DE1817255A1 - Verfahren und Vorrichtung fuer die Leistungssteigerung von Waermekraftanlagen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung für die Leistungssteigerung von Wärmekraftanlagen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung für die Leistungssteigerung von Wärmekraftan1agen die einen gasgekühlten Reaktor und eine Arbeitsstufe aufweisen, welchor das im Reaktor erwärmte Gas zugekehrt wird, um einen Teil der Wärmeenergie des Gases in Arbeit umzusetzen.
• Die bekannten Arten von Wärmekraftanlagen sind aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften für mannigfaltige Nutzung geeignet. Bei nuklearen Reaktoren bedingen jedoch hohe Investitionskosten und Nutzungs- oder Betriebsbeschränkungen im allgemeinen eine volle Kapazitätsausnutzung als konstante Ausgangs- oder Grundleistung. Um auch vorübergehend auftretenden, über die Grundbelastung hinausgehende Belastungsspitzen entsprechen zu können, werden jedoch gewöhnlich andere Wärmekraftanlagen, beispielsweise Gasturbinen-Aggregate, verwendet.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung eine Wärmekraftanlage mit einem für die Erzeugung von Wärmeenergie vorgesehenen gasgekühlten Reaktor so zu betreiben, daß auch Spitzenbelastungen in ausreichender Weise entsprochen werden kann.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, die ach dem erfindungsgemäßen Verfahren das dem vom Reaktor kommenden energiegeladenen Kühlgas während der Belastungsspitzen und während der Zuführung zur Arbeitsstufe zstzliche Wärmeenergie zugefügt wird0 Entsprechend den Gegebenheiten bei der Freisetzung von nuklearer Energie weist das aus dem ReaJctor austretende Kühlgas eine relativ niedrige Temperatur auf. Durch das erSindungsgemOBe Verfahren wird die Temperatur in' Gasstrom nach dem Austritt aus dem Reaktor erhöht, woraus sich eine höhere Eingangstemperatur für die Arbeitsstufe ergibt, was wiederum einen verhältnismäßig hohen Wirkung grad bei der Energieumwandlung in der Arbeitsstufe zur Folge hat, wobei die Eingangstemperatur noch ienertalb der maximalen Grenzen liegt, welche vom llaterial bestimmt wird, aus dem die Arbeitsstufe bestellt. Auf diese Weise kann ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden, als er bei Verwendung einer unabhängigen Wärmekraftanlage, z. 13. einer Gasturbine, erreichbar ist, um die zur Verfügung stehende Gesamtenergie im Falle von Spitzenbelastungen zu steigern.
• Das Kühlgas des reaktors kann ein Inertgas sein, z.lj.
• Kohlendioxyd oder Helium, das durch Uärmeaustausch mit einer separaten Wärmeströmung vor dem Eintritt in die Arbeitsstufe zusätzlich erwärmt wird. Dieser Wärmezusatz oder Donatorstrom kann durch Verbrennmlgsprodukte eines Verbrennunssprozesses gebildet und nach dem Wärmeaustausch einer Hilfsarbeitsstufe zugeleitet werden, um dort als Energiequelle für die Verdichtung von Verbrennungsluft für den Verbreimungsprozeß genutzt zu werden.
• Das hillgas des i<eaktors kann andererseits auch selbst Produkte der Verbrennung von Naturgas oder anderen Ausgangsbrennstoffen enthalten und von Zeit zu Leit dadurch die Zumiscllung von neuen Verbrennungsprodukten mit höherer Temperatur vor dem Eintritt in die Arbeitsstufe angereichert werden. Ein reil dieser Mischung kann aus einer geeigneten Zone der Arbeitsstufe abgeleitet werden, um für die Verdichtung von Verbrennungsluft für den Verbreimungsprozeß verwendet und danach in die Atmospliäre abgefilrt zu werden.
• Die Zuführung von Verbrennungsprodukten für den Wärmeaustausch mit den hühlgasen des lieal;tors oder für eine klischung mit diesen kann beliebig, periodisch, automatisch oder auch halbautomatisch variiert werden und zwar unter Berücksichtigung der Afenge und der Zeitspanne der Zuführung in Übereinstimmung mit der von der Arbeitsstufe geforderten Leistung.
• Eine Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht vor, daß zwischen dem Reaktor und der Arbeitsstufe Einrichtungen vorgesehen sind, welche dem vom Reaktor kommenden Kühlgas weitere Wärmeenergie zuführen.
• Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht eine solche Einrichtung aus einem Wärmeaustauscher. In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist aber auch vorgesehen, daß der Wärmekraftanlage eine Verbrennungsanlage zugeordnet ist, die den den Wärmeaustausch vornehmenden Donatorstrom aus Verbrennungsprodukten erzeugt und eine Hilfsarbeitsstufe vorgesehen ist, welcher die Verbrennungsprodukte nach ihrem Durchgang durch den Wärmeaustauscher. zugeführt werden und welche einen für das Verdichten der Verbrennungsluft vorgesehenen Kompressor aufweist.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine in die zur Arbeitsstufe führende Leitung mündende Zusatzleitung angeordnet ist, welche dem aus dem Reaktor kommenden Gas zwecks Temperaturerhöhung einen zusätzlichen Gasstrom zuführt.
• Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß der Wärmekraftanlage für die Bildung des zusätzlichen Gasstroms aus gasförmigen Produkten eines Verbrennungsvorgangs eine Verbrennungsvorrichtung zugeordnet ist.
• Um die durch die Wärmekraftanlage erzeugte Energie in noch stärkerem Maße ausnutzen zu können, ist ein Hilfs-Turbinen-Kompressor-Aggregat vorgesehen, welches die für den Verbrennungsvorgang benötigte Verbrennungsluft vorverdichtet und das durch einen aus der Arbeitsstufe abgezweigten Gasstrom angetrieben wird.
• Anhand der Zeichnungen werden zwei Ausführungsbeispiele für die Wärmekraftanlage gemäß der Erfindung beschrieben. Es zeigen: Figo 1 ein Strömungsdiagramm einer Wärmekraftanlage, in der das Kühlgas aus einem Inertgas besteht, z. 13. aus Sohlendioxyd oder HeLium, und Figo 2 ein strötnungsdiagramm einer gleichartigen wärmekraftanlagep bei der das Arbeitsmedium aus Verbrennungsprodukten besteht, zO Bo aus der Ver brennung von Naturgas mit Lufto Der Umlauf des als Arbeitsmedium verwendeten Inertgases beginnt bei einer üblichen Wärmekraftanlage gemäß Fig. 1 beim Austritt des erwärmten Gases aus einem gasgekühlten nuklearen Reaktor R, aus dem das Gas zum Eingang einer als Arbeitsstufe vorgesehenen Turbine T1 strömt. Von der Durbine T1 strömt das austretende Gas durch einen Wärmeaustauscher E, in dem die Gase zu einem Teil abgekühlt werden und weiter durch einen Kühler F zum Eingang eines Kompressors Cl, von welchem das Gas durch den Wärmeaustauscher E zum Reaktor R zurückgeführt wird.
• Da die Maximaltemperatur des aus dem Reaktor R kommenden, erwärmten Gases im Bereich von 6500 C liegt, ist die Wärmemenge, die aus diesen Gasen in Form von Energie zurückgewonnen wird und an der Turbinenwelle nach Verlust der Arbeitsenergie für den Kompressorantrieb abgenommen wird, begrenzt. Um weitere mechanische Energie zu erzeugen, wie es z. B. bei Spitzenbelastungen eines elektrischen Versorgungssystems notwendig wird, ist erfindungsgemäß zwischen dem Reaktor R und der Turbine Tl ein Wärmeaustauscher H angeordnet, um die Temperatur des Gases, das zu der Turbine T1 unter Wärmeaustausch mit den Verbrennungsprodukten des Primär-Brennstoffes, bevorzugterweise Naturgas, strömt, zu erhöhen. Dieser Primär-Brennstoff wird von einem Vorrat 5 einem Brenner zugeführt, wobei die für den Verbrennungsvorgang erforderliche Luft durch einen von einem durch eine Turbine T2 angetriebenen Hilfskompressor C2 geliefert wird. Das Antriebsmedium für die Turbine T2 sind die Verbrennungsprodukte nach ihrem durch lauf durch der Värmeautauscher M. Diese WerbrennungsprodUnta werder von de.r Tubine T2 in die Atmcsphäre abgeleitet.
• Im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 werden in der dargestellten Wärmekraftanlage die Verbrennungsprodukte des Primär-Brennstoffs, insbesondere Naturgas, als Arbeitsmedium verwendet, Die Anlage weist üblicherweise die Hauptbestandteile auf, wie die im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen, d. h. einen Reaktor R, eine Hauptturbine Tl, einen Warffea.ustauscher X, einen Kühler F und einen Kompressor Cl Um die Menge und Temperatur der zur Verfügung stehenden Verbrennungsprodukte zwecks Antriebs der Turbine T1 regulieren zu können, ist erfindungsgemäß zwischen den Reaktor R und der Turbine T1 ein Gasbrenner 13 angeordnete der wiederum von einem Vorrat S mit Brennstoff und von einem durch eine Turbine T2 angetriebenen Kompressor C2 mit Luft für den Verbrennungsvorgang versorgt wird. Für den Antrieb der Turbine T2 werden heiße Gase aus einer geeigneten Arbeitsstufe der Turbine Tl abgezogen und nach Durchlauf durch die Turbine T2 die Atmosphäre abgeleitet. Hierfür wird nur ein Teil der zur Verfügung stehenden Energie des Reaktors R und des Brenners X, beispieisweise 20 p derselben, verwendet. Diese enge wird durch die Verbrennungsprodukte, die durch den Brenner 13 zugefügt werden, ausgeglichen.
• In diesemZusatzerhitzer ist ein Ventil A fürden Zutritt von Verbrennungsluft vorgesehen sowie ein Ventil G für die Zufuhr von Gas und und ein Ventil D für die Zuführung des Arbeitsmediums durch die Turbine T2. Bei Durchschnittsbelastungen können diese Ventile geschlossen bleiben; die Wärmekraftanlage arbeitet dann nach einem Regenerationszyklus, in dem die Energieerzeugung durch die Erwärmung des Kühlgases durch den Reaktor II erfolgt. Wenn zusätzliche Energieerzeugung erforderlich ist, kann eine noch größere Menge von Primär-brennstoff im Brenner B (durch Öffnung des Ventils A und S für die Zufuhr von Gas und Verbrennungsluft) verbrannt und durch Öffnung des Ventils D die Turbine T2 und damit der Luftkompressor C2 angetrieben werden, wobei die Temperatur der gemeinsamen in die Turbine T1 strömenden Arbeitsmedien erhöht wird. Somit kann zusätzliche Energie von der Welle der Turbine T1 abgenommen werden und zwar in Höhe des Energiewertes der vom Brenner B gelieferten Verbrennungsprodukte, der die verbleibende Energie desjenigen Teils des Gasstroms übersteigt, der zum Antrieb der Turbine T2 abgezogen wird.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   Verfahren für die Leistungssteigerung von Wärmekraftanlagen, die einen gasgekühlten Reaktor und eine Arbeitsstufe aufweisen, welcher das im Reaktor erwärmte Gas zugeführt wird, um einen Teil der Wärmeenergie des Gases in Arbeit umzusetzen, dadurch gekennzeichnet, daß dem vom Reaktor (R) kommenden energiegeladenen Kühlgas, während der Belastungsspitzen und während der Zuführung zur Arbeitsstufe (T1) zusätzliche Wärmeenergie zugefügt wird.

   2o Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung von zusätzlicher Wärmeenergie zum Kühlgas durch Zuführung eines Wärmezusatz- oder Donatorstroms im Wärmeaustauschverfallren erfolgt.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlgas die zusätzliche Wärmeenergie durch Zufuhrung eines weiteren Gasstroms mit höherer Temperatur zugesetzt wird und zusammen mit dem Kühlgas der Arbeitsstufe (T1) zugeleitet wird.

   4o Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas und der Donatorstrom aus Verbrennungsprodukten bestehen.

   50 Vorrichtung für die Ausübung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Reaktor (R) und der Arbeitsstufe (T1) Einrichtungen (H,B) vorgesehen sind, welche dem vom Reaktor kommenden Kühlgas weitere Wärmeenergie zuführen.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Zufuhrung weiterer Wärmeenergie vorgesehene Vorrichtung ein Wärmeaustauscher (Ii) ist.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für die Zuführung zusätzlicher Wärmeenergie zum Kühlgas eine Verbrennungsvorrichtung (B) ist.

   8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmekraftanlage eine Verbrennungsanlage (B) zugeordnet ist, die den den Wärmeaustausch vornehmenden Donatorstrom aus Verbrennungsprodukten erzeugt und eine Hilfsarbeitsstufe (T2) vorgesehen ist, welcher die Verbrennungsprodukte nach ihrem Durchgang durch den Wärmeaustauscher (H) zugeführt werden und welche einen für das Verdichten der Verbrennungsluft vorgesehen Kompressor (C2) aufweist 9. Vorrichtung nach Anspruch zur dadurch gekennzeichnet, daß eine in die zur .hrbe.tsstufe (Tl) führende Leitung mündende Zusatzleitung sngeordrlet ist, welche dem aus dem Reaktor (R) kommenden Gas zwecks Temperaturerhöhung einen zusätzlichen Gasstrom zuführt.

   10. Vorrichtung nach den 1nsprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfs-Turbinen-Kompressor-Aggregat (T2,C2) vorgesehen ist, welches die für den Verbrennungsvorgang benötigte Verbrennungsluft vorverdichtet und das durch einen aus der Arbeitsstufe (T1) abgezweigten strom asgetrieben wird.