CH622317A5

CH622317A5 -

Info

Publication number: CH622317A5
Application number: CH932677A
Authority: CH
Inventors: Hansulrich Frutschi
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1977-07-28
Filing date: 1977-07-28
Publication date: 1981-03-31
Also published as: JPS5425318A; DE2737752A1; US4193266A; FR2398883A1

Description

Die Erfindung betrifft eine zweiwellige Gasturbinen-Kraft-anlage mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsgases und mit einem direktdurchströmten, gasgekühlten Kernreaktor als Wärmequelle, bei welcher Anlage sowohl der Verdichter als auch die Gasturbine einen Hochdruck- und einen Niederdruckteil aufweisen, je ein Verdichter- und ein Gasturbinenteil auf einer gemeinsamen Welle sitzen, und mindestens ein von einem Gasturbinenteil angetriebener Stromerzeuger vorgesehen ist.

Eine Anlage dieser Art, bei welcher der Niederdruckteil des Verdichters und der Niederdruckteil der Gasturbine auf der einen Welle, und der Hochdruckteil des Verdichters und der Hochdruckteil der Gasturbine auf der anderen Welle sitzen, ist regeltechnisch ungünstig, wenn die Wärmequelle ein direkt-durchströmter, gasgekühlter Kernreaktor ist. Bei raschen Betriebsänderungen, beispielsweise bei Lastabwurf, wäre der Reaktor starken Druckänderungen unterworfen, was zu seiner Zerstörung führen kann.

Bekannt ist eine Kraftanlage mit je einem Hochdruck- und einem Niederdruckteil des Verdichters und der Gasturbine, alles zusammen mit dem Stromerzeuger in einwelliger Anordnung, und mit einem zwischen die beiden Gasturbinenteile geschalteten Kernreaktor als Wärmequelle. Eine solche Anlage verursacht betrieblich keine besonderen Probleme, doch kann sie nicht optimal ausgelegt werden und die lange Maschineneinheit mit mehreren Wellenlagerstellen und komplizierten Leitungsanschlüssen ist besonders für eine Integration in ein vorgespanntes Betondruckgefäss nachteilig.

Bekannt ist ferner eine Cross-Compound-Schaltung, bei welcher der Niederdruckteil der Gasturbine den Hochdruckteil des Verdichters und den Stromerzeuger antreibt, und der Hochdruckteil der Gasturbine den Niederdruckteil des Verdichters antreibt. Eine derart konzipierte Anlage ist verhältnismässig kompliziert und bringt gegenüber einer konventionellen zweiwelligen Anlage keine betrieblichen Vorteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zweiwellige Gasturbinen-Kraftanlage mit einem direktdurchströmten, gasgekühlten Kernreaktor als Wärmequelle zu schaffen, die ein gutes stationäres und transientes Betriebsverhalten sowie gute regeltechnische Eigenschaften aufweist, und in der eine Gefährdung des Reaktors wegen Druckschwankungen im Arbeitsgas vermieden wird.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass die Anlage in Cross-Compound-Schaltung aufgebaut ist, der Reaktor zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil der Gasturbine angeordnet und die Anlage derart ausgelegt ist, dass der mittlere Arbeitsgasdrack zwischen den beiden Turbinenteilen und somit auch der Druck im Reaktor bei Vollast, Leerlauf und Stillstand der Anlage zumindest annähernd konstant ist.

Eine derart gestaltete Anlage ist in sich stabil und kann wie jede Gasturbinen-Anlage z.B. durch Änderung der oberen Prozesstemperatur geregelt werden. Ob Vollast, Teillast oder Leerlauf, die mit den Betriebsbedingungen ändernden Prozess-grenzdrücke wirken sich nicht auf den mittleren Arbeitsgasdruck aus, der auch im Reaktor herrscht. Bei Verwendung einer Rückführleitung von der Hochdruckleitung zur Ansaugleitung des Verdichters ist selbst bei Lastabwurf und sogar bei einer Schnellabschaltung der Reaktor einer solchen Anlage nicht gefährdet. Wird eine Bypassleitung um den Hochdruckteil der Gasturbine und um den Reaktor vorgesehen, so kann sowohl das stationäre als auch das dynamische Teillastverhalten der Anlage verbessert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben.

Der Niederdruckteil 1 des Verdichters saugt rückgekühltes Arbeitsgas an der Stelle tiefsten Druckes des Kreislaufs an und verdichtet es auf einen Zwischendruck. Nach einer Kühlung im Zwischenkühler 2, der in die Zwischenleitung 3 eingeschaltet ist, wird das Arbeitsgas im Hochdruckteil 4 des Verdichters auf den höchsten Druck des Kreislaufs verdichtet. Anschliessend strömt das Arbeitsgas durch die Hochdruckleitung 5 zum Wärmetauscher 6, wo es aufgeheizt wird, und weiter zum Hochdruckteil 7 der Gasturbine, in welchem es auslegungsge-mäss so weit expandiert, bis die erzeugte Gasturbinenleistung die vom Niederdruckteil des Verdichters benötigte Leistung decken kann. Auf der selben Welle wie der Turbinenteil 7 und der Verdichterteil 1 sitzt der abkuppelbare Anwurfmotor 15.

Das durch die Teilexpansion im Hochdruckteil 7 der Gasturbine abgekühlte Axbeitsgas wird über die Verbindungsleitung 8 dem Kernreaktor 9 als Kühlmittel zugeführt, in welchem es bis auf die höchste im Prozess herrschende Temperatur aufgeheizt wird. Es strömt weiter zum Niederdruckteil 10 der Gasturbine, in welchem die Expansion des restlichen Druckgefälles erfolgt; dieser Turbinenteil treibt den Hochdruckteil 4 des Verdichters und den Stromerzeuger 11, die alle s

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Vom Niederdruckteil 10 der Gasturbine gelangt das entspannte, noch auf relativ hohem Temperaturniveau stehende Arbeitsgas durch die Abströmleitung 12 zum Wärmetauscher 6, wo es das dem Hochdruckteil 7 der Gasturbine zuströmende Arbeitsgas aufheizt. Vom Wärmetauscher 6 führt die Ansaugleitung 13, in welche der Vorkühler 14 eingeschaltet ist, zum Niederdruckteil 1 des Verdichters, womit der Kreislauf des Arbeitsgases geschlossen ist.

Von der Hochdruckleitung 5 zweigt vor dem Wärmetauscher 6 die Rückführleitung 17 ab und mündet vor dem Vorkühler 14 in die Ansaugleitung 13. Der Durchfluss der Rückführleitung 17 wird vom Drosselventil 18 kontrolliert, das über die Wirkleitung 19 vom Drehzahlregler 20 beeinflusst wird, der auf der Welle 16 sitzt. Prinzipiell könnte die Rückführleitung 17 auch nach dem Vorkühler 14 in die Ansaugleitung 13 einmünden, doch ist es zweckmässiger, auch das rückgeführte Arbeitsgas im Vorkühler 14 zu kühlen, bevor es in den Niederdruckteil 1 des Verdichters eintritt.

Ferner zweigt von der Hochdruckleitung 5, ebenfalls vor dem Wärmetauscher 6, die Rückführleitung 21 ab und mündet nach dem Niederdruckteil 10 der Gasturbine in die Abströmleitung 12. Der Durchfluss der Rückführleitung 21 wird vom Drosselventil 22 kontrolliert, das über die Wirkleitung 23 vom Drehzahlregler 20 beeinflusst wird.

Die Bypassleitung 24 zweigt nach dem Wärmetauscher 6 von der Hochdruckleitung 5 ab und mündet zwischen dem Reaktor 9 und dem Niederdruckteil 10 der Gasturbine in die Verbindungsleitung 8. Der Durchfluss der Bypassleitung 24 wird vom Bypassventil 25 kontrolliert, das über die Wirkleitung 26 von der Leistung des Stromerzeugers 11 beeinflusst wird.

Erfindungsgemäss wird die Anlage durch entsprechende bauliche Gestaltung und Bemessung der vom Arbeitsgas durchströmten Bauteile und Rohrleitungen hinsichtlich ihres mit Arbeitsgas ausgefüllten Volumens derart ausgelegt, dass im Betrieb der mittlere Arbeitsgasdruck im Reaktor 9 dem Ausgleichsdruck des warmen Arbeitsgases im Kreislauf nach dem Abstellen der in Betrieb gewesenen Anlage entspricht. Dadurch ist die Aufteilung des Druckgefälles auf die beiden Turbinenteile 7 und 10 festgelegt. Daraus resultiert die Aufteilung der Gefälle für die beiden Verdichterteile 1 und 4. Vorteilhafterweise wird dabei so vorgegangen, dass die Turbogruppe Verdichterteil 1 - Turbinenteil 7 leistungsmässig ausgeglichen ist, d. h. dass sie weder Energiezufuhr von aussen benötigt noch Uberschussleistung nach aussen abgibt. Dadurch kann diese Turbogruppe optimal ausgelegt werden und sie ist nicht an eine konstant zu haltende Drehzahl gebunden. Der Anwurfmotor 15 dient nur als Starthilfe und wird während des Betriebes abgekuppelt. Die Anlage kann aber auch so ausgelegt werden, dass statt des Anwurfmotors ein möglichst verlustarm regelbarer Motor-Generator verwendet wird, welcher eine positive oder eine negative Differenzleistung der beiden Strömungsmaschinen 1 und 7 aufzunehmen hat.

Es ist aber auch möglich, mit Hilfe des als Motor betriebenen Stromerzeugers 11 anzufahren, da dieser den Hochdruckteil 4 des Verdichters antreibt, welcher den Hochdruckteil 7 der Gasturbine beaufschlagt. Aber selbst in diesem Fall und im Normalbetrieb daher leistungsmässig ausgeglichener Turbogruppe 1, 7 kann ein in der Drehzahl möglichst verlustarm regelbarer Motor-Generator (anstelle von Anwurfmotor 15) wertvoll sein. Mit ihm gelänge es, den Leistungsbereich vor allem nach unten bei gutem Wirkungsgrad über das durch das Bypassventil 25 in der Bypassleitung 24 gegebene Mass hinaus zu erweitern.

Bei der baulichen Gestaltung der Bauteile und Rohrleitungen kann hinsichtlich ihres vom Gas erfüllten Volumens vorteilhafterweise dafür gesorgt werden, dass der warme Ausgleichsdruck des Kreislaufs näher beim oberen als beim unteren Prozessextremdruck zu liegen kommt. Dadurch ergibt sich das grössere Expansionsgefälle im Niederdruckteil der Gasturbine, welchem neben dem Antrieb des Hochdruckteils des Verdichters ja auch die Erbringung der Nutzleitung zufällt. Eine solche Massnahme senkt das Temperaturniveau des Wärmetauschers 6 beträchtlich ab, so dass dort keine besonderen Werkstoffprobleme auftreten.

Auch wird dadurch die in diesem Gerät zu übertragende Wärmemenge stark reduziert und eine leistungsmässig ausgeglichene Turbogruppe Verdichterteil 1 - Turbinenteil 7 ist ebenfalls möglich.

Die relativ niedrige Temperatur des Arbeitsgases am Eintritt in den Hochdruckteil 7 der Gasturbine erlaubt eine einfache Turbinenkonstruktion mit ungekühlten Schaufeln. Diese Tatsache sowie der leistungsmässige Ausgleich mit dem Niederdruckteil des Verdichters, wodurch ein Motor-Generator überflüssig wird, sind günstige Voraussetzungen für die Aufteilung in mehrere kleine, schnellaufende Turbogruppen. Ihre Anzahl kann sich z.B. nach jener von parallelgeschalteten Wärmetauschern 6 richten oder ein Mehrfaches davon betragen. Solche Maschinen sind verhältnismässig leicht in einem Betondruckgefäss zu integrieren.

Für die Regelung der Anlage dienen die Drosselventile 18, 22 und das Bypassventil 25, und zwar bei Lastabwurf oder Schnellabschaltung die grossen Ventile 18 und 22, welche in relativ kaltem Gas arbeiten, für die Lastregelung das kleinere Ventil 25, welches in nur massig heissem Gas arbeitet.

Im Falle eines Lastabwurfs des Stromerzeugers 11 öffnet der Drehzahlregler 20 die Drosselventile 18 und 22, wodurch Arbeitsgas von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite strömt, was eine schnelle Aufstauung des Arbeitsgases auf der Niederdruckseite des Kreislaufs und dadurch eine ebenso rasche Abnahme der vom Niederdruckteil 10 der Gasturbine erzeugten Leistung bewirkt. Gleichzeitig sinkt der Druck vor dem Hochdruckteil 7 der Gasturbine. Im Leerlauf ist immer noch die grosse Last des Hochdruckteils 4 des Verdichters vorhanden, so dass das Gefälle des Niederdruckteils 10 der Gasturbine nur etwa zur Hälfte abgebaut werden muss.

Bei praktisch konstantem Druck im Reaktor nähern sich also mit zunehmender Rückflussmenge die beiden Kreislaufgrenzdrücke so weit, bis das Leerlaufdruckverhältnis erreicht ist. Wenn die Temperatur des Arbeitsgases am Austritt des Kernreaktors konstant gehalten wird, müssten die Temperaturen nach dem Niederdruckteil 10 der Gasturbine, im Wärmetauscher 6 sowie vor dem Hochdruckteil 7 der Gasturbine ansteigen, vorausgesetzt, dass sich nur das Drosselventil 18 in der Rückführleitung 17 öffnete. Diese unerwünschte Tempera-turanhebung kann unterdrückt werden, wenn gleichzeitig mit dem Drosselventil 18 auch das Drosselventil 22 in der Rückführleitung 21 öffnet. Die Rückführleitung 21 mündet vor dem Wärmetauscher 6 in die Abströmleitung 12 des Niederdruckteils 10 der Gasturbine, so dass durch die Beimischung kühleren Arbeitsgases die Temperatur nach dem Turbinenteil 10 abgesenkt wird.

Wichtig ist aber auch das günstige Teillastverhalten der Turbogruppe Verdichterteil 1 - Turbinenteil 7, deren Drehzahl bei Entlastung des Stromerzeugers 11 durch das öffnen der Drosselventile 18,22 nicht um mehr als 15-20% abfällt.

Die beiden Rückführleitungen 17 und 21 mit den Drosselventilen 18 bzw. 22 können aber auch für die Teillastregelung vorgesehen werden. Diese kann beispielsweise so vorgenommen werden, dass oberhalb von 40% Last nur das Ventil 18 öffnet, und unterhalb dieser Last auch das Ventil 22.

Das beschriebene, bei Schnellentlastung sehr günstige Regelverfahren hat einen schlechten Teillast-Wirkungsgrad, trägt aber den grossen Vorteil in sich, dass bei Lastabwurf des s

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Stromerzeugers die thermische Leistung des Reaktors nicht zu stark vermindert werden miiss.

Fiir den gewollten Teillastbetrieb ist eine Regelung mit Hilfe der Bypassleitung 24 bzw. mit dem Bypassventil 25 günstiger. Durch das teilweise Umgehen des Hochdruckteils 7 der Gasturbine und des Reaktors 9 wird der Druck vor dem Hochdruckteil der Turbine sukzessive abgesenkt, so dass diese ein Leistungsmanko und als Folge davon einen Drehzahlrückgang erfährt. Dadurch erniedrigt sich zwangsläufig auch die Drehzahl des auf der selben Welle rotierenden Niederdruckteils 1 des Verdichters, so dass durch die Abnahme seines Druckverhältnisses sein Eintrittsdruck und damit auch der Gegendruck des Turbinenteils 10 ansteigt. Die Verwendung des Bypasses erlaubt es auch, die Temperatur nach dem Reak-s tor praktisch konstant zu halten. Der Umstand, dass bereits eine geringe Bypassmenge eine starke Änderung im Leistungsgleichgewicht hervorruft, und dass die in der Bypassmenge enthaltene Energie im Niederdruckteil der Gasturbine teilweise rückgewonnen wird, führt zu einem guten Teillast-Wir-lo kungsgrad.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Zweiwellige Gasturbinen-Kraftanlage mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsgases und mit einem direktdurchströmten, gasgekühlten Kernreaktor als Wärmequelle, bei welcher Anlage sowohl der Verdichter als auch die Gasturbine einen Hochdruck- und einen Niederdruckteil aufweisen, je ein Verdichter- und ein Gasturbinenteil auf einer gemeinsamen Welle sitzen, und mindestens ein von einem Gasturbinenteil angetriebener Stromerzeuger vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage in Cross-Compound-Schaltung aufgebaut ist, der Reaktor (9) zwischen dem Hochdruckteil (7) und dem Niederdruckteil (10) der Gasturbine angeordnet und die Anlage derart ausgelegt ist, dass der mittlere Arbeitsgasdruck zwischen den beiden Turbinenteilen (7, 10) und somit auch der Druck im Reaktor (9) bei Vollast, Leerlauf und Stillstand der Anlage zumindest annähernd konstant ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (6), in welchem das vom Niederdruckteil (10) der Gasturbine zum Niederdruckteil (1) des Verdichters strömende Arbeitsgas das vom Hochdruckteil (4) des Verdichters zum Hochdruckteil (7) der Gasturbine strömende Arbeitsgas erwärmt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Rückführleitung (17), die von einer Hochdruckleitung (5) zwischen dem Hochdruckteil (4) des Verdichters und dem Wärmetauscher (6) abzweigt und in eine Ansaugleitung (13) zwischen dem Wärmetauscher (6) und dem Niederdruckteil (1) des Verdichters einmündet, und deren Durchfluss von einem drehzahlabhängig geregelten Drosselventil (18) kontrolliert ist.

4. Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Rückführleitung (21), die von der Hochdruckleitung (5) zwischen dem Hochdruckteil (4) des Verdichters und dem Wärmetauscher (6) abzweigt und in eine Abströmleitung (12) zwischen dem Niederdruckteil (10) der Gasturbine und dem Wärmetauscher (6) einmündet, und deren Durchfluss von einem drehzahlabhängig geregelten Drosselventil (22) kontrolliert ist.

5. Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Bypassleitung (24), die von der Hochdruckleitung (5) zwischen dem Wärmetauscher (6) und dem Hochdruckteil (7) der Gasturbine abzweigt und in eine Verbindungsleitung (8) zwischen dem Reaktor (9) und dem Niederdruckteil (10) der Gasturbine einmündet, und deren Durchfluss von einem leistungsabhängig geregelten Bypassventil (25) kontrolliert ist.