DE2046078A1 - Einrichtung zum Regeln des Gasdrucks in einem geschlossenen Gaskreislauf - Google Patents

Einrichtung zum Regeln des Gasdrucks in einem geschlossenen Gaskreislauf

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Description

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung
Einrichtung zum Regeln des Gasdrucks in einem geschlossenen Gaskreislauf
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Regeln des Gasdrucks in einem geschlossenen Gaskreislauf mit einer in diesem angeordneten Gasturbine und einem von einem Gas durchströmten Energieerzeuger, wobei der Gaskreislauf über Ventile mit mehreren Behältern zum Speichern von Gas in Verbindung steht«
Mittels des im geschlossenen Kreislauf geführten Gases soll dabei die in dem Energieerzeuger, vorzugsweise als Wärme erzeugte Energie zum Antrieb der Turbine ausgenutzt werden. Bei den bisher bekannten Wärme-Kraftwerken, bei denen Wärmeenergie mittels eines Gaskreislaufes auf eine Turbine übertragen wird, wird in dem Kreislauf in erster Linie Dampf geführt; auch wenn als Energieerzeuger wassergekühlte Reaktoren verwendet wurden, wurde bislang zur Umwandlung der Reaktorwärme in mechanische Arbeit eine mit im geschlossenen Kreislauf geführtem Dampf betriebene Turbine verwendet. Zum Stande der Technik gehören jedoch auch mit Gas betriebene Hochtemperaturreaktoren, bei denen das durch den Reaktorkern geführte Gas - beispielsweise Helium - mit einer Temperatur von bis zu 80O0C aus dem Reaktor austritt. Es ist daher auch schon vorgeschlagen worden, dieses Gas im Kreislauf einer Gasturbine zuzuführen, um dadurch eine möglichst gute Ausnutzung des Brennstoffs zu erzielen und um die Anlagekosten soweit wie möglich zu verringern.
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Bei allen derartigen Anlagen muß gewährleistet sein, daß die Leistung der Turbine dem jeweiligen Bedarfsfall angepaßt wird. Um dies zu erreichen, hat man daher mit dem Gaskreislauf auch schon ein aus Speicherbehältern gebildetes System verbunden. Das Speichersystem diente dabei dazu, durch Entnahme von Gas aus dem Gaskreislauf und durch Zuführen von Gas in den Gaskreislauf den Gasdruck zu verringern oder zu erhöhen. Dabei wird das abzuführende Gas an der Stelle des Kreislaufes, die den höchsten Druck aufweist, entnommen; das dem Kreislauf wieder zuzuführende Gas wird an der Stelle mit dem niedrigsten Druck zugeführt. Um dies zu erreichen und um den jeweiligen Anforderungen zu genügen, war es bei den bisher bekannten Einrichtungen erforderlich, einen oder mehrere Kompressoren vorzusehen. Dadurch waren zusätzliche Störungsquellen gegeben.
Es ist zwar auch schon vorgeschlagen worden, ein aus einem oder mehreren parallel geschalteten Speicherbehältern gebildetes Speichersystem ohne zusätzliche Anordnung von Pumaggregaten oder Kompressoren zu bilden und auf diese Weise über eine Regelung des Druckpegels des im Kreislauf geführten Gases die Turbinenleistung den jeweils geforderten Verhältnissen anzupassen. Dabei waren die Speicherbehälter mit der einen der beiden parallel geführten Leitungen mit der Stelle des hohen Gasdrucks und mit der anderen Leitung mit der Stelle des niedrigen Drucks des Kreislaufs verbunden. Um die Turbine den im allgemeinen sehr unterschiedlichen Leistungsanforderungen anzupassen und um mithin eine diesen Leistungsschwankungen angepaßte Veränderung des Gasdrucks innerhalb des Kreislaufs zu erreichen, war es dabei erforderlich, die Behälter so auszulegen, daß sie ein großes Speichervolumen aufwiesen. Dies machte erhebliche Aufwendungen für die Erstellung der Anlage erforderlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Regelung des Gasdrucks in einem geschlossenen Gaskreislauf mit möglichst niedrigen Anlagekosten zu schaffen, die dennoch eine auch für einen großen Schwankungsbereich der aufzubringenden Leistung ausreichende Speicherkapazität aufweist, wobei der Gasdruck in dem Gaskreislauf den jeweils gewünschten Verhältnissen sehr genau anpaßbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zum Regeln des Gasdrucks in einem geschlossenen Gaskreislauf der oben genannten Art, wobei der Gaskreislauf an der Stelle des höchsten Drucks und der Stelle des niedrigsten Drucks mit den Speicherbehältern in Verbindung steht, dadurch gelöst, daß die Speicherbehälter mit in vorbestimmter Abstufung unterschiedlichem Gasdruck über in an sich bekannter Weise automatisch einregelbare Ventile mit einer über ein Abspeicherventil und ein Einspeicherventil mit der Stelle des höchsten und des niedrigsten Gasdrucks des Gaskreislaufes in Verbindung stehenden Leitung verbunden sind. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß zum Regeln des Drucks in den Speicherbehältern an sich bekannte Druckwächter vorgesehen sind. Vorteilhaft ist es, die Druckwächter so einzustellen, daß sich die Speicherbehälter bei Gasaufnahme in vorgesehener Reihenfolge jeweils auf einen nur geringfügig unterhalb des an der Entnahmestelle aus dem Gasturbinenkreislauf liegenden Drucks auffüllen und bei Gasabgabe in entgegengesetzter Reihenfolge jeweils auf einen nur geringfügig oberhalb des sich an der Rückgabestelle einstellenden Drucks entleeren.
Mittels dieser Einrichtung ist es möglich, den Leistungsbereich
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einer Kraftwerksanlage gegenüber den bisher bekannten Einrichtungen zur Regelung des Drucks in für solche Kraftwerksanlagen bestimmten geschlossenen Gaskreisläufen erheblich zu vergrößern. Hinzu kommt, daß das zum Speichern des Gases erforderliche Behältervolumen bei gleichen Leistungsschwankungen kleiner ist als das bei den bisher bekannten Einrichtungen. Soll eine Anlage so ausgelegt werden, daß eine Änderung der Leistung der Turbine um 60 % ermöglicht werden soll und werden bei der Einrichtung gemäß der Erfindung zehn Behälter, in denen das Gas auf unterschiedlichen Druck gespeichert wird, vorgesehen, so verringert sich dadurch das gesamte Volumen der Behälter gegenüber den bisher bekannten Einrichtungen auf ein Sechstel.
Da das aus dem Gasturbinenkreislauf in die Speicherbehälter einzuleitende Gas eine höhere Temperatur aufweist, als die Umgebungstemperatur, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, in der Zuleitung von der Entnahmestelle des im Gasturbinenkreislauf strömenden Mediums zu der die Speicherbehälter verbindenden Leitung einen an sich bekannten Kühler anzuordnen. Dadurch wird eine weitere Verringerung des Speichervolumens und somit der Anlagekosten erzielt.
Ein großer Vorzug der Einrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß sich ein etwaiger Gasverlust aus dem Gaskreislauf durch diese Behälter in einem Teil des Kreislaufes auf einfache Weise ausgleichen läßt. Um das zu erreichen, ist der Gaskreislauf in mehrere mit den Speicherbehältern in Verbindung stehende und mittels eines Ventils oder dergleichen gegenüber diesen und gegenüber dem verbleibenden Teil des Kreislaufs absperrbare Räume unterteilt. Zweckmäßig zum Ausgleich
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etwaiger Gasverluste ist zusätzlich ein Hochdruckspeicher vorgesehen. Wird einer dieser Räume nacheinander ausgehend von dem Speicherbehälter, dessen Druck möglichst dicht oberhalb des Drucks liegt, der in dem Gaskreislauf bisher herrschte, mit den Speicherbehältern und falls diese nicht ausreichen mit dem Hochdruckbehälter verbunden und bleibt die Verbindung mit den Speicherbehältern oder mit dem Hochdruckbehälter jeweils so lange aufrechterhalten, bis sich zwischen den jeweils miteinander verbundenen Behältern ein Hischdruck einstellt, ist es dadurch auf einfache Weise möglich, etwa im Gaskreislauf entstandene Verluste in einem Teil des Kreislaufs, beispielsweise bei Verwendung eines Kernreaktors in dem Reaktorbehälter auszugleichen oder auch den Gasdruck - falls dies gewünscht wird - in dem Gaskreislauf zu verändern. Dadurch ist eine sehr viel weitgehendere Anpassung an die gewünschten Verhältnisse möglich, als dies bei den bisher bekannten Einrichtungen zum Regeln des Gasdrucks in einem geschlossenen Gasturbinenkreislauf der Fall war.
Der Hochdruckbehälter kann auch dazu benutzt werden, kurzzeitig Gas auf der Hochdruckseite des Kreislaufes einzuspeisen. Dadurch kann eine kleine, schnelle Leistungssteigerung, und zwar schneller als dies durch Einspeisen auf der Niederdruckseite möglich ist, erreicht werden. Außerdem ist es vorteilhaft, den Hochdruckbehälter über einen Zusatzkompressor mit der Sammelleitung der übrigen Speicherbehälter zu verbinden, wodurch es möglich ist, den Hochdruckbehälter nach seiner Benutzung aus den übrigen Speicherbehältern wieder aufzuladen.
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Der Druck in den Speicherbehältern kann dadurch im Bedarfsfall erhöht werden, daß die Speicherbehälter über Ventile mit einer Zuführung für ein anderes Gas mit größerem Raumgewicht als das den Gaskreislauf durchströmende Gas oder ein flüssiges Gas oder für eine Flüssigkeit in Verbindung stehenden Leitung verbunden sind. Dabei ist es vorteilhaft, die Zuleitungen für das hinsichtlich Raumgewicht oder Aggregatzustand von dem den Gaskreislauf durchströmenden Gas abweichenden Medium jeweils an den tiefsten Stellen der Speicherbehälter anzuschließen.
Eine Vermischung des in die Speicherbehälter eingeleiteten Mediums - insbesondere bei gasförmigem Aggregatzustand - mit dem in den Speicherbehältern gespeicherten Gas und eine weitere Erhöhung des Drucks im Gaskreislauf und somit eine Vergrößerung der Änderung der Leistung ohne Vergrößerung des Rauminhalts der Behälter wird dadurch erreicht, daß bei der Einrichtung gemäß der Erfindung innerhalb der Speicherbehälter jeweils eine mit der Behälterwandung in einer von einer die Speicherbehälter halbierenden Schnittfläche gebildeten Linie fest verbundene, gasdichte Haut aus an sich bekanntem, flexiblen Werkstoff mit der halben Wandfläche der Behälter entsprechenden Abmessungen vorgesehen ist, wobei in die eine Behälterhälfte jeweils der Anschluß in die mit dem Gaskreislauf verbundene Leitung und in die andere Hälfte jeweils der Anschluß an die zur Zuführung des hinsichtlich Raumgewicht oder Aggregatzustand von dem den Gaskreislauf durchströmenden Gas abweichenden Mediums vorgesehene Leitung einmündet. Dabei besteht eine zweckmäßige Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung darin, daß die Zuleitungen in die beiden Hälften der Speicherbehälter mittels an sich bekannter, in Grenzen verschiebbarer, beim An-
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schmiegen der aus flexiblen Werkstoff gebildeten gasdichten Haut an eine der Wandungen der Behälterhälften den in diese Behälterhälften jeweils einmündenden Anschluß verschließende, den Behälterwandungen angepaßte und die Anschlußleitungen übergreifende, in Grenzen verschiebbare Platten vorgesehen sind. Das ist auch deshalb vorteilhaft, weil selbst dann, wenn zwischen dem jeweils mit dem absperrbaren, im Gaskreislauf angeordneten Behälter und dem mit diesem in Verbindung stehenden Speicherbehälter Druckausgleich hergestellt ist, da durch Zuführung dieses Mediums das noch in den Speicherbehältern befindliche Gas in den im Gaskreislauf angeordneten absperrbaren Behälter gebracht werden kann.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung besteht ferner darin, daß die Speicherbehälter kugelförmig ausgebildet sind. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, daß die Speicherbehälter gleichen Rauminhalt aufweisen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung in schematischer Darstellung wiedergegeben und wird im folgenden näher erläutert.
In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Einrichtung zum Regeln des Gasdrucks in einem geschlossenen Gasturbinenkreislauf gemäß der Erfindung mit fünf Speicherbehältern a-j bis a5 wiedergegeben. Doch kann die Zahl der Speicherbehälter selbstverständlich dem jeweiligen Bedarfsfall entsprechend größer oder kleiner sein. Die Speicherbehälter aj bis a5 stehen über die Ventile b^ bis b,-mit der mit dem - in der Zeichnung nicht dargestellten - Gasturbinenkreislauf verbundenen Leitung c in Verbindung. Zur Änderung der Leistung
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der gleichfalls in der Zeichnung nicht dargestellten Gasturbine sind die Speicherbehälter aj bis a5 mittels der Leitung c über das Abspeicherventil f mit der Stelle g des höchsten im Kreislauf herrschenden Drucks und über das Einspeicherventil h mit der Stelle i des niedrigsten Drucks des Kreislaufs verbunden. Dabei sind zur Steuerung der Ventile bj bis b§ Druckwächter dj bis dg so angeordnet, daß die Ventile bj bis b5 in der Weise gesteuert werden, daß die Speicherbehälter a^ bis 35 automatisch nacheinander je nach dem in ihnen herrschenden Druck zur Aufnahme oder zur Einspeisung von den Kreislauf durchströmendem Gas mit dem Kreislauf verbunden werden«
Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, ist zur Abkühlung des gegebenenfalls dem Gaskreislauf an der Entnahmestelle g zu entnehmenden Gases ein Kühler e vorgesehen, um die Temperatur des dem Gaskreislauf zu entnehmenden Gases zur Verringerung des benötigten SpeieherVolumens auf Raumtemperatur abzukühlen. Mit der die Speicherbehälter aj bis a5 mit dem Gaskreislauf verbindenden Leitung c ist - wie der Zeichnung zu entnehmen ist außerdem über die Leitung 1 ein mittels des Ventils m absperrbarer Hochdruckbehälter η verbunden. Der Hochdruckbehälter η t steht außerdem in Verbindung mit dem Gaskreislauf über die Leitung w mit dem in dieser Leitung enthaltenen Absperrventil x. Er dient dazu, in Verbindung mit den Speicherbehältern aj bis a5 die Gasverluste im Gaskreislauf auszugleichen oder aber auch den Druck in einem vom übrigen Gaskreislauf durch die Ventile ν abgetrennten Raum k über das Ventil u gegenüber dem Druck, mit dem er bis dahin betrieben wurde, gegebenenfalls zu erhöhen. Zu diesem Zweck werden zunächst die Speicherbehälter a^ bis &q nacheinander bis zum Druckausgleich mit dem abgetrennten Raum k
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in Verbindung gebracht, und zwar ausgehend von dem Speicherbehälter, bei dem das darin enthaltene Gas einen Druck aufweist, der am nächsten oberhalb des in dem Raum k und somit oberhalb des im Gaskreislauf herrschenden Drucks liegt. Im Bedarfsfall kann der Druck im Raum k durch Verbindung mit dem Hochdruckbehälter weiter erhöht werden« Der Hochdruckbehälter η kann im Bedarfsfalle über die Leitung w und das Ventil χ mit der Hochdruckstelle g des Kreislaufs verbunden werden. Außerdem kann der Hochdruckbehälter η über das Ventil y und den Kompressor ζ mit der Leitung 1 verbunden werden.
Die Speicherbehälter a^ bis a5 stehen außerdem über Ventile O1 bis Og mit der Leitung ρ in Verbindung, die über das Ventil q mit einer Zuleitung r für ein Gas, dessen Raumgewicht größer ist, als das den Kreislauf durchströmende Gas, für flüssige Gase oder auch für eine Flüssigkeit wie Wasser oder dergleichen verbunden ist. Mittels dieses in die Speicherbehälter aj bis ag eingeleiteten Mediums läßt sich der Druck in dem vom Gaskreislauf durch die Ventile ν abgetrennten Raum oder im gesamten Gaskreislauf erhöhen, da dadurch das jeweils bei einem Druckausgleich zwischen dem in dem Raum k und einem der dem Druck entsprechenden, mit diesem in Verbindung stehenden Speicherbehältern aj bis a5 herrschenden Druck noch in diesen Speicherbehältern a-ji bis ag verbleibende Kreislaufgas zusätzlich in den Raum k gedrückt werden kann. Dabei sind die Zuleitungen für die Zuführung r des über die Leitung ρ zugeführten Mediums an den tiefsten Stellen der Speicherbehälter aj bis a5 vorgesehen. Dadurch ist es ebenfalls möglich, den Hochdruckbehälter η aufzuladen.
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Die dadurch erreichbare Vergrößerung des Leistungsbereiches der Turbine ist insbesondere dann voll nutzbar, wenn innerhalb der Speicherbehälter a-, bis ag .jeweils eine mit der Wandung der Speicherbehälter aj bis a5 verbundene gasdichte flexible Haut s - wie dies nur für den Behälter a5 dargestellt ist - vorgesehen ist. Dabei wird die Verbindungslinie zwischen Behälterwandungen und der gasdichten Haut s von einer Schnittfläche gebildet, die den Speicherbehälter in zwei Teile teilt. Sind die Speicherbehälter a^ bis a5 - wie in der Zeichnung dargestellt - kugelförmig ausgebildet, so ist die Verbindungslinie zweckmäßig die Äquatorlinie. Die gasdichte Haut hat dabei solche Abmessungen, daß sie sich den Wandungen einer Behälterhälfte anschmiegen kann. Durch diese Ausgestaltung wird eine Vermischung der beiden Medien wirksam verhindert. Sind die beiden Hälften der Speicherbehälter ai bis a5 außerdem - wie in dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wiedergegeben - mittels an sich bekannter, in Grenzen verschiebbarer, die jeweiligen Anschlüsse übergreifender und den Behälterwandungen angepaßter Platten t mittels der sich den Wandungen anschmiegenden gasdichten Haut s verschließbar, so läßt sich dadurch ein besonders wirkungsvoller Abschluß und eine bis an die Grenzen der vorbestimmten Gegebenheiten ausnutzbare Vergrößerung der in den Kreislauf oder in vom Kreislauf getrennte Räume einspeisbaren Gasmenge erzielen.
Wie in der Zeichnung dargestellt, haben die Speicherbehälter aj bis a5 sämtlich den gleichen Rauminhalt. Dies ist in sehr vielen Fällen zweckmäßig, doch ist es selbstverständlich ohne weiteres möglich, dem jeweiligen Bedarfsfalle entsprechend Behälter mit unterschiedlichem Rauminhalt vorzusehen.
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Claims (11)

- li - P a tentansprüche
1. Einrichtung zum Regeln des Gasdrucks in einem geschlosse- ^ ' nen Kreislauf mit einem, in diesem angeordneten, von Gas durchströmten Energieerzeuger und einer Gasturbine, wobei der Gaskreislauf über Ventile, der Stelle des höchsten Drucks und der Stelle des niedrigsten Drucks mit mehreren Behältern zum Speichern von Gas in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherbehälter (a^ bis 35) mit in vorbestimmter Abstufung unterschiedlichem Gasdruck über in an sich bekannter Weise automatisch einregelbare Ventile (bj bis h$) mit einer über ein Abspeicherventil (f) und ein Einspeicherventil (h) mit der Stelle des höchsten Gasdrucks (g) im Kreislauf bzw. mit der Stelle des niedrigsten Gasdrucks (i) in Verbindung stehenden Leitung (c) verbunden sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Regeln des Drucks in den Speicherbehältern Ca1 bis as) an sich bekannte Druckwächter (dj bis d5) mit den Ventilen (bj bis b5) verbunden sind.
3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwächter (dj bis ds) so eingestellt sind, daß sich die Speicherbehälter Ca1 bis as) bei Gasaufnahme in vorgesehener Reihenfolge jeweils auf einen nur geringfügig unterhalb des an der Entnahmestelle (g) aus dem Gasturbinenkreislauf liegenden Druck auffüllen und bei Gasabgabe in entgegengesetzter Reihenfolge jeweils auf einen nur geringfügig oberhalb des sich an der Rückgabestelle (i) in dem Gaskreislauf einstellenden Drucks entleeren.
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4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung von der Entnahmestelle (g) des im Gaskreislauf strömenden Mediums zu der die Speicherbehälter (aj bis a§) verbindenden Leitung (c) ein an sich bekannter Kühler (e) angeordnet ist.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzei c h η e t, daß der Gaskreislauf in mehrere, mit den Speicherbehältern (a^ bis ag) verbundenen Leitung (c) in Verbindung stehende und mittels eines Ventils (m) oder dergleichen gegenüber dieser und gegenüber dem verbleibenden Teil des Gaskreislaufs absperrbare Räume (n) unterteilt ist und daß der Behälter (n) über einem Kompressor (z) und ein Ventil (y) mit der Leitung (1) und über ein Ventil (x) und der Leitung (w) mit der Stelle (g) des höchsten Drucks im Kreislauf verbunden ist.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherbehälter (aj bis Β,ζ) über Ventile (oj bis 05) mit einer Zuführung (r) für ein anderes Gas mit größerem Raumgewicht als das den Gaskreislauf durchströmende Gas,,für ein flüssiges Gas oder für eine Flüssigkeit in Verbindung stehenden Leitung (p) verbunden sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennz e i chn e t, daß die Zuleitungen zur Zuführung des hinsichtlich Raumgewichts oder Aggregatzustandes von dem den Gaskreislauf durchströmenden Gas abweichende Medium an den tiefsten Stellen der Speicherbehälter (a^ bis ag) angeschlossen sind.
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8, Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Speicherbehälter (ai bis a-5) jeweils eine mit der Behälterwandung in einer von einer die Speicherbehälter Ca1 bis ag) halbierende Schnittfläche gebildeten Linie fest verbundene gasdichte Haut (s) aus an sich bekanntem flexiblen Werkstoff mit der halben Wandfläche der Speicherbehälter entsprechenden Abmessungen vorgesehen ist, wobei in die eine Behälterhälfte jeweils der Anschluß an die mit dem Gaskreislauf verbundene Leitung (c) und in die andere Hälfte jeweils der Anschluß an die zur Zuführung des hinsichtlich Raumgewicht oder Aggregatzustand von dem den Gaskreislauf durchströmenden Gas abweichenden Mediums vorgesehene Leitung (p) einmündet.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen in die beiden Hälften der Speicherbehälter Ca1 bis a5) mittels an sich bekannter, in den Grenzen verschiebbarer, beim Anschmiegen der aus flexiblen Werkstoff gebildeten gasdichten Haut (s) an einer der Wandungen der Behälterhälften den in diese Behälterhälften jeweils einmündenden Anschluß verschließende, den Behälterwandungen angepaßte und die Anschlußleitungen übergreifende, in Grenzen verschiebbare Platten (t) vorgesehen sind.
10, Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherbehälter (aj bis a5) kugelförmig ausgebildet sind.
11. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherbehälter Ca1 bis a5) gleichen Rauminhalt aufweisen.
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