DE1601654B2 - Vorrichtung zum schutz einer mindestens zweiwelligen geschlos senen gasturbinenanlage - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sehr oft ist es bei Gasturbinenanlagen der genann-Schutz einer mindestens zweiwelligen geschlossenen ten Art erwünscht, zusätzlich die Drehzahl der Gasturbinenanlage in Verbindung mit einem Kern- HD-Welle in gewissen Grenzen zu halten. Dies kann reaktor, dessen Kühlmittel als Arbeitsmittel in der vorteilhafterweise dadurch erfolgen, daß eine den Anlage dient, mit mindestens einem Verdichter und 5 Ausgang des HD-Verdichters mit dem Eingang der einer Turbine je Welle und Zwischenkühlung zwi- ND-Turbine verbindende, mit einem weiteren Durchsehen den Verdichtern und Zwischenerhitzung, z. B. flußdrosselorgan versehene Kurzschlußleitung für den durch den Kernreaktor, zwischen den Turbinen, wo- HD-Teil der Anlage vorgesehen ist.
bei die Niederdruck- (ND-) Turbine die Nutzlast ab- Bei Gasturbinenanlagen, bei denen ein relativ leicht gibt. ίο kondensierbares Gas, wie z. B. CO₂, als Arbeitsmittel Es ist bekannt (USA.-Patentschrift 3 324 652), die dient, ist es weiterhin bekannt (schweizerische Patentin einem Kernreaktor erzeugte Wärme in einer ge- schrift 269 599), einen Teil des Arbeitsmittels aus schlossenen Gasturbinenanlage, in der das Reaktor- dem Gaskreislauf abzuzweigen, durch Wärmeentzug kühlmittel, ζ. B. CO₂, als Arbeitsmittel verwendet zu verflüssigen, mindestens auf einen Zwischendruck wird, in elektrische Energie umzuwandeln. Die i₅ zu verdichten und dem Hauptkreislauf wieder zuzu-Wärmezufuhr von außen, d. h. vom Reaktor her, führen. Bei derartigen Anlagen besteht eine zusätzerfolgt dabei vorzugsweise in einem mittleren Druck- liehe Möglichkeit für eine Druckbegrenzung im Bebereich der Gasturbinenanlage, in dem das Arbeits- reich des Reaktors darin, daß eine mit einem Abmittel bereits in einer Hochdruck- (HD-) Entspan- sperrorgan versehene Verbindungsleitung zwischen nungsstufe teilweise entspannt worden ist. Diese 20 der das Kondensat führenden Leitung und dem EinMaßnahme hat den Vorteil, daß die Kühlmittelleitun- gang der ND-Turbine vorgesehen ist. Durch diese gen im Reaktor für niedrigere Drücke bemessen wer- Leitung wird dann der Kondensator, dessen Druck den können. im wesentlichen konstant bleibt oder sich nur sehr Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei langsam ändert, weil er vor allem durch die Tempeplötzlichem Lastabfall an der Nutzleistungsturbine 25 ratur des Kühlwassers bestimmt ist, mit dem Ausein Durchgehen von Anlagen der genannten Art zu gang des Reaktors verbunden.

verhindern und andererseits gleichzeitig den Reaktor' Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines

vor zu hohen Drücken und plötzlichen Druck- Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der

Schwankungen, die zu unzulässig hohen Tempera- Zeichnung näher erläutert.

türen führen können, zu schützen. Diese Aufgabe 30 Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein am eine erfindungsgemäß ausgebildete·—Gasturbinen-Ausgang der ND-Turbine angeordnetes, vom Dreh- anlage für CO₂ als Reaktorkühl- und Arbeitsmittel zahlregier dieser Turbine unmittelbar steuerbares mit teilweiser Kondensation sowie ein Beispiel für die Drosselorgan und eine diese Turbine und dieses zugehörige Regeleinrichtung. Mechanische Antriebe Drosselorgan umgehende Leitung vorgesehen sind, in 35 sind in der Zeichnung als Doppellinien, gasförmiges welcher ein vom gleichen Drehzahlregler über ein CO₂ führende Leitungen als einfache Linien, Kon-Verzögerungsglied steuerbares Durchflußdrosselorgan densat führende Leitungen gestrichelt und Signalangeordnet ist. Mit einer derartigen Anlage ist es leitungen strichpunktiert gezeichnet,
möglich, das Gefalle an der genannten Turbine sehr Der Niederdruck- (ND-) Verdichter 1, der mit rasch stark zu ändern, ohne daß der Durchfluß 40 dem Generator 15 auf der ND-WeIIe 16 der. Anlage, wesentlich verändert wird. Ein mindestens eine ge- sitzt, saugt aus dem Rückkühler 10 kaltes, entwisse Zeit mindestens annähernd unverändert blei- spanntes Gas an und verdichtet es auf einen Zwibender Durchfluß durch die Turbine reduziert die schendruck. Über den Zwischenkühler 2 gelangt das Druckschwankungen im Kreislauf erheblich und Gas dann in den Mitteldruck- (MD-) Verdichter 3, schützt so den Reaktor vor unzulässigen Belastungen. 45 der von der HD-Turbine 7 über die Hochdruckinsbesondere können dabei der Durchflußquer- (HD-) Welle 17 angetrieben wird. Auf dieser Welle schnitt des Drosselorgans am Ausgang der ND-Tur- sind weiterhin der HD-Verdichter 5 und die Konbine und der verzögert wirksame Durchflußquer- densatpumpe 13 angeordnet. Diese kann jedoch auch schnitt des Drosselorgans in der Umgehungsleitung auf der ND-Welle sitzen. Am Ende des MD-Verderart aufeinander abgestimmt sein, daß der Druck 50 dichters 3 wird der Gasstrom in zwei Teilströme etwa am Ausgang dieser Turbine bei plötzlicher Last- hälftig aufgeteilt. Die eine Teilmenge fließt durch den abschaltung um mindestens die Hälfte ansteigt, an Vorkühler 11 und den Kondensator. 12 zu einer ihrem Eingang jedoch mindestens annähernd kon- Pumpe 13 und wird durch diese auf den Enddruck stant bleibt. Damit wird erreicht, daß trotz des der Anlage gebracht. Der Kreislauf ist* dabei beistarken Druckanstiegs hinter der Turbine ihr Ein- 55 spielsweise so ausgelegt, daß das aus dem Kondengangsdruck nur relativ wenig, z. B. weniger als 10%, sator 12 kommende Kondensat bei seiner Druckschwankt, erhöhung in der Pumpe 13 den kritischen Druck Es sind zwar Gasturbinenanlagen bekannt, bei bereits wieder überschreitet, um einem Rekuperator denen zur Regelung und/oder auch zum Schutz gegen 14 zuzuströmen, in dem es durch die Abwärme des das Durchgehen der Nutzleistungsturbine bei plötz- 60 entspannten Arbeitsmittels erhitzt wird, ehe es sich liehen Belastungsänderungen für diese Turbine eine an der Stelle 28 wieder mit der anderen Teilmenge Umgehungsleitung mit einem steuerbaren Durchfluß- vereinigt.

drosselorgan vorgesehen ist. Diese bekannten An- Diese andere Teilmenge strömt vom Ausgang des lagen haben jedoch als Energiequellen mit konven- MD-Verdichters 3 direkt in den HD-Verdichter 5, tionellen Brennstoffen beheizte Brennkammern. Ein 65 wird dort auf seinen Enddruck gebracht und ebenbesonderer Schutz für einen Kernreaktor bei plötz- falls der Stelle 28 zugeführt.

liehen RegeleingrifTen ist daher bei ihnen nicht not- Von dort aus wird die Gesamtmenge beim Durchwendig, strömen des Rekuperators 6 ebenfalls von dem in

den Rückkühler 10 zurückströmenden entspannten Gas erwärmt und gelangt zur teilweisen Entspannung in die HD-Turbine 7.

Im auf die HD-Turbine 7 im Strömungsweg folgenden Kernreaktor 8 wird das CO, zwischenerhitzt, S ehe es in der ND-Turbine 9 auf den Anfangsdruck entspannt wird und dabei die Nutzleistung erzeugt. Auf seinem Weg durch die Rekuperatoren 6 und 14 sowie den Rückkühler 10, in dem — ebenso wie in dem Zwischenkühler 2, dem Vorkühler 11 und dem Kondensator 12 — 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.

Erfindungsgemäß ist in der Anlage am Ausgang der ND-Turbine 9 ein steuerbares Drosselorgan 60 angeordnet. Weiterhin ist eine die Turbine 9 umgehende Leitung 61 vorgesehen, in der das Durchflußdrosselorgan 62. vorhanden ist. Die Regelung dieser beiden Organe 60 und 62 erfolgt über die Signalleitungen 63 und 64 vom Drehzahlregler 65 der ND-Welle 16 aus, wobei in der Leitung 64 das Verzögerungsglied 66 eingebaut ist, das eine einstellbare Verzögerung aufweist. Der Drehzahlregler 65 kann auch durch einen Beschleunigungsregler oder einen Lastfühler des Generators ersetzt sein.

Wie schon erwähnt, wird bei einer bestimmten Drehzahl der ND-Welle 16 oder bei einer bestimmten Änderungsgeschwindigkeit dieser Drehzahl bzw. bei Lastausfall an dem Generator 15 zunächst das Organ 60 so weit geschlossen, daß ein erheblicher Druckanstieg — z. B. bis zu 50 % — am Ausgang der ND-Turbine 9 erfolgt. Über das auf eine bestimmte Verzögerung eingestellte Verzögerungsglied 66 in der Leitung 64 bewirkt das gleiche Signal des Drehzahlreglers 65 nach einer gewissen Zeitspanne die öffnung des Organs 62, so daß der Druckanstieg vor der ND-Turbine 9 in engen Grenzen — z. B. unterhalb von 10% — gehalten wird. Auf diese Weise 4a wird das Nutzgefälle der Turbine 9 stark reduziert und ein Durchgehen der ND-Welle verhindert, wobei gleichzeitig ein übermäßiger Druckanstieg im Reaktor 8 vermieden werden kann.

Um ein Durchgehen der.HD-Welle 17 zu verhindem, ist eine den Ausgang des HD-Verdichters 5 mit dem Eingang der ND-Turbine 9 direkt verbindende Leitung 32 vorhanden, die mit einem weiteren steuerbaren Drosselorgan 33 versehen ist. Dieses wird über die Signalleitung 35 vom Drehzahlregler 37 der HD-Welle 17 beeinflußt.

Eine Leitung 38 mit einem z. B. als Auf-Zu-Ventil ausgebildeten Organ 39 dient ebenfalls dem Schutz des Reaktors vor zu hohem Druck. Der zwischen der HD-Turbine 7 und dem Reaktor 8 über einen Meßfühler 46 gemessene Eingangsdruck in den Reaktor wird von einem Druckregler 45 über eine Signalleitung 47 zur Betätigung des Ventils 39 benutzt. Sobald dieses Ventil 39 offen ist, ist der Ausgang des Reaktors 8 druckmäßig an den Kondensator 12 angeschlossen. Da in diesem der Druck näherungsweise konstant ist bzw. sich nur langsam ändert, weil er in erster Linie durch die Temperatur des den Kondensator 12 durchfließenden Kühlwassers bestimmt ist, kann dadurch auch der Druck des Gases in dem Reaktor 8 weitgehend konstant gehalten werden. Darüber hinaus kann durch den Anschluß des Kondensators an den Hauptkreislauf direkt nach dem Reaktor 8 die Temperatur am Reaktoraustritt durch das Einspritzen relativ kalten Kondensats rasch im gewünschten Sinne beeinflußt werden.

Ein weiterer Schutz des Reaktors 8 vor zu hohen Temperaturen kann gegebenenfalls durch einen nicht gezeigten Temperaturregelkreis erreicht werden, der z. B. auf den Verstellmechanismus der Regelstäbe des Reaktors 8 einwirkt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Schutz einer mindestens zweiwelligen, geschlossenen Gasturbinenanlage in Verbindung mit einem Kernreaktor, dessen Kühlmittel 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, wobei die ND-Turbine die Nutzlast abgibt, gekennzeichnet durch ein am Ausgang der ND-Turbine (9) angeordnetes, vom Drehzahlregler (65) dieser Turbine unmittelbar steuerbares Drosselorgan (60) und eine diese Turbine und dieses Drosselorgan umgehende Leitung (61), in welcher ein vom gleichen Drehzahlregler über ein Verzögerungsglied (66) steuerbares Durchflußdrosselorgan (62) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine den Ausgang des HD-Verdichters (5) mit dem Eingang der ND-Turbine (9) verbindende, mit einem weiteren Durchflußdrosselorgan (33) versehene Kurzschlußleitung (32) für den HD-Teil der Anlage.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 für eine Anlage, bei der ein Teil des Arbeitsmittels aus dem Gaskreislauf abgezweigt, durch Wärmeentzug verflüssigt, mindestens auf einen Zwischendruck verdichtet und dem Hauptkreislauf wieder zugeführt wird, gekennzeichnet durch eine mit einem Absperrorgan (39) versehene Verbindungsleitung (38) zwischen der das Kondensat führenden Leitung und dem Eingang der ND-Turbine (9).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt des Drosselorgans (60) am Ausgang der ND-Turbine (9) und der verzögert wirksame Durchflußquerschnitt des Drosselorgans (62) in der Umgehungsleitung (61) derart aufeinander abgestimmt sind, daß der Druck am Ausgang dieser Turbine bei plötzlicher Lastabschaltung um mindestens die Hälfte ansteigt, an ihrem Eingang jedoch mindestens annähernd konstant bleibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen