DE1114362B

DE1114362B - Closed circuit gas turbine plant

Info

Publication number: DE1114362B
Application number: DEP22216A
Authority: DE
Inventors: Edgar Alfred Bridle; Basil Joseph Terrell
Original assignee: Parsons and Marine Engineering Turbine Research and Development Association
Current assignee: Parsons and Marine Engineering Turbine Research and Development Association
Priority date: 1958-02-14
Filing date: 1959-02-12
Publication date: 1961-09-28

Description

Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit geschlossenem, einen Wärmetauscher enthaltendem Kreislauf und mit einer Energie abgebenden Turbine, vor deren Einlaß eine durch ein Ventil gesteuerte, zu einem Kühler führende Zweigleitung abzweigt. Die Erfindung betrifft insbesondere durch Kernkraft angetriebene Gasturbinenanlagen mit geschlossenen Kreisläufen für die Verwendung in Schiffsanlagen, bei denen schnelle Belastungswechsel auftreten.Closed cycle gas turbine plant The invention relates to a gas turbine system with a closed circuit containing a heat exchanger and with an energy-emitting turbine, in front of whose inlet one through a valve controlled branch line leading to a cooler branches off. The invention relates to in particular, gas turbine systems driven by nuclear power with closed circuits for use in ship systems where rapid load changes occur.

Eine bekannte Einrichtung zum raschen Regeln und Inbetriebsetzen von Wärmekraftanlagen hat eine Zweigleitung, die einen Kühler aufweist und an ihrem Ende durch ein Ventil gesteuert ist. In der Zweigleitung erfährt das Arbeitsmittel durch Drosselung eine Druckminderung, und gleichzeitig wird es durch den Kühler auf ungefähr die Temperatur abgekühlt, auf die es bei normalen Betriebsverhältnissen durch die Entspannung in der Niederdnickturbine abgekühlt würde.A well-known device for the rapid regulation and commissioning of Thermal power plants has a branch pipe that has a cooler and on its End is controlled by a valve. The work equipment is found in the branch line by throttling a pressure reduction, and at the same time it is through the cooler cooled to about the temperature at which it would under normal operating conditions would be cooled by the relaxation in the lower diameter turbine.

Bei der bekannten Anlage ist jedoch die bei gedrosselten Einlaß auftretende Änderung des Auslaßdruckes der Turbine nicht berücksichtigt, so daß mit der bekannten Anlage das aus der Turbine austretende Arbeitsmittel bei Belastungswechsel nicht auf konstante Temperatur und auf konstanten Druck geregelt werden kann. Es ist nämlich wünschenswert, daß bei Belastungswechsel alle sich bewegenden Teile der Anlage mit Ausnahme der Leistung abgebenden Nutzleistungsturbine unbeeinflußt bleiben, um Flattern der Verdichter und schnelle Temperaturwechsel, die Wärmeschäden hervorrufen könnten, in den Turbinen zu verhindern.In the known system, however, that occurs when the inlet is throttled Change in the outlet pressure of the turbine is not taken into account, so that with the known Plant does not stop working fluid escaping from the turbine when the load changes can be regulated to constant temperature and constant pressure. Because it is It is desirable that all moving parts of the system with the load change Except for the power output turbine remain unaffected to flutter the compressor and rapid temperature changes that could cause thermal damage, to prevent in the turbines.

Bei einer kernkraftbetriebenen Anlage ist es wünschenswert, daß bei Belastungsänderung die Wärmeabgabe des Reaktors gleichbleibt, um sonst auftretende Instabilität des Reaktors zu verhindern, insbesondere bei Reaktoren mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, z. B. einem, in dem eine Vergrößerung der Wärmeabgabe des Reaktors von einer Lastabnahme begleitet ist, und umgekehrt.In a nuclear power plant, it is desirable that at Load change the heat output of the reactor remains the same to otherwise occurring Prevent reactor instability, especially in reactors with a negative Temperature coefficients, e.g. B. one in which an increase in the heat output of the Reactor is accompanied by a decrease in load, and vice versa.

Demzufolge ist es ein Ziel der Erfindung, eine Gasturbinenkraftanlage mit geschlossenem Kreislauf so auszubilden, daß Laständerungen, welche die Leistung abgebende Nutzleistungsturbine beeinflussen, die anderen sich drehenden Teile der Anlage nicht beeinflussen.Accordingly, it is an object of the invention to provide a gas turbine power plant to train with closed circuit so that load changes, which the performance power output turbine affect the other rotating parts of the Do not affect the system.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, eine kernkraftbetriebene Gasturbinenanlage mit geschlossenen Kreisläufen so auszubilden, daß die Wärmeabgabe des Reaktors bei allen Energieabgaben der Nutzleistungsturbine von »Null« bis »volle Kraft« gleichgehalten werden kann. Diese Ziele werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in der ersten Zweigleitung vor dem Kühler eine zweite durch ein Ventil gesteuerte Zweigleitung abgezweigt, daß ferner in der Turbinenauslaßleitung ein Drosselventil liegt und daß die erste Zweigleitung, in der Strömungsrichtung gesehen, vor dem Drosselventil in die Auslaßleitung mündet und die zweite Zweigleitung nach dem Drosselventil.Another object of the invention is to provide a nuclear powered gas turbine plant to train with closed circuits so that the heat dissipation of the reactor at all energy output of the power turbine from "zero" to "full power" kept the same can be. These goals are achieved according to the invention in that in the first Branch line upstream of the cooler, a second branch line controlled by a valve branched off, that a throttle valve is also located in the turbine outlet line and that the first branch line, seen in the flow direction, upstream of the throttle valve opens into the outlet line and the second branch line after the throttle valve.

Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt Fig. 1 eine kernkraftbetriebene Gasturbinenanlage in schematischer Darstellung und Fig. 2 und 3 je einen Ausschnitt aus der Fig. 1 in anderer Darstellung und in größerem Maßstab, entsprechend dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel.Two embodiments of the subject of the invention are on hand described in the drawing. 1 shows a nuclear-powered gas turbine plant in a schematic representation and FIGS. 2 and 3 each have a section from FIG. 1 in a different representation and on a larger scale, corresponding to the first and the second embodiment.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Steuermechanismus vorhanden, durch den die Wärmeabgabe des Reaktors für alle Turbinenleistungen von »Null« bis »volle Kraft« konstant gehalten wird, und alle rotierenden Teile mit Ausnahme der Nutzleistungsturbine werden durch Leistungswechsel nicht berührt. Eine solche Anordnung ist in der Fig. 1 veranschaulicht. Der geschlossene Kernreaktorkreislauf ist hier im ganzen mit 21, der geschlossene Gasturbinenkreislauf im ganzen mit 22 bezeichnet.In one embodiment of the invention is a control mechanism available, through which the heat dissipation of the reactor for all turbine outputs of "Zero" to "full power" is kept constant, and all rotating parts with it Exceptions for the power turbine are not affected by a change in output. One such an arrangement is illustrated in FIG. The closed one Nuclear reactor cycle is here as a whole at 21, the closed gas turbine cycle as a whole at 22 designated.

Der geschlossene Kernreaktorkreislauf 21 schließt einen Reaktor 23, einen Kühlmittelkreislauf 24 und eine Pumpe 25 ein, die durch einen Motor 26 angetrieben wird, der den Umlauf des Kühlmittels aufrechterhält. Der Kühlkreislauf 24 passiert einen Wärmeaustauscher 27.The closed nuclear reactor circuit 21 includes a reactor 23, a coolant circuit 24 and a pump 25 which is driven by a motor 26 which maintains the circulation of the coolant. The cooling circuit 24 passes through a heat exchanger 27.

Der geschlossene Gasturbinenkreislauf 22 besteht aus einer Leitung 28, die vom Wärmeaustauscher 27 zu einer Verdichter antreibenden Hochdruckturbine 29 führt, ferner aus einer ein Ventil 31 enthaltenden Leitung 30, die zur mechanisch unabhängigen Niederdruck-Nutzleistungsturbine 32 führt, aus einer von der Turbine 32 zu einem Abgaswärmeaustauscher 35 führenden Leitung 33, in der ein Drosselventil 34 liegt, aus einer vom Wärmeaustauscher 35 zum Verdichter 37 führenden Leitung 36, in der ein Vorkühler 38 enthalten ist, aus einer eine Zwischenkühlung 40 enthaltenden Leitung 39, die zu einem zweiten Verdichter 41 führt, und schließlich aus einer Leitung 42, die vom Verdichter 41 durch den Abgaswärmeaustauscher 35 in den Wärmeaustauscher 27 geht.The closed gas turbine circuit 22 consists of a line 28, which leads from the heat exchanger 27 to a high-pressure turbine 29 driving the compressor, and also of a line 30 containing a valve 31, which leads to the mechanically independent low-pressure power turbine 32, from one of the turbine 32 to one Exhaust gas heat exchanger 35 leading line 33, in which there is a throttle valve 34, from a line 36 leading from the heat exchanger 35 to the compressor 37, in which a precooler 38 is contained, from a line 39 containing an intermediate cooling 40 , which leads to a second compressor 41, and finally from a line 42 which goes from the compressor 41 through the exhaust gas heat exchanger 35 into the heat exchanger 27.

Will man die Leistung verringern, wird das Ventil 31 geöffnet, und ein Teil des Arbeitsmittels fließt dann über eine Umführungsleitung 43 mit Kühler 44 zu einer Stelle in der Leitung 33, die stromaufwärts des Drosselventils 34 liegt. Von der Umführungsleitung 43 führt eine Leitung 45 mit Ventil 46 zu einer Stelle in der Leitung 33, die stromabwärts des Drosselventils 34 liegt, wobei das durch die Leitung 45 umgeführte Arbeitsmittel den Kühler 44 umgeht.If you want to reduce the power, the valve 31 is opened, and Part of the working medium then flows via a bypass line 43 with a cooler 44 to a point in the line 33 which is upstream of the throttle valve 34. A line 45 with valve 46 leads from the bypass line 43 to a point in the line 33, which is downstream of the throttle valve 34, which by the line 45 bypassed working medium bypasses the cooler 44.

Der Kühler 44 ist nun so ausgelegt, daß, falls das ganze umgeführte Arbeitsmittel durch ihn hindurchgeführt werden würde, die Temperatur des Abgases der Nutzleistungsturbine nach der Mischung mit dem gekühlten umgeführten Arbeitsmittel niedriger am Einlaß des Abgaswärmeaustauschers 35 sein würde, als wenn kein Arbeitsmittel umgeführt worden wäre. Um die bei Belastung der Nutzleistungsturbine auf »volle Kraft« vorhandene Temperatur des Arbeitsmittels am Einlaß des Abgaswärmeaustauschers 35 aber auch bei Belastungsdrosselung aufrechtzuerhalten, muß daher bei Drosselung der Belastung der Nutzleistungsturbine 32 das Ventil 46 geöffnet werden, damit ein bestimmter Anteil des umgeführten Arbeitsmittels den Kühler 44 urgekühlt umgehen kann.The cooler 44 is now designed so that, if the whole bypassed Working fluid would be passed through it, the temperature of the exhaust gas of the power turbine after mixing with the cooled circulated working fluid would be lower at the inlet of the exhaust gas heat exchanger 35 than if no working fluid would have been evacuated. In order to increase the »full Force «existing temperature of the working medium at the inlet of the exhaust gas heat exchanger But to maintain 35 even with load throttling, must therefore with throttling the load on the power turbine 32, the valve 46 can be opened, so that a certain proportion of the circulated working fluid bypass the cooler 44 primed can.

Eine Verminderung der Menge des durch die Nutzleistungsturbine 32 strömenden Arbeitsmittels bei Drosselung der Belastung der Nutzleistungsturbine 32, hervorgerufen durch Öffnung des Ventils 31, ruft - infolge geringeren Druckabfalls des Arbeitsmittels bei Durchströmung der Umgehungsleitungen 43 und 45 als bei Durchströmung der Nutzleistungsturbine 32 - einen Anstieg des Abgasdruckes hervor. Daher wird, falls bei Drosselung der Belastung der Nutzleistungsturbine das Drosselventil 34 in der Leitung 33 offenbleibt, auch der Druck am Einlaß des Abgaswärmeaustauschers 35 ansteigen. Dies ist nicht erwünscht, und das Drosselventil 34 muß deshalb stets so eingestellt werden, daß der Eingangsdruck am Abgaswärmeaustauscher 35 auch bei Verminderung der Menge des durch die Nutzleistungsturbine 32 strömenden Arbeitsmittels infolge Belastungsdrosselung den bei Belastung der Nutzleistungsturbine 32 auf »voller Kraft<: vorhandenen Wert nicht übersteigt.A reduction in the amount of working fluid flowing through the power turbine 32 when the load on the power turbine 32 is throttled, caused by the opening of the valve 31, causes - due to the lower pressure drop of the working fluid when flowing through the bypass lines 43 and 45 than when flowing through the power turbine 32 - an increase in the Exhaust pressure. Therefore, if the throttle valve 34 in the line 33 remains open when the load on the power turbine is throttled, the pressure at the inlet of the exhaust gas heat exchanger 35 will also rise. This is not desirable, and the throttle valve 34 must therefore always be set in such a way that the input pressure at the exhaust gas heat exchanger 35, even when the amount of working fluid flowing through the power turbine 32 is reduced, is the value present when the power turbine 32 is loaded to "full power" as a result of load throttling does not exceed.

Damit sind Druck, Temperatur und Menge des strömenden Arbeitsmittels in allen Teilen der Anlage mit Ausnahme der Nutzleistungsturbine und des Umführungssystems unabhängig von der Belastung der Nutzleistungsturbine, mit der Folge, daß auch die dem Reaktor entnommene Wärmemenge von der Belastung der Nutzleistungsturbine unabhängig ist.This gives the pressure, temperature and amount of the working medium flowing in all parts of the plant with the exception of the power turbine and the bypass system regardless of the load on the power turbine, with the result that the The amount of heat withdrawn from the reactor is independent of the load on the power turbine is.

Die Fig. 2 veranschaulicht eine Anordnung, in der die in der Fig. 1 dargestellten Ventile miteinander verbunden und so ausgebildet sind, daß Änderungen des Durchflußquerschnitts des Kühler-Umgehungsventils 46 und des Nutzleistungsturbinen-Drosselventils 34 im Verhältnis zu dem Durchflußquerschnitt des die Nutzleistungsturbine umgehenden Ventils 31 so gesteuert werden, daß Druck und Temperatur am Einlaß des Abgaswärmeaustauschers 35 immer konstant bleiben. Wenn bei dieser Anordnung das die Turbine 32 umgehende Ventil 31 verstellt wird, dann werden das Kühler-Umgehungsventil 46 und das Nutzleistungsturbinen-Drosselventil 34 über die Hebelmechanismen 46a und 34a entsprechend eingestellt.Fig. 2 illustrates an arrangement in which the valves shown in Fig. 1 are interconnected and configured to accommodate changes in the flow area of the cooler bypass valve 46 and power turbine throttle valve 34 relative to the flow area of the power turbine bypass valve 31 can be controlled so that the pressure and temperature at the inlet of the exhaust gas heat exchanger 35 always remain constant. If, in this arrangement, the valve 31 bypassing the turbine 32 is adjusted, the cooler bypass valve 46 and the power turbine throttle valve 34 are adjusted accordingly via the lever mechanisms 46 a and 34 a.

Die Fig. 3 stellt eine Alternativlösung dar, wobei das Kühler-Umgehungsventi146 thermostatisch gesteuert wird, so daß die Temperatur am Einlaß des Abgaswärmeaustauschers 35 automatisch für jede Stellung des Nutzleistungsturbinen-Umgehungsventils 31 konstant gehalten wird. Diese Anordnung gestattet es auch, das Drosselventil 34 so durch einen Servomechanismus zu betreiben, daß der Druck am Einlaß des Abgaswärmeaustauschers 35 für jede Stellung des Umgehungsventils 31 konstant gehalten werden kann. Wie gezeigt, ist das Kühler-Umgehungsventil 46 durch einen geeigneten Hebelmechanismus 46b über einen Servomechanismus 46c mit einem Temperaturfühler 46d verbunden, der neben dem Einlaß des Abgaswärmeaustauschers 35 liegt. Das Drosselventil34 wird in Übereinstimmung mit den am Abgaswärmeaustauscher-Einlaß herrschenden Druckbedingungen mittels eines Verbindungsmechanismus 34b betrieben, den ein Servomechanismus 34 c betätigt, der wiederum mittels eines druckempfindlichen Elementes 34d betätigt wird. Wie gezeigt, befindet sich das druckempfindliche Element 34d in direkter Verbindung mit dem Einlaß des Abgaswärmeaustauschers 35.3 shows an alternative solution in which the cooler bypass valve 146 is thermostatically controlled so that the temperature at the inlet of the exhaust gas heat exchanger 35 is automatically kept constant for each position of the power turbine bypass valve 31. This arrangement also allows the throttle valve 34 to be operated by a servo mechanism so that the pressure at the inlet of the exhaust gas heat exchanger 35 can be kept constant for each position of the bypass valve 31. As shown, the radiator bypass valve 46 is connected by a suitable lever mechanism 46b via a servomechanism 46c to a temperature sensor 46d which is adjacent to the inlet of the exhaust gas heat exchanger 35. The throttle valve 34 is operated in accordance with the pressure conditions prevailing at the exhaust gas heat exchanger inlet by means of a link mechanism 34b operated by a servomechanism 34c which in turn is operated by a pressure sensitive element 34d. As shown, the pressure sensitive element 34d is in direct communication with the inlet of the exhaust gas heat exchanger 35.

Die Anordnung ist demnach so getroffen, daß bei entsprechender Steuerung der Ventile der Druck und die Temperatur des Arbeitsmittels in der Auslaßleitung nach der Einmündung der Zweigleitung unabhängig von der Belastung der Turbine konstant gehalten werden.The arrangement is therefore made so that with appropriate control of the valves, the pressure and the temperature of the working medium in the outlet line constant after the confluence of the branch line, regardless of the load on the turbine being held.

Falls gewünscht, können der Verdichtereinlaß-Vorkühler 38 und der Nutzleistungsturbinen-Umgehungskühler 44 in einer Einheit mit einer gemeinsamen Kühlwasserspeisung zusammengefaßt werden.If desired, the compressor inlet precooler 38 and the Power turbine bypass cooler 44 in one unit with a common Cooling water supply are summarized.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Gas turbine system with a closed circuit containing a heat exchanger and with an energy-emitting useful power turbine, before the inlet of which a valve-controlled branch line, which leads to a cooler and opens into the outlet line of the useful power turbine, branches off, characterized in that in the Branch line (43) before the cooler (44) branches off a second branch line (45) controlled by a valve (46), that a throttle valve (34) is also located in the outlet line (33) of the power turbine (32) and that the first branch line ( 43), seen in the flow direction, opens into the outlet line (33) before the throttle valve (34), while the second branch line (45), seen in the flow direction, opens into the outlet line (33) after the throttle valve (34).

2. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that the valve (31) located in front of the inlet of the power turbine (32) with which the second, the cooler (44) bypassing the branch line (45) controlling valve (46) and with the in the Outlet line (33) lying throttle valve (34) is mechanically connected in such a way that when the flow cross-section of the valve (31) located in front of the inlet of the power turbine (32) is changed, the flow cross-sections of the other valves (46 and 34) can also be changed accordingly.

3. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that the second, the cooler (44) bypassing the branch line (45) controlling valve (46) with the aid of a temperature sensor (46d) lying in the outlet line (33) is controllable and that the throttle valve (34 ) can be controlled with the aid of a pressure sensor (34d) connected to the outlet line (33).

4. Gas turbine plant according to claims 1 and 3, characterized in that the pressure sensor (34 d) and the temperature sensor (46 d) with the outlet line (33), in the direction of flow seen, after the junctions of the branch lines (43 and 45) are connected. In Documents considered: German Patent No. 676 920; British Patent Nos. 583146, 631069; Magazine "fuel heat power (BWK)", Vol. VIII, 1956, pp. 553 and 554; Atomics magazine, Vol. VII, 1956, No. 12, p.433.