DE2711287A1

DE2711287A1 - Kuehlkreislauf fuer ein kraftwerk sowie verfahren zum betrieb des kuehlkreislaufes

Info

Publication number: DE2711287A1
Application number: DE19772711287
Authority: DE
Inventors: Herman Peter Fay; David Carlton Morse; Robert Edward Potthoff; Daniel Leroy Vrable
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1976-03-15
Filing date: 1977-03-15
Publication date: 1977-09-22
Also published as: JPS52114149A; GB1555408A; FR2344715A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl-Phys. Dr. K. Fincke D1PL.-ING. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

t MÜNCHEN 16, DEN 2.3.1977

POSTFACH 160120

MDHLSTRASSE 22. RUFNUMMER 913921/22

D/Cz

General Atomic Company 10955, John Jay Hopkins Drive, San Diego,

Calif·, Vereinigte Staaten von Amerika

Kühlkreislauf für ein Kraftwerk sowie Verfahren zum Betrieb des Kühlkreislaufes

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkreislauf für ein Kraftwerk mit Einrichtungen zum Wärmeentzug aus einem Arbeitsmittelkreislauf; zum Wärmeentzug werden im Falle eines Dampfkraft-Elektrizitätswerkes etwa Kondensoren, im Falle eines Gasturbinen-Elektrizitätswerkes etwa VorkUhler verwendet.

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Viele Arten von Kraftwerken, insbesondere Elektrizitätswerke, sind mit Einrichtungen versehen, mit denen aus dem Arbeitsmittel, etwa einer Flüssigkeit, an einem bestimmten Punkt im Arbeitsmittelkreislauf Wärme entzogen wird. Zum Beispiel wird bei einem Dampfkraftwerk, bei dem Dampfmaschinen oder Dampfturbinen eingesetzt v/erden, im Arbeitsmittelkreislauf ein Kondensor, bzw. Verflüssiger verwendet, um dem Arbeitsmittel überschüssige Wärme zu entziehen, bevor es zu einem Primärwärmetauscher oder Heizkessel zurückgeführt wird« Bei einem Kraftwerk, das mit Gasturbinen arbeitet, wird dem Arbeitsgas Wärme entzogen, bevor es zu dem Kompressor zurückgeführt wird. Hierzu wird im allgemeinen ein sogenannter Vorkühler verwendet.

Wenn das Kraftwerk in einem Gebiet gelegen ist, wo genügend Wasser zur Kühlung zur Verfugung steht, kann der Kühlkreislauf, der zum Entzug von Wärme aus dem Arbeitsmittel dient, als offener Kreislauf ausgebildet sein, weil ehe« Wasser von einer lokalen Wasserquelle entnommen und in diese zurückgeführt wird; der Kühlkreislauf kann auch einen Verdampfungskühler oder andere geeignete Arten von Wärmetauschern aufweisen. In Gebieten, wo nur wenig V/asser zur Kühlung vorhanden ist oder dort, wo die mit einem offenen Kühlkreislauf verbundene Wärmebelastung der Umwelt oder der Wasserquelle nicht zugelassen werden kann, müssen andere Arten der Kühlung verwendet werden. Dies ist zum Beispiel mit einem sogenannten Trockenkühlturm möglich, in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist, in dem das zu kühlende Mittel durch aus der umgebenden Atmosphäre entzogenen Luft gekühlt wird. Im Kühlturm und durch den Wärmetauscher fließt die Luft entweder durch die natürliche Konvektion oder es können zur Verstärkung der Luftströmung Gebläse vorgesehen sein. Die bekannten Systeme weisen im allgemeinen einen turmartigen Schornstein auf, der den Wärmetauscher umgibt, wobei der Schornstein eine öffnung nahe dem Boden aufweist, in die Luft eingesaugt

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wird, und eine weitere öffnung an der Spitze aufweist, aus der die eingesogene Luft wieder in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Aus der Aufheizung der Luft im Wärmetauscher ergibt sich eine natürliche Konvektion der Luft aufwärts durch den Schornstein, wobei Luft in dem Schornstein nahe dem Boden eingesogen wird·

In vielen Gebieten, insbesondere den trockenen oder halbtrockenen Gebieten, sind die Tagestemperaturen wesentlich höher als die Nachttemperaturen. Zum Beispiel können in WUstenregionen die Tagestemperaturen nahe am Boden Werte von weit liber 50⁰G erreichen, wodurch die tatsächliche Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und der für eine effektive Kühlung notwendigen Temperatur verringert wird·

Wenn demnach Luft aus der Atmosphäre als Wärmesenke verwendet wird, wird die Leistung des Kraftwerkes stark beeinflußt durch die Lufttemperatur. In diesen Fällen kann die Wirtschaftlichkeit und Leistung des Kraftwerkes durch hohe Umgebungstemperaturen sogar verschlechtert werden. Das heißt, daß hohe Tagestemperaturen eine geringere Leistung des Systems als während der Nacht zur Folge haben. Da der Elektrizitätsverbrauch jedoch üblicherweise am Tage am größten ist, ist der Effekt bei der genannten Kühlung nicht erwünscht.

Andererseits ist während der Nachtstunden der Elektrizitätsverbrauch normalerweise wesentlich geringer als am Tage, während hier jedoch die Umgebungstemperatur ebenfalls stark zurückgeht. Dies resultiert in einer relativ hohen Wirtschaftlichkeit bzw» Kühlkapazität des Systems. So steht das Minimum des Elektrizitätsverbrauchs zusammen mit dem Maximum der Wirtschaftlichkeit und Leistung des Kraftwerkes, wenn dessen Kühlung an die Umgebungstemperatur der Luft gebunden ist·

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit und Leistung von Kraftwerken der beschriebenen Art zu verbessern und insbesondere die Kiihlkapazität zu steigern, um auch in Zeiten mit hohem Energieverbrauch trotz hoher Umgebungstemperatur eine gute KUhlwirkung zu erreichen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zusätzlich ein weiterer, wahlweise zuschaltbarer Wärmetauscher, vorzugsweise im Primärkreislauf in Serie zu dem Primärwärmetauscher zur Erhöhung dessen Kiihlkapazität vorgesehen ist, wobei der zusätzliche Wärmetauscher mit Einrichtungen verbunden ist zum Temperieren und Speichern einer Kühlflüssigkeit niederer Temperatur bei überschüssiger KUhlkapazität des Primärwärmetauschers, wobei die Kühlflüssigkeit niedriger Temperatur später zur Verstärkung der Kühlkapazität des zusätzlichen Wärmetauschers dient.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der zusätzliche Wärmetauscher ein Speicherbecken, das in Serie mit dem Primärwärmetauscher liegt, wobei das Speicherbecken einen Inhalt entsprechend einem für mehrere Stunden ausreichenden Vorrat von Kühlflüssigkeit aufweist; ferner sind Einrichtungen vorgesehen,zum Leiten der Kühlflüssigkeit aus dem Speicherbecken zu den Einrichtungen zum V.'ärmeentzug aus dem Arbeitsmittel und von dort zurück über den Primärwärmetauscher in das Speicherbecken, wobei das Speicherbecken Einrichtungen zur Führung der Kühlflüssigkeit zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Speicherbeckens innerhalb von etwa einem halben Tag aufweist.

Gemäß der Erfindung wird erreicht, daß bei einem Kraftwerk der beschriebenen Art Kühlkapazität gespeichert und wahlweise während Zeiten hohen Elektrizitätsbedarfs zur Erhöhung der Kühlung eingesetzt werden kann. Bei Kraftwerken, bei denen Trockenkühltürme verwendet werden, kann dadurch der Effekt, daß der höchste Elektrizitätsbedarf mit den Jeweilig höchsten Tagestemperaturen zusammenfällt, eliminiert werden,

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da die hohe Klihlkapazität des Trockenkühlt armes während der Nacht zum Temperieren einer Kühlflüssigkeit niedriger Temperatur verwendet wird, die dann tagsüber zur Erhöhung der KUhI-kapazität des Kühlkreislaufes mit dem Trockenkühlturm verwendet werden kann.

Im einfachsten Fall wird demnach im Kühlkreislauf in Serie mit dem Trockenkühlturm ein Speicherbecken verwendet, dessen Inhalt bei einem Überschuß der Kühlkapazität des Trockenkühlturmes auf niedrigere Temperaturen gekühlt wird. In anderer Ausführung kann auch ein zusätzlicher Wärmetauscher in Serie mit dem Trockenkühlturm bzw. dem Primärwärmetauscher zur Erhöhung der Kühlkapazität verwendet werden, wobei dieser Wärmetauscher ebenfalls überschüssige KUhlkapazität des Primärwärmetauschers zum Temperieren und Speichern einer Kühlflüssigkeit niedriger Temperatur aufnimmt.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung ist in zv/ei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert; hierin stellen dar:

Pig. 1: eine schematische Darstellung eines Kraftwerkes mit einem Kühlkreislauf gemäß der Erfindung;

Pig. 2: ein Diagramm, in dem mehrere Parameter für ein Kraftwerk dargestellt sind, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist, und die

Pig. 3: eine schematische Darstellung eines Kraftwerkes mit geschlossenem Gasturbinensystem und einem Kühlkreislauf gemäß der Erfindung, das in Verbindung mit einem Kernreaktor verwendet 1st.

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Die in den Figuren 1 und 3 schematisch dargestellten Kraftwerke weisen jeweils in einem Arbeitsmittelkreislauf Einrichtungen zum 7/ärmeentzug aus dem Arbeitsmittel auf, zum Beispiel einen Kondensor oder Vorkühler. In einem Kühlkreislauf zirkuliert ein Kühlmittel durch diese Einrichtungen zum Wärmeentzug und weiterhin durch einen Trockenkühlturm in einer geschlossenen Schleife. In der Ausführung gemäß ^:der Figur 1 ist ein Speicherbecken in Serie zu dem Trockenkühlturm in dem geschlossenen Kühlkreislauf angeordnet, wobei das Speicherbecken einen Inhalt hat entsprechend einem etwa für 8 Stunden ausreichenden Vorrat von Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit zirkuliert von dem Speicherbecken zu den Einrichtungen zum .v'ärmeentzug und von diesen über den Trockenkühlturm wieder zurück in das Speicherbecken. Das Speicherbecken hat zwischen einem Eingang und einem Ausgang Zwangsführungsmittel für die Kühlflüssigkeit, so daß diese etwa einen halben Tag in dem Speicherbecken verbleibt.

Das in Figur 3 dargestellte geschlossene Gasturbinensystem weist eine Turbine 111 und einen Kompressor 112 auf. Ein Arbeitsgas strömt unter Expansion in die Turbine und unter Kompression in den Kompressor. In einem Vorkühler 113 wird das Arbeitsgas vor der Kompression in dem Kompressor gekühlt. In einem geschlossenen Primärkühlkreislauf 114 zirkuliert ein Kühlmittel durch den Vorkühler, wobei der Kühlkreislauf einen Primärwärmetauscher 116, zum Beispiel einen Trockenkühlturm zur Kühlung des Kühlmittels in dem Kühlkreislauf aufweist. Ferner ist ein weiterer Wärmetauscher 117 vorgesehen, wobei zumindest ein Teil des Kühlmittels in dem PrimärkUhlkreislauf wahlweise durch den zusätzlichen Wärmetauscher zur Erhöhung der Kühlung des Primärkühlmittels geleitet werden kann.

Es ist selbstverständlich, daß das in Figur 1 dargestellte Kühlsystem ebenso verwendet werden kann in Verbindung mit einem Gasturbinensystem, wie es in Figur 3 dargestellt ist. Ebenso kann das Kühlsystem gemäß der Figur 3 in Verbindung mit anderen Kraftwerken verwendet werden, so zum Beispiel

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einem Dampfkraftwerk, v/ie es schematisch in Figur 1 dargestellt ist.

Zunächst sei das Kraftwerk gemäß der Figur 1 näher erläutert. Über Leitungen 11 wird Heißgas durch eine Primärheizquelle 13 geführt; diese iieizquelle kann zum Beispiel ein Kernreaktor oder ein mit öl betriebener Heizkessel sein. Das Heißgas wird über die Leitungen 11 durch zwei Wärmetauscher 15 und 17 geführt, wobei der Wärmetauscher 15 einen Nachheizer und der Wärmetauscher 17 einen Verdampfungsvorwärmer und einen Überhitzer aufweist, die aus dem Stande der Technik bekannt sind. Das Heißgas wird danach durch die Leitungen 11 zu der Primärheizquelle 13 zurückgeführt.

Im Arbeitsmittelkreislauf 19 zirkuliert das Arbeitsmittel, in diesem Falle Dampf, von dem Wärmetauscher 17 zu einer als erste Stufe dienenden Hochdruckdampfturbine 21. Nach Expansion in dieser Turbine strömt der Dampf weiter durch den Nachwärmer 15 und danach zu einer als zweite Stufe dienenden Niaderdruckturbine 231 wo zusätzlich aus dem Dampf arbeit gewonnen wird.

Der Arbeitsmittelkreislauf weist ferner einen Kondensor 25 auf, in den das Arbeitsmittel nach Expansion in der Turbine 23 strömt, t/ie bekannt, wird in dem Kondensor dem Dampf Arbeit entzogen, so daß dieser zu Wasser kondensiert, das über eine Pumpe 27 zu dem Verdampfungsvorwärmer und Überhitzer 17 zurückgeführt wird. Der Kondensor 25 dient demnach als Einrichtung zum Wärmeentzug in dem Arbeitsmittelkreislauf 18,

Zur Kühlung des Kondensors 25 dient ein Kühlkreislauf 29, der als geschlossene Schleife ausgebildet ist. In diesem ist ein Trockenkühlturm 31» ferner hiermit in Serie verbunden ein V/ärmespeicherbecken 33 und eine Pumpe 35 angeordnet, die das Kühlmittel zurück zu dem Kondensor 25 führt. Ein einschaltbarer Bypass bzw. Nebenschluß 37 überbrückt das Speicherbekken 33 und wird geregelt durch ein Zweiwegventil 39, mit

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dem der Fluß des Kühlmittels durch das Speicherbecken und bzw. oder den bypass geregelt werden kann aus Gründen, die weiter unten aufgezeigt werden.

Das Kühlmittel, das während der Nacht bei niedrigen Lufttemperaturen gekühlt wird, wird im Speicherbecken in der Zirkulation durch den Kühlkreislauf bis zum folgenden Tag verzögert, wenn die Lufttemperaturen wesentlich höher sind und wenn der Bedarf der vom Kraftwerk zu liefernden Energie sein Maximum hat. Durch entsprechende Größe des Speicherbeckens kann die Zirkulation des Kühlmittels um 12 Stunden bzw. einen halben Tag verzögert werden. Während der Nachtzeit, wenn der Bedarf an Energie sinkt, wird das Kühlmittel mit höherer Temperatur, das während des Tages im TrockenkUhlturm gekühlt wurde, zu dem Kondensor geleitet. Wenn während der Nachtzeit wegen des geringen Bedarfs die Leistung des Kraftwerks weiter verringert wird, kann die im Trockenkühlturm 31 anfallende überschüssige Kühlkapazität ausgenutzt werden, um das Kühlmittel noch stärker abzukühlen, so daß noch niedrigere Temperaturen am Kondensor und damit höhere Leistungen während des folgenden Tages erreicht werden.

Wenn der Inhalt des Speicherbeckens so bemessen v/ird, daß darin Kühlflüssigkeit, zum Beispiel Wasser, für eine 8- bis 10-stündige Kühlung des Kondensors gespeichert werden kann, kann etwa die genannte Verzögerung im Kühlkreislauf von einem halben Tag erreicht werden. In extrem trockenen Gebieten ist es zweckmäßig, die Oberfläche des Speicherbeckens 33 etwa mit einer Abdeckung zu versehen, um so Verdampfungsverluste gering zu halten. In Gebieten mit begrenzten Wasservorräten können auch hier nicht gezeigte SpritzdUsen an der Oberfläche des Speicherbeckens vorgesehen sein, um so eine zusätzliche Kühlung während den heißen Tageszeiten zu erreichen, während für die übrige Zeit eine ebenfalls nicht gezeigte Abdeckung mit V/asserlöchern für das Speicherbecken zur Verringerung der Verdampfung vorgesehen ist. Das Zweiwegeventil 39 dient dazu, Kühlwasser während relativ kurzen

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Zeiten um das Speicherbecken zu leiten, wenn das Kühlsystem in konventioneller v/eise verwendet v/ird oder wenn die Temperatur des Kühlmittels durch Mischen der Kühlflüssigkeit aus dem Trockenkühlturm und dem Speicherbecken eingestellt werden soll·

Wenn bei einem Kraftwerk etwa 1800 MW anfallen und man annimmt, daß bei Normalbedingungen zwischen der Kondensationstemperatur und der Lufttemperatur eine Temperaturdifferenz von etwa 28°C herrscht, muß das Speicherbecken, um etwa 10 Stunden von Kühlflüssigkeit für den Kondensor abzugeben, eine Größe von etwa 1,7 Millionen Kubikmetern aufweisen. Ein derartiges Becken ist bei einer Oberfläche von etwa 140000 Quadratmetern 12 Meter tief. Das Speicherbecken soll möglichst groß sein, um den wesentlich kostenaufwendigeren Trockenkühlturm optimal nutzen zu können.

Das Speicherbecken ist mit einer Mehrzahl von internen Leitflächen 41 zur Führung der Kühlflüssigkeit versehen, die zwischen einem Sin- und Ausgang das Speicherbecken durchströmt. Auf diese Weise wird das Wasser im Becken kaum gemischt. Anateile der Verwendung von Leitflächen kann die Kühlflüssigkeit im Speicherbecken auch sehr gut durchgemischt werden, so daß die Kühlflüssigkeit im Speicherbecken eine nahezu konstante, der Durchschnittstemperatur während des Tagea entsprechende Temperatur aufweist. Hierdurch wird auch die vom Kernkraftwerk gelieferte Leistung konstanter. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch von der üblicherweise zu erwartenden Leistungsabgabe eines Kraftwerkes ausgegangen, bei der ein hohes Maximum während des Tages auftritt.

In dem Diagramm der Figur 2 ist die Leistungsabgabe für das oben beschriebene Beispiel eines Kernkraftwerkes an einem heißen Tag bei normaler Arbeitsweise aufgetragen. Das Temperaturprofil zeigt eine maximale Tagestemperatur von etwa

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38 G um 3 Uhr nachmittags und eine minimale Nachttemperatur von etwa 15°C um 3 Uhr in der Frühe. Die maximale Temperaturschwankung beträgt demnach etwa 23°, was typisch für viele Gebiete in trockenen Regionen in den westlichen Vereinigten otaaten ist. Zwischen etwa 10 Uhr vormittags und 7 Uhr nachmittags bringt das Speicherbecken eine erhöhte Kühlkapazität mit, da die Umgebungstemperatur über dem Tagesmittel— wert liegt. Von etwa 9 Uhr abends bis 8 Uhr früh wird dem Speicherbecken Wärme entzogen, da während dieser Zeit die Lufttemperatur unter dem Tagesmittelwert liegte Während einer Zeit um etwa 8 Uhr früh und nochmals um etwa 8 Uhr abends ist eine Kühlung nicht erforderlich, da hier die Lufttemperatur etwa dem Mittelwert entspricht. In diesen Zeiten kann das Zweiwegeventil 39 geschaltet werden, wodurch die Kühlflüssigkeit das Speicherbecken 33 im bypass umgeht.

Von 9 Uhr nachmittags bis 8 Uhr früh und wiederum von 10 Uhr früh bis 7 Uhr nachmittags wird sämtliche Kühlflüssigkeit durch das Speicherbecken 33 und darauf durch den Kondensor 25 und den Trockenkühlturm 31 geleitet. In dem geschilderten Ausführungsbeispiel fließt das im Kühlturm 31 gekühlte Tasser nicht vor 12 Stunden nach der Kühlung durch den Kondensor 25. Auf diese Y/eise erreicht das im Kühlturm um 3 Uhr früh gekühlte Wasser den Kondensor 25 nicht vor 3 Uhr nachmittags und entsprechend im Kühlturm 3 Uhr nachmittags gekühltes Y/asser den Kondensor nicht vor 3 Uhr in der Frühe. Damit ist der Temperaturzyklus in der Kühlflüssigkeit um 12 Stunden gegenüber der umgebenden Lufttemperatur verschoben« Auf diese Weise schwankt die Wassertemperatur beim Einlaß in den Kondensor während des Tages lediglich um etwa 7°, obwohl die Lufttemperatur während des Tages um etwa 23° schwankt. Die maximale Wassertemperatur beim Einlaß am Kondensor tritt während der Nacht auf und beträgt lediglich 44°, obwohl die Lufttemperatur am Tag 38° erreicht. Verglichen damit ist die maximale Kondensationstemperatur bei einem typischen konventionellen Kraftwerk mit Kühlturm

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etwa 57°» wenn kein Speicherbecken verwendet wird»

Wie ebenfalls aus Figur 2 ersichtlich, hat die Kurve für die Leistungsabgabe des Kraftwerkes einen Piek gegen 8 Uhr vormittags, verbleibt etwa auf dieser Höhe während des Tages und erreicht schließlich ein Maximum gegen 6 Uhr am Nachmittag. Danach fällt die Kurve auf ein niedriges Niveau während der flacht ab. Diese Kurve läuft etwa entgegengesetzt zu einer für ein konventionelles Kraftwerk mit einem Trockenkühlturm, bei dem kein Speicherbecken verwendet ist, wie in der Figur ebenfalls dargestellt.

Es besteht auch die Möglichkeit, lediglich einen Teil der Kühlflüssigkeit durch das Speicherbecken fließen zu lassen, indem das Ventil 39 eingeschaltet wird. Bei entsprechender Einstellung des Ventils - zum Beispiel fließen etwa 50% durch den bypass - wird durch die Vermischung der Kühlflüssigkeit, die durch den bypass und derjenigen, die durch das Speicherbecken fließt, eine nahezu konstante Kühltemperatur und damit auch eine nahezu konstante Leistungsabgabe des Kraftwerkes erreicht.

Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich auch anwendbar bei Solarkraftwerken, die in trockenen Regionen gelegen sind, wo Trocken- oder Luftkühlung erforderlich ist. Solarkraftwerke sind nämlich ebenfalls Schwankungen in ihrer Leistungsabgabe unterworfen, da sie die größte Leistung während des Tages bei Sonnenschein produzieren und wenig oder überhaupt keine Leistung bei Nacht, so daß hier ebenfalls eine starke Kühlung während des Tages erforderlich ist. Da auch hier die größte Kühlkapazität während der Nacht auftritt, wenn die Lufttemperatur niedrig ist, kann die vorliegende Erfindung sehr gut angewandt werden.

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Der Trockenkühlturm kann auch dazu verwendet werden, die Kühlflüssigkeit bzw. das wasser in dem Speicherbecken während der Nacht zu kühlen. Da die Elektrizxtätsabgabe eines Solarkraftwerkes während der Nacht sehr niedrig ist, ist auch der Kühleffekt relativ hoch. Das gekühlte Wasser, das im Becken gespeichert ist, kann dann am nächsten Tag zur Kühlung des Kraftwerkes verwendet werden, wenn dieses mit nahezu oder gar höchster Last arbeitet. Auf diese Weise wird das Kühlsystem nicht durch die Maxima der Tageslufttemperaturen beeinflußt, so daß der Trockenkühlturm lediglich für die üblichen Nachttemperaturen ausgelegt werden kann«, Auch bei anderen ähnlichen Kraftwerken, die hauptsächlich während des Tages arbeiten, kann die Erfindung wirksam ausgenutzt werden.

In Figur 3 ist ein geschlossenes Gasturbinensystem in Verbindung mit einem gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktor dargestellt. Derartige Reaktoren sind bekannt und brauchen daher nicht mehr beschrieben zu werden. Das Reaktorsystem besteht aus einem druckfesten Reaktorbehälter 121, in dem der eigentliche Reaktor 123, der hier in seiner Ausgestaltung und mit den einzelnen Leitungen nicht gezeigt ist, sov/ie ferner das gesamte Primärkühlsystem und das geschlossene Gasturbinensystem angeordnet sind.

Das Primärkühlmittel ist zum Beispiel Helium; bei einem Reaktor von etwa 3000 MW Wärmekapazität kann angenommen v/erden, daß die Temperatur des Heliums beim Einlaß ungefähr 500°C und die Temperatur am Auslaß ungefähr 815°C beträgt. Ein Regelsystem 127 ist für den Umlauf des Kühlgases vorgesehen, womit ein Teil des Kühlgasep aus dem Kreislauf abgezogen oder in diesen eingeführt werden kann, um so die Menge des Kühlgases im Reaktorsystem zu regeln. Hierdurch wird auch der Gesamtdruck in dem geschlossenen Gasturbinensystem geregelt.

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€ ff·

Das geschlossene Gasturbinensystem besteht aus einer Turbine 111 und einem Kompressor 112, die je nach den Anforderungen entweder einstufig oder mehrstufig ausgebildet sind« Turbine 111 und Kompressor 112 sind über eine Welle 129 oder eine andere geeignete mechanische Verbindung miteinander gekoppelt; eine weitere Welle 131 mit geeigneten Lagern, die nicht gezeigt sind, ist aus dem Reaktorbehälter 121 geführt und mit einem Generator 133 zur Stromerzeugung verbunden.

Ein Vorkühler 113 dient zur Kühlung des Gases vor der Komprimierung, um so die Arbeit zur endgültigen Komprimierung des Gases im Turbinensystem zu verringern. Der Vorkühler ist außerdem mit einem geschlossenen Primärkühlkreislauf verbunden, der im wesentlichen außerhalb des Reaktorbehälters 21 angeordnet ist. Ein Primärwärmetauscher 116, hier ein Trockenkühlturm, liegt in dem Primärkühlkreis und kühlt das Kühlmittel, hier Wasser, das in dem Primärkühlkreislauf umläuft mittels eines Luftstroms, der in der Figur durch Pfeile 135 angedeutet ist. Das wasser im Primärkühlkreislauf steht unter Druck, so daß es, ohne zu verdampfen,über den normalen Siedepunkt erhitzt werden kann. Übliche Temperaturen sind hierbei etwa am Einlaß am Wärmetauscher 116 140 C und am Auslaß etwa 30⁰C.

Mit der Turbine 111 wird sowohl der Kompressor 112 und auch der Generator 133 angetrieben. Sobald das Arbeitsgas die Turbine 111 verläßt, ist diesem sämtliche Arbeit entzogen, was die Expansion betrifft. Gleichwohl hat das die Turbine treibende Ärbeitsgas noch einen wesentlichen Anteil Y/ärmeenergie. Diese wird auf das komprimierte Gas vor dessen Einleitung in den Reaktor mittels eines Gasvorwärmers 139 übertragen. Übliche Gastemperaturen an der Turbine 111 liegen bei etwa 53O°C. In einem geeignet konstruierten Gasvorwärmer kann die Temperatur des Gases, bevor es dem

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Vorkühler 113 zugeführt wird, auf etwa 225°G gesenkt werden, wobei die Temperatur des komprimierten Gases, mit dem der Kompressor 112 b<
gesteigert wird.

Kompressor 112 beaufschlagt wird, von etwa 180° auf 500⁰C

Beim Betrieb des beschriebenen Systems durchströmt Gas den Reaktor 123 und wird in der Turbine 111 expandiert. Danach wird dem Gas Wärme entzogen, v/enn es den Gasvorwärmer 139 durchströmt und in dem danach durchströmten Vorkühler 113 wird das Gas abgekühlt und dann im Kompressor 112 komprimiert. Nach der Komprimierung in dem Kompressor 112 strömt das Gas zurück durch den Gasvorwärmer, um dessen Temperatur zu erhöhen, und läuft dann wieder durch den Reaktor 123.

Der Kühlkreislauf durch den Vorkühler ist ebenfalls ein geschlossener Kreislauf, in dem eine Pumpe 143 für einen kontinuierlichen Durchfluß sorgt. Der Vorkühlerkreislauf ist mit einem weiteren Kreislauf verbunden, in dem ein zusätzlicher Wärmetauscher bzw. Nachkühler 117 angeordnet ist. Der Ausgang der Pumpe 143 i^t ebenfalls mit dem Nachkühler 117 verbunden und dessen .ausgang ist über eine Leitung mit einem Ventil 149 wiederum mit dem Eingang des Vorkühlers 113 zusammengeschlossen.

Der zusätzliche Wärmetauscher 117 ist Teil eines Sekundärkühlkreislaufes 142, in dem eine Pumpe 153, ein Ventil 155 und ein Speicher- bzw. Verzögerungsreservoir 157 angeordnet sind. Die Größe dieses Reservoirs 157 ist so gewählt, daß das Kühlmittel in dem Sekundärkreislauf etwa innerhalb von θ Stunden einmal umläuft. Im Reservoir 157 sind Leitbleche 159 angeordnet, mit denen das Vermischen des Inhaltes verhindert wird, so daß zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Reservoirs ein gewisser Temperaturgradient besteht.

Pur die Kühlung de3 Sekundärkühlmittels in dem Sekundärkühlkreislauf ist ein Kühlsystem 161 vorgesehen, das einen

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Verdampfer 163 enthält, wobei der Durchfluß durch den Verdampfer durch Ventile 165 bzw. 167 in der Eingangs- bzw. Ausgangsleitung geregelt werden kann. Im Kühlsystem ist ferner ein Kompressor 169 und 171 vorhanden, die in einem Tertiärkiihlkreis liegen. In einem Bypass 173 mit einem Regelventil 175 kann Kühlmittel vom Ausgang des Nachkühlers im Primärkühlkreislauf durch den Kondensor 171 des Kühlsystems 161 und zurück zum Eingang des Trockenkühlturmes 116 strömen.

Während Perioden mit normaler B_Plastung des Kraftwerkes bei mittleren Umgebungstemperaturen kann das beschriebene System in normaler Art betrieben werden. Hierbei sind die Ventile 149 und 175 geschlossen, während das Ventil 145 geöffnet ist. Das Kühlmittel im Primär^ühlkreislouf strömt hierbei durch den Vorkühler 113, wird danach im Wärmetauscher bzw. Trockenkühlturm 116 gekühlt und zurück zum Vorkühler über das Ventil 145 durch die Pumpe 143 gepumpt.

v/ie bereits erwähnt, hat die Belastung des Kraftwerkes während einer Achtstundenperiode während des Tages ein Maximum, das jedoch mit der Periode der höchsten Umgebungstemperaturen zusammenfällt_# Auf diese Yeise ist die Kühlkapazität des Kühlturmes 116 zur Kühlung des Kühlmittels im Primärkühl* kreislauf herabgesetzt. Um diesen Effekt zu kompensieren, wird das System in einer sogenannten Spitzenlastweise betrieben. Hierbei sind die Ventile 145 und 175 geschlossen, während das Ventil 149 geöffnet ist. Dadurch wird der Nachkühler 117 an den Primärkühlkreislsuf angeschlossen, wobei die Pumpe 143 Kühlmittel aus dem Kühlturm 116 zum Nachkühler 117 pumpt. Durch den Ausgang des Nachkühlers 117 strömt dann das Kühlmittel zum Vorkühler über das Ventil 149 zurück. Zugleich wird durch das Kühlmittel im oekundärkühlkreisleuf 152, das ebenfalls durch den Nachkühler 117 strömt, das Primärkühlmittel abgekühlt. Hierbei sind die Ventile 165 und 167 geschlossen, während das Ventil 155» das im Bypaes zum Verdampfer 163 liegt, geöffnet ist«,

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Durch ausreichende Bemessung der Kapazität des Reservoirs bzw. Speichers 157, kann die Zeitspanne, während der kühles Kühlmittel für den Nachkühler 117 zur Verfügung steht, entsprechend eingerichtet werden. Üblich ist, daß das Kühlmittel den Speicher 157 innerhalb von 8 Stunden durchläuft, wodurch eine ausreichende Kühlung im Nachkühler 117 während Perioden mit hohen Belastungen am Tage erreicht wird. So kann die Leistungsbilanz des Gasturbinensystems durch geeignete Kühlung im Vorkühler 113 während der Verbrauchsspitzen auf hohem Niveau gehalten werden.

Während der kühleren Nachtzeiten ist der Elektrizitätsverbrauch wesentlich verringert. Während dieser Zeitspanne ist jedoch auch die erforderliche Leistung geringer, um das Kühlmittel in dem sekundären Kühlkreislauf zu kühlen, zu speichern und danach während der Verbrauchsspitzen am Tage wieder zu verwenden. Während des Betriebes dieser Niederlastweise ist dos Ventil 149 geschlossen, während das Ventil 145 so reguliert wird, daß lediglich ein Anteil des Kühlmittels, der zur ausreichenden Kühlung im Vorkühler 113 notwendig ist, hindurchgelassen und dann zu dem Trockenkühlturm 116 zurückgeführt '.vird. Wegen dem niedrigen Elektrizitätsverbrauch während der Nachtstunden mit den niedrigen Außentemperaturen ist auch die Leistungsabgabe des Kraftwerkes reduziert, so daß für die notwendige Kühlung des Systems lediglich etwa 40% des durch den TrockenkUhlturm geführten Kühlwassers ausreichend sind.

Der restliche Anteil des Kühlmittels, hier demnach 60>, wird durch den Nachkühler 117 geführt. Hierzu wird das Ventil 175 geöffnet, so daß das Kühlmittel durch den Bypass 173 und danach durch den Kondensor 171 geleitet wird. Das Kühlmittel strömt dann zurück zu dem Einlaß des Trockenkühlturmes 116.

In dem beschriebenen Kreislauf wird der KUhleffekt des Trockenkühlturmes 116 dazu ausgenutzt, das Kühlmittel im Sekundärkühlkreislauf während des Durchströmens des NachkUhlers 117 zu kühlen. Der Kühleffekt des Trockenkühltürmes wird ferner dazu ausgenutzt, die Arbeitsweise des Kühlsystems 116 zu

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verstärken, indem aus dem Kühlmittel des Systems 161 in dem Kondensor 171 Wärme abgezogen wird.

Bei dieser Betriebsweise sind das Ventil 155 geschlossen, die Ventile 165 und 167 hingegen geöffnet, so daß das Kühlmittel im Sekundärkiihlkreislauf von der Pumpe 153 durch den Verdampfer 163 gefördert wird, so daß das Kühlmittel zusätzlich durch das Kühlsystem 161 gekühlt wird. Die notwendige Energie für das Kühlsystem und den Betrieb des Kompressors 169 wird so während Zeitspannen niedrigem Elektrizitätsverbrauchs aufgebracht. Entsprechend wird das Kühlmittel im Sekundärkühlkreislauf gekühlt und im Reservoir 157 gespeichert, um es dann während des Spitzenelektrizitätsverbrauches zur Kühlung zu verwenden.

Nimmt man an, daß die Spitzentemperaturen am Tage bei 35°C und die Temperaturen während der Nacht etwa bei 19°C im Mittel liegen, so kann mit einer Kühlung gemäß der Erfindung die Leistung eines gasgekühlten Hochtemperatur-Gasturbinenreaktorsystems um 100 MW während einer Zeitspanne von 8 Stunden verbessert werden. Liese höhere Leistungsabgabe kann zeitmäßig so eingestellt werden, daß sie mit dem Spitzsnverbrauch an jedem Tag zusammenfällt, d.h., daß die während der Nachtzeit gespeicherte Kühlkapazität während der Zeitspanne mit hohem Elektrizitätsverbrauch ausgenutzt wird. Üblicherweise ist der Kühlmittel im Primär- und im Sekundärkühlkreislauf Wasser, wogegen das Kühlmittel im Kühlsystem 161 Ammoniak oder ein anderes geeignetes Mittel ist. Im Primärkühlkreislauf wird das Wasser üblicherweise mit Drücken von etwa 20 kg/cm gefördert, während der Sekundärkühlkreislauf üblicherweise mit Atmosphärendruck betrieben wird.

Beim Vergleich der in den Figuren 1 und 3 geschilderten Ausführungsbeispiele kann festgestellt werden, daß der Vorkühler 113 in Figur 3 als Einrichtung zum Wärmeentzug im Arbeitsmittelkreislauf 121 dient und damit in der Punktion dem

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Kondensor 25 im Arbeitsmittelkreislauf des Ausführungsbeispieles gemäß der Figur 1 vergleichbar ist.Wie oben bereits angedeutet, können die einzelnen Elemente im Kühlkreislauf gemäß der Figur 1 ebenso in Verbindung mit dem Vorkühler 113 der Figur 3 und Elemente des Kühlkreislaufes gemäß der Figur 3 in Verbindung mit dem Kondensor der Figur 1 verwendet werden. Auf jeden Fall ist es einleuchtend, daß die Größe und Arbeitsweisen der verschiedenen Elemente in jedem Kühlkreislauf modifiziert werden können, um an die spezifische Arbeitsweise des jeweiligen Kraftwerkes angepasst zu werden.

Insgesamt gibt die Erfindung eine Speichermethode an, um die Leistung des Kraftwerkes während Zeiten hohen Elektrizitätsverbrauches am Tage zu verbessern, indem die überschüssige Kühlkapazität während der Nachtstunden gespeichert und erst während der Tagstunden wieder ausgenutzt wird. Hierbei wird die Wärmebilanz des Trockenkühlturmes wesentlich verbessert, wodurch die Leistung des Kraftwerkes über den gesamten 24-Stundentag verbessert wird. Auf diese Weise wird die Kühlkapazität des Trockenkühlturmes bei beiden AusfUhrungsbeispielen während des gesaraten Tages über 24 Stunden sehr vorteilhaft ausgenutzt.

Patentansprüche 709838/0880

Claims

Patentansprüche

1.); Kühlkreislauf für ein Kraftwerk mit Einrichtungen zum *—^ Wärmeentzug aus einem Arbeitsmittelkreislauf, ferner mit einem geschlossenen PrimärkUhlkreislauf, der mit den Einrichtungen zum V/ärmeentzug in Verbindung steht und einen Primärwärmetauscher zum Kühlen des Kühlmittels im Primärkühlkreislauf aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein weiterer, wahlweise zuschaltbarer Wärmetauscher (33; 117, 157), vorzugsweise im PrimärkUhlkreislauf in Serie zu dem Primärwärmetauscher (315 116) zur Erhöhung dessen Kühlkapazität vorgesehen ist, wobei der zusätzliche Wärmetauscher mit Einrichtungen (33; 157) verbunden ist, zum Temperieren und Speichern einer Kühlflüssigkeit niederer Temperatur bei überschüssiger Kühlkapazität des Primärwärmetauschers (31;116), wobei die Kühlflüssigkeit niedriger Temperatur später zur Verstärkung der KUhlkapazität des Kühlkreislaufes dient.

2.) Kühlkreislauf nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Wärmetauscher ein Speicherbecken (33;157) umfaßt, das in Serie mit dem Primärwärmetauscher (31;116) liegt, wobei das Speicherbecken einen Inhalt entsprechend einem für mehrere Stunden ausreichenden Vorrat von Kühlflüssigkeit aufweist, daß ferner Einrichtungen (35; 143, 53) vorgesehen sind zum Leiten der Kühlflüssigkeit aus dem Speicherbecken (33; 157) zu den Einrichtungen zum V/ärmeentzug (25; 113»117) aus dem Arbeitsmittel und von dort zurück über den Primärv/ärmetauscher (31; 116) in das Speicherbecken, und daß das Speicherbecken (33;157) Einrichtungen (41; 159) zur Führung der Kühlflüssigkeit zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Speicherbeckens innerhalb von etwa einem halben Tag aufweist.

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ORIGINAL INSPECTED

3.) Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärwärmetauscher ein Trockenkühlturai (31; 116) ist«

4«) Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Speicherbecken (33) ein steuerbarer Bypass (37) vorgesehen ist_e

5.) Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel für das Kraftwerk Dampf ist und die Einrichtungen zum Wärmeentzug aus dem Dampf einen Kondensor (25) umfassen.

6.) Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftwerk als Gasturbinenkraftwerk ausgebildet ist, und daß die Einrichtungen zum iVärmeentzug einen Vorkühler (113) umfassen.

7·) Kühlkreislauf nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise steuerbare Einrichtungen (39) vorgesehen sind, um zumindest einen Anteil des Kühlmittels im Primärkühlkreislauf durch den zusätzlichen f/ärmetauscher (33; 117,157) zur Unterstützung der Kühlung des Kühlmittels im Primärkühlkreislauf zu leiten,

8.) Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener Sekundärkühlkreislauf (152) für ein weiteres durch den zusätzlichen '.Värmetauscher (117,157) geleitetes Kühlmittel vorgesehen ist«

9.) Kühlkreislauf nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Kühlsystem (161) zur Kühlung des Kühlmittels im Sekundärkühlkreislauf (152) vorgesehen ist_e

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10.) Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 und 9,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sekundärkühlkreislauf (152) ein Reservoir (157) vorgesehen ist, in dein eine zur Kühlung des Kühlmittels im Primärkühlkreislauf über mehrere Stunden ausreichende Menge von Kühlmittel gespeichert ist.

11.) Kühlkreislauf nach Anspruch 7»

dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener öekundär-Kühlkreislauf zum Leiten eines weiteren Kühlmittels durch den zusätzlichen Wärmetauscher vorgesehen ist, wobei in dem Sekundarkühlkreislauf ein Vorratsreservoir (33;157) zum Speichern einer zum Kühlen des Kühlmittels im Primärkühlkreislauf für mehrere Stunden ausreichende Menge von Kühlmittel vorgesehen ist, und daß Einrichtungen (145, 149» 175) vorgesehen sind, um zumindest einen Teil des Kühlmittels im Primärkühlkreislauf (114) durch den zusätzlichen V/ärmetauscher (117,171) zum Küh<len des Kühlmittels in dem Sekundärkühlkreislauf zu leiten.

12.) Kühlkreislauf nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Kühlsystem (161) zur Kühlung des Kühlmittels im Sekundärkühlkreislauf (152) vorgesehen ist.

13.) Kühlkreislauf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlsystem (161) für den Sekundarkühlkreislauf (152) ein V/ärmetauscher (171) vorgesehen ist, durch den zumindest ein Teil des Kühlmittels aus dem Primärkühlkreislauf (114) leitbar ist.

14.) Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Primärwärmetauccher ein Trockenkühlturm (31; 116) vorgesehen ist.

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15c) Verfahren zum Betreiben eines Kühlkreislauf e3_f- insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, für ein Kraftwerk, das Einrichtungen zum Wärmeentzug aus einem Arbeitsmittel sowie ein geschlossenes Kühlsystem mit einem Trockenkühlturm zum Führen eines Kühlmittels durch die Einrichtungen zum V/ärmeentzug aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlturm zusätzliche Kühlkapazität zugeführt wird, wenn dessen Kühlkapazität relativ niedrig ist, und daß überschüssige Kühlkapazität des Trockenkühlturmes dazu verv/endet wird, ein Kühlmittel mit niedriger Temperatur zu temperieren und zu speichern, um es daraufhin zur Erhöhung der Kühlkapazität des Kühlsystemes zu verwenden.

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