Verfahren zum Betrieb einer kombinierten thermischen Kraftanlage mit magnetogasdynamischem Generator Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer kombinierten thermischen Kraftarnlage, welche mindestens einen magnetogasdynamischen Genera tor, eine weitere Expansionsmaschine und eine Arbeitsmaschine zur Verdichtung des Arbeitsgases umfasst, und eine nach diesem Verfahren arbeitende Kraftanlage.
Magnetogasdynamische Generatoren können Gas viel höherer Temperatur verarbeiten als Gasturbinen, da sie keine bewegten Teile haben. Ihre Verwendung ermöglicht es daher, Prozesse hohen Wirkungsgrades zu verwirklichen.
Wegen der Forderung nach genügender elektri scher Leitfähigkeit des expandierenden Arbeitsgases verlangt der Betrieb eines magnetogasdynamischen Generators höhere Temperaturen, als dies thermody namisch notwendig wäre. Trotz Beimischung eines gut ionisierenden Saatmaterials erreicht das Arbeits gas bei Gleichgewichts-Ionisation erst bei Temperatu ren von ca. 2,1.00 K an aufwärts einje ,genügende Leit fähigkeit.
Im geschlossenen Prozess mit Edelgas als Betriebsmittel ist zwar durch Nichtgleichgewichts-Io- nisation schon bei tiefen Temperaturen eine genü gende Leitfähigkeit erzielbar; das Druckniveau des Prozesses muss aber ziemlich tief liegen. Die folgen den Ausführungen beziehen sich vorerst auf einen offenen Prozess, doch ist der Erfindungsgedanke gleicherweise auf einen offenen oder geschlossenen Prozess anwendbar.
Eine Kraftanlage mit magnetogasdynamischem Generator ist im wesentlichen eine Gasturbinen Dampfturbinen-Anlage besonderer Art. Eine solche liefert den besten thermodynamischen Wirkungsgrad, wenn, Idas Druckverhältnis der Expansion optimal gewählt wird. Bei Prozessen mit hoher Spitzentempe ratur ist das optimale Druck- und damit auch das Temperaturverhältnis ziemlich hoch. Da aber wegen der notwendigen elektrischen Leitfähigkeit die Tem peratur am Generatoraustritt noch hoch sein muss, bedeutet das eine umso höhere Eintrittstemperatur, z. B. 2700 K.
Eine solche Temperatur der Verbren nungsgase wird aber nur erreicht, wenn die Verbren nungsluft auf ca. 1450 K oder noch höher vorge wärmt wird. Der genaue Wert hängt von den Küh lungsverlusten und wegen des starken Einflusses der Dissoziation vom absoluten Druck ab, unter dem die Verbrennung abläuft. Es gibt zwar keramische Rege neratoren für derart hohe Temperaturen, aber nicht für einen wirtschaftlich tragbaren Preis. Ein Weg, mit niedrigerer Luftvorwärmung auszukommen, besteht in der Anreicherung der Verbrennungsluft mit Sauer stoff. Dieses Verfahren ist aber ebenfalls teuer.
Die vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit er wünschten und voraussichtlich erreichbaren Vorwär- metemperaturen liegen heute bei ca.<B>1100</B> bis l300 K. Mit Wärmetauschern aus Metall scheinen unter Vermeidung unzulässig hoher Korrossion auf der Abgasseite 1100'K erzielbar. Bei Wärmetau schern mit Keramikrohren sind Werte um 1300 K in Sicht. Damit ergibt sich eine Spitzentemperatur von 2550 bis 2650 K. Das erreichbare Expansionsver hältnis ist aber relativ niedrig und so liegt der Wir kungsgrad des Gesamtprozesses nur einige Prozente über demjenigen einer modernen Dampfkraftanlage.
Eine Verbesserung ergibt sich, wenn das Druck niveau in der ganzen Anlage gesenkt wird, da die elektrische Leitfähigkeit ungefähr umgekehrt propor tional zur Wurzel aus dem Druck ansteigt. Bei tiefem Enddruck kann zu tieferen Temperaturen expandiert werden. Der Druck am Austritt des magnetogasdyna- mischen Generators soll also subatmosphärisch sein und erst am Ende des Prozesses werden die Abgase, die inzwischen einen Grossteil ihres Wärmeinhalts abgegeben haben, wieder auf den Umgebungsdruck verdichtet.
Durch diese Massnahme werden aber alle Wärmetauscher und Leitungen grösser und teurer, so dass der Drucksenkung wirtschaftliche Grenzen ge setzt sind.
Es ist bekannt, eine Gasturbine nachzuschalten, wodurch das Druckverhältnis im Prozess erhöht wird. Dies hat aber zwei wesentliche Nachteile: Die Tur- bine muss in den aschehaltigen, korrossiven Abgasen arbeiten und der magnetogasdynamische Generator wird auf hohem statt auf tiefem Druck betrieben, was die elektrische Leitfähigkeit des Arbeitsgases herun terdrückt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Anlagen das Druckverhältnis im Prozess zu erhöhen. Das wird dadurch erreicht, dass das Arbeitsgas auf einen wesentlich höheren Enddruck verdichtet wird als am Eintritt des magnetogasdynamischen Generators er forderlich ist, auf Betriebstemperatur erwärmt wird, dann unter Abgabe von Leistung teilexpandiert,
nochmals auf erwärmst und hier auf dem ma@gnetogasdynamnadhen Generator zugeleitet wird.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbei- spiele der Erfindung schematisch dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen: Fig. 1 eine Anlage mit offener Prozessführung; Fig. 2 eine Anlage mit geschlossener Prozessfüh- rung; Fig. 3 eine Anlage mit Verwendung eines Atom reaktors.
Nach Fig. 1 verdichtet der Verdichter 1 die Ver brennungsluft auf einen Enddruck, der wesentlich höher liegt als der am Eintritt des magnetogasdyna- mischen Generators erforderliche Druck. Im Wärme- tauscher 2 wird die Luft auf Betriebstemperatur ge bracht, die möglichst hoch, jedoch wirtschaftlich er zielbar sein soll und für die nachgeschaltete Expan sionsturbine zulässig sein muss, z. B. 1200 K.
Nach einer Teilexpansion in der Turbine wird die Luft im Wärmetauscher 4 nochmals auf möglichst hohe Be triebstemperatur erwärmt, beispielsweise auf 1300 K. Hierauf wird sie der Brennkammer 5 des magnetogasdynamischen Generators 6 zugeleitet, dessen Druckverhältnis aus den bereits geschilderten Gründen verhältnismässig gering ist.
Die Abgase des magnetogasdynamischen Generators gehen durch die Wärmetauscher 4, 2 und können noch weitere Wär- metauschflächen 7, 8 eines Dampfkessels beaufschla- gen, der die Dampfturbine 9 speist. Falls das Druck niveau der Abgase nach den Wärmetauschern tief liegt, wird noch ein Kühler 10 und ein Verdichter 11 vorgesehen.
Die von der Kraftanlage gelieferte elektrische Energie setzt sich aus den Leistungsanteilen zusam men, die vom elektrischen Generator 12, den die Kraftmaschinen 3, 9 treiben, und vom magnetogas- dynamischen Generator nach einer Umformung im Wechselrichter 13 abgegeben werden.
Der Wirkungsgrad der Anlage steigt mit zuneh mender Temperatur des Prozesses. Damit der Ge winn gegenüber bekannten Anlagen von wirtschaftli- chem Interesse ist, muss die zugefügte Gasturbinen gruppe wesentlich besser sein als die Dampfturbo gruppe, da die im Wärmetauscher 2 übertragene Wärme in der Wärmetauschfläche 8 des Dampfkes sels nicht mehr zur Verfügung steht.
Fig. 2 zeigt eine ähnliche Kraftanlage, jedoch mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsgases, wofür bei spielsweise Helium dienen kann. Nach dem Verdich ter 1 folgen im Strömungsweg des Arbeitsgases wie der zwei Wärmetauscher 2, 4 mit zwischengeschalte ter Expansionsturbine 3. Anschliessend wird das Arbeitsgas zum magnetogasdynamischen Generator 6 geführt, der in diesem Falle keine Brennkammer hat, dann weiter zum Abhitzekessel 14 und durch den Kühler 10 zurück zum Verdichter 1, womit der Kreislauf des Arbeitsgases geschlossen ist. Der er zeugte Dampf wird in die Dampfturbine 9 geleitet.
Bei diesem geschlossenen Prozess erfolgt die ge samte Wärmezufuhr über die Wärmetauscher 2, 4. Auch hier kann der Wärmetauscher 2 durch das aus dem magnetogasdynamischen Generator austretende Arbeitsigas heaufschlagt worden, anstatt die Abwärme in einem Dampfprozess nutzbar zu machen. Der Wir- kungsgrad steigt dadurch noch etwas an, die spezifi sche Leistung der Kraftanlage nimmt aber ab. In sol chen Fällen ist es aber besonders wichtig, eine mög lichst grosse Expansion auszunützen.
Zumindest dem Wärmetauscher 4 muss die Wärme von aussen zuge führt werden, was von jeder zweckdienlichen Wär mequelle her, z. B. durch einen Atomreaktor, mög lich ist. Das Arbeitsgas durchläuft dann direkt den Atomreaktor, dessen Kern in je eine Zone höheren und tieferen Betriebsdruckes unterteilt sein muss, wenn beide Erwärmungen durch den Atomreaktor erfolgen.
Nach Fig. 1 sind alle Rotationsmaschinen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, es ist aber selbstverständlich auch möglich, geeignete Unter gruppen zusammenzufassen. Es ist vorteilhaft, die Expansionsmaschine so auszulegen, dass sie gerade die Leistung für die Verdichtung des Arbeitsgases aufbringt, wie es beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist, wo der Verdichter 1 und die Turbine 3 auf einer gemeinsamen Welle 15 angeordnet sind.
Statt der Turbomaschinen üblicher Bauart kann für die Verdichtung und die Expansion des, Arbeits gases auch eine aerodynamische Druckwellenma- schine eingesetzt wenden. Diese kann höhere Tempe raturen verarbeiten als eine Gasturbine, wodurch sich eine Verbesserung des Wirkungsgrades ergibt. Beim geschlossenen Prozess mit einem Edelgas als Arbeits mittel hat die Druckwellenmaschine noch einen wei terem Vorteil: Sie kann ohne weiteres das selbe Druckverhältnis wie bei Luft verarbeiten, während die gebräuchlichen Turbinen und Verdichter eine mehrfach grössere Stufenzahl benötigen.
In Fig. 3 ist eine Kraftanlage dargestellt, bei der die Aufteilung des Reaktorkerns in zwei Druckzonen vermieden ist und eine Druckwellenmaschine die Turboverdichtergruppe teilweise ersetzt.
Das in geschlossenen Kreisprozess geführte Arbeitsgas wird im Verdichter 1 und in der aerody namischen Druckwellenmaschine 16 verdichtet und anschliessend im Atomreaktor 17 auf Betriebstempe ratur gebracht, die zweckmässigerweise so hoch ge wählt wird, wie es für die nachgeschalteten Bauteile technologisch zulässig ist. Vom verdichteten, heissen Arbeitsgas wird ein Teil in die Druckwellenmaschine geführt, wo es in bekannter Weisse durch Druckaus tausch kälteres Arbeitsgas verdichtet.
Ein .anderer Teil des Arbeitsgases gelangt in die Expansionstur bine 3, die den Verdichter 1 antreibt, aber auch die Druckwellenmaschine in Drehung halten könnte. Sollte die Temperatur des Arbeitsgases für die Tur bine zu hoch sein, so kann es vor dem Eintritt abge kühlt werden.
Nach der Teilexpansion wird das Arbeitsgas im Wärmeaustauscher 18 wieder auf die nötige Betriebs temperatur gebracht, bevor es in den magnetogasdy- namischen Generator 6 eintritt. Die aus den Expan sionsmaschinen 3, 16 austretenden Teilmengen des Arbeitsgases können getrennt durch den Wärmetau scher 18 geführt werden, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, oder an geeigneter Stelle vereinigt werden.
Als wär meabgebendes Medium dient im Wärmetauscher 18 eine weitere Teilmenge des Arbeitsmittels, die im Atomreaktor 17 erwärmt und mit Hilfe eines Um- wälzgebläses 19 und der Leitung 20 in einem Zusatz kreislauf geführt wird.
In Fig. 3 ist die Dampfturbine mit dem elektri schen Generator nicht mehr eingezeichnet; der Dampfteil der Anlage ist nur durch den Abhitzekes- sel 14 angedeutet.
Durch die Vorschaltung der Expansionsturbine und nochmalige Erwärmung des Arbeitsgases vor dem Eintritt in den magnetogasdynamischen Genera tor wird eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Kraftanlage erreicht. Es können dabei die Arbeitsmaschine zur Verdichtung des Arbeitsgases und die Expansionsmaschine unterteilt und parallel oder in Serie geschaltet werden, auch können Zwi schenkühlung oder Zwischenerwärmung ebenso wie weitere Wärmetauscher angewendet werden; die grundsätzliche Erfindungsidee wird davon nicht be rührt.
Method for operating a combined thermal power plant with a magnetogasdynamic generator The invention relates to a method for operating a combined thermal power plant, which comprises at least one magnetogasdynamic generator, a further expansion machine and a work machine for compressing the working gas, and a power plant operating according to this method.
Magnetogasdynamic generators can process gas at a much higher temperature than gas turbines because they have no moving parts. Their use therefore enables high-efficiency processes to be implemented.
Because of the requirement for sufficient electrical conductivity of the expanding working gas, the operation of a magnetogasdynamic generator requires higher temperatures than would be thermodynamically necessary. Despite the addition of a well-ionizing seed material, the working gas only achieves sufficient conductivity with equilibrium ionization at temperatures of approx. 2.1.00 K onwards.
In the closed process with noble gas as the operating medium, sufficient conductivity can be achieved even at low temperatures through non-equilibrium ionization; however, the pressure level of the process must be quite low. The following explanations initially relate to an open process, but the concept of the invention is equally applicable to an open or closed process.
A power plant with a magnetogasdynamic generator is essentially a gas turbine steam turbine plant of a special type. Such a system provides the best thermodynamic efficiency if the pressure ratio of the expansion is optimally selected. In processes with a high peak temperature, the optimum pressure and therefore also the temperature ratio is quite high. But since the temperature at the generator outlet must still be high because of the necessary electrical conductivity, this means a higher inlet temperature, e.g. B. 2700 K.
Such a temperature of the combustion gases is only reached if the combustion air is preheated to approx. 1450 K or even higher. The exact value depends on the cooling losses and, because of the strong influence of dissociation, on the absolute pressure under which the combustion takes place. There are ceramic regenerators for such high temperatures, but not for an economically affordable price. One way to get by with lower air preheating is to enrich the combustion air with oxygen. However, this process is also expensive.
The preheating temperatures that are desired and likely to be achievable from the standpoint of economic efficiency are around 1100 to 1300 K. With heat exchangers made of metal, 1100 K can be achieved while avoiding inadmissibly high corrosion on the exhaust side. For heat exchangers with ceramic tubes, values around 1300 K are in sight. This results in a peak temperature of 2550 to 2650 K. However, the expansion ratio that can be achieved is relatively low and so the efficiency of the overall process is only a few percent above that of a modern steam power plant.
An improvement is obtained when the pressure level in the entire system is reduced, as the electrical conductivity increases roughly inversely proportional to the root of the pressure. If the final pressure is low, it is possible to expand to lower temperatures. The pressure at the outlet of the magnetogas-dynamic generator should therefore be subatmospheric and only at the end of the process are the exhaust gases, which have now given off a large part of their heat content, compressed again to the ambient pressure.
However, this measure makes all heat exchangers and lines larger and more expensive, so that there are economic limits to the pressure reduction.
It is known to connect a gas turbine downstream, as a result of which the pressure ratio in the process is increased. However, this has two major disadvantages: the turbine has to work in the ash-containing, corrosive exhaust gases and the magnetogasdynamic generator is operated at high instead of low pressure, which suppresses the electrical conductivity of the working gas.
The invention is based on the object of increasing the pressure ratio in the process while avoiding the disadvantages of the known systems. This is achieved in that the working gas is compressed to a significantly higher final pressure than is required at the inlet of the magnetogasdynamic generator, is heated to operating temperature, then partially expanded while delivering power,
again heated up and fed to the ma @ gnetogasdynamnadhen generator here.
Several exemplary embodiments of the invention are shown schematically in the drawing. The same components are provided with the same reference symbols. The figures show: FIG. 1 a system with open process management; FIG. 2 shows a system with closed process control; Fig. 3 shows a system with the use of an atomic reactor.
According to FIG. 1, the compressor 1 compresses the combustion air to a final pressure which is significantly higher than the pressure required at the inlet of the magnetogasdynamic generator. In the heat exchanger 2, the air is brought to operating temperature, which is as high as possible, but it should be economically feasible and must be permissible for the downstream expansion turbine, z. B. 1200 K.
After a partial expansion in the turbine, the air in the heat exchanger 4 is again heated to the highest possible operating temperature, for example to 1300 K. It is then fed to the combustion chamber 5 of the magnetogasdynamic generator 6, the pressure ratio of which is relatively low for the reasons already described.
The exhaust gases from the magnetogas-dynamic generator pass through the heat exchangers 4, 2 and can act on further heat exchange surfaces 7, 8 of a steam boiler which feeds the steam turbine 9. If the pressure level of the exhaust gases after the heat exchangers is low, a cooler 10 and a compressor 11 are provided.
The electrical energy supplied by the power plant is made up of the power components that are emitted by the electrical generator 12, which the prime movers 3, 9 drive, and by the magnetogas-dynamic generator after conversion in the inverter 13.
The efficiency of the system increases as the temperature of the process increases. So that the profit compared to known systems is of economic interest, the added gas turbine group must be significantly better than the steam turbo group, since the heat transferred in the heat exchanger 2 is no longer available in the heat exchange surface 8 of the steam boiler.
Fig. 2 shows a similar power plant, but with a closed circuit of the working gas, for which helium can be used for example. After the compressor 1 follow in the flow path of the working gas as the two heat exchangers 2, 4 with interposed expansion turbine 3. The working gas is then fed to the magnetogas dynamic generator 6, which in this case has no combustion chamber, then on to the waste heat boiler 14 and through the cooler 10 back to the compressor 1, whereby the cycle of the working gas is closed. The steam he generated is fed into the steam turbine 9.
In this closed process, the entire heat is supplied via the heat exchangers 2, 4. Here, too, the heat exchanger 2 can be impacted by the working gas emerging from the magnetogasdynamic generator instead of making the waste heat usable in a steam process. This increases the efficiency somewhat, but the specific output of the power plant decreases. In such cases, however, it is particularly important to take advantage of the largest possible expansion.
At least the heat exchanger 4, the heat must be supplied from the outside, which mequelle of each appropriate heat, z. B. by a nuclear reactor, is possible, please include. The working gas then passes directly through the nuclear reactor, the core of which must be subdivided into a zone of higher and lower operating pressure if both are heated by the nuclear reactor.
According to Fig. 1, all rotary machines are arranged on a common shaft, but it is of course also possible to combine suitable sub-groups. It is advantageous to design the expansion machine in such a way that it just produces the power for the compression of the working gas, as is shown, for example, in FIG. 2, where the compressor 1 and the turbine 3 are arranged on a common shaft 15.
Instead of the conventional turbomachines, an aerodynamic pressure wave machine can also be used for the compression and expansion of the working gas. This can process higher temperatures than a gas turbine, which results in an improvement in efficiency. In the closed process with a noble gas as the working medium, the pressure wave machine has another advantage: it can easily process the same pressure ratio as with air, while the usual turbines and compressors require a number of stages that are several times greater.
In Fig. 3 a power plant is shown in which the division of the reactor core into two pressure zones is avoided and a pressure wave machine partially replaces the turbo compressor group.
The working gas conducted in a closed cycle is compressed in the compressor 1 and in the aerodynamic pressure wave machine 16 and then brought to the operating temperature in the nuclear reactor 17, which is expediently selected as high as it is technologically permissible for the downstream components. A part of the compressed, hot working gas is fed into the pressure wave machine, where it compresses colder working gas in a known way by exchanging pressure.
Another part of the working gas enters the expansion turbine 3, which drives the compressor 1, but could also keep the pressure wave machine rotating. If the temperature of the working gas for the turbine is too high, it can be cooled down before entering.
After the partial expansion, the working gas in the heat exchanger 18 is brought back to the required operating temperature before it enters the magnetogas-dynamic generator 6. The exiting from the expansion machines 3, 16 subsets of the working gas can be passed separately through the Wärmetau shear 18, as shown in Fig. 3, or combined at a suitable point.
A further partial amount of the working medium is used as the heat-emitting medium in the heat exchanger 18, which is heated in the atomic reactor 17 and guided in an additional circuit with the aid of a circulating fan 19 and the line 20.
In Fig. 3, the steam turbine with the electrical generator is no longer shown; the steam part of the system is only indicated by the waste heat boiler 14.
By connecting the expansion turbine upstream and heating the working gas again before entering the magnetogasdynamic generator, an increase in the overall efficiency of the power plant is achieved. The working machine for compressing the working gas and the expansion machine can be subdivided and connected in parallel or in series, and inter mediate cooling or intermediate heating can be used as well as other heat exchangers; the basic idea of the invention is not affected.