DE2262984A1 - Regelsystem fuer gasturbinenkraftwerk mit geschlossenem kreislauf - Google Patents

Description

(EURATOM) Berlin, den 19. Dezember ±9?2

Regelsystem für Gasturbinenkraftwerk mit geschlossenem Kreislauf

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kraftwerke mit in geschlossenem Kreislauf arbeitenden Gasturbinen und betrifft insbesondere Regelsysteme für diese Kreisläufe, die einen Kernreaktor als Wärmequelle enthalten. Die Erfindung ist jedoch für weitere Anwendungsgebiete geeignet. Zweck der Erfindung ist es, ein Gasturbinenaggregat mit geschlossenem Kreislauf vorzusehen, bei welchem die Steuerung des Aggregats besonders während des auf einem Lastwechsel unmittelbar folgenden Zeitraumes vereinfacht ist.

Erfindungsgemäß sind bei einem Gasturbinenkraftwerk mit geschlossenem Kreislauf als Bestandteile Gasverdichtereinrichtungen, eine Wärmequelle, Gasturbineneinrichtungen, ein Rek-uperator und ein Wärme abführender Gaskühler vorgesehen, wobei ein Hochdruckströmungsweg für Gas hintereinander den Auslaß der Verdichtereinrichtungen, die Wärme aufnehmende Seite des Rekuperators, die Wärmequelle und den Einlaß der Gasturbineneinrichtungen miteinander verbindet und wobei ein Niederdruckst römungs weg für Gas hintereinander den Auslaß der Gasturbineneinrichtungen, die Wärme abgebende Seite des Rekuperators, den

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Gaskühler und den Einlaß der Verdichtereinriehtungen miteinander verbindet, während die Hochdruckseite des Strömungsweges zwei Nebenleitungen aufweist, die je so eingerichtet sind, daß sie einen gesteuerten Bruchteil des Gesamtgasstromes um einen oder mehrere in dem Strömungsweg liegende Bestandteile herumleiten, was ein Senken der Gastemperatur am Einlaß der Wärmequelle und am Einlaß der Gasturbineneinrichtungen zur Folge hat.

Durch koordinierten Betrieb der über die beiden Nebenleitungen geleiteten Gasbruchteile läßt sich die Temperatur des die Wärmequelle verlassenden Gases während der Belastungsrückgänge der Gasturbineneinrichtungen konstant halten.

Vorzugsweise ist eine der Nebenleitungen verfügbar» um einen Teil des Gasstromes am Eintritt in die Wärme aufnehmende Seite des Rekuperators so abzulenken, daß dieser Teil sich mit dem aus dem Rekuperator austretenden erhitzten Gas unmittelbar vermischt, was eine Senkung der Temperatur des in die Wärmequelle einströmenden Gases zur Folge hat. Die zweite Nebenleitung kann entweder so eingerichtet sein, daß sich ein Bruchteil des in die Wärmequelle einströmenden Gases ablenken läßt, um sich unmittelbar mit dem Austrittsgas der Wärmequelle zu vermischen, oder im anderen Falle kann die zweite Nebenleitung einen Bruchteil des in die Wärme aufnehmende Seite des Rekuperators einströmenden Gases dem Auslaß der Wärmequelle zuleiten· Jede der zweiten Nebenleitungen kann so eingeschaltet werden, daß sie die Eintrittstemperatur des in die Turbineneinrichtungen eintretenden Arbeitsfluids herabsetzt. Dies ist besonders dort vorteilhaft, wo die Wärmequelle ein gasgekühlter Kernreaktor ist, bei welchem sich rasche Weohsel der Austrittstemperatur des Kühlmittels schwierig verwirklichen lassen. Bekanntlich hat der gasgekühlte Kernreaktor als Wärmequelle eine erhebliche Wärmeträgheit, so daß einige Zeit erforderlich ist, bevor die Wärmezufuhr aus dem Brennstoff Ln das Kühlmittel zur Anpassung an eine verringerte Last vermindenywerden kann. In

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diesem Zusammenhang kann demzufolge die Betätigung von Umgehungsventilen vorgenommen werden, um die Last fast augenblicklich zu verringern, während die Reaktorregelmechanismen im Verlaufe des frühen Teiles des Übergangszustandes unberührt gelassen werden können und keine schnelle Bewegung auszuhalten brauchen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine schnelle Einwirkung zur Lastverringerung erforderlich ist. Darüber hinaus kann während der Leistungsminderung in Fällen, in welchen die Nebenleitungen einen passenden Bruchteil des Gesamtgasstromes umleiten, die Temperatur des aus dem Kernreaktor ausströmenden Gases konstant gehalten werden. Polglich entstehen im frühen Teil des Übergangszustandes keine durch Temperatur verursachte Auswirkungen auf das Verhalten des Reaktors. -

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen von Gasturbinenkraftwerken mit geschlossenem Kreislauf näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Temperatur/Entropie-Diagramme, die den alternierenden Kreisläufen eines Gasturbinenkraftwerkes mit geschlossenem Kreislauf entsprechen,

Fig. 3 und k schematische Darstellungen von die alternierenden Kreisläufe nach Fig. 1 und 2 verwendenden Gasturbinenkraftwerken mit geschlossenem Kreislauf.

Zur Darstellung der Erfindung werden bei dem ausgewählten Gasturbinenkraftwerk mit geschlossenem Kreislauf als Gasturbineneinrichtungen eine gesonderte die Verdichter antreibende Turbine und eine Kraftturbine verwendet, durch die hintereinander in einem gasgekühlten Kernreaktor erhitztes Gas hindurchgeleitet wird. Das heiße Abgas aus der Kraftturbine wird über einen Niederdruckweg durch die Wärme abgebende Seite eines Rekuperators geleitet, um in den Kernreaktor eintretendes Gas zu erhitzen, bevor es durch einen Vorkühler und dann durch die erste Verdichtungsstufe eines Niederdruckverdichters geleitet wird. In den

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Diagrammen nach Fig. 1 und 2 veranschaulicht die Stelle 1 den jeweiligen Zustand des Gases beim Eintritt in die die Verdichter antreibende Turbine, wodurch das Gas zunächst an der Stelle 2 am Turbinenausgang und dann von der Stelle 2 zur Stelle 3 durch die Kraftturbine hindurch entspannt wird. An der Stelle 3 tritt das Turbinenabgas in den Niederdruckströmungsweg auf der Wärme abgebenden Seite des Rekuperators ein, wo es von der Stelle 3 bis zur Stelle h Wärme an das über die Leitung 8 bis 9 in den Kernreaktor einströmende Kühlgas abgibt. An der Stelle 4 wird das Gas in der Leitung k_t 5 in einem Vorkühler gekühlt, von wo aus es zunächst in einem Niederdruckverdichter 5 bis 6 verdichtet und naoh Zwischenkühlung in der Leitung 6 bis 7 in einem Hochdruckverdichter entlang der Linie 7 bis 8 weiter verdichtet wird. Das verdichtete Gas tritt bei 8 in die Hochdruckströmungsbahn ein und wird in dem Rekuperator erhitzt, um seine Temperatur bis zu der Stelle 9 am Kühlmitteleinlaß des Kernreaktors zu erhöhen. Vom Reaktorauslaß aus gelangt das Gas zum Turbineneinlaß, worauf der Zyklus dann wiederholt wird. In den Hochdruckströmungsweg sind ventilgesteuerte Nebenleitungen eingebaut, um einen Bruchteil, beispielsweise bis zu 40%, des Gesamtgasstromes um einen oder mehrere Bestandteile des Kraftwerks herumzuleiten, was eine Senkung der Gastemperaturen sowohl am Reaktoreinlaß als auch am Turbineneinlaß zur Folge hat. Auf diese Weise wird an der Stelle 8 ein Bruchteil des Gesamtgasstromes abgeschieden und um den Rekuperator herum abgelenkt, so daß dieser Gasbruchteil nicht vorgewärmt, sondern bei 9 dem Reaktoreinlaßgas beigemischt und somit seine Temperatur an dieser Stelle gesenkt wird. Diese durch die Nebenwegpfeile 10 angedeutete Möglichkeit ist sowohl in dem Diagramm nach Fig. 1 als auch in dem Diagramm naoh Fig. vorgesehen. In dem Diagramm naoh Fig. 1 ist außerdem ein durch den Pfeil 11 angedeuteter zweiter Nebenweg vorgesehen, über den ein durch Ventile ausgewählter Bruchteil dieses Reaktoreinlaßkühlgases um den Reaktor herum abgelenkt und dem Reaktorauslaßgas beigemischt wird und so seine Temperatur herabsetzt· In Fig. hat der dargestellte Kreislauf eine durch den Pfeil 12 angedeutete

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alternative zweite Nebenleitung, die in entsprechender Weise einwirkt, um die Temperatur des Reaktorauslaßgases herabzusetzen. Diese zweite Nebenleitung bietet die Möglichkeit, einen Teil des in den Rekuperator einströmenden Gases abzulenken und ihn so zu leiten, daß er sich dem den Kernreaktor verlassenden Gas beimischt.

Diese Nebenlextungsexnrxchtungen lassen sich in bei üblichen Temperaturen und Drücken arbeitende Turbinenkreisläufe leicht einbauen und werden an Teilen des Kreislaufes ausgeführt, an welchen die Nebenleitungsströmung normalerweise Unterschallgeschwindigkeit haben würde. Es wird außerdem erwartet, daß der Temperaturanstieg an der Einlaßstelle 1 der die Verdichter antreibenden Turbine am Ausgang des Reaktors, der wahrscheinlich das Ergebnis der Verwendung einer einzigen Nebenleitung ist, d.h. des Umgehens der Wärmequelle, vermieden wird«, Vorausgesetzt, daß sie zueinander in ein richtiges Verhältnis gebracht werden, kann die Kombination der beiden Nebenleitungen die Temperatur des die Wärmequelle verlassenden Gases im wesentlichen konstant halten. Dies kann die raschen Wechsel bei der Wärmezufuhr in das Kühlmittel an der Wärmequelle unnötig machen, ein Merkmal von einiger Bedeutung in dem Palle_s wo die Wärmequelle ein durch bewegliche Regelabsorber gesteuerter Kernreaktor ist. Bei solchen Systemen kann erwartet werden, daß die meisten Absorberstab-Regelkreisa dazu beitragen, die Auslaßtemperatur des Reaktorgases konstant zu halten.

Fig. 3 und k veranschaulichen in schematischer Darstellung Gas-, turbinenkraftwerke, die mit den in Fig. 1 bzw. 2 dargestellten geschlossenen Kreisläufen arbeiten, deren Stellen 1 bis 12 in den Figuren 3 und 4 erscheinen. Bei beiden Kraftwerken verwendet man Helium als ArbeitsfIuid«

Gemäß Fig. 3 enthält ein Gasturbinenkraftwerk 20 mit "geteilter Welle" als Bestandteile aus einem Niederdruckgasverdichter und einem Hochdruckgasverdiohter 22 bestehende Gasverdichtereinrichtungen, eine aus einem gasgekühlten Kernreaktor bestehende

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Wärmequelle 23, aus einer gesonderten die Verdichter antreibenden Gasturbine 24 und einer Gaskraftturbine 25 bestehende Gasturbineneinrichtungen, einenRekuperator 26 und einen Wärme abführenden Gaskühler (Vorkühler) 27. Die Kraftturbine 28 treibt einen Wechselstromgenerator 28 an« Aus dem Miederdruckverdichter 21 in den Hochdruckverdichter 22 hineinströmendes Gas wird durch einen Zwischenkühler 29 gekühlt. Der Reaktor 23 wird durch ein Neutronenabsorber-Regelstabsystem 30 gesteuert.

Der Hochdruckströmungsweg erstreckt sioh von dem Auslaß des Verdichters 22 aus bis zum Einlaß der Turbine 24. Der Niederdruckströmungsweg erstreckt sich von dem Auslaß der Gasturbine 25 aus zum Einlaß des Verdichters 21. Der Hochdruckströmungsweg hat zwei ventilgesteuerte Nebenleitungen, und zwar die Leitungen 31 und 32, die gesteuerte Bruchteile des Gasstromes um den Rekuperator bzw. den Reaktor 23 herumleiten. Die Nebenleitung 31 ermöglicht ein Senken der Temperatur des in den Reaktor 23 einströmenden Gases. Die Nebenleitung 32 ermöglicht, das in den Reaktor 23 einströmende Gas dem den Reaktor verlassenden Gas beizumischen, und wirkt auf diese Weise ein, um die Eintrittstemperatur des in die Turbine 2k einströmenden Arbeitsfluids herabzusetzen.

Das ⁿEinwellenⁿ-Gasturbinenkraftwerk 40 nach Fig. k ist dem Kraftwerk 20 nach Fig. 3 sehr ähnlich, wobei gleiche Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Zusätzlich sind jedoch ein Mitteldruckgasverdichter 41 und zwischen den Verdichtern 2l/4i und 41/22 Zwischenkühler 29a, 29b vorgesehen.

In diesem Beispiel ist als Alternative zu der Nebenleitung 32 naoh Fig. 3 eine ventilgesteuerte Nebenleitung 42 vorgesehen, die einen Teil des in die Wärme aufnehmende Seite des Rekuperators 26 eintretenden Gases zum Auslaß des Reaktors 23 leitet. Wie die vorerwähnte Nebenleitung 32 bewirkt auch die Nebenleitung 42 eine Senkung der Einlaßtemperatur des in die Turbine 24 einströmenden Arbeitsfluids.

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Die Höchst— und die Mindesttemperatur des Kreislaufes der Kraftwerke 20 und 40 betragen 1240°K bzw. 310°K.

Der Gashöchstdruck in beiden Kraftwerken beträgt 60 afc.

P at en t an sp rü cn e;

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Claims (6)

1. - 8 -Patentansprüche

   Gasturbinenkraftwerk mit geschlossenem Kreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestandteile Gasverdichtereinrichtungen (21,22), eine Wärmequelle (23), Gasturbineneinrichtungen (24, 25) ein Rekuperatur (26) und ein Wärme abführender Gaskühler (27) vorgesehen sind, wobei ein Hochdruckströmungsweg für Gas hintereinander den Auslaß der Verdichtereinrichtungen (21, 22), die Wärme aufnehmende Seite des Rekuperators (26), die Wärmequelle (23) und den Einlaß der Gasturbineneinrichtungen (24, 25) miteinander verbindet, und wobei ein Niederdruckströmungsweg für Gas hintereinander den Auslaß der Gasturbineneinrichtungen, die Wärme abgebende Seite des Rekuperators, den Gaskühler (27) und den Einlaß der Verdichtereinrichtungen miteinander verbindet, während die Hochdruckseite des Strömungsweges zwei Nebenleitungen (31» 32) aufweist, die je so eingerichtet sind, daß sie einen geregelten Bruchteil des Gesamtgasstromes um einen oder mehrere in dem Strömungsweg liegende Bestandteile herumleiten, was eine Senkung der Gastemperatur am Einlaß der Wärmequelle (23) und am Einlaß der Gasturbinen·, einrichtungen (24, 25) zur Folge hat.
2. 2. Kraftwerk nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß eine (3I) der Nebenleitungen es ermöglicht, einen Gasstrom um die Wärme aufnehmende Seite des Rekuperators (26) herumzuleiten.
3. 3. Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet , daß eine (32) der Nebenleitungen es ermöglicht, einen Gasstrom um die Wärmequelle (23) herumzuleiten .
4. 4. Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß eine (ß) der Nebenleitungen es ermöglicht,

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   einen Gasstrom sowohl um die Wärme aufnehmende Seite des Rekuperators (26) als auch um die Wärmequelle (23) herumzuleiten, indem der Auslaß der Gasverdichtereinrichtungen (22) und der Einlaß der Gasturbineneinrichtungen (25) unmittelbar miteinander verbunden sind, während die andere (31) der Neben— leitungen es ermöglicht, einen Gasstrom um die Wärme aufnehmende Seite des Rekuperators (26) herumzuleiten.
5. 5. Kraftwerk nach einem der Ansprüche Ibis 4, dadurch gekennze ich net, daß die Gasturbineneinrichtungen eine die Gasverdichtereinrichtungen (21, 22) antreibende erste Turbine (24) und eine einen Stromgenerator (28) antreibende zweite Turbine (25) enthalten.
6. 6. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 Ms 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverdichtereinrichtungen aus mindestens zwei hintereinander geschalteten Gasverdichtern (21, 22) bestehen, wobei Kühleinrichtungen (29) vorgesehen sind, um das von dem Auslaß des einen Gasverdichters (21) zum Einlaß des anderen Gasverdichters (22) strömende Gas zu kühlen,

   7· Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (23) aus einem Kernreaktor besteht.

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