DE1601661A1

DE1601661A1 - Geschlossene Gasturbinenanlage fuer CO2

Info

Publication number: DE1601661A1
Application number: DE19671601661
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing David Schmidt
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1967-11-08
Filing date: 1967-11-25
Publication date: 1970-07-23
Also published as: FR1586952A; BE723446A; US3512358A; CH482918A

Description

zum Patentgesuch

der Firma Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,Winterthur/Schweiz

betreffend:

"Geschlossene Gasturbinenanlage für

Die Erfindung betrifft eine geschlossene Gasturbinenanlage für COp in Verbindung mit einem Kernreaktor oder einer anderen geeigneten äußeren Wärmequelle,, wobei zwischen einer Stelle höheren Druckes und einer Stelle tieferen Druckes mindestens ein Speicher an den Gaskreislauf angeschlossen ist, um bei Laständerungen den Druck in der Anlage und damit den Mengeninhalt des Kreislaufes zu ändern.

Es ist bekannt, die in einem Kernreaktor erzeugte Wärme in einer geschlossenen Gasturbinenanlage, in der das Reaktorkühlmittel, z.B. Helium oder CO-, als Arbeitsmittel zum Antrieb der Gasturbine verwendet wird, in elektrische Energie umzuformen. Bei einer der bekannten derartigen Anlagen wird die Anpassung an die geforderte Leistung in der Weise vorgenommen, daß an den geschlossenen Kreislauf der Anlage mindestens ein Speicher angeschlossen ist, in dem

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bei absinkender Last eine dem geschlossenen Kreislauf entzogene Menge des Arbeitsmittels gespeichert oder aus dem bei steigender Last zusätzliches Arbeitsmittel dem Kreislauf zugeführt werden kann, üb z.B. in Abhängigkeit von der Drehzahl de.r Gasturbinenwelle eine Leistungsregulierung der Anlage zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Anlagen, bei denen als Arbeitsmittel COp verwendet wird, eine möglichst einfache und wirksame Leistungsregelung der Anlage zu schaffen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem Speicher Kühlmittel vorhanden sind, durch die CO₂ bei Lastabsenkung verflüssigt wird. Dies kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß der Durchfluß von Kühlmittel durch den Speicher von dem Leistungsregler der Anlage beeinflußt wird.

Ein zusätzlicher wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Verflüssigung eines Teiles des gespeicherten COp die erforderliche Größe für den Speicherbehälter erheblich reduziert wird.

Bei einer ersten AusfUhrungsform wird der Speicher vorteilhaft über je eine mit einem Regulierventil versehene Leitung mit dem Ausgang bzw. mit dem Eingang der Verdichtungsstufen des Kreislaufes verbunden. Der Speicher kann jedoch auch über eine einzige Leitung mit dem Kreislauf verbunden sein und im unteren Teil des Speichers kann ferner Heizmittel vorgesehen sein. Weiterhin ist es möglich, den Anteil der Flüssigkeit in dem Speicher zu regeln.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zweier in der Zeichnung dargesteller Ausführungsbeispiele. Ih der Zeichnung zeigen:

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Fig. 1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel und

Flg. 2 das Schema einer zweiten Anlage nach der Erfindung.

Gleiche Teile sind In beiden Darstellungen mit gleichen Bezugsziffem versehen.

Bei den In der Zeichnung gezeigten einwelligen Anlagen treibt die Gasturbine 1 über die Welle 2 die Verdichtungsstufen 5 und gleichzeitig den Nutzleistungsgenerator k an. Dem geschlossenen COp-Kreislauf wird in dem Kernreaktor 5 Wärme von auSen zugeführt, während der Kühler 6 der Wärmeabfuhr dient, wobei die Wärme an ein in der Kühlschlange 7 fließendes Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, abgegeben wird.

Zur Anpassung der Anlage an die geforderte Leistung dient in bekannter Welse der Speicher 8, der in dem Beispiel nach Flg. 1 über mit Auf-Zu-Vehtilen 11 und 12 versehene Leitungen 9 und Io an einer Stelle 13 höchsten Druckes und einer Stelle lh niedrigsten Druckes an den Kreislauf angeschlossen 1st. Erfindungsgemäß liegt das Arbeltsmittel in dem Speicher 8 teilweise in flüssiger Form vor. Um eine Verflüssigung des COp in dem Speicher 8 zu erreichen, 1st in diesem eine Kühlschlange 15 vorgesehen, bei der der Durchfluß des Kühlmittels, im allgemeinen eine Sole oder Wasser, mit Hilfe des Regelorgans 16 reguliert werden kann.

Im Beispiel nach Fig. 1 erfolgt die Leistungsregulierung der Anlage durch den Regler 17 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle 2; die in dem Drehzahlmesser l8 gemessene Drehzahl wird dabei über die Signalleitung 19 auf den Regler 17 gegeben. Dieser wirkt seinerseits über die Leitungen 2o und 21 auf die Ventile 11 und 12. Ein weiteres

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Ausgangssignal des Reglers 17 reguliert über die Signalleitung 22 den Durchfluß* des Kühlmittels durch die Kühlschlange 15· -

Bei einem Lastabfall, der eine Erhöhung der Drehzahl über ihren Sollwert bewirkt, veranlaßt das S/iignal auf der Leitung 19 den Regler 17 zur Ausgabe von Stellsignalen, die über die Leitung 2o ein öffnen des Ventils 11 und gleichzeitig über die Leitung 22 eine Vergrößerung des Kühlmittelstromes bewirken. Dadurch kann eine Teilmenge des CO₂ aus dem Kreislauf über die Leitung 9 abströmen, da der Druck an der Stelle 13 den Druck in dem Speicher 8 übersteigt. Die gleichzeitige Erhöhung des Kühlmittelstromes in der Schlange 15 bewirkt eine mindestens teilweise Kondensation dieser zusätzlich dem Speicher 8 zugeführten Teilmenge, so daß in dem Speicher 8 der Flüssigkeitsspiegel erhöht wird, ohne daß der Druck in ihm wesentlich ansteigt. Wie schon erwähnt, können durch die Verflüssigung einer Teilmenge des COp die Abmessungen des Speichers 8 relativ klein gehalten werden. Umgekehrt wird bei einer Lasterhöhung das Ventil 12 in der Leitung Io geöffnet, während das Ventil 11 dann geschlossen bleibt. Infolge des gegenüber dem Druck an der Stelle 14 erhöhten Druckes in dem Speicher 8 fließt eine zusätzliche Arbeitsmittelmenge nach öffnen des Ventils 12 solange/in den Kreislauf ein, bis - ausgelöst vom Drehzahlmesser l8 - der Regler 17 das Ventil 12 schließt. Die durch das abströmende Gas verursachte Druckerniedrigung in dem Speicher wird durch teilweise Verdampfung der in ihm vorhandenen Flüssigkeit dabei ausgeglichen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist zwischen dem Speicher 8 und dem Kreislauf ^ur eine einzige

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▼erbindungsleitung 9 »it Auf-Zts-Ventil 11 vorhanden, die wieder« an einer Stelle 13 höchsten Druckes in den Kreislauf einbändet. Weiterhin 1st gegenüber Fig. 1 in der gespeicherten Flüssigkeit la Speicher 8 zusätzlich eine Beizschlange 26 vorgesehen, die alt de« Wasserkreislauf 7 des Kühlers 6 zusaoBenhängt rad von diese« «it in dee Kühler 6 erwämten Wasser gespeist wird, fiber zwei gleichzeitig gegenläufig verstellbare Regelorgane 27 und 23 kann dabei der Wasserrueklauf aus dem Möller 6 ganz oder teilweise durch die Heizschlange 26 geführt werden, ehe er aus der Anlage abströmt.

Die Regelung eier Auslage maeh Fig. 2 isfc gegenüber dee ersten Beispiel ebenfalls etwas modifiziert. 3m denn Seperator % 1st hier elm ndLehfc gezeigter luastgeber vor— harademi, der über äie Signalleifeuzig 29 das SollwerfcsigEial für dem Kegler j$o liefert» üeh al&sem wirdl eier Sollwert nisit eEeiffi Isfew©i?fc einer MixpeatEPegelTaiEig vergpLi-eheanL* die das MiveaEE des Fllissigteeitsspiegels im dent Speieiner HEtSt wssä bei der der Meßwert· f tür das Kiweaui Iber die SigEtalleifeung 3>1 im den legier 3® gelangt.

Bei steigender Last wird ζ .B. der Sollwert für die

erEEiedrlgt« Sie dadtireii eafestefiende Äbwel-ζίίπΕ Istwert lost iis dem Regler 5o- ein erstes Signal aus, das liber dfe Leitungen 52, 32a die Organe Sf und 2® sa verstellt, dal die W&rrmzxtäxüa? eesf Heizschlange 26 erwilwi raifi eiae gewisse Flt!ssigiEeitsnieiige verdanipft.

steigt der UnteiE im SgeicÄer¹ 8» so daü naefe des Venfcils IH, das ebenfalls voei Kegler 3© über 55 verzögert geSffflet wird, eine gewisse Bfesge Arbeitsmittel fm dem Kreislauf einströmen kajcoa* Über die SigEEslIeifctmg kaum im diesem Falle gleichzeitig der Strara dmrA die 15 dtnreh. ©Fosselm oder Äbsperrein des

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In dem Organ l6 vermindert oder unterbrochen werden. Der gleiche Regelablauf erfolgt» wenn bei gleichbleibender Last das Istwertniveau Infolge einer Störung über¹ den einstellten Sollwert ansteigt.

Bei einem Absinken der Last bzw. bei eine« Absinken des Istwertes des Niveaus unter den Sollwert wird entsprechend durch Erhöhung des Kühlmittelflusses in der Kühlschlange 15 und Erniedrigen bzw. Abstellen der Wärmezufuhr zur Heizschlange 26 ein Teil des gasförmigen CO-in den Speicher 8 kondensiert, der Druck int Speicher 8 erniedrigt und dadurch nach Offnen des Ventils 11 ein Einströmen von Gas aus dem Kreislauf in den Speicher B ermöglichet.

Als zahlenmäßiges Beispiel für die In den gezeigten AnT «gyn herrschenden Drücke sei noch erwähnt, daS unter Annahme einer Temperatur von etwa 25 bis 3o°C in dem Speicher 8 ein Gleichgewichtsdruck zwischen flüssiger Had gasförmiger Phase von etwa 65 bis 75 at herrscht. Der an der Stelle 13 herrschende Maximaldruck der Anlage kann, dann bei etwa 15o bis 2oo at im Vollastbetrieb liegen* wahrend der tiefste Druck in der Anlage an der Stelle T& etwa 2o bis 3o at hefeägt. Bei Teillast sinkt der Bfaximaldruek dann beispielsweise auf loo bis 150 at, während der Bfinlmaldruck an der Stelle 14 sowie der durch die Temperatur bedingte Speicherdruck im wesentlichen unverändert bleiben.

Selbstverständlich kann die Anlage auch in einem anderen Druckbereich arbeiten, vor allem dann, wenn die Temperatur in dem Speicher 8-unter umständen künstlich auf anderen Werten gehalten wird.

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Selbstverständlich ist die Erfindungnicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie kann in gleicher Weise bei zwei- odernBhrwelligen Anlagen mit mehreren Verdichtungs- und Entspannungsstufen angewendet werden. Weiterhin ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Regelung bei Anlagen zu verwenden, bei denen das COp im Kreislauf selbst teilweise verflüssigt wird. Schließlich sind die gezeigten Ausführungen für die Regelanordnungen und die darin vorgenommene Auswahl der für die Regelung verwendeten Meß- und Stellgrößen nur als Beispiele anzusehen, die durch andere geeignete Regelgrößen in bekannter Weise ersetzt werden können, wobei unter Umständen geringfügige Abwandlungen der Regelanordnungen vorgenommen werden.

Es sei noch erwähnt, daß in der Zeichnung mechanische Antriebe als Doppellinien und das Arbeitsmittel führende Leitungen als einfache Linien dargestellt sind, wobei die Strömungsrichtung des Oases durch Pfeile angedeutet ist. Gestrichelte Linien geben Signalleitungen wieder, bei denen die Signalflußrichtung ebenfalls angezeigt ist.

- Patentansprüche -

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Claims

- 8 Patentansprüche

iVl. ) Geschlossene Gasturbinenanlage für CO« in Ver-'"Uindung mit einem Kernreaktor oder einer anderen geeigneten äußeren Wärmequelle,wobei zwischen einer Stelle höheren Druckes und einer Stelle tieferen Druckes mindestens ein Speicher an den Gaskreislauf angeschlossen ist, um bei Laständerungen den Druck in der Anlage und damit den Mengeninhalt des Kreislaufes zu ändern, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Speicher (8) Kühlmittel (15) vorhanden sind, durch die CO₂ bei Lastabsenkung verflüssigt wird.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je eine mit einem Regulierventil (11, 12) versehene Leitung (9, lo) den Ausgang (13) bzw. den Eingang (l4) der Verdichtungsstufen (3) mit dem Speicher (8) verbindet.
3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (8) über eine einzige Leitung (9) mit dem Kreislauf verbunden ist, und daß ferner im unteren Teil des Speichers (8) Heizmittel (26) vorgesehen sind.
4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß des Kühlmittels (15) durch den Speicher (8) von dem Leistungsregler (17* 3°) der^Anlage beeinflußt wird.
5. Gasturbinenanlage nach Anspru^'i 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Flüssigkeit in dem Speicher (8) geregelt wird.

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