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Gasturbinen-Kraftanlage mit
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geschlossenem Gaskreislauf Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen-Kraftanlage
mit geschlossenem Gaskreislauf, bei der ein Hochtemperaturreaktor in der Kaverne
eines Spaltbetondruckbehälters untergebracht ist und mindestens ein einen Gasturbosatz,
Rekuperator, Vorkühler und Zwischenkühler umfassender Hauptkreislauf sowie mindestens
ein aus einem Hilfskühlsystem zur Nachwärmeabfuhr bestehender Hilfskreislauf vorgesehen
sind, wobei die Komponenten aller Kreisläufe in Ausnehmungen des Spannbetondruckbehälters
angeordnet sind, mit einem den Hochtemperaturreaktor allseitig umgebenden thermischen
Schild und einem Ringraum zwischen dem thermischen Seitenschild und der mit einem
Liner ausgekleideten Kavernenwand, durch den von dem HD-Verdichter des Gasturbosatzes
kommendes Kreislaufgas niedriger Temperatur (Kaltgas) geführt wird.
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Bei Gasturbinen-Kraftanlagen mit einem Hochtemperaturreaktor als Wärmequelle,
vorzugsweise einem Kugelhaufenreaktor, strömt das in den Kern eintretende Kühlgas
im Normalbetrieb durch den Deckenreflektor in die Brennelementschüttung ein, durchströmt
diese und verläßt den Kern durch Bohrungen im Bodenreflektor.
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Über die Heißgaskanäle wird das Kühlgas zu den Komponenten des Hauptkreislaufs
bzw. der Hauptkreisläufe geführt (zunächst
zur Turbine, dann zu
den Rekuperatoren und Vorkühlern, darauf zu den beiden Verdichterstufen mit den
zwischengeschalteten Zwischenüberhitzern und schließlich - nach nochmaligem Durchgang
durch die Rekuperatoren - über die Warmgaskanäle zurück zu dem Reaktorkern). Zur
Abfuhr der Nachwärme weisen diese Anlagen mindestens ein aus Hilfswärmetauscher
und Hilfsgebläse bestehendes Hillskühlsystem auf, das durch zwei Gasführungen mit
dem Reaktorkern verbunden ist. Während des Normalbetriebs können die Hilfswärmetauscher
abgesperrt sein, beispielsweise durch unter den Hilfsgebläsen angebrachte Rückschlagklappen,
die einen geringen Rückstrom von kaltem Gas über die Hilfswärmetauscher zulassen.
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Derartige Gasturbinen-Kraftanlagen sind in den DE-OS 26 39 877 und
DE-OS 30 27 507 beschrieben. Bei beiden Anlagen wird der Liner der Reaktorkaverne
mit Kaltgas gekühlt, wobei das gesamte aus dem HD-Verdichter austretende Gas vor
seinem Eintritt in die Rekuperatoren durch einen Ringraum zwischen dem Liner und
dem thermischen Seitenschild geführt wird. Die Zuleitung des Kaltgases zu dem Ringraum
erfolgt durch Gasführungsschächte, die jeweils zusammen mit einer der den Reaktorkern
und die Turbine' verbindenden Heißgasleitungen eine koaxiale Gasführung bilden.
Für den Nachwärmeabfuhr-Betrieb ist jede der beiden bekannten Anlagen mit mehreren
Hilfskreisläufen ausgerüstet, die je ein aus Hilfskühler und Hilfsgebläse bestehendes
Hilfskühlsystem enthalten.
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Bei der in der DE-OS 26 39 877 dargestellten Anlage sind die Hilfskühlsysteme
jeweils in einer vertikalen Ausnehmung des Spannbetondruckbehälters untergebracht,
wobei die Hilfsgebläse oberhalb der Hilfskühler angeordnet sind. Zwei als Koaxialleitung
ausgebildete Gasführungen verbinden jedes der Hilfskühlsysteme mit dem Hochtemperaturreaktor.
Im Stand-by-Betrieb werden
die Hilfskühlsysteme von einem Bypaß
kalten HD-Gases durch strömt, wobei die Strömungsrichtung von oben nach unten gerichtet
ist, also zunächst die Hilfsgebläse und darauf die Hilfskühler durchströmt werden.
Bei Nachwärmeabfuhr-Betrieb kehrt sich die Strömungsrichtung um, wobei der Eintritt
des Gases in den Reaktorkern durch gesonderte Öffnungen im thermischen Dekkenschild
erfolgt.
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Die DE-OS 30 27 507 zeigt eine Anlage, bei der Hilfskühler und Hilfsgebläse
jedes Hilfskühlsystems in gesonderten Ausnehmungen untergebracht sind. Jeder Hilfskühler
und jedes Hilfsgebläse stehen durch eine Gasleitung mit dem Hochtemperaturreaktor
in Verbindung.
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Die bekannten Anlagen sind mit dem Nachteil verbunden, daß bei Nachwärmeabfuhr-Betrieb
eine relativ große Gasmenge im Bypaß zu dem Reaktorkern entgegen der normalen Strömungsrichtung
durch den Hauptkreislauf bzw. die Hauptkreisläufe umgewälzt ird..Dies führt dazu,
daß die Hilfsgebläse im Vergleich zur eigentlichen Wärmeabfuhr aus dem Reaktorkern
stark überdimensioniert sein müssen und daß an den rückwärtsdurchströmten Komponenten
hohe Temperaturgradienten entstehen, die die zulässigen Werte überschreiten. Das
ist beispielsweise bei den Rekuperatoren und beim Deckenreflektor der Fall. Zudem
wird der Liner, der bei den bekannten Anlagen ohne thermische Isolierung ausgeführt
ist (ein sogenannter warmer Liner), in einigen Bereichen mit wesentlich höheren
Temperaturen belastet als bei Normalbetrieb, so daß besondere Schutzmaßnahmen getroffen
werden müssen, z.B. die Isolierung der gefährdeten Bereiche.
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Es ist zwar bereits eine Gasturbinen-Kraftanlage der eingangs beschriebenen
Bauart vorgeschlagen worden (deutsche Patentanmeldung P 32 10 382.4), bei der durch
eine besondere Führung
des Kaltgases bei Normal- wie auch bei Nachwärmeabfuhr-Betrieb
die Temperaturen der Reaktoreinbauten in zulässigen Grenzen gehalten werden. Hierzu
ist jedoch eine größere Zahl zusätzlicher Gasführungen erforderlich, und die Gebläse
der Hilfskühlsysteme müssen eine hohe Leistung aufweisen bzw. in jedem Hilfskreislauf
muß mehr als ein Gebläse vorgesehen sein. Zudem werden die Bypaßströmungen durch
den Hauptkreislauf bei Nachwärmeabfuhr-Betrieb nicht ganz unterbunden, und es findet
noch immer Strömungsumkehr statt, wenn auch nicht auf der Hochdruckseite der Rekuperatoren.
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on diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Gasturbinen-Kraftanlage des eingangs geschilderten Bautyps ohne großen
baulichen Aufwand so auszugestalten, daß bei Nachwärmeabfuhr-Betrieb die Komponenten
des Hauptkreislaufs sowie wesentliche Reaktoreinbauten vor unzulässigen thermischen
Belastungen bewahrt werden und daß die Gebläseleistung der Hilfsgebläse aller Hilfskühlsysteme
reduziert werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder Hauptkreislauf
bei Nachwärmeabfuhr-Betrieb durch im Bereich seiner Wärmetauscher angeordnete Absperrorgane
absperrbar ist.
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Eine gemäß der Erfindung ausgestaltete Anlage vermeidet alle Nachteile,
die die bekannten Anlagen bei Nachwärmeabfuhr-Betrieb aufweisen, da durch die Abkopplung
des Hauptkreislaufs (bzw. der Hauptkreisläufe) der störende Bypaß durch die Komponenten
des Hauptkreislaufs völlig unterbunden wird. Die Entstehung von hohen Temperaturgradienten
an diesen Komponenten wird somit vermieden.
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Eine thermische Isolierung des Liners in gefährdeten Bereichen (wie
im Bereich des thermischen Seitenschildes) ist nicht mehr erforderlich, da keine
Temperaturschocks mehr am Liner auftreten können. Eine Überdimensionierung der Leistung
der Hilfsgebläse kann ebenfalls entfallen.
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Durch die Absperrung des Hauptkreislaufs bei Nachwärmeabfuhr-Betrieb
kann die Gasaustrittstemperatur aus dem Hilfskühler (bzw. den Hilfskthlern) neu
optimiert werden. Bei den bekannten Anlagen mußte diese Temperatur mit Rücksicht
auf den "warmen" Liner sehr niedrig (bei ca. 110 OC) angesetzt werden, was zur Folge
hatte, daß bei AuEnahme des Nachwärmeabfuhr-Betriebs im Bereich des Deckenreflektors
starke Temperaturgradienten auftraten.
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Die vorgeschlagene Absperrung läßt sich technisch leicht und zudem
auf solche Weise realisieren, daß eine gute Zugänglichkeit der Absperrorgane gewährleistet
ist. Als Absperrorgane können Rückschlagklappen oder Armaturen verwendet werden.
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Für die Positionierung der Absperrorgane kommen verschiedene Möglichkeiten
in Betracht.
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So können die Absperrorgane in den Rekuperatoren jedes Hauptkreislaufs
installiert sein, und zwar derart, daß das aus den Rohrbündeln austretende erwärmte
HD-Gas vor dem Eintritt in die zum Reaktor führenden Warmgasleitungen abgesperrt
wird.
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Speziell bei dieser Variante ist es von Vorteil, selbsttätige Absperrorgane
einzusetzen, so daß auf Antriebe und Durchführungen verzichtet werden kann.
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Der gleiche Effekt wird erzielt, wenn die Absperrorgane in Strömungsrichtung
hinter den Vorkühlern, also im kälteren Bereich dieser Kühler, angeordnet sind.
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Als dritte Variante ist auch die Installierung der Absperrorgane in
Strömungsrichtung hinter den Zwischenkühlern möglich, also ebenfalls auf der kalten
Seite dieser Kühler.
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Falls erforderlich, kann die Absperrung aller Hauptkreisläufe in redundanter
und/oder diversitärer Weise erfolgen.
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Anhand einer Zeichnung wird der Erfindungsgegenstand noch näher erläutert.
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Die Figur 1 zeigt das Kreislaufschema einer gemäß der Erfindung ausgebildeten
Gasturbinen-Kraftanlage mit einem Hauptkreislauf und einem Hilfskreislauf.
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Die Figur 2 zeigt im Längsschnitt und in vergrößerter Darstellung
das obere Ende des Rekuperators der Anlage.
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Die Figur 1 läßt einen Hochtemperaturreaktor 1, beispielsweise mit
kugelförmigen Brennelementen, erkennen, der bei Normalbetrieb und Nachwärmeabfuhr-Betrieb
von oben nach unten von Selium als tt;hlgas durchströmt wird (die in dem Schema
angegebenen Pfeile deuten die Strömungsrichtung des Heliums an). Der Hauptkreislauf
2 umfaßt einen aus Turbine 3, HD-Verdichter 4 und ND-Verdichter 5 bestehenden Gasturbosatz,
einen Rekuperator 6 und einen Vorkühler 7 sowie einen Zwischenkühler 8. Der gesamte
Hauptkreislauf 2 ist in einem (nicht gezeigten) Spannbetondruckbehälter installiert.
Außerhalb des Spannbetondruckbehälters befindet sich ein starr mit dem Gasturbosatz
gekoppelter Generator 9.
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Für den Nachwärmeabfuhr-Betrieb ist die Anlage mit einem ein Hilfskühlsystem
10 enthaltenden Hilfskreislauf 11 ausgerüstet, der ebenfalls in dem Spannbetondruckbehälter
untergebracht ist.
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Das Hilfskühlsystem 10 umfaßt einen Hilfskühler 12, ein Hilfsgebläse
13 und eine Rückschlagklappe 14. Die Rückschlagklappe 14 ist bei Normalbetrieb geschlossen.
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Das in dem Hochtemperaturreaktor 1 erhitzte Helium strömt durch eine
Heißgasleitung 16 zur Turbine, entspannt sich und tritt dann -unten in den Rekuperator
6 ein, dessen Bündelrohre es von unten nach oben umströmt. Dabei wird es von dem
in den Bündelrohren strömenden kalten HD-Gas heruntergekühlt, zu dem Vorkühler 7
geführt und hier auf die unterste Prozeßtemperatur rückgekühlt. Darauf wird das
kalte Helium zu dem ND-Verdichter 5 geleitet und danach dem Zwischenkühler 8 zugeführt.
Sodann wird das Gas im HD-Verdichter 4 auf den maximalen Prozeßdruck angehoben.
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Bevor das kalte'HD-Gas zurück zu dem Rekuperator 6 geleitet wird,
dient es zur Kühlung des die Reaktorkaverne auskleidenden Liners, wobei es durch
einen Ringraum zwischen diesem Liner und einem thermischen Seitenschild entlanggeführt
wird (nicht dargestellt).
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In dem Rekuperator 6 wird das kalte HD-Gas auf die einzelnen Bündelrohre
verteilt (siehe Figur 2), strömt nach unten und nimmt von dem mantelseitig entgegenströmenden
Turbinenabgas Wärme auf. Nunmehr wird das Helium als Warmgas einer Warmgasleitung
17 zugeführt, in der es zu dem Hochtemperaturreaktor 1 zurückströmt.
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Um bei Nachwärmeabfuhr-Betrieb den Hauptkreislauf 2 vollständig absperren
zu können und damit eine Bypaß-Strömung durch die Nomponenten des Hauptkreislaufs
zu verhindern, ist in dem Hauptkreislauf 2 ein Absperrorgan 15 angeordnet, und zwar
in der Warmgasleitung 17 unmittelbar hinter dem Rekuperator 6 (in der Figur 2 ist
die Positionierung des Absperrorgans 15 genauer wiedergegeben).
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Die Anordnung eines Absperrorgans kann auch im Bereich eines der beiden
anderen Wärmetauscher 7 oder 8 vorgenommen sein.
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Diese Alternativen sind durch gestrichelt dargestellte Absperrorgane
angedeutet. So kann auf der kalten Seite des Vorkühlers 7 ein Absperrorgan 15' installiert
sein, oder die Absperrung kann durch ein Absperrorgan 15'' erfolgen, das sich im
kalten Bereich des Zwischenkühlers 8 befindet.
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Die Absperrorgane 15, 15', 15'' können auch redundant und/ oder diversitär
ausgeführt sein.
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Die Figur 2 zeigt vergrößert das obere Ende des Rekuperators 6 der
Figur 1. Der Rekuperator 6, der aus einer Vielzahl von Rohrbündeln 22 besteht, ist
in einer vertikalen Ausnehmung 20 des Spannbetondruckbehälters 21 untergebracht.
In die Ausnehmung 20 tritt ein horizontaler Gaskanal 23 ein, in dem die rVarmgasleitung
17 verlegt ist. Diese steht mit einem Hauptsammler 24 in Verbindung, in dessen Boden
Verbindungsleitungen 25 eintreten.
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Die Leitungen 25 verlaufen zentral durch alle Rohrbündel 22 bis zu
deren unteren Enden, wo sie mit Sammlerhauben der Rohrbündel 22 in Verbindung stehen
(nicht dargestellt). Gleichartige Sammlerhauben 26 befinden sich an den oberen Enden
der Rohrbündel 22. Diese sind über Leitungen 27 mit einem Verteilerraum 28 erbunden,
der wiederum mit dem horizontalen Gaskanal 23 in.
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Verbindung steht. Zu dem Rekuperator hin ist der Verteilerraum 28
durch einen gewölbten Deckel 29 abgeschlossen, der auch die Last der Rohrbündel
22 aufnimmt und auf einem Flansch 30 abträgt.
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Das von dem HD-Verdichter 4 (Figur 1) kommende kalte HD-Gas gelangt
durch den horizontalen Gaskanal 23 in den Verteilerraum 28, wo es auf die einzelnen
Rohrbündel 22 verteilt wird. Es strömt durch die Leitungen 27 in die Sammlerhauben
26 und sodann
durch die einzelnen Bündelrohre nach unten. Dabei
erwärmt es sich im-Wärmeaustausch mit dem Turbinenabgas, das - wie bereits beschrieben
- um die Rohre herumströmt. Durch die Verbindungsleitungen 25 gelangt das Helium
nun als Warmgas in den Hauptsammler 24, von dem aus es in die Warmgasleitung 17
eintritt.
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Um den Hauptkreislauf 2 bei Nachwärmeabfuhr-Betrieb absperren zu können,
ist in dem Hauptsammler 24 das bereits erwähnte Absperrorgan 15 angeordnet, das
aus einer Anzahl von selbsttätig funktionierenden Armaturen 31 besteht, die jeweils
in die oberen Enden der Verbindungsleitungen 25 eingesetzt sind. Sie sperren im
geschlossenen Zustand den Zutritt des Warmgases zu der Warmgasleitung 17 vollständig
ab.