführende Arbeitsmittelleitung 61 mün det.
Die drei Erhitzer 8, 9, 13 der Gasturbinen- anlage sind - 9, 13 wärmezufuhrseitig - von auf dem tiefsten Druck der Gasturbinenanlage stehendem Arbeitsmittel durchflossen.
Die 'an, Fig. 4 gezeigte Gastwrbinenalnlage weist eine Turbine 1 mit einer einzigen Stufengruppe auf. Der Kernreaktor 8 liegt in der von der Turbine 1 zum Verdichter 2 führenden Arbeitsmittelleitung 6, in der wieder ein Kühler 7 und ein Wärmeaustau- scher 13 angeordnet sind.
Von der vom Kernreaktor 8 wegführenden Arbeitsmittelleitung 62 zweigt an einer in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nach dem Wärmeaustauscher 13 liegenden Stelle eine Rückführungsleitung 10 ab und mündet in die zum Kernreaktor 8 hinführende Arbeitsmittelleitung 61, wobei in der Rückführungsleitung 10 wieder ein Ge bläse 11 liegt.
Weist die Gasturbinenanlage drei oder mehr Er- hitzer auf, so kann für jeden von einem Wärmeaus- tauschen gebildeten Erhitzer eine eigene, von der Kernreaktor-Austrittsseite zur Kernreaktor-Eintritts- seite führende Rückführungsleitung vorgesehen wer den,
oder es können zwei oder mehr Erhitzer parallel oder in Serie geschaltet in einer solchen Rückfüh rungsleitung angeordnet werden.
Die in Fig. 5 gezeigte Gasturbinenanlage besitzt eine Turbine 1 mit drei Stufengruppen 11, 12, 13, vor deren jeder ein Erhitzer liegt. In der vom Verdichter 2 zur Stufengruppe 11 führenden Arbeitsmittelleitung 4 liegt ein Wärmeaustauscher 91, in der von der Stu fengruppe 11 zur Stufengruppe 1 führenden Arbeits- mittelleitung 5 ein Wärmeaustauscher 92,
und in der von der Stufengruppe 12 zur Stufengruppe 13 füh renden Arbeitsmittelleitung 14 liegt der Kernreaktor B. Wärmezufuhrseitig liegt der Wärmeaustauscher 91 in einer Rückführungsleitung 101, der Wärmeaustau- scher 92 in einer Rückführungsleitung 102.
Beide Rückführungsleitungen 101 und 102 zweigen von der vom Kernreaktor 8 wegführenden Arbeitsmittellei- tung 142 ab, münden in die zum Kernreaktor 8 hin führende Arbeitsmittelleitung 141 und sind mit einem Gebläse 111 bzw.
112 versehen.. In beiden Wärmeaus- tausahern 91, 92 kann das Arbeitsmittel ,der Gastur- bine auf eine nahe der Kernreaktor-Austrittstempe- ratur liegende Temperatur erhitzt werden.
Die in Fig. 6 gezeigte Anlage unterscheidet sich von der in Fig.5 dargestellten dadurch, dass die Wärmeaustauscher 91 und 92 in zwei parallel durch- flossenen Zweigen einer gemeinsamen Rückfüh rungsleitung 10 mit einem einzigen Gebläse 11 lie gen. An der Verzweigungsstelle ist eine Dosiervor- richtung 15 angebracht, mittels der an den Fluss des Arbeitsmittel-Teilstroms mehr nach dem einen oder anderen Zweig leiten kann.
Die Gebläse 11, 111, 112 oder deren Antriebsmo toren sowie die Dosiervorrichtung 15 werden vorteil- hafterweise mit Regelvorrichtungen zum Regeln der Durchflussmenge der durch die Rückführungsleitun gen bzw. durch die Wärmeaustauscher fliessenden Arbeitsmittel-Teilströme versehen, so dass die in den Wärmeaustauschern an das zu erhitzende Arbeitsmit tel abgegebene Wärmemenge geregelt werden kann.
Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Fördervorrichtungen 11, 111, 112 als Umwälzgebläse ausgebildet und von einem Elektromotor 12 angetrie ben. Sie könnten aber auch von einer vom Arbeits- mittel der Gasturbinenanlage beaufschlagten Hilfs- turbine angetrieben werden, wobei das Arbeitsmittel nach Durchströmen dieser Hilfsturbine wieder in den Kreislauf der Gasturbinenanlage zurückfliessen könnte.
Die Fördervorrichtung für den in der Rück- führungsleitung fliessenden Arbeitsmittel Teilstrom könnte aber auch als eine an der Mündunsstelle der Rückführungsleitung liegende Strahlpumpe mit dem aus dem Arbeitsmittel-Hauptstrom kommenden Arbeitsmittel als Strahlmittel oder als eine an der Mündungsstelle liegende Durckaustauschvorrichtung ausgebildet sein.
Beim Verdichten 2 wird zweckmässigerweise Zwischenkühlung vorgenommen. Für die Wärmeab gabe von dem in der Turbine 1 entspannten Arbeits mittel an das im Verdichter 2 verdichtete Arbeitsmit tel werden zweckmässigerweise Wärmeaustauscher vorgesehen, die in den Arbeitsmittelleitungen 4, 5, 6, 14 und den Rückführungsleitungen 10, 101, 102 lie gen können.
Gas turbine system for utilizing the heat generated in a nuclear reactor The invention relates to a gas turbine system for utilizing the heat generated in a nuclear reactor, in particular with a working fluid circuit, with a compressor, a turbine with at least one stage and with two or more heaters through which the working fluid flows .
In a known steam turbine system, the working fluid is heated in two separate ways leading through the nuclear reactor. The live steam to be fed to the turbine is generated on the first path, while the second path is used for reheating the working fluid that is already partially relaxed. With such an arrangement, the partition walls required in the nuclear reactor between the two paths cause considerable difficulties.
The invention aims to avoid this disadvantage in a gas turbine system. In a gas turbine plant of the type described at the outset, of the heaters through which the working medium flows, one of the nuclear reactors and at least one of the other heaters is a heat exchanger,
the worm supply side lies in a return line branching off from the working medium line leading away from the nuclear reactor and opening into the working medium line leading to the nuclear reactor, a conveying device being provided for returning a working medium partial flow through the return line from the nuclear reactor outlet side to the nuclear reactor inlet side .
In the drawing, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in simplified form.
1 to 6 show schemes of gas turbine systems with a closed circuit of the gaseous working medium. The system shown in Fig. 1 has a gas turbine 1 with two stage groups 11 and 12, which are with a compressor 2 and a generator 3 on the same shaft.
The working medium flows in a working medium line 4 from the compressor 2 to the stage group 11, in a working medium line 5 from the stage group 11 to the stage group 12 and in a working medium line 6 from the stage group 12 to the compressor 2. A cooler 7 is installed in the working medium line 6.
In each of the working medium lines 4 and 5 there is a heater for the working medium, namely a nuclear reactor 8 in the working medium line 5 and a heat exchanger 9 in the working medium line 4.
On the heat supply side, the heat exchanger 9 lies in a return line 10, which branches off from the part 52 of the working medium line 5 leading away from the nuclear reactor 8 and opens into the part 51 of the working medium line 5 leading to the nuclear reactor 8.
In the return line 10 is a conveying device, namely a fan 11, which is driven by a motor 12, installed for returning a working medium partial flow through the return line 10 from the core reactor outlet side to the nuclear reactor inlet side.
In this way it is possible to use the nuclear reactor through which the working fluid flows directly. To use a heat source for heating the working fluid at different pressure levels at the same time without having to separate paths in the core reactor. The heating of the working medium in the heat exchanger lying in the return line can take place to a temperature which is only slightly below the temperature possessed by the heated working medium of the gas turbine plant leaving the nuclear reactor.
In the embodiment shown in FIG. 1, the heat exchanger 9 located on the heat supply side in the return line is arranged upstream of the nuclear reactor 8 in the direction of flow of the main flow of the working medium flowing in the lines 4, 5, 6. The nuclear reactor is therefore also under low pressure.
The conveying device 11, 12 brings the branched working medium partial flow from the pressure prevailing in the working medium line 52 to the pressure in the working medium line 51, which is higher by the pressure drop in the nuclear reactor 8, and overcomes the flow resistances in the return line 10 and the heater 9. Only a very small amount of work has to be done by the conveying device.
In the embodiment shown in FIG. 2, the nuclear reactor 8 is located in the working medium line 4 leading from the compressor 2 to the first stage group 11 of the turbine 1, and the heat exchanger 9 is located in the working medium line 5 leading from the stage group 11 to the stage group 12.
The return line 10 accordingly branches off from the part 42 of the working medium line 4 leading away from the nuclear reactor 8 and opens into its part 41 leading to the nuclear reactor 8.
The working medium partial flow flowing in it transfers heat in the heat exchanger 9 to the working medium flowing in the working medium line 5 and is then brought to the pressure prevailing in the working medium line 41 in the blower 11.
In the embodiment shown in FIG. 3, the nuclear reactor is located in the working medium line 6 leading from the stage group 12 to the compressor 2. This also includes the cooling element 7 and a heat exchanger 13, in:
which the working medium heated in the nuclear reactor 8 gives off heat to the working medium flowing in the working medium line 4 leading from the compressor 2 to the stage group 11.
In the working medium line 5 leading from the stage group 11 to the stage group 12 there is the heat exchanger 9, which is located on the heat supply side in the return line 10, which branches off from the working medium line 6 leading away from the nuclear reactor 8 and opens into the working medium line 61 leading to the nuclear reactor 8 .
The three heaters 8, 9, 13 of the gas turbine system - 9, 13 on the heat supply side - have working medium at the lowest pressure of the gas turbine system flow through them.
The Gastwrbinenalnlage shown in, Fig. 4 has a turbine 1 with a single stage group. The nuclear reactor 8 is located in the working medium line 6 leading from the turbine 1 to the compressor 2, in which a cooler 7 and a heat exchanger 13 are again arranged.
A return line 10 branches off from the working medium line 62 leading away from the nuclear reactor 8 at a point located in the flow direction of the working medium downstream of the heat exchanger 13 and opens into the working medium line 61 leading to the nuclear reactor 8, with a blower 11 in the return line 10 again.
If the gas turbine system has three or more heaters, a separate return line leading from the nuclear reactor outlet side to the nuclear reactor inlet side can be provided for each heater formed by a heat exchange,
or two or more heaters can be connected in parallel or in series in such a return line.
The gas turbine system shown in FIG. 5 has a turbine 1 with three stage groups 11, 12, 13, each of which is preceded by a heater. In the working medium line 4 leading from the compressor 2 to the stage group 11 there is a heat exchanger 91, in the working medium line 5 leading from the stage group 11 to the stage group 1 there is a heat exchanger 92,
and the working medium line 14 leading from the stage group 12 to the stage group 13 contains the nuclear reactor B. On the heat supply side, the heat exchanger 91 is located in a return line 101, the heat exchanger 92 in a return line 102.
Both return lines 101 and 102 branch off from the working medium line 142 leading away from the nuclear reactor 8, open into the working medium line 141 leading to the nuclear reactor 8 and are equipped with a fan 111 or
112 .. In both heat exchangers 91, 92 the working medium of the gas turbine can be heated to a temperature close to the nuclear reactor outlet temperature.
The system shown in FIG. 6 differs from the one shown in FIG. 5 in that the heat exchangers 91 and 92 are located in two parallel flow branches of a common return line 10 with a single fan 11. At the branch point there is a metering device - Direction 15 attached, by means of which the flow of the working medium partial flow can be directed more to one or the other branch.
The blowers 11, 111, 112 or their drive motors as well as the metering device 15 are advantageously provided with control devices for regulating the flow rate of the working medium partial flows flowing through the return lines or through the heat exchangers, so that the in the heat exchangers to the heating Arbeitsmit tel heat output can be regulated.
In the exemplary embodiments shown, the conveying devices 11, 111, 112 are designed as circulating fans and are driven by an electric motor 12. However, they could also be driven by an auxiliary turbine acted upon by the working medium of the gas turbine system, the working medium being able to flow back into the circuit of the gas turbine system after flowing through this auxiliary turbine.
The conveying device for the working medium partial flow flowing in the return line could also be designed as a jet pump located at the mouth of the return line with the working medium coming from the main working medium flow as a blasting medium or as a pressure exchange device located at the mouth.
During compression 2, intermediate cooling is expediently carried out. For the heat transfer from the working medium relaxed in the turbine 1 to the working medium compressed in the compressor 2, heat exchangers are expediently provided which can lie in the working medium lines 4, 5, 6, 14 and the return lines 10, 101, 102.