DE1601662B2 - Geschlossene gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine geschlossene Gasturbinenanlage mit Kernreaktor, bei der ein Lastregler bei kleineren Lastschwankungen auf ein Regelventil in einer den Verdichter und den gegebenenfalls vorgeschalteten Rückkühler kurzschließenden Umgehungsleitung und bei größeren Lastschwankungen auf zwei Ventile in einer weiteren derartigen Umgehungsleitung einwirkt, an die jedoch ein Arbeitsmittel-Druckspeicher angeschlossen ist.

Es ist bekannt, die in einem Kernreaktor erzeugte Wärme in einer geschlossenen Gasturbinenanlage, in der das Reaktorkühlmittel, ζ. Β. Helium oder CO₂, als Arbeitsmittel verwendet wird, in elektrische Energie umzuformen. Bei einer bekannten derartigen Anlage wird die Leistung z. B. in der Weise geregelt, daß in Abhängigkeit von der Drehzahl der Gasturbinenwelle kleine Leistungsänderungen durch Änderung des Durchflusses einer Umgehungsleitung des Verdichters und große Leistungsänderung durch Entnehmen von Arbeitsmittel an einem Speicher bzw. Einspeisen in diesem ausgeglichen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bei derartigen Anlagen auftretenden Druckschwankungen in bestimmten Grenzen zu halten, um die Brennstoffelemente des Reaktors nicht zu stark zu belasten.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in einem Differenziergerät die zeitlichen Druckänderungen des von einem Fühler gemessenen Drucks in dem Reaktor enthaltenden Teil des Kreislaufs gebildet und mit einem gegebenenfalls einstellbaren Sollwert verglichen werden und daß die Abweichungen als überspielendes Signal auf den Lastregler geschaltet^werden.

Mit der Erfindung sollen sowohl langsam verlaufende, länger andauernde Druckschwankungen als auch kurzzeitige Schwankungen mit starken Druckschwankungen im Reaktor vermieden werden, während kurzzeitige Druckschwankungen, deren Größe einen bestimmten Wert nicht übersteigt, unberücksichtigt bleiben, um ein Pendeln der Lastregelung der Anlage zu.vermeiden. Diese Forderungen werden dadurch erfüllt, daß das als Korrektur-Signal auf den Lastregler aufgeschaltete Signal für die Änderungsgeschwindigkeit erst in die Regelung eingreift, wenn seine Größe einen bestimmten Wert übersteigt.

Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Regelung besteht darin, daß unter Umständen in der Anlage verwendete Doppelwand-Rohrleitungen, die aus einer kalten Außenwand mit hoher Festigkeit und einer dünnen heißen Innenwand bestehen, zwischen denen eine gasdurchsetzte Schicht aus Isoliermaterial vorhanden ist, vor zu großen Druckunterschieden geschützt werden. Diese Doppelwand-Rohrleitungen werden vorzugsweise für den heißen Bereich der Anlage verwendet, also vor allem als Verbindungen des Reaktors mit der Turbine.

In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Gasturbinenanlage in schematischer Darstellung gezeigt. Dabei treibt die Gasturbine 1 über die Welle 2 den Verdichter 3 und gleichzeitig den Generator 4. Dem geschlossenen Gaskreislauf, in dem z. B. CO₂ oder Helium strömen können, wird im Kernreaktor 5 Wärme von außen zugeführt, während der Rückkühler 6 der Wärmeabfuhr dient, und zwar an ein in der Kühlschlange 7 fließendes Kühlmittel, vorzugsweise Wasser.

Für die Lastregelung ist bei kleineren Schwankungen eine mit einem Regelventil 9 versehene Umgehungsleitung 8 vorgesehen, die den Verdichter 3 und den Rückkühler 6 kurzschließt.

Bei größeren Lastschwankungen wird dem Kreislauf eine bestimmte Arbeitsmittelmenge entzogen und einem Speicher 10 zugeführt bzw. aus diesem zusätzlich in den Kreislauf eingespeist. Zu diesem Zweck ist der Speicher 10 über die Leitungen 11 und 12, in denen einfache Auf-Zu-Ventile 13 und 14 vorgesehen

ίο sind, parallel zum Regelventil 9 an die Leitung 8 angeschlossen.

Die Regelung der Anlage erfolgt in dem gezeigten Beispiel vom Regler 15 aus, der vom Drehzahlmesser 16 der Welle 2 über die Signalleitung 17 beeinflußt wird. Die Ausgangssignale des Reglers 15 wirken auf die Ventile 9, 13 und 14 über die Signalleitungen 18, 19 und 20 ein.

Erfindungsgemäß wird dem Regler 15 ein weiteres Eingangssignal auf geschaltet; dieses greift als Grenzwertsignal bei Überschreiten eines bestimmten Werts der Änderungsgeschwindigkeit des Drucks dp/dt im Bereich des Reaktors 5 in die Regelung ein. Dieses Signal wird im Differenziergerät 22 erzeugt, das die zeitlichen Änderungen des an der Stelle 23 durch den Fühler 24 gemessenen Drucks vor dem Reaktor 5 erhält und mit einem festen oder einstellbaren Sollwert vergleicht. In Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle 2 erfolgt die Lastregelung so, daß bei kleineren Schwankungen der Drehzahl eine Teilmenge des verdichteten Arbeitsmittels durch die mit dem Regelventil 9 versehene Leitung 8 im Kurzschluß direkt vor den Rückkühler 6 zurückgeführt wird, ohne daß sie in der Turbine 1 Arbeit leistet. Bei größeren Lastschwankungen wird Arbeitsmittel dem Kreislauf entzogen oder in diesen zusätzlich eingespeist. Dies geschieht durch Öffnen und Schließen der Ventile 13 und 14. Soll bei Lastabfall dem Kreislauf Gas entzogen werden, so wird das Ventil 13 geöffnet, das über die Leitung 11 mit der Druckseite des Verdichters verbunden ist. Da im Speicher 10 ein gegenüber diesem Höchstdruck des Kreislaufs niedrigerer Druck herrscht, strömt auf diese Weise eine bestimmte Gasmenge in den Speicher ein. Im umgekehrten Fall kann aus dem Speicher 10 eine bestimmte Menge dem Kreislauf zugeführt werden, wenn das Ventil 14 geöffnet wird. Die Auf-ZuRegelung der Ventile 13 und 14 erfolgt immer so, daß mindestens eines von ihnen geschlossen ist, wodurch eine zur Leitung 8 parallele Kurzschlußverbindung vermieden wird.

Diese Art der Lastregelung ist beispielsweise aus dem Aufsatz »Zur Theorie der Regelung von aerodynamischen Wärme-Kraftanlagen mit geschlossenem Kreislauf« von F. Salzmann (schweizerische Bauzeitung, 65. Jahrgang, 1947, Heft 10 und 11, S. 123 bis 128 und 137 bis 140) bekannt. Weiterhin ist bekannt, daß dabei erhebliche Druckschwankungen im Kreislauf auftreten können, die besonders für die Brennstoffelemente und das Kühlmittelsystem des direkt im Kreislauf liegenden Reaktors 5 schädlich sein können.

Unzulässig hohe zeitliche Druckänderungen im Bereich des Reaktors 5 und damit auch in den bekanntlich gegebenenfalls im heißen Teil der Anlage zwischen dem Reaktor 5 und der Turbine 1 verwendeten Doppelwand-Rohrleitungen werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vermieden.

Deren Signal greift nämlich in die Regelung ein, sobald der am Differenziergerät 22 eingestellte Soll-

wert für zeitliche Druckschwankungen überschritten wird, und zwar in der Weise, daß es das Signal des Drehzahlmessers 16 überspielt und eine Verstellung der Ventile 9, 13 und 14 in den auftretenden Druckschwankungen entgegenwirkender Weise bewirkt.

Die erfindungsgemäße Aufschaltung der zeitlichen Druckschwankungen, kann ebenso bei mehrwelligen Anlagen mit mehreren Verdichtungs- und Entspannungsstufen vorgenommen werden. Weiterhin kann das in Abhängigkeit von der Drehzahl stehende Signal durch ein anderes die geforderte Last wiedergebendes Signal ersetzt sein.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Geschlossene Gasturbinenanlage mit Kernreaktor, bei der ein Lastregler bei kleineren Lastschwankungen auf ein Regelventil in einer den Verdichter und den gegebenenfalls vorgeschalteten Rückkühler kurzschließenden Umgehungsleitung und bei größeren Lastschwankungen auf zwei Ventile in einer weiteren derartigen Umgehungsleitung einwirkt, an die jedoch ein Arbeitsmittel-Druckspeicher angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Differenziergerät (22) die zeitlichen Druckänderungen des von einem Fühler (23) gemessenen Drucks in den Reaktor (5) enthaltenden Teil des Kreislaufs gebildet und mit einem gegebenenfalls einstellbaren Sollwert verglichen werden und daß die Abweichungen als überspielendes Signal auf den Lastregler (15) geschaltet werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen