DE1601650C - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mindestens zweiwellige, geschlossene Gesturbinenanlage in Verbindung mit einem Kernreaktor, dessen Kühlmittel, z. B. CO₂, als Arbeitsmittel in der Anlage dient, mit mindestens einem Verdichter und einer Turbine je Welle und Zwischenkühlung zwischen den Verdichtern und Zwischenerhitzung, z. B. durch den Kernreaktor, zwischen den Turbinen sowie mit einem Rekuperator, wobei die ND-Turbine die· Nutzlast abgibt und wobei ferner eine mit einem Durchflußdrosselventil versehene Kurzschlußleitung den Ausgang des HD-Verdichters mit einer Stelle niedrigsten Druckes verbindet.

Es ist bekannt (USA.-Patentschrift 3 324 652), die in einem Kernreaktor erzeugte Wärme in einer geschlossenen Gasturbinenanlage, in der das Reaktorkühlmittel, z. B. CO₂, als Arbeitsmittel verwendet wird, in elektrische Energie umzuformen. Die Wärmezufuhr von dem Reaktor her erfolgt dabei vorzugsweise in einem mittleren Druckbereich der Gasturbinenanlage, in dem das Gas bereits in einer Hochdruck-(HD-)Turbine teilweise entspannt worden ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Kühlmittelleitungen in dem Reaktor für niedrigere Drücke bemessen werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einerseits ein Durchbrennen der Anlage der genannten Art bei plötzlicher Lastabschaltung zu verhindern und andererseits gleichzeitig den Reaktor vor zu hohen Drücken und plötzlichen Druckschwankungen, die zu unzulässig hohen Temperaturen führen können, zu schützen.

Um ein Durchgehen der Nutzleistungsturbine von ähnlichen Anlagen zu vermeiden, ist es allgemein bekannt, vor der Nutzleistungsturbine ein steuerbares Drosselorgan und parallel dazu eine mit einem zweiten steuerbaren Drosselorgan versehene Umgehungsleitung vorzusehen. Für die Lösung der geschilderten Aufgabe reichen jedoch diese Mittel nicht aus; denn bei einem Eingriff in den Arbeitsmittelkreislauf über die beiden erwähnten Drosselorgane kommt es im allgemeinen zu starken Druckschwankungen vor der Nutzleistungsturbine, die bei Anlagen der vorliegenden Art auf den unmittelbar stromaufwärts angeordneten Kernreaktor zurückwirken. Eine weitere nachteilige Wirkung eines Eingriils mit Hilfe der bekannten Drosselorgane besteht in einer Erhöhung der Drehzahl der HD-Maschinengruppe und damit in einer Störung des Leistungsgleichgewichts dieser Gruppe.

Die genannte Aufgabe wird daher erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in bekannter Weise die ND-Turbine am Eintritt und eine Umgehungsleitung dazu je ein von einem Drehzahlgeber dieser Turbine steuerbares Drosselorgan aufweisen und daß ferner diese Drosselorgane gegensinnig so verstellbar sind, daß die Gesamtschluckfähigkeit dieser Turbine und ihrer Umgehungsleitung mindestens annähernd gleichbleibt. Auf diese Weise werden die erwähnten, bei den bekannten Anlagen auftretenden Rückwirkungen verhindert; denn bei konstanter Schluckfähigkeit des ND-Srangs bleibt auch der Druck vor der ND-Turbine annähernd gleich. Auch die Störung des Leistungsgleichgewichts der HD-Maschinengruppe wird durch die Steuerung auf konstante Schluckfähigkeit in engen Grenzen gehalten und damit beherrscht.

Um die Temperatur des in der Umgehungsleitung der ND-Turbine strömenden Gases zu erniedrigen, kann zum Schutz des oder der Rekuperatoren in die genannte Umgehungsleitung Arbeitsmittel tieferer Temperatur zusätzlich eingespeist werden.

Ist die Anlage in ; ebenfalls bekannter Weise (schweizerisches Patent 269 599) so ausgebildet, daß ein Teil des Arbeitsmittels aus dem Gaskreislauf abgezweigt, durch Wärmeentzug verflüssigt, mindestens auf einen Zwischendruck verdichtet und dem Hauptkreislauf wieder zugeführt wird, so kann eine Temperatürerniedrigung des Gases in der Umgehungsleitung durch Einspritzen von Kondensat in diese Leitung erreicht werden. Für die Durchführung dieser Maßnahme ist es vorteilhaft, wenn in einer die Umgehungsleitung "der ND-Turbine mit der das Kondensat führenden Leitung verbindenden Abzweigleitung ein durch einen Temperaturfühler am Eingang des Rekuperators mittels eines Reglers und einer Signalleitung steuerbares Durchflußdrosselorgan vorgesehen ist.

Ein besonders rasches Ansprechen auf einen plötzlichen Lastabfall am Generator läßt sich erreichen, wenn das steuerbare Drosselorgan in der Umgehungsleitung der ND-Turbine zusätzlich von einem als Grenzregler wirkenden Lastabwurfrelais des Generators beeinflußbar ist. ' ·

Um ein Pumpen der Verdichter und ein Durchbrennen der HD-Welle zu verhindern, kann man zusätzlich die Maßnahme treffen, daß das Durchflußdrosselventil in der Kurzschlußleitung vom Ausgang des HD-Verdichters zu einer Stelle niedrigsten Drucks von einem Grenzregler steuerbar ist, an den vom Drehzahlregler der HD-Turbine und/oder von Druckfühlern der. Verdichter. erzeugte Signale gegeben werden.

Die Erfindung wird mit Hilfe der nachfolgenden Beschreibung einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine erste Anlage nach der Erfindung ohne Teilkondensation des in den Beispielen als Reaktorkühl- und als Arbeitsmittel dienenden CO₂ und

F i g. 2 in einem zweiten Ausführangsbeispiel eine Anlage, bei der ein Teil des CO₂ kondensiert wird; in beiden Darstellungen sind mechanische Antriebe als Doppellinien, gasförmiges CO₂ führende Leitungen als einfache Linien, Kondensat führende Leitungen gestrichelt und Signalleitungen strichpunktiert gezeichnet.

In beiden Anlagen, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, saugt der Niederdruck-(ND-)Verdichter 1, der mit dem Generator 15 auf der ND-Welle 16 der Anlage sitzt, aus dem Rückkühler 10 kaltes, entspanntes Gas an und verdichtet es auf einen Zwischendruck. Über den Zwischenkühler 2 gelangt das Gas dann in den Mitteldruck-(MD-)Verdichter 3; der von der Hochdruck-(HD-)Turbine 7 über die HD-Welle 17 angetrieben wird. Auf dieser Welle 17 ist weiterhin der HD-Verdichter 5 angeordnet.

Bei der Anlage gemäß Fig. 1 strömt das Gas vom Ausgang des MD-Verdichters 3 über den Zwischenkühler 4 und den HD-Verdichter 5 in den Rekuperator 6, in dem es durch die Abwärme des zum Rückkühler 10 zurückströmenden, entspannten Gasstroms erhitzt wird, ehe es in der HD-Turbine 7 teilweise entspannt wird.

In dem auf die HD-Turbine 7 im Strömungsweg folgenden Kernreaktor 8 wird das CO₂ zwischenerhitzt, ehe es in der ND-Turbine 9 auf den Anfangs-

druck entspannt wird und dabei die Nutzleistung erzeugt. Auf seinem Weg durch den Rekuperator 6 sowie den Rückkühler 10, in dem, ebenso wie in den Zwischenkühlern 2 und 4, Wärme mit Hilfe eines Kühlmittels, z. B. Wasser, nach außen abgeführt wird, wird das entspannte Gas schließlich auf seinen Ausgangszustand vor dem ND-Verdichter 1 zurückgeführt.

Vor der ND-Turbine 9 ist ein steuerbares Drosselorgan 70 angeordnet, vor dem eine Umgehungsleitung 71 für die ND-Turbine 9 abzweigt. Der Durchfluß durch diese Umgehungsleitung 71 wird durch ein zweites Drosselorgan 72 gesteuert. Hinter diesem mündet in die Umgehungsleitung 71 eine weitere Leitung 73 ein, die den Ausgang des HD-Verdichters 5 mit der Umgehungsleitung 71 verbindet, und durch die relativ kaltes Gas in diese Umgehungsleitung eingeführt werden kann. Der Durchfluß durch die Leitung 73 wird durch ein steuerbares Durchflußdrosselorgan 74 eingestellt.

Die Organe 70 und 72 werden in Abhängigkeit von dem Drehzahlregler 65 der ND-Welle 16 über die Signalleitung 63 verstellt, die sich in den Leitungen 63 α und 63 b verzweigt. Die Verstellung der beiden Organe 70 und 72 erfolgt gegensinnig so, daß die Schluckfähigkeit des ND-Stranges, d. h. der ND-Turbine 9 und ihrer Umgehungsleitung 71, mindestens annähernd gleichbleibt. Der Drehzahlregler 65 kann jedoch auch als Beschleunigungsregler für die Drehzahl ausgebildet sein.

Zum Schutz des Rekuperators 6 vor heißem Gas, das unter Umständen durch die Leitung 71 strömen könnte, dient der Temperaturfühler 75 am ND-seitigen Eingang in den Rekuperator 6. Dieser Temperaturfühler 75 bestimmt über den Regler 76 und die Signalleitung 77 die Durchflußmenge durch das Organ 74 und die Leitung 73, durch die relativ kaltes Gas in die Umgehungsleitung 71 eingespeist werden kann.

Bei der in Fi g. 2 gezeigten Anlage, in der das Gas im oberen Druckbereich teilweise verflüssigt wird, entfällt gegenüber F i g. 1 der Zwischenkühler 4. Statt dessen verzweigt sich der Gaskreislauf am Ende des MD-Verdichters 3 etwa zu gleichen Teilen in zwei Teilströme. Die eine Teilmenge fließt durch den Vorkühler 11 und den Kondensator 12 zu einer Pumpe 13 und wird durch diese auf den Enddruck der Anlage gebracht. Der Kreislauf ist dabei beispielsweise so ausgelegt, daß das aus dem Kondensator 12 kommende Kondensat bei seiner Druckerhöhung in der Pumpe 13 den kritischen Druck bereits wieder überschreitet und einem Rekuperator 14 zuströmt, in dem es durch die Abwärme des entspannten Arbeitsmittels erhitzt wird, ehe es sich an der Stelle 28 wieder mit der anderen Teilmenge vereinigt.

Diese andere Teilmenge strömt vom Ausgang des MD-Verdichters 3 direkt in den HD-Verdichter 5, wird dort auf seinen Enddruck gebracht und ebenfalls der Stelle 28 zugeführt.

Von dort aus wird die Gesamtmenge beim Durchströmen des Rekuperators 6 ebenfalls von dem in den Rückkühler 10 zurückströmenden, entspannten Gas erwärmt und gelangt, wie in dem ersten Beispiel, zur teilweisen Entspannung in die HD-Turbine 7.

Ebenso wie in dem Rückkühler 10 und in den Zwischenkühlern 2 und 4 wird die dem CO., im Vorkühler 11 und im Kondensator 12 entzogene Wärme aus der Anlage weggeführt.

In F i g. 2 ist gegenüber F i g. 1 die Leitung 73 durch eine Abzweigleitung 78 ersetzt, durch die statt des kalten HD-Gases aus dem Verdichter 5, Kondensat aus der Verbindung zwischen dem Kondensator 12 und der Pumpe 13 in die Leitung 71 zur Kühlung eingespritzt und verdampft wird.

Um bei plötzlichem Lastabfall ein rasches Eingreifen des Organs 72 in der Leitung 71 zu erreichen, wird dieses Organ 72 in F i g. 2 zusätzlich von einem Lastabwurfrelais 79, das als Grenzregler dient, über die Signalleitung 80 beeinflußt. Für den Fall einer plötzlichen Abschaltung der elektrischen Belastung des Generators übernimmt dieses Relais 79 die Öffnung des Organs 72 vorrangig vor der vom Drehzahlregler 65 ausgehenden Regelung.

In beiden gezeigten Anlagen ist zwischen dem Ausgang des Verdichters 5 bzw. hinter der Stelle 28, an der die beiden Teilströme des zweiten Ausführungsbeispieles wieder vereinigt werden, und einer Stelle niedrigsten Drucks eine an sich ebenfalls bekannte Kurzschlußleitung 81 vorgesehen. In dieser befindet sich das Durchflußdrosselventil 82, das erfindungsgemäß über die Signalleitung 83 von einem Grenzregler 84 verstellt wird, der über die Leitungen 85 bis 88 von Meßwerten der Druckfühler 89 bis 92 beeinflußt wird. Ein weiteres Eingangssignal für diesen Grenzwertregler 84 kommt über die Leitung 35 von dem Drehzahlregler 37 der HD-Welle 17. Um das an jedem der Verdichter 3 und 5 auftretende Druckverhältnis wegen der Pumpgefahr der Verdichter nicht über einen bestimmten Wert ansteigen zu lassen, wird aus den Meßwerten der Druckfühler 89 bis 92 in dem Grenzregler 84 das Verhältnis gebildet. Sobald eines dieser Druckverhältnisse seinen vorgeschriebenen Wert übersteigt, öffnet ein Ausgangssignal des Grenzreglers 84 das Ventil 82 in der Leitung 81, so daß ein Teil des Arbeitsmittels aus dem Hochdruckteil an eine Stelle niedrigsten Drucks geführt werden kann.

Überschreitet jedoch die Drehzahl der HD-Welle 17 einen vorgegebenen Grenzwert, bevor die genannten Druckverhältnisse ihren zulässigen Wert übersteigen, so löst der Drehzahlregler 37 das Ausgangssignal des Grenzreglers 84 aus. Diese Regelung mit Hilfe des Ventils 82 in der Leitung 81 spricht also nur im Sinn einer Grenzregelung an und verhindert ein Pumpen der Verdichter 1, 3 und 5 bzw. ein Durchbrennen der HD-Welle 17.

Zum Schutz des Reaktors 8 vor zu hohen Temperaturen kann zusätzlich die Temperatur des aus dem Reaktor 8 austretenden Gases im Reaktor selbst, z. B. über die Regelstäbe, geregelt werden, wobei diese Regelung entweder ebenfalls auf einen bestimmten Grenzwert erfolgen kann oder auf einen konstanten Wert der Austrittstemperatur aus dem Reaktor vorgenommen wird.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Mindestens zweiwellige, geschlossene Gasturbinenanlage in Verbindung mit einem Kernreaktor, dessen Kühlmittel, z. B. CO₂, als Arbeitsmittel in der Anlage dient, mit mindestens einem Verdichter und einer Turbine je Welle und Zwischenkühlung zwischen den Verdichtem und

Zwischenerhitzung, ζ. Β. durch den Kernreaktor, zwischen den Turbinen sowie mit einem Rekuperator, wobei die ND-Turbine die Nutzlast abgibt und wobei ferner eine mit einem Durchflußdrosselventil versehene Kurzschlußleitung den Ausgang des HD-Verdichters mit einer Stelle niedrigsten Drucks verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß in bekannter Weise die ND-Turbine (9) am Eintritt und eine Umgebungsleitung (71) dazu je ein von einem Drehzahlgeber (65) dieser Turbine steuerbares Drosselorgan (70 bzw. 72) aufweisen und daß ferner diese Drosselorgane gegensinnig so verstellbar sind, daß die Gesamtschluckfähigkeit dieser Turbine (9) und ihrer Umgehungsleitung (71) mindestens annähernd gleichbleibt.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Umgehungsleitung (71) der ND-Turbine (9) Arbeitsmittel tieferer Temperatur einspeisbar ist.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Drosselorgan (72) in der Umgehungsleitung (71) der ND-Turbine (9) zusätzlich von einem als Grenzregler wirkenden Lastabwurfrelais (79) des Generators (15) beeinflußbar ist (F i g. 2).

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, bei der ein Teil des Arbeitsmittels aus dem Gaskreislauf abgezweigt, durch Wärmeentzug verflüssigt, mindestens auf einen Zwischendruck verdichtet und dem Hauptkreislauf wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer die Umgehungsleitung (71) der ND-Turbine (9) mit der das Kondensat führenden Leitung verbindenden Abzweigleitung (78) ein durch einen Temperaturfühler (75) am Eingang des Rekuperators (6) mittels eines Reglers (76) und einer Signalleitung (77) steuerbares Durchflußdrosselorgan (74) vorgesehen ist.

5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußdrosselventil (82) in der Kurzschlußleitung (81) vom Ausgang des HD-Verdichters (5) zu einer Stelle niedrigsten Drucks von einem Grenzregler (84) steuerbar ist, an den vom Drehzahlregler (37) der HD-Turbine (7) und/oder von Druckfühlern (89 bis 92) der Verdichter (1, 3, 5) erzeugte Signale gegeben werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen