DE1946329A1

DE1946329A1 - Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf

Info

Publication number: DE1946329A1
Application number: DE19691946329
Authority: DE
Inventors: Albert Jubb
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1968-09-14
Filing date: 1969-09-12
Publication date: 1970-08-20
Also published as: GB1275755A; FR2022169A1; CH500376A

Description

PATENTANWÄLTE ■_..·,.-..

DIPL-ING. CURT WALLACH _s ... 1946329 DIPL-ING. GÜNTHER KOCH DR. TINO HAIBACH

8 München 2, 12. September I969

uNSERZEicHEN: I225I - K/vM Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England.. -·-- < --■

Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf und insbesondere eine solche, bei welcher das Arbeitsmittel direkt oder indirekt durch einen Kernreaktor erhitzt wird.

Gemäß der Erfindung ist die Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf mit einem Kompressor und Mitteln ausgestattet, die das Strömungsmittel vom Kompressor empfangen und aufheizen, wobei eine Turbine das durch die Heizeinrichtung aufgeheizte Arbeitsmittel empfängt und hiervon angetrieben wird und wobei Mittel vorgesehen sind, um die Temperatur des Arbeitsmittels einzustellen, das In dem Kompressor eintritt und/oder den Kompressor durchströmt, wodurch der Leistungsausgang der Triebwerksanlage eingestellt werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung^ form der Erfindung besteht die Heizeinrichtung «us einem Kernreaktor. . .

Vorzugswelse weist der Kompressor in Strömungsrichtung hintereinander einen Niederdruckkompressor und einen Hochdruckkompressor auf.

Die Mittel zur Eineteilung der Temperatur des Arbeitsmittels weisen vorzugsweise einen Wärmeaustauscher auf, der in Strömungsrichtung hintereinander mit dem Einlaß des Niederdruckkompressors geschaltet ist, wobei in diesem Wärmeaustauscher das Arbeitsmittel in Wärmeaustauachbeziehung mit einem weiteren Strömungsmittel steht und Mittel

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vorgesehen sind, um die Temperatur des anderen Strömungsmittels einzustellen. Es kann zusätzlich ein. weiter er Warmhaus taus^er^;.v _&;^ vorgesehen sein, der zwischen, den Auslaß des .Nied.grdr.u^kkQmpre^jj ^₁-sors und den Einlaß des Hochdruckkompressp,rs geschaltet _;is^^--W,Br--, Ϊ .-,-..-bei das Arbeitsmittel in Wärmeaustauschbeziehung mit dem., and er, en..,,.,, Strömungsmittel s,teht. . , , .. . , .-,... ,-.. ■,-.*■"-■- »

Die Mittel zur Einstellung der Temperatur..des anderen Strömungs-,^ ... mittels können aus einer Pumpe mit. veränderbarer Fördermenge; .......,.,v bestehen, durch welche die Geschwindigkeit geändert wird, ,mlt_K ,..= ..■,„.„,..-welcher das andere Strömungsmittel durch den ersterwähnten .Wärmen^-w austauseher und, ,falls, vorhanden, durch, den. weiteren. -Wärmeaus%sm-^ _P(.: scher strömt. ..;. . . . , . ■, - ,- -^r ^,:->-.-."-.-»■--.

Stattdessen und vorzugsweise bestehen die Mittel zur_r-Einsteilung _ir.. .· der Temperatur, des anderen Strömungsmittels aus noch ..einem, wei- . - . teren Wärmeaustauscher, der einen, geschlossenen Kre^§lauf -mit den _ä^ ersterwähnten Wärmeaustauscher bildet- und, falls vorhanden;,, auch..,mit dem weiteren Wärmeaustauscher, wobei eine Pumpe konstanter Drehzahl, das andere Strömungsmittel in dem geschlossenen Kreislauf umlaufen läßt und. wobei das andere Strömungsmittel in Wärmeaustauschbezie-. _;;> hung mit einem dritten Strömungsmittel, in dem weiteren .Wärmeaus?· \; tauscher steht und das. dritte Strömungsmlttei durch elfte Pumpe , mit variabler Drehzahl gefördert wird,.* wodurch die_ Strömjungsge-· > schwindigkeit dieses Strömungsmittels beeinflußt werden kann. ·.: . ,.;-

Das andere Strömungsmittel kann Wasser sein und ebenso kann das dritte Strömungsmittel Wasser sein. ·.....- _v ^- , - * . ν i^^ ^^f -"■-,:■■".-

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der. Erfindung ;.anhand der ~ Zeichnung beschriieben. Die einzige Pieur^der: Zeichnung^^eigt ■;> _f/-Zt:-l ein Blockschaltbild einer^ erf indungsgemöß^: ajisgebliüiäefeen: nenanlage..-/.·.;. -,"-:. ■_,:,· ■.= /.- --. -:.-;, .:.-■-:..:^:: r- bns> £■*. vs--·-.

(TQ t8 3?4 ^ 12 f 31 - ü - "■ BAD ORIGINAL

Die in der Zeichnung dargestellte Gasturbinenanlage 10 benutzt Helium als Arbeitsmittel und sie bestellt in Strömungsrichtung hintereinander aus einem Vorkühler 12, in dem das Helium in Wärmeaustauschbeziehung mit Wasser steht. Dann folgt ein Axialströmungsniederdruekkompressor 14, ein Zwischenkühler 16, in dem das Helium wiederum in Wärmeaustauschbeziehung mit Wasser steht, und ein Axialströmungshochdruckkompressor 18. Das in den Kompressoren 14 und 18 komprimierte Helium strömt über einen Rekuperator 20,in welchem es vorerhitzt wird, wie nachstehend beschrieben, nach einem Kernreaktor 22, wo es erhitzt wird. Das Helium bildet das Kühlmittel für den Reaktor 22 und wird demgemäß darin direkt erhitzt. Es ist jedoch klar, daß der Reaktor 22 auch ein getrenntes Kühlsystem aufweisen kann, in dem das Kühlmittel zur Erwärmung des Heliums benutzt wird. Das erhitzte Helium aus dem Reaktor 22 strömt dann nach einer Hochdruckaxialströmungsturbine 24 und treibt diese an und diese Turbine 24 ist über eine nicht dargestellte Welle mit den Kompressoren I4,l8 verbunden.

Eine Steuerventilanordnung 26 in Gestalt einer Mehrzahl gleichzeitig betätigbarer,parallel geschalteter Steuerventile 28 ist in eine Leitung JO zwischen dem Auslaß des Kompressors 18 und dem Einlaß der Turbine 24 geschaltet, wodurch ein veränderbarer Teil des im Kompressor l4,l8 komprimierten Heliums im Nebenschluß zu dem Rekuperator 20 und dem Reaktor 22 geschaltet werden kann.

Das in der Turbine * 24 expandierte Helium strömt über ein Drosselventil 34 nach einer Nutzleistungs-Axialturbine 32 und treibt diese an. Die Nutzleistungsturbine 32 ist antriebsmäßig mit einer Last, z.B. einem nicht dargestellten Wechselstromgenerator gekuppelt. Ein Steuerventil 36, eine Drossel oder eine Einschnürung 37 und eine Wärmesenke 37a sind in Strömungsrichtung hintereinander in einem Kanal 38 zwischen dem Auslaß der Turbine 24 und dem Auslaß der Turbine 32 angeordnet, wodurch ein veränderbarer Teil des in der Turbine 24 expandierten Heliums im Nebenschluß an dem

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. Drosselventil 34 und der Turbine 32 vorbeigeführt werden kann*

Die Wärmesenke 37a kann aus einer großen Masse bestehen, z.B. aus 40 Tonnen Graphitblöcken (nicht dargestellt). Ein weiteres drehzahlabhängiges Steuerventil 36a ist parallel zu dem Steuerventil 36, dem Drosselventil 37 und der Wärmesenke 37a geschaltet. Die Strömungsfläche des Steuerventils 36a ist grob angenähert aequivalent der Strömungsfläche der Turbine 32.

Der Auslaß der Turbine 32 steht mit dem Rekuperator20 in Verbindung, wo das Helium, das aus der Turbine 32 ausgetreten ist, in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Helium tritt, das durch die Kompressoren 14, 18 komprimiert wurde und dieses vorwärmt und dabei selbst abgekühlt wird, wobei das gekühlte Helium dann dem Einlaß des Vorkühlers 12 zugeführt wird.

Das Steuerventil 26 spricht auf die Drehzahl der Turbine 24 über zwei variable Drehzahlregler 39 an. Es sind zwei Regler aus Sicherheitsgründen vorgesehen. Das Steuerventil spricht außerdem auf die Drehzahl der Turbine 32 und die Belastung der Turbine 32 über nicht dargestellte Mittel an, Jedoch wird durch die Regler 39 eine Überholsteuerung ausgeübt.

Die thermischen Charakteristiken des Reaktors 22 sind derart, daß seine Auslaßtemperatur* wenn sie einmal auf ihren normalen Betriebswert eingestellt 1st, nicht leicht und schnell geändert werden kann. Während des Anlaufs der Anlage 10 und bei allen Geschwindigkeiten unter der normalen Betriebsgeschwindigkeit besteht daher die Neigung, daß das Helium, welches die Turbine 24 erreicht, zu heiß ist und dies birgt wiederum die Gefahr in sich, daß die Turbine auf überdrehzahl gebracht wird. So wird in der Praxis die Einstellung des Reglers 39 progressiv während des Anlaufs der Anlage 10 durch nicht dargestellte Mittel vergrößert. Jeweils dann, wenn die eingestellte Drehzahl erreicht ist,!»ginnt das Steuerventil 26 mit der Öffnung, so daß eine variable Menge relativ kühlen Heliums direkt vom Auelaß des Kompressors 18 nach dem Einlaß der Turbine 24 gelangen kann. Die Temperatur

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am Einlaß der Turbine 24 wird demgemäß auf einen Wert eingestellt,, der vereinbar ist mit der relevanten eingestellten Drehzahl und■'■ die Drehzahl stabilisiert sich bei jeder eingestellten Drehzahl der Reihe nach;'bis-die normale Betriebsdrehzahl, erreicht ist. Nachdem"einmal die normale Betriebsdrehzahl erreicht ist; werden die Regler 39 so eingestellt, daß sie Über die Steuerventile, 26 als Spitzendrehzahlbegrenzer wirken. * ' ' .- . ,

Der Gesamtleistungsausgang der Turbinenanlage 10-wird demgemäß durch die Wirkung des Reglers 39 auf die Steuerventileinrichtung 3β eingestellt. ■ ' ■ ·

Das Drosselventil 34 und das Steuerventil 36 besitzen eine, gemeinsame St euer einrichtung 40, die auf die-Drehzahl der Turbine. 32 über einen Drehzahlfühler 42 anspricht *- Während des Anlaufs der Gasturbinenanlage 10 wird das Steuerventil 36a voll geöffnet, während das Drosselventil 34 ebenfalls voll, geöffnet wird und das Steuerventil 36 wird durch die Steuereinrichtung 40 geschlossen» ©er, Strömungspfad durch das Steuerventil 36a vermindert in diesem, . · Betriebszustand beträchtlich den Rückdruck der Turbine,24* so 4aß der Anlauf der Turbine erleichtert wird, wobei trotzdem ein langsamer Anlauf der Turbine 32 ermöglicht wird» Wenn die Drehzahl der Turbine 32 einen ersten vorbestimmten Wert örreichti beginnt sich das Steuerventil 36a zu schließen und so wird der Anlauf der Turbine 352 bis auf ihre normale Arbeitsgeschwindigkeit beschleunigt. Bei dieser Drehzahl 1st das Ventil 36a voll geschlossen«

Danach wird, wenn die Drehzahl der "Turbine 32 beispielsweise die maximale Drehzahl um mehr ails IQJi überschreitet:, wenn z.B. die Belastung der Turbine plötzlich Vermindert wird, das Drosselventil 34 augenblickliGh geschlossen und das Steuerventil 36 gleichzeitig augenblicklich durch die Steuervorrichtü^"4i) geöffnet (in eXnem Zeitabschnitt νοίϊΑ töQ Millisekünden^i so wird eine der Turbine yß. verhindert/ indeiri'das Helium von'

24 im Webens cjiluii zu der Turbine 32 uiiä 4üre:h^rfda0^&Drbssei>-

37 ^und n^en dejp W^ &^ _:< ; ,. -:

Die Drosselstelle 37 mad die Wämesenke^^a, ^0^|φ

den gleichen.Drück- und' IJemperaturabfall..iÄ.'de^ -.,..

Medium,: wie.sie durch die ,Turbine 32- erzeugteWUEden^^und;. so ^wir.d,;-gewährleistet, daß die Wirkung des Nebenschluss es r der .-^ auf die übrigen Stufen des Kreises vermindert wir4» Das Steuerventil 36a der Steuereinrichtung 40 kann außerdem !kontinuierlich Einstellungen gemäß kleinen Änderungen*.in der Drehzahl ; 32 bewirken. :Duroh ^geβignet■e:■Jl^.bwandlung:.4ep und ;des Steuerventils -36 kann erEeiöht ^erd^n^, daii..#as 36 die: Funktionen des .Steuerventils 3^a zusatzIi<^, zu-den;-eiigeneja „ Punktionen durchführt und so kann das Steuerventil 36a ^egfaiLlxen·.

Relativ reines Wasser wird in den Vorkühler 12 und den Zwisehenkühl:er 16 vom Aulaß einer mit variabler Drehzahl laufenden JP\x®p& 5&.-,-X λ■/-geliefert. Das den Vorkühler 12 unddeh Zwi schienkühler l6 iVierlsasjS^n«· de Wasser¹ kehrt naeh-dem Einlaß'der Pumpe §0 über 'entspr^eeheiidje?^ re Kühler 52 und ^ zurück, in denen es in Wärmeaustausehbeziehujig z.B. mit Seewasser oder Plußwassei* steht·. Das. See * voider strömt durch die äußeren Kühler 52,5% wuX diese Strömung eine weitere?nicht dargestellte Pumpe mit variabler Drehzahl·

Der ;Leistungsausgang der Kraftanlage IP )mm. iPemperatur des den Vorkühler 12 und den ,Z^isehenMüiler senden Keliums fein eingestellt wer.den. %m ä&r f^axis Drehzahl der Pumpe 50 und demgemäß die Str^m^gsgeschwindigkieit .des irelativ reinen Viassers im wepgntiLiüöheii ^öjnstÄnt _;geh:ilLifceij Ä die Drehzahl der weiierefi Pumpe wird ap geänierü; ge&eirwindigkeit des S eewässers öder des Plußwass ers .geiaidir* ($£pd,, wodurch auch' die Temperatur ^des ^ela^iV reinen wird. Wenn es¹ ^ed&ch" e>wü^fch%⁵^y^^liletion #mch die ^

digkelt'dW relativ r^^

I^mpe^asfeur zu.Rindern. #edQöiif'sind auöji &^^^i£i^^i gegeben,

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BAD ORIGINAL

Claims

;"/"'_# . ; P. a t e η t a η s ρ r ü c h e :

1,) Gasturbinenanlage rait geschlossenem Kreislauf mit einem Kompressor und Mitteln, denen das vom Kompressor komprimierte Arbeitsmittel zugeführt wird und die dieses Arbeitsmittel erwärmen, wobei das erwärmte Arbeitsmittel einer Turbine zugeführt wird und diese antreibt,

dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (12,16,50,52,54) vorgesehen sind, um die Temperatur des Arbeitsmittels, das in den Kompressor 14,18) eintritt oder durch diesen hindurchströmt, einzustellen, derart, daß hierdurch der Leistungsausgang der Kraftanlage (10) gesteuert werden kann.

2. Anlage nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (22) von einem Kernreaktor gebildet wird.

J>. Anlage nach den Ansprüchen 1 oder 2,
dadurch gekennzei c h net, daß der Kompressor (l4,l8) in Strömungsrichtung hintereinander einen Niederdruckkompressor (l4) und einen Hochdruckkompressor (l8) aufweist.

4. Anlage nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (12,16,50,52,54) zur Einstellung der Temperatur des Arbeltsmittels mut vorzugsweise aus einem Wärmeaustauscher (12) bestehen, der in Strömungsrichtung hintereinander mit dem Einlaß des Niederdruckkompressors (l4) verbunden ist, wobei in diesem Wärmeaustauscher das Arbeitsmittel in Wärmeaustauschbeziehung mit einem anderen Strömungsmittel steht und die Mittel (50,52,5^) die Temperatur dieses anderen Strömungsmittels steuern.

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Anlage nach Anspruch 4,
dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Mittel zur Einstellung der Temperatur des Arbeitsmittels zusätzlich einen weiteren Wärmeaustauscher (l6) umfassen, der zwischen den Auslaß des Nied&rdruckkompressors (14) und den Einlaß des Hochdruckkompressors (18) geschalt et^tst, wobei das Arbeitsmittel in dem Wärmeaustauscher in Wärmeaustauschbeziehung mit dem anderen Strömungsmittel steht.

Anlage nach den Ansprüchen 4 oder 5»
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (50,52,54) zur Einstellung der Temperatur des anderen Strömungsmittels aus einer mit variabler Drehzahl arbeitenden Pumpe (50) bestehen, durch welche die Strömungsgeschwindigkeit geändert werden kann, mit der das andere Strömungsmittel durch den ersterwähnten Wärmeaustauscher (12) hindurchtritt.

Anlage nach den Ansprüchen 4 oder 5»
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (50,52₂54) zur Einstellung der Temperatur des anderen Strömungsmittels ans noch einem weiteren Wärmeaustauscher (52,54) bestehen, der ö.l„k *? geschlossenen Kreis mit dem ersterwähnten Wärmeaustauscher (12y ■ „.." "³^-,und oaß eine mit konstanter Drehzahl arbeitende Pumpe (50) das andere Strömungsmittel in dem geschlossenen Kreis umwälzt, wobei das andere Strömungsmittel in Wärmeaustauschbeziehung mit einem dritten Strömungsmittel in dem weiteren Wärmeaustauscher (52,54) steht, wobei eine weitere mit variabler Drehzahl antreibbare Pumpe die Strömungsgeschwindigkeit des dritten Strömungsmittels ändert. ■ -■ ■ .

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