DE2737752A1 - Zweiwellige gasturbinen-kraftanlage mit geschlossenem kreislauf des arbeitsgases - Google Patents
Zweiwellige gasturbinen-kraftanlage mit geschlossenem kreislauf des arbeitsgasesInfo
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Description
60/77 VJ/dh
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Zweiwellige Gasturbinen-Kraftanlage mit geschlossenem
Kreislauf des Arbeitsgases
Die Erfindung betrifft eine zweiwellige Gasturbinen-Kraftanlage mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsgases und
mit einem direktdurchströmten, gasgekühlten Kernreaktor als Wärmequelle, bei \irelcher Anlage sowohl der Verdichter
als auch die Gasturbine einen Hochdruck- und einen Niederdruckteil aufweisen, je ein Verdichter- und ein Gasturbinenteil
auf einer gemeinsamen Welle sitzen, und mindestens ein von einem Gasturbinenteil angetriebener Stromerzeuger
vorgesehen ist.
Eine Anlage dieser Art, bei welcher der Niederdryckteil
des Verdichters und der Niederdruckteil der Gasturbine auf der einen Welle, und der Hochdruckteil des Verdichters
und der Hochdruckteil der Gasturbine auf der anderen Welle sitzen, ist regeltechnisch ungünstig, wenn die Wärmequelle
ein direktdurchströmter, gasgekühlter Kernreaktor ist. Bei
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raschen Betriebsänderungen, beispielsweise bei Lastäbwurf,
wMre der Reaktor starken DruckSnderungen unterworfen, was
zu seiner Zerstörung führen kann.
Bekannt ist eine Kraftanlage mit je einem Hochdruck- und einem Niederdruckteil des Verdichters und der Gasturbine,
alles zusammen mit dem Stromerzeuger in einwelliger Anordnung, und mit einem zwischen die beiden Gasturbinenteile
geschalteten Kernreaktor als Wärmequelle. Eine solche Anlage verursacht betrieblich keine besonderen Probleme, doch
kann sie nicht optimal ausgelegt werden und die lange Maschineneinheit mit mehreren Wellenlagerstellen und komplizierten
Leitungsanschlüssen ist besonders für eine Integration in ein vorgespanntes Betondruckgefass nachteilig.
Bekannt ist ferner eine Cross-Compound-Schaltung, bei
welcher der Niederdruckteil der Gasturbine den Hochdruckteil des Verdichters und den Stromerzeuger antreibt, und
der Hochdruckteil der Gasturbine den Niederdruckteil des . Verdichters antreibt. Eine derart konzipierte Anlage ist
verhältnismässig kompliziert und bringt gegenüber einer konventionellen zweiwelligen Anlage keine betrieblichen
Vorteile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zweiwellige Gasturbinen-Kraftanlage mit einem direktdurchströmten, gas-
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gekühlten Kernreaktor als Wärmequelle zu schaffen, die ein
gutes stationäres und transientes Betriebsverhalten sowie gute regeltechnische Eigenschaften aufweist, und in der
eine Gefährdung des Reaktors wegen Druckschwankungen im Arbeitsgas vermieden wird.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass die Anlage in Cross-Compound-Schaltung aufgebaut ist,
der Reaktor zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil der Gasturbine angeordnet und die Anlage derart ausgelegt
ist, dass der mittlere Arbeitsgasdruck zwischen den beiden Turbinenteilen und somit auch der Druck im Reaktor
bei Vollast, Leerlauf und Stillstand der Anlage zumindest annähernd konstant ist.
Eine derart gestaltete Anlage ist in sich stabil und kann wie jede Gasturbinen-Anlage z.B. durch Aenderung der oberen
Prozesstemperatur geregelt werden. Ob Vollast, Teillast oder Leerlauf, die mit den Betriebsbedingungen ändernden
Prozessgrenzdrücke wirken sich nicht auf den mittleren Arbeitsgasdruck aus, der auch im Reaktor herrscht. Bei Verwendung
einer Rückfflhrleitung von der Hochdruckleitung zur Ansaugleitung des Verdichters ist selbst bei Lastabwurf
und sogar bei einer Schnellabschaltung der Reaktor einer solchen Anlage nicht gefährdet. Wird eine Bypassleitung
um den Hochdruckteil der Gasturbine und um den Reaktor vor-
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gesehen, so kann sowohl das stationäre als auch das dynamische
Teillastverhalten der Anlage verbessert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend na'her beschrieben.
Der Niederdruckteil 1 des Verdichters saugt rückgekühltes Arbeitsgas an der Stelle tiefsten Druckes des Kreislaufs
an und verdichtet es auf einen Zwischendruck. Nach einer Kühlung im Zwischenkühler 2, der in die Zwischenleitung
eingeschaltet ist, wird das Arbeitsgas im Hochdruckteil H des Verdichters auf den höchsten Druck des Kreislaufs verdichtet.
Anschliessend strömt das Arbeitsgas durch die Hochdruckleitung 5 zum Wärmetauscher 6, wo es aufgeheizt
wird, und weiter zum Hochdruckteil 7 der Gasturbine, in welchem es auslegungsgemäss so weit expandiert, bis die
erzeugte Gasturbinenleistung die vom Niederdruckteil des Verdichters benötigte Leistung decken kann. Auf der selben
Welle wie der Turbinenteil 7 und der Verdichterteil 1 sitzt der abkuppelbare Anwurfmotor 15.
Das durch die Teilexpansion im Hochdruckteil 7 der Gasturbine abgekühlte Arbeitsgas wird über die Verbindungsleitung
dem Kernreaktor 9 als Kühlmittel zugeführt, in welchem es bis auf die höchste im Prozess herrschende TemDeratur aufgeheizt
wird. Es strömt weiter zum Niederdruckteil 10 der Gasturbine,
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in welchem die Expansion des restlichen Druckgefälles erfolgt; dieser Turbinenteil treibt den Hochdruckteil Ί des
Verdichters und den Stromerzeuger 11, die alle auf der selben Welle 16 sitzen.
Vom Niederdruckteil 10 der Gasturbine gelangt das entspannte, noch auf relativ hohem Temperaturniveau stehende
Arbeitsgas durch die Abströmleitung 12 zum Wärmetauscher 6, vio es das dem Hochdruckteil 7 der Gasturbine zuströmende
Arbeitsgas aufheizt. Vom Wärmetauscher 6 führt die Ansaugleitung 13, in welche der Vorkühler IM eingeschaltet ist',
zum Niederdruckteil 1 des Verdichters, womit der Kreislauf des Arbeitsgases geschlossen ist.
Von der Hochdruckleitung 5 zweigt vor dem Wärmetauscher 6 die Rückführleitung 17 ab und mündet vor dem Vorkühler IM
in die Ansaugleitung^13. Der Durchfluss der Rückführleitung
17 wird vom Drosselventil 18 kontrolliert, das über die Wirkleitung 19 vom Drehzahlregler 20 beeinflusst wird,
. der auf der Welle 16 sitzt. Prinzipiell könnte die Rückführleitung 17 auch nach dem Wärmetauscher 6 in die Ansaugleitung
13 einmünden, doch ist es zv/eckmässiger, auch das rückgeführte Arbeitsgas im Vorkühler I1I zu kühlen, bevor
es in den Niederdruckteil 1 des Verdichters eintritt.
Ferner zweigt von der Hochdruckleitung 5, ebenfalls vor
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dem Wärmetauscher 6, die Rückführleitung 21 ab und mündet nach dem Niederdruckteil 10 der Gasturbine in die Abströmleitung
12. Der Durchfluss der Rückführleitung 21 wird vom Drosselventil 22 kontrolliert, das über die Wirkleitung 23
vom Drehzahlregler 20 beeinflusst wird.
Die Bypassleitung 2*4 zweigt nach dem Wärmetauscher 6 von
der Hochdruckleitung 5 ab und mündet zwischen dem Reaktor und dem Niederdruckteil 10 der Gasturbine in die Verbindungsleitung
8. Der Durchfluss der Bypassleitung 21I wird
vom Bypassventil 25 kontrolliert, das über die Wirkleitung 26 von der Leistung des Stromerzeugers 11 beeinflusst wird.
Erfindungsgemäss wird die Anlage durch entsprechende bauliche
Gestaltung und Bemessung der vom Arbeitsgas durchströmten Bauteile und Rohrleitungen hinsichtlich ihres mit
Arbeitsgas ausgefüllten Volumens derart ausgelegt, dass im Betrieb der mittlere Arbeitsgasdruck im Reaktor 9 dem Ausgleichsdruck
des warmen Arbeitsgases im Kreislauf nach dem Abstellen der in Betrieb gewesenen Anlage entspricht. Dadurch
ist die Aufteilung des Druckgefälles auf die beiden Turbinenteile 7 und 10 festgelegt. Daraus resultiert die
Aufteilung der Gefälle für die beiden Verdichterteile 1 und 1I. Vorteilhafterweise wird dabei so vorgegangen, dass
die Turbogruppe Verdichterteil 1 - Turbinenteil 7 leistungsmässig ausgeglichen ist, d.h. dass sie weder Energiezufuhr
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von aussen benötigt noch Ueberschussleistung nach aussen abgibt. Dadurch kann diese Turbcgrupoe optimal ausgelegt
werden und sie ist nicht an eine konstant zu haltende Drehzahl gebunden. Der Anwurfmotor 15 dient nur als Starthilfe
und wird während des Betriebes abgekuppelt. Die Anlage kann aber auch so ausgelegt werden, dass statt des Anwurfmotors
ein möglichst verlustarm regelbarer Motor-Generator verwendet wird, welcher eine positive oder eine negative Differenzleitung
der beiden Strömungsmaschinen 1 und 7 aufzunehmen hat.
Es ist aber auch möglich, mit Hilfe des als Motor betriebenen Stromerzeugers 11 anzufahren, da dieser den Hochdruckteil
A des Verdichters antreibt, welcher den Hochdruckteil 7 der Gasturbine beaufschlagt. Aber selbst in
diesem Fall und im Normalbetrieb daher leistungsmässig ausgeglichener Turbogruppe 1, 7 kann ein in der Drehzahl
möglichst verlustarm regelbarer Motor-Generator (anstelle von Anwurfmotor 15) wertvoll sein. Mit ihm gelänge es,
den Leistungsbereich vor allem nach unten bei gutem Wirkungsgrad über das durch das Bypassventil 25 in der Bypassleitung
2*4 gegebene Mass hinaus zu erweitern.
Bei der baulichen Gestaltung der Bauteile und Rohrleitungen kann hinsichtlich ihres vom Gas erfüllten Volumens vorteilhafterweise
dafür gesorgt werden, dass der warme Ausgleichs-
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druck des Kreislaufs näher beim oberen als beim unteren Prozessextremdruck zu liegen kommt. Dadurch ergibt sich
das grössere Expansionsgefälle im Niederdruckteil der Gasturbine, welchem neben dem Antrieb des Hochdruckteils
des Verdichters ja auch die Erbringung der Nutzleitung zufällt. Eine solche Massnahme senkt das Temperaturniveau
des Wärmetauschers 6 beträchtlich ab, so dass dort keine besonderen Werkstoffprobleme auftreten.
Auch wird dadurch die in diesem Ger^t zu übertragende Wärmemenge
stark reduziert und eine leistungsmässig ausgeglichene TurbogruDpe Verdichterteil 1 - Turbinenteil 7 ist ebenfalls
möglich.
Die relativ niedrige Temperatur des Arbeitsgases am Eintritt in den Hochdruckteil 7 der Gasturbine erlaubt eine einfache
Turbinenkonstruktion mit ungekilhlten Schaufeln. Diese Tatsache sowie der leistungsmässige Ausgleich mit dem Niederdruckteil
des Verdichters, wodurch ein Motor-Generator überflüssig wird, sind günstige Voraussetzungen für die
Aufteilung in mehrere kleine, schneilaufende Turbogruppen.
Ihre Anzahl kann sich z.B. nach jener von parallelgeschalteten Wärmetauschern 6 richten oder ein Mehrfaches davon
betragen. Solche Maschinen sind verhältnismässig leicht in einem Betondruckgefäss zu integrieren.
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'■■.. Für die Regelung der Anlage dienen die Drosselventile 18,
22 und das Bypassventil 25, und zwar bei Lastabwurf oder Schnellabschaltung die grossen Ventile 18 und 22, welche
in relativ kaltem Gas arbeiten, für die Lastregelung das kleinere Ventil 25, welches in nur massig heissem Gas arbeitet.
Im Falle eines Lastabwurfs des Stromerzeugers 11 öffnet
der Drehzahlregler 20 die Drosselventile 18 und 22, wodurch Arbeitsgas von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite
strömt, was eine schnelle Aufstauung des Arbeitsgases auf der Niederdruckseite des Kreislaufs und
dadurch eine ebenso rasche Abnahme der vom Niederdruckteil 10 der Gasturbine erzeugten Leistung bewirkt. Gleichzeitig
sinkt der Druck vor den Hochdruckteil 7 der Gasturbine und dadurch - mit einer gewissen Verzögerung - auch
der Druck vor dem Turbinenteil 10, was ebenfalls zu.dessen Leistungssenkung beitragt. Im Leerlauf ist immer noch die
grosse Last des Hochdruckteils Ί des Verdichters vorhanden, so dass das Gefälle des Miederdruckteils 10 der Gasturbine
nur etwa zur HSIfte abgebaut werden muss.
Bei praktisch konstantem Druck im Reaktor nähern sich also mit zunehmender Rückflussmenge die beiden Kreislaufgrenzdrflcke
so weit, bis das Leerlaufdruckverhältnis erreicht ist. Wenn die Temperatur des Arbeitsgases am Austritt des
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Kernreaktors konstant gehalten wird, müssten die Temperaturen nach dem Niederdruckteil 10 der Gasturbine, im Wärmetauscher
6 sowie vor dem Hochdruckteil 7 der Gasturbine ansteigen, vorausgesetzt, dass sich nur das Drosselventil
in der Rückführleitung 17 öffnete. Diese unerwünschte Temperaturanhebung kann unterdrückt werden, wenn gleichzeitig
mit dem Drosselventil 18 auch das Drosselventil 22 in der Rückführleitunp; 21 öffnet. Die Rückführleitung 21 mündet
vor dem Wärmetauscher 6 in die Abströmleitung 12 des Niederdruckteils
10 der Gasturbine, so dass durch die Beimischung kühleren Arbeitsgases die Temperatur nach dem Turbinente'il
10 abgesenkt wird.
Wichtig ist aber auch das günstige Teillastverhalten der Turbogruppe Verdichterteil 1 - Turbinenteil 7, deren Drehzahl
bei Entlastung des Stromerzeugers 11 durch das Oeffnen der Drosselventile 18, 22 nicht um mehr als 15 - .20 % abfällt.
Die beiden Rückführleitungen 17 und 21 mit den Drosselventilen
l8 bzw. 22 können aber auch für die Teillastregelung vorgesehen werden. Diese kann beispielsweise so
vorgenommen werden, dass oberhalb von 1JO % Last nur das
Ventil 18 öffnet, und unterhalb dieser Last auch das Ventil 22.
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Das beschriebene, bei Schnellentlastunr sehr günstige Regelverfahren
hat einen schlechten Teillast-Wirkungsgrad, trägt
aber den grossen Vorteil in sich, dass bei Lastabwurf des Stromerzeugers die thermische Leistung des Reaktors nicht
zu stark vermindert werden muss.
Für den gewollten Teillastbetrieb ist eine Regelung mit Hilfe der Bypassleitung 24 bzw. mit dem Bypassventil 25 günstiger.
Durch das teilweise Umgehen des Hochdruckteils 7 der Gasturbine und des Reaktors 9 wird der Druck vor dem Hochdruckteil
der Turbine sukzessive abgesenkt, so dass diese ein "■ Leistungsmanko und als Folge davon einen Drehzahlrückgang
erfährt. Dadurch erniedrigt sich zwangsläufig auch die Drehzahl des auf der selben Welle rotierenden Niederdruckteils 1
des Verdichters, so dass durch die Abnahme seines Druckverhältnisses sein Eintrittsdruck und damit auch der Gegendruck
des Turbinenteils 10 ansteigt. Die Verwendung des Bypasses erlaubt es auch, die Temperatur nach dem Reaktor praktisch
konstant zu halten. Der Umstand, dass bereits eine geringe Bypassmenge eine starke Aenderung im Leistungsgleichgewicht
hervorruft, und dass die in der Bypassmenge enthaltene Energie im Niederdruckteil der Gasturbine teilweise rückgewonnen
v/ird, führt zu einem guten Teillast-Wirkungsgrad.
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Claims (5)
- P-BC Baden60/77Patentansprüche(1·/Zweiwellige Gasturbinen-Kraftanlage mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsgases und mit einem direktdurchströmten, gasgekühlten Kernreaktor als Wärmequelle, bei welcher Anlage sowohl der Verdichter als auch die Gasturbine einen Hochdruck- und einen Niederdruckteil aufweisen, je ein Verdichter- und ein Gasturbinenteil auf einer gemeinsamen Welle sitzen, und mindestens ein von einem Gasturbinenteil angetriebener Stromerzeuger vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage in Cross-Compound-Schaltung aufgebaut ist, der Reaktor (9) zwischen dem Hochdruckteil (7) und dem Niederdruckteil (10) der Gasturbine angeordnet und die Anlage derart ausgelegt ist, dass der mittlere Arbeitsgasdruck zwischen den beiden Turbinenteilen (7,10) und somit auch der Druck im Reaktor (9) bei Vollast, Leerlauf und Stillstand der Anlage zumindest annähernd konstant ist.
- 2. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (6), in welchem das vom Niederdruckteil (10) der Gasturbine zum Niederdruckteil (1) des Verdichters strömende Arbeitsgas das vom Hochdruckteil (1O des Verdichters zum Hochdruckteil (7) der Gasturbine strömende Arbeitsgas erwärmt.909807/0612BBC Baden60/77
- 3. Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Pfickführleitunp (17), die von einer Hochdruckleitung (5) zwischen dem Hochdruckteil (Ί) des Verdichters und dem Wärmetauscher (6) abzweigt und in eine Ansaugleitung (13) zwischen dem Wärmetauscher (6) und dem Niederdruckteil (1) des Verdichters einmündet, und deren Durchfluss von einem drehzahlabhängig geregelten Drosselventil (18) kontrolliert ist.
- k. Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Rückführleitung (21), die von der Hochdruckleitung (5) zwischen dem Hochdruckteil (1O des Verdichters und dem Wärmetauscher (6) abzweigt und in eine Abströmleitung (12) zwischen dem Miederdruckteil (10) der Gasturbine und dem Wärmetauscher (6) einmündet, und deren Durchfluss von einem drehzahlabhängig geregelten Drosselventil (22) kontrolliert ist.
- 5. Anlaere nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Bypassleitung (210, die von der Hochdruckleitung (5) zwischen dem Wärmetauscher (6) und dem Hochdruckteil (7) der Gasturbine abzweigt und in eine Verbindungsleitung (8) zwischen dem Reaktor (9) und dem Niederdruckteil (10) der Gasturbine einmündet, und deren Durchfluss von einem leistungsabhängip! geregelten Bypassventil (25) kontrolliert ist.BBC Aktiengesellschaft 909807/06 1 2 Brown» Boveri & Cie.
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